DE1252633B

DE1252633B - Vorrichtung zum Abtrennen reiner Gase durch Diffusion

Info

Publication number: DE1252633B
Application number: DENDAT1252633D
Authority: DE
Inventors: Teruchika Taura Machida shi Takashi Eguchi Chigasaki shi (Japan)
Original assignee: Japan Pure Hydrogen Co , Ltd , Yokohama (Japan)
Priority date: 1963-08-31
Publication date: 1967-10-26
Also published as: GB1060451A; US3534531A; DE1252634B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND Int. CL:

BOId

DEUTSCHES

PATENTAMT Deutsche Kl.: 12 e-3/04

AUSLEGESCHRIFT

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

J26482IVc/12e
31. August 1964
26. Oktober 1967

Es ist bekannt, daß Membranen aus Palladium und seinen Legierungen selektiv Wasserstoffgas durchlassen, während Silber und seine Legierungen selektiv Sauerstoffgas durchlassen. Der Durchgang des Gases verläuft in diesen Fällen folgendermaßen: Das S molekulare Gas dissoziiert auf der Oberfläche dieser Metalle und Legierungen in Atome, tritt atomar durch die Membranen hindurch und geht dann wiederum in den molekularen Gaszustand über.

Dieser Vorgang ist dementsprechend völlig verschieden gegenüber solchen, die auf Grund des unterschiedlichen Molekulargewichts der Gase ausgeführt werden.

Es ist bekannt, daß die Menge des durchtretenden reinen Gases bei der Gastrennung mittels Diffusion

1. umgekehrt proportional der Dicke der Membran aus Metall oder Metallegierung,

2. proportional der durchlässigen Oberfläche der Membran und

3. proportional der Differenz der Wurzeln aus dem ao jeweiligen Partialdrücken des durchgehenden Gases auf beiden Seiten der Membran ist.

Membranen aus diesen Metallen und Metallegierungen, die in Gastrennapparaten zur Herstellung reinen Gases verwendet werden sollen, werden entweder in Form von durch Kaltziehen, durch Formen, Extrudieren, Kaltschmieden, Ziehen od. dgl. ausgeformten Rohren oder Kapillaren verwendet oder auf Stützteile aus gesinterten Metallen aufgelegt oder in diese eingebettet.

Kaltgezogene oder extrudierte Rohre haben jedoch wesentliche Nachteile. Diese beruhen darauf, daß in Längsrichtung Ziehnarben auftreten, welche häufig zu Einrissen führen. Durch Kaltschmieden hergestellte Rohre sind in ihrer Dicke nicht gleichmäßig, und es entstehen Falten, Narben oder Anrisse. Außerdem verbiegen sie sich in heißem Zustand leicht. Der Ziehprozeß erfordert eine große Anzahl von einzelnen Schritten, beginnend beim leichten Ziehen zum allmählichen Ausdehnen bis zum Tiefziehen hin, bis die Rohre fertig sind. Außerdem sind so schwierige Behandlungen notwendig, wie beispielsweise Vakuumtempern in jeder Stufe, was einen großen Arbeitsaufwand bedingt.

Rohre, die nach irgendeinem der obenerwähnten Verfahren hergestellt sind, besitzen gemeinsame Nachteile, die z. B. darin bestehen, daß bei Verwendung langer Rohre zur Vergrößerung der durchlässigen Fläche diese Rohre gegen Vibration empfindlich sind. Wenn ihnen ein großer Durchmesser gegeben werden soll, wird ihre Druckstandfestigkeit gering. Wie bekannt ist, bilden sich in einer durchläs-Vorrichtung zum Abtrennen reiner Gase
durch Diffusion

Anmelder:

Japan Pure Hydrogen Co., Ltd.,

Yokohama (Japan)

Vertreter:

Dr. V. Vossius, Patentanwalt,

München 23, Siegesstr. 26

Als Erfinder benannt:
Takashi Eguchi, Chigasaki-shi;
Teruchika Taura, Machida-shi (Japan)

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 31. August 1963 (46 843),
vom 20. Januar 1964 (2395),
vom 10. Februar 1964 (6779),
vom 18. März 1964 (14980)

sigen Membran, die auf ein Stützglied aus gesintertem Metall aufgebracht ist, bei hohen Temperaturen Falten, die auf die Wärmedehnung und auf wiederholtes Erhitzen und Abkühlen zurückzuführen sind. Aus diesen Falten entstehen mit der Zeit Einrisse. Darüber hinaus ist der Durchsatz außerordentlich gering, da das durchdringende Gas durch die gesinterte Metallplatte diffundieren muß.

Wenn Rohgase mit einem hohen Anteil an nicht diffundierenden Gasen mittels der herkömmlichen Diffusionstrennvorrichtungen getrennt werden sollen, mußte eine Anzahl von für die reinen Gase durchlässigen Membranen in Serie geschaltet werden, da dann die Wirkung der einzelnen Trennstufe nicht ausreicht, um genügend sauberes Reingas zu erzielen.

Weiterhin trat bei üblichen Gastrennvorrichtungen mit permeablen Membranen häufig eine Ermüdung des gasdurchlässigen Teils auf, die auf Grund einer Diffusion an der Verbindungsstelle mit den Stützelementen auftrat. Wenn beispielsweise ^»serstoff mit einem Gehalt eines anderen unreinjif Gases mit Hilfe einer Membran aus Palladiunwgienirig bei einer Temperatur im Bereich von 400 Tm. StJO* Qh
handelt werden soll, verliert wegen der b
heit des durchtretenden Wasserstoffs das gesinterte

709 67W6S

Eisen oder die Eisenlegierung, welche die für reinen Wasserstoff durchlässige Membran unterstützt, leicht die Oxydhaut, wodurch wechselseitige Diffusionsvorgänge ausgelöst werden, die zu Ermüdungserscheinungen und zu einem Nachlassen der aus Palladiumlegierung bestehenden und für reinen Wasserstoff durchlässigen Membran führen. Dadurch vermindert sich selbstverständlich auch die Durchlässigkeit dieser Membran.

Eine Vorrichtung zum Trennen reiner Gase durch Diffusion, welche mindestens eine permeable, aus einem Metall oder einer Metallegierung bestehende und auf einem mit Gasdurchlaßöffnungen versehenen Stützglied angeordnete Membran aufweist, mit mindestens einer Rohgaszufuhrleitung, mindestens einer Entnahmeleitung für unreines Restgas auf der einen Seite der Membran und mindestens einer Reingasentnahmeleitung auf der anderen Seite soll nicht die obengenannten Nachteile der in üblicher Weise hergestellten: Membranen haben, eine größere Standfestigkeit bei hohen Temperataren und hohen Drükken und eine bemerkenswert vergrößerte Gasdurchlässigkeit aufweisen; sowohl positivem als auch negativem Druck standhalten und selbst dann, wenn das eingeleitete Rohgas eine große Menge von nicht dif- as fundierendem Gas enthält, reines Gas mit großem Wirkungsgrad daraus abtrennen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Membran wellenförmig ausgebildet ist. Der Querschnitt der Membran kann verschiedene Wellenform aufweisen, beispielsweise halbkreisförmige, halbelliptische oder parabolische Wellenformen. Die Wellenformen können auch wabenförmig, kugelförmig, ellipsoidal oder paraboloidal, konkav oder konvex sein. Obwohl der Abstand oder die Steigung der WeI-len in Abhängigkeit von der Stärke der Membran aus Metall oder Metallegierung variieren kann, wird in der Praxis, hauptsächlich im Hinblick auf den Arbeitsdruck, der Abstand der Wellen vorzugsweise mit 0,5 bis 10 mm gewählt. Die Stärke der reines Gas durchlassenden Membran gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt vorzugsweise 0,03 bis 0,1 mm.

Die Stützelemente, an denen die permeable Membran befestigt ist, müssen Gas frei durchlassen.

Bei einer Trennvorrichtung für reines Wasserstoffgas gemäß der Erfindung kann eine wasserstoffdurchlässige Membran aus einer Palladium-Silber-Legierung oder einer Palladiumlegierung verwendet werden, welche Elemente der Gruppe VIII des Periodensystems, und zwar andere als Palladium, sowie Elemente der Gruppe Ib des Periodensystems enthält.

Die gasdurchlässige Membran gemäß der Erfindung weist folgende Vorteile im Vergleich mit anderen üblichen Membranen auf.

1. Die Herstellung von wellenförmigem Metall oder Metallegierung kann bei normalen Temperaturen sehr leicht und in kurzer Zeit durchgeführt werden durch Verwendung z.B. von hydraulischen Pressen oder anderen Pressen.

2. Bei der Herstellung entstehen keine Falten, Narben oder Einrisse; selbst ohne Glühen können Produkte erhalten werden, die eine ausreichende Festigkeit aufweisen.

3. Wenn eine Membran mit halbkreisförmiger Weliengestalt aus einer flachen Platte durch Pressen hergestellt wird, wird die Oberfläche durch die WeI; lenform gegenüber der ursprünglichen Fläche um das l,57fache vergrößert, während die Dicke um das l,57fache der ursprünglichen Dicke verringert wird. Dadurch wird die Durchlässigkeit für reine Gase um das l,57fache vergrößert.

4. Die Druckfestigkeit kann dadurch bemerkenswert vergrößert werden, daß man die Membran mit Wellen versieht, deren Abstand in der Größe von mehreren Millimetern liegt. Eine Membran aus einer Palladiumlegierung, welche beispielsweise 86 Gewichtsprozent Palladium enthält und eine Dicke von 0,1 mm sowie einen Wellenabstand von 1 mm Durchmesser besitzt und die an einem geeigneten Stützglied befestigt ist, welches Löcher für das reine Gas aufweist, wird nicht deformiert und beschädigt, selbst bei Drücken von 200 kg/cm² bei üblichen Temperaturen. Sie kann sogar bei hohen Temperaturen zwischen 400 und 500⁰C noch Drücke bis zu 100 kg/cm² aushalten. Es treten auch keine Einrisse oder Beschädigungen bei Ausdehnung und Kontraktion auf, wenn das Erhitzen und Abkühlen bzw. das Steigern und Absenken des Druckes wiederholt werden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der wellenförmige Teil die Ausdehnung aufnimmt.

5. Da die Druckfestigkeit bei erhöhten Temperaturen ausreichend ist, ist es möglich, die Druckdifferenz von Rohgas und Reingas zu vergrößern, so daß die Menge an diffundierendem Gas größer wird als im Fall einer flachen Membran.

6. Da die Membranen gemäß der Erfindung eine größere Festigkeit gegen Stoß und Vibration als die bekannten Membranen aufweisen, sind sie nicht nur leichter als diese zu handhaben und zu transportieren, sondern können auch mit größerem Durchmesser hergestellt und in Apparaturen, welche eine zur Massenproduktion von Reingas geeignete Auslegung haben, eingesetzt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand schematischer Zeichnungen in mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 ist eine Draufsicht und eine Ansicht, teilweise im Querschnitt, einer Membran, welche wellenförmige Kanäle in konzentrischen Kreisen aufweist;

F i g. 2 ist eine Draufsicht und eine Ansicht, teilweise im Querschnitt, einer Membran, welche warzenförmige Kanäle aufweist, die in konzentrischen Kreisen angeordnet sind;

F i g. 3 und 4 zeigen schematisch Gastrennvorrichtungen, bei denen andere wellenförmige, durchlässige Membranen gemäß der Erfindung verwendet sind.

F i g. 1 zeigt eine Membran aus einer Palladiumlegierung, welche einen Durchmesser von 130 mm und eine Dicke von 0,1 mm aufweist. In die Membran sind mit Hilfe einer hydraulischen Presse Wellen 1 von halbkreisförmigem Querschnitt eingedrückt, die in konzentrischen Kreisen verlaufen. Eine so ausgebildete Membran aus einer zu etwa 80 % aus Palladium bestehenden Legierung ist für Wasserstoffgas besonders geeignet.

Einzelheiten der Dimensionen sind folgende:

Durchmesser der wellenförmigen
Membran aus Palladiumlegierung, Abstand 130 mm

Durchmesser einer halbkreisförmigen Welle (a) 1-2 mm

Abstand der Wellen (a + b) ... 1.6 mm
durchlässige Membranfläche ... 161 cm₂
Mittlere Dicke der Membran .. 0,067 mm

Diese Membran ist an einem auf Druck beanspruchbaren Stützglied 2 befestigt, welches Durchlaßlöcher 3 für das Gas aufweist. Diese Membran mit Stützglied ist einem Drucktest (Druck auf der Außenseite) unterworfen worden. Das Ergebnis wird in der folgenden Tabelle wiedergegeben:

Ergebnis des hydraulischen Drucktests	H2O-	bei normalen Temperaturen	Zeit in Stunden	Beurteilung	HiO-	Ergebnis des	Drucktests bei	hohen	-» ·» ·	Beurteilung
	Druck kg/cm·	Tempe	5	überstanden	Druck kg/cm»	Temperaturen (Ns-Gas)	Zeit in Stunden	überstanden
10	ratur ⁰C	5	überstanden	5	Tempe	5	überstanden
25	21	5	überstanden	10	ratur ⁰C	5	überstanden
50	21	5	überstanden	20	500 ± 2	5	überstanden
75	21	5	überstanden	40	500 + 2	5	überstanden
100	21	5	überstanden	60	500 + 2	5	überstanden
125	21	5	überstanden	80	500 + 2	5	überstanden
150	21	5	überstanden	100	500 + 2	5
175	21	5	überstanden		500 + 2
200	21				500 + 2
21

F i g. 2, 3 und 4 zeigen wesentliche Teile einer Trennvorrichtung für Wasserstoffgas, welche Membranen 1 aus Palladiumlegierung aufweist, die in der as obenerwähnten Weise hergestellt sind. Weiterhin ist ein Stützglied 2 mit einer Vielzahl von Gasdurchlaßkanälen 3 vorgesehen. Rohgas, welches Wasserstoffgas enthält, wird bei einer Temperatur von 450⁰C in Berührung mit den durchlässigen Membranen 1 an deren Außenseite gebracht. Dabei tritt Wasserstoff allein durch die Membranen durch. Das durchtretende Wasserstoffgas gelangt dann durch die Durchlaßkanäle 3 des Stützgliedes 2 und wird aus dem Entnahmerohr 4 abgeleitet.

In der Praxis können verschieden ausgebildete Vorrichtungen mit gasdurchlässigen Membranen aus Metall oder Legierungen gemäß der Erfindung vorteilhaft verwendet werden.

Bei einer solchen Anordnung werden für reines Gas durchlässige Membranen, für Wasserstoff z. B. Membranen aus Palladiumlegierung, welche so geformt sind, daß sie einen kontinuierlichen oder diskontinuierlichen wellenförmigen Querschnitt aufweisen, auf beide Seiten einer metallischen Packung aufgebracht, die eine Zuführungsleitung, eine Ablaßleitung, ein Rohr zum Einsetzen eines Thermoelements usw. an einer Seite aufweist, wobei die Pakkung mit den wellenförmigen Membranen durch mehr als zwei sich gegenüberliegende Stützglieder zusammengeklemmt wird. Diese Stützglieder sind mit Kanälen oder Löchern für reines Gas versehen. Außerdem weisen die Stützglieder einen Gasauslaß auf und sind an ihrem äußeren Umfang durch Verschweißen oder Klemmen gasdicht verbunden. Die obenerwähnte Vorrichtung hat folgende Vorteile:

1. Sie kann großen Drücken und heftigen Vibrationsstößen widerstehen.

2. Da die durchlässigen Membranen und die ⁶«> äußere Hülle von großer Festigkeit sind, hat sie eine lange Lebensdauer.

3. Es kann eine große Menge an Reingas hergestellt werden, und zwar mit einer Vorrichtung von kleinem Volumen.

4. Da die Konstruktion einfach ist, bereitet die Herstellung keine Schwierigkeiten.

5. Da die äußere Hülle Plattenform hat, können derartige Vorrichtungen raumsparend übereinander angeordnet werden; auch ist es möglich, mehrere Sätze dieser Anordnung mittels Rohren in Serie zu schalten, um die nicht durchtretenden oder unreinen Gase zu konzentrieren. Eine solche Anordnung ist wesentlich einfacher als die mit Membranen in den bekannten Ausführungsformen aufgebauten Trennvorrichtungen.

Einzelheiten der obenerwähnten Anordnung werden nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf eine Gastrennvorrichtung, die an ihrem Umfange Klemmschrauben aufweist;

F i g. 6 ist ein seitlicher Querschnitt einer Gastrennvorrichtung, bei der zwei Anordnungen gemäß Fig.5 so zusammengefaßt sind, daß sich die Rohgasseiten der Membranen zugewandt sind;

F i g. 7 ist ein schematisches Diagramm einer Anordnung zum Trennen von reinem Gas;

F i g. 8 ist eine Draufsicht einer Anordnung einer Trennvorrichtung, bei der der Umfang verschweißt ist;

F i g. 9 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer Trennvorrichtung, in der zwei einander zugewandte Anordnungen gemäß Fig. 8 kombiniert sind, um einen Satz zu bilden;

F i g. 10 ist eine schematische senkrechte Schnittdarstellung einer Vielzahl von Anordnungen von Gastrennvorrichtungen, die miteinander verbunden sind;

Fig. 11 ist eine Seitenansicht von mehreren übereinander angeordneten Gastrennvorrichtungen, die am Umfang miteinander verschweißt sind.

In den Fi g. 5 bis 11 bezeichnet 5 metallische Pakkungen, die beispielsweise aus Chrom-Molybdän-Stahl oder rostfreiem Stahl bestehen. Mit 6 sind Rohgaszufuhrleitungen (18-8-rostfreier Stahl), mit 7 Entnahmeleitungen für unreine Restgase aus rostfreiem Stahl bezeichnet. 8 bezeichnet Rohre zum Einsetzen von Thermoelementen, die beispielsweise aus rostfreiem Stahl bestehen. 2 sind Stützglieder, die aus Chrommolybdän-Stahl oder aus anderem rostfreiem Stahl bestehen können. 3 sind Durchlaßöffnungen für

Reingas. 9 sind Ablaßleitungen für Reingas, die beispielsweise aus rotsfreiem Stahl bestehen. 1 sind Membranen aus beispielsweise Palladiumlegierung, die das reine Gas durchlassen. 10 ist ein in Umfangsrichtung verschweißter Teil der Stützglieder. 22 ist eine Wasserstoffvorratsflasche. U ist ein Druckregelventil. 12 ist ein Robgaszuführungsventil. 13 ist ein Ventil für den Ablaß unreiner Gase. 14 ist ein Ventil zum Entnehmen von Reingas. 15 ist ein Vakuumventil auf der Rohgasseite, 16 ist ein Vakuumventil auf der Reingasseite. 17 ist eine Vakuumpumpe. 18 ist ein Geißler-Rohr. 19 ist eine Heizeinrichtung, z. B. von 750 Watt. 20 ist ein Thermoelement. 21 ist ein wärmeisolierendes Material. Bei der obenerwähnten Trennvorrichtung sind Locher oder Kanäle an den Seiten der metallischen Packungen 5 gebohrt und die Rohgaszuleitung 6, die Leitungen 7 für unreines Gas und das Rohr 8 zum Einsetzen des Thermoelements eingeschweißt.

Weiterhin sind in das Stützglied 2 die Löcher 3 zum Durchlaß für reines Gas gebohrt und die Entnahmeleitung 9 für das reine Gas angeschweißt. Die für das reine Gas durchlässigen Membranen, z. B. aus Palladiumlegierung, die mit 1 bezeichnet sind, sind in kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Wellen geformt und auf beiden Seiten der Metallpackungen 5 aufgebracht und durch die einander zugewandten Stützglieder 2 zusammengeklemmt. Die zusammengepreßte Anordnung wird unter Vakuum getestet.

Zum Ausführen des Tests gemäß der Anordnung nach F i g. 7 wird ein Rohgaszufübrungsventü 12 zur Atmosphäre geöffnet, während das Ventil 13 zur Entnahme von unreinem Gas und das Ventil 14 zur Entnahme des reinen Gases geschlossen werden. Darauf wird die Vakuumpumpe 17 in Betrieb genommen und die Ventile 15 und 16 auf der Zuführungsseite bzw. der Reingasseite geöffnet. Durch Evakuieren der Vorrichtung bis auf einen Wert von 1 · 10~³ mm Hg, d. h: bis die Entladungsfarbe des Geißler-Rohres grün wird, wird die Dichtigkeitsprüfung durchgeführt.

Nachdem man sich versichert hat, daß keine undichte Stelle vorhanden ist, und zwar weder an den Packungen 5 noch an den Stützgliedern 2 oder der Reingasmembran 1 noch sonstwo, wird der Umfang der Stützgüeder 2 bei 10 in zusammengepreßtem Zustand festgeschweißt, um die Trennvorrichtung fertigzustellen.

Eine andere Art des praktischen Zusammenbaues einer Trennvorrichtung besteht darin, daß die für reines Gas durchlässigen Membranen auf beide Oberflächen eines inneren Stützgliedes aufgepaßt werden, welches Rohgaslöcher in der Nachbarschaft seiner Umfangsfläche aufweist und konkave obere und untere Flächen besitzt. Eine Rohgaszuführungsleitung öffnet sich zu einer konkaven Oberfläche hin. Eine Leitung zum Abziehen des unreinen Restgases öffnet sich zur anderen konkaven Oberfläche hin. Das innere Stützglied und die auf seinen beiden Oberflächen befindlichen, für reines Gas durchlässigen Membranen werden durch sich gegenüberliegende äußere Stützglieder zusammengeklemmt, die Durchlaßöffnungen und Ableitungsrohre für reines Gas haben. Auf diese Weise wird das rohe Gas in einer Richtung durch enge Kanäle geführt, während die Berührung mit einer Fläche der Reingasmembran auf seinem Wege von der Mitte bis zu den Umfangsteilen der Membran und auf seinem Rückweg in der umgekehrten Richtung aufrechterhalten wird.

Da bei der obenerwähnten Anordnung einer Gastrennvorrichtung beide Flächen der Reingasmembranen unterstützt werden, kann diese Anordnung sowohl positiven als auch negativen Drücken ausgesetzt werden. Da die Berührung des Rohgases mit der Membran während der Strömung durch die engen Kanäle in ausreichendem Maße aufrechterhalten werden kann und da die obenerwähnten engen Kanäle leicht verlängert werden können, ist diese Vorricbtung sehr wirksam zur Abtrennung von reinem Gas aus Robgas, welches einen großen Anteil von nicht durchtretenden Gasen enthält.

Einzelheiten der obenerwähnten Anordnung werden nachfolgend an Hand der Zeichnungen erläutert.

Fig. 12 ist eine Querschnittsseitenansicht der obenerwähnten Anordnung, welche deren Aufbau zeigt;

F i g. 13 ist eine Draufsicht, zum Teil geschnitten, auf die Vorrichtung gemäß F i g. 12;

Fig. 14 ist ein schematisches Diagramm, welches die Strömungswege in dieser Vorrichtung veranschaulicht.

Ein kreisförmiges inneres Stützglied 25 mit einem Umfangsteil 27 von entsprechender Weite und Höhe

as und konkaven Oberflächen 26 wird mit einer entsprechenden Anzahl (z. B. 8 bis 16) von Löchern 24 für das Rohgas von entsprechendem Durchmesser (z. B. 2 bis 4 mm) versehen, die in der Nähe des äußeren Umfangs der beiden konkaven Flächen gebohrt werden. Eine Rohgaszuführungsleitung 6' und eine zum Abführen der unreinen Gase dienende Leitung T werden von der Seite her bis zu dem zentralen Teil des kreisförmigen inneren Stützgliedes gebohrt. An der Seite des inneren Stützgliedes 25 werden die erwähnten Leitungen mit einem Rohgaszuführungsrohr 6 und einem Abführungsrohr 7 für unreines Gas durch Schweißen verbunden. Im zentralen Bereich des inneren Stützgliedes münden die erwähnten Leitungen in einander gegenüberliegende Flächen. Die Membranen 1, welche für reines Gas durchlässig sind und die eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Wellenform aufweisen, werden auf beide Seiten des kreisförmigen, scheibenförmigen inneren Stützgliedes 25 mit Hilfe äußerer Stützglieder 2 aufgeklemmt, welche mit Durchlaßöffnungen oder Kanälen 3 für reines Gas und Rohren 9 zum Abführen dieses Gases versehen sind. Die äußeren Umfangsflächen 23 der einander zugewandten Stützgüeder 2 sind miteinander verschweißt. An den Seiten der äußeren Stützglieder 2 und in das kreisförmig und scheibenartig gestaltete innere Stützglied 25 sind

Löcher gebohrt, in denen ein zur Aufnahme eines Thermoelements bestimmtes Rohr 8 befestigt ist.

Im folgenden wird an Hand der Zeichnungen die Arbeitsweise der Anordnung zum Trennen von Gasen erläutert:

Das Rohgas, daß durch die Zuführungsleitung 6, 6' eintritt, erreicht die Fläche der wellenförmig gestalteten Membran 1, fließt durch die verengte Öffnung zwischen der Membran 1 und dem kreisförmigen scheibenartigen Stützglied 25, gelangt durch die Verbindungslöcher 24, die in der Nähe des Umfanges des kreisförmigen scheibenartigen inneren Stützgliedes 25 gebohrt sind, und erreicht die Membran 1 auf der

gegenüberliegenden Seite. Dort fließt das Gas durch den engen Kanal zwischen der Membran 1 und dem kreisförmigen Stützglied 25 und tritt aus der in das Stützglied 25 gebohrten Leitung 7' für unreines Gas

aus und gelangt in die Abführungsleitung 7. Das reine Gas tritt durch die durchlässigen Membranen 1 und wird durch die Abführungsleitungen oder Kanäle 3 und die Rohre 9 abgeführt.

Zur Vervollständigung der Vorrichtung zur Herstellung von Reingas unter Verwendung der erwähnten Anordnung (Fig. 14) werden Heizeinrichtungen 19 nahe der Außenseite der äußeren Stützglieder 2 der Trennvorrichtung angebracht, welche mit wärmeisolierendem Material 21 umhüllt werden. Ein Thermoelement wird in das Einsatzrohr 8 eingeführt, wobei Verteilerdrähte mit dem Thermoelement, der Heizeinrichtung 19 und einer nicht gezeigten automatischen Temperaturregeleinrichtung verbunden werden. Außerdem werden die Rohre entsprechend Fig. 14 angeschlossen.

Zum Betrieb dieser Vorrichtung wird das Rohgaszuführungsventil 12 geschlossen, die Vakuumpumpe 17 in Tätigkeit gesetzt und die Vakuumventile 15 und 16 auf der Reingasseite bzw. der Rohgasseite geöffnet. Die Evakuierung der inneren Teile der Trennvorrichtung wird durchgeführt, bis das Vakuum einen Wert von 1 · 10 ~³ mm Hg erreicht, d. h. bis die Entladungsfarbe des Geißler-Rohres grün wird. Dann wird durch die Heizeinrichtungen 19 elektrischer Strom geschickt, so daß die Vorrichtung auf einen vorbestimmten Temperaturwert erhitzt wird. Nach Schließen der Vakuumventile 15 und 16 und Abschalten der Vakuumpumpe 17 wird Rohgas aus der Rohgasvorratsflasche 22 in die Trennvorrichtung durch ein Druckregelventil 11 eingeleitet. Das Rohgas tritt durch das Zulaßventil 12 in die Zuführungsleitung 6 ein. Während das unreine Gas durch das Ventil 13 abgeleitet wird, wird das Reingasentnahme· ventil 14 geöffnet. Dabei tritt nur reines Gas durch die durchlässigen Membranen!, aus, gelangt durch die Kanäle 3 und fließt kontinuierlich durch die Entnahmeleitungen für Reingas 9 ab.

Bei der vorstehend beschriebenen Anwendungsweise der erfindungsgemäßen Gastrennvorrichtung, bei der das Rohgas durch im Verhältnis zu ihrer lichten Weite sehr lange Kanäle zwischen innerem Stützglied 25 und den Membranen 1 durchströmt, also

ίο lange mit den für das Reingas durchlässigen Membranen in Kontakt ist, ist es möglich, Reingas mit hoher Ausbeute selbst aus stark mit Restgas verunreinigtem Rohgas abzutrennen.

Gleichzeitig ist es möglich, die nicht diff undierenden Gase im Rohgas zu konzentrieren. Diese Art von Trennvorrichtung ist besonders geeignet, um reinen Wasserstoff darzustellen.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

Es werden für reinen Wasserstoff durchlässige Membranen aus Palladiumlegierung verwendet, die folgende Zusammensetzung aufweisen: Pd 74,5%,

»5 Au 5%, Ag 20%, Ru 0,5%. Die Membranen besitzen eine Dicke von 0,1 mm, einen Durchmesser von 160 mm, einen Wellenabstand von 2 mm, eine wirksame durchlässige Oberfläche von 261 cm² und sind in eine kontinuierliche Wellenform gebracht. Die mittlere Dicke nach dem Ausformen beträgt etwa 0,067 mm. Aus diesen Membranen ist eine Trennvorrichtung gemäß F i g. 7 hergestellt.

Unter der obenerwähnten Betriebsweise ergab ein Test Werte, wie sie die nachfolgende Tabelle zeigt.

Zuführdruck des Rohwasserstoffes, atm ...
Abführdruck des Rohwasserstoffes, atm ....

Heiztemperatur der Membran, ⁰C

Zugeführte Rohgasmenge, 1/Std

Reinwasserstoffausbeute, 1/Std

Abgeführte Menge an unreinem Gas, 1/Std.

Reinheitsgrad des Rohgases, %

Reinheitsgrad des reinen Waserstoffes, % ..

Kontinuierliche Betriebszeit, Stunden

Betriebsstörung

10
1

450 ± 5
810
648
162

99,5

99,99999
4000
keine

20
1

450 ±5
1250
1000
250

99,5

99,99999
4000
keine

30 1

450 + 5 1560 1248 312

99,5

99.99999 4000 keine

50 1

450 ±5 2144 1716 428

99.5

99.99999 4000 keine

Obwohl gemäß obigem Beispiel Membranen aus Palladiumlegierungen verwendet werden, mittels derer reiner Wasserstoff hergestellt wird, kann die gleiche Vorrichtung mit Membranen aus Silberlegierungen auch zum Abtrennen von reinem Sauerstoff oder mit Membranen aus Molybdänlegierungen zum Abtrennen von reiuem Stickstoff verwendet werden. Bei der Befestigung der Membranen an den Stützgliedern ist es möglich, sowohl eine Schweißverbindung gemäß F i g. 5 als stach eine Schraubverbindung gemäß F i g. 8 und 9 zu verwenden. Nicht nur eine einzige erfindungsgemäße Trennvorrichtung kann für sich allein benutzt werden, sondern es kann auch eine Vielzahl von mittels Rohren parallel oder in Serie verbundenen Trennvorrichtungen verwendet werden. Dies ist von Vorteil, wenn entweder große Mengen von Reingas erhalten werden sollen oder wenn das unreine Gas, wie in F i g. 10 gezeigt, konzentriert werden soll. Weiterhin ist es möglich, einen Apparat zum Herstellen von reinem Gas zu konstruieren, mit dem große Mengen an Gas erhalten werden, indem man eine Anzahl von Membranen 1 aufcinanderstapelt und Stützglieder 2 in Schichten gemäß Fig. 11 einander gegenüberstellt, während man die metallischen Packungen 5 zwischen den Membranen 1 und den Stützgliedern 2 durch Verschweißen im zusammengepreßten Zustand zusammenhält.

Beispiel 2

Es werden zwei Membranen für reinen Wasserstoff aus der Palladiumlegierung gemäß Beispiel 1 verwendet, die eine Dicke von 0,1 mm, einen Durchmesser von 160 mm, einen Wellenabstand von 2 mm und eine wirksame durchlässige Fläche von 261 cm² aufweisen. Diese werden mit kontinuierlichen Wellen versehen und besitzen danach eine mittlere Dicke von 0,067 mm. Mit diesen Membranen wird eine Anordnung einer Trennvorrichtung für reinen Wasserstoff gemäß F i g. 12 hergestellt und aufgebaut.

Zunächst werden Tests durchgeführt, um die Beständigkeit gegen Druck von der Reingasseite zu prü-

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fen. Hierzu wird die Zuführungsseite mit Atmosphärendruck beaufschlagt und auf der Wasserstoffseite Stickstoff mit einem Druck von 20 kg/cm² aufgepreßt. Die Trennvorrichtung, die in der obenerwähnten Weise hergestellt ist, wird für 24 Stunden in diesem Zustand bei einer Temperatur von 450 ± 5⁰C belassen. Nach dem Test war keine Verformung oder sonst ein Fehler zu entdecken. Dieser Test zeigt, daß die erfindungsgemäße Membran in der vorliegenden Anordnung auch auf der Reingasseite Druck aushält, selbst dann, wenn dieser Druck durch falsche Bedienung bei hohen Temperaturen angewendet wird.

Es wurden Abtrenntests von reinem Wasserstoff aus einem Ammoniaksynthesegas durchgeführt. Dabei wird das Rohgas in einer Menge von SOO Nl/Std. zugeführt. Es handelt sich um ein Ammoniaksynthesegas, bestehend aus 22,7 Volumprozent Stickstoff, 75,3 Volumprozent Wasserstoff, 1,8 Volumprozent CH₄ und 0,2 Volumprozent Sauerstoff. Die Zuführung zur Trennvorrichtung erfolgt unter einem Zuführungsdruck von 10 kg/cm², wobei die Temperatur der Membranen auf 450 ± 5° C gehalten wird.

Es werden 210 Nl/Std. unreiner Gase und 290 Nl/Std. von reinem Wasserstoff erhalten. Die Stickstoffkonzentration der abgezogenen unreinen Gase beträgt 54,0 Volumprozent, der Reinheitsgrad des reinen Wasserstoffes 99,99999 Volumprozent.

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zum Abtrennen reiner Gase durch Diffusion, welche mindestens eine permeable, aus einem Metall oder einer Metallegierung bestehende und auf einem mit Gasdurchlaßöffnungen versehenen Stützglied angeordnete Membran aufweist, mit mindestens einer Rohgaszufuhrleitung, mindestens einer Entnahmeleitung für unreines Restgas auf der einen Seite der Membran und mindestens einer Reingasentnahmeleitung auf der anderen Seite, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (I ^-) wellenförmig ausgebildet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
ÜSA.-Patentschrift Nr. 2 540 152.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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