DE102010047814A1

DE102010047814A1 - Verfahren und Zentrifuge mit großer Druckdifferenz

Info

Publication number: DE102010047814A1
Application number: DE201010047814
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-10-07
Filing date: 2010-10-07
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2030-10-08
Also published as: DE102010047814B4

Abstract

Die vorliegende Zentrifuge beschreibt eine Rotorkonfiguration, welche statt rotierende Zylindermantel ein quasi massiver Rotor aufweist, worin mehrfache axiale Kanalgruppen vorgesehen sind, die durch Transferkanälen in Drehrichtung in Serie geschaltet sind. Das Gasgemisch wird in parallel durch mehrere solche Kanalgruppen gepumpt und das Gas der Zentrifugalkraft unterzogen, wodurch die Aufspaltung in eine leichte und eine schwere Gaskomponente erfolgt. Durch die sehr großen Gesamtlängen der Kanälen verlängert sich die Durchlaufzeit erheblich und durch die große radiale Breite der Kanäle vergrößert sich der Druckunterschied für die Zentrifugation zusätzlich, so daß die Wirksamkeit der Zentrifuge so hoch ist, daß eine komplette Trennung der Komponenten stattfindet oder diese Trennung schneller stattfindet. Der Hauptgrund für die Anwendung dieses Arbeitsprinzips für die Gaszentrifuge ist die Möglichkeit der Plazierung solcher abgeplatteten Kanälen mit einer Ausbreitung von der Peripherie bis nahe dem Zentralbereich des Rotors. 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 mit Ausnutzung von großer zentrifugaler Druckdifferenz.
Zentrifugen zur Separierung einer schweren Gaskomponente aus einem Gasgemisch sind seit langem bekannt. So verwendet die Zentrifuge des Patents P 10 2009 022 701 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 angereicherten 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.
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 Partialdrucken der Gaskomponenten bedeutende Werte annimmt. 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 einen sehr langen Weg für das Gas; in dieser Durchlaufzeit können sich die Gaskomponenten unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft gut trennen. Damit dieser Prozeß verstärkt wird, benutzt die vorliegende Erfindung radial sehr ausgedehnte Kanäle, die noch dazu nur in einer Reihe angeordnet sind, damit die radiale Breite der Kanäle am größten sein kann im zentrifugal relevanten Streifen von etwa der Mitte des Radius bis zur Peripherie. Die radiale Ausdehnung der Kanäle bewirkt eine erhöhte Druckdifferenz zwischen der schweren Gaskomponente und der leichten Gaskomponente, weil zusätzlich zu der Druckdifferenz basierend auf die unterschiedlichen Dichten der Gaskomponenten auch noch die Druckdifferenz zwischen den radial unterschiedlichen Positionen der Sammelbereiche für die Gaskomponenten hinzu kommt. So ist der Sammelbereich für die schwere Gaskomponente positioniert in einem verdickten Teil des jeweiligen Kanals in Richtung Peripherie, wo die Zentrifugalkraft für die schwere Gaskomponente hohe Werte hat und der Sammelbereich für die leichte Gaskomponente ist plaziert in einem deutlich vergrößertem Teil des Kanals in Richtung Achse. Der Verbindungsteil zwischen den Sammelbereichen dient dem Austausch der Gaskomponenten während der zentrifugalen Separation. Dieser ist gefüllt mit einem Gemisch der Gaskomponenten, während die Sammelbereiche möglichst einen hohen Anteil an der jeweiligen Gaskomponente führen. Mit fortschreitenden Trennung der Gaskomponenten ist dieser Verbindungsteil von immer schmaleren Dicke, welche zu Null tendiert in Richtung der Vorrichtung zur Entnahme der Gaskomponenten.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert.
Es zeigt:
1 Darstellung der Zentrifuge; Schnitt A-A und B-B
2 Schnitte C-C und D-D durch die Zentrifuge
Aufgrund der Figuren wird die Funktion näher erläutert.
Das in Rotor 1 eingeführte Gasgemisch 2 wird zu einer mehrfach vorhandenen Gruppe 15 von miteinander in Serie gekoppelten axialen Kanälen 31, 32, 33, 34, 35, 36, u. s. w. geführt, die somit eine beachtliche Gesamtlänge aufweist und sich darin vorrangig axial bewegt und der durch Rotation erzeugte Zentrifugalkraft unterzogen wird, wodurch die Aufspaltung in eine leichte Gaskomponente 4 und eine schwere Gaskomponente 5 erfolgt. Der Trennungsprozeß hat eine hohe Wirksamkeit, wegen der relative hohen Durchlaufzeit in den in Serie geschalteten Kanälen und dies erlaubt eine Durchsatzerhöhung. Die Entnahme der separierten Komponenten erfolgt am Ende des letzten vom Gas durchlaufenen Kanals 36, wo eine entsprechende Vorrichtung 28 vorgesehen ist. In diesen Kanälen verbleibt die leichte Gaskomponente 4 befindlich auf der achsnahen Seite des jeweiligen Kanals 31, ..., 36 beim Überwechseln zum nächsten damit verbundenem Kanal auf der selben achsnahen Seite des Kanals, 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 31, ..., 36 beim Überwechseln zum nächsten damit verbundenen Kanals auf der selben achsfernen Seite des Kanals, da der Wechsel beim ungefähr demselben Abstand von der Drehachse-Radius – stattfindet, wodurch eine Umlenkung der Gaskomponenten sich erübrigt.
Das Gasgemisch 2 wird in den Kanälen 31, ..., 36 geführt, welche abgeplattet sind und dadurch eine große radiale Ausdehnung haben, um dadurch die Trennung der Gaskomponenten 4, 5 zu verstärken, indem man die Wirkung von zwei Faktoren kombiniert:

– einmal die Zentrifugalkraft basierend auf dem Dichteunterschied der Gaskomponenten 4, 5
– und zusätzlich der Druckunterschied zwischen den Gaskomponenten 4, 5 basierend auf die unterschiedlichen Radien für dien Sammelteil 29 für die schwere Gaskomponente 5) und für den Sammelteil 30 für die leichte Gaskomponente 4

Die Menge der Gasgemisches verringert sich ständig im mittleren Bereich der Kanäle 31, ..., 36, je mehr man sich in Richtung zu der Gasentnahme fortbewegt und zwar so, daß unmittelbar vor der Gasentnahme kein Gas mehr darin existiert, ohne daß dadurch die Reinheit der separierten Gaskomponenten 4, 5 beeinträchtigt ist Die Querschnitte der Kanalteile 29, 30, 45, 46, 38, 40, 41, 42, 43, 44 sind an die Werte angepaßt, die sich aufgrund der ursprünglichen Konzentration der schweren Gaskomponente im Gasgemisch (2) ergeben, so daß ein Nennwert oder zulässiger Wert für die Zusammensetzung des Gasgemisches sich ergibt; die Zentrifuge arbeitet optimal nur mit einer bestimmten Konzentration eines bestimmten Gasgemisches 2.
Die Einlaßkammer 11 für das Gasgemisch 2 ist einerseits verbunden mit dem Gaseinlaß 13 und andererseits mit dem Verteilungsraum 3, der durch die Trennwände 12 aufgeteilt ist, welche gleichzeitig eine sternförmige Konstruktion zur Verstärkung der mechanischen Festigkeit im Zentralbereich des Rotors 1 bilden, wobei der Verteilungsraum 3 mit den Einlaßöffnungen 14 für das Gasgemisch mit den jeweiligen Kanälen 31 der Gruppen 15 verbunden ist.
Die Kanäle 31, 32, 33, 34, 35, 36, u. s. w. einer jeweiligen Gruppe 15 von Kanälen im Rotor 1 sind auf einer einzigen Ebene nebeneinander plaziert, wobei sie ein großer radialer Bereich (mehr als die Hälfte) von der Rotorperipherie bis hin zum zentralen Bereich belegen. Die Kanäle 31, ..., 36 einer Gruppe 15 sind an ihrem jeweiligen Ende mittels den unteren Transferkanälen 37 verbunden, welche eine besondere Struktur haben:

– Teil 39 für den Transfer der leichten Gaskomponente 4 oder einer Vorstufe dazu
– Teil 41 für den Transfer der schweren Gaskomponente 5 oder einer Vorstufe dazu
– Teil 40 für den Transfer der Mischung der Gaskomponenten als Gas mit einer vom Radius abhängigen Komponentenkonzentration und mittels den oberen Transferkanälen 38 verbunden sind, welche eine besondere Struktur haben:
– Teil 42 für den Transfer der leichten Gaskomponente 4 oder einer Vorstufe dazu
– Teil 44 für den Transfer der schweren Gaskomponente 5 oder einer Vorstufe dazu
– Teil 43 für den Transfer der Mischung der Gaskomponenten als Gas mit einer vom Radius abhängigen Komponentenkonzentration

Die Verbindungsteile 45 der Kanäle 31, ..., 36 weisen eine immer kleinere Dicke „d” auf, je mehr man sich vom ersten Kanal 31 der jeweiligen Gruppe 15 weg bewegt, um eine Verringerung der Menge des darin enthaltenen Gases zu bewirken und zwar bis zum völligen Blockieren vor der Gasentnahme.
Für die Gasentnahme ist eine Entnahmevorrichtung 28 für die separierten Komponenten vorgesehen, welche folgende Teile aufweist:

– Kanal 16 zwischen dem Sammelteil 29 des jeweils letzten Kanals 36 für die schwere Gaskomponente 5 und der mitrotierenden Sammelkammer 18 für die schwere Gaskomponente 5
– Leitung 19 zwischen dem Sammelteil 30 des jeweils letzten Kanals 36 für die leichte Gaskomponente 4 und der mitrotierenden Sammelkammer 20 für die leichte Gaskomponente 4
– Zwischenteil (6) befindlich am Ende des Abschnitts des Verbindungsteils (46) des jeweils letzten Kanals (36) zwischen den Sammelteilen (29, 30), dergestalt, daß eine komplett getrennte Gasführung für die Gaskomponenten (4, 5) sich ergibt.

Die Sammelkammer 18 für die schwere Gaskomponente 5 durch die Durchbrüche 24 mit der axialverlaufenden Entnahmeleitung 25 für die schwere Gaskomponente 5 verbunden ist, waährend die Sammelkammer 20 für die leichte Gaskomponente 4 durch die Durchbrüche 26 mit der Entnahmeleitung 27 für die leichte Gaskomponente 4 verbunden ist, welche konzentrisch mit der Leitung 25 angeordnet ist.
Der Rotor 1 besteht aus mehreren metallischen Blechen – ohne Darstellung in den Figuren –, welche in einem speziellen Diffusionsschweißverfahren im Vakuum- oder Edelgasatmosphäre miteinander verbunden wurden, wobei diese Bleche zahlreiche, mikroskopisch kleine Aussparungen aufweisen, die ein Grossteil der Metallmasse verringen, versehene sind, dergestalt, daß die Abstände dieser Aussparungen zueinander den Erfordernissen für hohe und möglichst gleichverteilte mechanische Festigkeit entsprechen.
Eine Durchsatzerhöhung ist bei großen Dichteunterschieden der Komponenten durch konstruktive Maßnahmen möglich, indem die Anzahl der Gruppen 15 vergrößert wird, bei gleichzeitiger Erhöhung der Anzahl der Einlaßöffnungen 14.
Es ist eine vom Radius bezogene Neigung der Komponenten von Kanälen einer Gruppe gegenüber der Rotorachse vorgesehen, so daß z. B. der Sammelteil 29 eine größere Neigung mit dem Winkel „α2” aufweist, während der Sammelteil 30 eine kleinere Neigung mit dem Winkel „α1” aufweist, gerade in dem Maße gewählt, damit die axiale Komponente, entstanden beim Agieren der Zentrifugalkraft im zentrifugiertem Gas auf der geneigte Kanalfläche, das eigene Gewicht der Gassäule vollständig kompensiert. Dadurch kann das Gas praktisch schwerelos in den Kanälen gepumpt werden kann, wobei diese günstige Situation nur bei einer ganz bestimmten Drehzahl sich ergibt, was allerdings die Nenndrehzahl der Zentrifuge definiert; diese Maßnahme verhindert, daß die unterschiedlich schweren Gaskomponenten zum Stau innerhalb der Kanäle kommen, wenn die Betriebsposition der Zentrifuge vertikal ist.

Claims

Verfahren zur Zentrifugation, wobei 1) das in Rotor (1) eingeführte Gasgemisch (2) zu einer mehrfach vorhandenen Gruppe (15) von miteinander in Serie gekoppelten axialen Kanälen (31, 32, 33, 34, 35, 36, u. s. w.) geführt wird, die somit eine beachtliche Gesamtlänge aufweist und sich darin vorrangig axial bewegt und der durch Rotation erzeugte Zentrifugalkraft unterzogen wird, wodurch die Aufspaltung in eine leichte Gaskomponente (4) und eine schwere Gaskomponente (5) 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 (36) erfolgt, wo eine entsprechende Vorrichtung (28) vorgesehen ist, 3) und dass in diesen Kanälen die leichte Gaskomponente (4) befindlich auf der achsnahen Seite des jeweiligen Kanals (31, ..., 36) beim Überwechseln zum nächsten damit verbundenem Kanal auf der selben achsnahen Seite des Kanals verbleibt, da der Wechsel beim selben Abstand von der Drehachse-Radius – stattfindet 4) und dass in diesen Kanälen die schwere Gaskomponente (5) befindlich auf der achsfernen Seite des jeweiligen Kanals (31, ..., 36) beim Überwechseln zum nächsten damit verbundenen Kanals auf der selben achsfernen Seite des Kanals verbleibt, da der Wechsel beim selben Abstand von der Drehachse-Radius – stattfindet, wodurch eine Umlenkung der Gaskomponenten sich erübrigt, dadurch gekennzeichnet, daß 5) das Gasgemisch (2) in Kanälen (31, ..., 36) geführt wird, welche abgeplattet sind und dadurch eine große radiale Ausdehnung haben, um dadurch die Trennung der Gaskomponenten (4, 5) zu verstärken, indem man die Wirkung von zwei Faktoren kombiniert: i. einmal die Zentrifugalkraft basierend auf dem Dichteunterschied der Gaskomponenten (4, 5) ii. und zusätzlich der Druckunterschied zwischen den Gaskomponenten (4, 5) basierend auf die unterschiedlichen Radien für dien Sammelteil (29) für die schwere Gaskomponente (5) und für den Sammelteil (30) für die leichte Gaskomponente (4) 6) und wobei die Menge der Gasgemisches im mittleren Bereich der Kanäle (31, ..., 36) sich ständig verringert, je mehr man sich in Richtung der Gasentnahme fortbewegt und zwar so, daß unmittelbar vor der Gasentnahme kein Gas mehr darin existiert, ohne daß dadurch die Reinheit der separierten Gaskomponenten (4, 5) beeinträchtigt ist, 7) wobei die Querschnitte der Kanalteile (29, 30, 45, 46, 38, 40, 41, 42, 43, 44) an die Werte angepaßt sind, die sich ergeben aufgrund der ursprünglichen Konzentration der schweren Gaskomponente im Gasgemisch (2), so daß ein Nennwert oder zulässiger Wert für die Zusammensetzung des Gasgemisches sich ergibt; die Zentrifuge arbeitet optimal nur mit einer bestimmten Konzentration eines bestimmten Gasgemisches (2).
Zentrifuge zur Durchführung des Verfahrens vom Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 1) Eine Einlaßkammer (11) für das Gasgemisch (2) einerseits verbunden mit dem Gaseinlaß (13) ist und andererseits mit dem Verteilungsraum (3), der durch die Trennwände (12) aufgeteilt ist, welche gleichzeitig eine sternförmige Konstruktion zur Verstärkung der mechanischen Festigkeit im Zentralbereich des Rotors (1) bilden, wobei der Verteilungsraum (3) mit den Einlaßöffnungen (14) für das Gasgemisch mit den jeweiligen Kanälen (31) der Gruppen (15) verbunden ist 2) und das die Kanäle (31, 32, 33, 34, 35, 36, u. s. w.) einer jeweiligen Gruppe (15) von Kanälen im Rotor (1) auf einer einzigen Ebene nebeneinander plaziert sind, wobei sie ein großer radialer Bereich (mehr als die Hälfte) von der Rotorperipherie bis hin zum zentralen Bereich belegen, 3) wobei die Kanäle (31, ..., 36) einer Gruppe (15) an ihrem jeweiligen Ende mittels den unteren Transferkanälen (37) verbunden sind, welche eine besondere Struktur haben: i. Teil (39) für den Transfer der leichten Gaskomponente (4) oder einer Vorstufe dazu ii. Teil (41) für den Transfer der schweren Gaskomponente (5) oder einer Vorstufe dazu iii. Teil (40) für den Transfer der Mischung der Gaskomponenten als Gas mit einer vom Radius abhängigen Komponentenkonzentration und mittels den oberen Transferkanälen (38) verbunden sind, welche eine besondere Struktur haben: iv. Teil (42) für den Transfer der leichten Gaskomponente (4) oder einer Vorstufe dazu v. Teil (44) für den Transfer der schweren Gaskomponente (5) oder einer Vorstufe dazu vi. Teil (43) für den Transfer der Mischung der Gaskomponenten als Gas mit einer vom Radius abhängigen Komponentenkonzentration 4) und wobei die Verbindungsteile (45) der Kanäle (31, ..., 36) eine immer kleinere Dicke „d” aufweisen, je mehr man sich vom ersten Kanal (31) der jeweiligen Gruppe (15) weg bewegt, um eine Verringerung der Menge des darin enthaltenen Gases zu bewirken und zwar bis zum völligen Blockieren vor der Gasentnahme, 5) wobei für die Gasentnahme eine Entnahmevorrichtung (28) für die separierten Komponenten vorgesehen ist, welche folgende Teile aufweist: i. Kanal (16) zwischen dem Sammelteil (29) des jeweils letzten Kanals (36) für die schwere Gaskomponente (5) und der mitrotierenden Sammelkammer (18) für die schwere Gaskomponente (5) ii. Leitung (19) zwischen dem Sammelteil (30) des jeweils letzten Kanals (36) für die leichte Gaskomponente (4) und der mitrotierenden Sammelkammer (20) für die leichte Gaskomponente (4) iii. Zwischenteil (6) befindlich am Ende des Abschnitts des Verbindungsteils (46) des jeweils letzten Kanals (36) zwischenden Sammelteilen (29, 30), dergestalt, daß eine komplett getrennte Gasführung für die Gaskomponenten (4, 5) sich ergibt, 6) Wobei die Sammelkammer (18) für die schwere Gaskomponente (5) durch die Durchbrüche (24) mit der axialverlaufenden Entnahmeleitung (25) für die schwere Gaskomponente (5) verbunden ist, während die Sammelkammer (20) für die leichte Gaskomponente (4) durch die Durchbrüche (26) mit der Entnahmeleitung (27) für die leichte Gaskomponente (4) verbunden ist, welche konzentrisch mit der Leitung (25) angeordnet ist.
Zentrifuge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) aus mehreren metallischen Blechen – ohne Darstellung in den Figuren – besteht, welche in einem speziellen Diffusionsschweißverfahren im Vakuum- oder Edelgasatmosphäre miteinander verbunden wurden, wobei diese Bleche zahlreiche, mikroskopisch kleine Aussparungen aufweisen, die ein Grossteil der Metallmasse verringen, versehene sind, dergestalt, daß die Abstände dieser Aussparungen zueinander den Erfordernissen für hohe und möglichst gleichverteilte mechanische Festigkeit entsprechen.
Zentrifuge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Durchsatzerhöhung bei großen Dichteunterschieden der Komponenten durch konstruktive Maßnahmen möglich ist, indem die Anzahl der Gruppen (15) vergrößert wird, bei gleichzeitiger Erhöhung der Anzahl der Einlaßöffnungen (14).
Zentrifuge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine vom Radius bezogene Neigung der Komponenten von Kanälen einer Gruppe gegenüber der Rotorachse vorgesehen ist, so daß z. B. der Sammelteil (29) eine größere Neigung mit dem Winkel „α2” aufweist, während der Sammelteil (30) eine kleinere Neigung mit dem Winkel „α1” aufweist, gerade in dem Maße gewählt, damit die axiale Komponente, entstanden beim Agieren der Zentrifugalkraft im zentrifugiertem Gas auf der geneigte Kanalfläche, das eigene Gewicht der Gassäule vollständig kompensiert, so daß das Gas praktisch schwerelos in den Kanälen gepumpt werden kann, wobei diese günstige Situation nur bei einer ganz bestimmten Drehzahl sich ergibt, was allerdings die Nenndrehzahl der Zentrifuge definiert; diese Maßnahme verhindert, daß die unterschiedlich schweren Gaskomponenten zum Stau innerhalb der Kanäle kommen, wenn die Betriebsposition der Zentrifuge vertikal ist.