МАССООБМЕННАЯ КОЛОННА
MASS TRANSFER COLUMN

Изобретение относится к технологии разделения веществ с близкими свойствами, в частности, к получению стабильных изотопов бора в массообменных колоннах и может быть использовано для разделения широкого круга изотопов методами ректификации и химического обмена.
Известна массообменная колонна вертикального типа, использованная для разделения изотопов кислорода ректификацией воды, с вращающейся относительно неподвижного корпуса массообменной частью в виде расположенных на центральном валу один над другим воронкообразных (конических) контактных элементов (цит. по Бродский А.И. Химия изотопов - М.: АН СССР, 1952, с. 76-77).
Известна горизонтальная массообменная колонна для разделения изотопов азота методом химического обмена между газообразным аммиаком и ионом аммония (в водном растворе нитрата аммония), вращающаяся массообменная часть которой, представляет собой расположенные на центральном валу контактные элементы в виде перфорированных дисков - Бабков С.И., Жаворонков Н.М. Промышленный метод получения концентратов тяжелого изотопа азота // Химическая промышленность, 1955, т. 7, с. 388.
Недостатками и вертикальной, и горизонтальной колонн с расположенными на центральном валу контактными элементами, являются малая поверхность контакта фаз и недолговременная герметичность сальниковых уплотнений, обеспечивающих соединение наружного механического привода с валом массообменной части, расположенной в неподвижном корпусе колонны.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является массообменная колонна для разделения смесей близких по свойствам веществ, в том числе изотопов, представляющая собой цилиндрический корпус, снабженный торцевыми крышками с патрубками для ввода и вывода реагентов и размещенной внутри корпуса вращающейся массообменной частью, выполненной в виде цилиндрических перфорированных кассет, соединенных с помощью элементов взаимной фиксации в форме кулачковых полумуфт и заполненных нерегулярной (насыпной) насадкой (спирально-призматической, например) - Массообменная колонна. Патент РФ №2398610 // Бюл. №25 от 10.09.2010 (прототип). Такая конструкция колонны позволяет существенно увеличить поверхность контакта фаз и не использовать склонный к деформации (прогибу) центральный вал.
Недостатком прототипа, а также иных вышеуказанных технических решений, является наличие сальниковых уплотнений в крышке корпуса колонны, герметизирующих соединение наружного механического привода с торцевой (верхней) перфорированной кассетой с помощью вала. Деформация и разрушение таких уплотнений при эксплуатации колонн приводит к нарушению герметичности колонн и, как следствие, к:
- частичной потере рабочих веществ;
- уменьшению концентрации целевого компонента изотопной смеси;
- снижению производительности установки;
- сокращению времени межремонтного пробега оборудования, что также ведет к снижению производительности и увеличению себестоимости продукции.
Задача предлагаемого изобретения заключается в:
- уменьшении потерь рабочих веществ;
- увеличении концентрации целевого компонента изотопной смеси;
- увеличении времени межремонтного пробега оборудования;
- повышении производительности установки.
Поставленная задача решается тем, что массообменная колонна, содержащая установленный под углом к горизонту цилиндрический корпус, снабженный торцевыми крышками, патрубками для ввода и вывода реагентов и размещенной внутри корпуса вращающейся массообменной частью, выполненной в виде цилиндрических перфорированных кассет, содержащих насыпной наполнитель - насадку, с внешней поверхностью, имеющей спиралевидную канавку, выполненную с шагом, меньшим размера элемента насыпного наполнителя, в которой размещена проволока, причем концевые участки кассет снабжены сепараторами с элементами качения и кольцевыми перегородками, а торцевые - элементами взаимной фиксации в виде кулачковых полумуфт, причем с верхней торцевой цилиндрической перфорированной кассетой соединен дополнительный диск плоскопараллельный крышке корпуса и содержащий на противоположной от кассеты стороне магнитные элементы, а с внешней стороны торцевой крышки расположен второй плоскопараллельный внешней стороне крышки корпуса и расположенный на валу диск, на противоположной от вала стороне которого размещены магнитные элементы.
Магнитные элементы изготовлены из сплава NdFeB (неодим-железо-бор).
Торцы массообменной части соединены с закрепленными в корпусе бессмазочными подшипниками.
Бессмазочные подшипники изготовлены из полимерного или композитного материала или из металла.
Патрубки ввода и вывода реагентов расположены на поверхности корпуса колонны таким образом, что патрубки ввода жидкости и вывода газа или пара -над магнитным диском внутри корпуса, а патрубки вывода жидкости и ввода газа или пара - ниже последней торцевой кассеты массообменной части.
1
2
3
1
2
1
3
1
2
1
3
Изображение продольного разреза массообменной колонны приведено на рис. 1а, откуда следует, что массообменная колонна включает корпус 1, торцевые крышки 2, вращающуюся массообменную часть в виде кассет 3 с внутренним магнитным диском 4, прикрепленным к верхней торцевой кассете, расположенным плоскопараллельно торцевой крышке корпуса колонны и содержащий на обращенной к крышке стороне магнитные элементы 5, а также расположенный с внешней стороны торцевой крышки второй диск 6 плоскопараллельный внешней стороне крышки корпуса и находящийся на валу 7, причем на противоположной от вала стороне диска размещены магнитные элементы, а торцы массообменной части соединены с закрепленными в корпусе бессмазочными подшипниками 8. При этом но сравнению с внутренним диаметром корпуса колонны (D) возможны разные варианты исполнения диаметра магнитных дисков (D и D): диаметры дисков меньше внутреннего диаметра корпуса колонны, то есть, D>D и D>D (рис. 1б); диаметры дисков больше внутреннего диаметра корпуса колонны, то есть, D<D и D<D (рис. 1в).
Вид на магнитную, то есть, активную поверхность дисков показан на рис. 2а, где на поверхности диска 4 (или 6) размещены магниты 5 в данном случае цилиндрической формы, а вид на торцевую часть диска в разрезе показан на рис. 2б.
Соединение кассет с помощью элементов взаимной фиксации в виде кулачковых полумуфт производится внутри подшипника, установленного в корпусе колонны (рис. 3), что снижает трение массообменной части о внутреннюю поверхность корпуса колонны.
Необходимо отметить, что патрубки ввода и вывода рабочих веществ (на рис. 1 не показаны) расположены на поверхности корпуса колонны: патрубки ввода жидкости и вывода газа или пара - над внутренним диском 4; патрубки вывода жидкости и ввода газа или пара - ниже конечной кассеты массообменной части 3.
Пример 1
Для двух исполнений массообменных колонн (№1 - колонна по прототипу; №2 - колонна по предлагаемому изобретению) выполнены сравнительные испытания. При этом в обоих исполнениях внутренний диаметр колонн, конструкция, длина собственно массообменной части и используемая насадка были идентичны. Одинаковы и условия испытаний колонн - температура, угол наклона колонны и скорость вращения массообменной части.
3
3
3
6
5
Испытания колонн проведены в режиме разделения изотопов бора методом химического обмена между газообразным трифторидом бора (BF) и его жидким комплексным соединением с метилфениловым эфиром или анизолом (BF⋅ОСНСН) в составе установки с узлами обращения потоков фаз, схема которой приведена на рис. 4.
3
Поток исходного метилфенилового эфира (предварительно очищенного ректификацией под вакуумом с последующей отдувкой сухим азотом до концентрации воды в нем 0,001% мас.) из емкости 9 (рис. 4) подается насосом-дозатором 10 на орошение абсорбера 11 (верхний узел обращения потоков фаз), где протекает реакция (1) образования комплексного соединения BF с метилфениловым эфиром
обр
а тепло реакции (ΔН) отводится охлаждается водой.
1
Образовавшееся комплексное соединение через гидрозатвор 12поступает на орошение массообменной колонны 13, массообменная часть которой вращается с помощью электропривода (на рис. 4 не показан). В колонне между комплексным соединением и трифторидом бора идет реакция изотопного обмена
3
3
6
5
10
в результате которой жидкая фаза в виде BFOCHCH обогащается более легким изотопом бора (В) и концентрация последнего возрастает по мере прохождения жидкости по колонне. При этом заданный температурный режим колонны обеспечивается внешним электронагревателем 14.
10
2
Обогащенный изотопом В комплекс из колонны через гидрозатвор 12поступает в верхнюю часть десорбера с кубом 15 и колбонагревателем 16 (нижний узел обращения потоков фаз), где за счет подвода тепла протекает обратная процессу (1) реакция термической диссоциации комплексного соединения (3):
3
Выделившийся BF поступает в колонну, а метилфениловый эфир кипит в кубе десорбера, откуда периодически выводится в отдельную емкость (на рис. 4 не показана).
3
Контроль процесса разделения изотопов бора в колонне производится масс-спектрометрически при анализе проб BF, отобранных из установки с помощью узлов 17, расположенных по концам колонны на линиях подачи газа.
3
Помимо изотопного состава газообразного BF в ходе испытаний контролировали концентрацию фенолов в анизоле после десорбера по методике Громова Д.М. и др. Методика определения фенола в анизоле применительно к процессу разделения изотопов бора // Успехи в химии и химической технологии, 2012, т. XXVI, №7 (136), с. 41-44.
10
Кроме того, контролировали остаточное содержание бора в анизоле после десорбера (потери бора) по методике, описанной в работе Хорошилов А.В. и др. Определение микроконцентраций бора в органических соединениях при концентрировании В для атомной техники и ядерной медицины // Микроэлементы в медицине, 2010, т. 11, №3-4, с. 84-89.
Результаты сравнительных испытаний двух исполнений колонн в идентичных условиях при безотборном режиме работы установки приведены в табл. 1, причем результаты разделения изотопов бора соответствуют времени работы установки, равном 12 ч с достижением стационарного состояния.
3
Как видно из табл. 1, при испытании колонн в идентичных условиях концентрация фенолов в метил фениловом эфире после десорбера уменьшилась с (46±4) мкг/мл для исполнения колонны по прототипу до (16±2) мкг/мл для исполнения колонны по предлагаемому изобретению, то есть, примерно в 2,9 раза. Так как образование фенолов происходит преимущественно за счет взаимодействия метилфенилового эфира с фтористым водородом (продукт гидролиза BF)
3
и дальнейшего взаимодействия образовавшегося фторметана CHF с фенолом вновь с выделением HF
указанное выше уменьшение концентрации фенолов соответствует снижению потерь метилфенилового эфира, как минимум, в 2,9 / 2 ≈1,4 раза или на 40%.
3
Также из табл. 1 следует уменьшение потерь второго рабочего вещества (BF и, соответственно, бора) при испытании колонны по изобретению по сравнению с колонной по прототипу: (22±3) мкг/мл против (81±8) мкг/мл или в 3,7 раза, что соответствует почти троекратному сокращению потерь трифторида бора.
10
10
10
При этом наблюдается (табл. 1) и эффект увеличения концентрации целевого изотопа с (24,6±0,1) % ат. В до (25,3±0,1) % ат. В, то есть, на 0,7% ат. при практически неизменной концентрации В в голове колонны.
Пример 2
3
В условиях, аналогичных описанным в примере 1, проведены сравнительные испытания двух исполнений колонн при их длительной непрерывной работе. В ходе испытаний после достижения в течение 12 ч стационарного состояния установки (условия работы соответствуют данным табл. 1) далее ежесуточно контролировали потери бора и определяли степень разделения изотопов бора по результатам изотопного анализа BF. Результаты испытаний колонн приведены на рис. 5, откуда следует, что для колонны в исполнении по прототипу (рис. 5а) время стабильного режима работы не превысило пяти суток, а для исполнения колонны по предлагаемому изобретению (рис. 5б) ухудшения процесса разделения изотопов бора в течение всего периода испытаний выявлено не было.
В целом из результатов испытаний во времени работы двух исполнений колонн следует, что исполнение колонны по предлагаемому изобретению характеризуется, по меньшей мере, троекратным увеличением времени межремонтного пробега.
Пример 3
10
В случае работы установки для разделения изотопов бора в режиме с отбором продукта при достижении концентрации изотопа В, равной, например, 80% ат., длина массообменной части должна быть существенно увеличена по сравнению с данными табл. 1 (пример 1), что достигается последовательным соединением по потокам жидкости и газа нескольких массообменных колонн 1 при их расположении одна под другой, как показано на рис. 6. При этом такая сборка колонн соединена с остальными элементами установки аналогично схеме на рис. 4. Сравнительные характеристики двух исполнений массообменных колонн и достигаемые при их использовании результаты даны в табл. 2.
10
3
Из табл. 2 видно, что в равных условиях работы установки для производства изотопа В химическим обменом между BF и его комплексным соединением с анизолом, применение роторных массообменных колонн в заявляемом исполнении (исполнение №2) позволяет по сравнению с колоннами по прототипу (исполнение №1) увеличить производительность установки не менее чем на 14%, причем без учета увеличения времени межремонтного пробега, что отражено в примере 2. Учет сокращения времени межремонтного пробега в соответствии с данными примера 2 позволяет увеличить производительность установки при использовании роторных колонн в исполнении по предлагаемому изобретению до 40%.