CC BY
28
Ещё более жёсткие требования предъявляются к радиохимической чистоте: <0,1 ppb для примесей урана и тория. Насадка, изготовленная из тантала, содержит большое количество радиоактивных примесей. Для подтверждения отсутствия загрязнения среды ураном и торием были проведены испытания установки на бидистиллированной воде. Измерения проб проводили на масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой Nexion 300d, Perkin Elmer Inc.
Таблица 1. Результаты измерения примесей U и Th в воде
Как видно из таблицы 1, в процессе работы не только не происходит загрязнения, но и наблюдается дополнительная очистка среды от примесей урана и тория, которые концентрируются в кубе нижней колонны и могут быть отобраны в виде отвала.
Для определения массообменных характеристик колонны были также проведены пилотные испытания на воде, в качестве модельного вещества. В ходе экспериментов на воде были опробованы все узлы ректификационной установки, проведена их настройка и отладка. Основные трудности вызвало обеспечение равномерного потока по колонне, который составил 0,3 л/ч. Точность поддержания этого потока во многом определяет эффективность работы системы в целом. Для сглаживания пульсаций рабочего вещества, получаемых от работы мембранного насоса, было разработано переливное устройство.
В ходе работы были получены результаты по разделению изотопов воды. В таблице 2 представлены данные о разделении изотопов водорода и кислорода. Аналитический контроль изотопного состава воды при проведении экспериментов осуществлялся с использованием Liquid Water Isotope Analyzer LGR 500.
Таблица 2. Результаты измерения концентрации изотопов воде (концентрации приведены в ppm)
Проба С (D) С (18O)
Конденсатор верхней колонны 42,8 1606,2
Центр. куб 129,7 1956,0
Куб нижней колонны 267,4 2237,1
На основании данных, приведённых в таблице 2 были рассчитаны характеристики колонн, работающих на воде в безотборном режиме.
Таблица 3. Массообменные ^ характеристики колонн
KH-D K16O -18O Пн-D n16O-18O ВЭТ Сн-D, см ВЭТ C16O -18O, см
Верхняя колонна 3,0 1,2 43,4 45,9 2,0 1,9
Нижняя колонна 2,1 1,1 28,3 31,3 3,0 2,7
Расчет высоты, эквивалентной теоретической ступени разделения (ВЭТС), проводили по уравнению:
ВЭТС = H / N,
где H - высота слоя насадки, а N - число теоретических ступеней разделения (ЧТСР), которое определяли по экспериментальным данным с использованием уравнения Фенске для безотборного режима:
N = ln K / ln а,
где К = Скуб / Сконд - степень разделения тяжелых изотопов в колонне, а а - коэффициент разделения тяжелых изотопов водорода и кислорода при атмосферном давлении, составляющий:
а (D/H) = 1,026, а (18O/16O) = 1,0043.
Как видно из таблицы 3, высота эквивалентной теоретической ступени разделения составила для верхней колонны не более 2 см, а для нижней - не более 3 см, а число тарелок соответственно 43 и 28.
В процессах ректификации наиболее сложной задачей является обеспечение наибольшей поверхности контакта жидкой и газообразной фаз на их границе раздела. Для увеличения этой поверхности используется контактное устройство, в данном случае - это насадка из танталловой проволоки, жидкость по которому должна стекать вниз тонкой непрерывной плёнкой. Здесь действуют два фаткора: с одной стороны смачиваемость насадки рабочей жидкостью, а с другой -поверхностное натяжение самой жидкости. В этом плане, в связи с очень большим значением поверхностного натяжения, вода является одним из самых трудных рабочих веществ. Именно поэтому результаты, полученные на модельном веществе вода, можно использовать для оценки разделительной способности колонны в том числе и на других рабочих средах.
(концентрации приведены в ppt).
Исходная вода Куб нижней колонны Центр. куб Конденсатор верхней колонны
Th 0,056± 0,22± 0,03± < 0,011
0,003 0,01 0,01
U 0,32± 0,56± 0,190± 0,068±
0,02 0,02 0,008 0,007
При получении особочистого тетрахлорида германия лимитирующей примесью является трихлорид мышьяка AsCl3, коэффициент разделения а для которого составляет 1,6 - 2,5 для разбавленных
растворов [2]. Дело в том, что финальной стадией очистки, как уже говорилось ранее, является зонная плавка, которая не обеспечивает достаточного уровня очистки от примесей мышьяка. Поэтому на стадии ректификации мышьяк должен быть максимально полно удалён. Согласно [3], для очистки до уровня примерно
10-5% (Ж) требуется колонна с эффективностью ~40 тарелок. Если количество тарелок при переходе от воды к тетрахлориду германия останется примерно таким же, то требуемая чистота продукта будет достигнута.
Чтобы максимально исключить возможность потери вещества при переработке изотопно-обогащенного Ge, нашей научной группой принято решение провести серию испытаний на ТХГ природного изотопного состава, так как изотопная составляющая практически не вносит изменения в физико-химические свойства вещества.
Мосеев Павел Сергеевич, аспирант, ведущий инженер кафедры технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Селиваненко Олег Игоревич, аспирант кафедры технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Селиваненко Игорь Львович, к.т.н., ведущий научный сотрудник кафедры технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник, Л.: Химия, 1977. - 62 с.
2. Юрэ Ж., Сен-Жам Р. Химия ядерного горючего. Госхимиздат, 1956. - 513 с.
3. Большаков К.А. Химия и технология редких и рассеянных элементов, ч.2. М.: Высшая школа,1976.-194 с.
MoseevPavelSergeevich*, Selivanenko OlegIgorevich, SelivanenkoIgor L'vovich D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: moseevps@gmail.com
STUDY OF HYDRODYNAMIC AND MASS EXCHANGE CHARACTERISTICS OF THE SET OF ISOTOPIC ENRICHED GERMANIUM TETRACHLORIDE PURIFICATION BY RECTIFICATION METHOD WITH WATER AS THE MODEL MATTER
Abstract
Hydrodynamic and mass exchange characteristics of the distillation set of germanium tetrachloride with water as model were studied. The number of theoretical stages of separation was evaluated. It was shown that uranium and thorium contamination does not occur.
Keywords: double P-decay, germanium, purification, GeRDA, HPGe.
УДК 661.939.1
В. С. Мосеева*, А. С. Иванова, А. Н. Букин, С. А. Марунич
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9 * e-mail: blacklee@mail.ru
ИЗУЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ ГЕЛИЯ ЦЕНОСФЕРАМИ ИЗ МОДЕЛЬНОЙ ГАЗОВОЙ СМЕСИ
Изучена возможность использования алюмосиликатных микросфер для селективного извлечения гелия из природного газа. Было показано, что алюмосиликатные микросферы (ценосферы) селективно сорбируют гелий. Так же была определена энергия активации данного процесса.
Ключевые слова: ценосферы, гелий, сорбция, селективное извлечение из газовых смесей.
Природный газ - важное природное сырьё, которое на сегодняшний день является самым экологически безопасным и широко распространенным видом топлива. В месторождениях природного газа присутствуют примеси, представляющие собой важные технические продукты, например, гелий. В связи с этим встает вопрос выделения примесей из природного газа эффективным и безопасным методом.
Современная промышленная технология получения гелия базируется на его выделении из природного и попутного газа энергоемким криогенным способом [1, с. 246]. Альтернативным методом получения чистого гелия может стать подход, соединяющий мембранную и сорбционную технологии
[2, с. 89-95]. Метод основан на известном свойстве кварцевых стекол - высокой селективной газопроницаемости по гелию. При этом в качестве сорбента могут выступать ценосферы.
Ценосферы представляют собой полые герметичные сферические образования, стенка
которых состоит из алюмосиликатного стекла (до 90%), содержащего кристаллы муллита, кварца и шпинели, а также различные включения. Они образуются во время сгорания угольной пыли при температуре 1200 - 1700°С. Размеры получающихся таким образом сферических частиц составляют 5 -500 мкм, а толщина их стенки 2 - 30 мкм [3, с. 249259].
В настоящей работе в качестве объекта исследования была выбрана фракция ценосфер с Рефтинской ГРЭС диаметром 180 - 250 мкм. В рамках работы были определены температурная зависимость коэффициента проницаемости стенки ценосфер по чистому гелию и ее селективность при использовании смеси гелий - азот.
Исследование сорбционных свойств микросфер проводилось в атмосфере чистого гелия в диапазоне температур 120 - 290°С. Количество поглощённого гелия рассчитывалось по разности давления напущенного газа и остаточным давлением в фиксированных объемах. На рисунке 1 представлена принципиальная схема установки для определения поглощения гелия зольными микросферами.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
