JPH07289853A - Hydrogen gas isotope separation and concentration equipment - Google Patents

Hydrogen gas isotope separation and concentration equipment

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JPH07289853A
JPH07289853A JP8870594A JP8870594A JPH07289853A JP H07289853 A JPH07289853 A JP H07289853A JP 8870594 A JP8870594 A JP 8870594A JP 8870594 A JP8870594 A JP 8870594A JP H07289853 A JPH07289853 A JP H07289853A
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JP
Japan
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container
hydrogen
hydrogen gas
temperature
containers
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Withdrawn
Application number
JP8870594A
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Japanese (ja)
Inventor
Takero Sato
藤 健 朗 佐
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Publication date
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  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 水素吸蔵合金を用いて水素ガスから重水素ガ
スを安価に分離する装置を提示する。 【構成】 水素ガスから軽水素と重水素を異なる圧力で
吸蔵する水素吸蔵合金を多段に用いて順に重水素を濃縮
してゆく工程において、合金を収納した容器に外部から
振動を付与することにより合金を流動させて合金内の温
度分布をなくして均一にする。これにより、合金の重水
素分離係数が温度により変える影響を事実上解消するこ
とが可能となった。
(57) [Summary] [Purpose] To present an apparatus for inexpensively separating deuterium gas from hydrogen gas using a hydrogen storage alloy. [Composition] In the process of concentrating deuterium in sequence by using multiple hydrogen storage alloys that store light hydrogen and deuterium from hydrogen gas at different pressures, by applying vibration from the outside to the container containing the alloy The alloy is fluidized to eliminate the temperature distribution in the alloy and make it uniform. This has made it possible to virtually eliminate the effect that the deuterium separation coefficient of the alloy changes with temperature.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、水素ガスから重水素ガ
スを分離濃縮するための装置に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an apparatus for separating and concentrating deuterium gas from hydrogen gas.

【0002】[0002]

【従来の技術】重水は、中性子の減速材として原子炉に
広く利用されている。重水は、内部の核燃料を少なくで
きること、濃縮ウランのみならず天然ウランも使用でき
ることなど、他の減速材に比べて大きいメリットがある
が、高価であるためその使用には制約があった。今後更
に常温核融合の研究が進展するにつれて重水の用途が広
がることが予想され、安価な重水の供給が要望されてい
る。
Heavy water is widely used in nuclear reactors as a neutron moderator. Heavy water has major advantages over other moderators, such as the ability to reduce the amount of nuclear fuel inside and the use of not only enriched uranium but also natural uranium, but its use was limited because it was expensive. It is expected that the use of heavy water will expand as the research on cold fusion progresses further in the future, and inexpensive heavy water supply is demanded.

【0003】従来、重水の製造法として下記の方法が知
られている。 電気分解法 HOに比べてDOは電気分解時の必要電圧が高く、
従って水の電気分解に伴い槽に残留している水中のD
Oの濃度は増加してゆく。この効果を利用してDOを
濃縮し、これからDを製造する。 水の蒸留方法 DOとHDOはHOよりわずかに蒸気圧が低いこと
を利用して、蒸留を繰り返すことによりDOとHDO
を分離する。 液体水素蒸留法 液体水素において、DとHは蒸気圧が異なるため
に、液体水素から蒸留により分離して、Dを製造す
る。 化学反応による方法 HO+HD=HDO+Hの交換反応において温度に
より平衡定数の異なる事を利用してHDOを得る。これ
に類似のHO+HDS=HDO+HSなどの交換反
応も用いられている。 熱拡散法 分離塔中心に1000℃の温度の熱線を垂直に張り、分
離塔壁部を冷却することにより原料水素ガスに対流を生
じさせ、重いDを塔底部に移行させて分離する(例え
ば、公開昭63−205127号公報)。 水素吸蔵金属または合金(以下、「MH」という)
による方法 MHは、温度、圧力により水素を吸収したり放出する性
質を持っているので水素貯蔵、分離精製、電池などに利
用されている。HとDは、それぞれMHへの吸蔵圧
力と放出圧力が異なるので、この性質を利用して分離す
る。
Conventionally, the following methods are known as methods for producing heavy water. Compared to the electrolysis method H 2 O, D 2 O requires a higher voltage during electrolysis,
Therefore, D 2 in the water remaining in the tank due to the electrolysis of water
The concentration of O increases. Utilizing this effect, D 2 O is concentrated and D 2 is produced therefrom. Distillation process D 2 O and HDO water by utilizing the fact that is slightly less vapor pressure than H 2 O, D 2 O and HDO by repeated distillation
To separate. Liquid hydrogen distillation method In liquid hydrogen, since D 2 and H 2 have different vapor pressures, they are separated from liquid hydrogen by distillation to produce D 2 . Method by chemical reaction In the exchange reaction of H 2 O + HD = HDO + H 2 , HDO is obtained by utilizing the fact that the equilibrium constant is different depending on the temperature. Similar exchange reactions such as H 2 O + HDS = HDO + H 2 S are also used. Thermal Diffusion Method A heating wire with a temperature of 1000 ° C. is vertically provided at the center of the separation column, and convection is generated in the raw hydrogen gas by cooling the wall of the separation column, and heavy D 2 is transferred to the bottom of the column for separation. , JP-A-63-205127). Hydrogen storage metal or alloy (hereinafter referred to as "MH")
The method MH has the property of absorbing and releasing hydrogen depending on temperature and pressure, and is therefore used for hydrogen storage, separation and purification, batteries and the like. Since H 2 and D 2 have different storage pressure and release pressure to the MH, they are separated by utilizing this property.

【0004】しかしながら、前述した従来技術には次の
ような問題点がある。 電気分解法において、1段でHとDに分離する
割合はわずかであるので多段階の電解が必要となり、電
力コストが過大となるため電力安価な地域での生産に限
られていた。 水の蒸留方法は、水から直接に重水を分離する点で
優位であるが、多段階の蒸留に要するエネルギー量は極
めて大きいのでコスト上昇の問題は避けられない。 液体水素蒸留法では、水素の液化に要するエネルギ
ー量が大きく、また−250℃の低温設備が必要である
ためコスト的に大きくなる。 僅かな分離係数の差を利用しかつ反応速度を早める
ため高価な白金触媒を使用するなどの問題点が存在す
る。 HとDまたはHDOの密度差を利用する方法で
あるが、長大な塔内部で気流の乱れを少なくしてガス分
離を行う点に困難がある。 MHを利用する方法は、消費エネルギーが少ない可
能性があり有望な方法であるが、これも金属または合金
のHとDの僅かな分離係数の差を利用するものであ
り、正確な制御方法や装置を必要とするので技術的に困
難な問題がある。
However, the above-mentioned prior art has the following problems. In the electrolysis method, since the rate of separation into H 2 and D 2 in one stage is small, multi-stage electrolysis is required, and the electric power cost becomes excessive. Therefore, the production was limited to the region where the electric power was inexpensive. The water distillation method is advantageous in that heavy water is directly separated from water, but the amount of energy required for multistage distillation is extremely large, and thus the problem of cost increase is inevitable. The liquid hydrogen distillation method requires a large amount of energy for liquefying hydrogen, and requires low-temperature equipment at -250 ° C, which increases cost. There are problems such as using an expensive platinum catalyst in order to utilize a slight difference in separation coefficient and to accelerate the reaction rate. Although this is a method of utilizing the density difference between H 2 and D 2 or HDO, it is difficult to perform gas separation by reducing the turbulence of the air flow inside a long tower. The method using MH is a promising method because it may consume less energy, but this method also uses a slight difference in separation coefficient between H 2 and D 2 of a metal or an alloy, and thus accurate control is possible. There is a technically difficult problem because it requires a method and an apparatus.

【0005】MHは水素の吸蔵時に発熱するが、温度に
よりMHのH,Dの分離係数が変わるため、MH層
内に温度分布があると目標の分離能力と大幅に異なる結
果となる。このため、MH層の温度分布は極力均一でな
ければならないが、現実には以下に述べる理由によりか
なりの温度分布を生じる結果となっていた。すなわち、
普通MHは粉末の状態で用いられるが、粉末状態での熱
伝導率は1.0−0.5Kcal/m,hr,cと低く
煉瓦なみの値に過ぎない。原料の水素を吸蔵した時に層
全体が発熱するので熱交換器を内部に設置してこの熱を
除去することが通常行われているが、この時温度を層内
で一定に保つには前記低熱伝導率の影響があって困難で
あるため、かなりの温度分布を生じていた。
MH generates heat when hydrogen is occluded, but the separation coefficient of H 2 and D 2 of MH changes depending on the temperature. Therefore, if the temperature distribution exists in the MH layer, the result will be significantly different from the target separation capacity. For this reason, the temperature distribution of the MH layer must be as uniform as possible, but in reality, a considerable temperature distribution is generated for the reason described below. That is,
Normally, MH is used in the powder state, but the thermal conductivity in the powder state is as low as 1.0-0.5 Kcal / m, hr, c, which is only a brick-like value. When the raw material hydrogen is absorbed, the entire layer heats up, so it is usual to install a heat exchanger inside to remove this heat.At this time, in order to keep the temperature constant in the layer, the low heat Due to the influence of conductivity, which is difficult, a considerable temperature distribution was generated.

【0006】この問題を解決するため、次の二つの方法
が対策として実行されてきた。 (1)熱交換器の伝熱面積を大きくする方法であって、
具体的にはフィンチューブ熱交換器を使用するなどの手
法がとられている。この場合の問題点として、あまりフ
ィン面積が大きくてもフィン先端部温度は囲りのMH温
度と同じになってしまうので面積を広げた効果が薄れ、
いわゆるフィン効率の低下することが指摘される。 (2)MH粉末に熱伝導率の良い銅、アルミなどの粉を
混入し成形すると、MH粉末の数倍程度の熱伝導率を有
する成形体が得られる。このような手法を用いれば上記
の問題はある程度解決されるが、この成形体は大きな形
状にするとやはり温度差が大きくなるため小さい形状で
ないと効果が乏しく、また成形の際のコスト上昇の問題
も無視できない。
In order to solve this problem, the following two methods have been implemented as countermeasures. (1) A method of increasing the heat transfer area of the heat exchanger,
Specifically, a technique such as using a fin tube heat exchanger is used. As a problem in this case, even if the fin area is too large, the fin tip temperature becomes the same as the surrounding MH temperature, so the effect of widening the area is weakened,
It is pointed out that the so-called fin efficiency decreases. (2) When a powder such as copper or aluminum having a high thermal conductivity is mixed in the MH powder and molded, a molded product having a thermal conductivity about several times that of the MH powder can be obtained. If such a method is used, the above problems can be solved to some extent, but if the molded body is made into a large shape, the temperature difference also becomes large, so the effect is poor unless the shape is small, and there is also the problem of cost increase at the time of molding. I can't ignore it.

【0007】ここにおいて、安価なD分離のために合
金層の温度を均一に保つ手段が必要となった。温度不均
一の問題はMHが水素を吸蔵する時にのみ起きるのでは
なく、水素を放出する時にもMH自体が温度降下を生じ
るので、やはり同じ温度不均一の問題を生じる。本発明
は、水素からのDの分離を低コスト、小規模設備で行
なうための水素吸蔵合金を用いた、水素ガス同位体の分
離濃縮装置を提供することを目的とする。
Here, a means for keeping the temperature of the alloy layer uniform is required for inexpensive D 2 separation. The problem of temperature non-uniformity does not occur only when the MH absorbs hydrogen, but the MH itself also causes a temperature drop when hydrogen is released, and thus the same problem of temperature non-uniformity occurs. It is an object of the present invention to provide a hydrogen gas isotope separation / concentration device using a hydrogen storage alloy for separating D 2 from hydrogen at low cost in a small-scale facility.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、MH粉体
に機械的振動を与える事により、MH粉体を液体のよう
に流動させることが可能であること、およびこれと同時
に合金層内部の温度が著しく改善されることを見い出し
た。したがって、水素の同位体の吸収分離を行う際に場
所による合金の分離性能に差異を生じる事無く合金層全
体を有効に利用する事が出来る。また、同時に流動によ
って熱交換器との交換熱量も静止時に比べて著しく増加
するので、水素吸蔵−放出のサイクルを短くすることが
可能となり、同一設備においても著しく生産性を高める
ことができる。
The present inventors have made it possible to cause MH powder to flow like a liquid by applying mechanical vibration to the MH powder, and at the same time, to form an alloy layer. It has been found that the internal temperature is significantly improved. Therefore, when performing the absorption and separation of hydrogen isotopes, the entire alloy layer can be effectively used without causing a difference in the separation performance of the alloy depending on the location. At the same time, the amount of heat exchanged with the heat exchanger is also remarkably increased by the flow as compared with the stationary state, so that the hydrogen storage-release cycle can be shortened and the productivity can be remarkably enhanced even in the same equipment.

【0009】本発明は、下記の事項をその要旨としてい
る。次の(a)〜(f)の装置条件を具備したことを特
徴とする水素ガス同位体の分離濃縮装置。 (a)水素吸蔵金属または合金を保有させた容器が複数
個設置されていること、(b)前記(a)の各容器は水
素ガス配管と弁にて結合され、かつ最初に水素ガスを導
入する入側の容器には原料となる水素ガス導入のための
配管と弁が設置され、最後に水素ガスを導入する容器に
は分離濃縮を終えた水素ガスを他の装置または容器へ導
入するための配管が設置されていること、(c)前記
(a)と(b)の容器とは別に、水素吸蔵金属または合
金を保有させた単数または複数の容器を設置し、これら
の容器は前記(a)と(b)の容器と配管および弁にて
結合されていること、(d)前記(a)と(b)の容器
には熱交換器が内蔵され、内部の水素吸蔵金属または合
金の温度を変更させるために外部から冷熱媒、温熱媒を
流す配管と接続されていること、(e)すべての容器に
は圧力検出器が設置されており、検出圧力と設定圧力と
の差圧により、容器に流入する熱媒体温度や流量を制御
する装置を有すること、(f)振動を吸収するバネの上
に全ての容器が登載されているとともに、0.1Gから
10Gの範囲で振動を付与する装置を有すること。
The gist of the present invention is as follows. An apparatus for separating and concentrating hydrogen gas isotopes, characterized by having the following apparatus conditions (a) to (f). (A) A plurality of containers holding hydrogen storage metals or alloys are installed, (b) Each container in (a) above is connected to a hydrogen gas pipe by a valve, and hydrogen gas is first introduced. Pipes and valves for introducing hydrogen gas, which is the raw material, are installed in the container on the inlet side, and the container for introducing hydrogen gas at the end is for introducing hydrogen gas that has been separated and concentrated into another device or container. (C) In addition to the containers (a) and (b), one or a plurality of containers containing a hydrogen storage metal or alloy is installed, and these containers are (a) and (b) are connected to each other by pipes and valves, and (d) the containers (a) and (b) have a heat exchanger built-in and are equipped with a hydrogen storage metal or alloy. It is connected to the pipes for flowing the cold heat medium and the hot heat medium from the outside to change the temperature. (E) All vessels are equipped with pressure detectors, and have a device for controlling the temperature and flow rate of the heat medium flowing into the vessels by the pressure difference between the detected pressure and the set pressure. ) All containers are mounted on a spring that absorbs vibration, and a device that applies vibration in the range of 0.1 G to 10 G is provided.

【0010】以下に、本発明を詳細を説明する。図1に
示すように、内部に熱交換器を有する水平筒状のMH容
器1(内径100mm)に粉末状MHを充填し、このM
H容器1と同じ軸方向を有する振動モーター2(神鋼電
機 RV−14B 60Hz,4P,200V,0.1
kw)を配置した状態で加振した。装置全体は4本のス
プリングで支えた。この装置は流動により合金層が均一
になる降下を確かめるために行ったもので、実際に水素
を吸蔵させる実験ではない。
The present invention will be described in detail below. As shown in FIG. 1, a powder MH is filled in a horizontal cylindrical MH container 1 (inner diameter 100 mm) having a heat exchanger inside, and the M
Vibration motor 2 having the same axial direction as H container 1 (Shinko Denki RV-14B 60Hz, 4P, 200V, 0.1
(kw) was applied and vibrated. The entire device was supported by 4 springs. This device was used to confirm the drop that the alloy layer becomes uniform due to flow, and is not an experiment to actually absorb hydrogen.

【0011】したがって、MHは未活性のFeTi
1.050.016を用い空気雰囲気で実験を行っ
た。振動は、上下方向(X方向)、容器の水平直角方向
(Y方向)および容器の軸方向(Z方向)で加速度計を
用いて測定した。MHの重量は10KG、モーター重量
は18KGであった。MH容器1は観察のため透明アク
リル容器を用いた。振動モーター2と加振器は、ユニバ
ーサルジョイント3で連結されており、加振器によって
発生した振動がモーターに伝わることはないように設計
されている。振動の強さは、振動モーターに内蔵した振
り子5の角度を変更することにより調整した。Xおよび
Y方向の振動加速度が0.1G未満でほとんどMHは動
かないが、0.1Gを越す段階から部分的に合金層が動
き始め、0.5Gでは合金層全体に流動が認められた。
加振開始と同時に内部の熱交換器に75℃の温水を満た
してMH各部の温度の変化を調べたところ、図2に示す
結果が得られた。
Therefore, MH is an inactive FeTi
The experiment was conducted in an air atmosphere using 1.05 S 0.016 . The vibration was measured using an accelerometer in the vertical direction (X direction), the horizontal right angle direction of the container (Y direction), and the axial direction of the container (Z direction). The MH weighed 10 KG and the motor weight was 18 KG. As the MH container 1, a transparent acrylic container was used for observation. The vibration motor 2 and the vibration exciter are connected by a universal joint 3, and the vibration generated by the vibration exciter is designed not to be transmitted to the motor. The intensity of vibration was adjusted by changing the angle of the pendulum 5 built in the vibration motor. When the vibration acceleration in the X and Y directions was less than 0.1 G, the MH hardly moved, but the alloy layer began to partially move from the stage of exceeding 0.1 G, and at 0.5 G, flow was observed in the entire alloy layer.
Simultaneously with the start of vibration, the internal heat exchanger was filled with hot water at 75 ° C., and changes in the temperature of each part of the MH were examined, and the results shown in FIG. 2 were obtained.

【0012】図2に示す各部の温度は、合金層内に挿入
した熱電対の温度を表示しており、aは内部伝熱管表面
温度、b,c,d,eは伝熱管外表面からそれぞれ2,
4,6,8mm離れたMH粉対内部の温度を示してい
る。また温度iは容器内表面温度、h,g,fは内表面
から、2,4,6mm内部の合金層の温度を示してい
る。図2(a)は、振動を与えない場合のMH温度であ
り極めて不均一であるが、XおよびY方向にそれぞれ
1.5G(図2(b))および2.5G(図2(c))
の程度の振動を与えた場合は著しく温度分布が改善され
ていることがわかる。
The temperature of each part shown in FIG. 2 indicates the temperature of the thermocouple inserted in the alloy layer, a is the internal heat transfer tube surface temperature, and b, c, d, and e are the heat transfer tube outer surface, respectively. Two
The temperature of the MH powder pair inside is shown at 4, 6 and 8 mm apart. Further, the temperature i indicates the temperature of the inner surface of the container, and h, g, f indicate the temperature of the alloy layer within 2, 4, 6 mm from the inner surface. FIG. 2A shows the MH temperature when no vibration is applied, which is extremely non-uniform, but it is 1.5 G (FIG. 2 (b)) and 2.5 G (FIG. 2 (c)) in the X and Y directions, respectively. )
It is understood that the temperature distribution is remarkably improved when the vibration of about the degree is given.

【0013】X,YおよびZ方向のそれぞれについての
振動波形を、図3に示す。XおよびY方向では正弦波形
に近い振動値となっている。Z軸方向の振動値が大きい
と円筒容器内の合金が一方に片寄るので、出来るだけ抑
制することが望ましく、X,Yの1/5以下にすること
が必要である。図3に示す程度のZ軸方向の振動であれ
ばX,Y方向の振動に比べて充分低く、流動上の問題は
ない。10G以上の強い振動では温度分布の均一性は更
に改善されるが、効果が飽和してくることと動力消費量
も増加してくるので振動は10Gが限界と判断される。
この効果は、MH容器の円筒断面部分においてMH粉末
が振動モーターの加振に伴う遠心力を受けて流動するこ
とによるものであり、あたかも水が加熱を受けて沸騰し
て上昇し、周囲の冷却により下降する現象に見かけ上類
似している。
FIG. 3 shows vibration waveforms in each of the X, Y and Z directions. The vibration values in the X and Y directions are close to a sine waveform. If the vibration value in the Z-axis direction is large, the alloy in the cylindrical container will shift to one side, so it is desirable to suppress it as much as possible, and it is necessary to make it 1/5 or less of X and Y. The vibration in the Z-axis direction as shown in FIG. 3 is sufficiently lower than the vibrations in the X and Y directions, and there is no flow problem. With a strong vibration of 10 G or more, the uniformity of the temperature distribution is further improved, but the effect is saturated and the amount of power consumption is also increased.
This effect is due to the fact that the MH powder flows in the cylindrical cross section of the MH container under the centrifugal force associated with the vibration of the vibration motor, as if the water were heated and boiled to rise, cooling the surroundings. It is similar in appearance to the phenomenon of falling.

【0014】いずれにしても、上記振動加速度の範囲で
あれば、充分な流動状況とそれに伴う温度分布の均一性
が得られ、本来の目的を達成することが出来る。この測
定は円筒形の容器を水平に置いて行ったものであるが、
同じ水平に置いた場合でも振動をかける方向が図1と異
なった場合、充分な流動は発生しない。また、同一形状
の容器でも水平より斜めに持ち上げた場合や、垂直に立
てた場合は好ましい流動状態が得られない。
In any case, if the vibration acceleration is within the above range, a sufficient flow condition and accompanying uniformity of temperature distribution can be obtained, and the original purpose can be achieved. This measurement was made by placing a cylindrical container horizontally,
Even when placed in the same horizontal direction, if the direction of vibration is different from that in FIG. 1, sufficient flow does not occur. Further, even in the case of a container having the same shape, a preferable fluidized state cannot be obtained when the container is lifted diagonally from the horizontal or when it is stood vertically.

【0015】次に、本発明の分離濃縮装置を、図4に示
す例に基づいて説明する。MHとしてバナジウムを、そ
れぞれ300,150,75,および37kg充填した
容器I,II,III およびIVを準備した。容器を複数個
(I〜IV)準備した理由は、原料水素ガスを複数段に分
けて順次分離精製し、Dの濃度を高めて行くことにあ
る。すなわち、重水素と水素はその性質が極めて類似し
ており、両者とも金属水素化物となりうるが、重水素は
中性子を持っているためそれ自身の体積が大きい。した
がって、金属の結晶格子中で重水素と金属原子の距離が
水素の場合より小さく、重水素化物と水素化物とは金属
結晶中の安定性がわずかに異なる。また、解離圧も違う
ため、いわゆる同位体効果が生じる。
Next, the separating and concentrating apparatus of the present invention will be described based on the example shown in FIG. Containers I, II, III and IV filled with 300, 150, 75 and 37 kg of vanadium as MH were prepared. The reason for preparing a plurality of containers (I to IV) is that the raw material hydrogen gas is divided into a plurality of stages and sequentially separated and purified to increase the concentration of D 2 . That is, deuterium and hydrogen have very similar properties, and both can be metal hydrides, but deuterium has a large volume because it has neutrons. Therefore, the distance between deuterium and metal atoms in the metal crystal lattice is smaller than that in the case of hydrogen, and the stability in deuterium and hydride is slightly different in the metal crystal. Also, because the dissociation pressure is different, a so-called isotope effect occurs.

【0016】本発明は、この解離圧の違いを利用して水
素と重水素を分離するものであるが、解離圧の違いはわ
ずかであり、MH層に多少の温度分布が存在すると、温
度の違いによる解離圧の差のほうが大きく出るため現実
には分離は不可能である。
The present invention utilizes this difference in dissociation pressure to separate hydrogen and deuterium, but the difference in dissociation pressure is slight, and if there is some temperature distribution in the MH layer, the In reality, the separation is impossible because the difference in dissociation pressure due to the difference is larger.

【0017】本発明では外部からの振動によりMHの温
度分布を均一にして分離を効率よく行わせるものである
が、1段だけでは分離は充分ではなく、重水素の濃縮程
度はわずかであるので、MH装置を直列に多段に連結し
て順次重水素の濃度を高めなければならない。MH容器
の段数については目的とする重水素の濃度によって変わ
る数字であって、4段に限られるものではない。
In the present invention, the temperature distribution of MH is made uniform by the vibration from the outside so that the separation can be carried out efficiently. However, the separation is not sufficient with only one stage, and the degree of deuterium concentration is small. , MH devices must be connected in series in multiple stages to sequentially increase the concentration of deuterium. The number of stages of the MH container varies depending on the target deuterium concentration, and is not limited to four stages.

【0018】MH容器は1基ずつ加振装置の上に登載す
ることは可能であるが、加振する場合に容器を2個とし
て中央に加振装置を設置した方がバランス上好ましく規
則正しい振動を与えることが出来るので、実施例におい
ては2基ずつ組にして容器I,II,III ,IVとしてい
る。各容器間(I〜IV)は、水素を順次分離精製してゆ
くために、水素配管(フレキシブルホース)と弁にて結
合されている。Iの容器には原料となる水素ガス導入配
管と弁が設置され、最終の容器IVには分離工程を終えた
水素ガス(Dを多く含む)を他の装置又は容器へ導入
する配管を設置している。
It is possible to mount one MH container on the vibration device one by one, but when vibrating, it is preferable to have two containers and install the vibration device at the center, because it is preferable in terms of balance and regular vibration is obtained. Therefore, in the embodiment, two containers are grouped into containers I, II, III and IV in the embodiment. Between the respective containers (I to IV), hydrogen pipes (flexible hoses) and valves are connected in order to sequentially separate and purify hydrogen. A hydrogen gas introduction pipe as a raw material and a valve are installed in the container I, and a pipe for introducing the hydrogen gas (containing a large amount of D 2 ) after the separation process into another device or a container is installed in the final container IV. is doing.

【0019】MHとしてバナジウムを採用したのは、常
温〜100℃の温度範囲で多量の水素を吸蔵し、かつH
とDの選択吸蔵性が比較的優れているからである。
軽水素と重水素を分離する能力は、通常分離係数α=
(D/H)solid/(D/H)gasで示される。
ここで、solidはMH、gasはMH周囲の水素雰
囲気を表す。
Vanadium is used as the MH because it absorbs a large amount of hydrogen in the temperature range of room temperature to 100 ° C.
This is because the selective storage properties of 2 and D 2 are relatively excellent.
The ability to separate light hydrogen and deuterium is usually determined by the separation factor α =
It is represented by (D / H) solid / (D / H) gas.
Here, solid represents MH, and gas represents a hydrogen atmosphere around MH.

【0020】J.J.Reilly(Zeit.fur
Physik.Chem.,117,655(197
9))によれば、Vは28.0℃でαが1.70以上を
示し、Zrの1.05(27.6℃),LaNiの1.
12(27.7℃),TiMnの1.37(40℃)に
比べて良い値を示している。バナジウムは、50メッシ
ュ以下(0.3mm以下)に粉砕し、図示していない開
口部はすべて水素の漏洩がないよう栓にて密閉されてい
る。
J. J. Reilly (Zeit.fur
Physik. Chem. , 117, 655 (197)
9)), V shows a value of 1.70 or more at 28.0 ° C., 1.05 (27.6 ° C.) of Zr, and 1. of LaNi.
12 (27.7 ° C.), which is a good value compared to 1.37 (40 ° C.) of TiMn. Vanadium is crushed to 50 mesh or less (0.3 mm or less), and all openings (not shown) are sealed with a stopper so that hydrogen does not leak.

【0021】バナジウム重量を容器I〜IVと下流になる
に従い減少させたのは、次の理由による。それぞれの容
器内において導入された水素量とバナジウムに吸蔵され
る水素量(この中にDが濃縮)の比率は、約1:0.
5になっており、この吸蔵された水素が次の工程でMH
から放出されて次の容器に送られるので次の容器ではM
H量が半分で済む事になる。各容器は、SUS304で
製作した所定の圧力に耐える設計であれば普通鋼で製造
しても何等差し支えない。また各容器の水素出口管に
は、水素放出時にMH粉末が飛散して下工程に混入する
ことを防ぐためにSUS焼結合金フィルターが設置され
ている。
The reason why the weight of vanadium is reduced toward the downstream of the containers I to IV is as follows. The ratio between the amount of hydrogen introduced in each container and the amount of hydrogen stored in vanadium (wherein D 2 is concentrated) is about 1: 0.
The stored hydrogen is MH in the next step.
Is discharged from the container and sent to the next container.
The amount of H will be half. Each container may be made of ordinary steel as long as it is designed to withstand a predetermined pressure made of SUS304. In addition, a SUS sintered alloy filter is installed in the hydrogen outlet pipe of each container in order to prevent the MH powder from being scattered and mixed in the lower step when hydrogen is released.

【0022】また、I〜IVの容器とは別に、MHを内蔵
した単数又は複数の容器Xを保有している。この容器X
は、容器I〜IVと配管及び弁で結合されており、I,II
〜IVの各容器において容器空間部に残存させるDの乏
しい水素ガスをこの容器に送り、内部のMHを用いて蓄
える機能を有している。容器XのMHは、HとD
分離する機能を必要としないので一般的に用いられてい
るMHで良く、ここでは安価なチタン鉄系のMHを用い
た。このMH容器Xの代わりに通常のボンベ状容器、球
形容器を用いることも可能である。しかし、MH容器を
用いて残存水素を吸蔵したほうがはるかに小規模の設備
で目的を達成することができるので工業的に有利であ
る。
In addition to the containers I to IV, one or a plurality of containers X containing MH are held. This container X
Is connected to the containers I to IV by pipes and valves, and I, II
In each of the containers IV to IV, it has a function of sending hydrogen gas having a low D 2 to be left in the space of the container to the container and storing it by using the internal MH. The MH of the container X may be an MH that is generally used because it does not require the function of separating H 2 and D 2, and an inexpensive titanium-iron-based MH was used here. Instead of the MH container X, it is also possible to use an ordinary cylinder-shaped container or a spherical container. However, it is industrially advantageous to use the MH container to occlude the residual hydrogen because the purpose can be achieved with a much smaller facility.

【0023】各容器内には熱交換器が設置され、この熱
交換器の間隙をMH粉末が埋める構成となっている。M
H容器内に設置する熱交換器の目的は、二つある。ひと
つは、内部のMHが水素を吸蔵する際に吸蔵熱を発生し
合金温度が上昇する。これを防ぐため熱交換器に冷却用
熱媒を流して合金を冷却し、水素の吸蔵を迅速に行わせ
る目的である。他の目的は、吸蔵した水素を放出して下
流の容器へ送るときに、放出熱のためMHが冷却されこ
のままでは水素放出が停止する。これを防ぐため温熱媒
を流して、MHを暖めて水素放出を促進する必要があ
る。
A heat exchanger is installed in each container, and the gap between the heat exchangers is filled with MH powder. M
The heat exchanger installed in the H container has two purposes. One is that when the internal MH absorbs hydrogen, it generates heat of absorption and the alloy temperature rises. In order to prevent this, the purpose of this is to flow a cooling heat medium into the heat exchanger to cool the alloy so that hydrogen can be absorbed quickly. Another purpose is that when the stored hydrogen is released and sent to the downstream container, the MH is cooled due to the released heat and the hydrogen release is stopped as it is. In order to prevent this, it is necessary to flow a heating medium to warm the MH and accelerate hydrogen release.

【0024】また各容器には前述の内部圧力検出装置が
設置されており、仮に内部の水素圧が上昇して容器耐圧
(この場合、10kg/cm未満)に近づくと熱媒流
量を制御して過度の圧力上昇を防止することができ、全
体の装置の自動運転も可能となる。
The above-mentioned internal pressure detection device is installed in each container, and if the internal hydrogen pressure rises and approaches the container pressure resistance (less than 10 kg / cm 2 in this case), the heat medium flow rate is controlled. As a result, excessive pressure rise can be prevented, and the automatic operation of the entire device becomes possible.

【0025】[0025]

【実施例】以下に、本発明を実施例により説明する。原
料水素をHとDに分離するMHとしてバナジウムを
300kg充填した容器I、150kg充填した容器I
I、75kg充填した容器III および37kg充填した
容器IVを準備し、容器長手方向を揃えて台上に固定し
た。そして容器長手方向と同じ方向に回転軸を有する振
動モーターによって容器全体を0.5G〜10Gの間で
加振する装置の上に固定した。装置全体は、スプリング
6を介してコンクリートの基礎に乗っている。それぞれ
の容器は、MHの温度を一定に保つように冷却水または
温水を流すフィンチューブ熱交換器を内蔵している。各
MH容器の運転条件を、表1に示す。
EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples. Container I filled with 300 kg of vanadium as MH for separating raw material hydrogen into H 2 and D 2 , container I filled with 150 kg
I, a container III filled with 75 kg, and a container IV filled with 37 kg were prepared, and the container was aligned on the longitudinal direction and fixed on a table. Then, the whole container was fixed on a device that vibrates between 0.5G and 10G by a vibration motor having a rotation axis in the same direction as the container longitudinal direction. The entire device rests on a concrete foundation via a spring 6. Each container has a built-in fin-tube heat exchanger in which cooling water or hot water is passed so as to keep the MH temperature constant. Table 1 shows the operating conditions of each MH container.

【0026】[0026]

【表1】 [Table 1]

【0027】容器は、それぞれ焼結合金性フィルターを
内部に設置してそのフィルターを経由して次の容器(I
→II→III →IV)へと水素の配管を設置しており、この
順でDを濃縮した水素が圧力差に従って流れるように
設計されている。図4に示すように、容器I,II,III
およびIVが別々の加振モーターによって振動を受けるよ
うに設計されているが、全ての容器を同一の台上に登載
して加振させても全く同じ効果が期待できる。各容器内
部にMHを10%満たすと流動を起こしにくいので80
〜90%程度の充填率にする必要がある。また各容器は
MHの性状によって圧力設計値が変わるのでそれに応じ
た肉厚にする必要がある。
Each container is provided with a sintered alloy filter inside and the next container (I
→ II → III → IV) is installed with a hydrogen pipe, and in this order, hydrogen enriched with D 2 is designed to flow according to the pressure difference. As shown in FIG. 4, containers I, II, III
Although the IV and IV are designed to be vibrated by different excitation motors, the same effect can be expected even when all containers are mounted on the same table and vibrated. If 10% of MH is filled inside each container, it will not flow easily.
The filling rate needs to be about 90%. Further, since the pressure design value of each container changes depending on the property of MH, it is necessary to make the thickness corresponding to it.

【0028】またこれらの各容器は法令に準拠し、必要
な場合安全弁(図示せず)を設置することが必要であ
る。操作に入る前にあらかじめ各MH容器を真空に引い
ておき、内部のMHを活性化し、水素を吸蔵できる状態
にしておくことは当然である。最初は、調節弁、制御弁
をすべて閉じておくこの装置において、制御弁Kを開に
しAより原料の水素ガス(この装置では9.5kg/c
m2G)を容器Iに封入した後、制御弁Kを閉にする。
容器I内のバナジウムはDを含む水素ガスを吸蔵し発
熱するが、熱交換器を流れる冷却水によってバナジウム
は冷却され約40℃に保たれる。この時容器I内圧力
は、検出端P1によって検出され、例えばこの値が10
kg/cmに近づけば、熱媒の入側の調節弁A−1に
てMH温度を変更し、その結果内部圧力は一定圧、例え
ば9.0kg/cmに保たれる。
Further, each of these containers complies with the law, and it is necessary to install a safety valve (not shown) if necessary. It is natural that each MH container is evacuated in advance before starting the operation to activate the MH inside so as to be able to store hydrogen. At first, in this device in which all the control valves and control valves are closed, the control valve K is opened and the hydrogen gas of the raw material from A (9.5 kg / c in this device).
After enclosing m2G) in the container I, the control valve K is closed.
Vanadium in the container I occludes hydrogen gas containing D 2 and generates heat, but the vanadium is cooled by the cooling water flowing through the heat exchanger and kept at about 40 ° C. At this time, the pressure in the container I is detected by the detection end P1, and this value is 10
When approaching kg / cm 2 , the MH temperature is changed by the control valve A-1 on the heat medium inlet side, and as a result, the internal pressure is maintained at a constant pressure, for example, 9.0 kg / cm 2 .

【0029】このようにして容器Iが一定になった状態
で制御弁Cを徐々に解放し、容器I内の水素ガスを容器
Xに流入させ、内部のMHに吸蔵させる。容器Xは、あ
らかじめ3kg/cm2Gに保持している。これらの操
作により原料水素中のDは、容器I内のMHに濃縮吸
蔵され、残余のガスは容器Xに蓄えられる。
In this way, the control valve C is gradually opened with the container I kept constant, and the hydrogen gas in the container I is caused to flow into the container X and stored in the MH inside. The container X is held at 3 kg / cm2G in advance. By these operations, D 2 in the raw material hydrogen is concentrated and stored in the MH in the container I, and the remaining gas is stored in the container X.

【0030】次の操作として制御弁Cを閉じて制御弁D
を開とし、容器I内熱交換器に高温水(90℃)を通す
ことにより、MH−Iに吸蔵されていたD濃縮水素ガ
スは容器IIへと流出する。この時容器II内の圧力が9.
5kg/cm2G未満で制御されるようにII−Hの流量
あるいは温度を調節した。
As the next operation, the control valve C is closed and the control valve D is closed.
Is opened and high-temperature water (90 ° C.) is passed through the heat exchanger in the container I, so that the D 2 -enriched hydrogen gas stored in the MH-I flows out to the container II. At this time, the pressure in the container II is 9.
The flow rate or temperature of II-H was adjusted so as to be controlled at less than 5 kg / cm2G.

【0031】このようにして容器II内合金は、さらにD
を濃縮した状態で水素を吸蔵させる。この時のMHの
発熱は、容器II内熱交換器によって吸収除去される。容
器IIにおいて温度圧力が一定になった状態で弁Dおよび
弁Eを閉め、弁Fを開にすることにより容器II内の空間
部水素ガスは容器Xに移動する。この時容器II内の圧力
を3kg/cmに制御することにより、MH−IIから
の少ない容器II空間部のHを主体とするガスが容
器Xへと移行する。
In this way, the alloy in the container II is further
Hydrogen is occluded in the concentrated state of 2 . The heat generated by the MH at this time is absorbed and removed by the heat exchanger in the container II. The hydrogen gas in the space in the container II moves to the container X by closing the valve D and the valve E and opening the valve F in a state where the temperature and pressure are constant in the container II. At this time, by controlling the pressure in the container II to 3 kg / cm 2 , the gas mainly containing H 2 in the space of the container II having a small amount of D 2 is transferred from the MH-II to the container X.

【0032】この操作を同様にII→III ,III →IVへと
行うことによりD濃度は、次第に濃縮し、容器IVのM
Hから制御弁Iを開にして放出させたガス中には26%
のDが含まれていた。この時、原料水素中のD濃度
は、0.015%であった。この実施例では容器は4段
であるが、この段数を増加せることによって、例えば9
9%以上のDの濃度を得ることは容易である。
By performing this operation in the same manner as II → III and III → IV, the D 2 concentration is gradually increased, and M in the container IV is increased.
26% in the gas released by opening the control valve I from H
Of D 2 was included. At this time, the D 2 concentration in the raw material hydrogen was 0.015%. In this embodiment, the container has four stages, but by increasing the number of stages, for example, 9
It is easy to obtain a concentration of D 2 of 9% or higher.

【0033】本発明の特色は、振動を与える事により、
MH粉末と伝熱面の熱交換を促進することにあるので、
実施例において振動を止めた状態をもって従来のMH装
置とみなして重水素の分離を行った。しかしながら、加
振時には容器I,II,III 〜Xの各段階での工程が30
分で水素の吸蔵を終了し、トータル3時間程度でD
縮ガスが得られていたものが、無加振時にはひとつの工
程が3時間過ぎても終了せず(水素の吸蔵が終わらず水
素圧が低下しない)中断せざるをえなかった。振動を与
えない従来型のMH装置でも容器内部の熱交換器伝熱面
積を極端に増やすことにより、本発明の重水素分離能力
に有る程度類似の能力を持たせることができる。しか
し、設備費用の増大や製作の困難さを考慮すると、従来
型は非現実的な装置となる。
The feature of the present invention is that by applying vibration,
Since it is to promote heat exchange between the MH powder and the heat transfer surface,
In the examples, deuterium was separated by assuming that the vibration was stopped as a conventional MH apparatus. However, the process at each stage of the containers I, II, III to X is 30 during vibration.
Although the hydrogen absorption was completed in a minute, and the D 2 concentrated gas was obtained in about 3 hours in total, one step did not complete even after 3 hours when no vibration was applied (the hydrogen absorption was not completed and The pressure did not drop) I had to stop. Even in the conventional MH device which does not give vibration, the heat transfer area in the heat exchanger inside the container is extremely increased, so that the MH device can have a capacity similar to the deuterium separation capacity of the present invention. However, considering the increase in equipment cost and the difficulty of manufacturing, the conventional type becomes an unrealistic device.

【0034】[0034]

【発明の効果】従来、水素からDの分離濃縮は多大の
電力やエネルギーを必要してきたが、本発明によって僅
かなエネルギー使用量でこれが可能となった。すなわ
ち、図4において必要なエネルギーは、9.5kg/c
以上に原料水素ガスを圧縮する動力、温水冷水を流
す補記動力および装置全体を加振させる動力に過ぎず、
従来方法に比べて著しいコスト低減が可能となる。ま
た、従来のMHを用いた水素同位元素分離方法に比べ
て、振動を付与することによって流動による伝熱速度向
上のため装置的にも著しく小規模設備で同一生産量を得
ることが可能となり、この点でもコストを低減すること
ができる。
The separation and concentration of D 2 from hydrogen has conventionally required a large amount of electric power and energy, but the present invention enables this with a small amount of energy consumption. That is, the energy required in FIG. 4 is 9.5 kg / c.
It is merely power for compressing the raw material hydrogen gas to m 2 or more, supplementary power for flowing hot / cold water, and power for vibrating the entire device,
The cost can be significantly reduced as compared with the conventional method. Further, compared to the conventional hydrogen isotope separation method using MH, it is possible to obtain the same production amount in a small-scale facility remarkably in terms of equipment because the heat transfer rate is improved by the flow by applying vibration. Also in this respect, the cost can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】MHの粉末の流動に及ぼす影響を説明する図。FIG. 1 is a diagram for explaining the influence of MH on the flow of powder.

【図2】(a)振動を与えない時のMH層温度の高温熱
媒による変化を示す図。 (b)中程度の振動を与えた時のMH層温度の変化を示
す図。 (c)強い振動を与えた時のMH層温度の変化を示す
図。
FIG. 2 (a) is a diagram showing a change in MH layer temperature due to a high temperature heating medium when no vibration is applied. (B) The figure which shows the change of MH layer temperature when giving a moderate vibration. (C) The figure which shows the change of MH layer temperature when giving strong vibration.

【図3】MHに流動を与えるための振動解析図。FIG. 3 is a vibration analysis diagram for giving a flow to the MH.

【図4】本発明の実施例のバナジウム利用D分離濃縮
装置のフロー図。
FIG. 4 is a flow chart of a D 2 separation and concentration device using vanadium according to an embodiment of the present invention.

【図5】本発明のMH容器の説明図。FIG. 5 is an explanatory view of the MH container of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 MH容器 2 振動モーター 3 ユニバーサルジョイント 4 熱交換器 5 振り子 6 スプリング 7 加振器 8 熱媒入出配管 I,II,III ,IV,X MH容器 A−1,A−2,A−3,A−4 調節弁 B 原料水素導入配管 C〜K 制御弁 P〜P 圧力検出器1 MH container 2 Vibration motor 3 Universal joint 4 Heat exchanger 5 Pendulum 6 Spring 7 Vibrator 8 Heat medium inlet / outlet pipe I, II, III, IV, X MH container A-1, A-2, A-3, A -4 regulating valve B raw hydrogen introduction pipe C~K control valve P 1 to P 4 pressure detector

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】次の(a)〜(f)の装置条件を具備した
ことを特徴とする水素ガス同位体の分離濃縮装置。 (a)水素吸蔵金属または合金を保有させた容器が複数
個設置されていること、 (b)前記(a)の各容器は水素ガス配管と弁にて結合
され、かつ最初に水素ガスを導入する入側の容器には原
料となる水素ガス導入のための配管と弁が設置され、最
後に水素ガスを導入する容器には分離濃縮を終えた水素
ガスを他の装置または容器へ導入するための配管が設置
されていること、 (c)前記(a)と(b)の容器とは別に、水素吸蔵金
属または合金を保有させた単数または複数の容器を設置
し、これらの容器は前記(a)と(b)の容器と配管お
よび弁にて結合されていること、 (d)前記(a)と(b)の容器には熱交換器が内蔵さ
れ、内部の水素吸蔵金属または合金の温度を変更させる
ために外部から冷熱媒、温熱媒を流す配管と接続されて
いること、 (e)すべての容器には圧力検出器が設置されており、
検出圧力と設定圧力との差圧により、容器に流入する熱
媒体温度や流量を制御する装置を有すること、 (f)振動を吸収するバネの上に全ての容器が登載され
ているとともに、0.1Gから10Gの範囲で振動を付
与する装置を有すること。
1. An apparatus for separating and concentrating hydrogen gas isotopes, which is equipped with the following apparatus conditions (a) to (f). (A) A plurality of containers holding hydrogen storage metals or alloys are installed, (b) Each container in (a) above is connected to a hydrogen gas pipe by a valve, and hydrogen gas is first introduced. Pipes and valves for introducing hydrogen gas, which is the raw material, are installed in the container on the inlet side, and the container for introducing hydrogen gas at the end is for introducing hydrogen gas that has been separated and concentrated into another device or container. (C) In addition to the containers (a) and (b), one or a plurality of containers containing hydrogen-absorbing metals or alloys are installed. (a) and (b) are connected to the vessel by pipes and valves. (d) The vessels of (a) and (b) have a heat exchanger built-in and are made of hydrogen storage metal or alloy. It is connected to a pipe that allows a cold heat medium and a hot heat medium to flow from the outside to change the temperature. And that it has been installed a pressure detector (e) of all the containers,
Having a device for controlling the temperature and flow rate of the heat medium flowing into the container by the differential pressure between the detected pressure and the set pressure, (f) All containers are mounted on a spring that absorbs vibration, and 0 1. Having a device that applies vibration in the range of 1G to 10G.
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