CC BY
33
УДК 66.096.3
A.H. Букин, А.С. Сумченко, М.Б. Розенкевич.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТАНОВКИ ДЕТРИТИЗАЦИИ ВОЗДУХА МЕТОДОМ ФАЗОВОГО ОБМЕНА ПРИ ЕГО ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ОТ О ДО 100%
Предложена инновационная технология очистки газовых потоков (RH<100%) от паров третированной воды. Показана возможность использования метода фазового изотопного обмена для детритизации ненасыщенного воздуха. Представлены результаты предварительных работ по определению зависимости эффективности массообмена от температуры.
The innovation technology for tritiated water vapors removal from gaseous streams (RH<100%) has been presented. It is shown that phase isotopic exchange method can be used for unsaturated air detritiation.The results of preliminary experiments for determination of dependency of mass transfer efficiency vs temperature are given.
Одним из крупнейших международных научных проектов на данный момент являетсястроительство установки термоядерного синтеза следующего поколения - ITER. Для успешной и безопасной работы термоядерного реактора необходимо решить большое количество научно - технологических проблем: удержание плазмы, разработка новых конструкционных материалов и т. д. Не менее важной задачей является разработка технологии безопасного обращения с тритиевой плазмой, а точнее именно с тритием. Для защиты рабочего персонала и населения необходимо удалить тритий из технологических газов и локализовать его в удобной для хранения или дальнейшей переработке форме. Поэтому особое внимание в системе безопасности термоядерного реактораITER уделяется технологиям детритизации атмосферы рабочих помещений.
В текущем проекте Системы Детритизации (СД)ITER предусматривается многобарьерная защита от опасного влияния трития. Она включает в себя три вентиляционные системы. Первая - обычная приточно-вытяжная вентиляция рабочего помещения, не содержащая какой-либо системы очистки воздуха от трития. Сам тритиевый объект, находящийся в атмосфере сухого воздуха, помещен в защитный бокс, система детритизации которого состоит из двух частей. Одна из них предназначена для детритизации циркулирующего в боксе газа. Часть циркулирующего потока газа отводится в дополнительную систему очистки, что позволяет обеспечить работу бокса при давлении, несколько ниже атмосферного. Такой режим исключает большие утечки трития в случае разгерметизации бокса. Вторая система предназначена для очистки газа, проходящего через тритиевый объект в проточном режиме.
Выбор технологии, используемой для удаления трития из потока газа, зависит от химической формы, в которой тритий находится в очищаемом газе. На установках ядерного и термоядерного назначения в воздухе рабочих помещений тритий может появляться в химической форме воды, водорода или содержащих его органических соединений. При этом детритизация проводится следующим образом: водород и органические соединения предварительно на катализаторах окисляются до воды, а финальная стадия удале-
ния трития проводится методом адсорбции воды на молекулярных ситах. Адсорбционный метод осушки газов давно и широко используется в промышленности [1,2], однако применительно к детритизации газов он имеет недостатки, связанные, в первую очередь, с эффектом памяти адсорбента, который обусловлен внедрением тритированной воды в решетку цеолита. Эта вода в последующем не удаляется из адсорбента на стадии десорбции и, в конечном итоге, снижает степень очистки газа от трития при повторном использовании адсорбента [3]. Кроме того, этому методу присущи цикличность и большие энергетические затраты на стадию регенерации адсорбента, проходящей при температурах 300-350°С. Заменой адсорбционному методу может служить метод фазового изотопного обмена (ФИО) между водой и ее парами [4]. На рис. 1 приведена принципиальная схема процесса ФИО воды применительно к очистке газовых потоков от трития.
Рис. 1. Схема экспериментального стенда 1- колонна ФИО, 2- аппарат-насытитель, 3-воздушный фильтр, 4-газодувка, 5,11,14,19,26- теплообменники, 6-контроллеры газового потока, 7-манометр, 8-расходомер, 9-перистальтический насос, 10-емкость с водой, 12,16,17,18,28 - термопары, 13,21,32, 34,35-пробоотборники, 15,20,26-термостаты, 22-емкость для питающей воды, 23-фильтр тонкой очистки, 24,25 - контроллер потока воды, 29,33-гидрозатвор, 30- приемная емкость для воды, 31- мерная емкость.
Процесс состоит в том, что сверху в колонну ФИО, заполненную для развития поверхности контакта между газом и жидкостью какой-либо насадкой, подается поток воды природного изотопного состава заданной величины, а снизу в колонну поступает газ, содержащий пары тритированной воды. В основе очистки газа от трития лежит многократное повторение в колонне процесса изотопного обмена между жидкой водой и ее парами:
И2Ож + НТОп о нтож + н2о„ т
Метод характеризуется величиной термодинамического коэффициента разделения а [5,6], в результате которого равновесные концентрации трития в жидкой воде и в паре отличаются. При организации противоточного процесса разделения между жидкой водой и ее парами в скрубберной колонне будет происходить перенос тяжелого изотопа в жидкость. Различие между концентрациями в а раз достигается на определенной высоте колонне (ВЭТС - высота эквивалентная теоретической ступени). Число ступеней разделения, несмотря на малую величину коэффициента разделения, может достигать больших значений на относительно малой высоте. Так, например, ранее было показано, что степень разделения в колонне диаметром 62 мм и высотой 96 см может достигать 1.8-10 раз [7]. При прочих равных условиях степень очистки определяется режимом работы (Т, Р) и высотой колонны. Процесс не требует затрат на перенаправление потоков и регенерацию сорбента, отсутствует эффект памяти. По оценке специалистов 1ТБЯ,экономический эффект от замены адсорбции паров воды методом ФИО составляет около 16 млн. евро. Уникальность метода состоит в том, что отличие коэффициента разделения от 1 позволяет получать количество вторичных отходов чуть меньше, чем их содержалось в воздухе. Для этого необходимо проводить процесс при плотностях орошения на 2 порядка меньших, чем при ректификации воды. Количество воды в колонне хватает только на создание тонкой ламинарной пленки на поверхности насадки. Таким образом, при ФИО влияние тепловых эффектов будет значительнее, чем при ректификации, что в большей степени скажется на разделительной способности колонны.
При подаче в колонну воздуха с влажностью менее 100% в колонне будет происходить интенсивное испарение жидкости. Процессы, протекающие при работе с сухим воздухом, схематически представлены на рис. 2. Зона 1 представляет собой объем колонны, в которомпроисходит насыщение воздуха за счет испарения воды. При этом будет поглощаться большое количество тепла, что приведет к захолаживанию колонны. Так, например, при подаче воздуха с точкой росы - 64°С и температурой 20 °С в колонну, работающую в адиабатическом режиме, температура газа на выходе составит 5.8°С [8].
Это означает, что на данном участке колонны будет происходить высыхание отдельных областей насадки, возможен разрыв тонкой ламинарной пленки жидкости, что приведет к резкому увеличению ВЭТС и ВЕП и возможному проскоку трития. Однако в таком режиме концентрация трития будет уменьшаться за счет разбавления при насыщении воздуха. После охлаждения колонны и выхода ее на тепловой стационар образуется монотемпературная область (зона 2 рис. 2).
НгО
а|г+,н20(кн=100%)
<1— -
нто А1г+нто{р:н<100%)
и
Рис. 2. Тепловые эффекты при работе с ненасыщенным воздухом
Для данного объема колонны расчет массообменных характеристик ФИО достаточно прост. Определенные трудности могут возникнутьна стадии реализации процесса. При уменьшении температуры в колонне до 6°С, а,следовательно, и уменьшении влагосодержания воздуха, необходимо пропорционально уменьшать количество питающей жидкостидля поддержания постоянного значения X (мольное соотношение между потоками водяного пара в воздухе и жидкой водой). С учетом экстремально малых потоков воды, отмеченных выше и характерных для рассматриваемого процесса, при этом эффективность процесса массообмена может уменьшаться. Поэтому, в рамках данной работы для моделирования условий работы колонны при подаче в нее воздуха со степенью насыщения, меньшей 100%, нами было проведено исследование зависимостиэффективности процесса детритизации от температуры. Подробное описание методики эксперимента и обсчета полученных данных приведены в [7]. В табл.1 представлены результаты проведенных экспериментов.
Таблица 1
Зависимость эффективности процесса массообмена в колонне ФИО от температуры
N п.п. Т,К а Л ЧТСР ^ см h , см °У К , °у 3 моль HO/мс 2 DF L , шо мл/ч
* 1 279.15 1.122 0.879 28 6.86 6.09 7.5 4233 101
2 281.05 1.118 0.844 13.65 7.03 6.13 8.5 188 121
3 285.55 1.111 0.955 19.68 4.88 4.53 15.7 134 141
4 291.35 1.101 0.931 15.72 6.11 5.62 18.5 86 214
5 298.15 1.092 1.035 12.14 7.91 7.70 20.7 18.6 298
* 6 293.45 1.099 0.910 28.6 6.71 6.12 19.4 1258 248
*-высота насадочного слоя 192 см, в остальных случаях 96 см
Как видно из данных таблицы, с уменьшением температуры, а, соответственно, и плотности орошения, падения разделительной способности колонны не происходит. Например, значение фактора детритизации (ЯГ), равного отношению концентрации трития во входящем и выходящем потоках воздуха, для экспериментов 2-5 таблицы, проведенных в сопоставимых условиях, но при разной температуре, при понижении температуры увеличивается.
Однако следует отметить, что режим запуска и эксплуатации колонн в условиях детритизации ненасыщенного газа остается неясным. При работе в области низких температур поток орошения колонны много меньше, чем при использовании насыщенного воздуха, но небольшая величина потока питания пусковой период работы может привести к высыханию отдельных элементов насадки и потере разделительной способности установки. Увеличение потока питания приведет, с одной стороны, к решению проблемы проскока трития, но, с другой стороны, произойдет увеличение количества вторичных отходов. Дальнейшие работы по изучению процесса фазового изотопного обмена при использовании ненасыщенного воздуха должны быть
направлены на исследование различных способов запуска установки и определение массообменных характеристик колонны при работе с различными величинами потоков питания и влажности входящего воздуха.
Библиографические ссылки:
1. YamanishiT., YamadaM., SuzukiT. etal. Operational Results of the Safety Systems of the Tritium Process Laboratory of the Japan Atomic Energy Agency// Fusion Science and Technology, 2008, v. 54, p. 315-318.
2. Неймарк И.Е., Шейнфайн Р.Ю. Силикагель, его свойства и применение: - Киев, Наукова думка. 1973. 200с
2. Sabathier F. et al. Assessment of the performance of the JET exhaust detriti-ation system// Fusion Engineering and Design, 2001, V.54, P. 547-553
3. Perevezentsev A.N., Andreev B.M., Rozenkevich M.B. et al. Wet Scrubber Technology for tritium confinement at ITER// Fusion Engineering and Design, 2010, v.85, in print
4. Van Hook A. Vapor Pressures of The Isotopic Waters and Ices//J.Phys. Chem., 1968, V.72, P.1234 - 1244
5. Андреев Б.М., Магомедбеков Э.П., Розенкевич М.Б., Сахаровский Ю.А. Гетерогенные реакции изотопного обмена трития. М., УРСС, 1999, 208 С.
7. Марунич С.А. Фазовый изотопный обмен как метод очистки воздуха от паров тритированной воды. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.
6. Психрометрические расчеты [Электронный ресурс] // Sugar Engineers [сайт]. URL: www.sugartech.co.za/psychro/index.php
УДК 66.097
Д.Ш. Джумамухамедов, В.В. Костюченко, М.А. Половинкин, В.И. Ванчурин
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМУЕМОСТИ ВОДНО-ОКСИДНЫХ КАТАЛИ-ЗАТОРНЫХ ПАСТ МЕТОДОМ ЭКСТРУЗИИ
Исследована формуемость водно-оксидных катализаторных паст в опытном экстру-дере, а также оценено влияние конструктивных особенностей формующего узла и режимов формования на качество катализаторов. Экспериментально установлены условия работы экструдера (живое сечение фильеры, скорость вращения шнека) при которых не происходит разрушение коагуляционной структуры исследуемых паст.
Investigated the formability of water-oxide catalyst pastes in a pilot extruder, as well as the estimated impact of the design features of the site and shaping the quality of the modes forming catalysts. Experiments have revealed the conditions of the extruder (live section of the die, screw speed) at which there is no destruction of the coagulation structure studied pastes.
В технологии гетерогенных катализаторов используются различные методы формования. Наиболее простым и экономичным из существующих методов является экструзия. Расширение ассортимента выпускаемых типоразмеров является важной и актуальной задачей. Решение этой проблемы
