DE2655296A1

DE2655296A1 - Verfahren zur herstellung eines filters zur reinigung eines stroemenden gases von einer als atomare oder molekulare teilchen vorliegenden substanz

Info

Publication number: DE2655296A1
Application number: DE19762655296
Authority: DE
Inventors: Nicolaos Iniotakis
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1976-12-07
Filing date: 1976-12-07
Publication date: 1978-06-08
Also published as: NL7713461A; AT367316B; NL186678C; ATA812777A; JPS5371687A; CH630535A5; IT1088995B; DE2655296B2; NL186678B; FR2373320A1; FR2373320B1; DE2655296C3; BE861566A; GB1598082A; JPH0146171B2

Description

Kernforschungsanlage Jülich Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Verfahren zur Herstellung eines Filters zur Reinigung eines strömenden Gases von einer als atomare oder molekulare Teilchen vorliegenden Substanz

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Filters zur Reinigung eines strömenden Gases von einer als atomare oder molekulare Teilchen vorliegenden Substanz, bei dem in einem zur Durchströmung mit dem Gas vorgesehenen, mit einer gasdichten ummantelung umgebenen Hohlraum ein durch Wechselwirkung mit den Teilchen die Zurückhaltung der Teilchen bewirkendes Filtermaterial über eine Länge 1 in Strömungsrichtung des Gases und mit einem effektiven freien Durchmesser d _ffr für die Strömung des Gases angeordnet wird.

Es ist bekannt, Filter der eingangs bezeichneten Art herzustellen, wobei das Filtermaterial als Schüttung, beispielsweise aus körnigem Material, in der

809823/0439

vom Gas durchströmten Ummantelung des Filters angeordnet wird. Für.die Auslegung des Filters, beispielsweise die Bestimmung der Länge 1 des durchströmten Filtermaterials, wird dabei von Erfahrungswerten ausgegangen, die mit dem vorgesehenen Filtermaterial vorliegen. Nachteilig ist dabei, daß zur Ermittlung eines für vorgegebene Betriebsbedingungen geeigneten Filters sehr aufwendige und langwierige Experimente, in denen unterschiedliche Filtervarianten den vorgesehenen Betriebsbedingungen unterworfen werden, erforderlich sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, das es ermöglicht, ein Filter unter Berücksichtigung der für die Wechselswirkung der zurückzuhaltenden Teilchen mit dem Filtermaterial maßgebenden Materialeigenschaften des Filtermaterials als auch dessen Abmessungen herzustellen, das der ihm gestellten Aufgabe in optimaler Weise gerecht wird, ohne daß es notwendig wäre, zur Anpassung des Filters an die gestellten Anforderungen aufwendige Versuchsreihen durchzuführen.

809823/0439

-Sf-

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Länge 1 und der effektive freie Durchmesser d _ri. so bemessen

ef f

und daß als Filtermaterial ein solches Material vorgesehen wird, daß bei vorgesehenem, die Substanz enthaltendem Gas, bei vorgesehener Strömung des Gases und bei vorbestimmter, am Filtermaterial zurückzuhaltender Substanz für die vorgesehene Betriebszeit t des Filters der Durchlaßkoeffizient

δ dft) ,

der gleich dem Quotienten aus dem Teilchenstrom j (o,t) beim Eintritt in das Filtermaterial und dem Teilchenstrom j (l,t) beim Austritt aus dem Filtermaterial ist, einem vorgegebenen Wert entspricht, wobei

δ (l,t) = e~^De ist

und wobei unter der Voraussetzung, daß

< 1 für De die folgende Beziehung I gilt

• St'. ^-r-Γ - In Θ

809823/0439

^deff =	4V O
1 :	P
V :

De : von der Decken-Zahl (neu eingeführte Bezeichnung)

hydraulischer -Durchmesser in cm

Länge 1 des Filtermaterials in cm das innerhalb der Ummantelung im Bereich der Länge 1 nach Anordnung des Filtermaterials verbleibende Hohlraumvolumen in cm

F : die vom Gas benetzte Oberfläche des

Filtermaterials in cm

St'= — : zweite Stanton-Zahl

h : StoffÜbergangskoeffizient in cm/sec ν : Strömungsgeschwindigkeit des Gases in cm/sec

■fr ο V / rp

α = α . 3,63 . 10 V - in cm/sec

α : Haftwahrscheinlichkeit für die Teilchen an der Oberfläche des Filtermaterials (α ungefähr gleich 1 bei Partialdrücken P^lO atm, wenn keine Aktivierungsprozesse vorliegen)

A : Massenzahl der Teilchen

T : Temperatur der Oberfläche des Filtermaterials in K

809823/0439

f = JJ j- in sec"¹ α + h

=ω · e R . T { Desorptionskonstante in sec" J

= ¹^ 1,308 .10 T in sec" ; Debye-Frequenz Desorptionsenergie in Cal/Mol

Q	•
R	•
λ	•
¹I	(χ)
	41
	^deff

universelle Gaskonstante in CaI/( )Mol Zerfallskonstante für die Substanz j[_n sec" modifizierte Besselsche Funktion

_st'. _{in sec}-l/2

(a + h)^z

1-ß r Penetrationskoeffizient; die Wahrscheinlichkeit, daß die Teilchen irreversibel gebunden werden t : vorgesehene Betriebsdauer des Filters

, _t l_v I 1 für t> 0 ( t--) =J ν

ο für t« η = Q—— in see '

(l-ß)a* · N_G
Π '- in cm/sec

^N _G ^: Dichte der Teilchen im Gas in Atome/cm³

i°° ^: die Teilchenzahl, die das vorgesehene

Material pro cm maximal aufnehmen kann in Atome/cm .

809823/0439

-JS-

Der Stoffübergangskoeffizient h wird zweckmäßigerweise nach der Wärme-Stoff-Transport-Analogie berechnet. Soll ein Filter hergestellt werden, das zur Reinigung eines Gases von radioaktiven Teilchen eingesetzt werden soll, und .gilt

|/λ D > η
dann ist die Bedingung

für alle Werte von t erfüllt und die Beziehung I immer gültig.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht die Herstellung eines Filters, das in optimaler Weise an die gestellten Bedingungen und somit auch an die Besonderheiten einer Anlage angepaßt ist. Im allgemeinen werden die vorgenannten Größen dabei so bemessen, daß die von der Decken-Zahl möglichst groß ist oder zumindest den Wert erreicht, der zur Erzielung des vorgegebenen Wertes für den Durchlaßkoeffizient erforderlich ist. Unter Zugrundelegung der vorgenannten mathematischen Beziehungen ist es dabei in vorteilhafter Weise möglich, Untersuchungen an Filtern für Großanlagen im kleinen Modellmaßstab in kostensparender Weise durchzuführen. Zwei Filter sind da-

809823/0439

bei hinsichtlich der Ablagerung und somit hinsieht^- lieh ihrer Filterwirksamkeit äquivalent, wenn sie den gleichen Durchlaßkoeffizienten ξ und somit die gleiche von der Decken-Zahl De aufweisen. Es ist daher auch möglich, ausgehend von einer einfachen Filtervariante, beispielsweise einem geraden, vom zu reinigenden Gas durchströmten Rohrstück, die für die Herstellung eines Filters für eine Großanlage erforderlichen Parameterwerte zu ermitteln. Dabei wird das einfache Filter unterschiedlichen Betriebsbedingungen unterworfen und die Parameterwerte nach der Beziehung I ermittelt.

Beim Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung wird auch die Diffusion der Teilchen in das Filtermaterial berücksichtigt. Es ist daher in vorteilhafter Weise möglich, Filter herzustellen, die auch bei Temperaturen oberhalb 400⁰C bis etwa zu 1000⁰C wirksam sind. Demgegenüber wurde bei der Herstellung der bekannten Filter lediglich die Desorption und Adsorption der Teilchen auf der Oberfläche des Filtermaterials oder chemische Reaktionen der Teilchen mit der Oberfläche des Filtermaterials berücksichtigt. Man war daher auch bestrebt, Filtermaterial mit möglichst großer Oberfläche zu verwenden. Das hatte zur Folge, daß es den bekannten Filtern im Temperaturbereich oberhalb 4uO°c an der erforderlichen EffeKtivität mangelte, weshalb man gezwungen war, die Temperatur im Filter

- 8

809823/0439

durch Kühlung niedrig zu halten. Um die Wirksamkeit der bekannten Filter zu erhöhen, wurden außerdem mehrere Filter hintereinander geschaltet/ was jedoch zu voluminösen Reinigungsanlagen führte.

Eine vorteilhafte Variante des Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß bei einem Temperaturbereich unterhalb von ca. 400⁰C für ein Filter, bei dem während der vorgegebenen Betriebszeit t für die als Filtermaterial zur Auswahl stehenden Materialien für die Teilchen das Adsorptions-Desorptions- -Gleichgewicht für die Haftung der Teilchen auf der Oberfläche des Filtermaterials nicht .erreicht wird, als Filtermaterial ein Material vorgesehen wird, für das die Beziehungen

a) 2 \J ζ t « 1 und (λ + .d*) x t <<· 1

oder für radioaktive Substanzen die Beziehung

1*

_b) λ » J

gelten. Unter diesen Voraussetzungen - beispielsweise dann, wenn ein Filter zur Reinigung eines Gases bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden soll - vereinfacht sich die von der Decken-Zahl zu der Beziehung

De = ^- . St' . -Oj Ii .

eff α + h

809823/0439

-Sr-

Ist die Bedingung b) erfüllt, dann gilt die Bedingung a) für alle Werte von t und ein nach der Beziehung II hergestelltes Filter ist dann zeitlich unbegrenzt wirksam. Nach der Beziehung II werden unter Verwendung eines Materials mit hinreichender Haftwahrscheinlichkeit für die zurückzuhaltenden Teilchen die Abmessungen des Filters so bemessen, daß der vorgesehene Durchlaßkoeffizient 6 entweder möglichst klein ist oder einem vorgesehenen Wert entspricht.

Eine weitere vorteilhafte Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß bei einem Temperaturbereich oberhalb von ca. 600⁰C für ein Filter, bei dem während der vorgesehenen Betriebszeit t für die als Filtermaterial zur Auswahl stehenden Materialien für die Teilchen das Adsorptions-Desorptions-Gleichgewicht für die Haftung der Teilchen auf der Oberfläche des Filtermaterials erreicht wird, als Filtermaterial ein solches Material vorgesehen wird, das einen möglichst großen Penetrationskoeffizienten aufweist und für das die Beziehungen

2\f^~t .» 1 und (λ+ f) t > 2 y'c t und J)* » >

gelten. Die von der Decken-Zahl De vereinfacht sich dann zu der Beziehung

^De = ^- · ^st' ^ΙΙτ-

Bei dieser Variante des Filters gemäß der Erfindung wird die Diffusion der Teilchen in das Filtermaterial ausgenutzt.

- 10 -

809823/0439

-JA-

Auch in diesem Falle sind die Abmessungen des Filters so zu bemessen, daß De möglichst groß ist oder einen Wert hat, für den der Durchlaßkoeffizient δ den vorgegebenen Wert erreicht. Je nach der Wahl des Filtermaterials und den Abmessungen des Filters erzielt ein solches Filter auch bei hohen Temperaturen bis zu 1000⁰C eine hohe Wirksamkeit.

Sehr vorteilhaft ist ferner eine Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung, die darin besteht, daß zur Erzielung einer möglichst langen Betriebszeit t mit gleichbleibendem kleinen Durchlaßkoeffizienten δ für die Dicke ε des Filtermaterials für radioaktive Substanzen die Beziehung

und für nicht radioaktive Substanzen die Beziehung

ε »

gelten, wobei D der Diffusionskoeffizient für die Teilchen im Filtermaterial ist. Insbesondere bei dieser Verfahrensvariante werden - anders als bei den bisher üblichen Herstellungsverfahren - nicht nur das Adsorptions-Desorptions-Verhalten der Teilchen an der Oberfläche des Filtermaterials, sondern auch die Diffusion der Teilchen in das Filtermatieral bei der Herstellung des Filters genutzt. Während

- 11 -

809823/0 439

bei den bekannten Filtern die Einsatzdauer der Filter exponentiell von der reziproken Temperatur abhing, ist es nunmehr möglich, durch Wahl eines Filtermaterials mit hinreichender Dicke ε ein Filter herzustellen, das insbesondere bei hohen Temperaturen unter Ausnutzung der Diffusion der Teilchen in das Filtermaterial eine lange Betriebsdauer t aufweist.

Im folgenden wird in einem Ausführungsbeispiel anhand von in der Zeichnung dargestellten Diagrammen die mögliche Variation der Konstruktionsdaten für die Herstellung eines Filters aus einem vorgegebenen Material und für unterschiedliche Betriebsbedingungen erläutert.

Hierzu zeigen:

Figur 1 in einer graphischen Darstellung die von der Decken-Zahl De als Funktion des Massendurchsatzes und der Reynolds-Zahl und

Figur 2 in einer graphischen Darstellung

den Durchlaßkoeffizienten δ als Funktion des Massendurchsatzes und der Reynolds-Zahl

In zwei weiteren Ausführungsbeispielen werden die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen an Filtern den nach der Beziehung I ermittelten Werten für den Durchlaßkoeffizienten <S gegenübergestellt.

Ferner werden in weiteren Ausführungsbeispielen

- 12 -

809823/0439

die zur Herstellung eines Filters benötigten Konstruktionsdaten für unterschiedliche Betriebsbedingungen angegeben.

Dabei zeigen:

Figur 3 einen Längsschnitt durch ein aus einem Bündel parallel gerichteter Rohre bestehendes Filter

Figur 4 einen Querschnitt durch da?:· Filter gemäß Figur 3.

Ausführungsbeispiel 1

Zur Ermittlung der Konstruktionsdaten für die Herstellung eines Filters aus parallel zueinander angeordneten Rohren wird die von der Decken-Zahl De aus der Beziehung I und hieraus der Durchlaßkoeffizient 6 in Abhängigkeit vom Massenstrom m des durch ein Rohr strömenden Gases berechnet.

Das der Rechnung zugrunde gelegte Rohr hat die Länge 1 = 800 cm und den Durchmesser d = 1 cm. Der Bereich des in Betracht gezogenen Massendurchsatzes beträgt 10 bis 12 g/Sek. Als Gas- und zugleich Wandtemperatur des Rohres wird 95O°Cund als Gasdruck ρ = 40 bar angenommen. Als Teilchen, die aus dem Helium gefiltert werden sollen, wird Cäsium-137-Atome in Betracht gezogen. Dabei werden zwei unterschiedliche Wandmaterialien mit den Penetrationskoeffizienten 1 - g = 0,7 /oo und 1 - β =100 °/o vorausgesetzt. Während der Wert von 0,7 °/oo bei Cs-137 für Materialien mit kubisch flächenzentriertem Gitter charakteristisch ist, bedeutet der

809823/0439 ¹³~

265S296

-VS-

Penetrationskoeffizient von 10ο /ο, daß das eingesetzte Material ein perfekter "Diffusor" ist.

Zur anschaulichen Darstellung der Charakteristik des Filters wird der Massendurchsatz mit einem Parameter K variiert, der durch die Beziehung festgelegt wird

m = K χ ifi ,

wobei m der Massendurchsatz ist, der als Bezugsgröße herangezogen wird.

Da zwischen der Reynolds-Zahl Re und dem Massendurchsatz m eine lineare Beziehung besteht, gilt zugleich folgende Beziehung

Re = K χ ^Ren*

Dabei bedeutet Re die Reynolds-Zahl beim Massendurchsatz m .

Wie aus den graphischen Darstellungen in den Figuren 1 und 2 hervorgeht, weist die Filtercharakteristik bei einem Wert für K = 0,077 einen Sprung auf. Dieser Wert für K entspricht einem Wert für die Reynolds-Zahl von etwa Re = 2300. Diese Diskontinuität ist dadurch bedingt, daß die Sherwood-Zahl Sh und somit der Stoffübergangskoeffizient h oder die Stanton-Zahl St' beim Übergang von turbulenter zu laminarer Strömung ebenfalls eine Diskontinuität aufweist. Die Sprunghöhe ist dabei abhängig von der Geometrie, das heißt vom Verhältnis 1/d und vom eingesetzten Wandmaterial.

Aus den graphischen Darstellungen ist ferner der Strömungsbereich abzulesen, in dem der Durchlaßkoeffi-

809823/0439

-14-

-γί-

zient den kleinsten Wert erreicht, die von der Decken-Zahl entsprechend groß ist und somit die Effektivität des Filters ebenfalls ihren höchsten Wert erreicht. Wie sich aus den graphischen Darstellungen ergibt, liegen diese Minimal- bzw. Maximalwerte im Bereich der stark laminaren Strömung und im Übergangsbereich etwa bei Reynolds-Zahlen zwischen 2500 und 5000. Bei der Herstellung eines Filters besteht die Möglichkeit, gleichzeitig beide Bereiche einzustellen, indem beispielsweise im Filter Rohrbündel angeordnet werden, die außen und innen vom Gas durchströmt sind.

Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, daß die in den graphischen Darstellungen angegebenen Absolutwerte zwar nur für den betreffenden Fall Gültigkeit haben, daß die damit angegebene Filtercharakteristik jedoch eine qualitative Aussage auch für andere Betriebszustand^ und andere geometrische Anordnungen des Filtermateirals ermöglicht. Die gewünschte absolute Größe der Effektivität des Filters wird ohne weiteres durch die Anordnung einer entsprechenden Vielzahl von parallel

angeordneten Rohren erzielt. . .

Ausführungsbeispiel 2

Zur Überprüfung der Wirksamkeit eines einfachen, aus einem geraden Rohrstück bestehenden Filters wurde in zwei getrennt voneinander durchgeführten Untersuchungen jeweils ein die Spaltprodukte Cs-137, Cs-134 und Ag-110m enthaltender Heliumgasstrom durch ein Rohrstück aus 99,5 %igem Titan ge-

-15-

809823/0439

leitet, dem zur Erfassung der aus dem Filter austretenden Mengen an Spaltprodukten ein Totalfilter nachgeschaltet war. Bei den beiden Untersuchungen war der Gehalt an Spaltprodukten im Helium unterschiedlich hoch. Die Rohre besaßen eine Länge von 2370 mm, einen Außendurchmesser von 24,5 mm und eine Wandstärke von 1,65 mm. Die Temperatur des Heliums betrug beim Eintritt in das Filter im ersten Fall 825°C, im zweiten Fall 75O°C, in beiden Fällen beim Austritt- aus dem Filter 210° C. Die Temperatur der Wandung der Rohre war während des Betriebes stabil und daher gut meßbar.

Während des Betriebes des Filters wurde die Strömung des Heliums so eingestellt, daß ein Massendurchsatz von 15 Nm /Std. erzielt wurde. Die Betriebsdauer betrug bei der ersten Untersuchung 785 Stunden und bei der zweiten Untersuchung 1029 Stunden.

Zur Berechnung des Durchlaßskoeffizienten des Filters und somit der Effektivität des Filters wurden folgende Werte in die Beziehung I eingesetzt:

Für Cs-137: 1 - 3 = 0,2°/oo; Q = 38 ^Kcal

MoI

Cs-134: 1 - 3= 0,1°/oo; Q = 38 ^Kcal

MoI

Ag-110m:1 - ß= 0,04°/oo; Q = 50?^Cal

MoI

und ω = 1,308 10¹¹ sec"¹

-16-

809823/0439

ZI

- vs -

Wegen des Temperaturgradienten im Rohr wurde das Filter für die Berechnung mittels der Beziehung I in mehrere Abschnitte unterteilt. Mittels der berechneten Durchlaßkoeffizienten θ wurden für die während der vorgenannten Betriebsdauer durch das Filter gelangenden Spaltprodukte die integralen- Aktivitätswerte in yuCi ermittelt und mit den im Totalfilter gemessenen Werten verglichen. Nachstehend werden die berechneten und die experimentell ermittelten Werte einander gegenübergestellt.

Erste Untersuchung:

berechnet gemessen

Cs-137	1 .00	berechnet	1	.20
Cs-134	0.79	0,52	0	.84
Ag-11Om	11,4	1,6	1	1,7
Zweite Untersuchung:	5,1
	g	eme
Cs-137	o,	59
Cs-134	1	,7
Ag-11Om	5	,6

Ausführungsbeispiel 3

Entsprechend den in Ausführungsbeispiel 2 beschriebenen Untersuchungen wurde ein aus einen Rohr aus rostfreiem Stahl X10 CrNiTi 189 (ältere Bezeichnung 4541) bestehendes Filta:^{luit den im} Ausführungsbeispiel 1 angegebenen Werten für Durchmesser und Wandstärke, jedoch mit deiiLänge 140 cm

809823/0439 -17-

? θ 5 S 2 9 Zl

Die Temperatur des Gases beim Eintritt in das Filter betrug in beiden Fällen 625°C und beim Austritt aus dem Filter 210°C. Die Betriebsdauer betrug 818 bzw. 790 Stunden.

Zur Berechnung des Durchlaßkoeffizienten 6 wurden folgende Werte in die Beziehung I eingesetzt:

Für Cs-137 1-3= 0,7 °/5o; Q = 45 Kcal/Mol Cs-134 1-3= 0,33°/oo; Q = 45 Kcal/Mol Ag-HOm 1 -ß = 0,2 °/oo; Q = 28 Kcal/Mol

und ü)_o= 1/308 10¹¹ T _Ξβο"¹

Es wurden folgende Ergebnisse erhalten:

Erste Untersuchung

berechnet gemessen

2,2

0,96

6,5

Zweite Untersuchung

berechnet gemessen

2,1 1,1 3,5T

-18-

809823/0439

Cs-137	2,1
Cs-134	1,07
Ag-11Om	6,2

Cs-137	1	,92
Cs-134	1	,03
Ag-11Om	3	,26

- ve -

Ausführungsbeispiel 4

Es wurden die Konstruktionsdaten für ein in den Figuren 3 und 4 dargestelltes, aus parallel angeordneten Rohren bestehendes Filter für vorbestimmte Betriebsbedingungen ermittelt.

Wie aus Figur 3 hervorgeht, besteht das Filter aus einer Vielzahl von parallel und im gleichen Abstand voneinander angeordneten Rohren 1, die innerhalb einer den Hohlraum des Filters umschließenden Ummantelung 2 angebracht sind. Der Außendurchmesser der einzelnen Rohre des Rohrbündels ist d , der Innendurch-

ei

messer der Rohre ist d. , die Länge der Rohre ist und der Innendurchmesser der Ummantelung D..

Wie aus den Figuren 3 und 4 ferner hervorgeht, werden die Rohre des Filters von dem zu reinigenden Gas sowohl innen durchströmt als auch außen umströmt.

Das zu reinigende Gas ist Helium, das die Spaltprodukte Cs-137 und Ag-110m enthält.

Die vorgesehenen Betriebsbedingungen sind:

Der Massendurchsatz des Heliums: m = 74,1 kg/Sek. Die Temperatur des Heliums beim Eintritt in das

Filter: T = 95O°C.

Der Druck des Heliums: ρ = 40 bar. Die vorgesehene Betriebsdauer t = 30 Jahre.

-19-

8 09823/0439

AIs Materialien für die Rohre wurden hitzebeständige Stähle vorgesehen, die eine kubisch flächenzentrierte Struktur aufweisen oder die, wie beispielsweise Incoloy-802 und Inconel-625,- eine kubisch raumzentrierte Struktur aufweisen. Für die vorgenannten Materialien beträgt der Penetrationskoeffizient für Cs-137 1- 3 = 0,7 ⁹/oo und für Ag-HOm 1- 3= 0,2°/öo. Für die binäre Diffusionskonstante, die zur Berechnung des Stoffübergangskoeffizienten h herangezogen wird, gilt für T = 950° C und ρ = 40 bar.

⁰Cs-He ⁼ °'^{146 cm2}/^Sek·

D „ = 0,272 cm²/Sek. Ag-He

Die zur Berechnung der von der Decken-Zahl De benötigten Werte für h und St' ergaben sich aus dem VDI-Wärmeatlas. Da im vorliegenden Fall die Bedingungen

²/^{ζ fc>>
x} und (λ + T) t > 2₍/ζ t'und .J*» X

erfüllt sind, erfolgte die Berechnung der Konstruktionsdaten für das Filter nach der Beziehung III.

Unter der Voraussetzung, daß der Durchlaßkoeffizient <5 gewisse .Werte (beispielsweise für Cs-137 6 χ 10 ) nicht überschreiten darf, wurden die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Konstruktionsdaten für das Filter errechnet. Dabei sind die Werte für d. und d in mm und

ι a

für D. und 1 in cm angegeben. N ist die Zahl der parallel

809823/0439 ~²⁰~

- ye -

angeordneten Rohre im Filter. Zusätzlich zu den Konstruktionsdaten sind der Wert für den Druckabfall Δρ im Filter in bar sowie die Werte für die jeweiligen Durchlaßkoeffizienten angegeben. Der Wert für Δρ wurde nach dem VDI-Wärmeatlas berechnet.

N	d.	d a	D.	1	δ	,2	37	δ	10m	ΔΡ
					Cs-1	,7	1θ"⁵	Ag-1	10"³
65000	5	6,5	200	800	5	,1	10"⁵	3,5	10"³	0,022
65000	4	6/5	200	800	4	,8	10"⁷	5,2	10"³	0,025
80000	5	6/5	220	800	4		ΙΟ"⁴	1,1	ΙΟ"³	0,017
80000	5	6/5	220	500	1			9,9		0,016
Ausführungsbeispiel	5

Wie in Ausführungsbeispiel 4 wurden die Konstruktionsdaten für ein aus parallel zueinander angeordneten Rohren bestehendes Filter für die gleichen Betriebsbedingungen jedoch für eine Eintrittstemperatur des Gases von 300°C ermittelt.

Als Material für die Rohre wurde ferritischer Stahl vom Typ 15Mo03 vorgesehen. Für dieses Material haben der Penetrationskoeffizient und die Desorptionsenergie Q folgende Werte:

Für Cs-137

1-3 = 1,2 ^O/OO; ⁰Cs-He ⁼ °'^{039 cm} /^sec

und ω

Q =65 kcal/Mol,

= 1,308 10¹¹ T see"'¹

-21-

809823/0439

Für Ag-110m

o, D,.. „. = 0,072 cm /see.

1-ß = 0,3 °/oo, ^uAg-He Q =52 kcal/Mol und ω_ο = 1,308 10¹¹T sec"¹

Da im vorliegenden Fall die Bedingungen

2^_ζ t « 1 und (λ + S) t «1

erfüllt sindyerfolgte die Berechnung der Konstruktionsdaten für das Filter nach der Beziehung II.

Für die Durchlaßkoeffizienten δ = 3,7 χ 10 für Cs-137 und 5 = 4,7 . 10~⁴ für Ag-110m wurden folgende Konstruktionsdaten ermittelt:

N = 65000 D. = 200 cm d. = 0,5 cm 1 = 250 cm

d = 0,65cm
a

Der Druckabfall beträgt Δ ρ = 0,01 bar.

Ausführungsbeispiel 6

Für die in Ausführungsbeispiel 5 angegebenen Betriebsbedingungen wurden die Konstruktionsdaten für ein aus einer Vielzahl von parallel und im gleichen Abstand zueinander angeordneten Stäben, die ebenso wie die Rohre in einer Ummantelung angebracht sind, ermittelt. Dabei wurden für die in AusHirungsbeispiel 5 angegebenen Materialien folgende Werte erhalten:

809823/0439

-22-

- 22 -

Für die Durchlaßkoeffizienten 6 = 4,1 χ 10 für Cs-137 undo = 4,5 χ 10~¹⁵ für Ag-110m:

N = 65000 1 = 250 cm.

d = 0,65 cm
a

D.= 200 cm.

Der Druckabfall beträgt Δ ρ = 0,021 bar.

Für die Durchlaßkoeffizienten 6 = 2,3 χ 10~⁶ für Cs-137 undo = 2,5 χ 10 für Ag-110m beträgt bei den sonst gleichen Werten für N, d , D. und Δ ρ

a i

die Länge 1 = 150 cm.

- 23 -

809823/0439

22 Leerseite

Claims

2655286 -TfS-

Patentansprüche

1.!Verfahren zur Herstellung eines Filters zur Reinigung eines strömenden Gases von einer als atomare oder molekulare Teilchen vorliegenden Substanz, bei dem in einem zur Durchströmung mit dem Gas vorgesehenen, mit einer gasdichten ummantelung umgebenen Hohlraum ein durch Wechselwirkung mit den Teilchen die Zurückhaltung der Teilchen bewirkendes Filtermaterial über eine Länge 1 in Strömungsrichtung des Gases und mit einem effektiven freien Durchmesser d „ für die Strömung des Gases angeordnet wird/ dadurch gekennzeichnet, daß die Länge 1 und der effektive freie Durchmesser d _ff so bemessen und daß als Filtermaterial ein solches Material vorgesehen wird, daß bei vorgesehenem, die Substanz enthaltendem Gas, bei vorgesehener Strömung des Gases und bei vorbestimmter, am Filtermaterial zurückzuhaltender Substanz für die vorgesehene Betriebszeit t des Filters der Durchlaßkoeffizient

der gleich dem Quotienten aus dem Teilchenstrom j (o,t) beim Eintritt in das Filtermaterial und dem Teilchenstrom j (l,t) beim Austritt aus dem Filtermaterial ist, einem vorgegebenen Wert ent-

- 24 -

8098 23/0439

spricht, wobei

(l,t) = e ^De ist

und wobei unter der Voraussetzung, daß

für De die folgende Beziehung I gilt

De : von der Decken-Zahl (neu eingeführte Bezeichnung)

4V
d _ff= —=^ : hydraulischer Durchmesser in cm

1 : Länge 1 des Filtermaterial in cm V : das innerhalb der Ummantelung im Bereich der Länge 1 nach Anordnung des Filtermaterials verbleibende Hohlraurnvoluxen in cm

F : die vom Gas benetzte Oberfläche des

2 Filtermaterials in cm

St'= — : zweite Stanton-Zahl

h : Stoffübergangskoeffizient in cra/sec ν : Strömungsgeschwindigkeit des Gases in cra/sec

- 25 -

809823/0439

2&S5296

α = α . 3,63 . 10 j/ -^- in cm/sec

α : Haftwahrscheinlichkeit für die Teilchen an der Oberfläche des Filtermaterials (α ungefähr gleich 1 bei Partialdrücken P ^10 atm, wenn keine Aktivierungsprozesse vorliegen)

A : Massenzahl der Teilchen

T r Temperatur.der Oberfläche des Filtermaterials in K

in see"¹

α + h
Q

ω = •ν χ, Q : R ; λ : ¹I (χ) 41 ζ ^deff 1-β .-

. e R . T : Desorptionskonstante in sec

. 10 T in sec" ; Debye-Frequenz Desorptionsenergie in Cal/Mol universelle Gaskonstante in Cal/(^c Zerfallskonstante für die Substanz in/sec modifizierte Besselsche Funktion

st-. _{in sec}-i/2

(α + h)^Z

Penetrationskoeffizient; die Wahrscheinlichkeit, daß die Teilchen irreversibel gebunden werden
vorgesehene Betriebsdauer des Filters

- 26 -

809823/0439

_η , . 1, j 1 für t> G ( t--) «J v

I o für t^ -

L. ν

* η . -1/2

η = -ί=τ ⁱⁿ sec '

_G Π α in cm/sec

Di.-hte d^r Teilchen im Gas in Atome/cm

■i» ^: Jie Teilchenzahl, die das vorgesehene

Material pro cm maximal aufnehmen kann in Atome/cm

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für ein Filter, bei dem während der vorgegebenen Betriebsze.Lt t für die als Filtermaterial zur Auswahl stehenden Materialien für die Teilchen das Adsorptions-Desorptions-Gleichgewicht für die Haftung der Teilchen auf der Oberfläche des Filtermaterials nicht erreicht wird, als Filtermaterial ein Material vorgesehen wird, für das die Beziehungen

t <* 1 und (λ + J ) t « oder für radioaktive Substanzen die Beziehung

gelten.

- 27 -

809823/0439

- vi -

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß für ein Filter, bei dem während der vorgesehenen Betriebszeit t für die als Filtermaterial zur Auswahl stehenden Materialien für die Teilchen das- Adsorptions-Desorptions-Gl'eichgewicht für die Haftung der Teilchen auf der Oberfläche des Filtermaterials erreicht wird, als Filtermaterial ein solches Material vorgesehen wird, das einen möglichst großen Penetrationskoeffizienten aufweist und für das die Beziehungen

~t» 1 und (λ + T) t > 2ΐ/ζ t und J* »·λ

gelten.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer-möglichst langen Betriebszeit t mit gleichbleibendem kleinen Durchlaßkoef-. fizienten für die Dicke t des Filtermaterials für radioaktive Substanzen die Beziehung

λ
und für nicht radioaktive Substanzen die Beziehung

gelten, wobei D der Diffusionskoeffizient für die Teilchen im Filtermaterial ist.

8098 2.3/0439