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Verfahren und Vorrichtung zur Trennung von Gasgemischen durch die
Einwirkung von Zentrifugalkräften Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung
von Gasgemischen durch die Einwirkung von Zentrifugalkräften, wobei in einem Behälter
von kreisförmigem Querschnitt ein das zu trennende Gasgemisch enthaltender Gasstrahl
in tangentialer Richtung eingeführt und zu einer kreisrunden Strömung mit so hoher
Geschwindigkeit veranlaßt wird, daß unter der Einwirkung der von der Gasart abhängigen
unterschiedlichen Zentrifugalkräfte sich auf den großen Kreisbahnen eine Anreicherung
der Gasmoleküle des schweren Anteiles einstellt, wobei das mit den schwereren Gasmolekülen
angereicherte Gasgemisch am Umfang des Behälters, das daran verarmte Gemisch in
der Behältermitte abgezogen wird.
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Zur Trennung von Gasen verschiedener Molekulargewichte sind neben
Anordnungen, die auf Thermodiffusion oder Diffusion beruhen, Zentrifugen und Vorrichtungen
benutzt worden, in denen durch tangentialen Einlaß in einen feststehenden Behälter
von kreisförmigem oder nahezu kreisförmigem Querschnitt eine Kreisströmung des Gases
und damit Zentrifugalkräfte erzeugt werden. In einer vorbekannten Ausführung wird
in einem Wirbelrohr durch einen tangentialen Gaseinlaß eine Wirbelströmung erzeugt.
Mit dieser Anordnung läßt sich eine gewisse Trennung der Komponenten eines Gasgemisches
durchführen, wobei die schwere Fraktion in Achsennähe und die leichte Fraktion am
Rande des Wirbeirohres anfällt. Die auf Grund der Zentrifugalkräfte zu erwartende
Trennwirkung, bei der die schwere Fraktion am Rande und die leichte Fraktion in
der Mitte entstehen sollte, wurde wegen der starken Beeinträchtigung durch die Wirbelströmung
nicht erreicht. Eine Trennung auf Grund der Zentrifugalkräfte erscheint jedoch erheblich
vorteilhafter als mit Hilfe einer Wirbelströmung, weil hieraus eine wesentlich stärkere
Konzentrationsverschiebung zu erwarten ist. Der Grund für ungenügende Trennwirkung
des Wirbelrohres ist darin zu suchen, daß das Verfahren zu einer turbulenten kreisförmigen
Strömung führt, in der die Diffusionsgeschwindigkeit der Gaskomponenten zu klein
ist, um eine wirksame Entmischung zu erzielen.
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Andere bekannte Vorrichtungen verwenden schnekkenförmige Gehäuse,
bei denen das zu trennende Gasgemisch auf Kreisbahnen mit sich verkleinerndem Radius
geführt wird, wobei sich jedoch die beschriebenen Nachteile in verstärktem Maße
einstellen, weil die Gefahr der turbulenten und zusätzlicher parasitärer Strömungen
durch den Einfluß der Wandreibung in dem Schneckengehäuse in erhöhtem Maße gegeben
ist. Derartige Anordnungen haben sich deshalb
bisher lediglich zur Trennung von Komponenten
mit stark abweichender Dichte, z. B. zur Trennung physikalischer Gemische mit flüssigen
oder gasförmigen Gemischträgern, bewährt.
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Die Erfindung vermeidet die Nachteile der be kannten Anordnungen
und ermöglicht eine Trennung der Gasgemische unter vollständiger Ausnutzung der
Zentrifugalkräfte. Das Kennzeichnende der Erfindung wird darin gesehen, daß der
Druck, die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches im Behälter und dessen Länge
derartig gewählt sind, daß eine Kreisströmung entsteht, bei der das Produkt der
jeweiligen Umfangsgeschwindigkeiten mit dem zugehörigen Radius für alle Kreisbahnen
konstant ist, so daß eine hinreichend schnelle Diffusion der Gasmoleküle des schweren
Anteiles nach den großen Kreisbahnen und der Gasmoleküle des leichteren Anteiles
zur Behältermitte eintritt.
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Zur Durchführung des Verfahrens kann vorteilhaft eine Vorrichtung
gewählt werden, bei der der rohrförmige Behälter in an sich bekannter Weise rotierbar
ausgebildet ist. Dabei erscheint es außerdem zweckmäßig, die Anordnung so zu treffen,
daß der Antrieb durch das in den Behälter einströmende Gasgemisch erfolgt.
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Zur Erleuterung der Erfindung seien zunächst die Verhältnisse in
einer bekannten Zentrifuge betrachtet.
In Fig. 1 ist mit R ein Reagenzrohr
bezeichnet, das ein Gasgemisch zweier verschieden schwerer Anteile enthalten und
in der Richtung des Pfeiles P um eine senkrecht zur Papierebene stehende Achse A
gedreht werden möge. Erfahrungsgemäß stellt sich dabei unter der Wirkung der Zentrifugaikräfte
an der Stelle 2 eine stärkere Konzentration des schwereren Anteiles ein als an der
Stelle 1. Der Trennfaktor, d. h. das Verhältnis der Konzentration an der Stelle
1 (cl) und an der Stelle 2 (c2) ist durch die Gleichung
gegeben.
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(v2 -= Umfangsgeschwindigkeit an der Stelle 2, k = Boltzmannsche
Konstante, T = absolute Temperatur, Ml = Masse der schwereren Moleküle, M11 = Masse
der leichteren Moleküle, rt, r2 = Abstände von der Drehachse.) Der Trennfaktor ist
also in starkem Maße von der Umfangsgeschwindigkeit v2 des äußeren Umfanges (an
der Stelle2) und damit von der Drehzahl der Zentrifuge abhängig. Die Erzeugung von
hinreichend hohen Drehzahlen bei ausreichender Betriebssicherheit bereitet jedoch
erhebliche technische Schwierigkeiten.
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Die Drehzahl muß bei der Zentrifuge so hoch sein, weil die Umfangsgeschwindigkeit
v = r2n (v = Umfangsgeschwindigkeit, r = Abstand von der Drehachse, n = Drehzahl)
und damit auch die Zentrifugalkraft in geringerem Abstand von der Drehachse (Stelle
1) weniger groß ist als außen (Stelle 2).
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Zur ausführlichen Beschreibung einer Kreisströmung, wie sie in Vorrichtungen
zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung auftritt, dient Fig. 2. Für eine
Gasströmung, die in den Bahnen a und b um den Punkt A herum verläuft, gilt nach
den Gesetzen für kompressible Gase, daß das Produkt der jeweiligen Umfangsgeschwindigkeit
v und des jeweiligen Radius r für alle Kreisbahnen a, b konstant ist. Demnach ist
also in der Kreis strömung für die Bahn a, wenn deren Radius dem Radius des Punktes
2 in Fig. 1 gleich sein möge und-wenn die Umfangsgeschwindigkeit auf dieser Bahn
a gleich der des Punktes 2 in Fig. 1 sein möge, die auf die beiden Komponenten einwirkende
Zentrifugalkraft dieselbe wie in Fig. 1. Gleichzeitig ist aber für die Bahn b, die
denselben Radius haben möge wie der Punkt 1, die Umfangsgeschwindigkeit weit größer
als für die Bahn a. Dies ergibt aber eine viel größere Zentrifugalkraft für die
Bahn b. Zweckmäßig berechnet man für die Fig. 2 die Zentrifugalkraft Z auf Grund
der
Gleichung v² = VI r (m = Masse, v = Umfangsgeschwindigkeit, r = Radius).
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Hat die Bahn b den halben Radius wie die Bahn a, so findet man wegen
der oben schon erwähnten Gesetzmäßigkeit v = const, daß die Zentrifugalkraft auf
der Bahn b das 4fache derjenigen auf der Bahn a ist, während in Fig. 1 die Zentrifugalkraft
an der Stelle 1 nur die Hälfte derjenigen an der Stelle 2 ist. Ein Gasgemisch, das
eine Kreisströmung nach Fig. 2 durchläuft, entmischt sich also besser als in einer
Zentrifuge.
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In Fig. 3 ist eine Anordnung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt, und zwar in einer Stirnansicht des Behälters und in einem durch die
Achse des Behälters geführten Schnitt A-B. Der Behälter besitzt die Form eines Kreiszylinders,
dessen in der Achsenrichtung gemessene Höhe klein gegen seinen Durchmesser ist.
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Die mit 10 bezeichnete Einlaßöffnung für das Gasgemisch, welches
zwei Molekülarten verschiedener Masse enthalten möge, ist an der Mantelfläche des
Zylinders angebracht, so daß der Gasstrahl in tangentialer Richtung zu dem kreisförmigen
Querschnitt eintritt. Das Gasgemisch wird daher in dem Zylinder zu einer Kreisströmung
veranlaßt, die also etwa in der Richtung der punktiert gezeichneten Bahnena' und
b' vor sich geht. Durch die Zentrifugalkräfte reichert sich das Gasgemisch dabei
auf der Bahn a' und in deren Nähe mit den schwereren Molekülen an, während auf der
Bahn b' und in deren Nähe das Gasgemisch an schwereren Molekülen verarmt. Eine Auslaßöffnung
11 wird in einer oder beiden Stirnflächen des Zylinders nahe am Umfang angeordnet
und dient zur Entnahme des mit den schwereren Molekülen angereicherten Gemisches,
während das an den schwereren Molekülen verarmte Gemisch an einer Auslaßöffnung
12 in der Mitte einer oder beider Stirnflächen entnommen werden kann.
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In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform dargestellt, bei welcher
der Behälter die Form eines Rohres von kreisförmigem Querschnitt besitzt, dessen
Länge größer ist als sein Durchmesser. Die Einlaßöffnung 10' ist wieder tangential
zu dem Querschnittskreis gerichtet und soll außerdem eine kleine Richtungskomponente
in der LängsachseL des Rohres besitzen. Der Gasstrahl führt somit in diesem Rohr
eine schraubenlinienförmige Bewegung aus, und das mit den schwereren Molekülen angereicherte
Gemisch wird am Ende des Rohres entweder am Umfang der kreisförmigen Stirnwand über
die Öffnung 11' entnommen oder über eine in der Zylinderwand des Rohres liegende
Öffnung 11". Das an schwereren Gasmolekülen verarmte Gemisch wird über die Öffnung
12 in der Mitte der Stirnwand des Rohres entnommen.
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Die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von
derjenigen nach Fig. 4 in zweifacher Hinsicht. Der erste Unterschied liegt darin,
daß die Einlaßöffnung 10", deren Achse wieder tangential gerichtet ist und außerdem
eine schwache Komponente
in der Richtung der Längsachse des Rohres
besitzt, sich in der Strömungsrichtung gesehen, erweitert. Dadurch steigt innerhalb
der Einlaßöffnung die Gasgeschwindigkeit ebenso wie bei einer Lavaldüse.
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Der zweite Unterschied der Ausführungsform nach Fig. 5 gegenüber
derjenigen nach Fig. 4 liegt darin, daß die Auslaßöffnung 12' nicht am Rohrende,
sondern am Rohranfang in der Mitte der Stirnfläche angeordnet ist. Dieser Anordnung
liegt die Vorstellung zugrunde, daß das am Ende des Rohres nach Durchlaufen seiner
schraubenlinienförmigen Bewegung ankommende Gasgemisch in der Mitte der Stirnfläche
reflektiert wird und in einer ebenfalls schraubenlinienförmigen Bewegung zum Rohranfang
zurückkehrt und somit die Auslaßöffnung 12' erreicht. Bei dieser rückläufigen Bewegung
unterliegt das an schwereren Molekülen verarmte Gemisch einer weiteren Zentrifugalwirkung,
und die Verarmung dieses reflektierten Teiles wird daher an der Auslaßöffnungl2'
größer sein als an dem rechten Ende des Rohres. Das mit den schwereren Gasmolekülen
angereicherte Gemisch kann in Fig. 5 ebenso wie in Fig. 4 über die Öffnung 11' oder
11" abgenommen werden.
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Wenn man das Gasgemisch der ÖffnunglO, 10' bzw. 10" unter hohem Druck
zuführt, so ist die Diffusionsgeschwindigkeit der Gasmoleküle, die zur Anreicherung
der schwereren Moleküle auf den Bahnen größeren Durchmessers und zur Verarmung auf
den Bahnen kleineren Durchmessers führt, kleiner als bei der Zuführung des Gasgemisches
unter einem geringeren Druck. Die Einstellgeschwindigkeit des Gleichgewichtszustandes
ist also bei einem höheren Zuführungsdruck kleiner als bei einem geringeren Druck
an der Mündungsstelle des Einführungsrohres.
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Infolgedessen sind bei einem hohen Zuführungsdruck größere Längen
des Rohres in Fig. 4 oder 5 notwendig als bei einem geringeren Zuführungsdruck.
Jedoch ist bei höherem Zuführungsdruck die Menge des die Anordnung durchsetzenden
Gasgemisches je Zeiteinheit größer.
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Die Ausführungsformen nach Fig. 3 bis 5 sind für eine kontinuierliche
Arbeitsweise geeignet, d. h., man kann der Trennanordnung laufend ein Gasgemisch
zuführen und laufend ein mit den schwereren Molekülen angereichertes Gemisch sowie
ein an schwereren Molekülen verarmtes Gemisch entnehmen.
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Um den Einfluß der äußeren Reibung zwischen dem rotierenden Gas und
der Gefäßwand auszuschalten, ist es möglich, auch beim erfindungsgemäßen Verfahren,
wie bei einer bekannten Zentrifuge, den Behälter oder nur die zylindrische Behälterwand
rotieren zu lassen, wobei der Antrieb durch das einströmende Gasgemisch erfolgen
kann.
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Die Arbeitsweise des Verfahrens zur Trennung von Gasgemischen unter
Verwendung von Zentrifugalkräften wird an einem in bezug auf Länge und Durchmesser
des Behälters von kreisförmigem Querschnitt, Gasdruck bzw. Gasgeschwindigkeit und
erzielter Trennwirkung zahlenmäßig bestimmt gehaltenen Ausführungsbeispiel erläutert.
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In diesem Beispiel sind die Länge des Behälters 10 cm und sein Durchmesser
3 cm. Als Gasgemische werden verwendet a) das natürliche Gemisch der Argonisotopen
A 36 und A40, b) eine Mischung von Wasserstoff und Kohlensäure im Verhältnis 1:
3.
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Die Ergebnisse für das Argon-Isotopen-Gemisch zeigen Fig. 6 und 7,
die Ergebnisse für das Wasserstoff-Kohlensäure-Gemisch Fig. 8 und 9. In den Diagrammen
der Fig. 6 sind jeweils der Druck am Rand PR und in der Mitte PM dargestellt. Fig.
7 zeigt den TrennfaktorA in Abhängigkeit vom Mengendurchsatz G. Es ist zu erkennen,
daß der TrennfaktorA bei einem Mengendurchsatz von 10 Nl/Min. ein Maximum hat, d.
h., bei diesem Mengendurchsatz stellen sich im Behälter die optimalen Drücke ein
welche eine hinreichend schnelle Diffusion der schweren Gasmoleküle zum Rand und
der leichten Gasmoleküle zur Mitte des Behälters ermöglichen. Fig. 8 zeigt die Abhängigkeit
des Druckes am Rande PR und in der Mitte PM vom Mengendurchsatz G.
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Fig. 9 zeigt, daß auch bei dem Wasserstoff-Kohlensäure-Gemisch der
Treunfaktor A ein Maximum aufweist. In Fig. 9 werden mehrere Kurven dargestellt,
wobei als Kurvenparameter die Behälterlänge gewählt wurde. Das Maximum der Kurve
für eine Behälterlänge von 10 cm ist höher als die Maxima der Kurven für kürzere
und längere Behälter. Dies zeigt, daß auch für die Rohrlänge ein optimaler Wert
existiert.
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In der Tabelle sind für die optimale Behälterlänge von 10 cm und
einen Behälterdurchmesser von 3 cm die günstigsten Parameter zusammengefaßt. Hier
sind auch die Werte für die Geschwindigkeit wiedergegeben, die sich nach bekannten
Regeln der Gasdynamik aus den Druckwerten ergeben.
| Argon 36/Argon 40 H2/CO2 |
| PR 2 bis 4 Torr 3 bis 6 Torr |
| PM 0,7 bis 1 Torr 1 bis 1,5 Torr |
| WR 5,3 104 Cm/S 5,7 104 cm/s |
| WM 5,5 104 Cm/S 5,9 104 cm/s |
| A 1,07 bis 1,06 2,5 bis 2,3 |
| G 10 bis 20NI/Min. 30bis 40 |