DE2017311A1

DE2017311A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Separieren eines Fluidgemisches durch Zentrifugieren

Info

Publication number: DE2017311A1
Application number: DE19702017311
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi; Tsuno Hiromi; Hashimoto Osamu; Iwai Takuya; Tokai; Shioya Kenjiro Mito; Ibaraki Tamai (Japan). P B04b
Original assignee: Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan, Tokio
Priority date: 1969-04-10
Filing date: 1970-04-10
Publication date: 1970-10-15
Also published as: NL165076C; NL7002833A; FR2043081A5; GB1302044A; NL165076B; DE2017311B2; DE2017311C3; US3915673A

Description

TELEFON: SAMMEL-NR. 22S341 POSTSCHECKKONTO: MÖNCHEN:91T39

.BANKKONTO: BANKHAUS H, AUFHAUBER

DORYOKURO .KAKUNENRYfO KAIIIATSTJ JI'GY.ODAN

Tokyo, Japan

tiüi3: rt ttss'Tt? ίτΐίτ" r

Verfallen und Vorrichtung zum ;S'epariear.Bn

eines Fluidg.einisches diiirveih Zentjrifugi.ex-'.en

ΐΐΐκ ΐϊΐ *^£ ^^-*itSiSΐ^4 JSt^i ΐ£ *^j »^2*£^Ιί!Είϊ'ίϊ^ϊ ΐΐ *^ΐ ΐΐΐ ί-»S ΐΐκ ΐ~^ - 'j *^^ j Jj

ΐ * ^ SE! ΐΐΐΐΐ Xl^'ΐΐ ΐ* ■■'j ·Ϊμ ^^ΐίΐΐνΐ'ΐΐΐ ΐΐϊ

Die Erfindung betx-iTft ein Verfahren und eine Vorrichtung Separieren bzw. Trennen, von Gemischen," ausgenommen Feststoff Feststoffgemische, durch Zentrifugieren.

In einer herkömmlichen Zentrifuge ist ein einziger Hohlrotor angebracht, der sich mit hoher Drehzahl, in einem ortsfesten Gehäuse dreht. In den Rotor wird ein Gemisch eingebracht und dort separiert, wenn das Gemisch einer RotatLonsströmung unterliegt, die im wesentlichen die gleiche Winkelgeschwindigkeit hat wie der Rotor. Um eine möglichst große Zentrifugierwirkung zu erzielen, soll die Umfangsgeschwindigkeit des einzigen Hohlrotors so hoch wie möglich gemacht werden. Die·. Umfangsgeschwindigkeit ist jedoch durch die mechanische Festigkeit des Ma tor· ί-als, aus dem der Rotor hergestellt ist, begrenzt. Außerdem wird auf das Gemisch in der Nähe der Rotorachse nur eine kleine Zentrifugalkraft ausgeübt, so daß die SeparLorung in der Nähe der Rotorinitte äußerst gering 1st.

009842/0124

BAD ORIGINAL

Beim Separieren von gasförmigen Isotopengeinisclieii hat man ■■ versucht, den Trennfakt οχ· zu erhöhen, indem jnäii Strahlungswärme verwendet, um einen Temperatürgradienten in'dem "Gasgemisch in axialer und radialer Richtung zu erzeugen und dadurch eine kreisförmige Gegenströmung auszubilden. Es hat sich jedoch aus de-r Praxis ergehen, daß das Trennvermögen bzw,, die Trennleistung viel bedeutender ist als der Trennfaktor. ' ' \ \

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Zentrifugierverfahren und eine Vorx*ichtung zum Zentrifugieren zu schaffen, die eine wesentlich bessere Leistung hat. als herkömmliche Zentrifugen.

Bei dem erfindungsgeraäßen Verfahren zum Separieren eines Fluidgemisches in eine leichte und eine schwere Fraktion wird das Fluidgemisch in wenigstens einen zwischen wenigstens zwei konzentrischen Rotoren ausgebildeten Zwischenraum eingeführt und in eine leichte tind eine schwere Fraktion "getrennt,! indem es durch Rotation der konzentrischen Rotoren Zentrifugalkräften ausgesetzt wird.

Vorzugsweise ist die Drehzahl des Iimenrotors größer als die des Außenrotors und das Verhältnis des Radius des Innöurotors zu dem des Außenrotors kloin.

- ί ti-* -Γ "--■■-. -

Das erfindungsgemäße Zentrifugierverfahren ist von den herkömmlichen Vorfahren deshalb völlig verschieden, weil das zu separierende Fluidgemisch in Zwischenräume zwischen benachbarte innere und äußere Rotoren eingebracht und durch die beiden Rotoren Zentrifugalkräften ausgesetzt wird. Um die Prinzipien klarzustellen, auf denen die voi'liegende Erfindung" bas Lert,"

BAD ORIGINAL

009842/0124

wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 der beiliegenden Zeichnungen die nachstehende theoretische Analyse gegeben. In dieser Analyse wird die Separierung eines Gasgemsiches als Beispiel verwendet.

Fig. 1 und 2 sind Diagramme, welche den Zunahmefaktor L des Trennfaktors bzw. den Multiplikationsfaktor E der Trennleistung für verschiedene Werte des Verhältnisses y der Geschwindigkeit des Innenrotors zu der des Außenrotors und des Verhältnisses η des Radius des Innenrotors zu dem des Außenrotors zeigen. Die Diagramme beziehen sich auf ein Gemisch, das in einem Zwischenraum separiert wird, der zwischen einem konzentrischen Innen- und Außenrotor gebildet ist, die sich mit Drehzahl drehen.

Für eine stationäre laminare Strömung symmetrisch um die Achse des Innen- und Außenrotors gilt: Die Geschwindigkeitskomponente in Radialrichtung V ist gleich der Geschwindigkeitskomponente in Axialrichtung V . und ist null. Der Druck P ändert sich nur in Radialrichtung.

VaVeO

(D

</z

Für den Innenrotor mit der Länge Z und dem Radius r a R lautet die Geschwindigkeitskotnponente in Tangentialrichtung

V₀ a V(r) a V₁ a Λ ^ (2)

Für den Außenrotor mit der Länge Z und dem Radius r a R_p lautet die Geschwindigkeitskomponente in Tangentialrichtung

V μ V(r) m V « il R (3)

009842/0124

definiert cftiarclE

Öie Bewegpn^sgl ei ellung; ffiür ein. fcoiuipjressixhlies, Ttiskoses zwi-sclieit zswrei. feQ*ffiaen>:t;i~i.s cbieit Ratorren Xattt et im.

r--Kqmp ort ent &

^ r

0-Komponente

life -Sa

L r

bt L r tr ^{v rc/ Τ}ι-Τθ

wobei gilt:

0098A2/0124

_τ _τ (7)

Z-Komponente

(8)

rr .- -μμ IT - -f-lVV; (9)

: >■

(11)

(U. 3) ₍ id'O

(153

Dabei stehen, ρ für die Bi.chte und ύ für die Zähigkeit,, .,

Einzelheiten sind dem Bucifci von R. B, Bird, Vi. E. Stewart, E. N. Kightfoot, "TRANSPOMT PHENOMENA" (ΐ.96ο), Seite 71 his 91, John Wiley & Sons, zu exit nehmen.'

Aus den Gleichungen (l) und (7) erhält'man

- 0

Setzt man für die Inlegration.skons tantc C₁' so crliält man'

Aus den Gleichungen (l) und (ΐίί) ergibt sicli

dr \ r /~ H^r3 BAD

00Ό842/Ο12Α

aufgelöst nach VXr) — ■ —r + ΟΓ

wobei

A -

^A " ι

Die Gleichung für die Geschwindigkeitsverteilung eines Gases zwischen dem Xiiri&n~ und Außenrot or lautet deshalb:

■- Ί

Wenn sich einer der Rotoren bezüglich des anderen Rotors in entgegengesetzter Richtung dreht, muß das Vorzeichen von S/ umgekehrt werden. Bei umgekehrtem Voi-zeichen von Y gibt es eine Geschwiiidigkeitsuinkehrsteile j wo. V(r)- s Ό ;und:;die durch

bestimmt; ist.

Die Rotationsgeschwindigkeit V (r) eines Gases in einer herkömmlichen Zentrifuge , bei der sich ein einziger llohlrotör mit dein .Radius R₀ mit einer Umfangsgeschwindigkeit von V₀ a JX₂R₂ dreht.lautet:

^ Γ (17)

009842/0124 BAD

Für das Verhältnis von V(r) zu V (r) ergibt sich;

N£(r) Λ-

Daraus folgt, daß bei der vorliegenden Gaszentrifuge mit · zwei konzentrischen Rotoren eine Rotationsströmung zu erwarten ist, die größer ist als die, die in einer'herkömmlichen Zentrifuge mit nur einem einzigen Hohlrotor erzielt wird, wobei das Verhältnis der beiden Anordnungen zueinander durch den in der obigen Gleichung rechts vom Gleichheitszeichen stehenden Ausdruck gegeben ist.

Aus den Gleichungen (l) und (6) erhält man:

dr

Setzt man den Wert von V(r), den man aus Gleichung C 15) erhält, und die Zustandsgieichung für das ideale Gas ο at MP/R*T in die obige Gleichung ein, wobei M das Molekulargewicht, R¹ die Gaskonstante und T die absolute Temperatur sind, so erhält man:

rT " «ft"

009»42ΛΙ124

Aus den Gleichungen (i8) und (l8') ergibt sich das Verhältnis des Drucks P an der äußeren Oberfläche des Innenrotors zum Druck P« an der Innenoberfläche des Außenrotors zu:

^r

Bei einer herkömmlichen Zentrifuge mit einem Hohlrotor, der ψ sich mit der Geschwindigkeit V₂ dreht, kann für das Verhältnis

des Drucks P an der Wand des Rotors zum Druck P in der Mitte w . ,c

des Rotors geschrieben werden:

Damit erhält man: "

(Υ~*\.)²' Μ'ήΙϊ'^ΐ)^'"-^)- ο Α (4~Υ*ν\) _ γ

_____ ψ. ί__—I—_—____-_ (W -~- -J- sr L,

" Aus Gleichung (2ο) ist zu ersehen, daß das Druckverhältnis in dem Zwischenraum zwischen zwei Rotoren im Vergleich zu dem Druckverhältnis in einer herkömmlichen Znetrifuge groß ist.

Wenn eine Gasmischung aus zwei Komponenten i und j in einer Zentrifuge mit einem einzigen Hohlrotor separiert bzw. entmischt wird, so ist der Gleichgewichts trennfalct or O^ definiert als das Verhältnis zwischen dem Anhäufungs- bzw. Mengenverhältnis W der gewünschten Gaskomponente i in der

Mitte des Rotors bezogen auf die andere Gaskomponente j und dem Häufigkeits- bzw. Mengenverhältnis W der gewünschten ,Gaskomponente i an dem Wandteil des Rotors bezogen auf die

0 0984 2/0124

andere Gaskomponente j. Für ein Gas mit zwei Komponenten von verschiedenem Molekulargewicht M. und M., wobei M. > M. ist,

Ji Ji'

gilt die folgende Gleichung, wobei die Umfangsgeschwindigkeit des einzigen Rotors V₀ ist:

Ci

-*■·* PiF^]

Der Gleichgewichtstrennfaktor O^ einer Gaszentrifuge, in der ein Gasgemisch aus zwei Komponenten i und j durch zwei konzentrische Rotoren separiert bzw. entmischt wird, wird als Verhältnis zwischen dem Anhäufungsverhältnis W der gewünschten Gaskomponente i nahe der äußeren Oberfläche des Innenrotors bezogen auf die andere Gaskomponente j und dem Anhäufungsverhältnis W₀ der gewünschten Gaskomponente, die nahe der

et

Innenoberfläche des Außenrotors vorliegt, bezogen auf die andere Gaskomponente angesetzt.

Pil/PdI.

(22)

Aus Gleichung (l9) erhält man:

l-i-»,*⁺ /«-γ/ι ⁹¹Y ⁺

-MQ Vj-

Somit gilt:

009842/0124

- Io -

A -η²· {A-<Y\^L)^L *1 A-η²· (23¹)

L bedeutet"darin den Zunahmefaktor des Trennfaktors.

Die Beziehung zwischen den beiden Gleichgewichtstrennfaktoren 0( ,-j und 0( kann deshalb geschrieben werden:

Die Abhängigkeit von L von der Änderung von V und <vj ist in Fig. 1 gezeigt. Aus dem Diagramm sieht man, daß der erzielbare· Gleichgewichtstrennfaktor umso größer wird, je größer der Wert von γ und/oder je kleiner der Wert von η wird.

Das TrennvermÖgen bzw. die Trennleistung ^U wird als Parameter zur Abschätzung der Leistung einschließlich des Entmischungsgrades und der Behandlungskapazitat der verschiedenen Zentrifugen verwendet. Einzelheiten sind der Literaturstelle "The Theory of Isotope Separation as Applied to the Large-Scale Production of U -^" von Karl Cohen (1951), McGraw-Hill-Verlag, zu entnehmen. In dem Buch ist als ein Standardmodell für die Separierung bzw. Entmischen angeführt, daß, wenn G Mole eines Gemisches, das T*Mole des gewünschten Materials enthält, durch Separieren von einem unteren Reservoir, in· dem öich M Mole eines Gemisches befinden, in dem der Molbruchteil des gewünschten Materials N. beträgt, in ein oberes Reservoir übergeführt werden, in dem sich M' Mole eines Gemisches befinden, in dem das gewünschte Material. N¹. (>N. ) beträgt, die Trennleistung,^ U-wie folgt ausgedrückt werden kannj

«=» - ——- (25)

)^{1 1}

009842/0124

Dabei ist der Ausdruck Ϋ N. eine geringe Änderung des, gewünschten Materials. In der.obigen Gleichung bedeutet (Z" - N.G) die Nettomenge an gewünschtem, geförderten Material.

Wenn nun ein Gasgemisch aus zwei Komponenten i und j, das zwischen den zwei Rotoren vorhanden ist, gleichförmig als laminarer Strom mit einer konstanten Temperatur rotiert und wenn die Beziehung V »V a 0 besteht, so ergibt sich eine

r ζ

Nettomolstromdichte des gewünschten Materials, das durch ein bestimmtes Flächenelement ds durch die Zentrifugalwirkung gefördert wird:

In dieser Gleichung bedeuten ■ · .

η den normalen Einheitsvektor der Fläche ds η. die Teilchendichte des gewünschten Materials NA die Avogadro-Zahl

V-. die Diffusionsgeschwindigkeit des gewünschten

Materials
D den Diffusionskoeffizienten

r den radialen Einheitsvektor ο

Die Nettomenge an gewünschtem Material, die in einem Volumenelement dsdh befördert wird, beträgt deshalb:

Diese Gleichung entspricht (ΐ~ - NG) in der Gleichung (25), so daß die Trennleistung WU)- der in Frage stehenden zwei

009842/0124

konzentrischen Rotoren sich aus Gleichung (25) ergibt

_{(ΛΙ) β}

Aus der Gleichung (l8) setzt man den Ausdruck

in die Gleichung (26) ein. Man erhält:

4 "Ι Λ ,JyJ

^ t-j -ρ + K-r j

wobei

Wenn VInP gemäß Gleichung (27) in Gleichung (26) eingesetzt wird, ergibt sich

-vNc-

^D ■ ' " " ' HC* M- NC)¹*

009842/0124

In Gleichung (28), wo V N. variabel ist, lauten die Bedingungen, bei denen (efU)_n ein Maximalwert wird:

#k.J. K Jl V&f i A L

vM; - -

2R'T

Dann wird:

♦ IC-

Setzt man nun für die Länge der beiden Rotoren, d. h. für den Innen- und Außenrotor·des konzentrischen Doppelrotors, z, wenn die obige Gleichung (29) über den ganzen Zwischenraum zwischen den Rotoren integriert wird, so erhält man:

»μ. -»["spjv^&'f*H* <«

Das Integral des ersten Ausdrucks auf der rechten Seite lautet:

009842/012^

Das Integral für den zweiten Ausdruck auf der rechten
Seite lautet: , .

J dh «2

ο .. ■ . ■.'■.·■

Somit ergibt sich der Maximalwert der theoretischen Trennleistung,, die in einer Gaszentrifuge mit zwei konzentrischen Rotoren erzielt werden kann, durch:

4TTPD2 ^r ^fM±-^M' ^{v v}-*"· "¹^"

fi* Γ (Ki-Mi)Y^f Λ Γ ±_ ι, η j .

[(ί-η)^ft + (Ί -yη^J + 2;η (4-

Der Maximalwert der theoretischen Trennleistung, die in einer ^ Gaszentrifuge erzielt werden kann, in der das gleiche Gasgemisch aus zwei Komponenten i und j in einem einzigen Hohlrotor mit der gleichen Umfangsgeschwindigkeit V in Drehung versetzt wird, lautet:

TPOZ Γ CKi-Mi)Vi

_1B._T

Wenn die beiden Trennleistungen unter der Annahme verglichen werden, daß alle Eigenschaften der gemischten Gase und die
Temperaturbedingungen in beiden Fallen die gleichen sind, so ergibt sich:

0098 42/0124

Dieser Ausdruck ist identisch mit E, dem Multiplikationsfaktor der Trennleistung.

Das bedeutet, daß man erwarten kann, daß der Maximalwert der theoretischen Trennleistung, die in einer Gaszentrifuge mit zwei konzentrischen Rotoren erzielbar ist,' um einen Faktor von E größer ist als die, die in einer Gaszentrifuge erreicht werden Jsann, in . der ein einziger Rotor mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Außenrotor rotiert.

Figur 2 zeigt Werte von E für verschiedene Werte von V* und ti . Aus Figur 2 sieht man, daß der Wert von E groß ist, wenny positiv und Tl etwa 1/5 beträgt und sich bei einer Änderung vonγ in positiver Richtung stark ändert.

Obwohl die oben"angeführte Erklärung für eine Zentrifuge mit nur einem einzigen Zwischenraum zwischen dem Innen- und dem Außenrotor gilt, kann die obige Theorie auf eine Zentrifuge ausgedehnt werden, welche zwei oder mehr Zwischenräume hat, die zwischen einer Vielzahl von konzentrischen Rotoren ausgebildet sind. Der Gleichgewichtstrennfaktor <\ , und die maxi-

m ο

male Trennleistung WU) , für diesen Fall lauten:

max m

Ζ,3,Ο η*,*4,ο nΊ,η,Ο

(Α4Κ-<1,Κ (36)

η η Q fl /. ο / η ι ο /.

Bei Verwendung der Gleichungen (23) und (32) sind die folgen den Substitutionen erforderlich:

Als Abwandlung der vorliegenden Erfindung kann der innerste Rotor der Zentrifuge genau wie eine herkömmliche Zentrifuge verwendet werden. Der Gleichgewichtstrennfaktor und die maximale Trennleistung einer derartigen Zentrifuge werden dadurch größer. Der Gleichgewichtstrennfaktor©ί und die maximale

mo

Trennleistung (<f U)_mQv' erhält man gemäß den folgenden Ausdrükken:

Dabei ist der Gleichgewichtsti^ennfaktor der Innenseite des innersten Rotors · . " '

^CMj2R?T " J

XVI

und die maximale Trennleistung an der Innenseite des innersten Rotors ist:

. - ■ Ί -ι 2.

■"" Pß'T L 2.RT J

fc.i> 1 I- *- «N ' J XVII

009842/012A

Eine herkömmliche Gaszentrifuge mit einem Rotor von 4too mm Durchmesser aus hochfester Aluminiumlegierung, die Kupfer und Magnesium enthält (Dural) oder aus einem verstärkten. Kunststoffmaterial, rotiert, mit 35o ni/s, was die in der Praxis maximal zulässige Umfangsgeschwindigkeit ist. Jetzt wird eine Gaszentrifuge mit einem nicht hohlen Inlienrotor von 80 nun Durchmesser aus dem gleichen Material wie oben betrachtet, der in einem herkömmlichen Hohlrotor angebracht ist und mit 700 m/s rotiert, was die in der Praxis maximal zulässige Umfangsgeschwindigkeit ist. Bei der erfindungsgemäßen Gaszentrifuge ist y a 2 und OfJ a o,2, so daß sich aus Fig. 1 L a 6 und aus Fig. 2 Es 2o ergibt. D. h., daß der Trennfaktor der Gaszentrifuge mit Doppelrotor die sechste Potenz des Faktors der herkömmlichen Zentrifuge ist und daß zusätzlich die Treimleistung der erfindungsgemäßen Gaszentrifuge 2omal so groß ist wie die der herkömmlichen, so daß auf diese Weise ein hervorragendes Ergebnis erzielt ist.

Wenn man deshalb ein Material wie Uranhexafluorid separieren will, das eine große Anzahl von herkömmlichen Zentrifugen erförderlich machte, so kann die erfindungsgemäße Zentrifuge den Vorgang und die Beibehaltung einer Zentrifugenkaskade vereinfachen, da die Anzahl der parallel angeordneten Znetrifugen und die Anzahl der in Reihen angeordneten Stufen verringert werden.

Bei einem Reihenbetrieb der erfindungsgemäßen Zentrifuge wird ein Fluidgemisch, das in den innersten Zwischenraum eingeführt ist, in eine schwere und eine leichte Fraktion separiert und . die schwere Fraktion dann aus der Zentrifuge heraus abgeführt. Nur die leichte Fraktion wird in den nach außen angrenzenden Zwischenraum geleitet und dann die Separierung in eine leichte und eine schwere Fraktion wiederum durchgeführt, wobei sich

009842/0124

diese Stufen wiederholen, so daß ein kontinuierlicher Fluidstrom hintereinander von dem innersten Zwischenraum zum äußersten Zwischenraum vorliegt. Bei einem Parallelbetrieb der erfindungsgemäßen Zentrifuge wird das zu separierende Fluidgemisch parallel in jeden der Zwischenräume eingeführt. Das Gemisch in jedem Raum wird durch die Innen- und Außenrotoren, welche jeden Zwischenraum bilden, im Gleichstrom einer Zentrifugalkraft ausgesetzt und in die schwere und leichte Fraktion separiert, wobei diese Fraktionen getrennt abgeführt werden. Die Zentrifuge kann noch auf eine weitere Art betrieben werden, Welche eine Kombination des Reihen- und Parallelbetriebs darstellt.

<^vowohl bei dem oben beschriebenen Reihenbetrieb der Zentrifuge die schweren Fraktionen, di'e in jedem Zwischenraum separiert werden, direkt aus der Zentrifuge heraus abgeführt werden, können diese Fraktionen in den Zwischenräumen mit Ausnahme des innersten Zwischenraumes in jeden nach innen zu angrenzenden Zwischenraum eingeführt werden, wo die schwere Fraktion in eine schwere Fraktion und eine leichte Fraktion separiert wird. Diese letztere schwere und leichte Fraktion wird weiterhin in die nach innen bzw. nach außen benachbart liegenden Zwischenräume eingeführt. Auf diese Weise wird automatisch eine Kaskade gebildet und die schwere und leichte Fraktion von dem innersten bzw. äußersten Zwischenraum separiert» In Abwandlung des Reihenbetriebs kann das Fluidgemisch in einen der Zwischenräume eingeführt werden. Eine der in dem Zwischenraum separierten Fraktionen, beispielsweise die leichte Fraktion, wird in den nach außen angrenzenden Zwischenraum ge-, führt, wo sie in eine leichte und eine schwere Fraktion se- '-pariert-wird, die wiederum in den nach außen baw. nach innen benachbarten, d. h₀ den ursprünglichen, Zwischenraum geführt

0 9842/0124

•wird. Die andere der in· dem ursprünglichen Zwischenraum separierten Fraktionen, beispielsweise die schwere Fraktion, wird in den nach innen angrenzenden Zwischenraum eingeführt, wo sie in eine leichte und eine schwere Fraktion separiert wird, die wiederum in den nach außen angrenzenden, d» h. den ursprünglichen, bzw. den nach innen angrenzenden Zwischenraum eingeführt" werden. Auf diese Weise wird die schwere Fraktion in dem innersten Zwischenraum gesammelt und daraus abgeführt, während die leichte Fraktion in dem äußersten Zwischenraum gesammelt und daraus abgeführt wird.

Wenn die erfindungsgemäße Zentrifuge für ein Separieren bzw. Entmischen von Isotopen eines Gases mit großem Molekulargewicht, wie Uranhexafluorid, verwendet werden soll, setzt man vorzugsweise ein leichtes Gas, wie Helium, dem Beschickungsstrom zu. Ohne das leichte Gas tritt an dem Umfang des Innenrotors ein extrem niedriger Druck auf, was dazu führt, daß zwischen dem Innenrotor urid dem Uranhexafluorid ein Schlupf auftritt. Die Zugabe des leichten Gases beseitigt die Möglichkeit, daß die Zentrifugierwirkung auf diese Weise beeinträchtigt wird.

In jedem Zwischenraum kann eine kreisförmige Gegenströmung ausgebildet werden, die separierend auf das Gasgemisch wirkt. Sowohl die leichten wie auch die schweren Fraktionen in jedem Rotor können durch Aufnehmer bzw. Mulden mit Löchern in einem Pitot-Rohr oder durch Ausströmen der Komponenten aus Löchern ' in Endplatten des Rotors entnommen werden.. Man' erhält eine hohe Drehzahl bei jedem der konzentrisch angeordneten Rotoren durch Hochfrequenzmotoren und/oder durch Turbinen für jeden Rotor oder durch eine herkömmliche Leistungsübertragungsvorrichtung zum in Drehung Versetzen von einem oder mehreren Rotoren, beispielsweise durch ein Getriebe bzw. Zahnradvorgelege.

009842/0124

- 2ο

Anhand der beiliegenden übrigen Zeichnungen werden beispielsweise Ausfuhrungsformen der erfindungs'gemäßen Zentrifugen näher veranschaulicht.

Fig. 3 bis 7 zeigen im Längsschnitt verschiedene Ausführungsforinen der erfindungsgemäßen Zentrifugen.

In den Figuren 3 bis 5 sind Zentrifugen mit zwei konzentrischen Rotoren gezeigt. Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 enthält ein ortsfestes Zentrifugengehäuse 1 einen ersten Rotor Io und einen zweiten Rotor 2o, die mit hoher Drehzahl um eine vertikale Achse des Gehäuses drehbar sind. Die obere und untere Welle 11 und 12 des ersten Rotors geht durch die obere und untere Hohlwelle 21 p^w. 22 des zweiten Rotors. Ein zylindrisches Eisenteil 4l aiii unteren Ende der Welle 12 bildet zusammen mit einem Magnet 42, der das Eisenteil umgibt, ein Magnetlager 4o. Lagereinrichtungen 48, die an dem Gehäuse angebracht sind und sowohl als Lager wie auch als Abdichtungen dienen, tragen die Wellen 21 und 22 des zweiten Rotors 2o. Ein Hochfrequenzmotor 8o mit einer an der Welle 21 des zweiten Rotors befestigten Rotoreinrichtung 8l und einem in dem Oberteil des Gehäuses 1 vorgesehenen Stator 82 versetzt den zweiten Rotor 2o mit hoher Drehzahl in Drehung. Ein Zahnradsystem 49, welches die Welle 21 des zweiten Rotors mit der Welle 11 des ersten Rotors verbindet, läßt den ersten Rotor Io in gleicher Richtung wie den zweiten Rotor 2o mit einer Drehzahl rotieren, die größer ist als die des zweiten Rotors« Man kann den ersten Rotor statt durch die Zahnradeinrichtung bzw. das Getriebe auch durch einen weiteren Hochfrequenzmotor rotieren lassen. In dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel ist eine Rotoreinrichtung 83 am Boden des ersten Rotors angebracht und bildet zusammen mit einem Stator 84 einen Hochfrequenzmotor , für das Rotieren des ersten Rotors.

009842/0124

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform wird ein zu separierendes Gemisch in das Gehäuse 1 durch ein Rohr 8 eingeführt. Nachdem es durch einen Ringkanal, der zwischen der Hohlwelle 22 des zweiten Rotors und der Welle 12 des ersten Rotors ausgebildet ist, hindurchgegangen ist, wird das Fluidgemisch in einen Zwischenraum zwischen dem ersten Rotor Io und dem zweiten Rotor durch einen Führungsring 23 eingeführt, der nach innen von einer Endplatte 25 des zweiten Rotors vorsteht. Der Ring führt das Fluidgemisch an dem ersten Rotor entlang. Das Fluidgemisch kann einmal in .den Zwischenraum durch Einstrahlen des Gemisches durch Ausströmöffnungen l8, die strahlenförmig von einem engen Kanal 13 aus divergieren, der teilweise durch den Mittelteil der Welle 12, wie in ^pjg. 4 gezeigt, geht, oder zum anderen durch ein Zuführrohr zugeführt werden, das sich von dem Rohr 8 aus erstreckt, das untere Ende des ersten Rotors umgibt und mit Schlitzen oder vielen Öffnungen ,59 am gesamten Umfang versehen ist, wie es in Fig. 5 gezeigt ist.

In Fig. 5 wird der erste Rotor Io von einem Magnetlager, das aus einem Eisenteil 43 am oberen Ende des ersten Rotors und aus einem Magnet 44 am zweiten Rotor 2o besteht, und von einem Zapfenlager 4q gehalten. Der zweite Rotor 2o wird von einem, ringförmigen Eisenteil 45 und einem Ringmagnet 46 getragen. Ein Hochfrequenzmotor 8ö dreht eine Welle 29, die mit dem Magneten 44 ein Stück bildet.

Damit insbesondere dann, wenn das Fluidgemisch gasförmig ist, eine solche Gasströmung eintreten kann, wie sie durch die Pfeile 5ο und 51 gezeigt ist, kann in der Zentrifuge eine be kannte, nicht gezeigte Einrichtung angebracht werden, die einen Temperaturunterschied des Gases im Rotor erzeugt.

00984 2/0124

Das Fluidgemisch in dem Zwischenraum zwischen dem ersten Rotor Io und dem zweiten Rotor 2o wird gleichzeitig den Zentrifugalkräften der beiden Rotoren ausgesetzt. In Fig. 3 wird eine leichte Fraktion durch feine Löcher 26 herausgedrückt , die in der Nähe des Umfangs der oberen Endplatte 2k ausgebildet sind. Eine schwere Fraktion strömt durch feine Löcher 27 aus, die in der Nähe des Umfangs der unteren Endplatte 25 ausgebildet sind. Diese Fraktionen werden durch Rohre 2 bzw. 3> die in dem Gehäuse 1 vorgesehen sind, abgezogen. Um zu verhindern, daß sich die leichte und die schwere Fraktion in dem Raum zwischen dem Gehäuse 1 und dem zweiten Rotor 2o wieder vermischen, wird ein leichtes Gas, beispielsweise Helium, durch eine Leitung 6 in den Raum zwischen den Abdichtungen 4 und 5, die nach innen von der Innenwand des Gehäuses i vorstehen, zugeführt. Die Abdichtungen und das Einführen des leichten Gases können dann weggelassen werden, wenn die leichte und die schwere Fraktion, wie in Fig. 5 gezeigt, durch Aufnehmer 5^ bzw. 55 mit Löchern 5*> und 57 abgezogen werden. Für diesen Zweck können Pitot-Rohre verwendet werden. Die Ausführungsform von Fig. 5 hat ein Abströmrohr 7»

Die Figuren 6 und 7. zeigen Zentrifugen mit drei konzentrischen Rotoren. In Fig. 6 werden durch die Rotation einer Welle 31 eines dritten Rotors 3°» der von einem Hochfrequenzmotor 8α angetrieben wird, die Wellen des ersten Rotor's bzw. des zweiten Rotors durch eine Getriebeübersetzung k9 in Drehung versetzt.

Ein zu separierendes Gemisch wird in einen ersten Zwischenraum eingeführt, der zwischen dem ersten Rotor Io und dem zweiten Rotor 2o wie bei der Ausführungsform von Fig. 3 ausgebildet ist. Die FluidstrÖmung in dem ersten Zwischenraum Ist durch die Pfeile 6o und 6l in Fig, 6 gezeigt. Die schwere Fraktion wird aus der Zentrifuge durch Löcher 27 in der Endplatte 25

009842/0124

des zweiten Rotors 2o und von da durch einen Aufnehmer 65 mit Löchern 67 abgeführt. Eine mit dem zweiten Rotor aus einem Stück bestehende Führung 66 mit einem Schlitz 6k längs dessen gesamten Umfangs führt die leichte Fraktion in einen , zweiten Zwischenraum, wobei eine gleichförmige Strömung längs der äußeren Unifangswand des zweiten Rotors ausgebildet wird. Die Fluidströmung in dem zweiten Zwischenraum ist durch die Pfeile 62 und 63 angedeutet. Die schwere und die leichte. Fraktion werden aus der Zentrifuge durch Rohre 2 und 3 über Löcher 36 und 37 abgezogen, die in den Endplatten 3*1 bzw. 35 des dritten Rotors 3o ausgebildet sind. In diesem Falle kann' die durch das Rohr· 2 abgezogene schwere Fraktion dem ersten Zwischenraum wieder durch eine Pumpe 68, die alf· '-ine Druckerhöhungseinrichtung wirkt, zusammen mit einem Beschickungsmaterial zugeführt werden, wenn ein Ventil 91 geschlossen und ein Ventil 92 voll geöffnet ist. Die Zentrifuge ist auf diese Weise so angeordnet, daß sie selbst eine Kaskade bildet.

Die in Fig. 7 gezeigte Ausführungsform hat ebenfalls drei konzentrische Rotoren. Bei dieser Ausfuhrungsform wird jedoch das Innere dess ersten Rotors ebenfalls als- eine Zentrifuge verwendet. Das zu separierende Fluid wird in den ersten Rotor durch eine hohle Drehwelle 19 an dem oberen Ende des ersten Rotors Io zugeführt. Die obere und untere Endplatte lA bzw. des ersten Rotors Io und die untere· und obere Endplatte 2k bzw. 25 des zweiten Rotors 2o sind mit einer Vielzahl von Löchern l6, 17j 26 bzw. 27 versehen, als ob die Innenräume der drei Rotoren als Einzelrotoren verwendet würden. Die schwere Fraktion und die leichte Fraktion wird durch Aufnehmer 7^t und 75 mit Öffnungen 76 bzw. 77» die in dem dritten Rotor angeordnet sind, abgezogen. Die umlaufende Strömung besteht aus einem durch Pfeile 7° und 71 gezeigten Abwärtsstrom und aus einem durch den Pfeil 72 gezeigten Aufwartestrom.

009842/0124

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können in vielfältiger Weise abgeändert werden. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße doppelte Rotor als ein Zentrifugenextraktor vom Gegenstromtyp verwendet werden, in welchem eine leichte flüssige Komponente und eine schwere flüssige Komponente aus einem Gemisch einer leichten und schweren Flüssigkeit, die in den Extraktor eingeführt wurde, extrahiert werden. In diesem Fall kann es erwünscht sein, daß der Außenrotor eine nicht zylindrische Form hat, beispielsweise kann er konisch sein. Das in die Zentrifuge eingesetzte Gemisch kann irgendein Gemisch sein, mit der Ausnahme eines Feststoff-Feststoff-Gemisches, wie vorstehend erwähnt. Es kann beispielsweise ein Gemisch durch die vorliegende Erfindung separiert werden, bei welchem ein /oststoff in einer Flüssigkeit schwimmt. Der hier verwendete Ausdruck "Fluidgemisch" soll deshalb folgende Gemische umfassen: Gas-Gas, Gas-Flüssigkeit, Flüssigkeit-Flüssigkeit, Flüssigkeit-Feststoff und Gas-Feststoff.

009842/0124

Claims

PATENTANSPRUCIiE

as st es ss al s: 2 st a ss & s rj a a

erfahren zum Separieren eines Fluidgemisches in
eine leichte und eine schwere Fraktion, dadurch
gekennzeichnet, daß das Fluidgemisch in wenigstens
einen Zwischenraum eingeführt wird, der zwischen
wenigstens zwei konzentrischen Rotoren ausgebildet
ist, und daß das Fluidgemisch in eine leichte und
eine schwere .Fraktion dadurch separiert wird, daß
es durch Rotation der konzentrischen Rotoren Zentrifugalkräften ausgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Vielzahl von Zwischenräumen vorgesehen ist,
wobei das Fluidgemisch in den innersten der. Zwischenräume eingeführt und in eine leichte und eine schwere Fraktion separiert wird, indem es durch Rotation der
Rotoren, die den innersten Raum begrenzen, Zeiitrifu-. galkräften ausgesetzt wird, daß eine der Fraktionen
aus der Zentrifuge abgezogen wird, die andere Fraktion in den nach außen angrenzenden Zwischenraum eingeführt wird, wo sie in eine leichte und eine schwere Fraktion separiert wird, indem sie durch Rotation der diesen Zwischenraum begrenzenden Rotoren Zentrifugalkräften ausgesetzt wird, und daß eine der Fraktionen, die in dem nach außen angrenzenden Zwischenraum separiert wurde, in den äußersten Zwischenraum eingeführt wird.

3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluidgemisch einer Vielzahl von Zwischenräumen
parallel zugeführt wird.

009842/0124

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Zwischenräumen vorgesehen wird, wobei das Fluidgemisch in einen der Zwischenräume eingeführt und eine leichte und eine schwere Fraktion separiert wird, indem das Fluidgemiseh durch Rotation der den ersten Zwischenraum begrenzenden Rotoren Zentrifugalkräften ausgesetzt wird, daß eine der Fraktianen in den nach außen angrenzenden zweiten Zwischenraum eingeführt wii-d, wo sie in eine leichte und eine schwere Fraktion separiert wird, indem sie den Zentrifugalkräften der den zweiten Zwischenraum begrenzenden Rotoren ausgesetzt wird, daß die andere der Fraktionen in den nach innen angrenzenden dritten Zwischenraum eingeführt wird, wo sie in eine leichte und eine schwere Fraktion separiert wird, indem sie den Zentrifugalkräften der Rotoren, die den dritten Zwischenraum begrenzen, ausgesetzt wird, daß eine der in dem zweiten Zwischenraum separierten Fraktionen in den nach außen angrenzenden vierten Zwischenraum und die andere der Fraktionen in den ersten Zwischenraum eingeführt werden, und daß eine der in dem dritten Zwischenraum separierten Fraktionen in den ersten Zwischenraum und die andere der Fraktionen in den nach innen angrenzenden fünften Zwischenraum eingeführt werden, wodurch eine selbsttätige Kaskade gebildet wird und das Fluidgemiseh in eine leichte und eine schwere Fraktion von dem innersten und dem äußersten Zwischenraum separiert ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluidgemiseh in den innersten Zwischenraum eingeführt und eine der darin separierten Fraktionen aus der Zentrifuge abgezogen wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch ein Gas mit Molekülen von unterschiedlichem Molekulargewicht ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gas zugesetzt wird, das im Vergleich mit dem Molekulargewicht des zu trennenden Gemisches ein niedriges Molekulargewicht hat.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der innere von zwei Rotoren, die einen Zwischenraum begrenzen, mit einer größeren Winkelgeschwindigkeit rotiert als der äußere der. beiden Rotoren.

9· Zentrifuge zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens zwei konzentrische Rotoren (lo, 2o), die drehbar in einem Gehäuse (l) angeordnet sind und zwischen sich eine oder mehrere Zwischenräume bilden, durch Einrichtungen ((t9, 8o) zum Antrieb der Rotoren und durch Ein« richtungen (8, 68) zum Einführen des Fluidgemisches in den oder die Zwischenräume, wodurch im Betrieb das Gemisch den Zentrifugalkräften ausgesetzt wird.

lo. Zentrifuge nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der innere (lo) der zwei Rotoren (Io, 2o), die einen Zwischenraum abgrenzen, für eine Rotation mit einer Winkelgeschwindigkeit bestimmt ist, die größer ist als die des äußeren (2o) der beiden Rotoren (lo, 2o).

009842/0124

11. Zentrifuge nach Anspruch 9 oder Io, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren (lo, 2o) einen gemeinsamen Antrieb (49, 8o). haben.

12. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrifuge eine Vielzahl von Zwischenräume, Einrichtungen zum Einführen des Fluidgemisches in wenigstens einen der Zwischen»

fe räume, Einrichtungen zum Abziehen einer der Fraktionen

und Einrichtungen zum Einführen der anderen der Fraktionen in einen nach außen angrenzenden Zwischenraum hat.

13· Zentrifuge nach einem der Ansprüche 9 bis 11» gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Zwischenräumen, Einrichtungen zum Einführen des Fluidgemisches in einen der Zwischenräume, Einrichtungen zum Einführen einer der Fraktionen in einen nach innen angrenzenden Zwi- · schenräum und durch Einrichtungen zum Einführen der anderen Fraktion in einen nach außen angrenzenden Zwischenraum.

l4. Zentrifuge nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren außer dem äußersten Rotor mit einer Vielzahl von Löchern oder Schlitzen in Endplatten der Rotoren versehen, sind, durch welche eine Fraktion abströmt. ·

0098 41/01U

Le ers eι te