Анализ применимости роторных колонн c высокоэффективной насадкой для разделения изотопов

ленными в табл. 1, не наблюдалось каких-либо изменений в жидкости, свидетельствующих об образовании гелеобразной или, тем более, твердой фазы.Совместно с результатами определения нижней границы существования газо-жидкостной системы ССЬ - аминокомплексы диоксида углерода, когда концентрация воды в матрице менялась в более широких пределах (от 1 % мае. до 8 % мае.), а содержание н-ДБА в ацетонитриле находилось в диапазоне (1 - 5) М, выполненное исследование показывает, что применение содержащих воду органических матриц на основе н-ДБА и ацетонитрила не приводит к явлениям, способным отрицательным образом воздействовать на процесс разделения изотопов углерода с использованием исследуемой системы.

Библиографические ссылки

1. Неницеску К.Д. Органическая химия/ Неницеску К.Д. /Т.1. М.: Иностранная литература, 1963. 927с.

2. Озиашвили Е.Д. Разделение изотопов углерода методом химического изотопного обмена в системе ССЬ- амин карбамат/ Е.Д. Озиашвили, A.C. Егиазаров, Ш.И. Джиджеишвили, Н.Ф. Башкатова. //Stable Isotopes in the Life Sciences. Vienna: IAEA, 1977. P. 29-37.

УДК 621.039.3; 621.039.53; 621.039.58

А.П. Сизов, A.B. Хорошилов, E.B. Зернова

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

АНАЛИЗ ПРИМЕНИМОСТИ РОТОРНЫХ КОЛОНН С ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ НАСАДКОЙ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ

The calculation of two setups for boron isotope separation was carried out. Horizontal mass-transfer columns packed with high-performed spiral-prismatic packing were chosen as masstransfer devices in the first setup. In the second setup classical vertical columns were chosen. It is shown that the use of rotor apparatus for boron isotope separation allows reducing shop cost of separation process by approx. (20-30) %.

Выполнен сравнительный расчет двух установок для разделения изотопов бора с высокоэффективной насадкой. В первой установке в качестве массообменных аппаратов выбраны роторные колонны, во второй - классические вертикальные колонны. Показано, что использование роторных аппаратов при разделении изотопов бора позволяет снизить цеховую себестоимость процесса разделения приблизительно на (20-30) %.

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].

Для разделения изотопов легких элементов наиболее эффективны физико-химические методы - ректификация и химический изотопный обмен [1, 3, 4], для реализации которых используются вертикальные массообмен-ные колонны с высокоэффективной насадкой [1, 3-5], чтобы обеспечить необходимые сотни и тысячи теоретических ступеней разделения. Это влечет за собой необходимость строительства и эксплуатации высотных сооружений, тщательного вертикального монтажа разделительного оборудования, а также применения иных специальных мер, приводящих, в конечном итоге, к завышению стоимости изотопной продукции.

Альтернативным решением в конфигурации подобных производств может стать применение горизонтальных роторных массообменных аппаратов, в которых используется высокоэффективная, например, спирально-призматическая насадка. Предполагается, что сокращение затрат станет возможным, если вышеуказанное разделительное оборудование будет обладать близкой эффективностью массообмена по сравнению с классическими вертикальными массообменными колоннами.

Анализ имеющихся литературных данных [5-8] показывает, что наиболее целесообразный подход к разработке горизонтальных двухфазных массообменных устройств заключается в создании аппаратов, в которых вращение насадочного слоя обеспечивает равномерное распределение жидкости по поперечному сечению аппарата, аналогично классическим вертикальным колоннам. Конструкция такого устройства разработана и испытана в результате совместных работ РХТУ им. Д. И. Менделеева и ОАО «Сибирский химический комбинат» [9]. Как показали результаты испытаний, при ректификации эталонной смеси бензол - 1,2-дихлорэтан (коэффициент разделения 1,08 -1,12) эффективность массообмена в роторной колонне сопоставима с эффективностью классического вертикального оборудования. При этом, установлено [9-11], что при угле наклона аппарата 8° и плотности орошения « 1 мл/(см2-мин) высота, эквивалентная теоретической ступени (ВЭТС), в роторном аппарате диаметром 30 мм составила (3,3 ± 0,3) см. При этом, для вертикальной колонны того же диаметра и при той же плотности орошения получены значения ВЭТС (2,9 ± 0,2) см. Таким образом, ранее выполненные исследования показывают, что по своим массообменным свойствам горизонтальные роторные аппараты практически не уступают традиционным вертикальным колоннам с высокоэффективной насадкой.

Для оценки возможности применения роторных аппаратов в процессах разделения изотопов необходимо сравнение технико-экономических показателей установок, в которых в качестве массообменных устройств используются горизонтальные роторные и классические вертикальные колонны.

Оценочные расчеты выполнены для процесса химического изотопного обмена между газообразным трифторидом бора и его комплексным соединением с фенилметиловым эфиром (анизолом), нашедшим применение в промышленности для разделения изотопов 10В и ПВ. Расчеты проведены при заданных значениях производительности и конечной концентрации 10В, а также при степени извлечения целевого компонента 50 %. При этом, для ро-

торных аппаратов по некоторым позициям приняты несколько более жесткие условия, чем это может иметь место на практике. Например, пропускная способность роторных колонн принята равной 1/3 аналогичной характеристики для вертикальных массообменных аппаратов.

Разделительный модуль

Рис. 1. Компоновка разделительного оборудования при использовании роторных аппаратов при разделении изотопов: 1 -роторная колонна; 2 - десорбер; 3 - модуль очистки комлексообразователя; 4 - абсорбер; 5 - электродвигатель; 6,6' - емкости с комплексообразователем; 7,8 - системы очистки; 9,10 - узлы приема продукта и отвала.

В ходе расчетов разделительной части производства выполнена оптимизация каждого из каскадов, исходя из таких критериев оптимальности, как минимум объема и минимальное время накопления.

В результате расчетов показано, что, несмотря на увеличение объема разделительной части каскада с использованием роторных аппаратов, цеховая себестоимость 1 кг 10В, как минимум, на (20 - 30) % меньше по сравнению с использованием вертикальных колонн.

Анализ структуры себестоимости показывает, что при использовании роторных аппаратов достигается существенная экономия в расходах на амортизацию и обслуживание производственного помещения, составляющих (40 - 50) % от цеховой себестоимости. Такой эффект достигается за счет способа размещения роторных аппаратов (вариант компоновки разделительного оборудования показан на рис. 1), приводящего к троекратному уменьшению высоты производственного помещения. Увеличение расхода электроэнергии, обусловленное необходимостью вращения массообменной части роторных аппаратов, с лихвой компенсируется снижением энергообеспечения при переходе от высотного производственного помещения к помещению для размещения каскада из роторных аппаратов.

Особо следует отметить, что первоначальные капитальные затраты, связанные со строительством производственного помещения, при использовании роторных массообменных устройств сокращаются на (200 - 300) %, причем существенно снижаются и требования к точности установки разделительного оборудования [9].

В целом, выполненные расчеты показывают, что с точки зрения технико-экономических показателей роторные аппараты горизонтального типа превосходят традиционное вертикальное оборудование. Следует отметить, что основная экономия при создании изотопных производств с использованием подобных технических решений достигается путем существенного снижения затрат на строительство и эксплуатацию производственных зданий и сооружений.

Библиографические ссылки

1. Изотопы: свойства, получение, применение. /В 2-х тт. Т. 2. / под ред. В.Ю.Баранова. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 728с.

2. Андреев Б.М. Разделение изотопов биогенных элементов в двухфазных системах./ Б.М. Андреев, Э.П. Магомедбеков, М.Б. Розенкевич [и др.]; / под ред. Б.М.Андреева. М.: ИздАТ, 2003. 376с.

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

4. Зельвенский Я.Д. Разделение изотопов низкотемпературной ректификацией/Я.Д Зельвенский/РХТУ; М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 1998. 208с.

5. Боресков Т.К. Технология процессов химического изотопного обмена./ Т.К. Боресков, С.Г. Катальников/МХТИ; М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1974. 205с.

6. U.S. Patent 4,283,255. Mass Transfer Process / Ramshaw C.; Mallinson R.H. 1981.

7. Ramshaw C. "HiGee" Distillations An Example of Process Intensification/ Ramshaw C. // Chemical Engineering, 1983. Feb. P. 389-401.

8. Rao D.P. Process Intensification in Rotating Packed Beds (HIGEE): An Appraisal/ Rao D.P., Bhowal A., Goswami P.S. // Industrial and Engineering Chemistry, 2004. V. 43. № 4. P. 1150-1162.

9. Андриец С.П. оризонтальные роторные массообменные аппараты для процессов тонкого разделения веществ/ С.П. Андриец, А.А. Гущин, Ю.С. Мочалов, А.С. Козырев, С.Г. Пастухов, С.А. Семенов, А.П. Сизов, А.В. Хо-рошилов, С.А. Чередниченко // Перспективные материалы. Специальный выпуск (8), 2010. С. 334-340.

10. Сизов А.П.Испытание новой высокоэффективной массообменной колонны горизонтального типа/ А.П. Сизов, А.С. Снегирев, С.А. Чередниченко, А.В. Хорошилов // Успехи в химии и химической технологии: Сб. науч. тр. [под ред. П.Д. Саркисова и В.Б. Сажина]; / РХТУ им. ДИ. Менделеева М.: Изд-во РХТУ им. ДИ. Менделеева, 2008 Т. XXII. №8(88). С. 89-92

11. Сизов А.П. Роторная массообменная колонна: гидродинамика и массооб-мен в процессе ректификации // 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. 80-94.

УДК 621.039.3; 621.039.53; 621.039.58

А.В. Хорошилов, А.В. Степанов, А.В. Лизунов

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

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ХИМОБМЕННОЙ СИСТЕМЫ BF3 - BF3 CH3NO2 НА СПИРАЛЬНО-ПРИЗМАТИЧЕСКОЙ НАСАДКЕ ПРИ ПОНИЖЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

For chemical exchange system the boron trifluoride - complex BF3 with nitromethane using countercurrent laboratory-scale plant of isotope exchange the dependence of pressure drop on the gas flow and capacity of the spiral-prismatic packing 1,25x1,25x0,2 mm were determined at (258+4) K. It is shown that in this case there is a substantial discrepancy between the data found experimentally and results are obtained by the equations recommended in the literature.

Для химобменной системы трифторид бора - комплексное соединение BF3 с нит-рометаном с использованием лабораторной противоточной установки химического обмена определена зависимость гидравлического сопротивления от потока газа и пропускная способность спирально-призматической насадки 1,25x1,25x0,2 мм при температуре (258+4) К. Показано, что в рассматриваемом случае имеется существенное расхождение между данными, найденными экспериментально и полученными расчетом по рекомендуемым в литературе уравнениям.

Гидродинамические характеристики новых химобменных систем -совокупность необходимых данных как для правильной интерпретации результатов эффективности разделения изотопов, так и для расчета и проектирования соответствующих установок.

К сожалению, в большинстве случаев использование имеющихся в литературе уравнений (например, [1, 2]) не позволяет получить результаты,