JPH0673610B2

JPH0673610B2 - ガス分離のための吸着装置

Info

Publication number: JPH0673610B2
Application number: JP63219612A
Authority: JP
Inventors: ベルント、エカルト; トーマス、ブルバツハ
Original assignee: シーメンス、アクチエンゲゼルシヤフト
Priority date: 1987-09-03
Filing date: 1988-09-01
Publication date: 1994-09-21
Anticipated expiration: 2009-09-21
Also published as: JPS6490012A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、特に放射性のクリプトン及び／又はキセノ
ンの吸着のために吸着剤望ましくは活性炭を用い、その
際吸着剤を内蔵する管が熱絶縁された容器の中に垂直に
立てて配置され、隣接する加熱装置と冷媒とを備えてい
るガス分離のための吸着装置に関する。また、この発明
は二酸化炭素及び／又は酸化窒素の処理のために、また
場合によっては水分の分離のために適した吸着装置（そ
の場合には吸着剤としてゼオライトが使用されるのが有
利である）に関する。

［従来の技術］ドイツ連邦共和国特許第3214825号明細書から知られる
クリプトンを活性炭により分離しようとする吸着装置の
場合には、吸着のために必要な吸着剤の冷却ばかりでな
く蓄積されたクリプトンの追い出しのために必要な吸着
剤の加熱も、温度分布が著しく不均一である故に不満足
である。この不均一は熱応力従って絶え間無い変動応力
を招く。なぜならば吸着装置を用いたガス分離は絶え間
無い冷却と加熱との転換を必要とするからである。

専門誌「核技術（Kerntechnik）」、1974年、第12巻、
第528ページないし第532ページに記載の核分裂ガス分離
器では、容器は冷媒として働く液体窒素を充填されてい
るので、容器蓋につり下げられた吸着剤カートリッジ、
管加熱器、レベル検出器などが周囲を洗われる。脱着の
ために管加熱器によりまず窒素を気化しなければなら
ず、そして活性炭トラップを熱放射により300℃に加熱
しなければならない。このことはエネルギーを非常に消
費しまた装置の観点から見て簡単でない。吸着と脱着と
の速やかな転換は実際上不可能である。

［発明が解決しようとする課題］この発明は、少ない装置の費用で一様な温度分布を達成
し、その結果小さい熱応力により頻繁な運転転換が可能
であり、また台数が少ない場合にも工業生産的に良好に
採用できる吸着装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］この目的はこの発明に基づき、吸着剤管のそばにこの管
のほぼ全長にわたって延びる管装置の中に冷媒が内蔵さ
れ、容器の中にはガス循環装置が配置され、そのガス流
が加熱装置、冷却管及び吸着剤管の全長に行きわたるこ
とにより達成される。

この発明では冷却装置も加熱装置も個々の構成要素とし
て吸着剤管に合わせて整列され、吸着剤管と共に容器の
中に組み込まれる。かかる構成により、吸着剤管に沿っ
ての実際上一様な温度の維持が、同時に吸着剤管束の直
角方向に非常に小さい温度差で実現可能となる。吸着剤
管と冷却装置又は加熱装置との間の熱交換は循環するガ
ス望ましくはヘリウムにより強力に行われるので、均一
な温度分布とこれに加えてエネルギー消費の著しい低減
とが達成される。ガス循環速度は毎時100回以上とする
のが有利である。

吸着剤管の垂直に延びる管束に平行に冷却装置の同心の
蛇管を垂直に向けることができ、一方加熱装置は管束及
び蛇管の高さの一部分にわたって延びるだけでよい。残
りの空間の中には通風機を配置できるので有利である。
通風機によりガス循環が駆動されるので、一層速やかな
熱伝達が達成される。

通風機は流れ方向において加熱要素及び冷却要素の後ろ
に配置されるので、ガス搬送のほかに同時に循環するガ
ス流の温度の均一化がガス流の吸着剤管束への流入の前
に達成され、異なる温度の流脈の発生が確実に防止され
る。

更に吸着剤管束を通過するとき残りの流路の圧力損に比
べて例えば２倍以上、数倍の圧力損が発生するように、
ガス循環域における圧力損が選ばれるべきである。これ
により吸着剤管束のほぼ一様な流入速度が達成され、そ
れにより種々の熱的な材料応力も吸着剤における収着差
も防止される。

通風機の駆動電動機は容器の外部に有利に配置できるの
で、電動機は通常の温度で作動する。そのときの損失熱
を冷却装置を介して放散する必要はない。その際駆動電
動機をガス密のカプセルにより囲むことができ、カプセ
ルは同時に冷却ジャケットとして働きかつ容器にフラン
ジ結合されている。これにより容器壁を貫通して導くこ
とができる軸に沿って熱損失が避けられる。

この発明に基づく吸着装置の特に有利な実施態様では、
管束、蛇管及び加熱装置が相互に結合され、ユニットと
して容器の中につり下げられている。容器は上端部に内
部空間と同一の断面の開口を備え、フランジ付き蓋によ
り閉鎖されるのが有利である。この開口を通ってユニッ
トを全体として組み込みまた必要の際に再び取り出すこ
とができる。容器の中に必要なすべての機能要素を組み
込むことにより、特別な長所として比較的小さい圧力損
が得られるので、少ないエネルギー消費により温度を著
しく均一化する例えば毎時1000回以上のガス循環速度を
実現できる。

この発明に基づく吸着装置は、その有利な構造形式とそ
れに基づく費用節減のために、種々の目的に有利に採用
することができる。しかしながら並列の少なくとも二つ
の分岐を備えた設備での使用が特に有利であり、その際
一方の吸着装置が吸着器として働き同時に他方の吸着装
置が再生される。かかる使用法の際に各吸着装置は段階
的に作動するけれど、設備としては連続的な運転を行う
ことができる。その際更に結合ガス循環（ヘリウム結合
ガス循環）により、吸着装置の中に蓄積されたエネルギ
ー（熱量／冷熱量）を一つの分岐から並列に配置された
他の分岐へ移動することにより、復熱式のエネルギー利
用が行われる。それによりエネルギー消費を約30ないし
50％低減できる。かかる使用法は核技術、例えば混合ガ
スからクリプトン及び／又はキセノンの核種を分離し別
個に貯蔵しようとする核燃料の再処理の際に特に適合す
る。しかしそれに応じて酸化窒素、二酸化炭素及び水分
の吸着により混合ガスを浄化及び／又は乾燥する際にも
特に有利に使用できる。

［実施例］次にこの発明に基づく吸着装置の複数の実施例を示す図
面により、この発明を詳細に説明する。

この発明に基づく吸着装置１は金属製の外壁３と断熱層
４とを有する容器２を備え、断面層４は固体絶縁として
又は真空絶縁として構成できる。容器２は例えば2mの直
径と3mの高さとを有する。上側はフランジ結合部７によ
り固定された蓋６として構成されている。図示のように
蓋により閉鎖された開口は容器２の内部空間８と同じ断
面を有する。

蓋６の下方では蓋６から内部空間８の中に固定具10が突
出している。固定具10には吸着ユニットが保持され、こ
の吸着ユニットは全体を符号11で示され、管束12、冷却
装置９及び加熱装置14を備えている。

管束12は多数の垂直に配置された管16から成り、これら
の管16は相互に平行に円環面上に配置されている。この
円環の内径は例えば1mである。上下で管16は管端板17、
18にはめ込まれ、管端板上には収集室21、22を形成する
ために丸く膨らませたリング板19、20が固定されてい
る。管16は例えば35mmの直径を有し、0.45kg/1の見かけ
比重を有する活性炭を内蔵する。管16の間の間隔が管直
径より小さいように、これらの管は密にまとめられてい
る。

冷却装置９は管束12の内部に蛇管13を備えいている。蛇
管13は１層に円筒形に形成できる。蛇管13の端部は流入
管路25と流出管路26とを経て、容器２から導出された外
部の接続管27、28に結合されている。接続管28は図示さ
れていない冷凍機に通じ、この冷凍機により二次冷媒と
しての液体窒素を−130℃より低い温度を発生するため
に容器内部空間８に導くことができる。蛇管の管29は例
えば20mmの直径を有する。蛇管13と管束12の内径との間
の間隔は同様の大きさである。

加熱装置14は容器内部空間８の中央に、従って管束12及
び蛇管13の内部に配置されている。加熱装置14は電気加
熱棒30を備え、これらの棒30は相互に平行に下側の支持
板31から垂直に上に向かって延びている。支持板31は管
束12の下側の管端板18と共に一つの部品から成る。支持
板31は加熱棒を保持し、加熱棒は例えば加熱棒の太さと
同じ間隔を持たせて円環形に蛇管13の内部にまとめられ
ている。

加熱棒30の高さは管束12及び蛇管13の高さより小さい。
それ故に内部に空間35が形成されこの空間35の中に通風
機36が配置されている。通風機36は管束の上方に容器蓋
の下に配置することもできる。通風機36は星形の保持部
37によりカバー38の中に据えられている。保持部37から
は駆動軸39が上方へ容器２を貫いて駆動電動機40へ導か
れ、駆動電動機は容器２の外側で蓋６上に固定されてい
る。電動機40はガス密なカプセル41により囲まれ、この
カプセル41は蓋６上でフランジ結合部42によりガス密に
固定されている。このカプセル41は電動機廃熱の放散の
ために二重壁の冷却ジャケット43として構成され、冷媒
入口43aと冷媒出口43bとを備えている。

容器２の内部空間８は例えば1barの圧力のヘリウムを内
蔵する。ヘリウムは伝熱媒体として働き通風機36により
矢印44の方向に容器内部８を循環される。循環の際にヘ
リウムは管束12を通り抜け、蛇管13により冷却されるか
又は加熱装置14により加熱される。循環速度は毎時1000
回以上である。

浄化すべき混合ガスが接続管46、47を経て管束12の中に
導入されるとき、管束12の管16の中の活性炭で希ガスク
リプトン及びキセノンの蓄積が冷却により強められる。
浄化されたガスは、図の紙面の前又は後ろに設けられた
ガス出口50、51を経て引き出される。そして蓄積の後に
加熱装置14により活性炭を加熱することによりクリプト
ン及びキセノンを追い出すことができる。加熱装置の熱
は同様に通風機36により管16へ伝達される。

第２図には、核燃料再処理の際に生じる核分裂ガスから
キセノン及びクリプトンを分離するために、ほぼ連続運
転される吸着設備55が示されている。設備55は二つの同
じ系統56、57を備え、これらの系統は相互に並列に、浄
化すべきガスのための入口58と希ガスのための出口59と
に接続され、一方符号54で示す浄化されたガスの出口が
設けられている。

両系統56、57のそれぞれは同一に構成され、予冷却器6
0、60′を備え、これらの予冷却器は弁61、61′により
切り離すことができる。キャリアガスのための入口63、
63′を備え弁64、64′を有する管路62、62′が、第１図
に示す吸着装置のように構成された吸着装置66、66′に
通じている。吸着装置66、66′は弁67、67′を介して相
互に結合されている。吸着装置66、66′は更に通風機68
を介して結合され、この通風機68は弁69により遮断でき
る。従って相応のシーケンス制御及びフィードバック制
御により、設備55は回路70を介して吸着装置66と66′と
の間の相反する方向へ加熱・冷却運転及び熱交換を行う
ことができる。

吸着装置66、66′には中間冷却器72、72′が後置接続さ
れ、これらの中間冷却器は弁73、73′を介して遮断可能
であり、かつ弁75、75′を備えた迂回管路74、74′によ
り橋絡されている。

中間冷却器72、72′の後ろには第２の吸着装置78、78′
が設けられている。吸着装置78と78′との間には、弁7
9、79′と前後に弁81、81′を接続された通風機80とを
介して回路62が接続され、この回路により吸着装置78と
78′との間の熱交換を行うことができる。

各系統56、57は末端で弁84、84′を介して遮断可能であ
る。これらの弁の前で弁87、87′を備えた迂回管路86、
86′が分岐し、迂回管路86、86′は予冷却器60、60′に
通じる。管路86により吸着器として働く系統（ここでは
56）の中で浄化されたガスが出口54へ導かれる。

同時に系統57は再生される。吸着装置66′、78′の中を
連続的に加熱しながら、これらの装置は洗浄ガス例えば
ヘリウムを供給され、洗浄ガスは入口63′へ送り込まれ
る。洗浄ガスは吸着装置66′、78′を貫流し、その際中
間冷却器72′は管路74′を経て迂回される。そして洗浄
ガスにより希ガスが出口59を経て運び出される。

第３図には、核燃料再処理の際に生じる溶解剤排ガス又
は遮蔽コンクリート室排ガスから水分及び酸化窒素を分
離するために、ほぼ連続運転される吸着設備90が示され
ている。設備90は前置接続された吸着系として、希ガス
分離のために第２図により構成された吸着設備55に結合
できるか、又は閉鎖された循環運転で遮蔽コンクリート
室雰囲気の浄化のために使用できる。

この設備は二つの同じ系統91、92を備え、これらの系統
は相互に並列に、浄化すべき混合ガスのための入口93と
浄化された混合ガスのための出口94とに接続され、一方
では95で示す再生のために用いられる洗浄ガスのための
入口が設けられ、また96で示す洗浄ガスの出口が設けら
れている。出口94は場合によっては第２図に示す吸着設
備55の入口58に結合されている。

系統91、92は同一に構成されて各一つの吸着装置97、9
7′を備え、これらの吸着装置の構造は第１図に示す吸
着装置１又は第４図に示し後に説明する吸着装置に相応
している。その際吸着剤としてゼオライトが用いられ
る。

入口93から管路98、98′が弁99、99′を経て吸着装置9
7、97′に通じ、そこから弁101、101′を経て出口94へ
通じる。更に吸着装置97、97′は弁103、103′を有する
管路102、102′を経て加熱装置105に結合されている。
加熱装置105には通風機106が前置接続され、この通風機
は弁107により遮断可能でありかつ洗浄ガス入口95に結
合されている。弁111、111′を備えた管路110、110′を
介して冷却器113とその後に置かれた洗浄ガス出口96と
に結合されている。

一方の系統（ここでは91）が吸着によるガス浄化運転で
作動している間は、弁99、101が開かれガスは入口93か
ら出口94へ向かってこの吸着系統を貫流する。その際発
散される吸着熱は第１図に示し吸着装置97の中に組み込
まれた冷却装置９を経て放出され、そして吸着剤充填部
は例えば10℃の所定の温度に保持される。その際弁10
3、111は閉じられている。同時に並列系統92が再生され
る。このために吸着装置97′は、弁103′及び107を開き
ながら通風機106と加熱装置105とにより、入口95で取り
込まれる洗浄ガスを供給される。その際吸着装置97′は
第１図に示す加熱装置14により例えば250℃の再生温度
に加熱される。吸着装置97′を流出後に洗浄ガスは開か
れた弁111′と管路110′とを経て冷却器113へ導かれ、
その後出口96を経て冷却器の後ろでもなお存在する水分
及び酸化窒素と共に運び出される。

出口96は吸着設備90に直列接続されるプロセスユニット
に結合することができ、脱着された酸化窒素がこのユニ
ットの中で再生利用される。

洗浄ガス入口95を第２図に示す吸着設備55の出口54に結
合し、吸着設備90の洗浄ガス供給を第２図に示す吸着設
備55からの浄化済みガスにより特に有利に行うことがで
きる。

第４図には、第１図に示す吸着装置とは異なった管束12
1が円環形に構成されていない吸着装置120が示されてい
る。管束121の形状は第１図に示す管束の正方形又は長
方形の部分として構成されている。容器内部空間122の
中で循環される熱キャリヤガスの案内のために案内装置
123が設けられ、この案内装置は矢印124の方向における
管束121への水平な流入を保証する。

ここで循環される熱キャリヤ媒体は冷却装置126により
冷却され、この冷却装置は垂直方向に吸着剤管束121に
平行に延び冷媒を導くフィン付き管127から成る熱交換
から成る。選択的に熱キャリヤ媒体は電気加熱装置128
により加熱され、その接続導線がブッシング129により
導出されている。

吸着剤管束121はここでも加熱装置128及び冷却装置127
及び案内装置123と共にユニット130として容器131の中
へつるされている。ユニット130は容器蓋133に固定され
た固定具及びガス流入流出管路132を介して保持されて
いる。

吸着器容器131は二重壁の真空絶縁容器として構成さ
れ、容器蓋133は粉末状の無機質の絶縁材134を充填され
ている。吸着装置120は例えば50m³/hの小ないし中の体
積流量の場合の混合ガスの浄化のために有利に使用可能
である。比較的大きい体積流量の浄化のために比較的大
きい吸着剤量が必要ならば、吸着剤は円筒形の管の中で
はなく第５図の断面図に示すような方形断面を有する管
135の中に収容できる。その際複数の管135の長辺方向は
ガス流に対し平行に並べて配置されている。ガス流が冷
却装置126及び加熱装置128へ流れ当たる前に、これらの
管は管の全長にわたって長辺にガスを吹き付けられる。

第６図は別の実施例として、ここでも吸着剤管束141、
加熱装置142、冷却装置143及びガス循環装置144のよう
なすべての機能要素を熱絶縁された容器145の内部に組
み込むという長所を有する吸着装置140を示す。

熱キャリヤ媒体例えばヘリウム又は窒素は矢印146の方
向へ容器内部空間147の中で通風機144により循環され、
その際案内板148の作用のもとで吸着剤管束141を貫流す
る。冷却装置143は管束の周囲に同心に導かれた蛇管と
して設けられている。加熱装置142は電気加熱棒の形で
外から容器蓋149を貫通し、蓋にフランジ150により固定
されている。

通風機144の駆動ユニット151は容器145の外部で蓋149に
取り付けられている。駆動ユニットは電磁継手152を介
して作用する。通風機軸153を介して外に向かう漏れを
防止するために、通風機軸153に固定された電磁継手152
の半部はガス密なカプセル154の内部に取り付けられ、
このカプセルは容器蓋149にフランジ結合されている。

【図面の簡単な説明】

第１図、第４図及び第６図はそれぞれこの発明に基づく
吸着装置の異なる実施例の縦断面図、第５図は第４図に
示す吸着装置の変形例の横断面図、第２図は吸着装置を
用いた二つの分岐から成る希ガス分離設備の一例の管路
図、第３図は吸着装置を用いた二つの分岐から成る酸化
窒素と水分との回収設備の一例の管路図である。２……容器６……容器蓋８……内部空間 10……固定具 11……ユニット 12……吸着剤管（管束） 13……冷却管（蛇管） 14……加熱装置 35……残りの空間 36……通風機 39……通風機軸 40……駆動電動機 41……カプセル 46、47……流入管路 50、51……流出管路 55、59……設備 56、57、91、92……分岐 66、66′、97、97′……吸着装置 70……熱交換回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸着剤を内蔵する管が熱絶縁された容器の
中に垂直に立てて配置され、隣接する加熱装置と冷媒と
を備えているガス分離のための吸着装置において、吸着
剤管（12）のそばにこの管のほぼ全長にわたって延びる
管装置（13）の中に冷媒が内蔵され、容器（２）の中に
はガス循環装置（36）が配置され、そのガス流が加熱装
置（14）、冷却管（13）及び吸着剤管（12）の全長に行
きわたることを特徴とするガス分離のための吸着装置。
【請求項２】ガス循環装置（36）から出て行くガス流が
まず吸着剤管（12）を、そして加熱装置（14）及び／又
は冷却管（13）を流れよぎることを特徴とする請求項１
記載の装置。
【請求項３】吸着剤管（12）が方形の断面を有し、その
長辺方向がガス流の方向に置かれていることを特徴とす
る請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】ガス循環速度が毎時100回以上であること
を特徴とする請求項１ないし３の一つに記載の装置。
【請求項５】吸着剤管が円環断面を備えた管束（12）を
形成し、この管束（12）に同心に円筒形の蛇管（13）が
配置され、この蛇管が冷媒を導き、管束（12）及び／又
は蛇管（13）の中央に電気加熱装置（14）が配置されて
いることを特徴とする請求項１ないし４の一つに記載の
装置。
【請求項６】管束（12）が水平方向の流入で循環ガスを
供給され、管束（12）を通過するときの圧力損が残りの
ガス循環流路の圧力損の少なくとも２倍の大きさである
ことを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項７】加熱装置（14）が管束（12）及び蛇管（1
3）の高さの一部分だけにわたって延び、残りの空間（3
5）の中に通風機（36）が配置されていることを特徴と
する請求項６記載の装置。
【請求項８】通風機（36）が管束（12）のすぐ上に容器
蓋（６）の中に配置されていることを特徴とする請求項
７記載の装置。
【請求項９】通風機（36）の駆動電動機（40）が容器
（２）の外部に配置されていることを特徴とする請求項
７又は８記載の装置。
【請求項１０】駆動電動機（40）がガス密のカプセル
（41）により囲まれ、このカプセルが容器（２）にフラ
ンジ結合されていることを特徴とする請求項９記載の装
置。
【請求項１１】カプセル（41）が二重壁に中間空間を備
えて構成され、この中間空間の中で冷媒が循環すること
を特徴とする請求項10記載の装置。
【請求項１２】駆動電動機（40）と通風機（36）との間
に電磁継手が配置され、この電磁継手が、通風機軸（3
9）を囲み容器（２）にフランジ結合されたカプセルを
介して作用することを特徴とする請求項９又は10記載の
装置。
【請求項１３】管束（12）、蛇管（13）及び加熱装置
（14）が相互に結合されて、ユニット（11）として容器
（２）の中につり下げられていることを特徴とする請求
項１ないし12の一つに記載の装置。
【請求項１４】ユニット（11）が容器（２）の内部空間
（８）の中に突出する固定具（10）につり下げられてい
ることを特徴とする請求項13記載の装置。
【請求項１５】ユニット（11）が流入管（46、47）及び
流出管路（50、51）を介して蓋（６）につり下げられて
いることを特徴とする請求項14記載の装置。
【請求項１６】容器内部空間（８）が容器（２）の外部
に配置された圧力調整室に結合されていることを特徴と
する請求項１ないし15の一つに記載の装置。
【請求項１７】並列の少なくとも二つの分岐（56、57、
91、92）を備えた設備（56、90）の中で用いられ、一方
の吸着装置（66、97）が吸着器として働き同時に他方の
吸着装置（66′、97′）が再生されることを特徴とする
請求項１ないし13の一つに記載の装置。
【請求項１８】並列の分岐（56、57、91、92）の吸着器
（66、66′、97、97′）の間に熱交換回路（70）が設け
られていることを特徴とする請求項17記載の装置。