Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Водород

2. Дейтерий

3. Классификация методов разделения изотопов водорода

4. Ректификация водорода с целью извлечения дейтерия

4.1 Разделительные колонны

4.2 Насадочные колонны

4.3 Нерегулярные насадки

Заключение

Список литературы

Введение

Практическое значение изотопов водорода определилось после изучения их ядерно-физических свойств, в первую очередь отношения дейтерия с нейтронам и возможности прохождения ряда ядерных реакций с участием трития. Области применения изотопов водорода имеют неоценимую научную отдачу в настоящем, но их значение неизмеримо возрастет в недалеком будущем, когда основой энергетики станет управляемая термоядерная реакция, использующая тяжелые изотопы водорода в качестве топлива. водород химический дейтерий изотоп

Задача получения, извлечения и концентрирования дейтерия может быть решена только методами разделения изотопов.

Целью данной преддипломной практики является ознакомление с технической и нормативной документацией, касающейся методики ректификации изотопов водорода, а так же расчетов параметров ректификационных процессов и оборудования. Помимо изучения теории, необходимо получить представление о действующем, в настоящий момент, оборудовании и актуальных технологических проблемах. В процессе работы с литературой выделить основные направления исследований и разработок, направленных на улучшение качества продукции, снижение стоимости и производственных рисков. В ходе ознакомления с оборудованием, находящемся в эксплуатации, следует также обратить внимание на возможные недостатки технологического характера, с целью выявления возможностей для модернизации.

1. Водород

Водород - самый распространенный химический элемент во Вселенной. Он составляет примерно половину массы Солнца и большинства звезд, является основным элементом в межзвездном пространстве и в газовых туманностях. Распространен водород и на Земле. Здесь он находится в связанном состоянии - в виде соединений. В виде соединений с углеродом водород входит в состав нефти, природных газов, всех живых организмов. Немного свободного водорода содержится в воздухе, но его там совсем мало - всего 0,00005%.

При горении водорода образуется вода - соединение водорода и кислорода. Это доказал в конце 18 французский химик Лавуазье. Отсюда и название газа - «рождающий воду». Лавуазье также сумел получить водород из воды. Он пропускал водяные пары через раскаленную докрасна железную трубку с железными опилками. Кислород из воды прочно соединялся с железом, а водород выделялся в свободном виде. Сейчас водород тоже получают из воды, но другим способом - с помощью электролиза.[1]

Жидкий водород - самая легкая жидкость (плотность 0,067 г/см³ при температуре -250^оС), а твердый водород - самое легкое твердое вещество (плотность 0,076 г/см³). Атомы водорода - самые маленькие из всех атомов. Однако при поглощении энергии электромагнитного излучения внешний электрон атома может удаляться от ядра все дальше и дальше. Поэтому возбужденный атом водорода теоретически может иметь любые размеры. Молекулы водорода тоже очень маленькие. Поэтому этот газ легко проходит через самые тонкие щели. [8]

Молекулярный водород существует в двух спиновых формах (модификациях) -- в виде орто- и параводорода. В молекуле ортоводорода o-H₂ (т. пл. ?259,10 °C, т. кип. ?252,56 °C) спины ядер параллельны, а у параводорода p-H₂ (т. пл. ?259,32 °C, т. кип. ?252,89 °C) -- противоположно друг другу (антипараллельны). Равновесная смесьo-H₂ и p-H₂ при заданной температуре называется равновесный водород e-H₂.

Рисунок 1. Равновесная мольная концентрация пара-водорода в смеси в зависимости от температуры.[1]

Разделить модификации водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону параводорода, так как энергия пара-молекулы немного ниже энергии орто-молекулы. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород с образованием равновесной смеси. При комнатной температуре равновесная смесь (орто-пара 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно, что даёт возможность изучить свойства обеих модификаций. В условиях межзвёздной среды характерное время перехода в равновесную смесь очень велико, вплоть до космологических.[1,2]

Помимо «обычного» водорода (протия, от греческого protos - первый), в природе присутствует также его тяжелый изотоп - дейтерий (от латинского deuteros - второй) и в ничтожных количествах сверхтяжелый водород - тритий. После спектроскопического обнаружения дейтерия было предложено разделять изотопы водорода электролизом. Эксперименты показали, что при электролизе воды легкий водород действительно выделяется быстрее, чем тяжелый. Именно это открытие стало ключевым для получения тяжелого водорода. Статья, в которой сообщалось об открытии дейтерия, была напечатана весной 1932, а уже в июле были опубликованы результаты по электролитическому разделению изотопов. В 1934 за открытие тяжелого водорода Гарольд Клейтон Юри получил Нобелевскую премию по химии. 17 марта 1934 в выходящем в Англии журнале «Nature» («Природа») была опубликована небольшая заметка, подписанная М.Л.Олифантом, П.Хартеком и Резерфордом. Название заметки: Эффект трансмутации, полученный с тяжелым водородом,- она сообщала миру о выдающемся результате - искусственном получении третьего изотопа водорода - трития. В 1946 известный авторитет в области ядерной физики, лауреат Нобелевской премии У.Ф.Либби предположил, что тритий непрерывно образуется в результате идущих в атмосфере ядерных реакций. Однако в природе трития так мало (1 атом ¹Н на 10¹⁸ атомов ³Н), что обнаружить его удалось только по слабой радиоактивности (период полураспада 12,3 года).[1]

Из всех изотопов химических элементов физические и химические свойства изотопов водорода отличаются друг от друга наиболее сильно. Это связано с наибольшим относительным изменением масс атомов(табл.1).[10]

Таблица 1

В лабораториях и в промышленности широко используется реакция присоединения водорода к различным соединениям - гидрирование. Наиболее распространены реакции гидрирования кратных углерод-углеродных связей. Гидрирование молекулярным водородом часто проводят в присутствии катализаторов. В промышленности, как правило, используют гетерогенные катализаторы, к которым относятся металлы VIII группы периодической системы элементов - никель, платина, родий, палладий. Самый активный из этих катализаторов - платина; с ее помощью можно гидрировать при комнатной температуре без давления даже ароматические соединения. Активность более дешевых катализаторов можно повысить, проводя реакцию гидрирования под давлением при повышенных температурах в специальных приборах - автоклавах. В лабораторной практике широко используют также различные способы некаталитического гидрирования. Один из них - действие водорода в момент выделения. [1]

Свойства изотопов водорода представлены в таблице 2.

В круглых скобках приведено среднеквадратическое отклонение значения в единицах последнего разряда соответствующего числа.[9]

2. Дейтерий и тяжёлая вода

Дейтерий (тяжелый водород) - один из двух стабильных изотопов водорода, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона. Молекула D₂ - двухатомна. Содержание в природном водороде - 0,012-0,016%. Температура плавления - 254,5° С, температура кипения - 249,5° С. Тяжелая вода D₂O (оксид дейтерия) - изотопная разновидность воды; плотность 1,1кг/дм³, температура плавления - 3,8° С, температура кипения - 101,4° С.

В 1917 немецкий ученый К. Шерингер предположил, что атомы разных элементов построены не только из протия (от греческого protos - первый), т.е. «легкого» водорода с атомной массой 1, а из разных изотопов водорода. К тому времени уже было известно, что один и тот же элемент может иметь изотопы с разной массой. Впечатляющих успехов в открытии большого числа изотопов нерадиоактивных элементов достиг английский физик Фрэнсис Уильям Астон с помощью сконструированного им масс-спектрографа. В этом приборе изучаемые атомы или молекулы бомбардируются пучком электронов и превращаются в положительно заряженные ионы. Пучок этих ионов далее подвергается действию электрического и магнитного поля, и их траектории отклоняются от прямой. Это отклонение тем сильнее, чем больше заряд иона и чем меньше его масса. Из значений отклоняющих напряжений непосредственно получают относительные массы ионов. А из интенсивности пучка ионов с данной массой можно судить об относительном содержании в образце этих ионов. Гипотеза Шерингера предполагала, что и у самого легкого элемента - водорода тоже могут быть изотопы.[3]

В 1931 было высказано предположение о том, что причина небольшого расхождения - наличие в обычном водороде более тяжелого изотопа. С учетом чувствительности имевшейся в то время аппаратуры выход был один: сконцентрировать тяжелый водород, увеличив тем самым его содержание в обычном водороде, - примерно так же, как концентрируют спирт, перегоняя его смесь с водой. Если перегонять смесь обычного и тяжелого водорода, остаток должен обогащаться более тяжелым изотопом. После этого можно было снова попытаться обнаружить тяжелый изотоп водорода аналитически.

После того, как дейтерий был обнаружен спектроскопически, Эдвард Уошберн предложил разделять изотопы водорода электролизом.[2] Эксперименты показали, что при электролизе воды легкий водород действительно выделяется быстрее, чем тяжелый. Именно это открытие стало ключевым для получения тяжелого водорода. Статья, в которой сообщалось об открытии дейтерия, была напечатана весной 1932, а уже в июле были опубликованы результаты по электролитическому разделению изотопов.

Когда был открыт нейтрон, стало ясно, что в ядре дейтерия, в отличие от протия, помимо протона находится также нейтрон. Поэтому ядро дейтерия - дейтрон вдвое тяжелее протона; его масса в углеродных единицах равна 2,0141018. В среднем в природном водороде содержится 0,0156% дейтерия. По химическим свойствам дейтерий схож с протием, но огромное различие в их массах приводит к заметному замедлению реакций с участием атомов дейтерия. Так, реакция дейтерированного углеводорода R-D с хлором или кислородом замедляется, в зависимости от температуры, в 5-10 раз по сравнению с реакцией R-Н. С помощью дейтерия можно «пометить» водородсодержащие молекулы и изучить механизмы их реакций. Так, в частности, были изучены реакции синтеза аммиака, окисления углеводородов, ряд других важных процессов.[2,3]

Тяжелая вода. После фундаментальных работ Уошберна и Юри исследования нового изотопа стали развиваться быстрыми темпами. Уже вскоре после открытия дейтерия в природной воде была обнаружена ее тяжелая разновидность. Обычная вода состоит в основном из молекул Н2О. Но если в природном водороде есть примесь дейтерия, то и в обычной воде должны быть примеси НDO и D₂O. И если при электролизе воды Н₂ выделяется с большей скоростью, чем НD и D₂, то со временем в электролизере должна накапливаться тяжелая вода. В 1933 Гилберт Льюис сообщил, что в результате длительного электролиза обычной воды им удалось получить не виданную никем до этого новую разновидность воды - тяжелую воду.

Масса молекулы D₂O на 11% превышает массу Н₂О. Такая разница приводит к существенным различиям в физических, химических и, что особенно важно, биологических свойствах тяжелой воды. Тяжелая вода кипит при 101,44° С, замерзает при 3,82° С, имеет плотность при 20° С 1,10539 г/см3, причем максимум плотности приходится не на 4° С, как у обычной воды, а на 11,2° С (1,10602 г/см3). Кристаллы D₂O имеют такую же структуру, как и обычный лед, но они более тяжелые (0,982 г/см3 при 0°С по сравнению с 0,917 г/см3 для обычного льда). В смесях с обычной водой с большой скоростью происходит изотопный обмен: Н₂О + D₂O2HDO. Поэтому в разбавленных растворах атомы дейтерия присутствуют в основном в виде HDO. В среде тяжелой воды значительно замедляются биохимические реакции, и эта вода не поддерживает жизни животных и растений.[7]

В настоящее время разработан ряд эффективных методов получения тяжелой воды: электролизом, изотопным обменом, сжиганием обогащенного дейтерием водорода. В настоящее время тяжелую воду получают ежегодно тысячами тонн. Ее используют в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя в ядерных реакторах (для заполнения одного современного крупного ядерного реактора требуется 100-200 тонн тяжелой воды чистотой не менее 99,8%); для получения дейтронов D+ в ускорителях частиц; как растворитель в спектроскопии протонного магнитного резонанса (обычная вода своими протонами смазывает картину). Не исключено, что роль тяжелой воды значительно возрастет, если будет осуществлен промышленный термоядерный синтез.[4]

3. Классификация методов разделения изотопов водорода

Изотопное замещение в молекулах приводит к некоторому изменению физических и химических свойств вещества. Такие изменения наиболее сильно проявляются при замещении одного изотопа водорода другим. Однако при водородном изотопном замещении эти изменения относительно невелики, и поэтому при использовании процессов разделения изотопов, основанных на них, требует умножение однократного разделительного эффекта. Количественной характеристикой последнего является коэффициент разделения изотопов, представляющий собой отношение относительных концентраций целевого изотопа в богатой и бедной фракциях:

б=x(1-y)/((1-x)y),

где х,у- атомные доли целевого изотопа в богатой и бедной фракциях; х/(1-х), у/(1-у)- относительные концентрации целевого изотопа в богатой и бедной фракциях.[7]

В настоящее время при промышленном концентрировании тяжёлых изотопов водорода наиболее широко применяют методы, основанные на термодинамически обратимых процессах разделения. Основные их преимущества по сравнению с неравновесными процессами разделения связаны с обратимостью однократного акта разделения. Они состоят в том, что в отличие от методов разделения с неравновесным элементарным процессом задача умножения однократного изотопного эффекта достаточно просто решается путём создания противоточных разделительных колонн, а также все энергетические затраты связанны не с элементарными актами разделения, а лишь с процессами обращения фаз и создания продольных потоков в колонне, т.е. подвод энергии требуется только на концах колонны. Перечисленные преимущества обратимых процессов разделения, основанных на термодинамических изотопных эффектах, обеспечивают не только экономичность этих методов, но и позволяют создавать высокопроизводительные промышленные установки.[3]

Термодинамические изотопные эффекты могут наблюдаться либо в гетерогенной системе одного вещества, находящегося в двух агрегатных состояниях (при фазовом изотопном обмене), либо в системе из двух или более веществ(в реакциях изотопного обмена). Из первой группы практическое применение при разделении изотопов водорода нашли только системы жидкость-пар.

В системе двух веществ, химически не взаимодействующих друг с другом, может протекать реакция изотопного обмена с константой равновесия, отличающейся от значения, отвечающего равновероятностному распределению изотопов между участвующими в реакции молекулами. На таких реакциях основано разделение изотопов способом химического изотопного обмена.[7]

Для простоты создания в колонне противотока предпочтение отдают гетерогенным системам, в которых рабочие вещества находятся в различных агрегатных состояниях. Обычно это системы газ-жидкость; однако значительные изотопные эффекты обнаружены в системах газ-твердое тело.

Помимо термодинамического изотопного эффекта при выборе системы рабочих веществ важное значение имеют кинетика реакции изотопного обмена и возможность осуществления доступными приемами процесса обращения потоков, т.е. перевода выделяемого изотопа из одного рабочего вещества или фазового состояния в другое. При химобменном разделении изотопов обращение потоков осуществляется химическим или термическим способом. Последний способ используется и в процессах разделения, основанных на изотопных эффектах при фазовом равновесии.[3] В узлах обращения потоков с помощью реактивов(в химическом способе), электроэнергии(в электрохимическом способе) или путем подвода(отвода) тепла(в термическом способе) осуществляются необходимые химические реакции. Двухтемпературный метод основан на температурной зависимости термодинамического изотопного эффекта, что позволяет принципиально новым путем решать задачу обращения потоков.[6]

В рассмотренных методах разделения термодинамические изотопные эффекта основаны на различиях в тех свойствах веществ, состоящих из изотопно-замещенных молекул, которые зависят от нулевых энергий колебаний как атомов в молекулах, так и самих молекул в кристаллических решетках или жидких телах. Различия в нулевых энергиях колебаний являются причиной и кинетических изотопных эффектов, приводящих к разделению изотопов в таких неравновесных процессах, как электролиз и проницаемость водорода через металлические мембраны. Наряду с последними все способы разделения, в которых используются термодинамические изотопные эффекты, называют физико-химическими методами разделения изотопов. В отличие от них большинство физических методов разделения непосредственно основано на разности масс изотопных молекул, атомов и ионов, что делает эффективными их применение лишь для разделения изотопов тяжелых элементов. Поэтому из неравновесных методов разделения изотопов водорода основное внимание будет уделено таким перспективным методам, как фотохимический и лазерный.[5]

4. Ректификация водорода с целью извлечения дейтерия

В 1985-1991 годах на экспериментальном стенде ректификации водорода был выполнен большой цикл работ по исследованию гидравлических и разделительных характеристик низкотемпературной колонны с массообменными вставками диаметром от 80 до 300 мм. Предварительные исследования, отладка оборудования и приобретение опыта работы с большим количеством водорода (до 70 литров жидкого водорода) проводились при ректификации смесей Ar-O₂ и орто-Н₂ - пара-Н₂ . Основные исследования проводились при ректификации смесей H₂-HD-D₂ и HD-D₂-DT. Были исследованы следующие массообменные устройства: тарельчатого типа с межтарельчатой сепарацией фаз конструкции НПО "Криогенмаш", спирально-призматическая насадка и из химически обработанной медной проволоки, рулонная насадка из нержавеющей и латунной сетки, насадка регулярного типа из слоев зигзагообразной сетки. Исследования проводились при давлении в колонне 0.15 и 0.3 МПа. Было исследовано:

ѕ влияние потока (скорости) газа в колонне на перепад давления в колонне;

ѕ влияние потока (скорости) газа на задержку жидкости на массообменном устройстве. Этот параметр определяет количество дейтерия и трития в колонне и отсюда капитальные и эксплуатационные расходы;

ѕ определены значения величины единицы переноса (ВЕП) для каждого массообменного устройства и их зависимость от нагрузки (скорости) газа в колонне и диаметра колонны.

Было показано, что все насадки за исключением регулярной насадки из слоев зигзагообразной сетки могут быть использованы в качестве массообменных устройств, но предпочтение может быть отдано тарельчатой конструкции и спирально-призматической насадке из медной проволоки. На экспериментальном стенде ректификации водорода был выполнен также цикл исследований по обеспечению безопасности (теплофизические исследования при нарушениях нормального режима работы колонны, уменьшение объема жидкости в кубе-испарителе колонны, исследование намораживания компонентов воздуха на корпусе колонны при потере герметичности кожуха колонны и др.). Результаты исследований опубликованы, последняя публикация [7].

Ректификация жидкого водорода для выделения из него дейтерия и получения тяжелой воды в настоящее время является одним из основных промышленных способов производства этого продукта. Ректификация водорода имеет такие преимущества, как высокий коэффициент разделения, низкую молекулярную массу рабочего вещества, достаточно большие ресурсы водорода. В качестве сырья могут быть использованы электролитический водород, азотно-водородная смесь для синтеза аммиака, синтез-газ для производства метанола, водородсодержащие газы нефтеперерабатывающих заводов. Лучшим видом сырья является электролитический водород, он меньше загрязнен примесями и при соответствующей организации процесса электролиза воды может иметь повышенное содержание дейтерия. Однако стоимость производства водорода электролитическим методом пока высока и масштабы соответственно невелики.

Принципиально процесс ректификации сжиженных газов при низкой температуре ничем не отличается от ректификации при положительной температуре и поэтому описывается теми же известными расчетными соотношениями.

То же можно сказать об устройстве ректификационных колонн, однако конструкционный материал для их изготовления должен сохранять свои механические свойства при низкой температуре. Поэтому исключается применение углеродистых сталей, которые при низкой температуре становятся хрупкими. Пригодны легированные сорта стали, медь и ее сплавы, алюминиевые сплавы.[12]

Главная особенность ректификации сжиженных газов связана с принципами и техникой получения и поддержания низкой температуры и покрытия потерь холода. Другая ее черта это необходимость глубокой очистки разделяемого газа от примесей.

Холод, необходимый для стационарного функционирования промышленных установок низкотемпературной ректификации, а также для первоначального охлаждения и заполнения сжиженным газом при пуске, получают с помощью холодильных циклов, включенных в технологическую схему установки и основанных на дросселировании-изоэнтальпическом расширении газа без совершения работы или на изоэнтропическом расширении газа в детандере с совершением внешней работы. Последние экономичнее, но требуют более сложного оборудования. Рабочим телом в холодильных циклах может служить сам ректифицируемый газ или вспомогательное вещество.[3]

Важным элементом установок для низкотемпературной ректификации является тепловая изоляция, предназначенная для уменьшения потерь холода в окружающую среду.

Приток тепла из окружающей среды в аппаратуру, работающую при низкой температуре, происходит через теплоизолирующее пространство, так и через “тепловые мосты”-опоры, подвесы, трубопроводы.

Для изоляции низкотемпературных установок применяются различные способы.

Насыпная изоляция-пространство между аппаратурой и наружным кожухом заполняют изолирующим материалом с низкой теплопроводностью. К таким материалам относятся волокнистые(шлаковая и стеклянная вата), порошкообразные(перлит, аэрогель или аэросил) и ячеистые(пеностекло и пенопласты). [6]

Высоковакуумная изоляция-пространство между аппаратурой и наружным кожухом с помощью вакуум-насосов вакуумируют до остаточного давления 10-³Па. При этих условиях длина свободного пробега молекул больше расстояния между стенками и перенос тепла остаточным газом достаточно мал. В области более высоких давлений, когда длина свободного пробега мала, уменьшение теплопроводности, вследствие уменьшения плотности газа компенсируется ростом длины свободного пробега. Следовательно, хороший эффект вакуумной изоляции наблюдается только при достаточно глубоком вакууме. Другой недостаток вакуумной изоляции состоит в том, что не исключаются потери по механизму лучеиспускания. Высоковакуумная изоляция применяется преимущественно в небольших установках.[3]

Вакуум-порошковая изоляция отличается тем, что вакуумированное пространство заполняют мелким порошкообразным материалом с низкой тепловодностью, например перлитом, аэрогелем, магнезией тонкого помола. Распространению теплового излучения препятствует экранирующее действие частиц порошка, которые образуют систему малоэффективных, но очень многочисленных экранов. Отражающую способность порошка можно повысить добавлением к нему небольшого количества металлической пудры.

Наиболее совершенной является многослойная экрановакуумная изоляция, состоящая из чередующихся слоев материала с малой теплопроводностью(стеклобумага) и материала с высокой отражающей способностью(алюминиевая фольга). [6]

4.1 Разделительные колонны

Классификация и основные типы контактных устройств

Наибольшее практическое применение для разделения стабильных изотопов получили многоступенчатые процессы, осуществляемые в противотоке двух фаз-чаще всего газа или пара с жидкостью в разделительных колоннах. Устройство разделительных колонн должно обеспечивать создание наиболее благоприятных условий для развития поверхности контакта взаимодействующих фаз и интенсификации массообмена между ними.

Разделительная колонна представляет собой корпус, в котором расположены те или иные контактные устройства. По способу осуществления взаимодействия между фазами и конструкции контактных устройств разделительные колонны можно классифицировать следующим образом.[12,13]

Насадочные колонны(контактное устройство-насадка) характеризуются непрерывным изменением изотопного состава обменивающихся фаз, поверхность контакта фаз создается при стекании жидкости по поверхности твердых насадочных тел, заполняющих рабочий объем колонны, пар движется противотоком в свободном пространстве между элементами насадки. Различают регулярные насадки, образующие геометрически правильные каналы для прохода пара и нерегулярные(насыпные), когда элементы насадки, располагаясь в слое стохастически, образуют извилистые каналы неправильной формы.

Тарельчатые колонны(контактные устройства-тарелки) характеризуются ступенчатым изменением состава фаз, поверхность контакта фаз развивается потоками газа, барботирующего через слой жидкости, находящийся на каждой тарелке.

Тарельчатые колонны бывают с переливными устройствами для движения с тарелки на тарелку и без переливных устройств. В зависимости от вида устройств для прохода пара различают колпачковые, клапанные, ситчатые и некоторые другие тарелки этого типа.

Сюда относятся и колонны с прямоточными контактными устройствами, которые отличаются однонаправленным движением фаз на тарелке при сохранении противоточного перемещения от тарелки к тарелке. В таких устройствах используется не барботажный, а пленочный способ осуществления контакта фаз.

На тарелках без переливных устройств движение жидкости вниз и движение пара вверх происходит через одинаковые отверстия. Различают провальные тарелки с круглыми отверстиями(дырчатые), щелевые(решетчатые), с организованным движением жидкости.

Колонны с механическим приводом, или роторные колонны, отличаются наличием движущихся частей, способствующих развитию поверхности контакта и турбулизации взаимодействующих фаз. Роторные колонны подразделяются на разбрызгивающие, в которых вращающийся ротор распределяет жидкость в виде струй и капель, и пленочные, в которых вращение ротора вызывает распределение жидкости в виде быстротекущей пленки.[12]

Тип контактных устройств выбирают с учетом количества и свойств перерабатываемых потоков, условий процесса разделения. Так, например, для ректификации под вакуумом большей частью используются колонны с регулярной насадкой и роторного типа, как имеющие меньшее гидравлическое сопротивление. Для маломасштабных процессов разделения чаще всего используются насадочные колонны.[13]

4.2 Насадочные колонны

Достоинством насадочных колонн является низкое гидравлическое сопротивление, высокая эффективность и широкий интервал устойчивой работы. При проектировании насадочных колонн существует проблема выбора методов расчета гидравлических и массообменных характеристик, а также определения эффективности проводимых процессов. Разделение смесей в колонне при проведении процессов происходит в результате теплообмена и массообмена между потоками газа (пара) и жидкости в слое насадки. В научной литературе имеется большое количество публикаций, посвященных исследованию гидродинамики, массообмена и теплообмена в насадочных колоннах [11].

Колонны этого типа различаются главным образом видом используемой насадки. Насадки, в свою очередь различающиеся формой и размером элементов, изготовляют из металла(листа, просечно-вытяжного листа, сетки, проволоки), силикатных(керамика, стекло, кварц) или полимерных материалов(полиолефины, фторопласт, капрон). Геометрические свойства и массу насадок характеризуют следующими величинами:

ѕ номинальным размером элемента;

ѕ массой единицы объема(насыпной массой);

ѕ долей свободного объема;

ѕ удельной поверхностью(суммарной геометрической поверхностью всех элементов, заполняющих единицу объема).

Основные элементы насадочной колонны: корпус, опорная решетка, распределитель орошения.

Опорная решетка или плита, на которой располагаются слои насадки, служит также распределителем парового потока. Свободное сечение опорной решетки должно быть не меньше свободного сечения насадки, прочность решетки должна соответствовать массе располагающегося на ней слоя насадки. Для увеличения площади прохода газа устанавливают наклонные и конусные решетки.[13]

В колоннах большой высоты слой насадки рекомендуется делить на несколько частей, устанавливая соответствующее число опорных решеток и распределительных устройств.

Распределитель орошения служит для равномерного распределения потока по сечению колонны. Хорошее распределение орошения является обязательным условием эффективной работы насадочной колонны. Неравномерное распределение орошения может быть причиной неполного смачивания насадки, следовательно, частичной потери поверхности контакта фаз и неравномерного распределения потока пара, который стремится двигаться через сухие или менее орошаемые участи насадки.

Распределительные устройства по принципу действия можно разделить на два типа: струйные(распределяющие поток большое число одинаковых струек, равномерно распределенных по сечению колонны), и разбрызгивающие.[12]

Хорошее первоначальное распределение орошения по сечению колонны обязательное, но не достаточное условие, так как движение жидкости по нерегулярным насадкам в зависимости от формы и расположения ее элементов может приводить к нарушению равномерности потоков, в частности обычно жидкость имеет тенденцию растекаться преимущественно по стенкам колонны. Поэтому целесообразно секционирование насадки с установкой перераспределителей орошения.[11,13]

4.3 Нерегулярные насадки

Следует различать промышленные насадки с размером элемента 10мм и более, применяемые в массообменных колоннах, рассчитанных на большие потоки, и малые, или высокоэффективные, насадки с размером элемента менее 10мм, чаще всего от 1,5-2 до 5-6мм, применяемые в маломасштабных производствах. Наиболее употребительны промышленные насадки в форме колец с высотой, равной наружному диаметру,-сплошные кольца(кольца Рошига), кольца с прямой или крестообразной перегородкой, кольца с перфорацией(кольца Палля). Более сложны в изготовлении, но обладают несколько лучшими свойствами седлообразные насадки Берля и “Инталлокс”(рис.2)

Рисунок 2. Промышленные нерегулярные насадки а-кольцо Рашига; б-колбцо с вертикальной перегородкой; в-кольцо с крестообразной перегородкой; г-кольцо Палля; д-седла Берля; е-седла Инталлокс.

В зависимости от режима работы насадочного аппарата основной поверхностью контакта газовой и жидкой фаз могут являться внешняя поверхность жидкой пленки, стекающей по элементам насадки (режимы пленочный и подвисания) либо поверхности пузырьков газа и капель жидкости (режим эмульгирования).[11]

В лабораторных и опытных установках, а также при решении многих производственных задач очистки и разделения смесей близких по свойствам компонентов, при небольших потоках требуется высокая эффективность разделения. Этим требованиям в наибольшей мере отвечают насадочные колонны, заполненные нерегулярной мелкой насадкой. В качестве последней используются элементы различной формы размером от 1,5-2 до 6-8 мм, изготовляемые из металлической проволоки или сетки, стекла или кварца, полимерных материалов. Такие насадки обладают развитой поверхностью и капиллярными свойствами, способствующими более полному использованию последней. В узких извилистых каналах слоя насадки создаются условия для турбулизации газовой фазы. Получили применение мелкие насадки главным образом в виде колец, одно- и многовитковых отрезков спирали. Простейшей формой таких насадок следует считать кольца Рашига малых размеров из различных материалов.[12]

Наибольшее применение в нашей стране при разделении изотопов лекгих элементов и в производстве высокочистых веществ получила спирально-призматическая насадка(насадка Левина), представляющая собой отрезки проволочной спирали, навиваемой на трехгранный конус(рис.3).

Рисунок 3. Насадка Левина

Отрезки включают несколько витков с таким расчетом, чтобы длина элемента была близка к его диаметру. Как показали сравнительные испытания, такая форма спирали заметно повышает эффективность по сравнению со спиралью круглого сечения. Разработаны автоматические устройства для изготовления спирально-призматической насадки. Материалом для этой насадки чаще всего служит проволока из нержавеющей стали диаметром 0,2-0,3 мм. Для улучшения смачиваемости насадку рекомендуется предварительно обезжирить, подвергнуть обработке кислотной смесью с последующей тщательной отмывкой водой. Благодаря капиллярным свойствам высокоэффективных насадок, нет необходимости в частом секционировании слоя по высоте колонны.[12,13]

За рубежом для разделения изотопов наиболее широко используется насадка Диксона, элементы которой представляют собой цилиндрические кольца высотой, равной диаметру, с вертикальной перегородкой, из металлической сетки.[13]

Заключение

В ходе преддипломной практики был произведен подбор актуальной литературы, проведено ознакомление с основными принципами эксплуатации ректификационного оборудования. Были подробно изучены физико-химические свойства водорода и его изотопов. Рассмотрена классификация методов разделения изотопов водорода.

В ходе изучения специфики производства, метод ректификации был выбран, как наиболее соответствующий актуальным технологическим условиям. Была выявлена необходимость модернизации оборудования, обусловленная современными требованиями производительности и безопасности.

Таким образом цель преддипломной практики полностью выполнена.

Список литературы

1. Андреев Б.М., Я.Д.Зельвенский, С.Г.Катальников. Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике. М., «Энергоатомиздат», 1987.-456 с.

2. Андреев Б.М., Я.Д.Зельвенский, С.Г.Катальников. Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике. М. ИздАТ, 2000,-344 с

3. Андреев Б.М., В.Ю. Баранов, И.А. Белов; Ред. В.Ю. Баранов. Изотопы: свойства, получение, применение - М. : ИздАТ, 2000. - 703 с.

4. Андреев Б.М., Я.Д.Зельвенский, С.Г.Катальников. Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике. Разделение стабильных изотопов физико-химическими методами, М., «Энергоатомиздат», 1982.-208 с.

5. Белан Л.Г. Тяжелая вода и синтезированные меченые соединения. М., 1989,-187 с.

6. Гринвуд Н., А. Эрншо Химия элементов: в 2 томах. - БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. - Т. 1. - С. 11. - 607 с.

7. Куликов Б.С. Изотопы и свойства элементов. М., 1990, - 117 с.

8. Лаптев А.Г., Минеев Н.Г. Разделение жидких и газовых гомогенных смесей в тарельчатых и насадочных аппаратах. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2005. -200 с.

9. Лаптев А.Г., Минеев Н.Г., Мальковский П.А. Проектирование и модернизация аппаратов разделения в нефте- и газопереработке. Казань: Издательство «Печатный двор», 2002.-220 с.

10. Мышкин Ф.В. Научные и технологические основы разделения ряда легких элементов. Изд. Томского политехнического унив-та, 2008,-162 с.

11. Редкол, Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. - М.: Советская энциклопедия, 1988. - Т. 1. - с. 400-402. - 623 с.

12. Стабников В.Н. Ректификационные аппараты. - Расчет и конструирование. М.: Машиностроение, 1965-356 с.

13. Третьяков Ю. Д.. Неограническая химия. Том 2. Химия непереходных элементов.. - Москва: Академия, 2004. - 368 с. Размещено на Allbest.ru