DE2342291A1

DE2342291A1 - Verfahren zur trennung von gemischen von gasen oder fluessigkeiten unterschiedlicher spezifischer schwere

Info

Publication number: DE2342291A1
Application number: DE19732342291
Authority: DE
Inventors: Hans Paul
Original assignee: GEWERKSCHAFT BRUNHILDE
Current assignee: GEWERKSCHAFT BRUNHILDE
Priority date: 1973-08-22
Filing date: 1973-08-22
Publication date: 1975-03-27

Description

Beschreibung des Anmeldegegeristandes

Verfahren zur Trennung von Gemischen von Gasen oder Flüssigkeiten unterschiedlicher spezifischer Schwere

Ss ist bekannt, aus Gemischen von Flüssigkeiten oder aus Gemischen von Gasen Komponenten unterschiedlicher spezifischer Schwere, v;elche keine Lösungen miteinander eingehen und'gegeneinander bei den in Frage kommenden Temperaturen chemisch inaktiv sind, u.a. z.B. durch Zentrifugalwirkung voneinander zu trennen.

Enthält das zu trennende Gemisch mehr als zwei Komponenten, so '..ird zunächst die schwerste oder die leichteste Komponente je na>;h Zweckinässigkeit abgetrennt.

Diese Trennarbeit geschieht in den in ihrer Anordnung bekannten und der» unterschiedlichen Anforderungen angepassten Einrichtungen, ί..Έ>. in Zentrifugen. Die erforderliche schnelle kreisförmige Bewegung der zu trennenden Gemische in der Zentrifuge ist u.U. durch hohe Tourenzahlen mit erheblichem Materialverschleiss im Bereich der Zentrifugen verknüpft.

Deshalb soll nach der Anmeldung die zentrifugale Trennwirkung in geeignet hergerichteten, spiralförmig gebogenen, feststehenden bzw. fest an geeigneten Trägergestellen senkrecht, schräg oder 'waagerecht montierten Rohrspiralen erfolgen. Aussen oder innen, d.h. an geeigneten Stellen der Spiralrohrbogen,sind abzweigende Rohre eingebaut, in welchen die schwerste oder leichteste Komponente des Flüssigkeits- oder Gasstromes wiederum zu weiteren Spiralrohr-Systemen fortgeleitet wird, deren evtl. unterschiedlicher Durchmesser in etwa dem Mengenverhältnis· der zu trennenden Komponenten möglichst genähert ist. Die in den Rohrspiralen erzielbare zentrifugale Trennwirkung ist abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit in den Rohrspiralen.

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Um die Zentrifugalwirkung in den Spiralrohreri zu erhöhen, werden die Rohrspiralen so hergerichtet, dass der Radius der Rohrspiralen von einer Spiralwindung zur nächsten oder übernächsten um den Betrag verkürzt wird, der zur Steijeri-L der Krümmung und damit der Zentrifugalwirkung auf die zu trennenden Gemische erforderlich ist; die Formel für diese progressive Steigerung der Krümmung und die optimale Zahl der Spiralwindungen wird empirisch ermittelt und den besonderen Eigenschaften der zu trennenden Gemische angepasst.

An geeigneten Stellen, d.h. nach einer empirisch Zahl von Spiralwindungen ist ein abzweigendes Rohr durch welches der Gasstrom wiederum einen; Spiralrohr zugeführt wird und dessen Durchmesser in etwa in gleichem Verhältnis zu dem vorher passierten Spiralrohr steht wie die aozutrennenden Komponenten mengenmässig im Verhältnis zu den. übrigen Teil des Gemisches.

Die Abzweigungen aus dem waagerecht an einem festen Gestell montierten Spiralrohr werden im unteren Bogen auf der Innenseite vorgesehen, wenn es sich um die Abtrennung einer gegenüber der Restmenge leichteren Komponente handelt, wenn die abzutrennende Komponente spezifisch schwerer als die anderen Komponenten des Gemisches'ist, dann wird das abzweigende Rohr im unteren Bogen auf der Aussenseite des unteren Bogens angebracht. Die Zahl der Spiralwindungen vor einem Abzweigrohr wird durch die Durchsatzgeschwindigkeit des zu trennenden Gemisches und'durch das Mengenverhältnis der abzutrennenden Komponente zur Restmenge bedingt und wird empirisch ermittelt oder auch errechnet. Ist die Trennwirkung nach einer oder mehreren Abzweigstufen nicht befriedigend, so wird das zu trennende Gemisch weiteren Spi'ralwindungen zugeführt mit weiteren Abzweigungen für die leichteren bzw. schwereren Komponenten, bis die gewünschte Reinheit der zu trennenden Komponenten erreicht ist, oder die Strömungsgeschwindigkeit wird beschleunigt bzw. evtl. beides. Die Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich bei Flüssigkeiten und senkrecht

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montierten Rührspiralen aus dem natürlichen Gefälle; wenn

das Gefälle nicht ausreicht oder bei Gasgemischen muss das

angesaugt
z.- trennende Gemisch durch eine Pumpe /cfder einen Kompressor

bewegt werden.

An geeigiieten Stellen des ersten Spiralrohrsystems sind dann
wieder Rührabzweigungen angeordnet, welche zum zweiten Spiralrohrsystem anschliessen und so fort, bis in dem Flüssigkeitsuacr Gasgemischs tr orn der gewünschte Grad der Trennwirkung durch die Zentrifugalkraft erreicht ist. Dabei erfolgt die Abtrennung der schwereren Komponenten durch eine Spiralrohrabzweigung an
cer Aussenseite der Roh-rspirale, die Abtrennung von leichteren
Komponenten Jeweils an der Innenseite der Rohrspirale, wobei die · Dir..ensionierunj der Hauptspirale im Verhältnis zu der. Zweigspirale der Grössenordnung des Anteils der jeweils aus dem Flüssigkeits- oder Gasgemisch abzutrennenden Komponente- an der Gesamtmenge des Gemisches angenähert sein soll.

,Venn es Aufgabe ist, aus dem Gas- oder Flüssigkeitsgemisch eine leichtere Komponente abzutrennen, welche in dem Gemisch nur in
einer geringen Menge enthalten ist, so sind die Abzweigrohre in einem dementsprechend geringen Durchmesser zu bemessen und an der Innenseite der Spiralen des Spiralrohrsystems abzuleiten und so zu gestalten, dass das Verhältnis der Querschnittfläche des Abzweigrohres zu der Querschnittfläche des Hauptrohres etwa dem
Verhältnis der Menge der abzutrennenden leichteren Komponente
Zijr Gesamtmenge des zu trennenden Gemisches angenähert entspricht, wobei eine trichterförmige Gestaltung der Anschlüsse des oder der abzweigenden Spiralrohre auf der Innenseite der Hauptspirale vorgesehen wird, weil die schwereren Komponenten des Gas- oder Flüssigkeitsger.-iisches mit der Zentrifugalwirkung nach aussen drängen, während die leichteste Komponente, in dem Spiralrohr nach innen verdrängt wird. In den Spiralrohren werden sich in einem strömenden Gas- oder Flüssigkeitsgemisch von spezifisch verschiedsn schweren Komponenten die schwereren Komponenten entsprechend der Zentrifugalwirkung jeweils an der äusseren Wand des Spiralrohrs

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bevorzugt sammeln bzw. dort die leichteren Komponenten des strömenden Gemisches verdrängen, so dass, wenn von dem ersten bis zum letzten Spiralrohrsystem die Gas- bzw. Flüssigkeitsmassen durchgeströmt sind, sich jeweils in der letzten Spiralstufe bereits der auf Grund einer in entsprechenden Versuchsläufen vorher festgelegten gewünschten Trennwirkung bzw. Anreicherung der schwereren oder leichteren Komponenten des Flüssigkeits- bzw. Gasgemisches an den inneren bzw. äusseren Windungen der Rohrspiralen einstellen wird. Es ist eine durch Vorversuche zu klärende Zweckmässigkeitsfrage, wieviele Spiralsysteme man hintereinander anordnen muss, oder ob man die Trennung durch geeignete Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeiten beschleunigen will und wie das Verhältnis des Rohrdurchmessers der ersten Spiralrohrstufe zum Durchmesser der zweiten Spiralrohrstufe oder dritten Spiralrohrstufe abgestimmt werden muss, um eine optimale Trennleistung zu erzielen. Die den zu trennenden Gemischen von gasförmigen Komponenten zur Beschleunigung der Trennleistung zu gebende Strömungsgeschwindigkeit ist durch maschinelle Druck- oder Ansaugwirkurig zu erreichen. Durch eine Kolbendruck- oder Ansaugpumpe evtl. auch Kreiselpumpe oder deren mehrere an den Abzweigspiralen wirkende Pumpen wird die Strömungsgeschwindigkeit des zu trennenden Gas- oder Flüssigkeitsgemisches in den Rohrspiralen geregelt. Auch der unterschiedliche Durchmesser der Spiralrohre und der davon abzweigenden Spiralrohre der zweiten oder dritten bzw. weiterer Trennstufen ist nach der gewünschten Durchsatzleistung und dem Anteil der verschiedenen Komponenten am zu trennenden Gemisch zu dimensionieren. Die Rohrdimensionen und der Krümmungsradius werden davon abhängen, ob lediglich eine begrenzte Anreicherung der schwersten oder leichtesten Komponenten des Gemisches gewünscht wird, oder ob man einen möglichst hohen Reinheitsgrad der zu trennenden Flüssigkeits-, Gas- oder Isotopengemische erzielen will.

Handelt es sich z.B. um die Zerlegung der atmosphärischen Luft in die wesentlichsten Komponenten Stickstoff, Sauerstoff und

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Kohlensäure, so wird man zunächst die Kohlensäure dem Gemisch entziehen, indem man das zu trennende Luftquantum unter Druck durch die Spiralrohranordnung treibt und diesen Vorgang solange wiederholt, bis die schwerere Kohlensäure über die aussen an den Spiralrohren jeweils im unteren Bogen abzweigenden Spiralen praktisch aus dem zu trennenden Gasgemisch-Quantum entfernt ist.

Pur die Trennung des dann verbleibenden Gemisches von Sauerstoff und Stickstoff wird man das schwerere Sauerstoffgas in dem Spiralrohrsysten; abtrennen bis der wirtschaftlich zu erzielende Reinheitsgrad des Sauerstoffgases bei der Trennung von dem verbleibenden Stickstoffgas erreicht ist. Die Anordnung der Spiralrohrsysteme ist in jeder V/eise, was Querschnitt und Gestaltung des Hauptspiral- wie auch der abzweigenden Spiralrohrsysteme (auch insbesondere) den Krümmungsradius anbelangt, in der Grössenanordnung nach den experimentell zu ermittelnden Trennleistungen zu bemessen, Vielehe sich bei den erforderlichen Versuchen in Bezug auf die gestellte Trennaufgabe ergeben haben. Diese Notwendigkeit ist insbesondere bei Abtrennung geringer Beimengungen aus einem Gasgemisch zu beobachten, wie z.B. Abtrennung des Kohlensäuregehaltes aus der atmosphärischen Luft. Eine ähnliche, besonders abgestimmte Spiralrohranordnung kann auch verwendet werden zur Trennung von gasförmigen Isotopengemischen. Hierbei kommt es darauf an, dass das Material, aus welchem die zu verwendenden Rohrleitungen herzustellen sind, von den zu trennenden gasförmigen Isotopengemischen nicht angegriffen wird. Es kommt ferner darauf an, dass bei dem geringen Gewichtsunterschied die zentrifugale Wirkung durch entsprechende Anordnungen im Bereich des Möglichen verstärkt wird, z.B. durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Isotopengemisches durch entsprechende vorherige Kompression des Ausgangsgemisches vor Eintritt in das Hauptspiralrohr oder auch durch Ansaugung des Gasstromes am Ende der Spiralrohre und Abzweigrohre, durch die Dimensionen und durch Formgebung'des Spiralrohres und der Abzweigrohre an der Abzweigstelle sowie durch die Bemessung des Krümmungsradius, evtl. dessen Verkürzung.

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β -

Bei geringen Gewichtsunterschieden eines gasförmigen Gemisches wird auf den Gasstrom in der Rohrspirale kurz vor der Abzweigung zu der jeweils folgenden Spiralstufe ein Block schwerer Massen angeordnet, welcher auf den Gasstrom in der Spirale vor der Abzweigung einwirkt..Zusätzlich wird ferner in der folgenden Spiralrohrabzweigung ein Magnetfeld von geeigneter Intensität und Wirkungsrichtung hergerichtet, welches auf den Gasstrom in gleichem Sinne einwirkt, um die Schwerewirkung zu verstärken, wie man bei der folgenden nächsten Abzweigung auch ein^eeignet wirkendes hochgespanntes elektrisches Feld auf den Gasgernischstrom vor der Abzweigung an dem Spiralrohr einwirken lassen kann. Man kann ferner starke, höchst intensive Strahlenquellenbesonderer Art auf den gasförmigen oder flüssigen Strom des Gemisches in der Rohrspirale einwirken lassen, um schliesslich auch durch Strahlungsdruck von Laserstrahlen oder anderen hochintensiven Strahlen die durch die Zentrifugalkraft, das Schwerefeld und das Magnetfeld eingeleitete Richtungsabweichung zu verstärken. Durch immer neue Spiraltrennstufen wird die Zahl der Spiralen der geforderten optimalen Trennleistung angepasst. Die Trennleistung der Spiralen ist evtl. auch rechnerisch abzustimmen mit der Trennleistung,welche in Zentrifugen erzielt wird, bei gleicher Geschwindigkeit des Gasstroms, wobei nach der vorliegenden Erfindung der bei der Zentrifugenbenutzung unvermeidliche, kostentreibende Nachteil des Verschleisses der schnell bewegten Zentrifuge mit all ihren Folgen vermieden werden soll. In der Spirale ist zwar auch bei geringen Unterschieden des spezifischen Gewichts der Komponenten des zu trennenden Flüssigkeitsoder Gasgemisches oder Isotopengemisches eine hohe Strömungsgeschwindigkeit erforderlich, aber es kann die Benutzung schnell zu bewegender Teile durch die Benutzung der Rohrspiralen weitgehend vermieden werden. Die einzelnen technischen Messdaten für die Trennarbeit, wie z.B. Krümmungsradius der Spiralen und dessen progressive Verkürzung, Durchmesser der Rohrspiralen und aller Rohre des Systems im Verhältnis zu der zu trennenden Menge des Gemisches, wie die Gestaltung und Bemessung der Abzweigungen und die Anordnung und Zahl der erforderlichen Spiralwindungen

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sind durch Vorversuche mit den zu trennenden Flüssigkeits- oder Gasgemischen vorher zu ermitteln und festzulegen, um so eine optimale Trennleistung zu sichern, durch die Abstimmung der Rohrspiralen und die Dimensionierung aller Einrichtungen auf Grund der zu gewinnenden Erfahrungswerte.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Trennung von Plüssigkeits- oder Gas- oder auch gasförmigen Isotopengemischen,gekennzeichnet dadurch, dass bei der Trennarbeit keine beweglichen Teile mit hohen Tourenzahlen verwendet werden, sondern feststehende Spiralrohr-3y st eine. Hierdurch sollen störende oder kostspielige Abnutzungserscheinungen vermieden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass zur Erzielung einer Zentrifugalwirkung die zu trennenden- Flüssigkeitsgemische oder Gas- oder gasförmigen Gemische (auch Isotopengemische) durch ruhend aufgestellte Rohrspiralen fliessen oder gepresst v/erden, von Vielehen in geeigneter Winkel anordnung Rohrabzweigungen wegführen, deren Durchmesser im Verhältnis zum Durchmesser der Hauptspirale dem Verhältnis der zu trennenden Komponenten des Gemisches entspricht, d.h. etwa in der Grosse des Mengenverhältnisses der abzutrennenden Komponente zur Gesamtmenge des zu trennenden Gemisches.

j>. Trennspiralrohre, nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur optimalen Steigerung der Zentrifugalwirkung beim Durchströmen der Spiralrohre jeweils von einer Spiralrohrwindung zur nächsten oder übernächsten oder in geeigneten Abständen der Radius der Rohrspirale verkürzt wird.

h. Verfahren nach den Ansprüchen 1 - ~3, gekennzeichnet dadurch, dass zur Trennung von Flüssigkeits- oder Gas- oder auch gasförmigen Isotopengemischen Rohrspiralen verwendet werden mit einer Steigerung der Krümmung von einer Spiralwindung zur

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zur nächsten oder übernächsten Spirale, in welcher dann eine Rohrabzweigung vorgesehen ist, in welcher je nach Anordnung der Abzweigung der leichtere oder schwere Teil des Gas- oder Flüssigkeitsgemisches abgeleitet wird, evtl. zu weiteren Rohrspiralen mit entsprechend verminderten Querschnitten und so fort zu weiteren Spiralen mit wiederum entsprechend der abgetrennten Menge verminderten Querschnitte,bis eine optimale Trennung der abzutrennenden Komponente des Gas- oder Flüssigkeitsgemisches erreicht ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und k, dadurch gekennzeichnet, dass die bekannte zentrifugale Wirkung in den Rohrspiralen verstärkt wird durch Anordnung sehr schwerer Massen neben der Abzweigöffnung des Spiralrohrs, so angeordnet, dass die Zentrifugalwirkung auf das zu trennende Gasgemisch in etwa durch die Wirkund der schweren Massen unterstützt wird, deshalb sind Abzweigspiralen für schwere Komponenten im unteren, für leichtere Komponenten im oberen Spiralbogen anzubringen.

6. Verfahren nach Anspruch 1 - 5* dadurch gekennzeichnet, dass

bei der Abzweigöffnung des Spiralrohrs in geeigneter Anordnung · eine Lichtquelle angeordnet wird mit höchstmöglichem Strahlungsdruck im Sinne der Zentrifugalwirkung, welche durch die Krümmung der Spiralrohre eingeleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Spiralen-Abzweigung ein Magnetfeld angelegt wird in dem Sinne, dass die durch die Zentrifugalwirkung eingeleitete Richtungsänderung der schwereren Komponenten bzw. Verdrängung der leichteren Komponenten durch magnetische Einwirkung erhöht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 - ¹J, dadurch gekennzeichnet, dass die nach Anspruch 2 bis 7 angeordneten zusätzlichen Einrichtungen, wie Schwerefeld, Lichtstrahlungsdruck, elektrisches

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Hochspannungs- und Magnetfeld, zur Verbesserung der Trennleistung in geeigneter Weise an mehreren Spiral-Trennstufen oder bei jeder Trennstufe neben- bzw. hintereinander Anwendung finden. Die praktischen Werte für die Grössenordnungen der zusätzlichen Einrichtungen ergeben sich aus den empirisch zu ermittelnden Leistungen in entsprechend genau abgemessenen Versüehsanordnungen nach Anspruch 5* 6, 7 und 8.

9· Verfahren nach Anspruch 1 -'8, dadurch gekennzeichnet, dass die besonderen Einwirkungen an den Spiralabzweigungen nach Anspruch 3 bis β jeweils einzeln in besonders dimensionierten Trennstufen an den Spiraltrennstufen angeordnet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Abtrennung einer in besonders geringer Menge in zu trennenden Gemischen enthaltenen Komponente mit sehr geringem Unterschied im spezifischen Gewicht gegenüber den anderen Komponenten dann vor dem an der' Innenseite der Spirale anzubringenden Abzweigrohr in kurzen Abständen auf der inneren Spiralrohrwand kleine scharf geschnittene Querrippen oder Aufrauhungen der Rohrwand angebracht werden, um eine Wirbelbewegung zwischen dem Strom im Hauptrohr und in den Abzweigrohren herbeizuführen, durch welche die Trennwirkungsbewegung eingeleitet bzw. verstärkt wird.

Uetze, den 9. August 1973

GEWERKSCHAFT BRUNHILDE Der Reppä&eirtajat:

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