CC BY
12
УДК 621.039.322
Шикин А.В., Новрузова Д.Д,, Вораксо И.А., Чеботов А.Ю., Растунова И.Л.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОТОКА ВОДЫ НА МАССООБМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНТАКТНОГО УСТРОЙСТВА МЕМБРАННОГО ТИПА ПРИ ИЗОТОПНОМ ОБМЕНЕ МЕЖДУ ВОДОРОДОМ И ВОДОЙ
Шикин Андрей Владимирович, студент 5 курса Института материалов современной энергетики и нанотехнологии;
Новрузова Дарья Довлетгелдиевна, студент 4 курса Института материалов современной энергетики и нанотехнологии;
Вораксо Иван Андреевич, старший лаборант кафедры технологии изотопов и водородной энергетики; Чеботов Александр Юрьевич, ассистент кафедры технологии изотопов и водородной энергетики, e-mail: a.u.chobotov@gmail.com;
Растунова Ирина Леонидовна, д.т.н., доцент кафедры технологии изотопов и водородной энергетики. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
В работе представлены результаты экспериментального определения массообменных характеристик процесса изотопного обмена между водородом и водой в контактном устройстве мембранного типа. Оценено влияние потока воды на эффективность процесса массообмена.
Ключевые слова: контактное устройство мембранного типа (КУМТ), коэффициент массопередачи, детритизация, химический изотопный обмен (ХИО), система вода-водород.
STUDY OF THE INFLUENCE OF WATER FLOW ON MASS EXCHANGE CHARACTERISTICS OF THE CONTACT DEVICE OF THE MEMBRANE TYPE AT ISOTOPE EXCHANGE BETWEEN HYDROGEN AND WATER
Shikin Andrey Vladimirovich, Novruzova Daria Dovletgeldievna, Vorakso Ivan Andreevich., Chebotov Alexander Yurievich, Rastunova Irina Leonidovna
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
The paper presents the results of an experimental determination of the mass transfer characteristics of the isotope exchange process between hydrogen and water in a membrane-type contact device. The effect of water flow on the efficiency of the mass transfer process is estimated.
Keywords: membrane-type contact device, mass transfer coefficient, detritization, chemical isotope exchange (CIO), water-hydrogen system.
Введение
Одной из важных задач развития ядерной энергетики является разделение изотопов водорода, поскольку его тяжёлые изотопы (дейтерий и тритий) - одни из важнейших материалов ядерной техники [1]. В области разделения изотопов водорода существует три основные задачи:
1. Получение тяжелой воды из природного сырья.
2. Поддержание необходимой концентрации дейтерия в реакторной воде для ее эффективного функционирования в качестве замедлителя нейтронов.
3. Очистка от трития жидких и газовых потоков с целью сокращения минимизации тритиевого загрязнения окружающей среды и уменьшения объемов отходов, подлежащих захоронению.
Одним из наиболее эффективных методов решения перечисленных задач является химический изотопный обмен (ХИО) в системе вода-водород [2]. В РХТУ имени Д.И. Менделеева для осуществления данного процесса было разработано контактное устройство мембранного типа (КУМТ) [3]. В КУМТ поток жидкой воды пространственно отделен от
находящегося в парогазовом пространстве катализатора мембраной, содержащей в своей структуре полимерную матрицу и кластеры воды и выполняющей функцию границы раздела между жидкой и парогазовой фазами. В этом случае процесс ХИО (3) идёт в две стадии: каталитический изотопный обмен (КИО) водорода с парами воды на активных центрах катализатора (1) и фазовый изотопный обмен (ФИО) между жидкой водой и её парами на поверхности мембраны (2).
Cat
H2O (п) + HX (г) ~ HXO (П) + И2 (г) (КИО) (1) HXO (п) + H2O (ж) ~ H2O (п) + HXO (ж) (ФИО) (2)
H2O (ж) + HX (г) ~ HXO (ж) + H2 (г) (ХИО) (3)
где X - тяжелый изотоп водорода (дейтерий (D) или тритий (T)).
При этом обе стадии идут параллельно по всей длине КУМТ, а не последовательно, как в традиционно используемых колоннах с послойной загрузкой катализатора и насадки. Также контактные устройства мембранного типа обладают большей по сравнению с традиционными колоннами пропускной
способностью; благодаря пространственному отделению катализатора от жидкой воды в КУМТ возможно применение не только гидрофобных, но и гидрофильных по своей природе катализаторов; отсутствует необходимость вертикального расположения разделительных элементов, что создаёт перспективу создания мобильных установок детритизации.
Экспериментальная часть
Исследование массообменных характеристик КУМТ проводилось на установке с независимыми потоками. В парогазовое пространство контактного устройства подавался электролитический водород с меткой дейтерия, предварительно насыщенный парами воды, выходящей из жидкостного пространства КУМТ, при температуре эксперимента. Противотоком ему в жидкостное пространство подавалась вода природного изотопного состава. Входящие потоки, а также само контактное устройство мембранного типа термостатируются при температуре эксперимента. Для анализа отбирались пробы выходящей из КУМТ воды, конденсата выходящего из КУМТ водорода, а также пробы входящего и выходящего водорода, предварительно переведённые в форму воды в пламенной горелке.
Для экспериментов было сконструировано контактное устройство КУМТ-Х, представляющее собой трубчатый стеклянный корпус с помещенной внутрь, свёрнутой в спираль, трубчатой мембраной ТФ-4СК, по своей структуре и составу являющейся аналогом мембраны КаАоп. В парогазовое пространство КУМТ помещен гидрофобный платинированный катализатор РХТУ-3СМ [4]. Фрагмент контактного устройства представлен на рисунке 1.
Рисунок 1. Фрагмент контактного устройства КУМТ-Х
По результатам эксперимента рассчитывались следующие массобменные характеристики КУМТ:
1. Число теоретических ступеней разделения (ЧТСР) N [5]:
N = 1п^/1п — , (4) а1 Я
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; Я -мольное отношение потоков водорода и воды.
2. Число единиц переноса (ЧЕП) по газовой фазе Ыу:
N у = N 1П (5)
а -Я Я
3. коэффициент массопередачи Коу:
а „ • N..
м ' (6)
где БМ - площадь мембраны в КУМТ (м ); Оп-Т -поток паро-водородной смеси (м3/с), рассчитанный теоретически для полного насыщения потока водорода парами воды при температуре эксперимента.
Результаты и их обсуждение
Было исследовано влияние мольного отношения потоков на эффективность массообмена в КУМТ-Х. Эксперименты проводились при температуре 60 °С, атмосферном давлении, фиксированном потоке водорода 60 нл/ч при варьировании потока воды от 17,8 до 93,6 мл/ч. При этом мольное отношение изменялось в диапазоне от 0,52 при максимальном потоке воды до 2,71 при минимальном. Графическая интерпретация результатов эксперимента
представлена на рисунках 2-4, где показаны зависимости ЧТСР, ЧЕП и коэффициента массопередачи в зависимости от мольного отношения потоков.
Рисунок 2. Влияние мольного отношения потоков на ЧТСР в КУМТ-Х
N..
1.6 1,4 1.2 1,0 0,8
;......
т.....п
0,0 1,0 2,0 3,0 А,
Рисунок 3. Влияние мольного отношения потоков на ЧЕП в КУМТ-Х
Рисунок 4. Влияние мольного отношения потоков на коэффициент массопредачи в КУМТ-Х
Как видно из графиков при увеличении мольного отношения потоков за счет уменьшения потока воды ЧТСР линейно возрастает, тогда как на ЧЕП по газовой фазе и на коэффициент массопередачи поток воды в КУМТ-Х не оказывает. Характер полученной зависимости хорошо согласуется с допущением, сделанным ранее [6], о том, что в контактных устройствах типа КУМТ лимитирующие стации обусловлены диффузионными процессами, проходящими в парогазовом пространстве и в теле мембраны.
Работа выполнена в рамках соглашения ГЗ 075-032020-232/3 (ГЗ FSSM-2020-0004)Пр
Список литературы
1. Андреев Б.М., Магомедбеков Э.П., Розенкевич М.Б., Сахаровский Ю.А. Гетерогенные реакции изотопного обмена трития. М.: Эдиториал УРСС, 1999. 208 с.
2. Андреев Б.М., Зельвенский Я.Д., Катальников С.Г. Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике. М.: ИздАТ, 2000. 344 с.
3. 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.
4. Способ приготовления платинового гидрофобного катализатора изотопного обмена водорода с водой: пат. 2307708 Рос. Федерация. № 2006102805/04; заявл. 31.01.2006; опубл. 10.10.2007.
5. 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. 2015. Т. 29. №6. С. 50-52.
6. 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. № 3 (78). С. 42-51.
