DE1217341B

DE1217341B - Multi-stage device for separating gases by gas diffusion

Info

Publication number: DE1217341B
Application number: DEC16777A
Authority: DE
Inventors: Paul Arribat; Olegh Bilous
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1957-05-04
Filing date: 1958-05-05
Publication date: 1966-05-26
Also published as: NL227493A; NL108004C; FR1178482A; BE567160A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

BOIdBOId

Deutsche Kl.: 12 e - 3/04German class: 12 e - 3/04

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:Number:
File number:
Registration date:
Display day:

1217341
C16777IVc/12e
5. Mai 1958
26. Mai 19661217341
C16777IVc / 12e
May 5th 1958
May 26, 1966

Vorrichtungen zur Trennung von Gasen wenig unterschiedlichen Molekulargewichts durch Gasdiffusion bestehen aus einzelnen Elementen, in die eine poröse Wand eingebaut ist. Der mittlere Porenhalbmesser einer solchen Wand ist dabei klein gegenüber der mit der Temperatur und dem Druck veränderlichen mittleren freien Weglänge der Moleküle der Gase. Durch die Stöße der Moleküle gegen die Wände der Poren gehen daher die leichteren Moleküle in größerer Zahl durch die poröse Wand als die schwereren.Devices for the separation of gases of little different molecular weight by gas diffusion consist of individual elements in which a porous wall is built. The mean pore radius such a wall is small compared to that which changes with temperature and pressure mean free path of the molecules of the gases. By the collisions of the molecules against the The walls of the pores therefore pass through the porous wall in greater numbers than the lighter molecules the heavier ones.

Es ist bekannt, zur Erzielung einer weitgehenden Trennung von Gasbestandteilen derartige Elemente in Stufen hintereinanderzuschalten. Man hat auch schon jede Stufe einer solchen Kaskade in mehrere Teile unterteilt und dabei für die Weiterleitung des in dem betreffenden Teil an dem leichteren Gasbestandteil verarmten Gasstroms einerseits und des in dem gleichen Teil an dem leichteren Gasbestandteil angereicherten Gasstroms andererseits in andere Teile und Stufen der gleichen Kaskade bestimmte Anordnungen getroffen. So ist bereits ein Apparat zur Trennung Wasserstoff enthaltender Gasgemische bekannt, wobei die Stufen unterteilt und die Eingänge und Ausgänge der einzelnen Teile unter Einschaltung von Zwischenverdichtern so geschaltet sind, daß der an seinem leichteren Bestandteil in dem ersten Teil einer Stufe angereicherte Teil des Gases zur Speisung der nächsten Stufe dient, während der an diesem Bestandteil in irgendeinem Teil dieser Stufe verarmte Teil des Gases dem jeweils nachfolgenden Teil dieser Stufe zugeleitet wird. Man hat dabei auch schon den an dem leichteren Bestandteil im zweiten Teil der Stufe angereicherten Teil des Gases zur Speisung des ersten Teils der gleichen Stufe benutzt, während der an dem leichteren Bestandteil verarmte den letzten Teil der Stufe verlassenden Teil des Gases zur Speisung des ersten Teils einer vorhergehenden Stufe diente. Eine solche Kaskadenanordnung und Schaltung der Teile der Stufen gestattet, die Gesamtzahl der Stufen und die Größe der wieder in den Kreislauf einzuführenden Mengen an nicht diffundiertem Gas zu verringern.It is known to achieve an extensive separation of gas components such elements to be switched one after the other in stages. You already have each stage of such a cascade in several Parts divided and thereby for the forwarding of the part in question to the lighter gas component depleted gas flow on the one hand and that in the same part on the lighter gas component enriched gas flow, on the other hand, into other parts and stages of the same cascade Orders made. Such is an apparatus for separating gas mixtures containing hydrogen known, whereby the stages are divided and the inputs and outputs of the individual parts are switched on of intermediate compressors are connected so that the lighter component in the first part of a stage enriched part of the gas is used to feed the next stage, during the part of the gas depleted of this constituent in any part of this stage in the subsequent one Part of this stage is fed. You already have that on the lighter component in the second part of the stage enriched part of the gas for feeding the first part of the same Stage used, while the one impoverished in the lighter component leaves the last part of the stage Part of the gas was used to feed the first part of a previous stage. Such a cascade arrangement and switching the parts of the stages allows the total number of stages and the size to reduce the amount of undiffused gas to be reintroduced into the circuit.

Es wurde gefunden, daß der apparative Aufbau einer solchen Stufe zur Trennung von Gasen mit wenig unterschiedlichen Molekulargewichten durch Gasdiffusion klein gehalten und die für den Betrieb einer solchen Schaltung erforderliche Verdichtungsarbeit des Gases gegenüber bekannten Anordnungen noch weiter verringert werden kann, wenn dafür gesorgt wird, daß bei der Rückführung und Weiterleitung der einzelnen Gasströme immer nur solche Mehrstufige Vorrichtung zur Trennung von Gasen durch GasdiffusionIt has been found that the apparatus structure of such a stage for the separation of gases with little different molecular weights kept small by gas diffusion and required for operation such a circuit required compression work of the gas compared to known arrangements Can be reduced even further if care is taken in return and forwarding of the individual gas flows always only such a multi-stage device for separating gases by gas diffusion

Anmelder:Applicant:

Commissariat ä !'Energie Atomique, ParisCommissariat ä! 'Energie Atomique, Paris

Vertreter:Representative:

Dr. phil. W. P. Radt,Patentanwalt,Dr. phil. W. P. Radt, patent attorney,

Bochum, Heinrich-König-Str. 12Bochum, Heinrich-König-Str. 12th

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Paul Arribat, Paris;Paul Arribat, Paris;

Olegh Bilous, Boulogne-sur-Seine (Frankreich)Olegh Bilous, Boulogne-sur-Seine (France)

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 4. Mai 1957Claimed priority:
France 4 May 1957

zusammengeführt werden, deren Anreicherung bzw. Verarmung an den voneinander zu trennenden Bestandteilen nach Möglichkeit den gleichen Wert haben.are brought together, their enrichment or depletion in the components to be separated from each other have the same value if possible.

Dies gelingt bei einer mehrstufigen Vorrichtung zur Trennung von Gasen mit wenig unterschiedlichen Molekulargewichten durch Diffusion in i Stufen, wobei die Stufen in ρ voneinander getrennte Teile unterteilt sind, der Auslaß für den leichteren Bestandteil aus dem ersten Teil einer Stufe mit dem Einlaß zur nächsten Stufe verbunden ist, der Auslaß für an diesem Bestandteil in irgendeinem Teil dieser Stufe verarmte Teil des Gases mit dem Einlaß des jeweils nächstfolgenden Teils dieser Stufe verbunden ist und der Auslaß für den leichteren Bestandteil im zweiten Teil der Stufe angereicherte Teil des Gases mit dem Einlaß des ersten Teils der gleichen Stufe, der Auslaß für den an dem leichten Bestandteil verarmten, den letzten Abschnitt (mit der Ordnungszahl p) der Stufe verlassende Teil des Gases mit dem Einlaß des ersten Teiles einer vorhergehenden Stufe verbunden ist, erfindungsgemäß dadurch, daß die Gesamtzahl ρ der Teile einer Stufe i größer als 2This is achieved with a multi-stage device for the separation of gases with little different molecular weights by diffusion in i stages, the stages being divided into ρ separate parts, the outlet for the lighter constituent from the first part of a stage connected to the inlet to the next stage the outlet for the portion of the gas depleted in this constituent in any part of this stage is connected to the inlet of the next following part of this stage and the outlet for the lighter constituent portion of the gas enriched in the second part of the stage is connected to the inlet of the first part the same stage, the outlet for the depleted in the light constituent, the last section (with the atomic number p) of the stage leaving part of the gas is connected to the inlet of the first part of a previous stage, according to the invention in that the total number ρ of the parts a level i greater than 2

609 570/471609 570/471

3 43 4

ist und der den Teil h einer Stufe i verlassende, am Für die Weiterleitung der an den leichteren Beleichteren Bestandteil angereicherte- Teil des Gases standteilen angereicherten Gasströme gilt die Bezum Einlaß des ersten Teiles der Stufe i — h + 2 ziehung
geführt und daß die vorhergehende Stufe, in deren i — h + 2,
ersten Teil der aus dem letzten Teil (mit der Ord- 5and the gas streams which leave part h of a stage i and are enriched for the forwarding of the part of the gas which is enriched in the lighter part of the gas, the entry of the first part of stage i - h + 2 drawing applies
and that the previous stage, in which i - h + 2,
first part of the last part (with ordinal 5

nungszaru» der Stufe ζ austretende, am leichteren wie sich durch Rechnung leicht nachweisen läßt:nungszaru »exiting level ζ, the easier way, as can easily be proven by calculation:

Bestandteil verarmte Teil des Gases zugeleitet wird, ■ „ ._, „ _ -< . ο _ ζλ Component depleted part of the gas is fed, ■ "._," _ - <. ο _ ζλ

die Stai&i-p + list. ^53' JjZ₂" 53-2 + 2 = 53the Stai & i-p + list. ^ 53 'JjZ ₂ "53-2 + 2 = 53

Vorteilhaft werden die Teile verschiedener Stufen, / = 53' ä = 3 53 — 3 ' 2 = 52The parts of different stages are advantageous, / = 53 'ä = 3 53 - 3' 2 = 52

deren diffundiertes Gas dem Eingang der gleichen 10 . __ „' _h _ _A ss _ i I ο _ <itheir diffused gas to the entrance of the same 10. __ "' _h _ _A ss _ i I ο _ <i

Stufe zugeführt wird, zu einem Block vereinigt. £ = 53 ä = 5 53 - 5 + 2 = 50Stage is fed, combined into one block. £ = 53 ä = 5 53 - 5 + 2 = 50

In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbei- ' + — UIn the drawings there are two embodiments - '+ - U

spiele der neuen Vorrichtung dargestellt, und zwar Bei der Anordnung nach F i g. 2 ist jede der viergames of the new device shown, namely with the arrangement according to F i g. 2 is each of the four

zeigt ο dargestellten Stufen 60, 61, 62 und 63 in drei Teileshows ο illustrated stages 60, 61, 62 and 63 in three parts

Fig. 1 eine Kaskade von in fünf Teile unterteil- 15 unterteilt. Nur aus den ersten mit α bezeichnetenFig. 1 is a cascade of sub-15 divided into five parts. Only from the first marked with α

ten Diffusorstufen; Teilen gelangt das diffundierte Gas in die nächsteth diffuser stages; Divide the diffused gas into the next

Fig. 2 zeigt eine Kaskade von in je drei Teile Stufe. Der mit b bezeichnete, mittlere Teil ist hierFig. 2 shows a cascade of three parts each stage. The middle part labeled b is here

unterteilten Diffusorstufen; bedeutend größer als der erste Teil α und der drittesubdivided diffuser stages; significantly larger than the first part α and the third

Fig. 3 zeigt die gleiche Kaskade wie Fig. 2, Teile. Die Größe ρ hat also hier den Wert 3. ManFig. 3 shows the same cascade as Fig. 2, parts. So here the quantity ρ has the value 3. Man

wobei die drei Teile, deren diffundiertes Gas ein und 20 erkennt auch hier, daß bezüglich der Weiterleitungwhereby the three parts, whose diffused gas one and 20 recognizes here, too, that with regard to the forwarding

dieselbe Stufe speist, zu einem einzigen Block zu- der am leichteren Bestandteil angereicherten Gasesfeeds the same stage into a single block of gas enriched in the lighter component

sammengefaßt und durch die Anordnung von Trenn- die Beziehung i — h + 2, bezüglich der Weiterleitungsummarized and by the arrangement of separating the relationship i - h + 2, with regard to the forwarding

wänden zu einem Einheitsdiffusor zusammengefaßt des aus dem letzten Teil jeder Stufe kommenden, amwalls combined to form a unit diffuser of the one coming from the last part of each stage, am

sind. leichteren Bestandteil verarmten Gas die Beziehungare. lighter constituent impoverished gas the relationship

In Fig. 1 sind mit i = 49 bis i = 54 sechs auf- 25 i — p + 1 gilt.In Fig. 1, with i = 49 to i = 54, there are six to 25 i - p + 1 .

einanderfolgende Stufen einer Kaskade dargestellt. Eine Besonderheit der Anordnung nach F i g. 2successive stages of a cascade shown. A special feature of the arrangement according to FIG. 2

Jede Stufe hat fünf Teile mit den Ordnungszahlen liegt darin, daß die jeweils zweiten Teile jeder StufeEach level has five parts with the ordinal numbers being the second part of each level

h = 1 bis h — 5. Bei jedem als Rechteck dargestell- 60b, 61b, 62b, 63 & größer sind als die jeweils h = 1 to h - 5. Each represented as a rectangle - 60b, 61b, 62b, 63 & are larger than each

ten Element oder Teil bedeutet die waagerechte, ersten und dritten Teile, d. h., daß die Fläche derth element or part means the horizontal, first and third parts, i.e. i.e. that the area of the

gestrichelte Linie die poröse Wand; die schraffierte 30 porösen Wand größer ist. Dies hat sich als vorteil-dashed line the porous wall; the hatched porous wall is larger. This has proven to be an advantage

Fläche stellt den Raum dar, dem das Gasgemisch hafte Maßnahme erwiesen, um dem wesentlichenArea represents the space to which the gas mixture has been shown to measure the essential

unter Druck zugeführt wird, die nicht schraffierte Ziel der Erfindung möglichst nahe zu kommen, füris supplied under pressure to come as close as possible to the non-hatched aim of the invention, for

Fläche den Raum, aus dem der an dem angereicher- die weitere Verarbeitung nur Gasströme miteinanderArea the space from which the enriched- the further processing only gas flows with each other

ten Bestandteil erweiterte Gasstrom abgezogen wird. zu vereinigen, bei denen die Verarmung bzw. dieth component expanded gas flow is withdrawn. to unite, in which the impoverishment or the

Die den Werten h = 1 bis h = 5 entsprechenden 35 Anreicherung an den voneinander zu trennenden Teile der Stufe i = 53 sind mit 101, 102, 103, 104 Bestandteilen möglichst den gleichen Wert hat.
und 105 bezeichnet. Der Strömungskreis der aus den Durch die dargestellte Kaskadenschaltung, bei der Teilen 101 bis 105 der Stufe i = 53 kommenden jede der Stufen mehr als zwei Teile hat, und durch Gase ist zur Verdeutlichung des Strömungskreises die Anwendung der Regeln für die Weiterleitung der der Gase einer gegebenen Stufe voll ausgezogen dar- 40 aus den einzelnen Teilen kommenden, an dem leichgestellt; die anderen Strömungskreise der anderen teren Bestandteil angereicherten bzw. verarmten Stufen sind gestrichelt gezeichnet. Zur Vereinfachung Gasströme tritt, wie die Erfahrung gezeigt hat, eine der Zeichnung sind die weiteren Elemente der Schal- nicht ohne weiteres voraussehbare erhebliche Eintung, nämlich die Verdichter, Wärmeaustauscher, sparung an der Zahl der Stufen, die zum Aufbau Ventile und Vorrichtungen zur Wiederverdichtung 45 einer Kaskade, mit der ein bestimmter Trenneffekt nicht dargestellt. Auf diese Weise dürfte das Prinzip erreicht wird, auf. Auch ist die nicht diffundierte der Rückführung des Difiusionsgases in die Teile zurückgeführte Menge bedeutend kleiner. Ein besonder gleichen und vorhergehenden Stufen besonders deres Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Trendeutlich werden. nung der Isotope 235 und 238 des Urans durch Dif-The enrichment corresponding to the values h = 1 to h = 5 on the parts of stage i = 53 to be separated from one another have the same value as possible with 101, 102, 103, 104 components.
and denoted 105. The flow circuit of the through the illustrated cascade circuit, in which parts 101 to 105 of the stage i = 53, each of the stages has more than two parts, and through gases, the application of the rules for the forwarding of the gases is to clarify the flow circuit given step fully drawn out from the individual parts, at which lighted; the other flow circuits of the other teren component enriched or depleted stages are shown in dashed lines. To simplify gas flows, as experience has shown, one of the drawings is the other elements of the circuit - not readily foreseeable considerable consideration, namely the compressors, heat exchangers, saving in the number of stages that are used to build valves and devices for recompression 45 a cascade with which a certain separation effect is not shown. In this way the principle is likely to be achieved. The amount that has not been diffused and that is returned to the parts by the return of the diffusion gas is also significantly smaller. A particularly identical and preceding stage, especially its field of application of the invention, is the trend that becomes clear. of the isotopes 235 and 238 of uranium due to

Das an leichteren Bestandteilen verarmte Gas, 50 fusion des gasförmigen Uranhexafluorids. Es wirdThe gas depleted in lighter components, 50 fusion of the gaseous uranium hexafluoride. It will

das den Teil 101 verläßt, gelangt in den Teil 102; dabei an apparativem Aufbau, vor allem aber anleaving part 101 enters part 102; at the same time in terms of the apparatus structure, but above all in terms of equipment

das an leichteren Bestandteilen verarmte Gas aus Verdichtungsarbeit für das Gas gespart. Da der dem Teil 102 gelangt in den Teil 103; das hier ver- Widerstand der porösen Wände recht erheblich ist,the gas, which is depleted in lighter components, is saved from compression work for the gas. Since the part 102 enters the part 103; that the resistance of the porous walls is quite considerable here,

armte Gas in den Teil 104 und das in diesem ver- müssen beträchtliche Drücke aufgewendet werden,poor gas in the part 104 and the considerable pressures must be used in this,

armte Gas in den letzten Teil 105, 55 um zu praktisch brauchbaren Leistungen zu kom-poor gas in the last part 105, 55 in order to achieve practically usable services

Das am leichteren Bestandteil angereicherte Gas, men; das- bedeutet, daß hohe Verdichterleisrungen inThe gas enriched in the lighter component, men; that means that high compressor outputs in

das den Teil 101 verlaßt, gelangt in den ersten Teil Frage kommen, die für die Wirtschaftlichkeit einerthat leaves the part 101 , comes to the first part, the question of the profitability of a

Qi = 1) der nächstfolgenden Stufe 54. Das am leich- Anlage von ausschlaggebender Bedeutung sein Qi = 1) of the next following level 54. That am leich-plant can be of decisive importance

teren Bestandteil angereicherte Gas aus dem Teil können.tere component can be enriched gas from the part.

102 gelangt in den ersten Teil der Stufe 53. Aus den 60 Es ist nun vorteilhaft, die Teile mit der Kennziffer Teilen 103, 104 und 105 gelangt das an dem leichte- h = 2, h — 3 usw. verschiedener Stufen, aus denen ren Bestandteil angereicherte Gas in den ersten Teil das diffundierte Gas dem gleichen ersten Teil (mit der Stufen 52 bzw. 51 bzw. 50. Das am leichteren der Kennziffer h — l) zugeführt wird, mit diesem 102 goes to the first part of stage 53. From the 60 it is now advantageous to move the parts with the code number parts 103, 104 and 105 to the easy - h = 2, h - 3 etc. of different stages from which ren Component enriched gas in the first part, the diffused gas is fed to the same first part (with the steps 52 or 51 or 50. The easiest one is the code number h - l) , with this

Bestandteil verarmte Gas aus dem Teil 105 gelangt Teil zu einem einzigen Block zu vereinigen. EineConstituent depleted gas from part 105 passes part to unite into a single block. One

in den ersten Teil der Stufe 49, 55 solche Vereinigung zu Blöcken, und zwar bezogenin the first part of stage 49, 55 such association to blocks, namely related

Bezüglich des letztgenannten Gasstromes gilt also auf die Anordnung nach Fig. 2, ist in Fig. 3With regard to the last-mentioned gas flow, the following applies to the arrangement according to FIG. 2, in FIG. 3

die Beziehung schematisch dargestellt Es werden dabei immer die-the relationship is shown schematically.

i — ρ + 1 = 53 — 5 + 1 = 49. jenigen Teile aus verschiedenen Stufen der F i g. 2 i - ρ + 1 = 53 - 5 + 1 = 49. those parts from different levels of FIG. 2

zu einem Block vereinigt, die auf der gleichen, von rechts oben nach links unten verlaufenden Diagonale der F i g. 2 liegen, d. h. beispielsweise die Teile 63 c, b und 61a, ferner die Teile 62 c, 61b und 60 a. Eine solche Zusammenfassung zu Blöcken vereinfacht den Aufbau der gesamten Anlage.combined into a block, which are on the same diagonal of FIG. 1 running from top right to bottom left. 2, that is, for example, parts 63 c, b and 61a, and also parts 62 c, 61b and 60 a. Such a grouping into blocks simplifies the structure of the entire system.

Claims

Claim:

Multi-stage device for the separation of gases with little different molecular weights by diffusion in i stages, the stages being divided into ρ separate parts, the outlet for the lighter component from the first part of a stage is connected to the inlet to the next stage, the outlet for part of the gas depleted in this constituent in any part of this stage is connected to the inlet of the next following part of this stage and the outlet for the lighter constituent in the second part of the stage is connected to the inlet of the first part of the same stage, the outlet for the portion of the gas which is depleted of the light component and which leaves the last section (with atomic number p) of the stage is connected to the inlet of the first part of a preceding stage, characterized in that the total number (p) of the parts of a stage (?) is greater than 2 and the one leaving the part h of a stage i is easier n constituent enriched part of the gas led to the inlet of the first part of stage? - h + 2 , and that the previous stage, in the first part of which exiting from the last part (with atomic number p) of stage i , depleted the lighter constituent Part of the gas is fed, the stage i-p + 1 is.

Considered publications:

German patent specifications No. 17 981, 192034,
295463, 434,981;

British Patent No. 291576;

U.S. Patent Nos. 2540 151, 2540152;

Kirk-Othmer, Vol. 5, pp. 85-87 and 126/127;

Chem. Engineering Process (1951), Vol. 47, No.

2, p. 54, Fig. 2, and Vol. 47, No.

3, p. 111, Fig. 8.

A priority document was displayed when the registration was announced.

1 sheet of drawings