DE1055507B - Verfahren zur Anreicherung einer chemischen Verbindung an einem Element - Google Patents

Description

INTERNAT. KL. BOIj

DEUTSCHES ^li^ PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT 1055 507

COIB -i/00-

A 28973 IVc/12 e

ANMELDETAG: l.MÄRZ 1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT. 2 3. A P R I L 1 9 5 9

Ein bereits bekanntes Verfahren zur Anreicherung einer chemischen Verbindung, insbesondere zur Isotopentrennung, nach dem Heiß-Kalt-Verfahren, l>esteht in der Durchführung des Konzentrationsbetriebes in einer gewissen Anzahl analoger Etagen, in deren jeder die erste zu behandelnde Phase durch Kontakt mit einem geschlossenen Kreislauf der zweiten Phase bei zwei Temperaturen in eine konzentrierte Fraktion, die dann in die folgende Etage geschickt wird, und eine erschöpfte Fraktion zerlegt wird, die in die vorhergehende Etage zurückgeleitet wird. Hierbei haben die Kontaktkolonnen der verschiedenen Etagen abnehmenden Durchmesser, und die Wärmeaustauscher abnehmende Oberflächen, weil die Durchgangsmengen der Phasen von Etage zu Etage abnehmen.

Um jedoch die größtmögliche Anreicherung je Etage zu erzielen, darf man bekanntlich nur Fraktionen von gleichen Konzentrationen vermischen. Nun besteht die in einer Etage behandelte Fraktion aus der Summe der in der vorhergehenden Etage konzentrierten Fraktion und der aus der folgenden Etage kommenden erschöpften Fraktion. Damit ihre Konzentrationen gleich sind, muß die Anreicherung je Etage konstant gehalten werden. Es würde vorteilhaft sein, in den ersten Etagen mit einer ziemlich schwachen Anreicherung zu arbeiten; denn dafür ist bei gegebenem Anreicherungsverhältnis eine größere Zahl an theoretischen Böden erforderlich als für die höheren Gehalte. Wenn man dagegen in den ersten Etagen mit einer geringeren Anreicherung als in den folgenden Etagen arbeitet, ergeben sich Verluste durch Vermischung, und die Gesamtzahl der erforderlichen theoretischen Böden für die Zerlegung ist höher als diejenige des entsprechenden einfachen Heiß-Kalt-Systems.

Da in der ersten Etage genauso gearbeitet wird wie im einfachen Heiß-Kalt-System, sind auch die Warmeaustauschflächen und die Durchgangsmengen an Heiz- und Kühlflüssigkeiten gleich. Da man diesem dann diejenigen aller folgenden Etagen hinzufügen muß, wird die Gesamtheit der Warmeaustauschflächen und der Durchsätze an Heiz- und Kühlflüssigkeiten mit horizontaler Gruppierung sehr viel höher werden als für das einfache Heiß-Kalt-System.

Diese Nachteile können vermieden und Austauschgeräte mit abnehmenden Dimensionen benutzt werden, wenn man in bekannter Weise in den ersten Geräten mit schwacher Anreicherung arbeitet, also hohe Durchsatzmengen behandelt und die Wärmeaustauschflächen sowie die Durchsatzmengen der Heiz- und Kühlflüssigkeiten im Verhältnis zu einem einfachen System nicht erhöht.

Es wurde gefunden, daß dies möglich ist, wenn jede der heißen bzw. kalten Austauschersäulen in mehrere Verfahren zur Anreicherung einer
chemischen Verbindung an einem Element

Anmelder:
L'Air Liquide, Societe Anonyme

pour l'Etude et !'Exploitation
des Procedes Georges Claude, Paris

Vertreter: Dr. H.-H. Willrath, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hildastr. 32

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 5. März 1957

Emil Carbonnel und Maurice Grenier, Paris,
sind als Erfinder genannt worden

Etagen unterteilt werden und an der Unterteilungs-

stelle zwischen zwei aufeinanderfolgenden Etagen ein Teil der bereits angereicherten Phase abgenommen und derselben Phase an einer Unterteilungsstelle im Verlauf der Verarmung zugesetzt wird. Die Konzentrationen und Mengen an der Anzapfstelle werden derart

gewählt, daß die Konzentrationen der Fraktionen einer Phase, die zusammengegeben werden, ungefähr gleich sind und daß an jeder Unterteilungsstelle das Verhältnis der aus einer Phase abgenommenen Menge zur anfänglichen Menge dieser Phase ungefähr gleich

dem Verhältnis der der anderen Phase zugesetzten Menge zu der sich dabei ergebenden Gesamtmenge der anderen Phase ist.

Man kann nachweisen, daß unter diesen Bedingungen die Gesamtzahl der theoretischen Böden der

Austauschgeräte, welche die Anreicherung der ersten Phase, beispielsweise bei der tiefsten Temperatur, bewirken, gleich derjenigen des Austauschgerätes eines einfachen Systems ist, das dieselbe Anreicherung bewirkt. Die Gesamtzahl der theoretischen Böden der

Austauschgeräte, welche die Regenerierung der zweiten Phase bewirken, ist ungefähr gleich der Gesamtzahl der Böden des Austauschgerätes eines einfachen Systems; diese Gleichheit ist indessen fast genau verwirklicht, wenn die abgezapfte Menge im

Verhältnis zu der in das Austauschgerät eintretenden Menge gering ist, was im allgemeinen der Fall ist.

Im nachstehenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung eine Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung in einem System mit zwei Etagen in An-

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wendung auf die Isotopenanreicheiung des Wassers stoffgas verarmten Phase vereinigt wird, das aus der an schwerem Wasserstoff oder Deuterium durch ersten kalten Kolonne 101 durch Leitung 105 entchemischen Austausch bei zwei Temperaturen mit weicht. Das zurückbleibende flüssige Wasser wird in Schwefelwasserstoffgas beschrieben. zwei Teile zerlegt; der eine wird durch Leitung 210

Das zu behandelnde natürliche Wasser mit etwa 5 ausgeschieden, der andere vereinigt sich über Leitung 0,03 °/o HDO wird im flüssigen Zustand durch Leitung 211 mit der Leitung 131 für die an Schwefelwasser-102 am Kopf der ersten kalten Kolonne 101 eingeführt. stoffgas verarmte Phase, bevor er zu den Wärme-Diese Kolonne wie die zweite kalte Kolonne 121 stehen austauschern gelangt. Er verdampft dann im Verlauf bei einer Temperatur von 30 bis 50° C unter Druck ^, der Erwärmung.

von 10 bis 50 kg/cm² absolut. Die Temperatur wird₄*o *^^-s durch Leitung 106 in die zweite kalte Kolonne so niedrig wie möglich gewählt, um eine genügend KcJSflfeingeführte angereicherte Wasser wild in dieser weitgehende Veränderung der chemischen GleicH^ wSfcoJpine erneut durch chemischen Austausch mit relagewichtskonstante zu gestatten. J3ie warmen Kolon- ---.JUV^ reicherem Schwefelwasserstoffgas konzentriert, nen 201 und 221 stehen unter einem wenig höheren "dann wird es in analoger Weise wie das aus der ersten "Druck als derjenige der kalten Kolonnen, um den 15 kalten Kolonne 101 kommende angereicherte Wasser Beschickungsverlusten Rechnung zu tragen, die für über Leitung 123 nach Zufügung einer anderen Frakden Fluß der Flüssigkeiten notwendig sind. Man kann tion angereicherten Wassers, dessen Herkunft später sie jedoch auch bei einem merklich höheren Druck als erläutert werden soll, zum Wärmeaustauscher 109 B demjenigen der kalten Kolonnen arbeiten lassen, in- geschickt, wo es durch Wärmeaustausch mit einem dem man in die Verbindungsleitungen Kompressoren 20 Teil des von der warmen Kolonne 201 kommenden er- und Entspannungsventile an geeigneten S'tell-en einbaut. schöpften Wassers erwärmt und dann im Hilfsaus-Die Temperatur der warmen Kolonnen liegt z. Ji. tauscher 127 auf die Temperatur der warmen Kolonne zwischen 120 und 180° C. 221 durch mittelbare Berührung mit dem Heizdampf

Das Wasser wird durch Gegenstromberührung in gebracht wird.

der Kolonne 101 mit am Boden dieser Kolonne durch 25 Schließlich geht es durch die Leitung 130 an den Leitung 220 eingeführtem Schwefelwasserstoffgas an Kopf dieser Kolonne. Dort wird es durch chemischen der schweren Verbindung HDO angereichert. Das Austausch mit relativ ärmerem Schwefelwasserstoffaus der Kolonne durch Leitung 104 abgezogene an- gas bis auf den Gehalt des angereicherten Wassers gereichertc Wasser wird in zwei Teile zerlegt: der verarmt, das die erste kalte Kolonne verläßt, worauf eine wird durch Leitung 106 zur zweiten Anreiche- 30 es mit diesem durch die Leitung 115 am Eintritt der rungskolonne 121 von kleinerem Durchmesser, der warmen Kolonne 201 vereinigt wird, andere durch Leitung 107 in die warme Kolonne 201 Die durch die Leitung 105 vom Kopf der kalten

geschickt, um durch chemischen Austausch den ver- Kolonne 101 von größerem Durchmesser austretende armten Schwefelwasserstoff, der am Kopf der Kolonne am Schwefelwasserstoffgas verarmte Phase wird 101 durch Leitung 105 austritt, _>wieder auf seinen 35 durch Leitung 209 mit dem vom Abscheider 208 Anfangsgehalt zu bringen. kommenden Schwefelwasserstoffgas versetzt, erhalt

Das angereicherte Wasser der Leitung 107 wird dann durch Leitung 211 Wasser, das von demselben nach Zusatz einer anderen Fraktion angereicherten Abscheider kommt, und wird in zwei Teile zerlegt, Wassers, deren Herkunft später erläutert werden soll. die durch Leitungen 132 und 133 in die Wärmeausdurch Leitung 108 im Wärmeaustauscher 109A durch 40 tauscher 134^4 und 134/? geschickt werden, wo sie ,indirekte Gegenstromberührung mit einer Fraktion sich durch Wärmeaustausch mit dem aus den warmen erschöpften Wassers, das aus der warmen Kolonne Kolonnen 201 und 221 austretenden angereicherten 201 stammt, und darauf im Hilfsaustauscher 111 auf Schwefelwasserstoffgas erwärmen. Dann gelangen die gewärmt, wo es auf die Temperatur der warmen Ko- beiden Teile durch die Leitungen 135 und 136, verlonne 201 durch indirekte Berührung mit Heizdampf 45 einigen sich in Leitung 137 und treten in den Hilfsgebracht wird. Uas erwärmte Wasser wird dann austauscher 138 ein, wo das Schwefelwasserstoffgas durch Leitung 114 in Richtung auf die warme Ko- auf die Temperatur der warmen Kolonne 201 durch lonne 201 geschickt und dann nach Zusatz einer Wärmeaustausch mit Heizdampf gebracht wird. Das Fraktion von ungefähr gleichem Gehalt, die von der Schwefelwasserstoffgas wandert schließlich durch warmen Kolonne kleineren Durchmessers 221 durch 50 Leitung 139 in die warme Kolonne 201. Hierin wird Leitung 115 abgezogen wird, durch Leitung 116 in es bis auf einen Gehalt angereichert, den es bei die warme Kolonne 201 eingeführt. In der letzteren seinem Eintritt am Boden der ersten kalten Kolonne wird das Wasser durch chemischen Austausch mit 101 hatte. Bei seinem Austritt durch die Leitung 212 dem Schwefelwasserstoffgas bis auf einen niedrigeren aus der warmen Kolonne 201 wird das angereicherte Gehalt an HDO als der Gehalt des natürlichen 55 Schwefelwasserstoffgas in zwei Teile zerlegt: der Wassers, z. B. zwischen 0,02% und 0,027 °/o, verarmt. eine wird durch die Leitung 213 am Boden in die Das verarmte Wasser wird dann durch Leitung 202, zweite warme Kolonne 221 eingeführt, der andere 203 und 205 bzw. 204 und 206 über die Wärme- wird durch die Leitung214 zu den Wärmeaustauschern austauscher 109^4 und 109B geführt. Dann gelangt es geschickt, bevor er am Boden der ersten kalten durch Leitung 207 zum Abscheider 208. In diesem 60 Kolonne 101 eingeführt wird.

trennt es sich in eine Gasphase, die aus mit Wasser- Diese beiden Teile werden nicht willkürlich gewählt,

.dampf gesättigtem Schwefelwasserstoffgas besteht, Sie müssen von solcher Größe sein, daß das Verdas durch Leitung 209 mit der an Schwcfelwasser- hältnis:

Durchsatz an in Kolonne 221 eingeführtem S H₂ (Leitung 213) Durchsatz an aus Kolonne 201 austretendem S H₂ (Leitung 212)

im wesentlichen gleich ist dem Verhältnis:

Durchsatz an aus Kolonne 221 austretendem Wasser (Leitung 115) Durchsatz an in Kolonne 201 eintretendem Wasser (Leitung 116)

Claims (1)

1. Die Fraktion des in die kalte Kolonne 101 eingeleiteten warmen Schwefelwasserstoffgases wird in erster Linie in dem Austauscher 134 A durch Wärmeaustausch mit einer erschöpften Schwefelwasserstoffgasfraktion gekühlt, die aus dieser selben Kolonne austritt. Ihre Kühlung wird in einem Wärmeaustauscher mit Wasserkreislauf 216 vollendet. Dann wird das Schwefelwasserstoffgas zum Abscheider 217 geleitet, wo der im Verlauf der Abkühlung kondensierte Wasserdampf gesammelt und in den Kreislauf angereicherten Wassers geleitet wird, der aus der kalten Kolonne 101 austritt. Das restliche Schwefelwasserstoffgas wird dann durch Leitung 218 zur kalten Kolonne 101 geleitet. Nach Zusatz des teilweise erschöpften kalten Schwefelwasserstoffgases, das von der zweiten kalten Kolonne 121 durch Leitung 219 abgezogen wird, tritt es durch Leitung 220 in die Kolonne 101 ein. An diesem Punkt müssen gemäß der Erfindung folgende Verhältnisse vorliegen:

   Die Konzentration an Deuterium in gekühltem Schwefelwasserstoffgas, das durch Leitung 218 ankommt und in kaltem Schwefelwasserstoffgas, das aus Kolonne 121 austritt, sollen gleich sein.

   Das Verhältnis:

   Durchsatz an aus Kolonne 121 austretendem S H₂ (Leitung 219) Durchsatz an in die Kolonne 101 eintretendem S H₂ (Leitung 220)

   soll gegebenenfalls gleich sein dem Verhältnis:

   Durchsatz an in die Kolonne 121 eintretendem Wasser (Leitung 196) Durchsatz an aus der Kolonne 101 austretendem Wasser (Leitung 104)

   Das in der zweiten warmen Kolonne 221 angereicherte Schwefelwasserstoffgas wird durch Leitung222 zum Wärmeaustauscher'^^!? geschickt, wo es in ^mittelbarer Berührung mit einer verarmten Schwefelwasserstoffgasfraktion gekühlt wird, die von der kalten Kokmne 101 kommt. Dann gelangt es durch Leitung 220(mit Kühlwasserkreislauf und von dort in den Abscheider 225. Der bei der Abkühlung kondensierte Wasserdampf wird gesammelt. Ein Teil des Wassers wird durch Leitung 124 mit dem angereicherten Wasser vereinigt, das aus der zweiten kalten Kolonne 121 austritt; der andere Teil wird durch Leitung 226 abgezogen; er stellt das angereicherte Fertigerzeugnis dar, das z. B. einen Gehalt von 4V(HDO hat.

   Bei der beschriebenen Anlage ist aus Gründen der Einfachheit angenommen, daß sie nur zwei Kolonnen swohl auf der kalten wie auf der warmen Seite aufweist. Sie kann natürlich, und dies wird folglich vorteilhaft sein, eine größere Zahl hintereinandergeschalteter Kolonnen aufweisen. Man kann schließAmmoniak —Wasser
   Wasserstoff-Wasser H-D + H-OH = oder auch bei zwei flüssigen Phasen, z. B.

   Mercaptan - Wasser RS-D + OH-H^ lieh auch diese senkrechte Anordnung mit einer bekannten Anordnung kombinieren, indem man z. B. eine der Etagen einer waagerechten Gruppierung durch eine Reihe von in senkrechter Gruppierung angeordneten Kolonnen bildet.

   Ebenso kann man bei einer Anlage dieser Art die Konzentrierung am schweren Isotop auch nicht von einer schweren Phase wie Wasser, sondern von einer leichten Phase wie den Schwefelwasserstoff bewirken.

   Die Kreisläufe in den chemischen Austauschkolonnen und Wärmeaustauschern sind im Ergebnis symmetrisch relativ zu den beiden Phasen, und es genügt, die Anzapfung nicht mehr auf der schweren Phase, sondern auf der leichten Phase vorzunehmen und die schwere Phase im -geschlossenen Kreislauf zirkulieren zu lassen.

   Das erfmdungsgemäße Verfahren kann selbstverständlich auch mit anderen Isotopenaustauschreaktionen angewendet werden, wenn z. B. die eine Verbindung in Gasphase und die andere in flüssiger Phase vorliegt, wie bei

   ====NH₂-H + HOD
   :H-H+HO-D

   Patent \ ν s ρ η ιc n

   Verfahren zur Anreicherung einer chemischen Verbindung an einem anfangs in geringerer Konzentration vorliegenden Element durch ein Paar von durch Gleichgewichte begrenzten Austauschreaktionen mit einer anderen chemischen Verbindung, die dasselbe Element enthält, bei dem sich die zwei Austauschreaktionen unter verschiedenen Gleichgewichtsbedingungen und in zwei Phasen von verschiedener Dichte vollziehen, deren eine hauptsächlich die erste Verbindung und deren andere die zweite enthält und bei dem man die erste Phase auf Kosten der zweiten durch eine Austauschreaktion unter den gegebenen Gleichgewichtsbedingungen anreichert und diese erste angereicherte Phase in zwei Teile zerlegt, deren erster gesammelt wird, während der zweite nach Verarmung in einer anderen Austauschreaktion unter anderen Gkichgewichtsbedingungen zugunsten der zweiten Phase beseitigt wird, die so auf ihre Anfangskonzentration zurückgebracht und zur ersten Austauschreaktion zurückgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Austauschersäulcn in meTirefe Etagen unterteilt werden und m dei Untertcilung-Melle zwischen zwei aufeinanderfolgenden Etagen ein Teil der bereits angereicherten Phase abgenommen und an einer Unterteilungsstelle derselben Phase im Verlauf deren weiteren Verarmung zugesetzt wird, wobei die Konzentrationen und Mengen derart gewählt sind, daß die Konzentrationen der zu vermischenden Teile ein und derselben Phase einander gleich sind, und daß an jeder Unteiteilungssteile das Verhältnis der aus einer Phase abgenommenen Menge zur anfänglichen Menge dieser Phase ungefähr gleich dem Verhältnis der der anderen Phase zugesetzten Menge zu der sich dabei ergebenden Gesamtmenge der anderen Phase ist.

   Ζ2-Ί-

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 909 507/519 4.