CH630535A5

CH630535A5 - Method of producing an adsorption/diffusion filter for removing a substance present as atomic or molecular particles from a flowing gas

Info

Publication number: CH630535A5
Application number: CH1383377A
Authority: CH
Inventors: Nicolaos Iniotakis
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich
Priority date: 1976-12-07
Filing date: 1977-11-14
Publication date: 1982-06-30
Also published as: JPH0146171B2; NL186678C; ATA812777A; NL186678B; NL7713461A; DE2655296B2; FR2373320A1; DE2655296C3; GB1598082A; AT367316B; IT1088995B; DE2655296A1; FR2373320B1; BE861566A; JPS5371687A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Adsorptions/Diffusionsfilters zur Reinigung eines strömenden Gases von einer als atomare oder molekulare Teilchen vorliegenden Substanz nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, Filter der eingangs bezeichneten Art herzustellen, wobei das Filtermaterial als Schüttung, beispielsweise aus körnigem Material, in der vom Gas durchströmten Ummantelung des Filters angeordnet wird. Für die Auslegung des Filters, beispielsweise die Bestimmung der Länge 1 des durchströmten Filtermaterials, wird dabei von Erfahrungswerten ausgegangen, die mit dem vorgesehenen Filtermaterial vorliegen. Nachteilig ist dabei, dass zur Ermittlung eines für vorgegebene Betriebsbedingungen geeigneten Filters sehr aufwendige und langwierige Experimente, in denen unterschiedliche Filtervarianten den vorgesehenen Betriebsbedingungen unterworfen werden, erforderlich sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, das es ermöglicht, ein Adsorption/Diffusionsfilter unter Berücksichtigung der für die

Wechselswirkung der zurückzuhaltenden Teilchen mit dem so Filtermaterial massgebenden Materialeigenschaften des Filtermaterials als auch dessen Abmessungen herzustellen, das der ihm gestellten Aufgabe in optimaler Weise gerecht wird, ohne dass es notwendig wäre, zur Anpassung des Filters an die gestellten Anforderungen aufwendige Versuchsreihen 55 durchzuführen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches gelöst.

60 Der Stoffübergangskoeffizient h wird zweckmässigerweise nach der Wärme-Stoff-Transport-Analogie berechnet. Soll ein Filter hergestellt werden, das zur Reinigung eines Gases von radioaktiven Teilchen eingesetzt werden soll, und Sil' ,

" y x d >n dann ist die Bedingung

630535

4

für alle Werte von t erfüllt und die Beziehung I im Patentanspruch 1 immer gültig.

Das Verfahren gemäss der Erfindung ermöglicht die Herstellung eines Filters, das in optimaler Weise an die gestellten Bedingungen und somit auch an die Besonderheiten einer Anlage angepasst ist. Im allgemeinen werden die vorgenannten Grössen dabei so bemessen, dass die «von der Decken»-Zahl möglichst gross ist oder zumindest den Wert erreicht, der zur Erzielung des vorgegebenen Wertes für den Durchlasskoeffizient erforderlich ist. Unter Zugrundelegung der vorgenannten mathematischen Beziehungen ist es dabei in vorteilhafter Weise möglich, Untersuchungen an Filtern für Grossanlagen im kleinen Modellmassstab in kostensparender Weise durchzuführen. Zwei Filter sind dabei hinsichtlich der Ablagerung und somit hinsichtlich ihrer Filterwirksamkeit äquivalent, wenn sie den gleichen Durchlasskoeffizienten 8 und somit die gleiche «von der Decken»-Zahl De aufweisen. Es ist daher auch möglich, ausgehend von einer einfachen Filtervariante, beispielsweise einem geraden, vom zu reinigenden Gas durchströmten Rohrstück, die für die Herstellung eines Filters für eine Grossanlage erforderlichen Parameterwerte zu ermitteln. Dabei wird das einfache Filter unterschiedlichen Betriebsbedingungen unterworfen und die Parameterwerte nach der Beziehung I im Patentanspruch 1 ermittelt.

Beim Herstellungsverfahren gemäss der Erfindung wird auch die Diffusion der Teilchen in das Filtermaterial berücksichtigt. Es ist daher in vorteilhafter Weise möglich, Filter herzustellen, die auch bei Temperaturen oberhalb 400 bis etwa zu 1000 °C wirksam sind. Demgegenüber wurde bei der Herstellung der bekannten Filter lediglich die Desorption und Adsorption der Teilchen auf der Oberfläche des Filtermaterials oder chemische Reaktionen der Teilchen mit der Oberfläche des Filtermaterials berücksichtigt. Man war daher auch bestrebt, Filtermaterial mit möglichst grosser Oberfläche zu verwenden. Das hatte zur Folge, dass es den bekannten Filtern im Temperaturbereich oberhalb 400 °C an der erforderlichen Effektivität mangelte, weshalb man gezwungen war, die Temperatur im Filter durch Kühlung niedrig zu halten. Um die Wirksamkeit der bekannten Filter zu erhöhen, wurden ausserdem mehrere Filter hintereinander geschaltet, was jedoch zu voluminösen Reinigungsanlagen führte.

2^ t » 1 und (X +3*)

Bei dieser Variante des Filters gemäss der Erfindung wird die Diffusion der Teilchen in das Filtermaterial ausgenutzt.

Auch in diesem Falle sind die Abmessungen des Filters so zu bemessen, dass De möglichst gross ist oder einen Wert hat, für den der Durchlasskoeffizient 8 den vorgegebenen Wert erreicht. Je nach der Wahl des Filtermaterials und den Abmessungen des Filters erzielt ein solches Filter auch bei hohen Temperaturen bis zu 1000 °C eine hohe Wirksamkeit.

Sehr vorteilhaft ist ferner eine Variante des Verfahrens gemäss der Erfindung, die darin besteht, dass zur Erzielung einer möglichst langen Betriebsdauer t mit gleichbleibendem

Eine vorteilhafte Variante des Herstellungsverfahrens gemäss der Erfindung besteht darin, dass bei einem Temperaturbereich unterhalb von ca. 400 °C für ein Filter, bei dem während der vorgegebenen Betriebszeit t für die als Filter-5 material zur Auswahl stehenden Materialien für die Teilchen das Adsorptions-Desorptions-Gleichgewicht für die Haftung der Teilchen auf der Oberfläche des Filtermaterials nicht erreicht wird, als Filtermaterial für nicht radioaktive, bzw. gegenüber der Betriebsdauer langlebige Substanzen ein Material vorgesehen wird, für das die Beziehungen a) 2\jç t 1 und (X +3*) " t<: 1 oder für radioaktive Substanzen die Beziehung b) X ,3*

gelten. Unter diesen Voraussetzungen - beispielsweise dann, wenn ein Filter zur Reinigung eines Gases bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden soll - vereinfacht sich die «von der Decken»-Zahl zu der Beziehung

De = ^— • St1 • —, (II)

eff a + h

Ist die Bedingung b) erfüllt, dann gilt die Bedingung a) für alle Werte von t und ein nach der Beziehung II hergestelltes Filter ist dann zeitlich unbegrenzt wirksam. Nach der Beziehung II werden unter Verwendung eines Materials mit hinreichender Haftwahrscheinlichkeit für die zurückzuhaltenden Teilchen die Abmessungen des Filters so bemessen, dass der vorgesehene Durchlasskoeffizient 8 entweder mög-35 liehst klein ist oder einem vorgesehenen Wert entspricht.

Eine weitere vorteilhafte Variante des Verfahrens gemäss der Erfindung besteht darin, dass bei einem Temperaturbereich oberhalb von ca. 600 °C für ein Filter, bei dem während der vorgesehenen Betriebszeit t für die als Filtermateri-40 al zur Auswahl stehenden Materialien für die Teilchen das Adsorptions-Desorptions-Gleichgewicht für die Haftung der Teilchen auf der Oberfläche des Filtermaterials erreicht wird, als Filtermaterial ein solches Material vorgesehen wird, das einem möglichst grossen Penetrationskoeffizienten aufweist 45 und für das die Beziehungen t > 2 yç t und r? * ■*> \

(III)

kleinen Durchlasskoeffizienten 8 für die Dicke s des Filtermaterials für radioaktive Substanzen die Beziehung

-Vi und für nicht radioaktive Substanzen die Beziehimg

£ » y D t gelten, wobei D der Diffusionskoeffizient für die Teilchen im gelten. Die von der Decken-Zahl De vereinfacht sich dann zu der Beziehung

De . 4JL_ . st. ,

dgff h + (1-ß) • a

*

15

20

25

5

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Filtermaterial ist. Insbesondere bei dieser Verfahrensvariante werden - anders als bei den bisher üblichen Herstellungsverfahren - nicht nur das Adsorptions-Desorptions-Verhal-ten der Teilchen an der Oberfläche des Filtermaterials, sondern auch die Diffusion der Teilchen in das Filtermaterial bei der Herstellung des Filters genutzt. Während bei den bekannten Filtern die Einsatzdauer der Filter exponentiell von der reziproken Temperatur abhing, ist es nunmehr möglich, durch Wahl eines Filtermaterials mit hinreichender Dicke e ein Filter herzustellen, das insbesondere bei hohen Temperaturen unter Ausnutzung der Diffusion der Teilchen in das Filtermaterial eine lange Betriebsdauer t aufweist.

Im folgenden wird in einem Ausführungsbeispiel anhand von in der Zeichnung dargestellten Diagrammen die mögliche Variation der Konstruktionsdaten für die Herstellung eines Filters aus einem vorgegebenen Material und für unterschiedliche Betriebsbedingungen erläutert.

Hierzu zeigen:

Fig. 1 in einer graphischen Darstellung die «von der Dek-ken»-Zahl De als Funktion des Massendurchsatzes und der Reynolds-Zahl und

Fig. 2 in einer graphischen Darstellung den Durchlasskoeffizienten S als Funktion des Massendurchsatzes und der Reynolds-Zahl.

In zwei weiteren Ausführungsbeispielen werden die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen an Filtern den nach der Beziehung I im Patentanspruch 1 ermittelten Werten für den Durchlasskoeffizienten 8 gegenübergestellt.

Ferner werden in weiteren Ausführungsbeispielen die zur Herstellung eines Filters benötigten Konstruktionsdaten für unterschiedliche Betriebsbedingungen angegeben.

Dabei zeigen:

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein aus einem Bündel parallel gerichteter Rohre bestehendes Filter

Fig. 4 einen Querschnitt durch das Filter gemäss Fig. 3.

Ausführungsbeispiel 1

Zur Ermittlung der Konstruktionsdaten für die Herstellung eines Filters aus parallel zueinander angeordneten Rohren wird die «von der Decken»-Zahl De aus der Beziehung I und hieraus der Durchlasskoeffizient 8 in Abhängigkeit vom Massenstrom m des durch ein Rohr strömenden Gases berechnet.

Das der Rechnung zugrunde gelegte Rohr hat die Länge 1 = 800 cm und den Durchmesser d 1 cm. Der Bereich des in Betracht gezogenen Massendurchsatzes beträgt 10"2 bis 12 g/sek. Als Gas- und zugleich Wandtemperatur des Rohres wird 950 °C und als Gasdruck p = 40 bar angenommen. Als Teilchen, die aus dem Helium gefiltert werden sollen, wird Cäsium-137-Atome in Betracht gezogen. Dabei werden zwei unterschiedliche Wandmaterialien mit den Penetrationskoeffizienten 1 — ß = 0,7%o und 1 — ß = 100%o vorausgesetzt. Während der Wert von 0,7%o bei Cs-137 für Materialien mit kubisch flächenzentriertem Gitter charakteristisch ist, bedeutet der Penetrationskoeffizient von 100%, dass das eingesetzte Material ein perfekter «Diffusor» ist.

Zur anschaulichen Darstellung der Charakteristik des Filters wird der Massendurchsatz mit einem Parameter K variiert, der durch die Beziehung festgelegt wird m = K-m0,

wobei rho der Massendurchsatz ist, der als Bezugsgrösse herangezogen wird.

Da zwischen der Reynolds-Zahl Re und dem Massendurchsatz m eine lineare Beziehung besteht, gilt zugleich folgende Beziehung

Re = KRe0.

Dabei bedeutet Re0 die Reynolds-Zahl beim Massendurchsatz m0.

Wie aus den graphischen Darstellungen in den Figuren 1 und 2 hervorgeht, weist die Filtercharakteristik bei einem Wert für K = 0,077 einen Sprung auf. Dieser Wert für K entspricht einem Wert für die Reynolds-Zahl von etwa Re = 2300. Diese Diskontinuität ist dadurch bedingt, dass die Sherwood-Zahl Sh und somit der Stoffübergangskoeffizient h oder die Stanton-Zahl St' beim Übergang von turbulenter zu laminarer Strömung ebenfalls eine Diskontinuität aufweist. Die Sprunghöhe ist dabei abhängig von der Geometrie, das heisst vom Verhältnis 1/d und vom eingesetzten Wandmaterial.

Aus den graphischen Darstellungen ist ferner der Strömungsbereich abzulesen, in dem der Durchlasskoeffizient den kleinsten Wert erreicht, die von der Decken-Zahl entsprechend gross ist und somit die Effektivität des Filters ebenfalls ihren höchsten Wert erreicht. Wie sich aus den graphischen Darstellungen ergibt, liegen diese Minimale- bzw. Maximalwerte im Bereich der stark laminaren Strömung und im Übergangsbereich etwa bei Reynolds-Zahlen zwischen 2500 und 5000. Bei der Herstellung eines Filters besteht die Möglichkeit, gleichzeitig beide Bereiche einzustellen, indem beispielsweise im Filter Rohrbündel angeordnet werden, die aussen und innen vom Gas durchströmt sind.

Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, dass die in den graphischen Darstellungen angegebenen Absolutwerte zwar nur für den betreffenden Fall Gültigkeit haben, dass die damit angegebene Filtercharakteristik jedoch eine qualitative Aussage auch für andere Betriebszustände und andere geometrische Anordnungen des Filtermaterials ermöglicht. Die gewünschte absolute Grösse der Effektivität des Filters wird ohne weiteres durch die Anordnung einer entsprechenden Vielzahl von parallel angeordneten Rohren erzielt.

Ausführungsbeispiel 2

Zur Überprüfung der Wirksamkeit eines einfachen, aus einem geraden Rohrstück bestehenden Filters wurde in zwei getrennt voneinander durchgeführten Untersuchungen jeweils ein die Spaltprodukte Cs-137, Cs-134 und Ag-110m enthaltender Heliumgasstrom durch ein Rohrstück aus 99,5%igem Titan geleitet, dem zur Erfassung der aus dem Filter austretenden Mengen an Spaltprodukten ein Totalfilter nachgeschaltet war. Bei den beiden Untersuchungen war der Gehalt an Spaltprodukten im Helium unterschiedlich hoch. Die Rohre besassen eine Länge von 2370 mm, einen Aussendurchmesser von 24,5 mm und eine Wandstärke von 1,65 mm. Die Temperatur des Heliums betrug beim Eintritt in das Filter im ersten Fall 825, im zweiten Fall 750 °C, in beiden Fällen beim Austritt aus dem Filter 210 °C. Die Temperatur der Wandung der Rohre war während des Betriebes stabil und daher gut messbar.

Während des Betriebes des Filters wurde die Strömung des Heliums so eingestellt, dass ein Massendurchsatz von 15 Nm3/Std. erzielt wurde. Die Betriebsdauer betrug bei der ersten Untersuchung 785 Stunden und bei der zweiten Untersuchung 1029 Stunden.

Zur Berechnung des Durchlasskoeffizienten des Filters und somit der Effektivität des Filters wurden folgende Werte in die Beziehung I eingesetzt:

Für Cs-137: 1-ß

= 0,2%»;

Q =

38

Cs-134: 1-ß

= 0,1%»;

Q =

38

Ag-110m: 1 —ß

= 0,04%o;

Q =

50

undtt>0 = 1,308 1011

sec-1.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

630 535

Wegen des Temperaturgradienten im Rohr wurde das Filter für die Berechnung mittels der Beziehung I in mehrere Abschnitte unterteilt. Mittels der berechneten Durchlasskoeffizienten 8 wurden für die während der vorgenannten Betriebsdauer durch das Filter gelangenden Spaltprodukte die integralen Aktivitätswerte in (iCi ermittelt und mit den im Totalfilter gemessenen Werten verglichen. Nachstehend werden die berechneten und die experimentell ermittelten Werte einander gegenübergestellt.

Erste Untersuchung:

berechnet gemessen

Cs-137 1,00 1,20

Cs-134 0,79 0,84

Ag-110m 11,4 11,7

Zweite Untersuchung:

berechnet gemessen

Cs-137 0,52 0,59

Cs-134 1,6 1,7

Ag-110m 5,1 5,6

Ausführungsbeispiel 3 Entsprechend den in Ausführungsbeispiel 2 beschriebenen Untersuchungen wurde ein aus einem Rohr aus rostfreiem Stahl X10 CrNiTi 189 (ältere Bezeichnung 4541) bestehendes Filter mit den im Ausführungsbeispiel 1 angegebenen Werten für Durchmesser und Wandstärke, jedoch mit der Länge 140 cm verwendet.

Die Temperatur des Gases beim Eintritt in das Filter betrug in beiden Fällen 625 °C und beim Austritt aus dem Filter 210 °C. Die Betriebsdauer betrug 818 bzw. 790 Stunden.

Zur Berechnung des Durchlasskoeffizienten 8 wurden folgende Werte in die Beziehung I eingesetzt:

Für Cs-137 1 — ß = 0,7%o; Q = 45 Kcal/Mol Cs-134 1 - ß = 0,33%>; Q = 45 Kcal/Mol Ag-110m 1 —ß = 0,2%o; Q = 28 Kcal/Mol und ©0 = 1,308 1011 T • sec-1

Es wurden folgende Ergebnisse erhalten:

Erste Untersuchung:

berechnet gemessen

Cs-137 2,1 2,2

Cs-134 1,07 0,96

Ag-110m 6,2 6,5

Zweite Untersuchung:

berechnet gemessen

Cs-137 1,92 2,1

Cs-134 1,03 1,1

Ag-110m 3,26 3,51

Ausführungsbeispiel 4

Es wurden die Konstruktionsdaten für ein in den Fig. 3 und 4 dargestelltes, aus parallel angeordneten Rohren bestehendes Filter für vorbestimmte Betriebsbedingungen ermittelt.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, besteht das Filter aus einer Vielzahl von parallel und im gleichen Abstand voneinander angeordneten Rohren 1, die innerhalb einer den Hohlraum des Filters umschliessenden Ummantelung 2 angebracht sind. Der Aussendurchmesser der einzelnen Rohre des Rohrbündels ist da, der Innendurchmesser der Rohre ist di die Länge der Rohre ist 1 und der Innendurchmesser der Ummantelung Dt.

Wie aus den Fig. 3 und 4 ferner hervorgeht, werden die Rohre des Filters von dem zu reinigenden Gas sowohl innen durchströmt als auch aussen umströmt.

Das zu reinigende Gas ist Helium, das die Spaltprodukte Cs-137 und Ag-110m enthält.

Die vorgesehenen Betriebsbedingungen sind:

Der Massendurchsatz des Heliums: m = 111,25 kg/Sek.

Die Temperatur des Heliums beim Eintritt in das Filter: T = 950 °C.

Der Druck des Heliums: p = 40 bar.

Die vorgesehene Betriebsdauer t = 30 Jahre.

Als Materialien für die Rohre wurden hitzebeständige Stähle vorgesehen, die eine kubisch raumzentrierte Struktur aufweisen oder die, wie beispielsweise Incoloy-802 und In-conel-625, eine kubisch flächenzentrierte Struktur aufweisen. Für die vorgenannten Materialien beträgt der Penetrationskoeffizient für Cs-137 1 — ß 0,7%o und für Ag-110m 1 — ß = 0,2%o. Für die binäre Diffusionskonstante, die zur Berechnung des StofFübergangskoeffizienten h herangezogen wird, gilt für

T = 950°Cundp = 40 bar.

Dcs-He = 0,146 cm2/Sek.

DAg-He = 0,272 cm2/Sek.

Die zur Berechnung der «von der Decken»-Zahl De benötigten Werte für h und St' ergaben sich aus dem VDI-Wärmeatlas und aus Int. J. Heat Mass Transfer Vol. 14 pp 1235-1259, Pergamon Press. Da im vorliegenden Fall die Bedingungen / "v

2yc t » i und (X +>3*) t > 2^ç t und ,3* » X

erfüllt sind, erfolgte die Berechnung der Konstruktionsdaten für das Filter nach der Beziehung HI.

Unter der Voraussetzung, dass das Volumen des Filters 40 m3 nicht überschreitet, dass der Druckverlust nicht grösser ist als 0,1 bar und der Durchlasskoeffizient 8 für Silber zwischen 6-10^ bis 8,8-10"3 und der für Cäsium zwischen 1,2-10"5 bis 2-10"3 liegt, wurden die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Konstruktionsdaten für das Filter errechnet. Dabei sind die Werte für dt und da sowie für Dj und 1 in cm angegeben. N ist die Zahl der parallel angeordneten Rohre im Filter. Zusätzlich zu den Konstruktionsdaten sind der Wert für den Druckabfall Äp im Filter in bar sowie die Werte für die jeweiligen Durchlasskoeffizienten angegeben. Der Wert für Ap wurde nach dem VDI-Wärmeatlas und nach Int. J. Heat Mass Transfer Vol. 14 pp 1235-1259, Pergamon Press berechnet.

6

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

7

630 535

N

d,

da

D,

1

5

8

Ap (bar)

Cs-137

Ag-110m

95 000

0,55

0,75

300

500

1,53 IO"3

8,76 10~3

0,063

95 000

0,55

0,75

300

600

4,64 10-4

4,16 10~3

0,076

145 000

0,35

0,55

300

600

3,162 10"4

5,26 IO"3

0,085

190 000

0,35

0,55

325

600

1,26 10"5

6,29 10"4

0,089

190 000

0,35

0,55

325

500

4,886 10"4

2,129 IO"3

0,074

190 000

0,35

0,55

325

400

1,97 10~3

7,228 IO"3

0,059

Ausführungsbeispiel 5 Wie in Ausführungsbeispiel 4 wurden die Konstruktionsdaten für ein aus parallel zueinander angeordneten Rohren bestehendes Filter für die gleichen Betriebsbedingungen jedoch für eine Eintrittstemperatur des Gases von 300 °C ermittelt.

Als Material für die Rohre wurde ferritischer Stahl vom Typ 15Mo03 vorgesehen. Für dieses Material haben der Penetrationskoeffizient und die Desorptionsenergie Q folgende Werte:

Für Cs-137

1 —ß = l,2%o;DCs.He = 0,039 cm2/sec Q =65 kcal/Mol und ü>o = 1,308 10» T sec"1

Für Ag-110m

1 — ß = 0,3%o; DAg_He = 0,072 cm2/sec Q =52 kcal/Mol und o)0 = 1,308 10" Tsecr1

Da im vorliegenden Fall die Bedingungen

2 y? t 1 und (X + * ) t <S 1

erfüllt sind, erfolgte die Berechnung der Konstruktionsdaten für das Filter nach der Beziehung II.

Unter der Voraussetzung, dass das Volumen des Filters 17,2 m3 nicht überschreitet, dass der Druckverlust Ap nicht grösser ist als 0,11 bar und der Durchlasskoeffizient 5 für Cäsium 1,06-10"4 und der für Silber 5,61 • 10"6 beträgt, wurden folgende Konstruktionsdaten ermittelt:

N = 105

di = 0,3 cm da = 0,55

i5 Di = 230 cm

1 = 350 cm

Der Druckabfall beträgt Ap = 0,105 bar.

20 Ausführungsbeispiel 6

Für die in Ausführungsbeispiel 5 angegebenen Betriebsbedingungen wurden die Konstruktionsdaten für ein aus einer Vielzahl von parallel und im gleichen Abstand zueinander angeordneten Stäben, die ebenso wie die Rohre in einer 25 Ummantelung angebracht sind, ermittelt. Dabei wurden für die in Ausführungsbeispiel 5 angegebenen Materialien folgende Werte erhalten:

Für die Durchlasskoeffizienten 5 = 1,62 x 10"3 für Cs-137 und 8 = 4,4 x 10"5 für Ag-110m und unter der Annah-30 me, dass das Volumen des Filters < 10,5 m3 und der Druckverlust Ap <0,125 bar ist:

N = 1,2-105

da = 0,5 cm

35 Di = 230 cm

1 = 250 cm

Der Druckabfall beträgt Ap = 0,124 bar.

Für die Durchlasskoeffizienten ô = 5,84 x 10"3 für Cs-40 137 und S = 3,272 x IO"4 für Ag-110m beträgt - bei den sonst gleichen Werten für N, da, Di-die Länge 1 = 200 cm und Ap = 0,11 bar.

s

2 Blatt Zeichnungen

Claims

$00 in cm/sec DifFusionskoeffizient für die Teilchen im Filtermaterial Dichte der Teilchen im Gas in Atome/cm3 die Teilchenzahl, die das vorgesehene Filtermaterial pro cm3 maximal aufnehmen kann, in Atome/cm3. 630 535

1 für t> -v o für t< & v n =

T1 . -1/2 m sec

V D

n =

D:

NG: <Doo:

_ (l-g)a

N,

(1)= ^1,308 • ÎO^^T in sec Debye-Frequenz

Q: Desorptionsenergie in Cal/Mol

R: universelle Gaskonstante in Cal/(°)Mol

X: Zerfallskonstante für die radioaktive Substanz in sec-1

I1 (x): modifizierte Besseische Funktion erster Art

ç= • St1 • h ^ ® 7 in sec 1

eff (a+h)2

I-ß: Penetrationskoeffizient; die Wahrscheinlichkeit, dass die Teilchen irreversibel gebunden werden t: vorgesehene Betriebsdauer des Filters

1: Länge 1 des Filtermaterials in cm

V0: das innerhalb der Ummantelung im Bereich der Länge 1 nach Anordnung des

Filtermaterials verbleibende Hohlraumvolumen in cm3

F: , die vom Gas benetzte Oberfläche des Filtermaterials in cm2

St' = —: zweite Stanton-Zahl h: Stoffübergangskoeffizient in cm/sec v: Strömungsgeschwindigkeit des Gases in cm/sec a* = a * 3/63 • lo3 in cm/sec a: Haftwahrscheinlichkeit für die Teilchen an der Oberfläche des Filtermaterials (a ungefähr gleich 1 bei Partialdrücken P < 10~10 atm, wenn keine Aktivierungsprozesse vorliegen)

A: Massenzahl der Teilchen

T: Temperatur der Oberfläche des Filtermaterials in °K

J9* -J-

h + ( 1 -ß) a , -1

—*- —*— in sec a + h

^ e " ^^ : Desorptionskonstante in sec 1 e

O

1. Verfahren zur Herstellung eines Adsorptions/Dif- die vorgesehene Betriebsdauer t des Filters der Durchlass-

fusionsfilters zur Reinigung eines strömenden Gases von ei- koeffizient g ^

ner als atomare oder molekulare Teilchen vorliegenden Sub- '

stanz, bei dem in einem zur Durchströmung mit dem Gas 5 der gleich dem Quotienten aus dem Teilchenstrom j (o, t)

vorgesehenen, mit einer gasdichten Ummantelung umgebe- beim Eintritt in das Filtermaterial und dem Teilchenstrom j nen Hohlraum ein durch Wechselwirkung mit den Teilchen (1, t) beim Austritt aus dem Filtermaterial ist, einem vorgege-

die Zurückhaltung der Teilchen bewirkendes Filtermaterial benen Wert entspricht, wobei

über eine Länge 1 in Strömungsrichtung des Gases und mit ^ , » . « m -De einem hydraulischen Durchmesser deff für die Strömung des 10 ' ' 1S

Gases angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die und wobei unter der Voraussetzung, dass

Länge 1 und der hydraulische Durchmesser deff so bemessen

und dass als Filtermaterial ein solches Material vorgesehen *

wird, dass bei vorgegegebenem, die Substanz enthaltendem ^

Gas, bei vorgegebener Strömung des Gases und bei vorbe- 15

stimmter, am Filtermaterial zurückzuhaltender Substanz für für De die folgende Beziehung I gilt t-*

v

De= 4^— • St' • g* - in eff ° +h e (t-4)+

v>_

p( e ~(X +^*K |P v?) y? Ti1(2yçT)dT|-(i)

mit

De: ^ «von der Decken»-Zahl (neu eingeführte Bezeichnung)

deff = ■ : hydraulischer Durchmesser in cm

2 fT » 1 und (À +J3 *

gelten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Filter, bei dem während der vorgegebenen Betriebsdauer t für die als Filtermaterial zur Auswahl stehenden Materialien für die Teilchen das Adsorptions-De-sorptions-Gleichgewicht für die Haftung der Teilchen auf der Oberfläche des Filtermaterials nicht erreicht wird, als Filtermaterial für nicht radioaktive, bzw. gegenüber der Betriebsdauer langlebige Substanzen, ein Material vorgesehen wird, für das die Beziehungen oder für radioaktive Substanzen die Beziehung

20

t 1 und (X

t« i gelten. ^

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Filter, bei dem während der vorgesehenen Betriebsdauer t für die als Filtermaterial zur Auswahl stehenden Materialien für die Teilchen das Adsorptions-Desorp-tions-Gleichgewicht für die Haftung der Teilchen auf der Oberfläche des Filtermaterials erreicht wird, als Filtermaterial ein solches Material vorgesehen wird, das einen möglichst grossen Penetrationskoeffizienten 1-B aufweist und für das die Beziehungen

3

630 535

f»

et t-i )-

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer möglichst langen Betriebsdauer t mit gleichbleibendem kleinen Durchlasskoeffizienten 5 für die Dicke s des Filtermaterials für radioaktive Substanzen die Beziehung 40

t > 2^ç t und /?* » X

und für nicht radioaktive Substanzen die Beziehung e â> ]fü~t gelten, wobei D der Diffusionskoeffizient für die Teilchen im Filtermaterial ist.