DE2532631B1 - Anlage zur durchfuehrung eines verfahrens zum beladen von einem in einen anreichungsprozess eingeleiteten aus wasserstoff bestehendem oder wasserstoff als gemischkomponente enthaltenden einspeisestrom mit deuterium mit hilfe von wasser natuerlicher deuteriumkonzentration als deuterium-spender - Google Patents

Description

)as Hauptpatent bezieht sich auf ein Verfahren zum aden von einem in einen Anreicherungsprozeß geleiteten aus Wasserstoff bestehendem oder Wasstoff als GernischkorriDonente enthaltenden Einspeisestrom mit Deuterium mit Hilfe von Wasser natürlicher Deuteriumkonzentration als Deuterium-Spender und eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Die Merkmale des Hauptpatents bestehen darin, daß in einem Gegenstromverfahren in mehreren in bezug auf zunehmende Deuteriumkonzentration in Serie geschalteten Destillationskolonnen Wasser mit dem Wasserdampf des den Kolonnen zugeführten, aus Wasserdampf und Wasserstoff bestehenden Gemisches in Kontakt gebracht wird und daß das Gemisch jeweils vor Einleitung in eine Trennstufe überhitzt wird, in welcher Trennstufe Wasserdampf mit Wasserstoff in Kontakt gebracht wird, und das das Gemisch sodann durch Wärmeaustausch mit dem einer Trennstufe zugeführten Gemisch gekühlt wird und daß schließlich der vom Wasserdampf getrennte Einspeisestrom aus dem Gemisch mit höchster Deuteriumkonzentration in den monothermen oder bithermen Anreicherungsprozeß eingespeist, dort in Isotopenaustausch mit einem Wasserstoff als Komponente enthaltenden flüssigen Austauschmittel gebracht und zusammen mit dem abgetrennten und wieder verdampften Wasser überhitzt wird und in diejenige Trennstufe mit der niedrigsten Deuteriumkoazentration eingespeist wird und daß daran anschließend das Gemisch nach Kühlung in die Destillationskolonne mit der niedrigsten Deuteriumkonzentration des Gemisches eingeleitet wird.

Eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens ist gekennzeichnet durch mehrere in bezug auf die zunehmende Deuteriumkonzentration des Gemisches in Serie geschaltete Destillationskolonnen, welche Anschlußleitungen für die Zuleitung und Ableitung von Wasser aufweisen und durch im Strömungsweg des Gemisches angeordnete Trennstufen, welche jeweils einem rekuperativ arbeitenden Überhitzer nachgeschaltet und jeweils einem rekuperativ arbeitenden Kühler vorgeschaltet sind, und durch mindestens einen von einer fremden Heizquelle beheizten Nachwärmer, und weiterhin gekennzeichnet durch mindestens einen Kondensator im Strömungsweg des Gemisches nach der höchsten Beladung des Wasserstoffs mit Deuterium vor seiner Einspeisung in die Anreicherungsanlage, weiter durch einen Verdampfer für das auskondensierte Wasser und eine Rückführung des erhaltenen Wasserdampfes und des in der Anreicherungsanlage an Deuterium abgereicherten Gases bzw. Gasgemisches in die Beladungsanlage.

Die rekuperativ arbeitenden Überhitzer sind im Hauptpatent als Gegenstromwärmeaustauscher ausgebildet, in welchen ein Wärmeaustausch zwischen dem Gemisch vor einer Trennstufe und dem Gemisch nach einer Trennstufe durch wärmeübertragende Flächen erfolgt. Derartige Wärmeaustauscher sind relativ kostspielige Apparate, da sie Kollektoren und Wärmeaustauschflächen aus temperatur- und korrosionsbeständigen Materialien erfordern.

Die vorliegende Erfindung hat sich eine vorteilhafte und wirtschaftlichere Ausführungsweise der im Strömungsweg des Gemisches vor jeweils einem einer Trennstufe angeordneten Wärmeübertrager zum Ziel gesetzt.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß im Strömungsweg des Gemisches vor jeder Trennstufe mindestens ein zur Wärmerückgewinnung dienender Regenerator angeordnet ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, daß der Regenerator in an sich bekannter Weise als rotierender Körper ausgebildet ist,

dessen Speichermasse gemäß der Erfindung einerseits ,■on dem Gemisch vor seinem Eintritt in die Trennstufe und andererseits von dem Gemisch nach seinem Austritt aus der Trennstufe durchströmt sind. In diesem Fall ist es auch möglich, den Regenerator, dit Trennstufe und einen Nachwärmer, der beispielsweise elektrisch beheizt sein kann, in einem nach außen thermisch isolierten Behälter anzuordnen.

Schließlich besteht eine weitere, vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung darin, daß im Strömungsweg des Gemisches zwischen je zwei Destillationskolonnen zwei statische Regeneratoren und je zwei Trennstufen und ein zwischen beiden Trennstufen angeordneter Nachwärmer vorgesehen sind, wobei im Strömungsweg des Gemisches öffnungs- bzw. Abschlußorgane angeordnet sind, deren Stellung die Strömungsrichtung des Gemisches beeinflussen.

Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, daß Regeneratoren bei einer Anlage gemäß dem Hauptpatent eingesetzt werden können, da zwischen dem heißen und dem kalten Gemischstrom praktisch kein Druckunterschied besteht.

Ein Vergleich zwischen dem Einsatz von Wärmeaustauschern, wie sie in den Ausführungsbeispielen des Hauptpatents beschrieben und dargestellt sind und den bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Regeneratoren, welche Speichermassen z. B. aus Keramik, gewellten Blechen od. dgl. enthalten, zeigt folgenden Sachverhalt. Bei einer vorgegebenen Temperaturdiiierenz, die eine zuzuführende Wärmemenge im Nachwärmer bestimmt, wird der Überhitzer, der als Regenerator ausgebildet ist, investitionsmäßig billiger als ein Überhitzer, der als Gegenstromwärmeaustauscher wie im Hauptpatent beschrieben - ausgeführt ist. Die Herstellung eines Regenerators ist nämlich weniger aufwendig, und es können auch billigere Materialien als Wärmespeichermassen verwendet werden.

Umgekehrt können bei gleichem Investitionsaufwand für die Überhitzung größere Wärmeaustauschflächen erhalten werden, was eine Verkleinerung der Temperaturdiffercnz und damit auch eine Verkleinerung der im Nachwärmer aufzubringenden Wärmeleistung zur Folge hat.

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

Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellungsweise einen Teil einer Beladungsanlage, wie sie vollständig in der in Fig. 1 der Hauptantneldung dargestellt ist mit einem Rotationsgenerator, der in F i g. 2 perspektivisch dargestellt ist, während die Fig.3 eine Variante Ausführungsform mit zwei statischen Regeneratoren zeigt.

Die Destillationskolonnen 71 und 72 gemäß Fig. 1 können etwa den Destillationskolonnen 4 und 3 der in der Fig. 1 des Hauptpatents dargestellten Anlage entsprechen. Im Strömungsweg des aus der Destillationskolonne 71 austretenden aus Wasserstoff bzw. Wasserstoff als Gemischkomponente enthaltenden und aus Wasserdampf bestehenden Gemisches ist ein Rotationsregenerator 73 üblicher Bauart angeordnet, sowie ein z. B. elektrisch beheizter Nachwärmer 74 und eine Trennstufe 75, die einen Feststoffkatalysator ζ. Β. Nickel oder Platin enthält. Im Ausführungsbeispiel sind der Regenerator 73, der Nachwärmer 74 und die Trennstufe 75 in einem Behälter 76 - wie schematisch angegeben — angeordnet, wobei die einzelnen Elemente gegeneinander und die Behälter nach außen thermisch isoliert sind

Der in F i g. 2 schematisch dargestellte Rotationsregenerator 73 weist eine in einem Behälter 73a angeordnete segmentartig ausgeführte Speichermasse 736 auf, die von einer Welle 73c in Pfeilrichtung in Rotation versetzt wird. Das im Regenerator zu erwärmende und das abzukühlende Gemisch sind durch eine feststehende Wand 73c/ voneinander getrennt Da die Funktionsweise derartiger Rotationsgeneratoren bekannt ist, erübrigt sich ein näheres Eingehen hierauf. Die horizontalen Pfeile geben die Strömungsrichtung des Gemisches vor seinem Eintritt in die Trennstufe bzw. nach seinem Austritt nach der Trennstufe an.

Im folgenden wird die Betriebsweise des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert, wobei, wie bereits erwähnt, der übrige Teil der Anlage derjenigen von F i g. 1 des Hauptpatents entsprechen soll und zu deren Betriebsweise auf die Beschreibung des Hauptpatents verwiesen wird. Nachdem in der Destillationskolonne 71 das aus Wasserstoff bzw. Wasserstoff als Gemischkomponente enthaltenden und aus Wasserstoff bestehende Gemisch durch Isotopenaustausch mit entgegenströmendem Wasser natürlicher Deuteriumkonzentration mit Deuterium beladen worden ist, wobei der Isotopenaustausch zwischen dem Wasser und dem Wasserdampf stattfindet (die Deuteriumkonzentration des Wasserstoffs ändert sich in den einzelnen Kolonnen praktisch nicht, sondern er wird quasi als Ballast mit durch die Kolonnen transportiert), wird das Gemisch im Regenerator 73 durch Wärmeübertragung von der in einem vorhergehenden Zeitinti rval! durch das Gemisch nach seinem Austritt von der Trennstufe erwärmten Speichermasse erhitzt. Anschließend wird das Gemisch im Nachwärmer 74 weiter erhitzt und sodann in die Trennstufe 75 eingeleitet, in welcher eine Deuteriumübertragung aus dem überhitzten Dampf auf den Wasserstoff erfolgt soweit, bis sich das chemische Gleichgewicht hinsichtlich der Deuteriumkonzentration zwischen beiden Komponenten des Gemisches entsprechend der Überhitzungstemperatur eingestellt hat.

Das Gemisch durchströmt sodann die Speichermassen des Regenerators, die sich in einem vorhergehenden Zeitintervall durch Wärmeübertragung von dem kälteren Gemisch abgekühlt haben, und kühh sich hierbei ab, beispielsweise auf nahezu Sättigungstemperatur des Wasserdampfes. Sodann wird das Gemisch in den unteren Teil der Destillationskolonne 72 eingeleitet, in welcher der Wasserdampf in Isotopenaustausch mit entgegenströmenden Wasser natürlicher Deuteriumkonzentration tritt und hierbei mit Deuterium beladen wird.

Im Überhitzungsteil des Regenerators 73 wird z. B. das Gemisch auf etwa 600⁰C erwärmt und im Nachwärmer 74 um beispielsweise 10 — 50⁰C weiter erhitzt.

Die F i g. 3 zeigt eine Variante Ausführungsform eines Teils einer Beladungsanlage zu Fig. 1. In Fig.3 entsprechen die Destillationskolonnen 81 und 82 den Destillationskolonnen 71 und 72 von Fig. 1. In Abwandlung zu Fig. 1 sind im Strömungsweg des Gemisches zwei statische Regeneratoren 83 und 84, zwei Trennstufen 85 und 86 sowie ein z. B. elektrisch beheizter Nachwärmer 87 angeordnet. Im Leitungssystem für das Gemisch zwischen den beiden Destillationskolonnen sind als öffnungs- bzw. Abschlußorgane 88-91 wirkende Ventile angeordnet.

Im folgenden wird die Betriebsweise dieses Teils der

Beladungsanlage, soweit sie von Fig. 1 abweicht, erläutert.

In einer ersten Phase sind die Ventile 90 und 91 geschlossen und 88 und 89 geöffnet. Das aus der Destillationskolonne 81 austretende Gemisch durchströmt den Regenerator 83, der in einer vorhergehenden Phase vom überhitzten Gemisch durchströmt wurde, und wird hierbei beispielsweise auf etwa 600°C überhitzt, während sich die Speichermasse des Regenerators 83 abkühlt. Sodann findet in den Trennstufen 85 und 86 ein Isotopenaustausch zwischen dem Wasserstoff und dem überhitzten Wasserdampf des Gemisches statt, wobei das Gemisch zwischen den beiden Trennstufen in Nachwärmer 87 beispielsweise auf etwa 650°C weiter erwärmt wird. Anschließend wird das Gemisch vor seinem Eintritt in den unteren Teil der Destillationskolonne 82 im Regenerator 84 durch die in einer vorhergehenden Phase gekühlten Speichermasse beispielsweise bis nahezu Sättigungstemperatur des Wasserdampfes gekühlt, wobei sich die Speichermasse des Regenerators 84 erwärmt.

In der nächsten Phase werden die Ventile 90 und 91 geöffnet und die Ventile 88 und 89 geschlossen. Nur wird das aus der Destillationskolonne 81 austretende Gemisch im vorher erwärmten Regenerator 84 überhitzt und durchströmt die Trennstufe 86 und 85 unc den dazwischen angeordneten Nachwärmer 87 und wire vor seinem Eintritt in die Destillationskolonne 82 irr Regenerator 83 gekühlt. Die Zeitintervalle, in welcher eine Umschaltung der Ventile vorgenommen wird richten sich nach der Wärmekapazität der Speichermas sen der Regeneratoren und der Durchsatzmenge de; Gemisches.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Anlage zur Durchführung eines Verfahrens zum Beladen von einem in einen Anreicherungsprozeß eingeleiteten aus Wasserstoff bestehenden oder Wasserstoff als Gemischkomponente enthaltenden Einspeisestrom mit Deuterium mit Hilfe von Wasser natürlicher Deuteriumskonzentration als Deuterium-Spender, wobei in einem Gegenstromverfahren in mehreren in bezug auf zunehmende Deuteriumkonzentration in Serie geschalteten Destillationskolonnen Wasser mit dem Wasserdampf des den Kolonnen zugeführten, aus Wasserdampf und Wasserstoff bestehenden Gemisches in Kontakt gebracht wird und das Gemisch jeweils vor Einleitung in eine Trennstufe überhitzt wird, in welcher Trennstufe Wasserdampf mit Wasserstoff in Kontakt gebracht wird, und wobei das Gemisch sodann durch Wärmeaustausch mit dem einer Trennstufe zugeführten Gemisch gekühlt wird und schließlich der vom Wasserdampf getrennte Einspeisestrom aus dem Gemisch mit höchster Deuteriumkonzentration in den monothermen oder bithermen Anreicherungsprozeß eingespeist, dort in Isotopenaustausch mit einem Wasserstoff als Komponente enthaltenden flüssigen Austauschmittel gebracht und zusammen mit dem abgetrennten und wieder verdampften Wasser überhitzt wird und in diejenige Trennstufe mit der niedrigsten Deuteriumkonzentration eingespeist wird und daran anschließend das Gemisch nach Kühlung in die Destillationskolonne mit der niedrigsten Deuteriumkonzentration des Gemisches eingeleitet wird nach Hauptpatent 2241047, dadurch gekennzeichnet, daß im Strörnungsweg des Gemisches vor jeder Trennstufe (75; 85, 86) mindestens ein zur Wärmerückgewinnung dienender Regenerator (73; 83, 84) angeordnet ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regenerator (73) als rotierender Körper ausgebildet ist, dessen Speichermassen (73b) einerseits von dem Gemisch vor seinem Eintritt in die Trennstufe (75) und andererseits von dem Gemisch nach seinem Austritt aus der Trennstufe durchströmt sind.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regenerator (73), die Trennstufe (75) und ein Nachwärmer (74) in einem nach außen thermisch isolierten Behälter (76) angeordnet sind.

4. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungsweg des Gemisches zwischen je zwei Destillationskolonnen (8U, 82) zwei statische Regeneratoren (83, 84) und je zwei Trennstufen (85, 86) und ein zwischen beiden Trennstufen angeordneter Nachwärmer (87) vorgesehen sind, wobei im Strömungsweg des Gemisches Öffnungs- bzw. Abschlußorgane (88, 89, 90, 91) angeordnet sind, deren Stellung die Strömungsrichtung des Gemisches beeinflussen.