195690. lajstromszámú szabadalom • Eljárás hélium-neon elegy dúsítására
1 195 690 A találmány a levegőszétválasztó melléktermékeként keletkező lefújt gáz hélium és neon tartalmának nyomásváltoztatásos adszorpciós eljárással való dúsítására vonatkozik. A dúsított hélium-neon elegy további feldolgozásra kiválóan alkalmas, szétválasztható héliumra és neonra. Az elegy elektrotechnikai célokra, valamint a gáz- és folyadékkromatográfiában alkalmazható. Hélium—neon elegy dúsítására vonatkozó eljárást ismertet a 3 963 462 sz. USA illetve az 51 104 497 sz. japán szabadalom. A kiindulási anyag a levegőszétválasztó melléktermékeként képződő 2—7 tf% neont és 1—3 tf% héliumot tartalmazó lefújt gáz, amely a dúsítani kívánt komponenseken kívül 88,5—96,5 tf% nitrogént, nyomokban oxigént tartalmaz. A fenti szabadalmak szerint a lefújt gázt először 67—77 K hőmérsékleten, 4-7 bar nyomáson frakcionált kondenzációnak vetik alá, ezzel részben eltávolítják a nitrogént, majd a hélium és neon szempontjából így már dúsított gázelegyet (hélium-neon tartalma 90,0—97,5 tf%) a cseppfolyós nitrogén hőmérsékletén 0,3-0,9 nm (3-9Á) pórusátmérőjű mikropórusös adszorbensen vezetik át 4—7 bar nyomás alkalmazása mellett, majd a nyomást 1,33 . 1CT1 —1,33 . 10~2 mbar(10_1 — 10 ~2Hgmm)-ra csökkentve deszorbeáltatják az adszorbensben megkötött szennyező komponenseket. Ez a szabadalommal védett eljárás a hélium—neon elegy dúsítását két lépcsőben valósítja meg jelentős hideg energia felhasználásával. A 102332 számú lengyel szabadalom szerinti eljárásban a nemesgázok elegyét levegőből állítják elő. A levegőt aktívszénnel töltött adszorbensen vezetik át, majd az adszorbeálódott nemesgázokat 5—8 Hgmm túlnyomáson a nemesgáznál könnyebben adszorbeálódó gázzal kiszorítják. Az eljárás kiindulási anyagaként levegőt alkalmaz, így kicsi a lehetséges nemesgáz kihozatal, hátrányos még, hogy az adszorbeálódott gáz kiszorításához segédanyagra van szükség. Célul tűztük ki olyan eljárás kidolgozását, amellyel a kiindulási gázelegy kis hélium—neon koncentrációját egy lépésben, környezeti hőmérsékleten dúsíthatjuk 99,0 — 99,9 tf%-ra. Találmányunk kidolgozásához az a felismerés vezetett, hogy a hélium és neon adszorpciós képessége 0,1 — 1 nm mikropórusú. adszorbensen 200—350 K hőmérséklet tartományban a levegőszétválasztó melléktermékeként képződő gázelegy további komponensei, a nitrogén és oxigén adszorpciós képességétől jelentősen eltér. Az eltérés a hőmérséklettől gyakorlatilag független. Tehát, ha ezen gázok esetében az adszorpciós képességek viszonyát a hőmérséklet nem befolyásolja jelentős mértékben, szükségtelen az elválasztáshoz hűtést alkalmazni. Felsimertük továbbá, hogy az elválasztás hatásossága nő, ha az adszorbens feletti gáztér koncentráció—eloszlása éles, azaz az adszorbensen a gáz dugószerűen áramlik. Mivel az adszorpció következtében a gáztérben maradó anyag mennyisége csökken, csökken a nyomás, lelassul a gázáramlási sebesség is, így széthúzódik a koncentrációprofil. A gáz áramlási sebességének csökkenése-megakadályozható azzal, hogy az adszorpció előrehaladtával a gáz áramlására rendelkezésre álló teret csökkentjük. Ha a gáztérben lévő komponensek mennyiségének csökkenésével arányban szűkítjük az áramlási keresztmetszetet a gáz ára ílási sebessége közel azonos marad: megmarad a dugószerű áramlás, vagyis éles marad a gáztér koncentráció profilja és jó hatásfokkal választhatók el a nem adszorbeálódott komponensek, A keresztmetszet csökkentése a 2' 2 kiindulási gáz koncentrációjától, azaz az adszorbeálódó gáz mennyiségétől függ. Az adszorbeálódó gáz mennyiségének növekedésével növelni kell a szűkítés mértékét is ahhoz, hogy a termék gáz hélium-neon tartalma elegendően nagy 99,0 - 99,9 tf% legyen. Találmányunk a levegőszétválasztó melléktermékeként képződő héliumot, neont tartalmazó lefújt gázelegy dúsítására szolgál nyomásváltoztatásos adszorpciós úton. A dúsítandó gázelegy áramlásának irányában szűkülő keresztmetszetű 0,1—1 nm mikropórusú adszorbenssel feltöltött oszlopokat környezeti hőmérsékleten 10 mbar, vagy annál kisebb nyomás értékig leszívatjuk. A dúsítandó gázelegy összetételétől függően 2-10 bar töltőnyomásig, azzal feltöltjük az oszlopokat. A töltőnyomás értékére a hélium—neon tartalom növekedése csökkentőleg hat. E nyomásérték elérése után az o:5zlop(ok) nyomását a héliumban és neonban dús gáznak az oszlop, vagy több oszlop esetén az utolsó oszlop végén történő elvételével a töltőnyomás 50-95%-os értékig lecsökkentjük. Minél nagyobb mértékű a nyomáscsökkentés, annál nagyobb a kihozatal, de csökken a hélium-neon koncentráció. A termékgáz elvétel megszüntetése után az oszlop(ök) ban maradt gázelegyet lefúvatjuk, majd az oszlopo(ka)t ismét 10 mbar, vagy annál kisebb nyomásértékig leszívatjuk. Ezután a ciklust ismételjük. Az oszlop(ok) keresztmetszetét 1 m oszlopmagasságra számítva 10—15% átmérőcsökkentéssel szűkítjük. Több oszlop esetén az egyes oszlopok hosszát azonosnak választjuk, és az egymást követő oszlopok átmérőjét úgy választjuk meg, hogy az 1 m oszlopmagasságra jutó átmérőcsökkenés 10-.15%-os legyen. A találmányunk szerinti eljárás egy kiviteli módját, amikor a szűkítést sorbakapcsóít, egymáshoz képest csökkenő keresztmetszetű három oszloppal oldjuk meg, az 1. sz. ábra segítségével mutatjuk be. A hűtés nélküli, adszorbenssel töltött 1,2, 3 oszlopokat az Sz3, Sz4, Sz5 szelepeken keresztül V vákuumszivattyúval 10 mbar körüli nyomásértékig (előnyösen minél nagyobb vákuumot célszerű elérni) leszívatjuk, majd az Szí oszlopon keresztül a dúsítandó gázeleggyel feltöltjük a töltőnyomás értékig. Ez a nyomásérték 2—10 bar közötti, ha a levegőszétválasztó lefújt gáza a dúsítandó gázelegy. Az adszorpciós ciklus végső nyomásértékének (töltőnyomás) elérését E' szabályozószerv érzékeli és zárja az Szil szelepet, egyidejűleg nyitja az Sz2 szelepet. A termék gázt (héliumban—neonban dús gázelegy) az Sz2 szelepén keresztül T tartályba vezetjük az oszlopokban uralkodó nyomás egyidejű csökkenése mellett. Az E' érzékelőszerv érzékeli az elvételi nyomás végső értékét és zárja az Sz2 szelepet. Az eljárás következő lépéseként az oszlopok nyomását Szó szelepen keresztül tovább csökkentjük, előnyösen atmoszférikus nyomásig, ezáltal a termék gáz elvétele után maradó gázelegyet lefúvatjuk. Az eljárás befejező lépéseként az oszlopokat az Sz3, Sz4, Sz.5 szelepeken keresztül leszívatjuk 10 mbar körüli nyomásértékig, előnyösen 4 mbar-ig. Ezután a ciklust újból ismételjük. A találmányunkat a továbbiakban példák segítségével ismertetjük: 1. példa Egy Zeolith K—154 típusú Bayer gyártmányú, 5 Á átlagos pórusméretű, adszorbenssel töltött oszlopsorban, álról az egymást követő oszlopok átmérője sorban 50 : 22 :10 mm, az oszlopok hossza 2—2 m, az 1 m csőhosszra 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
