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Trennung von Gemischen in Gasform Vorliegende Erfindung betrifft die
Trennung von Gemischen in Gasform. Der Ausdruck Gemische in Gasform soll besagen:
Gemische von Dämpfen oder von Gasen oder Gemische von Dämpfen und Gasen, wobei die
Gemische aus gegenseitig löslichen Bestandteilen oder Gruppen von gegenseitig löslichen
Bestandteilen mit verschiedenen Siedepunkten bestehen. Erfindungsgemäß wird die
Trennung der wie vorher definierten Gemische in Gasform durch Rektifikation bewerkstelligt
und geht folgendermaßen vor sich. Das Gemisch passiert einen vorgekühlten Regenerator,
dessen Temperatur so gehalten ist, daß zu Beginn der Passage des Gemisches durch
den Regenerator praktisch alle höher siedenden Bestandteile zusammen mit einem wesentlichen
Teil der niedriger siedenden Bestandteile auf der Oberfläche des Füllkörpers kondensiert
werden; das Durchleiten des gasförmigen Gemisches durch den Regenerator wird nun
so lange fortgesetzt, bis die niedrig siedenden Bestandteile als Folge der Temperaturzunahme
und des dadurch bedingten Rektifikationseffektes in der Hauptsache wieder verdampfen
und den Regenerator verlassen, wonach die höher siedenden Bestandteile, die selektiv
auf dem Füllkörper zurückgehalten worden sind, zur Verdampfung kommen.
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Während des weiteren Durchleitens des Gemisches steigt die Temperatur
des Füllkörpers stetig an, wodurch einige der bereits vorhandenen Kondensate wieder
verdampfen, wobei die Kondensate angereichert und an höher siedenden Bestandteilen
gesättigt werden. Wird dabei eine noch kältere Zone des Füllkörpers erreicht, in
welcher der Anteil an Kondensat von niedriger siedenden Bestandteilen größer ist,
so ist durch die weitere Kondensation von höher siedenden
Bestandteilen
des Gemisches eine entsprechende Verdampfung von niedriger siedenden Bestandteilen
bedingt. Auf diese Weise werden aus dem Flüssigkeitsfilm des Füllkörpers während
der Aufwärmperiode die niedriger siedenden Beständteile in steigendem Maße wiederverdampft
und durch kondensierende Bestandteile von höherem Siedepunkt ersetzt. Das Ausmaß
der Wiederverdampfung der niedriger siedenden Bestandteile ist durch die Gleichgewichtsbedingungen
zwischen Dampf und Flüssigkeit in Abhängigkeit von Temperatur und Druck am Ende
der Aufwärmperiode bestimmt.
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Am Ende der Aufwärmperiode wird das Kondensat aus höher siedenden
Bestandteilen in konzentrierter Form aus dem Regenerator entfernt und der Regenerator
zur Aufnahme und Trennung eines weiteren Volumens des Gemisches vorgekühlt.
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Gemäß einer anderen Ausführungsart der Erfindung können die höher
siedenden Bestandteile aus dem Regenorator auch durch Wiederverdampfung bei einem
niedrigeren Partialdruck als demjenigen, unter welchem sie kondensiert worden sind,
entfernt werden und die Bestandteile in konzentrierter Form erhalten werden. Hierzu
wird kaltes Gas durch den Regenorator geleitet, wobei die Wiederverdampfung die
Folge der partiellen Kühlung des Füllkörpers ist, welche zugleich das Maß der dem
Füllkörper notwendigerweise zuzuführenden Kälte darstellt. Wenn die Gewinnung höher
siedender Bestandteile in hochkonzentrierter Form nicht notwendig ist, können sie
abwechslungsweise direkt in das Gas wieder verdampft werden, welches zur Wiederkühlung
des Regenorators dient.
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Die höher siedenden Bestandteile, wie sie im Regenorator anfallen,
können also daraus entfernt werden, indem das Gasgemisch solange durchgeleitet wird,
bis die höher siedenden Bestandteile in der Hauptsache wieder verdampft sind. In
diesem Falle umfaßt die Fraktion, welche den Regenorator, nachdem die niedriger
siedenden, Bestandteile wieder verdampft worden sind, verläßt, nicht nur die höher
siedenden Bestandteile, sondern auch niedriger siedende Bestandteile, wie sie ständig
durch das zugeführte Gas weiter ersetzt werden, während es im Anfang der Periode
möglich ist, eine Fraktion von niedriger siedenden Bestandteilen zu erhalten, die
praktisch nicht mit höher siedenden Bestandteilen vermischt ist. Es ist daher klar,
daß auf diese Weise die höher siedenden Bestandteile nicht in der gleichen Konzentration
und demselben Reinheitsgrad erhalten werden können, wie dies in der vorher beschriebenen
Art der Verdampfung bei vermindertem Partialdruck möglich ist.
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Das Verfahren kann also auch in solchen Fällen angewendet werden,
in denen die zu trennenden höher und niedriger siedenden Bestandteile nicht in konzentrierter
Form vorliegen, sondern nur in Verdünnung mit anderen niedriger siedenden Bestandteilen,
von denen sie getrennt werden sollen. In solchen Fällen ist die übergeführte Masse,
d. h. die Kondensation auf dem Füllkörper und die Wiederverdampfung, welche während
der Rektifikation im Generator stattfindet, begleitet von einer wesentlichen Wärmeüberführung,
welche die Vorkühlung und die Vorreinigung derjenigen Bestandteile bewirkt, welche
auf Grund ihres niedrigen Siedepunktes an der Massenüberführung nicht teilnehmen.
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Dies würde z. B. gelten im Falle der selektiven Gewinnung von Äthylen
als niedriger siedender Bestandteil aus einer Gasmischung, die außerdem auch höher
siedende Bestandteile, wie Propylen, Äthan und Kohlensäure, zusammen mit Wasserstoff,
Methan usw., enthält entsprechend den Verhältnissen in Kokereigasen oder Ölraffinationsgasen.
In diesem Falle sind die Regeneratoren erfindungsgemäß auf eine so tiefe Temperatur
zu kühlen, daß Propylen zusammen mit einem wesentlichen Anteil von Äthan und Äthylen
vollständig kondensiert wird, während praktisch keine Kondensation oder Massenüberführung
der niedriger siedenden Bestandteile, wie Wasserstoff, Kohlenmonoxyd und Methan,
stattfindet; diese Bestandteile beteiligen sich nur an der Wärmeüberführung. Die
Aufwärmperiode wird unterbrochen, wenn die Temperatur am kalten Ende des Regenorators
so weit gestiegen ist, daß Äthylen nennenswert aus dem Kondensat im Regenorator
wieder verdampft und bevor nennenswerte Mengen von Propylen in dem Auslaß des Regenorators
erscheinen.
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Auf diese `''eise ist es möglich, im Regenorator 'selektiv Propylen
und einen beträchtlichen Anteil Äthan zurückzubehalten und fast alles Äthylen abzutrennen,
da entsprechend den Gleichgewichtsbedingungen und infolge des geringen Propylengehaltes
des Rohgases nur eine kleine Äthylenmenge im Regenorator zurückbehalten wird. Zu
gleicher Zeit ist die Hauptmenge des Gases so weit vorgekühlt, daß in der Hauptsache
alle Verunreinigungen, wie z. B. Wasserdampf und Kohlensäure, im Generator zurückbehalten
werden. Aus dem gekühlten, den Regenorator verlassenden Gas kann dasÄthylen durch
aufeinanderfolgende Kühlung und Rektifikation in einem hohen Reinheitsgrad gewonnen
werden, worauf das äthylenfreie Gas in den Regenorator zurückgeführt wird und dort
zum Wiederherabkühlen desselben und Wiederverdampfen der Kondensate, wie z. B. von
Propylen, Äthan, Wasserdampf und Kohlensäure benutzt werden kann. Soll das Propylen
usw. in konzentrierter Form abgetrennt werden, so kann dies, bevor das Kühlgas in
den Regenorator eingeleitet wird, dadurch bewerkstelligt werden, daß man dasselbe
unter einem entsprechend reduzierten Druck wieder verdampft.
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Die Temperatur, auf welche die Regenoratoren gekühlt werden, muß so
gewählt sein, daß während des ganzen Betriebes der flüssige, am Füllkörper zurückgehaltene
Kondensatanfall ausreicht, die höher siedenden Bestandteile aus der Gasmenge, welche
den Regenorator während der Aufwärmperiode passiert, zu entfernen.
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Es ist wünschenswert, daß in bezug auf die stattfindende Massenüberführung
die Füllkörpermasse des Regenorators eine genügend große Wärmekapazität besitzt,
um die Temperatur des Regenorators innerhalb der erforderlichen Grenzen über die
ganze Zeit einer Periode zu halten.
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Vorteilhafterweise besteht der Füllkörper in Anbetracht der sehr großen
Oberfläche aus einer Reihe
von hoch wirksamen Rektifizierschalen,
in welchen der Druckverlust sehr niedrig ist.
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Um die Wirksamkeit der Rektifikation zu erhöhen und um zu vermeiden,
daß Reste von nicht verdampften Bestandteilen in den kälteren Zonen des Regenerators
verbleiben, ist es vorteilhaft, die Gasgemische von unten nach oben durch den Regenerator
strömen zu lassen.
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Das Verfahren kann zur Trennung irgendwelcher Mischungen von Dämpfen
oder Gasen oder von Dämpfen und Gasen zusammen, mit hohen und niedrigen Siedepunkten,
soweit sie ineinander löslich sind, bei allen passenden Temperaturen und Drucken
unter oder über Atmosphärendruck verwendet werden. So kann es zur Trennung von Wasser-Alkohol-Gemischen,
soweit sie in Dampfform vorliegen, von Sauerstoff-Stickstoff-Gemischen, von Wasser-Ammoniak-Gemischen,
mit oder ohne Beimengungen anderer Bestandteile usw., verwendet werden.