CC BY
10
УДК 621.039:543.46
Мосеева В.С., Николаева Е.А., Букин А.Н.
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ИЗОТОПНОГО ОБМЕНА В СИСТЕМЕ ВОДА-ВОДОРОД
Мосеева Валерия Сергеевна, аспирант 3 года обучения кафедры технологии изотопов и водородной энергетики; email: blacklee@mail.ru;
Николаева Елизавета Алексеевна, студент 5 курса Института материалов современной энергетики и нанотехнологии
Букин Алексей Николаевич, к.т.н., старший научный сотрудник кафедры технологии изотопов и водородной энергетики;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
Проведено исследование эффективности процесса фазового изотопного обмена между жидкой водой и ее парами в разделительной колонне с послойной загрузкой гидрофобного катализатора РХТУ-3СМ и гидрофильной насадки спн 3х3х0,2 мм. Полученная температурная зависимость будет использована для разработки математической модели химического изотопного обмена между жидкой водой и молекулярным водородом по двухтемпературной схеме.
Ключевые слова: фазовый изотопный обмен, насадочно-каталитический слой
RESEARCH OF THE ISOTOPIC EXCHANGE MECHANISM IN THE WATER-HYDROGEN SYSTEM
Moseeva Valeriia Sergeevna, Nikolaeva Elizaveta Alekseevna, Bukin Aleksei Nikolaevich D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
The study of the phase isotope exchange process effectiveness between liquid water and its vapors in a separation column with layered loading of a hydrophobic catalyst RCTU-3SM and a hydrophilic packing spn 3x3x0.2. The obtained temperature dependence will be used to develop a mathematical model of the chemical isotope exchange process between liquid water and molecular hydrogen on dual temperature technology.
Keywords: phase isotopic exchange, packed-catalytic bad.
Одним из наиболее перспективных методов разделения изотопных смесей водорода является химический изотопный обмен (ХИО) в системе вода-водород. Однако реализация данного процесса по однотемпературной схеме с электролизером в качестве нижнего узла обращения потоков (НУОП) является энергозатратной, что ограничивает ее применение при решении крупномасштабных задач разделения изотопов водорода. Существенно менее энергоемкой является двухтемпературная схема разделения изотопов. Так по двухтемпературной технологии, но с использованием системы вода -сероводород, в мире произведено более 90 % тяжелой воды. Суть метода заключается в использовании "горячей" колонны в качестве НУОП, а эффективность разделения определяется разностью температур в «горячей» и «холодной» колоннах. Благодаря резкой температурной зависимости коэффициента разделения в системе вода-водород, в сравнении с системой вода-сероводород (Тхол=303 до Тгор=403 К), процесс можно проводить при атмосферном давлении (Тхол=293 до Тгор=363 К) и заметно большей степени извлечения изотопа.
Процесс ХИО реализуют в разделительных колоннах, заполненных смесью гидрофобного катализатора и гидрофильной насадки. Гидрофильная насадка необходима для осуществления процесса фазового изотопного
обмена (ФИО) между жидкой водой и ее парами, а гидрофобный катализатор - для каталитического изотопного обмена (КИО) между парами воды и водородом. Одновременное сочетание процессов ФИО и КИО определяет суммарную скорость ХИО. Наличие гидрофобного катализатора создает существенное возмущение потокам газа и жидкости особенно. В области малых температур и плотностей орошения усложняется задача равномерного орошения разделительной колонны, а лимитирующей стадией ХИО становится ФИО. Целью настоящего исследования стало определение массообменных характеристик процесса ФИО в разделительной колонне заполненной смесью гидрофобного катализатора РХТУ-3СМ и гидрофильной насадки снп 3х3х0,2 мм.
Методическая часть
Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рисунке 1. Поток азота (120 л/ч) из баллона 3 подается в термостатируемый насытитель 2, через который циркулирует тритийсодержащая вода. Циркуляция предусмотрена для поддержания постоянства концентрации изотопа в насытителе. Далее парогазовая смесь поступает в термостатируемую разделительную колонну (Б = 25 мм, Ь = 400 мм), послойно заполненную смесью гидрофобного катализатора РХТУ-3СМ и
гидрофильной насадки спн 3х3х0,2 мм в соотношении 1 к 4. Противотоком газовой смеси поступает вода (Ь=92-104 мл/ч) природного изотопного состава. Исследования проведены в температурном диапазоне от 10 до 80°С. Определение изотопного состава осуществляется сцинтилляционным методом на приборе ТйСагЬ 2810.
Нпкрихтв
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки
1 - колонна изотопного обмена; 2 - насытитель; 3 - баллон
с азотом;4 - холодильник; 5,6 - емкости; 7,8 -циркуляционные термостаты; 9,10 - жидкостные насосы
Методика обработки экспериментальных данных и расчета массообменных характеристик подробно изложена в работах [1, 2]. Соотношение между потоками X рассчитывали по уравнениям:
Куг = Г> (!)
^ КЗ Е-: ц
- (2)
где О и Ь потоки пара и жидкости соответственно, моль/час; а - коэффициент разделения в системе протий-тритий; хои1 -концентрация изотопа в жидкости на выходе из колонны, ут и уои1 - концентрация изотопа в паре на входе и выходе из колонны соответственно.
Число теоретических ступеней разделения п рассчитывается по уравнению:
?! (3)
1п1
Далее рассчитываются характеристики ВЭТС и ВЕП:
массообменные
ВЭТС = - (4) 51П = В37:;— .':■:-, (5)
Л Л
где Ь - высота разделительного слоя, м.
Из полученных данных рассчитывается объемный коэффициент массопередачи КО:
К,- =
5-БЕП
(6)
где Б - площадь сечения колонны, м. Максимальное расхождение материального баланса во всех экспериментах не превысило 10%.
Экспериментальная часть
Температурная
характеристик таблице 1.
зависимость процесса ФИО
массообменных представлена в
Таблица 1. Температурная зависимость массообменных характеристик процесса ФИО
X, °С 10 20 40 60 80
а 1,115 1,103 1,075 1,056 1,043
X 0,012 0,022 0,070 0,200 0,576
ВЭТС, см 24,3 15,6 14,7 7,6 2,2
ВЕП, см 5,3 3,9 5,0 3,7 1,7
Ко, моль/(м3ч) 25,3 66,4 171,5 728,2 5781
Из представленных в таблице данных видно, что значения ВЕП с ростом температуры снижаются в 3 раза, а значения ВЭТС уменьшаются приблизительно в 11 раз. Такой характер зависимости объясняется существенным увеличение парциального давления паров воды с ростом температуры, а также эффективностью смачивания разделительного слоя.
ьк,
10
"""■•О.
3.6 1000/1
Рис. 2. Температурная зависимость объемного коэффициента массопередачи
Значение наблюдаемой энергии активации было рассчитано по тангенсу угла наклона температурной зависимости объемного коэффициента
массопередачи К0 от температуры, построенной в Аррениусовских координатах (рис. 2), и составило 59,3 кДж/моль. Полученная температурная зависимость будет использована для разработки математической модели процесса химического изотопного обмена между жидкой водой и молекулярным водородом.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта 19-38-90014 Аспиранты
Список литературы
1. Марунич С.А., Пак Ю.С., Розенкевич М.Б. и др. Сравнение Pt и Pt-Re катализаторов химического изотопного обмена водорода с водой // Перспективные материалы. 2012. №10. С. 247-252.
2. Букин А.Н., Розенкевич М.Б. Гидродинамика и массообмен в процессе изотопного обмена водорода с водой в присутствии гидрофобного катализатора Р^Яе Успехи в химии и химической технологии. 2011. Т. 25. №7 (123). С. 45-50.
