DE102010046816B4

DE102010046816B4 - Verfahren und Zentrifuge mit intensiver Ausnutzung des peripheren Rotorbereichs

Info

Publication number: DE102010046816B4
Application number: DE201010046816
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2015-03-19
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: DE102010046816A1

Abstract

Die vorliegende Zentrifuge beschreibt eine Rotorkonfiguration, welche statt rotierende Zylindermantel ein massiver Rotor aufweist, worin mehrfache axiale Kanalsysteme vorgesehen sind, die durch kurzen Kanälen in Drehrichtung in Serie geschaltet sind. Das Gasgemisch wird in parallel durch mehrere solche Kanalsysteme gepumpt und das Gas der Zentrifugalkraft unterzogen, wodurch die Aufspaltung in eine leichte und eine schwere Gaskomponente erfolgt. Durch die sehr großen Gesamtlängen der Kanalsystem verlängert sich die Durchlaufzeit erheblich und die Wirksamkeit der Zentrifuge ist so hoch, daß eine komplette Trennung der Komponenten stattfindet. Der Hauptgrund für die Anwendung dieses Arbeitsprinzips für die Gaszentrifuge ist die Möglichkeit der Plazierung solcher Kanälen im peripheren Bereich, wo die Fliehkräfte am größten sind; insbesondere die Erkenntnis, daß die Zentrifugalkraft und somit auch die Partialdrücke in den Gaskomponenten eine exponentiale Verteilung zur Peripherie hin aufweisen, empfehlen dies. Diese Rotorkonfiguration erlaubt eine sehr leichte Dimensionierung der Zentrifuge für sehr unterschiedliche Gasdurchsätze; sie mindert auch die Fliessverluste wesentlich im Vergleich zu anderen Zentrifugen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zentrifuge zur Separation von unterschiedlich schweren Gaskomponenten eines Gasgemisches und das dazugehörige Verfahren nach Patent 10 2010 035 217 mit intensiver Ausnutzung des peripheren Rotorbereichs. Zentrifugen zur Separierung einer schweren Gaskomponente aus einem Gasgemisch sind seit langem bekannt. So verwendet die Zentrifuge der DE 10 2009 022 701 B3 einen Rotor mit einer Reihe von konzentrisch angeordneten internen Stufen gebildet von ineinander stehenden Zylindern. Das zu separierende Gas fließt axial in jedem Zylinder und wechselt in den nächst größeren Zylinder, wenn das Gas an seinem Ende angekommen ist; im nächsten Zylinder fließt das Gas ebenfalls axial aber in die entgegengesetzte Richtung. Während des axialen Fliessens wird das Gas durch Einwirkung der Zentrifugalkraft in zunehmend angereicherte Gaskomponenten separiert, welche parallel verlaufende Strömungen aufweisen. Diese Art von Gerät kann man rekursive oder multiple Zentrifuge nennen. Diese multiplen Zentrifugen führen also parallele Gasströmungen mit unterschiedlichen Dichten in den jeweiligen konzentrischen Stufen des Rotors. Dabei ist die Förderkraft für alle parallelen Gasströmungen gleich und basiert auf den zentrifugal erzeugten Überdruck im Rotor. Dieses Verfahren benötigt jedoch viele Stufen, um eine deutliche Wirksamkeit der Separation zu gewährleisten, aber der radial vorhandene Platz dafür ist relativ begrenzt, was zwangsläufig zu einer kleineren Anzahl der konzentrischen Stufen führt. Aber insbesondere die Berücksichtigung der ausgeprägt exponentialen Zunahme der Zentrifugalkraft in Richtung Rotorperipherie verschlechtert die Wirksamkeit der inneren Zentrifugenstufen. Weiterer Stand der Technik ist aus der DE 10 2010 023 058 A1 bekannt. Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gesetzt, das Prinzip der multiplen Zentrifuge dahingehend zu verbessern, daß das Gas nur im relativ schmalen peripheren Bereich des Rotors der zentrifugalen Separation unterzogen wird, d. h. dort wo die zentrifugal erzeugte Druckdifferenz zwischen den Partialdrücken der Gaskomponenten bedeutende Werte annimmt. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Zentrifuge nach Anspruch 3 gelöst. Dafür durchläuft das Gas nicht mehr konzentrische Räume im Rotor, sondern das Gas wird geführt durch axiale, parallel verlaufende Kanäle. Diese Kanäle sind gruppiert und innerhalb einer Gruppe sind die Kanäle durch Querkanäle an den Enden miteinander verbunden. Da das Gas gezwungen ist die gesamte Länge der in Serie geschalteten Kanäle zu durchlaufen, wobei jeder Kanal dieselbe Länge wie die Zentrifuge hat, ergibt sich ein sehr langer Weg für das Gas; in dieser Durchlaufzeit können sich die Gaskomponenten unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft gut trennen. Durch geschickte Verteilung der Kanäle im peripheren Rotorbereich, kann man mehrere gleiche und parallele Kanalgruppen bilden. Dadurch vervielfacht sich der Durchsatz entsprechend.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigt:
1 Längsschnitt durch die Zentrifuge; Schnitt A-A und C-C
2 Schnitt B-B durch die Zentrifuge (entfaltet)
Aufgrund der Figuren wird die Funktion näher erläutert. Das in Rotor 1 eingeführte Gasgemisch 2 wird zu einem mehrfach vorhandenen System 15 von miteinander in Serie gekoppelten axialen Kanälen 3 geführt, das somit eine beachtliche Gesamtlänge aufweist und sich darin vorrangig axial bewegt und darin der durch Rotation erzeugte Zentrifugalkraft unterzogen wird, wodurch die Aufspaltung in eine leichte Gaskomponente 5 und eine schwere Gaskomponente 4 erfolgt, wobei der Trennungsprozeß eine hohe Wirksamkeit wegen der relative hohen Durchlaufzeit in den in Serie geschalteten Kanälen hat. Die Entnahme der separierten Komponenten erfolgt am Ende des letzten vom Gas durchlaufenen Kanals, wo eine entsprechende Vorrichtung 28 vorgesehen ist. Alle axialen Kanäle 3, 6 sind, relativ gesehen, im peripheren Bereich des Rotors plaziert und zwar dort, wo die Differenz der Teildrücke der Gaskomponenten 4, 5 große Werte annimmt. In diesen Kanälen verbleibt die leichte Gaskomponente 4 befindlich auf der achsnahen Seite des jeweiligen Kanals 3 beim Überwechseln zum nächsten damit verbundenem Kanal 6 auf der selben achsnahen Seite des Kanals 6, da der Wechsel beim selben Abstand von der Drehachse – Radius – stattfindet. In diesen Kanälen verbleibt die schwere Gaskomponente 5 befindlich auf der achsfernen Seite des jeweiligen Kanals 3 beim Überwechseln zum nächsten damit verbundenem Kanal 6 auf der selben achsfernen Seite des Kanals 6, da der Wechsel beim selben Abstand von der Drehachse – Radius – stattfindet, wodurch eine Umlenkung der Gaskomponenten sich erübrigt. Beim Wechsel zwischen Kanälen 7, 8, angeordnet in benachbarten Bereichen mit unterschiedlichen Durchmessern, wird eine Vermischung der Gaskomponenten 4, 5 vermieden, indem die Zentrifugalkraft für die stabile Lage sorgt. Die Drehrichtung des Rotors 1 ist so gewählt, dass die Fortbewegung des Gasgemisches 2 in die Drehrichtung des Rotors 1 beim Überwechseln von einem Kanal 3 zum anderen Kanal 6 zu einer Zunahme der Zentrifugalkraft durch den Anteil der dabei entstandenen Coriolis-Kraft führt, was die Separation der Gaskomponenten 4, 5 zusätzlich begünstigt. Die Kanäle 3, 6, 7, 8 eines jeweiligen Systems von Kanälen 15 sind im Rotor 1 auf mehreren Ebenen plaziert, die mittels schrägen und/oder gebogenen Verbindungskanälen 9, 10 an den jeweiligen Enden miteinander kommunizieren und zwar dergestalt, dass alle Kanäle 3, 6, 7, 8, 9, 10 eines jeweiligen System von Kanälen in Serie geschaltet sind. Die Einlaßkammer 11 versehen mit radialen Trennwänden 12 ist mit dem Gaseinlaß 13 verbunden, wovon das Gasgemisch 2 durch die Durchbrüche 14 in die vielfach vorhandenen Systeme von Kanälen 15 – ein System von Kanälen 15 ist leicht getönt dargestellt, um die Zugehörigkeit der Kanäle zu verdeutlichen – fließt. Der letzte Kanal 16 eines jeweiligen Systems 15 ist an seinem Ende mit der Entnahmevorrichtung 28 für die separierten Komponenten verbunden, bestehend aus dem kurzen Kanal 17 verbunden mit der Sammelkammer 18 für die schwere Gaskomponente 5, aus der Leitung 19 verbunden mit der Sammelkammer 20 für die leichte Gaskomponente 4 und aus der zum Rotor 1 spitz zulaufende Trennwand 17, welche eine Gabelung dieses Kanals bewirkt. Die Gasführung erfolgt nach dem Passieren der Entnahmevorrichtung 28 auf zwei unterschiedlichen Ebenen, welche die Möglichkeit bieten, eine Dimensionierung der Sammelkammern 18, 29 nach der Durchflußmenge vorzunehmen, wobei die Sammelkammer 18 für die schwere Gaskomponente 5 eine Reihe von Trennwänden 22 aufweist und dass die Sammelkammer 20 für die leichte Gaskomponente 4 eine weitere Reihe von Trennwänden 23 aufweist, welche zur Stabilität der Konstruktion beitragen und die Gasführung unterstützen. Die schwere Gaskomponente 5 kann durch die Durchbrüche 24 in die axiale Leitung 25 fließen, um zur Anwendung zu gelangen, während die leichte Gaskomponente 4 aus der Sammelkammer 20 durch die Durchbrüche 26 in die Leitung 27 fließen kann, um zur Anwendung zu gelangen. Die Kanäle haben den gleichen und gleichzeitig den größtmöglichen Querschnitt für die gewählte Rotorkonfiguration und sie haben weiterhin auch abgerundete Verbindungsstücke, um den Fliesswiderstand möglichst gering zu halten. Die Abstände zwischen den benachbarten Kanälen und deren Plazierung sind so gewählt, dass sie der mechanischen Spannung an dem jeweiligen Ort angepaßt sind, wobei die Materialbelastung im Sicherheitsbereich bleibt. Durch die sehr großen Gesamtlängen der Kanalsysteme verlängert sich die Durchlaufzeit erheblich und die Wirksamkeit der Zentrifuge ist so hoch, daß eine komplette Trennung der Komponenten stattfindet. Der Hauptgrund für die Anwendung dieses Arbeitsprinzips für die Gaszentrifuge ist die Möglichkeit der Plazierung solcher Kanälen im peripheren Bereich, wo die Fliehkräfte am größten sind; insbesondere die Erkenntnis, daß die Zentrifugalkraft und somit auch die Partialdrücke in den Gaskomponenten eine exponentiale Verteilung zur Peripherie hin aufweisen, empfehlen dies. Diese Rotorkonfiguration erlaubt eine sehr leichte Dimensionierung der Zentrifuge für sehr unterschiedliche Gasdurchsätze; sie mindert auch die Fliessverluste wesentlich im Vergleich zu anderen Zentrifugen.

Claims

Verfahren zur Zentrifugation nach Patent 10 2010 035 217, dadurch gekennzeichnet, daß 1) ein in einen Rotor (1) eingeführtes Gasgemisch (2) zu einem mehrfach vorhandenen System (15) von miteinander in Serie gekoppelten axialen Kanälen (3) geführt wird, das somit eine beachtliche Gesamtlänge aufweist und sich darin vorrangig axial bewegt und darin einer durch Rotation erzeugten Zentrifugalkraft unterzogen wird, wodurch eine Aufspaltung in eine leichte Gaskomponente (5) und eine schwere Gaskomponente erfolgt, wobei der Trennungsprozeß eine hohe Wirksamkeit hat wegen der relative hohen Durchlaufzeit in den in Serie geschalteten Kanälen, 2) wobei die Entnahme der separierten Komponenten am Ende des letzten vom Gas durchlaufenen Kanals erfolgt, wo eine entsprechende Vorrichtung (28) vorgesehen ist, 3) wobei alle axialen Kanäle (3, 6), relativ gesehen, im peripheren Bereich des Rotors plaziert sind und zwar dort, wo die Differenz der Teildrücke der Gaskomponenten (4, 5) große Werte annimmt 4) und dass in diesen Kanälen die leichte Gaskomponente (4) befindlich auf der achsnahen Seite des jeweiligen Kanals (3) beim Überwechseln zum nächsten damit verbundenem Kanal (6) auf der selben achsnahen Seite des Kanals (6) verbleibt, da der Wechsel beim selben Abstand von der Drehachse – Radius – stattfindet 5) und dass in diesen Kanälen die schwere Gaskomponente (5) befindlich auf der achsfernen Seite des jeweiligen Kanals (3) beim Überwechseln zum nächsten damit verbundenem Kanal (6) auf der selben achsfernen Seite des Kanals (6) verbleibt, da der Wechsel beim selben Abstand von der Drehachse – Radius – stattfindet, wodurch eine Umlenkung der Gaskomponenten sich erübrigt 6) und dass auch beim Wechsel zwischen Kanälen (7, 8), angeordnet in benachbarten Bereichen mit unterschiedlichen Durchmessern, die Gaskomponenten (4, 5) eine Vermischung vermeiden, indem die Zentrifugalkraft für die stabile Lage sorgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 1) die Drehrichtung des Rotors (1) so gewählt ist, dass die Fortbewegung des Gasgemisches (2) in die Drehrichtung des Rotors (1) beim Überwechseln von einem Kanal (3) zum anderen Kanal (6) zu einer Zunahme der Zentrifugalkraft durch den Anteil der dabei entstandenen Coriolis-Kraft führt, was die Separation der Gaskomponenten (4, 5) zusätzlich begünstigt.
Zentrifuge zur Durchführung des Verfahrens vom Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß 1) die Kanäle (3, 6, 7, 8) eines jeweiligen Systems von Kanälen (15) im Rotor (1) auf mehreren Ebenen plaziert sind, die mittels schrägen Verbindungskanälen (9, 10) an den jeweiligen Enden miteinander kommunizieren und zwar dergestalt, dass alle Kanäle (3, 6, 7, 8, 9, 10) eines jeweiligen System von Kanälen in Serie geschaltet sind, 2) wobei eine Einlaßkammer (11) versehen mit radialen Trennwänden (12) am Gaseinlaß (13) sich anschließt, wovon das Gasgemisch (2) durch Durchbrüche (14) in die vielfach vorhandenen Systeme von Kanälen (15) fließt, 3) und wobei der letzte Kanal (16) eines jeweiligen Systems an seinem Ende mit der Entnahmevorrichtung (28) für die separierten Komponenten verbunden ist, bestehend aus einem kurzen Kanal (17) verbunden mit einer Sammelkammer (18) für die schwere Gaskomponente (5), aus einer Leitung (19) verbunden mit einer Sammelkammer (20) für die leichte Gaskomponente (4) und aus einer zum Rotor (1) spitz zulaufenden Trennwand (21), welche eine Gabelung dieses Kanals bewirkt.
Zentrifuge nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasführung nach dem Passieren der Entnahmevorrichtung (28) auf zwei unterschiedlichen Ebenen erfolgt, welche die Möglichkeit bieten eine Dimensionierung der Sammelkammern (18, 20) nach der Durchflußmenge vorzunehmen, wobei die Sammelkammer (18) für die schwere Gaskomponente (5) eine Reihe von Trennwänden (22) aufweist und dass die Sammelkammer (20) für die leichte Gaskomponente (4) eine weitere Reihe von Trennwänden (23) aufweist, welche zur Stabilität der Konstruktion beitragen und die Gasführung unterstützen.
Zentrifuge nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die schwere Gaskomponente (5) durch Durchbrüche (24) in eine axiale Leitung (25) fließen kann, um zur Anwendung zu gelangen, während die leichte Gaskomponente (4) aus der Sammelkammer (20) durch Durchbrüche (26) in eine Leitung (27) fließen kann, um zur Anwendung zu gelangen.
Zentrifuge nach Anspruch 3 oder einem der nachfolgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (3–16) den gleichen und gleichzeitig den größtmöglichen Querschnitt für die gewählte Rotorkonfiguration haben und abgerundete Verbindungsstücke aufweisen, um den Fliesswiderstand möglichst gering zu halten.
Zentrifuge nach Anspruch 3 oder einem der nachfolgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen den benachbarten Kanälen (3, 6, ...) und deren Plazierung so gewählt sind, dass sie der mechanischen Spannung an dem jeweiligen Ort angepaßt sind, wobei die Materialbelastung im Sicherheitsbereich bleibt.