Способ разделения изотопов водорода многоступенчатым изотопным обменом между водой и водородом

 

Сущность изобретения. На каждой ступени разделения для разделения газового и жидкостного потоков используют твердополимерную 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.

СОК)З СОВГТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)s В 01 0 59/28

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

Г1РИ ГКНТ СССР

/"

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4905261/26 (22) 25.01.91 (46) 30.11,92, Бюл, ¹ 44 (71) Московский химико-технологический институт им. Д.И, Менделеева (72) А,В. Морозов, В.И. Порембский, М.Б.

Розенкевич и В.Х, Фатеев (56) Патент СССР № t507206, кл. В 01 D 59/28, 1988. (54) СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ

ВОДОРОДА МНОГОСТУПЕНЧАТЫМ ИЗОИзобретение относится к области технологии разделения изотопов легких элементов методом химического изотопного обмена и может быть использовано для разделения изотопов водорода, особенно протия 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, при 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. Ы 1777942 А1

ТОПНЫМ ОБМЕНОМ МЕЖДУ ВОДОЙ И

ВОДОРОДОМ (57) Сущность изобретения. На каждой ступени разделения для разделения газового и жидкостного потоков используют твердополимерную 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.

Большой расход благородных металлов, из которых изготовлена мембрана, являющихся одновременно катализаторами реакции 1 (расход составляет =300 мг/см 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

1777942 мембраны используют твердополимерную мембрану из перфторирован ного 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. В низу 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 и 4, 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 см и плотностью нанесения платино2 вого катализатора 2 мг/см . Изотопный

2 анализ воды и водорода осуществляли методом атомно-эмиссионной стектроскопии.

Относительная ошибка анализа не превышала+ Зоь. По результатам анализа рассчитывали КПД Мэрфи (Ео) отдельно взятой ячейки, характеризующий эффективность процесса изотопного обмена, по уравнению: где У ", Y " — концентрация дейтерия в потоке водорода на входе и выходе из 1-й ячейки соответственно, 10

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 т.е. в 5,3 раза

Сравнивая полученные результаты с данными по работе установки в способепрототипе, можно отметить следующее:

1. При прочих равных условиях предлагаемый способ позволяет повысить производительность в 10 раэ 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 повеохности мембраны с

300 мг/см до 2 мг/см .

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, 25

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; о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения производительности. снижения энергетических затрат и расхода катализатора, используют мембрану из перфторированного сополимера с привитыми сульфогруппами с нанесенным на поверхность мембраны со стороны потока водорода платиновым катализатором и процесс ведут пои 343 -363 К.

20 водородом, причем при Т = 363 К концентрация дейтерия в воде при ее прохождении через колонну меняется с 10,41 до 1,97О >, 1777942

G = 67,7 л/час, L =- 15 мл/ч.

Xy,. > Ук, Т, К

Ео, Хо, 4,71 2,23

3.06 2,72

1,97 2,51

333

343

363

34.4

54,4

65,3

12,19

12, 19

10,41

Условные обозначения:

Хо — концентрация дейтерия в воде, пита ощей ячейку (1);

Х» — концентрация дейтерия в воде, выходящей из ячейки (4);

G — поток водорода; — поток воды;

Ео — КПД Мэрфи отдельной ячейки как контактного устройства.

Составитель А,Морозов

Техред М,Моргентал

Корректор Л.Лукач

Редактор А.Егорова

Производственно-издательский комбинат "Па ент", r Ужгород, ул.Гагарина, !01

Заказ 4153 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5