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Verfahren zum Trennen von Isotopen durch Gegenstromaustausch bei
dem Zweitemperatur-Austauschsystem Die Zweitemperatur-Austauschsysteme zur Anreicherung
von Isotopen bestehen aus einer kalten und einer heißen Kolonne, die von dem Isotopenträger
und einer zweiten, im Kreislauf geführten Phase im Gegenstrom nacheinander durchlaufen
werden. Die beiden Phasen können eine Flüssigkeit und ein Gas oder zwei flüssige,
wenig ineinander lösliche Stoffe sein.
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Zur Anreicherung von Deuterium werden derartige Austauschsysteme z.
B. mit Wasser-Wasserstoff, Wasser-Schwefelwasserstoff, Ammoniak-Wasserstoff usw.
betrieben, wobei jeder Partner eines Stoffpaares als Deuteriumträger und Zustrom
zum Austauschsystem dienen kann, wobei die andere Phase im Kreislauf geführt wird.
Der Deuteriumträger wird meist in geradem Durchgang durch die beiden Kolonnen geleitet.
Es sind aber auch Verfahren hekannt, in welchen beide Phasen in Kreisläufen durch
die Kolonen geführt werden, so daß sie diese im Gegenstrom passieren.
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In der kalten Kolonne des Austauschsystems ist der Deuteriumgehalt
der Gasphase größer, als dem Gleichgewicht zwischen gasförmiger und flüssiger Phase
entspricht, der Deuteriumgehalt der Flüssigkeit sinngemäß kleiner. In der kalten
Kolonne geht deshalb das Deuterium aus dem aufsteigenden Gas in die herabströmende
Flüssigkeit über, so daß diese an Deuterium angereichert wird, während das Gas entsprechend
an Deuterium verarmt. Umgekehrt geht in der heißen Kolonne des Austauschsystems
das Deuterium aus der Flüssigkeit in das Gas über und reichert dieses an, während
die herabströmende Flüssigkeit an Deuterium verarmt. Zwischen dem oberen Ende der
heißen und dem unteren Ende der kalten Kolonne tritt bei ausreichenden Kolonnenhöhen
eine beliebig weit zu treibende Konzentrierung des Deuteriums ein.. Entsprechend
sind die Phasen zwischen dem oberen Ende der kalten Kolonne und dem unteren Ende
der heißen Kolonne an Deuterium abgereichert.
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Zwischen dem unteren Ende der kalten und dem oberen Ende der heißen
Kolonne kann dem System ein Deuteriumkonzentrat entnommen werden. Sein Gehalt an
Deuterium hängt außer von den durch die Temperatur bestimmten Gleichgewichtsverhältnissen
und dem danach eingestellten Mengenverhältnis von Gas zu Flüssigkeit nur von den
Höhen der beiden Kolonnen ab.
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Die mit den beschriebenen Zweitemperatur-Austauschsystemen maximal
erreichbaren Ausbeuten liegen je nach den Turmhöhen, dem Unterschied der Betriebstemperaturen
zwischen den Kolonnen und dem verwendeten Stoffsystem, zwischen 15 und 45°/o des
Deuteriumgehaltes im Deuteriumträger. Da die Turmhöhen praktisch begrenzt sind,
liegen die in Groß-
anlagen erreichten Ausbeuten an den unteren Grenzen.
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Es wurde gefunden, daß sich der Gehalt des Deuteriumträgers durch
Zufügung je eines Abrei cherungsteils zur heißen und zur kalten Kolonne auch über
die genannten Gleichgewichtskonzentrationen hinaus abreichern läßt. Dadurch können
die Ausbeuten beliebig erhöht werden. Wie bei allen Trennverfahren steigen auch
hier Anlage-und Betriebskosten für extrem hohe Ausbeuten durch weit getriebene Abreicherung.
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Die Maßnahmen, die zur Abreicherung des Deuteriumträgers und beliebigen
Erhöhung der Ausbeute über den Gleichgewichtswert hinaus dienen, sind Gegenstand
der vorliegenden Erfindung. Die von den beiden Phasen in Kreisläufen durchströmten
Kolonnen des bekannten Heiß-Kalt-Verfahrens werden erfindungsgemäß in folgender
Weise abgeändert : Die kalte und die warme Kolonne werden dadurch geteilt, daß der
als Deuteriumträger dienende Zustrom an zwei Stellen, und zwar in mittleren Zonen
der heißen und der kalten Kolonne, zugeführt wird. Als mittlerer Teil einer Kolonne
ist dabei nicht die geometrische Mitte, z. B. die halbe Turmhöhe, zu verstehen,
sondern eine beliebige Unterteilung der Gesamtzahl der Böden, z. B. in einem Verhältnis
von, 1 : 1 bis 1 : 10. Ein solche Unterteilung kann auch in. bekannter Weise durch
Hintereinanderschaltung zweier Kolonnen vorgenommen werden. Dadurch wird bei gasförmigem
Zustrom der in die mittlere Zone der kalten Kolonne eingeleiteteTeilstrom bis auf
die minimale Konzentration abgereichert, während der in die mittlere Zone der heißen
Kolonne eingeleitete Teil bis auf die maximale Endkonzentration angereichert wird.
Bei gasförmigem Zustrom dient der andere, unter dem seitlichen Zustrom liegende
Teil der kalten
Kolonne zur Anreicherung bis auf die maximale Deuteriumkonzentration
und der andere, unter dem seitlichen Zustrom liegende Teil der heißen Kolonne zur
Abreicherung bis auf die minimale Konzentration.
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Bei nüssigem Zustrom des Deuteriumträgers wird der in die kalte Kolonne
geführte Teilstrom bis auf die maximale Endkonzentration angereichert. Im anderen,
über dem seitlichen Zustrom liegenden Teil der kalten Kolonne wird der Deuteriumgehalt
der Phasen nach oben zu bis auf die minimale Konzentration abgereichert. Bei flüssigem
Zustrom wird der in die heiße Kolonne geführte Teilstrom des flüssigen Zulaufs bis
auf die minimale Konzentration abgereichert.
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In dem anderen, über dem seitlichen Zustrom liegenden Teil der heißen
Kolonne werden die Phasen bis auf die maximale Endkonzentration angereichert.
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Mit der Teilung des Zustromes werden gegenüber dem bisherigen Stand
der Technik zwei Abreicherungsteile mit verschiedenen Mengenverhältnissen von Flüssigkeit
zu Gas derart geschaffen, daß die zur Abreicherung notwendigen Partialdruckunterschiede
vorhanden sind.
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Es hat sich ergeben, daß die größte Abreicherung und damit die höchste
Ausbeute erreicht werden kann, wenn der Zustrom mit je einer Hälfte in die kalte
und die heiße Kolonne geführt wird. Die gleiche Verteilung auf die beiden Kolonnen
ergibt zwar die höchste Ausbeute, erfordert aber auch die größten Kolonnenhöhen.
Da aber die Stoffübergangszahlen in der heißen Kolonne besser sind als in der kalten
Kolonne, kann es zur Verminderung der Kolonnenhöhen vorteilhaft sein, in der kalten
Kolonne mit etwas höheren Partialdruckunterschieden für den Stoftübergang zu arbeiten
als in der heißen Kolonne. Hierzu kann sowohl bei flüssigem als auch bei gasförmigem
Zustrom des Deuteriumträgers der in die heiße Kolonne zu führende Teilstrom vermindert
und der in die kalte Kolonne geführte Strom entsprechend vergrößert werden. Die
ungleichmäßige Verteilung der beiden Ströme gibt die Möglichkeit, die Partialdruckgefälle
für den Stoffiibergang so einzustellen, daß die Kolonnenhöhen möglichst klein werden,
wobei allerdings auch die Ausbeute an Deuterium zurückgeht. Eine ähnliche Wirkung
wird erreicht, wenn das Verhältnis der Unterteilung der Bodenzahlen durch den Seitenzustrom
für beide Kolonnen verschieden gewählt wird.
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Durch Vergrößerung der beiden Kreisströme von Gas und Flüssigkeit
werden die für den Stoffübergang maßgebenden Partialdruckdifferenzen vergrößert,
so daß die Kolonnenhöhen der einzelnen Teile sich entsprechend vermindern.
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Mengen und Konzentrationen sind als Mole in der Zeiteinheit oder
Molenbrüche zu verstehen.
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Da sowohl der Gas-als auch der Flüssigkeitskreislauf durch alle Teile
des Systems geführt werden, ergibt sich eine endlose, z. B. kreisartige Anordnung
des ganzen Systems. Ordnet man die einzelnen Teile in einer Reihe an, so sind die
beiden Enden durch je eine Leitung für Gas und Flüssigkeit zu verbinden. Es ergeben
sich vier räumlich verschiedene, jedoch verfahrensmäßig identische Anordnungen,
weil die Reihenfolge der Teile einschließlich der zugehörigen Zu-oder Abströme durch
Verschiebung auf dem Kreis nicht geändert wird.
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Die Konzentrationen in den beiden Verbindungen der Enden der in Reihe
gesetzten Teile entsprechen in einem Falle der minimalen Abreicherungskonzentration,
im zweiten Falle der maximalen Endkonzentration, in den beiden übrigen Fällen der
Zustromkon-
zen. tra. tion. In. der folgenden Beschreibung wird als Beispiel der
erste dieser Fälle behandelt. Aber auch die anderen Fälle sollen Gegenstand der
Erfindung sein.
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Die Anlagen zur Schwerwassergewinnung werden im allgemeinen in mehreren
Stufen ausgeführt, die auch nach verschiedenen Verfahren arbeiten können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders als erste Stufe,
auf welche je nach der erzielten Anreicherung 70 bis 908/der gesamten Anlagekosten
entfallen. In den folgenden Stufen fallen abgereicherte Produkte an, die in die
Vorstufe, z. B. in die erste Stufe, zurückgeführt werden können. Diese abgereicherten
Produkte folgender Stufen werden als Rückstrom bezeichnet. Es besteht aber auch
die Möglichkeit, die zweite und die folgenden Stufen mit einer Abreicherung nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren z. B. bis auf den Deuteriumgehalt des in die erste
Stufe eingeführten Stoffes zu versehen. Dadurch werden die Partialdruckunterschiede
für den Stoffübergang in der ersten Stufe vergrößert.
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Die Erfindung wird an Hand der Abbildungen näher erläutert. In Abb.
1 sind zwei bekannte Heiß-Kalt-Systeme mit gasförmigem (a) und fliissigem Kreislauf
(b) und die zugehörigen Konzentrationsdiagramme dargestellt. In diesen stellt x
den Deuteriumgehalt in der flüssigen Phase und y den Gehalt in der Gasphase dar.
Die Gleichgewichtslinien sind in den x-y-Diagrammen mit H fur die heiße und mit
K für die kalte Temperatur gekennzeichnet. Zwischen den beiden Gleichgewichtslinien
verlaufen die Betriebslinien, die die Deuteriumgehalte in der Flüssigkeit x und
im Gas y in den einzelnen waagerechten Querschnitten der Kolonnen angeben. Aus diesen
Diagrammen, die das Ergebnis einer umfangreichen Rechnung darstellen, sind qualitativ
alle Konzentrationen, die für den Stoffübergang wirksamen Konzentrationsunterschiede
und, wie weiter unten noch ausgeführt wird, die Mengenverhältnisse von Flüssigkeit
und Gas zu ersehen. Die Deuteriumgehalte sind für die beiden Arbeitsweisen mit flüssigem
oder gasförmigem Zustrom in folgender Weise gekennzeichnet : Zustrom ....................
. XM ! YM Abgereicherter Abstrom.... xo, yo Angereicherter Endstrom....... xp, yp
Rückstrom xi, YR Kreislauf....................... YC yc Die Konzentrationen xM bzw.
yM entsprechen bei Anwendung des Verfahrens auf die erste Stufe einer Trennanlage
in der Regel dem sogenannten natürlichen Gehalt. Die kalte Kolonne ist mit K, die
heiße mit H bezeichnet. Die Pfeile in den Kolonen deuten die Richtung des Deuteriumübergangs
zwischen Gas und Flüssigkeit an.
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Abb. 2 enthält die entsprechenden Anlageschemata und Diagramme für
das erfindungsgemäße Verfahren.
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Die Teile der kalten und der heißen Kolonne sind mit KI, KII und HI,
HII bezeichnet. Von den vier obenerwähnten möglichen Anordnungen ist hier nur der
erste Fall, die Anordnung KI-KII-HI-HII, dargestellt.
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Abb. 2a gilt für flüssigen, Abb. 2b für gasförmigen Zustrom. In Abb.
2a bedeutet : 1 Zustrom zum mittleren Teil der kalten Kolonne, 2 Zustrom zum mittleren
Teil der heißen Kolonne, 3 kalte Kolonne, 4 heiße Kolonne, 5 Gaskreislauf, 6 Flüssikgeitskreislauf,
7 Abführung der angereicherten Flüssigkeit in die nächste Stufe, 8 Zuführung des
Rückstromes aus der zweiten oder folgenden Stufe, 9 Ablauf der abgereicherten
Flüssigkeit,
10 Übergang des angereicherten Gases von der heißen in die kalte Kolonne. In Abb.
2b bedeutet : 11 den Zustrom zum mittleren Teil der kalten Kolonne, 12 Zustrom zum
mittleren Teil der heißen Kolonne, 13 kalte Kolonne, 14 heiße Kolonne, 15 Gaskreislauf,
16 Kreislauf der flüssigen Phase, 17 Abführung der angereicherten Flüssigkeit, 18
Zuführung des Rückstromes aus der zweiten Stufe, 19 Abführung des abgereicherten
Gasstromes, 20 Übergang der angereicherten Flüssigkeit von der kalten in die heiße
Kolonne.
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Der mittlere Teil der Kolonnen ist, wie bereits bemerkt, ein Bereich
für den Seitenanschluß, in dem die Gesamtzahl der Kolonnenböden in einem beliebigen
Verhältnis zwischen 1 : 1 und 1 : 10 unterteilt ist. In den Teilen K I und H II
sind die Partialdruckunterschiede sehr klein, so daß dort erhebliche Bodenzahlen
erforderlich sein können. Andererseits kann eine hohe Anreicherung in den Teilen
H I und K II dort große Bodenzahlen erfordern. Als mittlerer Teil ist daher eine
Stelle zu verstehen, die durch das Verhältnis der jeweils erforderlichen Bodenzahlen
oder Füllkörperschichten der beiden Teile jeder Kolonne gegeben ist.
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Die Wärmeaustauscher, Kühler und Aufheizer, die notwendig sind zur
Wärmeübertragung von den hei-Ben auf die kalten Ströme, zur Restkühlung der warmen,
bereits ausgetauschten Ströme und zur Erhitzung auf die Temperatur der heißen Kolonne
und die Pumpen und Gebläse, die zur Förderung von Flüssigkeit und Gas durch die
einzelnen Teile der Anlage benötigt werden, sind zur Vereinfachung nicht ein-, getragen.
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In x-y-Diagrammen für die durch Abb. 2a und. 2b gekennzeichneten
Systeme sind die gleichen Bezeichnungen wie in Abb. 1 verwendet. Die Deuteriumgehalte
in der Flüssigkeit sind mit x, im Gas mit y bezeichnet. Die Gleichgewichtslinien
für die kalte und für die heiße Kolonne sind mit X und H gekennzeichnet. Zwischen
den Gleichgewichtslinien sind die Betriebsgeraden eingetragen, die die Konzentrationen
x und y in den einzelnen Kolonnenquerschnitten angeben. Die einzelnen Ströme sind
wie oben für die bekannten Systeme gekennzeichnet. Das wesentliche Merkmal der Erfindung
kommt darin zum Ausdruck, daß die Betriebslinien derart geknickt sind, daß sie zwischen
den Gleichgewichtslinien in einem Punkt mit den Zusammensetzungen der minimal abgereicherten
n Ströme sich treffen. Diese Knickung der Gleichgewichtslinien wird durch die Teilung
des eingehenden Stromes etwa im Verhältnis 1 : 1 erzeugt.
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Der Anstieg einer Betriebsgeraden ist bekanntlich in einem x-y-System
durch das Verhältnis Flüssigkeitsmenge zu Gasmenge gegeben. Der größte Anstieg
der
Betriebsgeraden ist bei dem Kolonnenstück H II vorhanden. Im Fall des Zustromes
der Flüssigkeit (Abb. 2 a) ist im Stück HII die Flüssigkeitsmenge im Verhältnis
zur konstanten Gasmenge am größten. Im Fall eines Gaszustromes (Abb. 2b) ist im
Stück H II die Gasmenge am geringsten im Verhältnis zur konstanten Flüssigkeitsmenge.
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Den kleinsten Anstieg zeigt die Betriebsgerade für das Kolonnenstück
K I. Im Fall des Zustromes der Flüssigkeit (Abb. 2a) ist für KI die Flüssigkeitsmenge
sehr klein im Verhältnis zur konstanten Gasmenge. Im Fall des Gaszustromes (Abb.
2b) ist für KI die Gasmenge sehr groß im Verhältnis zur konstanten Flüssigkeitsmenge.
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Die gleichen Verhältnisse gelten auch für den Austausch zwischen
zwei flüssigen Phasen mit einem genügenden Unterschied der spezifischen Gewichte.
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Das erfindungsgemäße Zweitemperatur-Austauschverfahren ist auch für
die Anreicherung anderer Isotopen anwendbar, auch dann, wenn die Gleichgewichte
bei großen Unterschieden der Betriebstemperaturen der Kolonnen ungünstig sind und
die Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtskonstanten klein ist.
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In diesem Fall gibt das bekannte Zweitemperatur-Verfahren nur geringe
Ausbeuten, während das erfindungsgemäße Verfahren eine beliebige Erhöhung mit praktisch
möglichen Mitteln zuläßt.