автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.01, диссертация на тему:Разделение изотопов легких элементов методом газовой термодиффузии

Пьи Пью АУНГ

РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ ЛЕГКИХ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТОДОМ ГАЗОВОЙ ТЕРМОДИФФУЗИИ

05.17.01 - технология неорганических материалов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

17 ОЕ8 2011

МОСКВА-2011

4854349

Работа выполнена на кафедре технологии изотопов и водородной энергетики Института материалов современной энергетики и нанотехнологии Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

Селиваненко Игорь Львович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Петропавловский Игорь Александрович Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

кандидат технических наук, Сысоев Николай Яковлевич Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ)

Ведущая организация - Открытое акционерное общество

«ВНИИНМ им. академика A.A. Бочвара»

Защита диссертации состоится 02 марта 2011 г. в 10 часов на заседании дассертшщонного совета Д 212.204.05 в Российском химико-технологическом университете (125047, г. Москва, Миусская пл., д. 9) в конференц-зале.

С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ им! Д.И. Менделеева. . '

Автореферат разослан" " ноября 2011 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.204.05

М.Б. Алехина

Актуальность работы. Стабильные и радиоактивные изотопы уже более шестидесяти лет используются в различных областях науки и техники. Для большинства имеющих практическую ценность изотопов найдены эффективные способы их концентрирования. Однако в современной технике существует ряд маломасштабных, но весьма важных задач, для которых использование высокопроизводительных промышленных методов, таких как ректификация, химический изотопный обмен в колоннах, невозможно или нецелесообразно как с экономической, так и с технической точки зрения. Среди таких задач концентрирование стабильных изотопов 22№, 170, очистка 3Не от 4Нс, а также концентрирование радиоактивных изотопов 14С и трития из их отходов при производстве радиофармпрепаратов.

Указанные задачи весьма эффективно могут быть решены с помощью газовой термодиффузии, достоинствами которой являются - простота, дешевизна и универсальность оборудования, весьма малая задержка по газу, быстрый выход в рабочий режим.

Настоящая работа посвящена разработке' и оптимизации метода газовой термодиффузии, применительно к решению этих конкретных задач химической технологии. Этим и определяется актуальность темы.

Цели и задачи работы. Целью работы является экспериментальная и расчетная проработка возможности применения метода газовой термодиффузии для концентрирования изотопов пКе, 170,3Не, 14С и трития.

Конкретные задачи, решаемые в работе, таковы:

1. Разработка конструкции термодиффузионной колонны и схемы установки термодиффузионного разделения с непрерывным питанием и отбором продукта и отвала;

2. Экспериментальное определение или уточнение параметров разделения, требующихся для расчета разделительных установок, таких как высота теоретической ступени разделения, циркулирующий поток по колонне, оптимальное рабочее давление;

3. Разработка методики расчета и расчет установок разделения 14С и трития применительно к существующим в промышленности задачам.

4. Создание опытно-промышленной установки разделения изотопов неона и оптимизация ее работы.

Научная новизна работы. >

1. Выявлена экстремальная зависимость степени разделения изотопоз в термодиффузионкой колонне от давления. Экспериментально найдено оптимальной давление при разделении изотопов водорода, гелия, неона кислорода.

2. Разработана методика определения потока газа в термодиффузионной колонне по степени ее разделения в режиме с отбором. Практическая значимость работы.

1. Разработана универсальная конструкция термодиффузионной колонны, позволяющая поддерживать постоянное регулируемое натяжение горячего стержня с компенсацией его растяжения при нагревании.

2. Разработана простая и эффективная схема установки непрерывного действия с псевдоисчерпывающей частью, степень извлечения в .которой регулируется при помощи изменения соотношения между потоком питания и отвала

3. Разработана методика расчета и компьютерная программа для определения концентрации целевого изотопа в продукте, в зависимости от величины отбора в широком диапазоне концентраций для установки непрерывного действия.

4. Рассчитаны установки термодиффузионного разделения изотопов 22Ме, 170,3Не, 14С и трития.

5. Создана опытно-промышленная разделения изотопов неона, которая в настоящее время эксплуатируется на ОАО "Раменский приборостроительный завод" производительностью 100 л/год смеси состава неон-22 (50 ± 2 ат.%) + неон-20 (50 ± 2 ат.%).

Апробация работы и публикация результатов исследования.

Основное содержание диссертации опубликовано в 2 статьях. По материалам работы сделаны доклады. на XIII Международной научной конференции "Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул" (г. Звенигород (Ёршово), Московская обл., 5-9 октября 2009 года) и VI Международном конгрессе молодых ученых по химии и химической технологии "МКХТ-2010" (г. Москва, 9 -14 ноября 2010 года).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков и 32 таблицы с экспериментальными и расчетными данными. Список литературы включает 74 наименования.

В литературном обзоре (глава 1) рассмотрены теоретические основы термодиффузии, расчетные и экспериментальные способы определения параметров, необходимых для расчета й оптимизации разделительных колонн, конструкции термодиффузионных колонн.

Обобщены методы определения коэффициента разделения, показана связь его с молекулярной , массой разделяемых газов. Коэффициент разделения а определяется разностью температур АТ между горячей Т? и холодной Г; стенками колонны (АТ=Т2 - Т;) и термодиффузионной постоянной у, которая может быть с некоторым приближением предсказана теоретически и зависит от молекулярных масс М1 и М2 разделяемых веществ, а также от поправочного коэффициента Ят, учитывающего характер межмолекулярных сил:

«=1 + г§, (1)

118 Мг+М, ^ к '

где Т = (Т2+Г^/2 - средняя температура

Расчетные и экспериментальные значения ЯГ приведены в монографии [1] и позволяют рассчитать коэффициенты разделения изотопов водорода, гелия, неона, кислорода и углерода, см. табл. 1.

Таблица 1

Коэффициенты разделения изотопов легких элементов

№ задачи Разделяемая а при а при

смесь изотопов Т2=773КиТ,= 278К Т2=973 КиТГ= 278 К

1 ^е-^е 1,012 1,014

2 "'Не - 4Не 1,007 - 1,036 1,008- 1,042

3 Н2-02 1,08 1,1

3 Нг - Т2 1,12 1,15

4 иСН4 - 14СН4 1,007- 1,010 1,008- 1,012

5 1602 -160|80 1,005 - 1,007 1,006-1,008

5 1602-160'70 1,0007 - 1,004 , 1,0008 - 1,005

5 н216о-н2'8о 1,002- 1,01 1,003 - 1,016

5 н216о-н2"о 1,001 - 1,007 1,0015- 1,008

Значительный разброс в величине коэффициента разделения а для некоторых изотопных смесей обусловлен весьма приближенным расчетом поправочного коэффициента Ят, для которого в [1] указан только возможный диапазон изменений. *

В отличие от ректификационных и химобменных колонн, потоки фаз в термодиффузионной колонне не могут быть заданы произвольно, а определяются из условий термодинамики.

Приближенно поток можно рассчитать по соотношению:

X = , (3) где V - средняя линейная скорость газа, 5 - площадь сечения колонны.

Средняя скорость рассчитывается по выражению: = (4) где р- плотность газа, 7 - вязкость, 8 - 1/2

зазора между горячей и холодной стенками.

Расчет по этим соотношениям затруднен и ¡приводит к значительной неопределенности ввиду того, что в узком зазоре между горячей и холодной стенками имеется высокий градиент температуры и характеристики газа принимаются при усредненной температуре.

Высота теоретической ступени разделения (ВЭТС) Ъ в термодиффузионной колонне составляет:

\ = 1Г+' ^ где Ре = - диффузионный критерий Пекле.

Минимальное значение ВЭТС достигается при Ре = 2л/2 и составляет:

К^г^гв (6)

Таким образом, минимальное значение ВЭТС при термодиффузии определяется только величиной зазора между горячей и холодной стенками и не зависит от природы газа. Требуемое значение критерия Пекле достигается за счет изменения рабочего давления в колонне, зависимость ВЭТС от которого носит ярко выраженный экстремальный характер. В реальной колонне на значение ВЭТС большое влияние оказывают такие параметры, как шероховатость стенок и точность поддержания зазора по высоте колонны. Поэтому точный расчет ВЭТС весьма затруднителен.

В целом из изучения литературы можно сделать вывод, что теория термодиффузии основана на ряде допущений и носит в большой степени эмпирический характер. Она устанавливает связи и закономерности изменения основных параметров разделения, требующихся для расчета колонны, от условий проведения процесса - давления, температур горячей и холодной стенок, зазора между ними и др. Однако рассчитать их значения с точностью, достаточной для инженерных расчетов не представляется возможным. Поэтому для расчета и оптимизации конкретных задач разделения требуются дополнительные экспериментальные данные.

В главе 2 диссертации рассмотрены результаты экспериментального разделения изотопов гелия, неона, кислорода и водорода на лабораторной

экспериментальной установке в безотборном режиме с целью определения оптимального давления.

Разработанная нами термодиффузионная колонна обладала следующими конструктивными особенностями:

1. В качестве горячей стенки использовали полированные стержни из нержавеющей стали и вольфрама диаметром 2-4 мм с прямым пропусканием электрического тока, в отличие от тонкой проволоки или ТЭНов, используемых большинством исследователей. По сравнению с тонкой проволокой использование стержней позволяет получить больший восходящий тепловой поток, т.е. увеличить производительность колонны, а по сравнению с ТЭНами - получить более равномерную температуру и, таким образом, значение ВЭТС приближенное к теоретически возможному.

В качестве холодной стенки использовали полированную изнутри медную трубу, что также позволило достичь низких значений ВЭТС.

2. В качестве устройства для натяжения стержня и компенсации его удлинения при нагреве использовали сильфон, прикрепленный к одному из концов стержня. С обратной стороны сильфона создавали противодавление, позволяющее легко регулировать усилие натяжения и поддерживать его постоянным независимо от удлинения стержня.

3. Температуру горячего стержня определяли по его удлинению, причем последнее регистрировали по передвижению стального шарика на наружной поверхности колонны, приводимому в движение магнитом, прикрепленном к подвижному концу сильфона.

Высота разделительной части колонны составляла Нк=2,03 м, зазор между горячей и холодной стенками составлял 5 мм, температура холодной стенки Тх=278 К.

В качестве рабочих веществ использовали газообразные гелий, водород, неон и кислород. Изопный анализ проводили с использованием масспектрометрического метода для изотопов гелия, неона и кислорода, и спектрального - для изотопов водорода.

В опытах по разделению изотопов неона температуру горячей стенки меняли от 470 К до 1020 К и давление от 1,2 до 6,1 атм. В этой серии опытов показано, что оптимальное рабочее давление не зависит от разности температур между горячей и холодной стенками.

Результаты экспериментов по определению зависимости степени разделения от рабочего давления представлены на рис. 1.

160 140 120 100 х го ео

40 20 О

О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1С

Р, атм

Рис. 1. Зависимость степени разделения термодиффузионной колонны в безотборном режиме при разделении изотопов водорода (ДТ=200 К), гелия (ДТ=200 К), неона (ДТ=700 К) и кислорода(ДТ=700 К)

.' I

Оптимальное давление разделения, как видно из данных рис. 1, уменьшается с увеличением молекулярной массы разделяемых газов и составляет 6 атм. для водорода, 5,6 атм. для гелия, 2 атм для неона и 1 атм для кислорода. Число теоретических ступеней разделения N при оптимальном давлении, рассчитанное по уравнению Фенске для безотборного режима к - <*л, для всех четырех газов оказалось одинаковым и составило 400 теоретических ступеней, что соответствует ВЭТС=0,75 см. Теоретическое значение ВЭТС, рассчитанное по уравнению (6) при 8=2,5 мм должно было составить 0,71 см. Таким образом, отрицательный вклад неидеальности при изготовлении колонны составил 0,04 см.

В главе 3 представлены экспериментальные данные по разделению изотопов неона, водорода, гелия и кислорода в режиме с непрерывным питанием и отбором продукта и отвала.

Для реализации такого режима была разработана схема установи!, см. рис. 2, отличительной особенностью которой является возможность работы с регулируемым исчерпыванием целевого изотопа из сырьевого потока без наличия как таковой исчерпывающей части, т.е. участка колонны, расположенного выше точки ввода сырья.

б

Сырьевой газ. например N6, из баллона (7) подавали в верхний накопительный объем колонны, образованный сильфоном (3), предназначенным также для компенсации удлинения стержня (2) и его натяжения. Постоянное давление в колонне поддерживали с точностью ±0,05 атм при помощи редуктора давления газа, установленном на сырьевом баллоне. Температуру определяли по удлинению стержня с точностью ±5 К, регистрируемому по изменению положения стального шарика (5), расположенного на наружной поверхности объема (6) и перемещаемого при помощи магнита (4), соединенного с сильфоном.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки

Регулируемый отбор продукта осуществляли через вентиль тонкой регулировки (ВРЗ) в заранее откачанный баллон (12). Регулируемый сброс обедненного отвального потока осуществляли через вентиль тонкой регулировки (БР1).

Регулируемое исчерпывание получали путем изменения потока отвала. В верхний накопительный объем поступает сырьевой поток и отвальный поток из колонны. Благодаря наличию нагретой нити и небольшому объему там происходит полное перемешивание и усреднение концентрации. Таким образом, можно считать, что на питание колонны подается газ с усредненной концентрацией. Он же направляется в отвал.

Соответственно, при увеличении отвального потока концентрация в накопительном объеме стремится к концентрации изотопа в сырьевом баллоне. А при уменьшении потока отвала - снижается до величины, определяемой степенью разделения колонны й отбором продукта. Так в одном из опытов по разделению изотопов неона, при исходной концентрации иМе в сырьевом баллоне составляющей 9,46 ат.%, в отвале была достигнута концентрация 2,29 ат.%. При этом в продукте концентрация 22№ составила 14,5 ат.%. В то же время при отвальной концентрации 8,98 ат.% была достигнута концентрация 22Ые в продукте 70,65 ат.%.

Таким образом, разработанная схема позволяет без изменения конструкции колонны (т.е. без переноса точки питания) осуществлять как концентирование, так и исчерпывание по целевому изотопу.

Эксперименты по разделению с отбором продукта проводили с целью определения циркулирующего потока газа по колонне, который не может быть измерен прямым экспериментальным методом.

Эксперименты по разделению с отбором продукта проводили с целью определения циркулирующего потока газа по колонне, который не может быть измерен прямым экспериментальным методом.

На рис. 3 представлена экспериментальная зависимость степени разделения термодиффузионной колонны от отбора продукта для изотопов водорода, неона й кислорода. Ввиду высокой стоимости изотопа 3Не и его 'ограниченной доступности эксперименты с отбором по разделению изотопов гелия не проводили.

Из данных рис. 3 видно, что степень разделения термодиффузионной колонны К в безотборном режиме растет с уменьшением молекулярной . массы разделяемого газа, что .связано с ростом коэффициента разделения а, и падает с увеличением отбора продукта.

В главе 4 разработана методика расчета термодиффузионной колонны, работающей в режиме концентрирования до описанной в главе 3 схеме и методика определения циркулирующего потока газа на основании экспериментальных данных по зависимости степени разделения колонны от отбора.

160 140 120 100 * 80 60

40 20

0

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Отбор, мл/сутки

Рис. 3. Зависимость степени разделения К термодиффузионной колонны от величины отбора продукта (мл/сут) при разделении изотопов водорода, кислорода и неона

На рис. 4 изображена Х-У диаграмма концентрирующей колонны. Уравнение равновесия в широком интервале концентраций можно записать как:

Х= 100а У/( 100+а У-У), (7)

где X (ат.%) - концентрация тяжелого изотопа в нисходящем холодном потоке, У (ат.%)- концентрация тяжелого изотопа в восходящем горячем потоке.

Уравнение рабочей линии: Х=КУ+В, (8)

где К и В зависят от заданных концентраций на верхнем и нижнем концах колонны.

Уравнение'диагонали:

Х=У (9)

Из экспериментов в безотборном режиме известна максимальная достигаемая степень разделения К6. Значит, зная а, по уравнению Фенске для безотборного режима:

1 ; :

II....... 1 1 1

\В0£0Р од

' * ~ т

1 и-.

1 - -/-кислород т- -т- —1 г

Yf Y1 Yi Yb=Xb Y

(гор.

Рис. 4. X-Y диаграмма концентрирующей части колонны поток)

можно определить N, - количество теоретических ступеней ЧТСР для экспериментальной колонны.

Из экспериментов с отбором продукта известна исходная концентрация целевого изотопа в сырье, концентрация его в продукте в зависимости от отбора и отвальная концентрация. Для расчета чиста теоретических ступеней разделения в колонне N была написана компьютерная программа на языке BASIC. При известной концентрации тяжелого изотопа, поступающего в верхнюю часть колонны с холодным газом, целью расчета является поиск такой концентрации его в потоке горячего газа, выходящего из колонны, при которой

расчетное количество ступеней разделения окажется равным экспериментально определенному Г4, из экспериментов в безотборном режиме.

Далее по уравнению материального баланса для концентрирующей части колонны можно определить циркулирующий по колонне поток.

Пусть Ь - поток разделяемого газа по колонне (л/час), тогда, см. рис. 5: ЬХг = ВУь + (Ь-В)Уг Отсюда:'

В-Ь(ХГ-УГ)/(УЪ-У,), Соответственно Ь = В(УЬ-УГ)/ - У,) (11)

1 1 ■ 1 0--В) УГ

в УЬ

г

Рис. 5. Схема материальных потоков по колонне

Очевидно, что значения потока Ь должны получиться одинаковыми при различных отборах. Взяв среднее арифметическое между рассчитанными таким образом значениями потока можно определить истинную величину Ь, которую можно впоследствии использовать для расчета промышленных установок.

В табл. 3 представлены результаты расчета циркулирующего по термодиффузионной колонне потока, проведенного на основании экспериментальных данных по степени разделения в режиме работы с отбором, см. рис. 3.

Из данных табл. 2 видно, что величина циркулирующего потока, приведенная к давлению 1 атм для всех трех газов близка и в пределах точности ее определения составляет около 10 л/час.

Таблица 2

Результаты расчета потока в термодиффузионной колонне по степени разделения при работе ее с отбором

Разделяемый газ Отбор, мл/сут К Поток Ь, л/час (в пересчете на Р=1 атм) л/час

0 134

водород 500 40,34 10,2 10,3

1300 10,96 10,0

3000 4,7 10,6

0 4,4

кислород 200 3,42 12,3 12,8

1200 2,17 13,4

0 28,3

неон 57 20 9,4

163 16,5 9,9 9,4

320 13,8 9,0

490 9,5 9,3.

В главе 5 проведен расчет установок термодиффузионного разделения применительно к сформулированным во введении задачам.

При выборе исходных данных для расчета учитывали следующие обстоятельства. С одной стороны, изменение диаметра термодиффузионной колонны приводит к изменению зазора между горячей и холодной стенками и, соответственно, к изменению ВЭТС и потока по колонне, а с другой стороны, величина зазора ограничена 7 мм. При увеличении высоты колонны существенно. возрастают трудности, связанные с центровкой горячей и холодной стенок относительно друг друга. Поэтому при выборе диаметра колонны приняли те характеристики, которые имела экспериментальная колонна, поскольку для этого случая имеются прямые экспериментальные данные, т.е. внутренний диаметр 13 мм, толщина горячего стержня 3 мм (зазор составляет 5 мм). Выбор высоты ограничили 3 м. Результаты расчета колонн представлены в табл. 4.

Из данных расчета видно, что первые три задачи могут эффективно быть решены при помощи термодиффузии. Концентрирование 14С из отходов радиофармпрепаратов ввиду требуемой весьма высокой концентрации его в продукте при достаточно низкой концентрации в сырье методом термодиффузии затруднительно. Однако, может быть реализована каскадная схема, при которой на первой ступени имеются две колонны, из которых

Таблица 4

Результаты расчета производительности термодиффузионных колонн_

Задача разделения X,, ат.% Хс, ат% Х„, ат.% Н, м В Г,%

Концентрирование 22Ые 8,82 8 50 3 130 л/год 11

Очистка 3Не 99 94 99,5 3 2065 л/год 91

99 94 99,9 3 194 л/год 85,5

Концентрирование трития из отходов 50 5 . 98 2 990 л/год 94,8

Задача разделения Хь ат.% Хр, ат% Хь, ат.% Н, м В Г,%

Концентрирование 14С из отходов радиофармпрепаратов (рабочий газ - метан) 0,5 0,25 5 3 кол. по 3 м в каскаде 28 г/год 57

Концентрирование !70 (рабочий газ -водяной пар) 10 ■ 5 40 3 кол. по 3 м в каскаде 50 г/год 50

Xf - концентрация целевого изотопа в сырье; Хр - концентрация целевого изотопа в отвальном потоке; ХЬ - концентрация целевого изотопа в продукте; Н - высота колонны (принято значение ВЭТС = 1 см); В - производительность установки; Г - степень извлечения целевого изотопа из сырьевого потока

обогащенный газ подается в одну колонну второй ступени, в которой происходит концентрирование |4С до 5 ат.% и исчерпывание до сырьевой концентрации 0,5 ат.%. Далее 14С с концентрацией 5 ат.% может быть доведен до продукта при помощи газоцектрифужного метода. Концентрирование 170 до 40 ат.% также может быть реализовано в каскаде термодиффузионных колонн с двумя колоннами на первой ступени и с одной

колонной на 2-й ступени. Производительность такого каскада составит 50 г в год. При этом задержка вещества в установке составит всего 6 г воды. Для увеличения производительности производства ьО целесообразно использовать несколько параллельно работающих независимых установок.

Для решения задачи концентрирования изотопа 22№ по результатам расчетов создана опытно-промышленная установка, на которой была наработана опытная партия 22№. Полученный газ по изотопной и химической чистоте полностью соответствовал требованиям Заказчика -ОАО "Раменский приборостроительный завод". В настоящее время эта установка эксплуатируется на территории Заказчика. На ней проведена оптимизация рабочего режима, позволившая Повысить производительность установки на 6 % и уменьшить энергетические затраты на 5,6 %.

Выводы.

1. Разработана конструкция термодиффузионной колонны и схема установки с непрерывным питанием и отбором продукта и отвала, отличительными особенностями которых являются:

- наличие сильфона, обеспечивающего постоянное натяжение стержня горячей стенки и компенсацию его удлинения.

- обеспечение в одной колонне как концентрирования, так и регулируемого извлечения целевого изотопа без изменения местоположения точки питания.

2. Выявлена экстремальная зависимость степени разделения изотопов в термодиффузионной колонне от давления. Установлено, что оптимальное рабочее давление, обеспечивающее максимальную степень разделения колонны в безотборном режиме составляет 6 атм для водорода, 5,6 атм для гелия, 2 атм для неона и 1 атм для кислорода.

3. Разработан способ определения потока газа в термодиффузионной колонне по экспериментальной зависимости степени разделения колонны от отбора продукта. Показано, что при диаметре колонны 13 мм и разности температур 200 - 700 К для исследованных газов поток по колонне составляет 9-13 л/час (в пересчете на нормальные условия).

и '

4. Показано, что высота теоретической ступени разделения в разработанной термодиффузионной колонне при оптимальном давлении составляет 0,75 см, что практически совпадает с расчетной величиной (0,72 мм) для идеальной геометрии термодиффузионной колонны.

5. На основании полученных в работе данных рассчитаны термодиффузионные разделительные установки для решения ряда промышленных задач концентрирования изотопов 22№,110,3Не, 14С и трития.

6. Создана и внедрена на предприятии ОАО «Раменский приборостроительный завод» установка термодиффузионного разделения изотопов неона с колонной высотой 3 м диаметром 13 мм, производительностью до 130 л/год по 22Кте с концентрацией 50 ат.%. Проведена оптимизация рабочего режима установки и наработка опытного образца 8 л газа, который по изотопному и химическому составу полностью соответствует требованиям Заказчика.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Пьи Пью Аунг, И.Л. Селиваненко. Получение изотопов неона, водорода и кислорода методом газовой термодиффузии // Перспективные материалы.-спец. Выпуск (8).-февраль 2010.-С.225-229.

2. Пьи Пью Аунг, И.Л. Селиваненко. Эффективность разделения изотопов методом газовой термодиффузии // Успехи в химии и химической технологии: сб. научных трудов.-т. XXIV, № 8.-М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2010.-С.35-39. '

Заказ № 83 _ Объем п.л._Тираж 100 экз.

Издательский центр РХТУ им. Д.И. Менделеева

Термодиффузия является одним из первых методов разделения изотопов. Методом термодиффузии впервые были сконцентрированы многие стабильные изотопы, такие как гелий-3, углерод-13, неон-22 и др. Основное развитие метод получил в 40-50 годы. В последующие годы для основных коммерческих изотопов были реализованы более эффективные, производительные процессы, и количество работ в области термодиффузии резко уменьшилось. Однако в настоящее время возник ряд важных задач, для решения которых использование термодиффузии может быть экономически оправдано. Эго связано с основными преимуществами метода:

- простота и низкая стоимость оборудования имеет огромное значение при малом масштабе производства, (например, при производстве изо гопа 22Ые, потребность в котором для России оценивается в несколько десятков литров в год);

- малая задержка вещества в установке особенно важна при высокой стоимости сырья и самого изотопа (например, при концентрировании изотопа 170, очистке 3Не от следов 4Не), а также при разделении радиоактивных

1Л изотопов (например, трития, С).

Ишерес представляет также возможность использования термодиффузии для разделения изотопов тех элементов, которые имеют газообразные соединения только при сравнительно высокой температуре, при которой не могут быть применены универсальные газовые центрифуги.

Для расчета термодиффузионных разделительных колонн, как и любых

А- 4 других колонн разделения изотопов, необходимо знать коэффициент разделения, высоту теоретической ступени разделения, поток по колонне (который в случае термодиффузии невозможно непосредственно задать и экспериментально измерить), а также зависимость этих величин от рабочих условий процесса. Для теоретического расчета этих параметров в соответствии с достаточно детально разработанной теорией термодиффузии требуется значительное число характеристик газа в широком температурном интервале -от температуры холодной стенки колонны до температуры горячей стенки, которая может достигать нескольких сотен градусов Цельсия. Обычно эти величины известны лишь по эмпирическим уравнениям с небольшой точностью. Сложно также учесть погрешности в изготовлении колонн, а именно неточности в центровке горячей и холодной стенки относительно друг друга, шероховатость этих стенок, что существенно влияет в худшую сторону на эффективность разделения. Поэтому реальные параметры разделительной установки могут значительно отличаться от расчетных. Экспериментальное уточнение указанных выше параметров является необходимой стадией создания изотопных производств, основанных на методе термодиффузии. Это позволяет определить оптимальные рабочие' условия для конкретной задачи разделения и наилучшим образом организовать схему разделительной установки. Наиболее целесообразно для этой цели создание универсальной экспериментальной установки с термодиффузионной разделительной колонной и проведение на ней экспериментов по разделению требуемых газовых изотопных смесей при различных условиях. Экспериментально полученная зависимость степени разделения колонны от давления позволяет определить давление, при котором достигается максимальная степень разделения для г. конкретной разделяемой смеси. Зависимость степени разделения колонны при работе ее с отбором продукта позволяет уточнить коэффициент разделения и поток газа в колонне. В соответствии с вышесказанным, целью настоя щей работы является создание такой исследовательской термодиффузионной установки и наработка на ней массива данных, позволяющих оптимальным образом организовать термодиффузионное производство ряда изотопов легких элементов, представляющих в настоящее момент коммерческий интерес.

выводы

1. Разработана конструкция термодиффузионной колонны и схема установки с непрерывным питанием и отбором продукта и отвала, отличительными особенностями которых являются:

- наличие сильфона, обеспечивающего постоянное натяжение стержня горячей стенки и компенсацию его удлинения.

- обеспечение в одной колонне как концентрирования, так и регулируемого извлечения целевого изотопа без изменения местоположения точки питания.

2. Выявлена экстремальная зависимость степени разделения изотопов в термодиффузионной колонне от давления. Установлено, что оптимальное рабочее давление, обеспечивающее максимальную степень разделения колонны в безотборном режиме составляет 6 атм для водорода, 5,6 атм для гелия, 2 атм для неона и 1 атм для кислорода.

3. Разработан способ определения потока газа в термодиффузионной колонне по экспериментальной зависимости степени разделения колонны от отбора /■ продукта. Показано, что при диаметре колонны 13 мм и разности температур 200 — 700 К для исследованных газов поток по колонне составляет 9-13 л/час в пересчете на нормальные условия).

4. Показано, что высота теоретической ступени разделения в разработанной термодиффузионной колонне при оптимальном давлении составляет 0,75 см, что практически совпадает с расчетной величиной (0,72 мм) для идеальной геометрии термодиффузионной колонны.

5. На основании полученных в работе данных рассчитаны термодиффузионные разделительные установки для решения ряда промышленных задач

22 IV 3 14 концентрирования изотопов О, Не, С и трития.

6. Создана и внедрена на предприятии ОАО «Раменский приборостроительный завод» установка термодиффузионного разделения изотопов неона с колонной высотой 3 м диаметром 13 мм, производительностью до 130 л/год по ~ Ие с концентрацией 50 ат.%. Проведена оптимизация рабочего режима установки и наработка опытного образца 8 л газа, который по изотопному и химическому составу полностью соответствует требованиям Заказчика.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Пьи Пью Аунг, И.Л. Селиваненко. Получение изотопов неона, водорода и кислорода методом газовой термодиффузии // Перспективные материалы.-спец. Выпуск (8).-февраль 2010.-С.225-229. О

2. Пьи Пью Аунг, И.Л. Селиваненко. Эффективность разделения изотопов методом газовой термодиффузии // Успехи в химии и химической технологии: сб. научных трудов.-т. XXIV, № 8.-М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2010.-С.35-39.

1. Шашков А.Г., Золотухина А.Ф., Василенко В.Б. Фактор термодиффузии газовых смесей. Методы определения. Минск "Белорусская наука", под. ред. академика С.А. Жданка.-2007 г.-240 с.

2. Рабинович Т.Д. Разделение изотопов и других смесей термодиффузией. Москва, Атомиздат.-1982 г.-144 с.

3. Чепмен С., Каулинг Т. Математическая теория неоднородных газов.-ИЛ.-М.,1960.-187 с.

4. Kihara T.J. // Phys.Soc.Jap.-1951,Vol.6.-p.l84.

5. Косов Н.Д., Богатырев А.Ф., Курлапов Л.И. Неизотермическая диффузия в газах. Сб. "Тепло- и массоперенос", т.7. Физические параметры тепло- и массопереноса. Минск, 1968.-С.507-517.

6. Богатырев А.Ф. Термодиффузия в разреженных и умеренно плотных газовых смесях. Дисс. д-ра техн. наук, Алма-Ата, 1981.-236 с.

7. A.M. Розен. Теория разделения изотопов в колоннах. Издательство государственного комитета Совета министров СССР по использованию атомной энергии.-Москва, 1960 г.- 439 с.

8. Джонс К., Ферри В. Разделение изотопов методом термодиффузии. М., Изд-во иностр. лит.-l947.-365 с.

9. Clusius К., Dickel G.//Z.phys.chem.-1939/-Abt. В, BD 44, N 5/6, s.451-473

10. Schwind R.A., Rutherford W.M./ in: Radiophann. Label. Compounds,

11. Proc.Symph.New Develop. Radiopharm Label Compounds. 1973, В 2, p.255-266 IAEA, Vienna, Austria.

12. Clusius K., Dickel G.//Z.phys.chem.-1939/-Abt. B, BD 44, N 5/6, s.397-450

13. Meinrenken J./Z.Naturforsch., 1967, Bd 22a, S. 1261-1266.

14. Vasaru G. Separarea isotopilor prin termodifuzie. — Bucuresti, Ed. Acad. R.S. Romania, 1972.

15. Alexander K.F., Krecker U. Kernenergie, 1958, Bd 1, N 6, S. 437-439

16. Schirdewahn J., Klemm A., Waldmann L. Z. Naturlorsch., 1961, Bd 16a, N2, S. 133-144

17. Slieker C.J.G., de Vries A.S. — J. chim. phys. et phys.-chim. biolog., 1963, v. 60, N 1-2, p. 172-179

18. Девятых Г.Г., Борисов Г.К. —Жури. физ. химии, 1963, т. 37, № 9 с. 1985—1988

19. Резерфорд В.М., Уилер Ф.В., Эк К.Ф. Приборы для научных иссле дований. Пер. с англ. М., Мир, 1968, № 1, с. 96—102

20. Thermal diffusion column. Berlin, YEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, 1969. Aut.:G. Vasaru, G. Muller, G. Reinhold e.a.

21. Jones A.L., Milberger E.G. US Patent N 2742154, Apr. 17, 195621. де Гроот С.Р. Термодинамика необратимых процессов. М., ГИТТЛ, 1956.

22. Гола С., Кураш М., Ланда С. — В кн.: Сб. хим.-технол. инугав Праге.1. Прага, 1964, с. 45—74

23. Jones A.L., Huges E.G. -US Patent N 2541069, Feb. 13, 1951

24. Jones A.L., Milberger B.C. US Patent N 2712386, July 5, 1955

25. Ямамото M., Такахаси M., Имаока M„ Хасиока Т. — Нихон Кагаку дзасси, 1968, т. 89, № 9, с, 339—843. (Пер. с японского № 10158, Белор. торг .-пром. палата)

26. Meinrenken J. Z. Naturforsch., 1967, Bd 22a, S. 1261-1266

27. Roos W.J., Rutherford W.M. J. Chem. Phys., 1969, v. 50, N 1 p. 424-429

28. Heintz A., Lichtenthaler R.N., Schdfer K. Ber. Bunsen - Ges., 19711, Bd 79, N5,8.426-432

29. Rutherford W.M. J. Chem. Phys., 1965, v. 42, N 3, p. 869-872

30. Clusius K., Dickel G. Naturwissenschaften, 1939, Bd 27, N 9, S. 148-149i

31. Korsching H., Wirtz K. Naturwissenschaften, 1939, Bd 27, N 20/21, S. 367-368

32. Israel G.W. Z. Naturforsch., 1962, Bd 17a, N 10, S. 925-929

33. GonsiorB. Z. angew. Phys., 1961, Bd 13, N 12, S. 545-54

34. Buttler H., WiikB. -Science, 1965, v. 149. N 3690, p. 1371-1373

35. Almqmst E.,' Allen K.W., Sanders J.H. Rev. Sclent. Instrum., 1955, v. 26, N7, p. 649-651

36. Thermal diffusion column. Berlin, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, 1969. Aut.:G. Vasaru, G. Muller, G. Reinhold e.a.

37. Vasaru G. Separarea isotopilor prin termodifuzie. — Bucuresti, Ed. Acad. R.S. Romania, 1972

38. Mclnteer B.B., Aldrich L.T., Nier A.O. Phys. Rev., 1948, v. 74, N 8, p. 946-949

39. Schuette O.F., Zucker A., Watson W.W. Rev. Sei. Instrum., 1950, v. 21, N 12,p. 1016-1018

40. Liner J.C. AEG Research and Develop., Rep. MLM-2296, 1975

41. Nier A.O. Phys. Rev., 1940, v. 57, N 1, p. 30-34

42. Clusius K., Dickel G. Heiv. phys.-acta, 1950, v. 23, p. 103-107

43. Clusius K., Bilhler H.H. Z. Naturforsch., 1954, Bd 9a, N 9, S 775-783

44. Rutherford W.M., Keller J.M. J. Chem. Phys., 1966, v. 44, N2 p. 723-731

45. SchwindR.A., Chem. and Process Engng, 1969, N 7, p. 75-78

46. Alexander K.F., Krecker U. Kernenergie, 1958, Bd 1, N 6, S. 437-439

47. Панченков Г.М., Моисеев В.Д. — Жури. физ. хим., 1956, т. 30. № 7, с. 1662—1667

48. Sakata Н. Matsuda К., Takeda Е. J. Phys. Soc. Japan, 1953, v. 8, N 3, p. 313-317

49. Туницкий H.H., Девятых Г.Г., Тихомиров M.B. и др. —В кн.: Полу чение изотопов. М., АН СССР, 1958

50. Anderson B.C., Libby W.F. Phys. Rev., 1947, v. 72, N 10, p. 931-936

51. Grootes P.M., de Vries A.E., Mook W.G. e.a. Z. Naturforsch., 1975,1. Bd30a,Nl,p. 1-14

52. Clusius К. -Helv.chim. acta, 1950, v. 33, N 7, p. 2134-2152

53. Рабинович Г.Д. —Инж.-физ. журн., 1974, т. 26, №1,с. 68—78

54. Spindel W., Taylor T.L. J. Chem. Phys., 1955, v. 23, N 7,1 p. 1318-1322

55. Clusius K., Franzosini P. Z. Naturforsch., 1957, Bd 12 a, S. 621-629

56. Clusius K., Dickel G., Becker E. Naturwissenschaften, 1943, Bd 31, S. 210

57. Clusius K., Schleich K. Helv. chim. acta, 1962, v. 45, N 5 p.1702-1721

58. Семиохин И.А., Агеев Е.П., Панченков Г.М. и др. —-Журн. физ. хим., 1962, т. 36, № 1, с. 124—129

59. Агеев Е.П., Панченков Г.М, — Атомная энергия, 1963, т. 14, № 5, с. 494—496

60. Ямамото М., Такахаси М., Имаока М„ Хасиока Т. — Нихон Кагаку дзасси, 1968, т. 89, № 9, с, 339—843. (Пер. с японского № 10158, Белор. торг .-пром. палата)

61. Rutherford W.M., Roos W.J., Kaminski K.J. J. Chem. Phys., 1969, v. 50, N 12. d. 5359-5365

62. Narten A.H., Landau L. -J. Chem. Phys., 1965, v. 43,N2,p. 751-755

63. Clusius K., Schleich K. Helv. chim. acta, 1962, v. 45, N 5 p. 1702-1721

64. Clusius K., Dickel G. Naturwissenschaften, 1938, Bd 26, J 33, S. 546

65. Dickel G., Clusius K. Z. Naturforsch., 1940, Bd 28, N 29, S. 461-462

66. Watson W.W., Onsager L., Zucker A. Rev. Sci. Instrum., 1949, v. 20, N 12, p. 924-927

67. Котоусов JI.C., Мартынов E.M., Степанов Ю.П. — Атомная энергия, 1961, т. 10, №6, с. 632—633

68. Clusius К., Huber М., Hurzeler Н., Schumacher Е. — Z. Naturforsch., 1956, Bdalla, S. 702-709

69. Rutherford W.M. AEC Res. and Dev. Rep. MLM 2118, 1974

70. Физические величины. Справочник под. ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова.-М.,"Энергоатомиздат".-1991.-1232 с.70. Гелий-3. ТУ 95 783-90Е

71. П.Л. Капица. О сверхтекучести гелия-П // М., 1944.-Успехи физических наук.-т. XXVI, вып.2.-с.133-143

72. Н. Yamakawa, S.Mori, Y. Takenag et all., Effect of Cold Wall Temperature of Thermal Diffusion Column on 14N15N-I4N2 Isotope Separation // Journal of Nuclear Science and Technology, Vol.8, No 8.(August 2000)-p.710-715

73. H. Yamakawa, K. Matsumoto, Y. Enokida et all., Numerical Analysis of Dynamic Behavior at Start-up of the Thermal Diffusion Column for Hydrogen Isotope Separation // Journal of Nuclear Science and Technology, Vol.36, No 2. (February 1999)-p. 198-203

74. N. Kobayashi, R. Hirano, Y. Enokida et all. Isotope Separation of H2-HD Gas Mixture with "Cryogenic-Wall" Thermal Diffusion Column with a Heated Tube // Journal of Nuclear Science and Technology, Vol.39, No 4.(April 2002)-p.431-434