Эффективность разделения изотопов методом газовой термодиффузии

9

С 11 6 X Uz в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. Nb 8

при селекции атомов и молекул: Сб. докл. X Всеросс. (Междунар.) конф. М.: ЦНИИАтоминформ, 2005. С. 174 - 180.

6. Хорошилов A.B. Особенности термической диссоциации комплекса BF3-D и разделения изотопов бора в системе ВРз-ВРз-СНзЖ)2. / A.B. Хорошилов, A.B. Лизунов, A.B. Степанов, С.А. Чередниченко //Радиохимия, 2009. Т. 51. №4. С. 353-354.

7. Хорошилов A.B. Первое разделение изотопов бора методом химического обмена при пониженной температуре в системе трифторид бора — его комплексное соединение с нитрометаном/ A.B. Хорошилов, A.B. Степанов, A.B. Лизунов, Е.В. Зернова //Перспективные материалы. Специальный выпуск (8), 2010. С. 258-262.

УДК 66.071

Пьи Пью Аунг, И. Л. Селиваненко

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

ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ МЕТОДОМ ГАЗОВОЙ ТЕРМОДИФФУЗИИ

Thermodiflusion is small capacity but high effective method for separation of isotopes of the number of elements. At the report described some experimental data on separation of helium, oxigen and neon isotopes in thermodiffusion column of 2 meter length.

Термодиффузия является малопроизводительным, но весьма эффективным методом разделения изотопов ряда элементов. В докладе описываются некоторые экспериментальные данные по разделению изотопов гелия, кислорода и неона в термодифузионной колонне высотой 2 метра.

Для получения ряда изотопов легких газов, не производящихся сейчас в России, наиболее эффективным является метод термодиффузии, характеризующийся высокой разделительной способностью.

Коэффициент разделения а, характеризующий однократный разделительный эффект, определяется по известному уравнению [1,2]

дт

а = 1 + у ,

2Т

где AT - разность температуры между горячей и холодной стенками; Т - средняя температура в колонне.

Термодиффузионная постоянная у зависит от различия масс разделяемых изотопов и поправочного коэффициента Rt, учитывающего характер межмолекулярных сил:

105 М - М

У =--"-LRt,

118 М2 + М

9

С 11 6 X И в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. Nb 8

Так как величина у зависит только от свойств разделяемой смеси, то влиять на коэффициент разделения можно лишь путём изменения температурного режима в колонне.

Не менее важной характеристикой процесса разделения в термодиффузионной колонне является величина ВЭТС (ВЕП), которая, помимо температурного режима, зависит от давления и конструктивных особенностей колонны (в частности, зазора между горячей и холодной стенками колонны).

При известных значениях а и ВЭТС, независимо от задачи разделения, расчет термодиффузионных разделительных колонн не представляет сложностей, так как он может быть осуществлен на основе хорошо известной теории стационарного состояния противоточной разделительной установки с узлами обращения потоков [2-4].

Поэтому в настоящей работе рассматриваются особенности массооб-мена, характерные для разделения изотопных смесей методом газовой термодиффузии. Согласно теоретическим представлениям A.M. Розена [2] составляющие ВЭТС, обусловленные массопередачей (h0) и продольной диффузией (Ъд), определяются соотношением:

2 Ре;

Диффузионный критерий Пекле равен:

Ре =

где Б - коэффициент самодиффузии газа (см2/с); ^ - средняя скорость конвективных потоков (см/с).

Последняя зависит от физических свойств газа, величины зазора между горячей и холодной стенками равной 25, а также температурного режима в колонне [2]:

_ 981рб2 АТ

\у =--—

48л Т

где р - плотность газа (г/см3); г| - динамическая вязкость газа (г/см-с). Из уравнений (4) и (5) следует, что критерий Ре равен:

2*981 р з АТ р з АТ

Ре =--8 -= 40,875 — 8 -

48/)77 Т £>77 Т К '

Так как коэффициент самодиффузии газа обратно пропорционален давлению, а для идеального газа плотность прямо пропорциональна давлению, то зависимость критерия Ре от давления будет квадратичной. Таким образом, рассчитав Ре при постоянном давлении (например, атмосферном) можно из уравнения (3) найти зависимость ВЭТС от давления и приняв

Ьп = Ь д, найти из равенства = значение критерия Репр1 = 2л/2 а,

следовательно, и давление при котором величина ВЭТС будет минимальной.

Следовательно, с учётом уравнения (3) Ьтт =5 Ре ( = 5*242.

Из приведённого анализа следует, что на зависимости ВЭТС от давления есть минимум, которому независимо от свойств газа будет соответст-

9

С 11 6 X и в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. №8

вовать значение Ьт;п , которое зависит лишь от величины зазора между горячей и холодной стенками. Это отличает термодиффузию от методов ректификации и химического изотопного обмена, в которых величина ВЭТС является специфическим свойством системы. В газовой термодиффузии специфичной, то есть зависимой от свойств рабочей системы, а также температурного режима является лишь величина оптимального давления равного:

Р =

ор1

2л/2

Ре„

где Рео- критерий Пекле при атмосферном давлении.

Рис. 1. Зависимость экспериментальной степени разделения К, а также расчетной (линия) и экспериментальной (точки) высоты теоретической ступени 11 разделения изотопов кислорода от давления.

С целью экспериментальной проверки приведенных выше соотношений и для определения оптимальных условий разделения изотопов газов (гелия, неона, кислорода и других) создана и испытана установка с термодиффузионной колонной высотой 2 м, диаметром 15 мм, работающей при давлении 0,3 - 20 атм.

С 1Ь б X М в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. №8

Опыты по разделению изотопов кислорода проводились при Т1=300К, Т2=1000К (а1 = 1,007) в интервале давления 0,8-1,8 ат. при 8 « 0,25 - 0,30 . Результаты экспериментов представлены на рис. 1 в виде зависимостей степени разделения смесей изотопов кислорода и ВЭТС от давления. Оптимальное давление рассчитывали из уравнения (7), и далее по соотношению (3) получили расчетную зависимость ВЭТС от давления, кото*-» 20 22

рая также представлена на рис. 1.Разделение изотопной смеси осуществляли в двух вариантах - с емкостью внизу колонны, т.е. в режиме

исчерпывания изотопа N6 вверху колонны, и с емкостью вверху колонны,

22

т.е. в режиме концентрирования изотопа N6 внизу колонны. 40

35

30

25

<20 £ 2

10

5

0

0 1 2 3 4 5 6 7

Р, а™

Рис. 2. Зависимость экспериментальной степени разделения К (1-я серия), а также расчетной (линия) и экспериментальной (точки) высоты теоретической ступени 11

20-ж.т 22-ж.т

разделения изотопов неона N6 - N6 от давления.

Результаты первой серии опытов (вариант 1) представлены на рис.2 в ^ 20 22 виде зависимостей степени разделения смеси N6- N6 и ВЭТС от давления

при Т1=283К и Т2=990К (а = 1,014) . Кроме того, на этом рисунке приведена

рассчитанная по уравнению (3) зависимость ВЭТС от давления.

Во второй серии (варианте 2) при давлении, близком к оптимальному

(Р=2,1 ат.) были проведены 2 опыта, результаты которых совпали. При

С 1Ь 6 X № в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. Nb 8

Т1=283К и Т2=753К (а = 1,012) была достигнута степень разделения К=28, величина ВЭТС составила 0,72 см.

Полученные экспериментальные результаты обобщены в таблице.

Табл. Экспериментальные данные по разделению изотопов термодиффузией.

Разделяемые изотопы Ti т2 а Popt hmin 8, см

эксп расчет ЭКСП расчет

3Не-4Не 279 683 1,035 >5,0 10,4 2,3* 0,56 0,2

1602-1802 300 1000 1,006 1,0 0,9 0,81 0,71 0,250,30

20Ne-22Ne 283 990 1,014 2,3 2,69 0,72 0,70,8 0,250,30

753 1,012

* при давлении ниже оптимального и равном 5 ат

Сравнение экспериментальных и расчетных зависимостей ВЭТС от давления при разделении изотопов кислорода (см. рис. 1), неона(см. рис. 2), а также при разделении изотопов гелия (см. табл.), свидетельствует о довольно хорошем совпадении результатов и расчетов. Значения Popt, найденные из экспериментально полученной зависимости степени разделения от давления и рассчитанные по уравнению (7), хорошо согласуются.

Выводы. Результаты экспериментального исследования и теоретического анализа свидетельствуют о высокой эффективности термодиффузионного разделения изотопов инертных газов при оптимальном давлении, величину которого можно рассчитать теоретически из физических свойств газа (вязкости, коэффициента самодиффузии и плотности) с учётом температурного режима и величины зазора между горячей и холодной стенками разделительной колонны.

Библиографические ссылки

1. Рабинович Г.Д. Разделение изотопов и других смесей термодиффузией. / Г.Д. Рабинович. М.:Атомиздат, 1981. 144с.

2. Розен A.M. Теория разделения изотопов в колоннах./ A.M. Розен. М.: Атомиздат, 1960. 438с.

3. Андреев Б.М. Разделение стабильных изотопов физико-химическими методами./ Б.М. Андреев, ЯД. Зельвенский, С.Г. Катальников. М.:Энергоатомиздат, 1982. 208с.

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

5. Изотопы: свойства, получение, применение./под редакцией В.Ю. Баранова. М.: ИздАТ, 2000. 704с.

6. Б.М. Андреев, И.Л. Селиваненко, С.А. Коршунова// Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул: Сборник докладов 10-ой Международной научной конференции. М.: ЦНИИатоминформ, 2005. С. 163.