NO147294B - Fremgangsmaate og apparat for aa separere substanser med forskjellig masse. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å separere substanser med forskjellig masse ved dispergering. Spe-

sielt vedrører oppfinnelsen separasjon av isotoper.

Det er kjent flere fremgangsmåter og apparater for å

separere isotoper, utformet i avhengighet av de isotoper som skal separeres og det ønskede utbytte.

Fremgangsmåter for separasjon av isotoper klassifiseres gene-relt i to kategorier, avhengig av om blandingen som skal separeres inneholder lette eller tunge isotoper. Således benyttes elek-

trolyse, destillering, termodiffusjon eller massediffusjon hoved-sakelig for separering av lette isotoper (H,C,N,0), mens ultra-sentrifugering, dyseprosesser og gassdiffusjonsprosesser benyttes for separering av tunge isotoper, spesielt U-isotoper.

Det er f.eks. kjent å bruke en massediffusjonsprosess,

hvor mediumblandingen som skal separeres og en bæregass bringes til å diffundere gjennom konsentriske kolonner som danner en sikt.

Den hurtigere molekyldiffusjon av den lettere gass i blandingen

som skal separeres gjør det mulig å oppnå partiell separasjon.

Men separasjonskoeffisienten a i et separasjonselement kan ved

denne prosess ikke overstige følgende teoretiske verdi:

hvor mQ er molekylmassen av bæregassen og m^ og m_ er mole-kylmassene av hver komponent av blandingen som skal separeres,

idet m2 er høyere enn m^. Det foretrekkes videre å bruke en bæregass med en masse som er i det vesentlige lik blandingens

som skal separeres, slik at for langsom diffusjon hindres. Endelig omfatter det benyttede separasjonsapparat et kompli-sert og kostbart siktsystem.

Det er også kjent å benytte en fremgangsmåte for å separere isotoper ved diffusjon etter gasskromatograf-prinsippet. Ved denne fremgangsmåte blir en gassformet blanding av isotopene periodevis injisert i en kontinuerlig sirkulerende gassbærer,

og det hele ledes gjennom et rom som inneholder et porøst ad-sorberingsmiddel. Den gjenstående påvirkning av molekylene i blandingen som skal separeres og den adsorberende forbindelse fremkaller en partiell separasjon av blandingens komponenter. Denne fremgangsmåte har den ulempe at separasjonselementet gir meget lavt utbytte, slik at det blir behov for et stort antall elementer i parallell i hvert separasjonstrinn.

Foreliggende oppfinnelse har' til hensikt å tilveiebringe en ny fremgangsmåte for separering av substanser med forskjellig masse, spesielt isotoper, hvilken fremgangsmåte kan benyttes både for separasjon av tunge isotoper og lette isotoper, og hvor apparatet for gjennomføring av fremgangsmåten har en enkel konstruksjon og ikke krever kostbart vedlikehold.

Denne hensikt oppnås ved en fremgangsmåte som er kjennetegnet ved det som fremgår av kravene.

Ved en spesiell utførelsesform av oppfinnelsen omfatter fremgangsmåten kontinuerlig tilførsel av et første medium og periodevis tilførsel av et andre, medium, som utgjøres av blandingen av n substanser med forskjellig masse.

Spesielt vil hver porsjon av den tilførte blanding av

n substanser ifølge oppfinnelsen ved samlestedet forårsake et medium som med hensyn til den relative konsentrasjon av substansene ved tilførselsstedet i en første periode har en relativ konsentrasjon som er høyere for n' substanser med større masse, i en andre periode har en relativ konsentrasjon som er høyere for n'' substanser med lavere masse, og i en tredje periode igjen har en relativ konsentrasjon som er høyere for n' substanser med høyere masse, hvorved n' og n'<1> hver er lik minst 1, og hvorved man adskilt samler friksjonene av blandingen som

svarer til første, henholdsvis tredje periode på den ene side og fraksjonene som svarer til annen periode på den annen side.

Ved en spesiell utførelsesform av oppfinnelsen samles også fraksjoner av blandingen adskilt i perioder mellom nevnte første og andre og mellom nevnte andre og tredje perioder, under hvilke mellomperioder de relative substanskonsentrasjoner av blandingen med n substanser er i det vesentlige lik den til-førte blandings.

Ved en fordelaktig utførelsesform av oppfinnelsen omfatter fremgangsmåten vekslende tilførsel til kanalen av et første medium og av blandingen av n substanser med forskjellig masse som det andre mediet.

Ved en forbedret utførelsesform omfatter det første mediet en blanding av m substanser med forskjellig masse, hvorved m er lik minst 2.

Oppfinnelsen vedrører også et apparat for bruk ved gjen-nomføring av fremgangsmåten.

Et slikt apparat er ifølge oppfinnelsen kjennetegnet ved at det omfatter: a) en rørformet hovedkanal (1, 101, 201, 301) hvor fluider blir tilført og danner en strøm med laminær strømning, hvilken

rørformede kanal tilfredsstiller betingelsene for aksial dispersjon av substanser av det andre fluidum i strømmen

med laminær strømning,

b) en første innretning for tilførsel av det første fluidum,

c) en andre innretning for periodisk tilførsel av andeler av det andre fluidum, hvilke første og andre tilførselsinnret-ninger er plassert ved en ende av hovedkanalen (1, 101, 201, 301) , d) minst to utstrømningspassasjer (12, 13; 104, 204, 304, 105, 205, 305). plassert ved den andre ende av kanalen, og e) ventilanordninger (9; 107, 207, 307) for alternativ forbindelse for hovedkanalen (1; 101, 201, 301) med hver av ut-strømningspassas jene (12, 13; 104, 105, 204, 205, 304, 305) .

Ytterligere trekk ved apparatet fremgår av kravene. Et anlegg for separasjon av substanser av forskjellig masse kan herved bestå av flere av de ovennevnte apparater.

Andre detaljer og trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av nedenstående beskrivelse av noen utførelseseksempler som er vist i tegningen . i tegningen viser

fig. 1 fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen skjematisk,

fig. 2 en skjematisk gjengivelse av et første eksempel

på et apparat for gjennomføring av fremgangsmåten ifølge opp-f innelsen,

fig. 3 et diagram over konsentrasjonen/lengden av hovedkanalen, svarende til fig. 2,

fig. 4 et diagram over konsentrasjon/tid, som svarer til fig. 2,

fig. 5 et diagram i likhet med fig. 4, men svarende til

en modifisert utførelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen,

fig. 6 en skjematisk gjengivelse av flere separasjonstrinn anordnet i serie i et separasjonsanlegg, hvor hvert trinn omfatter en variant av en utførelsesform av separasjonsapparatet ifølge oppfinnelsen,

fig. 7 et diagram som illustrerer romfordelingen av konsentrasjoner av forskjellige isotoper som en funksjon av avstanden fra innløpet til hovedkanalen for et trinn i fig. 6.

Det skal bemerkes at Taylor (se Taylor, G.I., "Dispersion of soluble matter in solvent flowing slowly through a tube" - Proe. Roy. Soc. A. 219, 186-203, 1953) har vist, at når en opp-løselig substans innføres i et såkalt bæremedium som strømmer i en rørformet kanal med sirkulært tverrsnitt på laminær måte, dispergeres den som følge av den kombinerte virkning av mole-kyldiffusjonen og hastighetsvariasjonen i et punkt på tverr-snittet. Aksial dispersjon karakteriseres ved en faktisk diffu-sjonskoeffisient K.

hvor Dmol er molekyldiffusjonskoeffisienten av den oppløselige substans, a er rørets radius og u er den den gjennomsnittlige aksiale bevegelseshastighet av den laminære mediumstrømning.

Senere har Aris (Aris R. "On the dispersion of a solute in a fluid flowing through a tube" - Proe. Roy, Soc. A., 235, 67-77, 1956) vist at formel (2) skrives mer korrekt som følger:

Videre kan den aksiale fordeling av substans, som moment-ant tilføres på et sted til den laminære mediumstrømning, hvorved nevnte sted betraktes som opphavsstedet (z=o) for et koordinatsystem C (konsentrasjon), z (aksial avstand), illustreres ved Gauss-kurven:

Ifølge Taylor ("Conditions under which dispersion of a solute in a stream of solvent can be used to measure molecular diffusion", Proe. Roy. Soc. A., 225, 473-477, 1954), er ligningene (2) og (4) eksakte, hvis begge følgende betingelser er oppfylt:

på den ene side:

hvor L er rørlengden mellom det sted hvor den aksiale konsentrasjon ble målt og det sted hvor substansen ble tilført, på den annen side må Reynolds tall være lavere enn det kritiske tall:

hvor v er den kinematiske viskositet av bæremediet.

Ved en utførelsesform av oppfinnelsen blir deler av et andre medium som omfatter en blanding av n substanser med forskjellig masse, hvor n er lik minst 2, periodevis tilført en kanal, hvor et bæremedium strømmer laminært på innsiden, mens det fra kanalens andre ende adskilt samles fraksjoner av en medium-blanding, hvor den gjennomsnittlige relative konsentrasjon av minst en av substansene i blandingen med n substanser er høyere enn i den tilførte blanding.

For å illustrere denne prosess gjengir fig. 1 et koordinatsystem C (aksial konsentrasjon) z (avstand fra tilførsels-punktet 0), hvor de aksiale konsentrasjonskurver av to substanser A,B, som ble tilført som en blanding i et rør, der et medium strømmer laminært, er inntegnet. Betingelsene (5) og (6) antas å være oppfylt, og L svarer til avstanden 0Z1. Man har videre gått ut fra at substansen A og substansen B foreligger i like konsentrasjoner (50% hver) i det tilførte medium og at substansene har innbyrdes forskjellig koeffisient av molekyldiffusjon i bæremediet, idet A har større masse enn B.

Ved Zl foreligger et område M som i det vesentlige strekker seg fra Zl' til Zl" og er bestemt av kurvenes CA,C_ krysnings-punkter N<1>, N" . I dette området M har bæremediet stor konsentrasjon av substans A og B med en høyere relativ konsentrasjon av den lettere masse B enn ved tilførselspunktet 0 for mediet.

På begge sider av Z1',Z" foreligger områder E, hvor begge substanser foreligger med lavere og lavere konsentrasjon etter hvert som avstanden fra Z1',Z1" øker. I områdene E har bæremediet større relativ konsentrasjon av substans med større masse A enn ved tilførselsstedet 0 for blandingen.

Når porsjoner av blandingen ifølge oppfinnelsen periodevis tilføres ved 0, mens fraksjoner av blandingen samles separat ved Zl, hvor disse sistnevnte fraksjoner svarer til områdene M

på den ene side og områdene E på den annen side, er oppfinnelsens hensikt nådd, nemlig separasjon til fraksjoner hvorav en er anriket med substansen med lettere masse, mens den andre fraksjon er anriket med substans med høyere masse.

Det skal bemerkes at prosessen gjelder blandinger som omfatter flere enn to forskjellige substanser, likesom blandinger med forskjellige konsentrasjoner av substanser med forskjellig masse. Kurvene som er vist i fig. 1, oppnås da ved multi-plisering av hver konsentrasjon med en faktor som er summen av alle substanskonsentrasjoner i den tilførte blanding, delt med konsentrasjonen av de substanser som antas å foreligge i den tilførte blanding.

Fig. 2 viser et skjematisk, ikke begrensende utførelses-eksempel av et apparat for gjennomføring av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Dette apparat omfatter en hovedkanal 1, som gjennom 2 forsynes med bæremedium. Ved 3 er det anordnet en ventil 4,

som åpner periodevis for tilførsel av porsjoner av en blanding av substanser med forskjellig masse til kanalen 1, hvorved blandingen mates inn gjennom 5. Ved 6, som ligger en avstand L fra blandingens tilførselssted 3, er kanalen 1 delt i to ut-strømningspassasjer 12,13. Ved forgreningsstedet 6 er det anordnet en ventil 9, som vekselvis kan forbinde hovedkanalen 1 med utstrømningspassasjen 12 hhv. 13.

I det viste utførelseseksempel omfatter ventilen 9 et spjeld 10, som er dreibart om en akse 11 og som vekselvis be-veges fra den stilling som er vist med full strek til den stilling som er vist med stiplet strek og omvendt. Utstrømningspassasjene 12,13 munner hensiktsmessig i hver sin separator 14,15 som hver er anordnet slik at substansblandingen separeres fra bæremediet, hvorved sistnevnte tømmes fra 16,17 og blandingeTn som er anriket med minst en av substansene går ut gjennom 18 eller 19.

Som nærmere omtalt nedenfor, gjentas fremgangsmåten flere ganger med porsjoner av den opprinnelige blanding som gradvis anrikes med eller tappes for minst en av substansene fra den opprinnelige blanding. I dette tilfelle viser apparatet ifølge fig. 2 en separasjonsenhet.

En utførelsesform av fremgangsmåten og apparatet ifølge oppfinnelsen skal nå beskrives under henvisning til en gass-16 18

blanding av 1^0 og U^ O , som tilføres til gassformet argon,

som strømmer laminært gjennom hovedkanalen 1. Denne kanal har en radius a på 1 cm. Argonet strømmer med en middelhastighet u på 25 cm/sek. Avstanden L er 10 m. Tilførselsfrekvensen for blandingsporsjonene f = 1/16 s og blandingsporsjonene er på

m .

Molekyldiffusjonskoeffisienten av vanndamp i argon er

2 16 18 Dmol 0,2 cm /sek. Den er noe høyere for 1^0 enn for 1^0

Betingelsene (5) [4000 » 125 » 6,9] og (6)

[Re = 403 < 2000] er oppfylt.

I fig. 2, innenfor hovedkanalen er det med vertikale linjer med forskjellig tetthet vist kanalsoner, hvor det 40 sekunder etter tilførsel av en porsjon P av blandingen viser seg at den maksimale konsentrasjon av denne porsjon P har nådd forgreningsstedet, mens to etterfølgende porsjoner Q og R har sine maksimalverdier 4 m hhv. 8 m fra den maksimale konsentrasjon av porsjonen P.

Fig. 3 illustrerer romfordelingen av konsentrasjoner som en funksjon av avstanden 0 ^ z < 10 m med henblikk på tilførsels-stedet 3, av etter hverandre følgende blandingsporsjoner P,Q,R, ved bruk av skalaen ifølge fig. 2 for abcissen z og normalisering av kurvene C ved en konsentrasjon som er lik to substanser

16 18

P^O , t^O i blandingen av de tilførte porsjoner. Denne normalisering er tilrådelig, for at prinsippet for fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen skal komme klarere frem.

I diagrammet ifølge fig. 3 svarer kurvene med stiplet

16 18 strek til t^O , mens kurver med full strek svarer til H^O . De skraverte områder svarer til partier av kanalen 1, hvor porsjoner av det tilførte medium er anriket med I^O<16>. Stillingen av ventilens 9 spjeld er som vist med full strek i fig. 2, hvilket

16

betyr at fraksjonen som er anriket med B^O på angjeldende tids-punkt strømmer gjennom utstrømningspassasjen. 12.

Ventilens 9 stilling endres, når den relative konsentra-16 18

sjon av I^O og H^ O ved 6 er i det vesentlige den samme som i blandingen ved dennes tilførsel. Dette øyeblikk svarer for porsjonen P i det vesentlige til det, hvor mediumtverrsnittet i et plan perpendikulært på kanalens 1 akse og passerende gjennom punkt N' når forgreningsstedet 6. I dette øyeblikk vil ventil-spjeldet 10 innta den stilling som er vist med stiplet strek i fig. 2, hvilket betyr at medium tappet for f^O"<1>"<6> og dermed an-18

riket med H^ O strømmer gjennom utstrømningspassasjen 13.

18 16 Konsentrasjonen av U^ O (full strek) og f^O (stiplet strek) i bæremediet er vist i fig. 4 som en funksjon av tiden ved forgreningsstedet 6, hvorved kurvene er normalisert ved konsentrasjonsverdier som antas like i den tilførte blanding. Ventilen 9 dreier i det vesentlige på tidspunkter 37, 2s, 43s, 53,2 s, 59s, 69,2s, 75 s ..., mens den forblir i den stilling som er vist med full strek i fig. 2 i periodene 37, 2s-43s, 53,2s-59s, 69,2s-75 s og i den stilling som er vist med stiplet strek i de mellomliggende perioder. Disse tider svarer i det vesentlige til krysningstidene mellom konsentrasjonskurver, som vist ved vertikale piler.

Verdier på C (z = L, t) oppnås fra de foregående ligninger (3) og (4) med Dmol (H20 -A)=0,2 cm / s og Dmol (H20 -A)=0,2 x 20+ 40 18

18+40 20

I den nettopp omtalte fremgangsmåte vil bæremediet, som blir tilført porsjoner som inneholder de substanser som skal separeres, på samlestedet for fraksjoner av blandingen omfatte enkelte porsjoner med forholdsvis ringe konsentrasjon av substanser som er i det vesentlige lik den som foreligger i den til-førte blanding. Ved en variant av utførelsesformen blir de fraksjoner av blandingen hvor blandingens substanser har en relativ middelkonsentrasjon som i det vesentlige svarer til det tilførte mediets, samlet for seg. Etter at bæremediet er separert fra disse fraksjoner, resirkuleres blandingsporsjonene til bæremediet. Denne variant er skjematisk illustrert i fig. 5. Fraksjoner

som svarer til områdene M,V og W samles hver for seg. Mediet i områdene M er anriket med den lettere substans i blandingen, mediet i områdene V har en relativ middelkonsentrasjon som er i det vesentlige den samme som den tilførte blandings av tunge og lette substanser og mediet i områdene W er anriket med den tyngre substans.

I fig. 2 er en tredje utstrømningspassasje 20 anordnet for fraksjoner som svarer til områdene V og vist med stiplet strek. Passasjen 20 leder til en separator 21, fra hvilken blandingen av substanser, separert fra bæremediet, f.eks. ledes gjennom 22 til tilførselskanalen 5 for blandingen, mens.bæremedium ledes gjennom 23 til tilførselskanalen 2 for bæremediet. I dette tilfelle må ventilen 9 være av fireveis-typen med skifting av passasjene på tidspunkter som antydes i fig. 5 ved vertikale piler inntegnet over kurvene.

Som det vil fremgå av ovenstående beskrivelse, har fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen den fordel at den muliggjør bruk av en bæregass med langt tyngre masse enn substansblandingen som skal separeres. Ved det omvendte forhold mellom dispersjonen og diffusjonskoeffisienten ifølge ligning (2) vil dispersjonen i realiteten akselereres og den maksimale separasjonskoeffisient ifølge ligning (1) er høyere. På den annen side omfatter apparatet et separasjonselement i form av en kanal som er enkel både hva konstruksjon og vedlikehold angår og som bare har den virkning å sikre en laminær strømning av mediene. Bruken av et større antall utløp enn to, gjør det mulig å øke separasjonskoeffisienten .

I anlegget som er vist i fig. 6 gjennomføres anrikning av oksygen, nitrogen og karbon med deres tunge isotoper ifølge en modifisert utførelse av oppfinnelsen. Nedenstående tabell angir prosentandelen av hver stabil isotop i naturlig nitrogen,

oksygen og karbon, fra hvilke de forskjellige prosentandelene av CO^ t oppnådd fra de forskjellige.siotoper av C og 0, er be-regnet .

Det fremgår av tabellen at en blanding av CO^ i det vesentlige består av molekyler med et massetall som svarer til 44, 45 og 46, Blandingen av N ? består i det vesentlige av molekyler med massetall 28-29.

I fig. 6 er tre separasjonstrinn I,II og III vist, som danner en del av et stort antall trinn som er anordnet i serie. Hvert trinn omfatter et apparat for gjennomføring av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Identiske elementer i hvert trinn er gitt samme henvisningstall pluss 100 for trinn I, pluss 200 for trinn II og pluss 300 for trinn III.

Apparatet ifølge oppfinnelsen omfatter en hovedkanal 101 (201, 301) anordnet slik at den tillater laminær strømning av de tilførte medier, en matekanal 102 (202,302) for en første gassblanding, f.eks. nitrogen, og en tilførselskanal 103 (203,

303) for en andre gassblanding, f.eks. karbondioksyd (i dette tilfelle betyr betegnelsen "blanding" en isotopblanding). Begge disse kanaler er forbundet med en ende av hovedkanalen. I den andre enden av hovedkanalen 101 (201, 301) er minst to utstrømnings-passasjer 104 (204, 304) og 105 (205, 305) anordnet. Begge til-førselskanaler 102 (202, 302) og 103 (203, 303) er ved utførelsen ifølge fig. 6 forbundet med hovedkanalen via en ventil med to innløp og ett utløp 106 (206, 306), som er anordnet slik at den tillater vekselvis injisering av medier i hovedkanalen.

Ved den stilling som er vist i fig. 6, tillater ventilen 106 (206, 306) nitrogen å passere inn i hovedkanalen og hindrer tilførsel av CC^ til sistnevnte. Begge utstrømningspassasjer (104(204,304) og 105 (205,305) er forbundet med hovedkanalens ende via en ventil med ett innløp og to utløp (107 (207,307),

som er anordnet slik at den vekselvis forbinder hver utstrømnings-passas je med hovedkanalen. Utstrømningspassasjene munner i hver

sin separater, passasjen 104 (204,304) munner således i separatoren 108 (208,308), mens passasjen 105 (205,305) munner i separatoren 109 (209,309). Hver separator omfatter to utløps-

rør, i foreliggende tilfelle et for nitrogen og det andre for karbondioksyd. Separatoren 108 (208,3 08) omfatter utløpsrørene 110 (210,310) og 112 (212,312), mens separatoren 109 (209,309) omfatter utløpsrørene 111 (211,311) og 113 (213,313).

I tillegg kan det anordnes en tredje utstrømningspass-

asje 214 ved utløpet av hovedkanalen. Denne passasje er vist med stiplet strek bare for trinn II i fig. 6. I dette tilfelle bør ventilen 207 ha ett innløp og tre utløp og drives som omtalt i forbindelse med apparatet ifølge fig. 2. Utstrømningspassasjen 214 er forbundet med en separator 215 med to utløpsrør 216 og 217, et for nitrogen og et for CO^-

Til hovedkanalen 201 mates vekselvis en blanding av N gjennom kanalen 202 og en blanding av CO^ gjennom kanalen 203. Denne vekslende tilførsel oppnås ved hjelp av ventilen 206. Hver av de nevnte medier strømmer laminært gjennom hovedkanalen og isotopene i hver av blandingene dispergeres på tidligere omtalt måte. Ved enden av hovedkanalen samles fraksjoner av tilførte medier separat ved hjelp av ventilen 207, i hvilke fraksjoner den relative middelkonsentrasjon av minst en av isotopene for hvert medium er høyere enn i den tilførte blanding.

I diagrammet ifølge fig. 7 sees romfordelingen av konsen-trasjonene (ordinat) som en funksjon av avstanden fra innløpet til hovedkanalen (abscisse) for etter hverandre følgende porsjoner av blandinger av N2- og CC^-isotoper. Det er her brukt en skala ifølge fig. 6 for abscissen z og normaliseringskurver C

14 14 15

ved lik konsentrasjon av N_ og N N i de tilførte porsjoner

1216 1316

av N2 og ved en lik konsentrasjon av C 0 og (C 0^ +

C12016018 +C1201<6>0<17>) i tilførte porsjoner av C02- Denne normalisering var nødvendig for å gjøre prinsippet for denne variant av oppfinnelsen mer klar.

I diagrammet ifølge fig. 7 svarer kurven med stiplet

14

strek til blandingen av N_ til N_ , mens kurven med full strek

14 15 o

svarer til N N . Skraverte omrader svarer til kanalpartier hvor prosjoner av tilført N„-blanding har redusert innhold av

14

N9 . Stillingen av ventilen 207 er som vist med full strek i

14

fig. 6, dvs. at et medium tappet for N2 i det gitte øyeblikk strømmer gjennom utstrømningspassasjen 204.

For CO^-blandingen svarer kurven med stiplet strek til

12 16

C 02 , mens kurven med full strek svarer til blandingen av andre C02-isotoper. Skraverte områder svarer til kanalpartier hvor porsjoner av den tilførte C09~blanding er anriket med 12 16 C 02 . Ved nevnte ventilposisjon vil et medium som er anriket

12 16

med C 02 strømme gjennom utstrømningspassasjen 204.

Ventilstillingen endres, når den relative konsentrasjon 14 14 15

av N2 og N N er i det vesentlige den samme som i den til-førte N2~blanding, og likeledes, når den relative konsentrasjon

12 16

av C 02 og av blandingen av andre C02~isotoper er i det vesentlige den samme som i den tilførte CO?-blandihg.

14 Fra dette øyeblikk vil et medium som er anriket med N„

12 16

og tappet for C 0^ strømme gjennom utstrømningspassasjen 205.

Det skal imidlertid bemerkes at de relative konsentrasjoner av isotopene i hver av de to vekselvis tilførte medier ikke nød-vendigvis blir like den relative konsentrasjon av de tilførte porsjoner i samme øyeblikk. På den annen side kan den relative konsentrasjon av isotoper i hver av de nevnte medier forbli i det vesentlige lik de relative konsentrasjoner av tilførte porsjoner over en viss tid. Det foretrekkes da å samle porsjoner med disse relative konsentrasjoner som i det vesentlige svarer til den tilførte konsentrasjon, adskilt via utstrømningspassasjen 214. Begge medier separeres i separatoren 215, og separert nitrogen resirkuleres til tilførselskanalen 202 gjennom røret 216, mens karbondioksyd resirkuleres til tilførselskanalen 203 gjennom røret 217.

Medium som samles i separatoren 208 separeres og blandingen av nitrogenisotoper som har redusert N2 14-innhold når matekanalen 302 for trinn III gjennom røret 210, mens CO~-12 16

blandinger som er anriket med C 02 ledes til tilførsels-kanalen 303 for trinn III gjennom ledningen 212.

På analog måte separeres medium som er samlet i separatoren 14

209 og N^-blanding som er anriket pa N,, mates til kanalen 102 for det lavere trinn I gjennom røret 211, mens CO„-blanding som har redusert C 12 0^ 16 innhold når matekanalen 103 for trinn I gjennom røret 213.

Ved slutten av sirkulasjonen gjennom separasjonstrinnene kan samlede CC^-blandinger nedbrytes til karbon og oksygen, slik at disse elementer kan oppnås i forskjellige isotopformer. Ved det her omtalte eksempel muliggjør fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen således at tre forskjellige elementer anrikes eller reduseres med henblikk på sine forskjellige isotoper.

Hvis en sterkere anrikning med oksygen eller karboniso-toper er ønsket, vil det være fordelaktig å sørge for en mellomliggende kjemisk nedbrytning av C02 til karbon og oksygen og muligens en rekombinasjon av fraksjoner som er rikest på de ønskede isotoper, før anrikningen eller opprettelsen av isotoputveksling ved hjelp av en katalysator fortsetter.

I fig..6 er en meget enkel utførelsesform, anordnet i serie, vist for å illustrere oppfinnelsen. Denne utførelsesform er imidlertid ikke nødvendigvis den mest effektive, når forholdene mellom mengder av medier som separeres i separatorene og den totale mediummengde som tilføres til separatorene ikke er like, men f.eks. 1/3 og 2/3. I dette tilfelle vil en porsjon som tilføres separatoren ikke føres til hovedkanalen for umiddelbart etterfølgende trinn, men snarere f.eks. til hovedkanalen for på-følgende trinn.

Oppfinnelsen er selvsagt på ingen måte begrenset til de utførelsesformer som er omtalt ovenfor, disse kan derimot for-andres på mange måter innenfor oppfinnelsens ramme.

Det er selvsagt mulig å separere isotoper fra andre gasser enn de nevnte, spesielt fra H , CU., CO, NH0, NO m.v.

2

Det første medium som vekselvis injiseres kan også bestå av bare en substans i gassform, som ikke utsettes for isotop-separasjon.

Videre er det mulig å sørge for etterfølgende injisering av minst ytterligere et medium i tillegg til nevnte første og andre medium, og følgelig å ordne periodevis tilførsel av hvert ytterligere medium til hovedkanalen.

Det er også mulig å fremkalle endringer i mediumsirkula-sjonen mellom forskjellige trinn, avhengig av de ønskede formål og sirkulasjonsretninger.

Videre skal det bemerkes at fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan benyttes både til å separere tunge isotoper og lette isotoper. Ved separasjon av tunge isotoper som urani-umisotoper, benyttes C^F^g f.eks. med fordel som bæregass. I dette tilfelle vil man ifølge ligning (1) oppnå a = 1,0023, dvs. en koeffisient som er meget nær den verdi som oppnås ved gassdiffusjonsprosessen som er vanlig i industrien.

Endelig skal det bemerkes at fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ikke bare kan benyttes for gasser, men også for substanser i væskeform.

Claims (20)

1. Fremgangsmåte for separasjon av substanser med forskjellig masse, f. eks. isotoper, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter: a) tilførsel av et første fluidum og et andre fluidum ved en ende av en separasjonskanal for dannelsen av en strøm som inneholder en blanding av de tilførte fluider, idet det andre fluidum omfatter en blanding av n substanser med forskjellige masser, hvorved n er minst lik 2, og blir periodisk til-ført til separasjonskanalen, b) at de tilførte fluider føres i laminær strøm gjennom separasjonskanalen, c) at fremgangsmåten tilfredsstiller betingelsen som er uttrykt ved følgende ligning: hvor L er rørlengden mellom det sted hvor den aksiale konsentrasjon ble målt og det sted hvor substansen ble tilført, Dmol er molekyldiffusjonskoeffisienten for den oppløselige substans, a. er rørets radius og u er den gjennomsnittlige aksiale bevegelseshastighet for den laminære strømning og at fremgangsmåten tilfredsstiller kravet om at Reynold-tallet må være lavere enn det kritiske tall: hvor v er den kinematiske viskositet for det første fluidum, hvorved det muliggjøres at substansene til det andre fluidum i strømmen blir aksialt dispergert for dannelse av minst to fluidumfraksjoner av blandingen av tilsatte fluider, hvorved en av fraksjonene har en høyere konsentrasjon av det først tilførte fluidum enn den andre fraksjon, og hvorved det i hver av de to fraksjoner foreligger en gjennomsnittlig relativ konsentrasjon av minst en av de n substanser som er høyere enn i det tilsatte andre fluidum, og hvor den gjennomsnittlige relative konsentrasjon av substansen med den tyng-ste masse er høyest i den fraksjon som har den høyeste konsentrasjon av den først tilførte fluidum, og d) at det oppsamles separat minst to fluider ved den andre ende av separasjonskanalen, hvilke samlede fluider utgjør fraksjonene av tilførte fluider.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det første fluidum tilføres kontinuerlig.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at det første kontinuerlig tilførte fluidum benyttes som bærefluidum med større masse enn det andre fluidum.

4. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av kravene 1 - 3,karakterisert ved at det tilføres et fluidum som omfatter en blanding av molekyler av en substans som har flere elementer med forskjellige isotopformer.

5. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av de foranstå-ende krav, karakterisert ved at fraksjoner av fluidumblandingen også samles separat i mellomliggende perioder mellom nevnte første og andre og mellom nevnte andre og tredje periode, under hvilke mellomperioder de relative substanskonsentrasjoner i blandingen av n substanser er i det vesentlige lik den tilførte blandings.

6. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1-5, karakterisert ved at fraksjoner av fluidumblanding som er samlet separat, behandles for fraseparering av bærefluidum, hvorved andeler av det andre fluidum igjen behandles ved en tilsvarende prosess i et annet separasjonstrinn.

7. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 5 eller 6, karakterisert ved at fraksjoner av fluidumblanding som samles separat og som på samlingsstedet omfatter andeler av blandingen av n substanser med en relativ substans-konsentrasjon, som i det vesentlige -er lik den tilførte blandings, resirkuleres til samme separasjonstrinn etter fraseparering av bærefluidumet.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter vekselvis tilførsel til kanalen av et første fluidum og av blandingen n substanser med forskjellig masse som andre fluidum.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at som første fluidum benyttes et fluidum som omfatter en blanding av m substanser med forskjellig masse, hvorved m er lik minst 2.

10. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av kravene 1 - 9, karakterisert ved at det som minst en av nevnte blandinger benyttes en blanding som er en blanding av molekyler av en substans av hvilke flere elementer foreligger i forskjellige isotopformer.

11. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 8-10, karakterisert ved at man på samlestedet separat samler fraksjoner av fluidumblandingen hvor den relative middel-konsentras jon av minst en av substansene i fluidet med m substanser er høyere enn i det først tilførte fluidum.

12. Apparat for gjennomføring av fremgangsmåten ifølge krav 1,karakterisert ved at det omfatter: a) en rørformet hovedkanal (1, 101, 201, 301) hvor fluider blir tilført og danner en strøm med laminær strømning, hvilken rørformede kanal tilfredsstiller betingelsene for aksial dispersjon av substanser av det andre fluidum i strømmen med laminær strømning, b) en første innretning for tilførsel av det første fluidum, c) en andre innretning for periodisk tilførsel av andeler av det andre fluidum, hvilke første og andre tilførselsinnret-ninger er plassert ved en ende av hovedkanalen (1, 101, 201, 301), d) minst to utstrømningspassasjer (12, 13; 104, 204, 304, 105, 205, 305) plassert ved den andre ende av kanalen, og e) ventilanordninger (9; 107, 207, 307) for alternativ forbindelse for hovedkanalen (1; 101, 201, 301) med hver av ut-strømningspassas jene (12, 13; 104, 105, 204, 205, 304, 305).

13. Apparat ifølge krav 4, karakterisert ved at den første innretning for tilsetting av det første fluidum er anordnet for kontinuerlig tilførsel av det første fluidum.

14. Apparat ifølge krav 12, karakterisert ved at den første innretning for tilførsel av det første fluidum er anordnet for periodisk tilførsel av andeler av det første fluidum.

15. Apparat ifølge krav 14, karakterisert ved at innretningen for periodisk tilførsel av det første fluidum omfatter en matekanal (102, 202, 302) for dette fluidum, som er forbundet med hovedkanalen (101, 201, 301) gjennom en ventilanordning (106, 206, 306), og at innretningen for periodisk tilførsel av det andre fluidum også omfatter en matekanal (103, 203, 303) for dette sistnevnte fluidum som er forbundet med hovedkanalen (101, 201, 301). gjennom en ventilanordning (106, 206, 306).

16. Apparat ifølge krav 15, karakterisert ved at ventilanordningen (106, 206, 306) er anordnet for alternativt å forbinde hovedkanalen (101, 201, 301) med en av matekanalene (102, 202, 302; 103, 203, 303).

17. Apparat ifølge ett eller flere av kravene 15 - 19, karakterisert ved at det omfatter en tredje ut-strømningspassas je (20; 214) og ventilanordninger (9; 207) som omfatter innretninger for samtidig lukking av to av de tre ut-strømningspassas jer .

18. Apparat ifølge ett eller flere av kravene 12 - 17, karakterisert ved at hver utstrømningskanal er forbundet med en separasjonsinnretning (14, 15, 21; 108, 208, 308; 109, 209, 309; 215) anordnet for å tillate fluider å samles deri for å separeres fra hverandre, idet hver separasjonsinnretning har et utløpsrør (16, 17, 18, 19, 22, 23; 110, 210, 310; 111, 211, 311; 112, 212, 312; 113, 213, 313; 216, 217) for hver av de separerte fluider.

19. Anlegg for separasjon av substanser av forskjellig masse, karakterisert ved at det omfatter flere apparater (I, II, III) som er forbundet i serie, hvilke apparater er utformet som angitt i ett eller flere av kravene 15 - 21.

20. Anlegg ifølge krav 19, karakterisert ved at det omfatter i tillegg minst en kjemikalieseparasjons-anordning for isotope elementer fra en blanding av molekyler av en substans hvor flere elementer foreligger i forskjellige isotopformer.