DE1519971A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Trennung eines Gasgemisches durch Streuung an einer bewegten Wand - Google Patents

Description

dr. W. Schalk · dipl.-ing. P. Wirth ■ dipl.-ing. G. Dannenberg DR.V. SCHMIED-KOWARZIK · DR. P. WE I N HOLD

Da/Kt P 15 19 971*0

11.10.68

Centre National de la Recherche Seientifique Paris / Frankreich

Verfahren und Vorrichtung zur Trennung eines ä

Gasgemisches durch Streuung an einer bewegten

Wand

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trennung eines im thermodynaaisehen Gleichgewicht befindlichen Gasgemisches durch Streuung an einer bewegten Wand.

Es ist bereits eine Vorrichtung zur Trennung von Isotopen in der Gasphase unter Verwendung gasförmiger Verbindungen der zu trennenden Isotope, die bei der Temperatur der flüssigen Luft oder der festen Kohlensäure kondensierbar sind, mit der Isotopensohleuse bekannt, bei der im Zwischenraum zwischen den rotierenden Blenden Kühlfallen und bzwo oder Pumpleitungen angeordnet sind. Diese Vorrichtung beruht darauf, daß zur Isotopentrennung der Effekt der Ungleichheit der Abtrennung oder Abspaltung

9 0 9 8 2 2/1101

ΝβΙΙΘ Unterlagen (Art. 7 S l Abs. 2 Nr. I Satz 3 des Xnderunasges. * 4.9.1Q671

der leichteren und schwereren Moleküle einer Mischung voneinander unter der Wirkung eines Gravitationsfeldes herangezogen wird. Hierbei wird der Misch-Strahl durch die intermittierenden Blendensysteme, welohe den Molekularstrahl durchsetzen, in einzelne Wölkchen zerteilt, deren Zusammensetzung sich über ihrer in Bewegungsrichtung gemessenen Dimension während des freien Durchströmens eines lediglich einem Schwerkraftfeld ausgesetzten freien Raumes ändert· Durch wiederholte Aufspaltung solcher Molekularstrahl-Wölkchen, wobei lediglich jeweils dem Kopf eines aufgespaltenen Wölkchens eine Weiterbewegung ermöglicht wird, läßt sich eine Anreicherung des Restwölkchens mit der leichteren Komponente des ursprünglich eingeleiteten Gasgemisches erreichen. Dieses Verfahren ist jedoch ohne besondere zusätzliche Maßnahmen lediglich für Atomstrahlen leicht kondensierbarer Metalldämpfe mit Erfolg anwendbar.

Es ist auch bekannt, bei einer Isotopenschleuse das auf die Molekularstrahl-Wölkchen wirkende Gravitationsfeld durch ein Feld von Zentrifugalkräften zu ersetzen. Dabei handelt es sich praktisch lediglich um eine einfache Vervollkommnung von auf dem Gebiet der Isotopentrennung wohlbekannten Zentrifugen. Diese Vervollkommnung besteht darin, daß im Falle der Beschickung der Vorrichtung mit Gasmisohungen, welche bei der Temperatur flüssiger Luft oder feste» Kohlensäure kondensierbar sind, Kühlfallen

909822/1101

zwischen den rotierenden Blendentrommeln vorgesehen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trennung eines Gasgemisches zu schaffen, welche mit besonders einfachen Mitteln nicht nur zuverlässige Ergebnisse zeitigen, sondern auch eine genaue Vorausbestimmung des Anreicherungsgrades der ein- % ζeinen Fraktionen ermöglichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht im wesentlichen darin, daß eine Klassierung der Moleküle entsprechend der Translationsgeschwindigkeit ihrer thermischen Bewegung dadurch vorgenommen wird, daß auf die bewegte Wand ein Strahl aus Molekülen des Gemisches durch eine Ejektordüse gerichtet wird, deren Austrittsöffnung nahe der bewegten Wand angeordnet und deren Neigung mit Bezug auf | die bewegte Wand so einstellbar ist, daß eine an dieser gestreute Gasmischung erhalten wird, in der die Molekulargeschwindigkeiten dem Maxwell'sehen Verteilungsgesetz folgen, und daß die Fraktionen der gestreuten Gasmischung, in denen die Moleküle innerhalb eines vorbestimmten Intervalls liegende Geschwindigkeiten aufweisen und die einem theoretischen Anreicherungsgrad entsprechen, mittels Fang-

düsen aufgefangen werden, welche gleichfalls nahe der bewegten Wand und nahe der Ejektordüse angeordnet und entsprechend dem jeweilig gewünschten Anreicherungskoeffizienten mit Bezug auf die bewegte Wand geneigt sind.

909822/1101

• Die Zusammensetzung der ausgewählten Fraktionen unterscheidet sich von derjenigen des Ausgangsgemisches, und die ausgewählten Fraktionen können erneut fraktioniert werden, um eine vollständigere Trennung der Bestandteile des Gemisches zu erhalten.

Die Moleküle des Auegangsgemisches und der getrennten Fraktionen können auf solcher Temperatur gehalten werden, daß der Dampfdruck unterhalb dee Restdruckes liegt, um hierdurch die Pumparbeitsgän-W ge herabzusetzen·

Die Gemische der rückgewonnenen Moleküle können erneut in Umlauf gebracht werden, um ausschließlich Gemische zu erhalten, welche den gewünschten Anreicherungskoeffizienten besitzen·

Das Gasgemisch kann in zwei Teilen fraktioniert werden, von denen der eine die Moleküle umfaßt, deren Tranelationageschwindigkeit über dem Mittel der wahrscheinlichsten Geschwindigkeiten der MoIeküle jeder Art liegt und von denen der andere diejenigen Moleküle einschließt, deren Translationsgeschwindigkeit unterhalb dieser mittleren Geschwindigkeit liegt.

Die Trennung des Gaegemisohes erfolgt nach der Erfindung im wesentlichen entsprechend dem Wert der Molokulargeschwindigkeitskompontnten, dl· parallel zu der Verschiebungsrichtung der Oberfläche oder der bewegten streuenden Wand verlaufen·

Der Molekularstrahl kann mittels einer EjektordÜse erzeugt werden,

909822/1101 !«je Unterlagen (A*.7§ι ^2NM Safx3d»Xndww-*·«·**·■

deren Auslaß benachbart einer bewegten Wand liegt und die mit Bezug auf die Wand verschiedene Neigungen einnehmen kann, während benachbart der Wand beidseits der Ejektordüse angeordnete Fangdüsen die gestreuten Moleküle aufnehmen, welche die bewegte Wand verlassen, wobei die Fangdüsen entsprechend den jeweiligen Anreioherungskoeffizienten mit Bezug auf die Wand geneigt sind· Die Neigung der den Molekularstrahl auf die bewegte Oberfläche richtenden Düse kann so eingestellt werden, daß die von der Oberfläche gestreuten und in die Düse geschleuderten Moleküle ein Gemisch bilden, dessen Zusammensetzung demjenigen des zu trennen·· den Gemisches entspricht· ■

Betrachtet man eine Oberfläche oder eine Wand, die sich in der Richtung eines Vektors V bewegt, und schickt man einen gasförmigen Molekularstrahl eines Zweistoffgemisches mit schweren und leichten Molekülen in einer zu der Wand senkrechten Riohtung, so läßt sich mit Hilfe der kinetischen Gastheorie der erfindungsgemaß ausgenutzte Effekt zeigen, daß sich der in Riohtung des Vektors V mit Bezug auf die Normale der Oberfläche vorne liegende Raumwinkel mit leichtes Molekülen anreichert, während sich der hinten liegende Raumwinkel mit schweren Molekülen anreichert.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren» nach der Erfindung besteht im wesentlichen aus einer Wand, die in einem geschlossenen evakuierten Raum bewegt wird und deren Verschiebungsgeschwindigkeit in der gleichen Größenordnung wie die mittlere Geschwindigkeit der Molekularbewegung de· zu trennenden Gasgemisches liegt,

909822/1101

sowie durch mindestens eine Anordnung aus drei auf derselben Wandseite angeordneten Düsen, mit einer mittleren Düse, die senkrecht zu der bewegten Wand mündet, und zwei seitlichen Düsen, die gegen die Senkrechte der Wand geneigt und beiderseits der mittleren Düse, dieser möglichst nahe, angeordnet sind, wobei die beiden seitlichen Düsen unter Zwischenschaltung von Fallen mit Evakuierungseinrichtungen in Verbindung stehen und die mittlere Düse mit einer Hinrichtung zur Einführung des Gasgemisches bei Unterdruck verbunden ist, und wobei weiter eine Einrichtung vor* gesehen ist, welche das Gasgemisch bei Unterdruck ständig umlaufen läßt.

Bei der bevorzugten Ausführungsform einer derartigen Vorrichtung ist die bewegte Wand eine Rotationescheibe, die sich in einem Stator bewegt, der beispielsweise zwei Flansche aufweist, die •in· evakuierte Glocke oder Kammer bilden.

Der Spielraum zwischen dem Rotor und den beiden Flanschen ist vor«· zugβweise recht gering mit Rücksicht auf den Wert dar mittleren freien Weglänge der Moleküle bei den Unterdruckbedingungen der Kammer, doch ist festzustellen, daß dieser Spielraum erheblich größer als der Rotor-Stator-Abstand bekannter Molekularpumpen ^<v sein kann, der weniger oder gleich 1/100 na ist· Erfindungegemüß lassen sieh größere Stat or-Itotoi«»Spi ale verwenden, die zwischen einigen 1/100 mm und einigen 1/10 mm liegen und deren Verwirklichung keinerlei praktische Schwierigkeiten maoht.

Auf 4er einen und/oder anderen Saite der Rotationsscheibe können

009822/1101

-V

mehrere Gruppen zu je drei Düsen verwendet werden. Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Düsengruppen auf der einen Seite der Scheibe auf einem Scheibeninnenkreis und auf der anderen Seite auf einem Innenkreis verteilt, der mit Bezug auf die Mittelebene der Scheibe symmetrisch oder unsymmetrisch zu dem erstgenannten Innenkreis liegt.

Alle Düsen gleicher Funktion sind über Bohre parallel geschaltet, die in eine gemeinsame Leitung münden.

Die beiden den seitlichen Düsen zugeordneten Leitungen weisen Fallen oder andere Auffangvorrichtungen auf und sind mit Vakuumpumpen verbunden, während die der mittleren Düse zugeordnete Leitung mit der Gaageeisckquelle in Verbindung steht·

Die Erfindung ist im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Figur 1 ein Diagramm, anhand dessen das neue Verfahren noch deutlicher zu erläutern ist,

Fig.2-4 schematisohe Skizzen zu dem Verfahren nach der Erfindung,

Figur 5 im Schnitt di« betriebswesentliehen Teile einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dtr Erfindung,

909822/1101

Figur 6 einen Ausschnitt der Figur 5> aus dem zwei Düsengruppen nach der'Erfindung beidseits des Rotor« hervorgehen, und

Figur 7 im Aufriß die Anordnung der Düeengruppen an der einen Seite des Rotors der Vorrichtung nach Figur 5·

Das den Gegenstand der Erfindung bildende Verfuhren arbeitet Trie folgt t

Die zu trennenden Moleküle befinden sich im thermodynamisehen Gleichgewicht. Das Verfahren besteht nunmehr darin, die Moleküle des Gemische aufzufangen, deren Translationsgeschwindigkeit der thermischen Beiregung zwischen in geeigneter Weise gewählten Werten oder oberhalb eines vorbestimmten Wertes liegen.

Das Verfahren nutzt das luaxwell'sehe Verteilungsgesetz für die Translationegeechwindigkeit von Molekülen aus, die ein in thermodynamisch em Gleichgewicht befindliches Zweistoffgemisch bilden·

Ee sei angenommen, daß ML und M₂ (iL· ~> M.) die Molekularnassen (Molekülgramm) der Moleküle sind, die bei der absoluten Temperatur T vorliegen, n. und n₂ seien die Anzahl der Moleküle jeder Art innerhalb des Gemisches· In Figur 1 stellen die Kurven Y. und Y„ die relativen Anzahlen von Molekülen £ n, £. n_

—-__-· DiW. ""TT*"""

dar, deren Translationsgeschwindigkeit zwischen den Werten · und • +60 liegt, wobei in Ordinattnrichtung die Größen

909822/1101

sowie in Abszissenrichtung die Translationsgeschwindigkeit c aufgetragen sind. Die Kurven Y₁ und Y₀ ergeben sich aus der kinetischen Gastheorie und können nach Bedarf für jedes molekulare Zweistoffgemisch aufgezeichnet werden·

Fängt man die Moleküle auf, deren Geschwindigkeit zwischen ο und

c η

c + L- c liegt, so ist das Verhältnis Q 1 der Anzahl dieser Moleküle durch die Beziehung

3/2 *2 " ^Ml 2

2 BT

6 ⁿi ⁿi / ^ux *

6 ⁿ2 ⁿ2 ^M2

gegeben, wobei die Größe B die molekulare Gaskonstante idealer Gase ist. .

Das Verhältnis
Y

i 6ⁿ2

^T2

das nichts anderes als der Anreicherungskoeffizient für Moleküle der Art 1 des Gemisches (£n.., S ¹O ^i* Bezug auf das Gemisch (n., n«) iet, hat den Wert

3/2 "2 " ^Ml ₀2 . ,

909822/1101

Für die Werte der Geschwindigkeit c unterhalb derjenigen, welche

dem Schnittpunkt (Punkt b) der Kurven Y₁ und Y₀ entspricht, iat der

Anreicherungskoeffizient kleiner als 1· Für die der Bedingung Y, = Y₀ entsprechende Geschwindigkeit ist er gleich 1, und er wird

größer als 1 (und zwar zunehmend größer) für die höchsten Werte von

Beschränkt man sich nicht auf ein kleines Geschwindigkeitsintervall (c,c + <6 c) sondern betrachtet beispielsweise die Zusammensetzung von Molekulargemischen der Arten 1 und 2, deren Geschwindigkeit über dem in Figur 1 angegebenen Wert c. liegt, so erhält man den Anreicherungsfaktor des aufgefangenen Molekulargemisehe durch Bildung des Verhältnisses der Flächen zwischen den Kurven Y₁ und oc, Y und oc, ausgehend von dem Wert c. der Geschwindigkeit c.

Der Anreicherungsfaktor für Moleküle 1 wird infolgedessen

h Y₁ de

^{00 Y}2 ^d·

Dieser Anreicherungekoeffizient a kann Werte erreichen, die erheblich über denjenigen liegen, die bei Ausnutzung der Diffusion durch kleine Öffnungen, beispielsweise in einer porösen Wand, erhalten werden· Dies trifft auch für ein Gemisch von Molekülen mit relativ sehr ähnlichen Massen zu« Wählt man

»2

d» h. der doppelte Wert der statistisch wahrscheinlichsten Geschwindigkeit für die Moleküle M₀, und setzt man 6m ^M2 " ^Ml

909822/H01

Αλ

wobei M da· Mittel 1 * ^ ist, so zeigt die Rechnung, daß dir

2 erfindungsgemäß erhaltene Anreicherungekoeffizient genau

a « 1 + j- ^~- x 7,1 statt

ist, ein Wert, der bei der Diffusion durch kleine Öffnungen erhalten wird* Der Koeffizient a nimmt außerdem für steigende Werte τοη rasch zu, wobei ο der Wert der für das Gasgemisch wahrschein-

liebsten mittleren Geschwindigkeit ist.

Man kann auf diese Weise an Molekülen der Art 1 verarmte Gemische erhalten, indem man die Moleküle mit Geschwindigkeiten zwischen Null und einem Wert auffängt, der beispielsweise unterhalb dem dem Schnittpunkt b der Kurven T, und Y„ entsprechenden Wert liegt·

Für die Durchführung des oben geschilderten Verfahrens eignet sich jede Vorrichtung, die es ermöglicht, Moleküle abzusondern, deren Translationsgeschwindigkeit zwischen den in der oben geschilderten Weise bestimmten Werten liegt.

Man kann beispielsweise (Fig* l) drei Wertebereiche für die Geschwindigkeit c definieren, die zwischen den folgenden Grenzen liegen t

Oo ^* c ^· c *, ο' ^> · "^> c¹¹, c^H ~^>· c ^>> ο welchen die Anreicherungskoeffizienten

909822/1101

_{ft β} -*. _a

J· in*, ir j _ «*

dc I ^c" ^Y2^dc

dc

de

entsprechen.

Wählt man beispielsweise

kann das isolierte mittlere Gemisch, das die gleiche Zusammensetzung wie das gewöhnliche Gemisch hat, dem Ausgangsgemisch zugesetzt und τοπ neuem verarbeitet werden. Der Vorgang führt schließlich zu der Absonderung einer mit dem Faktor &^ angereicherten Fraktion und" einer mit dem Koeffizienten a_ verarmten (an leichten Molekülen) Fraktion, ohne daß Jfarisclieniraktionen vorhanden sind.

Im folgenden ist die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung in Verbindung mit einer bewegten streuenden Oberfläche beschrieben»

Eine Düse E (Fig. l) mündet benachbart einer bewegten festen überfläche S, welche die aus der Düse austretenden Gasmoleküle des Gemisches aufnimmt. Nach Eontakt mit der Oberfläche verlassen die Moltküle diese und besitzen eine Geschwindigkeitskomponente v_g gleich derjenigen der bewegten Oberfläche S.

909822/1101

Entsprechend der Ausrichtung der Düse T₁ (Fig. 3), welche einen Teil der die bewegte Oberfläche verlassenden Moleküle auffängt, können in diese Düse nur Moleküle eintreten, deren Geschwindigkeit ν (Fig. 4) mit Bezug auf die Fläche S in Verbindung mit der Geschwindigkeit v_ eine resultierende v. liefert, die eine für den

Ö V

Eintritt in die Düse T₁ geeignete Richtung hat.

Betrachtet man der Einfachheit halber die Moleküle, deren Geschwindigkeit in der Ebene der Figur 3 liegt, indem man mit ν die Geschwindigkeit dieser Moleküle für ein der Oberfläche S zugeordnetes Bezugssystem bezeichnet, erhält man die neue Ausrichtung der resultierenden Geschwindigkeit v, durch die geometrische Summe

Man erkennt leicht, daß, wenn v_ größer als ν ist, der größte von v, mit der Oberfläche S gebildete Winkel der Winkel ρ und

sin ρ » ist. Eb ist möglich, die Richtung der Fangdüse T₁

so einzustellen, daß nur Moleküle mit Geschwindigkeiten größer als

ν aufgenommen werden können. Es reicht hierfür aus, daß der von g

der Eintrittsflä«
kel/3 ist, wobei

der Eintrittefläche von T, mit S gebildete Winkel gleich dem Win«

OP * ν. AO * v_ö r a

Wählt man v_ größer als einen bestimmten Wert, sind die von der

Düse I₁ aufgenommenen Moleküle in einem vorteilhaften Verhältnis an leichten Molekülen angereichert, wenn durch die Düse E ein ütrom von Molekülen mit unterschiedlicher Masse auf die Fläche S gerichtet wird.

909822/1101

Mit der gleichen Zusammensetzungsregel läßt eich zeigen, daß die Moleküle mit einem geringen Geschwindigkeitswert ν ausgehend Ton der bewegten Oberfläche eine resultierende Geschwindigkeit v. annehmen, die sich im Winkel v_o zu nähern sucht, und zwar umso mehr als t_ sehr groß gegenüber ν ist. Infolgedessen fängt eine in entsprechender Weise angeordnete Düse, beispielsweise die Düse T-(Pig. 3) ein Gemisch auf, das reicher an Molekülen mit geringem Wert von ν (folglich schwere Moleküle) ist, als dies bei der Düse T₁ der Fall ist.

Schließlich ist es möglich, eine Düse T₂ vorzusehen, die Moleküle auffängt, deren Zusammensetzung die gleiche wie diejenige des Ausgangagemischs ist. Unter diesen Bedingungen kann das rückgewonnene Gemisch erneut in Umlauf gebracht werden, um schließlich nur das an leichten Molekülen (durch T. aufgefangene) Gemisch und das an schweren Molekülen (durch T- aufgefangene) Gemisch zu erhalten.

Um zu «hem Anreicherungsfaktor zu kommen, der für die Praxis brauch-

1 c^c- M bar ist (und merklich über 1 + -jr ■■ liegt), reicht es aus, daß die Geschwindigkeit v_a etwas über der Geschwindigkeit

VO j» φ
■ (der für die eine Molekülart wahrscheinlichsten 1

Geschwindigkeit) liegt.

Bei Molekularmasaen in der Größenordnung von 300 bis 400 und Temperaturen in der Größenordnung von 300° K führt dies zu Geschwindigkeiten β in der Größenordnung von 130 m/sec. Es iat ohne weitere· möglich, featen Oberflächen (Scheiben, Zylindern usw.) Umfange-

909822/1101

geschwindigkeiten zu vermitteln, die sehr erheblich größer sind, d· h. zu den günstigen Bedingungen zu kommen, bei denen die Bedingung ν *~-> c gilt.

Die "in Figur 5 dargestellte Vorrichtung weist im wesentlichen eine ebene Scheibe 1 auf, die auf einer Welle 1' sitzt und über einen Motor 2 und eine Übersetzung 3 rotierend angetrieben werden kann, wobei Lager k,5 in bekannter Weise vorgesehen sind. Die Scheibe 1 dreht sich zwischen zwei Flanschen 6,7 mit einem Spiel zwischen 5/100 und 1/10 mm. In der IMfangazone der Scheibe sind die beiden Flansche mit einem Ringkanal 6',7' mit rechteckigem Querschnitt versehen, dessen Funktion im folgenden erläutert wird. Die Vorrichtung ruht auf einem Unterbau 19·

Auf jedem der Flansche sind rechts von dem Mittelradius der Kanäle 6^f, 7¹ seitlich fünf Bügel 8,9 befestigt,und zwar die Bügel 8a, 8b, 8c, 8d, 8e an dem Flansch 6 (Fig. 7) und die Bügel 9a, 9b, 9c, 9d, 9e an dem Flansch 7· Die Bügel wirken mit rechtwinkligen Ausnehmungen 6a, 6b, 6c, 6d, 6e und 7a, 7b> 7c, 7d, 7e der Flansche 6 bzw. 7 zusammen.

Jeder Bügel 8 trägt drei Düsxn 10, 11, 12. Die betreffenden Düsen sind mit den gleichen Indizes wie die entsprechenden Bügel 8 versehen. So werden die Düsen IQa, Ha₁ 12a, von dem Bügel 8a gehalten usw.

Ebenso trägt jeder Bügel 9 drei Düsen 10', 11*, 12', deren Bezugszeichen mit den gleichen Indizes wie die zugehörigen Bügel versehen sind. Me Achse der Düsen M₄ 10' verl&uft senkrecht zur !Ebene der Scheibe 1. lie ©üsen 11,12 und 11% 12« eimd beidseits der *ittUren

Düsen 10 und IC geneigt angeordnet. Eine derartige Düsengruppe ist in Figur 6 veranschaulicht.

Die seitlichen Düsen münden in unmittelbarer Nähe der miotleren Düse. Der Querschnitt der verschiedenen Düsen ist vorzugsweise rechtwinklig, wobei die Längsabmessung des Rechtecks senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Wand oder Scheibe ausgerichtet ist. Jede Düse 10,10' ist mit einem Rohr 13, 13' verbunden. Beispielsweise trägt das zu dom Bügel 8a gehörige Rohr das Bezugszeichen 13a, während das dem Bügel 9a zugeordnete Rohr mit dem Bezugszeichen 13'a versehen ist.

Die in der Bewegungsrichtung ν der Scheibe 1 (Fig. 6) hinten liegenden Düsen 12 und 12' sind mit Rohren 15 und 15' verbunden, während die in Bewegungsrichtung vorne liegenden Düsen 11 und 11' mit Rohren 14 und 14' in Verbindung stehen.

Die Rohre gleicher Funktion sind mit einer gemeinsamen Leitung verbunden. »So sind, sämtliche Ilohre 13 mit einer Leitung l6 und aie Rohre 13' mit einer Leitung 10' verbunden, wie dies aus Figur 5 hervorgeht. Die Leitungsgruppen 17»18 und 17',18', welche den seitlichen Düsen zugeordnet sind, stehen mit einer (nicht veranschaulichten) Primär-Vcikuumpumpe (einer Schauf ölpumpe) in Verbindung, während die den mittleren Düsen zugeordneten Leitungen l6,lö· mit einer Gasgemischquelle verbunden sind. Das zu trennende Gas . wird auf diese Weise unter Unterdruck auf die Scheibe 1 geleitet.

Die an schweren Molekülen angereicherten, in den Rohren 14,14'

909822/1101

aufgefangenen Fraktionen Samueln sich in den Leitungen 17,17* und gelangen in Fallen, die in diese Leitungen vor den Vakuumpumpen eingefügtsind. In gleicher Weise sammeln sich die .an leichten Liolekülen angereiciierten und in den Lohren 15» 15' aufgefangenen Fraktionen in den Leitungen 16,Iu* und wer. en in (nicht umbestellten) Fallen aufgenommen, die vor den V&kuumpumpen ungeordnet si.d. In bekannter V/eiae tragen die Leitungen Therinostatverbindungen, die in Fig. 5 schematise)! angedeutet sind.

Iu praktischen Betrieb weru-n, um das Uml-.ufen des trasgemisctes zu gewährleisten ι i.ußerdem Mittel vorgesehen, welche den Raum zwischen den Flanschen und der .Jitriebsvorrichtung der Scheibe 1 evakuieren. Entsprechend Figur 7 ist d£~ü Rohr 20 uiit einer zusätzlichen (nicht dargestellten) I^Jriuiär-Vakuuiapumpe verbundon. Iuzolge des recht geringen jpiels zvxsckicn der Scheibe 1 und den Flaii^clien 6,7 außerhalb der Zanäle 6¹, 7' einerseits und zwischen d^r umlaufenden Viulle I¹ und i.en Lagern 4,5 i-ixdererseits, wird in dem Teil der Vorrichtung ein leichter überdruck aufrecht erhalten, der die Trennung der Gas- g

molecule praktiacli nicht beeinflußt und dor sich insbesondere c-,uf ana Lotorgühäuse 2 und die Übersetzung 3 auswirkt. M..n vermeidet auf di:se tfeise, daß das zu fraktionierende (ias in die bev/egten mechaiiiscii.n Teilo eindringt, was toü besonderer Bedeutung ist, wenn es aicii um korrodierendes (ras L< ndolt.

Dia Verrichtung η .ch der Erfindung ist mit Vorteil bei der Fraktionierung νου g-i.sföiiüigeu Isotopengeiaisclion aiUirendbi-r, beispielaweise flir Quecksilber oder Ur;-nhexafluorid. FlIr derartige Zwecke

BAD ORIGINAL

909822/1101

At

sind sämtliche Bauteile dar Vorrichtung gegen Korrosion geschützt* "

Die wahrscheinlichsten lioIekul^rgescLVindiukeitsWerte "von gasförmigen Isotopengemi sehen betragen beispielsweise

für Quecksilber IbG m/sec

bei Uranhexafluorid 125-130 m/sec.

Viie oben ausgeführt, wird ->.ie bei dein Verfahren- nt.ch der Ilrfindung benutzte bewegte Oberfläche vorteilhafterweise mit einer Geschwindigkeit gleicher Größenordnung und vorzugsweise mit einer größeren Geschwindigkeit als die wahrscheinlichste mittlere Geschwindigkeit des Gasgemischs bewegt. Dies kann bei Uor oben beschriebenen Vorrichtung in einfacher Y/eise verwirklicht- werden, da eine Scheibe 1 mit einem Durchmesser von 4tC0 Eua bei einer Drehzahl von ungefähr 9000 Umdrehungen pro IJinute eine mittlere Tangentialgesciiwindigkeit von 150 in/sec hat.

Es versteht sich, daß die vorstehend beschriebene Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Urfindung abgewandelt v/eracm kann, insbesondere hinsichtlich der Anzahl und Aufteilung der Düsengruppen mit Bezug auf die rotierende Scheibe und durch zusätzliche Verwendung von Einrichtungen zur Bückführung angereicherter Gase über Nebenleitungen.

BAD ORIGINAL

9098 22/1101

Claims (1)

1. H.1O„68 . Centre National de la

   Recherche Scientifique

   Patentansprüche:

   1. Verfahren zur Trennung eines im thermodynamisohen Gleichgewicht befindlichen Gasgemisches durch Streuung an einer bewegten Wand, dadurch gekennzeichnet, daß eine Klassierung der Moleküle entsprechend der Translationsgeschwindigkeit ihrer thermischen Bewegung dadurch vorgenommen wird, daß auf die bewegte Wand ein Strahl aus | Molekülen des Gemisches durch eine Ejektordüse gerichtet wird, deren Austrittsöffnung nahe der bewegten Wand angeordnet und deren Neigung mit Bezug auf die bewegte Wand so einstellbar ist, daß eine an dieser gestreute Gasmischung erhalten wird, in der die Molekulargeschwindigkeiten dem Maxwell'sehen Verteilungsgesetz folgen, und '-daß die Fraktionen der gestreuten Gasmischung, in denen die Moleküle innerhalb eines vorbestimmten Intervalls liegende Geschwindigkeiten aufweisen und die einem theo- : retischen Anreicherungsgrad entsprechen, mittels !Fangdüsen aufgefangen werden, welche gleichfalls nahe der bewegten

   Wand und nahe, der Ejektordüse angeordnet und entsprechend dem jeweilig gewünschten Anreicherungskoeffizienten mit Bezug auf die bewegte Wand geneigt sind. ,

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einstellung der Neigung der fangdüsen das Gasgemisch in zwei Teile fraktioniert wird, von denen

   909822/1101

   Neu© Unterlagen (Art. 7 § t Abs. 2 Nr. I Sat? 2 fies Änderungsges. v. 4. 9.

   der eine die Moleküle umfaßt, deren Translationsgeschwindigkeit über dem Mittel der wahrscheinlichsten Geschwindigkeiten der Moleküle jeder Art liegt, und von denen der andere die Moleküle einschließt, deren Translationsgeschwindigkeit unter dieser mittleren Geschwindigkeit liegt.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, daduroh gekennzeichnet, daß die Neigung der den Molekülstrahl auf die bewegte Oberfläche richtenden Düse so eingestellt wird, daß die von der Oberfläche gestreuten und in die Düse geschleuderten Moleküle ein Gemisah bilden, dessen Zusammensetzung derjenigen des zu trennenden Gemisches entspricht.

   4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens naoh einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem geschlossenen evakuierten Raum und einer in diesem Raum angeordneten bewegten Wand, gekennzeichnet durch mindestens eine Anordnung aus drei auf derselben Wandseite angeordneten Düsen, mit einer mittleren Düse (10), die senkrecht zu der bewegten Wand (1) mündet, und zwei seitlichen Düsen (11,12), die gegen die Senkreohteeder Wand (1) geneigt und beiderseits der mittleren Düse (10) dieser möglichst nahe angeordnet sind, wobei die beiden seitlichen Düsen (11,12) unter Zwischenschaltung

   9098 22/1101

   von Fallen mit Evakuierungseinrichtungen in Verbindung stehen und die mittlere Düse mit einer Vorrichtung zur Einführung des Gasgemisches unter Unterdruck verbunden ist, und wobei weiter eine Einrichtung vorgesehen ist, welche das Gasgemisch bei Unterdruck ständig umlaufen läßt.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die bewegte Wand eine Scheibe (1) ist, die sich zwischen zwei Flanschen (6,7) eines Stators bewegt und deren Verschiebungsgesohwindigkeit von der gleichen Größenordnung wie und vorzugsweise größer als die mittlere Geschwindigkeit der Molekularbewegung des zu trennenden Gasgemisches ist.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Spielraum zwischen dem Motor (1) und dem Stator (6,7) zwischen einigen 1/100 und einigen 1/10 mm beträgt.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß auf der einen und/oder anderen Seite der Scheibe (1) mehrere Gruppen zu je drei Düsen (10,11,12) angeordnet sind.

   - Anspruch 8 909822/1 101

   it

   Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Düsengruppen auf der einen Seite der Scheibe (1) auf einem Scheibeninnenkreis und auf der anderen Seite auf einem anderen Kreis verteilt sind, und zwar symmetrisch oder unsymmetrisch zu dem vorhergehenden mit Bezug auf die Mittelebene der Scheite.

   9ο Vorrichtung nach Anspruch 4, daduroh gekennzeichnet, daß die !Düsen (10,11,12) rechtwinkligen Querschnitt haben und die Längsbemessung des Rechtecks senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Wand (1) ausgerichtet ist.

   10_e Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle Düsen gleicher Punktion über Rohre (13»14,15) parallel geschaltet sind, die in eine gemeinsame Leitung (16,17,18) münden<,

   11. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 8> dadurch gekennzeichnet, daß die beiden den seitlichen Düsen zugeordneten Leitungen (17,18) Fallen oder andere Auffangvorrichtungen aufweisen und mit Vakuumpumpen verbunden sind, sowie daß die der mittleren Düse (10) zugeordnete Leitung (16) mit einer Gasgemischquelle in Verbindung steht.

   - Anspruch 12 909822/1 101

   12· Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5» gekennzeichnet durch eine Einrichtung, welche den Teil der Vorrichtung evakuiert, welcher die Flansche (6,7) und das Gehäuse der Antriebseinrichtung umfaßt.

   13. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ringkanal (6',7') in den einen

   und/oder anderen Flansch. (6,7) eingearbeitet ist, ä

   auf dessen rechter Seite Bügel (8,9) angebracht sind, welche die Düsengruppen (10,11,12) tragen.

   14. Vorrichtung naoh Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile gegen Isotopengas wie Uranhexafluorid korrosionsbeständig sind.

   Patentanwalt :

   909822/1101

   Leerseite