LU81226A1 - PROCESS FOR EXTRACTING XENON AND / OR KRYPTON FROM A CARRIER GAS - Google Patents
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Abstract
Description
' - 2.4191 ow'- 2.4191 ow
Demande de brevet jg 4 mai 197 9 Désignation de l'InventeurPatent application jg May 4, 197 9 Designation of the Inventor
ADDITIVEADDITIVE
C) Le soussigné .......M..9..!lL!.e.ur.....Charles.....München.,.....conseil.....j.n.jDre.v e.t s......ä......Luxem bourg lia, boulevard Prince-Henri * * agissant en qualité de déposant — de mandataire du déposant — {') L 1 ëtab'l i ssement d ' util i té publ i que.....bel ge di tejJ'Çentre d.'.Etude de .....Nucl éaire" ,......"Ç. E...N..."......."Studiecentrum voor.....Kernenergie11, "S.C.K.'',......Avenue.....Plasky..,.....1.44.,......Schaerbeek, Belgique.C) The undersigned ....... M..9 ..! LL! .E.ur ..... Charles ..... München., ..... council ..... jn jDre.v et s ...... ä ...... Luxem bourg lia, boulevard Prince-Henri * * acting as depositor - agent of the depositor - {') L 1 ëtab'l i ssement d 'public utility that ..... bel ge di tejJ'Çentre d.'. Study of ..... Nucl éaire ", ......" Ç. E ... N ... "......." Studiecentrum voor ..... Kernenergie11, "SCK '', ...... Avenue ..... Plasky .., ... ..1.44., ...... Schaerbeek, Belgium.
(3) de l'invention concernant : ......LErocédé.....dlextraction.....de......xénon.....et/ou.....de......krypton d'un gaz pnrt.en r ".(3) of the invention relating to: ...... LErocédé ..... dlextraction ..... de ...... xénon ..... et / ou ..... de. ..... krypton of a gas pnrt.en r ".
désigne comme inventeur (s) :designates as inventor (s):
a M , > Monsieur Jozef STEVENSa M,> Mister Jozef STEVENS
J. Nom et prénoms ..............................................................................................................................................................................................................................J. Surname and first names ............................................. .................................................. .................................................. .................................................. ...........................
Adresse .....................................Greessebaan »......20,......Balen-Hul sen . Belgique..................................Address ..................................... Greessebaan "...... 20, .. .... Balen-Hul sen. Belgium..................................
2. Nom et prénoms...................................................................................................................................................................................................................................2. Surname and first names ............................................. .................................................. .................................................. .................................................. ................................
Adresse .....................................................................................................................................................................................................................................................Address ................................................. .................................................. .................................................. .................................................. ..............................................
3. Nom et prénoms..................................................................................................................................................................................................................................3. Surname and first names ............................................. .................................................. .................................................. .................................................. ...............................
’ Adresse ....................................................................................................................................................................................................................................................' Address ................................................ .................................................. .................................................. .................................................. ..............................................
Il affirme la sincérité des indications susmentionnées et déclare en assumer l’entière responsabilité.He affirms the sincerity of the aforementioned indications and declares to assume full responsibility for them.
Luxembourg le 14 mai 19 79 . jfa+QLa..Luxembourg on May 14, 19 79. jfa + QLa ..
(signature] A 68026_v _ (') Nom, prénoms, firme, adresse.(signature] A 68026_v _ (') Last name, first names, company, address.
fr MEMOIRE DESCRIPTIF' déposé à l'appui d'une demande de BREVET D'INVENTION au nom de : "Centre d'Etude de l'Energie Nucléaire", "C.E.N." "Studiecentrum voor Kernenergie", "S.C.K." pour : "Procédé d'extraction de xénon et/ou de krypton d'un gaz porteur". Inventeurs : Guy, Eugène COLLARD - Petrus, Jacobus VAESEN.fr DESCRIPTIVE MEMORY 'filed in support of an INVENTION PATENT application in the name of: "Center d'Etude de l'Energie Nucléaire", "C.E.N." "Studiecentrum voor Kernenergie", "S.C.K." for: "Process for extracting xenon and / or krypton from a carrier gas". Inventors: Guy, Eugène COLLARD - Petrus, Jacobus VAESEN.
La présente invention est relative à un procédé d'extraction de xénon et/ou de krypton d'un gaz porteur, notamment d'un gaz porteur comprenant essentiellement de l'azote ou un mélange d'azote avec de l'oxygène et/ou de l'argon, par distillation I cryogénique dans une colonne de rectification comportant à son fond un bouilleur chauffé et à son sommet un condenseur alimenté par un fluide réfrigérant.The present invention relates to a process for extracting xenon and / or krypton from a carrier gas, in particular from a carrier gas essentially comprising nitrogen or a mixture of nitrogen with oxygen and / or of argon, by cryogenic distillation I in a rectification column comprising at its bottom a heated boiler and at its top a condenser supplied with a refrigerant.
Un des buts essentiels de la présente invention est de présenter un procédé permettant d'extraire, à des conditions-,/ • ✓ économiquement justifiées, du xénon, du krypton ou un mélange des deux,d'un gaz porteur dans un état très pur.One of the essential aims of the present invention is to present a process making it possible to extract, at economically justified conditions -, / • ✓, xenon, krypton or a mixture of the two, from a carrier gas in a very pure state .
A cet égard, l'invention présente un procédé de conduite de la colonne de rectification qui permet d'éviter une accumulation dans le bouilleur ou chaudière de produits d'une volatilité supérieure à celle du krypton et pouvant constituer un danger d'explosion, tels que méthane et oxygène. Surtout l'oxygène est particulièrement dangereux en présence de l'isotope 85 du krypton dont le champ d'irradiation peut provoquer la formation * d'ozone.In this regard, the invention presents a process for conducting the rectification column which makes it possible to avoid an accumulation in the boiler or boiler of products with a volatility greater than that of krypton and which may constitute a danger of explosion, such as than methane and oxygen. Especially oxygen is particularly dangerous in the presence of the isotope 85 of krypton whose irradiation field can cause the formation * of ozone.
A cet effet, suivant l'invention, on introduit une charge formée de xénon et/ou de krypton et d'un gaz porteur, sous forme j gazeuse et à une température sensiblement constante légèrement | supérieure à la température provoquant la désublimation d'un j de ses composants à sa pression partielle nominale, à un ni- Î ; veau déterminé de la colonne susdite, dans laquelle on main-· j I tient la pression à une valeur sensiblement constante supé-To this end, according to the invention, a charge formed of xenon and / or krypton and a carrier gas is introduced, in gaseous form and at a slightly constant temperature | higher than the temperature causing the desublimation of a j of its components at its nominal partial pressure, at a ni- Î; determined calf from the above column, in which the pressure is maintained at · j I at a substantially constant value greater than
SS
; rieure à 0,4 MPa et en ce qu'on contrôle dans cette colonne îl j le niveau de la zone de séparation de l'élément le plus vola til à extraire, tel que le krypton, et du composant le moins volatil du gaz porteur en agissant sur le rapport momentané ^ de la quantité de calories et de la quantité de frigories in-; less than 0.4 MPa and in that in this column is checked the level of the separation zone of the most volatile element to be extracted, such as krypton, and of the least volatile component of the carrier gas by acting on the momentary ratio ^ of the amount of calories and the amount of frigories
Itroduite dans la colonne de manière à maintenir cette zone de séparation, d'une part, au-dessus d'une zone tampon de l'élément le plus volatil à extraire, tel que le krypton et, d'autre part, en dessous d'une zone d'éguilibre entre la phase liquide et gazeuse située elle-même en dessous du niveau de la colonne où a lieu l'introduction de la charge susdite, le débit de liquide descendant dans la zone située en dessous de ce niveau, / appelée zone d'enrichissement,étant réglé en fonction de la*//·/ - 3 - V; V « I pression cle la colonne de manière à éviter la formation d'une f phase solide dans cette zone d'enrichissement.Introduced into the column so as to maintain this separation zone, on the one hand, above a buffer zone of the most volatile element to be extracted, such as krypton and, on the other hand, below d '' an equilibrium zone between the liquid and gaseous phase which is itself situated below the level of the column where the introduction of the above-mentioned charge takes place, the flow of liquid descending into the zone situated below this level, / called enrichment zone, being adjusted according to the * // · / - 3 - V; V "I pressure of the column so as to avoid the formation of a solid phase in this enrichment zone.
| Avantageusement, on agit sur le rapport momentané de la guantité de calories et de la quantité de frigories introduites £ ' dans la colonne en faisant varier le refroidissement au sommet t de la colonne.| Advantageously, action is taken on the momentary ratio of the quantity of calories and the quantity of frigories introduced £ ′ into the column by varying the cooling at the top t of the column.
’v. i’V. i
Suivant une forme de réalisation particulière, on agit sur le refroidissement de la colonne en prévoyant un courant de | fluide réfrigérant assurant le refroidissement du sommet de la colonne, constitué de deux parties, le débit de la première parti« ; ayant un point de consigne gui varie linéairement avec le débit ! de la charge et gui a une valeur légèrement inférieure à celle correspondant à la somme des pertes frigorifiques et de la puis-i sance de chauffe au bouilleur de la colonne lorsque le débit de charge est nul, le débit de la deuxième partie étant réglable en fonction du niveau de la zone de séparation.According to a particular embodiment, one acts on the cooling of the column by providing a current of | refrigerant ensuring the cooling of the top of the column, consisting of two parts, the flow of the first part "; having a set point which varies linearly with the flow! of the charge and mistletoe has a value slightly lower than that corresponding to the sum of the refrigeration losses and the heating power of the column boiler when the charge flow is zero, the flow of the second part being adjustable in depending on the level of the separation zone.
L;'_invention concerne également un procédé de traitement d'effluents gazeux provenant d'un retraitement de combustible ; nucléaire^comprenant le lavage de vapeurs nitreuses, la sépara tion d'iode et de produits semi-volatils, l'élimination d'hydrocarbures, de composés d'azote résiduels et d'oxygène, l'adsorptioj d'eau, de dioxyde de carbone et éventuellement de traces d'ammoniac et d'oxydes d'azote en faisant passer l'effluent à travers i . .The invention also relates to a method for treating gaseous effluents from a reprocessing of fuel; nuclear ^ including the washing of nitrous vapors, the separation of iodine and semi-volatile products, the elimination of hydrocarbons, residual nitrogen compounds and oxygen, the adsorption of water, carbon and possibly traces of ammonia and nitrogen oxides by passing the effluent through i. .
I 1 .I 1.
une unité d'adsorption pendant qu'une autre ùnité d'adsorption est régénérée par une partie de l'effluent ayant subi le trai-^X tement d'adsorption. fl// 1 » - 4 -an adsorption unit while another adsorption unit is regenerated by a part of the effluent having undergone the adsorption treatment. fl // 1 "- 4 -
Ce procédé particulier est caractérisé par le fait que la partie de l'effluent ayant été utilisée pour la régénération susdite est recyclé en amont de l'élimination d'hydrocarbures, de composés d'azote résiduels et d'oxygène après condensation de l'eau y contenue.This particular process is characterized in that the part of the effluent that has been used for the above-mentioned regeneration is recycled upstream of the elimination of hydrocarbons, residual nitrogen compounds and oxygen after condensation of the water. contained therein.
' D'autres détails et particularités de l'invention ressor tiront de la description donnée ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés, de quelques formes de réalisation particulières d'un procédé d'extraction de xénon et de krypton d'un gaz porteur et d'un procédé de traitement d'effluents gazeux provenant d'un retraitement de combustible nucléaire .'Other details and particularities of the invention come from the description given below, by way of nonlimiting example, with reference to the appended drawings, of some particular embodiments of a xenon extraction process and krypton of a carrier gas and a process for treating gaseous effluents from reprocessing of nuclear fuel.
La figure 1 est une vue schématique en élévation d'une colonne de rectification continue pour la mise en oeuvre du procédé d'extraction de xénon et de krypton d'un gaz porteur.Figure 1 is a schematic elevational view of a continuous rectification column for the implementation of the xenon and krypton extraction process from a carrier gas.
La figure 2 est une représentation schématique d'un système de régulation de la colonne de rectification montrée à la figure 1Figure 2 is a schematic representation of a regulation system of the rectification column shown in Figure 1
La figure 3 représente un graphique montrant la température de sublimation du xénon en fonction de sa pression partiel- a le.FIG. 3 represents a graph showing the sublimation temperature of xenon as a function of its partial pressure.
La figure 4 représente un tracé graphique du nombre de plateaux théoriques dans la zone d'enrichissement d'un mélange d'azote, d'argon et de krypton et d'un mélange d'azote et de krypton avec un taux de reflux égal 1.FIG. 4 represents a graphic plot of the number of theoretical plates in the enrichment zone of a mixture of nitrogen, argon and krypton and of a mixture of nitrogen and krypton with a reflux rate equal to 1 .
La figure 5 représente un bloc-diagramme d'un circuit de purification d’effluents d'usines de retraitement de combustible/ nucléaire. / / / // t * - 5 -FIG. 5 represents a block diagram of a circuit for the purification of effluents from fuel / nuclear reprocessing plants. / / / // t * - 5 -
Dans les différentes figures, les mêmes chiffres de référence désignent des éléments analogues ou identiques.In the various figures, the same reference numerals designate analogous or identical elements.
Suivant l’invention, la séparation du gaz porteur et du mélange krypton-xénon se fait dans une colonne de rectification continue R (figures 1 et 2) comportant à son fond une chaudière AAccording to the invention, the separation of the carrier gas and the krypton-xenon mixture is done in a continuous rectification column R (Figures 1 and 2) having at its bottom a boiler A
a chauffée électriquement ou par un fluide caloporteur dont le point de fusion est supérieur au'point d'ébullition du mélange krypton-xénon, une tour T garnie de plateaux ou de garnissage permettant le barbotage adéquat de vapeuis montants au travers de liquides descendants, un condenseur C au sommet de la colonne R refroidi de telle sorte qu'il provoque la condensation d'une fraction du gaz porteur ou d'un dispositif de distribution sous forme liquide d'une certaine quantité du composant le plus volatil= du mélange constituant le gaz porteur.heated electrically or by a heat-transfer fluid whose melting point is higher than the boiling point of the krypton-xenon mixture, a tower T furnished with trays or lining allowing the adequate bubbling of rising vapors through descending liquids, a condenser C at the top of column R cooled so that it causes the condensation of a fraction of the carrier gas or of a device for distributing in liquid form a certain amount of the most volatile component = of the mixture constituting the carrier gas.
La référence F indique l'endroit où est introduite la charge fraîche,constituée du mélange krypton-xénon et du gaz porteur, * sous forme gazeuse.The reference F indicates the place where the fresh charge is introduced, consisting of the krypton-xenon mixture and the carrier gas, * in gaseous form.
La zone située entre le niveau d'introduction de la charge * et la chaudière ou bouilleur A constitue la zone d'enrichissement et a été indiquée par la référence E.The zone between the level of introduction of the charge * and the boiler or boiler A constitutes the enrichment zone and has been indicated by the reference E.
En régime de la colonne,la zone d'enrichissement E comporte une zone de séparation s de l'élément le plus volatil à extraire, gui est du krypton dans le cas du mélange de xénon et de krypton, et le composant le moins volatil du gaz porteur s'étendant sur un espace équivalent à une hauteur de plateau théorique. Une certaine hauteur de la zone d'enrichissement E, consistant aipy/ -. 6 - I 1 un nombre déterminé de plateaux théoriques équivalents, est utilisée en dessous de cette zone de séparation pour former une zone tampon t de 1*élément le plus volatil à extraire, tel que . le krypton, entre le xénon et le mélange porteur.Under the column regime, the enrichment zone E comprises a separation zone s of the most volatile element to be extracted, which is krypton in the case of the mixture of xenon and krypton, and the least volatile component of the carrier gas extending over a space equivalent to a theoretical plateau height. A certain height of the enrichment zone E, consisting of aipy / -. 6 - I 1 a determined number of equivalent theoretical plates is used below this separation zone to form a buffer zone t of the most volatile element to be extracted, such as. krypton, between xenon and the carrier mixture.
Enfin, une certaine hauteur de cette même zone d'enrichis-_ sement E est utilisée entre la zone de séparation s et le niveau où a lieu l'introduction de la charge F dans la colonne pour former une zone d'équilibre e entre les phases liquide et gazeuse .Finally, a certain height of this same enrichment zone _ is used between the separation zone s and the level where the introduction of the charge F takes place in the column to form an equilibrium zone e between the liquid and gas phases.
La zone située au-dessus du niveau d'introduction de la charge F comporte un certain nombre de plateaux théoriques équivalents dépendant du degré de décontamination désiré du gaz porteur .The zone situated above the level of introduction of the charge F comprises a certain number of equivalent theoretical plates depending on the desired degree of decontamination of the carrier gas.
Suivant l'invention, on introduit la charge,sous forme gazeuse et à une température sensiblement constante légèrement supérieure à la température provoquant la désublimation d'un de ces composants à sa pression partielle nominale, à un niveau a déterminé de la colonne susdite en maintenant dans cette dernière . une pression sensiblement constante supérieure à 0,4 MPa, notam ment à 0,5 à 1 MPa et de préférence de l'ordre de 0,8 MPa, et on contrôle dans cette colonne le niveau de la zone de séparation s en agissant sur le rapport momentané de la quantité de calories et de la quantité de frigories introduites dans la colonne respectivement dans la chaudière ou bouilleur A et le condenseur C, de manière à maintenir en permaiEnœ une zone tampon en dessous de la zone de séparation s et une zone d'équilibre d , , au-dessus de cette zone de séparation s et en dessous du niveau/ de la colonne où a lieu l'introduction de la charge F. De plus, le débit de liquide descendant dans la zone d'enrichissement E est réglé en fonction de la pression dans la colonne>de manière à éviter la formation d'une phase solide dans cette zone d'enrichissement E.According to the invention, the charge is introduced, in gaseous form and at a substantially constant temperature slightly above the temperature causing the desublimation of one of these components at its nominal partial pressure, at a determined level of the above column while maintaining in the latter. a substantially constant pressure greater than 0.4 MPa, in particular 0.5 to 1 MPa and preferably of the order of 0.8 MPa, and the level of the separation zone s is checked in this column by acting on the momentary ratio of the quantity of calories and the quantity of frigories introduced into the column respectively into the boiler or boiler A and the condenser C, so as to maintain in permaiEnœ a buffer zone below the separation zone s and a zone equilibrium d,, above this separation zone s and below the level / column where the introduction of charge F takes place. In addition, the flow of liquid descending into the enrichment zone E is adjusted as a function of the pressure in column> so as to avoid the formation of a solid phase in this enrichment zone E.
La température de la charge F est de tout au plus 5°K supérieure à la température provoquant la désublimation d'un de ces composants à sa température nominale.The temperature of the load F is at most 5 ° K higher than the temperature causing the desublimation of one of these components at its nominal temperature.
Pour atteindre cette température de la charge, celle-ci est pré-refroidie, par exemple par le fluide réfrigérant du condenseur C et/ou le gaz porteur purifié D quittant la colonne. R, dans un échangeur de chaleur, non réprésenté aux figures et conçu de telle sorte qu'une désublimation excessive d'un ou de plusieurs des composants de la charge F ne s'y produise et que la teir pérature de cette dernière à l'entrée de la colonne soit maintenue constante.To reach this temperature of the charge, the latter is precooled, for example by the refrigerant of the condenser C and / or the purified carrier gas D leaving the column. R, in a heat exchanger, not shown in the figures and designed so that excessive desublimation of one or more of the components of the charge F does not occur there and that the temperature of the latter at the column entry is kept constant.
Avantageusement, ceci peut par exemple être obtenu soit par une conception appropriée de l'échangeur avec possibilité de court- circuiter une partie des gaz refroidissants ou refroidis, soit en réchauffant légèrement les gaz froids, la puissance de ce réchauffement étant commandée par la température de la charge à l'entrée de la colonne.Advantageously, this can for example be obtained either by an appropriate design of the exchanger with the possibility of short-circuiting part of the cooling or cooled gases, or by slightly heating the cold gases, the power of this heating being controlled by the temperature of the load at the entry of the column.
La température sera maintenue à une valeur dépendant de la concentration nominale en le produit le · moins volatil .The temperature will be maintained at a value depending on the nominal concentration of the least volatile product.
A cet égard, la figure 3 donne par exemple la température de sublimation du xénon en fonction de sa pression partielle (Réf. Freeman & Halsey - The solid solution Kr-Xe from 90°K to , 120°K - The vapour pressure of A, Kr and Xe - J. Phys.Chem. 60,-/ I · - 8 -In this regard, Figure 3 gives for example the sublimation temperature of xenon as a function of its partial pressure (Ref. Freeman & Halsey - The solid solution Kr-Xe from 90 ° K to, 120 ° K - The vapor pressure of A , Kr and Xe - J. Phys. Chem. 60, - / I · - 8 -
Il y a encore lieu de noter que le système de refroidissement de la charge est conçu de telle sorte gu'il ne comporte pas de point froid à une température inférieur à la température de désublimation susdite.It should also be noted that the charge cooling system is designed so that it does not have a cold spot at a temperature below the above desublimation temperature.
Le chauffage de la chaudière ou du bouilleur A peut être d'une puissance constante permettant l'obtention, dans la zone d'enrichissement E, un débit gazeux compensé par un débit liquide tel que les concentrations de ces différents composants, particulièrement du xénon au voisinage du niveau d'introduction de la charge F, ne dépassent pas leur point de solubilité dans la phase liquide.The heating of the boiler or of the boiler A can be of a constant power making it possible to obtain, in the enrichment zone E, a gas flow compensated by a liquid flow such as the concentrations of these various components, particularly from xenon to near the level of introduction of the charge F, do not exceed their point of solubility in the liquid phase.
—6 —1—6 —1
Par exemple,pour une charge F de 1 kmole/h (278; 10 s"" } —3 -3 contenant 2 10 kmole/kmole en xénon et 0,1,10 kmole/hmole en krypton dans de l'azote, le débit doit être au moins supérieur _3 à 6,6.10 kmole/heure pour éviter la formation d'un mélangé soli-d'Azote-Krypton-Xénon sous une pression de 0,8 MPa.For example, for a load F of 1 kmole / h (278; 10 s ""} —3 -3 containing 2 10 kmole / kmole in xenon and 0.1.10 kmole / hmole in krypton in nitrogen, the flow rate must be at least greater than 3 to 6.6.10 kmole / hour to avoid the formation of a soli-nitrogen-krypton-xenon mixture under a pressure of 0.8 MPa.
Cette valeur ne tient pas compte des imperfections techniques de la colonne et est à considérer comme un minimum absolu difficilement accessible.This value does not take into account the technical imperfections of the column and is to be considered as an absolute minimum that is difficult to access.
Avantageusement, le contrôle de la zone de séparation s, qui constitue en fait la base de la régulation thermique de la colonne de rectification, a lieu par une détection de la température à un endroit déterminé de la zone d'enrichissement E.Advantageously, the control of the separation zone s, which in fact constitutes the basis of the thermal regulation of the rectification column, takes place by detecting the temperature at a determined location in the enrichment zone E.
Cette régulation est basée sur le fait que les différentes séparations krypton/azote, krypton-oxygène ou krypton-argon peuvenl se faire sur un nombre limité de plateaux théoriques équivalents. Par exemple, on passe d'un mélange liquide argon-krypton à 95% en/ - 9 - argon à un mélange à 25% en argon représentant une variation de température voisine de 35°K en l'espace de deux plateaux théoriques équivalents.This regulation is based on the fact that the different krypton / nitrogen, krypton-oxygen or krypton-argon separations can be done on a limited number of equivalent theoretical plates. For example, one passes from a liquid argon-krypton mixture at 95% in argon to a mixture at 25% in argon representing a temperature variation close to 35 ° K in the space of two equivalent theoretical plates.
La figure 4 illustre ce phénomène pour un taux de reflux = 1 dans la partie d'enrichissement E de la colonne travaillant avec un mélange d'azote, d'argon et de krypton et avec un mélange * d'azote et de krypton.FIG. 4 illustrates this phenomenon for a reflux rate = 1 in the enrichment part E of the column working with a mixture of nitrogen, argon and krypton and with a mixture * of nitrogen and krypton.
L'équation des courbes d'équilibre dans le diagramme d'équilibre liquide-vapeur de la figure 4 peut s'écrire comme suit : y x i- y "αι-χ “N,/Ar 2·2 > NPT âa Jfc, ?** à 1(? /Ar 2' 2 = 11 pour ^/Ar aAr/Kr + 12 -* NJ?T de yAr = î9* à ^ ' ' =3 pour Ar/Kr L'endroit de la zone de séparation s est déterminé par une sonde de température TC (voir figure 2) qui est choisie de telle sorte que l'enrichissement du liquide dans’la zone plus basse de la colonne réponde aux exigences demandées de pureté du xénon et du krypton recueillis en n et que la zone située au-dessus de la zone de séparation s et indiquée par la référence e est suffisamment importante pour permettre à la colonne de se mettre en équilibre avec la charge malgré les fluctuations dues à la régulation.The equation of the equilibrium curves in the liquid-vapor equilibrium diagram in Figure 4 can be written as follows: yx i- y "αι-χ“ N, / Ar 2 · 2> NPT âa Jfc,? ** at 1 (? / Ar 2 '2 = 11 for ^ / Ar aAr / Kr + 12 - * NJ? T de yAr = î9 * at ^' '= 3 for Ar / Kr The location of the separation zone s is determined by a temperature probe TC (see Figure 2) which is chosen so that the enrichment of the liquid in the lower zone of the column meets the required requirements for purity of xenon and krypton collected at n and that the area above the separation area s and indicated by the reference e is large enough to allow the column to balance with the load despite the fluctuations due to regulation.
Ainsi, il a été constaté, suivant l'invention, que la partie de la zone d'enrichissement E située en dessous de la sonde re- -12 -10-.Thus, it has been found, according to the invention, that the part of the enrichment zone E located below the probe re- -12 -10-.
tration en gaz porteur inférieure à 10 moles/moles dans le liquide de la chaudière A et un nombre de cinq plateaux théoriques équivalents entre cette sonde TC et l'endroit de l'introduction de la charge F permet une conduite régulière et stable de la colonne de rectification.tration in carrier gas less than 10 moles / moles in the liquid of the boiler A and a number of five equivalent theoretical plates between this probe TC and the place of the introduction of the load F allows a regular and stable control of the column rectification.
On agit sur le rapport momentané de la quantité des calories et la quantité de frigories introduites dans la colonne en faisant varier le refroidissement au sommet de la colonne par le condenseur C. Ce refroidissement dépend de la température et de l'état physique de la charge F, du chauffage de la chaudière, des pertes thermiques de l'installation et de l’accumulation de krypton et de xénon dans la chaudière A.One acts on the momentary ratio of the quantity of calories and the quantity of frigories introduced into the column by varying the cooling at the top of the column by the condenser C. This cooling depends on the temperature and the physical state of the load F, heating of the boiler, thermal losses from the installation and accumulation of krypton and xenon in boiler A.
La régulation du refroidissement de la colonne a été illustrée par la figure 2 et se fait en prévoyant un courant de * fluide réfrigérant L;alimentant le condenseur C,constitué de deux parties L' et L". Le débit de la première partie L' a un ! point de consigne LC variant linéairement avec le débit de gaz de la charge F et ayant une valeur légèrement inférieure à celle correspondant à la somme des pertes frigorifiques et de la puissance de chauffe du bouilleur lorsque le débit de charge est nul.The regulation of the column cooling has been illustrated in FIG. 2 and is done by providing a stream of * refrigerant fluid L; supplying the condenser C, consisting of two parts L 'and L ". The flow rate of the first part L' has a set point LC varying linearly with the gas flow rate of the feed F and having a value slightly lower than that corresponding to the sum of the refrigeration losses and the heating power of the boiler when the feed flow rate is zero.
On a donc L' = A.F. + B, puisque le bilan thermique s'écrit: P ,Te,Vap Pp'TeWe therefore have L '= A.F. + B, since the heat balance is written: P, Te, Vap Pp'Te
L [&H 1 = F Uh_] * +W +VL [& H 1 = F Uh_] * + W + V
Xi Γ P^Te.Liq Ρ^,,Τ^ ΔΗ = variations d'enthalpie : Joules/kilo moles -1 / L = Débit de liquide réfrigérant : kilo moles s / /?/ I * - 11 - W = Puissance de chauffe à la chaudière Watts V = Pertes frigorifiques Watts P = pression PaXi Γ P ^ Te.Liq Ρ ^ ,, Τ ^ ΔΗ = enthalpy variations: Joules / kilo moles -1 / L = Coolant flow: kilo moles s / /? / I * - 11 - W = Power of boiler heating Watts V = Refrigeration losses Watts P = pressure Pa
T = température °KT = temperature ° K
indices L = liquide réfrigérant /e = ébullition F = charge.indices L = coolant / e = boiling F = charge.
La deuxième partie L" a un débit réglable en fonction du niveau de la zone de séparation s. Ainsi, grâce à cette deuxième partie L" on peut réaliser une injection complémentaire de fluide réfrigérant dans le condenseur C lorsque, par insuffisance du débit de la partie L1/la zone tampon de krypton t remonte dans la colonne au-dessus de la sonde TC.The second part L "has a flow rate adjustable as a function of the level of the separation zone s. Thus, thanks to this second part L", it is possible to carry out an additional injection of refrigerant fluid into the condenser C when, by insufficient flow of the part L1 / the krypton t buffer zone rises in the column above the TC probe.
En pratique, le courant de fluide réfrigérant est scindé en ces deux parties L' et L" s'additionnant avant de pénétrer dans le condenseur C.In practice, the coolant stream is split into these two parts L 'and L "which add up before entering the condenser C.
Le fractionnement du fluide réfrigérant peut avoir lieu avant de pénétrer dans le condenseur C ou après celui-ci. comme montré à la figure 2.Fractionation of the refrigerant can take place before entering or after condenser C. as shown in figure 2.
Il faut de toute façon que ces deux parties L'et L" passent dans le condenseur C, c.à d. s'additionnent avant de pénétrer dans ce dernier.In any case, these two parts L and L "must pass through the condenser C, ie add up before entering the latter.
La régulation thermique, suivant l'invention, permet de réaliser le contrôle . massigue en maintenant simplement la pression constante dans la colonne et égale à un point de consigne prédéterminé à la sortie de la colonne sans qu'il y ait un risque d'accumulation ou de dégagement non désiré, a/ « > - 12 -The thermal regulation, according to the invention, makes it possible to carry out the control. massigue by simply maintaining constant pressure in the column and equal to a predetermined set point at the outlet of the column without there being a risk of undesired accumulation or release, a / "> - 12 -
Dans le procédé d'extraction, suivant l'invention, le méthane et l'oxygène s'accumulent au-dessus de la zone tampon de "krypton T et sont évacués périodiquement en élevant momentanément cette zone tampon dans la zone d'enrichissement E jusqu'à une courte distance du niveau où a lieu l'introduction de la charge F. Ainsi ces gaz sont entraînés dans la partie supérieure de la colonne et évacués au sommet de celle-ci.In the extraction process according to the invention, methane and oxygen accumulate above the buffer zone of "krypton T and are periodically removed by temporarily raising this buffer zone in the enrichment zone E until 'a short distance from the level where the introduction of the load F takes place. Thus these gases are entrained in the upper part of the column and evacuated at the top thereof.
Cette façon de procéder permet de maintenir la quantité en méthane et oxygène dans la colonne à une faible valeur indépendante de la quantité de gaz noble concentré dans le bouilleur. Cette quantité d'oxygène et de méthane peut également être diminuée en choisissant un type de colonne à faible rétention de liquide.This procedure keeps the quantity of methane and oxygen in the column at a low value independent of the quantity of noble gas concentrated in the boiler. This amount of oxygen and methane can also be reduced by choosing a type of column with low liquid retention.
Le krypton ou un mélange de krypton et de xénon recueilli -12 dans le bouilleur A peut contenir jusqu'à moins de 10 moles/ moles du gaz porteur, les concentration nominales en krypton et en xénon dans le gaz porteur au gaz, c.à d.dans la charge F,se situan —2 —3 respectivement en dessous de 1..10 et 2,10 moles/moles et le rapport des concentrations relatives en xénon par rapport au krypton couvrant la gamme de 0 à 50 moles/moles, tandis que les concentrations en krypton et xénon dans le gaz D quittant le sommet de la colonne peuvent être inférieures respectivement à -7 -9 10 et 10 moles/moles, et ce sans enrichissement préalable en krypton de la charge F.The krypton or a mixture of krypton and xenon collected -12 in the boiler A can contain up to less than 10 moles / moles of the carrier gas, the nominal concentrations of krypton and xenon in the carrier gas, ie d. in charge F, is located —2 —3 respectively below 1..10 and 2.10 moles / moles and the ratio of the relative xenon concentrations relative to krypton covering the range from 0 to 50 moles / moles , while the concentrations of krypton and xenon in the gas D leaving the top of the column can be respectively lower than -7 -9 10 and 10 moles / moles, and this without prior enrichment in krypton of the load F.
Le procédé d1extraction,suivant l'invention, s'applique avantageusement à la séparation du krypton, du xénon ou du I ' - 13 - gaz rares suivie d'une séparation ultérieure de ces gaz rares.The extraction process according to the invention advantageously applies to the separation of krypton, xenon or rare gases followed by a subsequent separation of these rare gases.
Une autre application avantageuse est celle de la séparation du mélange krypton-xénon d'effluents gazeux d'usines de retraitement de combustibles nucléaires ou de réacteurs nucléaire afin d'isoler l'isotope 85 radioactif du krypton de ces effluents, suivie éventuellement d'une séparation krypton-xénon permettant la réduction du volume de gaz radioactifs à stocker et éventuellement la production de xénon en partant d'un gaz porteur dans lequel sa concentration est de l'ordre 10.000 fois la concentration naturelle dans l'air.Another advantageous application is that of the separation of the krypton-xenon mixture of gaseous effluents from nuclear fuel reprocessing plants or nuclear reactors in order to isolate the radioactive isotope 85 of krypton from these effluents, optionally followed by krypton-xenon separation allowing the reduction of the volume of radioactive gases to be stored and possibly the production of xenon starting from a carrier gas in which its concentration is around 10,000 times the natural concentration in air.
Comme avantage essentiel du procédé d'extration basé sur le contrôle thermique suivant l'invention de la colonne de distillation, on peut citer la diminution de la puissance de refroidissement du condenseur C et une sécurité dans la conduite de la colonne de rectification.As an essential advantage of the extraction process based on the thermal control according to the invention of the distillation column, mention may be made of the reduction in the cooling power of the condenser C and safety in the conduct of the rectification column.
En effet, par le fait que la régulation maintient la zone tampon ou le front de krypton dans la zone d'enrichissement E de la colonne, aucun composant de la charge de volatilité supérieure à celle du krypton ne s'accumule dans la chaudière.In fact, by the fact that the regulation maintains the buffer zone or the krypton front in the enrichment zone E of the column, no component of the volatility charge greater than that of krypton accumulates in the boiler.
Il n'y a donc pas de besoin en frigories servant à condenser une partie de la charge dans la chaudière et ce sans rendre le contrôle de la colonne plus difficile.There is therefore no need for frigories used to condense part of the charge in the boiler without making column control more difficult.
Du point de vue sécurité, il y a lieu de noter que la conduite de la colonne de distillation, suivant l'invention, permet d'éviter une accumulation dans la chaudière A de produits tels que du méthane et de l'oxygène, d'une volatilité supérieure' -14-.From the safety point of view, it should be noted that the conduct of the distillation column, according to the invention, makes it possible to avoid an accumulation in the boiler A of products such as methane and oxygen, higher volatility '-14-.
ί * * à celle du krypton et pouvant présenter des dangers d'explosion.ί * * to that of krypton and which may present explosion hazards.
Comme déjà signalé ci-dessus, surtout l'oxygène est particulièrement dangereux en présente de l'isotope 85 du krypton.As already mentioned above, especially oxygen is particularly dangerous in the krypton isotope 85.
Comme déjà signalé également ci-dessus, ce procédé d'extraction du xénon et du krypton d'un gaz porteur peut être avantageusement intégré dans un procédé de purification d'effluents de réacteurs nucléaires ou d'usines de retraitements nucléaires, avec séparation ultérieure du krypton actif et du xénon en vue de stocker le premier comme déchet ou de le commercialiser comme | produit radioactif et de commercialiser le second comme produit non actif.As already indicated above, this process for extracting xenon and krypton from a carrier gas can advantageously be integrated into a process for the purification of effluents from nuclear reactors or nuclear reprocessing plants, with subsequent separation of the active krypton and xenon to store the former as waste or to market it as | radioactive product and market the second as a non-active product.
La figure 5 représente un bloc-diagramme d'un tel circuit de purification d'effluents d'usines de 'retraitement.FIG. 5 represents a block diagram of such a circuit for purifying effluents from reprocessing plants.
Du combustible est dissous dans un dissolveur 1, libérant des oxydes d'azote, des composés iodés, du xénon, du krypton,des prc duits semi-volatils, tels que le tétra-oxyde de ruthénium, etc., le tout entraîné par un gaz porteur, principalement de l'air.Fuel is dissolved in a dissolver 1, releasing nitrogen oxides, iodine compounds, xenon, krypton, semi-volatile products, such as ruthenium tetra-oxide, etc., all entrained by a carrier gas, mainly air.
Dans le schéma proposé,une partie des vapeurs nitreuses sont lavées par de l'eau ou de l'acide nitrique dilué dans une colonne de lavage 2, afin de récupérer une partie de l'acide nitrique.In the proposed scheme, part of the nitrous vapors are washed with water or diluted nitric acid in a washing column 2, in order to recover part of the nitric acid.
Une partie de l'iode est retenue dans un dispositif 3P gui est soit une deuxième colonne de lavage utilisant une solution acide de nitrate mercurique ou de l'acide nitrique concentré à chaud, soit une colonne d'adsorption comprenant un lit de / 4 - 15 - I sorbant tel que tamis moléculaire échangé à l'argent ou un support catalytique imprégné en un sel d'argent. Le facteur 3 de décontamination à ce niveau est de 11 ordre de lO .Part of the iodine is retained in a 3P device which is either a second washing column using an acid solution of mercuric nitrate or concentrated hot nitric acid, or an adsorption column comprising a bed of / 4 - 15 - sorbent such as a molecular sieve exchanged with silver or a catalytic support impregnated with a silver salt. The decontamination factor 3 at this level is 11 orders of 10.
Les particules semi-volatils sont arrêtés par adsorp-tion physique ou chimique sur un lit fixe 4 constitué par exemple , . de silica-gel ou d'un mélange de silica-gel et d'oxyde terreux.The semi-volatile particles are stopped by physical or chemical adsorption on a fixed bed 4 constituted for example,. silica-gel or a mixture of silica-gel and earthy oxide.
L'iode résiduel est alors arrêté par adsorption chimique sur un lit argenté 5 réalisant un facteur de décontamination 3 4 I complémentaire de l'ordre de 10 à 10 .The residual iodine is then stopped by chemical adsorption on a silver bed 5 producing a complementary decontamination factor 3 4 I of the order of 10 to 10.
Après une compression éventuelle des effluents, des hydrocarbures, des composés d'azote résiduels et de l'oxygène sont enlevés sur une succession de lits catalytiques ou sur un lit formé de couches successives de catalyseurs différents ou encore formé d'un mélange de catalyseurs. Par exemple,les hydrocarbures sont transformés en eau et en dioxydè de carbone. Les oxydes d'azote forment de l'azote et de l'eau;par réaction avec de l'hydrogène ou de l'ammoniac, et l'oxygène forme de l'eau par réaction avec de l'hydrogène.After optional compression of the effluents, hydrocarbons, residual nitrogen compounds and oxygen are removed on a succession of catalytic beds or on a bed formed of successive layers of different catalysts or else formed of a mixture of catalysts. For example, hydrocarbons are transformed into water and carbon dioxide. Nitrogen oxides form nitrogen and water; by reaction with hydrogen or ammonia, and oxygen forms water by reaction with hydrogen.
A la sortie de ce dispositif 6, les teneurs résiduelles en hydrocarbure, oxyde d'azote, oxygène et éventuellement en am- -6 moniac sont de l'ordre de ou inférieures à 10 moles/moles de gaz sortant.At the outlet of this device 6, the residual contents of hydrocarbon, nitrogen oxide, oxygen and possibly of ammonia -6 are of the order of or less than 10 moles / moles of gas leaving.
Les effluents sont ensuite comprimés à une pression de l'ordre de 1 MPa et passent à travers une unité d'adsorption ou de séchage 7 où l'eau, le dioxyde de carbone et les traces pupnhipl 1ps fl'ammnniar et d'oxvde d'azote sont adaorbps sur des/ d Λ -16.-The effluents are then compressed to a pressure of the order of 1 MPa and pass through an adsorption or drying unit 7 where the water, carbon dioxide and the pupnhipl traces 1ps fl'ammnniar and oxvde d are adaorbps on / d Λ -16.-
Une partie de l'effluent ayant passé par une unité 8 du dispositif d'adsorption 7 passe ensuite à travers l'autre unité 9 pour la régénérer, comme indiqué par la.flèche 10.Part of the effluent having passed through a unit 8 of the adsorption device 7 then passes through the other unit 9 to regenerate it, as indicated by the arrow 10.
Suivant l'invention, la partie de l'effluent ayant servi * à cette régénération est recyclée en amont du dispositif 6 servant à l'élimination des hydrocarbures et produits azotés,comme indiqué par la flèche 11,après avoir traversé un refroidisseur 12, destiné à condenser la majeure partie de l'eau qu'ëLle contient,et dans un dispositif d'élimination de dioxyde de carbone 13 et d'un’disposi-tif d'élimination de l'ammoniac ou des oxydes d'azote résiduels 14 L'effluent est sèche dans le dispositif 7 jusqu'à un point de rosée inférieur à 190°K, tandis que la régénération se fait à une température de l'ordre de 200°C et à une pression inférieure à la pression d'adsorption.According to the invention, the part of the effluent having served * for this regeneration is recycled upstream of the device 6 used for the elimination of hydrocarbons and nitrogenous products, as indicated by arrow 11, after having passed through a cooler 12, intended to condense most of the water it contains, and in a device for removing carbon dioxide 13 and a device for removing ammonia or residual nitrogen oxides 14 L the effluent is dried in the device 7 to a dew point below 190 ° K, while the regeneration takes place at a temperature of the order of 200 ° C and at a pressure below the adsorption pressure.
Cette façon de procéder présente le grand avantage d'éviter tout risque de relâcher dans l'atmosphère du krypton éventuellement coadsorbé avec la vapeur d'eau dans ùs. dispositif 7 sans pour autant nécessiter un système complexe utilisant le caractère chromatographique de l'adsorption sur le tamis moléculaire .This procedure has the great advantage of avoiding any risk of releasing into the atmosphere of krypton possibly coadsorbed with the water vapor in ùs. device 7 without requiring a complex system using the chromatographic nature of the adsorption on the molecular sieve.
Le dispositif d'arrêt de dioxyde de carbone 13 est par exemple constitué d'une colonne de lavage à hydroxyde de calcium ou de sodium, puisque,de par le recyclage répété du dioxyde de carbone, une décontamination élevée n'est pas nécessaire.The carbon dioxide stop device 13 is for example constituted by a washing column with calcium or sodium hydroxide, since, by the repeated recycling of carbon dioxide, a high decontamination is not necessary.
On pourrait également prévoir un lit fixe d'hydroxyde^ de calcium ou tout autre produit adéquat. A / Λ * - 17 -One could also provide a fixed bed of calcium hydroxide or any other suitable product. A / Λ * - 17 -
Le dispositif d'élimination de l'ammoniac et des oxydes d'azote peut par exemple comprendre un lit de mordénite sous forme hydrogénée permettant l'élimination complète indifféremment de cet ammoniac ou oxydes d'azote désorbés par addition d'une 4 fraction des effluents contenant encore de l'oxygène.The device for removing ammonia and nitrogen oxides may for example comprise a bed of mordenite in hydrogenated form allowing the complete elimination of this ammonia or nitrogen oxides desorbed either by adding a fraction of the effluents still containing oxygen.
Le flux principal sortant du dispositif d'adsorption 7 pénètre alors, comme indiqué par la flèche 15, dans la colonne de rectification R décrit ci-dessus et montré déjà aux figures 1 et 2. Ce flux forme donc la charge F de cette dernière.The main flow leaving the adsorption device 7 then enters, as indicated by arrow 15, in the rectification column R described above and already shown in Figures 1 and 2. This flow therefore forms the load F of the latter.
Le gaz porteur débarrassé du krypton et du xénon constitue le distillât D. Le mélange de xénon et de krypton,recueilli dans le bouilleur A,constitue la fraction lourde n qui est envoyée vers une colonne de distillation discontinue 16 travaillant à une pression plus basse que la colonne R.The carrier gas freed from krypton and xenon constitutes the distillate D. The mixture of xenon and krypton, collected in the boiler A, constitutes the heavy fraction n which is sent to a discontinuous distillation column 16 working at a pressure lower than column R.
A cet égard, une pression de 0,25 MPa est suffisante pour éviter une phase solide du mélange krypton-xénon. Ainsi, le transfert de la colonne R vers la colonne 16 peut se faire par dépression.In this regard, a pressure of 0.25 MPa is sufficient to avoid a solid phase of the krypton-xenon mixture. Thus, the transfer from column R to column 16 can be done by vacuum.
La pureté du krypton récolté au condenseur 17 de la colonne 16 ne doit pas nécessairement être très élevée,sauf s'il est destiné a des applications particulières telles que les applications médicales.The purity of the krypton collected in the condenser 17 of the column 16 does not necessarily have to be very high, unless it is intended for particular applications such as medical applications.
Par contre, le xénon récolté au bouilleur 18 de la colonne 16, ne peut contenir que d'infimes traces de krypton radioactif. />' Λ * - 18 -On the other hand, the xenon harvested in the boiler 18 of column 16, can only contain minute traces of radioactive krypton. /> 'Λ * - 18 -
La volatilité relative du krypton par rapport au xénon étant voisine de 12 sous une pression de 0,2 MPa, on trouve, en utilisant la méthode de Mc. Cabe et Thiele à une colonne de rectification discontinue, gu*on peut obtenir du xénon liquide dans le bouilleur de la colonne 16 à moins de _3 . 10 moles krypton/ moles xénon et du krypton gazeux au sommet de _3 cette colonne 16 à 1.10 mole de xénon/mole de krypton avec une èf colonne de 7 plateaux théoriques équivalents sous un taux de reflux de 100.The relative volatility of krypton compared to xenon being close to 12 under a pressure of 0.2 MPa, we find, using the Mc method. Cabe and Thiele to a discontinuous rectification column, gu * liquid xenon can be obtained in the boiler of column 16 within _3. 10 moles krypton / moles xenon and gaseous krypton at the top of _3 this column 16 to 1.10 mole of xenon / mole of krypton with an ef column of 7 equivalent theoretical plates under a reflux rate of 100.
—8—8
De même, on obtient du xénon liquide 1.10 mole de krypton/mole xénon dans le bouilleur de la colonne —8 16 et du krypton à 1.10 mole de xénon/mole de krypton au condenseur de celle-ci en 9 plateaux théoriques équivalents sous un 3 taux de reflux de 10 .Similarly, we obtain liquid xenon 1.10 mole of krypton / mole xenon in the boiler of the column - 8 16 and krypton at 1.10 mole of xenon / mole of krypton in the condenser thereof in 9 equivalent theoretical plates under a 3 reflux rate of 10.
Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus et que bien des variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre du présent brevet.It is understood that the invention is not limited to the embodiments described above and that many variants can be envisaged without departing from the scope of this patent.
C'est ainsi que le contrôle ou la détection de la zone de séparation s ou de la zone tampon de krypton t peut se faire par tout autre moyen, tel qu'un détecteur de rayons gamma.Thus, the control or the detection of the separation zone s or of the buffer zone of krypton t can be done by any other means, such as a gamma ray detector.
Par ailleurs, le gaz porteur peut être de n'importe quelle nature permettant l'application de la régulation thermique suivant l'invention.Furthermore, the carrier gas can be of any kind allowing the application of the thermal regulation according to the invention.
Dans certains cas, pour agir sur le rapport momentané de ls quantité de calories introduites dans la colonne, on peut p.e. / réduire le chauffage dans le bouilleur A. /1/In some cases, to act on the momentary ratio of the quantity of calories introduced into the column, it is possible, for example, to reduce the heating in boiler A. / 1 /
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