RU1777942C - Способ разделени изотопов водорода многоступенчатым изотопным обменом между водой и водородом - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени . На каждой ступени разделени  дл  разделени  газового и жидкостного потоков используют твердопо- лимерную мембрану из перфорированного сополимера с привитыми сульфогруппами с нанесенным на нее со стороны потока водорода платиновым катализатором, с противоположной стороны мембраны подают поток жидкой воды и процесс провод т при температуре 343-363 К. 1 табл., 1 ил.

Description

Изобретение относитс  к области технологии разделени  изотопов легких элементов методом химического изотопного обмена и может быть исдользовано дл  разделени  изотопов водорода, особенно про- ти  или дейтери  и трити  каталитическим изотопным обменом между водой и водородом .

Наиболее близким к данному способу по технической сущности и достигаемому результату  вл етс  способ разделени  изотопов водорода многоступенчатым изотопным обменом между водой и водородом в разделительных  чейках при противотоке воды и водорода, npvt котором потоки водорода и паров воды в инертном газе-носителе (Парциальное давление водорода 0.1 атм) пространственно раздел ют мембраной из гидридобразующего материала (например сплава паллади  с серебром), проницаемого дл  водорода и процесс провод т при температурах 393-473 К. Недостатками этого способа  вл ютс :

низка  производительность из-за необходимости использовани  газа-носител .

Большой расход благородных металлов, из которых изготовлена мембрана,  вл ющихс  одновременно катализаторами реакции 1

(расход составл ет -300 мг/см2 при толщине мембраны 250 мкм).

значительные энергетические затраты, св занные, во-первых, с необходимостью перевода воды перед подачей в реактор в паровую фазу, и, во-вторых, с необходимостью проведени  процесса при температурах выше 393 К дл  повышени  активности катализатора. Важно, что повышение температуры одновременно приводит к снижению величины однократного изотопного эффекта и. следовательно, вызывает увеличение числа необходимых ступеней разделени  дл  достижени  необходимой степени разделени  изотопов водорода.

Целью изобретени   вл етс  устранение указанных недостатков, а именно: повышение производительности, уменьшение энергетических затрат и расхода каталиэа- гора реакции изотопного обмена.

Поставленную цель достигают тем, что в каждой ступени разделени  в качестве

сл

с

VI VI

XI

ю

N)

мембраны используют твердополимерную мембрану из перфторированного сополимера с привитыми сульфогруппами с нанесенным на нее со стороны потока водорода платиновым катализатором, с противоположной стороны мембраны подают поток жидкой воды и процеос провод т при температуре 343-363 К.

При этом достижение поставленной цели обуславливаетс  тем, что используема  твердополимерна  мембрана проницаема дл  паров воды и каталитическа  стади  процесса проходит в ступени разделени  со стороны потока водорода, Поэтому нет необходимости иметь катализатор с противоположной стороны мембраны, что позвол ет, с одной стороны, здесь использовать поток жидкой воды, а не ее паров, и, с другой стороны, значительно сократить расход катализатора. Указанный выше температурный диапазон осуществлени  процесса обусловлен тем, что при температуре ниже 343 К эффективность процесса существенно уменьшаетс  (см. ниже пример осуществлени  способа), а при температуре выше 363 К может начатьс  необратимое разрушение мембраны. Вышесказанное иллюстрируетс  следующими примерами осуществлени  за вл емого способа.

Схема установки представлена на чертеже .

Установка состоит из разделительных  чеек 1-4, разделенных твердополимерной мембраной на газовое и жидкостное пространство . Со стороны газового пространства на мембрану нанесен платиновый катализатор. Между  чейками установлены обратные холодильники 6-8. Внизу установки находитс  приемник воды 9, а вверху - водородна  горелка 10. Обогащенную по дейтерию жидкую воду подают в жидкостное пространство  чейки 1, далее последовательно через жидкостные пространства  чеек 2,3 и4, после чего сливают в приемник 9. Газообразный водород с природным изотопным составом ( 0,015 % мольн.) подают противотоком по отношению к потоку воды в газовое пространство  чейки 4, затем отдел ют от паров воды в холодильнике 5, после чего водород проходит последовательно через газовые пространства  чеек (3), (2) и (1), с отделением от паров воды в холодильниках (6), (7) и (8) соответственно. Водород, выход щий из газового пространства  чейки (1), сжигают в горелке (10). Использовались  чейки на основе твердополимерной мембраны МФ-4СК толщиной 250 мкм с рабочей поверхностью 42,3 см2 и плотностью нанесени  платинового катализатора 2 мг/см2. Изотопный

анализ воды и водорода осуществл ли методом атомно-эмиссионной стектроскопии. Относительна  ошибка анализа не превышала + 3%. По результатам анализа рассчитывали КПД Мэрфи (Ео) Отдельно вз той  чейки, характеризующий эффективность процесса изотопного обмена, по уравнению:

Eoi (Y,8WX-Y,BX)/(YiBblx-Y,)(1)

где YIBX, YJBWX - концентраци  дейтери  в потоке водорода на входе и выходе из 1-й  чейки соответственно;

Y - термодинамически равновесна  концентраци  дейтери ,

Результаты осуществлени  процесса приведены в таблице.

Как видно из данных таблицы, в установке осуществл етс  эффективный процесс изотопного обмена между водой и

водородом, причем при Т 363 К концентраци  дейтери  в воде при ее прохождении через колонну мен етс  с 10,41 до 1,97%, т.е. в 5,3 раза.

Сравнива  полученные результаты с

данными по работе установки в способе- прототипе, можно отметить следующее:

1. При прочих равных услови х предлагаемый способ позвол ет повысить производительность в 10 раз за счет увеличени 

парциального давлени  водорода с 0,1 атм в прототипе до 1 атм в предлагаемом способе и сократить расход благородных металлов на единицу поверхности мембраны с 300 мг/см2 до 2 мг/см2.

2.Предлагаемый способ позвол ет значительно снизить энергозатраты на проведение процесса в сравнении со способом-прототипом за счет снижени  температуры проведени  процесса во-первых и отсутстви  необходимости в испарении потока воды перед подачей в установку во-вторых.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Способ разделени  изотопов водорода многоступенчатым изотопным обменом между водой и водородом при пространственном разделении потоков воды и водорода на каждой ступени разделени  мембраной, содержащей катализатор протонного обмена на основе благородных металлов при повышенной температуре, отличающийс  тем, что, с целью повышени  производительности, снижени  энерге- тических затрат и расхода катализатора, используют мембрану из перфторированного сополимера с привитыми сульфогруппами с нанесенным на поверхность мембраны со стороны потока водорода пла гиновым катализатором и процесс ведут при 343 361 К

   G 67,7 л/час, L- 15 мл/ч.

   Условные обозначени : Х0 - концентраци  дейтери  в воде, питающей  чейку (1); Хк - концентраци  дейтери  в воде, выход щей из  чейки (4); G - поток водорода; L - поток воды; Ео - КПД Мэрфи отдельной ЯЧРЙКИ как контактного устройства.