Пористая перегородка для разделения изотопов

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для разделения изотопов одного и того же химического элемента по методу газовой диффузии через пористые перегородки.
Известен способ выделения изотопов водорода из газовых смесей, конструкция устройства для реализации которого взята за прототип (патент РФ №2605 561 С1, кл. В01D 59/10, публ. 20.12.2016 г.), в котором для выделения изотопов водорода из газовых смесей используют композитную мембрану на основе металлов 5-й группы Периодической системы элементов ниобия, ванадия, тантала или их сплавов друг с другом и другими металлами, обе поверхности которой покрыты тонким слоем палладия или его сплавов, и которая в процессе работы нагрета до температуры равной 350±35°С. В процессе работы на вторую сторону мембраны подают поток кислорода для окисления проникающих сквозь мембрану изотопов водорода до тех пор, пока не прекращается изменение парциального давления на выходе мембраны.
Признаки прототипа совпадают со следующими признаками предлагаемой полезной модели:
- Разделяемый изотопы находятся в газовой фазе.
- Конструкция содержит пористую перегородку (мембрана в прототипе), через которую происходит диффузия компонентов газовой смеси, причем различные компоненты смеси имеют различный поток через пористую перегородку.
Недостатком указанной конструкции является наличие в составе мембраны дорогих металлов 5-й группы Периодической системы элементов, а также палладия или его сплавов, необходимость затрачивать энергию на поддержания температуры мембраны на уровне 350±35°С, невозможность отделять другие изотопы кроме водорода.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, состоит в снятии ограничения на разделение только изотопов водорода, повышении удельного коэффициента разделения газовой смеси, уменьшении энергетических затрат на единицу работы разделения, миниатюризации установок разделения.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в возможности разделения любых газовых смесей изотопов, повышении удельного коэффициента разделения газовой смеси, уменьшении энергетических затрат на единицу работы разделения, миниатюризации установок разделения.
Технический результат достигается тем, что предлагаемая полезная модель имеет существенные отличительные признаки, отличающие ее от прототипа, которые заключаются в следующем:
- в качестве пористой перегородки вместо мембраны используется перегородка, содержащая множество пор в виде микроканалов заданного размера и формы поперченного сечения.
- микроканалы имеют ряд подвижных створок, которые могут закрывать и открывать микроканалы для прохода молекул газа.
- открытие и закрытие каждой створки в микроканале осуществляется в такой последовательности, что в ряде створок образуется бегущая волна, скорость которой сопоставима со скоростью движения молекул изотопа газа, который необходимо выделить из смеси.
Указанные существенные признаки являются достаточными для достижения заявленного технического результата.
Система, использующая пористую перегородку (фиг. 1) состоит из газового объема высокого давления (1), пористой перегородки (2) и газового объема низкого давления (3). В газовый объем высокого давления (1) поступает исходная питающая смесь изотопов газов (4), с разной молекулярной массой. Компоненты данной газовой смеси проходят через пористую перегородку (2) с разной скоростью, создавая газовый поток вещества (5). При этом химический состав газовой смеси изменяется как в объеме высокого давления (1), так и в объеме низкого давления (3), создавая на выходах из них соответствующие потоки (6) и (7).
Пористая перегородка (2) состоит из множества активных микромеханических газовых фильтров, которые закреплены на ней таким образом, что поток газа из области высокого давления (1) в область низкого давления (3) возможен только через микроканалы, сформированные в самом активном микромеханическом газовом фильтре.
Активный микромеханический газовый фильтр (фиг. 2) представляет собой устройство в котором сформирован микроканал (8). Вход канала сообщается с областью высокого давления (1), а выход с областью низкого давления (3). По длине микроканала расположен ряд створок (9), которые могут контролируемо закрывать и открывать микроканал. Открытие и закрытие створок (9) контролируется электрическими приводами, и управляются при помощи электронной системы управления, включенной в конструкцию микромеханического газового фильтра. Привод, также включенный в конструкцию микромеханического газового фильтра, который обеспечивает движение створок сделан таким образом, что позволяет добиться высокой частоты закрытия/открытия створок ƒ (например 20 кГц) и необходимой амплитуды α (например 20 мкм.). Расстояние между створками в ряду L может составлять сотни микрон (например 200 мкм).
ф
Устройство работает следующим образом: по управляющей команде блока управления створки (9) начинают колебательные движения с частотой ƒ и амплитудой α. При этом частоты колебаний всех створок одинаковы, а фазы колебаний между соседними створками отличаются на некоторую величину ϕ таким образом, что движение створок формирует бегущую волну (10). Длина бегущей волны λ связана с величиной L через значение разницы фаз ϕ. Так, например для показанного на фиг. 2 случая ϕ=π получаем что λ=2L. Фазовая скорость бегущей волны V определяется следующим выражением:
ф
V=λ*ƒ
m
В момент времени t=to ко входу в микроканал движется молекула газа (11). В момент времени t=t1 молекула пролетает первую створку, которая в этот момент является полностью открытой. Если скорость молекулы в направлении оси микроканала V равняется фазовой скорости бегущей волны Уф, то эта молекула газа свободно пролетит через микроканал (моменты t=t2. t=t3). Если эти скорости отличаются, то молекула будет испытывать соударения с закрытыми створками, в результат чего время прохождения микроканала возрастет.
Поскольку в газовой смеси для компонентов разной массы средние скорости движения молекул отличаются, будут отличаться и потоки разных компонентов газовой смеси через микромеханический газовый фильтр, что и обеспечивает существования эффекта разделения. Частоту движения створок ƒ и сдвиг фаз ϕ между ними можно целенаправленно изменять в ходе работы, меняя фазовую скорость бегущей волны, соответственно выделяя необходимый газовый компонент из смеси.
Микроканал, створки и механизм привода может быть реализован с использованием технологий микросистемной техники, и с применением монокристаллического кремния в качестве основного конструкционного материала. Это позволяет создавать микроканалы и сопутствующие конструктивные элементы с маленькими линейными размерами (до 1 мкм). Колебания створок на резонансной частоте, конструкция привода и использование монокристаллического кремния в качестве основного материала позволяет обеспечить высокую добротность системы, снижая таким образом потери энергии. Малые габариты микромеханического газового фильтра позволяют собирать компактные сборки из многих каскадов ступеней разделения. При этом появляется возможность получать высокие степени разделения газовых смесей в устройствах с меньшими массогабаритными параметрами и меньшими затратами энергии, по сравнению с аналогами.