DE1198328B

DE1198328B - Process for separating gaseous or vaporous substances with average molecular weights over 200, especially isotopes

Info

Publication number: DE1198328B
Application number: DEK49161A
Authority: DE
Inventors: Dr Erwin Becker
Original assignee: KERNFORSCHUNG MIT BESCHRAENKTE; Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: KERNFORSCHUNG MIT BESCHRAENKTE; Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1963-03-09
Filing date: 1963-03-09
Publication date: 1965-08-12
Also published as: GB1056782A; US3362131A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. α.:Int. α .:

BOIdBOId

Deutsche Kl.: 12 e- 6German class: 12 e- 6

Nummer: 1198 328Number: 1198 328

Aktenzeichen: K 49161IV c/12 eFile number: K 49161IV c / 12 e

Anmeldetag: 9. März 1963 Filing date: March 9, 1963

Auslegetag: 12. August 1965Opening day: August 12, 1965

Verfahren zum Trennen von gas- oder dampfförmigen Stoffen mit mittleren Molekulargewichten über 200, insbesondere IsotopenProcess for separating gaseous or vaporous substances with medium Molecular weights over 200, especially isotopes

Anmelder:Applicant:

Gesellschaft für Kernforschung mit beschränkter Haftung, Karlsruhe, Weberstr. 5Society for nuclear research with limited liability, Karlsruhe, Weberstr. 5

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Dr. Erwin Becker, KarlsruheDr. Erwin Becker, Karlsruhe

Zum Trennen von gas- oder dampfförmigen Stoffen, insbesondere Isotopen, mit unterschiedlichem Molekulargewicht und bzw. oder verschiedenen gaskinetischen Querschnitten kann man das Gemisch aus einer düsenartigen Öffnung auf eine Schälblende, 5 die es in einen Mantelteil und einen durch die Blendenöffnung hindurchtretenden Kernteil zerlegt, strömen lassen. Dabei reichert sich die schwere Komponente im Kernteil an.For separating gaseous or vaporous substances, especially isotopes, with different Molecular weight and / or different gas kinetic cross-sections can be used for the mixture from a nozzle-like opening onto a peeling diaphragm, which is divided into a shell part and one through the diaphragm opening passing through core part disassembled, let flow. The heavy component accumulates in the process in the core part.

Dieses vor allem für die Isotopentrennung sehr io zweckmäßige Verfahren ist mit relativ hohem Aufwand verbunden. Es ist daher auch schon eine Vielzahl von ergänzenden Maßnahmen vorgeschlagen worden, um günstigere Bedingungen zu erhalten.This method, which is particularly useful for isotope separation, is relatively expensive tied together. A large number of supplementary measures have therefore already been proposed in order to obtain more favorable conditions.

Ein bekannter Vorschlag läuft darauf hinaus, den 15
aus dem zu zerlegenden Gemisch erzeugten Strahl
nach dem Austritt aus der Düse auf dem Weg zur
Abschälblende mechanisch umzulenken. Die in der
Literatur veröffentlichten Untersuchungen zeigen 2A well-known suggestion is that Sept.
beam generated from the mixture to be broken down
after exiting the nozzle on the way to
Mechanically deflect the peel-off diaphragm. The one in the
Studies published in the literature show 2

aber, daß sich damit die Wirtschaftlichkeit des Trenn- 20but that the profitability of the separation 20

Verfahrens nicht verbessern läßt, was offenbar auf den veröffentlichten Ergebnissen ist dieses Verfahren jemit der mechanischen Umlenkung verbundenen Stör- doch auch bei der Verwendung eines leichten Zusatzeffekten beruht. gases technisch uninteressant, was offenbar mit denThe process does not improve what is apparently based on the published results the mechanical deflection associated interference but also with the use of a slight additional effect is based. gases technically uninteresting, apparently with the

Nach der deutschen Patentschrift 1096 875 kann starken, bei der Erzeugung von rotierenden, schraudem zu trennenden Gemisch ein leichtes Zusatzgas 25 benartigen Wirbeln unvermeidlichen Verlusten durch von im Verhältnis zu dem Gemisch wesentlich ge- Reibung oder Turbulenz zusammenhängt,
ringerem Molekular- bzw. Atomgewicht zugesetzt Mit keiner der verschiedenen beschriebenen Maßwerden. Jedoch konnten durch die Maßnahme bei nahmen konnten im Bereich hoher Massen ins Geden für die praktische Anwendung besonders wichti- wicht fallende Verbesserungen des Trennverfahrens gen Gemischen im hohen Massenbereich, beispiels- 30 für gas- oder dampfförmige Stoffe, insbesondere Isoweise bei mittleren Molekulargewichten über 200 tope, erreicht werden, bei denen Gemische aus düsen-— wie entsprechende Untersuchungen ergeben artigen Öffnungen aus Schälblenden, die es in Mantelhaben —, keine eindeutigen Vorteile erzielt werden. teile und durch die Blendenöffnung hindurchtretendeAccording to the German patent specification 1096 875, a slight additional gas 25 ben-like eddies in the production of rotating, steep mixture to be separated can lead to unavoidable losses due to friction or turbulence, which is significantly related to the mixture,
lower molecular or atomic weight added With none of the various measures described. However, by taking measures in the area of high masses, improvements in the separation process in the high mass range were particularly important for practical application, for example for gaseous or vaporous substances, in particular iso at average molecular weights over 200 tope , can be achieved in which mixtures of nozzles - as corresponding investigations show like openings from peeling diaphragms that have it in a jacket - no clear advantages are achieved. parts and passing through the aperture

Man deshalb auch bereits versucht, in den zur Kernteile zerlegen, zuströmen und auf diesem Weg Strahlerzeugung benutzten Düsen Einbauten anzu- 35 mechanisch umgelenkt werden. Es wurde nun gebringen, die die Düsenöffnung dergestalt verändern, funden, daß diese Schwierigkeiten vermieden werden, daß sich mindestens zwei aufeinander zu laufende wenn erfindungsgemäß dem Gemisch ein leichteres Gasströme ausbilden. Dieses auch unter der Verwen- Zusatzgas beigegeben und der aus der Düse austredung von leichten Zusatzgasen durchführbare Ver- tende Strahl auf dem Weg zur Schälblende um fahren bringt jedoch ebenfalls im Bereich hoher 40 weniger als 360° umgelenkt wird.
Massen keine wirtschaftlichen Vorteile. Weitere Einzelheiten werden an Hand der Zeich-Attempts have therefore already been made to mechanically divert internals to the nozzles used for the core parts, flow towards them and in this way jet generation. It has now been brought up that change the nozzle opening in such a way that these difficulties are avoided, that at least two converging gas flows, if according to the invention the mixture, form a lighter gas stream. This is also added under the additional gas used and the converting jet which can be discharged from the nozzle of light additional gases is reversed on the way to the peeling diaphragm, but is also deflected in the range of more than 40 less than 360 °.
Masses no economic benefits. Further details are given on the basis of the drawing

Ein weiterer bekannter Versuch ging dahin, das zu nung näher erläutert.Another well-known attempt was made to explain this in more detail.

zerlegende Gemisch von außen tangential oder unter Die Fig. 1 zeigt in einem schematischen Schnittdecomposing mixture from the outside tangentially or under FIG. 1 shows a schematic section

kleinem Winkel in ruhende zylindrische, kegelför- eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mige oder ähnliche Kammern von der Form Guldin- 45 Diese besteht aus einer Abführleitung 19 für den scher Körper einströmen zu lassen, es dadurch zu Mantelteil des Gases, deren eines Ende das Düsenzwingen, um die Achse der rotierende schrauben- blech 12 für den Düsenkanal 13 bildet, während das artige Wirbel zu bilden und die sich im Verhältnis andere, frei Ende zugleich als Abschälblech 14 dient, ihrer Dichte anordnenden Bestandteile nach Bedarf Für die mechanische Umlenkung ist ein Umlenkblech getrennt abzuleiten. Bei einer besonderen Ausfüh- 50 11 vorgesehen, dessen eine Endfläche mit dem rungsform dieses Verfahrens wurde dem zu trennen- Düsenblech 12 den Düsenkanal 13 bildet. Diesem den Gemisch ein leichtes Gas zugesetzt. Nach den Düsenkanal wird über die Leitung 16 das Gemischsmall angle in stationary cylindrical, conical device for carrying out the process, Mige or similar chambers of the form Guldin- 45 This consists of a discharge line 19 for the shear body to flow in, it thereby to the jacket part of the gas, one end of which forces the nozzle, about the axis of the rotating screw plate 12 for the nozzle channel 13, while the to form like vortices and which, in relation to the other, free end at the same time serves as a peeling plate 14, Components arranging their density as required For the mechanical deflection there is a baffle to be derived separately. In a special embodiment 50 11 is provided, one end face of which with the In the form of this method, the nozzle plate 12 to be separated forms the nozzle channel 13. This one a light gas was added to the mixture. After the nozzle channel, the mixture is via line 16

(ζ. B. zu trennendes Gas und leichteres Zusatzgas) zugeführt. Die zweite Endfläche des Umlenkbleches 11 bildet mit dem Abschälblech 14 den Abschälkanal 15, aus dem der an schwerer Komponente angereicherte Kernteil des Gases über die Leitung 17 abgezogen wird. Das Umlenkblech 11, z. B. in Form eines Halbzylindermantels, begrenzt zugleich den Raum 18, in dem der Mantelteil des Gases anfällt, der durch die Abführleitung 19 entnommen wird. Das Düsenblech ist bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel so ausgebildet, daß sich eine Laval-Düse ergibt. Gute Ergebnisse kann man jedoch auch mit konvergenten Düsen erreichen. Das Umlenkblech ist in dem gewählten Beispiel so ausgebildet, daß sich eine mittlere Umlenkung des Strahles von nahezu 180° ergibt. Es können jedoch auch gute Ergebnisse mit einem kleineren Umlenkwinkel, z. B. 90°, oder einem größeren, z. B. 250°, erzielt werden. Da eine Vergrößerung des Umlenkwinkels über 360° hinaus die Erzeugung schädlicher schraubenartiger Wirbel zur Voraussetzung hat, ist in jedem Fall ein Umlenkwinkel unter 360° einzuhalten.(ζ. B. gas to be separated and lighter additional gas) supplied. The second end face of the baffle plate 11 forms, with the peeling plate 14, the peeling channel 15, from which the core part of the gas enriched in the heavier component is drawn off via the line 17. The baffle 11, for. B. in the form of a half-cylinder jacket, at the same time delimits the space 18 in which the jacket portion of the gas that is removed through the discharge line 19 occurs. In the example shown in FIG. 1, the nozzle plate is designed in such a way that a Laval nozzle results. However, good results can also be achieved with convergent nozzles. In the example chosen, the deflection plate is designed in such a way that an average deflection of the beam of almost 180 ° results. However, good results can also be obtained with a smaller deflection angle, e.g. B. 90 °, or a larger, z. B. 250 °, can be achieved. Since an increase in the deflection angle beyond 360 ° requires the generation of harmful helical vortices, a deflection angle below 360 ° must be observed in any case.

Bei der dargestellten Vorrichtung hat der Abschälkanal 15 annähernd rechteckigen Längsquerschnitt. Man kann jedoch den Rückstaueffekt dadurch beeinflüssen, daß man den Querschnitt in Strömungsrichtung verengt bzw. erweitert.In the device shown, the peeling channel 15 has an approximately rectangular longitudinal cross-section. However, the backflow effect can be influenced by the cross section in the direction of flow narrowed or expanded.

In F i g. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung im Schnitt dargestellt. Hier stehen einer gemeinsamen konvergenten Düse 21 mit Zuleitung 210 zwei Umlenkbleche 22 und 23 gegenüber. Der Kernteil des Gases wird über die Leitungen 24 und 25, der Mantelteil über die Leitungen 26 und 27 abgezogen. Die gesamte Anordnung kann wieder in der zur Zeichenebene senkrechten Richtung beliebig ausgedehnt sein. Bei der in F i g. 2 dargestellten Anordnung ist jedoch auch eine rotationssymmetrische Ausführungsform möglich, wie sie sich durch Rotation des in Fig. 2 dargestellten Schnittes um die Achse 28-29 ergibt. In diesem Fall werden die Leitungen 24 und 25 einerseits und die Leitungen 26 und 27 andererseits zu einer Ringleitung vereinigt.In Fig. 2 shows a further embodiment of the device in section. Here are a common convergent nozzle 21 with feed line 210, two deflection plates 22 and 23 opposite. The core part of the gas is withdrawn via lines 24 and 25, the jacket part via lines 26 and 27. The entire arrangement can again be expanded as desired in the direction perpendicular to the plane of the drawing. In the case of the in FIG. 2, however, a rotationally symmetrical embodiment is also possible, as is obtained by rotating the section shown in FIG. 2 about the axis 28-29 . In this case, lines 24 and 25 on the one hand and lines 26 and 27 on the other hand are combined to form a ring line.

Versuche haben ergeben, daß besonders günstige Ergebnisse erzielt werden können, wenn die Weite der Düse an der engsten Stelle kleiner als 1 mm und wenn der Krümmungsradius der zur Strahlumlenkung benutzten Fläche in dem für die Strahlumlenkung wesentlichen Bereich kleiner als 5 mm ist. Dabei braucht der Krümmungsradius in dem gesamten für die Strahlumlenkung wesentlichen Bereich keineswegs konstant zu sein. Die günstigste Form kann für jedes Gemisch durch Probieren verhältnismäßig leicht ermittelt werden.Tests have shown that particularly favorable results can be achieved if the width of the nozzle at the narrowest point less than 1 mm and if the radius of curvature is that for deflecting the jet used area in the area essential for beam deflection is less than 5 mm. Included does not need the radius of curvature in the entire area essential for the beam deflection to be constant. The most favorable form for each mixture can be found relatively easily by trial and error be determined.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung mit mechanischer Strahlumlenkung führen relativ hohe Zusätze an leichtem Gas zu optimalen Bedingungen. So hat sich vor allem bei zu trennenden Grundgemischen mit großen mittleren Molekulargewichten ein Zusatz an leichtem Gas von 1000 Molprozent und mehr bewährt. In the method according to the invention with mechanical beam deflection, relatively high additives result on light gas under optimal conditions. This is particularly the case with the basic mixtures to be separated with large average molecular weights, an addition of light gas of 1000 mol percent and more has proven successful.

Die Verhältnisse der Drücke in den Leitungen 16, 19 und 17 bzw. 210, 24,25 und 26 und 27 können in verhältnismäßig weiten Grenzen variiert werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß man optimale Trenneffekte bereits mit relativ kleinen Druckverhältnissen erreichen kann. So lassen sich in vielen Fällen besonders günstige Bedingungen erzielen, wenn man das Verhältnis der Drücke in der Düsenzuleitung 16 und der Ableitung 19 unter 10 und das Verhältnis der Drücke in der Düsenzuleitung 16 und der Ableitung 17 unter 5 hält. Der zweckmäßigste Absolutdruck in der Düsenzuleitung hängt von der Art des verwendeten Gasgemisches ab und kann durch Probieren leicht ermittelt werden. Als besonders günstig haben sich Drücke in der Düsenzuleitung zwischen 1 und 0,05 atm absolut erwiesen.The ratios of the pressures in lines 16, 19 and 17 or 210, 24, 25 and 26 and 27 can be varied within relatively wide limits. However, it has been shown that optimal separation effects can be achieved even with relatively low pressure ratios. In many cases, particularly favorable conditions can be achieved if the ratio of the pressures in the nozzle supply line 16 and the discharge line 19 is kept below 10 and the ratio of the pressures in the nozzle supply line 16 and the discharge line 17 is kept below 5. The most appropriate absolute pressure in the nozzle feed line depends on the type of gas mixture used and can easily be determined by trial and error. Pressures in the nozzle feed line between 1 and 0.05 atm absolute have proven to be particularly favorable.

Selbstverständlich ist es auch ohne weiteres möglich, mehrere Trennvorrichtungen hintereinander oder auch parallel zu schalten. Bei einer Hintereinanderschaltung soll man wie in der deutschen Patentschrift 1 096 875 zweckmäßigerweise die verschiedenen Gaszu- und -abführungsleitungen so miteinander verbinden, daß nur Ströme gleicher Zusammensetzung des zu trennenden Grundgemisches sich vereinigen. Dabei wird die in den Trennvorrichtungen auftretende Entmischung von Grundgemisch und Zusatzgas weitgehend rückgängig gemacht, wodurch sich die am einen Ende der Kaskade abzuziehende und am anderen Ende wieder zuzuführende Zusatzgasmenge wesentlich vermindern läßt.Of course, it is also easily possible to have several separating devices one behind the other or to connect in parallel. With a series connection one should as in the German patent specification 1 096 875 expediently the various gas supply and discharge lines with one another combine so that only streams of the same composition of the basic mixture to be separated combine. The separation of the basic mixture and the Additional gas is largely reversed, whereby the one to be withdrawn at one end of the cascade and the amount of additional gas to be supplied again at the other end can be significantly reduced.

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform für die Parallelschaltung mehrerer Trennvorrichtungen zeigen F i g. 3 und 4. Dabei sind die Leitungen 38 für die gemeinsame Versorgung von jeweils vier schlitzförmigen Düsenkanälen parallel angeordnet zu den Leitungen 36 für die gemeinsame Abführung der Kernteile aus jeweils vier (an den seitlichen Begrenzungen der Anordnungen nur zwei) Abschälkanälen. Es umschließen jeweils zwei Abführungsleitungen eine Zuführungsleitung und (außer an den seitlichen Begrenzungen) jeweils zwei Zuführungsleitungen eine Abführungsleitung. Es ergibt sich dann im seitlichen Querschnitt — wie in F i g. 4 erkennbar —, daß eine Vorrichtung nach F i g. 1 spiegelbildlich von Kanal zu Kanal aufeinanderfolgend angeordnet wird. Die Mantelteile des Gases treten durch die Leitungen 39 in Fig. 3 nach oben und unten aus. und werden in einem die gesamte Tennvorrichtung umschließenden, in der Figur nicht gezeigten gasdichten Gehäuse gemeinsam aufgefangen. Aus diesem Gehäuse können sie über eine angesetzte Rohrleitung abgezogen werden.A particularly useful embodiment for the parallel connection of several disconnection devices show F i g. 3 and 4. The lines 38 are for the common supply of four each slot-shaped nozzle channels arranged parallel to the lines 36 for the common discharge of the Core parts each made up of four (only two on the side boundaries of the arrangements) peeling channels. Two discharge lines each enclose a supply line and (except on the side Limitations) two feed lines each one discharge line. It then arises in the lateral Cross-section - as in FIG. 4 recognizable - that a device according to F i g. 1 mirror image of the channel is arranged consecutively to channel. The jacket parts of the gas pass through the lines 39 in Fig. 3 up and down. and are in a gas-tight housing which encloses the entire separation device and is not shown in the figure caught. They can be withdrawn from this housing via an attached pipeline will.

Bei einem mit einer Anordnung nach F i g. 1 durchgeführten Versuch wurde die Weite der Düse 13 an der engsten Stelle mit 0,23 mm, der innere Radius des Umlenkbleches 11 mit 1,5 mm gewählt. In der Düsenzuleitung 16 wurde ein Druck von 80 Torr, in der Absaugleitung 19 ein Druck von 8 Torr und in der Absaugleitung 17 ein Druck von 10 Torr aufrechterhalten. Es wurde mit einem Gemisch aus 95 Molprozent He und 5 Molprozent eines binären Isotopengemisches mit einem mittleren Molekulargewicht von etwa 350 gearbeitetIn one with an arrangement according to FIG. 1, the width of the nozzle 13 at the narrowest point was selected to be 0.23 mm and the inner radius of the baffle plate 11 to be 1.5 mm. A pressure of 80 Torr was maintained in the nozzle feed line 16, a pressure of 8 Torr in the suction line 19 and a pressure of 10 Torr in the suction line 17. A mixture of 95 mol percent He and 5 mol percent of a binary isotope mixture with an average molecular weight of about 350 was used

Bei einer Weite des Abschälkanals 15 von 0,18 mm wurden etwa 70% des Isotopengemisches über die Leitung 17 und 30% über die Leitung 19 abgezogen. Bezeichnet man den Molenbruch der leichten Isotopenkomponente in den Leitungen 17 bzw. 19 mit η_1Ί bzw. ra₁₉, so ergab sich als Elementareffekt der Trennung in der üblichen DefinitionWith a width of the peeling channel 15 of 0.18 mm, about 70% of the isotope mixture was withdrawn via the line 17 and 30% via the line 19. If the mole fraction of the light isotopic _component in lines 17 or 19 is denoted by η 1Ί or ra ₁₉ , then the separation in the usual definition resulted as an elementary effect

__{1 =} ο ₀₁₂ _ _{1 =} ο ₀₁₂

auf Grund einer massenspektrometrischen Messung.based on a mass spectrometric measurement.

Claims

Patent claims:

1. Process for separating gaseous or vaporous substances with medium molecular weights over 200, especially isotopes, with different molecular weights and / or or different gas kinetic cross-sections, in which the mixture of nozzle-like Openings on peeling diaphragms, which they put in jacket parts and through the diaphragm openings behind breaking through core parts, flowing in and mechanically deflected in this way, characterized in that a lighter additional gas is added to the mixture and the jet emerging from the nozzle opens the path to the peeling diaphragm is deflected by less than 360 °.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the addition of light gas is at least 1000 mole percent.

3. Device for performing the method according to claim 1 and / or 2, characterized through a central gas discharge line (19), one lateral end surface (12) of which at the same time has a Part of the nozzle channel (13) forms, while the opposite end surface as a peeling diaphragm (14) is formed, and by a curved baffle (11) that the nozzle channel (13) and the Peeling channel (15) connects.

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that around a central nozzle (21) a mirror image of a gas discharge channel (26, 27) is provided to the side of the nozzle (21) and that the baffle plate (22) has the shape of a lying three and with its middle tip (23) is opposite the nozzle (21) (FIG. 2).

5. Apparatus according to claim 3, characterized in that the supply and discharge lines (38,36) are arranged parallel to one another so that a discharge line for four peeling channels as well as a supply line for four nozzle channels and the partition walls between the supply and discharge lines (38 and 36) on the front side as a baffle are formed (Fig. 3 and 4).

6. Apparatus according to claim 3 to 5, characterized in that the width of the nozzle (13 or 21) is kept smaller than 1 mm at its narrowest point.

7. Device according spoke 3 to 6, characterized in that the radius of curvature of the Deflection plate (11 or 22) in the area essential for beam deflection is smaller than 5 mm.

1 sheet of drawings