DE2843416A1

DE2843416A1 - Verfahren zur trennung eines gases von einem gasgemisch

Info

Publication number: DE2843416A1
Application number: DE19782843416
Authority: DE
Inventors: Robert Benoit; Jacques Machefer; Jacques Mauvisseau; Pierre Plurien
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1977-10-06
Filing date: 1978-10-05
Publication date: 1979-04-12
Also published as: CA1115648A; AU518884B2; US4239507A; JPS5462182A; AU4021478A; GB2005153A; IT1099765B; GB2005153B; IT7828456A0; FR2405081A1; FR2405081B1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein hauptsächliches Anwendungsgebiet des Verfahrens ist die Reinigung von Uranhexafluorid, das von Isotopenanreicheru.igs-Aniagen kommt.

Es ist bekannt, daß in der Petrochemie häufig Probleme der Trennung νο>^Λ Gasgemischen zu bewältigen sind. Beispielsweise kann es sich darum handeln, am Ausgang eines Reaktionsgefäßes für die Synthese in der Gasphase das Synthese-Gas zu erhalten und die Reaktionsgase, die nicht reagiert haben, zurückzugewinnen, um sie ~,h ein weiteres P.eaktionsgefäß mit einem Zusatzgas zu gebet..

Es kann sich aber auch um die Reinigung oder die Konzentration eines Gases in einem natürlichen oder künstlichen Gemisch handeln. Zur Trennung solcher Gasgemische sind mehrere Trennungsverfahren bekannt wie etwa

- das Kondensat!onsverfahren, v/obei das Gasgemisch zuerst in Tauschern und Luftkühlern und sodann in Teil kondensatoren abgekühlt wird;

- aai Abborptiosverfahren, wobei auf Molekularsieben selektiv abgekühlt und absorbiert wird;

- das Lösungsverfahren, wobei das Gas selektiv in geeigneten Lösungsmitteln gekühlt und aufgelöst wird.

Diese Verfahren bringen wirtschaftliche Nachteile mit sich, da sie sehr kostspielig sind un·! beträchtliche Investitionen voraussetzen. Außerdem benötigen sie vom thermodynamisehen

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Standpunkt aus gesehen sehr viel Wärme- bzw. mechanische Energie. Was die Reinigung von Uranhexafluorid betrifft, welches aus einer Isotopenanreicherungsanlage stammt, so ist bekannt, daß dieses Uranhexafluorid eine Reihe von Verunreinigungen aufweist wie z. B. Fp₅ ClFo, HF₅ ClF, N« etc.

Die Trennung des UFg von diesen leichten Gasen wird gewöhnlich mit Hilfe der folgenden Verfahren durchgeführt: 10

- dem Kristallisationsverfahren, wobei das Gasgemisch in Tauschern oder Kristallisatoren abgekühlt wird, was zur Kristallisierung des UF_g führt. Es ist notwendig, Batterien dieser Kristallisatoren hintereinanderzuschalten, damit die leichten Gase während einer eventuell zu schnell vor sich gehenden Kristallisierung des UF,. nicht gebunden bleiben und damit außerdem ein kontinuierlicher Reinigungsprozeß gewährleistet ist. Die verschiedenen notwendigen Stufen der Abkühlung, der Wiedererwärmung und der Verdampfung verbrauchen Energie und lassen die Gase und Dämpfe sehr lange beieinander;

- das Destillat!onsverfahren, welches ein kontinuierliches Verfahren ist, das jedoch nur schwer unter Kontrolle gehalten werden kann, überdies wirft die Handhabung der überhitzten ätzenden Flüssigkeiten, die bei dem Verfahren auf^ treten, gewisse Probleme auf;

- die Verwendung von Gasdiffusionsschranken in Kaskade, was

ein Verfahren ist, welches es gestattet, ziemlich hohe Trennungskoeffizienten Z'i erhalten, das aber gleichzeitig einen hohen Energiebedarf bedingt, ohne indessen eine vollständige Trennung zu gewährleisten.

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Es ist gleichfalls versucht worden, zur Trennung eines aus zwei Gasen bestehenden Gasgemisches, insbesondere eines Wasserstoff-Schwefeldioxyd-Gemisches, die Erscheinung der Kapillar-Kondensation in der Nachbarschaft einer porösen

OF Graphitpulvermasse auszunutzen, wobei die Druck- und Tempera turverhältnisse variiert werden. Ein solches Verfahren v/ar indessen gleichfalls unbefriedigend, denn das verwendete Graphitpulver gestattete keinen nennenswerten kontinuierlichen Abzug des Schwefeldioxyds über seina Masse und bildete keine wirkliche Barriere für den Wasserstoffanteil des Gasgemisches.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugp'^de, ein Verfahren zur Abtrennung eines Gases aus einem '"<sgemi?ch vorzuschlagen, welches die Nachteile der genannten Verfahren vermeidet und eine wirksame kontinuierliche Trennung der vorhandenen Gase ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Merkmal des Patentanspruch- I gelöst.

Gemäß vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung bestehen die mikroporösen Barrieren aus einem Metall, aus ker^is ehern Material oder aus fluoriertem Polymer. Die Einheit für die

Durchlässigkeit dieser mikroporcV-n Elemente in Lufiniolen/cm / min/cmHg bedeutet, daß ^i Luftmole bei einer Temperatur von 2O⁰C pro cm der Oberfläche der mikroporösen Elemente pro Hinute und bei einem Druckunterschied zwischen dem Innern und der Oberfläche des mikroporösen Elements von lcmHg hindurchgehen.

Der Effekt der Kapillarkondensation, der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Anwendung kommt, folgt dem Kelvin'sehen Gesetz:

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Log ^

P ~ p_L>R.T.m

wobei P = Dampfdruck, sättigend bei der Temperatur T, P = Partial druck des Dampfes in dem Gemisch, (T= Oberflächenspannung des Kondensats, M = Molmasse des Kondensats,

p.= Volumenmasse des Kondensats,

R = Konstante der idealen Gase,
m = Krümmungsradius der Linse.

Es sei daran erinnert, daß der Krümmungsradius der Linse des Kondensats, der durch die Kelvin'sehe Gleichung gegeben ist, und der Radius der zylindrisch angenommenen Pore, der als Vp definiert ist, durch .die Gleichung

2 cos θ

verbunden sind, wobei θ der Kontaktwinkel des Kondensats mit der Porenwand ist. Diese Gleichung hebt die Bedeutung der Benetzbarkeit des Kondensats gegenüber dem Material, das die Barrieren liefert, klar hervor.

Die Beschaffenheit der mikroporösen Barrieren, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden, ebenso wie ihre Eigenschaften (Durchlässigkeit, Dichte, Porenhalbmesser), ermöglichen einen gleichmäßigen und selektiven Abzug des am besten kondensierbaren Gases und somit eine wirksame Trennung.

Die Poren der mikroporösen Schicht werden tatsächlich von dem Kondensat völlig verstopft und bilden somit eine Barriere für die anderen teilweise oder gar nicht kondensierbaren Gase.

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Von besonderem Interesse ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Reinigung von Uranhexafluorid, das aus einer Anlage zur Isotopen-Trennung stammt. In der Tat ist das UFg weitaus besser kondensierbar als die anderen Gase, die es als Verunreinigungen beim Verlassen der Isotopen-Anreicherungsanlage begleiten. Auf diese Weise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Poren der mikroporösen Schicht schnell durch das kondensierte Uranhexafluorid verstopft, wodurch eine Sperre für die anderen Gase gebildet wird, welche die Verunreinigungen darstellen.

Auße'-dem gelingt es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Kontaktzeit zwischen der kondensierten Flüssigkeit und dem zu trennenden Gemisch wesentlich zu verkürzen: Die Möglichkeit der Auflösung der anderen Gase in dem flüssigen UF_g

"15 sind dadurch sehr begrenzt. Die Durchsatzmengen der Permeation sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich höher als bei der Reinigung des Uranhexafluorids mit Hilfe der Gasdiffusion. Die Ausbeute ist etwa das 5- bis 10-fache, je nachdem, welches mikroporöse Element verwendet wird.

Damit die Reinigung des UF_g mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens effektiv ist, muß man darüber v/achen, daß das Gemisch jederzeit völlig homogen ist und daß die Partialdruck-Verhältnisse des UF,- über die ganze Länge des verwendeten mikroporösen Materials gleich sind.

Die folgende Beschreibung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reinigung von Uranhexafluorid, welches aus einer Isotopenanreicherunnsanlage stammt, stellt ein Beispiel dar und bedeutet keinerlei Einschränkung bezüglich des Schutzumfangs des' erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die einzige Zeichnung ist eine Schemadarstellung der Einrichtung zur Durchführung des beanspruchten Verfahrens.

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Man entnimmt der Leitung 1 auf der Höhe der Ebene £ einer Anlage zur Isotopenanreicherung an der Stelle des stärksten Druckes ein Gemisch aus UF, und ClF₀ bei einem Durchsatz

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von 2500 g/s. Das Gemisch besteht aus 7,1 MoVUFg und'0,11 Mol ClF-; während der Druck 1500 mbar und die Temperatur

mehr als 100⁰C betragen. Man läßt dieses Gemisch durch einen Wärmetauscher 2 strömen, wo es bis auf 9O⁰C abgekühlt wird. Man schickt es dann durch die Leitung 3 in den Diffusor 4, der 540 mikroporöse Barrieren enthält. 10

Am Ausgang des Diffusors 4 erhält man über die Rohrleitung 5 praktisch reines UF_g bei einem Durchsatz von 2400 g/s, was 6,95 Mol/s UFg entspricht. Die Temperatur beträgt dabei 9O⁰C, und der Druck ist 275 mbar. Dieses Uranhexafluorid ist genügend frei von Unreinheiten, um bei 6 die gewünschte Menge für die Produktion entnehmen und den Rest bei 7 in die Ebene ji der Anlage an einer Stelle "geringen Drucks wiedereinführen zu können·.

Am Ausgang des Diffusors 4 erhält man aus der Leitung 8 ein Gemisch aus UF, und ClF₀, und zwar in dem Verhältnis von 0,13 Mol UF₆ zu 0,11 Mol ClF₃; die Temperatur liegt bei 9O⁰C und der Druck beträgt 1450 mbar.

Indem man dieses Gemisch durch den Wärmetauscher 9 strömen läßt, kühlt man es auf eine Temperatur von 75⁰C ab. Durch die Leitung 10 führt man es in den Diffusor 11 ein, der 50 mikroporöse Barrieren enthält.

Am Ausgang dieses Diffusors 11 erhält man über die Leitung 12 praktisch reines UF_g bei einem Durchsatz von 35 g/s, was 0,10 Mol/s UFg entspricht. Die Temperatur beträgt hierbei 75⁰C, ■während der Druck bei 275 mbar liegt. Man kann dieses Uranhexafluorid entweder wieder für die Produktion entnehmen oder

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auf der Ebene n_ der Anlage, wo der Druck niedrig ist, wieder in den Prozeß einführen.

Am Ausgang des Diffusors 11 erhält man aus der Leitung 13 ein Gemisch aus ClF, und UF,- im Verhältnis von 0,11 Mol ClF,

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■ zu 0,03 Hol UF₆; die Temperatur beträgt 75 C, der Druck beträgt 1400 mbar. Dieses Endgemisch, das etwa 20% UFg und 80% ClF₃ enthält, kann entv/eder beseitigt oder mit Hilfe der klassischen Verfahren, wie beispielsweise dem Kondensationsverfahren oder aber mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erneut getrennt werden.

Die Barrieren des Diffusors 4 und des Diffusors 11 sind röhrenförmig und aus keramischem Material. Sie haben einen Durch-

messer von 1,5 cm, einen Porenradius von 25 A und eine Röhrenlänge von Im. In allen Diffusoren sind die Barrieren parallel angeordnet. Es sind "auch schon Barrieren aus fluoriertem Polymer oder aus Metall mit gleichen Abmessungen verwendet worden, und zwar mit ähnlichen Ergebnissen.

Zum Vergleich sei angeführt, daß die Trennung des Gemisches mit Hilfe des klassischen Gas-Diffusionsverfahrens ca. 20 Stufen benötigt, wobei auf jeder dieser Stufen eine Verdichtung des gesamten Gasflusses und fünfmal so viele Barrieren pro Diffusor benötigt werden.

Im Vergleich zu dem klassischen Trennverfahren mit Hilfe von Kristallisationsschritten weist das erfindungsgemäße Verfahren folgende Vorteile auf:
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- die Produkte sind bei direkt anwendbaren Drucken verfügbar, d. h. entweder für die Produktion oder für die Wiedereinführung, in die Kaskade;

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- die Einheit der beiden Diffusoren ersetzt die erste Batterie der Kristallisatoren, und zv/ar mit dem zusätzlichen Vorteil, daß der Einsatz eines Verdampfers überflüssig v/ird;

- beim erfindungsgemäßen Verfahren sind für die Abkühlung ca.

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35 ' 10 kcal/h erforderlich, während bei dem Kristallisationsverfahren für die Abkühlung 100 * 10 kcal benötigt werden ;

- das Verfahren ist stetig und vermeidet eine Lagerung von kristallisierten Produkten,

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Claims

Dipl. Irp. WiMi Si-iiick-· Pjtcnisnwali 6Oi. Oficniiscli I.iHigcner SIr. 70 COMMISSARIAT A L1ENERGIE VTOMIQUE 31-33, rue de la Federation 75015 Paris Frankreich Verfahren zur Trennung eines Gases von einem Gasgemisch Patentansprüche

1. Verfahren zur Trennung eines Gases von einem Gasgemisch, wobei dieses Gas' das am besten kondensierbare Gas des Gasgemisches ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch mit wenigstens einer mikoroporösen Barriere mit

2 einer Durchlässigkeit von 100-1000 Luftmolen/cm /min/cmHg

und ei hl»· Porenstärke von 10-100 A in Berührung gebracht wird, daß der Partial druck des cw. besten kondensierbaren Gases und/oder die Temperatur des Gasgemisches als Funki.ion des mittleren Radius der Poren der Barriere in der Weise geregelt v/erden, daß es zu einer Kapillarkondensation des kondensierbaren Gases am Eingang der Poren der Barriere und zu einem Abzug des kondensierten Gases durch die Poren und durch die Barriere kommt und daß das so kondensierte '-S-S anschließend aufgefangen wird.

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2. Verfahren nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere(n) aus keramischem Material besteht/bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß die die Barriere(n) aus einem Metall besteht/bestehen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere(n) aus fluoriertem Polymer besteht/bestehen.

5. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß Uranhexafli'orid gereinigt wird, welches aus einer Isutopen-Anreicherungsanlage kommt.

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