DE2612127A1

DE2612127A1 - Verfahren und vorrichtung zum extrahieren von deuterium bei zwei temperaturen

Info

Publication number: DE2612127A1
Application number: DE19762612127
Authority: DE
Inventors: Gerard J C A Pauluis
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1975-03-21
Filing date: 1976-03-22
Publication date: 1976-09-30
Also published as: AR217235A1; JPS51119695A; GB1507263A; AU1225676A; CA1040390A; JPS5530408B2; RO73131A; US4074974A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Extrahieren von Deuterium bei zwei Temperaturen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für ein Isotopen-Austausch-Verfahren bei zwei Temperaturen, um ein Isotop eines Elementes, speziell Deuterium, durch seinen Austausch zwischen zwei Substanzen bei zwei Temperaturen anzureichern.

Das Isotopen-Austausch-Verfahren bei zwei Temperaturen wurde in früheren Patenten (kanadische Patentschrift 574- 293, kanadische Patentschrift 866 116) und auch in der offenliegenden Literatur eingehend beschrieben.· Die Verfahren können nach der für das Einspeisen frischer Flüssigkeit in das System angewandten Methode in zwei Familien unterteilt werden, nämlich die Verfahren mit Kalteinspeisung und die Verfahren mit Heißeinspeisung. Das bei weitem üblichste Verfahren, das Verfahren mit Kalteinspeisung, besteht darin, daß eine Flüssigkeit (im GS-Verfahren (Girdler-Sulfid) Wasser) mit natürlicher Konzentration im oberen Bereich des KaIt-Turmes eingespeist wird, wo ihr Deuterium-Gehalt durch Austausch im Gegenstrom-Verfahren mit einem Gasstrom (HoS im

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DR. G. MANlTZ · DIPL.-ING. M. FINSTERWALD DIPL.-ING. W. GRAMKOW ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

GS-Verfahren) angereichert wird. Im Bodenteil dieses KaIt-Turms wird die Flüssigkeit aufgeheizt, und dann dem oberen Bereich eines Heißturmes eingespeist, wo sie ihr Deuterium dem entgegenströmenden Gasfluß zurückgibt. Eine Fraktion des Flüssigkeitsstroms wird als Produkt zwischen dem KaIt- und dem Heißturm abgezogen, und einer nachfolgenden Bearbeitungsstufe wieder eingespeist. Wenn ein Produkt abgezogen wird, fällt die Deuterium-Konzentration in der den Heißturm verlassenden Flüssigkeit unter die natürliche Konzentration, und diese Flüssigkeit wird dann nach sorgfältiger Wiedergewinnung ihrer Eigenwärme (d.h. ihres Wärmegehaltes) als Abwasser abgelassen. Alle bestehenden GS-Schwerwasser-Anlagen sind in dieser Weise errichtet.

Während die Flüssigkeit durch den Heißturm nach unten fließt, erreicht sie einen Punkt, wo ihre Konzentration gleich der Einspeis-Konzentration ist. Die oben erwähnte kanadische Patentschrift 866 116 beschreibt die Tatsache, daß heiße Speiseflüssigkeit an diesem Punkt oder unterhalb dieses Punktes hinzugefügt werden kann, um die Ausbeute des Verfahrens zu erhöhen. Diese Patentschrift betrifft ein Verfahren, bei dem ein Anteil der eingespeisten Substanz in kaltem Zustand dem oberen Bereich des kalten Turmes und ein anderer zusätzlicher Anteil im heißen Zustand irgendwo im heißen Turm hinzugefügt werden.

In der US-Patentanmeldung 533 768 wird gezeigt, daß es auf eine kontinuierliche Reinigung durch Destillation hinausläuft, wenn der in den Abschnitten oberhalb des Heiß-Einspeisungspunktes fließende Flüssigkeitsstrom wieder zum oberen Teil des Kaltturmes zurückgeführt wird. In jener Anmeldung wird ebenfalls gezeigt, daß die Produktivität (in bezug auf den Gasfluß) von Verfahren mit zwei Isotopen verbessert werden kann, wenn man einen doppelten Austausch

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von sowohl Wärme als auch Deuterium von der Flüssigkeit zu dem Gas in derselben Einheit unter dem Heißturm "bewirkt. Dies wird erreicht, ohne daß notwendigerweise der Flüssigkeitsstrom in bezug auf den Gasstrom in dem unteren Abschnitt des Heißturmes erhöht werden muß.

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren mit Heißeinspeisung zu schaffen, welche den Energiebedarf des Verfahrens pro Produkteinheit durch bessere Ausnutzung der in den verschiedenen Strömen enthaltenen Wärme verringert unter Beibehaltung der in der Reinheit des Wassers liegenden Vorteile, die dadurch geboten werden, daß die Flüssigkeit im Umlauf verbleibt.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung für ein Verfahren mit Heißeinspeisung zu schaffen, welches gegenüber früheren Verfahren mit Heißeinspeisung eine wesentliche Ersparnis an Kapitalkosten bei gleich hoher Produktionsrate bietet, oder anders gesehen, einen wesentlichen Anstieg der Produktion bei gleichen Kapitalkosten bietet.

Diese und andere Ziele der Erfindung werden durch eine Vorrichtung für ein Zwei-Temperaturen-Isotopenaustausch-Verfahren zur Anreicherung eines Isotops eines Elements durch seinen Austausch zwischen zwei das Element enthaltenden Substanzen, davon eine im flüssigen und eine im gasförmigen Zustand, erreicht. Die Vorrichtung enthält mindestens ein Paar von zum Kontakt zwischen Flüssigkeit und Gas bestimmten Turmabschnitten, die auf verschiedenen !Temperaturen gehalten werden, und durch welche man diese Substanzen in im wesentlichen zwei geschlossenen Kreisläufen andauernd kreisen läßt, wobei die Flüssigkeit in den ersten Turm des Paares mit einer ersten Konzentration des anzureichernden Isotopes eingespeist und in dem ersten Turm durch Austausch des Isotops mit dem entgegenströmenden Gasfluß zu einer Konzentration angereichert

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wird, die oberhalb der ersten Konzentration liegt, wonach die Flüssigkeit zur Temperatureinstellung behandelt wird und in den oberen Teil des zweiten Turmes des Turm-Paares eingespeist wird, dort zu einer Konzentration des Isotopes durch den Austausch in dem zweiten Turm zu einem Wert oberhalb der ersten Konzentration in dem unteren Abschnitt des zweiten Turmes verarmt wird, wobei das Gas im Gegenstrom zur Flüssigkeit vom unteren Teil zum oberen Teil des zweiten Turmes umläuft, worauf eine Temperatureinstellung vorgenommen und es in den unteren Teil des ersten Turmes eingespeist wird, während ein Teil der Substanzen zwischen dem ersten und zweiten Turmabschnitt aus dem System abgezogen wird. Das Verfahren, einen im wesentlichen andauernden Umlauf von sowohl Gas wie Flüssigkeit in den Türmen zu erzielen und das anzureichernde Isotop dem System zuzuführen, besteht im Einspeisen der Flüssigkeit mit einer oberhalb der ersten Konzentration liegenden Konzentration, vom Boden des zweiten Turmes zu dem oberen Teil eines By-Pass-Turmabschnittes, in dem sie die Wärme austauscht, und bis zu der ersten Konzentration an dem Isotop verarmt durch direkten Kontakt mit einem Teil des Gases, das den ersten Turm verlassen hat; im Zurückbringen der Flüssigkeit vom Bodenteil des Bypass-Turmabschnittes zum oberen Teil des ersten Turmes nach Einstellung der Temperatur und der Durchflußrate; im Einspeisen eines weiteren Stromes · der flüssigen Substanz bei einer Isotopen-Konzentration, die oberhalb der ersten Konzentration liegt, an einem anderen Einspeis -Turmabschnitt, der parallel zu dem Bypass-Abschnitt angeordnet ist und in dem der zweite Strom der Flüssigkeit die Wärme austauscht und an dem Isotop durch direkten Kontakt mit einem anderen Teil des Gases, das den ersten Turm verläßt, zu einer unter der ersten Konzentration liegenden Konzentration verarmt, wobei der zweite Flüssigkeitsstrom hinter dem Einspeis-Abschnitt als Abwasser aus dem Verfahren ausgeschieden wird; und im Mischen des Gasstromes aus dem Bypass-Abschnitt und dem Einspeis-Abschnitt und im Einspeisen des Gesamtstromes in den Bodenteil des zweiten Turmes.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung "beispielsweise näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Isotopen-Austausch-Verfahrens mit heißer Einspeisung, nach dem Stand der Technik, und

Fig. 2 ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des Heißeinspeis-Verfahrens, das in der kanadischen Patentanmeldung 195 387 beschrieben ist. Das erfindungsgemäße System ist demgegenüber verbessert. Zur klareren Darstellung sind die Figuren auf die wesentlichen Elemente reduziert worden und beschreiben keine Hilfseinrichtungen wie z.B. Pumpen, Ventile, Gebläse, usw.. Es ist klar, daß solche und andere Hilfseinrichtungen für den Betrieb einer Anlage nötig sind, aber nicht zum Vergleich der Verfahren. In dieser Anordnung tauscht die Einspeis-Flüssigkeit 1 in einem Wärmetauscher 2 die Wärme mit einem Flüssigkeitsrückstrom 3, der vom unteren Teil des Heißturmes 6 zu dem oberen Teil des Kaltturmes 4 strömt. Die Einspeis-Flüssigkeit kann dann durch einen Druckentgaser 13 geleitet werden, obwohl dieser Schritt nicht wesentlich ist. Sie wird dann oberhalb des Druckverstärker-Befeuchterabschnittes bzw. Tröpfchenabscheider-Befeuchterabschnitt 7 eingespritzt. In den^ruckverstärker 7 und dem Befeuchterkreislauf 8 tauscht sie Wärme und Deuterium mit dem gesamten im Gegenstrom befindlichen Gas, das vom oberen Teil des Kaltturmes 4- herkommt. Die Flüssigkeit vom Befeuchterkreislauf 8 wird in zwei Teile aufgeteilt. Ein Teil der Flüssigkeit wird durch den Wärmetauscher 9 zurückgeführt, wo sie Wärme von der Entfeuchterschleife des Kreislaufs zurückgewinnt, welche Schleife von einem Flüssigkeitsstrom 5a- gebildet wird, der vom Entfeuchter 5 herkommt und auch durch einen Kühler 10 hindurchtritt, und tritt wieder oben in den Befeuchterkreislauf 8 ein, während der übrige Teil durch den Wärme-

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tauscher 11 und die Trennstufe 12 geführt wird. In der Trennstufe 12 wird alles gelöstes Gas entfernt, worauf die Flüssigkeit als Abwasser abgelassen wird.

Da dieses Verfahren die Platten unterhalb des Heißturmes benutzt, um Wärme- und Deuteriumaustausch mit dem vom Kaltturm kommenden Gas zu erzielen, kann es mehr Deuterium pro in den Umlauf gesandter Gaseinheit produzieren als frühere Verfahren (Heiß- oder Kait-Einspeis-Verfahren), welche diese Platten nicht für den Deuteriumübergang verwendeten. Obwohl dieses Verfahren früheren Verfahren überlegen ist (d.h. Deuterium billiger produzieren kann), ist jedoch die Extraktion in dem Befeuchterkreislauf-Abschnitt (die typischerweise 60 % der Extraktion im Druckverstärkerabschnitt darstellt) durch den Deuterium-Gehalt in dem vom oberen Teil des Kaltturmes kommenden Gas und durch die Temperatur am Boden des Befeuchterkreislauf-Abschnittes beschränkt. Auch der Flüssigkeitskreislauf 3 vom Bodenabschnitt des Heißturmes bringt wegen des Wärmeaustauschers 2 Minderungen im Wirkungsgrad mit sich. Er hat auch die zusätzlichen Kapitalkosten für den Wärmetauscher selbst zur Folge.

Es hat sich gezeigt, daß die Wärmerückgewinnung des Verfahrens verbessert und die Kapitalkosten reduziert werden können, wenn die Flüssigkeit von einem Punkt oberhalb des Einspeise- und Einspritzpunktes vor ihrer Rückkehr an den oberen Teil des Kaltturmes ihre Wärme direkt mit einem Teil des vom Kaltturm umlaufenden Gases in einem Bypass-Abschnitt austauschen kann, welcher aus einem Befeuchter und einem möglicherweise darüber angebrachten kleinen isothermischen Abschnitt besteht. Dieser Bypass-Abschnitt ist von dem Einspeiseabschnitt, welcher aus Befeuchterkreislauf, Druckverstärker und möglicherweise einem kleinen isοthermischen Turmabschnitt, oder jeder Kombination aus diesen Geräten, gebildet werden kann, getrennt.

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Als Resultat dieser verbesserten Wärmerückgewinnung kann der Heißturm bei einer höheren Temperatur (bei gleich großer Wärmeversorgung) als in den anderen bekannten Verfahren mit Heißeinspeisung betrieben werden, und seine Produktion pro fließender Gaseinheit kann vergrößert werden.

Weiter wurde festgestellt, daß, weil die im Umlauf befindliche !Flüssigkeit in dem Bypass-Abschnitt etwas Deuterium verliert, das den Kaltturm nach dem Kontakt mit der umlaufenden Flüssigkeit verlassende Gas ebenso Deuterium verloren hat. Diese Tatsache wird benutzt, um die Deuteriumextraktion von der Speiseflüssigkeit zu beschleunigen. Es stellte sich heraus, daß die durch Benutzung der beiden parallelen Abschnitte, einer zur Abtrennung des Deuteriums von der Einspeise-Flüssigkeit und zum Aufheizen des Gases, der andere zum Abkühlen der umlaufenden Flüssigkeit und zum Aufheizen des Gases, verfügbaren zusätzlichen Parameter eine Optimierung des Deuterium-Gehaltes in der umlaufenden Flüssigkeit, unabhängig von dem abfließenden Deuterium-Gehalt ermöglichten.

Dies ergibt ein Verfahren, in dem die Produktion von Deuterium pro Gasdurchflußeinheit, pro zugeführter Wärmeeinheit, und pro investierter Kapitaleinheit über die Werte bei anderen Verfahren mit Kalt- oder Warmeinspeisung erhöht wurde.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Die eingespeiste Substanz 1 wird durch den Teil 9a des Entfeuchter/Befeuchter-Wärmetauschers aufgeheizt, sie wird dann einem Druckentgaser 13 eingegeben (dieser Schritt ist nicht wesentlich), und von hier geht die Flüssigkeit (nun als Strom 1a) zum oberen Teil des Druckverstärkers bzw. Tröpfchenabscheiders 7^ai wo sie einen Teil 16 des Hauptumlaufstromes aufnehmen kann. Dieser Teil entspricht einem Teil des Feuchtigkeitsgehaltes des Gasstromes 18, der den Druckverstärker 7^s·· verläßt. (Es ist zu bemerken, daß der Rest des Feuchtigkeits-

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gehaltes des Gasstromes 18, oder sogar der ganze Gehalt, von dem Bodenteil des Befeuchters 7b über 19 zu der Befeuchter-Kreislaufschleife zurückgeführt werden kann, falls erwünscht)

Der Druckverstärker 7a und der Befeuchterkreislauf 8a werden genauso wie in dem in Fig. 1 "beschriebenen Verfahren betrieben, außer,, daß nun der ganze eingespeiste Strom Wärme und Deuterium mit lediglich dem Teil 14a des Gasumlaufstromes austauscht. Diese Eigenschaft erleichtert die Anreicherung des Gases. Am Boden des Befeuchterkreislauf-Abschnittes 8a wird die ihres Deuterium-Gehaltes beraubte Flüssigkeit durch den Wärmetauscher 11 zur Trennstufe 12 geleitet und dann als Abwasser abgelassen. Die Flüssigkeit 20, die den Heißturm 6 verläßt, tauscht nun ihren Wärmegehalt direkt mit dem Teil 14b des Umlaufgases in dem Bypass-Befeuchterabschnitt 7b, statt wieder an den oberen Teil des Kaltturmes 4 durch einen Wärmetauscher 2, wie in Fig. 1 beschrieben, zurückzukehren. Die früheren Verfahren verlangten den weniger wirksamen und teureren Wärmeaustausch über den Wärmetauscher 2 der Fig. 1 und durch die Einspeisflüssigkeit.

Als Ergebnis des direkten Kontaktes zwischen Gas und Flüssigkeit tauscht der Flüssigkeitsstrom 21 Deuterium mit dem eintretenden Gasstrom 14b, und so besitzt die zum oberen Teil des Kaltturmes 4 zurückgeführte Flüssigkeit einen niedrigeren-Deuterium-Gehalt als der Einspeis-Strom. Der Kaltturm muß die wieder umlaufende Flüssigkeit 15 von einem niedereren Isotopengehalt als dem natürlichen aus anreichern; der den Kaltturm verlassende Gasstrom ist jedoch dem Gleichgewicht mit dieser Flüssigkeit 15 nahe und damit am zu konzentrierenden Isotop verarmt und es ist eine sehr starke Antriebskraft vorhanden, das Isotop in dem Einspeis-Abschnitt 7a- + 8a und in dem Bypass-Ab schnitt Tb anzureichern. Da auf diese Weise der Befeuchterbereich, mit paralleler An-

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Ordnung des Einspeiseteils 7^a + 8^a und des Bypass-Ieils 7"b, "besser ausgenützt wird, kann der Betrieb der unteren Abschnitte einer Austauschstufe in einer dem Stand der Technik überlegenen Art optimiert werden. Es ist typisch für dieses Verfahren, eine Deuterium-Konzentration von etwa Ί 35 ppm in. der umlaufenden Flüssigkeit 15 und von ungefähr 120 ppm im Abstrom zu erhalten, bei einem dem Einspeisstrom eines Kalteinspeis-Verfahrens entsprechenden Speisestrom und bei einer Einsp.eis-Konzentration von 148 ppm.

Da der gesamte, aufgeheizte und in den unteren Abschnitten 7a + 8a und ¹Jb der Stufe angereicherte Gasstrom sich in seiner Größe nicht wesentlich von dem gesamten in den früher bekannten Verfahren aufgewärmten Gasstrom (bezogen auf die Gesamt-Umlaufmenge des Gases) unterscheidet, kann die Summe der Querschnitte von 7^a + 8a und 7b so groß wie der Querschnitt des Befeuchters 8 im früheren Prozeß gemacht werden. Es ist verständlich, daß die zwei Parallelabschnitte, wenn gewünscht, innerhalb der gleichen Druckhülle kombiniert werden können, welche auch den Heißturm enthalten kann.

Dampf kann entweder nur bei dem Einspeise-Abschnitt, oder in den Einspeise-Abschnitt und in den Bypass-Abschnitt eingegeben werden. Wenn eine indirekte Heizung gewählt wird, kann man den Einspeisestrom 1a aufheizen, oder den Befeuchter-Umlauf strom 23a oder den Strom 21, oder eine Kombination aus diesen Strömen. Die Durchflußrate am Speiseeingang dieses Verfahrens ist nicht länger eine direkte Funktion der Gasumlaufrate, wie dies in den Kalteinspeis-Verfahren der Fall ist. Die Einspeis-Strömungsrate kann so, beruhend auf wirtschaftlichen Überlegungen, kleiner oder größer als die Durchflußrate der umlaufenden Flüssigkeit auf Leitung 15 gemacht werden. Der größte praktisch erreichbare Wert wird der sein, für welchen die Einspeisrate gleich dem Gesamtrückstromfluß 23 des Entfeuchters ist, da in diesem Falle

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der Gasteil 14a durch die Einspeisung in einem großen Druckverstärker ohne Bedarf für den Flüssigkeitsumlauf aufgeheizt wird, und der Befeuchterkreislauf-Abschnitt verschwindet. Der kleinste praktische Wert wird gleich ITuIl sein, was in diesem Fall einem Betrieb mit totalem Wiederumlauf entspricht. Dieser Betrieb ist in einer Anlage für einen gewissen Zeitabschnitt möglich, wenn die Stufe immer noch ein angereichertes Produkt liefert, das aus ihrem Eigengehalt an Deuterium stammt. Diese Betriebsart wird empfohlen, wenn die Einspeisung für kurze Zeitabschnitte unterbrochen werden muß und das Deuteriumprofil, das sich in den Türmen eingestellt hat, erhalten xverden soll. Die Tabelle 1 zeigt einen typischen "Vergleich der Produktion eines nach dem Stand der Technik eingeführten Verfahrens mit Kalteinspeisung und dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei beide Verfahren mit demselben Wärmenachschub bei einer Heißturm-Temperatur von etwa 144⁰C arbeiten.

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TABELLE

VERGLEICH EINES ÜBLICHEN VERFAHRENS MIT DEM ERFINDUNGSGEMÄSSEN VEEPAHEEN

Stand der Technik Verf.mit Kalteinspeisung

erfindungsgemäßes System

Verfahrensart

Kalteinspeisung, Abstrom vom unteren Befeuchter

(ppm)

Produktion (mol/s) Konzentration Kaltturm unten Anzahl der Platten: Gesamt*

Kaltturm

Entfeuchter

Heißturm

Druckverstärker

Bypass

feuchter Kreislauf Dampfdurchfluß (kmol/s)** Gasdurchfluß zum Kaltturm (kmol/s) Flüssigkeitsstrom v. Kaltturm (kmol/s) Temperatur, Gas zum Kaltturm (⁰C' Temperatur, Gas zum Heißturm (⁰C' Gasfluß zum Bypass (kmol/s) Konzentration in der Umlaufflüssigkeit (ppm) Konz.flüß. von Befeuchter (ppm) Wärmetausch-Oberflachen: (m^; Einheit 9 (9a 9h)

11

Vorheizer für Einsp.*** Einspeisungsfluß (kmol/s)

0,2566 1578 160 67

13

67

13

1,94-3 16,838 8,248 32

143,9

121,6

15515 12356

8,017

Heißeinspeisung, Abstrom vom unteren Befeuchter

0,2713 1578 160 67

13 61 8

11

1,943

16,785

8,154

32

19

4,384 134,4 119,9

8378 12356 1500 8,053

7137

* Hur die Gesamtzahl der aufeinander gestapelten Platten wurde beachtet, diese Anzahl ist ein Maß für das Turmvolumen.

** Die gesamte Dampfmenge wird bei dem bevorzugten Verfahren in den Druckverstärker, 6 Platten

unter der Oberseite eingespeist. Bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik wird die gesamte Dampfmenge in den Bodenabschnitt des Heißturmes eingespeist.

*** Die Kapitalkosten dieser Vorheizeinrichtung werden teilweise bei den Kühleinrichtungen wieder eingespart, da die gesamte Wärmezufuhr und also auch die Verluste konstant bleiben.

Die Tabelle 2 zeigt einen anderen Vergleich zwischen den zwei Verfahren bei Bedingungen, die etwa denen der vorgeschlagenen Schwerwasser-Anlage von Gentilly nahekommen. Der Vergleich wurde unter Benutzung des gleichen Simulationsmodells gemacht, wie es gegenwärtig als Bezug für
Überwachungsbetrieb und den Entwurf von Schwerwasser-Anlagen benutzt wird.

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T.T.TC

VERGLEICH EINES ÜBLICHEN UlTD DES BEVORZUGTEN VERFAHRENS

Stand der Technik
Verf.mit Kalteinspeisung

erfin&ungsgemaßes
System

ο co oo *χ ο

Verfahrensart

Produktion (mol/s) Konzentration Kaltturm unten (ppm) Anzahl der Platten: Gesamt*

Kaltturm Entfeuchter Heißturm Druckverstärker Bypass

feuchter Kreislauf Dampfdurchfluß (kmol/s)* * Gasfluß zum Kaltturm (kmol/s) Flüssigkeitsdurchfluß Kaltturm (kmol/s !Temperatur, Gas zum Kaltturm (⁰CO Temperatur, Gas zum Heißturm (⁰C; Gasdurchfluß im Bypass (kmol/s) Konzentration Flüssigkeitsumlauf (ppm) Konzentration Flüssig, vom feucht.Krsl, Wärmetausch-Oberflächen: (m ) Einheit 9 (9a 9b) Einheit

Vorheizer-Einspeisung* * * Einsp e i sung s fluß (kmol/s)

Kaiteinspeisung, Abstrom vom unteren Befeuchter'

0,21732 1578

164

68

14

66

16

1,239 16,836 8,186 32

125,8

123,3

8516
9290

7,957

Heißeinspeisung, Abstrom vom unteren Befeuchter

0,23133

1578

164

68

14

62 7

20

13

1,239

16,767

8,136

32

127,16

5,68

133,3 121,7

3575 9290 1000 8,053

4941

* Nur die Gesamtzahl der aufeinander gestapelten Platten wurde beachtet, diese Anzahl ist
ein Maß für das Turmvolumen.

** Die gesamte Dampfmenge wird bei dem bevorzugten Verfahren in den Druckverstärker, 6 Platten

*** Die Kapitalkosten dieser Vorheizeinrichtung werden teilweise bei den Kühleinrichtungen wie der eingespart, da die gesamte Wärmezufuhr und also auch die Verluste konstant bleiben.

Die Tabellen 1 und 2 zeigen klar Verbesserungen von etwa 5,7 t>is 6,5 % bei denselben Bedingungen von Wärmezufuhr, Durchflußmengen und Kapitalkosten. Es ist jedoch wahrscheinlich, daß die größere Reinheit des wiederumlaufenden Flüssigkeitsstroms einen weiteren großen Anstieg in der Produktion ergibt, verglichen mit dem Verfahren mit Kalteinspeisung, jedoch kann letzteres nicht zahlenmäßig angegeben werden.

Die grundlegenden Bestandteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:

1) Das Aufteilen des unteren Teiles der ersten Stufe (die in den bisherigen Verfahren durch den Druckverstärker (7) und den Befeuchter-Kreislauf-Abschnitt (8) gebildet wurde) in zwei Abschnitte, die parallel angeordnet werden und zwar jeweils (7a + 8a) und (7b);

2) Das Aufteilen des umlaufenden Gasstromes von dem Oberteil des Kaltturmes in zwei Teilströme 14-a und 14b, die in die in 1) erwähnten Abschnitte eingespeist werden, und das Zusammenführen dieser Teilströme oberhalb des Einspeisungspunktes am Unterteil des heißen Anreicherungsabschnittes (6);

3) Das Umlaufenlassen der Flüssigkeit der Hauptumlaufschleife (das ist der Flüssigkeitsstrom den Kaltturm (4·) hinab, durch den Entfeuchter (5)j den Heißturm (6), den Befeuchter (7"b) und wieder in Umlauf gebracht durch (13) zu (4·)) durch den Bypass-Abschnitt (7^0, wo sie Deuterium und Wärme durch direkten Kontakt mit einem Teilstrom (14b) des entgegenströmenden umlaufenden Gases (14·) austauscht, wodurch die umgelaufene Flüssigkeit davor bewahrt wird, direkt irgendwelches flüssiges Material aus dem Einspeisestrom (2) aufzunehmen;

4·) Die Berührung der heißen Einspeis-Flüssigkeit in dem Turmabschnitt (7a, 8a) mit dem restlichen Teil des Gasumlaufstroms (14-a).

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Die Erfindung betrifft also eine Vorrichtung zur Extraktion bei zwei Temperaturen, mit einem Heiß- und einem Kaltturm, in denen Flüssigkeits- und Gasströme im Gegenstrom-Verfahren Deuterium austauschen, wobei das Gas von der Oberseite des Kaltturmes zu der Unterseite des Heißturmes umläuft, mit einem Befeuchterabschnitt, durch den der umlaufende Gasstrom und auch der Flüssigkeitsstrom von dem Heißturm aus hindurchgehen, mit einem Entfeuchter zwischen dem Heiß- und dem Kaltturm, durch welchen sowohl der Gas- wie der Flüssigkeitsstrom hindurchgehen, Einrichtungen für den Wärmeaustausch zwischen Befeuchter und Entfeuchter, mit Einrichtungen zum Aufheizen einer kalt eingelassenen Speiseflüssigkeit und zum Einspeisen derselben in das System an der Oberseite des Entfeuchterabschnittes an einem zwischen dem Flüssigkeitsaustritt des Heißturmes und dem Flüssigkeitseinlaß des Befeuchters gelegenen Punkt, mit Einrichtungen zur Wiedergewinnung der Wärme von einem ersten Teil des den Befeuchter verlassenden Flüssigkeitsstromes und zum Ablassen des Flüssigkeitsstromes zum Abwasser, eine Einrichtung, um einen zweiten Anteil des Flüssigkeitsstromes, der den Befeuchter verläßt, zum oberen Teil des Kaltturmes zurückströmen zu lassen, wobei der Befeuchterabschnitt einen Befeuchter-Kreislauf-Abschnitt und einen Druckverstärker-Befeucht er-Abschnitt in Reihe im Gas- und Flüssigkeitsstrom enthält, so daß ein Teil des umlaufenden Gases vom oberen Teil des Kaltturmes zuerst durch den Umlaufteil und den Druckverstärker-Teil hindurchtritt, bevor er den Bodenteil des Heißturmes erreicht, und ein Teil des Flüssigkeitsstromes, der aus dem Heißturm austritt, in umgeke^v dichtung hindurchtritt, und dazu einen getrennten Befeuc schnitt, der parallel zum Befeuchter-Kreislauf-Abschnitt und Dj.. ./erstärker-Befeuchter-Abschnitt gelegt ist, durch welchen getrennten Befeuchterabschnitt ein Teil der umlaufenden Gas- und Flüssigke its ströme hindurchtreten, und wobei die aufgeheizte Einlaß-Ein spei sung dem oberen Teil des Druckverstärker-Abschnittes zugeführt wird, und der Umlaufabschnitt mit den Einrichtungen zum Wärmetausch

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zwischen Befeuchter und Entfeuchter verbunden ist, und mit einer Einrichtung zum Abziehen von mit Deuterium angereichertem Gas oder angereicherter Flüssigkeit von dem System.

— Patentansprüche -

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Claims

- 17 Pat entansprüche

I,/ Vorrichtung zum Extrahieren von Deuterium "bei zwei Temperaturen, gekennzeichnet durch

a) einen Heiß- und einen Kaltturm, durch welche Gas und Flüssigkeitsströme im Gegenstrom-Verfahren so hindurchtreten, daß Deuterium ausgetauscht werden kann, wobei das Gas vom Oberteil des Kaltturmes zum Bodenteil des Heißturmes umläuft,

b) einen Befeuchter-Abschnitt, durch den der umlaufende Gasstrom sowie der vom Heißturm kommende Flüssigkeitsstrom hindurchtritt,

c) ein Entfeuchter zwischen Heiß- und Kaltturm, durch welchen sowohl Gas- als auch Flüssigkeitsstrom hindurchtreten,

d) Einrichtungen, um die kalt eingelassene Speiseflüssigkeit aufzuheizen und sie am oberen Teil des Befeuchter-Abschnittes an einen zwischen dem Flüssigkeitaauslaß des Heißturmes und dem Flüssigkeitseinlaß des Befeuchters gelegenen Punkt einzuspeisen,

e) Einrichtungen, um die Wärme von einem ersten Teil des Flüssigkeitsstromes nach Verlassen des Befeuchters wiederzugewinnen, und ihn zum Abwasser abzulassen,

f) Einrichtung, um einen zweiten Teil des Flüssigkeitsstromes, der den Befeuchter verläßt, wieder in Richtung- auf den oberen Teil des Kaltturmes in den Kreislauf zu bringen,

g) in dem Befeuchter-Abschnitt enthaltene und in Serie geschaltete Abschnitte, und zwar ein Befeuchter-Kreislauf-Abschnitt und ein Druckverstärker-Befeuchter-Abschnitt, in denen der Gas- und der Flüssigkeitsstrom so fließen, daß ein Teil des vom oberen Teil des Kaltturmes kommenden Umlauf-Gases zuerst durch den Kreislauf-Abschnitt und den Druckverstärker-Abschnitt hindurchtritt, bevor er den Bodenteil des Heißturmes erreicht, und ein Teil des den Heißturm verlassenden Flüssigkeitsstromes in der umgekehrten Reihenfolge hindurchtritt, und einen

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getrennten, parallel zu dem Befeuchter-Kreislauf- . Abschnitt und Druckverstärker-Befeuchter-Abschnitt geschalteten Befeuchter-Abschnitt, durch den ein Teil der umlaufenden Gas- und Flussigkeitsströme hindurchtreten, wobei der Einspeisestrom im oberen Teil des Druckverstärker-Abschnittes eingespeist wird, und

h) eine Einrichtung zum Abziehen einer Ausbringung von mit Deuterium angereichertem Gas oder Flüssigkeit von dem System.
2. "Vorrichtung zum Extrahieren von Deuterium mit zwei Temperaturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkeit Wasser und das Gas Schwefelwasserstoff (Wasserstoff-SuIfid) ist.
3. "Vorrichtung zum Extrahieren von Deuterium mit zwei Temperaturen, gekennzeichnet durch

a) einen Heiß- und einen Kaltturm, durch welche Gas und Flüssigkeitsströme im Gegenstrom-Verfahren so hindurchtreten, daß Deuterium ausgetauscht werden kann, wobei das Gas vom Oberteil des Kaltturmes zum Bodenteil des Heißturmes umläuft,

b) einen Befeuchter-Abschnitt, durch den der umlaufende Gasstrom sowie der vom Heißturm kommende Flüssigkeitsstrom hindurchtritt,

c) ein/Entfeuchter zwischen Heiß- und Kaltturm, durch welchen sowohl Gas- als auch Flüssigkeitsstrom hindurchtreten,

d) Einrichtungen zum Wärmeaustausch, zwischen Befeuchter und Entfeuchter angebracht,

e) Einrichtungen, um die Wärme von einem ersten Teil des Flüssigkeitsstromes, nach Verlassen des Befeuchters wiederzugewinnen, und ihn zum Abwasser abzulassen,

f) Einrichtung, um einen zweiten Teil des Flüssigkeitstromes, der den Befeuchter verlaßt, wieder in Eich- tung'auf den oberen Teil des Ealtturmes in den Kreislauf zu bringen, 609840/0845

g) in dem Befeuchter-Abschnitt enthaltene und in Serie geschaltete Abschnitte, und zwar, ein Bef euchter-Kreislauf-Abschnitt und ein Druckverstärker-Befeuchter-Abschnitt, in denen der Gas- und der Flüssigkeitsstrom so fließen, daß ein Teil des vom oberen Teil des Kaltturmes kommenden Umlauf-Gases zuerst durch den Kreislauf-Abschnitt und den Druckverstärker-Abschnitt hindurchtritt, bevor er den Bodenteil des Heißturmes erreicht, und ein Teil des den Heißturm verlassenden Flüssigkeitsstromes in der umgekehrten Reihenfolge hindurchtritt, und einen getrennten, parallel zu dem Befeuchter-Kreislauf-Abschnitt und Druckverstärker-Befeuchter-Abschnitt geschalteten Befeuchter-Abschnitt, durch den Teile der umlaufenden Gas- und Flüssigkeitsströme hindurchtreten,

h) Einrichtungen zum Aufheizen der kalt eingelassenen Speiseflüssigkeit und zum Einspeisen derselben in das System im oberen Teil des Druckverstärker-Abschnittes, und

i) eine Einrichtung zum Abziehen einer Ausbringung von mit Deuterium angereicherten Gas oder Flüssigkeit von dem System.

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