NO753693L - - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for sentri-fugalseparering av gassblandinger i fraksjoner med forskjellig molekyl- eller atomvekt, hvor gassblandingen utsettes for sentrifugalkraft ved rotasjon i en syklon som er oppdelt i en omkrets-syklon og en kjernesyklon og med en diameter på ikke over 5 mm, ved et absolutt gassinløpstrykk mellom ca. 5 og 1000 mm kg og et trykkforhold p kjerneutløp 1 området mellom ca. 1,5 og 10, hvor det uttas en gassformet friksjon ved høyere molekyl- og atomvekt fra omkretssyklonen og gassformet fraksjon lavere molekyl- eller atomvekt fra kjernesyklonen. Oppfinnelsen vedrører spesielt behandling av disse to blandinger.

Det er i prinsippet lett å angi metode for separering av gassblanding i fraksjoner med forskjellig molekyl- eller atomvekt, men i praksis er det ganske vanskelig å gjennomføre disse metoder eller å omsette den til virksomme apparater. Da komponentene adskiller seg i molekylvekt kan de separeres etter masse. Ettersom molekylene eller atomene er forskjellige er det også mulig å separere dem ved hjelp av et elektrisk eller magnetisk felt og å utnytte de forskjellige egenskaper til forskjellige typer molekyler eller atomer i slike felt. Således kan f.eks. iso-bo toper med spesiell kjernespinn skilles ut forutsatt at en atom-, stråle av det aktuelle element kan tilveiebringes og atomene har et fra null forskjellig elektronisk spinn i grunntilstanden. Andre anordninger som påvirker ionestråler er irrølige, såsom massefiltere som gjør bruk av fokuseringsvirkningen til ioner på et elektrisk kvadrupolart felt. Et overlageret høyfrekvensfelt bringer ioner med en spesiell masse i resonans og kaster dem ut av strålen. Elektrisk felt er lettere å opprettholde enn magnet-felt og en samling av mange parallelle virkende stråler kan lett tilveiebringes. Imidlertid er dette bare laboratoriemetode og ikke egnet for bruk i stor målestokk på grunn av de kostnader og det utstyr som er nødvendig.

Forskjellen i masse gir opphav til en forskjellig diffusjonshastighet, og dette er blitt benyttet kommersielt ved separeringen eller anrikingen av isotoper, særlig uran. Man lar da gassblandingen støte mot en porøs membran, i hvilken porene er tilstrekkelig små til å tillate molekylstrømming og det lettere molekylet passerer derved hurtigere gjennom porene enn de tyngre. Blandingen kan således separeres ved at den får strømme langs membranens overflate. Den del som passerer gjennom anrikes med den tlettere komponent og den del som ikke passerer anrikes med den tyngre komponent. Når det gjelder U 235°g U 238 er forandringen i fraksjonskonsentrasjon meget liten for begge isotoper slik at det er nødvendig med mange separasjonstrinn.

Gass-sentrifugene har en roterende sylinder med ringformede innløpsåpninger i den ene ende. Gassen samles i den andre ende av sylinderen i to ringformede avløp. De tyngre komponenter konsentreres til de ytre ringformede avløp og de lettere komponenter til de indre ringformede avløp. Det er også mulig på forskjellige måter å la lgassen sirkulere to ganger gjennom rotoren, hvorved den bringes til å> passere langs omkretsen i den ene retning gjennom en sone med mindre radius i den andre retning. Imidlertid påpeker Avery, Physcis Bulletin, 1970>s. 17-21 (januar 1970) at med nåværende maskinelle be-grensninger for et slikt utstyr er størrelsen av den enkelte maskin slik at separasjonskapasiteten er av en helt annen stør-relsesorden enn fra et trinn i et diffusjonsanlegg og-et av sentrifuge bestående,pfor praktisk bruk beregnet anrikingsanlegg vil behøve hundretusentalls maskiner. Dette betyr at det må utvikles metoder,for masseproduksjon av maskiner og komponenter til lave omkostninger og dette medfører igjen et stort konstruk-sjonsproblem. Avery påpeker at mens en gass-sentrifuge kan være teknisk mulig, så gjenstår imidlertid å se om den kommer til å bli praktisk ettersom omkostningene er meget usikre, da den ikke er blitt prøvet annet enn eksperimentelt i liten målestokk.

Det har vært foreslått å benytte de treghetseffekter som stammer fra forskjellen i masse i en gass-sentrifuge uten anvendelse av bevegelige deler. En ganske nærliggende metode er å la gassen rotere i en syklon hvor det kan ventes at det tyngre molekylet vil diffundere utover og det lettere mot syklonens sentrum. Imidlertid kreves for å opprettholde en syklon en viss innadrettet strømning av gassblandingen og begge komponenter beveger seg mot sentrum selv om med forskjellig hastighet.

Noller og Murtz, Naturwissenschaften 1958> 45 (l6)> s. 382-383 oppnådde en viss separering, men hadde, vanskeligheter med turbulenser ved store Reynold-tall. Resultatet ble at denne metode ikke ble ansattt som attraktiv og det oppnådde separeringsresultat ble maksimalt betraktet som likeverdig med diffusjonsmetoden, men ettersom kraftforbruket er høyt,

så oppnås ingen gevinst med sentrifugering i sammenligning med gassdiffusjon. Således har London oppgitt i sitt skrift Separation of Isotopes, (London, George Newnes Limited) at ettersom hele prosessen ikke er enklere enn diffusjonsmetoden er det ikke sannsynlig at den gir noen fordel.

Avery, Physics Bulletin 1970»s. 17-21, påpeker

at gass-sentrifugen ble prøvet som en del av U.S.-Manhattan-prosjektet, men det ble gassdiffusjonsmetoden som ble antatt å være mest praktisk, og USAEC antyder at man stadig foretrekker å anvende diffusjonsmetoden fremfor å gå over til en ny fremgangsmåte.

Ifølge oppfinnelsen har man funnet at en fgassformet blanding av komponenter som atskiller seg molekyl- eller atomvekt kan separeres i komponentfraksjoner i samsvar med molekyl- eller atomvekten, hvis blandingen samblandes med en inert . gass med lavere molekyl- eller atomvekt enn blandingen og når'blandingen utsettes for sentrifugalkraft som utøves på en konusformet syklon med en diameter på ikke over ^ mmm idet agassen mates med et absolutt trykk på mellom ca. 5°S ca* 1000 mm Hg og et trykkforhold i området mellom ca. 1,5 og ca. 10. Trykkforholdet defineres som pkjerneutløp Under disse driftsbe-tingelser som er meget viktige ved separering er det mulig å isolere en fraksjon med høyere molekylvekt i omkretsen til en syklon når en fraksjon med lavere molekylvekt i en kjernedel av syklonen. Denne fremgangsmåte er enkel og rett frem og krever ikke noe utstyr med bevegelige deler bortsett fra gassfrem-driftsutstyr og er praktisk ved kommersiell drift i større målestokk.

Hvis gasskomponentene har helt forskjellig molékyl-eller atomvekt, kan det være mulig å bevirke en god separasjon i et syklontrinn. Hvis de imidlertid ligger temmelig nær hverandre med hensyn til molekyl- eller atomvekt, kan det være nød-vendig å gjenta prosessen i flere trinn og å gjenvinne fraksjonen med den høyere eller lavere molekylvekt hver gang fra den aktuelle del av syklonen og så resirkulere den til et annet syklontrinn. Ved separering av isotoper, såsom separering av U 235 fra U 238, kan det. være nødvendig å anvende flere hundre syklontrinn for å oppnå en tilfredsstillende anrikelse av kjernedelen av syklonen.

Oppfinnelsen er således kjennetegnet ved det som fremgår av kravene.

En syklonseparator som kan brukes ved gjennomføring av fremgangsmåten kan omfatte et hus med et separatorkammer med sirkulært tverrsnitt og med en spiss ende'og en basis ende og som er konusformet i hvert fall ved spissenden og med en diameter ved basis-enden på minst 5 ™ og en diameter ved spissenden på minst 0,01 mm. Det er anordnet minst et gassinnløp gjennom huset ved basis enden som er anordnet for tangentiell innstrømming av gass fra utsiden av huset til inn i kammeret, for å tilveiebringe en hvirvelformet gass-strømming i kammeret fra basisenden mot spissenden med de gassformede komponenter.. fordelt mot omkretsen av hvirvelen med økende molekyl- eller atomvekt og mot kjernen av hvirvelen med avtagende molekyl- og atomvekt. Hvirvelkjernen eller syklonkjernen har et lavere gasstrykk enn omkretsen. Det er anordnet et utløp gjennom huset i aksiell retning ifforhold til kammeret ved basisenden og et utløp gjennom huset i aksial retning ved spissenden av kammeret. Utløpet ved spissenden opptar en hvirvelgasstrøm fra omkretsen av kammeret og basisendeutløpet mottar hvirvel-strømmen fra kjernedelen av kammeret slik at komponenten med lavere molekyl- eller atomvekt konsentreres i strømmen som trekkes ut via basisutløpet og komponenten med høyere molekyl-ell er atomvekt konsentreres i strømmen som trekkes ut ved spiss-utløpet. Denne syklonseparator er enkel i konstruksjon og har ingen bevegelige deler og er praktisk for kommersiell gass-separasjon i stor målestokk til tross for sin lille størrelse.

Sentrifugalkreftene i syklonen bevirker at partikler med større molekylvekt eller atomvekt diffunderer mot omkretsen av syklonen og partikler med lettere molekylvekt eller atomvekt diffunderer inn i den sentrale eller kjernedelen av syklonen. Kjernedelen til syklonen'har et lavere gasstrykk enn omkretsdelen. Da omkretsdelen og kjernedelen har utløp ved motsatte ender av separasjonskammeret, dannes to motstrømmer i separasjonskammeret. Dette forlenger separasjonssonen.

Syklonseparatoren kan være utformet av et hvilket som helst egnet materiale som er motstandsdyktig mot korrosjons-angrep fra gassblandinger som skal separeres under driftsbe-tingelsene. Det kan benyttes metaller såsom rustfritt stål og aluminium og nikkel og kromlegeringer. Hvis ikke metallet kan støpes er det imidlertid vanskelig å forme det i meget små størrelser som kreves for oppfinnelsen. Keramikk, glass og plast som er sterkt, motstandsdyktig mot trykk og kan bibeholde sin form under gasstrykket foretrekkes. Slike materialer kan press-støpes eller sprøytestøpes til ønskede former og kan masse-fremstilles uten tap. Materialer slik som glass, porselen, nylon, polytetrafluorhydrokarboner, såsom polytetrafluoretylen og klor-trifluoretylenpolymerer, polyestere, polykarbonater, polyole-finer såsom polyetylen, polypropylen, polybutylen, syntetisk gummi, fenol-formaldehyd, urea-formaldehyd og melamin-formål-dehyd er egnet så vel som polyoksymetylen.

Syklonseparatoren kan også ha en rørformet lede-plate som utstrekker seg fra basisutløpet inn i kammeret til et punkt under gassinnløpet eller -innløpene^ frabøyer gasstrømmen bort fra basisutløpet, og lette initieringen av en gasshvirvel i basisenden og følgelig gjennom kammeret mot spissenden.

Den tangentielle orientering av en eller flere gass-'innløp danner en syklonisk eller hvirvelformet strøm av gassblandingen som innføres. Innløpene bør være jevnt fordelt, hvis det er mer enn ett, for dannelsen av en ny jevn hvirvelstrøm. Vanligvis er mellom to og seks gassinnløp tilstrekkelig. Når gassen innføres i kammeret med høy hastighet tvinges den av de krumme vegger i separatorkammeret til en hvirvel som strømmer skruelinjeformet mot spissenden eller omkretsdelens utløp av kammeret.

Det er viktig at hvirvelen som dannes i syklonens separas jonskammeret har en diameter på ikke over ^ > mm og fortrinnsvis 2 mm eller mindre, mest fordelaktig at den ligger mellom 1 og 0,1 mm. Den nedre grense for diameteren settes av praktiske hensyn ved fremstillingen av små sykloner. En praktisk nedre grense syntes å være* 0,1 mm.

Lengden til separasjonskammeret sammen med diameteren bestemmer volumet for separasjonskammeret og volumet på sin side bestemmer oppholdstiden for gassen som selvfølgelig må være tilstrekkelig for den ønskede separasjon.. Følgelig b$£r lengden og diameteren velges til å gi et kammer med bestemt volum for separasjon. Lengden bør ikke være større enn 200 mm og heller ikke mindre enn 0,1 mm, og hvis kammeret er konisk, bør det være minst 0,1 mm id diameter ved spissenden.

Ifølge et trekk våd oppfinnelsen er konusvinkelen, dvs. vinkelen ved spissenden til det koniske kammer (ved for-lengelse av de koniske sider til deres sammenfallende punkt}

i området mellom 1° og 90°, fortrinnsvis mellom 3° og ca. 3^°• Syklonseparasjonskammerets konus er selvfølgelig avkortet. Gode resultater er blitt oppnådd med et forhold mellom diameteren ved basisen av konusen og diameteren til konusens spiss D basis : D spissutløp på mellom 1,3°g 3>5»

Det har blitt fastslått at det ikke er mulig å effektivt atskille gasskomponenter etter deres molekyl- eller atomvekt hvis kammeret har større diameter enn 5 111111 • Hvis syklonen har større diameter enn 5 mm»vil begge komponenter bevege seg mot sentrum av syklonen med for stor hastighet til å tillate en effektiv separering og problemene som er anført av London vil opptre.

Formen til separasjonskammeret er meget viktig.

Man har funnet at en høy separasjonseffektivitet oppnås i konisk formede kammere. Kammeret må avta i diameter mot spissenden med reduksjon av hvirvelens radius og økning av sentrifugalkraften.

Ved uttrykket "konisk formet" menes den effektive koniske form for kammeret, dvs. den avtagende diameter for kammeret ved spissutløpsenden ved sammenligning med diameteren ved innløpsenden eller basisutløpsenden. Kammeret er i reali-teten konisk hvis kammeret ved spissutløpet har en mindre diameter enn kammeret ved innløpet. Hvis dette er tilfelle, vil hvirvelen i kammeret bli mindre i diameter mot spissenden også i det tilfelle hvor kammeret mellom endene ikke er en rett-sidet konus, men f.eks. en sylinder.

Kammeret kan ha form av en rett-sidet rettvinklet konus fra basisenden mot pspissenden. Den kan også være delvis sylindrisk og konusformet bare ved spissenden. Konusformen bør ikke være jevn eller rettsidet. Konvekst eller konkavt krummede sider kan benyttes med jevn eller økende eller avtagende krumning. Diameteren kan avta kontinuerlig mot spissenden eller i trinn. En konus med rett sider, men med varierende konusvinkel kan benyttes. Det er således mulig med en stor variasjon av konusformer og den form som velges vil være avhengig av de spesielle separasjonsbetingelser og kan bestemmes ved eksperiment.

Det' er også viktig å ha et trykkfall mellom gass-innløpet og -basisavløpene tilstrekkelig stort til å tilveiebringe en økning av gasshastigheten når gassen nærmer seg områdene med mindre diameter i konusen. Dette gir maksimaltsentri-fugalkraft for separering av områdene med minst radius. Etter som trykket faller, omdannes trykkenergien eller trykkhøyden til hastighetshøyde og hastigheten øker. Således fås den nød-vendige energi for akselerasjon av partiklene fra trykkfallet og benyttes også for å øke separeringseffekten. Derfor er også trykkforholdet kritisk.

Dette betyr også at den maksimale separeringseffek-tivitet oppnås i det området av syklonen hvor radien er liten istedenfor ved syklonens'periferi og det er i dette område at den maksimale separeringseffekten er nødvendig, ved grensen mellom kjerne og periferiområdet hvor gasstrømmen mot spissen og kjerneutløpet har forskjellige retninger. Dette betyr at kjerneområdet er det området hvor de tyngre partikler har den største sjanse til å bli kastet ut om de kommer så langt og dette hjelper til å sikre at de ikke blir værende i den sentrale strøm i basisavløpet.

Følgelig er basisinnløpet, spissutløpet og kjerne-utløps diameterne valgt slik at trykkforholdet pkjerneutløp ligger i området mellom 1,5 og ca. 10 ved å mate gassen med et absolutt trykk i området mellom ca. 5°S 1000 mm Hg. I reali-teten betyr dette at gasstrykket ved gassinnløpet er minst 1,5 til ca. 10 ganger trykket ved kjerneutløpet for kammeret. Fortrinnsvis ligger trykkforholdet for optimal separasjonseffektivitet i området mellom ca. 2 og 6.

Gass kan tilføres gjennom gassinnløpet via en dyse, .et munnstykke eller en åpning som delvis omvandler trykkhøyden til hastighetshøyde. Dette er særlig fordelaktig ved initiering av hvirveldannelsen.

Innløpsaastigheten for gassblandingen kan være minst lik lydens hastighet ved de herskende temperaturer og den kan være flere ganger denne hastighet hvis dette er ønsket, men dette krever spesielt gassinnføringsutstyr. Det er mulig å benytte lavere hastigheter enn dette, avhengig av gassen og dette kan bestemmes ved eksperimentering pfor hver gass. Sepa-reringsef f ekten for et bestemt trykkfall er også i en viss grad avhengig av selve innløpet, formen, antall innløp og avstanden. Hvis innløpene gir en helt jevn strøm rundt omkretsen, er det mulig å gjennomføre driften ved relativ lav gassinnløpshastighet, under lydhastighet.

Prosessen kan drives ved enhver ønsket temperatur. Små variasjoner i temperatur er ikke kritisk. Driftstempera-turen vil vanligvis velges som den temperatur hvor alle komponenter som skal separeres er i gassfase i separasjonskammeret. Ved noen materialer kan dette bety relativt høye temperaturer, mens i tilfelle av andre materialer som vanligvis er gassformet ved normal romtemperatur, kan det benyttes normal romtemperatur. I noen tilfelle kan meget lave driftstemperaturer være å fore-trekke. Området for driftstemperaturer ligger således mellom ca. -50° og ca. 500°C, og fortrinnsvis mellom ca. -20° og 300°C.

Ifølge oppfinnelsen blir gassblandingen som skal separeres sammenblandet med en inert gass med lavere molekyl-eller atomvekt før gassblandingen utsettes for sentrifugalkraften. Således den hensikt som er ønsket oppnådd ved oppfinnelsen å oppnå en øket separasjonsgrad ved hjelp av dette trekk og denne effekt eller virkning er særlig markert ved mengder av inert gass i overkant av ca. 25 volumprosent av blandingen og særlig i overkant av ca. 60 volumprosent av blandingen. Denne virkning er overraskende og antas forår-saket av en økning i lydhastigheten for gassen på grunn av redusert gjennomsnittlig molekyl- eller atomvekt for blandingen og en viss påvirkning av. den totale diffusjonsmekanisme.

Det kan benyttes en hvilken somhehelst gass som er inert i forhold til, dvs. ikke reagerer i vesentlig grad med den gassblanding som skal separeres, men denne gass må ha en molekyl- eller atomvekt som er mindre enn den for gassblandingen og fortrinnsvis en så lav molekyl- eller atomvekt som mulig slik at' hydrogen og helium, er foretrukket. Imidlertid kan også nitrogen, metan, etan, karbonmonoksyd, karbondioksyd og vann også benyttes.

Når en inert gass benyttes, kan prosessen drives

med et absolutt gassinnløpstrykk høyere enn 1000 mm Hg. Det absolutte gassutløpstrykk kan ligge opptil 10 atmosfærer.

Etter at separasjonen er gjennomført, kan den inerte gass skilles ut ved vanlig teknikk såsom kondensering av de tyngre eller mindre flyktige, separerte komponenter.

I det tilfelle hvor gassblandingen utsettes for flere hvirveltrinn eller syklontrinn er det fordelaktig å benytte en samling av syklonseparatorer som er anordet i to serier i kaskade. En typisk kaskadeserie som kan benyttes er beskrevet av Avery, Physics Bulletin (1970)>side 18. Kjernedelen fra hvert syklontrinn er kombinert med spissdelen til et senere syklontrinn og dette gjentas ved hvert trinn til slutten av serien, mens i de andre serier spissdelen er kombinert med kjernedelen fra senere trinn. Enhver anordning av sykloner og tilbakeføring kan benyttes. På denne måten gis det ikke av-kall på noe material og eventuelt kan alle separerte komponenter tas ut.

Oppfinnelsen skal i det følgende nærmere forklares ved hjelp av utførelseseksemplet som er fremstilt på tegningen, som viser: Figur 1 et lengdesnitt gjennom en typisk konisk syklonseparator som kan benyttes ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, Figur 2 et riss langs linjen 2-2 på figur 1, og viser syklonseparatoren i tverrsnitt med fridelen og kjerne-

delene tilhhvirvelstrømmen, og

Figur 3 skjematisk et typisk system av syklonseparator anordnet som en kaskadekopling med grupper a og b av kjernedelsykloner og spissdelsykloner som viser strømmen til kjernedelene og spissdelene gjennom hver serie til den endelige separering av komponentene av gassblandingen ved enden av hver serie, Figur 4 et diagram av iakttatte verdier for separasjonsfaktoren mot uranfordelingsforholdet til dataene i tabell

III.

Syklonseparatoren på figurene 1 og 2 har et hus 1 med seks gassinnløp 2 tangentielt anordnet ved basisenden 3

til det koniske separeringskammer 5» Gassavløpet 4 f°r den perifere delen av syklonen ligger ved spissenden 9 til det koniske separeringskammer 5 og gassavløpet 6 for basisdelen av syklonen ved basisenden av kammeret. Den indre ende av røret 7 strekker seg innover fra konusens basis og avgrenser en ring-formet sone 8 i hvilken gassinnløpene 2 munneruut. Gassinn-løpene 2 initierer på grunn av at de er anbragt tangentielt ved en hvirvelstrøm vist ved den skruespiralformede pil rundt den ringformede sone 8 som avgrenses av den indre ende av røret 7» Den således dannede hvirvelstrøm fortsetter langs konusens periferi mot utløpet 4°g fra denne bane kastes komponentene med høyere molekyl- eller atomvekt ut i syklonens perifere del, mens komponentene med lavere molekyl- eller atomvekt føres mot den sentrale del av syklonen. Materialet til den sentrale del-' av syklonen føres i motsatt retning eller mot utløpet 6. Det finnes således innbyrdes motsatte rettede strømmer av materialer fra de indre og ytre deler av syklonen og dette fremmer effektiv separering og forlenger dessuten separeringssonen betydelig.

Under separeringen beveger gassblandingen seg, som kommer inn via innløpene 2 i en hvirvel langs kammerets periferi og danner en perifer strøm mot utløpet 4* Samtidig dannes et kjernepartis sentrtxm av syklonen med en gasstrøm i motsatt retning eller mot basisavløpet 6. Trykket i dette kjerneparti er lavere enn trykket ved innløpet 2. På denne måten avgår gass med lavere molekylvekt fra syklonseparatoren via utløpet 6 og gass med en høyere molekylvekt forlater separatoren via utløpet 4-

En samling av de to grupper a og b kaskadekoples

i syklonseparator av foran beskreven type, som i hver gruppe danner et antall i serie anordnet separeringstrinn kan ha den form som vises på figur 3* Gassblandingen kommer her inn i innløpet, for den første syklonseparator I via en kompressor C hvor den blandes med spissfraksjonen fra syklonseparator Ila og basisfraksjonen fra syklonseparator Ilb. Serie a konsentrerer eller anriker med henblikk på en lettere komponent. Basisfraksjonen uttas ved basisen av separatoren I og passere til neste separator Ila.i serie sammen med spissfraksjonen fra separator Illa, føres derfra som basisfraksjon til separatoren Illa sammen med spissfraksjonen fra separatoren IVa, føres derfra som basisfraksjon til separatoren IVa sammen med spissfraksjonen fra separatoren Va, føres derfra som basisfraksjon til separatoren Va sammen med spissfraksjonen'fra separatoren Via som fra denne som basisf raks jon til separatoren Via.

På denne måten blir basisfraksjonene suksessivt mer og mer konsentrert med henblikk på den lettere komponent og til slutt fjernes den lettere fraksjon fra systemet ved separatoren Via i slutten av serien.

Serie b konsentrerer med henblikk på den tyngre komponent. Spissfraksjonen fra separatoren I uttas gjennom spissavløpet og passerer via ckompressor C til separatoren Ilb sammen med basisfraksjonen fra separatoren Illb. Spissfraksjonen uttas herfra, tilføres separatoren Illb sammen med basis-fraks jonen fra separatoren IVb. Spissfraksjonen uttas fra separatoren Illb og tilføres separatoren IVb sammen med basis-fraks jonen fra separatoren Vb. Spissfraksjonenefra separatoren IVb tilføres separatoren Vb sammen med basisfraksjonen; fra separatoren VIb. Spissfraksjonen fra separatoren Vb uttas fra denne og tilføres separatoren VIb. Således blir spissfraksjonene suksessivt konsentrert med henblikk på den tyngre komponent.

Spesielt fordelaktige utførelsesformer av oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere ved- hjelp av eksempler.

EKSEMPEL I

Syklonene som ble benyttet var av den type som er vist på figurene 1 og 2. Syklonene ble benyttet for separering av karbonmonoksyd fra karbondioksyd i en blanding som inneholdt ca. 25 % CO og ca. 75 f0 c02og blandet med mengder av helium, mengder svarende til tabell I og II. Gassblandingen strømmet fra et forråd gjennom en reduksjons- og reguleringsventil,'en overtrykksbeskytter, et filter og en strømningsmåler av venturi-typen til en syklonseparatorbeholder med tre fra hverandre atskilte kammere, et for tilførsel av blandingen til separatorene og to for oppsamling av de fraksjoner som avgår fra separatorene. De to fraksjoner fra syklonene ble ført gjennom strømningsmåleren og reguleringsventiler til en vakuumpumpe, mens en del ble ført gjennom ventilene til en gassanalysator. Gasstrykkene i syklon-separatorbeholderens kammere ble målt med kvikksølv manometer for absolutt trykk.

Forskjellen i sammensetningen av de to fraksjoner

fra syklonene ble registrert ved hjelp av en infrarød analysator og en tilkoplet potensiometrisk skriver.

Resultatet som ble oppnådd ved anvendelsen av en

2 mm syklon er angitt i tabell I. De data som ble oppnådd ved anvendelsen av en 1 mm syklon er angitt i tabell II. Konusvinkelen for syklonene var i begge tilfelle 5>7°'

Separasdoirsfaktoren E er definert véd ligningen

hvor x er molfraksjonen av karbondioksyd i blandingen karbonmonoksyd - karbondioksyd (helium er utelatt). Strømnings-fordelingsfaktoren defineres på basis av molstrømningen av den innkomne gass som forlater separatoréne gjennom spissavløpet. Det er av disse data tydelig at -Gtéfc Sle oppnådd en god separasjon og at separasjonsfaktoren øker ved mengden av helium.

EKSEMPEL 2

Isotop U 235 separeres fra U 238 i uranhexafluorid-gass sammenblandet med heliumgass i samsvar med følgende fremgangsmåte.

Apparatet som ble benyttet var 2sammensatt av 200 trinn i et system hvis gjennomstrømning er i samsvar med diagrammet på figur 3*Hvert separatorkammer har en maksimal konusdiameter på 2 mm og en diameter på 1 mm ved kjerneutløpet og ved spissutløpet. Separatorkammerne er koniske som vist på figurene 1 og 2 med en lengde på 10 mm. Innløpstrykket ér 300 mm Hg. Kjerneutløpstrykket og spissgassutløpstrykket er 60 mm Hg. Trykkforholdet er 5«Gassinngangshastigheten i separasjonskammeret er lydhastigheten.

Uranhexafluorid innført i det første syklonseparasjonstrinn inneholdende 99,3 % U 238 og 0,7 <fo U 235. Innmatingen til hvert syklonseparatbrtrinn reguleres til å inneholde 90 f° helium, det samme i hvert, ved innblanding av egnet avalgte fraksjoner fra -etterfølgende serie a trinn som vist på figur 3»

I hvert serie a syklontrinn blir kjernefraksjonen anriket ved U 235 og gassen som kommer fra det siste trinn av kjernedelen serie a blir anriket, med U 235 til 3 f 0»°g den gassen som ble oppnådd for spissdelen serie b av syklonene inneholder nesten alt U 238 og-en meget liten mengde, 0,2 % U 235.

EKSEMPEL 3

Prøver av renset uranhexafluorid (UFg) og helium

(92 % helium, Q fo UFg, regnet i volumprosent) ble preparert på følgende måte. Beholderen som inneholdt renset UFg ble for-bundet med en evakuert prøvebeholder. Beholderen ble holdt ved l8°C i et konstant temperaturbad og beholderne ble kjølt med flytende nitrogen. Mengden av UFg som således ble overført til beholderen ble bestemt ved veiing. Forskjellen mellom UFg-innholdet i prøveparene ble holdt mindre enn 2 %. UFg i beholderne ble så oppløst i 3 g karbontetraklorid (tetraklormetan, CCl^) som likeledes ble overført til beholderen ved destillasjon for å gi en homogen prøve.

Prøvebeholderne ble fremstilt av aluminium som har en relativ lav absorpsjon av gammastråler. Veggtykkelsen var 1>75±0,01 mm.

En brønntype natriumjodid (Nal)-detektor koplet til en flerkanalanalysator ble benyttet til å måle gammastråle-emmisjonen fra prøvene i området fra 50 til 210 keV, ved 3 keV pr. kanal. Antall tellinger som hørte til den karakteristiske spiss ved 185 keV, .korrigert for påvirkning av Thorium 634 (Th-234) med spiss ved 94 keV, ble tatt som en måling på U 235?innholdet i prøven. Bakgrunnsstrålingen viste seg å være uvesentlig. Beholderne passet meget godt inn i detektor-brønnen.

Det apparat som ble benyttet var sammensatt av fire syklonseparatorer som var parallellkoplet utgjorde et trinn i en kaskade i samsvar med diagrammet på figur 3« Hver syklonseparator hadde en maksimal konusdiameter på 2 mm og en diameter på 1 mm ved kjerneutløpet og ved spissutløpet. Separatorkammerne var koniske, som vist på figurene 1 og 2 med en lengde på 10 mm.

Innløpstrykket som ble benyttet var l80 mm Hg. Trykket i den anrikede strøm (basisutløpet) fra syklonen ble fast-lagt ved 36 mm Hg, mens trykket i den utmatede strøm (spiss-utløpet). varierte mellom 36 og 65 mm Hg. 6 Forskjellige kjøringer ble gjennomført under disse betingelser og separasjonseffektiviteten bestemt ved hjelp av separasjonsfaktoren.

De følgende resultater ble oppnådd:

Den iakttatte separasjonsfaktor ble nedtegnet mot uranfordelingsforholdet 9 for fire av kjøringene i diagrammet som'er vist på figur 4«

Uranfordelingsforholdet 0 er definert som:

som kurven viser når separasjonsfaktoren en maksimal verdi på ca. 23 x 10-3 ve£ en verdi på 9 Hk Ca. 0,5-Dette er meget vesentlig for kraftforbruket. Det betyr at en lik volumfordeling av avløpsstrømmen ved spissut-løpet og basisutløpet i syklonen kan benyttes i den enkleste form for kaskade av den type som er vist på figur 3>°g vil gi minimalt kraftforbruk. Følge kan ved drift av kaskaden like strømningsvolumer opprettholdes i retur og fremoverstrømningene fra spissenden og basisenden til syklon I og følgelig gjennom hver syklon i serie a og b II til VI, etc. noe som er meget velegnet under drift og på denne måten ved drift ved maksimal separasjonseffektivitet at kraftforbruket vil være et minimum. Hele innretningen er enkel og ikke dyr.

Følgelig blir i lys av de ovenfor viste resultater isotop U 235 separert fra U 238 i uraniumhexafluoridgass sammenblandet med heliumgass i samsvar med følgende prosedyre.

Apparatet som benyttes er sammensatt av 200 trinn

i et system hvi-s gjennomstrømning er i samsvar med diagrammet på figur 3* Hvert separatorkammer har en konusdiameter på 2 mm og en diameter på 1 mm ved kjerneutløpet og ved spissutløpet. Separatorkammerne er koniske som vist på figurene 1 og 2 med

en lengde på 10 mm. Innløpstrykket er l80 mm Hg. Kjerne- og spissgassutløpstrykkene er 36 mm Hg. Trykkforholdet er 5« ' Gassinngangshastigheten i separasjonskammeret er lydhastighet. Like strømningsvolumer blir opprettholdt i utstrømningsgassene ved spissutløpet og basisutløpet til hver syklon i hver serie.

Uranhexafluorid innføres i den første syklonseparasjonstrinn med et innholdt på 99,3 % U 238 og 0,7 $ U 235. Innmatingen til den første syklonseparasjonstrinn inneholder 92 f° helium, og 8 % UFg, regnet i volumprosent, og går videre til det etterfølgende trinn i seriene med blanding av like volumer av innmatet mengde og fraksjon som velges fra et etterfølgende trinn i serie a som vist på figur 3* Hvert trinn drives ved et u f—ranfordelingsforhold & på ca. 0,5- I hvert syklontrinn i serie a blir kjernefraksjonen anriket med U 235°g gassen som kommer fra det siste trinn av kjernedelen i serie a er anriket med U 235 til 3 %°g gassen som oppnås fra det-, siste trinns spissdel i serie b av syklonene inneholder nesten ålt U 238 og en meget liten mengde U 235, nemlig 0,2

Syklonene ifølge oppfinnelsen er også anvendbare

som molekylseparasjonstrinn i et gasskromatograf-massespektrometer system. Slike systemer kombinerer to fysisk-kjemiske metoder, hvor det kan anvendes en molekylseperator. Gasskromatografi er en særdeles effektiv metode for separering av komponenter av organiske blandinger av tilstrekkelig lett flyktighet og termisk stabilitet, mens massespektrometri er en hensiktsmessig metode for identifisering av disse komponenter. Den direkte tilførsel av separerte gas£formede komponenter fra gasskromatografikolonnen via syklonseparatorer ifølge oppfinnelsen til massespektrometeret medfører et høyt forhold mellom prøve-

og bæregassanriking. De benyttede gasskromatografi- og masse-spektrometere kan være av konvensjonell type. Et egnet system er f.eks. LKB-gasskromatograf-massespektrometer-systemet som omfatter et enkelt fokuserende massespektrometer. Som bæregass benyttes helium, og prøven injiseres gjennom gasskromatografikolonnen med helium.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte & r separering av en gassblanding i minst to gassformede fraksjoner av komponentene i samsvar med deres molekyl- eller atomvekt, hvor det utøves en sentrifugalkraft ved rotasjon av blandingen i en syklon med perifere hvirvler og kjerne hvirvler og med nen diameter på ikke over 5 mm ved et absolutt gassinnløpstrykk mellom ca. 5°g ca« 1000 mm Hg dg et p kjerneutløp 1 hvor fraksjonen med høyere molekylvekt eller atomvekt tas ut fra den perifere del av syklonen og fraksjonen med lavere molekylvekt eller atomvekt tas ut fra kjernedelen av syklonen,karakterisert vedat gassblandingen før den utsettes for sentrifugalkraften sammenblandes med en inert gass med lavere molekyl- eller atomvekt enn selve blandingen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat den blanding somsskal separeres er en gass isotopblanding.

3» Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat fraksjonene som skal separeres fra blandingen utsettes for etter hverandre følgende syklonseparasjonstrinn under de angitte betingelser for videre å anrike dem i hvert fall et element valgt fra gruppen bestående av fraksjoner med høyere molekyl- eller atomvekt, lavere molekyl- eller atomvekt eller begge deler.

4» Fremgangsmåte ifølge krav 2 eller 3>karakterisert vedat de etter hverandre følgende syklon-separas jonstrinn drives med et uranfordelingsforhold på ca. 0,5» 5* Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat isotoper som atskiller seg i atomvekt separeres fra en blanding av gassformede komponenter herav.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat syklonen er konisk.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakter i-, sert ved at syklonen har en diameter på ikke over 2 mm.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat syklonen har en diameter på 1 til 0,1 mm.

9» Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat gassblandingens hastighet er minst lydhastigheten i gassblandingen ved driftstemperatur.

10;. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat det som inert gass benyttes helium.

11. ' Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat den inerte gass er hydrogen.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat gass isotopblandingen omfatter en blanding av uranisotoper i form av gassformede uranforbindelser.

13«Fremgangsmåte ifølge krav 12,karakterisert vedat det som uranforbindelse benyttes uran-hexaf luorid.

14*. Fremgangsmåte ifølge krav 1 og.6,karakterisert vedat det benyttes en avkortet konus med en konusvinkel mellom 1° og 9O<0>, fortrinnsvis mellom ca. 3° og 3O<0.>

15*Fremgangsmåte ifølge krav 14>karakterisert ved. at det benyttes et forhold'mellom diameteren ved konusens basis og diameteren ved konusens spiss mellom 1,3 og 3.5-