DE2025069B2 - Verfahren zur kontinuierlichen adsorptiven trennung einer gasmischung - Google Patents

Description

Aus der GB-PS 8 60 311 ist ein Verfahren zur adsorptiven Trennung binärer Gasmischungen bekannt, das besonders vorteilhaft für die Trennung von Bestandteilen einer Gasmischung mit sehr ähnlichen Eigenschaften sowie für die Trennung von Isotopen eingesetzt werden kann.

Das Verfahren besteht im wesentlichen darin, durch ho eine der Enden eines vorher evakuierten geschlossenen Raums eine bestimmte Gasmenge, unter zwangsläufiger Druckerhöhung, einzuführen, und danach durch das andere Ende einen Teil des eingeführien Gases, unter zwangsläufiger Drucksenkung, abzuzweigen, und zwar '>den Teil, bei dem feststellbar ist, daß eine seiner Komponenten angereichert ist. Dadurch tragen gleichzeitig mehrere Ursachen zum Wert der erhaltenen

Anreicherung bei.

Das bekannte Verfahren wirkt im wesentlichen durch einfaches Inkontaktbringen der Gasmischung mit einem Adsorbens und Abführen eines Teils der Gasmischung.

Selbst wenn ein chromatographischer Effekt in dem bekannten Verfahren auftritt, so kann er nur äußerst schwierig zur Vervielfachung des erwähnten einfachen Trenneffekts verwendet werden, der auf den Affinitätsdifferenzen des Adsorbens gegenüber den Komponenten der Gasmischung beruht. Denn, auch dann, wenn durch das Vorrücken des Gases in einem abgeschlossenen Raum mit mehreren aufeinanderfolgenden Bereichen ein chromatographischer Effekt erzielt werden konnte, handelt es sich hier dann um eine sogenannte frontale Gas-Chromatographie und nicht um eine Gas-Chromatographie durch bewegte Bänder. Folglich wird nur die Fraktion im Kopf in bei einer der Komponenten bedeutend angereicherten Form angesammelt, während die End-Entgasung jedes aufeinanderfolgenden Bereichs nur das Ansammeln eines um die gleiche Komponente gering verarmten Gases ermöglicht, da dieser Bereich mit dem Anfangsgas in Berührung gebracht worden ist, das daher nur einem einfachen Trenneffekt unterworfen werden konnte. Zwar kann diese Art der Chromatographie ein angereichertes Produkt ergeben, jedoch ist, selbst mit sehr langen und sehr zahlreichen Bereichen, das Abführergebnis zwangsweise nur beschränkt.

Im Gegensatz dazu ermöglicht es im allgemeinen die Chromatographie durch bewegte Bänder, ebenso wie z. B. die fraktionierte Destillation, mittels einer Verlängerung oder einer Vervielfachung der Säulen sowohl die Anreicherungen als auch die Abführergebnisse so hoch wie möglich zu erhalten.

Gas-Chromatographie ist ein sehr wirksames Verfahren zur Trennung von Substanzen, die sich in ihren Eigenschaften nur sehr wenig voneinander unterscheiden, weshalb sie auch auf die Trennung von so verwandten Stoffen wie Molekülen unterschiedlicher Isotopenzusammensetzung anwendbar ist.

Von der Chromatographie mit bewegtem Band bzw. bewegter Trennzone am Festbett ist bekannt, daß sehr hohe Wirksamkeiten erreicht werden können. Allerdings ist dieses Verfahren bei üblicher Durchführung seinem Wesen nach diskontinuierlich. Dieser Nachteil, der zwar für Produktionen in geringem Maßstab keine große Rolle spielt, wird jedoch sehr schwerwiegend wenn es sich um die Anwendung des Verfahrens in einem genügend großen Maßstab handelt.

Dies sei anhand eines Beispiels für die übliche Durchführung der Gas-Chromatographie mit bewegtem Band an granuliertem Festbett näher erläutert, das in F i g. 1 dargestellt ist.

F i g. 1 zeigt schematisch die übliche Durchführung:

Eine Säule 1 mit einer Zufuhrleitung 2 und einer Abfuhrleitung 3 ist mit einem geeigneten Granulat 4 gefüllt, das eine gewisse Menge der zu trennnenden Gasmischung zurückhalten kann. Zu Betriebsbeginn enthält die Säule 1 ein gegenüber dem Granulat 4 inertes Gas, das vom Granulat 4 praktisch nicht zurückgehalten wird (Zustand a in F i g. 1). In die Säule 1 wird dann über die Zufuhrleitung 2 eine bestimmte Menge der zu trennenden Gasmischung eingeführt. Diese treibt eine gewisse Menge des in den Lücken im Granulat 4 vorhandenen Inertgas vor sich her (das durch die Abfuhrleitung 3 entweicht) und haftet in der schraffiert gezeigten Zone der Fig. 1 teilweise am Granulat 4 (Zustand b)\ dieser Vorgang wird als Bildung

eines Bandes bezeichnet Danach läßt man über die Zuführleitung 2 ein sogenanntes Trägergas ein, das am Granulat 4 viel energischer fixiert wird als die zu trennende Gasmischung. Das Trägergas treibt daher die zu trennende Gasmischung aus dem Granulat 4 aus und vor sich her. Die in Strömungsrichtung am rückwärtigen Ende des Bandes extrahierte Fraktion wandert durch das Band, und es kommt zu einem Stoffaustausch mit der vom Granulat 4 zurückgehaltenen Gasmischung. Am vorderen Ende des Bandes findet eine erneute Fixierung am Granulat 4 statt In dieser Weise verschiebt sich das Band bzw. die Trennzone unter Beibehaltung konstanter Länge durch die Säule 1 (Zustand cder Fig. 1), während das in den Zwischenräumen befindliche Inertgas die Säule 1 nach und nach über die Abfuhrleitung 3 verläßt und sich das Trägergas über die Säule ausbreitet was in F i g. 1 grau dargestellt ist. Dabei verschiebt sich das Band gegenüber der Säulenwand, während das Granulat 4 in Ruhe bleibt, wodurch eine hohe Trennwirkung erreicht wird. Der Kopf des Bandes ist dabei an einer der Komponenten der zu trennenden Gasmischung stark angereichert, während das Bandende an eben der gleichen Komponente sehr verarmt ist. Wenn das Band am Ende der Säule 1 anlangt (Zustand d der Fig. 1), führt jede zusätzliche Zufuhr von Trägergas über die Zufuhrleitung 2 zu einer Abfuhr einer äquivalenten Menge der zu trennenden Gasmischung durch die Abfuhrleitung 3. Man gewinnt so zunächst eine sehr angereicherte Mischung und dann eine mehr und mehr verarmte Mischung (Zustand e der Fig. 1) und schließlich eine an einer Komponente sehr verarmte Mischung, wenn das Band praktisch aus der Säule 1 verschwindet (Zustand / der Fig. 1).

In diesem Zustand ist die Säule mit Trägergas gesättigt. Zur erneuten Inbetriebnahme der Säule 1 ist es notwendig, sie zu regenerieren, d. h. das in ihr zurückgehaltene Trägergas durch irgendein geeignetes Mittel zu entfernen, z. B. durch Aufheizen und/oder längeres Spülen mit einem Inertgas, um die Säule 1 wieder in den Zustand a der Fig. 1 zu bringen. Dabei richtet sich die Wahl des Granulats, des Inertgas und des Trägergases, sowie die Art und Weise der Regenerierung nach der jeweils beabsichtigten Trennung. Beispielsweise kann bei der Anreicherung von Deuterium oder Tritium, ausgehend von ihren Mischungen mit Wasserstoff der Massenzahl 1, das Trägergas Wasserstoff mit natürlicher Isotopenzusammensetzung sein.

Für dieses Verfahren wird nun eine Säule beträchtlicher Länge benötigt, während sich der für die Trennung eigentlich nützliche Teil zu irgendeinem Zeitpunkt lediglich auf die Länge des Bandes beschränkt.

In der Flüssigkeitschromatographie ist es bei der Anreicherung von 33 S bekannt (vgl. S. Forberg, T. Westerrnark; Radioisotopes in the Physical Seience and Industry, I. E. N. C, Wien, 1962, S. 495-509) und auch für die Trennung von Borisotopen angeregt worden (vgl. J. M. Blum, S. M a r t e a η, Energie Nucleäire, 11 [1972/1, S. 33-37]), die Säule in mindestens zwei Säulen aufzuteilen — ähnlich wie das bei bekannten Trennverfahren durchgeführt wird. Dies wird anhand Fig. 2 erläutert, die schematisch eine Anordnung von fünf Säulen zeigt. Dadurch kann eine Säule regeneriert werden, sobald das Ende die Säule verlassen hat, und kann dann sogleich wieder für den Kopf des nachfolgenden Bandes verwendet werden. Jede einzelne der Säulen 5,6, 7, 8,9 durchläuft so einen Arbeitszyklus, während dem sie nacheinander Inertgas, die zu trennende Gasmischung und dann das Trägergas enthält Daher sind die Säulen in F i g. 2 zu einem Kreis zusammengeschlossen gezeigt Die Strcmu.ngsrichtung der Gasmischung ist durch einen Pfeil angedeutet. Wie in F i g. 1 ist die vom Inertgas eingenommene Fraktion der Säulen weiß, die von der zu trennenden Gasmischung eingenommene schraffiert und die vom Trägergas eingenommene grau dargestellt Leitungen 10, 11, 12,13 und 14 für die Zufuhr der Gasmischung bzw. Gase

ίο in den einzelnen Säulen 5—9 sind jeweils mit einem Ventil versehen, während Gasabfuhrleitungen 15,16,17, 18 und 19 kein Ventil haben müssen.

Dabei kann man vorteilhaft den Durchgang des gesamten Bandes an den fünf Verbindungspunkten der

Säulen 5—9 dazu verwenden, an jedem dieser Punkte die für die Produktion notwendigen Operationer vorzunehmen, und zwar:

Zufuhr der zu trennenden Gasmischung an einem Punkt des Bandes mit ähnlicher Zusammensetzung; Abfuhr von angereichertem Produkt am Kopf des Bandes;

Abfuhr von verarmtem Produkt am Bandende.

Dieses Zuführen und Abführen von Gasen findet so in

2s stärker fortlaufendem Maße statt als bei Verwendung einer einzigen Säule. Bei dem in Fig. 2 schematised gezeigten Beispiel, bei dem das Band etwa drei der Säulen einnimmt, wird beispielsweise dreimal anstelle von einmal zugeführt und abgeführt, was die Trennwirkung begünstigt, da man jedesmal bei einer Zone entnimmt oder zuführt, deren Konzentration weniger schwankt.

Zur Durchführung dieser diversen Operationen sowie der Regenerierung der Säulen und ihrer Beschickung mit Inertgas sind an jedem der Verbindungspunkte der Leitungen 10 und 15, 11 und 16, 12 und 17, 13 uns 18 sowie 14 und IS sieben jeweils mit einem Ventil versehene Anschlußleitungen notwendig, und zwar jeweils eine Zufuhrleitung 20 für die zu trennende Gasmischung, eine Abfuhrleitung 21 für das am Kopf des Bandes angereicherte Gas, eine Abfuhrleitung 22 für das verarmte Gas am Bandende, eine Zufuhrleitung 23 für das Trägergas, eine Abfuhrleitung 24 für das Trägergas, eine Zufuhrleitung 25 für Inertgas und eine Abfuhrleitung 26 für Inertgas. Durch öffnen oder Schließen geeigneter Ventile können alle notwendigen Operationen entweder manuell oder automatisch ausgeführt werden. Der Betrieb ist jedoch nicht streng kontinuierlich, da weder die Abfuhr noch die Zufuhr unterbrechungslos erfolgt.

Schließlich ist bei den anhand von F i g. 1 und 2 beschriebenen beiden Beispielen gemeinsam nachteilig, daß die Rückführung der Säulen in einen Zustand, in dem sie erneut Bandkopfgas aufnehmen können, viel

ss Totzeit in Anspruch nimmt, da das verwendete Trägergas vor dem Füllen der Säule mit Inertgas ausgetrieben werden muß.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur kontinuierlichen adsorptiven Trennung einer Gasmi-

(Ki schung mit bewegten Bändern bereitzustellen, das einerseits weder ein träges Gas am Kopf noch ein an das Bandende verschobenes Gas verwendet und das andererseits eine kontinuierliche Erzeugung ermöglicht.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem

·'. Oberbegriff des Patentanspruchs durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs gelöst.

Durch das crfindiingsgemäßc Verfahren kann man vorteilhaft

a) in zyklischer Weise vorgehen, ohne daß es notwendig ist, die Versorgung mit Gasmischung oder die Entnahme der Fraktion während langer Zeitabschnitte zu unterbrechen,

b) die von jedem fremden Gas befreiten Fraktionen in der zu trennenden Gasmischung abführen, und

c) den Wirkungsgrad der Trennung beträchtlich erhöhen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird weder Inertgas noch Trägergas verwendet, was zahlreiche Vorteile hat (beispielsweise Vereinfachung der Gasentnahme).

Die Desorption der am Granulat fixierten Gase kann durch Aufheizen der das Bandendgas enthaltenden Säule erreicht werden. Die Gase sind auch, gegebenenfalls, zusätzlich, durch Abpumpen entfernbar.

Das Verfahren kann auch mit mehr als vier Säulen durchgeführt werden. Dann existieren zu einem bestimmten Zeitpunkt zumindest zwei Säulen, die gleichzeitig eine oder mehrere der definierten Funktionen erfüllen.

Insbesondere kann es notwendig sein, die Zahl der Säulen zu erhöhen, wenn man beispielsweise die Wirksamkeit der Anreicherung, bezogen auf die Abreicherung bzw. Verarmung, erhöhen will oder umgekehrt. Darüber hinaus sichert die Erhöhung der Zahl der Säulen eine bessere Konstanz der Zusammensetzung der abgezogenen Gase. Schließlich kann man bei Verwendung einer größeren Zahl von Säulen jeder Säule eine geringere Länge geben und damit die Einzellänge der Säulen reduzieren, die zu einem gegebenen Zeitpunkt die Funktionen übernehmen, welche nicht unmittelbar der Trennung dienen und so die erforderliche Gesamtlänge der Säulen zur Ausführung einer gegebenen Trennung vermindern. Durch Erhöhung der Zahl der Säulen wird allerdings die Anlage komplizierter, so daß für jeden Einzelfall zu überlegen ist, was wirtschaftlich optimal ist.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 und 2 schematisch die Durchführung herkömmlicher chromatographischer Verfahren,

F i g. 3 ein Gleichgewichtsdiagramm des Systems Palladium-Deuterium.

Fig.4 schematisch ein erstes Beispiel für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

F i g. 5 schematisch das Konzentrationsprofil an zwei aufeinanderfolgenden Säulen gemäß F i g. 4,

F i g. 6 und 7 schematisch Fördereinrichtungen für konstanten Durchsatz,

F i g. 8 schematisch ein zweites Beispiel für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig.9 und 10 schematisch Zusatzvorrichtungen zur Desorption bzw. Adsorption.

Die in den F i g. 1 und 2 schematisch dargestellten chromatographischen Verfahren wurden bereits weiter oben ausführlich erläutert

Das erste Beispiel bezieht sich auf die »Extraktion« von in geringer Menge in einer Deuterium-Tritium-Mischung enthaltenem Tritium. Es kann notwendig oder wünschenswert sein, Deuterium von den geringen Mengen Tritium zu befreien, die darin enthalten sein können, z. B. dann, wenn Deuterium in einer Blasenkammer verwendet werden soll.

Durch Anwendung der Erfindung wird die Trennung von Deuterium und Tritium durch Ausnutzung der Isotopenfraktionierung erreicht, die stattfindet, wenn eine Mischung vor Deuterium und Tritium in bestimmten Metallen, wie Palladium, gelöst wird. Man weiß, daß die Fraktionierung in diesem Fall mit einem relativ

■> hohen Trennfaktor von beispielsweise etwa 1,4 bei etwa Zimmertemperatur erreicht wird. Im Gleichgewicht ist also die Gasphase um etwa das 1,4fache reicher an Tritium als die im Palladium in Lösung zurückgehaltene Mischung. Bei höheren Temperaturen nähert sich der

κι Trennfaktor dem Wert 1, und die Menge des vom Palladium zurückgehaltenen Gases nimmt etwas ab, so daß man zweckmäßig nicht über 250⁰C hinausgeht. Andererseits ist es wegen der Schwierigkeiten, die dann das Abziehen des Gases aus dem Palladium verursacht,

is nicht zweckmäßig, die Temperatur unter -80⁰C zu senken.

Bei dem vorliegenden Beispiel wird die Extraktion bzw. Entfernung der Gasmischung aus der Säule, die das Bandende enthält (Säule mit der Funktion Din Fig.4), durch Abpumpen erreicht.

Zur einfacheren Erläuterung ist in F i g. 3 ein an sich bekanntes Diagramm für das Gleichgewicht des Systems Palladium-Deuterium gezeigt. Längs der Abszisse ist die pro Gramm Palladium zurückgehaltene

is Deuteriummenge (in cm³ unter Normalbedingungen pro g) und längs der Ordinate der entsprechende Druck in cm Hg-Säule aufgetragen. Die gezeigten Isothermen beziehen sich auf zwei unterschiedliche Temperaturen, die im Diagramm angegeben sind. Zu jeder Temperatur

\o gehören zwei Kurven, je nachdem ob die adsorbierte Deuteriummenge anwächst oder abnimmt (Desorption), wie durch die längs der Kurve angegebenen Pfeile angedeutet wird. Es existieren somit für eine gegebene Temperatur zwei Absätze oder Stufen, die je nachdem,

is ob es sich um eine Adsorption oder Desorption handelt, unterschiedlichen Drücken entsprechen, die um so höher sind, je höher die zugehörige Temperatur ist. So liegt beispielsweise der Absatz der 50-°C-Isotherme bei Adsorption bei etwa 22 cm Hg-Säule und bei Desorp-

^o tion bei etwa 10 cm Hg-Säule. Wenn der Druck über 22 cm Hg-Säule liegt, entspricht dem Gleichgewicht eine erhöhte Konzentration an Deuterium im Palladium die beispielsweise für einen Druck von 30 cm Hg-Säule in der Gegend von 65 Ncm³ pro Gramm Palladium liegt so daß sich das Palladium bis zu diesem Wert mil Deuterium belädt. Wenn der Druck dagegen ist unc beispielsweise bei 1 cm Hg-Säule liegt, entspricht derr Gleichgewicht eine geringe Deuteriumkonzentration irr Palladium, und zwar weniger als 1 Ncm³ pro Gramm Man braucht daher nur das Deuterium einer Säule bis zi einem Druck abzuziehen, der deutlich unter dem Drucl des unteren Absatzes unter 10 cm Hg-Säule für 50⁰C liegt, um aus dem Palladium nahezu das gesamt« zurückgehaltene Deuterium wieder herauszukommer Auf der anderen Seite braucht man das Deuterium ii einer Säule nur unter einem Druck einzuführen, der übe dem des oberen Absatzes (für 50° C über 30 cm Hg-Säu Ie) liegt, um große Mengen davon am Palladium zi fixieren.

Bei einer gegebenen Temperatur sind die dei Absätzen entsprechenden Drücke für Deuterium um Tritium nicht gleich. Bei Tritium liegt die Druckstuf etwas höher. Bei Deuterium-Tritium-Mischungen ha man allerdings nicht mehr wirkliche Absätze, sonder f>5 leicht geneigte Kurven. Das erfindungsgemäße Verfat ren ist jedoch vom Vorhandensein eines Druckabsatze unabhängig. Das Vorhandensein eines solchen Absatze vor allem, wenn er sich weit in Richtung des Bereich

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geringer Deuteriumkonzentration im Palladium erstreckt, erleichtert lediglich die Durchführung des Verfahrens, da man dann für Adsorption und Desorption zwei weniger verschiedene Drücke anwenden kann.

F i g. 4 zeigt schematisch eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit vier Säulen 27, 28,29 und 30, die jeweils mit einer Gaszufuhrleitung 31, 32, 33 und 34 sowie mit einer Gasabfuhrleitung 35, 36, 37 und 38 versehen sind. Die Säulen 27—30 sind mit einem Granulat gefüllt, das z. B. metallisches Palladium enthält. Sie können auf Umgebungstemperatur gehalten oder bis auf 250⁰C aufgeheizt oder auch bis auf -80° C gekühlt werden. Bevorzugt wird im allgemeinen eine Temperatur zwischen 0⁰C und 100°C. Die Gasabfuhrleitung (35-38) jeder Säule (27-30) ist mit der Zufuhrleitung (31—34), der nachfolgenden Säule (27-30) über je ein Ventil 39,40,41 bzw. 42 verbunden, so daß die Säulen im geschlossenen Kreis angeordnet sind, wie in F i g. 4 gezeigt, wobei Pfeile die Strömungsrichtung des Gases angeben. Mit jeder Leitung, die zwei hintereinander angeordnete Säulen verbindet, sind sieben weitere, jeweils mi! einem Ventil versehene Leitungen verbunden, und zwar insgesamt 28 mit Ventil versehene Leitungen 43 bis 70, denen folgende Funktionen zukommen:

43, 44, 45 und 46: Abziehen des angereicherten Kopfgases;

47, 48, 49 und 50; Einführen der zu trennenden Gasmischung;

51, 52, 53 und 54: Abziehen des verarmten Bandendgases;

55,56,57 und 58: Abziehen von Gas aus den Säulen 30, 27, 28 oder 29 durch Pumpen, wenn sich eine dieser Säulen in der Desorptionsphase (Funktion D) befindet; 59, 60, 61 und 62: Fördern des durch Pumpen aus einer der Säulen 30, 27, 28 oder 29 abgezogenen Gases in die entsprechenden folgenden Säulen 27, 28, 29 oder 30, wenn eine dieser Säulen als Verarmungssäulc {Funktion A) dient; 63,64,65 und 66: Abführen von Gas aus den Säulen 30, 27, 28 oder 29, wenn eine dieser Säulen als Anreicherungssäule (Funktion B) dient, und
67, 68, 69 und 70: Einleiten von aus den Säulen 30, 27, 28 oder 29 kommenden Gasen in die folgende Säule 27,28,29 oder 30, wenn eine dieser Säulen als Kopfgassäule (Funktion C) dient.
Zur Erläuterung des Betriebes ist die Anaige in F i g. 4 ι einer der vier möglichen Phasen gezeigt, bei der

die Säule 27 als Verarmungssäule (Funktion A) dient und schräg schraffiert gezeigt ist, um zu zeigen, daß sie mit Gas beladen ist;
die Säule 28 als Anreicherungssäule (Funktion B) dient und ebenfalls schräg schraffiert gezeigt ist, da sie ebenfalls mit Gas beladen ist; die Säule 29 als Kopfgassäule (Funktion Q dient und quer schraffiert gezeigt ist, da sie, ursprünglich evakuiert, im Laufe der Zeit mit Gas gesättigt wird, und

die Säule 30 als Bandendgas-Säule (Funktion D) dient und längs schraffiert gezeigt ist, da bei ihr eine Desorption stattfindet

Bei der gezeigten Betriebsphase sind die Ventile 40, I, 48, 45, 55, 59, 65, 69 geöffnet und alle anderen entile geschlossen. ⁶S

Die zu trennende Gasmischung, die bei diesem eispiel aus Deutrium mit geringen Mengen Tritium :steht das entfernt werden soll, wird kontinuierlich

υοί> in

^v 8

durch die Leitung 48 mit im wesentlichen konstante! Durchsatz zugeführt.

Gleichzeitig wird mit Hilfe einer Fördervorrichtung die weiter unten beschrieben wird, das vom Granula der Säule 30 festgehaltene Gas, das in einer an Tritiun verarmten Gasmischung besteht, durch Pumpen übei die Leitung 55 abgezogen und durch die Leitung 59 mii im wesentlichen konstantem Durchsatz, der im allge meinen merklich über dem Durchsatz liegt, mit dem die zu trennende Gasmischung durch die Leitung 4f zugeführt wird, in Richtung der Säule 27 wiedei eingeführt. Ein Teil des so über die Leitung 59 zuströmenden Gases wird über die Leitung 31 in die Säule 27 gefördert, während der andere Teil über die Leitung 51 abgezogen wird und die an Tritium vcrai mte (Produkt)-Fraktion bildet.

Ebenso wird mit Hilfe einer zweiten Fördervorrichtung, die ebenfalls weiter unten beschrieben wird, ein Teil des durch die Leitung 36 aus der Säule 28 austretenden Gases durch die Leitung 65 abgezogen und die Leitung 69 wieder eingeführt, und zwar mit im wesentlichen konstantem Durchsatz, der im Mittel gleich dem Gasdurchsatz von der Leitung 55 zur Leitung 59 ist. Der andere Teil des aus der Säule 28 über die Leitung 36 austretenden Gases wird durch die Leitung 45 abgezogen und bildet die an Tritium angereicherte (Produkt)-Fraktion.

Man sieht also, daß dieser Bereich insgesamt als ein Gegenstromaustausch zwischen der Gasphase u id den vom Granulat zurückgehaltenen Gaskomponenten betrachtet werden kann mit einem Kopfgas-Rücklauf (gebildet durch die Säule 29) und einem Bandendgas-Rücklauf (gebildet durch die Säule 30) einer Gas-Zufuhr, einer Abfuhr von angereichertem Produkt und einer Abfuhr von verarmtem Produkt. Üblicherweise wird die Trennwirkung eines solchen Austauschs näherungsweise mit Hilfe von McCabe-Thiele-Diagrammen berechnet, unter Verwendung der »einem theoretischen Boden äquivalenten Höhe« (vgl. Ind. Eng. Chem. 17 [1925] 605 — 611). Mit Hilfe dieser Diagramme kann man näherungsweise das für eine bestimmte Trennung zweckmäßige Verhältnis zwischen dem Rücklauf-Durchsatz (mittlerer Durchsatz des von der Leitung 55 zur Leitung 59 oder von der Leitung 65 zur Leitung 69 strömenden Gases) und dem Zufuhr-Durchsatz (Durchsatz des durch die Leitung 48 zugeführten Gases) bestimmen.

Im Gegensatz zu wirklichen Gegenstromverfahren, bei denen sich die beiden anwesenden Phasen gleichzeitig bewegen, ist hier jedoch zu berücksichtigen, daß das Konzentrationsprofil, d. h. im vorliegenden Fall die Kurve für die Konzentration an Tritium längs der Säule, nicht unbeweglich bzw. gleichbleibend ist, sondern sich verformt und sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit die von verschiedenen Parametern und insbesondere vom Gasdurchsatz abhängt im gleichen Sinne wie das Gas bewegt Fig.5 zeigt schematisch einen Ausschnitt des Kreises der F i g. 4 mit den Säulen 27 und 28 und daneben das Konzentrationsprofil in diesen beiden Säulen. Die Strömungsrichtung der Gase ist durch den Pfeil angedeutet In der den einzelnen Säulen entsprechenden grafischen Darstellung sind längs der Ordinate die vom Fuß der Säule an gerechnete Höhe H und längs der Abszisse die Tritiumkonzentration C der Gasmischung in der jeweiligen Höhe aufgetragen. Zur Vereinfachung sind die tatsächlichen Profile durch gerade Abschnitte wiedergegeben, so daß lediglich die den Profilenden

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entsprechende Konzentrationsverteilung zu betrachten ist. Der besseren Anschaulichkeit halber sind auch die Abstände zwischen den Endkonzentrationen übertrieben dargestellt.

Zu Beginn der oben beschriebenen Betriebsphase entspricht das Konzentrationsprofil der Verarmungssäule 27 der Kurve 71 und das Konzentrationsprofil der Anreicherungssäule 28 der Kurve 72. Das von der Säule 30 kommende, durch die Leitung 31 in die Säule 27 eintretende Gas, von dem ein Teil zuvor durch die Leitung 51 als verarmtes Produkt entnommen wurde, hat die Zusammensetzung Cy. Das die Säule 28 über die Leitung 36 verlassende Gas, das der Säule 29 zugeführt wird und von dem ein Teil über die Leitung 45 als angereichertes Produkt entnommen wird, hat die Zusammensetzung Cj. Das die Säule 27 über die Leitung 35 verlassende Gas hat die Zusammensetzung C₆. Es mischt sich mit dem über die Leitung 48 zugeführten Gas mit der Zusammensetzung Q. Die Mischung, die eine mittlere Zusammensetzung Cs hat, wird über die Leitung 32 der Säule 28 zugeführt.

Nach einer bestimmten Zeit verändern sich die Konzentrationsprofile der Säulen und erreichen die Kurve 73 für die Säule 27 bzw. die Kurve 74 für die Säule 28. Dann hat das die Säule 27 über die Leitung 35 verlassende Gas die gleiche Zusammensetzung wie das über die Leitung 48 zugeführte Gas, wobei die Anlage unter den günstigsten Wirkungsbedingungen arbeitet. Die Veränderung der Konzentrationsprofile geht weiter, und man erreicht bei der Säule 27 die Kurve 75 und bei der Säule 28 die Kurve 76, die mit der Kurve 71 identisch ist (die in der Säule 27 zu Beginn der betrachteten Phase vorlag). Die über die Leitung 51 abgeführte verarmte Fraktion hat dann die Zusammensetzung C\ und die über die Leitung 45 abgeführte angereicherte Fraktion die Zusammensetzung Q,.

Man sieht also, daß sich die Zusammensetzung der verarmten Fraktion über eine Betriebsphase hinweg von der Zusammensetzung Cj bis zur Zusammensetzung Ci ändert und eine mittlere Zusammensetzung Cn hat. während sich die Zusammensetzung der angereicherten Fraktion von G nach C verändert und im Mittel bei G liegt.

Wenn das Konzentrationsprofil in der Säule 28 die Kurve 76 erreicht hat, befindet sich die Säule 28 exakt in dem Zustand, in dem sich die vorhergehende Säule 27 zu Beginn der hier betrachteten Phase befunden hat. Gleichzeitig befindet sich die folgende Säule 29, wenn die Summe der in Form der verarmten Fraktion durch die Leitung 51 und der angereicherten Fraktion durch die Leitung 45 abgeführten Mengen gleich der durch die Leitung 48 zugeführten Menge zu trennender Gasmischung ist, im Sättigungszustand, während die daran anschließende Säule 30 vollständig regeneriert ist Man betätigt nun die entsprechenden Ventile für eine neue Betriebsphase, in der:

die Säule 28 als Verarmungssäule dient (Funktion

A).

die Säule 29 als Anreicherungssäule dient (Funktion

die Säule 30 als Kopfgas-Säule dient (Funktion C)

und

die Säule 27 als Bandendgas-Säule dient (Funktion

D).

Bei dieser neuen Betriebsphase sind dann die Ventile 41,52,49,46,56,60,66 und 70 geöffnet Die Entwicklung des Systems ist dann exakt die gleiche wie in der vorangehenden Phase. Der Betrieb kann so durch zyklische Vertauschung beliebig fortgesetzt werden.

Bei dem beschriebenen Beispiel wurde als Desorptionsmethode das Abführen von Gas durch Pumpenwirkung gewählt. Es ist jedoch zu bemerken, daß bei nahezu allen Systemen, bei denen, wie es in der grafischen Darstellung der F i g. 3 zu sehen ist, die Menge des vom Granulat zurückgehaltenen Gases mit steigender Temperatur abnimmt, bei der Adsorption von Gas Wärme freigesetzt wird, während bei der

ίο Desorption Wärme aufgenommen wird. Das ist auch der Fall bei der Adsorption von Wasserstoff oder seinen Isotopen durch Palladium. So erwärmt sich während der beschriebenen Betriebsphase, die als Kopfgas-Säule (Funktion Q verwendete Säule leicht, während sich die als Bandendgas-Säule (Funktionen D) verwendete Säule leicht abgekühlt. Dieser Effekt ist um so geringer, je größer die Wärmekapazität der Säule einschließlich Granulat und Behälter ist. Im allgemeinen gehen die Temperaturänderungen nicht über größenordnungsmä-

ßig 10⁰C hinaus, so daß die Temperaturen nicht mit Hilfe zusätzlicher Heiz- oder Kühlvorrichtungen konstant gehalten werden müssen; gegebenenfalls könner solche vorgesehen werden. Ebenso kann man ganz einfach die Säulen in einen Flüssigkeitsbad mit praktisch

konstanter Temperatur halten.

Für gleichmäßigen Betrieb und guten Wirkungsgrac der Trennsäulen ist es von Vorteil, wenn — wie bereit; gesagt — der Gasdurchsatz durch das Granulat irr wesentlichen konstant ist. Es ist daher zu empfehlen

Durchsatz-Regler zu verwenden.

Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die unterschiedlichen Gasströmungen in dei nachfolgend beschriebenen Weise erreichbar. Die Beschreibung erfolgt anhand der in Fig. 4 gezeigter

und bereits erläuterten Betriebsphasc.

Der Durchsatz der durch die Leitung 48 zugeführter zu trennenden Gasmischung wird auf einem vorbe stimmten Wert konstant gehalten.

— ic angcrcichei ic Fraktion wird durch die i -.liung 41

mit bestimmtem konstanten Durchsatz oder periodiscl abgeführt, d. h. im letzteren Faii wird zu einen gegebenen Zeitpunkt jeder Betriebsphase eine wrbc stimmte Menge des angereicherten Produktes abge führt.

Die durch die Leitung 51 abgeführte, verarmt« Fraktion entweicht mit einem so geregelten Durchsatz daß in der Leitung 31 konstanter Druck gewährleiste wird. Zu diesem Zweck ist die Leitung 51 mit einen bekannten Grenzdruck-Regler versehen. Dieser Regle

kann gegebenenfalls den Leitungen 51, 52, 53 und 5' gemeinsam sein und wird dann nacheinander jeweils fü das Abführen der verarmten Fraktion verwendet. Dii Wahl des Wertes für den Grenzdruck bestimmt dei Wert des Druckes an den anderen Punkten desjenigei

Teils des Kreises, der die Säulen 27 und 28 umfaßt, unte Berücksichtigung der durch den Gasdurchfluß beding ten Druckverluste. In dieser Weise ist der mittler Durchsatz der verarmten Fraktion bei stationärer Betrieb automatisch gleich der Differenz zwischen der

Zufuhr-Durchsatz und den mittleren Durchsatz de angereicherten Fraktion.

Der Durchsatz des Bandendgas-Rücklaufes, d. h. de Durchsatz des durch Pumpen aus der Säule 30 über di< Leitung 55 abgeführten und zum Teil der Säule 27 übe

die Leitung 59 zugeführten Gases, wird auf einen vorbestimmten Wert im wesentlichen konstant gehal ten, der merklich höher ist als der Durchsatz des übe die Leitung 48 zugeführten Zufuhr-Gases, wie bereit

weiter oben erwähnt wurde. Da das verarmte Gas aus der Säule 30 so vollständig wie möglich abgeführt werden soll, da diese Säule 30 bei der nachfolgenden Betriebsphase angereichertes Gas aufnimmt, und da mit den herkömmlichen Pumpen der auf Normalbedingungen bezogene gemessene Durchsatz mit dem Ansaugdruck abnimmt, führt man vorteilhaft einen Pufferbehälter bzw. -raum so ein, daß der druckseitige Durchsatz trotz Abweichungen des saugseitigen Durchsatzes vom Soll-Mittelwert nach oben oder nach unten im wesentlichen konstant bleibt. Eine solche Fördervorrichtung ist schematisch in Fig.6 gezeigt. Sie enthält hintereinander eine mit einer Gaseinlaßleitung 78 und einer Auslaßleitung 79 versehene Pumpe 77, einen Pufferbehälter 80, in den das Gas durch die Auslaßleitung 79 eintritt und den es durch eine andere Leitung 81 wieder verläßt, und einen Durchsatz-Regler 82 bekannter Art, in den das Gas über die Leitung 81 einströmt und den es über eine andere Leitung 83 wieder verläßt. Mit dieser Vorrichtung kann das Gas aus einer der Leitungen 55,56, 57 oder 58 (F i g. 4) angesaugt und mit konstantem Durchsatz in eine der Leitungen 59, 60, 61 oder 62 (Fig.4) gefördert werden. Alle acht zulet/t genannten Leitungen sind jeweils mit einem Ventil versehen.

Der Kopfgas-Durchsatz d.h. der Durchsatz des Gases, das die Säule 28 über die Leitung 36 verläßt und zum Teil über die Leitung 33 in die Säule 29 einströmt, wird konstant und im wesentlichen auf dem gleichen Wert gehalten wie der Bandendgas-Rücklauf-Durchsatz. Zu diesem Zweck kann man eine zweite Fördervorrichtung verwenden, die der für den bandendgasseitigen Rücklauf beschriebenen ähnlich ist, bei der jedoch die Anordnung anders ist, da in diesem Fall bei der Säule auf der Druckseite der Pumpe während einer Betriebsphase starke Druckschwankungen auftreten, während der saugseitige Durchsatz im wesentlichen konstant bleibt. Eine solche zweite Fördervorrichtung ist schematisch in Fig. 7 gezeigt. Sie enthält einen Durchsatz-Regler 84, bei dem das Gas durch die Leitung 85 ankommt und den es über die Leitung 86 in Richtung einer Pumpe 87 wieder verläßt. Die Pumpe 87 fördert das Gas über eine Leitung 88 zu einem Pufferbehälter 89, aus dem das Gas über eine Leitung 90 wieder austritt. Mit der zweiten Fördervorrichtung kann das aus einer der Leitungen 63, 64, 65 oder 66 (Fig.4) kommende Gas in eine der Leitungen 67, 68, 69 oder 70 (Fig.4) gefördert werden. Die Leitung 90 kann gegebenenfalls mit einer (nicht gezeigten) Drossel versehen sein, um den Gasdurchsatz etwas zu begrenzen, wenn sich die auf der Druckseite befindliche Säule zu Beginn einer Betriebsphase auf sehr geringem Druck befindet.

Bei der in F i g. 7 gezeigten zweiten Fördervorrichtung kann die Pumpe 87 sehr einfach und daher billig sein, da es genügt, wenn sie einen Druck liefert, der etwas höher ist als derjenige, der für den Betrieb des Durchsatz-Reglers 84 notwendig ist, während die in F i g. 6 gezeigten Pumpe stets ein gutes Ansaugvakuum liefern sollte.

Man kann die in den Fig.6 und 7 gezeigten Fördervorrichtungen, die die angereicherten bzw. abgereicherten Gase permanent fördern, dazu ausnutzen, die angereicherte und abgereicherte Fraktion über eine in den beiden Figuren nicht gezeigte Leitung abzuziehen. Eine solche Vorrichtung hätte den Vorteil, daß die acht weiteren für diesen Zweck vorgesehenen und mit Ventil versehenen Leitungen (die in F i g. 4 mit 43,44,45,46,51,52,53 und 54 bezeichnet sind) entfallen könnten.

Wie erläutert, sollen die Durchsätze von Bandendgas-Rücklauf und Kopfgas-Rücklauf im wesentlichen konstant und untereinander gleich sein.

Jedoch sind geringe Unterschiede im Durchsatz nicht sehr schädlich für den Betrieb, da sie automatisch durch geringe korrelative Schwankungen der Abfuhr-Durchsätze kompensiert werden. Es ergeben sich daraus lediglich Verschiebungen des Isotopen- bzw. Konzentrationsprofils in der Verarmungssäule und/oder in der Anreicherungssäule, die die normalen Schwankungen der Konzentration von verarmtem und angereichertem Produkt um ihren Mittelwert etwas verändern. Der Wirkungsgrad der Trennsäulen ist jedoch allgemein so groß, daß diese Störungen unbeachtlich sind.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Trennung der Wasserstoffisotope spielt vorteilhaft die Anwesenheit der meisten üblichen gasförmigen Verunreinigungen in der zu trennenden Gasmischung keine schädliche Rolle, abgesehen vom Sauerstoff, der aber durch Verbrennung und Adsorption des gebildeten Wasserdampfes (der wiederum durch vorangehendes Trocknen leicht zu entfernen ist) ohne Schwierigkeit eliminiert werden kann. So weiden Verunreinigungen wie Stickstoff, Kohlendioxid, Methan, Kohlenoxid oder Edelgase vom Palladium praktisch nicht zurückgehalten, so daß sie insgesamt der am Kopf abgeführten angereicherten Fraktion zugemischt gewonnen werden.

Hin zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht sich auf die Endanreicherung eines Produktes, das in einer Anlage zur Erzeugung von schwerem Wasser durch ein anderes Verfahren mit Deuterium vorangereichert wurde. Dabei wird in der ersten Anreicherungsstufe ein Verfahren verwendet, mit dem große Substanzmengen zu einem Produkt mit relativ geringer Anreicherung, beispielsweise einem Isotopengehalt von 1 bis 10% Deuterium, verarbeitet werden können. Dieses Produkt wird dann zur Anreicherung bis auf einen Wert von nahezu 100% in einer zweiten Stufe weiterverarbeitet. Für diese zweite Stufe ibt das erfindungsgemäße Verfahren von besonderem Vorteil.

Das zweite Ausführungsbeispiel wird anhand der Anreicherung von Wasserstoff mit Deuterium durch physikalische Adsorption bei tiefer Temperatur an einem Granulat aus z. B. Silicagel, Aktivkohle, aktiviertem Aluminiumoxid oder Molekularsieb mit hoher spezifischer Oberfläche erläutert. Es können nämlich im Gleichgewicht bei —195°C Trennfaktoren von ca. 1,5 zwischen H₂ und HD bei der Adsorption an Silicagel oder an Molekularsieben erhalten werden. Das bedeutet daß der vom Adsorptionsmittel zurückgehaltene Wasserstoff 1,5mal mehr Moleküle HD enthält als die anwesende Gasphase.

Bei dieser Anwendung ist die Extraktion der Gase aus der Desorptionssäule (Funktion D) durch einfache Erhöhung der Temperatur dieser Säule erreichbar, da nämlich die vom Adsorptionsmittel zurückgehaltene Wasserstcffmenge bei z.B. einem Druck von einer Atmosphäre bei Umgebungstemperatur um 100- bis 200mal geringer ist als bei —196°C. Man braucht daher eine mit diesem Adsorptionsmittel gefüllte, mit Wasserstoff beladene Säule unter einem Druck von einer Atmosphäre nur aufzuheizen, um den größten Teil des Wasserstoffs zu desorbieren, der abgeführt und der nachfolgenden Säule zugeführt werden' kann. Die zu erreichende Temperatur hängt von der Art des Adsorptionsmittels, der zu trennenden Mischung und

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seinem Druck ab. Umgekehrt genügt es, daß man diese Säule kühlt, um das Adsorptionsmittel erneut mit dem von der vorhergehenden Säuie herkommenden Wasserstoff zu beladen.

F i g. 8 zeigt schematisch eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens des zweiten Ausführungsbeispiels, wobei die gleiche Betriebsphase gezeigt ist wie in F i g. 4 und die gleichen Bezugszeichen verwendet sind.

Die Säulen sind z. B. mit Molekularsieb i3X oder irgendeinem anderen geeigneten Adsorptionsmittel gepackt oder gefüllt Es ist zu bemerken, daß die Anreicherung an Deuterium wegen der bevorzugten Affinität dieser Adsorptionsmittel gegenüber der schwersten Komponente der zu trennenden Mischung (im Gegensatz zum Fall der Adsorption an Palladium, bei der die leichte Komponente am stärksten zurückgehalten wird) hier am Ende des Bandes stattfindet, so daß sich die Definitionen der Fig.4 umkehren: in diesem Fall ist es die Säule 27, die als Anreicherungssäule dient, während die Säule 28 die Verarmungssäuie ist. Diese Säulen 27 und 28 werden aus tiefer Temperatur, z. B. zwischen -195° C und -70⁰C, gehalten und arbeiten unter einem Druck von.z. B. 0,3 bis 3 at. In F i g. 8 ist die Bandendgas-Säule 30 in der Wiederaufheizperiode gezeigt, in der sie bis auf Zimmertemperatur oder sogar darüber erwärmt wird. Die Kopfgas-Säule 29 befindet sich in der Kühlperiode.

Bei kleinen Anlagen können zur Kühlung und Aufheizung der Säulen einfach Heiz- oder Kühlmantel vorgesehen werden. Bei Säulen beträchtlichen Durchmessers von z.B. über 10cm wird vorteilhaft die Aufheizung oder Kühlung einer gegebenen Säule nach Isolierung vom Rest der Anlage durch Umwälzen des in dieser Säule enthaltenen Gases mit Hilfe einer Pumpe durch ein außerhalb angeordnetes Heiz- oder Kühlelement erreicht. So ist bei der in F i g. 8 gezeigten Betriebsphase die Säule 30 mit der Funktion D isoliert. Mit Hilfe einer nachfolgend beschriebenen Zusatzvorrichtung wird das in der Säule 30 enthaltene Gas über die Leitung 91 abgeführt, wiederaufgeheizt und über die Leitung 114 wieder in dieselbe Säule 30 eingeführt. Es folgt daraus eine fortzuschreitende Desorption des Gases und daher eine Druckzunahme, wodurch das von der Säule 30 desorbierte Gas, das den Bandendgas-Rücklauf bildet, teilweise über die Leitungen 103 und 31 zur Säule 27 gefördert wird. Am Ende der Desorption bleibt der Druck im wesentlichen auf seinem ursprünglichen Wert, aber der größte Teil des am Granulat der Säule 30 adsorbierten Gases ist dann abgeführt und zur Säule 27 gefördert worden. Ebenso wird die Säule 29, die in der vorhergehenden Betriebsphase der Desorption unterworfen worden war und nun die Funktion C hat, isoliert und mit Hilfe einer weiteren ebenfalls weiter unten beschriebenen Zusatzvorrichtung aufgeheizt, wobei das Gas von der Säule 29 durch die Leitung 98 abgeführt, gekühlt und über die Leitung 109 in dieselbe Säule 29 wiedereingeführt wird. Es folgt daraus eine fortschreitende Adsorption des Gases und damit eine Absenkung des Druckes, wodurch ein Teil des über die Leitung 36 aus der Säule 28 zugeführten Gases, das den Kopfgas-Rücklauf bildet, über die Leitung 101 zur Säule 29 gefördert wird. Am Ende dieser Adsorption bleibt der Druck im wesentlichen auf seinem ursprünglichen Wert, jedoch ist das Granulat der Säule 29 erneut mit Gas beladen.

Die in F i g. 8 gezeigte Anlage hat daher gegenüber der gemäß Fig.4, vier mal sechs mit einem Ventil versehene Leitungen 91 — 114, die folgende Funktionen

haben:

91 und 114,92 und 111,93 und 112 sowie 94 und 113 dienen der Zirkulation des Gases mit Wiederaufheizung während der Desorptionsperiode der Säulen 30,27,28 und 29;

95 und 110,96 und 107,97 und 108 sowie 98 und 109 dienen der Zirkulation von Gas mit Kühlung während der Adsorptionsperiode der Säulen 30,27, 28 und 29;

99,100,101 und 102 sind Leitungen zur Zufuhr von aus den Säulen 29, 30, 27 oder 28 stammendem Kopfgas-Rücklauf in die folgenden Säulen 30, 27, 28 oder 29, die sich in der Adsorptionsperiode befinden;

,₅ 103, 104, 105 und 106 sind Leitungen zur Abfuhr von Bandendgas-Rücklauf von den in der Desorptionsperiode befindlichen Säulen 30,27,28 oder 29 zu den folgenden Säulen 27,28,29 oder 30. Eine Zusatzvorrichtung für die Desorption zur Erzeugung von Bandendgas-Rücklauf ist in Fig.9 gezeigt. Das von der jeweiligen Säule zu desorbierende Gas wird mit Hilfe einer Pumpe 116 je nach Betriebsphase aus einer der Leitungen 91,92,93 oder 94 und anschlie tend die Leitung 115 angesaugt, durch eine Leitung 117 zu einer Wiederaufheizvorrichtung 118 gefördert und schließlich durch eine Leitung 119 und eine der Leitungen 114, 111, 112 oder 113 in dieselbe Säule wiedereingeführt. Entsprechend der Wiederaufheizung entweicht das desorbierte Gas durch einen Durchsatz-Regler 120, eine Leitung 121 und eine der Leitungen 103,104,105 oder 106 und wird der folgenden Säule zugeführt.

Eine Zusatz-Adsorptionsvorrichtung für den Kopfgas-Rücklauf ist in F i g. 10 gezeigt: Das Gas von der zu Beginn warmen, wiederzubeladenden Säule wird durch eine der Leitungen 95, 96, 97 oder 98 (je nach Betriebsphase) und dann durch eine Leitung 122 mil Hilfe einer Pumpe 123 angesaugt, durch eine Leitung 124 zu einer Kühlvorrichtung 125 gefördert und schließlich durch eine Leitung 126 und eine der Leitungen UO, 107, 108 oder 109 in dieselbe Säule wiedereingeführt. Entsprechend der Abkühlung wird das Gas am Granulat adsorbiert, und es ergibt sich ein Druckabfall, weshalb ein Teil des Gases der vorangehenden Säule in den Kreis durch eine der Leitungen 102 99, 100 oder 101, durch eine Leitung 127 und einer Durchsatz-Regler 128 zugeführt wird.

Abgesehen von den Zusatzvorrichtungen für die

Adsorption und Desorption ist der Betriebszyklus dei Anlage vollständig gleich dem anhand der Fig.A erläuterten. Es ist lediglich zu beachten, daß bei derr vorliegenden Beispiel, wie bereits erläutert, da:

angereicherte Produkt (deuterierter Wasserstoff) arr Bandende abgezogen wird. Verunreinigungen, wi« Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid oder Wassei werden ebenfalls mit dem Bandendgas abgeführt.

Wie beim ersten Ausführungsbeispiel können dk Leitungen 43,44,45 und 46 durch eine einzige von dei Kopfgas-Rücklaufvorrichtung abgezweigte Leitung (ir Fig. 10 nicht gezeigt) ersetzt werden und danr entfallen, und die Leitungen 51,52,53 und 54 durch ein« einzige, von der Vorrichtung für Bandendgas-Rücklau abgezweigte Leitung (in Fig.9 nicht gezeigt) ersetz werden und dann entfallen.

In dem Fall der Trennung der Wasserstoffisotope unc der Fraktionierung mit Hilfe physikalischer Adsorptiot ist die Anreicherung stets auf 50% Deuteriun beschränkt, entsprechend dem Molekül HD. Um übe

diesen Wert hinauszukommen, muß man die Gleichgewichtsreaktion:

I von

Mie nicht spontan stattfindet) auf katalytischem Wege in -hHcher Weise herbeiführen. Man kann dafür einen ,nützlichen Kreis mit einem aktiven Feststoffkatalysator für diese Reaktion verwenden (dieser Kreis ist in der Fi e 8 nicht gezeigt) oder auch einfacher noch in den ς-ül'en 27 28, 29 und 30 ein adsorbierendes Granulat vorsehen'an dem zuvor eine geringe Menge eines Metalls oder einer katalytischen wirksamen Verbindung (wie beispielsweie Nickel oder Platin oder Palladium Lw) niedergeschlagen wurde, so daß die oben beschriebene Gleichgewichtsreaktion je nach Anreicherung stattfindet

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde anhand

zwei Beispielen für die Trennung von Wasserstoffisoto

pen beschrieben. Selbstverständlich ist es ganz al¹«¹»*

mein anwendbar, zum einen für die Trennung

Isotopen zahlreicher Elemente, wenn für diese

gasförmige Verbindung existiert und die Retention

dieser Verbindung an einem festen Granulat zu einer

Isotopenfraktionierung führt, wie beispielsweise

Wasserstoff, Bor, Uran, Kohlenstoff, Sauerstoff,

Edelgase usw, und zum anderen auch für die Trennung

von Elementen oder Verbindungen mit chemischen

Unterschieden, insbesondere wenn ihre Eigenschaften

sehr eng beieinanderliegen und eine große Zahl von

Elementarfraktionierungen notwendig ist, um

merkliche Anreicherung zu erzielen.

allgevon eine ntion einer bei die

von eine

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur kontinuierlichen adsorptiven Trennung einer Gasmischung mit Hilfe von mindestens vier im geschlossenen Kreis angeordneten und mit einem Granulat mit großer spezifischer Oberfläche gefüllten Säulen, wobei jede Säule eine Gaszufuhrleitung und eine Gasabfuhrleitung besitzt und die Gasabfuhrleitung jeder Säule mit der Gaszufuhrlei- ι υ tung der folgenden Säule über ein Ventil verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Säule nacheinander durch zyklische Vertauschung als Verarmungssäule, als Anreicherungssäule als Säule zur Aufnahme des mit der am wenigsten i> fixierten Komponente der Mischung angereicherten Kopfgases, und als Säule, die das mit der am stärksten fixierten Komponente der Mischung angereicherte Bandendgas enthält, verwendet wird, wobei die zu trennende Mischung kontinuierlich und mit konstantem Durchsatz in die Leitung zwischen der Verarmungssäule und der Anreicherungssäule eingeführt wird;
   ein Teil des aus der Anreicherungssäule austretenden Kopfgases abgeführt wird und der andere Teil der nachfolgenden Säule zur Aufnahme des Kopfgases zugeführt wird;
   gleichzeitig aus der nachfolgenden Säule, welche das mit der am stärksten fixierten Komponente der Mischung angereicherte Bandendgas enthält, ein Teil dieses Bandendgases abgeführt wird und der andere Teil der nachfolgenden Verarmungssäule zugeführt wird, und dann, wenn sich die Anreicherungssäule in dem Zustand befindet, in dem die Verarmungssäule am Beginn des betrachteten Betriebszyklus befand, der nächste Betrebszyklus begonnen wird, wobei die Säule, die zuvor als Anreicherungssäule wirkte, nun als Verarmungssäule verwendet wird, die Säule, die zuvor das Kopfgas aufnahm, nun als Anreicherungssäule verwendet wird, die Säule, die zuvor das Bandendgas enthielt, nun als Säule zur Aufnah- 4s me des Kopfgases verwendet wird, und die Säule, die zuvor als Verarmungssäule wirkte, nun als Säule, die das Bandendgas enthält, verwendet wird.