DE1235272B

DE1235272B - Verfahren zur Anreicherung von Isotopen nach dem Heiss-Kalt-Verfahren

Info

Publication number: DE1235272B
Application number: DE1957S0053658
Authority: DE
Inventors: Jerome S Spevack
Original assignee: JEROME S SPEVACK
Current assignee: JEROME S SPEVACK
Priority date: 1950-09-29
Filing date: 1957-05-28
Publication date: 1967-03-02

Description

DEUTSCHES JMTWl· PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl,: 12 e- 6

Nummer: 1235 272

Aktenzeichen: S 53658IV c/12 e

1 235 272 Anmeldetag: 28.Mail957

Auslegetag: 2. März 1967

Zur Isotopenanreicherung sind sogenannte Heiß-Kalt-Verfahren bekannt. Hierbei wird, z. B. nach der Zeitschrift »Angewandte Chemie«, 1956, S. 11, Ziffer 3, eine gasförmige Phase, z. B. H₂S, im Kreislauf durch eine heiße und anschließend durch eine kalte Zone einer Kolonne und eine die Isotopen enthaltende flüssige Phase im Gegenstrom durch die kalte und die heiße Zone geführt. Das Produkt wird aus der flüssigen Phase zwischen der heißen und der kalten Zone abgezogen.

Zur Vervielfachung des Trenneffektes schaltet man mehrere derartige Kolonnen hintereinander. So ist z. B. aus der USA.-Patentschrift 2 787 526 bekannt, die flüssige Phase nach Durchgang durch die kalte Zone zu teilen, einen Teil in die heiße Zone der gleichen Stufe und den anderen Teil in die kalte Zone der folgenden Stufe zu leiten und die aus der heißen Zone austretende flüssige Phase mit der aus der kalten Zone der vorhergehenden Stufe vor deren Eintritt in die heiße Zone dieser Stufe zu vermischen. Bei einem solchen Verfahren sind die vielfachen Temperaturumkehrungen in Verbindung mit den Feuchtigkeitsänderungen der gasförmigen Phase sehr lästig und entscheidend für die Brauchbarkeit einer solchen Anlage.

Diese Nachteile werden bei einem Verfahren zur Anreicherung von Isotopen nach dem Heiß-Kalt-Verfahren, bei dem die eine Phase nach Durchgang durch die kalte Zone geteilt, ein Teil in die heiße Zone der gleichen Stufe und der andere Teil in die kalte Zone der folgenden Stufe geleitet und die aus der heißen Zone dieser Stufe austretende gleichartige Phase mit dem in die heiße Zone der vorhergehenden Stufe eintretenden Teil dieser Phase vermischt wird, vermieden, wenn erfindungsgemäß der Kreislauf der anderen Phase zwischen der heißen und der kalten Zone geteilt, ein Teil in die heiße Zone der folgenden Stufe geleitet und dem anderen, in die kalte Zone gehenden Teil die aus der kalten Zone der folgenden Stufe kommende Phase zugesetzt wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren stellen sich Temperatur und Feuchtigkeitsgehalt der Phasen einfach und zweckmäßig ein, wodurch eine Einsparung an zuzuführender Energie erfolgt, während gleichzeitig die Menge und Qualität des Endproduktes erhalten bleibt. Man erreicht eine Gesamtwärmeersparnis bzw. eine Wirkungssteigerung von über 20%.

Ein Schema einer vierstufigen Anlage dieser Art ist in der Figur gezeigt, wobei im heißen Turm der ersten Stufe die Reaktion auf drei parallele Säulen 118 verteilt ist, was aus Kapazitätsgründen erforder-Verfahren zur Anreicherung von Isotopen nach
dem Heiß-Kalt-Verfahren

Anmelder:

Jerome S. Spevack,

New Rochelle, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. W. Koch und Dr. R. Glawe, Patentanwälte,
München 22, Liebherrstr. 20

Als Erfinder benannt:

Jerome S. Spevack,

New Rochelle, N. Y. (V. St. A.)

lieh sein kann. Der Einfachheit halber sind Pumpen, Ventile u. dgl. weggelassen. Der Flüssigkeitskreislauf ist in ausgezogenen, der Gaskreislauf (H₂S-Kreislauf) in gestrichelten Linien dargestellt.

Das Zuflußwasser tritt bei 110 in den oberen Teil eines kalten Turmes 114 der ersten Stufe ein. In dem Turm 114 ist ein nach oben gehender Gegenstrom von Gas (H₂S) vorhanden, wobei die Temperatur dieses kalten Austauschreaktors bei etwa 20° C gehalten wird, beispielsweise für einen Druck von 5 at.

Die bei 115 am Boden des Turmes austretende kalte Flüssigkeit wird geteilt, wobei ein Teil über eine Leitung 116 durch einen Wärmeaustauscher 117 geht, dabei erhitzt wird und weiter nach dem oberen Teil eines heißen Turmes 118 der ersten Stufe geht. Hier ist wieder ein Gegenstrom von Gas vorhanden für die Austauschreaktion bei 80° C und die bei 120 am Boden des Turmes austretende heiße Flüssigkeit geht über eine Leitung 122 durch einen Wärmeaustauscher 123, einen Ausscheider 167, in denen das Gas (H₂S) aus der Flüssigkeit entfernt und die Temperatur der Flüssigkeit erhöht wird. Diese geht dann über eine Leitung 124 nach dem Wärmeaustauscher 117, wo sie zur Temperaturerhöhung der von dem kalten nach dem heißen Turm fließen-

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den Flüssigkeit in der ersten Stufe dient. Der Abfluß aus diesem Heizflüssigkeitskreislauf aus dem Austauscher 117 wird verworfen.

Der andere Teil der aus dem kalten Turm bei 115 austretenden kalten Flüssigkeit geht über eine Leitung 125 nach dem oberen Teil eines kalten Turmes 128 der zweiten Stufe zur Reaktion bei niedriger Temperatur (20° C) mit dem aufwärts streichenden Gegenstrom von Gas.

Die bei 129 austretende kalte Flüssigkeit geht zum Teil durch eine Leitung 131 und einen Wärmeaustauscher 132, in dem die Temperatur der Flüssigkeit erhöht wird. Sie tritt bei 133 in den heißen Turm 136, wo sie mit dem Gegenstrom von Gas bei etwa 80° C zusammentrifft. Die heiße Flüssigkeit wird bei 137 abgezogen und durch eine Leitung 139 nach dem oberen Teil des heißen Turmes 118 der vorhergehenden Stufe geleitet.

Der Rest der kalten Abflußmenge von dem Turm 128 geht durch eine Leitung 140 nach dem oberen Teil eines kalten Turmes 142 der dritten Stufe, wo er mit dem gegenströmenden Gas reagiert. Er tritt bei 143 aus und geht über eine Leitung 145 durch einen Wärmeaustauscher 146 nach dem oberen Teil des heißen (80° C) Turmes 148. Hier wird sie mit dem entgegenströmenden Gas umgesetzt und bei 149 abgezogen, von wo die heiße Flüssigkeit durch eine Leitung 151 nach dem oberen Teil des vorhergehenden heißen Turmes 136 geführt wird.

Der andere Teil des kalten Abflusses von dem Turm 142 geht über eine Leitung 152 nach dem oberen Teil eines kalten Turmes 156 der vierten Stufe bei 20° C, wo er mit dem entgegenströmenden Gas reagiert, und wird bei 153 über eine Leitung 155 nach einem Wärmeaustauscher 157 und über eine Leitung 158 nach einem heißen Turm 160 abgeführt. Die aus diesem Turm bei 161 abfließende heiße Flüssigkeit geht über eine Leitung 163 nach dem oberen Teil des heißen Turmes 148 der vorhergehenden Stufe, wodurch der Kreislauf der Flüssigkeit in der Anlage geschlossen wird.

Die Flüssigkeitsströme nach den kalten Türmen erfordern keine Temperaturbehandlung, vorausgesetzt, daß die anfängliche Zuführung bei der richtigen Temperatur erfolgt. Die den heißen Türmen zugeführten Flüssigkeiten werden durch den Abfluß von dem ersten heißen Turm 118 vorgewärmt, indem die Ablaufleitung 124 auch mit den Wärmeaustauschern 132, 146 und 157 der zweiten, dritten und vierten Stufe verbunden wird. Die Temperaturregelung der Flüssigkeit wird so von der Anlage selbst besorgt, und zusätzlicher Dampf wird nur in Verbindung mit der Endabscheidung der Abflußflüssigkeit bei 167 und der Rückführung des abgetrennten Gases nach dem heißen Turm 118 herangezogen.

Die von der Anlage zum Ausgleich von Verlusten und zum Erwärmen und Feuchten des Gases in den verschiedenen Stufen benötigte Dampfmenge wird, ehe sie in den heißen Turm 118 eintritt, für diesen weiteren Zweck verwendet. Dieser bei 166 eintretende Dampf wird im Gegenstrom zu der dem Verfahren unterworfenen Abflußflüssigkeit in den Kontaktausscheider 167 geführt. Damit wird der gelöste Schwefelwasserstoff aus der Abflußflüssigkeit entfernt und zusammen mit dem Dampf durch die Abflußleitung 168 nach dem heißen Turm 118 zurückgebracht. Es kann eine Trennwirkung erreicht

werden, bei der weniger als 1 Teil pro Million als Überrest zurückbleibt. Die heiße, aus dem Ausscheider 167 abfließende Flüssigkeit zirkuliert in dem Wärmeaustauscher 123 und erhöht die Temperatur der Abflußflüssigkeit, die den folgenden Erhitzern 117, 132, 146 und 157 für die in die heißen Türme eintretende Flüssigkeit zugeführt wird. Dabei wird die Temperatur beispielsweise von 80° C in der Leitung 122 auf 85° C in der Leitung 124 erhöht.

ίο Die Konditionierung des gegenläufigen Gases (H₂S) erfolgt mit äußerster Sparsamkeit. Die Gaszufuhren nach den kalten Türmen werden wirksam gekühlt und entfeuchtet, die Gaszufuhr nach dem heißen Turm der ersten Stufe wird erwärmt und gefeuchtet.

Hierbei ist ein Energieaustausch zwischen diesen Vorgängen vorgesehen. Die heißen Türme der restlichen Stufen erhalten ihre Zufuhren von den heißen Türmen der vorhergehenden Stufen, so daß jegliche Behandlung der Gaszufuhren nach den zweiten,

ao dritten und vierten heißen Türmen entbehrlich ist.
Die erfindungsgemäße Ausbildung und Verzweigung auch des Gaskreislaufs, hier also des H₂S-Kreislaufs, führt zu einer Art Kaskadensystem, so daß jede Stufe keine unabhängige Einheit ist,

as sondern als Teil der Gesamtanlage arbeitet. Die am Boden des heißen Turmes 136 der zweiten Stufe benötigten heißen gefeuchteten Gase werden durch eine Leitung 170 aus den heißen Gasen, die den heißen Turm 118 der ersten Stufe verlassen, gewonnen, und die gesamte heiße Flüssigkeit aus dem heißen Turm 136 der zweiten Stufe kehrt durch eine Leitung 139 nach dem heißen Turm 118 der ersten Stufe zurück. In ähnlicher Weise erhält der heiße Turm 148 seine Gaszufuhr von dem vorhergehenden heißen Turm 136 durch eine Leitung 171, und seine heiße Abflußflüssigkeit kehrt durch eine Leitung 151 nach dem Turm 136 zurück, während der heiße Turm 160 sein heißes Gas durch die Leitung 172 von dem vorhergehenden heißen Turm 148 erhält und seine heiße Abflußflüssigkeit durch die Leitung 163 nach dem Turm 148 zurückkehrt.

Der Endabfluß an heißen Gasen von dem heißen Turm 160 der vierten Stufe gelangt durch eine Rohrleitung 174 zur anschließenden Konditionierung und wird dann verwendet, um das Gas im Gegenstrom dem kalten Turm 156 der vierten Stufe zuzuführen.

Ein wichtiger Gesichtspunkt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Wiedergewinnung und Verwendung der Energie, die beim Kühlen und Entfeuchten der die heißen Türme verlassenden heißen Gase zur Verfügung steht, zum Konditionieren dieser Gase für eine Verwendung im Gegenstrom in kalten Türmen.

Die heißen Gase aus dem Turm 118 müssen, ehe sie in dem kalten Turm 114 dieser ersten Stufe verwendet werden können, gekühlt und entfeuchtet werden. Das gleiche Problem ergibt sich bei jeder folgenden Stufe.

Dafür wird ein Zufluß an heißen Gasen von den Türmen 118 auf ihrem Weg nach dem Turm 114 durch eine Leitung 200 nach einem Austauscher 178 geleitet und gekühlt. Ihre Feuchtigkeit wird teilweise durch den Gegenstrom der kalten Gase von dem Turm 114 nach der Leitung 179 kondensiert. Das teilweise gekühlte Gas von dem Austauscher 178 wird durch eine Leitung 201 nach einem sekundären Kühler und Verdichter 202 und dann durch eine Leitung 203 nach dem kalten Turm 114 geleitet. Der

Claims

bei 209 angegebene Kühlstrom für den Kühlerverdichter 202 wird von einer äußeren Quelle zugeführt.

Bei dieser Anlage wird durch den Wärmeaustauscher 178 die Temperatur der von dem kalten Turm 114 kommenden kühlen Gase erhöht und gleichzeitig Wärme zur Verdampfung der Feuchtigkeit für die Feuchtung geliefert, wobei das Ausgleichswasser für die Feuchtung bei 205 am Eingang nach dem Wärmeaustauscher zugeführt wird. Kondensat von den Austauschern 178 und 202 wird gesammelt und durch Leitungen 206 bzw. 207 ganz oder teilweise an den oberen Teil des kalten Turmes der nächstfolgenden Stufe abgegeben.

In ähnlicher Weise wird ein Zufluß der heißen Gase von Türmen 136,148,160 auf ihrem Weg nach kalten Türmen 128, 142 und 156 in Wärmeaustauscher 184, 185 und 186 geleitet, gekühlt und ihre Feuchtigkeit teilweise durch den Gegenstrom einer Zufuhr an kalten Gasen von dem Turm 114 durch Leitungen 219, 221 bzw. 223 kondensiert. Die Temperatur dieser Gaszufuhren von dem Turm 114 wird in den Wärmeaustauschern 184, 185 und 186 erhöht und gleichzeitig Wärme zur Verdampfung der Feuchtigkeit für die Feuchtung geliefert, wobei das Ergänzungswasser für die Feuchtung bei 220, 222 und 224 zugeführt wird.

Man kann stattdessen auch räumlich getrennte Kühler bzw. Entfeuchter und Vorwärmer bzw. Befeuchter vorsehen und zwischen ihnen eine Kühlflüssigkeit, insbesondere Wasser, zirkulieren lassen. Auch hier geht bei einem geschlossenen Flüssigkeitskreislauf die Energie nicht verloren.

Da die Flüssigkeit in einem geschlossenen Kreis zirkuliert, ist kein Einfluß auf die Deuteriumkonzentration in dem in den heißen Turm eintretenden Gasstrom vorhanden. Eine kleine Menge an Ausgleichswasser wird kontinuierlich diesem Flüssigkeitskreis zugeführt, um den Teil, der zum Feuchten des Gasstromes verbraucht wird, zu ersetzen. Sie kann bequem von der Abflußleitung 122 von dem heißen Turm 118 oder von dem Zufluß usw. entnommen werden.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß alle Energie von den Entfeuchtern aller Stufen für die Gasfeuchtung und Erwärmung in dem Feuchter der ersten Stufe zur Verfügung steht. Diese Stufen zwei, drei und vier erhalten ihre heißen Gase jeweils direkt von der vorhergehenden Stufe. Somit sind Feuchter für diese Stufen entbehrlich.

Die gekühlten Gase von dem heißen Turm 118 gelangen in den Boden des kalten Turmes 114 und werden dort mit den kalten Gasen, die aus dem kalten Turm 128 durch die Leitung 188 kommen, vereinigt. In ähnlicher Weise wird der kalte Turm 128 mit gekühlten Gasen von dem heißen Turm 136 und mit kalten Gasen von dem Turm 142 versorgt, während der Turm 142 gekühlte Gase von dem heißen Turm 148 erhält und mit kalten Gasen von dem kalten Turm 156 versorgt wird. Dem letzteren Turm werden allein Gase von dem heißen Turm 160 zugeführt.

Zusätzlich zu dem Entfeuchten und Kühlen können die heißen Gase einem Trennvorgang, beispielsweise in einem Separator der ersten Stufe unterworfen werden, der den Abfluß von einem Kühler erhält, die Flüssigkeit darauf ausscheidet und nach Durchlaufen eines Vorwärmers an den oberen Teil des heißen

Turmes 118 abgibt. Die Energie für den Vorwärmer wird von einer äußeren Quelle zugeführt. Der Gasabfluß von dem Separator wird in einem Nachkühler, der mit einem Kühlstrom von irgendeiner Quelle versorgt wird, weiter gekühlt, das Kondensat von diesem Nachkühler mit dem Gasstrom 114 geführt. Ähnliche Kühler und Verdichter können in den folgenden Stufen vorgesehen sein, wie dargestellt ist.

In der Endstufe scheidet ein Separator den Flüssigkeitsgehalt der Gase aus dem Wärmeaustauscher 186 ab. Das Kondensat wird teilweise der Abflußleitung, teilweise einem Erhitzer zugeführt, von dem die Flüssigkeit mit erhöhter Temperatur in den heißen Turm 160 zurückkehrt.

Das in der Abflußleitung 224 als das Produkt dieser primären Anlage abgezogene Kondensat hat hohe HDO- und D₂O-Konzentration und kann als Speisung zur weiteren Anreicherung in zusätzlichen Stufen oder einer anderen Anlage, wenn es erwünscht ist, dienen.

Das Gesamtverfahren stützt sich auf gewöhnliches Wasser als Deuteriumquelle; das Gas, Schwefelwasserstoff, wirkt nur als Austauschmittel und wird bei dem Umlauf nicht verbraucht. Ausgleichsgas kann in geringen Mengen, vorzugsweise am Eingang zu dem kalten Turm der ersten Stufe, zugeführt werden.

In jeder Vorrichtung zur Wiedergewinnung von Wärme zwischen den bei hoher oder tiefer Temperatur in den Austausch eintretenden oder austretenden Strömen darf ein kontinuierlicher inniger Kontakt zwischen diesen Strömen nur an einem Ende des Temperaturaustauschers vorhanden sein. So wird dieser direkte Kontakt auf nur einen Austauscher beschränkt, um jede isotopische Neuverteilung zwischen dem an Isotopen angereicherten und dem daran verarmten Strom zu verhindern. Daher wird bei der beschriebenen Anlage von der Wärmeübertragung durch direkten innigen Kontakt in Verbindung mit den indirekten Verfahren ohne Kontakt, wie sie für dieses Verfahren erforderlich sind, Gebrauch gemacht. Beispielsweise wird die aus dem den heißen Turm verlassenden Gas zur Verfügung stehende Energie durch Wärmeaustausch (indirekter Kontakt) auf Wasser übertragen, das seinerseits die Energie durch direkten Kontakt (inniges Mischen in einem Gegenstrom) mit dem in den Boden des heißen Turmes eintretenden Gas überträgt. Auf diese Weise ist es möglich, gleichzeitig das in den heißen Turm eintretende Gas zu erwärmen und zu feuchten. Ebenso findet bei der beschriebenen Ausführungsform in den Austauschern 178, 184, 185 und 186 ein gleichzeitiges Erwärmen des Gases und eine Verdampfung des für die Feuchtung benötigten Wassers statt.

Patentanspruch:

VerfahrenzurAnreicherung von Isotopen nach dem Heiß-Kalt-Verfahren, bei dem die eine Phase nach Durchgang durch die kalte Zone geteilt, ein Teil in die heiße Zone der gleichen Stufe und der andere Teil in die kalte Zone der folgenden Stufe geleitet und die aus der heißen Zone dieser Stufe austretende gleichartige Phase mit dem in die heiße Zone der vorhergehenden Stufe eintretenden Teil dieser Phase vermischt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf der anderen Phase zwischen der heißen und