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Verfahren zur mindestens zweistufigen Isotopengewinnung
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h. fürhanden ist, zu erhöhen, ohne dass sich in irgendeiner Verfahrensstufe die an diesem Isotop angereicherte
Substanz durch Vermischen mit einer Substanz, die einen weniger hohen Isotopengehalt hat, erniedrigt.
Es ist schliesslich eine Aufgabe der Erfindung, den aus der Hochkonzentrationsanlage kommenden
Rückfluss auf die Isotopenkonzentration (ao) des Mediums, welches als Isotopenquelle in die gesamte An- lage eingespeist wird, zu bringen.
Gemäss der Erfindung wird das Verfahren zur Gewinnung von Isotopen aus Flüssigkeiten oder Gasen in zwei oder mehreren hintereinandergeschalteten Verfahrensstufen in der Weise ausgeführt, dass der von einer Hochkonzentrationsanlage kommende Rückfluss, der in dieser Anlage auf eine mittlere Konzentra- tion (aR) verarmt wurde, mit dem auf Vorkonzentration (av) zu bringenden Zufluss zur Hochkonzentra- tionsanlage in Isotopenaustausch gebracht wird. Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird, wie aus Fig. 1 ersichtlich, der aus einer Hochkonzentrationsanlage (HA) kommende Rückfluss einer ge- sonderten Phasenumkehr (PR) zugeführt und das dort erzeugteMedium in eine kleinere Isotopenaustausch- kolonne (KI) geleitet. Durch diese fliesst im Gegenstrom das aus der Vorkonzentrationsanlage (VA) kommende Medium.
Falls zur Durchführung des Isotopenaustausches ein Katalysator erforderlich ist, kann dieser entweder in der kleineren Isotopenaustauschkolonne (KI) als Fest- oderSchwebebett enthalten sein, oder aber im Medium suspendiert oder gelöst mitgeführt werden. Die kleinere Isotopenaustauschkolonne (Kl) ist so bemessen, dass der aus derHochkonzentrationsanlage (HA) kommende Rückfluss bis auf die Konzentration des eingespeistenMediums (ao) verarmt wird. Erst dann wird er mit diesem Medium vermischt, welches in die Vorkonzentrationsanlage (VA) eingespeist wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren soll im folgenden beispielsweise an Hand des Isotopenaustausches zwischen Ammoniak und Wasserstoff zum Zwecke der Gewinnung von Deuterium unter Bezugnahme auf die Fig. 2 ins einzelne gehend erläutert werden.
In einer Phasenumkehrstufe 1 wird das als Isotopenquelle benutzte Wasser 2 von der Isotopenkonzentration (a) in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der Wasserstoff wird über die Leitung 3 einer Isotopenaustauschkolonne 4 zugeführt. Nachdem er dort, wie später beschrieben, an Deuterium verarmt worden ist, wird er über die Leitung 5 in die Synthese 6 eingebracht, nachdem ihm vorher über die Leitung 8 Stickstoff zugemischt worden ist. Ein Teil des in der Synthese 6 erzeugten Ammoniaks wird abgezweigt und über die Leitung 7 verflüssigt auf den Kopf der Isotopenaustauschkolonne 4 aufgebracht, welche es im Gegenstrom zu dem zu verarmenden Wasserstoff durchströmt.
Bei Verwendung eines im flüssi- gen Ammoniak mitgeführten Katalysators wird dieser am Kopf der Isotopenaustauschkolonne 4 dem Ammoniakstrom über die Leitung 15 zugemischt.
Nach erfolgtem Isotopenaustausch verlässt das an Deuterium angereicherte Ammoniak über die Leitung 17 den Isotopenaustauscher 4 und wird auf den Kopf des Isotopenaustauschers 16 aufgebracht. Dort wird es wiederum im Gegenstrom zum Wasserstoff geführt, der sich aus zwei Teilströmen zusammensetzt.
Der eine Teil ist aus dem Rückfluss 13 aus der Hochkonzentration 12 in der Phasenumkehr 19 entstanden und hat die Isotopenkonzentration (aR), der andere Teil wird am Kopf der Isotopenaustauschkolonne 20 abgezogen. Diese ist so bemessen, dass ihr Kopfprodukt ebenfalls die Isotopenkonzentration (aR) hat. Auf den Kopf der Isotopenaustauschkolonne 20 wird über die Leitung 18 das aus der Austauschkolonne 16 austretende Ammoniak aufgegeben. Nach erfolgtem Isotopenaustausch in der Austauschkolonne 20 hat das Ammoniak die erforderliche Vorkonzentration (av) erreicht. Falls der Katalysator im Ammoniak mitgeführt worden ist, wird dieser in der Abscheidevorrichtung 14 vom Ammoniak getrennt und wie oben beschrieben durch die Leitung 15 wieder zurückgeführt.
Das Ammoniak geht über die Leitung 9 zur Verbrennungsanlage 10 und wird dort zu Wasser und Stickoxyd verbrannt. Das Verbrennungswasser mit der Isotopenkonzentration (av) wird zum Teil in die Hochkonzentration 12 eingeleitet, der andere Teil wird abgezweigt, und in der Phasenumkehr 22 in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.
Der dort entstehende Wasserstoff mit der Isotopenkonzentration (av) wird am Fuss der Austauschkolonne 20 eingebracht und im Gegenstrom zu dem durchströmenden Ammoniak geführt. Die Hochkonzentration 12 verlässt ein Rückfluss, dessen Deuteriumgehalt (aR) zwischem dem Deuteriumgehalt des vorangereicherten Wassers (av) und dem des als Isotopenquelle eingespeisten Wassers (ao) liegt. Dieser Rückfluss wird, wie vorher schon angeführt, der Phasenumkehr 19 zugeführt.
Beispiel l : 1200 kMol/h Wasser mit natürlichem Schwerwasseranteil werden der Elektrolyse 1
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Hauptkolonne 4 zugeführt, nachdem er vorher mit dem den Kopf der Kolonne 16 verlassenden Wasserstoff vereinigt worden ist.
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Durch die Kolonne 4 strömen 1500 kMol Wasserstoff und in entgegengesetzter Richtung dazu flüssiges
Ammoniak. Infolge des Isotopenaustausches geht ein Teil des Deuteriums vom Wasserstoff zum Ammo- niak über und bildet dort NH2D. Am Kopf der Kolonne ist der Wasserstoff auf 62, 5% seiner natürlichen
Deuteriumkonzentration verarmt. Dieser Wasserstoff geht in die Synthese 6. Dort werden zusammen mit
500 kMol Stickstoff 1000 kMol Ammoniak erzeugt. Auch dieses Ammoniak hat nur 62, 5% seiner natürli- chen Konzentration an NH2D.
Von dem in der Synthese erzeugten Ammoniak sollen 200 kMol zu nitrosen Gasen verbrannt werden, während 800 kMol für andere Zwecke verbraucht werden. Das zur Verbrennung bestimmte Ammoniak wird verflüssigt und über die Leitung 7 auf den Kopf der Hauptkolonne 4 gespeist, nachdem ihm vorher über die Leitung 15 der Katalysator beigemischt worden ist. Durch den Deuteriumaustausch der Kolonne 4 reichert sich das Ammoniak in dieser Kolonne auf den 2,5fachen natürlichen Gehalt an NH2D an.
Durch Isotopenaustausch mit dem in den Kolonnen 16 und 20 im Gegenstrom geführten Wasserstoff höherer Deuteriumkonzentration erhält es eine Konzentration an NH2D, die das 10fache der natürlichen beträgt.
Nachdem bei 14 der Katalysator entfernt worden ist, wird diesem Ammoniak 250 kMol Sauerstoff zugemischt. Aus dieser Mischung entstehen in der Verbrennung 10 nitrose Gase, die auf NO umgerechnet
200 kMol betragen. Aus ihnen werden 300 kMol Wasser kondensiert, welches 10mal so viel Deuterium wie natürliches Wasser enthält.
Ein Teilstrom von 56,25 kMol wird der Hochkonzentrationsanlage 12 zugeführt, in der 0,0675 kMol schweres Wasser erzeugt werden. Aus dieser Anlage fliessen ausserdem 56, 25 kMol Wasser mit 2facher na- türlicher Konzentration ab. Diese werden in der Elektrolyse 19 gespalten und der daraus erzeugte Wasser- stoff mit 2fachem natürlichem Deuteriumgehalt dem Fuss der Kolonne 16 zugeführt.
Dort vereinigt er sich mit dem Wasserstoffstrom, der in der Elektrolyse 22 aus den restlichen
243,75 kMol Verbrennungswasser erzeugt worden ist und der deshalb wie das Verbrennungswasser lOfach angereichert war, aber in der Kolonne 20 auf 2fache Konzentration verarmt worden ist. Die Kolonne 16 ist so bemessen, dass der Wasserstoff sie mit natürlicher D2 -Konzentration verlässt.
Hätte man ohne Verwirklichung des Erfindungsgedankens das Frischwasser 2 und die Rückflüsse 13 und 21 oder das in den Elektrolysegruppen 1, 19 und 22 erzeugte Gas gemischt und einer einzigen Austauschkolonne zugeführt, so hätte das Gas am Fuss dieser Kolonne 2,5fache natürliche Konzentration an Deuterium gehabt. Für die erwünschte 10fache Anreicherung vor der Hochkonzentration hätte dann am
Fuss dieser Kolonne das Konzentrations-Gleichgewicht eingestellt werden müssen, was nur mit einer sehr langen Kolonne und auch dann nur annähernd hätte erreicht werden können.
Ohne Verwirklichung des Erfindungsgedankens hätte die in dem vorstehenden Beispiel erzielte Anreicherung auch mit einer einzigen Kolonne erreicht werden können, wenn man den Rückfluss 7 auf 400 kMol erhöht hätte. Damit wäre das frei verfügbare Ammoniak auf 600 kMol gesunken und die Elektrolyse schlechter ausgenutzt worden, da sie nur noch 900 kMol Frischwasser hätte verarbeiten können. Ausserdem hätte die dafür notwendige Kolonne das 2,4fache Volumen der Summe der Volumina der drei Kolonnen 4,16 und 20 gehabt.
Obwohl noch viele andere Beispiele für Isotopen und Austauschmedien angeführt werden könnten, wird angenommen, dass die oben beispielsweise wiedergegebene Verfahrensweise den weiten Bereich und die grundsätzliche Anwendungsmöglichkeit des Verfahrens gemäss dieser Erfindung deutlich macht.
Anderseits ist es selbstverständlich für jeden Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet, dass viele andere Abwandlungsmöglichkeiten der oben beschriebenen Einzelheiten gegeben sind, ohne dass damit das Wesen der Erfindung verlassen wird.
Beispiel 2 : In einer Wasserstoff-Erzeugungsanlage werden 2400 kMol/h Wasserstoff aus Speisewasser hergestellt. Als Vorkonzentration wird der Austausch von HD in diesem Wasserstoff mit dem HDO des Speisewassers benutzt. Der Hochkonzentration werden 960 kMol/h auf dreifach Isotopengehalt vorkonzentrierter Wasserstoff zugeführt ; sie liefert ihn l, 5fach angereichert zurück, woraufhin er einer Phasenumkehr zu Wasser unterworfen wird. Um die Vorkonzentration zu erreichen, werden 1440 kMol/h des Wasserstoffes im Nebenschluss an der Hochkonzentration vorbeigeführt.
Dieser Nebenschlussstrom wird nach Phasenumkehr zu Wasser mit dem Zufluss zur Hochkonzentration in Isotopenaustausch gebracht und dabei von seiner 3fachen auf die l, 5fache Isotopenkonzentration des Rückflusses verarmt, wodurch sich der Zufluss von 2, lfacher auf 3, Ofache Konzentration anreichert. Hiedurch vermindert sich das notwendige Volumen der Austausch-Hochdruck-Kolonnen um rund 5%. Die beiden erhaltenen l, 5fach angereicherten Wasserströme werden vereinigt und durch Austausch mit dem aus der Vorkonzentrationsanlage kommenden Wasserstoff auf den natürlichen Deuteriumgehalt des Speisewassers abgereichert.
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Process for at least two-stage isotope extraction
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H. is available to increase, without the enriched in this isotope in any process step
Substance lowered by mixing with a substance that has a less high isotope content.
Finally, it is an object of the invention to prevent the coming from the high concentration system
To bring back flow to the isotope concentration (ao) of the medium, which is fed as an isotope source into the entire system.
According to the invention, the process for the extraction of isotopes from liquids or gases is carried out in two or more process stages connected in series in such a way that the reflux coming from a high concentration system, which has been depleted in this system to a medium concentration (aR), with the inflow to the high concentration system, which is to be brought to pre-concentration (av), is brought into isotope exchange. To carry out the method according to the invention, as can be seen from FIG. 1, the reflux coming from a high concentration system (HA) is fed to a separate phase reversal (PR) and the medium generated there is passed into a smaller isotope exchange column (KI). The medium coming from the pre-concentration system (VA) flows through this in countercurrent.
If a catalyst is required to carry out the isotope exchange, it can either be contained in the smaller isotope exchange column (KI) as a fixed or floating bed, or it can be suspended or dissolved in the medium. The smaller isotope exchange column (Kl) is dimensioned in such a way that the reflux coming from the high concentration system (HA) is depleted down to the concentration of the medium fed in (ao). Only then is it mixed with this medium, which is fed into the pre-concentration system (VA).
The method according to the invention will be explained in detail below, for example, using the isotope exchange between ammonia and hydrogen for the purpose of obtaining deuterium with reference to FIG.
In a phase reversal stage 1, the water 2 used as an isotope source is split from the isotope concentration (a) into hydrogen and oxygen. The hydrogen is fed to an isotope exchange column 4 via line 3. After it has been depleted of deuterium there, as will be described later, it is introduced into the synthesis 6 via line 5, after nitrogen has previously been mixed into it via line 8. Part of the ammonia produced in the synthesis 6 is branched off and, in liquid form, is applied to the top of the isotope exchange column 4 via the line 7, through which it flows in countercurrent to the hydrogen to be depleted.
When using a catalyst carried along in the liquid ammonia, this is mixed into the ammonia stream via line 15 at the top of the isotope exchange column 4.
After the isotope exchange has taken place, the ammonia enriched in deuterium leaves the isotope exchanger 4 via the line 17 and is applied to the top of the isotope exchanger 16. There it is again fed in countercurrent to the hydrogen, which is made up of two substreams.
One part arose from the reflux 13 from the high concentration 12 in the phase reversal 19 and has the isotope concentration (aR), the other part is drawn off at the top of the isotope exchange column 20. This is dimensioned so that its top product also has the isotope concentration (aR). The ammonia emerging from the exchange column 16 is applied to the top of the isotope exchange column 20 via the line 18. After the isotope exchange has taken place in the exchange column 20, the ammonia has reached the required pre-concentration (av). If the catalyst has been carried along in the ammonia, it is separated from the ammonia in the separating device 14 and returned through the line 15 as described above.
The ammonia goes via line 9 to the incinerator 10 and is burned there to water and nitrogen oxide. The combustion water with the isotope concentration (av) is partly introduced into the high concentration 12, the other part is diverted and split into hydrogen and oxygen in the phase reversal 22.
The hydrogen produced there with the isotope concentration (av) is introduced at the foot of the exchange column 20 and conducted in countercurrent to the ammonia flowing through. The high concentration 12 leaves a reflux, the deuterium content (aR) of which lies between the deuterium content of the pre-enriched water (av) and that of the water fed in as an isotope source (ao). As already mentioned, this reflux is fed to the phase reversal 19.
Example 1: 1200 kmol / h of water with natural heavy water are used in electrolysis 1
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Main column 4 fed after it has previously been combined with the hydrogen leaving the top of column 16.
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1500 kmol of hydrogen and liquid in the opposite direction flow through the column 4
Ammonia. As a result of the isotope exchange, part of the deuterium changes from hydrogen to ammonia, where it forms NH2D. At the top of the column the hydrogen is at 62.5% of its natural
Deuterium concentration depleted. This hydrogen goes into the synthesis 6. There are together with
500 kmol nitrogen produces 1000 kmol ammonia. This ammonia also has only 62.5% of its natural concentration of NH2D.
200 kmol of the ammonia produced in the synthesis are to be burned into nitrous gases, while 800 kmol are used for other purposes. The ammonia intended for combustion is liquefied and fed via line 7 to the top of the main column 4 after the catalyst has previously been admixed with it via line 15. As a result of the deuterium exchange in column 4, the ammonia in this column is enriched to 2.5 times the natural content of NH2D.
By isotopic exchange with the hydrogen of higher deuterium concentration carried in countercurrent in columns 16 and 20, it receives a concentration of NH2D that is 10 times that of natural.
After the catalyst has been removed at 14, 250 kmol of oxygen is added to this ammonia. This mixture produces 10 nitrous gases during combustion, which are converted to NO
200 kmol. From them 300 kmol of water is condensed, which contains 10 times as much deuterium as natural water.
A partial flow of 56.25 kmol is fed to the high-concentration system 12, in which 0.0675 kmol of water is generated. In addition, 56.25 kmol of water at twice the natural concentration flow from this system. These are split in the electrolysis 19 and the hydrogen produced therefrom with twice the natural deuterium content is fed to the base of the column 16.
There it unites with the hydrogen stream, which in the electrolysis 22 from the rest
243.75 kmol of combustion water was generated and which was therefore enriched tenfold like the combustion water, but was depleted in the column 20 to twice the concentration. The column 16 is dimensioned so that the hydrogen leaves it with a natural D2 concentration.
If the fresh water 2 and the refluxes 13 and 21 or the gas generated in the electrolysis groups 1, 19 and 22 had been mixed and fed to a single exchange column without realizing the inventive concept, the gas at the foot of this column would have had 2.5 times the natural concentration of deuterium . For the desired 10-fold enrichment before the high concentration would then have on
The concentration equilibrium must be set at the foot of this column, which could only have been achieved with a very long column and then only approximately.
Without realizing the inventive concept, the enrichment achieved in the above example could also have been achieved with a single column if the reflux 7 had been increased to 400 kmol. This would have reduced the freely available ammonia to 600 kmol and the electrolysis would have been less used, since it would only have been able to process 900 kmol of fresh water. In addition, the column required for this would have had 2.4 times the volume of the sum of the volumes of the three columns 4, 16 and 20.
Although many other examples of isotopes and exchange media could be cited, it is assumed that the procedure given above, for example, makes clear the wide range and the basic application possibilities of the method according to this invention.
On the other hand, it goes without saying for any person skilled in the relevant field that there are many other possible modifications to the details described above without thereby departing from the essence of the invention.
Example 2: In a hydrogen production plant, 2400 kmol / h of hydrogen are produced from feed water. The exchange of HD in this hydrogen with the HDO of the feed water is used as a pre-concentration. The high concentration is supplied with 960 kmol / h of hydrogen pre-concentrated to a triple isotope content; it delivers it back 1.5 times enriched, whereupon it is subjected to a phase inversion to water. In order to achieve the pre-concentration, 1440 kmol / h of the hydrogen are shunted past the high concentration.
After phase reversal to water, this shunt flow is brought into isotope exchange with the inflow to the high concentration and thereby depleted from its 3-fold to 1.5-fold isotope concentration of the reflux, whereby the inflow is enriched from 2, l-fold to 3, fold concentration. This reduces the required volume of the exchange high pressure columns by around 5%. The two water streams obtained 1.5 times enriched are combined and reduced to the natural deuterium content of the feed water by exchange with the hydrogen coming from the pre-concentration system.