DE2036568A1

DE2036568A1 - Liquid sodium aerosol filters - for sodium cooled nuclear power stations

Info

Publication number: DE2036568A1
Application number: DE19702036568
Authority: DE
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority date: 1970-07-23
Filing date: 1970-07-23
Publication date: 1972-01-27

Abstract

Continuous removal of liquid metal from a stream of gas esp for the sepn of finely divided and dissolved sodium, from the protective gas in a sodium-cooled nuclear power station, by first heating the metal-contg gas above the satn. temp. and subsequently cooling without allowing the temp. to reach the metal freezing point. Spec. the heating and/or cooling is carried out in a filter which is a good heat conductor, in which the pore size decreases in the direction of flow. Cooling is pref. achieved by admixture of cold protective gas.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Abscheidung von Flüssigmetallen aus Gasen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Abscheidung von Fltssigmetallen aus Gasen, insbesondere zur Abscheidung von fein verteiltem und gelöstem Natrium aus dem Sohutzgas von natriumgekühlten Kernenergieanlagen. Method and device for the continuous separation of liquid metals from gases The present invention relates to a method and an apparatus for the continuous separation of liquid metals from gases, especially for Separation of finely divided and dissolved sodium from the soot gas from sodium-cooled Nuclear power plants.

Einige Metalle mit geringem Schmelz- und Siedspunkt, hier Flüssigmetalle genannt, haben einerseits große Vorteile fUr den Energietransport in Kernenergieanlagen, bedingen aber andererseits besondere Maßnahmen in Bezug auf Rinheit und Luftabschluß, weil sie mit Luft oder Feuchtigkeit teilweise heftig reagieren oder zumindestens unerwünschte und schwer entfernbare Ablagerungen bilden. Daher werden die Hohlräume über dem Flüssigmetallspiegel mit einem Inertgas oder auch Schutzgas, z.B. mit Argon gefüllt. An den den Flüssigmetalloberflächen verdampft ein Teil des Flüssigmetalles und wandert zunächst gasförmig im Schutzgas gelöst, schon auf Grund der natürlichen Xonvektion zu kälteren Anlageteilen, wo es kondensiert und sich teilweise auf den kalten Flachen niederschlägt und teilweise als Aerosol im Schutzgas schweben bleibt. Auch bei erneuter Erwärmung des Schutzgases über freien Flüssigmetalloberflächen bleibt ein Teil dieses Nebels erhalten, da das Schutzgas zusätzlich verdampftes Flüssigmetall aufnimmt.Some metals with a low melting and boiling point, here liquid metals on the one hand have great advantages for the transport of energy in nuclear power plants, but on the other hand require special measures with regard to purity and air exclusion, because they sometimes react violently or at least with air or moisture form unwanted and difficult to remove deposits. Hence the voids Above the liquid metal level with an inert gas or protective gas, e.g. with argon filled. Part of the liquid metal evaporates on the liquid metal surfaces and initially migrates in gaseous form in the protective gas, already due to the natural Xonvection to colder parts of the system, where it condenses and partially dissolves on the cold surfaces and sometimes float as an aerosol in the protective gas remain. Even if the protective gas is heated again over free liquid metal surfaces part of this mist remains, as the protective gas also evaporates Absorbs liquid metal.

Geringe Spuren von Sauerstoff und Feuchtigkeit, die durch die stets vorhandenen Undichtigkeiten in das Schutzgas eindringen, reagieren mit dem Flllssigmetall im Sehutagas und bilden feinste Partikel, die im wesentlichen im Schutzgas schwebend verbleiben. Es wurde beobachtet, daß das Schutzgas aufgrund der oben beschriebenen Vorgänge über einer größeren heißen Flüssigmetallfläche bis zum lo-fachen derjenigen Flüssigmetallmenge enthält, die auf Grund der Gasgesetze zu erwarten ware. Die Aerosole schlagen sich besonders an den kälteren Anlageteilen nieder und bilden oft störende Ablagerungen, die sich, da sie nicht nur aus Metall bestehen, allein durch Erwärmung nicht wieder beseitigen lassen.Small traces of oxygen and moisture, which are always due to the penetrate the protective gas, react with the liquid metal in the Sehutagas and form the finest particles, which are essentially suspended in the protective gas remain. It was observed that the protective gas due to the above-described Processes over a larger hot liquid metal surface up to ten times that Contains amount of liquid metal that would be expected on the basis of gas laws. The aerosols are particularly reflected on the colder parts of the system and often form disruptive ones Deposits that, since they are not made only of metal, are formed solely by heating do not have to be removed again.

Das Abscheiden von festen oder flüssigen Stoffen aus Gasen ist bekann, Nähere Angaben finden sich in "Fortschritte der Verfahrenstechnik", Band 7, auf Seite 295 und 896 sowie in Band S auf Seite @04. Dort finden sich aber keine Hinweise für die Lösung der besonderen Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung. Auch in dem Bericht von R.A. Müller, Institut für Reaktorentwicklung am Kernforschungszentrum Karlsruhe, von 9.4.1970 über das "Specialists Mesting on Sodium Vapor Control" in Cadarache, Frankreich, am 19. und 20. Märs 1970, werden wohl die Probleme bei der Abscheidung von Natrium aus Schutzgas besprochen, aber eine voll befriedigende Lösung hat lan noch nicht zur Verfügung. Auf Seite * dieses Berichtet steht: wZur Abscheidung der Natrium-Aerosole sind zwei umschaltbare und abwechselnd in Betrieb befindliche kalte machanische Filter vorhanden.The separation of solid or liquid substances from gases is known Further information can be found in "Advances in Process Engineering", Volume 7 Pages 295 and 896 as well as in volume S on page @ 04. However, there are no indications there for solving the particular problem of the present invention. Even in the report by R.A. Müller, Institute for Reactor Development at the Nuclear Research Center Karlsruhe, from 9.4.1970 about the "Specialists Mesting on Sodium Vapor Control" in Cadarache, France, on March 19 and 20, 1970, arguably the problems with the Sodium separation from protective gas discussed, but a fully satisfactory one solution lan is not yet available. On page * of this report it says: wFor separation The sodium aerosols are two switchable and alternately in operation cold mechanical filters available.

Die Laufzeit eines Filters beträgt maximal einige Tage, oft jedoch nur einen Tag. Auf Seite 6 steht : "In einer speziellen Anlage studiert man i.Zt. die Wirksamkeit verschiedener Typen von Natrium-Nebelabscheidern und die Laufzeit der diesen nachgeschalteten mechanischen Filter (gesinterte Filterkerzen aus rostfreiem Stahl). Sorgen bereitet die relativ kurze Laufzeit dieser Nachfilter, usw." Ebenfalls auf Seite 5 steht: Mit Raschig-Ringen gefüllte Waschsäulen, in denen gegenläufig zum aufsteigenden Argonstrom Natrium herabrieselt, @hnlich wie dies aus der allgemeinen Verfahrenstechnik bekannt ist. Diesen Vorabscheidern sind auch hier bei Umgebungstemperatur arbeitende mechanische Feinfilter nachgeschaltet." Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die kontinulerliche Abscheidung von Flüssigmetallen aus Gasen, insbesondere die Abscheidung von fein verteiltes und gelöstem Natrium aus dem Schutzgas von natriungekühlten Kernenergieanlagen.The maximum duration of a filter is a few days, but often only one day. On page 6 it says: "In a special facility you are currently studying the effectiveness of different types of sodium mist eliminators and the running time the mechanical filter (sintered filter candles made of rustproof Stole). The relatively short runtime of these post-filters is a cause for concern, etc. "Also on page 5 it says: Wash columns filled with Raschig rings, in which they run in opposite directions Sodium trickles down to the rising argon stream, similar to this from the general one Process engineering is known. These pre-separators are also here at ambient temperature working mechanical fine filter downstream. "Object of the present invention is the continuous separation of liquid metals from gases, in particular the separation of finely divided and dissolved sodium from the protective gas from sodium-cooled Nuclear power plants.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß das Gas Bit da darin enthaltenen Flüssigmetall erst über die Sättigungstemperatur erwärnt und dann abgekühlt wird, chne dabei aber die Erstarrungstemperatur des Flüssigmetalle zu erreichen. Die bisherige Theorie zur Abscheidung feiner Flüssigkeitetropfen aue Gasen geht aus von dem Gedanken, daß die feinen Flüssigkeitstropfen zunächst koaguliert werden müssten, um sie dann unter dem Einfluß von kräften abzuscheiden. Diese Theorie ist richtig bei der wirtschaftlichen Abscheidung grober lrengen mit geringem Energieaufwand. Bei der vorliegenden Erfindung steht jedoch die moglichst weitgehende Abscheidung von kleinen und wechselnden Mengen bei langer Betriebs zeit mehr im Vordergrund. Die vorliegende Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß es in diesem Fall sinnvoller ist, die feinen Fltssigkeitstropfen zunächst zu verdampfen, weil das dampfförmige Metall unter dem Einfluß des Dampfdruckes in Richtung des Konzentrationsgefälles zu den kalten Flachen wandert und dort kondensiert, während bei den flüssigen Teilchen mit abnehmendem Teilchendurchmesser die Oberflächenspannung wächst und der Einfluß der Massenkräfte auf die Abschei dung geringer wird, Mit Rücksicht auf einen meglichst kurzen Weg des Dampfes zu kalten Flachen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Abscheidung in einem gut warmeleitenden Filter von geringer Porengr8ße vorzunehmen.To solve this problem, it is proposed that the gas bit there The liquid metal contained is first heated above the saturation temperature and then cooled will, however, reach the solidification temperature of the liquid metal. The previous theory for the separation of fine liquid droplets from gases works from the idea that the fine drops of liquid are first coagulated would have to then under the influence of forces to be deposited. This theory is correct with the economic separation of coarse amounts low energy consumption. In the present invention, however, is the most possible extensive separation of small and changing quantities over long periods of operation more in the foreground. The present invention is based on the knowledge that In this case it makes more sense to evaporate the fine liquid droplets first, because the vaporous metal under the influence of the vapor pressure in the direction of the Concentration gradient migrates to the cold surfaces and condenses there while the surface tension of the liquid particles with decreasing particle diameter grows and the influence of the mass forces on the separation is less, with According to the invention, consideration is given to the shortest possible path for the steam to reach cold surfaces proposed the deposition in a highly thermally conductive filter with a small pore size to undertake.

Mit Rücksicht auf die Gefahr der Verstopfung wird erfindungsgemaß vorgeschlagen, daß die Porengröße in trör.lungsrichtung abnimmt. Bei kleinen Apparaten wird man aber auf die abnehmende i'orengrs verzichten oder beispielsweise byr zwei verschiedene Porengrößen vorsehen.In consideration of the risk of clogging, the invention is carried out suggested that the pore size decreases in the direction of trör.lungsrichtung. With small devices but one will forego the decreasing i'orengrs or, for example, byr two provide different pore sizes.

Weiterhin wird vorgeschlagen, die Abkühlung, des Gases durch Mischung mit kaltem Gas vorzunehmen, beispielsweise durch Mischung mit dem Gas, das frisch in die Anlage eingespeist wird.It is also proposed that the gas be cooled by mixing with cold gas, for example by mixing with the gas that is fresh is fed into the system.

In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemaßen Verfahrens angegeben, Diese Vorrichtung besteht aus einem länglichen, annähernd senkrechtem und von unten nach oben durchstr.im baren Apparat, der etwa in der unteren Hälfte beheizbar ist und in dem unteren Drittel metallische Füllkörper enthält, der im mittleren Drittel eine Füllung von Stahlwolle enthalt und der im oberen Drittel ein oder mehrere, annähernd senkrechte und längliche Sintermetallfilter enthalt die an ihrem unteren Ende verschlossen sind und deren obere offene Enden in einem dichten Boden befestigt sind. Diese erfindungsgemäße Vorrichtung hat beispielsweise bei einem Durchmesser von 80 mm und einer Länge von 200 mm eine Dauerleistung von 1 Nm3/h und kann kurzzeitig auch mit 5 Nm3/h bei einwandfreier Abscheidung betrieben werden.In a special embodiment of the invention, a device for Implementation of the method according to the invention indicated, This device consists from an elongated, approximately vertical and crossed from bottom to top apparatus that can be heated approximately in the lower half and in the lower third contains metallic fillers, the middle third of which is filled with steel wool and the one in the upper third contains one or more, approximately vertical and elongated Contains sintered metal filters which are closed at their lower end and whose upper open ends are fixed in a dense soil. This invention Device has, for example, a diameter of 80 mm and a length of 200 mm a continuous output of 1 Nm3 / h and can briefly also with 5 Nm3 / h with perfect Deposition are operated.

In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, in mindestens einem der Sintermetallfilter auf der Seite des reinen Gases eine Temperaturmeßstelle anzuordnen. Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, die Beheizung der Vorrichtung so zu regeln, daß an dieser Stelle bei Abscheidung von Natrium aus Argon eine Temperatur von ca 1000 C eingehalten wird.In a further embodiment of the device according to the invention it is proposed that a temperature measuring point in at least one of the sintered metal filters on the side of the pure gas to arrange. It has been found to be useful to heat the device to be regulated so that a temperature at this point when sodium is separated from argon of approx. 1000 C is maintained.

Die Figuren 1 - 5 zeigen ein mögliches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In Figur 1 ist Teil 1 ein zylindrischer Behälter, der oben und unten durch je einen runden Boden 2 verschlossen ist, der je einen Anschlußstutzen 3 trägt. Dieser Behälter wird nach der Montage gasdicht verschweißt. Es hat sich geZeigt, daß es wirtschaftlich ist, keine Schraubflanschen zu verwenden und den Behälter im Bedarfsfall spanabhebend tu öffnen. Im unteren Teil des Behalters befindet sich ein Einsatzkäfig 6 aus Drahtgewebe 7,, der etwa im unteren Drittel 8 des Behälters mit sogenannten Paliringen größe 15 x 20) und im mittleren Drittel 9 des Behälters mit feiner Stahlwolle (Größe 0,2 - 0,3 mm d) gefüllt ist. Im oberen Drittel 10 des Behälters befinden sich mehrere parallele zylindrische Sintermetallkerzen 11 (Porengröße 50r ) die an ihrem unteren Ende durch Sintermetallplatten 12 verschlossen sind und mit ihrem oberen, offenen Ende in einem Boden 13 dicht eingesetzt sind.Figures 1-5 show a possible embodiment of the invention Contraption. In Figure 1, Part 1 is a cylindrical container that is top and bottom is closed by a round bottom 2, each of which carries a connecting piece 3. This container is welded gas-tight after assembly. It has shown, that it is economical not to use screw flanges and the container If necessary, open it by cutting. In the lower part of the container there is an insert cage 6 made of wire mesh 7 ,, the about in the lower third 8 of the container with so-called Pali rings size 15 x 20) and in the middle third 9 of the container is filled with fine steel wool (size 0.2-0.3 mm d). At the top Third 10 of the container are several parallel cylindrical sintered metal candles 11 (pore size 50r) which are closed at their lower end by sintered metal plates 12 are and are inserted tightly with their upper, open end in a base 13.

Die Figur 2 zeigt den Einsatzkäfig 6 aus Drahtgewebe 7, der durch Bolzen 14 und Blenstreifen 15 versteift wird.Figure 2 shows the insert cage 6 made of wire mesh 7, which by Bolts 14 and cover strips 15 is stiffened.

Die figur 3 zeigt den Schnitt AA durch den EinsatzkAfig, aus dem ersichtlich ist, daß der Einsatzkäfig an seinem unteren Ende von Drahtgewebe abgeschlossen wird.The figure 3 shows the section AA through the insert cage, from which can be seen is that the insert cage is closed at its lower end by wire mesh.

Figur 4 zeigt den Schnitt BB durch den Einsatzkäfig, aus dem ersichtlich ist, daß die Trennwand 16 zur Hälfte aus Blech und zur Hälfte aus Drahtgewebe besteht.FIG. 4 shows the section BB through the insert cage, from which it can be seen is that the partition 16 consists of half sheet metal and half of wire mesh.

Figur 5 zeigt die Ansicht C auf den Einsatzkäfig 6, aus der ersichtlich ist, daß die obere Begrenzung des Einsatzkäfigs zu etwa zwei Dritteln durch eine Blechplatte verschlossen ist und somit zusammen mit der Blechplatte 16 das zu reinigende Gas zu einer Umlenkung zwingt.FIG. 5 shows the view C of the insert cage 6, from which it can be seen is that the upper limit of the insert cage to about two thirds by a Sheet metal plate is closed and thus together with the sheet metal plate 16 to be cleaned Forcing gas to deflect.

Claims

Protection claims

1. Process for the continuous separation of liquid metals from gases, especially for the separation of finely divided and dissolved sodium from the protective gas of sodium-cooled nuclear power plants, characterized in that that the gas with the liquid metal contained therein is destroyed above the saturation temperature is heated and then cooled without changing the solidification temperature of the liquid metal to reach.

2. The method according to claim 1, characterized in that the heating and / or the cooling of the gas is carried out in a filter that conducts heat well will.

3. The method according to claim 1, characterized in that the heating and / or cooling of the gas in a filter of decreasing flow direction Pore size is made.

4. The method according to claim i, characterized in that the cooling is done by mixing with cold gas.

5. Apparatus for performing the method according to claim 1, characterized characterized in that an elongated, approximately vertical can flow through from bottom to top The lower half of the apparatus can be heated and the lower third is metallic Contains packing, in the middle third contains zinc filling of steel wool and in the upper third one or more approximately vertical and elongated sintered metal filters contains, which are closed at their lower end and their upper, open ends are fixed in a dense soil.

6. Apparatus according to claim 4, characterized in that in at least one of the sintered metal filters on the side of the pure gas a temperature measuring point is available.

L e r s e i t e