Verfahren und Anlage zur Aufkonzentrierung von Deuterium in einem mindestens Wasserstoff enthaltenden Medium
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Aufkonzentrierung von Deuterium in einem mindestens Wasserstoff enthaltenden Medium, das als Speisestrom einer Anreicherungsanlage zugeführt und schliesslich zur Herstellung von schwerem Wasser benutzt wird.
Als Anreicherungsanlagen für Deuterium sind verschiedene Ausbildungen gebräuchlich.
So wird beispielsweise in einem monothermen Anreicherungsprozess durch katalytisch geförderten Isotopenaustausch zwischen Ammoniak-Synthesegasgemisch und im Gegenstrom zu diesem geführten, einen Katalysator enthaltenden, flüssigen Ammoniak, Ammoniak mit Deuterium angereichert, wobei an der Stelle niedriger Deuteriumkonzentration eine Umwandlung von Synthesegasgemisch in flüssiges Ammoniak und an einer Stelle hoher Deuteriumkonzentration eine Umwandlung von Ammoniak in Synthesegasgemisch vorgenommen wird.
Hierbei wird in einer Endanreicherungsstufe aus der Voranreicherungsstufe entnommenes Ammoniak hoher Deuteriumkonzentration - nachdem aus dem vorangereicherten Ammoniak der Katalysator ausgeschieden und an eine Stelle niedriger Deuteriumkonzentration wieder in den Voranreicherungsprozess eingeleitet worden ist weiter aufbereitet und schliesslich als Endprodukt schweres Wasser gewonnen.
Eine weitere Ausführungsform für eine Anreicherungsanlage besteht in einer Rektifiziereinrichtung für Deuterium enthaltenden Wasserstoff.
Eine andere Möglicl;keit für eine Anreicherungsanlage besteht in einer bithermen Anlage von beispielsweise drei Isotopenaustauschtürmen, welche bezüglich eines in einem Kreislaufsystem zirkulierenden Zwischenträgermediums, z.B. flüssigen Ammoniaks, in Serie geschaltet sind, wobei in diesen Türmen ein Isotopenaustausch zwischen dem Zwischenträgermedium und einem mit Deuterium anzureichernden Medium stattfindet.
Die Durchsatzmengen derartiger Anreicherungsanlagen sind weitgehend abhängig von der Deuteriumkonzentration und der Menge des eingespeisten Stromes.
Die Erfindung hat es sich zum Ziel gesetzt, auf wirtschaftliche Art einen Speisestrom an Deuterium aufzukonzentrieren, so dass die Gesamtanlage in energetischer sowie konstruktiver Hinsicht aufgrund der erforderlichen, geringeren Durchsatzmengen günstiger wird.
Die Lösung dieses Problems wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass, zur Ausnützung der Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtskonstanten von zwei im gegenseitigen Isotopenaustausch stehenden Phasen und/ oder Stoffen, mehrere, in sich mehrstufige, im Gegenstrom arbeitende Austauschabschnitte in Serie hintereinander geschaltet werden, wobei von jeweils zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten der eine ein erstes Temperaturniveau und der daran anschliessende Abschnitt ein zweites Temperaturniveau besitzen, und wobei ferner je zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten ein Stoff- oder Phasenstrom gemeinsam ist, und dass ferner altemierend jeweils in einem Abschnitt der ersten Temperatur Deuterium mit Hilfe eines Zwischenträgermediums einem abzureichernden Stoff bzw.
einer abzureichernden Phase entzogen und in dem darauffolgenden Abschnitt der zweiten Temperatur auf einen anzureichernden Stoff bzw. eine anzureichemde Phase übertragen wird, und dass sich weiterhin die Strömungsmengen des in jedem Abschnitt der ersten Temperatur abzureichernden Stoffes zu denjenigen des in jedem darauffolgenden Abschnitt der zweiten Temperatur anzureichemden Stoffes mindestens annähernd verhalten wie das Verhältnis der effektiven Gleichgewichtskonstanten der am jeweiligen Austausch beteiligten Stoffe und/oder Phasen bei den genannten Temperaturen, und dass schliesslich auch die Strömungsmengen des Zwischenträgermediums in zwei aufeinanderfolgenden seiner Kreisläufe mindestens annähernd im Verhältnis der Gleichgewichtskonstanten Kt2/Ktl zueinander stehen.
Die effektive Gleichgewichtskonstante ergibt sich aus der theoretischen - bei unendlicher Stufenzahl eines Austauschturmes ermittelten - Gleichgewichtskonstante, die bekanntlich definiert ist als der Quotient der Produkte der Konzentrationen der an einer Austauschreaktion beteiligten Stoffe, unter Berücksichtigung einer endlichen Stufenzahl. Sie kann abgeschätzt oder experimentell ermittelt werden. Die Gleichgewichtskonstante ist, wie ebenfalls bekannt, temperatur- und druckabhängig, wobei bei den Prozessen dieser Anmeldung jedoch nur die Temperaturabhängigkeit zur Wirkung kommt, da die Drücke bei dem Konzentrierungsverfahren weitgehend konstant gehalten werden.
Die Wirkung des erfindungsgemässen Verfahrens beruht darauf, dass in jedem Doppelabschnitt - der aus zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten unterschiedlicher Temperatur besteht - eine mit konstantem Konzentrierungsfaktor erfolgende Aufkonzentrierung immer kleinerer rungsfaktor erfolgende Aufkonzentrierung immer kleine rer Stoffmengen erfolgt. Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass die insgesamt benötigten Durchflussmengen zur Erzielung einer bestimmten Aufkonzentrierung kleiner werden als bei bisherigen Konzentrierungsverfahren, z.B. in einer einzigen, bithermen Anlage bekannter Bauart.
Die Erfindung ermöglicht somit durch die Serienschaltung einer Mehrzahl von Abschnitten mit konstantem Konzentrierungsfaktor die Aufkonzentrierung eines Stromes in beliebigem Masse, so dass eine wirtschaftliche Ge staltung der Gesamtanlage erreicht wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann dabei mit den verschiedensten, wasserstoffhaltigen Zweistoff- und/oder Zweiphasen-Systemen durchgeführt werden. Derartige Systeme sind beispielsweise gasförmiger Wasserstoff flüssiges Ammoniak, natürliches Wasser - gasförmiger Wasserstoff, oder flüssiger Schwefelwasserstoff - flüssi- ges Wasser und andere. Bei dem Verfahren ist es möglich, als aufkonzentriertes Medium, das den letzten Abschnitt verlässt, um einer Anreicherungsanlage zugeführt zu wer den, den gleichen oder einen anderen Stoff zu verwenden wie in den vorhergehenden Abschnitten; z.B. kann als aufzukonzentrierendes Medium ein aus Wasserstoff und Stickstoff bestehendes Ammoniak-Synthese-Gasgemisch dienen, während in den vorhergehenden Abschnitten als gasförmige Phase z.B. reiner Wasserstoff vorhanden ist.
Selbstverständlich ist der in den ersten Abschnitt eingespeiste Strom aus einer äusseren Deuteriumquelle in seiner stofflichen Zusammensetzung und in seinem Aggregatzustand ebenfalls nicht an die im gegenseitigen Austausch stehenden Stoffe der nachfolgenden Abschnitte gebunden; es ist daher möglich, dass als äussere Deuteriumquelle natürliches Wasser oder ebenfalls ein Ammoniak-Synthese-Gasgemisch verwendet werden, während in den nachfolgenden Abschnitten als Zweistoff-Systeme gasförmiger Wasserstoff und flüssiges Ammoniak vorhanden sind.
Es hängt von der Phase und dem Stoff des Stromes aus der äusseren Deuteriumquelle, sowie von dem Stoff und der Phase des zweiten Stromes im ersten Abschnitt ab, ob die Temperatur des ersten Abschnitts höher ist als die Temperatur des darauffolgenden Abschnittes oder umgekehrt. Ebenso bestimmen Stoff und Phase des aufzukonzentrierenden Mediums, ob die Temperatur des letzten Abschnitts höher oder tiefer ist als die Temperatur des vorhergehenden Abschnitts.
Für das Zusammenwirken mit den eingangs beschriebenen, der erfindungsgemässen Aufkonzentrierung nachfolgenden Anreicherungsanlagen mit katalytisch gefördertem Isotopenaustausch zwischen Synthesegasgemisch und im Gegenstrom zu diesem geführten, flüssigen Ammoniak nimmt man einfachheitshalber als aufzukonzentrierendes Medium ein aus Stickstoff und Wasserstoff bestehendes Synthesegasgemisch.
Das aufkonzentrierte Medium kann jedoch auch als Speisestrom in eine weitere, mehrstufige, bitherme Anreicherungsanlage eingespeist werden, in der es eine Teilmenge des in dieser Anlage zirkulierenden, Deuterium abgebenden Stromes bildet. Die an sich bekannte bitherme Anreicherungsanlage, die der erfindungsgemässen Aufkonzentrierung nachgeschaltet ist, erlaubt im Gegensatz zu den erfindungsgemässen Austauschabschnitten mit konstantem Konzentrierungsfaktor eine beliebig hohe Deuteriumanreicherung.
Dafür sind jedoch die in einer solchen bithermen Anlage zirkulierenden Mengen grösser als die Ströme bei dem erfindungsgemässen Verfahren. Es ist jedoch vorteilhaft, bei höheren Eingangskonzentrationen und damit relativ kleinen Strömungsmengen im Anschluss an mehrere der erfindungsgemässen Abschnitte eine bestimmte Anzahl weiterer Abschnitte, die zu der gewünschten Aufkonzentrierung führen würden, durch eine derartige, bitherme Anreicherung zu ersetzen, da die insgesamt gesehen etwas ungünstigere, einzige, bitherme Anlage, die diese weiteren Abschnitte ersetzt, aufwandsmässig günstiger wird.
Wird als Aufkonzentrierungsmedium gasförmiger Wasserstoff verwendet, so kann dieser als Speisestrom direkt einer Rektifiziereinrichtung für Deuterium enthaltenden Wasserstoff zugeführt werden.
Wie gross die Anzahl der erfindungsgemässen Abschnitte im Einzelfall ist, hängt weitgehend von wirtschaftlichen Überlegungen ab, wobei die Gesamtkosten für Betrieb und Anlage einer bestimmten Anzahl der erfindungsgemässen Abschnitte gegen die durch diese Abschnitte erzielten Einsparungen in der nachfolgenden Anreicherungsanlage abgewogen werden müssen.
Eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder Austauschabschnitt mindestens einen Austauschturm mit mehreren Böden der ersten oder der zweiten Temperatur enthält, wobei jeder Turm Einspeise- u. Entnahmestellen für das Zwischenträgermedium besitzt, und dass ferner jeder Turm der ersten Temperatur Anschlussstellen für die Zu- und Wegführung des abzureichernden Stoffes und jeder Turm der zweiten Temperatur Anschlussstellen für die Zu- und Wegführung des anzureichernden Stoffes aufweist, wobei in jedem Turm die ihn durchsetzenden Ströme im Gegenstrom fliessen, ferner dadurch gekennzeichnet, dass jedem Abschnitt abwechselnd mindestens eine Wärmequelle oder eine -senke zugeordnet ist,
und dass schliesslich zwei aufeinanderfolgende Abschnitte durch Leitungen für den ihnen gemeinsamen Phasen- oder Stoffstrom verbunden sind. Dabei können vorteilhafterweise zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten als Teilwärmequelle oder -senke Wärmeaustauscher in den Leitungen für die den Abschnitten gemeinsamen Ströme vorgesehen sein.
Die Erfindung wird im folgenden mit Hilfe zweier Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Aufkonzentrierungsanlage mit einer anschliessenden bithermen Anreicherungsanlage, die nach dem gleichen Prinzip arbeitet, jedoch eine beliebig hohe Anreicherung erlaubt.
Fig. 2 zeigt die gleiche Aufkonzentrierungsanlage mit einer nachgeschalteten Anreicherungsanlage, die mit einem Isotopenaustausch zwischen einem Stickstoff und Wasserstoff enthaltenden Synthese-Gasgemisch und im Gegenstrom zu diesem fliessenden Ammoniak arbeitet.
Fig. 3 schliesslich gibt den Aufbau eines erfindungsgemässen Doppelabschnittes im Detail schematisch wieder.
Die Aufkonzentrierungsanlage 10 nach Fig. 1 besteht aus den Abschnitten 1 bis 6; jeder Abschnitt besitzt einen Austauschturm 7 bekannter Bauart mit mehreren Böden der von einem Deuterium abgebenden Stoff und im Gegenstrom dazu von einem Deuterium aufnehmenden Stoff durchsetzt wird, wie in Fig. 3 ausführlich gezeigt ist.
Bezüglich der verwendeten Stoffe und Phasen liegen dem Ausführungsbeispiel folgende Voraussetzungen zu grunde, auf denen auch die angegebenen Werte für die Mengenströme und die erreichten Deuteriumkonzentrationen basieren:
Der im Abschnitt 1 zugeführte, abzureichernde Strom a aus einer nicht dargestellten äusseren Deuteriumquelle besteht aus einem Stickstoff-Wasserstoff-Synthesegasgemisch, bei dem die Mengen der beiden Komponenten ihrem stöchiometrischen Verhältnis für die Ammoniaksynthese entsprechen. Die Strömungsmengen des Stromes a, die als Bezugsmenge für alle weiteren Mengenströme dient, ist zum Beispiel 1 Mol Synthesegasgemisch zur Erzeugung eines Moles Ammoniak, d.h. also die Strommenge n be steht aus 1% Mol Stickstoff und 3/2 Mol Wasserstoff.
Die Eingangsdeuteriumkonzentration des Stromes a, die ebenfalls wieder als Basis für die nachfolgenden Kon zentrationsangaben dient, sei N, während seine Aus gangskonzentration nach der Abreicherung im ersten Ab schnitt 0,2 N beträgt. Als Deuterium aufnehmender Stoff des ersten Abschnitts und damit gleichzeitig als Zwischen trägermedium, durch das Deuterium auf den zweiten
Abschnitt übertragen wird, dient flüssiges Ammoniak.
Der die beiden ersten Abschnitte 1 und 2 verbindende
Ammoniakstrom ist mit b bezeichnet.
In diesem Falle erfolgt ein Deuterium-Übergang gasförmig-flüssig vorzugsweise bei tiefen Temperaturen. Die
Temperatur tl im ersten Abschnitt beträgt daher - 500C, womit sich eine effektive Gleichgewichtskonstante Ktl von
5 zwischen den Strömen a und b im Abschnitt 1 ergibt.
Die im Strom b fliessende Ammoniakmenge beträgt n/5.
Verlässt der Strom a den Abschnitt 1 mit 0,2 N, so ist aufgrund von Kti die Eingangskonzentration des Stro mes b in den Abschnitt 1 ebenfalls N, und die des den
Abschnitt 1 verlassenden Ammoniakstromes 5 N.
Im Abschnitt 2, der zusammen mit Abschnitt 1 einen ersten Doppelabschnitt oder eine erste Verstärkerstufe A bildet, gibt der Strom b einen grossen Teil seines Deute riums an den Strom c ab, der aus Wasserstoff besteht. Der
Turm 7b des Abschnittes 2 besitzt daher die für den Übergang flüssig-gasförmige, in diesem Fall günstigere, höhere Temperatur t2, die beispielsweise + 500C beträgt.
Die zugehörige effektive Gleichgewichtskonstante Kts für den Übergang flüssig-gasförmig bei der Temperatur t2 ist 2.
Für den Doppelabschnitt A ergibt sich somit ein Ver hältnis der beiden Gleichgewichtskonstanten Ktl/Kt2 gleich 5/2, so dass diese Verstärkungsstufe A einen Kon zentrierungsfaktor von 2,5 besitzt.
Die im Strom c zirkulierende Menge müsste daher er findungsgemäss 3/5 betragen; durch den Übergang der
Gasphase von Synthesegasgemisch im ersten Abschnitt auf Wasserstoff im zweiten Abschnitt ergibt sich jedoch unter Berücksichtigung dessen, dass der Strom a 3/2 Mol
Wasserstoff enthält, für den Strom c eine Menge von
2/5 X 3/2 gleich 3/5 n.
An den ersten Doppelabschnitt schliessen sich in ihrem
Aufbau identische Doppelabschnitte B und C an, die aus den Abschnitten 3 und 4 bzw. 5 und 6 bestehen und die gleichen Austauschtemperaturen tl und t2 besitzen.
Der Strom c, der angereichert den Abschnitt 2 verlässt, bildet im Abschnitt 3 den abzureichernden Stoff, der
Deuterium an das im Strom d fliessende, als Zwischen medium dienende Ammoniak abgibt.
Abgesehen von anderen Deuteriumkonzentrationen und Strömungsmengen unterscheiden sich die Abschnitte 3 und 5 von dem Abschnitt 1 nur dadurch, dass als Gasphase in den Abschnitten 3 und 5 Wasserstoff verwendet wird. Ebenso sind - wiederum abgesehen von den unterschiedlichen Konzentrationen und Mengen - Abschnitt 4 und 6 mit Abschnitt 2 identisch. An den zirkulierenden Strömen d bis g der Abschnitte 3 bis 6 sind wiederum die Strömungsmengen in Bruchteilen von n und die Deuteriumkonzentration in Vielfachen von N angegeben. Diese Bruchteile und Vielfache ergeben sich wiederum aus dem Verhältnis der Konstanten Kt,/Ktl bzw. Ktl/Kt2.
Da die Temperaturen tl und t2 gegenüber den Abschnitten 1 und 2 unverändert bleiben, errechnet sich die Mengenabnahme zwischen zwei, in der Zeichnung senkrecht untereinanderliegenden Strömen durch Multiplikation mit jeweils dem Faktor 2/5, während die Konzentration jeweils von einem Strom auf den senkrecht darunter gezeichneten Strom um den Faktor 2,5 zunimmt.
In den Türmen 7a bis 7f sind als Symbole für den kalten Turm der Buchstabe k und für den warmen Turm der Buchstabe w eingetragen, sowie die zugehörigen Deu- teriumübergänge durch Pfeile angedeutet.
Als Besonderheit für den Abschnitt 6 sei noch erwähnt, dass die Eingangskonzentration des aufzukonzentrierenden Medium stromes g nicht grösser sein darf als zumal die Konzentration des mit ihm im Austausch stehenden Ammoniakstromes f, also Ng < 3,12 N, da andernfalls im Turm 7f aufgrund der Gleichgewichtskonstanten Kt zunächst ein Deuteriumübergang von g nach f stattfindet.
Es sei noch erwähnt, dass die zur Erzeugung der jeweiligen Temperaturen tl und t2 erforderlichen Wärmequellen und -senken sowie Wärmeaustauscher der besseren übersicht wegen nicht dargestellt worden sind.
Des weiteren sei erwähnt, dass einer beliebigen Anzahl der beschriebenen und gezeigten Verstärkerstufen ohne weiteres einzelne Abschnitte 1 bzw. 2 vor- und/oder nachgeschaltet sein können, wenn zum Beispiel als äussere Deuteriumquelle natürliches Wasser, das sein Deuterium an einen gasförmigen Wasserstoffstrom abgibt, benutzt wird, oder wenn als aufkonzentriertes, die Anlage 10 verlassendes, Medium flüssiges Ammoniak verwendet werden soll.
An die Aufkonzentrierungsanlage 10 schliesst sich in Fig. 1 eine bitherme Anreicherungsanlage 20 an, die aus zwei Austauschtürmen 21a und 21b mit der Temperatur tl und aus einem Austauschturm 22 mit der Temperatur t2 besteht. Auch diese Türme besitzen selbst wiederum mehrere Böden, zum Beispiel etwa 10. Als gasförmige Phase in der Anlage 20 dient Wasserstoff, während als flüssige Phase wiederum Ammoniak verwendet wird, dessen Strom mit o bezeichnet ist.
Die gasförmige Phase wird gebildet aus dem aufkonzentrierten Strom g und einem dauemd in der Anlage 20 zirkulierenden Strom h, der in seiner Menge etwa 0,5 g beträgt, so dass der Turm 21a von dem Strom i = h + g gleich 1,5 g durchsetzt wird.
Wie schon erwähnt, lässt sich in einer derartigen bithermen Anlage eine beliebig hohe Anreicherung erhalten.
Das beruht darauf, dass über die Türme 21b und 22 eine interne Deuteriumzirkulation zwischen den Strömen h und o stattfindet, wodurch eine kontinuierliche Anreicherung dieser beiden Ströme zwischen den Türmen 21b und 22 erreicht wird. Damit kann aber zum Beispiel an der Stelle 23 ein Strom m der Anlage 20 entnommen werden, der eine beliebige Deuteriumkonzentration besitzt, die von der Entnahmemenge m abhängt und beispielsweise 150 N beträgt.
An der Stelle 24 wird der weiterverarbeitete und abgereicherte Strom m wieder in die Anlage eingespeist, wobei seine Abreicherung bei der Weiterverarbeitung vorteilhafterweise so gewählt wird, dass seine Eingangskonzentration in die Anlage 20 etwa der Konzentration des an der gleichen Stelle eingespeisten Stromes g entspricht.
Die Konzentrationen an Deuterium für jeden Strom nach dem Austauschturm 21a ergeben sich wieder aus der Gleichgewichtskonstanten Ktl für den Übergang bei der Temperatur tl, so dass sich in diesem Turm 21a der Strom i auf 3,12 N abreichert, während gleichzeitig das Ammoniak auf 78 N angereichert wird. Aus der Konstanten Kti ergibt sich weiterhin die in dem Ammoniakkreislauf o benötigte Menge - unter Berücksichtigung der Konstanten Krs des Turmes 22 sowie unter Voraussetzung im Gleichgewicht stehender Deuteriumkonzentrationen der Ströme h und o am Eintritt des gasförmigen Mediums in diesen Turm - zu ungefähr 1/60 n.
Anhand der in Fig. 1 gezeigten Gesamtanordnung lässt sich auch der mit der Erfindung erzielte technische Fortschritt erläutern. Ersetzt man nämlich die Anordnung nach Fig. 1 durch eine einzige bitherme Anlage gleich der Anlage 20, so müssen die konstruktiv und energetisch besonders aufwendigen, kalten Türme sowie ihre Kälteerzeugungsanlagen zur Erzielung der gleichen Anreicherung (zum Beispiel 150 N im Gasstrom) für eine Feed-Menge aus einer äusseren Deuteriumquelle von 2 n ausgelegt werden; denn durch den dem Turm 21a entsprechenden Turm flösse die Menge 1,5 n und durch den dem Turm 21b entsprechenden Turm die Menge 0,5 n.
Demgegenüber lässt sich zeigen, dass mit der Erfindung die benötigte Gesamtmenge kleiner als 2 n wird, wie man aus einer Reihenentwicklung unter Annahme einer unendlichen Anzahl von Austauschabschnitten in der Aufkonzentrierungsanlage 10 errechnen und danach für die gezeigte Gesamtanlage 10 und 20 abschätzen kann.
Die gleichen Vorteile der Erfindung ergeben sich auch, wenn die Anlage 10 einer anderen Anreicherungsanlage nachgeschaltet wird (Fig. 2). Um aufzuzeigen, dass die Aufkonzentrierungsanlage 10 unabhängig von der Ausbildung der anschliessenden Anreicherungsanlage ist, ist in Fig. 2 eine, aus einem sogenannten monothermen System bestehende Anreicherungsanlage 30 angeschlossen, die schon an anderer Stelle im Detail beschrieben ist, und in welcher ein Isotopenaustausch zwischen einem aus Stickstoff und Wasserstoff bestehenden Synthesegasgemisch und flüssigem Ammoniak stattfindet. Der Aufbau des Anlageteils 10 entspricht demjenigen von Fig. 1.
In diesem Teil der Fig. 2 sind daher nur die für die nachfolgende Anreicherungsanlage wichtigen Angaben bezüglich der Konzentrationen und der Mengen eingetragen, wobei für die Bestimmung der im Strom g fliessenden Gasmenge zu beachten ist, dass in diesem Fall in dem Strom g ein Ammoniak-Synthesegasgemisch strömt. Die Strömungsmenge ng im Strom g ist daher zahlenmässig nicht identisch mit derjenigen in Fig. 1, sondern unter Berücksichtigung der im Synthesegasgemisch vorhandenen Wasserstoffmenge um den Faktor 2/3 kleiner.
Das monotherme System bekannter Ausführungsart weist Austauschtürme 31 und 32 der Temperatur tl mit mehreren Böden sowie eine Syntheseeinrichtung 33 und eine Cracking-Einrichtung 34 auf. Der der Anlage 10 zur Aufkonzentrierung zufliessende Strom g wird an der Stelle 35 aus dem die Einrichtungen 33 und 34 durchsetzenden Kreislauf p entnommen und nach seiner Aufkonzentrierung an der Stelle 36 in den Strom p wieder eingespeist, während die Produktentnahme aus dem Strom p zur Weiterverarbeitung an der Stelle 37 und die Rückführung des abgereicherten Produktstromes ebenfalls an der Stelle 36 erfolgen. Der Produktstrom ist wie in Fig. 1 mit m bezeichnet.
Zwischen den Stellen 35 und 36, also durch den Anlageturm 31 fliesst die Menge g + p = r, während der kalte Turm 32 nur von der Menge p durchsetzt wird.
Wie in Fig. 1 sind wiederum die sich aus der Gleichgewichtskonstanten Kti ergebenden Anreicherungen, bezogen auf die Konzentration N = 1 des Stromes a im Anlageteil 10, und ebenso die in der Anlage 30 fliessenden Mengen, bezogen auf die Menge n des Stromes a, angegeben. An der Stelle 37 lässt sich, ähnlich wie in der Anlage 20 der Fig. 1, wiederum eine beliebig hohe, von der Produktentnahmemenge m abhängige Anreicherung erzielen. Diese beruht wiederum auf einem internen, sich verstärkenden Deuteriumkreislauf durch den Turm 32 und die Cracking-Einrichtung 34.
Fig. 3 stellt in einem Ausschnitt aus Anlage 10 schematisch den Aufbau eines kalten Abschnittes, zum Beispiel des Abschnitts 3, mit der Temperatur tl und des darunterliegenden warmen Abschnittes 4 mit der Temperatur t2, also die Verstärkerstufe B, dar.
Wie im Turm 7d gezeigt, besitzt jeder Austauschturm 7 in an sich bekannter Weise mehrere, zum Beispiel etwa 10 bis 15, Böden 40d, von denen nur drei dargestellt sind.
Die Druckverteilung innerhalb eines Turmes 7 ist dabei so, dass unten der höchste Druck von etwa 300 Atm herrscht, der v. Boden zu Boden abnimmt. Daher kann die Gasphase, also der Strom e im Abschnitt 4, in deren Kreislauf zur Aufheizung des aus dem darunterliegenden kalten Abschnitt kommenden Stromes auf die Temperatur 12 eine von aussen beheizte Wärmequelle 41 vorgesehen ist, den jeweiligen Turm 7 ohne besondere Hilfsmittel von unten nach oben durchströmen, wobei die sie führende Leitung an der Anschlussstelle 42 in den Turm 7 eintritt. Der Gasstrom reisst mit Hilfe der Ejektordüsen 43 auf jedem Boden befindliche Flüssigkeit, in dem gewählten Beispiel also Ammoniak, mit.
Zwischen den mitgerissenen Ammoniakteilchen und dem Wasserstoff kommt es dann in dem über dem Flüssigkeitsspiegel jedes Bodens 40 vorhandenen Gasraum zu dem gewünschten Deuteriumaustausch, ehe der Gasstrom den nächsten Boden 40 durchströmt und schliesslich den Turm 7 durch eine Leitung, die an der Stelle 44 angeschlossen ist, verlässt.
Im Gegenstrom dazu wird als Flüssigkeitsphase Ammoniak im Strom d geführt. Der Ammoniakstrom d verlässt den kalten Turm 7c des Abschnittes 3 an der Stelle 45c, durchsetzt einen Wärmeaustauscher 46d, in dem Wärme intern von dem warmen, in den Abschnitt 3 zurückfliessenden auf den kalten, dem Abschnitt 4 zufliessenden Zweig des Stromes d übertragen wird, wird anschliessend in einer von aussen beheizten Wärmequelle 47d auf die gewünschte Temperatur t2 aufgeheizt und gelangt von der Anschlussstelle 48 d auf den obersten Boden 40d des Turmes 7d.
Der Transport der flüssigen Phase innerhalb eines Turmes 7 erfolgt von Boden zu Boden mit Hilfe von Pumpen 49. Von der Stelle 45d aus wird der Strom d über den Wärmeaustauscher 46d in den Abschnitt 3 zurückgeführt, wobei er zuvor zu seiner Abkühlung auf die Temperatur tl eine Wärmesenke oder Kältequelle 50c durchsetzt.
In den Turm 7d mündet ferner eine Leitung 51d, die, wie im Abschnitt 3 für den Strom c gezeigt, im Strom e dampfförmig mitgenommene und in einer Kältequelle 52 aus diesem Strom e auskondensierte Flüssigkeit mittels einer Pumpe 53 in den Turm 7d zurückführt.
Wie für Abschnitt 3 gezeigt, ist in jedem Gasstrom darüber hinaus ein Wärmeaustauscher 54, angeordnet, durch den der aus einem warmen Turm 7 kommende Zweig eines Gasstromes durch Wärmeabgabe an seinen, dem warmen Turm zufliessenden Zweig vorgekühlt wird, ehe er in die Kältequelle 52 gelangt.
In den Erhitzem 47 ausgetriebenes, zuvor in der flüssigen Phase aufgelöstes Gas wird schliesslich von den Leitungen 55 in den zugehörigen Gasstrom zurückgeführt.
Es sei noch erwähnt, dass an den Wärme- und Kältequellen sowie den Wärmeaustauschern die hinein- oder heraus- bzw. übergehenden Wärmemengen durch q symbolisiert und die Fliessrichtung der Wärme durch kleine Pfeile angedeutet ist.
PATENTANSPRUCH I
Verfahren zur Aufkonzentrierung von Deuterium in einem mindestens Wasserstoff enthaltenden Medium, das als Speisestrom einer Anreicherungsanlage zugeführt und schliesslich zur Herstellung von schwerem Wasser benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass, zur Ausnützung der Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtskonstanten (K) von zwei im gegenseitigen Isotopenaustausch stehenden Phasen und/oder Stoffen, mehrere, in sich mehrstufige, im Gegenstrom arbeitende Austausch abschnitte (1 bis 6) in Serie hintereinander geschaltet werden, wobei von jeweils zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten (1 bis 6) der eine (1, 3, 5) ein erstes Temperatumiveau (tl) und der daran anschliessende Abschnitt (2, 4, 6) ein zweites Temperaturniveau (t2) besitzen, und wobei ferner je zwei aufeinanderfolgenden Abschnitten ein Stoff- oder Phasenstrom (b bis f) gemeinsam ist,
und dass ferner altemierend jeweils in einem Abschnitt (1, 3, 5) der ersten Temperatur (tl) Deuterium mit Hilfe eines Zwischenträgermediums einem abzureichernden Stoff bzw. einer abzureichernden Phase entzogen und in dem darauffolgenden Abschnitt (2, 4, 6) der zweiten Temperatur (t2) auf einen anzureichernden Stoff bzw.
eine anzureichernde Phase übertragen wird, und dass weiterhin sich die Strömungsmengen (a, c, e) des in jedem Abschnitt (1, 3, 5) der ersten Temperatur (tl) abzureichernden Stoffes zu denjenigen (c, e, g) des in jedem darauffolgenden Abschnitt (2, 4, 6) der zweiten Temperatur (t2) anzureichemden Stoffes mindestens annähernd verhalten wie das Verhältnis der effektiven Gleichgewichtskonstanten (Kt2/Ktl) der am jeweiligen Austausch beteiligten Stoffe und/oder Phasen bei den genannten Temperaturen (tl, t2), und dass schliesslich auch die Strömungsmengen (b, d, f) des Zwi schenträgermediums in zwei aufeinanderfolgenden seiner Kreisläufe mindestens annähernd im Verhältnis der Gleichgewichtskonstanten Kt2/Ktl zueinander stehen.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das aufkonzentrierte Medium (g) als Speisestrom in eine weitere, mehrstufige, bitherme Anreicherungsanlage (20) eingespeist wird, in der es eine Teilmenge (g) des in dieser Anlage (20) zirkulierenden, Deuterium abgebenden Stromes (i) bildet.
2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das aufkonzentrierte Medium (g) ein aus Stickstoff und Wasserstoff bestehendes Synthesegasgemisch ist.
3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das aufkonzentrierte Medium (g) gasförmiger Wasserstoff ist.
PATENTANSPRUCH II
Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Austauschabschnitt (1 bis 6) mindestens einen Austauschturm (7) der ersten (tal) oder der zweiten Temperatur (to) mit mehreren Böden (40) enthält, wobei jeder Turm (7) Einspeise- (48) und Entnahmestellen (45) für das Zwischenträgermedium besitzt, und dass ferner jeder Turm (7a, 7c, 7e) der ersten Temperatur (tl) Anschlussstellen (42a, 42c, 42e; 44a, 44c, 44e) für die Zu- und Wegführung des abzureichernden Stoffes und jeder Turm (7b, 7d, 7f) der zweiten Temperatur Anschlussstellen (42b, 42d, 42f;
; 44b, 44d, 44f) für die Zu- und Wegführung des anzureichernden Stoffes aufweist, wobei in jedem Turm (7) die ihn durchsetzenden Ströme (a bis g) im Gegenstrom fliessen, ferner dadurch gekennzeichnet, dass jedem Abschnitt (1 bis 6) abwechselnd mindestens eine Wärmequelle (41, 47) oder eine -Senke (50, 52) zugeordnet ist, und dass schliesslich zwei aufeinanderfolgende Abschnitte durch Leitungen für den ihnen gemeinsamen Phasen- oder Stoffstrom verbunden sind.