DE1243649B - Verfahren zur Abtrennung eines Gasbestandteiles aus einer Gasmischung mittels Diffusion - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CI.:

BOId

Deutsche Kl.: 12 e - 3/04

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1 243 649
E20856IVc/12e
29. März 1961
6. Juli 1967

Zur Gewinnung von Wasserstoff hoher Reinheit kann man handelsüblichen Wasserstoff durch Palladium diffundieren lassen. Helium oder Sauerstoff können auch durch ein Siliciumdioxyd-bzw. Silberitter diffundieren. Diese Diffusion ist hochselektiv.

Sine weniger selektive, jedoch mit höherer Geschwindigkeit ablaufende Diffusion erfolgt durch die Poren anderer Materialien.

Bei Gasströmen, welche niedrigere Prozentgehalte an Wasserstoff oder Helium enthalten, ist die Anwendung dieses Prinzips der selektiven Diffusion mit bekannten Methoden nicht zweckmäßig. So enthält beispielsweise eine übliche Wasserstoffreinigungsanlage normalerweise eine Anzahl von parallel angeordneten Palladiumrohren, welche die Diffusionsmembran bilden. Diese Rohre sind an beiden Enden untereinander verbunden und bilden so die Eintrittskammer. Das Rohgas wird durch die Rohre geleitet. Die Gewinnungskammer umschließt das Rohr und hat normalerweise nur eine einzige Anschlußleitung, nämlich einen Ablaß für den aereinigten Wasserstoff.

In vielen Fällen hat man zur Verminderung des Drucks in der Gewinnungskammer Vakuumpumpen verwendet; Vakuumsysteme sind jedoch kostspielig und erfordern eine zeitraubende Wartung.

Eine weitere Verbesserung wurde durch das sogenannte Gegenstromverfahren erzielt, wobei das zu reinigende oder abzutrennende Gas längs einer Seite einer Membran geleitet wird und ein sogenanntes Abstreifgas in der entgegengesetzten Richtung auf der anderen Seite der Membran strömt. Dieses Verfahren ist insofern verhältnismäßig aufwendig, da, beispielsweise im Fall von Wasserdampf, Vorratsbehälter und Erhitzungseinrichtungen vorgesehen werden müssen.

Diese Nachteile treten bei einem Verfahren zur Abtrennung eines Gasbestandteils aus einer Gasmischung mittels Diffusion durch eine nichtporöse Membran, wobei die Gasmischung unter Druck längs einer Seite der Membran im Gegenstrom und unter niedrigerem Druck geleitet wird, nicht auf, wenn erfindungsgemäß als Abstreifgas das aus der Diffusion kommende, entspannte Gas verwendet wird.

Das Abstreifgas wird beim Abtrennvorgang selbst erzeugt. Die Beschaffung eines eigenen Abstreifgases und seine Lagerung in entsprechenden Vorratsbehältern sind überflüssig.

Das Verfahren wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein vereinfachtes Schaltbild, F i g. 2 ein Schaltbild eines Zweistufenverfahrens, Verfahren zur Abtrennung eines Gasbestandteiles aus einer Gasmischung mittels Diffusion

Anmelder:

Engelhardt Industries, Inc., Newark, N. J.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:

William Charles Pfefferte, Middletown, N. J.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 1. April 1960 (19 393)

F ig. 3 eine Darstellung einer vollständigeren Ausführungsform des Systems von F i g. 2,

F i g. 4 eine andere Darstellung des Verfahrens nach den F i g. 2 und 3.
F i g. 1 ist eine schematische Wiedergabe einer Einstufen-Diffusionsreinigungseinheit zur Durchführung des Verfahrens zur Reinigung von Wasserstoff. Unbehandeltes Gas, welches etwa 10°/» Wasserstoffgas enthält, fließt durch das Einlaßrohr 12 zu. Die Diffusionseinheit 14 enthält eine Eintrittskammer 16 und eine Gewinnungskammer 18. Bei der praktischen Anwendung kann die Eintrittskammer eine große Anzahl von parallel angeordneten Rohren aus Palladium oder einer Palladium-Silber-Legierung enthalten. Die Gewinnungskammer kann die Palladiumrohre umschließen, so daß durch die Rohre diffundiertes Gas in der Gewinnungskammer gesammelt wird. Die Diffusionseinheit kann mittels einer Heizschlange auf einer Temperatur von mehreren hundert Celsiusgraden gehalten werden.

Das unbehandelte, zugeführte Gas muß natürlich bei einem höheren Druck als das Gas in der Gewinnungskammer 18 vorliegen, doch muß der Wasserstoff-Partialdruck in dem Gas auf beiden Seiten der Membran 20 merklich unterschiedlich sein, um eine Diffusion durch die Palladiummembraa 30 zu erzielen. Die Verwendung eines Gegen£troate in der Eintritts- und der Gewinnungskammer ist. sehr förder-

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lieh, um eine beachtliche Differenz der Partialdrücke entlang der Länge der Membran ohne einen übermäßigen Abfall des Gesamtdruckes an der Membran aufrechtzuerhalten.

Beispielsweise enthält das unbehandelte Gas lO°/o Wasserstoff und 90 °/o Stickstoff bei einem Druck von 25,7 at. Es wird mit einer Geschwindigkeit von 1,9 1/ Min. in eine PaUadiumrohr-Diffusionseinheit geleitet. Der Druckminderer 22 vermindert den Druck im Gewinnungsteil der Einheit auf 3,2 at. Das durch den Druckminderer hindurchströmende Gas setzt sich aus annähernd 0,26% Wasserstoff und 99,74 «A Stickstoff zusammen. Den Partialdruck eines Gases kann man durch Multiplizieren des Prozentsatzes des vorhandenen Gases mit dem Gesamtdruck bestimmen. Der Wasserstoii-Partialdruck am Auslaßende der Eintrittskammer 16 beträgt 0,08 at. Am Auslaßrohr 24 der Gewmnungskammer 18 beträgt die Wasserstoffkonzentration 47^fl/o, die Stickstoffkonzentration 53°/o. Die Fließgeschwindigkeit beträgt annähernd 0,4 l/Min. Es sei weiter angemerkt, daß die Wasserstoff-Partialdrücke am linken Ende der in F i g. 1 gezeigten Einheit der Eintritts- und Gewinnungskammer etwa 2,53 bzw. 1,48 at betragen.

Interessant ist, daß der Wasserstoff-Partialdruck am Auslaßende der Gewinnungskammer sehr viel größer als der Wasserstoff-Partialdruck am Auslaßende der Eintrittskammer an dem anderen Ende der Diffusionseinheit 14 ist.

In dem in Zusammenhang mit F i g. 1 der Zeichnung beschriebenen Beispiel wird die Konzentration des Wasserstoffs von 10 auf 47% gesteigert. Außerdem werden 97% des Wasserstoffs gewonnen. Für die weitere Reinigung des Wasserstoffs kann man zusätzliche Stufen verwenden,

Die Anordnung der F i g. 2 umfaßt zwei Stufen, die als Stufe I und Stufe II bezeichnet werden. Die erste Stufe enthält eine Eintrittskammer 32 und eine Gewmnungskammer 34. In ähnlicher Weise enthält die Stufe II eine Eintrittskammer 36 und eine Gewinnungskammer 38. Die Diffusionseinheiten der Stufe I und Stufe II enthalten außerdem die Diffusionsmembranen 40 bzw. 42. Außerdem können zur Beschleunigung des Diffusionsvorganges Anordnungen zum Erhitzen der Diffusionseinheiten auf eine Temperatur von mehreren hundert Celsiusgraden vorgesehen sein.

Die Stufe I in dem System der F i g. 2 arbeitet im wesentlichen in der gleichen Weise wie die Einstufenanordnung der Fig. 1. Der prinzipielle Unterschied liegt in der Kombination des Abgases aus der Stufe II über Leitung 44 mit dem uribehandelten Gas der Leitung 46 am Einlaß der Eintrittskammer 32 der Stufe I. Vorteilhaft sollen diese zwei Gasströme im wesentlichen die gleiche Konzentration an der Stelle, an der sie miteinander vereinigt werden, aufweisen.

In einer Erläuterung dienenden Ausführungsform der Erfindung arbeiten die Eintrittskammern 32 und 36 bei einem Druck von annähernd 25,7 at. Die Gewinnungsabschnitte 34 und 38 arbeiten bei einem niedrigeren Druck von etwa 3,2 at. Die Druckverminderung wird durch die Einheit 48 bewerkstelligt; ein Kompressor 50 ist vorgesehen, um den Druck eines Teils des Produktgases vor Einführung in den Eintrittsteil 36 der Stufe II zu erhöhen.

Der Anteil des Produktgases, welcher durch Kompressor 50 zurückgeleitet wird, ist normalerweise wenigstens um ein Mehrfaches größer als die Menge des Produktgases, welche von der Ablaßleitung 52 abgezogen wird. Durch diese Anordnung wird die Wasserstoffkonzentration allmählich von annähernd 10% in der Einlaßleitung 46 auf etwa 50% in der die Stufen I und II verbindenden Leitung 54 und auf annähernd 95% Wasserstoff in der Auslaßleitung 52 gesteigert. Das Abgas der Leitung 56 enthält weniger als 0,01 %> Wasserstoff. Die Wasserstoffausbeute beträgt entsprechend mehr als 99,99 %.

Die Menge des Produktgases, welche durch Kompressor 50 zurückgeleitet wird, ist je nach der in dem Produktgas gewünschten Wasserstoffkonzentration höher oder niedriger. Werden höhere Reinheiten gewünscht, so kann die Menge des zurückgeleiteten Gases bis zum lOOfachen oder mehr als die Abgabe an Produktgas aus der Leitung 52 betragen. Wenn die Konzentrationsanforderungen dagegen niedrig sind, so kann das Verhältnis von rückgeleitetem Gas zu Produktgas 2 oder 3 betragen.

In einem Beispiel, in welchem das unbehandelte Gas eine Wasserstoffkonzentration von etwa 10 Vo und das Produktgas eine solche von etwa 95% aufweist, beträgt die Menge des zurückgeleiteten Gases annähernd 1,15 l/Min., verglichen mit einer Gesaratabgabe aus dem Gewinnungsabschnitt 38 von etwa 1,2 l/Min. Durch Subtraktion ergibt sich ein Produktgasstrom von etwa 0,05 l/Min. Das Verhältnis von zurückgeleitetem Gas zu nutzbarem Produktgas beträgt somit etwa 23:1. Die anderen Fließgeschwindigkeiten sind: eine Zugabe von 0,55 l/Min, über Leitung 46 und ein Abgasstrom von etwa 0,5 l/Min.

F i g. 3 zeigt das Verfahren nach der F i g. 2 etwas ausführlicher. 32 sind die Palladiumrohre. Sie bilden die Eintrittskammer der Stufe I der Diffusionseinheit entsprechend der in Fig. 2 mit 32 bezeichneten Kammer. In ähnlicher Weise entspricht die Gewinnungskammer 34', welche die PalladiumrohTe 32' umschließt, der Gewinnungskammer 34 der F i g. 2 der Zeichnungen. In ähnlicher Weise sind die anderen vergleichbaren Bestandteile durch mit Strichindex versehene Bezugszeichen entsprechend den nicht mit Strichindex versehenen Bezugszeichen bei den entsprechenden Bestandteilen in F i g. 2 bezeichnet. Die gestrichelte Linie 62 gibt eine mechanische Verbindung zwischen dem Kompressor 50' und oem Expander oder Druckminderer 48' wieder. In dieser Weise kann die für die Expansion der Gase aufgewendete Arbeit bei der Kompression von Gasen an einem anderen Punkte des Systems ausgenutzt werden. Mittels dieser Anordnung braucht nur eine sehr viel geringere Energiemenge dem Kompressor 50' zugeführt zu werden, als wenn der Expander 48' nicht mit dem Kompressor 50' verbunden wäre.

Zusätzlich zu den in F i g. 2 angegebenen Bestandteilen sind 64-66 Heizschlangen, welche die Diffusionseinheiten der Stufen I bzw. II umgeben. Auch Temperaturanzeigeeinheiten 68 und 70 sind mit den Stufen I und Π verbunden.

F i g. 4 gibt eine Ausführungsform der Anordnung der F i g. 2 und 3 wieder. Hier ist zusätzlich eine ergänzende Diffusionsreinigungsanlage vorgesehen, um sehr reines Abgabegas zu erzielen. In der Anordnung der F i g. 4 wird Gas über die Einlaßleitung 84 der Diffusionseinheit 82 zugeführt. Der Teil der Einheit 82 oberhalb der Einlaßleitung 84 entspricht der Stufe Π der F i g. 3, während der Teil der Diffusionseinheit unterhalb der Leitung 84 der Stufe I der vorhergehenden Figur der Zeichnungen entspricht. In

ähnlicher Weise entsprechen Kompressor 86 und Expander 88, die mechanisch miteinander verbunden sind, dem Kompressor 50' bzw. dem Expander 48' der Fig. 3. Zusätzlich zu der Hauptdiffusionseinheit 82 ist eine zusätzliche Diffusionseinheit 90 vorgesehen. Ein Teil des reichen Produktgasstromes von dem Auslaß des Kompressors 86 ist mit der Eintrittskammer 92 der Diffusionseinheit 90 verbunden. Nach Durchströmen der Kammer 92, in welcher Wasserstoff entfernt wird, wird der Gasstrom zu dem Einlaßrohr 94 der Eintittskammer der Stufe II zurückgeleitet. Mit dieser Anordnung kann man ein Abgabegas von hoher Reinheit aus der Leitung 96 gewinnen, welche mit der Gewinnungskammer 98 der Diffusionseinheit 90 verknüpft ist. Die Ventile 100, 102 und 104 sind vorgesehen, um eine Umgehung der Stufe ΙΠ und die Rückführung des Gases vom Kompressor 86 zur Leitung 94 zu ermöglichen. Mit dieser Anordnung kann man wie in Fig. 2 und 3 ein reiches Produktgas von niedrigerer Reinheit über Leitung 106 gewinnen.

Claims (2)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Abtrennung eines Gasbestandteiles aus einer Gasmischung mittels Diffusion durch eine nichtporöse Membran, wobei die Gasmischung Sinter Druck Tangs einer Seite der Membran und ein_ Abstreifgas auf der anderen Seite der Membran Un 'Gepnstrom und unter niedrigerem Druck geleitet wird, dadurchgekennzeichnet, daß als Abstreifgas das aus der Diffusion kommende entsp?nnte_Gas verwendet wird.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 729 548;
   Zeitschrift Chem. Eng. Progr., 47, Nr.
2. 2, S. 51;
   Chemie-Ingenieur-Technik, 1957, S. 365 bis 368.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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