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VorriChtung und Verfahren zur Trennung von Gasgemischen durch Anwendung
von künstlich erzeugten Schwerefeldern
Es ist bekannt, daß man eine teilweise Trennung
von Gas- oder Dampfgemischen, welche sich aus verschieden schweren Bestandteilen
zusammensetzen, dadurch erreichen kann, daß man das Gasgemisch in einen Hohlkörper
bringt und denselben mit hoher Umlaufzahl um eine Achse rotieren läßt. Durch das
bei der hohen Umlaufzahl auftretende Schwerefeld wird eine Anreicherung der schwereren
Bestandteile in den peripheren Teilen, eine verhältnismäßige Anreicherung der leichteren
Bestandteile in den der Achse benachbarten Teilen des Hohlkörpers hervorgebracht.
Es ist indessen bekannt, daß eine solche Trennung nur in recht geringem Ausmaße
erfolgt und daß sie nur dann merkliche P,eträge annimmt, wenn das Molekulargewicht
der in dem Gemische vorliegenden Bestandteile große Unterschiede aufweist.
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Um auch bei kleinen Unterschieden im Molekulargewicht, wie sie z.
B. bei Luft oder bei Isotopengemischen vorliegen, eine weitgehende Trennung herbeizuführen,
ist es notwendig, die bei der Zentrifugierung anfallenden Gasfraktionen wiederholt
zu zentrifugieren. Es ist dabei naheliegend, anstatt einer einzigen eine Reihe von
Zentrifugen vorzusehen und diese durch Rohrleitungen derart zu verbinden, daß die
zweite Zentrifuge mit der in der ersten anfallenden schweren Fraktion gespeist wird,
die dritte Zentrifuge mit der in der zweiten anfallenden noch schwereren Fraktion
usf. Auf diese Weise können Fraktionen er-
halten werden, in welchen
der schwere Bestandteil stark angereichert ist. In entsprechender Weise kann selbstverständlich
auch der leichte Bestandteil stark angereichert werden, wenn anstatt der schweren
immer die leichte Fraktion in die nächstfolgende Zentrifuge übergeleitet wird.
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Indessen ist die Ausbeute, die auf solche Weise erzielt wird, recht
gering, wie das folgende einfache Zahlenbeispiel zeigt. Es handelt sich darum, den
Sauerstoffgehali der Luft von 20 auf 25 % zu erhöhen. Da bei einm.aliger Zentrifugierung
(wegen der begrenzten Festigkeit des Materials, aus welchem der rotierende Hohlkörper
gefertigt ist) nur Fraktionen erhalten werden können, die im. Prozentgehalt um rund
zwei Einheiten auseinanderliegen, muß fünfmal hintereinander zentrifugiert werden.
Zu diesem Zwecke seien also fünf Zentrifugen vorgesehen. In der ersten Zentrifuge
wird die zugeführte Luft hälftig in zwei Fraktionen mit I9 und 21 % Sauerstoff zerlegt.
Die 210/0ige Luft wird in die zweite Zentrifuge geleitet, wo wiederum eine hälftige
Zerlegung in Fraktionen mit 20 und 2201, Sauerstoff stattfindet usw. Die fünfte
Zentrifuge liefert schließlich Luft mit 23 und 25 °íO Sauerstoff. Bei jeder Zentrifugierung
geht die Hälfte der jeweils zugeführten Luftmenge verloren. Wenn die in der ersten
Zentrifuge verarbeitbare Luftmenge beispielsweise gleich 1 l/min ist, so kann dieser
Zentrifuge (an 21%iger Luft) nur ½ l/min, der zweiten Zentrifuge nur 1/4 1/min (an
22%iger Luft), der fünften Zentrifuge schließlich nur noch 1/32 l/min (an 25%iger
Luft) entnommen werden.
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Der weitaus größte Teil der anfänglich zugeführten Luft wird also
in mehr oder weniger wertlose Zwischenfraktionen verwandelt, die entweder verworfen
oder in einem umständlichen Verfahren gesondert aufgearbeitet werden müssen.
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Im vorliegenden wird nun ein Verfahren mitgeteilt, bei welchem durch
eine besondere Art der Führung der Fraktionen bei gleichem Aufwand an rotierenden
Hohlkörpern eine erhöhte Ausbeute an hochangereicherten Fraktionen erzielt wird.
Das Prinzip wird nachfolgend durch ein Beispiel an Hand von Fig. I erläutert. In
diesem Beispiel sind wie in dem soeben besprochenen Zahlenbeispiel wiederum fünf
Hohlkörper vorgesehen, die mit I bis V bezeichnet sind. Einem jeden dieser Hohlkörper
entspricht eine Zentrifuge in dem vorigen Zahlenbeispiel. Daß die Hohlkörper in
dem jetzt betrachteten Beispiel zu einer Einheit zusammengefaßt, d. h. anstatt auf
getrennten Achsen auf ein und derselben Drehachse o gelagert sind, ist, wie im voraus
bemerkt sei, belanglos. Wesentlich ist die Art der Führung der Gasfraktionen, die
nun im folgenden beschrieben werden soll.
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Wie Fig. I erkennen läßt, ist jeder Hohlkörper mit dem jeweils benachbarten
bzw. mit den beiden benachbarten Hohlkörpern durch zwei Leitungen verbunden.
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So sind die Hohlkörper I und II durch die Leitungen si einerseits,
iI-kl-WII-»II andererseits verbunden; die Hohlkörper II und III sind durch die beiden
Leitungen sII und iII-kII-wIII-hIII verbunden usw. Die Leitungen sI, sII, Sllt ...
dienen der Ableitung der in den einzelnen Hohlkörpern am Außenrand anfallenden schweren
Gasfraktionen; die Ausgangspunkte dieser Leitungen sind demgemäß in der aus der
Figur ersichtlichen Weise möglichst weit von der Drehachse entfernt, d. h. auf möglichst
großem Radius angeordnet. Die Leitungen iI-krwII-hrI, iII-kII-wIII-hIII... andererseits
dienen in entsprechender Weise der Ableitung der in den der Drehachse benachbarten
Bezirken der einzelnen Hohlkörper anfallenden leichten Fraktionen; die Ausgangspunkte
h11, hIII. kiv ... dieser Leitungen sind demgemäß auf einem möglichst kleinen Radius
angeordnet.
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Für die Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung ist es belanglos,
daß die inneren Rohrverbindungen iI-kI-wII-hII usw., wie aus Fig. I ersichtlich
ist, gegenüber den äußeren sI, 5u usw. besonders lang und schleifenförmig gebogen
sind. Diese Rohrschleifen stellen nämlich, wie an späterer Stelle erläutert wird,
lediglich eine besondere Art einer Fördervorrichtung dar. Die Fördervorrichtung
bewirkt, daß das in den Hohlkörpern I bis V befindliche Gasgemisch in der durch
Pfeile angedeuteten Weise in Zirkulation gehalten wird.
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Die Zirkulation selbst ist wie folgt gekennzeichnet: Das Gemisch
strömt aus dem Randbezirk des Hohlkörpers I durch Leitung sI in den Hohlkörper II
über, aus dem Randbezirk des Hohlkörpers durch S in den Hohlkörper III usw., bis
es in den Hohlkörper V gelangt, in welchem es in Richtung auf die Drehachse strömt.
Es gelangt dann durch die Leitung hv-wvkiv-jiv wieder in den Hohlkörper IV zurück;
aus dem der Drehachse benachbarten Bezirk dieses Hohlkörpers strömt es weiter durch
die Leitung hIv-wlv-kIIriIlI nach Hohlkörper III usw., bis es schließlich durch
die Leitung iI wieder in den Hohlkörper I zurückgelangt, in welchem es nach außen
strömt und dann den Kreislauf durch das ganze Hohlkörpersystem von neuem beginnt.
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Der soeben beschriebene Kreislauf des Gasgemisches hat zur Folge,
daß in den endständigen Hohlkörpern I und V alsbald Gasfraktionen auftreten, die
in der prozentischen Zusammensetzung stark verschieden sind. Welche Trennungsgrade
auf solche Weise erreichbar sind, soll nunmehr durch ein Zahlenbeispiel gezeigt
werden.
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Es sei wiederum der Fall betrachtet, daß Luft mit 2001, Sauerstoffgehalt
zentrifugiert werden soll. Die Umlaufzahl der Zentrifuge sowie die geometrischen
Abmessungen der einzelnen Hohlkörper I, II .. . seien dieselben wie bei dem eingangs
betrachteten Zahlenbeispiel, und zwar Umlaufzahl 35 ooo Umdr./min, Höhe des Hohlraums
7 cm, größter Radius 10 cm, kleinster Radius 3 cm, Rauminhalt des Hohlkörpers also
etwa 2 1. Entsprechend dem früher angewandten Durchsatz von 1 1/min durch den ersten
Hohlkörper wird jetzt mit einer Zirkulationsgeschwindigkeit von r l/min gearbeitet
(bei höherer Strömungsgeschwindigkeit würde die Trennwirkung des einzelnen Hohlkörpers
durch die Strömung gestört, d. h. herabgesetzt werden).
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Der Trennprozeß beginnt damit, daß in allen Hohlkörpern in den äußeren
Bezirken Fraktionen mit 2I°/o, in den zentralen Bezirken Fraktionen mit I9 °íO Sauerstoff
auftreten. Durch den Kreislauf werden die sauerstoffreichen Fraktionen fortlaufend
nach Hohlkörper V, die sauerstoffarmen nach Hoh]körper I geschafft. Dies
führt
allmählich zu einer Anreicherung des Sauerstoffs in V und einer entsprechenden Verarmung
an Sauerstoff in I. Es zeigt sich, daß sich dieser Prozeß so lange fortsetzt, bis
im Innenbezirk des Hohlkörpers I Luft mit 15 %, im Außenbezirk des Hohlkörpers V
Luft mit 25 % Sauerstoff vorhanden ist. An den übrigen Stellen des Hohlkörpersystems
treten Zwischenfraktionen auf, deren Sauerstoffgehalt zwischen 15 und 25 <>/<>
schwankt.
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Dieser Endzustand, der auch bei beliebig langer Fortsetzung des Kreislaufs
unverändert bleibt, ist in Fig. I für den allgemeinen Fall, daß pro Hohlkörper eine
Verschiebung des Prozentgehalts an schwerem Bestandteil um # # Einheiten erzielt
wird, durch Eintragung der Zahlen - 5#, - 3#, -#, + # usw. gekennzeichnet. In dem
betrachteten Beispiel ist also 0 = I, und man liest dann aus Fig. I ab, daß beispielsweise
in IV an der Außen- und Innenbegrenzung dieses Hohlkörpers im Endzustand Zwischenfraktionen
mit 20 + 3 = 23 % bzw. 20 + 1 = 21 % Sauerstoffgehalt auftreten. Die in den endständigen
Hohlkörpern I und V auftretenden schwersten und leichtesten Fraktionen (mit 20 +
5 = 25 und 20 - 5 = 15 % Sauerstoffgehalt) liegen, wie man ebenfalls sofort an der
Figur abliest, im Prozentgehalt fünfmal weiter auseinander als die Fraktionen, die
man durch Anwendung eines einzigen Hohlkörpers herstellen kann. Der durch einmalige
Zentrifugierung erzielbare Trennungsgrad wird also in der beschriebenen Vorrichtung
um einen Faktor, der gleich der Anzahl der Hohlräume ist, vervielfacht.
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Falls die schwerste und leichteste Gasfraktion laufend während des
Betriebes entnommen werden soll, muß an den endständigen Hohlkörpern je eine Ableitung
angebracht werden, die es gestattet, die betreffende Fraktion nach einem ruhenden
Behälter abzuleiten. In diesem Falle ist es dann zweckmäßig, an einem der Hohlkörper
außerdem eine Zuleitung vorzusehen, damit die in dem Hohlkörpersystem befindliche
Gasmenge laufend durch frisches, ungetrenntes Gasgemisch von außen ergänzt werden
kann. Bei dieser voll kontinuierlichen Arbeitsweise überlagert sich der bereits
beschriebenen Kreislaufströmung eine weitere Strömung, deren relativer Anteil mit
dem Gasdurchsatz, d. h. mit der Gasmenge, die dem System laufend in der Minute ungetrennt
zugeführt und getrennt wieder entnommen wird, anwächst. Der Durchsatz darf (ähnlich
wie die Zirkulationsgeschwindigkeit) nicht beliebig gesteigert werden, da sonst
die erzielbaren Entmischungsgrade hinter den oben angegebenen zurückbleiben.
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Es zeigt sich, daß bei dem betrachteten Beispiel (Zirkulationsgeschwindigkeit
1 1/min) der Durch satz auf etwa 1/5 l/min gesteigert werden darf. Wenn also (etwa
dem mitteleren Hohlkörper III) pro Minute 1/5 l 20 %ige Luft zugeführt wird, so
kann aus den Hohlkörpern I und V je 1/10 l Luft von 15 bzw. 25 % Sauerstoffgehalt
pro Minute entnommen werden, d. h. die Vorrichtung gestattet es, in I Minute / 1
1/51 20°/Oige Luft in l/lol 1 25%ige und 1/10 l 15%ige Luft zu verwandeln, Vergleicht
man dieses Ergebnis mit dem eingangs angeführten Verfahren, bei welchem bei gleicher
Anzahl und Dimensionierung der Hohlkörper und bei gleicher Umlaufzahl in 1 Minute
aus 1 1 20°/Oiger Luft neben zahlreichen gesondert aufzuarbeitenden Zwischenfraktionen
nur 1/321 25°/Oige Luft gewonnen wird, so erkennt man sofort, daß das hier mitgeteilte
Verfahren unvergleichlich vorteilhafter arbeitet: Es arbeitet mit einem Minimum
an Ausgangsmaterial und liefert in einem Arbeitsgang sofort die stärkst angereicherten
bzw. verarmten Fraktionen, ohne daß es notwendig wäre, Zwischenfraktionen zu entnehmen.
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Die genannten Vorteile wirken sich um so stärker aus, je zahlreicher
die Hohlräume sind, die für die Erzielung eines bestimmten Trennungsgrades in Anwendung
genommen werden müssen.
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Mit der bisherigen Beschreibung an Hand der Vorrichtung Fig. I und
des Zahlenbeispiels ist das Hauptkennzeichen des mitzuteilenden Trennverfahrens,
nämlich der Kreislauf des Gemisches im Innern des Hohlkörpersystems, in den wesentlichsten
Zügen erläutert.
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Die Geschwindigkeit, mit welcher das Gemisch dabei in Kreislauf zu
halten ist, damit tatsächlich jeweils die günstigste Trennwirkung erzielt wird,
wird von Fall zu Fall recht verschieden sein. Das rührt namentlich daher, daß die
durch das Schwerefeld verursachte teilweise Entmischung im Einzelhohlkörper, die
zu der Anreicherung des schweren bzw. leichten Gasbestandteils in den äußeren bzw.
zentralen Hohlraumbezirken führt, durch Diffusion erfolgt; der Ablauf dieses Diffusionsvorganges
erfordert aber einen gewissen Zeitaufwand, dessen Größe von den Abmessungen des
Hohlkörpers und von der Diffusionsgeschwindigkeit, also von der speziellen Natur
des Gasgemisches und von dessen Druck abhängig ist. Die Zeitdauer des Diffusionsvorganges
und die Größe der Hohlkörper bestimmen die zulässige Zirkulationsgeschwindigkeit.
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Diese wird zweckmäßig so gewählt, daß die Verweilzeit des Gemisches
in einem Hohlkörper gerade noch für den Ablauf des Diffusionsvorganges in diesem
Hohlkörper ausreichend ist. Wird mit höherer Zirkulationsgeschwindigkeit gearbeitet,
so werden die einzelnen Fraktionen zu rasch aus dem Hohlkörper ausgespült, was zur
Folge hat, daß die Trennwirkung des einzelnen Hohlkörpers hinter der maximal möglichen
Wirkung (Größe õ in Fig. I) zurückbleibt.
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Entsprechend der unterschiedlichen Zirkulationsgeschwindigkeit ist
auch der erzielbare Durchsatz durch das Hohlkörpersystem, d. h. die bei kontinuierlicher
Arbeitsweise pro Minute in stark angereicherte Fraktionen zerlegbare Gasmenge von
Fall zu Fall recht verschieden. Wie das Zahlenbeispiel zeigte, macht der Durchsatz
einen bestimmten Bruchteil der Zirkulationsgeschwindigkeit aus, der zahlenmäßig
annähernd gleich der reziproken Anzahl der vorgesehenen Hohlkörper ist. Bei einer
gegebenen Vorrichtung kann daher der Durchsatz durch Erhöhung der Zirkulationsgeschwindigkeit
erhöht werden. Wird dabei jedoch die vorhin gekennzeichnete Normalgeschwindigkeit
der Zirkulation überschritten, so kann die so erzielbare Umsatzsteigerung, wie gesagt,
nur auf Kosten der Trenngüte erkauft werden.
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Im Gegensatz zu den vorhin genannten Diffusionsvorgängen im Schwerefeld
sind Diffusionsvorgänge, die durch die verschiedene Zusammensetzung der Gasgemische
an den Enden der die Hohlkörper verbinden-
den Leitungen in diesen
Leitungen ausgelöst und unter Umständen, nämlich bei besonders weiten und kurzen
Rohrverbindungen, im Sinne eines Rückausgleichs der bereits erzielten Anreicherungsgrade
wirksam werden können, selbstverständlich unerwünscht. Aus diesem Grunde wird die
Dimensionierung der Leitungen zweckmäßigerweise so gewählt, daß in den Leitungen
der Gastransport infolge Strömung den Transport infolge Diffusion stark überwiegt
und auf diese Weise eine Rückdiffusion durch die Leitungen hindurch praktisch ausgeschlossen
ist.
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Andererseits ist es selbstverständlich notwendig, durch geeignete
Anordnung oder Form der Ein- und Ausmündungsöffnungen der Leitungen dafür zu sorgen,
daß das in einen Hohlkörper einströmende Gas nicht Gelegenheit hat, diesen sofort
durch eine unmittelbar benachbarte Öffnung wieder zu verlassen, ohne zuvor an dem
Trennprozeß im Hohlkörper teilgenommen zu haben. In andern Worten: Es muß dafür
gesorgt sein, daß in den Hohlräumen keine toten Winkel auftreten, die von den die
Hohlkörper durchsetzenden Gasströmen überhaupt nicht erfaßt werden. Im Falle des
Beispiels Fig. I, bei welchem besonders flache Hohlkörper vorgesehen sind, ist dem
besagten Punkte in der Weise Rechnung getragen, daß die Einmündungen und Ausmündungen
jeweils um I80" auf dem Umfang versetzt angebracht sind (vgl. z. B. Einmündungiz
und Ausmündung kz). Falls die Hohlkörper sehr hoch (lang) oder mehrere Öffnungen
auf den ganzen Umfang verteilt sind, ist diese Versetzung auf dem Umfang natürlich
nicht nötig.
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Das Verfahren ist im übrigen, wie im folgenden gezeigt werden soll,
der verschiedensten Abwandlungen fähig.
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Es wurde bereits erwähnt, daß die Hohlkörper anstatt wie in Fig.
I zu einer Einheit zusammengefaßt auch selbständig ausgebildet, d. h. auf getrennten
Lagern gelagert werden können. In solchem Falle sind dann die verschiedenen Leitungen,
die für die beschriebene Überleitung der in den einzelnen Hohlkörpern anfallenden
Fraktionen bestimmt sind, passend, z. B. in den Zentrifugenachsen zu verlegen und
durch gasdichte Durchführungen miteinander in Verbindung zu bringen. Hierbei ist
dann die Möglichkeit gegeben, die einzelnen Hohlkörper mit unterschiedlichen Umlaufzahlen
laufen zu lassen, was z. B. bei unterschiedlichen Außenabmessungen der Hohlkörper
von Interesse sein kann. Ob dabei die Drehachse für alle Hohlkörper gemeinsam ist
oder nicht, ist für die erzielbare Wirkung selbstverständlich belanglos.
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Die für die Förderung des Gases in den die einzelnen Hohlkörper verbindenden
Leitungen erforderlichen Fördervorrichtungen können ebenfalls sehr verschieden sein.
In dem Falle, daß die Hohlkörper einzeln gelagert und die Leitungen daher streckenweise
außerhalb des rotierenden Systems geführt sind, kann die Gasförderung durch beliebige
der bekannten Pump- oder Ventilationsvorrichtungen (Kreislaufpumpen), die in die
nicht mitrotierenden Leitungsabschnitte einzubauen sind, bewerkstelligt werden.
In dem Falle, daß die Hohlkörper wie in Fig. I ein starres Ganzes bilden und die
einzelnen Leitungen nicht nach außen geführt sind, ist es selbstverständlich notwendig,
die Fördervorrichtungen in das rotierende System selber einzubauen.
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Hierfür ist ein Teil der bekannten Fördervorrichtungen, und zwar namentlich
diejenigen, die durch Drehen einer Antriebswelle in Betrieb zu setzen sind, durchaus
geeignet. Wenn dabei die betreffenden Fördervorrichtungen so angeordnet werden,
daß deren Antriebswellen in die Drehachse der Zentrifuge zu liegen kommen, so kann
das Drehen der Antriebswellen (relativ zum Zentrifugenkörper) dadurch b ewerkstelligt
werden, daß auf dieseAntriebswellen von außen her, z. B. auf mechanischem oder magnetischem
Wege, eine Bremswirkung ausgeübt wird; ein besonderer Antrieb für die Fördervorrichtung
auf dem Zentrifugenkörper ist dann nicht erforderlich.
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In besonders einfacher Weise läßt sich jedoch der erforderliche Gaskreislauf,
wie an Hand des Beispiels Fig. I erläutert werden soll, durch eine sog. Thermosiphonwirkung
hervorbringen. Diese wird dadurch hervorgebracht, daß eine zwei Hohlkörper, z. B.
I und II, verbindende Leitung sI-kl-wll-haI in einem Abschnitt kI, in welchem das
Gas in zentrifugaler Richtung befördert werden soll, auf relativ tieferer Temperatur,
in einem Abschnitt wE, in welchem das Gas in zentripetaler Richtung befördert werden
soll, auf relativ höherer Temperatur gehalten wird. Zu diesem Zwecke sind bei dem
Zentrifugenkörper Fig. I zwei bzw. zwei mal zwei thermisch voneinander abisolierte
Temperaturbäder K und W (Kupferblöcke, Flüssigkeitsbehälter od. dgl.) vorgesehen,
in welche die Leitungen in der aus der Figur ersichtlichen Weise eingelegt sind
und deren eines, W, durch eine beispielsweise elektrische Heizung bei einer etwas
erhöhten Temperatur gehalten wird. Eine solche Vorrichtung wirkt, wenn der Zentrifugenkörper
um die Achse 0 rotiert als Thermopumpe, die das Gas in der durch Pfeile angedeuteten
Richtung in Bewegung setzt. Die Förderwirkung kommt dabei dadurch zustande, daß
das Gas in dem wärmeren Leitungsabschnitt, z. B. 2ell, eine geringere Dichte annimmt
als in dem damit kommunizierenden kälteren Leitungsabschnitt kI, was dann weiter
zur Folge hat, daß das Gas unter der Wirkung der starken Zentrifugalkräfte einen
kräftigen Antrieb in der angegebenen Richtung erfährt. Die Größe der Antriebskraft
läßt sich in bekannter Weise ermitteln und damit auch, wenn die Abmessungen der
Leitungen gegeben sind, die Fördergeschwindigkeit.
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Fig. I läßt erkennen, daß die Einschaltung von Fördervorrichtungen
allein in diejenigen Leitungen, die für die Überleitung des Gasgemisches von Hohlkörper
zu Hohlkörper in der Richtung einer abnehmenden Hohlkörpernumerierung vorgesehen
sind, bereits ausreichend ist, um auch den (zur Vollendung des früher beschriebenen
Kreislaufs) erforderlichen Gasstrom in der Richtung einer ansteigenden Hohlkörpernumerierung
hervorzubringen. Das rührt daher, daß Fördervorrichtungen, die gemäß Fig. I eingeschaltet
sind, von Hohlkörper V bis Hohlkörper I stufenweise ansteigende Gasdrücke hervorrufen,
unter deren Wirkung das Gas dann von selbst durch die Leitungen sI, sie . . . von
Hohlkörper I nach II, von II nach III usw. wieder zurückströmt. In den Leitungen
sI bis slv sind daher besondere Fördervorrichtungen entbehrlich.
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Diese Vereinfachungsmöglichkeit ist in gleicher Weise
auch
bei anderen Fördervorrichtungen sowie bei getrennter Lagerung der Hohlkörper gegeben.
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Da bei Anwendung des Thermoprinzips gemäß Fig. I dem kälteren Temperaturbad
K erstens infolge eines nicht ganz zu verhindernden Wärmezustroms seitens des wärmeren
Temperaturbades W und zweitens infolge der bei der bekanntlich unter Kompression
erfolgenden Radialströmung des zirkulierenden Gases in den Leitungsabschnitten kl,
k ... frei werdenden Kompressionswärme während des Betriebes der Zentrifuge dauernd
Wärme zugeführt wird, ist es, um die Temperatur des Kältebades K auf gleichbleibender
Höhe zu halten, notwendig, bei K für eine erhöhte Wärmeabgabe nach außen zu sorgen.
Es wurde gefunden, daß dies außer durch die hierfür üblichen Mittel, wie Anwendung
einer Kühlflüssigkeit oder Oberflächenvergrößerung gegenüber der die Vorrichtung
umgebenden Gasatmosphäre, in besor.dzrs einfacher und wirksamer Weise dadurch zu
erreichen ist, daß in das Kältebad K Kanäle eingelegt werden, wie es schematisch
in Fig. 2 dargestellt ist. In einem solchen Kanal rl-r2, dessen Mündungen ml und
m2 auf ungleichen Radien liegen, wird bei einer hohen Umlaufzahl der Vorrichtung
infolge der Verschiedenheit der Schwerkräfte, die auf das in den Kanalabschnitten
r1 bzw. r2 befindliche Gas wirken, eine Strömung in dem Sinne erzeugt, daß Gas durch
ml aus der Gasatmosphäre von außen angesaugt und durch m2 wieder ausgeschleudert
wird. Bei der in dem Kanalteil r1 zentripetal gerichteten Strömung erleidet das
Gas bekanntlich eine Expansion, welche zu einer Abkühlung des Gases in r1 oder aber
zu einer Abgabe von Wärme aus dem Temperaturbad an das in r1 enthaltene Gas führt.
Das letztere ist dann der Fall, wenn der Wärmekontakt zwischen Bad und Gas in diesem
Teil des Kanals gut ist. In entsprechender Weise erfolgt in r2 eine Kompression
und damit eine Erwärmung des dort in zentrifugaler Richtung strömenden Gases. Dadurch,
daß der Wärmeaustausch zwischen Bad K und dem in r2 strömenden Gas z. B. durch Anwendung
von thermisch isolierenden Kanalwänden niedrig gehalten wird, kann eine Abführung
dieser Kompressionswärme an das Bad vermieden werden. Es strömt in diesem Falle
bei m2 ein erwärmtes Gas ab, so daß aus dem Bad K eine entsprechende Wärmemenge
dauernd abgeführt wird.
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Wenn bei der Vorrichtung Fig. 2 anstatt im Kanalteil r2 im Kanalteil
r1 ein Wärmeaustausch zwischen Gas und Temperaturbad verhindert wird, so erkennt
man, daß anstatt einer Kühlwirkung auch eine Heizwirkung an dem betreffenden Bad
erzielt werden kann.
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Daraus ergibt sich die Möglichkeit, die Wärme, die dem Wärmebad W
(Fig. I) dauernd zugeführt werden muß, um dessen erhöhte Temperatur zu erhalten,
anstatt auf elektrischem auch auf diesem Wege zuzuführen.
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Es zeigt sich, daß der Erfolg des beschriebenen Trennverfahrens bereits
durch kleine, zwischen den einzelnen Hohlkörpern oder innerhalb derselben vorhandenen
Temperaturunterschiede in Frage gestellt werden kann. Solche zeitliche oder örtliche
Temperaturschwankungen können nämlich zusätzliche Gasströmungen verursachen, durch
die die beabsichtigten in störender Weise verändert werden, oder es kann zu Turbulenz
im Innern eines Hohlkörpers und damit zu einer Vermischung der verschiedenen Gasfraktionen
kommen. Beides wirkt sich natürlich störend auf den Trennvorgang aus.
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Zur Vermeidung solcher Temperaturschwankungen ist es, wenn die Hohlkörper
wie bei der Vorrichtung Fig. I sich unmittelbar berühren, zweckmäßig, einerseits
für guten Wärmekontakt zwischen den einzelnen Hohlkörpern, andererseits für gute
thermische Isolation des Systems gegenüber der Umgebung zu sorgen.
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Die Isolierung gegen die Umgebung kann in wirksamer Weise durch Umhüllung
des rotierenden Systems mit einem mitrotierenden Mantel erzielt werden. Eine entsprechende
Anordnung ist aus Fig. 1 ersichtlich. Der Mantel M steht mit dem System nur an zwei
nahe der Drehachse gelegenen Stellen in gutem Wärmekontakt. Die beiden Berührungsstellen
werden zweckmäßig mit den beiden benachbarten Temperaturbädern K in guten Wärmekontakt
gebracht und durch diese auf übereinstimmender Temperatur gehalten. Um die Übereinstimmung
der Temperatur auch bei stärkeren von außen kommenden thermischen Störungen zu erzwingen,
ist es unter Umständen günstig, in den Bädern K zusätzlich eine automatisch gesteuerte
elektrische Heizung vorzusehen, durch welche die Temperatur auf einer bestimmten
Höhe gehalten wird. Zur Verbesserung der thermischen Isolation zwischen dem Mantel
und den Hohlkörpern ist es zweckmäßig, den Zwischenraum vollständig luftleer zu
machen.
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Im Falle einer räumlich getrennten Anordnung der einzelnen Hohlkörper
würden diese in ähnlicher Weise einzeln durch entsprechende Mäntel zu schützen sein.
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Ein anderes Verfahren zur Herabminderung der besagten thermischen
Störungen, durch welches gleichzeitig der Energieaufwand für den Antrieb der Zentrifuge
stark ermäßigt wird, besteht darin, daß das rotierende System, gegebenenfalls einschließlich
des Antriebs, in einem ruhenden Behälter gesetzt wird, der mit Gas unter stark vermindertem
Druck gefüllt oder vollständig gasleer gepumpt ist. Dabei kann bei getrennter Anordnung
der Hohlkörper selbstverständlich auch für jeden Hohlkörper ein eigener Vakuumbehälter
vorgesehen sein. Bei nicht vollständig evakuierten Behältern ist es zweckmäßig,
als Füllgas ein Gas mit kleinem Molekulargewicht und großer Wärmeleitfähigkeit zu
verwenden.
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Außer den von außen kommenden Störungen sind thermische Störungen
dadurch zu erwarten, daß das in dem Hohlkörpersystem zirkulierende Gasgemisch in
den endständigen Hohlkörpern (vgl. Hohlkörper I und V in Fig. I) in radialer Richtung
befördert wird und daher wegen der dabei stattfindenden Kompression bzw. Expansion
Wärme an die Hohlkörperwände abgibt bzw. aus diesen aufnimmt. Dies führt zu einer
Erwärmung bzw. Abkühlung einzelner Wände, was Störungen der genannten Art zur Folge
haben kann.
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Um diesen zu begegnen, kann etwa dem Hohlkörper I in Fig. I die in
Fig. 3 angedeutete Beschaffenheit gegeben werden. Darnach wird das Gas aus der Rohrleitung
iI an der der Drehachse benachbarten Stelle e1
zugeführt, an der
im selben Abstand von der Achse befindlichen Stelle e2 entnommen, so daß in diesem
Teil des Hohlkörpers I insgesamt kein radial gerichteter Gasstrom und damit auch
keinerlei thermischer Effekt auftritt. Von e wird das Gas durch die kurze Rohrleitung
b in einen zweiten Teil des Hohlkörpers I hinübergeleitet, in welches es dann zwischen
den beiden planparallel angeordneten Scheiben G1, G2 nach dem Rande des Hohlkörpers
strömt. Die Scheiben G1 G sind aus gut wärmeleitendem Material hergestellt und stehen
mit der ebenfalls gut wärmeleitenden Achse des Zentrifugenkörpers in gutem Wärmekontakt.
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Dadurch wird erreicht, daß die bei der Strömung des Gases zwischen
den Scheiben frei werdende Kompressionswärme nach der Achse abgeleitet und damit
unschädlich gemacht wird. Entsprechendes mit umgekehrte Strömungsrichtung und Wärmewirkung
gilt für Hohlkörper V in Fig. I.
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Es hat sich ferner gezeigt, daß die mit den zentrifugal und zentripetal
gerichteten Gasströmungen verbundenen thermischen Effekte auch in der Weise unschädlich
gemacht werden können, daß ein Hohlkörper, in welchem die eine Strömungsrichtung
auftritt, in unm.ittelbarer Nähe eines Hohlkörpers, in welchem die entgegengesetzte
Strömungsrichtung auftritt, in solcher Weise angeordnet wird, daß eine möglichst
große Trennungswand entsteht, die dem Wärmeübergang aus dem zentrifugal strömenden
in das zentripetal strömende Gas keinen nennenswerten Widerstand entgegensetzt.
Die Wandoberfläche kann dabei in der üblichen Weise z. B. dadurch vergrößert werden,
daß auf der Trennungswand Rippen od. dgl. angebracht werden.
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In der bisherigen Beschreibung des Verfahrens wurde angenommen, daß
die in den endständigen Hohlkörpern auftreten den schwersten und leichtesten Fraktionen
kontinuierlich während des Betrieb es nach außen abgeleitet werden, während gleichzeitig
an einer mittleren Stelle des Hohlkörpersystems ungetrenntes Gemisch mit derselben
Geschwindigkeit von außen zugeführt wird. Von dieser Arbeitsweise kann, wie im folgenden
gezeigt werden soll, je nach den besonderen Bedürfnissen mehr oder weniger stark
abgewichen werden.
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Soll beispielsweise die Zuleitung des Frischgases von außen her vermieden
werden, so kann das Hohlkörpersystem auch von einem durch eine Leitung angeschlossenen,
mitrotierenden kleineren Behälter aus gespeist werden, in welchem sich ungetrenntes
Gemisch in komprimiertem oder kondensiertem Zustand befindet. Bei solcher Arbeitsweise
sind dann insgesamt nur noch zwei nach außen führende Ableitungen erforderlich,
und zwar diejenigen, die für die Entnahme der Treunprodukte aus dem rotierenden
System vorgesehen sind.
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Die Behälter, die für die Aufnahme der Trennprodukte bestimmt sind,
können außerhalb des rotierenden Systems aufgestellt sein, sie können jedoch auch
so ausgebildet sein, daß sie das rotierende System teilweise oder ganz einschließen.
Im letzteren Falle gestaltet sich die Gasentnahme besonders einfach, indem an Stelle
der Ableitungen einfache Austrittsöffnungen treten können.
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In manchen Fällen, und zwar namentlich dann, wenn nur wenig Ausgangsmaterial
zur Verfügung steht, wird es zweckmäßig sein, das zu trennende Gemisch in völlig
abgeschlossenem Zustand in dem Hohlkörpersystem unterzubringen und die Trennprodukte
erst nach der Beendigung des Trennprozesses und nach dem. Auslaufen der Zentrifuge
zu entnehmen.
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Damit bei einer solchen nicht kontinuierlichen Arbeitsweise nicht
zu viele Zwischenfraktionen anfallen, ist es zweckmäßig, den endständigen Hohlkörpern
einen den Verhältnissen angepaßten vergrößerten Rauminhalt zu erteilen.
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Im Falle kondensierbarer Stoffe ergibt sich dabei die Möglichkeit,
einen beträchtlichen Teil des Gemisches, insbesondere auch die als Endprodukte anzusehenden
leichtesten und schwersten Fraktionen, in kondensiertem Zustand unterzubringen bzw.
anzureichern. Dieser Fall ist an dem Beispiel Fig. I mit vorgesehen und soll daran
erläutert werden. Die Zellen I und V dieser Figur enthalten eine in radialer Richtung
angefügte Erweiterung al bzw. a2 von passender Größe. Wenn ein kondensierbarer Stoff
eingeführt wird in einer Menge, welche mehr als ausreichend ist, um das Volumen
der in der rotierenden Vorrichtung vorhandenen Hohlräume mit gesättigtem Dampf zu
erfüllen, so erkennt man, daß sich gerade in den radialen Erweiterungen der Zellen
I und V ein Kondensat ausscheiden wird. In jenen Teilen ist nämlich infolge der
Wirkung der Zentrifugalkraft der größte Druck im Dampfraum vorhanden, ein Druck,
welcher bekanntlich nicht größer als der für die betreffende Temperatur charakteristische
Sättigungsdruck sein kann. Es ist dabei gleichgültig, ob das Stoffgemisch in diesem
Kondensat im flüssigen, gelösten oder adsorbierten Zustand vorliegt.
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In dem soeben besprochenen Falle, daß die in den endständigen Hohlkörpern
anfallenden Trennprodukte erst nach der Beendigung des Trennvorganges entnommen
werden sollen, ist es im allgemeinen notwendig, die zu den betreffenden Hohlkörpern
führenden Leitungen vor dem Auslaufenlassen der Zentrifuge zu verschließen, damit
sich die Fraktionen nicht nachträglich wieder vermischen. Zu diesem Zwecke können
in die betreffenden Leitungen Ventile eingebaut werden, welche, solange die Zentrifuge
sich noch auf hoher Umlaufzahl befindet, von außen durch Lösen einer Arretierung
geschlossen werden können. Es hat sich indessen gezeigt, daß es besonders zweckmäßig
ist, die Öffnung und Schließung dieser Ventile in automatischer Weise durch die
bei hoher Umlaufzahl auftretenden, bei niederer Umlaufzahl verschwindenden Zentrifugalkräfte
zu bewerkstelligen. Eine Vorrichtung, welche diese Wirkung hervorzubringen gestattet,
ist beispielsweise in Fig. 4 dargestellt. Zwischen die miteinander zu verbindenden
oder gegeneinander abzuschließen den Rohrteile R1, R2 ist eine Erweiterung E eingeschaltet,
in welche ein Sperrkörper S durch eine Feder F eingepreßt wird. Wenn nun die genannte
Vorrichtung in solcher Weise auf dem Rotationskörper angeordnet ist, daß die Verschiebung
des Sperrkörpers S in einer in bezug auf die Drehachse 0 radialen Richtung erfolgt,
so erkennt man, daß bei hoher Umlaufzahl des Rotationskörpers und passend gewählter
Größe der in
der Feder F vorhandenen Spannung der Sperrkörper S
unter dem Einfluß der dann auf ihn wirkenden Zentrifugalkräfte entgegen der Federkraft
aus der Rohrverengerung E herausgedrückt wird, so daß eine Verbindung der beiden
Rohrteile R1 und R2 zustande kommt, daß aber diese Verbindung selbsttätig aufgehoben
wird, sobald am Ende des Versuchs die Umdrehungsgeschwindigkeit herabgesetzt wird.