DE102009032241A1

DE102009032241A1 - Bei Umgebungstemperatur arbeitender Luftzerleger

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Publication number: DE102009032241A1
Application number: DE200910032241
Authority: DE
Inventors: Herbert Widulle
Original assignee: Widulle Herbert Dr 22547
Current assignee: Widulle Herbert Dr 22547
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2009-07-07
Publication date: 2011-08-18

Abstract

Zentrifuge zur Trennung von Gasgemischen in ihre Komponenten nach ihrem jeweiligen Molekular- oder Atomgewicht. Die Zentrifuge steht aus einem Rohr, das um seine Längsachse um einen starre Achse dreht. Die starre Achse besteht aus einem Rohr, das an seiner Außenseite Statoren trägt, die die Gaszirkulation in der Zentrifuge bremsen und einen Gastrom parallel zur Längsachse ermöglichen. An der Innenwand des Zentrifugenrohres sind Rotorbleche befestigt, die eine Gaszirkulation mit der Rotation erzwingen.
Zusatz: Die Ströme der leichten und der schweren Fraktion können innerhalb einer Zentrifuge im Gegenstrom geführt werden

Description

1. Stand der Technik
Zur Herstellung von reinem Sauerstoff mit einer Reinheit von mindestens 99,8 Prozent oder auch zur Anreicherung von Sauerstoff aus der Luft auf maximanl 95 Prozent werden seit vielen Jahren dieselben Verfahren angewendet.
Die Trennung von Luft in ihre Bestandteile wird industriell seit über einhundert Jahren nach dem Linde-Verfahren durchgeführt. Dieses Verfahren nutzt den Joule-Thomson Effekt aus. Obgleich das Verfahren in vielen einzelnen Punkten verbessert worden ist, ist das Grundprinzip gleich geblieben: Luft wird im Gegenstrom bis zur Verflüssigung gekühlt und dann fraktioniert verdampft. Die Verdampfungtemperatur von reinem molekularem Sauerstoff von –196°C bestimmt die Arbeitstemperatur des Verfahrens. Eine Verbesserung war die Erhöhung des Arbeitsdrucks in den Apparaturen. Die Druckerhöhung brachte zwei Vorteile. Zum einen konnten die Apparate kleiner gebaut werden und eine höhere Trennkapazität erreichen bei gleicher Außenfläche und zum anderen wurde die Verdampfungstemperatur von den Inhaltsstoffen der Luft durch die Druckerhöhung angehoben. Eine weitere Verbesserung brachte die Verwendung von Adsorbermaterialien in den Verdampfern. Durch die Verwendung von oxidischen Adsorbermaterialien in den Verdampfern konnte die Differenz der Partialdrücke zwischen Sauerstoff und Stickstoff in den Trennapparaturen weiter gesteigert werden.
Trotzdem ist bis heute das Hauptproblem der Luftzerlegung seit einhundert Jahren dasselbe: Die tiefen Arbeitstemperaturen der Verdampfer erfordern große Energiemengen zur Kühlung auf die notwendige tiefe Temperatur. Auch wenn die beschriebenen Verbesserungen und das Gegenstromprinzip die Energiemenge verringert hat, allein der energetische Aufwand, die Apperaturen auf –196°C Innentemperatur zu halten, machen das Verfahren teuer. Der Transport von einem Joul aus der Apperatur von einer Temperatur von –196°C gegen den Temperaturgradienten in die Umgebung auf eine Temperatur von 20°C bis 30°C erfordert einen Aufwand von drei bis vier Joul. Die notwendige Energie zur Herstellung von Stickstoff oder Sauerstoff mit einem Gehalt von 99% aus Luft beträgt mindestens 2,9 kJ/mol bei –196°C. Allein die notwendigen Verluste, um diese Energie bei einer Temperatur von –196°C aufzubringen, betragen 7,8 kJ/mol. Mit Ausnahme der Verwendung von Adsorbermaterialien haben die meisten bisherigen Verbesserungen nur den Energieaufwand bei –196°C verringert und nicht die Arbeitstemperatur der Apparate erhöht. In einer Erhöhung der Arbeitstemperatur der Trennapperatur liegt das Energieeinsparungspotential. Das deutsche Umweltbundesamt rechnet bei großtechnsichen Anlagen, die nach dem Linde-Verfahren arbeiten, mit einem spezifischen Verbrauch von 0,4 GJ/metr.Tonne oder 125 kJ/mol, während andere Quellen nur einen Verbrauch von 60 kJ/mol angeben. Wünschenswert ist deshalb in jedem Fall ein Trennverfahren, das bei Raumtemperatur arbeitet.
Es gibt einzelnen Anlagen, die verwenden in den Trennkolonnen Adsorbermaterialien und können deshalb bei –100°C betrieben werden. Allerdings vergrößert der Einbau der Adsorbermaterialien das Volumen der Apparatur, so daß ein Großteil des Nutzens wieder verloren geht. Zwar ist die Temperaturdifferenz, die zwischen dem Inneren der Kolonne und der Umgebung herrsscht um ungefähr die Hälfte verringert, zum Ausgleich dafür ist aber die Fläche, durch die Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird, größer. Die Energiemenge, die für die Luftzerlgeung benötigt wird, verringert sich deshalb nicht dem vorgesagten Maße.
Nach einem anderen physikalischen Prinzip arbeiten kleine Anlagen, die dezentral Menschen versorgen, die permanent zusätzlichen Sauerstoff in ihrer Atemluft benötigen, um überleben zu können. Für den Ausgleich einer verringerten Lungenfunktion werden heute Konzentratoren eingesetzt. Diese kompakten Maschinen liefern ein Gas mit einem Sauerstoffanteil von 90 Prozent und darüber. Sie arbeiten ohne Kühlung bei Raumtemperatur und liefern genügend Sauerstoff für den Bedarf einer Person, die nicht oder leicht körperlich arbeitet. Üblicherweise können solche Maschinen bis zu 10 l/m gasförmigen Sauerstoff unter Normbedingungen mit einer Reinheit von 95% herstellen. Solche Maschinen werden zum Beispiel von der Fa. Dräger in Lübeck gebaut. Die Maschinen komprimieren Luft und trennen den Sauerstoff über ein Molekularsieb vom Stickstoff ab. Die Menge an Sauerstoff, die die Maschinen produzieren können, ist begrenzt durch zwei Faktoren: Zum einen erzeugen die verwendeten Kompressoren Wärme, die abgeführt werden muß. Zum anderen begrenzt der Widerstand des Molekularsiebes den Durchfluß an Luft und zur Erzeugung von großen Mengen an Sauerstoff werden sehr große Molekularsiebe gebraucht. Da die Dicke der Molekularsiebe über die Dauer von Sauerstoffadsorption und -desorption entscheiden, ist die Leistungsfähigkeit solcher Apparate begrenzt, da das Verfahren ein Chargenprozeß ist. Der Energieverbrauch dieser Anlagen ist mit 72 kJ/mol noch höher als der einer Anlage, die nach dem Lindeverfahren arbeitet.
Eine andere Methode, dezentral Sauerstoff aus der Luft zu gewinnen, ist mit dem Membranverfahren verwirklicht. In einer Stufe wird der Sauerstoffgehalt der Luft auf 35% angehoben. Leider benötigt dieses Verfahren, das bei Umgebungstemperatur arbeitet, ca. 51 kJ/mol.
Auch bei anderen Gasen ist ein kostengünstige Produktionsmethode notwendig, um für lebenswichtige Verwendungen die Kosten zu senken: In der moderen Medizin nimmt Verwendung von Xenon als Anästetikum zu. Die kostengünstige Gewinnung von Xenon aus der Luft ist dehalb ein besonderes Problem, das mit den bisherigen Verfahren nicht zu lösen ist. Die hohen Kosten der Xenongewinnung sind ein wichtiger Grund für die langsame Steigerung der Akzeptanz von Xenon in der Medizin. Xenon hat den großen Vorteil, daß es als Edelgas mit keiner Substanz im menschlichen Körper reagiert und deshalb keine bleibenden Metaboliten im Körper zurücklassen kann. Die hohen Kosten schränken die Verwendung von Xenon ein. Xenon zeigt als Edelgas bei Verwendung als Anesthetikum nur geringe oder keine Nebenwirkungent und die Nebenwirkungen sind nur von kurzer Dauer, da Xenon als Gas nur eine kurze Verweildauer im menschlichen Körper hat. Es ist deshalb wünschenswert, ein Verfahren zu haben, das Xenon und die anderen Edelgase auf einfache Atrt und Weise bei Raumtemperatur aus der Luft gewinnt. Dies gilt umso mehr, als die molare Mischungsentropie, die bei der Gewinnung von Xenon, Krypton oder Argon aufgebracht werden muß, noch größer ist als die Energie, die für die Trennung von Sauerstoff und Stickstoff notwendig ist.
Auch die Gewinnung von Energie aus Biogasanlagen kann durch ein einfaches und sicheres Verfahren zur Trennung von Gaskomponenten profitieren. Biogasanlagen liefern ein Gemisch von Kohlendioxid und Methan, das mit Wasserdampf gesättigt ist. Wird dieses Gas nicht sofort am selben Ort verbrannt, sondern gelagert oder transportiert, dann neigt das Wasser im Biogas zur Kondensation und ist dann korrosiv für Eisen, Stahl Nickel und andere Metalle. Die Verwendung von Methan aus Biogasanlagen wird durch den hohen Wasserdampfdruck im primären Biogas und die hohen Anteil an Kohlendioxid stark eingeschränkt. Auch für die Reinigung des biogenen Methans ist ein einfaches Verfahren, das bei Raumtemperatur arbeitet, wünschenswert.
Für die Trennung von Uranisotopen nach ihrem Atomgewicht werden hochdrehende Zentrifugen verwendet. Diese Zentrifugen arbeiten nach dem Prinzip, das Zippe et al vor fünfzig Jahren zu Serienreife entwickelt haben. In einem um die eigene Achse rotierenden Zentrifugenrohr zirkuliert das Gas. Dabei wird die leichte Fraktion am oberen Ende des Rohrs entnommen und die schwere am unteren Ende. Die erzeugte Zentrifugalkraft wird bei diesem Prinzip nicht zur Trennung verwendet, sondern die beiden Komponenten werden im deutlich schwächeren Gravitationsfeld der Erde getrennt. Ein weiterer Nachteil dieser Anwendung ist, daß sowohl die Zuleitung als auch die Ableitung des aufzutrennenden Gases durch das hohle Rohr in der Mitte erfolgt. Bereits bei einer Umlaufgeschwindigkeit des Zentrifugenrohres von ω = 90 m/s beträgt der Druckabfall von außen nach innen vier Größenordnungen, wenn der Radius des Zentrifuge 0,25 m beträgt. Eine Erhöhung der Umdrehungsgeschwindigkeit der Zentrifugen erhöht weder die maximale Trennleistung noch verbessert sie die Durchflußleistung, da bei hohen Umlaufgeschwindigkeiten das Gas an der Außenwand aufkonzentriert und in der dünnen Schicht, in der das Gas konzentriert ist, keine Trennung durch den künstlichen Gravitationsgradienten stattfinden kann.
Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit dieser Anordnung wurden verschiedene Einbauten ausprobiert. Allen diesen Einbauten gemeinsam war, daß sie durch Lenkung des Gastroms in dem rotierenden Rohr die Anzahl der theoretischen Böden in der Trenneinrichtung erhöhen wollten. So wird von Zentrifugen berichtet, in denen Leitbleche das Gas, das bei dieser Ausführung von unten nach oben durch die Zentrifuge strömt, vom Außenrand der Zentrifuge zum zentralen Rohr leitete. Alle publizierten Methoden für die Urantrennung zeichnen sich dadurch aus, daß die Gasströmung in der Zentrifuge laminar ist oder zumindest sein sollte.
Es besteht deshalb ein großes wirtschaftliches Interesse an einem Verfahren zur Trennung von Gasmischungen wie Luft in ihre Bestandteile, das bei Raumtemperatur arbeitet.
2. Beschreibung der Erfindung
Erstaunlicherweise und auch für den Fachmann überraschend hat es sich gezeigt, daß es möglich ist, leichte Gasatome und Gasmoleküle mit einem Molekulargewicht bis zu 150 Daltonen, einschließlich der in der Luft enthaltenen Edelgase, oberhalb ihrer kritschen Temperaturen zu trennen. Wenn die Gaströmung in dem Zentrifugenrohr nicht laminar, sondern turbulent ist, kann die Trennung bevorzugt bei Raumtemperatur auf physikalischem Wege erfolgen. Der Vorteil des neuen Verfahrens liegt darin, daß es nicht mehr notwendig ist, die zu trennenden Gase zu kondensieren und dann wieder fraktioniert zu verdampfen. Es ist auch nicht notwendig, die Gase erst zu adsorbieren und dann unter vermindertem Druck wieder zu desorbieren. Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei Raumtemperatur durchgeführt werden.
Besonders erstaunlich ist, daß es möglich ist, erfindungsgemäße turbulent arbeitende Ultrazentrifugen mit hoher Leistung zu bauen, die Sauerstoff von Stickstoff trennen können oder auch Xenon aus der Luft abtrennen können, zugleich aber für die Anreicherung von schweren Gasen mit einem Gewicht von 200 Dalton und mehr ungeeignet sind. Dies liegt daran, daß Druckabfall in einer Zentrifuge bei gleichem Anreicherungsfaktor vom Molekulargewichts des Gases abhängig ist. Um einen Anreicherungsfaktor von wenigen Prozenten mit der erfindungsgemäßen Apparatur zu erreichen, muß bei schweren Gasen mit einem Molekulargewicht von 200 Dalton oder mehr ein Druckabfall in der Zentrifuge toleriert werden, der mehrere Größenordnungen größer ist als bei Luft und und anderen leichten Gasen mit einem Molekulargewicht unter 100 Dalton. Die hier vorgeschlagene Apparatur arbeitet kontinuierlich und ist für die Erzeugung großer Mengen von Sauerstoff aus Luft geeignet, wobei die Anwendung des Verfahrens nicht auf diese Trennaufgabe beschränkt ist
Die Apparatur besteht aus einer Hintereinanderschaltung und Parallelschaltung von verschiedenen Zentrifugen, die jede einzelne den Gehalt an Sauerstoff um, je nach Auslegung, um theoretisch 10 bis 20 maximal 90 Prozent anreichern kann. Dies ist als Stand der Technik bekannt. In der Praxis wird man, um einen genügend großen Durchsatz den Anreicherungsgrad auf ungefähr dreiviertel des theoretisch möglichen begrenzen, so daß Anreicherungsgrade von 7,5 Prozent bis ungefähr 40 und 70 Prozent realisert werden können. In der Praxis werden Anreicherungen von 30 Prozent bei der Sauerstoffgewinnung erzielt werden können. Die Verwendung einer turbulenten Gaströmung in der Zentrifuge an Stelle einer laminaren führt dazu, daß der Durchfluß durch die Apparatur gegenüber laminar arbeitenden Zentrifugen um ein Vielfaches gesteigert werden kann, ohne daß der Anreichungsfaktor zusammenbricht.
Durch die Verwendung einer turbulenten Gasströmung für die Trennung einer Gasmischung in ihre Bestandteile ist es möglich, auch innerhalb einer einzelnen Zentrifuge das Gegenstromprinzip zu nutzen. Die ist ein Vorzug zu dem jetzigen System, bei dem die einzelnen Znetrifugen so geschaltet werden müssen, daß ein Gegenstrom von leichter und schwerer Fraktion entsteht. Be Verwendung von Zirkulationsleitungen zur Erhöhung des Trennfaktors einer einzelnen zentrifuge kann weiterhin das Gegenstromprinzip durch eine besondere Verschaltung von verschiedenen Zentrifugen erreicht werden.
Basis der Erfindung ist, daß die maximale Durchsatz einer derartigen Apparatur sich dadurch gegenüber den bisherigen Modellen für die Trennung von Luft in ihre Bestandteile oder die Trennung von Gasgemischen, die ein der Luft vergleichbares mittleres Molekulargewicht haben, vervielfältigen läßt, wenn statt einer geordneten Gaströmung eine turbulente erzeugt wird. Je turbulenter die erzeugte Gasströmung in der Zentrifuge ist, desto größer der Volumenstrom, der entnommen werden kann, ohne den Anreicherungsprozeß zusammenbrechen zu lassen. Um die Vorteile der Erfindung nutzen zu können, ist es hilfreich, den Gasdruck in der Mitte der Zentrifuge anzuheben. Dabei wird der Gasdruck bevorzugt, unabhängig von der Trennaufgabe, bis über Atmosphärendruck angehoben.
Die Einbauten, die die Turbulenzen erzeugen, erhöhen den Energieaufwand für das Drehen der Zentrifuge gegenüber einer Zentrifuge ohne erfindungsgemäße Einbauten. Der erhöhte Energieaufwand ist nicht verloren, sondern ist ein Maß für die Erhöhung der Effizienz der Trennarbeit.
Da innerhalb der erfindungsgemäßen Zentrifuge turbulente Strömungen herrschen, ist es bevorzugt, die Gasmischung in der Mitte des Rohres im Mittel schneller durch das Rohr strömen zu lassen als an der Außenseite. Dies kann erreicht werden durch das Anbringen einer Zirkulationsleitung, die das Gas außen an der Zentrifuge und den sie umhüllenden Druckbehälter vorbei wieder zum Einlaß zurückführt. Durch diese einfache und aus der Verfahrenstechnik an sich bekannte Maßnahme ist es möglich, das zu trennende Gas in der Mitte des Rohres schneller strömen zu lassen ohne das Verhältnis zwischen leichter und schwerer Fraktion nach der Separation zu verändern. An der Innenseite der Außenwand des Zentrifugenrohrs sind Bleche, Rotoren, angebracht, die, ohne den Gasstrom parallel zur Mittelachse der Zentrifuge zu unterbrechen, dem Gas die Zirkulationsbewegung der Zentrifuge aufzwingen. Am Zentralrohr angebrachte Bleche sind ortfest und zerreißen den Zirkulationsstorm des Gases in der Zentrifuge und verwirbeln dieses intensiv, ohne einen Gasfluß entlang des Zentralrohrs zu unterbrechen. Die Anlage besteht aus mehreren hintereinander und parallel geschalteten erfindungsgemäßen Zentrifugen. Die einzelne Zentrifuge ist im Prinzip so aufgebaut, wie es für Gaszentrifugen allgemein beschrieben worden ist:
Die Zentrifuge ist ein Rohr, das um seine Längsachse rotiert. Die Zentrifuge wird stabilisiert durch ein zentrales Rohr, das nicht rotiert und durch das auf der einen Seite das zu trennende Gas zugeführt wird und ein Teil des zu trennenden Gases auf der anderen Seite abgeführt wird. Die Zentrifuge ist in einem Zylinder untergebracht, in den die zweite, schwere Fraktion des Gases nach der Trennung strömt. Bei Zentrifugen, die nach dem internen Gegenstromprinzip arbeiten, liegen die Auslässe für schwere und leichte Gasfraktion an den gegenüberliegenden Stirmseiten, wie in beispielhaft dargestellt. Die schwere Fraktion wird nicht aus der Zentrifuge, sondern dem Außenbehälter entnommen. Vier beigefügte Skizzen erläutern die Anbringung der Rotoren und Statoren und den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Zentrifuge, ohne die Details im einzelnen festzulegen.
Die erfindungsgemäße Apparatur zur Herstellung reiner Gase aus Gasgemischen besteht aus mehreren Gaszentrifugen, die durch Verbindungen mit Gasleitungen hintereinander und nebeneinander geschaltet sind. Auf diese Art und Weise kann für die Gesamtheit der Anlage ein Gegenstromprinzip erzeugt werden, ohne daß es für die einzelne Zentrifuge verwirklicht werden muß. Diese spezielle Schaltung der verschiedenen Zentrifugen ist Stand der Technik.
Die einzelne Gaszentrifuge besteht aus einem druckfesten Hohlkörper, der bevorzugt, aber nicht notwendigerweise, eine zylindrische Form hat. Es ist vorteilhaft, wenn der zylindrische Druckbehälter Drücken bis zu 100 bar oder auch höher standhält. Dabei ist dies keine feste Grenze. Wenn es erforderlich erscheint, ist es möglich, den Druck in dem äußeren Behälter auch auf 200 bar und mehr zu erhöhen. Eine Erhöhung auf 200 bar hat den Vorteil, daß der Druck im äußeren Druckbehälter dem Druck in handelsüblichen Gasflaschen entspricht. Ist es erwünscht, zum Beispiel, aber nicht ausschließlich Sauerstoff für medizinsche Zwecke in Behältnisse mit 300 bar abzufüllen, dann können Drücke im Außenbehälter von über 300 bar realisert werden, ohne daß dies ein grundlegende Änderung des Verfahrens bedeuten würde. Der Druck wird aufgebaut durch die Zentripetalkraft, die die Zentrifuge auf das zu trennende Gasgemisch, zum Beispiel Luft, ausübt. Dabei erhöht ein hoher Druck im umhüllenden Druckbehälter nicht nur die Trennleistung sondern auch den effektiven Durchsatz der Anlage bei gleichen Außenmaßen. Je höher der Druck im Druckbehälter, desto höher der mögliche Durchsatz der erfindungsgemäßen Apparatur bei gleichem Anreicherungsfaktor.
Am Druckbehälter befindet sich ein Gasauslaßventil, mit dem eine Gasentnahme aus dem Druckbehälter möglich ist und das bevorzugt, aber nicht notwendig, regelbar ist. Bevorzugt ist die regelbare Ausführung des Ventils, weil mit einem Gasentnahmeventil, das regelbar ist, ein kontinuierlicher Betrieb der Anlage leichter möglich ist und es zusätzlich möglich ist, verschiedenen kontinuierliche Betriebszustände zu erzielen. Bevorzugt ist ebenfalls eine Anordnung, bei der der Druckbehälter senkrecht auf einer der Stirmflächen steht und besonders bevorzugt ist eine Anordnung, bei der der Gasauslaß weit entfernt von Gasauslaß der Zentrifuge ist und das Gas bei der Entnahme aus dem Außenbehälter vorher alle Teile des Außenbehälters durchströmt. Die weitere Beschreibung bezieht sich auf diese Anordnung, obgleich andere Anordnungen ebenfalls möglich sind, ohne daß sie besondere Vorteile für den erfindungsgemäßen Prozeß der Gastrennung bringen würden. In den Mitten der beiden Stirmseiten des Druckgefäßes ist ein gasdicht verschlossener Durchlaß, durch den ein festes zylinderförmiges Rohr und eine rotierende Welle führen, die das Rohr gasdicht umschließt. Die Welle ist gegen den Außenbehälter gasdicht abgedichtet. Dem zentralen Hohlrohr können auf der einen Seite des Druckbehälters Gas zugeführt und auf der anderen Seite entnommen werden. Bei Zentrifugen, die nach dem internen Gegenstromprinzip arbeiten, befindet sich der Gaseinlaß nicht zwingend einem Ende des Zentralrohrs, sondern kann an einer beliebigen Stelle angebracht sein, wie es die spezielle Aufgabe erfordert. Das zentrale Hohlrohr ist zwischen Gasauslaß in die Zentrifuge und Gaseintritt aus dem Zentrifugenrohr gasdicht verschlossen.
Besonders bevorzugt ist eine Anordnung, bei der sich zwischen der Gaseinleitung in das zentrale Tragrohr und der Entnahmestelle für die leichte Fraktion eine Beipaßleitung befindet. Die Beipaßleitung ermöglicht einen Zirkulationsstrom eines Gases durch den Gasraum der Zentrifuge, ohne daß Gas entnommen werden muß. In einer bevorzugten Ausführung ist der durch die Zirkulationsleitung zirkulierende Gasstrom durch Ventile regelbar und in einer ganz besonders bevorzugten Ausführung der Apparatur wird der Zirkulationsstrom durch eine Pumpe angetrieben, die einen regelbaren Gastrom erzeugt und die sich in der Zirkulationsleitung befindet.
Das Hohlwelle, die das starre Rohr umschließt und die die Zentrifuge trägt, wird mit einem Motor auf bis zu 120.000 Umdrehungen pro Minute angetrieben. Diese Zahl ist nur als Richtwert zu verstehen, der der realen Problemstellung angepaßt werden muß. Für eine Trennung von Luft in ihre Bestandteile sind Umdrehungsgeschwindigkeiten des Zentrifugenrohrs von 50 m/s bis 1500 m/s, bevorzugt 150 m/s bis 1000 m/s, besonders bevorzugt 200 m/s bis 800 m/s, üblich. Der Radius des Zentrifugenrohres kann bei den genannten Umdrehungsgeschwindigkeiten zwischen 0,01 m und 2,00 m, bevorzugt zwischen 0,05 m und 1,00 m, besonders bevorzugt zwischen 0,25 m und 0,75 m, varieren. Hohlwelle und Zentralrohr sind gegeneinander gasdicht abgedichtet. Die Hohlwelle trägt das zylindrische rotierende Rohr, die Zentrifuge, die von dem Druckbehälter umhüllt ist. Beim kontinuierlichen Betrieb besteht zwischen dem Gasdruck an der Außenwand der Zentrifuge und dem Druck im Druckbehälter keine oder nur eine kleine Druckdifferenz, so daß die Rohrwand der Zentrifuge keine Kräfte aufnehmen muß außer denen, die durch das eigene Gewicht der Außenwand und das Gewicht der rotierenden Einbauten erzeugt werden.
Die in dieser Schrift offengelegten Zahlen und Maße sind nur beispielhaft zu nehmen in können im realen Einzelfall abweichen,. ohne daß es das Wesen der offengelegten Erfindung beeinträchtigt
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Gas der Zentrifuge über das Zentralrohr so zugeführt, daß die Einlaßstelle der Zusammesetzung des Gaes an der Einlastelle entspricht. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist die Form besonders bevorzugt, bei der der Gaseinlaß in die Zentrifuge nicht direkt am Zentralrohr, sondern an Stellen zwischen Zentralrohr und Außenwand erfolgt, an denen die Gaszusammensetzung der zu trennenden Gasmischung exakt der Zusammensetzung der zugeführten Gasmischung entspricht. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Entnahme der schweren Fraktion an der gegenüberliegenden Stirnseite wie die Entnahme der leichten Fraktion. Da bei dieser Ausführungsform bereits in der Zentrifuge ein Gegenstrom verwirklicht wurde, muß die Differenz zwischen dem Druck an der Außenwand der Zentrifuge und dem Druck in der Zentrifugenmitte gering gehalten werden, da eine beschleunigte Zirkulationsströmung der leichten Fraktion nicht möglich ist. Dehalb wird eine Zentrifuge, die in der das Gegenstromprinzip verwirklicht worden ist, bei gleichem Umfang langsamer drehen und mehr theoretische Böden haben als eine Ausführungsform mit Zirkulationsleitung.
Die Länge und der Durchmesser der Zentrifuge können der Trennaufgabe angepaßt sein. Deshalb wird eine Apperatur zur Gewinnung von Xenon zwar prinzipiell gleich aufgebaut sein wie eine zur Abtrennung von Kohlendioxid oder zur Konzentation von Sauerstoff, aber andere Abmessungen und andere Drehgeschwindigkeiten und Betriebstemperaturen haben.
Die zu trennende Gasmischung wird durch das fixe Zentralrohr in die Zentrifuge geleitet. Dabei ist eine Anordnung vorteilhaft, bei der der Ort der Einleitung dem mittleren Molekulargewicht der zu trennenden Mischung entspricht. Dabei ist eine Ausführung besonders bevorzugt, bei der der Auslaß in die Zentrifuge kreisförmig geformt ist in einen Gasstrom parallel zu Längsachse nicht behindert. Bei dieser Ausführung fließt das Gas durch eine kreisförmige Öffnung, die konzentrisch um die Mittelachse der Zentrifuge angeordnet ist, in die Zentrifuge. In einer bevorzugten Form sind die Gasauslässe als Scheiben ausgeführt, die die Gasaustritte in den Bereich des rotierenden Gases verlegen, an dem der Gasdruck etwas niedriger ist als der Druck am Einlass des innersten Rohres. Wenn mehrere Apparaturen hintereinander geschaltet sind, um die Trennleistung zu erhöhen, dann kann es sinnvoll sein, daß der Gasauslaß des starren Rohrs bis dicht an die rotierende Wand des nächsten Rohres reicht. Auf diese Art kann ein Durchfluß des zu trennenden Gasen durch mehrere nacheinander geschaltete Apparaturen erzwungen, begrenzt und reguliert werden, ohne daß Pumpen in der Apparatur selber eingesetzt werden müssen. Dies ist bevorzugt, weil durch die beschriebene Anordnung die aus der Apparatur zu entfernende Wärmemenge minimiert werden kann. Bei der Kompression von den zu trennenden Gasen entsteht bei der als bevorzugt beschriebenen Ausführung der Anlage nur außerhalb der zu kühlenden Apparatur.
Die erfindungsgemäße Gaszentrifuge ist dadurch ausgezeichnet, daß sich an der Innenseite der Außenwand des rotierenden Rohres Kränze von Rotorschaufeln befinden, die die Zirkulation des zu trennenden Gases mit der Zirkulation des rotierenden Rohrs erzwingen. In den Zwischenräumen zwischen den Rotorblattkränzen befinden Statorkränze, die am zentralen festen Innenrohr der Zentrifuge befestigt sind. Zwischen den beiden Sätzen von Gasleitblechen entstehen Turbulenzen, die die Häufigkeit von Stößen zwischen den Molekülen des zu trennenden Gases erhöhen. Um die Turbulenzen weiter zu verstärken, ist es im Rahmen der Erfindung möglich und bevorzugt, kammartige Anbauten an die Rotorblätter und die Statorblätter anzubringen, die bei Rotation des rotierenden Rohrs ineinander greifen und die Turbulenzen zusätzlich erhöhen. Dabei kann es, je nach Trennaufgabe vorteilhaft sein, die Rotorblätter und/oder Statorblätter in der Mitte der Zentrifuge so auszuformen, daß die erzwungene Zirkulation des Gases eine Geschwindigkeitkomponente des Gasstroms entlang der Längsachse der Zentrifuge erzeugt.
Die Erfindung soll am Beispiel der Trennung von Sauerstoff und Stickstoff beschrieben werden. dabei soll beispielhaft eine Mischung von 20 Volumenprozent Sauerstoff und 80 Volumenprozent Stickstoff verwendet werden, so wie die Mischung auch in der natürlichen Luft vorkommt. In diesem Fall ist das mittlere Molekulargewicht der Gasmischung beträgt 28,8 Dalton.
Wenn das Prinzip des Gegenstroms nicht in einer einzelnen Zentrifuge, sondern in einer Anlage, realisiert ist, die aus mehreren Zentrifugen besteht, die im Kreuzstrom und nicht im internen Gegenstrom betrieben werden, sind am anderen Ende des rotierenden Rohrs mindestens zwei Öffnungen. Eine Öffnung ist in der Mitte des rotierenden Rohrs und leitet die leichtere Gasfraktion durch das fixe Zentralrohr nach außen. Die zweite Öffnung befindet sich an der Außenwand des rotierenden Rohrs leitet die schwere Fraktion des Gastroms in den Druckbehälter, der das rotierende Rohr umschließt.
Wird das Prinzip des Gegenstroms in einer einzelnen Zentrifuge verwirklicht, befinden sich die Gasauslässe aus dem Zentrifugenrohr an beiden Stirnseiten. Bei Zentrifugen, bei denen der Gegenstrom in einer Zentrifuge verwirklicht ist, sind die Gasauslässe für die schwere Gasfraktion an der einen Stirmseite und die Gasauslässe für die leichte Fraktion an der gegenüberliegenden Stirmseite des Zentrifugenrohres.
Es ist bevorzugt, daß anstelle nur je einer Öffnung sich mehrere Öffnungen in der Mitte und an der Außenwand des rotierenden Rohrs befinden, um einen gleichmäßigen Gasstrom mit geringem Druckabfall an diesen Stelle sichzustellen. Dabei ist es notwendig, daß zwischen dem zentralem fixen Rohr und der oder den Öffnungen in der Mitte und dem Zentralrohr und der oder den Öffnungen an der Außenwand des Rohres und der Außenwand keine Abstände entstehen, da diese verbleibenden Stege die Trennleistung der Zentrifuge vermindern. Außerhalb der Apperatur kann die leichte Fraktion des Gases durch ein Ventil im zentralen Rohr entnommen werden. Bevorzugt befindet sich das Entnahmeventil außerhalb der Zirkulationsleitung. Es sind aber auch Konstruktionen denkbar, bei denen die Entnahme der leichteren Fraktion aus der Zirkulationsleitung erfolgt. Bei Zentrifugen, bei denen das Gegenstromprinzip innerhalb eines einzelnen Zentrifugenrohrs verwirklicht ist, erfolgt die Entnahme der leichten Fraktion über ein Ventil aus dem Zentralrohr außerhalb von dem umhüllenden Druckbehälter.
Das innere Rohr trägt an der Außenfläche Gasleitbleche, die durch ihren Widerstand die Zirkulation des Gases, die durch das rotierende Rohr erzeugt wird, verhindern oder vermindern. Es sind mehrere konstruktive Möglichkeiten denkbar. Die Statoren am Innenrohr der Apperatur erhöhen den Gasdruck in der Mitte der Apperatur und verringern die Trennleistung der Apperatur. Deshalb hängt die relative Länge der Statoren und ihre genaue Anordnung von der Trennaufgabe ab. Bei einer der möglichen Anordnungen sind die Statoren ringförmig an der Wand des Innenrohres befestigt und in den Zwischenräumen zwischen den Statorringen sind Rotorblätter ringförmig angeordnet, die an der Innenseite des rotierenden Rohres angebracht sind. Die relative Länge der Rotorblätter und der Statorblätter zum Radius des Zentrifugenrohrs hängt von der genauen Trennaufgabe und der Auslegung der Apparatur ab. Die Belastbarkeit der Apparatur hängt von den Abständen zwischen Rotor- und Statorblättern ab. Der Anreicherungsgrad hängt ab von der Länge von Rotor- und Statorblättern. Der maximale Anreicherungsgrad bei konstantem Zentrifugendurchmesser und -umdrehungsgeschwindigkeit wird bestimmt durch die Länge von Stator- und Rotorblättern. Wenn eine Anordnung gewählt wird, bei der die Rotorblätter zwei Drittel so lang sind wie der Radius des rotierenden Rohres und die Statoren bis zur Hälfte des Radius des rotierenden Rohres reichen, dann nimmt der Gasdruck vom Ende der Statoren bis zur Innenwand des rotierenden Rohres steil zu und in diesem Bereich erfolgt eine Anreicherung von schwereren Gaskomponenten. In dem Bereich, in dem die Statoren die Gasrotation verlangsamen, findet dort, an dem die Rotoren ein Zirkulation erzwingen, eine intensive Mischung der verschiedenen Gaskomponenten statt und es findet ebenfalls eine Anreichung der schweren Gaskomponenten am äußeren Bereich dieser Zone statt. In dem Bereich, der nicht von den Rotoren überstrichen wird, verhindern die Statoren eine Zirkulation und und es finden weder Anreicherung noch Durchmischung statt und der Gasdruck ändert sich nicht mit dem Radius der Apparatur. Besonders bevorzugt ist eine Anordnung der Rotor- und Statorblätter, bei der mehr Rotorkränze als Statorkränze in der Zentrifuge eingebaut sind. Ganz besonders bevorzugt ist eine Bauart, bei der sich auf beiden Seiten eines Statorkranzes je ein Rotorkranz befindet.
Auf der Innenseite des rotierenden Rohres sind die Rotorblätter befestigt. Die Befestigung erfolgt so, daß zwischen den Rotorblättern auf der Innenseite des Rohres ein Gasstrom entlang der Oberfläche in der Längsachse des Rohres stattfinden kann. zeigt skizzenhaft, Rotoren und Stato0ren in einer Zentrifuge angeordnet sein können. Dabei sind natürlich auch andere Anordnungen möglich, wenn die Trennaufgabe dies erfordert oder es nützlich erscheint. Insbesondere ist die Anzahl von Rotoren und Statoren nur als beipielhaft zu nehmen.
Eine beispielhafte Anordnung der Rotoren und Statoren ist in den und skizzenhaft ausgeführt. Eine mögliche Anordnung der Rotoren und Statoren ist nicht auf die dargestellten Formen beschränkt. So kann es sinnvoll sein und ist im Rahmen der Erfindung bevorzugt, die Vorderkanten von Rotorblättern oder auch Statorblättern so auszuführen, daß die Gasmoleküle in der Zentrifuge beim Aufprall auf die Vorderkanten der Blätter einen Imuls senkrecht zur Mittelachse erhalten. Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführung, bei der die Vorderkanten der Rotorblätter so ausgeführt sind, daß Gasmoleküle, die auf die Rotorblätter treffen, in Richtung Zentrifugenmitte beschleunigt werden, und die Vorderkanten der Statorblätter so, daß auftreffende Gasmoleküle in Richtung Zentrifugenrand beschleuinigt werden. Eine derartige Ausführung der Rotor- und der Statorblätter erhöht die Anzahl der theoretischen Böden in der Zentrifuge. Eine Zentrifuge ohne Einbauten oder mit nicht wirksamen Einbauten hat einen theoretischen Boden, bei der besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung hat jedes Rotor-Statorpaar oder -triplett mindestens einen halben theoretischen Boden und eventuell mehr.
Die beiden Stirnflächen des rotierenden Rohrs sind mechanisch stabil ausgeführt, um die Kräfte aufnehmen zu können, die durch die Zentripetalkräfte der Rohraußenwand und dem Gewicht der Rotorblätter erzeugt werden. Eine der beiden Stirnseiten hat an der Kante zur Außenwand des rotierenden Rohrs Auslässe. In einer speziellen, aber nicht bevorzugten, Ausführung sind diese Auslässe mit Diaphragmen verschlossen, so daß sich an der Innenseite des Rohrwand ein höherer Gasdruck ausbilden kann als in dem Innenraum des äußersten Rohres.
An den beiden Stirnflächen des rotierendenen Rohres ist eine hohle Welle befestigt. Der Antrieb des rotierenden Rohrs erfolgt durch die beiden hohlen Wellen, die das innere Rohr aufnehmen. Die beiden Zwischenräume zwischen dem fixen Zentralrohr und den beiden hohlen Wellen können mit Dichtungen gegen Gasverluste oder -einbrüche abgedichtet sein. Dabei ist die Art der Dichtung von der Trennaufgabe abhängig. Es kann zur Lösung dieser Aufgabe eine Öldichtung oder auch eine Gleitringdichtung oder auch eine Kombination von beiden oder eine Labyrinthdichtung gewählt werden.
Der Druckbehälter, der die Zentrifuge umschließt, kann doppelwandig ausgeführt sein. Er kann auch mittels einer außen aufgebrachen Rohrleitung oder durch ein äußeres Behältnis separat heiz- oder kühlbar sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform für die Luftzerlegung wird die Zylinderwandung des Druckbehälters mit Gas gekühlt, das im Gegenstrom zum Strom des zu trennenden Gases geführt wird. An einer Stirnfläche enthält der Druckbehälter mindestens ein Ventil für die Abnahme von Gas. Die andere Stirnfläche ist vollständig geschlossen. Beide Stirnflächen sind bei geschlossenen Abnahmeventilen gasdicht ausgeführt, obgleich durch beide die rotierenden Hohlwellen geführt werden, die das mittlere, rotierende Rohr tragen und antreiben. Zur Herstellung reiner Gase kann es notwendig sein, mehrere der erfindungsgemäßen Apperaturen so mit einander zu verbinden, daß einige Apparaturen parallel arbeiten, während andere nacheinander geschaltet sind.
Ein Vorteil der Druckerhöhung im Außenbehälter ist, daß auch in der Mitte der Zentrifge die Drücke höher sind als in der Umgebung der Apparatur, so daß aufwendige Vakuumappraturen und -pumpen entfallen können.
Es ist auch eine Kombination von Membranverfahren und Zentrifugenverfahren möglich, bei dem als druckfester Außenbehälter ein Molekularsieb verwendet wird, bei dem nur eine Komponente der schweren Fraktion das Sieb passieren kann und die andere über ein regelbares Druckventil entnommen werden kann.
Erfindungsgemäß kann das Problem der unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Gleichgewichtseinstellung dadurch gelöst werden, daß das Gas in der Mitte des Zentrifugenrohres die Zentrifuge schneller durchströmt als an der Außenwand. Dies ist möglich, wenn der Gasstrom in der Mitte des Zentrifugenrohrs durch die Umwälzung mittels der Zirkulationsleitung schneller erfolgen kann als an der Außenwand der Zentrifuge, ohne daß dem System mehr Gas entnommen werden müßte. Dabei wird die Gasgeschwindigkeit in der Zentrifugenmitte mit Hilfe der Zirulationsleitung so eingestellt, daß die Strömung turbulent wird. Wenn durch die Zirkulationsleitung 100 mal so viel Gas in der Zentrifugenmitte rezirkuliert wird, wie Gas aus der Zentrifugenmitte dem System entnommen wird, dann erfolgt die Gleichgewichtseinstellung in der Zentrifugenmitte ca. 100 mal so schnell wie ohne Zirkulationsleitung. Die Entnahme der leichten Fraktion kann deshalb 100 mal so groß sein wie ohne Zirkulationsleitung, ohne daß der Anreichungsgrad zusammenbricht.
Bei Zentrifugen, bei denen das Prinzip des Gegenstroms bereits innerhalb des einzigen Zentrifugenrohrs verwirklicht wird, kann der Druckabfall durch eine geringere Umlaufgeschwindigkeit der Zentrifuge so weit verringert werden, daß die Zirkulationsleitung unnötig wird. Wird dieses System verwendet, dann kann durch eine Vergrößerung der Anzahl der Rotor-Statorpaare oder -tripletts dieser Nachteil ausgeglichen werden.
Die Statoren verwirbeln nicht nur den Gasstrom parallel zur Längsachse der Zentrifuge, sie verhindern auch eine Zirkulation des Gases in der Zentrifuge um die Mittelachse. Durch den Einbau der Statoren wird nicht nur die maximale Durchsatzmenge erhöht, sondern im Gegenzug der maximale Trennfaktor α₀ verringert. Wenn die Statoren bis an die Außenwand des Zentrifugenrohres reichen und nur die Reibung an der Wand die Zirkulation des Gases antreibt, dann bricht die Zirkulation des Gases an dieser Stelle zusammen und es erfolgt keine Trennung. Erfindungsgemäß wird dieses Problem so gelöst, daß die an der Innenseite des Zentrifugenrohrs befestigten Rotoren das Gas im gesamten Gasraum in eine zirkulierende Bewegung versetzen, die durch die Statoren nur in Teilbereichen unterbunden werden kann. Notwendig ist eine Anordnung der Rotoren, die zwischen den Rotorblättern Raum läßt für einen Strom der Gasmischung parallel zur Zentrifugenlängsachse. Bevorzugt ist eine Ausführung, bei der die Rotorblätter den gesamten Innenraum der Zentrifuge bis zum unbeweglichen Zentralrohr bestreichen. Dabei sind die Kreise der Rotorblätter so angeordnet, daß sie sich zwischen den Kreisen der Statorblättern befinden. Alternativ ist es möglich, daß sich auf beiden Seiten eines Kreises von Statorblättern ein Kreis Rotorblätter befindet. Besonders bevorzugt ist eine Ausführung, bei der die Rotorblätter so geformt sind, daß sie die Gasmoleküle nicht nur in eine kreisende Bewegung versetzen, sondern auch in Richtung auf Zentrifugenmitte beschleunigen. In einer beispielhaften Apparatur sinkt die effektive Länge des Zentrifugenrohrs durch die Einbauten auf 40% der Gesamtlänge.
Anders als bei dem Kondensations-Verdampfungsverfahren nach Linde wird die Energie zu Trennen der Gaskomponenten bei Umgebungstemperatur aufgebracht. Verluste treten nur auf durch die Reibung der Zentrifugenlager und die Reibung durch die Viskosität des zu trennenden Gases beim Betrieb. Der minimale Energieverbrauch einer erfindungsgemäßen Anlage zur Trennung von Gaskomponenten für eine Erzeugung von 99% Stickstoff oder Sauertoff aus Luft beträgt 2,9 kJ/mol Produkt und nicht 11,6 kJ/mol wie bei dem Lindeverfahren. Die Ursachen für Energieverluste beim erfindungsgemäßen Verfahren sind die Motoren, die die Zentrifugen antreiben, und die Pumpen. Der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anlage hängt deshalb praktisch, aber nicht theoretisch, von dem Material ab, aus dem die Zentrifuge gebaut ist. So sollte, um Verlust durch übergroße Elektromotoren zu vermeiden, die Zentrifuge möglichst leicht gebaut werden. Als bevorzugte Materialen für den Bau der Zentrifugien werden glasfaser-verstärkte Kunststoffe oder kohlenfaserverstärkte Kunststoffe verwendet, da diese ein geringes Eigengewicht mit einer hohen Festigkeit verbinden. Die Verwendung von Magnesium- oder Aluminiumverbindungen für den Bau ist genauso möglich wie die Verwendung hochfester Stahlsorten.
Die erfundungsgemäße Gaszentrifuge ist in bis skizzenhaft ausgeführt.
Die Funktionsweise der Erfindung soll mit Beispielen erläutert werden. Als Beispiele, die die Funktionsweise und überlegene Effizienz der erfindungsgemäßen Apperatur gegenüber einem herkömmlichen Verdampfungsapparat belegen, werden ausgewählt:

1. Die Trennung von gereinigter Luft in Sauerstoff und Stickstoff
2. Die Abtrennung der in Luft enthaltenen Edelgase
3. Die Fraktionierung der gewonnenen Edelgase zur Gewinnung von Argon, Neon und Xenon.
4. Herstellung von Methan aus Biogas
5. Die Gewinnung von Neon aus Luft mit einer Zentrifuge im Gegenstrom

Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Apperatur können mit der barometrischen Höhenformel berechnet und erläutert werden. Zur Vereinfachung soll mit der Trennung Sauerstoff-Stickstoff angefangen werden, da diese Trennung theoretisch und praktisch einfach ist.
Wenn trockene, kohlendioxidfreie Luft in der erfindungsgemäßen Apperatur in die Bestandteile zerlegt wird, dann werden zuerst Xenon, Krypton und Argon mit der schweren Fraktion, also dem angereicherten Sauerstoff, abgetrennt. Danach erfolgt die Trennung in Sauerstoff und Stickstoff. Neon befindet sich in der leichten Fraktion.
Trockene, kohlendioxidfreie Luft enthält etwa 20 Prozent Sauerstoff mit einem Molekulargewicht von 32 und 80 Prozent Stickstoff mit einem Molekulargewicht von 28. Luft hat ein mittleres Molekulargewicht von 28,8.
Beispielhaft wird eine Trennung der Luft in Sauerstoff und Stickstoff bei Raumtemperatur von 300 K berechnet werden. Natürlich ist auch eine Trennung bei anderen Temperaturen möglich. Eine trennung bei höherer Temperatur als 300 K verschlechtert gegenüber dieser Arbeitstemperatur bei sonst gleichen Daten den maximalen und den realen Anreichungsfaktor. Eine Trennung bei tieferen Temperaturen verbessert beide Faktoren. Auf keinen Fall sollte die Arbeitstemperatur der Apparatur –100°C nicht unterschreiten, da die kritische Temperatur des Sauerstoffs bei –119°C liegt. Die Rotationsgeschwindigkeit des Zentrifugenrohrs betrage 16000 1/min. Der Durchmesser des mittleren Rohrs betrage 0,5 m, die Länge bei 1,0 m. Die Umlaufgeschwindigkeit des Zentrifugenrohrs beträgt 214,5 m/sec. Der Durchmesser des inneren, starren Rohrs betrage 0,1 m. Das Volumen zwischen dem rotierenden mittleren Zentrifugenrohr und dem äußeren Druckbehälter beeinflußt nicht die Trennleistung der Apparatur und wird deshalb in den Beipielen nicht berücksichtigt und nicht angegeben. Die Größe des Volumens zwischen dem äußeren und dem mittleren Rohr bestimmt die Geschwindigkeit, mit der die Apparatur beim Anfahren ihre maximale Trennleistung erreicht.
Die barometrische Höhenformel ergibt für ein Gas einen Druckverlust von der Außenwand des rotierenden Rohrs bis zum starren Zentralrohr von p_(h1)/p_(h0) = e^{(–(M·(v²)/(2R·T))Δh²}
Die relative Druck in der Mitte des Zentrifugenrohrs beträgt für Sauerstoff 6,226 × 10^–4 des Drucks an der Außenwand, für Stickstoff beträgt der relative Druck in der Zentrifugenmitte 1,2433 × 10^–3 und für das Gasgemisch der Luft 1, 1,029 × 10^–3.
Während des Betriebes reichert sich an der Außenwand der Zentrifuge der in dem Gasgemsich enthaltene Sauerstoff an und in der Zentrifugenmitte der Stickstoff. In einer Stufe, oder in einem theoretischen Boden vergrößert sich in der schweren Fraktion der Sauerstoffgehalt von 20% auf maximal 31,88% und der Stickstoffanteil nimmt analog auf 68,11% ab.
Bei der leichten Fraktion erhöht sich der Stickstoffgehalt auf 84,24%, wenn der Strom der schweren Fraktion ein Fünftel des Stroms der leichten Fraktion beträgt, wenn in Normvolumina gerechnet wird.
Nach 15 Stufen oder theoretischen Böden erhöht sich der Sauerstoffgehalt in der schweren Gasfraktion von 20% auf über 90%. Die Turbulenzen und die turbulenten Gasströme innerhalb der erfindungsgemäßen Zentrifugen führen dazu, daß eine erfindungsgemäße Zentrifuige nicht eine Stufe, sondern 5 Stufen hat, wenn je Zentrifuge 10 Rotor-Statorpaare verwendet werden und die Zentrifuge im Gegenstrom betrieben wird. Es ist möglich, die Anzahl der Rotor-Statorpaare oder -tripletts in einer Zentrifuge der Trennaufgabe auzupassen, so daß es möglich ist, daß eine Zentrifuge nur ein Rotor-Statorpaar oder -triplett enthält. Für die Erreichung eines Sauerstoffgehalts von > 90% sind also drei hintereinander geschaltete Zentrifugen notwendig, die im Gegenstrom arbeiten. Alle errechneten Werte beziehen auf den Fall des thermodynamischen Gleichgewichts. Wird dem System Produkt entzogen, dann sinkt der Anreichungsgrad. Die Berechnung der notwendigen Stufen für eine ausreichende Trennung ohne Produktentnahme ist nur beispielhaft, da bei dieser Betrachtung das theoretische Mengenverhältnis von schwerer und leichter Fraktion in das Ergebnis einfließt. Es ist üblich und bei dieser Erfindung vorteilhaft, die relativen Massenströme an leichter und schwerer Fraktion der Trennaufgabe anzupassen.
Der Anreichungsgrad bei Belastung ist α = α₀/(1 + G/V₀). In der Gleichung ist G die Gesamtentnahme an Produkt G = G_s + G_l, die sich aus der Entnahme an schwerer Fraktion G_s und leichte Fraktion G_l zusammensetzt. Üblicherweise wird der Vergleichsstrom V₀ definiert durch V₀ = 4π·ρ·D·L. In dieser Gleichung ist D der Diffusionskoeffizient für die eine Gaskompponente und L die Länge des Zentrifugenzylinders. In der Mitte der Zentrifuge kann sich bei Normaldruck an der Außenwand des Zentrifugenrohrs kein Gleichgewicht einstellen, wenn Gas entnommen wird, weil bei 1,24 × 10^–3 bar die mittleren freien Weglängen der Gasmoleküle so groß sind, so daß die Einstellung des Gleichgewichts bereits durch die Entnahme kleiner Gasmengen gestört wird.
In dem hier beispielhaft beschrieben Verfahren wird dieses Problem teilweise durch ein Druckerhöhung im Außenbehälter auf 200 bar und mehr gelöst. Dies ist auch der Druck im Außenbehälter oder der Druck, der für eine Molekularfiltration der Luft zur Verfügung steht. Der Druck in der Zentrifugenmitte steigt bei einem Druck von 200 bar an der Zentrifugenaußenwand auf 0,12 bar an.
Es ist deshalb mit folgenden Leistungen der einzelnen Apparatur zu rechnen:
Wenn der Zirkulationsstrom das 120fache des Entnahmestroms ist: 214,3 kg/d Luft mit > 80% Sauerstoff, wenn der Maximaldruck in der Anlage auf 200 bar erhöht wird. Für die Zerlegung von 4000 kg/d Luft in Sauerstoff mit > 95% Gehalt und Stickstoff sind 120 Zentrifugen erforderlich, wie sie im Beispiel beschrieben wurden. Bei 30 Tagen geplantem Stillstand der Anlage pro Jahr für notwendige Reparaturen hätte ein auf den erfindungsgemäßen Zenrifugen aufgebauter Luftzerleger eine Leistung von 1.320.000 kg/a Luft oder 264.000 kg/a Sauerstoff und 1.056.0000 kg/a Stickstoff. Dabei kann im Rahmen der Erfindung die Trennleistung der erfindungsgemäßen Anlage noch verbessert werden durch die Anpassung von Teilströmen, Rezirkulationsströmen und Umlaufgeschwindigkeit der Zentrifugen an die jeweilige Trennaufgabe.
Zur Gewinnung von Xenon und Krypton aus der Luft sind zwei Methoden möglich. Bei der einen Methode wird die gesamte Luft durch die Zentrifuge geschleust und eine schwere Fraktion von einem Prozent des Gesamtstroms entnommen. Diese schwere Fraktion enthält Argon, Krypton, Xenon und Kohlendioxid. Der geringe Teilstrom wird dann weiter fraktioniert. Wenn die schwere Fraktion zwei Prozent der Gesamtentnahme ist, dann enthält dieser Teilstrom den überwiegenden Teil der Edelgase und des Kohlendioxids. Der Anreichungsfaktor α₀ von Argon, den leichtesten Atomen in der schweren Fraktion, ist drei bezogen auf Sauerstoff und 5,4 bezogenauf Stickstoff. Wenn der entnommene Volumenstrom, der die schweren Edelgas enthält, doppelt so groß ist, wie den Anteil der Edelgase und des Kohlendioxids in der Luft entspricht, dann ist die Abtrennung von Xenon und Krypton praktisch vollständig und von Argon fast vollständig.
Bei der zweiten Methode wird der Sauerstoff angereichert bis auf einen rechnerischen Gehalt von 99%. Diese Fraktion enthält Kohlendioxid und alle Edelgase mit Ausnahme von Helium und Neon, die sich in der leichten Fraktion befinden.
Die Massenunterschiede zwischen den verschiedenen Edelgasen und Kohlendioxid im Verhältnis zum Sauerstoff sind so groß, daß für die Abtrennung von Argon, Krypton, Xenon und Kohlendioxid vom Sauerstoff eine erfindungsgemäße Zentrifuge ausreichend ist. In der schweren Fraktion von ungefähr einem Prozent des Volumenstroms sind alle Edelgase mit Ausnahme des Neons und das Kohlendioxid enthalten. Bei der nächsten Fraktion wird zwischen Xenon und Krypton als schwere Fraktion und Kohlendioxid und Argon als leichter Fraktion getrennt. Bei Bedarf können Xenon und Krypton isotopenrein getrennt werden. Zur Gewinnung des Argon wird das Kohlendioxid chemisch gebunden und das Argon rein erhalten.
Eine weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Zentrifuge ist in Biogasanlagen. Biogasanlagen produzieren ein Gasgemisch von Kohlendioxid, Methan und Wasser. Dabei entspricht der Wassergehalt des Biogases dem Gleichgewichtdampfdruck des Wassers im Reaktionsbehälter. Wird das Biogas, so wie es in der Anlage produziert wird, transportiert oder gelagert, dann ist es sehr korrosiv für Bauteile aus Eisen, Edelstahl, Aluminium oder Kohlenstoffstahl. Wenn das Biogas bei Transport oder Lagerung die Temperatur, bei der es hergestellt wurde, unterschritten wird, dann kondensiert das Wasser aus dem Gas und löst einen großen Teil des im Gas enthaltenen Kohlendioxids. Der pH-Wert des kondensierten Wassers beträgt dann 4,3, so daß Säurekorrosion die Bauteile zerstört. Zusätzlich ist kondensiertes Wasser ein Gefahr für Pumpen und Ventile auf dem Transport. Ebenfalls ist es wünschenswert, das Transportvolumen des erzeugten Biogases zu verringern.
Eine Verwendung der erfindungsgemäßen Zentrifuge zur Reinigung von des erzeugten Methans würde beide Probleme lösen:
Methan hat ein Molekulargewicht von 16, Wasser hat eines von 18, Kohlendioxid eines von 44. Wird Biogas in eine erfindungsgemäße Zentrifuge geleitet und getrennt, dann reichert sich das Kohlendioxid in der schweren Fraktion an. In der leichten Fraktion reichern sich Methan und Wasser an. Die notwendigen Rechnungen für die Auslegung können analog den Rechnungen für die Luftzerlegung erfolgen und es können dieselben Formeln und Algorithmen verwendet werden. Die Zentrifuge trennt nicht nur Kohlendioxid von Wasser und Methan, sie verringert auch den relativen Druck von Methan und Wasser im Verhältnis zum Kohlendioxid. Es ist deshalb möglich, in einer Zentrifuge in der leichten Fraktion bei vermindertem Druck Wasser und Methan abzutrennen und gleichzeitig das aufkonzentrierte Kohlendioxid in die Umgebung abzugeben. In einer erfindungsgemäßen Zentrifuge, die mit den obigen Auslegungsdaten betrieben wird, sinkt der Wasserdampfdruck in der Mitte auf 1,348 × 10^–2 des Drucks am Zentrifugenrand. Dies entspricht einem Gleichgewichtsdruck des Wassers bei 37°C am Rand der Zentrifuge. Der Partialdruck des Methans sinkt auf 2,176 × 10^–2 des Drucks am Zentrifugenrand und der des Kohlendioxids auf 2,682 × 10^–5. Der Anreicherungsfaktor ist αo = 811 für die Trennung von Methan und Kohlendioxid, 503 für die Trennung von Wasserdampf und Kohlendioxid und αo = 1,61 für die Trennung von Methan und Wasserdampf. Es ist dehalb möglich, mit der erfindungsgemäßen Zentrifuge das im Biogas enthalten Kohlendioxid in einer Stufe abzutrennen. Schwefelwasserstoff, der in Biogas enthalten ist, reichert sich ebenfalls in der schweren Fraktion an. Ebenso Alkylamine und Aminaschwefelverbingen Die leichte Fraktion besteht nach der Abtrennung des Kohlendioxids nur aus Methan, Ammoniak und Wasser. Ein etwaiger Überdruck der schweren Fraktion im Verhältnis zum Umgebungsdruck der Apparatur kann genutzt werden, um Methan und Wasser zu komprimieren. Diese Apparaturen sind hinglänglich bekannt. Nach einer Trocknung des Methans kann dieses problemlos gelagert und transportiert werden.
Wird eine erfindungsgemäßte Zentrifuge für die Gewinnung von Neon aus Stickstoff oder Luft verwendet, dann ist es vorteilhaft, nur die Fraktionen mit scheinbar reinem Stickstoff auf Neon aufzuarbeiten. Natürlich ist es möglich, Zentrifugen, die nach dem internen gegenstromprinizip arbeiten, auch bei anderen Trennproblem zu verwenden. Die Verwendung von Neon als Beispiel soll nur zeigen, daß eine derartige Zentrifuge arbeitet und nicht andere Beispiele ausschließen. Bereits nach einer Stufe hat sich in der erfindungsgemäßen Anlage bei einer Umlaufgeschwindigkeit von 209,44 m/s und 300 K der Neonanteil in der leichten Fraktion erhöht, wenn die obigen Maße verwendet werden. Es kann deshalb vorteilhaft sein, statt einer Zentrifuge mit Zirkulationsleitung für die Aufkonzentrierung bis zum reinen Neon mit 99,9% eine Zentrifuge ohne Zirkulationsleitung zu verwenden, die nach dem Gegenstromprinzip arbeitet.
Hierfür wird eine Zentrifuge verwendet, die bei denselben Maßen nur mit 10000 1/min dreht. Es ergibt sich ein Anreicherungsfaktor von 51%. Wird wegen der Stoffentnahme nur ein Anreichungsfaktor von der Hälfte des theoretischen erreicht, so ergibt sich eine Anzahl von 63 Rotor-Statoreinheiten, die für eine Anreicherung auf 99,99% Reinheit erforderlich sind. es wird bis zu 50% des Neons, das in der Luft enthalten ist, auf diese Art gewonnen.

Claims

Zentrifuge zur Trennung von Gasgemischen nach ihren Atom- und Molekulargewichten ihrer Komponenten, dadurch ausgezeichnet, daß der in seine Komponenten zu trennende Gasstrom in der Zentrifuge Kräften senkrecht zur Mittelachse der Zentrifuge unterworfen wird und turbulent ist.
Zentrifuge zur Trennung von Gasgemischen nach ihren Atom- und Molekulargewichten ihrer Komponenten nach Anspruch 1, dadurch ausgezeichnet, daß das Zentrifugenrohr in einem druckfesten Behälter untergebracht ist, der mit dem Gasauslaß der schweren Gasfraktion aus der Zentrifuge so verbunden ist, daß der Druck im Außenbehälter gleich dem Gasdruck an der Innenseite der Außenwand des Zentrifugenrohrs ist und bei Betrieb der Zentrifuge umabhängig vom Gasdruck außerhalb des Außenbehälters ist.
Zentrifuge zur Trennung von Gasgemischen nach ihren Atom- und Molekulargewichten ihrer Komponenten nach Anspruch 1, dadurch ausgezeichnet, daß die Zentrifuge um ein zentrales Rohr rotiert, das selbst nicht rotiert, und das mit einer Rohrleitung außerhalb von dem Außenbehälter verbunden ist, durch die Gas vom Ausgang der Zentrifuge zum Einlaß zirkuliert werden kann, ohne daß Gas entnommen werden muß.
Zentrifuge zur Trennung von Gasgemischen nach ihren Atom- und Molekulargewichten ihrer Komponenten nach Anspruch 1, dadurch ausgezeichnet, daß die Mittelachse der Zentrifuge als Rohr ausgeführt ist, das nicht rotiert und das Gasleiteinheiten trägt, die die Zirkulation des Gases mit der Zentrifuge abbremsen.
Zentrifuge zur Trennung von Gasgemischen nach ihren Atom- und Molekulargewichten ihrer Komponenten entsprechend den Ansprüchen 1 und 4, dadurch ausgezeichnet, das die Außenwand der Zentrifuge an ihrer Innenseite Gasleitbleche trägt, die mit der Zentrifuge rotieren und die dem Gas die Zirkulation der Zentrifuge auch dann aufzwingen, wenn die Zirkulation durch nicht rotierende Gasleitbleche, die an dem Zentralrohr befestigt sind, behindert ist.
Zentrifuge zur Trennung von Gasgemischen nach ihren Atom- und Molekulargewichten ihrer Komponenten nach den Ansprüchen 1, bis 5, dadurch ausgezeichnet, daß die jeweiligen Gasleitbleche kreisförmig und senkrecht zur Mittelachse der Zentrifuge angeordnet sind.
Zentrifuge zur Trennung von Gasgemischen nach ihren Atom- und Molekulargewichten ihrer Komponentennach nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch ausgezeichnet, daß die Rotoren und Statoren so geformt sind, daß sie bei Betrieb der Zentrifuge das zu trennende Gas abwechselnd Richtung Außenwand und Richtung Mitte der Zentrifuge beschleunigen.
Zentrifuge zur Trennung von Gasgemischen nach ihren Atom- und Molekulargewichten ihrer Komponenten nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch ausgezeichnet, daß entlang der Längsachse der Zentrifuge Rotoren und Statoren abwechselnd angeordnet sind.
Zentrifuge zur Trennung von Gasgemischen nach ihren Atom- und Molekulargewichten ihrer Komponenten entsprechend den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch ausgezeichnet, daß die Gasentnahme aus einem Außenbehälter regelbar ist und unterbrochen werden kann.
Zentrifuge zur Trennung von Gasgemischen nach ihren Atom- und Molekulargewichten ihrer Komponenten entsprechend den Ansprüchen 1 und 3, dadurch ausgezeichnet daß Gaseinlaß und Gasauslaß aus der Zentrifuge durch das Zentralrohr erfolgt und unabhängig vom Zirkulationsstrom unterbrochen und geregelt werden kann.
Zentrifuge zur Trennung von Gasengemischen nach ihren Atom- und Molekulargewichten ihrer Komponenten entsprechend den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch ausgezeichnet, daß die Rotationsgeschwindigkeit des Zentrifugenrohrs regelbar ist.
Zentrifuge zur Trennung von Gasengemischen nach ihren Atom- und Molekulargewichten ihrer Komponenten entsprechend den Ansprüchen 1 bis 9 und 11, dadurch ausgezeichnet, daß der Gasauslaß für die leichte Fraktion an der gegeüberliegenden Stirnseite von dem Gasauslaß für die schwere Fraktion angebracht ist und der Gaseinlaß zwischen diesen beiden erfolgt.
Verwendung einer Zentrifuge nach den Ansprüchen 1 bis 5 und 10 und 6 bis 10, für die Zerlegung von Luft in ihre Bestandteile.
Verwendung einer Zentrifuge nach den Ansprüchen 1 bis 5 und 10 und 6 bis 9, für die Gewinnung von Neon, Argon, Xenon und/oder Krypton aus der Luft.
Verwendung einer Zentrifuge nach den Ansprüchen 1 bis 5 und 10 und 6 bis 10, für die Gewinnung von Methan aus Biogas.