<EMI ID=1.1>
BILOUS, est relative aux appareils diffuseurs à plusieurs
étages utilisés pour effectuer par diffusion gazeuse la
séparation de gaz mélangés de poids moléculaires voisins.
On sait que ces appareils comprennent essentiellement une paroi poreuse dont le rayon moyen des pores est
petit devant le libre parcours moyen (variable avec la
température et la pression) des molécules de ces gaz. Les
chocs de ces molécules contre les parois des pores ont alors plus d'importance que les chocs mutuels de ces molécules les unes sur les autres (effet Knudsen) :
les particules les plus légères tendent donc à passer préférentiellement à travers la paroi poreuse.
Une telle séparation peut être produite par exemple dans le dispositif connu de la fig. 1. La paroi poreuse appelée encore "barrière" 1 sépare les compartiments haute et basse pression 2 et 3 du diffuseur 4. Le mélange gazeux, comprimé dans le compresseur 5 6 est amené
à une température convenable dans l'échangeur/puis arrive en 7 dans le diffuseur 4. Une partie diffuse à travers
la barrière 1 s'enrichit en le constituant gazeux le plus léger et est extraite en 8 du compartiment basse pression
3. L'autre partie s'appauvrit en ledit constituant et est soutirée en 9 du compartiment haute pression 2. Un tel dispositif constitue un étage de diffusion.
L'enrichissement étant très faible, il faut, pour obtenir une concentration en constituant léger intéressante, faire subir au mélange gazeux de très nombreuses diffusions à travers des barrières analogues. On groupe donc plusieurs étages de la manière indiquée sur la fig,
2. Sur cette figure sont représentés trois étages de diffusion avec les diffuseurs 10, 11, 12, les compresseurs
<EMI ID=2.1> .sortant en 19 du diffuseur 11 est envoyé au diffuseur 12 où il entre en 20, après addition du gaz appauvri venant de l'étage suivant et arrivant on 21.
Le gaz appauvri sortant en 22 du diffuseur 11 est recyclé dans le diffuseur 10, où il entre en 23 après avoir été mélangé au gaz enrichi venant par 24 de l'étage précédent.
On doit adjoindre sur tous les circuits de gaz appauvri une vanne de contrôle telle que 25 et un dispositif' de recompression, par exemple une'soufflante 26, destiné à compenser les pertes de charge dues à la circulation des
gaz.
Un tel ensemble d'étages constitue une "cascade".
Dans la suite du texte, on désignera par :
Li ':le débit en poids du gaz entrant dans le diffuseur
de rang i ;
<EMI ID=3.1>
compartiment basse pression du diffuseur de rang i ; Ni : la concentration en gaz le plus léger dans le
mélange entrant dans le diffuseur de rang i ;
<EMI ID=4.1>
mélange diffusé sortant du compartiment basse pression du diffuseur de rang i ;
<EMI ID=5.1>
L
le même pour chaque étage ) ;
<EMI ID=6.1>
1-N
<EMI ID=7.1>
R
Une telle installation présente certains inconvénients.
Le coefficient d'enrichissement [pound] qui conditionne le nombre d'étages nécessaires pour obtenir la concentration désirée est très faible, et par suite pour obtenir une bonne séparation, il faut un très grand nombre d'étages.
Par exemple, pour la séparation des isotopes 235
<EMI ID=8.1>
<EMI ID=9.1>
0,5 'on obtient en pratique un coefficient d'enrichissement voisin de 0,002, ce qui nécessite trois cents étages pour
<EMI ID=10.1>
mille cinq cents étages.
D'autre part, l'importance du débit recyclé pose le problème de savoir où et comment le réintroduire dans l'installation. Plusieurs possibilités ont été envisagées :
1[deg.]) on peut le réinjecter à l'entrée des compresseurs, en lui faisant subir une perte de charge adéquate, ce qui conduit à un surcroît de dépense en énergie et à des appareils volumineux, à moins que le débit recyclé ne soit petit par rapport au débit entrant dans l'étage;
2[deg.]) le compresseur peut comporter deux entrées, l'une à basse pression, l'autre à pression moyenne, mais la fabrication de tels appareils est complexe et coûteuse ;
<EMI ID=11.1>
apport au .débit entrant dans l'otage.
L'invention a pour but d'améliorer le rendement de telles installations,
<EMI ID=12.1> ou égal à p) est envoyé à l'alimentation de l'étage i-h+2 et que le gaz, appauvri en ledit constituant, sortant d'un tronçon dudit étage i est envoyé à l'alimentation du tronçon suivant du même étage, alors que celui sortant de son dernier tronçon (d'ordre p) est envoyé à
<EMI ID=13.1>
Une telle disposition permet de diminuer le nombre total d'étages et l'importance des débits recyclés de gaz n'ayant pas diffusé.
En effet, dans un diffuseur ordinaire, tel que celui représenté fig. 1, le gaz qui entre en 7 pour sortir en 9 s'appauvrit progressivement en gaz léger. La fraction diffusée près de 9 est donc moins riche que la fraction diffusée près de 7. Si; suivant l'invention, on divise le diffuseur en plusieurs tronçons, dans chaque tronçon la diffusion sera plus homogène. Dans le premier tronçon, le
<EMI ID=14.1>
Or seule la portion du mélange diffusée par ce tronçon est envoyée à l'étage suivant, toutes les portions diffusées par les autres tronçons étant recyclées d'une façon variable avec leurs degrés d'enrichissement.
Le coefficient [pound] à considérer pour chaque étage est donc celui du premier tronçon, et, comme il est plus grand que dnns les réalisations classiques, le nombre
<EMI ID=15.1>
petit.
Comme la diffusion réalisée dans le ou les derniers tronçons n'affecte pas le coefficient d'enrichissement de l'étage, en raison du recyclage de la portion y diffusée, on peut prévoir le nombre et la surface de ceuxci tels que la somme d.es débits de gaz diffusés dans les p tronçons d'un étage soit supérieur au débit diffusé par un étage de diffuseur classique.
Il s'ensuit que la portion de gaz non diffusée recyclée est moins importante, ce qui rend sa recompression plus économique.
Pratiquement môme un éjecteur à buse suffit à cet effet, la portion de gaz diffusé qui alimente chaque étage étant capable, après avoir été comprimée par le compresseur d'alimentation de cet étage, d'entraîner, dans ledit éjecteur, la portion non diffusée recyclée. De tels éjecteurs présentent sur les soufflantes les avantages d'un fonctionnement statique et d'une exécution simplifiée.
Ou encore le'gaz non diffusé recyclé peut être simplement détendu et envoyé à l'entrée du compresseur d'alimentation correspondant : cette méthode, peu intéressante dans les réalisations classiques illustrées par la fige 1 devient ici économique, étant donné la petitesse du débit intéressé.
<EMI ID=16.1>
ci-jointes, on va décrire ci-après divers exemples, donnés à titre non limitatif, de réalisation d'appareils diffuseurs conformes à l'invention. Les dispositions de réalisation qui seront décrites à propos de ces exemples devront être considérées comme faisant partie de l'invention, étant entendu que toutes dispositions équivalentes pourront aussi bien être utilisées sans sortir du cadre de celle-ci.
La fig. 3 représente un étage de diffuseur divisé en deux tronçons conformément à l'invention.
La fig. 4 représente une cascade de trois étages semblables à celui représenté sur la fig. 3.
1
La fige 5 représente une cascade d'étages de diffuseur divisés en cinq tronçons.
La fig. 6 représente une cascade d'étages de diffuseur divisés en trois tronçons.
même
La fig. 7 représente la/cascade que la fig. 6, les trois tronçons dont le gaz diffusé alimente un même étage étant groupés en un seul bloc et réalisés par cloisonnements à l'intérieur d'un diffuseur standard.
Et les fige 8 et 9, enfin, montrent les emplacements de lignes de coupure permettant d'isoler des portions d'appareils diffuseurs dont les étages sont divisés, respectivement, en deux et trois tronçons.
L'étage de diffuseur représenté sur la fig. 3 comprend conformément à l'invention deux tronçons 27 et
28 (p = 2), Son compresseur 29 et son échangeur 30.
Le gaz arrivant de l'étage précédent entre en 31 dans la section haute pression du tronçon 27. Le gaz diffusé sort en 32 et est envoyé à l'étage suivant. Le gaz sous pression n'ayant pas diffusé passe du tronçon 27 au tronçon 28 par
<EMI ID=17.1>
en 34 et est réinjecté suivant l'invention en 35 avant le compresseur 29. Le gaz appauvri sort de la section haute
<EMI ID=18.1>
l'étage inférieur.
La cascade représentée sur la fig. 4 comprend trois étages de diffuseur divisés en deux tronçons, 37 et
<EMI ID=19.1>
<EMI ID=20.1>
(éjecteurs à buse).
On appelle k le rapport du débit diffusé par le second tronçon au débit diffusé par le premier. Ce rapport est pratiquement égal au rapport des surfaces des barrières poreuses de ces tronçons.
Si on refait une théorie analogue, pour la sépa-
<EMI ID=21.1>
le débit diffusé total, pour un travail de séparation donné, avec l'important avantage qu'une augmentation très notable du coefficient d'enrichissement [pound] est obtenue au prix d'une augmentation faible du débit diffusé total.
Ce débit diffusé total est égal à la somme des débits d'hexafluorure d'uranium diffusant à travers les barrières poreuses dans l'installation, que ces débits soient recyclés ou non, et la surface totale des barrières nécessaires est proportionnelle à ce débit diffusé total.
Si l'on compare une cascade composée d'étages doubles, pour k = 1,5, avec une cascade ne comportant que des étages ordinaires, on trouve que :
le nombre d'étages est multiplié par 0,65 ;
le débit diffusé total est multiplié par 1,10 ;
le débit non diffusé recyclé est multiplié par 0,44. On voit que moyennant une faible augmentation de la surface des barrières, on diminue considérablement le nombre d'étages et le débit non diffusé recyclé, dont la recompression peut se faire de façon économique, corme il a été vu plus haut.
La fig. 5 représente plusieurs étages de diffuseur divisés, conformément à l'invention, en cinq tronçons
<EMI ID=22.1>
52, 53 et 54. Pour simplifier le dessin, les compresseurs, r"
6 changeurs, vannes et dispositifs de re compression n'ont <EMI ID=23.1>
traïts: pleins de façon, à mettre en évidence le circuit, des. gaz d'un. étage: donné. � les', autres: circuits relatifs aux autres otages- sont en traits: interrompus:.,
<EMI ID=24.1>
Si l'on compare alors une cascade composée: de; diffuseurs à trois tronçons avec une. cascade composée de diffuseurs classiques,, on trouve que pour des: productions.. analogues :
<EMI ID=25.1>
Sur la fige ? on a représenté plusieurs étages de diffuseur à trois tronçons en les désignant par les mêmes
<EMI ID=26.1>
rassemblé dans un appareil unique les tronçons des trois étages différents dont le gaz diffusé est recyclé au même étage.
Une telle disposition permet de monter toute l'installation avec des appareils identiques.
<EMI ID=27.1>
rés des lignes de coupure 64, 65 qui permettent d'isoler une partie des appareils diffuseurs pour leur entretien ou leur réparation. Sur ces figures on constate que les lignes de coupure sont placées de telle façon qu'elles
ne coupent que des courants haute pression, ce qui diminue le diamètre et par conséquent le coût des vannes nécessaires.
<EMI ID=28.1>
ré l'un des étages (à deux tronçons) de l'appareil, par un trait mixte 66 et d'une façon analogue on a entouré l'un des étages à trois tronçons de l'appareil de la fig. 9
<EMI ID=29.1>
REVENDICATIONS
1. Appareil diffuseur à'plusieurs étages pour effectuer par diffusion gazeuse la séparation de gaz mélangés de poids moléculaires voisins, caractérisé en ce que l'un au moins de ses étages i est divisé en p tronçons
<EMI ID=30.1>
léger, diffusé par le tronçon d'ordre h de cet étage
(h étant un nombre entier inférieur ou égal à p) est envoyé à l'alimentation de l'étage i-h+2 et que le gaz, appauvri en ledit constituant, sortant d'un tronçon dudit étage i, est envoyé à l'alimentation du tronçon suivant du même étage, alors que celui sortant de son dernier tronçon (d'ordre p) est envoyé à l'alimentation de l'étage i-p+l.
<EMI ID = 1.1>
BILOUS, relates to diffusers with several
stages used to carry out by gas diffusion the
separation of mixed gases of neighboring molecular weights.
It is known that these devices essentially comprise a porous wall, the mean pore radius of which is
small in front of the average free path (variable with the
temperature and pressure) of the molecules of these gases. The
impacts of these molecules against the walls of the pores are therefore more important than the mutual impacts of these molecules on each other (Knudsen effect):
the lighter particles therefore tend to pass preferentially through the porous wall.
Such a separation can be produced, for example, in the known device of FIG. 1. The porous wall also called "barrier" 1 separates the high and low pressure compartments 2 and 3 of the diffuser 4. The gaseous mixture, compressed in the compressor 5 6, is supplied.
at a suitable temperature in the exchanger / then arrives at 7 in the diffuser 4. A part diffuses through
barrier 1 is enriched with the lightest gas component and is extracted at 8 from the low pressure compartment
3. The other part is depleted in said constituent and is withdrawn at 9 from the high pressure compartment 2. Such a device constitutes a diffusion stage.
The enrichment being very low, it is necessary, in order to obtain an interesting light constituent concentration, to subject the gas mixture to very numerous diffusions through similar barriers. We therefore group several floors in the manner shown in fig,
2. In this figure are shown three diffusion stages with diffusers 10, 11, 12, compressors
<EMI ID = 2.1>. Exiting at 19 from diffuser 11 is sent to diffuser 12 where it enters at 20, after addition of the depleted gas coming from the next stage and arriving at 21.
The depleted gas exiting at 22 from diffuser 11 is recycled into diffuser 10, where it enters at 23 after having been mixed with the enriched gas coming via 24 from the previous stage.
A control valve such as 25 and a recompression device, for example a blower 26, intended to compensate for the pressure losses due to the circulation of the gases, must be added to all the depleted gas circuits.
gas.
Such a set of floors constitutes a "cascade".
In the rest of the text, we will denote by:
Li ': the weight flow rate of the gas entering the diffuser
of rank i;
<EMI ID = 3.1>
low pressure compartment of row i diffuser; Ni: the concentration of the lightest gas in the
mixture entering the row i diffuser;
<EMI ID = 4.1>
diffused mixture leaving the low pressure compartment of row i diffuser;
<EMI ID = 5.1>
L
the same for each floor);
<EMI ID = 6.1>
1-N
<EMI ID = 7.1>
R
Such an installation has certain drawbacks.
The enrichment coefficient [pound] which conditions the number of stages necessary to obtain the desired concentration is very low, and consequently to obtain good separation, a very large number of stages is required.
For example, for the separation of isotopes 235
<EMI ID = 8.1>
<EMI ID = 9.1>
0.5 ', in practice, an enrichment coefficient close to 0.002 is obtained, which requires three hundred stages for
<EMI ID = 10.1>
one thousand five hundred floors.
On the other hand, the importance of the recycled flow poses the problem of knowing where and how to reintroduce it into the installation. Several possibilities were considered:
1 [deg.]) It can be reinjected at the inlet of the compressors, subjecting it to an adequate pressure drop, which leads to an additional expenditure in energy and to bulky devices, unless the recycled flow rate does not either small compared to the flow entering the stage;
2 [deg.]) The compressor can have two inlets, one at low pressure, the other at medium pressure, but the manufacture of such devices is complex and expensive;
<EMI ID = 11.1>
contribution to the flow entering the hostage.
The object of the invention is to improve the efficiency of such installations,
<EMI ID = 12.1> or equal to p) is sent to the supply of stage i-h + 2 and that the gas, depleted in said constituent, leaving a section of said stage i is sent to the supply of the next section of the same floor, while that leaving its last section (of order p) is sent to
<EMI ID = 13.1>
Such an arrangement makes it possible to reduce the total number of stages and the importance of the recycled flows of gas which has not diffused.
Indeed, in an ordinary diffuser, such as that shown in fig. 1, the gas which enters at 7 to exit at 9 is progressively depleted in light gas. The fraction diffused near 9 is therefore less rich than the fraction diffused near 7. Si; according to the invention, the diffuser is divided into several sections, in each section the diffusion will be more homogeneous. In the first section, the
<EMI ID = 14.1>
However, only the portion of the mixture diffused by this section is sent to the next stage, all the portions diffused by the other sections being recycled in a variable manner with their degrees of enrichment.
The coefficient [pound] to be considered for each stage is therefore that of the first section, and, as it is greater than in conventional embodiments, the number
<EMI ID = 15.1>
small.
As the diffusion carried out in the last section or sections does not affect the enrichment coefficient of the stage, due to the recycling of the portion diffused therein, the number and the area of these can be predicted such that the sum d. The gas flows diffused in the p sections of a stage is greater than the flow diffused by a conventional diffuser stage.
It follows that the portion of non-diffused gas recycled is smaller, which makes its recompression more economical.
Practically even a nozzle ejector is sufficient for this purpose, the portion of diffused gas which feeds each stage being capable, after having been compressed by the supply compressor of this stage, of driving, in said ejector, the non-diffused recycled portion. . Such ejectors have the advantages of static operation and simplified execution over blowers.
Or the recycled non-diffused gas can simply be relaxed and sent to the inlet of the corresponding supply compressor: this method, which is not very advantageous in the conventional embodiments illustrated by fig 1, becomes economical here, given the smallness of the flow concerned. .
<EMI ID = 16.1>
Hereinafter, various examples will be described, given without limitation, of the production of diffusing devices in accordance with the invention. The embodiments which will be described with regard to these examples should be considered as forming part of the invention, it being understood that any equivalent arrangements could equally well be used without departing from the scope thereof.
Fig. 3 shows a diffuser stage divided into two sections in accordance with the invention.
Fig. 4 shows a cascade of three stages similar to that shown in FIG. 3.
1
Fig. 5 represents a cascade of diffuser stages divided into five sections.
Fig. 6 shows a cascade of diffuser stages divided into three sections.
even
Fig. 7 represents the / cascade that FIG. 6, the three sections of which the diffused gas feeds the same stage being grouped together in a single block and produced by partitions inside a standard diffuser.
And figs 8 and 9, finally, show the locations of cut-off lines making it possible to isolate portions of diffusing devices whose stages are divided, respectively, into two and three sections.
The diffuser stage shown in fig. 3 comprises in accordance with the invention two sections 27 and
28 (p = 2), Its compressor 29 and its exchanger 30.
The gas arriving from the previous stage enters at 31 the high pressure section of section 27. The diffused gas leaves at 32 and is sent to the next stage. The pressurized gas which has not diffused passes from section 27 to section 28 by
<EMI ID = 17.1>
at 34 and is reinjected according to the invention at 35 before the compressor 29. The depleted gas leaves the upper section
<EMI ID = 18.1>
the lower floor.
The waterfall shown in fig. 4 comprises three diffuser stages divided into two sections, 37 and
<EMI ID = 19.1>
<EMI ID = 20.1>
(nozzle ejectors).
We call k the ratio of the flow rate diffused by the second section to the rate diffused by the first. This ratio is practically equal to the ratio of the surfaces of the porous barriers of these sections.
If we redo an analogous theory, for the separation
<EMI ID = 21.1>
the total diffused flow, for a given separation work, with the important advantage that a very notable increase in the enrichment coefficient [pound] is obtained at the cost of a small increase in the total diffused flow.
This total diffused flow is equal to the sum of the flow rates of uranium hexafluoride diffusing through the porous barriers in the installation, whether these flows are recycled or not, and the total area of the barriers required is proportional to this total diffused flow. .
If we compare a cascade composed of double stages, for k = 1.5, with a cascade comprising only ordinary stages, we find that:
the number of floors is multiplied by 0.65;
the total broadcast rate is multiplied by 1.10;
the recycled non-diffused flow is multiplied by 0.44. It can be seen that by means of a small increase in the surface area of the barriers, the number of stages and the non-diffused recycled flow rate are considerably reduced, the recompression of which can be done economically, as has been seen above.
Fig. 5 shows several diffuser stages divided, in accordance with the invention, into five sections
<EMI ID = 22.1>
52, 53 and 54. To simplify the drawing, compressors, r "
6 changers, valves and recompression devices have <EMI ID = 23.1>
traïts: full way, to highlight the circuit, of. gas from one. floor: given. � the ', others: circuits relating to the other hostages - are in lines: interrupted:.,
<EMI ID = 24.1>
If we then compare a cascade composed of: of; three-section diffusers with one. cascade composed of classic diffusers, we find that for: analogous productions:
<EMI ID = 25.1>
On the freeze? several stages of three-section diffuser have been shown, designating them by the same
<EMI ID = 26.1>
brought together in a single device the sections of the three different stages from which the diffused gas is recycled on the same stage.
Such an arrangement makes it possible to assemble the entire installation with identical devices.
<EMI ID = 27.1>
res cut-off lines 64, 65 which make it possible to isolate part of the diffusing devices for their maintenance or repair. In these figures it can be seen that the cut lines are placed in such a way that they
only cut high pressure currents, which reduces the diameter and therefore the cost of the valves required.
<EMI ID = 28.1>
d one of the stages (with two sections) of the apparatus, by a dashed line 66 and in a similar way one of the stages with three sections of the apparatus of FIG. 9
<EMI ID = 29.1>
CLAIMS
1. Diffuser apparatus with several stages for carrying out by gas diffusion the separation of mixed gases of neighboring molecular weights, characterized in that at least one of its stages i is divided into p sections
<EMI ID = 30.1>
light, diffused by the section of order h of this stage
(h being an integer less than or equal to p) is sent to the supply of stage i-h + 2 and that the gas, depleted in said constituent, leaving a section of said stage i, is sent to l 'supply of the next section of the same stage, while that exiting its last section (of order p) is sent to the supply of the stage i-p + 1.