СПОСОБ ОЧИСТКИ ГЕЛИЯ ОТ ПРИМЕСИ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА Российский патент 2008 года по МПК C01B23/00 B01D53/04 

Описание патента на изобретение RU2323157C2

Изобретение относится к технологии очистки инертных газов от газообразных примесей, а именно к технологии извлечения и компремирования изотопов водорода, содержащихся в виде примесей в газообразном гелии.

Известные способы очистки газов от изотопов водорода основываются на физических и химических методах. К физическим методам можно отнести разделение газов на мембранах из материалов, обладающих избирательной диффузионной способностью по водороду, низкотемпературную дистилляцию, адсорбцию и абсорбцию водорода на различных материалах. К химическому методу относится метод окисления изотопов водорода с последующим улавливанием образующейся воды на различных ловушках.

Известен способ удаления гелия из смеси дейтерия и трития (заявка ЕПВ №0032827, публ. 29.07.81, С01В 4/00), который заключается в каталитическом окислении изотопов водорода с последующей конденсацией окислов Н2О, D2O и Т2О. В дальнейшем окислы разлагают электролизом для получения обогащенной протием фракции. Эту фракцию дистиллируют, чтобы отделить окислы D2O и Т2О от обогащенного водой дистиллята. Конденсат со стадии дистилляции и неэлектролизованную часть смеси подвергают электролизу, чтобы получить смесь дейтерия и трития.

Данный способ позволяет получать чистый гелий, однако извлечение изотопов водорода требует больших энергозатрат и является экологически опасным.

В качестве прототипа выбран способ тонкой очистки инертных газов от газообразных примесей (Патент РФ №2113270, публ. 20.06.98, В01D 53/04). Способ заключается в том, что инертный газ, содержащий газообразные примеси (углеводороды, азот, кислород, вода, четырехфтористый углерод, окись углерода, двуокись углерода), пропускают через три реактора, наполненных губчатым титаном и находящихся при трех различных температурах: 750-800°С, 850-950°С, 350-400°С. При температуре 750-800°С в первом реакторе происходит разложение легко разрушаемых кислородсодержащих примесей (Н2О и СО2) с одновременным поглощением кислорода металлическим титаном. Во втором реакторе при температуре 850-950°С происходит поглощение азота, углерода и кислорода, образующихся в результате разложения СО и CH4. В третьем реакторе при температуре 350-400°С происходит поглощение водорода.

К недостаткам этого способа можно отнести следующее.

Во-первых, регенерация металлического титана из первого и второго реакторов невозможна вследствие образования химически и термически стойких соединений. Необходима замена титана.

Во-вторых, требуются значительные энергозатраты для поддержания необходимой температуры при прохождении газа через реактор.

В-третьих, рассмотренный способ позволяет проводить очистку инертного газа до содержания водорода (0,1-0,5)·10-4 об.%, воды - до 0,1·10-4 об.%. При загрязнении инертного газа тритием объемная активность после очистки будет составлять 1,5·10-2 Kи/л (5,6·107 Бк/л) и применение его без дозиметрического контроля невозможно из-за его радиоактивной загрязненности.

Задачей настоящего изобретения является повышение степени очистки гелия от примеси изотопов водорода (трития) с одновременным извлечением и улавливанием трития.

Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого способа, заключается в следующем:

- снижение концентрации трития в гелии с 1 об.% до менее 1·10-6 об.%;

- поглощение более 90% изотопов водорода гидридообразующими металлами;

- возможность регенерации сорбента изотопов водорода;

- возможность повторного использования изотопов водорода.

Для достижения указанных задачи и технического результата в способе очистки гелия от примеси изотопов водорода, включающем подачу газообразной смеси к сорбенту, способному поглощать изотопы водорода под воздействием температуры, с одновременным удалением гелия из сорбционного блока, согласно изобретению в качестве сорбента используют пористый нанодисперсный углерод, температуру которого поддерживают не выше 77-80 К. Пористый нанодисперсный углерод имеет удельную поверхность более 700 м2/г. После удаления гелия температуру в сорбционном блоке повышают до комнатной, после чего осуществляют отвод из него изотопов водорода в емкость до давления в ней 2·104-105 Па. Емкость для сбора изотопов водорода соединяют с поглотительным блоком, содержащим гидридообразующий сорбент.

Применение охлажденного до температуры 77-80 К пористого нанодисперсного углерода с удельной поверхностью более 700 м2/г позволяет адсорбировать изотопы водорода. При парциальном давлении изотопов водорода 104; 102 и 1 Па сорбционная емкость охлажденного пористого нанодисперсного углерода составляет соответственно ˜150; 4 и 0,4 см3/г. При повышении температуры углерода в сорбционном блоке до комнатной практически весь водород десорбируется из углерода (выделяется в газовую фазу). При соединении сорбционного блока с емкостью для сбора изотопов водорода все выделившиеся изотопы водорода эвакуируются в эту емкость. Объем емкости выбирается из условия, чтобы получать давление водорода в ней порядка 105 Па, т.е. проводить компремирование, после чего скомпремированный газ может быть поглощен гидридообразующим сорбентом в поглотительном блоке. Изотопы водорода (тритий) гораздо легче и быстрее поглощаются гидридообразующими металлами при давлении ˜105 Па, чем при давлении 102 Па и тем более при давлении 1 Па.

Схема установки для реализации предлагаемого способа представлена на чертеже.

Она состоит из емкости 1 с исходной газовой смесью; сорбционного блока 2 с сорбентом для поглощения изотопов водорода. В качестве сорбента используется пористый нанодисперсный углерод. Установка содержит емкость 4 для сбора гелия, соединенную с блоком 2 через перекачной насос 3. Блок 2 с сорбентом соединен с емкостью 5 для сбора изотопов водорода. Емкость 5 соединена с поглотительным блоком 6, заполненным гидридообразующим металлом. Блоки установки соединены через вакуумные вентили В1, В2, В3, В4, В5.

Исходная газовая смесь (гелий с примесью изотопов водорода) из емкости 1 через вентиль В 1 подается в предварительно охлажденный до Т=77-80 К сорбционный блок 2, содержащий пористый нанодисперсный углерод. Вентиль В4 закрыт. Через вентиль В2, перекачной насос 3 и вентиль В3 гелий перекачивается в емкость 4 для сбора гелия. После откачки газа из емкости 1 и блока 2 до давления ˜1 Па вентили B1, B2, В3 закрываются. Открывается вентиль В4 и температура в сорбционном блоке 2 доводится до комнатной. Выделившийся газ из сорбционного блока 2 собирается в емкость 5 для сбора изотопов водорода. Открывается вентиль В 5, и собранные в емкости 5 изотопы водорода направляются в поглотительный блок 6, в котором находится гидридообразующий металл.

Была проведена экспериментальная отработка заявляемого способа.

- Колонки, заполненные пористым нанодисперсным углеродом с удельной поверхностью 780 м2/г, активируются при температуре ˜800 К в течение 0,5 часа под откачкой при давлении ˜1·10-3 Па.

- С помощью жидкого азота температура колонок из пористого нанодисперсного углерода доводится до 77-80 К.

- Через колонки пропускается гелий при давлении 0,1 МПа до 1 об.% изотопов водорода (трития). Тритий адсорбируется на пористый нанодисперсный углерод. Гелий практически весь проходит через колонки. После прохождения газа через первую колонку содержание трития снижается до 10-2 об.%. После прохождения газа через вторую колонку содержание трития снижается до 1·10-6 об.%. Активность очищенного гелия (по тритию) составляет менее 1·106 Бк/л, что по нормам радиационной безопасности (НРБ-99) менее минимально значимой удельной активности.

- После завершения эвакуации очищенного гелия колонки нагревают до комнатной температуры. Выделившийся газ (изотопы водорода) собирают в емкость. Давление изотопов водорода может составлять до 0,1 МПа.

- Из емкости газ подается в поглотительный блок, содержащий предварительно активированные гидридообразующие металлы.

- Колонки с пористым нанодисперсным углеродом могут многократно выдерживать циклы поглощения и регенерации.

Предлагаемый способ очистки гелия от примеси изотопов водорода является экономичным, мало энергоемким и экологически безопасным и позволяет

- получить чистый гелий (примесь изотопов водорода менее 1·10-6 об.%);

- выделить и собрать более 90% изотопов водорода;

- многократно использовать сорбенты (углерод и гидридообразующие металлы).

Похожие патенты RU2323157C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗОВОЙ СМЕСИ ОТ ТРИТИЯ 2021
  • Казаковский Николай Тимофеевич
  • Королев Владимир Александрович
RU2758464C1
КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ВОДОРОДА И ЕГО ИЗОТОПОВ 2008
  • Ривкис Лев Аркадьевич
  • Кравченко Игорь Михайлович
  • Прыкина Ирина Геннадьевна
  • Семенов Александр Александрович
  • Елисеев Сергей Петрович
  • Баранов Сергей Васильевич
  • Валеев Салават Мини-Ахметович
RU2383955C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОГО ФТОРИДА АЛЮМИНИЯ ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО СОЕДИНЕНИЯ РУТЕНИЯ-106 2003
  • Даниловский Ю.С.
  • Залецкий В.Э.
  • Сапрыгин А.В.
  • Лебединский Ю.М.
  • Таманова Т.С.
  • Сазонов В.И.
  • Пирогов В.Д.
RU2237020C1
УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИЙ СОРБЕНТ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 1997
  • Митькин В.Н.
  • Левченко Л.М.
  • Мухин В.В.
  • Скворцов А.П.
  • Аброськин И.Е.
  • Александров А.Б.
  • Рожков В.В.
RU2141376C1
Способ приготовления поглотителя хлороводорода из газовых смесей 2023
  • Шамсуллин Айрат Инсафович
  • Шигапов Нияз Марсович
  • Яковлев Вадим Анатольевич
  • Деревщиков Владимир Сергеевич
RU2807840C1
Способ очистки газа от паров иода 1990
  • Аликберова Людмила Юрьевна
  • Живейнова Ольга Геннадьевна
  • Савинкина Елена Владимировна
  • Степин Борис Дмитриевич
SU1725987A1
СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ГЕЛИЯ И ВОДОРОДА ИЗ ВАКУУМНОГО ОБЪЕМА ТЕРМОЯДЕРНОЙ УСТАНОВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1998
  • Брагин А.В.
  • Волосов В.И.
  • Попов Ю.С.
RU2149466C1
Способ комплексного контроля радионуклидов в выбросах ядерных энергетических установок 2018
  • Епимахов Виталий Николаевич
  • Олейник Михаил Сергеевич
  • Ильин Владимир Георгиевич
  • Саранча Олег Николаевич
RU2687842C1
УГЛЕРОДНЫЙ МЕЗОПОРИСТЫЙ ГЕМОСОРБЕНТ 2007
  • Суровикин Виталий Федорович
  • Пьянова Лидия Георгиевна
  • Лузянина Людмила Семеновна
  • Суровикин Юрий Витальевич
RU2331581C1
Способ групповой идентификации органических соединений в воде 1982
  • Таджиева Нагима Хакимовна
  • Прокопьева Мария Федоровна
  • Панина Лариса Ивановна
  • Сакодынский Карл Иванович
SU1068806A1

Реферат патента 2008 года СПОСОБ ОЧИСТКИ ГЕЛИЯ ОТ ПРИМЕСИ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА

Изобретение относится к технологии очистки инертных газов от газообразных примесей. Исходную газообразную смесь подают в сорбционный блок с пористым нанодисперсным углеродом для поглощения изотопов водорода под воздействием температуры. Одновременно с этим гелий отводят из сорбционного блока. Температуру в сорбционном блоке поддерживают равной 77-80 К. После удаления гелия температуру в сорбционном блоке повышают до комнатной для десорбции изотопов водорода, предварительно соединив его с емкостью для сбора изотопов водорода. В емкости может находиться гидридообразующий сорбент, или ее соединяют с поглотительным блоком с гидридообразующим сорбентом. Изобретение позволяет повысить степень очистки гелия от примеси изотопов водорода с одновременным извлечением и улавливанием трития. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 323 157 C2

1. Способ очистки гелия от примеси изотопов водорода, включающий подачу газообразной смеси к сорбенту, способному поглощать изотопы водорода под воздействием температуры, с одновременным удалением гелия из сорбционного блока, отличающийся тем, что в качестве сорбента используют пористый нанодисперсный углерод, температуру которого поддерживают в интервале 77-80 К.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пористый нанодисперсный углерод имеет удельную поверхность более 700 м2/г.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что после удаления гелия температуру в сорбционном блоке повышают до комнатной.4. Способ по п.3, отличающийся тем, что после повышения температуры в сорбционном блоке осуществляется отвод из него изотопов водорода в емкость до давления в ней 2·104-105 Па.5. Способ по п.4, отличающийся тем, что емкость для сбора изотопов водорода соединяют с поглотительным блоком, содержащим гидридообразующий сорбент.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2008 года RU2323157C2

JP 08108046 А, 30.04.1996
US 20020150529 А1, 17.10.2002
JP 2004011003 А, 15.01.2004
JP 2005194184 А, 21.07.2005
СПОСОБ ТОНКОЙ ОЧИСТКИ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ ОТ ГАЗООБРАЗНЫХ ПРИМЕСЕЙ 1996
  • Вовк С.М.
  • Ефимов В.В.
  • Козлов П.М.
  • Кошелев В.Л.
  • Перехожева Т.Н.
  • Щербаков А.Г.
RU2113270C1
МАШИНА ДЛЯ ОЧИСТКИ ПЛОДОВ 1931
  • Белозеров А.Н.
SU32827A1

RU 2 323 157 C2

Авторы

Стеньгач Алексей Владимирович

Голубева Валентина Николаевна

Калачева Алена Павловна

Казаковский Николай Тимофеевич

Даты

2008-04-27Публикация

2005-11-07Подача