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Plasmazentrifuge
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Trennen von Gemischen
aus im Plasmazustand vorliegenden Stoffen unterschiedlicher Masse mit einem abgeschlossenen
Trennraum mit Zu-und Abführöffnungen für das zu trennende Gemisch sowie einer Kathode
und einer Anode, zwischen denen als Lichtbogen eine Plasmasäule aus den Gemischstoffen
brennt und mittels eines überlagerten Magnetfeldes durch Lorentz-Kräfte in Rotation
gehalten ist (Plasmazentrifuge).
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Für Plasmazentrifugen sind im wesentlichen zwei Bauarten bekannt.
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Bei der einen werden eine Stiftkathode und eine Ringanode verwendet,
wodurch der Lichtbogen bzw. die Plasmasäule des zu trennenden Gemisches zwischen
den beiden Elektroden aufgespreizt wird. Zur Erzeugung der Lorentz-Kräfte dient
ein homogenes axiales Magnetfeld. Bei der anderen Art werden zwei Ringelektroden
verwendet, wodurch sich eine zylinderförmige Plasmasäule ergibt; zur Erzeugung der
Lorentz-Kräfte dient dann ein zwischen Kathode und Anode divergierendes Magnetfeld
(vgl. etwa DE-PS 20 62 386!.
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Unabhängig von der Bauart der Plasmazentrifuge treten im Bereich der
Anode bzw. der Anodenebene starke Gradienten in Temperatur, Druck und Strömungsgeschwindigkeit
auf. Im wesentlichen sind diese Gradienten auf die Grenzbedingungen für die Plasmasäule
in der Anodenebene zurückzuführen. Zum Beispiel geht die Rotation der Plasmasäule
in dem Anodenbereich stark zurück; wegen der Strom- und Spannungsverhältnisse in
dem Trennraum greift die antreibende Lorentzkraft praktisch nicht in den Raum hinter
der Anode ein.
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Die erwähnten Gradienten führen zu Energieverlusten der Plasmazentrifuge
und können in bestimmten Fällen starke Strömungen im Trennraum verursachen, die
wiederum zu einer Vermischung des bereits getrennten Gemisches führen, d.h. die
Trennung zumindest teilweise wieder rückgängig machen. Besonders störend können
sich diese Strömungen in Mehrkomponenten-Gasplasmen auswirken, wenn jede Gaskomponente,
eigenen Gradientenfeldern folgend, anderen Strömungsbedingungen unterliegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Plasmazentrifuge der
eingangs genannten Art so zu modifizieren, daß die Gradienten im Anodenbereich gesteuert
abgebaut und dadurch die Trennleistung der Plasmazentrifuge erhöht werden kann.
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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwei Plasmazentrifugen
koaxial hintereinander angeordnet sind, wobei die Anoden der beiden Plasmazentrifugen
einander gegenüberliegen.
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Bevorzugt werden Plasmazentrifugen mit Stiftkathode und Ringanode
verwendet, wobei dann für beide Plasmazentrifugen ein gemeinsames axiales homogenes
Magnetfeld vorgesehen ist. Durch die Ausbildung der Plasmazentrifuge als Doppelzentrifuge
in der angegebenen Weise rotieren die Plasmasäulen in den Einzelzentrifugen gleichsinnig.
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Die rotierenden Plasmasäulen sind dadurch miteinander verkoppelt,
wobei der Abstand der gegenüberliegenden Anoden soweit geändert werden kann, daß
eine quasi starre Kopplung vorliegt. Der Abstand der Anoden kann hierbei gegen Null
gehen, d.h. daß nur eine einzige gemeinsame Anode für beide Einzelzentrifugen verwendet
wird.
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Bei einer derartigen starken quasistarren Koppelung der beiden Plasmasäulen
verlaufen die Plasmaparameter im Anodenbereich annähernd konstant längs der gemeinsamen
Achse der beiden einzelnen Plasmazentrifugen. Die erwähnten Gradienten hinsichtlich
Temperatur, Druck und Strömungsgeschwindigkeit verschwinden in diesem Fall, d.h.
das Gemisch wird entsprechend der Länge der einzelnen Plasmasäulen in radialer Richtung
einwandfrei getrennt, ohne daß eine erneute störende Vermischung auftritt.
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In gewissen Fällen ist es jedoch günstig, nicht nur eine Trennung
in radialer Richtung, sondern auch in axialer Richtung vorzunehmen; dies gilt insbesondere
für Gasplasmen. Die axiale Trennung ist auf Zirkulationsströmungen innerhalb der
Plasmazentrifuge zurückzuführen, die einen Gegenstrombetrieb verursachen. Da ein
Gegenstromprinzip in diesen Fällen den Trenneffekt der Plasmazentrifuge erhöht,
dürfen die auslösel.den Kriterien, und das sind gerade auch die Gradientenfelder
im Anodenbereich, nicht negativ beeinflußt werden. Mit einer Doppelzentrifuge gemäß
der Erfindung können durch Änderung des Abstandes zwischen den Anoden der beiden
Plasmazentrifugen, d.h. durch eine Änderung der Plasmasäulenkoppelung diese Gradienten
und damit die Umströmbedingungen in der Plasmazentrifuge gesteuert beeinflußt werden.
Hierdurch kann z.B. auch bei Mehrkomponenten-Gasplasmen der axiale Trenneffekt positiv
beeinflußt werden.
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Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand einer einzigen
Figur näher erläutert, in der schematisch ein Querschnitt durch eine Doppel-Plasmazentrifuge
gemäß der Erfindung dargestellt ist.
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Eine Plasma-Doppelzentrifuge 1 besteht aus zwei Einzelzentrifugen
ii und 12. Die Doppelzentrifuge weist einen für beide Einzelzentrifugen gemeinsamen
zylindrischen Trennraum 2 mit einer Achse 3 auf, der von einer Zylinderwand 4 begrenzt
ist. Diese Wand ist von Magneten 5 umgeben, die im Trennraum 2 ein homogenes axiales
Magnetfeld B erzeugen. Auf der linken und rechten Seite der Doppelzentrifuge ist
in den Trennraum 2 jeweils ein zylindrischer Kathodenblock 6 eingeschoben, der gegenüber
der Wand LI des Trennraumes abgedichtet ist. Jeder Kathodenblock 6 weist eine zentrale
öffnung 7 auf, in die eine Stiftkathode 8 axial eingeschoben ist. In der Mitte der
Doppelzentrifuge sind zwei Ringanoden 9 vorgesehen, die voneinander einen Abstand
a haben. Die Ringanoden 9 sind mit ihrem äußeren Umfang in für beide Anoden gemeinsamen
Längsnuten 10 axial geführt und dort mit Schiebestiften 11 verbunden, die durch
Schlitze 12 und 13 in der Zylinderwand 4 bzw. den Magneten 5 aus
der
Doppelzentrifuge hinausgeführt sind. Mit diesen Schiebestiften 11, von denen z.B.
für jede Anode um den Umfang verteilt drei Stück vorgesehen sind, können die Ringanoden
9 in dem Trennraum axial verschoben und dadurch der Abstand a verändert werden.
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Hierfür sind selbstverständlich auch andere Konstruktionen oder technische
Lösungen möglich.
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In dem Trennraum 2 jeder Einzelzentrifuge wird über Zuführkanäle 14
ein zu trennendes Gemisch G aus Stoffen unterschiedlicher Massen eingeleitet. In
diesem Fall liegen die Zuführkanäle 14 etwa in der Mitte zwischen Stiftkathode 8
und Ringanode 9, können jedoch auch an anderen Stellen angeordnet werden, da deren
Lage für den Trennprozeß keine so entscheidende Bedeutung hat. Zwischen den beiden
Ringanoden 9 ist ein Abzugskanal 15 vorgesehen, aus dem die leichteren Anteile P
des Gemisches G abgezogen werden. In der Nähe der Stiftkathode ist ein weiterer
nach außen führender Abzugskanal 16 vorgesehen, über den die schwereren Anteile
W des getrennten Gemisches G abgezogen werden. In diesem Fall ist demnach für beide
Einzelzentrifugen ein einziger gemeinsamer Abzugskanal 15 für die leichteren Anteile,jedoch
jeweils getrennte Abzugskanäle für die schwereren Anteile W des getrennten Gemisches
vorgesehen. Bei dieser Anordnung der Zuführ- und Abzugskanäle wird mit einer Axialçtrennung
gearbeitet, bei der sich eine Trennung der Gemischstoffe in Achsrichtung der Zentrifuge
ergibt, im Gegensatz zu einer Radialtrennung, bei der sich eine Trennung in Radialrichtung
einstellt. In dem letzteren Falle müßten etwa Abzugskanäle für die leichteren Anteile
des Gemisches in dem Raum zwischen den beiden Ringanoden in achsnaher Lage der Zentrifuge
angeordnet sein; mit dem Bezugszeichen 16' ist gestrichelt schematisch ein Auffangzylinder
mit einem Abzugskanal für diesen Fall angedeutet. Der Abzugskanal 15 oder eine ähnliche
Einrichtung verbleibt dabei in seiner achsfernen Lage.
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Es ist weiterhin möglich, über die zentralen Öffnungen 7 der Stiftkathoden
auch Stoffe in den Trennraum 2 einzuführen oder aus diesem abzuziehen, wie dies
schematisch durch die Pfeile angedeutet ist. Hier kann z.B. ein Zusatzgas in den
Trennraum eingeleitet werden, um diesem künstlich einen Gegenstrombetrieb aufrechtzuerhalten;
auch
ein Teil der Gemischstoffe kann hier etwa zu dem gleichen Zweck abgezogen werden.
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Zum Betrieb der beschriebenen Plasmazentrifuge wird zunächst in dem
Trennraum das Magnetfeld B durch die Magnete 5 erzeugt.
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Danach wird zwischen Stiftkathoden 8 und Ringanoden 9 eine Hochspannung
angelegt, wobei beide Ringanoden 9 auf gleichem Potential liegen. Durch Einleiten
der Gemischstoffe G wird zunächst ein Lichtbogen zwischen den Stiftkathoden 8 und
den Ringanoden 9 gezündet. Bei weiterer Zufuhr von Gemischstoffen bildet sich eine
zwischen Stiftkathode 8 und Ringanode 9 kegelig verlaufende Plasmasäule 17 in beiden
Einzelzentrifugen; wegen der konischen Erweiterung der Plasmasäule, der eine radiale
Stromkomponente entspricht, wird durch Wechselwirkung mit dem homogenen axialen
Magnetfeld B die Plasmasäule als quasistarrer Körper in Rotation um die Achse 3
der Doppelzentrifuge versetzt, wie dies durch die Kreispfeile W in beiden Zentrifugen
angedeutet ist. Die beiden Plasmasäulen 17 rotieren in den beiden Einzelzentrifugen
gleichsinnig. Durch Veränderung des Abstandes a zwischen den beiden Ringanoden kann
der Durchgriff der Plasmasäulen in den Zwischenbereich eingestellt werden, wodurch
die Koppelung der beiden Plasmasäulen verändert werden kann. Bei dem in der Figur
dar gestellten Abstand zwischen den Ringanoden 9 ist angenommen, daß eine starke
Koppelung zwischen den beiden Plasmasäulen in den Einzelzentrifugen besteht, so
daß auch in diesem Zwischenbereich eine rotierende Plasmasäule vorliegt, wie dies
durch das Bezugszeichen 17' angedeutet ist. Die Koppelung ist in diesem Fall allerdings
noch nicht quasistarr, so daß sich in den Anodenbereichen noch gewisse Gradienten
ausbilden können, die zu Umströmungen in jeder Einzelzentrifuge führen, wie dies
durch die Ringpfeile U angedeutet ist. Wird der Abstand a zwischen den Ringanoden
verringert, so daß sich eine quasistarre Koppelung zwischen den beiden Plasmasäulen
ergibt, so können diese Umströmungen U in den Einzelzentrifugen durch Zwangsmaßnahmen,
etwa
durch Einleiten und Abziehen von Gemisch- oder Zusatzstoffen
über die zentralen Öffnungen 7 an den Stiftkathoden 8 aufrechterhalten werden. Durch
die Umströmungen in der Doppelzentrifuge arbeitet diese im Gegenstromprinzip, so
daß über den Abzugskanal 15 die leichten Anteile P des Gemisches und über die Abzugskanäle
16 die schweren Anteile W des Gemisches abgezogen werden.
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Der Abstand zwischen den Anoden kann auch dadurch geändert werden,
daß die beiden Plasmazentrifugen jeweils als Ganzes axial gegeneinander verschoben
werden. Auch der Abstand zwischen Kathode und Anode in den Plasmazentrifugen kann
geändert werden. Durch diese Maßnahmen können die Strömungsverhältnisse in den beiden
einzelnen Plasmazentrifugen und die Kopplung zwischen den Plasmazentrifugen beeinflußt
werden.*) Mit einer Doppelzentrifuge gemäß der Erfindung Rönnen die Plasmaparameter
in dem Trennraum in weiten Bereichen gesteuert beeinflußt werden, so daß auch die
Trennleistung einer solchen Zentrifuge verbessert und an das jeweilige zu trennende
Gemisch optimal angepaßt werden kann.
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*) Auch ist es für bestimmte Anwendungsfälle möglich, für beide Zentrifugen
eine gemeinsame Ringanode vorzusehen.