DE2432120A1

DE2432120A1 - Verfahren zur reinigung von mit einem traegergas vermischten radioaktiven krypton und xenon

Info

Publication number: DE2432120A1
Application number: DE2432120A
Authority: DE
Inventors: Donald Hancher Robertson
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1973-11-19
Filing date: 1974-07-04
Publication date: 1975-05-28
Also published as: NL7407328A; BR7407929D0; AU7087574A; BE816928A; FR2251888A1; JPS5083700A; US3887339A; SE7409286L; IT1018212B; DK349874A; IL45021A0

Description

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28. Juni 1974 Anw.-Akte; 27_o70

PATENTANMELDUNG

Anmelder; The BABCOCK & WILCOX COMPANY

161 East 42nd Street, New York, N₀Y. 10017 - USA

Titel; Verfahren zur Reinigung von mit einem Trägergas vermischten radioaktiven Krypton und Xenon

Die Erfindung betrifft Abgasbehandlungsverfahren für Kernkraftreaktoren, insbesondere zur Abtrennung von Krypton und Xenon aus Leistungsreaktor-Abgasen durch die wahlweise Absorption und Desorption in.Dichlordifluormethan und dergleichen.

Häufig besteht die Notwendigkeit, einzelne Gase aus Gasgemischen abzuscheiden«, Bei den vielen Gastrennverfahren, die entwickelt worden sind, sind einige Vorschläge und Untersuchungen auf die wahlweise Absorption und Desorption von Gasen in Fluorkohlenstoff-Flüssigkeiten gerichtet worden. Typisch ist in dieser Beziehung beispielsweise das "Verfahren für die Trennung von Komponenten aus Gasgemischen", welches in der US-Patentanmeldung 189 543 vom 15_O 10_o 1971 beschrieben wird»

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Das in dieser Patentanmeldung beschriebene Verfahren ist auf die wahlweise Trennung von Gasen gerichtet, um große Mengen Produktgase pro Tag zu erzeugen.'. Auf diese Weise können Kohlenstoff-, Schwefel- und Stickoxyde aus dem Aufgabegas abgetrieben werden. IAn diese Trennung zu erreichen, wird das Aufgabegas (welches Krypton und Xenon in Spurenmengen enthalten kann) in einer Menge von 200 Liter pro Minute bei atmosphärischen Standardbedingungen (Standard-Kubikfuß pro Minute ) auf einen Druck von etwa 27,4 Atmosphären gepumpt, bevor es durch einen Trockner und einen Kühler geleitet wird, um die Aufgabegastemperatur auf - 30⁰C zu bringen. Dieses kalte Gas wird aufwärts durch einen Füllkörper-Absorptionsturm im Gegenstrom zu abwärts fließendem, flüssigen Dichlordifluormethan (CC « F o) geleitete Die löslichen Gaskomponenten, die in diesem Fall Kohlensäure (CO«), Krypton (Kr) und Xenon (Xe) zusätzlich zu anderen weniger löslichen Gasen einschließen können, lösen sich in der Flüssigkeit auf und strömen aus dem Boden des Absorptionsturms heraus zu einem Wärmetauscher und einer "Entspannungskammer¹¹. Nichtabsorbierte Gase werden aus dem Absorptionsturm abgezogen und zur Lagerung oder weiteren Verarbeitung gesammelt.

Das nun mit absorbierten Gasen befrachtete Lösemittel wird einem Druck von 3 Atmosphären bei 0 C in der Entspannungskammer unterworfen,, Unter diesen Bedingungen verdampft ein gewisser Teil des Lösemittels und ein Teil der absorbierten Gase kommt außer Lösung. Ein Kondensator verflüssigt das verdampfte Lösemittel und trennt auf diese Weise das Lösemittel von den jetzt befreiten Gasen. Diese Gase (einschließlich etwas Krypton und Xenon) werden zur Rezirkulation zu dem Pumpeneintritt zurückgeleitet, während das verflüssigte Lösemittel aus dem Kondensator mit dem abwärts strömenden, flüssigen Lösemittel aus der Entspannungskammer in einer Fraktionierkolonne verbunden wird.

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Aufwärts strömendes, verdampftes Lösemittel aus einem Fraktionier-Aufkocher tritt mit dem abwärts strömenden und teilweise gasbefrachteten Lösemittel in der Fraktionierkolonne in Berührung. Dieser aufwärts strömende Dampf absorbiert weiterhin einen gewissen Teil der Gase in der abwärts strömenden Flüssigkeit und schließt sich dem Dampf aus der Entspannungskammer in dem Kondensator an₀ Das flüssige Lösemittel, welches von der Fraktionierkolonne zu dem Fraktionier-Aufkocher strömt, ist mit einem der Oxyde (z_oB. Kohlensäure), Krypton und Xenon angereichert» Diese angereicherte Flüssigkeit wird aus dem Fraktionier-Aufkocher abgesaugt und in das Oberteil einer Abtriebssäule über eine aus Abtrieb-Entspannungskammer und Kondensator bestehende Kombination eingeführt, die ähnlich derjenigen ist, welche für die Fraktionierkolonne vorgesehen ist. Unter diesen Umständen berührt jedoch das abwärts strömende, flüssige Lösemittel einen aufwärts strömenden Lösemitteldampf innerhalb der Abtriebsäule bei einem niedrigeren Druck und einer niedrigeren Temperatur als in der Fraktionierkolonne, um die restlichen absorbierten Gase aus dem Lösemittel auszutreiben

Diese Gase werden in dem Abtrieb-Kondensator abgetrieben, und das mit Krypton und Xenon gemischte Gasoxyd wird dem Abtrieb-Kondensator entnommen, um, je nach Fall, abgeblasen oder gelagert zu werden.

Es ist jedoch wichtig, darauf hinzuweisen, daß das erläuternd genannte Kohlensäuregas, das aus dem Abtrieb-Kondensator abgeblasen wird, nicht rein ist, sondern eine Kombination aus mehr als 80 % Kohlendioxyd, während der Rest des Gases ein Gemisch aus Stickstoff, Sauerstoff, Argon sowie Spurenmengen von Krypton und Xenon ist. Bei grüßen Industriebetrieben kann die "Abtrennung " von Kohlendioxyd in dieser verfälschten Form durchaus annehmbar sein. Es besteht jedoch ein bedeutender Bedarf an einem Verfahren, das ein Gemisch abtrennen kann, welches nur aus den Spurenmengen der Edel-

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gase Krypton und Xenon besteht, wobei alle anderen Gase und Schmutzstoffe im wesentlichen vollständig entfernt werden«,

In diesem letztgenannten Zusammenhang erwirbt das Primärkühlwasser, das benutzt wird, um Wärme aus dem Kern eines Atomreaktors zu übertragen, gewöhnlich einen Anteil an gelösten G_asen. Obwohl diese Gase aus dem Primärkühlwasser abgeschieden werden können, sind viele der Gaskomponenten radioaktiv und können somit nicht direkt ins Freie abgeblasen werden. Diese radioaktiven Gase müssen auf der Reaktorbaustelle gelagert werden, bis die natürlichen Strahlungszerfallprozesse die Konzentrationen der aktiven Elemente auf eine vom Standpunkt des Umweltschutzes aus annehmbare Höhe reduzieren,. Radioaktive Isotope von Stickstoff und Sauerstoff zerfallen ziemlich schnell auf vernachlässigbar geringe Aktivitb'tshöhen. Die radioaktiven Isotope von Krypton und Xenon haben dagegen wesentlich längere Zerfallszeiten«, Weitgehend aufgrund dieser langen Zerfallszeiten, die die kleinen Konzentrationen von Edelgasen in dem Gesamtgemisch kennzeichnen, müssen viele Leistungsreaktoranlagen Zerfallsbehälter haben, die das gesamte Gas während einer Zeitdauer von 45 bis 60 Tagen speichern.

Für die Bewältigung des Problems der Behandlung von radioaktiven Abgasen ist dies ein unwirksames und aufwendiges Verfahren. Das große Volumen gespeicherten Gases schafft außerdem auch ein weiteres Problem angesichts der Möglichkeit, daß ein Unfall oder ein anderes unvorhergesehenes Ereignis eine gefährliche Undichtigkeit oder eine massive Freigabe von radioaktiven Gasen erzeugen könnte. Eindeutig wäre eine bedeutende Verbesserung zu verzeichnen, wenn die kurzlebigen radioaktiven Gase wirksam, sicher und wenig aufwendig aus den Spurenmengen längerlebigen radioaktiven Kryptons und Xenons ausgeschieden werden könnten,, Wenn diese Trennung durchgeführt werden könnte, dann müßte man in einem weniger großen Zerfallsbehältervolumen wesentlich geringere Mischgasvolumina speichern

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Die Verweilzeit in dem Zerfallsbehälter würde der Zeitdauer angepaßt, die notwendig ist, um den kürzerlebigen radioaktiven Stickstoff und Sauerstoff harmlos zu machen. Wenn sie abgetrennt sind, dann können die Spurenmengen radioaktiven Kryptons und Xenons mit größerer Sicherheit und weniger Aufwand während langer Zeiten in Behältern mit kleinem Volumen gespeichert werden·

Das wahlweise arbeitendeFiuorkohlenstoff-Absorptionssystem für die Trennung von gasförmigen Oxyden großen Volumens ist nicht ohne weiteres geeignet für die Spurengastrennung, die erforderlich ist, um vollständig das Krypton-Xenon-Gemisch von allen anderen Gasen in dem Aufgabegas zu trennen. In diesem Zusammenhang wird man sich daran erinnern, daß das in der letzten Abtriebsäulenstufe des erläuternd genannten Verfahrens nach dem Stand der Technik befreite Gas eine Zusammensetzung aus Kohlensäure, Stickstoff, Sauerstoff und Argon sowie Spuren von Krypton und Xenon ist. Ein Verfahren dieser Art kann nicht nur ein Gemisch aus Krypton und Xenon für die gewünschte konzentrierte Speicherung abtrennen» Weiterhin sollte in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen werden, daß die aus den gelösten radioaktiven Gasen emittierten Strahlungen in dem Lösemittel negative chemische Änderungen erzeugen, die dazu neigen, den Wirkungsgrad.des Verfahrens zu verschlechtern.

Dementsprechend besteht ein Bedarf an einem Verfahren, das kleine Mengen von Krypton und Xenon aus einem Gemisch mit anderen Gasen unter wirksamen Ausschluß dieser anderen Gase ausscheidet. Dieses System muß außerdem nicht nur in der Lage sein, sicher und wirksam bei Vorhandensein von Strahlung zu arbeiten, sondern muß auch ein kleines Volumen einnehmen, das mit den zu trennenden Gasmengen vereinbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zu schaffen.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Aufgabegas zunächst durch einen Molekularsiebtrockner geleitet wird, um den Taupunkt dieses Gasgemisches auf -65⁰C herabzusetzen^ bevor das Gemisch den Kompressor erreicht. Dabei umfaßt das Verfahrensgas ein oder mehrere Trägergase sowie Spurenmengen von Krypton und Xenon,, Der Kompressor erhöht den Verfahrensgasdruck auf einen Wert, der zwischen 37 und 28 kg cm (psi) liegt» Ein Kühler vermindert den Temperaturbereich des Verfahrensgases auf etwa - 30° C, bevor das Verfahrensgas in den Boden eines Absorptionsturms aufgegeben wird₀ Abwärts strömendes, flüssiges Dichlordifluormethan in dem Absorptionsturm absorbiert im wesentlichen das gesamte Krypton und Xenon sowie einen bestimmten Teil des Trägergaseso Das gereinigte Trägergas wird aus dem Oberteil des Absorptionsturms ins Freie abgeblasen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Abzug aus dem Absorptionsturm mit einem Strahlungswächter ausgestattet. In Abhängigkeit von der Intensität der beobachteten Radioaktivität in dem austretenden Gas betätigt dieser Wächter automatisch ein Paar Ventile, die die Abblasung schließen und das zu stark radioaktive Gas zurück durch den Kompressor und den Absorptionsturm leiten_o

Das aus dem Boden des Absorptionsturms strömende Lösemittel ist mit absorbierten Gasen "befrachtet"«, Dieses befrachtete Lösemittel strömt durch ein Patronenfilteraggregat, nachdem es aus dem Absorptionsturm ausgetreten ist₀ Dieses Filter - eine Verbesserung, die die Erfindung weiter kennzeichnet - scheidet nicht nur Feuchtigkeit, öle, Säuren und andere Schmutzstoffe innerhalb des Lösemittels ab, sondern beseitigt auch die meisten der in dem Lösemittel vorhandenen Schadstoffe, die durch Strahlungseinwirkung verursacht werden« z_o B₀ Wasserstoffhalogenide_o

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Das gefilterte und befrachtete flüssige Lösemittel strömt über einen Erhitzer in einen Entspannungsbehälter am Eintritt einer Fraktionierkolonne. Das befrachtete Lösemittel wird teilweise in dem Entspannungsbehälter verdampft, wobei das noch flüssige Lösemittel in das Oberteil der Fraktionierkolonne strömt und das Gas sowie der Dampf in einen Fraktionier-Kondensator» Der Kondensator wandelt das verdampfte Lösemittel in den flüssigen Zustand zurück und verbindet diese Flüssigkeit mit dem noch flüssigen Lösemittel, das aus dem Entspannungsbehälter in die Fraktionierkolonne strömte Der Kondensator verbindet auch die befreiten Gase mit dem Kompressoreintritt zwecks Rezirkulation durch das System«,

Wenn das Lösemittel durch die Fraktionierkolonne abwärts strömt, dann treibt ein im Gegenstrom aufwärts steigender Lösemitteldampf den letzten Rest des Trägergases (zusammen mit etwas Krypton und Xenon) aus der abwärts strömenden Flüssigkeit heraus. Dieses Gas und der Dampf strömen aus dem Oberteil der Fraktionierkolonne in den Fraktionier-Kondensator. Wie bereits oben erwähnt, verflüssigt der Kondensator den Dampf zur Abwärtsströmung durch die Fraktionierkolonne und leitet die befreiten Gase zurück durch das System über den Kompressoreintritt_o

Flüssiges Lösemittel und das absorbierte Krypton und Xenon werden aus dem Boden der Fraktionierkolonne direkt in das Oberteil einer mit noch niedrigerem Druck arbeitenden Abtriebsäule zur Gegenstromberührung mit einem aufwärts steigenden frischen Lösemitteldampf eingeführt. Der Lösemitteldampf desorbiert das Krypton und Xenon aus der abwärts strömenden Flüssigkeit. Desorbierte Edelgase und Lösemitteldampf strömen dann aus dem Oberteil der Abtriebsäule heraus und in einen Abtrieb-Kondensator hinein_o Die Lösemittelverflüssigung in dem Abtrieb-Kondensator trennt das Lösemittel von dem desorbierten Krypton und Xenon,,

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In Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Gase aus dem Abtrieb-Kondensator weiter in einem Produktgastrockner gereinigte,Vorzugsweise wird ein Kaltabscheider, der die Produktgastemperatur auf - 79 herabsetzt, Lösemittel-Restdampf aus den befreiten Edelgasen entfernen, um diese Gase weiter zu reinigen und auf diese Weise das Speichervolumen an langlebigen radioaktiven Gesen zu vermindern,)

Eine zusätzliche Überwachung der Reinheit der Edelgase^ welche zu den Speicherbehältern geleitet werden, erfolgt durch einen weiteren Strahlungsmessern, der in Reihe mit dem Produktgastrockner geschaltet ist· In Abhängigkeit von der radioaktiven Intensität der am Strahlungsmesser entlang strömenden Gase und somit in Abhängigkeit von der Reinheit pder der Qualität des beobachteten Krypton- und Xenongemisches erzeugt dieser ein Signal, das wahlweise die Gase zur Speicherung oder zur Eintrittsseite des Kompressors schickt.

Es ist festgestellt worden, daß diese Erfindung einen Verfahrens-Gesamtwirkungsgrad von 99,0 bis 99,9 % hat. Die Anlage kann außerdem auf einem transportfähigen Schlitten aufgebaut werden, der ein Volumen einnimmt, welches eine Länge von etwa 3 m, eine Breite von etwa 3 m und eine Höhe von etwa 4,5 m hat«,

Somit ist in Übereinstimmung mit der Erfindung ein wirksames und kompaktes System vorgesehen, um radioaktives Krypton und Xenon aus einem Gasgemisch zu trennen, in welchem die Edelgaskonzentration im Bereich von 0,1 bis 500 Teile pro Million (ppm) liegt_o

Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben« ßie zeigt ein Schema einer typischen Anlage«

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Radioaktives Gas aus den nicht dargestellten Zerfallsbehältern, die vprübergehend Abgase aus Kernkraftanlagen und dergleichen speichern, strömt in die Abgasbehandlungsvorrichtung über eine Eintrittsleitung 1O₀ Das Gas kann z. B. die folgende Zusammensetzung haben S

Feuchtigkeit 0 bis Sättigung unter den Aufgabegas-Eintrittsbedingungen;
Wasserstoff 0 bis 100 %
Stickstoff 0 bis 100 %
Luft 0 bis 100 % ( Wasserstoff 3,5#) Krypton 0,1 bis 500 ppm
Xenon 0,1 bis 5000 ppm

Das Aufgabegas strömt bei gewöhnlicher atmosphärischer Temperatur und gewöhnlichem atmosphärischem Druck durch ein Ventil 11 zu einem Aufgabegastrockner 12, Der Trockner umfaßt ein Paar parallel geschalteter Trockentürme 13 und 14, die je eine Trocknungsmittelsäule enthalten, welche einen Durchmesser von 38 mm und eine Höhe von 2,44 m hat₀ Vorzugsweise kann das Trocknungsmittel ein "Molekularsieb¹¹ oder ein kristallines Alkalimetall-Aluminosilikat mit einer räumlichen, vermaschenden Zellenstruktur aus Kieselsäure- und Tonerde-Tetraedern sein_c

Der Trockenturm 13 ist mit der Leitung 10 über ein Eintrittsventil 15 und mit einem Eintritt 16 eines Kompressors 17 über ein Austrittsventil 20 verbundene In gleicher Weise ist auch der Trockenturm 14 wahlweise mit der Eintrettsleitung 10 über ein Eintrittsventil 21 und mit dem Kompressoreintritt 16 über ein Austrittsventil 22 verbundene

Der Kompressor 17 kann z_o B₀ in Dreifachmembranausführung sein mit

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einem eingebauten System für die Feststellung von Undichtigkeiten. Eine Kompressorleistung von 90 Liter pro Minute, gemessen unter atmosphärischen Standardbedingungen und ein Kompressoraustrittsdruck von 26 kg cm" absolut (psia) sind für die Zwecke der Erfindung angemessene Rein erläuternd sei darauf hingewiesen, daß die in der Druckschrift 40-4 C beschriebenen Membrankompressoren der Fa. Pressure Products Industries, Baureihe "Q", für das hierin beschriebene System geeignet sind.

Verfahrensgas unter einem Druck im Bereich von 21 bis 28 kg cm wird durch einen Kompressoraustritt 23 zu einem Gaskühler 24 geförderto Der Gaskühler vermindert die Temperatur des komprimierten Verfahrensgases auf weniger als - 33°C. Es ist festgestellt worden, daß bei einer Verfahrensgas-Fördermenge von 28,32 Liter pro Minute eine thermische Gesamtleistung des Kühlers von etwa 350 kcal und eine Flä<
ergeben·

2
eine Fläche von 0,24 m die gewünschte Temperaturverminderung

Das gekühlte und unter Druck stehende Verfahrensgas strömt durch eine Rückschlagklappe 25 in den unteren Teil eines vertikal angeordneten Absorptionsturms 26. Eine typische Ausführung des Absorptionsturms 26 würde eine Säule "Goodloe-Füllung" einschließen, die eine Länge von 2,74 m hat und einen Durchmesser von 50 cm. "Goodloe-Füllung" ist ein handelsübliches Produkt.

Wie es in der Zeichnung dargestellt ist, hat der Absorptionsturm einen unteren Eintritt 27, um das unter Druck stehende und gekühlte Verfahrensgas in die Füllsäule aufzugeben. Ein Flüssigkeitsabzug 30 ist an den Boden des Absorptionsturms angeschlossen. Der Kopf des Absorptionsturms 26 ist mit einer Dampfabzugsleitung 31 und einem Eintritt 32 für Fluorkohlenstoff-Flüssigkeit ausgestattet. Vorzugsweise sollte das Molverhältnis zwischen Flüssig-

—2 keit und Gas innerhalb des Absorptionsturms 26 bei 26,5 kg cm Absorptionsturm-Betriebsdruck 15 betragen. Bei dieser erläuternd

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dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die bei dem betreffenden System bevorzugt zur Verwendung kommende Flüssigkeit oder das bei dem betreffenden System bevorzugt zur Verwendung kommende Lösemittel Dichlordifluormethan_f das häufig mit ^llFrigen-12"_f "Genetron-12" oder "Kältemittel-12" bezeichnet wird. Außerdem sind andere Fluorkohlenstoff-verbindungen ebenfalls zur Verwendung in Verbindung mit der Erfindung geeignet.

Ein Strahlungsmesser 33 ist innen mit den Dämpfen verbunden, die durch die Abzugsleitung 31 strömen_o Der Strahlungsmesser 33 erzeugt ein Signal als Reaktion auf die Strahlungshöhe innerhalb der Abzugsleitung 31f um automatisch ein Magnetventil 34 zu schließen oder zu öffnen, das sich in der Dampfabzugsleitung 31 hinter dem Strahlungsmesser 33 befindet.

Das Signal von dem Strahlungsmesser 33 wird auch einem magnetbetätigten Ventil 35 aufgeschaltet, um es in Abhängigkeit von der Strahlungsintensität in der Abzugsleitung 31 zu öffnen und zu schließen«, Das Ventil 35 regelt die Dampfströmung durch eine Umführungsleitung 36_f die die Abzugsleitung 31 mit einer Rezirkulationsleitung 37 verbindet. Entsprechend der Darstellung führt die Rezirkulationsleitung 37 Gase und Dämpfe aus der Verfahrenseinrichtung in die Vorrichtung über den Kompressoreintrit 16 zurück«,

Bei der Anwendung der Erfindung kann der Strahlungsmesser 33 einen plastischen Phosphor-Szintillationswächter einschließen, welcher auf Betastrahlen ansprichte Der Wächter sollte in einem aus Stahl- und Bleikombination bestehenden Behälter als Gasdruckhülle und Strahlungsabschirmung eingeschlossen sein· Außerdem sollte eine kleine Gas- oder Dampfentnahmekammer in dem Behälter bei.dem plastischen Szintillationswächter angeordnet werden. Der Strahlungsmesser 33 sollte auch in einer Entlüftungs- oder Abzugsleitung installiert werden oder in einer Leitung, die mit einem Sicherheits-

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ventil versehen ist, welches auf einen Wert eingestellt ist, der unter dem Berechnungsdruck des Strahlungswächters liegt, um Überdruckschäden zu vermeiden,,

Die ftampfabzugsleitung 31 bläst selbst direkt nur dann ins Freie ab, wenn die Strahlungshöhe des austretenden Gases als Ergebnis der Kombination aus Strahlungsmesser 33 und Magnetventilen 34 und 35 . innerhalb für die Umwelt und die Gesundheit annehmbarer Grenzen liegt.

Das gekühlte und unter Druck stehende Verfahrens-Aufgabegas, welches aufwärts durch den Absorptionsturm 26 strömt, überträgt im wesentlichen alles Krypton und Xenon sowie einen gewissen Teil des Trägergases an die im Gegenstrom nach unten strömende Fluorkohlenstoff-Lösemittelflüssigkeit, die über den Flüssigkeitseintritt 32 eingeführt wird. Das "reine" Trägergas strömt durch die Leitung 31 ins Freie über den Strahlungsmesser 33 und das Ventil 34.

Die Lösemittelflüssigkeit, die aus dem Boden des Absorptionsturms 26 über den Flüssigkeitsabzug 30 austritt, ist mit radioaktivem Krypton und Xenon sowie mit etwas Trägergas (oder mit Gasen) "befrachtet". Dieses befrachtete Lösemittel strömt durch ein Schmutzfilter 40, welches in Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal der Erfindung den größten Teil der aufgrund der Strahlung in dem Lösemittel enthaltenen Schadstoffe (z. B₀ Wasserstoffhalogenide) entfernt. Das Filter 40 wird natürlich auch andere Schmutzstoffe abscheiden, von denen Feuchtigkeit, öl und Säuren typisch sind. Für die Zwecke der Erfindung wird vorzugsweise eine Patronenfilteranlage mit einer Standzeit von 30 Tagen geeigent sein.

Der Differenzdruck zwingt die befrachtete Flüssigkeit von dem Filter 40 durch eine Leitung 41 zu einem Fraktionier-Entspannungsbehälter 42 über einen Erhitzer 43 und Ventil 44 zu strömen, das

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dem Erhitzer 43 nachgeschaltet ist. Der Erhitzer 43 erhöht die Temperatur auf etwa 35°C mit einem Aufwand von etwa 2 kW₀ Die erhitzte Flüssigkeit tritt in den Entspannungsbehälter 42 ein, und ein Teil des Lösemittels verdampft, d_o h_o etwa 20 % der in den Entspannungsbehälter strömenden Flüssigkeit verdampfte Eine typische Konstruktion des Entspannungsbehälters 42 beeinhaltet ein stehend angeordnetes zylindrisches Gefäß mit einem Nenndurchmesser von TO cm und einer Gesamtlänge von 60 cm. Das befrachtete Lösemittel tritt in den Entsprannungsbehälter 42 durch einen Seiteneintritt mit einem Durchmesser von 1,3 cm ein; dieser Eintritt befindet sich etwa 15,2 cm von der Oberkante des Gefäßes. Die nichtverdampfte Flüssigkeit strömt aus dem Boden des Entspannungsbehälters 42 heraus und gelangt über eine 19 mm Leitung 45 zu einer Fraktionierkolonne 46«, Vorzugsweise wird ein Aufpralltropfenabscheider (Demister) in den Entspannungsbehälter 42 eingebaut, um flüssige Tröpfchen aus dem Dampf zu entfernen, der über eine Dampfleitung 47 aus dem Entspannungsbehälter heraustritt. Mit der möglichen Ausnahme der Dampfabzugsleitung 47 sollte das Oberteil des Fraktionier-Entspannungsbehälters 42 das höchste Teil der Vorrichtung sein. Bei der erläuternd dargestellten Ausführungsform der hierin beschriebenen Erfindung ist die Oberkante des Entspannungsbehälters 42 etwa 45 cm höher als die Oberkante der Fraktionierkolonne 46. Das Lösemittel aus dem Entspannungsbehälter 42 tritt in die Fraktionierkolonne 46 in der Nähe der Oberkante ein und strömt nach unten zu dem Boden der Fraktionierkolonne sowie zu einem Abzug 50. Der Abzug 50 führt das Lösemittel in einen Aufkocher 51 ein. Verdampftes Lösemittel aus dem Aufkocher 51 strömt dann aufwärts durch eine Leitung 52 in den Boden der Fraktionierkolonne 46₀ Die abwärts strömende Flüssigkeit und der im Gegenstrom aufwärts steigende Lösemitteldampf berühren sind in der Fraktionierkolonne 46, wobei das Trägergas (oder die Trägergase), zusammen mit etwas Krypton und Xenon, aus der Flüssigkeit herausgetrieben wird (werden)«, Dieses Gemisch aus Gasen und Lösemitteldampf strömt oben aus der

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Fraktionierkolonne 42 heraus zu einem Kondensator 53 über eine Leitung 54.

■Bei der Anwendung der Erfindung sollten etwa 3,5 kg cm" und 3°C sowie ein Flüssigkeits-Gas-Molverhältnis von 5 in der Fraktionierkolonne 46 aufrechterhalten werden. Außerdem sollte die Fraktionierkolonne 46 eine Goodloe-Füllkörpersäule enthalten, die einen Nenndurchmesser von 7,5 cm und eine Höhe von 2,74 m hat. Das Lösemittel wird über die Füllkörper durch eine wehrartige Düse·' verteilt, und die Füllkörpersäule wird von einem Rost getragen.

Als Aufkocher 51 kann man ein zylindrisches Gefäß vorsehen, das einen Durchmesser von 15 cm hat, 1 m lang ist und unter dem Boden der Fraktionierkolonne 46 angeordnet wird. Äußere Heizelemente (die in der Zeichnung nicht dargestellt sind) mit einer Gesamtleistung von 3 kW werden an der unteren Hälfte des Aufkochers befestigt, um mit einer Leistungsdichte von 20 W pro Quadratzoll zu arbeiten und genügend Wärme (1814 kcal) für die Verdampfung der abwärts strömenden Flüssigkeit zur Verfügung zu stellen.

Man wird sich daran erinnern, daß Dampf und Mischgase aus der Fraktionierkolonne 46 durch die Leitung 54 zu dem Kondensator strömen. In einem erläuternden Beispiel eines zur Verwendung in dem betreffenden System-geeigneten, horizontal angeordneten zylindrischen Kondensators befinden sich das Kühlmittel auf der Flossenrohrseite des Kondensators 53 und der Lösemitteldampf auf der Mantel seite. Das Kühlmittel in den Rohren verdampft und kühlt somit den Lösemitteldampf. Es wird geschätzt, daß unter diesen Umständen der Mantelseitige Druck 6,75 kg cm und der rohrseitige Betriebsdruck 54 psia beträgt,, Bei diesen Druckverhältnissen beträgt die Kühlmittel-Verdampfungstemperatur -15⁰C₀

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-2 Der maximale Druckverlust beträgt überdies 0,0625 kg cm für

das Kühlmittel und 0,25 kg cm"² für das Lösemittel«

-O

Der Fraktionier-Kondensator 53 hat eine effektive Wärmeübergangs-

2
fläche von 3,71 m , ein Wert, der sich aus einer logarithmischen mittleren Temperaturdifferenz von O C und einer Leistung von 1814 Kcal bei einem Gesamt-Wärmeübergangskoeffizienten von

-2 ο
1,146 Kcal m C errechnete Ein nicht dargestelltes Kühlaggregat zu 1 t ist in der Lage; die notwendige Kühlung für den Kondensator 53 zur Verfügung zu stellen«,

Der Lösemitteldampf verflüssigt in dem Kondensator 53 und fließt zurück in das Oberteil der Fraktionierkolonne 46 über eine Leitung 55, die an die Entspannungsbehälterleitung 45 angeschlossen ist_o Die nichtkondensierbaren Gase, hauptsächlich Wasserstoff und Stickstoff, mit etwas Krypton und Xenon, werden durch die Vorrichtung über eine Rezirkulationsleitung 56, ein Ventil 57 und den Kompressoreintritt 16 rezirkuliert.

Das Lösemittel, das jetzt reich an absorbiertem Krypton und Xenon ist, strömt von dem Aufkocher 51 über eine Leitung 60 und ein Ventil 61 zu einem Eintritt in der Nähe der Oberkante einer Abtriebsäule 62»

Die Abtriebsäule 62 ist konstruktiv ähnlich dem Absorptionsturm 26 und der Fraktionierkolonne 46. In dieser Beziehung ist eine vertikal angeordnete. Goodloe-Füllkörpersäule mit einem Durchmesser von 15 cm und einer Höhe von 2,44 m für die Zwecke der Erfindung geeignet. Innerhalb der Abtriebsäule 62 berührt das abwärts strömende Lösemittel mit dem absorbierten Krypton und Xenon einen im Gegenstrom aufwärts steigenden frischen Lösemitteldampf, der am Boden der Abtriebsäule 62 von einem Abtrieb-Aufkocher 63 über eine Leitung 64 eingeführt wurde.

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Das Verfahren innerhalb der Abtriebsäule 62 ist ähnlich demjenigen, das sich in der Fraktionierkolonne 46 abwickelt,, Der Betrieb der Abtriebsäule 62 mit einem anderen Flüssigkeit-Gas-Molverhältnis, einem niedrigeren Druck und einer niedrigeren Temperatur als die Fraktionierkolonne 46, Z₀ B₀ Flüssigkeit-Gas-Molverhältnis = 2, Druck 18 psia und Temperatur - 24 C, erlaubt es jedoch, die absorbierten Restgase, das Krypton und das Xenon, aus dem flüssigen Lösemittel auszutreiben. Das Lösemittel, das aus dem Boden der Abtriebsäule 62 heraus über eine Leitung 65 zu dem Abtrieb-Aufkocher 63 strömt, ist im wesentlichen gasfreio

Vorzugsweise ist der Abtrieb-Aufkocher 63 ein liegendes zylindrisches Gefäß, das einen Durchmesser von 20 cm und eine Länge von 91 cm hat. Elektrische Erhitzer mit einer Gesamtleistung von 12 kW sind auf der Außenseite des Aufkochergefäßes montiert. Gewünschte Ergebnisse werden erzielt, wenn sechs Streifenerhitzer verwendet werden, die mit einer Leistungsdichte von 20 W/Quadratzoll betrieben werden.

Frisches Lösemittel wird auch von dem Abtrieb-Aufkocher 63 über eine Leitung 66 und einen Lösemittelkühler 67 mittels einer Pumpe 70 abgesaugt, um über ein Lösemittelfilter 71 und den Fluorkohlenstoff-Flüssigkeitseintritt 32 in das Oberteil des Absorptionsturms 26 zu fließen. Das Filter 71 ist der gleichen Art und erfüllt die gleiche Aufgabe wie das Filter 40_o

Der Kühler 67 kann ein Doppelrohr-Wärmetauscher mit einer effek-

2 tiven Wärmeübergangsfläche von 0,0929 m sein_o Eine thermische Kuhlerleistung von 375 kg cm reicht aus, um die Temperatur des frischen Lösemittels von - 24⁰C auf - 31° C herabzusetzen. Das Lösemittel strömt auf der Innenrohrseite und das Sekundärsystem-Kühlmittel strömt in dem Außenrohr«, Vorzugsweise ist für das betreffende

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System ein Innenrohrdurchmesser von 19 mm und ein Außenrohrdurchmesser von 38 mm geeignete Das verhältnismäßig große Innenrohr vermindert die Druckverluste am Eintritt der Pumpe 70, weil hohe Druckminderungen an dieser Stelle zu einer zerstörenden Kavitation führen könnten«,

Das Sekundärkühlmittel hat eine Temperatur von -4O°C für Verdampfungskühlung; dies ergibt eine logarithmische mittlere Temperaturdifferenz von -28°C. Die Betriebsdrücke betragen 10 psia bzw, 18 psia an den Innen- bzw. Außenrohren_o Bei einer angenommenen Sekundärkühlsystemmenge von 30 lb/h Dichlordifluormethan sollte der maximale Druckverlust innerhalb des Innenrohrs 0_r1 psi und innerhalb des Außenrohrs 0,25 psi betragene

Die Pumpe 70, die'das frische Lösemittel bei der beschriebenen Ausführungsform fördert, sollte eine aus nichtrostendem Stahl bestehende Membranpumpe sein, die in der Lage ist, 136 Liter pro Stunde bei einem Druck von 28 kg cm psi und mit einer Zulaufhöhe von 0,21 kg cm "² bei -32°C zu fördern. Diese Zulaufhöhe setzt voraus, daß zwischen dem Lösemittelspeicher und dem Eintritt der Pumpe 70 keine Höhendifferenz vorhanden ist.. Weiterhin wird bei diesen erläuternden Angaben vorausgesetzt, daß ein Druckverlust

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von 0,126 kg cm zwischen de

mittelspeicher vorhanden ist<

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von 0,126 kg cm" zwischen dem Eintritt der Pumpe 70 und dem Löse-

Die Pumpe 70 sollte mit einer aus nichtrostendem Stahl oder einem apderen Metall bestehenden Membrane ausgestattet sein, weil die gewöhnlichen Kunststoff- oder sonstigen elastischen Membranmaterialien durch die Strahlungseinwirkung beschädigt werden.

Nach Austritt aus der Pumpe 70 strömt das Flüssige Lösemittel unter Druck durch das Filter 71 zur weiteren Schmutzentfernung vor Eintritt in den Absorptionsturm·

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Man wird sich daran erinnern, daß ein Gemisch aus Krypton und Xenon aus dem flüssigen, abwärts strömenden Lösemittel in der Abtriebsäule 62 desorbiert wurde. Dieses Gasgemisch ist jedoch nicht völlig rein, sondern kann Lösemitteldampf und vielleicht etwas Trägergas oder Trägergase enthalten. Um das radioaktive Krypton und Xenon wirksam und wirtschaftlich zu lagern, ist es jedoch sehr wichtig, soweit wie möglich alle der anderen nichtradioaktiven Gase oder Gase mit kurzer Halbwertzeit aus der langfristigen Lagerung auszuschließen

Zu diesem Zweck ist ein Abtrieb-Kondensator 72 strömungstechnisch ■it den Gasen verbunden, die aus dem Oberteil der Abtriebsäule über eine Leitung 73 und ein Ventil 74 austreten,, Der Kondensator 72, der konstruktiv ähnlich dem Fraktionier-Kondensator 53 sein kann, kondensiert jeglichen Lösemittelrestdampf, der eventuell in dem Gas von der Abtriebsäule 62 mitgerissen wird. Der verflüssigte oder kondensierte Lösemitteldampf fließt in das Oberteil der Abtriebsäule 62 durch eine Leitung 75 zurUck, die an die Leitung 60 angeschlossen ist«. Bei der erläuternd beschriebenen Ausführungsform sind eine Abtriebkondensatorleistung von 7828 Kcal und eine

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Wärmeübergangsfläche von 838 cm geeignet.

In Übereinstimmung mit einem weiteren Merkmal der Erfindung strömt das Gas aus dem Kondensator 72 durch eine Leitung 76 zu einem Produkttrockner 77, Der Produkttrockner 77 vermindert weiter unnötige Stoffe in dem Krypton- und Xenongasgemisch, wodurch das Volumen erhalten wird, das notwendig ist, um Krypton und Xenon langfristig zu lagern. Im einzelnen entfernt der Produkttrockner Lösemittelrestdampf aus den Gasen, die aus dem Abtrieb-Kondensator 72 austreten. Zu diesem Zweck ist ein hinter dem Abtrieb-Kondensator 72 angeordneter Kaltabscheider mit einem Volumen von 1 Liter und einer Leistung von 12 kcal in der Lage, die Produktgas-

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temperatur auf -78° C herabzusetzen und den gewünschten Krypton- und Xenon-Reinheitsgrad herzustellen₀

Unter diesem gleichen Gesichtspunkt strömt weiterhin ein Krypton- und Xenongemisch mit hoher Reinheit von dem Produkttrockner 77 durch eine Leitung 81 und ein Ventil 82 zu einer T-Verbindung 83. Die T-Verbindung 83 schließt das Krypton- und Xenbngasgemisch an eine Produktspeicherleitung 84 und eine Rezirkulationsleitung 85 an.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung liegt in der sorgfältigen Überwachung der Xenon- und Kryptonreinheit durch eine Kombination aus T-Verbindung 83 und Produktgas-Strahlungsmesser 86, der die Funktion eines Produktgas-Rezirkulationsventils 87 und eines Produktgas-Speicherventils 90 steuert. In Abhängigkeit von der Stärke der Produktgasradioaktivität erzeugt der Strahlungsmesser 86 ein Signal, das wahlweise das Rezirkulationsventil 87 und das Speicherventil öffnet und schließt. Wenn eine bedeutende Lösemittelmenge mit dem Produktgas mitgerissen wird, dann wird sich die am Strahlungsmesser festgestellte Strahlungsintensität gegenüber einer vorher festgelegten Höhe ändern. In diesem Fall wird der Strahlungsmesser 86 ein Signal erzeugen, das das Produktgas-Speicherventil 90 schließt und das Produktgas-Rezirkulationsventil 87 öffnet, damit das etwas verschmutzte Produktgas durch die Rezirkulationsleitung zu dem Kompressoreintritt 16 strömen kann, um erneut in der Vorrichtung verarbeitet zu werden_c Wenn die Produktgasstrahlungsxntensität jedoch innerhalb vorher festgelegter Grenzen liegt, dann erzeugt der Strahlungsmesser 86 ein anderes Signal, welches das Produktgas-Speicherventil 90 öffnet und das Produktgas-Rezirkulationsventil 87 schließt, damit das ausreichend reine Krypton- und Xenongasgemisch durch die Produktgas-Speicherleitung 84 zu einem geeignet abgeschirmten und geschützten Gaslager strömen kann_o

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In Übereinstimmung mit den Merkmalen dieser Erfindung ist also ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgesehen, um in wirksamer Weise die kleinen Spurenmengen langlebigen, radioaktiven Kryptons und Xenons von anderen Kernreaktor-Abgasen zu trennen, damit diese Gase sicher und wirtschaftlich gelagert werden können, bis die Radioaktivität zu einer verhältnismäßig harmlosen Höhe zerfällto

Es können auch Fluorkohlenstoffmedien als Lösemittel fUr dieses Verfahren verwendet werden,. Dabei kann es notwendig sein, die Verfahrensgrößen in einem gewissen Umfang zu ändern,, Nichtrostender Stahl ist außerdem für das hierin beschriebene Verfahren ein beyorzugter Werkstoff,

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Claims

PATENTANSPRÜCHE : fi\ Verfahren zur Reinigung von mit einem Trägergas vermischten radioaktiven Krypton und Xenon, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

1.1 das Gasgemisch verdichten,

1.2 das Gasgemisch mit einem Fluorkohlenstoff-Lösemittel in Berührung bringen, um Krypton und Xenon sowie eine Restmenge des Trägergases in dem Lösemittel zu absorbieren, wodurch dieses Lösemittel befrachtet wird,

1.3 das befrachtete Lösemittel mit mehr Fluorkohlenstoff-Lösemitteldampf in Berührung bringen, um das restliche Trägergas aus dem befrachteten Lösemittel auszuscheiden und ein Lösemittel zurückzulassen, das reich an radioaktiven Krypton und Xenon ist,

1.4 das an Lösemittel reiche Krypton und Xenon mit weiteren Fluorkohlenstoff-Lösemitteldampf in Berührung bringen, um Krypton- und Xenongas aus dem Lösemittel zu trepnen,

1.5 das Krypton- und Xenongas trocknen, um das Gas weiter zu reinigen, und

1.6 die Radioaktivität des gereinigten Gases messen, um wahlweise das gereinigte Gas zu speichern bzw. das gereinigte Gas wieder in das Verfahren einzuführen.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

2*1 die Radioaktivität des Trägergases messen

2.2 wahlweise das Trägergas ins Freie abführen bzw« wieder in das Verfahren einführen^ je nach gemessener Radioaktivität.

Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den folgenden Verfahrensschritt:

3.1 das Lösemittel filtrieren, um Strahlungsschadstoffe aus demselben zu entfernen.

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