CC BY
7
УДК 621.039.322
Чеботов А.Ю., Герман М.Н., Маркова М.А., Растунова И.Л.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ МАССООБМЕНА В КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВАХ МЕМБРАННОГО ТИПА В СИСТЕМЕ ВОДА-ВОДОРОД
Чеботов Александр Юрьевич, ассистент кафедры технологии изотопов и водородной энергетики, e-mail: a.u.chobotov@gmail.com;
Герман Марина Николаевна, студент 4 курса Института материалов современной энергетики и нанотехнологий на их основе (ИФХ);
Маркова Мария Алексеевна, студент 5 курса Института материалов современной энергетики и нанотехнологий на их основе (ИФХ);
Растунова Ирина Леонидовна, к.т.н., доцент кафедры технология изотопов и водородной энергетики Института материалов современной энергетики и нанотехнологий на их основе (ИФХ) Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В работе представлены результаты сравнения экспериментальных массообменных характеристик для мембранных контактных устройств различного типа. 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.
RESEARCH OF THE DESIGN FEATURES INFLUENCE ON THE MASS TRANSFER EFFICIENCY IN MEMBRANE CONTACT DEVICES FOR THE WATER-HYDROGEN SYSTEM
Chebotov A. Yu., German M. N., Markova M. A., Rastunova I. L.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
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.
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. 1а). 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 работе [3] предложена новая конструкция контактного модуля мембранного типа (КУМТ-ТМ) с использованием трубчатых мембран, собранных в пучок из 9 штук (рис. 1б). Однако в ходе дальнейшего исследования таких контактных устройств было выявлена сильная неравномерность в движении жидкости в сечении КУМТ. Для КУМТ с плоской мембранной такая неоднородность объясняется наличием застойных зон, для КУМТ с трубчатыми мембранами - неоднородностью в диаметре сечения мембранных трубок, и как следствие, неодинаковым гидравлическим сопротивлением трубок. Поскольку неоднородность в движении жидкости снижает эффективность разделения в контактном устройстве за счёт продольного перемешивания жидкости [4] была предложена конструкция КУМТ, обеспечивающая наиболее равномерную подачу жидкости по сечению контактного устройства (рис. 1в). Данная конструкция представляет собой спиралевидную трубчатую мембрану, помещенную в стеклянный корпус. Внутрь спирали помещен катализатор.
Рис. 1. Внешний вид КУМТ: а - с плоскими мембранами, б - с 10 трубчатыми мембранами, в - с 1 трубчатой мембраной
Исследование массообменных характеристик мембранных контактных устройств 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]:
N = 1п ^/1п — (1)
а
Л
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; Л
- мольное отношение потоков водорода и воды;
- число единиц переноса
а , а
N = N ■ у а - Л
■ 1п —; (2)
Л
- коэффициент массопередачи (Коу):
Коу =■
а „ ■ N..
5,.
(3)
где - 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 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 [6].
Как видно из таблицы 1, площадь мембран для всех КУМТ является соизмеримой, однако за счёт конструктивных особенностей удалось снизить объём всего контактного устройства и объем использованного катализатора КУМТ-Х более чем в 4 раза. Для исследования массообменных характеристик контактных устройств была проведена серия экспериментов при различных потоках водорода (Он2), при соотношении потоков водорода и воды Л=1, температуре Т=333К и давлении Р = 0,1 МПа. Результаты экспериментов представлены в таблице 2.
Из представленных данных видно, что, несмотря на наибольшие значения скорости паро-газового потока для КУМТ-Х и наименьшее количество используемого катализатора, его массообменные характеристики остаются не ниже чем у классического контактного устройства. Вероятно, это объясняется тем, что при таких скоростях сильно уменьшаются диффузионные слои на поверхности мембраны и катализатора, что позволяет наиболее эффективно использовать их поверхность. Увеличения эффективности за счёт увеличения площади поверхности мембраны не наблюдается, что связанно с конструктивной особенностью КУМТ-Х: паро-газовый поток проходит с одной стороны плотно скрученной мембранной спирали.
Таблица 1. Основные характеристики мембранных модулей
Характеристика КУМТ КУМТ-ТМ КУМТ-Х
Мембрана МФ-4СК ТФ-4СК ТФ-4СК
Толщина, мкм 230 150 150
Суммарная площадь поверхности мембран в КУМТ, 2 см 42 53 68
Количество мембран, шт. 1 9 1
Длина КУМТ, см 6,5 21 21
Объем КУМТ, см3 25 34 5,6
Объем жидкостного пространства, см3 12,50 1,12 1,98
Объем катализатора в КУМТ, см3 10,0 30,0 2,5
Таблица 2. Массообменные характеристики ХИО водорода с водой в КУМТ различных типов
G^, нл/ч Gпг■106, м3/с «иг, м/с N ^ Koy103, м/с
КУМТ 20 8,4 0,04 0,14 1,79 3,6
40 16,9 0,08 0,10 1,36 5,4
60 25,3 0,13 0,06 0,92 5,5
80 33,7 0,17 0,06 0,85 6,8
100 42,2 0,21 0,04 0,79 7,9
КУМТ-ТМ 20 8,43 0,12 0,93 1,90 3,00
40 16,9 0,23 0,74 1,51 4,77
60 25,3 0,35 0,76 1,55 7,34
80 33,7 0,47 0,78 1,60 10,12
100 42,2 0,58 0,72 1,47 11,57
КУМТ-Х 20 8,43 11,1 0,73 1,49 5,4
40 16,9 22,2 0,52 1,06 7,4
60 25,3 33,2 0,36 0,68 7,7
80 33,7 44,2 0,26 0,54 7,9
Таким образом, в работе показано, что конструкция мембранных модулей влияет на эффективность массообмена в процессе химического изотопного обмена водорода с водой. Так же показана перспективность использования
спиралевидных трубчатых мембран, однако для достижения наибольшей эффективности их использования необходимо совершенствовать конструкцию КУМТ.
Список литературы
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. Чеботов А.Ю., Соловьева М.Н., Растунова И.Л. Исследование влияния конструктивных особенностей на эффективность массообмена в контактных устройствах мембранного типа в системе
вода-водород // Успехи в химии и химической технологии Т. XXIX 2015г. №6.
4. Броунштейн Б.И., Щеголев В.В. Гидродинамика, массо- и теплообмен в колонных аппаратах. Л.: Химия, 1988.
5. 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.
6. Способ приготовления платинового гидрофобного катализатора изотопного обмена водорода с водой: пат. 2307708 Рос. Федерация. № 2006102805/04; заявл. 31.01.2006; опубл. 10.10.2007.
