DE2031687C - Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von gas oder dampfförmigen Stoffen, ins besondere Isotopen - Google Patents

Description

Die Erfindung heirilft ein Verfuhren und eine Vorrichtung /imi I rennen von gas- oder dampfförmigen Stollen, insbesondere Isotopen, mit unterschiedlichem Molekulargewicht und bzw. oder verschiedenem gaskinctisclicm Wirkungsquerschnitt, bei denen das zu trennende Gemisch durch mehrere parallelgeschalleie, düscpartigc Öffnungen hindurchströmi und die austretenden expandierenden Strahlen mittels in den Strömungswegen angeordneten Schiilblenden in jeweils einen leichteren Teilstrahl und einen schwereren Teilstrahl zerlegt werden und die kinetische Energie der Teilstrahlen zur Efhishuni;, des Drucks der getreiiP.t abzusaugenden Fraktionen benutzt wird.

Das Prinzip dieses sogenannten Trenndüsenverfahrens ist in der deutschen Patentschrift 1 052 955 beschrieben. Wird die Trenndüse z. B. zur Trennung von Isotopen mit einem Molekulargewicht größer 200 benutzt und will man einen wirtschaftlich brauchbaren Anreicherungsgrad erzielen, so müssen in einer Kaskade mehrere Trenndüsen hintereinandergeschaltet werden, wobei nach jeder Düse das expandierte Gas mit einem Kompressor wieder auf den ursprünglichen Düsenvordruck gebracht werden muß.

In der deutschen Patentschrift 1 091 541, die sich mit einer Weiterbildung dieses Verfahrens befaßt, wird unter anderem vorgeschlagen, das Verhältnis des Drucks im Raum vor der Düse zum Druck im Raum hinter der Abschalbler.de we~:ntlich niedriger zu halten als das Verhältnis 'les Drucks im Raum vor der Düse zum Druck in dem ' .aum zwischen Düse und Abschälblende. Damit will man erreichen, daß das für die Kompressorkapazitat maßgebliche Druckverhältnis möglichst niedrig, aber gleichzeitig das für den Trenneffekt maßgebliche, an der Trenndüse anliegende Expansionsverhältnis möglichst hoch liegt. Diesen Druckrückgewinn kann man an sich dadurch erzielen, daß man die Teilstrahlcn der betreffenden Fraktion nach der Abschaltende mehr oder weniger stark staut, d. h. die kinetische Energie der .Strömung zum Aufbau von Druck benutzt. Verwendet man hierzu einen DilTusor, in dem man z. B. den von dem Teilstrahl durchströmten Abschälkanal selbst entsprechend ausbildet, so muß allerdings darauf geachtet werden, daß die Reibungsverluste in vertretbaren Grenzen gehalten werden.

In der deutschen Patentschrift 1 198 328 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem man dem Gemisch, z. 13. U 235 F„/U 238 F„. ein leichteres Zusatzgas, z. B. Helium, beigibt und den aus der Trenndüse austretenden Strahl auf dem Weg zur Scliülblcndc mechanisch umlenkt. Dabei können mehrere Düsen parallel geschaltet sein, so daß z. B. die Seichten Tcilstrahlcn durch je einen Abschälkanal hindurchtreten und in einem gemeinsamen Sammelraum aufgefangen werden können.

Bei diesem Verfahren mit leichterem Zusatzgas ist ein DruckrUckgewinn vor ullem in der leichten Fraktion erstrebenswert, da deren volumenmäßiger Anteil erheblich größer ist als der der schweren Fraktion, andererseits bereitet dieser Druck rückgewinn am leichten Ieilstrahl besondere Schwierigkeiten.

Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen von Gasgemischen nach der Trenndüsenmethode zu schaffen, bei denen die kinetische Energie des Gasstrahles nach seiner Zerlegung in zwei Teilstrahlen mit !/.-sonders gutem Wirkungsgrad zur Druck' erhöhung ausgenutzt wird, um dadurch den erfordeilichen Invesiitions- und Betriebsaufwand herabzusetzen.

Das Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe besteh; erlindungsgemäß darin, daß mindestens zwei gleichartige Teilstrahlen unmittelbar nach den Schiilblenden zu einem gemeinsamen Strahl vereinigt werden. Dabei sollen die Teilstrahlen in dem Bereich, in dem sie miteinander vereinigt werden, noch eine

ίο möglichst hohe kinetische Energie, mindestens jedoch noch lO'Vi, ihrer kinetischen Austrittsenergie, bezogen ai:f die Höhe der Schälblnnden, haben. Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die Teilstrahlen in einem Bereich vereinigt, in dem sie voneinander verschiedene kinetische Energie haben. Eine Vorrichtung zur Durchführung dieser Verfahren sieht vor, daß die düsenartigen öffnungen für den Austritt der Teilstrahlen einer Fraktion treppenförmig gegeneinander versetzt an einen gemeinsamen Hauptstromraum angrenzen, wobei wenigstens zwei je eine Treppe bildende Düsenanordnungen V-förmig zueinander gerichtet und nach Art eines DifTusors sich in Strömungsrichtung der TeilstrahKn voneinander entfernend den Hauptstromraum begrenzen.

Dadurch erhält man für die angestrebte Druckerhöhung besonders günstige Strömungsverhältnisse. Der so entstehende Gesamtstrahl einer Fraktion (Hauptstrom) hat noch eine so hohe kinetische Energie und nunmehr auch eine so hohe Reynoldszahl, daß demzufolge eine annähernd verlustfreie Druckerhöhung möglich ist. Die treppenförmige Anordnung ermöglicht ein besonders enges Zusammenschalten der Trenndüsen, so daß sogenannte »Totwassergebicte«, an denen Fneigieverluste durch Reibung auftreten, sehr klein gehalten werden.

Auf Grund dieser treppenförmigen Anordnung der Düsen, durch die der Hauptstromraum die Gestall eines sich in Strömungsrichtung erweiternden Diffusors annimmt, wird bereits hier zumindest ein Teil der kinetischen Strahlenenergic ohne nennenswerte Reibungsverluste in Druck umgewandelt. Die weitere Druckerhöhung erfolgt dann mittels eines an den Hauptstromraum angeschlossenen Dilfusors.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden beispielsweise an Hand einer Zeichnung näher erläutert: Die Figur zeigt im Schnitt mehrere parallel beaufschlagte und treppenförmig gegeneinander versetzte Trenndüsen, die zu einer V-förmigen Trennstufe mit hieran angeschlossenem DilTusor 20 zusammengefaßt sind. Die einzelnen Düsen 1 haben im wesentlichen denselben Aufbau, wie er bereits in dem Patent 1 279 653 beschrieben wurde. Sie bestehen aus dem Einlaufkanal 2, der Zuströmdüse 3, der Umlcnkwand 4, der Schälblende 5 und den beiden Abschäl kanälen 6 und 7. Das zu trennende Gemisch 8 gelangt über den Einlaufkannl 2 zur Düse 3, wird durch die Wand 4 umgelenkt und mittels der Blende S in zwei Teilstrahlen 9 und 10 zerlegt. Der die leichtere

fio Komponente führende Teilstrahl 9 dringt über den Kanal 6 in den Hauptstroinraum 11, der die schwereren Komponenten führende Teilstrahl 10 strömt in den Kanal 7, um von hier aus abgesaugt zu werden. Das die Umlenkwand 4 tragende Bauteil 12 ist

6s gleichzeitig als Trennwand zwischen dem zuströmenden Gemisch 8 und der schweren Fraktion 10 ausgebildet. Das die Blende S tragende Bauteil 13 ist an der Blendenseite hakenförmig umgebogen und

biklei mit seiner dem Haken lit ungewandten Stirnseite 15 die eine Hegren/ungswand der Düse 3; mil seinem geraden Wuiulteil 16 ist es an einer Zwischenwand 17 des Teils 12 befestigt und trennt so den Einlaufkana! 2 und den die schwere Fraktion führenden Kanal 7 vom 1 lauptstroniraiim 11. Die dem I laiip'stromiaiiin 11 zugewandte Seite des VVaiulteils 16 dient als Ströniungsleitfläche IH für den an ihr entlang strömenden leichten Teilstrahl 9. LIm die Wandreihungsvevluste gering zu halten, wird diese Ströinungsleitlläche 18 möglichst kurz gehallen. Der Kanal 6 besteht praktisch nur aus dem kurzen Stück /Avischen Umlenkwand 4 und Abschälblende 5. Der llakeiulurchmesser auf der Blendenseite sollte ehen-IaIIs möglichst klein gehalten werden, damit der gegenseitige Abstand der Teilstrahlen 9 gering wird. Die Teile 12 bzw. 13 sind sowohl untereinander als auch gegenüber einem festen Rahmen (nicht dargestellt) fixiert.

Wie aus der Figur zu ersehen ist, sind mehrere Trenndüsen mittels der Bauteile 12 und 13 zu jeweils einer Treppe zusammengefaßt, wobei die beiden Treppen spiegelbildlich gegeneinander gesetzt eine V-förmige, sich in Haupt-Strömungsrichtung (PfeilA) tier zu einem Gesjrmstrahl vereinigten leichten Fraktion erweiternde Anordnung bilden. An Stelle dieser zweidimensionalen geometrischen Anordnung, die von je einer ebenen Vorder- und Rückwand begrenzt ist, kann man vorteilhaft auch eine dreidimensionale, beispielsweise rotationssymmetrische Anordnung treffen. In diesem Fall bilden die Treppen einen den Hauptstromraum umschließenden Mantel, der sich z. B. in Richtung des Hauptstroms A erweitert. Dabei können die Längs-Mantellinien genau wie bei der zweidimensionalen Ancdnung gerade oder auch gekrümmt erlaufen. Wenn im vorstehenden von einem Mantel gesprochen wird, so ist hierunter selbstverständlich jede beliebige, den Hauptstromraum umschließende Anordnung, also z. B. auch ein Rotationsparaboloid, zu verstehen.

Bei einer rotationssymmclrischen Anordnung können die die Düsen bildenden Teile 12 und 13 die Foim einzelner übcrcinandergesetztcr Ringe haben. Sie können aber auch jeweils aus einem integralen, schraubenförmig verlaufenden Band mit z. B. in Strömungsrichtung des Hauptstroms größer werdenden Radien gefertigt sein. Bei dem gezeigten Beispiel sind außerdem die Strömungsleitwände 18 in einem Winkel «on etsva 15 gegen die Hauptströmungsrichtunp (Pfeil A) angestellt.

D:e Trennleislung einer einzelnen Trenndüse hängt unter anderem von dem Verhältnis des Drucks in dem Emiaufkanal 2 zu den Drücken in den Abschälkanälen 6 und 7 ab (Expansionsverhältnis), und zwar nimmt sie mit größer werdendem Expansionsverhältnis zu. Andererseits steigt mit größer werdendem Expansionsverhältnis auch der erforderliche Aufwand, insbesondere die Kompressionsleistung, an. Um wirtschaftlich zu arbeiten, sollte man also das Verhältnis von Aufwand A zu Trennleistung T so gering wie möglich halten, d. h., bei einer Trenndüsenanlage wird man als Arbdtspunkt das Minimum des Verhältnisses AlT benutzen. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen kann dieses Minimum um mehr als 20% herabgesetzt werden.

Die Messungen zeigten, das überraschende Ergebnis, daß in dem Häuptstromraum 11 die Drücke ent' ee een der Strömungsrichtung des Hauptstroms (Pfeil A) hereils heim Zusammenschalten weniger Düsen stark abnehmen, was bezüglich der unteren Trenndüsen eine Erhöhung der Trtiinleisiung bedeutet; zudem ergibt sich am obeien erweiieiien Ende Jes Sammelraums eine lüi den an/uschliel.Wndeii Kompressor und gegebenenfalls Dilltisoi '-ehr günstige Geschwindigkeilsverteilung über den gesamten Ströniungsiiucrschniit.

In dem erläuterten Ausführungsheispiel wurde der

lu Aufbau und die Wirkungsweise der Erfindung an Hand einer mit gekrümmten Düsen arbeitenden ''. rennstuL dargestellt, bei der die leichte Fraktion /u einem gemeinsamen Haupistrom vereinigt wird. Nach demselben Prinzip läßt sieh die Erfindung auch für

gerade Düsen verwenden. Auch kann man in entsprechender Weise die schwere Fraktion oder beide Fraktionen gleichzeitig nach dem der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken behänd -'ί.

Die Erfindung ist besonders für solche Trenn-

systeme gut geeignet, die außer dem zu trennenden Gemisch ein leichteres Zusatzgas verwenden, da sich, wie bereits erwähnt, in der leichten Fraktion der gi-3ßte Teil des zu komprimierenden Gases befindet und eine Druckerhöhung gerade bei der leichten

as Fraktion mit den bisher bekannten Methoden auf Schwierigkeiten stößt.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Trennen son gas- oder dampfförmigen Stoffen, insbesondere Isotopen, mit unterschiedlichem Molekulargewicht und bzw. oder verschiedenem gaikinctischem Querschnitt, bei dem das Gemisch durch mehrere parallelgeschaltete, düsenartige Ölfnungen hindurchströmt und die expandierenden Strahlen mittels in den Strömungswegen angeordneten Schälblenden in jeweils einen leiclii'jn Teilstrahl und einen schweren Teilstrah! verlegt werden und die kinetische Energie der Teilstrahlen zur Erhöhung des Drucks der getrennt abzusaugenden Fraktionen benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei gleichartige Teilstrahlen unmittelbar nach den Schälblcnden zu einem gemeinsamen Strahl vereinigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrahlen in einem Bereich vereinigt werden, in dem sie noch mindestens 10%> ihrer kinetischen Austrittsenergie bezüglich der Höhe der Schälblendcn haben.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrahlen in einem Bereich vereinigt werden, in dem sie voneinander verschiedene kinetische Energien haben.

4. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die düsenartigen öffnungen (3) für den Austritt der Teilstrahlen trcpnenförmig gegeneinander versetzt an einen gemeinsamen Hamptstromraum (11) angrenzen und wenigstens zwei je eine Treppe bildende Düsenanordnungen V-förmig zueinander gerichtet und nach Art eines Diffusors sich in Strömungsrichtung der Teilstrahlen (6) voneinander entfernend den Hauptstromraum (11) begrenzen, wobei das die Schälblende (S) tragende Bauteil (13) biendenseitig

hakenförmig abgebogen ist und mit seiner dem Haken (14) abgewandten Stirnfläche (15) die eine Bcgrenziingswand der näehsttieferliegeiiden Düse (3) bildet und mit seiner dem Hauptstromraum (11) zugewandten Seite als Strömungsleitfläche (18) für den leichten Teilstrahl (9) dieser nächsttieferlicgenden Düse (3) ausgebildet ist, und daß das eine Umlenkwand (4) für die Düse (3) tragende Bauteil (12) mit dem Bauteil (13) verbunden und als Trennwand zur Trennung des Ausgangsgemisches (8) von dem Sammelkanal (10) für den schweren Teilstrahl (7) ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die treppenförmig gegeneinander versetzten Düsen (3) einen den Hauptstroniraum begrenzenden Mantel bilden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Slrömungsleitflächen (18) für die Teilstrahlen (6) gegen die Längsachse des Sammelraums leicht geneigt in einem Winkel von etwa 15° angestellt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Sammelraum ein Diffusor (20) angeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die treppenförmig angeordneten Düsen (3) aus übereinandergestapelten Ringen bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen