DE2746089A1

DE2746089A1 - Vorrichtung zum trennen von in loesung vorliegenden ionen

Info

Publication number: DE2746089A1
Application number: DE19772746089
Authority: DE
Inventors: B Abdel-Larif Dipl Chem Bilal; Fritz Dipl Chem Dr Herrmann
Original assignee: Hahn Meitner Institut fuer Kernforschung Berlin GmbH
Current assignee: Hahn Meitner Institut fuer Kernforschung Berlin GmbH
Priority date: 1977-10-13
Filing date: 1977-10-13
Publication date: 1979-04-19
Also published as: US4177130A; GB2006269B; SE7810664L; BE871202A; NL7810175A; FR2410060A1; GB2006269A; JPS5462179A

Description

Patentanwälte D1PL.-ING. H. Weickmann, Dipl-Phys. Dr.K. Fincke

D1PL.-ING. F. A₁WeICKMANn, Dipl.-Chem. B. Huber Br.-Ing. H. Liska

-t-

8 MÖNCHEN 16, DEN

POSTFACH «60120

MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 9β 3921/22

D/Cz

Hahn-Meitner-Institut für Kernforschung Berlin GmbH,
Glienicker Str. 100, 1000 Berlin 39

Vorrichtung zum Trennen von in Lösung vorliegenden Ionen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Trennen
von in Lösung vorliegenden Ionen in einer Trennsäule mit Hilfe der Gegenstromelektrolyse.

Das Prinzip der Gegenstromelektrolyse oder Gegenstrom-Ionenwanderung besteht darin, daß man dem in einer Lösung, in dem
Wasser, organische Flüssigkeiten oder Mischungen aus beiden
verwendet werden, vorliegenden Ionengemisch in der Trennsäule
einem elektrischen Feld aussetzt, in dem die Ionen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit wandern. In der Trennsäule strömt dem im elektrischen Feld wandernden Ionengemisch eine Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeit entgegen, welche die mittlere
Wanderungsgeschwindigkeit aller Komponenten des Ionengemisches kompensiert. Die schnelleren Ionen wandern dann stromaufwärts,

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während die langsameren strömungsabwärts transportiert werden.

Die Schwierigkeit bei der Gegenstromelektrolyse liegt in der Einhaltung des Gleichgewichts zwischen der mittleren Wanderungsgeschwindigkeit der Komponenten des Ionengemisches in elektrischen Feld und der Strömungsgeschwindigkeit. Das bedarf einer Steuerung, die umso empfindlicher sein muß, je kleiner der Beweglichkeitsunterschied der Komponenten ist.

Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, bedient man sich entweder der sogenannten gesteuerten Gegenstromelektrolyse oder es wird die sogenannte selbststabilisierende Gegenstromelektrolyse verwendet; vergleiche Zeitschrift Chemie-Ingenieur-Technik, Heft 17 (1970), Seiten 1090 ff. Bei der selbststabilisierenden Gegenstromelektrolyse stellt sich das Gleichgewicht zwischen der Strömungsgeschwindigkeit und der mittleren Wanderungsgeschwindigkeit durch Konstanthalten der Durchflußrate der Gegenstromflüssigkeit und der Stromstärke der Elektrolyse von selbst ein; vergleiche hierzu auch die DT-OS 21 54 655.

Die aus den genannten druckschriftlichen Vorveröffentlichungen bekannten Vorrichtungen, die sich des Prinzips der selbststabilisierenden Gegenstromelektrolyse zum Trennen von Ionengemischen bedienen, bestehen aus offenen gekammerten Trögen unterschiedlicher geometrischer Formen als Trennsäulen. Auch wenn hiermit befriedigende Ergebnisse erzielt werden, so treten insbesondere dann, wenn mit geringen Konzentrationen gearbeitet wird und wenn eine genaue überwachung des Trennprozesses erfolgen soll, Schwierigkeiten auf.

So verdunstet z.B. ein Teil der Elektrolyseflüssigkeit unkontrolliert über die Länge der Trennsäule, so daß keine konstante Durchflußrate des Gegenstromelektrolyten über die gesamte Trogbzw. Säulenlänge gegeben ist. Auch treten in der kapillarförmigen Zwischenräumen der Trenn- und Seitenwände Flüssigkeitsverluste auf, wodurch dort eine Salzaufblühung und damit ebenfalls eine laufende Gleichgewichtsstörung stattfindet.

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Auch das Arbeiten unter Schutzgasatmosphäre bei gewissen Lösungen, die etwa gegen Luftsauerstoff oder Kohlendioxid empfindlich sind, ist nur unter Zuhilfenahme komplizierter Vorrichtungen möglich.

Bei derartigen Trennsäulen wird angestrebt, daß in Richtung senkrecht zur Säulenlängsachse, d.h. zur Trennungsachse, möglichst kein Konzentrationsgradient in der Lösung auftritt. Auch wenn die Trennsäule bzw. der Trenntrog an den Außenseiten mit einem Kühlsystem versehen ist, so daß in der Lösung zur Durchmischung eine thermische Konvektion entsteht, so reicht diese Lösung in einigen Fällen nicht dazu aus, den Konzentrationsgradienten vollständig zu beseitigen. Auch war bei diesem Kühlsystem mit thermischer Konvektion der Wärmeübergang vom Kühlsystem auf die Lösung und damit die Kühlleistung oft nicht auaeichend.

Zudem ist es oft schwierig, zur Kontrolle des Trennprozesses Proben aus der Trennsäule zu entnehmen; außerdem ist die Messung des zur Steuerung des Trennprozesses wichtigen Temperaturprofils nicht immer möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art konstruktiv so zu verbessern, daß der Trennprozeß genauer erfolgt und besser kontrolliert werden kann als bisher, und daß zudem die Vorrichtung leicht an unterschiedliche Trennprobleme angepaßt werden kann.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die vorzugsweise in einzelne nebeneinanderliegende Trennkammern unterteilte Trennsäule als geschlossene Einheit ausgebildet ist.

Vorzugsweise ist dabei die Trennsäule aus einzelnen gestapelten und miteinander verbundenen, als Trennkammern dienenden Segmenten aufgebaut, die ihrerseiis als Hülsen insbesondere mit Kreisquerschnitt ausgebildet sind, deren Hülsenachse mit der Längsachse der Trennsäule zusammenfällt, und daß die Segmente nach außen führende Bohrungen senkrecht zur Hülsenachse mit entsprechenden Anschlüssen zum Zuführen des gelösten Ionengemisches und des Elektrolyts, zur Probenentnahme, zum Gasein- bzw. -auslaß und zum

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Einführen von Temperaturmeßvorrichtungen aufweisen.

Durch die geschlossene Ausbildung der Trennsäule ist jegliche Verdunstung des Elektrolyten und damit ein Schwanken der Durchflußrate ausgeschlossen. Ebenso wird eine Salzausblühung in den oberen kapillaren Zwischenräumen der Trenn- und Seitenwände ausgeschlossen. Durch die geschlossene Ausbildung der Trennsäule kann ferner einfach unter Schutzgasatmosphäre gearbeitet werden, indem die Anschlüsse für den Gasein- und Gasauslaß mit einem geschlossenen Schutzgaskreislauf verbunden werden.

Die durch die Segmente gebildeten Trennkammern weisen jeweils eine nach außen führende Kühlschlange auf, die entlang der Innenwand der Segmente verläuft. Hierdurch wird eine direkte und wesentlich bessere Kühlung und Temperaturstabilisierung der Lösung in der Trennsäule erreicht.

Die durch die Segmente gebildeten Trennkammern der Trennsäule sind noch durch Diaphragmen voneinander getrennt, die auf Stützrahmen zwischen den Segmenten befestigt sind. In den Stützrahmen ist in der Längsachse der Trennsäule ein aus der Trennsäule herausragender und gegen diese abgedichteter Rührstab angeordnet, der in den Trennkammern umlaufende Rührflügel aufweist.

Durch das Rühren der Lösung in der Trennsäule wird zum einen gewährleistet, daß in Richtunq senkrecht zur Säulenlängsachse, d.h. zur Trennungsachse, praktisch kein Konzentrationsgradient auftritt. Zum anderen wird dadurch der Wärmeübergang von dem Kühlsystem auf die Lösung und damit die Kühlleistung und auch die Temperaturstabilisierung verbessert. Damit wird auch das Ergebnis von Probenentnahmen präzieser. Da zudem die Diaphragmen den gesamten Querschnitt der Trennkammern überdecken, erhält man ein gleichmäßiges laminares Strömungsprofil in den Trennkammern, wodurch eine sehr gute Temperaturführung möglich wird. In Verbindung mit der Durchrührung des Kammerinhaltes wird ein in die Kammern reichendes Konzentrationsprofil, was sonst bei unge-

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nügender Durchmischung auftritt und ebenfalls fehlerhafte Probenentnahmen bewirkt, vermieden.

Durch den Aufbau der Trennsäule aus einzelnen Segmenten kann sehr einfach auch die Länge der Trennsäule verändert werden, um so diese anbegebene unterschiedliche Trennprobleme anzupassen.

Die Erfindung ist in zwei AusführunasbeisDielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:

Figur 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer aus mehreren Segmenten bestehenden Trennsäule für eine Vorrichtung zum Trennen von Ionengemischen gemäß der Erfindung;

Figur 2 eine Querschnittsaufsieht auf ein Einzelsegment der Trennsäule in Figur 1;

Figur 3a eine Aufsicht auf einen Stützrahmen für ein Diaphragma für eine modifizierte Trennsäule gemäß der Erfindung;

Figur 3b eine Seitenansicht des Stützrahmens gemäß der Figur 3a;

Figur 4 eine Aufsicht auf ein Segment für eine Trennsäule, das zur Aufnahme des in Figur 3a gezeigten Stützrahmens modifiziert ist.

Eine Trennsäule 1 besteht aus mehreren gestapelten Segmenten 2, die als Hülsen mit kreisringförmigen Querschnitt ausgebildet sind. Die Anzahl der gestapelten Segmente richtet sich nach den Erfordernissen des Trennprozesses und kann diesem entsprechend angepaßt werden. Die beiden äußeren Segmente sind ein wenig breiter als die übrigen und sind als Anodenkammer 2A mit einer Anode A bzw. als Kathodenkammer 2K mit einer hier nicht dargestellten Kathode ausgebildet. Die Trennsäule ist an beiden Seiten durch Deckel 3 abgeschlossen. Die Segmente 2 und die Deckel 3 sind durch Schrauben 4 miteinander verbunden, die durch die gesamte Trennsäule durch Bohrungen 5 in den Segmenten bzw. Deckeln hindurchragen. Zwischen den Segmenten 2 ist jeweils ein dünner

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Stützrahmen 6 angeordnet, dessen äußerer Rand ebenfalls ein dem Rand der Segmenten entsprechender Kreisring ist und der innen ein sternförmiges Profil mit drei auf die Längsachse

6'/
der Trennsäule zulaufenden Streben/aufweist, die mit einem zentrischen Kreisring 6¹¹ verbunden sind.

Auf je einer Kreisringfläche der Segmente 2 ist eine Nut 7 eingelassen, in die ein hier nicht gezeigter O-Ring eingesetzt wird, um die einzelnen Kreissegmente dicht gegeneinander abzuschließen. Konzentrisch zur Innenwand der einzelnen hülsenförmigen Segmente 2 ist eine Kühlschlange 8 angeordnet, deren beide Anschlüsse 8' und 8'' aus dem Segment abgedichtet herausgeführt sind.

Auf den Stützrahmen 6 ist ein strömungsdurchlässiges Diaphragma befestigt, das z.B. aus Nylongaze besteht und den gesamten offenen Querschnitt des Segmentes 2 bedeckt.

Die Segmente weisen jeweils Bohrungen mit erlsprechenden Anschlüssen 12 auf, über die eine Elektrolyseflüssigkeit bzw. ein zu trennendes Ionengemisch in die Trennsäule eingegeben werden kann, die demnach aus mehreren durch die von den Diaphragmen voneinander getrennten Segmente gebildeten Trennkammern besteht.

Die Bohrung mit dem Anschluß 12', der in die Kathodenkammer 2K führt, dient normalerweise als Zufluß für die Elektrolyseflüssigkeit, die aus der Anodenkammer 2A über einen unteren Anschluß 13 abgezogen wird.

Das zu trennende Ionengemisch kann prinzipiell an jedem Anschluß 12 der einzelnen Segmente in die Trennsäule eingeführt werden; die Wahl des Anschlusses wird hierbei an den jeweiligen Trennprozeß angepaßt.

In der zentralen Bohrung des Stützrahmens 6 für die Diaphragmen ist entlang der Längsachse der Trennsäule eine Rührwelle 14 gelagert, die in jeder durch die Segmente gebildeten Trennkammer

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mit hier drei Rührflügeln 15 verbunden ist. Das eine Ende der Rührwelle 14 trägt einen Magneten 16, der in einem außerhalb der Trennsäule 1 montierten Gehäuse 17 gelagert ist und in bekannter Weise angetrieben wird. Es sei darauf hingewiesen, daß die Elektrolyseflüssigkeit auch in dieses abgeschlossene Gehäuse eingeführt werden kann anstatt in den Anschluß 12'.

Das andere durch den Deckel 3 hindurchragende Ende der Rührwelle 14 ragt in ein hülsenförmiges Verschlußelement 18 hinein, das seinerseits mit dem Deckel 3 dicht verbunden ist. Das Verschlußelement 18 weist eine den Rührstab 16 aufnehmende zentrische Bohrung 19, so daß es ermöglicht wird, die Trennsäule durch Hinzufügen bzw. Weglassen einzelner Segmente zu

verlängern bzw. zu verkürzen, an der Durchbruchstelle der Rührwelle durch den Deckel 3 Abdichtprobleme auftauchen. Die Rührwelle 14 ist in ihrer Länge hierbei an die größte gewünschte Säulenlänge angepaßt.

Die montierte Trennsäule 1 wird in einem Rahmen geholten, der aus einer Grundplatte 20 und zwei Stützelementen 21 und 22 besteht. Das Stützelement 21 umfaßt das Verschlußelement 18, während das Stützelement 22 die Trennsäule an der anderen, dem Magneten des Rührstabes zugewandten Ende unterstützt.

Beim Ablauf des bekannten Gegenstromelektrolyseverfahrens, das hier nicht näher beschrieben ist, wird der Inhalt in den einzelnen Trennkammern durch den Rührstab 14 ständig durchmischt, wobei die Rührflügel 15 in sämtlichen Trennkammern auf Deckung stehen, wodurch ein sehr guter Wärmeübergang von der durch die Kühlschlange 8 fließenden Kühlflüssigkeit auf die Lösung in der Trennsäule gegeben ist. Wie bereits oben erwähnt, wird dadurch auch ein Konzentrationsgradient in der Lösung vermieden.

Um den Trennprozeß überwachen und steuern zu können, sind in den Segmenten 2 seitliche Bohrungen 23 angeordnet, über die aus den einzelnen Trennkammern Proben entnommen werden können ■ ebenso können in diese Bohrungen 2 3 hier nicht gezeiatu Temperaturfühler eingeführt werden, so daß auch das Temperaturprofil des

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* ohne daß _ „ _A

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Trennprozesses gemessen und entsprechend, z.B. durch Anpassung der Kühlung, gesteuert werden kann.

Zumindest die beiden äußeren Segmente 2A und 2K weisen noch
die Anschlüsse 12 auf beiden Seiten umgebende Bohrungen mit entsprechenden Anschlüssen 24 bzw. 25 auf, die etwa zum Belüften
der Trennsäule dienen. Der Anschluß 24 kann auch als Gaseinlaß für ein Schutzgas verwendet werden, wobei dann der Anschluß 25 als Gasauslaß dient. Die Anschlüsse 24 und 25 sind dann mit
einem geschlossenen Schutzgaskreislauf verbunden. Das Arbeiten unter Schutzgas ist auf diese Weise problemlos.

Die beschriebene geschlossene Trennsäule ist für jegliche
Trennung von Ionengemischen geeignet; auch das Arbeiten mit
hochgiftigen Substanzen, wie z.B. Transuranen, erfolgt ohne
Probleme, da eine besondere Abschirmung hier nicht notwendig ist.

In den Figuren 3a und 3b ist ein Stützrahmen für ein nicht gezeigtes Diaphragma dargestellt; dieser Stützrahmen wird in Verbindung mit einer gegenüber dem vorher geschilderten Ausführungsbeispiel Mcht modifizierten Trennsäule verwendet, und zwar kann dieser Stützrahmen mit dem Diaphragma während des Betriebes
der Trennsäule ausgewechselt werden. Die Trennsäule unterscheidet sich dabei nur unwesentlich von der oben beschriebenen Trennsäule. Die einzelnen Segmente weisen lediglidi eine zusätzliche hier nicht dargestellte Stütze für die Rührwelle auf, da
diese nicht mehr durch den Stützrahmen des Diaphragmas getragen wird. Die einzelnen Segmente 2 weisen an ihrer Oberseite, d.h.
an der Seite, an der die Anschlüsse 12 angeordnet sind, nahe der einen Kreisringfläche der Segmente 2 Schlitze 61 auf, die die
Breite des Stützrahmens 60 aufweisen.

Der Stützrahmen 60 besteht aus einem bogenförmigen Stützelement 62, das mit einer Grifflasche 63 versehen ist. Das Stützelement 62 geht an beiden Breitseiten in zwei halbkreisförmige Stützstreben 60' über, die an ihren Enden mit einer bogenförmigen
Stützstrebe 60'' verbunden sind, die dann, wenn der Stützrahmen
60 durch den Schlitz 61 in die Trennsäule eingeschoben ist, die

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hier gestrichelt dargestellte Rührwelle 14 umfaßt. Im Zentrum des Bogens der Bogenstrebe 60'' sind zwei sich radial nach außen in Richtung des Stützelementes 60 vorgesehene weitere Streiben 60''' vorgesehen. Auf diesem Stützrahmen 60 ist wiederum ein Diaphragma befestigt, wobei die Größe des Stützrahmens und des Diaphragmas an die offene Kreisfläche der einzelnen Segmente angepaßt ist und diese vilständig verdeckt.

Der Stützrahmen 60 hat einen keilförmigen Querschnitt zumindest in dem Teil, der bei eingeschobenen Zustand in die Trennsäule mit dem Schlitz 61 in den Segmenten in Berührung kommt. Der Schlitz 61 in den Segmenten ist ebenfalls im Querschnitt keilförmig um eine gute Passung mit dichten Sitz zu gewährleisten.

Selbstverständlich ist es möglich, den Querschnitt für die Segmente der Trennsäule anders zu wählen, so z.B. rechteckig oder dreieckig. Entsprechend müssen selbstverständlich auch die anderen beschriebenen Elemente an diesen Querschnitt angepaßt werden. Hinsichtlich des Materials, aus dem die Segmente hergestellt sind, ist lediglich die Bedingung zu erfüllen, daß es ein guter elektrischer Isolator sowie chemisch und physikalisch im Rahmen der Anwendungsaufgabe beständig sein muß. Das gleiche gilt für die Kühlelemente.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr-Ing. H. Ueka 8 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820 MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22 D/Cz Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Trennen von in Lösung vorliegenden Ionen in einer Trennsäule mit Hilfe der Gegenstromelektrolyse, dadurch gekennzeichnet , daß die vorzugsweise in einzelne nebeneinanderliegende Trennkammern unterteilte Trennsäule (1) als geschlossene Einheit ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net , daß die Trennsäule (1) aus einzelnen gestapelten und miteinander verbundenen, als Trennkammern dienenden Segmenten (2) aufgebaut ist, die ihrerseits als Hülsen, insbesondere mit Kreisquerschnitt ausgebildet sind, deren Hülsenachse mit der Längsachse der Trennsäule zusammenfällt, und daß die Segmente nach außen führende Bohrungen (12, 23, 24, 25) senkrecht zur Hülsenachse mit entsprechenden Anschlüssen zum Zuführen des gelösten Ionengemisches und des Elektrolytes zur Probenentnahme, zum Gaseinbzw. Gasauslaß und zum Einführen von Temperaturmeßvorrichtungen aufweisen.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

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gekennzeichnet , daß die Trennkammern (2) jeweils eine nach außen führende Kühlschlange (8) aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net , daß die Kühlschlangen (8) entlang der Innenwand der jeweiligen Segmente (2) verlaufen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Trennkammern bzw. Segmente (2) der Trennsäule (1) durch Diaphragmen (11) voneinander getrennt sind, die auf vorzugsweise zwischen den Trennkammern bzw. den Segmenten angeordneten Stützrahmen (6, 60) befestigt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net , daß die Stützrahmen (6, 60) und die darauf befestigten Diaphragmen (11) als eine Baueinheit ausgebildet sind, die in Schlitze (61) der Trennsäule (1), vorzugsweise zwischen den einzelnen Trennkammern bzw. Segmenten (2) einschiebbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net , daß die Schlitze (61) in der Trennsäule und die Stützrahmen (60) für die Diaphragmen einen aneinander angepaßten keilförmigen Querschnitt aufweisen.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß in der Längsachse der Trennsäule (1) ein aus der Trennsäule herausragender und gegen diese abgedichteter Rührstab (14) angeordnet ist, der in den Trennkammern bzw. Segmenten (2) umlaufende Rührflügel (15) aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet , daß dieStutzrahmen (60) und die darauf befestigten Diaphragmen einen Schlitz (Bogenstrebe 60'') in Auszieh- bzw. Einschubrichtung der Stützrahmen aufweisen, der die Achse des Rührstabes (14) jeweils umfaßt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch g e -

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kennzeichnet , daß der Rührstab (14) auf der einen Seite in einem separaten Gehäuse (17) gelagert und mit einem Rührmagneten (16) verbunden ist, während er auf der anderen Seite in einem hülsenförmigen Verschlußelement (18) mit einer den Rührstab aufnehmenden Längsbohrung (19) gelagert ist, wobei das Verschlußelement mit einer Seitenfläche (Deckel 3) der Trennsäule verbunden und nach außen abgedichtet ist.

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