Способ непрерывного разделения газовой смеси Советский патент 1929 года по МПК B01D45/08 

Обычно разделение газовой смеси достигается тем, что температуру смеси понижают, благодаря чему одна из составляющих становится жидко или же тем, что смесь пропускают через пористую стенку или вводят в газовую струю. Затем можно одну из получен.ных, таким образом, фракций подвергнуть такому же способу разделения, и повторять этот способ столько раз, пока не получится фракция желаемого состава. При таком способе работы метод разделения, все время применяемый лишь к одной фракции (конечно к первой или последней), обладает тем недостатком, что другие фракции, которые могут еще содержать значительную часть добываемого газа, остаются неиспользованными.

В предлагаемом способе разделения газовой смеси, работа производится непрерывно и каждая образовавшаяся фракция автоматически подвергается новому разделению. Таким образом, разделение газовой смеси может быть произведено .более совершенно, и количество отделяющихся газов может быть увеличено.

Способ состоит в том, что применяют некоторое число разделительных элементов, каждый из которых самостоятельно производит частичное разделение на две или большее число фракций, которые, в зависимости от их состава, подводятся к двум или большему числу разделительных элементов, расположенных по обе стороны, или к тому же разделительному элементу. Разделение желательно производить таким образом, чтобы количество газа, подводимое от одного разделительного элемента ко второму, равнялось тому количеству газа, которое нодводится от второго элемента к первому. Можно также разделение производить таким образом, чтобы количество газа, подводимое к разделительным элементам, расположенным по одну сторону от рассматриваемого, приблизительно равнялось количеству газа (обем .газа при одинаковом давлении и одинаковой температуре), подводимого Е элементам, расположенпым по другую сторону.

Предлагаемый способ осуществляется при помощи приспособлений, каждое из которых самостоятельно может производить частичное разделение газовой . Если к разделительному элементу О подвести газовую смесь определенного состава, то, носле частичного разделения, состав образовавшихся, таким образом, фракций будет отличаться от состава первоначальной газовой смеси. От каждой из этих фракций отделяют, например, при номощи насосов, часть, которая при этом подводится к другим разделительным элементам или к тому же. Так, например, если в разделительном элементе С образуются две фракции, то одна фракция может быть подведена к предшествующему разделительному элементу, обозначаемому буквою- В, а другая фракция-к следующему элементу D. Подведенная к разделительному элементу В фракция в этом элементе подвергается новому частичному разделению и разлагается на две подфракции, одна- из которых может быть подведена к предшествующему разделительному элементу Л, а другая-к элементу С. То же самое происходит с подведенной к разделительному элементу i) фракцией и вообще со всякой фракцией, подведенной к предшествующему или последующему элементу. Вообще в одном онределенном элементе встречаются две или большее число фракций, поступающих из других разделительных элементов или из того же; полученная, таким образом, газовая смесь затем снова разлагается путем разделения на две или большее число фракций, которые опять подводятся к другим разделительным элементам или к тому же. Если желательно произвести разделение таким образом, чтобы количество газа, подводимое от одного разделительного элемента ко второму, приблизительно, равнялось количеству газа, подводимому из второго элемента к первому, то для этой цели, сопротивление на пути от первого разделительного элемента ко второму, сделать, приблизительно, равным сопротивлению на пути от второго элемента к первому. Если разделение в одном элементе осуществляется тем, что газ диффундирует через пористую стенку с известным соиротивлением, то сопротивление другого пути делают, приблизительно, равным сопротивлению первого соответствующим выбором диаметра или длины применяемой для этой цели трубки. При этом диаметр трубки не должен быть настолько мал, чтобы в ней могло происходить разделение и вследствие этого нарушалось равномерное протекание газа. Удалвние фракций из каждого из разделительных элементов нроизводится при помощи насосов. Хотя для отсасывания каждой фракции может быть применен и отдельный насос, все же рекомендуется, в большинстве случаев, отсасывать несколько поступающих из разных разделительных элементов фракций при помощи одного насоса. Так, например, можно производить отсасывание одной фракции-из предшествующего разделительного элемента и второй-из последующего элемента при помощи одного насоса. Обычно применяются насосы одинаковой мощности.

Вместо применения метода разделения, основанного на диффузии через пористую стенку, можно разделение в элементах производить и при помощи любого другого, уже известного метода.

В дальнейшем предлагаемый способ поясняется применительно к чертежу, на котором фиг. 1 изображает приспособление, состоящее из пяти последовательно включенных разделительных элементов, в каждом из которых происходит частичное разделение благодаря тому, что газовая смесь частью диффундирует через пористую стенку, и фиг. 2-приспособление, также состоящее из пяти разделительных элементов, каждый из которых имеет две пористых стенки, производящие частичное разделение.

На фиг. 1 буквами а, &, с, и и е обозначены нять разделительных элементов. В каждом из них, нанример, в элементе с, цыфрой 1 обозначена трубка, через которую газовая смесь притекает к с, а- цыфрой 2-трубка с пористой стенкой, закрытая снизу и могущая состоять, например, из свернутой в трубку бумаги. Трубка 2 расположена внутри трубки 1 и соединена с нею таким образом, что газ из трубки 1 может протекать в трубку 2 исключительно через пористую стенку. Для этого верхний конец трубки 1, которая может быть стекляшой, охватывает трубку 3, составляющую продолжение трубки 2, и припаян к net. Трубка i на верхнем конце загнута и соединена узкой трубкой 4 с насосом 5, подающим газовую смесь, которая должна быть разделена в элементе d, в то время как трубка 3 соединена е насосом 6, нодающим газовую смесь, подлежащую разделению в элементе Ъ. Сопротивление, оказываемое йористой стенкой протекающему через нее газу, приблизительно, равняется сопротивлению узкой трубки 4. В разделительном элементе с, благодаря работе насоса 9, встречаются две фракции, одна из которых поступает по узкой трубке 7 из разделительного элемента Ъ, а другая-по трубке 8 из разделительного элемента а. Благодаря разделению в элементе с снова образуются две фракции, одна из которых но трубке 3 отводится в разделительный элемент Ъ, а другая-по трубке 4 в разделительный элемент d. Таким образом, каждая фракция, поступившая из данного разделительного элемента в предыдущий или в следующий, частью опять возвращается в данный элемент. За насосом 9 в трубку 1 включена U-образная трубка 10, охлаждаемая, например, при помощи жидкого воздуха и освобождающая подлежащую разделению газовую смесь от загрязнений, могущих поступать из насоса.

Чтобы при помощи этого приспособления разделить определенную газовую смесь, некоторое количество этой смеси вводят в приспособление, например, в первый его разделительный .элемент. Для этого в приспособлении сначала производят, по возможности, более сильное разрежение, а затем впускают газовуюсмесь до достижения определенного давления, например, в 0,5 мм ртутного столба. Затем приспособление приводят в действие, продолжающееся до тех пор, пока в распределении частично разделенной газовой смеси, между отдельными элементами, не наступает равновесное состояние. Тогда в специально для этой цели предназначенных сосудах 12 и 11, соединенных с первым и, соответственно, с последним разделительным элементом.

находятся фракции, в которых количество определенных составляющих уменьшилось или, соответственно, увеличилось. В случае разделения смеси, состоящей из двух газов, одна фракция, с большим содержанием одной составляющей или даже практически свободная от другой составляющей, собирается в сосуде 11, а другая фракция, с большим содержанием второй составляющей,- в сосуде 12. Если желательно, нанример. разделить смесь, состоящую из гелия и неона, то, в виду того, что гелий имеет большую ностоянную диффузии, этот газ будет протекать преимущественно, влево, а не вправо, до достижения равновесного состояния. При этом в сосуде 12 получится смесь, богатая гелием.

Количество применяемых разделительных элементов зависит, конечно, от степени разделения, которую желательно достичь, и, в случае разделения путем диффузии, также от отношения постоянных диффузий разделяемых газов. При достижении равновесного состояния, количество газа, поступающего из одного разделительного элемента во второй, становится соверщенно равным количеству газа, ноступающему из второго разделительного элемента в нервый.

В предлагаемое приспособление, при непрерывной его работе, можно все время вводить газовую смесь и удалять из него одну или несколько фракций, например, фракцию собирающуюся в сосуде 12. При этом получается установившееся состояние, при котором, однако, количество газа, поступающее из одного разделительного элемента во второй, не точно соответствует количеству газа, ностунающему из второго разделительного элемента в первый, что имело место в ранее описанном случае. Количество газа, протекающее по направлению к сосуду 12, где происходит удаление газа из приспособления, больше количества газа, протекающего в нротивоположном направлении, нри чем эта разница определяется тем количеством газа, которое удаляют из сосуда 12. Для достижения надлежащего разделения, удаляемое в единицу времени из сосуда 12 количество газа должно быть небольшим по сравнению

с количеством газа, протекающим за то же время из одного разделительного элемента в следующий. В случае неисполнения этого условия, разделение становится менее совершенным, хотя количество получаемого газа увеличивается.

Состав газовой смеси, диффундирующей через пористую стенку, не одинаков по всей поверхности пористой стенки. Та часть пористой стенки, которая раньше приходит в соприкосновение с разделяемой газовой смесью, в дапном случае нижняя часть ее, пропускает смесь, содержащую (по сравнению с поступающей смесью) большее количество той составляющей, которая имеет более высокую постоянную диффузии. Если, для простоты, рассматривать смесь гелия с неоном, то нижняя часть пористой стенки пропускает богатую гелием смесь; при этом, однако, может случиться, что в смеси, находящейся в трубке 1 на высоте верхней части пористой стенки, окажется столь небольшое количество гелия, что проходящая в этом месте через стенку смесь будет содержать такое же количество гелия, как поступающая из насоса 9 смесь или даже меньше. Поэтому в этом месте пористой стенки разделение не приносит никакой пользы. Для устранения этого недостатка, рекомендуется пропускать через пористую стенку лишь небольшую часть газовой смеси, а остальную часть отводить обратно в тот же разделительный элемент через вторую пористую стенку. Для этого может служить приспособление, изображенное на фиг. 2, где буквами а , Ъ, с , d и е обозначены пять разделительных элементов. В элементе с цыфрой 13 обозначена трубка, по которой из насоса 14 поступает подлежащая разделению газовая смесь, например, смесь гелия с неоном. В этой трубке 13 находится пористая трубка 16; KpioMe того, трубка 13 при помощи узкой трубки 17 соединена с трубкой 18, заключающей вторую пористую труб.ку 19. Последняя переходит в непористую часть 20 и укреплена, путем вплавления, в трубке 18. При помощи насосов 15, 14 и 21 отсасываются отдельные фракции поступающей по трубке 13 газовой смеси. При этом можно.

например, устроить таким образом/что через пористую стенку 16 отсасывается одна шестая часть смеси, через пористую стенку 19-четыре шестых, и по трубке 20-одна шестая часть. Проходящая через пористую стенку 19, фракция снова подводится по трубке 20 к тому же разделительпому элементу с . Для того, чтобы эта фракция была в четыре раза больше, чем каждая из фракций, проходящих через пористую стенку 16 и по трубке 18, необходимо, чтобы сопротивлепие пористой стенки 16 и трубки 18 было в четыре раза больше сопротивления пористой стенки 19.

У первого и последнего элемента имеются два сосуда 22 и 23, в которых собираются богатая гелием и, соответственно, богатая неоном, фракции. Выяснилось, что при применении предлагаемого способа даже в таких газовых смесях, разделение которых до сих пор было крайне затруднительно, может быть достигнуто весьма совершенное разделение. Возможно даже по этому способу отделить друг от друга изотопы, например, изотопы неона.

Хотя в вышеописанных примерных формах осуществления способа отделенные друг от друга фракции подводятся к разделительным элементам, расположенным непосредственно рядом с рассматриваемым, отдельные фракции могут быть отведены и к более удаленным элементам.

Предмет патента.

1.Способ непрерывного разделения газовой смеси, отличающийся применением ряда разделительных приспособлений, каждое из которых производит частичное разделение смеси на, две или большее число фракций, которые, в зависимости от их состава, отводятся к двум или большему числу разделительных приспособлений, расположенных по обе стороны от пего, или же обратно к тому же разделительному приспособлению.

2.Прием выполнения способа по п. 1, отличающийся тем, что из первого разделительного приспособления отводят во второе такое количество газа, которое.