способ (варианты) и устройство для выделения изотопа водорода (варианты)

Формула изобретения

1. Способ выделения изотопа водорода, включающий стадии: приведение среды, содержащей газообразный водород, включающий указанный изотоп водорода, воду и водяной пар, в условия пониженного давления от 90 кПа или ниже, и контролирования температуры процесса в указанной среде в соответствии с давлением в указанной среде, регулирование парциальных давлений газообразного водорода и водяного пара и контроль эффективности выделения указанного изотопа водорода из газообразного водорода с использованием реакции обмена в системе водород-вода.

2. Способ выделения по п.1, в котором эффективность выделения указанного изотопа водорода оптимизируют путем регулирования давления и рабочей температуры указанной среды.

3. Способ выделения по п.1, в котором изотоп водорода выделяют в виде жидкой прореагировавшей воды, образовавшейся в результате первой обменной реакции, в которой промежуточный водяной пар, содержащий указанный изотоп водорода, образуется по обменной реакции между газообразным водородом, содержащим указанный изотоп водорода, и водяным паром, и в результате второй обменной реакции, в которой указанная жидкая прореагировавшая вода, содержащая изотоп водорода, образуется по обменной реакции между промежуточным водяным паром и жидкой водой.

4. Способ выделения по п.3, в котором первую обменную реакцию проводят с использованием катализатора, находящегося в данной разделительной колонне.

5. Способ выделения по п.3, в котором вторую реакцию обмена проводят путем подачи промежуточного водяного пара противотоком к движению жидкой воды в разделительной колонне.

6. Способ выделения по п.1, в котором указанный изотоп водорода представляет собой тритий.

7. Способ выделения по п.6, в котором указанный газообразный водород получают электролизом воды.

8. Способ выделения по п.1, дополнительно включающий стадию обнаружения течи указанной среды в условиях процесса сепарации в результате мониторинга повышения температуры указанной среды в сравнении с температурой технологического процесса.

9. Способ выделения изотопа водорода, в котором среду, содержащую газообразный водород, включающий изотоп водорода, воду и водяной пар, приводят к условиям пониженного давления и определенной температуры и указанный изотоп водорода выделяют из газообразного водорода, включающий стадию обнаружения течи указанной среды в условиях протекания процесса сепарации в результате мониторинга повышения температуры среды относительно рабочей температуры технологического процесса.

10. Устройство для выделения изотопа водорода, включающее разделительную колонну со средой, содержащей газообразный водород, включающий указанный изотоп водорода, воду и водяной пар, предназначенную для выделения изотопа водорода из газообразного водорода в результате протекания обменной реакции в системе водород-вода, и температурные контроллеры, обеспечивающие регулирование температуры среды в соответствии с ее давлением, регулирование парциальных давлений газообразного водорода и водяного пара и регулирование эффективности выделения изотопа водорода из газообразного водорода.

11. Устройство по п.10, в котором температурные контроллеры сконструированы таким образом, что обеспечивают оптимизацию эффективности выделения изотопа водорода путем регулирования давления и рабочей температуры указанной среды.

12. Устройство по п.10, в котором указанные контроллеры температуры регистрируют повышение температуры среды по сравнению с рабочей температурой, связанное с утечкой среды из разделительной колонны, и прекращают выделение изотопа водорода из газообразного водорода посредством обменной реакции в системе водород-вода, протекающей в указанной разделительной колонне.

13. Устройство по п.10, в котором разделительная колонна содержит катализатор первой реакции обмена, протекающей с образованием промежуточного водяного пара, содержащего изотоп водорода в результате обменной реакции между газообразным водородом, содержащим изотоп водорода, и водяным паром.

14. Устройство по п.13, в котором в указанной разделительной колонне осуществляют вторую обменную реакцию между промежуточным водяным паром и жидкой водой с образованием жидкой прореагировавшей воды, содержащей изотоп водорода.

15. Устройство по п.10, дополнительно включающее электролизер, в котором в результате электролиза воды получают газообразный водород, содержащий изотоп водорода, представляющий собой тритий.

16. Устройство для выделения изотопа водорода, включающее разделительную колонну со средой, содержащей газообразный водород, включающий указанный изотоп водорода, воду и водяной пар, предназначенную для выделения изотопа водорода из газообразного водорода в результате протекания обменной реакции в системе водород-вода, и контроллеры температуры, предназначенные для регистрации повышения температуры среды в сравнении с рабочей температурой, связанного с утечкой среды из разделительной колонны, и остановки операции выделения изотопа водорода из газообразного водорода в результате протекания в разделительной колонне обменной реакции в системе водород-вода.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу выделения изотопа водорода и устройству для его выделения.

Описание уровня техники

В качестве способа для выделения и концентрирования тритиевого компонента из тритийсодержащей воды предложен способ, в котором используется реакция обмена в системе водород-вода, характеризующаяся высоким фактором разделения, и способная обеспечить переработку большого количества тритийсодержащей воды. Поскольку константы равновесия реакции изотопного обмена между газообразным водородом и парами воды и между водяным паром и водой, в реакции обмена в системе водород-вода, увеличиваются с понижением температуры реакции обмена, можно ожидать, что уменьшение температуры процесса приведет к повышению эффективности выделения тритиевого компонента.

Однако при понижении температуры процесса уменьшается парциальное давление водяного пара, используемого в реакции обмена, вследствие чего уменьшается эффективность выделения тритиевого компонента.

В патенте США 5093098, 1992 г. описаны способ и устройство для выделения изотопа водорода, включающий контроль эффективности выделения изотопа водорода из газообразного водорода с использованием реакции обмена в системе водород-вода, осуществляемый в разделительной колонне. Кроме того, устройство содержит контроллеры температуры, предназначенные для регистрации повышения температуры в сравнение с рабочей температурой среды. Данное изобретение обладает рядом недостатков, которые устраняются нижеследующим настоящим изобретением.

Краткое изложение сущности изобретения

Цель настоящего изобретения состоит в повышении эффективности выделения изотопа водорода с использованием реакции обмена в системе водород-вода.

Для достижения указанной цели в настоящем изобретения используется способ выделения изотопа водорода, включающий стадии:

приведения среды, содержащей газообразный водород, включающий указанный изотоп водорода, воду и водяной пар, к заданным условиям пониженного давления, и

контролирования температуры процесса в указанной среде в соответствие с давлением в указанной среде, с целью регулирования парциальных давлений газообразного водорода и водяного пара и эффективности выделения указанного изотопа водорода из газообразного водорода с использованием реакции обмена в системе водород-вода.

Кроме этого, настоящее изобретение относится к устройству для выделения изотопа водорода, включающему:

разделительную колону, через которую проходит среда, содержащая газообразный водород, включающий изотоп водорода, воду и водяной пар, в которой происходит выделение указанного изотопа водорода из газообразного водорода посредством реакции обмена в системе водород-вода, и

устройства для контроля температуры (контроллеры температуры), предназначенные для регулирования температурного режима указанной среды в соответствие с давлением указанной среды, регулирования парциальных давлений газообразного водорода и водяного пара и регулирования эффективности выделения указанного изотопа водорода из газообразного водорода.

Для достижения поставленной цели авторами изобретения было проведено широкое исследование. В результате было установлено, что если в среде, содержащей газообразный водород, включающий данный изотоп водорода, воду и водяной пар, подаваемый в реакцию обмена в системе водород-вода, создаются заданные условия пониженного давления, то эффективность выделения изотопа водорода может быть максимизирована при определенной температуре и определенном понижении давления. В связи с этим, если среда формируется в данной разделительной колонне в определенных условиях пониженного давления, а температурный режим среды контролируется в соответствии с условиями пониженного давления с помощью средств температурного контроля, то может быть достигнута максимальная эффективность выделения изотопа водорода из газообразного водорода.

В условиях пониженного давления необязательно поддерживать температуру среды на оптимальном значении, но необходимо устанавливать температуру, соответствующую желаемой эффективности выделения изотопа водорода.

Согласно предпочтительному воплощению настоящего изобретения среда поддерживается при давлении 90 кПа или ниже. В этом случае обеспечивается повышенная эффективность выделения изотопа водорода с использованием реакции обмена в системе водород-вода.

В соответствие с другим воплощением настоящего изобретения, регистрируют повышение температуры среды в сепарационной колонне в условиях статического разделения с использованием реакции обмена в системе водород-вода. В этом случае может обнаруживаться течь из сепарационной колонны, и может раньше детектироваться утечка из всего устройства, включающего сепарационную колонну, вследствие чего может предотвращаться такая неизбежная авария, как взрыв водорода.

Помимо выделения изотопа водорода по способу настоящего изобретения, в котором определенная температуры среды устанавливается в условиях пониженного давления, упомянутый выше способ обнаружения течи может использоваться для другого способа выделения изотопа водорода, в котором применяется реакция обмена в системе водород-вода.

Как отмечалось выше, настоящее изобретение может обеспечивать повышенную эффективность выделения изотопа водорода с использованием реакции обмена в системе водород-вода.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания настоящего изобретения следует обратиться к прилагаемым чертежам, на которых

Фиг.1 изображает общий вид устройства для выделения изотопа водорода согласно настоящему изобретению. В соответствии с таким воплощением тритиевый компонент выделяется из легкой воды при помощи изображенного разделительного устройства.

На фиг.2 представлен график, иллюстрирующий зависимость эффективности выделения тритиевого компонента от давления и температуры среды в сепарационной колонне в условиях реализации процесса выделения тритиевого компонента.

Разделительное устройство, изображенное на фиг.1, включает разделительные колонны 11 и 12, расположенные в вертикальной двух-стадийной конфигурации, увлажнитель 13, регулятор температуры 132 и расположенный снизу разделительных колонн SRE электролизер 14, холодильник 15 и вакуумный насос 16, расположенные сверху разделительных колонн, тритиевый монитор 17 и снабженный монитором температурный контроллер 18, расположенный на уровне между колоннами 11 и 12.

В разделительных колоннах 11 и 12 формируются каталитические слои (не показаны), содержащие платиновый катализатор, обеспечивающий протекание первой обменной реакции между газообразным водородом и водяным паром, и слои адсорбента (не показаны), обеспечивающие протекание второй обменной реакции между водяным паром и жидкостью.

По периферии разделительных колонн 11 и 12 расположены нагреватели 111 и 121, которые с помощью регуляторов температуры 112 и 122 обеспечивают нагревание сред в разделительных колоннах 11 и 12 до рабочей температуры. Аналогичным образом, по периферии увлажнителя 13 расположен нагреватель 131, обеспечивающий образование водяного пара в результате нагревания воды.

Легкая вода, представляющая собой исходную воду, содержащую тритиевый компонент, подается в разделительные колонны 11 и 12 и затем вводится в SPE электролизер 14 через увлажнитель 13. В SPE электролизере 14 легкая вода, содержащая тритиевый компонент, подвергается электролизу и превращается в газообразный водород и газообразный кислород. Газообразный водород содержит тритиевый компонент в виде изотопа водорода. Газообразный водород, введенный в увлажнитель 13, насыщается водяным паром, и далее подается в разделительные колонны 11 и 12.

Газообразный водород и водяной пар частично поступают в холодильник 15, предварительно проходя разделительные колонны 11 и 12 с помощью вакуумного насоса 16. После этого введенный водяной пар в результате теплообмена подвергается обогащению в холодильнике 15 и возвращается в виде жидкой воды в разделительные колонны 11 и 12. Вывод газообразного водорода обеспечивается с помощью вакуумного насоса 16 через контролер давления 162 и аварийный клапан 161.

Согласно такому варианту, на слоях катализатора в разделительных колоннах 11 и 12 протекает следующая первая обменная реакция:

Кроме этого, на слоях абсорбента в разделительных колоннах 11 и 12 протекает следующая вторая реакция обмена:

Во второй обменной реакции промежуточный водяной пар НТО(пар) подается противотоком к обогащенной в холодильнике 15 и возвращаемой жидкой воде Н₂O(жидкость). В результате происходит выделение и обогащение тритиевого компонента в виде жидкой прореагировавшей воды НТО(жидкость).

Жидкая прореагировавшая вода протекает вниз через разделительные колонны 11 и 12 и SPE электролизер 14 и извлекается за пределами разделительного устройства. С другой стороны, газообразный водород Н₂(газ), образующий в первой обменной реакции за счет сепарации НТО(пар) поступает вверх через разделительные колонны 11 и 12 и выходит из разделительного устройства.

На фиг.2 представлен график, иллюстрирующий зависимость эффективности выделения тритиевого компонента от давления и рабочей температуры сред в разделительных колоннах 11 и 12 в условиях процесса выделения тритиевого компонента. Из фиг.2 следует, что эффективность выделения тритиевого компонента демонстрируют различные температурные зависимости, находящиеся в соответствии с давлением среды в разделительных колоннах 11 и 12. Из фиг.2 также следует, что оптимальные рабочие температуры, обеспечивающие максимальную эффективность выделения тритиевого компонента, отличаются друг от друга и соответствуют определенным значениям давлений сред в разделительных колоннах 11 и 12.

В разделительном устройстве, показанном на фиг.1, происходит выделение тритиевого компонента, его обогащение и выведение нисходящим потоком в виде жидкой прореагировавшей воды НТО(жидкость). В связи с этим концентрация тритиевого компонента низка в верхних участках разделительных колонн 11 и 12 и высока внизу этих колонн. При увеличении эффективности выделения тритиевого компонента характеристика его выделения может быть представлена отношением концентрации тритиевого компонента в нижней и верхней частях разделительных колонн 11 и 12 (т.е. отношением концентрация тритиевого компонента в нижней части разделительной колонны/концентрация тритиевого компонента в верхней части разделительной колонны).

Таким образом, эффективность выделения тритиевого компонента, проиллюстрированную на фиг.2, можно косвенно определить из соотношения его концентраций в нижней и верхней частях разделительных колонн 11 и 12 (концентрация тритиевого компонента в нижней части разделительной колонны/концентрация тритиевого компонента в верхней части разделительной колонны).

Согласно такому воплощению соотношение концентраций тритиевого компонента контролируется с помощью тритиевого монитора 17. Более конкретно, контролируется содержание трития в верхней части разделительной колонны 12, а рабочие температуры сред в разделительных колонных 11 и 12 регулируются в результате управления температурными регуляторами 112 и 122 с помощью управляющего температурного контроллера 18 и использованием нагревателей 111 и 121, в результате чего минимизируется концентрация тритиевого компонента в верхней части разделительной колонны 12 (т.е. концентрация тритиевого компонента в нижней части разделительной колонны 12 становится максимальной, что обеспечивает максимальную эффективность выделения тритиевого компонента).

Как следует из фиг.2, эффективность выделения тритиевого компонента увеличивается при уменьшении давления сред в разделительных колоннах 11 и 12. Так, например, для реализации практически приемлемой эффективности выделения тритиевого компонента, давление среды следует поддерживать на уровне 90 Кпа и ниже. Однако для осуществления выделения тритиевого компонента с использованием обменной реакции в системе водород-водяной пар используют атмосферные давления порядка 10 кПа.

Рассматриваемый способ может применяться для обеспечения заданной эффективности выделения тритиевого компонента, а также для увеличения эффективности выделения при проектном давлении. В этом случае температура процесса регулируется таким образом, чтобы обеспечить желаемую эффективность выделения тритиевого компонента.

С другой стороны, при проведении процесса выделения тритиевого компонента с использованием разделительного устройства, показанного на фиг.1, среды находятся в разделительных колоннах 11 и 12 в условиях пониженного давления. В связи с этим, если обнаруживается течь из разделительной колонны 11 и/или 12, то температуры сред в разделительных колоннах 11 и/или 12 существенно повышаются за счет протекания химической реакции между водородом и кислородом в каталитических слоях. Таким образом, течь из разделительных колонн 11 и/или 12 может обнаруживаться по увеличению температуры среды по сравнению с рабочим параметром, который фиксируется с помощью температурного контроллера 18. При обнаружении течи из разделительных колонн 11 и/или 12 прекращается работа SPE электролизера 14 и выключается нагрев разделительных колонн 11 и 12. После этого закрывается предохранительный клапан 181, и открываются аварийные клапаны 182 и 183, в результате чего происходит замена внутренних сред разделительных колонн 11 и 12 и они продуваются газообразным азотом.

Обнаружение течи из разделительных колонн 11 и 12 с использованием температурного измерительного контроллера 18 может проводиться одновременно или раздельно с процессом сепарации тритиевого компонента, в котором осуществляется оптимизация температуры среды и температуры технологического процесса.

Хотя настоящее изобретение было подробно описано со ссылкой на приведенные примеры его воплощения, изобретение не ограничивается таким описанием и предусматривает любые изменения и модификации, не нарушающие область настоящего изобретения. Настоящее изобретение может применяться не только для описанного выше выделения и обогащения тритиевого компонента из легкой воды, но и для выделения и обогащения этого компонента из тяжелой воды.