DE1096875B

DE1096875B - Verfahren zum Trennen von gas- oder dampffoermigen Stoffen, insbesondere Isotopen

Info

Publication number: DE1096875B
Application number: DED23752A
Authority: DE
Inventors: Dr Erwin Becker
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1955-10-05
Filing date: 1956-09-05
Publication date: 1961-01-12
Also published as: BE551429A; DE1119830B; FR1172542A; GB803689A; DE1052955B; GB794834A; FR1230416A; US2950778A; BE539578A; BE559713A; US2951554A; GB825798A

Description

DEUTSCHES

Nach dem Verfahren der Patentanmeldung D 20 659 IV c/12e werden Gemische gas- oder dampfförmiger Stoffe, die unterschiedliche Maße und/oder unterschiedlichen gaskinetischen Wirkungsquerschnitt aufweisen, getrennt, indem man diese aus einer düsenartigen Öffnung austreten läßt und den gebildeten Gas- oder Dampfstrahl durch eine in seinem Strömungsweg angeordnete Blende, einen sogenannten Abschäler, in einen Mantelteil und einen durch die Blendenöffnung hindurchtretenden Kern- ■ teil zerlegt. Dabei reichert sich die schwere Komponente im allgemeinen im Kernteil an.

Es wurde nun gefunden, daß die Verhältnisse des Druckes im Raum vor der Düse zum Druck im Raum nach dem Abschäler und des Druckes im Raum vor der Düse zum Druck im Raum zwischen Düse und Abschäler ohne erhebliche Verminderung, in manchen Fällen sogar unter Steigerung des Trennfaktors, auf weniger als die Hälfte oder ein Drittel der beim Verfahren nach der Hauptpatentanmeldung üblichen Werte herabgesetzt werden können, wenn man dem zu trennenden Gemisch ein leichtes Zusatzgas, vorzugsweise im molmäßigen Überschuß, beimischt.

Dabei ist es, einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens nach der Hauptpatentanmeldung entsprechend, möglich, das Verhältnis des Druckes im Raum vor der Düse zu dem im Raum hinter der Abschälblende nicht nur ohne Verminderung, sondern in manchen Fällen sogar unter Steigerung des Trenneffektes wesentlich kleiner zu halten als das Verhältnis des Druckes im Raum vor der Düse zu dem im Raum zwischen Düse und Abschälblende.

Der Rückstaueffekt des Kerngases kann durch geeignete Maßnahmen — z. B. durch die ebenfalls in der Hauptpatentanmeldung beschriebene eigenartige Ausgestaltung der Abschälblenden — unterstützt werden, wobei die starke Verminderung des Expansionsverhältnisses zwischen den Räumen vor der Düse und hinter der Abschälblende eine besonders große Einsparung an Kompressionsarbeit und Ansaugvolumen zur Folge hat. In Ausübung des Verfahrens der Erfindung kann beispielsweise so gearbeitet werden, daß das Verhältnis der Drucke im Raum vor der Düse zum Druck im Raum hinter der Abschälblende unter 10, vorzugsweise unter 5, liegt, während das Verhältnis der Drucke im Raum vor der Düse zum Druck im Raum zwischen Düse und Abschälblende unter 30, vorzugsweise unter 10, gehalten werden kann. Dabei ergeben sich trotz der Notwendigkeit zur Mitkompression des Zusatzgases insofern technische und wirtschaftliche Vorteile, als die Kompression der Gasströme mit Pumpentypen durchgeführt werden kann, die für ein kleines Kompressionsverhältnis ausgelegt sind und deren Anlage und Betrieb sich daher besonders günstig gestaltet.

Auch gewisse technische Probleme lassen sich relativ Verfahren zum Trennen von gas-

oder dampfförmigen Stoffen,

insbesondere Isotopen

Zusatz zur Zusatzpatentanmeldung D 20659 IVc/12 e
(Auslegeschrift 1 091 541)

Anmelder:
Deutsche Gold- und Silber-Scheideanstalt

vormals Roessler,
Frankfurt/M., Weißfrauenstr. 9

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

leicht und einfach lösen, wenn man dem zu trennenden Gemisch ein inertes Zusatzgas beimengt. Beispielsweise kann die ganze Trennanlage unter einem Schutzmantel dieses Gases gehalten werden, so daß geringe Undichtigkeiten sich auch beim Trennen luftempfindlicher Dämpfe nicht mehr schädlich auswirken. Auch kann man besonders korrosionsgefährdete Teile, wie Pumpenlager, Wellendurchführungen usw., mit dem Zusatzgas spülen und so häufige Reparaturen und Betriebsunterbrechungen vermeiden. Schließlich ist es auf diesem Wege möglich, gerade die besonders heiklen Dichtungsprobleme wesentlich zu vereinfachen.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung läßt sich die räumliche Trennung der Gemischkomponenten durch besondere Düsenformen weiter verbessern. Drei Beispiele gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeter Düsen sollen an Hand der Abb. 1 bis 3 erläutert werden.

Nach Abb. 1, die einen Schnitt durch eine Schlitzdüse darstellt, kann man in einer solchen Düse Einbauten, mit 11, 12 und 13 bezeichnet, anbringen, die die Düsenöffnung dergestalt verändern, daß sich mindestens zwei aufeinander zu laufende Gasströme 14 und 15 ausbilden. Ebenso kann, wie in Abb. 2 dargestellt, eine runde Düse durch einen entsprechenden Einbau 21, 22 zu einer Ringdüse abgewandelt werden, bei der sich die Teile des Ringstrahles in einer bestimmten Entfernung vor der Düsenmündung treffen und dabei gegenseitig fokussieren. Wie Abb. 3 zeigt, kann es unter gewissen Bedingungen auch zweckmäßig sein, einen weiteren Gasstrom, der z. B. durch die mittlere Öffnung 35 der dargestellten abgewandelten Schlitzdüse geleitet wird, zu Hilfe zu nehmen. Die Einbauten sind hier mit 31, 32, 33 und 34 bezeichnet.

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3 4

Solche und ähnliche Düsen, auch konzentrische Ring- . Beider Kontrolle der beschriebenen vierstufigen Trenndüsen mit zwei Öffnungen, können gegebenenfalls derart kaskade wird zweckmäßig darauf geachtet, daß das Verbeaufschlagt werden, daß durch die verschiedenen in der hältnis der Molströme von Zusatzgas und zu trennendem Düse vorhandenen Räume das zu trennende Gasgemisch Gemisch an den korrespondierenden Stellen der einzelnen und das Hilfsgas gesondert eingeleitet werden, wobei sich 5 Trennstufen konstant gehalten wird. Dies läßt sich in den die Gasströme dann erst vor der Düsenöfmung treffen und meisten Fällen durch geeignete Wahl des Abschälververmischen. Nach demselben Prinzip lassen sich selbst- hältnisses Mantelgäs zu Kerngas erreichen, gegebenenfalls verständlich auch voneinander getrennte Düsen in ent- muß durch Kondensatoren u. dgl. (s. hierzu weiter oben) sprechender räumlicher Anordnung verwenden. nachgeholfen und korrigiert werden.

Zur Vergrößerung des Trennefiektes kann die Tren- io Im folgenden soll an Hand von Molverhältnissen, die

nung, wie in der Hauptpatentanmeldung erläutert, in für alle wesentlichen Stellen der oben beschriebenen An-

hintereinandergeschalteten, aus Düse und Blende be- lage in Mol je Zeiteinheit angegeben werden, die Funktion

stehenden Stufen beliebig oft wiederholt werden, indem des in sich abgeschlossenen Systems für ein spezielles

die aus dem Kern- und Mantelteilstrahl anfallenden Gas- Beispiel im einzelnen erläutert werden. Dabei ist der

mengen einer erneuten Trennung nach dem Grundprinzip 15 mittlere Trennfaktor zwischen dem leichten Zusatzgas

der Erfindung unterworfen werden. Bei dieser Hinter- und dem zu zerlegenden schweren Gemisch
einanderschaltung der Trennstufen wird man mit Vorteil Nd-N)

die Teüströme der Stufen derart vereinigen, daß sie an A= —^L

den Vereinigungsstellen in bezug auf das zu trennende ■ Ny[V 1\h)

schwere Gemisch weitgehend gleiche Zusammensetzung 20 beispielsweise als A = 9 angenommen. In der Formel

aufweisen. Eine solche Arbeitsweise für vier hinterein- bedeuten N^: und Νγ den Molbruch des schweren

andergeschaltete Trennstufen ist schematisch in Abb. 4 Gemisches hinter und vor der Abschälblende in Strahl-

dargestellt. richtung gesehen. Das Abschälverhältnis

In dieser Abbildung bedeuten 41, 42, 43 und 44 vier

hintereinandergeschaltete, aus Düse und Blende be- as ■ _δ =_ Molstrom des schweren Gemisches im Mantelgas stehende Trennstufen. Das zu trennende Gasgemisch Molstrom des schweren Gemisches in der Düse

wird aus der Leitung 45 durch die Pumpe 46 in die erste

Trennstufe 41 gefördert und dort in Kern- und Mantelteil wird mit ■& — 0,5 angenommen, wodurch bei Rückzerlegt. Der Kernteil wird durch die Leitung 410 über die speisung des Mantelgases in die Düse des vorhergehenden Pumpe 411 in die zweite Trennstufe 42 eingeführt und 30 Trennelementes die sich vereinigenden Teüströme des hier ebenfalls in der beschriebenen Weise aufgetrennt. schweren Gemisches gleiche Zusammensetzung haben. Der Kernteil der zweiten Trennstufe gelangt über die Nach den in der Hauptpatentanmeldung angegebenen Leitung 420 und die Pumpe 421 in die dritte Trennstufe43, Vorschriften kann jedoch auch mit anderen, auf das deren Kernteil ebenfalls über die Leitung und Pumpe schwere Gemisch bezogenen ^-Werten und entsprechen-{430, 431) in die nächste Trennstufe 44 eingebracht wird, 35 den Schaltungen gearbeitet werden, wobei als übergederen Kernteil nunmehr mit der schweren Komponente ordneter Gesichtspunkt zu berücksichtigen ist, daß die des schweren Gemisches angereichert bei 440 über die vereinigten Ströme bezüglich des schweren Gemisches Pumpe 441 abgezogen oder weiteren, in der Zeichnung (nicht des leichten Zusatzgases) gleiche Zusammennicht dargestellten Trennstufen zugeführt wird. Die setzung haben sollen.
Mantelteile aus den einzelnen Trennstufen werden in dem 40 _ . . .
gewählten Beispiel jeweils vor der vorhergehenden Trenn- "

stufe wieder mit dem dieser zuströmenden Gasgemisch Durch die Leitung 45 werden über die Pumpe 46 0,5 G vereinigt, wie es für die Trennstufe 41 durch die Leitung (schweres zu trennendes Gemisch) in die Kaskade einge-412 und die Pumpe 413, für die Trennstufe 42 durch die bracht. Dazu kommen 0,1 Z (leichtes Zusatzgas) aus dem Leitung 422 und die Pumpe 423 und für die Trennstufe 43 45 Kondensator 442 über die Leitung 453 und die Pumpe 452 durch die Leitung 432 und die Pumpe 433 angedeutet ist. und 0,9 Z -\-0,5 G aus der Trennstufe 42 über Pumpe 413 Der Mantelteil der Trennstufe 41 geht über die Leitung450 und Leitung 412. Dieses Gemenge (1Z + 1 G) wird der und die Pumpe 451 in die letzte, nicht gezeichnete Trenn- Trennstufe 41 zugeführt, in der es in einen Mantelteilstufe zurück oder wird als an schwerer Komponente des strom der Zusammensetzung 0,9 Z + 0,5 an schwerer schweren Gemisches abgereicherter Anteil einer ander- 50 Komponente verarmtes G — aus dem die 0,9 Z im Konweitigen Verwendung zugeführt. Ebenso kommt aus der densator 454 herausgenommen werden, während die 0,5 G gegebenenfalls an die Trennstufe 44 anschließenden, einer beliebigen Aufarbeitung zugeführt werden — und nächsten Trennstufe das Mantelgas über die Leitung 47 einen Kernstrom der Zusammensetzung 0,1 Z + 0,5 an und die Pumpe 470 wieder vor die Trennstufe 44 zurück. schwerer Komponente angereichertes G aufgetrennt wird.

In manchen Fällen kann es auch von Vorteil sein, das 55 Dem von der Pumpe 411 komprimierten Kernstrom wird leichte Zusatzgas aus dem Gasgemisch durch Kühler, über die Pumpe 423 und die Leitung 422 der Mantelteil-_ Kondensatoren oder andere geeignete Vorrichtungen her- strom der Trennstufe 43 zugemischt (0,9 Z + 0,5 G), woauszunehmen. In jedem Fall wird das durch den Konden- durch das der Düse der Trennstufe 42 zuströmende Gas sator 442 zu empfehlen sein, wenn die durch 440 abge- wieder die Zusammensetzung 0,5 Z -j- 0,5 G erhält, zogene schwere Komponente nicht nach dem gleichen 60 Dieselben Mengenverhältnisse gelten auch für die Trennverfahren weiter angereichert werden oder einer ander- stufen 43 und 44. Dabei ist zu beachten, daß durch die weitigen Aufarbeitung zugeführt werden soll. Das dabei Leitung 47 über die Pumpe 470 von einer weiteren, hier anfallende leichte Zusatzgäs wird zweckmäßig durch die ..- nicht gezeichneten Trennstufe 0,5 G kommen, dem die Leitung 453 über die Pumpe 452 dem durch die Leitung45 im Kondensator 454 aus dem Mantelgas der Trennstufe 41 zuströmenden schweren Gemisch beigemengt. Die gleiche 65 entnommenen 0,9 Z zugemischt werden, bevor das Gas in Maßnahme empfiehlt sich auch für das durch die-Leitung die Düse der Trennstufe 44 eintritt. Dem Kernstrom der 450 aus der Trennstufe 41 abgezogene Mantelgas. Das Trennstufe 44 (0,1 Z + 0,5 G) werden in dem schon gedabei in dem Kondensator 454 anfallende leichte Zusatz- nannten Kondensator 442 0,1 Z entzogen, wonach das an gas wird über die Leitung 471 und die Pumpe 472 dem schwerer Komponente angereicherte schwere Gemisch die durch die Leitung 47 strömenden Gasgemenge zugeführt. 70 Kaskade über die Leitung 440 verläßt.

Die gesamte Kaskade wird demnach von oben nach unten von 0,9 — 0,1 = 0,8 Z durchlaufen. Die Abtrennung des Zusatzgases in den Kondensatoren kann selbstverständlich im Rahmen großer Anlagen nach entsprechend großer Stufenzahl erfolgen.

Claims

PatentANSPKOcHE:

1. Verfahren zur Trennung von gas- oder dampfförmigen Stoffen mit unterschiedlichem Molekulargewicht und/oder unterschiedlichem gaskinetischen Querschnitt nach der Patentanmeldung D 20 659 fvb/12e, dadurch gekennzeichnet, daß dem zu trennenden Gemisch ein leichtes Zusatzgas von im Verhältnis zu dem Gemisch wesentlich geringerem Molekular- bzw. Atomgewicht, vorzugsweise Wasserstoff oder Helium, das sich chemisch inert verhält, zugesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein molmäßiger Überschuß des chemisch inerten leichten Zusatzgases angewendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Druckes im Raum vor der Düse zum Druck im Raum hinter der Abschälblende unter 10, vorzugsweise unter 5 gehalten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Druckes vor der Düse zum Druck im Raum zwischen Düse und Abschälblende unter 30, vorzugsweise unter 10, gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei aufeinander zu laufende Gasströme angewendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ringdüse verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein geringer Teil des Zusatzgases durch die Lager in die Wellendurchführungen der Pumpe in das Gasgemisch eingebracht wird.

FJierzu 1 Blatt Zeichnungen