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Verfahren und Vorrichtung zum adsorptiven
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Abtrennen von Krypton aus einem Krypton/Stickstoff-Gasgemisch Die
Erfindung bezieht sich duf ein Vfa#ircn zum adsorptiven Abtrennen von Krypton aus
einem neben Krypton insbesondere Stickstoff enthaltendem Gasgemisch in einer Adsorptionssäule.
Die Adsorptionssäule ist über eine in Richtung des einströmenden Gasgemisches sich
erstreckende Länge L mit einem Krypton und Stickstoff adsorbierenden Adsorptionsmittel
gefüllt. Nach Adsorption der Gaskomponenten in der Adsorptionssäule wird das Adsorptionsmittel
in einem nachfolgenden Verfahrensschritt mittels eines gasförmigen Spülmittels desorbiert.
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Das Spülmittel durchströmt die Adsorptionssäule in gleicher Richtung,
wie beim ersten Verfahrensschritt das Gasgemisch in die Adsorptionssäule eingeleitet
worden war.
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Das Abtrennen von Krypton aus einem Gasgemisch ist vor allem aus dem
Abgas einer Wiederaufarbeitungsanlage für abgebrannte Kernbrennelemente wegen der
Strahlungsaktivität des Kryptonisotops Kr-85 erforderlich, das bei Wiederaufarbeitung
des Kernbrennstoffes frei wird. Das Kryptonisotop Kr-85 ist ein ß-Strahler mit einer
Halbwertszeit von 10,7 Jahren und ist im Kryptonisotopengemisch mit einem Anteil
von 7 Vor enthalten. Für Krypton als Edelgas
bieten sich nur physikalische
Abtrennprozesse an, von denen sich die Adsorptionen des Kryptons an Adsorptionsmitteln,
wie Aktivkohle oder Molekularsieb, wegen ihrer sicheren und zuverlässigen Betriebsweise
für die Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen bevorzugt eignet. Die Wiederaufarbeitung
von Kernbrennstoffen erfordert das Arbeiten in Heißer-Zellen-Technologie, d.h. also
in Räumen, die gegen den Austritt radioaktiver Strahlung abgeschirmt sind und Arbeitsvorgänge
nur ferngesteuert oder über Manipulatoren verrichtet werden können. Es wird deshalb
eine einfache Handhabung der Adsorptionsanlagen angestrebt.
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Im Abgas einer Wiederaufarbeitungsanlage sind neben Krypton und Stickstoff,
letzterer als Bestandteil von in die Wiederaufarbeitungsanlage eingeführter Luft,
noch Gasbestandteile wie NOX, Aerosole, Jod, Wasserdampf und Sauerstoff enthalten.
Vor der Kryptonabtrennung ist das Abgas deshalb vorzureinigen, wobei zunächst die
NO##Anteile, Aerosole und Jod, später das restliche NOX, Wasserdampf sowie schließlich
Xenon abgetrennt werden. Das restliche Abgas weist Krypton mit einem Anteil von
etwa 0,1 Vol.% und im wesentlichen Stickstoff mit einem Anteil von 80 Vol.% auf.
Aus diesem Gasgemisch soll Krypton weitgehend isoliert gewonnen werden, um das abzuspeichernde
Restvolumen soweit wie möglich zu reduzieren. Die Verunreinigung des abzuspeichernden
Kryptons
- beispielsweise durch Restanteile von Stickstoff, Sauerstoff,
Xenon - soll insgesamt nicht mehr als 10 Vol.% betragen.
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Zur adsorptiven Trennung von Krypton ist es aus DE-PS 2 210 264 bekannt,
eine mit Aktivkohle gefüllte Adsorptionssäule zu verwenden, die mit Krypton bis
zum Kryptondurchbruch beladen wird. Das adsorbierte Krypton wird aus der Adsorptionssäule
durch eine kombinierte Unterdruck- und Spülgasdesorption gewonnen. Nachteilig sind
bei diesem Verfahren einerseits die zur Desorption erforderliche zeitlich lange
Pumpphase sowie andererseits verhältnismäßig geringe Anreicherungsfaktoren, die
bei Desorption der Säule für Krypton im Spülgas erreicht werden. Ein ähnliches Trennverfahren
mit Adsorption und Desorption bei Temperatur- und Druckwechsel wird in DE-OS 2 655
936 beschrieben. Bei diesem Verfahren werden allerdings die Edelgase Krypton und
Xenon gemeinsam in einer Adsorptionssäule abgeschieden.
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Aus DE-OS 2 326 060 ist ein Verfahren mit kontinuierlicher Abtrennung
von Krypton bekannt, bei dem das Adsorptionsmittel eine vom Abgas durchströmte,
gekühlte Adsorptionskammer und anschließend eine aufgeheizte , die adsorbierten
Gasbestandteile freigebende Desorptionskammer durchwandert. Die desorbierten Edelgase
Krypton und Xenon werden in einer Rektisorptionsstrecke getrennt. Die erreichbare
Trennleistung hängt bei diesem Verfahren sehr wesentlich von den Adsorptionseigenschaften
des Adsorptionsmittels ab.
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Aufwendig ist auch ein weiteres Adsorptionsverfahren, das in einer
internationalen Patent anmeldung beschrieben ist, die vom Deutschen Patentamt unter
der Nr. DE 30 49 761 Al veröffentlicht wurde. Bei diesem Verfahren werden in aufeinanderfolgenden
Prozeßstufen mit mindestens jeweils zwei Adsorptionssäulen nacheinander zunächst
das Xenon, dann Sauerstoff und schließlich Krypton vom Abgas getrennt, so daß am
Ende der Adsorptionsschritte reiner Stickstoff übrig bleibt. Zur Durchführung dieses
Verfahrens werden ausschließlich zum Teil speziell präparierte Molsiebe eingesetzt.
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Eine hohe Anreicherung des Kryptons im zu reinigenden Gasgemisch und
eine Trennung durch Anwenden der Gaschromatographie ist aus DE-OS 32 14 825 bekannt.
Eine weitere Vereinfachung zum Abtrennen von Krypton aus dem Abgas wird angestrebt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Abtrennen von Krypton
aus einem neben Krypton, im wesentlichen Stickstoff enthaltenden Gasgemisch zu schaffen,
bei dem in einfacher Verfahrensführung eine hohe Trennleistung erzielbar ist und
ein großer Teil des gesamten Gastrennprozesses auch außerhalb von Heißen Zellen
durchgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Verfahren der eingangs
genannten Art
durch die in Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen
gelöst. Die Adsorptionssäule wird mit dem Gasgemisch in der Weise beschickt, daß
das Adsorptionsmittel nur teilweise mit Krypton beladen wird und unter Berücksichtigung
der Wandergeschwindigkeiten des adsorbierten Kryptons und Stickstoffs bei Desorption
der Adsorptionssäule mit Spülgas zunächst nur Stickstoff, später Krypton vom Gasausgang
der Adsorptionssäule entnehmbar ist. Die Wandergeschwindigkeiten der adsorbierten
Stoffe sind im wesentlichen von Temperatur, von der Art des Adsorptionsmittels und
der Spülgasgeschwindigkeit abhängig. Für die Wandergeschwindigkeiten von Krypton
vKr und von Stickstoff vN im Absorptionsmittel ergeben sich Werte VKr < VN. Die
Adsorptionssäule wird also bei Desorption von Stickstoff schneller durchwandert
als von Krypton. Ausgehend von diesem Unterschied der Wandergeschwindigkeiten ist
für eine Adsorptionssäule, die, wie eingangs angegeben, in Strömungsrichtung des
Gasgemisches oder des Spülgases gesehen über eine Länge L mit Adsorptionsmittel
gefüllt ist, eine maximale Beladbarkeit mit Krypton über eine Teillänge Lo gegeben,
die so bemessen ist, daß der Stickstoff die Adsorptionssäule bereits verlassen hat,
ehe am Ausgang das Krypton erscheint. Die Teillänge Lo wird experimentell ermittelt.
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Wird das Adsorptionsmittel in der Adsorptionssäule dann bis zur Teillänge
Lo mit Krypton beladen und anschließend mit Spülgas desorbiert, so tritt am Ende
der Adsorptionssäule mit dem
Spülgas zunächst der gesamte adsorbierte
Stickstoff und im Anschluß daran mit dem Spülgas Krypton aus.
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Das Beladen der Adsorptionssäule mit Krypton bis zur zulässigen Teillänge
Lo erfolgt bevorzugt durch Beschicken der Adsorptionssäule mit Gasgemisch bei geschlossenem
Gasausgang und durch Drucksteigerung bis zu einem vorgegebenen Gasdruck. Nach Erreichen
des vorgegebenen Gasdruckes wird die Zufuhr von Gasgemisch gesperrt und anschließend
zur Desorption der adsorbierten Gasanteile bei geöffnetem Gasausgang gespült, wobei
vom Gasausgang zunächst Spülgas mit Stickstoff in eine Stickstoff leitung, anschließend
Spülgas mit Krypton in eine Kryptonleitung eingespeist wird, Patentanspruch 2.
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Der maximal einstellbare Gasdruck des Gasgemisches beim Beladen der
Adsorptionssäule ist durch die maximale Beladbarkeit der Adsorptionssäuie mit Krypton
bis zur Teillänge Lo experimentell ermittelbar. Für den Fall, daß bei der technischen
Durchführung zu berücksichtigende Randbedingungen eine Einstellung des erforderlichen
maximalen Gasdrucks zur Füllung der Adsorptionssäule nicht erlauben, ist es möglich,
durch teilweises Öffnen des Gasausganges soviel Gasgemisch in die Adsorptionssäule
einzuleiten, daß das Adsorptionsmittel mit Krypton bis zur vorgegebenen Teillänge
Lo der Adsorptionssäule beladen wird. Eine Beladung der Adsorptionssäule in der
vorbeschriebenen Weise durch
Einstellen eines vorgegebenen Gasdrucks
ist vorteilhaft bei Raumtemperatur durchführbar, Patentanspruch 3. Soll der Abgasdurchsatz
gesteigert und der Heliumdurchsatz reduziert werden, kann dies durch kühlung der
Adsorption#-säule während des Beladevorganges erreicht werden, Patentanspruch 4.
Desorbiert wird die Adsorptionssäule bei einem Druck, der geringer ist als der Gasdruck
bei der Beladung3.
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Zweckmäßig ist es, die Adsorptionssäule bei Atmosphärendruck zu entladen,
Patentanspruch 5. Dabei kann ebenfalls bei Raumtemperatur gearbeitet werden. Eine
raschere Desorption wird durch Aufheizen des Adsorptionsmittels erreicht.
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Als Spülgase kommen Inertgase in Frage oder entsprechende Gase, die
mit den Komponenten des Gasgemisches chemisch nicht reagieren.
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Bevorzugt wird die Adsorptionssäule mit Helium desorbiert, Patentanspruch
6, da sich Helium und Krypton beispielsweise durch Ausfrieren des Kryptons in einfacher
Weise voneinander trennen lassen.
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Damit es nicht notwendig ist, die Adsorptionssäule vor erneuter Beschickung
mit zu trennendem Gasgemisch vollständig von adsorbiertem Krypton zu reinigen, ist
es nach Patentanspruch 7 vorgesehen, bei erneuter Beladung der Adsorptionssäule
deren Gasein- und Gasausgang miteinander zu vertauschen, so daß jeweils der Adsorptionssäule
neu zuzuführendes Gasgemisch an der Stelle in die Adsorptionssäule einströmt, an
der zuvor das desorbierte Spülgas/Kryptongemisch entnommen worden war. Das an dieser
Stelle
der Adsorptionssäule nach Desorption noch vorhandene Krypton wird so beim nachfolgenden
Trennvorgang mit abgeführt.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich eine
Adsorptionssäule mit folgenden Merkmalen: Ausgehend von den bekannten Größen VKr
= Wanderungsgeschwindigkeit des Kryptons bei Desorption mit Spülgas VN = Wanderungsgeschwindigkeit
des Stickstoffs bei Desorption mit Spülgas Lo = Teillänge der Adsorptionssäule,
die mit Krypton bei geschlossenem Gasausgang der Adsorptionssäule beladen wird;
Lo ist abhängig vom Gasdruck, von Art und Temperatur des Adsorptionsmittels ergibt
sich für die Länge L der mit Adsorptionsmittel gefüllten Adsorptionssäule die Abschätzung
Die Erfindung und zweckmäßige Ausgestaltungen der Adsorptionssäule
werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Die Figuren
der Zeichnung zeigen im einzelnen: Figur 1 Schema für eine Adsorptionsstrecke zur
Xenon- und Kryptonabtrennung, Figur 2 Verlauf der Kryptonbeladung über der Länge
L der Adsorptionssäule nach Figur 1, Figur 3 Chromatogramm bei Desorption einer
mit Krypton und Stickstoff beladenen Adsorptionssäule nach Figur 1, Figur 4 Fließbild
einer Anlage zur Kryptonabtrennung mit alternierendem Betrieb mehrerer Adsorptionssäulen.
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In Figur 1 sind schematisch die erforderlichen Anschlüsse für eine
Adsorptionssäule 1 zur Kryptonabtrennung mit vorgeschalteter Xenonabtrennung 2 dargestellt.
Im Ausführungsbeispiel arbeitet auch die Xenonabtrennung adsorptiv. Als Adsorptionsmittel
wird Aktivkohle eingesetzt. Das Adsorptionsmittel in der Xenonabtrennung ist in
der Adsorptionsphase mittels einer Kühlung 3 bis auf eine Temperatur unterhalb Raumtemperatur
kühlbar,
für eine Beschleunigung der Desorption läßt sich eine Heizung 4 zur Erwärmung des
Adsorptionsmittels einschalten.
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Der Xenonabtrennung wird zu reinigendes Gasgemisch, das im wesentlichen
Stickstoff mit geringen Xenon- und Kryptonanteilen enthält, mittels einer Membranpumpe
5 zugeführt. Die Membranpumpe 5, die Xenonabtrennung 2 und die Adsorptionssäule
1 sind über einen Zulauf 6 für das Gasgemisch in Strömungsrichtung des Gasgemisches
hintereinandergeschaltet.
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Im Zulauf 6 befindet sich zwischen Membranpumpe 5 und Xenonabtrennung
2 ein umschaltbares Dreiwegeventil 7, über das statt des zu reinigenden Gasgemisches
nach Adsorption des Xenons in der Xenonabtrennung 2 zur Desorption Helium als Spülgas
aus einer Spülgasleitung 8 in die Xenonabtrennung 2 einleitbar ist. Bei Desorption
der Xenonabtrennung 2 wird ein im Zulauf 6 hinter der Xenonabtrennung eingesetztes
Dreiwegeventil 9 in der Weise umgeschaltet, daß der Spülgasstrom mit desorbiertem
Xenon über eine Xenonleitung 10 zu einer Kühlfalle 11 mit Kühlbad 12 strömt, das
mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist. In der Kühlfalle 11 wird das Xenon vom Spülgas
wieder getrennt.
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Das xenonfreie Spülgas wird vom Ausgang der Kühlfalle 11 im Kreislauf
zur Spülgasleitung 8 zurückgeführt, das gewonnene Xenon wird in entsprechenden Speichern
13 abgefüllt.
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Für den Spülgaskreislauf sorgt eine im Ausführungsbeispiel in der
Spülgasleitung 8 eingesetzte Membranpumpe 14.
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Die vom zu reinigenden Gasgemisch nach Abtrennung des Xenons zu durchströmende
Adsorptionssäule 1, in der Krypton zurückgehalten wird, ist mit Aktivkohle als Adsorptionsmittel
gefüllt.
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Statt Aktivkohle sind auch Molekularsiebe bzw. Zeolithe verwendbar.
Zur Beladung der Adsorptionssäule 1 mit Krypton läßt sich am Ausgang 15 der Adsorptionssäule
ein Absperrhahn 16 schließen. Im Ausführungsbeispiel mündet der Absperrhahn 16 in
eine am Ausgang 15 angeschlossene Abzugsleitung 17. Die Beladung der Adsorptionssäule
1 geschieht bei geschlossenem Absperrhahn 16 unter Drucksteigerung. Der Enddruck
der Adsorptionssäule ist so gewählt, daß beim nachfolgenden Desorptionsschritt am
Ausgang 15 der Adsorptionssäule zunächst nur Spülgas mit Stickstoff, anschließend
Spülgas mit Krypton entweicht. Dies wird nachfolgend noch anhand von Figuren 2 und
3 näher erläutert werden.
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Die Adsorptionssäule 1 ist in gleicher Weise wie die Xenonabtrennung
2 mit Helium als Spülgas desorbierbar. Vor der Adsorptionssäule 1 befindet sich
hierzu im Zulauf 6 in Strömungsrichtung des Gasgemisches gesehen hinter dem Dreiwegeventil
9 ein weiteres Dreiwegeventil 18, mit dem Helium aus einer Spülgasleitung 19 in
die Adsorptionssäule 1 einleitbar ist. Wird nach der Adsorptionsphase in die Adsorptionssäule
Spülgas
eingeleitet, so strömt das zuerst abgezogene Spülgas-Stickstoff-Gemisch über ein
Dreiwegeventil 20 und eine Anschlußleitung 21 zu einem Gasreiniger 22, aus dem Stickstoff
und gereinigtes Helium getrennt voneinander abziehbar sind. Der Stickstoff wird
in einer Stickstoff leitung 23 abgeführt, das wiedergewonnene Helium wird erneut
als Spülgas verwendet und in die Spülgasleitung 19 zurückgeführt.
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Für den Spülgaskreislauf sorgt eine in der Spülgasleitung 19 eingesetzte
Membranpumpe 24.
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Im Anschluß an das Spülgas-Stickstoff-Gemisch entströmt der Adsorptionssäule
1 das Spülgas-Krypton-Gemisch. Unmittelbar bevor dieses in der Abzugsleitung 17
das Dreiwegeventil 20 erreicht, wird letzteres umgeschaltet.
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Das Spülgas-Krypton- Gemisch strömt dann über eine Kryptonleitung
25 in eine Lagerflasche 26 für Krypton, in der das Krypton durch Kühlung der Lagerflasche
in einem Flüssigstickstoffbad 27 vom Spülgas getrennt wird. Auch das bei der Kryptonabtrennung
wiedergewonnene Helium läßt sich in den Spülgaskreislauf zurückführen.
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Hierzu dient eine Rückführleitung 28, über die das Helium mittels
der Membranpumpe 24 in die Spülgasleitung 19 gefördert wird. In der Rückführleitung
28 ist ein Absperrhahn 29 eingesetzt, der bei Abzug gereinigten Spülgases aus der
Lagerflasche 26 geöffnet wird.
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In Figur 2 ist der Verlauf der Krypton- Beladung in der Adsorptionssäule
1 gezeigt, die im Ausführungsbeispiel einen Säulendurchmesser von 2 cm aufweist
und über eine Länge L von 50 cm mit Aktivkohle als Adsorptionsmittel gefüllt ist.
Aus Figur 2 ist ersichtlich, daß die Adsorptionssäule über ihrer Länge L (aufgetragen
auf der Abszisse, im Diagramm nach Figur 2) sägezahnförmig mit Krypton beladen ist
und Krypton vom Adsorptionsmittel nur bis etwa zur Hälfte der Länge L der Adsorptionssäule,
nämlich bis zur Länge Lo von 25 cm adsorbiert worden ist. Um die adsorbierte Kryptonmenge
je Längeneinheit der Adsorptionssäule feststellen zu können, wurden dem zu reinigenden
Gasgemisch 0,6 Millicurie Krypton-85 pro dm3 Gasgemisch zugesetzt. Die vom Adsorptionsmittel
zurückgehaltene Kryptonmenge konnte so mittels Strahlungsmeßgeräten ermittelt werden,
die an der äußeren Wandfläche der Adsorptionssäule 1 entlanggeführt wurden. Mit
dem Strahlungsmeßgerät wurde die Zahlrate in Impulse pro Sekunde (IPS.) gemessen
Die Zählrate ist in Figur 2 auf der Ordinate des Diagramms aufgetragen.
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Die Adsorptionssäule 1 wurde mit dem zu reinigenden Gas bei geschlossenem
Absperrhahn 16 unter Drucksteigerung mit Krypton beladen.
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Das einströmende Gasgemisch wies im wesentlichen Stickstoff mit einem
Kryptongehalt von 0,1 Vol% auf. Aus Figur 2 ist ersichtlich, daß
die
Adsorptionssäule bei einer Temperatur von 22 0C und einem Druck von 4,5 bar wie
bereits angegeben etwa bis zur Hälfte mit Krypton beladen war. Diese Beladung der
Adsorptionssäule ermöglichte bei nachfolgender Desorption mit Helium als Spülgas
die Auftrennung von Stickstoff und Krypton am Ausgang 15 der Adsorptionssäule 1.
Die erreichte Trennung ist in einem Chromatogramm in Figur 3 dargestellt.
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Zur Entladung und Desorption wurde die Adsorptionssäule auf Normaldruck,
also auf einen Druck von einer Atmosphäre (Atm) entspannt und dann mit Helium durchspült.
In Figur 3 sind die Anteile von Stickstoff und Krypton im Spülgas über der Spüldauer
aufgetragen.
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Im Chromatogramm sind auf der Abszisse die Spüldauer in Minuten (min),
auf der Ordinate der Stickstoff- und Kryptonanteil im Spülgas in vpm (Volumenanteile
pro 106) angegeben.
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Aus Figur 3 ist ersichtlich, daß aus der Adsorptionssäule 1 mit dem
Spülgas zunächst nur Stickstoff abgeführt wird und erst nach etwa 10 Minuten Spüldauer
im Spülgas desorbiertes Krypton enthalten ist. Der Kryptongehalt im Spülgas steigt
stetig bis zu einem Gehalt von etwa 2500 vqm nach etwa 30 Minuten Spüldauer an und
sinkt dann nach insgesamt etwa 45 Minuten Spüldauer bis auf <1 vpm wieder ab.
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Das Dreiwegeventil 20 am Ende der Abzugsleitung 17 ist somit nach
Ablauf von 10 Minuten Spüldauer
umzuschalten, damit das kryptonhaltige
Spülgas über die Kryptonleitung 25 in die Lagerflasche 26 überführbar ist. Zur Aufrechterhaltung
des hierfür notwendigen truckgefälles dient die Membranpumpe 24 nach Öffnen des
Absperrhahnes 29. Die Adsorptionssäule 1 ist etwa nach 45 Minuten Spüldauer desorbiert.
Nach dieser Zeit ist sie also wieder beladungsfähig. Der Zyklus von Adsorption und
Desorption der Adsorptionssäule betrug im Ausführungsbeispiel etwa 2 Stunden.
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Eine Steigerung des Durchsatzes für zu reinigendes Gasgemisch in der
Adsorptionssäule läßt sich durch Druckerhöhung in der Adsorptionsphase erreichen.
Auch wird durch Kühlen des Adsorptionsmittels auf eine Temperatur unter Raumtemperatur
im wesentlichen die vom Adsorptionsmittel adsorbierte Kryptonmenge gesteigert.
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In Figur 4 ist eine Anlage zur quasi kontinuierlichen Krypton-Abtrennung
wiedergegeben. Die Anlage weist zwei Adsorptionssäulen 1a, 1b auf, die beide in
gleicher Weise wie im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 mit Aktivkohle gefüllt sind.
Die Adsorptionssäulen 1a, 1b werden im Wechsel betrieben, wobei innerhalb der Zeit,
in der sich die eine Adsorptionssäule mit Krypton belädt, die andere mit Helium
als Spülgas desorbiert wird. In die Anlage strömt über einen Zulauf 30 xenonfreies
Gasgemisch ein, das neben Stickstoff in geringer Menge
Krypton
enthält. Eine für das zu reinigende Gas ggf. notwendige Xenonabtrennung, die vorzuschalten
wäre, ist in Figur 4 nicht dargestellt.
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Am Ende des Zulaufs 30 ist ein Dreiwegeventil 31 angeordnet, das mit
Leitungen 32a, 32 b verbunden ist, über die das zu reinigende Gasgemisch entweder
in die Adsorptionssäule 1a oder in die Adsorptionssäule 1b einleitbar ist. In den
Leitungen 32a, 32 b befinden sich Dreiwegeventile 33a, 33b, die beide an Spülgasleitungen
34a, 34 b angeschlossen sind und Helium als Spülgas zur Desorption der Adsorptionssäulen
1a, 1b führen.
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Die Adsorptionssäulen 1a, ib sind jede mit einem Umschaltventil 35a,
35b verbunden. Diese Umschaltventile dienen dazu, die Adsorptionssäulen abwechselnd
von verschiedenen Enden her zu beladen. In Figur 4 ist das Umschaltventil 35a in
einer Ventilstellung dargestellt, bei der das zu reinigende Gasgemisch über einen
Säulenanschluß 36a in die Adsorptionssäule 1a eingeführt wird. Beim Einströmen des
Gasgemisches bleibt Absperrhahn 37a in einer Abzugsleitung 38a geschlossen. Ist
die Säule mit Krypton gefüllt, wird das Dreiwegeventil 33a umgestellt und bei unveränderter
Ventilstellung des Umschaltventils 35a über den Säulenanschluß 36a in die Adsorptionssäule
1a als Spülgas Helium eingeleitet. Dabei ist der Absperrhahn 37a geöffnet, und die
desorbierten Gasanteile
im Helium werden uber clieb Abzugsleitung
38~1 ausgetragen. Ist die Adsorptionssäule 1a geleert, wird das Umschaltventil 35a
in die Stellung gedreht, in der in Figur 4 das Umschaltventil 35b dargestellt ist.
Wird die Adsorptionssäule 1a nun erneut beladen, so strömt das vom Krypton zu reinigende
Gasgemisch über einen Säulenanschluß 39a vom anderen Ende her in die Adsorptionssäule
1a ein. Der Absperrhahn 37a ist dabei wieder geschlossen.
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Dieser wechselweise Betrieb der Adsorptionssäule - einmal Beschickung
über den Säulenanschluß 36a und Abzug des Spülgases mit desorbierten Gasanteilen
über den Säulenanschluß 39a, das andere Mal Beschickung der Adsorptionssäule über
den Säulenanschluß 39a und Abzug des Spülgases mit desorbierten Gasanteilen über
den Säulenanschluß 36a - hat den Vorteil, daß nach Desorption der Adsorptionssäule
ggf.
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noch in der Adsorptionssäule verbliebene Kryptonreste beim nachfolgenden
Adsorptions/Desorptions-Zyklus nicht das bei Desorption zuerst abströmende Helium/Stickstoff-Gasgemisch
verunreinigen können, sondern gemeinsam mit dem danach abziehenden Helium/Krypton-
Gasgemisch abgeführt werden. Die Kryptonreste verbleiben im Absorptionsmittel nach
jedem Desorptionsvorgang jeweils in der Nähe des Ausgangs der Adsorptionssäule und
befinden sich somit in der nachfolgenden Adsorptionsphase in dem Bereich der Adsorptionssäule,
in dem Krypton adsorbiert wird. Dieser
wechselweise Betrieb der
Adsorptionssäule verringert die Anforderungen, die an den Reinheitsgrad der Adsorptionssäule
nach Desorption zu stellen sind.
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Zur Abtrennung von Krypton und Stickstoff mündet die Abzugsleitung
38a in einem-Dreiwegeventil 40a über das einerseits über Leitungen 41a und 42 das
mit Stickstoff beladene Spülgas zu einem Gasreiniger 43 zu führen ist und andererseits
das mit Xenon beladene Spülgas nach Umschalten in eine Kryptonleitung 44a und 45
abströmen kann. In der Kryptonleitung 45 befindet sich eine Membranpumpe 46, mit
der das mit Krypton beladene Spülgas aus den Adsorptionssäulen absaugbar ist. Das
Krypton wird in gleicher Weise, wie im Ausführungsbeispiel 1 in eine Lagerflasche
47 eingefüllt. Die Lagerflasche 47 wird in einem mit flüssigem Stickstoff gefüllten
Bad 48 in der Weise gekühlt, daß das Krypton in der Lagerflasche kondensiert.
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Das dabei gasförmig zurückbleibende Helium wird über eine Rückführleitung
49 in den Spülgaskreislauf zurückgeführt. Zur Aufrechterhaltung des Spülgaskreislaufes
dient eine Membranpumpe 50. Von der Membranpumpe wird auch das im Gasreiniger 43
gewonnene Helium abgesaugt.
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Hierzu ist die Membranpumpe 50 an eine vom Gasreiniger wegführende
Heliumleitung 51 angeschlossen, in die die Rückführleitung 49 mündet.
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Im Ausführungsbeispiel wird der Gasreiniger 43 mit flüssigem Stickstoff
gekühlt. Der dabei vom tielium/Stickstoff-Gemisch als Kondensat abgetrennte Stickstoff
wird über eine Stickstoffleitung 52 abgeführt.
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Während der Desorptionsphase der Adsorptionssäule 1a wird in der Adsorptionssäule
1b für weiteres, über den Zulauf 30 zuströmendes Stickstoff/Krypton-Gasgemisch die
Adsorption durchgeführt. Während des Einströmens des zu reinigenden Gasgemisches
ist ein Absperrhahn 37b geschlossen, der analog zur Adsorptionssäule 1a in einer
Abzugsleitung 38D an#eordli#Ü ist.
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In der in Figur 4 gezeigten Stellung des Umschaltventils 35b strömt
das zu reinigende Gasgemisch über einen Säulenanschluß 39b in die Adsorptionssäule
1b ein. Wird nach Adsorption der Gasanteile Stickstoff und Krypton am Adsorptionsmittel
der Adsorptionssäule ein Dreiwegeventil 33b umgeschaltet, das in der Leitung 32b
vor dem Umschaltventil 35b eingesetzt ist, und damit aus einer Spülgasleitung 34b
bei geöffnetem Absperrhahn 37b als Spülgashelium durch die Adsorptionssäule 1b geleitet,
durchströmt das zunächst nur Stickstoff mit sich führende Spülgas über einen Säulenanschluß
36b aus der Adsorptionssäule 1b ab. In dieser Phase ist ein Dreiwegeventil 40b am
Ende der Abzugsleitung 38b so eingestellt, daß das Helium/Stickstoff-Gemisch über
eine Leitung 41b in die Leitung 42 und damit zum Gasreiniger 43 geführt wird. Strömt
vom Ausgang der Adsorptionssäule 1b Helium mit desorbiertem Krypton ab, so wird
das Dreiwegeventil 40b umgestellt und mit einer Kryptonleitung 44b verbunden. Das
Helium/ Krypton-Gemisch strömt dann - gefordert von der Membranpumpe 46 - über die
Kryptonleitung 45
zur Lagerflasche 47. In der Lagerflasche 47 wird
das Krypton, wie bereits beschrieben, abgetrennt.
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Die in Figur 4 gezeigte Anlage wird in gleicher Weise betrieben wie
die Anlage nach Figur 1. Auch hier wird nach Adsorption bei steigendem Gasdruck
in den Adsorptionssäulen die Desorptionsphase durch öffnen der Absperrhähne 37a,
37b eingeleitet, wobei zunächst Stickstoff, dann ein Spülgas/St.ckstoff-Gemisch
und danach ein Spülgas/Krypton-Gemisch aus den Adsorptionssäulen abströmt. Die Anlage
nach Figur 4 arbeitet quasi kontinuierlich, wobei die Adsorptionssäulen alternierend
adsorptiv oder desorptiv betrieben werden. Als Produkte fallen Krypton und Stickstoff
an. Das Spülgashelium wird im Kreislauf geführt.
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Für Aktivkohle als Adsorptionsmittel lassen sich bei Raumtemperatur
und 1 Atm bei einer Strömungsgeschwindigkeit von Helium als Spülgas von 10 m/sec
bezogen auf den ungefüllten Querschnitt der Adsorptionssäule (sogenannte Leerrohrgeschwindigkeit)
für Krypton und Stickstoff mittlere Wandergeschwindigkeiten von vKr = 5 cm/sec und
vN = 10 cm/sec ermitteln. Für diese Werte ergibt sich als erste Abschätzung für
die Länge L der Adsorptionssäule nach oben angeführter Beziehung
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