Способ очистки инертных газов от кислорода Российский патент 2023 года по МПК B01D61/54 C01B23/00 G01N27/407 

Изобретение относится к очистке инертных газов от кислорода и может быть использовано в химической, металлургической, энергетической, электронной, а также атомной промышленности, включая пирохимическую переработку отработавшего ядерного топлива.

Известен способ очистки инертного газа, реализованный в установке SIRCAL МР-2000 (Sircal Instruments | Rare Gas Purifier Model MP-2000 [Electronic resource. URL: http://www.sircal.co.uk/Main/russian/product/ru-mp-2000 (accessed: 15.10.2021).

Установка содержит два, последовательно соединенных блока. В первом блоке, представляющем собой печь, в которой последовательно по ходу движения инертного газа используют две газопоглотительные трубки, одна из которых содержит сорбент - титановую губку, а другая - окись меди. При помощи титановой губки посредством химической реакции при 680°С из очищаемого газа удаляют кислород и азот, а при помощи окиси меди при 450°С, который также посредством химической реакции из очищаемого газа удаляют угарный газ, кислород и углеводороды. Во втором блоке газ проходит через работающую при комнатной температуре трубку осушителя с молекулярным ситом, в которой посредством физической адсорбции из инертного газа удаляются влага и углекислый газ. Очистка от кислорода, осуществляемая известным способом, производится на нерегенерируемом дорогом сорбенте относительно низкой емкости - титановой губки. Ресурс работы блока очистки от кислорода составляет не более 2 083 часов (при скорости потока 8 л/мин, исходном содержании О₂=10 ppm, остаточном содержании О₂=1 ppm) и существенно зависит от исходного содержания кислорода, составляя не более 20,8 часов при исходном содержании О₂=1000 ppm (0,1%), остальные параметры те же.

Известен способ очистки инертного газа, реализованный в установке CN 101181982, опубл. 21.05.2021, которая содержит блок управления, а также последовательно соединенные между собой по ходу движения очищаемого газа три функциональных блока. В первом из них с помощью нагретого до 200 - 320°С углеродсодержащего восстановителя удаляется кислород. Второй блок состоит из двух попеременно работающих адсорберов с реализованной регенерации сорбента (молекулярного сита), в которых удаляется влага и диоксид углерода. В третьем блоке удаляются другие примеси с помощью сорбента на основе сплава Zr, Ti.

Поскольку очистка от кислорода, осуществляемая известным способом, производится также на нерегенерируемых сорбентах, то можно предположить, что этим способом можно также очистить относительно небольшое количество инертного газа.

Кроме того очистка инертных газов от кислорода с помощью нерегенерируемых сорбентов характеризуется тем, что для очистки непрерывного потока инертного газа в случае непостоянного содержания кислорода в инертном газе и/или непостоянной скорости потока инертного газа, производительность устройства для очистки должна соответствовать максимально возможному содержанию кислорода при максимально возможной скорости потока, соответствующей максимально возможному потоку кислорода, подлежащему удалению из инертного газа, что приводит к увеличению стоимости очистки.

Задача изобретения заключается в снижении стоимости очистки потоков инертных газов с высокой степенью очистки.

Для этого предложен способ очистки инертных газов от кислорода, заключающийся в том, что задают и поддерживают заданную скорость потока очищаемого инертного газа, затем очищаемый газ компримируют и под повышенным давлением подают в первый ресивер, из которого редуцируют и очищают от кислорода с помощью твердоэлектролитной электрохимической ячейки и контролируют содержание в нем кислорода с помощью потенциометрической твердоэлектролитной электрохимической ячейки, далее задают и поддерживают заданную скорость потока инертного газа омывающего внутренние электроды электрохимических ячеек, затем очищенный газ компримируют и под повышенным давлением подают во второй ресивер, из которого редуцируют, при этом, если согласно показаниям потенциометрической ячейки, степень очистки инертного газа от кислорода недостаточна, то заданную скорость потока инертного газа, омывающего внутренние электроды ячеек, постепенно уменьшают до достижения требуемой степени очистки инертного газа от кислорода.

Сущность способа заключается в том, что поток очищаемого инертного газа с заданной скоростью и под повышенным давлением подают в ресивер, редуцируют и подают в кислородный насос с твердоэлектролитной электрохимической ячейкой, содержащей мембрану с нанесенными на ее противоположные стороны внутренним и наружным электродами, подключенными к отрицательному и положительному контактам источника постоянного тока, соответственно. При пропускании постоянного тока через мембрану происходит перемещение кислорода со стороны мембраны с внутренним электродом на сторону с наружным электродом, осуществляя таким образом очистку инертного газа от кислорода. Для контроля содержания кислорода в очищенном инертном газе используют потенциометрическую твердоэлектролитную ячейку, имеющуюся в кислородном насосе, наружный электрод которой контактирует с атмосферным воздухом. Задавая и поддерживая заданную скорость потока инертного газа, омывающего внутренние электроды твердоэлектролитных ячеек, очищенный газ компримируют и под повышенным давлением, подают в другой ресивер, из которого редуцируют, при этом, если согласно показаниям потенциометрической ячейки, степень очистки инертного газа от кислорода недостаточна, то заданную скорость потока инертного газа, омывающего внутренние электроды твердоэлектролитных ячеек, постепенно уменьшают до достижения требуемой степени очистки инертного газа от кислорода. При этом очищаемый газ будет накапливаться в одном ресивере, а из другого будет расходоваться очищенный газ. Заявленный способ позволяет существенно снизить стоимость очистки инертных газов от кислорода до остаточного содержания кислорода не более 1 ppm. Таким образом, управляя потоками очищаемого и очищенного инертного газа с использованием двух газовых ресиверов, а также, используя известный принцип кислородного насоса, состоящего из твердоэлектролитных электрохимических ячеек, осуществляют электрохимическую очистку непрерывного потока инертного газа от кислорода посредством установки, производительность которой будет равна усредненному потоку кислорода, подлежащему удалению из инертного газа.

Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении производительности очистки инертного газа от кислорода, достаточной для применения этого газа в пирохимической переработке отработавшего ядерного топлива.

Изобретение иллюстрируется рисунком, на котором показана схема установки для реализации предложенного способа очистки инертных газов, содержащая кислородный насос, состоящий из твердоэлектролитных ячеек, мембраны которых выполнены из твердого электролита состава 0,85ZrO₂+0,15Y₂O₃, а пористые электроды - из мелкодисперсной платины.

Установка содержит регулятор расхода газов 1, который обеспечивает заданную скорость потока очищаемого газа, компрессор 2, при помощи которого очищаемый газ компримируется и под повышенным давлением поступает в ресивер 3, снабженный датчиком давления 4 и предохранительным клапаном 5. Далее очищаемый газ из ресивера 3 редуцируется регулятором давления 6 и омывает внутренний электрод 7, нанесенный на одну сторону мембраны твердоэлектролитной электрохимической ячейки 8 кислородного насоса 9. На другой стороне мембраны ячейки 8 имеется наружный электрод 10. Электроды 7 и 10, подключены к отрицательному и положительному контактам источника постоянного тока (не показан), соответственно. При пропускании постоянного тока через мембрану ячейки 8 происходит перемещение кислорода со стороны мембраны с внутренним электродом 7 на сторону с наружным электродом 10 и таким образом осуществляется очистка инертного газа от кислорода. Затем очищенный инертный газ омывает внутренний электрод 11 потенциометрической твердоэлектролитной ячейки 12, контактирующий с очищаемым инертным газом, контролируя содержание кислорода. Наружный электрод 13 ячейки 12 при этом контактирует с атмосферным воздухом. Далее очищенный газ поступает в регулятор расхода газов 14, который поддерживает скорость потока газа через кислородный насос 9, задаваемую программно-логическим контроллером (не показан). Далее при помощи компрессора 15 очищенный газ компримируется и под повышенным давлением поступает в ресивер 16, снабженный датчиком давления 17 и предохранительным клапаном 18. Из ресивера 16 очищенный газ редуцируется регулятором давления 19 и подается потребителю. Для корректной работы установки реализованы обратные связи между датчиками давления 4, 17 и компрессорами 2, 15, соответственно. Программно-логический контроллер определяет скорость потока очищенного газа через кислородный насос 9 следующим образом. Если согласно показаниям потенциометрической ячейки 12, степень очистки инертного газа от кислорода недостаточна, то программно-логический контроллер постепенно уменьшает заданную регулятору расхода газов 14 скорость потока до тех пор, пока не будет достигнута требуемая степень очистки инертного газа от кислорода. При этом очищаемый газ будет накапливаться в ресивере 3, а очищенный газ может расходоваться из ресивера 16.

Таким образом, заявленный способ позволяет существенно снизить стоимость очистки инертных газов от кислорода путем управления потоками очищаемого и очищенного инертного газа и двух газовых ресиверов, которые позволят осуществлять электрохимическую очистку непрерывного потока инертного газа от кислорода посредством установки, производительность которой будет равна усредненному потоку кислорода, подлежащего удалению из инертного газа. Ресурс работы установки, реализующей данный способ, составляет не менее 8 800 часов.

Изобретение относится к очистке инертных газов от кислорода и может быть использовано в химической, металлургической, энергетической, электронной, а также атомной промышленности, включая пирохимическую переработку отработавшего ядерного топлива. Способ заключается в том, что задают и поддерживают заданную скорость потока очищаемого инертного газа. Затем очищаемый газ компримируют и под повышенным давлением подают в первый ресивер, из которого редуцируют и очищают от кислорода с помощью твердоэлектролитной электрохимической ячейки. Контролируют содержание в нем кислорода с помощью потенциометрической твердоэлектролитной электрохимической ячейки. Далее задают и поддерживают заданную скорость потока инертного газа, омывающего внутренние электроды электрохимических ячеек. Затем очищенный газ компримируют и под повышенным давлением подают во второй ресивер, из которого редуцируют. Если согласно показаниям потенциометрической ячейки степень очистки инертного газа от кислорода недостаточна, то заданную скорость потока инертного газа, омывающего внутренние электроды ячеек, постепенно уменьшают до достижения требуемой степени очистки инертного газа от кислорода. Изобретение позволяет повысить производительность очистки инертного газа от кислорода до достаточной для применения этого газа в пирохимической переработке отработавшего ядерного топлива. 1 ил.

Способ очистки инертных газов от кислорода, заключающийся в том, что задают и поддерживают заданную скорость потока очищаемого инертного газа, затем очищаемый газ компримируют и под повышенным давлением подают в первый ресивер, из которого редуцируют и очищают от кислорода с помощью твердоэлектролитной электрохимической ячейки и контролируют содержание в нем кислорода с помощью потенциометрической твердоэлектролитной электрохимической ячейки, далее задают и поддерживают заданную скорость потока инертного газа, омывающего внутренние электроды электрохимических ячеек, затем очищенный газ компримируют и под повышенным давлением подают во второй ресивер, из которого редуцируют, при этом, если согласно показаниям потенциометрической ячейки степень очистки инертного газа от кислорода недостаточна, то заданную скорость потока инертного газа, омывающего внутренние электроды ячеек, постепенно уменьшают до достижения требуемой степени очистки инертного газа от кислорода.