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Verfahren und Einrichtung zum Trennen von Mischgasen und/oder zur
Bildung aktivierter Gasatome bzw. Gasmoleküle Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zum Trennen von Mischgasen und/oder zur Bildung aktivierter Gasatome bzw.
Gasmoleküle durch Spaltung zweiatomiger Gasmoleküle bzw. durch ihre Vereinigung
zu dreiatomigen Gasmolekülen.
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Es ist ein Verfahren zum Trennen von Gasgemischen bekannt, bei dem
das Gemisch durch in einem ringförmigen Innenkörper eines rotierenden Läufers angeordnete
bogenförmige Kanäle geleitet wird, welche an die innere und äußere zylindrische
Oberfläche des Innenkörpers tangential anschließen, um das Gemisch der Einwirkung
der Fliehkraft auszusetzen. Das geschichtete Gemisch wird in diesen Kanälen durch
eine Querschnittserweiterung einer plötzlichen Ausdehnung unterworfen, wodurch sich
die leichteren Komponenten des Gasgemisches an den Innenwänden der Kanäle ansammeln,
während die schwereren Komponenten an die Außenwände gedrängt werden.
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Bei einem anderen bekannten Verfahren zum Trennen von gas- oder dampfförmigen
Stoffen mit unterschiedlichem Molekulargewicht wird das Gemisch einer Vorrichtung
zugeführt, die aus einem beschleunigenden rotierenden Hohlkörper besteht, der periphere
Öffnungen aufweist. Durch eine Schlitzdüse und eine zugehörige Abschälblende werden
die getrennten Teilströme abgeführt.
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Bei den bekannten Verfahren und den Vorrichtungen zu deren Durchführung
handelt es sich somit um Trennvorgänge, vor allem auf Grund der verschieden starken
Ablenkung von verschieden schweren Gaskomponenten unter starker Einwirkung einer
durch Rotation erzeugten Fliehkraft. Bei vielen Gasgemischen ist jedoch die Bindung
zwischen den Molekülen so groß, daß auf diesem Weg eine Separation praktisch nicht
möglich ist.
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Es ist ferner ein Verfahren zum Reinigen von Gasen von in diesen
suspendierten festen und flüssigen Teilchen mittels eines elektrostatischen Feldes
bekannt, bei dem die sprühenden Elektroden eine Drehbewegung ausführen. Diese Bewegung
dient jedoch lediglich der Homogenisierung der Entladung, weil durch das Drehen
der Elektroden verhindert wird, daß durch mechanische Ungleichmäßigkeiten der Elektroden,
die aus winzigen Spitzen, Vorsprüngen od. dgl. bestehen können, die Entladung nur
an wenigen Stellen erfolgt. Eine gleichzeitige mechanische Schleuderwirkung soll
hierbei nicht auf das Gas ausgeübt werden.
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Schließlich ist es noch bekannt, Gase mit bestimmten Verunreinigungen
einer elektrischen Entladung auszusetzen, durch die die Verunreinigungen che-
misch
in Verbindungen umgewandelt werden, die leicht abgeschieden werden können. Eine
Drehbewegung findet hierbei nicht statt.
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Durch die Erfindung soll ein Verfahren geschaffen werden, durch das
die der bisherigen reinen Fliehkraftseparation anhaftenden Nachteile, wie geringer
energetischer Wirkungsgrad und geringe Trennwirkung, verbessert werden können; gleichzeitig
sollen nach diesem Verfahren zweiatomige Gase, z. B. Sauerstoff, aktiviert werden.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das Gasgemisch bzw.
das zweiatomige Gas in einem elektrischen Feld einer Schleuderwirkung unterworfen
und die durch das Feld gebildeten verschieden schweren Komponenten des Gemisches
bzw. der Gasatome oder der Moleküle, an verschiedenen Stellen konzentriert werden.
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Zur Durchführung des Verfahrens können in einem zylindrischen Gehäuse
zwei das Gas ansaugende und verdichtende koaxiale, relativ zueinander umlaufende
Rotationskörper mit radialen Schaufelkränzen vorgesehen sein, die das Mischgas nach
dem Ansaugen beschleunigen. Da hierbei unter dem Einfluß des elektrischen Feldes
gleichzeitig eine Verminderung der zwischen den Molekülen der Gaskomponenten vorhandenen
Kräfte eintritt, erfolgt eine Separation unter der Wirkung der Fliehkraft auf die
verschieden schweren Moleküle. Bei Zuführung eines zweiatomigen Gases, wie Sauerstoff
oder Stickstoff, erfolgt unter der Wirkung des elektrischen Feldes eine Aufspaltung
(Dissoziation) der Moleküle in ihre Atome bzw. deren Vereinigung zu dreiatomigen
Gasen, wie z. B. Ozon.
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Die verschieden schweren Bestandteile, z.B. O, 02, °3, können unter
der Wirkung der Fliehkraft in an sich bekannter Weise verschiedenen Kanälen zugeführt
werden.
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Das Gas wird der Einrichtung durch ein Rohr zugeführt, das zum mindesten
teilweise aus hochisoliertem
Material, z. B. mit Kunstharz imprägniertem
Glasfasergewebe, besteht. Es kann die Leitschaufelkränze mehrerer Gleichdruckstufen
tragen, die mit je einer Ringnabe an dem Rohr befestigt sind. Der umlaufende Rotationskörper,
der eine Schleudertrommel bildet, besteht zweckmäßigerweise aus Aluminium großer
Festigkeit und ist mit mehrfach abgestuften Reifen für die Aufnahme von Laufschaufeln
versehen.
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Die Schaufeln der Leit- und Laufkränze bestehen zweckmäßigerweise
aus erosionsfestem Material, z.B. aus stranggepreßtem Aluminium, mit Tragflügelquerschnitten
der sogenannten Kommaform.
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Zur Vermeidung von Schleifringen kann die Hochspannung an die feststehenden
Rotationskörper angelegt werden. Die Höhe der Spannung wird zur Spaltung zweiatomiger
Gase und zur Ozongewinnung so groß gewählt, daß eine ununterbrochene ionisierende
Dunkelfeldentladung zwischen den Kanten der Schaufelkränze aufrechterhalten wird.
Die Spannung selbst kann von dem Anker eines Synchrongenerators abgenommen werden,
dessen Polrad mit dem Rotationskörper umläuft. Die Spannung des Generators kann
dabei über eine die Erregerwicklung speisende Erregermaschine auf einen bestimmten
Wert eingestellt bzw. gesteuert werden. Ein derartiger Synchrongenerator, der kurzschlußfest
ausgeführt sein kann, ist insbesondere für große Anlagen vorteilhaft.
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Sein Anker kann z. B. auf dem Rohr befestigt werden, durch das das
Gas zugeleitet wird.
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Für kleinere, ortsfeste Anlagen eignet sich zur Erzeugung der Hochspannung
insbesondere ein Streufeldtransformator. Zum Auffangen der spezifisch schweren Gaskomponenten
kann ein besonderer Sammelbehälter dienen, während die abgetrennten leichteren Gasreste
nach oben entweichen. Enthält ein Gas feste oder flüssige Verunreinigungen, so können
diese in an sich bekannter Weise durch Anlegen einer ionisierenden Spannung separiert
werden. Die zur Ionisation erforderliche Energie kann ebenfalls in an sich bekannter
Weise dem zu separierenden Gasgemisch auch durch radioaktive Bestrahlung zugeführt
werden.
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Alle für eine Separation von gasförmigen Bestandteilen wichtigen
elektrischen oder mechanischen Einflußgrößen, wie Spannung, Frequenz, Luftspalt
zwischen den Rotationskörpern und Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes, können
unabhängig voneinander oder gemeinsam zur Erreichung eines optimalen Prozeßablaufs
geregelt werden.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine sehr wirksame Trennung
von Gasgemischen mit gutem Wirkungsgrad möglich, wie sie durch die Verwendung der
Fliehkraft allein nicht erreicht werden kann. Bei der besonderen Ausbildungsform
der Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei- der die Rotationskörper Schaufeln
tragen, kann über den gesamten Strömungsquerschnitt wegen der sich während des Umlaufes
immer wieder neu bildenden parallelen Verengungen zwischen den scharfkantigen Schaufeln
eine Entladung erfolgen. Eine dissoziierende oder ionisierende Entladung wirkt auf
das Gasgemisch selektiv ein, indem sie die molekular am wenigsten stark gebundene
Gaskomponente elektrisch in seine Bestandteile aufspaltet.
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So soll z. B. die Aufspaltung der atmosphärischen Luft, die zu jeweils
21 und 78Volumprozent aus spezifisch schwererem Sauerstoff und leichterem
Stickstoff
besteht, ausschließlich das O2-Molekül treffen. Es zerfällt in atomaren Sauerstoff,
der im sogenannten Dreierstoß das noch schwerere Ozongast3 bildet. Dieser Vorgang
ist auf viele Gasgemische anwendbar und ermöglicht ohne kostspielige Veränderung
des normalen Aggregatzustandes eine selektive Separation nach dem spezifischen Gewicht
der ursprünglichen (°2) oder der neugebildeten Gase (03).
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der Stickstoff der atmosphärischen
Luft ausgeschieden werden. Damit ist es möglich, alle eingeleiteten Oxydationsprozesse,
ob bei hoher oder niederer Temperatur verlaufend, wesentlich zu aktivieren. Die
Befreiung vom Stickstoffballast ermöglicht es, ein reaktionsfreudiges Gemisch von
02 und °s im status nascendi zu erzeugen.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in der Zeichnung schematisch und beispielsweise erläutert.
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Die Trennvorrichtung besteht aus der zylindrischen, aus ozonfestem
Aluminium geformten Schleudertrommel, deren Außengehäuse 1 von der hohlen Trommelwelle
2 angetrieben wird. Diese doppelt gelagerte Welle trägt zwei Schleifringe 3 zur
Versorgung der Feldpole 4 eines Hochfrequenz-Synchrongenerators. Seine Kühlungsluft
wird über die hohle Trommelwelle 2 abgeführt. Die Spannung von etwa 13 kV bei 1200
Hz der kurzschlußfesten Drehstrommaschinen und damit ihre Leistung kann über die
Erregermaschine 6 eingestellt werden.
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Die Außengehäuse der Schleudertrommel und der Synchronmaschine laufen
z. B. mit 400 Ulmin um und sind an einem der Reifenringe 7 mit dem Erdpotential
verbunden. Das stationäre Gasfallrohr 8, das z.B. aus mit Kunstharz getränktem Glasfasergewebe
bestehen kann und eine große Festigkeit aufweist, trägt unten auf drei Kreisebenen
je einen radialen Schaufelkranz 9 und einen Maschinenanker 5. Die Schaufeln sind
mit einem Tragflügelquerschnitt aus Aluminium stranggepreßt. Sie weisen eine vorwärts
gekrümmte Kommaform auf. Die Ausführung als Gleichdruckgebläse vermeidet Stoßverluste
zwischen den Stufen und so den vorzeitigen Zerfall des wertvollen Ozonanteils durch
die Steigerung von Druck und Wärme.
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Die Schaufelkränze sowohl vom feststehenden als auch vom rotierenden
Teil sind so weitwinklig bestückt, daß sich ersterer vom Maschinenanker 5 lösen
und zwischen den Schaufeln des Außengehäuses 1 herausheben läßt. Dessen Schaufeln
sind in Felgenreifen so eingespannt, daß sie die geringe Kraftübertragung elastisch
schwingend ungedämpft durch eine Spitzenbandage übernehmen können. Die ruhenden
Schaufeln sind über sorgfältig isolierte Nabenreifen aus Aluminium mit den Hochspannungswindungen
des eingebauten Maschinenankers 5 verbunden.
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Das das Gasgemisch einführende Fallrohr 8 trägt, vertikal verstellbar
und gleitend, eine geschlossene Ringhaube 11 aus Aluminiumblech. Diese taucht mit
ihrem Ringmund 12 in die Schleudertrommel 1 ein, um die spezifisch schwereren ionisierten
Bestandteile des Mischgases abzuführen. So wird z. B. der überwiegende und leichtere
Stickstoffanteil in der oberhalb des Schaufelkranzes 9 rotierenden Luftsäule von
dem schwereren O3+O2-Gemisch ringförmig an der Ringhaube vorbei aufwärts gedrängt.
Über ein einstellbares
Regelventil 13 kann angereichertes O3 +
O2 Gemisch abgezogen werden.