DE833487C

DE833487C - Verfahren und Vorrichtung zur Zerlegung von Gas- und Fluessigkeitsgemischen in Zentrifugen

Info

Publication number: DE833487C
Application number: DEG414A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Helmuth Hausen
Original assignee: Gesellschaft fuer Lindes Eismaschinen AG
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1939-06-18
Filing date: 1939-06-18
Publication date: 1952-03-10

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Zerlegung von Gas- und Flüssigkeitsgemischen in Zentrifugen Es hat bisher nicht an Versuchen gefehlt, Gasgemische durch Zentrifugieren zu zerlegen. Ein brauchbares Ergebnis konnte jedoch mit diesen Verfahren nicht erzielt werden, weil die Trennwirkung der bekannten Zentrifugierverfahren verhältnismäßig gering ist. Auch theoretisch läßt sich nachweisen, daß die Zerlegungswirkung einer nach den bekannten Verfahren betriebenen Zentrifuge selbst bei den höchsten heute möglichen Umfangsgeschwiiidigkeiten und bei Gemischen mit großen Unterschieden im \lolekulargewicht nur sehr ,gering ist. Nach der vorliegenden Erfindung läßt sich aber der an sich kleine, durch Zentrifugalwirkung erzielbare Trenneffekt dadurch zu größerer Wirkung bringen, daß man ihn durch Gegenstromführung der Gase verstärkt. Eine solche Verstärkung durch Gegenstrom ist z. B. bei der Rektifikation bekannt. Die nur geringe Zerlegungswirkung eines einzelnen Rektifikationsbodens wird dadurch vervielfacht, daß man eine große Zahl von solchen Böden übereinander anordnet und Flüssigkeit und Dampf im Gegenstrom führt. Ebenso läßt sich grundsätzlich die Trennwirkung einer Zentrifuge dadurch verbessern, daß die Gase verschiedener Zusammensetzung im Gegenstrom und in ähnlicher Weise wie z. B. bei den bekannten Gaszerlegungsverfahren durch Thermodiffusion im wesentlichen laminar geführt werden. An jeder Berührungsstelle der beiden Gasströme ändert sich ihre Zusammensetzung durch die Zentrifugalwirkung nur wenig. Die Addition dieser kleinen Wirkungen durch das Gegenstromprinzip gestattet aber, ebenso wie bei der Rektifikation, die Zerlegung grundsätzlich bis zu beliebiger Reinheit beider Bestandteile zu treiben.
Im folgenden wird die Arbeitsweise an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Zur Erzeugung des Gegenstromes wird beispielsweise die Schwerkraft benutzt. Am einfachsten läßt sich diese Arbeitsweise in einer sehr hoch gebauten Zentrifuge mit senkrechter Welle verwirklichen, wie sie in Abb. i dargestellt ist.
Abb. i ist eine schematische Darstellung einer zur Ausführung des Verfahrens geeigneten Zentrifuge. Der mit der Hohlwelle 3 rotierende Zentrifugenkörper ist mit 4 bezeichnet. i und 2 sind die Stellen, an welchen das zerlegte Gas abgeführt wird, während man das zu trennende Gemisch bei 5 einführt.
Abb.2 ist ein Schnitt senkrecht zur Rotationsachse einer besonderen Ausführungsform der in Abb. i dargestellten Zentrifuge.
Abb. 3 stellt einen Schnitt parallel zur Rotationsachse einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Zentrifuge dar.

Durch die Wirkung der Zentrifugalkraft tritt in jedem waagerechten Querschnitt eine Zerlegung in dem Sinne ein, daß sich außen der Gehalt am schwereren, innen am leichteren Bestandteil anreichert. Infolge der Schwerkraft haben aber die außen befindlichen schwereren Gase das Bestreben nach abwärts zu sinken, die innen befindlichen leichteren Gase hingegen aufzusteigen, so daß sich neben der durch die Zentrifugalkraft bewirkten Trennung zwei gegeneinandergerichtete senkrechte Konvektionsströme ausbilden. Diese gegeneinandergerichteten Ströme haben folgende Wirkung: Hat sich im Querschnitt a-a das Zentrifugalgleichgewicht eingestellt, so begegnet das hierdurch etwas leichter gewordene, innen strömende Gas im Querschnitt b-b einem außen nach unten strömenden Gas, das am schwereren Bestandteil noch nicht so stark angereichert ist wie das Gas im äußeren Teil vom Querschnitt a-a. Wenn daher in dem höheren Querschnitt wieder angenähert Zentrifugalgleichgewicht erreicht wird, so muß das aufsteigende, leichtere Gas erneut etwas von dem schwereren Bestandteil abgeben und etwas von dem leichteren Bestandteil aufnehmen. Das innen aufsteigende Gas wird sich also auf seinem Weg nach oben immer mehr an dem leichteren Bestandteil anreichern. Umgekehrt muß aus dem gleichen Grunde das außen nach abwärts sinkende Gas von Querschnitt zu Querschnitt an dem schwereren Bestandteil immer reicher werden. Im Beharrungszustand kann daher an dein oberen Ende der Zentrifuge bei i der leichtere

Bestandteil, am unteren Ende der Zentrifuge bei 2

der schwerere Bestandteil in um so größerer Rein-

heit entnommen werden, je höher die Zentrifuge ist.

1\lan wird daher der Zentrifuge eine große axiale

Länge im Verhältnis zum Durchmesser geben und

für dieses Verhältnis mindestens die Zahl 5 wählen.

Am oberen Ende der Zentrifuge «endet sich ein

Teil des nach oben gerichteten Gasstromes um

und bewegt sich dann außen wieder nach abwärts.

Dieser Umkehr entspricht in einer Rektifikations-

säule die Erzeugung von Riicklaufflüssigkeit aus

den aufsteigenden Dämpfen. Ähnliches gilt für die

Umkehr der Strömung am unteren Ende. Das un-

zerlegte Gemisch führt man zweckmäßig innen an

derjenigen Stelle zu, an der das aufwärts strömende

Gas dieselbe Zusammensetzung wie das unierlegte

Gas 'hat.

Zur Erzielung bestimmter Reinheitsgrade der

Fraktionen ist es angebracht, die Geschwindigkeit

des Auf- und Abwärtsströmens der Gase innerhalb

geeigneter Grenzen zu halten, damit die Gase in

jedem Querschnitt die richtige Zeit zur `'erfügung

haben, sich durch Diffusion mehr oder weniger ins

Zentrifugalgleichgewiclit zu setzen, was, wie alle

Diffusionsvorgänge, eine gewisse Zeit beansprucht.

Außerdem müssen Wirbel vermieden «-erden, die

einen Teil der erzielten Zerlegung wieder rück-

gängig machen würden. Die Konvektionsströmung

muß also langsam und vollständig laminar erfolgen.

Die in Frage kommende Geschwindigkeit des

laminaren Gasstromes und die Diffusions-

geschwindigkeit können je nach den besonderen

Verhältnissen sehr unterschiedliche Werte haben.

Im allgemeinen wird die Diffusionsgeschwindig-

keit in der Größenordnung von einigen :Millimeter

je Sekunde oder Zentimeter je Sekunde liegen,

wobei unter Diffusionsgeschwindigkeit der Quotient

aus der Diffusionskonstanten D (cm'/sec) und dem

mittleren Diffusionsweg d x (cm) zu verstehen ist.

Hierbei bedeutet d x die radiale Entfernung

zwischen dem Kern der aufsteigenden und dem

Kern der absteigenden Strömung. Die Geschwindig-

keit des laminaren Gasstromes kann kleiner oder

größer als die Diffusionsgeschwindigkeit sein.

Steigt die Gasgeschwindigkeit über einen optimalen

Wert, der etwa gleich -D x j!2 ist, oder sinkt sie

unter diesen Wert. so wird die Reinheit der

Produkte kleiner. Eine zu hohe Gasgeschwindigkeit

wird sich im allgemeinen nicht einstellen, weil der

Druck in den äußeren Teilen der Zentrifuge wegen

der höheren Dichte nach unten hin in stärkerem

Maße zunimmt als in den inneren Teilen, und die so

entstehenden Druckunterschiede der beschriebenen

Wirkung der Schwerkraft mehr oder weniger ent-

gegenwirken. Wenn aber die Geschwindigkeit aus-

nahmsweise zu groß wird, namentlich unter Mit-

wirkung der weiter unten beschriebenen Mittel zur

Erzeugung des Gegenstromes, dann läßt sich

gemäß der Erfindung eine Herabminderung der

Geschwindigkeit z. B. dadurch erreichen, daß man

den äußeren Durchmesser der Zentrifuge so klein

wählt, daß die Wandreibung den Konvektionsstrom

genügend abbremst. In den meisten Fällen wird es aber erwünscht sein, den Durchmesser größer zu wählen. Dann kann ,man nötigenfalls die Gasgeschwindigkeit dadurch verringern, daß man z. B. die Welle der Zentrifuge zur Verminderung des Einflusses der Schwerkraft nicht senkrecht, sondern schräg anordnet. Ferner läßt sich -der Konvektionsstrom auch durch geeignete Einbauten abbremsen. Als Einbauten kommen z. B. senkrechte radiale Wände in Frage (Abb. 2), die zugleich dafür sorgen, daß die Winkelgeschwindigkeit des Gases nicht hinter der der Zentrifuge zurückbleibt, oder auch waagerechte oder konische Netze, Gaze, Tücher, gelochte Bleche u. dgl., die den Gasdurchtritt nach oben und unten erschweren. Die .konische Form (Abb.3) wird hierbei vorzuziehen sein, da hierdurch zwischen den einzelnen Lagen dieser Stoffe zusätzliche schädliche Konvektionsströme in radialer Richtung vermieden werden können.

Auch Einbauten, die die Gestalt ein- oder mehrgängiger Schraubenflächen haben, erweisen sich als günstig. Sie verringern die Konvektionsgeschwindigkeit nicht nur durch den verengten Querschnitt, sondern auch dadurch, daß ähnlich wie bei der schräg gestellten Zentrifuge nicht die ganze Schwerkraft, sondern nur eine Komponente in der Strömungsrichtung zur Wirkung kommt. Auch wird der Weg des Konvektionsstromes im Vergleich zur Höhe der Zentrifuge verlängert, so @daß diese Anordnung einer höheren Zentrifuge mit senkrechter Strömungsrichtung gleichwertig ist. Die Erzeugende der Schraubenfläche kann gerade oder gekrümmt sein und mit der Drehachse einen beliebigen Winkel einschließen. Durch eine von der Achse aus schräg nach unten gerichtete Erzeugercode lassen sich etwaige unerwünschte radiale Konvektionsströme vermeiden.
Außer Gewichtsunterschieden können grundsätzlich auch andere Mittel zur Anregung und Aufrechterhaltung oder unter Umständen auch zur Abbremsung des Gegenstromes herangezogen werden. In diesem Sinne können Temperaturunterschiede wirken, indem man z. B. die Gase :im inneren Teil der Zentrifuge beheizt. Es wäre auch denkbar, den Impuls des eintretenden, noch unzerlegten Gasgemisches hierzu zu verwenden, was z. B. bei waagerechter Lagerung der Zentrifuge von Bedeutung sein könnte. Grundsätzlich läßt sich der Gegenstrom auch in entgegengesetzter Richtung des Beispiels durchführen, wobei der äußere Gasstrom sich aufwärts, der innere Gasstrom sich abwärts bewegt. In diesem Falle wird der leichtere Bestandteil am unteren, der schwerere Bestandteil am oberen Zentrifugenende gewonnen. Erzeugen läßt sich ein solcher umgekehrter Gegenstrom z. B. dadurch, daß man die Zentrifuge außen beheizt und innen kühlt. Vielleicht läßt sich auch schon die Tatsache, daß der Teil des frisch eintretenden Gases, der sofort in die äußeren Teile der Zentrifuge gelangt, sich durch adiabatische Verdichtung erwärmt und dadurch einen Auftrieb nach oben erfährt, unter Umständen zur Anregung des Gegenstromes in der titngeke@lirten Richtung mit ausnutzen. Ergebnisse, wie sie sich nach der Erfindung erzielen lassen, werden in nachstehendem Vergleichsbeispieldargestellt. Zugrundegelegtwirdeine Zentrifuge von 2 m Höhe, deren ringkreisförmiger Zentrifugenraum die lichten Abmessungen von 2 cm für den Durchmesser des inneren Zuführungsrohres und von 6 cm für den Mantel hat. Wenn man eine solche Zentrifuge mit der verhältnismäßig leicht zu erreichenden Umfangsgeschwindigkeit von 30o m/sec rotieren läßt, so können beide Komponenten eines 5o%igen binären Isotopengemisches oder auch eines entsprechenden Gasgemisches ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Gegenstromes von 5o auf 5 i 0/0 angereichert werden. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Gegenstromes dagegen läßt sich eine Anreicherung von 50 auf 76% erreichen.
Läßt man eine solche Zentrifuge mit der höchsten bisher bei Zentrifugen erreichten Umfangsgeschwindigkeit von 6oo m/sec rotieren, so wird ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Gegenstromes eine Anreicherung der Komponenten bis höchstens 5340/0 erreicht. Unter Benutzung des erfindungsgemäßen Gegenstromes dagegen läßt sich eine 99%ige Anreicherung erzielen.
Die vorstehenden Angaben sind das Ergebnis einer Nä.herungsrechnung. In der Praxis werden die Ergebnnisse sowohl beim Arbeiten .mit Gegenstrom als auch ohne Gegenstrom voraussnchtl,idh etwas ungünstiger sein.
Das .erfundene Verfahren ist .nicht nur auf Gasgemische anwendbar, sondern kann in analoger Weise auch zur Trennung schwer zerlegbarer Flüssigkeiten verwendet werden. Es ist zwar bekannt, Emulsionen in Zentrifugen zu trennen; mit einer erfindungsgemäßen Zentrifuge lassen sich dagegen weit :höhere Leistungen erzielen, z. B. die Trennung echter Lösungen oder kolloidaler Mischungen, was mit gewöhnlichen Zentrifugen nicht möglich ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Zerlegung von Gas- und Flüssigkeitsgemischen in Zentrifugen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kreisstrom als achsparalleler laminarer Gegenstrom geführt wird, wobei Zentrifugen angewendet werden, deren axiale Länge wesentlich größer ist als ihr äußerer Durchmesser und bei denen die Ableitung der Zerlegungsprodukte aus dem Läufer der Zentrifuge an Stellen erfolgt, welche in der Projektion auf die Welle gemessen, weit voneinander entfernt sind.
2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstrom durch die Schwerkraft bewirkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Impuls des mit einer anfänglichen Geschwindigkeit eintretenden urizerlegten Gasgemisches zur Anregung und Aufrechterhaltung oder auch zur Abbremsung des Gegenstromes auf den günstigsten Wert herangezogen wird.
4. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstrom mit Hilfe einer in der Zentrifuge aufrechterhaltenen Temperaturdifferenz erzeugt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, gekennzeichnet durch Einbauten zurAbbremsung der Geschwindigkeit des Gegenstromes, die vorzüglich aus radialen senkrechten Wänden oder trichterförmigen Netzen, gelochten Blechen oder Tucheinlagen bestehen.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, gekennzeichnet durch Einbauten, die die Gestalt ein- oder mehrgängiger Schraubenflächen haben.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufrechterhaltung einer günstigsten Gesch«vindigkeit des Gegenstromes die Rotatiornsachse schräg gegen die Richtung der Erdbeschleunigung eingestellt wird. B. Zentrifuge zur Zerlegung von Gasgemischen, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der axialen Länge zum der 7entrifuge größer als 5 ist.