DE1129135B - Process for the production of hydrogen or ammonia enriched in deuterium - Google Patents

Process for the production of hydrogen or ammonia enriched in deuterium

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DE1129135B
DE1129135B DEU4685A DEU0004685A DE1129135B DE 1129135 B DE1129135 B DE 1129135B DE U4685 A DEU4685 A DE U4685A DE U0004685 A DEU0004685 A DE U0004685A DE 1129135 B DE1129135 B DE 1129135B
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Peter Thomas Walker
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Description

Der Deuteriumaustausch zwischen Wasserstoff und flüssigem Ammoniak ist eines der günstigsten Verfahren zur Deuteriumkonzentrierung, und einer der Hauptlösungswege zur Durchführung eines solchen Verfahrens ist das Zweiturm-Doppeltemperatur-Verfahren, wie es in »Proceedings of the International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy, Genf, 1955«, Bd. 8, S. 399 bis 403, und in der USA.-Patentschrift 2 690 379 beschrieben wird. Eine Komplizierung bei einem kontinuierlichen Verfahren ergibt sich jedoch daraus, daß es notwendig ist, das an Deuterium abgereicherte Ammoniak in einem gesonderten Austauschturm mit Wasser in Berührung zu bringen. Die Deuteriumaustauschkonstante zwischen Wasser und Ammoniak liegt dicht bei Eins, so daß der Deuteriumgehalt des Ammoniaks bis zur natürlichen Konzentration wiederhergestellt wird. Ein solches Verfahren wird im ersten vollständigen Abschnitt auf S. 403, Bd. 8, der obenerwähnten »Proceedings...« beschrieben. Die Ammoniak-Wasser-Austauschreaktion kann in einem Turm durchgeführt werden, der im wesentlichen eine Destillationskolonne ist, mit einer Zone in der Nähe der Zuführung, in welcher der Austausch stattfindet. Ein solcher Turm hat einen ziemlich großen Dampfverbrauch, und die Abwärme muß irgendwie im Sinne einer bestmöglichen Nutzanwendung der darin steckenden Leistung verwendet werden. Es ist außerdem notwendig, den Kaliumamidkatalysator aus dem abgereicherten Ammoniak zurückzugewinnen, und zwar durch Verdampfen des Ammoniaks und Wiedervermischen des Katalysators mit dem regenerierten Ammoniak, andernfalls bei dem Deuteriumaustausch zwischen Ammoniak und Wasser Hydrolyse des Katalysators eintritt.The deuterium exchange between hydrogen and liquid ammonia is one of the cheapest A method of concentrating deuterium, and one of the main approaches to performing one such a process is the two-tower, double-temperature process, as described in Proceedings of the International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy, Geneva, 1955 ", Vol. 8, pp. 399-403, and in U.S. Patent 2,690,379. A complication with a continuous Process arises from the fact that it is necessary to remove the deuterium-depleted ammonia to be brought into contact with water in a separate exchange tower. The deuterium exchange constant between water and ammonia is close to one, so that the deuterium content of the ammonia is up to its natural concentration is restored. Such a procedure is described in the first full section on p. 403, vol. 8, of the "Proceedings ..." mentioned above. The ammonia-water exchange reaction can take place in a tower, which is essentially a distillation column, with one zone near the feeder in which the exchange takes place. Such a tower has one rather large steam consumption, and the waste heat must somehow be used in the best possible way the power contained therein. It is also necessary to remove the potassium amide catalyst from the depleted ammonia recover by evaporating the ammonia and remixing the Catalyst with the regenerated ammonia, otherwise with the deuterium exchange between Ammonia and water hydrolysis of the catalyst occurs.

In »Angewandte Chemie«, Bd. 68 (1956), S. 13, Fig. 9, wird ein Verfahren beschrieben, bei welchem der von einem Doppeltemperatur-Wasser-Wasserstoif-Austauschvorgang herkommende an Deuterium abgereicherte Wasserstoff mit Deuterium legeneriert wird, und zwar dadurch, daß er bei hoher Temperatur (250° C) mit Wasser in Berührung gebracht wird.In "Angewandte Chemie", Vol. 68 (1956), p. 13, Fig. 9, a method is described in which that of a double temperature water-hydrogen exchange process coming from deuterium-depleted hydrogen with deuterium layered by bringing it into contact with water at high temperature (250 ° C) will.

Zweck des erfindungsgernäßen Verfahrens ist es, die Berührung des Ammoniaks mit Wasser zu vermeiden und auch das Abtrennen des Katalysators aus dem Ammoniak zu umgehen Durch die Wiederanreicherung des Deuteriums im Wasserstoffstrom statt im flüssigen Ammoniakstrom wird eine wesentliche Verringerung der Stärke dieser Ströme erreicht, da die Kapazität der Anlage durch den Wasserstoff-The purpose of the method according to the invention is to avoid the ammonia coming into contact with water and also to bypass the separation of the catalyst from the ammonia by re-enrichment of the deuterium in the hydrogen stream instead of the liquid ammonia stream becomes an essential one Reduction in the strength of these currents is achieved as the capacity of the plant is increased by the hydrogen

von an Deuterium angereichertemof enriched in deuterium

Wasserstoff oder AmmoniakHydrogen or ammonia

Anmelder:Applicant:

United Kingdom Atomic Energy Authority, LondonUnited Kingdom Atomic Energy Authority, London

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen, Oranienstr. 14
Representative: Dipl.-Ing. E. Schubert, patent attorney,
Siegen, Oranienstr. 14th

Beanspruchte Priorität;
Großbritannien vom 2. August 1956 (Nr. 23 936)
Claimed priority;
Great Britain August 2, 1956 (No. 23 936)

Peter Thomas Walker, London,
ist als Erfinder genannt worden
Peter Thomas Walker, London,
has been named as the inventor

strom bestimmt wird. Bei einem Ammoniak-Wiederanreicherungsverfahren wird die Kapazität durch den Ammoniakstrom bestimmt, und der Wasserstoffstrom muß einige Male größer sein als der Ammoniakstrom (beispielsweise fünfmal so groß). Dies bedeutet eine wesentliche Herabsetzung sowohl der Kapital- wie der Betriebskosten.current is determined. In an ammonia re-enrichment process the capacity is determined by the ammonia flow, and the hydrogen flow must be several times greater than that Ammonia flow (e.g. five times as large). This means a substantial reduction in both capital and operating costs.

Die Trennung des flüssigen Ammoniaks und Katalysators ist ein anderes kostspieliges Verfahren, und weitere Einsparungen lassen sich dadurch erzielen, daß man es vermeidet oder umgeht.The separation of the liquid ammonia and the catalyst is another costly process, and further savings can be made by avoiding or bypassing it.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur Herstellung von an Deuterium angereichertem Wasserstoff oder Ammoniak durch Deuteriumaustausch zwischen einen homogenen Austauschkatalysator enthaltendem flüssigem Ammoniak und Wasserstoffin einem heißkalten Kolonnenpaar unter Wiederanreicherung eines der das Heiß-Kalt-System in abgereichertem Zustande verlassenden Reaktionspartriers vor seiner Wiedereinführung in das Heiß-Kalt-System durch Deuteriumaustausch mit Wasser von natürlichem Deuteriumgehalt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der aus der kalten Kolonne abströmende, abgereicherte Wasserstoff mit dem Wasser bei höherer Temperatur in Gegenwart eines Austauschkatalysators in Kontakt gebracht und dann in die heiße Kolonne zurückgeleitet wird.The method according to the invention is a method for the production of deuterium enriched Hydrogen or ammonia through deuterium exchange between a homogeneous exchange catalyst containing liquid ammonia and hydrogen in a hot-cold column pair with re-enrichment one of the reactants leaving the hot-cold system in a depleted state before its reintroduction into the hot-cold system by exchanging deuterium with water from natural Deuterium content, which is characterized in that that which flows out of the cold column is depleted Hydrogen with the water at a higher temperature in the presence of an exchange catalyst brought into contact and then returned to the hot column.

Das Deuterium kann durch Destillation des an Deuterium angereicherten Wasserstoffs zwischen dem Heiß- und Kalt-Turm gewonnen werden.The deuterium can by distillation of the hydrogen enriched in deuterium between the hot and cold tower.

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Alternativ kann das an Deuterium angereicherte Ammoniak mittels Destillation des angereicherten flüssigen Ammoniaks zwischen dem Heiß- und dem Kalt-Turm gewonnen werden.Alternatively, the ammonia enriched in deuterium can be obtained by distilling the enriched ammonia liquid ammonia can be obtained between the hot and cold towers.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert werden, und zwar zeigt die Figur ein Strömungsbild für die Herstellung von an Deuterium angereichertem Wasserstoff.The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing showing it for example The figure shows a flow diagram for the production of deuterium enriched hydrogen.

Die Herstellung von an Deuterium angereichertem Wasserstoff setzt sich aus drei getrennten Verfahren zusammen; einem Ammoniak-Wasserstoff-Zweiturm-Doppeltemperatur-Austauschverfahren, einem Wasserstoff-Destillationsverfahren und einem Hochtemperatur-Wasserstoff-Wasser-Austauschverfahren. The production of hydrogen enriched in deuterium consists of three separate processes together; an ammonia-hydrogen two tower double temperature exchange process, a hydrogen distillation process and a high temperature hydrogen-water exchange process.

Bei einem Zweiturmverfahren läuft das flüssige Ammoniak, das Kaliutnamid als Katalysator enthält, fortlaufend zwischen zwei in Reihe angeordneten Türmen, wobei einer der Türme bei höherer Temperatur als der andere gehalten wird. Der Wasser- ao stoff kommt mit dem Ammoniak dadurch in Kontakt, daß er im Gegenstrom durch die Türme fließt. Er tritt zuerst in den heißeren Turm ein, wo er gemäß den physikalischen Eigenschaften des Systems an Deuterium angereichert wird; angereicherter Wasserstoff befindet sich bei Punkte. Die Hauptmenge des Wasserstoffs fließt dann durch den kälteren Turm, wo er an Deuterium abgereichert wird.In a two-tower process, the liquid ammonia, which contains potassium sulphide as a catalyst, runs continuously between two towers arranged in series, with one of the towers at a higher temperature than the other is held. The water ao Substance comes into contact with the ammonia by flowing countercurrently through the towers. He enters the hotter tower first, where it competes according to the physical properties of the system Deuterium is enriched; enriched hydrogen is at points. The main crowd the hydrogen then flows through the colder tower, where it is depleted in deuterium.

Dieser verarmte Wasserstoff kommt dann in das Hochtemperatur-Wasserstoff-Wasser-Austauschverfahren, wo der Wasserstoff über einen Katalysator in einem Reaktor mit Dampf in Berührung gebracht wird, um den Deuteriumgehalt des Wasserstoffs wieder aufzufrischen. Der den Reaktor verlassende Wasserstoff muß vom Wasserdampf befreit werden, bevor er in den Heiß-Turm des Zweiturmverfahrens eintritt, aber dies ist technisch ein weit einfacherer Vorgang als die Beseitigung von Wasser aus flüssigem Ammoniak.This depleted hydrogen then goes into the high temperature hydrogen-water exchange process, where the hydrogen is brought into contact with steam via a catalyst in a reactor to replenish the deuterium content of the hydrogen. The one leaving the reactor Hydrogen must be freed from water vapor before it enters the hot tower of the two-tower process occurs, but this is technically a far simpler process than removing water from liquid Ammonia.

Ein Teil des angereicherten Wasserstoffes wird bei Punkt B abgezogen und einem Wasserstoff-Destillationsverfahren zugeleitet. Dieses Verfahren ergibt ein Enderzeugnis von hochgradig angereichertem Wasserstoff und weist verarmten Wasserstoff ab, welcher mit dem verarmten Wasserstoff aus dem Kalt-Turm bei Punkt C vor der Wiederanreicherung zusammentrifft.Part of the enriched hydrogen is withdrawn at point B and fed to a hydrogen distillation process. This process results in a final product of highly enriched hydrogen and rejects depleted hydrogen which meets the depleted hydrogen from the cold tower at point C prior to re-enrichment.

Die Temperatur muß in allen Stufen des Verfahrens gesteuert werden, und die verschiedenen Ströme werden behandelt, wie dies in der Zeichnung angedeutet ist; Xzeigt Wärmezuführung an und O Wärmeentzug. Diese Behandlungen können nach jeweiliger Zweckdienlichkeit miteinander verkettet werden.The temperature must be controlled at all stages of the process and the various streams treated as indicated in the drawing; X indicates heat supply and O heat removal. These treatments can be chained together as appropriate.

Örtliche Wirtschaftsverhältnisse und Bedingungen können natürlich die gewählten Verfahrensbedingungen variieren. Das beschriebene Beispiel konnte in Großbritannien bei einem Druck von 50 Atmosphären im gesamten System und bei Arbeitstemperaturen von 30° C für den Heiß-Turm, -60° C für den Kalt-Turm, 5500C für den Wasserstoff-Wasser-Reaktor und —225° C für die Wasserstoffdestillation ausgeführt werden.Local economic conditions and conditions can of course vary the process conditions chosen. The example described was in the UK at a pressure of 50 atmospheres in the entire system, and at working temperatures of 30 ° C for the hot tower, -60 ° C for the cold tower, 550 0 C for the hydrogen-water reactor, and - 225 ° C for hydrogen distillation.

Unter diesen Bedingungen hat der abgereicherte Wasserstoff, der den Reaktor verläßt, eine Deuteriumkonzentration von 0,7 der natürlichen Konzentration, und es beträgt, bei Verwendung von zehn theoretischen Böden in jedem der Heiß- und Kalt-Türme, die Deuteriumkonzentration des bei Punkt B zur Wasserstoffdestillation abgezogenen angereicherten Wasserstoffs das Zweifache der natürlichen Konzentration. Das Erzeugnis ist 99,8% Deuterium, und der Destillationsausschuß und der Wasserstoff, der den Kalt-Turm verläßt, weisen beide eine Deuteriumkonzentration von einem Siebentel der natürlichen Konzentration vor der Wiederanreicherung auf.Under these conditions, the depleted hydrogen leaving the reactor has a deuterium concentration of 0.7 of the natural concentration and, using ten theoretical trays in each of the hot and cold towers, it is the deuterium concentration of the one at point B. Hydrogen distillation of withdrawn enriched hydrogen twice the natural concentration. The product is 99.8% deuterium, and the still reject and hydrogen exiting the cold tower both have a deuterium concentration of one-seventh the natural concentration before re-enrichment.

Bei dem alternativen Verfahren zur Gewinnung von an Deuterium angereichertem Ammoniak wird die Wasserstoffdestillation durch eine ähnliche Ammoniakdestillation ersetzt, der angereicherte Ammoniak von Punkt .4 des Kreislaufs für Ammoniak abgezogen und das verarmte Ammoniak nach Punkt D des Kreislaufs zurückgeführt. Die Anreicherung des Ammoniaks bei A ist etwas höher als die des Wasserstoffs bei B. In the alternative method for obtaining ammonia enriched in deuterium, the hydrogen distillation is replaced by a similar ammonia distillation, the enriched ammonia is withdrawn from point .4 of the ammonia cycle and the depleted ammonia is returned to point D of the cycle. The enrichment of ammonia at A is slightly higher than that of hydrogen at B.

Claims (1)

PATENTANSPRUCH:PATENT CLAIM: Verfahren zur Herstellung von an Deuterium angereichertem Wasserstoff oder Ammoniak durch Deuteriumaustausch zwischen einen homogenen Austauschkatalysator enthaltendem flüssigem Ammoniak und Wasserstoff in einem heiß-kalten Kolonnenpaar unter Wiederanreicherung eines der das Heiß-Kalt-System in abgereichertem Zustande verlassenden Reaktionspartners vor seiner Wiedereinführung in das Heiß-Kalt-System durch Deuteriumaustausch mit Wasser von natürlichem Deuteriumgehalt, da durch gekennzeichnet, daß der aus der kalten Kolonne abströmende, abgereicherte Wasserstoff mit dem Wasser bei höherer Temperatur in Gegenwart eines Austauschkatalysators in Kontakt gebracht und dann in die heiße Kolonne zurückgeleitet wird.Process for the production of hydrogen or ammonia enriched in deuterium by means of deuterium exchange between liquid ammonia containing a homogeneous exchange catalyst and hydrogen in a hot-cold column pair with re-enrichment of one of the reactants leaving the hot-cold system in a depleted state before it is reintroduced into the hot-cold -System by deuterium exchange with water of natural deuterium content, characterized in that the depleted hydrogen flowing out of the cold column is brought into contact with the water at a higher temperature in the presence of an exchange catalyst and then returned to the hot column. In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 690 379;
Angew. Chem., 68 (1956), S. 10 und 12;
Proc. of the International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy, 1955, Bd. 8, S. 403.
Considered publications:
U.S. Patent No. 2,690,379;
Angew. Chem., 68 (1956), pp. 10 and 12;
Proc. of the International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy, 1955, Vol. 8, p. 403.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings @ 209 579/245 5.62@ 209 579/245 5.62
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US2690379A (en) * 1942-11-21 1954-09-28 Harold C Urey Process for production of deuterium oxide as a source of deuterium

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