PT87587B - Processo e dispositivo para a purificacao de um gas que contem isotopos de hidrogenio - Google Patents
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Description
DESCRIÇÃO
DA
PATENTE DE INVENÇÃO
N.° 87 587
REQUERENTE: COMMUNAUTÉ EUROPEÉNNE DE L' ÉNERGIE ATOMIQUE (EUTATOM), Luxemburguesa, industrial,com sede em Batiment Jean Monnet, Plateau du Kirchberg, L - 2920 Luxemburgo.
EPÍGRAFE: PROCESSO E DISPOSITIVO PARA A PURIFICAÇÃO
DE UM GÁS QUE CONTÉM ISÚTOPOS DE HIDROGÉNIO
INVENTORES:
Giancarlo Pierini, Heinz Dworschak e Bruno Spelta, e Etienne Vansant.
Reivindicação do direito de prioridade ao abrigo do artigo 4.° da Convenção de Paris de 20 de Março de 1883.
Luxemburgo, em 27 de Maio de 1987,sob o η3 86 902.
INPI MOO. 113 RF 1«732
V..
COMMUNAUTE EUROPEENNE DE L'ENERGIE ATOMIQUE (EUROTOM) PROCESSO E DISPOSITIVO PARA A PURIFICAÇÃO
DE UM GAS QUE CONTEM ISÓTOPOS DE HIDROGÉNIO (
A presente invenção diz respeito a um processo para a purificação de um gás que contém isótopos de hidrogénio e a recuperação dos diversos isótopos, em particular para o tratamento de um gás que sai de um reactor de fusão termonuclear.
Sabe-se que um reactor de fusão produz não apenas hélio e energia a partir de uma fusão do deutério (D) e do tritio (T), mas também certas impurezas que resultam em particular da reac_ ção do plasma com a primeira parede ou outro componente do reactor. Por conseguinte, é necessário extrair regularmente este gás do pla_s ma e purificá-lo. E de esperar uma contaminação do combustível de fusão por um grande número de impurezas, em particular para água le^ ve, pesada ou tritiada, por compostos sulfurados tais como SO, S02> (H,D,T)2S, por hidrocarbonetos tritiados tais como Cn(H,D,T)2n+m> principalmente metano, assim como por N^O^CO, CO^.
Os processos de purificação concebidos até agora e descritos, por exemplo, no relatório Los Alamos 6855-P por J.L. Anderson e R.H. Sherman, Junho de 1977, intitulado Tritium system test assembly, são extremamente complicados e caros e necessitam, em alguns sistemas, de uma subida da temperatura do gás que contém trítio para valores tais que o trítio tende a migrar para metais da aparelhagem e a atravessá-1 os devido à sua força de permeação.
A invenção tem como objecto propor um processo mais simples que não necessita das temperaturas elevadas para os gases tritiados e que conduz a um dispositivo simples e compacto,o que é muito desejável por razões de segurança e de inventário de materiais radioactivos. Daqui resulta também que é necessário um simples sistema de confinamento dinâmico, pequeno e barato, para as condições de purificação normal e de socorro, devido ao lugar limitado necessário para a operação. Isto reduz de maneira considerável o custo de investimento, extracção e tratamento de plasma.
De acordo com a invenção, este objectivo é atingido pelo facto de o gás ser primeiramente seco em um andar de adsorção da água, de o gás seco atravessar então um andar de adsorção sele£ tiva de compostos de enxofre e de, finalmente, o gás que sai deste andar, que contém pelo menos alguns dos compostos (H,D,T)2» N 2’°2’ CO, C(H,D,T)4> ser tratado em um andar de adsorção/separação de tn drogénio com zeól.ite.
Preferivelmente, a água adsorvída no andar de adsor. ção da água está dividida em oxigénio 0^ por umlado e hidrogénio e
seus isótopos por outro lado, sendo estes últimos então tratados em um andar de adsorção/separação de hidrogénio, cóm Zeol ite.
E conveniente fazer funcionar os vários andares em dois ciclos, isto é, um ciclo de adsorção seguido por um ciclo de regeneração, durante o qual os produtos adsorvidos são libertados.
A invenção tem também como objecto um dispositivo de purificação de um gás que contém isótopos de hidrogénio para a aplicação do processo mencionado acima, e que é caracterizado pelo facto de em cada andar haver pelo menos duas unidades iguais, uma das quais está em ciclo de adsorção enquanto a outra é regenerada, e vice versa.Isto permite uma purificação em regime contínuo.
A invenção vai ser descrita a seguir de maneira mais pormenorizada com um exemplo de realização preferido e com referência à figura única anexa.
A figura única mostra esquematicamente o conjunto do dispositivo de purificação de acordo com a invenção.
Este exemplo de realização foi concebido tendo em conta um reactor de fusão com as caracteristicas seguintes:
potência máxima de fusão
747 MW (th) relação actividade/inactividade inventário combustível quantidade de trítio expulso quantidade de deutério expulso
0,8
3041 gd1 (25,3 mole/h)
17313 gd1 )
.)(24 mole/h)
1155 gd quadro I adiante indica na primeira coluna a composição dos gases a purificar para o caso de um reactor com a dimen_ são especificada acima. Como não existe hoje nenhum reactor de fusão, esta composição provém de um cálculo teórico que pode ser objecto de modificação, sem com isso pôr em causa a estrutura do dispositivo de acordo com a invenção.
Na coluna 2, está indicada a quantidade dos diversos componentes em litros por hora, e na coluna 3 indica-se a radie) actividade dos diversos componenetes.
A mistura gasosa composta por isótopos de hidrogénio, hélio e impurezas provenientes do reactor de fusão é injectada por meio de uma bomba dosimétrica 1 em um andar 2 de adsorção da água e do C02, que adsorve praticamente todo o vapor de água, água pesada, água tritiada, toda a quantidade do C02 θ vestígios de CO. A temperatura de adsorção é mantida constante à temperatura ambiente. A quarta coluna do quadro I abaixo indica a composição dos gases após passagem do primeiro andar 2. 0 restante da mistura é enviado então para umandar 3 de adsorção selectiva de compostos de enxofre, onde compostos tais como SO, S02> H2S são extraídos selectivamente à tem peratura ambiente por uma zeólite, principalmente impregnada por mo noetanolamina e dietanolamina (cf. por exemplo o documento E P - A - 85 2 0 012 8.8). Este substrato pode ser substituído por uma zeólj_ te pré-condicionada do tipo A, Y ou Z, na qual os catiões são pernw tados com Ca2+ , Mg2+ , Fe2+ ; uma tal zeólite é também eficaz como absorvente dos compostos de enxofre e dos possíveis vestígios de C02 ainda não adsorvido na coluna precedente. A última coluna do quadro
-5i
mostra a composição do gás presente à saída do andar 3. Vê-se que os compostos de enxofre desapareceram praticamente.
QUADRO I
(1) Compostos | (2) Estad | (3) o inicial | (4) quantidade depois do andar 2 l.h1 | (5) quantidade depois do andar 2 1.h1 |
quantidade 1.h _1 | actividade -1 Ci.h | |||
D - H | 578 | 155 | 578 | 578 |
H | 14,45 | — | 14,45 | 14,45 |
(H,D,T )20 | 9,6 | 0,61 | <9,5.10 ’6 | |
: (H,D,T)4 | 0,64 | 0,078 | 0,64 | 0,64 |
(H,D,T )2S | 0,064 | 7,8. 10-3 | 0,0064 | — |
SO, S02 | 0,96 | — | 0,96 | — |
N2’ °2 | 6,4 | — | 6,4 | 6,4 |
CO | 0,64 | — | 0,64 | 0,64 |
co2 | 0,064 | — | 0,064 | — |
lHe | 29 | — | > >29 | > > 29 |
A parte restante dos gases, que contém designadamente hélio, os isótopos de hidrogénio, N2,02, CO, C(H,D,T) é então enviada para um andar 4 de adsorção/separação do hidrogénio com zeólite, onde todos estes compostos, com excepção do hélio, são completamente adsorvidos à temperatura do azoto líquido (77K).0 material utilizado é uma zeólite do tipo mordenite estruturalmente modif_i_ cada (cf. por exemplo o documento EP-A-0 049 936), capaz de adso_r ver as seis espécies isotopoméricas do hidrogénio (H2,HD,HT D2DT, T2) (pedido de patente de invenção europeia 85200129.6), e é reí vestido com alumina ou argila com 5 a 50% em peso para aumentar as suas propriedades mecânicas.
melhor substrato é o (ca,Na)-mordenite com 70% de Ca,que foi pré-condicionado termicamente a uma temperatura compreendida entre 420° e 480° C durante 48 horas depois de uma subida de tem peratura com uma velocidade de 2°C por minuto.
No quadro II que se segue estão indicados os valores do factor de resolução (R^), do factor de separação (S^) e dos tempos de retenção do e do (TH2, TD ) para um funcionamento óptimo / da coluna baseada quer em Na-Mordenite, quer no referido (Ca,Na)-mordenite. 0 débito de gás portador (He) é de 40 cm min. .
QUADRO II
Zeó1ite | Temp. (uc) | TH2(mi n) | TH2(min) | SF | rf |
Na-Morden ite | 155 | 3,2 | 3,7 | 1,16 | 1 ,8 |
Na-Morden i te | 140 | 4,6 | 5,5 | 1,19 | 2,0 |
(Ca , Na )-Mord. | 55 | 3,8 | 4,6 | 1,22 | 2,6 |
(Ca,Na)-Mord. | 40 | 6,5' | 8,5 | 1,30 | 3,3 |
A adsorção prossegue até uma taxa de saturação limite de aproximadamente 80% do valor da adsorção total. Durante es_ ta adsorção, efectua-se neste andar uma primeira distribuição das espécies. Seguidamente aquece-se a zeólite do andar 4 a uma tempe^ ratura compreendida entre 150 e 170 K, segundo o tipo de zeólite utilizada. Os isótopos de hidrogénio são então separados das outras impurezas, que se mantêm bloqueadas na zeólite a estas temperaturas .
A separação preliminar dos isótopos de hidrogénio produzidos pela técnica de deslocação é completada num andar 5 com estrutura igual à do andar 4, mas que continua mantido a uma temp£ ratura constante compreendida entre 130 e 190 K, preferivelmente inferior a 160 K. Este andar funciona com a técnica de cromatografia em fase gasosa. Obtém-se uma clara separação das seis espécies isotópicas em pouco tempo. Atinge-se uma separação muito boa,mesmo quando o grau de saturação no andar 4 chega a 80% do valor máximo. Este valor pode ser modificado em função da composição das espécies isotópicas de hidrogénio e do grau de saturação necessário.
A regeneração das zeólites pode ser efectuada cada vez que as’ mesmas atingem um certo valor de saturação,de maneira a recuperar os componentes tritiados e não tritiados adsorvídos. E o caso da água tritiada e do C02 para o andar 2, dos compostos sulf£ rados para o andar 3, de 0^, N2> C0 e Cp(Η,D,T)2n+m Para 0 andar 4. Válvulas como 15, 16 dirigem os produtos se 1ectivamente quer para uma chaminé, quer para armadilhas ou recipientes tais como 17.
Identifiçando os isótopos à saída do andar 5 em detectores de massa e de radioactividade , os diversos isótopos podem ser guiados sucessivamente e na ordem seguinte para uma armadilha 6 para o hidrogénio H2> uma armadilha 7 para o composto H-D, uma armadilha 8 para o composto H-T, uma armadilha 9 para o deutério, uma armadilha 10 para o composto D-T e uma armadilha 11 para o trítio. Estas armadilhas são armadilhas de adsorção do tipo getter.
Durante esta operação, as outras impurezas mantêm-se fixadas na zeólite do andar 4, mas se se reaquecer então esta zeólite à temperatura ambiente, estas impurezas são libertadas uma a uma. Esta libertação pode ser acelerada varrendo a zeólite com hélio.
Todos os compostos não tritiados tais como C^.N^CO, C02> podem ser rejeitados, enquanto os hidrocarbonetos tritiados Cn (H,D,T)2n+m’ PfinciPamen'te metano, são dirigidos para uma armadilha de metano 13, que é constituída por um leito de adsorção met_á lica aquecido a 600 K, uma temperatura à qual os compostos hidrocar. bónicos se decompõem. Para regenerar este leito, o mesmo é aquecido a 1000 K para recuperar os isótopos de hidrogénio. A duração de um ciclo total de adsorção-desadsorção-separação requer aproximadamente uma hora. Neste caso, duas unidades 2,3,4 e 2' , 3‘ ,4* podem ser colocadas em paralelo para um funcionamento alternado através de uma válvula 14.
A água adsorvida no andar 2 pode ser expulsa deste andar durante um ciclo de regeneração aquecendo-o a 700 K e varren-9r do-o com um fluxo de hélio. A 'água assim libertada é dividida em oxigénio por um lado e em isótopos de hidrogénio por outro lado, num andar de separação com funcionamento químico ou electroquímico 12, podendo o oxigénio ser libertado e devendo os isótopos de hidr£ génio ser fraccionados quer no andar 4, quer no andar separado análogo.
andar 2 compõe-se de duas armadilhas de água instaladas em série, sendo a primeira cheia com zeólite pre^-condicionada que só deixa passar uma quantidade muito pequena de água (inferior a 5 ppm), sendo a segunda cheia com um silicato que foi modificado por meio de sileno ou borano conforme descrito no pedido de patente de invenção europeia 85 200678.2. 0 conteúdo de vapor de água à saída desta armadilha é menor do que 0,5 ppm.
As dimensões de cada andar e o tempo de funcionamento antes de regeneração, assim como os tempos necessários para a sua regeneração ou para a separação cromatográfica dos gases estão indicados como exemplo no quadro III.
QUADRO III
I Andar!' Diâmetro | Altura (cm) | Tempo antes da regenera ção (dias) | Tempo de regenera ção (R) ou separação (S) | Observações | Quantidade de zeólite (g) | ||
( cm) | |||||||
(r | nin) | ||||||
2 | 10 | 100 | 3 | 120 | (R) | regeneração a 700 K em débi to de He (2 colunas utilizadas) | 7000 |
3 | 10 | 100 | 20 | 15 | (R) | regeneração a 500 K em débito de He (2 co lunas ufi 1izadas) | 7000 |
4 | 5 | 200 | 1 | 15 | (R+S) | regeneração a 273-323 K em débito d He de 20 1/ /min (2 colunas utili zadas) | 3200 |
5 | 10,0 | 250 | / | 15 | (S) | (2 colinas utilizadas) | 4000 |
A invenção não está limitada ao exemplo de realização descrito acima.Pode aplicar-se o processo de acordo com a invenção a qualquer extracção de trítio num fluxo de um gás inerte tal como o hélio ou de um outro gás.
Claims (4)
- Reivindicações /1. - Processo para a purificação de um gás que contém isótopos de hidrogénio e para a recuperação dos diversos isótopos, em particular para o tratamento de um gás que sai de um reactor de fusão termonuclear, caracterizado pelo facto de o gás ser primeiramente seco num andar (2) de adsorção da ãgua e de CO?, de o gás seco atravessar então um andar (3) de adsorção selectiva de compostos de enxofre, e, finalmente, de o gás que sai deste andar, que contém pelo menos alguns dos compostos (H,D,T)p, , 0?, CO,C(H,D,T)^, ser tratado num andar (4) de adsorção/separaçao de hidrogénio com zeólite.
- 2. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a ãgua adsorvida no andar (2) de adsorção da água ser dividida em oxigénio 0?, por um lado, e hidrogénio e os seus isótopos, por outro lado, sendo estes últimos então tratados num andar (4) de adsorção/separação de hidrogénio com zeólite.
- 3. - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo facto de pelo menos alguns dos andares funcionarem em dois ciclos, isto é, um ciclo de adsorção seguido por um ciclo de regeneração, durante o qual os produtos adsorvidos são libertos.
- 4. - Dispositivo para a purificação de um gás que contém isótopos de hidrogénio para a realização do processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de em cada andar (2, 3, 4) haver pelo menos duas unidades iguais, uma das quais está em ciclo de adsorção enquanto a outra está a ser regenerada, e vice versa,
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