PL70093B1 - - Google Patents

Description

Sposób i urzadzenie do rozdzielania mieszanin gazowych Przedmiotem wynalazku jest sposób rozdzielania mieszanin gazowych na frakcje skladowe wedlug ich ciezarów czasteczkowych lub atomowych, a zwlaszcza sposób rozdzielania gazowych mieszanin izotopów, przez poddanie mieszaniny gazowej dzialaniu sily odsrodkowej. Przedmiotem wynalazku jest równiez urzadzenie do stosowania tego sposobu.Znane sposoby rozdzielania mieszanin gazowych na frakcje skladowe wedlug ich ciezarów czasteczkowych lub atomowych oparte sa na prostych zasadach, w praktyce jednak sa bardzo trudne do realizacji. Ze wzgledu na to, ze skladniki mieszaniny róznia sie ciezarem czasteczkowym lub atomowym mozna je rozdzielac wedlug masy poddajac ruchowi obrotowemu w wyniku czego czasteczki o ciezarze wyzszym zostalyby odrzucone na dalsza odleglosc niz czasteczki lzejsze o ile sposób ten w odniesieniu do cial sypkich czy cieklych nie stanowi zadnego problemu technicznego w odniesieniu do gazów stanowi powazny problem ze wzgledu na dyfuzje. Dlatego tez rozdzial mieszanin gazowych, a zwlaszcza rozdzial gazowych mieszanin izotopów realizowano innymi sposoba¬ mi.Poniewaz czasteczki i atomy sa rózne rozdzielano je stosujac pole elektryczne lub magnetyczne i wykorzys¬ tujac róznice w reagowaniu atomów i czasteczek na dzialanie tych pól. I tak, na przyklad, izotopy o okreslonym, spinie jadrowym mozna bylo wydzielic, przepuszczajac przez takie pola strumien atomów pierwiastka, posiadajacym w narife podstawowym spin elektronowy rózny od zera. Mozliwe jest takze rozdzielanie oparte na przepu w kwadratowym polu elektrycznym. Narzucone pole o wysokiej czestotliwosci wprawia jony o okreslonej masie w rezonans i wyrzuca je z wiazki. Pola elektryczne utrzymuje sie znacznie latwiej, niz pola magnetyczne i latwo mozna utrzymac uklad wielu wiazek biegnacych równolegle. Sa to jednak metody laboratoryjne i nie nadaja sie do stosowania na wieksza skale ze wzgledu na koszty i potrzebne wyposazenie.Na skale techniczna wykorzystywano rozdzial dyfuzyjny. Róznica mas powoduje róznice szybkosci dyfuzji. Zasade te wykorzystano do rozdzielania lub wzbogacania izotopów zwlaszcza uranu. Mieszanine gazowa2 70 093 rozdzielano przez przepuszczanie jej wzdluz powierzchni membrany, której pory byly dostatecznie male, aby nastepowal przeplyw molekularny czasteczek lzejszych. Czesc mieszaniny, która przeszla przez membrane byla wzbogacona w skladnik lzejszy, natomiast pozostala czesc w skladnik ciezszy. W przypadku U 235 i U 238 zmiana stezenia izotopów w poszczególnych frakcjach byla tak mala, za nalezalo prowadzic rozdzielanie wielostopniowe.Znane jest wykorzystanie dzialania sily odsrodkowej do rozdzialu gazów np. w wirówce gazowej, w której stosuje sie wirujacy cylinder z pierscieniowymi otworami wlotowymi na jednym koncu. Gaz zbiera sie na przeciwnym koncu cylindra w dwóch pierscieniach/Skladniki ciezsze wystepuja w wiekszym stezeniu w zew¬ netrznym pierscieniu wylotowym, a skladniki lzejsze w pierscieniu wylotowym wewnetrznym. Mozna tez przy uzyciu róznych technik powodowac dwukrotny przeplyw gazu przez wirnik, w jednym kierunku wzdluz scianek peryferyjnych, a przy zmniejszonym promieniu w innym kierunku. Jednakze jak podaje Avery w Physics Bulletiri, str. 17—21 (styczen 1970) przy obecnych ograniczeniach inzynieryjnych wydajnosc urzadzen wirówko¬ wych jest mniejsza niz wydajnosc urzadzen dyfuzyjnych, co w praktyce wymagaloby stosowania setek tysiecy aparatów. Oznacza to, ze nalezaloby rozwiazac masowa produkcje tych urzadzen i ich czesci zapasowych przy niskich kosztach, a to stanowi glówny problem konstrukcyjny. Mimo, ze wirówka gazowa moze byc technicznie mozliwa do wykonania, pozostaje jeszcze sprawa otwarta, czy bedzie ona praktyczna, poniewaz wskazniki kosztów sa spekulatywne jako, ze nie byly badane za wyjatkiem eksperymentów, prowadzonych na mala skale.Proponowano równiez wykorzystac efekt bezwladnosci, wywodzacy sie z róznic mas, wystepujacy w wirówce gazowej, bez stosowania czesci ruchomych. Jednym z oczywistych sposobów jest wprowadzenie gazu w ruch wirowy w cyklonie, w którym moznaby sie spodziewac, ze czasteczki ciezsze dyfundowalyby w kierunku odsrodkowym, a lzejsze ku srodkowi cyklonu. Jednakze, aby utrzymac prace cyklonu, konieczny jest dosrodko- wy przeplyw mieszaniny gazów oraz ustalony stosunek pomiedzy dyfuzja a lepkoscia kinematyczna. W ostatecz¬ nym wyniku oba skladniki poruszaja sie ku srodkowi, chociaz z rózna predkoscia.Nóller iMiirtz w Naturwissenschaften 45, (16) str. 382—3, 1958 opisali próoy rozdzielania, ale stwierdzili znaczne trudnosci zwiazane z turbulencja przy wysokich liczbach Reynoldsa. W rezultacie metoda ta nie zostala uznana za atrakcyjna i uznano, ze otrzymany rozdzial w najlepszym razie bedzie podobny jak metoda dyfuzji.Poniewaz jednak zuzycie mocy jest wysokie, zatraca sie korzysci z odwirowania w stosunku do metody dyfuzyjnej.Celem wynalazku jest wyeliminowanie wymienionych niedogodnosci.Wedlug wynalazku mieszaniny skladników gazowych rózniacych sie ciezarem czasteczkowym lub atomowym rozdziela sie na frakcje skladowe wedlug ciezarów czasteczkowych i atomowych, poddajac je dzialaniu sily odsrodkowej w wirze w ksztalcie stozka o srednicy nie wiekszej niz 5 mm, przy zasilaniu gazem o cisnieniu bezwzglednym na wlocie do komory rozdzielajacej okolo 5—1000 mm slupa rteci i stosunku cisnien w granicach od okolo 1,5 do okolo 10. Stosunek cisnien okresla sie jako stosunek cisnienia na wlocie do cisnienia na wylocie. W tych warunkach pracy, waznych dla osiagniecia rozdzielenia, mozna wyizolowac frakcje o wyzszym ciezarze czasteczkowym w czesci peryferyjnej wiru, a frakcje o nizszym ciezarze czasteczkowym w rdzeniowej czesci wiru. Sposób ten jest prosty i nie wymaga urzadzen z ruchomymi czesciami oprócz urzadzenia do wprawiania w ruch gazu oraz jest praktyczny i nadaje sie do technicznego stosowania na wielka skale.Jesli skladniki gazowe róznia sie znacznie ciezarem czasteczkowym lub atomowym, wówczas mozna uzyskac dobre rozdzielenie w jednym cyklonie. Jesli ciezary czasteczkowe lub atomowe sa raczej bliskie, moze okazac sie koniecznym powtórzyc proces w kilku stopniach, za kazdym razem odbierajac z odpowiedniego miejsca wiru frakcje o wysokim lub niskim ciezarze czasteczkowym i zawracajac ja do cyklonu w nastepnym stopniu. W przypadku rozdzielania izotopów takich jak U 235 i U 238 moze okazac sie konieczne stosowanie wielu cyklonów dla zadawalajacego wzbogacenia rdzeniowej partii wiru.Rozdzial mieszaniny gazowej przeprowadza sie w urzadzeniu wedlug wynalazku skladajacym sie z obudo¬ wy mieszczacej komore separatora o przekroju kolowym, posiadajacej wierzcholek, podstawe i majacej ksztalt stozka przynajmniej w czesci wierzcholkowej. Obudowa ma przy podstawie srednice nie wieksza niz 5 mm, a przy wierzcholku nie mniejsza niz 0,01 mm. Przy podstawie obudowy znajduje sie co najmniej jeden otwór wlotowy gazu, wprowadzajacy gaz wplywajacy z zewnatrz stycznie do komory w celu ustalenia wirowego przeplywu gazu w komorze w kierunku od podstawy ku wierzcholkowi. Przeolyw wirowy powoduje rozprowa¬ dzenie do czesci peryferyjnej wiru skladników gazowych o wzrastajacym ciezarze czasteczkowym lub atomo¬ wym, a w kierunku rdzenia wiru skladników o malejacym ciezarze czasteczkowym lub atomowym. W czesci rdzeniowej wiru panuje nizsze cisnienie gazu niz w czesci peryferyjne]. Jeden otwór wylotowy przechodzi przez obudowe podstawy komory i jest usytuowany wspólosiowo z komora, a drugi, równiez wspólosiowy z komora znajduje sie w wierzcholku komory. Przez otwór wylotowy na wierzcholku komory wyplywa gaz z peryferyj-70 093 3 nych czesci wiru, a przez otwór wylotowy umieszczony w podstawie- gaz z rdzeniowej czesci wiru tak, ze stezenie skladników o nizszym ciezarze czasteczkowym lub atomowym jest wieksze w gazie wyplywajacym przez otwór wylotowy w podstawie, podczas gdy gaz wyplywajacy przez otwór wylotowy na wierzcholku komory wzbogacony jest w skladniki ciezsze. Opisany separator cyklonowy ma prosta i nieskomplikowana konstrukcje, nie posiada ruchomych czesci i pomimo malych rozmiarów nadaje sie do technicznego rozdzielania gazów na wielka skale.Sily odsrodkowe, dzialajace w wirze powoduja, ze skladniki o wiekszych ciezarach czasteczkowych lub atomowych dyfunduja do czesci peryferyjnej wiru, a skladniki o ciezarach czasteczkowych lub atomowych nizszych dyfunduja do jego czesci centralnej lub rdzeniowej. Wrdzeniowej czesci wiru panujecisnienie nizsze niz w czesci peryferyjnej/Poniewaz w urzadzeniu bedacym przedmiotem wynalazku frakcje peryferyjne i rdzeniowe wiru odbierane sa w dwóch przeciwleglych koncach komory separatora, powstaja w niej dwa przeciwpradowe przeplywy, w jednym kierunku przeplyw peryferyjny w kierunku czesci peryferyjnej lub wierzcholkowego otworu wylotowego i przeplyw rdzeniowy, plynacy w kierunku przeciwnym, ku czesci rdzeniowej i otworowi wylotowemu znajdujacemu sie w podstawie. W efekcie rozszerza to znacznie strefe rozdzialu.Separator cyklonowy, bedacy przedmiotem wynalazku, mozna wykonywac z dowolnego odpowiedniego materialu, odpornego w warunkach pracy na dzialanie rozdzielanych mieszanin gazów lub powodowana przez nie korozje. Stosuje sie metale takie, jak stal nierdzewna i aluminium oraz stopy niklu i chromu. Jesli jednak metalu nie mozna odlewac, trudno jest go uksztaltowac ze wzgledu na bardzo male wymiary, wymagane do rozdzialu sposobem wedlug wynalazku. Dlatego korzystniejsze sa materialy ceramiczne, szklo i tworzywa sztuczne, jesli sa mocne, odporne na cisnienie, zdolne do zachowania ksztaltu przy stosowanych cisnieniach.Materialy te mozna ksztaltowac lub formowac do wymaganego ksztaltu przez prasowanie w formach lub wtrysk/ i bez ograniczen ilosciowych. Nadaja sie do tego celu zarówno szklo, porcelana, nylon, policzterofluoroetylen, poliestry, poliweglany, polietylen, polipropylen, kauczuki syntetyczne, zywice fenolowoformaldehydowe, mocz¬ nikowe i melaminowe jak równiez polioksymetylen i polimery chlorotrójfluoroetylenu.W korzystnej postaci separatora cyklonowego w komorze znajduje sie przegroda rurowa, biegnaca od otworu wylotowego w podstawie do punktu poza otworem lub otworami wlotowymi. Ma ona za zadanie ukierunkowac wyplyw gazu z otworu wylotowego i wzmóc inicjowanie wirowego przeplywu gazu przy podstawie i stad przez komore ku jej czesci wiercholkowej. Styczne ulozenie jednego lub wiecej otworów wlotowych gazu wymusza cyklonowy lub wirowy przeplyw wprowadzanej mieszaniny gazów. Otwory wlotowe, jesli Jest ich wiecej niz jeden, powinny byc rozmieszczone jednolicie aby zapoczatkowac równomierny przeplyw wirowy. Zazwyczaj wystarcza 2—6 otworów wlotowych gazu. Gaz, wprowadzony do komory z duza predkoscia zmuszony jest przez zakrzywione scianki komory separatora do utworzenia wiru, przeplywajacego spiralnie ku wierzcholkowi lub peryferyjnej czesci wylotu z komory.Wazne jest, aby wir powstaly w komorze separatora a tym samym i komora separatora mialy srednice nie wieksza niz 5 mm, a korzystnie 2 mm lub mniejsza. Dolna granice srednicy ograniczaja jedynie mozliwosci wytwórcze malych cyklonów. Praktycznie dolna granica wynosi 0,1 mm. Dlugosc komory separatora nie jest krytyczna, nie powinna byc jednak wieksza niz 200 mm ani mniejsza niz 5 mm, a jesli ma ona ksztalt stozkowy, srednica wierzcholka powinna wynosic co najmniej 0,1 mm.Stwierdzono, ze sposobem wedlug wynalazku nie mozna rozdzielic efektywnie skladników gazu wedlug ich ciezarów czasteckowych lub atomowych, jesli komora ma srednice wieksza niz 5 mm, a poniewaz dotychczas stosowano komory znacznie wieksze, bylo to zapewne przyczyna, dla której do tej pory nie uzyskiwano pozytywnych wyników przy stosowaniu separatorów cyklonowych. Jesli wir ma srednice wieksza niz 5 mm, obydwa skladniki przemieszczaja sie ku srodkowi wiru ze zbyt duza predkoscia, aby moglo nastapic dobre rozdzielenie i napotyka sie na problemy, stwierdzone prze Londona w pracy Separation of Isotopes (Londyn, John Newnes itd). Tak wiec male rozmiary urzadzenia pozwalaja przezwyciezyc trudnosci, na które napotkali poprzedni badacze, zajmujacy sie gazowymi separatorami cyklonowymi.Stozkowy ksztalt komory separatora (i wiru) jest bardzo istotny dla poprawienia wydajnosci rozdzielania.Srednica komory musi zmniejszac sie ku wierzcholkowi, zmniejszajac promien wiru i zwiekszajac sile odsrodkowa. Koniora moze miec od podstawy do wierzcholka ksztalt stozka o równych tworzacych zawierajac¬ ych kat p- orty lub tez moze byc czesciowo cylindryczna, a stozkowa tylko przy wierzcholku. Stozek nie musi byc jednolity lub o równych tworzacych. Moga to byc tworzace wklesle lub wypukle o jednakowej krzywiznie, malejacej lub wzrastajacej. Srednica stozka moze zmniejszac sie ku wierzcholkowi w sposób ciagly lub etapami.Tak wiec mozliwe sa rózne ksztalty stozkowe, a wybrany ksztalt bedzie zalezny od szczególnych warunków w jakich prowadzi sie rozdzielanie i moze byc okreslony metoda kolejnych prób.Wazne jest takze osiagniecie spadku cisnienia pomiedzy wlotem gazu a wylotami wierzcholkowymi i rdzeniowym, wystarczajacego do przyspieszenia predkosci gazu, gdy zbliza sie on do regionu mniejszej srednicy4 70 093 rdzenia. Daje to maksymalna rozdzielajaca sile odsrodkowa w obszarze o najmniejszym promieniu. Poniewaz cisnienie spada, energia cisnienia lub wysokosc cisnienia zamienia sie w wysokosc predkosci i predkosc gazu wzrasta. Energie potrzebna do przyspieszenia czasteczek uzyskuje sie wiec ze spadku cisnienia i przyczynia sie ona do zwiekszania wydajnosci rozdzielania. Jest to przyczyna powodujaca, ze dla sposobu wedlug wynalazku stosunek cisnienia jest krytyczny. Oznacza to równiez, ze maksymalna wydajnosc rozdzielania wystepuje w obszarze wiru o malym promieniu/anie w czesci peryferyjnej wiru i ze obszar ten wystepuje tam, gdzie konieczny jest maksymalny efekt rozdzielajacy, a mianowicie na granicy pomiedzy obszarem rdzeniowym a peryferyjnym, to znaczy tam, gdzie gaz przeplywa w kierunku wylotów wierzcholkowego i rdzeniowego, a wiec w róznych kierunkach. Oznacza to, takze, ze czasteczki ciezsze w obszarze rdzeniowym maja najwieksza szanse na odrzucenie, co powoduje, ze nie pozostaja one w rdzeniowej czesci gazu, plynacej ku obszarowi rdzeniowego otworu wylotowego.Odpowiednio srednice otworów wylotowych wierzcholkowego i rdzeniowego sa tak dobrane, aby stosunek cisnien P otworuwlotowego \ P otworu rdzeniowego wylotowego zawieral sie w przedziale od okolo 1,5 do okolo 10 przy bezwzglednym cisnieniu roboczym doprowadzanego gazu wynoszacym od okolo 5 do okolo 1000 mm slupa rteci. W efekcie oznacza to, ze cisnienie gazu w otworze wlotowym jest co najmniej 1,5—10 razy wieksze niz cisnienie w rdzeniowym otworze wylotowym komory. Dla optymalnej wydajnosci rozdzielania korzystnie, stosunek cisnien zawiera sie w przedziale od okolo 2 do okolo 6.Gaz do otworu wlotowego wprowadza sie poprzez dysze, kryze lub jako strumien swobodny, które czesciowo zamieniaja wysokosc cisnienia na wysokosc predkosci. Jest to szczególnie korzystne przy zapoczatko¬ waniu wiru. Duze predkosci gazu w otworze wlotowym sa korzystne, poniewaz zwiekszaja szybkosc rozdzielania.Predkosc mieszaniny gazów na wlocie powinna byc równa co najmniej predkosci dzwieku w temperaturze pracy, a w razie potrzeby, kilkakrotnie wieksza, wymaga to jednak specjalnych urzadzen wlotowych. Mozna stosowac tez nizsze predkosci, zalezy to jednak od natury gazu i musi byc dla kazdego gazu okreslone doswiadczalnie. Efekt rozdzialu dla danego spadku cisnienia zalezy równiez w pewnym stopniu od samych otworów wlotowych, ich ksztaltu, ilosci i rozmieszczenia. Jesli otwory wlotowe zapewniaja doskonale jednolity przeplyw w strefie peryferyjnej, wówczas mozna pracowac przy stosunkowo niskich predkosciach gazu wlotowego, ponizej predkosci dzwieku.Proces prowadzi sie w dowolnej temperaturze. Male wahania temperatury nie sa istotne. Za temperature robocza przyjmuje sie zazwyczaj taka temperature, w której wszystkie rozdzielane skladniki stanowia faze gazowa. Dla niektórych materialów moze to wymagac stosunkowo wysokich temperatur, podczas gdy w przypadku materialów, które w temperaturze pokojowej sa gazami, stosuje sie temperature pokojowa.W niektórych przypadkach korzystne sa bardzo niskie temperatury. Zakres temperatury roboczej zawiera sie wiec w przedziale od okolo —50 do okolo 500°C, korzystnie od okolo —20 do okolo 300°C. W przypadku, gdy mieszanine poddaje sie wirowaniu wielostopniowemu, korzystnie jest stosowac uklad separatorów wirowych lub cyklonów ulozony kaskadowo w dwóch seriach. Rdzeniowa porcje gazu z cyklonu kazdego stopnia rozdziela sie i laczy w serie z porcja wierzcholkowa z cyklonu nastepnego stopnia, powtarzajac to w kazdym stopniu do konca serii, podczas gdy w innych seriach rozdziela sie porcje wierzcholkowe gazu i wprowadza porcja rdzeniowa ze stopnia pózniejszego. Stosuje sie dowolnie ustawienie cyklonów i sprzezen zwrotnych. W ten sposób nie traci sie zadnej czesci rozdzielanych gazów, a ewentualnie w miare potrzeby mozna odzyskac wszystkie rozdzielane skladniki.Cyklony bedace przedmiotem wynalazku nadaja sie do rozdzielania mieszanin gazowych na skladniki wedlug ciearów czasteczkowych lub atomowych. Mozna w ten sposób rozdzielac w postaci pary lub zwiazków gazowych izotopy róznych pierwiastków. Rozdzielone zwiazki poddaje sie obróbce w celu odzyskania pierwiast¬ ka w dowolnej zadanej postaci, wlacznie z pierwiastkami metalicznymi. Mozna, na przyklad, rozdzielac mieszanine U 234 i U 238 w postaci szesciofluorku uranu.Urzadzenie wedlug wynalazku zostalo przedstawione w przykladzie wykonania na zalaczonym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia typowy stozkowy separator cyklonowy w przekroju podluznym, fig. 2 — przekrój wzdluz linii 2—2 fig. 1 pokazujac separator cyklonowy w przekroju poprzecznym z zaznaczeniem peryferyjnej i rdzeniowej czesci przeplywu wirowego, a fig. 3 — schematycznie typowy uklad separatorów cyklonowych ulozonych w dwóch seriach kaskadowych a i b, skladajacy sie z cyklonów dla frakcji odbieranych z wierzcholka i cyklonów dla frakcji rdzeniowej, pokazujac przeplyw frakcji wierzcholkowych i frakcji rdzeniowych gazu przez kazda serie az do ostatecznego rozdzielenia skladników mieszaniny gazowej na koncu kazdej serii.Cyklon przedstawiony na fig. 1 i 2 posiada obudowe 1 z szescioma otworami wlotowymi 2 usytuowanymi stycznie przy podstawie 3 stozkowej komory rozdzielajacej 5. W wierzcholku 9 stozkowej komory rozdzielajacej70 093 5 5 znajduje sie otwór wylotowy 4 dla peryferyjnej czesci wiru, a otwór wylotowy 6 dla czesci rdzeniowej wiru znajduje sie w podstawie komory. Koniec przewodu 7 wystaje wewnatrz komory z podstawy stoika i opisuje pierscien 8r do którego skierowane sa otwory wlotowe gazu 2. Poniewaz otwory wlotowe 2 umieszczone sa stycznie, zapoczatkowuja wirowy przeplyw gazu wokól pierscienia 8, okreslonego przez wystajacy wewnatrz komory koniec przewodu 7, co pokazano za pomoca spiralnych strzalek. Powstaly przeplyw wirowy przemieszcza sie wzdluz peryferyjnej czesci stozka w kierunku otworu wylotowego 4. W czasie tego przemiesz¬ czania skladniki o wiekszym ciezarze czasteczkowym lub atomowym odrzucone sa do peryferyjnej czesci wiru, podczas gdy skladniki o nizszym ciezarze czasteczkowym lub atomowym przesuwaja sie do czesci rdzeniowej wiru. Rdzeniowa czesc wiru przesuwa sie w kierunku przeciwnym, ku otworowi wylotowemu 6. Wystepuje wiec przeciwpradowy przeplyw wewnetrznej i zewnetrznej czesci wirów, poprawiajac wydajnosc rozdzielania bez potrzeby zwiekszania strefy rozdzialu.Podczas pracy urzadzenia mieszanina gazów wplywa przez otwory wlotowe 2, opasuje wir dokola czesci peryferyjnej komory, po czym nastepuje peryferyjny przeplyw gazu w kierunku otworu wylotowego 4.Jednoczesnie w srodku wiru tworzy sie jego czesc rdzeniowa i gaz w tej czesci przeplywa w przeciwnym kierunku, ku otworowi wylotowemu czesci rdzeniowej 6. W czesci rdzeniowej wiru panuje nizsze cisnienie niz w otworze wlotowym 2. W ten sposób czesc gazu o nizszych ciezarach czasteczkowych opuszcza separator wirowy przez przewód wylotowy 6, a czesc gazu o wiekszych ciezarach czasteczkowych skladników wyplywa z separatora przez otwór wylotowy 4. Uklad takich cyklonów w dwóch kaskadowych seriach a i b, zapewniajacy zwielokrotnienie stopni separacji odsrodkowej moze miec postac przedstawiona na fig. 3. Mieszanina gazów wchodzi z kompersora C przez otwór wlotowy do separatora cyklonowego I. Mieszanine wchodzaca do kompresora C stanowi porcja wierzcholkowa z separatora cyklonowego Ha i porcja rdzeniowa z separatora Mb.W serii a gaz zateza sie lub zostaje wzbogacony w lzejszy skladnik. Rdzeniowa porcje gazu odbiera sie przez wylot w podstawie cyklonu I i przesyla do nastepnego separatora Ha serii i miesza z porcja wierzcholkowa z separatora cyklonowego lila; stamtad jako porcje rdzeniowa, zmieszana z porcja wierzcholkowa z separatora IVa wprowadza sie do separatora cyklonowego lila, skad jako porcje rdzeniowa zmieszana z porcja wierzcholko¬ wa z separatora cyklonowego Va wprowadza sie ja do separatora cyklonowego IVa, a stad jako porcje rdzeniowa zrruaszana z porcja wierzcholkowa gazu z separatora Vb wprowadza sie do separatora Va, stamtad jako porcje rdzeniowa wprowada sie gaz do separatora cyklonowego Via. W ten sposób porqe rdzeniowe sukcesywnie wzbogacaja sie w lzejszy skladnik az wreszcie z cyklonu Via na koncu ukladu odbiera sie skladnik lzejszy.W serii b zateza sie skladnik ciezszy. Porcja wierzcholkowa z cyklonu I po zmieszaniu z porcja rdzeniowa lllb przechodzi, przez kompresor C do separatora cyklonowego Mb; odbiera sie porcje wierzcholkowa i po zmieszaniu z porcja rdzeniowa z separatora cyklonowego IVb wprowadza sie ja do cyklonu lllb; odbiera sie porcje wierzcholkowa z cyklonu lllb i po zmieszaniu z porcja rdzeniowa gazu z cyklonu Vb wprowadza sie ja do cyklonu IVb; odbiera sie porcje wierzcholkowa i po zmieszaniu z porcja rdzeniowa gazu z cyklonem IVb wprowadza sie ja do cyklonu Vb; odbiera sie porcje wierzcholkowa z cyklonu IVb i wprowadza sie ja do cyklonu Vlb. W ten sposób porcja wierzcholkowa mieszaniny gazów stopniowo wzbogaca sie w skladnik ciezszy.Sposób wedlug wynalazku zilustrowano w podanych nizej przykladach.Przyklad I. Do prób uzyto cyklon typu przedstawionego na fig. 1 i 2. Cyklony te zastosowano do rozdzielania mieszaniny powietrza z dwutlenkiem wegla. Mieszanina miala w przyblizeniu staly sklad i zawierala 8,5% objetosciowych C02. Gaz ze zbiornika podawano przez zawór redukcyjny, bezpiecznik cisnieniowy, filtr, zawór regulacyjny i zwezke Venturiego do zbiornika mieszczacego cyklony. Dwie frakcje odbierane z cyklonów przechodzily przez zwezke Venturiego i zawory regulacyjne do pompy prózniowej, a nastepnie kazda z porcji, odbierana poprzez zawór wprowadzano do analizatora gazu w celu dokonania analizy.Cisnienie gazu w pomieszczeniu zbiornika cyklonów mierzono bezwzglednym manomerem rteciowym z dokladnoscia okolo 0,5 mm slupa rteci.Róznice zawartosci C02 w obu frakcjach odebranych z cyklonów rejestrowano za pomoca analizatora do analizy w podczerwieni, polaczonego z potencjometrycznym urzadzeniem rejestrujacym. Otrzymane wyniki uzyskane w cyklonie o srednicy 2 mm zestawiono w tablicach I, II, III. Cyklon ten mial zbieznosc stozka; okreslona jsko srednica podstawy podzielona przez wysokosc wierzcholkowa wynoszaca 1:10 oraz 3 lub 6 jednakowo romieazczonych otworów wlotowych o przekroju ptostokatnym 0,6 mm X 0,3 mm.6 70 093 Tablica I Separator | cyklonowy Ilosc otworów wlotowych Srednica otworu wlotowego w podstawie 0,75 mm srednica otworu wylotowego u wierzcholka mm 1,0 Cisnienie na wlocie mm Hg 90,0 90,0 90,0 . 90,0 90/) 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 Cisnienie w rdzenio¬ wym otwo¬ rze wylo¬ towym mmHg 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 18,0 18,0 18,0 18,0 18,0 18,0 18,0 18,0 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 25,0 25,0 25,0 25,0 25,0 25,0 Cisnienie w wierzcholko¬ wym otworze wylotowym mm Hg 13,0 15,0 17,0 19,0 21,0 30,0 14,0 16,0 18,0 20,0 22,0 24,0 26,0 30,0 16,0 20,0 22,0 24,0 26,0 18,0 20,0 22,0 24,0 26,0 28,0 Molowy %COt 8,35 8,35 8,35 8,35 8,35 8,35 83 8,35 8,35 8,35 8,35 8,35 8,35 8,35 r 8,35 8,35 8,35 8,35 , 8,35 8,35 8,35 8,35 8,35 8,35 8,35 Szybkosc przeply/vu 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,49 0,50 0,50 0,50 0,50 0,48 0,50 0,50 0,49 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,48 0,48 0,48 0,48 0,48 0,48 Wspólczynnik rozdzialu 0,0542 0,0539 0,0532 0,0524 0,0516 0,0443 0,0544 0,0528 0,0524 0,0511 0,0513 0,0499 0,0488 0,0443 0,0523 0,0514 0,0515 0,0514 0,0487 0,0489 0,0484 0,0499 0,0483 0,0479 0,0470 Wspólczynnik rozdzialu przeplywu 0,663 0,647 0,653 0,653 0,644 0,596 0,672 0,665 0,657 0,652 0,640 0,645 0,627 0,525 0,670 0,666 : 0,669 j .' 0,650 0,645 I 0,724 0,718 0,711 0,708 0,683 0,667 Tabl ica II Separator cyklonowy | Mosc otworów Iwlotowych Srednica otworu wylotowego w podstawie 0,75 mm jireTJnlca-utWDru wylotowego przy wierzcholku mm 1,0 Cisnienie na wlocie mm Hg 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 ' Cisnienie w rdzenio¬ wym otwo¬ rze wylo¬ towym mm Hg 15,0 15,0 15,0 18,0 18,0 Cisnienie w wierzchol¬ kowym otworze wy¬ lotowym mm Hg". 14,0 16,0 20,0 16,0 .18,00 i Molowy % CO, 8,35 8,35 8,35 8,35 8,35 1 Szybkosc przeplywu 0,46 0,46 0,46 0,46 0,46 i 1 Wspólczynnik Wspólczynnik rozkladu rozdzialu 0,0435 0,0435 0,0436 0,0440 0,0430 przeplywu 0,657 0,657 0,691 0,665 0,671 j70 093 Tablica III 7 Cisnienie Cisnienie Cisnienie Wspólczynnik Separator na wlocie w rdzenie- w wierzchol- Molowy Szybkott Wspólczynnik rozkladu cyklonowy mm Hg wym otwo- kowym ot- %CO, przeplywu rozdzialu przeplywu rze wy Ioto- worze wylo- wym mm Hg towym mmHg Ilosc otworów wlotowych Srednica otworu wylotowego w podstawie 1,0 mm Srednica otworu wylotowego przy wierzcholku 1,0 mm * 90,0 90,0 90,0 90,0 90.0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 90,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 18,0 18,0 18,0 18,0 18,0 22,0 22,0 22,0 22,0 25,0 25,0 25,0 25,0 13,0 15,0 17,0 19/) 21,0 16,0 18,0 20,0 22,0 24,0 20,0 22.0 24,0 26,0 23,0 25,0 27,0 29,0 8,67 8,67 8,67 8,67 8.67 8,67 8,67 8,67 8,67 8,67 8,67 8,67 8,67 8,67 8,67 8,67 8,67 8,67 W powyzszych tablicach wspólczynnik rozdzialu okreslono z równania: K^wttholkow^- X rdzeniowe X wlotowe (1 —X wlotowe) gdzie X oznacza molowy udzial, w tym przypadku, dwutlenku wegla w gazie. Im wiekszy jest wspólczynnik rozdzialu tym wydajniejsze jest rozdielanie. Wspólczynnik rozkladu przeplywu okresla sie jako frakcje molowa wprowadzonych gazów, odbieranych przez wierzcholkowy otwór wylotowy. Z przytoczonych danych wynika, ze uzyskano dobry rozdzial.Przyklad II. Izotop U 235 oddzielono od izotopu U 238 w postaci gazowego szesciofluorku uranu w urzadzeniu skladajacym sie z 310 stopni w ukladzie, w którym przeplyw odbywal sie w sposób przedstawio¬ ny na fig. 3. Komora kazdego separatora miala maksymalna srednice otworów wlotowych 2 mm i srednice otworu wylotowego w czesci rdzeniowej 1 mm. Komory separatorów byly stozkowe, takie jak przedstawiono na fig. 1 i 2 i mialy dlugosc 10 mm kazda. Cisnienie wlotowe gazu wynosilo 90 mm slupa rteci, cisnienie gazu w otworach wylotowych rdeniowych i wierzcholkowym wynosilo 15 mm slupa rteci, Stosunek spadku cisnienia wynosil 4. Predkosc wlotowa gazu do komory separatora byla równa predkosci dzwieku.Mieszanina gazowa wprowadzona do separatora cyklonowego w pierwszym stopniu zawierala 99,3% U 238 i 0,7% U 235. W kazdej z serii stopni cyklonów frakcja rdzeniowa wzbogacana byla w U 235. Gaz wyplywajacy z cyklonu na 250 stopniu (liczac od stopnia zasilania) w czesci rdzeniowej serii wzbogacony byl w U 235 do 3%, a gaz otrzymany z porcji wierzcholkowej serii cyklonów zawieral niemal calkowicie U 238 i bardzo mala ilosc to jest 0,2% U 235.Cyklony wedlug wynalazku nadaja sie takze do stosowania w polaczonych ukladach chromatografii gazowej i spektrometrii masowej jako stopien separacji molekularnej. Chromatografia gazowa stanowi najbardziej wydajna technike rozdzielania zwiazków organicznych o wystarczajacej lotnosci i trwalosci termicznej, podczas gdy spektrometria gazowa sluzy do identyfikacji skladników. Bezposrednie wprowadzenie rozdzielonych skladników gazowych z kolumny do chromatografii gazowej przez cyklon wedlug wynalazku do spektrometru masowego zmniejsza do minimum martwa objetosc, powoduje szybki przeplyw i wysokie wzbogacenie gazu w kolejnych próbkach. W ukladach takich stosuje sie konwencjonalne chromatografy gazowe i spektrometry masowa. Przykladowym odpowiednim ukladem jest chromatograf gazowy ze spektrometrem masowym w ukla¬ dzie LK3, który zawiera jednoogniskowy spektrometr masowy wyposazony w analizator magnetyczny o promie¬ niu 20 mm z sektorem 60° i generator odchylajacy do szybkiego przeszukiwania widma, wlókno z renu stanowiace zródlo jonów powstalych przez bombardowanie elektronami oraz uklad pomiarowy z 14-stopnio- wym powielaczem elektronowym, elektrometrem i wzmacniaczem szerokopasmowym, zasilajacym oscylograf UV bezposredniego zapisu. Jako nosnik stosuje sie gazowy hel, a próbke wtryskuje sie przez kolumne do chromatografii gazowej, wypelniona helem. 0,51 0,51 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,49 0,49 0,49 0,49 0,48 0,0572 0,0567 0,0565 0,0554 0,0541 0,0552 0,0548 0,0530 0,0519 0,0515 0,0504 0,0503 0,0511 0,0486 0,0457 0,0460 . 0,0455 0,0438 0,520 0,513 0,514 0,498 0,487 0,535 0,526 0,511 0,491 0,471 0,566 0,554 0,525 0,481 0,598 0,573 0,542 0,4898 70093 PL PL

Claims (14)

1. Zastrzezenia patentowe 1. Sposób rozdzielania gaowej mieszaniny zwlaszcza izotopów na co najmniej dwie frakcje wedlug ciezarów czasteczkowych lub atomowych skladników mieszaniny przez poddanie jej dzialaniu sily odsrodkowej, znamienny tym, ze mieszanine poddaje sie dzialaniu sily odsrodkowej w wirze, w którym wystepuje strefa peryferyjna i strefa rdzeniowa wiru o srednicy równej co najwyzej 5 mm, przy cisnieniu bezwzglednym gazu na wlocie wynoszacym okolo 5—1000 mm slupa rteci i stosunku cisnienia na wlocie do cisnienia gazu na wylocie zwiru zawartym w granicach okolo 1,5—10 i odbiera sie frakcje gazowa izotopu o wyzszym ciezarze czasteczkowym lub atomowym z peryferyjnej strefy wiru a frakcje izotopu o nizszym ciezarze czasteczkowym lub atomowym odbiera sie z rdzeniowej strefy wiru.

2. Sposób wedlug zastrz. 1,znamienny tym, ze rozdzielone frakcje mieszaniny gazowej w celu wzbogacenia ich we frakcje o wyzszym lub nizszym ciezarze czasteczkowym poddaje sie sukcesywnie stopnio¬ wemu rozdzielaniu wirowemu w stalych warunkach.

3. Sposób wedlug zastrz. 1,znamienny tym, ze rozdziela sie izotopy z ich mieszaniny.

4. Sposób wedlug zastrz. 1,znamienny tym, ze wytwarza sie wir o ksztalcie stozkowym.

5. Sposób wedlug zastrz. 1,znamienny tym, ze wytwara sie wir o srednicy co najwyzej 2 mm.

6. Sposób wedlug zastrz. 1,znamienny tym, ze gazowej mieszaninie nadaje sie predkosc równa co najmniej predkosci dzwieku w tej mieszaninie, w temperaturze prowadzenia procesu.

7. Urzadzenie do rozdzielania gazowej mieszaniny zwlaszcza izotopów na co najmniej dwie frakcje wedlug ciezarów atomowych lub czasteczkowych skladników mieszaniny przez poddanie jej dzialaniu sily odsrodkowej, znamienne tym, ze sklada sie z obudowy (1) mieszczacej w sobie komore rozdzielania (5) o przekroju kolowym, posiadajaca wierzcholek i podstawe majaca co najmniej w czesci wierzcholkowej ksztalt stozka, przy czym srednica komory przy podstawie równa jest co najwyzej 5 mm, a srednicaw czesci wierzcholko¬ wej równa jest co najmniej 0,01 mm, w obudowie (1) przy podstawie komory (5) wykonany jest co najmniej jeden otwór wlotowy (2) gazu usytuowany stycznie do obwodowej powierzchni wewnetrznej komory (5) jak równiez otwór wylotowy (6) do odprowadzania skladników mieszaniny o nizszym ciezarze atomowym lub czasteczkowym ze strefy rdzeniowej wiru, usytuowany wspólosiowo z komora (5), i.atomiast przy wierzcholku komory (5) jest otwór wylotowy (4) do odprowadzania skladników o wyzszym ciezare atomowym lub czasteczkowym ze strefy peryferyjnej wiru.

8. Urzadzenie wedlug zastrz. 7, znamienne tym, ze ma przegrode (7) przy podstawie komory (5) rozgraniczajaca strefe wlotowa i wylotowa ciagnaca sie od podstawy komory do miejsca poza wlotem gazu.

9. Urzadzenie wedlug zastrz. 7, znamienne tym, ze dlugosc komory wynosi co najwyzej 200 mm.

10. Urzadzenie wedlug zastrz. 9, znamienne tym, ze scianki komory stozkowej sa proste i gladkie.

11. Urzadzenie wedlug zastrz. 7, znamienne tym, ze ma co najmniej 2 równomiernie rozmieszczone otwory wlotowe.

12. Urzadzenie wedlug zastrz. 7, z n a m i e n n e t y m, ze ma zwezajace sie otwory wlotowe.

13. Urzadzenie wedlug zastrz.7, znamienne tym, ze komora (5) w wiekszej czesci ma ksztalt stozka.

14. Urzadzenie wedlug zastrz. 7, znamienne tym, ze maksymalna srednica komory wynosi mniej niz 2 mm.70 093 ¦^—vx n» v Ub -A-c f—^7 mb C- -4-c 32 b t ¦ 3Cb PL PL