DE386694C

DE386694C - Verfahren zur Trennung des Sauerstoffs und Stickstoffs in Gasgemischen, die hauptsaechlich aus Sauerstoff und Stickstoff bestehen

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Publication number: DE386694C
Application number: DEZ12223D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1919-10-15
Filing date: 1921-03-30
Publication date: 1923-12-14
Also published as: GB152643A

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AI 14. DEZEBIBER 1923

REICH S PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 17g GRUPPE 2

(Z 12223

Michel Zack in Zürich, Schweiz.

Verfahren zur Trennung des Sauerstoffs und Stickstoffs in Gasgemischen, die hauptsächlich aus Sauerstoff und Stickstoff bestehen.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 30. März 1921 ab.

Für diese Anmeldung ist gemäß dem Unionsvertrage vom 2. Juni 1911 die Priorität auf Grund der Anmeldung in der Schweiz vom 15. Oktober 1919 beansprucht.

Die Erfindung 'betrifft ein Verfahren zur Trennung von Sauerstoff und Stickstoff und eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens. Sie kann bei Gasgemischen angewendet werden, die in der Hauptsache aus

Sauerstoff und Stickstoff bestehen. Das Verfahren beruht auf der Verschiedenheit der Dichten, der Verflüssigungspunkte und der magnetischen Eigenschaften der genannten Gase.

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Die Verschiedenheit der Dichten würde es erlauben, die erwähnten Gase zu trennen, indem man das Gasgemisch mit großer Geschwindigkeit rotieren lassen würde. Durch üese Rotation würde das schwerere Gas, d.h. der Sauerstoff, gegen die Peripherie geschleudert, das leichtere aber, d. h. der Stickstoff, würde sich nächst der Rotationsachse ansammeln.

ίο Praktisch jedoch kann durch eine Rotation allein kein nennenswertes Resultat erzielt werden, da dieselbe zu schnell vor sich gehen müßte.

Um die Differenz zwischen den Zentrifugalkräften, welche auf die beiden Gase wirken, zu vergrößern, wird mit Erfolg die Verschiedenheit ihrer Verflüssigungspunkte verwendet, indem man den Teil des Gasgemisches, der sich an der Peripherie befindet, energisch abkühlt. Da der Sauerstoff sich schon bei höherer Temperatur als der Stickstoff verflüssigt, so wächst bei Abkühlung bis zum Verflüssigungspunkt de> Sauerstoffs die Differenz der Dichten beider Gase. Dadurch wird auch die Differenz zwischen den Zentrifugalkräften erhöht, so daß die Trennung 1 eider Gase leichter erfolgen kann.

Trotzdem ist die Differenz zwischen den Zentrifugalkräften beider Gase noch nicht genügend, um Sauerstoff und Stickstoff praktisch zu trennen und deshalb werden noch andere Mittel angewendet, um genügend große Zentrifugalkräfte zu erzeugen.

Durch die Ausnutzung der magnetischen Eigenschaften des Sauerstoffs bei tiefen Temperaturen kann die Zentrifugalkraft dieses Gases beträchtlich gesteigert werden, so daß dieselbe viel größer als diejenige des Stickstoffs gemacht werden kann. Zu diesem Zweck wird ein ungleichförmiges, rotierendes, magnetisches Feld von konstanter Winkelgeschwindigkeit erzeugt, und /.war wird entweder ein Kreisring, welcher ' mit (Elektro-) Magneten versehen ist, in Rotation gebracht — in diesem Falle kann ' Gleichstrom verwendet werden —, oder es wird durch Drehstrom ein Drehfeld erzeugt. Es ist bekannt, daß paramagnetische Körper den Stellen zustreben, wo die magneti- ! sehen Kraftlinien am dichtesten sind, und daß für diamagnetische Körper das Gegenteil der Fall ist. Man kann das magnetische Kraftfeld so lagern, daß der Sauerstoff, welcher paramagnetisch ist, der Peripherie zustrebt, während der Stickstoff als schwach diamagnetischer Körper, welcher von dem magneti- j tischen Kraftfeld wenig beeinflußt wird, der ^! Achse des Ringes zustrebt.

Die Form der Magnete kann z. B. so gewählt werden, daß ein kreisförmiger Ring ; am inneren Umfang mit Magneten versehen < ' ist in der Weise, daß die magnetischen Kraftlinien parallel seiner Achse verlaufen, und daß ihre Dichte von Null bis zu einem Maximum sich abwechselnd ändert. Der Raum zwisehen dem Nord- und dem Südpol müßte lurch ein Glimmerscheibchen bedeckt werden, um zu verhüten, daß der Sauerstoff in diesen Raum eindringt.

Durch die Abkühlung des Gasgemisches 7" während der Rotation wird die magnetische Empfindlichkeit des Sauerstoffs vergrößert und folglich die Wirkung der magnetischen Kraft erhöht.

Aus dem Vorhergehenden geht hervor, daß durch die Anordnung eines starken ungleichförmigen, rasch rotierenden, magnetischen Feldes und einer gleichzeitigen Abkühlung des Gasgemisches der Sauerstoff und der Stickstoff voneinander getrennt werden können, ohne das Gasgemisch in eine raschere Rotation zu versetzen als die des magnetischen Kraftfeldes.

Das Verfahren, welches den Gegenstand vorliegender Erfindung bildet, besteht demnach in der Anwendung eines (elektro-) magnetischen, ungleichförmigen, rotierenden Kraftfeldes, welches genügend stark ist, um den Sauerstoff eines Gasgemisches wenigstens teilweise mitzunehmen, wobei das Gasgemisch an der Peripherie, wo es hauptsächlich Sauerstoff enthält, energisch gekühlt wird, so daß der Sauerstoff und der Stickstoff durch die Wirkung der Differenz der auf sie wirkenden Zentrifugalkraft getrennt werden.

Um das Gasgemisch, bevor es von dem Kraftfeld mitgenommen wird, zweckmäßigerweise abzukühlen, kann man das Gasgemisch expandieren lassen, und zwar derart, daß die Expansion dazu dient, demselben eine Rotationsbewegung zu erteilen, damit es leichter vom rotierenden Kraftfelde mitgenommen wird.

Die Erfindung kann am besten erklärt werden auf Grund eines Beispiels, das eine Vor- i°5 richtung darstellt zur Ausübung des Verfahrens. Abb. ι und 2 stellen ein solches Beispiel dar. Es bezeichnet:

ι einen Elektromotor, 2 eine Turbomaschine, welche hier ganz schematisch darge- no stellt ist und im allgemeinen aus einer Reaktionsturbine, verbunden mit Ausströmungsdüsen 3 besteht, 4 einen rotierenden Ring mit den Elektromagneten 4/ und einem Hohlraum 5, 6 den Eintritt des Gasgemisches, "5 die Turbinenwelle, 8 eine rotierende Leitvorrichtung mit einer hohlen Welle 9, 10 einen zweiten rotierenden Ring mit den Elektromagneten 10', 11 einen zweiten Elektromotor, 12 den Austritt für den gasförmigen Sauerstoff, 12' den Austritt für den flüssigen Sauerstoff und 13 den Austritt für den

Stickstoff, 14 ein periodisch wirkendes" Einlaßventil, ganz oder teilweise schließend, 15 ein periodisch wirkendes Auslaßventil, ganz oder teilweise schließend (die beiden Ventile werden durch bekannte, in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtungen betätigt), 16 ein Zuführungsrohr, durch das der Hohlraum des Ringes 4 mit flüssigem Gas (Luft) gefüllt wird, versehen mit einem Rohr 17 für die Förderung des verdampfenden Gases durch den Austritt 3 der Turbomaschine 2, 18 ein Zuführungsrohr, durch das der Hohlraum des Ringes 10 mit flüssigem Gas (Luft) gefüllt wird, 19 ein Rohr zur Fortleitung des

verdampfenden Gases. Der Rotor des Elektromotors ι und die Turfcomas chine 2 sind auf der Welle 7, mit welcher der Ring 4 durch die Speichen 20 verbunden ist, montiert. Ähnlich sind der Rotor des Elektromotors 11 und die Turbomaschine 8 auf der Welle 9, mit welchen der Ring 10 durch die Rippen 21 verbunden ist, montiert. Die Hülle, welche die - beweglichen Teile des Apparates einschließt, ist mit 22 bezeichnet. Die Arbeitsweise des Apparates ist folgende:

Die Turbomaschine 2 und der Ring 4 werden durch den Elektromotor 1 in Drehung versetzt; die Leitvorrichtung 8 und der Ring 10 werden durch den Elektromotor 1 r mit größerer Geschwindigkeit gedreht. Das vorgekühlte Gasgemisch tritt in die Turbomaschine 2 durch den Eintritt 6 unter einem gewissen Druck ein und kühlt sich durch die stattfindende Expansion noch mehr ab. Das kalte Gasgemisch verläßt die Turbomaschine mit einer, gewissen Geschwindigkeit, deren eine Komponente tangential zur Umfangsgeschwindigkeit der Turbomaschine und die andere parallel zur Achse 7 gerichtet ist. Die Ausströmdüsen 3 der Turbomaschine sind so verteilt, daß das Gasgemisch in bezug auf 'den Ring immer an derselben Stelle austritt. Die Zentrifugalkraft, welche auf den Sauerstoff oder zum mindesten auf den sauerstoffreichereri Teil des Gemisches wirkt, ist viel größer als diejenige, welche auf den Rest desselben wirkt, so daß der erstere an der Peripherie sich ansammelt, wo er durch die Magnete 4 mitgenommen wird. Der Stickstoff tritt dagegen in die rotierende Leitvorrichtung 8 ein, was dadurch noch erleichert wird, daß zwischen dem Druck der im Innern des Apparates herrscht, und demjenigen in der hohlen Welle 9, weiche mit einem Raum niedrigeren Druckes verbunden ist, ein gewisser Druckunterschied besteht. Dasjenige Gemisch, welches eines Teiles des Stickstoffs durch die Magnete 4 schon .entledigt wurde, tritt dann in die nächste Kammer, wo der Ring 10 sich befindet, ein.

Um diesem Gemisch au ermöglichen, den Riing 4 zu verlassen, wird der Strom der Elektromagnete 4' periodisch unterbrochen. Während dieser Unterbrechung tritt das sauer_r stoffreiche Gemisch in die Kammer mit dem Ring 10, welcher mit einer anderen (größeren) Geschwindigkeit als der Ring 4 rotiert, da seine Bewegung durch den Elektromotor 11 unterhalten wird.

Durch die Errichtung mehrerer Kammern kann der gewünschte Grad der Reinheit des Sauerstoffgehalts erhalten werden. Der Stickstoff enthält dann sehr wenig Sauerstoff.

Um den Eintritt des sauerstoffreicheren Gemisches in die Leitvorrichtung 8 zu verhüten, werden die Ein- und Auslaßventile 14 und 15 vollständig oder teilweise mittels Relais während der Unterbrechung des Stromes geschlossen, da sonst durch zu energisches Nachblasen der Sauerstoff überall hin weggeblasen werden könnte, was verhindert werden muß.

Das sauerstoffreichere Gemisch bzw. der Sauerstoff tritt durch 12 und 12' aus, und zwar der gasförmige Teil durch 12 und der verflüssigte durch 12'. Das stickstoffreichere Gemisch bzw. der Stickstoff tritt durch die hohle Welle 9, das Ventil 15 und 13 aus.
j Das flüssige Gas (Luft), welches zur Abkühlung des Ringes 4 dient, tritt in den Hohlraum S durch das Zuführungsrohr 16 ein und das verdampfte wird durch das Rohr 17 in die Ausströmdüsen 3 der Turbomaschine eingeführt.

Das flüssige Gas (Luft), welches zur Abkühlung des Ringes 10 dient, tritt in den Hohlraum desselben durch das Rohr 18 und das verdampfte wird durch das Rohr 19 abgeführt.

Es ist ohne weiteres klar, daß dasselbe Verfahren auch zur Trennung anderer ähnlicher Gemische, z. B. von N und N O, dienen kann.

Der größte Nachteil der bekannten Apparate zur Gewinnung von Saiuerstoff besteht in ihren beträchtlichen Abmessungen. Dieselben sind derart, daß schon ein mittlerer Betrieb eine Sauer stoff anlage nicht gut bei sich einrichten kann und daher Sauerstoff in Flaschen beziehen muß, trotz der hohen Transportkosten, der Leihgebühr und der Verluste (leere Flaschen), die mit dem Transport verbunden sind. Es wurde daher schon seit längerer Zeit versucht, einen Apparat zu konstruieren, welchen die zu zerlegende Luft mit großer Geschwindigkeit durchströmt, wodurch auch kleine Abmessungen desselben erreicht werden könnten. Es liegt auf der Hand, zu diesem Zwecke dieLuft direkt durch Zentrifugie-· rung in ihre Bestandteile zu zerlegen. Aber es läßt sich leicht nachweisen, daß es prak- iao tisch· unmöglich ist, die Luft weder in gasförmigen, noch in flüssigen Zustand durch

einfache Zentrifugierung zu zerlegen; es muß noch eine zusätzliche Kraft angewendet werden, um die Wirkung der Zentrifugalkräfte zii vergrößern. Diese Kraft muß zweckmäßigerweise so beschaffen sein, daß sie auf den einen Bestandteil (Sauerstoff) wirkt, auf den anderen aber (Stickstoff) entweder gar nicht oder in entgegengesetztem Sinne. Eine solche Kraft ist der Magnetismus, da bekanntlich

ίο Sauerstoff paramagnetisch, der Stickstoff überhaupt fast gar nicht magnetisch ist. Es muß sogleich bemerkt werden, daß durch ein stationäres und gleichförmiges, noch so starkes Feld irgendeine Wirkung nicht erzielt werden kann: 1. durch ersteres nicht, weil die Aufnahmefähigkeit des Sauerstoffs zu gering ist und 2. durch zweites nicht, weil die paramagnetischen Körper nur in der Richtung der steigenden Dichte der Kraftlinien sich be-

ao wegen. Es wiri daher dn vorliegender Erfindung ein ungleichförmiges, rotierendes, magnetisches Feld angewendet in der Weise, daß der Sauerstoff auch der Wirkung einer Zentrifugalkraft unterworfen wird; unter dem

as Einfluß der gleichzeitigen Wirkung der magnetischen Kraft und der Zentrifugalkraft wird er von dem Stickstoff getrennt. Um die Wirkung dieser Kräfte noch zu vergrößern, wird das Luftgemisch zweckmäßigerweise stark abgekühlt, derart, daß zunächst sich hauptsächlich Sauerstoff verflüssigt (vorgängige Verflüssigung), wodurch einerseits seine magnetische Aufnahmefähigkeit bedeutend vergrößert wird und. andererseits der Unterschied der Zentrifugalkräfte (zwischen derjenigen des flüssigen Sauerstoffs und derjenigen des gasförmigen Stickstoffs) ganz gewaltig steigt.
Zu bemerken ist noch, daß der hauptsächlichste Vorteil des vorliegenden Verfahrens darin besteht, daß, wie bereits anfangs angedeutet wurde, die entsprechende Vorrichtung außerordentlich kleine Abmessungen hat, wodurch der Sauerstoff auch in kleinen Betrieben an Ort und Stelle hergestellt werden kann, so daß der Gebrauch der Flaschen wegfällt.

Claims

Patent-Ansprüche:

i. Verfahren zur Trennung des Sauer-Stoffs und Stickstoffs in Gasgemischen, die hauptsächlich aus Sauerstoff und Stickstoff bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch der Einwirkung eines rotierenden, ungleichförmigen, magnetisehen Kraftfeldes ,unterworfen wird, in dessen Mitte das Gasgemisch eingeführt wird und das eine Zentrifugalkraft von größererer Intensität für den Sauerstoff als für den Stickstoff erzeugt, so daß der Sauerstoff an die Peripherie geworfen und somit vom Stickstoff getrennt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch, während es der Einwirkung des magnetisehen Feldes unterworfen wird, gleichzeitig energisch abgekühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch, bevor es der Einwirkung des magnetischen Feldes unterworfen wird, in Umdrehung versetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch, bevor es der Einwirkung des magnetischen Feldes unterworfen wird, durch Expansion abgekühlt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Anordnung mindestens eines hohlen Ringes (4), der mit kaltem flüssigen Gas gefüllt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umdrehung des magnetischen Feldes durch die Umdrehung des die Magnete tragenden Ringes (4') bewirkt wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umdrehung des magnetischen Feldes ohne Umdrehung des die Magnete tragenden Ringes erfolgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.