DE1091541B - Verfahren und Vorrichtung zur Trennung von gas- oder dampffoermigen Stoffen, insbesondere Isotopen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung des Verfahrens zur Trennung von gas- oder dampfförmigen Stoffen mit unterschiedlichem Molekulargewicht und/oder unterschiedlichem gaskinetischem Wirkungsquerschnitt, insbesondere von Isotopen, bei dem man das zu trennende Gemisch aus einer düsenartigen öffnung austreten läßt und den expandierenden Strahl durch eine in seinem Stiömungsweg angeordnete Blende in ein Mantelteil und ein durch die Blendenöffnung hindurchtretenden Kernteil trennt, nach Patent 1 052 955.

Zu einer in verschiedener Hinsicht besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens gemäß dem Hauptpatent gelangt man, wenn man der Ausgestaltung der Abschälblende und dem Druckverhältnis in den Räumen vor der Düse, zwischen Düse und Abschälblende und hinter der Abschälblende besondere Aufmerksamkeit widmet. Es könnte naheliegen, das Veihältnis der Drücke im Raum vor der Düse (A') und in dem zwischen der Düse und der Abschälblende (B') groß zu wählen, z. B. größer als 100 oder sogar größer als 1000. Dabei sollte auch das Druckverhältnis zwischen Raum A' und dem Raum hinter der Abschälblende (C) im gleichen Bereich liegen, um eine Rückmischung der einmal getrennten Strahlenteile mit Sicherheit zu vermeiden. Wie erwähnt, werden dabei die Blenden kegel- oder dachförmig ausgebildet, wobei zunächst nur das Bestreben maßgebend ist, die Konizität der Blende bzw. den äußeren Öffnungswinkel der Blende so zu wählen, daß auch hier die Möglichkeit einer Rückmischung durch Verdichtungsstöße an der Außenwand der Blende ausgeschaltet ist. Dazu wird es im allgemeinen genügen, den äußeren öffnungswinkel der Blende kleiner als etwa 100° zu wählen.

Die erwähnten relativ hohen Druckverhältnisse würden aber, insbesondere bei einer Vervielfachung des Trennvorganges durch Hintereinanderschaltung einer Vielzahl von Trennstufen, die Aufwendung hoher Pumpkapazitäten erforderlich machen. Sowohl die unter niederem Druck stehenden Gase im Raum B' als auch im Raum C müßten nämlich für die weitere Trennung in der nächsten bzw. vorhergehenden Stufe um Faktoren von über 100 oder sogar über 1000 auf komprimiert werden.

Nun hat sich überraschenderweise gezeigt, daß es möglich ist, bei Aufrechterhaltung eines Druckverhältnisses von über 100 bzw. über 1000 zwischen den Räumen A' und B' das Druckverhältnis zwischen A' und C nicht nur ohne wesentliche Verminderung, sondern sogar unter Steigerung der Trennwirkung erheblich zu verkleinern, beispielsweise auf unter 80 oder sogar auf unter 40. Dieses unerwartete Ergebnis ermöglicht nun eine besonders bevorzugte und günstige Arbeitsweise insoweit, als bei einer mehrstufigen Trennung infolge der hinter den Abschälblenden nunmehr einzuhaltenden höheren Drücke ein Teil des Gases für die nächsten Stufen Verfahren und Vorrichtung
zur Trennung von gas-

oder dampfförmigen Stoffen,
insbesondere Isotopen

Zusatz zum Patent 1 052 955

Anmelder:

Deutsche Gold- und Silber-Scheideanstalt

vormals Roessler,
Frankfurt/M., Weißfrauenstr. 9

Dr. Erwin Willy Albert Becker, Karlsruhe,
ist als Erfinder genannt worden

weniger hoch auf komprimiert werden muß. Die Vorteile diesel Arbeitsweise liegen vor allem darin, daß eine erhebliche Ersparnis an Pumpkapazität eintritt bzw. die für eine vielstufige Trennung benötigten zahlreichen Pumpen teilweise auf schwächere Kompression sverhältnisse und kleinere Ansaugvolumina ausgelegt werden können.

Für die praktische Durchführung der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung verwendet man kegel- oder dachförmige Blenden, deren innerer Öffnungswinkel so bemessen ist, daß der Kernteilstrahl in bzw. hinter der Blende mehr oder weniger stark gestaut wird. Dazu kann es gegebenenfalls bereits genügen, den inneren Öffnungswinkel der Blende nur um ein weniges kleiner zu wählen als den durch die Außenwände gebildeten, d. h. also, daß der innere öffnungswinkel der Blende kleiner als 90° sein soll. Wesentlich stärker und damit wirksamer tritt die Stauwirkung in der Blende ohne Rückmischimg jedoch in Erscheinung, wenn der innere Öffnungswinkel der Blende weniger als 50° beträgt oder der durch die Innenfläche der Abschälblende gebildete Kanal sich in Strömungsrichtung sogar verengt. Auch dabei kann trotz der weiterhin erhöhten Stauung eine Rückmischung zwischen Kern- und Mantelteilstrahl praktisch vermieden werden.

009 629/377

3 4

Man kann die Ausgestaltung der Blende gemäß der stehende Trennstufen. Das zu trennende Gasgemisch vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung auf ver- wird durch die Leitung 77 über die Pumpe 78 der ersten schiedene Weise erreichen. Man kann z. B. Blenden vor- Trennstufe zugeführt und dort in Kern- und Mantelteil sehen, die über, die ganze Länge in Strahlenrichtung gleich zerlegt, wobei das Kernstrahlgas in der Blende gemäß der starke Wände aufweisen, bei denen also Innenfläche und 5 vorliegenden Erfindung gestaut wird. Es wird über die Außenfläche parallel zueinander verlaufen und diese Pumpe 79 in die zweite Trennstufe 72 gefördert und von Wände in den richtigen Winkel zueinander stellen. In dort der Kernteil jeweils über entsprechende Pumpen in diesem Fall ist es zweckmäßig, die Wände an der dem die nächsten Trennstufen weitergeleitet. Der Mantelteil Strahl zugekehrten Serte^v zur Vermeidung von Ver- der Trennstufe 73 gelangt über die Leitung 711 und die dichtungsstößen im Raum B' anzuschärfen. Man kann io Pumpe 712 bei 713 in die Zuführung zur Trenn stufe 71 auch die Außenfläche in einem größeren Winkel zur und wird hier wieder, wie üblich, aufgetrennt. Das Mantel-Strahlrichtung verlaufen lassen und nur die inneren Wand- gas der nächsten Trennstufe 74 wird über die Leitung 714 flächen auf einen kleineren öffnungswinkel, vorzugsweise über die Pumpe 715 vor der vorletzten Trennstufe 72 bei unter 50°, einrichten. In manchen Fällen kann es auch 725 in den Kreislauf zurückgeführt; entsprechend auch zweckmäßig sein, die Blendenwand durch in Strahl- 15 das Mantelgas von 75 durch die Leitung 716 über die richtung leicht gekrümmte Flächen zu begrenzen. Pumpe 717 bei 718 in die Trennstufe 73 usw. Je nachdem,

Die Ausbildung der Blenden gemäß der vorliegenden ob beispielsweise das Gas aus der Leitung 716 vor der Erfindung wird an Hand der Abb. 3 a bis 3e beispielsweise Pumpe 791, nämlich bei 718, oder hinter dieser Pumpe, erläutert. Abb. 3 a zeigt eine Blende mit gleichbleibender also bei 719, in die Hauptleitung zurückgefördert wird, Wandstärke, bei der der öffnungswinkel weniger als 50° 20 muß die Pumpe 717 für ein anderes Kompressionsbeträgt. In Abb. 3 b beträgt der äußere Winkel mehr als verhältnis ausgelegt sein. Im ersten Falle braucht diese 50°, wobei jedoch die Wand der Blende in Strömungs- Pumpe nur auf den Druck zu fördern, mit dem das Kernrichtung allmählich verstärkt ist, so daß für die gas- gas die vor der Trennstufe 73 liegende Trennstufe 72 führende Öffnung der Blende ein Winkel unter 50° verläßt, während im zweiten Fall, nämlich bei Eintritt entsteht. In Abb. 3 c ist eine Blende schematisch dar- 25 in die Hauptleitung bei 719, die Pumpe 720 entsprechend gestellt, bei der die Innenflächen parallel zueirandei höher komprimieren muß.

laufen, so daß im Fall einer Kegelblende ein zylindrischer Wie bereits erwähnt wurde, ist es durch diese Arbeits-Kanal entsteht. Werden die Innenflächen noch weiter weise in der bevorzugten Ausführungsform unter Aneingezogen, wie es Abb. 3d zeigt, so verengt sich der wendung eines kleinen Abschälverhältnisses möglich, Querschnitt des Kanals allmählich, und es entsteht eine 30 den um ein hohes Druckverhältnis zu komprimierenden Blendenform, die in manchen Fällen eine besonders Mantelteilstrahl wesentlich zu reduzieren, wodurch in starke Stauung des Kernteilstrahles ohne Rückmischung Verbindung mit dem Rückstau des Kernteilstrahls ermöglicht. In allen Fällen können die die Wände der erheblich an Pumpkapazität gespart werden kann. Durch Blende begrenzenden Flächen auch leicht gekrümmt sein, diese Maßnahme wird der Aufwand zum Komprimieren wie dies in Abb. 3e für ein Beispiel dargestellt ist. Dabei 35 des verbleibenden Mantelteilstrahls im allgemeinen können entweder die äußere oder die innere Wandfläche verhältnismäßig klein. Es ist jedoch grundsätzlich mög- oder auch beide mit einer Krümmung versehen sein. lieh, eine weitere Einsparung von Pumpkapazität noch

Alle diese Ausführungsformen dienen, wie erwähnt, dadurch zu erreichen, daß man auch den Mantelteilstrahl dazu, im Raum hinter der Abschälblende einen höheren staut. Dies läßt sich im Prinzip so verwirklichen, daß man Druck ohne Rückmischung der Strahlteile zu ermöglichen 40 die den Raum B' begrenzende Wand so an die Abschäl- und das Druckverhältnis zwischen diesem Raum und der blende heranführt, daß durch diese Wand und die AbDüse der nächsten Trennstufe zu verringern. schälblende ein Kanal gebildet wird, der eine ähnliche

Die Vorteile, die das Verfahren der Erfindung in dieser Funktion ausübt, wie die in Abb. 3a bis 3e dargestellten

Hinsicht bietet, lassen sich mit besonders günstigem Kanäle der Abschälblenden.

Ergebnis ausnutzen, wenn die als Kernteilstrahl ab- 45 Eine solche Arbeitsweise ist in Abb. 2 mit einem sich in

getrennte Gasmenge möglichst groß gehalten wird. Strömungsrichtung verengenden Mantelkanal beispiels-

Infolgedessen gehört es zu einer weiteren bevorzugten weise näher erläutert. Das durch das Zuleitungsrohr 81

Ausführungsform der Erfindung, das Abschälverhältnis ■&, einströmende gasförmige Gemisch expandiert in der

d. h. das Verhältnis des als Mantelteilstiahl abgezogenen Düse 82 und wird durch die beispielsweise mit einem

■Gases zu dem im Kernteilstrahl verbleibenden, möglichst 50 zylindrischen Kanal 83 versehene Abschälblende 84 in

klein zu halten und mehr als 65 °/₀ der aus der Düse aus- mehrfach beschriebener Weise in Kern- und Mantelteil-

tretenden Gasmenge, vorzugsweise sogar mehr als 85 %, strahl zerlegt. Während der im Kanal 83 rückgestaute

im Kernteilstrahl zu belassen, wodurch nur unter- Kernteilstrahl bei 85 einer dort angeschlossenen Pumpe

geordnete Gasanteile als Mantelteil abgezogen werden zuströmt, wird der Mantelteilstrahl durch die Wände 86

müssen. Bei einer derartigen Arbeitsweise erreicht man, 55 so an die Abschälblende 84 herangeführt, daß er ebenfalls

daß der um ein hohes Druckverhältnis zu komprimierende rückgestaut wird. Dadurch erreicht er die bei 87 ange-

Gasanteil (Mantelteilstrahl) absinkt, während ein starker schlossene Pumpe mit einem höheren Druck, als er in

Anstieg des Trennfaktors mit abnehmendem Abschäl- unmittelbarer Nähe der Düse im Raum 88 herrscht,
verhältnis ■& (vgl. Beispiel 3) es überraschenderweise Die mit dem Verfahren zu erzielenden Trenneffekte

ermöglicht, den Gesamtdurchsatz der Anlage durch alle 60 werden nachstehend an Hand von Beispielen weiterhin

•Düsen bei festgehaltener Menge und Konzentration des erläutert:
Produktes konstantzuhalten oder sogar zu vermindern.

Bei dieser Arbeitsweise ergibt sich somit eine weitere Beispiel 1

Einsparung an Pumpkapazität.

In Abb. 1 ist die Vorrichtung zur wiederholten Trennung 65 Ein Gemisch aus 8,7 °/₀ Wasserstoff und 91,3 % Kohlen-

eines Gas- oder Dampfgemisches bzw. eines Isotopen- dioxyd wurde mit einer Düse von 0,51 mm Durchmesser

gemisches in mehreren Trennstufen wiedergegeben, wobei und einem Druck von 15 Torr vor der Düse unter

das Abschälverhältnis ■& mit etwa 0,33 kleiner als 0,5 Benutzung einer Abschälblende nach Abb. 3 b, die einen

gewählt ist. Es bedeuten 71, 72, 73, 74, 75 und 76 sechs Mündungsdurchmesser von 1,5 mm besaß, getrennt. Dabei hintereinandergeschaltete, aus Düse und Blende be- 70 wurde das Verhältnis der Drücke in den Räumend'

und B', bezeichnet als pA-lpB*. auf über 1000 gehalten, während das Verhältnis der Drücke in den Räumen A' und C (pA-lpc) in einem Versuch auf über 1000 und in einem Vergleichsversuch auf 75 eingestellt wurde. Bei jedem der Vergleichs versuche wurde der Trennfaktor A bestimmt, wobei sich Werte gemäß nachstehender Tabelle 1 ergaben:

Tabelle 1

> 1000

> 1000

P A-

> 1000
75

3,1
3,8

> 1000

> 1000

> 1000

pA'lPc

1000
45
19

5,1
5,0
3,1

Beispiel 3 Tabelle 3

0,58
0,30
0,20
0,03

A — l

0,0427 ± 0,0008
0,0514 ± 0,0012
0,0578 ± 0,0012
0,1302 ± 0,0013

Die Tabelle zeigt, daß bei gleichbleibendem Verhältnis ■pA'lpBi die Erniedrigung des Verhältnisses pA-lpc- von mehr als 1000 auf 75 den Trennfaktor nicht erniedrigt, sondern ihn sogar schwach erhöht.

20

Beispiel 2

Unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1, jedoch mit einer Abschälblende entsprechend Abb. 3c mit einem Kanal von 2 mm Durchmesser wurde bei einem Abschälverhältnis = 0,5 und gleichbleibendem Wert von PMpB- das Druckverhältnis pA-lpc- von über 1000 auf 19 herabgesetzt. Die Ergebnisse der Bestimmung des elementaren Trennfaktors A zeigt die nachstehende Tabelle 2:

Tabelle 2

30

35

Daraus ergibt sich, daß die Erniedrigung von pA-lpa auf 45 noch keine außerhalb der Fehlergrenze liegende Herabsetzung des Trennfaktors bewirkt, während für ein Druckverhältnis pA-lpc- = 19 eine deutliche Verminderung des Trennfaktors A eintritt.

45

An einem natürlichen Argon-Isotopen-Gemisch wurde unter Benutzung einer Abschälblende nach Abb. 3 b bei einem Druck von 10 Torr die Abhängigkeit des Trennfaktors vom Abschälverhältnis ■& untersucht. Das Abschälverhältnis wurde dabei durch Veränderung des Abstandes zwischen Düsenmündung und Abschälblende variiert. In der Tabelle 3 ist nicht der elementare Trennfaktor A angegeben, sondern die Größe A-I:

Aus der Tabelle geht hervor, daß mit kleiner werdendem Abschälverhältnis die Größe A — i stark ansteigt.

Claims (7)

Patentansprüche·.

1. Verfahren zur Trennung von gas- oder dampfförmigen Stoffen mit unterschiedlichem Molekulargewicht und/oder unterschiedlichem gaskinetischem Wirkungsquerschnitt, insbesondere von Isotopen, bei dem man das zu trennende Gemisch aus einer düsenartigen Öffnung austreten läßt und den expandierenden Strahl durch eine in seinem Strömungsweg angeordnete Blende in einen Mantelteil und einen durch die Blendenöffnung hindurchtretenden Kernteil trennt, nach Patent 1 052 955, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Druckes im Raum vor der Düse zum Druck im Raum hinter der Abschälblende unter 80, vorzugsweise unter 40 liegt, während das Verhältnis des Druckes im Raum vor der Düse zum Druck im Raum zwischen der Düse und der Abschälblende bei merklich höheren Weiten, beispielsweise bei Werten über 100 gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelteilstrahl durch kanalartige, gegebenenfalls in seiner Strömungsrichtung sich verengende Räume, abgezogen wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Kernteil abgezogene Gasmenge wesentlich größer gewählt wird als diejenige im Mantelteil und z. B. mehr als 65%, vorzugsweise mehr als 85 % der gesamten Gasmenge beträgt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Öffnungswinkel der im Strömungsweg des Strahles angeordneten kegel- oder dachförmigen Blende weniger als 90°, vorzugsweise weniger als 50°, beträgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dachförmigen Blenden annähernd parallele Innenflächen aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kegelförmigen Blenden einen etwa zylindrischen Durchgangskanal aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende einen in Strömungsrichtung des Kernteilstrahles sich verengenden Durchgangskanal aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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