DE2652432A1

DE2652432A1 - Gasgemisch-trennvorrichtung

Info

Publication number: DE2652432A1
Application number: DE19762652432
Authority: DE
Inventors: Hideaki Heki; Masayoshi Ohno; Osamu Ozaki
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1975-11-17
Filing date: 1976-11-17
Publication date: 1977-05-26
Also published as: FR2331368A1; FR2331368B1; JPS54429B2; US4119417A; JPS5263178A; DE2652432C2

Description

Henkel, Kern, Feiler & Hänzel Patentanwälte

Möhlstraße 37 Tokyo Shibaura Electric Co., Ltd., D-8000München 80

Kawasaki-shi, Japan Tel.: 089/982085-87

Telex: 0529802 hnktd Telegramme: ellipsoid

1 7, N ο ν,

Gasgemisch-Trennvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine mit Membran versehene Gasgemisch-Trennvorrichtung, insbesondere einen Gasgemischscheider mit ■ zwei jeweils eine Membran enthaltenden Trennzellen, die durch Abscheidung ein angereichertes Gas bzw. durch Abscheidung ein verdünntes Gas liefern.

Eine Scheider- bzw. Trennzelle einer derzeit bekannten Gasgemisch-Trennvorrichtung ist mit einer oder mit zwei Arten von Membranen versehen. Die verwendeten Membranen bestehen dabei aus Silikongummi, Palladium, Polytetrafluoräthylen und Zelluloseacetat.

Die mit einer einzigen Membranart versehene Trennzelle und die mit zwei verschiedenen Membranen ausgerüstete Trennzelle, wie sie bisher verwendet wurden, sind mit dem Mangel behaftet, daß beide Trennzellentypen nur eine niedrige Abtrennleistung besitzen, so daß eine große Zahl von Trennzellen in Kaskadenschaltung angeordnet werden muß, um ein Gas mit ausreichend hoher oder niedriger Konzentration zu liefern. Aus diesem

-2 -

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Grund erwies es sich als notwendig, eine Gasgemisch-Trennvorrichtung mit hohem Scheidewirkungsgrad zu entwickeln.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Gasgemisch-Trennvorrichtung mit einer hauptsächlich für die Gasanreicherung vorgesehenen Trennzelle und einer hauptsächlich für die GasVerdünnung dienenden Trennzelle, wobei beide Trennzellen äußerst effektiv die einer Membran eigene Gastrennfähigkeit, die sich z.B. durch Trennfaktor (separation factor) und Durchlässigkeit bestimmt, und die erhöhte Gastrennleistung aufgrund ihrer Strömungsschemata auszunutzen vermögen.

Diese Aufgabe wird bei einer Gasgemisch-Trennvorrichtung der angegebenen Art erfindungsgemäß gelöst durch eine mit einer Membran versehene erste Trennzelle, durch eine ebenfalls mit einer Membran versehene zweite Trennzelle, durch eine Speiseleitung zur Zufuhr eines aufzutrennenden Gasgemisches zu einer Hochdruckkammer der ersten Trennzelle, durch eine Auslaßleitung, um von der ersten Trennzelle entweder das durch ihre Membran hindurchgedrungene Gas oder das nicht durch diese Membran hindurchgetretene Gas abzuziehen, durch eine Verbindungsleitung zur Leitung des anderen Gases von der ersten Trennzelle zur Hochdruckkammer der zweiten Trennzelle, durch eine Rücklaufleitung, um der Speiseleitung entweder das durch die Membran der zweiten Trennzelle hindurchgedrungene Gas oder das nicht durch diese Membran hindurchgetretene Gas zurückzuführen, und durch eine Austragleitung zur Abfuhr des anderen Gases von der zweiten Trennzelle.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Fließdiagramm zur schematischen Darstellung einer Gasgemisch-Trennvorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung,

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Pig. 2 eine teilweise im Schnitt gehaltene, perspektivische Darstellung einer bei der erfindungsgemäßen Gasgemisch-Trennvorrichtung vorwendeten Trennzelle, und

Fig. 3 ^β^^η Fließdiagramm einer Anzahl von in Kaskade geschalteten Gasgemisch-Trennvorrichtungen gemäß Fig. 1 .

Bei der erfindungsgemäßen Gasgemisch-Trennvorrichtung wird ein abgetrenntes angereichertes Gas von einer ersten Trennzelle und ein abgetrenntes verdünntes Gas von einer zweiten Trennzelle abgezogen, oder umgekehrt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann verschiedenartig aufgebaut sein, abhängig davon, ob ein Gas von der Hochdruck- oder von der Niederdruckseite einer Trennzelle her durch eine Membran hindurchtritt oder nicht. Für den Abzug des Gases von Hoch- und Niederdruckkammern der ersten und der zweiten Trennzelle kommen die folgenden vier Fälle in Betracht:

T. Das Gas wird von der Niederdruckkammer der ersten Trennzelle und von der Hochdruckkammer der zweiten Trennzelle abgenommen;

2. das Gas wird an der Hochdruckkammer der ersten Trennzelle und an der Niederdruckkammer der zweiten Trennzelle ausgetragen;

3. das Gas wird von den Hochdruckkammern beider Trennzellen abgezogen; und

k. das Gas wird von den Niederdruckkainmern beider Trennzellen abgezogen.

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Die vorstehend unter 1. und 2. erwähnten Arbeitsweisen gelten gleichermaßen für den Fall, daß die Membranen der ersten und der zweiten Trennzelle die gleicheGasdurchlässigkeit besitzen. Die unter J>. und 4. genannten Arbeitsweisen gelten beide für den Fall, daß die Membranen beider Trennzellen entgegengesetzte Gasdurchlässigkeitseigenschaften besitzen.

Im folgenden ist anhand der Zeichnung eine typische Ausführungsform der Erfindung im Zusammenhang mit der vorstehend unter 1. erwähnten Arbeitsweise erläutert.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Gasgemisch-Trennvorrichtung besteht aus einer Kombination von zwei Trennzellen mit jeweils gleicher Gasdurchlässigkeitseigenschaft, nämlich von der Art, die ein angereichertes Gas durch Abtrennung (im folgenden als "Anreicherungs-Trennzelle" bezeichnet) bzw. ein verdünntes Gas durch Abtrennung (im folgenden als Verdünnungs-Trennzelle" b^eichnet) liefert. Das zu behandelnde, von einem Gasgemischvorrat 1 zugeführte Gasgemisch wird in einem durch eine Pumpe 2 unter einen verbestimmten Druck gesetzten Zustand in eine Hochdruckkammer 4 einer ersten Trennzelle 3 eingeleitet. Ein Teil des in die Hochdruckkammer 4 der ersten Trennzelle 3 eintretenden Gases tritt durch die Membran 5 dieser Trennzelle 5 hindurch in deren Niederdruckkammer 6 ein, um dann über eine Auslaßleitung 7 in einen an der Konzentrationsseite der Vorrichtung angeordneten Behälter 8 für abgetrenntes Gas geleitet zu werden. Das.nicht durch die Membran 5 der ersten Trennzelle 5 hindurchgetretene Gas wird dagegen über eine Verbindungsleitung 9 in eine Hochdruckkammer 11 einer zweiten Trennzelle 1o geleitet. Ein Teil des in die Hochdruckkammer 11 der zweiten Trennzelle 1o einströmenden Gases gelangt durch deren Membran 12 hindurch in die Niederdruckkammer 1J, um dann über eine Rückführleitung 14 in eine Speiseleitung 15 eingeführt und einer frischen

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Charge des vom Vorrat 1 gelieferten, unbehandelten Gasgemisches zugesetzt zu werden. Das nicht durch die Membran der zweiten Trennzelle Io hindurchgetreitene Gas strömt über eine Austragleitung 18 und ein Druckminderventil 16 zu einem zweiten Scheidegasbehälter 17· Die Komponenten eines vom Vorrat 1 gelieferten Gasgemisches werden somit in angereicherter und verdünnter Form getrennt. Die vorstehenden Erläuterungen beziehen sich auf den Fall, in welchem die Membranen der ersten und der zweiten Trennzelle '} bzw. 1o von der Art sind, daß die Ziel- oder Sollkomponente eines zu behandelnden Gasgemisches durch Durchdringung (permeation) angereichert werden kann. Die Komponenten eines Gasgemisches können jedoch auch dann getrennt werden, wenn eine für Verdünnung ausgelegte Membran verwendet wird. Hierbei besteht der Unterschied darin,daß Anreicherung^- und Verdünnungsseite der Gasgemisch-Trennvorrichtung im Vergleich zum zuerst genannten Fall entgegengesetzt geschaltet sind.

Nachstehend sind Zahlenwerte für die Teile der Trennvorrichtung gemäß Fig. 1 angegeben. Anhand des Fließdiagramms von Fig. 1 sei nunmehr angenommen, daß mit Z die Konzentration eines Ziel- oder Sollgases in dem zu behandelnden Gasgemisch, mit F die Strömungsgeschwindigkeit oder -menge des Gasgemisches, mit Z* die Konzentration eines durch die Membran 12 der zweiten Trennzelle 1o hindurchgedrungenen Gases bei nach Rückführung erfolgender Vereinigung mit einer vom Vorrat 1 zugeführten frischen Gasgemischcharge und mit F# die Strömungsgeschwindigkeit oder -menge eines Gasgemisches, einschließlich des Rückführteils, bezeichnet sind. Weiterhin sei angenommen, daß O₁ den Schnitt (cut) bzw. das Verhältnis L₁ ¹ZL₁ (worin L₁' die Strömungsmenge eines der ersten Trennzelle j5 zugeführten Gases und L₁' die Strömungsmenge eines die Membran 5 der ersten Trennzelle J5 durchdringenden Gases bedeuten) und θρ

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einen ähnlichen Schnitt bzw. ein ähnliches Verhältnis für die zweite Trennzelle 1o angeben. Weiterhin sind mit g₁ und h, der Anreicherungs-Trennfaktor der ersten Trennzelle j5 (das Verhältnis der Ausgangskonzentrat-.on des in der Zelle 3 angereicherten Gases zur Konzentration des der Zelle 3 eingespeisten Gases) bzw. der Verdünnungs-Trennfaktor der Zelle J (Verhältnis zwischen Ausgangskonzentration des in der Zelle 3 verdünnten Gases und der Konzentration des der Zelle 3 eingegebenen Gases) bezeichnet. Ebenso bedeuten g„ und ho den Anreicherungs-Trennfaktor bzw. den Verdünnungs-Trennfaktor der zweiten Trennzelle 1o. Die Faktoren g,₃ h. und g₂, hg sind Punktionen der vorgenannten Schnitte bzw. Verhältnisse G₁ bzw. Qp.

Wenn die Membranen 5 und 12 der beiden Trennzellen j5 bzw. 1o von gleicher Art sind, welche die Anreicherung der Sollkomponente eines zu behandelnden Gasgemisches zuläßt, lassen sich die Konzentration des die Membran 5 der ersten Zelle 3 durchdringenden Gases mit Z^g₁ und die Strömungsmenge dieses Gases mit F^G₁ bezeichnen. Die Konzentration des nicht durch die Membran 5 der ersten Zelle 3 hindurchgetretenen Gases ist mit Z^h. und seine Strömungsmenge mit F^(I-O..) bezeichnet. Konzentration und Strömungsmenge des die Membran 12 der zweiten Trennzelle 1o durchdringenden Gases sind mit Z^h₁S₂ bzw. F#(1-9.|) bezeichnet. Die Konzentration des nicht durch die Membran 12 der zweiten Zelle 1o hindurchgetretenen Gases ist als Z*h,|h₂ und seine Strömungsmenge als F*(1-Ο.) (1-O₂) ausgedrückt. Der Scheide- bzw. Trennfaktor von erster und zweiter Trennzelle J bzw. 1o läßt sich daher als OC* (=Z^J*g₁ /Z^h₁ =g^Zh₁ bzw. als OC/piZ^h^go/Z^h.h^gp/hp) ausdrucken, während sich der Gesamttrennfaktor der gesamten Gasgemisch-Trennvorrichtung als C^_stC=Z⁵^g₁/Z^h₁ h₂=g₁ Zh^₂) ausdrücken läßt. Da gilt h₂< 1,o, ist OL größer alsco-i · Wenn der Schnitt bzw. das

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Verhältnis Qg der Verdünnungs-Trennzelie so gewählt ist, daß g₂<<3Ci gilt, ist es möglichOC^^><& _? zu erzielen. Infolgedessen kann eine Gasgemisch-Trennvorrichtung, die sowohl Anreicherungs- als auch VerdünnungstrennzeIlen aufweist, einen größeren Trenn- oder Scheidefaktor gewährleisten als eine nur eine Trennzelle aufweisende Vorrichtung dieser Art.

Wenn die Membranen 5* 12 beider Trennzellen 5 bzw. 1o Jeweils von gleicher Art sind, welche eine Verdünnung eines Zieloder Sollgases durch Durchdringung ermöglicht, lassen sich die Konzentration des die Membran 5 der .ersten Trennzelle 5 durchdringenden Gases mit Z^h₁, seine Strömungsmenge als 5*9., die Konzentration des nicht durch die Membran 5 der ersten Zelle 3 hindurchtretenden Gases als Z^g., seine Strömungsmenge als P^(I-G₁), die Konzentration des die Membran der zweiten Zelle 1o durchdringenden Gases als Z*g.,hp, seine Strömungsmenge als F*O-Θ.)©p, die Konzentration des nicht durch die Membran 12 der zweiten Zelle 1o hindurchgetretenen Gases als Z^g₁gg und die Strömungsmenge dieses Gases als F^(I-Q₁)(I-Qp) ausdrücken. Der Trennfaktor der ersten Trennzelle 3 kann daher mit3^₁(=g₁/h₁), der Trennfaktor der zweiten Trennzelle 1o mitOtJ₂(=g₂/hp) und der Gesamttrennfaktor der gesamten Vorrichtung mit O^ _t(=g₁go/h₁) angegeben werden. Wenn der Schnitt bzw. das Verhältnis Q₀ der Anreicherungs-Trennzelle so gewählt ist, daß OC^ 7~ Vh₀ gilt, kann eine sowohl Anreicherungs- als auch Verdünnungs-Trennzellen aufweisende Gasgemisch-Trennvorrichtung einen größeren Trennfaktor besitzen als eine nur eine einzige dieser Trennzellen besitzende Vorrichtung.

Der Gesamt-Anreicherungstrennfaktor der gesamten Vorrichtung gemäß der Erfindung (d.h. das Verhältnis zwischen der Konzentration des durch die Trennvorrichtung angereicherten Gases und der Konzentration eines der Trennvorrichtung zugelieferten Gasgemisches, einschließlich ihres RUckfuhrteils) sowie

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der Gesamt-Verdünnungsfaktor der gesamten Vorrichtung (Verhältnis zwischen der Konzentration des durch die Trenn vorrichtung verdünnten Gases und der Konzentration eines der Vorrichtung, einschließlich ihres Rückführteils, eingespeisten Gasgemisches) besitzen die nachstehend noch näher angegebenen Beziehungen zu G₁, Q₂, g^ g₂, h₁ und hg.·

(a) Bei Verwendung einer Membran, die ein Ziel- oder Sollgas durch Durchdringung anzureichern vermag:

* , «. ^Z9i

Anreicherungs-Trennfaktor = £

z*

z* " g₁e₁+(i-e₁) (ΐ-θ₂)^^ ^gi

„ ,.. _m *. , <. -Z*h,h_o 6, + (1-G₁)(I-G-)

Ve raunnungs-Trennfakt or = 12 _ 1 -L Z _. ,

Z ⁶⁺⁽¹"^Θ1^{) (1}"^e2^)hl^h2 -^{1 2}

Wenn daher die Schnitte bzw. Verhältnisse Θ., Op mit einem geeigneten Wert gewählt werden, vermag die erfindungsgemäße Gasgemisch-Trennvorrichtung einen gewünschten Anreicherungsund Verdünnungsgrad zu gewährleisten.

In diesem Fall erfolgt die Verdünnung in größerem Ausmaß als die Anreicherung.

¹ 1+(1-θ₂)

Dabei erfolgen Anreicherung und Verdünnung im gleichen

Prozentsatz.

0,< 1-

^λ ι+(ΐ-β₂) Fj

In diesem Fall erfolgt die Anreicherung in größerem Ausmaß als die Verdünnung.

709821/0932 _₉_

(b) Bei Verwendung einer ein Ziel- oder Sollgas durch Durchdringung verdünnenden Membran:

Anreicherungs-Trennfaktor

Verdünnungs-Trennfaktor = ^Z*^hl _ θ-^-ΚΙ-θ^ ^¹"^G2⁾ h,

z E^e₁+(1-O₁) (ΐ~θ₂)_?19₂*

Wenn dabei die Schnitte bzw. Verhältnisse Q₁,. O₃ mit den richtigen Werten gewählt werden, vermag die erfindungsgemässe Gasgemisch-Trennvorrichtung jeden gewünschten Anreicherungs- und Verdünnungsgrad zu gewährleisten.

Hierbei erfolgt die Anreicherung zu einem höheren Grad als die Verdünnung.

= ι—

ι+(ΐ-θ₂) 5

^hi

In diesem Fall finden Anreicherung und Verdünnung im gleichen Prozentsatz statt.

Dabei erfolgt die Verdünnung in stärkerem Maß als die Anreicherung .

Pig. 2 veranschaulicht die konkrete Pom der ersten und.der zweiten, die erfindungsgemäße Gasgemisoh-Trennvorrichtung bildenden Trennzellen 3 bzw. 1o, Die Gastrennzelle besteht

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aus einem zylindrischen Körper 2o mit einem Austragrohr 21, einer mit einem Speiser 2j5 versehenen (Verschluß)-Kappe 22., einer mit einem Auslaß- oder Austragrohr 25 versehenen (Verschluß)-Kappe 24, einer großen Zahl von den zylindrischen Körper axial durchsetzenden, schlauch- oder rohrförmigen Membranen 26 sowie zwei Isolier- oder Dichtplatten 29* 5o, welche die zahlreichen rohrförmigen Membranen 26 an beiden Enden haltern. Die zwischen den Kappen 22, 24 und den betreffenden Isolierplatten 29, 50 gebildeten Zwischenräume 27, sind durch die rohrförmigen Membranen 26 von .einem im zylindrischen Körper 2o gebildeten Raum getrennt. Bei einer auf die beschriebene Weise ausgebildeten Gastrennzelle strömt das über den Speiser 2^ in die Trennvorrichtung eingeführte Gasgemisch über den zwischen Kappe 22 und zugeordneter Isolierplatte 29 festgelegten Zwischenrauia 27 in die rohrförmigen Membranen 26 ein und an deren Innenwänden entlang. Ein Teil des Gasgemisches dringt durch die rohrförmigen Membranen 26 hindurch in den Raum des zylindrischen Körpers 2ο hinein, um über das Austragrohr 21 abgezogen zu werden. Der den Zwischenraum 28 zwischen der Kappe 24 und der zugeordneten Isolierplatte ^o durchströmende Anteil des Gasgemisches wird über das Austragrohr 25 von der Vorrichtung abgenommen. Obgleich die vorstehenden Ausführungen eine einzige Trennzelle betreffen, besitzt eine das Gegenstück bildende Trennzelle im wesentlichen denselben Aufbau. Um den Bedingungen für die erwähnten Schnitte bzw. Verhältnisse θ.,, θρ zu genügen, müssen Rohrmembranen mit unterschiedlichen effektiven Membran(oberflächen verwendet werden. Die Beschreibung von Fig. 2 bezieht sich auf zwei Trennzellen, die jeweils gleich ausgebildet und mit Abstand voneinander angeordnet sind.

Fig. 3 veranschaulicht eine siebenstufige Kaskadenanordnung aus sieben Gruppen, die jeweils aus einer Gasgemisch-Trenn-

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Vorrichtung vorher beschriebener Art bestehen. Das vom Vorrat 1 zugeführte, zu behandelnde Gasgemisch wird durch eine Pumpe C-4 auf erhöhten Druck gebracht und in die erste Trennzelle A-4 der vierten Stufe eingeführt, in welcher das Gasgemisch in den Teil, welcher eine Membran D-4 der ersten Zelle A-4 durchdrungen hat, und in den nicht durch diese Membran hindurchgedrungenen Teil aufgetrennt wird. Der Druck des durch die Membran D-4 hindurchgetretenen Gases wird durch eine Pumpe C-5 erhöht, worauf das Gas zur ersten Trennzelle A-5 der fünften Stufe geleitet wird. Das nicht durch die Membran D-4 der vierten Stufe hindurchströmende Gas wird zur zweiten Trennzelle B-4 der vierten Stufe geleitet, worin das Gas ebenfalls in den die Membran E-4 der zweiten Trennzelle B-4 durchdringenden und den nicht durch die Membran hindurchdringenden Teil aufgetrennt wird. Das durch die Membran E-4 hindurchgetretene Gas wird zur Pumpe C-4 zurückgeleitet. Das nicht durch die Membran E-4 .hindurchgetretene Gas wird durch eine Pumpe C-J5 einer dritten Stufe im Druck erhöht und zur ersten Trennzelle A-J der dritten Stufe gefördert. Dabei wird ein Gas, das die Membran D-7 einer ersten Trennzelle A-7 einer siebenten Stufe durchdrungen hat, in angereicherter Form abgezogen. Umgekehrt wird ein Gas, das die Membran E-1 der zweiten Trennzelle B-1 einer ersten Stufe nicht durchdrungen hat, in verdünnter Form ausgetragen.

Die vorstehend beschriebene Kaskadenanordnung von Trennzellen verwendet Membranen, welche eine Ziel- oder Sollgaskomponente durch Durchdringung anzureichern vermögen. Werden dagegen eine Verdünnung dieser Gaskomponente bewirkende Membranen verwendet, so werden die Anreicherungs- und Verdünnungsabschnitte gegenüber der beschriebenen Ausführungsform umgekehrt angeordnet. Dabei wird dann ein verdünntes Gas an der ersten Trennzelle A-7 der siebenten Stufe und ein angereichertes Gas an der zweiten Trennzelle B-1 der ersten Stufe abgezogen.

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Wie erwähnt, kann die erfindungsgemäße Gasgemisch-Trennvorrichtung, die zwei Trennzellen und eine Pumpe aufweist, in Form einer mehrstufigen Kaskade angeordnet werden. Wenn bei dieser Kaskadenschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen mit jeweils zwei Trennzellen die Art der bei- diesen Zellen verwendeten Membranen sowie die durch die Trennzellen bewirkten Schnitte bzw. Verhältnisse Q^, θρ richtig gewählt werden, kann der Gesamttrennfaktor der Kaskadenanordnung insgesamt im Vergleich zu den bisher üblichen Kaskadenanordnungen von Gasgemischseparatoren mit jeweils einer einzigen Scheider- oder Trennzelle erheblich verbessert werden.

Zur Verdeutlichung ist im folgenden der Fall beschrieben, in welchem Stickstoff und Krypton, die ein Gemisch bilden, voneinander getrennt werden. In diesem FaLl zeigt ein bisher verwendeter Gasgemischseparator mit nur einer Silikongummimembran einen Trennfaktor von 4, J>o. Bei Verwendung zweier verschiedener Membranen, nämlich einer Silikongummimembran und einer Zelluloseacetatmembran, gewährleistet die bekannte Vorrichtung einen Trennfaktor von 4,59· Im Gegensatz dazu wird mit den erfindungsgemäßen Trennvorrichtungen, bei denen die Membranen der ersten und der zweiten Trennzellen jeweils aus Silikongummi bestehen und die Schnitte bzw. Verhältnisse Q₁, θρ mit o,o54 bzw. 0,67 gewählt sind, ein Trennfaktor von 33,6 erreicht, d.h. ein erheblich größerer Wert als bei der bisher verwendeten Trennvorrichtung.

Die nachstehende Tabelle I veranschaulicht die Ergebnisse eines Vergleiches zwischen der Kaskadenanordnung der erfindungs· gemäßen Trennvorrichtungen mit jeweils zwei Trennzellen und derjenigen der bisher verwendeten Trennvorrichtungen oder Separatoren mit jeweils nur einer einzigen Trennzelle.

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Tabelle I

Gastrennvorrichtung Gastrennvorrichtung nach

gemäß der Erfindung dam Stand der Technik

(nur eine Membranart)

Abtrennfaktor 33,6 4,Jo

Zahl der Stufen 9,5 24,5

Erforderl. Membranoberfläche 1,13 1,oo

Leistungsbedarf o,608 1,00

Die Stufenzahl und der Leistungsbedarf gemäß Tabelle I gelten

-4 für die Erzielung eines Verdünnungs-Ab';rennfaktors von 1o und eins Anreicherungs-Abtrennfaktors von Io . Die erforderliche Membran(ober)fläche und der Leistungsbedarf gemäß Tabelle I wurden bei gleichartigen Gastrennvorrichtungen ermittelt, bei denen eine einzige Art von Trennvorrichtüngen vorgesehen war. Die Daten gemäß Tabelle I gelten für eine Gegenströmung der Gase in den Trennzellen der erfindungsgemäßen und der bisher verwendeten Gastrennvorrichtung. -

Mit der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung, die eine kleinere Zahl an Kaskadenstufen besitzt, kann somit die Zahl der erforderlichen Pumpen, Regelvorrichtungen, !Instrumente usw. im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich verringert werden.

Im folgenden ist die Erfindung in Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Eine schlauch- bzw. rohrförmige Silikorigummi-Membran mit einem Außendurchmesser von 1 mm und einen Innendurchmesser von 0,3 nun wurde als Membran 5 der ersten Trennzelle 5 und als Membran 12 der zweiten Trennzelle 1o für die Abtrennung von Stickstoff j

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und Krypton (1oo ppm bzw. Teile pro Million Teile) aus einem Gemisch dieser Gase benutzt. Die Membranen 5 und 12 besaßen

2 2

dabei eine Oberfläche von 4,91 m bzw. 7o,9 ^m · Ein Druckminderventil war dabei so eingestellt, daß der Schnitt bzw. das Verhältnis Θ. auf o,o437, der Schnitt bzw. das Verhältnis Q₀ auf 0,659* der Druck in den Hochdruckkammern 4 und 11 auf

2
1o kg/cm (Meß- bzw. Überdruck) und der Druck in den Niederdruckkammern 6 und 13 auf ο kg/cm (Meßdruck) festgelegt waren. Die Konzentrationen der Gase und ihre Strömungsmengen oder -geschwindigkeiten in den verschiedenen Abschnitten der erfindungsgemäßen Gasgemisch-Trennvorrichtung sowie der Gesamt-Abtrennfaktor dieser Vorrichtung insgesamt sind in der nachstehenden Tabelle II angegeben.

Beispiel 2

Eine rohr- oder schlauchförmige Polybutadienkautschukmembran mit o,3 mm Außendurchmesser und o,1 mm Innendurchmesser wurde als Membran 5 der ersten Trennzelle 3 verwendet. Bei der zweiten Trennzelle 1o wurde eine rohrfö'rmige Silikongummimembran mit l,o mm Außendurchmesser und Oj) nun Innendurchmesser verwendet, welche dieselbe Gasdurchlässigkeit besaß wie die zuerst genannte Membran. Die Membranen wurden zur Auftrennung eines Gemisches aus Stickstoff und Krypton (1oo ppm) benutzt. Die Membran 5 der ersten Trennzelle 3 und die Membran 12 der zweiten Trennzelle 1o besaßen dabei eine Oberfläche von 4o,4 m bzw. I4o m . Ein Druckminderventil wurde so eingestellt, daß der Schnitt bzw. das Verhältnis Q₁ auf o,o2o3, der Schnitt bzw.

das Verhältnis Q₀ auf 0,730, der Druck in den Hochdruckkammern

2
4, 11 auf 1o kg/cm (Meßdruck) und der Druck in den Niederdruck-

2"
kammern 6, I3 auf ο kg/cm (Meßdruck) festgelegt waren. Die Gaskonzentrationen und -strömungsmenger. in den verschiedenen Abschnitten der Trennvorrichtung sowie der Gesamt-Abtrennfaktor der Vorrichtung insgesamt sind wiederurr. in Tabelle II aufgeführt

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Beispiel 3

Eine rohr- oder schlauchförmige Silikongummimembran mit 1 mm Außendurchmesser und o,j5 mm Innendurchmesser wurde als Membran 5 der ersten Trennzelle und als Membran 12 der zweiten Trennzelle 1o für die Auftrennung eines Gasgemisches aus Xenon und Krypton (1oo ppm) verwendet. Die beiden Membranen

ρ 5 und 12 besaßen dabei eine Oberfläche von 9*2j5 m bzw.

2
49,7 m .Mittels eines Druckminderventils wurden der Schnitt bzw. das Verhältnis Θ. auf 0,15, der Schnitt bzw. das Verhältnis Q₀ auf Oj95i der Druck in den Hochdruckkammern 4, 11 auf

2
1o kg/cm (Meßdruck bzw. Überdruck) und der Druck in den

2 Niederdruckkamniern 6, I3 auf ο kg/cm (Meßdruck) eingestellt. Die Gaskonzentrationen und -Strömungsmengen in den verschiedenen Abschnitten der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind ebenfalls in Tabelle II angegeben.

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Tabelle II Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel

Konzentration einer frischen Gasgemischcharge (Z)

Gaskonzentration (einschl. Rücklaufteil) am Pumpeneinlaß (^

Konzentration d. durch die Membran der ersten Trennzelle durchgetretenen Gases (Z*g,) 1oo ppm

242

731

Konzentration des nicht durch die Membran der ersten Trennzelle durchgetretenen Gases (Z*h..)

Konzentration d. Gases durch Membran der zweiten Trennzelle

22o

Konzentration d. nicht durch Membran der 2. Trennzelle hindurchgedrungenen Gases (Z*h..hp)

Strömungsmenge einer frischen Gasgemischcharge (P)

326 " 14,1 "

1 NnP/h

Strömungsmenge des Gasgemisches, einschl. Rücklauf- 2,7o teil, am Pumpeneinlaß ()

Strömungsmenge des die Mem- ₍ bran der 1. Trennzelle durchdringenden Gases (F^G.)

Strömungsmenge des nicht durch Membran der 1. Trennzelle hindurchgetretenen Gases

2,59

Strömungsmenge des d. Membran der 2. Trennzelle durchdringenden Gases (F^O-O₁)G₂) 1,7o

Strömungsmenge d. nicht durch d. Membran d. 2. Zelle hindurchgetr. Gases (F^(I-G₁)(1-C Gesamt-Abtrennfaktor d. gesamten Gasgemisch-Trennvorr.

1oo ppm

26o "

"

"
8,o4 "

NnP/h
3,51 "
0,0713 "

3,44 "

52,0

2,51 "
o,929 "

154

I00 ppm

61.5 "

28.6 "

62,o "

47,7 " 326 "

1 Nm⁵/

5,19 " o,779 "

4,41 "

4,19 "

2,21 " 11,4

709821/0932 -17-

Tabelle II zeigt, daß jede Ausführungs:?orm der erfindungsgemäßen Gasgemisch-Trennvorrichtung einen wesentlich höheren Gastrennfaktor oder ein erheblich höheres Gastrennvermögen besitzt als ähnliche Vorrichtungen nach dem Stand der Technik.

Die vorstehende Beschreibung betrifft den Fall der Auftrennung eines Gemisches aus Stickstoff und Krypton oder Xenon und Krypton in die jeweiligen Komponenten. Die Erfindung ist jedoch auch auf andere Gasgemische anwendbar. Beispielsweise eignet sich die Erfindung für die Abtrennung einer gesuchten Gaskomponente aus einem beliebigen Gemisch aus zwei oder mehr Gasen, wie H₂, He, N₂, O₂, Luft, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, F₂, Cl₂, Br , I₂, UFg, 0,, Ey C_mH_n (Kohlenwasserstoff), SOg, C₃H₇Cl (Vinylchloridmonomer), C₃H₇CN (Acrylnitril)^ NO und Isotopen dieser Gase. Die für die Membranen der beiden Trennzellen geeigneten Materialien sind Silikonguirnii, Polybutadien-Gummi bzw. -Kautschuk, Polyäthylen, Tetramethylpentanharz, Zelluloseacetat, 'Äthylzellulose, Nuclear Pore (Warenzeichen der General Electric Company of the United States),'Tetrafluoräthylen, Polyester und poröse Metallmembranen.

Außerdem bezieht sich die vorstehende Beschreibung auf den Fall, in welchem die Gase in beiden Trennzellen im Gegenstrom strömen. Daneben können die Gase die beiden Trennzellen jedoch auch im Gleichstrom, im Querstrom oder im vollständigen Mischstrom durchströmen. Die Schnitte oder Verhältnisse θ,, θ_? können duch Einstellung z.B. eines Druckminder- oder -reduzierventils, eines Druck- oder Strömungsregelventils oder einer Druckbelüftungsvorrichtung geregelt werden. Die Membranen können als Rohr bzw. Schlauch, flache Platte, spiralig gewickelte Platte oder Hohlfaser hergestellt werden, wobei letztere einen porösen Kern aus Korn- oder Drah.twerkstoff enthalten kann.

Die zweite Trennzelle 1o der Vorrichtung gemäß Fig. 1 ist mit

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einem Rückführrohr zur Rückleitung des die Membran 12 der zweiten Trennzelle 1o durchdringenden Gases zur Einlaßseite der ersten Trennzelle 5 versehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch zusätzlich mit einer beliebigen der in Fig. 1 in gestrichelten Linien eingezeichneten Rücklaufleitungen a, b, c, d ausgerüstet sein, nämlich

a) einer von der Austragleitung 7 zur Speiseleitung 15 verlaufenden Rücklaufleitung,

b) einer von der Austragleitung 18 zur .Verbindungsleitung führenden Rücklaufleitung,

c) einer von der Austragleitung 18 zur Speiseleitung 15 führenden Rücklaufleitung und/oder

d) einer von der Verbindungsleitung 9 zur Speiseleitung 15 verlaufenden Rücklaufleitung.

Dabei ist es möglich, zwei der genannten Rücklaufleitungen, d.h. a und b, b und c oder b und d, vorzusehen. Bei Anwendung der Rücklaufleitungen c und d muß für diese beiden Leitungen ein Druckminderventil vorgesehen werden. Außerdem ist es dabei manchmal nötig, eine Pumpe in diese Rücklaufleitungen einzuschalten.

Die vorstehenden Ausführungen beziehen sich auf die in Fig. dargestellte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Membranen der ersten und der zweiten Trennzelle, jeweils die gleiche Gasdurchlässigkeit besitzen, wobei ein durch die Membran der ersten Trennzelle J hindurchgedrungenes, angereichertes oder verdünntes Gas von der Niederdruckkammer der Zelle J abgezogen und ein nicht durch die Membran der zweiten Trennzelle 1o hindurchgedrungenes Gps an der Hochdruckkammer der Zelle 1o ausgetragen wird.

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Im folgenden sind weitere Ausführungsformen der Erfindung umrissen.

A) Eine Gasgemisch-Trennvorrichtung, 'oei welcher die Membranen der beiden Trennzellen die gleiche Gasdurchlässigkeit besitzen, ein die Membran der ersten Zelle durchdringendes Gas in die Hochdruckkammer der zweiten Zelle eingeführt wird, ein^nicht durch die Membran der ersten Trennzelle hindurchgetretenes G?s in verdünnter oder angereicherter Form abgezogen wird, ein durch die Membran der zweiten Zelle hindurchgetretenes Gas in angereicherter oder verdünnter Form ausgetragen wird und ein nicht durch die Membran der zweiten Trennzelle hindurchgedrungenes Gas zur Einlaßseite der ersten Trennzelle zurückgeführt wird.

B) Eine Gasgemisch-Trennvorrichtung, bei welcher die Membranen der beiden Trennzellen jeweils entgegengesetzte Gasdurchlässigkeit besitzen, ein die Membran der ersten Trennzelle durchdringendes Gas in die Hochdruckkammer der zweiten Trennzelle geleitet wird, ein die Membran der ersten Zelle nicht durchdringendes Gas in verdünnter oder angereicherter Form abgenommen wird, ..ein die Membran der zweiten Zelle durchdringendes Gas zur Einlaßseite der ersten Zells zurückgeführt wird undein die Membran der zweiten Zelle nicht durchdringendes Gas in angereicherter oder verdünnter Form abgezogen wird.

C) Eine Gasgemisch-Trennvorrichtung, bei welcher die Membranen der beiden Trennzellen einander entgegengesetzte Gasdurchlässigkeit besitzen, ein die Membran der ersten Trennzelle durchströmendes Gas in angereicherter oder verdünnter Form abgezogen wird, ein die Membran der ersten Zelle nicht durchdringendes Gas in die Hochdruckkammer cer zweiten Zelle eingeführt wird, ein die Membran der zweiten Zelle durchströmendes Gas in verdünnter oder angereicherter Form abgezogen wird

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und ein die Membran der zv.^reiten Zelle nicht durchströmendes Gas zur Einlaßseite der ersten Trennzelle zurückgeführt wird.

Die vorstehend umrissensn, abgewandelten Ausführungsformen der Erfindung haben sich als die gleiche vorteilhafte Gasabtrennleistung wie die Ausführungsform gemäß Fig· I besitzend erwiesen. Bei allen diesen Ausführungsformen kann eine Pumpe zwischen erster und zweiter Trennzelle angeordnet sein.

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Leerseite

Claims

Henkel, Kern, Feiler & Hänzel Patentanwälte

Möhlstraße 37 Tokyo Shibaura Electric Co., Ltd., D-8000München

H <?h1 Tn nan Tel.: 039/982085-87

i-shi, Japan Telex: 0529802 hnkld

Telegramme: ellipsoid

1 ?. kov, in/t

PATENTANSPRÜCHE

Gasgemisch-Trennvorrichtung, gekennzeichnet durch eine mit einer Membran (5) versehene erste Trennzelle (J>), durch eine ebenfalls mi'3 einer Membran (12) versehene zweite Trennzelle (1o), durch eine Speiseleitung (15) zur Zufuhr eines aufzutrennenden Gasgemisches zu einer Hochdruckkammer (4') der ersten Trennzelle, durch eine Auslaßleitung (7), um von der ersten Trennzelle entweder das durch ihre Membran hindurchgedrungene Gas oder das nicht durch diese Membran hindurchgetretene Gas abzuziehen, durch eine Verbindungsleitung (9) zur Leitung des anderen Gases von der ersten Trennzelle zur Hochdruckkammer (11) der zweiten Trennzelle, durch eine Rücklaufleitung (14), um der Speiseleitung entweder das durch die Membran der zweiten Trennzelle hindurchgedrungene Gas oder das nicht durch diese Membran hindurchgetretene Gas zurückzuführen, und durch eine Austragleitung (18) zur Abfuhr des anderen Gases von der zweiten Tren:nzelle.

Vorrichtung nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß die Gase die erste und die zweite Trennzelle in beliebiger KombinatiDn von Gegenströmung, Gleichströmung, Querströmung und vollständiger Mischströmung durchströmen.

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j5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen beider Trennzellen die gleiche Gasdurchlässigkeit besitzen, daß die Auslaßleitung das die Membran der ersten Trennzelle durchdringende Gas von deren Niederdruckkammer abführt, daß die Verbindungs leitung das nicht durch die Membran der ersten Trennzelle hindurchgetretene Gas von deren Hochdruckkammer zur Hochdruckkammer -der zweiten Trennzelle leitet, daß die Rücklaufleitung das die Membran der zweiten Trennzelle durchdringende Gas von deren Niederdruckkammer zur Speiseleitung zurückführt, und daß über die Austragleitung das nicht durch die Membran der zweiten Trennzelle hindurchgetretene Gas von deren Hochdruckkamner austragbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch J5, dadur2h gekennzeichnet, daß eine von der Auslaßleitung zur Speiseleitung verlaufende Rücklaufleitung vorgesehen ist.

5· Vorrichtung nach Anspruch j5, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Austragleitung zur Verbindungsleitung verlaufende Rücklaufleitung vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Austragleitung zur Speiseleitung verlaufende Rücklauf leitung vorgesehen ist.

7· Vorrichtung nach Anspruch J>, dadurch g e k en η zeichnet, daß eine von de:r Verbindungs leitung zur Speiseleitung verlaufende Rücklaufleitung vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch ~5, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Auslaßleitung zur Speiseleitung verlaufende Rücklaufleitung und eine von der

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Austragleitung zur Verbindungsleitung verlaufende Rücklaufleitung vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Austragleitung zur Verbindungsleitung verlaufende Rücklaufleitung und eine von der Verbindungsleitung zur Speiseleitung verlaufende Rücklaufleitung vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Austragleitung zur Speiseleitung verlaufende Rücklaufleitung und eine von der Austragleitung zur Verbindung»leitung verlaufende Rücklaufleitung vorgesehen sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

ζ e i c hne t , daß-^die Membranen der ersten und der zweiten Trennzelle jeweils die gleiche Gasdurchlässigkeit besitzen, daß über die Auslaßleitung ein die Membran der ersten Trennzelle nicht durchdringendes Gas von deren Hochdruckkämmer abziehbar ist, daß die Verbindungsleitung ein die Membran der ersten Trennzelle durchdringendes Gas von deren Niederdruckkammer zur Hochdruckkämmer der zweiten Trennzelle führt, daß die Rückführleitung ein nicht durch die Membran der zweiten Trennzelle hindurchgedrungenes Gas von deren Hochdruckkammer zur Speiseleitung zurückführt, und daß die Austragleitung das durch die Membran der zweiten Trennzelle hindurchgetretene Gas von deren Niederdruckkammer abzieht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen der ersten und der zweiten Trennzelle einander entgegengesetzte Gasdurchlässigkeiten besitzen, daß die Auslaßleitung ein nicht durch die Membran der ersten Trennzelle hindurchgeströ'mtes

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Gas von ihrer Hochdruckkammer abführt, daß die Verbindungsleitung ein die Membran der ersten Trennzelle durchdringendes Gas zur Hochdruckkammer der zweiten Trennzelle liefert, daß die Rückfüarleitung das die Membran der zweiten Trennzelle durchdringende Gas zur Speiseleitung zurückführt, und daß die Austragleitung das nicht durch die Membran der zweiten Trennzelle hindurchgetretene Gas von deren Hochdruckkammer abführt.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen der ersten und der zweiten Trennzelle einander entgegengesetzte Gasdurchlässigkeiten besitzen, daß die Auslaßleitung ein die Membran der ersten Trennzelle durchdringendes Gas von deren Niederdruckkammer abführt, daß die Verbindungsleitung ein nicht durch die Membran der ersten Trennzelle hindurchgedrungenes Gas zu deren Hochdruckkammer bzw. zur Hochdruckkammer der zweiten Trennzelle leitet, daß die Rückführleitung das nicht durch die Membran der zweiten Trennzelle hindurchgedrungene Gas zur Speiseleitung zurückführt, und daß die Austragleitung das die Membran der zweiten Trennzelle durchdringende Gas an deren Niederdruckkammer abzieht.

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