Verfahren zier fortsehr eitenden Trennring eines Gasgemisches. Die Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren zur fortschreitenden Trennung eines Gasgemisches.
Gewöhnlich wird die Trennung eines Gas gemisches dadurch herbeigeführt, da.ss das Gasgemisch auf eine niedrige Temperatur gebracht wird, wodurch eine der Komponen ten flüssig wird oder dadurch, da.ss dem Gas- ,)(,Misch Gelegenheit gegeben wird,
teilweise durch eine poröse Wand hindurchzutreten (-der teilweise von einem strömenden Gase mitgeführt zu werden.
Eine der in dieser Weise erhaltenen Fraktionen kann dann wie derum einem gleichen Trennungsverfahren unterworfen werden und dieses Verfahren kann so oft wiederholt werden, bis man eine Fraktion der gewünschten Zusammensetzung (,rhä,lt. Ausser da,ss man, wenn man auf diese Weise vorgeht, sehr schwierig zu einer un unterbrochen arbeitenden Trennungsmethode gelangen kann, hat eine Trennungsmethode die immer n.uf eine einzige Fraktion (selbst verständlich die erste oder die letzte Frak tion) angewendet wird, den Nachteil, dass die andern Fraktionen, die noch einen bedeuten- den Teil des zu gewinnenden Gases enthal ten können, unbenutzt bleiben.
Das vorliegende Verfahren zur Trennung eines Gasgemisches gestattet nicht nur" ohne Schwierigkeit die Durchführung eines un unterbrochenen Betriebes, sondern es wird dabei auch jede gerade gebildete Fraktion selbsttätig einer neuen Entmischung unter worfen. Auf diese Weise kann eine weit gehende Trennung eines Gasgemisches leich ter durchgeführt werden, als dies durch die bisher bekannten Verfahren möglich war, unter guter Ausbeute an abgeschiedenen Ga sen.
Das Verfahren gemäss der Erfindung be steht darin, dass eine Reihe von Diffusions- entmischungselementen verwendet wird, von denen jedes für sich imstande ist, eine teil weise Entmischung in mindestens zwei Frak tionen herbeizuführen, die je nach ihrer Zu sammensetzung einem Vorhergehenden und einem Nachfolgenden zugeführt werden.
Da bei ist es auch möglich, eine der Fraktionen dem betreffenden Enimischungselement selbst zuzuführen, Dabei sind unter<B>Ei</B> ntmischttngs- elementen auf beiden Seiten nicht nur die unmittelbar benachbarten Entmischungs- elemente, sondern auch andere Elemente der Reihe zu ' verstehen.
Zweckmässig wird die Trennung, wie man sehen wird, derart ausgeführt, dass die von einem Ent- mischungselement einem zweiten Entmi- schungselement zugeführte Gasmenge nahezu gleich der von dem zweiten Entmischungs- element dem ersten zugeführten Gasmenge ist. Auch kann die Trennung derart ausge führt werden, dass die den Entmischungs- elementen- auf einer Seite der Zuführungs stelle zugeführten Gasmenge nahezu gleich der den Entmischungselementen auf der an dern Seite zugeführten Gasmenge ist.
Dabei ist unter Menge das Volumen bei gleichem Druck und gleicher Temperatur, in andern Worten die Anzahl der Moleküle zu ver stehen.
Dieses Verfahren wird,. nach obigem, mit Hilfe einer Reihe von Vorrichtungen ausge führt, die jede für sich eine teilweise Tren nung des Gasgemisches herbeiführen können, und die als solche von einer bekannten Form oder Bauart sein können. Wird einem sol chen' Entmischungselement, das, um die Er läuterung zu vereinfachen, in folgendem mit dem Buchstaben C bezeichnet werden soll, ein Gasgemisch bestimmter Zusammensetzung zugeführt, so wird, nachdem in diesem Ele ment eine teilweise Entmischung stattgefun den hat, die Zusammensetzung der in dieser 'NNTeise gebildeten Fraktionen von der Zu sammensetzung des ursprünglichen Gasge misches abweichen. .rede dieser Fraktionen wird z.
B. mittelst Pumpen, .dem Elemente, worin sie gebildet wird, entzogen und einem andern Entmischungselement oder auch dem selben Entmischungselement zugeführt; wenn zum Beispiel im Entmiscliungselement C zwei Fraktionen gebildet. worden sind, so kann die eine Fraktion dem vorlier;gehenden Entmischungselement, das mit dem Buch staben B bezeichnet -werden soll, und die an dere Fraktion dem folgenden Entinischungs- element D zugeführt werden.
Die clem Ent- mischunbselement 73 zugeführte Fraktion wird in diesem Elemente wiederum eine teil weise Entmiseliun- erfahren und in zwei Un terfraktionen zerleg;
-erden, von denen die eine dem vorlier;elienden Entinisehungsele- ment A und die andere clem Entmischungs- element C zugeführt -werden kann.
Älinliclies wird mit der dem @ntmiscliungselement D zu geführten Fraktion und überhaupt mit je der, einem vorher--elienden oder einem naeh- folgenden Entmiscliungselement zugeführten Fraktion vorgenommen.
Im allgemeinen wer- clen in einem bestininitenEntmisehungselement zwei oder mehr von andern Entmischüngs- elementen oder auch von demselben Entmi- sehungselement herkommende Fraktionan zusammenkommen;
das in dieser Weise ent- stanclene Cra.sgemisch wird dann durch die Entmischung wiederum in zwei oder mehr Fraktionen geteilt werden, die wiederum an dern Entmisehun"-selementen oder auch chni- selben Entmischungselement zugeführt w"r- den. Die im ersten und im letzten Ent:
ni- schungselcment befindlichen Gasgemische -erden in der Zusammensetzung am meisten verschieden sein, das eine von ihnen, zuni Beispiel am meiden von der Iioniponente be freit sein, die man mittelst der Trennung zu entfernen tvüncht. Will nian clie TrennunM derart ausfiiliren,
class die von einem i'#,nl-- mischungselement einem zweiten Entini- sehungselement zugeführte ('anien2e nahzu gleich der von dem =eilen @ntmischun@s- element clem ersl-en znz'(,fiilii#len CT < ismen#re ist, wa,:
wir. unten cl,)rgelegt -@@irrl. einem ununterbrochen cn Betrieb mit herhält_ nismässig kleiner C@cmischzufuhr enls#priebt. und sollen dabei die Druckunterschiede au edem Element annähernd gleich sein,
so liat man den Widerstand des Weges vom ersten Tn tmischunnselement zum zweiten minde stens annähernd gleich dem Widerstand des Weges vom zweiten @nf-mischun gselement zum ersten zu machen. Wird die Trennung in einem Entmiceliunyselenient dadurch heibei- ,,
refühK .dass man c113 Gas durch eine poriise- Wand diffundieren hisst, so kann der stand des einen < @ es prahtiseh durch die poröse Wand bestiminf werden, -vährenrf der Widerstand des andern Weges durch eine geeignete Wahl des Durchmessers oder der Länge der zu diesem Zwecke verwendeten Röhre dem vorigen Widerstand ungefähr gleich gemacht wird.
Dabei muss man aber berücksichtigen, dass der Durchmesser dieser Röhre im allgemeinen nicht so klein sein darf, dass in dieser Röhre Entmischungser- scheinungen auftreten und folglich die regel mässige Durchströmung gestört wird. Um das Auftreten von Entmischungserscheinungen zii vermeiden, kann man .den Durchmesser der Röhre grösser wählen, als die freie Weg länge der Moleküle des hindurchströmenden Gases beträgt.
Es kann jedoch eine Röhre, deren Durchmesser so klein ist, d.ass Entmi- schungserscheinungen auftreten, zum Beispiel eine Ka.ppilare, verwendet werden, wenn nur in Serie mit dieser Kappilare zum Beispiel eine weite Röhre von solcher Länge ver wendet wird, dass die Entmischungserschei- nungen dabei genügend zurücktreten.
Da von jedem Entmischungselement Gas von und zu Elementen, die auf ihm in dem selben Sinne in der Reihe folgen, strömen muss, so sind dazu auf das Gas treibend wir- hende Vorrichtungen anzuwenden. Zweck- inä.ssigerweise wird jedes Eutmischungsele- nient mit mindestens einer Pumpe versehen.
Obwohl zum Absaugen jeder einzelnen Frak- iion eine Pumpe verwendet werden kann. empfiehlt es sich häufig, mehrere, von ver- ehiedenen T#',ntniicliung;eleinenten herkom inende Fralftionen finit einer einzigen Pumpe abzusaugen.
So kann zum Beispiel die Ent ziehung einer Fraktion von einem vorher- ehenden und die einer andern Fraktion von einem nachfolgenden Entmischungselement mit einer einzigen Pumpe ausgeführt werden. Tn der Regel werden zum Ausführen des Ver fahrens Pumpen verwendet, deren Leistungen gleich gross sind.
Anstatt eine Trennungsmethode mittelst Diffusion durch eine poröse _'@'and zu be nutzen, kann die Trennung in den Entmi- sehungselementen auch durch jedes andere Diffusionsverfahren stattfinden.
Das Verfahren gemäss der Erfindung soll anhand der beigefügten Zeichnung in zwei Beispielen erläutert werden. Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung, welche aus fünf bintereinan- dergeschalteten Entmischungselementen be steht, von denen jedes für sieh eine teilweise Entmischung dadurch herbeiführt, da,ss das Gasgemisch zum Teil durch eine poröse Wand diffundiert.
Fig. 2 stellt eine Vorrichtung dar, die gleichfalls aus fünf Entmisehungselementen besteht, in der aber jedes Entmischungsele- ment zwei poröse Wände enthält, die jede eine teilweise Trennung herbeiführen können.
In Fig. 1 sind ca, <I>b, e, d</I> und e die fünf Entmischungselemente.Wcnn man eines die ser Entmischungselemente, zum Beispiel e, ins Auge fasst, so bezeichnet 1 eine Röhre, durch die das Gasgemisch nach c strömt, 2 ist eine Röhre mit einer porösen Wand, welche Röhre unten abgeschlossen ist und deren Wandung zum Beispiel aus einer oder mehreren Lagen aufgerolltem Papier be stehen kann. Die Röhre 2 befindet sich im Innern der Röhre 1 und ist mit dieser derart verbunden, dass! eine Gasströmung von der Röhre 1 nach dem Innern der Röhre 2 aus schliesslich durch die poröse Wand hindurch stattfinden kann.
Zu diesem Zweck ist das obere Ende der R.öhrel, die aus Glas bestehen kann, durch Verschmelzung an einer Röhre 3 befestigt, welche die Verlängerung der Röhre ist. Die Röhre 1 ist am obern Ende umge bogen und ist unter Zwischenschaltung der engen Röhre 4 mit der Pumpe 5 verbunden. die das durch das Entmischungselement d zu trennende Gasgemisch fördert, während die Röhre 3 mit der Pumpe ö verbunden ist, die das durch das Entmischungselement b zu trennende Gasgemisch fördert. Der Vlider- stand, den das durch die poröse Wand strö mende Gas findet, ist dem Widerstand der engen Röhre 4 nahezu gleich.
In das Entmi- schungselement c werden nun mittelst der Pumpe 9 zwei Fraktionen zusammengebracht. von denen die eine durch die enge Röhre 7 zugeführt wird und von dem Entmischungs- element b herkommt, während diä andere durch die Röhre 8 strömt und von dem Ent- mischungselement d kommt.
Durch die Ent mischung im Element c entstehen wiederum zwei Fraktionen, von denen die eine durch die Röhre 3 zum Entmischungselement b und die andere, wie schon gesagt, durch die Röhre zum Entmischungselement d geführt wird. In dieser Weise wird jede Fraktion, nachdem sie aus einem gewissen Entmischungselement einem vorhergehenden bezw. folgenden Ent- mischungselement zugeführt worden ist, wie der zum Teil zum erstgenannten<B>EI</B> ntini- schungselement zurückgeführt.
Hinter der Pumpe 9 ist in der Röhre 1 eine U-Röhre 10 zwischengeschaltet, die mittelst flüssiger Luft gekühlt sein kann, um das zu trennende Gasgemisch von von der Pumpe herrühren den Unreinigkeiten zu befreien.
Um nun mit Hilfe dieser Vorrichtung ein bestimmtes Gasgemisch zu trennen, wird eine gewisse Menge dieses Gemisches in die Vor richtung, zum Beispiel in das erste Entmi- schungselement eingeführt. Zu diesem Zwecke wird die Vorrichtung erst möglichst hoch ent lüftet, worauf das Gasgemisch zugelassen wird, bis ein bestimmter Druck, zum Beispiel von<B>0,5</B> mm Quecksilbersäule, erreicht ist. Darauf wird die Vorrichtung in Betrieb ge setzt, bis in der Verteilung des teilweise ge trennten Gasgemisches über die verschiedenen Entmischungselemente ein CTleichge%viclitS- zustand entstanden ist.
In den besonders zu diesem Zwecke vorgesehenen Gefässen 12 und 11, die mit dem ersten bezw. letzten Entmi- sehungselement verbunden sind, befinden sich dann Fraktionen, die an bestimmten Kompo nenten verarmt bezw. bereichert sind. Im Falle einer Trennung eines Gemisches von zwei Gasen wird sich eine Fraktion, die reich an der einen Komponente oder sogar prah- tiseh frei von der andern Komponente sein kann, im Gefäss 11 und eine Fraktion, die reich an der andern Komponente ist, im Ge fäss 12 ansammeln.
Wenn man zum Beispiel ein Gemisch von Helium und Neon trennen will, so wird mit Rücksicht auf den Um stand, rlass Helium die grösste Diffusionskon stante hat, dieses Gas mehr nach links als nach rechts strömen; bis der Gleichgewichts- zustand erreicht ist. Man wird dann im Ge fäss 12 ein helhinireielies Gemisch antreffen.
Die Anzahl von Entmischungselementen, die man gebrauchen muss, hängt natürlich von dem Grad der Trennung ab, den man zu er reichen wünscht und von dem Verhältnis der Diffusionskonstanten der zu trennenden Gase. Der Gleichgewichtszustand wird er reicht, wenn die von einem Entmiscliung- element einem zweiten Entinischungseleinent zugeführte CTasmenge \der von dem zweiten Entmischungselement dein ersten zugeführ ten Gasmenge vollkommen gleich ist.
Der Vorrichtung kann aber im ununter- brochenen Betrieb an einer Zwischenstelle der Reibe ein Gasgemisch zugeführt und von ihr die Endfraktionen, oder auch weitere Fral-z- tionen entzogen werden. -Man erhält dann einen stationären Zugtand, in dem nun aber nicht, wie oben beschrieben wurde,
die von einem Entmischun gselement einem zweiten Entmischungselemerit zugeführte Gasmenge vollkommen gleich der von dem zweiten Ent- inischungselement dein ersten zugeführten Glasmenge ist.
Die Gasmenge, die von der Einführungsstelle in der Richtung der Ge fässe strömt, wo Gasentziehung von der Vor- riehtung stattfindet, wird nun grösser sein, As die in umgchelirter Richtung strömende Gasmenge, und zwar wird dieser Unterschied durch die entzo"ene Gasmenge angegeben. Um aber eine \@@-lü@ri@F Trennung zu erzielen,
muss die in der Zeiteinheit entzogene Gas menge in bezug auf die in der gleichen Zeit von einem Entmischungselement zum näch- sten strömende Menge klein sein. Wird diese Bedingung nicht erfüllt, so erhält man zwar eine grössere Ausbeute, aber die Trennung wird schlechter.
la ist also vorteilhaft, auch falls der Vorrichtung unmiterhi-oclien Gas zu- geführt und entzogen wird, das Verfahren derart auszuführen,
dass die von einem Ent- inischungselement einem zweiten Entmi- schirngselement zugefiilirte Gasmenge nahezu gleich der von dem zweiten Entmischungs- element dem ersten zuführten Gasmenge ist. Die Zusammensetzung des durch die po röse Wand hindurchdiffundierenden Gasgc:- misches wird über die Oberfläche der porösen -#i'and nicht dieselbe sein.
Der Teil der porö sen Wand, der zuerst mit dem zu trennenden Gasgemisch in .Berührung kommt, in diesem Falle der untere \feil der porösen Wand, wird ein Gemisch durchlassen, das in bezug auf das ankommende Gemisch reicher an der Komponente mit der grössten Diffusiollskoli- sta.nte sein wird.
Betrachtet man insbeson dere, um die Darstellung zu vereinfachen, den Fall eines Gemisches voll Helium und Neon, so wird der untere Teil der porösen Wand ein heliumreicheres Gemisch durchlasen; da durch kann es aber vorkommen, dass das Ge misch, das sich in der Röhre 1 in der Hölle des obern Teils der porösen Wand befindet, derart an Helium verarmt ist, dass das an die ser Stelle durchgelassene Gemisch ebene irm oder sogar ärmer an Helium ist, als das von der Pumpe 9 zugeführte Gemisch. An dieser Stelle der porösen Wand hat also die Tren nung keine Nutzwirkung mehr.
Um diesen Übelstand zu beheben, empfiehlt es sich, durch die poröse Wand nur einen kleinen Teil des Gasgemisches abzusaugen und das übrige grösstenteils durch eine zweite poröse Wand zu demselben Entmischungselement zurück zuführen. Dies wird an der Hand von Fig. Z näher erklärt werden.
In Fig. 2 bezeichnen a',<I>b', c', d' und e'</I> die fünf Entmischungselemente. Im Entmi- schungselement c' ist 1 3 die Röhre, durch welche die Pumpe 14 das zu trennende Gas gemisch, zum Beispiel Helium-Neon, zuführt. In dieser Röhre 13 befindet sich die poröse Röhre 16; ferner ist. die Röhre 13 durch eine enge Röhre 1 7 mit einer Röhre 18 verbunden, in der sich eine zweite poröse Röhre 19 be findet.
Diese Röhre 19 geht in einen nicht porösen Teil 20 über und ist durch Ein schmelzung in der Röhre 18 befestigt. -Mit- telst der Pumpen 15, 14 und 21 werden nun Fraktionen des von der Röhre 13 zugeführ-. ten Gasgemisches abgesaugt. Die Einrich tung kann null so getroffen werden, dass zum Beispiel durch die poröse Wand 16 ein Sechs- tel, durch die poröse M'alid 19 vier Sechstel und durch die Röhre 18 ein Sechstel abge saugt wird.
Die durch die poröse Wand 19 abgesaugte Fraktion wird nun durch die Röhre ZO wiederum dem Entmischlingsele- ment c' selber zugeführt. Damit diese Frak tion viermal so gross als jede der Fraktionen sei, die durch die poröse Wand 16 und durch die Röhre 18 abgesaugt worden sind, ist es nötig, dass. der Widerstand der porösen Wand 16 und der Röhre 18 je viermal so gross als der der porösen Wand 19 sei. Am ersten und am letzten Element sind zwei Gefässe 22 und 23 angebracht, in denen sich die helium reichste bezw. neonreichste Fraktion ansam meln.
Es hat sich herausgestellt, dass mit dem Verfahren gemäss der Erfindung, selbst in Gemischen von Gasen, die bisher schwer zu trennen waren, eine sehr weitgehende Trennung erzielt werden bann. Es ist sogar möglich, mit diesem Verfahren Isotopen, zum Beispiel die Isotopen von Neon, mit einer mässigen Anzahl von Entmischungselemen- ten verhältnismässig weitgehend voneinander zu trennen.
Obwohl in den oben beschriebenen Aus führungsbeispielen die entmischten Fraktio nen den unmittelbar neben dem entmischen den Element liegenden Entmischungselemen- ten zugeführt werden, so können die Fraktio nen auch weiter entfernt liegenden Elemen ten zugeführt werden.