CH652314A5

CH652314A5 - Verfahren fuer die kaskaden-gastrennung und gastrennkaskade.

Info

Publication number: CH652314A5
Application number: CH2595/81A
Authority: CH
Inventors: Werner Adolf Schumann
Original assignee: Atomic Energy South Africa
Priority date: 1980-04-21
Filing date: 1981-04-21
Publication date: 1985-11-15
Also published as: IT1137359B; AT377198B; GR75624B; ZM2781A1; ES8402729A1; FR2480618B1; AU543321B2; FR2480618A1; GB2074467A; DK174481A; US4356005A; IE50993B1; PT72893A; IT8121150A0; AU6897781A; ATA179481A; DE3115998A1; BE888458A; GB2074467B; IL62580A0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die vorliegende Erfindung betrifft also ein Verfahren für die Kaskaden-Gastrennung. Dabei wird ein der Kaskade zugeführtes Speise- oder Anfangs- oder Einsatzprozessgas, das aus mehreren Komponenten zusammengesetzt ist, in ein Produktgas, das gegenüber dem Einsatzprozessgas an der gewünschten Komponente angereichert ist, und ein Abtriebgas aufgeteilt, das gegenüber dem Einsatzprozessgas an der gewünschten Komponente verarmt ist. Beim Verfahren wird zusätzlich zum Prozessgas ein Trägergas durch die Kaskade hindurchgeleitet, und zwar vom Abtriebende der Kaskade zum Produktende der Kaskade. Beim letzteren wird das Trägergas vom Prozessgas getrennt und wieder zum Abtriebende der Kaskade zurückgeführt, wo es erneut in diese eingeleitet wird. Das Trägergas wird also im Kreislauf geführt. Das Einsatzprozessgas wird an einer zwischen dem Abtriebende und dem Produktende liegenden Stelle in die Kaskade eingeleitet.

Es wurde schon vorgeschlagen, Kaskaden mit konstantem Molverhältnis zwischen Trägergas und Prozessgas in jeder Baueinheit zu betreiben. Dies erfordert jedoch Baueinheiten fortschreitend kleinerer Grössen entsprechend der verringerten Prozessgasströmung in entgegengesetzten Richtungen von der Einsatzbaueinheit hinweg. Die Entwicklungskosten für eine Vielzahl von Baueinheiten verschiedener Grössen sind jedoch untragbar.

Ein weiterer Vorschlag besteht darin, Baueinheiten konstanter Grösse und Ausbildung, wiederum in jeder Baueinheit mit konstantem Molverhältnis zwischen Prozessgas und Trägergas einzusetzen. Dies bringt den Vorteil, dass die Entwicklungskosten für Prototypen auf dem niedrigsten Wert gehalten werden, doch ist es in diesem Fall unmöglich, eine fortschreitend verringerte Prozessgasströmung von Baueinheit zu Baueinheit in entgegengesetzten Richtungen von der Einsatzbaueinheit hinweg zu erzielen. Die Folge sind erhebliche Extrakosten hinsichtlich einem untragbaren Energieverbrauch, insbesondere in von der Anfangs- oder Einsatzstelle entlegenen Baueinheiten, und hinsichtlich der erforderlichen zusätzlichen Baueinheiten, um Prozess- und Trägergas aus einem Gemisch mit einer verhältnismässig hohen Prozessgaskonzentration abzutrennen.

Die Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Nachteile der vorgängig beschriebenen, früher vorgeschlagenen Verfahren vermieden werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der einleitend genannten Art gelöst, das nach der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet ist.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

652 314

4

Zweckmässige Ausgestaltungen des erflndungsgemässen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 13.

In verschiedenen der vorgängig erwähnten Verfahrens-Ansprüche und der nachfolgend noch erwähnten Vorrich-tungs-Ansprüche ist erwähnt, dass eine Anzahl Baueinheiten vorhanden sind, durch die eine konstante, gesamte Durchflussmenge strömt und die in Bezug auf Grösse, Kapazität und Aufbau gleich sind. Mit dem Begriff «Anzahl» ist hierbei gemeint, dass mindestens zwei und vorzugsweise mindestens drei derartige Baueinheiten vorhanden sind.

Sämtliche Baueinheiten, durch welche eine konstante molare Durchflussmenge strömt, können in der Grösse, der Kapazität und dem Aufbau gleich sein, und man kann diese konstante molare Durchflussmenge durch sämtliche Baueinheiten der Kaskade strömen lassen.

Andernfalls kann die Kaskade in mehrere Teilstücke unterteilt sein, wobei jedes Teilstück eine Mehrzahl Baueinheiten umfasst und wobei man die relativen Prozessgasanteile, die in jeder Baueinheit in jedem Teilstück ein- und austreten, so wählt, dass die gesamte molare Gasdurchflussmenge in jeder Richtung entlang diesem Teilstück durch dessen Baueinheiten hindurch konstant ist. Die Kaskade lässt sich also in zwei Teilstücke unterteilen, wobei ein Teilstück den Abtriebabschnitt der Kaskade und einen Teil des angereicherten Abschnitts der Kaskade sowie das andere Teilstück den Rest des angereicherten Abschnitts der Kaskade umfasst.

Sämtliche Baueinheiten in jeweils einem Teilstück können in der Grösse, der Kapazität und/oder dem Aufbau gleich sein, unterscheiden sich jedoch in der Grösse, der Kapazität und/oder dem Aufbau von den Bauelementen in anderen Teilstücken. In diesem Fall können die Grösse und die Kapazität der Baueinheiten in Richtung vom Einsatz zum Abtriebende der Kaskade und/oder vom Einsatz zum Produktende der Kaskade fortschreitend abnehmen.

Das Verfahren kann ferner eine Stufe umfassen, in der man ein Gemisch aus Prozessgas und Trägergas aus der Kaskade zwischen deren angrenzenden Teilstücken entnimmt, das Gemisch einer Gastrennung unterwirft, wodurch das Trägergas vom Prozessgas getrennt wird, das abgetrennte Prozessgas zwischen jenen Teilstücken, wo das Gemisch entnommen wurde, wieder in die Kaskade einbringt und das abgetrennte Trägergas im Kreislauf zum Abtriebende der Kaskade zurückführt. Die Trennung des Trägergases vom Prozessgas kann man in einer Mehrzahl von Baueinheiten durchführen, die eine Trägergastrennkaskade bilden, wobei die Baueinheiten der Trägergastrennkaskade und die Baueinheiten des Teilstücks auf der angereicherten Seite der Stelle, wo das Gemisch entnommen und das Prozessgas zurückgeführt wird, in der Grösse, der Kapazität und dem Aufbau sämtlich gleich sind, bei gleicher molarer Gasdurchflussmenge.

Beim Verfahren kann man ferner Gas aus der Kaskade an deren Produktende entnehmen, dieses in Trägergas und Prozessgas trennen, einen Teil des abgetrennten Prozessgases als angereichertes Produkt abziehen, den Rest wieder in das Produktende der Kaskade einbringen und das abgetrennte Trägergas im Kreislauf zum Abtriebende der Kaskade zurückführen, wobei die Trennung des Trägergases vom Prozessgas in einer Mehrzahl von Baueinheiten erfolgt, die eine Trägergastrennkaskade bilden, und die Bauelemente der Trägergastrennkaskade sowie die Baueinheiten des angereicherten Abschnitts am Produktende in der Grösse, der Kapazität und dem Aufbau gleich sind, bei gleicher gesamter molarer Gasdurchflussmenge.

Die Komponenten des Prozessgases können durch ein Isotopentrennverfahren voneinander getrennt werden. Das Prozessgas kann ein Zweikomponentengas sein, und das

Trägergas weist dabei ein niedrigeres Molekulargewicht als die beiden Komponenten auf. So kann das Prozessgas beispielsweise aus einem Gemisch von Uran235-hexafluorid (U235FS) und Uran238-hexafluorid (U238F6) bestehen, wobei als Trägergas Wasserstoff verwendet wird.

Die Erfindung betrifft ferner eine Gastrennkaskade gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 14. Die Gastrennkaskade ist erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 14 gekennzeichnet. Zweckmässige Ausgestaltungen der erflndungsgemässen Gastrennkaskade ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 15 bis 20.

Einerseits können sämtliche Baueinheiten in der Grösse, der Kapazität und dem Aufbau gleich sein.

Anderseits kann die Kaskade in mehrere Teilstücke unterteilt sein, wobei sämtliche Baueinheiten in jeweils einem Teilstück in der Grösse, der Kapazität und dem Aufbau gleich sind, sich jedoch in der Grösse, der Kapazität und dem Aufbau von den Baueinheiten des andern Teilstückes bzw. der andern Teilstücke unterscheiden. Dabei können die Vorrichtungen zum Zirkulieren des Gases so angeordnet und konstruiert sein, dass sich im Betrieb eine konstante gesamte molare Gasdurchflussmenge in jeder Richtung entlang der Kaskade durch jede Baueinheit jedes Teilstückes hindurch erzielen lässt. Dabei kann sich die molare Durchflussmenge durch die Baueinheiten jeweils eines Teilstücks von derjenigen durch die Baueinheiten des andern Teilstückes bzw. der andern Teilstücke unterscheiden. Die Kaskade lässt sich also in zwei Teilstücke unterteilen, deren eines den Abtriebabschnitt der Kaskade und einen Teil des angereicherten Abschnitts und deren anderes den Rest des angereicherten Abschnitts umfasst.

Die Kaskade kann Trennvorrichtungen zur Entnahme eines Gemischs aus Trägergas und Prozessgas von einer Stelle zwischen jeweils einem benachbarten Paar von Teilstücken und zur Trennung dieses Gases in Prozessgas und Trägergas einschliessen, wobei die Trennvorrichtung so angeordnet ist, dass sie das abgetrennte Prozessgas zwischen jenen Teilstük-ken in die Kaskade zurückleitet und das abgetrennte Trägergas im Kreislauf zum Abtriebende führt. Die Trennvorrichtung kann aus einer Mehrzahl Baueinheiten bestehen, die eine Trägergastrennkaskade bilden, wobei deren Baueinheiten sowie die Baueinheiten des Teilstücks auf der angereicherten Seite der Stelle, wo das Gemisch entnommen und das Prozessgas zurückgeführt wird, in der Grösse, der Kapazität und dem Aufbau sämtlich gleich sind.

Die an das Produktende der Kaskade angeschlossene Trennvorrichtung kann eine Mehrzahl Baueinheiten umfassen, die eine Trägergastrennkaskade bilden, wobei deren Baueinheiten sowie die Baueinheiten des angereicherten Abschnitts am Produktende in der Grösse, der Kapazität und dem Aufbau gleich sind.

In anderen Worten: wo das Trägergas ein relativ niedriges Molekulargewicht besitzt (z.B. Wasserstoff), im Vergleich mit dem Prozessgas (z. B. ein Gemisch aus Uran235-hexafluorid und Uran238-hexafluorid), wird das entlang der Kaskade in Richtung vom Abtriebende der Kaskade zum Produktende durch jene Mehrzahl von Baueinheiten fliessende Gesamtgasvolumen konstant sein; das entlang der Kaskade in Richtung vom Produktende zum Abtriebende durch jene Mehrzahl Baueinheiten fliessende Gesamtgasvolumen wird konstant sein; ferner wird das Durchschnittsmolekulargewicht des Gases in entgegengesetzten Richtungen vom Einlass hinweg in jeder der obigen Gruppen von Baueinheiten fortschreitend abnehmen. Es versteht sich jedoch, dass der Volumen- oder molare Strom in Richtung vom Abtriebende zum Produktende durch diese Mehrzahl vom Baueinheiten höher ist als der molare oder Volumenstrom durch diese Mehrzahlbaueinheiten in der entgegenge5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

652 314

setzten Richtung entlang der Kaskade, da eine Nettoträger-gasströmung vom Abtriebende zum Produktende der Kaskade stattfindet.

Im folgenden wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kaskaden-fliessbilds bei erfindungsgemässem Betrieb;

Fig. 2 eine typische Kurve der Änderung der Prozessgaskonzentration entlang der Kaskade;

Fig. 3 ein weiteres erfindungsgemässes Kaskadenfliess-bild.

In Fig. 1 in der Zeichnung bezeichnet die Ziffer 10 allgemein ein schematisches Fliessbild einer nach der erflndungsgemässen Methode betriebenen Kaskade. Die Kaskade 10 umfasst eine Reihe von Bau- oder Trenneinheiten 12.1 bis 12.10, welche typischerweise (jedoch nicht gezeigt) jeweils ein oder mehrere Isotopentrennelemente (z.B. zur Trennung von U235F6 von U238F6), einen oder mehrere Kompressoren und einen oder mehrere Wärmeaustauscher zur Abführung des von den Kompressoren herrührenden Wärmestaus enthalten. Dabei sind jeweils in den Baueinheiten die entsprechenden Hilfsgeräte wie Vorrichtungen zu deren An-schluss an die Kaskade für den Gasstrom in die und aus der Baueinheit, gegebenenfalls Vorrichtungen zum Kreislauf des Gases im Innern der Baueinheit, Vorrichtungen zur Messung von Gasdrucken, Temperaturen und Strömungsgeschwindigkeiten, Regelinstrumente usw. eingeschlossen. Die Stutzen im Innern jeder Baueinheit können auf irgendeine geeignete herkömmliche Weise ausgebildet sein und sind deshalb nicht näher beschrieben.

Ein aus einem Gemisch von U235F6 und U238F6 bestehender Anfangs- bzw. Speise- bzw. Einsatzprozessgasstrom ist als E bezeichnet und tritt, wie in der Fig. 1 dargestellt, zwischen den beiden Enden der Kaskade in die Baueinheit 12.4 ein, wobei der als 16 bezeichnete, auf einer Seite der Zuleitung 14 liegende Abtriebabschnitt der Kaskade die Baueinheiten 12.1 bis 12.4 sowie der als 18 bezeichnete, auf der anderen Seite der Zuleitung 14 liegende, angereicherte Abschnitt oder Anreicherungsabschnitt der Kaskade die Baueinheiten 12.4 bis 12.8 umfasst.

Ein an U235F6 verarmter, abgetriebener Strom «S» tritt bei Baueinheit 12.1 aus dem Abtriebende 20 der Kaskade aus, und ein an U235F6 angereicherter Produktstrom «P» tritt bei Baueinheit 12.8 aus dem Produktende 22 der Kaskade aus. Ein Trägergaskreislaufstrom ist als 24 bezeichnet, der jede Baueinheit in Richtung des Produktendes verlassende Prozessgasstrom ist als 26 und der jede Baueinheit in Richtung des Abtriebendes verlassende Prozessgasstrom ist als 28 bezeichnet.

Wegen der Eigenart einer idealen Kaskade nehmen die zwischen jedem benachbarten Baueinheitenpaar in entgegengesetzten Richtungen übergehenden Prozessgasmengen stetig ab, je weiter das Paar von der Zuleitung entfernt ist, wobei die jeweiligen Mengen gleich sind und um die im abgetriebenen Strom «S» bzw. Produktstrom «P» entfernte Menge voneinander abweichen, jenachdem ob das Baueinheitenpaar im Abtriebabschnitt bzw. im angereicherten Abschnitt liegt. Da ferner in Kaskaden mit Einsatz eines Trägergases dieses jeweils zwischen angrenzenden Baueinheitenpaaren in entgegengesetzten Richtungen fliesst, wobei die Strömung in Richtung des Produktendes stärker ist als die Strömung in der entgegengesetzten Richtung, versteht es sich, dass der Strom 24 nur die Nettoträgergasströmung bezeichnet, welche entlang der Kaskade konstant ist.

Beim erflndungsgemässen Verfahren wird die Kaskade derart betrieben, dass die Trägergasströmung in entgegengesetzten Richtungen zwischen jedem Baueinheitenpaar so gross ist, dass die molare Gesamtgasdurchflussmenge (d.h. Prozessgas zusammen mit Trägergas) von einer Baueinheit zur anderen in Richtung zum Produktende sowie die molare Gesamtgasströmung in der entgegengesetzten Richtung von einer Baueinheit zur anderen entlang der Kaskade im wesentlichen konstant sind. Bei konstanten Temperaturen und Drucken bedeutet dies, dass die Gesamtvolumendurchflussmenge in jeder Richtung konstant sein wird, doch sei daran erinnert, dass das Prozessgas ein höheres Molekulargewicht besitzt als das Trägergas, und das Molverhältnis von Trägergas zu Prozessgas wird deshalb in Richtung von der Zuleitung hinweg stetig zunehmen, während die Gesamtmasse Gas und die Gesamtmasse strömendes Prozessgas mit dem Anteil an Prozessgas stetig abnimmt. Die Abnahme in der Gesamtmasse strömenden Prozessgases ist in Fig. 1 durch die Dicken «T» der verschiedenen Ströme 26 und 28 kenntlich gemacht; diese Dicken ändern sich und stellen für einen typischen, wie in Fig. 1 gezeigten Fall die Mengen Prozessgas in den verschiedenen Strömen dar.

Da die Prozessgasmenge mit der Entfernung von der Zuleitung abnimmt und die molare Gesamtströmung in jeder Richtung konstant bleibt, nimmt in jeder Baueinheit das Verhältnis zwischen der durchschnittlichen molekularen Masse des Gesamtgases (Prozessgas mit Trägergas) und der durchschnittlichen molekularen Masse des Trägergases ebenfalls ab (da sie mit der Abnahme der Prozessgasströmung in direkter Beziehung steht), mit gleichzeitiger Abnahme der Prozessgaskonzentration in jeder Baueinheit.

Die Baueinheit 12.8 ist die Endbaueinheit des angereicherten Abschnitts der Kaskade, und der daraus austretende Strom 26 besitzt dieselbe Zusammensetzung wie der Produktstrom «P» im Hinblick auf die Komponenten des Prozessgases, wobei die Baueinheiten 12.9 und 12.10 einfach als ein Gastrennabschnitt 30 zur Trennung des Trägergases vom Prozessgas dienen. Wegen der üblicherweise erheblichen Unterschiede im Molekulargewicht des Prozess- und Trägergases bei der Urananreicherung (letzteres ist leichter) ist diese Trennung leicht und einfach und könnte ebensogut durch Ausfriertrennung oder sonstige herkömmliche Methoden erfolgen, obwohl zwecks Normierung der Einrichtung die gezeigten Baueinheiten gleich wie die Baueinheiten in den Abtrieb- und angereicherten Abschnitten sind. Effektiv erfolgt Trennung des Trägergases und Prozessgases teilweise in den Baueinheiten 12.4 bis 12.8, d.h. im angereicherten Abschnitt 18.

In dem in der Fig. 2 dargestellten Diagramm ist auf der horizontalen Achse die Nummer der Baueinheit, d.h. deren Stellung in der Kaskade, angegeben. Die Nummer 0 entspricht dabei der Anfangs- bzw. Speise- bzw. Einsatz-Baueinheit 12.4, in die die Zuleitung 14 einmündet. Die übrigen Baueinheiten sind ausgehend von dieser Baueinheit nach links und rechts fortlaufend numeriert. Die Nummer der sich am Abtriebende 20 und der am Produktende 22 der Kaskade befindenden Baueinheit ist mit r bzw. n bezeichnet. Auf der vertikalen Achse des Diagramms ist das folgende Verhältnis aufgetragen:

Prozessgasmassenströmung aus jeder Baueinheit x

Gesamtanreicherungsfaktor des Trennelementes bzw.

der Trennelemente in dieser Baueinheit

Prozessgasmassenströmung aus der Einsatz-Baueinheit x

Gesamtanreicherungsfaktor des Trennelementes bzw. der Trennelemente in der Einsatz-Baueinheit

Die in der Fig. 2 ersichtliche Kurve zeigt die typisch ideale Verknüpfung zwischen den auf den beiden Achsen aufgetragenen Variablen. Die Fig. 2 zeigt also für die verschiedenen Baueinheiten das Verhältnis zwischen dem Produkt aus

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

652 314

6

der Prozessgasmassenströmung von einer Baueinheit zur andern und dem Gesamtanreicherungsfaktor des Trennelementes bzw. der Trennelemente in jener Baueinheit zum entsprechenden Produkt für die Anfangs- bzw. Speise- bzw. Einsatz-Baueinheit (Baueinheit 12.4 in Fig. 1).

Der Anreicherungsfaktor ist sehr viel kleiner als 1, und wenn er entlang der Kaskade konstant ist, stellt die Kurve auch das Verhältnis der Prozessgasmassenströmung von einer Baueinheit zur andern zur Prozessgasdurchflussmenge aus der Einsatz-Baueinheit über der Baueinheitsnummer dar. Der Anreicherungsfaktor kann sich jedoch entlang der Kaskade ändern, so dass die ideale Kurve dann von der in der Fig. 2 gezeigten etwas abweichen kann.

Praktisch ist es wünschenswert, sich dieser idealen Kurve so nahe wie möglich anzunähern, und es ist ersichtlich, dass man mit der erflndungsgemässen Betriebsmethode dieser Kurve sehr nahe kommen kann, wobei die verwendeten ■ Baueinheiten alle gleich gross sind, was ein bedeutsamer Faktor ist. Somit kann man durch Einstellung der zwischen benachbarten Baueinheiten übergehenden Trägergasmenge auf die oben mit Bezug auf Fig. 1 beschriebene Weise sicherstellen, dass für jede Baueinheit das in Frage stehende Verhältnis auf oder zumindest sehr nahe an die ideale Kurve in Fig. 2 fällt.

In Fig. 3 werden dieselben Bezugsziffern wie in Fig. 1 benutzt, falls nicht anders angegeben. Der hier gezeigte angereicherte Abschnitt 18 ist mit zwei Trennabschnitten versehen, nämlich einem Abschnitt 30, der demjenigen in Fig. 1 entspricht, und einem zusätzlichen, zwischen der Einsatzbaueinheit und dem Produktende der Kaskade in diese eingeführten Trägergastrennabschnitt 32. Die Baueinheiten zwischen dem Trennabschnitt 32 und dem Produktende der Kaskade sind gegenüber den übrigen Baueinheiten klein und besitzen somit eine geringere Gesamtkapazität. Um den in Fig. 2 gezeigten idealen Zustand der Kurve der Kaskade beizubehalten, muss man deshalb entsprechend die durchschnittliche Molekularmasse des Gesamtgases für die Baueinheit 12n, d.h. die dem Trennabschnitt 32 nächstliegende kleine Baueinheit, auf einen Wert erhöhen, der höher liegt als die entsprechende durchschnittliche Molekularmasse für die grosse Baueinheit 12n-l, d.h. die jenem Abschnitt 32 nächstliegende grosse Baueinheit. Dies bedeutet, dass das Verhältnis des Produkts aus der Prozessgasströmung von der Baueinheit 12n zu den benachbarten Baueinheiten und dem Anreicherungsfaktor für die Baueinheit 12n zum entsprechenden Produkt für die Einsatzbaueinheit wieder auf der Kurve der Fig. 2 liegen kann.

Besonders nützlich ist die vorliegende Erfindung für Gasoder Isotopentrennkaskaden, wo jede Baueinheit eine grosse, komplizierte und äusserst teure Anlage ist, sowohl hinsichtlich des apparativen Aufwands als auch hinsichtlich der kapitalintensiven Entwicklungsarbeiten zur Planung von Prototypbaueinheiten einer bestimmten Grösse und Kapazität.

Wie bereits in der Einleitung erwähnt, wurde schon vorgeschlagen, Kaskaden mit konstantem Molverhältnis zwischen Trägergas und Prozessgas in jeder Baueinheit zu betreiben. Dies erfordert jedoch Baueinheiten fortschreitend kleinerer Grössen entsprechend der verringerten Prozessgasströmung in entgegengesetzten Richtungen von der Einsatzbaueinheit hinweg. Die Entwicklungskosten für eine Vielzahl von Baueinheiten verschiedener Grössen sind jedoch untragbar.

Wie ebenfalls bereits in der Einleitung erwähnt, besteht ein weiterer Vorschlag darin, Baueinheiten konstanter Grösse und Ausbildung, wiederum in jeder Baueinheit mit konstantem Molverhältnis zwischen Prozessgas und Trägergas einzusetzen. Dies bringt den Vorteil, dass die Entwicklungskosten für Prototypen auf dem niedrigsten Wert gehalten werden, doch ist es in diesem Fall unmöglich, eine fortschreitend verringerte Prozessgasströmung von Baueinheit zu Baueinheit in entgegengesetzten Richtungen von der Einsatzbaueinheit hinweg zu erzielen. Die Prozessgasströmungen zwischen Baueinheiten weichen deshalb wesentlich vom in Fig. 2 gezeigten idealen Verlauf ab. Die Folge sind erhebliche Extrakosten hinsichtlich einem untragbaren Energieverbrauch, insbesondere in von der Speisestelle entlegenen Baueinheiten, und hinsichtlich der erforderlichen zusätzlichen Baueinheiten, um Prozess- und Trägergas aus einem Gemisch mit einer verhältnismässig hohen Prozessgaskonzentration abzutrennen.

Im Gegensatz dazu kann man jedoch erfindungsgemäss Baueinheiten konstanter Grösse und Ausbildung vorteilhaft einsetzen. Obwohl volumenmässig die gleiche interne Zirkulation erforderlich ist, um jede Baueinheit mit ihrem maximalen Wirkungsgrad und auch die Kaskade als Ganzes mit maximalem Wirkungsgrad zu betreiben, wird dabei der im Kreislauf geführte Trägergasanteil in der Baueinheit um so höher, je weiter entfernt die Baueinheit von der Einsatz-Baueinheit ist. Bei ähnlicher oder gleicher Nettomassenströ-mung des Trägergases von Baueinheit zu Baueinheit, bei gleicher Nettomassenströmung des Produktgases von Baueinheit zu Baueinheit und bei gleichem Gasvolumen, das im Innern jeder Baueinheit im Kreislauf geführt wird, ist somit die Masse des im Innern im Kreislauf geführten Gases wesentlich kleiner. Da die Molekülmasse des Gesamtgases ja von Baueinheit zu Baueinheit abnimmt, nehmen die Verdichtungsverhältnisse für mit weitgehend konstanten Geschwindigkeiten laufende Kompressoren entsprechend ab. Praktisch führt dies zu grossen Einsparungen im Energieverbrauch. Auch wenn man ein konstantes Molverhältnis an Stelle der erflndungsgemässen Methode anwendet und die Entwicklungskosten für mehrere Baueinheitsgrössen zu tragen sind, ergibt dies nur eine teilweise Verbesserung, und die meisten Baueinheiten werden trotzdem an nicht auf der Kurve der Fig. 2 liegenden Punkten laufen, d.h. mit daraus folgender erheblicher Energieverschwendung.

Fig. 3 und die diesbezüglich beschriebene Ausführungsform zeigen jedoch, dass die vorliegende Erfindung so anpassungsfähig ist, dass man die verschiedenen Kosten gegeneinander abwägen kann. In Fällen, wo trotz der durch Änderung des Molverhältnisses zwischen Prozessgas und Trägergas von Baueinheit zu Baueinheit erhaltenen Energieeinsparung die Anlagekosten als übermässig hoch angesehen werden, kann man somit kleinere und preisgünstigere Baueinheiten an geeigneten Stellen einführen, was sowohl eine Verringerung der Herstellungskosten (Werkstoffe, Arbeit usw.) sowie eine weitere Verringerung der Energiekosten ergibt, obwohl man dann stattdessen zusätzliche Prototypen entwickeln muss.

Es sei ferner bemerkt, dass die Kaskade in Fig. 3 in zwei Teilstücke unterteilt ist, nämlich einerseits ein den Abtriebabschnitt (nicht gezeigt, aber ähnlich wie in Fig. 1) und den Teil des angereicherten Abschnitts zwischen der Zuleitung 14 und der Trennvorrichtung bzw. dem Abschnitt 32 enthaltendes Teilstück und anderseits ein den Rest des angereicherten Abschnitts zwischen dem Trennabschnitt 32 und dem Trennabschnitt 30 enthaltendes Teilstück. Sämtliche Baueinheiten des ersteren Teilstücks (d.h. die Baueinheiten bis 12n,[) sind in der Grösse, der Kapazität und dem Aufbau gleich und sind grösser als die Baueinheiten des letzteren Teilstücks (d.h. die Baueinheiten 12n und höher), welche unter sich ebenfalls in der Grösse, der Kapazität und dem Aufbau gleich sind.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

S

1 Blatt Zeichnungen

Claims

652 314

2

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren für die Kaskaden-Gastrennung zur Auftrennung eines verschiedene Komponenten aufweisenden Einsatzprozessgases (E) in ein Produktgas («P»), das gegenüber dem Einsatzprozessgas (E) an einer Komponente angereichert ist, und ein Abtriebgas («S»), das gegenüber dem Einsatzprozessgas (E) an der genannten Komponente verarmt ist, wobei mit dem Prozessgas ein Trägergas («T») durch eine Kaskade (10) hindurch vom Abtriebende (20) der Kaskade zu deren Produktende (22), wo es vom Prozessgas getrennt wird, und von dort wieder zum Abtriebende der Kaskade, wo es erneut in diese eingeleitet wird, im Kreislauf geführt wird und wobei das Einsatzprozessgas (E) an einer zwischen dem Abtriebende (20) und dem Produktende (22) liegenden Einlass-Stelle (12.4) in die Kaskade eingeleitet wird und wobei eine Kaskade mit mehreren Baueinheiten (12.1-12.10) verwendet wird, die jeweils mindestens ein Gastrennelement zur Trennung eines von einer aussenliegen-den Quelle und/oder von mindestens einer Baueinheit (12.1-12.10) der Kaskade eintretenden Prozessgasstroms in einen angereicherten Strom (26) und einen verarmten Strom (28), welche zu anderen Baueinheiten der Kaskade weitergeführt werden, aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass man bei einer Anzahl der Baueinheiten (12.1-12.10) die relativen Prozessgasanteile, die in jeder Baueinheit (12.1-12.10) ein-und austreten, so wählt, dass die gesamte molare Gasdurchflussmenge in jeder Richtung entlang der Kaskade durch diese Anzahl von Baueinheiten hindurch konstant ist, der Trägergasanteil im Verhältnis zu Prozessgas in der Richtung von der Einlass-Stelle (12.4) zum Produktende (22) der Kaskade fortschreitend zunimmt und der Trägergasanteil im Verhältnis zu Prozessgas in der Richtung von der Einlass-Stelle (12.4) zum Abtriebende (20) der Kaskade ebenfalls fortschreitend zunimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Baueinheiten (12.1-12.10), durch welche eine konstante molare Durchflussmenge strömt, in der Grösse, der Kapazität und dem Aufbau gleich sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man diese konstante molare Durchflussmenge durch sämtliche Baueinheiten (12.1-12.10) der Kaskade strömen lässt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaskade in Teilstücke unterteilt ist, wobei jedes Teilstück eine Anzahl Baueinheiten (12<n_1 oder 12>n) um-fasst und wobei man die relativen Prozessgasanteile, die in jeder Baueinheit in jedem Teilstück ein- und austreten, so wählt, dass die gesamte molare Gasdurchflussmenge in jeder Richtung entlang diesem Teilstück durch dessen Baueinheiten hindurch konstant ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaskade in zwei Teilstücke unterteilt ist, wobei ein Teilstück den Abtriebabschnitt (16) der Kaskade und einen Teil des Anreicherungsabschnittes (18) der Kaskade sowie das andere Teilstück den Rest des Anreicherungsabschnittes der Kaskade umfasst und wobei der Abtriebabschnitt (16) die sich zwischen der Zufuhrstelle (14) des Einsatzprozessgases (E) und dem Abtriebende der Kaskade befindenden Baueinheiten und der Anreicherungsabschnitt die sich zwischen der Zufuhrstelle (14) und dem Produktende (22) der Kaskade befindenden Baueinheiten umfasst.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Baueinheiten (12Sn_[ oder 12>n) in jeweils einem Teilstück in der Grösse, der Kapazität und dem Aufbau gleich sind, sich jedoch in der Grösse, oder der Kapazität und/oder dem Aulbau von den Baueinheiten der anderen Teilstücke unterscheiden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse und die Kapazität der Baueinheiten in Richtung von der Einsatzstelle (14), bei der das Einsatzprozessgas (E) zugeführt wird, zum Abtriebende der Kaskade und/oder von der Einsatzstelle (14) zum Produktende der Kaskade fortschreitend abnehmen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine Stufe umfasst, in der man ein Gemisch aus Prozessgas und Trägergas aus der Kaskade zwischen deren angrenzenden Teilstücken entnimmt, das Gemisch einer Gastrennung unterwirft, wodurch das Trägergas vom Prozessgas getrennt wird, das abgetrennte Prozessgas zwischen jenen Teilstücken, wo das Gemisch entnommen wurde, wieder in die Kaskade einbringt und das abgetrennte Trägergas (24) im Kreislauf zum Abtriebende der Kaskade zurückführt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass man die Trennung des Trägergases vom Prozessgas in einer Anzahl von Baueinheiten durchführt, die eine Träger-gastrennkaskade (32) bilden, wobei die Baueinheiten der Trägergastrennkaskade (32) und die Baueinheiten (12>n) des Teilstücks auf der angereicherten Seite der Stelle, wo das Gemisch entnommen und das Prozessgas zurückgeführt wird, in der Grösse, der Kapazität und dem Aufbau sämtliche gleich sind, bei gleicher gesamter molarer Gasdurchflussmenge.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass man dabei ferner Gas aus der Kaskade an deren Produktende (22) entnimmt, dieses in Trägergas und Prozessgas trennt, einen Teil des abgetrennten Prozessgases als angereichertes Produkt («P») abzieht, den Rest wieder in das Produktende (22) der Kaskade einbringt und das abgetrennte Trägergas (24) im Kreislauf zum Abtriebende der Kaskade zurückführt, wobei die Trennung des Trägergases vom Prozessgas in Baueinheiten (12.9, 12.10) erfolgt, die eine Trägergastrennkaskade (30) bilden, und wobei die Baueinheiten (12.9,12.10) der Trägergastrennkaskade (30) sowie die Baueinheiten (12.8,12>n) des sich zwischen der Zufuhrstelle (14) des Einsatzprozessgases (E) und dem Produktende (22) befindenden Anreicherungsabschnittes am Produktende in der Grösse, der Kapazität und dem Aufbau gleich sind, sowie auch von gleichen gesamten molaren Gasdurchflussmengen durchströmt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten des Prozessgases durch ein Isotopentrennverfahren voneinander getrennt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas ein Zweikomponentengas ist und das Trägergas dabei ein niedrigeres Molekulargewicht aufweist als die beiden Komponenten.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas aus einem Gemisch aus Uran235-hexafluorid (U23SF6) und Uran238-hexafluorid (U238F6) besteht und dass als Trägergas Wasserstoff verwendet wird.
14. Gastrennkaskade zur Auftrennung eines Einsatzprozessgases (E) aus mehreren Komponenten in ein Protuktgas («P»), das gegenüber dem Einsatzprozessgas (E) an einer Komponente angereichert ist, und ein Abtriebgas («S»), das gegenüber dem Einsatzprozessgas (E) an der genannten Komponente verarmt ist, wobei die Kaskade eine Anzahl Baueinheiten (12.1-12.10) umfasst, die je mindestens ein Gastrennelement zur Auftrennung eines Prozessgasstroms in einen angereicherten und einen verarmten Strom enthalten, wobei die Baueinheiten in Reihe vom Abtriebende (20) der Kaskade zu deren Produktende (22) verlaufend angeordnet sind, wobei die Kaskade an ihrem Produktende (22) einen

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

652 314

Auslass für einen angereicherten Produktstrom («P») und an ihrem Abtriebende (20) einen Auslass für einen abgetriebenen Produktstrom («S») sowie zwischen ihren Enden einen Prozessgas-Einlass (14) aufweist, welcher die Kaskade in einen Abtriebabschnitt (16) und einen Anreicherungsabschnitt (18) unterteilt, wobei die Baueinheiten (12.1-12.10) so miteinander verbunden sind, dass jede Baueinheit (12.1-12.10) von mindestens einer anderen Baueinheit und/oder vom Ein-lass (14) Gas empfangen und an mindestens eine andere Baueinheit und/oder mindestens einen der Auslässe Gas abgeben kann, wobei die Kaskade eine an das Produktende (22) angeschlossene Trägergastrennvorrichtung (30) zur Entnahme eines Gemischs aus Trägergas und Prozessgas vom Produktende (22) der Kaskade, zur Trennung des Trägergases vom Prozessgas und zur Rückführung abgetrennten Prozessgases zur Kaskade sowie Kreislaufführung von abgetrenntem Trägergas (24) zum Abtriebende (20), sowie Vorrichtungen für die Gasförderung zwischen den Baueinheiten (12.1-12.10) aufweist, so dass sich eine Nettoträgergasströ-mung vom Abtriebende (20) der Kaskade zu deren Produktende (22) und eine Nettoprozessgasströmung vom Einlass (14) zu den Auslässen ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaskade eine Anzahl Baueinheiten (12.1-12.10) mit gleicher Grösse, gleicher Kapazität und gleichem Aufbau aufweist und dass die Vorrichtungen für die Gasförderung derart angeordnet und konstruiert sind, um Gas derart in jede Baueinheit dieser genannten Anzahl Baueinheiten (12.1-12.10) eintreten und daraus austreten zu lassen, dass sich in jeder Richtung entlang der Kaskade durch jede dieser genannten Anzahl Baueinheiten (12.1-12.10) mit gleicher Grösse sowie Kapazität und gleichem Aufbau hindurch eine konstante gesamte molare Gasdurchflussmenge ergibt und dass der Trägergasanteil im Verhältnis zum Prozessgasanteil in der Richtung vom Einlass (14) zum Auslass für das angereicherte Produkt («P») sowie vom Einlass (14) zum Auslass für das abgetriebene Produkt («S») fortschreitend zunimmt.
15. Kaskade nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Baueinheiten (12.1-12.10) in der Grösse, Kapazität und dem Aufbau gleich sind.
16. Kaskade nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie in Teilstücke unterteilt ist, wobei sämtliche Baueinheiten (12<n_! oder 12>n) in jeweils einem Teilstück in der Grösse, der Kapazität und dem Aufbau gleich sind, sich jedoch in der Grösse, der Kapazität und dem Aufbau von den Baueinheiten des andern Teilstückes bzw. der anderen Teilstücke unterscheiden, und die Vorrichtungen für die Gasförderung so angeordnet und konstruiert sind, dass im Betrieb in jeder Richtung entlang der Kaskade eine konstante gesamte molare Gasdurchflussmenge erzielbar ist, welche sich in den Baueinheiten jeweils eines Teilstücks von derjenigen in den Baueinheiten des andern Teilstückes bzw. der übrigen Teilstücke unterscheidet.
17. Kaskade nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie in zwei Teilstücke unterteilt ist, wobei ein Teilstück den Abtriebabschnitt der Kaskade und einen Teil des Anreicherungsabschnitts sowie das andere Teilstück den Rest des Anreicherungsabschnitts umfasst.
18. Kaskade nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie Trenn Vorrichtungen (32) zur Entnahme eines Gemischs aus Trägergas und Prozessgas zwischen jeweils angrenzenden Teilstückpaaren und zur Trennung dieses Gases in Prozessgas und Trägergas umfasst, wobei die Trennvorrichtungen (32) so angeordnet sind, dass sie das abgetrennte Prozessgas zwischen jenen Teilstücken wieder in die Kaskade einbringen und das abgetrennte Trägergas (24) im Kreislauf zum Abtriebende führen.
19. Kaskade nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenn Vorrichtung eine Anzahl von Baueinheiten umfasst, die eine Trägergastrennkaskade (32) bilden, wobei die Baueinheiten der Trägergastrennkaskade (32) sowie die Baueinheiten (12>n) desjenigen Teilstückes, das sich zwischen der Stelle, wo das Gemisch entnommen und das Prozessgas zugeführt wird, und dem Produktende (22) befindet, in der Grösse, der Kapazität und dem Aufbau sämtliche gleich sind.
20. Kaskade nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine an das Produktende (22) der Kaskade angeschlossene Trennvorrichtung (30) eine Anzahl von Baueinheiten umfasst, die eine Trägergastrennkaskade (30) bilden, wobei die Baueinheiten der Trägergastrennkaskade (30) und die Baueinheiten (12.8 oder 12>n) des sich beim Produktende (22) befindenden Teils des Anreicherungsabschnittes in der Grösse, der Kapazität und dem Aufbau gleich sind.