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Verfahren zur Entwässerung des Katalysators in Austauschanlagen für
die Anreicherung von Deuterium Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entwässerung
des Katalysators in Anlagen, in denen durch Isotopenaustausch zwischen Wasserstoff
und Wasser in Kolonnen Deuterium .angereichert wird. Das Verfahren gemäß der Erfindung
betrifft insbesondere die Behandlung des Katalysators in solchen Anlagen, bei denen
der Deuteriumaustausch mit einer Wasserstofferzeugung durch Phasenumkehrung kombiniert
ist.
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Es ist bekannt, den Austausch des Deuteriums zwischen Wasserstoff
und Wasser unter Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtskonstanten
der Austauschreaktion in einem System von Kolonnen, die sich auf verschiedenen Temperaturen
befinden, an einem Katalysator vorzunehmen. Dabei kann entweder das Gas oder die
Flüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf durch die Kolonnen geführt werden,
wobei der Katalysator in Suspension oder kolloidaler Lösung mit der Flüssigkeit
umläuft.
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Es ist auch eine Arbeitsweise bekannt, bei der diese Austauschreaktion
mit einer Gaserzeugung in der Weise verbunden wird, daß das an Deuterium angereicherte
Wasser durch Phasenumkehr in Wasserstoff übergeführt und das Deuterium zwischen
diesem und Wasser wieder ausgetauscht wird.
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Diese Kombination setzt voraus, daß der Katalysator aus der umlaufenden
Flüssigkeit leicht abscheidbar ist, damit er vor der Überführung der Flüssigkeit
in Gas aus ersterer entnommen werden kann. Man bediente sich dabei bisher an sieh
bekannter Verfahren, bei denen jedoch der Kontakt nicht von vornherein völlig trocken
anfällt, sondern nur mehr oder weniger stark eingedickt werden kann, da er sonst
einen Aktivitätsverlust erleidet. Die am Kontakt haftende Flüssigkeit hat jedoch
einen höheren Isotopengehalt als die durch die Austauschkolonnen strömende Flüssigkeit,
der der Katalysator wieder zugeführt wird. Wenn man also den Katalysator in dem
eingedickten Zustand, in dem er nach der Trennung von der Hauptmenge der Flüssigkeit
anfällt, wieder in den Kreislauf zurückgibt, so erfolgt eine Isotopenvermischung,
die eine Leistungsverschlechterung der Gesamtanlage nach sich zieht, da der bereits
einmal durch Anreicherung gewonnene höhere Gehalt der am Katalysator haftenden Flüssigkeit
infolge der Vermischung gewissermaßen verdünnt wird und erst durch erneuten Austausch
mit hohem Energieaufwand wiedergewonnen werden kann.
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Andererseits ist es auch nicht möglich, den am eingedickten Katalysator
haftenden Flüssigkeitsanteil zu verwerfen, da dies zu einem Verlust an Deuterium
führen würde. Es ist also auf jeden Fall wesentlich, den verbleibenden Flüssigkeitsanteil
am Katalysator so gering wie möglich zu halten, um die vorher erwähnten Verluste
und Schwierigkeiten zu vermeiden. Man kann jedoch die Entfernung der Flüssigkeit
nicht auf dem üblichen Weg der normalen Trocknung bei erhöhter Temperatur vornehmen,
da dies eine Schädigung des wertvollen Edelmetallkatalysators zur Folge haben würde.
Entwässert man jedoch den eingedickten Katalysator etwa im Vakuum, so muß auf Grund
der größeren freien Weglänge der Moleküle trotzdem die Temperatur erhöht werden,
um das Feinkapillarwasser abtreiben zu können. Außerdem bedeutet die Vakuumtrocknung
einen untunlich hohen Energieaufwand.
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Gemäß der Erfindung lassen sich diese mehrfachen Schwierigkeiten dadurch
vermeiden, daß der eingedickte Katalysator nicht einer Trocknung bei hoher Temperatur
oder einer Vakuumtrocknung unterworfen wird, sondern daß eine Verdunstungstrocknung
in einem Strom isotopenarmen Wasserstoffgases durchgeführt wird. Durch die Behandlung
des Katalysators nach der Erfindung werden hohe, den Katalysator schädigende Temperaturen
bei der Entfernung des Wassers mit Sicherheit vermieden, da durch den Wärmeaufwand
bei der Verdunstung der Katalysator selber stets auf niederer Temperatur bleibt
als das verwendete Wasserstoffgas, so daß dieses nach einer anderen Ausführungsform
auch mit erhöhter Temperatur, z: B. 200 bis 300° C, zur Anwendung gelangen kann.
Ebenfalls erniedrigt sich auf Grund des erhöhten Druckes der Anteil der Poren, in
denen bei der Trocknung Knudsensche Molekulardiffusion herrscht. Der wesentliche
Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung liegt jedoch darin, daß die am Katalysator
haftende Flüssigkeit während der Entwässerung durch Verdunstung entsprechend der
Gleichgewichtskonstanten
-der Austauschreaktion an Deuterium abgereichert wird, so daß man ohne untunliche
Verschiebung des Isotopenver'hältniss-es den Katalysator auch mit' einer, gewissen
Flüssigkeitsmenge in den -Kreislauf zurückführen kann. Der zur Verdunstung benutzte
Wasserstoffstrom wird erfindungsgemäß der Anlage an einer Stelle entnommen, wo er
verhältnismäßig. an Deuterium ärmer ist als die am Katalysator haftende Flüssigkeit.
Außerdem kann man, wenn die Verdunstung bei erhöhter, für den Katalysator noch verträglicher
Temperatur durchgeführt wird, von der Isotopenverschiebung durch Änderung der Gleichgewichtskonstante
mit der Temperatur Gebrauch machen.
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Die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird an Hand der
Abb. 1 und 2 im folgenden weiterhin erläutert: In Abb. 1 ist schematisch eine Gaserzeugungsanlage
mit anschließendem Isotopenaustausch dargestellt. In der Abbildung bedeutet 11 den
Gaserzeuger, von dem das Gas durch die Leitung 12 in eine Austauschkolonne 13 gelangt,
aus deren Kopf es zur weiteren Verwendung bei 14 abgezogen wird. Durch die Kolonne
13 wird im Gegenstrom flüssiges Wasser bei 15 eingeleitet, das am Fuß 16, mit Deuterium
angereichert, die Kolonne verläßt. Die Flüssigkeit enthält den Katalysator in suspendierter
Form und muß vor Einleitung in den Gaserzeuger von dem Katalysator getrennt werden.
Zu diesem Zweck gelangt die aus der Kolonne bei 16 austretende Flüssigkeit über
17 in den Abscheider 18, den sie katalysatorfrei bei 19 zur Einleitung in den Gaserzeuger
11 bei 111 verläßt. Im Abscheider 18 fällt ein eingedickter Kontakt an, der nunmehr
zur Vermeidung von Isotopenverlusten durch die Entwässerung 112 geleitet werden
muß. Aus dieser Entwässerung gelangt der Kontakt in getrocknetem, jedoch nicht absolut
wasserfreiem Zustand über 113 bei 114 in den Flüssigkeitskreislauf zurück. Die Entwässerung
wird in 112 mit Hilfe des bei 11_5 aus dem Hauptgasstrom entnommenen Gases durchgeführt,
das bei 116 in die Entwässerungsanlage 112 eingeleitet wird. Aus dieser gelangt
das angereicherte Gas sodann über 117 an einer Stelle gleicher Isotopenzusammensetzung
bei 118 wieder in den Hauptgasstrom zurück und wird mit diesem in der Kolonne 13
dem Austausch unterworfen.
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In der Abb.2 ist eine Anlage wiedergegeben, die aus einem Gaserzeugerteil
und einer Hochanreicherung unter Verwendung von heißen und kalten Kolonnen besteht,
wobei für die Hochanreicherung zwei Stufen mit je einer heißen und einer kalten
Kolonne dargestellt sind. In der Abbildung bedeutet 21 den Gaserzeuger, 22 eine
Austauschkolonne, 23 den Flüssigkeitsabscheider und 24 die Entwässerungsanlage für
den Kontakt. Die Hochanreicherung besteht aus den bei erhöhter Temperatur arbeitenden
Austauschkolonnen 25 und 26 und aus den bei niederer Temperatur betriebenen Kolonnen
27 und 28. Die beiden Anlageteile, nämlich die Gaserzeugung und die Hochanreicherung,
sind durch einen Flüssigkeitskreislauf, in dem flüssiges Wasser mit suspendiertem
Kontakt bewegt wird, miteinander verbunden. Das in der Gaserzeugungsanlage entstehende
Gas wird zunächst in der Austauschkolonne 22 der Einwirkung der -im- Gegenstrom
durch diese Kolonne bewegten Flüssigkeit ausgesetzt, wobei diese an Deuterium angereichert
wird. Die die Kolonne bei 29 verlassende, den Kontakt enthaltende Flüssigkeit gelangt
in den Flüssigkeitsabscheider 23, in dem der Katalysator abgetrennt bzw. eingedickt
wird. Die vom Katalysator befreite Flüssigkeit geht dann über die Leitung 211 in
den Gaserzeuger 21 zurück. Der eingedickte Kontakt gelangt aus dem Abscheider 23
in die Entwässerungsanlage 24 und von dort, in gewissem Umfang entwässert, durch
212 zum Hauptflüssigkei.tsstrom bei 213. Ein Teilstrom der den Kontakt enthaltenden,
aus der Kolonne 22 abgezogenen Flüssigkeit wird bei 214 abgenommen und bei 215 der
Kolonne 27 zugeführt, aus der er am Fuße abgezogen und bei 216 in die heiße Kolonne
des Anreicherungssystems eingeleitet wird. Nach dem Durchlaufen dieser Kolonne wird
die Kontakt enthaltende Flüssigkeit über 217 bei 218 wieder mit der dem Abscheider
zugeleiteten Flüssigkeit vereinigt. Das Wasserstoffgas für die Entwässerung des
eingedickten Katalysators in der Entwässerungsanlage 24 wird im geschlossenen Kreislauf
entgegen der Flüssigkeit bei 219 in die Kolonne 25 an deren Fuß eingeführt und von
dort nach Anreicherung bei 220 in die kalte Kolonne geleitet, die es - teilweise
abgereichert - bei 221 verläßt.
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Die zweite Stufe der Hochanreicherung wird durch Abzweigung eines
Gasteilstroms bei 222 mit Gas versorgt, das bei 223 im die Kolonne eintritt, von
dort bei 224 in die Kolonne 28 gelangt und aus dieser bei 225 wieder mit dem Gasstrom
der ersten Stufe der Hochanreicherung vereinigt wird. Die Kolonnen 26 und 28 sind
durch einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf verbunden, der den suspendierten
Kontakt durch die Kolonnen führt. Diese Flüssigkeit bewegt sich im Gegenstrom zu
dem durch die Kolonnen geleiteten Wasserstoff und tritt bei 226 in die kalte Kolonne
ein und gelangt von dieser bei 227 in die heiße Kolonne. Zwischen den Kolonnen kann
bei 228 entweder Produkt abgenommen oder weiteren Stufen zugeführt werden, aus denen
es dann bei 229 zurückfließt.