CC BY
21
_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 6_
УДК 621.039.322
А.Ю. Чеботов*, М.Н. Соловьева, И.Л. Растунова
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 * e-mail: a.u.chobotov@gmail.com
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ МАССООБМЕНА В КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВАХ МЕМБРАННОГО ТИПА В СИСТЕМЕ ВОДА-ВОДОРОД
Аннотация
В работе представлены результаты сравнения экспериментальных массообменных характеристик для мембранных контактных устройств различного типа, а также представлены результаты математического расчета коэффициента массопередачи. Оценено влияние особенностей конструкции на эффективность процесса массопередачи в контактных устройствах мембранного типа.
Ключевые слова: контактное устройство мембранного типа (КУМТ), коэффициент массопередачи, детритизация, химический изотопный обмен (ХИО), система вода-водород.
Очистка от трития легководных отходов до уровня, позволяющего сбрасывать очищенный поток в окружающую среду при одновременном уменьшении объемов тритийсодержащих
радиоактивных отходов, подлежащих захоронению, является важной международной экологической задачей. Одним из наиболее перспективных способов решения этой задачи является химический изотопный обмен (ХИО) между водой и молекулярным водородом [1].
В РХТУ имени Д.И. Менделеева для осуществления данного процесса было разработано контактное устройство мембранного типа (КУМТ) [2]. В этих контактных устройствах поток жидкой воды отделен от находящегося в парогазовом пространстве катализатора с помощью плоской
мембраны, проницаемой для молекул воды (рис. 1 а). Такая организация потоков дает возможность использовать для реализации процесса ХИО не гидрофобные по своей природе катализаторы, а также снимает необходимость вертикального расположения разделительных элементов на основе мембранных контактных устройств, вследствие чего появляется перспектива создания компактных установок детритизации воды. Ранее проведенные исследования показали работоспособность КУМТ, поэтому работа по совершенствованию его конструкции является перспективной и актуальной. В настоящей работе предложена новая конструкция контактного модуля мембранного типа (КУМТ-ТМ) с использованием трубчатых мембран (рис. 1б), а также проведено сравнение с КУМТ старого образца.
Рис. 1. Внешний вид КУМТ: а - с плоскими мембранами, б - с трубчатыми мембранами
Исследование массообменных характеристик мембранных контактных устройств обоих типов проводилось на установке с независимыми потоками. В парогазовое пространство контактного устройства подается поток электролитического водорода с тритиевой меткой (~106 Ки/кг), предварительно насыщенный парами воды, выходящей из жидкостного пространства контактного устройства, при температуре эксперимента. В противоток паро-
водородной смеси подается поток воды природного изотопного состава. Входящие потоки, а также само мембранное контактное устройство
термостатируются при температуре эксперимента. Для анализа отбираются пробы выходящей воды, конденсат воды из выходящего потока водорода, а также пробы входящего и выходящего водорода, предварительно переведенные в форму воды в пламенной горелке.
По результатам эксперимента рассчитывали следующие массобменные характеристики КУМТ: - число теоретических ступеней разделения (Ы) осуществляли графоаналитическим способом по следующей формуле [3]:
, а2 а N = 1п -^/1п
а
Л
(1)
где а2 и а1 - разность концентраций трития в водороде, лежащих на рабочей и равновесной линиях диаграммы Мак Кэба-Тиле, в сечениях подачи питающих потоков в контактное устройство (а2> а1); а - коэффициент разделения ХИО в системе протий-тритий при рабочей температуре; X - мольное отношение потоков водорода и воды; - число единиц переноса а
N. = N ■
а -А
, а ; • 1П— ,
2
(2)
коэффициент массопередачи (Ку): О • N
Кау =■
£
(3)
где БМ - площадь мембраны в КУМТ; Оп-г - поток паро-водородной смеси рассчитанный теоретически для полного насыщения потока водорода парами воды при температуре эксперимента. Также, исходя из свободного сечения КУМТ, рассчитывали линейную скорость парогазового потока (ипг) внутри КУМТ.
Для теоретического описания массообмена ХИО в мембранных контактных устройствах применялся алгоритм расчета коэффициента массопередачи расч) основанный на уравнении аддитивности
сопротивлений массопереносу в парогазовом пространстве КУМТ, которое имеет следующий вид [4]:
1 11111
-ач=--1—;--1---1---1--
Каура™ Рп - г X • Рп Рпп Рм РМд (4)
где Рп-г - коэффициент массоотдачи в ядре парогазового потока (м/с); Рп - коэффициент массоотдачи в порах катализатора (м/с); Рм -коэффициент массоотдачи, учитывающий перенос воды с поверхности мембраны в парогразовый поток в ламинарном приграничном слое вблизи мембраны (м/с); Рпп - коэффициент продольного перемешивания, учитывающий отклонение от модели идеального вытеснения (м/с); Рм> -коэффициент массоотдачи, учитывающий диффузию молекул воды в теле мембраны (м/с); X' - мольное отношение потоков пар-водород, учитывающее концентрацию пара при различных температуре и давлении.
Для создания новых конструкций мембранных модулей с трубчатыми мембранами (КУМТ-ТМ) были использованы трубчатые мембраны ТФ-4СК, имеющие состав и структуру, аналогичную плоским мембранам МФ-4СК. Данные мембраны были закуплены на предприятии ОАО «Пластполимер».
В таблице 1 представлены характеристики исследованных мембранных контактных устройств. В данной серии экспериментов использовали гидрофобный платиновый катализатор РХТУ-3СМ, производимый по разработанной в РХТУ им. Д.И. Менделеева технологии [5].
(КауРаСЧ)
Таблица 1. Основные характеристики мембранных модулей
Характеристика КУМТ-ТМ КУМТ
Мембрана ТФ-4СК МФ-4СК
Толщина, мкм 150 230
Суммарная площадь поверхности мембран в КУМТ, см2 34 42
Количество мембран, шт. 10 1
Суммарная длина мембран, см 17 6,5
Количество секций 1 1
Объем КУМТ, см3 10,8 25
Объем жидкостного пространства, см3 0,13 12,50
Объем катализатора в КУМТ, см3 9 10
Как видно из таблицы 1, площадь мембран для модулей КУМТ-ТМ и традиционного КУМТ является соизмеримой. Для исследования массообменных характеристик контактных устройств была проведена серия экспериментов при различных потоках водорода (ОН2), при соотношении потоков водорода и воды Х=1, температуре Т=333К и давлении Р = 0,1 МПа. Результаты экспериментов представлены в таблице 2.
Из представленных данных видно, что наиболее резкая зависимость числа единиц переноса от
скорости паро-водородного потока, а также наибольшие значения коэффициента массопередачи (в 2-3 раза выше) наблюдаются для КУМТ-ТМ. Это, вероятно, может быть обусловлено конструктивными особенностями аппарата, а именно - уменьшением толщины диффузионных слоев жидкостного и паро-водородного пространств в КУМТ-ТМ. Также из таблицы видно, что расхождение между расчетными и экспериментальными значениями коэффициентов массопередачи не превышают 10% как для традиционного КУМТ, как и для модуля КУМТ-ТМ.
Таблица 2. Массообменные характеристики ХИО водорода с водой в КУМТ различных типов
Он2, нл/ч 0пг-106, м3/с ипг, м/с N ^ Koy-103, м/с K0_)расч-103, м/с
КУМТ 20 8,4 0,042 0,14 1,79 3,6 3,3
40 16,9 0,084 0,10 1,36 5,4 5,0
60 25,3 0,127 0,06 0,92 5,5 6,1
80 33,7 0,169 0,06 0,85 6,8 6,9
100 42,2 0,211 0,04 0,79 7,9 7,4
КУМТ-ТМ 20 8,43 0,303 2,53 5,16 9,5 10,7
40 16,9 0,606 1,26 2,58 12,7 12,7
60 25,3 0,910 0,94 1,93 14,3 13,6
80 33,7 1,213 0,74 1,51 15,0 14,1
100 42,2 1,516 0,81 1,66 15,1 14,5
Таким образом, в работе показано, что конструкция мембранных модулей влияет на эффективность массообмена в процессе химического изотопного обмена водорода с водой. Кроме того, рассчитанные с помощью алгоритма значения
коэффициентов массопередачи хорошо коррелируют с экспериментальными значениями, полученными на КУМТ с трубчатыми мембранами, откуда следует, что данный алгоритм может применяться для расчёта КУМТ с использованием различных мембран.
Чеботов Александр Юрьевич аспирант кафедры технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Соловьева Мария Николаевна студент группы Ф-42 РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Растунова Ирина Леонидовна к.т.н., доцент кафедры технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Андреев Б.М., Зельвенский Я.Д., Катальников С.Г. Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике. М.: ИздАТ, 2000. 344 с.
2. Контактное устройство для изотопного обмена водорода или углекислого газа с водой: пат. 2375107 Рос. Федерации. № 2008117569/12; заявл. 06.05.2008; опубл. 10.12.2009.
3. Андреев Б.М., Магомедбеков Э.П., Розенкевич М.Б., Райтман А.А., Сахаровский Ю.А., Хорошилов А.В. Разделение изотопов биогенных элементов в двухфазных системах. М.: ИздАТ, 2003. 376 с.
4. Растунова И.Л., Розенкевич М.Б., Чеботов А.Ю. Разделительная установка с мембранными контактными устройствами для детритизации легкой воды методом изотопного обмена в системе вода-водород. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Материаловедение и новые материалы, 2014. Выпуск 3(78). С 42-51.
5. Способ приготовления платинового гидрофобного катализатора изотопного обмена водорода с водой: пат. 2307708 Рос. Федерация. № 2006102805/04; заявл. 31.01.2006; опубл. 10.10.2007.
^ebotov Alexander Yuryevich*, SolovyevaMaria Nikolaevna, Rastunova Irina Leonidovna D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: a.u.chobotov@gmail.com
RESEARCH OF THE DESIGN FEATURES INFLUENCE ON THE MASS TRANSFER EFFICIENCY IN MEMBRANE CONTACT DEVICES FOR THE WATER-HYDROGEN SYSTEM
Abstract
The work presents results of a comparison of experimental mass transfer characteristics for membrane contact devices of various types, and presents results of the mathematical calculation of mass transfer coefficient. The effect of design features on the efficiency of the mass transfer in the contact devices membrane type was found.
Key words: contact device membrane type, mass transfer coefficient, detritization, chemical isotope exchange, the water-hydrogen system.
