автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.02, диссертация на тему:Разработка и моделирование непрерывного процесса иодидного рафинирования титана, циркония и гафния в проточной системе

На правах рукописи Для служебного пользоватш

Ш001

ФРОЛОВ ВИКТОР СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕПРЕРЬШНОГО ПРОЦЕССА ИОДИДИОГО РАФИНИРОВАНИЯ ТИТАНА, ЦИРКОНИЯ И ГАФНИЯ В ПРОТОЧНОЙ СИСТЕМЕ

05.17.02 - Технология редких, рассеянных и радиоактивных элементов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Исх. № ИП-13.3/27 ДСП от 15.11.2000

Москва - 2000 г.

Работа выполнена технологии редких и рассеянных элементов Российского химико-технологического университета им.Д.И.Менделеева

Научные руководители: кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник |3,Б.МУХАМЕТШРГНА] ; доктор химических наук, профессор

А.М.ЧЕКМАРЕВ.

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Нечаев В.В.; кандидат химических наук, Коцаръ М. Л

Ведущая организация - Всеросийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. Бочвара

Защита диссертации состоится «_»_2000 г. в_час.

в ауд._

на заседании диссертационного совета Д 053.34.12 в Российском химико-технологическом университе им.Д.И.Менделеева по адресу: 125047, г. Москва, Миусская пл., д. 9.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-информационном центре РХТ им. Д. И. Менделеева_________

Автореферат диссертации разослан «_»_2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 053.34.12

Е.ИЛибрикина

ОО

* л 1 1__... 5ЛПЛ

-1. -газа.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальпость работы. Расширение областей применения высокочистых титана, циркония и гафния влечет за собой непрерывный рост их производства. В промышленности высокочистые Тц 7.x и ИГ получают в замкнутых промышленных аппаратах иодидного рафинирования типа Ц-40, обладающих такими недостатками, как низкая производительность процесса и его периодичность. Чтобы усовершенствовать процесс иодидного рафинирования был предложен проточный метод, в котором процессы синтеза и разложения тетраиодида происходят в разных аппаратах, обеспечивающих возможность повышения скорости каждой из стадий и создания условий для осуществления непрерывного процесса. Такое усовершенствование процесса иодидного рафинирования может привести к расширению сфер и масштабов его применения для очистки металлов, которые в принципе могут быть очищены с использованием транспортных реакций.

Исследования, проведенные ранее в РХТУ им. Д.И.Менделсева, позволили выделить направление разработок по совершенствованию проточного метода: повышение эффективности стадий синтеза и разложения иодидов металлов и исследования по поведению примесей в проточной системе. На текущей стадии разработки метода необходимо было создать замкнутый непрерывный цикл с возвратом в начало технологической схемы иода и тетраиодидов титана, циркония и гафния, чтобы избежать потерь дорогостоящего реагента, что важно не только для достижения хороших экономических показателей процесса по сравнению с действующими в промышленности аппаратами иодидного рафинирования, по и с точки зрения охраны окружающей среды.

Цель работы. Разработка непрерывной рециркуляции иода в существующей проточной установке иодидного рафинирования металлов с индукционно нагреваемой поверхностью и связанная с этим оптимизация процесса в целом.

В задачи исследований входило: - обоснование и выбор оптимальных параметрой.протм

ния для рафинирования титана циркония и гафния; лнгарстур^

\ т;*.4^ псльгоюни!

-2- разработка технологической схемы рециркуляции иода и иодидов с помощью

сублимационного-десублимационного узла (СДУ);

- оптимизация, моделирование и масштабирование непрерывной проточной установки иодидного рафинирования циркония с рециркуляцией для режимов, обеспечивающих преимущество по удельной производительности иодидного циркония по сравнению с действующим в промышленности аппаратом иодидного рафинирования циркония Ц-40.

- выдача исходных данных для разработки конструкторской документации на изготовление промышленной установки непрерывного действия.

Научная новизна. Исследованы процессы осаждения титана, циркония и гафния в проточной системе на индукционно нагреваемой ВЧ-полем подложке в интервалах температур 1200-1600°С и расходов тетраиодидов 23-140 г/см2-ч. Создана впервые газодинамическая модель процессов разложения тетраиодидов металлов и определены кинетические характеристики разложения.

Исследованы процессы десублимации и сублимации потока тетраиодида циркония. Изучена возможность дополнительной очистки от примесей титана, циркония и гафния в СДУ на стадии сублимации и определены соответствующие группы примесей.

Определены факторы, влияющие на степень разложения 2г14 в проточном реакторе. Исследована морфология полученных осадков циркония на цилиндрической трубке и влияние аргона и водорода на кинетику разложения тетраиодида циркония. ^_________

Пра1т»ческаяч<енност£ТШ>оты7Разработана и оптимизирована непрерывная проточная установка иодидного рафинирования титана, циркония и гафния с рециркуляцией. Установлены способы, повышения производительности непрерывной проточной установки с рециркуляцией. Показана возможность дополнительной очистки от примесей в установке на стадии сублимации. Показано преимущество предложенного способа иодидного рафинирования: удельная (объемная) производительность непрерывной установки в 4 раза выше по сравнению с периодическим аппаратом иодидного рафинирования циркония Ц-40.

Выданы исходные данные для разработки конструкторской документации на изготовление промышленной непрерывной проточной установки. Апробацпя работы. Материалы диссертации докладывались на XII и XIII Международной конференции молодых ученых (г.Москва, РХТУ, 1998, 1999 гг.). Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы. Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, аналитического обзора, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 25 таблиц, 64 рисунка, библиографический список - 107 наименований.

Объекты и методы исследований.

Для исследования процесса разложения тетраиодидов Ti, Zr, и Hf использовали иод марки 'ч' и стружки титана, циркония и гафния, исходные для производства иодидных металлов. Применяли методы электронной микроскопии и масс-спекроскопии (спектрофотометр Video 22, Thermo Jarrel Ash, США).

Содержание работы В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассмотрено современное состояние вопроса иодидного рафинировании титана, циркония и гафния в замкнутых н проточных аппаратах. В литературе широко представлены сведения о моделировании процесса осаждения и поведения примесей в замкнутых аппаратах. Приведены схемы и характеристики проточных аппаратов. Однако, до настоящего времени не нашел оптимального решения вопрос рециркуляции иода в проточной системе после разложения тетраиодидов титана, циркония и гафния. Это, а также отсутствие сведений о разработке проточной схемы с техническими характеристиками, обеспечивающими конкурентоспособность и преимущества (производительности, расходам реагентов, занимаемой производственной площади) по сравнению с современными промышленными аппаратами иодидного рафинирования, сдерживают совершенствование нроточного способа рафинирования титана, циркония и гафния. Рассмотрена возможность применения в проточной системе различных описанных вариантов конструкций промышленных аппаратов сублимации и десублимации для рецикла иода и тетраиодидов металлов.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена нахождению оптимальных параметров процесса разложения тетраиодидов титана, циркония и гафния на индукционно нагреваемой подложке в проточпом реакторе для расчета материального баланса потоков иодидов при разработке непрерывной проточной схемы с рециркуляцией. Анализ возможности применения моделей реактора разложения предложенных в предыдущих работах показал, что все модели имеют ограниченную область применения (в интервале расходов тетраиодида циркония 30-60 г/см2-ч и температур 1550-1600°С, ниже 30 г/см2-ч не соблюдается материальный баланс, выше 60 г/см2-ч отсутствуют систематические экспериментальные данные) и не дают возможность выбрать оптимальные параметры осаждения. Исследования процесса разложения тетраиодидов титана, циркония и гафния в интервалах расходов тетраиодидов 23-140 г/си2-ч и температур подложки 1200-1600°С на уста-

-Риеггароточная установка иодидного рафинирования металлов. 1 - реактор осаждения; 2- индуктор ВЧ; 3 - секция с металлом; 4 - секция с иодом; 5 - трубчатые печи; 6 - подложка; 7 - термостатирующие насадки; 8 - накопитель иодидов; 9 - азотная ловушка; 10 - форвакуумный насос; 11 - вакуумметр ВИТ-1.

Согласно предложенной газодинамической модели процесса разложения тетраиодидов металлов (рис.3), подложка может находиться в трех положениях относительно траектории газа и только в среднем положении обеспечивается

новке, показанной на рис.1,

£

позволили найти оптимальные

Рис.2 Зависимости скорости осаждения II, 7л и Н1~ от высоты подложки над соплом в диапазонах температур Тп=1200-1250; 1350-1400; 1450-1500; 1550-1500иС с диапазоне расходов ТП4, 1т\4, НЯ4 в,,,=23-32; 41-55; 132-140 г/см2-ч,

сопла^по,гтажки~0)5 — И, I ^сопла^полложки~0,25 — Zг).

равномерное и полное перекрытие потока, и видимо, при этой высоте и будут создаваться наиболее благоприятные условия для осаждения. На этом основании были получены оптимальные зависимости, связывающие диаметр сечения потока, высоту сечения и длину сопла между собой:

Рис.3 Схема движения газового потока в реакторе осаждения металлов.

1 - сопло; 2 - подложка в положении 'А'; 3 - траектория газового потока; 4 -

стенка реактора.

2 * Нпод 2 - Нпол

^НОД ^СОП '( 1)? ГС0П ; Нп()л — 0,5 • 1Ч<.'1) ' (^ПОД / ^СОП " 1)?

^-Ч'ПЦ (^под'^соп

где ё„м, Нпод - диаметр и высота подвеса подложки; ¿соп, Ьсо„ диаметр и длина сопла. Значения расчетных оптимальных высот, при которых должны создаваться наиболее благоприятные условия осаждения, и экспериментальные высоты, при которых наблюдался максимум скоростей осаждения титана ниркония и гафния, хорошо согласуются (табл. 1). С помощью выведенного уравнения критерия Рейнольдса в при оптимальных параметрах реактора осаждения:

Геометрические параметры реактора осаждения, при которых наблюдался мак-

симум скорости осаждения металлов.

Диаметр сопла Диаметр Отно- Длина Расчетная вы- Экспериментальная

de, ММ. подложки шение: соила, сота подложки высота подложки

dnoa, мм. dc/duoA l^CQB над соплом над соплом Ппод,

ММ. Ншд, мм. мм.

6-9-Zr

8 16 0,5 14 7 5-8-Hf

7-Ti

4 16 0,25 14 21 18-22-Zr

4-G

Re ------------------------

3,14 ■ ц - Dton -[1+2 -IU / Lcon ]

в развитие газодинамического подхода к описанию процессов разложения тет-раиодидов было получено регрессионное уравнение зависимости скорости осаждения циркония от критерия Рейнольдса (Re), которое учитывает геометрические параметры реактора осаждения (Döin, Ппод, Lcon) скорость потока тетраиоди-да циркония (G), вязкость (ц) и связанную с ней температуру потока (рис.4):

при ТПОДЯОЖ=1550-1600°С. ложения 'Ш4, Ег^, ШТ4 при Сул=41-55

г/см2-ч в точках оптимума. Л^Ке0-3.

Сравнением кинетических характеристик осаждения трех металлов (рис.5) была установлена закономерность снижения степени превращения потока тетраио-дида в ряду гитан, цирконий, гафний при одинаковых газодинамических уело-

виях. Расчет энергий активации по температурной зависимости скорости осаждения показал, что значение энергии активации снижается в ряду титан (Еа=103 кДж/моль), цирконий (Еа=46,2 кДж/моль) и гафний (Еа=31,б кДж/моль), то есть реакция осаждения в ряду смещается в диффузионную область. ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена разработке технологии рециркуляции иода и ио-дидов с помощью СДУ. Проточная установка, использовавшаяся в предыдущих работах, представляла собой открытую по материальным потокам схему (рис.6), в которой из-за отсутствия рециркуляции требовались значительные затраты иода на рафинирование металлов (например, при рафинировании 7г не менее 556 г иода на 100 г стружки 7т, тогда как в Ц-40 затраты иода 2-3 г иода).

Рис.6 Схема материальных потоков в проточной установке.

Для замыкания потоков необходимо конденсировать некоторое количество иода и тетраиодида на выходе из реактора осаждения, а затем испарять на входе в секцию загрязненного металла с помощью узла двойного действия сублиматора - десублимагора (СДУ). На основании литературных данных, была выбрана конструкция аппарата и методика его расчета, по которой на ЭВМ составили программу расчета геометрических размеров аппарата. По результатам расчета изготовили аппарат из кварца, состоящий из основных элементов - кожуховой трубы, теплообменной трубы, являющейся рабочей поверхностью теплопередачи, кармана для термопары и электрического нагревателя теплообменной трубы. Аппарат работает следующим образом: в режиме десублимации на теплообменной трубе через патрубок конденсируется парогазовая смесь (ПГС), для перевода в режим сублимации после слива хладагента включали нагревательный элемент. Аппарат был испытан на десублимацию тетраиодида циркония с последующей сублимацией. На рис.7 представлена зависимость степени десублимации тетраиодида циркония от его расхода, из которой следует, что при расходах более 105 г/ч степень десублимации падает.

G (Zrl4), г/ч

Я5 2

300 400

t сгекки, фВД-С

у=< ),0171еошл / « /

♦

-1-Г"—Т—■■■■

500

Рис.7 Зависимость степени десублимации тетраиодида циркония от его расхода и скорости сублимации тетраиодида от температуры стенки СДУ.

Максимальные значения степени десублимации, составляющие 99,5+/-0,60%, достигнуты при расходе не более чем 105 г/ч. Из результатов экспериментов по испытанию СДУ в режиме сублимации (рис.7) следует, что скорость сублимации тетраиодида циркония возрастает с увеличением температуры стенки аппарата. В результате аппроксимации экспериментальных точек была получена экспоненциальная зависимость GZr,4=0.0171 -е0007 ^., по которой рассчитывали температуру теплообменной трубы, необходимую для десублимации ПГС с заданной скоростью. Обеспечить непрерывность иодидного рафинирования можно с двумя подобными узлами СДУ, подключив их к проточной установке параллельно. Аппараты в схеме рецикла работают попеременно на сублимацию и десублимацию. ^—--—

---Для"о!ггамалшой работы СДУ аппаратов проведено согласование с узлами проточной установки, определяющими скорость потока циркулирующих ио-дидов, с помощью сравнительного анализа разработанной непрерывной проточной схемы с характеристиками применяемого в настоящее время промышленного аппарата иодидного рафинирования Ц-40 (см табл.2). Из расчетных параметров были выбраны оптимальные скорости подачи тетраиодида в реактор осаждения, при которых производительность проточной установки с рециркуляцией в 2-4 раза выше, чем в промышленном аппарате Ц-40 (п/п.2-4 табл.2), а затраты

Сравнительные показатели работы замкнутого периодического аппарата иодидного рафинирования типа Ц-40, полупериодической проточной и непрерывной проточной установок для с1сопла/с1подложки=0,5 и 0,25.

Производи- Расход Производительность по 7л т„, г (за 35 ч) Коэфиц. соответствия проточного - числу замкутых апп. Кс= гпц/ 38,5 Исходная загрузка иода тп, г Исходная загрузка шихты тгг, г

№ п/п Опод/ dcon тель-кость по Zr R, г/ч гг14 О/гМ, г/ч замкнутый Ц-40 проточный без рециркуляции проточный с рециркуляцией замкнутый Ц-40 проточный без рециркуляции проточный с рециркуляцией

1 0,5 1,1 7,6 38,5 1 1,2 225,4 6,4 120 43 43

2 0,5 2,0 14,2 70,0 2 2,4 421,2 12 240 78 78

3 0,5 2,85 22,2 99,75 3 3,6 658,4 18,7 360 111 111

4 0,5 4,0 36,4 140,0 4 4,8 1076,2 30,7 480 156 156

5 0,5 8,0 120,0 280,0 7 8,4 3559,2 101,4 840 311 311

6 0,5 12,0 216,5 420,0 И 13,2 6421,4 182,9 1320 467 467

7 0,25 1,1 16,4 38,5 1 1,2 486,4 13,8 120 43 43

8 0,25 2,0 36,4 70,0 2 2,4 1079,6 30,7 240 78 78

9 0,25 2,85 50,9 99,75 3 3,6 1509,7 43 360 111 111

10 0,25 4,0 76,4 140,0 4 4,8 2266,0 64,5 480 156 156

И 0,25 8,0 169,1 280,0 7 8,4 5015,5 142,9 840 311 311

12 0,25 12,0 289,1 420,0 11 13,2 8574,7 244,3 1320 467 467

Содержание 7х в исходной шихте 98%.

иода минимальны, при этом степень превращения тетраиодида циркония составляет 92-72%. За пределами этого интервала при небольшом увеличении производительности степень превращения быстро падает, а затраты резко увеличиваются по сравнению с промышленным процессом. Затраты иода в проточной установке без рециркуляции на порядки превышают затраты с рециркуляцией (см. табл.2). Установлено, что существует потенциальная возможность улучшить показатели процесса при нахождении способов повышения степени превращения потока тетраиодида при расходах более 36 г/ч.

Из рис.8 следует, что степень выработки шихты в проточной установке выше, так как во-первых, иода в нем гораздо больше, чем 1-2% от массы шихты (в

промышленном), поэтому его доста-период точно, чтобы компенсировать Ш11Л возможные потери. Во-вторых, в зоне синтеза шихты, где могут образовыва-

проточ

и.иепр ться низшие иодиды металла, темпера-ер.

туры однородны и достаточно велики (500-600°С), что предотвращает значительное накопление низших иодидов.

'Ч 'Г г Игг

0 4 8 12 16 Производительность, г/ч

Рис.8 Зависимость исходной загрузки шихты в замкнутый аппарат типа Ц-40 и в проточную непрерывную установку от необходимой производительности.

Эксперимейтй'сразработанным СДУ в режиме десублимации показали, что степень улавливания иодидов зависит от скорости потока и не достигает 100% в выбранных режимах. Поэтому для обеспечения непрерывности потребуется восполнять потери иода. Предложена методика расчета времени (с помощью уравнения суммы геометрической прогрессии см. ниже)), через которое необходимо восполнять потери иода, исходя из необходимой минимальной загрузки, с которой заканчивается преимущество по производительности проточной непрерывной установки перед замкнутым аппаратом (см. табл.3).

- и -

ь, • (ч" -1) Сгр • (0,99535 -1)

8=---------=--------------= 32 • С£тр-32 ■ (С,гтр 4- СМ4тр ) г.

д -1 0,995 -1

где п- количество часов; ц - степень десублимации; 01р - расход ПГС за 1ч без учета потерь.

Таблица 3.

__Потери иода на стадии десублимации за 35ч. _

п/п Исходный иод, г <J тр- о rç, + О тр, г/ч G'Vr/ч <J тр, г/ч Потери Ь,г Время, за которое исх. масса иода сравняется с п/п 1 табл.2.(12,8 г), час

1 24,0 12,2 11,2 1,0 1,04 282

2 37,5 19,3 15.9 3,4 1,65 546

3 61,5 32,4 22,3 10,1 2,77 949

Иод и иодиды, выведенные из установки, не теряются безвозвратно, замораживаясь в ловушке перед вакуумным насосом. Степень десублимации ПГС, вероятно, можно повысить применением более совершенной конструкции СДУ.

В связи с тем, что скорость сублимации иодидов примесей различна, были рассчитаны скорости сублимации иодидов примесей, проведено сравнение со скоростью сублимации основных иодидов (Til4, Zrl4, НП4) с целью изучения возможности повышения степени очистки на стадии сублимации. Были определены примеси, от которых возможна подобная очистка для каждого отдельного тетраиодида Ti, Zr и Hf: примеси возгоняются не хуже тетраиодида циркония: H flt, TiLj, A1I3, S ni,, SÍI4, Blj, Znl2, VI2, также примеси, от которых возможна очистка с помощью СДУ: Mnl2, Niï2, CoI2, Cul, Cal2, Mgl2, Crl3, Fel2, Nbl5, Bel2, Crl2; для НЯ4 иодиды примесей, очистка or которых не происходит в СДУ: Zrl4, TÍI4, Snl4, Sil), BI3, Znl2, VI2, иодиды, от которых возможна очистка: A1I3, Мп12, Nil2, CoI2, Cul, Cal2, Mgl2, Crl3, Fel2, Nbl5, Bel2, Crl2; для Til4 иодиды, остающиеся в потоке через СДУ: Zrl4, Hfl4, Bel2, A1I3, Snl4, Sil4, BI3, Znl2, VI2) иодвды, от которых возможна очистка потока с помощью СДУ: Mnl2, Nil2, CoI2, Cul, Cal2, MgI2,CrI3, FeI2,NbI5,CrI2.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ приведены результаты исследований по повышению производительности проточной установки рафинирования циркония. Эксперименты заключались в применении подложки продольной конфигурации относи-

тельно оси потока, с площадью осаждения на порядок превышающую площадь подложки в предыдущих экспериментах и в применении плазмообразующих газов в зоне осаждения аргона и водорода. Найденные зависимости степеней превращения (рис.9) в этих экспериментах позволили сделать вывод о том, что повышения степени превращения тетраиодида циркония и производительности проточной установки можно добиться увеличением поверхности осаждения (на 16%) и применением продольной по отношению к потоку конфигурации подложки и плазмохимической активацией тетраиодида с помощью добавок

65 60

100 200 в, г/ч

-в-Т=1350-1400 кз тордевой пов.бсз добавок Н2 и Аг

■ Т=1350-1400 на трубке

О Т=1350-1400 с водородом

Т=1350-1400с аргоном

100 200 в, г/ч

Йг-Т=1550-1600на торцевой пов.бсз добавок Н2иАг 1 А Т=1550-1б00т чрубке

« 1=1550-1600 с водородом

В Т=1550-1600 с аргоном

Рис.9 Зависимость выхода тетраиодида циркония в 7л от расхода 7x14 в диапазоне температур Тп=1350-1400 и 1550-1600° С в экспериментах по осаждению на таблетке (торцевая поверхность 8=2 см2), на цилиндрической поверхности (8=38 см2) и с добавками Н2 (0,5 л/мин) и Аг (0,2 л/мин) на таблетке.

аршнагПредложен механизм, объясняющий результаты экспериментов с точки зрения гетерогенного равновесия в тонком слое у подложки. В ПЯТОЙ ГЛАВЕ проведено масштабирование проточной установки с рециркуляцией. Исходя из уравнений, полученных при геометрической оптимизации реактора осаждения, оптимизации всей нроточной установки с рециркуляцией по материальным потокам через аппараты установки (табл.4), температур и давлений в них были рассчитаны инварианты подобия аппаратов проточной

Исходные данные для расчетов критериев подобия и критерии аппаратов проточной установки иодидного рафинирова-

ния циркония.

№ Аппарат Температура в аппарате Т, Дазление в ап- Плотность Массовый расход Диаметр Скорость Вязкость Критерий Критерий

п/п К парате Р, Па газового г/ч аппарата потока V, потока Эйлера Рейнольд-

потока р, мм м/еек ц, Па-с Ей са

кг/м1 Яе

! Секция с иодом (для по-лупфиодаче-ской) Прямым измерением 393 По ур.субл.Ь : 1)6 9■ Ю-3 Иода по табл.2; 12+30,7 25 0,75 1,9 1,2- 10"' 22097 34В0 14 36

2 Секция с шихтой металла Прямым измерением: 873 Как среди.между п/п 1иЗ: 72 5,9- 10'э Как в п/п 3 25 1,41 3,46 2,85- 10'5 5859 990 7,22 18

3 Узел осаждения металлов Реакционная зона ОТ сопла до вых.патруб ка Как средн.межд у п/п 1 и Тп=1848: 1373 Прямым измерением: 28 1,5- 10"3 Оптим.в табл.2 (с произв. по 2+4 г/ч): 14,2+36,4 35 2,79 7,15 4,34- Ю-5 2204 335 3,34 9

4 Сублиматор-десублиматор иодидов Во внутренней трубе при де-сублимации <323 <28 <2-10"3 гг14(28%)+1(72%) гг14(8%)+1(92%): 1+11,2 10,1+22,3 37 <1,5 <4,1 <1- №5 5600 749 11 30,3

5 Вакуумный насос Не более 300 Прямым измерением: 2,8 Вакуум

установки с целью получить модель установки для расчета необходимых геометрических размеров, затрат реагентов и других технологических параметров установки по заранее заданной производительности по иодидному металлу. Рассчитаны симплексы геометрического подобия всех аппаратов установки (диаметры й длины) к определяющему размеру, в том числе диаметры и длины всех трубопроводов в установке, и физического подобия (см. табл.4), в том числе критерии Эйлера и Рейнольдса в каждом аппарате установки для соблюдения одинаковых газодинамических условий при масштабировании. ШЕСТАЯ ГЛАВА посвящена моделированию непрерывной проточной установки иодидного рафинирования с рециркуляцией, которое состояло в связывании между собой уравнений, описывающих каждый отдельный аппарат установки, и их инвариантов подобия. Модель позволяет рассчитывать оптимальные размеры и технологические параметры проточной установки с рециркуляцией. По разработанному алгоритму расчета определяющих параметров непрерывной установки на примере циркония рассчитали установку па производительность 2 кг/ч иодидного циркония, т.е. превышающую в 2 раза производительность применяемого в промышленности аппарата Ц-40. С учетом меньшего в два раза рабочего объема непрерывной установки удельная (объемная) производительность последней в 4 раза выше производительности промышленного аппарата Ц-40 периодического действия.

римененюгрегрессиошшх моделей реактора осаждения циркония (30-60 г/см2-ч) и установлены общие закономерности в изменениях скорости осаждения металлов - титана, циркония и гафния от геометрических параметров проточного узла," что позволяет находить оптимальные геометрические параметры реактора осаждения их в интервале температур 1200-1600°С и расходов тетраиоди-дов 23-140 г/см2-ч.

2. Разработан непрерывный способ подачи тетраиодидов металлов в проточный узел осаждения с помощью схемы рециркуляции иода, состоящей из двух аппа-

выводы

1. На основании р; анныхтзыявлена ооласть возмож-

ратов двойного действия сублиматоров - десублиматоров (СДУ). На основе анализа существующих промышленных аппаратов была предложена конструкция и методика расчета СДУ, аппарат с теплообменной поверхностью 201 см2 показал степень десублимации 99,5% и удельную емкость 0,48 г/см2 при скорости подачи 105 г/см2-ч.

3. Впервые проведен сравнительный анализ проточной установки со схемой возврата из двух СДУ с аналогом промышленного аппарата иодидного рафинирования Ц-40, на основе которого были выбраны оптимальные скорости подачи тетраиодида циркония в узел осаждения, при которых затраты иода в процессе сравнимы с затратами в промышленном аналоге Ц-40, а производительность по цирконию в несколько раз выше.

4. Разработан непрерывный способ подачи тетраиодидов металлов в проточный реактор осаждения на основе схемы рециркуляции, состоящей из двух аппаратов сублиматоров - десублиматоров. На основе результатов испытания СДУ проведена оптимизация режимов технологических параметров установки с рециркуляцией в сравнении с действующим в промышленности аппаратом иодидного рафинирования циркония Ц-40. Определено, что применение рециркуляции позволяет на несколько порядков снижать затраты иода в проточных установках.

5. Установлена возможность дополнительной очистки металлов, основанной на различии в скоростях сублимации иодидов примесей и основных тетраиодидов -2г, ИТ и 'П и показано влияние температуры СДУ на возможность очистки, и экспериментально

6. Экспериментально изучены методы повышения степени превращения тетраиодида циркония в проточном узле на индукционно нагреваемой поверхности. Показано, что существенного повышения степени превращения можно добиться применением продольной потоку тетраиодида поверхности, увеличение площади которой (от 2 см2 до 38 см2) пропорционально повышает степень превращения (до 16% при 1550-1600° С). Выявлено повышение степени превращения при плазмохимической активации потока (0,2 л/мин) аргоном (до 5 % при 1550-1600° С) и ее снижение в случае применения водорода.

-167. Впервые проведено масштабирование и моделирование проточной установки

с рециркуляцией иода и иодидов. Показано, что при сопоставимых расходах иода производительность (объемная) непрерывной проточной установки с рециркуляцией иода и иодидов в 4 раза превышает производительность промышленного аппарата иодидного рафинирования Ц-40.

8. Выданы исходные данные для разработки конструкторской документации на изготовление промышленной проточной установки непрерывного действия.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Фролов B.C., Мухаметшина З.Б. Исследование морфологии циркониевых покрытий, получаемых в продольном потоке паров иодида// Успехи в химии и химической технологии: Тез.докл. XII Междунар. Конф. Молодых ученых МКХТ-98.-М.-РХТУ,-1998.

2. Славинский К.А., Фролов B.C., Мухаметшина З.Б. Экспериментальное оп-робывание сублимационно-десублимационного узла лабораторной установки иодидого рафинирования в проточной системе // Успехи в химии и химической технологии: Тез.докл. XIII Междунар. Конф. Молодых ученых МКХТ-99.-М,-РХТУ,-1999.

3. Фролов В.С, Мухаметшина З.Б, Чекмарев A.M. Оптимизация геометрических параметров зоны осаждения циркония, гафния и титана из потока тетраио-дида в проточной системе на индукционно нагреваемой^юверхност

ние №1 //Химия, технология и промыщденн а я-экология неорганических соеди-нений^Шермьт^ООО^^ьш. 4.

4. Фролов В.С, Мухаметшина З.Б, Чекмарев A.M. Оптимизация геометрических параметров зоны осаждения циркония, гафния и титана из потока тетраио-дида в проточной системе на индукционно нагреваемой поверхности. Сообщение №2. //Химия, технология и промышленная экология неорганических соединений. г.Пермь, 2000,- Вып. 4. ^AnaX/v^J-