DE2518201A1

DE2518201A1 - Vorrichtung zum trennen von gasgemischen in bestandteile unterschiedlicher molekuelmassen

Info

Publication number: DE2518201A1
Application number: DE19752518201
Authority: DE
Inventors: Gotthold Boehme; Erich Robens
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1975-04-24
Filing date: 1975-04-24
Publication date: 1976-11-04
Also published as: DE2518201C3; FR2308415A1; GB1540742A; US4108620A; JPS51130798A; DE2518201B2

Description

387-84/KDB/RST 22 April 1975

BATTELLE - INSTITUT E.V., FRANKFURT AM MAIN

Vorrichtung zum Trennen von Gasgemischen in Bestandteile unterschiedlicher Molekülmassen

Die Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf Trennvorrichtungen, mit denen sich Gasgemische, insbesondere Gemische gasförmiger Isotope, in ihre Bestandteile mit unterschiedlichen Molekülmassen zerlegen lassen.

Massenabhängige axiale Entmischungseffekte in thermischen Strömungen im Beschleunigungsfeld werden bei den sogenannten Gaszentrifugen bereits zur Isotopentrennung genutzt. Typische

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Ausführungen von Gaszentrifugen wurden beschrieben von

K. Cohen, G.M. Murphy ("The Theory of Isotope Separation

235 as Applied to the Large-scale Production of U ", New Yorks McGraw-Hill 1951, Seiten 103 ff.) und von R. Schütte ("Diffusionstrennverfahren", Ullmanns Enzyklopädie der Technischen Chemie, 4. Auflage, Band 2, Weinheims Verlag Chemie 1972, Seiten 630 ff.)

Gaszentrifugen besitzen einen als Hohlkörper ausgebildeten i?otor, in den das zu entmischende Gas axial eingeleitet wird. Infolge von axialen Temperaturdifferenzen, die an dem Hohlkörper eingestellt werden, führt das Gas eine zirkulierende Konvektionsströmung im Beschleunigungsfeld des rotierenden Hohlkörpers aus. An zwei unterschiedlich angeordneten Auslässen werden die dadurch teilweise entmischten Gasfraktionen entnommen und weiteren Trennvorrichtungen zugeführt. Die Trennwirkung dieser Gaszentrifugen ist verhältnismäßig gering, insbesondere, weil die Umfangsgeschwindigkeit aus Materialgründen auf etwa 700 m«s~ beschränkt ist (dieses entspricht bei einem Durchmesser von 400 mm einer Umdrehungszahl von etwa 600 U«s ). Die Konstruktion der Zentrifugen ist außer-

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ordentlich aufwendig; an das Material werden hohe Anforderungen gestellt.

H. Zeibig beschreibt in seiner Dissertation("Isotopentrennung von Gasen durch Thermodiffusion mit einer in einem geschlossenen Gehäuse rotierenden Scheibe", Technische Hochschule Aachen, 1966) den radialen Trenneffekt an einer glatten Scheibe, die gegenüber dem Gehäuse gekühlt ist. Nachteilig bei dieser Anordnung ist unter anderem, daß ein Maximum des Trenneffekts bei Drehzahlen zwischen 2 und 6 U*s auftritt, so daß nur niedrige Beschleunigungsfelder ausgenutzt werden können und dadurch der Trenneffekt verhältnismäßig gering wird.

Ferner wurde bereits vorgeschlagen, die für Gase verschiedenen Molekulargewichte unterschiedliche Saugleistung einer Turbomolekularpumpe zur Erniedrigung des Partialdrucks der Luft in einem Helium/Luft-Gemisch einzusetzen (W. Becker: "Erhöhung der Empfindlichkeit des Helium-Lecksuchers durch Verwendung einer Turbomolekularpumpe besonderer Konstruktion", Vakuumtechnik Y7_ (1968) Seiten 203 bis 205). Dabei wird die Turbomolekularpumpe bei

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Drehzahlen bis zu 270 U-s zum Auspumpen der Massenspcktroraeterröhre benützt; der Durchtritt von Helium entgegengesetzt zur Pumprichtung wird nur wenig behindert. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens geht darauf zurück, daß am Vorvakuumstutζen der Turbomolekularpumpe ölgeschmierte Lager vorhanden sind, wodurch das dort befindliche Gas durch Öldampf kontaminiert wird. Außerdem läßt sich eine merkliche Gasentmischung nur bei Bestandteilen mit sehr unterschiedlichen Molekülmassen beobachten.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Trennen von Gasgemischen in Bestandteile unterschiedlicher Molekülmassen zu schaffen, die einen konstruktiv einfachen Aufbau und dennoch eine vergleichsweise hohe Trennwirkung besitzt, so daß die Gasgemische in wirtschaftlicher Weise getrennt werden können. Außerdem sollte die Vorrichtung auch für stark korrodierende Gase, wie UF , geeignet sein.

Es hat sich nun herausgestellt, daß diese Aufgabe mit der in Anspruch 1 beschriebenen Vorrichtung gelöst werden kann. Eine Reihe von vorteilhaften Ausführungsarten der Erfindung

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und Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 7 wiedergegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ähnelt in ihrem grundsätzlichen Aufbau einer Turbomolekularpumpe, jedoch mit wesentlichen Unterschieden in der konstruktiven Ausführung und in der Betriebsweise. Je nach Ausführungsart und Größe der Vorrichtungen kommen Drehzahlen bis zu 5000 U.s in. Anwendung. Der Druck an den Gaszuführungsund Entnahmeöffnungen wird konstant gehalten. Wichtig ist ferner, daß sich - im Gegensatz zu bekannten Turbomolekularpumpen - in dem gesamten Weg des Gasgemisches keine Lager befinden, die geschmiert werden müßten; eine Verschmutzung des Gasgemisches durch das Schmiermittel ist dadurch ausgeschlossen.

Der konstruktive Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist einfach und robust. Es werden nur wenige Materialien dem Gas ausgesetzt, was eine korrosionsbeständige Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erleichtert.

Zur Gasentmischung werden mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung axiale und auch radiale Effekte in mechanisch

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sowie thermisch erzwungenen Strömungen sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander ausgenützt, wie aus den nachstehenden Erläuterungen zu entnehmen ist. Der Aufbau und die Wirkungsweise der Vorrichtung nach der Erfindung führt gewissermaßen zu einer Optimierung der verschiedenen Trenneffekte, so daß sich insgesamt eine hohe Trennwirkung und eine wirtschaftliche Betriebsweise ergibt. Der Energiebedarf ist wegen der genannten Optimierungseffekte ebenfalls im Vergleich zu bekannten Verfahren gering.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Erläuterung anhand der beigefügten, schematisch stark vereinfachten Abbildung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung hervor.

Nach dieser Abbildung besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung im wesentlichen aus einem vertikal angeordneten, genau ausgewuchteten Rotor 1 und einem zylinderförmigen Gehäuse 8. Die Achse des Rotors 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel 100 mm lang und besteht aus rostfreiem Stahl. Auf der Achse finden sich zwei diametral und permanent magnetisiert e, 1 mm dicke Rotorscheiben 2 mit einem Durchmesser von 30 mm. Diese Scheiben 2 wurden aus einem ferromagnetische!!!

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Material hergestellt. Auf der Achse des Rotors 1 befindet sich außerdem eine nicht magnetisierte, aus nichtferromagnctischer Legierung bestehende Scheibe o.

Die Rotorscheiben 2,3 sind sämtlich in ihren Randzonen mit radialen, schräg gestellten Schlitzen oder Aussparungen 4 versehen, die als Schaufeln dieser turbinenähnlichen Vorrichtung dienen. Rotorscheiben mit dieser Ausbildung sind leicht herzustellen und sind mechanisch sehr stabil.

Die Achse des Rotors 1 steht mit ihrer unteren Spitze 5 auf einer Lagerscheibe 6 aus einem selbstschraierenden Material, hier Polyimid in einer Metallmatrix, das mit einem Halter aus korrosionsbeständigem Material am Gehäuse 8 befestigt ist. Der Halter 7 enthält einen (nicht gezeigten) Sclwingungsdämpfer. In einem Abstand von etwa 1 mm über der oberen Achsenspitze 9 befindet sich ein Permanentmagnet 10, der ebenfalls mit einem Halter 11 unter Verwendung eines (wiederum nicht gezeichneten) Schwingungsdämpfers am Gehäuse 8 befestigt ist.

Das zylindrische Gehäuse 8, in dem sich der Rotor 1 befindet, bestellt aus einem nichtleitenden Material, beispielsweise aus

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gesintertem Aluminiumoxid. Zwischen den einzelnen Scheiben 2,3 des Rotors 1 sind in einem Abstand von ca. 1 mm zu diesen Scheiben an dem Innenmantel des Gehäuses 8 Statorscheiben aus nichtleitendem Material, wie Aluminiumoxid, befestigt. Diese Statorscheiben 12 sind in ihren Randzonen in gleicher Weise wie die Scheiben 2,3 des Rotors mit radialen, schrägstehenden Schlitzen 13 versehen. In Höhe der Scheiben 2,3 auf dem Rotor 1 besitzt das Gehäuse 8 öffnungen 14 zur Gasentnahme, die durch ein Überleitungsrohr 15 mit einem Gasauslaß 17 verbunden sind, der wahlweise mit der Gaseinlaßöffnung 16 oder mit der Gasauslaßöffnung 24 verbunden werden kann. In dieses Überleitungsrohr wurde eine Pumpe 25 eingefügt .

Zur klareren Darstellung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde die beigefügte Abbildung im Maßstab insofern verzerrt, als in Wirklichkeit die Scheibenabstände in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel 1 mm betragen und im allgemeinen zwischen etwa 0,1 und 20 mm liegen dürften.

Der Rotor 1 wird durch Erzeugung eines magnetischen Momentes zwischen der Spule 19 und den diametral magnetisierten

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Scheiben 2 auf dem Rotor 1 angetrieben Nachdem der Rotor durch mehrmaliges Betätigen des Schalters 20 und damit Ein- und Ausschalten des der Gleichstromquelle 21 entnommenen Stromes in Drehung versetzt wurde, wird durch die bewegten magnetisierten Rotorscheiben 2 in der Spule 18 ein Strom induziert, der wiederum nach Gleichrichtung und Verstärkung mit Hilfe des Transistors 22 der Spule 19 zugeführt wird. Es handelt sich hier im Prinzip um einen elektronisch gesteuerten, kollektorlosen Gleichstrommotor^ der Rotor 1 dient also gleichzeitig als Rotor dieses Elektromotors und als Rotor der Trennvorrichtung.

Durch die Drehbewegung des Rotors 1 entsteht nun nach dem Einschalten ein der Drehbewegung synchrones magnetisches Moment, das beschleunigend auf die magnetisierten Rotorscheiben 2 wirkt. Der Rotor 1 wird so lange beschleunigt, bis sich ein Gleichgewicht zu den mechanischen und elektromagnetischen Verlusten und damit eine gleichbleibende Geschwindigkeit einstellt. Diese Geschwindigkeit kann durch Änderung des Regulierwiderstandes 23 variiert werden; in einem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde eine Umdrehungszahl von bis zu 5000 U«s erreicht.

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Der Rotor 1 und das Gehäuse 8 sind umgeben von an sich bekannten und daher nicht dargestellten Vorrichtungen (Heiz- und Kühlschlangen, elektrische Widerstandsheizung) zur Thermostatisierung der Vorrichtung und Konstanthaltung der gewünschten Temperatur bzw. Temperaturdifferenzen. Es ist in vorliegendem Ausführungsbeispiel vorgesehen, daß sich sowohl radial als auch axial, bezogen auf den Rotor 1 und das Gehäuse 8, bestimmte Temperaturdifferenzen einstellen lassen.

Zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde der Rotor auf eine Rotationsgeschwindigkeit von bis zu 5000 U»s beschleunigt, um optimale Trennungswirkungen herbeizuführen. Die leichteren Gasbestandteile reicherten sich an der Auslaßöffnung 24 an. An der Peripherie der Rotorscheiben 2,3 und an den Gasentnahmeöffnungen 14 sowie an der Gaseinlaßöffnung 16 sammelten sich schwere Komponenten. Die Anreicherung und Trennung nahm mit der Drehzahl des Rotors 1 zu.

Wurde das Gehäuse 8 gegenüber dem Rotor 1 aufgeheizt, so ergab sich an der Peripherie der Rotorscheibe 2,3 eine Anreicherung von leichteren Komponenten. Die Trennwirkung in axialer Richtung konnte durch in Richtung der Einlaßöffnung

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zunehmende Erwärmung des Gehäuses 8 erhöht werden. Durch Umkehrung des Temperaturgradienten ließ sich an der Auslaßöffnung 24 eine Anreicherung an leichteren Komponenten erreichen. Die maximalen Trenneffekte wurden bei einem Druck von etwa 1 Pa festgestellt.

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Claims

1/ Vorrichtung zum Trennen von Gasgemischen in Bestandteile unterschiedlicher Molekülmassen, dadurchge^

^ daß diese nach dem Prinzip einer Turbine

aufgebaut ist und einen iiotor (l) besitzt, der mit in den Randzonen schaufeiförmig ausgebildeten Scheiben (2,3) versehen ist und sich in einem zylinderförmigen Gehäuse (8) befindet, an dessen Innenmantel zwischen den Rotorscheiben (2,3) Statorscheiben (12) befestigt sind, die ebenfalls in den Randzonen schaufeiförmig ausgebildet sind, und daß der Rotor (l) zugleich als iiotor eines Elektromotors dient, dessen Statorspuldn (18,19) am Außenmantel des Statorgehäuses (8) angeordnet sind, sowie daß in der Gaszuführung Einrichtungen zur Konstanthaltung eines Totaldruckes im Gasgemisch von weniger als 10 Pa vorhanden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet^ daß sowohl die Scheiben (2,3 bzw. 12) auf dem Rotor (l) als auch im Gehäuse (8) zur Ausbildung der schaufeiförmigen Randzonen mit radialen, schräg verlaufenden Schlitzen oder Aussparunger, (4,13) versehen sind.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (l) und das Gehäuse (8) als Bestandteile eines elektronisch gesteuerten, kollektorlosen Gleichstrommotors ausgebildet sind, wobei zumindest einige der Rotorscheiben (2) aus ferromagnetischem Material bestehen und diametral, permanent magnetisiert sind, während das Gehäuse (8) aus elektrisch nichtleitendem Material, vorzugsweise aus Keramik, und die Statorscheiben (12) aus nichtferromagnetischem Material, vorzugsweise aus Keramik oder Leichtmetall, bestehen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (l) ein- oder beidseitig Spitzenlager (5,9) aufweist, deren Lagerschalen (6) aus einem selbstschmierenden Feststoff bestehen und schwingungsgedämpft aufgehängt sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (l) vertikal angeordnet ist und daß das untere Lager (5) durch einen über dem oberen Lager (9,10) angeordneten Magneten (10) entlastbar ist.

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6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese sowohl an den axialen linden des Rotors (l) als auch in der !Mantelfläche des Gehäuses zwischen den Statorscheiben über Gaszuführungs- bzw. Gasentnahmeöffnungen (16,24,14) verfügt.

7. Vorrichtung nach einem der Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzei chnet, daß diese zusätzlich mit Vorrichtungen zum Heizen und Kühlen versehen ist, mit denen Temperaturdifferenzen in axialer und radialer Dichtung einstellbar sind.

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