ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Разделение изотопов методом ректификации из "Изотопы Свойства получение применение Том1" В условиях физической адсорбции газа фазовый изотопный обмен протекает быстро и в уравнение аддитивности фазовых сопротивлений массопереносу входят только коэффициенты массопередачи в газовой и твёрдой фазах. Как правило, массоотдача в газовой фазе даёт небольшой вклад в величину ВЕП, и зависимость ВЕП от нагрузки определяется массоотдачей в твёрдой фазе для гранулированных сорбентов, т. е. определяется диффузионными процессами во вторичных порах гранул сорбента. [c.271] Ректификация является наиболее совершенным видом перегонки. В качестве нижнего УОП используется испаритель (куб колонны), а верхним УОП является конденсатор (дефлегматор). Пар из испарителя поднимается по колонне, контактируя со стекаюш,ей по колонне жидкостью (флегмовый поток), которая образуется в верхнем УОП из поступаюш его в него пара. Для улучшения условий массообмена между жидкостью и паром в колонне раз-меш,ают контактные (массообменные) устройства. В качестве этих устройств, увеличиваюш,их поверхность массообмена и влияюш,их на величину коэффициента массопередачи, используют различные типы насадок (кольца, спирали, рулоны из сетки и т. д.) и тарелок (ситчатые тарелки, колпачковые, инжекционные). В зависимости от типа массообменного устройства колонны называются насадочными или тарельчатыми. [c.271] Однократный эффект разделения при ректификации основан на различии парциальных давлений (летучестей) компонентов, образуюш,их жидкую фазу. [c.271] В уравнении (6.9.2) 71 и 72 — коэффициенты активности, учитывающие отклонение от идеальности в жидкой фазе, /1 и /2 — летучести компонента в смеси (величины, заменяющие парциальное давление в термодинамических уравнениях). Расчёт и экспериментальное определение 7 и / рассматриваются в [1, 2]. Наибольшие отклонения от идеальности наблюдаются при ректификации водорода, для которого относительная ошибка в величине коэффициента разделения достигает 5-7%. Так при температуре 23 К величина о о для смеси 02-0Т равна 1,248, а экспериментальное значение равно 1,185 0,014. При ректификации других водородсодержащих веществ (Н2О, КНз) эта ошибка снижается до 1 %. При разделении изотопов других элементов поправка на неидеальность незначительна. [c.272] Ректификация жидкого водорода при температуре 20-23 К была использована для производства тяжёлой воды в ряде стран (Россия, Индия, ФРГ, Франция) [3, 4]. Важным подготовительным этапом процесса разделения этим методом является глубокая очистка водорода от примесных газов. Так например, остаточное содержание кислорода в водороде не должно превышать одной миллиардной объёмной доли. Недостаточная очистка от кислорода приводит к взрывам на установке ректификации, обусловленным накоплением кислорода и образованием взрывоопасной кислород-водородной смеси. [c.272] В табл. 6.9.1 приведены значения о при разделении бинарных смесей (протий-дейтерий, дейтерий-тритий, протий-тритий) [4. [c.273] Из данных таблицы следует, что процесс ректификации водорода характеризуется большими коэффициентами разделения, причём величина с о зависит не только от температуры, но и от изотопного состава молекул водорода. [c.273] Важной особенностью ректификации водорода является химическая инертность молекулярного водорода. Выше (см. раздел 6.7.1) отмечалось, что реакции изотопного обмена с участием молекулярного водорода требуют применения катализаторов. Поэтому и реакции гомомолекулярного обмена водорода (Н2 + Н2 2НН ) также не идут без катализаторов. Это обстоятельство приводит к тому, что в кубе колонны, где накапливается более тяжёлый компонент, будет преобладать компонент НН. Для того, чтобы выделить молекулы Н необходимо провести на катализаторе реакцию гомомолекулярного изотопного обмена и подвергнуть ректификации трёхкомпонентную смесь, содержащую изотопные разновидности молекул в соотношении, удовлетворяющем условиям изотопного равновесия при температуре реактора, в котором проводится реакция гомомолекулярного обмена. Всё это усложняет технологическую схему и увеличивает число разделительных колонн. Тем не менее, благодаря высоким значениям коэффициентов разделения, удовлетворительной кинетике массообмена и относительной простоте процесса ректификации, этот метод был использован для получения тяжёлой воды в промышленном масштабе. [c.273] В Дарлингтоне (Канада) действует установка, которая предназначена для извлечения трития из 350 кг/час тяжёлой воды. Эта установка работает с 1987 года и производит 1,7-2,5 кг (630 10 -925 10 ТБк) трития в год [4. [c.274] Метод ректификации с успехом использован для конечного концентрирования (от 10-15 до 99,8 ат.%) при промышленном производстве тяжёлой воды. Процесс ведут как в тарельчатых колоннах (завод в Саванна-Ривер, США), так и в насадочных колоннах. Особенно эффективным является использование насадочных колонн с мелкой насадкой, что даёт возможность реализовать необходимое для конечного концентрирования число теоретических ступеней разделения (250-300) в одной колонне сравнительно небольшой высоты (15-20 м). Для сравнения укажем, что на упомянутом выше заводе в Саванна-Ривер общая высота тарельчатых колонн составляет 122 м (5 колонн по 24,4 м каждая). [c.274] Согласно этому уравнению (справедливому в интервале температур 273-400 К) величина коэффициента разделения при Т = 373,15 Рщо = = 0,1 МПа) равна 1,0256, а при Т = 333 К Рщо = 0,02 МПа) она составляет 1,046. Величина ВЭТС зависит от типа насадки, диаметра колонны и удельной нагрузки. Так например, при использовании насадки в виде колец из металлической сетки величина ВЭТС при удельной нагрузке 900 кг Н2 О/м час равна 2,5-3 см для колонны диаметром 100 мм и с насадочными элементами размером 2-3 мм. Поскольку при понижении температуры процесса ректификации понижается и рабочее давление в системе, то удельная нагрузка при заданном диаметре колонны будет уменьшаться, вызывая увеличение ВЭТС. С другой стороны (см. уравнение (6.9.3)) с понижением температуры растёт величина коэффициента разделения и, следовательно, уменьшается ЧТСР, необходимое для достижения заданной степени разделения (см. уравнения (6.2.8)-(6.2.10)). Можно показать, что оптимальной областью температур является интервал 330-335 К, если в качестве критерия оптимизации выбран минимальный удельный объём аппаратуры. [c.274] Процесс ректификации воды требует больших затрат на испарение воды (свыше 2230 кДж/кг). Этот существенный недостаток метода, так же как и малая величина коэффициента разделения, делают его экономически неэффективным для начального концентрирования тяжёлой воды. [c.274] Более удобной для получения 0 является ректификация оксида азота (N0). Величина коэффициента разделения при давлении, близком к атмосферному и Т = 121 К, равна 1,037 (для смеси N 0- N 0), причём О концентрируется в жидкой фазе. Недостатком системы являются высокая стоимость чистого оксида, близость точек кипения и плавления, что затрудняет устойчивую работу верхнего УОП, так как требуются промежуточные хладоагенты. Несмотря на эти недостатки, был пущен в эксплуатацию ряд установок. Одна из них (Лос-Аламос, США) производила 36 кг О в год с концентрацией 20 ат.%. [c.276] Вернуться к основной статье