Влияние потока на массообмен при разделении изотопов бора в роторной колонне

2. Кулаков В.М. Таблица изотопов //В кн.: Физические величины: Справочник /Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский А.М. и др.; под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З., М.: Энергоатомиздат. - 1991. - 1232 С.

3. Хорошилов А.В. Разделение изотопов азота: задачи и пути их решения // Химическая промышленность. - 1999. - № 4 (241). - С. 37-46.

4. Хорошилов А.В., Катальников С.Г. Разделение стабильных изотопов азота: современный уровень производства, анализ экономической эффективности и перспективы развития способов концентрирования // Труды МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1984, вып. 130. - С. 18-35.

5. Nakane R., Isomura S. Isotopic fractionation of nitrogen and oxygen in the low-temperature exchange system on the coordination compounds of nitric oxide with hydrogen chloride // Sci. Papers I.P.C.R. - 1962. - V.56. - № 2. - P.164-166.

6. Jeevanadam M., Taylor T.I. Preparation of 99,5 % 15N by chemical exchange between oxides of nitrogen in a solvent currier system // J. Am. Chem. Soc., Soc. Adv. Chem. Ser. - 1969. - V. 89. - P. 119.

7. Katalnikov S.G., Myshletsov I.A., Khoroshilov A.V. Concentration of Nitrogen-14 by the Method of Isotopic Exchange Using a Dinitrogen Tetroxide -Based System // Proc. Int. Symp. оп Isotope Separation and Chemical Exchange Uranium Enrichment. Tokyo, TIT, RLNR. - 1992. - P. 368-375.

8. Кузнецов А.И., Панченков Г.М. Сравнительная характеристика и расчет основных параметров обменных систем в методе разделения изотопов азота путем химического обмена с термическим обращением фаз // ЖФХ. - 1970. - Т. 44. - № 8. - С. 1970-2075.

9. Хорошилов А.В., Чередниченко С.А., Зо Е Наинг Новые системы газ-жидкость для разделения изотопов азота методом химобмена // Перспективные материалы. - 2010. - №. 8. - С. 310-314.

УДК 621.039.32

А.П. Сизов, А.В. Мошняга, А.В. Хорошилов

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

ВЛИЯНИЕ ПОТОКА НА МАССООБМЕН ПРИ РАЗДЕЛЕНИИ ИЗОТОПОВ БОРА В РОТОРНОЙ КОЛОННЕ

Исследована эффективность процесса разделения изотопов бора методом химического обмена при использовании нового массообменного аппарата - горизонтальной роторной колонны. Получены экспериментальные данные по степени разделения изотопов бора и эффективности массообмена при изменении плотности орошения массообменной части аппарата. Исследования выполнены с использованием системы газообразный BF3 -комплексное соединение BF3 с метилфениловым эфиром.

The efficiency of the boron isotopes separation process by chemical exchange with using a new mass transfer device - the horizontal rotary column was investigated. Experimental data on the effect of flow to the separation degree of boron isotopes and the mass transfer effectiveness were received. The studies were performed with the use of gaseous BF3 and complex compound of BF3 with methyl phenyl ether.

Изотоп бора 10В востребован ядерной энергетикой, включая реакторы на быстрых нейтронах [1-3]. Для разделения изотопов бора на практике используют процессы ректификации галогенидов бора (ВС1з [4], ВБ3 [5]) и химического изотопного обмена в системах ВБ3 - ВГ3-Б, где Б -комплексообразователь - диметиловый [6] или фенилметиловый [6, 7] эфиры, а также относительно новые комплексообразователи [8, 9].

Реализация указанных способов осуществляется в вертикальных массообменных колоннах с высокоэффективной насадкой [4-7, 9], чтобы обеспечить необходимые сотни и тысячи теоретических ступеней разделения. Это влечет за собой строительство и эксплуатацию высотных сооружений, тщательного вертикального монтажа разделительного оборудования, а также применения иных специальных мер, приводящих, в конечном итоге, к удорожанию изотопной продукции.

Для устранения указанных недостатков может быть применен иной тип разделительного оборудования - горизонтальные роторные массообменные аппараты с той же высокоэффективной насадкой в качестве контактных элементов. Аппараты такого типа разработаны ОАО «Сибирский химический комбинат» совместно с РХТУ им. Д.И. Менделеева [10, 11] и исследуются в университете как в режиме ректификации [11-13], так и в процессе химического изотопного обмена [14]. Практическое использование оборудования такого типа может коренным образом изменить вид производственных сооружений (рис. 1).

Цель настоящего исследования - изучение влияния потока рабочих веществ на эффективность процесса масообмена при разделении изотопов бора методом химического изотопного обмена. В качестве рабочей выбрана система газообразный трифторид бора - его жидкое комплексное соединение с фенилметиловым эфиром или анизолом (система ВБ3 -ВГ3-С6И50СИ3), в которой изотопный обмен протекает в соответствии с реакцией

ВБз (г) + ВБ3 • С6И5ОСИ3 (ж) = ВБз (г) + ВБ3  С6И5ОСИ3 (ж). (1) Рис. 1. Вероятное изменение вида производственных сооружений при использовании горизонтальных роторных аппаратов для разделения изотопов.

Исследования выполнены на установке, основными узлами которой являются горизонтальная (угол наклона < 8°) роторная колонна и системы обращения потоков, причем, традиционного вертикального типа (абсорбер, десорбер). Массообменная часть колонны составляла всего 80 см. Схема установки в целом описана в [11-13].

Исходный метилфениловый эфир перед его подачей в установку подвергался очистке вакуумной ректификацией с последующим обезвоживанием до уровня

11°-3 % мас. в токе сухого азота.

Эксперименты выполнены при трех значениях потока трифторида бора при его почти троекратном увеличении: О = (1 ^ 2,7) отн. ед. Наблюдаемое при этом изменение гидравлического сопротивления роторной колоны отражено в табл. 1, а условия и результаты экспериментов по разделению изотопов бора сведены в табл. 2.

Табл. 1. Изменение гидравлического сопротивления роторной колонны в _зависимости от потока трифторида бора при Т = 313 К_

№ Удельный поток Гридравлическое Удельное гидравлическое

опыта BF3 Gw, отн. ед. сопротивление АР, Па сопротивление AP/H, Па/м

1 1,0 5° ± 8 63 ± 10

2 1,7 118 ± 8 147 ± 10

3 2,7 34° ± 4° 425 ± 50

Табл. 2. Результаты разделения изотопов бора в системе БЕ3 - БЕ3-СбН5ОСН3 _при Т = 313 К в горизонтальной роторной колонне_

№ опыта Удельный поток BF3 вУд, отн. ед. Степень разделения Кт ЧТСР ВЭТС, см Koy, отн. ед.

1 1,0 2,°6± °,14 27 ± 3 3,0 ± 0,3 1,0 ± 0,1

2 1,7 1,8° ± °,13 22 ± 2 3,6 ± 0,4 1,4 ± 0,1

3 2,7 1,36 ± °,°7 11,6 ± 0,6 6,9 ± 0,6 1,15 ± 0,09

Кинетические кривые (изменение концентрации изотопа В по концам роторной колонны во времени) показаны на рис. 2 на примере

Время, мин

а

Время, мин

Рис. 2. Изменение концентрации изотопа В по концам роторной колонны (Д, О-верх колонны; А, • - низ колонны) во времени при различном потоке ВЕ3: а - О =1

отн. ед.; б - О = 2,7 отн. ед.

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что увеличение потока трифторида бора в горизонтальной роторной колонне приводит к снижению разности концентрацией изотопа 10В по концам колонны примерно с « 10 % ат. при О =1 отн. ед. до « 5 % ат. при О = 2,7 отн. ед. (рис. 2), то есть практически в два раза при примерно утроении потока ББ3 в колонне. При этом степень обогащения изотопов бора Кт - 1 уменьшается в 2,9 раза (табл. 2), а число теоретических ступеней разделения (ЧТСР) - примерно в 2 раза.

Соответственно, высота, эквивалентная теоретической ступени (ВЭТС), с ростом потока монотонно увеличивается от (3,0 ± 0,3) см при наименьшем значении О до (6,9 ± 0,6) см при потоке ББ3, равном 2,7 отн. ед., причем наиболее резкое изменение ВЭТС приходится на область О > 2 отн. ед., что, вероятно, обусловлено существенным утолщением пленки жидкости на насадке. Об этом говорит значительное увеличение гидравлического сопротивления колонны (табл. 1), которое возрастает почти в 7 раз в рассматриваемом интервале увеличения потока трифторида бора и наиболее удачно аппроксимируется экспоненциальной зависимостью

АР/Я = 21,07 ехр (1,12 вуЯ) .

Рассматриваемые изменения ВЭТС и потока ББ3 в колонне приводят совместно к экстремальной зависимости объемного коэффициента массопередачи Коу (рис. 3) и выявлению наиболее приемлемого для разделения изотопов бора интервала значений потока (удельного потока) трифторида бора при прочих равных условиях.

<и

о

О »H

X

% и

m со

18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

0

3

1 2 * Поток BF3, отн. ед.

Рис. 3. Результаты исследования процесса разделения изотопов бора в системе BF3 -BF3-CeHsOCH3 в горизонтальной роторной колонне в зависимости от потока трифторида бора: • - степень разделения Km; А - высота, эквивалентная теоретической ступени (ВЭТС); Ш - коэффициент массопередачи Koy.

Отмеченный интервал изменения G (или Оуд) приходится на значения потока (1,7 ^ 2) отн. ед., то есть, лежит примерно в средней области исследованного интервала значений G, что определяет более высокую надежность полученных экспериментальных результатов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 годы», ГК№ 16.552.11.7046.

Библиографические ссылки:

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

2. Рисованный В.Д., Захаров А.В., Клочков Е.П., Гусева Т.М. Бор в ядерной технике. - Димитровград: ФГУП ГНЦ РФ НИИАР, 2003. - 345 с.

3. Рождественский В.В., Кузнецов В.Ю., Макаров А.Н. Отечественные поглощающие материалы органов регулирования ядерных реакторов (состояние, перспектива) //Вопросы атомной науки и техники. Серия «Материаловедение и новые материалы». - 2006. - № 2 (67). - С. 315-320.

4. Андриец С.П., Гущин А.А., Калашников А.Л. и др. Создание и испытание пилотной установки для разделения изотопов бора ректификацией BCl3 // перспективные материалы. - 2010. - № 8. - С. 193-198.

5. Зельвенский Я.Д. Разделение изотопов низкотемпературной ректификацией. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 1998. - 208 с.

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

7. Katalnikov S.G. Physico-chemical and engineering principles of boron isotopes separation by using BF3 - anisole-BF3 system // Separation Sci. and Technol. - 2001. - V. 36. - № 8&9. - P. 1737-1768.

8. Herbts R. S., McCandless F. P. Improved Donors for the Separation of the Boron Isotopes by Gas-Liquid Exchange Reactions // Separation Science and Technology, 1994, v. 29, p. 1293 - 1310.

9. Хорошилов A.B., Степанов A.B., Лизунов A.B., Зернова Е.В. Первое разделение изотопов бора методом химического обмена при пониженной температуре в системе трифторид бора - его комплексное соединение с нитрометаном // Перспективные материалы. - 2010. - № 8. - С. 258-262.

10. Массообменная колонна. Патент РФ 2398610 // Бюл. № 25, 10.09.2010.

11. С.П. Андриец, A.A. Гущин и д.р. Горизонтальные роторные массообменные аппараты для процессов тонкого разделения веществ // Перспективные материалы - 2010 - №8 - с. 334-339.

12. Сизов A.^, Снегирев A.C., Чередниченко C.A., Хорошилов A.B. Испытание новой высокоэффективной массообменной колонны горизонтального типа // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. Том XXII - 2008 - №8(88) - с. 89-92.

13. Сизов A.H, Хорошилов A.B. Роторная массообменная колонна: гидродинамика и массообмен в процессе ректификации // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. Том XXIII - 2009 - №8 (101) - с. 80-94.

14. Khoroshilov A.V., Sizov A.P. Isotope separation in the horizontal rotating columns // 7th Intern. Conf. on Isotopes. 4-8 September, 2011, Moscow. The collection of Abstracts. - 46 p.

УДК 620.3-022.532:621.039

A.B. Хорошилов, С.Н. Федорова, ДА. Дудун

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

ПЕРВОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПНОГО ЭФФЕКТА ГЕРМАНИЯ В РЕАКЦИЯХ ХИМИЧЕСКОГО ОБМЕНА

При температуре (293 ± 1) К методом однократного уравновешивания измерен изотопный эффект германия в реакции химического обмена между газообразным тетрафторидом германия и его комплексным соединением с метилфениловым эфиром. Значения однократного коэффициента разделения ai-j равны: а72-74 = 1,024±0,011 (на 2 а.е.м.); а70-74 = 1,038±0,012 и а72-76 = 1,032±0,012 (на 4 а.е.м.); а70-76 = 1,046±0,012 (на 6 а.е.м.).

A single-stage separation factor of germanium isotopes in chemical exchange reaction between gaseous germanium tetrafluoride and its complexes with methyl-phenyl ether was measured by a single equilibration method under the temperature (293 ± 1) K.. The values of a single-stage separation factor ai-j are: а72-74 = 1,024±0,011 (for 2 a.m.u.); а70-74 = 1,03 8±0,012 and а72-76 = 1,032±0,012 (for 4 a.m.u.); а70-76 = 1,046±0,012 (for 6 a.m.u.).

Процессы разделения изотопов методом химического обмена в двухфазных системах газ-жидкость с использованием комплексных соединений, например, BF3 c диметиловым, метилфениловым эфирами (BF3-O(CH3)2, BF3-CH3OC6H5 соответственно) достаточно хорошо известны и нашли производственное применение для разделения изотопов бора [1-3].