DE2017311C3

DE2017311C3 - Zentrifuge zum Trennen von Gasgemischen Und dazugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE2017311C3
Application number: DE2017311A
Authority: DE
Inventors: Osamu Hashimoto; Takuya Iwai; Kenjiro Mito Shioya; Kiyoshi Tamai; Hiromi Tsuno
Original assignee: DORYOKURO KAKUNENRYO KAIHATSU JIGYODAN TOKIO
Current assignee: DORYOKURO KAKUNENRYO KAIHATSU JIGYODAN TOKIO
Priority date: 1969-04-10
Filing date: 1970-04-10
Publication date: 1980-08-21
Also published as: NL165076B; GB1302044A; US3915673A; NL165076C; FR2043081A5; NL7002833A; DE2017311A1; DE2017311B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zentrifuge zum Trennen von Gasgemischen in eine leichte und eine schwere Fraktion mit einem ortsfesten Gehäuse, einer darin umlaufenden ersten zylindrischen Schleudertrommel, einer Zuführleitung für das zu trennende Gemisch und Abführleitungen für die getrennten leichten und schweren Fraktionen sowie einem innerhalb der ersten zylindrischen Schleudertrommel angeordneten zylindrischen Drehkörper etwa gleicher axialer Länge, der mit größerer Drehzahl als die erste zylindrische Schleudertrommel gleichsinnig umläuft.

Eine derartige Zentrifuge ist bereits durch das ältere Patent 14 32 832 geschützt. Die Trennleistung dieser Zentrifuge ist dadurch begrenzt, daß die Trennung in einem einzigen Trennraum vorgenommen wird, so daß dann, wenn eine höhere Trennleistung erwünscht ist, mehrere solcher Zentrifugen hintereinandergeschaltet werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Trennleistung einer solchen Gaszentrifuge zu erhöhen, ohne daß es dazu einer Hintereinanderschaltung von Einzelzentrifugen bedarf. Die bisher

ίο übliche Kaskadenanordnung von Gaszentrifugen wird damit weitgehend überflüssig.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Zentrifuge so ausgebildet ist, daß mindestens eine weitere, gleichsinnig umlaufend angetriebene zylindrische Schleudertrommel in koaxialer Anordnung zur ersten Schleudertrommel diese umgibt, wobei die Zwischenräume zwischen Drehkörper und erster Schleudert! ommel einerseits und erster Schleudertrommel und weiterer Schleudertrommel andererseits usw. durch Kanäle verbunden sind, die die jeweils dazwischenliegende Schleudertrommel durchdringen.

Durch die FR-PS 15 07 066 ist ein als »Ultra-Zentrifuge« bezeichnetes Gerät bekanntgeworden, bei dem sich mehrere ineinander liegende zylindrische Rotoren gegenläufig drehen und bei dem die inneren Rotoren mit jeweils größerer Drehzahl angetrieben werden als die außeniiegenden. Dieses Gerät dient zur Untersuchung von Strahlungspartikeln in einem sich drehenden

jo Gravitationsfeld, wobei Abweichungen von der Strahlenbahn untersucht werden sollen, die nach der Einsteinschen Relativitätstheorie zu erwarten sind. Das bekannte Gerät arbeitet im Vakuum und der Strahleneintritt erfolgt durch ein luftdichtes, jedoch strahlen-

j5 durchlässiges Fenster.

Durchdringendere Strahlen könnten auch durch die Wände des Geräts eindringen und zur Verhinderung unerwünschter Strahlung im Gerät wird dieses bekannte Gerät mit einem Bleimantel versehen. Die Aufzeichnung der Strahlenverläufe der durch das Fenster oder durch die Wände eindringenden Strahlen erfolgt auf einem Fotopapier, das im Inneren des Gerätes angebracht ist. Dieses bekannte Gerät ist schon von der Aufgabe her grundsätzlich von der Ultrazentrifuge

4^r> gemäß der vorliegenden Erfindung verschieden, und allein der Betrieb des bekannten Gerätes im Vakuum zeigt, daß es für eine Trennung von Substanzgemischen weder gedacht noch brauchbar ist.

Um klarzustellen, auf welchen Prinzipien die Erfindung basiert und wie stark die Trennleistung dadurch erhöht wird, wird unter Bezugnahme auf die F i g. 1 und 2 der Zeichnungen die nachstehende theoretische Analyse gegeben. In dieser Analyse wird die Separierung eines Gasgemisches als Beispiel verwendet.

F i g. 1 und 2 sind Diagramme, welche den Zunahmefaktor L des Trennfaktors bzw. den Multiplikationsfaktor E der Trennleistung für verschiedene Werte des Verhältnisses γ der Geschwindigkeit des Innenrotors zu der des Außenrotors und des Verhältnisses η des Radius

M) 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 hoher Drehzahl drehen.

hs Für eine stationäre laminare Strömung symmetrisch um die Achse des Innen- und Außenrotors gilt: Die Geschwindigkeitskomponente in Radialrichtung V, ist gleich der Geschwindigkeitskomponente in Axialrich-

20 17 311 3 4	(3)	(6)
tung V_z und ist nulL Der Druck P ändert sich nur in Tangentialrichtung Radialrichtung. V_r = V. = 0, V_e = V(r) = V₂ = D₂R₂. op Ip ⁽¹⁾ 5 — —-— — 0 . γ und // sind definiert durch *lift η Ζ*	(4) (5)
Für den Innenrotor mit der Länge Z und dem Radius γ = VJV₂ r = R] lautet die Geschwindigkeitskomponenti in j,_zw Tangentialrichtung ι ο ι — R /R	V_e = V(r) = V₁ = D₁R₁. (2) Die Bewegungsgleichung für ein kompressibles Für den Außenrotor mit der Länge Zund dem Radius viskoses Fluid zwischen zwei konzentrischen Rotoren r = R₂ lautet die Geschwindigkeitskomponente in 15 lautet in Zylinderkoordinaten:
	r-Komponente	(7)
W ev ve °/>-ri ₊ y. °/'l \|_ dt dr r dft r ' dz J
dP Γ1 a 1 δτ_Γθ τ_ββ dr_r:l	&]· ¹⁸¹
dr Ir dr ^{ "' r dft r dz J'
(9-Komponente	(9)
\ dt '^r dr r dft r ' ^z dz )	(10)
- r dft Lr² Sr ° ^7rw) ' r 3« ' "flz J"	(H)
Z-Komponente	(12)
^L> \ dl ' ^r ar ' r aft» ' ^; dz J ~ dz \_ r dr ⁽' ^Tr:' ' r dft ⁺	(13)
wobei gilt:	(14)
"■-'[4-fH·	(15)
---'[²(74& ⁺ iH"4


'.= - ':. = -Ίτ-'+ v W\·
r a κ a e_r η
r f)r ^v ''' r dft dz

Dabei stehen ρ für die Dichte und μ für die Zähigkeit. Wenn sich einer der Rotoren bezüglich des anderen

Einzelheiten sind dem Buch von R. B. Bird, W. E. Rotors in entgegengesetzter Richtung dreht, muß das

Stewart, E. N. Kightfoot, »Transport Phenome- Vorzeichen von γ umgekehrt werden. Bei umgekehrtem

na« (1960), S. 71 bis 91, John Wiley & Sons, zu Vorzeichen von γ gibt es eine Geschwindigkeitsumkehr-

entnenmen. 5 stelle, wo V(r) = 0 und die durch

Aus den Gleichungen (1) und (7) erhält man

= 0.

1 + γ,ι

Setzt man für die Integrationskonstante C, so bestimmt ist.

erhält man

Die Rotationsgeschwindigkeit V^r) eines Gases in einer herkömmlichen Zentrifuge, bei der sich ein einziger Hohlrotor mit dem Radius R₂ mit einer Umfangsgeschwindigkeit von V₂ — Q₂R₂ dreht, lautet:

Aus den	Gleichungen	*= ± ₊ Br,*	(1) und (12) ergibt sich
d (	' V(r)\ _	C
dr \	. r J
aufgelöst nach
V[r)

R₂

(17)

20 Für das Verhältnis von V(r) zu K_s(r) ergibt sich
V(r) 1 - γη , (γ - ,,)

1 -

r² ·

η

(1 - '/²)i?2 ■

Daraus folgt, daß bei der vorliegenden Gaszentrifuge mit zwei konzentrischen Rotoren eine Rotationsströmung zu erwarten ist, die größer ist als die, die in einer

jo 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 (1) und (6) erhält man

Die Gleichung für die Geschwindigkeitsverteilung eines Gases zwischen dem Innen- und Außenrotor lautet deshalb:

V (rf

dP

Setzt man den Wert von V(r), den man aus Gleichung

_ Γ (■/ - η) >i R₂ (1 - -/>/) r ] (15) erhält, und die Zustandsgieichung für das ideale Gas

^V ^(r) - |_ 1 _ ,1 T ⁺ 1 - _(/ ² ^rJJ ² ' Q = MPIR'T'm die obige Gleichung ein, wobei M das

Molekulargewicht, R' die Gaskonstante und T die (16) 45 absolute Temperatur sind, so erhält man

dP

MV\_ Γ (7 - RT L

->J²f

(1 - y>ifr-[
(1 -f?R\\^dr

dP

MVl

Γ Γ (ν- UYU²R²I J L (1 - ff*³

Π - n²f ' r ⁺ (1 - Iy²J²Rl

(18)

Λ, = .,R₂

^ln P₁ 2R'T L (1 - '/Y ² (^²Al Λ₂; ' (1 - >f?

- rv) _ln ^R

η R₂

(18')

Aus den Gleichungen (18) und (18') ergibt sich das Verhältnis des Drucks P₁ an der äußeren Oberfläche des Innenrotors zum Druck P₂ an der Innenoberfläche des Außenrotors zu

P₂ _ MV\ Y(7-n? , 4η(γ-η)(1 -γη) 1 (1 - γη?

(19)

Bei einer herkömmlichen Zentrifuge mit einem Hohlrotor, der sich mit der Geschwindigkeit V₂ dreht, kann für das Verhältnis des Druckes P„, an der Wand des Rotors zum Druck P_c in der Mitte des Rotors geschrieben werden:

MVl

IR'T

Damit erhält man

(Y- Ί?

In(PJPJ

1 ² -

Aus Gleichung (20) ist zu ersehen, daß das Druckverhältnis in dem Zwischenraum zwischen zwei Rotoren im Vergleich zu dem Druckverhältnis in einer herkömmlichen Zentrifuge 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 Gleichgewichtstrennfaktor oiso definiert als das Verhältnis zwischen dem Anhäufungs- bzw. Mengenverhältnis W_c der gewünschten Gaskomponente /in der Mitte des Rotors bezogen auf die andere Gaskomponente j und dem Häufigkeits- bzw. Mengenverhältnis W„ der gewünschten Gaskomponente ;' an dem Wandteil des Rotors bezogen auf die andere Gaskomponente / Für ein Gas mit zwei Komponenten von verschiedenem Molekulargewicht Mj und Mi. wobei M, > Λ/, ist, gilt die folgende Gleichung, wobei die Umfangsgeschwindigkeit des einzigen Rotors V₂ ist:

= exp

- M₁-)

IR'T

^Ll·

(21) Der Gleichgewichtstrennfaktor oioo 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 / nahe der äußeren Oberfläche des Innenrotors bezogen auf die andere Gaskomponente j und dem Anhäufungsverhältnis W₂ der gewünschten Gaskomponente, die nahe der Innenoberfläche des Außenrotors vorliegt, bezogen auf die andere Gaskomponente angesetzt.

30

35 »DO =

W₂

In &_D0 = In-

In

i±L·
Ff ι

Aus Gleichung (19) erhält man

In Ληη = —

- M₁) Vl Γ (γ -

IR'T

(1 In— +

m-

(M₁ - M₁)!
2i?'T

Somit gilt
L =

1 -

(i - ν²?

ι -

(23')

L bedeutet darin den z.unahmefaktor des Trennfaktors. Die Beziehung zwischen den beiden Gleichgewichtstrennfaktoren aim und Oiso kann deshalb geschrieben werden:

«DO — «jO ·

(24)

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

Das Trennvermögen bzw. die Trennleistung OU wird als Parameter zur Abschätzung der Leistung einschließlich des Entmischungsgrades und der Behandlungskapazität der verschiedenen Zentrifugen verwendet Einzelheiten sind der Literaturstelle »The Theory of Isotope Separation as Applied to the Large-Scale Production of ü²³⁵« von Kari Cohen (i95i), McGräw-Hiil-Veilag, zu entnehmen. In dem Buch ist als ein Standardmodell für die Separierung bzw. Entmischen angeführt, daß, wenn G Mole eines Gemisches, das τ Mole des gewünschten Materials enthält, durch Separieren von einem unteren Reservoir, in dem sich 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 N'i(>Nj) beträgt, die Trennleistung δU wie folgt ausgedrückt werden kann:

OU =

(r - N₁G) VN₁

9 10

Dabei ist der Ausdruck Λ/, eine geringe Änderung des gleichförmig als laminarer Strom mit einer konstanten

gewünschten Materials. In der obigen Gleichung Temperatur rotiert und wenn die Beziehung V_r = V₂ =

bedeutet (r-Nj, G) die Nettomenge an gewünschtem, 0 besteht, so ergibt sich eine Nettomolstromdichte des

gefördertem Material. gewünschten Materials, das durch ein bestimmtes

Wenn nun ein Gasgemisch aus zwei Komponenten / 5 Flächenelement ds durch die Zentrifugalwirkung geför-

und j, das zwischen den zwei Rotoren vorhanden ist, dertwird:

In dieser Gleichung bedeutet

iTden normalen Einheitsvektor der Fläche ds,
«, die Teilchendichte des gewünschten Materials,
NA die Avogadro-Zahl,

V₁ die Diffusionsgeschwindigkeit des gewünschten Materials,
D den Diffusionskoeffizienten,
r£ den radialen Einheitsvektor.

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

Diese Gleichung entspricht (τ - NG) in der Gleichung (25), so daß die Trennleistung (Λ U)_D der in Frage stehenden zwei konzentrischen Rotoren sich aus Gleichung (25) ergibt:

-^PA Γ- V Ai - Wj - ^JW - "'> V in P7Z\ ds dh VN₁

-^ALl nW^W · ⁽²⁶⁾

Aus der Gleichung (18) setzt man den Ausdruck
V_1nP = ^' ^

in die Gleichung (26) ein.
Man erhält

to- 'i?'i^2r2> -l. ? (r- '/)('- 7>i)'i 1 , (i -

(1 ²)V (1 ²f ⁺ (1

(i - >,²f

(1 - r/²f · Rl ·

Wenn V In P gemäß Gleichung (27) in Gleichung (26) eingesetzt wird, ergibt sich

11 12

In Gleichung(28), wo V ty variabel ist, lauten die Bedingungen, bei denen (<)U)_D ein Maximalwert wird:

I ₊ _K

Dann wird

]¹

Setzt man nun für die Länge der beiden Rotoren, d. h. Tür den Innen- und Außenrotor des konzentrischen Doppel rotors,' ζ, wenn die obige Gleichung (29) über den ganzen Zwischenraum zwischen den Rotoren integriert wird, so erhält man

_r 4- y + K ■ r I r-dr\ dh . (30)

R₁ = /,R,

Das Integral des ersten Ausdrucks auf der rechten Seite lautet:

+ — + K ■ r\ r-dr = _Ύ ^- _T (1 -

r J (1 — iff- I 4

Das Intesral für den zweiten Ausdruck auf der rechten Seite lautet:

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

7^ |_ 2R^T—J TT^TF ü ⁽¹ "

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 V₂ in Drehung versetzt wirdjautet

^t^ [ 2K⁷T J · ⁽³³⁾

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

^-2* {4-0 - 'Mb - rf + Ο - rvfl + 2,,(i - >,²)(γ - >,)(i - vi)

- rif + (1 - yrifl + 6(y - r/f (1 - y,;)²,/² · In — } = E . (34)

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

Das bedeutet, daß man erwarten kann, daß der Maximalwert der theoretischen Trennleisturg, die in einer Gaszentrifuge mit zwei konzentrischen Rotoren e:-zielbar ist, um einen Faktor von E größer ist als die, die in einer Gaszentrifuge erreicht werden kann, der ein einziger Rotor mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Außenrotor rotiert

F i g. 2 zeigt Werte von E für verschiedene Werte von γ und η. Aus F i g. 2 sieht man, daß der Wert von fgroß ist, wenn γ positiv und η etwa Vs beträgt und sich bei einer Änderung von γ 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 α,π·ο und die maximale Trennleistung (öLf|„,„_mfür diesen Fall lauten

^Λη-1.η.Ο

„. = Σ

(35)

(36)

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

(XV)

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 «„*> und die maximale Trennleistung (6U)_max erhält man gemäß den folgenden Ausdrücken:

mO ⁼ «1.2.0**2.3.0* ■ · · ^Xtxn-2.n-1.0^X('ⁱit-l.n.0^Xt '

(AI/L« = Σ

(37)
(38)

Dabei ist der Gleichgewichtstrennfaktor der Innenseite des innersten Rotors

= exp

(Mj - M₁) Vj

7R'T

]■

(XVI)

und die maximale Trennleistung an der Innenseite des innersten Rotors ist

πΡΡΖ Γ (Mj - M₁) Vj

TtPDZ Γ
2RT L

2R'T

¹T-

(XVlI)

Eine herkömmliche Gaszentrifuge mit einem Rotor von 400 mm Durchmesser aus hochfester Aluminiumlegierung, die Kupfer und Magnesium enthält (Dural) oder aus einem verstärkten Kunststoffmaterial, rotiert mit 350 m/s, was die in der Praxis maximal zulässige Umfangsgeschwindigkeit ist. Jetzt wird eine Gaszentri-

fuge mit einem nicht hohlen Innenrotor von 80 mm 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 γ = 2 und η = 0,2, so daß sich aus F i g. 1 L = 6 und aus F i g. 2 E = 20 ergibt Das heißt daß der Trennfaktor der Gaszentrifuge mit Doppelrotor die sechste Potenz des

ίο Faktors der herkömmlichen Zentrifuge ist und daß zusätzlich die Trennleistung der erfindungsgemäßen Gaszentrifuge 20mal 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 erforderlich machte, so kann die erfindungsgemäße Zentrifuge den Vorgang und die Beibehaltung einer Zentrifugenkaskade vereinfachen, da die Anzahl der parallel angeordneten Zentrifugen und die Anzahl der in Reihen angeordneten Stufen verringert werden.

Bei einem Peihenbetrieb der erfindungsgemäßen Zentrifuge wird ein Gasgemisch, 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

jo leichte und eine schwere Fraktion wiederum durchgeführt, wobei sich diese Stufen wiederholen, so daß eine kontinuierliche Strömung hintereinander von dem innersten Zwischenraum zum äußersten Zwischenraum vorliegt. Bei einem Parallelbetrieb der erfindungsgemä-Ben Zentrifuge wird das zu separierende Gasgemisch 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.

Obwohl bei dem oben beschriebenen Reihenbetrieb der Zentrifuge die schweren Fraktionen, die 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

so 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 Gasgemisch in einen der Zwischenräume eingeführt werden. Eine der in dem Zwischenraum separierter Fraktionen, beispielsweise die leichte Fraktion, wird ir

bo den nach außen angrenzenden Zwischenraum geführt wo sie in eine leichte und eine schwere Fraktio separier) wird, die wiederum in den nach außen bzw. nach inner benachbarten, d. h. den ursprünglichen, Zwischenraum geführt wird. Die andere der in dem ursprünglicher

b5 Zwischenraum separierten Fraktionen, beispielsweise die schwere Fraktion, wird in den nach inner angrenzenden Zwischenraum eingeführt, wo sie in eine leichte und eine schwere Fraktion separiert wird, di«

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. Einmischen 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 und 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.

An Hand der übrigen Zeichnungen werden beispielsweise Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zentrifuge näher veranschaulicht.

F i g. 3 zeigt im Schnitt eine Zentrifuge mit drei Rotoren, bei der der Innenrotor massiv ist.

F i g. 4 zeigt eine Ausführungsform der Einleitung des Gasgemisches.

In Fig.3 ist eine Zentrifuge mit drei konzentrischen Rotoren gezeigt. Dabei enthält ein ortsfestes Zentrifugengehäuse 1 einen inneren Rotor 10 und eine Schleudertrommel 20 sowie einen äußeren Rotor 30, die mit hoher Drehzahl um eine vertikale Achse des Gehäuses drehbar sind. Die obere und untere Welle 11 und 12 des Rotors 10 geht durch die obere und untere Hohlwelle 21 bzw. 22 der Schleudertrommel. Ein zylindrisches Eisenteil 41 am unteren Ende der Welle 12 bildet zusammen mit einem Magneten 42, der das Eisenteil umgibt, ein Magnetlager 40. Lagereinrichtungen 48, die an dem Gehäuse angebracht sind und sowohl als Lager wie auch als Abdichtungen dienen, tragen die Wellen 21, 22 und 31. Ein Hochfrequenzmotor 80 versetzt die Welle 31 des äußeren Rotors 30 mit hoher Drehzahl in Drehung. Ein Zahnradsystem 49, welches die Welle 21 der Schleudertrommel mit der Welle 11 des Rotors 10 und der Welle 31 der Trommel 30 verbindet, läßt den Rotor 10 in gleicher Richtung wie die Schleudertrommel 20 mit einer Drehzahl rotieren, die größer ist als die der Schleudertrommel. Man kann den Rotor statt durch die Zahnradeinrichtung bzw. das Getriebe auch durch einen weiteren Hochfrequenzmotor rotieren lassen.

Ein zu separierendes Gemisch wird in das Gehäuse 1 durch ein Rohr 8 eingeführt Nachdem es durch einen Ringkanal, der zwischen der Hohlwelle 22 der

ίο Schleudertrommel und der Welle 12 des Rotors ausgebildet ist, hindurchgegangen ist, wird das Gemisch in einen Zwischenraum zwischen dem Rotor 10 und der Schleudertrommel durch einen Führungsring 23 eingeführt, der nach innen von einer Endplatte 25 der Schleudertrommel vorsteht Der Ring führt das Gemisch an dem Rotor entlang. Das Gemisch kann in den Zwischenraum durch Einstrahlen des Gemisches durch Ausströmöffnungen 18, die strahlenförmig von einem engen Kanal 13 aus divergieren, der teilweise durch den Mittelteil der Welle 12, wie in F i g. 4 gezeigt, geht oder auch durch ein Zuführrohr zugeführt werden, das sich von dem Rohr 8 aus erstreckt, das untere Ende des Rotors umgibt und mit Schlitzen oder vielen öffnungen am gesamten Umfang versehen ist.

Die Strömung in dem ersten Zwischenraum ist durch die Pfeile 60 und 61 in Fig.3 gezeigt Die schwere Fraktion wird aus der Zentrifuge durch Löcher 27 in der Endplatte 25 der Schleudertrommel 20 und von da durch einen Aufnehmer 65 mit Löchern 67 abgeführt Eine mit der Schleudertrommel aus einem Stück bestehende Führung 66 mit einem Schlitz 64 längs dessen gesamten Umfangs führt die leichte Fraktion in einen zweiten Zwischenraum, wobei eine gleichförmige Strömung längs der äußeren Umfangswand der Schleudertrommel ausgebildet wird. Die Strömung in dem zweiten Zwischenraum ist durch die Pfeile 62 und 63 angedeute'u Die schwere und leichte Fraktion werden aus der Zentrifuge durch Rohre 2 und 3 über Löcher 36 und 37 abgezogen, die in den Endplatten 34 bzw. 35 des dritten Rotors 30 ausgebildet sind. In diesem Falle kann die durch das Rohr 2 abgezogene schwere Fraktion dem ersten Zwischenraum wieder durch eine Pumpe 68, die als eine Druckerhöhungseinrichtung wirkt, zusammen mit dem Beschickungsstrom zugeführt werden, wenn ein Ventil 91 geschlossen und ein Ventil 92 voll geöffnet ist. Die Zentrifuge bildet auf diese Weise selbst eine Kaskade hinsichtlich beider Fraktionen.

Gewünschtenfalls kann ein leichtes Gas, z. B. Helium, durch den Einlaß 6 in den Raum zwischen den Abdichtungen 4 und 5 eingeführt werden.

Die oben beschriebene Ausführungsform kann noch abgeändert werden. So kann beispielsweise der innere massive Rotor durch einen Hohlrotor ersetzt werden, der dann ebenfalls als Zentrifuge verwendet wird. Das Gemisch kann dabei durch ein Rohr eingeführt werden, das längs der Achse dieses Rotors verläuft und im Innern des Rotors mündet.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zentrifuge zum Trennen von Gasgemischen in eine leichte und eine schwere Fraktion mit einem ortsfesten Gehäuse, einer darin umlaufenden ersten zylindrischen Schleudertrommel, einer Zuführleitung für das zu trennende Gemisch und Abführleitungen für die getrennten leichten und schweren Fraktionen sowie einem innerhalb der ersten zylindrischen Schleudertrommel angeordneten zylindrischen Drehkörper etwa gleicher axialer Länge, der mit größerer Drehzahl als die erste zylindrische Schleudertrommel gleichsinnig umläuft, gekennzeichnet durch mindestens eine weitere gleichsinnig umlaufend angetriebene zylindrische Schleudertrommel (30), die in koaxialer Anordnung zur ersten Schleudertrommel (20) diese umgibt, wobei die Zwischenräume zwischen Drehkörper (10) und erster Schleudertrommel einerseits und erster Schleudertrommel und weiterer Schleudertrommel andererseits (usw.) durch Kanäle (64) verbunden sind, die die jeweils dazwischenliegende Schleudertrommel (20) durchdringen.

2. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitung (23, 13) für das Gasgemisch im Bereich des Außenumfangs des Drehkörpers (10) mündet.

3. Zentrifuge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitung (13) für das Gasgemisch durch den Drehkörper (10) geführt ist und in einer Ausströmöffnung (18) an seinem Umfang endet.

4. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehkörper (10) auch hohl ausgebildet ist, daß die Zuführleitung für das Gasgemisch in diesen Drehkörper mündet und daß die Drehkörperwand zur Bildung von Verbindungskanälen durchbrochen ist.

5. Verfahren zum Trennen eines Gemisches von Gasen von unterschiedlichem Molekulargewicht in einer Zentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusammen mit dem zu trennenden Gemisch ein Gas von einem Molekulargewicht eingeführt wird, das geringer ist als das des Gemisches.