CC BY
78
Выводы. Таким образом, точность определения концентрации ионов железа в разбавленных водных растворах его солей данным методом определяется временем выдержки аналитических растворов, и для получения достоверных результатов анализ должен проводиться не ранее, чем через 2 часа после приготовления пробы.
Список литературы
1. Девятых, Г.Г. Глубокая очистка веществ: Учебное пособие для хим. и хим.-технол. спец. Вузов/ Г.Г. Девятых, Ю.Е. Еллиев. - М.: Высш. Шк., 1990.
2.Стёпин, Б.Д. Методы определения особо чистых органических веществ/ Б.Д. Стёпин и др. - Л.: Химия, 1969.- С.19-38.
3.Алюкаева, А.Ф. Тестирование и цветометрическое определение железа (II, III) в форме сорбата фенантролината железа(П) / А.Ф. Алюкаева, В.М. Иванов, А.Г. Цыцарин //Журнал аналитической химии, 2002, том 57, № 11.- С. 1197-1201.
4.Химическая энциклопедия. Фотометрическое определение элементов, пер. с польск., М., 1971.- С. 166-168.
5.Пешкова, М.В. Методы абсорбционной спектроскопии в аналитической химии/ М.В. Пешкова, М.И. Громова. - М.: Высш. Шк., 1976.- С. 155- 156.
6.Лурье,Ю.Ю. Справочник по аналитической химии/ Ю.Ю. Лурье.-М.:Химия, 1971.- С. 299, 307.
УДК 621.039.322
С.В. Прокунин, И.Л. Растунова, М.Б. Розенкевич
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДЕТРИТИЗАЦИИ ВОДЫ В КОЛОННЕ ИЗОТОПНОГО ОБМЕНА С МЕМБРАННЫМИ КОНТАКТНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ
The paper is devoted to of the investigation of the chemical isotope exchange in the water-hydrogen system using new contact devices based on the perfluorosulphonic acid Nafion-type membrane MF-4SK for realization the detritiation process of the water flows on the nuclear industry developments.
В докладе представлены данные об исследовании химического изотопного обмена в системе вода-водород с использованием принципиально новых контактных устройств на основе сульфокатио-нитных мембран МФ-4СК применительно к процессу детритизации водных потоков, образующихся на предприятиях ЯТЦ.
В ходе развития атомной промышленности все большее внимание уделяется решению экологических задач, связанных с работой данной отрасли. Одной из таких задач, является улавливание и концентрирование трития - радиоактивного изотопа водорода, который образуется в процессе эксплуатации тяжеловодных и легководных ядерных реакторов и при переработке облученного ядерного топлива. Следует также отметить, что чрезвычайно важное значение данная задача может приобрести в будущем при эксплуатации термоядерных энергетических установок, в которых тритий будет являться одним из компонентов топлива. В последние годы одной из перспективных технологий, связанных с детритизацией различных потоков, является химический изотопный обмен между водой и водородом [1-3].
Как известно, процесс химического изотопного обмена (ХИО) в системе вода-водород проходит в две стадии, одна из которых - каталитический изотопный обмен (КИО) между водородом и парами воды, другая - фазовый изотопный обмен воды
(ФИО). Традиционно этот процесс проводят в насадочных контактных устройствах с прямым контактом жидкой воды и газа. В последние годы в РХТУ им. Д.И. Менделеева разрабатывается иное контактное устройство - контактное устройство мембранного типа (КУМТ), в котором потоки жидкости и газа пространственно разделены с помощью проницаемой для паров воды мембраны [4-6]. Такая организация потоков приводит к тому, что, в отличие от традиционных контактных устройств, для реализации противоточного процесса в установке с КУМТ отсутствует необходимость располагать разделительные элементы вертикально, что позволяет существенно снизить требования к высоте производственных помещений.
Для исследования процесса детритизации была создана противоточная установка, с нижним узлом обращения потоков, предназначенная для работы под давлением до 0,5 МПа. Принципиальная схема установки представлена на рисунке 1. Основным ее узлом является противоточная колонна (1), состоящая из последовательно соединенных 10 КУМТ.
Колонна расположена горизонтально. Каждое контактное устройство содержит 10 см гидрофобного платинового катализатора РХТУ-3СМ и мембрану МФ-4СК в Н-форме площадью 41,8 см2. Задержка в колонне по воде составляет 350 мл. В верхнюю часть колонны при помощи мембранного насоса подается поток воды с природным изотопным составом. После прохождения колонны вода поступает в емкость, где смешивается с водой, очищаемой от трития, и далее данная смесь подается на питание электролизера. Поток водорода, образующийся в щелочном электролизере, поступает в насытитесь, где насыщается парами воды при заданной температуре и далее проходит через колонну с КУМТ противотоком к потоку воды.
Выходя из колонны, пароводородная смесь попадает в колонку ФИО, где происходит отделение водорода от паров воды. Образовавшийся конденсат смешивается с природной водой, поступающей на питание колонны, а водород, проходя через силика-гелевую ловушку, поступает в пламенную горелку, где сгорает в потоке электролитического кислорода с избытком воздуха, который обеспечивается при помощи воздушного компрессора. В ходе экспериментов каждые 2-3 часа проводился отбор проб: проб воды образовавшейся в результате сгорания водорода в горелке (ув); конденсата на выходе водорода из колонны (7в); воды, выходящей из колонны (хн). В конце опыта однократно проводили отбор проб водорода на входе в колонну путем его сжигания до воды в дополнительной горелке (ун) и проб электролита из электролизера (хэл). Для отделения щелочи от раствора электролита использовался метод двукратной перегонки. Кроме того, из емкости для изотопного анализа отбирали пробу исходной тритирован-ной воды. Изотопный анализ проб проводили сцинтилляционным методом на приборе СЖС - 04к. По результатам анализа в экспериментах рассчитывали ряд массообменных характеристик процесса. Расчёт числа теоретических ступеней разделения (ЧТСР, N осуществлялся по следующей формуле:
1п Ауб
N = -------Аум , (1)
1п О.
Я
л Хн л Хе
где Ауб = Ун —- ; Ьум = ув —^ ;
а а
а - коэффициент разделения в системе протий-тритий при рабочей температуре;
Я - мольное соотношение потоков газа и жидкости.
Сн 2
Я = 7—— (2)
7г
где
Он2 и Ьн20тт - потоки водорода и жидкой воды, моль/ч.
хн
----- поток воды ......... поток водорода - - поток кислорода
Рис. 1. Принципиальная схема установки: 1- противоточная колонна; 2- воздушный термостат; 3-переливное устройство; 4-насытитель; 5,14- емкость смешения; 6,8,15 -насос; 7,18- емкость;
9- щелочной электролизёр; 10 —'каталитический дожигатель; 11- холодильник; 12- колонка ФИО; 13-холодильник-сепаратор; 16- ротаметр; 17- регулировочный кран; 19,24- баллон; 20 - регулятор давления; 21- колонка с силикагелем; 22- горелка; 23- сапфир; 25,26,27- пробоотборники; 28- манометр
Расчёт числа единиц переноса (ЧЕП, Ыу) осуществлялся по следующему уравнению:
а л а = N--------1п—
у а —Я Я
где ^ - число единиц переноса.
Коэффициент массопередачи определялся по уравнению (4):
(3)
ту эксп
оу
оп _ г • Ыу
Б
(4)
м
где Оп-г - поток парогазовой смеси, м^/с; 8М - суммарная площадь мембран всех КУМТ (м2).
Поток парогазовой смеси ^п.г, м /с) рассчитывали по формуле:
0п= 0Н 2 '(1 +Х)-Т ' Р0
(5)
где Gн2 - поток водорода при н.у., м/с; Т- температура опыта, К; То - температура при н.у.; Ро- атмосферное давление, МПа; Р - давление опыта, МПа; Я'- влагосодержание водорода.
После проведения всех монтажных работ на разделительной установке, для проверки работоспособности всех ее составных частей на ней были проведены два тестовых эксперимента при Т=293 К ЬН2Опр=40мл/ч, ЬНТО=40 мл/ч, ЬхН2О=80 мл/ч, Х=2, Р=0,145 МПа, хр,т=1,17-10-5 Ки/л. Время проведения экспериментов составляло 6 часов с учетом выхода установки на режим. Полученные данные представлены в таблице 1.
Таблица 1. Сравнение экспериментальных данных полученных в тестовых экспериментах
ЦН2Опр=40мл/ч; GH2=100 нл/ч; а=7,21
№ эксп. Ттерм, К Р, МПа X' Кэксп, ЧТСР К, эксп ЧЕП ТГ эксп і ,-.4 / Коу -10 , м/с
1 293 0,145 0,017 0,88 1,52 7,6
2 293 0,145 0,017 0,86 1,50 7,5
Из приведенных данных видно, что полученные значения ЧТСР, ЧЕП и коэффициента массопередачи совпадают в пределах точности экспериментов. Следует отметить, что в данных экспериментах влагосодержание водорода было мало (Х'=0,017), однако в колонне была достигнута степень разделения, равная К=3,6±0,3, а с учетом коэффициента разделения в электролизере степень разделения в установке составила около 30.
Ранее в работе [7] было проведено исследование эффективности массообмена ХИО водорода с водой в противоточной колонне с КУМТ работающей в режиме независимых потоков воды и водорода. По результатам этой работы была разработана математическая модель для расчета коэффициентов массопередачи при Х'>0,05. С целью проверки применимости этой модели к установке с узлами обращения потоков, следующий эксперимент был проведен при условиях: Т=336 К, ЬН2Опр=40мл/ч, ЬНТО=40 мл/ч, Ьхшо=80 мл/ч, Х=2, Р=0,145 МПа, хр,Т=1,17-10-5 Ки/л. Результаты эксперимента приведены в таблице 2.
Таблица 2. Расчетные и экспериментальные значения коэффициентов массопередачи в КУМТ для эксперимента ЬН2Опр=40мл/ч; СН2=100 нл/ч; а=5,11
Т,К Р, Па X' НэкспЧТСР К,расчЧТСР Ку,эксп ЧЕП Ку,расчЧЕП в ^ э ут ^ 2 1 5 от ^ 2
336 0,145 0,19 1,66 1,70 3,07 3,14 20,6 21,1
Из приведенных данных видно, что расчетное значение коэффициента массо-предачи совпадает с экспериментальным значением, что подтверждает адекватность предложенной автором [7] модели расчета коэффициента массопередачи для изотопного обмена между водородом и жидкой водой в колонне с КУМТ.
Таким образом, по результатам проделанной работы можно сделать заключение, что даже при температуре Т=293 К и давлении Р=0,4 МПа на установке с мембранными контактными устройствами была достигнута степень разделения К=3,6±0,3. Полученные при температуре Т=336 К и Р=0,4 МПа экспериментальные данные и массообменные характеристики процесса химического изотопного обмена водорода с водой хорошо совпадают с массообменными характеристиками, рассчитанными с использованием ранее предложенной математической моделью данного процесса. Совпадение экспериментальных и расчетных значений позволяет сделать заключение о том, что разработанная модель может быть использована для расчета разделительных установок.
Список литературы
1. Андреев, Б.М. Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике/ Б.М.Андреев, Я.Д.Зельвенский, С.Г.Катальников. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 456 с.
2. Андреев, Б.М. Гетерогенные реакции изотопного обмена трития/ Б.М.Андреев,
3.П.Магомедбеков, М.Б.Розенкевич, Ю.А.Сахаровский. - М.: Эдиториал УРСС, 1999.208с.
3. Андреев, Б.М. Разделение изотопов биогенных элементов в двухфазных системах/ Б.М.Андреев, Э.П.Магомедбеков, А.А.Райтман, М.Б.Розенкевич, Ю.А.Сахаровский, А.В.Хорошилов. - М.: ИздАТ, 2003.- 376 с.
4. Сахаровский, Ю.А. Исследование эффективности фазовой составляющей изотопного обмена водорода с водой в контактных устройствах различного типа/ Ю.А.Сахаровский, М.Б.Розенкевич, А.Р.Коригодский, И.Х.Хайруллин, И.Л.Растунова, О.М.Иванчук // Химическая промышленность. - 1999, № 4.-С. 251-255
5. Rastunova I., Rozenkevich M. New Contact Device for Séparation of Hydrogen Isotopes in the Water-Hydrogen System. // Fusion Science and Technology. Vol. 48, No. 1, p. 128-131.
6. Растунова, И.Л. Экспериментальное и расчетное определение коэффициентов массопередачи в процессе изотопного обмена водорода с водой в КУМТ/ И.Л.Растунова, Т.Н.Чевыкалова, Т.П.Гырладжиу, М.Б.Розенкевич// 7-я Всероссийская (Международная) науч.конф.“Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул”.30 сент.-4 окт., 2002, Звенигирод: ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2002.- С. 36-39.
7. Растунова, И.Л. Изотопный обмен между водой и водородом в контактных устройствах мембранного типа.: Диссерт. канд. техн. Наук/ И.Л.Растунова. - М.: 2001, 163с.
УДК 621.039.3; 621.039.562
А.В. Лизунов, А.В. Хорошилов, А.В. Степанов, А.О. Бирюкова Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
АЛКИЛФОСФАТЫ КАК НОВЫЕ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ БОРА МЕТОДОМ ХИМИЧЕСКОГО ОБМЕНА
In the context of search of the new complexing agents for boron isotopes separation by method of chemical exchange with thermal phase reflux phase and isotope equilibrium in systems based on boron trifluoride and its complex compounds with trialkylphosphates for the first time have been investigated. The investigated substances have high sorption capacity with respect to boron trifluoride, the values of single stage separation factor in systems on their basis exceed similar values for those had been used in the industry.
В рамках поиска новых комплексообразователей для разделения изотопов бора методом химического обмена с термическим обращением потоков впервые исследовано фазовое и изотопное равновесие в системах на основе трифторида бора и его комплексов с триалкилфосфатами. Исследованные вещества обладают высокой сорбционной емкостью по трифториду бора, значения коэффициента разделения в системах на их основе превышают аналогичные величины для использованных в промышленности.
Изотопы бора (природное содержание 10В 19,9 ат. %) находят широкое применение в разнообразных областях ядерной физики и энергетики главным образом благодаря существенному различию сечения захвата нейтронов различной энергии. Наибольший интерес представляет собой 10В, вследствие широкого применения соединений, обогащенных данным изотопом относительно его природного содержания, в реак-торостроении, ядерной физике, в радиационной химии и ЯМР-спектроскопии. Использование 10B в атомной энергетике и других областях народного хозяйства основано на большом сечении захвата тепловых нейтронов (3820,5 барн против ~ 0,05 барн для изотопа 11B), а также слабой зависимости сечения захвата от энергии взаимодействующих нейтронов [1]. Одним из основных путей его использования остается применение в качестве материала, поглощающего нейтроны, для регулирования реактивности промышленных ядерных реакторов в качестве составной части стержней аварийной защиты или
