DE2617227C2 - - Google Patents

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.