Контактное устройство для изотопного обмена водорода или углекислого газа с водой

Изобретение относится к устройствам для разделения изотопов водорода (протий, дейтерий, тритий) или кислорода (кислород-16, 17, 18). Контактное устройство содержит емкость, элемент для фазового разделения изотопов и патрубки для подачи и отвода воды и газообразных веществ, участвующих в процессе разделения изотопов. В качестве элемента для фазового изотопного обмена применяется мембрана, проницаемая для паров воды. Мембрана разделяет емкость на два независимых объема. К одному из объемов, заполненному гетерогенным катализатором, присоединены патрубки ввода газа и с противоположной стороны - вывода газообразных веществ, участвующих в процессе разделения. К другому объему противотоком подведены патрубки ввода и вывода воды. Конструкция устройства позволяет расширить спектр используемых катализаторов, а также устранить нарушения гидродинамического режима за счет отсутствия прямого контакта между жидкой водой и газом, 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области технологии разделения изотопов водорода (протий, дейтерий, тритий) или кислорода (кислород-16, 17, 18). Изотопы этих элементов имеют широкое применение в технике, научных исследованиях, медицине, биологии [Андреев Б.М., Магомедбеков Э.П., Райтман А.А и др. «Разделение изотопов биогенных элементов в двухфазных системах». - М.: ИздАТ, 2003, 376 с.]. Природная изотопная смесь этих элементов имеет следующий состав: водород - протий - 99.985 ат.%, дейтерий - 0.015 ат.%, концентрация трития близка к 0 (основное количество трития на Земле - техногенного происхождения), кислород - 16О - 99.75 ат.%, 17O - 0.04 ат.%, 18О - 0.21 ат.%. Между тем, указанные выше области применения этих изотопов нуждаются в продуктах, изотопная концентрация в которых значительно отличается от природной. Эта задача решается с использованием методов разделения изотопов.

Одними из наиболее перспективных способов разделения изотопов водорода или кислорода являются методы химического изотопного обмена (ХИО) между водородом и водой - для изотопов водорода, и между углекислым газом и водой - для изотопов кислорода [там же, с.187-224, с.346-375]. Общей чертой методов ХИО является необходимость многократного повторения относительно небольшого однократного разделительного эффекта, что достигается путем организации противотока между обменивающимися фазами с использованием подходящих контактных устройств. Особенностью указанных выше рабочих систем является использование катализаторов для активации инертных молекул водорода и углекислого газа. При этом катализатор может быть либо гетерогенным, и тогда основная реакция изотопного обмена протекает в паро-газовой фазе, либо гомогенным, и тогда реакция обмена протекает в жидкой фазе. Однако при использовании гомогенных катализаторов возникает необходимость количественного выделения введенных в воду каталитических добавок на ее выходе из колонны, их глубокой осушки с целью последующего повторного использования. Поэтому практического применения такие катализаторы не находят.

Контактным устройством, наиболее близким к заявляемому и широко используемым на практике, является насадочное контактное устройство, представляющее собой емкость и патрубки, через которые противотоком в емкость подают воду и газ, а также патрубки, через которые противотоком выводятся из емкости жидкие и газовые вещества, участвующие в процессе разделения изотопов, гетерогенный катализатор и хорошо смачиваемые водой металлические элементы либо в виде мелких спиралек с размером от 2 до 5 мм (для разделительных колонн диаметром до 100-150 мм), либо в виде структурированных элементов - регулярной насадки (для колонн большего диаметра) [Андреев Б.М., Зельвенский ЯД., Катальников С.Г. «Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике». - М.: ИздАТ, 2000, 344 с.]. Эта смесь равномерно заполняет вертикально расположенную разделительную колонну, имеющую патрубки для ввода и вывода газа и жидкости. При этом во всем объеме колонны на катализаторе протекает реакция каталитического изотопного обмена (КИО) между паром воды и соответствующим газом, на металлической насадке - реакция фазового изотопного обмена (ФИО) между жидкой водой и ее паром.

Использование таких контактных устройств имеет недостатки. Катализатор процесса КИО для обеспечения доступа молекул газа к активным центрам должен обладать гидрофобными свойствами, препятствующими смачиванию его поверхности водой. Это, с одной стороны, ограничивает круг возможных катализаторов процесса, а с другой стороны, уменьшает пропускную способность разделительных устройств из-за нарушения гидродинамических условий контакта газа и жидкости на слое катализатора.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение возможности использования катализатора не гидрофобного по своей природе, устранение нарушений гидродинамического режима вследствие отсутствия прямого контакта между жидкой водой и газом.

Технический результат достигается за счет создания контактного устройства для изотопного обмена водорода или углекислого газа с водой, содержащего емкость и патрубки, через которые противотоком в емкость подают воду и газ, а также патрубки, через которые противотоком из емкости выводятся жидкие и газовые вещества, участвующие в процессе разделения изотопов, гетерогенного катализатора и элемента для фазового изотопного обмена, причем в качестве элемента для фазового изотопного обмена применена мембрана, проницаемая для паров воды и разделяющая емкость на два независимых объема, при этом к одному из объемов, загруженному катализатором, присоединены патрубки ввода газа и с противоположной стороны вывода газовых продуктов процесса разделения, а к другому объему, противотоком, патрубки ввода и вывода воды.

Указанные выше технические результаты достигаются за счет конструкционных особенностей предлагаемого контактного устройства. Его принципиальная схема приведена на чертеже.

Отличительной особенностью данного контактного устройства является наличие двух независимых объемов - газового 1 и жидкостного 2, разделенных мембраной 3, проницаемой для паров воды, патрубка ввода жидкости (воды) 4, патрубка ввода газа (водорода или углекислого газа) 5, патрубка вывода жидкости (жидкой воды) 6 и патрубка 7 для вывода газообразных веществ, участвующих в процессе разделения. В качестве мембраны используется фторполимерная сульфокатионитная мембрана. известная под торговой маркой Nafion (российский аналог - мембрана МФ-4СК).

Вследствие такой конструкционной особенности это устройство в дальнейшем называется контактным устройством мембранного типа (КУМТ). Принцип работы КУМТ заключается в следующем. В один из объемов КУМТ (газовый, 1) помещается гетерогенный катализатор (поз.8) процесса изотопного обмена между парами воды и водородом (разделение изотопов водорода) или углекислым газом (разделение изотопов кислорода) и в него через входной патрубок подается поток соответствующего газа. Второй объем КУМТ (2) катализатора не содержит и через него противотоком к потоку газа через патрубок подается поток жидкой воды. Свойство проницаемости мембраны по парам воды приводит к тому, что давление паров воды в газовом объеме КУМТ является равновесным при температуре осуществления процесса изотопного обмена и, следовательно, через этот объем фактически проходит поток паро-газовой смеси, а не чистого газа. Поэтому в нем протекает каталитический изотопный обмен (КИО) соответствующим изотопом газа с парами воды (реакции 1 и 4 соответственно, см. ниже). Пары воды с измененным изотопным составом по целевому изотопу одновременно через поверхность мембраны участвуют в реакции фазового изотопного обмена (ФИО) с жидкой водой (реакции 2 и 5 соответственно). Таким образом, суммарный процесс ХИО (реакции 3 и 6) в КУМТ протекает в две стадии (индексами (п), (г), (ж) отмечено агрегатное состояние обменивающихся веществ - пар, газ и жидкость соответственно):

- для ХИО в системе вода-водород

где Х - дейтерий или тритий

- для ХИО в системе вода - углекислый газ

Cat.

где XO - изотопы кислорода 17O или 18О.

Таким образом, заявляемое контактное устройство имеет следующие отличительные признаки по сравнению с прототипом:

1. В КУМТ отсутствует физический контакт между рабочим газом и жидкой водой, что, во-первых, позволяет использовать в нем любые катализаторы, в том числе не гидрофобные по своей природе, и, во-вторых, устраняет отмеченные выше гидродинамические проблемы, характерные для контактных устройств насадочного типа, и увеличивают их пропускную способность.

Ниже приводятся примеры практической реализации КУМТ.

Опыты по определению эффективности ХИО в системе вода - водород проводили с использованием разделительной колонны, состоящей из трех последовательно соединенных КУМТ с общей площадью мембраны МФ-4СК, равной 75 см2. Питание колонны осуществлялось водой, обогащенной дейтерием (х0), противотоком к ней в парогазовое пространство КУМТ подавали водород, не содержащий дейтерия (y0≈0), насыщенный парами воды, выходящей из колонны. В стационарном состоянии отбирали пробы на выходе из колонны воды (xк) и водорода (yк). По полученным данным рассчитывали эффективность процесса как к.п.д. по Мэрфри (Ехио), число теоретических ступеней разделения в установке (nT) и коэффициент массопередачи (Коу) [Андреев Б.М., Зельвенский ЯД., Катальников С.Г. «Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике», М.: ИздАТ, 2000, 344 с.]. Условия опытов №№1-2: поток водорода равен 80 дм3/ч (н.у.), поток питающей воды - 64 см3/ч (мольное соотношение потоков равно 1), температура в колонне 358 К и давление 0.1 МПа.

Пример 1. В паро-газовое пространство КУМТ загружали гидрофобный катализатор РХТУ-ЗСМ с содержанием платины 0.8% мас. и размером гранул 0.5-0.8 мм, суммарный объемом катализатора 18 см3. Результаты эксперимента: концентрации дейтерия в стационарном состоянии - х0=10.30 ат.%, xк=8.53 ат.% и yк=2.58 ат.%; характеристики эффективности процесса - ЕХИО=80%, nT=0.70, Коу=6.17·10-2 моль Н2/(с·м2 мембраны).

Пример 2. Эксперимент проведен в условиях, аналогичных приведенным в примере 1, с тем отличием, что использовали гидрофильный платиновый катализатор Pt/Al2O3 с содержанием платины 0.2% мас. и размером гранул 2.0-2.5 мм. Результаты эксперимента: концентрации дейтерия в стационарном состоянии - х0=10.12 ат.%, xк=7.63 ат.% и yк=2.29 ат.%; характеристики эффективности процесса - ЕХИО=81%, nT=0.71, Коу=6.3·10-2 моль Н2/(с·м2 мембраны).

Пример 3. Эксперимент проводили, как описано в примере 2, но при температуре 333 К, давлении 0.1 МПа, потоке водорода 120 дм3/ч (н.у.). Результаты эксперимента: концентрации дейтерия в стационарном состоянии - х0=10.35 ат.%, xк=8.76 ат.% и yк=l.78 ат.%; характеристики эффективности процесса - ЕХИО=60%, nT=0.47, Коу=6.24·10-2 моль Н2/(с·м2 мембраны).

По результатам эксперимента №3 получено, что при 333 К и 0.1 МПа одной теоретической ступени разделения соответствует поверхность мембраны 186 см2 и объем КУМТ 30 см3. По литературным данным [Андреев Б.М., Магомедбеков Э.П., Розенкевич М.Б., Сахаровский Ю.А. «Гетерогенные реакции изотопного обмена трития». - М.: Эдиториал УРСС, 1999, 208 с.] при использовании в тех же условиях насадочного контактного устройства объем теоретической ступени разделения 44.8 см3. Таким образом, использование мембранных контактных устройств позволяет уменьшить объем разделительной установки в 1.5 раза. При этом линейная скорость газа в КУМТ - около 0.2 м/с, т.е. в 1. 6 раза выше, чем в насадочном контактном устройстве.

Опыт по определению эффективности ХИО в системе углекислый газ-вода проводили на одном мембранном контактном устройстве с мембраной МФ-4СК площадью 42 см2 с гидрофильным катализатором НТК-10-2ФМ объемом 6 см3.

Пример 4. При температуре 348 К и давлении 0,1 МПа в жидкостное пространство контактного устройства подавали воду с концентрацией 18О, равной 1.21 ат.%, в количестве 29 см3/ч, а в парогазовое пространство противотоком к ней поступал углекислый газ природного изотопного состава в количестве 18 дм3/ч (н.у.), насыщенный парами выходящей из контактного устройства воды. После достижения стационарного состояния концентрации 18О в выходящих из контактного устройства воде и углекислом газе составили 1.13 ат.% и 0.27 ат.% соответственно. По полученным данным были рассчитаны следующие массообменные характеристики процесса: число теоретических ступеней разделения n=0,08; число единиц переноса по газовой фазе Noy=0.06 и коэффициент массопередачи Коу=1.2·10-2 г-ат.O/м2·с.

По результатам эксперимента 4 рассчитан объем одной теоретической ступени разделения, который для указанных выше условий составил 0.2 дм3. По литературным данным [Андреев Б.М., Магомедбеков Э.П., Райтман А. А и др. «Разделение изотопов биогенных элементов в двухфазных системах», М.: ИздАТ, 2003, с.370] при реализации процесса на насадочных контактных устройствах в жидкой фазе без активирующих добавок объем теоретической ступени разделения составлял около 4 дм3 (Т=298 К, Р=1.5 МПа), а при введении активирующих добавок эта величина снижалась до

0,03 дм3 (Т=323 К, Р=1.0 МПа). Очевидно, что объем разделительной аппаратуры при использовании КУМТ намного меньше, чем для системы без ускоряющих добавок, но больше по сравнению с жидкофазной реакцией в присутствии добавок. Однако реализация процесса в заявляемом контактном устройстве позволяет избежать указанных выше сложностей, связанных с выделением активирующих добавок.

1. Контактное устройство для изотопного обмена водорода или углекислого газа с водой, содержащее емкость и патрубки, через которые противотоком в емкость подают воду и газ, а также патрубки, через которые противотоком из емкости выводятся вода и газообразные вещества, участвующие в процессе разделения изотопов, гетерогенный катализатор и элемент для фазового изотопного обмена, отличающееся тем, что в качестве элемента для фазового изотопного обмена применена мембрана, проницаемая для паров воды и разделяющая емкость на два независимых объема, при этом к одному из объемов, загруженному катализатором, присоединены патрубки ввода газа и с противоположной стороны вывода газообразных веществ, участвующих в процессе разделения, а к другому объему, противотоком, патрубки ввода и вывода воды.

2. Контактное устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве мембраны используют фторполимерную сульфокатионитную мембрану МФ-4СК.

3. Контактное устройство по п.1, отличающееся тем, что гетерогенный катализатор может быть гидрофобным или гидрофильным.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу разделения изотопов, т.е. .

Изобретение относится к области контроля и управления, а именно к способам измерения циркуляционного потока и стабилизации уровня жидкого компонента в испарительной системе дистилляционной колонны, предназначенной для получения целевого продукта, например стабильного изотопа О18, методом низкотемпературной дистилляции оксида азота NO.

Изобретение относится к химической технологии, к способам разделения изотопов, а именно к способам разделения изотопов бора. .

Изобретение относится к атомной, медицинской, сельскохозяйственной и другим отраслям промышленности и может быть использовано при производстве стабильных изотопов азота и кислорода.

Изобретение относится к технологии получения целевого продукта, такого как стабильный изотоп О18, методом низкотемпературной дистилляции оксида азота NO в 3-секционной колонне.

Изобретение относится к технологии процесса обмена изотопов водорода между жидкой водой и газообразным водородом на катализаторе и может быть использовано для получения тяжелой воды и очистки воды от трития.
Изобретение относится к способу разделения изотопов азота 14N и 15N, используемых в качестве меченых атомов в медицине, биологии, сельском хозяйстве, исследованиях в области ядерной физики.

Изобретение относится к разделению изотопов и может быть использовано при разделении стабильных изотопов азота N и 45N методом химического изотопного обмена с термическим обращением потоков.

Изобретение относится к технологии разделения изотопов водорода, а именно детритизации водных отходов методом химического изотопного обмена водорода с водой на гетерогенных катализаторах

Изобретение относится к области технологии радионуклидов и может быть использовано как в технологических процессах, использующих молекулярный тритий и тритийсодержащие соединения, так и для глубокой очистки газовых сбросов от трития предприятий атомной отрасли при решении экологических задач. Способ очистки газов от паров тритированной воды заключается в том, что газовый поток подают снизу противоточной колонны фазового изотопного обмена, заполненной спирально призматической насадкой из нержавеющей стали, а сверху колонны подают поток природной воды, причем процесс проводят при комнатной температуре, а высоту колонны выбирают исходя из требуемой степени детритизации газа. Технический результат изобретения заключается в увеличении степени очистки и переходе на непрерывный режим процесса детритизации газов. 2 ил., 1 табл., 2 пр.

Изобретение относится к установке для разделения изотопов методом фракционной перегонки. Установка содержит многоканальную ректификационную колонну 1, выполненную в виде каскада последовательно расположенных в вертикальном направлении модулей 11 с параллельно расположенными трубками 2, образующими рабочие каналы с насадкой 12, верхний буфер 3 и нижний буфер 4, конденсатор 7, испаритель 8 и дозирующее устройство 5 с раздаточными трубками 6, соединенными с рабочими каналами. Перед модулями 11 установлены распределители потока пара 13 с параллельно расположенными проходными трубками 14. На верхней части модулей 11 установлены тарелки 16 с углублениями, образующими входную часть рабочих каналов. Со стороны выходных отверстий рабочих каналов установлены чашеобразные улавливатели 15 каплеобразной фракции рабочего тела, выходные отверстия которых соединены с входными отверстиями проходных трубок 14. Выходные части проходных трубок 14 установлены во входных частях трубок 2 с образованием зазора между внешней поверхностью проходных трубок 14 и внутренней поверхностью рабочих каналов. Выходные части раздаточных трубок 6 расположены со стороны углублений в тарелках 16 с образованием зазора между внешней поверхностью раздаточных трубок 6 и внутренней поверхностью рабочих каналов. Изобретение обеспечивает повышение производительности процесса разделения изотопов. 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области технологии разделения стабильных изотопов азота 14N и 15N. Способ концентрирования изотопов азота включает проведение противоточного массообменного процесса с использованием молекулярного азота в качестве рабочего вещества, при этом газообразную смесь изотопов азота приводят в контакт с раствором нитрогенильного комплексного соединения переходного металла, способного к термическому отщеплению молекулярного азота и вступающего с ним в реакцию химического изотопного обмена с накоплением 15N в одной из фаз, a 14N - в другой. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента разделения изотопов азота и эффективное и экологически безопасное концентрирование изотопа 15N. 2 з.п. ф-лы, 5 пр.

Изобретение относится к способу обогащения изотопа кислорода. Способ включает получение кислорода, содержащего первично обогащенный изотоп кислорода, с помощью дистилляции кислородного сырья при использовании первого дистилляционного устройства, получение воды с помощью гидрогенизации кислорода, содержащего первично обогащенный изотоп кислорода, получение оксида азота, отводимого при дистилляции сырья оксида азота, при использовании второго дистилляционного устройства, и получение оксида азота и воды с помощью осуществления реакции химического обмена между водой и отведенным оксидом азота, в результате чего получают оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопа кислорода, и воду, имеющую пониженную концентрацию изотопа кислорода, причем оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопа кислорода, подают во второе дистилляционное устройство, а кислород, полученный электролизом воды, имеющей пониженную концентрацию изотопа кислорода, возвращают в первое дистилляционное устройство. Изобретение обеспечивает эффективное обогащение изотопа кислорода. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области производства изотопа кислорода-18 для ПЭТ-томографии и также может быть использовано для производства воды, обогащенной по изотопу кислорода-18. Способ получения воды, обогащенной по кислороду-18, из природной воды методом ректификации воды под вакуумом включает предварительное обогащение воды по кислороду-18 в параллельно работающих по открытой схеме колоннах с отбором первого рода промежуточного концентрата кислорода-18 и конечное обогащение промежуточного концентрата в каскаде колонн, состоящем из концентрирующих по кислороду-18 и исчерпывающих по кислороду-16 колонн. При этом для питания установки используется вода, циркулирующая в колоннах предварительного обогащения, природное содержание кислорода-18 в которой поддерживается путем химического изотопного обмена с углекислым газом, который в свою очередь поддерживает природное содержание кислорода-18 путем химического изотопного обмена с природной водой. Установка для получения воды, обогащенной по кислороду-18, из природной воды включает узел предварительного концентрирования, выполненного в виде параллельно работающих по открытой схеме без исчерпывания с отбором первого рода ректификационных колонн предварительного обогащения, узел конечного концентрирования, выполненного в виде концентрирующих по кислороду-18 колонн и исчерпывающих по кислороду-16 колонн, и узел предварительного концентрирования, расположенный на линии питания и состоящий из колонн химического изотопного обмена в системе вода – углекислый газ. Изобретение обеспечивает получение воды, обогащенной по кислороду-18, с обогащением 95% и нормализованным изотопным составом по дейтерию, с высокой эффективностью и низким уровнем технологических потерь. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к устройствам для разделения изотопов водорода или кислорода

Наверх