Установка для разделения изотопов кислорода методом химического изотопного обмена между углекислым газом и водой с обращением потоков

ваться как механизмом Ридила, так и механизмом Бонгоффера-Фаркаса.

Выводы.

Проведенное сравнение активности композитных систем на основе наночастиц платины показало, что способ приготовления каталитической системы может влиять на её свойства. В низкотемпературной области работают в основном наночастицы металла, о чём говорит одинаковая каталитическая активность в этой области для двух образцов, полученных разными способами. Отличия наблюдаются в высокотемпературной области (от -140°С и выше), где каталитическая активность образца, полученного in situ, ниже, чем активность образца, полученного пропитыванием раствора с на-ночастицами. Более низкая активность связана с меньшим содержанием на поверхности носителя наночастиц платины.

Из всего сказанного можно заключить, что предпочтительным методом синтеза каталитических нанокомпозитных систем является способ, когда носитель пропитывают раствором с заранее синтезированными частица-

Библиографические ссылки

1. Каталитические свойства наночастиц платины, нанесённых на АЬОз, в реакции гомомолекулярного изотопного обмена водорода /А.Ю. Антонов, O.A. Боева, М.О. Сергеев, М.А. Кузнецов, К.Н. Жаворонкова. // Успехи в химии и химической технологии: Сб. науч. тр. [под ред. П.Д. Саркисова и В.Б. Сажина]; / РХТУ им. Д.И. Менделеева. М.: Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2010. Т. XXIV. 7 (112). С. 59.

2. Жаворонкова К.Н. Низкотемпературный изотопный обмен в молекулярном водороде и орто-пара конверсия протия на плёнках металлов и интерме-таллидов. Дисс... доктора...наук/ РХТУ им. Д.И. Менделеева. М.: Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2009.

УДК 621.039.322

С.Г. Третьякова, И.Л. Растунова, А.Ю. Чеботов

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ КИСЛОРОДА МЕТОДОМ ХИМИЧЕСКОГО ИЗОТОПНОГО ОБМЕНА МЕЖДУ УГЛЕКИСЛЫМ ГАЗОМ И ВОДОЙ С ОБРАЩЕНИЕМ ПОТОКОВ

Laboratory plant for oxygen isotope separation by means of chemical isotopic exchange between carbon dioxide and water has been created. The plant consists of separating column made of membrane type contact devices and upper flow reversal block, conducting catalytic conversion of C02 to water and deep product water separation by means of adsorption using zeolite.

Создана лабораторная установка для разделения изотопов кислорода методом хи-

мического изотопного обмена между углекислым газом и водой, включающая в себя разделительную колонну, состоящую из контактных устройств мембранного типа, и верхний узел обращения потоков, осуществляющий каталитическую конверсию ССЬ в воду и глубокое выделение продуктовой воды адсорбционным методом с применением цеолита.

В настоящее время широкое применение в различных областях исследовательской химии, биохимии, медицины и энергетики находит про-

18

дукция на основе изотопов кислорода, в частности О [1, 2]. В связи с этим на кафедре технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д.И. Менделеева ведутся исследования, направленные на создание конкурентоспособного способа разделения изотопов кислорода. В качестве объекта исследования выбран химический изотопный обмен (ХИО) между углекислым газом и водой, характеризующийся сравнительно высокими значениями коэффициента разделения, который предложено проводить в контактных устройствах мембранного типа (КУМТ), разрабатываемых ранее применительно к системе вода-водород [3, 4].

КУМТ представляет собой ячейку, содержащую два пространства, жидкостное и парогазовое, отделенные друг от друга полимерной сульфока-тионитной мембраной МФ-4СК типа №йоп (см. рис. 1). При этом ХИО включает две стадии: каталитический изотопный обмен (КИО) между углекислым газом и парами воды на катализаторе (1), помещенном в парогазовое пространство, и фазовый изотопный обмен (ФИО) между парообразной и жидкой водой на поверхности и в теле мембраны (2).

Зона ФИО

Зона КИО

Рис. 1. Схематичное изображение контактного устройства мембранного типа

Cat

Н2180

Н2160

Н218О

Контактное устройство мембранного типа (КУМТ) принципиально отличается от традиционно используемых контактных устройств насадочно-го типа отсутствием непосредственного контакта обменивающихся фаз (жидкой воды и парогазовой смеси С02 - Н20 (П)), что позволяет использовать для обеспечения протекания реакции (1) гетерогенный катализатор как гидрофобный, так и гидрофильный по своей природе, а также улучшить гидродинамические условия процесса и пропускную способность колонны. К недостаткам данного контактного устройства можно отнести ограничен-

ную площадь поверхности обмена фаз. Тем не менее, изучение возможности проведения процесса, определения массообменных характеристик процесса представляет научный и практический интерес.

Рис. 2. Принципиальная схема разделительной установки.

Таким образом, целью настоящей исследовательской работы стало создание разделительной установки, центральным элементом которой является колонна состоящая из последовательное соединенных контактных устройств мембранного типа. Для достижения поставленной цели к настоящему времени был решен ряд задач: подобран гетерогенный катализатор реакции (1) НТК -10 -2ФМ гидрофильной природы [4], разработана и испытана система обращения потоков, включающая узел конверсии углекислого газа в воду и узел глубокого выделения продуктовой воды из смеси продуктов реакции адсорбционным методом [5-8]. Данная работа посвящена созданию собственно разделительной установки, принципиальная схема которой представлена на рис. 2.

Углекислый газ природного изотопного состава подается из баллона 1, при этом его поток регулируется с помощью вентиля 2 и контролируется по калиброванному расходомеру 3. Перед подачей в разделительную колонну 6 газ в насытителе 4 насыщается при рабочей температуре процесса парами обедненной воды, выходящей из колонны и стекающей из насытителя

в приемную емкость 5. Разделительная колонна состоит из 18 последовательно соединенных КУМТ со следующими характеристиками: площадь мембраны 42,5 см2/КУМТ, объем катализатора 8 г/КУМТ (насыпная плотность ~1 г/мл), объем жидкостного пространства 8,7 см3/КУМТ, объем парогазового пространства 17,5 см3/КУМТ. Колонная термостатируется при температуре 70°С. Обогащенный по 180 углекислый газ частично осушается в холодильнике-сепараторе 7 и подается в каталитический узел 8 для кон-

версии в воду. В каталитическом узле основная часть продуктовой воды извлекается путем конденсации а остаточная влага извлекается из смеси адсорбционным методом в узле 9. Подробное описание узлов 8 и 9 приводится в работах [6-8]. Конденсат из сепаратора 7 и из узлов 8 и 9 накапливается в приемной емкости 10 из которой насосом 11 подается в разделительную колонну противотоком углекислому газу.

На представленной лабораторной установке был проведен эксперимент, направленный на определение работоспособности колонны и оценку массообменных характеристик процесса.

Рис. 3. Расчетные и экспериментально полученные кривые изменения концентрации 180 в обогащенном углекислом газе во времени

Эксперимент проводили при следующих условиях: рабочее давление около 101,3 кПа, рабочая температура 70 ± 3°С, поток углекислого газа 0,82 моль/ч (20 л/ч при 25°С), колонна работает в безотборном режиме. После вывода установки на температурный режим и установления потоков рабочих веществ периодически производили отбор проб углекислого газа на богатом конце колонны для проведения изотопного анализа методом масс-спектрометрии. Ниже представлены данные по выходу колонны на стационарный режим (см. рис. 3), а также приведены кривые, рассчитанные с учетом экспериментальных данных по задержке в колонне и в узле обращения потоков (примерно по 90 см3) по уравнению Бабкова-Жаворонкова для значений ЧТСР п = 0,7 1 при значении коэффициента разделения при рабочей температуре а= 1,0336 [9]Очевидно, при замокании катализатора блокируются его активные центры, что приводит к частичному или полному прекращению реакции КИО на данном участке колонны, и углекислый газ, не обмениваясь с водой, проходит далее, сохраняя изотопный состав. В то же время реакция ФИО, протекающая на мембране, не вносит существенного изменения в установившийся профиль концентраций ввиду малого изотопного эффекта, сопровождающего реакцию ФИО. Таким образом, реально работают не более 40% ячеек, в связи с чем целесообразно пересчитать по-

лученное число ступеней на ячейки с рабочим катализатором (8 ячеек). При этом один КУМТ будет эквивалентен 0,8/8=0,1 TCP, что удовлетворительно согласуется с данными по массообмену, полученными для одной ячейки КУМТ при проведении эксперимента с независимыми потоками в сопоставимых условиях (0,07-0,09 ТСР/КУМТ) [3].

В итоге проведенной работы создана первая в мире лабораторная установка для разделения изотопов кислорода методом химического изотопного обмена между углекислым газом и водой на гетерогенном катализаторе и показана ее работоспособность. Предварительные оценки массооб-менных характеристик удовлетворительно воспроизводят ранее полученные данные на одной ячейке КУМТ с независимыми потоками и подтверждают возможность проведения ХИО между углекислым газом и водой на гетерогенном катализаторе. Однако в работе установки выявлены технические недостатки, связанные с несовершенством термостатирования и конструкции самой разделительной колонны, требующие устранения для обеспечения оптимальных условий для работы катализатора.

Библиографические ссылки

1. Полевой A.C. Состояние работ в области производства стабильных изотопов кислорода. // Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул: 1-я Всероссийская конф., 30 сент.-4 окт. 2002, Звенигород. Сб. докл. М.: ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2002. С. 280-286.

2. Марченков Н.С. Позитронная эмиссионная томография. // Изотопы. Свойства, получение, применение: Сб. науч. тр. [ред. чл.-корр. РАН В.Ю. Баранов]; М.: ИздАТ, 2000. С. 665-671.

3. Растунова И.Л., Розенкевич М.Б., Сахаровский Ю.А. Перспективы использования мембранных контактных устройств для разделения изотопов водорода и кислорода. // XVIII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, Москва, 23-28 сентября 2007 г. Тез. докл. в 5 т.т. Т. 3. М.: Граница, 2007. С. 26.

4. Заворина, Л.В. Оценка возможности использования контактных устройств мембранного типа для осуществления каталитического изотопного обмена кислорода в системе углекислый газ - вода / Л.В. Заворина, Ю.А. Сахаровский, И.Л. Растунова, М.Б. Розенкевич // Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул: 10-я Всероссийская конф., 3-7 окт. 2005 г., Звенигород. Сб. докл. М.: ЦНИИАТОМ ИНФОРМ, 2005. С. 158162.

5. Третьякова С.Г., Растунова И.Л., Розенкевич М.Б. Разработка узла обращения потоков для разделения изотопов кислорода методом химического изотопного обмена между углекислым газом и водой. // Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул и в лазерных, плазменных и нано-технологиях: XII Международная научная конференция, 31 марта-4 апреля 2008 г., Звенигород. Сб. докл. М.: ЦНИИ АТОМИНФОРМ, 2008. С. 346-351.

6. Третьякова С.Г., Растунова И.Л., Розенкевич М.Б. Разработка конструкции верхнего узла обращения потоков для установки разделения изотопов

кислорода методом химического изотопного обмена между водой и углекислым газом. // Успехи в химии и химической технологии: Сб. науч. тр. [под ред. П.Д. Саркисова и В.Б. Сажина]; / РХТУ им. Д.И. Менделеева. М.: Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2009..Т. XXIII. №8 (101). С. 56-61.

7. Третьякова С.Г., Растунова И.Л., Розенкевич М.Б. Создание верхнего узла обращения потоков для установки разделения изотопов кислорода методом химического изотопного обмена между углекислым газом и водой. // Перспективные материалы, 2010. Вып. 8. С. 247 -251.

8. Исследование полноты конверсии углекислого газа в воду в верхнем узле обращения потоков для установки разделения изотопов кислорода методом химического изотопного обмена в системе Н20 - С02. / С.Г. Третьякова, Д.В. Любшина, И.Л. Растунова, М.Б. Розенкевич. // Успехи в химии и химической технологии: Сб. науч. тр. [под ред. П.Д. Саркисова и В.Б. Сажина]; / РХТУ им. Д.И. Менделеева. М.: Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2010. Т. XXIV. №8 (113). С. 8-13.

9. Разделение изотопов биогенных элементов в двухфазных системах. / Б.М. Андреев, Э.П. Магомедбеков, A.A., Райтман, М.Б. Розенкевич, Ю.А. Сахаровский, A.B. Хорошилов. М.: ИздАТ, 2003. 376 с.

УДК: 621.039

А.П. Сизов, А.В. Хорошилов Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ БОРА В ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ РОТОРНОЙ КОЛОННЕ

First tests of new mass-exchange apparatus - the horizontal rotor column - in the mode of chemical isotope exchange were carried out. Experimental data on hydrodynamic and mass transfer characteristics of the apparatus in the process of boron isotope separation in system BF3g - BF3 • C6H5OCH3i were obtained. According to experimental data observed this apparatus could be considered as highly efficient mass-exchange device for isotope separation.

Проведены первые эксперименты по испытанию нового массообменного аппарата -горизонтальной роторной колонны - в режиме химического изотопного обмена. Получены экспериментальные данные по гидродинамическим и массообменным характеристикам аппарата при разделении изотопов бора в системе BF3(r> - BF3 • С6Н5ОСН3(ж>. Характеристики, полученные в ходе испытаний горизонтальной роторной колонны в режиме ХИО, позволяют говорить о высокой эффективности такого аппарата при разделении изотопов бора.

В современном мире вещества и материалы с измененным относительно природного изотопным составом используются в самых разнообразных областях, и, в частности, в фундаментальных исследованиях, медицине, сельском хозяйстве, микроэлектронике, ядерной энергетике и т.д. [1, 2], при этом стабильные изотопы легких элементов занимают в общем спектре изотопной продукции достойное место.