DE1274564B - Verfahren zum Trennen der beiden Isotopenformen des Wassers - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES S/WWW> PATENTAMT Int. CL:

COIb

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche KL: 12 i-5/02

Nummer: 1274 564

Aktenzeichen: P 12 74 564.1-41 (S 73561)

Anmeldetag: 19. April 1961

Auslegetag: 8. August 1968

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur wesentlichen Verbesserung des Trennfaktors von schwerem und leichtem Wasser.

Es ist häufig, insbesondere in der Atomtechnik, erforderlich, zwei in einer Phase, z. B. der flüssigen Phase, anwesende vermischte isotope Formen ein und desselben Stoffes voneinander zu trennen.

Da aber diese Isotopen sich in ihren physikalischen Merkmalen nur sehr wenig unterscheiden, ist eine solche Trennungsoperation bekanntlich schwierig, langwierig und kostspielig. So unterscheiden sich unter Atmosphärendruck beispielsweise die Gefrierpunkte der Bestandteile des normalen Wassers, das bekanntlich aus leichtem und schwerem Wasser in einem Verhältnis von 98,5:1,5 besteht, nur um 3,8° C, während die Siedepunkte nur um ungefähr 1,4° C auseinanderliegen, so daß ihre Trennung, beispielsweise im Wege der fraktionierten Destillation, sehr kostspielig ist, weil komplizierte Apparaturen und Destillationsoperationen angewandt werden müssen.

Es ist bekannt, die Trennung unter gewissen Bedingungen zu verbessern, indem man dem Gemisch einen dritten Stoff zusetzt, der auf Grund eines Affinitätsunterschiedes gegenüber den beiden Isotopen oder durch irgendeinen anderen Effekt den Abstand ihrer physikalischen Merkmale ändert. So ist beispielsweise die Abtrennung des schweren Wassers aus einem salzhaltigen Wasser geeigneter Konzentration unter im übrigen gleichen Bedingungen leichter als bei gewöhnlichem Wasser. Dies ist in den französischen Patentschriften 1188 904 und 1189 393 beschrieben.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Trennen der beiden Isotopenformen des Wassers durch fraktionierte Destillation, das dadurch gekennzeichnet ist, daß dem zu behandelnden Wasser Brom und/oder Bromwasserstoff zugesetzt wird. Da das Brom ein zur Wiedergewinnung vorgesehener Reaktionsteilnehmer ist, kommt es darauf an, es möglichst rationell einzusetzen. Brom ist ohnehin in Wasser wenig löslich, und ein optimaler Reaktionsablauf ergibt sich bei 2 bis 3 g Brom im Liter. Unterwirft man beispielsweise ein Wasser, das Brom in einer Menge von weniger als beispielsweise 7 g/l enthält, dem fraktionierten Ausfrieren oder der fraktionierten Destillation, so ist zu beobachten, daß sich das schwere Wasser wirksamer als bei gewöhnlichem Wasser abtrennen läßt. Beispielsweise geht die fraktionierte Destillation so vor sich, als ob das Brom infolge eines Affinitätsunterschiedes gegen beide Isotopen des Wassers deren Verteilung in der flüssigen

Verfahren zum Trennen der beiden
Isotopenformen des Wassers

Anmelder:

Societe Commerciale des Salins du Midi, Paris

Vertreter:

Dr.-Ing. Dr. jur. H. Mediger sen., Patentanwalt,

8000 München 90, Aggensteinstr. 13

Als Erfinder benannt:

Henri Louis Marcel Guinaudy,

Salies-du Salat, Haute-Garonne (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 19. April 1960 (824 687),
vom 7. April 1961 (858 122)

und in der Dampfphase merklich modifiziert. Die

as physikalischen und chemischen Eigenschaften des schweren und des leichten Wassers werden in ihrem gegenseitigen Abstand modifiziert, weil die fraktionierte Destillation des Wassers mit auf die chemischen Gleichgewichte trifft, die durch die Einführung des erfindungsgemäßen dritten Stoffes in das Wasser zustande kommt. Man erzielt auf diese Weise eine größere und raschere Anreicherung an schwerem Wasser (Deuteriumoxyd D₂O) der einen auf Kosten der anderen Phase. Dabei kann der Trennungsfaktor beispielsweise den Wert von 1,1 überschreiten, während die Destillationsverfahren ohne Zusatz dieses dritten Stoffes stets unter dem Trennungsfaktor 1,025 bleibt. Die Erfindung führt also zu erheblichen Einsparungen an apparativem Aufwand und Energiekosten.

Wenn man beispielsweise erfindungsgemäß gewöhnlichem Wasser eine angemessene Menge Brom, etwa 2 bis 3 g/l zusetzt und zur Erzielung eines an D₂O angereicherten Wassers destilliert, so läßt sich

die Operation unter im übrigen gleichen Bedingungen in einer Kolonne ausführen, welche viermal weniger theoretische Böden besitzt, theoretisch sechzehnmal weniger Raum einnimmt und sechzehnmal weniger Energie verbraucht, als mit gewöhnlichem Wasser erforderlich wäre.

Das Verfahren der Erfindung ist besonders vorteilhaft, weil die aufgewendeten Brommengen ebenso

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wie die aufgewendete Wärmeenergie gut und wirt- Sprühregen herabfällt und dabei das Brom verliert, schaftlich weitgehend zurückgewonnen werden kön- das im Scheider 6 dem Dampf noch nicht entzogen nen. Das aus dem die Destillierkolonne verlassenden werden konnte. Das aus dem Sprühregen frei wer-Stoffgemisch wiedergewonnene Brom wird im Kreis- dende Brom gelangt durch die Leitung 12 zur Leilauf zurückgeführt und dem zur Destillationskolonne 5 tung 13, wo es sich mit dem aus dem Scheider 6 strömenden Frischwasser zugesetzt. Damit qualifi- kommenden wiedergewonnenen Brom vereinigt, und ziert sich das Isotopenanreicherungsverfahren der liefert dann das brombeladene Wasser, welches entErfindung für großtechnischen Betrieb. weder zum Verdampfer 2 oder nach Durchschreiten Anwendbar sind Wiedergewinnungsmethoden, die des Wärmeaustauschers 8 über die Leitung 14 zum zum Stand der Technik gehören. Beispielsweise be- ίο Kopf der Destillationskolonne 1 befördert wird. Das nutzt man Chlor zur Wiedergewinnung des Broms, vom Brom befreite Wasser in der Kammer 11 wird worauf selbstverständlich das Chlor seinerseits eben- am unteren Ende derselben gesammelt und zu einer falls wiedergewonnen wird. Nach einer anderen Entchlorungskammer 15 geführt. In dieser wird eine Methode kann das Brom durch Zentrifugieren des Temperatur von ungefähr 98° C aufrechterhalten, gasförmigen Gemisches von Wasserdampf und 15 um aus dem restlichen, an D₂O verarmten Wasser, Bromdampf wiedergewonnen werden. das durch die Leitung 16 abläuft, die frei werdenden F i g. 1 zeigt das Schema der ersten, Chlordämpfe zu gewinnen. Die dabei noch abgeführ-F i g. 2 das Schema der zweiten Ausführungsform. ten Wärmemengen können in weiteren Wärmeaus-Elemente, die beiden Ausführungsformen gemein- tauschern wiedergewonnen werden, die in der Figur sam sind, tragen gleiche Bezugszeichen. 20 nicht mehr dargestellt sind. Das an D₂O ange-Nach der ersten Ausführungsform (F i g. 1) um- reicherte Wasser wird durch die Leitung 17 abfaßt die Einrichtung zur destillierenden Abtrennung gezogen.

des schweren Wassers Die entsprechenden Mengen an Brom und Chlor

wurden durch die Ventilstutzen 18 bzw. 19 in das

1. eine Destillationskolonne, _{a5 System e}i_ngeführt, durch welche auch, wenn es not-

2. ein System zur Wärmewiedergewinnung, das wendig wird, im Laufe der Operation eine Zugabe einerseits einen mechanischen Kompressor zur dieser Stoffe erfolgen kann.

Wiedergewinnung der latenten Wärme des Was- Die beschriebene Einrichtung ist, wie der Fachserdampfes und andererseits einen Wärmeaus- mann ohne weiteres sieht, zahlreicher Variationen tauscher zur Wiederaufheizung des zu fraktio- 30 fähig, ohne das Prinzip des Systems zu verändern, nierenden Wassers durch aus dem an D₂O ver- Insbesondere kann jede andere geeignete Einrichtung armten Wasser wiedergewonnene Wärme um- zur Wiedergewinnung des Broms und des Chlors befaßt, nutzt werden.

3. ein System zur Wiedergewinnung des Broms, . ^E££ ^andef ¹¹⁰⁰J¹ ^jff™ ™^d ™l^Sf^a*£^ch?^K beispielsweise mit Hilfe von Chlor, bestehend ³^ Ausfuhrungsform der Erfindung bewirkt die Wiederaus einer Kammer zum Versprühen von mit gewinnung des Broms durch Zentrifugieren des gas-Brom versetztem Wasser und einem auf etwa innigen Gemisches aus Wasserdampf und Bromunter 10O⁰C beheizten Raum (mit Wärme- ^damP|> ^wobei der Bromdampf nach der Scheidung wiedergewinnung durch Oberflächenaustausch) ^vom Wasserdampf kondensiert und das so wiederzur Wiedergewinnung des Chlors, das praktisch ⁴° Sswa^Jfrom in den Kreislauf zurückgeführt bei 100° C unlöslich ist (diese Bromgewinnung ™^T.^d- ^EmeJ¹¹^ geeignete Apparatur isi. beispielsist rein beispielsmäßig zu verstehen, da auch f^eise ein Turbokompressor Dabei wird der wieder andere Methoden, beispielsweise Wiederauf- komprimierte Wasserdampf in den Wanneausnahme mit Schwefelkohlenstoff oder Ausnut- ^taus<*^er zurückgeführt wie bei der zuerst beschnebezung der Unlöslichkeit des Broms in der Wärme ⁴⁵ nen Apparatur.

u. dgl. hier angewandt werden können). Die Apparatur nach F ig. 2 besteht aus einer

statischen oder dynamischen Destillationskolonne 1,

Gemäß F i g. 1 läuft das mit Brom versetzte Wasser einem System zur Wärmegewinnung, gebildet aus in der Gegenstromdestillationskolonne 1 nach unten einem Turbokompressor 23 zur Wiedergewinnung und gelangt in den unterhalb derselben angeordneten 50 der latenten Wärme des Wasserdampfes und einem Verdampfer 2, während der aus dem Verdampfer Oberflächenwärmeaustauscher 8 zum Aufheizen des frei werdende Dampf von unten nach oben durch zu destillierenden Wassers mit der wiedergewonnedie Kolonne 1 strömt und dann zuerst den Korn- nen Wärmeenergie, sowie einem System zur Wiederpressor3 und schließlich über die Leitung 4 eine gewinnung des Broms durch zentrifugierende Tren-Schlange 5 durchströmt, welche zum Aufheizen des 55 nung von Wasserdampf und Bromdampf und Konmit Brom versetzten Wassers im Verdampfer 2 dient. densation des Bromdampfes in einem Oberflächen-Der noch heiß aus der Schlange 5 austretende Dampf kondensator, der mit natürlichem Wasser gespeist durchströmt dann den Scheider 6, wo er durch die wird. Die Apparatur funktioniert wie folgt: Leitung 6 a einen Teil seines Bromgehaltes abgibt, In der Gegenstromdestillierkolonne 1 strömt das und gelangt dann durch die Leitung 7 in den Ober- 60 mit Brom beladene Wasser nach abwärts und geflächenaustauscher 8, der andererseits das durch die langt in den unterhalb der Kolonne angeordneten Leitung 9 zugeführte natürliche Wasser aufheizt, Verdampfer 2, während der aus dem Verdampfer welches dann durch Auflösen des wiedergewonnenen frei werdende Dampf von unten nach oben aus der Broms zur Destillation im Sinn der Erfindung vor- Kolonne 1 strömt und zum Turbokompressor 23 gebereitet wird. 65 langt, wo die Trennung des Bromdampfes vom

Der aus dem Wärmeaustauscher 8 austretende Wasserdampf stattfindet. Der komprimierte Wasserkondensierte Dampf (Kondenswasser) wird durch die dampf gelangt durch die Leitung 24 in die Schlange 5 Leitung 10 zu einer Kammer 11 geleitet, in der er als des Verdampfers 2 und dient zum Aufheizen des mit

Brom beladenen Wassers. Der noch heiß aus dieser Schlange ausströmende Dampf strömt durch den Wärmeaustauscher 8, wo er das durch die Leitung 29 zufließende natürliche Wasser aufheizt. Das Kondenswasser wird in der Leitung 30 gesammelt. Der im Turbokompressor wiedergewonnene Bromdampf wird durch die Leitung 12 gedrückt, im Kondensator 33 verdichtet und dann mit natürlichem Wasser entweder im Verdampfer 2 oder im Wärmeaustauscher 8 zugesetzt, um das zur Destillation bestimmte Gemisch zu bilden. Zusatz von Brom kann gegebenenfalls durch den Ventilstutzen 18 erfolgen.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Trennen der beiden Isotopenformen des Wassers durch fraktionierte Destillation, dadurch gekennzeichnet, daß dem zu behandelnden Wasser Brom und/oder Bromwasserstoff zugesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzstoff in Mengen von 2 bis 3 g/l angewendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das angewandte Brom laufend nach an sich bekannten Methoden aus dem die Destillierkolonne verlassenden Stoffgemisch wiedergewonnen und im Kreislauf zurückgeführt und dem zur Destillationskolonne strömenden Frischwasser zugesetzt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Französische Patentschriften Nr. 1188 904,
393.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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