RU186241U1 - CONTACT DEVICE FOR ISOTOPIC GAS EXCHANGE WITH WATER - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к контактным устройствам для разделения изотопов водорода (протий, дейтерий, тритий) и кислорода (кислород-16, 17, 18).The invention relates to contact devices for the separation of hydrogen isotopes (protium, deuterium, tritium) and oxygen (oxygen-16, 17, 18).

Цель изобретения - повышение эффективности изотопного обмена водорода или углекислого газа на единицу объема контактного устройства.The purpose of the invention is to increase the efficiency of the isotopic exchange of hydrogen or carbon dioxide per unit volume of the contact device.

Указанная цель достигается тем, что за счет использования в контактном устройстве трубчатых мембран, проницаемых для молекул воды, уменьшена величина диффузионного слоя в жидкостном пространстве и каталитическом слое между наружной поверхностью мембраны и поверхностью гранулы катализатора и увеличена суммарная поверхность мембраны в расчете на единицу объема контактного устройства по сравнению с прототипом.This goal is achieved in that due to the use of tubular membranes permeable to water molecules in the contact device, the diffusion layer in the liquid space and the catalytic layer between the outer surface of the membrane and the surface of the catalyst granule is reduced and the total membrane surface per unit volume of the contact device is increased compared to the prototype.

Description

Полезная модель относится к области технологии разделения изотопов водорода (протий, дейтерий, тритий) и кислорода (кислород-16, 17, 18).The utility model relates to the field of technology for the separation of hydrogen isotopes (protium, deuterium, tritium) and oxygen (oxygen-16, 17, 18).

Изотопы этих элементов имеют широкое применение в технике, научных исследованиях, медицине, биологии [1]. Природная изотопная смесь этих элементов имеет следующий состав: водород - протий - 99.985 ат. %, дейтерий - 0.015 ат. %, концентрация трития близка к 0 (основное количество трития на Земле - техногенного происхождения), кислород - ¹⁶O - 99.75 ат. %, ¹⁷O - 0.04 ат. %, ¹⁸O - 0.21 ат. %. Между тем, указанные выше области применения этих изотопов нуждаются в продуктах, изотопная концентрация в которых значительно отличается от природной. Эта задача решается с использованием методов разделения изотопов. Одними из наиболее перспективных способов разделения изотопов водорода или кислорода являются методы химического изотопного обмена (ХИО) между водородом и водой - для изотопов водорода, и между углекислым газом и водой - для изотопов кислорода [1]. Общей чертой физико-химических методов разделения изотопов легких элементов является необходимость многократного повторения относительно небольшого однократного разделительного эффекта, что достигается путем организации противотока между обменивающимися фазами с использованием подходящих контактных устройств. Особенностью указанных выше рабочих систем является использование катализаторов для активации инертных молекул водорода и углекислого газа. При этом катализатор может быть либо гетерогенным, и тогда основная реакция изотопного обмена протекает в парогазовой фазе, либо гомогенным, и тогда реакция обмена протекает в жидкой фазе. Однако, при использовании гомогенных катализаторов возникает необходимость количественного выделения введенных в воду каталитических добавок на ее выходе из колонны, их глубокой осушки с целью последующего повторного использования. Поэтому практического применения такие катализаторы не находят.The isotopes of these elements are widely used in engineering, scientific research, medicine, biology [1]. The natural isotopic mixture of these elements has the following composition: hydrogen - protium - 99.985 at. %, deuterium - 0.015 at. %, tritium concentration is close to 0 (the main amount of tritium on Earth is of technogenic origin), oxygen - ¹⁶ O - 99.75 at. %, ¹⁷ O - 0.04 at. %, ¹⁸ O - 0.21 at. % Meanwhile, the above areas of application of these isotopes require products in which the isotopic concentration is significantly different from the natural one. This problem is solved using isotope separation methods. One of the most promising methods for the separation of hydrogen or oxygen isotopes is the chemical isotope exchange (CIO) between hydrogen and water for hydrogen isotopes, and between carbon dioxide and water for oxygen isotopes [1]. A common feature of physicochemical methods for the separation of isotopes of light elements is the need for repeated repetition of a relatively small single separation effect, which is achieved by organizing a counterflow between the exchanging phases using suitable contact devices. A feature of the above working systems is the use of catalysts for the activation of inert hydrogen and carbon dioxide molecules. In this case, the catalyst can be either heterogeneous, and then the main isotopic exchange reaction proceeds in the vapor-gas phase, or homogeneous, and then the exchange reaction proceeds in the liquid phase. However, when using homogeneous catalysts, it becomes necessary to quantitatively isolate the catalytic additives introduced into the water at its outlet from the column and to dry them deeply for subsequent reuse. Therefore, such catalysts do not find practical application.

Известно контактное устройство, которое по своей технической сути наиболее близко к заявляемому. Им является контактное устройство мембранного типа (КУМТ) [2], которое представляет собой емкость, разделенную на две камеры с помощью плоской мембраны, проницаемой для паров воды, и четыре патрубка. В одну камеру загружен гетерогенный катализатор активации молекулярного водорода или углекислого газа, с противоположных концов этой камеры располагаются патрубки для подачи и вывода газа (водорода или углекислого газа). Вторая камера с противоположных концов снабжена A contact device is known, which in its technical essence is closest to the claimed one. It is a membrane type contact device (KUMT) [2], which is a container divided into two chambers using a flat membrane permeable to water vapor and four nozzles. A heterogeneous catalyst for the activation of molecular hydrogen or carbon dioxide is loaded into one chamber; from the opposite ends of this chamber there are nozzles for supplying and discharging gas (hydrogen or carbon dioxide). The second chamber is provided at opposite ends

патрубками подачи и вывода жидкой воды. В качестве мембраны используется плоская фторполимерная сульфокатионитная, известная под торговой маркой Nafion или ее российский аналог - мембрана МФ-4СК.nozzles supply and withdrawal of liquid water. The membrane used is a flat fluoropolymer sulfocationic, known under the brand name Nafion or its Russian counterpart, the MF-4SK membrane.

Известное контактное устройство работает следующим образом. В одну из камер (газовую камеру) загружается гетерогенный катализатор процесса изотопного обмена между парами воды и водородом (разделение изотопов водорода) или углекислым газом (разделение изотопов кислорода) и в него через входной патрубок подается поток соответствующего газа, предварительно насыщенный парами воды. Второй объем КУМТ катализатора не содержит и через него противотоком к потоку газа через патрубок подается поток жидкой воды. Свойство проницаемости мембраны по парам воды приводит к тому, что давление паров воды в газовом объеме КУМТ является равновесным при температуре осуществления процесса изотопного обмена и, следовательно, через этот объем фактически проходит поток парогазовой смеси, а не чистого газа. Поэтому в нем протекает каталитический изотопный обмен (КИО) соответствующим изотопом газа с парами воды (реакции 1 и 4 соответственно, см. ниже). Пары воды с измененным изотопным составом по целевому изотопу одновременно через поверхность мембраны участвуют в реакции фазового изотопного обмена (ФИО) с жидкой водой (реакции 2 и 5 соответственно). Таким образом, суммарный процесс ХИО (реакции 3 и 6) в КУМТ протекает в две стадии (индексами (п), (г), (ж) отмечено агрегатное состояние обменивающихся веществ - пар, газ и жидкость соответственно): - для ХИО в системе вода-водородA known contact device operates as follows. A heterogeneous catalyst for the isotope exchange process between water vapor and hydrogen (separation of hydrogen isotopes) or carbon dioxide (separation of oxygen isotopes) is loaded into one of the chambers (gas chamber) and a corresponding gas stream preliminarily saturated with water vapor is fed into it through the inlet pipe. The second volume of KUMT catalyst does not contain and through it a stream of liquid water is supplied countercurrently to the gas stream through the pipe. The property of membrane permeability to water vapor leads to the fact that the pressure of water vapor in the gas volume of KUMT is equilibrium at the temperature of the isotope exchange process and, therefore, the flow of the vapor-gas mixture, and not pure gas, passes through this volume. Therefore, a catalytic isotope exchange (KIO) takes place in it with the corresponding gas isotope with water vapor (reactions 1 and 4, respectively, see below). Water vapors with a changed isotopic composition along the target isotope simultaneously participate through the membrane surface in the reaction of phase isotopic exchange (full name) with liquid water (reactions 2 and 5, respectively). Thus, the total process of CFC (reactions 3 and 6) in the CMCT proceeds in two stages (indices (p), (d), (g) indicate the aggregate state of the exchanged substances - steam, gas, and liquid, respectively): - for CFC in the system water hydrogen

где X - дейтерий или тритий,where X is deuterium or tritium,

- для ХИО в системе вода - углекислый газ- for HIO in the system water - carbon dioxide

где ^XО - изотопы кислорода ¹⁷О или ¹⁸О.where ^X O - isotopes of oxygen ¹⁷ O or ¹⁸ O.

При использовании активных катализаторов эффективность химического изотопного обмена в КУМТ определяется процессами, проходящими с участием мембраны, а именно - диффузионными процессами в мембране и в слое перед ее поверхностью [3].When using active catalysts, the efficiency of chemical isotope exchange in CMCTs is determined by processes involving the membrane, namely, diffusion processes in the membrane and in the layer in front of its surface [3].

Недостатками известного контактного устройства является невысокая эффективность изотопного обмена на единицу объема, обусловленная недостаточно развитой поверхностью плоской мембраны, ограниченной габаритными размерами КУМТ.The disadvantages of the known contact device is the low efficiency of isotope exchange per unit volume, due to the underdeveloped surface of a flat membrane limited by the overall dimensions of KUMT.

Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности изотопного обмена на единицу объема контактного устройства.The technical result of the utility model is to increase the efficiency of isotope exchange per unit volume of the contact device.

Для решения поставленной задачи в заявляемом устройстве плоская мембрана заменена на трубчатые мембраны, а катализатор располагается в межтрубном пространстве.To solve the problem in the inventive device, the flat membrane is replaced by tubular membranes, and the catalyst is located in the annulus.

Технический результат достигается за счет контактного устройства для изотопного обмена газа с водой, содержащее корпус и патрубки, через которые противотоком в корпус подают воду и газ, а также патрубки, через которые противотоком из корпуса выводят воду и газ, участвующие в процессе разделения изотопов, гетерогенный катализатор и проницаемую для паров воды мембрану для разделения потоков воды и газа, отличающееся тем, что мембрана, выполнена в виде трубок, расположенных по всему объему внутри корпуса параллельно его продольной оси, с возможностью подачи воды внутрь полости трубок, а катализатор распределен внутри корпуса с наружной стороны мембранных трубок и между ними, причем в качестве мембраны используют трубчатую фторполимерную сульфокатионитную меибрану ТФ-4СК.The technical result is achieved by means of a contact device for isotope exchange of gas with water, comprising a housing and nozzles through which water and gas are supplied countercurrently into the housing, as well as nozzles through which water and gas participating in the isotope separation process are discharged from the housing in a heterogeneous manner a catalyst and a membrane permeable to water vapor for separating water and gas flows, characterized in that the membrane is made in the form of tubes located throughout the volume inside the housing parallel to its longitudinal axis, with possibility of the water supply tubes into the cavity, and the catalyst is distributed within the housing on the outer side of the membrane tubes and therebetween, wherein the membrane is used as a tubular fluoropolymer sulfokationitnuyu meibranu TF-4SK.

Принципиальная схема КУМТ-ТМ приведена на фиг. 1.The schematic diagram of KUMT-TM is shown in FIG. one.

Полезная модель представляет собой контактное устройство для изотопного обмена водорода или углекислого газа с водой, содержащее корпус (1), и две крышки (2). Трубчатые мембранные элементы (3) для фазового изотопного обмена установлены в полости корпуса (1) параллельно его продольной оси и смонтированы на двух трубных решетках (4), расположенных на противоположных концах корпуса и герметизированных с помощью двух конусообразных уплотнителей (5).A utility model is a contact device for the isotopic exchange of hydrogen or carbon dioxide with water, comprising a housing (1) and two covers (2). Tubular membrane elements (3) for phase isotopic exchange are installed in the cavity of the housing (1) parallel to its longitudinal axis and mounted on two tube sheets (4) located at opposite ends of the housing and sealed with two cone-shaped seals (5).

В пространство, внутри корпуса (1) между трубчатыми мембранными элементами помещается гетерогенный гранулированный катализатор активации водорода или углекислого газа (6). Полости внутри трубчатых мембранных элементов сообщаются с полостью гидроаккумулятора (8), расположенного в крышке (2). Полость гидроаккумулятора соединена с патрубком подвода (9) или отвода (10) воды (L), установленным вверху крышки со смещением в A heterogeneous granular catalyst for the activation of hydrogen or carbon dioxide (6) is placed in the space inside the housing (1) between the tubular membrane elements. The cavity inside the tubular membrane elements communicate with the cavity of the accumulator (8) located in the cover (2). The accumulator cavity is connected to a pipe for supplying (9) or water outlet (10) (L) installed at the top of the cover with an offset of

сторону к стенке корпуса относительно его продольной оси. Патрубок подвода (11) и отвода (12) парогазового потока (G_п-г) одним концом помещается в пространство, заполненное катализатором (6), а другим проходит через отверстие, расположенное в верхней части крышки на линии продольной оси корпуса, и фиксируется с помощью уплотнителя (на фиг. 1 не показан). Крепление крышек (2) к корпусу (1) осуществляется с помощью болтовых соединений (7).side to the wall of the housing relative to its longitudinal axis. The inlet pipe (11) and the outlet (12) of the gas-vapor stream (G _p-g ) is placed at one end into the space filled with the catalyst (6), and the other passes through the hole located in the upper part of the cover on the line of the longitudinal axis of the housing, and is fixed with using a sealant (not shown in FIG. 1). The covers (2) are fastened to the housing (1) using bolted connections (7).

Заявляемые контактные устройства могут соединяться как последовательно, так и параллельно при создании разделительных установок различной мощности и требуемой разделительной способности.The inventive contact devices can be connected both in series and in parallel when creating separation plants of various capacities and the required separation ability.

Таким образом, заявляемое контактное устройство имеет следующие отличительные признаки по сравнению с прототипом:Thus, the claimed contact device has the following distinctive features in comparison with the prototype:

1. Пространственное разделение потоков жидкой воды и газа осуществляется с помощью проницаемой для паров воды мембраны, выполненной в виде трубок, причем жидкая вода подается внутрь полости трубок, расположенных по всему объему внутри корпуса параллельно его продольной оси, а катализатор распределен внутри корпуса с наружной стороны мембранных трубок и между ними.1. The spatial separation of the flows of liquid water and gas is carried out using a vapor-permeable membrane made in the form of tubes, moreover, liquid water is supplied into the cavity of the tubes located throughout the volume inside the housing parallel to its longitudinal axis, and the catalyst is distributed inside the housing from the outside membrane tubes and between them.

2. Заявляемое контактное устройство позволяет повысить эффективность изотопного обмена за счет увеличения суммарной поверхности мембраны в расчете на единицу объема контактного устройства.2. The inventive contact device can improve the efficiency of isotope exchange by increasing the total surface of the membrane per unit volume of the contact device.

3. Заявляемое контактное устройство позволяет повысить эффективность изотопного обмена за счет уменьшения диффузионного слоя в жидкостном пространстве и каталитическом слое между наружной поверхностью мембраны и поверхностью гранулы катализатора.3. The inventive contact device can improve the efficiency of isotope exchange by reducing the diffusion layer in the liquid space and the catalytic layer between the outer surface of the membrane and the surface of the catalyst granule.

Ниже приводятся примеры характеристик полезной модели в сравнении с прототипом при их практической реализации.The following are examples of the characteristics of the utility model in comparison with the prototype in their practical implementation.

Опыты по определению эффективности изотопного обмена водорода и углекислого газа с водой проводили с использованием образца полезной модели - КУМТ-ТМ объемом 10,8 см³, включающим в себя 10 мембран ТФ-4СК (трубчатый аналог мембраны МФ-4СК) длиной 170 мм каждая с внутренним диаметром 0,65±10 мм и толщиной стенки 0,15±0,05 мм и 9 см³ катализатора. Суммарная площадь мембран в КУМТ-ТМ составляла 34 см². Для сравнения результатов использовали образец прототипа - КУМТ объемом 25 см², включающим в себя плоскую мембрану МФ-4СК площадью 42.3 см² и толщиной 0.20±0.05 мм, и 10 см³ катализатора.The experiments to determine the efficiency of isotopic exchange of hydrogen and carbon dioxide with water were carried out using a utility model sample - KUMT-ТМ with a volume of 10.8 cm ³ , including 10 TF-4SK membranes (a tubular analogue of the MF-4SK membrane) with a length of 170 mm each an inner diameter of 0.65 ± 10 mm and a wall thickness of 0.15 ± 0.05 mm and 9 cm ^{3 of} catalyst. The total membrane area in KUMT-TM was 34 cm ² . To compare the results, we used a prototype sample - KUMT with a volume of 25 cm ² , which includes a flat MF-4SK membrane with an area of 42.3 cm ² and a thickness of 0.20 ± 0.05 mm, and 10 cm ^{3 of} catalyst.

При проведении опытов по изучению ХИО в системе вода-водород в трубки КУМТ-ТМ или жидкостное пространство КУМТ подавали воду природного изотопного состава (х₀≈0), противотоком в межтрубное пространство КУМТ-ТМ или парогазовое пространство КУМТ подавали водород, обогащенный дейтерием (у₀) и насыщенный парами воды, выходящей из контактного устройства. В стационарном состоянии на выходе из контактного устройства воды отбирали пробы воды (х_к) и водорода (у_к). После проведения изотопного анализа по полученным данным для каждого контактного устройства рассчитывали число теоретических ступеней разделения (n_T) и коэффициент массопередачи (К_оу) [1]. Условия опытов №№1-2: поток водорода равен 60 дм³/ч (н.у.), поток питающей воды - 48.2 см³/ч (мольное соотношение потоков равно 1), температура в контактном устройстве 333 К и давление 0.1 МПа.When conducting experiments on the study of CID in the water-hydrogen system, water of a natural isotopic composition (x ₀ ≈ ₀ ) was supplied to the KUMT-TM tubes or the KUMT liquid space, countercurrent to the KUMT-TM annulus or the KUMT gas-vapor space was supplied with deuterium-enriched hydrogen (at ₀ ) and saturated with water vapor leaving the contact device. In a stationary state, water (x _k ) and hydrogen (y _k ) were taken at the outlet of the water contact device. After conducting an isotope analysis, the number of theoretical separation stages (n _T ) and the mass transfer coefficient (K _oy ) were calculated for each contact device [1]. Test conditions No. 1-2: hydrogen flow is 60 dm ³ / h (n.o.), feed water flow is 48.2 cm ³ / h (molar ratio of flows is 1), the temperature in the contact device is 333 K and the pressure is 0.1 MPa .

Пример 1. Для проведения изотопного обмена в контактных устройствах КУМТ-ТМ и КУМТ использовали гидрофобный катализатор РХТУ-3СМ с содержанием платины 0.8% масс. и размером гранул 0.5-0.8 мм. Результаты эксперимента: для КУМТ-ТМ - концентрации дейтерия в потоке водорода на входе - у₀=2.645 ат. %, на выходе КУМТ-ТМ в стационарном состоянии его работы - х_к=0.996 ат. % и у_к=0.704 ат. %. Характеристики эффективности процесса - n_T=0.756 (в пересчете на единицу объема КУМТ-ТМ - n_T/V=0.070), К_оу=0.42 (моль парогазовой смеси)/(с⋅м² мембраны). Результаты эксперимента для КУМТ: концентрации дейтерия на входе - у₀=4.252 ат. %, на выходе в стационарном состоянии - х_к=1.046 ат. % и у_к=1.735 ат. %. Характеристики эффективности процесса - n_T=0.513 (в пересчете на единицу объема КУМТ n_T/V=0.021), К_оу=0.23 (моль парогазовой смеси)/(с⋅м² мембраны).Example 1. To conduct isotopic exchange in contact devices KUMT-TM and KUMT, a hydrophobic catalyst RKhTU-3SM with a platinum content of 0.8% by mass was used. and a granule size of 0.5-0.8 mm. Experiment results: for KUMT-ТМ - deuterium concentration in the hydrogen stream at the inlet - у ₀ = 2.645 at. %, at the output of KUMT-TM in the stationary state of its operation - x _k = 0.996 at. % and y _k = 0.704 at. % The characteristics of the process efficiency are n _T = 0.756 (in terms of unit volume KUMT-ТМ - n _T /V=0.070), K _oy = 0.42 (mol of gas-vapor mixture) / (cm ² membrane). The results of the experiment for KUMT: the concentration of deuterium at the inlet - at ₀ = 4.252 at. %, at the exit in a stationary state - x _k = 1.046 at. % and y _k = 1.735 at. % The characteristics of the efficiency of the process are n _T = 0.513 (in terms of unit volume of KUMT n _{T /} V = 0.021), K _oy = 0.23 (mol of gas-vapor mixture) / (cm ² membrane).

Пример 2. Эксперимент проведен в условиях, аналогичных приведенным в примере 1, с тем отличием, что в использовали гидрофильный катализатор Pt/Al₂O₃ с содержанием платины 0.2% масс. и размером гранул 0,5-0,8 мм. Результаты эксперимента для КУМТ-ТМ: концентрации дейтерия в стационарном состоянии - у₀=2.645 ат. %, х_к=1.019 ат. % и у_к=0.752 ат. %; характеристики эффективности процесса - n_T=0.715 (в пересчете на единицу объема КУМТ-ТМ n_T/V=0.066), К_оу=0.40 (моль парогазовой смеси)/(с⋅м² мембраны).Example 2. The experiment was carried out under conditions similar to those described in example 1, with the difference that the hydrophilic catalyst Pt / Al ₂ O ₃ with a platinum content of 0.2% by mass was used. and a granule size of 0.5-0.8 mm. The experimental results for KUMT-TM: the concentration of deuterium in the stationary state is at ₀ = 2.645 at. %, x _k = 1.019 at. % and y _k = 0.752 at. %; process efficiency characteristics - n _T = 0.715 (in terms of unit volume KUMT-ТМ n _T /V=0.066), К _о = 0.40 (mol of gas-vapor mixture) / (cm ² membranes).

При сравнении результатов в примерах 1 и 2 для КУМТ-ТМ видно, что эффективность процесса ХИО в КУМТ-ТМ в пределах точности одинакова при использовании гидрофобного и гидрофильного катализатора. При сравнении результатов примера 1 видно, что число теоретических ступеней разделения в пересчете на единицу объема контактного устройства для КУМТ-ТМ в 3.3 раза больше, чем для КУМТ, а значение коэффициента массопередачи - в 1.8 раза выше, что свидетельствует о достижении заявленного преимущества полезной модели по сравнению с прототипом.When comparing the results in examples 1 and 2 for KUMT-TM, it is seen that the efficiency of the CIO process in KUMT-TM is the same within the accuracy range when using a hydrophobic and hydrophilic catalyst. When comparing the results of example 1, it is seen that the number of theoretical stages of separation in terms of a unit volume of the contact device for KUMT-TM is 3.3 times greater than for KUMT, and the mass transfer coefficient is 1.8 times higher, which indicates the achievement of the claimed advantage of the utility model compared to the prototype.

Пример 3. При проведении опытов по определению эффективности ХИО в системе углекислый газ-вода в трубки КУМТ-ТМ или жидкостное пространство КУМТ подавали воду, обогащенную кислородом-18 (у₀=1.213 ат. %), а противотоком в межтрубное пространство КУМТ-ТМ или парогазовое пространство КУМТ подавали углекислый газ природного изотопного состава (х₀=0.208 ат. % ¹⁸О), насыщенный парами воды, выходящей из контактного устройства. В стационарном состоянии отбирали пробы на выходе из контактного устройства углекислого газа (х_к) и воды (у_к). Условия опытов: поток углекислого газа равен 18 дм³/ч (н.у.), поток питающей воды - 29 см³/ч (мольное соотношение потоков равно 1.5), температура в контактном устройстве 348 К и давление 0. 1 МПа. Результаты эксперимента для КУМТ-ТМ: концентрации ¹⁸О в стационарном состоянии - х_к=0.272 ат. % и у_к=1.110 ат. %; характеристики эффективности процесса - n_T=0.117 (в пересчете на единицу объема КУМТ-ТМ n_T/V=0.011), К_оу=1.03⋅10^-2 (моль парогазовой смеси)/(с⋅м² мембраны). Результаты эксперимента для КУМТ: концентрации ¹⁸О в стационарном состоянии - х_к=0.257 ат. % и у_к=1.142 ат. %; характеристики эффективности процесса - n_T=0.069 (в пересчете на единицу объема КУМТ n_T/V=0,0028), К_оу=0.49⋅10^-2 (моль парогазовой смеси)/(с⋅м² мембраны).Example 3. When conducting experiments to determine the effectiveness of CID in a carbon dioxide-water system, water enriched with oxygen-18 (at ₀ = 1.213 at.%) Was supplied to the KUMT-TM tubes or the KUMT liquid space, and countercurrent to the KUMT-TM annular space or the gas-vapor space of KUMT was supplied with carbon dioxide of a natural isotopic composition (x ₀ = 0.208 at.% ¹⁸ O), saturated with water vapor leaving the contact device. In a stationary state, samples were taken at the outlet of the contact device of carbon dioxide (x _k ) and water (y _k ). The experimental conditions: the carbon dioxide stream is 18 dm ³ / h (n.o.), the feed water stream is 29 cm ³ / h (molar ratio of the flows is 1.5), the temperature in the contact device is 348 K and the pressure is 0. 1 MPa. The experimental results for KUMT-TM: ¹⁸ O concentration in the stationary state - x _k = 0.272 at. % and y _k = 1.110 at. %; process efficiency characteristics - n _T = 0.117 (per unit volume KUMT TM n _T /V=0.011), K _ow = 1.03⋅10 ^-2 (mol vapor mixture) / ⁽² s⋅m membrane). The experimental results for KUMT: the concentration of ¹⁸ O in the stationary state - x _k = 0.257 at. % and y _k = 1.142 at. %; process efficiency characteristics - n _T = 0.069 (in terms of unit volume of KUMT n _t / V = 0.0028), K _oy = 0.49⋅10 ^-2 (mol of gas-vapor mixture) / (cm⋅ ² membranes).

При сравнении результатов примера 3 видно, что при разделении изотопов кислорода число теоретических ступеней разделения в пересчете на единицу объема контактного устройства для КУМТ-ТМ в 3.9 раза больше, чем для КУМТ, а значение коэффициента массопередачи - примерно в 2 раза выше, что согласуется с данными полученными в экспериментах по разделению изотопов водорода в примере 1 и свидетельствует о достижении заявленного преимущества полезной модели по сравнению с прототипом.When comparing the results of example 3, it is seen that when separating oxygen isotopes, the number of theoretical separation stages, calculated per unit volume of the contact device, for KUMT-TM is 3.9 times higher than for KUMT, and the mass transfer coefficient is about 2 times higher, which is consistent with the data obtained in experiments on the separation of hydrogen isotopes in example 1 and indicates the achievement of the claimed benefits of the utility model in comparison with the prototype.

Список литературыBibliography

1. Андреев Б.М., Магомедбеков Э.П., Райтман А.А и др. «Разделение изотопов биогенных элементов в двухфазных системах», М.: ИздАТ, 2003, 376 с. 1. Andreev BM, Magomedbekov EP, Reitman A.A. et al. “Separation of isotopes of nutrients in two-phase systems”, Moscow: IzdAT, 2003, 376 p.

2. Контактное устройство для изотопного обмена водорода или углекислого газа с водой: пат. №2375107 Рос. Федерация. №2008117569/12; заявл. 06.05.2008, Опубл. 10.12.2009. Бюл. №34. 7 с. 2. Contact device for the isotopic exchange of hydrogen or carbon dioxide with water: US Pat. No. 2375107 Ros. Federation. No. 2008117569/12; declared 05/06/2008, Publ. 12/10/2009. Bull. Number 34. 7 sec

3. Розенкевич М.Б., Растунова И.Л., Прокунин СВ. Влияние циклов «модификация-регенерация» и заряда модифицирующего иона на водопроницаемость сульфокатионной мембраны МФ-4СК. // Журнал физической химии, 2006. Т. 80. №8. С. 1499-1502.3. Rosenkevich MB, Rastunova IL, Prokunin SV. The effect of the “modification-regeneration” cycles and the charge of the modifying ion on the water permeability of the MF-4SK sulfocation membrane. // Journal of physical chemistry, 2006. T. 80. No. 8. S. 1499-1502.

Claims (1)

Контактное устройство для изотопного обмена газа с водой, содержащее корпус и патрубки, через которые противотоком в корпус подают воду и газ, а также патрубки, через которые противотоком из корпуса выводят воду и газ, участвующие в процессе разделения изотопов, гетерогенный катализатор и проницаемую для паров воды мембрану для разделения потоков воды и газа, отличающееся тем, что мембрана выполнена в виде трубок, расположенных по всему объему внутри корпуса параллельно его продольной оси, с возможностью подачи воды внутрь полости трубок, а катализатор распределен внутри корпуса с наружной стороны мембранных трубок и между ними, причем в качестве мембраны используют трубчатую фторполимерную сульфокатионитную мембрану ТФ-4СК.A contact device for isotopic exchange of gas with water, comprising a housing and nozzles through which water and gas are supplied countercurrently to the housing, as well as nozzles through which water and gas participating in the process of isotope separation, a heterogeneous catalyst and vapor-permeable, are exhausted from the housing a membrane for separating water and gas flows, characterized in that the membrane is made in the form of tubes located throughout the volume inside the housing parallel to its longitudinal axis, with the possibility of supplying water into the cavity of the tubes and the catalyst is distributed inside the housing from the outer side of the membrane tubes and between them, moreover, a tubular fluoropolymer sulfocationic membrane TF-4SK is used as the membrane.

Images