DE1271676B - Verfahren zum Abtrennen von Uranhexafluorid aus einem Gasgemisch - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Deutsche KL:

BOId

COIg

12 e-3/04

12 η-43/06

Nummer: 1271 676

Aktenzeichen: P 12 71 676.6-43 (C 30941)

Anmeldetag: 20. September 1963

Auslegetag: 4. Juli 1968

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen von Uranhexafluorid aus einem Gasgemisch, das außerdem noch geringe Mengen weniger leicht kondensierbare Anteile enthält.

Bei den bisher bekannten Verfahren sollte die gleiche Vorrichtung, nämlich entweder ein klassisches Fraktioniersystem, beispielsweise zur fraktionierten Verflüssigung, oder eine Diffusionskolonne, in der Lage sein, einerseits den Hauptbestandteil Uranhexafluorid in sehr reinem Zustand und auf der anderen Seite die Verunreinigungen, beispielsweise Chlortrifluorid und Stickstoff, mit einem außerordentlich geringen Gehalt an Uranhexafluorid zu liefern.

Diese doppelte Bedingung ist in einem System unter ausschließlicher Benutzung der fraktionierten Verflüssigung sehr schwierig zu erfüllen. Wenn auch dieses System eine flüssige Phase des Hauptbestandteils, nämlich gereinigtes Uranhexafluorid, liefert, so ist es doch erheblich weniger geeignet, um aus der Gasphase den restlichen Uranhexafluorid zu extrahieren und Verluste daran zu vermeiden, mindestens ohne die gleiche Verfahrensstufe mehrfach zu wiederholen oder bei sehr niedrigen Temperaturen zu arbeiten, bei denen im Fall des Uranhexafluorids die Bildung von festen Kristallen eintritt.

Solche Verluste lassen sich zwar bei Verwendung einer Gasdiffusionskolonne, deren Trennwände aus durchlässigen Membranen bestehen, vermeiden, doch muß man, wenn eine praktisch vollständige Rückgewinnung des gereinigten kondensierbaren Gases Uranhexafluorid erreicht werden soll, eine erhebliche Anzahl von Diffusionsstufen vorsehen. Derartige Diffusionskolonnen für die Abtrennung des schweren Gases Uranhexafluorid von erheblich leichteren gasförmigen Verunreinigungen sind außerordentlich aufwendig, wobei, wie auch für die fraktionierte Verflüssigung, zu berücksichtigen ist, das Uranhexafluorid ein sehr giftiges Gas ist, das besondere apparative Vorsichtsmaßnahmen erfordert, die solche Apparaturen schon von Haus aus sehr verteuern.

Es wurde nunmehr gefunden, daß durch eine Kombination der bekannten Reinigungsverfahren, nämlich eine fraktionierte Kondensation und eine daran angeschlossene Gasdiffusion zur Auftrennung des bei der Kondensation nicht kondensierten Anteils und Rückführung der noch Uranhexafluorid enthaltenden Bodenfraktion zur Ausgangsmischung, eine überraschend wirksame und bedeutend weniger aufwendige Abtrennung von Uranhexafluorid aus einem Gasgemisch, das außerdem noch geringe Mengen weniger leicht kondensierbare Anteile enthält, erreicht werden kann.

Verfahren zum Abtrennen von Uranhexafluorid
aus einem Gasgemisch

Anmelder:

Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter:

Dr. H. U. May, Patentanwalt,

8000 München 2, Ottostr. 1 a

Als Erfinder benannt:

Philippe Cousin,

Chatillon-sous-Bagneux, Seine (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 25. September 1962 (910 401) -

Es wird daher bei einem Verfahren zur Abtrennung von Uranhexafluorid aus einem Gasgemisch, das außerdem noch geringe Mengen weniger leicht kondensierbarer Anteile enthält, erfindungsgemäß das Gasgemisch zunächst komprimiert und derart gekühlt, daß das Uranhexafluorid großenteils kondensiert, der nicht kondensierte Anteil durch Mehrstuf en-Gasdiffusion in eine die weniger leicht kondensierbaren Anteile enthaltende Kopffraktion und in eine Bodenfraktion getrennt und letztere wieder der Ausgangsmischung zugeführt.
Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kopffraktion und die Bodenfraktion durch Wahl der Stufenzahl bei der Gasdiffusion und des Punktes der Einführung des nicht kondensierten Anteils in dieselbe in der gewünschten Zusammensetzung gehalten.

Dieses Verfahren ist zur Abtrennung des Uranhexafluorids aus einem Gasgemisch um so besser geeignet, je größer der Unterschied zwischen seinem Molekulargewicht und den Molekulargewichten der weniger oder nicht kondensierbaren Verunreinigungen ist. Die Anzahl der notwendigen Diffusionsstufen nimmt mit steigendem Unterschied ab. Das Verfahren eignet sich besonders zur Reinigung von Uranhexafluorid, dem Chlortrifluorid und Stickstoff beigemischt sind.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der aus dem Verflüssigungssystem bestehende Teil nur den Zweck, das Uranhexafluorid in ge-

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wünschter Reinheit zu liefern, und der aus der Kolonne unter einem Druck und in einer Menge Difiusionskolonne bestehende Teil nur den Zweck, eingeführt, die entsprechend dem Anteil der Veraus der in diese eingeführten Gasmischung die Ver- unreinigungen in der Gasmischung gewählt sind, unreinigungen mit einem beliebig geringen Gehalt an Die Kolonne 7 besteht aus einer Reihe von Stufen,

Uranhexafluorid zu extrahieren und die Mischung an 5 die jede einen Kompressor 13 und eine durch eine Uranhexafluorid so anzureichern, daß man sie in poröse Membran 15 in zwei Teile geteilte Diffusionswirksamer Weise zum Eingang des Kompressors kammer 14 aufweisen. In der Zeichnung sind fünf zurückführen kann. Es genügt daher, eine Ver- derartige Stufen dargestellt.

flüssigung ohne Feintrennung vorzunehmen, wodurch Die bei 6 ankommende Gasmischung wird mittels

sich das System Verdichter—Kühler erheblich ver- io des Kompressors 13 in die Diffusionskammer 14 eineinfacht und dennoch zu einer erheblichen Herab- geführt. Der durch die Membran 15 hindurchdiffunsetzung der in der Diffusionskolonne zu behandeln- dierteund an Bestandteilen von niedrigem Molekularden Gasmenge führt, was einerseits zu einer Verein- gewicht angereicherte Gasstrom wird durch den fachung und andererseits zu einer sehr erheblichen Kompressor der folgenden Stufe angesaugt. Der nicht Verringerung der Größe der Diffusionskolonne führt. 15 diffundierte und an leichten Bestandteilen verarmte

Ein zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Gasstrom wird beispielsweise durch eine Leitung 16 Verfahrens liegt in seiner großen Anpassungsfähig- im Fall des einfachsten Aufbaus zur Ansaugseite der keit im Betrieb. vorangehenden Stufe zurückgeführt, und entsprechend

Es kann kontinuierlich betrieben werden, selbst in jeder Stufe.

wenn die zu reinigende ursprüngliche Mischung in 20 Die Stufen der Kolonne (Kaskade) können selbststark schwankenden Mengen zugeführt wird. verständlich verschiedene Formen haben, voraus-

Die Erfindung wird weiter erläutert mit Bezug auf gesetzt, daß sie dem gewünschten Zweck entsprechen, die Zeichnung. Diese erläutert das erfindungsgemäße Sie können beispielsweise aus Zentrifugen bestehen. Verfahren. Dennoch wird in jedem Fall der an leichten Bestand-

Dabei wird die Mischung aus dem kondensierbaren 25 teilen angereicherte Gasstrom der folgenden Stufe Uranhexafluorid und dem die Verunreinigung dar- zugeführt, während die schweren Bestandteile zum stellenden weniger kondensierbaren Dampf oder dem Eingang der vorhergehenden Stufe zurückgeführt nicht kondensierbaren Gas in einem Kompressor 1 werden.

verdichtet und in einem auf gleichbleibender Tempe- Man erhält so am Kopf 8 der Kolonne einen Gas-

ratur gehaltenen Kondensator 2 gekühlt, wobei die 30 strom mit einem hohen Anteil an Bestandteilen von Druck- und Temperaturbedingungen so gewählt wer- niedrigem Molekulargewicht und am Boden 9 der den, daß die Mischung sich in eine flüssige Phase Kolonne einen Gasstrom mit einem hohen Anteil an von Uranhexafluorid von gewünschtem Reinheits- Uranhexafluorid. Für jeden der beiden Gasströme grad und in eine Dampfphase, die einen größeren erhält man die gewünschte Zusammensetzung durch Anteil an Verunreinigungen als die ursprüngliche 35 Wahl der Stufenzahl und des Einführungspunktes des Mischung enthält, trennt. Die erwähnte flüssige vom Kompressor-Kühler-System kommenden Gas-Phase gelangt in den Trennbehälter 3 und wird an mischung in die Kolonne unter Berücksichtigung der dessen unterem Ende 4 abgezogen, während die er- Kennzeichen dieser Kolonne.

wähnte Gasphase, die unter anderem einen geringen Um die Arbeitsbedingungen der Diffusionskolonne

Anteil der ursprünglichen Mischung in Dampfform 40 genau zu regeln und vor allem Ansammlungen des mitführt, im oberen Teil des Behälters 3 bei 5 abge- Mediums in der Kolonne zu verhindern, muß der leitet und bei 6 in die Diffusionskolonne (Diffusions- Druck in jeder der Diffusionskammern 14 konstant kaskade) 7 eingeführt wird. sein. Man erreicht das, indem man durch geeignete

Da die Verunreinigungen ein geringeres Molekular- Abnahmeeinrichtungen für die schwere Fraktion am gewicht als das Uranhexafluorid haben, zieht man die 45 Boden 9 der Kolonne die in der Kolonne enthaltene wenig oder nicht kondensierbaren Verunreinigungen Gasmenge konstant hält. Diese Vorrichtungen bemit dem gewünschten Reinheitsgrad am Kopf 8 der stehen beispielsweise aus einem selbsttätigen, durch Kolonne 7 und die an dem Uranhexafluorid ange- einen Druckregler 18 geregelten Ventil 17, das sich reicherte Fraktion am Boden 9 der Kolonne ab. Bei bei einem bestimmten Überdruck öffnet und eine genügender Reinheit der letztgenannten Fraktion 50 bestimmte Menge der schweren Fraktionen bei 9 aus vereinigt man sie mit der bei 4 aus dem Trenn- der Kolonne austreten läßt, behälter 3 abgezogenen Fraktion. Dieses Verfahren ist zur Trennung der Bestandteile

Der Behälter 3 ist mit Einrichtungen versehen, die einer Mischung um so besser geeignet, je größer der unabhängig von der in die Vorrichtung eintretenden Unterschied zwischen den Molekulargewichten des Menge der Mischung die festgelegten Druck- und 55 dampfförmig vorliegenden, zu reinigenden Uranhexa-Temperaturwerte aufrechterhalten. Diese Einrichtun- fluorids und der weniger oder nicht kondensierbaren gen bestehen, beispielsweise zur Aufrechterhaltung Verunreinigungen ist. Die Anzahl der notwendigen des Drucks, aus einem Gasauslaßventil 10, das von Diffusionsstufen nimmt ab, wenn dieser Unterschied einem Druckregler 11 betätigt wird und in die Gas- wächst.

ableitung 12, die bei 5 den Behälter 3 verläßt und 60 Dieses Verfahren eignet sich besonders zur Reinizur Kolonne 7 führt, eingeschaltet ist, wobei der gung von Uranhexafluorid, dem Chlortrifluorid und Druckregler durch den im Behälter 3 herrschenden Stickstoff beigemicht sind.

und auf das Ventil 10 wirkenden Druck so betätigt Diese Mischung wird unter einem Druck und einer

wird, daß dieses Ventil das Medium hindurchtreten Temperatur verdichtet und gekühlt, daß die sich im läßt, wenn der Druck im Behälter einen bestimmten 65 Kühler 2 und Behälter 3 bildende flüssige Phase einen vorher festgelegten Wert überschreitet. Gehalt an Uranhexafluorid von beispielsweise minde-

Diese durch Zwischenschaltung des automatischen stens 99% aufweist. Da diese gereinigte Fraktion Ventils 10 entspannte Gasmischung wird bei 6 in die physikalische Eigenschaften ähnlich denen von reinem

Uranhexafluorid hat, das bei Atmosphärendruck sublimiert und sich nur unter Druck verflüssigen läßt, arbeitet man bei einem Druck über dem zum Tripelpunkt gehörigen Druck, an dem die die gasförmige, flüssige und feste Phase des Uranhexafluorids nebeneinander vorliegen. Auf diese Weise vermeidet man eine Erstarrung der gereinigten Phase.

Da die Zusammensetzung der flüssigen Phase festgelegt ist, liegt auch die der Gasphase fest. Infolgedessen führt man in die Diffusionskolonne 7 ein gegenüber der ursprünglichen Mischung an Chlortrifluorid deutlich angereichertes Gas ein.

Das Verflüssigungssystem hat den Zweck, das Uranhexafluorid im gewünschten Reinheitsgrad zu liefern und die Diffusionskolonne aus der in sie eingeführten Gasmischung die Verunreinigungen mit einem beliebig geringen Gehalt an Uranhexafluorid zu extrahieren und diese Mischung an Uranhexafluorid so anzureichern, daß man sie in wirksamer Weise zum Eingang des Kompressors 1 zurückführen kann. Es genügt daher, eine Verflüssigung ohne Feintrennung zu erzielen, wodurch sich das System Verdichter—Kühler erheblich vereinfacht und dennoch zu einer erheblichen Herabsetzung der in der Diffusionskolonne zu behandelnden Gasmenge führt, woraus sich einerseits eine Vereinfachung und andererseits die sehr erhebliche Verringerung des Umfangs der Diffusionskolonne ergibt.

Falls die Kolonne aus Diffusionskammern besteht, kann sie außerdem durchgehend mit Kolben- oder Membrankompressoren ausgestattet werden, die nur verwendbar sind, wenn einerseits die Durchsatzmengen gering sind und andererseits das Verhältnis der spezifischen Wärme bei konstantem Druck zu den spezifischen Wärmen bei konstantem Volumen der Gasströme von einem Ende zum anderen Ende der Kolonne nicht sehr verschieden ist.

Eine so gebaute Diffusionskolonne kann, ganz abgesehen vom Umfang, den sie dann haben müßte, nicht für sich allein zur direkten Trennung der ursprünglichen zu reinigenden Mischung verwendet werden. Wegen der viel zu großen Durchsatzmenge und des sehr großen Unterschieds der Verhältnisse der spezifischen Wärmen bei konstantem Druck und der spezifischen Wärmen bei konstantem Volumen der erforderlichen Gasströme, die am Kopf und Boden der Kolonne austreten, muß man dann Zentrifugalkompressoren verwenden, deren Betrieb viel weniger anpassungsfähig ist und die das Anfahren der Kolonne schwierig gestalten.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Abtrennen von Uranhexafluorid aus einem Gasgemisch, das außerdem noch geringe Mengen weniger leicht kondensierbarer Anteile enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch zunächst komprimiert und derart gekühlt wird, daß das Uranhexafluorid größtenteils kondensiert, der nicht kondensierte Anteil durch Mehrstufen-Gasdiffusion in eine die weniger leicht kondensierbaren Anteile enthaltende Kopffraktion und in eine Bodenfraktion getrennt und letztere wieder der Ausgangsmischung zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopffraktion und die Bodenfraktion durch Wahl der Stufenzahl bei der Gasdiffusion und des Punktes der Einführung des nicht kondensierten Anteils in dieselbe in der gewünschten Zusammensetzung gehalten werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 882 541;
USA.-Patentschrift Nr. 2 540152.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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