DE2524469A1

DE2524469A1 - Verfahren und vorrichtung zum trennen von gasgemischen

Info

Publication number: DE2524469A1
Application number: DE19752524469
Authority: DE
Inventors: Nils Anders Lennart Wikdahl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-09-29
Filing date: 1975-06-03
Publication date: 1976-05-13
Also published as: CA1053587B; FR2290244A2; DD121276A6; JPS5153682A; FR2290244B2; DK263875A; BR7505175A; NL7507380A; JPS5637861B2

Description

Bravallavägen h'l, l»2b'i Djursholm, Schweden

Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von Gasgeraischen

Gemäß dem ITauptpatent ... (Patentanmeldung P 21 33 Ü9ö. 3—^ können gasförmige Misciiungen von sich hinsichtlich ihres Atom- oder Molekulargewichts unterscheidender Komponenten in die Komponenten getrennt werden, indem man die Gemische einer in einer konuslörmigen Wirbeiströmung herrschenden Zentrifugalkraft unterwirft, wobei die Wirbelströmung einen Durchmesser von höchstens 5 mm, einen Absolutdruck im Gaseinlaß von etwa 5 his etwa lOOO mm Hg sowie ein Druekverhaltnis innerhalb des Bereichs von etwa 1,5 bis etwa 10 aufweist. Das Druckverhäitnis ist als

P Li"laß mm Hg

609820/0049 ρ Kernaus laß mm IU₁

definiert. Unter diesen Betriebsbedingungen, die für die

BANK COMMERZBANK. HAMBURG. i3,??W IBLZ 300 400 0OJ ■ POSTSCHECK- HAMBURG

C? 200 TE(EGRAMM: SPECHTZIES

Trennung sehr wichtig sind, ist es möglich, eine Fraktion höheren Molekulargewichts in einem Umfang— bzw. Außen— bereich der Wirbelströmung und eine Fraktion niederigeren Molekulargewichts in dem Kernbereich derselben zu isolieren, Dieses Verfahren ist einfach und unkompliziert, erfordert keinerlei Ausrüstung mit bewegten Teilen, abgesehen von der Gasfördereinrichtung und ist iür einen wirtschaftlichen Betrieb in großem Maßstab geeignet.

Erfindungsgemäß wurde nun geiunden, daß die Wirbelströmung bzw. die konische Kammer, in der die Wirbelströmung gebildet wird, einen Konuswinkel, d.h. den Winkel am Spitzen— ende der konischen Kammer (durch Extrapolation der Konus— Seiten zu ihrem Schnittpunkt) im Bereich zwischen 1 und 90 , vorzugsweise zwischen etwa 3 und etwa 30 , aufweisen soll. Selbstverständlich ist der Konus der Zyfclonentrennkammer stumpf ausgebildet. Bei einem Verhältnis des Konusdurchmessers an der Basis zu dem Konus— durchmesser an der Spitze

D
Basis

Spitzenausliifi

von 1,3 bis 3|5» und bei einem Verhältnis des Basisdurchmessers zum Kernauslaßdurchmesser

609820/0649 *"³

2524A69

D Has i s

D Kernaus laß

von 1,3 bis ^,5 wurden besonders gute Ergebnisse erhalten.

Demgemäß betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Trennen eines Gasgemisches in Kotnpouentenf rak tionen entsprechend den Atom- oder Molekulargewicht derselben durch Anwendung einer Zentrifugalkraft in einer konusförmigen Wirbel— strömung mit einem Durchmesser von nicht mehr als 5 tnra, einem Konuswinkel im Bereich von 1 bis 90 ι einem Absolutdruck der Gaszufuhr im Bereich von etwa 5 bis 1000 mm Hg, sowie einem Druckverhaitnis

Ei η J.^ (J mm Hg

KernausIaU mm

im Bereich von etwa 1,5 bis etwa 10, wobei eine Fraktion höheren Molekulargewichts von dem äußeren bzw. peripheren Bereich der Wirbelströmung abgezogen und eine Fraktion niedrigere» Molekulargewichts von dem Kernbereich der Wirbelströmung abgetrennt wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der

609820/0649 ·.·'*

⁰^GfNAL INSPECTED

h -

Erfindung umfaßt ein Gehäuse mit einer darin enthaltenen Trennkammer, die einen kreisförmigen Querschnitt sowie ein Spitzen- und ein Basisende aufweist und mindestens am Spitzenende konusförriiig ausgebildet ist. Sie weist am Basisende einen Durchmesser von höchstens 5 "im, einen Durchmesser am Spitzenende von mindestens 0,01 mm und einen Konuswinkel im Bereich von 1 bis 90 auf. Weiterhin ist mindestens ein Gaseiniaß durch das Gehäuse am Basis— ende der Trennkammer vorgesehen, der für einen tangentialen Gasstrom von außerhalb des Gehäuses in die Kammer angeordnet ist, um einen wirbeiförmigen Gasstrom in der Kammer vom Basisende derselben in Richtung auf das Spitzenende zu erzeugen, wobei die gasförmigen Komponenten mit größerwerdendem Atom- bzw. Molekulargewicht in Richtung auf den Umfang der Wirbelströmung uud mit kleinerwerdendem in Richtung auf den Wirbelströmungskern verteilt werden und wobei der Wirbelkern einen niedrigeren Gasdruck als die Wirbelperipherie aufweist. Weiterhin ist ein Auslaß durch das Gehäuse in axialer Anordnung zu der Kammer am Basisende derselben sowie ein Auslaß durch das Gehäuse in axialer Anordnung zu der Kammer am Spitzenende derselben vorgesehen, wobei der Spitzenendenauslaß die periphere Gas— wirbelströmung aus der Kammer und der Basisendenauslaß den Kernwirbelgasstrom von der Kammer erhalt, so daß die Komponenten niedrigeren Atom- oder Molekulargewichts in dem über dem Basisauslaß abgezogenen Strom und Komponenten

609820/0649 .-·5

höheren Atom oder Molekulargewichts in dem über den Spitzenausiaß abgezogenen Strom konzentriert werden.

Ein derartiger ZyfcLonenfcrenner ist einfach und unkompliziert in seiner Konstruktion, weist keinerlei bewegte Teile auf und ist trotz seiner geringen Größe für eine wirtschaftliche

Gastrennung in großem Maßstab geeignet.

Wie bereits in der Hauptanmeldung ausgeführt wurde, ist es wichtig, daß die innerhalb der Zyfclontrennkammer gebildete Wirbelströmung (und daher die Trennkamraer) einen Durchmesser von nicht mehr als 5 mm, vorzugsweise 2 mm oder weniger aufweist. Gemäß der vorliegenden Erfindung soll der Wirbelströmungsdurchmesser vorzugsweise zwischen 1 mm und 0,1 mm liegen. Die Untergrenze des Durchmessers wird durch die Durchführbarkeit der Herstellung kleiner Zyklone bestimmt. Eine praktische Untergrenze scheint 0,1 mm zu sein.

Die Länge der Trennkammer zusammen mit dem Durchmesser bestimmt das Volumen derselben, und das Volumen bestimmt seinerzeit die Verweilzeit des Gases in derselben, welche selbstverständlich für die gewünschte Trennung ausreichend sein muß. Demgemäß werden Länge und Durchmesser so ausgewählt, daß die Kammer das für die Trennung vorbestimmte

609320/0649

Vo Lumen erhält. Die Lange sollte nicht mehr als 200 mm und nicht weniger aLs 0,1 mm betragen, und wenn die Kammer hnusförmig aussei) i 1 dot ist, ho! ^; te ihr Durchmesser am Spitzenende mindestens o,l mm betrogen.

Die Form der Trenukatiimer (und der Wirbelströmung), ist selir wichtig. Es wurde ge runden, (j_ajj _man i_n konusf örmigen Kammern "inen hohen Trennwirkungsgrad erhält. Der Durchmesser der Kammer muß sich in Richtung auf das Spitzenende verringern, wodurch der Radius der Wirbelströmung verringert und die Zentrifugalkraft ei iioht wird.

Di(> Bezeichnung "konus!"örrnig", die hier verwendet wird, bezieht sich auf die effektive Konusforra der Kammer, d.h. auf den geringereu Durchmesser der Kammer am Spitzenauslaß im Vergleicli zu dem Durchmesser am Einiaßende bzw. Basisauslaßende. Die Kammer ist tatsachlich ein Konus, wenn sie am SpitzenausJnß einen geringeren Durchmesser als am Einlaß aufweist. Wenn dies der Fall ist, veiringert sich der Durchmesser der Wirbelströmung in der Kammer in Richtung auf das Spitzenende, selbst wenn die Form der Kammer zwischen den Enden nicht einem Konus mit geraden Seiten, sondern beispielsweise einem Zylinder entspricht.

Die Kammer kann vom Hasis- bis zum Spitzenende in Form

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-7- 252U69.

eines rechtwinkligen Konus mit geraden Seiten ausgebildet sein. Sie kann auch teilweise zylindrisch und lediglich am Spitzenende konusf orm i ·ί ausgebildet sein. Es ist nicht erforderlich, daß die Kouusform gl eiehmaßi", oder geradseitig ist. Eis können auch konvex und konkav gewölbte Seiten mit gleichförmiger, zunehmender oder abnehmender Wölbung verwendet werden. Der Durchmesser kann kontinuierlich oder stufenweise in Richtung auf das Spitzenende abnehmen. Mau kann auch einen Konus mit geraden Seiten, jedoch mit unterschiedliehen Kouuswinkeln einsetzen. Es ist somit eine Vielzahl von Konuslormen möglich, und die auszuwählende Konusform hängt von den besonderen Bedingungen bei der durchzuführenden Trennung ab. Sie kann durch Versuche bestimmt werden.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, das zu trennende Gasgemisch mit einem inerten Gas niedrigeren Atom- oder Molekulargewichts zu mischen. Man erhält dann einen größeren Trennwirkungsgrod. Die Wirkung ist besonders deutlich, wenn man Inertgasmetigen von mehr als 25 Vol.— %, bezogen auf das Gemisch, insbesondere von mehr als bO Vol.—% verwendet. Es wird angenommen, daß dieser Effekt in einem Ansteigen der Schallgeschwindigkeit des Gases begründet ist, und zwar infolge des verringerten durchschnittlichen Atom- oder Molekulargewichts der Mischung, sowie in einer

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beeinflussung des GesamtdiΓ Iusionsmechanismus.

Es kann jedes Gas verwendet werden, das gegenüber dem zu trennenden Gasgemisch inert ist bzw. das mit diesem nicht wesentlich reagiert. Das Gas muß jedoch ein Atom- oder Molekulargewicht aufweisen, das kleiner als das des Gasgemischs ist. Vorzugsweise soll das Gas ein möglichst niedriges Atom- oder Molekulargewicht aufweisen, so daß Wasserstoff und Helium besonders vorteilhaft sind. Man kann jedoch auch Stickstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasser verwenden.

Falls ein inertes Gas verwendet wird, kann das Verfahren bei einem absoluten Gaseinlaßdruck von mehr als 1000 mm Hg betrieben werden. Es können absolute Gasauslaßdrücke von bis zu 10 Atmosphären verwundet werden.

Nach Durchführung der Trennung kann das inerte Gas durch übliche Verfahren, zum Beispiel durch Kondensation der schwereren und weniger flüchtigen abgetrennten Komponenten, zerlegt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausi'iihrungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die Zeichnungen bezug genommen wird. Es zeigen:

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Figur 1 einen Längsschnitt durch einen typischen konischen Zyfclonenscheider, der in dem Verfahren der Erfindung verwendet werden kann,

Figur 2 einen Sctiiiitt durch den '/yfel onenscheider der

Figur 1 entlang der Linie 2—2, wobei die peripheren Bereiche und die Kernbereiche der Wirbelströmung
gegeneinander abgesetzt sind,

Figur 3 eine schematische Darstellung einer typischen Reihe von Zyfeionenseheidern, di" in Zwillingskaskadenketten a und b von Kernbereichszyfelonen und
Spitzenbereichszyfclonen angeordnet sind, wobei der Durchfluß der Spitzenströmungen und Kernströmungen durch jede Reihe bis zur endgültigen Abscheidung der Komponenten der gasförmigen Mischung am Ende jeder Reihe gezeigt ist, und

Figur k ein Diagramm der beobachteten Werte des Trennfaktors E gegen das Uranverteiiungsverhäitnis O der Ergebnisse des Beispiels 5, Tabelle VI.

Beispiel 1

Die bei diesem Versuch verwendeten Zyfclone entsprechen der

. . .10

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- JLO -

Ausführungsform gemäß den Figuren i und 2. Diese Zyklone werden zum Trennen von Kohlendioxid und Luft aus Mischungen annähernd konstanter Zusammensetzung verwendet, die ti,5 Vo. —% COp enthalten. Das Gas strömt von einem Aufnahmebehälter über ein Reduzierventil, einen Filter, ein Steuerventil und einen VenturidurehfLußzahler zu dem Behälter mit den Zyklonen. Die zwei Fraktionen von den Zyfclonen werden durch Ventuirzähler und Steuerventile zu einer Vakuumpumpe geleitet, und ein Teil wird über die Ventile zu einem Gasanalysator für die Anal se abgezogen. Die Gasdrücke in den Abschnitten des ZyIc 1 onenbehälters werden mit absoluten Quecksi 1 berraanoinetern mit einer Genauigkeit von etwa 0,5 mm ITg gemessen.

Die Differenz des COo-Gehui. ts zwischen den zwei Fraktionen von den Zyklonen wird mittels eines Infrarotanalysators und einem damit verbundenen potentiometischen Schreiber aufgezeichnet.

Die folgenden Daten der Tabellen I, II und III werden mit dem 2 mm-Zyiblon erhalten. Dieser Zyklon weist einen Konuswinkel von 5,7° und drei oder sechs in gleichmäßigem Abstand verteilte Einlaßöffnungen mit rechteckigem Querschnitt von 0,0 ram χ 0,3 mm auf.

...11

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Zykionensciieider

Zahl der Einlaßöffnungen Z

Basisauslaß- . , durchmesser (ram) 0,75 90,0

Spitzenausiaßdurchmesser (ram) 1,0

P Einlaß	P Kernauslaß	P Spitz	Mol	Strömungs	Trenn	Ströraungs-
mm Hg	mm Hg	auslaß	^l/° CO₀	geschwindig	faktor	verteilungs-
		ram Hg		keit		faktor
				i(STP)/rain. )
90,0	15,0	13,0	d,35	0,50	0,0542	0,bb3
90,0	15,0	15,0	ö,35	0,50	0,0539	O,b47
90,0	15,0	17,0	ö,35	0,50	0,0532	O,b53
90,0	I₃-,0	19,0	b,35	0,50	0,0524	0,653
90,0	15,0	21,0	ö,35	0,50	0,051b	0,b44
90,0	15,0	30,0	ö,35	0,49	0,0443	0,596
90,0	Ib, 0	14,0	ö,35	0,50	0,0544	O,b72
90,0	ld,O	16,0	a, 35	0,50	O,O52d	0,bb5
90,0	la,0	la, 0	ö,35	0,50	0,0524	O,b57
90,0	1ö,0	20,0	3,35	0,50	0,0511	O,b52
90,0	1 .3 , O	22,0	ö,35	0,4a	0,0513	0 , b 4 0
90,0	la, 0	24,0	3,35	0,50	0,0499	0,045
90,0	la , 0	2b,0	a, 35	0,50	O,04oa	0,b2/
90,0	lo,0	30,0	b,35	0,49	0,04 43	0,5 25
90,0	22,0	¹.b,0	ο , 35	0,50	0,052;	0 Ο,υ/O j*
90,0	22,0	20,0	ö,35	*ο ,5o*	0,0514	Ο,υΟΟ ,
90,0	22,0	22,0	ö,35	o,5o	0,0515	0,bb9
90,0	22,0	24,0	o, 35	0,50	0,0514	0,b50
90,0	22,0	2b, 0	a,35	0,50	O,O4a7	O,b45
90,0	25,0	la,0	ö,35	0,4ö	0,04a9	0,724
90,υ	25,0	20,0	ö,35	0,4ö	O,O4ö4	υ, 71»
90,0	25,0	22,0	#, 35	0,4b	0,0499	0,711
90,0	25,0	24,0	ö,35	0,4a	O,O4ö3	0, 70a
90,0	25,0	26,0	«,35	0,4s	0,0479	O,6a3
90,0	25,0	2ö,Ü	ö,35	0,4a	0,0470	0,667
				+) l/min bei	0° C, 1 atm.	cn
						-tr-

Zyklonen-	P Einlaß	P Kernauslaß	P Spitz-	Mo i	Strömungs	Trenn-	Ströraungs-
scheider	ram Hg	tntn Hg	Auslaß	⁰Io co	geschwindig	i'ak tor	verteilungs-
			ram Hg		keit		£aktor
					l(STP)/rain⁺)
Zahl der Ein	90,0	15,0	14,0	a,35	0,46	0,0435	O,b57
laßöffnungen 6	90,0	15,0	16,0	b,35	0,46	0,0435	0,657
	90,0	15,0	20,0	β,35	0,46	0,0436	0,691
Basisausiaß-						-
durchmesser	90,0	Ib,O	lo,0	b,35	0,46	0,0440	0,665
(men) 0,75	90,0	la,O	Ib,ü	ö,35	0,4b	0,0430	0,6/1

°* Spitzenausiaßdurchmesser

+) l/min bei 0° C, 1 atm.

	Zyklonenscheider	P Einlaß	P Kernaus	P Spitz	Mol	b,67	Strömungs	Trenn	S tromungs-
		mm Hg	laß mm Hg	auslaß	^r% CO₂	b,67	geschwindig	faktor	verteiiungs-
				mm Hg	(Z	b,b7	keit		faktor
						b ,b7	l(STP)/rain )
	Zahl der Einlaß	90,0	15,0	13,0	«,67	o,51	O,U572	0,520
	öffnungen 3	90,0	15,0	15,0		0,51	O,O5b7	0,513
		90,0	15,0	17,0	b,b7	0,50	O,O5b5	0,514
	Basisauslaß-	90,0	15,0	19,0	b,b7	0,50	0,0554	0,49b
	durchraesser	90,0	15,0	21,0	e,b7	0,50	0,0541	0, 4d7
	(ram) 1,0				b, b7
		90,0	la,0	Ib,0	ö,b7	0,50	o,0552	0,535
		90,0	lö,0	lö,Ü	«,67	o,5o	0,U54a	υ,52o
	Spitzenauslaß-	90,0	lö, 0	2υ,υ	b,ö7	0,5o	O,U53O	0,511
	durchmesser	90,0	lö,0	22,0	b,b7	0,50	0,0519	0,491
	(mm) 1,0	90,0	lö,0	24,0	b,67	0,50	υ,υ5ΐ5	0,471
ο /η		90,0	22,0	20,0		0,50	O,O5ü4	0,56b
UJ CO		90,0	22,0	22,0	b,67	■),50	0,0503	ο, 5 5 4
		90,0	22,0	24,0	b,b7	o,5o	0,0511	0,525
O		90,0	22,0	26,0	b,b7	0,49	0,0 ?ia6	0,4^1
■»					b,67
O m		90,0	25,0	23,0		0,49	0,0457	O,59o ^
		90,0	25,0	25,0		0,49	υ,046ο	0,573
to		90,0	25,0	27,0		0,49	0,0455	0,542
		90,0	25,0	29,0		0,4b	O,O43ö	O,4b9
					+) L/min bei	0° C, 1	atm. (j-·.
							K)
							CD *$<
							CC

- l'i -

Der Trennfaktor E ist nach der Gleichung

E = Spitze Kern

definiert, in der χ den Molenlirucli, in diesem Falle von Kohlendioxid, in dem Gas bezeichnet. Je größer der Trennfaktor, desto wirksamer ist die Trennung. Der Strömungs— Verteilungsfaktor ist definiert als der molare Stromungsanteii (Molenbruch des Gasstroms) des eintretenden Gases, das über den Spitzenaus 1 al3 austritt. Wie aus den Ergebnissen ersichtlich, wird eine gute Trennung erhalten.

Die Zyklone der Erfindung können für das Trennen von Gasgemischen in ihre Komponenten entsprechend dem Atom— oder Molekulargewicht verwendet werden. In dieser Weise ist es möglich, Isotope verschiedener Elemente in Form gasförmiger Verbindungen zn trennen, die nach der Trennung behandelt werden können um das Element in jeder gewünschten Form einschließlich der elementaren zurückzugewinnen. Es ist zum Beispiel möglich, U 235 von U 238 aus Mischungen derselben als UranhexafJuorid mi trennen.

Beispiel 2

Gemäß dem folgenden Verfahren wird in gasförmigem

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...15

üranhexafluorid das Isotop U 235 von U 23b abgetrennt.

Die hierzu verwendete Vorrichtung besteht aus bl3 Stufen in einer Anordnung, deren Durchs tröraung dem Diagramm der Figur 3 entspricht. Jede Trennkammer weist einen Basis— durchmesser von 2 mm sowie einen Durchmesser von 1,2 ram an den Kern- und Spitzenaus Lassen auf. Die Trennkammern sind konisch wie in Figur i und 2 gezeigt und weisen eine Länge von 10 mm auf. Der Einlaßdruck beträgt 90 mm Hg, die Kern- und Spitzengasauslaßdrücke betragen 15 mm Hg. Das Druckverhältnis ist 0. Die Eintrittsgescliwindigkext des Gases in der Trennkammer ist gleich der Schallgeschwindigkeit.

Das in die erste Zyklonentrennstufe eingeführte Gasgemisch, enthält 99,3 % U 23» und 0,7 % U 235- in jeder der Zyklonenstufe der Serie a wird die Kernfraktion mit U 235 angereichert. Das aus der letzten Zyklonenstufe (gezählt von der Zufuhrstufe) kommende Gas des Kernbereichs der Serie a ist zu 3 % mit U 235 angereichert, und das von dem Spitzen— bereich Serie b der Zyklone erhaltene Gas enthält fast sämtliches U 23b und eine sehr geringe Menge, 0,2 %, U 235·

...

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-Ib-

Beispiel 3

Die in diesem Versuch verwendeten Zyklone entsprechen der Ausführunpisforra gemäß Figur 1 und 2. Die Zyklone wurden verwendet, um Kohlenmonoxid von Kohlendioxid aus einer Mischung zu trennen, die etwa 25 % CO und etwa 75 % CO₂ enthält. Das Geraisch wird mit den in den Tabellen IV und

V angegebenen Hei iutnraengen vermischt. Das Gasgemisch strömt durch ein System wie in Beispiel i, und die Zusammensetzung der zwei Fraktionen von den Zyklonen wird in gleicher

Weise durch Infrarotanalysatoren gemessen.

Die unter Verwendung eines 2 mm Zyklons erhaltenen Daten werden in Tabelle IV₁ die von einem i mm Zyklon in Tabelle

V wiedergegeben. Der Konuswinkel der Zyklone beträgt in beiden Fällen 5,7°.

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Zyklonenscheider	P Einlaß mm Hg	P Kernaus laß mm Hg	P Spitz auslaß mm Hg	Mol % CO₂	Strömungs geschwindig keit l(STP)/rain )	Trenn faktor	Strömungs- vertei iungs- faktor
Zahl der Einlaß öffnungen 3	IeO	36	36	0	0,50	0,044	0,63
Basisdurchmesser 2 mm	IbO	36	36	62,b	0,75	0,0b7	0,3a
Basisauslaßdurch- messer 1 mm	IbO	36	36	69,5	0,3l	0,0b2	0,3«

Spitzenauslaßdurchraesser 1 mm

Jt* to

IsO	3b
löO	3b
IeO	36
IbO	3b
IöO	3b
IbO	36

3b	76,1	0,92	0,106	0,41	ro
36	77,3	0,9a	0,112	0,42	524469
3b	7b, 9	1,09	0,114	0,43
36	a5,0	1,22	0,12b	0,45
36	ab,3	1,33	0,14b	0,45
3b	92,9	1,50	0,147	0,4b

+) l/min bei 0° C, 1 atm.

Zahl der Einlaßöffnungen

Basisdurchraesser 1 uitn

Basisauslaßdurchraesser 0,6 mm

Spitzenauslaßdurchmesser 1 ram

O IO CO K> O

Einlaß mra Hg	P Kernaus- 1 j.ß mra Hg	P Spitz auslaß mm Hg	Mo 1 'lc CO₂	S tröraungs- geschwindig- keit l(STP)/min⁺;	Trenn faktor	S tröinungs- verteilungs- faktor	1
löO	3b	36	47,7	0,29	0,071	0,43	cn ^ ro 1
lau	3b	36	62,4	0,32	0,09b	0,44	-C- ■c»
löO	3b	36	35,0	0,42	0,125	0,4ü	CD
IbO	3b	36	3c,3	0,45	0,12b	0,47
IaO	3b	36	"2,9	0,50	0,137	0,4:>
300	bO	bO	47,7	0,51	0,065	0,41
300	bO	60	b2,4	0,53	0,073	0,42
300	60	60	77,3	0,67	0,115	0,43
300	60	bO	o5,0	O, 7b	0,150	0,44
300	60	bO	öö,3	O,öl	O 144	0,44

+ ) l/min bei 0° C, 1 a-tu.

Der Trennfaktor K wird du rc η die

j.· _ "Spitze -' Kern

^xSpitze'

definiert, in der χ der Molenbrucli des Koiiiendioxids in dem Kohlenmonoxid/KohIendioxid-Gemisch (ausschließ!ich dns Heliums) bedeutet. Der Strömunüsverteilungsfaktor wird uls der molare Strömungsau tei I des eintretenden, durch den .Spitzenauslaß ausströmenden Gases definiert. Es ergibt sich aus den Daten, daß man eine gute Trennung erhalt und daß der Trennfaktor mit steinender Heliummenge größer wird.

Hei spiel Ί

Gemäß dem folgenden Verfahren wird das Isotop U 235 von

U 23« in mit Helium vermischtem Uranhexafluorid abgetrennt.

Die verwendete Vorrichtung besteht aus 200 Stufen in einer Anordnung mit einem Durchfluß gemäß dem Diagramm der Figur 3. Jede Trennkammer weist einen maximalen Konusdurchmesser von 2 mm und einen Durchmesser von 1 mm am Kernauslaß und am tjpitzenaus laß auf. Die Trennkammern sind konisch wie in Figur 1 und 2 gezeigt und weisen eine Länge von 10 mm auf. Der Kinlaßdruck beträgt 300 mm ITg. Die Gasaus Laßdrücke an Kern und Spitze betragen bO mm Hd. Das

603820/0849 '"²⁰

Druckverhoitnis ist 5· Die Eintrittsgeschwindigkeit des Gases in der Trennkaminer ist gleich der Schallgeschwindigkeit.

Das in die erste ZykIonentrennstuie eingeführte Uranhexafluorid enthait 99,3 % U 2}ti und υ,7 ti U 235. Die Beschickung jeder Zyklonentrennstufe wird so geregelt, daß sie 90 % He L ium enthält, und zwar derselbe Gehalt in jeder Beschickung, in_dem man geeignete ausgewählte Fraktionen von der vorhergehenden Stufonreihe a wie in Figur 3 mischt. In jeder der Zyklonenstufen Serie a wird die Kernfraktion mit U 235 angereichert. Das von der letzten Stufe des Kernbereichs Serie a kommende Gas ist zu 3 % mit ü 235 angereichert, und das von dem Spitzenbereich Serie b der Zyklone erhaltene Gas enthält fast sämtliches U 238 und eine sehr geringe Menge, 0,2 %, an U 235·

Heispiel 5

Proben von gereinigtem Uranhexalluorid (UF^) und Helium (02 Vol.-% He, b Vol.-% UF ) wurden in der folgenden Weise hergestellt. Das das gereinigte UF, enthaltende Gefäß wird an einen evakuierten Probenbehälter angeschlossen. Das Gefäß wird bei lb° in einem Bad bei konstanter Temperatur gehalten, und die Behälter werden mit flüssigem Stickstoff gekühlt. Die so in den Behälter überführte Menge an UF^

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²¹ " 252U69

wird durch Wägung bestimmt. Der Unterschied zwischen den UF,-Gehalten von Probenpaaren wurde bei weniger als 2 % gehalten. Das UF, in dem Behälter wurde dann in 3 g Tetrachlorkohlenstoff (CCl;) gelöst, weiches ebenfalls durch Destillation in don behälter überführt wird, so daß man eine homogene Probe erhält.

Die Probenbehälter bestellen aus Aluminium, das eine relativ niedrige y-Strahlenabsorption aufweist. Die Wanddicke beträgt 1,75 +, 0,01 mm.

Ein mit einem Vielkanal-Analysator gekoppelter Natriurajodid (NaJ)-Detektor (well-type sodium iodide-detector) wird verwendet, um die ¥-Strahlenemission von den Proben im Bereich zwischen 50 bis 210 keV bei 3 koV pro Kanal zu messen. Die Anzahl der zu dem charakteristischen Peak bei 1ö5 keV gehörenden Zählungen, korrigiert bezüglich des Einflusses von Thorium¹ ö3'i (Th-234) bei einem Peak von 94 keV, wurde als Maß für den U 235-Gehalt r! - Probe genommen. Die Hintergrundstrahlung erwies sich als vernachiässigbar. Die Behälter paßten sehr dicht in die Detektorbohrung.

Die verwendete Vorrichtung besteht aus vier parallelen Zyklonentrennern, die eine Kaskadenstufe gemäß dem Diagramm der Figur 3 bilden. Jede Zyklonentrennkammer weist einen

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maximalen Konusdurchmesser von 2 mm und einen Durchmesser von i mm am Kernaus laß und am Spitzenaus laß auf. Die Trennkammern sind konisch wie in Figur 1 und 2 gezeigt und weisen eine Länge von 10 mm auf.

Der verwendete Einlaßdruck beträgt l«0 mm Hg. Der Druck in dem angereicherten Strom (liasisauslaß) von den Zyklonen wird auf 36 mm Hg eingestellt, während der Druck in dem verarmten Strom (Scheite Laus laß) zwischen 36 und 65 ram Hg variiert wird.

Unter diesen Bedingungen werden mehrere Versuche durchgeführt, wobei die Trennwirksamkeit mittels des Trennfaktors bestimmt wird.

Man erhält die folgenden Ergebnisse. Tabelle VI

Versuch Nr,

Trennfaktor	Uran Verteilungs verhältnis (θ)
10	0,20
20	0,33
23	0,50
13	0,67

...23 609820/0849

-Oj-

Der beobachtete Trennfaktor ist in der Kurve der Figur k gegen das UranverteiIungsverhältnis 9 aufgetragen, und zwar für vier Versuche.

Das Uranverteilunesv - haitnis 9 ist wie folgt definiert:

Molare Strömungsgeschwindigkeit Uran durch Spitzenauslaß

9 =

Gesamte molare Strömungsgeschwindigkeit Uran durch Spitzen- und Basisauslässe

Wie aus der Kurve ersichtlich erreicht der Trennfaktor E einen Maximumwert von etwa 23 χ KK bei einem Wert von 9 von etwa 0,5.

Dies ist von besonderer Wichtigkeit für den Energieverbrauch; es bedeuiet, daß eine gleichvolumige Verteilung des abströmenden Gasstroms an den Spitzen- und Basisaus— lassen der Zyklone in der einfachsten Form einer Kaskade der Ausführungsforin gemäß Figur 3 verwendet werden kann. Dies ergibt einen minimalen Energieverbrauch. Folglich können beim Betrieb der Kaskade gleiche Strömungsvoluraina in den Hiick- und Vorwärtsströmen von den Spitzen— und Basisenden des Zyklons I aufrechterhalten werden, und somit dies durch jeden Zyklon in den a- und b-Serien II bis VI, usw. Dies ist ein sehr bequemes Betriebsverfahren.

609820/0649 ...2k

In dieser Weise erha.it man einen minimalen Energieverbrauch, wenn man bei maximaler Trennwirkung arbeitet. Weiterhin ist auch die gesamte Anlage einfach im Aufbau und billig.

Unter Berücksichtigung der obigen Ergebnisse wird das Isotop U 2j5 von U 2'jti in mit Helium gemischtem Uranhexaf uorid gemäß dem folgenden Verfahren abgetrennt.

Die verwendete Vorrichtung besteht aus 200 Stufen in einer Anordnung, deren Durchströraung gemäß dem Diagramm der Figur 3 erfolgt. Jede Trennkammer weist einen maximalen Konusdurchmesser von 2 ram sowie einen Durchmesser von 1 mm am Kernauslaßund am Spitzenauslaß auf. Die Trennkammern sind wie in Figur i und 2 gezeigt konisch und weisen eine Länge von 10 mm auf. Der Einlaßdruck beträgt 180 mm Hg. Die Kern- und Spitzengasauslaßdrücke betragen 36 mm Hg. Das Druckverhältnis ist 5. Die Gaseintrittsgeschwindigkeit in der Trennkammer ist gleich der Schallgeschwindigkeit. Gleiche Strömungsvolumina werden in dem abströmenden Gas an dem Spitzenauslaß und dem Basisauslaß eines jeden Zyklons einer jeden Serie aufrechterhalten.

Das in die erste Zyklonentrennstufe eingeführte Uranhexafluorid enthält 99,3 % U 238 und 0,7 % U 235. Die Beschickung der ersten Zyklonentrennstufe enthält 92 Vol.-% Helium und 8 Vol.-% UF^ und wird zu nachfolgenden Stufen

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in der Reihe weitergeLeitet, indem man gieiche Volumina der Beschickung und von einer von einer folgenden Reihe a-Stufe mischt, wie in Figur 3 gezeigt ist. Jede Stufe wird wird bei einem Uranverteilungsverhältnis O von etwa 0,5 betrieben. In jeder der Reihe a-Zyklonstufen wird die Kernfraktion mit U 255 angereichert, wobei das von der letzten Stufe des Kernbereichs Serie a kommende Gas zu 3 % mit U 235 angereichert ist. Das von den Endstufen der Spitzenbereiche Serie b der Zyklone kommende Gas enthält fast sämtliches U 2j8 sowie eine geringe Menge, 0,2 %, U 235.

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Claims

Patentanspriif lie

1. Verfahren zum Trennen eines gasformigen Gemisches, insbesondere Isotopengemischs, in mindestens zwei gasförmige Komponentenfraktionen entsprechend ihren Atom- oder Molekulargewich ten durch Anwendung einer Zentrifugalkraft durch Rotation des Gemische in einer konischen Wirbelströmung mit peripheren und Kernwirbelströmungen sowie einem Durchmesser von höchstens 5 ram, bei einem Absolutdruck im Einlaß von 5 bislOOO mm Hg und einem Druckverhältnis

P Einlaß mm Hg

Kernauslaß mm Hg

im Bereich von 1,5 bis 10, wobei eine gasförmige Isotopenfraktion höheren Atom- oder Molekulargewichts vom peripheren Bereich des Wirbels sowie eine gasförmige Isotopenfraktion niedrigeren Atom- oder Molekulargewichts aus dem Kern des Wirbels abgezogen wird, nach Patent ... (Patentanmeldung P 21 33 098.3-43), dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel der Wirbelströmung im Bereich zwischen 1 und 90° liegt.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die so aus dem Gemisch abgetrennten Fraktionen nachfolgenden Wirbelströraungs-Trennstufen unter den angegebenen Bedingungen unterworfen werden, um diese weiter anzureichern, und zwar mindestens in einer Komponente mit höherem Atom- oder Molekulargewicht, niedrigerem Atom- oder Molekulargewicht oder beiden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die folgenden Wirbelströmungs- -Trennstufen bei einem Uranverteilungsverhältnis von etwa 0,5 betrieben werden.

Ί. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Isotopen mit unterschiedlichem Atomgewicht in einer Mischung gasförmiger Verbindungen derselben getrennt werden.

5. Verfahren nacu Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichne t, daß der Konuswinkel im Bereich von 3° bis 30° liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelströmung einen Durchmesser von nicht mehr als 2 mm aufweist.

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-2S-

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelströmung einen Durchmesser von 1 bis 0,1 mm aufweist.

b. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Gasgemischs mindestens gleich der Schallgeschwindigkeit in dem Gasgemisch bei der Betriebstemperatur ist.

9. Verfahren nacli Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c Ii η e t, daß das Isotopengasgemisch mit einem inerten Gas niedrigeren Atom- oder Molekulargewichts als das des Gemische vermischt und das Gemisch dann in der Wirbelströmung gedreht wird.

lü. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Gas Wasserstoff oder Helium ist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η λ

zeichnet, daß die Geschwindigkeit des Gasgemische mindestens gleich der Geschwindigkeit des Schalls in dem Gasgemisch bei der Betriebstemperatur ist.

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12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Isotopengasgemisch ein Gemisch von Uranisotopen in Form gasförmiger Uranverbindunu:en umfaßt.

13· Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Uranverbindungen Uranhexafluorid sind .

Ik. Wirbelströmungsabscheider zum Trennen von gasförmigen Gemischen in Komponentenfraktionen entsprechend ihren Atom- oder Molekulargewichten, gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit einer darin enthaltenen Trennkainmer, die einen kreisförmigen Durchmesser sowie ein Spitzen- und ein Basisende; einen Durchmesser am Basisende von höchstens 5 "im und an dem Spitzenende von mindestens 0,1 ram; einen Konuswinkel im Bereich zwischen 1° und 90°; mindestens einen Gaseinlaß durch das Gehäuse am Basisende der Kammer, der für einen tangentialen Gasstrom von außerhalb des Gehäuses in die Kammer angeordnet ist, um einen wirbeiförmigen Gasstrom in der Kammer vom Basisende in Richtung auf das Spitzenende zu erzeugen, wobei die gasförmigen Komponenten mit größer werdendem Atom- bzw. Molekulargewicht in Richtung auf den Umfang der Wirbelströmung und mit kleiner

. ..30

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werdendem in Itichtung auf den Wirbelströmungskern verteilt werden; einen Auslaß durch das Gehäuse in axialer Ausrichtung zu der Kammer am Basisende derselben sowie einen Auslaß am Spitzenende der Kammer, wobei der Spitzenendenauslaß die periphere Gaswirbels tröniung und der Basisendenauslaß die Gaswirbelströmung vom Kern von der Kammer aufnehmen.

15. Wirbelströmunirsabscheider nach Anspruch l^;i, dadurch

gekenn ze i c h η e t, daß sich von dem Basisauslaß in die Kammer bis zu einem Punkt jenseits des Einlasses ein rohrförmiges Leitblech erstreckt, um den Gaseir'aßström von dem Basisauslaß wegzuienken.

10. Wirbel ströinungsabscheider nach Anspruch i'i, dadurch

gekennze i chne t, daß die Kammer eine Länge von mindestens 2UO ram aufweist.

17. Wirbelströmungsabscheider nach Anspruch lh, dadurch

gekennzeichnet, daß die Seiten der Kammer einen konisciien Kaum mit geraden und glatten Seiten bilden.

iö. Wirbeiströmungsabscheider nacii Anspruch Ik, dadurch

ge kenn zeichne t, daß mindestens zwei und in gleichem Abstand voneinander angeordnete Gaseinlässe angeordnet sind.

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19. Wirbelströniun-isabscheider nach Anspruch lh, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinlässe Verengungen aufweisen, so daß eine Einlaßströmungsgeschwin— digkeit im Überschallbereich erhalten wird.

20. WirbelstrÖinungsabscheider nach Anspruch lh, dadurch <x e k e η η ζ e i ο h η e t, daß die Kammer in einem größeren liereicli konisch ausgebildet ist.

21. "Wirbel Strömungsabscheider nach Anspruch i'i, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Kammerdurchmesser weniger als 2 ram beträgt.

22. Wirbelströmungsabscheider nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Kammer— durchmesser zwischen 1 und 0,1 mm beträgt.

23. WirbelStrömungsabscheider nach Anspruch Ik, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel des Spitzenendes des konischen Bereichs der Kammer im Bereich von

3 bis 30° liegt.

2Ί. Wirbelströmungsabscheider nach Anspruch lh, dadurch ge kenn ζ ei oh net, daß das Verhältnis des Durchmessers an der Basis des Kerns zum Durchmesser

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an der Spitze des Kerns

^DBasis

Spitzenauslaß

im Bereich von etwa 1,3 bis etwa 5,3 liegt, und das Verhältnis des üurchniessers an der Basis des Kerns zum Durchmesser am Kernauslaß

Basis

Kernauslaß

im Bereich von etwa 1,3 bis etwa 3,5 liegt,

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