DE1198328B - Verfahren zum Trennen von gas- oder dampffoermigen Stoffen mit mittleren Molekulargewichten ueber 200, insbesondere Isotopen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

BOId

Deutsche Kl.: 12 e- 6

Nummer: 1198 328

Aktenzeichen: K 49161IV c/12 e

Anmeldetag: 9. März 1963

Auslegetag: 12. August 1965

Verfahren zum Trennen von gas- oder dampfförmigen Stoffen mit mittleren Molekulargewichten über 200, insbesondere Isotopen

Anmelder:

Gesellschaft für Kernforschung mit beschränkter Haftung, Karlsruhe, Weberstr. 5

Als Erfinder benannt:

Dr. Erwin Becker, Karlsruhe

Zum Trennen von gas- oder dampfförmigen Stoffen, insbesondere Isotopen, mit unterschiedlichem Molekulargewicht und bzw. oder verschiedenen gaskinetischen Querschnitten kann man das Gemisch aus einer düsenartigen Öffnung auf eine Schälblende, 5 die es in einen Mantelteil und einen durch die Blendenöffnung hindurchtretenden Kernteil zerlegt, strömen lassen. Dabei reichert sich die schwere Komponente im Kernteil an.

Dieses vor allem für die Isotopentrennung sehr io zweckmäßige Verfahren ist mit relativ hohem Aufwand verbunden. Es ist daher auch schon eine Vielzahl von ergänzenden Maßnahmen vorgeschlagen worden, um günstigere Bedingungen zu erhalten.

Ein bekannter Vorschlag läuft darauf hinaus, den 15
aus dem zu zerlegenden Gemisch erzeugten Strahl
nach dem Austritt aus der Düse auf dem Weg zur
Abschälblende mechanisch umzulenken. Die in der
Literatur veröffentlichten Untersuchungen zeigen 2

aber, daß sich damit die Wirtschaftlichkeit des Trenn- 20

Verfahrens nicht verbessern läßt, was offenbar auf den veröffentlichten Ergebnissen ist dieses Verfahren jemit der mechanischen Umlenkung verbundenen Stör- doch auch bei der Verwendung eines leichten Zusatzeffekten beruht. gases technisch uninteressant, was offenbar mit den

Nach der deutschen Patentschrift 1096 875 kann starken, bei der Erzeugung von rotierenden, schraudem zu trennenden Gemisch ein leichtes Zusatzgas 25 benartigen Wirbeln unvermeidlichen Verlusten durch von im Verhältnis zu dem Gemisch wesentlich ge- Reibung oder Turbulenz zusammenhängt,
ringerem Molekular- bzw. Atomgewicht zugesetzt Mit keiner der verschiedenen beschriebenen Maßwerden. Jedoch konnten durch die Maßnahme bei nahmen konnten im Bereich hoher Massen ins Geden für die praktische Anwendung besonders wichti- wicht fallende Verbesserungen des Trennverfahrens gen Gemischen im hohen Massenbereich, beispiels- 30 für gas- oder dampfförmige Stoffe, insbesondere Isoweise bei mittleren Molekulargewichten über 200 tope, erreicht werden, bei denen Gemische aus düsen-— wie entsprechende Untersuchungen ergeben artigen Öffnungen aus Schälblenden, die es in Mantelhaben —, keine eindeutigen Vorteile erzielt werden. teile und durch die Blendenöffnung hindurchtretende

Man deshalb auch bereits versucht, in den zur Kernteile zerlegen, zuströmen und auf diesem Weg Strahlerzeugung benutzten Düsen Einbauten anzu- 35 mechanisch umgelenkt werden. Es wurde nun gebringen, die die Düsenöffnung dergestalt verändern, funden, daß diese Schwierigkeiten vermieden werden, daß sich mindestens zwei aufeinander zu laufende wenn erfindungsgemäß dem Gemisch ein leichteres Gasströme ausbilden. Dieses auch unter der Verwen- Zusatzgas beigegeben und der aus der Düse austredung von leichten Zusatzgasen durchführbare Ver- tende Strahl auf dem Weg zur Schälblende um fahren bringt jedoch ebenfalls im Bereich hoher 40 weniger als 360° umgelenkt wird.
Massen keine wirtschaftlichen Vorteile. Weitere Einzelheiten werden an Hand der Zeich-

Ein weiterer bekannter Versuch ging dahin, das zu nung näher erläutert.

zerlegende Gemisch von außen tangential oder unter Die Fig. 1 zeigt in einem schematischen Schnitt

kleinem Winkel in ruhende zylindrische, kegelför- eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mige oder ähnliche Kammern von der Form Guldin- 45 Diese besteht aus einer Abführleitung 19 für den scher Körper einströmen zu lassen, es dadurch zu Mantelteil des Gases, deren eines Ende das Düsenzwingen, um die Achse der rotierende schrauben- blech 12 für den Düsenkanal 13 bildet, während das artige Wirbel zu bilden und die sich im Verhältnis andere, frei Ende zugleich als Abschälblech 14 dient, ihrer Dichte anordnenden Bestandteile nach Bedarf Für die mechanische Umlenkung ist ein Umlenkblech getrennt abzuleiten. Bei einer besonderen Ausfüh- 50 11 vorgesehen, dessen eine Endfläche mit dem rungsform dieses Verfahrens wurde dem zu trennen- Düsenblech 12 den Düsenkanal 13 bildet. Diesem den Gemisch ein leichtes Gas zugesetzt. Nach den Düsenkanal wird über die Leitung 16 das Gemisch

(ζ. B. zu trennendes Gas und leichteres Zusatzgas) zugeführt. Die zweite Endfläche des Umlenkbleches 11 bildet mit dem Abschälblech 14 den Abschälkanal 15, aus dem der an schwerer Komponente angereicherte Kernteil des Gases über die Leitung 17 abgezogen wird. Das Umlenkblech 11, z. B. in Form eines Halbzylindermantels, begrenzt zugleich den Raum 18, in dem der Mantelteil des Gases anfällt, der durch die Abführleitung 19 entnommen wird. Das Düsenblech ist bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel so ausgebildet, daß sich eine Laval-Düse ergibt. Gute Ergebnisse kann man jedoch auch mit konvergenten Düsen erreichen. Das Umlenkblech ist in dem gewählten Beispiel so ausgebildet, daß sich eine mittlere Umlenkung des Strahles von nahezu 180° ergibt. Es können jedoch auch gute Ergebnisse mit einem kleineren Umlenkwinkel, z. B. 90°, oder einem größeren, z. B. 250°, erzielt werden. Da eine Vergrößerung des Umlenkwinkels über 360° hinaus die Erzeugung schädlicher schraubenartiger Wirbel zur Voraussetzung hat, ist in jedem Fall ein Umlenkwinkel unter 360° einzuhalten.

Bei der dargestellten Vorrichtung hat der Abschälkanal 15 annähernd rechteckigen Längsquerschnitt. Man kann jedoch den Rückstaueffekt dadurch beeinflüssen, daß man den Querschnitt in Strömungsrichtung verengt bzw. erweitert.

In F i g. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung im Schnitt dargestellt. Hier stehen einer gemeinsamen konvergenten Düse 21 mit Zuleitung 210 zwei Umlenkbleche 22 und 23 gegenüber. Der Kernteil des Gases wird über die Leitungen 24 und 25, der Mantelteil über die Leitungen 26 und 27 abgezogen. Die gesamte Anordnung kann wieder in der zur Zeichenebene senkrechten Richtung beliebig ausgedehnt sein. Bei der in F i g. 2 dargestellten Anordnung ist jedoch auch eine rotationssymmetrische Ausführungsform möglich, wie sie sich durch Rotation des in Fig. 2 dargestellten Schnittes um die Achse 28-29 ergibt. In diesem Fall werden die Leitungen 24 und 25 einerseits und die Leitungen 26 und 27 andererseits zu einer Ringleitung vereinigt.

Versuche haben ergeben, daß besonders günstige Ergebnisse erzielt werden können, wenn die Weite der Düse an der engsten Stelle kleiner als 1 mm und wenn der Krümmungsradius der zur Strahlumlenkung benutzten Fläche in dem für die Strahlumlenkung wesentlichen Bereich kleiner als 5 mm ist. Dabei braucht der Krümmungsradius in dem gesamten für die Strahlumlenkung wesentlichen Bereich keineswegs konstant zu sein. Die günstigste Form kann für jedes Gemisch durch Probieren verhältnismäßig leicht ermittelt werden.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung mit mechanischer Strahlumlenkung führen relativ hohe Zusätze an leichtem Gas zu optimalen Bedingungen. So hat sich vor allem bei zu trennenden Grundgemischen mit großen mittleren Molekulargewichten ein Zusatz an leichtem Gas von 1000 Molprozent und mehr bewährt.

Die Verhältnisse der Drücke in den Leitungen 16, 19 und 17 bzw. 210, 24,25 und 26 und 27 können in verhältnismäßig weiten Grenzen variiert werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß man optimale Trenneffekte bereits mit relativ kleinen Druckverhältnissen erreichen kann. So lassen sich in vielen Fällen besonders günstige Bedingungen erzielen, wenn man das Verhältnis der Drücke in der Düsenzuleitung 16 und der Ableitung 19 unter 10 und das Verhältnis der Drücke in der Düsenzuleitung 16 und der Ableitung 17 unter 5 hält. Der zweckmäßigste Absolutdruck in der Düsenzuleitung hängt von der Art des verwendeten Gasgemisches ab und kann durch Probieren leicht ermittelt werden. Als besonders günstig haben sich Drücke in der Düsenzuleitung zwischen 1 und 0,05 atm absolut erwiesen.

Selbstverständlich ist es auch ohne weiteres möglich, mehrere Trennvorrichtungen hintereinander oder auch parallel zu schalten. Bei einer Hintereinanderschaltung soll man wie in der deutschen Patentschrift 1 096 875 zweckmäßigerweise die verschiedenen Gaszu- und -abführungsleitungen so miteinander verbinden, daß nur Ströme gleicher Zusammensetzung des zu trennenden Grundgemisches sich vereinigen. Dabei wird die in den Trennvorrichtungen auftretende Entmischung von Grundgemisch und Zusatzgas weitgehend rückgängig gemacht, wodurch sich die am einen Ende der Kaskade abzuziehende und am anderen Ende wieder zuzuführende Zusatzgasmenge wesentlich vermindern läßt.

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform für die Parallelschaltung mehrerer Trennvorrichtungen zeigen F i g. 3 und 4. Dabei sind die Leitungen 38 für die gemeinsame Versorgung von jeweils vier schlitzförmigen Düsenkanälen parallel angeordnet zu den Leitungen 36 für die gemeinsame Abführung der Kernteile aus jeweils vier (an den seitlichen Begrenzungen der Anordnungen nur zwei) Abschälkanälen. Es umschließen jeweils zwei Abführungsleitungen eine Zuführungsleitung und (außer an den seitlichen Begrenzungen) jeweils zwei Zuführungsleitungen eine Abführungsleitung. Es ergibt sich dann im seitlichen Querschnitt — wie in F i g. 4 erkennbar —, daß eine Vorrichtung nach F i g. 1 spiegelbildlich von Kanal zu Kanal aufeinanderfolgend angeordnet wird. Die Mantelteile des Gases treten durch die Leitungen 39 in Fig. 3 nach oben und unten aus. und werden in einem die gesamte Tennvorrichtung umschließenden, in der Figur nicht gezeigten gasdichten Gehäuse gemeinsam aufgefangen. Aus diesem Gehäuse können sie über eine angesetzte Rohrleitung abgezogen werden.

Bei einem mit einer Anordnung nach F i g. 1 durchgeführten Versuch wurde die Weite der Düse 13 an der engsten Stelle mit 0,23 mm, der innere Radius des Umlenkbleches 11 mit 1,5 mm gewählt. In der Düsenzuleitung 16 wurde ein Druck von 80 Torr, in der Absaugleitung 19 ein Druck von 8 Torr und in der Absaugleitung 17 ein Druck von 10 Torr aufrechterhalten. Es wurde mit einem Gemisch aus 95 Molprozent He und 5 Molprozent eines binären Isotopengemisches mit einem mittleren Molekulargewicht von etwa 350 gearbeitet

Bei einer Weite des Abschälkanals 15 von 0,18 mm wurden etwa 70% des Isotopengemisches über die Leitung 17 und 30% über die Leitung 19 abgezogen. Bezeichnet man den Molenbruch der leichten Isotopenkomponente in den Leitungen 17 bzw. 19 mit η_1Ί bzw. ra₁₉, so ergab sich als Elementareffekt der Trennung in der üblichen Definition

__{1 =} ο ₀₁₂

auf Grund einer massenspektrometrischen Messung.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Trennen von gas- oder dampfförmigen Stoffen mit mittleren Molekulargewichten über 200, insbesondere Isotopen, mit unterschiedlichem Molekulargewicht und bzw. oder verschiedenen gaskinetischen Querschnitten, bei dem das Gemisch aus düsenartigen öffnungen auf Schälblenden, die sie in Mantelteile und durch die Blendenöffnungen hin- to durchtretende Kernteile zerlegen, zuströmt und auf diesem Weg mechanisch umgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gemisch ein leichteres Zusatzgas beigegeben und der aus der Düse austretende Strahl auf dem Weg zur Schälblende um weniger als 360° umgelenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz an leichtem Gas mindestens 1000 Molprozent beträgt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und/oder 2, gekennzeichnet durch eine mittlere Gasabführungsleitung (19), deren eine seitliche Endfläche (12) zugleich einen Teil des Düsenkanals (13) bildet, während die gegenüberliegende Endfläche als Schälblende (14) ausgebildet ist, und durch ein gebogenes Umlenkblech (11), das den Düsenkanal (13) und den Schälkanal (15) verbindet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß um eine zentrale Düse (21) spiegelbildlich je ein Gasabführungskanal (26, 27) seitlich der Düse (21) vorgesehen ist und daß das Umlenkblech (22) die Form einer liegenden Drei aufweist und mit seiner mittleren Spitze (23) der Düse (21) gegenüberliegt (F i g. 2).

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Abführungsleitungen (38,36) parallel zueinander so angeordnet sind, daß eine Abführungsleitung für je vier Abschälkanäle sowie je eine Zuführungsleitung für vier Düsenkanäle vorgesehen ist und die Trennwände zwischen den Zu- und Abführungsleitungen (38 und 36) an der Stirnseite als Umlenkblech ausgebildet sind (F i g. 3 und 4).

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Weite der Düse (13 bzw. 21) an ihrer engsten Stelle kleiner als 1 mm gehalten ist.

7. Vorrichtung nach Ansprach 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius des Umlenkbleches (11 bzw. 22) in dem für die Strahlumlenkung wesentlichen Bereich kleiner als 5 mm ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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