DE1444485A1

DE1444485A1 - Verfahren zur Gasreinigung

Info

Publication number: DE1444485A1
Application number: DE19631444485
Authority: DE
Inventors: Graemer Dr Dipl-Chem Gottfried
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-03-20
Filing date: 1963-03-20
Publication date: 1969-01-23
Also published as: GB1043115A; DE1444485C3; DE1444485B2; US3658485A

Description

S-SCHUCKERTWERKE Aktiengesellsoh&ft

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Erlangen, den Werner-von-Siemens-Str. 50

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Verfahren zur Gasreinigung

Es ist vielfach notwendig, die an technischen Verfahren beteiligten Gase zu reinigen» damit sie wieder weiter verwendet werden können. Dies ist insbesondere auch bei Kernreaktoren der Fall, bei denen Gase, wie z.B. Helium oder Kohlendioxyd, als Kühlmittel im Kreislauf zirkulieren. In solchen Gasen werden entweder Zersetzungsprodukte aus dem Reaktorkern, z.B. aus dem Graphitmoderator und/oder

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. aus den Brennelementen mitgeführt, es können aber auch im Kühlgas selbst durch die Bestrahlung Zersetzungserscheinungen auf-r

treten. Außerdem können im Kühlgas noch Verunreinigungen, wie z.B'. Sauerstoff, vorhanden sein, die "bei der Herstellung nicht restlos entfernt werden können. Den Betrieb graphitmoderierter Reaktoren können z.B. Kohlenmonoxyd und Sauerstoff stören.

Es war bisher üblich, zur Sauerstoffontfernung und zur Kohlenmonoxydrekombination jeweils zwei PilterDetten vorzusehen. Je eines davon war in Betrieb, die beiden anderen standen in Reserve bzw, wurden regeneriert. Wenn nur der im nachzuspeisenden Kohlendioxyd vorhandene Gauerstoff entfernt werden mußte, betrugen die Standzeiten der Kupferoxydfilter zur Kohlenmonoxydentfernung etwa 100 Stunden, diejenigen der Kupferfilter zur Sauerstoffentfernung dagegen etwa 9000 Stunden. Nur beim ersten Anfahren eines Reaktors ist mit einem höheren Sauerstoffgehalt Lm Kühlgas zu rechnen, der durch die von den Wänden der Rohrleitungen bzw. von Einbauten* desorbierte Luft bzw. durch unvollkommene Spülung mit dem Kühlgas verursacht wird. Im Anfahrzustand eines Reaktors wurde also im wesentlichen nur das Kupferbett, im Dauerbetrieb dagegen nur das Kupferoxydbett belastet.

Bei den verschiedenen Betriebszuständen werden also nur jedesmal die Hälfte der eingeschalteten Pilterbetten genutzt. Zu diesen Nachteilen kommt a-ber noch, hinzu, daß die Regenerierung der Kupferoxydbetten einen großen zusätzlichen Bedienungsaufwand erfordert und etwa 20 Stunden benötigt. Daraus ist auch ersichtlich, daß

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unter Umständen beim vorzeitigen Versagen eines eingesetzten Filterbettes kein frisches Filterbett als Ersatz zur Verfügung steht, so daß zur Vermeidung eines derartigen Engpaßes.die Bereitstellung eines dritten Filterbettes aus Sicherheitsgründen als dringend notwendig erscheint.

Die vorliegende Erfindung, die sich auf ein Verfahren zur Gasreinigung nach dem Oxydations- und Reduktionsprinzip insbesondere von inerten oder Edelgasen von Kernreaktoren bezieht, vermeidet dieee geschilderten Nachteile des bekannten Verfahrens weitgehend. Erfindungsgemäß wird das zu reinigende Gas bei einer Temperatur von etwa 150 bis 800° C über ein Filterbett aus Kupfer- und Kupferoxydteilchen geleitet, wobei zur Regenerierung des Filters in Abhängigkeit des Reinheitsgrades des durchlaufenden Gases in einer •bestimmten Zone desselben Sauerstoff und/oder Kohlenmonoxydgas und/oder Wasserstoffgas während der Betriebszeit zugeführt werden.

Eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht aus einem einzigen Filterbett aus Kupfer und/oder kupferoxydhaltigen Teilchen, das in einem temperaturbeständigen Behälter untergebracht ist. Die Filterteilchen bestehen dabei vorteilhafterweise aus porösen Sinterkörpern, z.B. in Tabletten- oder Kugelfortn aus Kupfer und/oder Kupferoxyd, die eine sehr große aktive Oberfläche aufweisen.Dieser Aufbau des Filterbettes gewährleistet eine große Kapazität und mechanische Stabilität,insbesondere aber auch noch seine Verwendbarkeit bei sehr hohen Drücken. Regenerationsabgase und/oder Kondensationsprodukte, die evtl. radioaktiv sein könnten,

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fallen nioht an. Vielmehr findet während des Betriebes gleichzeitig laufend eine Regenerierung des Filterbettes statt, so daß sich diese Einrichtung durch eine große Betriebssicherheit, eine stete Einsatzbereitschaft und durch einen nur minimalen Wartungs-• aufwand auszeichnet. . ·".'.._

Weiterhin sei daraufhingewiesen, daß sich diese Einrichtung nicht nur zur Rekombination von Kohlenmonoxyd und Beseitigung von Sauerstoff .sondern auch zur Rekombination von durch Radiolyse'entstandenen Gasen, wie Wasserstoff und Sauerstoff eignet. Letzterer Fall ist besonders interessant für schwerwassermoderierte Reaktoren, deren normalerweise aus Helium bestehendes Schutzgaspolster ständig von solphen Radiolyse'produkten gereinigt werden muß.

Zur näheren Veranschaulichung und zum besseren Verständnis dieses Verfahrens wird auf die Figur verwiesen. Innerhalb des Behälters befindet sich das Filterbett, das aus den Bereichen 3 und k besteht, Der Bereich 3 enthält eine Mischung von Kupfer und kupferoxydhaltigen Teilchen, «μοχηθώο: der Bereich 4 lediglich Kupferteilchen. ä»ÖJ&1&. Das zu reinigende Gas wird von oben über die Leitung 3 dem Behälter 2 zugeführt und über die Leitung 6 nach unten wieder abgezogen. Im Grenzbereich der Zonen 3 und 4 befindet sich eine •Gasentnahmevorrichtung 7, die einen kleinen Anteil des gereinigten Gases zum Gasprüfgerät 8 leitet. Dieses Gasprüfgerät steht in Wirkverbindung mit den Regelventilen 81 und 82 in den Leitungen 51 und 52, die in die Leitung 5 einmünden und je nach den Feststellungen des Gasprüfgerätes 8 Zusatzgase 9 und 10, die z.B.

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Kohlenijranoxyd und Sauerstoff bzw. Viasserstoff und Sauerstoff Bfin können, dem zu reinigenden Gas zuführen.

Die Sehtoht 4 des Filterbettes ist praktisch am Reinigungsver-.. fahren des Piltepbettes nicht beteiligt·und hat lediglich die Aufgabe» einen evtl· noch vorhandenen SauerstoffÜberschuß bis zum Eintritt der Regelwirkung durch das Gasprüfgerät 8 mit Sicherheit zu beseitigen.

Das Gasreinigungsverfahren läuft nun etwa folgendermaßen ab:

Das zu'reinigende Gas sei das Kühlgas eines Kernreaktors, also z.B. Kohlendioxyd., Im Anfahrzustand liegt, wie bereits erwähnt, nur ein. sehr geringer Gehalt von Kohlenmonoxyd im Kühlgas vor, dagegen ist der Sauerstoffgehalt verhältnismäßig hoch. Dieser Sauerstoff wird im Filterbett von den Kupferteilchen gebunden, deren Oberfläche in Kupferoxyd übergeht. Sollte die Kapazität des Filterbettes nicht ausreichen, diesen Sauerstoffgehalt restlos aufzunehmen! was automatisch durch das Gasprüfgerät 8 βΓτ mittelt wird, so'wird von diesem das Regelventil 81 geöffnet und zusätzlich Kohlenmonoxyd in den Kühlgasstrom zudosiert. Dadurch wird ein Teil der Kupferoxydteilchen zu Kupfer reduziert bzw. das Kohlenmonoxyd zu Kohlendioxyd oxydiert. Somit steht eine vermehrte Kupferoberfläche zur Beseitigung des Sauerstoffes im Kühlmittel zur Verfügung. Im Dauerbetrieb ist dieser übermäßige Gehalt von Sauerstoff nicht mehr vorhanden, es überwiegt der Gehalt an \ Kohlenmonoxyd, Es wird daher in diesem Betriebszustand notwendig

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sein, unter Umständen laufend geringe Mengen von Sauerstoff zuzuführen, was ebenfalls von dem Gasprüfgerät 8 über das Regelventil 82 automatisch gesteuert wird. Auf diese Weise wird für jeden Betriebszustand des Reaktors ein ausgewogenes Gleichgewicht zwischen Kupfer- und Kupferoxydteilchen im Filterbett aufrechterhalten. Es laufen also mit anderen Worten die Vorgänge zur Gasreinigung und zur Pllterbettregenerierung parallel und gleichzeitig nebeneinander ab.

In ähnlicher Weise läuft die Reinigung von Gasen ab, in denen Radiolyseprodukte von Wasserstoff und Sauerstoff vorkommen. In diesem Fall reduziert der Wasserstoff die Kupferoxydteilchen und oxydiert dabei selbst zu Wasser, während der Sauerstoff die reduzierten Filterteilchen wieder zu Kupferoxyd oxydiert. Auch in diesem Fall wird der Gasreinigungsvorgang durch das Gasprüfgerät 8 überwacht und gesteuert. Anstelle von Kohlenmonoxyd und Sauerstoff wird in diesem Fall natürlich Wasserstoff und Sauerstoff, deren Menge vom Gasprüfgerät dosiert wird, zugespeist.

Manchmal besteht die Forderung, daß ein Teil der Beimengungen bei . der Reinigung nicht vollständig aus dem Gas entfernt wird, z.B. Kohlenmonoxyd aus Kohlendioxyd. In solchen Fällen wurde früher die Anlage zeitweise abgeschaltet. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dagegen wird am Gasprüfgerät eine entsprechende Einstellung vorgenommen, so daß das Gleichgewicht zwischen Kupfer und Kupferoxydteilchen nach der einen oder anderen Seite verschoben wird

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und also z.B. keine vollständige Rekombination des Kohlenmönoxyds mehr erfolgen kann. Es 1st also möglich, durch einfache Vorwahl des Reinigungsgrades am Gasprüfgerät die Zusammensetzung des das Filterbett 2 verlassenden Gases genau einzuregulieren. ·

Das Filterbett selbst kann dabei etwa eine Länge von I.50 cm und einen Durchmesser von 40 cm besitzen. Zur weiteren IJeur- ' · teilung des Verfahrens sei erwähnt, daß die Gasgeschwindigkeit, bezogen auf ,den leeren Behälter, etwa 10 bis 20 cm/sek beträgt, was bei dem genannten Abmessungsbeispiel eine Verweilzeit des Gases im Filterbett zwischen 15 und 7*5 Sekunden mit sich bringt. Die Gasreinigung geht also sehr rasch vor sich, wobei zudem ein sehr hoher Wirkungsgrad erreicht wird.

So wurde z.B. gemessen, daß bei einem anfänglichen Sauerstoffgehalt von 600 vppm im Kohlendioxyd die Umsetzung desselben bis zur Nachweisgrenze von ca. 10 vppm geführt werden konnte, d.h. daß im gereinigten Gas kein Sauerstoffgehalt mehr festgestellt werden konnte. Die gleichen Verhältnisse herrschten bei Kohlenmonoxyd, dessen Anfangsgehalt etwa 1200 vppm betrug. Die bei diesen Messungen verwendeten Sinterkörper lagen dabei fast vollständig in der Oxydform vor, trotzdem ergab sich eine einwandfreie Wirkung. Die Betriebstemperatur betrug 200 C bei" einem Druck von 1 ata. Daraus geht hervor, daß dieses Reinigungsverfahren zu seiner Durchführung nur verhältnismäßig einfache Apparaturen erfordert, deren Betrieb infolgedessen ebenfalls einfach und wenig störanfällig ist. Durch den gleichzeitigen Ablauf des

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eigentlichen GasreinigungsProzesses und des Regenerierungsvorgangeä ist auch eine Erschöpfung nicht zu befürchten» so daß mit einer so langen Lebensdauer gerechnet werden kann, daß keine regelmäßigen Austauscharbeiten vorgenommen zu werden brauchen. Besonders vor- ι teilhaft ist, daß keine Restgase, die unter Umständen auch radio» ..;! aktiv sein könnten, ins Freie gelangen können, da alle, auch dis zugeführten Anteile im Gasstrom verbleiben« ,·

Selbstverständlich können außer den.genannten auch andere Gase gereinigt werden, wenn es sich bei den abzuführenden Produkten um Wasserstoff, Kohlenmonoxyd oder Sauerstoff handelt. Bei graphit-.moderierten kernreaktoren und Edelgasen als Kühlmittel kann, E.B* ebenfalls Kohlenmonoxyd auftreten. Aber auch bSi wassermoderierten und gasgekühlten Kernreaktoren besteht durch Undichtigkeiten die Möglichkeit, daß im Kühlgas Wasserstoff und Sauerstoff äufttetfö, die.in.gleicher-Weise wie Kohlenmonoxyd und Sauerstoff beseitigt werden. Daraus geht hervor, daß sich das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die genannten Beispiele beschränkt und es vielmehr sinngemäß auch auf andere Verhältnisse angewendet werden kann, wie sie vielleicht auch bei der Weiterentwicklung der Reaktortechnik an Bedeutung gewinnen, wenn z.B. organische Kühlmittel zur Verwendung gelangen und eine.direkte überhitzung des Arbeitsdampfes im Reaktor selbst gegenüber den augenblicklichen Verhältnissen an Bedeutung gewinnen sollte.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß es nach diesen Verfahren und mit den beschriebenen Einrichtungen möglich ist,

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in einen» Arbeitsgas wie CO₂ enthaltene Kohlenwasserstoffe, wie 2.B* MeHhBO, in CO₂ und Wasser zu zerlegen und den Gaskreislauf damit zu reinigen, Jn diesem Falle beträgt die
Arbeitetemperatür dann etwa 800 C· ■

-5 Ansprüche
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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Gasreinigung nach dem Oxydations- und Reduktionsprinzip, insbesondere von inerten öder Edelgasen bei Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß das zu reinigende Gas bei Temperaturen von etwa I50 bis 8OO° C über ein Filterbett aus Kupfer und kupferoxydhaltigen Teilchen geleitet wird, wobei zur Regenerierung des Filters in Abhängigkeit des Reinheitsgrades des durchlaufenden Gases in einer bestimmten Zone desselben Sauerstoff und/oder Kohlenmonoxydgas und/oder Wasserstoffgas während der Betriebszeit zugeführt werden.

2". Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterbett aus einem temperaturbeständigen Behälter besteht, der mit Kupfer und/oder kupferoxydhaltigen Teilchen gefüllt ist und eine Gasentnahmeeinrichtung, die mit einem an sich bekannten Gasprüfgerät verbunden ist, enthält.

3· Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterbett mit porösen Sinterkörpern aus Kupfer¹ und/oder Kupferoxyd, gefüllt ist.

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K₉ Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterbett Keramikkörper mit aufgedampften Kupferoxydschichten enthält..- . .

5. Einrichtung nach Anspruch 1 und K, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterbett in StrÖmungBrichtung gesehen nach der Qasent* , nähmeeinrichtung nur aus einer Teilohenart, also aus Kupfer-" teilchen oder Kupferoxydteilchen besteht.

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