NO139974B - Anordning for temporaer magasinering av spill- og regnvann eller lignende som tilfoeres et ledningsnett som drenerer et omraade - Google Patents

Description

Fremgangsmåte ved fremstilling av deuterium ved destillasjon av hydrogen.

Oppfinnelsen angår fremgangsmåter

og anordninger for fremstilling av deuterium ved destillasjon av hydrogen.

I forbindelse med fig. 1 skal det i det

følgende bli kort beskrevet de arbeidsprin-sipper og de anordninger som hittil er blitt

anvendt for dette formål (beskrevet av

Clusius og Starke i 1949).

Naturlig forekommende hydrogen som

inneholder ca. 0,014 pst. (atomer) deuterium i form av deuteriumhydrid HD (dvs.

inneholder ca. 0,028 pst. HD), blir renset,

ekspandert og kondensert til væske, og

ledes deretter ved 5 inn i en stor destilla-sjonskolonne (1, 2) som er utstyrt med plater og som holdes på en meget lav temperatur, f. eks. ved hjelp av kapper som av-kjøles ved hjelp av flytende nitrogen.

Det på deuterium fattiggjorte hydrogen

(som f. eks. inneholder 30—60 deler HD pr.

million) tas ut ved kolonnens topp, og det

med deuterium anrikete hydrogen (som

inneholder 0,5—5 pst. HD) tas ut ved 7 i et

lavtliggende parti av kolonnen, og ledes ved

8 til et høyt beliggende parti av en dob-belt-destillasjonskolonne (3, 4), som også

holdes på en meget lav temperatur.

Denne dobbeltkolonne består av to

over hverandre anbragte, med fyllegemer

forsynte enkeltkolonner av liten diameter,

som er forbundet innbyrdes ved hjelp av en

fordamper-kondensator 9.

De flytende fraksjoner, som er blitt

anriket med de tyngre molekyler, samler

seg ved disse kolonners bunnparti.

Ved bunnen av den øvre kolonnedel 3 tas det ved 10 ut deuteriumhydrid, som er praktisk talt fritt for hydrogen. Dette HD ledes gjennom en rekke av temperaturutvekslere 11 og deretter til et katalyse-ringsrom 12 i hvilket det, ved omgivelsenes temperatur eller ved en høyere temperatur (f. eks. 32,2°C) omdannes til en blanding som består av ca. 25 pst. hydrogen, 25 pst. deuterium og 50 pst. deuteriumhydrid (etter likevektsreaksjonen 2HD H„+D2). Den fra rommet 12 utgående blanding blir deretter komprimert ved 13, avkjølt f. eks. til 25°K, ved å passere gjennom rekken 11 av varmeutvekslere i motsatt retning av den foran nevnte og blir ved 14 gjeninn-ført i kolonnen 4, noen platehøyder nedenfor denne kolonnes topp.

Ved bunnen av den nedre kolonne 4 — som i det følgende også blir kalt «slutt-kolonne» — samler det seg og tas ved 15 ut deuterium som er praktisk talt fritt for hydrogen, men er forholdsvis rikt på tritium, som det skal bli forklart nærmere i det følgende.

De på deuterium fattiggjorte gassfor-mige fraksjoner tas ut ved kolonnens topp.

Hydrogenet og en del av det HD som innføres ved 14, blir tatt ut ved toppen 16 av sluttkolonnen og blir ved 17 innført igjen i den øvre kolonne, i noen platehøy-der ovenfor fordamperen 9.

Det på HD fattiggjorte hydrogen, som ved 18 tas ut fra toppen av den øvre kolonne, blir ved 19 gjeninnført i for-konsentreringskolonnen (1, 2).

Denne siste kan bestå av en helt enkel kolonne, men utgjøres fortrinnsvis — som vist på tegningen — av en dobbeltkolonne som består av en nedre kolonne 1, og over denne anbragt en øvre kolonne 2, som er adskilt fra hverandre ved en fordamper - kondensator 20.

Naturlig forekommende hydrogen inn-føres ved 5 i den nedre kolonne etter eks-pandering i en ventil 21. En på HD anriket fraksjon av dette hydrogen tas ut fra bunnpartiet av den nedre kolonne 1 ved 22, og innføres igjen ved 23 i den øvre kolonne 2, etter å ha passert gjennom en ventil 24. Den resterende fraksjon, som er fattigere på HD, tas ved 25 ut fra toppen av den nedre kolonne, og innføres ved 26 i det øverste parti av den øvre kolonne, etter å ha passert gjennom en ventil 27.

En betydelig del av det på HD fattiggjorte hydrogen, som i gassform kommer fra toppen av den øvre kolonne 2, ledes gjennom et hjelpekretsløp 28, som virker som en kondensator, og blir deretter inn-ført igjen, i flytende tilstand, ved 29, i kolonnens øverste parti. Dette hj elpekrets-løp, som forbedrer den tilbakeløpskon-densering som er nødvendig foråt den nevnte kolonne skal arbeide godt, kan f. eks. bestå av en rekke varmeutvekslere 30, en kompressor 31, en slange 32 som befinner seg i kolonnens nedre parti (eller «koker») og en ekspansjonsventil 33.

Ved hjelp av den ovenfor beskrevne apparatur kan man fra naturlig forekommende hydrogen utvinne den største del av det deuterium som dette hydrogen inneholder, og deretter kan det på deuterium fattiggjorte hydrogen anvendes for de samme formål for hvilke man ellers benyt-ter naturhydrogen.

Men det således utvunne deuterium er forholdsvis rikt på tritium, hvilket sistnevnte stoff inngår i de tyngste molekyler (T2, DT og HT) av de destillerte blandinger. Dette store innhold av tritum kan være en stor ulempe i tilfeller hvor man ønsker å anvende rent deuterium.

I et tungt vann, som er blitt fremstilt ved å behandle det erholdte deuterium på den ovenfor beskrevne måte, kan eksempelvis tritiuminnhold i middel være av størrelsesordenen 10—14, og kan bli IO-12 eller endog høyere.

For å minske denne ulempe gir man, i henhold til oppfinnelsen, sluttkolonnen et teoretisk antall plater som er tilstrekkelig til at det nivå som svarer til begynnelsen av blandingens anrikning på deuterium, er lavere enn det som svarer til maksimal eller praktisk anrikning, slik at man fra denne deuterium (eller HD) inneholdende blanding kan ta ut deuterium (eller HD), som har et lavt tritiuminnhold ved et nivå som ligger mellom de to nevnte innholds-nivåer, og fra bunnpartiet av den nevnte kolonne tar man ut de på tritium rike frak-sj oner.

Oppfinnerne har funnet at selv om anrikningen av tritium langs en kolonne var praktisk talt proporsjonal med anrikningen av deuterium langs en destillasjons-kolonne med et lite antall teoretiske plater, er dette ikke tilfellet i en kolonne som har et stort antall av plater. I denne siste vil anrikningen av deuterium i blandingen, som underkastes destillasjon, regnet oven-fra og nedover, nå sitt maksimum før dens anrikning på tritium har begynt. Man kan derfor i kolonnen finne en sone, fra hvilken det destillerte produkt kan tas ut med et høyt innhold av deuterium og et forholdsvis lavt innhold av tritium.

Det er dette forhold som man i henhold til den foreliggende oppfinnelse nyt-ter ved uttakningen av deuterium fra sluttkolonnen (4), og fortrinnsvis på samme måte som uttakningen av HD fra den foran omtalte «øvre kolonne» (2).

For ytterligere å nedsette tritiuminn-holdet i deuteriumproduktet lar man fortrinnsvis det i sluttkolonnen tilstedevæ-rende tritiumhydrid HT undergå en katalyttisk reaksjon i deuteriummiljø, hvorved det delvis omdannes til HD og DT, hvilke produkter er lettere å skille fra deuterium (D2) enn HT er.

Oppfinnelsen vedrører altså en fremgangsmåte ved fremstilling av deuterium

eller et deuteriumanriket fluidum, hvor

man i en kolonne destillerer hydrogen som

på forhånd er blitt anriket på deuterium i form av D2 eller HD, og hvor de lettere fraksjoner av det destillerte produkt tas

ut fra kolonnens øvre parti, og fremgangs-måten er karakterisert ved at det anvendes en kolonne med et antall teoretiske plater som er tilstrekkelig til at det nivå som svarer til begynnelsen av fluidets anrikning på tritium under destilleringen, ligger lavere enn det nivå som svarer til dette fluidums maksimale deuteriumanrikning, og at deuterium eller deuteriumanriket fluidum med lite innhold av tritium tas ut ved et nivå som ligger mellom disse to nivåer, og at det ved kolonnens bunnparti tas ut det destillerte produkts tritium-rike fraksjoner, idet tritiumhydridet HT, som er tilstede i sluttkolonnen eventuelt kan underkastes en katalytisk reaksjon

i deuteriummiljø, slik at det delvis omdannes til HD og til DT, hvilke produkter er lettere å fraskille enn HT.

I henhold til en fordelaktig utførelses-form ved oppfinnelsen — som gjelder for det tilfelle at for-konsentreringskolonnen består av en dobbeltkolonne av den foran beskrevne art — fører man ikke tilbake til en øvre kolonne (2) den på HD fattiggjorte hydrogenfraksjon som er blitt tatt ut ved toppen av den nedre kolonne (1), men man tar fra sistnevnte kolonnetopp direkte ut hydrogenet som inneholder lite HD (under 5 deler pr. million), idet antallet av plater i den nedre kolonne er gjort tilstrekkelig stort for dette formål.

I forbindelse med fig. 2 og 3 — som har tilknytning til den allerede beskrevne fig. 1, og som skjematisk viser et kjent anlegg for utvinning av deuterium — skal det nedenfor beskrives noen eksempler på ut-førelse av oppfinnelsen. De i disse eksempler beskrevne anordninger er å anse som deler av oppfinnelsen, men kan også anvendes enkeltvis uten at dennes ramme overskrides.

Fig. 2 viser skjematisk et anlegg i henhold til oppfinnelsen for fremstilling av deuterium, og

fig. 3 angir grafisk, som et eksempel, konsentrasjoner av deuterium og av tritium i blandinger som behandles i dette anlegg.

De enkelte apparatdeler som er blitt beskrevet i forbindelse med fig. 1 og som gjenfinnes med samme funksjoner i fig. 2, er gitt samme henvisningstall som i fig. 1.

I fig. 2 gjenfinner man således: -forkonsentreringskolonnen (1, 2, 20) som ved 5 tilføres naturhydrogen og fra hvilken det ved 6 uttas hydrogen som er blitt fattiggjort på HD, og ved 7 uttas hydrogen som er blitt anriket på HD, -dobbeltkolonnen (3, 4), som utgjøres av en øvre kolonne 3 og en nedre eller sluttkolonne 4, som er innbyrdes forbundet ved en fordamper 9, -kretsløpet 11—14 for katalyttisk reaksjon, -mateledningene 7—8, gjeninnførings-ledningene 16, 17, 18, 19, 22—24 og kon-densatorkretsløpet 28—33.

Men istedet for å trekke ut deuteriumet ved bunnen av en sluttkolonne 4 som har et lite antall teoretiske plater (f. eks.

30), utstyrer man denne kolonne med et tilstrekkelig antall (f. eks. over 40) teoretiske plater slik at det i denne kolonne kan eksistere en sone i hvilken anrikningen av deuterium er praktisk talt maksimal, og anrikning av tritium praktisk

talt ikke har begynt enda, og fra denne sone trekkes det ved 34 (dvs. langt høyere oppe enn før) ut deuterium, mens man nederst i kolonnen, ved 35, tar ut den på tritium rike blanding, som har samlet seg i kolonnens nederste parti.

Enn videre tar man ikke ut HD fra bunnen av en øvre kolonne 3 som har et lite antall (f. eks. under 30) teoretiske plater, men man utstyrer denne kolonne med et antall teoretiske plater (f. eks. over 40) som er tilstrekkelig til at det i denne kolonne kan forekomme en sone i hvilken anrikningen av HD er praktisk talt maksimal og i hvilken anrikning er HT praktisk talt ikke ennå er begynt, og fra denne sone trekker man ved 36 (dvs. langt høy-ere oppe enn før) ut HD, som føres til ka-talysatorreaksjonskretsløpet 11—14, og ved bunnen av kolonnen tar man ved 37 ut den på tritium rike blanding, som har samlet seg opp.

Man finner lett beliggenheten av vedkommende soner ved å betrakte fig. 3. På denne er det angitt: — som ordinater antallet av teoretiske plater i de forskjellige soner 1, 2, 3 og 4 (foran kalt nedre, øvre resp. øverste og nederste eller slutt-kolonne) — som abscisser, i logaritmisk skala, innholdene av deuterium og tritium i blandinger som er blitt destillert i kolonnene 1, 2, 3 og 4.

Tre trinn er angitt som abscisser:

— av disse angir det ene, i atom-pst., blandingenes samlete innhold av deuterium ( D %) i — det annet angir, i tritiumenheter, (hvor tritiumenheten U.T. er lik atom- forholdet

vedkommende

blandingers innhold av tritium,

— og det tredje trinn angir anrikningen av deuterium eller av tritium i blan-dingene, dvs. forholdet mellom disses innhold i betraktningsøyeblikket og det tilsvarende utgangsinnhold.

Kurvene som angår deuterium er vist ved helt opptrukne streker, mens de som angår tritium er vist med brutte streker.

I det utførelseseksempel som her er valgt rent eksempelvis, og som de nevnte kurver refererer seg til, har de fire kolon-ner 1, 2, 3 og 4 følgende antall teoretiske plater: 15, 25, 80 og 60. Naturhydrogenet, som innføres ved 5 i den nedre kolonne 1, inneholder 0,028 pst. HD (dvs. 0,014 pst. atomer D og 20 enheter tritium).

Det ses at anrikningene av deuterium og av tritium ved bunnen av den øvre kolonne 2 (ved 7) er ens, og av størrelses-ordenen 100.

I kolonnene 3 og 4 derimot oppnår anrikningen av deuterium praktisk talt sitt maksimum (punktene 38 resp. 39) et godt stykke før anrikningen på tritium praktisk talt har begynt (ved 40 og 41). Nivåene av de to punkter på den annen side avgren-ser de soner — av høyde a resp. b — fra hvilke man trekker ut destillasjonspro-duktene (HD ved 36 i kolonnen 3, og D2 ved 34 i kolonnen 4).

Som vist kan man som praktisk «maksimum» anse et innhold på 90 pst. for HD og et innhold på 99,8 pst. (kjernerenhet) for D2.

Høydemålene a og b (dvs. antallet av tilsvarende teoretiske plater) må være til-strekkelige til at små variasjoner hos dem i løpet av arbeidet ikke forandrer deres innbyrdes stillinger, og at uttaksnivåene 36 og 34 alltid befinner seg inne i de soner som er avgrenset innenfor disse høy-demål.

Det kan bemerkes at hvis man ikke ved bunnen av kolonnene 3 og 4 tapper ut de på tritium rike fraksjoner, som finnes der, vil disse fraksjoner samle seg opp, og nivået stiger til 40 resp. 41 på tegningen. Uttakene 37 og 35 har den rolle å hindre denne stigning.

Det tritium T2, som innføres i anleg-get sammen med inngangshydrogenet har form av hydrid, HT.

Det er i denne form at det blir kon-sentrert i kolonnene 1, 2 og 3.

I kretsløpet 36—11—12—13—11—14 blir de av HD medrevne fraksjoner av HT delvis omdannet til DT ved å bli under-kastet den ovennevnte katalyttiske like-vektsreaksjon.

Det kan anslås at i sluttkolonnen 4 befinner tritiumet seg i formen < —50 HT og DT, alt etter mengdeforholdene av variable som har den samme størrelses-orden.

Den tunge fraksjon DT konsentreres lett i bunnpartiet av kolonnen 4 og kan tas ut ved 35.

Men det samme gjelder ikke for fraksjonen HT, hvis damptrykk ligger nærmere ved D2's damptrykk og som for sin største del nå forefinnes i blanding med det sistnevnte stoff.

For å unngå denne ulempe er det fordelaktig å omdanne fraksjonen HT til DT, som lett kan fraskilles.

For å oppnå dette underkastes den en katalyse i deuteriummiljø, hvorved HD omdannes til DT i henhold til likevekts-ligningen:

Det erholdte DT tas ut ved 35.

HD'et blir ført tilbake ved 17 sammen med de andre lette fraksjoner, idet det tas med av deuteriumet som trekkes ut, hvilket ikke er generende, fordi de molekyler HD som skriver seg fra HT bare er meget få.

I fig. 2 er det som rene eksempler vist

fire varianter av dette utførelsesprinsipp: 1) katalysatoren (spesielt platina eller palladium på vanlige bærestoffer) er direkte anbragt, ved 42, i en mellomsone i sluttkolonnen 4, 2) katalysatoren er, ved 43, anbragt i

denne kolonnes koker,

3) og 4) katalysatoren er anbragt i et utenforliggende rom 44, 45 og fluidumet som skal katalyseres, og som kontinuerlig tas ut fra et lavtliggende punkt i kolonnen 4 (hvor det samlete innhold av deuterium er høyt), passerer i rekkefølge gjennom en del temperaturutvekslere 46, 47, det nevnte katalysatorrom 44, 45, en kompressor 48, 49 og på nytt gjennom varme-utvekslerne, før den atter innføres i kolonnen, — uttakspunktet er anordnet ved 52 i mellomsonen og i kokeren ved 50, og gjen-innføringsstedet befinner seg ved 51, ovenfor kokeren (variant 3), — eller uttaksstedet befinner seg ved 52 i en mellomsone i kolonnen 4, og gjen-innføringsstedet 53 ligger diametralt over-for 52, i samme nivå som sistnevnte (variant 4) eller i et nærliggende nivå,

Det er ofte meget fordelaktig å kunne disponere hydrogen som er praktisk talt fritt for deuterium.

Et slikt produkt kan lett tas ut ved 54 ved toppen av den nedre kolonne 1, hvis man gir denne kolonne et tilstrekkelig antall teoretiske plater, i fig. 2 og 3 er det antydet 15 plater i denne kolonne, ved hvis hjelp man kan utvinne hydrogen som inneholder under 5 deler deuterium pr. million deler.

Som rent belysende eksempel angis det nedenfor en del supplerende numeriske data i forbindelse med eksemplet i fig. 2 og 3: — ved 5 tilføres det 2700 m« naturhydrogen pr. time, av dette, på HD fattiggjorte hydrogen, føres 4500 m-ytime til kondensasjonskretsløpet 28—33, og det på HD anrikete hydrogen føres i en meng-de av 150 mytime til toppen av kolonnen 3, til katalysatorkretsløpet 11—13 føres det 600 l/time av HD-holdig hydrogen, og ved 17 føres det pr. time tilbake 420 liter, den del av blandingen som sirkulerer i et katalysekretsløp, som 52—47—45—49—53, utgjør 2 mytime, ved hvert av uttakene 37 og 35 tas det ut 20 l/time, og ved 34 tas det ut 160 l/time deuteriumholdig produkt, — det ved 34 uttatte deuterium inneholder bare 4000 U.T., mens det ved 37 uttatte inneholder 1,8 x 106 U.T., og det ved 35 uttatte inneholder 30 000 U.T.

Hvis det arbeides under fordelaktigere betingelser enn de som er angitt i det ovenstående eksempel kan man oppnå bedre utbytter, spesielt at innholdet av tritium i forhold til deuterium blir 10 eller 100 ganger eller endog flere ganger mindre.

Ved å nytte oppfinnelsen kan man under anvendelse av de nevnte modifi-kasjoner av annen orden i et ellers i og for seg kjent anlegg oppnå: — deuterium som har et meget lavt innhold av hydrogen og av tritium, — hydrogen som er praktisk talt fritt for deuterium og tritium, — deuterium (eller HD) som har så høyt innhold av tritium som man måtte ønske, og spesielt svarende til langt større anrikninger på tritium enn anrikninger på deuterium.

Det bør merkes at oppfinnelsen kan generaliseres ved at man anordner et uttak ved et mellomnivå og et uttak ved bunnen av den øvre kolonne 2.

Et anlegg som beskrevet er ikke be-grenset til destillering av hydrogen, men kan med fordel også anvendes for behand-ling av andre gasser som inneholder hydrogen, f. eks. luft, ammoniakk, hydrokar-boner, industrielle gasser og lignende.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av deuterium eller et deuteriumanriket fluidum, hvor man i en kolonne destillerer hydrogen som på forhånd er blitt anriket på deuterium i form av D2 eller HD, og hvor de lettere fraksjoner av det destillerte produkt tas ut fra kolonnens øvre parti, karakterisert ved at det anvendes en kolonne (4, 3) med et antall teoretiske plater som er tilstrekkelig til at det nivå som svarer til begynnelsen av fluidets anrikning på tritium under destilleringen, ligger lavere enn det nivå som svarer til dette fluidums maksimale deuteriumanrikning, og at deuterium eller deuteriumanriket fluidum med lite innhold av tritium tas ut ved et nivå (34, 36) som ligger mellom disse to nivåer, og at det ved kolonnens bunnparti (35, 37) tas ut det destillerte produkts tritium-rike fraksjoner, idet tritiumhydridet HT, som er tilstede i sluttkolonnen eventuelt kan underkastes en katalytisk reaksjon i deuteriummiljø, slik at det delvis omdannes til HD og DT, hvilke produkter er lettere å fraskille enn HT.