RU178119U1 - Porous Isotope Separation - Google Patents
Porous Isotope Separation Download PDFInfo
- Publication number
- RU178119U1 RU178119U1 RU2017123740U RU2017123740U RU178119U1 RU 178119 U1 RU178119 U1 RU 178119U1 RU 2017123740 U RU2017123740 U RU 2017123740U RU 2017123740 U RU2017123740 U RU 2017123740U RU 178119 U1 RU178119 U1 RU 178119U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- separation
- porous
- microchannels
- mixture
- Prior art date
Links
- 238000005372 isotope separation Methods 0.000 title 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 19
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 3
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract description 15
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 31
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 8
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 1
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D59/00—Separation of different isotopes of the same chemical element
- B01D59/10—Separation by diffusion
- B01D59/12—Separation by diffusion by diffusion through barriers
- B01D59/14—Construction of the barrier
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D59/00—Separation of different isotopes of the same chemical element
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к устройствам для разделения изотопов одного и того же химического элемента по методу газовой диффузии через пористые перегородки.Задачей является повышение удельного коэффициента разделения газовой смеси, уменьшение энергетических затрат на единицу работы разделения, миниатюризация разделительных установок.Технический результат достигается тем, что в качестве пористой перегородки используется перегородка, содержащая множество пор в виде микроканалов заданных размера и формы, которые имеют ряд подвижных створок, которые могут закрывать и открывать микроканалы для прохода молекул газа, открытие и закрытие каждой створки в микроканале осуществляется в такой последовательности, что в ряде створок образуется бегущая волна, скорость которой сопоставима со скоростью движения молекул изотопа газа, который необходимо выделить из смеси.The invention relates to devices for separating isotopes of the same chemical element by gas diffusion through porous walls. The objective is to increase the specific separation coefficient of the gas mixture, reduce energy costs per unit of separation work, miniaturize separation plants. The technical result is achieved by the fact that in as a porous septum, a septum is used, containing many pores in the form of microchannels of a given size and shape, which have a number of movable leaflets that can close and open microchannels for the passage of gas molecules, the opening and closing of each leaflet in the microchannel is carried out in such a sequence that a traveling wave is formed in a number of leaflets, the speed of which is comparable to the speed of molecules of the gas isotope, which must be extracted from the mixture.
Description
Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для разделения изотопов одного и того же химического элемента по методу газовой диффузии через пористые перегородки.The proposed utility model relates to devices for the separation of isotopes of the same chemical element by the method of gas diffusion through porous partitions.
Известен способ выделения изотопов водорода из газовых смесей, конструкция устройства для реализации которого взята за прототип (патент РФ №2605 561 С1, кл. В01D 59/10, публ. 20.12.2016 г.), в котором для выделения изотопов водорода из газовых смесей используют композитную мембрану на основе металлов 5-й группы Периодической системы элементов ниобия, ванадия, тантала или их сплавов друг с другом и другими металлами, обе поверхности которой покрыты тонким слоем палладия или его сплавов, и которая в процессе работы нагрета до температуры равной 350±35°С. В процессе работы на вторую сторону мембраны подают поток кислорода для окисления проникающих сквозь мембрану изотопов водорода до тех пор, пока не прекращается изменение парциального давления на выходе мембраны.A known method of separating hydrogen isotopes from gas mixtures, the design of the device for the implementation of which is taken as a prototype (RF patent No. 2605 561 C1, CL B01D 59/10, publ. 12/20/2016), in which to isolate hydrogen isotopes from gas mixtures use a composite membrane based on metals of the 5th group of the Periodic system of elements of niobium, vanadium, tantalum or their alloys with each other and other metals, both surfaces of which are coated with a thin layer of palladium or its alloys, and which is heated to a temperature of 350 ± 35 ° C. During operation, an oxygen stream is supplied to the second side of the membrane to oxidize hydrogen isotopes penetrating through the membrane until the partial pressure at the membrane outlet stops.
Признаки прототипа совпадают со следующими признаками предлагаемой полезной модели:The features of the prototype coincide with the following features of the proposed utility model:
- Разделяемый изотопы находятся в газовой фазе.- Shared isotopes are in the gas phase.
- Конструкция содержит пористую перегородку (мембрана в прототипе), через которую происходит диффузия компонентов газовой смеси, причем различные компоненты смеси имеют различный поток через пористую перегородку.- The design contains a porous septum (membrane in the prototype) through which the diffusion of the components of the gas mixture occurs, and different components of the mixture have a different flow through the porous septum.
Недостатком указанной конструкции является наличие в составе мембраны дорогих металлов 5-й группы Периодической системы элементов, а также палладия или его сплавов, необходимость затрачивать энергию на поддержания температуры мембраны на уровне 350±35°С, невозможность отделять другие изотопы кроме водорода.The disadvantage of this design is the presence in the membrane of expensive metals of the 5th group of the Periodic system of elements, as well as palladium or its alloys, the need to expend energy to maintain the temperature of the membrane at 350 ± 35 ° C, the inability to separate other isotopes other than hydrogen.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, состоит в снятии ограничения на разделение только изотопов водорода, повышении удельного коэффициента разделения газовой смеси, уменьшении энергетических затрат на единицу работы разделения, миниатюризации установок разделения.The problem to which the proposed utility model is directed is to remove the restriction on the separation of only hydrogen isotopes, increase the specific separation coefficient of the gas mixture, reduce energy costs per unit of separation work, miniaturize separation plants.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в возможности разделения любых газовых смесей изотопов, повышении удельного коэффициента разделения газовой смеси, уменьшении энергетических затрат на единицу работы разделения, миниатюризации установок разделения.The technical result achieved by solving the problem lies in the possibility of separation of any gas mixtures of isotopes, increasing the specific separation coefficient of the gas mixture, reducing energy costs per unit of separation, miniaturization of separation plants.
Технический результат достигается тем, что предлагаемая полезная модель имеет существенные отличительные признаки, отличающие ее от прототипа, которые заключаются в следующем:The technical result is achieved by the fact that the proposed utility model has significant distinguishing features that distinguish it from the prototype, which are as follows:
- в качестве пористой перегородки вместо мембраны используется перегородка, содержащая множество пор в виде микроканалов заданного размера и формы поперченного сечения.- as a porous septum, instead of a membrane, a septum is used, containing many pores in the form of microchannels of a given size and shape of the cross section.
- микроканалы имеют ряд подвижных створок, которые могут закрывать и открывать микроканалы для прохода молекул газа.- microchannels have a number of movable flaps that can close and open microchannels for the passage of gas molecules.
- открытие и закрытие каждой створки в микроканале осуществляется в такой последовательности, что в ряде створок образуется бегущая волна, скорость которой сопоставима со скоростью движения молекул изотопа газа, который необходимо выделить из смеси.- the opening and closing of each leaf in the microchannel is carried out in such a sequence that a traveling wave is formed in a number of valves, the speed of which is comparable to the speed of movement of the gas isotope molecules, which must be extracted from the mixture.
Указанные существенные признаки являются достаточными для достижения заявленного технического результата.These essential features are sufficient to achieve the claimed technical result.
Система, использующая пористую перегородку (фиг. 1) состоит из газового объема высокого давления (1), пористой перегородки (2) и газового объема низкого давления (3). В газовый объем высокого давления (1) поступает исходная питающая смесь изотопов газов (4), с разной молекулярной массой. Компоненты данной газовой смеси проходят через пористую перегородку (2) с разной скоростью, создавая газовый поток вещества (5). При этом химический состав газовой смеси изменяется как в объеме высокого давления (1), так и в объеме низкого давления (3), создавая на выходах из них соответствующие потоки (6) и (7).A system using a porous baffle (Fig. 1) consists of a high-pressure gas volume (1), a porous baffle (2), and a low-pressure gas volume (3). An initial feed mixture of gas isotopes (4) with different molecular weights enters the high-pressure gas volume (1). The components of this gas mixture pass through the porous septum (2) at different speeds, creating a gas flow of the substance (5). In this case, the chemical composition of the gas mixture changes both in the high pressure volume (1) and in the low pressure volume (3), creating the corresponding flows (6) and (7) at the exits from them.
Пористая перегородка (2) состоит из множества активных микромеханических газовых фильтров, которые закреплены на ней таким образом, что поток газа из области высокого давления (1) в область низкого давления (3) возможен только через микроканалы, сформированные в самом активном микромеханическом газовом фильтре.The porous partition (2) consists of many active micromechanical gas filters, which are fixed on it in such a way that the gas flow from the high pressure region (1) to the low pressure region (3) is possible only through microchannels formed in the most active micromechanical gas filter.
Активный микромеханический газовый фильтр (фиг. 2) представляет собой устройство в котором сформирован микроканал (8). Вход канала сообщается с областью высокого давления (1), а выход с областью низкого давления (3). По длине микроканала расположен ряд створок (9), которые могут контролируемо закрывать и открывать микроканал. Открытие и закрытие створок (9) контролируется электрическими приводами, и управляются при помощи электронной системы управления, включенной в конструкцию микромеханического газового фильтра. Привод, также включенный в конструкцию микромеханического газового фильтра, который обеспечивает движение створок сделан таким образом, что позволяет добиться высокой частоты закрытия/открытия створок ƒ (например 20 кГц) и необходимой амплитуды α (например 20 мкм.). Расстояние между створками в ряду L может составлять сотни микрон (например 200 мкм).An active micromechanical gas filter (Fig. 2) is a device in which a microchannel (8) is formed. The channel inlet communicates with the high-pressure region (1), and the outlet communicates with the low-pressure region (3). A number of flaps (9) are located along the length of the microchannel, which can be controlled to close and open the microchannel. The opening and closing of the valves (9) is controlled by electric drives, and controlled by an electronic control system included in the design of the micromechanical gas filter. The drive, also included in the design of the micromechanical gas filter, which provides the movement of the valves is made in such a way that allows to achieve a high frequency of closing / opening the valves ƒ (for example 20 kHz) and the required amplitude α (for example 20 μm.). The distance between the valves in the row L can be hundreds of microns (for example 200 microns).
Устройство работает следующим образом: по управляющей команде блока управления створки (9) начинают колебательные движения с частотой ƒ и амплитудой α. При этом частоты колебаний всех створок одинаковы, а фазы колебаний между соседними створками отличаются на некоторую величину ϕ таким образом, что движение створок формирует бегущую волну (10). Длина бегущей волны λ связана с величиной L через значение разницы фаз ϕ. Так, например для показанного на фиг. 2 случая ϕ=π получаем что λ=2L. Фазовая скорость бегущей волны Vф определяется следующим выражением:The device operates as follows: according to the control command of the sash control unit (9), oscillatory movements with a frequency ƒ and amplitude α begin. In this case, the oscillation frequencies of all the valves are the same, and the phases of the oscillations between adjacent valves differ by a certain value of ϕ so that the movement of the valves forms a traveling wave (10). The traveling wavelength λ is related to L through the phase difference ϕ. Thus, for example, as shown in FIG. 2 cases ϕ = π we get that λ = 2L. The phase velocity of the traveling wave V f is determined by the following expression:
Vф=λ*ƒV f = λ * ƒ
В момент времени t=to ко входу в микроканал движется молекула газа (11). В момент времени t=t1 молекула пролетает первую створку, которая в этот момент является полностью открытой. Если скорость молекулы в направлении оси микроканала Vm равняется фазовой скорости бегущей волны Уф, то эта молекула газа свободно пролетит через микроканал (моменты t=t2. t=t3). Если эти скорости отличаются, то молекула будет испытывать соударения с закрытыми створками, в результат чего время прохождения микроканала возрастет.At time t = to, a gas molecule moves to the entrance to the microchannel (11). At time t = t1, the molecule flies through the first leaflet, which at this moment is completely open. If the velocity of the molecule in the direction of the axis of the microchannel V m is equal to the phase velocity of the traveling wave UV, then this gas molecule will fly freely through the microchannel (moments t = t2. T = t3). If these speeds are different, then the molecule will experience collisions with closed wings, as a result of which the passage time of the microchannel will increase.
Поскольку в газовой смеси для компонентов разной массы средние скорости движения молекул отличаются, будут отличаться и потоки разных компонентов газовой смеси через микромеханический газовый фильтр, что и обеспечивает существования эффекта разделения. Частоту движения створок ƒ и сдвиг фаз ϕ между ними можно целенаправленно изменять в ходе работы, меняя фазовую скорость бегущей волны, соответственно выделяя необходимый газовый компонент из смеси.Since the average velocities of molecules in a gas mixture for components of different masses differ, the flows of different components of the gas mixture through a micromechanical gas filter will also differ, which ensures the existence of a separation effect. The frequency of movement of the flaps ƒ and the phase shift ϕ between them can be purposefully changed during operation, changing the phase velocity of the traveling wave, respectively separating the necessary gas component from the mixture.
Микроканал, створки и механизм привода может быть реализован с использованием технологий микросистемной техники, и с применением монокристаллического кремния в качестве основного конструкционного материала. Это позволяет создавать микроканалы и сопутствующие конструктивные элементы с маленькими линейными размерами (до 1 мкм). Колебания створок на резонансной частоте, конструкция привода и использование монокристаллического кремния в качестве основного материала позволяет обеспечить высокую добротность системы, снижая таким образом потери энергии. Малые габариты микромеханического газового фильтра позволяют собирать компактные сборки из многих каскадов ступеней разделения. При этом появляется возможность получать высокие степени разделения газовых смесей в устройствах с меньшими массогабаритными параметрами и меньшими затратами энергии, по сравнению с аналогами.The microchannel, sash and drive mechanism can be implemented using microsystem technology, and using single-crystal silicon as the main structural material. This allows you to create microchannels and related structural elements with small linear dimensions (up to 1 micron). The oscillations of the flaps at the resonant frequency, the design of the actuator, and the use of single-crystal silicon as the main material can ensure a high quality factor of the system, thereby reducing energy loss. The small dimensions of the micromechanical gas filter make it possible to assemble compact assemblies from many cascades of separation stages. At the same time, it becomes possible to obtain high degrees of separation of gas mixtures in devices with lower mass and size parameters and lower energy costs, compared to analogues.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017123740U RU178119U1 (en) | 2017-07-05 | 2017-07-05 | Porous Isotope Separation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017123740U RU178119U1 (en) | 2017-07-05 | 2017-07-05 | Porous Isotope Separation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU178119U1 true RU178119U1 (en) | 2018-03-23 |
Family
ID=61703821
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017123740U RU178119U1 (en) | 2017-07-05 | 2017-07-05 | Porous Isotope Separation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU178119U1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2131296A5 (en) * | 1970-12-27 | 1972-11-10 | Sumitomo Electric Industries | Porous membrane - for gas separation, comprising sintered aluminium contg film having plastic skin |
| JPS52150386A (en) * | 1976-06-10 | 1977-12-14 | Toshiba Corp | Gas separator |
| RU2605561C1 (en) * | 2015-08-27 | 2016-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Method of extracting hydrogen isotopes from gas mixtures |
-
2017
- 2017-07-05 RU RU2017123740U patent/RU178119U1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2131296A5 (en) * | 1970-12-27 | 1972-11-10 | Sumitomo Electric Industries | Porous membrane - for gas separation, comprising sintered aluminium contg film having plastic skin |
| JPS52150386A (en) * | 1976-06-10 | 1977-12-14 | Toshiba Corp | Gas separator |
| RU2605561C1 (en) * | 2015-08-27 | 2016-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Method of extracting hydrogen isotopes from gas mixtures |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hung et al. | Alternating droplet generation and controlled dynamic droplet fusion in microfluidic device for CdS nanoparticle synthesis | |
| US9433880B2 (en) | Particle separation and concentration system | |
| US8869987B2 (en) | Serpentine structures for continuous flow particle separations | |
| EP1878483B1 (en) | Component separation device and method of separating component | |
| CN108778472B (en) | Tunable nanofiber filter media and filter devices | |
| RU2229922C2 (en) | Nozzle, inertial separator and method of supersonic separation of component | |
| RU178119U1 (en) | Porous Isotope Separation | |
| EP3060342B1 (en) | Fluid filtering device and assembly | |
| EP3022152B1 (en) | Membrane separation process and membrane plant for energy-efficient production of oxygen | |
| WO2019142086A1 (en) | Microscale and mesoscale condenser devices | |
| US20120190528A1 (en) | Device and method for particle separation | |
| Simone | Demonstrating microdroplet coalescence for tailored and biodegradable microgel fabrication | |
| KR20220124263A (en) | Counterflow Membrane Module | |
| Beckman et al. | Particularities of membrane gas separation under unsteady state conditions | |
| JP2007160238A (en) | Gas separation membrane module and gas separation method | |
| Tsai et al. | Virtual vortex gear | |
| EP2925425A1 (en) | System and method for gas separation through membranes | |
| KR101342150B1 (en) | Airborne particle separator | |
| KR102408121B1 (en) | Filter for portable oxygen generator | |
| RU2708046C1 (en) | Method and device for separation of mixed gases by molecular weight | |
| Wang et al. | Diodicity mechanism Tesla-type microvalves: a CFD study | |
| Vo et al. | Developing an Extremely High Flow Rate Pneumatic Peristaltic Micropump for Blood Plasma Separation with Inertial Particle Focusing Technique from Fingertip Blood with Lancets | |
| SU1681944A1 (en) | Adaptor for heat and mass transfer apparatus | |
| Fruman | Small is beautiful, microhydrodynamics of yesterday, today and tomorrow | |
| DE102005052942A1 (en) | Centrifugal separator to remove water and oil from restricted gas flow has fluid flowing axially and diverted radially in diversion chamber to guide gas to accelerating grille |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20180326 |