DE1243155B - Vorrichtung zum Reinigen von Gasen durch Diffusion - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

BOId

Deutsche Kl.: 12e-3/04

Nummer; 1 243 155

Aktenzeichen: E 21217IV c/12 e

Anmeldetag: 9. Juni 1961

Anslegetag: 29. Juni 1967

Um Wasserstoff von hohem Reinheitsgrad zu erhalten, kann handelsüblicher Wasserstoff mittels Diffusion durch Palladium gereinigt werden. Eine geeignete Vorrichtung für diesen Zweck, die Palladiumrohre, die in Schraubenform angeordnet sind, verwendet, ist in der USA.-Patentschrift 2 911 057 beschrieben. Eine hochselektive Trennung durch Diffusion wird ebenfalls erhalten, wenn man Helium und Sauerstoff durch Glas (siliziumoxydhaltig) bzw. Silber diffundieren läßt.

Wenn Wasserstoff durch Palladium diffundiert, ist es wünschenswert, bei einem erhöhten Temperaturniveau von einigen Hundert Grad Celsius zu arbeiten. Daher dient die Schraubenform der Röhren gemäß der oben zitierten Patentschrift dazu, die thermische Ausdehnung und Zusammenziehung der Palladiumröhren zu ermöglichen, ohne daß die Druckdichtung des Hüllbehälters bricht.

Die Diffusionsvorrichtungen, die bis jetzt verwendet wurden, besitzen eine Einlaßkammer, durch die das Rohgas zirkuliert, und eine Gewinnungskammer. Die Einlaßkammer und die Gewinnungskammer sind mittels einer Membran voneinander getrennt, die aus einem Material besteht, das die selektive Durchlässigkeit für das Gas, das gewonnen werden soll, besitzt.

Normalerweise besitzt die Gewinnungskammer einer Diffusionseinrichtung nur ein einziges Anschlußrohr, das der Auslaß für das gereinigte Gas ist. Es ist aber auch schon vorgeschlagen worden, die Gewinnungskammer mit einem Ein- und einem Auslaß zu versehen.

Mit dieser Art von Anordnung kann eine vorteilhafte Gasströmung in dem Gewinnungsraum erhalten werden. Es ist wünschenswert, eine Rückdiffusion eines Teiles des Gasstromes im Gewinnungsraum zu vermeiden. Das Gas strömt im Gewinnungsraum im Gegenstrom zu dem Gas in den Palladiumrohren, und dadurch erfolgt eine allmähliche Zunahme des Wasserstoffgehaltes in der Gewinnungskammer und eine allmähliche Abnahme des Wasserstoff geh altes innerhalb der Palladiumröhren. Wenn die Palladiumröhren schraubenförmig ausgebildet sind, kann ein wirksamer Gegenstrom ohne Rückmischung jedoch nicht leicht erhalten werden.

Es wurde gefunden, daß bei einer Vorrichtung zum Reinigen von Gasen durch Diffusion, bestehend aus einem eine Einlaß- und eine Auslaßkammer nahe der Einlaßkammer einen Auslaß für das gereinigte Gas und zur Erzeugung einer Gegenströmung nahe der Auslaßkammer einen Einlaß aufweisenden, gegebenenfalls heizbaren Zylinder, wobei Vorrichtung zum Reinigen von Gasen
durch Diffusion "

Anmelder:

Engelhard Industries, Inc.,

Newark, N. J. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,

München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:
William C. Pfefferte, Middletown, N. J.;

Martin F. Collins, Jersey City, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 10. Juni 1960 (35 299) - -

die Einlaßkammer mit der Auslaßkammer über viele.

as die Diffusion ermöglichende Rohre verbunden ist,

die Rückdiffusion verringert wird, wobei gleichzeitig auf eine unterschiedliche Warmeausdehnung oder -zusammenziehung der Diffusionsröhren und der umgebenden Kammer zu achten ist, wenn erfindungsgemäß in dem Zylinder eine einen U-förmigen Raum bildende Platte in die Zylinderöffnung ragt, an einem Ende des Zylinders senkrecht zu dieser Platte eine den Querschnitt ausfüllende, die Einlaßkammer und Auslaßkammer bildende Platte angeordnet ist und daß die beiden Kammern durch U-förmig gebogene Diffusionsrohre miteinander verbunden sind.

An Hand der Zeichnungen soll die Vorrichtung beispielsweise näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt eine Vorrichtung mit U-förmigem Diffusionsraum;

F i g. 2 zeigt eine andere Ausführungsform, in der ein Vorwärmer verwendet wird und in der die Palladiumröhren in aufgehängten Bündeln gruppiert sind;

Fig. 3 zeigt eine Ansicht eines Teiles der in F i g. 2 dargestellten Vorrichtung;

F i g. 4 und 5 zeigen zwei Ansichten eines Rohroberteils, das in der in F i g. 2 und 3 dargestellten Vorrichtung verwendet wird.

In Fig. 1 ist eine Gewinnungskammer 12 dargestellt, die eine zylindrische FoaBvbesitzt und aus korrosionsbeständigem Stahl hergestöüt ist. Diese

' . : 709 608/379

Kammer ist in zwei halbzylindrische Teile vermittels einer korrosionsbeständigen Stahlplatte 14 geteilt, die sich quer durch die Kammer 12 über fast ihre ganze Länge erstreckt. Durch die Anordnung der Trennplatte 14 erhält der Gewinnungsraum 12 eine U-förmige Konfiguration, wobei sich der eine Schenkel des U über der Trennplatte 14 und der andere Schenkel des U unter der Trennplatte 14 befindet.

Die mit Öffnungen versehene Endplatte 16 aus korrosionsbeständigem Stahl weist eine obere and eine untere halbzylinderförmige Platte auf. die ein Ende der Gewinnungskammer 12 abschließt. Eine Reihe von U-förmigen Diffusionsröhren ist in der Gewinnungskammer angeordnet, wobei ein Schenkel jeder der Röhren in der Endplatte 16 über der Trennplatte 14 und der andere unter derselben befestigt ist. Zwei dieser U-förmigen Diffusionsröhren 18 und 20 sind in F i g. 1 dargestellt. Es wird bemerkt, daß die Röhren 18 und 20 sowohl die gleiche Form als auch die gleiche Krümmung besitzen.

Die anderen Röhren 22, die unterbrochen dargestellt sind, besitzen eine entsprechende Konfiguration. Wenn die Diffusionsröhren im allgemeinen dieselbe Form besitzen und viele oder alle untereinander identisch sind, wird die Herstellung vereinfacht, und die gleiche Diffusionswirkung wird von jeder sich durch den Gewinnungsraum erstreckenden Röhre erhalten.

Die Gewinnungskammer 12 ist von einer Heizspule 24 umgeben. Der Widerstandsdraht kann beispielsweise ein Chrom-Nickel-Draht sein, und die Windungen sind in einer Zementschicht 26, beispielsweise in einer Asbestzementschicht, eingeschlossen. Die ganze Einrichtung ist in einem Aluminiumbehälter 28 eingeschlossen, der Endplatten 30 und 32 besitzt, welche aus Asbestzement oder ähnlichem Material hergestellt sind. Der Rest des Raumes innerhalb der Kammer 28 ist mit einem wärmeisolierenden Material 34, wie z. B. Magnesiumoxyd, gefüllt.

Das einströmende Gas von geringer Reinheit wird zu dem Einlaßraum 36 durch das Einlaßrohr 38 eingeführt. Der Ausgangsstrom des aus den Diffusionsröhren gewonnenen Gases wird in der Kammer 40 aufgenommen und ist mit dem Einlaß zu der Gewinnungskammer 12 durch Röhren 42 und 44 und den Druckminderer 46 verbunden. Das Abgas wird aus dem Druckminderer 46 durch das Rohr 48 abgeblasen.

Die Gegenstromanordnung, die in den Zeichnungen dieser Erfindung dargestellt ist, wird verwendet, um den Gesamtdruckabfall, der an den parallelen Röhren erforderlich ist, zu verringern. Dadurch wird ein System erhalten, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit relativ groß ist. Mit der Gegenströmung, wie sie in den Zeichnungen dargestellt ist, werden hohe Partialdruckdifferenzen in der U-fÖrmigen Gewinnungskammer aufrechterhalten, ohne daß der Absolutdruckunterschied zu beiden Seiten der Röhren unerwünscht hoch ist. Auf diese Weise werden hohe Diffusionsgeschwindigkeiten erhalten, ohne daß Drucke erreicht werden müssen, bei denen die Röhren leicht brechen.

Beispielsweise enthält das Rohgas 10 Vo Wasserstoff und 9O°/o Stickstoff bei einem Druck von 24,608 kg/cm². Das Rohgas wurde in die die PaI-ladiumröhren enthaltene Diffusionseinrichtung mit einer Geschwindigkeit von 1,91 pro Minute eingeleitet. Ein Druckminderer 46 verringerte den Druck in der Gewinnungskammer bis auf 3,164 kg/ cm^ä. Das Gas, das durch den Druckminderer strömte, besaß eine Zusammensetzung von etwa 0,26% Wasserstoff und 99,74 % Stickstoff. Der Partialdruck von Wasserstoff war am Ausgang der Palladiumröhre etwa 0,07 kg/cm^s. Ähnlich betrug der Partialdruck des Wasserstoffs in dem Gas, das dem Eingang der Gewinnungskammer zugeführt

ίο wurde, etwa 0,00844 kg/cm². Am Ausgang der Gewinnungskammer betrug die Konzentration von Wasserstoff 47% im Vergleich zu 53% Stickstoff. Die Strömungsgeschwindigkeit betrug etwa 0,41 pro Minute. Außerdem konnte festgestellt werden, daß der Partialdruck des Wasserstoffs in den Palladiumröhren und in der Gewinnungskammer nahe am Ausgang der Gewinnungseinrichtung 2,531 bzw. 1,476 kg/cm² betrug.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist ein Abstand zwischen der gestrichelten Linie 50 und dem rechten Ende der Kammer 12 vorgesehen, um die thermische Ausdehnung der Röhren und der Kammern zu ermöglichen, wenn die Widerstandswindung 24 vom Strom durchflossen wird. Diese Ausdehnungsstrecke wird durch einen Doppelpfeil 52 in der Zeichnung angedeutet. Es wird ebenfalls eine leichte Ausdehnung zwischen den äußeren Enden der Röhren stattfinden. Dementsprechend ist ein kleiner Spielraum zwischen den Wandungen der Kammern 12 und den Röhren vorgesehen.

Die in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform ist der in F i g. 1 gezeigten ähnlich. Es ist jedoch bei der in F i g. 2 dargestellten Anordnung ein Vorerwärmer 56 an Stelle der Widerstandswindung 24 vorhanden.

Darüber hinaus sind die Palladiumdiffusionsröhren in Bündeln angeordnet und in Gruppen von je sieben an einen Verteiler 58 angeschlossen. Die Verteiler 58 sind ihrerseits in der Endplatte 60 befestigt, und auf diese Weise ist die Einlaßkammer 62 und die Auslaßkammer 64 über die Diffusionsröhren miteinander verbunden. Der Verteiler 58 erstreckt sich um ein bedeutendes Stück über die Oberfläche der Endplatte 60 hinaus, so daß die Palladiumröhren mit diesen Verteilerröhren leicht verlötet werden können, ohne daß zu der Platte 60 übermäßig viel Wärme abfließt. Andererseits können die Verteiler sich auch nach links, wie in F i g. 2 und 3 dargestellt ist, über die Platte hinauserstrecken. In diesem Fall erstrecken sich die Palladiumröhren durch die ganze Lange der Verteiler- oder Sammelrohren und werden an dem linken Ende derselben angelötet.

Wie bei einer Ausführungsform nach F i g. 1 kann die zylindrische Kammer 66 aus korrosionsbeständigem Stahl bestehen. Ebenfalls kann die Trennplatte 68 aus demselben Material gefertigt sein. Das äußere Gehäuse 70 aus Aluminium wird von der inneren Kammer 68 mittels eines geeigneten Isolationsmaterials, wie es oben im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde, isoliert. Darüber hinaus ist die ganze Art der Gasdurcbströmung in der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform im wesentlichen dieselbe wie in der in F i g. 1 dargestellten.

Das einströmende Gas von geringem Reinheitsgrad wird zu dem Vorerwärmer 56 geleitet, bevor es in die Einlaßkammer 62 einströmt. Besonders für den großindustriellen Prozeß ist das Vorerwärmen wirtschaftlicher als die Verwendung von Widerstandsheizungen rund um die Kammerwände. Die für eine

Anlage der geschilderten Art in Frage kommenden Abmessungen sind folgende: Der Zylinder 66 kann etwa einen Durchmesser von 12,7 cm und eine Länge bis zu 7,52 m besitzen. Jede der 49 Palladium- oder Palladium-Silber-Röhren kann einen Durchmesser von 3,175 und eine Wandstärke von etwa 0,2 mm besitzen.

In F i g. 3 sind die Sammelrohren 58 in einem vergrößerten Maßstab dargestellt. Drei der 14 Sammelrohren, die für eine typische Installation verwendet werden, sind in F i g. 3 dargestellt. Sieben der Verteilerröhren sind über der Scheidewand 68 und sieben unterhalb dieser angeordnet.

Wie in den F i g. 4 und 5 dargestellt ist, besitzen die Sammelrohren eine zylindrische Form, Jede hat sieben Löcher 72, die sich durch die ganze Länge dieser Röhren erstrecken. Wie in F i g. 3 dargestellt ist, sind die Palladiumröhren in dem hervorstehenden Endteil der Sammelröhre 58 befestigt. Fünf der sieben Röhren 74 sind in F i g. 3 dargestellt. Die Röhrengruppe jeder Sammelröhre bildet ein kleines Bündel und ist an verschiedenen Punkten längs der Länge der Kammer 66 gehalten. In Fig. 2 sind drei Röhrenbündel 74, 76 und 78 zu sehen.

Wie oben ausgeführt wurde, ist es wünschenswert, daß das Gas ohne Unterbrechung und rückstromfrei innerhalb der Kammer 66 strömt. Dementsprechend werden einige der Röhrenbündel gleichzeitig mittels Stützelementen80, 82, 84, 86 und 88 in Fig. 2 gestützt. Diese Stützen können sich unterhalb und überhalb der Trennplatte 68 erstrecken. Nur einige der sieben Bündel sind an irgendeiner Stelle gestützt. Hingegen ist jedes Bündel periodisch längs seiner Länge gestützt, um ein unerwünschtes Durchhängen und eine ungleichmäßige Verteilung der Röhren in der Kammer 66 zu vermeiden. Die Stellen, an denen die drei Bündel 74, 76 und 78 in der Kammer 66 gestützt sind, sind durch schwarze Kreise an den Kreuzungspunkten mit den Stützgliedern 80, 82, 84, 86, 88 und 90 angezeigt. Die Stützglieder können aus Metallblech oder einem anderen geeigneten Konstruktionsmaterial hergestellt sein.

Zusätzlich zu der Verwendung von reinen Palladiumdiffusionsrohren können Legierungen von Palladium mit bis zu 5O°/o Silber verwendet werden.

Die Diffusionswirkung in all den selektiven Diffusionsverfahren, die oben erörtert wurden, wird durch Wärmeanwendung vergrößert. Mit Palladium oder Palladiumlegierungsrohren wurden Temperatüren überhalb Raumtemperatur bis zu etwa 600° C angewandt. Der bevorzugte Temperaturbereich ist von 200 bis 45O⁰C. Die Wärme wird durch die Dicke der Palladiumrohre und den auf sie angewandten Druck begrenzt. Sie muß so bemessen ίο sein, daß keine Gefahr, daß die Rohre brechen, gegeben ist. Bei dünneren Rohrwandungen müssen deshalb die angewandten Temperaturen oder Drücke oder beide geringer sein.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Reinigen von Gasen durch Diffusion, bestehend aus einem eine Einlaß- und eine Auslaßkammer nahe der Einlaßkammer einen Auslaß für das gereinigte Gas und zur Erzeugung einer Gegenströmung nahe der Auslaßkammer einen Einlaß aufweisenden, gegebenenfalls heizbaren Zylinder, wobei die Einlaßkammer mit der Auslaßkammer über viele, die Diffusion ermöglichende Rohre verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zylinder eine einen U-förmigen Raum bildende Platte (14) in die Zylinderöffnung ragt, an einem Ende des Zylinders senkrecht zur Platte (14) eine den Querschnitt ausfüllende, die Einlaßkammer

(36) und Auslaßkammer (40) bildende Platte (16) angeordnet ist und daß die beiden Kammern durch U-förmig gebogene Diffusionsrohre (18,20, 22) miteinander verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gckennzeichnet, daß in der Platte (16) Rohrstücke (58), die mehrere Diffusionsrohre (72, 74) aufnehmen, vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Stützen (80, 82, 84, 86, 88) für die Diffusionsrohre periodisch angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1178 480;
USA.-Patentschrift Nr. 2 911057.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen