Способ разделения изотопов водорода многоступенчатым изотопным обменом между водой и водородом Советский патент 1992 года по МПК B01D59/28 

Изобретение относится к области технологии разделения изотопов легких элементов методом химического изотопного обмена и может быть исдользовано для разделения изотопов водорода, особенно про- тия или дейтерия и трития каталитическим изотопным обменом между водой и водородом.

Наиболее близким к данному способу по технической сущности и достигаемому результату является способ разделения изотопов водорода многоступенчатым изотопным обменом между водой и водородом в разделительных ячейках при противотоке воды и водорода, npvt котором потоки водорода и паров воды в инертном газе-носителе (Парциальное давление водорода 0.1 атм) пространственно разделяют мембраной из гидридобразующего материала (например сплава палладия с серебром), проницаемого для водорода и процесс проводят при температурах 393-473 К. Недостатками этого способа являются:

низкая производительность из-за необходимости использования газа-носителя.

Большой расход благородных металлов, из которых изготовлена мембрана, являющихся одновременно катализаторами реакции 1

(расход составляет -300 мг/см2 при толщине мембраны 250 мкм).

значительные энергетические затраты, связанные, во-первых, с необходимостью перевода воды перед подачей в реактор в паровую фазу, и, во-вторых, с необходимостью проведения процесса при температурах выше 393 К для повышения активности катализатора. Важно, что повышение температуры одновременно приводит к снижению величины однократного изотопного эффекта и. следовательно, вызывает увеличение числа необходимых ступеней разделения для достижения необходимой степени разделения изотопов водорода.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно: повышение производительности, уменьшение энергетических затрат и расхода каталиэа- гора реакции изотопного обмена.

Поставленную цель достигают тем, что в каждой ступени разделения в качестве

сл

с

VI VI

XI

ю

N)

мембраны используют твердополимерную мембрану из перфторированного сополимера с привитыми сульфогруппами с нанесенным на нее со стороны потока водорода платиновым катализатором, с противоположной стороны мембраны подают поток жидкой воды и процеос проводят при температуре 343-363 К.

При этом достижение поставленной цели обуславливается тем, что используемая твердополимерная мембрана проницаема для паров воды и каталитическая стадия процесса проходит в ступени разделения со стороны потока водорода, Поэтому нет необходимости иметь катализатор с противоположной стороны мембраны, что позволяет, с одной стороны, здесь использовать поток жидкой воды, а не ее паров, и, с другой стороны, значительно сократить расход катализатора. Указанный выше температурный диапазон осуществления процесса обусловлен тем, что при температуре ниже 343 К эффективность процесса существенно уменьшается (см. ниже пример осуществления способа), а при температуре выше 363 К может начаться необратимое разрушение мембраны. Вышесказанное иллюстрируется следующими примерами осуществления заявляемого способа.

Схема установки представлена на чертеже.

Установка состоит из разделительных ячеек 1-4, разделенных твердополимерной мембраной на газовое и жидкостное пространство. Со стороны газового пространства на мембрану нанесен платиновый катализатор. Между ячейками установлены обратные холодильники 6-8. Внизу установки находится приемник воды 9, а вверху - водородная горелка 10. Обогащенную по дейтерию жидкую воду подают в жидкостное пространство ячейки 1, далее последовательно через жидкостные пространства ячеек 2,3 и4, после чего сливают в приемник 9. Газообразный водород с природным изотопным составом ( 0,015 % мольн.) подают противотоком по отношению к потоку воды в газовое пространство ячейки 4, затем отделяют от паров воды в холодильнике 5, после чего водород проходит последовательно через газовые пространства ячеек (3), (2) и (1), с отделением от паров воды в холодильниках (6), (7) и (8) соответственно. Водород, выходящий из газового пространства ячейки (1), сжигают в горелке (10). Использовались ячейки на основе твердополимерной мембраны МФ-4СК толщиной 250 мкм с рабочей поверхностью 42,3 см2 и плотностью нанесения платинового катализатора 2 мг/см2. Изотопный

анализ воды и водорода осуществляли методом атомно-эмиссионной стектроскопии. Относительная ошибка анализа не превышала + 3%. По результатам анализа рассчитывали КПД Мэрфи (Ео) Отдельно взятой ячейки, характеризующий эффективность процесса изотопного обмена, по уравнению:

Eoi (Y,8WX-Y,BX)/(YiBblx-Y,)(1)

где YIBX, YJBWX - концентрация дейтерия в потоке водорода на входе и выходе из 1-й ячейки соответственно;

Y - термодинамически равновесная концентрация дейтерия,

Результаты осуществления процесса приведены в таблице.

Как видно из данных таблицы, в установке осуществляется эффективный процесс изотопного обмена между водой и

водородом, причем при Т 363 К концентрация дейтерия в воде при ее прохождении через колонну меняется с 10,41 до 1,97%, т.е. в 5,3 раза.

Сравнивая полученные результаты с

данными по работе установки в способе- прототипе, можно отметить следующее:

1. При прочих равных условиях предлагаемый способ позволяет повысить производительность в 10 раз за счет увеличения

парциального давления водорода с 0,1 атм в прототипе до 1 атм в предлагаемом способе и сократить расход благородных металлов на единицу поверхности мембраны с 300 мг/см2 до 2 мг/см2.

2.Предлагаемый способ позволяет значительно снизить энергозатраты на проведение процесса в сравнении со способом-прототипом за счет снижения температуры проведения процесса во-первых и отсутствия необходимости в испарении потока воды перед подачей в установку во-вторых.

Формула изобретения Способ разделения изотопов водорода многоступенчатым изотопным обменом между водой и водородом при пространственном разделении потоков воды и водорода на каждой ступени разделения мембраной, содержащей катализатор протонного обмена на основе благородных металлов при повышенной температуре, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, снижения энерге- тических затрат и расхода катализатора, используют мембрану из перфторированного сополимера с привитыми сульфогруппами с нанесенным на поверхность мембраны со стороны потока водорода пла гиновым катализатором и процесс ведут при 343 361 К

G 67,7 л/час, L- 15 мл/ч.

Сущность изобретения. На каждой ступени разделения для разделения газового и жидкостного потоков используют твердопо- лимерную мембрану из перфорированного сополимера с привитыми сульфогруппами с нанесенным на нее со стороны потока водорода платиновым катализатором, с противоположной стороны мембраны подают поток жидкой воды и процесс проводят при температуре 343-363 К. 1 табл., 1 ил.

Условные обозначения: Х0 - концентрация дейтерия в воде, питающей ячейку (1); Хк - концентрация дейтерия в воде, выходящей из ячейки (4); G - поток водорода; L - поток воды; Ео - КПД Мэрфи отдельной ЯЧРЙКИ как контактного устройства.