RU2525423C1 - Method of removing tritiated water vapour from gases - Google Patents

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: method of removing tritiated water vapour from gases includes feeding a gas stream from below a countercurrent phase isotropic exchange column filled with a spirally prismatic filling of stainless steel, and a stream of natural water is fed from the top of the column, wherein the process is carried out at room temperature, and the height of the column is selected based on the required degree of detritisation of the gas.

EFFECT: high degree of purification and switching to a continuous gas detritisation process.

2 dwg, 1 tbl, 2 ex

Description

Изобретение относится к области технологии радионуклидов и может быть использовано как в технологических процессах, использующих молекулярный тритий и тритийсодержащие соединения, так и для глубокой очистки газовых сбросов от трития предприятий атомной отрасли при решении экологических задач.The invention relates to the field of radionuclide technology and can be used both in technological processes using molecular tritium and tritium-containing compounds, and for deep cleaning of gas discharges from tritium by nuclear industry enterprises in solving environmental problems.

Наиболее близким по поставленной цели является способ очистки газовых потоков от паров тритированной воды, описанный в [Wong D.P., Hemmerich J.L., MonahanJ.J. The exhaust detritiation system for the JET active gas handling plant - engineering, construction, installation and first commissioning results, Fusion Technology, 1992, V21, p.572-576]. Суть метода заключается в удалении паров тритированной воды осушкой газа на молекулярных ситах (синтетических цеолитах). Однако осушка газов на цеолитах применительно к их детритизации имеет существенные недостатки. Этому методу присущи цикличность и большие энергетические затраты на стадию регенерации адсорбента, проходящей при температурах 300-350°C. Так, в цитируемой выше работе показано, что при очистке потока газа 500 м³/час и загрузке сорбента 450 кг энергозатраты на регенерацию сорбента требуют подвода 110 KW электрической мощности при длительности рабочего цикла 13,5 часов. Еще один недостаток заключается в ограничении максимальной степени очистки K (K=P_H2O,вход/Р_{H2Oвыход}<10³-10⁴), что определяется отношением давления паров воды в газе на входе в адсорбер к давлению паров на его выходе. Наконец, специфическим недостатком осушки газов на цеолитах применительно к детритизации газов является эффект памяти адсорбента, который обусловлен внедрением тритированной воды в решетку цеолита. Эта вода в последующем не удаляется из адсорбента на стадии десорбции и, в конечном итоге, снижает степень очистки газа от трития при повторном использовании адсорбента [Sabathier F. et al. Assessment of the performance of the JET exhaust detritiation system//Fusion Engineering andDesign, 2001, V.54, P.547-553].Closest to the intended purpose is a method for cleaning gas streams from tritiated water vapor, described in [Wong DP, Hemmerich JL, MonahanJ.J. The exhaust detritiation system for the JET active gas handling plant - engineering, construction, installation and first commissioning results, Fusion Technology, 1992, V21, p.572-576]. The essence of the method is to remove the vapor of tritiated water by drying the gas on molecular sieves (synthetic zeolites). However, the drying of gases on zeolites in relation to their detritization has significant drawbacks. This method is characterized by cyclicality and high energy costs for the stage of regeneration of the adsorbent, which takes place at temperatures of 300-350 ° C. So, in the work cited above, it was shown that when cleaning a gas flow of 500 m ³ / h and loading a sorbent of 450 kg, the energy consumption for regenerating the sorbent requires 110 KW of electrical power with a duty cycle of 13.5 hours. Another drawback is the limitation of the maximum degree of purification K (K = P _{H2O, input} / P _{H2O output} <10 ³ -10 ⁴ ), which is determined by the ratio of the pressure of water vapor in the gas at the inlet to the adsorber to the vapor pressure at its outlet. Finally, a specific drawback of gas drying on zeolites in relation to gas detritization is the adsorbent memory effect, which is due to the incorporation of tritiated water into the zeolite lattice. This water is subsequently not removed from the adsorbent at the desorption stage and, ultimately, reduces the degree of gas purification from tritium with repeated use of the adsorbent [Sabathier F. et al. Assessment of the performance of the JET exhaust detritiation system // Fusion Engineering andDesign, 2001, V.54, P.547-553].

Техническим результатом изобретения является сокращение энергозатрат, увеличение степени очистки и переход на непрерывный режим процесса детритизации газов.The technical result of the invention is to reduce energy consumption, increase the degree of purification and switch to a continuous mode of gas detritisation process.

Этот технический результат достигается способом очистки газов от паров тритированной воды, заключающимся в том, что газовый поток подают снизу противоточной колонны фазового изотопного обмена, заполненной спирально призматической насадкой из нержавеющей стали (СПН), а сверху колонны подают поток природной воды, причем процесс проводят при температуре, близкой к комнатной.This technical result is achieved by a method of purifying gases from tritiated water vapor, namely, that the gas stream is supplied from below the countercurrent phase isotope exchange column filled with a spiral prismatic stainless steel nozzle (SPN), and the flow of natural water is fed from above the column, the process being carried out at temperature close to room temperature.

В основе способа лежит многократное повторение в противоточной колонне, заполненной высокоэффективной насадкой процесса фазового изотопного обмена (ФИО) между жидкой водой и ее парами по реакции (1).The method is based on repeated repetition in a countercurrent column filled with a highly efficient nozzle of the phase isotopic exchange process (full name) between liquid water and its vapors according to reaction (1).

$$H_2{O}_{ж}+HT{O}_n\leftrightarrow HT{O}_{ж}+H_2{O}_n(1)$$

$$H_2{O}_{\mathrm{well}}+HT{O}_n\leftrightarrow HT{O}_{\mathrm{well}}+H_2{O}_n(\mathrm{one})$$

В результате чего тритий, первоначально содержавшийся в паре, переходит в жидкую воду, которая, выходя из колонны, представляет собой вторичные отходы. Принципиальная схема, поясняющая способ, приведена на фиг.1.As a result, tritium, originally contained in the vapor, passes into liquid water, which, leaving the column, is secondary waste. Schematic diagram explaining the method shown in figure 1.

Реакция (1) сопровождается изотопным эффектом, характеризуемым коэффициентом разделения α_HT, в результате которого равновесная концентрация трития в жидкой воде выше, чем в паре. Так при температуре 298К α_HT=1.092 [Андреев Б.М., Магомедбеков Э.П., Розенкевич М.Б., Сахаровский Ю.А. Гетерогенные реакции изотопного обмена трития. М., УРСС, 1999, 208 С.]. Это означает, что при достаточном числе теоретических ступеней разделения в колонне ФИО объем вторичных отходов может быть меньше количества тритийсодержащих паров воды, входящих в колонну с потоком очищаемого газа. Степень очистки газа от трития по такому способу будет определяться какReaction (1) is accompanied by an isotopic effect characterized by a separation coefficient α _HT , as a result of which the equilibrium concentration of tritium in liquid water is higher than in a pair. So at a temperature of 298K α _HT = 1.092 [Andreev B.M., Magomedbekov E.P., Rosenkevich M.B., Sakharovsky Yu.A. Heterogeneous reactions of tritium isotope metabolism. M., URSS, 1999, 208 S.]. This means that, with a sufficient number of theoretical stages of separation in the column, the name of the secondary waste can be less than the amount of tritium-containing water vapor entering the column with the stream of gas to be purified. The degree of gas purification from tritium by this method will be determined as

$$K=Z_0/Z_{к}=[\lambda /({\alpha }_{HT}-\lambda )][{({\alpha }_{HT}/\lambda )}^{n+1}-1](2)$$

$$K=Z_0/Z_{\mathrm{to}}=[\lambda /({\alpha }_{HT}-\lambda )][{({\alpha }_{HT}/\lambda )}^{n+\mathrm{one}}-\mathrm{one}](2)$$

где K - степень очистки, Z₀, Z_к - концентрация трития в паре на входе и выходе из колонны соответственно, n - число теоретических ступеней разделения в колонне ФИО (величина, зависящая от высоты колонны), λ=L/G (L, G - потоки жидкости и пара соответственно). Поскольку на орошение колонны подается вода, не содержащая трития (Х₀=0), остаточное содержание третированной воды в газе, выходящем из колонны, в зависимости от ее высоты может быть на сколь угодно малом уровне.where K is the degree of purification, Z ₀ , Z _k is the concentration of tritium in the vapor at the inlet and outlet of the column, respectively, n is the number of theoretical separation stages in the column, name, patronymic name (value depending on the height of the column), λ = L / G (L, G - fluid and vapor flows, respectively). Since tritium-free water is supplied to the column irrigation (X ₀ = 0), the residual content of tritiated water in the gas leaving the column, depending on its height, can be at an arbitrarily small level.

Согласно предлагаемому способу поставленная цель решается использованием колонны ФИО, заполненной высокоэффективной спирально-призматической насадкой (СПН) из нержавеющей стали. Техническая реализация способа проводилась на стенде, схема которого изображена на фиг.2.According to the proposed method, the goal is solved by using a full name column filled with a high-performance spiral prismatic nozzle (SPN) made of stainless steel. Technical implementation of the method was carried out on a stand, a diagram of which is shown in figure 2.

Основными элементами стенда является колонна ФИО 1 диаметром 62 мм и высотой 200 см и насытитель 2 с диаметром 62 мм и высотой 120 см. Колонна ФИО снабжена рубашкой для термостатирования и заполнена спирально-призматической насадкой. Назначение насытителя в комплексе с теплообменником 14 - введение в поток воздуха паров тритированной воды и доведение потока, подаваемого в колонну газодувкой 4, до 100% относительной влажности при температуре колонны. Перечень остальных узлов установки представлен ниже: 3 - воздушный фильтр, 4 - газодувка, 5, 11, 14, 19, 26 - теплообменники, 6 - контроллеры газового потока, 7 - манометр, 8 - расходомер, 9 - перистальтический насос, 10 - емкость с водой, 12, 16, 17, 18, 28 - термопары, 13, 21, 32, 34, 35 - пробоотборники, 15, 20, 27 - термостаты, 22 - емкость для питающей воды, 23 - фильтр тонкой очистки, 24, 25 - контроллер потока воды, 29, 33 - гидрозатвор, 30 - приемная емкость для воды, 31 - мерная емкость, 36 - выход очищенного газа.The main elements of the stand are a column of full name 1 with a diameter of 62 mm and a height of 200 cm and a saturator 2 with a diameter of 62 mm and a height of 120 cm. The column of a full name is equipped with a thermostatic jacket and filled with a spiral-prismatic nozzle. The purpose of the saturator in combination with heat exchanger 14 is to introduce tritiated water vapor into the air stream and bring the stream supplied to the column by gas blower 4 to 100% relative humidity at the column temperature. The list of other units of the installation is presented below: 3 - air filter, 4 - gas blower, 5, 11, 14, 19, 26 - heat exchangers, 6 - gas flow controllers, 7 - pressure gauge, 8 - flow meter, 9 - peristaltic pump, 10 - capacity with water, 12, 16, 17, 18, 28 - thermocouples, 13, 21, 32, 34, 35 - samplers, 15, 20, 27 - thermostats, 22 - capacity for feed water, 23 - fine filter, 24, 25 - water flow controller, 29, 33 - water trap, 30 - receiving tank for water, 31 - measuring tank, 36 - purified gas outlet.

Эксперименты проводились при потоке воздуха до 12 м³/ч. После установления величины всех заданных потоков и параметров процесса колонну в течение 6-10 ч выводили в стационарное состояние, когда по всей высоте колонны установлен профиль концентрации трития, и затем с использованием показанных на схеме пробоотборников отбирали воду для изотопного анализа. Концентрацию трития определяли жидкостным сцинтилляционным методом на приборе СЖС-04к. По результатам изотопного анализа рассчитывали число теоретических ступеней разделения (ЧТСР) и массообменные характеристики насадки (ВЭТС - высота эквивалентная теоретической ступени разделения, ВЕП - высота единицы переноса) Экспериментальную степень очистки определяли как отношение K=z₀/z_к.The experiments were carried out with an air flow of up to 12 m ³ / h. After establishing the value of all given flows and process parameters, the column was brought to a stationary state for 6-10 hours, when the tritium concentration profile was established along the entire column height, and then water was taken for isotopic analysis using the samplers shown in the diagram. The tritium concentration was determined by liquid scintillation on an SZhS-04k instrument. Based on the results of the isotope analysis, the number of theoretical separation stages (CSTD) and mass transfer characteristics of the nozzle were calculated (VETS is the height equivalent to the theoretical separation stage, VEP is the height of the transfer unit) The experimental degree of purification was determined as the ratio K = z ₀ / z _to .

Результаты проведенных испытаний представлены в таблице 1.The results of the tests are presented in table 1.

Таблица 1Table 1 Результаты экспериментов по определению эффективности процесса удаления паров третированной воды из воздуха, G=12 м³/час, Т=298 K, высота насадочного слоя Н=156 смThe results of experiments to determine the effectiveness of the process of removing the vapor of tertiary water from the air, G = 12 m ³ / h, T = 298 K, the height of the packed layer N = 156 cm № п.п.No. p.p. L_H2O,см³/чL _H2O , cm ³ / h λλ Концентрации трития, 10^-3 имп./минTritium concentrations, 10 ^-3 cpm h_э, ВЭТСсмh _e , vetscm h_oy, ВЕПсмh _oy , WEPcm KK Z₀; Z_к Z is ₀ ; Z _to Х₀; Х_к X ₀ ; X _to 1one 330330 0.950.95 144.3; 0.60144.3; 0.60 0; 136.70; 136.7 6.06.0 5.75.7 240240 22 340340 0.910.91 66.8; 0.2066.8; 0.20 0; 60.40; 60.4 7.27.2 6.66.6 334334 33 335335 0.940.94 65.4; 0.2365.4; 0.23 0;61.20; 61.2 6.36.3 6.06.0 284284

Из таблицы 1 видно, что даже при высоте насадочного слоя 156 см при температуре, близкой к комнатной, достигнута степень очистки K>240.From table 1 it is seen that even with a height of the packed layer of 156 cm at a temperature close to room temperature, a degree of purification of K> 240 is achieved.

На основе полученных результатов проведено сравнение предлагаемого способа со способом-прототипомBased on the results obtained, a comparison of the proposed method with the prototype method

Пример 1. При очистке потока газа 12 м³/час от трития в 1000 раз предлагаемым способом при λ=1 (без увеличения объема вторичных отходов) потребуется в соответствии с уравнением (2) n=50,5 теоретических ступеней разделения, т.е. необходима колонна с высотой насадочного слоя:Example 1. When cleaning a gas stream of 12 m ³ / h from tritium 1000 times by the proposed method at λ = 1 (without increasing the volume of secondary waste), it will be required in accordance with equation (2) n = 50.5 theoretical stages of separation, i.e. . need a column with a height of the packed layer:

Н=n·h_э=50,5·6,3=303 см.H = n · h _e = 50.5 · 6.3 = 303 cm.

Для решения этой же задачи адсорбционным методом потребуется 10,8 кг сорбента и подвод 2,64 кВ энергии.To solve the same problem, the adsorption method will require 10.8 kg of sorbent and a supply of 2.64 kV of energy.

Пример 2. При очистке потока газа 12 м³/час от трития в 100000 раз предлагаемым способом при λ=1 (без увеличения объема вторичных отходов) потребуется в соответствии с уравнением (2) n=102,7 теоретических ступеней разделения, т.е. необходима колонна высотой насадочного слояExample 2. When cleaning a gas stream of 12 m ³ / h from tritium 100,000 times by the proposed method at λ = 1 (without increasing the volume of secondary waste), it will be required in accordance with equation (2) n = 102.7 theoretical stages of separation, i.e. . required column height of the packed layer

Н=n·h_э=102,7·6,3=647,1 см.H = n · h _e = 102.7 · 6.3 = 647.1 cm.

Адсорбционный метод с использованием всех известных адсорбентов не позволяет достигнуть такой степени очистки газа из-за конечной величины равновесного давления паров воды над цеолитом.The adsorption method using all known adsorbents does not allow achieving such a degree of gas purification due to the finite equilibrium pressure of water vapor over the zeolite.

Таким образом, заявляемый способ имеет следующие отличительные признаки по сравнению с прототипом:Thus, the claimed method has the following distinctive features in comparison with the prototype:

1. Процесс очистки газа от паров тритированной воды методом ФИО, в отличие от адсорбционного метода, является непрерывным.1. The process of gas purification from tritiated water vapor by the name and surname method, in contrast to the adsorption method, is continuous.

2. Процесс проводится при комнатной температуре и не требует дополнительных затрат энергии, кроме затрат на подачу газа и воды в колонну.2. The process is carried out at room temperature and does not require additional energy costs, except for the cost of supplying gas and water to the column.

3. Заявляемый процесс не имеет ограничений по степени очистки газа.3. The inventive process has no restrictions on the degree of gas purification.

4. В процессе ФИО в колонну постоянно подается свежий поток природной воды, поэтому этот метод свободен от эффекта памяти адсорбента.4. In the process of full name, a fresh stream of natural water is constantly supplied to the column; therefore, this method is free from the memory effect of the adsorbent.

5. Количество вторичных радиоактивных отходов, образующиеся при реализации заявляемого способа, может быть даже меньше, чем в адсорбционном способе, на величину α_HT.5. The amount of secondary radioactive waste generated during the implementation of the proposed method may be even less than in the adsorption method, the value of α _HT .

Claims (1)

Способ очистки газов от паров тритированной воды, заключающийся в том, что газовый поток подают снизу противоточной колонны фазового изотопного обмена, заполненной спирально призматической насадкой из нержавеющей стали, а сверху колонны подают поток природной воды, причем процесс проводят при комнатной температуре, а высоту колонны H = n·h_э выбирают исходя из требуемой степени детритизации газа К:
К = Z₀/Z_K = [λ/(α_HT - λ)]·[(α_HT/λ)ⁿ⁺¹ - 1],
где К = Z₀,Z_K - концентрация трития в паре на входе и выходе из колонны соответственно; λ = L/G = 0,91 - 1,00, где L,G -потоки жидкости и пара соответственно; α_HT = 1,092 при Т = 20-25^°С, n - число теоретических ступеней разделения в колонне фазового изотопного обмена при h_э =5,7-6,6 см. A method of purifying gases from tritiated water vapor, namely, that the gas stream is supplied from below a countercurrent phase isotope exchange column filled with a spiral prismatic stainless steel nozzle, and a stream of natural water is supplied from above the column, the process being carried out at room temperature and the column height H = n · h _e choose based on the required degree of gas detritization K:
K = Z ₀ / Z _K = [λ / (α _HT - λ)] · [(α _HT / λ) ^{n + 1} - 1],
where K = Z ₀ , Z _K is the concentration of tritium in the pair at the inlet and outlet of the column, respectively; λ = L / G = 0.91 - 1.00, where L, G are the flows of liquid and vapor, respectively; α _HT = 1,092 at T = 20-25 ^° C, n is the number of theoretical stages of separation in the phase isotope exchange column at h _e = 5.7-6.6 cm.

Images