DE2243730C3

DE2243730C3 - Verfahren zum Trennen von gas- oder dampfförmigen Stoffen, insbesondere Isotopen

Info

Publication number: DE2243730C3
Application number: DE2243730A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. 7501 Spoeck Bley; Wolfgang Dr.-Ing. 7505 Ettlingen Ehrfeld; Gerd Dr.-Ing. 7500 Karlsruhe Eisenbeiss
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1972-09-06
Filing date: 1972-09-06
Publication date: 1979-05-03
Also published as: FR2197630B1; DE2243730B2; NL7312166A; ZA735719B; JPS4964976A; DE2243730A1; FR2197630A1; GB1439284A; NL154942B; US3877892A; JPS5411017B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von gas- oder dampfförmigen Stoffen, insbesondere Isotopen, mit unterschiedlichem Molekulargewicht und/oder verschiedenem gaskinetischem Querschnitt, bei dem die zu trennenden Stoffe im Gemisch mit einem leichten Zusatzgas durch eine düsenartige Öffnung als expandierender Strahl hindurchströmen und der Strahl durch eine in seinem Strömungsweg angeordnete Schälblende in Teilstrahlen zerlegt wird.

Das Prinzip dieses sogenannten Trenndüsenverfahrens ist aus der deutschen Patentschrift 10 52 955 bekannt. In den deutschen Patentschriften 10 96 875 und 11 98 328 wird gezeigt, wie sich die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens durch ein leichtes Zusatzgas, ggf. in Kombination mit einer Strahlenumlenkung, verbessern läßt. Wird das Verfahren z. B. zur Trennung von Isotopen benutzt, so müssen zur Erzielung eines praktisch brauchbaren Anreicherungsgrades in einer Kaskade mehrere Trenndüsen hintereinander geschaltet werden, wobei nach jeder Düse das expandierte Gas mit einem Kompressor wieder auf den ursprünglichen Düsenvordruck gebracht werden muß. Für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist es von großer Bedeutung, das von dem Kompressor aufzubringende Druckverhältnis bei vorgegebener Trennung so klein wie möglich bzw die Trennung bei vorgegebenem Druckverhältnis so groß wie möglich zu machen. In der deutschen Patentschrift 20 31 687 wurde daher ein Verfahren zum Trennen von Gasgemischen nach der Trenndüsenmethode beschrieben, bei dem die kinetische Energie des Gasstrahles nach seiner Zerlegung in zwei Teilstrahlen zur Druckerhöhung ausgenutzt wird. Dabei werden mindestens zwei gleichartige, von verschiedenen Trenndüsen kommende Teilstrahlen unmittelbar nach den Schälblenden zu einem gemeinsa-

i Strahl vereinigt. Mit dieser Maßnahme läßt sich zwar der Betriebsaufwand des Verfahrens herabsetzen, jedoch wird gewöhnlich keine Steigerung des Trennfaktors beobachtet und damit keine Verminderung der Zahl der hintereinanderzuschaltenden Trenndüsenstufen erreicht

Weiterhin ist es aus der US-PS 36 28 342 bekannt, einen scharf gebündelten Strahl aus kondensierter Materie zu erzeugen. Ein leichtes Zusatzgas soll hierbei den Kondensationsvorgang der schweren Gaskomponente beschleunigen. Da bei der weiteren Verwendung des kondensierten Gases das leichte Zusatzgas stört, muß es mittels mehrerer Abschälblenden und Druckstufen abgetrennt werden. Es ist jedoch keine Trennung der schweren Gaskomponenten untereinander angestrebt bzw. durchführbar.

Es wurde nun erfindungsgemäß gefunden, daß sich der Betriebsaufwand einer Trenndüsenanordnung unter erheblicher Steigerung des Trennfaktors vermindern läßt, wenn der an schwerer Komponente angereicherte Teilstrahl unter Ausnutzung der in ihm enthaltenen Energie bei mindestens einer unmittelbar an die Abschälung anschließenden Umlenkung zu einer weiteren Trennung verwendet wird, wobei mittels weiterer Schälblenden nach der Umlenkung weitere Teilstrahlen

2^r> erzeugt werden. Dabei können einer oder mehrere der weiteren Teilstrahlen durch zusätzliche Expansion nachbeschleunigt werden.

Bei einer Ausnutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Kaskade werden zweckmäßig diejeni-

jo gen nach außen abgeführten Teilstrahlen verschiedener Stufen vereinigt, die bezüglich der zu trennenden Stoffe weitgehend gleiche Zusammensetzung haben. In besonderen Fällen kann es aus technischen Gründen auch zweckmäßig sein, einzelne der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenen Teilstrahlen zu vereinigen und gemeinsam abzuführen, ohne daß dadurch vom Grundgedanken der Erfindung abgewichen wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles und der Figur erläutert:

Die erste Trennung erfolgt in der Trenndüse 1 mit dem Einlaufkanal 2, der Zuströmdüse 3, der Umlenkwand 4 der ersten Schälblende 5 und den beiden Absaugkanälen 6 und 7. Das zu trennende Gemisch 8 mit dem Druck p_o gelangt über den Einlaufkanal 2 zur

·»■> Düse 3, wird durch die Wand 4 umgelenkt und mittels der Blende 5 in zwei erste Teilstrahlen 9 und 10 zerlegt. Der an leichter Komponente des Gemisches 8 angereif herte Teilstrahl 9 wird mit einem gegenüber p_o erniedrigten Druck p_m über den Kanal 6 abgeführt. Der

^rM an schwerer Komponente angereicherte Teilstrahl 10 strömt in den Kanal 7. Das die Umlenkwand 4 tragende Bauteil U bildet an seinem einen Ende mit einer anderen Abgrenzungswand 12, die außerdem zwischen dem Gasraum des Gemisches 8 und dem Teilstrahl 9

r~, Hegt, die Düse 3 sowie mit der Schälblende 5 den Kanal 7.

Das Gemisch 8 expandiert durch die Düse 3. Mit der Schälblende 5 wird ein Teil der Strömung durch den Kanal 7 als erster Teilstrahl 10 abgeleitet und in eine

W) weitere Trenneinrichtung 13 eingespeist. Sie lenkt den ersten, aus dem Kanal 7 expandierenden Teilstrahl 10 mit der weiteren Umlenkwand 14 um. Die Umlenkwand 14 ist die dem ersten Teilstrahl 10 zugewandte Oberfläche der Abschälblende 5 bzw. des diese

h"> tragenden Bauteils 15. Am Ende der weiteren Umlenkwand 14, in Strömungsrichtung des ungeteilten ersten Teilstrahles 10 gesehen, steht eine weitere Äbschälbiende Ί&, die am Bauteil s7 angebracht ist und

die den ersten Teilstrahl 10 in zwei weitere Teilstrahlen Ib und 19 aufteilt

Bei einem speziellen Trennversuch m^;t einem Gasgemisch aus 10 Mol-% UFe und 90 Mol-% H₂ an einem dem Ausrührungsbeispiel entsprechenden Trennelement wurden die Konzentrationen der Uranisotope in den drei Teilstrahlen 9,18,19 massenspektrometrisch bestimmt Es ergab sich, daß der spezifische Energieverbrauch, der ein Maß für den Betriebsaufwand des Verfahrens darstellt, um 20% geringer war als bei einem Versuch unter sonst gleichen Bedingungen mit der bekannten Düsentrennanordnung, die den ersten Teil des Ausführungsbeispieles bildet Dabei wurde außerdem eine Steigerung des Trennfaktors beobachtet, die eine Verminderung der Zahl der in einer Kaskade hintereinanderzuschaltenden Trenndüsenstufen um

ic 30% bewirkt

Im dem erläuterten Ausführungsbeispiel wurde der Aufbau und die Wirkungsweise der Erfindung anhand einer mit gekrümmten Düsen arbeitenden ersten Trennsiufe dargestellt Nach demselben Prinzip läßt sich die Erfindung auch für eine gerade Düse 3 verwenden.

Bei einer mehrfachen Umlenkung, also einer mehrfraktionären Absaugung, müßte jeweils die dem abgetrennten weiteren Teilstrahl zugewandte Oberfläche der weiteren Abschälblenden, z. B. Oberfläche 20 des Bauteils 17 bzw. der Abschälblende 16, als Umlenkwand ausgebildet sein. Dabei kommt es nur von Fall zu Fall darauf an, welchen Bogenwinkel die jeweiligen Umlenkwände 4 bzw. 14 beschreiben bzw. welche Länge sie haben, auch ist die Auswahl der Fraktion für die weitere Trennung frei.

Hrrzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Trennen von gas- oder dampfförmigen Stoffen, insbesondere Isotopen, mit unterschiedlichem Molekulargewicht und/oder verschiedenem gaskinetischem Querschnitt, bei dem die zu trennenden Stoffe im Gemisch mit einem leichten Zusatzgas durch eine düsenartige öffnung als expandierender Strahl hindurchströmen, und der Strahl durch eine in seinem Strömungsweg angeordnete Schälblende in Teilstrahlen zerlegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der an schwerer Komponente angereicherte Teilstrahl unter Ausnutzung der in ihm enthaltenen Energie bei mindestens einer unmittelbar an die Abschälung anschließenden Umlenkung zu einer weiteren Trennung verwendet wird, wobei mittels weiterer Schälblenden nach der Umlenkung weitere Teilstrahlen erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere der Teilstrahlen (9, 18, 19) durch zusätzliche Expansion nachbeschleunigt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Kaskade diejenigen nach außen abgeführten Teilstrahlen vereinigt werden, die bezüglich der zu trennenden Stoffe weitgehend gleiche Zusammensetzung haben.