Trennung von UF₆ und Zusatzgas bei Trennduesenanlagen mit einer Kombination von Vorabscheidungs-Trennduese und Tieftemperatur-Feinabscheidung [report]

H.J. Fritsch, R. Schuette
1971
Zusammenfassung In Trenndüsenkaskaden, deren Verfahrensgas aus einem Gemisch von Uranhexafluorid (UF 6 ) mit einem leichten Zusatzgas besteht, m~ß am Kaskadenköpf und an den oberen Abstufungsstellen der Kaskade der Nettotransport des Zusatzgases entnommen und an den Fuß der betreffenden Kaskadenabschnitte zurückgespeist werden. Für diese Aufgabe wurde als wirtschaftliches Verfahren eine Kombination aus einer Trenndüsenstufe zur Vorabscheidung und einem nachgeschalteten Tieftemperaturabscheider
more » ... mperaturabscheider zur Feinabscheidung des UF 6 aus dem zurückzuspeisenden Zusatzgasstrom ausgewählt. Die Auslegung der Komponenten wurde einer Kostenoptimierung unterwovfen. Die günstigste Betriebsweise der Vorahscheidungs-Trenndüse für die Gemischtrennung wurde für H 2 /UF 6 -Gemische experimentell ermittelt. Der Verlauf der UF6-Kond~nsation (Desublimation) im Tieftemperaturabscheider wurde mit Hilfe einer schrittweisen Ermittlung der "Abkühlungskurven" berechnet. Durch eine Voroptimierung der Geometrie der als UF 6 -Abscheider verwendeten Plattenwärmetauscher (Extended Surface Compact Heat Exchanger) wurde erreicht, daß beim Abkühlvorgang di.e auftretenden Obersättigungsgrade des UF 6 rechnungsmäßig unter 20 liegen, obwohl das H 2 /UF n -Gemisch im interessierenden Temperatur-und Konzentra-t~onsDereich Werte der Lewis-Zahl von 274 besitzt. Die Vermeidung einer Kondensation des UF im Strömungskern erscheint wichtig, da für einen wirtschaFtlichen Betrieb der Trenndüsenkaskaden UF 6 -Restgehalte in der Größenordnung von 1 ppm erreicht werden sollten. Bei der Kostenoptimierung wurden die Betriebsbedingungen der Trenndüsenstufe und der T~eftempera turabscheidung und die benötigten Auslegungswerte ihrer Komponenten durch vollständige Parametervariation optimiert. Die wirtschaftlich günstigste Abscheidungsanlage führt mit Hilfe der Vorabscheidungstrenndüse 80 % des abzuscheidenden UF unmittelbar in die Kaskade zurück und benötigt keine ZwiscRenverdichtung zur Druckerhöhung in der Tieftemperaturabscheidung. Dort wurde bei einÖm Betriebsdruck von 170 Torr und einer Endtemperatur von 160 Kein UF -Restgehalt im Reingas von 0,1 ppm erzielt. Die Gesamtkosten fEr das Abscheidungssystem belaufen sich auf etwa 2 % der~rennarbeitskosten in der Kaskade. Eine zur Kontrolle ausgeführte Optimierung eines reinen Tieftemperatur-Abscheidungssystems zeigt im Vergleich zu der ausgewählten Verfahrenskombination um etwa 50 % höherliegende Abscheidungskosten. Abstract In separation nozzle cascades using as process gas a mixture of uranium hexafluoride (UF ) with a light admixture gas it is necessary to discharge tRe net transport of the pure admixture gas at the top and the upper shoulder of the cascade and feed it back to the bottom of the corresponding section of the cascade. For this purpose, a combination of a separation nozz~e stage for crude purification and a subsequent low temperature separation plant, in which the residual UF S ist frozen out of the admixttire gas, was chosen as an econom~cal process. The layout of the plant was optimized with regard to the costs of its componente. The most econonomical way of operating the nozzle stage for separating gas mixtures, particularly H IUFmixtures, was fourid out by means of experiments. fhe 80urse of UFs-condensation in the freeze-out heat exchanger was calculated by computing the "eooling curve" step by step. As a result of pre-optimization of the geometry of the extended surface compact heat exchanger used as a freeze-out exchanger, the supersaturation rates of the UF s obtained along the exohanger in the course of the freeze-ou~period were found out to be below 20, although the H 2 /UF h -mixture has a Lewisnumber of 2f4 in the interesting ranges of temperature and concentration. It seems to be necessary to avoid condensation of the UF S within the bulk of the gas flow since,for economical operation of the separation nozzle plant, a UF 6 -concentration should be reached in the purified admixture gas which is on the order of 1 ppm. With th costs optimized, the operating conditions both of the nozzle stage and of the low temperature separation plant as weIl as the lay-out variables of their components were optimized by means of a total variation of the parameters. The pre-separation nozzle stage in the most economical H 2 /UF Sseparation plant immediately feeds back into the cascade 80 % of the UF S to be separated. This plant requires no intermediate compressor for the pressure rise in the low temperature unit. At an opergting pressure of 170 torr and a lowest temperature of 1S0 K, a UFS-concentration of 0,1 ppm was obtained there within the pur1fied hydrogen. The total cost of the separation system amounts to about 2 % of the separative work unit costs in the cascade. Futher optimization, whioh was carried out for control purposes, resulted in H 2 /UF sseparation costs about 50 % higher than those of the combined process at its optimum -2 -Inhaltsverzeichnis
doi:10.5445/ir/270004721 fatcat:varjn5fqurfu7lzxc7dhlrsabm