Способ разделения газовых смесей и устройство для его осуществления

 

Использование: изобретение относится к области экологии, конкретно - к области очистки воздуха от вредных газов. Сущность изобретения: способ разделения газовых сред состоит в том, что предварительно закрученную смесь перемещают в направлении оси вращения с окружной скоростью, обратно пропорционально радиусу вращения, и одновременно поворачивают до осевого направления. Во время поворота происходит разделение газовой смеси на фракции, которые затем тормозятся за счет инерции и отводятся в отдельные резервуары. Осуществляется способ с помощью устройства, выполненного в виде двух камер (разгонной и тормозной) воронкообразно-вогнутой формы, сообщающихся своими узкими сторонами через кольцевой канал, причем разгонная камера на входе имеет направляющий аппарат, а тормозная разделена на отдельные секции перегородкой, эквидистантной стенкам камеры. Во время прохождения потоком камеры более легкая фракция смеси концентрируется в слое, расположенном со стороны оси вращения, который отделяется от слоя с меньшей концентрацией и поступает в тормозную камеру, где тормозится за счет инерции. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области оздоровления окружающей среды (к экологии), конкретно, к области разделения и очистки газовых сред. Оно может быть применено прежде всего для отделения метана от воздуха при вентиляции угольных шахт, а также для отделения от воздуха других вредных газов.

Известен способ разделения газовых смесей, включающий закручивание смеси, отвод части потока, имеющий большую концентрацию легкого газа, по каналу, расположенному ближе к оси вращения, а части потока с тяжелым газом по каналу, удаленному от этой оси с одновременным уменьшением скорости потоков [1] Недостатком способа является его невысокая эффективность.

Известно устройство для разделения газовых смесей, содержащее приспособление для подвода смеси, сообщающиеся своими меньшими основаниями разгонную и тормозную камеры с общей осью симметрии, стенки каждой из камер переходят плавно от большего основания к меньшему, установленный на входе разгонной камеры направляющий аппарат [2] Недостатком устройства является невысокая эффективность разделения газовых смесей.

Задачей изобретения является более эффективное разделение смесей газов на составные фракции, имеющие различные удельные веса, с целью очищения окружающей воздушной среды от вредных примесей. При осуществлении изобретения будет создан газоразделительный агрегат с резко увеличенной производительностью.

Задача изобретения в части способа решается за счет того, что закрученную смесь центростремительной силой, создаваемой атмосферным давлением, перемещают в направлении оси вращения с окружной скоростью, обратно пропорциональной радиусу вращения и одновременно поворачивают до направления, параллельного оси вращения, а разделенные потоки поворачивают и удаляют от оси вращения до частичного или полного торможения за счет инерции потоков до восстановления атмосферного давления.

Прием: "центростремительной силой смесь перемещают в направлении оси вращения с окружной скоростью, обратно пропорциональной радиусу вращения.", обеспечивает свободный вихрь, в котором каждая отдельная молекула во время перемещения к центру вращения сохраняет неизменным свой момент импульса и, значит, может свободно переносить свой тангенциально направленный импульс во время свободного пробега между соударениями. При совершении этого приема газ расширяется и разгоняется, накапливая кинетическую энергию.

Прием: ".одновременно поток поворачивают до направления, параллельного оси вращения", обеспечивает сортировку молекул по их молекулярному весу, т. к. создает условия для обгона (в направлении оси вращения) тяжелых молекул более легкими молекулами, имеющими большую среднюю скорость движения. Без этого приема не было бы "обнаженной" поверхности, нормальной радиусу поворота, и потому не было бы возможности разделения газа на фракции.

Прием: ".разделенные потоки поворачивают и удаляют от оси вращения до частичного или полного торможения за счет инерции потока" позволяет использовать накопленную во время разгона смеси кинетическую энергию на сжатие этой смеси до давления, начального или близкого к нему.

Этот прием дает возможность использовать кинетическую энергию, накопленную во время расширения смеси, для сжатия потока, т.е. для восстановления начального давления.

Итак, предлагаемые приемы способа обеспечивают не только разделение смеси на фракции, но также и ее разгон (при приближении к оси вращения) до давления ниже атмосферного, с тем, чтобы при повороте в противоположную сторону, т. е. от оси вращения и удаления от этой оси, газ снова сжимался бы до нужного давления за счет своей инерции. Такой разгон смеси за счет расширения, а затем ее сжатие до давления, близкого к начальному за счет инерции потока, позволяет резко уменьшить затраты энергии на нагнетание смеси. Если, например, для создания потока в вихревой трубе требуется нагнетать смесь компрессором под давлением несколько атмосфер, то, в случае предлагаемого способа, смесь нагнетается под избыточным давлением, в десятки раз меньшим, для чего достаточен вентилятор.

Разделение смеси газов, движущейся к центру вращения под действием центростремительной силы с окружной скоростью, изменяющейся обратно пропорционально радиусу вращения с одновременным поворотом смеси, обусловлено особенностью молекулярного движения. Дело в том, что молекулы любой фракции имеют одинаковую кинетическую энергию (вытекает из законов Дальтона и Авогадро). Иначе говоря, молекулы более легкой фракции (например, метана) движутся быстрее молекул более тяжелого газа (например, воздуха). Поэтому при движении к оси вращения с окружной скоростью, обратно пропорциональной радиусу вращения с одновременным поворотом, каждая молекула легкого газа при своем очередном пробеге к центру вращения будет приближаться к нему на большее расстояние, чем молекулы тяжелого газа. В результате за время поворота на 90^o происходит эффективное разделение смеси. Легкий газ оказывается вблизи оси вращения, а тяжелый газ в удалении от этой оси.

Описанный способ разделения газовых смесей, предназначенного, например, для отделения метана от воздуха, отсасываемого из шахт вентилятором, а также для разделения других смесей газов.

На фиг. 1 изображена схема устройства, на фиг. 2 дан разрез по А-А.

Устройство имеет разгонную камеру 1 воронкообразно-вогнутой формы, сообщающуюся через кольцевой канал 2 с тормозными камерами 3 и 4, разделенными перегородкой 5 и сообщающимися соответственно с емкостями 6 и 7. Разгонная камера через направляющий аппарат 8 сообщается с приспособлением для подвода смеси 9, в которое подает смесь вентилятор 10. Кроме того, имеются выходные патрубки 11 и 12 для отвода фракций смеси.

Разгонная камера 1 и тормозные камеры 3, 4 имеют общую ось симметрии 13 и сообщаются своими меньшими основаниями 14, 15. Стенки 16, 17 каждой из камер переходят плавно от большего основания к меньшему. Камеры снабжены внутренними стенками 18, 19, образующими незамкнутый объем 20, при этом общая ось симметрии 13, проходящая через охватываемый внутренними стенками незамкнутый объем, параллельна стенкам камер, примыкающим к их меньшим основаниям 14, 15, и перпендикулярна стенкам камер с противоположной стороны.

Работа устройства начинается, как только вентилятор (воздуходувка) 10 начнет подавать смесь газов из шахты (из дымовых труб и т.д.). Газ течет через направляющий аппарат и (закрученный в нем) поступает в камеру 1. Двигаясь в разгонной камере и одновременно поворачиваясь в ней, газ приближается к центру вращения, а потому разгоняется (в соответствии с законом постоянства момента импульса) и расширяется. В разгонной камере завершается процесс разделения смеси на фракции. Это разделение происходит потому, что более легкие молекулы легкой фракции газа имеют большую скорость, чем молекулы тяжелой фракции. Благодаря этому каждый раз при переносе отдельной молекулой к центру вращения тангенциально направленного элементарного импульса легкая молекула проходит большой путь, т.е. быстрее приближается к центру вращения. В результате в момент похода потока к перегородке 5 молекулы легкой фракции оказываются сконцентрированными ближе к центру вращения. Перегородкой 5 поток делится на 2 части. Часть потока, т.е. более легкая фракция (например, метан), поступает в тормозную камеру 4, а оттуда в емкость 7 и далее подается к потребителю через патрубок 12. Более тяжелые фракции (например, кислород, азот) текут в тормозную камеру 3, из нее в емкость 6, а затем выбрасываются наружу через патрубок 11.

Формула изобретения

1. Способ разделения газовых смесей, включающий закручивание смеси, отвод части потока, имеющей большую концентрацию легкого газа, по каналу, расположенному ближе к оси вращения, а части потока с тяжелым газом по каналу, удаленному от этой оси, с одновременным уменьшением скорости потоков, отличающийся тем, что закрученную смесь центростремительной силой, создаваемой атмосферным давлением, перемещают в направлении оси вращения с окружной скоростью, обратно пропорциональной радиусу вращения, и одновременно поворачивают до направления, параллельного оси вращения, а разделенные потоки поворачивают и удаляют от оси вращения до частичного или полного торможения за счет инерции потоков до восстановления атмосферного давления.

2. Устройство для разделения газовых смесей, содержащее приспособление для подвода смеси, сообщающиеся своими меньшими основаниями разгонную и тормозную камеры с общей осью симметрии, стенки каждой из камер переходят плавно от большего основания к меньшему, установленный на входе разгонной камеры направляющий аппарат, отличающееся тем, что камеры снабжены внутренними стенками, образующими незамкнутый объем, при этом общая ось симметрии, проходящая через охватываемый внутренними стенками незамкнутый объем, параллельна стенкам камер, примыкающим к их меньшим основаниям, и перпендикулярна стенкам камер с противоположной стороны, тормозная камера снабжена перегородкой, делящей ее по длине на две части, а направляющий аппарат выполнен лопаточным.

РИСУНКИ

Рисунок 1