DE1245329B - Verfahren zum Trennen von gasfoermigen und fluessigen Medien unterschiedlicher Massen-traegheit, insbesondere von Isotopen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

BOId

Deutsche KL: 12 e - 6

Nummer: 1245329

Aktenzeichen: S 73721IV c/12 e

Anmeldetag: 28. April 1961

Auslegetag: 27. Juli 1967

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von gasförmigen und flüssigen Medien unterschiedlicher Massenträgheit, insbesondere von Isotopen, unter Anwendung der in einer Drehströmung auftretenden Kräfte.

Bei einer derartigen Drehströmung wird im wandnahen Bereich einer zylindrischen Wirbelkammer eine Potential-Umlaufströmung erzeugt, indem über tangential im Wirbelkammermantel und der Hauptströmungsrichtung schräg entgegengerichtete Düsen ein zusätzliches Medium eingeführt wird. Diese Potential-Umlaufströmung wird über der Mündung des axialen Einlasses für die zu trennenden Medien nach innen umgelenkt, wobei sich eine Wirbelsenke ausbildet. Von hier aus entsteht eine Rotationsströmung, die innerhalb der Potential-Umlaufströmung umläuft und in axialer Richtung entgegengesetzt zur Potential-Umlaufströmung zusammen mit den eintretenden Medien fortschreitet. Die axial eintretenden Medien werden durch die Wirkung der von der Potential-Umlauf strömung angeregten Rotationsströmung ebenfalls in Rotation versetzt und in die Rotationsströmung überführt. Oberhalb der Wirbelsenke bildet sich nun eine Wirbelquelle aus, in der durch die Wirkung der Fliehkräfte und der dazu gleichgerichteten Schleppkräfte die schwereren Medien aus der Rotationsströmung herausgeführt und in einem zylindermantelförmigen Bereich zwischen Potential- und Rotationsströmung angereichert werden. Von hier aus kann ein Teil der angereicherten Medien mit einem Ast der Potential-Umlauf strömung nach unten geführt und durch einen den Einlaß koaxial umgebenden Auslaß für das schwere Medium abgeführt werden.

Zur Trennung von Isotopengemischen ist es bekannt, Zentrifugen oder Ultrazentrifugen sowie ahnliehe Vorrichtungen vorzusehen, in denen überlagerte Geschwindigkeits- bzw. Beschleunigungsfelder erzeugt werden, die bei Teilchen verschiedener Masse unterschiedliche Kräfte auslösen. Bei allen diesen Verfahren werden die Geschwindigkeitsfelder (Fliehkräfte) einer einfachen Rotationsströmung ausgenutzt. In diesen Fällen handelt es sich aber nicht um eine primäre Anregung der Potentialströmung als Teil einer aus Potential- und Rotationsströmung bestehenden Drehströmung mit Wirbelquellen und Wirbelsenken, so daß auch nicht die in dieser Drehströmung zusätzlich zu den normalen Fliehkräften auftretenden Relativkräfte der Wirbelquellen vorhanden sind, die etwa um den Faktor 4 größer als die reinen Fliehkräfte sind. Bei der Drehströmung lassen sich somit Trennkräfte erreichen, die etwa um einen Faktor 5 größer sind als die in bekannten Trennanlagen.

Verfahren zum Trennen von gasförmigen und flüssigen Medien unterschiedlicher Massenträgheit, insbesondere von Isotopen

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. Karl-Rudolf Schmidt, Dipl.-Ing. Dr. rer. pol. Karl-Heinz Oehlrich, Erlangen;

Dipl.-Chem. Dr. rer. nat Hans-Günter Heitmann, Erlangen-Buckenhof

Nach der Erfindung wird zur Trennung von gasförmigen und flüssigen Medien, insbesondere von Isotopen, das Medium jeweils geringerer Massenträgheit mit Hilfe einer in der gemeinsamen Umlaufachse von Potentialumlauf- und Rotationsströmung angeordneten Abzugsvorrichtung abgesaugt und gleichzeitig mit der axialen Absaugung der Komponente geringerer Massenträgheit das in der Übergangszone zwischen Potentialumlauf- und Rotationsströmung zusammengeführte Medium größerer Massenträgheit mit einem Ast der Potential-Umlaufströmung durch einen den Medieneinlaß konzentrisch umgebenden Auslaß abgeführt. Durch diese Maßnahme wird eine merkliche Verbesserung des Trenneffektes erreicht, da gleichzeitig die leichtere Komponente bevorzugt in der Zone der gemeinsamen Umlaufachse von Potential- und Rotationsströmung einströmt und die schwerere Komponente in die Grenzschicht zwischen beiden Strömungen abgeführt wird.

Die Erfindung hat besondere Bedeutung für die Trennung von Gasgemischen, etwa von Stickstoff und Sauerstoff, z. B. aus der Luft, oder von flüssigen oder gasförmigen Isotopengemischen, z. B. eines Gemisches von H₂ und D₂ oder des Uranisotopengemisches im Uranhexafluorid.

Die Art der Anregung der oben beschriebenen Drehströmung kann durch schräg-tangentiales Einblasen eines Hilfsmediums oder auch durch Rührvorrichtungen erfolgen. In gleicher Weise können auch Maßnahmen zur Verbesserung der Strömungsstabilität, zur Verbesserung des Energieverbrauches, z. B. durch Einbau von Strömungskörpern und Blen-

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Claims (5)

den, mehrere Zweitluftdüsen und Mittel zur Abführung von Fehlstrahlen angewendet werden. Als Hilfsmedium zur Anregung der Potentialumlaufströmung können gleichartige oder andersartige Stoffe wie die zu trennenden Medien verwendet werden, die jedoch mit den Hauptmedien verträglich sein müssen. An Hand von Ausführungsbeispielen sollen.die wesentlichen Merkmale der Erfindung in schematischer Form dargestellt werden. Die Fig. 1 zeigt eine Einrichtung nach der Erfindung zur Trennung von Gas- und Flüssigkeitsgemischen. Das Gemisch tritt über das Zuführungsrohr 1 in die Wirbelkammer 2 ein. Die Potentialströmung 4 wird durch ein über die Düsen 3 eingeführtes Zweitmedium, im vorliegenden Fall ein Gemischstrom, schräg-tangential entgegen dem bei 1 eintretenden Gemischstrom (Hauptmedium) angeregt. Diese primär angeregte Potentialströmung 4 spaltet sich an der Stelle 5 in zwei Strömungsäste 6 und 7 auf. Mit dem Ast 6 wird bevorzugt die schwerere Komponente des Gemisches durch das Rohr 8 aus der Einrichtung abgeführt. Der in eine Rotationsströmung 7 übergehende Ast entsteht aus der Potentialströmung 4 bei Überführung dieser Strömung über einen rauhen Grund, der im \'orliegenden Ausführungsbeispiel durch das Strömungsprofil 13 gebildet wird. Durch den Strömungskörper 9 wird die zwischen diesem und dem Profilgrund 13 entstehende Wirbelquelle in ihrer Lage festgehalten und der bei 1 eintretende Gemischstrom kegelförmig auseinandergedrückt. Die »tulpenförmige« Einlaufverkleidung 10 des Gemischströmungseinlaufes 1 verbessert und stabilisiert die Strömungsverhältnisse, insbesondere im Hinblick auf die Abführung des Teilstromes 6. In der gemeinsamen Umlaufachse von Potential- und Rotationsströmung ist eine Abzugsvorrichtung, z. B. das Absaugrohr 11, angeordnet, das zur Absaugung der jeweils leichteren Komponente des Gemisches dient. Der Rest des Gemisches tritt bei 12 aus der Trenneinrichtung aus. Die F i g. 2 zeigt das Druckprofil, wie es sich in der Trenneinrichtung ausbildet. Danach stellt die primär angeregte äußere Potentialströmung eine Zone hohen Druckes, die sekundär angeregte Rotationsströmung eine Zone niedrigen Druckes dar. Infolge der Wandreibung fällt das Druckprofil zur Wand hin ab. Die äußere Potentialströmung befindet sich jedoch im wesentlichen außerhalb der Grenzschicht dieser Wandreibung. Die Fig. 3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Hintereinanderschaltung mehrerer Stufen von Trenneinrichtungen in Form einer Kaskadenanordnung zur Verbesserung des Trenneffektes, insbesondere bei Medien, deren Massenträgheiten nur in geringem Maße voneinander abweichen. Das Gemisch tritt bei 10 und gegebenenfalls auch bei 11 und 12 über die Düsen 13,14 und 15 in die Trenneinrichtungen 16,17 und 18 ein. Die schwere Komponente verläßt die Brenneinrichtungen 19, 20, 16 und 17 über die Leitungen 19 a, 20 a, 16 a und 17 a und wird den Abzugsrohren 16 b, VTb, 18 b und 21 b zur nochmaligen Trennung in den Trenneinrichtungen 16, 17, 18 und 21 zugeführt. Die leichtere Komponente strömt über die Abzugsrohre 18 b, 17 b, 16 b, 20 b und 19 b in die folgenden Trenneinrichtungen 18, 17, 16, 20 und 19 und tritt aus der letzteren als nachgereihigte Gemischkomponente aus. Der über die Leitungen c, 20 c, 16 c, 17 c und 18 c austretende Gemischrest wird in die jeweils vorgeschaltete Trenneinrichtung zurückgefördert. Auf diese Weise wird eine gegenseitige Trennung der die leichtere bzw. die schwerere Komponente enthaltenden Gemischmenge und des Gemischrestes erzielt. Patentansprüche:

1. Verfahren zum Trennen von gasförmigen und flüssigen Medien unterschiedlicher Massenträgheit, insbesondere von Isotopen, mittels einer Drehströmung, bei der im wandnahen Bereich einer zylindrischen Wirbelkammer durch tangentiales, der Hauptströmungsrichtung der zu trennenden Medien schräg entgegengerichtetes Einführen eines Hilfsmediums eine Potential-Umlaufströmung angeregt und aufrechterhalten und diese in Höhe einer axialen Einführung der zu trennenden Medien in eine innerhalb der Potentialumlaufströmung umlaufende und zu dieser eine entgegengesetzte axiale Fortschreitungsrichtung aufweisende Rotationsströmung überführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils das Medium geringerer Massenträgheit mit Hilfe einer in der gemeinsamen Umlaufachse von Potentialumlauf- und Rotationsströmung angeordneten Abzugsvorrichtung abgesaugt wird und das in der Ubergangszone zwischen Potentialumlauf- und Rotationsströmung zusammengeführte Medium größerer Massenträgheit mit einem Ast der Potential-Umlaufströmung durch einen den Medieneinlaß konzentrisch umgebenden Auslaß abgeführt wird.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Abzugsvorrichtung ein Abzugsrohr (11) vorgesehen ist, das auf seiner ganzen Länge zahlreiche Durchtrittsöffnungen (22) für das Medium geringerer Massenträgheit aufweist.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Trennstufen (16 bis 20) vorgesehen sind und die Abzugsvorrichtung an ihrem abströmseitigen Ende als Eintrittsrohr für den in die jeweils nachgeschaltete Trennstufe einzuführenden Gemischstrom ausgebildet ist.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abziehen des in der Rotationsströmung (7) verbliebenen Restes der Medien eine weitere Abzugsvorrichtung (12, 16 c bis 20 c) vorgesehen ist.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung mehrerer Trennstufen (16 bis 20) vom Boden jeder Wirbelkammer ausgehend Abzugsleitungen (16 a bis 20 a) für die Zuführung des abgeschiedenen Mediums größerer Massenträgheit in eine vor der jeweils letzten Trennstufe liegenden Stufe vorgesehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1096 283.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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