DE1519972A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Trennung eines Gasgemisches mit Molekuelen unterschiedlicher Masse durch Fraktionierung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Trennung eines Gasgemisches mit Molekuelen unterschiedlicher Masse durch FraktionierungInfo
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Description
• ·
TO 9 97
DR. W.SCHALK· DIPL.-ING. P. WlRTH ■ DIPL.-ING. G. DANNENBERG
DR. V. SCHMIED-KOWARZIK · DR. P. WEINHOLD
6 FRANKFURT AM MAIN CU. EtCHENHElMIR »TR. 19
10, Oktober I968
Da/ki P 15 1? 972*1
KAXXO&AIJ DE IA
HEGHEECHE SCIENiEIFIQTJE
Paris/ Frankreich.
Verfahren und Vorrichtung zur !rennung eines Gastgemisches
mit Molekülen unterschiedlicher Hasse durch Fraktionierung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
!Trennung eines im thermo dynamischen Gleichgewicht befindlichen Gasgemisches aus Molekülen unterschiedlicher Masse durch
!Fraktionierung,
Es ist bereits eine Vorrichtung bekannt» deren Arbeitsweise
darauf beruht, daß zur Isotopentrennung der Effekt der Ungleichheit der Abtrennung oder Abspaltung der leichteren und
schwereren Moleküle einer Mischung voneinander unter der Wirkung eines Gravitationsfeldes herangezogen wird, Dabei wird
so vorgegangen» daß der Misch-Strahl durch die intermittierenden
Blendensysteme, welche den Molekularstrahl durchsetzen, in
einzelne Völkchen zerteilt wird» deren Zusammensetzung sich Über ihrer in Bewegungsrichtung gemessenen Dimension während
des freien Durchströmens eines lediglich einem Schwerkraftfeld ausgesetzten freien Raumes ändert· Durch wiederholte Aufspaltung
solcher Molekularstrahl-Wölkchen, wobei lediglich jeweils dem Kopf eines aufgespaltenen Wölkchens die Möglichkeit einer
NeueUnt _
Weiterbewegung gegeben wird» lädt eich nach der Entgegenhaltung
eine Anreicherung des Restwölkchens mit der leichteren
Komponente dee ursprünglich eingeleiteten Gasgemisches erreichen. Es handelt sich also praktisch lediglich um
eine einfache Vervollkommnung von auf dem Gebiet der Xsotopen-Srennung wohl-bekannten Zentrifugen· Diese Vervollkommnung
besteht darin, daß im Falle der Beschickung der Vorrichtung mit Gasmisohungen, welche bei der Temperatur
flüssiger Luft oder fester Kohlensäure kondensierbar sind, Kühlfallen zwischen den rotierenden Blendentrommeln vorgesehen
werden· Weist das Eingangsgemisch jedoch Komponenten auf» welche bei Temperaturen kondensieren» welche unterhalb
der temperatur flüssiger Luft oder fester Kohlensäure liegen»
so versagt die Vorrichtung nach der Entgegenhaltung vollständig·
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde» mit vergleichsweise
einfachen Mitteln eine !Trennung eines Gasgemisches mit genauer Vorausbestimmbarkeit des Anreioherungagrades der einzelnen
Komponenten zu ermöglichen und geht dabei erstmalig von der Erkenntnis aus» daß hierfür Zusammenhänge zwischen Änderungen
der Maxwell* sehen Verteilung der Molekulargeschwindigkeiten
über der Länge eines ganzen, ununterbrochenen Molekularstrahls und dem Anreioherungs- bzw, Verarmungako effizienten zweier
leichtere und schwerere Moleküle enthaltender Gemischfraktionen verwendbar sind·
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Das Terfahren nach der Erfindung besteht la wesentlichen,
darin, daß «ine Klassierung de?* Moleküle entsprechend der
Tranelationßgesohwindigkeit ihrer Wärmebewegung ciadurch
vorgenommen wird« daß de« Gemisch mittels einer, rotierenden Scheibe* die mindestens eine durch zwei nahe beieinander
liegende Radien hegrenete Öffnung aufweist« in mindestens
einen bewegten Molekularstrahl, innerhalb dessen die , Molekular~Geschwindigkeiten dem Maxwell* sehen Terteilungsgeeeta folgen» Überführt wird, wobei die senkrecht «ur Ebene
der Scheibe bewegten Gasmoleküle in einer durch die ichae
der Scheibe Terlaufenden Ebene verlagert werden, und daß dadurch ^Fraktionen des Gemisches, in denen die Moleküle .,
Geschwindigkeiten aufweisen, die in vorbestimmten Inter« . .
vallea liegen» aufgefangen werden, daß die verlagerten Gas*
molekül« eine eur Ebene der ersten Scheibm parallele und jsu
dieser in einem bestiimaten Abstand angeordnete zweite rotierende Scheibe erreichen, die mit sektorenförmigen öffnungen versehen
let, deren mit der Spitze in der Scheibenachse liegende Winkel
der Drehzahl der Scheiben und dem Abstand ewiaohen den
Scheiben proportional sowie der Geschwindigkeit der Moleküle umgekehrt proportional sind, wobei die von den öffnungen
aufgefangenen Moleküle Anreicherungskoeffizienten a aufweisen
können, die zwischen a^> 1 und a</l liegen*
Pie ausgewählten Fraktionen haben eine von der Zusammensetzung '
des Ausgangsgemisches abweichende Zusammensetzung und können erneut fraktioniert werden, um eine noch vollständigere
trennung der Bestandteile des Gemisches zu erhalten·
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Die Moleküle des Ausgangegemische und der getrennten Fraktionen
können auf solcher Temperatur gehalten werden) daß ihr Dampfdruck
unterhalb des Hestdruckes liegt, wodurch die Pumparbeitsgänge herabgesetzt werden·
Der bewegte Holekularstrahl kann mittels einer Düse mit schlitzförmiger Auslaßö£fnung erzeugt werden, die um eine zur Längsabmessung des Schlitzes parallele Achse rotiert und die Moleküle in zur
Drehachse senkrechten Ebenen austreten läßt.
Die Strahlachse kann senkrecht zur Drehachse verlaufen oder einen
Winkel mit dieser bilden.
Der bewegte Molekularstrahl kann mittels einer rotierenden Scheibe erzeugt werden, die mindestens eine durch zwei nahe beieinanderliegende Radien begrenzte Öffnung aufweist, wobei sioh die senkrecht zur Ebene der Scheibe bewegten Gasmoleküle in einer durch
die Acliee der Scheibe verlaufenden Ebene verlagern und eine zur
Ebene der ersten Scheibe parallele und zu dieser in einem bestimmten Abstand angeordnete zweite rotierende Scheibe erreichen, die
mit sektorenf ürmigen Öffnungen versehen ist, deren mit der ,'Jp it ze
in der Scheibenachse liegende Winkel der Drehzahl der Scheiben und dem Abstand zwischen den Scheiben proportional sowie der Geschwindigkeit der Moleküle umgekehrt proportional sind und wobei die von
den Öffnungen aufgefangenen Moleküle auf diese Weieo Anroicherungskooffizienten α aufweisen können, die zwisohen a^>
1 und a<C 1 liegen·
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Die zurückgewonnenen Molekulargemische können erneut in Umlauf
gebracht werden, um nur solche Gemische zu erhalten, die den gewünschten
Anreichorungekoeffizienten aufweisen.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform weist eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung einen Speicher auf, der mit mindestens einer Ejektordüse in Verbindung steht,
welche das Gasgemisch in einen Baum einleitet, innerhalb dessen
eine rotierende Scheibe mit mindestens einem von den Orasmolekülen
durchlaufenen, sektorenförmigen Schlitz und eine Aufnahmescheibe angeordnet sind, die sich mit der gleichen Drehzahl wie die erste
Scheibe dreht und eektorenförmige Öffnungen aufweist, deren mit
ihrer Spitze im Mittelpunkt der Aufnahmescheibe liegende Winkel unterschiedliche Werte haben und die über Kanäle einer mit der
Scheibe verbundenen zylindrischen Aufnahmetronuiiel mit'im Mantel
und Boden der Trommel vorgesehenen Abzugsöffnungen in Verbindung stehen, die in Kammern münden, welche über Leitungen mit Speichern
zur Aufnahme der abgesonderten Moleküle verbunden sind·
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vor der mit Schlitzen versehenen rotierenden Scheibe eine feststehende Leittrommel aus
Röhren angeordnet, die von koaxialen Zylinderflächen und durch
die Symmetrieachse verlaufenden Ebenen begrenzt werden und deren
Querschnitt klein mit Bezug auf die Länge ist, so daß die Molekularstrahlen
gerichtet und ein Mitreißen von Molekularmassen durch
die Scheibe in den in Strömungsrichtuug der Moleküle vor ihr liegenden
Teil verhindert ist.
Die Erfindung ist im folggiidangMihand <4%rgZeichnungen im einzel-
nen erläutert·
Ee zeigt
Figur 2 schematisch eine Trennung von Molekülen durch eine eich
drehende Düse,
Figur 3 die ebene Verteilung von Flugbahnen der Moleküle bei
Verwendung einer sich drehenden Düse,
Figur k schematisch eine andere Art der Trennung mittels einer
sich drehenden Düse, jedoch mit geneigter Projektionsachse,
Figur 5 schematisch eine Art der Trennung der Moleküle mittels
Schlitzscheibe,
Figuren 6 und 7 schematisch eine Ausführungeform einer Vorrichtung
zur Durchführung dee Verfahrene nach der Erfindung·
Das den Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren arbeitet wie
folgtt
Die zu trennenden Moleküle befinden eich im thermodynamisehen
Gleichgewicht. Das Verfahren besteht nunmehr darin, die Moleküle dee Gemische aufzufangen, deren Tranelationsgeschwindigkeit der
thermischen Bewegung zwischen in geeigneter Weise gewählten Wer·· ten oder oberhalb eines vorbestimmten Wertes liegen.
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Dau Verfahren nutzt das Klaxwell'sche Verteilungegesetz für die
TranslationsgesclnvindiQ'kcit von Molekülen aus, die ein in tlierniodynautischem
Gleichgewicht befindliches Ztrei st off gei.iisch bilden·
Es sei angenommen, daß M. und M2 (M2^>M.) die J'olekulariuasson
(Molekülgramm) der Moleküle sind, die bei der absoluten Temperatur
T vorliegen. ηΊ und no seien die Anzahl der Moleküle jeder Art
innei-halb des Gemisches. In Figur 1 stellen die Kurven Y1 und Yß
die relativen Anzahlen von Holekülen O 1 - l>
2
~>——·—· DZWa —————
nl . n2
dar, deren Translationsgcschwindigkeit zwischen den Werten c und
c + ο liegt, wobei in Ordinatenrichtung die Größen
ο n2
sowie in Abszissenrichtung die Translationsgeschwindigkeit c aufgetragen
sind. Die Kurven Y, und Yp ergeben sich aus der kinetischen
Gastheorie und können nach Bedarf für jedes molekulare Zweistoffgemisch
aufgezeichnet werden.
Fängt man die Moleküle auf, deren Geschwindigkeit zwischen c und
c + Λc liegt, so ist das Verhältnis O I 1 der Anzahl dieser Hole*
ö n2 külc durch die Beziehung
3/2 M2 " Ml c2
nl nl
2 R T
gegeben, wobei die Größe It die molekulare Gaskonstante idealer (iase
ist.
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Das | Verhältnis | ni |
Yl | n2 | |
Y2 | ni | |
das nichts anderes als der Anreicherungskoeffizient für Moleküle der
Art 1 des Gemisches (o n, >
rSno) mit Bezug auf das Gemischen., n,,)
ist« hat den Wert .
3/2 M2 " Ml 2
M1 2 R T-
Für die Werte der Geschwindigkeit β unterhalb derjenigen» welche
dem Schnittpunkt (Punkt b) der Kurven Y1 und Yg entspricht, ist
der Anreicherungekoeffizient kleiner ale 1. Für die der Bedingung Y. = Y2 entsprechende Geschwindigkeit ist er gleich 1, und er wird
größer als 1 (und zwar zunehmend größer) für die höchsten Werte von
Beschränkt man sich nicht auf ein kleines Geschwindigkeitsintervall
(c,c -foe) sondern betrachtet beispielsweise die Zusammensetzung
von Molekül ar geiui sehen der Arten 1 und 2, deren Geschwindigkeit über
dem in Figur 1 angegebenen V/ert c. liegt, so erhält man den Aureioherungsfaktor des aufgefangenen Molekulargemisehe durch Bildung des
Verhältnisses der Flächen zwischen den Kurven Y1 und oo, Y0 und oc,
ausgehend von dem Wert o. der Geschwindigkeit c
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do :
Co Y2 do
Dieser Anreicherungekoeffizient a kann Werte erreichen, die erheblich über denjenigen liegen, die bei Ausnutzung der Diffusion durch
kleine Öffnungen, beispielsweise in einer porösen Wand, erhalten
werden. Dies trifft auch für ein Gemisch aus Molekülen mit relativ
sehr ähnlichen Massen zu. Wählt man β Λ
d.h. der doppelte Wert der statistisch wahrscheinlichsten Geschwindigkeit für die Moleküle M0, und setzt man 6 M **2 " Ml
M a - M '
M + M_
wobei M das Mittel 1 ^2 ist, so zeigt die Rechnung, daß der
2
erfindungsgemäß erhaltene Anrcioherungskoeffizient genau
a - 1 + — ^- x 7,1 statt
" * T 2 M
ist, ein Wert t der bei der Diffusion durch kleine Öffnungen erhalten
wird. Der Koeffizient a niiüint außerdem für steigende Werte von
cp P
sten mittleren Geschwindigkeit ist·
Man kann auf diese Weise an Molekülen der Art 1 verarmte Gemische' .
.erhalten, indem man die Moleküle mit Geschwindigkeiten zwischen Null
und einem Wert auffängt, der beispielsweise unterhalb dem dem dem
Schnittpunkt b der Kurven Y, und Y„ entsprechenden Wert liegt. ■
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Für die Durchführung des oben geschilderten Verfahrens eignet sich
jede Vorrichtung, die es erintiglient, Moleküle abzusondern, deren
Translationsgesclmindigkeit zwischen den in der oben geschilderten
Weise bestimmten Werten liegt*
Man kann beispielsweise (Fig· l) drei Wertebereiche für die Geschwindigkeit c definierent die zwischen den folgenden Grenzen liegen»
c > o1» o1 *7>
ο "Z> c", o" >
c > ο
welchen die Anreicherungskoeffizienten
dc
Y1 dc
co Y2 dc
Y2 dc
c»
Y1 dc
a.
entsprechen.
c» Yn dc
Jo
Wählt man beispielsweise
a, ~~> 1
a2 = 1
kann due isolierte mittlere Gemisch, das die gleiche Zusammensetzung wie das gewöhnliche Gemisch hat, dem Ausgangagemisch zugesetzt
und von neuem verarbeitet werden· IJor Vorgang führt schließlich zu
der Absonderung einer mit dem Faktor a. angereicherten Fraktion und
einer mit dem Koeffizienten a, verarmten (an leichten Molekülen)
Fraktion, ohne daß Zwischenfraktionen vorhanden sind*
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t „ t
ft ι Γ ( f
Zur praktischen Verwirklichung der Trennung der Moleküle entsprechend
der Tranelationsgeschwindigkeit der Wärmebewegung kann
es vorteilhaft sein, Molekularstrahlen zu verwenden, die sich in einem Baum auebreiten, in dem ein genügend niedriger Druck (in
der Größenordnung von lü mm Hg oder weniger) herrscht, so daß
die Moleküle eine freie Weglänge erhalten, die im hinblick auf
die Abmessungen der Kammer, in der sich die Trennung abspielt, geeignet ist.
Erzeugt man beispielsweise einen Molekularstrahl mit Hilfe einer Düse E (Fig· 2) mit einer schlitzförmigen Öffnung F, die um eine
zur Zeichnungsebene senkrechte und zur Längsrichtung des Schlitzes
F parallele Achse 0 rotiert, nehmen die die Düse E senkrecht zur Drehachse verlassenden Moleküle Translationsgeschwindigkeiten an,
die dem Maxwell'sehen Verteilungsgesetz gehorchen. Während der
Drehbewegung der Düse mit der Winkelgeschwindigkeit(ύ kommt es
zu einer Folge von Flugbahnen in Ebenen parallel zur Zeichnungsebene.
Für ein mit der rotierenden Düse verbundenes Bezugssystem sind die Flugbahnen der Moleküle archimedische Spiralen, deren üleichung
in Polarkoordinaten (Nullpunkt in der Drehachse) lautet O_ ρ , wobei c die verschiedenen Vierte der Translations-
C CO
geschwindigkeit der Moleküle, (^ die Winkelgeschwindigkeit für die Rotation der Düse und θ den Winkel des Vektorstrahls V mit der geometrischen Achse des Strahls bezeichnet und die positive llichtung für t der für CO gewählten entgegengesetzt ist.
geschwindigkeit der Moleküle, (^ die Winkelgeschwindigkeit für die Rotation der Düse und θ den Winkel des Vektorstrahls V mit der geometrischen Achse des Strahls bezeichnet und die positive llichtung für t der für CO gewählten entgegengesetzt ist.
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die Flugbahnen bildenden Spiralen sind deeto etärker nach innen gekrümmt, je niedrigere Tranelationsgeschwindigkeiten die Moleküle aufweisen.
In der Nähe der geometrischen Achse OX des Strahls (Fig. 2) befinden sich die Flugbahnen der Moleküle mit den höchsten Geschwindigkeiten. Entspricht der Molekularstrahl einem Gemisch aus Molekülen unterschiedlicher Masse, entsprechen diese Flugbahnen einer
an leichten Molekülen reicheren Menge·
Figur 3 zeigt die ebene Verteilung der Flugbahnen der Moleküle
(stets in dem mit der rotierenden Düse verbundenen Bezugssystem) für eine Reihe von Werten der Translationsgeschwindigkeit.
Die bei dieser Darstellung gewählte Einheitsgeschwindigkeit ist
die wahrscheinlichste Geschwindigkeit eines der Bestandteile des Gemischeι beispielsweise dee Bestandteile mit der Molekularmasse
M,, wobei diese Geschwindigkeit durch die Formel
ausgedrückt wird.
Der in der Figur erscheinende Parameter χ bezeichnet das Verhältnis
Ip
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BAD ORiGlNAL
obigen Bedingungen entsprechen. Ij1Ur Molekularuiassen in dor Großem»
Ordnung von 300 bia 400 und bei gewöhnlicher Temperatur ist es
möglich, eine Fraktionierung (a,) beispielsweise für 2 <^ χ <^">η
mit einem Öffnungswinkel der Fangdüso von 20 für eine Drehzahl von 6 500 Umdrehungen pro Minute bei einem Abstand der Fangdüso
von der Drehachse von ungefähr 15 cm zu erhalten.
Die Verwendung rotierender Molekularstrahlen erfordert nur die Verwendung einer Drehvorrichtung derart t daß die Auatrittarichtung
dor Moleküle des Strahls senkrecht zur Drehachse verläuft. ι
Um die hohen tfinkelgeschwindigkeitswerte (wenn es sich um geringe
Molekularinussen handelt) herabzusetzen, die für ein einwandfreies
Arbeiten des Gerätes erforderlich sind* kann eine Ejektordüse E
(Fig. k) verwendet werden, bei der die anfängliche Austrittsrichtung
M der Moleküle einen WinkelOC mit der Drehachse OX bildet*:
Unter diesen Bedingungen liegen die Flugbahnen (in dem mit der rotierenden Düse verbundenen Bezugssystem) auf Kreiskegeln der
Halbwinkelebene mit dem Winkel o£ . Die Projektion dieser Flug- %
bahnen auf eine zur Drehachse senkrechte Ebene (in dem gleichen Bezugssystem) liefert eine Reihe archimedischer Spiralen mit
der Gleichung
Q = c sin t -£p
Die für die vorgegebenen Konstruktionswerte erforderlichen Winkelgeschwindigkeit en CU sind infolgedessen um den Faktor sin L verringert*
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Eine andere Art der Durchführung dor oben geschilderten Grundgedanken
kann mit Hilfe von Molekularstrahlen erfolgen, deren Querschnitte
durch Öffnungen einer sich drehenden Scheibe bestiunt
sind.
Ea sei eine Scheibe D (Fig. 5) angenommen, die eine von zwei nahe
beieinanderliegenden Radien begrenzte Öffnung L aufweist. Die mit
der Geschwindigkeit c senkrecht zur Ebene der Scheibe laufenden Gasiüoleküle bewegen sich in einer durch die Achse der Scheibe verlaufenden
Ebene* Sie erreichen eine Ebene P," die zu der Ebene der
. t iieibe parallel und von dieser um einen Abstand Z entfernt ist,
zum Zeitpunkt —— ·
Dreht sich die Scheibe D mit einer Winkelgeschwindigkeit ά1 um
ihre Achse, erreichen die verschiedenen Moleküle die Ebene P auf
Δ ι ί ι) Z '
, welche den Winkel i.X = — mit der zur
Achse der Öffnung L parallelen Geraden ο'/Λ der Ebene P bildet·
Mit anderen Worten befinden sich für das mit der Scheibe D verbundene und mit der Winkelgeschwindigkeit ü) umlaufende Bezugssystem
die Flugbahnen auf Reihen von Oberflächen, die üchraubenflüchen bilden, deren Steigung Z' = 27Γ-—- umso geringer ist, je kleiner
die Geschwindigkeit c ist.
Man kann auf diese Weise die Moleküle abtrennen, deren Geschwindigkeit
zwischen oo und o* liegt, indem man din Moleküle mit einer
Trennvorrichtung auffängt, wie sie in Figur 6 veranschaulicht ist.
Diese Trennvorrichtung S besteht aus einer zylindrischen Trommel,
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«ν
deren vordere ebene Wand durch eine Scheibe D' mit dem Mittelpunkt
O1 gebildet wird· Die Trennvorrichtung dreht sich zusammen
mit der Scheibe D um die Achse 00'.
Die Scheibe D* ist mit einer Öffnung e, in Form eines Sektors
vom Winkel X, ■ versehen· Dieser Öffnung entspricht der
Koeffizient ^1 (a1>*l).
dt XC Ci Q
erlaubt es, die Moleküle mit einer Geschwindigkeit zwischen c' und c" aufzufangen, deren Anreicherungskoeffizient a„ = 1 ist.
Λ) Ζ
Eine dritte Öffnung e.,, die durch den Winkel · Ϋ-ο = ^— und
einen Winkel (X.- begrenzt ist, der hinreichend groß ist, um den
Hauptteil der langsamsten Moleküle aufzufangen, gestattet schließlich das Gemisch mit dem Anreicherungskoeffizienten «X^<1 abzutrennen«
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Kr.indung
unter Anwendung dieser letztbesohriebenen Art der Trennung
und dee Auffangene der Moleküle ist schematisch in Figur 7 dargestellt.
Die Vorrichtung besteht aus einem zylindrischen Raum G, mit dem
ein Speicher R zur Versorgung einer injektordüse E und Speicher R , R0 und R- in Verbindung stehen, die Molekulargemische mit
den oben angegebenen Anrcichorungskoeffizienten a., a2, a,
aufnehmen*
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In dem llatun O ist eine Welle A angeordnet, die von einem Motor U
angetrieben ist und auf der die Scheibe D und die öoheibe D'
Bitten, von denen die letztgenannte mit der in Figur 6 gezeigten
und oben beschriebenen Trenntroiwnel ü verbunden ist* Die Üffnungen e*. und e' der Trennvorrichtung münden in Ringkiuumern S, und
S,ι die mit Speichern R. und U- in Verbindung stehen, während die
öffnung e'n in den mit dem Speicher R„ verbundenen hinteren Teil
des Raumes mündet·
Verschiedene Maßnahmen und Anordnungen sind zu treffen, damit der
Bildunganiechanismua der Molekularstrahlen zufriedenstellend verläuft.
80 ist es, um ein Mitreißen von Molekulariuassen durch die öchcibe D in den in Strömungsrichtung der Moleküle vor der Scheibe
liegenden Teil zweckmäßig, eine Anordnung feststehender Leitrühren vorzusehen, die in einem Zylinder G (Fig* 7) angeordnet und
durch koaxiale Zylinderflachen (Achse 00') und durch die Symmetrieachse verlaufende Ebenen begrenzt sind, wobei der Querschnitt
dieser Röhren (ein Bruchteil eines cm ) klein gegenüber der Länge
der Röhren (beispielsweise 10 bis 20 cm) ist· Die Molekularstrahlen werden auf diese Weise ausgerichtet· Der Schlitz L kann ein
Sektor sein, dessen Winkelöffnung umso größer sein.kann, je größer die Winkelgeschwindigkeit der Scheibe D ist» Hierbei ist en
durch entsprechende Wahl des Abstnndes Z der Scheibe D von d-r
Trennvorrichtung möglich, Winkelöffnungen e,, e , e, mit Vierten
X υ J
zu erhalten, die sich selbst für sehr rasche Molekularstrahlen
eignen, ohne daß übermäßig hohe Winkelgeschwindigkeiten 0.) angewendet zu werden brauchen·
909821/0938
Um andererseits die für den Umlauf der Moleküle erforderliche mechanische
Arbeit herabzusetzen, werden vorzugsweise Speicher für die Versorgung der Ejektordüse oder den Auffang der Moleküle benutzt,
die auf entsprechend gewählten Temperaturen gehalten werden·
80 iofc es zweckmäßig, den Speicher Il auf einer derartigen Temperatur
T zu halten, daß die Injektordüse mit einem geeigneten Druck (in der Größenordnung von 10 mm Hg für das Ausgangsgemisch) versorgt
wird, während die Speicher B,, U2, R,, auf niedrigeren Temperaturen
als T gehalten werden, so daß der Dampfdruck der getrennten Fraktionen erheblich unterhalb des Druckes liegt, der in dem
Raum 0 herrscht, in dem die Molekularstrahlen verlaufen»
Unter derartigen Bedingungen ist es nicht unumgänglich, Pumpen vorzusehen,
die eine mechanische Arbeit aufwenden, um den Umlauf der Gasgemische sicherzustellen· Es ist nur erforderlich, für die Zu-
und Abfuhr von Wärmemengen zu sorgen, um die Speicher R , IL, R0,
R- auf geeigneter Temperatur zu halten« Dieses Merkmal ist eines der Kennzeichen des vorliegenden Verfahrens*
Die guten Arbeitsbedingungen werden erfüllt, wenn die freie Weglänge
der Moleküle in der Größenordnung von einigen cm liegt, was zu Druckwerten in der Größenordnung von einigen 10 mm Hg führt.
Diese Größen sind jedoch nur als Beispiel zu werten, und es liegt ohne weiteres im Bereich des Fachmanns, sie unter Beachtung der
oben dargelegten Grundlagen dom jeweils vorliegenden Fall entsprechend
abzuwandeln·
BAD ORIGINAL 909821/0938
Claims (5)
- Da/ki Centre National de laRecherche ScientifiqueNeue Patentansprüche1· Verfahren zur Trennung eines im thermodynamischen Gleichgewicht befindlichen Gasgemisches aus Molekülen unterschiedlicher Masse durch Fraktionierung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Klassierung der Moleküle entsprechend der [Dranslationsgeschwindigkeit ihrer Wärmebewegung dadurch vorgenommen wird, daß das Gemisch mittels einer rotierenden Scheibe, die mindestens eine durch zwei nahe beieinander liegende Radien begrenzte Öffnung aufweist, in mindestens einen bewegten Molekularstrahl, innerhalb dessen die Molekular-Geschwindigkeiten dem Maxwell-Aschen Verteilungsgesetz folgen, überführt wird, wobei die senkrecht zur Ebene der Scheibe bewegten Gasmoleküle in einer durch die Achse der Scheibe verlaufenden Ebene verlagert werden, und daß dadurch Fraktionen des Gemisches, in denen die Moleküle Geschwindigkeiten aufweisen, die in vorbestimmten Intervallen liegen, aufgefangen werden, daß die verlagerten Gasmoleküle eine zur Ebene der ersten Scheiben parallele und zu dieser in einem bestimmten Abstand angeordnete zweite rotierende Scheibe erreichen, die mit sektorenförmigen öffnungen versehen ist, deren mit der Spitze in der Scheibenachse liegende Winkel der Drehzahl der Scheiben und dem Abstand909Ö21 /0938Unterlagen (Art 7 S l Abs. 2 Nr. l Satz. 3 des Ändwungsges. v. 4.9.196:.zwischen den Scheiben proportional sowie der Geschwindigkeit der Moleküle umgekehrt proportional sind, wobei die von den Öffnungen aufgefangenen Moleküle Anreicherungskoeffizienten a aufweisen können, die zwischen a ^ 1 und a ^ 1 liegen.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zurückgewonnenen Molekülgemische erneut in Umlauf gebracht werden, um nur Gemische zu erhalten, welohe den gewünschten Anreicherungskoeffizienten aufweisen·
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählten Fraktionen, die eine von der Zusammensetzung des Ausgangsgemisches abweichende Zusammensetzung aufweisen, zwecks vollständigerer Trennung der Bestandteile des Gemisches erneut fraktioniert werden.
- 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Speicher (R0), der mit mindestens einer Ejektordüse (E) in Verbindung steht, welche das Gasgemisch in einen Raum (G) einleitet, innerhalb dessen eine rotierende Scheibe (D) mit mindestens einem von den Gasmolekülen durchlaufenen, sektorenförmigen Schlitz (L) und eine Aufnahmescheibe (D1) angeordnet sind, die sich mit der009821/0938gleichen Drehzahl wie die erste Scheibe (D) dreht und sektorenförmige Öffnungen (e.., e«f ej aufweist, deren mit ihrer Spitze im Mittelpunkt der Aufnahmescheibe (D1) liegende Winkel unterschiedliche Werte haben und die über Kanäle einer mit der Scheibe (D1) verbundenen zylindrischen Aufnahme trommel (S) mit im Mantel und Boden der !Trommel (S) vorgesehenen Abzugs öffnungen (e^, ejj>, el) in Verbindung stehen, die in Kammern münden, welche über leitungen mit Speichern (R^, Rg, R5) zur Aufnahme der abgesonderten Moleküle verbunden sind.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor der mit Schlitzen versehenen rotierenden Scheibe (D) eine feststehende Leittrommel (C) aus Röhren angeordnet ist, die von koaxialen Zylinderflächen und durch die Symmetrieachse verlaufenden Ebenen begrenzt werden und deren Querschnitt klein mit Bezug auf die Länge ist, so daß die Molekularstrahlen gerichtet und ein Mitreißen von Molekularmassen durch die Scheibe in dem in Strömungsrichtung der Moleküle vor ihr liegenden iDeil verhindert ist.Patentanwalt:909821/0938
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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FR927982A FR1360208A (fr) | 1963-03-14 | 1963-03-14 | Procédé de séparation par fractionnement d'un mélange gazeux de molécules de masses différentes et dispositifs pour sa mise en oeuvre |
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