DE2232712A1

DE2232712A1 - Verfahren und anlage zur gewinnung eines mit deuterium angereicherten einspeisestromes fuer eine anlage zur gewinnung von schwerem wasser

Info

Publication number: DE2232712A1
Application number: DE19722232712
Authority: DE
Inventors: Mehmet Sahabettin Ergenc
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1972-06-30
Filing date: 1972-07-04
Publication date: 1974-01-17
Also published as: CA998231A; GB1437366A; CH553127A; JPS4969560A; JPS5633323B2; DE2232712B2; DE2232712C3

Description

Gebrüder Sulzer, Aktiengesellschaft, Winterthur/Schweiz

Verfahren und Anlage zur Gewinnung eines mit Deuterium angereicherten Einspeisestromes für eine Anlage zur Gewinnung von

schwerem Wasser.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung'eines mit Deuterium angereicherten Einspeisestromes für eine Anlage zur Gewinnung von schwerem Wasser, wobei der Einspeisestrom aus angereichertem Wasserstoff, angereicherten Wasserstoff enthaltendem Gasgemisch oder angereichertem Wasser besteht und in einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erfindung hat sich ein Verfahren und eine Anlage zur Gewinnung von schwerem Wasser zum Ziel gesetzt, die einen gegenüber den bisher üblichen Verfahren weit geringeren Aufwand hinsichtlich Dimensionierung der Anlageteile und' Energiebedarf ermöglicht, und zwar soll dieses dadurch erreicht werden, dass der in die Anlage zur Gewinnung von schwerem Wasser eingeleitete Einspeisestrom gegenüber der natürlichen Deuteriumkonzentration (135 - 145 ppm) eine um ein Vielfaches höhere Deuteriumkonzentration aufweist.

Hierbei hat es sich die Erfindung insbesondere zur Aufgabe gemacht, die Deuteriumanreicherung des Einspeisestromes auf wirtschaftliche Weise zu erreichen.

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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Isotopenaustausch zwischen V/asser und Wasserstoff stattfindet, wobei angereicherter Wasserstoff und Kohlendioxyd vor dem Isotopenaustausch aus angereichertem Wasser und Kohlenmonoxyd durch eine chemische Reaktion gewonnen wird, und wobei das zur Herstellung von Wasserstoff erforderliche Kohlenmonoxyd durch eine chemische Umwandlung von abgereichertem Wasserstoff und Kohlendioxyd in abgereichertes Wasser und Kohlenmonoxyd vor dem Isotopenaustausch hergestellt wird.

Eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist nach der Erfindung gekennzeichnet.durch eine Isotopenaustauschvorrichtung für Wasserstoff und Wasser und eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wasser und Kohlenmonoxyd in Wasserstoff und Kohlendioxyd sowie eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wasserstoff und Kohlendioxyd in V/asser und Kohlenmonoxyd.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass das für die Wasseraufspaltung erforderliche Kohlenmonoxyd zur Gewinnung von Wasserstoff wieder nach einem erfolgten Isotopenaustausch zwischen Wasser und Wasserstoff durch eine chemische Umwandlung von Wasserstoff und Kohlendioxyd in Wasser und Kohlenmonoxyd zurückgewonnen werden kann.

Es ist somit aufgrund dieser chemischen Umwandlungen, die

a) in einer exotherm verlaufenden Reaktion nach der Beziehung H₂O + CO -> H₂ + CO₂ und

b) in einer endotherm verlaufenden Reaktion nach der Beziehung

H₂ + CO₂-* H₂O+ CO 309883/0811

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erfolgen, nicht erforderlich, ständig wertvolles Kohlenmonoxyd von aussen der Anlage zur Gewinnung von Wasserstoff zuzuführen,, so dass das Verfahren zur Erzeugung eines an Deuterium angereicherten Einspeisestromes äusserst wirtschaftlich ausgeführt werden kann.

Die chemischen Umwandlungen erfolgen in Konvertern in Gegenwart von Katalysatoren, beispielsweise Chrom-, Kupfer-^Jickelr-jEisen- und Zinkoxyde je nach den Reaktionstemperaturen in den Konvertern. D.h. in einem Konverter können schichtweise verschiedene Katalysatoren je nach Temperatur angeordnet sein.

* Da die eine Reaktion exotherm und die andere Reaktion endotherm erfolgt, kann eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung darin bestehen, dass ein kombinierter Konverter angeordnet ist, in dessen einem Teil die Umwandlung von Wasser '■ """ und Kohlenmonoxyd in Wasserstoff und Kohlendioxyd und in dessen anderem Teil die Umwandlung von Wasserstoff und Kohlendioxyd in Wasser und Kohlenmonoxyd stattfindet, wobei die beiden Teile durch wärmeübertragende Zwischenwände miteinander verbunden sind, und dass weiterhin in den Strömungsrichtungen der den Konverter verlassenden Umwandlungsprodukte je ein Konverter zusätzlich für die Vervollständigung der chemischen Umwandlungen vorgesehen ist.

Die Vorteile eines kombinierten Konverters bestehen_;darin, dass die bei der exotherm verlaufenden Reaktion freiwerdenden Wärme zur Deckung des Wärmebedarfes der endotherm verlaufenden Reaktion ausgenutzt wird. Da der Wärmeübertragungsprozess mit einer ge-

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wissen Irreversibilität verläuft, da andernfalls die wärmeübertragenden Zwischenwände unendlich gross ausgeführt werden müssten, sind zur Vervollständigung der chemischen Reaktionen - wie vorstehend angegeben - noch zusätzliche Konverter angeordnet.

Eine weitere Verbesserung der erfindungsgemässen Anlage kann darin bestehen, dass eine Uebertragungskolonne angeordnet ist, welche von dem in den Konvertern erzeugten Wasserdampf und dazu im Gegenstrom eingeleiteten Wasser durchströmt wird, wobei Deuterium aus dem Wasser auf den Wasserdampf übertragen wird.

Bei der Uebertragung von Deuterium aus V/asser auf Wasserdampf in der Uebertragungskolonne ist kein Katalysator erforderlich im Gegensatz zu einer Isotopenaustauschvorrichtung, welche im Gegenstrom von Wasser und einem Wasserstoff als Komponente enthaltendem Gasgemisch durchsetzt wird, und zwischen den beiden ein Isotopenaustausch stattfindet und wobei ein Katalysator, z. B. eine Platinsuspension erforderlich ist.

Bei Anordnung einer Uebertragungskolonne wird verhindert, dass z.B. mit Kalk verunreinigtes Frischwasser die Isotopenaustauschvorrichtung durchströmt, und somit eine Zerstörung des Katalysators vermieden wird. V/eitere Vorteile dieser Uebertragungskolonne werden an späterer Stelle der Beschreibung erläutert.

Schliesslich besteht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung darin, dass ein Gegenstromwärmeaustauscher im Strömungsweg des die Isotopenaustauschvorrichtung verlassenden an Deuterium abgereich-

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ten Gasstromes angeordnet ist, dass der Wärmeaustauscher ausserdem im Strömungsweg des aus Wasser und Kohlenmonoxyd umgewandelten aus angereichertem Wasserstoff und Kohlendioxyd und nichtreagierende Restbestandteile bestehenden Gasstromes vor dessen Einleitung in die Isotopenaustauschvorrichtung liegt, und dass an den Wärmeaustauscher eine für den in ihm .auskondensierten Wasserdampf dienende^ Förderleitung an den oberen Teil der Isotopenaustauschvorrichtung angeschlossen ist und dass weiterhin an das untere Ende der Isotopenaustauschvorrichtung eine Förderleitung für die Einleitung einer Teilmenge des in der Vorrichtung angereicherten Wassers in die Zuleitung des Wärmeaustauschers für angereicherten Wasserstoff, Kohlendioxyd und nichtreagierende Restbestandteile angeschlossen ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass die Vorrichtung zur Umwandlung von Wasserstoff und Kohlendioxyd in Wasser und Kohlenmonoxyd mindestens zweistufig ausgeführt ist, wobei zwischen den beiden Stufen ein Kondensator angeordnet ist, welcher zur Verflüssigung und Ausscheidung des in der ersten Stufe gebildeten Wassers dient.

Hierbei kann im Strömungsweg der Umwandlung s produkte nach der zweiten Stufe eine weitere Vorrichtung zur Umwandlung von Viasserstoff und Kohlendioxyd in VJasser und Kohlenmonoxyd angeordnet sein, wobei diese Vorrichtung von aussen mit einem fremden Heizmittel beheizt ist.

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Es ist noch vorteilhafter - wie anhand eines in der Spezialbeschreibung angegebenen Ausführungsbeispieles näher erläutert wird zwischen der ersten Stufe und dem Kondensator im Strömungsweg der Umwandlungsprodukte die weitere Vorrichtung zur Umwandlung von Wasserstoff und Kohlendioxyd in V/asser und Kohlenmonoxyd anzuordnen, wobei diese Vorrichtung von aussen mit einem fremden Heizmittel beheizt ist.

Schliesslich können vorteilhaft auch bei einer Aufteilung der Umwandlungsvorrichtung in einzelne Stufen diese Stufen als kombinierte Konverter aus den an vorstehender Stelle beschriebenen Gründen ausgebildet sein.

Eine vorteilhafte Ausführungsform für den Isotopenaustausch zwischen Viasserstoff und Wasser kann darin bestehen, dass Wasserdampf als Zwischenträgermedium verwendet wird. Die Isotopenaustauschvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht aus mehreren in Serie angeordneten Stufen, wobei jede Stufe aus einem Reaktionsraum für den Deuteriumaustausch zwischen Wasserdampf und Wasserstoff und aus einer Kolonne für den Deuteriumaustausch zwischen Wasserdampf und Wasser besteht.

Der besondere Vorteil einer derartigen Austauschvorrichtung besteht darin, dass die bei einem direkten Deuteriumaustausch zwischen Wasserstoff und Wasser verv/endete Platin-Suspension nicht erforderlich ist, und ausserdem die Reaktionsgeschwindigkeit zwischen Wasser und Wasserdampf gegenüber derjenigen zwischen Wasserstoff und Wasser relativ gross ist. Weitere Vorteile werden anhand eines in der Spezialbeschreibung erläuterten Ausführungs-

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beispieles angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Schema einer Ausführungsform mit einer Isotopenaustauschvorrichtung für den direkten Deuteriumaustausch zwischen Wasser und Wasserstoff, während in Fig. 2 ein Schema einer Anlage mit einer Varianten Ausbildung des Isotopenaustauschteiles dargestellt ist. Fig. 3 zeigt in einem Schema eine gegenüber den Fig. 1 und 2 Variante Ausführungsform desjenigen Teiles der Anlage, in welcher eine Umwandlung von Wasserstoff und Kohlendioxyd in Wasser und Kohlenmonoxid stattfindet.

In Fig. 4 ist eine gegenüber den Fig. 1, 2 und 3 abgewandelte Ausführungsform einer Isotopenaustauschvorrichtung dargestellt.

Die in Fig. 1 dargestellte Anlage weist eine Isotopenaustauschvorrichtung 1 üblicher Bauart auf, in welcher ein Isotopenaustausch zwischen Wasser und Wasserstoff in Gegenwart einer Platin-Suspension als Katalysator stattfindet. Hierzu wird gereinigtes Frischwasser mit einer natürlichen Deuteriumkonzentration durch eine Leitung 2 in das obere Ende der' Vorrichtung und ein aus mit Deuterium angereichertem Wasserstoff und Kohlendioxyd und nicht reagierten Restbestandteilen bestehender Gasstrom durch eine Leitung 3 in die Vorrichtung 1 an ihrem unterem Ende eingeleitet. Das in der Vorrichtung angereicherte Wasser verlässt die Vorrichtung an ihrem unteren Ende durch eine Leitung 4. Hachdem aus diesem Wasserstrom in einem Abschneider 5 Platin-Suspension

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abgetrennt und durch eine Leitung 6 wieder in die Einspeiseleitung 2 zurückgeführt worden ist, wird das Wasser in einem Gegenstromwärmeaustauscher 7 verdampft, nachdem ihm Kohlenmonoxyd durch eine Leitung 8 zugemischt worden ist. Das aus Wasserdampf und Kohlenmonoxyd bestehende Gemisch wird durch eine Leitung 9 in Teil 10a eines kombinierten Konverters eingeleitet. In diesem Teil des Konverters findet eine unter Wärmeentwicklung erfolgende Umwandlung von Wasserdampf und Kohlenmonoxyd in Wasserstoff und Kohlendioxyd statt. Dieses Gasgemisch, welches noch nichtreagierte Bestandteile von Wasserdampf und Kohlenmonoxyd enthält, wird in einem Gegenstromwärmeaustauscher 11 gekühlt und in einem analog wi e Teil 10a des Konverters ausgebildeten weiteren Konverter 12 zu einer weiteren Umwandlung der nichtreagierten Bestandteile in Wasserstoff und Kohlendioxyd eingeleitet. Sodann wird das Gemisch, welches nun nur noch geringe Spuren von Wasserdampf und Kohlenmonoxyd enthält, in einem Gegenstromwärmeaustauscher 13 weiter gekühlt, und durch eine Leitung 14 in einen Gegenstromwärmeaustauscher 15 eingeleitet. Hierin erwärmt sich das Gemisch durch Wärmeaustausch mit dem aus dem am oberen Ende der Isotopenaustauschvorrichtung 1 durch eine Leitung 16 entnommenen an Deuterium verarmten Gasgemisch, Zur Kompensation des Wärmehaushaltes dieses Wärmeaustauschers wird eine entsprechende Menge an in der Vorrichtung 1 angereichertem Wasser durch eine Leitung 17 mit Hilfe einer Pumpe 18 in die Leitung 14 eingeleitet und im Wärmeaustauscher 15 verdampft. Das im wesentlichen aus angereichertem Wasserstoff und Kohlendioxyd bestehende Gasgemisch wird durch eine Leitung 3 in die Isotopenaustauschvorrichtung in ihr unteres Ende eingeleitet und durch Isotopenaustausch mit

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dem entgegenströmenden Wasser angereichert. Aus dem abgereicherten Gasgemisch wird in dem Wärmeaustauscher 15 der in ihm enthaltene Wasserdampf zum grössten Teil auskondensiert und durch eine Leitung 21 wieder in die Vorrichtung zurückgeführt.

In einem Kühler 22 wird noch nichtauskondensierter Wasserdampf zum grössten Teil" verflüssigt und ebenfalls durch eine Leitung 23 in den oberen Teil der Vorrichtung 1 eingeleitet. Aus dem Kühler 22 wird das im wesentlichen aus abgereichertem Wasserstoff und Kohlendioxyd bestehende und nur noch geringe Bestandteile aus Wasserdampf und Kohlenmonoxid enthaltende Gasgemisch durch eine Leitung 24 mit Hilfe eines Gebläses 25 in den Wärmeaustauscher 13 gefördert und hierin erwärmt. Eine weitere Erwärmung erfolgt in dem Wärmeaustauscher 11, bevor das Gasgemisch in dem von Teil 10a des kombinierten Konverters umschlossenen Teil 10b unter Anwesenheit eines Katalysators und Zufuhr der bei der im Teil 10a stattfindenden chemischen Reaktion freiwerdenden Wärme durch die Zwischenwände 10c des Konverters eine chemische Umwandlung in Wasserdampf und Kohlenmonoxyd erfährt. Zur Vervollständigung dieser chemischen Umwandlung wird das Gemisch in einen Konverter 26, der mittels eines Heizmittels erwärmt wird, eingeleitet. Sodann wird das Gemisch in dem Wärmeaustauscher 7 gekühlt und das in ihm enthaltene Wasser zum Teil auskondensiert. Da dieses Wasser an Deuterium verarmt ist, wird es aus der Anlage durch eine Leitung 27 weggeführt. Der im Gemisch noch nicht ausgeschiedene Wasserdampf wird sodann in einem Kühler 28 auskondensiert und durch eine Leitung 29 aus der Anlage weggeführt. Das nun weitgehend von Wasserdampf befreite Kohlenmonoxyd wird durch eine Leitung 8 dem aus der Isotopenaustauschvorrichtung

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durch Leitung 4 herkommenden angereicherten Wasser beigemischt.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlichj ist es während des Betriebes der Anlage nicht erforderlich, zur Gewinnung des Wasserstoffes für den Isotopenaustausch Kohlenmonoxyd ständig von aussen in die Anlage einzuspeisen. Vielmehr genügt es, wenn vor der Inbetriebnahme die Anlagenfüllung eine entsprechende Menge COp und CO und EL enthält.

Aus der Anlage kann beispielsweise an der Stelle A. angereichertes Wasser und/oder an der Stelle B. angereicherter Wasserstoff und Kohlendioxyd entnommen und als Einnpeisestrom in eine nichtdargestellte Anlage üblicher Ausführung zu einer weiteren Aufkonzentrierung und Gewinnung von schwerem Wasser eingeleitet werden. Das in der Anlage an Deuterium abgereicherte Produkt wird an einer Stelle A₂ bzw. B₂ wieder in die Leitung 4 bzw. 3 zurückgeführt.

Die in Fig. 2 dargestellte Anlage stellt eine verbesserte Ausführung einer Anlage gemäss Fig. 1 dar. Die übereinstimmenden Konstruktionselemente sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Auf ihre Funktionsweise wird zur Vermeidung von Wiederholungen verzichtet.

Abweichend von der Fig. 1 wird in Fig. 2 das in der Isotopenaustauschvorrichtung 1 angereicherte V/asser durch Leitung 4' in eine Uebertragungskolonne 30 üblicher Bauart eingeleitet und dort im Gegenstrom zu Masserdampf und Kohlenmonoxyd geführt und dabei an Deuterium abgereichert. Am unteren Ende der Kolonne

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wird das auf etwa natürliche Deuteriumkonzentration abgerexeherte Wasser mittels einer Pumpe 31 durch eine Leitung 32 in den oberen Teil der Vorrichtung 1 gefördert. An die Uebertragungskolonne 30 schliesst sich eine weitere untere Uebertragungskolonne 33 an, in deren oberes Ende durch eine Leitung 34 in einem Gegenstromwärmeaustauseher 35 und in einem Nachwärmer 36 erwärmtes. Frischwasser mit natürlicher Deuteriumkonzentration eingeleitet und in der Kolonne durch Isotopenaustausch mit Wasserdampf an Deuterium verarmt wird. Das verarmte Wasser wird, nachdem es im Wärmeaustauscher 35 Wärme auf das Frischwasser übertragen hat, durch Leitung 39 aus der Anlage weggeführt.

Durch beide Uebertragungskolonnen wird aus dem Gegenstromwärmeaustauscher 7¹ verarmter V/a ss er dampf und-Kohlenmonoxyd durch eine Leitung 40, nachdem der Wasserdampf und das Kohlenmonoxyd in einem Kühler 41 gekühlt worden ist, in den unteren Teil der Kolonne eingeleitet. Das aus Wasserdampf und Kohlenmonoxyd bestehende Gemisch strömt nun aufv/ärts durch die Kolonnen 33 und 30 und' wird durch Isotopenaustausch mit dem entgegenströmenden V/asser an Deuterium angereichert. Aus dem oberen Ende der Kolonne 30 wird das angereicherte Gemisch durch eine Leitung 42 in den Wärmeaustauscher 7' eingeleitet.

Der wesentliche Vorteil dieser gegenüber der Fig. 1 abgewandelten Ausführungsform besteht einerseits, wie bereits in der Beschreibungseinleitung angegeben worden ist, darin, dass die Vorrichtung nicht von Frischwasser, welches Verunreinigungen enthalten kann, und deshalb ständig gereinigt v/erden müsste, durchströmt wird. Andererseits besteht ein wesentlicher

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Vorteil darin, dass der Wärmeaustauscher 7¹ nicht so gross vie Wärmeaustauscher 7 in Fig. 1 ausgeführt werden muss, da das Wasser nur auf Sattdampftemperatur gebracht werden muss, weil bereits das in den Wärmeaustauscher durch Leitung 42 eingeleitete Medium dampfförmig ist.

Die Uebertragungskolonnen 30 und 33 sind von einfacher Bauart im Gegensatz zu einem relativ aufwendigen Wärmeaustauscher grösserer Abmessung und benötigen zudem keinen Katalysator für den Isotopenaustausch zwischen Wasser und Wasserdampf.

Die Fig. 3 zeigt die Ausführung einer Anlage, die gegenüber den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Anlagen .noch weitere wesentliche Verbesserungen aufweist. Diese Verbesserungen beziehen sich auf denjenigen Teil einer Anlage, in welchem die Umwandlung von Wasserstoff und Kohlendioxyd in Wasser und Kohlenmonoxyd vorgenommen wird. Der linke Teil des in der Fig. 3 dargestellten Anlageschemas stimmt mit dem entsprechenden Anlagenteil der Fig. 2 überein und wird deshalb im folgenden nicht nochmals beschrieben. Die übereinstimmenden Konstruktionselemente sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Insbesondere aus technologischen Gründen besteht ein Interesse daran, die Betriebstemperaturen der Konverter zu reduzieren.

Aus den experimentell ermittelten Kurven des chemischen Gleichgewichtes ergibt sich, dass zur Umwandlung einer vorgegebenen Menge von Wasserstoff, Kohlendioxyd in eine · gewünschte . Menge

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Wasser und Kohlenmonoxyd in einem Konverter eine relativ hohe Temperatur erzeugt werden muss.

Die vorliegende Ausführungsform der Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass bei einer mehrstufigen Umwandlung von Wasserstoff und Kohlendioxyd in Wasser und Kohlenmonoxyd mit zwischengeschaltetem Wasserentzug in einem Kondensator die Betriebstemperaturen der Konverter erheblich reduziert werden können.

Zwar besteht eine andere Möglichkeit, die Betriebstemperaturen der Konverter dadurch in angemessenen Grenzen in Bezug auf die Materialfestigkeit der Konverterwände, insbesondere ihre wärmeübertragenden Wände, zu halten,, darin, eine entsprechend grosse Durchsatzmenge von Kohlendioxyd und Wasserstoff zu verwenden. Letzteres zeigt aber den Nachteil, dass in diesem Falle das Anlagenvolumen erheblich vergrössert werden muss, um eine Umwandlung der Reaktionsprodukte im erforderlichen Masse durchzuführen.

Bei dem in Fig.- 3 dargestellten Ausführungsbeispiel findet in dem Raum 45b eines im wesentlichen aus diesem Raum, einem an ihn anschliessenden Raum 45a, in welchem eine Umwandlung von Wasserdampf und Kohlenmonoxyd in Wasserstoff und Kohlendioxyd erfolgt, und wärmeübertragende Zwischenwände 45c bestehenden kombinierten Konverters eine Umwandlung von aus dem Isotopenaustauschteil der Anlage herkommenden aus Wasserstoff und Kohlendioxyd bestehendem Gasgemisch in Wasser und Kohlenmonoxyd statt.

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Abweichend von Fig. 1 und 2 wird nun unter Zugrundelegung der Kurven für das chemische Gleichgewicht eine solche Betriebstemperaturgewählt, bei der beispielsweise die bei der Umwandlung erzeugte Wassermenge nur halb so gross ist, wie diejenige,die in dem Konverter 10a, b, c in den Fig. 1 bzw. 2 gewonnen wird.

Die Betriebstemperatur des Konverters 4 5b liegt jedoch dann wesentlich niedriger, da sich mit sinkender Temperatur aufgrund des chemischen Gleichgewichtes weniger Mole Wasser und Kohlenmonoxyd bilden. In einem Gegenstroinwärmeaustauscher 46 wird das aus Wasserdampf, Kohlenmonoxyd, Wasserstoff und Kohlendioxyd bestehende Gemisch gekühlt. In einem Kondensator 47 wird der bei der Umwandlung gebildete Wasserdampf auskondensiert und, da das entstehende V/asser an Deuterium verarmt ist, aus der Anlage durch eine Leitung 4 8 weggeführt.

Das aus den übrigen Reaktionsprodukten Wasserstoff, Kohlendioxyd und Kohlenmonoxyd bestehende Gemisch wird in den Reaktionsraum 49b eines in gleicher Weise wie der kombinierte Konverter 45a, b, c ausgebildeten Konverters 49a, b, c eingeleitet. Aufgrund der im Raum 49b stattfindenden Reaktion findet eine weitere Umwandlung von Wasserstoff und Kohlendioxyd in Wasser und Kohlenmonoxyd statt, Die erforderliche Betriebstemperatur kann nun aufgrund der eingeleiteten Anteile an Wasserstoff und Kohlendioxyd und der gewünschten Menge an erzeugtem Kohlenmonoxyd und Wasser aus dem Kurvendiagramm des chemischen Gleichgewichtes ermittelt werden. Wenn im Konverter 45b 50 % der gewünschten Menge an Kohlenmonoxyd und Wasser gewonnen wird, und daher im Konverter 49b weitere 50 % an Kohlenmonoxyd und Wasser erzeugt werden müssen,

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so liegt die Betriebstemperatur des Konverters 49b zwar höher·, als diejenige des Konverters 45b, jedoch immer noch erheblich unterhalb derjenigen des Konverters 10b (Fig. 1, 2).

Der Zusatzkonverter 50, der mit einem fremden Heizmittel, gegebenenfalls auch elektrisch beheizt werden kann, dient analog zu Konverter 26 (Fig. 1, 2) zu einer Vervollständigung des Umwandlungsprozesses.

Das im Wärmeaustauscher 7' gekühlte aus Wasserdampf, Kohlenmonoxyd und Restbestandteile von Wasserstoff und Kohlendioxyd bestehende Gemisch wird in die Uebertragungskolonne 33 eingeleitet. Zur Kornpensierung der im Kondensator 47 ausgeschiedenen ¥assermenge kann die Uebertragungskolonne 33 soviel beheizt werden (was schematisch durch eine im Boden der Kolonne angeordnete Heizspirale 51 angegeben ist), dass aus dem die Kolonne abwärts durchströmenden Wasser eine der entzogenen" Wassermenge entsprechende Menge des Wasserdampfes gebildet wird, welche mit dem Aufwärtsstrom aus der Kolonne 30 herausgeführt und in den Wärmeaustauscher 7' eingeleitet wird.

Obwohl schon bei der vorstehend beschriebenen Anordnung der beiden kombinierten Konverter und dem Zusatzkonverter eine wesentliche technologische Verbesserung erzielt werden kann, besteht eine weitere Verbesserung darin, den Zusatzkonverter 50 anstatt . hinter dem Konverter 49b hinter dem Konverter 45b anzuordnen. Diese Anordnung des Zusatzkonverters ist in Fig. 3 durch Darstellung des Konverters mit unterbrochenen Linien angegeben. In diesem Fall wird nämlich dem Zusatzkonverter

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bei einer noch tieferen Temperatur Wärme zugeführt.

In den Figuren 2 und 3 sind an den Stellen x, y, ζ die Temperaturen der Reaktionsprodukte mit T , T T angegeben.

χ y ζ

Aus vorstehender Erläuterung geht hervor, dass dann W^T _X ist.

Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungεform einer Isotopenaustauschvorrichtung, die beispielsweise anstelle der in Fig. 2 dargestellten Austauschvorrichtung 1 in einer im übrigen mit Fig. 2 übereinstimmenden Anlage angeordnet sein kann. Analoge Konstruktionselemente sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Isotopenaustauschvorrichtung 60 weit eine Anzahl von Stufen S auf. Jede Stufe besteht aus einem Reaktionsraum 61, in welehern ein z.B. aus granuliertem Kupfer- und Zinkoxyd bestehender Katalysator vorhanden ist, ausserdem einem Kanal 62 für die Weiterleitung des Gas-Dampfgemisches aus dem Raum 61 in eine Kolonne 63, die als eine Siebbodenkolonne ausgebildet ist. Selbstverständlich können auch andere Kolonnentypen, wie 2.B. Glockenbodenkolonnen oder Füllkörperkolonnen angewendet werden. Der obere Teil einer solchen Kolonne steht mit dem Reaktionsraum der nächst oberen Stufe über eine Leitung 62' zur Weiterleitung des Gas-Dampfgemisches in Verbindung.

In den Kolonnen der einzelnen Stufen sind Ueberlaufleitungen bzw. zwischen den Kolonnen der einzelnen Stufen sind Ueberlaufleitungen 65 zur Weiterleitung des V/assers vorhanden.

Die Wirkungsweise der Isotopenaustauschvorrichtung 60 ist die folgende.

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In den unteren Teil der Vorrichtung wird in den untersten Reaktionsraum 61 durch Leitung 3 ein Gemisch eingeleitet, dass aus mit Deuterium angereichertem Wasserstoff, aus Wasserdampf, welcher hauptsächlich aufgrund des durch die Leitung 17 in den Wärmeaustauscher 15 eingespritzten und darin verdampften Wassers entstanden ist, sowie aus Kohlendioxyd und Restbestandteilen von Kohlenmonoxyd besteht.

Im Reäktionsraum 61 findet ein Deuteriumaustausch zwischen dem Wasserstoff und dein Wasserdampf statt, wobei sich letzterer mit Deuterium anreichert und der Viasserstoff an Deuterium verarmt wird.

Da sich die chemische Umwandlung von Viasserstoff und Kohlendioxyd in Wasserdampf und Kohlenmonoxyd und die chemische Umwandlung von Wasserdampf und Kohlenmonoxyd in Wasserstoff und Kohlendioxyd im Gleichgewicht befindet, was durch die Formel ^H2°Dampf ^{+ C0} * ^H2 ^{+ C0}2

wiedergegeben wird, ändert das Dampf-Gasgemisch seine chemische Zusammensetzung nicht. Somit strömt durch den Kanal 62 in die Kolonne 63 ein Gemisch mit der gleichen Anzahl von Molen an Wasserdampf, Wasserstoff, Kohlendioxyd und Kohlenmonoxyd wie das Gemisch bei seinem Eintritt in den Reaktionsraum 61 aufweist. Im Reaktionsraum hat jedoch ein Isotopenaustausch zwischen Wasserstoff und Viasserdampf stattgefunden.

In der Kolonne 63 erfolgt nun ein Isotopenaustausch zwischen dem aufwärtsströmenden Wasserdampf und dem entgegenströmenden

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— Io —

Wasser, wobei sich dieses Wasser an Deuterium anreichert und der bestehende Wasserdampf an Deuterium verarmt.

Da die Reaktionsgeschwindigkeit zwischen Wasserdampf und Wasser in Bezug auf den Isotopenaustausch relativ gross ist, kann eine gewünschte Deuteriumanreicherung des Wassers mit einer verhältnismässig geringen Anzahl von Stufen erreicht werden im Vergleich zu einer Isotopenaustauschvorrichtung, in welcher ein Deuteriuraaustausch zwischen Wasser und Wasserstoff ohne Zx^ischenschaltung von Wasserdampf als Zwischenträgermedium erfolgt.

Im folgenden wird ein Zahlenbeispiel angegeben, dass das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 betrifft. In Fig. 3 sind dia Stellen, auf welche sich die Zahlenangaben beziehen,mit den Ziffern I-XVl bezeichnet.

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ZAHLENBEISPIEL

Druck der Anlage: 40 Bar

n( ): Anzahl der Mole der betreffenden chemischen Verbindung im zirkulierenden Strom

C(H„O): Deuteriumkonze'ntration in Wasser bezw. im Wasserdampfstrom, bezogen auf die normale Konzentration im natürlichen Wasser

C(H₂ ): Deuteriumkonzentration in Wasserstoffkonzentration

	α(Η₂)	n(C0)	n(C0₂)	η (H₂O)	T(⁰K)-	C(H₂O)	C(H₂)
I	1.3		3.7		300		0.5
II	1.3		3.7		- 450		0.5
III	0.8	0.5	3.2	0.5	713	0.62	0.425 ·
IV	0.8	0.5	3..2		300		0.425
V	0.3	1	2.7	0.5	1000	0.460	0.367
VI	0.3 .	1	2.7	1	460	0.460	'0.367
VII	0.3	1	2.7	1	450	0.95	0.367
VIII	0.3	1	2.-7	1	450	' 30	0.367
IX	1.3		2.7		320		20.31
X	1.3		2.7		450	30.5	20
XI			—	1	450	1
XII	—		—	1	450	30.05	-—
XIII				1	450	1
XIV		.		2	300	1
XV				1.5	320	0.852
XVI				0.5	300	0.620

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Claims

Patentansprüche

i\ Verfahren zur Gewinnung eines mit Deuterium angereicherten EinspeisesticriDs für eine Anlage zur Gewinnung von schwerem Wasser, wobei der Einspeisestrom aus angereichertem Wasserstoff, angereicherten Wasserstoff enthaltendem Gasgemisch oder angereichertem V/asser besteht, dadurch gekennzeichnet, dass ein Isotopenaustausch zwischen Wasser und Wasserstoff stattfindet, wobei angereicherter Wasserstoff und Kohlendioxyd vor dem Isotoperiaustausch aus angereichertem V/asser und Kohlenmonoxyd durch eine chemische Reaktion gewonnen wird, und wobei das zur Herstellung von Wasserstoff erforderliche Kohlenmonoxyd durch· eine chemische Umwandlung von abgereichertem Wasserstoff und Kohlendioxyd in abgereichertes Wasser und Kohlenmonoxyd vor dem Isotopenaustausch hergestellt wird.
2. Anlage -zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Isotopenaustauschvorrichtung für Wasserstoff und Wasser und eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wasser und Kohlenmonoxyd in Wasser und Kohlendioxyd sowie eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wasserstoff und Kohlendioxyd in Wasser und Kohlenmonoxyd.
3. Anlage nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen kombinierten Konverter, in" dessen einem Teil die Umwandlung von Wasserdampf und Kohlenmonoxyd in Wasserstoff und Kohlendioxyd und in dessen anderem Teil die Umwandlung von Wasserstoff und Kohlendioxyd in Wasser und Kohlenmonoxyd .stattfindet, v/o bei die beiden Teile

BADORJGfNAL

durch wärmeübertragende Zwischenwände miteinander verbunden sind, und dass weiterhin in den Strömungsrichtungen der den Konverter verlassenden Umwandlungsprodukte je ein Konverter zusätzlich für die Vervollständigung der chemischen Umwandlungen

vorgesehen ist.
4. Anlage nach Anspruch 2 und 3, gekennzeichnet durch eine Uebertragungskolonne, xrelche von dem in den Konvertern erzeugten Wasserdampf und dazu im Gegenstrom eingeleiteten Wasser durchströmt wird, wobei Deuterium aus dem V/asser auf den Wasserdampf übertragen wird.
5. Anlage nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gegenstromwärmcaustauscher im Strömungsweg des die Isotopenaus tauschvor richtung verlassenden an Deuterium abgereicherten Gasstromes angeordnet ist, dass der Wärmeaustauscher ausserdem im Strömungsweg des aus Wasser und Kohlenmonoxyd umgewandelten aus angereichertem Wasser, Kohlendioxyd und nichtreagierten Restbestandteilen bestehenden Gasstromes vor dessen Einleitung in die Isotopenaustauschvorrichtung liegt, und dass an den Wärmeaustauscher eine für den in ihm auskondensierten Wasserdampf dienende , Förderleitung an den oberen Teil der Isotopenaustauschvorrichtung angeschlossen ist, und dass weiterhin an das untere Ende der Isotopenaustauschvorrichtung eine Förderleitung für die Einleitung einer Teilmenge des in der Vorrichtung angereicherten Wassers in die Zuleitung des Wärmeaustauschers für angereicherten Wasserstoff, Kohlendioxyd und niehtreagierte Restbestandteile angeschlossen ist.

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6. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Umwandlung von V/asserstoff und Kohlendioxyd in V/asser und Kohlenmonoxyd mindestens zweistufig ausgeführt ist, wobei zwischen den beiden Stufen ein Kondensator angeordnet ist, welcher zur Verflüssigung und Ausscheidung des in der ersten Stufe gebildeten Wassers dient.
7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsweg der Umwandlungsprodukte nach der zweiten Stufe eine weitere Vorrichtung zur Umwandlung von Wasserstoff und Kohlendioxyd in V/asser und Kohlenmonoxyd angeordnet ist, wobei diese Vorrichtung beheizt ist.
8. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Stufe und dem Kondensator im Strömungsweg der Umwandlung sprodukte eine weitere Vorrichtung zur Umwandlung" von Wasserstoff und Kohlendioxyd in Wasser und Kohlenmonoxyd angeordnet ist, wobei.diese Vorrichtung beheizt ist.
9. Anlage nach Ansiruch 2, 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stufen als kombinierte Konverter ausgebildet sind.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Isotopenaustausch zwischen V/asser und Wasserstoff mit Hilfe von Wasserdampf als Zwischenträgermedium stattfindet, wobei von mit Deuterium angereicherten Wasserstoff Deuterium auf Wasserdampf übertragen und sodann von dem angereicherten Wasserdampf Deuterium auf Wasser übertragen wird.

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11. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isotopenaustauschvorriehtung aus mehreren in Serie ange- ■ ordneten Stufen besteht, wobei jede Stufe aus einem Reaktionsraum für den Deuteriumaustausch zwischen "Wasserdampf und VJasserstoff und aus einer Kolonne für den Deuteriumaustausch zwischen'Wasserdampf und Wasser besteht.