DE1908792B2 - Verfahren und vorrichtung zum trennen von in einem gasfoermigen gemisch enthaltenen komponenten unterschiedlicher masse - Google Patents

Description

F i g. 2 bis 5 Skizzen zur Erläuterung des Einflusses der axialen Lage der Abschälblende der Vorrichtung auf die Gestalt des Druckstoßbereiches,

F i g. 6 eine Variante für die erfindungsgemäße Vorrichtung,

F i g. 7, 8 und 9 drei grafische Darstellungen, die den Einfluß der axialen Lage der Abschälblende auf den Wirkungsgrad und das Trennvermögen veranschaulichen.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung wird das zu trennende Gasgemisch über ein Ventil 3 aus einem Vorratsbehälter 2 in einen Expansionsraum eingeführt. In den Expansionsraum 1 wird außerdem ein Hilfsgas durch eine konisch konvergierende Düse 4 eingeführt, und zwar aus einem Vorratsbehälter 5, in dem ein Druck P₀ herrscht. Der Expansionsraum 1 ist rotationssymmetrisch zur Achse der Düse 4.

In dem als Beispiel ausgewählten Fall - ist der Expansionsraum 1 zylindrisch. Er hat an seinem Umfang eine Ringkammer 8, die durch eine in ihrer mittleren Zone mit Durchlaßöffnungen versehene Trennwand 18 gegen ihn abgegrenzt ist. Eine Pumpe 7 saugt das Gas aus der Ringkammer 8 ab und gestattet es, in dem Expansionsraum 1 einen dynamischen Druck P_x aufrechtzuerhalten, der kleiner ist als P₉, und zwar um so viel kleiner, daß das Einspeisen des Hilfsgases einen überschallstrahl 6 am Auslaß der Düse 4 erzeugt. Die Wirkung des Pumpens verteilt sich regelmäßig über den gesamten Umfang des aus der Düse 4 austretenden Hilfsgasstrahles 6. Dank dieser Anordnung bleibt die Form des Strahles bei kreisrundem Düsenquerschnitt ein Rotationskörper um die Achse der Düse.

Der Druck P₁ setzt dem Ausströmen des Strahles 6 einen Widerstand entgegen, der die Bildung von Stoßwellen hervorruft, die nun ihrerseits einen Druckstoßbereich oder eine »Mach-Zelle« hervorrufen, deren Begrenzung diejenige Raumzone, in der die Ausströmgeschwindigkeit des Gases unter der Schallgeschwindigkeit liegt, von derjenigen Raumzone trennt, in der diese Geschwindigkeit oberhalb der Schallgeschwindigkeit liegt; wobei diese Trennfläche eine Diskontinuität für die Strömungsmittelzustände darstellt.

Der Druckstoßbereich, der in F i g. 1 mit 9 bezeichnet ist, hat infolge der Reflexion der Machschen »Fächer-Drucklinien« eine Allgemeinform, die der Oberflächengestalt eines schwach bauchigen Geschosses entspricht, dessen Spitze in dem engsten Durchlaß der Düse 4 liegt und dessen Basisfläche 10, die im wesentlichen eben ist, »Mach-Scheibe« genannt wird. Man erkennt weiterhin in der F i g. 1 die Grenzfläche 11, außerhalb der der Strahl 6 praktisch keinen Einfluß ausübt.

Bei der beschriebenen Ausführungsform vermeidet man, daß das Einführen des zu trennenden Gasgemisches einen zweiten Strahl erzeugt, der den Druckstoßbereich 9 stören könnte; man sieht einen genügend großen Abstand zwischen der Düse 4 und dem Einlaß 19 für das Gasgemisch vor und richtet dieses auf die seitlichen Wände des Expansionsraumes 1.

Um aus dem Druckstoßbereich 9 Gase zu entnehmen, verwendet man eine Abschälblende 12 in Form eines vod einem kreisförmigen Rand 13 ab divergierenden Hohlkörpers, wobei der Rand 13 zugeschärft sein kann; hinter der Abschälblende 12 erzeugt eine Pumpe 14 einen Druck P₂, der noch kleiner ist als der Druck P₁. Der Rand 13 ist axial gegenüber der Düse 4 angeordnet, vorzugsweise in einem Abstand von der Düsenmündung oder engsten Düsenteile, der gleich demjenigen Wert ist, bei dem der Rand 13 gerade durch die »Mach-Scheibe« 10 (die zur Achse des Druckstoßbereichs senkrechte End-Stoßwelle der Mach-Zelle) hindurchragt. Unter diesen Bedingungen kann der Inhalt des Druckstoßbereichs 9 am leichtesten abgezogen werden, ohne daß Störungen durch das Hindurchtreten von Stoßwellen auftreten; insbesondere kann man eine zusätzliche,

ίο nicht an leichteren Molekülen angereicherte Strömung vermeiden, die nicht durch den Druckstoßbereich hindurchgegangen ist und sich gegebenenfalls direkt zwischen der Abschälblende 12 und der »Mach-Scheibe« 10 hindurchschiebt.

Der »Inhalt« des Druckstoßbereiches 9 bzw. ein Teil des in ihm enthaltenen Gases wird von der Pumpe 14 in einen Sammelbehälter 15 gebracht, und der Anteil des ursprünglichen Gasgemisches, der an leichteren Molekülen angereichert ist und in dem Sammelbehälter 15 gesammelt wird, kann dann leicht von dem Hilfsgas getrennt werden; der abgetrennte Anteil kann gegebenenfalls zumindest einer neuen Anreicherungsstufe zugeführt werden.

Der nicht von der Abschälblende 12 abgesaugte Arteil des zu trennenden Gasgemisches stellt eine an leichten Molekülen verarmte Fraktion dar, die von der Pumpe 7 abgesaugt wird. An der Austrittsseite der Pumpe 7 und nach gegebenenfalls durchgeführten Abtrennen des Hilfsgases kann diese Gasfraktion entweder anderweitig benutzt oder in eine frühere Stufe einer Kette von Trennstufen zugeführt werden.

Tn den F i g. 2 bis 5 ist schematisch der Einfluß der axialen Stellung des Randes 13 der Abschälblende 12 auf die Lage der »Mach-Scheibe« 10 dargestellt. Wenn der Rand 13 noch verhältnismäßig weit von der engsten Stelle der Düse 4 entfernt ist (F i g. 2), ist der axiale Abstand χ zwischen dem engsten Düsenquerschnitt und der »Mach-Scheibe« 10 durch die folgende Formel gegeben:

X = OWD₀(P₀IP₁)¹I' (I)

In dieser Formel bedeutet D₀ den Durchmesser der engsten Stelle der Düse 4, P₀ den Druck, der am Einlaß dieser Düse herrscht, und P₁ den Druck, der im Expansionsraum 1 vorhanden ist.

Wenn man nun die Abschälblende 12 in axialer Richtung der Düse 4 nähert, bleibt zunächst die »Mach-Scheibe« 10 fest in ihrer ursprünglichen Lage (Fig. 3); dann nähert sie sich ihrerseits ebenfalls der Düse 4, wobei sie sich verformt (F i g. 4), bis schließlich der Rand 13 der Abschälblende 12 die »Mach-Scheibe« 10 berührt und durch sie hindurchtritt (F i g. 5). In dieser Stellung ist der Druckstoßbereich 9 mit dem Rand 13 verbunden oder »gekuppelt«. Es ist möglich, daß dieses Verbinden oder Kuppeln nach einem nur sehr kleinen Rückgang oder praktisch gar keinen Rückgang der »Mach-Scheibe« 10 erfolgt.

Um das Verbinden oder Kuppeln ohne Störung

des Druckstoßbereichs 9 zu erzielen, erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Spitzenwinkel der äußeren konischen Fläche der Abschälblende 12 nicht zu groß ist; dieser Winkel soll vorzugsweise kleiner als 90° sein.

In der F i g. 6 erkennt man mehrere Düsen 4, die in den gleichen geschlossenen Expansionsraum 1 münden, wodurch ebenso viele Druckstoßbereiche 9 geschaffen werden und die gesamte Trennfläche vergrößert wird. Jedem Druckstoßbereich 9 ist eine

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5 6

Abschälblende 12 zugeordnet, während die Homo- aufgetragen ist) zwischen der engsten Stelle der Düse 4 genität des zu trennenden Gasgemisches dadurch und dem Rand 13 der Abschälblende 12 wieder,
gesichert ist, daß mehrere mit Ventilen 3 versehene Man erkennt, daß in der Nähe des Wertes Einlasse dafür vorgesehen werden. Die Anordnung b — 2,9 mm eine sehr enge kritische Zone vorhanden der Abschälblende 12, der Strahldüsen 4 und der 5 ist, bei der der Trennkoeffizient α ganz beträchtliche Einlasse für das zu behandelnde Gasgemisch kann Werte erreicht, das Maximum dieses Wertes (174) ist beliebig in irgendeinem Muster vorgesehen werden, 55mal größer als das Verhältnis/? (3,16), das als beispielsweise in einem Sechser-Muster oder in einem maximal bei bekannten oder klassischen Diffusions-Vierer-Muster. Das heißt, im ersten Falle in gegen- trennverfahren erwartet werden konnte,
einander versetzten Reihen, im zweiten Falle in io In der Nähe dieses Wertes von b kommt der Rand 13 zueinander parallelen Reihen. Die Abführstutzen und der Abschälblende 12 gerade in Berührung mit der Düsen kömaen Kreisquerschnitte haben oder in bei- »Mach-Scheibe«, wie dies in der F i g. 5 anschaulich spielsweise zueinander parallelen Spalten enden. gemacht ist.

Bei den Airwendungsbeispielen, die nunmehr folgen, Beisoiel2

wird mit »Trennfaktor« λ das Verhältnis 15 . ·,·.

Unter den gleichen Bedingungen wie beim Beispiel 1,

HiIN₁ aber mit einem Durchmesser D₁ für den Rand 13

^vor) 0,42 mm (anstatt von 0,83) beobachtet man einen höchsten Wert χ in der Größenordnung von 58, d. h. bezeichnet, wobei η den molaren Anteil des leichteren 20 eine Anreicherung, die 18mal größer ist als das VerElements im Gasgemisch und JV den molaren Anteil hältnis ß.

des schwereren Elements bezeichnet und der Index 0 Beisoiel3

den Anfangsbedingungen (vor der Anreicherung) ._:

entspricht, der Index 1 dagegen den Endbedingungen Bei dev gleichen Bedingungen wie beim Beispiel 1,

(nach der Anreicherung). 25 aber mit einer Abschälblende 12 in Kegelstumpfform,

Zum Vergleich werden für diese Beispiele der Wert deren innere und äußere Flächen parallel zueinander

des Verhältnisses β der Quadratwurzeln der Molekül- sind (gleicher Spitzenwinkel von 50^c), hat der nicht

massen der zu trennenden Moleküle angegeben, ein zugeschärfte Rand 13 einen inneren Durchmesser von

Verhältnis, das als das Maximum des Trennfaktors bei 2 mm und eine radiale Dicke von 2 ram. Hier wird ein

einer klassischen Gasdifl'usion anzusehen ist, wobei ein 30 maximaler Wert für λ in der Größenordnung von

derartiges Verfahren praktisch nur einen Wert von 53 festgestellt, d. h. einen Wert, der 17mal größer als

/9/2 ergibt. das Verhältnis β ist.

B e i s ρ i e 1 1 B e i s ρ i e I 4

Der expansionsraumseitige Rand 13 der Abschäl- 35 Unter den gleichen Bedingungen wie beim Beispiel: 3, blende 12 ist zugeschärft, wie dies in der Zeichnung aber beim Arbeiten unter tiefer Temperatur und mit dargestellt ist, und entspricht der Schnittlinie einer einem Druck P₀ von 229 mb (an Stelle von 82), äußeren Konusfläche mit einem Spitzenwinkel von beobachtet man einen maximalen Wert von « in der 70° mit einer koaxialen inneren Konusflächc, deren Größenordnung von 3,3.
Spitzenwinkel 50° ist; der. lichte Durchmesser D₁ 40 . .
des zugeschärften Randes 13 beträgt 0,83 mm. Die B e 1 s ρ 1 e 1 5
konvergierende konische Düse 4 hat einen Austritts- Die Bedingungen sind die gleichen wie beim Beidurchmesser von 0,47 mm. spiel 1, der einzige Unterschied besteht darin, daß das

Als Hilfsgas wird Kohlendioxyd CO₂ gewählt, das zu trennende Gasgemisch, das in den Expansionsrauml

durch Kondensation leicht entfernt werden kann. 45 eingeführt wird, natürliches Argon ist, das 0,3 °/₀

Es wird in die Düse 4 unter einem Druck P₀ von Argon 36 enthält, während praktisch der gesamte

82 mb eingeführt. In Abwesenheit des zu trennenden Rest Argon 40 ist.

Gasgemisches hält die Pumpe 7 im Expansionsraum 1 Die Fig. 8 zeigt die Änderungen des Faktors χ einen Druck JP₁ in der Größenordnung von 0,15 mb in Abhängigkeit von dem Abstand b. Diese Daraufrecht. Dann wird in den Expansionsraum 1 ein 50 stellung zeigt, daß die optimalen Werte wiederum Gemisch aus Helium und Argon eingeführt, in dem jn einer engen Zone um den Wert b — 3,6 mm heruradas Verhältnis η J N₀ = 0,111 ist; die eingeführte liegen, mit einem Maximum von ac = 1,14, was einer Gemischmenge wird derart geregelt, daß der Druck dreimal größeren Anreicherung entspricht, als sie im Expansionsraum 1 auf P₁ = 0,3 mb ansteigt. bei klassischen Diffusionstrennverfahren als Maximum Unter diesen Bedingungen ist der Abstand der 55 vorhergesehen werden konnte, da das Verhältnis β »Mach-Scheibe« nach der obengenannten Formel (I) hier = 1.054 ist.
gleich χ = 5,2 mm. B e i s ρ i e 1 6

Das Hilfsgas CO₂ wird durch Kondensation in einer

Kältefalle entfernt, die auf der Temperatur des Unter den gleichen Bedingungen wie beim Beispiel 5,

flüssigen Stickstoffs gehalten wird und an der Aus- 60 aber mit einer Abschälblende 12 entsprechend der von

gangsseite der Diffusionspumpe 14 angeordnet ist. Beispiel 3, wird ein maximaler Wert von λ in der

Das an Helium angereicherte Gasgemisch wird aus Größenordnung von 1,11 festgestellt. ..

dieser Kältefalle entnommen und in einen Behälter _R . 17

gedrückt, um anschließend mit dem Massenspektro- e 1 s ρ 1 e

meter analysiert zu werden. 65 Unter den gleichen Bedingungen wie beim Beispiel 6,

Die F i g. 7 gibt die Änderungen des Trennfaktors « aber beim Arbeiten mit tiefer Temperatur und Drücken

(in Richtung der Ordinate) in Abhängigkeit von dem P₀ von 634 mb (an Stelle von 82), P₁ von 0,4 mb

axialen Abstand b (der in mm auf. der Abszisse (an Stelle von 0,15) und P₁' von 0,9 mb (an Stelle

von 0,3), wird ein maximaler Wert von cn in der Größenordnung von 1,05 gefunden.

Beispiel 8

Unter den gleichen Bedingungen wie beim Beispiel 5, S aber mit einer Abschälblende 12 entsprechend dem Beispiel 3 und unter Verwendung von Ammoniak NH₃ als Hilfsgas (an Stelle von CO₂) wird ein Maximalwert für λ in der Größenordnung von 1,09 gefunden.

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Beispiel 9

In einer Vorrichtung ähnlich der im Beispiel 1 beschriebenen und unter den gleichen Druckbedingungen wurden die Isotopen des Schwefels S₃₂ und S_u in Gestalt von Schwefelhexafluorid SF₈ unter Verwendung von Stickstoff als Hilfsgas getrennt. Es

•5

wurde ein Trennfaktor von 1,010 gefunden, während das bei Anwendung der klassischen Diffusionstrennmethoden vorauszusehende Maximum nur 1,0068 beträgt. Dieses in der F i g. 9 veranschaulichte Beispiel, bei dem die F i g. 9 die Änderungen des Faktors χ in Abhängigkeit von dem Abstand b wiedergibt, zeigt, daß die Trennung unter Verwendung eines Hilfsgases möglich ist, das ganz wesentlich leichter ist als das zu trennende Gasgemisch.

Beispiel 10

In einer Vorrichtung ähnlich der im Beispiel 1 beschriebenen wurden die Isotopen des Argon (Argon 36 und Argon 40) mit Schwefelhexafluorid SF₆ als Hilfsgas getrennt. Bei Drücken P₀ = 31,6 rab, P₁ = 5 · 10-· mb und P₁' = 1,45 · 10¹ mb wurde ein Trennfaktor von 1,17 erhalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

1 2 Verhältnissen errechenbaren theoretischen Werte. So Patentansprüche: ergibt sich beispielsweise für ein Gemisch von Wasserstoff und Argon ein Wert von 6,2 für den Trennfaktor,

1. Verfahren zum Trennen von in einem gas- während die Trennfaktoren für Gemische von Wasserförmigen Gemisch enthaltenen Komponenten un- 5 stoff und Deuterium 1,37 und für Gemische von terschiedlicher Masse nach dem Prinzip der Kohlendioxyd und Wasserstoff 4,8 betragen. Ein Umkehrung der Trenndusen-Entmischung in über- möglicher Grund für diesen unbefriedigenden Trennexpandierten Gasstrahlen unter Verwendung rotä- wirkungsgrad der bekannten Verfahren und Vortionssymmetrischer Düsen und Abschälblenden, richtungen dürfte darin liegen, daß bei ihnen stets das dadurch gekennzeichnet, daß man 10 zu zerlegende Gasgemisch selbst zur Erzeugung des für den überexpandierten Gasstrahl ein Gas seine Trennung bewirkenden Druckstoßbereiches be-(Hilfsgas) verwendet, das nicht Bestandteil des zu nutzt wird, indem dieses Gasgemisch selbst durch eine trennenden Gasgemisches ist, in das man den Hilfs- den Druckstoßbereich schaffende Düse geführt wird, gasstrahl expandiert. Der Erfindung liegt daher ausgehend von diesem

2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens 15 Stande der Technik die Aufgabe zugrunde, unter nach Anspruch 1 mit einem Expansionsraum, Steigerung des Trennwirkungsgrades eine ausgeprägmindestens einer in diesen mündenden Düse, tere Trennung der leichteren und der schwereren einer an der der Mündung der Düse gegenüber- Komponenten in dem zu zerlegenden Gasgemisch zu liegenden Wand des Expansionsraumes bis über erreichen.

die am Ende des auf die Düse folgenden über- 20 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein expandierten Gasstrahls liegende Mach-Scheibe Trennverfahren der eingangs erwähnten Art gelöst, hinaus in diesen hineinragenden, koaxialen Ab- das sich dadurch kennzeichnet, daß man für den schälblende mit einem expansionsseitig konisch überexpandierten Gasstrahl ein Gas (Hilfsgas) versieh verjüngenden Rand, dadurch gekennzeichnet, wendet, das nicht Bestandteil des zu trennenden daß der Expansionsraum (1) einen Einlaß (19) für 25 Gasgemisches ist, in das man den Hilfsgasstrahl das zu trennende Gasgemisch enthält, der außer- expandiert.

halb des auf die Düse (4) folgenden überexpan- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also

dierten Gasstrahls (6) liegt. das zu trennende Gasgemisch von außen her in einen

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- mit Hilfe eines Hilfsgases erzeugten Druckstoßbereich kennzeichnet, daß der Expansionsraum (1) rota- ₃₀ eingeführt. Die mit Hilfe des erfindungsgemäßen tionssymmetrisch zur gemeinsamen Achse von Verfahrens erzielbaren Trennfaktoren liegen um ein Düse (4) und Abschälblende (12) ausgebildet ist. Vielfaches über den auf Grund theoretischer Voraus-

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- sagen zu erwartenden Werten.

kennzeichnet, daß der Expansionsraum (1) an Eine für die Durchführung des erfindungsgemäßen

seinem Umfang von einer Ringkammer (8) um- 35 Verfahrens bevorzugte Vorrichtung besitzt einen

geben ist, die durch eine perforierte Trennwand (18) Expansionsraum, mindestens eine in diesen mündende

davon getrennt ist und an die die Pumpe (7) zum Düse und eine an der der Mündung der Düse gegen-

Absenken des Druckes im Expansionsraum (1) überliegenden Wand des Expansionsraumes bis über

angeschlossen ist. die am Ende des auf die Düse folgenden überexpan-

40 dierten Gasstrahls liegende Mach-Scheibe hinaus in

diesen hineinragende, koaxiale Abschälblendc mit einem expansionsseitig konisch sich verjüngenden

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Rand und ist dadurch gekennzeichnet, daß der

Trennen von in einem gasförmigen Gemisch enthal- Expansionsraum einen Einlaß für das zu trennende

tenen Komponenten unterschiedlicher Masse nach dem 45 Gasgemisch enthält, der außerhalb des auf die Düse

Prinzip der Umkehrung der Trenndüsen-Entmischung folgenden überexpandierten Gasstrahls liegt,

in überexpandierten Gasstrahlen unter Verwendung Der Anreicherungsfaktor, der sich durch das erfin-

rotationssymmetrischer Düsen und Abschälblenden, dungsgemäße Verfahren erzielen läßt, kann sehr groß

sowie auf Vorrichtungen zur Durchführung eines sein, beispielsweise 17°/₀ bei den natürlichen Isotopen

solchen Verfahrens. 50 des Argons.

Trennverfahren dieser Art sowie zu deren Durch- Um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen, ist führung geeignete Vorrichtungen sind auf den Seiten es vorteilhaft, den Druck P₁ des Gasgemisches im bis 500 der Zeitschrift für angewandte Physik von Expansionsraum auf einem Wert zu halten, der unter 1961, auf den Seiten 714 bis 723 der Zeitschrift für 10 mb liegt, der aber andererseits in einem Bereich Naturforschung von 1960 und in der deutschen 55 liegen muß, der oberhalb einer Größenordnung von Auslegeschrift 1 052 955 beschrieben. Bei allen diesen 1O-² mb liegt, damit die freie Weglänge der Gasmolebekannten Verfahren beruht die Trennwirkung, die küle des Hilfsgases kleiner bleibt als der Durchmesser auf das zu zerlegende Gasgemisch ausgeübt wird, im der den Druckstoßbereich axial abgrenzenden »Machwesentlichen darauf, daß dieses Gasgemisch einem Scheibe«.

Druckstoßbereich ausgesetzt wird, und in diesem 60 Unter Bezugnahme auf die Zeichnung werden jetzt

Druckstoßbereich erfährt das Gasgemisch dann eine einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen

Trennung in leichtere und schwerere Komponenten. Vorrichtung und der Durchführung des erfindungs-

Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen sind gemäßen Verfahrens beschrieben; diese Beispiele

zwar im Prinzip funktionsfähig, jedoch lassen sie stellen jedoch keine Einschränkung dar. In der

hinsichtlich des mit ihrer Hilfe erzielbaren Trena- 65 Zeichnung zeigt

faktors zu wünschen übrig, da dieser stets in der F i g. 1 eine schematisch dargestellte Vorrichtung

gleichen Größenordnung liegt wie die für die ent- zum Trennen von Molekülen unterschiedlicher Masse

sprechenden Gasgemische aus den Molekulargewichts- nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,