CC BY
28
кулы ПАВ. Однако этот вопрос является предметом самостоятельного сообщения.
Библиографические ссылки
1. Сергеев Г.Б. Ианохимшг. М.: №д-во МГУ. 2003. 288 с.
2. Егорова Е.М., Ревина А.А. Оптические свойства и размеры наночастиц серебра в мицеллярных растворах. М.: Коллоидный ж-л, 2002. Том 64. № 3. С. 334-345.
3. Докучаев AJT., Мясоедова Т.Г., Ревина А.А. Изучение влияния различных факторов на образование агрегатов серебра в обратных мицеллах под действием у-излучения. // Ж-л ХВЭ, 1997. Том 31. № 5. С. 353-356.
4. Q. Li, Т. Li and J. Wu. Water solubilization capacity and conductance behaviors of AOT and NaDEHP systems in the presence of additives. // Coll. and Surf. A: Phys.-chem. and Eng. Aspects, 2002. Vol. 197. P. 101-109.
5. Танасюк Д.А., Горностаева C.B., Фенин A.A., Ревина А.А., Ермаков В .И. Электропроводность обратномицеллярных систем.// URL: http://zhumal.ape. relarn.ru/articles/2006/216.pdf (289882 bytes). (Дата обращения 01.03.2009).
УДК 621.039.322.3
С. А. Марунич, Каунг Хтуг, Э. П.Магомедбеков, Ю. С. Пак,
М. Б. Розенкевич, Ю. А. Сахаровский
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ОЧИСТКА ВОЗДУХА ОТ ПАРОВ ТРИТИРОВ АННОЙ ВОДЫ МЕТОДОМ ФАЗОВОГО ИЗОТОПНОГО ОБМЕНА В НЕСТАЦИОНАРНЫХ УСЛОВИЯХ
Effectiveness of the air detritiation process by method of phase isotopic exchange of water in the counter-current column has been investigated. Experiments have been done on the non stationary temperature mode with air flow which had the relative humidity less than 100%. The temperature gradient along the column and heat transfer coefficients has been defined. It was shown that investigated regime has been led to reduce of .second radioactive waste volume in comparison with the temperature stationary process.
Исследована эффективность очистки воздуха от паров тритироианной воды методом фазового изотопного обмена воды в противоточной колонне. Эксперименты проведены в нестационарном температурном режиме работы колонны, при подаче в нее воздуха с относительной влажностью меньшей 100%. Изучено изменение температуры воздуха по высоте колонны:, получены значения коэффициентов теплопередачи. Показано, что исследованный режим работы колонны, по сравнению со стационарным, приводит к уменьшению количества образующихся вторичных радиоактивных отходов.
Введение, Перспективные планы развития атомной энергетики в России сопряжены с обострением проблемы локализации трития, образование
которого происходит как на самих АЭС, так и при обращении с облученным ядерным топливом. При этом основными химическими формами соединений трития является водород и вода, причем тритий в воде по своим свойствам (кроме радиоактивности) практически не отличается от содержащей его матрицы. Это обуславливает сложности его выделения. Тем не менее, на сегодняшний день в России разработаны технологии, позволяющие проводить его локализацию из различных водных и газовых отходов [1]. Одной из них является очистка газовых сбросов ядерных объектов от паров цитированной воды методом фазового изотопного обмена (ФИО). В работе [2] приведена подробная информация об эффективности этого процесса в условиях, когда в колонну ФИО поступает воздух, имеющий относительную влажность Н=100%. В этом случае процесс проходит в изотермических условиях, что позволяет находить достоверные значения коэффициентов массопереда-чи. Однако в реальности очищаемый поток воздуха чаще всего имеет влажность меньше 100% и переменную температуру, соответствующую температуре окружающей среды. В этом случае, в колонне, имеющей определенную температуру, процесс ФИО будет сопровождаться изменением влажности очищаемого газа за счет процессов испарения/конденсации воды, которые, в свою очередь, связаны со значительными тепловыми эффектами. Кроме того, в колонне будет изменяться соотношение между потоками водяного пара в газе и потоком жидкой воды. Таким образом, процесс ФИО в целом будет проходить в. нестационарном режиме. Тем не менее, можно ожидать, что при Н<100% существует возможность для колонны ФИО фиксированного размера достигать степени детритизации очищаемого потока, равной получаемой в стационарных условиях, но при меньшем количестве образующихся вторичных радиоактивных отходов.
Целью настоящей работы было исследование процесса теплопередачи и эффективности детритизации воздуха методом ФИО при подаче в колонну воздуха с Н<100%.
Экспериментальная установка и методика проведения опытов. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.
Основной элемент установки - стальная колонна изотопного обмена ] с внутренним диаметром 62мм и высотой 120см. Колонна заполнена 6 блоками регулярной насадки 8и1?.ег, изготовленной из оксидированной меди. Высота каждого блока насадки - 16см и, следовательно, высота насадочного слоя в колонне - 96см. Поток воздуха предварительно поступает в насытитель 2 с использованием воздуходувки 3. Поток воздуха измеряется с помощью контроллеров 4. Насытитель орошается потоком тритированной воды из емкости 5 с помощью насоса 6. Температура воды, поступающей на орошение насытителя, регулируется с помощью теплообменника 7 таким образом, чтобы выходящий из насытителя воздух имел заданную температуру и относительную влажность. На орошение колонны может подаваться вода природного изотопного состава (емкость 8, насос 9, теплообменник 10). В холодильнике 11, охлаждаемом с использованием криостата 13, конденсируются пары воды, конденсат собирается в емкости 12. Колонна 1 имеет термостатирующую рубашку, в
которую подается вода из термостата такой величины, чтобы при всех режимах работы температура входящей и выходящей из рубашки воды составляла 25+0.5°С. Установка снабжена контрольно-измерительными приборами, позволяющими фиксировать температуру воздуха на входе и выходе колонны, температуру внутри колонны на высоте 1/3 от днища, температуру воды, покидающей колонну, а также приборы для измерения всех потоков воды и воздуха.
Г.
4
! м
■&У
Чки
I •
-‘•'О-
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1-колонна ФИО, 2-иасытительвоздуха.
3-воздуходувка, 4-контроллер потока, 5,8,12,14- емкости для воды, 6, 9- дозирующие насосы воды, 7,10-теплообменники, J1- конденсатор водяных паров, 13-криостат
Изотопный анализ воды на содержание трития проводился сцннтил-ляционньш методом на приборе СЖС-04. Измерялась концентрация трития в парах водьг на входе и выходе колонны, в воде, покидающей колонну.
Методика эксперимента была следующей. Воздух с известным потоком поступал в насытитель, откуда выходил с известной температурой и
влажностью и поступал в колонну ФИО. При проведении массообменных экспериментов колонна была предварительно затоплена водой с целью смачивания насадки, а затем в нее подавали необходимый поток питающей воды. Величина этого потока определялась заданным значением соотношения ПОТОКОВ Х= Ои2о/Ьн20* где 0(120 - поток водяных паров в воздухе, г/ч, Ьн2о- поток жидкой воды. г/ч. Величина Одоо рассчитывалась по уравнению
Сц20= Овюд'|Рто*/(Рагм-Р|ио*)]'(18/22.4), г/ч, где Оцозд - поток воздуха, ндм7ч, Рнго*- давление паров воды в воздухе, равное НРц2о. Рнго- равновесное давление паров воды при температуре воздуха на выходе из насытителя, Рата,- атмосферное давление, 18 и 22.4 -молекулярная масса воды и мольный объем воздуха.
В предварительных экспериментах было установлено, что стационарный режим работа колонны при проведении массообменных экспериментов устанавливается через 3-5 часов после начала опыта.
Результаты экспериментов и их обсуждение. На первом этапе были проведены эксперименты, целью которых было получение информации о процессе теплопередачи в колонне. В первом из них перед началом опыта колонна и насадка в ней были тщательно осушены потоком теплого воздуха, орошение колонны водой не проводилось. Температура колонны была выше температуры входящего воздуха. Это означает, что в колонне проходил только процесс нагревания воздуха, не сопровождающийся испарением/конденсацией воды. Методика второго отличалась тем, что в колонну подавали поток орошающей воды и, следовательно, наряду с нагреванием воздуха в колонне проходил процесс его насыщения парами воды.
Величина потока воздуха в обоих экспериментах составляла 1бнм /ч, температура воздуха на входе в колонну - 1.3.1-13.3 С, его относительная влажность Н=Т00%. Поток орошающей воды во втором эксперименте был равен 403г/ч, выходящий из колонны поток воды - 315г/ч. Таким образом, 88г/ч орошающей воды тратилось на насыщение воздуха при его нагревании. Полученные результаты представлены в табл.1 (точки измерения температур - см. рис.2).
При расчете теплового баланса работы колонны принимали следующие значения параметров: теплоемкость воздуха - 1.04 кДж/кгград, теплота испарения воды - 2263кДж/кт, теплоемкость водяного пара -
1.87кДж/кг'град, теплоемкость жидкой воды - 4.19 кДж/кгград [3]. Общую поверхность теплообмена в колонне принимали равной внутренней поверхности стенок колонны - 0.023м2.
Приведенные результаты позволяют определить величины коэффициентов массопередачи в сухой и орошаемой водой колонне. Для сухой колонны: эта величина составляет 0.42+0.05 кВт/м2град, для орошаемой колонны- 1.9 кВт/м2град. Кроме того, предполагая, что воздух выходящий из колонны в эксперименте с орошением имеет 100% относительщто влажность при температуре 18.8°С, на его насыщение необходимо 82г/ч воды (Рр2оЬ =1-52к11а, Рн20188С=2Д5кПа [3, с. 254]). Экспериментально измеренное количество воды, пошедшее на насыщение воздуха составляет 88г/ч,
т.е. в пределах точности эксперимента соответствует сделанному предположению.
Массообменные эксперименты проводили также по двум методикам. В первом случае воздух, насыщенный при температуре ниже, чем рабочая в колонне, перед подачей в колонну нагревали до температуры, близкой к рабочей температуре колонны. По второй методике холодный насыщенный воздух подавали в колонну без дополнительного нагрева. Это означает, что в первом случае в колонну поступал воздух влажностью меньше 100%, а во втором - со 100%-ной влажностью, но с температурой ниже рабочей.
С сухой ЯШИНОЙ
Кешина с орошением
•т.
т.
*■ 5?
Т), 45ш отиса
Т5
т.
* гг
Т(
Тц, и Та - термосттирующад вода в рубашку гаданш
Рис. 2. Точки измерения температур
Все эксперименты проведены при потоке воздуха 16нм"’/ч, загрузке колонны б-тыо блоками медной насадки и температуре термостатирующей воды в рубашке колонны 25°С. В этих условиях при очистке воздуха в равновесных условиях при Л=1.05 (Оню~419г/ч, Ьц2о=399г/ч) и числе теоретических тарелок в колонне 10-11 степень детритизации воздуха (отношение концентраций трития в воздухе на входе и выходе из колонны) составляет Кдстр - 13-15 [2]. Полученные результаты приведены в табд. 2.
Из анализа приведенных данных видно, что во всех проведенных экспериментах достигнутое значение степени детритизации воздуха выше,
чем получаемое в стационарном (равновесном) температурном режиме. Так, например, во втором эксперименте количество воды, входящей в колонну с воздухом, 246г/ч, а выходящей из колонны жидкой воды - 210г/ч, т.е. на 15% меньше. Степень же очистки воздуха даже несколько выше, чем в равновесных условиях. Из сравнения результатов опытов 1 и 3 видно, что в условиях, когда подаваемый на очистку воздух не подвергается дополнительному нагреву, достигаемая степень очистки практически одинакова.
Табл. 1 Температурный режим работы колонны
Условия т. Т2 Т3 Т,т Т2т Т5 Тб
Сухая колонна 13.1 22.0 18.5 25.1 25.0 - -
Колонна с орошением 13.3 18.8 15.3 25.0 24.9 24.8 13.5
Табл. 2 Результаты массообмениых экспериментов
№ т*і£К{£7>ра кржа гютжиюжвгаиое. кЧ їошдарводог psnc*. МБккг
ХХВДб- ЗОЕ ЕСЙ і KML псод XI KJL исд 1КХСЙ вщ кмкуг ыдад ЇОЩр й£1<£ вдз
1* Г 23 349 416 3; 81 тй! 0R5 447 R4
-V* 1' 13 24S 3C0 210 50 513 4.3 520 16
15 1 т 1. ЗйЗ 431 3*0 Я 6L? 0.S 37.В. 98
4 15 Ь у; 415 34$ S" "ІЇТ" 0.S ->з.4 141
і 15 15 Ш 375 318 53 № йТ' 37.0 110
ьїхщшзт с трхытщв к т тюошшк шжнсстно в
ЕКХЕI ИИЭЖ- SOMIS іта
Таким образом, полученные в настоящей работе результаты показывают, что процесс детритизации воздуха рабочих помещений ядерньгх объектов методом ФИО целесообразно проводить без предварительного доведения воздуха до относительной влажности воздуха, равной 100% при рабочей температуре в колонне выше температуры окружающей среды.
Библиографические ссылки
1. Розенкевич М.Б., Магомедбеков Э.П. Пути решения проблемы газовых выбросов трития// Безопасность окружающей среды, 2009. №1. С. 90-93
2. Wet scrubber column for air detritiation. / Perevezentsev A.N. [ets.]; // Fusion Science and Technology, 2009. In print.
3. Физические величины. Справочник. Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мей-лихова. М., Энергоатомиздат. 1991.
