DE4108653A1

DE4108653A1 - Process to separate compressed gases of different molecular weight - using the reverse of mass density in comparison to fluid

Info

Publication number: DE4108653A1
Application number: DE19914108653
Authority: DE
Inventors: Harro Prof Dr Lentz; Volker Dipl Phys Zeuner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-03-16
Filing date: 1991-03-16
Publication date: 1992-09-17

Abstract

In a process to separate gases of different molecular weight, the pressure is raised to a point that the gas with the greater mol. wt. has a greater mass density than a fluid such as water, which is likewise contained within the separation apparatus; that the heavier gas forms a super-saturation of the gas, and that the heavy gas separates downwards in the apparatus. USE/ADVANTAGE - The process exploits the barotropic effect to separate glass of different molecular weight

Description

Bei Gasen mit großem Molekulargewicht kann es in Gas-Flüssigkeits-Syste men bei hohen Drücken vorkommen, daß die Dichte des Gases genauso groß wird wie die Dichte der Flüssigkeit (sog. Barotropie). Bei weiterer Erhöhung des Druckes wird das Gas spezifisch schwerer und sinkt nach unten, wäh rend die Flüssigkeit im Autoklaven nach oben steigt. Die Gasphase hat je doch im Vergleich zur Flüssigkeit weniger Teilchen in der Volumeneinheit, und es ist das größere Molekulargewicht, welches diese Volumeneinheit schwerer macht. Meist ist die Löslichkeit der Gase in der Flüssigkeit nicht groß, und deshalb genügt es, besonders wenn die Temperaturen nicht hoch sind, die Dichtedaten des entsprechenden Gases und der entsprechenden Flüssigkeit in Abhängigkeit von Druck miteinander zu vergleichen, um den barotropen Punkt zu finden. Bei normalen Temperaturen kommen als Flüs sigkeiten z. B. Wasser, Ammoniak, Pentan oder Heptan in Frage. Für ein Gas mit großem Molekulargewicht wie Xenon liegt der barotrope Punkt bei rela tiv kleinen Drücken, für Wasser-Xenon bei 37°C ist dieser Druck etwa 79 bar.For gases with large molecular weight it can be in gas-liquid systems men at high pressures that the density of the gas is just as great becomes like the density of the liquid (so-called barotropy). With further increase of the pressure, the gas becomes specifically heavier and sinks downward The liquid rises in the autoclave. The gas phase has ever but compared to the liquid, fewer particles in the unit volume, and it is the larger molecular weight that this volume unit makes heavier. Usually the solubility of the gases in the liquid is not large, and therefore it is enough, especially if the temperatures are not high are the density data of the corresponding gas and the corresponding Compare the fluid with each other as a function of pressure to find barotropic point. At normal temperatures come as rivers liquids z. B. water, ammonia, pentane or heptane in question. For a gas with a large molecular weight such as xenon, the barotropic point is rela tiv small pressures, for water xenon at 37 ° C this pressure is about 79 bar.

Die Barotropie, also die Umkehr der Massendichte eines Gases im Vergleich zu einer Flüssigkeit, ist eine allgemeine Naturerscheinung, die bei einer Vielzahl von Mischungen auftreten kann. Es gibt aber keine Ausnutzung dieses Phänomens. Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, die Barotropie zur Trennung von Gasen auszunutzen.The barotropy, i.e. the reversal of the mass density of a gas in comparison to a liquid, is a common natural phenomenon that occurs in a Variety of mixtures can occur. But there is no exploitation of this phenomenon. The object of the invention is therefore that To use barotropy to separate gases.

In Vorversuchen wurde festgestellt, daß eine Mischung aus Gasen sich wie ein Gas mit mittlerem Molekulargewicht benimmt, so daß keine selbständige Trennung einer Gasmischung eintritt, wenn eines dieser Gase bereits über barotrop ist, die anderen aber noch nicht. Es ist deshalb erforderlich, die verschiedene Löslichkeit der Gase auszunutzen. In der Regel ist es so, daß das Gas mit größtem Molekulargewicht auch die größeren Löslichkeiten in einer Flüssigkeit hat.In preliminary tests it was found that a mixture of gases looks like a gas with medium molecular weight behaves so that no independent Separation of a gas mixture occurs when one of these gases is already over is barotropic, but the others are not. It is therefore necessary that exploit different solubility of the gases. As a rule, it is the case that the gas with the greatest molecular weight also the greater solubilities in a liquid.

Das Verfahren der Erfindung besteht darin, eine Gasmischung soweit zu komprimieren, daß das schwerere Gas bezüglich der Flüssigkeit bereits überbarotrop ist. Außerdem muß die Löslichkeit dieses Gases in der Flüs sigkeit größer sein als die Löslichkeit der weiteren Gase. Es wird nun eine Übersättigung der Flüssigkeit mit diesem Gas hergestellt, indem z. B. der Druck deutlich über den bereits überbarotropen Druck hinaus erhöht wird. The method of the invention is to add a gas mixture so far compress that heavier gas with respect to the liquid already is overbarotropic. In addition, the solubility of this gas in the river be greater than the solubility of the other gases. It will now be one Supersaturation of the liquid with this gas produced by z. B. the Pressure is increased significantly beyond the already superbarotropic pressure.

Wird der Druck jetzt auf seinen vorherigen Wert entspannt, so ist die Flüssigkeit bezüglich des Gases übersättigt und die neue Gasphase scheidet sich im Gefäß, wegen ihres größeren spezifischen Gewichtes, unten aus.If the pressure is now released to its previous value, it is Liquid oversaturated with the gas and the new gas phase separates itself out in the vessel because of its greater specific weight.

Das Verfahren der Erfindung kann auch darin bestehen, daß bei einer Tem peratur das schwere Gas bevorzugt gelöst wird. Wird diese Temperatur jetzt erhöht, so ist in den meisten Fällen die Lösung bezüglich dieses schweren Gases übersättigt. Das Gas scheidet sich dann unten aus.The method of the invention can also consist in that at a tem temperature, the heavy gas is preferably dissolved. This temperature now increased, so in most cases the solution is to this heavy gas oversaturated. The gas then separates out at the bottom.

Mit Vorteil kann auch die Bildung von Gashydraten ausgenutzt werden, wenn Wasser die benutzte Flüssigkeit ist. Diese Gashydrate absorbieren in der Regel das Gas mit dem größeren Molekulargewicht. Sie sind dann oft spezifisch schwerer und sinken nach unten. Wenn das Gashydrat schmilzt, so wird das überbarotrope Gas freigesetzt und bildet im Gefäß unten eine zweite Gasphase.The formation of gas hydrates can also be advantageously used, when water is the liquid used. These gas hydrates absorb in usually the gas with the larger molecular weight. Then you are often specifically heavier and sink down. When the gas hydrate melts, the superbarotropic gas is released and forms one in the bottom of the vessel second gas phase.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß komprimierte Gasmischungen, die in der Technik relativ häufig sind, ohne den Umweg über eine thermische Zerlegung, lediglich durch Anwendung weiterer Kompressionsenergie getrennt werden können. Das heißt, der er forderliche Energieaufwand ist gering und die benutzten Apparaturen sind einfach.The advantages achieved by the invention are that compressed gas mixtures, which are relatively common in the art without the detour via thermal decomposition, only by application further compression energy can be separated. That is, he required energy expenditure is low and the equipment used easy.

Die Erfindung soll jetzt an Beispielen dargestellt werden.The invention will now be illustrated using examples.

Abb. 1 zeigt das Prinzip des Verfahrens in einem statischen Versuch. In 1a ist die Gasmischung (G₁ und G₂) und die Flüssigkeit (F) bei einem bestimmten Druck in einem Autoklaven eingeschlossen. In 1b ist das über barotrope Gas (G₂) mit Resten von G₁ (G₂ + (G₁)) unten im Autoklaven und von dem oben befindlichen leichten Gas, G₁, mit Resten von G₂ (G₁ + (G₂)) durch die Flüssigkeit getrennt. Zwischen diesen Zuständen hat der Schritt der Lösung des schweren Gases in der Flüssigkeit, oder die Aufnahme des schweren Gases in einem Gashydrat oder sonstigem Festkörper und des Wiederausscheidens dieses Gases im unteren Autoklaventeil gelegen. Fig. 1 shows the principle of the method in a static test. In Fig. 1a the gas mixture (G ₁ and G ₂ ) and the liquid (F) are enclosed in an autoclave at a certain pressure. In 1b, this is about barotropic gas (G ₂ ) with residues of G ₁ (G ₂ + (G ₁ )) at the bottom of the autoclave and from the light gas above, G ₁ , with residues of G ₂ (G ₁ + (G ₂ )) separated by the liquid. Between these states there was the step of dissolving the heavy gas in the liquid, or taking up the heavy gas in a gas hydrate or other solid and re-excreting this gas in the lower part of the autoclave.

In Abb. 2 ist ein kontinuierlicher Prozeß dargestellt. Durch eine Pumpe wird eine Mischung eines schweren Gases G₂ und eines leichten Gases G₁ mit einem Druck, der größer ist als der barotrope Druck für G₂, in ein Gefäß gedrückt, so daß die Einspeisung in der Zone der Flüssigkeit erfolgt. In dieser Flüssigkeit wird das schwere Gas bevorzugt gelöst und beispielsweise durch Konvektion nach unten transportiert, wo etwa durch Temperaturänderung Bedingungen erzeugt werden, bei denen die Flüssig keit mit Gas G₂ übersättigt ist. G₂ scheidet sich jetzt aus und wird konti nuierlich abgezogen. Das leichte Gas G₁ hat die Flüssigkeitssäule im Innern des Autoklaven passiert, sich oben abgeschieden und wird ebenfalls konti nuierlich entnommen. In der Regel werden in diesem ersten Schritt G₁ und G₂2 nicht rein vorliegen, sondern mit einem Restgehalt des jeweils anderen Gases verunreinigt sein. Das ist in der Zeichnung durch die in Klammern gesetzten Symbole angedeutet. In der Regel wird auch die Temperatur T₁ tiefer sein als T₂, so daß die Löslichkeit von G₂ bei der tieferen Tempera tur höher ist und ein Absinken der schwereren Lösung erfolgt. Fig. 2 shows a continuous process. A mixture of a heavy gas G ₂ and a light gas G ₁ with a pressure which is greater than the barotropic pressure for G _{2 is} pressed into a vessel by a pump, so that the feed takes place in the zone of the liquid. In this liquid, the heavy gas is preferably dissolved and transported downward, for example, by convection, where conditions are generated, for example by temperature change, in which the liquid is supersaturated with gas G ₂ . G ₂ is now eliminated and is continuously subtracted. The light gas G ₁ has passed the liquid column inside the autoclave, has separated at the top and is also continuously removed. As a rule, G ₁ and G ₂ 2 will not be present in this first step, but will be contaminated with a residual content of the other gas. This is indicated in the drawing by the symbols in brackets. In general, the temperature T _{1 will be} lower than T ₂ , so that the solubility of G ₂ is higher at the lower temperature and the heavier solution will decrease.

Für den Fall, daß die Trennung nicht ganz vollständig ist, kann eine Kas kadenschaltung gemacht werden, die für einen einfachen Fall in Abb. 3 skizziert ist. Das noch mit G₁ verunreinigte Gas G₂ wird unten abgezogen und in einem weiteren Trenngefäß aufbereitet. Analog wird mit dem durch G₁ verunreinigten Gas G₂ verfahren. Je nach der Effektivität des Trenn prozesses kann es vorteilhaft sein, die im zweiten Schritt in der oberen Apparatur unten und in der unteren Apparatur oben abgeschiedenen Gase erneut in die Apparatur des ersten Schrittes mit einzuspeisen, das ist in der Abb. 3 durch gestrichelte Pfeile angedeutet.In the event that the separation is not completely complete, a cascade can be made, which is sketched in Fig. 3 for a simple case. The gas G ₂ still contaminated with G ₁ is drawn off at the bottom and processed in a further separation vessel. The procedure is analogous to the gas G ₂ contaminated by G ₁ . Depending on the effectiveness of the separation process, it may be advantageous to re-feed the gases separated in the second step in the upper apparatus at the bottom and in the lower apparatus at the top into the apparatus of the first step, which is indicated in Fig. 3 by dashed arrows .

Claims

1. Verfahren zur Trennung verdichteter Gase, dadurch gekennzeichnet, daß

a) eine Mischung von Gasen und von einer Flüssigkeit (F) soweit ver dichtet wird, daß das schwere Gas (G₂) eine größere Massendichte haben würde als die Flüssigkeit,
b) dieses schwere Gas bevorzugt in der Flüssigkeit direkt oder indi rekt in oder an Festkörpern in dieser Flüssigkeit gelöst wird, und
c) im unteren Teil des Systems durch Absinken der Lösung mit dem schweren Gas eine Übersättigung hergestellt wird, was zur bevor zugten Ausscheidung des schweren Gases im unteren Teil der Trennapparatur führt.

1. A method for separating compressed gases, characterized in that

a) a mixture of gases and a liquid (F) is sealed to such an extent that the heavy gas (G ₂ ) would have a greater mass density than the liquid,
b) this heavy gas is preferably dissolved in the liquid directly or indirectly in or on solids in this liquid, and
c) in the lower part of the system by lowering the solution with the heavy gas, a supersaturation is produced, which leads to preferential excretion of the heavy gas in the lower part of the separation apparatus.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die benutzte Flüssigkeit Wasser ist, und durch Abkühlung das Gas in ein Gashydrat verwandelt wird, welches nach unten sinkt und dort durch Erwärmung aufgeschmolzen wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the used Liquid is water, and by cooling the gas into a gas hydrate is transformed, which sinks down and there by warming is melted.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersätti gung durch Druckerhöhung und anschließende Druckerniedrigung er zeugt wird.3. The method according to claim 1, characterized in that the Übersätti by increasing and then reducing the pressure is fathered.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersätti gung durch Temperaturwechsel erzeugt wird.4. The method according to claim 1, characterized in that the oversaturi is generated by temperature changes.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tempe raturgradient in der Trennapparatur ausgenutzt wird.5. The method according to claim 1-4, characterized in that a tempe temperature gradient in the separation apparatus is used.

6. Verfahren nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenn operation wiederholt wird und so eine Kaskadenanordnung des Ver fahrens entsteht.6. The method according to claim 1-5, characterized in that the separation operation is repeated and so a cascade arrangement of the Ver driving arises.