DE102009013883A1

DE102009013883A1 - Device separating e.g. gas into heavier fraction, has outlet opening provided in wall of centrifugal tube and gas removal valve provided in wall of outer pressure container for outputting heavier fraction

Info

Publication number: DE102009013883A1
Application number: DE200910013883
Authority: DE
Inventors: Herbert Widulle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2011-03-17

Abstract

The device has stator blade rings (4) supported on a rigid central axis (3). The stator blade rings and rotor blade rings (5) are attached inside each other such that the rings form a comb-like arrangement. A gas inlet channel (12) ends at an inner rotating centrifugal tube (1) over an inlet opening (8). A gas outlet opening (13) communicates with an exhaust opening (9) in a wall of the rigid central axis. An outlet opening (10) is provided in a wall of the centrifugal tube and a gas removal valve (11) is provided in a wall of an outer pressure container (2) for outputting heavier fraction.

Description

Stand der TechnikState of the art

Zur Herstellung von reinem Sauerstoff oder auch zur Anreicherung von Sauerstoff aus der Luft werden seit vielen Jahren dieselben Verfahren angewendet.For the production of pure oxygen or for the enrichment of oxygen from the air, the same processes have been used for many years.

Die Trennung von Luft in ihre Bestandteile wird industriell seit über einhundert Jahren nach dem Linde-Verfahren durchgeführt. Dieses Verfahren nutzt den Joule-Thomson effekt aus. Obgleich das Verfahren in vielen einzelnen Punkten verbessert worden ist, ist das Grundprinzip gleich geblieben: Luft wird im Gegenstrom bis zur Verflüssigung gekühlt und dann fraktioniert verdampft. Die Verdampfungstemperatur von reinem molekularem Sauerstoff von –196°C bestimmt die Arbeitstemperatur des Verfahrens. Eine Verbesserung war die Erhöhung des Arbeitsdrucks in den Apparaturen. Die Druckerhöhung brachte zwei Vorteile. Zum einen konnten die Apparate kleiner gebaut werden, oder eine höhere Trennkapazität erreichen bei gleicher Außenfläche und zum anderen wurde die Verdampfungstemperatur von den Inhaltsstoffen der Luft durch die Druckerhöhung angehoben. Eine weitere Verbesserung brachte die Verwendung von Adsorbermaterialien in den Verdampfern. Durch die Verwendung von oxidischen Adsorbermaterialien in den Verdampfern konnte die Differenz der Partialdrücke zwischen Sauerstoff und Stickstoff in den Trennapparaturen weiter gesteigert werden.The separation of air into its components has been carried out industrially for over one hundred years by the Linde process. This method uses the Joule-Thomson effect. Although the process has been improved in many individual points, the basic principle has remained the same: air is cooled in countercurrent to liquefaction and then fractionally evaporated. The evaporation temperature of pure molecular oxygen of -196 ° C determines the working temperature of the process. One improvement was the increase in working pressure in the equipment. The pressure increase brought two advantages. On the one hand, the apparatus could be built smaller, or achieve a higher separation capacity with the same outer surface and on the other hand, the evaporation temperature of the ingredients of the air was raised by the pressure increase. Another improvement has been the use of adsorber materials in the evaporators. By using oxidic adsorber materials in the evaporators, the difference in the partial pressures between oxygen and nitrogen in the separation apparatus could be further increased.

Trotzdem ist bis heute das Hauptproblem der Luftzerlegung seit einhundert Jahren dasselbe: Die tiefen Arbeitstemperaturen der Verdampfer erfordern große Energiemengen zur Kühlung auf die notwendige tiefe Temperatur. Auch wenn die beschriebenen Verbesserungen und das Gegenstromprinzip die Energiemenge verringert hat, allein der energetische Aufwand, die Apparaturen auf –196°C Innentemperatur zu halten, machen das Verfahren teuer. Der Transport von einem Joul aus der Apparatur von einer Temperatur von –196°C gegen den Temperaturgradienten in die Umgebung auf eine Temperatur von 20°C bis 30°C erfordert einen Aufwand von drei bis vier Joul. Die notwendige Energie zur Herstellung von Stickstoff oder Sauerstoff mit einem Gehalt von 99% aus Luft beträgt mindestens 2,9 kJ/mol bei –196°C. Allein die notwendigen Verluste, um diese Energie bei einer Temperatur von –196°C aufzubringen, betragen 7,8 kJ/mol. Mit Ausnahme der Verwendung von Adsorbermaterialien haben alle bisherigen Verbesserungen nur den Energieaufwand bei –196°C verringert und nicht die Arbeitstemperatur der Apparate erhöht. In einer Erhöhung der Arbeitstemperatur der Trennapparatur liegt das Energieeinsparungspotential. Das deutsche Umweltbunddesamt rechnet bei großtechnischen Anlagen, die nach dem Linde-Verfahren arbeiten, mit einem spezifischen Verbrauch von 0,4 GJ/metr·Tonne oder 125 kJ/mol, während andere Quellen nur einen Verbrauch von 60 kJ/mol angeben. Wünschenswert ist deshalb ein Trennverfahren, das bei Raumtemperatur arbeitet.Nevertheless, to this day the main problem of air separation has been the same for a hundred years: the low operating temperatures of the evaporators require large amounts of energy to cool to the necessary low temperature. Although the described improvements and the countercurrent principle has reduced the amount of energy, only the energy expenditure to keep the apparatus at -196 ° C internal temperature, make the process expensive. The transport of a Joul from the apparatus from a temperature of -196 ° C against the temperature gradient in the environment to a temperature of 20 ° C to 30 ° C requires a cost of three to four Joul. The energy required to produce nitrogen or oxygen with 99% air content is at least 2.9 kJ / mol at -196 ° C. However, the necessary losses to apply this energy at a temperature of -196 ° C are 7.8 kJ / mol. With the exception of the use of adsorber materials, all previous improvements have reduced only the energy expenditure at -196 ° C and not increased the working temperature of the apparatus. Increasing the working temperature of the separation apparatus is the energy saving potential. The German Federal Environmental Agency expects large-scale plants that operate according to the Linde method with a specific consumption of 0.4 GJ / metric ton or 125 kJ / mol, while other sources only indicate a consumption of 60 kJ / mol. It is therefore desirable to have a separation process that operates at room temperature.

Nach einem anderen physikalischen Prinzip arbeiten kleine Anlagen, die dezentral Menschen versorgen, die permanent zusätzlichen Sauerstoff in ihrer Atemluft benötigen, um überleben zu können. Für den Ausgleich einer verringerten Lungenfunktion werden heute Konzentratoren eingesetzt. Diese kompakten Maschinen liefern ein Gas mit einem Sauerstoffanteil von 90 Prozent und darüber. Sie arbeiten ohne Kühlung bei Raumtemperatur und liefern genügend Sauerstoff für den Bedarf einer Person, die nicht oder leicht körperlich arbeitet. Üblicherweise können solche Maschinen bis zu 10 l/m gasförmigen Sauerstoff unter Normbedingungen mit einer Reinheit von 95% herstellen. Solche Maschinen werden zum Beispiel von der Fa. Dräger in Lübeck gebaut. Die Maschinen komprimieren Luft und trennen den Sauerstoff über ein Molekularsieb vom Stickstoff ab. Die Menge an Sauerstoff, die die Maschinen produzieren können, ist begrenzt durch zwei Faktoren: Zum einen erzeugen die verwendeten Kompressoren Wärme, die abgeführt werden muß. Zum anderen begrenzt der Widerstand des Molekularsiebes den Durchfluß an Luft und zur Erzeugung von großen Mengen an Sauerstoff werden sehr große Molekularsiebe gebraucht. Da die Dicke der Molekularsiebe über die Dauer von Sauerstoffadsorption und -desorption entscheiden, ist die Leistungsfähigkeit solcher Apparate begrenzt, da das Verfahren ein Chargenprozeß ist. Der Energieverbrauch dieser Anlagen ist mit 72 kJ/mol noch höher als der einer Anlage, die nach dem Lindeverfahren arbeitet.According to another physical principle, small systems work decentrally to supply people who constantly need additional oxygen in their breathing air in order to survive. Concentrators are used today to compensate for reduced lung function. These compact machines deliver a gas with an oxygen content of 90 percent and above. They work without cooling at room temperature and provide enough oxygen for the needs of a person who does not work or who works easily. Typically, such machines can produce up to 10 l / m of gaseous oxygen under standard conditions with a purity of 95%. Such machines are built, for example, by the company Dräger in Lübeck. The machines compress air and separate the oxygen from the nitrogen via a molecular sieve. The amount of oxygen that the machines can produce is limited by two factors: First, the compressors used generate heat that must be dissipated. On the other hand, the resistance of the molecular sieve limits the flow of air, and very large molecular sieves are needed to produce large quantities of oxygen. Since the thickness of the molecular sieves dictate the duration of oxygen adsorption and desorption, the performance of such devices is limited because the process is a batch process. At 72 kJ / mol, the energy consumption of these systems is even higher than that of a plant that uses the lime method.

Eine andere Methode, dezentral Sauerstoff aus der Luft zu gewinnen, ist mit dem Membranverfahren verwirklicht. In einer Stufe wird der Sauerstoffgehalt der Luft auf 35% angehoben. Leider benötigt dieses Verfahren, das bei Umgebungstemperatur arbeitet, ca. 51 kJ/mol.Another method of decentrally obtaining oxygen from the air is realized with the membrane process. In one step, the oxygen content of the air is raised to 35%. Unfortunately, this process, which operates at ambient temperature, requires about 51 kJ / mol.

Auch bei anderen Gasen ist ein kostengünstige Produktionsmethode notwendig, um für lebenswichtige Verwendungen die Kosten zu senken: In der modernen Medizin nimmt Verwendung von Xenon als Anästhetikum zu. Die kostengünstige Gewinnung von Xenon aus der Luft ist deshalb ein besonderes Problem, das mit den bisherigen Verfahren nicht zu lösen ist. Die hohen Kosten der Xenongewinnung sind ein wichtiger Grund für die langsame Steigerung der Akzeptanz von Xenon in der Medizin. Xenon hat den großen Vorteil, daß es als Edelgas mit keiner Substanz im menschlichen Körper reagiert und deshalb keine bleibenden Metabolisten im Körper zurücklassen kann. Die hohen Kosten schränken die Verwendung von Xenon ein. Xenon zeigt als Edelgas bei Verwendung als Anästhetikum nur geringe oder keine Nebenwirkungen und die Nebenwirkungen sind nur von kurzer Dauer, da Xenon als Gas nur eine kurze Verweildauer im menschlichen Körper hat. Es ist deshalb wünschenswert, ein Verfahren zu haben, das Xenon und die anderen Edelgase auf einfache Art und Weise bei Raumtemperatur aus der Luft gewinnt. Dies gilt umso mehr, als die molare Mischungsentropie, die bei der Gewinnung von Xenon, Krypton oder Argon aufgebracht werden muß, noch größer ist als die Energie, die für die Trennung von Sauerstoff und Stickstoff notwendig ist.Other gases also require a cost-effective method of production to reduce costs for vital uses: In modern medicine, the use of xenon as an anesthetic is increasing. The cost-effective production of xenon from the air is therefore a particular problem that can not be solved with the previous methods. The high cost of xenon recovery is an important reason for the slow increase in the acceptance of xenon in medicine. Xenon has the great advantage that as a noble gas it does not react with any substance in the human body and therefore can not leave any remaining metabolites in the body. The high cost limits the use of xenon. Xenon shows as a noble gas when used as an anesthetic little or no side effects and the side effects are short-lived, since xenon gas has only a short residence time in the human body. It is therefore desirable to have a method that readily extracts xenon and the other noble gases from the air at room temperature. This is all the more so as the molar entropy of mixing, which must be applied in the recovery of xenon, krypton or argon, is even greater than the energy necessary for the separation of oxygen and nitrogen.

Auch die Gewinnung von Energie aus Biogasanlagen kann durch ein einfaches und sicheres Verfahren zur Trennung von Gaskomponenten profitieren. Biogasanlagen liefern ein Gemisch von Kohlendioxid und Methan, das mit Wasserdampf gesättigt ist. Wird dieses Gas nicht sofort am selben Ort verbrannt, sondern gelagert oder transportiert, dann neigt das Wasser im Biogas zur Kondensation und ist dann korrosiv für Eisen, Stahl Nickel und andere Metalle. Die Verwendung von Methan aus Biogasanlagen wird durch den hohen Wasserdampfdruck im primären Biogas und die hohen Anteil an Kohlendioxid stark eingeschränkt. Auch für die Reinigung des biogenen Methans ist ein einfaches Verfahren, das bei Raumtemperatur arbeitet, wünschenswert.The extraction of energy from biogas plants can also benefit from a simple and safe process for separating gas components. Biogas plants supply a mixture of carbon dioxide and methane, which is saturated with water vapor. If this gas is not immediately burned at the same place but stored or transported, the water in the biogas tends to condense and is then corrosive to iron, steel, nickel and other metals. The use of methane from biogas plants is severely limited by the high water vapor pressure in the primary biogas and the high proportion of carbon dioxide. Also, for the purification of the biogenic methane, a simple process operating at room temperature is desirable.

Für die Trennung von Uranisotopen nach ihrem Atomgewicht werden hochdrehende Zentrifugen verwendet. Diese Zentrifugen arbeiten nach dem Prinzip, das Zippe et al. vor fünfzig Jahren zu Serienreife entwickelt haben. In einem um die eigene Achse rotierenden Zentrifugenrohr zirkuliert das Gas. Dabei wird die leichte Fraktion am oberen Ende des Rohrs entnommen und die schwere am unteren Ende. Die erzeugte Zentrifugalkraft wird bei diesem Prinzip nicht zur Trennung verwendet, sondern die beiden Komponenten werden im deutlich schwächeren Gravitationsfeld der Erde getrennt. Ein weiterer Nachteil dieser Anwendung ist, daß sowohl die Zuleitung als auch die Ableitung des aufzutrennenden Gases durch das hohle Rohr in der Mitte erfolgt. Bereits bei einer Umlaufgeschwindigkeit des Zentrifugenrohres von ω = 300 m/s beträgt der Druckabfall von außen nach innen vier Größenordnungen, wenn der Radius des Zentrifuge 0,5 m beträgt. Wird die Umlaufgeschwindigkeit eines derartigen Rohrs auf 654 m/s erhöht, dann fällt der Druck von außen nach innen auf das 10^–9-fache des Drucks am Außenrand ab, wenn das Gas Uranhexafluorid ist. Eine Erhöhung der Umdrehungsgeschwindigkeit der Zentrifugen erhöht weder die maximale Trennleistung noch verbessert sie die Durchflußleistung, da bei hohen Umlaufgeschwindigkeiten das Gas an der Außenwand aufkonzentriert und in der dünnen Schicht, in der das Gas konzentriert ist, keine Trennung durch den künstlichen Gravitationsgradienten stattfinden kann.High-speed centrifuges are used for the separation of uranium isotopes by their atomic weight. These centrifuges work on the principle that Zippe et al. developed to series maturity fifty years ago. The gas circulates in a centrifuge tube rotating around its own axis. The light fraction at the upper end of the tube is removed and the heavy at the lower end. The generated centrifugal force is not used in this principle for separation, but the two components are separated in the much weaker gravitational field of the earth. Another disadvantage of this application is that both the supply and the discharge of the gas to be separated through the hollow tube in the middle. Even at a peripheral speed of the centrifuge tube of ω = 300 m / s, the pressure drop from outside to inside is four orders of magnitude, if the radius of the centrifuge is 0.5 m. When the circulation rate of such a pipe is increased to 654 m / s, the outside-in pressure falls to 10 ^-9 times the pressure at the outer periphery when the gas is uranium hexafluoride. Increasing the speed of rotation of the centrifuges neither increases the maximum separation efficiency nor improves the flow rate, since at high circulation speeds the gas concentrates on the outer wall and in the thin layer in which the gas is concentrated no separation by the artificial gravity gradient can take place.

Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit dieser Anordnung wurden verschiedene Einbauten ausprobiert. Allen diesen Einbauten gemeinsam war, daß sie durch Lenkung des Gastroms in dem rotierenden Rohr die Anzahl der theoretischen Böden in der Trenneinrichtung erhöhen wollten. So wird von Zentrifugen berichtet, in denen Leitbleche das Gas, das bei dieser Ausführung von unten nach oben durch die Zentrifuge strömt, vom Außenrand der Zentrifuge zum zentralen Rohr leitete. Alle publizierten Methoden für die Urantrennung zeichnen sich dadurch aus, daß die Gasströmung in der Zentrifuge laminar ist oder zumindest sein sollte.To improve the performance of this arrangement, various internals have been tried. All these internals had in common was that they wanted to increase by steering the gas flow in the rotating tube, the number of theoretical plates in the separator. Thus, centrifuges are reported in which baffles the gas that flows in this embodiment, from bottom to top through the centrifuge, led from the outer edge of the centrifuge to the central tube. All published methods for uranium separation are characterized by the fact that the gas flow in the centrifuge is laminar or should at least be.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Erstaunlicherweise und auch für den Fachmann überraschend hat es sich gezeigt, daß es möglich ist, leichte Gasatome und Gasmoleküle mit einem Molekulargewicht bis zu 150 Daltonen, einschließlich der in der Luft enthaltenen Edelgase, oberhalb ihrer kritischen Temperaturen zu trennen. Wenn die Gasströmung in dem Zentrifugenrohr nicht laminar, sondern turbulent ist, kann die Trennung bevorzugt bei Raumtemperatur auf physikalischem Wege erfolgen. Der Vorteil des neuen Verfahrens liegt darin, daß es nicht mehr notwendig ist, die zu trennenden Gase zu kondensieren und dann wieder fraktioniert zu verdampfen. Es ist auch nicht notwendig, die Gase erst zu adsorbieren und dann unter vermindertem Druck wieder zu desorbieren. Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei Raumtemperatur durchgeführt werden.Surprisingly, and surprisingly for the skilled person, it has been found that it is possible to separate light gas atoms and gas molecules having a molecular weight of up to 150 daltons, including noble gases contained in the air, above their critical temperatures. If the gas flow in the centrifuge tube is not laminar but turbulent, the separation may preferably be physical at room temperature. The advantage of the new method is that it is no longer necessary to condense the gases to be separated and then again fractionally to evaporate. It is also not necessary to first adsorb the gases and then desorb again under reduced pressure. The process according to the invention can be carried out at room temperature.

Besonders erstaunlich ist, daß es möglich ist, erfindungsgemäße turbulent arbeitende Ultrazentrifugen mit hoher Leistung zu bauen, die Sauerstoff von Stickstoff trennen können oder auch Xenon aus der Luft abtrennen können, zugleich aber für die Anreicherung von schweren Gasen mit einem Gewicht von 200 Dalton und mehr ungeeignet sind. Dies liegt daran, daß Druckabfall in einer Zentrifuge bei gleichem Anreicherungsfaktor vom Molekulargewichts des Gases abhängig ist. Um einen Anreicherungsfaktor von wenigen Prozenten mit der erfindungsgemäßen Apparatur zu erreichen, muß bei schweren Gasen mit einem Molekulargewicht von 200 Dalton oder mehr ein Druckabfall in der Zentrifuge toleriert werden, der mehrere Größenordnungen größer ist als bei Luft und und anderen leichten Gasen mit einem Molekulargewicht unter 100 Dalton. Dies macht das erfindungsgemäße Verfahren für diesen Zweck unrentabel. Das erfindungsgemäße Verfahren baut darauf auf, daß die Druckunterschiede in der rotierenden Zentrifuge zwischen der Mitte der Zentrifuge und der Außenwand nicht größer als ungefähr drei bis vier Größenordnungen sind. Dies ist mit schweren Gasen mit Molekulargewichten oberhalb 200 Dalton nicht zu erreichen. Die hier vorgeschlagene Apparatur arbeitet kontinuierlich und ist für die Erzeugung großer Mengen von Sauerstoff aus Luft geeignet, wobei die Anwendung des Verfahrens nicht auf diese Trennaufgabe beschränkt ist.It is particularly surprising that it is possible to build inventive turbulent ultracentrifuges with high performance, which can separate oxygen from nitrogen or can also separate xenon from the air, but at the same time for the enrichment of heavy gases with a weight of 200 daltons and more are unsuitable. This is because pressure drop in a centrifuge at the same enrichment factor is dependent on the molecular weight of the gas. In order to achieve an enrichment factor of a few percent with the apparatus according to the invention, heavy gases having a molecular weight of 200 daltons or more must tolerate a pressure drop in the centrifuge several orders of magnitude greater than that of air and other light gases of molecular weight below 100 daltons. This renders the method according to the invention unprofitable for this purpose. The method of the invention relies on the pressure differences in the rotating centrifuge between the center of the centrifuge and the outer wall not being greater than about three to four orders of magnitude. This can not be achieved with heavy gases with molecular weights above 200 daltons. The apparatus proposed here operates continuously and is large for the production Volumes of oxygen from air suitable, the application of the method is not limited to this separation task.

Die Apparatur besteht aus einer Hintereinanderschaltung und Parallelschaltung von verschiedenen Zentrifugen, die jede einzelne den Gehalt an Sauerstoff um, je nach Auslegung, um theoretisch 10 bis 20 maximal 90 Prozent anreichern kann. Dies ist als Stand der Technik bekannt. In der Praxis wird man, um einen genügend großen Durchsatz den Anreicherungsgrad auf ungefähr dreiviertel des theoretisch möglichen begrenzen, so daß Anreicherungsgrade von 7,5 Prozent bis ungefähr 40 und 70 Prozent realisiert werden können. In der Praxis werden Anreicherungen von 30 Prozent bei der Sauerstoffgewinnung erzielt werden können. Die Verwendung einer turbulenten Gasströmung in der Zentrifuge an Stelle einer laminaren führt dazu, daß der Durchfluß durch die Apparatur gegenüber laminar arbeitenden Zentrifugen um ein Vielfaches gesteigert werden kann, ohne daß der Anreicherungsfaktor zusammenbricht.The apparatus consists of a series connection and parallel connection of different centrifuges, each of which can enrich the content of oxygen around, depending on the design, theoretically 10 to 20 maximum 90 percent. This is known as the prior art. In practice, to achieve a sufficiently high throughput, one will limit the enrichment level to about three quarters of the theoretically possible, so that enrichment levels of from 7.5 percent to about 40 and 70 percent can be realized. In practice, enrichments of 30 percent in oxygen production can be achieved. The use of turbulent gas flow in the centrifuge instead of laminar causes the flow through the apparatus to be increased many times over laminar-type centrifuges without collapse of the enrichment factor.

Basis der Erfindung ist, daß die maximale Durchsatz einer derartigen Apparatur sich dadurch gegenüber den bisherigen Modellen für die Trennung von Luft in ihre Bestandteile oder die Trennung von Gasgemischen, die ein der Luft vergleichbares mittleres Molekulargewicht haben, vervielfältigen läßt, wenn statt einer geordneten Gasströmung eine turbulente erzeugt wird. Je turbulenter die erzeugte Gasströmung in der Zentrifuge ist, desto besser größer der Volumenstrom, der entnommen werden kann, ohne den Anreicherungsprozeß zusammenbrechen zu lassen. Um die Vorteile der Erfindung nutzen zu können, ist es hilfreich, den Gasdruck in der Mitte der Zentrifuge anzuheben. Dabei wird der Gasdruck bevorzugt, unabhängig von der Trennaufgabe, bis über Atmosphärendruck angehoben.Basis of the invention is that the maximum throughput of such an apparatus can be multiplied over the previous models for the separation of air into its components or the separation of gas mixtures having an average molecular weight comparable to air, if instead of an ordered gas flow a turbulent is generated. The more turbulent the gas flow generated in the centrifuge, the better the volume flow that can be removed without collapsing the enrichment process. To take advantage of the invention, it is helpful to raise the gas pressure in the center of the centrifuge. The gas pressure is preferred, regardless of the separation task, raised to above atmospheric pressure.

Die Einbauten, die die Turbulenzen erzeugen, erhöhen den Energieaufwand für das Drehen der Zentrifuge gegenüber einer Zentrifuge ohne erfindungsgemäße Einbauten. Der erhöhte Energieaufwand ist nicht verloren, sondern ist ein Maß für die Erhöhung der Effizienz der Trennarbeit.The internals that generate the turbulence increase the energy required for rotating the centrifuge relative to a centrifuge without internals according to the invention. The increased energy consumption is not lost, but is a measure of increasing the efficiency of the separation work.

Da innerhalb der erfindungsgemäßen Zentrifuge turbulente Strömungen herrschen, ist es bevorzugt, die Gasmischung in der Mitte des Rohres im Mittel schneller durch das Rohr strömen zu lassen als an der Außenseite. Dies kann erreicht werden durch das Anbringen einer Zirkulationsleitung, die das Gas außen an der Zentrifuge und den sie umhüllenden Druckbehälter vorbei wieder zum Einlaß zurückführt. Durch diese einfache und aus der Verfahrenstechnik an sich bekannte Maßnahme ist es möglich, das zu trennende Gas in der Mitte des Rohres schneller strömen zu lassen ohne das Verhältnis zwischen leichter und schwerer Fraktion nach der Separation zu verändern. An der Innenseite der Außenwand des Zentrifugenrohrs sind Bleche, Rotoren, angebracht, die, ohne den Gasstrom parallel zur Mittelachse der Zentrifuge zu unterbrechen, dem Gas die Zirkulationsbewegung der Zentrifuge aufzwingen. Am Zentralrohr angebrachte Bleche sind ortfest und zerreißen den Zirkulationsstorm des Gases in der Zentrifuge und verwirbeln dieses intensiv, ohne einen Gasfluß entlang des Zentralrohrs zu unterbrechen. Die Anlage besteht aus mehreren hintereinander und parallel geschalteten erfindungsgemäßen Zentrifugen. Die einzelne Zentrifuge ist im Prinzip so aufgebaut, wie es für Gaszentrifugen allgemein beschrieben worden ist: Die Zentrifuge ist ein Rohr, das um seine Längsachse rotiert. Die Zentrifuge wird stabilisiert durch ein zentrales Rohr, das nicht rotiert und durch das auf der einen Seite das zu trennende Gas zugeführt wird und ein Teil des zu trennenden Gases auf der anderen Seite abgeführt wird. Die Zentrifuge ist in einem Zylinder untergebracht, in den die zweite, schwere Fraktion des Gases nach der Trennung strömt. Diese Fraktion wird nicht aus der Zentrifuge, sondern dem Außenbehälter entnommen. Zwei beigefügte Skizzen erläutern die Anbringung der Rotoren und Statoren und den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Zentrifuge, ohne die Details im einzelnen festzulegen.Since turbulent flows prevail within the centrifuge according to the invention, it is preferred to allow the gas mixture in the middle of the tube to flow on average faster through the tube than on the outside. This can be accomplished by attaching a circulation line which returns the gas to the outside of the centrifuge and the pressure vessel surrounding it to the inlet. By this simple and known from the process engineering measure per se, it is possible to flow the gas to be separated in the middle of the tube faster without changing the ratio between light and heavy fraction after separation. On the inside of the outer wall of the centrifuge tube sheets, rotors are mounted, which, without interrupting the gas flow parallel to the central axis of the centrifuge, force the circulation of the centrifuge gas. Metal sheets attached to the central pipe are stationary and disrupt the circulation flow of the gas in the centrifuge and cause it to swirl intensely without interrupting a gas flow along the central pipe. The system consists of several successive and parallel connected centrifuges invention. The single centrifuge is basically constructed as generally described for gas centrifuges: The centrifuge is a tube that rotates about its longitudinal axis. The centrifuge is stabilized by a central tube, which does not rotate and is supplied by the gas to be separated on one side and a part of the gas to be separated on the other side is discharged. The centrifuge is housed in a cylinder into which flows the second, heavy fraction of the gas after separation. This fraction is not taken from the centrifuge, but the outer container. Two attached sketches explain the attachment of the rotors and stators and the basic structure of a centrifuge according to the invention, without specifying the details in detail.

Die erfindungsgemäße Apparatur zur Herstellung reiner Gase aus Gasgemischen besteht aus mehreren Gaszentrifugen, die durch Verbindungen mit Gasleitungen hintereinander und nebeneinander geschaltet sind. Die einzelne Gaszentrifuge besteht aus einem druckfesten Hohlkörper, der bevorzugt, aber nicht notwendigerweise, eine zylindrische Form hat. Es ist vorteilhaft, wenn der zylindrische Druckbehälter Drücken bis zu 100 bar oder auch höher standhält. Dabei ist dies keine feste Grenze. Wenn es erforderlich erscheint, ist es möglich, den Druck in dem äußeren Behälter auch auf 200 bar und mehr zu erhöhen. Eine Erhöhung auf 200 bar hat den Vorteil, daß der Druck im äußeren Druckbehälter dem Druck in handelsüblichen Gasflaschen entspricht. Ist es erwünscht, zum Beispiel, aber nicht ausschließlich Sauerstoff für medizinische Zwecke in Behältnisse mit 300 bar abzufüllen, dann können Drücke im Außenbehälter von über 300 bar realisiert werden, ohne daß dies ein grundlegende Änderung des Verfahrens bedeuten würde. Der Druck wird aufgebaut durch die Zentripetalkraft, die die Zentrifuge auf das zu trennende Gasgemisch, zum Beispiel Luft, ausübt. Dabei erhöht ein hoher Druck im umhüllenden Druckbehälter nicht nur die Trennleistung sondern auch den effektiven Durchsatz der Anlage bei gleichen Außenmaßen. Je höher der Druck im Druckbehälter, desto höher der mögliche Durchsatz der erfindungsgemäßen Apparatur bei gleichem Anreicherungsfaktor.The apparatus of the invention for the production of pure gases from gas mixtures consists of several gas centrifuges, which are connected in series and side by side by connections with gas lines. The individual gas centrifuge consists of a pressure-resistant hollow body, which preferably, but not necessarily, has a cylindrical shape. It is advantageous if the cylindrical pressure vessel can withstand pressures of up to 100 bar or even higher. This is not a fixed limit. If necessary, it is possible to increase the pressure in the outer container also to 200 bar and more. An increase to 200 bar has the advantage that the pressure in the outer pressure vessel corresponds to the pressure in commercially available gas cylinders. If it is desired, for example, but not exclusively, to fill oxygen for medical purposes in containers of 300 bar, then pressures in the outer container of over 300 bar can be realized, without this would mean a fundamental change in the process. The pressure is built up by the centripetal force which the centrifuge exerts on the gas mixture to be separated, for example air. In this case, a high pressure in the enveloping pressure vessel not only increases the separation efficiency but also the effective throughput of the plant with the same external dimensions. The higher the pressure in the pressure vessel, the higher the possible throughput of the apparatus according to the invention with the same enrichment factor.

Am Druckbehälter befindet sich ein Gasauslaßventil, mit dem eine Gasentnahme aus dem Druckbehälter möglich ist und das bevorzugt, aber nicht notwendig, regelbar ist. Bevorzugt ist die regelbare Ausführung des Ventils, weil mit einem Gasentnahmeventil, das regelbar ist, ein kontinuierlicher Betrieb der Anlage leichter möglich ist und es zusätzlich möglich ist, verschiedenen kontinuierliche Betriebszustände zu erzielen. Bevorzugt ist ebenfalls eine Anordnung, bei der der Druckbehälter senkrecht auf einer der Stirnflächen steht und besonders bevorzugt ist eine Anordnung, bei der der Gasauslaß weit entfernt von Gasauslaß der Zentrifuge ist und das Gas bei der Entnahme aus dem Außenbehälter vorher alle Teile des Außenbehälters durchströmt. Die weitere Beschreibung bezieht sich auf diese Anordnung, obgleich andere Anordnungen ebenfalls möglich sind, ohne daß sie besondere Vorteile für den erfindungsgemäßen Prozeß der Gastrennung bringen würden. In den Mitten der beiden Stirnseiten des Druckgefäßes ist ein gasdicht verschlossener Durchlaß, durch den ein festes zylinderförmiges Rohr und eine rotierende Welle führen, die das Rohr gasdicht umschließt. Die Welle ist gegen den Außenbehälter gasdicht abgedichtet. Dem zentralen Hohlrohr können auf der einen Seite des Druckbehälters Gas zugeführt und auf der anderen Seite entnommen werden. Das zentrale Hohlrohr ist zwischen Gasauslaß in die Zentrifuge und Gaseintritt aus dem Zentrifugenrohr gasdicht verschlossen. Besonders bevorzugt ist eine Anordnung, bei der sich zwischen der Gaseinleitung in das zentrale Tragrohr und der Entnahmestelle für die leichte Fraktion eine Beipaßleitung befindet. Die Beipaßleitung ermöglicht einen Zirkulationsstrom eines Gases durch den Gasraum der Zentrifuge, ohne daß Gas entnommen werden muß. In einer bevorzugten Ausführung ist der durch die Zirkulationsleitung zirkulierende Gasstrom durch Ventile regelbar und in einer ganz besonders bevorzugten Ausführung der Apparatur wird der Zirkulationsstrom durch eine Pumpe angetrieben, die einen regelbaren Gasstrom erzeugt und die sich in der Zirkulationsleitung befindet. At the pressure vessel there is a gas outlet valve, with which a gas removal from the pressure vessel is possible and which is preferred, but not necessary, adjustable. Preferably, the controllable design of the valve, because with a gas sampling valve that is regulated, a continuous operation of the system is more easily possible and it is also possible to achieve various continuous operating conditions. Also preferred is an arrangement in which the pressure vessel is perpendicular to one of the end faces and particularly preferred is an arrangement in which the gas outlet is far away from the gas outlet of the centrifuge and the gas flows through all parts of the outer container prior to removal from the outer container. The further description refers to this arrangement, although other arrangements are also possible without bringing particular advantages to the gas separation process of the present invention. In the middle of the two end faces of the pressure vessel is a gas-tight closed passage through which lead a fixed cylindrical tube and a rotating shaft which surrounds the tube gas-tight. The shaft is sealed gas-tight against the outer container. The central hollow tube can be supplied on one side of the pressure vessel gas and removed on the other side. The central hollow tube is gas-tightly sealed between the gas outlet in the centrifuge and the gas inlet from the centrifuge tube. Particularly preferred is an arrangement in which there is a Beipaßleitung between the gas inlet into the central support tube and the removal point for the light fraction. The bypass line allows a circulation flow of a gas through the gas space of the centrifuge, without having to remove gas. In a preferred embodiment, the gas flow circulating through the circulation conduit is controllable by valves, and in a most preferred embodiment of the apparatus, the circulation flow is driven by a pump which generates a controllable gas flow and which is in the circulation conduit.

Das Hohlwelle, die das starre Rohr umschließt und die die Zentrifuge trägt, wird mit einem Motor auf bis zu 120.000 Umdrehungen pro Minute angetrieben. Diese Zahl ist nur als Richtwert zu verstehen, der der realen Problemstellung angepaßt werden muß. Für eine Trennung von Luft in ihre Bestandteile sind Umdrehungsgeschwindigkeiten des Zentrifugenrohrs von 100 m/s bis 1500 m/s, bevorzugt 350 m/s bis 1000 m/s, besonders bevorzugt 500 m/s bis 800 m/s, üblich. Der Radius des Zentrifugenrohres kann bei den genannten Umdrehungsgeschwindigkeiten zwischen 0,01 m und 2,00 m, bevorzugt zwischen 0,05 m und 1,00 m, besonders bevorzugt zwischen 0,25 m und 0,75 m, variieren. Hohlwelle und Zentralrohr sind gasdicht abgedichtet. Die Hohlwelle trägt das zylindrische rotierende Rohr, die Zentrifuge, die von dem Druckbehälter umhüllt ist. Beim kontinuierlichen Betrieb besteht zwischen dem Gasdruck an der Außenwand der Zentrifuge und dem Druck im Druckbehälter keine oder nur eine kleine Druckdifferenz, so die Rohrwand der Zentrifuge keine Kräfte aufnehmen muß außer denen, die durch das eigene Gewicht der Außenwand und das Gewicht der rotierenden Einbauten erzeugt werden.The hollow shaft, which encloses the rigid tube and carries the centrifuge, is driven by a motor at up to 120,000 revolutions per minute. This number is to be understood only as a guideline, which must be adapted to the real problem. For a separation of air into its components, rotational speeds of the centrifuge tube of 100 m / s to 1500 m / s, preferably 350 m / s to 1000 m / s, more preferably 500 m / s to 800 m / s, are common. The radius of the centrifuge tube can vary between 0.01 m and 2.00 m, preferably between 0.05 m and 1.00 m, particularly preferably between 0.25 m and 0.75 m, at the aforementioned rotational speeds. Hollow shaft and central tube are gas-tight sealed. The hollow shaft carries the cylindrical rotating tube, the centrifuge, which is enveloped by the pressure vessel. In continuous operation, there is little or no pressure difference between the gas pressure on the outer wall of the centrifuge and the pressure in the pressure vessel, so the tube wall of the centrifuge need not absorb forces other than those created by the weight of the outer wall and the weight of the rotating internals become.

Die Länge und der Durchmesser der Zentrifuge können der Trennaufgabe angepaßt sein. Deshalb wird eine Apparatur zur Gewinnung von Xenon zwar prinzipiell gleich aufgebaut sein wie eine zur Abtrennung von Kohlendioxid oder zur Konzentration von Sauerstoff, aber andere Abmessungen und andere Drehgeschwindigkeiten und Betriebstemperaturen haben.The length and the diameter of the centrifuge can be adapted to the separation task. Therefore, although a xenon recovering apparatus will be basically the same as one for separating carbon dioxide or the concentration of oxygen, but having different dimensions and other rotational speeds and operating temperatures.

Die zu trennende Gasmischung wird durch das fixe Zentralrohr in die Zentrifuge geleitet. Dabei ist eine Anordnung vorteilhaft, bei der der Ort der Einleitung dem mittleren Molekulargewicht der zu trennenden Mischung entspricht. Dabei ist eine Ausführung besonders bevorzugt, bei der der Auslaß in die Zentrifuge tellerförmig geformt ist. Bei dieser Ausführung fließt das Gas durch eine kreisförmige Öffnung, die konzentrisch um die Mittelachse der Zentrifuge angeordnet ist, in die Zentrifuge. In einer bevorzugten Form sind die Gasauslässe als Scheiben ausgeführt, die die Gasaustritte in den Bereich des rotierenden Gases verlegen, an dem der Gasdruck etwas niedriger ist als der Druck am Einlass des innersten Rohres. Wenn mehrere Apparaturen hintereinander geschaltet sind, um die Trennleistung zu erhöhen, dann kann es sinnvoll sein, daß der Gasauslaß des starren Rohrs bis dicht an die rotierende Wand des nächsten Rohres reicht. Auf diese Art kann ein Durchfluß des zu trennenden Gasen durch mehrere nacheinander geschaltete Apparaturen erzwungen, begrenzt und reguliert werden, ohne daß Pumpen in der Apparatur selber eingesetzt werden müssen. Dies ist bevorzugt, weil durch die beschriebene Anordnung die aus der Apparatur zu entfernende Wärmemenge minimiert werden kann. Bei der Kompression von den zu trennenden Gasen entsteht bei der als bevorzugt beschriebenen Ausführung der Anlage nur außerhalb der zu kühlenden Apparatur.The gas mixture to be separated is passed through the fixed central tube in the centrifuge. In this case, an arrangement is advantageous in which the place of initiation corresponds to the average molecular weight of the mixture to be separated. In this case, an embodiment is particularly preferred in which the outlet is shaped plate-shaped in the centrifuge. In this embodiment, the gas flows into the centrifuge through a circular aperture concentrically disposed about the central axis of the centrifuge. In a preferred form, the gas outlets are designed as discs which move the gas outlets into the region of the rotating gas where the gas pressure is slightly lower than the pressure at the inlet of the innermost tube. If several apparatuses are connected in series to increase the separation efficiency, then it may be useful that the gas outlet of the rigid tube reaches close to the rotating wall of the next tube. In this way, a flow of the gases to be separated can be forced, limited and regulated by a plurality of sequentially connected equipment, without having to use pumps in the apparatus itself. This is preferred because the described arrangement can minimize the amount of heat to be removed from the apparatus. In the compression of the gases to be separated arises in the preferred embodiment of the system described only outside of the apparatus to be cooled.

Die erfindungsgemäße Gaszentrifuge ist dadurch ausgezeichnet, daß sich an der Innenseite der Außenwand des rotierenden Rohres Kränze von Rotorschaufeln befinden, die die Zirkulation des zu trennenden Gases mit der Zirkulation des rotierenden Rohrs erzwingen. In den Zwischenräumen zwischen den Rotorblattkränzen befinden Statorkränze, die am zentralen festen Innenrohr der Zentrifuge befestigt sind. Zwischen den beiden Sätzen von Gasleitblechen entstehen Turbulenzen, die die Häufigkeit von Stößen zwischen den Molekülen des zu trennenden Gases erhöhen. Um die Turbulenzen weiter zu verstärken, ist es im Rahmen der Erfindung möglich und bevorzugt, kammartige Anbauten an die Rotorblätter und die Statorblätter anzubringen, die bei Rotation des rotierenden Rohrs ineinander greifen und die Turbulenzen zusätzlich erhöhen. Dabei kann es, je nach Trennaufgabe vorteilhaft sein, die Rotorblätter und/oder Statorblätter in der Mitte der Zentrifuge so auszuformen, daß die erzwungene Zirkulation des Gases eine Geschwindigkeitskomponente des Gasstroms entlang der Längsachse der Zentrifuge erzeugt.The gas centrifuge according to the invention is characterized in that there are on the inside of the outer wall of the rotating tube rings of rotor blades, which force the circulation of the gas to be separated with the circulation of the rotating tube. In the spaces between the rotor blade rings are stator ribs, which are attached to the central fixed inner tube of the centrifuge. Turbulence between the two sets of gas baffles increases the frequency of collisions between the molecules of the gas to be separated. In order to further increase the turbulence, it is possible within the scope of the invention and preferred to attach comb-like attachments to the rotor blades and the stator blades, which engage in rotation of the rotating tube and increase the turbulence in addition. It may be advantageous depending on the separation task to form the rotor blades and / or stator blades in the middle of the centrifuge so that the forced circulation of the gas generates a velocity component of the gas flow along the longitudinal axis of the centrifuge.

Die Erfindung soll am Beispiel der Trennung von Sauerstoff und Stickstoff beschrieben werden. dabei soll beispielhaft eine Mischung von 20 Volumenprozent Sauerstoff und 80 Volumenprozent Stickstoff verwendet werden, so wie die Mischung auch in der natürlichen Luft vorkommt. In diesem Fall ist das mittlere Molekulargewicht der Gasmischung beträgt 28,8 Dalton.The invention will be described using the example of the separation of oxygen and nitrogen. Here, by way of example, a mixture of 20 percent by volume of oxygen and 80 percent by volume of nitrogen is used, just as the mixture also occurs in natural air. In this case, the average molecular weight of the gas mixture is 28.8 daltons.

Am anderen Ende des rotierenden Rohrs sind mindestens zwei Öffnungen. Eine Öffnung ist in der Mitte des rotierenden Rohrs und leitet die leichtere Gasfraktion durch das fixe Zentralrohr nach außen. Die zweite Öffnung befindet sich an der Außenwand des rotierenden Rohrs leitet die schwere Fraktion des Gastroms in den Druckbehälter, der das rotierende Rohr umschließt. Es ist bevorzugt, daß anstelle nur je einer Öffnung sich mehrere Öffnungen in der Mitte und an der Außenwand des rotierenden Rohrs befinden, um einen gleichmäßigen Gasstrom mit geringem Druckabfall an diesen Stelle sichzustellen. Dabei ist es notwendig, daß zwischen dem zentralem fixen Rohr und der oder den Öffnungen in der Mitte und dem Zentralrohr und der oder den Öffnungen an der Außenwand des Rohres und der Außenwand keine Abstände entstehen, da diese verbleibenden Stege die Trennleistung der Zentrifuge vermindern. Außerhalb der Apparatur kann die leichte Fraktion des Gases durch ein Ventil im zentralen Rohr entnommen werden. Bevorzugt befindet sich das Entnahmeventil außerhalb der Zirkulationsleitung. Es sind aber auch Konstruktionen denkbar, bei denen die Entnahme der leichteren Fraktion aus der Zirkulationsleitung erfolgt.At the other end of the rotating tube are at least two openings. An opening is in the middle of the rotating tube and directs the lighter gas fraction through the fixed central tube to the outside. The second opening is located on the outer wall of the rotating tube, the heavy fraction of the gas stream passes into the pressure vessel surrounding the rotating tube. It is preferred that, instead of just one opening at a time, there are a plurality of openings in the center and on the outer wall of the rotating tube to provide a uniform gas flow with a small pressure drop at that location. It is necessary that between the central fixed tube and the one or more openings in the center and the central tube and the one or more openings on the outer wall of the tube and the outer wall no gaps arise, since these remaining webs reduce the separation efficiency of the centrifuge. Outside the apparatus, the light fraction of the gas can be withdrawn through a valve in the central tube. The extraction valve is preferably located outside the circulation line. But there are also conceivable constructions in which the removal of the lighter fraction from the circulation line takes place.

Das innere Rohr trägt an der Außenfläche Gasleitbleche, die durch ihren Widerstand die Zirkulation des Gases, die durch das rotierende Rohr erzeugt wird, verhindern oder vermindern. Es sind mehrere konstruktive Möglichkeiten denkbar. Dabei erhöhen die Statoren am Innenrohr der Apparatur den Gasdruck in der Mitte der Apparatur und verringern die Trennleistung der Apparatur. Deshalb hängt die relative Länge der Statoren und ihre genaue Anordnung von der Trennaufgabe ab. Bei einer der möglichen Anordnungen sind die Statoren ringförmig an der Wand des Innenrohres befestigt und in den Zwischenräumen zwischen den Statorringen sind Rotorblätter angeordnet, die an der Innenseite des rotierenden Rohres angebracht sind. Die relative Länge der Rotorblätter und der Statorblätter zum Radius des Zentrifugenrohrs hängt von der genauen Trennaufgabe und der Auslegung der Apparatur ab. Die Belastbarkeit der Apparatur hängt von den Abständen zwischen Rotor- und Statorblättern ab. Der Anreicherungsgrad hängt ab von der Länge von Rotor- und Statorblättern. Der maximale Anreicherungsgrad bei konstantem Zentrifugendurchmesser und -umdrehungsgeschwindigkeit wird bestimmt durch die Länge von Stator- und Rotorblättern. Wenn eine Anordnung gewählt wird, bei der die Rotorblätter zwei Drittel so lang sind wie der Radius des rotierenden Rohres und die Statoren bis zur Hälfte des Radius des rotierenden Rohres reichen, dann nimmt der Gasdruck vom Ende der Statoren bis zur Innenwand des rotierenden Rohres steil zu und in diesem Bereich erfolgt eine Anreicherung von schwereren Gaskomponenten. In dem Bereich, in dem die Statoren die Gasrotation verlangsamen, findet dort, an dem die Rotoren ein Zirkulation erzwingen, eine intensive Mischung der verschiedenen Gaskomponenten statt und es findet ebenfalls eine Anreicherung der schweren Gaskomponenten am äußeren Bereich dieser Zone statt. In dem Bereich, der nicht von den Rotoren überstrichen wird, verhindern die Statoren eine Zirkulation und und es finden weder Anreicherung noch Durchmischung statt und der Gasdruck ändert sich nicht mit dem Radius der Apparatur. Besonders bevorzugt ist eine Anordnung der Rotor- und Statorblätter, bei der mehr Rotorkränze als Statorkränze in der Zentrifuge eingebaut sind.The inner tube carries on the outer surface of gas baffles, which by their resistance, the circulation of the gas generated by the rotating tube, prevent or reduce. There are several design possibilities conceivable. The stators on the inner tube of the apparatus increase the gas pressure in the middle of the apparatus and reduce the separation efficiency of the apparatus. Therefore, the relative length of the stators and their exact location depends on the separation task. In one of the possible arrangements, the stators are annularly attached to the wall of the inner tube and in the spaces between the stator rings rotor blades are arranged, which are mounted on the inside of the rotating tube. The relative length of the rotor blades and the stator blades to the radius of the centrifuge tube depends on the exact separation task and the design of the apparatus. The load capacity of the apparatus depends on the distances between rotor and stator blades. The degree of enrichment depends on the length of the rotor and stator blades. The maximum degree of enrichment with constant centrifuge diameter and rotation speed is determined by the length of stator and rotor blades. If an arrangement is chosen in which the rotor blades are two-thirds as long as the radius of the rotating tube and the stators reach half the radius of the rotating tube, then the gas pressure from the end of the stators to the inner wall of the rotating tube increases steeply and in this area an enrichment of heavier gas components takes place. In the area where the stators slow the gas rotation, where the rotors force circulation, there is an intense mixing of the various gas components, and there is also an accumulation of the heavy gas components at the outer area of that zone. In the area not swept by the rotors, the stators prevent circulation and neither accumulation nor mixing takes place and the gas pressure does not change with the radius of the apparatus. Particularly preferred is an arrangement of the rotor and stator blades, in which more rotor crowns are installed as Statorkränze in the centrifuge.

Auf der Innenseite des rotierenden Rohres sind die Rotorblätter befestigt. Die Befestigung erfolgt so, daß zwischen den Rotorblättern auf der Innenseite des Rohres ein Gasstrom entlang der Oberfläche in der Längsachse des Rohres stattfinden kann.On the inside of the rotating tube, the rotor blades are attached. The attachment is made so that between the rotor blades on the inside of the tube, a gas flow along the surface in the longitudinal axis of the tube can take place.

Eine beispielhafte Anordnung der Rotoren und Statoren ist in den und skizzenhaft ausgeführt. Eine mögliche Anordnung der Rotoren und Statoren ist nicht auf die dargestellten Formen beschränkt. So kann es sinnvoll sein und ist im Rahmen der Erfindung bevorzugt, die Vorderkanten von Rotorblättern oder auch Statorblättern so auszuführen, daß die Gasmoleküle in der Zentrifuge beim Aufprall auf die Vorderkanten der Blätter einen Impuls senkrecht zur Mittelachse erhalten. Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführung, bei der die Vorderkanten der Rotorblätter so ausgeführt sind, daß Gasmoleküle, die auf die Rotorblätter treffen, in Richtung Zentrifugenmitte beschleunigt werden, und die Vorderkanten der Statorblätter so, daß auftreffende Gasmoleküle in Richtung Zentrifugenrand beschleunigt werden. Eine derartige Ausführung der Rotor- und der Statorblätter erhöht die Anzahl der theoretischen Böden in der Zentrifuge. Eine Zentrifuge ohne Einbauten oder mit nicht wirksamen Einbauten hat einen theoretischen Boden, bei der besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung hat jedes Rotor-Statorpaar einen halben theoretischen Boden und eventuell mehr.An exemplary arrangement of the rotors and stators is in the and sketched out. A possible arrangement of the rotors and stators is not limited to the shapes shown. So it may be useful and is preferred in the invention, the leading edges of rotor blades or stator blades to be designed so that the gas molecules in the centrifuge upon impact with the leading edges of the leaves receive a pulse perpendicular to the central axis. Particularly preferred is an embodiment in which the leading edges of the rotor blades are designed so that gas molecules that hit the rotor blades are accelerated towards the center of the centrifuge, and the leading edges of the stator so that accelerating gas molecules are accelerated towards the centrifuge edge. Such an embodiment of the rotor and stator blades increases the number of theoretical plates in the centrifuge. A centrifuge without internals or with ineffective internals has a theoretical bottom, in the particularly preferred embodiment of the invention has each Rotor-stator pair half a theoretical ground and possibly more.

Die beiden Stirnflächen des rotierenden Rohrs sind mechanisch stabil ausgeführt, um die Kräfte aufnehmen zu können, die durch die Zentripetalkräfte der Rohraußenwand und das Gewicht der Rotorblätter erzeugt werden. Eine der beiden Stirnseiten hat an der Kante zur Außenwand des rotierenden Rohrs Auslässe. In einer speziellen, aber nicht bevorzugten, Ausführung sind diese Auslässe mit Diaphragmen verschlossen, so daß sich an der Innenseite des Rohrwand ein höherer Gasdruck ausbilden kann als in dem Innenraum des äußersten Rohres.The two end faces of the rotating tube are designed to be mechanically stable in order to absorb the forces generated by the centripetal forces of the tube outer wall and the weight of the rotor blades. One of the two end faces has outlets at the edge to the outer wall of the rotating tube. In a special, but not preferred, embodiment, these outlets are closed with diaphragms, so that a higher gas pressure can form on the inside of the pipe wall than in the interior of the outermost pipe.

An den beiden Stirnflächen des rotierendenen Rohres ist eine hohle Welle befestigt. Der Antrieb des rotierenden Rohrs erfolgt durch die beiden hohlen Wellen, die das innere Rohr aufnehmen. Die beiden Zwischenräume zwischen dem fixen Zentralrohr und den beiden hohlen Wellen sind mit Dichtungen gegen Gasverluste oder -einbrüche abgedichtet. Dabei ist die Art der Dichtung von der Trennaufgabe abhängig. Es kann zur Lösung dieser Aufgabe eine Öldichtung oder auch eine Gleitringdichtung oder auch eine Kombination von beiden oder eine Labyrinthdichtung gewählt werden.At the two end faces of the rotating tube, a hollow shaft is fixed. The drive of the rotating tube is through the two hollow shafts that receive the inner tube. The two spaces between the fixed central tube and the two hollow shafts are sealed with seals against gas losses or burglaries. The type of seal depends on the separation task. It can be chosen to solve this problem, an oil seal or a mechanical seal or a combination of both or a labyrinth seal.

Der Druckbehälter, der die Zentrifuge umschließt, kann doppelwandig ausgeführt sein. Er kann auch mittels einer außen aufgebrachten Rohrleitung oder durch ein äußeres Behältnis separat heiz- oder kühlbar sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform für die Luftzerlegung wird die Zylinderwandung des Druckbehälters mit Gas gekühlt, das im Gegenstrom zum Strom des zu trennenden Gases geführt wird. An einer Stirnfläche enthält der Druckbehälter mindestens ein Ventil für die Abnahme von Gas. Die andere Stirnfläche ist vollständig geschlossen. Beide Stirnflächen sind bei geschlossenen Abnahmeventilen gasdicht ausgeführt, obgleich durch beide die rotierenden Hohlwellen geführt werden, die das mittlere, rotierende Rohr tragen und antreiben. Zur Herstellung reiner Gase kann es notwendig sein, mehrere der erfindungsgemäßen Apparaturen so mit einander zu verbinden, daß einige Apparaturen parallel arbeiten, während andere nacheinander geschaltet sind.The pressure vessel enclosing the centrifuge can be double-walled. It can also be heated or cooled separately by means of an externally applied pipe or by an outer container. In a particularly preferred embodiment for the air separation, the cylinder wall of the pressure vessel is cooled with gas, which is guided in countercurrent to the flow of the gas to be separated. At one end face of the pressure vessel contains at least one valve for the removal of gas. The other end face is completely closed. Both faces are designed to be gas-tight with closed intake valves, although both are guided by the rotating hollow shafts that carry and drive the middle, rotating tube. For the production of pure gases, it may be necessary to connect several of the apparatus according to the invention with each other so that some equipment work in parallel, while others are connected in sequence.

Ein Vorteil der Druckerhöhung im Außenbehälter ist, daß auch in der Mitte der Zentrifuge die Drücke höher sind als in der Umgebung der Apparatur, so daß aufwendige Vakuumapparaturen und -pumpen entfallen können.An advantage of the pressure increase in the outer container is that even in the middle of the centrifuge, the pressures are higher than in the vicinity of the apparatus, so that expensive vacuum equipment and pumps can be omitted.

Es ist auch eine Kombination von Membranverfahren und Zentrifugenverfahren möglich, bei dem als druckfester Außenbehälter ein Molekularsieb verwendet wird, bei dem nur eine Komponente der schweren Fraktion das Sieb passieren kann und die andere über ein regelbares Druckventil entnommen werden kann.It is also a combination of membrane method and centrifugal method possible in which a molecular sieve is used as a pressure-resistant outer container in which only one component of the heavy fraction can pass through the sieve and the other can be removed via a controllable pressure valve.

Erfindungsgemäß wird das Problem der unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Gleichgewichtseinstellung dadurch gelöst, daß das Gas in der Mitte des Zentrifugenrohres die Zentrifuge schneller durchströmt als an der Außenwand. Dies ist möglich, weil der Gasstrom in der Mitte des Zentrifugenrohrs durch die Umwälzung mittels der Zirkulationsleitung schneller erfolgen kann als an der Außenwand der Zentrifuge, ohne daß dem System mehr Gas entnommen werden müßte. dabei wird die Gasgeschwindigkeit in der Zentrifugenmitte mit Hilfe der Zirkulationsleitung so eingestellt, daß die Strömung turbulent wird. Wenn durch die Zirkulationsleitung 100 mal so viel Gas in der Zentrifugenmitte rezirkuliert wird, wie Gas aus der Zentrifugenmitte dem System entnommen wird, dann erfolgt die Gleichgewichtseinstellung in der Zentrifugenmitte ca. 100 mal so schnell wie ohne Zirkulationsleitung. Die Entnahme der leichten Fraktion kann deshalb 100 mal so groß sein wie ohne Zirkulationsleitung, ohne daß der Anreicherungsgrad zusammenbricht.According to the invention, the problem of different rates of equilibrium adjustment is achieved in that the gas in the center of the centrifuge tube flows through the centrifuge faster than on the outer wall. This is possible because the gas flow in the center of the centrifuge tube can be made faster by the circulation by means of the circulation line than on the outer wall of the centrifuge, without the system more gas should be removed. The gas velocity in the center of the centrifuge is adjusted by means of the circulation line so that the flow becomes turbulent. If 100 times as much gas is recirculated through the circulation line in the center of the centrifuge, as gas is taken from the centrifuge center of the system, then the equilibrium is in the centrifuge center about 100 times as fast as without circulation line. The removal of the light fraction can therefore be 100 times as large as without circulation pipe, without the degree of enrichment collapses.

Die Statoren verwirbeln nicht nur den Gasstrom parallel zur Längsachse der Zentrifuge, sie verhindern auch eine Zirkulation des Gases in der Zentrifuge um die Mittelachse. Durch den Einbau der Statoren wird nicht nur die maximale Durchsatzmenge erhöht, sondern im Gegenzug der maximale Trennfaktor α₀ verringert. Wenn die Statoren bis an die Außenwand des Zentrifugenrohres reichen und nur die Reibung an der Wand die Zirkulation des Gases antreibt, dann bricht die Zirkulation des Gases zusammen und es erfolgt keine Trennung. Erfindungsgemäß wird dieses Problem so gelöst, daß die an der Innenseite des Zentrifugenrohrs befestigten Rotoren das Gas im gesamten Gasraum in eine zirkulierende Bewegung versetzen, die durch die Statoren nur in Teilbereichen unterbunden wird. Notwendig ist eine Anordnung der Rotoren, die zwischen den Rotorblättern Raum läßt für einen Strom der Gasmischung parallel zur Zentrifugenlängsachse. Bevorzugt ist eine Ausführung, bei der die Rotorblätter den gesamten Innenraum der Zentrifuge bis zum unbeweglichen Zentralrohr bestreichen. Dabei sind die Rotorblätter so angeordnet, daß sie sich zwischen den Statorblättern befinden. Besonders bevorzugt ist eine Ausführung, bei der die Rotorblätter so geformt sind, daß sie die Gasmoleküle nicht nur in eine kreisende Bewegung versetzen, sondern auch in Richtung auf Zentrifugenmitte beschleunigen. In der beispielhaften Apparatur sinkt die effektive Länge des Zentrifugenrohrs durch die Einbauten auf 40% der Gesamtlänge.The stators not only fluidize the gas flow parallel to the centrifuge's longitudinal axis, they also prevent circulation of the gas in the centrifuge about the central axis. By installing the stators not only the maximum flow rate is increased, but in return the maximum separation factor α _{0 is} reduced. When the stators reach the outer wall of the centrifuge tube and only the friction on the wall drives the circulation of the gas, the circulation of the gas collapses and no separation takes place. According to the invention, this problem is solved so that the rotors attached to the inside of the centrifuge tube put the gas in the entire gas space in a circulating movement, which is prevented by the stators only in partial areas. What is needed is an arrangement of the rotors, which leaves space between the rotor blades for a stream of gas mixture parallel to the centrifuge longitudinal axis. Preferred is an embodiment in which the rotor blades spread the entire interior of the centrifuge to immovable central tube. The rotor blades are arranged so that they are located between the stator blades. Particularly preferred is an embodiment in which the rotor blades are shaped so that they not only put the gas molecules in a circular motion, but also accelerate towards centrifuge center. In the exemplary apparatus, the effective length of the centrifuge tube through the internals drops to 40% of the total length.

Anders als bei dem Kondensations-Verdampfungsverfahren nach Linde wird die Energie zu Trennen der Gaskomponenten bei Umgebungstemperatur aufgebracht. Verluste treten nur auf durch die Reibung der Zentrifugenlager beim Betrieb. Der minimale Energieverbrauch einer erfindungsgemäßen Anlage zur Trennung von Gaskomponenten für eine Erzeugung von 99% Stickstoff oder Sauerstoff aus Luft beträgt 2,9 kJ/mol Produkt und nicht 11,6 kJ/mol wie bei dem Lindeverfahren. Die Ursachen für Energieverluste beim erfindungsgemäßen Verfahren sind die Motoren, die die Zentrifugen antreiben, und die Pumpen. Der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anlage hängt deshalb praktisch, aber nicht theoretisch, von dem Material ab, mit dem die Zentrifuge gebaut ist. So sollte, um Verlust durch übergroße Elektromotoren zu vermeiden, die Zentrifuge möglichst leicht gebaut werden. Als bevorzugte Materialen für den Bau der Zentrifugen werden glasfaser-verstärkte Kunststoffe oder kohlenfaserverstärkte Kunststoffe verwendet, da diese ein geringes Eigengewicht mit einer hohen Festigkeit verbinden. Die Verwendung von Magnesium- oder Aluminiumverbindungen für den Bau ist genauso möglich wie die Verwendung hochfester Stahlsorten.Unlike the Linde condensation evaporation process, the energy involved in separating the gas components Ambient temperature applied. Losses occur only due to the friction of the centrifuge bearings during operation. The minimum energy consumption of a gas component separation system according to the invention for producing 99% nitrogen or oxygen from air is 2.9 kJ / mol of product and not 11.6 kJ / mol as in the lime process. The causes of energy losses in the process according to the invention are the motors that drive the centrifuges and the pumps. The efficiency of the system according to the invention therefore depends practically, but not theoretically, on the material with which the centrifuge is built. So, to avoid loss due to oversized electric motors, the centrifuge should be as light as possible. Preferred materials for the construction of the centrifuges glass fiber-reinforced plastics or carbon fiber reinforced plastics are used because they combine a low weight with high strength. The use of magnesium or aluminum compounds for construction is just as possible as the use of high-strength steel grades.

Die erfindungsgemäße Gaszentrifuge ist in bis skizzenhaft ausgeführt.The gas centrifuge according to the invention is in to sketched out.

Die Funktionsweise der Erfindung soll mit Beispielen erläutert werden. Als Beispiele, die die Funktionsweise und überlegene Effizienz der erfindungsgemäßen Apparatur gegenüber einem herkömmlichen Verdampfungsapparat belegen, werden ausgewählt:

1. Die Trennung von gereinigter Luft in Sauerstoff und Stickstoff
2. Die Abtrennung der in Luft enthaltenen Edelgase
3. Die Fraktionierung der gewonnenen Edelgase zur Gewinnung von Argon, Neon und Xenon.
4. Herstellung von Methan aus Biogas

The operation of the invention will be explained with examples. As examples demonstrating the operation and superior efficiency of the apparatus of the present invention over a conventional evaporation apparatus are selected:

1. The separation of purified air into oxygen and nitrogen
2. The separation of the noble gases contained in air
3. The fractionation of the noble gases obtained for the recovery of argon, neon and xenon.
4. Production of methane from biogas

Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Apparatur können mit der barometrischen Höhenformel berechnet und erläutert werden. Zur Vereinfachung soll mit der Trennung Sauerstoff-Stickstoff angefangen werden, da diese Trennung theoretisch und praktisch einfach ist.The properties of the apparatus according to the invention can be calculated and explained with the barometric altitude formula. For the sake of simplicity, oxygen-nitrogen separation is to be started because this separation is theoretically and practically simple.

Wenn trockene, kohlendioxidfreie Luft in der erfindungsgemäßen Apparatur in die Bestandteile zerlegt wird, dann werden zuerst Xenon, Krypton und Argon mit der schweren Fraktion, also dem angereicherten Sauerstoff, abgetrennt. Danach erfolgt die Trennung in Sauerstoff und Stickstoff.When dry, carbon dioxide-free air is decomposed into the components in the apparatus according to the invention, then xenon, krypton and argon with the heavy fraction, ie the enriched oxygen, are first separated off. Thereafter, the separation takes place in oxygen and nitrogen.

Trockene, kohlendioxidfreie Luft enthält etwa 20 Prozent Sauerstoff mit einem Molekulargewicht von 32 und 80 Prozent Stickstoff mit einem Molekulargewicht von 28. Luft hat ein mittleres Molekulargewicht von 28,8.Dry, carbon dioxide-free air contains about 20 percent oxygen with a molecular weight of 32 and 80 percent nitrogen with a molecular weight of 28. Air has an average molecular weight of 28.8.

Beispielhaft wird eine Trennung der Luft in Sauerstoff und Stickstoff bei Raumtemperatur von 300 K berechnet werden. Natürlich ist auch eine Trennung bei anderen Temperaturen möglich. Eine Trennung bei höherer Temperatur als 300 K verschlechtert gegenüber dieser Arbeitstemperatur bei sonst gleichen Daten den maximalen und den realen Anreicherungsfaktor. Eine Trennung bei tieferen Temperaturen verbessert beide Faktoren. Auf keinen Fall sollte die Arbeitstemperatur der Apparatur –100°C nicht unterschreiten, da die kritische Temperatur des Sauerstoffs bei –119°C liegt. Die Rotationsgeschwindigkeit des Zentrifugenrohrs betrage 25000 1/min. Der Durchmesser des mittleren Rohrs betrage 0,5 m, die Länge bei 1,0 m. Die Umlaufgeschwindigkeit des Zentrifugenrohrs beträgt 654 m/sec. Der Durchmesser des inneren, starren Rohrs betrage 0,1 m. Das Volumen zwischen dem rotierenden mittleren Zentrifugenrohr und dem äußeren Druckbehälter beeinflußt nicht die Trennleistung der Apparatur und wird deshalb in den Beispielen nicht berücksichtigt und nicht angegeben. Die Größe des Volumens zwischen dem äußeren und dem mittleren Rohr bestimmt die Geschwindigkeit, mit der die Apparatur beim Anfahren ihre maximale Trennleistung erreicht.By way of example, a separation of air into oxygen and nitrogen at room temperature of 300 K will be calculated. Of course, a separation at other temperatures is possible. A separation at a temperature higher than 300 K deteriorates the maximum and the real enrichment factor with respect to this working temperature, with otherwise identical data. Separation at lower temperatures improves both factors. In no case should the working temperature of the apparatus not fall below -100 ° C, since the critical temperature of the oxygen is -119 ° C. The rotational speed of the centrifuge tube is 25,000 1 / min. The diameter of the middle pipe is 0.5 m, the length 1.0 m. The rotational speed of the centrifuge tube is 654 m / sec. The diameter of the inner, rigid pipe is 0.1 m. The volume between the rotating central centrifuge tube and the outer pressure vessel does not affect the separation efficiency of the apparatus and is therefore not taken into account in the examples and not specified. The size of the volume between the outer and the middle tube determines the speed at which the apparatus reaches its maximum separation efficiency at start-up.

Die barometrische Höhenformel ergibt für ein Gas einen Druckverlust von der Außenwand des rotierenden Rohrs bis zum starren Zentralrohr von p(_h1)/p(_h0) = e^{(–(M·(v²/)/(2R·T))Δh²} The barometric formula for a gas results in a pressure loss from the outer wall of the rotating tube to the rigid central tube of p ( _h1 ) / p ( _h0 ) = e ^{(- (M * (v2 /) / (2R * T)) Δh2}

Die relative Druck in der Mitte des Zentrifugenrohrs beträgt für Sauerstoff 6,226 × 10^–4 des Drucks an der Außenwand, für Stickstoff beträgt der relative Druck in der Zentrifugenmitte 1,2433 × 10^–3 und für das Gasgemisch der Luft 1,1,029 × 10^–3.The relative pressure in the middle of the centrifuge tube is 6.226 × 10 ^{-4 of} the pressure at the outer wall, for nitrogen the relative pressure in the centrifuge center is 1.2433 × 10 ^-3 and for the gas mixture of the air 1.1.029 × 10 ^-3 ^{. 3} .

Während des Betriebes reichert sich an der Außenwand der Zentrifuge der in dem Gasgemisch enthaltene Sauerstoff an und in der Zentrifugenmitte der Stickstoff. In einer Stufe, oder in einem theoretischen Boden vergrößert sich in der schweren Fraktion der Sauerstoffgehalt von 20% auf maximal 31,88% und der Stickstoffanteil nimmt analog auf 68,11% ab.During operation, the oxygen contained in the gas mixture accumulates on the outer wall of the centrifuge and nitrogen in the center of the centrifuge. In one stage, or in a theoretical soil, the oxygen content in the heavy fraction increases from 20% to a maximum of 31.88% and the nitrogen content decreases analogously to 68.11%.

Bei der leichten Fraktion erhöht sich der Stickstoffgehalt auf 84,24%, wenn der Strom der schweren Fraktion ein Fünftel des Stroms der leichten Fraktion beträgt, wenn in Normvolumina gerechnet wird.For the light fraction, the nitrogen content increases to 84.24% when the heavy fraction stream is one fifth of the light fraction stream when expected in standard volumes.

Nach 15 Stufen oder theoretischen Böden erhöht sich der Sauerstoffgehalt in der schweren Gasfraktion von 20% auf über 90%. Die Turbulenzen und die turbulenten Gasströme innerhalb der erfindungsgemäßen Zentrifugen führen dazu, daß eine erfindungsgemäße Zentrifuge nicht eine Stufe, sondern 5 Stufen hat, wenn je Zentrifuge 10 Rotor-Statorpaare verwendet werden. Für die Erreichung eines Sauerstoffgehalts von > 90% sind also drei hintereinander geschaltete Zentrifugen notwendig. Alle errechneten Werte beziehen auf den Fall des thermodynamischen Gleichgewichts. Wird dem System Produkt entzogen, dann sinkt der Anreicherungsgrad. Die Berechnung der notwendigen Stufen für eine ausreichende Trennung ohne Produktentnahme ist nur beispielhaft, da bei dieser Betrachtung das theoretische Mengenverhältnis von schwerer und leichter Fraktion in das Ergebnis einfließt. Es ist üblich und bei dieser Erfindung vorteilhaft, die relativen Massenströme an leichter und schwerer Fraktion der Trennaufgabe anzupassen.After 15 stages or theoretical plates, the oxygen content in the heavy gas fraction increases from 20% to over 90%. The turbulences and the turbulent gas streams within the centrifuges according to the invention result in a centrifuge according to the invention having not one stage, but 5 stages, if 10 rotor-stator pairs are used per centrifuge. For the achievement of a Oxygen content of> 90% are therefore three successive centrifuges necessary. All calculated values refer to the case of thermodynamic equilibrium. If the system is deprived of product, then the degree of enrichment decreases. The calculation of the necessary stages for a sufficient separation without product removal is only an example, since with this consideration the theoretical quantity ratio of heavy and light fraction flows into the result. It is common and advantageous in this invention to adjust the relative mass flows of lighter and heavier fraction of the separation task.

Der Anreicherungsgrad bei Belastung ist α = α₀/(1 + G/V₀). In der Gleichung ist G die Gesamtentnahme an Produkt G = G_s + G_l, die sich aus der Entnahme an schwerer Fraktion G_s und leichte Fraktion G_l zusammensetzt. Üblicherweise wird der Vergleichsstrom V₀ definiert durch V₀ = 4π·ρ·D·L. In dieser Gleichung ist D der Diffusionskoeffizient für die eine Gaskomponente und L die Länge des Zentrifugenzylinders. In der Mitte der Zentrifuge kann sich bei Normaldruck an der Außenwand des Zentrifugenrohrs kein Gleichgewicht einstellen, wenn Gas entnommen wird, weil bei 1,24 × 10^–3 bar die mittleren freien Weglängen der Gasmoleküle so groß sind, so daß die Einstellung des Gleichgewichts bereits durch die Entnahme kleiner Gasmengen gestört wird.The degree of enrichment under load is α = α ₀ / (1 + G / V ₀ ). In the equation, G is the total removal of product G = G _s + G _l , which is composed of the removal of heavy fraction G _s and light fraction G _l . Usually, the comparison current V _{0 is} defined by V ₀ = 4π · ρ · D · L. In this equation, D is the diffusion coefficient for the one gas component and L is the length of the centrifuge cylinder. At the center of the centrifuge, no equilibrium can be established at normal pressure on the outer wall of the centrifuge tube when gas is withdrawn, because at 1.24 × 10 ^-3 bar, the mean free path lengths of the gas molecules are so great that the equilibration is already established is disturbed by the removal of small amounts of gas.

In dem hier beispielhaft beschrieben Verfahren wird dieses Problem teilweise durch ein Druckerhöhung im Außenbehälter auf 200 bar und mehr gelöst. Dies ist auch der Druck im Außenbehälter oder der Druck, der für eine Molekularfiltration der Luft zur Verfügung steht. Der Druck in der Zentrifugenmitte steigt bei einem Druck von 200 bar an der Zentrifugenaußenwand auf 0,12 bar an.In the method described here by way of example, this problem is partially solved by an increase in pressure in the outer container to 200 bar and more. This is also the pressure in the outer container or the pressure available for molecular filtration of the air. The pressure in the center of the centrifuge increases to 0.12 bar at a pressure of 200 bar at the centrifuge outer wall.

Es ist deshalb mit folgenden Leistungen der einzelnen Apparatur zu rechnen:
Wenn der Zirkulationsstrom das 120fache des Entnahmestroms ist: 214,3 kg/d Luft mit > 80% Sauerstoff, wenn der Maximaldruck in der Anlage auf 200 bar erhöht wird. Für die Zerlegung von 4000 kg/d Luft in Sauerstoff mit > 95% Gehalt und Stickstoff sind 120 Zentrifugen erforderlich, wie sie im Beispiel beschrieben wurden. Bei 30 Tagen geplantem Stillstand der Anlage pro Jahr für notwendige Reparaturen hätte ein auf den erfindungsgemäßen Zentrifugen aufgebauter Luftzerleger eine Leistung von 1.320.000 kg/a Luft oder 264.000 kg/a Sauerstoff und 1.056.0000 kg/a Stickstoff. Dabei kann im Rahmen der Erfindung die Trennleistung der erfindungsgemäßen Anlage noch verbessert werden durch die Anpassung von Teilströmen, Rezirkulationsströmen und Umlaufgeschwindigkeit der Zentrifugen an die jeweilige Trennaufgabe.It is therefore to be expected with the following services of the individual apparatus:
If the circulation flow is 120 times the withdrawal flow: 214.3 kg / d of air with> 80% oxygen, if the maximum pressure in the system is increased to 200 bar. For the separation of 4000 kg / d of air in oxygen with> 95% content and nitrogen 120 centrifuges are required, as described in the example. At 30 days planned plant shutdown per year for necessary repairs, an air separator built on the centrifuges of the invention would have an output of 1,320,000 kg / a of air or 264,000 kg / a of oxygen and 1,056,000 kg / a of nitrogen. In the context of the invention, the separation efficiency of the system according to the invention can be further improved by the adaptation of partial flows, recirculation flows and circulation speed of the centrifuges to the respective separation task.

Zur Gewinnung von Xenon und Krypton aus der Luft sind zwei Methoden möglich. Bei der einen Methode wird die gesamte Luft durch die Zentrifuge geschleust und eine schwere Fraktion von einem Prozent des Gesamtstroms entnommen. Diese schwere Fraktion enthält Argon, Krypton, Xenon und Kohlendioxid. Der geringe Teilstrom wird dann weiter fraktioniert. Wenn die schwere Fraktion zwei Prozent der Gesamtentnahme ist, dann enthält dieser Teilstrom den überwiegenden Teil der Edelgase und des Kohlendioxids. Der Anreicherungsfaktor α₀ von Argon, den leichtesten Atomen in der schweren Fraktion, ist drei bezogen auf Sauerstoff und 5,4 bezogen auf Stickstoff. Wenn der entnommene Volumenstrom, der die schweren Edelgas enthält, doppelt so groß ist, wie den Anteil der Edelgase und des Kohlendioxids in der Luft entspricht, dann ist die Abtrennung von Xenon und Krypton praktisch vollständig und von Argon fast vollständig.To obtain xenon and krypton from the air, two methods are possible. In one method, all the air is passed through the centrifuge and a heavy fraction is taken from one percent of the total flow. This heavy fraction contains argon, krypton, xenon and carbon dioxide. The low partial flow is then further fractionated. If the heavy fraction is two percent of the total, then this substream contains most of the noble gases and carbon dioxide. The enrichment factor α ₀ of argon, the lightest atoms in the heavy fraction, is three based on oxygen and 5.4 on nitrogen. If the withdrawn volumetric flow containing the heavy noble gas is twice as large as the proportion of noble gases and carbon dioxide in the air, then the separation of xenon and krypton is practically complete and of argon almost complete.

Bei der zweiten Methode wird der Sauerstoff angereichert bis auf einen rechnerischen Gehalt von 99%. Diese Fraktion enthält Kohlendioxid und alle Edelgase mit Ausnahme von Helium und Neon, die sich in der leichten Fraktion befinden.In the second method, the oxygen is enriched to a calculated content of 99%. This fraction contains carbon dioxide and all noble gases except helium and neon, which are in the light fraction.

Die Massenunterschiede zwischen den verschiedenen Edelgasen und Kohlendioxid im Verhältnis zum Sauerstoff sind so groß, daß für die Abtrennung von Argon, Krypton, Xenon und Kohlendioxid vom Sauerstoff eine erfindungsgemäße Zentrifuge ausreichend ist. In der schweren Fraktion von ungefähr einem Prozent des Volumenstroms sind alle Edelgase mit Ausnahme des Neons und das Kohlendioxid enthalten. Bei der nächsten Fraktion wird zwischen Xenon und Krypton als schwere Fraktion und Kohlendioxid und Argon als leichter Fraktion getrennt. Bei Bedarf können Xenon und Krypton isotopenrein getrennt werden. Zur Gewinnung des Argon wird das Kohlendioxid chemisch gebunden und das Argon rein erhalten.The mass differences between the various noble gases and carbon dioxide in relation to the oxygen are so great that a centrifuge according to the invention is sufficient for the separation of argon, krypton, xenon and carbon dioxide from the oxygen. The heavy fraction of about one percent of the volumetric flow contains all noble gases except neon and carbon dioxide. The next fraction separates xenon and krypton as a heavy fraction and carbon dioxide and argon as a light fraction. If necessary, xenon and krypton can be separated isotope-pure. To recover the argon, the carbon dioxide is chemically bound and the argon is kept pure.

Eine weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Zentrifuge ist in Biogasanlagen. Biogasanlagen produzieren ein Gasgemisch von Kohlendioxid, Methan und Wasser. Dabei entspricht der Wassergehalt des Biogases dem Gleichgewichtdampfdruck des Wassers im Reaktionsbehälter. Wird das Biogas, so wie es in der Anlage produziert wird, transportiert oder gelagert, dann ist es sehr korrosiv für Bauteile aus Eisen, Edelstahl, Aluminium oder Kohlenstoffstahl. Wenn das Biogas bei Transport oder Lagerung die Temperatur, bei der es hergestellt wurde, unterschritten wird, dann kondensiert das Wasser aus dem Gas und löst einen großen Teil des im Gas enthaltenen Kohlendioxids. Der pH-Wert des kondensierten Wassers beträgt dann 4,3, so daß Säurekorrosion die Bauteile zerstört. Zusätzlich ist kondensiertes Wasser ein Gefahr für Pumpen und Ventile auf dem Transport. Ebenfalls ist es wünschenswert, das Transportvolumen des erzeugten Biogases zu verringern.Another application of the centrifuge according to the invention is in biogas plants. Biogas plants produce a gas mixture of carbon dioxide, methane and water. The water content of the biogas corresponds to the equilibrium vapor pressure of the water in the reaction vessel. If the biogas is transported or stored as it is produced in the plant, then it is very corrosive for components made of iron, stainless steel, aluminum or carbon steel. If, during transport or storage, the biogas falls below the temperature at which it was produced, the water condenses out of the gas and dissolves a large part of the carbon dioxide contained in the gas. The pH of the condensed water is then 4.3, so that acid corrosion destroys the components. In addition, condensed water is a hazard to pumps and valves on the transport. It is also desirable to reduce the transport volume of the biogas produced.

Eine Verwendung der erfindungsgemäßen Zentrifuge zur Reinigung von des erzeugten Methans würde beide Probleme lösen:
Methan hat ein Molekulargewicht von 16, Wasser hat eines von 18, Kohlendioxid eines von 44. Wird Biogas in eine erfindungsgemäße Zentrifuge geleitet und getrennt, dann reichert sich das Kohlendioxid in der schweren Fraktion an. In der leichten Fraktion reichern sich Methan und Wasser an. Die notwendigen Rechnungen für die Auslegung können analog den Rechnungen für die Luftzerlegung erfolgen und es können dieselben Formeln und Algorithmen verwendet werden. Die Zentrifuge trennt nicht nur Kohlendioxid von Wasser und Methan, sie verringert auch den relativen Druck von Methan und Wasser im Verhältnis zum Kohlendioxid. Es ist deshalb möglich, in einer Zentrifuge in der leichten Fraktion bei vermindertem Druck Wasser und Methan abzutrennen und gleichzeitig das aufkonzentrierte Kohlendioxid in die Umgebung abzugeben. In einer erfindungsgemäßen Zentrifuge, die mit den obigen Auslegungsdaten betrieben wird, sinkt der Wasserdampfdruck in der Mitte auf 1,348 × 10^–2 des Drucks am Zentrifugenrand. Dies entspricht einem Gleichgewichtsdruck des Wassers bei 37°C am Rand der Zentrifuge. Der Partialdruck des Methans sinkt auf 2,176 × 10^–2 des Drucks am Zentrifugenrand und der des Kohlendioxids auf 2,682 × 10^–5. Der Anreicherungsfaktor ist αo = 811 für die Trennung von Methan und Kohlendioxid, 503 für die Trennung von Wasserdampf und Kohlendioxid und αo = 1,61 für die Trennung von Methan und Wasserdampf. Es ist deshalb möglich, mit der erfindungsgemäßen Zentrifuge das im Biogas enthalten Kohlendioxid in einer Stufe abzutrennen. Schwefelwasserstoff, der in Biogas enthalten ist, reichert sich ebenfalls in der schweren Fraktion an. Ebenso Alkylamine und Aminoschwefelverbindungen. Die leichte Fraktion besteht nach der Abtrennung des Kohlendioxids nur aus Methan, Ammoniak und Wasser. Ein etwaiger Überdruck der schweren Fraktion im Verhältnis zum Umgebungsdruck der Apparatur kann genutzt werden, um Methan und Wasser zu komprimieren. Diese Apparaturen sind hinglänglich bekannt. Nach einer Trocknung des Methans kann dieses problemlos gelagert und transportiert werden.A use of the centrifuge according to the invention for the purification of the produced methane would solve both problems:
Methane has a molecular weight of 16, water has one of 18, carbon dioxide one of 44. If biogas is passed into a centrifuge according to the invention and separated, then the carbon dioxide accumulates in the heavy fraction. In the light fraction methane and water accumulate. The necessary calculations for the design can be carried out analogously to the calculations for the air separation and the same formulas and algorithms can be used. The centrifuge not only separates carbon dioxide from water and methane, it also reduces the relative pressure of methane and water relative to carbon dioxide. It is therefore possible to separate in a centrifuge in the light fraction at reduced pressure, water and methane and at the same time deliver the concentrated carbon dioxide into the environment. In a centrifuge according to the invention operated with the above design data, the water vapor pressure in the middle drops to 1.348 × 10 ^{-2 of} the pressure at the centrifuge edge. This corresponds to an equilibrium pressure of the water at 37 ° C at the edge of the centrifuge. The partial pressure of methane drops to 2.176 x 10 ^{-2 of} the pressure at the centrifuge rim and that of carbon dioxide to 2.682 x 10 ^-5 . The enrichment factor is αo = 811 for the separation of methane and carbon dioxide, 503 for the separation of water vapor and carbon dioxide and αo = 1.61 for the separation of methane and water vapor. It is therefore possible to separate the carbon dioxide contained in the biogas in one stage with the centrifuge according to the invention. Hydrogen sulphide, which is contained in biogas, also accumulates in the heavy fraction. Likewise alkylamines and amino sulfur compounds. The light fraction consists after the separation of carbon dioxide only from methane, ammonia and water. Any excess pressure of the heavy fraction relative to the ambient pressure of the apparatus can be used to compress methane and water. These devices are well known. After drying the methane, this can be easily stored and transported.

Claims

Centrifuge for the separation of gas mixtures according to their atomic and molecular weights of their components, characterized in that the gas stream to be separated into its components in the centrifuge is subjected to forces perpendicular to the centreline of the centrifuge and is turbulent.

Centrifuge for the separation of gas mixtures according to their atomic and molecular weights of their components according to claim 1, characterized in that the centrifuge tube in

a pressure-resistant container is housed, which is connected to the gas outlet of the heavy gas fraction from the centrifuge, that the pressure in the outer container equal to the gas pressure on the inside of the outer wall of the centrifuge tube and is independent of the gas pressure outside the outer container during operation of the centrifuge.

Centrifuge for separating gas mixtures according to their atomic and molecular weights of their components according to claim 1, characterized in that the centrifuge rotates about a central tube which does not rotate itself, and which is connected to a pipeline outside of the outer container, through which gas from Output of the centrifuge can be circulated to the inlet without gas must be removed.

Centrifuge for the separation of gas mixtures according to their atomic and molecular weights of their components according to claim 1, characterized in that the central axis of the centrifuge is designed as a tube which does not rotate and carries the Gasleiteinheiten which slow down the circulation of the gas with the centrifuge.

Centrifuge for the separation of gas mixtures according to their atomic and molecular weights of their components according to claims 1 and 4, characterized in that the outer wall of the centrifuge carries on its inside Gasleitbleche that rotate with the centrifuge and force the circulation of the centrifuge even then when the circulation is obstructed by non-rotating gas baffles attached to the central tube.

Centrifuge for the separation of gas mixtures according to their atomic and molecular weights of their components according to claims 1, 4 and 5, characterized in that the respective Gasleitbleche are arranged circular and perpendicular to the central axis of the centrifuge.

Centrifuge for the separation of gas mixtures according to their atomic and molecular weights of their components according to claims 1 and 4 to 6, characterized in that the rotors and stators are shaped so that when operating the centrifuge, the gas to be separated alternately towards the outer wall and the center accelerate the centrifuge.

Centrifuge for separating gas mixtures according to their atomic and molecular weights of their components according to claims 1 and 4 to 6, characterized in that along the longitudinal axis the centrifuge rotors and stators are arranged alternately.

Centrifuge for the separation of gas mixtures according to their atomic and molecular weights of their components according to claims 1, 2 and 3, characterized in that the gas removal from the outer container is adjustable and can be interrupted.

Centrifuge for the separation of gas mixtures according to their atomic and molecular weights of their components according to claims 1 and 3, characterized in that gas inlet and outlet gas from the centrifuge through the central tube takes place and can be interrupted and regulated independently of the circulation flow.

Centrifuge for the separation of mixtures of gases according to their atomic and molecular weights of their components according to claims 1 to 10, characterized in that the rotational speed of the centrifuge tube is controllable.

Use of a centrifuge according to claims 1 to 5 and 10 and 6 to 10 for the separation of air into its components.

Use of a centrifuge according to claims 1 to 5 and 10 and 6 to 9, for the recovery of argon, xenon and krypton from the air.

Use of a centrifuge according to claims 1 to 5 and 10 and 6 to 10, for the recovery of methane from biogas.