DE2524469A1 - METHOD AND DEVICE FOR SEPARATING GAS MIXTURES - Google Patents
METHOD AND DEVICE FOR SEPARATING GAS MIXTURESInfo
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- DE2524469A1 DE2524469A1 DE19752524469 DE2524469A DE2524469A1 DE 2524469 A1 DE2524469 A1 DE 2524469A1 DE 19752524469 DE19752524469 DE 19752524469 DE 2524469 A DE2524469 A DE 2524469A DE 2524469 A1 DE2524469 A1 DE 2524469A1
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Description
Bravallavägen h'l, l»2b'i Djursholm, SchwedenBravallavägen h'l, l »2b'i Djursholm, Sweden
Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von GasgeraischenMethod and device for separating gas equipment
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 alsAccording to the main patent ... (patent application P 21 33 Ü9ö. 3— ^ can be gaseous mixtures of themselves with regard to their Atomic or molecular weight of differing components in the components can be separated by dividing the mixtures subjected to a centrifugal force prevailing in a conical vortex flow, the vortex flow a diameter of at most 5 mm, an absolute pressure in the gas inlet of about 5 to about 1000 mm Hg and a Pressure ratio within the range of about 1.5 to has about 10. The pressure ratio is as
P Li"laß mm HgP Li "let mm Hg
609820/0049 ρ Kernaus laß mm IU1 609820/0049 ρ core outlet mm IU 1
definiert. Unter diesen Betriebsbedingungen, die für dieAre defined. Under these operating conditions for the
BANK COMMERZBANK. HAMBURG. i3,??W IBLZ 300 400 0OJ ■ POSTSCHECK- HAMBURG BANK COMMERZBANK. HAMBURG. i3, ?? W IBLZ 300 400 0OJ ■ POSTSCHECK- HAMBURG
C? 200 TE(EGRAMM: SPECHTZIESC? 200 TE (EGRAM: 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.Separation are very important, it is possible to have a faction higher molecular weight to a certain extent - or outside - area of the vortex flow and a fraction lower To isolate molecular weight in the core region thereof, this procedure is simple and straightforward, requires no equipment with moving parts, apart from the gas delivery device and is an economical one Suitable for large-scale operation.
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 SpitzeAccording to the invention it has now been found that the eddy current or the conical chamber in which the vortex flow is formed has a cone angle, i.e. the angle at the tip - end of the conical chamber (by extrapolating the cone sides to their point of intersection) in the area between 1 and 90, preferably between about 3 and about 30, should have. Of course, the cone is the Zyfclonentrennkammer formed blunt. At a relationship the cone diameter at the base to the cone diameter at the top
D
BasisD.
Base
SpitzenausliifiTop output
von 1,3 bis 3|5» und bei einem Verhältnis des Basisdurchmessers zum Kernauslaßdurchmesserfrom 1.3 to 3 | 5 »and with a ratio of the base diameter to the core outlet diameter
609820/0649 *"3 609820/0649 * " 3
2524A692524A69
D Has i sD Has i s
D Kernaus laßD core out
von 1,3 bis ^,5 wurden besonders gute Ergebnisse erhalten.from 1.3 to 2.5, particularly good results were obtained.
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 DruckverhaitnisAccordingly, the invention relates to a method for separating of a gas mixture in Kotnpouentenfaktionen accordingly the atomic or molecular weight thereof by application a centrifugal force in a cone-shaped vortex— flow with a diameter of not more than 5 tnra, a cone angle in the range from 1 to 90 ι an absolute pressure the gas supply in the range of about 5 to 1000 mm Hg, as well as a pressure ratio
Ei η J.^ (J mm HgEi η J. ^ (J mm Hg
KernausIaU mmKernausIaU 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.ranging from about 1.5 to about 10, with a higher molecular weight fraction from the outer or peripheral Subtracted area of the vortex flow and a fraction lower »molecular weight from the core area of the Vortex flow is separated.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens derAn apparatus for carrying out the method of
609820/0649 ·.·'*609820/0649 ·. · '*
0^GfNAL INSPECTED 0 ^ GfNAL INSPECTED
h -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 KomponentenInvention comprises a housing with a separation chamber contained therein which is circular in cross section as well has a tip and a base end and is conical at least at the tip end. She knows at the base end no more than 5 "in diameter Diameter at the tip end of at least 0.01 mm and has a cone angle in the range from 1 to 90. Furthermore, there is at least one gas inlet through the housing on the base End of the separation chamber provided, which is arranged for a tangential gas flow from outside the housing into the chamber is to create a vortex-shaped gas flow in the chamber from the base end thereof towards the tip end to generate, the gaseous components with increasing atomic or molecular weight in the direction of the volume of the vortex flow uud be distributed as it becomes smaller in the direction of the vortex core and wherein the vortex core has a lower gas pressure than the vortex periphery. There is also an outlet through the housing in axial relationship with the chamber at the base end thereof and an outlet through the housing in axial Arrangement is provided to the chamber at the tip end thereof, the tip end outlet the peripheral gas- vortex flow from the chamber and the base end outlet receives the core vortex gas flow from the chamber so that the Components of lower atomic or molecular weight in the stream withdrawn via the base outlet and components
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höheren Atom oder Molekulargewichts in dem über den Spitzenausiaß abgezogenen Strom konzentriert werden.higher atomic or molecular weight in the stream withdrawn via the peak outlet.
Ein derartiger ZyfcLonenfcrenner ist einfach und unkompliziert in seiner Konstruktion, weist keinerlei bewegte Teile auf und ist trotz seiner geringen Größe für eine wirtschaftlicheSuch a ZyfcLonenfcher is simple and uncomplicated in its construction, has no moving parts and is economical despite its small size
Gastrennung in großem Maßstab geeignet.Gas separation suitable on a large scale.
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.As already stated in the main application, is it is important that the formed inside the Zyfclontrennkammer Vortex flow (and therefore the separating chambers) have a diameter of no more than 5 mm, preferably 2 mm or less. According to the present invention, the vortex flow diameter should preferably be between 1 mm and 0.1 mm. The lower limit of the diameter becomes smaller with the feasibility of manufacturing Definitely cyclones. A practical lower limit seems to be 0.1 mm.
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 vorbestimmteThe length of the separation chamber together with the diameter determines the volume of the same, and the volume determines at that time the residence time of the gas in the same, which of course is sufficient for the desired separation have to be. Accordingly, the length and diameter are selected so that the chamber is that predetermined for separation
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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.Volume receives lumen. The length should be no more than 200 mm and no less than 0.1 mm, and if the chamber is conical in shape, ho! ; their diameter at the tip end was at least 0.1 mm.
Die Form der Trenukatiimer (und der Wirbelströmung), ist selir wichtig. Es wurde ge runden, (jajj man in 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.The shape of the trenucatiimer (and the vortex flow) is of great importance. It was ge round (j a jj one i n konusf örmigen chambers "inen high separation efficiency is obtained. The diameter of the chamber must be decreased toward the tip end is reduced whereby the radius of the vortex flow and the centrifugal force is iioht egg.
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.Di (> designation "cone!" Örrnig ", which is used here, refers to the effective cone shape of the chamber, i.e. to the smaller diameter of the chamber at the tip outlet compared to the diameter at the inlet and base outlet ends. The chamber is actually a cone if it has a smaller diameter at the tip outside than at the inlet having. If this is the case, it shrinks Diameter of the vortex flow in the chamber towards the tip end, even if the shape of the chamber between the ends does not correspond to a cone with straight sides but, for example, to a cylinder.
Die Kammer kann vom Hasis- bis zum Spitzenende in FormThe chamber can be shaped from the rabbit end to the tip end
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-7- 252U69.-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.a right-angled cone with straight sides be. It can also be partially cylindrical and only conical at the tip end. It is not required that the Kouusform equal ", or straight-sided is. Ice can also have convex and concave sides with more uniform, increasing or decreasing Camber can be used. The diameter can be continuous or gradually decrease towards the tip end. Mau can also have a cone with straight sides, but use with different Kouus angles. It a large number of cone cones is possible, and the cone shape to be selected depends on the particular conditions in the separation to be carried out. You can through trials to be determined.
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 einerIt has proven advantageous to mix the gas mixture to be separated with an inert gas of lower atomic or molecular weight. A greater degree of separation efficiency is then obtained. The effect is particularly clear when using inert gas quantities of more than 25 % by volume, based on the mixture, in particular of more than 10% by volume. It is believed that this effect is due to an increase in the speed of sound of the gas due to the decreased average atomic or molecular weight of the mixture, as well as in one
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beeinflussung des GesamtdiΓ Iusionsmechanismus.influence of the overall diffusion mechanism.
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.Any gas can be used which is inert towards the gas mixture to be separated or which is not with it reacts significantly. However, the gas must have an atomic or molecular weight which is less than that of the gas mixture is. The gas should preferably have the lowest possible atomic or molecular weight, so that Hydrogen and helium are particularly beneficial. However, you can also use nitrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide Use water.
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.If an inert gas is used, the method can operated at an absolute gas inlet pressure greater than 1000 mm Hg. Absolute gas outlet pressures of wounded up to 10 atmospheres.
Nach Durchführung der Trennung kann das inerte Gas durch übliche Verfahren, zum Beispiel durch Kondensation der schwereren und weniger flüchtigen abgetrennten Komponenten, zerlegt werden.After the separation has been carried out, the inert gas can pass through Usual processes, for example by condensation of the heavier and less volatile separated components, be disassembled.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausi'iihrungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die Zeichnungen bezug genommen wird. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with the aid of preferred exemplary embodiments, with reference to the Drawings is referred to. Show it:
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Figur 1 einen Längsschnitt durch einen typischen konischen Zyfclonenscheider, der in dem Verfahren der Erfindung verwendet werden kann,Figure 1 is a longitudinal section through a typical conical Cyclone separator used in the process of the invention can be used,
Figur 2 einen Sctiiiitt durch den '/yfel onenscheider derFigure 2 shows a step through the '/ yfel onenscheider of
Figur 1 entlang der Linie 2—2, wobei die peripheren Bereiche und die Kernbereiche der Wirbelströmung
gegeneinander abgesetzt sind,Figure 1 along the line 2-2 showing the peripheral areas and the core areas of the vortex flow
are set apart from each other,
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, undFIG. 3 shows a schematic representation of a typical series of Zyfeionenseheidern, di "in twin cascade chains a and b of core area cyfelons and
Tip zone cylons are arranged, showing the flow of the tip and core flows through each row up to the final separation of the components of the gaseous mixture at the end of each row, and
Figur k ein Diagramm der beobachteten Werte des Trennfaktors E gegen das Uranverteiiungsverhäitnis O der Ergebnisse des Beispiels 5, Tabelle VI.FIG. K shows a diagram of the observed values of the separation factor E versus the uranium distribution ratio O of the results of Example 5, Table VI.
Die bei diesem Versuch verwendeten Zyfclone entsprechen derThe Zyfclones used in this experiment correspond to
. . .10. . .10
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- JLO -- 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.Embodiment according to Figures i and 2. These cyclones are used to separate carbon dioxide and air from mixtures of approximately constant composition, the ti, 5 Vo. -% COp included. The gas flows from a receiving container via a reducing valve, a filter, a control valve and a Venturi auxiliary flow meter to the container with the cyclones. The two fractions from the cyclones are passed through ventilators and control valves to a vacuum pump, and a portion is withdrawn via the valves to a gas analyzer for analysis. The gas pressures in the sections of the cylinder are measured with absolute mercury meters with an accuracy of about 0.5 mm ITg.
Die Differenz des COo-Gehui. ts zwischen den zwei Fraktionen von den Zyklonen wird mittels eines Infrarotanalysators und einem damit verbundenen potentiometischen Schreiber aufgezeichnet.The difference in the COo case. ts between the two factions of the cyclones is measured by means of an infrared analyzer and an associated potentiometric writer recorded.
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.The following data in Tables I, II and III are obtained with the 2 mm Zyiblon. This cyclone has one Cone angle of 5.7 ° and three or six evenly spaced inlet openings with a rectangular cross-section from 0.0 ram χ 0.3 mm.
...11... 11
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ZykionensciieiderZykionensciieider
Zahl der Einlaßöffnungen Z Number of inlet openings Z
Basisauslaß- . , durchmesser (ram) 0,75 90,0Basic outlet. , diameter (ram) 0.75 90.0
Spitzenausiaßdurchmesser (ram) 1,0Tip outlet diameter (ram) 1.0
Ο,υ/O j* 0
Ο, υ / O j *
°* Spitzenausiaßdurchmesser ° * Tip outlet diameter
+) l/min bei 0° C, 1 atm.+) l / min at 0 ° C, 1 atm.
/η ο
/ η
COUJ
CO
m O
m
- l'i -- l'i -
Der Trennfaktor E ist nach der GleichungThe separation factor E is according to the equation
E = Spitze Kern E = pointed core
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.defined, in the χ den Molenlirucli, in this case by Carbon dioxide, referred to in the gas. The larger the separation factor, the more effective the separation. The flow— Distribution factor is defined as the molar flow rate (Mole fraction of the gas flow) of the incoming gas which exits 1 al3 via the tips. As from the results as can be seen, a good separation is obtained.
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.The cyclones of the invention can be used for separating gas mixtures into their components according to atomic or molecular weight. In this way it is possible to separate isotopes of different elements in the form of gaseous compounds, which after separation can be treated in order to recover the element in any desired form including the elemental. For example, it is possible to separate U 235 from U 238 from mixtures thereof as uranium hexafjuoride mi .
Gemäß dem folgenden Verfahren wird in gasförmigemAccording to the following procedure is in gaseous
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...15... 15
üranhexafluorid das Isotop U 235 von U 23b abgetrennt.urane hexafluoride separated the isotope U 235 from U 23b.
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. The device used for this purpose consists of bl3 stages in an arrangement whose penetration tröraung the diagram of Figure 3 corresponds. Each separation chamber has a base diameter of 2 mm and a diameter of 1.2 ram at the core and tip from Lassen on. The separation chambers are conical as shown in Figure i and 2 and have a Length of 10 mm. The inlet pressure is 90 mm Hg, the core and peak gas outlet pressures are 15 mm Hg. The pressure ratio is 0. The entry speed of the gas in the separation chamber is equal to the speed of sound.
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·The gas mixture introduced into the first cyclone separation stage contains 99.3% U 23 »and 0.7 % U 235 - in each of the cyclone stages of series a the core fraction is enriched with U 235. The gas of the core area of series a coming from the last cyclone stage (counted from the supply stage) is enriched to 3% with U 235, and the gas obtained from the tip area of series b of the cyclones contains almost all of the U 23b and a very small amount , 0.2 %, U 235
......
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-Ib--Ib-
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 undThe cyclones used in this experiment correspond to the embodiment according to FIGS. 1 and 2. The cyclones were used to separate carbon monoxide from carbon dioxide from a mixture which contains about 25% CO and about 75% CO 2 . The equipment is with the in Tables IV and
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 gleicherV indicated heat volumes mixed. The gas mixture flows through a system as in example i, and the composition of the two fractions from the cyclones becomes the same
Weise durch Infrarotanalysatoren gemessen.Way measured by infrared analyzers.
Die unter Verwendung eines 2 mm Zyklons erhaltenen Daten werden in Tabelle IV1 die von einem i mm Zyklon in TabelleThe data obtained using a 2 mm cyclone are shown in Table IV 1 that of an i mm cyclone in Table
V wiedergegeben. Der Konuswinkel der Zyklone beträgt in beiden Fällen 5,7°.V reproduced. The cone angle of the cyclones is 5.7 ° in both cases.
609020/0649609020/0649
mm HgP inlet
mm Hg
laß mm HgP Kernaus
let mm Hg
auslaß
mm HgP pointed
outlet
mm Hg
% CO2 Mole
% CO 2
geschwindig
keit
l(STP)/rain )Flow
swiftly
speed
l (STP) / rain)
faktorSeparating
factor
vertei iungs-
faktorFlow
distributive
factor
öffnungen 3Number of inlet
openings 3
2 mmBase diameter
2 mm
messer 1 mmBasic outlet port
knife 1 mm
Spitzenauslaßdurchraesser 1 mmTip outlet diameter 1 mm
Jt* to Jt * to
+) l/min bei 0° C, 1 atm.+) l / min at 0 ° C, 1 atm.
Zahl der Einlaßöffnungen Number of inlet openings
Basisdurchraesser 1 uitnBase diameter 1 uitn
Basisauslaßdurchraesser 0,6 mmBasic outlet diameter 0.6 mm
Spitzenauslaßdurchmesser 1 ramTip outlet diameter 1 ram
O IO CO K> OO IO CO K> O
mra HgInlet
mra ed
1 j.ß mra HgP core
1 j.ß mra ed
auslaß
mm HgP pointed
outlet
mm Hg
'lc CO2 Mon 1
'lc CO 2
geschwindig-
keit
l(STP)/min+;S troubling
speedy
speed
l (STP) / min + ;
faktorSeparating
factor
verteilungs-
faktorConsolation
distributive
factor
ro 1cn ^
ro 1
■c»-C-
■ c »
+ ) l/min bei 0° C, 1 a-tu.+) l / min at 0 ° C, 1 a-tu.
Der Trennfaktor K wird du rc η dieThe separation factor K becomes rc η die
j.· _ "Spitze -' Kernj. · _ "tip - 'core
xSpitze' x tip '
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.defined, in which χ the Molenbrucli of Koiiiendioxids in the carbon monoxide / carbon dioxide mixture (excluding dns helium) means. The flow distribution factor becomes uls is the molar flow component of the entering through the .Tip outlet of outflowing gas defined. It surrenders from the data that a good separation is obtained and that the separation factor increases with the amount of stony helium.
Hei spiel Ί Hey play Ί
Gemäß dem folgenden Verfahren wird das Isotop U 235 vonAccording to the following procedure, the isotope U 235 of
U 23« in mit Helium vermischtem Uranhexafluorid abgetrennt.U 23 "separated in uranium hexafluoride mixed with helium.
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. DasThe device used consists of 200 stages in an arrangement with a flow rate according to the diagram of FIG Figure 3. Each separation chamber has a maximum cone diameter of 2 mm and a diameter of 1 mm Core outlet and at the tip outlet let on. The separation chambers are conical as shown in Figures 1 and 2 and have a length of 10 mm. The inlet pressure is 300 mm ITg. the Gas outlet pressures at the core and tip are bO mm Hd
603820/0849 '"20 603820/0849 '" 20
Druckverhoitnis ist 5· Die Eintrittsgeschwindigkeit des Gases in der Trennkaminer ist gleich der Schallgeschwindigkeit. Pressure ratio is 5 · The entry speed of the Gas in the separating chimney is equal to the speed of sound.
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·The uranium hexafluoride introduced into the first cyclone separation stage contains 99.3% U 2} ti and υ.7 ti U 235. The feed to each cyclone separation stage is regulated so that it contains 90% helium, and indeed the same content in each feed appropriately selected fractions from the preceding Stufon series a are mixed as in FIG. In each of the cyclone stages series a, the core fraction is enriched with U 235. The gas coming from the last stage of the series a core area is 3 % enriched in U 235, and the gas obtained from the series b peak area of the cyclones contains almost all of the U 238 and a very small amount, 0.2%, of U 235 ·
Heispiel 5Example 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^Samples of purified uranium hexalluoride (UF ^) and helium (02 vol .-% He, b vol .-% UF) were made in the following manner manufactured. The vessel containing the cleaned UF is connected to an evacuated sample container. That Vessel is held at lb ° in a constant temperature bath and the containers are filled with liquid nitrogen chilled. The amount of UF ^ thus transferred into the container
609820/0849 -·21 609820/0849 - 21
21 " 252U69 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.is determined by weighing. The difference between the UF, contents of sample pairs was kept at less than 2% . The UF in the container was then dissolved in 3 g of carbon tetrachloride (CCl;), which is also transferred into the container by distillation, so that a homogeneous sample is obtained.
Die Probenbehälter bestellen aus Aluminium, das eine relativ niedrige y-Strahlenabsorption aufweist. Die Wanddicke beträgt 1,75 +, 0,01 mm.The sample containers order from aluminum, which is a relative has low y-ray absorption. The wall thickness is 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.A well-type sodium iodide detector (well-type sodium iodide detector) coupled to a multi-channel analyzer is used to measure the ¥ -S- ray emission from the samples in the range between 50 and 210 keV at 3 koV per channel. The number of counts belonging to the characteristic peak at 1ö5 keV, corrected for the influence of thorium 1 ö3'i (Th-234) at a peak of 94 keV, was used as a measure of the U 235 content r! - Sample taken. The background radiation was found to be negligible. The containers fit very tightly into the detector bore.
Die verwendete Vorrichtung besteht aus vier parallelen Zyklonentrennern, die eine Kaskadenstufe gemäß dem Diagramm der Figur 3 bilden. Jede Zyklonentrennkammer weist einenThe device used consists of four parallel cyclone separators, which have a cascade stage according to the diagram of Figure 3 form. Each cyclone separation chamber has one
2222nd
609820/0649609820/0649
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.maximum cone diameter of 2 mm and a diameter of i mm at the core outlet and at the top outlet. the Separation chambers are conical as shown in Figures 1 and 2 and have a length of 10 mm.
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.The inlet pressure used is 1 «0 mm Hg. The pressure in the enriched flow (liasis outlet) from the cyclones is adjusted to 36 mm Hg, while the pressure in the impoverished electricity (louse louse) between 36 and 65 ram Hg is varied.
Unter diesen Bedingungen werden mehrere Versuche durchgeführt, wobei die Trennwirksamkeit mittels des Trennfaktors bestimmt wird.Several tests are carried out under these conditions, the separation efficiency being determined by means of the separation factor.
Man erhält die folgenden Ergebnisse. Tabelle VIThe following results are obtained. Table VI
Versuch Nr,Attempt no,
verhältnis (θ)Uranium distribution
ratio (θ)
...23 609820/0849 ... 23 609820/0849
-Oj--Oj-
Der beobachtete Trennfaktor ist in der Kurve der Figur k gegen das UranverteiIungsverhältnis 9 aufgetragen, und zwar für vier Versuche.The separation factor observed is plotted against the uranium distribution ratio 9 in the curve in FIG. K, for four experiments.
Das Uranverteilunesv - haitnis 9 ist wie folgt definiert:The Uranverteilunesv - Haitnis 9 is defined as follows:
Molare Strömungsgeschwindigkeit Uran durch SpitzenauslaßMolar flow rate of uranium through tip outlet
9 = 9 =
Gesamte molare Strömungsgeschwindigkeit Uran durch Spitzen- und Basisauslässe Total molar flow rate of uranium through tip and base outlets
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.As can be seen from the curve, the separation factor E reaches a maximum value of about 23 χ KK at a value of 9 of about 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.This is of particular importance for energy consumption; it means that an equal volume distribution of the outflowing gas flow at the tip and base out- let the cyclones in the simplest form of a cascade of the embodiment according to Figure 3 can be used. This results in minimal energy consumption. As a result, the same flow voluraina can occur during the operation of the cascade in the back and forth streams from the tip - and Base ends of cyclone I are maintained, and thus through each cyclone in the a and b series II through VI, etc. This is a very convenient method of operation.
609820/0649 ...2k 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.In this way one gets a minimal energy consumption, when working at maximum separation efficiency. Furthermore, the entire system is simple in construction and cheap.
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.Taking the above results into account, the isotope U 2j5 is separated from U 2'jti in uranium hexafuoride mixed with helium according to the following procedure.
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.The device used consists of 200 stages in an arrangement, the flow through which according to the diagram of Figure 3 takes place. Each separation chamber has a maximum cone diameter of 2 ram and a diameter of 1 mm at the core outlet and at the tip outlet. The separation chambers are conical as shown in Figures i and 2 and have a Length of 10 mm. The inlet pressure is 180 mm Hg. The core and peak gas outlet pressures are 36 mm Hg. The pressure ratio is 5. The gas inlet speed in the separation chamber is equal to the speed of sound. Equal flow volumes are created in the effluent gas at the tip outlet and base outlet of each Maintain cyclones of each series.
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 StufenThe uranium hexafluoride introduced into the first cyclone separation stage contains 99.3% U 238 and 0.7 % U 235. The feed to the first cyclone separation stage contains 92 vol .-% helium and 8 vol .-% UF ^ and is used in subsequent stages
609820/0649609820/0649
...25... 25
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.passed in series by mixing equal volumes of the feed and one of a subsequent series a-stage as shown in FIG. Each stage is operated at a uranium distribution ratio O of about 0.5. In each of the series a cyclone stages, the core fraction is enriched with U 255, with the gas coming from the last stage of the core area series a being enriched with 3% with U 235. The gas coming from the output stages of the series b peak areas of the cyclones contains almost all of the U 2j8 and a small amount, 0.2 %, U 235.
609820/0649 26 609820/0649 26
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