DE2133098C2

DE2133098C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von Gasgemischen in einem Wirbelrohr

Info

Publication number: DE2133098C2
Application number: DE2133098A
Authority: DE
Inventors: Nils Anders Lennart Djursholm Wikdahl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-09-29
Filing date: 1971-07-02
Publication date: 1983-03-17
Also published as: CH527638A; DE2133098A1; US4070171A; NL7108712A; BE756804A; DE2046892B2; CH528925A; SE346706B; FR2062764A5; BG18829A3; DK128191B; US3747306A; ZA706648B; GB1258389A; NL7014149A; CA982065A; FR2112898A5; BE769778A; GB1348685A; ZA714270B

Description

'Kiraataß

von 1,5 bis 10 durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es mehrstufig durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßgeschwindigkeit des Gasgemisches mindestens der Schallgeschwindigkeit innerhalb des Gasgemisches bei Betriebstemperatur entspricht

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3 mit einem Wirbelrohr, dessen Trennkammer einen runden Querschnitt, eine Spitze und eine Basis besitzt und mindestens an der Spitze konisch geformt ist, an deren Basis sich ein oder mehrere tangt/itiale Caseinlässe befinden und dessen Trennkammer einen axialen Auslaß für die Fraktion niedrigeren Moieku·' \x- oder Atomgewichts und einen an der Spitze befindlichen Auslaß für die Fraktion höheren Molekular- oder Atomgewichts aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Trennkammer (5) maximal 2 mm und der Durchmesser der Spitze mindestens 0,01 mm beträgt, daß der axiale Auslaß (6) für die Fraktion mit niedrigerem Molekular- oder Atomgewicht an der Basis (3) angeordnet ist und daß der an der Spitze (9) befindliche Auslaß für die Fraktion mit höherem Molekular- oder Atomgewicht axial ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Basis angeordnete Auslaß (6) mit einer rohrförmigen Leitwand (7) versehen ist, die in das Innere der Trennkammer über die Gaseinlässe (2) hinausreichend ragt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Trennkammer (5) höchstens 200 mm beträgt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinlässe (2) zur Erzeugung einer über der Schallgeschwindigkeit liegenden Einlaßgeschwindigkeit einen engsten Querschnitt aufweisen.

Die Krfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von Gasgemischen in einem eine Wirbelströmung begrenzenden Wirbelrohr, in das das Gasgemisch mit einem Einlaßdruck von 5 bis 1000 mm Hg eingeführt wird und bei dem aus den Außenbereichen der Wirbelströmung eine Fraktion höheren Molekularoder Atomgewichts und aus dem Kern der Wirbelströmung eine Fraktion niedrigeren Molekular- oder Atomgewichts abgezogen wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Es ist bereits bekannt, in Gaszentrifugen ohne bewegliche Teile Trägheitseffekte auszunutzen, die sich aus den Massenunterschieden ergeben. Ein Verfahren besteht darin, das Gas in einem Wirbel rotieren zu lassen, wobei zu erwarten wäre, daß die schv, ereren

ίο Moleküle nach außen und die leichteren in das Zentrum des Wirbels wandern. Um jedoch eine Wirbelströmung aufrechtzuerhalten, ist eine gewisse einwärts gerichtete Strömung der Gasmischung erforderlich, und aufgrund des festen Verhältnisses zwischen Diffusion und ürinematischer Viskosität ergibt sich, daß beide Komponenten, allerdings mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, ins Zentrum wandern.

Nöller und Mürtz berichten in den Naturwissenschaften, 1958, 45 (16), Seite 382, 383 über einen gewissen Trenneffekt, jedoch hatten sie Schwierigkeiten mit Turbulenzerscheinungen bei hohen Reynolds-Zahlen. Das Endergebnis ist also, daß dieses Verfahren nicht attraktiv war, und es wurde als das Optimum angesehen, daß die erzielte Trennwirkung ähnlich der des Diffusionsverfahrens sein sollte. Da jedoch der Energieaufwand hoch ist, geht der Vorteil der Zentrifuge gegenüber der Gasdif^sion verloren. So hat H. London in seiner Schrift »Separation of Isotopes« (George Ncwnes Limited. London, 1961, Seite XIV) festgestellt, daß das gesamte Verfahren wohl kaum irgendwelche Vorteile bietet, da es komplizierter als das Diffusionsverfahren ist.

Später berichteten Mürtz und Nöller in der Zeitschrift für Naturforschung 16a, 1961, Seiten 569—577 von einer Isotopentrennung in einer Zirkularströmung, bei der die Entstehung von Turbulenzen bei Reynolds-Zahlen kleiner als 2000 vermieden wird, wenn im Trennrohr bei kleineren Drücken als 5 Torr gearbeitet wird. Das dabei verwendete Trennrohr hatte gemäß Seite 571 Abb. 3 einen Innendurchmesser von 30 mm.

Auch bei dem aus der CH-PS 4 14 561 bekannten Verfahren der Trennung von Gasgemischen wurde mit einem relativ groß dimensionierten doppelt konischen Wirbelrohr gearbeitet, das nach dem Verfahrensbeispiel einen maximalen Durchmesser von 20 mm besaß.

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren der eingangs genannten Art. Bei diesem Verfahren wird der Trennwirkungsgrad noch als verbesserungsbedürftig angesehen. Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, den Trennwirkungsgrad zu verbessern.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß es innerhalb einer einen Durchmesser von maximal 2 mm aufweisenden Wirbelströmung bei einem Druckverhält-

'Einlaß

•Kmmulaß

von 1,5 bis 10 durchgeführt wird.

Unter diesen Arbeitsbedingungen, die sehr wichtig für das Trennen sind, ist es möglich, eine Fraktion höheren Molekulargewichts in einem Außenbereich des Wirbels und eine Fraktion niedrigeren Molekulargewichts im Kern des Wirbels zu isolieren. Dieses Verfahren ist einfach und unkompliziert, erfordert außer einer Gasfördervorrichtung keine Gerate mit umlaufenden Teilen und kann in zweckmäßiger Weise auf kommerzieller Basis in großem Maßslab betrieben werden.

Wenn die Gaskomponenten ziemlich Unterschiedich in ihren Molekular- oder Atomgewichten sind, so kann man eine gute Trennung in einer Trennstufe erzielen. Liegen ihre Molekular- oder Atomgewichte jedoch näher beieinander, so kann es erforderlich sein, das Verfahren in mehreren Schritten zu wiederholen. Dabei wird die Fraktion mit höherem oder niedrigerem Molekulargewicht jedesmal aus dem zugehörigen Bereich des Wirbels zurückgewonnen, und dann erneut einer weiteren Trennstufe zugeführt Bei der Trennung von Isotopen, beispielsweise bei der Abtrennung von U 235 und U 238, kann es erforderlich sein, mehrere hundert Trennstufen zu verwenden, um den Kernbereich der Wirbelströmung in zufriedenstellender Weise anzureichern.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Wirbelrohr, dessen Trennkammer einen runden Querschnitt, eine Spitze und eine Basis besitzt und mindestens an der Spitze konisch geformt ist, an deren Basis sich ein oder mehrere tangentiale Gaseinlässe befinden und dessen Trennkammer einen axialen Auslaß für die Fraktion niedrigeren Molekular- oder Atomgewichts u^r'd einen an der Spitze befindlichen Auslaß für die Fraktion höheren Molekular- oder Atomgewichts aufweist

Eine solche Vorrichtung (FR-PS 11 50 088) wird erfindungsgemäß dadurch verbessert, daß der Durchmesser der Trennkammer maximal 2 mm und der Durchmesser der Spitze mindestens 0,01 mm beträgt, daß der axiale Auslaß für die Fraktion mit niedrigerem Molekular- oder Atomgewicht an der Basis angeordnet ist und daß der an der Spitze befindliche Auslaß für die Fraktion mit höherem Molekular- oder Atomgewicht axial ausgebildet ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich von der vorbekannten zunächst einmal durch den geringeren Durchmesser an der Spitze. Ein Durchmesser an der Spitze in der Größenordnung von 0,01 mm dürfte bei der Entgegenhaltung nicht zu erzielen sein, da dort zwei verschiedene Auslässe für die unterschiedlich schweren Frektionen vorgesehen sind. Der axiale Auslaß für die Fraktion mit niedrigerem Molekularoder Atomgewicht ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Gegensatz zu der vorbekannten an der Basis, d. h. in unmittelbarer Nähe des Einlasses für das Gasgemisch angeordnet. Ein Verdienst der Erfindung liegt darin, daß erkannt wurde, daß trotzdem ein sehr guter Trennwirkungsgrad erreicht wurde, obwohl man doch eigentlich vermuten würde, die eingeführte Gasmischung würde, bevor noch eine ausreichende Fraktionierung stattfindet· kann, die Trennkammer gleich am Basisende wieder auf direktem Wege verlassen. Schließlich ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Auslaß an der Spitze für die schwerere Fraktion im Gegensatz zur vorbekannten Vorrichtung axial ausgebildet. Hs wurde dabei das Vorurteil überwunden, daß die schwerere Fraktion nur aus einem Randbereich des Wirbels entnommen werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich trotz einfachen und unkomplizierten Aufbaus ohne bewegliche Teile durch eine gute Trennwirkung aus.

Die Zentrifugalkräfte in der Wirbelstömung lassen die Gasanteile mit höherem Molekular- oder Atomgewicht gegen den Außenbereich des Wirbels und die Gasanteile mit niedrigerem Molekular- oder Atomgewicht in den Kern des Wirbels diffundieren. Der Kernbereich des Wirbels befindet sich auf niedrigerem Gasdruck als der Uin^r,-ngsbereich. Da bei der Vorrichtung nach der Erfindung der Außenbereich und der Kernbereich des Wirbels an gegenüberliegenden Enden der Trennkammer abgezogen werden, ergeben sich zwei gegenläufige Strömungen in der Trennkammer, nämlich eine Umfangsströmung, die gegen den Spitzenauslaß fließt, und eine Kernströmung, die in entgegengesetzter Richtung gegen den Basisauslaß fließt Dies erweitert die Trennzone tatsächlich in beträchtlichem Ausmaß.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, das widerstandsfähig ist gegen den Angriff oder die Korrosion durch die Gasgemische, die im Betrieb getrennt werden sollen. Es können Metalle verwendet werden, wie etwa korrosionsfester Stahl und Aluminium sowie Nickel- und Chromlegierungen. Sofern jedoch das Metall nicht gegossen werden kann, ist es schwierig, es in den nach der Erfindung erforderlichen sehr kleinen Dimensionen zu formen. Daher zieht man keramische Werkstoffe, Glas und Kunststoffmaterialien vor, die fest, druckbeständig und unter den angewendeten Gasdrücken formbeständig sind. Derartige Materialien können formgebend bearbeitet oder im Spritzguß- bzw. Druckgußverfahren nach Wunsch ausgeformt werden.

Auch kann man sie ohne Nachteile in großen Me.igen herstellen. Materialien, wie Glas, Porzellan, Nylon, Polytetrafiuoräthylen, Polyester, Polykarbonate, Polyäthylen, Polypropylen, synthetische Gummi, Phenol-Formaldehyd-, Harnstoff-Formaldehyd- und Melamin-Formaldehydharze sind ebenso geeigsie' wie Polyoxymethylen und Chlortrifluoräthylenpolymere.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist der an der Basis angeordnete Auslaß mit einer rohrförmigen Leitwand versehen, die in das Innere der Trennkammer über die Gaseinlässe hinausreichend ragt um den Gasstrom vom Basisauslaß weg abzulenken sowie die Wirbelströmung am Basisende in Gang zu bringen und von dort durch die Trennkammer gegen die Spitze zu richten. Die tangentiale Orientierung des einzeln oder mehrfach vorgesehenen Einlasses bewirkt eine wirbeiförmige Strömung des eingeführten Gasgemisch. Sofern mehrere Einlasse vorgesehen sind, so sollten diese gleichmäßig verteilt sein, um eine gleichmäßige Wirbelströmung in Gang zu setzen.

Normalerweise genügen zwei bis sechs Gassinlässe. Wird das Gas mit hoher Geschwindigkeit in die Trennkammer eingeführt, so wird es von deren gekrümmten Wänden zu einem Wirbel gezwungen, welcher sich schraubengangförmig gegen die Spitze der

so Trennkammer, d. h. gegen den Auslaß für den Außenbereich der Strömung bewegt.

Es ist wesentlich, daß der von der Trennkammer umschlossene Wirbel einen Durchmesser von maxima! 2 mm aufweist. Die untere Durchmessergrenze wird lediglich von der zweckmäßigen Herstellung kleiner Kammern bestimmt Eine praxisgerechte untere Grenze dürfte bei etwa 0,1 mm liegen.

Die Länge der Trennkammer stellt kein kritisches Merkmal dar, sollte jedoch nicht größer als 200 mm und nicht kleiner als 5 mm sein. Findet eine konische Form Verwendung, so sollte der Durchmesser an der Spitze mindestens 0,1 mm betragen.

Nach der Erfindung wurde gefunden daß eine wirkungsvolle Trennung gasförmiger Komponenten nach ihren Molekular- oder Atomgewichten nicht möglich ist. wenn die Trennkammer im Durchmesser mehr als 2 mm beträgt. Da Trennkammern bisher erheblich größer waren, liegt hierin vielleicht einer der

("•runde, warum Wirbclrohr-Trennvorrichtungcn bisher für den vorliegenden Zweck nicht verwendet wurden. Wenn der Durchmesser der Wirbelströmung mehr als 2 mm betragt, wandern beide Komponenten so schnell ins Zentrum des Wirbels, daß sich keine wirksame Trennung ergibt, und die von H. London bemerkten Probleme beginnen eine Rolle zu spielen. Nunmehr werden durch die geringe Größe diejenigen Schwierigkeiten überwunden, die sich bei bisherigen Arbeiten auf dem Gebiet der Gas-Wirbelrohr-Trennvorrichtiingen m ergaben.

Die konische Form der Trennkammer und damit des Wirbels ist sehr bezeichnend für eine Verbesserung der Trennwirkung. Die Trennkammer muß im Durchmesser gegen die Spitze abnehmen, wodurch sich der Radius des Wirbels vermindert und die Zentrifugalkräfte anwachsen. Die konische Form ist daher wesentlich. Die Trennkammer kann die Form eines vom Basisende zur Spitze geradlinig begrenzten, rechtwinkligen Konus aufweisen. Sie kann auch teils zylindrisch sein und nur an ^o der Spitze als Konus ausgebildet werden. Der Konus muß nicht unbedingt gleichförmig oder geradlinig begrenzt sein. Konvex und konkav gekrümmte Seiten mit gleichförmiger, ansteigender oder abfallender Krümmung können verwendet werden. Der Durchmesser kann gegen die Spitze kontinuierlich oder in Stufen abnehmen. So sind also viele unterschiedliche Konusformen möglich, wobei die gewählte Form von den speziellen Bedingungen des durchzuführenden Trennvorgangs abhängt und über Versuche bestimmt werden jo kann.

Es ist weiterhin wesentlich, daß sich ein Druckabfall zwischen dem Gaseinlaß und dem Spitzenauslaß sowie dem Kernauslaß ergibt, wobei dieser Druckabfall ausreichen muß, um eine Beschleunigung des Gases zu bewirken, wenn sich dieses dem im Durchmesser verminderten Konusbereich annähert. Auf diese Weise ergeben sich im Bereich des kleinsten Radius maximale Zentrifugalkräfte für die Trennung. Wenn der Druck abfällt, wird die Druckenergie in Geschwindigkeit umgewandelt, wobei dann die Geschwindigkeit ansteigt. Auf diese Weise wird die zur Beschleunigung der Gaskomponenten erforderliche Energie aus dem Druckabfall gewonnen und dazu verwendet, die Trennwirkung zu erhöhen. Dies ist auch der Grund dafür, daß das Druckverhältnis bei dem Verfahren nach der Erfindung ein recht kritisches Merkmal darstellt. Weiterhin bedeutet dies, daß der maximale Trenneffekt in einem Bereich innerhalb des Wirbels stattfinden kann, wo der Radius klein ist, und nicht im Außenbereich des Wi.-bels. Dort wird auch der maximale Trenneffekt benötigt, nämlich an der Grenze zwischen dem Kern und dem Außenbereich, wo die Gasströme gegen die Spitze und gegen den Kernauslaß in unterschiedlichen Richtungen fließen. Dies bedeutet, daß der Kern denjenigen Bereich darstellt, in dem die schwereren Teilchen die größte Möglichkeit haben, herausgeschleudert zu werden, sofern sie so weit vorgedrungen sind, und dies trägt dazu bei, daß sie nicht mit dem Kern in den Bereich des Kernauslasses getragen werden. μ

Folglich werden die Strömungsgeschwindigkeiten der Gasströme so gewählt, daß das Druckverhältnis

"Einiqß

'λ

65

innerhalb eines Bereichs von °twa 1,5 bis 10 liegt, und zwar bei einem Absolutdruck des zugeführten Betriebsgases von 5 bis 1000 mm Hg. Tatsächlich bedeutet dies, daß der Gasdruck am Einlaß mindestens das l,5fache bis lOfache des Drucks am KernaiislalJ der Trennkammer beträgt. Vorzugsweise wird das Druckverhältnis für einen optimalen Trenneffekt in einem Bereich zwischen etwa zwei und sechs gewählt.

Das Gas kann durch ilen Gaseinlaß über eine Düse, ein Strahlrohr oder eine Öffnung eingebracht werden, wobei der Druck teilweise in Geschwindigkeit umgewandelt wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um die Wirbelströmung in Gang zu setzen. Tatsächlich bevorzugt man hohe Gasgeschwindigkeiten im Einlaß, weil dies die Trenn geschwindigkeit erhöht.

Die Einlaßgeschwindigkeit des Gasgemischs kann bei Betriebstemperatur mindestens den Wert der Schallgeschwindigkeit erreichen und nach Wunsch das Mehrfache der Schallgeschwindigkeit betragen, jedoch ist dann eine besondere Ausrüstung des Gaseinlasses erforderlich. Es besteht auch die Möglichkeit, in Abhängigkeit vom jeweiligen Gas eine darunterliegende Geschwindigkeit zu verwenden, und zwar kann man diese für jedes Gas durch Versuche bestimmen. Der Trenneffekt bei einem vorgegebenen Druckabfall hängt auch in gewissem Ausmaß von den Einlassen selbst ab, und zwar von ihrer Form, ihrer Anzahl und ihren Abständen. Wenn die Einlasse eine vorzugsweise gleichmäßig auf dem Umfang verteilte Strömung hervorrufen, so besteht die Möglichkeit, mit einer relativ geringen Gaseinlaßge· schwinüfgkeit unterhalb der Schallgeschwindigkeit zu arbeiten.

Das Verfahren kann bei beliebigen gebräuchlichen Temperaturen durchgeführt werden. Geringe Veränderungen in der Temperatur sind nicht kritisch. Als Betriebstemperatur kommt normalerweise diejenige Temperatur in Frage, bei welcher sich sämtliche Komponenten in der Gasphase befinden. Bei bestimmten Stoffen kann hierzu eine relativ hohe Temperatur erforderlich sein, während bei denjenigen Stoffen, die normalerweise bei Raumtemperatur gasförmig sind, diese normale Raumtemperatur angewendet werden kann. In einigen Fällen können sehr niedrige Betriebstemperaturen vorzuziehen sein. Der Bereich der Betriebstemperaturen liegt dementsprechend etwa zwischen — 50°C und etwa 500⁰C, vorzugsweise zwischen etwa -20^oCundetwa300^cC.

Muß das Gasgemisch in einer Anzahl von Wirbelstufen behandelt werden, so ist es vorteilhaft, eine Reihe von Wirbelrohr-Trennvorrichtungen zu verwenden, die in zwei Ketten kaskadenförmig angeordnet sind. Eine typische, zur Verwendung geeignete Kaskadenkette wird von Avery im »Physics Bulletin« (1970), Se^:*e 18. beschrieben. Die Kernströmung jeder Trennstufe wird abgetrennt und mit der Spitzenströmung einer nachfolgenden Trennstufe zusammengefaßt und dies wiederholt sich bei jeder Stufe bis zum Ende der Kette, während in der anderen Kette die Spitzenströmungen abgetrennt und zusammen mit den Kernströmungen einer späteren Stufe weitergeleitet werden. Jede Anordnung der Zyklone und jede Art der Rückkopplung kann verwendet werden. Auf diese Weise geht kein Anteil des Materials verloren, und es können gegebenenfalls sämtliche abgetrennte Komponenten nach Wunsch zurückgewonnen werden.

Im folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnung das Verfahren nach der Erfindung sowie eine zu seiner Durchführung geeignete Vorrichtung beispielsweise beschrieben. Die Zeichnung zeigt in F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine typische

konische Wirbelrohr-Trennvorrichtung nach der Erfindung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann;

F i g. 2 einen Schnitt durch die Wirbelrohr-Trennvorrichtung nach Fig. I entlang der Linie 2-2. wobei die Aιlßcnbςreiche und die Kernbereiche der Wirbelströmung gegeneinander abgesetzt sind;

F i ρ 3 eine schematische Darstellung einer typischen Reihe vnn Wirbelrohr-Trennvorrichuingcn. die in zwei Kaskadenketlen a und b angeordnet sind, wobei der Durchfluß der .Spitzenströmungen und Kernströmungen durch jede Kette bis zur endgültigen Trennung der Komponenten am Ende jeder Kette gezeigt ist.

Die Trennvorrichtung nach Fig. I und 2 weist ein Gehäuse 1 mit sechs Gaseinlässen 2 auf, die tangential am Basisende 3 einer konischen Trennkammer 5 angeordnet sind. Ein Gasauslaß 4 für die Außenströmung des Wirbels ist an der Spitze 9 der konischen Trennkammer 5 vorgesehen, während ein Gasauslaß 6 für die Kernströmung des Wirbeis am basisende der Trennkammer liegt. Das innere Ende eines Rohres 7 ragt von der Basis des Konus nach innen und bildet einen Ringraum 8, in welchen sich die Gaseinlässe 2 öffnen. Diese setzen aufgrund ihrer tangentialen Anordnung eine wirbeiförmige Gasströmung in Gang, und zwar rings um den vom inneren Ende des Rohres 7 gebildeten Ringraum 8, wie es von der schraubengangförmigen Pfeillinie angedeutet wird. Die auf diese Weise entstehende Wirbelströmung setzt sich am Umfang des Konus gegen den Auslaß 4 fort, und die Komponenten mit höherem Molekular- oder Atomgewicht werden, während sie diesen Weg durchlaufen, in den Außenteil des Wirbels geschleudert, während die Komponenten mit niedrigerem Molekular- oder Atomgewicht nach innen in den Kern des Wirbels hineingezogen werden. Der Kern des Wirbels wandert in entgegengesetzter Richtung gegen den Auslaß 6. Es bildet sich also eine entgegengesetzte Strömung des Kerns und des Außenbereichs des Wirbels, und dies ergibt, abgesehen von einer beträchtlichen Erweiterung der Trennzone, eine wirkungsvolle Trennung.

Während des Betriebs nimmt die durch die Einlasse 2 eintretende Gasmischung einen wirbeiförmigen Weg über den Umfang der Trennkammer, und es ergibt sich eine Außenströmung des Gases gegen den Auslaß 4. Gleichzeitig wird eine Kernströmung in der Mitte des Wirbels erzeugt, und das Gas fließt in diesem Bereich in entgegengesetzter Richtung zum Kernauslaß 6. Der Druck im Kern liegt unterhalb des Drucks im Einlaß 2. Auf diese Weise verläßt die Fraktion mit niedrigerem Molekulagewicht die Trennvorrichtung über den Auslaß 6, während die Fraktion mit höherem Molekulargewicht über den Auslaß 4 abgezogen wird.

Eine Reihe von Wirbelrohr-Trennvorrichtungen kann entsprechend F i g. 3 in zwei Kaskadenketten a und b angeordnet werden, um eine Mehrzahl von Zentrifugal-Trennstufen zu bilden. Die Gasmischung gelangt über einen Kompressor ein die erste Trennvorrichtung I, und zwar wird sie innerhalb des Kompressors mit der Spitzenströmung der Trennvorrichtung Ha und der Kernströmung der Trennvorrichtung Hb vermischt. Die Kette a ergibt eine Anreicherung der leichteren Komponente. Die Kernströmung wird der Trennvorrichtung I an der Basis entnommen, und der nächsten Trennvorrichtung Ha dieser Kette geeigneterweise über einen Kompressor Czugeführt, und zwar vermischt mit der Spitzenströmling der Trennvorrichtung HIa. Von hier aus gelangt sie als Kernstromung unter Vermischung mit der Spitzenströmung der Trennvorrichtung IVa zur Trennvorrichtung lila. Wiederum als S Kernströmung, vermischt mit der Spitzenströmung der Trennvorrichtung Va, wird sie der Trennvorrichtung IVa zugeführt. Von dort tritt sie als Kernströmung. vermischt mit der Spitzenströnuing der Trennvorrichtung VIa, in die Trennvorrichtung Va ein und gelangt

in von dieser als Kernströmung zur Trennvorrichtung VIa.

Auf diese Weise werden die Kernströmungen

schrittweise mehr und mehr an leichterer Komponente angereichert, woraufhin schließlich aus der am Ende der Kette liegenden Trennvorrichtung VIa die leichtere Komponente aus dem System abgezogen wird.

Die Kette b führt eine Anreicherung der schwereren Komponente durch. Die Spitzenströmung der Trennvorrichtung I gelangt über einen Kompressor C zur Trennvorrichtung Hb, und zwar vermischt mit der Kernströmung der Trennvorrichtung ■ üb. Von hier aus wird die Spitzenströmung der Trennvorrichtung IHb zugeführt, nachdem sie mit der Kernströmung der Trennvorrichtung IVb vermischt worden ist. Die Spitzenströmung der Trennvorrichtung Illb wird unter Vermischen mit der Kernströmung der Trennvorrichtung Vb in die Trennvorrichtung IVb gefördert. Von hier aus gelangt sie als Spitzenströmung nach ihrer Vermischung mit der Kernströmung der Trennvorrichtung VIb zur Trennvorrichtung Vb. Dessen Spitzenströmung wird in die Trennvorrichtung VIb gefördert. Auf diese Weise werden die Spitzenströmungen Schritt für Schritt an schwererer Komponente angereichert.

Die folgenden Beispiele geben bevorzugt Merkmale der Erfindung wieder.

Beispiel 1

Die bei diesem Versuch verwendeten Trennvorrichtungen entsprachen der Ausführungsform nach den F i g. I und 2. Sie wurden dazu verwendet, Kohlendioxyd und Luft zu trennen, und zwar aus einem Gemisch von annähernd konstanter Zusammensetzung, das 8,5 Volum-% CO2 enthielt. Das Gas strömte aus einem Aufnahmebehälter durch ein Reduzierventil, durch ein Überdruckventil, durch einet) Filter, durch ein Steuerventil und durch einen Venturi-Durchflußzähler in den Behälter mit den Trennvorrichtungen. Die beiden aus den Trennvorrichtungen austretenden Fraktionen wurden durch Venturi-Durchflußzähler und durch Steuerventile einer Vakuumpumpe zugeführt, wobei ein durch die Ventile abgezogener Anteil zu seiner Bestimmung in ein Gasanalysegerät gelangte. Die Gasdrücke in den Abteilungen der Trennkammer wurden mit Quecksilbermanometern bei einer Genauigkeit von annähernd 0,5 mm Hg gemessen.

Der Unterschied im CCVGehalt zwischen den beiden Fraktionen der Trennvorrichtungen wurde mittels eines Infrarot-Analysegeräts und eines daran angeschlossenen potentiometrischen Schreibers registriert.
Die folgenden Ergebnisse wurden mit der 2 rnm-Wirbelrohr-Trennvorrichtung ermittelt. Die Konusneigung, definiert als Basisdi-rchmesser geteilt durch die Höhe der Spitze, betrug 1:10, wobei drei oder sechs gleichförmig verteilte Einlaßöffnungen von rechteckigem Querschnitt, und zwar 0,6 χ 03 mm, vorgesehen waren.

308 111/16

ίο

Tabelle

Wirbelrohr-	3	*f'hnliB*	*r_KmautM*	'Ν,,,-™,./,,,	, MoI-	DurcliHuß-	Trenn	Strömungs-
Trennvorrichtung		(mm Hg)	(mm Hg)	(mm Hg)	»v. CO₂	leistung	faktor	verteilungs-
						(l/min bei		faktor
						0 C und
	0,75					1 atm)
Anzahl der		90,0	15,0	13.0	8,35	0,50	0,0542	0,663
Einlaßöffnungen	1,0	90,0	15,0	15,0	8.35	0.50	0,0539	0,647
		90,0	15,0	17.0	8,35	0,50	0,0532	0,653
		90,0	15,0	19,0	8.35	0.50	0.0524	0,653
Durchmesser des		90,0	15,0	21,0	8,35	0,50	0,0516	0,644
Basisauslasses (mm)		90,0	15,0	30,0	8,35	0,49	0,0443	0,596
Durchmesser des		90,0	18,0	14,0	8,35	0,50	0,0544	0,672
Spitzenauslasses (mm)		90,0	18,0	16.0	8,35	0,50	0,0528	0,665
		90.0	18,0	18,0	8,35	0,50	0,0524	0,657
		90,0	18,0	20,0	8.35	0,50	0.0511	0,652
		90,0	18,0	22,0	8,35	0,48	0.0513	0,640
		90,0	18,0	24,0	8,35	0,50	0.0499	0,645
		90,0	18,0	26,0	8,35	0,50	0,0488	0,627
		90,0	18,0	30,0	8,35	0,49	0,0443	0,525
		90,0	22,0	16,0	8,35	0.50	0,0523	0,670
		90,0	22,0	20,0	8.35	0,50	0.0514	0,666
		90,0	22,0	22,0	8,35	0,50	0,0515	0,669
		90,0	22,0	24,0	8,35	0,50	0,0514	0,650
		90,0	22,0	26,0	8,35	0,50	0,0487	0,645
		90,0	25,0	18.0	8,35	0,48	0.0489	0,724
	6	90,0	25,0	20,0	8,35	0,48	0,0484	0,718
		90,0	25,0	22,0	8,35	0,48	0,0499	0,711
		90,0	25,0	24,0	8,35	0,48	0,0483	0,708
	0,75	90,0	25.0	26,0	8.35	0,48	0,0479	0,683
		90.0	25,0	28,0	8,35	0,48	0.0470	0,667
Anzahl der	90.0	15,0	14.0	8.35	0.46	0,0435	0,657
Einlaßöffnungen	90,0	15,0	16.0	8,35	0,46	0,0435	0,657
	90,0	15,0	20.0	8,35	0.46	0,0436	0,691
Durchmesser des	90,0	18,0	16.0	8,35	0.46	0,0440	0,665
Basisauslasses (mm)	90,0	18,0	18,0	8,35	0,46	0,0430	0,671

Durchmesser des 1,0

Spitzenauslasses (mm)

Anzahl der	3	90,0	15,0	13,0	8,67	0,51	0,0572	0,520
Einlaßöffnungen		90,0	15,0	15,0	8,67	0,51	0,0567	0,513
		90,0	15,0	17,0	8,67	0,50	0,0565	0,514
		90,0	15,0	19.0	8,67	0,50	0,0554	0,498
Durchlaß des	1,0	90,0	15,0	21,0	8,67	0,50	0,0541	0,487
Basisauslasses (mm)
Durchmesser des	1,0	90,0	18,0	16,0	8,67	0,50	0,0552	0,535
Spitzenauslasses (mm)		90,0	18,0	18,0	8,67	0,50	0,0548	0,526
		90,0	18,0	20,0	8,67	0,50	0,0530	0,511
		90,0	18,0	2^,0	8,67	0,50	0,0519	0,491
		90.0	18.0	24.0	8,67	0,50	0,0515	0,471

Wirbclrnhr-	*'',,„:,„*	'Ά -il,,!,. /,,11	/'s,,,,.-,,,,,,,/,,,,	MoI-	Purchfluß	Trcnn-	Slrömiings-	Trerinkam-
Trennvorrichtung	(mm I Ig)	(mm Ιΐμ)	(mm I Ιμι	■:■■ CO;	!cisiuiig	liiklor	verleüungs
					(l/niin hei		faktor
					0 C und
					I atm)
Durchmesser des 1,0	90,0	22.0	20,0	8,67	0,50	0,0504	0,566
Spitzenauslasscs (mm)	90,0	22,0	22.0	8,67	0,50	0,0503	0,554
	90,0	22.0	24,0	8,67	0,50	0,0511	0,525
	90,0	22,0	26.0	8,67	0,49	0,0486	0,481
	90.0	25,0	23,0	8,67	0,49	0,0457	0,598
	90,0	25.0	25,0	8,67	0,49	0,0460	0,573
	90,0	25.0	27,0	8,67	0,49	0,0455	0,542
	90,0	25,0	29,0	8,67	0,48	0,0438	0,489
Der Trennfakior ist definiert	durch die Beziehung	-¹¹ Spitzenauslaß bei	15 mm Hg	liegt. Das Druckverhältnis
*^xSpi::r ~ ^x Kern*		ist 4. Die mer entsn	Gaseinlaßgeschwindigkeit in die iricht der .Schallppschwindipkeit.

wobei ν den Molenbruch, in diesem Fall des Kohlendioxyds, im Gas darstellt. |e größer der Trennfaktor ist. desto wirksamer ist die Trennung. Der Strömungsverteilungsfaktor ist definiert als der molare Strömungsanteil des eintretenden Gases, welches durch den Spitzenauslaß ausströmt, /hus den ermittelten Werten ergibt sich, daß eine gute Trennung erzielt wird. Die Wirbelrohr-Trennvorrichtungen nach der Erfindung können verwendet werden zum Trennen von Gasgemischen in ihre Bestandteile entsprechend den Molekular- oder Atomgewichten. Es ist auf diese Weise möglich, in gasförmiger Form Isotope ein und desselben Elementes als gasförmige Bestandteile voneinander zu trennen. Diese können nach ihrer Trennung weiter behandelt werden, um das Element in der erwünschten Form, einschließlich elementares Metall, zurückzugewinnen. Beispielsweise besteht die Möglichkeit. U 235 von U 238 unter Verwendung von Uranhexafluorid zu trennen.

Beispiel 2

Das Isotop U 235 wird von U 238, ausgehend von Uranhexafluoridgas, nach folgendem Verfahren getrennt.

Die verwendete Vorrichtung besteht aus 310 in Reihe angeordneten Stufen, deren Durchströmung dem Diagramm nach Fig.3 entspricht. Jede Trennkammer weist einen maximalen Durchmesser von 2 mm an der Einlaßöffnung und einen Durchmesser von 1,0 mm am Kernauslaß und am SpUzenauslaß auf. Die Trennkammer ist bei einer Länge von 10 mm entsprechend F i g. 1 und 2 konisch ausgebildet. Der Einlaßdruck beträgt 90 mm Hg, während der Druck am Kernauslaß und am

Das in die erste Stufe der Wirbelrohr-Trennvorrichtung eingeführte Gasgemisch enthält 99,3% U 238 und 0,7% U 235. In jeder der Trennstufen der a-Kette wird die Kernfraktion mit U 235 angereichert. Das aus der 250. Trennstufe (gezählt von der Zuführungsstufe) der Kernströmungskette austretende Gas ist zu 3% mit U 235 angereichert, während das Gas, das aus der Spitzenströmungskette der Zyklone erhalten wird, nahezu sämtliches U 238 sowie eine sehr geringe Menge, z. B. 0,2%, U 235 enthält.

Die Trennvorrichtungen nach der Erfindung können auch in Gaschromatographie-Massenspektrometrie-Systemen verwendet werden. Derartige Systeme kombinieren zwei physikalisch-chemische Verfahren: Die Gaschromatographie stellt eine höchst wirksame Technik /um Trennen von Komponenten organischer Gemische mit ausreichender Flüchtigkeit und Thermo-Stabilität dar, während die Massenspektrometrie ein einzigartiges Verfahren zum Bestimmen dieser Komponenten ist. Die direkte Einführung der getrennten gasförmigen Komponenten aus der gaschromatographischen Säule über die Wirbelrohr-Trennvorr.chtungen nach der Erfindung in das Massenspektrometer ermöglicht eine hohe Strömungsleistung und sorgt für ein hohes Gasanreicherungs-Verhältnis zwischen Probe und Trägergas.

Die verwendeten Gaschromatographen und Massenspektrometer können gebräuchlicher Art sein. Beispielsweise stellt das LKB Gaschromatographie-Massenspektrometrie-System ein geeignetes System dar. Es umfaßt ein einfachfokussierendes Massenspektrometer. Als Trägergas wird Helium verwendet, und die Probe wird mit Helium in die gaschromatographische Säule injiziert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Trennen von Gasgemischen in einem eine Wirbetströmung begrenzenden Wirbelrohr, in das das Gasgemisch mit einem Einlaßdruck von 5 bis 1000 mm Hg eingeführt wird und bei dem aus den Außenbereichen der Wirbelströmung eine Fraktion höheren Molekular- oder Atomgewichts und aus dem Kern der Wirbelströmung eine Fraktion niedrigeren Molekular- oder Atomgewichts abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß es innerhalb einer einen Durchmesser von maximal 2 mm aufweisenden Wirbelströmung bei einem Druckverhältnis