DE2939223C2

DE2939223C2 - Mehrstufige Isotopenaustauschersäule zur Gewinnung von schwerem Wasser

Info

Publication number: DE2939223C2
Application number: DE2939223A
Authority: DE
Inventors: Shohei Isomura; Ryohei Nakane; Masami Tokyo Shimizu
Original assignee: RIKEN
Current assignee: RIKEN
Priority date: 1978-09-27
Filing date: 1979-09-27
Publication date: 1983-12-15
Also published as: US4314972A; CA1129332A; FR2437239A1; JPS5544377A; JPS585691B2; DE2939223A1; FR2437239B1

Description

a) eine Sprüheinheil (24,34) für das Wasser,

b) einen oberhalb dieser Sprüheinheit (24, 34) angeordneten Wassersammler (25,35).

c) eine Verbindung (26, 36) zwischen Wasser- is sammler (25, 35) und Sprüheinheit (24.34). die durch eine unterhalb des Wassersammlers (25, 35) liegende, mit dem hydrophoben Katalysator gefüllte Austauscher-Kontaktzone (23,33) läuft, und

d) eine Wasserdampf/Wasser-Verweileinheit (22, 32).

2. Mehrstufige Kolonne nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der Wassersammler als perfoneuer Konus (25) ausgebildet:^

3. Mehrstufige Kolonne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassersammler als aus einer Platte (38) und mehreren abgedeckten Rohren (35) bestehende Glockcnbodenebene ausgebildet ist. x>

4. Mehrstufige Kolonne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gek^nzeichnet, daß die Verweileinheit (22, 3?) eine Netzwerkstruktur aufweist.

Die Erfindung betrifft eine mehrstufige Kolonne zum *> Isotopenaustausch zwischen Wasserstoff und Wasser, insbesondere zur Gewinnung von schwerem Wasser, unter Verwendung eines hydrophoben Katalysators zur Förderung der Wasserstoff/Wasserdampf-Isotopenaustauschreaktion.

Die erfindungsgemäßen Isotopenaustauschersäulen enthalten in jeder Stufe eine obeniiegende Wasserdampf/Wasser- Verweiieinheit, eine darunterliegende mit einem hydrophoben Katalysator gefüllte Austauscher-Kontaktzone und eine Einrichtung zum Sammeln, Abführen und Versprühen des aus der darüberliegenden Verweileinheit abtropfenden Wassers auf die Oberseite der Wasserdampf/Wasser-Verweileinheit der nächsttieferen benachbarten Stufe.

Die Wasserdampf/Wasser-Verweileinheit hat eine dicht gepreßte, feine Netzwerkstruktur, und das aus einer darüberliegenden Verweileinheit abtropfenden Wasser wird mittels eines Wasserdurchflußkanals durch die Austauscher-Kontaktzone geleitet und auf die Oberfläche der Wasserdampf/Wasser-Verweileinheit^6Ö der nächstniederen benachbarten Stufe gesprüht.

Mehrstufige Wasserstoff/Wasser-Isotopenaustauschersäulen zur Herstellung von schwerem Wasser sind bekannt. Sie enthalten mehrere Austauscher-Kontaktzonen für den hydrophoben Katalysator, der den Wasserstoffgas/Wasserdampf-Isotopenaustausch fördert. Weiterhin enthalten sie eine Mehrzahl von Wasserdampf/Wasser-Kontaktböden, die im wesentlichen aus querlaufenden Schichten von fließendem Wasser bestehen. Die Katalysatorböden und die Wasserdampf/Wasser-Kontaktböden sind alternierend angeordnet Die Wasserdampf/Wasser-Kontaktböden sind durch längsverlaufende Kanäle miteinander verbunden. Die in F i g. 1 gezeigte übliche Isotopenaustauschersäule (Kolonne) 1 enthält mehrere Stufen, die jeweils aus einer Wasserdampf/Wasser-Verwl Reinheit 3 und einer Austaüscher-Kontaktzone mit dem hydrophoben Katalysator 4 bestehen. Die Verweileinheit 3 hat eine perforierte Bodenplatte 2, auf der abfließendes Wasser in querlaufender Richtung fließt. Die hydrophobe Katalysatorzone 4 besteht aus einer dicken Schicht hydrophober Teilchen, auf die jeweils Platin abgeschieden ist Wie ersichtlich, sind die Wasserdampf/Wasser-Verweileinheiten 3 und die Katalysatorzonen 4 alternierend, und oberhalb und unterhalb einer jeden Katalysatorzone 4 sind zwei Wasserdampf/Wasser-Verweileinheiten 3 angeordnet, die durch eine Oberlaufleitung 6, die sich an der Innenwand der Säule 1 befindet, miteinander verbunden sind.

Wenn die Säule I in Betrieb ist, wird Wasserstoffgas, das ein Wasserstoffisotop, ζ. Β. Deuterium, enthält, an der Unterseite der Kolonne 1 eingespeist, wohingegen Wasser am Kolonnenkopf zugegeben wird. Dadurch fließt das Wasser von Stufe zu Stufe über die verbundenen Überlaufleitungen 6 herab und kommt mit dem aufsteigenden Wasserdampf in jeder der Wasserdampf/Wasser-Verweileinheiten 3 in Verbindung. Wenn Wasserstoffgas die einzelnen Verweileinheiten 3 passiert, führt es Wasser in Form von Wasserdampf mit Das Gemisch aus Wasserstoffgas und Wasserdampf steigt auf und- passiert nacheinander die mit dem hydrophoben Katalysator beschickten Zonen 4. Dabei wird Deuterium aus dem Wasserstoffgas in den benachbarten Wasserdampf übergeführt, und der auf diese Weise mit Deuterium angereicherte und durch das Wasserstoffgas mitgeführte Wasserdampf kommt mit dem Wasser in jeder der Wasserdampf/Wasser-Verweileinheiten 3 in Berührung. Dabei wird das Wasser ebenfalls mit Deuterium angereichert Auf diese Weise wird das abfließende Wasser von Stufe zu Stufe stärker mit Deuterium angereichert

Mit der vorstehend geschilderten Anordnung bewirkt ein Ansteigen- der Fließgeschwindigkeit des Wasserstoffgases notwendigerweise auch ein Ansteigen der Bildungsgeschwindigkeit von schwerem Wasser. Ein Ansteigen der Obenflächengeschwindigkeit des Wasserstoffgases bewirkt jedoch auch ein zu starkes Blasen und Verspritzen des Wasser von den Platten der Verweileinheiten 3, so daß die Säule auf diese Weise nicht beirieoen werden kann. Es ist weiterhin von Nachteil, daß hierbei ein verhältnismäßig großer Druckverlust quer durch jede Wasserdampf/Wasser-Verweileinheit 3 bewirkt wird. Aus den vorstehenden Gründen sinkt, sofern das Wasser auf den perforierten Bodenplatten 2 auf einer genügend niedrigen Stufe gehalten wird, damit ein vernachlässigbar kleiner Druckverlust erfolgt, die Effizienz des Wasserdampf/Wasser-Kontakts, und damit sinkt die Effizienz des Deuteriums=Transports entsprechend. Wenn man andererseits im Hinblick auf die Verbesserung des Wirkungsgrades der Isotopenaustauschreaktion des Wasserstoffgasstroms Katalysatorteilchen von kleiner Größe einsetzt, wird die Katalysatorzone 4 verstopft. In diesem Falle würde das aus den darüberliegenden perforierten Platten 2 herabtropfende Wasser die verstopften Katalysatorzone 4 überfluten. Aus diesen Gründen ist ein Anstieg bei der Hersiel-

fallgeschwindigkeit von schwerem Wasser nach dem herkömmlichen Verfahren beschränkt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mehrstufige Kolonne zum Isotopenaustausch zwischen Wasserstoff und Wasser, insbesondere zur Gewinnung von schwerem Wasser zu schaffen, bei der der Isotopenaustausch und damit insbesondere die Erzeugung von schwerem Wasser hei gegebenem Umfang der Anlage beschleunigt ist. Diese Aufgabe wird durch die mehrstufige Kolonne (Isotopenaustauschersäule) mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruches gelöst Sie enthält in jeder Stufe eine Wasserdampf/Wasser-Verwjsileinheit, durch die das Wasser so langsam fließt, daß das~ absteigende Wasser mit dem aufsteigenden Wasserdampf längere Zeit in Kontakt ist. Die erfindungsgemäße Isotopenaustauschersäule weist ferner in jeder Stufe eine mit einem hydrophoben Katalysator gefüllte Austauscher-Kontaktzone zur Förderung der Isotopenaustauschreaktion zwischen dem Wasserdampf und dem Wasserstoffgas auf, die getrennt von und unterhalb- der darüberliegenden Wasserdampf/Wasser-Verweiieinheit angeordnet ist Schließlich enthält die erfindungsgemäße Isotopenaustauschersäule eine Einrichtung zum Sammeln, Durchleiten und Versprühen von Wasser, die aus einem Wassersammler zum Sammeln des aus der darüberliegenden Wasserdampf/Wasser-Verweileinheit abtropfenden Wassers, einer durch den darunterliegenden Katalysatorboden laufenden Verbindung und einer Sprüheinheit zum Versprühen des Wassers auf die Oberfläche der darunterliegenden Wasserdampf/Wasser- Verweileinheir der nächstniedrigen benachbarten Stufe besteht

Mit dieser Anordnung der erfindungsgemäßen, mehrstufigen Isotopenaustauschersäule erreicht man & eine sehr geringe Gasdruck-Verlustmenge und den Ausschluß von Spritzverlusten des Wassers, die üblicherweise bei der Erhöhung der Fließgeschwindigkeit des Wasserstoffgases auftreten wurden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beilie- -⁴⁰ genden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine bekannte Isotopenaustauschersäule und

Fig.2 und 3 jeweils eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Isotopenaustauschersäule.

Die mehrstufige Isotopenaustauschersäule (Kolonne) ·>' 21 bzw. 31 enthält in jeder Stufe eine Sprüheinheit 24 bzw. 34 für das Wasser, einen oberhalb dieser Sprüheinheit angeordneten Wassersammler 25 bzw. 35, eine Verbindung 26 bzw. 36 zwischen Wassersammler und Sprüheinheit, eine Wasserdampf/Wasser-Verweil- >" einheit 22 bzw. 32 und eine mit einem hydrophoben Katalysator gefüllte Austauscher-Kontaktzone 23 bzw. 33.

Der hydrophobe Katalysator in der Austauscher-Kontaktzone 23,33 kann mindestens ein Metall aus der VIII. Gruppe des Periodensystems enthalten. Der Katalysator ist auf porösen, kugelförmigen oder zylindrischen Trägerteilchen (0,1 bis 5 mm Durchmesser) aufgebracht, die aus einem hydrophoben Material bestehen oder durch Behandlung hydrophob geworden «> sind. Beispielsweise ist auf den porösen hydrophoben Teilchen jeweils Platin abgeschieden. Die den Katalysator enthaltende Kontaktzone 23, 33 kann durch Auffüllen eines Raumes mit derartigen hydrophoben Teilchen mit Mctallabscheidung oder durch Einbringen von metallhaltigen und durch Behandlung hydrophob gewordenen geschäumter. Körpern mit Wabenstruktur hergestellt werden.

Am Boden der Isotopenaustauschersäule 2t gemäß Fig.2 wird Deuterium enthaltendes Wasserstoffgas eingeleitet und das Gas strömt aufwärts zum Kopf der Austauschersäule 21. Gleichzeitig wird Wasser über die Oberfläche der WasserdampE/Wasser-Verweileinheiten 22 jeder Stufe gesprüht- In der bevorzugten Ausföhrungsform werden in den Wasserdainpf/Wasser-Verweileinheiten 22 Kolonnenfüflkörper, die eine feinvernetzte Struktur aus korrosionsbeständigem Stahl enthalten, verwendet- Es eignet sich hierzu auch jedes Füllmaterial, das üblicherweise als KoIonnenfüHkörper bei Destillationskolonnen Anwendung findet, z.B. Raschig-Ringe.. Ringe aus oberflächlich oxidiertem Kupferdrahtgewebe und ähnliche Füllkörper (vgL Ulimanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Bd. 13, S. 402 f.).

In den Isotopenaustauscherkolonnen 21 wird das Wasser versprüht, und es strömt mit einer niedrigen Geschwindigkeit durch die gesamte Dicke der Kolonnenfüllkörpe,r. Das Wasserstoffgas steigt vom Boden zum Kopf der Kolonne, und es wir^ in jeder Stufe, während es durch die Koionncnfuiikorpcr hindtirchströmt, mit Wasserdampf angefeuchtet Das auf diese Weise angefeuchtete Wasserstoffgas steigt empor und strömt durch die darüberliegende Katalysatorzone 23 in der nächsthöheren angrenzenden Stufe. Hier wird unter dem Einfluß des Katalysators ein Teil des Deuteriums aus dem Wasserstoffgas durch die Isotopenaustauschreaktion zwischen dem Wasserdampf und dem Wasserstoffgas in den Wasserdampf übergeführt. Der auf diese Weise mit Deuterium angereicherte Wasserdampf verläßt die Katalysatorzone 23 und steigt gemeinsam mit dem Wasserstoffgas weiter empor. Das Wasserdampf/Wasserstoff-Gasgemisch strömt sodann durch den perforierten Konus (Trichter) 25 und kommt mit dem langsam herabfließenden Wasser im Kolonnenfüllkörper in Berührung. Danach kommt der mit .Deuterium angereicherte Wasserdampf im Gegenstrom mit dem herabfließenden Wasser in Kontakt, wodurch das Wasser entsprechend mit Deuterium angereichert wird. Das auf diese Weise mit Deuterium angereicherte Wass'ii- trifft schließlich auf die untere Grundschicht des Kolonnenfüllkörpers und fließt in den Konus 25. Das hier aufgesammelte Wasser fließt die Verbindung 26 herab und erreicht die Wasser-Sprüheinheit 24, die sich über der Oberseite des Kolonnenfüllicörpers der Verweileinheit 22' der nächstniedrigen Stufe befindet und diese überdeckt. Sodann wird das Wasser auf die Oberfläche der darunterliegenden, nächstniedrigen Wasserdampf/Wasser-Verweileinheit 22' gesprüht. Der Konus 25 besteht vorzugsweise aus einem wasserabweisenden porösen Material, dessen Öffnungen klein genug sind, um Wasser nicht durchzulassen, jedoch einen Gasdup~btritt ermöglichen. Durch die Wasser-Sprüheinheit 24 wird Wasser über die gesamte Oberfläche der mit dem Kolonnenfüllkörper gefüllten Verveileinheit 22 versprüht. Das Wasser fließt kontinuierlich aus den Öffnungen der Sprüheinheit 24, wodurch verhindert wird, daß das Gas durch diese Einheit direkt zur nächsthöheren mit Kolonnenfüilkörper versehenen Verweüeinhei·. 22 strömt. Dadurch wird erreicht, daß das feuchte Wasserstoffgas statt dessen durch die darüberliegende Katalysatorzone 23 ströme'! muß.

Auf die vorstehend geschilderte Weise wird das die einzelnen Kolonnenstufen herabfließende Wasser Stufe um Stufe mit Deuterium angereichert.

Nachstehend sind die Charakteristika einer 5stufigen Isotopenaustauschersäule 21 gemäß der vorstehend

beschriebenen Ausführungsform angegeben:

Als hydrophober Katalysator werden Styrol-Divinyl· benzol-Copolymerisalteilchen (0,2 mm Durchmesser) verwendet, die jeweils 0,5 Gewichtsprozent Platin tragen. Die hydrophoben Katalysatorteilchen sind auf jeder der Grundplatten der Katalysator/onen 23 mit einer Höhe von 10 mm gepackt. Die Packungshöhe des Kolonnenfüllkörpers beträgt 150 mm auf jeder der Bodenplatten der einzelnen Wasserdampf/Wasscr-Vcrweileinheitcn 22. Schweres Wasser mit einer Konzentration von 9.40 Molprozent wird am Kopf der Kolonne 2t eingegeben, während natürliches Wasserstoffgas mit einem Deuteriumgehalt von lediglich 100 ppm am Boden der Kolonne 21 mit derselben molaren Durehflußgeschwindigkeit wie das schwere Wasser zugegeben wird. Man bestimmt den Deuteriumgehalt des Wasserstoffgases, das am Kopf der Kolonne 21 entnommen wird. Sodann wird der Wirkungsgrad »rj« der Kolonne 21 nach der folgenden Gleichung bestimmt:

X 100 (%)

in der y_c den Deuteriumgehalt (Molfraktion) des Wasserstoffgases am Kopf der Kolonne 21 bedeutet, wobei dieser Deuteriumgehalt für den Fall angenommen wird, daß der Isotopenaustausch in der Katalysatorzone 23 und der Isotopenaustausch in den Wasserdampf/Wasser-Verweileinheiten 22 beide mit einem Wirkungsgrad von 100% erfolgen. Die Symbole Y₁, und y, kennzeichnen den jeweiligen Deuteriumgehalt des Wasserstoffgases am Boden und am Kopf der Kolonne 21.

Aus der nachstehenden Tabelle I geht hervor, wie der Wirkungsgrad ij der Kolonne 21 von der Oberflächengeschwindigkeit des Wasserstoffgases abhängt.

Tabelle I

Oberflächengeschwindigkeit des WasserstofTgases

(m/sec)

Druckverlust

(Pa)

196
294
490

100

98

Diese Versuchsergebnisse zeigen, daß der Kolonnen-Wirkungsgrad nahezu unabhängig von der ansteigenden Durehflußgeschwindigkeit des Wasserstoffgases ist und daß der Druckverlust stets einen relativ geringen Wert hat.

Beim Betrieb der Isotopenaustauschersäule 31 gemäß Fig.3 fließt Deuterium enthaltendes Wasserstoffgas vom Boden zum Kopf der Säule 31, während das Wasser in der Gegenrichtung zum aufsteigenden Gas herunterfließt. Das Wasser wird wiederholt auf die Oberfläche jeder Wasserdampf/Wasser-Verweileinheit 32, 32", die jeweils mit einem eine feinvernetzte Struktur aus korrosionsbeständigem Stahl enthaltenden Kolonnenfüllkörper versehen sind, gesprüht, ebenso wie dies gemäß der Ausführungsform nach F i g. 2 der Fall ist

Genauer gesagt wird das Wasserstoffgas, während es durch eine mit einem Koionnenfüilkörper gefüllte Verweileinheit 32' einer tieferen Stufe strömt, mit Wasserdampf gesättigt. Anschließend strömt das auf

diese Weise angefeuchtete Wasserstoffgas durch die Katalysatorzone 3.3. in der der Isotopenaustausch /wischen dem Wasserdampf und dem Wasserstoff erfolgt, wobei das. Deuterium aus dem Wasserstoffgas in den Wasserdampf übergeführt wird. Daraufhin wird der mit Deuterium itngcrcicherte Wasserdampf mit dem Wasserstoffgas in eine darüberlicgende. mit einem Koionnenfüilkörper gefüllte Verwcileinhcit 32 mitgeführt, wo der Wasserdampf mit dem herabfließenden Wasser wiihrcnd einer längeren Zeitdauer in Kontakt ist. Das Wasser wird entsprechend mit Deuterium angereichert, und es tropft von der Unterseile der Vcrweileinheit 32 zu einer Glockenbodenebcne. die aus einer horizontalen Platte 38 und mehreren aus dieser Platte aufsteigenden abgedeckten Rohren 35 besteht. Dann fließt das Wasser entlang der horizontalen Platte 38 und durch eine vertikale Verbindung 36 und erreicht eine Sprüheinheit 34, die sich oberhalb der gesamten Oberfläche des darunterliegenden Kolonnenfüllkörpers der nächsttieferen Stufe erstreckt. Das Wasser wird über die Oberfläche dieses Kolonnenfüllkörpers gesprüht. Auf diese Weise wird das von einer Stufe zur nächsttieferen fließende Wasser in ansteigendem Maße mit Deuterium angereichert.

Nachstehend sind die Charaktcristika einer Sstufigen Isotopenaustauschersäule 31 gemäß Fig. 3 angegeben.

Die Katalysatorzone 33 enthält eine 55 mm dicke Schicht aus porösen Polytetrafluoräthylen-Teilchen (3 mm Teilchendurchmesser), die jeweils mit 0,5 Gewichtsprozent Platin beladen sind. Alle weiteren Bedingungen entsprechen den vorstehend beschriebenen Versuchsbedingungen gemäß der Ausführungsform nach F i g. 2. Die Versuchsergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle Il zusammengefaßt.

Tabelle II

Kolonnen- ^w Wirkungsgrad η

Übertlächengeschwindigkeit des Wasserstoflgases

(m/sec)

Üruckverlust

(Pa)

Koionnen-Wirkungsgrad π

0,1
0.2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,8
1,0

118

177

245

392

588

100
100
97
90
87
84
80
75

Wie vorstehend erwähnt, können die bekannten Isotopenaustauschersäulen gemäß Fig. 1 nicht betrieben werden, sofern die Oberflächengeschwindigkeit des Wasserstoffgases über 03 m/sec erhöht wird, weil in diesem Falle das Gas das Wasser in die darüberliegende Katalysatorzone 4 mitreißen würde. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine derartige Störung nicht vorkommen.

Aus Tabelle II geht auch hervor, daß kein merklicher Abfall der Kolonnen-Wirksamkeit auftritt, sofern die Fließgeschwindigkeit des Wasserstoffgases dreimal so hoch ist, wie die zulässige Obergrenze bei der bisher bekannten Isotopenaustauschersäule. Dies bedeutet, daß die erfindungsgemäße isotopenaustauschersäuie 31 mit nur einem Drittel des Kolonnenanteils in der Lage ist, schweres Wasser mit der gleichen Herstellungsge-

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schwindigkeit zu erzeugen, wie die bekannte Isotopen- Obwohl die Erfindung vorstehend in ihrer Ausfiih-

austauschersäule. so daU die Konstruktionskosten rungsform insbesondere /ur Herstellung und Verwen-

entsprechend gesenkt werden. Weiterhin weist die dung von schwerem Wasser beschrieben wurde, kann

erfindungsgemäUe Isotopenaustauschersäule 31 den sie in ähnlicher Weise, beispielsweise /ur Eliminieriing

Vorteil auf. daü der Druckabfall so gering ist. daU man · von Tritium aus schwerem oder leichtem Wasser,

den Wasserstoffgas-Pumpdruck erniedrigen kann. verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrstufige Kolonne zum Isotopenaustausch zwischen Wasserstoff und Wasser, insbesondere zur Gewinnung von schwerem Wasser, unter Verwendung eines hydrophoben Katalysators zur Forderung der Wasserstoff/Wasserdanipf-Isotopenaustauschreaktion, gekennzeichnet in jeder Stufe durch