DE1519972A1

DE1519972A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Trennung eines Gasgemisches mit Molekuelen unterschiedlicher Masse durch Fraktionierung

Info

Publication number: DE1519972A1
Application number: DE19641519972
Authority: DE
Inventors: Rene Lucas
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1963-03-14
Filing date: 1964-03-13
Publication date: 1969-05-22
Also published as: GB1055192A; DE1519971A1; FR85380E; NL6402686A; NL6402685A; US3320722A; GB1053334A; CH413792A; CH413791A; US3299616A

Description

• ·

PATENTANWÄLTE "

TO 9 97

DR. W.SCHALK· DIPL.-ING. P. WlRTH ■ DIPL.-ING. G. DANNENBERG DR. V. SCHMIED-KOWARZIK · DR. P. WEINHOLD

6 FRANKFURT AM MAIN CU. EtCHENHElMIR »TR. 19

10, Oktober I968

Da/ki P 15 1? 972*1

KAXXO&AIJ DE IA

HEGHEECHE SCIENiEIFIQTJE

Paris/ Frankreich.

Verfahren und Vorrichtung zur !rennung eines Gastgemisches mit Molekülen unterschiedlicher Hasse durch Fraktionierung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur !Trennung eines im thermo dynamischen Gleichgewicht befindlichen Gasgemisches aus Molekülen unterschiedlicher Masse durch !Fraktionierung,

Es ist bereits eine Vorrichtung bekannt» deren Arbeitsweise darauf beruht, daß zur Isotopentrennung der Effekt der Ungleichheit der Abtrennung oder Abspaltung der leichteren und schwereren Moleküle einer Mischung voneinander unter der Wirkung eines Gravitationsfeldes herangezogen wird, Dabei wird so vorgegangen» daß der Misch-Strahl durch die intermittierenden Blendensysteme, welche den Molekularstrahl durchsetzen, in einzelne Völkchen zerteilt wird» 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 die Möglichkeit einer

NeueUnt _

Weiterbewegung gegeben wird» lädt eich nach der Entgegenhaltung eine Anreicherung des Restwölkchens mit der leichteren Komponente dee ursprünglich eingeleiteten Gasgemisches erreichen. Es handelt sich also praktisch lediglich um eine einfache Vervollkommnung von auf dem Gebiet der Xsotopen-Srennung wohl-bekannten Zentrifugen· Diese Vervollkommnung besteht darin, daß im Falle der Beschickung der Vorrichtung mit Gasmisohungen, welche bei der Temperatur flüssiger Luft oder fester Kohlensäure kondensierbar sind, Kühlfallen zwischen den rotierenden Blendentrommeln vorgesehen werden· Weist das Eingangsgemisch jedoch Komponenten auf» welche bei Temperaturen kondensieren» welche unterhalb der temperatur flüssiger Luft oder fester Kohlensäure liegen» so versagt die Vorrichtung nach der Entgegenhaltung vollständig·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde» mit vergleichsweise einfachen Mitteln eine !Trennung eines Gasgemisches mit genauer Vorausbestimmbarkeit des Anreioherungagrades der einzelnen Komponenten zu ermöglichen und geht dabei erstmalig von der Erkenntnis aus» daß hierfür Zusammenhänge zwischen Änderungen der Maxwell* sehen Verteilung der Molekulargeschwindigkeiten über der Länge eines ganzen, ununterbrochenen Molekularstrahls und dem Anreioherungs- bzw, Verarmungako effizienten zweier leichtere und schwerere Moleküle enthaltender Gemischfraktionen verwendbar sind·

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Das Terfahren nach der Erfindung besteht la wesentlichen, darin, daß «ine Klassierung de?* Moleküle entsprechend der Tranelationßgesohwindigkeit ihrer Wärmebewegung ciadurch vorgenommen wird« daß de« Gemisch mittels einer, rotierenden Scheibe* die mindestens eine durch zwei nahe beieinander liegende Radien hegrenete Öffnung aufweist« in mindestens einen bewegten Molekularstrahl, innerhalb dessen die , Molekular~Geschwindigkeiten dem Maxwell* sehen Terteilungsgeeeta folgen» Überführt wird, wobei die senkrecht «ur Ebene der Scheibe bewegten Gasmoleküle in einer durch die ichae der Scheibe Terlaufenden Ebene verlagert werden, und daß dadurch ^Fraktionen des Gemisches, in denen die Moleküle ., Geschwindigkeiten aufweisen, die in vorbestimmten Inter« . . vallea liegen» aufgefangen werden, daß die verlagerten Gas* molekül« eine eur Ebene der ersten Scheibm parallele und jsu dieser in einem bestiimaten Abstand angeordnete zweite rotierende Scheibe erreichen, die mit sektorenförmigen öffnungen versehen let, deren mit der Spitze in der Scheibenachse liegende Winkel der Drehzahl der Scheiben und dem Abstand ewiaohen den Scheiben proportional sowie der Geschwindigkeit der Moleküle umgekehrt proportional sind, wobei die von den öffnungen aufgefangenen Moleküle Anreicherungskoeffizienten a aufweisen können, die zwischen a^> 1 und a</l liegen* Pie ausgewählten Fraktionen haben eine von der Zusammensetzung ' des Ausgangsgemisches abweichende Zusammensetzung und können erneut fraktioniert werden, um eine noch vollständigere trennung der Bestandteile des Gemisches zu erhalten·

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Die Moleküle des Ausgangegemische und der getrennten Fraktionen können auf solcher Temperatur gehalten werden) daß ihr Dampfdruck unterhalb des Hestdruckes liegt, wodurch die Pumparbeitsgänge herabgesetzt werden·

Der bewegte Holekularstrahl kann mittels einer Düse mit schlitzförmiger Auslaßö£fnung erzeugt werden, die um eine zur Längsabmessung des Schlitzes parallele Achse rotiert und die Moleküle in zur Drehachse senkrechten Ebenen austreten läßt.

Die Strahlachse kann senkrecht zur Drehachse verlaufen oder einen Winkel mit dieser bilden.

Der bewegte Molekularstrahl kann mittels einer rotierenden Scheibe erzeugt werden, die mindestens eine durch zwei nahe beieinanderliegende Radien begrenzte Öffnung aufweist, wobei sioh die senkrecht zur Ebene der Scheibe bewegten Gasmoleküle in einer durch die Acliee der Scheibe verlaufenden Ebene verlagern und eine zur Ebene der ersten Scheibe parallele und zu dieser in einem bestimmten Abstand angeordnete zweite rotierende Scheibe erreichen, die mit sektorenf ürmigen Öffnungen versehen ist, deren mit der ,'Jp it ze in der Scheibenachse liegende Winkel der Drehzahl der Scheiben und dem Abstand zwischen den Scheiben proportional sowie der Geschwindigkeit der Moleküle umgekehrt proportional sind und wobei die von den Öffnungen aufgefangenen Moleküle auf diese Weieo Anroicherungskooffizienten α aufweisen können, die zwisohen a^> 1 und a<C 1 liegen·

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Die zurückgewonnenen Molekulargemische können erneut in Umlauf gebracht werden, um nur solche Gemische zu erhalten, die den gewünschten Anreichorungekoeffizienten aufweisen.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform weist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung einen Speicher auf, der mit mindestens einer Ejektordüse in Verbindung steht, welche das Gasgemisch in einen Baum einleitet, innerhalb dessen eine rotierende Scheibe mit mindestens einem von den Orasmolekülen durchlaufenen, sektorenförmigen Schlitz und eine Aufnahmescheibe angeordnet sind, die sich mit der gleichen Drehzahl wie die erste Scheibe dreht und eektorenförmige Öffnungen aufweist, deren mit ihrer Spitze im Mittelpunkt der Aufnahmescheibe liegende Winkel unterschiedliche Werte haben und die über Kanäle einer mit der Scheibe verbundenen zylindrischen Aufnahmetronuiiel mit'im Mantel und Boden der Trommel vorgesehenen Abzugsöffnungen in Verbindung stehen, die in Kammern münden, welche über Leitungen mit Speichern zur Aufnahme der abgesonderten Moleküle verbunden sind·

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vor der mit Schlitzen versehenen rotierenden Scheibe eine feststehende Leittrommel aus Röhren angeordnet, die von koaxialen Zylinderflächen und durch die Symmetrieachse verlaufenden Ebenen begrenzt werden und deren Querschnitt klein mit Bezug auf die Länge ist, so daß die Molekularstrahlen gerichtet und ein Mitreißen von Molekularmassen durch die Scheibe in den in Strömungsrichtuug der Moleküle vor ihr liegenden Teil verhindert ist.

Die Erfindung ist im folggiidangMihand <4%rgZeichnungen im einzel-

nen erläutert·

Ee zeigt

Figur 1 Kurven zur Verdeutlichung der Grundlage der Erfindung,

Figur 2 schematisch eine Trennung von Molekülen durch eine eich drehende Düse,

Figur 3 die ebene Verteilung von Flugbahnen der Moleküle bei Verwendung einer sich drehenden Düse,

Figur k schematisch eine andere Art der Trennung mittels einer sich drehenden Düse, jedoch mit geneigter Projektionsachse,

Figur 5 schematisch eine Art der Trennung der Moleküle mittels Schlitzscheibe,

Figuren 6 und 7 schematisch eine Ausführungeform einer Vorrichtung zur Durchführung dee Verfahrene nach der Erfindung·

Das den Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren arbeitet wie folgtt

Die zu trennenden Moleküle befinden eich im thermodynamisehen Gleichgewicht. Das Verfahren besteht nunmehr darin, die Moleküle dee Gemische aufzufangen, deren Tranelationsgeschwindigkeit der thermischen Bewegung zwischen in geeigneter Weise gewählten Wer·· ten oder oberhalb eines vorbestimmten Wertes liegen.

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Dau Verfahren nutzt das Klaxwell'sche Verteilungegesetz für die TranslationsgesclnvindiQ'kcit von Molekülen aus, die ein in tlierniodynautischem Gleichgewicht befindliches Ztrei st off gei.iisch bilden·

Es sei angenommen, daß M. und M₂ (M₂^>M.) die J'olekulariuasson (Molekülgramm) der Moleküle sind, die bei der absoluten Temperatur T vorliegen. η_Ί und n_o seien die Anzahl der Moleküle jeder Art innei-halb des Gemisches. In Figur 1 stellen die Kurven Y₁ und Y_ß die relativen Anzahlen von Holekülen O 1 - l> 2

~>——·—· DZWa —————

ⁿl . ⁿ2

dar, deren Translationsgcschwindigkeit zwischen den Werten c und c + ο liegt, wobei in Ordinatenrichtung die Größen

ο ⁿ2

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

Fängt man die Moleküle auf, deren Geschwindigkeit zwischen c und c + Λc liegt, so ist das Verhältnis O I ₁ der Anzahl dieser Hole*

ö ⁿ2 külc durch die Beziehung

3/2 ^M2 " ^Ml _c2

ⁿl ⁿl

2 R T

gegeben, wobei die Größe It die molekulare Gaskonstante idealer (iase ist.

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Das	Verhältnis	ⁿi
	^Yl	ⁿ2
	^Y2	ⁿi

das nichts anderes als der Anreicherungskoeffizient für Moleküle der Art 1 des Gemisches (o n, > rSno) mit Bezug auf das Gemischen., n,,) ist« hat den Wert .

3/2 ^M2 " ^Ml 2

M₁ 2 R T-

Für die Werte der Geschwindigkeit β unterhalb derjenigen» welche dem Schnittpunkt (Punkt b) der Kurven Y₁ und Y_g entspricht, ist der Anreicherungekoeffizient kleiner ale 1. Für die der Bedingung Y. = Y₂ 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 -foe) sondern betrachtet beispielsweise die Zusammensetzung von Molekül ar geiui sehen der Arten 1 und 2, deren Geschwindigkeit über dem in Figur 1 angegebenen V/ert c. liegt, so erhält man den Aureioherungsfaktor des aufgefangenen Molekulargemisehe durch Bildung des Verhältnisses der Flächen zwischen den Kurven Y₁ und oo, Y₀ und oc, ausgehend von dem Wert o. der Geschwindigkeit c

Der Anreicherungsfaktor für Moleküle, 1 wird infolgedessen

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do :

Co Y₂ do

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 aus Molekülen mit relativ sehr ähnlichen Massen zu. Wählt man _β Λ

d.h. der doppelte Wert der statistisch wahrscheinlichsten Geschwindigkeit für die Moleküle M₀, und setzt man 6 M **2 " ^Ml

M ^a - M '

M + M_ wobei M das Mittel 1 ^2 ist, so zeigt die Rechnung, daß der

2 erfindungsgemäß erhaltene Anrcioherungskoeffizient genau

a - 1 + — ^- x 7,1 statt

" * ^T 2 M

ist, ein Wert _t der bei der Diffusion durch kleine Öffnungen erhalten wird. Der Koeffizient a niiüint außerdem für steigende Werte von

JL₁ rasch zu, wobei ο der Wert der für das Gasgemisch wahrscheinlich·

^cp ^P

sten 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 dem Schnittpunkt b der Kurven Y, und Y„ entsprechenden Wert liegt. ■

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

Man kann beispielsweise (Fig· l) drei Wertebereiche für die Geschwindigkeit c definieren_t die zwischen den folgenden Grenzen liegen»

c > o¹» o¹ *7> ο "Z> c", o" > c > ο

welchen die Anreicherungskoeffizienten

dc

Y₁ dc

co Y₂ dc

Y₂ dc

c»

Y₁ dc

a.

entsprechen.

c» Y_n dc

Jo

Wählt man beispielsweise a, ~~> 1

a₂ = 1

kann due isolierte mittlere Gemisch, das die gleiche Zusammensetzung wie das gewöhnliche Gemisch hat, dem Ausgangagemisch zugesetzt und von neuem verarbeitet werden· IJor Vorgang führt schließlich zu der Absonderung einer mit dem Faktor a. angereicherten Fraktion und einer mit dem Koeffizienten a, verarmten (an leichten Molekülen) Fraktion, ohne daß Zwischenfraktionen vorhanden sind*

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t „ t

ft ι Γ ( f

Zur praktischen Verwirklichung der Trennung der Moleküle entsprechend der Tranelationsgeschwindigkeit der Wärmebewegung kann es vorteilhaft sein, Molekularstrahlen zu verwenden, die sich in einem Baum auebreiten, in dem ein genügend niedriger Druck (in der Größenordnung von lü mm Hg oder weniger) herrscht, so daß die Moleküle eine freie Weglänge erhalten, die im hinblick auf die Abmessungen der Kammer, in der sich die Trennung abspielt, geeignet ist.

Erzeugt man beispielsweise einen Molekularstrahl mit Hilfe einer Düse E (Fig· 2) mit einer schlitzförmigen Öffnung F, die um eine zur Zeichnungsebene senkrechte und zur Längsrichtung des Schlitzes F parallele Achse 0 rotiert, nehmen die die Düse E senkrecht zur Drehachse verlassenden Moleküle Translationsgeschwindigkeiten an, die dem Maxwell'sehen Verteilungsgesetz gehorchen. Während der Drehbewegung der Düse mit der Winkelgeschwindigkeit(ύ kommt es zu einer Folge von Flugbahnen in Ebenen parallel zur Zeichnungsebene.

Für ein mit der rotierenden Düse verbundenes Bezugssystem sind die Flugbahnen der Moleküle archimedische Spiralen, deren üleichung in Polarkoordinaten (Nullpunkt in der Drehachse) lautet O_ ρ , wobei c die verschiedenen Vierte der Translations-

^C CO
geschwindigkeit der Moleküle, (^ die Winkelgeschwindigkeit für die Rotation der Düse und θ den Winkel des Vektorstrahls V mit der geometrischen Achse des Strahls bezeichnet und die positive llichtung für t der für CO gewählten entgegengesetzt ist.

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die Flugbahnen bildenden Spiralen sind deeto etärker nach innen gekrümmt, je niedrigere Tranelationsgeschwindigkeiten die Moleküle aufweisen.

In der Nähe der geometrischen Achse OX des Strahls (Fig. 2) befinden sich die Flugbahnen der Moleküle mit den höchsten Geschwindigkeiten. Entspricht der Molekularstrahl einem Gemisch aus Molekülen unterschiedlicher Masse, entsprechen diese Flugbahnen einer an leichten Molekülen reicheren Menge·

Figur 3 zeigt die ebene Verteilung der Flugbahnen der Moleküle (stets in dem mit der rotierenden Düse verbundenen Bezugssystem) für eine Reihe von Werten der Translationsgeschwindigkeit.

Die bei dieser Darstellung gewählte Einheitsgeschwindigkeit ist die wahrscheinlichste Geschwindigkeit eines der Bestandteile des Gemischeι beispielsweise dee Bestandteile mit der Molekularmasse M,, wobei diese Geschwindigkeit durch die Formel

ausgedrückt wird.

Der in der Figur erscheinende Parameter χ bezeichnet das Verhältnis

Ip

Entsprechend dieser Darstellung der Flugbahnen ergibt sich tue Möglichkeit, mit Hilfe bewegter Fangdüsen T', T" diejenigen Moleküle aufzufangen, deren Geschwindigkeitswertebereiche den

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BAD ORiGlNAL

obigen Bedingungen entsprechen. Ij¹Ur Molekularuiassen in dor Großem» Ordnung von 300 bia 400 und bei gewöhnlicher Temperatur ist es möglich, eine Fraktionierung (a,) beispielsweise für 2 <^ χ <^">η mit einem Öffnungswinkel der Fangdüso von 20 für eine Drehzahl von 6 500 Umdrehungen pro Minute bei einem Abstand der Fangdüso von der Drehachse von ungefähr 15 cm zu erhalten.

Die Verwendung rotierender Molekularstrahlen erfordert nur die Verwendung einer Drehvorrichtung derart _t daß die Auatrittarichtung dor Moleküle des Strahls senkrecht zur Drehachse verläuft. ι Um die hohen tfinkelgeschwindigkeitswerte (wenn es sich um geringe Molekularinussen handelt) herabzusetzen, die für ein einwandfreies Arbeiten des Gerätes erforderlich sind* kann eine Ejektordüse E (Fig. k) verwendet werden, bei der die anfängliche Austrittsrichtung M der Moleküle einen WinkelOC mit der Drehachse OX bildet*:

Unter diesen Bedingungen liegen die Flugbahnen (in dem mit der rotierenden Düse verbundenen Bezugssystem) auf Kreiskegeln der Halbwinkelebene mit dem Winkel o£ . Die Projektion dieser Flug- % bahnen auf eine zur Drehachse senkrechte Ebene (in dem gleichen Bezugssystem) liefert eine Reihe archimedischer Spiralen mit der Gleichung

Q = c sin t -£p

Die für die vorgegebenen Konstruktionswerte erforderlichen Winkelgeschwindigkeit en CU sind infolgedessen um den Faktor sin L verringert*

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Eine andere Art der Durchführung dor oben geschilderten Grundgedanken kann mit Hilfe von Molekularstrahlen erfolgen, deren Querschnitte durch Öffnungen einer sich drehenden Scheibe bestiunt sind.

Ea sei eine Scheibe D (Fig. 5) angenommen, die eine von zwei nahe beieinanderliegenden Radien begrenzte Öffnung L aufweist. Die mit der Geschwindigkeit c senkrecht zur Ebene der Scheibe laufenden Gasiüoleküle bewegen sich in einer durch die Achse der Scheibe verlaufenden Ebene* Sie erreichen eine Ebene P," die zu der Ebene der . t iieibe parallel und von dieser um einen Abstand Z entfernt ist, zum Zeitpunkt —— ·

Dreht sich die Scheibe D mit einer Winkelgeschwindigkeit ά¹ um ihre Achse, erreichen die verschiedenen Moleküle die Ebene P auf

Δ ι ί ι) Z '

, welche den Winkel i.X = — mit der zur

Achse der Öffnung L parallelen Geraden ο'/Λ der Ebene P bildet· Mit anderen Worten befinden sich für das mit der Scheibe D verbundene und mit der Winkelgeschwindigkeit ü) umlaufende Bezugssystem die Flugbahnen auf Reihen von Oberflächen, die üchraubenflüchen bilden, deren Steigung Z' = 27Γ-—- umso geringer ist, je kleiner die Geschwindigkeit c ist.

Man kann auf diese Weise die Moleküle abtrennen, deren Geschwindigkeit zwischen oo und o* liegt, indem man din Moleküle mit einer Trennvorrichtung auffängt, wie sie in Figur 6 veranschaulicht ist.

Diese Trennvorrichtung S besteht aus einer zylindrischen Trommel,

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«ν

deren vordere ebene Wand durch eine Scheibe D' mit dem Mittelpunkt O¹ gebildet wird· Die Trennvorrichtung dreht sich zusammen mit der Scheibe D um die Achse 00'.

Die Scheibe D* ist mit einer Öffnung e, in Form eines Sektors vom Winkel X, ■ versehen· Dieser Öffnung entspricht der Koeffizient ^₁ (a₁>*l).

Eine zweite Öffnung e„ zvriachcn 'a , =* · und X _o - ■■■■--

dt XC Ci Q

erlaubt es, die Moleküle mit einer Geschwindigkeit zwischen c' und c" aufzufangen, deren Anreicherungskoeffizient a„ = 1 ist.

Λ) Ζ

Eine dritte Öffnung e.,, die durch den Winkel · Ϋ-_ο = ^— und

einen Winkel (X.- begrenzt ist, der hinreichend groß ist, um den Hauptteil der langsamsten Moleküle aufzufangen, gestattet schließlich das Gemisch mit dem Anreicherungskoeffizienten «X^<1 abzutrennen«

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Kr.indung unter Anwendung dieser letztbesohriebenen Art der Trennung und dee Auffangene der Moleküle ist schematisch in Figur 7 dargestellt.

Die Vorrichtung besteht aus einem zylindrischen Raum G, mit dem ein Speicher R zur Versorgung einer injektordüse E und Speicher R , R₀ und R- in Verbindung stehen, die Molekulargemische mit den oben angegebenen Anrcichorungskoeffizienten a., a₂, a, aufnehmen*

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In dem llatun O ist eine Welle A angeordnet, die von einem Motor U angetrieben ist und auf der die Scheibe D und die öoheibe D' Bitten, von denen die letztgenannte mit der in Figur 6 gezeigten und oben beschriebenen Trenntroiwnel ü verbunden ist* Die Üffnungen e*. und e' der Trennvorrichtung münden in Ringkiuumern S, und S,ι die mit Speichern R. und U- in Verbindung stehen, während die öffnung e'n in den mit dem Speicher R„ verbundenen hinteren Teil des Raumes mündet·

Verschiedene Maßnahmen und Anordnungen sind zu treffen, damit der Bildunganiechanismua der Molekularstrahlen zufriedenstellend verläuft.

80 ist es, um ein Mitreißen von Molekulariuassen durch die öchcibe D in den in Strömungsrichtung der Moleküle vor der Scheibe liegenden Teil zweckmäßig, eine Anordnung feststehender Leitrühren vorzusehen, die in einem Zylinder G (Fig* 7) angeordnet und durch koaxiale Zylinderflachen (Achse 00') und durch die Symmetrieachse verlaufende Ebenen begrenzt sind, wobei der Querschnitt dieser Röhren (ein Bruchteil eines cm ) klein gegenüber der Länge der Röhren (beispielsweise 10 bis 20 cm) ist· Die Molekularstrahlen werden auf diese Weise ausgerichtet· Der Schlitz L kann ein Sektor sein, dessen Winkelöffnung umso größer sein.kann, je größer die Winkelgeschwindigkeit der Scheibe D ist» Hierbei ist en durch entsprechende Wahl des Abstnndes Z der Scheibe D von d-r Trennvorrichtung möglich, Winkelöffnungen e,, e , e, mit Vierten

X υ J

zu erhalten, die sich selbst für sehr rasche Molekularstrahlen eignen, ohne daß übermäßig hohe Winkelgeschwindigkeiten 0.) angewendet zu werden brauchen·

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Um andererseits die für den Umlauf der Moleküle erforderliche mechanische Arbeit herabzusetzen, werden vorzugsweise Speicher für die Versorgung der Ejektordüse oder den Auffang der Moleküle benutzt, die auf entsprechend gewählten Temperaturen gehalten werden·

80 iofc es zweckmäßig, den Speicher Il auf einer derartigen Temperatur T zu halten, daß die Injektordüse mit einem geeigneten Druck (in der Größenordnung von 10 mm Hg für das Ausgangsgemisch) versorgt wird, während die Speicher B,, U₂, R,, auf niedrigeren Temperaturen als T gehalten werden, so daß der Dampfdruck der getrennten Fraktionen erheblich unterhalb des Druckes liegt, der in dem Raum 0 herrscht, in dem die Molekularstrahlen verlaufen»

Unter derartigen Bedingungen ist es nicht unumgänglich, Pumpen vorzusehen, die eine mechanische Arbeit aufwenden, um den Umlauf der Gasgemische sicherzustellen· Es ist nur erforderlich, für die Zu- und Abfuhr von Wärmemengen zu sorgen, um die Speicher R , IL, R₀, R- auf geeigneter Temperatur zu halten« Dieses Merkmal ist eines der Kennzeichen des vorliegenden Verfahrens*

Die guten Arbeitsbedingungen werden erfüllt, wenn die freie Weglänge der Moleküle in der Größenordnung von einigen cm liegt, was zu Druckwerten in der Größenordnung von einigen 10 mm Hg führt. Diese Größen sind jedoch nur als Beispiel zu werten, und es liegt ohne weiteres im Bereich des Fachmanns, sie unter Beachtung der oben dargelegten Grundlagen dom jeweils vorliegenden Fall entsprechend abzuwandeln·

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Claims

Da/ki Centre National de la

Recherche Scientifique

Neue Patentansprüche

1· Verfahren zur Trennung eines im thermodynamischen Gleichgewicht befindlichen Gasgemisches aus Molekülen unterschiedlicher Masse durch Fraktionierung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Klassierung der Moleküle entsprechend der [Dranslationsgeschwindigkeit ihrer Wärmebewegung dadurch vorgenommen wird, daß das Gemisch mittels einer rotierenden Scheibe, die mindestens eine durch zwei nahe beieinander liegende Radien begrenzte Öffnung aufweist, in mindestens einen bewegten Molekularstrahl, innerhalb dessen die Molekular-Geschwindigkeiten dem Maxwell-Aschen Verteilungsgesetz folgen, überführt wird, wobei die senkrecht zur Ebene der Scheibe bewegten Gasmoleküle in einer durch die Achse der Scheibe verlaufenden Ebene verlagert werden, und daß dadurch Fraktionen des Gemisches, in denen die Moleküle Geschwindigkeiten aufweisen, die in vorbestimmten Intervallen liegen, aufgefangen werden, daß die verlagerten Gasmoleküle eine zur Ebene der ersten Scheiben parallele und zu dieser in einem bestimmten Abstand angeordnete zweite rotierende Scheibe erreichen, die mit sektorenförmigen öffnungen versehen ist, deren mit der Spitze in der Scheibenachse liegende Winkel der Drehzahl der Scheiben und dem Abstand

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Unterlagen (Art 7 S l Abs. 2 Nr. l Satz. 3 des Ändwungsges. v. 4.9.196:.

zwischen den Scheiben proportional sowie der Geschwindigkeit der Moleküle umgekehrt proportional sind, wobei die von den Öffnungen aufgefangenen Moleküle Anreicherungskoeffizienten a aufweisen können, die zwischen a ^ 1 und a ^ 1 liegen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zurückgewonnenen Molekülgemische erneut in Umlauf gebracht werden, um nur Gemische zu erhalten, welohe den gewünschten Anreicherungskoeffizienten aufweisen·
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählten Fraktionen, die eine von der Zusammensetzung des Ausgangsgemisches abweichende Zusammensetzung aufweisen, zwecks vollständigerer Trennung der Bestandteile des Gemisches erneut fraktioniert werden.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Speicher (R₀), der mit mindestens einer Ejektordüse (E) in Verbindung steht, welche das Gasgemisch in einen Raum (G) einleitet, innerhalb dessen eine rotierende Scheibe (D) mit mindestens einem von den Gasmolekülen durchlaufenen, sektorenförmigen Schlitz (L) und eine Aufnahmescheibe (D¹) angeordnet sind, die sich mit der

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gleichen Drehzahl wie die erste Scheibe (D) dreht und sektorenförmige Öffnungen (e.., e«f ej aufweist, deren mit ihrer Spitze im Mittelpunkt der Aufnahmescheibe (D¹) liegende Winkel unterschiedliche Werte haben und die über Kanäle einer mit der Scheibe (D¹) verbundenen zylindrischen Aufnahme trommel (S) mit im Mantel und Boden der !Trommel (S) vorgesehenen Abzugs öffnungen (e^, ejj>, el) in Verbindung stehen, die in Kammern münden, welche über leitungen mit Speichern (R^, Rg, R₅) zur Aufnahme der abgesonderten Moleküle verbunden sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor der mit Schlitzen versehenen rotierenden Scheibe (D) eine feststehende Leittrommel (C) aus Röhren angeordnet ist, die von koaxialen Zylinderflächen und durch die Symmetrieachse verlaufenden Ebenen begrenzt werden und deren Querschnitt klein mit Bezug auf die Länge ist, so daß die Molekularstrahlen gerichtet und ein Mitreißen von Molekularmassen durch die Scheibe in dem in Strömungsrichtung der Moleküle vor ihr liegenden iDeil verhindert ist.

Patentanwalt:

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