Verfahren zur Trennung von Gasgemischen nach dem spezifischen Gewicht der Bestandteile
Unter den Methoden zur Trennung von Gasgemischen, und insbesondere für die Trennung von Isotopengemischen mit geringen Unterschieden der Atomgewichte, besitzt das Treundüsenverfahren mittels Druckdiffusion von Gasen durch poröse Membranen derzeit die grösste wirtschaftliche Bedeutung.
Das Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass der spezifische Energieverbrauch hoch ist, während der Wirkungsgrad je Trennstufe gering ist.
Ein weiteres Verfahren, die Trenndüse nach Becker (Zeitschrift für Naturforschung, Bd. tOa, 565 [1955]) liegt energetisch noch etwas ungünstiger.
Durch die Isotopentrennung in Gasultrazentri- fugen könnte man den Energieaufwand auf 10% des obigen Bedarfs vermindern, jedoch erfordert das Verfahren die Anwendung äusserst präzis hergestellter Apparate, die zudem laufend überwacht werden müssen.
Andere bekannt gewordene Trennverfahren sind für eine grössere Produktion praktisch bedeutungslos.
Es wurde nun gefunden, dass eine Auftrennung eines Isotopengemischstrahles in einen Teil mit angereicherter leichterer Komponente und einen Teil mit angereicherter schwerer Komponente möglich ist, wenn man erfindungsgemäss das Gasgemisch in reiner Form oder unter Zusatz anderer, inerter Gase im Zentrifugalfeld einer potentialwirbelähnlichen Wirbelsenkenströmung, in der die Winkelgeschwindigkeit zum Wirbelkern hin zunimmt, zur Ausnutzung einer Gegenstromverstärkung in zwei Gasströme auftrennt, die jeweils aus Gasmassen bestehen, die einerseits dem Wirbelkern und anderseits dem Wirbelrand entstammen. Beide Teilströme sind mit leichteren bzw. mit schwereren Isotopenkomponenten angereichert. Der Trenngrad, der so erreicht werden kann, liegt höher als durch gewöhnliche Druckdiffusion zu erwarten wäre.
Dies ist um so erstaunlicher, als man annehmen müsste, dass durch Konvektion in der turbulenten Düsenströmung eine weitgehende Vermischung des Gases erfolgt. Der Trenngrad, der erreicht wird, hängt sehr stark von der Einströmungsgeschwindigkeit und dem Druckabfall in der Düse ab. Bei einem Druckverhältnis von 1 : 5 und darüber zwischen axialem und Einströmdruck treten bei schweren Gasen bereits doppelt bis dreifach höhere Trennwirkungsgrade auf, als sie der Druckdiffusion entsprechen würden, wenn die Tangentialgeschwindigkeit in der Düse etwa Schallgeschwindigkeit erreicht und wenn bei Raumtemperatur gearbeitet wird. Auch bei stark erhöhten Temperaturen fällt der Wirkungsgrad kaum ab.
Ausserordentlich wichtig ist jedoch die Einhaltung einer optimalen Verweilzeit der Gase in der Düse, die bei Quecksilberdampf bei 4000 C und 760 mm Hg-Säule je nach Konstruktion der Düse etwa 0,2 bis zu 2 sec beträgt. Andert man den Druck in der Düse, so ändert sich die optimale Verweilzeit etwa reziprok hierzu. Steigert man die Tangentialgeschwindigkeit, so steigt der Trenngrad etwa mit dem Exponenten 1,5-1,9 an. Besonders hohe Trenngrade werden bei Tangentialgeschwindigkeiten erreicht, die im Oberschallbereich liegen.
Bei der Anwendung derart hoher Tangentialgeschwindigkeiten ist es besonders vorteilhaft, wenn man die Wände der Düse rotieren lässt. Man kann dabei geeignete Gasfördereinrichtungen an den rotierenden Flächen vorsehen. Diese Massnahme macht getrennte Umwälzpumpen entbehrlich. In gewissem Masse entspricht eine solche Ausführung einer Zentrifuge.
Während aber bei Zentrifugen sehr lange Austauschzeiten, hohe Laufruhe und hohe Umfangsgeschwindigkeiten erforderlich sind, können bei dem erfindungsgemässen Verfahren bereits in einfachen Vorrichtungen für schwere Isotopengemische, wie z. B. bei Uranhexafluorid bei geringen Umfangsgeschwindigkeiten, bei denen die mechanische Spannung weit unter der Zerreissgrenze des Materials liegt, Trenngrade erzielt werden, wie sie der Gegenstromzentrifuge von Groth (Chem. Ing. Technik, Bd. 31, 310 [1959]) entsprechen.
Gegenüber dieser Zentrifuge besitzt die erfindungsgemässe Anordnung den Vorteil aussergewöhnlich hohen Durchsatzes, einfacher Lagerung und geringer Grösse.
Die Wirkungsweise der Trennvorrichtung wird durch Erschütterungen und Schwingungen kaum gestört. Durchsätze von 14 kg/h sind ohne weiteres erreichbar.
Wesentlich für die Durchführung des Verfahrens ist, dass die Geschwindigkeitsverteilung im Düsenraum annähernd dem eines Potentialwirbels entspricht, was sowohl durch hohen Durchsatz in konischen, trichterförmigen Düsen (Kompression eines Wirbelfeldes) und hohe axiale Absaugungen erreicht werden kann.
Führt man die Konstruktion der Düse so aus, dass an irgendeiner Stelle die Grenzschicht der Strömung von der Aussenwand bis in den Absaugekern reicht, so tritt meist eine Umkehrung des Trenn- effektes auf, der durchaus die Grössenordnungen erreicht, wie sie auch bei Behinderung dieser Sekundärströmung mit entgegengesetzten Vorzeichen zu erwarten sind.
Ausserordentlich wirkungsvoll ist es, wenn die Düsenkonstruktion so ausgeführt ist, dass sich im Düsenraum eine oder mehrere Taylorwirbel ausbilden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, nach Zeichnung 1 jeweils alternierend einen langgestreckten, 1, und einen schmalen, 2, Taylorwirbel durch entsprechende Grenzschichtzäune 3 zur Ablösung zu bringen. Ein solches Gegenstromprinzip verstärkt die Wirkung der Düse beträchtlich.
Für verschiedene Trennaufgaben ist es von Vorteil, dem zu trennenden Gemisch Inertgas zuzumischen, wenn man z. B. Gase mit hoher Viskosität trennen will.
Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens und eine konstruktive Ausführung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens werden anschliessend gegeben, ohne jedoch das Verfahren und seine Durchführung hierauf zu beschränken.
In Zeichnung 2 ist eine zur Durchführung der Trennung verwendete doppelkonische Düse dargestellt mit dem grössten Durchmesser D2 und der Länge L für jeden Konus.
Der Gaseintritt erfolgt tangential bei D4. Über die Schäldüsen D1 wird die an leichteren Teilen angereicherte Fraktion über die Rohrleitungen B abgezogen, während über die Düsen D3 und über die Rohrleitungen C die an schwereren Teilen angereicherte Fraktion entnommen wird.
Die Zeichnung 3 zeigt den Schnitt A1-B1 aus Zeichnung 2 mit dem tangentialen Gaseintritt D4.
Verfahrensbeispiel
In eine Düse nach den Zeichnungen 2 und 3 wird über D4 mit einem Durchmesser von 2,2 mm Uranhexafluorid-Dampf von 150 C und unter 5 mm Hg-Druck eingeblasen.
Die Länge eines Konus L ist 90 mm, D2 ist 20 mm und D3 6 mm. Die Abschäldüse Dl hat einen Durchmesser von 3,2 mm.
Unter einem Vakuum von 0,1 mm wird der Wirbelkern bei B abgesaugt, der an leichteren Teilen des Isotopengemisches angereichert ist.
Bei C wird die an schwereren Teilen angereicherte Fraktion aus dem Wirbelrand abgezogen.
Mittels Massenspektrogramm konnte an einer Probe nach 20 Durchgängen ein Trennwirkungsgrad von 0,9 %, bezogen auf die U235-Anreicherung, für jeweils einen Durchgang festgestellt werden.
Es wurde mit einem Schälverhältnis von 1:1 gearbeitet, das eingeleitete Gas war ein natürliches Isotopengemisch.