NO142418B - Elektrisk gjennomfoering samt fremgangsmaate til fremstilling av denne. - Google Patents

Description

Fremgangsmåte ved fremstilling av tungt vann ved isotopisk monotermisk utveksling av NH3-H2.

Fremstilling av tungt vann ved isotopisk monotermisk utveksling mellom ammoniakk og hydrogen er en kjent metode som har den fordel å være enkel, men har den ulempe at fordi ammoniakken ikke føres gjennom et sluttet kretsløp, er det nødvendig å gjenvinne den oppløste katalysator som f.eks. kan være et alkaliamid. I forbindelse med problemet ved å gjenvinne denne katalysator opptrer det et annet problem. Da den oppløselige katalysa-tors molekyl inneholder elementet hydrogen vil dens deuteriuminnhold eller- konsen-sentrasjon variere samtidig som ammoniak-kens konsentrasjon varierer. Tilbakeførin-gen av katalysatoren kan derfor føre til at det blandes sammen to stoffer hvis konsentrasjon av deuterium er meget forskjel-lig, hvilket kan ha uheldige følger for anleggets isotoputveksling og spesielt for ytel-sen av deuterium.

I norsk patent nr. 105 454 er det beskrevet anordninger ved hvis hjelp

man delvis unngår disse ulemper. Disse anordninger er kjennetegnet ved at det er anordnet ett eller flere kretsløp for gjen-innføring av katalysator, hvor hvert av

disse kretsløp er tilknyttet en eller flere av reaktorene i hvilke det foregår isotoputveksling mellom flytende ammoniakk og

hydrogen, og hvor man, i en første avdeling av settet av disse kretsløp, inndamper til tørrhet den katalysator som strømmer ut fra en første avdeling av settet av reaktorer, før katalysatoren atter innføres i ammoniakken ved toppen av denne første avdeling av reaktorsettet, mens man i den annen avdeling av kretsløpene konsentrerer kataly-satoroppløsningen som trer ut fra en annen avdeling av reaktorene, og man lar denne konsentrerte oppløsning strømme i mot-strøm til en ammoniakk-syntese-blanding

som går ut fra den nevnte annen avdeling

av reaktorene, og den nevnte konsentrerte oppløsning og den nevnte gassblanding blir deretter innført igjen i ammoniakken i den nevnte annen avdeling av reaktorene, resp. ved toppen, og ved et punkt hvor deute-riumkonsentrasjonen er omtrent den samme.

Tegningenes fig. 1 og 2 viser to eksemp-ler på anvendelse av slike kretsløp for gjen-innføring av katalysatoren.

I fig. 1 og 2 har det monotermiske ut-vekslingsanlegg to sett utvekslingsreakto-rer 1 og 2, et apparat som omdanner ammoniakken til en gass som består av en blanding av 3 mol hydrogen pr. 1 mol nitro-gen, og som skaffer gasstilbakeføringen til reaktorene 2, og en ammoniakksyntese-enhet 4, som leverer tilbakeføring av flytende materiale til toppartiet av reaktorsettet 1. Dette anlegg mates ved 5 med ammoniakksyntesegass, og det erholdte deuterium-produkt trekkes ut ved 6 i form av ammoniakk som er blitt anriket, mens resten ledes bort ved 7 i form av ammoniakk som har et lavt deuteriuminnhold.

I fig. 1 blir katalysatoroppløsningen, som forlater reaktorsettet 2 inndampet til tørrhet i inndamperen 8, hvoretter katalysatoren gjeninnføres ved 9 i ammoniakken som tilføres til reaktorsettet 1. Den i 8 fordampede ammoniakk overføres til apparatet 3 og produktet tas ut ved 6.

I fig. 2 er de deler som svarer til de samme deler i fig. 1 gitt tilsvarende num-merbetegnelser. Gjenvinningen av katalysator skjer ved inndampning av en del eller fraksjon av den anrikede ammoniakk som fås fra bunnpartiet av reaktorsettet 2. Denne for katalysatorer befridde fraksjon ledes til apparatet 3, mens produkt tas ut ved 6. Den ikke fordampete ammoniakk og deri værende katalysator, som nå er blitt konsentrert i denne ammoniakk, ledes til et tredje reaktorsett 10, hvor den fattig-gjøres ved utveksling i motstrøm med på deuterium fattig syntesegass, som trekkes ut fra det øverste parti av reaktorsettet 1, og blir deretter ved 9 innført igjen i den fattige ammoniakk som ledes inn i reaktorsettet 1. Syntesegass som forlater reaktorsettet 10, føres tilbake til et passende sted 11 i reaktorsettet 2.

I det først nevnte tilfelle represente-res anleggets totale deuteriumproduksjon av det ved 6 uttatte produkt og av den mengde deuterium som føres med av den på deuterium anrikede katalysator. I det annet tilfelle utgjøres denne produksjon av det som tas ut ved 6 og som medføres av den på deuterium anrikede katalysator, pluss det som finnes oppløst i ammoniakken, som løser opp katalysatoren, minus den mengde deuterium som inneholdes i vaskegassene som strømmer gjennom reaktorsettet 10, og som ved 11 atter innføres i reaktorsettet 2.

Det er kjent at jo større produksjonen er i et isotoputvekslingssystem desto større må energiforbruket bli.

Den begrensede oppløselighet av katalysatoren i den flytende ammoniakk kre-

ver i det annet tilfelle at en stor mengde anriket væske trekkes bort, og dette kan ikke fullstendig kompenseres ved gjeninn-føringen av gass ved 11. Grunnen hertil er to: nemlig at for det første kan produksjonen av deuterium i reaktorsettet 10 ikke være lik 100 pst., da katalysatoroppløsnin-gen som gjeninnføres ved 9 fremdeles inneholder en betydelig mengde deuterium, og for det annet vil — på grunn av den opptredende koeffisient for atskillelsen mellom hydrogenet og ammoniakken — innholdet av deuterium i gassen, som gjen-innføres ved 11, ligge adskillig under innholdet i den ved 8 uttatte ammoniakk.

For mest mulig å nedsette disse virk-ninger må det anvendes et reaktorsett 10, som inneholder et stort antall av teoret-iske kontakter. Ennvidere er det, for at man ved 11 skal kunne gjeninnføre gas-sene så nær ved bunnen av reaktorsystemet 2 som mulig, fordelaktig å nedsette skille-koeffisienten mellom hydrogen og ammoniakk, dvs. la reaktorsettet 10 arbeide ved høy temperatur. En direkte herav følgende ulempe er et øket forbruk av energi for metningen av ammoniakkgassen som går inn i settet 10 og kondensasjonen av den ammoniakkdamp som inneholdes i denne gass, før dennes gjeninnføring ved 11.

Det første tilfelle, dvs. det tilfelle hvor katalysatoren inndampes til tørrhet før den gjeninnføres i mateammoniakken for reaktorsettet 1, medfører ingen ulemper, men man kan da ikke ta ut en stor del av det i katalysatoren inneholdte deuterium før denne gjeninnføres i reaktorsettet 1, hvilket kan være uheldig for anleggets ytelsesevne som følge av den på deuterium fattige ammoniakk som går ut fra enheten 4 og den på deuterium rike katalysator som gjeninnføres i denne.

Den foreliggende oppfinnelse går ut på å unngå disse ulemper ved fremstilling av tungt vann ved monoterm isotoputveksling i NH-H2.

Oppfinnelsen vedrører altså en fremgangsmåte for anrikning av ammoniakk på deuterium ved monotermisk isotoputveksling i en eller flere reaktorer mellom flytende ammoniakk og hydrogen, som inneholder deuterium, i nærvær av en alkalimetallamidkatalysator som er oppløst i ammoniakk som sirkulerer i kretsløp gjennom de nevnte reaktorer, hvor man an-vender en eller flere katalysatorgjeninn-føringskretser, hvor hver enkelt av disse ketser er tilknyttet en eller flere av reaktorene, og man i hver sådan krets konsentrerer den katalysator som trer ut fra en del eller fraksjon av det antall reaktorer som er forbundet med vedkommende ka-taysatorkretsløp og at man leder denne konsentrerte oppløsning i motstrøm til en syntesegassblanding som tas ut ved utløpet fra den nevnte fraksjon av antallet av reaktorer, hvoretter den konsentrert oppløs-ning og den nevnte gassblanding gjeninn-føres i det annet parti av mateammoniakken til den nevnte fraksjon av reaktorer, ved et punkt som har et nærliggende deuteriuminnhold for å minske konsentrasjonen og mengden av deuterium som føres tilbake med katalysatoren fra et deuteriumrikt til et deuteriumfattig punkt i det nevnte, kretsløp inndamper man til tørrhet den katalysator som trer ut fra fraksjonen av reaktoren, og fremgangsmåten er karakterisert ved at man løser opp igjen denne alkalimetallamidkatalysator i en del av ammoniakken som mater toppen av reaktorfraksjonen, for å danne den konsentrerte oppløsning.

Dette vil med andre ord si at ved hjelp av denne forbedrede arbeidsmåte blir den ikke utnyttbare produksjon ved bunnpartiet av hver fraksjon av reaktorsett holdt på et minimum, da den er begrenset til den som leveres fra den tørre katalysator, og samtidig kan man dessuten elimi-nere hovedmengden av den deuteriumdel som inneholdes i oppløsningen, før gjeninn-føringen i på deuteriumfattig ammoniakk, ved at man i motstrøm vasker med gass som er fattig på deuterium.

På den annen side har blandingen av deuteriumrik katalysator og deuteriumfattig ammoniakk selv en konsentrasjon av deuterium som er langt lavere enn hos en konsentrert oppløsning som tas direkte ut ved bunnen av reaktorsettet 2, og under el-lers like omstendigheter kan reaktorsettet 10 minskes meget eller — hvis man bibe-holder det samme sett reaktorer — kan temperaturen i dette holdes betydelig lavere enn i det først nevnte tilfelle.

I forbindelse med fig. 3 og 4 beskrives det nedenfor to utførelseseksempler i henhold til oppfinnelsen, men disse kan selv-sagt varieres med ekvivalente anordninger uten at oppfinnelsens ramme overskrides. Fig. 3 viser en utførelsesform i henhold til oppfinnelsen, hvor det med to sett reaktorer er forbundet et kretsløp for gjeninn-føring av katalysator, hvilken utførelses-form innbefatter en fordamper og et sett av hjelpereaktorer. Fig. 4 viser skjematisk et annet anlegg i henhold til oppfinnelsen, hvor to sett reaktorer er forbundet med katalysa- tortilbakeføringskretser, som hver enkelt inneholder en fordamper og et sett hjelpereaktorer.

På tegningene er det bare antydet de elementer som kreves for at oppfinnelsen skal bli forstått, de på tegningene viste elementer er for oversiktlighetens skyld be-tegnet med de samme henvisningstall, og for enkelhets skyld er det på tegningene ikke angitt de apparater som bevirker sir-kulasjonen av væsker og gasser, varmeveks-lingsanordninger, ekspansj onsbeholdere, osv.

Fig. 3 viser en første utførelsesform i henhold til oppfinnelsen. På denne figur er det vist de to reaktorsett 1 og 2, apparatet 3 som omdanner ammoniakk til en gassblanding N2 + 3H2, synteseenheten 4, tilføringen 5 av ammoniakksyntesegass, ut-løpet 6 for anriket ammoniakk, og utløpet 7 for fattig ammoniakk. I fordamperen 8

inndamper man til tørrhet den ved reaktor-settets bunn uttatte katalysator. Den fordampede og for katalysator befridde ammoniakk ledes til apparatet 3. Katalysatoren løses opp igjen i en ved 12 uttatt fraksjon av deuteriumfattig ammoniakk, som mater reaktorene 1 og kommer fra apparatet 4. Denne oppøsning ledes til et tredje sett 10 av hjelpereaktorer, hvor dens deuteriuminnhold nedsettes ved utveksling med gass som trekkes ut fra toppen av settet 1, før den ved 9 gjenninnføres i den annen ammoniakkfraksjon, og derved re-konstituerer matningen av settet 1. Syntesegassen som strømmer ut fra hjelpereak-torsettet 10 innføres igjen ved 11, på et passende punkt i anlegget, f. eks. i settet 2.

Fig. 2 belyser et annet utførelseseks-empel. Dette virker på følgende måte: i fordamperen 13 inndampes til tørrhet den katalysator som inneholdes i ammoniakken som trer ut av reaktorsettet 1. Den fordampede og for katalysator befridde ammoniakk ledes til toppen av reaktorsettet 2. Katalysatoren løses opp igjen i en fraksjon av den ved 12 uttatte ammoniakk som mater settet 1 og skriver seg fra settet 4. Denne oppløsning ledes til et reaktorsett 10 i hvilket dens deuteriuminnhold nedsettes ved utveksling med gass som er blitt trukket bort fra toppen av settet 1 før den gjeninnføres, ved 9, i den annen fraksjon av ammoniakken, og derved samlet danner matningen for reaktorsettet 1.

Ennvidere inndamper man i fordamperen 8 til tørrhet den katalysator som inneholdes i ammoniakken som trer ut fra reaktorsettet 2. Katalysatoren løses opp igjen i en fraksjon som ved 15 tas ut fra den ammoniakk som går ut ved 13 og som tje-ner til å mate reaktorsettet. Denne opp-løsning ledes til et reaktorsett 16, i hvilket den fattiggjøres på deuterium ved utveksling med syntesegass, som tas ut fra toppen av settet 2, før den blir gjeninnført

ved 17, i den annen ammoniakkf raks jon,

slik at matningen til settet 2 gjenopprettes.

Syntesegassen som trer ut fra reaktorsettet

16 gjeninnføres ved 11, på et passende

punkt i anlegget, f. eks. i reaktorsettet 2.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte for anrikning av ammoniakk på deuterium ved monotermisk

   isotoputveksling i en eller flere reaktorer mellom flytende ammoniakk og hydrogen, som inneholder deuterium, i nærvær av en alkalimetallamidkatalysator som er oppløst i ammoniakk som sirkulerer i kretsløp gjennom de nevnte reaktorer, hvor man anven-der en eller flere katalysatorgj eninnfør-ingskretser, hvor hver enkelt av disse kret-ser er tilknyttet en eller flere av reaktorene, og man i hver sådan krets konsentrerer den katalysator som trer ut fra en del eller fraksjon av det antall reaktorer som er forbundet med vedkommende katalysator-kretsløp og at man leder denne konsentrerte oppløsning i motstrøm til en syntesegassblanding som tas ut ved utløpet fra den nevnte fraksjon av antallet av reaktorer, hvoretter den konsentrerte oppløsning og den nevnte gassblanding gjeninnføres i det annet parti av mateammoniakken til den nevnte fraksjon av reaktorer, ved et punkt som har et nærliggende deuteriuminnhold for å minske konsentrasjonen og mengden av deuterium som føres tilbake med katalysatoren fra et deuteriumrikt til et deuteriumfattig punkt i det nevnte kretsløp inndamper man til tørrhet den katalysator som trer ut fra fraksjonen av reaktoren, karakterisert ved at man løser opp igjen denne alkalimetallamidkatalysator i en del av ammoniakken som mater toppen av reaktorfraksjonen, for å danne den konsentrerte oppløsning.