DE1908792A1

DE1908792A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von Molekuelen unterschiedlicher Masse

Info

Publication number: DE1908792A1
Application number: DE19691908792
Authority: DE
Inventors: Roger Campargue
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1967-04-14
Filing date: 1969-02-21
Publication date: 1971-03-04
Also published as: NL6902586A; NL163130C; FR1583714A; DE1908792B2; GB1247069A; NL163130B; CH502836A; US3616596A; BE728365A; LU57986A1

Description

ii

Ng R. Beetz ϋ. 4io-i4 O09F 21.2.1969 Dipl.-Ing. Umprecht Manchen 22. Steliudofitu. 10

Commissariat ä 1^!Energie Atomique, Paris (Prankreich)

Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von Mole· külen unterschiedlicher Masae

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen von Molekülen unterschiedlicher e, die sich in einem gasförmigen Gemisch befinden·

Zweck der Erfindung ist vor allem, ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung so auszubilden, daß sie besser ale bisher den unterschiedlichen Anforderungen der Praxis genügen, insbesondere in bezug auf den Wirkungsgrad der Trennung»

Die rfindung beruht im wesentlichen darauf, daß man einen "Eruokefcoß-Borelch* benutzt, um die Trennung der Moleküle unterschiedlicher Maeβο zu bewirken»

Bs sind bereits Verfahren, bekannt? bei denen man zu dom ela!afc*» Eweck oinen ^Hübarsahallβtvahl", d. h. einen

Strahl mit Überschallgeschwindigkeit, der gasförmigen Mischung der zu trennenden Moleküle benutzt; die schwereren Moleküle konzentrieren sich in diesem Falle in dem Achsenbereich des Strahles. Die Trennung bleibt jedoch nur sehr gering gegenüber der hohen Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens·

Dieses erfindungsgemäße Verfahren ist im wesentlichen daduroh gekennzeichnet, daß man die gasförmige Mischung in einen begrenzten Raum dhführt und daß man in diesen gleichen Raum einen Hilfsgasstrahl mit Übersohallgeschwindigkeit eintreten läßt, um einen Druckstoß-Bereich, vorzugsweise geschlossener Form, zu schaffen, der einen Anteil der Mischung enthält, in dem die leichten Moleküle konzentriert sind»

Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich ganz eindeutig von früheren Verfahren, da die gasförmige Misohung, die in der Achse des Übersohallstrahls entnommen wird, leichte Moleküle in stärkerer Konzentration enthält und nicht mehr die schweren Moleküle» Außerdem ist der Konzentrat ionsfaktor ganz wesentlich größer_o

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der in sich gesoiilossene Druckstoß-Bereich aus Stoßwellen gebildet, die a,n£ die freie Expansion des tfoersohallatrahls in Form elaar "Mash-Zelle" zu~ rüekzufükres sind (Mach-Druckliniθηί&Θίϊ,βί? einer geschlossenen ~ Periode } _f und'das Entnehmen des Aa-feoiXs des mit laiohteren Molekülen angereiohertesi Gas©s oyfoigt -vor der das Ende der Periode -des Druqketoß-Bereialiea bildenden , vorzugsweise in der Aofeao diesor

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sch.iedlich.er Masse in einer gasförmigen Mischung vorgeschlagen, die im wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, daß sie Einrichtungen zum Hindurchführen der Gasmischung durch einen geschlossenen Raum oder Behälter unter herab- * gesetztem Druck aufweist, eine Einlaßöffnung für einen Druckgasstrahl, die in den betreffenden geschlossenen Raum oder Behälter derart gerichtet ist> daß das ausströmende Druckgas durch freies Entspannen einen Druckstoß-Bereich innerhalb des geschlossenen Behälters erzeugt, und schließlich Einrichtungen zur Entnahme eines Anteils des im Inneren des Druckstoß-Bereiches vorhandenen Gases, das hier an leichten Molekülen angereichert ist, mittels eines Abzugsstutzens, der in den abgeschlossenen Raum oder Behälter gegenüber der Öffnung für das Einführen des Hilfsgasstrahls hineinragt.

Sekundäre Merkmale dieser Vorrichtung betreffen die Einrichtungen zum Hindurchführen der gasförmigen, zu behandelnden Mischung, eine Einlaßleitung, deren Mündung weit genug von der Öffnung zum Einführen des Hilfsgasstrahles entfernt ist, damit der Einlaß der zu behandelnden Gase außerhalb des Druckstoß-Bereiches liegt; dieser Einlaß ist zweckmäßigerweise derart ausgebildet, daß er die Druckstoß-Ausbildung nicht stört? und schließlich sind Einrichtungen zum Abpumpen der gasförmigen Mischung außerhalb des Druckstoß-Bereiches vorgesehen, die vorzugsweise radial rings um den Hilfsgasstrahl angeordnet sind.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren einzuhaltenden Arbeitsbedingungen und - bei dfer oben geschilderten Vorrichtung - der Axialabstand zwischen der Einfuhröffnung des Hilfsgasstrahles und dem vorderseitigen Begrenzungsrand des Abziehstutzens sind vorzugsweise für jede Anwendung derart zu bestimmen, daß der Stutzeneinlaßrand vor die ^MMach-Scheibe^H zu liegen kommt, de h. vor die Querfläche am Ende einer Periode des Druckstoß-Bereiches bei den jeweils vorgesehenen Arbeitsbedingungen.

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Die zu behandelnde Gasmischung kann eine ganz beliebige, eine natürliche oder eine künstlich zusammengesetzte Mischung sein; die zu trennenden Moleküle können unterschiedlicher Art sein, wie Helium und Stickstoff, die in Naturgas enthalten sind oder die Edelgase, die sich in der Luft befinden; es können auch Isotopen eines gleichen einfachen Elements sein, wie die natürlichen Isotopen der Edelgase Argon, Krypton, Xenon oder auch des Wasserstoffs; es können auch schließlich isotopisch unterschiedliche Moleküle einer gleichen Substanz sein, wie die Uranhexafluoride des Urans 235 und des Urans 238, oder die Hexafluoride des Schwefels 32, des Schwefels 33 und des Schwefels 34»

Das Hilfsgas oder "Transportgas", das zur Ausbildung des Druckstoßbereiches benutzt wird, dient gleichzeitig zum Mitführen der gasförmigen Fraktion, in der die leichteren Moleküle angereichert sind, die in den Druckstoßbereich (oder die "Mach-Zelle") eingedrungen sind. Dieses Hilfsgas wird vorzugsweise derart gewählt, daß es sich von der zu behandelnden gasförmigen Mischung leicht trennen läßt j diese Bedingung ist aber nicht zwingend; das Gas kann sogar nach einer anderen vorteilhaften Durchführungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Gas gleicher Art wie die Gasmischung sein. Die Moleküle des Hilfsgases können ganz unabhängig entweder schwerer, leichter oder der gleichen Masse sein, wie gewisse zu trennende Moleküle.

Der Überschaustrahl des Hilfsgases wird durch freie Entspannung dieses Gases durch eine Öffnung oder einen Einlaß des geschlossenen Raumes oder Behälters erzeugt, die beispielsweise diesen Raum oder Behälter mit einer Druck-· kammer verbindet, in der das Hilfsgas unter einem Druck P_Q steht, der um den erforderlichen Faktor größer als der dynamische Druck P₁ ist, der in dem geschlossenen Raum oder Behälter herrscht. Diese Einlaßöffnung oder Einströmöffnung

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kann durch die Mündung einer konvergierenden Düse oder einer konvergierenden-divergierenden Düse gebildet sein oder schließlich durch ein einfaches Loch in einer ebenen Wand oder auch noch durch ein Kapillarrohr, Die Ausströmöffnung ist vorzugsweise kreisrund; sie kann aber auch eine beliebige geometrische Form haben, insbesondere eine Rechteck-Torrn, wie sie durch einen langgestreckten Schlitz gegeben ist.

Xn gleicher Weise kann der Abzugstutzen vorzugsweise eine Rotationskörperform haben, die axial auf die Achse des Druckstoßbereiches ausgerichtet ist; er kann aber auch eine beliebige geometrische Form (die sich beispielsweise von einem verengten Querschnitt aus erweitert) haben, mit einer beliebigen Öffnungsgestalt; insbesondere kann die Öffnung rechteckig sein und auch hier einen langgestreckten Spalt bilden. Um den Durchsatz der mit leichteren Molekülen angereicherten Mischung zu erhöhen, wird die Einlaßöffnung des Abzugsatutζens so groß wie möglioh gemacht} diese Abmessungen sind jedoch nach oben durch die Abmessungen der den Druckstoß-Bereich am hinteren Ende abschließenden "Mach-Scheibe" begrenzt.

Vie böx'eits angegeben, wurde bereits ein Übersohallstrahl benutzt, um eine Trennung von Gasmolekülen unterschiedlicher Masse zu erreichen· Bei dem früheren Verfahren jedoch war es die zu behandelnde Gaemisohung selbst, die eine Entspannung erfuhr und den überschallstrahl bildete; infolgedeeson ergab sich eine - überdies nur sehr geringe «= Anreicherung an schwereren Molekülen in der Nähe der Acli-.a des Über schall strahle. Die wirksamen Phänomene dürften b©± dem erfindungsgemäßen Verfahren durchaus ander© sein, bai dsm im Gegensats zu d@m bekannten Verfahren die au behandelnde Mischung v®n außen an den Druckstoß-Beraioh herangeführt warden muß« Otoa daß es bereits jetat

eü&kt© JSs¹IsIäriSiJg d&e Phänomens asu ge»

ben, kann man jedoch feststellen, daß bei einem Entnehmen des Gases aus dem Inneren des Druokstoß-Bereiches dieses Gas einen Anteil der Gasmischung darstellt, der mit leichteren Molekülen angereichert ist, so als wenn die äußere Begrenzung des Druckstoß-Bereichs, (welche die beiden Zonen des Raumes trennt, in denen die Strömungsgeschwindigkeit der Gase unterhalb und oberhalb der Schallgeschwindigkeit liegt), eine selektive Wirkung auf das Hindurchtreten von schweren und leichteren Molekülen hat» welche diese äußere Bereichsgrenze von außen nach innen durchqueren.

Der Anreiclmrungsfaktor, der sich durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielen läßt, kann sehr groß sein, beispielsweise 17 fi bei den natürlichen Isotopen des Argons»

Um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen, ist es vorteilhaft, den Druck P₁ der gasförmigen Mischung in dem abgeschlossenen Raum oder Behälter auf einem Wert zu halten, der unter 10 mb liegt, der aber andererseits in einem Bereich liegen muß, der oberhalb einer Größenordnung von 10" mb liegt, damit die freie Weglänge der Gasmoleküle des Hilfsgases kleiner bleibt als der Durchmesser der den Druckstoß-Bereioh axial abgrenzenden "Mach-Scheibe"»

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung warden jetzt einige Awsfithrungsbeispiele der erfindungsgesiäSen Yorrichtung nand dar Durchführung des erfindungsgemäßes, ¥@vfahr ens bescliria·» ben j diese Beispiele stellen jedoeh keiss© Einschränkung dar« In der Zeichnung zeigen5

Fig« 1 ekie schsiaatisoh dargestellt© Vors'iciitung

Trennen voa Moleiiülaa iasaisoEOoliiadlioher Masse nach clem ar^iiidUEigsgor^aiieia Ysi^ifataen g

Fig 3 S bis 5 gÜEECE, Sl?5? UZrVdv/uQ&VStG ÜOQ 33

'..' ύ ¹I ■'.' v^: 'J

χ-ichtung relativ zu der Gestalt des Druckstoß-Bereich.es j

Fig. 6 eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 7» 8 und 9 drei grafische Darstellungen, die für unterschiedliche Anwendungsweisen den Einfluß der axialen Lage des AbzugsStutzens auf den Wirkungsgrad und das Trennvermögen wiedergeben.

Bei der schematisch in Fig_e 1 dargestellten Vorrichtung ' enthält der abgeschlossene Raum oder Behälter 1 die zu behandelnde Gasmischung, die aus einem Vorratsbehälter 2 über ein Ventil 3 zugeführt wird. In den gleichen Raum oder Behälter 1 wird Hilfsgas durch eine konisch konvergierende Düse 4 eingeführt, und zwar aus einem Vorratsbehälter 5» in dem ein Druck P herrscht» Der Behälter 1 ist rotations-

körpersymmetrisch relativ zur Achse der Düse 4„

In dem als Beispiel ausgewählten Fall ist der Raum oder Behälter 1 zylindrisch. Sr hat an seinem Umfang eine Ringkammer 8, die durch eine in ihrer mittleren Zone mit Durchlaßöffnungen versehene Trennwand 18 gegen den zentralen Teil des Raumes oder Behälters 1 abgegrenzt ist. Eine Pumpe 7 saugt das Gas aus dieser Ringkammer ab und gestattet es, in dem Raum oder Behälter 1 einen dynamischen Druck P aufrechtzuerhalten, der kleiner ist als P , und zwar um so viel kleiner, daß das Einspeisen des Hilfsgases einen Überschallstrahl 6 am Auslaß der Düse k erzeugt. Die Wirkung des Pumpens verteilt sich regelmäßig über den gesamten Umfang des aus der Düse h austretenden HilfsgasStrahles· Dank dieser Anordnung bleibt die Form des Strahles bei kreisrundem Düsenquerschnitt ein Rotationskörper um die Achse der Düse, und das gleiche gilt für den gebildeten Druckstoß-Bereich.

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Der Druck P , der dein Ausströmen des Strahles 6 einen Widerstand entgegensetzt, der die Bildung von Stoßwellen hervorruft, die nun ihrerseits einen Druckstoß-Bereich oder eine "Mach-Zeile" hervorrufen, deren Begrenzung diejenige Haumzone, in der die Ausströmgeschwindigkeit des Gases unter der Schallgeschwindigkeit liegt, von derjenigen ßaumzone trennt, in der diese Geschwindigkeit oberhalb der Schallgeschwindigkeit liegt} wobei diese Trennfläche eine Diskontinuität für die Strömungsmittelzustände darstellt ο

Der Druckstoßbereich, der in Fig. 1 mit 9 bezeichnet ist, hat infolge der Reflexion der Mach'sehen "Fächer-Drucklinien¹¹ eine allgemeine Form, die der Oberflächengestalt eines schwach bauchigen Geschosses entspricht, dessen Spitze in dem engsten Durchlaß der Düse k liegt und dessen Basisfläche 10, die im wesentlichen eben ist, "Macht Scheibe" genannt wird. Man erkennt weiterhin in der Fig. die Grenzfläche 11, außerhalb der der Strahl 6 praktisch keinen Einfluß ausübt.

Bei der beschriebenen Ausführungsform vermeidet man, daß das Einführen der zu behandelnden Gasmischung einen zweiten Strahl erzeugt, der den Druckstoß-Bereich stören könnte ι man sieht einen genügend großen Abstand zwischen der Düse k und der Einlaßleitung 19 für die Gasmischung vor und richtet diese auf die seitlichen Wände des Raumes oder Behälters 1.

Um aus der "Mach-Zelle" 9 Gase zu entnehmen, verwendet man einen Abführstutzen 12, der die Form eines von einer kreisförmigen Einlaßöffnung 13 ab divergierenden Hohlkörpers hat, der am Einlaßrand zugeschärft sein kann; in diesem Abführstutzen 12 erzeugt eine Pumpe 14 einen Druck ¥._>t der noch kleiner ist als der Druck P₁. Der Abführe tutzen-Einlaßrand 13 ist axial gegenüber der Düse 4 angeordnet,

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vorzugsweise in einem Abstand von der Düsenmündung oder engsten Düsenstelle, der gleich demjenigen Wert ist, bei dem der Einlaßrand 13 gerade durch die "Mach-Scheibe" 10 (die zur Achse des Druckstoß-Bereichs senkrechte End-Stoßwelle der Mach-Zelle) gerade hindurchragt· Unter diesen Bedingungen kann der Inhalt der "Mach-Zelle" 9 am leichtesten abgezogen werden, ohne daß Störungen durch das Ilindurchtreten von Stoßwellen auftreten; insbesondere kann man eine zusätzliche, nicht an leichteren Molekülen angereicherte Strömung vermeiden, welche nicht durch den Druckstoßbereich hindurchgegangen ist und sich gegebenenfalls direkt zwischen dem Abführstutzen und der Mach-Scheibe "hindurchschiebt".

Der "Inhalt" des Druckstoßbereiches bzw. ein Teil des in ihm enthaltenen Gases wird von der Pumpe 14 in einen Sammelbehälter 15 gebracht und der Anteil der ursprünglichen Gasmischung, der an leichteren Molekülen angereichert ist, und in diesem Sammelbehälter gesammelt wird, kann dann leicht von dem Hilfsgas getrennt werden (natürlich nur, wenn dieses Hilfsgas nicht der gleichen Art wie die ■zn behandelnde Gasmiechung iat)| der abgetrennte Gaamiachungsanteil kann gegebenenfalls zumindest einer neuen Anreicherungsstufe zugeführt werden.

Der nicht von dem Absaugetutzen 12 abgesaugte Anteil der »u behandelnden Gasmiechung stellt eine an leichten Molekülen verarmte Fraktion dar, die von der Pumpe 7 abgesaugt wird. An der .Austrittsseite dieser Pumpe und nach gegebenenfalls durchgeführtem Abtrennen des Hilfsgaeee kann dieeo Gaefraktion entweder anderweitig benutzt oder in eine frühere Stufe einer Kette von Trennetufen zugeführt werden.

In den FIg₉ 2 bin 5 int eohematieoh der »influfl der axialen Stellung de· Äinlmflrande· 13 de· Abfuhr»tut«en·

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auf die Lage der "Mach-Scheibe" 10 dargestellt. Wenn der Einlaßrand 13 noch verhältnismäßig weit von der engsten Stelle der Düse 4 entfernt ist (Fig. 2), ist der axiale Abstand χ zwischen dem engsten Düsenquerschnitt und der Maoh-Scheibe 10 durch die folgende Formel gegeben:

(I) χ = 0,67 D_o (P_o/^pi> ¹

In dieser Formel bedeutet D den Durehmesser der engaten Stelle der Düse 4, P den Druck, der am Einlaß dieser Düse herrscht, und F₁ den Druck, der in dem Raum oder Behälter 1 vorhanden ist.

Wenn man nun den Abführstutzen in axialer Richtung der Düse 4 nähert, bleibt zunächst die Mach-Soheibe fest in ihrer ursprünglichen Lage (Fig. 3)} dann nähert sie sich ihrerseits ebenfalls der Düse, wobei aie sich verformt (Fig. 4), bis schließlich der Einlaßrand 13 des Abführstutzens die Mach-Soheibe berührt und durch sie hindurchtritt (Fig· 5). In dieser Stellung ist dar Druckstoß-Bereich mit dem Einlaßrand 13 verbunden oder "gekuppelt". Eb ist möglich, daß dieses Verbinden oder Kuppeln nach einem nur sehr kleinen Rückgang oder praktisch gar keinen Rüokgang der Mach-Soheibe erfolgt.

Um das Verbinden oder Kuppeln oh&o Störung des Druckstoß-Bereiohes zu'erzielen, erweist es aioh als vorteil« haft, wenn der Spitzenwinkel der äußeren konischen Fläche des Abfuhrstutzens 12 nicht zu grouß ist) dieser Winkel •oll vorzugsweise kleiner als 90° sein«

In der Fig· 6 erkennt man mohrora Düsen k_t 41 β In den gleichen geschlossenen Raum oder Btaält®s> 1 münzen? ebenso viele Drucketoßberoioii· geeeiiaffeK wenden and die

gesarate Trennfläche vergrößert wird. Jedem Druckstoßbereich 9 ist natürlich, ein Abführstutzen 12 zugeordnet, während die Homogenität der zu trennenden Gasmischung dadurch gesichert ist, daß mehrere mit Ventilen 3 versehene Einlasse für diese Gasmisellung verteilt vorgesehen werden» Die Anordnung der Abführstutzen 13» der Strahldüsen 4 und der Einlasse für d.ie zu behandelnde Mischung kann beliebig in irgendeinem Muster vorgesehen werden, beispielsweise in einem Sechser-Muster oder in einem Vierer-Muster. Das heißtj im ersten Falle in gegeneinander versetzten Reihen, im zweiten Falle in zueinander parallelen Reihen_o Die Abführstutzen und Düsen können Kreisquerschnitte haben oder in beispielsweise zueinander parallelen Spalten enden.

Bei den Anwendungsbeispielen, die nunmehr folgen, wird mit "Trennfaktor" oC das Verhältnis

bezeichnet, wobei η den molaren Anteil des leichteren Elements in der Gasmischung und N den molaren Anteil des schwereren Elements bezeichnet und der Index ο den Anfangsbedingungen (vor der Anreicherung) entspricht, der Index 1 den Eiidbedingungen (nach der Anreicherung).

Zum Vergleich Airerden für diese Beispiele der Wert des Verhältnisses ß der Quadratwurzeln der Molekülmassen der zu trennenden Moleküle angegeben, ein Verhältnis, das als das Maximum des Tremifaktors bei einer klassischen Gasdiffusion einzusehen ist, wobei ein derartiges Verfahxon praktisch mix· einen Wert von ß/2 ergibt.

Beispiel 1

Di.1· i,iiilaJ3rand 13 des Abführst« ti-nns 12 ist i-ugoucliiirft,

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wie dies in der Zeichnung dargestellt ist und entspricht der Schnittlinie einer äußeren Konusfläche mit einem Spitzenwinkel von 70 mit einer koaxialen inneren Konusfläche, deren Spitzenwinkel 50° ist} der lichte Durchmesser D₁ dieses zugeschärften Einlaßrandes 13 ist 0,83 mm. Die konvergierende konische Strahldüse 4 hat einen Austrittsdurchmesser von 0,47 innie . * -

Kohlendioxyd C02, das durch Kondensation leiclit entfernt werden kann, wird als Hilfsgas gewählt. Es wird in die Düse 4 unter einem Druck P von 82 mb eingeführt. In Abwesenheit der zu trennenden Gasmischung hält die Pumpe in dem Raum oder Behälter 1 einen Druck P₁ in der Größenordnung von 0,15 mb aufrecht. Dann führt man in diesen Raum oder Behälter 1 eine Mischung aus Helium und Argon ein, in der das Verhältnis η /N = 0,111 ist} die eingeführte Menge wird derart geregelt, daß der Druck in dem Raum oder Behälter 1 auf P¹ ₁ = 0,3 mb ansteigt. Unter diesen Bedingungen ist der Abstand der Mach-Scheibe nach der oben genannten Formel (l) gleich χ = 5,2 mm. '

Das Hilfsgas C0_ wird durch Kondensation in einer Kältefalle entfernt, die auf der Temperatur des flüssigen Stickstoffs gehalten wird und an der Ausgangsseite "dear Diffusionspumpe* 14 angeordnet ist. Die an Helium angereicherte Gasmischung wird aus dieser Kältefalle entnommen und in einen Behälter gedrückt, um anschließend mit dem Massenspektrometer analysiert zu werden.

Die Fig. 7 gibt die Änderungen des Trennfaktors 06 (in Richtung der Ox'dinate) in Abhängigkeit von dem axialen Abstand b (der in mm auf der Abszisse aufgetragen ist) zwischen der engsten Stelle der Düse 4 und dem Einlaßrand 13 des Absaugstutzens 12 wieder.

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Man erkennt, daß in der Nähe des Wertes b«2, 9 mm eine sehr enge kritische Zone vorhanden ist, bei der der Trennkoeffizient c/L ganz beträchtliche Werte erreicht, das Maximum dieses Wertes (174) ist 55 mal größer als das Verhältnis ß (3#l6), das als maximal bei bekannten oder klassischen Diffusionstrennverfahren erwartet werden konnte«

In der Nähe dieses Wertes von b kommt der Einlaßrand 13 des Abführstutzens gerade in Berührung mit der Mach-Scheibe, wie dies in der Fig. 5 anschaulich gemacht ist·

Beispiel 2

Unter den gleichen Bedingungen wie beim Beispiel 1, aber mit einem Durchmesser D₁ des Einlaßrandes 13 von 0,42 nun (anstatt von 0,83) beobachtet man einen höchsten Wert O^ in der Größenordnung von 58, d« h· eine Anreicherung, die 18 mal größer ist als das Verhältnis ß.

Beispiel 3 = ■

Bei den gleichen Bedingungen wie beim Beispiel 1, , aber mit einem Abfuhrstutzen 12 In Kegelstumpfform, dessen innere und äußere Flächen parallel zueinander sind (gleicher Spitzenwinkel von 50°)» hat der n'ioht zugeeohärfte Einlaßrand 13 einen inneren Durchmesser von 2 mm und eine radiale Dicke von 2 Him, Hier wird ein maximaler Wert fUreV in dor Größenordnung von 53 festgestellt,, d. h» einen Wert, der 17 mal größer als das Verhältnis ß ist·

Beispiel h A

Unter den glelohen Bedingungen wie bei* Beispiel 3,

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aber beim Arbeiten unter tiefer Temperatur und mit einem ^; Drucla P von 229 mb (anstelle von 82), beobachtet man einen maximalen Wert vono£ in der Größenordnung von 3,3,

Beispiel 5

Die Bedingungen sind die gleichen wie beim Beispiel 1, ein einziger Unterschied besteht darin, daß die zu behandelnde Gasmischung, die in den Raum oder Behälter 1 eingeführt wird, natürliches Argon ist, das 0,3 $ Argon 36 enthält, während praktisch der gesamte Rest Argon 40 ist.

Die Pig« 8 zeigt die Änderungen des Faktors «t in Abhängigkeit von dem Abstand b. Diese Darstellungzeigt, daß die optimalen Werte wiederum in einer engen Zone um den Wert b = 3*6 nun herum liegen, mit einem Maximum yonOs = 1,l4, was einer dreimal größeren Anreicherung entspricht, . als sie bei klassischen Diffusionstrennverfähren als Maximum vorhergesehen werden konnte* da das Verhältnis fl hier V 1,054

Beispiel 6

Unter den gleiohen Bedingungen w±® beim Beispiel 5, aber mit einem AbfUhrstutzen entsprechend dem Stutzen vom Beispiel 3, ^^rird ein maximaler Wert voa^ in der Größenordnung von 1,11 festgestellte

Unter den gleiohan Bsdingungesi wie beim Beispiel β₈. aber b*ira ,Arbeiten mit tief «er Temperatur- utid.

a- to /in

63k mb (anstelle von 82), P von 0,4 nib (anstelle von 0,15) und P' von 0,9 nib (anstelle von 0,3)» wird ein maximaler ¥ei"t für 06 in der Größenordnung von 1,05 gefunden»

Beispiel 6

Unter den gleichen Bedingungen wie beim Beispiel 5» aber mit einem Abführstutzen entsprechend dem Beispiel 3 und unter Verwendung von Ammoniak NH„ als Hilfsgas (anstelle von COp) wird ein Maximalwert fürou in der Größenordnung von 1,09 gefunden. .

Beispiel 9

In einer Vorrichtung ähnlich der in Beispiel 1 beschriebenen und unter den gleichen Druckbedingungen wurden die Isotopen des Schwefels S^₀ und S_Qi. in Gestalt von Schwefelhexafluorid SF^- unter Verwendung von Stickstoff als Hilfsgas getrennt» Es wurde ein Trennfaktor von I₉OIO gefunden, während das bei Anwendung der klassischen Diffusionstrennmethoden vorauszusehende Maximum nur 1,OO68 beträgt. Dieses in der Fig. 9 veranschaulichte Beispiel, bei dem die Figc 9 die Änderungen des Paktors oC iii Abhängigkeit von dem Abstand b wiedergibt, zeigt, daß die Trennung unter Verwendung eines Hilfsgases möglich ist, das ganz wesentlich leichter als die zu trennende Gasmischung ist.

Beispiel 10

In einer Vorrichtung ähnlich der in Beispiel 1 beschriebenen wurden die Isotopen des Argon (Argon 36 und Argon ho) mit Schwefelhexafluorid SF^- als Hilfsgas getrennt,

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H.

2. 1

Bei Drücken P =31,6 mb P =5 χ 10 mb und P' =1,45 χ 10 mb wurde ein Trennfaktor von 1,17 erhaltene

Wie es ohne weiteres klar sein dürfte, und wie es überdies aus der vorangegangenen Beschreibung ersichtlich ist, wird die Erfindung in keiner Weise durch diejenigen Ausführungs- und Anwendungsbeispiele begrenzt, die zu ihrer Erläuterung herangezogen wurden; die Erfindung tinifaßt im gegensatz hierzu sämtliche für den Fachmann naheliegende Varianten«

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Claims

Patentansprüche

1 φ Verfahren zur Trennung von Molekülen unterschiede licher Masse, die sich in einer gasförmigen Mischung befinden, dadurch gekennzeichnet, daß mau die Mischung bzw. eine Fraktion der Mischung durch einen Druckstoßbereich hindurchgehen läßt*

2. Vorfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die gasförmige Mischung in einen Raum einführt, in den gleichen Raum einen HiIfsgasstrahl mit Überschallgeschwindigkeit einspeist, um einen Druckstoßbereich, vorzugsweise geschlossener Form, zu schaffen« und daß man Gas aus dem Inneren des Druckstoßbereiches entnimmt, das eine au leichten Molekülen angereicherte Fraktion der Gasmischung darstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der gasförmigen Mischung in dem geschlossenen Raul

rnb gehalten wird.

—2

geschlossenen Raum auf einem Wefct zwischen 10 mb und 10

h. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahme von Gas vor der "Mach-Scxheibe¹· erfolgt, d. h. vor der hinteren Querbegrenzungeflache des Drucketoßbereichs»

5. Verfahren nach irgendeinem der vorangegangenen An-SiJrUoIIe₀ dadurch gekennzeichnet, daß der Drucketoßbereich eine Drehkürpereymmotrie hat.

6. Vorrichtung fUr die Durchführung de· erfindungege-Diäßen Verf almsia nach Anspruch T oder einem der folgenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Einrichtung·« (2, 3» 1?»

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8, 7) zum Hindurchführen der Gasmischung durch einen unter verringertem Druck gesetzten Raum (l), eine in den Raum mündende Einführ öffnung (4) für einen unter Überdruck stehenden Hilf sgasstrahl (6), der durch freies Entspannen in den betreffenden Raum einen Druckstoßbereich (9) erzeugt, und Einrichtungen (12, 13, 14, 15) zum Entnehmen einer Fraktion des Gases im Inneren des Druckstoßbereiches, wobei diese Gasfraktion an leichteren Molekülen angereichert ist, mittels eines Abführstutzens (12), der in den geschlossenen Raum gegenüber der Öffnung für das Einführen des Hilfsgases hineinragt·

7· Vorrichtung nach Anspruoh 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen für das Hindurchführen der gasförrai- _: gen, zu behandelnden Mischung eine Zuführleitung umfassen, deren Mündung (19) genügend weit von der Öffnung (4) für die Einführung des Hilfsgases entfernt liegt, so daß das· Einführen außerhalb des Druckstoßbereiches (9) erfolgt·

8» Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Hindurchführen der gasförmigen Mischung eine Pumpeneinriqhtung (7) umfaßt, welche die Mischung aus dem Bereich außerhalb des Druckstoßbereiches entnimmt, und zwar bei radial um.den Hilfs- f gasstrahl herum angeordneten Entnahmestellen (8),

9· Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (4) für das Hilfsgas und der Abführstutz en (12) einen kreisrunden Querschnitt haben und koaxial zueinander liegen.

10« Vorrichtung nach Anspruoh 9j dadurch gekennueiohnet, daß d«r geaohloeeme Raum (1) eins Rotationskörper-•ymmetrie relativ asu der gemeinaanian Aöhse von öffnung (h) und Abfühspetutaen (12) hat.

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11. Vorrichtung nach xrgendexnera der Ansprüche 8 bis 10, dadurch, gekennzeichnet, daß der geschlossene Raunr (i) eine gegen das Rauminnere durch eine perforierte Trennwand (-18) abgetrennte Ringlcammer (8) aufweist, und daß das Absaugen der gasförmigen Mischung aus dieser Ringkammer erfolgt.

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