DE2031687C

DE2031687C - Method and device for separating gaseous or vaporous substances, in particular isotopes

Info

Publication number: DE2031687C
Application number: DE19702031687
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Phys 7500 Karls ruhe Ehrfeld Wolfgang Dr Ing 7505 Etthngen Bley
Original assignee: Gesellschaft fur Kernforschung mbH, 7500 Karlsruhe
Filing date: 1970-06-26
Publication date: 1972-01-13

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.The invention comprises a method and an apparatus / imi I run from gas or vapor Stollen, in particular isotopes, with different molecular weights and / or different gaskinctisclicm Cross-section in which the mixture to be separated is separated by several parallel sound Nozzle-partigc openings flow through and the exiting expanding jets by means of shields arranged in the flow paths a lighter partial beam and a heavier partial beam are split up and the kinetic one Energy of the partial rays to the Efhishuni ;, the pressure the fractions to be sucked off are used.

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.The principle of this so-called separating nozzle process is described in German patent specification 1,052,955 described. If the separating nozzle z. B. to separate isotopes with a molecular weight greater 200 is used and if you want to achieve an economically viable degree of enrichment, you have to Several separating nozzles can be connected in series in a cascade, with the expanded gas can be brought back to the original nozzle pressure with a compressor got to.

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 German patent specification 1 091 541, which deals with a further development of this method, it is suggested, among other things, the ratio of the pressure in the space in front of the nozzle to the pressure in the Space behind the Abschalbler.de much lower to be kept as the ratio of the pressure in the space in front of the nozzle to the pressure in the space between Nozzle and peeling screen. The aim is to achieve that which is decisive for the compressor capacity Pressure ratio as low as possible, but at the same time that which is decisive for the separating effect at the separating nozzle applied expansion ratio is as high as possible. This pressure recovery can be seen on can be achieved by the fact that the partial beams of the fraction concerned are more after the end of the shutdown or less strongly accumulates, d. H. uses the kinetic energy of the flow to build up pressure. Used one for this purpose a DilTusor, in which one z. B. the peeling channel through which the partial jet flows trains itself accordingly, care must be taken to ensure that the friction losses in reasonable limits are kept.

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. In the German patent specification 1 198 328 a method is described in which the mixture, for. 13. U 235 F "/ U 238 F". a lighter additional gas, e.g. B. Helium, adds and mechanically deflects the jet emerging from the separating nozzle on the way to Scliülblcndc. Several nozzles can be connected in parallel so that, for. B. the shallow Tcilstrahlcn pass through a peeling channel and can be collected in a common collecting space.

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.In this process with lighter additional gas, a pressure recovery above all in the light fraction is desirable, since its proportion in terms of volume is considerably larger than that of the heavy fraction, on the other hand this prepares pressure recovery on slight jet, particular difficulties.

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. The object of the present invention is to create a method and a device for separating gas mixtures according to the separating nozzle method, in which the kinetic energy of the gas jet is used to increase the pressure after it has been split into two partial jets with particularly good efficiency, in order to reduce the required investment and operating costs.

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 eineThe procedure for solving this problem consists of; Invention according to the fact that at least two similar Partial beams are combined into a common beam immediately after the shield diaphragms. The partial beams should be one more in the area in which they are combined with one another

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.ίο the highest possible kinetic energy, but at least still related to lO'Vi, their kinetic exit energy ai: f is the height of the peeling flowers. After a In a particularly advantageous further development of the invention, the partial beams are combined in one area in which they have different kinetic energies from each other. A device for implementation This method provides that the nozzle-like openings for the exit of the partial jets of a Fraction adjoin a common main flow area, offset from one another in steps, wherein at least two nozzle arrangements each forming a staircase are directed in a V-shape to one another and in the manner of a diffuser in the direction of flow of the TeilstrahKn distant from each other delimit the main flow area.

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.This results in particularly favorable flow conditions for the desired pressure increase. The resulting overall jet of a fraction (main flow) still has such a high kinetic level Energy and now also such a high Reynolds number that consequently an almost loss-free Pressure increase is possible. The stair-like arrangement enables a particularly close interconnection of the separating nozzles, so that so-called "dead water areas", at which losses of inclination occur due to friction, can be kept very small.

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.Due to this step-like arrangement of the nozzles, through which the main flow space the stalls assumes a diffuser widening in the direction of flow, at least a part is already here the kinetic radiation energy is converted into pressure without significant friction losses. The other The pressure is then increased by means of a to the Main power room connected 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 Further details of the invention are explained in more detail, for example, with the aid of a drawing: The figure shows in section several separating nozzles, which are acted upon in parallel and offset from one another in steps, which are combined to form a V-shaped separating stage with an attached DilTusor 20. The individual nozzles 1 have essentially the same structure as already described in patent 1,279,653. They consist of the inlet channel 2, the inflow nozzle 3, the Umlcnk wall 4, the peeling screen 5 and the two peeling channels 6 and 7. The mixture 8 to be separated reaches the nozzle 3 via the inlet channel 2, is deflected by the wall 4 and by means of the diaphragm S is divided into two partial beams 9 and 10. The easier one

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 istfio component leading partial beam 9 penetrates over the Channel 6 into the main flow space 11, which flows into the partial jet 10 carrying the heavier components the channel 7 to be sucked out from here. The component 12 carrying the deflecting wall 4 is

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 und6s is formed at the same time as a partition between the inflowing mixture 8 and the heavy fraction 10. The component 13 carrying the diaphragm S is bent over in the shape of a hook on the diaphragm side and

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.biclei with its end face 15 facing away from the hook lit the one support wall of the nozzle 3; With its straight Wuiulteil 16 it is attached to a partition 17 of the part 12 and thus separates the inlet duct! 2 and the channel 7 leading the heavy fraction from 1 lauptstroniraiim 11. The side of the valve part 16 facing the I laiip'stromiaiiin 11 serves as a flow guide surface IH for the light partial jet 9 flowing along it. This flow guide surface is used to keep the wall series losses low 18 sounded as short as possible. The channel 6 consists practically only of the short piece / Avian deflecting wall 4 and peeling diaphragm 5. The diameter of the opening on the diaphragm side should be kept as small as possible so that the mutual spacing of the partial beams 9 is small. The parts 12 and 13 are fixed both to one another and to a fixed frame (not shown).

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.As can be seen from the figure, several separating nozzles are combined into a staircase by means of the components 12 and 13, the two staircases being set in mirror image to one another, a V-shaped, slightly unified in the main flow direction (arrow A) to form a single jet Form faction-widening arrangement. Instead of this two-dimensional geometric arrangement, which is delimited by a flat front and rear wall, it is also advantageous to have a three-dimensional, for example rotationally symmetrical, arrangement. In this case, the stairs form a jacket enclosing the main stream space, which z. B. expanded in the direction of the main stream A. The longitudinal surface lines can be straight or curved, just like in the two-dimensional arrangement. When a jacket is mentioned in the foregoing, this naturally includes any arrangement that encloses the main flow space, e.g. B. also a paraboloid of revolution to understand.

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.In the case of a rotationally symmetrical arrangement, the parts 12 and 13 forming the nozzles can have the shape of individual rings set over one another. But you can also each consist of an integral, helically extending band with z. B. be made in the direction of flow of the main stream increasing radii. In the example shown, the flow guide walls 18 are also set at an angle etsva 15 against the main flow direction (arrow A) .

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.The separation efficiency of an individual separation nozzle depends, among other things, on the ratio of the pressure in the outlet duct 2 to the pressures in the peeling ducts 6 and 7 (expansion ratio), and it increases with the expansion ratio. On the other hand, as the expansion ratio increases, so does the required effort, in particular the compression power. In order to work economically, the ratio of effort A to separation performance T should be kept as low as possible, ie in a separation nozzle system the minimum of the ratio AlT will be used as the working point. With the measures according to the invention, this minimum can be reduced by more than 20%.

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.The measurements showed the surprising result that in the main flow space 11 the pressures in the direction of flow of the main flow (arrow A) decrease sharply because a few nozzles are connected, which means an increase in the door flow with respect to the lower separating nozzles; In addition, at the upper, wider end of the collecting space there is a lüi the connecting air compressor and possibly Dilltisoi '-very favorable velocity wedge distribution over the entire flow section.

In dem erläuterten Ausführungsheispiel wurde derIn the illustrated embodiment, the

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 fürlu structure and mode of operation of the invention Hand of one who works with curved nozzles ''. rennstuL shown, in which the light fraction / u is united in a common main stream. According to the same principle, the invention can also be used for

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.use straight nozzles. The heavy fraction or both fractions can also be used in a corresponding manner at the same time according to the idea underlying the invention -'ί.

Die Erfindung ist besonders für solche Trenn-The invention is particularly useful for such separating

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 leichtensystems that use a lighter additional gas in addition to the mixture to be separated, since As already mentioned, the third part of the gas to be compressed is in the light fraction and an increase in pressure, especially with the light one

as Fraktion mit den bisher bekannten Methoden auf Schwierigkeiten stößt.as fraction with the methods known up to now Encounters difficulties.

Claims

Patent claims:

1. Process for separating son gas or vaporous substances, especially isotopes, with different molecular weights and or or different gaikinctischem cross-section, in which the mixture is formed by several parallel-connected, nozzle-like oil openings flows through and the expanding jets by means of peeling diaphragms arranged in the flow paths in each case a small partial beam and a heavy partial beam! are relocated and the kinetic energy of the partial beams to increase the pressure of the fractions to be extracted separately is used, characterized in that at least two similar partial jets are combined into a common beam immediately after the peeling blanks.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the partial beams are combined in an area in which they are still at least 10%> of their kinetic exit energy in relation to the height of the peeling diaphragms.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the partial beams are combined in an area in which they have mutually different kinetic energies.

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) biendenseitig4. Apparatus for performing the method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the nozzle-like openings (3) for the exit of the partial beams, offset from one another in the shape of a trap, to a common one Adjacent the main flow space (11) and at least two nozzle arrangements each forming a staircase V-shaped towards one another and delimiting the main flow space (11) like a diffuser in the flow direction of the partial jets (6) distant from one another, the component (13) carrying the peeling diaphragm (S) on the bilateral side

Is bent hook-shaped and with its end face (15) facing away from the hook (14) the one Bcordiing wall of the closest lower lying nozzle (3) forms and with its side facing the main flow space (11) as a flow guide surface (18) is designed for the light partial jet (9) of this next lower nozzle (3), and that the component (12) carrying a deflection wall (4) for the nozzle (3) is connected to the component (13) and as a partition for separating the starting mixture (8) from the collecting channel (10) is designed for the heavy partial jet (7).

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that that the nozzles (3), which are offset from one another in a stepped manner, form the main stream room forming a limiting coat.

6. Apparatus according to claim 4, characterized in that the Slrömungsleitflächen (18) for the partial jets (6) are made slightly inclined to the longitudinal axis of the collecting space at an angle of about 15 °.

7. Apparatus according to claim 4, characterized in that a diffuser is attached to the collecting space (20) is connected.

8. Apparatus according to claim 5, characterized in that that the nozzles (3), which are arranged in a stepped manner, consist of rings stacked one on top of the other exist.

1 sheet of drawings