CC BY
117
УДК 621.039.342.001.53,541.128.5
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ИЗОТОПНОГО ОБМЕНА В ДИОКСИДЕ УГЛЕРОДА В КАСКАДЕ ГАЗОВЫХ ЦЕНТРИФУГ
Г.М. Скорынин, А.А. Орлов*, В.В. Сенченко
ОАО ПО «Электрохимический завод», г. Зеленогорск *Томский политехнический университет E-mail: orlov@phtd.tpu.edu.ru
Проведено исследование применения реакций изотопного обмена при получении высокообогащенных изотопов углерода в каскаде газовых центрифуг, работающих на диоксиде углерода, и испытание опытного реактора изотопного обмена с никелевым катализатором. Показана принципиальная возможность применения реакций и реактора изотопного обмена для получения высокообогащенных изотопов углерода в каскаде газовых центрифуг.
Ключевые слова:
Каскад, изотопный обмен, диоксид углерода, реактор изотопного обмена, катализатор.
Введение
При разделении изотопов кинетическими методами, например центрифугированием, иногда приходится использовать рабочие вещества, представляющие собой химические соединения нескольких полиизотопных элементов. В этом случае данное соединение можно рассматривать как некую смесь различных массовых компонент, являющихся в свою очередь совокупностью молекул равных по массе, но различных по изотопному составу (изобарные молекулы). В результате этого целевой изотоп может одновременно находиться в нескольких компонентах различных по массе, а молекулы одной массовой компоненты могут содержать несколько различных изотопов одного элемента. В этом случае говорят об изотопном перекрытии.
Изотопные перекрытия создают значительные трудности при разделении изотопов методами, в которых основной разделительный эффект обусловлен разностью молекулярных масс, ограничивая максимальное обогащение целевым изотопом в разделительных каскадах некоторой предельной величиной. Поэтому с помощью одного метода невозможно получить изотопный продукт высокого обогащения (выше 90 %).
Это ограничение можно преодолеть несколькими способами [1], одним из которых является использование всей совокупности реакций изотопного обмена, проводимых непосредственно в разделительном каскаде, в результате которых рабочее вещество в обеих фракциях каскада будет стремиться перейти в равновесное состояние, утраченное в каскаде в процессе разделения вследствие изотопного перекрытия. При этом в тяжелой фракции каскада легкие изотопы будут переходить из более тяжелых в более легкие массовые компоненты, а тяжелые, в свою очередь, из более легких - в более тяжелые. Ранее эту проблему пробовали решить, используя лазерный метод разделения. Обогащение в данном случае не превышало 30 %.
Целью работы являлось исследование возможности проведения реакций изотопного обмена в
диоксиде углерода непосредственно в каскаде газовых центрифуг и получения высокообогащенного изотопа 13С.
Методика эксперимента
Проведение изотопного обмена в каскадах газовых центрифуг связано с целым рядом конструктивных и параметрических ограничений:
• реакция изотопного обмена должна быть гомо-молекулярной, протекать в одной фазе в специальном устройстве - реакторе изотопного обмена (далее реакторе);
• скорость протекания реакции должна быть достаточно высокой при низком давлении, соизмеримом с давлением в каскадных коммуникациях, и при сравнительно низкой температуре (повышение температуры газа отрицательно влияет на прочность ротора газовых центрифуг) для чего необходимо использование эффективного катализатора;
• конструкция реактора должна обеспечивать отсутствие выноса мелких частиц катализатора во внутренние полости каскада;
• реактор должен иметь компактные размеры, так как компоновка ступеней каскада не допускает установку в схему дополнительных устройств большого размера.
В соответствии с вышеперечисленными требованиями для проведения исследований был изготовлен опытный реактор изотопного обмена (рис. 1), представляющий собой цилиндрический сосуд - 1 объёмом ~10 л, имеющий фланцевые соединения -2 для засыпки катализатора - 3 и два вентиля - 4 для подачи и отвода рабочего газа. Во внутренней полости реактора перед входным и выходным патрубками помещалась мелкоячеистая металлическая сетка-фильтр - 5, отделяющая их от объёма с катализатором. В местах вакуумных уплотнений использовали прокладки из фторопласта - 4.
В качестве рабочего вещества был выбран диоксид углерода (СО2), полученный в тяжелой фрак-
Известия Томского политехнического университета. 2008. Т. 313. № 3
ции каскада центрифуг и имеющий неравновесный состав.
чтн
1
Ч=№
4%-
И±Н
2
i роророророророр . I одододододододо . г ророро 3 иоророр
? ододод 3 эдододо 5
□ опоаоиъ-аопопоп одододододододо роророророророр
н±н
Рис 1. Реактор изотопного обмена
Проведение реакции изотопного обмена при повышенной температуре обеспечивалось использованием подключаемого через лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) внешнего ленточного нагревателя, намотанного по наружной поверхности реактора.
В качестве катализатора использовался измельченный материал никелевых фильтров газодиффузионного производства. Выбор данного материала обусловлен его высокой удельной поверхностью, которая была предварительно определена методом низкотемпературной абсорбции и составила —3.105 м2/кг, а также на основе имеющейся в литературе информации [2, 3] о высокой каталитической активности оксида никеля в отношении реакции изотопного обмена в молекулах СО2.
Для исследования возможности и условий проведения реакции изотопного обмена в каскаде использовалась установка (рис. 2), в составе которой испытывался вышеуказанный реактор.
12 У
Я? 4 ^УГс -1—' -I—
откачка
с жидким азотом. Необходимый расход газа задавался положением регулирующего вентиля - 4 и контролировался оптическим манометром - 9 по давлению перед тарированной расходомерной шайбой - 3. Давление в реакторе определялось положением регулировочного вентиля - 14. Для изменения температурного режима процесса реактор подогревался снаружи с помощью ленточного нагревателя - 11. Напряжение для его питания подавалось через ЛАТР. Для возможности передвижения газа, минуя реактор, был предусмотрен байпас-ный вентиль - 10. Время эксперимента определялось выбранным расходом газа. По окончанию процесса производился масс-спектрометрический анализ молекулярного состава СО2 в емкости конденсации. Газ из емкости конденсации собирался в баллон - 7. По результатам масс-спектрометриче-ских анализов рассчитывалась эффективность работы реактора по формуле:
I =
1
^ (Сн р Ср ио)
^ (Сн р Ср)
: 100%,
Рис 2. Установка для исследования эффективности реактора изотопного обмена: 1) баллон с неравновесным СО2; 2) емкость; 3) расходомерная шайба; 4) регулировочный вентиль; 5) реактор изотопного обмена; 6) емкость конденсации; 7) баллон для сбора СО2; 8) ЛАТР; 9) оптический манометр; 10) байпасный вентиль; 11) ленточный нагреватель; 12) манометр; 13) сосуд Дьюара; 14) регулировочный вентиль
Емкость - 2 заполнялась из баллона - 1 неравновесным СО2 до давления — 100 гПа, контролируемого с помощью манометра - 12. С помощью масс-спектрометра МИ-1201 производился анализ молекулярного состава СО2 и изотопного состава углерода и кислорода в емкости - 2. После этого СО2 подавался с определенным расходом, соответствующим межступенному потоку в каскаде в реактор изотопного обмена - 5 и собирался в емкости конденсации - 6, помещенной в сосуд Дьюара - 13
где 1 - количество массовых компонент; СНР, СрИО -измеренные концентрации массовых компонент исходного неравновесного СО2 и СО2 после реактора изотопного обмена; СР - расчетные равновесные концентрации массовых компонент СО2.
Полному изотопному обмену соответствует значение эффективности, равное 100 %. Расчет равновесных концентраций массовых компонент СО2 проводился по изотопному составу кислорода и углерода решением комбинаторной задачи по методике [1].
Экспериментальные результаты
Эффективность работы реактора изотопного обмена исследована в диапазоне расходов (2,5...14). 10-6 кг/с при давлении —300 Па и температуре 296 К. Была произведена также оценка влияния повышения рабочей температуры реактора до 353 К и увеличение на —50 % плотности засыпки катализатора на скорость реакции изотопного обмена. Данные представлены на рис. 3 в виде полиномиальной зависимости эффективности изотопного обмена от расхода СО2 через реактор.
По результатам проведенного исследования можно заключить, что при увеличении расхода газа через реактор с 2,5.10-6 до 14.10-6 кг/с эффективность его работы снизилась примерно на 44 %.
Увеличение плотности засыпки катализатора привело к повышению эффективности работы реактора в среднем на —15 %. Наиболее значительное увеличение данной величины во всем исследуемом диапазоне расходов наблюдалось при увеличении рабочей температуры реактора изотопного обмена.
Обсуждение результатов
Исследования показали принципиальную возможность использования реакций изотопного об-
мена в диоксиде углерода для получения высоко-обогащенных (более 99 %) изотопов углерода в центробежном каскаде.
В результате проведенных исследований испытан опытный реактор изотопного обмена и отработана методика проведения исследований. Исследованы различные режимы работы реактора изотопного обмена (температурный, по расходу газа и плотности засыпки катализатора). На основе данных исследований разработан новый способ получения высокообогащенного изотопа 13С в каскаде газовых центрифуг с использованием реактора изотопного обмена [4].
Рис. 3. Зависимость эффективности реактора изотопного обмена от расхода ^2
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сазыкин А.А. Некоторые проблемы разделения полиизотопных смесей кинетическими методами // Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул: Сб. докл. 3-ей Все-росс. научной конф. - 05.10-09.10.1998, г. Звенигород. - Звенигород, 1998. - С. 103-110.
2. Боресков Г.К. Гетерогенный катализ. - М.: Наука, 1986. -304с.
3. Боресков Г.К. Катализ. Вопросы теории и практики. Избранные труды / Под ред. К.И. Замараева, Г.И. Панова. - Новосибирск: Наука, 1987. - 536 с.
По описанной методике можно исследовать изотопный обмен в других рабочих веществах, использующихся для получения различных изотопов на каскадах газовых центрифуг. При этом необходимо будет подобрать соответствующие катализаторы, обладающие достаточной активностью по отношению к реакциям изотопного обмена в молекулах данных веществ, и оценить эффективность работы реактора изотопного обмена с данными катализаторами в центрифужных каскадах.
Выводы
1. Показана принципиальная возможность проведения изотопного обмена в диоксиде углерода в процессе получения высокообогащенного изотопа 13С центробежным способом.
2. Исследованы различные режимы работы реактора изотопного обмена.
3. Реактор изотопного обмена испытан в составе каскада газовых центрифуг. Показано, что его использование позволяет получить изотоп 13С с обогащением выше 99 %.
4. На основании проведенных исследований разработан новый метод разделения изотопов 13С, признанный изобретением.
4. Пат. 2236895 РФ. МПК7 B01D 59/20. Центробежный способ получения высокообогащенного изотопа 13С и устройство для проведения реакций изотопного обмена в каскаде газовых центрифуг / И.И. Пульников, А.В. Рябухин, В.В. Сенченко, Г.А. Шарин, А.А. Палиенко. Заявлено 10.04.2002; Опубл. 27.10.2003; Бюл. № 30 - 3 с.
Поступила 28.03.2008 г.
