DE2017311B2

DE2017311B2 - Zentrifuge zum Trennen von Fluidgemischen und dazugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE2017311B2
Application number: DE2017311A
Authority: DE
Inventors: Osamu Hashimoto; Takuya Iwai; Kenjiro Mito Shioya; Kiyoshi Tamai; Hiromi Tsuno
Original assignee: DORYOKURO KAKUNENRYO KAIHATSU JIGYODAN TOKIO
Current assignee: DORYOKURO KAKUNENRYO KAIHATSU JIGYODAN TOKIO
Priority date: 1969-04-10
Filing date: 1970-04-10
Publication date: 1974-10-03
Also published as: NL7002833A; DE2017311A1; DE2017311C3; US3915673A; NL165076B; NL165076C; GB1302044A; FR2043081A5

Description

60

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zentrifuge zum Trennen von Fluidgemischen in eine leichte Fraktion und in eine schwere Fraktion mit einem ortsfesten Gehäuse, einer darin umlaufenden ersten zylindrischen Schleudertrommel, einer Zuführleitung für das zu trennende Gemisch und Abführleitungen für die getrennten leichten und schweren Fraktionen sowie einem innerhalb der ersten zylindrischen Schleudertrommel angeordneten weiteren Drehkörper, der mit größerer Drehzahl als die erste zylindrische Schleudertrommel umläuft. , . .

In herkömmlichen Zentrifugen ist ein einziger Hoblrotor angebracht, der sich mit hober Drehzahl in einem ortsfesten Gehäuse dreht. In den Rotor wird ein Gemisch eingebracht und dort separiert, wenn das Gemisch einer Rotationsströraung unterliegt, die im wesentlichen die gleiche Winkelgeschwindigkeit hat wie der Rotor. Um eine möglichst jroße Zentrifugierwirkung zu erzielen, soll die Umfangsgeschwindigkeit des einzigen Hohlrotors so hoch wie möglich gemacht werden. Die Umfangsgeschwindigkeit ist jedoch durch die mechanische Festigkeit des Materials, aus dem der Rotor hergestellt ist, begrenzt. Außerdem wird auf das Gemisch in der Nähe der Rotorachse nur eine kleine Zentrifugalkraft ausgeübt, so daß die Separierung in der Nähe der Rotonnittel äußerst gering ist.

Beim Separieren von gasformigen Isotopengemischen hat man versucht, den Trennfaktor zu erhöhen, indem man Strahlungswärme verwendet, um einen Temperaturgradienten in dem Gasgemisch in axialer und radialer Richtung zu erzeugen und dadurch einen torusförmigen Gaswirbel zu erzeugen, der quer zur Rotation der Trommel gerichtet ist. Aus der Praxis hat sich jedoch .ergeben, daß das Trennvermögen bzw. die Trennleistung viel bedeutender ist als der Trennfaktor.

Durch die deutsche Auslegeschrift 1 136 943 ist ferner eine Gaszentrifuge bekannt, bei der im Innern der ersten Schleudertrommel ein weiterer Drehkörper angeordnet ist, der mit größerer Drehzahl als die erste zylindrische Schleudertrommel umläuft. Der Drehkörper erstreckt sich nicht zylindrisch über die ganze axiale Länge der Schleudertrommel, so daß der periphere Druck des in der Schleudertrommel befindlichen Mediums beeinflußt und eine ähnliche Wirkung erzielt wird wie durch einen Temperaiurgradienten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gaszentrifuge zu schaffen, die eine wesentlich bessere Leistung als herkömmliche Zentrifugen hat.

Diese Aufgabe wird mit einer Gaszentrifuge der eingangs genannten Art mit einem innerhalb der ersten zylindrischen Schleudertrommel angeordneten weiteren Drehkörper gelöst, der mit größerer Drehzahl als die erste zylindrische Schleudertrommel umläuft und der erfindungsgemäß zylindrische Seitenwände aufweist, die sich über die gesamte Länge der ersten zylindrischen Schleudertrommel erstrecken. Dadurch wird das zu separierende Fluidgemisch auch von der Mitte her über die ganze Länge der Schleudertrommel in Rotation versetzt.

Es ist zwar durch die französische Patentschrift 1 507 066 ein als Zentrifuge bezeichnetes Gerät bekanntgeworden, bei dem sich mehrere ineinander liegende zylindrische Rotoren gegenläufig drehen und bei dem die inneren Rotoren mit jeweils größerer Drehzahl getrieben werden als die außenliegenden. Dieses Gerät dient zur Untersuchung von Strahlungspartikeln in einem sich drehenden Gravitationsfeld, wobei Abweichungen von der Stahlenbahn untersucht weiden sollen, die nach der Einsleinschen Relativitätstheorie zu erwarten sind. Das bekannte Gerät arbeitet im Vakuum und der Stahleneintritt erfolgt durch ein luftdichtes, jedoch strahlendurchlässiges Fenster.

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Durchdringendere Strahlen könnten auch durch die Wände des Geräts eindringen und zur Verhinderung unerwünschter Strahlung im Gerät wird dieses bekannte Gerät mit einem Bleimantel versehen. Die Aufzeichnung der Strahlenverläufe der durch das Fenster oder durch die Wände eindringenden Strahlen erfolgt auf finem Fotopapier, das im Inneren des Gerätes angebracht ist. Dieses bekannte Gerät ist schon von der Aufgabe her grundsätzlich von der Ultrazentrifuge gemäß der vorliegenden Erfindung verschieden, und iq allein der Betrieb des bekannten Gerätes im Vakuum zeigt, daß es für eine Trennung von Substanzgemiscben weder gedacht noch brauchbar ist

Um klar zu stellen, auf welchen Prinzipien die Erfindung basiert und wie stark die Brennleistung da- durch erhöht wird, wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 der Zeichnungen die nachstehende theoretische Analyse gegeben. In dieser Analyse wird die Separierung eines Gasgemisches als Beispiel verwendet. ZO

F i g. 1 und 2 sind Diagramme, welche den Zunahmefaktor L des Trennfaktors bzw. den Multiplikatiüiisfaktor E der Trennleistung für verschiedene Werte des Verhältnisses y der Geschwindigkeit des Innenrotors zu der des Außenrotors und des Verhältnisses <\ des Radius des Innenrotors zu dem des Außenrotors zeigen. Die Diagramme beziehen sich auf ein Gemisch, das in einem Zwischenraum separiert wird, der zwischen einem konzentrischen Innen- und Außenrotor gebildet ist, die sich mit hoher Drehzahl drehen. 3,0

Für eine stationäre laminare Strömung symmetrisch um die Achse des Innen- und Außenrotors gilt: Die Geschwindigkeitskomponente in Radialrichtung V,.ist gleich der Ge;chwindtgkeitskomponen.te in Axialrichtung V₁ und ist null. Der Druck P ändert eich nur in Radialrichtung.

V_r = V, = 0,

= 0.

Für den Innenrotor mit der Länge Z und dem Radius r = R₁ lautet die Gescbwindigkeitskomponente in Tangentialrichtung

V_H = V(r) = V_x =

Für den Außenrotor mit der Länge Z und dem Radius r = R₂ lautet die Geschwindigkeitskomponente in Tangentialrichtung

V_H = V ir) = V₂ = (J₁ γ und // sind definiert dm .ä

υ = VJV₂

η = R₁ /K₂ .

Die Bewegungsgleichung für ein kompressibles viskoses Fluid zwischen zwei konzentrischen Rotoren lautet in Zylinderkoordinaten:

r-Komponente

(H

ti

dz

~dr

1 ^T-

«-Komponente

(dV_e ^Q \ΎΓ ^r

dr

OVa

1 δΡ

.lzl*_ + _K

er dz

Z-Komponente

fdv_z δκ

⁰ \-JT~ ^{+ K} ~δΓ

r δβ

ΎΓ

δΡ γ ι δ ~δ7 - 7 -Ir ^(r ■ '·»»

δM dz Y

wobei gilt:

= ^τζβ =

- ''L dz

1 a κ,-ι

r de]

(13)

(H)

I4S- (15)

Dabei stehen ρ für die Dichte und» für die Zähigkeit. Einzelheiten sind dem Buch von R. B. Bird, W.E.Stewart, E. N. K i g h t f ο ο t. »Transport Phenomena« (1960), S. 71 bis 91, John Wiley& Sons, zu entnehmen.
Aus den Gleichungen (I) und (7) erhält man

d dr

(r²

Setzt man für die Integrationskonstante C. so erhält man

Aus den Gleichungen	aufgelöst nach	*V(r) =*	(D	und	(12)	I	*Br.*	ergibt	sich
d / V(r	)\			r
*dr \ r*	/			**r '***

A Γ	- +

Wenn sich einer der Rotoren bezüglich des anderen Rotors in entgegengesetzter Richtung dreht, muß das Vorzeichen von γ umgekehrt werden. Bei umgekehrtem Vorzeichen von γ gibt es eine Geschwindigkeitsumkehrstelle, wo V(r) = 0 und die durch

30

35

A =

B =

55

(1 -

Die Gleichung für die Geschwindigkeitsverteilung eines Gases zwischen dem Innen- und Außenrotor lautet deshalb:

■V3

+ Φι

bestimmt ist.

Die Rotationsgeschwindigkeit V_s[r) eines Gases in

einer herkömmlichen Zentrifuge, bei der sich ein einziger Hohlrotor mit dem Radius R₂ ^mi' einer Umfangsgeschwindigkeit von V₂ = Ll₂R₂ dreht, lautet:

Für das Verhältnis von V{r) zu VJr) ergibt sich

Daraus folgt, daß bei der vorliegenden Gaszentri fuge mit zwei konzentrischen Rotoren eine Rotations strömung zu erwarten ist, die größer ist als die, die ir einer herkömmlichen Zentrifuge mit. nur einem einzi gen Hohlrotor erzielt wird, wobei das Verhältnis de beiden Anordnungen zueinander durch den in de obigen Gleichung rechts vom Gleichheitszeichen ste henden Ausdruck gegeben ist.

Aus den Gleichungen (1) und (6) erhält man

6c V (rf

— ο

dP_ dr

-_vj) J 1

Setzt man den Wert von V(r), den man au Gleichung (15) erhält, und die Zustandsgieichung fü das ideale Gas ο = MP/R'T in die obige Gleichun (16) ein. wobei ,Vf das Molekulargewicht. R' die Gaskor

017

stantc und T die absolute Temperatur sind, so erhalt man

άΡ _ MV\ Γ (r - 'if 'I¹K²I P ~ RT

(18)

Γ Γ (;- -ζ)²-/«²

J Ld- ίΎ?

p
^ln TT -

(I - V'/)² _ΙΟ2 In

(18'

Aus den Gleichungen (18) und (18') ergibt sich das Verhältnis des Drucks P₁ an der äußeren Oberfläche des Innenrotors zum Druck P₂ an der Innenoberfläche des Außenrotors zu

^ln T ⁼ 2RT L~r-7" ⁺ Ti^7)^r d - yif

- </² J¹

(19)

Bei einer herkömmlichen Zentrifuge mit einem Hohlrotor, der sich mit der Geschwindigkeit V₂ dreht, kann für das Verhältnis des Druckes P₁₁. an der Wand des Rotors zum Druck P_cinder Mitte des Rotors geschrieben werden:

K _ MVl P_c ™ 2KT-

Damit erhält man

Γη

'²)² (1 - Vi)¹

\us Gleichun" ("01 ist zu ersehen, daß das Druckverhältnis in dem Zwischenraum zwischen zwei Rotoren im Vergleich zu dem Druckverhältnis in einer herkömmlichen Zentrifuge groß ist.

Wenn eine Gasmischun« aus zwei Komponenten ί und i in einer Zentrifuge mil einem einzigen Hohlrotor separiert bzw. entmischt wird, so ist der Gleichgewichtstrennfaktor η „ definiert als das Verhältnis zwischen dem Anhäufunes- bzw. Mengenverhältnis^ dcr ^wünschten Gaskomponente i in der Mitte des Rotors bezogen auf die andere Gaskomponente; und dem Haufkkeits- bzw. Mengenverhältnis W der gewünschten Gaskomponente i an dem Wandteil des Rotors bezogen auf die andere Gaskomponente /. Für ein lias mit /wci Komponenten von verschiedenem MolekuIar-iewichlWj- und M₁. wobei Mj > M, ist, gilt die folgende Gleichung, wobei die Umfangsgeschwindigkeit des einzigen Rotors V₂ ist:

= ex ρ

2RT

(21) Der Gleichgcwichtstrennfaktor r_lD0 einer Gaszentrifuge, in der ein Gasgemisch aus zwei Komponenten ι und j durch zwei konzentrische Rotoren sepanert bzw. entmischt wird wird als Verhältnis zwischen dem Anhaufungsverhaltnis W, der gewünschten Gaskomponente i nahe der äußeren Oberfläche des Innenrotors bezogen auf die andere Gaskomponente; und dem Anhaufungsverhaltnis W₂ der gewünschten Gaskomponente, die nahe der Innenoberfläche des Außenrotors vorliegt, bezogen auf die andere Gaskompo· nente angesetzt.

60 W,

= In

ir

Pa

409540/14«

Aus Gleichung (19) erhält man

[M₁ - M₁) 2 R-T

123)

Somit gilt

^L - ■ ι _ ,ι + ^r-

Zunahmefaktor des Trenn-

1I\«UI O.

Die Beziehung zwischen den beiden Gleichgewichtstrennfaktoren U₀₀ und H₁₁₀ kann deshalb geschrieben werden:

«do = '4 · (24)

Die Abhängigkeit von L von der Änderung von ;■ und (/ ist in Fig. I gezeigt. Aus dem Diagramm sieht wan, daß der erzielbare Gleichgewichtstrennfaktor um so größer wird, je größer der Wert von γ und/oder je kleiner der Wert von I₁ wird.

Das Trennvermögen bzw. die Trennleistung ti U wird als Parameter zur Abschätzung der Leistung einschließlich des Entmischungsgrades und der Behandlungskapazität der verschiedenen Zentrifugen verwendet. Einzelheiten sind der Literaturstelle »The Theory of Isotope Separation as Applied to the Large-Scale Production of U^23S« von Karl Cohen (1951), McGraw-Hill-Vcrlag, zu entnehmen. In dem Buch ist als ein Standardmodell für die Separierung bzw. Entmischen angeführt, daß, wenn G Mole eines Gemisches, das τ Mole des gewünschten Materials enthält, durch Separieren von einem unteren Reservoir.

In

ⁱⁿ dem sich M Mole eines Gemisches befinden, in ^{dem der} Molbruchteil des gewünschten Materials N beträgt, in ein oberes Reservoir übe gerührt werfen ^{in dem sich} M' Mole eines Gemisch« beiderJ in dem das gewünschte Material NJ (>#,-) beträgt, die Trcnnleistung <) U wie folgt ausgedrückt werden kann:

25

35 i_T -

£ i ° ^" 9^1eic.^hun

^NCU°^{mCnge a}" S^ewunschten1

/V₁^(I - /V,)²

(25)

Dabei ist
de ί iewü schtei

gefördertemMΑ
. Wpnn nun Hn n'ic'™«,; κ -^

undjI da, zwi chat dint T Γ°' Komponenten , SVormiaalsS Rotoren vorhanden .st.

TemoeS^ roS r Strom mit einer konstanten V -^ - η hol S Γ"" ^d'^C

stromdichte des _eewün°, h?

In dieser Gleichung bedeutet _Dic Nettomenge an gewünschtem Material, die in

ii den normalen Einheitsvektor der Fläche rfs. ^^oiumenelcmcntrf.^ befördert wird, beträgt

«, die Teilchendichtc des gewünschten Materials

NA dieAvogadro-Zahl. JlJLV^vm ji)NA]N.) l

rf ,. .„ R'T\ ^N' TT VInPr₀"\dsdh.

V₁ die DifTusionsgeschwindigkeit des gewünschten p. J

Materials, D.ese Gleichung entspricht (_T - NG) in der Glei-

D den Diffusionskoeffizienten, cnung (25), so daß die Trennleislung (Λ U) der in

ro den radialen Einheitsvektor. ⁵⁵ auTSlÄiSÄ^¹¹²"¹¹^¹*·^{1 RolOren sich}

_ ν _N _ (W,- - Af₁-) N₁ (I - JV,)

_Ί
^In ^{P r}ö äs

dh V N₁

⁽²⁶⁾

Aus der Gleichung (18) setzt man den Ausdruck

VInP =

( dr \ P

in die Gleichung (26) ein.

11 12

Man erhält

VIn/ = _R,_T j _(I _ _/2)2/J + 2 .---- ^_{2 r}- + ₍₁ _ _t,_fR, J

(1 - ruf

Wenn V In P gemäß Gleichung (27) in Gleichung (26) eingesetzt wird, ergibt sich

In Gleichung (28), wc» V Λ/,· variabel ist. lauten die Bedingungen, bei denen (Λί7)/, ein Maximalwert wird:

Dann wird

Setzt man nun für die Länge der beiden Rotoren, d. h. für den Innen- und Außenrotor des konzentrischer Doppelrotors, z, wenn die obige Gleichung (29) über den ganzen Zwischenraum zwischen den Rotoren integrierl wird, so erhalt man

_(Ai/__)ee^[Jii^ü1_J.₂._T J [± ₊ ± ₊ K.r]r.drjdh. ,30,

R₁ = ,,R.

Das Integral des ersten Ausdrucks auf der rechten Seite lautet:

'' j

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Das Integral for den zweiten Ausdruck auf der rechten Seite lautet:

Somit ergibt sieb der Maximalwert der theoretischen Trennleistung, die in einer Gaszentrifuge mit zwei k< zentriscben Rotoren erzielt werden kann, durch:

6(y- tf[\ -_y>lY,,²\n ---\.

Der Maximalwert deF theoretischen Trennleistung, die in einer Gaszentrifuge erzieh werden kann, fn der d gleiche Gasgemisch aus zwei Komponenten / und j in einem einzigen Hohlrotor mit der gleichen Umfarii geschwindigkeit V₂ in Drehung versetzt wird, lautet

ι <-_max)s

,PD= 2R'f

Wenn die beiden Trennleistungen unter der Annahme verglichen werden, daß alle Eigenschaften der y mischten Gase und die Temperaturbedingungen in beiden Fällen die gleichen sind, so ergibt sich

+ 6(;· - V)²II -

~E.

Dieser Ausdruck ist identisch mit £. dem Multiplikationsfaktor der Trennleistung.

Das bedeutet, daß man erwarten kann, daü der Maximalwert der theoretischen Trennleistung, die in einer Gaszentrifuge mit zwei konzentrischen Rotoren erzielbar ist. um einen Faktor von E größer ist als die. die in einer Gaszentrifuge erreicht werden kann, in der ein einziger Rotor mit der gleichen Geschwindigkeil wie der Außenrotor rotiert.

F i g. 2 zeigt Werte von £ für verschiedene Werte von -/und ,,. Aus F i g. 2 sieht man. daß der Wert von E groß ist. wenn ,. positiv und ,, etwa ' ₅ beträgt und sich bei einer Änderung von ·· in positiver Richli.ni! stark

Obwohl die oben angeführte Erklärung für eine Zentrifuge mit nur einem einzigen Zwischenraum zwischen dem Innen- und dem Außenrotor gilt, kann die obige Theorie auf eine Zentrifuge ausgedehnt werden. welche zwei oder mehr Zwischenräume hat. die zwischen einer Vielzahl von konzentrischen Rotoren ausgebildet sind. Der Gleichgewichtstrennfaktor it„.„ und die maximale Trennleistung {f>U)_mexm, Tür diesen Fall lauten '

~ ^W

l.2.(l

^X "

l ..1.Cl

i}5)

65 Bei Verwendung der Gleichungen (23) und (321 sin die folgenden Substitutionen erforderlich:

^Als Abwandlung der vorliegenden Erfindung kam ^{der innerste Ro}!^{or d} _r ^er Zentrifuge genau wie ein, herkömmi.che Zentrifuge verwendet werdeiv Dc Glcichgewichtstrennfaklor und die maximale Trenn leistung einer derartigen Zentrifuge werden dadurcl g^{roßer Der} Gleichgewichtstrennfaktor «„„ und di< maximale Trennleistung (AL)₁₁₁₁₁, erhalt mir. gcrnü, ^{den fol}g^cnden Ausdrucken:

„„,„ = u, ,„ χ </,..,.,, .ν... χ n„., „ ,^"r, 1 „.i> ^v ·■ ,,>(/)„,„ = Σ. ML·* ι -ι .*· + " ■ <-™>

Dabei ist der Glcichgewichtstrennfaktor eier Innenseile ilcs innersten Rotors

und die maximale Trennleistung an der Innenseite des innersten Rotors ist

2R¹T

Γ Mj - Af,) Kf
L 2R^rT "

(XVII)

IO

Eine herkömmliche Gaszentrifuge mit einem Rotor von 400 mm Durchmesser aus hochfester Aluminiumlegierung, die Kupfer und Magnesium enthält (Dural) oder aus einem verstärkten Kunststofimaterial, rotiert mit 350 m/s, was die in der Praxis maximal zulässige Umfangsgeschwindigkeit ist Jetzt wird eine Gaszentrifuge mit einem nicht hohlen Innenrotor von 80 mm Durchmesser aus dem gleichen Material wie oben betrachtet, der in einem herkömmlichen Hohlrotor angebracht ist und mit 700 m,s rotiert, was die in der Praxis maximal zulässige Umfangsgeschwindigkeit ist. Bei der erfindungsgemäßen Gaszentrifuge ist ; = 2 und ,, = 0.2, so daß sich aus F i g. 1 L = 6 und aus Fig. 2 £ ■--. 20 ergibt. Das heißt", daß der Irennfaktor der Gaszentrifuge mit Doppelrotor die sechste Potenz des FYktors der herkömmlichen Zentrifuge ist und daß zusätzlich die Trennleistung der errindungsgeinäßen Gaszentrifuge 20mal so groß ist wie die der herkömmlichen, so daß auf diese Weise ein hervorragendes Ergebnis erzielt ist.

Wenn man deshalb ein Material wie Uranhexafluond sepaiieren will, das eine große Anzahl von herkömmlichen Zentrifugen erforderlich machte, so kann die erfindungsgemäße Zentrifuge den Vorgang und die Beibehaltung einer Zentrifugenkaskade vereinfachen. da die Anzahl der parallel angeordneten Zentrifugen und die Anzahl der in Reihen angeordneten Stufen verringert werden.

Bei einem Reihenbetrieb der erfindungsgemäßen Zentrifuge wird ein Fluidgemisch. das in den innersten Zwischenraum eingeführt ist. in eine schwere und eine leichte Fraktion separiert und die schwere Fraktion dann aus der Zentrifuge heraus abgeführt. Nur die leichte Fraktion wird in den nach außen angrenzenden Zwischenraum geleitet und dann die Separierung in eine leichte und eine schwere Fraktion wiederum durchgeführt, wobei sich diese Stufen wiederholen, so daß ein kontinuierlicher Fluidstrom hintereinander von dem innersten Zwischenraum zum äußersten Zwischenraum vorliegt. Bei einem Parallelbetrieb der erfindungsgemäßen Zentrifuge wird das zu separierende Fluidgemisch parallel in jeden der Zwischenräume eingeführt. Das Gemisch in jedem Raum wird durch die Innen- und Außenrotoren, welche jeden Zwischenraum bilden, im Gleichstrom einer Zentrifugalkraft ausgesetzt und in die schwere und leichte Fraktion separiert, wobei diese Fraktionen getrennt abgeführt werden. Die Zentrifuge kann noch auf eine weitere Art betrieben werden, welche eine Kombination des Reihen- und Parallelbetricbs darstellt.

Obwohl bei dem oben beschriebenen Reihenbetrieb der Zentrifuge die schweren Fraktionen, die in jedem Zwischenraum separiert werden, direkt aus der Zentrifuge heraus abgeführt werden, können diese Fraktionen in den Zwischenräumen mit Ausnahme des innersten Zwischenraumes in jeden nach innen zu angrenzenden Zwischenraum eingeführt werden, wo die schwere Fraktion in eine schwere Fraktion und eine leichte Fraktion separiert wird. Diese letzten schwere und leichte Fraktion wird weiterhin in di( nach innen bzw. nach außen benachbart liegender Zwischenräume eingeführt. Auf diese Weise wird automatisch eine Kaskade gebildet und die schwere unc leichte Fraktion von dem innersten bzw. äußerster Zwischenraum separiert. In Abwandlung des Reibenbetriebs kann das Fluidgemisch in einen der Zwischenräume eingeführt werden. Eine der in dem Zwischenraum separierten Fraktionen, beispielsweise die leichte Fraktion, wird in den nach außen angrenzender Zwischenraum geführt, wo sie in eine leichte und ein« schwere Fraktion separiert wird, die wiederum in der nach außen bzw. nach innen benachbarten, d. h. der ursprünglichen, Zwischenraum geführt wird. Die andere der in dem ursprünglichen Zwischenraum separierten Fraktionen, beispielsweise die schwere Fraktion, wird in den nach innen angrenzenden Zwischen raum eingeführt, wo sie in eine leichte und eine schwere Fraktion separiert wird, die wiederum in den nach außen angrenzenden, d. h. den ursprünglichen, bzw den nach innen angrenzenden Zwischenraum eingeführt werden. Auf diese Weise wird die schwere Fraktion in dem innersten Zwischenraum gesammelt unc daraus abgeführt, während die leichte Fraktion in derr äuÜersten Zwischenraum gesammelt und daraus abgeführt wird.

Wenn die erfindungsgemäße Zentrifuge für ein Separieren bzw. 1-ntmischen von Isotopen eines Gases mil großem Molekulargewicht, wie Uranhexafluorid. verwendet werden soll, setzt man vorzugsweise ein leichtes Gas. wie Helium, dem Beschickungsstrom zu. Ohne das leichte Gas tritt an dem Umfang des Innenrotor; ein extrem niedriger Druck auf. was dazu führt. daC zwischen dem Innenrotor und dem Uranhexafluoric ein Schlupf auftritt. Die Zugabe des leichten Gases beseitigt die Möglichkeit, daß die Zentrifugierwirkunt auf diese Weise beeinträchtigt wird.

In jedem Zwischenraum kann eine kreisförmige Gegenströmung ausgebildet werden, die separierend auf das Gasgemisch wirkt. Sowohl die leichten wie auch die schweren Fraktionen in jedem Rotor können durch Aufnehmer bzw. Mulden mit Löchern in einem Pitot-Rohr oder durch Ausströmen der Komponenten aus Löchern in Endplattcn des Rotors entnommen werden. Man erhält eine hohe Drehzahl bei jedem dei konzentrisch angeordneten Rotoren durch Hochfrequenzmoloren und oder durch Turbinen für jeder Rotor oder durch eine herkömmliche Leistungsübertragungsvorrichtung zum in Drehung Versetzen vor einem oder mehreren Rotoren, beispielsweise durch ein Getriebe bzw. Zahnradvorgelege.

An Hand der übrigen Zeichnungen werden beispielsweise Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zentrifuge näher veranschaulicht.

F i g. 3 bis 7 zeigen im Längsschnitt verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zentrifuge.

In den F i g. 3 bis 5 sind Zentrifugen mit zwei konzentrischen Rotoren gezeigt. Bei der Anordnung gcrnäf F-" i g. 3 enthält ein ortsfestes Zentrifugengehäuse 1 einen Rotor 10 und eine Schleudertrommel 20. die mit hoher Drehzahl um eine vertikale Achse des Gehäuses drehbar sind. Die obere und untere Welle 11 und 12 des Rotors 10 gehl durch die obere und untere Hohlwelle 21 bzw. 22 der Schleudertrommel. Fun zylindrisches Eisenteil 41 am unleren Endedcr Welle 12 bildet zusammen mit einem Magnet 42. der das (iiscn-

teil umgibt, ein Magnetlager 40. Lagereinrichtungen 48, die an dem Gehäuse angebracht sind und sowohl als Lager wie auch als Abdichtungen dienen, tragen die Wellen 21 und 22 des zweiten Rotors 20. Ein Hochfrequenzmotor 80 mit einer an der Welle 21 des zwei- ten Rotors befestigten Rühreinrichtung 81 und einem in dem Oberteil des Gehäuses I vorgesehenen Stator 82 versetzt die Schleudertrommel 20 mit hoher Drehzahl in Drehung. Ein Zahnradsystero 49, welches die Welle 21 der Schleudertrommel mit der Welle 11 des to Rotors 10 verbindet, läßt de« Rotor 10 in gleicher Richtung wie die Schleudertrommel 20 mit einer Drehzahl rotieren, die größer ist als die der Schleudertrommel. Man kann den Rotor statt durch die Zahnradeinrichtung bzw. das Getriebe auch durch einen weiteren Hochfrequenzmotor rotieren lassen. In dem in F i g. 5 gezeigten Beispiel ist eine Rotoreinrichtung 83 am Boden des Rotors angebracht und bildet zusammen mit einem Stator 84 einen Hochfrequenzmotor für das Rotieren des Rotors.

Bei der in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform wird ein zu separierendes Gemisch in das Gehäuse I durch ein Rohr 8 eingeführt. Nachdem es durch einen Ringkanal, der zwischen der Hohlwelle 22 der Schleudertrommel und der Welle 12 des Rotors ausgebildet ist. hindurchgegangen ist, wird das Fluidgemisch in einen Zwischenraum zwischen dem Rotor 10 und der Schleudertrommel durch einen Führungsring 23 eingeführt, der nach innen von einer Endplatte 25 der Schleudertrommel vorsteht. Der Ring führt das Fluidgemisch an dem Rotor ent! -ng. Das Fluidgemisch kann einmal in den Zwischenraum durch Einstrahlen des Gemisches durch AusströmöiTnungen 18. c<e strahlenförmig von einem engen Kanal 13 aus divergieren, der teilweise durch den Mittelteil der V\dle 12. wie in Fig. 4 gezeigt, geht, oder zum anderen durch ein Zuführrohr 58 zugeführt werden, das sich von dem Rohr 8 aus erstreckt, das untere Ende des Rotors umgibt und mit Schlitzen oder vielen öffnungen 59 am ge.s;imten Umfang versehen ist, wie es in F i g. 5 gezeigt ist.

In F i g. 5 wird der Rotor 10 von einem Magnetlager, das aus einem Eisenteil 43 am oberen Ende des Rotors und aus einem Magnet 44 an der Schleudertrommel 20 besteht, und von einem Zapfenlager 40 gehalten. Die Schleudertrommel 20 wird von einem ringförmigen Eisenteil 45 und einem Ringmagnet 46 getragen. Ein Hochfrequenzmotor 80 dreht eine Welle 29, die mit dem Magneten 44 ein Stück bildet.

Damit insbesondere dann, wenn das Fluidgemisch gasförmig ist, eine solche Gasströmung eintreten kann. wie sie durch die Pfeile 50 und 51 gezeigt ist, kann in der Zentrifuge eine bekannte, nicht gezeigte Einrichtung angebracht werden, die einen Temperaturunterschied des Gases im Rotor erzeugt.

Das Fluidgemisch in dem Zwischenraum zwischen dem Rotor 10 und der Schleudertrommel 20 wird gleichzeitig den Zentrifugalkräften der beiden Rotoren ausgesetzt. In F i g. 3 wird eine leichte Fraktion durch feine Löcher 26 herausgedrückt, die in der Nähe des Umfangs der oberen Endplatte 24 ausgebildet sind. Eine schwere Fraktion strömt durch feine Löcher 27 aus, die in der Nähe des Umfangs der unteren Endplatte 25 ausgebildet sind. Diese Fraktionen werden durch Rohre 2 bzw. 3. die in dem Gehäuse 1 vorgesehen sind, abgezogen. Um zu verhindern, daß sich die leichte und die schwere Fraktion in dem Raum zwischen dem Gehäuse I und der Schleudertrommel 20 wieder vermischen, wird ein leichtes Gas. beispielsweise Helium.

durch eine Leitung 6 in den Raum zwischen den Ah dichtungen 4 und 5, die nach innen von der Innen wem des Gehäuses I vorstehen, zugeführt. Die Abdichtun äen und das Einführen des leichten Gases können dam weußelassen werden, wenn die leichte und die schwer Fraktion wie in Fig. 5 gezeigt, durch Aufnehmers b/w 55 mit Löchern 56 und 57 abgezogen Herder Für diesen Zweck können Pitot-Rohre verwende werden. Die Ausführungsform von F i g. 5 hat eii Abströmrohr 7

Die Figo und 7 zeigen Zentrilugen mit Jra kon zentrischen Rotoren. In F i g. 6 werden durch die Rota tion einer Welle 31 eines dritten Rotors 30. der voi einem Hochfrequenzmotor 80 angetrieben wiru. dii Wellen des ersten Rotors und der Scbleudertromme durch eine Getriebeübersetzung 49 in ϋΓεΙιυημ ver

setzt. .

Ein zu separierendes Gemisch wird in einen ·, „tei Zwischenraum eingeführt, der zwischen dem Roh··· H

und der Schleudertrommel 20 wie bei dci Ausfuhr . -^s form \on I- i g. 3 ausgebildet ist. Die Fluidstn·; ,.mj in dem ersten Zwischenraum ist durch die Pk- '.. 6< und 61 in F- i g. 6 gezeigt. Die schwere Fraktim , irc aus der Zentrifuge durch Löcher 27 in der ; nd platte 25 der Schleudertrommel 20 und von da ..1 rcl einen Aufnehmer 65 mn Löchern 67 abgefühn !im mit der Schleudertrommel aus einem Stück besu i. ndi Führung 66 mit einem Schlitz 64 längs dessen ges.ii'.-.er Umfanes führt die leichte Fraktion in einen /v.. i'.er Zwischenraum, wobei eine gleichförmige Stri-nuinj längs der äußeren IJmfangswand der Schleuder >m mefausgebildet wird. Die Fluidströmung in dem /*ei ten Zwischenraum ist durch die Pfeile62 und 6.1 an gedeutet. Die schwere und die leichte Fraktion v..· der aus der Zentrifuge durch Rohre 2 und 3 über Löcher 3( und 37 abgezogen, die in den Endplatten 34 b/w M des dritten Rotors 30 ausgebildet sind. In diesem l-allt kann die durch das Rohr 2 abgezogene schwer* Fraktion dem ersten Zwischenraum wieder durch eint Pumpe 68. die als eine Druckerhöhungseinnchtuni wirkt, zusammen mit einem Beschickungsmateria zugeführt werden, wenn ein Ventil 91 geschloNser und ein Ventil 92 voll geöffnet ist. Die Zentrifuge is auf diese Weise so angeordnet, daß sie selbst eine Kas kade bildet.

Die in F i g. 7 gezeigte Ausführungsform hat eben falls drei konzentrische Rotoren. Bei dieser Ausfüh rungsform wird jedoch das Innere des Rotors 10' eben falls als eine Zentrifuge verwendet. Das zu separicrcndt Fluid wird in den Rotor 10' durch eine hohle Drchwelli 19 an dem oberen Ende des Rotors 10' zugeführt Die obere und untere Endplatte 14 bzw. 15 des Rotor: 10' und die unlere und obere Endplatte 24 bzw. 2f der Schleudertrommel 20 sind mit einer Vielzahl vor Löchern 16, 17, 26 bzw. 27 verschen, als ob die Innenräume der drei Rotoren als Einzclrotoren verwendet würden. Die schwere Fraktion und die leichte Fraklior wird durch Aufnehmer 74 und 75 mit öffnungen 7( bzw. 77. die in dem dritten Rotor angeordnet sind, ab gezogen. Die umlaufende Strömung besteht aus eineir durch Pfeile 70 und 71 gezxigtcn Abwärtsstrom unc aus einem durch den Pfeil 72 gezeigten Aufwärtsstrom

Die vorstehend beschriebenen Ausfiihrungsformcr können in vielfältiger Weise abgeändert werden. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße doppelte Rotoi als ein Zentrifugenextraklor vom Gegenstromtyp verwendet werden, in welchem eine leichte flüssige Komponente und eine schwere flüssige Komponente au;

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einem Gemisch einer leichten und schweren Flüssigkeit, die in den ^traktor eingeführt wurde, extrahiert werden. In diesem Fall kann es erwünscht sein, daß der AußennHor eine nicht zylindrische Form hat, beispielsweise kann er konisch sein. Das in die Zentrifuge eingesetzte Gemisch kann irgendein Gemisch sein, mit der Ausnahme eines Fcststoff-FeststolT-Gemisches,

wie vorstehend erwähnt. Es kann beispi Gemisch durch die vorliegende Erfindu werden, bei welchem ein Feststoff in eine schwimmt. Der hier verwendete Ausdroi misch« soll deshalb folgende Geroisch Gas-Gas. Gas-Flüssigkeit, Flüssigkeil Flüssigkeit-Feststoff und Gas-Feststoff.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

20173Π Patentansprüche:

1. Zentrifuge zum Trennen von Floidgerajschen· in eine leichte Fraktion und eine schwere Fraktion mit einem ortefesten Gehäuse, einer darin umlaufenden ersten zylindrischen Schleudertrommel, einer Zuführleitung JBr das zu trennende Gemisch und Abfübrleitungen for die getrennten leichten und schweren Fraktionen sowie einem innerhalb ι ο der ersten zylindrischen Schleudertrommel angeordneten weiteren Drehkörper, der mit größerer Drehzahl als die erste zylindrische Schleudertrommel umläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Drehkörper (10,10') zyündrisehe Seitenwände aufweist, die sich über die gesamte Länge der ersten zylindrischen Trommel (20) erstrecken.

2. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Drehkörper durch einen im wesentlichen massiven Rotor (10) gebildet wird.

3. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehkörper durch einen hohlen Rotor (10') gebildet wird.

4. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Gehäuses ein konzentrisch zu der Schleudertrommel (20) und dem Rotor (10, 1&') ein dritter hohlzylindrischer Rotor (30) angeordnet ist.

5. Zentrifuge nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume zwischen dem Rotor (110) und der Schleudertrommel (20) einerseits und der Schleudertrommel (20) und dem dritten Rotor (30) andererseits üurch Kanäle (64) verbunden werden, die die Schleudertrommel (20) durchdringen.

6. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitung (23, 13) im Bereich des Außenumfangs des innersten Rotors (10) mündet.

7. Zentrifuge nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitung (13) für das Fluidgeinisch durch den ersten Rotor (10) gefütirt ist und in einer Ausströmöffnung (18) an seinem Umfang endet.

8. Zentrifuge nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitung (19) in den innersten, hohl ausgebildeten Rotor (10') mündet.

9. Verfahren zum Trennen eines Gemisches von Gasen von unterschiedlichem Molekulargewicht in einer Zentrifuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusammen mit dem zu trennenden Gemisch ein Gas von einem Molekulargewicht eingeführt wird, das geringer isit als das des Gemisches.