Моделирование условий обращения потоков в системе СО2 – аминокомплекс с СО2 при использовании водной органической матрицы Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

9

G И в Où to в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. Nb 8 (113)

карбамат ДЭА в толуоле./ А.В. Хорошилов, А.В. Лизунов, С.А. Чередниченко //Хим. пром. сегодня, 2004. №5. С. 30-41.

3. Agraval J.P. Enrichment of carbon - 13 by chemical exchange of carbon dioxide with amine carbamates in nonaqueous sovents./ Agraval J.P. // Separation Sci. and Technol., 1971. V. 6. № 6. P. 831 - 839.

4. Неницеску К.Д. Органическая химия./ Неницеску К.Д. /Т. 1. М.: Иностранная литература, 1963. 927с.

5. Любельская И.Е. Физико-химические свойства растворов карбаматов н-дибутиламина в ацетонитриле/ И.Е. Любельская, Тун Ко У, С.А. Чередниченко, А.В. Хорошилов. // Успехи в химии и химической технологии: Сб. науч. тр. [под ред. П.Д. Саркисова и В.Б. Сажина]; / РХТУ им. Д.И. Менделеева М.: Изд-во РХТУ им. ДИ Менделеева, 2009. Т. XXIII. № 9 (102). С. 18-20.

6. Тун Ко У. Исследование сорбционной ёмкости по ССЬ растворов н-дибутиламина в ацетонитриле для карбаматного способа разделения изотопов углерода/ Тун Ко У, И.Е. Любельская, С.А. Чередниченко, А.В. Хорошилов // Успехи в химии и химической технологии: Сб. науч. тр. [под ред. П.Д. Саркисова и В.Б. Сажина]; / РХТУ им. Д.И. Менделеева М.: Изд-во РХТУ им. ДИ. Менделеева, 2009. Т. ХХШ. № 9 (102). С. 21-23.

УДК 544.344.012-14-13; 544-971; 544.35

Тун Ко У, А.В. Хорошилов, С. А. Чередниченко, А.В. Лизунов Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

МОДЕЛИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ ОБРАЩЕНИЯ ПОТОКОВ В СИСТЕМЕ С02 - АМИНОКОМПЛЕКС С ССЬ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВОДНОЙ ОРГАНИЧЕСКОЙ МАТРИЦЫ

For the separation process of carbon isotopes by chemical exchange in two-phase system C02 - amino-complex with C02 in organic matrix is experimental simulation of conditions of bottom flow reflux system at the water content in the matrix of 3,6% wt. and 7% wt. Experiments were performed at 90 "C and 130 "C. It is shown that the presence of water in the organic matrix does not lead to the formation of the solid phase.

Для процесса разделения изотопов углерода методом химического обмена в двухфазной системе ССЬ - аминокомплекс ССЬ в органической матрице выполнено экспериментальное моделирование условий функционирования нижнего узла обращения потоков при содержании воды в матрице 3,6 % мае. и 7% мае. Эксперименты выполнены при температуре 90 "С и 130 "С. Показано, что наличие воды в органической матрице не приводит к образованию твердой фазы.

Использование при разделения изотопов углерода методом химического обмена между газообразным СО2 и его жидкими аминокомплексами органических матриц, содержащих примесь воды на уровне (1 - 8) % мае., вызывает опасение с точки зрения полноты обращения потоков на нижнем конце колонны изотопного обмена. Как отмечается в литературе [1], наличие воды в органическом растворителе в условиях системы нижнего обра-

9

С Яг в X № в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. №8(113)

щения потоков, где температура возрастает по высоте аппарата примерно от комнатной до температуры кипения жидкой матрицы (до примерно 90 °С -130 иС [2]), способно привести к образованию не участвующих в реакциях изотопного обмена гидрокарбонатов и карбонатов аминов

Я2М1 + С02 + Н20 (ЯгМ^НСОз, (1)

ЯгЫСООШгЯг + Н20 (К2ЫН2)2С03. (2)

Последние, как правило, обладают низкой растворимостью в неводных растворителях и образуют в них термически устойчивые гелеобразные осадки, практически не разлагающиеся при нагревании, что может приводить к неполному обращению потоков фаз со всеми вытекающими отсюда последствиями (потеря продукта, снижение его концентрации).

Цель работы состоит в экспериментальном моделировании температурных условий системы нижнего обращения потоков и проверке возможности протекания реакций (1,2) при использовании насыщенных С02 органических матриц (аминокомплексы, ацетонитрил), содержащих воду в количестве (3,6 - 7) % мае.

Эксперименты проводили путем приготовления органических матриц (н-дибутиламин, как комплексообразователь, и ацетонитрил, как растворитель с содержанием воды 3,6 % мае. и 7 % мае.), их насыщением диоксидом углерода при температуре 40 °С (во избежание образования твердой фазы) с последующей выдержкой аликвоты в герметичных стальных ампулах при температуре 90 иС и 130 иС в течение (0,5 - 2) ч. Концентрация амина в растворителе для всех экспериментов составляла 3 М н-ДБА, а полученные значения мольного отношения составили г = 0,392 моль С02/моль н-ДБА и г = 0,338 моль С02/моль н-ДБА для исходных матриц с концентрацией воды Св = 3,6 % мае. и Св = 7,0 % мае. соответственно. При этом, содержание воды в исходной матрице и в жидкой фазе по окончании эксперимента определяли титрованием реактивом Фишера. В ходе проведения исследований выполнено две серии опытов, отличающихся содержанием воды в исходной матрице амин-растворитель и температурой термостатирования жидкой фазы, насыщенной диоксидом углерода. Следует подчеркнуть, матрицу с более высоким содержанием воды испытывали при более высокой температуре, моделируя, таким образом, наиболее жесткие условия, имеющие место в системе нижнего обращения потоков установки для разделения изотопов углерода. Условия проведения экспериментов и полученные результаты для двух серий опытов приведены в таблице.

Сопоставление представленных в таблице данных показывает, что в результате моделирования температурных условий в системе нижнего обращения потоков, причем, более жестких по отношению к реальным [2], в пределах погрешности измерений не наблюдается уменьшения концентрации воды в матрице по сравнению с исходной концентрацией Н20. Так, по данным сравнительного анализа (рис. 1) среднее значение концентрации воды после выдержки Св при температуре 90 С составляет (4 ± 1) % мае., что соответствует значению концентрации воды в исходной матрице Св = (3,6 ± 0,5) % мае.

9

С 11 6 X и в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. №8(113)

Табл. Условия и результаты моделирования условий системы нижнего обращения потоков для аминокомплексов с СО2 в ацетонитриле при концентрации н-ДБА в исходной матрице 3 М

Концентрация воды в исходной матрице Св, % мае. Объем алик-воты, мл Температура термостатирования, °С Время термостатирования, мин Концентрация воды в матрице после выдержки Св , % мае.

3,6+0,5 0,5 90 30 3,3

1,0 60 4,1

1,0 90 4,4

1,0 120 4,4

7+1 1,0 130 30 6,8

1,0 60 9,3

1,0 90 9,1

1,0 120 8,0

Аналогичный результат наблюдается и для более высокой температуры (130 °С): Св* = (8 ± 2) % мае. против Св = (7 ± 1) % мае.

Рис. 1. Сравнение значений концентрации воды в исходной матрице (Св) и в жидкой фазе после термостатирования (Св) при повышенной температуре: □ - 90 °С; ■ -130 °С.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют об отсутствии реакций (1, 2) в условиях экспериментов, либо о существенном смещении равновесия в сторону исходных реагентов. Необходимо отметить, что после вскрытия ампул, выдержанных в соответствии с условиями, представ-

9

С 1h 6 X Uz в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. № 8 (113)

ленными в табл. 1, не наблюдалось каких-либо изменений в жидкости, свидетельствующих об образовании гелеобразной или, тем более, твердой фазы.Совместно с результатами определения нижней границы существования газо-жидкостной системы ССЬ - аминокомплексы диоксида углерода, когда концентрация воды в матрице менялась в более широких пределах (от 1 % мае. до 8 % мае.), а содержание н-ДБА в ацетонитриле находилось в диапазоне (1 - 5) М, выполненное исследование показывает, что применение содержащих воду органических матриц на основе н-ДБА и ацетонитрила не приводит к явлениям, способным отрицательным образом воздействовать на процесс разделения изотопов углерода с использованием исследуемой системы.

Библиографические ссылки

1. Неницеску К.Д. Органическая химия/ Неницеску К.Д. /Т.1. М.: Иностранная литература, 1963. 927с.

2. Озиашвили Е.Д. Разделение изотопов углерода методом химического изотопного обмена в системе СОг- амин карбамат/ Е.Д. Озиашвили, A.C. Егиазаров, Ш.И. Джиджеишвили, Н.Ф. Башкатова. //Stable Isotopes in the Life Sciences. Vienna: IAEA, 1977. P. 29-37.

УДК 621.039.3; 621.039.53; 621.039.58

А.П. Сизов, A.B. Хорошилов, E.B. Зернова

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

АНАЛИЗ ПРИМЕНИМОСТИ РОТОРНЫХ КОЛОНН С ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ НАСАДКОЙ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ

The calculation of two setups for boron isotope separation was carried out. Horizontal mass-transfer columns packed with high-performed spiral-prismatic packing were chosen as masstransfer devices in the first setup. In the second setup classical vertical columns were chosen. It is shown that the use of rotor apparatus for boron isotope separation allows reducing shop cost of separation process by approx. (20-30) %.

Выполнен сравнительный расчет двух установок для разделения изотопов бора с высокоэффективной насадкой. В первой установке в качестве массообменных аппаратов выбраны роторные колонны, во второй - классические вертикальные колонны. Показано, что использование роторных аппаратов при разделении изотопов бора позволяет снизить цеховую себестоимость процесса разделения приблизительно на (20-30) %.

Вещества и материалы с измененным относительно природного изотопным составом используются в самых разнообразных областях, и, в частности, в фундаментальных исследованиях, медицине, сельском хозяйстве, микроэлектронике, ядерной энергетике и т.д. [1, 2].