DE1908792C3

DE1908792C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von in einem gasförmigen Gemisch enthaltenen Komponenten unterschiedlicher Masse

Info

Publication number: DE1908792C3
Application number: DE19691908792
Authority: DE
Inventors: Roger Paris früher DPX. }2e3-&4 Campargue
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Filing date: 1969-02-21
Publication date: 1977-12-29

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Trennen von in einem gasförmigen Gemisch enthaltenen Komponenten unterschiedlicher Masse nach dem Prinzip der Umkehrung der Trenndüsen-Entmischung in überexpandierten Gasstrahlen unter Verwendung rotationssymmetrischer Düsen und Abschälblenden, sowie auf Vorrichtungen zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Trennverfahren dieser Art sowie zu deren Durchführung geeignete Vorrichtungen sind auf den Seiten 493 bis 500 der Zeitschrift für angewandte Physik von 1961, auf den Seiten 714 bis 723 der Zeitschrift für Naturforschung von 1960 und in der deutschen <j5 Auslegeschrift 10 52 955 beschrieben. Bei allen diesen bekannten Verfahren beruht die Trennwirkung, die auf das zu zerlegende Gasgemisch ausgeübt wird, im wesentlichen darauf, daß dieses Gasgemisch einem Druckstoßbereich ausgesetzt wird, und in diesem t>n Druckstoßbereich erfährt das Gasgemisch dann eine Trennung in leichtere und schwerere Komponenten.

Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen sind zwar im Prinzip funktionsfähig, jedoch lassen sie hinsichtlich des mit ihrer Hilfe erzielbaren Trennfakiörs to zu wünschen übrig, da dieser stets in der gleichen Größenordnung liegt wie die für die entsprechenden Gasgemische aus den Molekulargewichtsverhältnissen errechenbaren theorelischen Werte. So ergibt siel beispielsweise für ein Gemisch von Wasserstoff um Argon ein Wert von 6,2 für den Trennfaktor, währen« die Trennfaktoren für Gemische von Wasserstoff un< Deuterium 1,37 und für Gemische von Kohlendioxyt und Wasserstoff 4,8 betragen. Ein möglicher Grund fü diesen unbefriedigenden Trennwirkungsgrad der be kannten Verfahren und Vorrichtungen dürfte darii liegen, daß bei ihnen stets das zu zerlegend; Gasgemisch selbst zur Erzeugung des seine Trennung bewirkenden Druckstoßbereiches benutzt wird, inderr dieses Gasgemisch selbst durch eine den Druckstoßbe reich schaffende Düse geführt wird.

Der Erfindung liegt daher ausgehend von diesen Stande der Technik die Aufgabe zugrunde, untei Steigerung des Trennwirkungsgrades eine ausgeprägte re Trennung der leichteren und der schwererer Komponenten in dem zu zerlegenden Gasgemisch zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Trennverfahren der eingangs erwähnten Art gelöst, das sich dadurch kennzeichnet, daß man für den überexpandierten Gasstrahl ein Gas (Hilfsgas) verwendet, das nicht Bestandteil des zu trennenden Gasgemisches ist, in das man den Hilfsgasstrahl expandiert.

Bei Hern erfindungsgemäßen Verfahren wird also das zu trennende Gasgemisch von außen her in einen mit Hilfe eines Hilfsgases erzeugten Druckstoßbereich eingeführt. Die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielbaren Trennfaktoren liegen um ein Vielfaches über den auf Grund theoretischer Voraussagen zu erwartenden Werten.

Eine für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugte Vorrichtung besitzt einen Expansionsraum, mindestens eine in diesen mündende Düse und eine an der der Mündung der Düse gegenüberliegenden Wand des Expansionsraumes bis über die am Ende des auf die Düse folgenden überexpandierten Gasstrahls liegende Mach-Scheibe hinaus in diesen hineinragende, koaxiale Abschälblende mit einem expansionsseitig konisch sich verjüngenden Rand und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Expansionsraum einen Einlaß für das zu trennende Gasgemisch enthält, der außerhalb des auf die Düse folgenden überexpandierten Gasstrahls liegt.

Vorteilhafter Ausgestaltungen dieser Vorrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen der Patentansprüche 3 und 4.

Der Anreicherungsfaktor, der sich durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielen läßt, kann sehr groß sein, beispielsweise 17% bei den natürlichen Isotopen des Argons.

Um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen, ist es vorteilhaft, den Druck P\ des Gasgemisches im Expansionsraum auf einem Wert zu halten, der unter 10 mb liegt, der aber andererseits in einem Bereich liegen muß, der oberhalb einer Größenordnung von 10~² mb liegt, damit die freie Weglänge der Gasmoleküle des Hilfsgases kleiner bleibt als der Durchmesser der den Druckstoßbereich axial abgrenzenden »Mach-Scheibe«.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung werden jetzt einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung und der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben; diese Beispiele stellen jedoch keine Einschränkung dar. in der Zeichnung zeigt

Fig.! eine schematisch dargestellte Vorrichtung zum Trennen von Molekülen unterschiedlicher Masse nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

,· 5 Skizzen zur Erläuterung des Einflusses ^F'⁸· ι „ ι seeder Abschälblende der Vorrichtung auf ^lerr^ai des Druckstoßbereiches,

^lie c V.ne Variante für die erfindungsgemäße pjg.b eine

Vorrichtung, _g ^. _grafische Darstellungen, die den /fLfßder axialen Lage der Abschälblende auf den • kun "grad und das Trennvermögen vcranschauh-

^chen' α η ¹⁷IK 1 dargestellten Vorrichtung wird das nrndeGasgemisch über ein Ventil 3 aus einem ^ZU , {«.halter 2 in einen Expansionsraum eingeführt. ^S°? Snansionsraum 1 wird außerdem ein Hilfsgas hⁿefneTonisch konvergierende Düse 4 eingeführt zV aus e"nem Vorratsbehälter 5, in dem ein Druck rrscht. Der Expansionsraum 1 ist rotat.onssymme-

^d°? A

u^iop.v.. ausgewählten Fall ist der 1 zylindrisch. Er hat an seinem Umfang 8, die durch eine in ihrer mittleren be« 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 ί Störungen durch das Hindurchtreten von Stoßwellen auftreten; insbesondere kann man eine zusätzliche, nicht an leichteren Molekülen angereicherte Strömung vermeiden, die nicht durch den Druckstoßbereich hindurchgegangen ist und sich gegebenenfalls direkt id 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.

■ -- ii—uaiuun^. 12 abgesaugte

jen ihn abgegrenzi im. um . „.„_ρν. . __D. ___ _ aus der Ringkammer 8 ab und gestattet es, in dem Expansionsraum 1 einen dynamischen Druck Pi aufrechtzuerhalten, der kleiner ist als P₀, 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 Pi setzt dem Ausströmen des Strahles 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 Oberflächen- 4^f gestalt 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 Fig. 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 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 von einem kreisförmigen Rand 13 ab divergierenden Hohlkörpers, wobei der Rand 13 zugeschärft sein kann; hinter der Abschälblende 12 erzeugt eine Pumpe einen Druck P;, der noch kleiner ist als der Druck Pi. 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-Schei-

Anteil des zu trennenden uasgemisuncs »«.m v.

leichten Molekülen verarmte Fraktion dar, die von der Pumpe 7 abgesaugt wird. An der Austrittsseite der Pumpe V und nach gegebenenfalls durchgeführten Abtrennen des Hilfsgases kann diese Gasfraktion entweder anderweitig benutzt oder in eine frühere Stufe einer Kette von Trennstufen zugeführt werden.

In den Fig.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:

χ = 0,67 D₀ (P₀/ P₁ )'A (1)

In dieser Formel bedeutet D₀ den Durchmesser der engsten Stelle der Düse 4, P₀ den Druck, der am Einlaß dieser Düse herrscht, und Pi 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 (F i g. 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 keinem Rückgang der j »Mach-Scheibe« 10 erfolgt.

Um das Verbinden oder Kuppeln ohne Störung des Druckstoßbereichs 9 zu erzielen, erweist es sich al: vorteilhaft, wenn der Spitzenwinkel der äußerer konischen Fläche der Abschälblende 12 nicht zu grol ist; dieser Winkel soll vorzugsweise kleiner als 90° sein. In der Fig.6 erkennt man mehrere Düsen 4, die i den gleichen geschlossenen Expansionsraum 1 mündei wodurch ebenso viele Druckstoßbereiche 9 geschaffe werden und die gesamte Trennfläche vergrößert win Jedem Druckstoßbereich 9 ist eine Abschälblende 1 zugeordnet, während die Homogenität des zu Uennci den Gasgemisches dadurch gesichert ist, daß mehrei mit Ventilen 3 versehene Einlasse dafür vorgesehc

M)

werden. Die Anordnung der Abschälblende 12, der Strahldüsen 4 und der Einlasse für das zu behandelnde Gasgemisch kann beliebig in irgendeinem Muster vorgesehen werden, beispielsweise in einem Sechser-Muster oder in einem Vierer-Muster. Das heißt, im ersten Falle in gegeneinander versetzten Reihen, im zweiten Falle in zueinander parallelen Reihen. Die Abführstutzen und Düsen können Kreisquerschnitte haben oder in beispielsweise zueinander parallelen Spalten enden.

Bei den Anwendungsbeispielen, die nunmehr folgen, wird mit »Trennfaktor« « das Verhältnis

bezeichnet, wobei η den molaren Anteil des leichteren Elements im Gasgemisch und N den molaren Anteil des schwereren Elements bezeichnet und der Index 0 den Anfangsbedingungen (vor der Anreicherung) entspricht, der Index 1 dagegen den Endbedingungen (nach der Anreicherung).

Zum Vergleich werden für diese Beispiele der Wert des Verhältnisses β der Quadratwurzeln der Molekülmassen der zu trennenden Moleküle angegeben, ein Verhältnis, das als das Maximum des Trennfaktors bei einer klassischen Gasdiffusion anzusehen ist, wobei ein derartiges Verfahren praktisch nur einen Wert von ß/2 ergibt.

Beispiel 1

Der expansionsraumseitige Rand 13 der Abschälblende 12 ist zugeschärft, 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 Di des zugeschärften Randes 13 beträgt 0,83 mm. Die konvergierende konische Düse 4 hat einen Austrittsdurchmesser von 0,47 mm.

Als Hilfsgas wird Kohlendioxyd CO2 gewählt, das durch Kondensation leicht entfernt werden kann. Es wird in die Düse 4 unter einem Druck Po von 82 mb eingeführt. In Abwesenheit des zu trennenden Gasgemisches hält die Pumpe 7 im Expansionsraum 1 einen Druck P\ in der Größenordnung von 0,15 mb aufrecht. Dann wird in den Expansionsraum 1 ein Gemisch aus Helium und Argon eingeführt, in dem das Verhältnis n₀//V₀ = 0,111 ist; die eingeführte Gemischmenge wird derart geregelt, daß der Druck im Expansionsraum 1 auf Pi' = 0,3 mb ansteigt. Unter diesen Bedingungen ist der Abstand der »Mach-Scheibe« nach der obengenannten Formel (1) gleich χ = 5,2 mm.

Das Hilfsgas VO2 wird durch Kondensation in einer Kältefalle entfernt, die auf der Temperatur des flüssigen Stickstoffs gehalten wird und an der Ausgangsseite der Diffusionspumpe 14 angeordnet ist. Das an Helium angereicherte Gasgemisch 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 λ (in Richtung der Ordinate) in Abhängigkeit von dem axialen Abstand b (der in mm auf der Abszisse aufgetragen ist) zwischen der engsten Stelle der Düse 4 und dem Rand 13 der Abschaltende 12 wieder.

Man erkennt, daß in der Nähe des Wertes b = 2,9 mm eine sehr enge kritische Zone vorhanden ist, bei der der Trennkoeffizient α ganz beträchtliche Werte erreicht, das Maximum dieses Wertes (174) ist 55mal größer als das Verhältnis β (3,16), das als maximal bei bekannten oder klassischen Diffusionstrennverfahren erwartet werden konnte.

In der Nähe dieses Wertes von b kommt der Rand 13 der Abschälblende 12 gerade in Berührung mit der »Mach-Scheibe«, wie dies in der F i g. 5 anschaulich gemacht ist.

Beispiel 2

Unter den gleichen Bedingungen wie beim Beispiel 1, aber mit einem Durchmesser D\ für den Rand 13 von 0,42 mm (anstatt von 0,83) beobachtet man einen höchsten Wert <x in der Größenordnung von 58, d. h. eine Anreicherung, die 18mal größer ist als das Verhältnis ß.

Beispiel 3

Bei den gleichen Bedingungen wie beim Beispiel 1, aber mit einer Abschälblende 12 in Kegelstumpfform, deren innere und äußere Flächen parallel zueinander sind (gleicher Spitzenwinkel von 50°), hat der nicht zugeschärfte Rand 13 einen inneren Durchmesser von 2 mm und eine radiale Dicke von 2 mm. Hier wird ein maximaler Wert für « in der Größenordnung von 53 festgestellt, d. h. einen Wert, der 17mal größer als das Verhältnis β ist.

_j0 Beispiel 4

Unter den gleichen Bedingungen wie beim Beispiel 3,

aber beim Arbeiten unter tiefer Temperatur und mit einem Druck P₀ von 229 mb (an Stelle von 82).

beobachtet man einen maximalen Wert von λ in der Größenordnung von 3,3.

Beispiel 5

Die Bedingungen sind die gleichen wie beim Beispie!

1, der einzige Unterschied besteht darin, daß das zu trennende Gasgemisch, das in den Expansionsraum 1 eingeführt wird, natürliches Argon ist, das 0,3% Argon 36 enthält, während praktisch der gesamte Rest Argon 40 ist.

Die Fig.8 zeigt die Änderungen des Faktors <x in Abhängigkeit von dem Abstand b. Diese Darstellung zeigt, daß die optimalen Werte wiederum in einer enger Zone um den Wert b - 3,6 mm herumliegen, mit einen Maximum von λ = 1,14, was einer dreimal größerer Anreicherung entspricht, als sie bei klassischen Diffu sionstrennverfahren als Maximum vorhergesehen wer den konnte, da das Verhältnis β hier = 1,054 ist.

Beispiel 6

^r

Unter den gleichen Bedingungen wie beim Beispiel aber mit einer Abschaltende 12 entsprechend der vo Beispiel 3, wird ein maximaler Wert von <x in d( Größenordnung von 1,11 festgestellt.

Beispiel 7

Unter den gleichen Bedingungen wie beim Beispiel aber beim Arbeiten mit tiefer Temperatur und Drücki P₀ von 634 mb (an Stelle von 82) Pi von 0,4 mb (an Stc von 0,15) und P_{' von 0,9 mb (an Stelle von 0,3), wird c maximaler Wert von <x in der Größenordnung von 1, gefunden.

Beispiel 8

Unter den gleichen Bedingungen wie beim Beispiel 5. aber mit einer Abschälblende 12 entsprechend dem Beispiel 3 und unter Verwendung von Ammoniak NHj als Hilfsgas (an Stelle von CO;) wird ein Maximalwert für λ in der Größenordnung von 1.09 gefunden.

Beispiel 9

In einer Vorrichtung ähnlich der im Beispiel 1 beschriebenen und unter den gleichen Druckbedingungen wurden die Isotopen des Schwefels S32 und Sj* in Gestalt von Schwefelhexafluorid SFe unter Verwendung von Stickstoff als Hilfsgas getrennt. Es wurde ein Trennfaktor von 1,010 gefunden, während das bei der

Anwendung der klassischen Diffusionsirennmethoden 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 λ 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 Betspiel 1 beschriebenen wurden die Isotopen des Argon (Argon 36 und Argon 40) mit Schwefelhexafluorid SFt, als Hilfsgas getrennt. Bei Drücken P₀ = 31.6 nib, P_x = 5 ■ 10-^; mb und P,' — 1.45 ■ 10-' mb wurde ein Trennfaktor von 1.17 erhalten.

Hierzu 3 Blatt Zcichnune.cn

Claims

19 0S Patentansprüche:

1. Verfahren zum Trennen von in einem gasförmigen Gemisch enthaltenen Komponenten ■> unterschiedlicher Masse nach dem Prinzip der Umkehrung der Trenndüsen-Entmischung in überexpandierten Gasstrahlen unier Verwendung rolationssymmetrischer Düsen und Abschälblenden, dadurch gekennzeichnet, daß man für den κι überexpandierten Gasstrahl ein Gas (Hilfsgas) verwendet, das nicht Bestandteil des zu trennenden Gasgemisches ist, in das man den Hilfsgasstrahl expandiert.

2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens r> nach Anspruch 1 mit ei.iem Expansionsraum, mindestens einer in diesen mündenden Düse, einer an der der Mündung der Düse gegenüberliegenden Wand des Expansionsraumes bis über die am Ende des auf die Düse folgenden überexpandierten >o Gasstrahls liegende Mach-Scheibe hinaus in diesen hineinragenden, koaxialen Abschälblende mit einem expansionsseitig konisch sich verjüngenden Rand, dadurch gekennzeichnet, daß der Expansionsraum (1) einen Einlaß (19) für das zu trennende n Gasgemisch enthält, der außerhalb des auf die Düse (4) folgenden überexpandierten Gasstrahls (6) liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Expansionsraum (1) rotationssymmetrisch zur gemeinsamen Achse von Düse (4) und Abschälblende (12) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Expansionsraum (1) an seinem Umfang von einer Ringkammer (8) umgeben ist, die durch eine perforierte Trennwand (18) davon }■> getrennt ist und an die die Pumpe (7) zum Absenken des Druckes im Expansionsraum (1) angeschlossen ist.