DE2129786C3 - Gegenstrom-Gaszentrifuge - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Gegenstrom-Gaszentrifuge, z. B. mit thermischer Gegenstromerzeugung, mit Zuführung des Gasgemisches etwa in der Mitte der Trommellänge und Abführung der Gaskomponenten auf gegenüberliegenden Stirnseiten der Trommel.

Aus der deutschen Patentschrift 8 33 487 ist eine derartige Gaszentrifuge bekannt, bei der das Gasgemisch aus einer achsnahen Öffnung eines die Trommel axial durchsetzenden Rohres in die Trommel eingeführt wird. Die Ableitung der getrennten Gaskomponenten geschieht durch Öffnungen der Trommel, die außerhalb des Zuführungsrohres für das Gasgemisch angeordnet sind. Um eine technisch auswertbare Gastrennung zu erreichen, müssen mehrere derartige Gaszentrifugen hintereinandergeschaltet werden. Aus der US-PS 32 51 542 ist eine ähnliche Gaszentrifuge bekannt, bei der das Zuführungsrohr für das Gasgemisch axial von einem Ableitungsrohr für eine der getrennten Gaskomponenten durchsetzt und von außen von einem weiteren Rohr umgeben ist, durch das die andere getrennte Gaskomponente abgeleitet wird. Die Zugangsöffnungen zu diesen Ableitrohren befinden sich in der Nähe des Mantels der Zentrifugentrommel an dem gegenüberliegenden Trommelstirnwänden. Das Zuführungsrohr mündet in der Mitte der Trommellänge nahe der Trommelachse. Um eine verwertbare Trennung des Gasgemisches zu erhalten, müssen auch bei dieser Anordnung mehrere St'jfen hintereinandergeschaltet werden.

Bekanntlich ist die theoretische Abscheideleistung einer Gaszentrifuge proportional der Trommellänge in axialer Richtung und der vierten Potenz einer Umfangsgeschwindigkeit (r_O(uo)⁴ des Gases, wobei mit r₀ der innere Radius der Trommel und mit ω₀ die Winkelgeschwindigkeit der Trommel bezeichnet ist.

In Wirklichkeit ist jedoch die erzielbare Abscheideleistung wesentlich kleiner als der oben aufgezeichnete theoretische Wert. Das liegt daran, daß sich kein vernünftiger Gegenstrom und kein entsprechendes Fließverhalten erzielen läßt Da aufgrund der Gaszuführung eine auswärtige radial gerichtete Gasströmung von der Hohlwelle zum Mittelteil der Trommel existiert, welche das demnächst zu verarbeitende Gasgemisch enthält, hat der größte Teil der Gasmenge eine geringere Winkelgeschwindigkeit als die Trommel selbst

Für den Fall, daß keine Gaszufuhr in und keine Gasentnahme aus der Trommel erfolgt, sorgt die Viskosität des Gases dafür, daß die in Berührung mit der zylindrischen Trommelwand befindliche Gasmenge im wesentlichen die gleiche Winkelgeschwindigkeit annimmt wie die Trommelwandung. Dieser Teil der in kreisförmiger Bewegung befindlichen Gasmenge überträgt diese Bewegung aufgrund der Viskosität auf einen inneren ringähnlichen Teil der Gasmenge. Dadurch erreicht das Gas in der Trommel eine Winkelgeschwindigkeit, welche gleich der Trommel-Winkelgeschwindigkeit im gleichförmigen Zustand ist. Sobald aber eine Zufuhr von Gas in den Mittelabschnitt der Trommel erfolgt und ein radial nach außen gerrichteter Strom entsteht, weist der größte Teil der in der Trommel befindlichen Gasmenge eine geringere Winkelgeschwindigkeit als die Trommel selbst auf. Diese Erscheinung läßt sich in die Rechnung einbeziehen, wenn man die Viskosität des Gases berücksichtigt

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei der eingangs genannten Gegenstrom-Gaszentrifuge die Abscheideleistung zu verbessern.

Erfindungsgemäß ist hierfür vorgesehen, daß die Zuführung des Gasgemisches nahe der zylindrischen Trommelwand mündet, während die Auslässe für die Gaskomponenten auf erheblich kleineren Radien liegen, also etwa auf dem halben Trommelradius. Damit gelingt eine erhebliche Zunahme der Drehbeschleunigung des zu trennenden Gasgemisches und folglich eine bessere Annäherung an die theoretische Abscheideleistung. Bei gleicher geforderter Abscheideleistung einer Anlage kann die Anzahl der hintereinanderzuschaltenden Stufen verringert werden.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Anschließend wird nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gegenstrom-Gaszentrifuge in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben, welche eine wesentlich höhere Abscheideleistung erbringt. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zentrifugal-Gasabscheider,

F i g. 2 einen Querschnitt im Verlauf einer Ebene H-II durch den Gasabscheider von Fig. 1,

F i g. 3 eine grafische Darstellung mit verschiedenen, vom radialen Abstand abhängigen Winkelgeschwindigkeiten für Gas innerhalb einer Zentrifugen-Trommel, wobei auf der Ordinate das Verhältnis zwischen den Winkelgeschwindigkeiten des Gases und der Trommel, und auf der Abszisse der radiale Abstand von der Längsachse der Trommel aufgetragen ist, und

F i g. 4 einen Querschnitt durch ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel.

In den einzelnen Figuren der Zeichnung sind identische oder entsprechende Einzelheiten mit gleichen Bezugszahlen versehen.

In F i g. 1 ist eine in einem Gehäuse 11 untergebrachte Zentrifugen-Trommel 10 dargestellt. Dieses Gehäuse 11

ist als Vakuumbehälter ausgebildet und besitzt einen Deckel 12 und einen Boden 13. Im Deckel 12 und Boden 13 befindet sich je eine zentrale Lagerung 14 und 15 mit dämpfenden und abdichtenden Eigenschaften zur drehbaren Lagerung einer Welle für die Zentrifugen-Trommel 10, die aus zwei Halbwellen 16 und 17 gebildet wird Die beiden Lagerungen 14 und 15 können aus je einem Lager bestehen, das an seiner äußeren Stirnseite federnd im Gehäuse 11 aufgehängt und mit einem Dichtelement, beispielsweise mit einer StirnflechendL htung, abgedichtet ist

Die Zeninfugen-Trommel 10 setzt sich aus einer zylindrischen Wandung 18, einem oberen Deckel 19, in dessen Mitte die hohle Halbwelle 16 befestigt ist, durch die ein Gasgemisch in das Innere der Zentrifugen-Trommel 10 eingeführt wird, und aus einem unteren Deckel 20, in dessen Mitte die Halbwelle 17 befestigt ist, zusammen. Der obere Deckel 19 besitzt eine mit der Innenbohruiig der hohlen Halbwelle 16 fluchtende Zentralbohrung 19a und, von dieser ausgehend, mehrere radial verlaufende Kanäle 19b.

Der obere Deckel 19 der Zentrifugen-Trommel 10 kann entweder aus einer einzelnen Platte oder aus zwei Teilen, nämlich einer oberen und einer unteren Scheibe zusammengesetzt sein. Im letzteren Falle kann die untere Scheibe Teil eines inneren Zylindereinsatzes 21 der Zentrifugen-Trommel 10 sein. Dieser innere Zylindereinsatz 21 erstreckt sich mit seiner axialen Länge über etwa die halbe Trommellänge und ist so koaxial innerhalb der Zentrifugen-Trommel 10 befestigt, daß zwischen seiner äußeren zylindrischen Wandung und der Innenseite der zylindrischen Wandung 18 der Zentrifugen-Trommel 10 ein enger ringförmiger Zwischenraum 22 verbleibt. Der Zylindereinsatz 21 kann an seinem oberen und unteren Rand mit räumlich verteilten Ansätzen versehen sein, welche eine sichere Befestigung des Zylindereinsatzes 21 im Innern der Zentrifugen-Trommel 10 gestatten. Der Innenraum der Zentrifugen-Trommel 10 ist über den ringförmigen Zwischenraum 22 und die Kanäle 196 mit der Zentralbohrung 19a im Deckel 19 verbunden, so daß durch die hohle Halbwelle 16 zugeführtes Gasgemisch über die Zentralbohrung 19a, die Kanäle 19Z>, und den Zwischenraum 22 am unteren Ende des Zylindereinsatzes 21 in den Innenraum der Zentrifugen-Trommel 10 gelangen kann. Während das Gas durch die Kanäle 19b und den Zwischenraum 22 einfließt, nimmt es kinetische Energie von der rotierenden Zentrifugen-Trommel 10 auf. Seine Winkelgeschwindigkeit ist im wesentlichen gleich der Winkelgeschwindigkeit der zylindrischen Trommelwandung 18, wenn es durch einen ringförmigen Auslaß 22a an der Unterkante des Zyiindereinsatzes 21 in den freien Innenraum der Zentrifugen-Trommel 10 einfließt.

Wie insbesondere F i g. 2 erkennen läßt, befinden sich im oberen Deckel 19 einige kreisförmig um die Zentralbohrung 19a verteilte und etwa auf halbem Wege zwischen dieser Zentralbohrung 19a und dem äußeren Umfang liegende enge Durchlässe 19c, welche in axialer Richtung durch den oberen Deckel 19 bo hindurchführen. Diese Durchlässe 19c sind so verteilt, daß sie keine Verbindung r^^:' ' ■ xdialen Kanälen 196 des oberen Deckels 19 haben. Die Durchlässe 19c dienen als Auslässe für abgetrenntes Gas. Der dem oberen Deckel 19 gegenüberliegende untere Deckel 20 b5 besitzt ebenfalls eine Anzahl von engen Durchlässen 20a, welche den zuvor beschriebenen Durchlässen 19c in Größe und Anordnung ähnlich sind.

Im Inneren des Gehäuses 11 befinden sich zwei ringförmige Trenneinsatze 23 und 24, welche mit der zylindrischen Wandung 18 der Zentrifugen-Trommel 10 an deren Enden jeweils einen schmalen Spalt bilden und somit den zwischen der Außenwand der Trommel 10 und der innenwand des Gehäuses 11 befindlichen freien Raum in eine zylinderförmige Kamnier 25 zwischen den beiden Trenneinsätzen 23 und 24, in eine obere Kammer 27 und eine untere Kammer 28 aufteilen. Durch einen Einlaß 26 wird ein Gasgemisch zugeführt, beispielsweise Helium. Die beiden Trenneinsätze 23 und 24 verhindern das Abfließen dieses Gasgemisches in die benachbarten Kammern 27 und 28. In der oberen Kammer 27 und in der unteren Kammer 28 befinden" sich getrennte Gase, die mit einer geringen Helium-Gasmenge aus der Kammer 25 durch je einen Auslaß 29 und 30 abgeführt und einer nachfolgenden Verarbeitungsstufe zugeführt werden.

Ferner befinden sich in der oberen Kammer 27 eine Kühleinrichtung 31 zum Kühlen des oberen Deckels 19 und in der unteren Kammer 28 eine Heizeinrichtung 32 zum Beheizen des unteren Deckels 20. Hierdurch wird eine thermische Konvektion erzielt und damit ein Gegenstrom in Umlauf gebracht Der Temperaturunterschied zwischen dem oberen Deckel 19 und dem unteren Deckel 20 kann in der Größenordnung von 10 bis 20^cC liegen.

Im Betrieb des erfindungsgemäßen Zentrifugal-Gasabscheiders wird die Zentrifugen-Trommel 10 durch geeignete Mittel, beispielsweise einen Elektromotor mit extrem hoher Drehzahl angetrieben, damit die Gasfüllung in der Trommel einer hohen Zentrifugalkraft unterworfen wird und eine Auftrennung der Gase erfolgt, bei der das Gas mit den leichteren Molekülen nach innen und das Gas mit schweren Molekülen nach außen strebt; dies ist eine Folge der Druckdiffusion.

Gleichzeitig fließt, da der obere Deckel 19 etwas kühler als das Gas ist, das Gas durch thermische Konvektion dort radial nach außen. In analoger W ise bewegt sich das Gas in der Nähe des unteren Deckels 20, welcher wärmer als das Gas ist, aufgrund der thermischen Konvektion radial nach innen. Infolgedessen fließt das Gas zwischen den beiden Deckeln in der Nähe der Rotationsachse aufwärts und das Gas in der Nähe der T'ommelwandung 18 in einem relativ konstanten Strom abwärts.

Eine weitere Folge dieser Vorgänge ist, daß sich das leichtere Gas in der Nähe des oberen Deckels 19 ansammelt und durch die Durchlässe 19c hindurch in die obere Kammer 27 einfließt. Diese leichtere Gasmenge fließt mit einer kleinen Gasmenge, welche zusätzlich durch den Spalt zwischen der Wandung 18 und dem ringförmigen Trenneinsatz 23 aus der Kammer 25 eindringt, aus der oberen Kammer 27 über den Auslaß 29 ab, um danach wieder in einem geeigneten Separator voneinander getrennt zu werden. Ein hierfür geeigneter Separator könnte eine Kühlfalle sein, welche in der Zeichnung nicht dargestellt ist. In ähnlicher Weise sammelt sich das schwere Gas in der Nähe des unteren Deckels 20 an und gelangt durch die Durchlässe 20a in die untere Kammer 28. Hier mischt sich das schwerere Gas mit einer geringen Gasmenge aus der Kammer 25, welche eine Wiedervermischung der zuvor getrennten und jetzt in Kammer 27 und 28 befindlichen Gase wirksam verhindert, über den Auslaß 30 in eine weitere Verarbeitungsstufe, um dort in ähnlicher Weise wie zuvor beschrieben getrennt zu werden.

Das Gasgemisch gelangt also durch den zylindrischen

Auslaß 22a zwischen Zylindereinsatz 21 und Trommelwandung 18 in das Innere der Zentrifugen-Trommel 10, während die getrennten Gase einzeln durch die Durchlässe 19c bzw. 20a im oberen Deckel 19 bzw. im unteren Deckel 20 abgeleitet werden. Mit anderen Worten, die Gaszufuhr erfolgt auf einem großen Rotationsradius und die Gasabfuhr auf einem kleineren Rotationsradius. Dadurch wird, im ganzen gesehen, eine radial gerichtete Strömung aufgebaut. Außerdem hat die zugeführte Gasmischung eine Umfangsgeschwindigkeit, die im wesentlichen der Umfangsgeschwindigkeit der Trommelwandung 18 entspricht.

Bezeichnet man den Innenradius der Trommelwandung 18 mit ro, die Winkelgeschwindigkeit der Trommel 10 mit ωο, und die Winkelgeschwindigkeit des Gases im Radius r mit ω, so kann man sagen, daß bei einer radial nach innen gerichteten Strömung des Gasgemisches mit einer Umfangsgeschwindigkeit von etwa Γ_Οω_ο die Winkelgeschwindigkeit ω des in der Trommel 10 befindlichen Gases eine Winkelgeschwindigkeit erreicht, welcher größer ist als ωο. Diese Erscheinung ist in Fig.3 grafisch dargestellt. Auf der Ordinate dieses

Schaubildes ist der Quotient —, und auf der Abszisse der

Radius r aufgetragen. Eine Kurve 1 stellt dar, wie stark bei bekannten Gasabscheidern die Winkelgeschwindigkeit des Gases von der Winkelgeschwindigkeit der Trommel abweicht, während eine weitere Kurve 2 die günstigen Verhältnisse innerhalb der Trommel 10 des erfindungsgemäßen Zentrifugal-Gasabscheiders

wiedergibt.

Wie man aus F i g. 3 entnehmen kann, bewegt sich der größte Teil des Gases innerhalb der Trommel 10 mit einer höheren Winkelgeschwindigkeit als die Trommel selbst, wodurch die Gastrennleistung wesentlich erhöht wird, weil diese im wesentlichen der vierten Potenz der Winkelgeschwindigkeit proportional ist.

Der obere Teil der Zentrifugen-Trommel 10 ist mit leichterem Gas und der untere Teil mit schwerem Gas angereichert, und über die Länge der Trommel in axialer Richtung besteht ein Konzentrations-Gradient von leichterem zu schwerem Gas. Die Zufuhr von Gasgemisch wird daher vorzugsweise in einer Höhe der Trommel 10 vorgenommen, wo das Gemisch aus leichterem und schwerem Gas etwa dem zugeführten Gasgemisch entspricht Folglich wurde die Länge des inneren Zylindereinsatzes 21 so gewählt, daß sie etwa der halben inneren Trommellänge entspricht

Die innere Radialströmung wird durch Verdrängung in radialer Richtung zwischen dem Ort, an dem Gas abgezogen wird und dem Ort, wo es zugeführt wird, hervorgerufen. Die im oberen Deckel iS und im unteren Deckel 20 vorhandenen Durchlässe 19c bzw. 20a zur Ableitung der getrennten Gase sind auf einem möglichst kleinen Radius außerhalb der Rotationsachse angeordnet Je kleiner jedoch ihr Abstand von der Rotationsachse ist, desto geringer ist der Gasdruck an diesem Ort, und um so schwieriger wird die Abfuhr der Gase. Aus diesem Grunde wurde ein Kompromiß geschlossen und die Durchlässe 19c und 20a auf einem Kreis angeordnet, der etwa dem halben Radius der beiden Deckel 19 und 20 entspricht, zumindest beim vorliegenden Ausführungsbeispiel.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß F i g. 4 verläuft die hohle Halbwelle 16 axial durch den oberen Deckel 19 hindurch bis in die

ίο Trommelmitte hinein. Am freien unteren Ende dieser hohlen Halbwelle 16 ist ein Verteilerstück 41 befestigt, in dem sich vier in radialer Richtung verlaufende Kanäle befinden, welche die Innenbohrung der Halbwelle 16 mit je einem Auslaß 42 des Verteilerstückes 41 verbinden. Sämtliche Auslässe 42 liegen dicht an der Innenseite der zylindrischen Wandung 18 der Zentrifugen-Trommel 10. Bei diesem Ausführungsbeispiel benötigt der obere Deckel 19 keine radialen Kanäle 19fo (wie in Fig. 1), besitzt jedoch nach wie vor Durchlässe 19czur Gasabgabe.

Die Arbeitsweise des in Fig.4 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels ist der von F i g. 1 weitgehend ähnlich, so daß sich eine nochmalige Beschreibung erübrigt

Obwohl in beiden Ausführungsbeispielen die Deckel 19 und 20 mit mehreren Durchlässen 19c und 20a zum Abführen der getrennten Gase vorgesehen sind, gibt es für diesen Zweck noch weitere Möglichkeiten.

Eine solcher Möglichkeiten wäre die Verwendung einer hohlen Halbwelle 17. Dann führt man durch jede Halbwelle 16 und 17 je ein feststehendes Rohr so hindurch, daß zwischen Rohr und Innendurchmesser der hohlen Halbwellen noch ein freier Zwischenraum verbleibt. Beide Rohre führen in den Innenraum der Trommel 10 und sind dort im rechten Winkel umgebogen und so abgeschnitten, daß ihre Abschlußöffnung auf einem Ort liegt, der etwa den halben Radius der Trommel 10 aufweist Zur Vermeidung von Turbulenzen durch die ortsfesten Rohre innerhalb der Trommel können innerhalb der Trommel durchbohrte Trennwände so angeordnet sein, daß für jedes der ortsfesten Rohre eine Kammer geformt wird. In diesem Fall kann die mit Heliumgas gefüllte äußere Kammer 25 mit den beiden Trenneinsätzen 23 und 24 entfallen, weil bei einem solchen Ausführungsbeispiel keine Wiedervermischung der getrennten Gase außerhalb der Trommel 10 möglich wäre. Allerdings muß gesagt werden, daß der Aufbau eines solchen Zentrifugal-Gasabscheiders ziemlich kompliziert ist, außerdem sind Schwierigkeiten bei der Wartung, Inspektion u. dgl. zu erwarten.

. Alle zitierten Aüsführungsbeispielc der Erfindung weisen jedoch den eminenten Vorteil auf, daß sich im Trommelinnern eine radiale Strömung aufbaut und die Gase eine höhere Winkelgeschwindigkeit als die Trommel selbst annehmen können, so daß die Abscheideleistung wesentlich erhöht werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gegenstrom-Gaszentrifuge, z.B. mit thermischer Gegenstromerzeugung, mit Zuführung des ^ Gasgemisches etwa in der Mitte der Trommellänge und Abführung der Gaskomponenten auf gegenüberliegenden Stirnseiten der Trommel, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des Gasgemisches nahe der zylindrischen Trommel wand ι ο (18) mündet, während die Auslässe (19c, 2OaJ für die GaskGmponenten auf erheblich kleineren Radien liegen, also etwa auf halbem Trommelradius.

2. Gegenstrom-Gaszentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Gasgemisches in das Innere der Trommel (10) über einen ringförmigen Spalt (22) erfolgt, der sich zwischen einem im Inneren der Trommel befestigten Z:dindereinsatz(21), dessen axiale Länge etwa gleich der halben Trommellänge ist, und der zylindrischen Wandung (18) der Trommel erstreckt

3. Gegenstrom-Gaszentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Gasgemisches in die Trommel zunächst über eine in der Rotationsachse der Trommel verlaufende Röhre (16) und anschließend über nah? der zylindrischen Trommelwand (18) ausmündende Kanäle (41, 42) erfolgt.