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Vorrichtung zum kontinuierlichen Trennen der Komponenten einer Gasmischung
durch Chromatographie Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen einer
aus verschiedenen Komponenten bestehenden Gasmischung in ihre Komponenten auf dem
Wege der Chromatographie, wobei die unterschiedliche Flüchtigkeit der Komponenten
gegenüber dem bei der Chromatographie verwandten absorbierenden Stoff ausgenutzt
wird.
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In der Fachliteratur wurde bereits eine auf diesem Prinzip aufgebaute
Vorrichtung zum kontinuierlichen Trennen einer Gasmischung in ihre Komponenten vorgeschlagen,
bei der eine drehbare ringförmige Schicht aus adsorbierenden Stoffen mit zwei voneinander
getrennten, feststehenden Zuleitungen für das Gemisch und das Trägergas und zwei
voneinander getrennte, feststehende Ableitungen für die getrennten Komponenten vorgesehen
sind. Dieser Vorschlag geht jedoch über allgemeine Angaben nicht hinaus und kann
daher nicht als Konstruktionsbeispiel angesehen werden.
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Bekannt ist noch eine konstruktiv durchgebildete Vorrichtung zum
Trennen eines Gasgemisches mittels Gaschromatographie. Mit dieser Vorrichtung ist
aber nur eine annähernd kontinuierliche Trennung möglich, da das Gasgemisch.impulsweise
zugeführt werden muß. Bei dieser bekannten Vorrichtung strömen das zu trennende
Gasgemisch und das Trägergas in Querrichtung durch die aus dem Adsorptionsmittel
gebildete Trennsäule. Die hierbei erzielbare Trennung bzw. der Reinheitsgrad der
getrennten Komponenten liegt unter dem Wert, der bei einer Strömung des Gasgemisches
und des Trägergases in Längsrichtung durch das Adsorptionsmittel möglich ist.
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Die beanspruchte Vorrichtung soll eine ununterbrochene, kontinuierliche
Trennung der Komponenten zulassen, wobei die getrennten Komponenten einen hohen
Reinheitsgrad aufweisen und keine Abdichtungsprobleme der sich bewegenden Teile
vorhanden sind.
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Ausgehend von der eingangs genannten Vorrichtung, die aus einer drehbaren
ringförmigen Schicht aus adsorbierenden Stoffen mit zwei voneinander getrennten,
feststehenden Zuleitungen für das Gemisch und das Trägergas und zwei voneinander
getrennten, feststehenden Ableitungen für die getrennten Komponenten besteht, wird
die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine drehbare Scheibe mit einem
ringförmigen, an der Oberseite offenen Kanal für das Adsorptionsmittel und mit einer
großen Zahl von Bohrungen in der Unterseite, die mit porösem Material gefüllt sind,
eine feststehende Grundplatte unterhalb der Scheibe mit einer die Bohrungen abdeckenden
Ringdichtung, durch die die beiden Zuleitungen
dringen, eine drehbare, mit der Scheibe
verbundene Deckplatte oberhalb der Scheibe mit Bohrungen und eine mit der Grundplatte
federnd verbundene Abdeckplatte mit einer die Bohrungen abdeckenden Ringdichtung
und diese durchdringende Ableitungen vorgesehen sind.
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In weiterer Ausbildung dieses Gedankens wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
daß in der Abdeckplatte noch eine weitere dritte Ableitung vorgesehen ist.
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An Hand der Zeichnungen wird die Vorrichtung näher erläutert.
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F i g. 1 ist ein Grundriß der Vorrichtung; Fig. 2 ist eine vergrößerte
Teilaufsicht auf die drehbare Scheibe ohne Adsorptionsmittel; F i g. 3 ist ein vergrößerter
vertikaler Teilschnitt entlang der in F i g. 1 eingetragenen Linie E-III; F i g.
4 ist ein schematisches Strömungsbild.
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Gemäß F i g. 3 ist eine Scheibe 1 an einer senk recht stehenden Welle
2 befestigt. Nahe am Umfang der Scheibe 1 ist ein Kanal 3 vorgesehen. Der Boden
des Kanals 1 ist über eine große Anzahl vertikaler Bohrungen 4 mit dem Boden der
Scheibe 1 verbunden. Bei Verwendung der in F i g. 2 gezeigten versetzten Anordnung
der Bohrungen 4 kann eine größere Anzahl untergebracht werden. Unmittelbar oberhalb
der Scheibe 1 ist in vertikaler Richtung frei beweglich eine Deckplatte 6 angebracht.
Die Deckplatte 6
und die Scheibe 1 sind durch Paßstifte 7 miteinander
verbunden, die über die Oberseite der Scheibe 1 überstehen, in entsprechenden Abständen
rund um die Scheibe angeordnet und in vertikalen Bohrungen 8 der Deckplatte 6 verschiebbar
geführt sind.
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Der Boden der Deckplatte 6 ist mit einem ringförmig umlaufenden Bund
9 versehen, der etwas in den Kanah 3 hineinragt. Mehrere versetzt zueinander angeordnete
BohrungenlO treten durch den Bund und die Deckplatte 6 durch und verbinden den Kanal
3 mit deren Oberseite. Auf diese Weise wird der Kanah 3 zu einer ringförmigen Kammer
mit Öffnungen an Ober- und Unterseite.
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An der Ober- und Unterseite des durch die Scheibe 1 und durch die
Deckplatte 6 gebildeten drehbaren Teils liegen Abdeckglieder an, durch die die Bohrungen
4 und 10 abgedichtet werden. Das untere Abdeckglied besteht aus einer schweren,
feststehenden Grundplatte 12, die auf ihrer Oberseite mit einer ringförmigen Nute
versehen ist, in der ein Ring 13 aus Dicht- und Lagermaterial liegt, der unmittelbar
an den Bohrungen 4 anliegt. Ein Kunststoff ist geeignet. Der Ring 13 steht etwas
über die Grundplatte 12 über und stützt die sich drehende Scheibe 1 ab. In ähnlicher
Weise besteht das obere Abdeckglied aus einer schweren Abdeckplatte 14, in deren
Unterseite eine Ringdichtung 15 aus Dicht- und Lagermaterial eingelassen ist. Auch
diese Ringdichtung steht etwas über und liegt auf der Deckplatte 6 unmittelbar über
den Bohrungen 10 auf. Die beiden Abdeckplatten werden durch Bolzen 16 zusammengehalten,
die außerhalb der sich drehenden Teile liegen. Eine Mutter 17 am unteren Ende jedes
Bolzens trägt die Grundplatte 12. Die obere Abdeckplatte 14 ist verschiebbar auf
den Bolzen 16 gelagert und wird durch Druckfedernl8 nach unten gedrückt, die zwischen
der Abdeckplatte 14 und Muttern 19 liegen. Infolgedessen werden die beiden Ringdichtungen
13 und 15 und damit die Scheibe 1 und ihre Deckplatte 6 gegeneinander gedrückt.
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Die Kammer 3 ist mit einem Adsorptionsmittel gefüllt, das eine ringförmige
Säule 21 bildet. Um zu verhindern, daß dieses Material in die darüber- und darunterliegenden
Bohrungen 4 und 10 eintritt, und um die Verteilung von dem durch die Bohrungen strömenden
Gas zu unterstützen, können diese mit gasdurchlässigem Material, beispielsweise
mit porösen Metallzapfen 22, gefüllt sein. An Bohrungen, die vertikal durch mindestens
eine der Ringdichtungen und die diese tragenden Platten durchtreten, sind Zu-und
Ableitungen für das Gasgemisch und das Trägergas angeschlossen. Es sind zwei in
Umfangsrichtung gegeneinander versetzte Zuleitungen 23, 24 vorgesehen, und zwar
eine für das zu trennende Gasgemisch und eine für das Trägergas. Außerdem sind zumindest
zwei, vorzugsweise aber drei Ableitungen 25, 26, 27 vorgesehen. Obgleich all diese
Leitungen in der gleichen Abdeckplatte liegen können und sich in einer Platte befinden
müßten, wenn die Bohrungen 4 nicht vorhanden wären, werden die Zuleitungen vorzugsweise
in der einen Platte, beispielsweise der unteren, und die Ableitungen in der anderen
Abdeckplatte vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel läuft die Zuleitung
23 für das Gasgemisch nach oben durch die untere Ringdichtung 13 und steht mit den
unteren Enden einiger der Bohrungen 4 in Verbindung. Die Trägergaszuleitung 24 liegt
um etwa 1800 versetzt gegenüber der Zuleitung 23, wie F i g. 1
zeigt. Eine Ableitung
25 tritt durch die obere Abdeckplatte 14 und die Ringdichtung 15 durch und ist in
Drehrichtung der Scheibe 1 gegenüber der Zuleitung 23 versetzt, wobei sie näher
an dieser liegt als an der Zuleitung 24. Die beiden anderen Ableitungen 26 und 27
befinden sich auf der anderen Seite der Zuleitung 23 und liegen in entsprechender
Weise näher an dieser als an der anderen Zuleitung 24. Diese beiden Ableitungen
26, 27 liegen weiter von der Trägergaszuleistung 24 ab als die Ableitung 25. Die
gegenseitige Lage der verschiedenen Zu- und Ableitungen im Verhältnis zum Kanal
3 sind dem Diagramm in F i g. 4 klar zu entnehmen. Wie in F i g. 4 und auch in F
i g. 1 gezeigt, ist die Drehrichtung des Kanals 3 derart gewählt, daß jeder Punkt
des Kanals 3 sich von der Zuleitung 23 zur Ableitung 25 bewegt, bevor er die Trägergaszuleitung
24 erreicht.
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Beim Betrieb der Vorrichtung wird der Zuleitung 23 ein aus bekannten
Bestandteilen mit unterschiedlicher Flüchtigkeit bestehendes Gasgemisch zugeleitet,
das noch mit einem Trägergas, beispielsweise Stickstoff, gemischt sein kann. Die
Säule 21 besteht aus dem adsorbierenden Stoff, der für die eine Komponente des Gasgemisches
eine geringere Affinität aufweist als die andere. Ein Trägergas, beispielsweise
Stickstoff, wird durch die Zuleitung 24 zugeführt. Dieses Gas strömt in beiden Richtungen
durch die Säule 21. Ein Teil strömt entgegen der Bewegungsrichtung der Säule, der
in die Ableitung 25 eintritt, ein anderer Teil über diese Ableitung hinweg bis zur
Ableitung 26 und der Rest in entgegengesetzter Richtung zur Ableitung 27. Durch
in den Ableitungen liegende Drosselventile kann der durch die einzelnen Ableitungen
ausströmende Gasanteil gesteuert werden. Obgleich die Ableitung 27 nicht unbedingt
notwendig ist, so gestattet sie doch ein Austreten des Trägergases, das sich in
gleicher Richtung mit der Säule 21 dreht, bevor es zur Ableitung 26 weiterströmt.
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Die durch die Zuleitung 23 einströmende Gasmischung wird durch das
Adsorptionsmittel in seine Fraktionen zerlegt. Der Weg des geringsten Widerstandes
für dieses Gas führt durch die Säule 21 von der Zuleitung 23 zur Ableitung 26, weil
die Strömung in der entgegengesetzten Richtung durch das Trägergas verhindert wird,
das entgegengesetzt zur Drehrichtung der Säule 21 in Richtung auf die Ableitung
26 fließt. Die Gasfraktion mit der kleinsten Affinität zum Adsorptionsmittel wird
durch das Trägergas entgegen der Drehrichtung des Adsorptionsmittels durch dieses
hindurch getragen und strömt an der Ableitung 26 aus. Der Rest des eintretenden
Gasgemisches wird jedoch durch das Adsorptionsmittel ausreichend adsorbiert oder
verteilt, so daß er bis zur Ableitung 25 strömt. Da die rotierende Säule 21 diese
verbleibende Komponente bzw. Komponenten des Gasgemisches entgegen der Uhrzeigerrichtung
mit sich führt, wäscht das in entgegengesetzter Richtung durch die Säule 21 fließende
Trägergas diesen Gasgemischanteil aus und führt ihn durch die Ableitung 25 nach
außen. Jeglicher Bestandteil, den das Trägergas nicht auswaschen kann, bevor die
Fraktion durch die Zuleitung 24 einströmt, wird vor Erreichen der Ableitung27 ausgewaschen
und fließt durch diese nach außen, so daß das Adsorptionsmittel an der Zuleitung
23 immer rein ist. Wenn das eingeleitete Gasgemisch lediglich zwei Komponenten enthält,
beispielsweise Methan und Äthan, so tritt eine praktisch reine Komponente an der
Ableitung 26 aus, und die
andere Komponente tritt an der Ableitung
25 aus.
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Zumindest an die Ableitungen 25 und 26 sind noch (nicht dargestellte)
Anzeige- oder Überwachungsvorrichtungen angeschlossen.
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Alle zu dem Kanal 3 führenden Zu- und Ableitungen können mit Ventilen
versehen werden, wodurch eine Steuerung der Gasströmung in dem Adsorptionsmittel
und der Aufbau der gewünschten Druckzonen in der Säule 21 gewährleistet wird. Durch
geschickte Wahl der Abstände der Zu- und Ableitungen, der Drehzahl der Scheibe 1,
der Strömungsgeschwindigkeiten des Gasgemisches und des Trägergases, der für die
Säule 21 verwendeten Art des Adsorptionsmittels und dessen Temperatur kann eine
weitgehende Trennung der Komponenten erzielt werden. Da die Säule 21 kreisringförmig
und somit in sich geschlossen ist, gibt es kein Problem der Abdichtung an ihren
Enden. Das in beiden Richtungen durch die Säule 21 strömende Gas hält sich selbst
im Gleichgewicht; Ober- und Unterseite der Säule 21 sind durch die Ringdichtnngen
13 und 15 wirksam abgedichtet. Da das Adsorptionsmittel zwischen den sich drehenden
Scheiben und Platten angeordnet ist und von diesen getragen wird, bleibt es bei
der Drehung ungestört zwischen den Ringdichtungen.