DE1144308B

DE1144308B - Wasserstoffdestillieranlage

Info

Publication number: DE1144308B
Application number: DEU4600A
Authority: DE
Inventors: William Havelock Denton
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1956-06-19
Filing date: 1957-06-19
Publication date: 1963-02-28
Also published as: CH370059A; FR1177343A; US2960838A; GB869412A

Description

DSTERNAT.KL. F 25 j

DEUTSCHES

PATENTAMT

U 4600 Ia/17g

ANMKLDETAG: 19. JUNI 1957

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 28. F E B RUAR 1963

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wasserstoffdestillieranlage zur Gewinnung von deuteriumangereichertem Wasserstoff.

Aus »Angewandte Chemie«, 68. Jahrgang, S. 6 bis 13 (1956), sowie aus »Proceedings of the International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, 1956, Bd. 8, S. 380 ff. (New York, 1956), ist es bekannt, deuteriumangereicherten Wasserstoff in einer Wasserstoffdestillieranlage herzustellen, welche eine Destilliersäule und eine Kühleinrichtung sowie einen oder mehrere Kompressoren, Entspannungpturbinen und Wärmeaustauscher aufweist, durch die entweder der zugeführte Wasserstoff oder der deuteriumarme Wasserstoff im Kreislauf geleitet wird. Wärmeaustauscher sind gewöhnlich im Eintrittsteil einer derartigen Anlage vorgesehen, durch die Wärme von dem einströmenden Wasserstoff auf den ausströmenden Wasserstoff übertragen wird.

Ein Nachteil einer solchen Anlage besteht darin, daß die Kühlung mittels Turbinen bewirkt wird, die mit einer Auslaßtemperatur arbeiten, welche dicht an der Temperatur der Destilliersäule liegt. Auf diese Weise wird die Wärme bei einer sehr niedrigen Temperatur herausgezogen, was bedeutet, daß der Leistungsbedarf des Kompressors hoch ist, die erzeugten Drücke hoch sind und das Volumen des durch die Turbinen strömenden Gases gering ist. Die Turbinen müssen daher klein sein und mit hohen Drehzahlen lauf en.

Auf Grund der USA.-Patentschrift 2 496 380 ist es auch bekannt, in ähnlichen Anlagen zur Destillation von flüssiger Luft einen Teil der flüchtigeren Komponente der Luft von dem Zuleitungsteil der Anlage nach dem Kühlkreis zu führen, so daß die Kühlbelastung von den Wärmeaustauschern im Zuleitungsteil auf den Kühlkreislauf übertragen wird.

Wenn diese Übertragung bei Einrichtungen zur Anwendung kommt, bei welchen der zugeleitete Wasserstoff unrein ist und über Umkehrwärmeaustauscher zugeleitet wird, um dadurch die Unreinheiten zu entfernen, so werden vorteilhaft kleiner werdende Temperaturunterschiede in den unteren Temperaturbereichen der Umkehrwärmeaustauscher bewirkt, und zwar durch verstärktes Ausströmen kalten Gases aus der Säule über die Wärmeaustauscher. Geringe Temperaturunterschiede in der Größenordnung von 1° bei 40° K reichen aus, um den Stickstoff aus dem Belieferungsstrom zu entfernen.

Ein Nachteil dieser Übertragung besteht jedoch darin, daß die zusätzliche Kühlbelastung von Turbinen übernommen werden muß, die mit einer sehr niedrigen Auslaßtemperatur arbeiten, und es entsteht Wasserstoffdestillieranlage

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority, London

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

Beanspruchte Priorität: Großbritannien vom 19. Juni 1956 (Nr. 19 011)

William Havelock Denton, London, ist als Erfinder genannt worden

am Kompressor ein beträchtlicher zusätzlicher Leistungsbedarf.
Die Erfindung betrifft eine Wasserstoffdestillieranlage zur Gewinnung von deuteriumangereichertem Wasserstoff, bestehend aus einer Destilliersäule, einem dieser vorgeschalteten Reinigungsabschnitt mit Wärmeaustauschern zur Wärmeübertragung von zugeführtem unreinem Wasserstoff auf aus der Säule abströmenden deuteriumarmen reinen Wasserstoff, einem mit der Säule verbundenen Kühlabschnitt mit einem Kompressor und einer Entspannungsturbine, welche mit einer Ausgangstemperatur nahe derjenigen der Destilliersäule arbeitet, sowie mit einem Wärmeaustauscher zwischen der Turbine und dem Kompressor zur Wärmeübertragung von dem vom Kompressor über die Turbine in die Säule zurückströmenden reinen Wasserstoff auf den von der Destilliersäule zum Kompressor strömenden reinen Wasserstoff, und mit einer Leitung zur Rückführung eines Teiles des aus der Säule abströmenden deuteriumarmen Wasserstoffs vom Reinigungsabschnitt vor den Kompressor, und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Entspannungsturbine mindestens eine weitere Ent-Spannungsturbine und dieser jeweils ein weiterer Wärmeaustauscher zum Kompressor hin vorgeschaltet ist.

Vorzugsweise weist der Reinigungsabschnitt zwei Umkehrwärmeaustauscher auf, und er kann außerdem zwei Wärmeaustauscher aufweisen, die unterhalb einer Temperatur von 50° K beim Druck der Destilliersäule betrieben werden.

309 537/83

3 4

In der Anlage nach der Erfindung erfolgt ein we- Es folgt eine weitere Beschreibung des· Arbeitsver-

sentlicher Teil der Abkühlung des Gases bei einer fahrens der Einrichtung:

höheren Temperatur als der Auslaßtemperatur der Die Einrichtung setzt sich zusammen aus drei Ab-

Endturbine, wodurch der Leistungsbedarf des Korn- schnitten, nämlich dem Destillierabschnitt, welcher pressors und der im Kühlkreis notwendige Druck 5 aus der Destilliersäule 1 und dem Kocher 12 besteht, vermindert werden. Auch wird das Gasströmungs- dem Reinigungsabschnitt, der aus dem Kompressor volumen im Kühlkreis erhöht, was die Verwendung 13_; den beiden Stufen 14 und 15 eines Umkehrgrößerer Turbinen ermöglicht. Darüber hinaus wird Wärmeaustauschers und den wechselweise arbeitenden die zusätzliche Kühlbelastung, die vom Reinigungs- Wärmeaustauschern 17 und 18 besteht, und dem abschnitt nach dem Kühlkreis mittels eines Teiles des io Kühlabschnitt mit dem Kompressor 2, den Wärmeabströmenden deuiteriumarmen Wasserstoffs über- austauschend bis 7 und den Entspannungsturbinen 8 tragen wird, von der Turbine im Kühlkreis aufge- bis 11. Der Kühlabschnitt arbeitet mit reinem abgenommen, die eine höhere Auslaßtemperatur hat als reichertem Wasserstoff, so daß in diesem Abschnitt die Endturbine. Dei zusätzliche Leistungsbedarf des die Deuteriumverluste auf einen Kleinstwert herab-Kompressors infolge der zusätzlichen Kühlbelastung ₁₅ gesetzt werden, und zwar trotz der großen Gaswird daher weitgehend vetoundeiit. volumenströmung durch die Kühlstufen hindurch. In

Die Erfindung wird an Hand des Strömungsdia- diesem Kühlabschnitt erfolgt außerdem der Rückfluß gramms näher erläutert, welches eine Ausführungs- des flüssigen Wasserstoffs von der Turbine 11 zur form einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Destilliersäule 1, und es erfolgt eine Zufuhr gasförmi-Destillieren von unreinem Wasserstoff zeigt. 20 gen Wasserstoffs vom Wärmeaustauscher 7 zu dem

Eine Destilliersäule 1 ist mit einem Kühlkreislauf Kocher 12.

verbunden, welcher¹ einen Kompressor 2, Wänneaus- Der unreine Wasserstoff (der 0,029% HD enthält

tauscher 3 bis 7 und Entepannungsturbinen 8 bis 11 und dessen Strömungsmenge als Einheit anzusehen enthält. Die Rückströmung nach der Säule gabelt ist) wird, nachdem er durch den Kompressor 13 auf sich vor der fetzten Turbine 11 und dem Wänneaus- 25 8 Atmosphären Druck verdichtet worden ist, über tauscher 7. Der eine Teilstrom heizt den Kocher 12 das Umstellventil Vl in die gezeigte Richtung ge- und wird daraufhin im Gegenstrom zu der Rücklauf- leitet, und strömt dann durch den Wärmeaustauscher Gasströmung durch den Rückflußkühler 19 geleitet, 14, das UmsteIventilF2, den Wärmeaustauscher 15 ehe er durch das Entspannungsventil 20 in die Säule 1 und das Umstelventil F 3. Er entspannt sich auf 1,5 zurückkehrt. 30 Atmosphären in dem Entspannungsventil 16 und

Bei der Ausführungsform der Erfindung sind strömt durch den einen der beiden Wärmeaustauscher vier EntspannunigstuxbiiiBn dargestellt; jedoch kann 17 oder 18, bevor er über die Leitung 21 in die unter günstigen Umständen diese Anzahl auf zwei Destüliersäule 1 an der Einlaßstelle 22 eintritt, reduziert werden. Unter solchen Umständen kann Aus der Säule ausströmender deuteriumarmer

eine einzelne Turbine, welche beispielsweise mit 35 Wasserstoff (der 0,0029% HD enthält) strömt durch einer Auslaßtemperatur von 90° K arbeitet, die die Leitung 23 nach der Abzweigung 24, von wo eine drei Turbinen 8, 9 und 10 ersetzen, welche jeweils Strömungsmenge von 2,861 Einheiten durch die Leimit AuslaßtemperÄfeuren von 150, 90 und 41° K rung 25 über den Rückflußkühler 19 und über die arbeiten. Leitung 26 dem Kühlkreis zugeführt wird. Dort ge-

Der unreine Wasserstoff wird nach einem Korn- 40 langt sie durch die Wärmeaustauscher 7, 6, 5, 4, 3 zur pressor 13 geführt und von dort durch zwei Stufen Leitung 27, die sie nach der Verbindungsstelle 28 14 und 15 eines Umkehrwärmeaustauschers, welcher bringt, wo sie mit der unausgeglichenen Strömungsmit Strömungsumkehrventilen Vl₁Vl und F 3 ver- menge (0,029 Einheiten) vereint und von wo sie dem sehen ist, wobei als Gegenströmung der abgereicherte Kompressor 2 zugeleitet wird. Nach Durchlaufen der Wasserstoff von der Säule 1 her dient. Ein Teil dieses 45 Leitung 29 und des Wärmeaustauschers 3 entspannt deuteriumarmen Wasserstoffs wird bei normaler sich der Wasserstoff in der Turbine 8 von 5,0 auf 4,1 Temperatur, nachdem er getrennt durch die beiden Atmosphären und kühlt sich auf eine Temperatur Stufen 14 und 15 des Wärmeaustauschers geleitet von 150° K ab unter einer Leistungsabgabe von worden ist, durch eine Leitung 36 zu dem Kompres- 166 PS. Nach Durchströmen des Wärmeaustausor 2 geführt, der ihn nach dem wärmsten Punkt des 50 schers 4 entspannt sich der Wasserstoff in der Tur-KühTkreislaures bringt. bine 9 von 4,0 auf 3,7 Atmosphären bei einer Lei-

Eine weitere Reinigungsstufe, vor welcher der un- stungsabgabe von 45 PS und einer Abkühlung auf reine Wasserstoff auf den Säulendruck mittels eines 90° K. Nach Durchströmen des Wärmeaustauschers 5 Entspannungsventils 16 entspannt wird, besteht aus entspannt sich der Wasserstoff von 3,6 auf 3,1 Atmoden Wechselwärmeaustauschern 17 und 18. Diese 55 Sphären in der Turbine 10 unter Abkühlung auf Reinigung erfolgt bei einer Temperatur unterhalb 41° K und Leistungsabgabe von 35 PS. Schließlich, 50° K. nach Durchströmen des Wärmeaustauschers 6, ent-

Durch diese Endkühlung des Wasserstoffs bei spannt sich ein Teil des Wasserstoffs über die Ab-Säulendruck wird eine vollständige Reinigung in den zweigung 30 auf den Säulendruck (1,5 Atmosphären) Wärmeaustauschern 17 und 18 erzielt, und die An- 60 in der Turbine 11 bei einer Leistungsabgabe von Ordnung eines Entspannungsventils vor der Säule, an 29 PS und einer Abkühlung auf 22° K, wobei der welchem sich feste Verunreinigungen ablagern könn- Wasserstoff flüssig wird. Der flüssige Wasserstoff ten, wird vermieden. Feste Teile, welche sich in den (0,80 Einheiten) wird dann zur Säule 1 durch die Lei-Wechselwärmeaustauschern 17 und 18 bei Tempera- tung 31 zurückgeleitet. Der übrige Wasserstoff (2,09 türen zwischen 50 und 21,6° K abgesetzt haben, 65 Einheiten mit einer unausgeglichenen Strömungswerden durch wechselweises Erwärmen dieser War- menge von 0,029 Einheiten) strömt durch den Wärmemeaustauscher mittels eines weiteren Gasstroms ent- austauscher 7 zu dem Kocher 12. Er strömt dann im fernt. Gegenstrom zu dem Gas in der Leitung 25 durch den

Kondensator 19, entspannt sich auf den Säulendruck in dem Entspannungsventil 20 und wird so auf 21,6° K abgekühlt. Es besteht ein Temperaturunterschied von 3⁰K zwischen dem Dampf im Kocher 12 und der Säule 1.

Der mit Deuterium angereicherte Wasserstoff (0,026 Einheiten) verläßt die Säule als Flüssigkeit durch die Leitung 37 und strömt gleichzeitig mit dem rückgeleiteten, abgereicherten Wasserstoff durch die

Wärmeaustauscher

Temperaturunterschied (⁰K)

den Wärmeaustauschern 14 und 15 periodisch mit Hilfe der Umstellventile Vl, Vl und F3 vertauscht, so daß die Verunreinigungen abwechselnd in den Kanälen dieser Wärmeaustauscher abgesetzt und aus 5 ihnen herausgespült werden. Die letzten Spuren von Verunreinigungen werden schließlich in den Wärmeaustauschern 17 oder 18 unterhalb einer Temperatur von 40° K entfernt. Während die Gase durch einen der beiden Wärmeaustauscher 17 oder 18 strömen,

Wärmeaustauscher 7, 6, 5, 4 und 3, bevor er durch io wird der andere durch nicht dargestellte Einrichtundie Leitung 38 als Endprodukt austritt, welches 10% gen gereinigt. Die wechselweise erfolgende Strömung HD enthält. Der Temperaturunterschied zwischen den von Wasserstoff in den Wärmeaustauschern 14,15,17 in beiden Richtungen in den Wärmeaustauschern 3, und 18 und durch die Umstellventile Fl, F 2 und 4, 5 und 6 strömenden Gasen erhöht sich vom war- F 3 ist mit gestrichelten Linien und Pfeilen dargemen Ende zum kalten Ende eines jeden Wärmeaus- 15 stellt.

tauschers hin, aber im Wärmeaustauscher 7 (in Der Teil reinen deuteriumarmen Wasserstoffs,

welchem die Kühlgasmenge größer als die zu küh- welcher über die Leitung 36 vom Reinigungsabschnitt lende Gasmenge ist) nimmt er vom warmen Ende zum Kühlabschnitt gefördert wird, kann als »Unzum kalten Ende hin ab. Die unausgeglichene Strö- gleichgewichts«-Strömung bezeichnet werden. Diese mung von der Leitung 36 her verursacht eine Zu- 20 Strömung hat zwei wichtige Aufgaben: nähme dieser Temperaturunterschiede bei den unteren Zunächst überträgt sie die Wärmebelastung vom

Temperaturen des Kühlkreises, wodurch es ermög- Reinigungsabschnitt zum Kühlabschnitt, wodurch belicht wird, die Turbinen 8, 9 und 10 an den Stellen wirkt wird, daß das Zufuhrgas über die Rohrleitung hoher Temperatur anzuordnen, und zwar ohne unzu- 21 bei einer Temperatur in die Säule gelangt, welche lässigkleine Auslaßtemperaturunterschiede, dieWärme- 25 näher derjenigen des deuteriumarmen Gases liegt, austauscherprobleme heraufbeschwören würden. welches die Säule 1 verläßt und in die wechselweise

Die Temperaturunterschiede an den Enden der arbeitenden Wärmeaustauscher 17 und 18 eintritt. Wärmeaustauscher 3, 4, 5, 6 und 7 ergeben sich aus Dieser Wärmeinhalt wird nach dem Warm-Ende des folgender Tabelle: Kühlabschnittes und von dort nach der Turbine 8

30 übertragen, welche im höchsten Temperaturbereich arbeitet, und zwar bei geringstem Leistungsbedarf im Kühlkreis, da der zusätzliche Leistungsbedarf des Kompressors im umgekehrten Verhältnis zur Auslaßtemperatur der Turbine steht, in welcher die zu-35 sätzliche Leistung erzeugt wird. Somit wird durch die Verwendung zumindest einer zusätzlichen Turbine, die bei einer höheren Temperatur arbeitet, der Leistungsbedarf der Anlage herabgesetzt.

Zweitens wird durch die »Ungleichgewichts«- 40 Strömung eine Verminderung der Temperaturunterschiede zwischen den Gasen erreicht, welche in den Wärmeaustauschern 14 und 15 fließen, wenn sich einer dieser Wärmeaustauscher niedrigeren Temperaturen nähert. Eine derartige Minderung der Tem-Der Rest des deuteriumarmen Wasserstoffs von der 45 peraturunterschiede ist aus Gründen der Leistungs-Abzweigstelle 24 strömt durch die Leitung 32 nach fähigkeit der Wärmeaustauscher von VorteM, und sie dem einen der beiden Wärmeaustauscher 17 oder 18 kann geduldet werden, da die Temperaturunterund dann nach der Abzweigstelle 33, wo der größere schiede, welche für das wirksame Rückverdampfen Teil (0,9974 Einheiten) durch das Umschaltventil F 3, der festen Verunreinigungen in den Umkehrwärmeden Wärmeaustauscher 15, Umstellventil F 2, Wärme- 50 austauschern erforderlich sind, ebenfalls abnehmen, austauscher 14, Umsteiventil Fl die Anlage über die wenn sich ein Wärmeaustauscher niedrigeren Tempe- -■-- — --■ raturen nähert, und zwar von 8 bis 10° bei normaler

Temperatur auf 1 bis 2° bei 40° K.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung von min-

die Wärmeaustauscher 15 und 14 und wird dann 55 destens einer zusätzlichen Entspannungsturbine, durch die Leitung 36 über die Verbindungsstelle 28 welche in einem höheren Temperaturbereich als demjenigen der kältesten Turbine 11 arbeitet, liegt in der Verminderung des Druckes, auf den der Kompressor 2 fördern muß, da der Leistungsbedarf des Komein und wird darin auf 65° K durch den ausströmen- 60 pressors in bezug auf die in einer Turbine entnomden deuteriumarmen Wasserstoff abgekühlt. Im mene Wärme im umgekehrten Verhältnis zur AusWärmeaustauscher 15 wird es weiter auf 40° K ab- laßtemperatur dieser Turbine steht und die zur gekühlt. Schließlich wird es auf die Säulentemperatur Verdichtung zu leistende Arbeit proportional dem (21,6° K) in dem einen der beiden Wärmeaustauscher Logarithmus der Druckdifferenz am Kompressor ist. 17 oder 18 abgekühlt. Während der Abkühlung 65 Dadurch wird eine größere Volumenströmung des scheiden sich Verunreinigungen in den Wärmeaus- Gases durch die Turbinen hindurch erzielt. Diese tauschern 14,15 und 17 oder 18 aus. Die Strömung größere Volumenströmung des Gases erlaubt die von einströmendem und ausströmendem Gas wird in Verwendung von Turbinen größeren Durchmessers,

3 warmes Ende

3 kaltes Ende ..

4 warmes Ende

4 kaltes Ende ..

5 warmes Ende

5 kaltes Ende ..

6 warmes Ende

6 kaltes Ende ..

7 warmes Ende
7 kaltes Ende ..

8,5

2,6

1,5

2,3

2,1

Leitung 34 verläßt. Ein kleiner Teil (0,029 Einheiten) von deuteriumarmem Wasserstoff strömt von der Abzweigstelle 33 über die Leitung 35 unabhängig durch

dem Kompressor 2 zugeleitet.

Das unreine Wasserstoffgas tritt mit normaler Temperatur (293° K) in den Wärmeaustauscher 14

da die höheren Umfangsgeschwindigkeiten, welche für die Turbinenräder gefordert werden, durch den größeren Durchmesser der Räder erreicht werden. Die Drehzahlen der Turbinen sind dementsprechend niedrig, und höh© Drehzahlen, welche ernsthafte Lagerprobleme mit sich bringen, werden vermieden. Dies hat zur Folge, daß Turbinen einfacherer und zuverlässigerer Bauart verwendet werden können.

Diese Vorteile sind besonders bedeutsam bei der Kühlung von Wasserstoff verglichen mit anderen Gasen, und zwar bedingt durch sein niedriges Molekulargewicht, was bei der Verwendung von entweder Axialströmungs- oder Radialinnenströmungsturbinen hohe Umfangsgeschwindigkeiten erforderlich macht. Dies bedingt üblicherweise die Anwendung von Mehrstufenturbinen, während die erfindungsgemäße Anlage &e Verwendung von Einzelstufenturbinen zuläßt. Tatsächlich kann, wenn die für die Wärmeaustauscher im Kühlkreis geforderten Mindesttemperaturunterschiede auf die Größenordnung von 1° am Auslaß einer Turbine vermindert werden, die Anzahl der Turbinen von vier auf zwei reduziert werden, und beide Turbinen können Einzelstufenturbinen sein.

Als eine weitere Folge der Druckverringerung im Kühlabschnitt können die Wärmeaustauscher von preiswerter Konstruktion sein, was eine Verringerung der Kosten der Einrichtung mit sich bringt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Wasserstoffdestillieranlage zur Gewinnung von deuteriumangereichertem Wasserstoff, bestehend aus einer Destilliersäule, einem dieser vorgeschalteten Reinigungsabschnitt mit Wärmeaustauschern zur Wärmeübertragung von zugeführtem unreinem Wasserstoff auf aus der Säule abströmenden deuteriumarmen reinen Wasserstoff, einem mit der Säule verbundenen Kühlabschnitt mit einem Kompressor und einer Entspannungsturbine, welche mit einer Ausgangstemperatur nahe derjenigen der Destilliersäule arbeitet, sowie mit einem Wärmeaustauscher zwischen der Turbine und dem Kompressor zur Wärmeübertragung von dem vom Kompressor über die Turbine in die Säule zurückströmenden reinen Wasserstoff auf den von der Destilliersäule zum Kompressor strömenden reinen Wasserstoff und mit einer Leitung zur Rückführung eines Teiles des aus der Säule abströmenden deuteriumarmen Wasserstoffs vom Reinigungsabschnitt vor den Kompressor, dadurch gekennzeichnet, daß der Entspannungsturbine (11) mindestens eine weitere Entspannungsturbine (8,9,10) und dieser jeweils ein weiterer Wärmeaustauscher (3, 4, 5) zum Kompressor (2) hin vorgeschaltet ist.

2. Anlage nach Anspruch. 1, dadurch, gekennzeichnet, daß der Reinigungsabschnitt zwei Umkehrwärmeaustauscher (14,15) aufweist.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reinigungsabschnitt außerdem zwei Wärmeaustauscher (17,18) aufweist, welche unterhalb einer Temperatur von 50° K beim Druck der Destilliersäule (1) betrieben werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen