Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ ПАРОВ ТРИТИРОВАННОЙ ВОДЫ

Изобретение относится к способу очистки газов от паров третированной воды, в частности к способу очистки газов от паров тритированной воды, может быть использовано как в технологических процессах, использующих молекулярный тритий и тритий содержащие соединения, так и для глубокой очистки газовых сбросов от трития предприятий атомной отрасли при решении экологических задач.

Наиболее близким по поставленной цели является способ очистки газовых потоков от паров тритированной воды, описанный в патенте РФ №2525423 от 12.03.2013. В этом патенте описан способ, заключающийся в том, что газовый поток, содержащий пары тритированной воды, подают снизу противоточной колонны фазового изотопного обмена, заполненной спирально-призматической насадкой нержавеющей стали (СПН), а сверху колонны подают поток природной воды, причем процесс проводят при температуре, близкой к комнатной.

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):

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.

Реакция (1) сопровождается изотопным эффектом, характеризуемым коэффициентом разделения α_НТ, в результате которого равновесная концентрация трития в жидкой воде выше, чем в паре. Так при температуре 298К α_НТ=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 как:

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=G/L (G и L - потоки пара и жидкости соответственно).

Поскольку на орошение колонны подается вода, не содержащая трития (X₀=0), остаточное содержание паров тритированной воды в газе, выходящем из колонны, в зависимости от ее высоты может быть на сколь угодно малом уровне.

Техническим результатом заявляемого изобретения является сокращение объема аппаратов, увеличение степени очистки детритизации газов.

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, а сверху колонны подают поток воды природного изотопного состава, причем высоту колонны выбирают исходя из требуемой степени детритизации газа К, при этом используют спирально-призматическую насадку, изготовленную из медной оксидированной проволоки.

Согласно предлагаемому способу поставленная цель решается использованием колонны ФИО, заполненной высокоэффективной спирально-призматической насадкой (СПН) из оксидированной меди. Техническая реализация способа проводилась на стенде, схема которого изображена на фиг. 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.

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 Tri-Carb 2810 TR. По результатам изотопного анализа рассчитывали число теоретических ступеней разделения (ЧТСР) и массообменные характеристики насадки (ВЭТС - высота эквивалентная теоретической ступени разделения) Экспериментальную степень очистки определяли как отношение K=Z₀/Z_к.

Результаты проведенных испытаний и сравнение с прототипом представлены в таблице 1.

Из таблицы 1 видно, что величина ВЭТС в случае использования в колонне насадки из оксидированной меди в 3 раза ниже по сравнению с насадкой из нержавеющей стали. За счет этого при фиксированной высоте колонны ФИО (Н=156 см) величина степени очистки К увеличивается более чем 1500 раз.

На основе полученных результатов проведено сравнение предлагаемого способа со способом-прототипом.

Пример 1. В случае заданной степени очистки, например К=10000, и отношении потоков 0,95 при использовании насадки из оксидированной меди потребуется колонна ФИО с величиной ЧТСР ~50. Величина ЧТСР (n) рассчитывается из уравнения (2). Таким образом, необходима колонна с высотой насадочного слоя:

Н=n⋅h_э=50⋅2=100 см.

В случае реализации способа прототипа (насадка из нержавеющей стали) необходима колонна высотой 3 м:

H=n⋅h_э=50⋅6=300 см.

Пример 2. При очистке потока газа от трития в 100000 раз предлагаемым способом при λ=1 (количество вторичных отходов равно количеству третированных паров воды в очищаемом газе, т.е. реализуется процесс, не сопровождающийся увеличением объема вторичных отходов) потребуется в соответствии с уравнением (2) n=102,7 теоретических ступеней разделения. При реализации заявляемого способа необходима колонна с высотой насадочного слоя:

H=n⋅h_э=102,7⋅2=205,4 см.

При реализации способа-прототипа необходима колонна высотой:

H=n⋅h_э=102,7⋅6=616,2 см.

Таким образом, заявляемый способ имеет следующие отличительные признаки по сравнению с прототипом:

1. Процесс очистки газа от паров тритированной воды методом ФИО по заявляемому способу приводит к существенному увеличению степени очистки газов при прочих равных условиях.

2. При заданной степени очистки использование заявляемого способа позволит в 3 раза уменьшить объем разделительной аппаратуры, а следовательно, и соответствующую статью капитальных затрат на создание очистной установки.