DE3841519A1

DE3841519A1 - Cold trap with rotating magnetic field

Info

Publication number: DE3841519A1
Application number: DE3841519A
Authority: DE
Inventors: Joerg Dr Reimann
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1988-12-09
Filing date: 1988-12-09
Publication date: 1990-06-28

Abstract

In cold traps, contaminated metallic fluids are more satisfactorily cleaned if a further velocity component in the peripheral direction with respect to the cold trap excess is impressed on their throughput rate. This is forcibly accomplished by a rotating magnetic field applied on the outside, so that the molten metal covers a longer distance in the annular gap. The separation of the impurities is enhanced by additional flow obstacles in the annular gap. On the one hand, they enlarge the surface in the annular gap and, on the other hand, they force the formation of secondary flows. This assists the mass transfer and hence the precipitation of the impurity.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Vorrichtung dazu.The invention relates to a method according to the preamble of Claim 1 and an apparatus therefor.

Bei derartigen Kaltfallen wird Wasserstoff, bzw. Sauerstoff eventuell auch Tritium in Flüssigmetallen wie Natrium abge trennt.In such cold traps, hydrogen, or oxygen possibly also tritium in liquid metals such as sodium separates.

Es ist bekannt, daß bei einem Flüssigmetall, das zunächst Ver unreinigungen in ungesättigter Lösung enthält, bei Abkühlung entlang des Strömungsweges in einer Kaltfalle die Sättigungs konzentration überschritten wird und die Verunreinigungen auskristallisieren. Die Kristallisation erfolgt überwiegend an von der Lösung berührten Oberflächen. Die meisten Kaltfallen haben daher im Ringkanal Packungen aus Drahtgewebe, Stahlwolle oder ähnliches im Strömungsweg, um die Abscheideoberflächen zu vergrößern. Mitunter werden allein die Wände des Ringkanals als Oberflächen vorgesehen. Die Bauformen und der Stand der Technik von Kaltfallen sind z. B. aus dem Bericht /KfK 4105/ zu entnehmen.It is known that in a liquid metal, the first Ver contains impurities in unsaturated solution when cooling the saturation along the flow path in a cold trap concentration is exceeded and the impurities crystallize. The crystallization mainly takes place surfaces touched by the solution. Most cold traps therefore have packings of wire mesh, steel wool in the ring channel or the like in the flow path to close the separation surfaces enlarge. Sometimes the walls of the ring channel become alone provided as surfaces. The designs and the status of Technology of cold traps are e.g. B. from the report / KfK 4105 / refer to.

Die Absicht bei den Kaltfallen ist, daß die Verunreinigungen gleichmäßig auf der gesamten Oberfläche abgeschieden wird.The intention with the cold traps is that the impurities is deposited evenly on the entire surface.

In der Praxis beobachtet man jedoch bei Kaltfallen mit Packun gen ein sehr ungleichmäßiges Abscheiden mit der Folge, daß sich der Strömungsquerschnitt an einer Stelle vollständig zu setzt, während große Teile der Oberfläche nahezu unbeauf schlagt bleiben. Bei Kaltfallen ohne Packungen besteht diese Gefahr des Verstopfens weniger; sie besitzen jedoch einen deutlich geringeren Wirkungsgrad, da bei ungefähr gleichem Stoffübergangskoeffizient die zur Verfügung stehende Oberflä che sehr viel kleiner ist. In practice, however, cold pack traps are observed a very uneven separation with the result that the flow cross section completely at one point sets, while large parts of the surface are almost unoccupied stay beats. This applies to cold traps without packs Risk of constipation less; however, they do have one significantly lower efficiency, since they are about the same Mass transfer coefficient the available surface che is much smaller.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Auskristallisie ren von Verunreinigungen in Flüssigmetall zu erhöhen.The invention has for its object the crystallization increase of impurities in liquid metal.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren gelöst, daß der Durchsatzgeschwindigkeit des Flüssigkeitsmetalls ein Geschwindigkeitsfeld in Umfangsrichtung aufgezwungen wird. Dieses Geschwindigkeitsfeld wird durch ein außerhalb der Kalt falle erzeugtes magnetisches Drehfeld erzwungen.According to the invention, the object is achieved by the method that the throughput rate of the liquid metal Speed field is forced in the circumferential direction. This speed field is characterized by an outside of the cold trap generated magnetic rotating field forced.

Um solche Kaltfallen in ihrem Wirkungsgrad hinsichtlich des Stoffüberganges zu erhöhen, werden zusätzliche Oberflächen im Ringspalt angebracht. Diese Oberflächen sind so angeordnet, daß sie das magnetische Drehfeld im Ringspalt wenig stören und den Strömungsquerschnitt wenig versperren.To such cold traps in terms of their efficiency To increase mass transfer, additional surfaces in the Annular gap attached. These surfaces are arranged that they interfere little with the rotating magnetic field in the annular gap and block the flow cross-section little.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß die Gefahr des Verstopfens wie bei herkömmlichen Kaltfallen mit Packungen nicht besteht. Das Geschwindigkeitsfeld in Um fangsrichtung der verunreinigten metallischen Flüssigkeit im Spalt wird berührungslos, d. h. ohne drehende oder bewegte me chanische Teile erzeugt. Durch den einfachen Aufbau der Appa ratur ist die Reparaturanfälligkeit gering. Die höhere Ge schwindigkeit im Ringspalt begünstigt das Ablagern an be rührten Ringspaltoberflächen wesentlich.The advantages achieved by the invention are that the risk of clogging as with conventional cold traps with packs does not exist. The speed field in um trapping direction of the contaminated metallic liquid in the Gap becomes contactless, i. H. without rotating or moving me chanic parts. The simple structure of the appa The susceptibility to repairs is low. The higher Ge Speed in the annular gap favors the deposit on be stirred annular gap surfaces significantly.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Two embodiments of the invention are in the drawing are shown and are described in more detail below.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 schematischer Aufbau der Kaltfalle, Fig. 1 shows a schematic configuration of the cold trap,

Fig. 2a Ausschnitt des Ringspalts mit konzentrischen Ringscheiben ohne Wirkung des magnetischen Dreh feldes. Fig. 2a section of the annular gap with concentric washers without the effect of the magnetic rotating field.

Fig. 2b Ausschnitt des Ringspalts mit konzentrischen Ringscheiben mit Wirkung des magnetischen Dreh feldes. Fig. 2b section of the annular gap with concentric washers with the effect of the magnetic rotating field.

Fig. 3 Ausschnitt des Ringspalts mit kurzen konzentrischen Zylindersätzen als Oberflächenvergrößerung. Fig. 3 section of the annular gap with short concentric sets of cylinders as a surface enlargement.

In Fig. 1 ist eine Kaltfalle schematisch mit einem Schnitt durch die Symmetrieachse dargestellt. Die wesentlichen Maße sind die folgenden, auf den Mantelradius normierten Maße. Der Mantelradius ist 1, der innere Rohrradius 2 ist einhalb und die Höhe 3 des Ringspalts 4 ist zehn. Die Mantelfläche des zy linderförmigen Behälters wird durch die Kühlung 5 mit Gas oder einer elektrisch nicht leitenden Flüssigkeit gekühlt. Darüber lagert die Wicklung 6 zur Erzeugung des magnetischen Dreh feldes im Ringspalt. Durch den Tankeintritt 7 wird die verun reinigte, metallische Flüssigkeit, z. B. Natrium, eingelassen bzw. gepumpt. Dort hat sie noch eine Temperatur so, daß die Verunreinigung z. B. Sauerstoff oder Wasserstoff in ungesät tigter Lösung ist. Im Ringspalt 4 strömt die metallische Flüs sigkeit mit der Durchsatzgeschwindigkeit 8 nach oben und kühlt sich soweit ab, daß die Sättigungskonzentration überschritten wird. Dabei kristallisiert Natriumoxid bzw. Natriumhydrid aus, hauptsächlich an im Ringspalt vorhandenen, von der metalli schen Flüssigkeit benetzten Oberflächen.In Fig. 1, a cold trap is shown schematically with a section through the axis of symmetry. The main dimensions are the following, standardized to the shell radius. The jacket radius is 1, the inner tube radius 2 is one and a half and the height 3 of the annular gap 4 is ten. The outer surface of the cylindrical container is cooled by the cooling 5 with gas or an electrically non-conductive liquid. In addition, the winding 6 is used to generate the magnetic rotating field in the annular gap. Through the tank inlet 7 , the contaminated metallic liquid, for. As sodium, let in or pumped. There it still has a temperature so that the contamination z. B. is oxygen or hydrogen in unsaturated solution. In the annular gap 4 , the metallic liquid flows with the throughput speed 8 upwards and cools down to such an extent that the saturation concentration is exceeded. Sodium oxide or sodium hydride crystallizes out, mainly on surfaces present in the annular gap and wetted by the metallic liquid.

Um die Oberfläche zu erhöhen, werden metallische Ringscheiben 9 abwechselnd innen oder außen an den Mantelflächen ange bracht, Fig. 2. Dadurch ergibt sich eine mäanderförmige Strö mung in axialer und radialer Richtung mit zahlreichen Totwas serbereichen 19, wie in Fig. 2a dargestellt, solange noch kein magnetisches Drehfeld wirkt.To increase the surface, metallic washers 9 are placed alternately inside or outside on the lateral surfaces, Fig. 2. This results in a meandering flow in the axial and radial directions with numerous dead water areas 19 , as shown in Fig. 2a, as long there is no magnetic rotating field yet.

Ein magnetisches Drehfeld, das von der Wicklung 6 erzeugt wird, bewirkt im Ringspalt 4 eine Drehbewegung 10 im Innern des Flüssigmetalls oder auch Fluids. Bei dieser Rotationsströ mung bildet sich aufgrund der Grenzschicht an den Ringen eine Sekundärströmung 20 aus, wie in Fig. 2b dargestellt, die be wirkt, daß permanent frisches Fluid an die Ringscheibenober fläche bzw. Manteloberflächen transportiert wird. Strömungsab lösungen scheiden somit aus.A magnetic rotating field, which is generated by the winding 6 , causes a rotary movement 10 in the annular gap 4 in the interior of the liquid metal or fluid. In this Rotationsströ tion forms a secondary flow 20 due to the boundary layer on the rings, as shown in Fig. 2b, which acts that permanent fresh fluid is transported to the surface of the ring disc or jacket surfaces. Flow separations are therefore ruled out.

Bei einer Durchsatzgeschwindigkeit 2 mm/sec und einer charak teristischen Umfangsgeschwindigkeit 10 von 200 mm/sec verbes sert sich so der Stoffübergangskoeffizient um den Faktor 40 gegenüber herkömmlich betriebenen Kaltfallen. Bei der Annahme turbulenter Strömung ist die Abhängigkeit des Stofftransports proportional zu C^0,8, wobei C die Absolutgeschwindigkeit des Fluids ist.With a throughput speed of 2 mm / sec and a characteristic circumferential speed 10 of 200 mm / sec, the mass transfer coefficient is improved by a factor of 40 compared to conventionally operated cold traps. Assuming turbulent flow, the dependence of mass transfer is proportional to C ^0.8 , where C is the absolute velocity of the fluid.

Die innen angebrachte Ringscheibe hat einen normierten Außen radius 11 von z. B. 0.85, die außen angebrachte Ringscheibe hat einen normierten Innenradius 12 von z. B. 0.73 und die Scheiben haben zueinander den normierten Abstand 13 von z. B. 0.38.The internally attached washer has a normalized outer radius 11 of z. B. 0.85, the externally attached washer has a normalized inner radius 12 of z. B. 0.73 and the discs have the normalized distance 13 of z. B. 0.38.

Durch diese Maßnahme wird die gesamte Oberfläche im Ringspalt um den Faktor 2.46 größer verglichen mit den Oberflächen des inneren und äußeren Zylinders.With this measure, the entire surface is in the annular gap by a factor of 2.46 compared to the surfaces of the inner and outer cylinders.

Eine andere Art der Oberflächenvergrößerung im Ringkanal be steht darin, kurze Zylindersätze konzentrisch zur Kaltfallen achse gemäß Fig. 3 anzubringen.Another type of surface enlargement in the ring channel be is to attach short sets of cylinders concentrically to the cold trap axis shown in FIG. 3.

Über das außen angelegte, magnetische Drehfeld wird der auf wärtsströmenden Flüssigkeit in den äußeren Bereichen im Ring kanal ein rotatorischer Bewegungsanteil um die Behälterachse aufgezwungen, der sich über innere Reibung auf das näher zur Behälterachse liegende übrige Fluid überträgt. The magnetic field is applied to the outside fluid flowing in the outer areas in the ring channel a rotational movement component around the container axis imposed on the inner friction on the closer to Other fluid lying on the container axis.

Der Kraftübertrag durch innere Reibung wird durch die Zylinder unterbrochen. Somit tritt in zylinderfreien Ringkanalbereichen ein höherer Kraftübertrag innerhalb des Fluids auf als in Zylinderbereichen.The power transmission through internal friction is through the cylinders interrupted. Thus occurs in cylinder-free ring channel areas a higher power transmission within the fluid than in Cylinder areas.

Bei Verwendung von Zylindern mit den normierten Radien 0,875, 0,75 und 0,625 bezogen auf den Außenradius des Behälters sowie der Höhe der Zylinder gleich der Höhe der zylinderfreien Bereiche im Ringspalt ergibt sich eine um den Faktor 2,5 größere Oberfläche im Ringspalt.When using cylinders with the standardized radii 0.875, 0.75 and 0.625 based on the outer radius of the container as well the height of the cylinder is equal to the height of the cylinder-free one Areas in the annular gap result in a factor of 2.5 larger surface in the annular gap.

Bei den oberflächenvergrößernden Einbaumaßnahmen in den Ringspalt soll die Strömung des Flüssigmetalls um die Behäl terachse alles in allem wenig behindert werden. With the surface-increasing installation measures in the The flow of the liquid metal around the container should be an annular gap all in all, little disability is hindered.

Bezugszeichenliste:Reference symbol list:

1 äußerer Radius
2 innerer Radius
3 Höhe des Ringspalts
4 Ringspalt
5 Kühlmantel
6 Wicklung
7 Tankeintritt
8 Durchsatzgeschwindigkeit
9 Geschwindigkeitsfeld
10 Umfangsgeschwindigkeit
11 normierter Außenradius der innen angebrachten
Ringscheibe
12 normierter Innenradius der außen angebrachten
Ringscheibe
13 normierter Ringscheibenabstand
14 Zylindersatz
16 Schraubenfläche
17 Strömungsquerschnitt
18 wendel- und mäanderförmige Bewegung
19 Sekundärströmung
20 Achse der Kaltfalle
21 kegelstumpfförmige Mantelfläche 1 outer radius
2 inner radius
3 Height of the ring gap
4 annular gap
5 cooling jacket
6 winding
7 tank inlet
8 throughput speed
9 speed field
10 peripheral speed
11 standardized outer radius of the inside
Washer
12 standardized inner radius of the outside
Washer
13 standardized washer spacing
14 cylinder set
16 screw surface
17 flow cross-section
18 spiral and meandering movement
19 secondary flow
20 cold trap axis
21 truncated cone-shaped surface

Claims

1. A method for separating impurities in tall liquid, in an annular channel formed by two concentric tubes of different diameters, hereinafter called cold trap, unsaturated solution of metallic liquid and contaminants flowing upwards at a predetermined throughput speed, so far cools that the saturation concentration of the solution is exceeded and the impurity crystallizes preferably on surfaces in contact with the solution in the ring channel, then flows as a cleaned metallic liquid in the inner tube with simultaneous heating in countercurrent downwards, characterized in that the upward flowing in the ring channel , contaminated metallic liquid is forced by a rotating magnetic field, a rotational movement component.

2. Cold trap for performing the method according to claim 1, characterized in that

a) in the annular channel concentric to the cold trap axis ring disks for enlarging the surface are brought, which partially cover the ring channel,
b) the washers are alternately placed on the inner wall of the outer tube and on the outer wall of the inner tube,
c) in the annular channel concentric to the cold trap axis short cylinders are brought to increase the surface area, which partially share the annular channel.

3. Cold trap according to claim 2, characterized in that the outer tube uses a magnetic field winding to generate a magnetic rotating field is attached.