DE1632284C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von Gasen unterschiedlichen Molekulargewichtes - Google Patents

Description

M = ω ■ r .

(1)

Die Temperatur ist im ganzen Strömungsfeld konstant gleich T. Das Partialdruckverhältnis zweier Gaskomponenten mit den Molekulargewichten M_a und M₆ ist

p*

Jb

M_t-M.

2-g-R-T

Dabei sind PJ und P* die Partialdrücke der Komponenten des in der Achse eingebrachten Gemisches. P₆ und P_a sind die Partialdrücke der Komponenten im Mittelpunktsabstand r. R ist die allgemeine Gaskonstante, g ist die Erdbeschleunigung. Aus dieser Formel 2 ist zu ersehen, daß die Anreicherung

M_b-M. _e2gRT

(3)

um so größer ist, je größer die Umfangsgeschwindigkeit (an der Wand) ist und je geringer die Temperatur im Behälter ist. Die Umfangsgeschwindigkeit der Wand kann bei zur Zeit bekannten Materialien nur bis in die Gegend von 380 bis 400 m/sec getrieben werden. Die Temperatur in zwei Zentrifugenkesseln kann

20

nur so weit abgesenkt werden, bis das Gemisch kondensiert oder sublimiert. Eine dem Stand der Technik entsprechende Gaszentrifuge ist z. B. in der deutschen Patentschrift 1 071 593 beschrieben.

Die charakteristischen Eigenschaften einer herkömmlichen Gaszentrifuge sind zusammengefaßt:

Keine Trennung der Komponenten, sondern je Zentrifugentrommel nur eine geringfügige Anreicherung. (Geringfügige Verschiebung des Partialdruckverhältnisses.)

Stoffzufuhr zentral an der Achse.

Gastemperatur im ganzen Gefäß konstant.

Gastemperatur so niedrig wie möglich.

Umfangsgeschwindigkeit des Zentrifugenbehälters so hoch wie möglich; nur durch die Werk-Stoffeigenschaften der Wand begrenzt.

Im Strömungsfeld der Trennkammer die Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung überall gleich groß, d.h. Strömungsfeld eines starren Wirbels (Radspeichenwirbel).

Längere Verweilzeiten des Gasgemisches in der Trennkammer. (Größenordnung: Sekunden oder Zehnersekunden.)

Die Zusammenfassung der charakteristischen Eigenschaften der bekannten Gaszentrifuge zeigt gleichzeitig ihren Hauptnachteil auf. Es ist dies die Tatsache, daß keine Trennung, sondern nur eine recht geringfügige Anreicherung stattfindet. Das bedeutet, daß von den herkömmlichen Gaszentrifugen sehr viele Einheiten zu größeren Gruppen zusammengefaßt eingesetzt werden müssen, so daß hohe Anlagekosten entstehen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung besteht somit darin, einen Weg zu finden, um die Trennwirkung gegenüber den bekannten Gaszentrifugen wesentlich zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß nicht mit dem Strömungsfeld eines starren Wirbels, sondern mit einem Potentialwirbel gearbeitet wird. Ein solcher, von einem Gas mit dem Molekulargewicht M _a aufgebauter Potentialwirbel hat einen stoffleeren Zentralbereich, dessen Radius mit r_a bezeichnet sei.

Hier sind als wegweisend und in die Nähe des Erfmdungsgegenstandes führend folgende Schriften zu nennen:

Deutsche Auslegeschrift 1 154 793
»Verfahren und Vorrichtung zur Trennung von „ Gasgemischen durch die Einwirkung von Zentrifugalkräften«,

Schweizer Patentschrift 414 561

»Verfahren zur Trennung von Gasgemischen nach dem spezifischen Gewicht der Bestandteile«,

Zeitschrift f. Naturforschung 16 a, S. 569 bis 577, 1961,

»Isotopentrennung in einer Zirkularströmung«.

Darin wird die Anwendung eines Potentialwirbels bzw. einer potentialwirbelähnlichen Strömung beschrieben. Doch wird der zentrale stoffleere Bereich in seiner Bedeutung nicht erkannt und mit den beschriebenen Anordnungen auch nicht erhalten.

Insbesondere wird in dem oben zitierten Aufsatz in der Zeitschrift f. Naturforschung 16 a, S. 569 bis 577, 1961, zwar in der Einleitung daraufhingewiesen, daß im Kern des hier beschriebenen (Potential-) Wirbels besondere Verhältnisse vorliegen,weil — theoretisch — Temperatur und Druck den Wert Null annehmen. Doch heißt es weiter, daß dieser Zustand bei den beschriebenen Experimenten nicht erreicht werden würde. Letzteres offenbar deshalb, weil die im folgenden noch näher beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen und Konstruktionsmerkmale nicht zur Anwendung kamen.

Bei einem von M_a verschiedenen Molekulargewicht M_b entsteht auch ein anderer Radius des stoffleeren Bereichs, Bezeichnung r_b. Ist nun bei einem Gasgemisch mit den Molekulargewichten M_a und M₆ der Komponenten M_a < M₆, dann ist auf Grund der Eigenschaften der Potentialwirbel r_a < r_b, und im Bereich zwischen r_a und r_b kann die leichtere Komponente mit Molekulargewicht M_a rein oder zumindest stark angereichert entnommen werden. Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden auf die Eigenschaften des Potentialwirbels kurz eingegangen.

Das Strömungsfeld eines axialsymmetrischen Potentialwirbels ist dadurch charakterisiert, daß an allen Stellen des Strömungsfeldes der Drehimpuls u ■ r gleichgroß angetroffen wird. (Beim Radspeichenwirbel dagegen überall o> — konstant.) Ferner ist im Strömungsfeld eines axialsymmetrischen Potentialwirbels überall dieselbe Ruhetemperatur anzutreffen. (Beim Radspeichenwirbel ist überall die örtliche Gastemperatur konstant.) Die Ruhetemperatur T₀ werde definiert:

T₀= T + u²

x-1

xg-R

Ohne vorerst auf die Probleme einzugehen, wie man einen solchen Potentialwirbel technisch erzeugt, seien einige Eigenschaften des Potentialwirbels in einem Gase abgeleitet: Bei vorgegebener Ruhetemperatur T₀ und vorgegebenem Drehimpuls T₁ · W₁ können alle Zustandsgrößen in Abhängigkeit von einer Ortskoordinate, dem Mittelpunktabstand r beschrieben werden.

T=T_n-

^p-^Pl

xg-R

x-1

Ά·Λ

xg-R-T₁

wobei P₁ und T₁ zusammengehörige Werte von Druck und Temperatur bei dem Mittelpunktabstand T₁ sein sollen.

Die Dichteänderung über dem Mittelpunktabstand schreibt sich:

d„

Λ-Λ

r	1	χ ·	g-R	■Ά	M - τ
X —		«f	■ή
2	x-g	■ R ■	Ά	2-χ IV-1 M J) ·~μ (8)

Für einen Mittelpunktabstand r*

x-1

χ-g-R-T₀

gehen Temperatur, Druck und Dichte gegen Null. Wir finden in einem zentralen Bereich des Potentialwirbels einen gasleeren zylindrischen Hohlraum. Der Radius dieses gasleeren zentralen Hohlraumes ist bei sonst gleichen Ausgangsbedingungen (Ruhetemperatur T₀, Drehimpuls U₁ · r_x) nur vom Molekulargewicht des verwendeten Gases abhängig. Gase mit geringem Molekulargewicht vermögen weiter zur Mitte hin vorzudringen als Gase mit höherem Molekulargewicht. Diese Erkenntnis liegt der Konzeption des erfindungsgemäßen Verfahrens zugrunde.

Nun seien zwei Gase mit den Molekulargewichten M_a und M₆, die als Gemisch vorliegen, in ihrem Verhalten im Potentialwirbel betrachtet. An der äußeren Umrandung des betrachteten Bereiches werden beide Gase mit denselben Drehimpulsen M₁ · r_t und mit denselben Zustandsgrößen — Temperatur T₁, DrUCkP₁ und Dichte Q₁ — angetroffen, überlagert man den Geschwindigkeitskomponenten des Potentialströmungsfeldes zentripetale Geschwindigkeitskomponenten einer weiteren Potentialströmung, so daß das von der Berandung immer frisch zugeführte Gasgemisch zur Mitte hin strömt, so wird in diesem Strömungsfeld eine Abtrennung der reinen leichten Gaskomponente erreicht. Die Temperaturen der beiden Komponenten nehmen zur Mitte hin verschieden stark ab. Es stellt sich im Gasgemisch ein Temperaturungleichgewicht ein. Die Strömung muß so geführt werden, daß dieses Temperaturungleichgewicht einfriert, daß der Ausgleich des Temperaturungleichgewichts verhindert wird.

Strömungsfelder mit eingefrorenen Temperaturungleichgewichten sind aus der Technik der Raketenantriebe und aus der Technik der Düsenantriebe bekannt. Bei vollkommen eingefrorenem Temperaturungleichgewicht dringt die schwere Gaskomponente mit dem Molekulargewicht M_b nur bis zu dem Mittelpunktabstand r_b zur Mitte hin vor. Die leichte Gaskomponente mit dem Molekulargewicht M_a kann dagegen weiter zur Mitte hin bis zum Mittelpunktabstand r_a vordringen. Zwischen r_b und r_a befindet sich nur die reine leichte Gaskomponente. Die Möglichkeit der Erzeugung des Strömungsfeldes eines Potentialwirbels in einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Trennverfahrens ist an bestimmte Voraussetzungen gebunden. Ungestörte Strömungsfelder von Potentialströmungen bilden sich nur dort aus, wo ein Wandeinfluß (Reibung) nicht wirksam werden kann. Die Strömung eines Potentialwirbels wird durch Wandeinflüsse, insbesondere durch die einen zylindrischen Behälter begrenzenden Endflächen gestört. Gebremstes Grenzschichtmaterial fließt an den Endflächen zur Mitte hin und dringt in den bisher stoffieeren Innenraum des Potentialwirbels ein (Teetasseneffekt), dort einen. Radspeichenwirbel bildend. Bei längerem Impulsaustausch wird von innen von der Achse aus der Potentialwirbel aufgelöst und in einen Radspeichenwirbel umgewandelt. Um nach diesen Erkenntnissen die Ausbildung eines Potentialwirbels zu ermöglichen, werden folgende Maßnahmen ergriffen:

Das Gasgemisch wird von außen tangential zugeführt und tritt durch öffnungen (Spalte, Schaufelgitter) so in den rotierenden Behälter ein, daß Umfangsgeschwindigkeit der Wand und Geschwindigkeitskomponente des Gases in Umfangsrichtung gleich groß sind. Eine Reibungsgrenzschicht zwischen gleichschnell rotierender Flüssigkeit und Wand bildet sich nicht aus.

Der axialsymmetrisch rotierende Raum, in dem das Strömungsfeld des Potentialwirbels aufgebaut ist, wird nicht durch Endflächen begrenzt, die mit dem strömenden Stoff in Berührung kommen. Dieser Raum wird so ausgeführt, daß der Stoff von einer (gedachten) Symmetrieebene aus nach zwei spiegelbildlich angeordneten Düsen abfließt. Dadurch entfällt jede zur Mitte hinführende Begrenzung, die mit dem strömenden Gas in Berührung steht.

An den Düsenflanken entstehende Grenzschicht wird an der engsten Stelle der Düse durch Absaugung entfernt. So kann gebremstes Material den Potentialwirbel nicht verändern und nicht in den stoffleeren Mittelraum gelangen.

An den Außenwänden der Düsen entstehendes Grenzschichtmaterial, das zur Mitte hin abgedrängt wird, wird durch Einsatzrohre an dem Eindringen in den stoffleeren Raum verhindert und durch Absaugung entfernt. Zu beachten ist hierbei, daß um so weniger Grenzschicht abgeführt werden muß, je schneller der Läufer umläuft (gegebenenfalls schneller als das Gas). Läuft der Läufer langsam oder wird das Strömungsfeld statt in einem Läufer in einem fast nicht bewegten Gefäß aufgebaut, steigt der Aufwand für Grenzschichtabführung stark an.

Im folgenden wird eine Ausführungsform eines Gerätes zur Durchführung des erfindungsgemäßen Trennverfahrens an Hand der Abbildung näher beschrieben. In dem Gehäuse 1 rotiert eine Trommel 2. Bei 3 tritt das zu trennende Gasgemisch tangential in das Gehäuse ein und bewegt sich spiralig auf die Achse 4 des Gerätes zu. Dabei passiert das Gasgemisch das Eintrittsschaufelgitter 5 der Trommel 2. Die Schaufeln 6 sind so geformt, daß das Gasgemisch nach dem Durchtritt durch das Schaufelgitter die gleiche Umfangsgeschwindigkeit hat wie der Läufer. Nach dem Durchtritt durch das Schaufelgitter 5 verteilt sich das Gasgemisch nach beiden Seiten und durchströmt die Düsen 7 und 8. Im zentralen Trennraum 10 bildet sich das ungestörte Strömungsfeld eines Potentialwirbels aus. Dabei kann die Komponente des Gasgemisches mit dem höheren Molekulargewicht nur bis zur rotationssymmetrischen Begrenzung 11 vordringen. Das Gasgemisch durchströmt den Trennraum 10 sehr schnell und verläßt über die beiden Schaufelgitter 13 mit den Schaufeln 14 den Rotor.

Durch die beiden Ausströmleitungen 15 wird das Gasgemisch abgeführt. 16, 17 und 18 sind Labyrinthdichtungen. Die Stopfbuchsendichtungen 19 lagern den Läufer und sorgen zugleich für einen vakuumdichten Abschluß der inneren Teile. Durch die beiden Einsatzrohre 20 wird die Gaskomponente mit dem geringen Molekulargewicht abgeführt. Um den Trennvorgang im zentralen Bereich des Trennraumes 10 nicht durch einfließendes Grenzschichtmaterial zu

stören, ist bei der Abführung der Grenzschicht besondere Sorgfalt anzuwenden. Die Grenzschicht ist in der Abbildung durch Punktanhäufungen markiert. Kleine Pfeile zeigen die jeweilige Strömungsrichtung der Grenzschicht an. Bei 21 an der Innenseite der Lauferdüsen 7 und 8 bildet sich Grenzschicht aus, die an der Wand in Richtung auf den engsten Düsenquerschnitt bewegt wird. Sie wird bei 22 durch das Rohr 23 abgeführt. Durch dieselbe Entnahme 23 wird Grenzschicht, die sich bei 24 bildet, entfernt. Die besonders starke Grenzschichtentwicklung an den beiden Stirnwänden des Läufers bei 25 wird über die Rohre 26 entfernt. Damit diese Grenzschicht unter keinen Umständen in den zentralen Bereich des Potentialwirbels eindringen kann, sind die Entnahmerohre 20 soweit trichterförmig aufgebogen, daß sie gerade die zentrale Begrenzung 11 der Gaskomponente mit dem schweren Molekulargewicht berühren. In den Räumen 27 berührt das Grenzschichtmaterial die Gasbegrenzungsfläche 11. An dieser Bgrenzungsfläche wird Grenz-Schichtmaterial von dem schnell strömenden Gasgemisch durch Diffusion aufgenommen und durch Strömung weggeführt. Die Gasbegrenzungsfläche 11 wirkt auf die Räume 27 absaugend wie die Gasbegrenzungsfläche in einer Diffusionsvakuumpumpe. Der Trenneffekt in dem erfindungsgemäßen Gerät ist weitgehend unabhängig von der Umfangsgeschwindigkeit der rotierenden Teile. Die Zentrifuge kann mit mäßigen Umfangsgeschwindigkeiten betrieben werden, die im wesentlichen durch die zulässige Umfangsgeschwindigkeit an den Stopfbuchsen bestimmt wird. Es kann mit beliebigem Gasdruck gearbeitet werden. Hohe Gasdrücke erfordern hohen Energieaufwand, gestatten aber großen Stoffdurchsatz. Geringerer Gasdruck ist für das Einfrieren der Nichtgleichgewichtszustände günstiger.

Das Einstellen der Ruhetemperatur bietet ein vorzügliches Mittel, die Entnahme zu regeln. Je höher die Ruhetemperatur des eintretenden Gasgemisches ist, um so kleiner fallen die Radien r* aus. Bei fester Geometrie des Entnahmerohres können die Grenzflächen der Komponenten nur durch Veränderung der Temperatur eingestellt und dem Querschnitt des Entnahmerohres feinfühlig angepaßt werden. Bei Erhöhung der Ruhetemperatur rücken die Grenzflächen mehr zur Achse hin. Unter Umständen kann auch unreines Gas abgeführt werden. Bei Absenken der Ruhetemperatur rücken die Begrenzungsflächen nach außen von der Achse weg. Die Gasentnahme durch das Entnahmerohr wird geringer, die Entnahme reinen leichten Gases kann eingestellt werden. Die rotierende Trommel kann durch die Einwirkung des tangential mit hoher Geschwindigkeit eingeführten Gasstromes auf die Beschaufelung in Bewegung gesetzt werden. Ein besonderer Antrieb kann entfallen. Die Dichte (der Druck) im Gasstrom kann so bemessen werden, daß durch die Strömungsenergie des Gasgemisches alle Verluste an Reibungsenergie gedeckt werden.

Gegenüber der herkömmlichen Gaszentrifuge zeigt das erfindungsgemäße Gerät drei entscheidende Vorteile:

1. Von dem Gasgemisch wird eine Komponente in reiner Form abgetrennt. In der herkömmlichen Gaszentrifuge findet dagegen nur eine geringfügige Anreicherung statt.

2. Von der herkömmlichen Gaszentrifuge müssen sehr viele Einheiten zu größeren Gruppen zusammengefaßt eingesetzt werden. Die Anlagekosten sind dagegen für die Potentialwirbelzentrifuge beträchtlich geringer.

3. Der Energieverbrauch je Stoffeinheit ist in der Potentialwirbelzentrifuge geringer als in der herkömmlichen Gaszentrifuge.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 309 524/35

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Trennen von Gasen unterschiedlichen Molekulargewichtes,dadurch gekennzeichnet, daß die Abhängigkeit des Radius des zentralen stoffleeren Bereiches eines von einem Gas aufgebauten Potentialwirbels vom Molekulargewicht in der Weise ausgenutzt wird, daß bei einem Gasgemisch mit den Molekulargewichten M_a und M₆ der Komponenten (M₆ > M_a) und den zugehörigen Grenzradien des stoffleeren Bereiches r_a und r_b (r_a < r_b) die leichtere Komponente mit Molekulargewicht M_a rein oder stark angereichert aus dem zentralen Gebiet des Potentialwirbels mit Radius kleiner r_b entnommen wird und daß den Potentialwirbel störendes, gebremstes Grenzschichtmaterial abgesaugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für die verschiedenen Gaskomponenten je nach Molekulargewicht verschiedene radiale Temperaturverteilung im Potentialwirbel durch entsprechenden Gasdurchsatz und/oder große freie Weglänge der Gasmoleküle aufrechterhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Grenzradien r_a und r_b durch Wahl der Temperatur des zugeführten Gasgemisches erfolgt.

4. Vorrichtung mit in einem Gehäuse drehbarer Trommel und tangentialer Gaseinströmung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das durch das tangential am Gehäuse (1) angeordnete Einströmrohr (3) zugeführte, zu trennende Gasgemisch über die Schaufeln (6) eines Schaufelgitters (5) in die Trommel (2) geleitet wird, wobei die Schaufeln (6) so geformt sind, daß die Umfangsgeschwindigkeit der Trommelwand und die Geschwindigkeitskomponente des Gases in Umfangsrichtung gleich groß sind, daß in der Trommel (2) an den axialen Endbereichen des Trennraumes (10) je eine Düse (7) und (8) für das Ausströmen des Gasgemisches angeordnet ist, daß in der Gegend des engsten Düsenquerschnittes (22) Absaugrohre (23) angeordnet sind, durch die die an den Düsennanken entstehende Grenzschicht (24) entfernt wird, und daß zwei lange, sich zum Trennraum (10) hin trichterförmig erweiternde axiale Entnahmerohre (20) vorgesehen sind, durch die die reine oder stark angereicherte Gaskomponente mit dem geringeren Molekulargewicht aus dem Zentralbereich des Potentialwirbels entnommen wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Ausströmdüsen (7) und (8) Schaufelgitter (13) anschließen, die die axiale Ausströmung des Arbeitsgases über die Schaufeln (14) in tangential am Gehäuse (1) angeordneten Ausströmrohre (15) umleiten, daß im Gehäuse (1) Rohre (26) angeordnet sind, durch die die an den Stirnseiten (25) der Trommel (2) entstehende Grenzschicht abgesaugt wird und daß die Trommel (2) ganz oder teilweise durch das tangential durch die öffnungen (3) einströmende Gasgemisch in Bewegung gesetzt wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen von Gasen unterschiedlichen Molekulargewichtes, wie es z. B. in der Kernreaktörtechnik zur Trennung der Uranisotope U²³⁵ und U²³⁸ oder der petrochemischen Technik zur Verbesserung des Reinheitsgrades von Destillationsprodukten von Interesse ist.

Der Stand der Technik kennt verschiedene Mittel und Wege zur Isotopentrennung. Erwähnt seien Isotopentrennung durch Gasdiffusoren, Anreicherung durch fraktionierte Elektrolyse, das sogenannte CIusius-Verfahren, fraktionierte Destillation und der Massenspektrogräph. All diesen Verfahren haften gewisse Nachteile an; im übrigen unterscheiden sich aber die Arbeitsprinzipien grundlegend von dem der Erfindung, so daß hier nicht weiter darauf eingegangen werden soll. Eine weitere bekannte Möglichkeit zum Trennen von Gasen unterschiedlichen Molekulargewichtes bietet die Gaszentrifuge. Diese weist eine gewisse Verwandtschaft zur vorliegenden Erfindung auf und deshalb soll sie hier kurz in ihren wesentlichen Eigenschaften skizziert werden:

In ein rotierendes zylindrisches Gefäß wird nahe der ( Achse das zu trennende Gasgemisch eingeführt. Durch Wandreibung wird an das Gasgemisch Drehimpuls übertragen. Das Gasgemisch nimmt an der Drehbewegung des zylindrischen Gefäßes teil. Ein sehr starkes radiales Druck- und Dichtegefälle baut sich im Gasgemisch auf. Nach einiger Verweilzeit des Gemisches im Anreicherungsraum des Zentrifugenkessels stellt sich eine Konzentrationsverschiebung zwischen den Komponenten des Gasgemisches derart ein, daß die Komponente mit dem höheren Molekulargewicht in den äußeren Bereichen des Gefäßes angereichert vorgefunden wird.

In einem Gleichgewichtszustand, der bei sehr langer Verweilzeit erreicht wird, können Geschwindigkeiten, Zustandsgrößen und Partialdrücke der Komponenten in Abhängigkeit von einer Ortskoordinate, dem Abstand r von der Achse, dargestellt werden. Im ganzen Strömungsfeld ist die Winkelgeschwindigkeit ω konstant. Die Umfangsgeschwindigkeit u ist