DE1121593B - Vorrichtung zur Gewinnung von an Deuterium angereichertem Wasser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Gewinnung von an Deuterium angereichertem Wasser durch Deuteriumaustausch mit Wasserstoff in einem Heiß-Kalt-System mit besonderer Zusammenschaltung einer bei niedriger Temperatur betriebenen, abwechselnd Katalysatorbetten und Glockenböden enthaltenden Kolonne mit heißen Katalysatorbetten, inaktiven Auswaschkolonnen und Wärmeaustauschern. Das Produkt eines solchen Konzentrationsverfahrens kann Wasser oder Wasserstoff sein, das bzw. der einen über die natürliche Deuteriumkonzentration (ungefähr 145 Teile Deuterium pro Million Teile Wasserstoff) hinaus angereicherten Deuteriumgehalt hat. Wenn das Produkt des Verfahrens Wasser ist, so wird kein weiteres Umwandlungsverfahren benötigt; ist aber das Produkt Wasserstoff, so erfolgt die Umwandlung in schweres Wasser durch Verbrennen mit Sauerstoff.

Viele Austauschverfahren zur Herstellung von Schwerwasser sind vorgeschlagen worden. Von diesen ao ist die Austauschreaktion zwischen Wasserstoff und Wasser eine derjenigen, welche am günstigsten verläuft. Sie weist einen hohen Anreicherungsfaktor auf.

In einem Heiß-Kalt-System werden bekanntlich zwei Austauschtürme verwendet, die bei verschiedenen Temperaturen arbeiten und durch die Wasser und Wasserstoff im Gegenstrom zueinander geleitet werden. Infolge der Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichstskonstanten der Austauschreaktion tritt Deuterium bei hoher Temperatur teilweise aus dem Wasser in den Wasserstoff und bei niedriger Temperatur umgekehrt aus dem Wasserstoff in das Wasser über. Die Türme sind in Reihe geschaltet, so daß das Deuterium zwischen den Türmen konzentriert wird, wobei das an Deuterium angereicherte Produkt aus jedem der beiden Ströme von einem Punkt zwischen den beiden Türmen abgezogen wird.

Die Reaktion zwischen Wasser und Wasserstoff hat jedoch den Nachteil, daß bislang dafür noch kein zufriedenstellender homogener Katalysator gefunden wurde. Aus diesem Grunde ist die Verwendung normaler Bodenkolonnen unvorteilhaft. Ein als »Trail«- Turm bekannter Turmtyp, bei welchem abwechselnd Prallplatten und Katalysatorbetten, in denen der Deuteriumaustausch in der Dampfphase stattfindet, vorhanden sind, wurde in der Kriegs-Anlage in Trail in Kanada verwendet. Es ist jedoch nicht möglich, diese Türme allein in einem Heiß-Kalt-System zu verwenden, es sei denn, daß der Gasdruck zwischen den Türmen geändert wird, weil das richtige Verhältnis von Wasserdampf zu Wasserstoff in dem in die Katalysatorbetten eintretenden Gasstrom bei den beiden

Vorrichtung zur Gewinnung
von an Deuterium angereichertem Wasser

Anmelder:
United Kingdom Atomic Energy, London

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen, Oranienstr. 14

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 4. Juli 1956 (Nr. 20 679)

Henry Reginald Clive Pratt und Douglas Handley,

London,
sind als Erfinder genannt worden

Temperaturen aufrechterhalten bleiben muß. Um diese Schwierigkeit zu meistern, ist ein Verfahren entwickelt worden, bei dem ein einziges Katalysatorbett für den Austausch bei hohen Temperaturen zusammen mit einer Auswaschkolonne verwendet wird, und zwar in Verbindung mit einem »Trail«-Turm, um so eine bei zwei Temperaturen arbeitende Einheit zu bilden. Die mittels einer solchen Einheit zu erzielende Anreicherung ist allerdings begrenzt, und deshalb hat man diese Einheiten in Kaskade hintereinander angeordnet, um so zu dem gewünschten hohen Anreicherungsgrad zu kommen. Dieses Verfahren ist von Cerrai und seinen Mitarbeitern in den Konferenzberichten »Chemical Engineering Progress«, Folge 50, Nr. 11, auf den S. 271 bis 280 beschrieben worden.

Erfindungsgemäß werden nun mehrere bei hoher Temperatur betriebene Katalysatorbetten und ihre zugeordneten Auswaschkolonnen mit einem einzigen »Trail«-Turm kombiniert, um so eine unbegrenzte Anreicherung in einer Einheit, abhängig von der Anzahl der verwendeten heißen und kalten Katalysatorbetten, zu erreichen. Mit diesen Mitteln ist es möglich, die im kalten Turm erforderliche Katalysatormenge, die aus Platin oder Nickel besteht und deshalb kostspielig ist, zu verringern.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung an Deuterium angereicherten Wassers durch Deuteriumaustausch mit Wasserstoff besteht aus einer bei niedriger Temperatur betriebenen Anreicherungs-

109 759/379

kolonne, in der Kontaktzonen für den Stoffaustausch zwischen Wasser und Wasserdampf mit Katalysatorbetten abwechseln, und einer in der Strömungsrichtung des Wassers daran anschließenden, bei niedriger Temperatur betriebenen inaktiven Gegenstromauswaschkolonne, die durch den Wasserstoffkreislauf über einen Wärmeaustauscher mit einem heißen Katalysatorbett verbunden ist und die dadurch gekennzeichnet ist, daß Auswaschkolonne, Wärmeaustauscher und heißes Katalysatorbett in mehrere Einzelaggregate derart unterteilt sind, daß der Wasserstoffkreislauf — jeweils über einen Wärmeaustauscher — abwechselnd ein heißes Katalysatorbett und eine Auswaschkolonne passiert.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert werden, und zwar stellt diese Zeichnung ein Strömungsdiagramm zweier spezieller Ausführungsformen der Erfindung dar.

Nach Fig. 1 wird Wasser mit natürlicher Deuteriumkonzentration bei 1 in eine Anreicherungskolonne 2 bekannter Konstruktion (im folgenden nach dem kanadischen Ort ihrer erstmaligen Verwendung »Traik-Turm genannt) eingeleitet, welche abwechselnd eine Reihe von Kontaktzonen 3 für einen Stoffaustausch zwischen Wasserdampf und Wasser, z. B. Glockenböden, und Katalysatorbetten 4 von niedriger Temperatur aufweist, an denen das Austauschgleichgewicht zwischen Wasserdampf und Wasserstoff weitgehend eingestellt wird. Der Wasserstoff strömt im Gegenstrom zum Wasser aufwärts durch die Kolonne; das Wasser wird dabei auf Kosten des Wasserstoffs an Deuterium angereichert. Das angereicherte Wasser fließt dann zu einer Reihe von bei niedriger Temperatur betriebenen Auswaschkolonnen 5 weiter, wo es mit gegenströmendem Wasserstoff in Berührung kommt und zum Teil in Wasserdampf übergeht. Dieses Gemisch aus Wasserstoff und Wasserdampf geht abwechselnd durch die Kolonnen 5 und Hochtemperatur-Katalysatorbetten 6 hindurch, wobei der Wärmeaustausch zwischen den in die Katalysatorbetten 6 eintretenden und dieselben verlassenden Strömen im Wärmeaustauscher 7 stattfindet. Das Wasser fließt, nachdem es durch die Kolonnen 5 hinuntergeleitet worden ist, bei 8 an Deuterium verarmt ab. Der verarmte Wasserstoff wird zusammen mit dem Wasserdampf vom Kopf des »Traik-Turmes 2 durch die Leitung 9 im Kreislauf abwechselnd durch die Katalysatorbetten 6 und gegenströmend zum Wasser durch die Kolonnen 5 geleitet. Da dieser Wasserstoff am Kopf des »Traik-Turmes an Deuterium verarmt ist und die Gleichgewichtskonstante für den Deuteriumaustausch zwischen Wasserstoff und Wasser bei hohen Temperaturen den Übergang von Deuterium in den Wasserstoff begünstigt, wird Deuterium aus dem Wasserdampf in den Katalysatorbetten 6 in den Wasserstoff übergeführt. Der Wasserdampf wiederum zieht Deuterium aus dem durch die Säulen 5 herunterfließenden Wasser ab. Der den Kopf der Säule 5 verlassende Wasserstoff ist an Deuterium angereichert und strömt nach dem »Traik-Turm 2 zurück. Wenn das Gleichgewicht hergestellt ist, kann an Deuterium angereichertes Wasser bei 10 oder, alternativ, angereicherter Wasserstoff bei 10 a entnommen werden.

Fig. 2 stellt ein Strömungsdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung dar, gemäß welcher der angereicherte Wasserstoff in einer Destillationsanlage hochkonzentriert und der dabei als Destillat anfallende, an Deuterium verarmte Wasserstoff dem Austauschsystem wieder zugeleitet wird. Wasser wird bei 11 in einen »Traik-Turm 12 eingeleitet, der Kontaktzonen 13 und Katalysatorbetten 14 aufweist, in denen es, wie mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben, bei niedriger Temperatur an Deuterium angereichert wird. Das angereicherte Wasser fließt dann durch eine Reihe von bei niedriger Temperatur betriebenen Auswaschkolonnen 15 und weitere Kolonnen 15 α und 15 ft, wobei es in all diesen Kolonnen mit gegenströmendem Wasserstoff in Berührung kommt, und fließt dann bei 18 ft ab. In den Kolonnen 15 wird das Wasser, wie in bezug auf Fig. 1 beschrieben, an Deuterium abgereichert, indem Wasserstoff und Wasserdampf aus dem Kopf des »Traik-Turmes 12 über die Leitung 19 abwechselnd durch die Hochtemperatur-Katalysatorbetten 16 und über die Wärmeaustauscher 17 durch die Kolonnen 15 geleitet werden. Angereicherter Wasserstoff wird bei 20 entnommen und strömt durch einen Kondensator 21, in welchem sein ganzer Gehalt an Wasserdampf kondensiert und als Wasser durch die Leitung 22 zurückgeführt wird. Der angereicherte Wasserstoff wird dann in der Destillationsanlage 23 einer Destillation unterzogen. Hochgradig verarmter Wasserstoff aus der Destillationsanlage 23 wird in die Kolonne 24, an die Wasser bei 25 geliefert und vermittels der Pumpe 26 in Umlauf gesetzt wird, wieder befeuchtet und dann über die Leitung 28 durch die Hochtemperatur -Katalysatorbetten 16 ft und 16 a mit den zugeordneten Wärmeaustauschern 17 b und 17 a, und zwar in Gegenströmung zu dem Wasser in den Kolonnen 15 b und 15 a, geleitet. Die Katalysatorbetten 16 a und 16 b und die Kolonnen 15 a und 15 b arbeiten in ähnlicher Weise wie die Katalysatorbetten 16 und Kolonnen 15, so daß der Wasserstoff Deuterium aus dem Wasser auszieht; durch diesen Austausch wird eine größere Deuteriummenge aus dem Wasser zur Destillationsanlage 23 übermittelt. Das hochgradig angereicherte Produkt aus der Destillationsanlage wird bei 27 entnommen und kann mit herkömmlichen Mitteln in schweres Wasser umgewandelt werden.

Als Alternativ- und sogar noch wirksameres Arbeitsverfahren wird das durch die Kolonnen 15 herabfließende Wasser bei 18 abgelassen, wo seine Deuteriumkonzentration fast gleich der natürlichen Konzentration ist, anstatt bei 18 b, wo seine Deuteriumkonzentration leicht unter dem natürlichen Wert läge; bei dieser speziellen Arbeitsweise findet also kein Wasser uß von den Kolonnen 15 nach 15 a oder von der Kolonne 15 a nach 15 ft statt, wie in Fig. 2 gezeigt. An Stelle dessen wird Wasser mit natürlicher Deuteriumkonzentration den Kolonnen 15 a und 15 ft bei 11a bzw. lift zugeführt und fließt bei 18a bzw. 18ft ab. Auf diese Weise wird eine weitere Deuteriummenge dem durch die Kolonnen 15 hinaufströmenden Wasserstoff und so der Destillationsanlage 23 übermittelt und führt damit zu einer gesteigerten Produktion hochgradig angereicherten Wasserstoffs bei 27.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zur Gewinnung von an Deuterium angereichertem Wasser durch Deuteriumaustausch mit Wasserstoff, bestehend aus einer bei niedriger Temperatur betriebenen Anreicherungskolonne, in der Kontaktzonen für den Stoffaustausch zwischen Wasser und Wasserdampf mit Katalysatorbetten abwechseln, und einer in der

Strömungsrichtung des Wassers daran anschließenden, bei niedriger Temperatur betriebenen inaktiven Gegenstromauswaschkolonne, die durch den Wasserstoflkreislauf über einen Wärmeaustauscher mit einem heißen Katalysatorbett verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß Auswaschkolonne (5, 15), Wärmeaustauscher (7, 17) und heißes Katalysatorbett (6, 16) in mehrere Einzelaggregate derart unterteilt sind, daß der Wasserstoflkreislauf — jeweils über einen Wärmeaustauscher — abwechselnd ein heißes Katalysatorbett und eine Auswaschkolonne passiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Destillationsanlage (23) zum Hochkonzentrieren des zwischen Anreicherungs- und Auswaschkolonne entnommenen angereicherten Wasserstoffs mit Rückführung des dabei anfallenden verarmten Wasserstoffs über einen Befeuchter (24) und über zusätzliche Aggregate aus Wärmeaustauschern (17 ft, 17 α), heißen Katalysatorbetten (16 b, 16 a) und Auswaschkolonnen (15 b, ISd) in den Wasserstoflkreislauf des Austauschsystems.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Angewandte Chemie, 68 (1956), S. 10 und 12.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

® 109 759/379 1.62