DE3729517A1

DE3729517A1 - Adsorptionseinrichtung zur gastrennung

Info

Publication number: DE3729517A1
Application number: DE19873729517
Authority: DE
Inventors: Bernd Eckardt; Thomas Burbach
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-09-03
Filing date: 1987-09-03
Publication date: 1989-03-16
Also published as: EP0307581A1; DE3865612D1; EP0307581B1; SU1743338A3; US4881958A; UA12792A

Description

Die Erfindung betrifft eine Adsorptionseinrichtung zur Gas trennung mit Aktivkohle zur Adsorption von insbesondere radioaktivem Krypton und/oder Xenon, sowie mit einer Heizung und einem Kühlmittel.

Bei der aus der DE-PS 32 14 825 bekannten Adsorptionseinrich tung, mit der Krypton mittels Aktivkohle abgetrennt werden soll, ist sowohl die für die Adsorption gewünschte Kühlung als auch die Beheizung des Adsorbers, die zum Austreiben des an gelagerten Kryptons benötigt wird, deswegen unzufriedenstel lend, weil die Temperaturverteilung weitgehend inhomogen ist. Dies führt zu Wärmespannungen und deshalb zu ständigen Wech selbeanspruchungen, weil die Gastrennung mit Hilfe einer Adsorptionseinrichtung einen ständigen Wechsel von Kühlung und Aufheizung erfordert. Die Erfindung geht deshalb von der Auf gabe aus, eine Adsorptionseinrichtung zu schaffen, die mit geringem apparativen Aufwand eine gleichmäßige Temperaturver teilung erreicht und die auch großtechnisch gut einzusetzen ist.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Aktivkohle in einem Rohrbündel mit Kreisringquerschnitt angeordnet ist, das in einem wärmeisolierenden Behälter sitzt, daß konzentrisch zu dem Rohrbündel eine zylindrische Rohrschlange angeordnet ist, die das Kühlmittel führt, und daß im Zentrum des Rohrbündels und/oder der Rohrschlange eine elektrische Heizeinrichtung angeordnet ist.

Bei der Erfindung sind sowohl die Kühlungs- als auch die Heizungseinrichtung in einem Behälter mit dem Adsorber selbst integriert. Mit dieser Ausführung wird die Einhaltung einer praktisch gleichen Temperatur längs der Adsorberrohre bei gleichzeitig sehr geringer Temperaturdifferenz quer zum Adsorberrohrbündel ermöglicht. Der Wärmeaustausch zwischen den Adsorberrohren und Kühlung oder Heizeinrichtung kann durch ein umlaufendes Gas, vorzugsweise durch Helium, so intensiviert werden, daß eine homogene Temperaturverteilung und zudem eine Reduzierung des Energiebedarfs erreicht wird.

Das Rohrbündel kann vorteilhaft vertikal verlaufen. Ebenso ist dann die Rohrschlange vertikal orientiert. Dabei kann sich die Heizeinrichtung über nur einen Teil der Höhe von Rohrbündel und Rohrschlange erstrecken. In dem restlichen Raum kann vorteil haft ein Ventilator angeordnet sein. Mit diesem wird der Gas umlauf angetrieben, so daß ein schneller Wärmeübergang er reicht wird.

Der Ventilator wird in Strömungsrichtung nach den Beheizungs- und Kühlungselementen angeordnet, so daß neben der Gasförde rung gleichzeitig eine thermische Vergleichmäßigung des um laufenden Gasstromes vor dessen Eintritt in das Adsorberrohr bündel erreicht und eine Ausbildung von Strähnen unterschied licher Temperatur sicher vermieden wird.

Weiterhin sollte der Druckverlust im Gasumwälzbereich so ge wählt werden, daß sich über das Adsorberrohrbündel ein viel facher Druckverlust von z.B. Faktor 2 oder mehr gegenüber dem Druckverlust des restlichen Strömungsweges ergibt. Hierdurch wird eine weitgehend gleichmäßige Anströmgeschwindigkeit des Adsorberrohrbündels erreicht und somit werden unterschied liche thermische Werkstoffbeanspruchung als auch Sorptions unterschiede im Adsorber vermieden.

Der Antriebsmotor des Ventilators kann vorteilhaft außerhalb des Behälters angeordnet sein, so daß er bei normalen Tempera turen arbeitet. Seine Verlustwärme muß dann nicht über die Kühleinrichtung abgeführt werden. Dabei kann der Antriebsmotor mit einer gasdichten Kapsel umgeben sein, die an dem Behälter angeflanscht ist. Dies vermeidet Leckverluste längs der Welle, die durch die Behälterwand zu führen ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen Adsorptionseinrichtung besteht darin, daß Rohrbündel, Rohr schlange und Heizeinrichtung miteinander verbunden und als Einheit in den Behälter eingehängt sind. Die Einheit kann auf Vorsprüngen ruhen, die in den Innenraum des Behälters ragen. Oberhalb der Vorsprünge ist dann vorteilhaft eine Öffnung mit dem gleichen Querschnitt wie der Innenraum vorgesehen und mit einem Flanschdeckel versehen. Durch diese Öffnung kann die Einheit als Ganzes eingesetzt und bei Bedarf wieder heraus gehoben werden. Durch die Integration aller notwendigen Funktionselemente in einem Behältnis ergeben sich als beson derer Vorteil vergleichsweise geringe Druckverluste, so daß mit geringem Energieeinsatz hohe temperaturvergleichmäßigen de Gasumwälzraten von z.B. 1000 h^-1 oder mehr gefahren werden können.

Die erfindungsgemäße Adsorptionseinrichtung kann wegen ihrer vorteilhaften Bauweise und der damit verbundenen Einsparungen zu verschiedenen Zwecken vorteilhaft eingesetzt werden. Beson ders günstig ist jedoch die Verwendung in einer Anlage mit mindestens zwei parallelen Zweigen, wobei eine Adsorptionsein richtung als Adsorber arbeitet, während die andere regeneriert wird. Bei dieser Verwendung kann man einen kontinuierlichen Be trieb fahren, obwohl jede der Adsorptionseinrichtungen stufen weise arbeitet. Außerdem kann dabei durch eine Verschiebung der in den Adsorptionseinrichtungen gespeicherten Energie (Wärme-/Kältemenge) von einem Zweig zum anderen parallel ange ordnetem Zweig mittels eines Verbundgaskreislaufs (Helium verbundkreislaufs) eine rekuperative Energieausnutzung erfol gen. Dadurch kann der Energiebedarf um ca. 30-50% redu ziert werden. Solche Anwendungen finden sich besonders in der Kerntechnik, z.B. bei der Wiederaufarbeitung von Kernbrenn stoffen, bei der Krypton und/oder Xenonnuklide abgetrennt und gesondert gelagert werden sollen.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Adsorptionseinrichtung nach der Erfindung in einem Längsschnitt und

Fig. 2 die Verwendung von zwei Adsorptionseinrichtungen in einer kontinuierlich arbeitenden Anlage zur Abtrennung von Edelgasen.

Die erfindungsgemäße Adsorptionseinrichtung 1 umfaßt einen Be hälter 2 mit einer metallischen Außenwand 3 und einer Wärme isolierung 4, die als Feststoffisolation oder aber als Vakuum isolation ausgeführt sein kann. Der Behälter 2 hat z.B. einen Durchmesser von 2 m und eine Höhe von 3 m. Die Oberseite ist als Deckel 6 ausgebildet, der mit einer Flanschverbindung 7 befestigt ist. Wie man sieht, hat die mit den Deckel ver schlossene Öffnung den gleichen Querschnitt wie der Innenraum 8 des Behälters 2.

Unterhalb der Deckelöffnung sind Vorsprünge 10 mit dem Mantel 3 verbunden, die in den Innenraum 8 ragen. Auf den Vor sprüngen 10 ruht eine Adsorbereinheit, die als Ganzes mit 11 bezeichnet ist und ein Rohrbündel 12, eine Rohrschlange 13 und eine Heizeinrichtung 14 umfaßt.

Das Rohrbündel 12 besteht aus einer Vielzahl von vertikal angeordneten Rohren 16, die parallel zueinander auf der Fläche eines Kreisringes angeordnet sind. Der Innendurchmesser des Ringes beträgt z.B. 1 m. Oben und unten sind die Rohre 16 in Rohrböden 17 und 18 gefaßt, auf denen aufgewölbte Blechringe 19 und 20 zur Bildung von Sammelkammern 21 und 22 befestigt sind. Die Rohre 16 haben einen Durchmesser von z.B. 35 mm und enthalten Aktivkohle mit einer Schüttdichte von 0,45 kg/l. Sie sind so eng gruppiert, daß der Abstand zwischen den Rohren 16 kleiner als der Rohrdurchmesser ist.

Die Rohrschlange 13 im Inneren des Rohrbündels 12 kann einlagig zylindrisch ausgebildet sein. Ihre Enden sind über Zuleitungen 25 und Ableitungen 26 mit einem äußeren Anschluß 27 verbunden, der mit einer Durchführung 28 aus dem Behälter 2 geführt ist. Der Anschluß 28 führt zu einer nicht weiter dargestellten Kältemaschine, mit der Flüssigstickstoff als Sekundärkühlmittel zur Erzeugung einer Temperatur von weniger als minus 130°C im Behälterinneren 8 geführt werden kann. Das Rohr 29 der Rohr schlange hat einen Durchmesser von z.B. 20 mm. In der gleichen Größe liegt der Abstand zwischen der Rohrschlange 13 und dem Innendurchmesser des Rohrbündels 12.

Die Heizung 14 ist im Zentrum des Behälterinneren 8 und damit auch im Inneren von Rohrbündel 12 und Rohrschlange 13 ange ordnet. Sie umfaßt elektrische Heizstäbe 30, die sich parallel zueinander von einer unteren Tragplatte 31 vertikal nach oben erstrecken. Die Tragplatte 31 kann mit dem unteren Rohrboden 18 des Rohrbündels 11 aus einem Stück bestehen. Sie hält die Heizstäbe, die z.B. kreisringförmig mit einem Abstand von der Heizstabdicke im Inneren der Rohrschlangen 13 gruppiert sind.

Die Höhe der Heizstäbe 30 ist kleiner als die Höhe des Rohr bündels 12 und der Rohrschlange 13. Deshalb verbleibt im Inneren ein Raum 35, in dem ein Ventilator 36 angeordnet ist. Der Ventilator kann auch oberhalb des Rohrbündels unter dem Behälterdeckel angeordnet sein. Der Ventilator 36 sitzt mit einer sternförmigen Halterung 37 in einem Mantel 38. Die Halterung 37 ist mit einer Antriebswelle 38 oben durch den Behälter 2 geführt zu einem Antriebsmotor 40, der außerhalb des Behälters 2 auf dem Deckel 6 befestigt ist. Der Motor 40 ist mit einer gasdichten Kapsel 41 umschlossen, die auf dem Deckel 6 mit einer Flanschverbindung 42 gasdicht befestigt ist.

Der Innenraum 8 des Behälters 2 enthält Helium unter einem Druck von z.B. 1 bar. Das Helium dient als Wärmeübertragungs mittel, das mit dem Ventilator 36 in Richtung der Pfeile 44 durch das Behälterinnere 8 umgewälzt wird. Bei der Umwälzung passiert das Helium das Rohrbündel 12 und wird entweder mit der Rohrschlange 13 gekühlt oder mit der Heizeinrichtung 14 auf geheizt. Die Umwälzrate beträgt 1000 h^-1 oder mehr.

Mit der Kühlung wird die Anlagerung der Edelgase Krypton und Xenon an die Aktivkohle in den Rohren 16 des Rohrbündels 12 verstärkt, wenn eine zu reinigende Gasmischung über Anschlüsse 46 und 47 in das Rohrbündel 12 geführt wird. Das gereinigte Gas wird durch einen Gasaustritt 50 und 51 abgezogen, der hinter bzw. vor der Bildebene liegt. Nach der Anlagerung können dann Krypton und Xenon durch Beheizen der Aktivkohle mit Hilfe der Heizeinrichtung 14 ausgetrieben werden, deren Wärme ebenfalls mit dem Ventilator auf die Rohre 16 übertragen wird.

In Fig. 2 ist eine Adsorptionsanlage 55 für einen quasi-konti nuierlichen Betrieb zur Abtrennung von Xenon und Krypton aus Spaltgasen dargestellt, die bei der Brennelementaufarbeitung anfallen. Die Anlage 55 umfaßt zwei gleiche Stränge 56 und 57, die parallel zueinander an einen Einlaß 58 für die zu reini genden Gase und einen Auslaß 59 für die Edelgase angeschlossen sind, während bei 54 der Auslaß der gereinigten Gase vorgesehen ist.

Jeder der beiden Stränge 56, 57 ist gleich ausgebildet und umfaßt einen Vorkühler 60, 60′, der durch Ventile 61, 61′ abzutrennen ist. Eine Leitung 62, 62′, die mit einem Einlaß 63, 63′ für ein Trägergas versehen ist und ein Ventil 64, 64′ auf weist, führt zu einer Adsorptionseinrichtung 66, 66′, die wie die Adsorptionseinrichtung 1 nach Fig. 1 ausgeführt ist. Die Adsorptionseinrichtungen 66, 66′ sind über Ventile 67, 67′ mit einander unmittelbar verbunden. Ferner besteht eine Verbindung über einen Ventilator 68, der durch Ventile 69 abgesperrt werden kann. Somit kann über einen Kreis 70 ein Wärmeaustausch zwischen den Adsorptionseinrichtungen 66, 66′ erfolgen.

Den Adsorptionseinrichtungen 66, 66′ ist ein Zwischenkühler 72, 72′ nachgeschaltet, der über ein Ventil 73, 73′ absperr bar ist und der mit einer Umgehungsleitung 74, 74′ mit einem Ventil 75, 75′ überbrückt ist.

Hinter dem Zwischenkühler 72, 72′ liegt eine zweite Adsorptionseinrichtung 78, 78′. Zwischen den Adsorptionsein richtungen 78, 78′ ist über Ventile 79, 79′ und einen Ven tilator 80 mit vor- und nachgeschalteten Ventilen 81, 81, im Kreis 82 geschlossen, mit dem ein Wärmeaustausch zwischen den Adsorptionseinrichtungen 78, 78′ gefahren werden kann.

Am Ende ist jeder Strang 56, 57 über ein Ventil 84, 84′ ab sperrbar. Vor diesem zweigt eine Umgehungsleitung 86, 86′ mit einem Ventil 87, 87′ ab, die zu dem Vorkühler 60, 60′ führt. Mit der Leitung 86 wird das in dem als Adsorber arbei tenden Strang (hier 56) gereinigte Gas zum Auslaß 54 geführt.

Gleichzeitig wird der Strang 57 regeneriert. Bei laufender Heizung in den Adsorptionseinrichtungen 66, 78′ werden diese mit Spülgas, z.B. Helium, beaufschlagt, das in den Einlaß 63′ eingespeist wird. Das Spülgas durchströmt die Adsorptionsein richtungen 66, 78′, wobei der Zwischenkühler 72′ über die Leitung 74′ umgangen wird. Mit dem Spülgas werden dann die Edelgase über den Auslaß 59 ausgetragen.

Claims

1. Adsorptionseinrichtung zur Gastrennung mit Aktivkohle zur Adsorption von insbesondere radioaktivem Krypton und/oder Xenon, sowie mit einer Heizung und einem Kühlmittel, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivkohle in einem Rohrbündel (11) mit Kreisringquerschnitt angeordnet ist, das in einem wärmeisolierenden Behälter (2) sitzt, daß konzentrisch zu dem Rohrbündel (12) eine zylin drische Rohrschlange (13) angeordnet ist, die das Kühlmittel führt, und daß im Zentrum des Rohrbündels (12) und/oder der Rohrschlange (13) eine elektrische Heizeinrichtung (14) ange ordnet ist.

2. Adsorptionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel (12) ver tikal verläuft.

3. Adsorptionseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel (12) in horizontaler Anströmung mit Umwälzgas beaufschlagt ist, wobei der Druckverlust über das Rohrbündel (12) mindestens doppelt so hoch, vorzugsweise 10 mal so hoch wie der Druckverlust des restlichen Gasumwälzweges ist.

4. Adsorptionseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Heizeinrichtung (14) nur über einen Teil der Höhe von Rohr bündel (12) und Rohrschlange (13) erstreckt und daß in dem restlichen Raum (35) ein Ventilator (36) angeordnet ist.

5. Adsorptionseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilator (36) direkt über dem Rohrbündel (12) in einem Behälterdeckel (6) angeordnet ist.

6. Adsorptionseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (40) des Ventilators (36) außerhalb des Behälters (2) angeordnet ist.

7. Adsorptionseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (40) mit einer gasdichten Kapsel (41) umgeben ist, die an dem Be hälter (2) angeflanscht ist.

8. Adsorptionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Rohr bündel (12), Rohrschlange (13) und Heizeinrichtung (14) mit einander verbunden und als Einheit (11) in den Behälter (2) eingehängt sind.

9. Adsorptionseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (11) auf Vorsprüngen (10) ruht, die in den Innenraum (8) des Behälters (2) ragen.

10. Adsorptionseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Vorsprünge (10) eine Öffnung mit dem gleichen Querschnitt wie der Innen raum (8) vorgesehen und mit einem Flanschdeckel (6) versehen ist.

11. Adsorptionseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (11) über die Zu- und Abführleitungen (46, 47, 50, 51) am Deckel (6) aufgehängt ist.

12. Adsorptionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch die Verwendung in einer Anlage (55) mit mindestens zwei parallelen Zweigen (56, 57), wobei eine Adsorptionseinrichtung (66) als Adsorber arbeitet, während die andere (66′) regeneriert wird.

13. Adsorptionseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Adsorbern (66, 66′) der parallelen Zweige (56, 57) ein Wärmeaustauschkreis (70) vorgesehen ist.