СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗОВ ОТ ПАРОВ ТРИТИРОВАННОЙ ВОДЫ
METHOD OF REMOVING TRITIATED WATER VAPOUR FROM GASES

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.
3
3
4
H2O,вход
H2Oвыход
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 м/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/Р<10-10), 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].
Техническим результатом изобретения является сокращение энергозатрат, увеличение степени очистки и переход на непрерывный режим процесса 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 из 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).
<mrow><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>O</mi><mi>ж</mi></msub><mo>+</mo><mi>H</mi><mi>T</mi><msub><mi>O</mi><mi>n</mi></msub><mo>↔</mo><mi>H</mi><mi>T</mi><msub><mi>O</mi><mi>ж</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>O</mi><mi>n</mi></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
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.
HT
HT
Реакция (1) сопровождается изотопным эффектом, характеризуемым коэффициентом разделения α, в результате которого равновесная концентрация трития в жидкой воде выше, чем в паре. Так при температуре 298К α=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
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><msub><mi>Z</mi><mn>0</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>Z</mi><mi>к</mi></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">[</mo><mi>λ</mi><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>H</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mi>λ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo><mo stretchy="false">[</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>H</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi>λ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">]</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
0
к
0
где K - степень очистки, Z, Z - 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 (Х=0), остаточное содержание третированной воды в газе, выходящем из колонны, в зависимости от ее высоты может быть на сколь угодно малом уровне.
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.
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.
3
0
к
Эксперименты проводились при потоке воздуха до 12 м/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=z/z.
Результаты проведенных испытаний представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты экспериментов по определению эффективности процесса удаления паров третированной воды из воздуха, G=12 м<sup>3</sup>/час, Т=298 K, высота насадочного слоя Н=156 см
№ п.п.
L<sub>H2O</sub>,см<sup>3</sup>/ч
λ
Концентрации трития, 10<sup>-3</sup> имп./мин
h<sub>э</sub>, ВЭТСсм
h<sub>oy</sub>, ВЕПсм
K
Z<sub>0</sub>; Z<sub>к</sub>
Х<sub>0</sub>; Х<sub>к</sub>
1
330
0.95
144.3; 0.60
0; 136.7
6.0
5.7
240
2
340
0.91
66.8; 0.20
0; 60.4
7.2
6.6
334
3
335
0.94
65.4; 0.23
0;61.2
6.3
6.0
284
Из таблицы 1 видно, что даже при высоте насадочного слоя 156 см при температуре, близкой к комнатной, достигнута степень очистки K>240.
На основе полученных результатов проведено сравнение предлагаемого способа со способом-прототипом
3
Пример 1. При очистке потока газа 12 м/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:
э
Н=n·h=50,5·6,3=303 см.
Для решения этой же задачи адсорбционным методом потребуется 10,8 кг сорбента и подвод 2,64 кВ энергии.
3
Пример 2. При очистке потока газа 12 м/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 слоя
э
Н=n·h=102,7·6,3=647,1 см.
Адсорбционный метод с использованием всех известных адсорбентов не позволяет достигнуть такой степени очистки газа из-за конечной величины равновесного давления паров воды над цеолитом.
Таким образом, заявляемый способ имеет следующие отличительные признаки по сравнению с прототипом:
1. Процесс очистки газа от паров тритированной воды методом ФИО, в отличие от адсорбционного метода, является непрерывным.
2. Процесс проводится при комнатной температуре и не требует дополнительных затрат энергии, кроме затрат на подачу газа и воды в колонну.
3. Заявляемый процесс не имеет ограничений по степени очистки газа.
4. В процессе ФИО в колонну постоянно подается свежий поток природной воды, поэтому этот метод свободен от эффекта памяти адсорбента.
HT
5. Количество вторичных радиоактивных отходов, образующиеся при реализации заявляемого способа, может быть даже меньше, чем в адсорбционном способе, на величину α.