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Verfahren zur Trennung oder zur Konzentration der Bestandteile von
Gemischen von Stoffen oder ihrer Isotope durch Zentrifugalkraft
Gegenstand der Erfindung
ist ein Verfahren zur Trennung oder zur Konzentration der Bestandteile von Gemischen
von Stoffen oder ihrer Isotope in tropfbar-flüssigem oder gas- oder dampfförmigem
Zustand durch Zentgrifugalkraft und thermodynamische Zustandsänderung.
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In vielen Industriezweigen ist die Aufgabe gestellt. natürlich vorhandene,
künstlich hergestelitc, als Neben- oder Abfallprodukte anfallende oder auch bei
irgendweldhen Arbeitsprozessen als Hilfsmittel benötigte Stoffe aus Gemischen mit
anderen Stoffen abzutrennen oder einzelne Bestandteile so anzureichern, daß sie
in der erreichten Konzentration weiter verwender oder auf andere, sonst zu umständliche
oder zu unwirtschaftliche Weise in reiner Form gewonnen werden können. In neuerer
Zeit gewinnt auch das Problem der Trennung der Isotope chemische einheitlicher Stoffe
immer größere Bedeutung.
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Bekannte Mittel, solche Stofftrennungen oder Anreicherungen vorzunehmen
sind die Zentrifugen, bel denen die Gemische in rotierende Trommeln eingeleitet,
durch die Zentrifugalkraft zerlegt und die einzelnen Bestandteile getrennt abgeführt
oder von Zeit zu Zeit, nadh Stililsetzung der Trommel, daraus entfernt werden.
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Während diese Zentri fugen für tropflaar-flüssige Gemische, auch
für Lösungen von festen in flüssigen Stoffen. in den verschiedensten Ausführungen
auf zahlreichen technischen Gebieten in Verwendung sind, ist man bei gas- oder dampfförmigen
Gemischen über Versuche und theoretische Erwägungen nicht Ihinausgekommen.
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H. H a u s e n und R. S c h l a t t e r e r haben in einer im Beiheft
Verfahrenstechnik der V.D.I.-Zeitschrift, Folge I939, Nr. I, veröffentlichten Abhandlung:
»Aussichten der Zerlegung von Gasgemischen durch Zentrifugieren « diese Möglich-
keiten
untersucht und sind zu dem Ergebnis gekommen, daß man sich mit einer Zentrifugentrommel
von 20 cm Durchmesser. bei einer Drehzahl von 56000 Ulmin, also mit einer Umfangsgeschwindigkeit
von 586 m/sec, an der Grenze der mechanischen Festigkeit, aber. selbst unter besonders
günstigen Umständen, bei großen Molekulargewichtsunterschieden, erst an der unteren
Schwelle eines Gebietes befindet. in dem die Zerlegungswirkung beachtlich wird.
Um brauchbare Ergebnisse zu erzielen, müßte die Umfangsgeschwindigkeit noch tuf
das 1, bis @fache gesteigert werden. Sie hahen weiter gezeigt. daß die Trennwirkung
bei Gasen außer vom Molekulargewichtsunterschied und von der I'm mfangsgeschwindigkeit
auch von der Temperatur abbängt. und zwar ist sie dem Reziprokewrt der absoluten
Temperatur proportional.
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Zentrifugen mit 56000 oder gar mit mehr als 100 1000 U/min wären
aber auch wegen der Schwierigkeiten der Lagerung und der Auswuchtung für den praktischen
Gebrauch in Industrie oder Geserl>e kaum verwendbar.
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Nl an war deshalb bisher bei der Zerlegung von Gasgemischen auf rein
thermodynamische Verfahren angewiesen.
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Auch dem lAau von Zentrifugen für tropfbarflüssige Gemische ist durch
die Festigkeit der Werkstoffe und die bereits genannten Schwierigkeiten aber Lagerung
und der Auswuchtung zur Erzielung eines schwingungsfreien Laufes eine ohere Grenze
gesetzt. die zwischen 6000 und 10 ooo U/min liegen dürfte Auch bei tropfbar-flüssigen
Stoffen ist aber die Trennwirkung dem Produkt aus D ichtenunterschied und dem Quadrat
der Winkelgeschwindigkeit proportional. Es besteht also auch hier ein Bedürfnis
zur Steigerung der Trennwirkung durch Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit.
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1 ),e vorliegende Erfindung zeigt. wie bei tropfbar-flüssigen Stoffen
die Trennwirkung weit über das bisher übliche Maß gesteigert werden kann und lost
das Problem der Zentrifugierung von Gasen und Dämpfen unter Vermeidung aller bei
der Verwendung rotierender Trommeln bestehenden Schwierigkeiten. l)as Grundsätzliche
des Verfahrens sei an Abb. t erklärt. Das zu zerlegende oder in seiner Zusammansetzung
zu ändernde Gemisch strömt durch den Stutzen 1 in das Spiralgehäuse 2. wird in der
Ringdüse 3 3 beschleunigt und tritt tangential oder unter schr kleinem Winkel in
die Wirbelkammer 4, wo sich in dem entstchen den Wirbel die Bestandteile eiltsl)rechend
ihrer l) ichte verteilen und durch einfache Rohrteile 6 unterbhalf der Kammer aufgenommen
und abgeleitet werden. Die Beschleunigung in der Düse erfolgt durch die Verringerung
des Querschnittes inforlge Abnabme des durchmessers in der Strömungsrichtung, infolge
des durch die Leitwände 5 erzwungenen, nadh innen ständig kleiner werdenden Schnittwinkels
der einzelnen Stromfäden mit den zur Achse derWirbelkammer konzentrischen Zylinderflächen
und infolge der Formgebung der Begrenzungswände der Düse. Die Düse kann unter Berücksichtigung
dieser Einflußfaktoren als einfach konvergente Düse für tropfbar-flüssige Stoffe
und für gasförmige Stoffe. wenn Geschwindigkeiten unter der Schallgeschwindigkeit
genügen, als Expansions- oder Lavaldüse ausgebildet sein. wenn Geschwindigkeiten
erreicht werden sollen. die über der Schallgeschwindigkeit liegen. Die Leitwände
5 in der Düse können gerade oder gekrümmt sein. Die zu erreichenden Geschwindigkeiten
hängen außer von Stoffkoiistanten nur von dem angewendeten Druck und der Form der
Düse al.
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Die Düse 3 ist iii den Abb. 1 und 4 als einfach konvergente Düse.
in den Abb. 2 und 3 als Expansionsdüse dargestellt. i)ie Wirhellkammer 4 kann zum
Ausgleich von Geschwindigkeitsverlusten. die durch Wand- oder innere Reibung entstehen
oder zur wieteren Beschleun igung oder Entspannung selbst konvergent oder divergent
ausgebildet sein. je nachdem, oh es sich um tropfbare Flüssigkeiten oder bei Gasen
und Dämpfen um Unter- oder Überschallgeschwindigkeiten handelt. Ein Auführungsbeispiel
ist in -thb. 3 gezeigt. Hier kann durch Verstellung des Ableitungsrohres ii nach
ollen oder unten der Wi rbelkammerquerschni tt verringert oder vergroößert werden.
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Um die in den rotierenden Massen enthaltene kinetische Energie in
Form von dynamischem oder statischem Druck zurückzugewinnen kann die Ahleitung,
wie in Abb. 2 gezeigt, in sich erweiternden Spiralgehäusen 7. 8. 9 erfolgen. an
die nach Bedarf auch noch die aus der Fördertechnik bekannten Diffusoren angeschlossen
werden können.
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Wie schon oben angegeben. ist bei gas- oder dampfförmigen Gemischen
die Zerlegungswirkung dem reziproken Wert der absoluten Temperatur proportional.
DA a die Entspannung in Düsen adiabatisch erfolgt, sinkt auch die Temperatur entsprechend
dem Poissonschen Gesetz. wodurch die Trennwirkung erheblich gesteigert wird. Die
Wirkung kann dadurdh noch weiter erhöht werden, daß man die mit niedrigen Temperaturen
aus der Wirbelkammer abgeleiteten Bestandteile dazu benutzt, das zu zerlegende Gemisch
vor dem Eintritt in die Düse in Kühlern bekannter Bauart abzukühlen.
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Besonders wirksam ist das Verfahren. wenn in dem Gemisch Bestandteile
enthalten sind, die bei der adiabatischen Expansion kondensieren oder sublimieren.
Da die Dichten der flüssigen und festen Phasen aller Stoffe ein hohes vielfaches
der Dichte ihrer Dampf- oder Gasphase wie auch der Dampf-und Gasphasen anderer Stoffe
sind. ist ide Abscheidung dieser Bestandteile besonders intensiv.
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Es werden die feinsten in Staub- oder Nebelform vorhandenen Teilchen
abgeschleudert.
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In der Wirbelkammer entsteht durch die Zentrifugalkraft ein von der
Achse nach außen stark ansteigender statischer Druck und, entsprechend dem Poissonschen
Gesetz, eine in gleicher Richtung ansteigende Temperatur. dadurch kann ein Teil
der bercits in flüssiger oder fester Form abgeschiedenen Bestandteile wieder verdampfen.
Um das zu vermeiden, kann die Wand der Wirbelkammer da-
durch gekiihlt
werden. daß man die aus Achsennähe mit niedriger Temperatur aus der Kammer abzuleitenden
Bestandteile um die Kammer herumführt. ist es wegen der Raumverhältnisse, der geringell
spezifischen Wärme tier Gase und der dadurch erforderlichen großen Querschnitte
nicht moglich. dnnlit eine genügende Kühlung der Kammerwände zu erzielen. so kann
die Kühlung unter Zwischenschaltung eines flüssigen Kälteträgers (Sole o. dgl.)
erfolgen. Zu diesem Zweck läßt man das Übertragungsmittel im Kreislauf um die Kammerwände
und durch einen Wärmeaustauseite bekannter l) auart zirkulieren. in welchem das
Übertragungsmittel die die att der Wand der Wirbelkammer aufgenommene Wärme an die
aus Achsennähe der Wirbelkammer abgeführten Bestandteile niedriger Temperatur abgibt.
In Abb. 2 ist unter Weglassung aller an sich bekannten Teile ein sich um die Kammer
verzweigendes Kühlrohr 10 mit X, und Ableitung dargestellt.
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Der Durchsatz durch eine solche Kombination von Wirbelkammer und
Düse wird durch den vor und hinter der Einrichtung herrschenden Druck bestimmt.
ISei ei>enem Druckverhältnis Ikann der Durchsatz oder das Verhältnis der getrennt
abzuführenden 1 Bestandteile durch Drosseleinrichtungen bekannter Ausführung iii
den Ableitungswegen <tIer durch auswechselbart Teile der Wirbelkammer oder der
. \ltlei tungsorgane geändert werden. Solche Teile sind außer dem bereits erwähnten
einstellharen Rohr 11 in Abb. 3, der Beilagering I2 in Abb. 3. die Einsatzringe
13 in Abb. 2 und Abb. 4 und das auswechselbare Rohr 14 in Abb. 4.
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Abb. 4 4 stellt eine Einrichtung zur Zerlegung ihrer Flussigkeiten
dar. Die Anordnung des Rohres 14 triigt dem Umstand Rechnung, daß die innere Grenzflächen
mit senkrechter Achse rotierentier Flüssigkeiten die rorm eines Rotationsparaboloids
annimmt.
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In der 1 Industrie muß bei der Trocknung von Erzeugnissen oder bei
der Rückgewinnung von Läsemitteln in zahlreichen Fällen nach dem Verdunstungsverfahren
gearbeitet werden. Dabei wird Luit oder ciii anderes Trägergas im Kreislauf über
das Trockengut, einen Kühler und einen Erhitzer geführt. wobei das Trockengut Feuchtigkeit
an das Zirkulationsmittel abgibt. die im Kühler durch Abkuhlung u unter ide dem
Tei druck entsprechende Siedetemperatur @ nur zunt Teil ausgechieden werden kanu.
l) a die @ Verdunstungsgeschwindigkeit der Differenz zwisc@en dem 1 Dampfdruck des
Lösemittels bei der Temperatur des Trockengutes und dem Dampfte@ldruck im i rkulationsmittel
proportional ist. kann $durch die. Anwendung des beschriebenen Verfahrens eine erhebliche
Absenkung des Dainpfteildruckes ini Zirkulationsmittel. eine Erhöhung der Verdunstungsgeschwindigkeit
und somit eine erhebliche Verkürzung tier Trocken zeit erreicht werden Auch die
nur teilweise Anwendung des Verfahrens. derart. daß das Zirkulationsmittel in einem
Kühler verilichtet und in einer Düse adabatisch entspannt wird, ohne anschließende
Zentrifugierung in einer Wirbelkammer. stellt gegenüber dem bisher angewendeten
Verfahren schon einen erheblichen Fortschritt dar und wird als unter den Patentanspruch
2 2 fallend angesehen. l)as vorstehend beschriebene Verfahren zeigt gegenüber den
hisher üblichen Methoden des Zentrifugierens in rotierenden Trommeln oder rein thermodynamischen
Methoden in mehrfacher Hinsicht erhel>liche Fortsdhritte.
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Es ermöglicht eine Steigerung der Umlaufgeschwindigkeit der zu zerlegenden
Gemische und damit eine Steigerung der Trennwirkung weit über die Grenzen, die bei
rotieren, den Trommeln durch die Festigkeit der Baustoffe gezogen sind.
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Außerdem kommen die Schwierigkeiten der Lagerung und des schwingungsfreien
Laufes mit hoher Drehzahl umlaufender Trommeln. sowie die Schwierigkeiten tler Zu-
lund Abführung der zu zerlegenden Gemische zu bzw. aus den Trommeln in Wegfall.
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Nach der schon oben angeführten Veröffentlichung von H a u s e n
und S c h 1 a t t e r e r sind für die Zerlegung von Gasgemischen Umlaufgeschwindigkeiten
erforderlich, die sich mit rotierenden Trommeln bisher noch nicht, mit dem beschriebenen
Verfahren aber ohne weiteres erreichen lassen.
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Durch die mit der adiabatischen Entspannung in Düsen verbundene starke
Temperatursenkung wird die Trennwirkung bei Gasen weiter gesteigert.
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Damit ist erstmals eine praktisch brauchbare Einrichtung für die
Zentrifugierung von Gasen geschaffen. l)ie in den Abbildungen allein dargestellten
Ringdüsen haben gegenüber röhrenföfrmigen, in die Wirbelkammer mündenden Düsen,
deren Verwendung ebenfalls unter den Erfindungsgedanken fällt, neben der konstruktiven
Einfachheit noch den Vorteil. daß das Gemisch vollkommen gleichmäßig am Umfang verteilt
in die Wirbelkammer einströmt und zur schnellen Ausbildung eines laminaren Strömungszustandes
führt.