DE2617227C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Trennen
zweier gasförmiger oder flüssiger Komponenten, insbes. zum Trennen
von Isotopen, bei dem die Abtrennung und Anreicherung konti
nuierlich in mehreren Trennelementen erfolgt, durch die die
Ströme unter Zirkulation in zwei oder mehreren Durchläufen
mittels mindestens eines Kompressors gefördert werden.
Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (DE-OS 21 53 182) er
folgen die Zirkulationen der Medienströme in verschiedenen
Stufen über mehrere Kompressoren, wobei jeder Stufe ein Kompressor
zugeordnet ist. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin,
daß wegen der mehreren Kompressoren ein erheblicher apparativer
Aufwand erforderlich ist.
Bei weiteren bekannten Verfahren (DE-OS 24 24 125, FR-PS 2 185)
ist zwar nur ein Kompressor für alle Stufen vorgesehen derart,
daß der Kompressor und die Stufen hintereinander geschaltet
sind, indessen sind hierbei die Druckverhältnisse ungünstig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs erwähnte
Verfahren derart durchzuführen, daß der apparative Aufwand ge
ringer als bei dem bekannten Verfahren mit mehreren Kompresso
ren ist, die Druckverhältnisse aber günstiger sind als bei den
bekannten Verfahren mit nur einem Kompressor.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die verarmenden Ströme nach Durchströmen der Trennelemente
zurückgeführt und nach Kombination mit einem angereicher
ten Strom einer vorausgehenden Einheit erneut in den
Kompressor eingeleitet werden, wobei mehrere Ströme ohne
Vermischung, abgesehen von einer gewissen Diffusion an
den Grenzflächen, durch verschiedene Sektoren des gleichen
Kompressors strömen.
Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt also nur einen einzigen
Kompressor. Da über diesen alle Teilströme geführt werden,
ergeben sich günstigere Druckverhältnisse als bei denje
nigen Verfahren, bei denen die Stufen und der Kompressor
hintereinander geschaltet sind.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese ist
erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor
in der Weise in der Vorrichtung angeordnet ist, daß damit
zugleich die Ströme der verschiedenen Durchläufe ohne Ver
mischung förderbar sind, wobei Wände zwischen den Teil
strömen vorhanden sind, die eine Vermischung derselben ver
hindern.
Beispielsweise kann man in der erfindungsgemäßen Art und Weise
UF6 und U235 oder eines von diesen Gasen und ein Trägergas
(H2 oder He) voneinander trennen.
Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele er
läutert. Darin zeigt
Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 einen Axialschnitt durch eine Einrichtung gemäß der
Erfindung;
Fig. 3A-3H Einzelheiten bezüglich zweier Querschnitte
durch die Vorrichtung gemäß Fig. 2;
Fig. 4 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform
gemäß der Linie IV-IV der Fig. 5;
Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4 und
Fig. 6 eine Einzelheit der Ausführungsformen der Fig. 4
und 5 gemäß der Linie VI-VI der Fig. 5.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Teil einer Kaskadenanordnung darge
stellt, die aus mehreren in Reihe aneinander geschlossenen
Blöcken 1 besteht. Jeder Block 1 weist mehrere Stufen 2 auf,
wobei jede Stufe 2 aus einer Isotopen-Trenneinheit 3, einem
Wärmetauscher 4 und einem Kompressor 5 besteht, der einen
Gasstrom durch den Wärmetauscher 4 und die Trenneinheit 3
fördert. Die Teile sind über Leitungen miteinander verbunden.
Die Kaskadenanordnung hat einen Eingangsstrom 6, bestehend
aus zwei Komponenten, einen Ausgangsstrom 7 bzw. 7,1 . . . 7,4
und einen Ausgangsstrom 8. Der Strom 7 ist an der einen Kompo
nente angereichert und der Strom 8 an der anderen. Die Pfeile
rechts und links in Fig. 1 deuten an, daß sich dort die Anord
nung fortsetzen kann. Mit 8,1 ist der Ausgang des rechten Blocks,
mit 16,1 . . . 16,4 sind Verbindungsleitungen und mit 18,1 . . .
18,3 weitere Verbindungsleitungen, deren Bedeutung sich aus
dem folgenden ergibt, bezeichnet.
Fig. 2 zeigt einen Block 1, z. B. den in Fig. 1 rechten, in der
erfindungsgemäßen Ausbildung. Der dargestellte Block oder Appa
rat besteht aus einem inneren Gehäuse 10 und einem äußeren
Gehäuse 11, welches das Gehäuse 10 umgibt. Das Gehäuse 10 ist
ein Hohlzylinder und offen an beiden Enden mit einem engeren
Teil unten und einem weiteren Teil oben, welche über einen
konischen Teil miteinander verbunden sind. Ebenso ist das äu
ßere Gehäuse 11 ein Hohlzylinder mit einem engeren Teil unten,
einem weiteren Teil oben und einem diese beiden Teile mitein
ander verbindenden konischen Teil. Die Enden des äußeren
Gehäuses 11 sind geschlossen.
Die Gehäuse 10 und 11 sind oben und unten miteinander ver
bunden.
In dem unteren Teil des Gehäuses 10 befindet sich ein Kompressor
in Form eines Axialgebläses 5 mit einer Welle 13 und mehreren
Flügeln 12. Die Welle 13 ragt aus dem Gehäuse 10 heraus.
Der Wärmetauscher 4 besteht aus einem Element, das mit
Löchern versehen ist. Der Wärmetauscher erstreckt sich über
den weiteren Teil unmittelbar im Anschluß an den konischen Teil
des Gehäuses 10. Die Trenneinheit 3, bestehend aus mehreren
Röhren 14 mit teilweise durchlässigen Wänden, befindet sich in
dem weiteren oberen Teil des Gehäuses 10 oberhalb des Wärme
tauschers 4. Innerhalb der Trenneinheit 3 befindet sich eine
axial angeordnete Leitung 7, die nach außen führt.
Die Eingangsleitung 6 mündet zwischen den Gehäusen 10 und 11.
Der Ausgang ist wieder mit 8,1 bezeichnet. Die Leitungen 6 und
8,1 liegen diametral einander gegenüber.
Ferner ist eine weitere Eingangsleitung 15 vorgesehen, die
aus vier Teilleitungen 15,1, 15,2, 15,3 und 15,4 besteht. Diese
münden in Ringkammern 16,1 . . . 16,4, die peripher versetzte Öff
nungen 17 zu dem Raum zwischen den Gehäusen 10 und 11 haben.
Die Leitung 7 ist ebenfalls in vier Hilfsleitungen 7,1 . . . 7,4
aufgeteilt.
Fig. 3 zeigt links untereinander mehrfach einen Schnitt durch
die Vorrichtung nach Fig. 2 in Höhe des Kompressors 5 (Fig. 3A
. . . 3D) und rechts untereinander mehrfach einen Schnitt durch
die Vorrichtung nach Fig. 2 unmittelbar oberhalb des Trenn
elementes 3 (Fig. 3E . . . 3H). In Fig. 3A ist schraffiert der
Strom eingezeichnet, der sich aus dem Eingangsstrom 6 und dem
Strom aus der Kammer 16,1 und damit der Leitung 15,1 zusammen
setzt. Dieser Strom strömt in der Vorrichtung gemäß Fig. 2 nach
unten, strömt dann nach oben durch den Kompressor 5, durch den
Wärmetauscher 4 und schließlich durch die Röhren 14 des
Trennelementes 3. Dort tritt er in Form eines Ringsenktors
(siehe den schraffierten Teil in Fig. 3E) aus, wobei der Teil,
der durch das Innere der Röhren 14 strömt, mit 18,1 bezeichnet
ist und der Teil, der durch die teilweise durchlässigen Wände
der Röhren 14 geströmt ist, nach innen strömt und in der Teil
leitung 7,1 weiterströmt. Der Strom 18,1 strömt durch den
Raum zwischen den Gehäusen 10 und 11 nach unten und vereinigt
sich (siehe Fig. 3B) mit einem Strom aus der Kammer 16,2. Der
bereits beschriebene Strömungsablauf wiederholt sich nun
praktisch mehrfach, bis schließlich (siehe Fig. 3H) die Ströme
8,1 und 7,4 austreten.
Soweit erforderlich, weisen die verschiedenen Räume Leitbleche
auf, damit die Ströme so geführt werden, wie es die Fig. 3
veranschaulicht. Im Kompressor 5 berühren sich die Ströme
unmittelbar, wobei sie sich nur unwesentlich an ihren Grenz
flächen vermischen.
Natürlich kann die Zahl der Umläufe geändert werden.
In den Fig. 4-6 ist eine andere Ausführungsform gemäß der
Erfindung dargestellt.
Der dargestellte Apparat weist ein inneres Gehäuse 30 und ein
äußeres Gehäuse 31, welches das innere Gehäuse 30 umgibt, auf.
Innerhalb des inneren Gehäuses 30 ist ein im wesentlichen
zylindrischer Kern 32 vorgesehen.
Das Gehäuse 30 und der Kern 32 sind koaxial und definieren
zwischen sich einen ringförmigen Kanal 33. Die Gehäuse 30 und
31 definieren zwischen sich eine Leitung 34, welche ebenfalls
ringförmig ist. Die Leitung 34 geht an beiden Enden radial in
die Leitung 33 über.
Ein Axialkompressor 35 sitzt am linken Ende in der Leitung 33.
Der Kompressor 35 hat eine Welle 36 und Schaufeln 37.
Ein mit Löchern bzw. Poren versehener Wärmetauscher 38
sitzt in der Leitung 34 an dem Ende, wo die Leitung 33
radial in die Leitung 34 übergeht. Der Wärmetauscher 38 ist
ringförmig ausgebildet.
Eine Trenneinheit 39 ist ebenfalls ringförmig ausgebildet
und sitzt in der Leitung 34 in Strömungsrichtung hinter dem
Wärmeaustauscher 38. Sie hat eine kegelstumpfartige Form und
wird zum Wärmeaustauscher 38 hin schmaler. Die Röhren 40, welche
eine isotopische Trennung der durchströmenden Gase bewirken,
entsprechen den Röhren 14 der Trenneinheit 3 der Fig. 2.
Die Gase, die durch die Wände der Röhren 40 treten, verlassen
die Vorrichtung durch zwölf Ausgänge 41.
Ein Haupteingang 42 mündet in die Leitung 33. Diesem liegt dia
metal gegenüber der Hauptausgang 52, der ebenfalls mit der
Leitung 33 in Verbindung steht.
Eine weitere Eingangsleitung 43 umgibt die Welle 36 des Kom
pressors 35 und ist ringförmig. Die Leitung 43 mündet axial
in den Kanal 33, und zwar dort, wo die Leitung 34 sich mit der
Leitung 33 vereinigt. Nach außen hat sie zwölf Öffnungen 44,
die in gleichem Abstand über den Umfang verteilt sind. Die
Welle 36 des Kompressors 35 hat im Bereich der Leitung 43 eben
falls Flügel 45. Sie sind radial nach außen gerichtet.
Das rechte Ende des Kerns 32 ist über eine Manschette 46 mit
einem Mannlochdeckel 46a verbunden. Die Manschette 46 ermöglicht
Expansionen und Kontraktionen.
Aus Fig. 5 ergibt sich, daß die Leitung 33, der Wärmetauscher
38, die Trenneinheit 39 und die Leitung 34 in Räume aufgeteilt
sind, die durch Wände 47, welche sich in axialer und radialer
Richtung erstrecken, voneinander getrennt sind. Es sind achtund
vierzig Wände 47 vorgesehen.
Die Wände sind mit Ablenkorganen versehen, welche das Medium
in Umfangsrichtung ablenken. Die Ablenkorgane in der Leitung
34 sind mit 48 bezeichnet. Fig. 6 zeigt eine beispielhafte
Ausführungsform der Ablenkorgane. Diese stellen Brüche 49 der
Wände 47 dar, derart, daß die Ablenkplatten 50, die ein Teil der
Wände 47 darstellen, in Umfangsrichtung relativ zu dem Rest
der Wände geneigt sind und auf diese Weise es ermöglichen, daß
der Strom aus einem Raum in einen anderen Raum strömen kann.
Die Funktion der Einheit der Fig. 4-6 ist im wesentlichen
die gleiche wie diejenige der Einheit der Fig. 2. Der ange
reicherte Strom aus der vorausgehenden Einheit oder den voraus
gehenden Einheiten der Reihe und/oder Gas, welches zurückzirku
liert von den Ausgängen 41, strömt durch die Leitung 44, 43.
Der verarmte Strom aus der folgenden Einheit, die in Reihe zu
der betrachteten liegt, tritt in die Leitung 34 über den Haupt
eingang 42 ein. Dieser verarmte Strom strömt radial nach innen
zu der Leitung 34 und dann in den Kompressor 35. Der verdünnte
Strom aus der folgenden Einheit passiert in axialer Richtung
die Leitung 32 bis zu dem rechten Ende. Dann durchströmt er
den Wärmetauscher 38 und gelangt schließlich in die Trenn
einheit 39. Anschließend strömt der Strom in den linken Teil
der Leitung 34 gemäß den eingezeichneten Pfeilen. Der angereicher
te Teil dieses Stromes strömt in die Leitung 41.
Es leuchtet ein, daß der Sektor, der von dem verarmten Strom
durchlaufen wird, welcher von der folgenden Einheit kommt und
durch die Haupteingangsleitung 42 einströmt, durch mehrere
Räume, die durch die Wände 47 definiert sind, bestimmt ist.
An den Ablenkplatten 50 bei 48 in der Leitung 34 wird der
verarmte Strom in zwei Teile aufgespalten, die in Sektoren
weiterströmen, die auf gegenüberliegenden Seiten des ersten
Sektors liegen, welcher von dem verarmten Strom beaufschlagt
wird, der durch die Haupteingangsleitung 42 eintritt. Die
Wände 47 sind nicht parallel zu der Längsachse der Einheit.
Sie sind zu dieser Achse geneigt, so daß die Räume zwischen
diesen Wänden sich in die entsprechenden Sektoren des Kom
pressors 35 öffnen. Diese Anordnung der Wände dient dazu,
die Rotation des Gasstromes aufgrund der Kompressorrotation
zu kompensieren. Die beiden erwähnten Teile des verarmten
Stromes setzen ihren Weg spiralförmig in entgegengesetzten
Umfangsrichtungen fort, wie es im Zusammenhang mit Fig. 2
beschrieben ist, bis sie wieder zusammenstoßen und von dem
Hauptausgang 52 aufgenommen werden, aus dem sie in Form eines
verarmten Stromes die Einheit verlassen und zu der voraus
gehenden Einheit der Reihe strömen.
Ein Vergleich der Fig. 4 und 5 mit der Fig. 2 zeigt, daß die
Eingänge 44 zu der Leitung 43 den Leitungen 15,1 bis 15,4 und
die Ausgänge 41 der Ausgangsleitung 6 entsprechen. Die Teile
des angereicherten Stromes, die von der vorausgehenden Einheit
kommen und in die Leitung 43 über die Eingänge 44 einströmen,
werden von dem Kompressor 35 angetrieben und in den Eingang des
Kompressors an Stellen gefördert, wo ihre isotopische Zusammen
setzung die gleiche ist wie diejenige des Stromes, der aus
der Leitung 34 in den Eingang des Kompressors strömt.
Die Einheit der Fig. 2 kann ebenfalls mit Wänden versehen sein,
ähnlich den Wänden 47 der Ausführungsform der Fig. 4 und 5. Die
Wände teilen den Kreis in mehrere Räume, die sich längs der
Bahnen erstrecken. Diese Räume können den Sektoren entsprechen
(aber sie müssen es nicht notwendigerweise), welche von den
verschiedenen Strömen eingenommen werden.
Die Wände 47 reduzieren eine Vermischung aufgrund von Diffusion
oder Turbulenz.
Im allgemeinen kann man sagen, daß die Wände 47 um so wichtiger
sind, je größer der Konzentrationsgradient zwischen den Strömen
ist. Für eine Einheit mit nur wenig Stufen, z. B. zwei, sind
Wände zwar wünschenswert, aber nicht notwendig. Für Einheiten,
die eine große Zahl von Stufen, z. B. zehn, haben (diese sind
sinnvoll bei Aufteilungsverhältnissen von 1 : 10 oder weniger),
sind die Wände wichtiger.
Claims (2)
1. Verfahren zum Trennen zweier gasförmiger oder flüssiger
Komponenten, insbesondere zum Trennen von Isotopen, bei
dem die Abtrennung und Anreicherung kontinuierlich in mehre
ren Trennelementen erfolgt, durch die die Ströme unter
Zirkulation in zwei oder mehreren Durchläufen mittels
mindestens eines Kompressors gefördert werden, dadurch
gekennzeichnet, daß die verarmenden Ströme
(18,1; 18,2; . . .) nach Durchströmen der Trennelemente (3)
zurückgeführt und nach Kombination mit einem angereichterten
Strom (16,1; 16,2; . . .) einer vorausgehenden Einheit erneut
in den Kompressor (5; 35) eingeleitet werden, wobei mehrere
Ströme (16,1; 16,2; . . . 18,1; 18,2; . . .) ohne Vermischung,
abgesehen von einer gewissen Diffusion an den Grenzflächen,
durch verschiedene Sektoren des gleichen Kompressors (5; 35)
strömen.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor
(5, 35) in der Weise in der Vorrichtung angeordnet ist, daß
damit zugleich die Ströme der verschiedenen Durchläufe ohne
Vermischung förderbar sind, wobei Wände zwischen den Teil
strömen vorhanden sind, die eine Vermischung derselben ver
hindern.
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