RU2724101C1

RU2724101C1 - Method and device for separation of mixed gases by molecular weight

Info

Publication number: RU2724101C1
Application number: RU2019127403A
Authority: RU
Inventors: Артём Николаевич Якунчиков; Василий Викторович Косьянчук
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2020-06-22

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: group of inventions relates to separation of gases of different molecular weight and gas isotopic mixtures on the basis of molecular weight. Method is based on the effect detected by the authors, which occurs during non-steady flow of a mixture of gases into a vacuumized volume, which is periodically interrupted. Technically, this method can be implemented in a variety of versions of devices – both new, and by modifying existing ones. In order to implement the method, the initial gas mixture flows through a certain pre-evacuated volume, called a working chamber, into the output tank. Flow is intermittently interrupted at the inlet of the outlet reservoir, and the mixture of gases which did not have time to pass through the chamber is returned to the reservoir with the initial mixture. Further, the chamber is pumped out again, and flow is again organized, etc. As a result, the portion of the enriched mixture with the concentration of the light component falls higher than the maximum possible values in the outlet reservoir when the gas-diffusion separation method is stationary. This process can be implemented on devices produced by modification of several types of existing pumps (for example, plate-rotary vacuum pump, Roots blower, peristaltic pump). Also described is the design of several new devices which implement the disclosed method. Invention makes it possible to separate mixture of gases and gas isotope mixtures based on molecular weight feature with separation coefficient higher than that of gas-diffusion separation method, but at speeds of moving parts lower, at least by one order, than the characteristic thermal velocity of molecules of the mixture, rotor rotation speeds of less than 10 thousand rpm, without using more than one source of vacuum, as well as complex equipment, such as plasma and electromagnetic separators. Besides, proposed method allows separation of various gas mixes at the same unit only due to control of rotor speed. Besides, proposed method makes it possible to miniaturize separating device.EFFECT: this leads to considerable increase of light component concentration in the obtained enriched mixture as compared to stationary flow in transition or free-molecular mode (gas-diffusion separation method).16 cl, 7 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Группа изобретений относится к области разделения смеси газов, в т.ч. изотопных газовых смесей, по признаку молекулярной массы. Изобретение может быть использовано для выделения определенных газов из смеси, обогащения и обеднения смеси различными ее компонентами. Изобретение может применяться для производства сверхчистых газов, востребованных современной промышленностью, а также в атомной отрасли для получения обогащенных тем или иным изотопом смесей.The group of inventions relates to the field of separation of a mixture of gases, including isotopic gas mixtures based on molecular weight. The invention can be used to isolate certain gases from a mixture, enrich and deplete a mixture of its various components. The invention can be used for the production of ultra-pure gases, demanded by modern industry, as well as in the nuclear industry to obtain mixtures enriched in one or another isotope.

Уровень техникиState of the art

Из уровня техники известен ряд технических решений по разделению газов различной молекулярной массы и газовых изотопных смесей, таких как: электромагнитное разделение (патент РФ №2214301), газодиффузионное разделение, центрифужное разделение (патент РФ №2036702, 2331463), лазерное разделение (патенты РФ №2652260, 2446003), криогенное разделение (патент РФ №2460952), адсорбционный метод, мембранный метод (патент РФ №2605561). Каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками. Электромагнитный метод, который характеризуется высоким коэффициентом разделения, является крайне энергозатратным, и позволяет получать лишь небольшие количества продукта, что делает его малоприменимым для промышленного производства. Коэффициент разделения в методе газодиффузионного разделения определяется корнем из отношения молекулярных масс газов, составляющих смесь, и, следовательно, является крайне малым. Для промышленного производства необходимо использовать каскады из сотен ступеней, что приводит к значительному энергопотреблению. Метод центрифужного разделения хорошо технически отработан и в настоящее время широко применяется в промышленности. Он имеет коэффициент разделения на одной ступени заметно выше, чем у газодиффузионного метода, и как следствие, требует значительно меньшего количества ступеней. Недостатком метода является необходимость очень высоких скоростей вращения (~90-100 тыс.об./мин.) центрифуги, что ведет к высокой сложности применяемых аппаратов (следовательно, и высокой стоимости), негативно влияет на их надежность и долговечность, а также способствует большому потреблению электроэнергии. Лазерное разделение газов и, в частности, изотопов урана, основано на том, что молекулы, содержащие различные изотопы, имеют различающиеся энергии возбуждения, что позволяет реализовать высокий коэффициент разделения. Однако при реализации данного метода возникает ряд сложностей с производительностью, сроком службы лазеров, их подстройкой с высокой точностью на длины волн, соответствующие электронным переходам в атомах, составляющих газ, и отбором обогащенного материала без остановки процесса. В результате этого данный способ еще так и не дошел до полноценного промышленного внедрения. К недостаткам криогенного метода можно отнести высокие энергозатраты. В адсорбционном методе требуется регулярная очистка рабочего тела.A number of technical solutions are known from the prior art for separating gases of different molecular weights and gas isotopic mixtures, such as: electromagnetic separation (RF patent No. 2214301), gas diffusion separation, centrifugal separation (RF patent No. 2036702, 2331463), laser separation (RF patents No. 2652260, 2446003), cryogenic separation (RF patent No. 2460952), adsorption method, membrane method (RF patent No. 2606061). Each of them has its own advantages and disadvantages. The electromagnetic method, which is characterized by a high separation coefficient, is extremely energy-consuming, and allows only small amounts of the product to be obtained, which makes it of little use for industrial production. The separation coefficient in the method of gas diffusion separation is determined by the root of the ratio of the molecular masses of the gases that make up the mixture, and, therefore, is extremely small. For industrial production, it is necessary to use cascades of hundreds of steps, which leads to significant energy consumption. The centrifugal separation method is well-developed and is currently widely used in industry. It has a separation coefficient at one stage much higher than that of the gas diffusion method, and as a result, requires a significantly smaller number of stages. The disadvantage of this method is the need for very high rotation speeds (~ 90-100 thousand rpm) of the centrifuge, which leads to the high complexity of the apparatus used (therefore, high cost), negatively affects their reliability and durability, and also contributes to a large electricity consumption. Laser separation of gases and, in particular, uranium isotopes, is based on the fact that molecules containing different isotopes have different excitation energies, which allows for a high separation coefficient. However, when implementing this method, a number of difficulties arise with the performance, laser life, fine-tuning them to wavelengths corresponding to electronic transitions in the atoms that make up the gas, and selecting the enriched material without stopping the process. As a result of this, this method has not yet reached full industrial implementation. The disadvantages of the cryogenic method include high energy costs. The adsorption method requires regular cleaning of the working fluid.

Из уровня техники известны также способ и устройство для концентрации компонента смеси газов (US 4349356 A), согласно которым организуется истечение смеси газов в вакуум через мембрану, которая постоянно сдвигается в своей плоскости через уплотнители в дополнительный вакуумированный резервуар. В результате часть смеси газов, которая успела пройти через канал мембраны до того, как этот канал оказался в дополнительном резервуаре за счет движения мембраны, является обогащенной легким компонентом и откачивается первым вакуумным насосом в качестве продукта. Часть смеси, которая не успела протечь через канал мембраны во время ее движения по рабочей зоне, сдвигается вместе с мембраной в дополнительный резервуар, откачиваемый вторым вакуумным насосом.The prior art also knows a method and apparatus for concentrating a component of a gas mixture (US 4,349,356 A), according to which a gas mixture flows into a vacuum through a membrane, which constantly moves in its plane through seals into an additional evacuated tank. As a result, the part of the gas mixture that managed to pass through the membrane channel before this channel was in the additional tank due to the movement of the membrane is enriched in a light component and is pumped out by the first vacuum pump as a product. Part of the mixture, which did not have time to leak through the membrane channel during its movement along the working zone, is shifted together with the membrane into an additional reservoir pumped out by the second vacuum pump.

Наиболее близкими к заявляемому решению являются способ и устройство для разделения газообразных изотопов (US 3277637 A), в котором истечение смеси газов в вакуум периодически прерывается за счет вращения ротора. При этом часть смеси, которая успела протечь через канал в роторе, является обогащенной легким компонентом и откачивается первым вакуумным насосом в качестве продукта. Часть смеси, которая не успела протечь по каналу в роторе, сдвигается вместе с каналом в дополнительный резервуар, откачиваемый вторым вакуумным насосом.Closest to the claimed solution are a method and a device for separating gaseous isotopes (US 3277637 A), in which the outflow of a gas mixture into a vacuum is periodically interrupted due to the rotation of the rotor. Moreover, the part of the mixture that managed to flow through the channel in the rotor is enriched with a light component and is pumped out by the first vacuum pump as a product. Part of the mixture, which did not have time to flow along the channel in the rotor, is shifted together with the channel to an additional tank pumped out by the second vacuum pump.

Однако, в данных изобретениях канал (канал мембраны или углубление в роторе), через который происходит истечение в вакуум, периодически перекрывается с обоих сторон и сдвигается в дополнительный резервуар для того, чтобы откачать оставшуюся в нем смесь, что необходимо для повторного использования канала. Объем дополнительного резервуара должен быть заметно больше объема канала, чтобы обеспечить быстрый выход основной части смеси из канала. С другой стороны, увеличение объема дополнительного резервуара влечет повышение требований к производительности второго вакуумного насоса. Таким образом, к недостаткам данных установок следует отнести то, что во-первых, они требуют второй источник вакуума (второй вакуумный насос), а, во-вторых, требуют очень высокой производительности этого второго источника вакуума, которая по меньшей мере на порядок должна превышать производительность первого вакуумного насоса (откачивающего продукт).However, in these inventions, the channel (membrane channel or recess in the rotor) through which the vacuum flows out is periodically blocked on both sides and is shifted to an additional tank in order to pump out the remaining mixture in it, which is necessary for reuse of the channel. The volume of the additional tank should be noticeably larger than the volume of the channel in order to ensure a quick exit of the main part of the mixture from the channel. On the other hand, an increase in the volume of the additional tank entails an increase in the performance requirements of the second vacuum pump. Thus, the disadvantages of these installations include the fact that, firstly, they require a second vacuum source (second vacuum pump), and secondly, they require a very high productivity of this second vacuum source, which should be at least an order of magnitude higher performance of the first vacuum pump (pumping product).

Это ведет к усложнению технологии, повышенным энергозатратам, и как следствие, увеличению стоимости установки.This leads to a complication of technology, increased energy consumption, and as a result, increased installation costs.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Технической проблемой является разработка способа и реализующего его устройства, обеспечивающих разделение смеси газов и газовых изотопных смесей, и лишенных недостатков существующих технических решений:The technical problem is the development of a method and a device that implements it, providing separation of a mixture of gases and gas isotopic mixtures, and devoid of the disadvantages of existing technical solutions:

- ограничение на коэффициент разделения одной ступени (газодиффузионные методы);- restriction on the separation coefficient of one stage (gas diffusion methods);

- необходимость использования нескольких источников вакуума, в том числе высокой производительности (описанные выше наиболее близкие к заявляемому прототипы);- the need to use several sources of vacuum, including high performance (described above are closest to the claimed prototypes);

- высокие скорости вращения (движения) деталей устройства, имеющие порядок молекулярных тепловых скоростей (разделительные газовые центрифуги);- high speeds of rotation (motion) of device parts having the order of molecular thermal velocities (gas separation centrifuges);

- высокая сложность технических средств, таких как плазменные и электромагнитные сепараторы.- high complexity of technical means, such as plasma and electromagnetic separators.

Достигаемый технический результат - возможность разделения смеси газов и газовых изотопных смесей по признаку молекулярной массы с коэффициентом разделения выше, чем у метода газодиффузионного разделения, но при скоростях движущихся деталей ниже, как минимум, на один порядок, чем характерная тепловая скорость молекул смеси, с использованием не более, чем одного источника вакуума, а также без использования сложных технических средств, таких как плазменные и электромагнитные сепараторы. Также предлагаемый способ позволяет при необходимости миниатюризировать разделительное устройство.Achievable technical result - the ability to separate a mixture of gases and gas isotopic mixtures on the basis of molecular weight with a separation coefficient higher than that of gas diffusion separation, but at speeds of moving parts lower by at least one order of magnitude than the characteristic thermal velocity of the mixture molecules, using no more than one vacuum source, and also without the use of complex technical means, such as plasma and electromagnetic separators. Also, the proposed method allows, if necessary, to miniaturize the separation device.

Технический результат достигается посредством использования способа разделения смеси газов по молекулярной массе, который включает, по меньшей мере, один этап, на котором организуют циклически повторяющееся нестационарное истечение исходной смеси газов из входного резервуара через вакумированную камеру в соединенный с ней вакуумированный выходной резервуар, которое периодически прерывают на входе выходного резервуара, протекшую в выходной резервуар обогащенную легким компонентом смесь откачивают в качестве продукта, при этом обеспечивают давление в камере и в выходном резервуаре перед началом истечения ниже, чем во входном резервуаре. Согласно изобретению смесь газов, которая не успела протечь в выходной резервуар и находится в камере, оттесняют обратно во входной резервуар, перед началом истечения обеспечивают такое давление в камере, что реализуется свободномолекулярный или переходный режим течения, а время Т1, через которое прерывают истечение, выбирают из условия T1<K*L/C, где L - характерный продольный размер камеры, С - характерная тепловая скорость легкого компонента смеси, К коэффициент, зависящий от давления и температуры во входном резервуаре, который увеличивается с ростом Kn, где Kn - число Кнудсена, вычисленное по давлению во входном резервуаре и характерному поперечному размеру камеры, и который выбирают экспериментально в зависимости от требуемой степени обогащения смеси. Например, при Kn = 1 К выбирают равным 50, при Kn = 0.1 K = 10.The technical result is achieved through the use of a method for separating a gas mixture by molecular weight, which includes at least one stage in which a cyclically repeating unsteady outflow of the initial gas mixture from the inlet tank through the evacuated chamber to the evacuated outlet tank connected to it is organized, which is periodically interrupted at the inlet of the outlet tank, the mixture enriched in the light component enriched in the light component is pumped out as a product, while the pressure in the chamber and in the outlet tank is lower before the outflow than in the inlet tank. According to the invention, the gas mixture that did not have time to leak into the outlet tank and is in the chamber is pushed back to the inlet tank, before the outflow begins to provide such a pressure in the chamber that a free molecular or transitional flow regime is realized, and the time T1, after which the outflow is interrupted, is selected from the condition T1 <K * L / C, where L is the characteristic longitudinal size of the chamber, C is the characteristic thermal velocity of the light component of the mixture, K is a coefficient depending on pressure and temperature in the inlet tank, which increases with increasing Kn, where Kn is the Knudsen number calculated by the pressure in the inlet tank and the characteristic transverse size of the chamber, and which is chosen experimentally depending on the desired degree of enrichment of the mixture. For example, at Kn = 1 K, 50 is chosen, at Kn = 0.1 K = 10.

Технический результат достигается посредством использования устройства для разделения смеси газов по молекулярной массе, имеющего в своем составе соединенные через камеру входной и выходной резервуары; запирающий блок, выполненный с возможностью перекрытия течения в месте соединения с входным резервуаром и выходным резервуарам, а также вытеснения газа из камеры в сторону входного резервуара; вакуумный насос, соединенный с выходным резервуаром.The technical result is achieved by using a device for separating a mixture of gases by molecular weight, having in its composition inlet and outlet reservoirs connected through a chamber; a locking unit configured to shut off the flow at the junction with the inlet tank and the outlet tanks, as well as displacing the gas from the chamber toward the inlet tank; vacuum pump connected to the outlet tank.

Запирающий блок может иметь различные варианты реализации, например, может быть выполнен в виде одного или нескольких поршней с обеспечением возможности их перемещения по пространству камеры.The locking unit may have various implementations, for example, may be made in the form of one or more pistons with the possibility of their movement through the chamber.

Камера также может иметь различные варианты реализации, например, может быть выполнена с возможностью ее деформации, при этом запирающий блок должен обеспечивать возможность смыкания стенок камеры, перекрывающего течение по ней, и перемещение области перекрытия по длине камеры.The camera can also have various implementation options, for example, it can be made with the possibility of its deformation, while the locking unit must provide the possibility of closing the walls of the chamber, blocking the flow along it, and moving the overlap area along the length of the chamber.

В одном из вариантов реализации изобретения запирающий блок содержит два поршня с обеспечением их согласованного движения, при котором расстояние между торцами поршней, когда они идут в сторону входного резервуара, выбирают большим, чем длина камеры, чтобы входной и выходной резервуар стали сообщающимися, а при перемещении поршней в обратном направлении они движутся, соприкоснувшись торцами, чтобы не допустить перетекания исходной смеси в выходной резервуар.In one embodiment of the invention, the locking unit comprises two pistons to ensure their coordinated movement, in which the distance between the ends of the pistons, when they go towards the inlet reservoir, is chosen greater than the length of the chamber so that the inlet and outlet reservoir become connected, and when moving the pistons in the opposite direction, they move, touching the ends to prevent the flow of the original mixture into the outlet tank.

В другом варианте реализации изобретения конструкция камеры с запирающим блоком выполнена в виде пластинчато-роторного вакуумного насоса (ПРВН), при этом отверстия в статоре ПРВН размещены так, чтобы при определенных положениях ротора ПРВН входной и выходной резервуары, подключенные к выходу и входу ПРВН, соответственно, были сообщающимися.In another embodiment of the invention, the design of the chamber with the locking unit is in the form of a rotary vane rotary pump (PRVN), while the openings in the stator of the PRVN are arranged so that, at certain positions of the rotor of the PRVN, the input and output tanks connected to the output and input of the PRVN, respectively were communicating.

Конструкция камеры с запирающим блоком также может быть выполнена в виде перистальтического насоса (ПН), при этом выводы гибких каналов ПН размещены так, чтобы при определенных положениях ротора ПН входной и выходной резервуары, подключенные к выходу и входу ПН, соответственно, были сообщающимися. В качестве гибких каналов могут быть использованы упругие прямые или изогнутые трубы, щели, плоские или иные каналы, системы из таких щелей или каналов, а также объемы с мембранами или массивами из пористого материала.The design of the chamber with the locking unit can also be made in the form of a peristaltic pump (PN), while the terminals of the flexible channels of the PN are placed so that at certain positions of the rotor of the PN, the input and output reservoirs connected to the output and input of the PN, respectively, are communicating. As flexible channels, elastic straight or bent pipes, slots, flat or other channels, systems of such slots or channels, as well as volumes with membranes or arrays of porous material can be used.

Конструкция камеры с запирающим блоком может быть выполнена в виде насоса типа Руте (НТР), при этом отверстия в статоре выполнены так, чтобы при определенных положениях роторов НТР входной и выходной резервуары, подключенные к выходу и входу НТР, соответственно, были сообщающимися.The design of the chamber with the locking unit can be made in the form of a Rute (НТР) pump, with the holes in the stator being made so that, at certain positions of the rotors of the НТР, the input and output reservoirs connected to the output and input of the НТР, respectively, are communicating.

В одном из вариантов осуществления изобретения запирающий блок может быть выполнен в виде статора, разделяющего камеру, по меньшей мере, на два объема 1 и 2, которые связаны соответственно с входным и выходным резервуарами, и поршней, выполненных в виде пластин или стержней, при этом в статоре выполнены сквозные отверстия, связывающие объемы 1 и 2, а поршни выполнены с возможности перемещения в данных отверстиях, при котором по направлению из объема 2 в объем 1 поршни перемещаются друг за другом с одинаковыми или близкими скоростями, а расстояние L между торцами идущих друг за другом поршней должно быть больше, чем толщина статора, при перемещении в обратном направлении из объема 1 в объем 2 поршни проходят отверстия в статоре, соприкоснувшись торцами.In one embodiment of the invention, the locking block may be made in the form of a stator dividing the chamber into at least two volumes 1 and 2, which are connected respectively to the inlet and outlet reservoirs, and pistons made in the form of plates or rods, wherein through the stator, through holes are made connecting the volumes 1 and 2, and the pistons are arranged to move in these holes, in which the pistons move one after the other from the volume 2 to the volume 1 at the same or close speeds, and the distance L between the ends of each other after the other pistons should be larger than the stator thickness, when moving in the opposite direction from volume 1 to volume 2, the pistons pass holes in the stator, touching the ends.

Кроме того, конструкция камеры с запирающим блоком может иметь вариант выполнения в виде цилиндрического ротора, размещенного в статоре, в поверхности ротора выполнены углубления, в которые установлены подвижные пластины, выполненные с возможностью перемещения по высоте углубления, обеспечивая изменение высоты углубления от 0 до h, в статоре со стороны внутренней поверхности выполнены, по меньшей мере, два углубления, образующие объемы 1 и 2, которые связаны соответственно с входным и выходным резервуарами, при этом размер части статора, контактирующей с ротором и разделяющей объемы 1 и 2 в направлении движения ротора от объема 2 к объему 1 меньше характерной длины углублений в поверхности ротора в том же направлении, возможность перемещения платин по высоте углубления ротора реализована таким образом, чтобы при прохождении углубления над описанной частью статора подвижная пластина в данном углублении была вдвинута в ротор для обеспечения высоты углубления h, а перед прохождением другой части ротора в направлении от объема 1 к объему 2 максимально выдвинута, чтобы углубления в поверхности ротора не было.In addition, the design of the chamber with the locking unit may have an embodiment in the form of a cylindrical rotor located in the stator, recesses are made in the surface of the rotor, in which movable plates are mounted, made to move along the height of the recess, providing a change in the height of the recess from 0 to h, at least two recesses are made in the stator from the side of the inner surface, forming volumes 1 and 2, which are connected respectively to the inlet and outlet reservoirs, while the size of the part of the stator in contact with the rotor and separating the volumes 1 and 2 in the direction of movement of the rotor from volume 2 to volume 1 is less than the characteristic length of the recesses in the rotor surface in the same direction, the possibility of moving the platinum along the height of the rotor recess is implemented so that when the recess passes over the described part of the stator, the movable plate in this recess is pushed into the rotor to provide the height of the recess h , and before passing another of the rotor in the direction from volume 1 to volume 2 is extended as far as possible so that there are no recesses in the surface of the rotor.

Конструкция камеры с запирающим блоком еще в одном варианте реализации изобретения может быть выполнена в виде плоского ротора (по аналогии с цилиндрическим ротором), размещенного над статором, где в поверхности ротора выполнены углубления, в которые установлены подвижные пластины, выполненные с возможностью перемещения по высоте углубления, обеспечивая изменение высоты углубления от 0 до h, в статоре со стороны ротора выполнены, по меньшей мере, два углубления, образующие объемы 1 и 2, которые связаны соответственно с входным и выходным резервуарами, при этом размер части статора, контактирующей с ротором и разделяющей объемы 1 и 2 в направлении движения ротора от объема 2 к объему 1 меньше характерной длины углублений в поверхности ротора в том же направлении, возможность перемещения платин по высоте углубления ротора реализована таким образом, чтобы при прохождении углубления над описанной частью статора подвижная пластина в данном углублении была вдвинута в ротор для обеспечения высоты углубления h, а перед прохождением другой части ротора в направлении от объема 1 к объему 2 максимально выдвинута, чтобы углубления в поверхности ротора не было.The design of the chamber with the locking unit in another embodiment of the invention can be made in the form of a flat rotor (similar to a cylindrical rotor) located above the stator, where recesses are made in the surface of the rotor, in which movable plates are mounted, made to move along the height of the recess providing a change in the height of the recess from 0 to h, at least two recesses are made in the stator on the rotor side, forming volumes 1 and 2, which are connected respectively to the inlet and outlet reservoirs, while the size of the part of the stator in contact with the rotor and separating volumes 1 and 2 in the direction of movement of the rotor from volume 2 to volume 1 are less than the characteristic length of the recesses in the rotor surface in the same direction, the ability to move the platinum along the height of the rotor recess is implemented so that when the recess passes over the described part of the stator, the movable plate in this recess has been pushed into the rotor to ensure you cells of the recess h, and before passing through another part of the rotor in the direction from the volume 1 to the volume 2, it is extended as far as possible so that the recess is not in the surface of the rotor.

В вариантах использования изобретения согласно п. 12 или 13 формулы изобретения на поверхность ротора может быть установлена упругая непроницаемая мембрана для изоляции механизмов подвижных пластин от разделяемой смеси, при этом мембрана закреплена в одной или нескольких точках к каждой из подвижных пластин в углублениях ротора. В вариантах использования изобретения согласно п. 4, или 6, или 11 формулы изобретения устройство выполнено с возможностью регулировки скорости движения поршней. В вариантах использования изобретения согласно п. 7, или 8, или 10, или 12, или 13, устройство может быть выполнено с возможностью регулировки скорости вращения роторов.In embodiments of the invention according to claim 12 or 13 of the claims, an elastic impermeable membrane can be installed on the rotor surface to isolate the mechanisms of the moving plates from the shared mixture, the membrane being fixed at one or more points to each of the moving plates in the recesses of the rotor. In embodiments of the invention according to claim 4, 6, or 11 of the claims, the device is configured to adjust the speed of the pistons. In embodiments of the invention according to claim 7, or 8, or 10, or 12, or 13, the device can be configured to adjust the rotational speed of the rotors.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

Фиг. 1. Принципиальная схема Устройства 1 (а) и схема работы камеры (б). На Фиг. 1 приняты следующие обозначения: R1 - резервуар для исходной смеси, С1 - рабочая камера Устройства 1, Р2 - вакуумный насос, стрелка внутри которого указывает направление откачки.FIG. 1. Schematic diagram of Device 1 (a) and the circuit diagram of the camera (b). In FIG. 1, the following designations are adopted: R1 is the reservoir for the initial mixture, C1 is the working chamber of Device 1, P2 is the vacuum pump, the arrow inside which indicates the direction of pumping.

Фиг. 2. Принципиальная схема Устройства 2 (а) и рабочей камеры Устройства 2 (б). На Фиг. 2 приняты следующие обозначения: R1 - резервуар для исходной смеси, С2 - рабочая камера Устройства 2, Р2 - насос, стрелка внутри которого указывает направление откачки, 1 - статор, внутри которого пунктиром обозначены отверстия, 2 - ротор, направление вращения которого обозначено стрелкой, 3 - подпружиненные пластины.FIG. 2. Schematic diagram of Device 2 (a) and the working chamber of Device 2 (b). In FIG. 2 the following designations are accepted: R1 is the reservoir for the initial mixture, C2 is the working chamber of Device 2, P2 is the pump, the arrow inside of which indicates the direction of pumping, 1 is the stator, inside of which the openings are indicated by dotted lines, 2 is the rotor, the rotation direction of which is indicated by the arrow, 3 - spring-loaded plate.

Фиг. 3. Принципиальная схема Устройства 3 (а) и рабочей камеры Устройства 3 (б). На Фиг. 3 приняты следующие обозначения: R1 - резервуар для исходной смеси, С3 - рабочая камера Устройства 3, Р2 - насос, стрелка внутри которого указывает направление откачки, 1 - статор, 2 - ротор, направление вращения которого обозначено стрелками, 4 - ролики, 5 - гибкие каналы.FIG. 3. Schematic diagram of Device 3 (a) and the working chamber of Device 3 (b). In FIG. 3 the following designations are accepted: R1 is the reservoir for the initial mixture, C3 is the working chamber of Device 3, P2 is the pump, the arrow inside of which indicates the direction of pumping, 1 is the stator, 2 is the rotor, the direction of rotation of which is indicated by arrows, 4 are the rollers, 5 is flexible channels.

Фиг. 4. Принципиальная схема Устройства 4 (а) и рабочей камеры Устройства 4 (б). На Фиг. 4 приняты следующие обозначения: R1 - резервуар для исходной смеси, С4 - рабочая камера Устройства 4, Р2 - насос, стрелка внутри которого указывает направление откачки, 1 - статор, 2 - роторы, направления вращения которых обозначено стрелками.FIG. 4. Schematic diagram of Device 4 (a) and the working chamber of Device 4 (b). In FIG. 4, the following designations are accepted: R1 is the reservoir for the initial mixture, C4 is the working chamber of Device 4, P2 is the pump, the arrow inside of which indicates the direction of pumping, 1 is the stator, 2 are the rotors, the directions of rotation of which are indicated by arrows.

Фиг. 5. Принципиальная схема Устройства 5 (а) и принципа действия рабочей камеры Устройства 5 (б), два варианта схемы движения пластин ротора (в, г) для их возврата в начальное положение. На Фиг. 5 приняты следующие обозначения: R1 - резервуар для исходной смеси, С5 - рабочая камера Устройства 5, Р2 - насос, стрелка внутри которого указывает направление откачки, 1, 6 - статоры, 2 - ротор, направление движения которого обозначено стрелками, В1-В4 - пластины ротора.FIG. 5. Schematic diagram of Device 5 (a) and the principle of operation of the working chamber of Device 5 (b), two variants of the scheme of movement of the rotor plates (c, d) for their return to the initial position. In FIG. 5, the following designations are accepted: R1 - reservoir for the initial mixture, C5 - working chamber of Device 5, P2 - pump, the arrow inside of which indicates the direction of pumping, 1, 6 - stators, 2 - rotor, the direction of movement of which is indicated by arrows, B1-B4 - rotor plates.

Фиг. 6. Принципиальная схема Устройства 6 (а) и принципа действия рабочей камеры Устройства 6 (б), схема варианта рабочей камеры с цилиндрическим профилированным ротором (в), схема плоского профилированного ротора (г), схема статора для плоского профилированного ротора (д), варианты реализации механизма изменения высоты углубления - с помощью управляющего швеллера (е), с помощью комбинации упругого подвеса и магнитного поля, вариант устройства со сплошной упругой поверхностью ротора. На Фиг. 6 приняты следующие обозначения: R1 - резервуар для исходной смеси, С6 - рабочая камера Устройства 6, Р2 - насос, стрелка внутри которого указывает направление откачки, 1, 6 - статоры, 2 - ротор, направление движения которого обозначено стрелками, 3 - подвижные пластины, положение которых определяет высоту углубления, 7 - магнит, 8 - направляющая, 9 - упругая непроницаемая мембрана.FIG. 6. Schematic diagram of Device 6 (a) and the principle of operation of the working chamber of Device 6 (b), a diagram of a variant of the working chamber with a cylindrical profiled rotor (c), a diagram of a flat profiled rotor (d), a stator diagram for a flat profiled rotor (d), embodiments of the mechanism for changing the height of the recess - using the control channel (e), using a combination of an elastic suspension and a magnetic field, a variant of the device with a continuous elastic surface of the rotor. In FIG. 6 the following designations are accepted: R1 - reservoir for the initial mixture, C6 - working chamber of Device 6, P2 - pump, the arrow inside of which indicates the direction of pumping, 1, 6 - stators, 2 - rotor, the direction of movement of which is indicated by arrows, 3 - movable plates whose position determines the height of the recess, 7 is a magnet, 8 is a guide, 9 is an elastic impermeable membrane.

Фиг. 7. Концентрация легкого компонента в получаемой обогащенной смеси (а) и массовый выход легкого компонента в получаемой обогащенной смеси (б) в зависимости от скорости вращения ротора для различных геометрий устройства и давлений исходной смеси.FIG. 7. The concentration of the light component in the resulting enriched mixture (a) and the mass yield of the light component in the resulting enriched mixture (b) depending on the rotor speed for various device geometries and pressures of the initial mixture.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

При описании изобретения использована следующая терминология:When describing the invention, the following terminology is used:

Смесь газов - среда, состоящая, по меньшей мере, из двух различных сортов атомов или молекул в газообразном состоянии, в том числе изотопов одного химического элемента.A gas mixture is a medium consisting of at least two different types of atoms or molecules in a gaseous state, including isotopes of one chemical element.

Исходная смесь - это смесь газов с заданными концентрациями всех компонентов, которая подается в качестве исходного сырья на разделительное устройство или на ступень разделительного каскада.The initial mixture is a mixture of gases with predetermined concentrations of all components, which is supplied as raw material to the separation device or to the stage of the separation cascade.

Обогащенная смесь - это смесь газов, в которой повышена концентрация целевого компонента по сравнению с его концентрацией в исходной смеси.An enriched mixture is a gas mixture in which the concentration of the target component is increased compared to its concentration in the initial mixture.

Разделение смеси газов - процесс, при котором производится обогащенная смесь.Gas mixture separation is the process by which an enriched mixture is produced.

Коэффициент разделения компонентов 1 и 2 смеси - отношение количества молекул компонентов 1 и 2, протекающих через разделительное устройство в единицу времени, при условии, что в исходной смеси они находятся в равных молярных концентрациях.The separation coefficient of the components 1 and 2 of the mixture is the ratio of the number of molecules of the components 1 and 2 flowing through the separation device per unit time, provided that they are in equal molar concentrations in the initial mixture.

Камера (или рабочая камера) - пространство, ограниченное стенками, в которых имеется, по меньшей мере, два отверстия. Одно из отверстий будем называть входным, второе - выходным.A chamber (or a working chamber) is a space bounded by walls in which there are at least two openings. One of the holes will be called input, the second - output.

Запирающее устройство - устройство, позволяющее полностью или частично перекрыть поток газа в том сечении, где оно установлено.Locking device - a device that allows to completely or partially block the gas flow in the section where it is installed.

Характерный продольный размер камеры (L) - минимальное расстояние, которое необходимо пройти смеси газов по камере от входного до выходного отверстия.The characteristic longitudinal chamber size (L) is the minimum distance that a mixture of gases must pass through the chamber from the inlet to the outlet.

Характерный поперечный размер камеры (h) - характерный поперечный размер канала или каналов камеры, по которым смесь газов движется от входного до выходного отверстия. В тексте явно указано, какой размер взят за характерный.The characteristic transverse dimension of the chamber (h) is the characteristic transverse dimension of the channel or channels of the chamber along which the gas mixture moves from the inlet to the outlet. The text clearly indicates what size is taken as characteristic.

Средняя длина свободного пробега (l) - среднее расстояние, которое молекулы смеси газов проходят между столкновениями друг с другом при данном составе, давлении и температуре, вычисляемое для двухкомпонентной смеси по формуле (см. G.A. Bird, Molecular Gas Dynamics, Clarendon Press, Oxford, 1976):The mean free path (l) is the average distance that the gas mixture molecules travel between collisions with each other at a given composition, pressure and temperature, calculated for a two-component mixture by the formula (see GA Bird, Molecular Gas Dynamics, Clarendon Press, Oxford, 1976):

где k - константа Больцмана, π - число Пи, m_i, r_i, χ_i - масса, эффективный радиус и молярная концентрация молекул i-того сорта, р - давление, Т - температура.where k is the Boltzmann constant, π is the Pi number, m _i , r _i , χ _i is the mass, effective radius and molar concentration of molecules of the ith grade, p is pressure, T is temperature.

Число Кнудсена (Kn) - отношение средней длины свободного пробега к некоторому характерному размеру задачи h (в тексте всегда явно оговаривается, к какому именно), вычисляемое по формуле Kn=l/h.The Knudsen number (Kn) is the ratio of the mean free path to a certain characteristic size of the problem h (the text always explicitly stipulates which one), calculated by the formula Kn = l / h.

Свободномолекулярный режим течения - течение, которое реализуется в данной области при числах Кнудсена Kn>10, которые рассчитаны по характерному поперечному размеру области.The free-molecular flow regime is the flow that occurs in a given region at Knudsen numbers Kn> 10, which are calculated from the characteristic transverse size of the region.

Переходный режим течения - течение, которое реализуется в данной области при числах Кнудсена 0.1<Kn<10, которые рассчитаны по характерному поперечному размеру области.The transitional flow regime is the flow that occurs in this region at Knudsen numbers 0.1 <Kn <10, which are calculated from the characteristic transverse size of the region.

Характерная тепловая скорость (С) компонента смеси - скорость, квадрат которой может быть вычислен по формуле 2кТ/т, где k - константа Больцмана, Т - температура смеси, m - масса молекулы данного компонента.The characteristic thermal velocity (C) of the mixture component is the speed, the square of which can be calculated by the formula 2kT / t, where k is the Boltzmann constant, T is the temperature of the mixture, m is the mass of the molecule of this component.

Ниже представлено более детальное описание заявляемого изобретения.Below is a more detailed description of the claimed invention.

Способ разделения смеси газов проводят, по меньшей мере в один этап, на котором организуют циклически повторяющееся нестационарное истечение исходной смеси газов из входного резервуара через вакумированную камеру в соединенный с ней вакуумированный выходной резервуар. Через определенное время Т1 истечение прерывают на входе выходного резервуара, а смесь газов, которая не успела протечь в выходной резервуар и после перекрытия течения находится в камере, оттесняют обратно во входной резервуар. Смесь, успевшую протечь до перекрытия в выходной резервуар, откачивают в качестве продукта. Для того, чтобы в качестве продукта получалась обогащенная легким компонентом смесь и коэффициент разделения был выше, чем максимально возможный при стационарной свободномолекулярной диффузии (газодиффузионный метод разделения), соблюдают следующие условия:A method for separating a mixture of gases is carried out in at least one stage, in which cyclically repeating unsteady outflow of the initial mixture of gases from the inlet tank through the evacuated chamber into the evacuated outlet tank connected to it is organized. After a certain time T1, the outflow is interrupted at the inlet of the outlet tank, and the gas mixture, which did not have time to leak into the outlet tank and is located in the chamber after blocking the flow, is pushed back to the inlet tank. The mixture, which had time to leak before closing into the outlet tank, was pumped out as a product. In order to obtain a mixture enriched with a light component as a product and a separation coefficient higher than the maximum possible with stationary free molecular diffusion (gas diffusion separation method), the following conditions must be met:

(1) Давление в камере и в выходном резервуаре перед началом истечения должно быть ниже, чем во входном резервуаре, с обеспечением возможности реализации в камере свободномолекулярного или переходного режима течения.(1) The pressure in the chamber and in the outlet tank before the start of the outflow must be lower than in the inlet tank, with the possibility of realizing a free molecular or transitional flow regime in the chamber.

(2) Время прерывания течения смеси газов на входе выходного резервуара Т1 выбирают из условия T1<K*L/C, где L - характерный продольный размер камеры, С - характерная тепловая скорость легкого компонента смеси, К - коэффициент, зависящий от давления во входном резервуаре, подбираемый экспериментально. Было установлено, что коэффициент К возрастает с ростом числа Kn, вычисленному по давлению и температуре во входном резервуаре и характерному поперечному размеру камеры. Например, при KN = 0.1 коэффициент равен K = 10, а при Kn = 1 коэффициент равен K = 50.(2) The interruption time of the gas mixture flow at the inlet of the outlet tank T1 is selected from the condition T1 <K * L / C, where L is the characteristic longitudinal size of the chamber, C is the characteristic thermal velocity of the light component of the mixture, and K is a coefficient depending on the pressure in the inlet experimentally selected reservoir. It was found that the coefficient K increases with the number Kn, calculated from the pressure and temperature in the inlet tank and the characteristic transverse size of the chamber. For example, at KN = 0.1, the coefficient is K = 10, and at Kn = 1, the coefficient is K = 50.

Прерывание течения смеси газов на входе выходного резервуара может быть реализовано любыми известным из уровня техники средствами, например, истечение может прерываться на входе выходного резервуара идущим навстречу истечению поршнем или деформацией камеры, смыкающей ее стенки. Таким образом, смесь газов, которая не успела протечь в выходной резервуар и после перекрытия течения находится в камере, оттесняется из нее обратно во входной резервуар за счет движения описанных поршня или деформации по камере в сторону входного резервуара.The interruption of the flow of a gas mixture at the inlet of the outlet tank can be realized by any means known from the prior art, for example, the outflow can be interrupted at the inlet of the outlet tank by a piston running out of flow or by deformation of the chamber closing its walls. Thus, a mixture of gases that did not have time to leak into the outlet tank and is located in the chamber after the flow is blocked is pushed back from it into the inlet tank due to the movement of the described piston or deformation along the chamber towards the inlet tank.

Приведенные выше значения коэффициента К получены авторами в случае полной аккомодации импульса и энергии на стенках камеры (эта модель хорошо описывает значительную часть технических не полированных специальным образом поверхностей). Эти значения могут быть использованы в качестве опорных при наладке устройства. Зависимости концентрации обогащенной смеси от задержки Т1, полученные для конкретных газов, описаны ниже.The above values of the coefficient K were obtained by the authors in the case of complete accommodation of the pulse and energy on the walls of the chamber (this model well describes a significant part of the technical surfaces not polished in a special way). These values can be used as reference values when setting up the device. The dependences of the concentration of the enriched mixture on the T1 delay obtained for specific gases are described below.

Заявляемый способ был разработан в результате проведенного авторами событийного молекулярно-динамического моделирования нестационарного течения смеси газов в описанной геометрии с подвижными границами с учетом межмолекулярных столкновений. В ходе исследования было выявлено, как состав смеси газов, прошедшей в выходной резервуар, а также количество этой смеси зависят от времени Т1 до момента перекрытия потока, чисел Кнудсена (рассчитанных по давлениям резервуарах в начальном состоянии системы) и геометрии камеры. Установлено, что концентрация легкого компонента обогащенной смеси линейно зависит от величины (1/Т1). Установлено, что масса обогащенной смеси экспоненциально убывает с ростом (1/Т1). Таким образом, при увеличении скорости перекрытия течения возрастает концентрация обогащенной смеси, но при этом быстро уменьшается ее количество, получаемое за один цикл.The inventive method was developed as a result of the authors of the event molecular dynamics simulation of the unsteady flow of a mixture of gases in the described geometry with moving boundaries, taking into account intermolecular collisions. The study revealed how the composition of the gas mixture passed into the outlet tank, as well as the amount of this mixture depend on the time T1 until the flow is blocked, Knudsen numbers (calculated from the pressure of the tanks in the initial state of the system) and the geometry of the chamber. It was found that the concentration of the light component of the enriched mixture linearly depends on the value (1 / Т1). It was found that the mass of the enriched mixture decreases exponentially with increasing (1 / Т1). Thus, with an increase in the rate of flow shutoff, the concentration of the enriched mixture increases, but its quantity obtained in one cycle rapidly decreases.

При описании осуществления изобретения рассмотрено несколько геометрий и скоростей перекрытия течения, для которых приведены количественные значения концентрации и количества получаемой обогащенной смеси.When describing the implementation of the invention, several geometries and flow shutoff speeds are considered, for which quantitative values of the concentration and amount of the enriched mixture obtained are given.

В общем виде устройство имеет в своем составе входной резервуар и выходной резервуар, соединенные через камеру. Камера выполнена с возможностью вытеснения из нее газа в сторону входного резервуара, например, за счет движущегося по пространству камеры одного или нескольких поршней или деформации камеры, смыкающей ее стенки. Выходной резервуар подключен к вакуумному насосу. В момент, когда на входе в камеру начинается истечение, поршень (или деформация) еще не зашел в пространство камеры и не перекрыл ее сечение, тем самым входной и выходной резервуар остаются сообщающимися. Истечение смеси газов прерывается, когда поршень (или деформация) входит пространство камеры, оттесняя находящийся на тот момент в камере газ обратно во входной резервуар. Описанный процесс многократно повторяется. Для этого необходимо возвращать устройство в исходное положение. Это можно сделать различными способами, которые связаны с особенностями конструкции конкретной камеры, поэтому это проиллюстрировано ниже на нескольких конкретных примерах.In general terms, the device incorporates an inlet reservoir and an outlet reservoir connected through a chamber. The chamber is configured to displace gas from it towards the inlet reservoir, for example, due to one or more pistons moving through the chamber space or deformation of the chamber closing its walls. The outlet tank is connected to a vacuum pump. At the moment when the outflow begins at the inlet to the chamber, the piston (or deformation) has not yet entered the chamber space and has not blocked its section, thereby the inlet and outlet reservoir remain in communication. The outflow of the gas mixture is interrupted when the piston (or deformation) enters the chamber space, forcing the gas at that moment in the chamber back into the inlet tank. The described process is repeated many times. To do this, you must return the device to its original position. This can be done in various ways that are associated with the design features of a particular camera, so this is illustrated below with a few specific examples.

Устройство 1. Устройство имеет в своем составе входной резервуар и выходной резервуар, соединенные через камеру (см. Фиг. 1). По пространству камеры могут перемещаться два поршня, движение которых согласовано. Выходной резервуар откачивается вакуумным насосом. Расстояние между поршнями, когда они идут в сторону входного резервуара, должно быть большим, чем длина камеры. В обратном направлении они движутся, соприкоснувшись торцами, чтобы не допустить перетекания исходной смеси в выходной резервуар. Схематично один из вариантов согласованного движения поршней показан на Фиг. 1б. Обогащенная смесь откачивается насосом Р2 в качестве продукта или на следующую ступень каскада.Device 1. The device includes an inlet reservoir and an outlet reservoir connected through a chamber (see Fig. 1). Two pistons, the movement of which is coordinated, can move around the chamber. The outlet tank is pumped out by a vacuum pump. The distance between the pistons, when they go towards the inlet tank, should be greater than the length of the chamber. In the opposite direction, they move, touching the ends, to prevent the initial mixture from flowing into the outlet tank. Schematically, one of the variants of the coordinated movement of the pistons is shown in FIG. 1b. The enriched mixture is pumped out by pump P2 as a product or to the next stage of the cascade.

Устройство 2. Устройство (см. Фиг. 2), конструкция рабочей камеры С2 которого может быть выполнена по аналогии с конструкцией пластинчато-роторного вакуумного насоса (например, патент SU 1800114 А1), отличающаяся тем, что отверстия в статоре размещены так (см. Фиг. 2б), чтобы при определенных углах ротора объемы, присоединенные к камере, были сообщающимися. На Фиг. 2б обозначен угол Alpha: когда пластина оказывается внутри него, объемы, присоединенные к камере, становятся сообщающимися. Обозначим отступ d=Alpha*r, где r - радиус ротора. В результате вращения ротора на вход насоса Р2 попадают порции обогащенной смеси, а смесь газов, которая не успевает протечь через камеру, оттесняется обратно в резервуар R1 пластинами. Обогащенная смесь откачивается насосом Р2 в качестве продукта или на следующую ступень каскада. При фиксированной скорости вращения ротора величина отступа d определяет состав и количество получаемой обогащенной смеси: концентрация линейно возрастает, а масса экспоненциально убывает с увеличением (1/d). Если зафиксировать величину отступа d, то состав и количество получаемой обогащенной смеси можно регулировать за счет изменения скорости вращения ротора: концентрация линейно возрастает, а масса экспоненциально убывает с увеличением скорости вращения.Device 2. A device (see Fig. 2), the design of the working chamber C2 of which can be performed by analogy with the design of a rotary vane vacuum pump (for example, patent SU 1800114 A1), characterized in that the holes in the stator are placed like this (see Fig. 2b), so that at certain angles of the rotor, the volumes attached to the chamber are communicating. In FIG. 2b, the Alpha angle is indicated: when the plate is inside it, the volumes attached to the camera become interconnected. Denote the indent d = Alpha * r, where r is the radius of the rotor. As a result of the rotation of the rotor, portions of the enriched mixture fall at the inlet of the pump P2, and the gas mixture, which does not have time to leak through the chamber, is pushed back into the tank R1 by the plates. The enriched mixture is pumped out by pump P2 as a product or to the next stage of the cascade. At a fixed rotor speed, the indentation value d determines the composition and amount of the enriched mixture obtained: the concentration increases linearly, and the mass decreases exponentially with increasing (1 / d). If the indentation value d is fixed, then the composition and amount of the enriched mixture obtained can be controlled by changing the rotor speed: the concentration increases linearly, and the mass decreases exponentially with increasing speed.

Для возможности использования одной и той же установки для разделения разных смесей газов или регулирования состава и количества получаемой обогащенной смеси, необходимо, чтобы устройство удовлетворяло, по меньшей мере, одному из условий:In order to be able to use the same apparatus for separating different gas mixtures or to regulate the composition and amount of the enriched mixture obtained, it is necessary that the device satisfy at least one of the conditions:

- устройство было выполнено с возможностью регулировки скорости вращения ротора;- the device was made with the possibility of adjusting the speed of rotation of the rotor;

- устройство было выполнено с возможностью регулировки величины отступа d. Устройство 3. Устройство (см. Фиг. 3), конструкция рабочей камеры которого- the device was configured to adjust the amount of indentation d. Device 3. Device (see Fig. 3), the design of the working chamber of which

аналогична конструкции перистальтического насоса (например, патент SU 1656159 А1), отличающаяся тем, что выводы гибких каналов размещены так (см. Фиг. 3б), чтобы при определенном положении роликов объемы, присоединенные к устройству, были сообщающимися. На Фиг. 3б обозначен угол Alpha: когда ролик оказывается внутри него, объемы, присоединенные к камере, становятся сообщающимися. Обозначим отступ d=Alpha*r, где r - расстояние от оси вращения ротора до точки касания ролика с гибким каналом. В результате вращения ротора на вход насоса Р2 попадают порции обогащенной смеси, а смесь газов, которая не успевает протечь через каналы, оттесняется роликами обратно в резервуар R1. Обогащенная смесь откачивается насосом Р2 в качестве продукта или на следующую ступень каскада. При фиксированной скорости вращения ротора величина отступа d определяет состав и количество получаемой обогащенной смеси: концентрация линейно возрастает, а масса экспоненциально убывает с увеличением (1/d). Если зафиксировать величину отступа d, то состав и количество получаемой обогащенной смеси можно регулировать за счет изменения скорости вращения ротора: концентрация линейно возрастает, а масса экспоненциально убывает с увеличением скорости вращения.similar to the design of a peristaltic pump (for example, patent SU 1656159 A1), characterized in that the conclusions of the flexible channels are arranged so that (see Fig. 3b) so that, at a certain position of the rollers, the volumes connected to the device are communicating. In FIG. 3b, the Alpha angle is indicated: when the roller is inside it, the volumes attached to the camera become communicating. Denote the indent d = Alpha * r, where r is the distance from the axis of rotation of the rotor to the point of contact of the roller with a flexible channel. As a result of the rotation of the rotor, portions of the enriched mixture get to the inlet of the pump P2, and the gas mixture, which does not have time to leak through the channels, is pushed back into the tank R1 by the rollers. The enriched mixture is pumped out by pump P2 as a product or to the next stage of the cascade. At a fixed rotor speed, the indentation value d determines the composition and amount of the enriched mixture obtained: the concentration increases linearly, and the mass decreases exponentially with increasing (1 / d). If the indentation value d is fixed, then the composition and amount of the enriched mixture obtained can be controlled by changing the rotor speed: the concentration increases linearly, and the mass decreases exponentially with increasing speed.

Для возможности использования одной и той же установки для разделения разных смесей газов или регулирования состава и количества получаемой обогащенной смеси, необходимо, чтобы устройство также удовлетворяло по меньшей мере одному из условий:In order to be able to use the same installation to separate different gas mixtures or to control the composition and amount of the enriched mixture obtained, it is necessary that the device also satisfy at least one of the conditions:

- устройство было выполнено с возможностью регулировки величины отступа d. Необходимо отметить, что под действием низкого давления внутри гибких каналов,- the device was configured to adjust the amount of indentation d. It should be noted that under the action of low pressure inside flexible channels,

которое создает насос Р2, они могут пережиматься даже без воздействия ролика. Поэтому следует либо использовать более жесткий материал для изготовления каналов, либо обеспечить в объеме, в котором уложены каналы, пониженное давление, например, связав его откачиваемым резервуаром.which the P2 pump creates, they can be pinched even without the action of a roller. Therefore, one should either use more rigid material for the manufacture of channels, or provide a reduced pressure in the volume in which the channels are laid, for example, by connecting it to a pumped-out tank.

В качестве гибких каналов могут быть использованы прямые или изогнутые трубы, щели, плоские или иные каналы, выполненные из упругого материала, системы из таких щелей или каналов, а также трубы, щели и каналы, содержащие внутри себя массивы из упругого пористого материала.As flexible channels, straight or bent pipes, slots, flat or other channels made of elastic material, systems of such slots or channels, as well as pipes, slots and channels containing arrays of elastic porous material can be used.

Устройство 4. Устройство (см. Фиг. 4), конструкция рабочей камеры которого аналогична конструкции насосов типа Руте (например, патент SU 1158779 А1), отличающаяся тем, что границы отверстий в статоре смещены так (см. Фиг. 4б.), чтобы при определенных углах роторов объемы, присоединенные к камере, были сообщающимися. На Фиг. 3б обозначен угол Alpha: когда точка ротора, максимально удаленная от его оси вращения, оказывается внутри этого угла, объемы, присоединенные к камере, становятся сообщающимися. Обозначим отступ d=Alpha*r где r - радиус ротора (максимальный). В результате вращения роторов на вход насоса Р2 попадают порции обогащенной смеси, а смесь газов, которая не успевает протечь через камеру, оттесняется обратно в резервуар R1. Обогащенная смесь откачиваются насосом Р2 в качестве продукта или на следующую ступень каскада. При фиксированной скорости вращения роторов величина отступа d определяет состав и количество получаемой обогащенной смеси: концентрация линейно возрастает, а масса экспоненциально убывает с увеличением (1/d). Если зафиксировать величину отступа d, то состав и количество получаемой обогащенной смеси можно регулировать за счет изменения скорости вращения роторов: концентрация линейно возрастает, а масса экспоненциально убывает с увеличением скорости вращения.Device 4. A device (see Fig. 4), the design of the working chamber of which is similar to the design of Rute pumps (for example, patent SU 1158779 A1), characterized in that the boundaries of the holes in the stator are offset so (see Fig. 4b.) So that at certain rotor angles, the volumes attached to the chamber were in communication. In FIG. 3b, the Alpha angle is indicated: when the rotor point, which is the most distant from its axis of rotation, is inside this angle, the volumes attached to the camera become communicated. We denote the indent d = Alpha * r where r is the radius of the rotor (maximum). As a result of the rotation of the rotors, portions of the enriched mixture fall to the inlet of the pump P2, and the gas mixture, which does not have time to leak through the chamber, is pushed back to the reservoir R1. The enriched mixture is pumped out by pump P2 as a product or to the next stage of the cascade. At a fixed rotor speed, the indentation value d determines the composition and amount of the enriched mixture obtained: the concentration increases linearly, and the mass decreases exponentially with increasing (1 / d). If we fix the indentation value d, then the composition and amount of the enriched mixture obtained can be controlled by changing the rotor speed: the concentration increases linearly, and the mass decreases exponentially with increasing speed.

Для возможности использования одной и той же установки для разделения разных смесей газов или регулирования состава и количества получаемой обогащенной смеси, необходимо, чтобы устройство удовлетворяло по меньшей мере одному из условий:In order to be able to use the same installation to separate different gas mixtures or to regulate the composition and amount of the enriched mixture obtained, it is necessary that the device satisfy at least one of the conditions:

- устройство выполнено с возможностью регулировки скорости вращения роторов;- the device is configured to adjust the speed of rotation of the rotors;

- устройство выполнено с возможностью регулировки величины отступа d.- the device is configured to adjust the amount of indent d.

Устройство 5. Устройство имеет в своем составе рабочую камеру С5, которая имеет по меньшей мере два отверстия - входное и выходное (см. Фиг. 5а). Входное отверстие камеры соединено с резервуаром R1 с исходной смесью, выходное - с насосом Р2, направление откачки которого обозначено на Фиг. 5а. Принцип действия рабочей камеры С5 представлен на Фиг. 5б, данный фрагмент может быть один или периодически повторяться. Камера состоит из двух объемов, разделенных статором 1, в котором имеется один или несколько каналов (отверстий), и подвижной части (ротора) 2, выполненного в виде одной или нескольких пластин или стержней. Далее без потери общности будет описываться случай с пластинами. Пусть характерная толщина пластин 2 равна h, а расстояние между ними L. При этом расстояние L больше, чем толщина статора 1, разницу в этих размерах обозначим через d. Направление движения ротора 2 показано на Фиг. 5б стрелками. Связь объемов, разделяемых статором, и отверстиями камеры показана на Фиг. 5б: объем слева от статора 1 выведен на входной отверстие, объем справа от статора 1 выведен на выходное отверстие.Device 5. The device includes a working chamber C5, which has at least two openings - inlet and outlet (see Fig. 5a). The inlet of the chamber is connected to the reservoir R1 with the initial mixture, the outlet to the pump P2, the pumping direction of which is indicated in FIG. 5a. The principle of operation of the working chamber C5 is shown in FIG. 5b, this fragment may be one or periodically repeated. The chamber consists of two volumes separated by a stator 1, in which there is one or more channels (holes), and a moving part (rotor) 2, made in the form of one or more plates or rods. Next, without loss of generality, the case with the plates will be described. Let the characteristic thickness of the plates 2 be equal to h, and the distance between them L. Moreover, the distance L is greater than the thickness of the stator 1, the difference in these sizes is denoted by d. The direction of motion of the rotor 2 is shown in FIG. 5b by arrows. The relationship of the volumes separated by the stator and the chamber openings is shown in FIG. 5b: the volume to the left of the stator 1 is discharged to the inlet, the volume to the right of the stator 1 is discharged to the outlet.

При движении ротора в момент, когда пластины В1 выходят из каналов статора, начинается истечение исходной смеси через каналы статора в объем, соединенный с насосом Р2. Это истечение прекращается, когда пластины В2 входят в канал статора. При этом смесь газов, которая успела пройти в объем, расположенный слева от статора, будет обогащенной. Смесь газов, которая не успела пройти каналы до момента входа в него пластин В2, будет оттеснена обратно в объем, расположенный слева от статора. Таким образом, на вход насоса Р2 попала порция обогащенной смеси, которая откачивается им в качестве продукта или на следующую ступень каскада.When the rotor moves at the moment when the plates B1 exit the stator channels, the initial mixture begins to flow through the stator channels into the volume connected to the pump P2. This outflow ceases when plates B2 enter the stator channel. In this case, the mixture of gases that managed to pass into the volume located to the left of the stator will be enriched. The gas mixture, which did not have time to pass the channels before the B2 plates entered it, will be pushed back to the volume located to the left of the stator. Thus, a portion of the enriched mixture, which is pumped by it as a product or to the next stage of the cascade, entered the input of pump P2.

С практической точки зрения интересен циклический процесс получения порций обогащенной смеси, который требует возврата пластин ротора обратно в объем, связанный с выходным отверстием камеры. Это можно организовать несколькими способами:From a practical point of view, the cyclic process of obtaining portions of the enriched mixture is interesting, which requires the return of the rotor plates back to the volume associated with the outlet of the chamber. This can be organized in several ways:

1. Пластины ротора движутся согласно закону, показанному на Фиг. 5в:1. The rotor plates move according to the law shown in FIG. 5c:

- Фаза (1), в которой пластины В1 и В2 движутся влево с одной скоростью или близкими скоростями из положения, когда пластина В1 перекрывает канал статора, а пластина В2 находится на расстоянии L от пластины В2, в положение, когда левый торец пластины В2 прошел канал статора.- Phase (1), in which the plates B1 and B2 move to the left with the same speed or close speeds from the position where the plate B1 overlaps the stator channel and the plate B2 is at a distance L from the plate B2, to the position where the left end of the plate B2 has passed stator channel.

- Далее фаза (2), в которой пластина В1 движется вправо до достижения пластины В2, которая покоится или движется влево.- Next, phase (2), in which the plate B1 moves to the right until it reaches the plate B2, which is resting or moving to the left.

- Далее фаза (3), в которой обе пластины движутся вправо, соприкоснувшись торцами.- Then phase (3), in which both plates move to the right, touching the ends.

- Далее фаза (4), в которой пластина В1 движется влево, а пластина В2 покоится. Это происходит до положения, которое является начальным для фазы (1) и процесс повторяется.- Next, phase (4), in which the plate B1 moves to the left, and the plate B2 is at rest. This occurs to the position that is the initial for phase (1) and the process repeats.

2. В качестве ротора используются периодически расположенные друг за другом пластины. Возвращение пластин ротора в объем, откачиваемый насосом Р2, для их повторного использования осуществляется через статор 6, как изображено на Фиг. 6г: каждая пластина останавливается или замедляется в канале статора 6, чтобы следующая пластина ее догнала и они вместе проходили канал статора 6, соприкоснувшись торцами.2. As a rotor are used periodically arranged one after another plate. The return of the rotor plates to the volume pumped out by the pump P2, for their reuse is carried out through the stator 6, as shown in FIG. 6d: each plate stops or slows down in the channel of the stator 6 so that the next plate catches up with it and they together pass the channel of the stator 6, touching the ends.

Два описанных алгоритма позволяют избежать перетекания исходной смеси из резервуара R1 в объем, откачиваемый насосом Р2, при возвращении пластин ротора в стартовую позицию.The two described algorithms allow avoiding the overflow of the initial mixture from the reservoir R1 into the volume pumped out by the pump P2 when the rotor plates return to the starting position.

Устройство 6. Устройство (см.Фиг. 6) имеет в своем составе рабочую камеру С6, которая соединена с резервуаром R1 с исходной смесью и вакуумным насосом Р2, направление откачки которого обозначено на Фиг. 6а. Принцип действия рабочей камеры С6 представлен на Фиг. 6б, данный фрагмент может быть один или периодически повторяться. Камера имеет неподвижную часть (статор) и подвижную часть (ротор). Статор разделен по меньшей мере на два объема, которые выведены на входной резервуар R1 и вакуумный насос Р2, как указано на Фиг. 6б. В поверхности ротора сделаны углубления, в которых установлены пластины 3. Пластины могут перемещаться по высоте углубления, за счет чего высота углубления может изменяться от 0 до h. Позицией 1 обозначена часть статора, над которым углубление в роторе проходит в направлении к объему, соединенному с входным резервуаром. Статор 1 имеет длину L, которая должна быть меньше, чем длина углубления в роторе на величину d, чтобы при прохождении углубления над статором 1 объемы им разделенные становились сообщающимся. Данная схема устройства может быть реализована с помощью цилиндрического профилированного ротора (см.Фиг. 6в), а также полностью аналогично с помощью плоского профилированного ротора (см.Фиг. 6 г, д). При прохождении углубления ротора над статором 1 пластина в углублении должна быть в верхнем положении, тем самым обеспечивая высоту углубления h. Перед прохождением углубления над статором 6 пластина должна перемещаться в нижнее положении, тем самым выравнивая поверхность ротора. Управление положением пластины может осуществляться несколькими вариантами: с помощью направляющей 8 (см.Фиг. 6е), с помощью комбинации упругого подвеса и магнита 7 (см.Фиг. 6ж) или иным способом.Device 6. The device (see FIG. 6) includes a working chamber C6, which is connected to the reservoir R1 with the initial mixture and the vacuum pump P2, the pumping direction of which is indicated in FIG. 6a. The principle of operation of the working chamber C6 is shown in FIG. 6b, this fragment may be one or periodically repeated. The camera has a fixed part (stator) and a moving part (rotor). The stator is divided into at least two volumes that are discharged to the inlet tank R1 and the vacuum pump P2, as indicated in FIG. 6b. Recesses are made in the surface of the rotor, in which the plates 3 are mounted. The plates can move along the height of the recess, due to which the height of the recess can vary from 0 to h. Position 1 denotes the part of the stator, over which the recess in the rotor passes in the direction of the volume connected to the inlet tank. The stator 1 has a length L, which should be less than the length of the recess in the rotor by an amount d, so that when the recess passes over the stator 1, the volumes separated by it become communicated. This device scheme can be implemented using a cylindrical profiled rotor (see Fig. 6c), and also completely similarly using a flat profiled rotor (see Fig. 6 g, d). When passing the cavity of the rotor over the stator 1, the plate in the cavity should be in the upper position, thereby ensuring the height of the cavity h. Before passing the recess above the stator 6, the plate should move in the lower position, thereby leveling the surface of the rotor. The position of the plate can be controlled in several ways: using a guide 8 (see Fig. 6e), using a combination of elastic suspension and magnet 7 (see Fig. 6g), or in another way.

В результате вращения ротора на вход насоса Р2 попадают порции обогащенной смеси. Обогащенная смесь откачиваются насосом Р2 в качестве продукта или на следующую ступень каскада.As a result of the rotation of the rotor, portions of the enriched mixture fall at the inlet of the pump P2. The enriched mixture is pumped out by pump P2 as a product or to the next stage of the cascade.

При фиксированной скорости вращения ротора величина отступа d определяет состав и количество получаемой обогащенной смеси: концентрация линейно возрастает, а масса экспоненциально убывает с увеличением (1/d). Если зафиксировать величину отступа d, то состав и количество получаемой обогащенной смеси можно регулировать за счет изменения скорости вращения роторов: концентрация линейно возрастает, а масса экспоненциально убывает с увеличением скорости вращения.At a fixed rotor speed, the indentation value d determines the composition and amount of the enriched mixture obtained: the concentration increases linearly, and the mass decreases exponentially with increasing (1 / d). If we fix the indentation value d, then the composition and amount of the enriched mixture obtained can be controlled by changing the rotor speed: the concentration increases linearly, and the mass decreases exponentially with increasing speed.

- устройство было выполнено с возможностью регулировки скорости вращения роторов;- the device was made with the ability to adjust the speed of rotation of the rotors;

- устройство было выполнено с возможностью регулировки величины отступа d.- the device was configured to adjust the amount of indentation d.

Также можно выполнить поверхность ротора в виде упругой непроницаемой мембраны (см. Фиг. 6з), чтобы добиться сплошности поверхности ротора и тем самым полностью изолировать механизмы изменения высоты углублений от разделяемой смеси газов.You can also make the surface of the rotor in the form of an elastic impermeable membrane (see Fig. 6h) in order to achieve continuity of the surface of the rotor and thereby completely isolate the mechanisms for changing the height of the recesses from the shared gas mixture.

Во всех приведенных вариантах устройств смесь газа, не успевшая протечь через камеру, возвращается в резервуар R1. Таким образом, со временем концентрация легкого компонента в резервуаре R1 будет уменьшаться. Поэтому если устройство используется в качестве ступени разделительного каскада, следует периодически заменять обедненную смесь в резервуаре R1 на исходную, а обедненную отправлять на другую ступень.In all of the above versions of the devices, the gas mixture, which did not have time to leak through the chamber, returns to the reservoir R1. Thus, over time, the concentration of the light component in the reservoir R1 will decrease. Therefore, if the device is used as a stage of the separation cascade, it is necessary to periodically replace the depleted mixture in the tank R1 with the initial one, and the depleted one should be sent to another stage.

Осуществление изобретения продемонстрировано на примере разделения смеси газов неона (Ne) и аргона (Ar) с помощью одного из предложенных вариантов устройства, а именно Устройства 6 (см. Фиг. 6) в варианте с цилиндрическим профилированным ротором (см. Фиг. 6в).The implementation of the invention is demonstrated by the example of separation of a mixture of gases of neon (Ne) and argon (Ar) using one of the proposed device options, namely Device 6 (see Fig. 6) in the version with a cylindrical shaped rotor (see Fig. 6c).

Был использован цилиндрический ротор с радиусом r = 10 см, принципиальная схема которого представлена на Фиг. 6в. Длина статора и ротора в перпендикулярном плоскости чертежа направлении - Н = 50 см, конструкция закрыта герметично с двух сторон торцевыми крышками. Поверхность ротора профилирована: сделаны 60 прямоугольных углублений, центры которых расположены каждые 6 градусов. В углубления установлены пластины, точно подогнанные по размеру. Пластины могут перемещаться относительно тела ротора в радиальном направлении. Их положение определяется направляющей 8 (см. Фиг. 6е) в торцевых крышках так, чтобы в положении, когда они максимально вдвинуты в ротор, высота углубления составляла n = 1 мм, а в положении, когда они максимально выдвинуты, углубления не было. Внешний торец пластин закруглен по дуге ротора. Рассматривалось три варианта длины углубления W = 2h, 3h, 5h (в круговом направлении), чтобы продемонстрировать заявленные выше зависимости состава и количества получаемой обогащенной смеси от геометрических параметров. Статор 1 имел длину L=W-h, то есть соответственно L=h, 2h, 4h. Направляющая 8 для пластин в торцевых крышках была выполнена так, чтобы при прохождении над объемом, откачиваемым насосом Р2, пластины вдвигались, тем самым обеспечивая углубление h при прохождении над статором 1, а при прохождении объема, связанного с резервуаром R1, наоборот, выдвигались, тем самым обеспечивая сплошность поверхности ротора при прохождении над статором 6.A cylindrical rotor with a radius of r = 10 cm was used, the circuit diagram of which is shown in FIG. 6c. The length of the stator and rotor in the direction perpendicular to the plane of the drawing is H = 50 cm, the structure is sealed with end caps on both sides. The rotor surface is profiled: 60 rectangular recesses are made, the centers of which are located every 6 degrees. In the recesses are installed plates, precisely sized. The plates can move relative to the rotor body in a radial direction. Their position is determined by the guide 8 (see Fig. 6e) in the end caps so that in the position when they are maximally pushed into the rotor, the height of the recess is n = 1 mm, and in the position when they are maximally extended, there is no recess. The outer end of the plates is rounded along the arc of the rotor. Three options for the length of the recess W = 2h, 3h, 5h (in the circular direction) were considered in order to demonstrate the above-stated dependences of the composition and amount of the enriched mixture obtained on geometric parameters. Stator 1 had a length of L = W-h, that is, respectively, L = h, 2h, 4h. Guide 8 for the plates in the end caps was made so that when passing over the volume pumped by the pump P2, the plates were moved in, thereby providing a recess h when passing over the stator 1, and when passing through the volume associated with the reservoir R1, on the contrary, they were extended, thereby ensuring the continuity of the surface of the rotor when passing over the stator 6.

Скорость вращения ротора варьировалась от 500 до 5000 оборотов в минуту, чтобы исследовать зависимости состава и количества получаемой обогащенной смеси от скорости ротора. Вакуумный насос Р2 обеспечивал свободномолекулярный режим течения, при условии, что число Кнудсена рассчитывалось по высоте углубления h.The rotor speed varied from 500 to 5000 revolutions per minute in order to study the dependence of the composition and amount of the enriched mixture obtained on the rotor speed. The P2 vacuum pump provided a free-molecular flow regime, provided that the Knudsen number was calculated from the height of the recess h.

Давление и температура в резервуаре R1 с исходной смесью поддерживались постоянными: Т = 300К при двух вариантах числа Кнудсена: Kn = 0.1 и Kn = 1 (Kn рассчитаны по высоте углубления h, а средняя длина свободного пробега - по давлению в резервуаре R1). В резервуаре R1 с исходной смесью поддерживалась молярная концентрация легкого компонента (неон) была Х0 = 0.5. Полученные результаты представлены на Фиг. 7: молярная концентрация X получаемой обогащенной смеси (см. Фиг. 7а) и массовый выход G легкого компонента в обогащенной смеси (см. Фиг. 7б) в зависимости от скорости вращения ротора w. Кривые соответствуют различным вариантам геометрии и значениям числа Кнудсена, рассчитанных по давлению исходной смеси: L/h = 1, 2, 4, Kn = 0.1, 1. Пунктиром нанесено максимально возможное значение молярной концентрации, которое можно получить газодиффузионным методом, т.е. при стационарном течении рассматриваемой смеси газов в свободномолекулярном режиме. Как видно, уже при скоростях вращения ротора 1000-2000 об/мин предложенный способ разделения за счет нестационарности истечения позволяет увеличить концентрацию обогащенной смеси на одной ступени по сравнению с максимально возможной для газодиффузионного метода. Также видно, что при увеличении скорости вращения ротора концентрация обогащенной смеси линейно возрастает. При этом массовый поток экспоненциально убывает. Сравнение кривых для различных геометрий показывает, что увеличение безразмерной длины (L/h) приводит к заметному повышению концентрации обогащенной смеси. Сравнение кривых для разных чисел Кнудсена показывает, что за счет понижения давления в резервуаре R1 можно добиться повышения концентрации обогащенной смеси, при этом массовый поток получаемого продукта снижается.The pressure and temperature in the tank R1 with the initial mixture were kept constant: T = 300K for two variants of the Knudsen number: Kn = 0.1 and Kn = 1 (Kn are calculated from the height of the recess h, and the average free path is calculated from the pressure in the tank R1). In the reservoir R1 with the initial mixture, the molar concentration of the light component (neon) was maintained at X0 = 0.5. The results obtained are presented in FIG. 7: molar concentration X of the resulting enriched mixture (see Fig. 7a) and the mass yield G of the light component in the enriched mixture (see Fig. 7b) depending on the rotor speed w. The curves correspond to different geometry variants and Knudsen numbers calculated from the pressure of the initial mixture: L / h = 1, 2, 4, Kn = 0.1, 1. The dotted line shows the maximum possible value of the molar concentration, which can be obtained by the gas diffusion method, i.e. in a stationary flow of the mixture of gases under consideration in a free molecular mode. As can be seen, even at rotor speeds of 1000-2000 rpm, the proposed separation method due to unsteady flow allows increasing the concentration of the enriched mixture at one stage compared to the maximum possible for the gas diffusion method. It is also seen that as the rotor speed increases, the concentration of the enriched mixture increases linearly. In this case, the mass flow decreases exponentially. A comparison of the curves for different geometries shows that an increase in the dimensionless length (L / h) leads to a noticeable increase in the concentration of the enriched mixture. A comparison of the curves for different Knudsen numbers shows that by lowering the pressure in the tank R1, it is possible to increase the concentration of the enriched mixture, while the mass flow of the resulting product is reduced.

Claims

1. Способ разделения смеси газов по молекулярной массе, характеризующийся тем, что включает, по меньшей мере, один этап, на котором организуют циклически повторяющееся нестационарное истечение исходной смеси газов из входного резервуара через вакуумированную камеру в соединенный с ней вакуумированный выходной резервуар, которое периодически прерывают на входе выходного резервуара, протекшую в выходной резервуар обогащенную легким компонентом смесь откачивают в качестве продукта, при этом обеспечивают давление в камере и в выходном резервуаре перед началом истечения ниже, чем во входном резервуаре, отличающийся тем, что смесь газов, которая не успела протечь в выходной резервуар и находится в камере, оттесняют обратно во входной резервуар, при этом перед началом истечения обеспечивают такое давление в камере, что реализуется свободномолекулярный или переходный режим течения, а время Т1, через которое прерывают истечение, выбирают из условия Т1<K*L/C, где L - характерный продольный размер камеры, С - характерная тепловая скорость легкого компонента смеси, К - коэффициент, зависящий от давления и температуры во входном резервуаре, который увеличивается с ростом Kn, где Kn - число Кнудсена, вычисленное по давлению во входном резервуаре и характерному поперечному размеру камеры, и который выбирают экспериментально в зависимости от требуемой степени обогащения смеси.1. A method of separating a mixture of gases by molecular weight, characterized in that it includes at least one step in which a cyclically repeating unsteady flow of the initial mixture of gases from the inlet tank through the evacuated chamber to the evacuated outlet tank connected to it, which periodically interrupt at the inlet of the outlet tank, the mixture enriched in the light component enriched in the light component is pumped out as a product, while the pressure in the chamber and in the outlet tank before the outflow begins is lower than in the inlet tank, characterized in that the mixture of gases that did not have time to leak into the outlet tank and is in the chamber, pushed back into the inlet reservoir, while before the outflow begins to provide such a pressure in the chamber that a free molecular or transitional flow regime is realized, and the time T1, after which the outflow is interrupted, is selected from the condition T1 <K * L / C, where L is the characteristic longitudinal dimension p of the chamber, C is the characteristic thermal velocity of the light component of the mixture, K is a coefficient depending on the pressure and temperature in the inlet tank, which increases with increasing Kn, where Kn is the Knudsen number calculated from the pressure in the inlet tank and the characteristic transverse size of the chamber, and which is chosen experimentally depending on the desired degree of enrichment of the mixture.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при Kn = 1 K выбирают равным 50, при Kn = 0.1 K = 10.2. The method according to p. 1, characterized in that at Kn = 1 K is chosen equal to 50, at Kn = 0.1 K = 10.

3. Устройство для разделения смеси газов по молекулярной массе способом по п. 1, характеризующееся тем, что имеет в своем составе соединенные через камеру входной и выходной резервуары; запирающий блок, выполненный с возможностью перекрытия течения в месте соединения с входным резервуаром и выходным резервуарам, а также вытеснения газа из камеры в сторону входного резервуара; вакуумный насос, соединенный с выходным резервуаром.3. A device for separating a mixture of gases by molecular weight by the method according to claim 1, characterized in that it includes inlet and outlet tanks connected through a chamber; a locking unit configured to shut off the flow at the junction with the inlet tank and the outlet tanks, as well as displacing the gas from the chamber toward the inlet tank; vacuum pump connected to the outlet tank.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что запирающий блок выполнен в виде одного или нескольких поршней с обеспечением возможности их перемещения по пространству камеры.4. The device according to p. 3, characterized in that the locking unit is made in the form of one or more pistons with the possibility of their movement through the chamber.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что камера выполнена с возможностью ее деформации, а запирающий блок обеспечивает возможность смыкания стенок камеры, перекрывающего течение по ней, и перемещение области перекрытия по длине камеры.5. The device according to p. 3, characterized in that the camera is made with the possibility of its deformation, and the locking unit provides the ability to close the walls of the chamber, blocking the flow along it, and moving the overlap area along the length of the chamber.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что содержит два поршня с обеспечением их согласованного движения, при котором расстояние между торцами поршней, когда они идут в сторону входного резервуара, выбирают большим, чем длина камеры, чтобы входной и выходной резервуар стали сообщающимися, а при перемещении поршней в обратном направлении они движутся, соприкоснувшись торцами, чтобы не допустить перетекания исходной смеси в выходной резервуар.6. The device according to p. 4, characterized in that it contains two pistons with the provision of their coordinated movement, in which the distance between the ends of the pistons, when they go towards the inlet tank, is chosen greater than the length of the chamber so that the inlet and outlet tanks become connected and when the pistons are moved in the opposite direction, they move, touching the ends to prevent the initial mixture from flowing into the outlet tank.

7. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что конструкция камеры с запирающим блоком выполнена в виде пластинчато-роторного вакуумного насоса (ПРВН), при этом отверстия в статоре ПРВН размещены так, чтобы при определенных положениях ротора ПРВН входной и выходной резервуары, подключенные к выходу и входу ПРВН соответственно, были сообщающимися.7. The device according to p. 3, characterized in that the design of the chamber with a locking unit is made in the form of a rotary vane vacuum pump (PRVN), while the holes in the stator PRVN are placed so that at certain positions of the rotor PRVN input and output tanks connected to the exit and entrance of the PRVN, respectively, were communicating.

8. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что конструкция камеры с запирающим блоком выполнена в виде перистальтического насоса (ПН), при этом выводы гибких каналов ПН размещены так, чтобы при определенных положениях ротора ПН входной и выходной резервуары, подключенные к выходу и входу ПН соответственно, были сообщающимися.8. The device according to p. 3, characterized in that the design of the camera with a locking unit is made in the form of a peristaltic pump (PN), while the terminals of the flexible channels of the PN are placed so that, at certain positions of the rotor of the PN, the input and output tanks connected to the output and input PN, respectively, were communicating.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что в качестве гибких каналов используют упругие прямые или изогнутые трубы, щели, плоские или иные каналы, системы из таких щелей или каналов, а также объемы с мембранами или массивами из пористого материала.9. The device according to claim 8, characterized in that the flexible channels use elastic straight or bent pipes, slots, flat or other channels, systems of such slots or channels, as well as volumes with membranes or arrays of porous material.

10. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что конструкция камеры с запирающим блоком выполнены в виде насоса типа Рутс (НТР), при этом отверстия в статоре выполнены так, чтобы при определенных положениях роторов НТР входной и выходной резервуары, подключенные к выходу и входу НТР соответственно, были сообщающимися.10. The device according to p. 3, characterized in that the design of the chamber with the locking unit is made in the form of a Roots (NTR) pump, and the holes in the stator are made so that, at certain positions of the NTR rotors, the input and output tanks connected to the output and NTR input, respectively, were communicating.

11. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что запирающий блок выполнен в виде статора, разделяющего камеру, по меньшей мере, на два объема 1 и 2, которые связаны соответственно с входным и выходным резервуарами, и поршней, выполненных в виде пластин или стержней, при этом в статоре выполнены сквозные отверстия, связывающие объемы 1 и 2, а поршни выполнены с возможностью перемещения в данных отверстиях, при котором по направлению из объема 2 в объем 1 поршни перемещаются друг за другом с одинаковыми или близкими скоростями, а расстояние L между торцами идущих друг за другом поршней должно быть больше, чем толщина статора, при перемещении в обратном направлении из объема 1 в объем 2 поршни проходят отверстия в статоре, соприкоснувшись торцами.11. The device according to p. 4, characterized in that the locking unit is made in the form of a stator dividing the chamber into at least two volumes 1 and 2, which are connected respectively to the inlet and outlet reservoirs, and pistons made in the form of plates or rods, while in the stator there are through holes connecting volumes 1 and 2, and the pistons are movable in these holes, in which the pistons move one after the other from the volume 2 to the volume 1 at the same or close speeds, and the distance L between the ends of the pistons going one after another there should be more than the stator thickness; when moving in the opposite direction from the volume 1 to the volume 2, the pistons pass through the holes in the stator, touching the ends.

12. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что конструкция камеры с запирающим блоком выполнена в виде цилиндрического ротора, размещенного в статоре, в поверхности ротора выполнены углубления, в которые установлены подвижные пластины, выполненные с возможностью перемещения по высоте углубления, обеспечивая изменение высоты углубления от 0 до h, в статоре со стороны внутренней поверхности выполнены, по меньшей мере, два углубления, образующие объемы 1 и 2, которые связаны соответственно с входным и выходным резервуарами, при этом размер части статора, контактирующей с ротором и разделяющей объемы 1 и 2 в направлении движения ротора от объема 2 к объему 1, меньше характерной длины углублений в поверхности ротора в том же направлении, возможность перемещения пластин по высоте углубления ротора реализована таким образом, чтобы при прохождении углубления над описанной частью статора подвижная пластина в данном углублении была вдвинута в ротор для обеспечения высоты углубления h, а перед прохождением другой части ротора в направлении от объема 1 к объему 2 максимально выдвинута, чтобы углубления в поверхности ротора не было.12. The device according to p. 3, characterized in that the design of the chamber with a locking unit is made in the form of a cylindrical rotor located in the stator, recesses are made in the surface of the rotor, in which movable plates are installed, made with the ability to move along the height of the recess, providing a change in height recesses from 0 to h, in the stator from the side of the inner surface, at least two recesses are formed, forming volumes 1 and 2, which are connected respectively to the inlet and outlet reservoirs, while the size of the part of the stator in contact with the rotor and separating the volumes 1 and 2 in the direction of movement of the rotor from volume 2 to volume 1, is less than the characteristic length of the recesses in the rotor surface in the same direction, the ability to move the plates along the height of the rotor recess is implemented so that when the recess passes over the described part of the stator, the movable plate in this recess is moved into the rotor to provide the height of the recess h, and before by walking the other part of the rotor in the direction from volume 1 to volume 2, it is extended as far as possible so that there are no recesses in the surface of the rotor.

13. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что конструкция камеры с запирающим блоком выполнена в виде плоского ротора, размещенного над статором, в поверхности ротора выполнены углубления, в которые установлены подвижные пластины, выполненные с возможностью перемещения по высоте углубления, обеспечивая изменение высоты углубления от 0 до h, в статоре со стороны ротора выполнены, по меньшей мере, два углубления, образующие объемы 1 и 2, которые связаны соответственно с входным и выходным резервуарами, при этом размер части статора, контактирующей с ротором и разделяющей объемы 1 и 2 в направлении движения ротора от объема 2 к объему 1, меньше характерной длины углублений поверхности ротора в том же направлении, возможность перемещения пластин по высоте углубления ротора реализована таким образом, чтобы при прохождении углубления над описанной частью статора подвижная пластина в данном углублении была вдвинута в ротор для обеспечения высоты углубления h, а перед прохождением другой части ротора в направлении от объема 1 к объему 2 максимально выдвинута, чтобы углубления в поверхности ротора не было.13. The device according to p. 3, characterized in that the design of the camera with a locking unit is made in the form of a flat rotor located above the stator, recesses are made in the surface of the rotor, in which movable plates are mounted, made to move along the height of the recess, providing a change in height recesses from 0 to h, in the stator from the rotor side there are made at least two recesses forming volumes 1 and 2, which are connected respectively to the inlet and outlet tanks, while the size of the part of the stator in contact with the rotor and separating the volumes 1 and 2 in the direction of movement of the rotor from volume 2 to volume 1, less than the characteristic length of the recesses of the rotor surface in the same direction, the ability to move the plates along the height of the rotor recess is implemented so that when the recess passes over the described part of the stator, the movable plate in this recess is pushed into the rotor to ensure the height of the recess h, and before passing another part and the rotor in the direction from the volume 1 to the volume 2 is maximally extended so that there are no recesses in the surface of the rotor.

14. Устройство по п. 12 или 13, отличающееся тем, что на поверхность ротора установлена упругая непроницаемая мембрана для изоляции механизмов подвижных пластин от разделяемой смеси, при этом мембрана закреплена в одной или нескольких точках к каждой из подвижных пластин в углублениях ротора.14. The device according to p. 12 or 13, characterized in that an elastic impermeable membrane is installed on the rotor surface to isolate the mechanisms of the moving plates from the shared mixture, the membrane being fixed at one or more points to each of the moving plates in the recesses of the rotor.

15. Устройство по п. 4, или 6, или 11, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью регулировки скорости движения поршней.15. The device according to p. 4, or 6, or 11, characterized in that it is arranged to adjust the speed of the pistons.

16. Устройство по п. 7, или 8, или 10, или 12, или 13, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью регулировки скорости вращения роторов.16. The device according to p. 7, or 8, or 10, or 12, or 13, characterized in that it is made with the possibility of adjusting the speed of rotation of the rotors.