Brevet FR2008061A1 — publié le 19700116

L'invention concerne un procédé de traitement ultérieur d'élaboration drammoniac préenrichi en deutérium, qui a été obtenu dans un stade d'enrichissement préalable et à partir duquel on peut produire de l'eau lourde dans un stade d'enrichis-5 sement final. L'invention concerne en outre une installation pour la mise en oeuvre du procédé précité. La raison de ce mode opératoire en deux stades réside en particulier dans le désir d'éviter des pertes de deutérium, excessives du point de vue économiques, qui se produiraient si 10 l'enrichissement final (ou la concentration finale) en deutérium, opération nécessaire, était effectuée dégà dans le stade dit de préenrichissement. Dans ce cas, il serait même nécessaire de faire circuler dans le stade de préenrichissement de grosses quantités de gaz de synthèse ou d'ammoniac liquide à teneur élevée 15 en deutérium et sous pression élevée, de sorte que même pour de faibles fuites ou non-étanchéités de la partie d'installation que représente le stade de préenrichissement il y aurait dans certaines circonstances sortie de quantités appréciables de deutérium dans l'espace extérieur. 20 Pour le stade de préenrichissement il existe de nombreux modes de réalisation» C'est ainsi que le préenrichissement pemt être effectué par exemple dans un processus dit à deux températures ou dans un processus dit à une seule température. La présente invention ne se limite pas à un mode particulier de réali-25 sation de ce préenrichissement. Par exemple dans un processus d'enrichissement préalable à une seule température par échange d'isotopes, accéléré par voie catalytique, entre le gaz de synthèse d'ammoniac et de l'ammoniac liquide contenant un catalyseur et s'écoulant à contre-50 courant par rapport au gaz de synthèse, il s'effectue un enrichissement de l"ammoniac en deutérium, et à l'endroit de la plus faible concentration en deutérium il y a une transformation du gaz de synthèse en ammoniac liquide et à l'endroit de plus forte concentration en deutérium il y a une transformation d'ammoniac 35 en gaz de synthèse. Ainsi, dans un processus d'enrichissement final, de l'ammoniac en forte concentration en deutérium, prélevé du processus de préenrichissement est (après séparation du catalyseur de cet ammoniac préenrichi et- réintroduction de ce catalyseur à l'endroit de plus faible concentration en deutérium 69 14617 2 2Ô0ÔÔ61 dans le processus de préenrichissement) soumis à un traitement ultérieur et finalement obtenu sous forme d'eau lourde comme produit final. Une forme courante de réalisation du procédé du stade final d'enrichissement consiste par exemple dans le cas d'un stade de préenrichissement à une seule température, à retirer du stade de préenrichissement après séparation du catalyseur, par exemple l'amidure de potassium (KNEL-,), l'ammoniac liquide en un endroit de concentration élevée en deutérium et à l'enrichir en deutérium dans une colonne de rectification jusqu'au pourcentage voulu. On fait ainsi circuler à contre-courant de l'ammoniac liquide et, o • dans la partie inférieure de la colonne, de l'ammoniac en vapeur davantage enrichie en deutérium. L'ammoniac sortant de la tête de colonne et appauvri en deutérium est, après condensation, renvoyé au stade de préenrichissement» L'ammoniac qui se rassemble en bas de colonne, et cjui présente une teneur voulue de, par exemple, 99,8# en deutérium doit alors être décomposé dans une installation de craquage en ses constituants : azote, deutérium, faibles quantités d'hydrogène-deuté-riùm et hydrogène. Puis on produit dans une chambre de combustion, par incorporation d'oxygène au mélange, de l'air humide qui contient une forte proportion d'hydrogène lourd. Finalement on sépare l'eau lourde par condensation du mélange dans un con-densèturOn ne cite dans cette installation que les parties essentielles de l'installation* En fait il y a le plus souvent encore d'autres dispositifs comme des dispositifs d'absorption, etc. Outre qu'une installation de ce genre, dans laquelle peut être intercalé un stade de préenrichissement d'un autre genre, nécessite beaucoup d'appareillage, elle présente les inconvénients essentiels suivants. Pour la rectification de l'ammoniac il faut, en raison du bas point d'ébullition de l'ammoniac à la pression de un bar, faire appel à une puissance de production de froid relativement grande, si l'on souhaite pour des considérations économiques faire fonctionner la colonne sous une pression qui ne soit pas trop élevée. Pour la rectification de l'ammoniac à des températures plus élevées, par exemple au voisinage de la température ambiante, la colonne doit elle-même etre construite comme un récipient pouvant tenir la pression, 69 14617 3 2006061 ce qui soulève en plus d'une dépense de construction encore des problèmes d1étanchéification. L'invention s'est donné pour but, par une conduite correspondante du processus de traitement de l'ammoniac préenrichi en 5 deutérium c'est à dire de l'enrichissement final en deutérium et de l'obtention d'eau lourde et par une configuration appropriée de l'installation de traitement, de permettre une récupération nettement plus économique de l'eau lourde» Selon l'invention, on résout ce problème en introduisant 10 au moins un courant partiel d'ammoniac préenrichi, sous forme de vapeur, dans au moins une colonne d'échange où l'on fait circuler ce courant partiel à contre courant par rapport à un produit de tête, consistant en eau à assez faible teneur en deutérium provenant d'une colonne de rectification servant à l'enri-15 chissement final; ainsi dans la colonne d'échange et par échange d'isotopes entre l'ammoniac'sous forme de vapeur et l'eau, cette dernière s'enrichit en deutérium et alimente ensuite la colonne de rectification permettant l'obtention d'eau lourde. Une installation pour la réalisation du procédé selon l'in-20 vention présente un dispositif d'évaporation pour évaporer au moins un courant partiel d'ammoniac préenrichi, ainsi qu'au moins une colonne d'échange, dans laquelle est introduite cette vapeur d'ammoniac préenrichi et une colonne de rectification d'où une partie du produit de tête liquéfié est envoyée dans la colonne 25 d'échange où, par échange d'isotopes entre l'ammoniac sous forme de vapeur et l'eau, cette dernière s'enrichit en deutérium et ensuite la majeure partie, au moins, de cette eau alimente par une conduite la colonne de rectification. Une installation pour la réalisation du procédé selon l'in-30 vention, dont le stade de préenrichissement comporte au moins deux tours d'échange, une installation de synthèse d'ammoniac et une installation de craquage d'ammoniac, ainsi qu'un évapora-teur pour concentrer le catalyseur, a de préférence la configuration suivante : à 1'évaporateur est raccordée une conduite 35 pour le retrait de l'ammoniac préenrichi, sous forme de vapeur, et cette conduite le mène dans un condenseur qui est relié grâce à une conduite au moins à un endroit de forte, concentration en deutérium du stade.de préenrichissement;.d'un endroit de cette conduite situé entre 1'évaporateur et le condenseur part une 69 14617 4 2008061 une conduite qui mène dans la colonne d'échange; pour la liquéfaction de l'ammoniac sortant de cette colonne d'échange il y a un condenseur d'où une partie au moins de l'ammoniac est recyclé au stade de préenrichissement; et en outre il y a une conduite 5 partant de la tête de la colonne de rectification pour introduire de l'eau à faible concentration en deutérium dans la colonne d'échange et une conduite partant du bas de la colonne d'échange introduit l'eau enrichie en deutérium dans la colonne de rectification. 10 Pour éviter des impuretés, dues à la vapeur d'eau, de l'am moniac provenant de la colonne d1échange et recyclé après sa condensation vers le stade de préenrichissement, ainsi que pour éviter des impuretés, dues à l'ammoniac qui y est dissous, de l'eau enrichie prélevée sur la colonne d'échange, une autre forme avan-•35 tageuse de réalisation de l*invention consiste à soumettre l'ammoniac en forme de vapeur s'écoulant vers le haut dans la colonne d'échange, avant sa condensation, à une extraction de la vapeur d'eau contenue, par lavage à l'aide d'ammoniac condensé et à soumettre l'eau s'écoulant vers le bas de la colonne d'échange, ZQ avant son introduction dans la colonne de rectification, à une rectification éliminant complètement l'ammoniac contenu dans cette eau» D'autres caractéristiques de l'invention apparaissent en regard d'un exemple, représenté schématiquement sur le dessin, v,5 d'une forme de réalisation d'une installation pour l'obtention d'eau lourde, qui sera expliquée dans ce qui suit. Dans le dessin est représentée une forme de réalisation d'un stade de préenrichissement comportant deux tours d'échange 1 et 2 pour un échange monotherme d'isotopes. Une installation 10 représentée symboliquement par le cercle 5 transforme l'ammoniac en un mélange gazeux de trois molécules d'hydrogène et d'une molécule d'azote qui sert à alimenter le reflux gazeux (le courant gazeux étant toujours représenté par des pointillés) dans la tour d'échange 2. Une installation de synthèse d'ammoniac est représentée symboliquement par le cercle Celle-ci alimente le reflux de liquide (le courant de liquide est représenté par les traits pleins) des tours d'échange 1 et 2^-le stade de préenrichissement est alimenté par la conduite 5 en gaz de synthèse de par exemple % N-(N caractérisant la concentration naturelle en 69 Î4617 5 2008061 deutérium) pour la synthèse de l'ammoniac. De l'installation de synthèse 4 on retire par une conduite 6 de l'ammoniac appauvri en deutérium. le conduit en pointillé 9 représente le circuit du cataly-5 seur. Dans la tour dréchange 1 l'ammoniac liquide est enrichi par échange d'isotopes avec l'hydrogène du gaz de synthèse, par exemple jusqu'à une teneur en deutérium de 4 N, et dans la tour d'échange 2 il est encore enrichi jusqu'à une teneur de, par exemple, 400 N. Cet ammoniac liquide, qui contient le catalyseur 10 sous forme dissoute, est introduit par une conduite 7 dans un évaporateur 8 et il y est concentré, c'est à dire que l'ammoniac non évaporé contenant le catalyseur est renvoyé par une conduite 9 dans la conduite d'alimentation en ammoniac liquide avant la tour d'échange 1w 15 la partie évaporée de l'ammoniac préenrichi, et dont le ca talyseur a été séparé, est retirée de 1'évaporateur 8 par une conduite 10. la majeure partie de cette vapeur d'ammoniac est liquéfiée dans un condenseur 11 et introduite par une conduite 12 dans l'installation de craquage 3 pour la décomposition de 20 l'ammoniac en ses composants, l'azote, l'hydrogène, l'hydrogène-deutérium et le deutérium. Une petite partie par exemple de l'ordre de grandeur de 4 à 5# de l'ammoniac en forme de vapeur retiré de 1'évaporateur, est retirée d'une conduite 10 par un branchement 13 et elle est 25 introduite dans une colonne d'échange 14. Cette colonne dréchange peut par exemple être constituée par une colonne contenant un fond perforé, un fond en forme de cloche ou comportant un garnissage. Dans cette colonne d'échange se produit un échange d'isotopes avec le produit de tête retiré de la colonne de recti-30 fication 15, le pt-oduit de tête consistant. en de l' eau appauvrie en deutérium, par exemple présentant une teneur d'environ 300 N" en deutérium. le produit vaporisé de tête est tout d'abord liquéfié dans un condenseur 16 et il sert en partie de reflux dans la colonne 35. 15» l'autre partie est introduite dans la colonne d'échange 14 par une conduite 17 et s'écoule dans la colonne vers le bas et subit un échange avec l'ammoniac s'écoulant vers le haut. Il se produit ainsi un transfert d'une partie du deutérium contenu dans l'ammoniac et qui passa dans l'eau. Dans la partie supérieu-40 re de la colonne 14, c'est à dire au dessus de l'alimentation 69 14617 6 2008061 en eau, il s'effectue en de nombreux stades de séparation une extraction par lavage, qui est au moins quasi totale, de la vapeur d'eau contenue dans l'ammoniac en forme de vapeur à écoulement ascendant. Cela se produit de la façon suivante : l'ammoniac 5 liquéfié dans un condenseur 18 est partiellement réintroduit comme reflux dans la colonne 14- et la vapeur d'eau contenue dans la vapeur d'ammoniac à écoulement ascendant est absorbée par l'ammoniac liquide s'écoulant vers le bas. La plupart de l'ammoniac condensé s'écoule par une condui-10 te 19 et revient par une conduite 12 dans l'installation de cra-quage 3 dans le stade de préenrichissement. En principe, le retour de l'ammoniac condensé, par la conduite 19} peut s'effectuer vers un autre point du stade de préenrichissement. Dans la partie inférieure de la colonne 14-, c'est à dire 15 en dessous du point d'alimentation en vapeur d'ammoniac, s'effectue d'élimination par rectification en de nombreux stades de séparation de l'ammoniac contenu en dissolution dans l'eau enrichie en deutérium. A cet effet s'évapore dans un évaporateur 20 une petite partie du produit de queues, qui consiste en eau en-20 richie et qui est renvoyée dans la colonne 14. Il se produit ainsi une évaporation continue de L'ammoniac contenu en dissolution dans la phase liquide et son passage dans la vapeur dreau ascendante. La colonne 14 se divise donc dans cet exemple de réalisa-25 tion en trois parties, à savoir une partie supérieure, dans laquelle la vapeur d'eau contenue dans la vapeur ascendante d'ammoniac appauvrie en deutérium est enlevée dans une large mesure par lavage,- une partie moyenne, dans laquelle le deutérium contenue, par échange d'isotopes, dans l'ammoniac introduit est trana-30 férédans l'eau envoyée à contre-courant par rapport à cet ammoniac; et une partie inférieure dans laquelle l'ammoniac contenu en dissolution dans l'eau enrichie descendante en est enlevé en grande partie par rectification. Bien que cette forme de réalisation soit particulièrement avantageuse, la colonne 14 peut aua-35 si être remplacée par trois colonnes séparées, dont chacune remplit l'une des fonctions précitées. De l'évaporatèmr 20 s'écoule par une canalisation 21 l'eau enrichie qui va dans la colonne de rectification 15, qui peut également être constituée par exemple d'une colonne contenant 69 14617 7 2008061 un fond perforé, un fond en forme de cloche ou contenant un garnissage. Pour le chauffage ou le refroidissement de cette colonne de rectification, sext un évaporateur 22 ou un condenseur 16 dans lesquels sont introduits de l'extérieur de l'installation 5 un agent de chauffage ou un agent de refroidissement, par exemple l'eau. Une conduite 23 est prévue pour l'enlèvement de l'eau lourde à teneur élevée, qui se rassemble au fond de la colonne 15 et qui est introduite dans 1'évaporateur 22. La quantité d'eau lourde prélevée comme produit final de 10 la colonne de rectification par une conduite 23 est remplacée au stade d'enrichissement final par le fait qu'une quantité d'eau correspondant à la quantité enlevée est ajoutée par une conduite d'alimentation débouchant dans la conduite 17 ou dans la conduite 21. Il peut&agir par exemple dans ce cas d'eau ordinaire. 15 Au cas cependant où il ne se produit qu'une quantité insuf fisante d'eau concentrée, en raison de gênes de fonctionnement quelconques ou bien durant la période de mise en route dans la colonne de rectification, l'invention permet d'introduire dans l1 installation.-cette eau qui ne serait, sinon, pas utilisable 20 par une conduite 24 ou une conduite 25» Une autre forme de réalisation particulièrement avantageuse de l'invention consiste à donner au diamètre de la colonne ùe rectification, ainsi qu'en cas de nécessité aussi au diamètre de la colonne d'échange une dimension supérieure et à associer la 25 conduite d'alimentation 24 ou 25 à un endroit de prélèvement, sur un réacteur, d'eau appauvrie en deutérium. Il y a ainsi la possibilité, dans un stade d'enrichissement final réalisé selon l'invention, outre la production d'eau lourde en une quantité voulue, de préparer aussi en même temps dans 30 un réacteur de l'eau lourde appauvrie en dautériunu 69 14617 8 2008061 REVENDICATIONS 1« Procédé de traitement d'élaboration d'ammoniac préenrichi -en deutérium, qui a été obtenu dans un stade de pré enrichissement et à partir duquel dans un stade d'enrichissement fi-3 nal on produit de l'eau lourdescaractérisé en ce qu'on introduit au moins un courant partiel d'ammoniac préenrichi . et sous forme de vapeur donc au moins une colonne d'échange (14)et on l'y fait circuler à contre-courant par rapport à une partie du courant de tête d'une colonne de rectification (15) servant à 11enrichisse-iû ment,ce courant de tête consistant en de l'eau à plus faible concentration en deutérium,un échange d'isotopes entre l'ammoniac sous forme de vapeur et l'eau,enrichissant dans la colonne d'échange l'eau en deutérium et cette eau étant ensuite introduite dans la colonne de rectification pour obtenir de l'eau 5 lourde. 2. Procédé selon la revendication 1,caractérisé par le fait que dans la colonne d'échange(14)l'ammoniac en vapeur ascendante est soumis,avant sa condensation,à une extraction de la vapeur d'eau par lavage à l'aide d'ammoniac condensé et que 20 l'eau descendant en provenance de la colonne d'échange est soumise avant son introduction dans la colonne de rectification(15) à une rectification qui en élimine totalement l'ammoniac. 3. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1,caractérisé par le fait qu'elle comporte une installation d'évaporation pour évaporer au moins une partie du courant d'-arnmoniac pré enrichi, ainsi qu'au moins une colonne d'échange (14) dans laquelle est introduite cette vapeur d'ammoniac préenrichi et une colonne de rectificatiQn(15)d'où une partie du produit de tête liquéfié est prélevés pour être introduite 30 dans la colonne d'échange (14),où par échange d'isotopes entre l'ammoniac sous forme de vapeur et l'eau,cette, dernière s'enrichit en deutérium. et est ensuite introduite au moins, en majeure partie par une conduite(21)dans la colonne de rectification(15)• 40 Installation selon la revendication 3y comprenant,un stade ■ de pré enrichissement ayant au moins deux tours d'échange (1,2), une installation de synthèse d'ammoniac (4),une installation de craquage d'ammoniac (5) ainsi qu'un évaporateur (8) 69 14617 9 2008061 pour concentrer le catalyseur, ainsi qu'un stade d'enrichissement final comportant un dispositif d'obtention d'eau lourde, caractérisée par le fait qu'à l'évaporateur. (8) est associée une conduite (10) pour l'enlèvement de l'ammoniac préenrichi, en vapeurs, 5 cette conduite menant dans un condenseur (11) qui est en relation par au moina une conduite (12) avec un endroit de forte concentration en deutérium du stadè. de préenrichissement, et qu'en un point de la conduite (10) situé entre l'évaporateur (8) et le condenseur (11) part une conduite (13) qui aboutit à la colonne d'é-1Q change (14), et pour liquéfier l'ammoniac sortant du haut de cette colonne il y a un condenseur (18) d'où au moins une partie de l'ammoniac est renvoyée au stade de préenrichissement, et qu'en outre de la partie supérieure de la colonne de rectification (15^ une conduite (17) va dans la colonne d'échange (14) pour l'alimén-15 ter en eau de faible concentration en deutérium, "èt une conduite (21) va du bas de la colonne d'échange (14.) dans la colonne de réctification (15) pour alimenter celle-ci en eau enrichie en deutérium» 5» Installation selon la revendication 3, caractérisée par 20 le fait que dans la conduite (17) introduisant le produit liquide de tête dans la colonne d'échange (14) débouche une conduite d'alimentation (24) permettant l'addition d'eau» * 6» Installation selon la revendication 5» caractérisée par le fait que la conduite d'alimentation (24) est reliée à un en-25 droit de soutirage où se rassemble dans là colonne de rectifica-tion (15) l'eau lourde de concentration insuffisante. 7*- Installation selon la revendication 5S caractérisée par le fait que la conduite d'alimentation (24) est reliée à tin endroit de prélèvement d'eau lourde appauvrie en deutérium dans un 30 réacteur. 8» Installation selon la revendication 3y caractérisée par le fait que, dans la conduite (21) d'introduction d'eau enrichie dans la colonne de rectificatioh'(15)j débouche une conduite (25) d'alimentation permettant une addition d'eau. 75 9» Installation selon la revendication 8, caractérisée par le fait qùe la conduite d'alimentation (25) est reliée à un endroit de prélèvement où se rassemble dans la colonne de rectification (15) l'eau lourde de concentration insuffisante. 69 14617 10 2008061 1Q. Installation selon la revendication 8, caractérisée par le fait que la conduite d'alimentation (25) est reliée à un endroit permettant le prélèvement d'eau lourde^appauvrie en deutérium dans un réacteur»