DE2518201C3

DE2518201C3 - Vorrichtung zum Trennen von Gasgemischen in Bestandteile unterschiedlicher Molekülmassen

Info

Publication number: DE2518201C3
Application number: DE2518201A
Authority: DE
Inventors: Gotthold 6370 Oberursel Boehme; Erich 6382 Friedrichsdorf Robens
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1975-04-24
Filing date: 1975-04-24
Publication date: 1979-03-15
Also published as: JPS51130798A; DE2518201B2; GB1540742A; US4108620A; DE2518201A1; FR2308415A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine nach dem Prinzip einer Turbine aufgebaute Vorrichtung zum Trennen von Gasgemischen in Bestandteile unterschiedlicher Molekülmasseii. Sie betrifft insbesondere eine Trennvorrichtung, mit der sich Gemische gasförmiger Isotope zerlegen lassen.

Massenabhängige Entmischungseffekte in thermisehen Strömungen im Beschleunigungsfeld werden bei den sogenannten Gaszentrifugen bereits zur Isotopentrennung genutzt. Typische Ausführungen von Gaszentrifugen wurden beschrieben von K. Cohen, G. M. Murphy (»The Theory of Isotope Separation

as Applied to the Large-scale Production of U²^«, New York: McGraw-Hill 1951, Seitjen 103 ff.) und von R. Schütte (»Diffusionstrennverfahren«, UlI-manns Enzyklopädie der Technischen Chemie, 4. Auflage, Band 2, Weinheim: Verlag Chemie 1972,

i"> Seiten 630 ff.)

Gaszentrifugen besitzen einen als Hohlkörper ausgebildeten Rotor, in den das zu entmischende Gas axial eingeleitet wird. Infolge von axialen Temperaturdifferenzen, die an dem Hohlkörper eingestellt

2» werden, führt das Gas eine zirkulierende Konvektionsströmung im Beschleunigungsfeld des rotierenden Hohlkörpers aus. An zwei unterschiedlich angeordneten Auslassen werden die dadurch teilweise entmischten Gasfraktionen entnommen und weiteren

-"> Trennvonichtungen zugeführt. Die Trennwirkung dieser Gaszentrifugen ist verhältnismäßig gering, insbesondere, weil die Umfangsgeschwindigkeit aus Materialgründen auf etwa 700 m · .v ' beschränkt ist (dieses entspricht bei einem Durchmesser von 400 mm

w einer Umdrehungszahl von etwa 600 U · .v '). Die Konstiuktion der Zentrifugen ist außerordentlich aufwendig; an das Material werden hohe Anforderungen gestellt.

H. Zeibig beschreibt in seiner Dissertation (»Iso-

Γ) topcntrennung 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 die-

Hi scr Anordnung ist unter anderem, daß ein Maximum des Trenneffekts bei Drehzahlen zwischen 2 und 6 U ■ .v ' auftritt, so daß nur niedrige Beschleunigungsfelder ausgenutzt werden können und dadurch der Trenneffekt verhältnismäßig gering wird.

4Ί l'erner 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. Becken »Erhöhung der Empfindlichkeit des Helium-Lecksuchers durch Verwendung einer Turbomolekularpumpe besonderer Konstruktion«, Vakuumtechnik 17, |I9(S8| Seiten 203 bis 205). Dabei wird die Turbomolekularpumpe bei Drehzahlen bis zu 270 U · .v ' zum Aus-

^rr> pumpen der Massenspektrometerröhre benutzt; der Durchtritt von Helium entgegengesetzt zur Pumprichtung wird nur wenig behindert. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens geht darauf zurück, daß am Vorvakuumstutzen der Turbomolekularpumpe

W) ölgeschmiertc 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.

t,*. 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_h, geeignet sein.

Es hat sich nun herausgestellt, daß dirse Aufgabe mit der in Anspruch 1 beschriebenen Vorrichtung gelöst werden kann. Eine Reihe von vorteilhaften Ausführungsarten der Erfindung und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 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-i ' in Anwendung. Der Druck an den Gaszuführungs- und Entnahmeöffnungen wird konstant gehalten, so daß eine Pi'mpwirkung nicht auftritt. Wichtig ist ferner, daß sich - im Gegensatz zu bekannten Turtvimolekularpumpen - 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 sowie thermisch erzwungenen S;römungen sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander ausgenützt, wie aus den nachstehenden Erlüuterungen zu entnehmen ist. Der Aufbau und die Wirkungsweise der Vorrichtung nach der Erfindung führt gewissermaßen zu einer Optimierung der verschiedenen Treiineffckte, so daß sich insgesamt eine hohe Trennwirkung und eine wirtschaftliche Hetriebsweise erg'bt. 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 Eirläuterung anhand der schematisch stark vereinfachten Abbildung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung hervor.

Nach dieser Abbildung bestellt die erfindungsgemäße Vorrichtung im wesentlichen aus einem vertikal angeordneten, genau ausgewuchteten, Scheiben tragenden Rotor 1 und einem zylinderförmigen Gehäuse S. 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 magnetisierte, 1 mm dicke Rotorscheiben 2 mit einem Durchmesser von 30 mm. Diese Scheiben 2 wurden aus einem ferromagnetische!! Material hergestellt. Auf der Achse des Rotors 1 befindet sich außerdem eine nicht magnetisierte, aus η ich tf erromagnetischer Legierung bestehende Scheibe 3.

Die Rotorscheiben 2, 3 sind sämtlich in ihren Randzonen mit radialen, schräggestellten Schlitzen oder Aussparungen verschen, die als Schaufeln dieser lurbinenähnliehen Vorrichtung dienen. Rotorscheiben mit dieser Ausbildung sind leicht herzustellen und sind mechanisch sehr stabil.

Die Achse des Rotors 1 steht mit ihrer unteren

Spitze auf einer Lagerscheibe 4 aus einem selbstschmierenden Material, hier Polyimid in einer Metall matrix, das mit einem Halter aus korrosionsbeständigem Material am Gehäuse 5 befestigt ist. Der Halter enthält einen (nicht gezeigten) Schwingungsdämpfer. In einem Abstand von etwa 1 mm über der oberen Achsenspitze befindet sich ein Permanentmagnet 6, der ebenfalls mit einem Halter unter Verwendung eines (wiederum nicht gezeigten) Schwingungsdämpfers am Gehäuse 5 befestigt ist.

Das zylindrische Gehäuse 5, an dem sich der Rotor befindet, besteht aus einem nichtleitenden Material, beispielsweise aus gesintertem Aluminiumoxid. Zwischen den einzelnen Scheiben 2, 3 auf der Achse des Rotors 1 sind in einem Abstand von ca. 1 mm zu diesen Scheiben an dem Innenmantel des Gehäuses 5 Statorscheiben 7 aus nichtleitendem Material, wie Aluminiumoxid, befestigt. Diese Statorscheiben 7 sind in dem Ausführungsbeispiel nach der Figur in ihren Randzonen in gleicher Weise wie die Scheiben 2, 3 des Rotors mit radialen, schrägstehenden Schlitzen versehen. In Höhe der Scheiben 2, 3 auf dem Rotor 1 besitzt das Gehäuse 5 Öffnungen 8 zur Gasentnahme, die durch ein Überleitungsrohr mit einem Gasauslaß verbunden sind, der wahlweise mit der an den unteren axialen Enden des Rotors befindlichen Gaseinlaßöffnung 10 oder mit der an den oberen axialen Enden des Rotors vorgesehenen Gasauslaßöffnung 13 verbunden werden kann. In dieses Überleitungsrohr wurde eine Pumpe eingefügt.

Zur klareren Darstellung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde die Abbildung im Maßstab insofern etwas verzerrt, als in Wirklichkeit die Scheibenabstände indem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel I mm betragen und im allgemeinen /.wischen etwa 0,1 und 2(1 mm liegen dürften.

Der Rotor wird durch Erzeugung eines magnetischen Momentes zwischen der Spule 12 und den diametral magnetisieren Scheiben 2 auf dem Rotor angetrieben. Nachdem der Rotor durch mehrmaliges Betätigen des Schalters und damit Ein- und Ausschalten des der Gleichstromquelle entnommenen Stromes in Drehung versetzt wurde, wird durch die bewegten magnetisierte η Rotorscheiben 2 in der Spule II ein Strom induziert, der wiederum nach Gleichrichtung und Verstärkung mit Hilfe eines Transistors der Spule 12 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 I entsteht nun nach dem Einsehalten ein der Drehbewegung synchrones magnetisches Moment, das beschleunigend auf die magnctisierten 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 eines Rcgulicrwidei Standes variiert werden; in einem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde eine Umdrehungszahl von bis zu 5000 U · .v ' erreicht.

Der Rotor und das Gehäuse sind umgeben von an sich bekannten und daher nicht dargestellten Vorrichtungen (Hei/- und Kühlschlangen, elektrische Widerstandsheizung) zur Thermostatisicrung der Vorrichtung und Konstanthaltung der gewünschten Tempe-

liitui Ivw.Teniperaturdilferenzen. l"s ist in vorliegendem <\iisiührungsbeispiel vorgesehen, (JaB sieh sowohl radial als auch axial, bezogen aul den Rotor und das (iehäuse. bestimmte Temperaturdifferenzen einstellen lassen.

Zum Uelrieb d<_; u'finduiigsgcmiiUcn Vorrichtung wurde 'U'r Potor auf eine RotalioiT-geschwindigkeit :■':: bis /u .SMH) U ■ s ' beschleunigt, um optimale Trenmingswirkungen herbeizuführen. Die leichteren (iüMicsiandteilc reicherten sich an der oberen Auslaßöffnung 13 an. An der Peripherie der Rotorseheiben 2. 3 und an den Gasentnahmeöffiumgen H so\v .· an der unteren GaseinlaBöffnung Ki sainmelten sich schwerere Komponenten. Die Anreicherung und Trennung nahm mit der Diviv.:;!«' des Rotors zu.

Wurde das Gehäuse gegenüber dem Rotor :nifgeheizt . ii ergab sich an der Peripherie der Roloi seiwi'·· 2, 3 eine Anreicherung vor, leichteren Komponenten Die Trennwirkung in axialer Richtung konnte durel in Richtung der unteren liinlaßöffnung Kt zuneliiiH'iide II, warmung des Gehäuses 5 erhöht werden Durch Umkehrung des Teniperaturgiadieiiten liel: sich an der oberen Auslaßöffnung 13 eine Anreicherung an leichteren Komponenten ei reichen. Die ma- :.]■::aic:i 'lrenneffektc wurden bei einem Druck \or etwa ! Pa festgestellt.

Hierzu ! Blatt Zeichnungen

Claims

fa if. Patentansprüche:

1. Nach dem Prinzip einer Turbine aufgebaute Vorrichtung zum Trennen von Gasgemischen in Bestandteile unterschiedlicher Molekülmassen, dadurch gekennzeichnet, daß diese

a) einen Rotor (1) besitzt, der mit Scheiben (2, 3) versehen ist, die in den Randzone η radiale, schräg verlaufende Schlitze oder Aussparungen aufweisen, wobei zumindest einige der Rotorscheiben (2) aus ferromagnetischem Material bestehen und diametral, pennanent magnetisiert sind, und wobei sich der Rotor in einem zylinderförmigen Gehäuse (S) befindet, an dessen Innenmantel zwischen den Rotorscheiben (2, 3) Statorscheiben (7) befestigt sind, die ebenfalls in den Randzonen radiaie, schräg verlaufende Schlitze oder Aussparungen besitzen, und daß

b) der Rotor (1) zugleich als Rolor eines Elektromotors dient, dessen Statorspule (11, 12) am Außenmantel des ais Statorgehäuse dienenden zylinderförmigen Gehäuses (5) angeordnet sind, und daß

c) in der Gaszuführung Einrichtungen zur Konstanthaltung eines Totaldruckcs im Gasgemisch von weniger als K) Pa vorhanden sind, sowie daß

d) an den axialen Enden des Rotors (1) Gaszuführungs- bzw. Gasentiuihmeöffnungen (10, 13) vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) und das Gehäuse (5) als Bestandteile eines elektronisch gesteuerten, kollektorlosen Gleichstrommotors ausgebildet sind, wobei das Gehäuse (1) aus elektrisch nicht leitendem Material, vorzugsweise aus Keramik, und die Statorscheiben (7) aus nichtferromagnetischem Material, vorzugsweise aus Keramik (Hier Leichtmetall, bestehen.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis

2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) einiider beidseitig Spitzenlager aufweist, deren Lagcrsehalen (4) aus einem selbstschmierenden Feststoff bestehen und schwingungsgedämpft aufgehängt sind sowie daß bei vertikal angeordnetem Rotor (1) clas untere Lager (4) durch einen über dem oberen Lager angeordneten Magneten (6) entlaslbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mantelfläche des Gehäuses (5) zwischen den Statorscheiben (7) Gaszuführungs- bzw. Gasentnahmeöffniingen (8) vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß diese zusätzlich mit Vorrichtungen zum Heizen und Kühlen versehen ist, mit denen TemperaUirdifferenzen in axialer und radialer Richtung einstellbar sind.