СПОСОБ ОЧИСТКИ ГЕЛИЯ ОТ ПРИМЕСИ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА

Изобретение относится к технологии очистки инертных газов от газообразных примесей, а именно к технологии извлечения и компремирования изотопов водорода, содержащихся в виде примесей в газообразном гелии.

Известные способы очистки газов от изотопов водорода основываются на физических и химических методах. К физическим методам можно отнести разделение газов на мембранах из материалов, обладающих избирательной диффузионной способностью по водороду, низкотемпературную дистилляцию, адсорбцию и абсорбцию водорода на различных материалах. К химическому методу относится метод окисления изотопов водорода с последующим улавливанием образующейся воды на различных ловушках.

Известен способ удаления гелия из смеси дейтерия и трития (заявка ЕПВ №0032827, публ. 29.07.81, С01В 4/00), который заключается в каталитическом окислении изотопов водорода с последующей конденсацией окислов Н₂О, D₂O и Т₂О. В дальнейшем окислы разлагают электролизом для получения обогащенной протием фракции. Эту фракцию дистиллируют, чтобы отделить окислы D₂O и Т₂О от обогащенного водой дистиллята. Конденсат со стадии дистилляции и неэлектролизованную часть смеси подвергают электролизу, чтобы получить смесь дейтерия и трития.

Данный способ позволяет получать чистый гелий, однако извлечение изотопов водорода требует больших энергозатрат и является экологически опасным.

В качестве прототипа выбран способ тонкой очистки инертных газов от газообразных примесей (Патент РФ №2113270, публ. 20.06.98, В01D 53/04). Способ заключается в том, что инертный газ, содержащий газообразные примеси (углеводороды, азот, кислород, вода, четырехфтористый углерод, окись углерода, двуокись углерода), пропускают через три реактора, наполненных губчатым титаном и находящихся при трех различных температурах: 750-800°С, 850-950°С, 350-400°С. При температуре 750-800°С в первом реакторе происходит разложение легко разрушаемых кислородсодержащих примесей (Н₂О и СО₂) с одновременным поглощением кислорода металлическим титаном. Во втором реакторе при температуре 850-950°С происходит поглощение азота, углерода и кислорода, образующихся в результате разложения СО и CH₄. В третьем реакторе при температуре 350-400°С происходит поглощение водорода.

К недостаткам этого способа можно отнести следующее.

Во-первых, регенерация металлического титана из первого и второго реакторов невозможна вследствие образования химически и термически стойких соединений. Необходима замена титана.

Во-вторых, требуются значительные энергозатраты для поддержания необходимой температуры при прохождении газа через реактор.

В-третьих, рассмотренный способ позволяет проводить очистку инертного газа до содержания водорода (0,1-0,5)·10^-4 об.%, воды - до 0,1·10^-4 об.%. При загрязнении инертного газа тритием объемная активность после очистки будет составлять 1,5·10^-2 Kи/л (5,6·10⁷ Бк/л) и применение его без дозиметрического контроля невозможно из-за его радиоактивной загрязненности.

Задачей настоящего изобретения является повышение степени очистки гелия от примеси изотопов водорода (трития) с одновременным извлечением и улавливанием трития.

Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого способа, заключается в следующем:

- снижение концентрации трития в гелии с 1 об.% до менее 1·10^-6 об.%;

- поглощение более 90% изотопов водорода гидридообразующими металлами;

- возможность регенерации сорбента изотопов водорода;

- возможность повторного использования изотопов водорода.

Для достижения указанных задачи и технического результата в способе очистки гелия от примеси изотопов водорода, включающем подачу газообразной смеси к сорбенту, способному поглощать изотопы водорода под воздействием температуры, с одновременным удалением гелия из сорбционного блока, согласно изобретению в качестве сорбента используют пористый нанодисперсный углерод, температуру которого поддерживают не выше 77-80 К. Пористый нанодисперсный углерод имеет удельную поверхность более 700 м²/г. После удаления гелия температуру в сорбционном блоке повышают до комнатной, после чего осуществляют отвод из него изотопов водорода в емкость до давления в ней 2·10⁴-10⁵ Па. Емкость для сбора изотопов водорода соединяют с поглотительным блоком, содержащим гидридообразующий сорбент.

Применение охлажденного до температуры 77-80 К пористого нанодисперсного углерода с удельной поверхностью более 700 м²/г позволяет адсорбировать изотопы водорода. При парциальном давлении изотопов водорода 10⁴; 10² и 1 Па сорбционная емкость охлажденного пористого нанодисперсного углерода составляет соответственно ˜150; 4 и 0,4 см³/г. При повышении температуры углерода в сорбционном блоке до комнатной практически весь водород десорбируется из углерода (выделяется в газовую фазу). При соединении сорбционного блока с емкостью для сбора изотопов водорода все выделившиеся изотопы водорода эвакуируются в эту емкость. Объем емкости выбирается из условия, чтобы получать давление водорода в ней порядка 10⁵ Па, т.е. проводить компремирование, после чего скомпремированный газ может быть поглощен гидридообразующим сорбентом в поглотительном блоке. Изотопы водорода (тритий) гораздо легче и быстрее поглощаются гидридообразующими металлами при давлении ˜10⁵ Па, чем при давлении 10² Па и тем более при давлении 1 Па.

Схема установки для реализации предлагаемого способа представлена на чертеже.

Она состоит из емкости 1 с исходной газовой смесью; сорбционного блока 2 с сорбентом для поглощения изотопов водорода. В качестве сорбента используется пористый нанодисперсный углерод. Установка содержит емкость 4 для сбора гелия, соединенную с блоком 2 через перекачной насос 3. Блок 2 с сорбентом соединен с емкостью 5 для сбора изотопов водорода. Емкость 5 соединена с поглотительным блоком 6, заполненным гидридообразующим металлом. Блоки установки соединены через вакуумные вентили В1, В2, В3, В4, В5.

Исходная газовая смесь (гелий с примесью изотопов водорода) из емкости 1 через вентиль В 1 подается в предварительно охлажденный до Т=77-80 К сорбционный блок 2, содержащий пористый нанодисперсный углерод. Вентиль В4 закрыт. Через вентиль В2, перекачной насос 3 и вентиль В3 гелий перекачивается в емкость 4 для сбора гелия. После откачки газа из емкости 1 и блока 2 до давления ˜1 Па вентили B1, B2, В3 закрываются. Открывается вентиль В4 и температура в сорбционном блоке 2 доводится до комнатной. Выделившийся газ из сорбционного блока 2 собирается в емкость 5 для сбора изотопов водорода. Открывается вентиль В 5, и собранные в емкости 5 изотопы водорода направляются в поглотительный блок 6, в котором находится гидридообразующий металл.

Была проведена экспериментальная отработка заявляемого способа.

- Колонки, заполненные пористым нанодисперсным углеродом с удельной поверхностью 780 м²/г, активируются при температуре ˜800 К в течение 0,5 часа под откачкой при давлении ˜1·10^-3 Па.

- С помощью жидкого азота температура колонок из пористого нанодисперсного углерода доводится до 77-80 К.

- Через колонки пропускается гелий при давлении 0,1 МПа до 1 об.% изотопов водорода (трития). Тритий адсорбируется на пористый нанодисперсный углерод. Гелий практически весь проходит через колонки. После прохождения газа через первую колонку содержание трития снижается до 10^-2 об.%. После прохождения газа через вторую колонку содержание трития снижается до 1·10^-6 об.%. Активность очищенного гелия (по тритию) составляет менее 1·10⁶ Бк/л, что по нормам радиационной безопасности (НРБ-99) менее минимально значимой удельной активности.

- После завершения эвакуации очищенного гелия колонки нагревают до комнатной температуры. Выделившийся газ (изотопы водорода) собирают в емкость. Давление изотопов водорода может составлять до 0,1 МПа.

- Из емкости газ подается в поглотительный блок, содержащий предварительно активированные гидридообразующие металлы.

- Колонки с пористым нанодисперсным углеродом могут многократно выдерживать циклы поглощения и регенерации.

Предлагаемый способ очистки гелия от примеси изотопов водорода является экономичным, мало энергоемким и экологически безопасным и позволяет

- получить чистый гелий (примесь изотопов водорода менее 1·10^-6 об.%);

- выделить и собрать более 90% изотопов водорода;

- многократно использовать сорбенты (углерод и гидридообразующие металлы).