КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ РАДИАЦИОННАЯ ХИМИЯ
541.15
УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОЛИЗА ГАЗОВ И ПАРОВ
© 2015 г. В. Н. Чулков, А. В. Блуденко, А. В. Пономарев
Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН 119991, Москва, Ленинский просп., 31 E-mail: ponomarev@ipc.rssi.ru Поступила в редакцию 04.12.2014 г.
ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2015, том 49, № 4, с. 334-336
УДК
Б01: 10.7868/80023119315040051
Экспериментальное исследование радиолиза газообразных и парообразных сред обычно проводится в непроточном режиме [1], когда образец находится в статичном или перемешиваемом состоянии, при этом дополнительный приток извне или отвод вещества за пределы реакционного сосуда отсутствует в течение всего процесса облучения. В этих условиях по мере накопления продуктов радиолиза возрастает вероятность их вторичных превращений [2], что неизбежно сказывается на степени конверсии исходного вещества и составе конечных продуктов.
Промышленная радиационно-химическая переработка газообразных и парообразных сред подразумевает, прежде всего, облучение в проточном режиме. Примерами таких процессов могут служить удаление окислов серы и азота из дымовых выбросов [3], синтез жидких углеводородов из нефтяных газов [4], газофазная прививочная полимеризация [2] и т.п. Соответственно, на стадии пред-промышленных исследований изучение статичных образцов должно дополняться экспериментами в проточных режимах. В настоящей работе описывается исследовательская установка для электронно-лучевой конверсии газов и паров в проточных и проточно-циркуляционных условиях.
Состав и конструкция элементов установки (см. рис.) ориентированы на возможность работы при давлении <0.15 МПа и средней температуре облучаемой среды до 250°С. В зависимости от решаемой задачи, в качестве источника излучения может использоваться один из двух ускорителей: либо на-носекундный частотный ускоритель УРТ-1, генерирующий вертикальный пучок электронов (максимальная энергия — 1 МэВ, длительность импульсов 50 нс, частота следования импульсов 1—50 Гц), либо линейный ускоритель ЫКБ-02-500, генерирующий горизонтальный пучок электронов (максимальная энергия — 2 МэВ, длительность импульсов 4 мкс, частота следования импульсов 1—250 Гц).
Установка предназначена для исследования вариантов конверсии, не изменяющих фазовый состав среды (сырье и продукты остаются в газовой
или паровой фазе), а также для изучения превращений, протекающих по принципу "газ-в-жид-кость" или "газ-в-твердое", т.е. когда целевые продукты выделяются в конденсированном состоянии. Предусмотрена возможность циркуляции обрабатываемой среды по замкнутому контуру — сырье подвергается неоднократному облучению, а убыль давления, обусловленная конденсацией продуктов за пределами зоны облучения, восполняется за счет притока свежего сырья.
Установка состоит из реактора (1), где газ или пар непосредственно подвергаются электроннолучевому воздействию, системы газо-жидкост-ной сепарации (8—10), блока смешения исходных компонентов (3—5) и системы регулирования и контроля подачи газа (1, 2).
Реактор представляет собой цилиндрический сосуд, изготовленный из нержавеющей стали, с фланцами на торцах, герметично закрываемых стальными торцевыми крышками. Одна из крышек снабжена диафрагмой из алюминиевой фольги, зафиксированной между опорными решетками. Диафрагма служит в качестве входного окна для потока ускоренных электронов. А опорные решетки поддерживают фольгу, не допуская ее прогиба под воздействием избыточного давления или разряжения. Крышка снабжена каналами водяного охлаждения, а также медным змеевиком-холодильником (7), призванным снижать температуру газа в непосредственной близости от входной диафрагмы. Температура воды в системе охлаждения диафрагмы регулируется в зависимости от исследовательской задачи с учетом предотвращения перегрева диафрагмы или конденсации паров на ее внутренней стороне.
Противоположная торцевая крышка снабжена съемным медным цилиндрическим сосудом-испарителем (12) с периферическим электронагревателем. Сосуд-испаритель герметично крепится по центру крышки и предназначен для подогрева реакционной смеси и/или испарения жидкостей, помещаемых внутрь при вертикальной ориентации реактора. В случае горизонтальной ориента-
УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОЛИЗА ГАЗОВ И ПАРОВ
335
Излучение
13
12
11 2 6
2 1
' >} -«— Подача газа
Схема установки: 1 — измеритель и регулятор давления El-Press, 2 — расходомер Mass-View, 3 — устройства смешения и испарения CEM, 4 — измеритель и регулятор расхода жидкости mini Cori-Flow, 5 — измеритель и регулятор расхода газа El-Flow, 6 — циркуляционный насос, 7 — контур охлаждения газов, 8 — воздушный холодильник, 9 — водяной холодильник, 10 — приемник конденсата, 11 — фильтр-патрон, 12 — медный цилиндрический сосуд-испаритель, 13 — ленточный нагреватель.
ции реактора, сосуд-испаритель 12 может быть присоединен к специальному гнезду на боковой поверхности реактора.
Подача газа в реактор, вывод реакционной смеси в систему конденсации, рецикл газа и впрыскивание парообразных компонентов осуществляются через специальные входные и выходные патрубки. Наряду с сосудом-испарителем 12 реактор снабжен ленточным нагревателем (13), прилегающим к наружным боковым стенкам. Контроль и регулирование температуры осуществляется терморегулятором с помощью термопары.
Для автоматического управления газодинамическими и температурными режимами в установке применена контрольно-измерительная аппаратура фирмы Bronkhorst Cori-Tecch B.V (Нидерланды). Заданный состав парогазовых смесей в установке может поддерживаться двумя способами. Пары вы-сококипящих (до 350°C) соединений могут создаваться с помощью сосуда-испарителя 12, тогда как для парообразования в низкокипящих (до 200°С) жидкостях может использоваться система испарения и смешивания CEM (Controlled Evaporation and Mixing). Она состоит из регулятора расхода жидкости (4), регулятора расхода газа (5) и термостатиру-емого устройства смешения и испарения (3). Система позволяет испарять жидкость со скоростью до 220 г/ч и впрыскивать пары в поток газа при расходе до 30 л/мин.
Регуляторы потоков испаряемой жидкости и газа, а также испаритель низкокипящей жидкости снабжены системой индикации и управления, под-
ключаемой к компьютеру, с которого осуществляется регулирование температуры потоков и поддержание заданного соотношения расходов смешиваемых компонентов. Подача парогазовой смеси из испарителя в реактор осуществляется через термо-статируемый патрубок-коннектор.
Облученная смесь из реактора поступает в систему сепарации, состоящую из воздушной ловушки (8), двух водяных холодильников (9) и охлаждаемого приемного сосуда (10), где происходит конденсация и отделение тяжелых продуктов радиолиза. Неконденсируемые компоненты, включая непрореагировавший газ, через фильтрующий патрон (11) и ротаметр (2), измеряющий скорость циркуляции газа, подаются на насос и могут быть возвращены обратно в реактор. При необходимости часть газа может быть направлена в реактор через систему СЕМ, а часть — напрямую. Например, для исследования косвенного действия излучения на парообразные компоненты основная часть потока газа возвращается в реактор напрямую и лишь небольшая часть (до 2 л/мин) поступает через систему испарения и смешивания СЕМ для дополнительного обогащения парами.
Заполнение реактора свежим газом и поддержание в нем заданного давления осуществляется посредством системы, состоящей из регулятора давления (1) и ротаметра (2), регистрирующего потребляемое количество газа. Работа регулятора и показания ротаметра контролируются управляющим компьютером.
9
9
ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ том 49 № 4 2015
336
ЧУЛКОВ и др.
Составом и свойствами синтезируемых конечных продуктов можно управлять, изменяя, прежде всего, мощность дозы, поглощенную дозу, частоту следования импульсов излучения, температуру, газодинамические параметры реакционных потоков, состав газа и испаряемой жидкости. Данная установка, в частности, позволяет моделировать и исследовать синтез жидких продуктов из газообразных соединений в процессах рекомбинации и теломеризации радиа-ционно-индуцируемых интермедиатов. Реализуемые условия облучения позволяют также изучать эффективность реакций гидрирования и алкили-рования непредельных компонентов, термости-мулируемой деструкции высокомолекулярных летучих соединений и проточной прививки газообразных и парообразных реагентов к твердым носителям. Установка была испытана, в частно-
сти, в процессе электронно-лучевой конверсии попутного нефтяного газа в жидкие углеводороды и при радиационно-термическом крекинге тяжелых фракций нефти.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках соглашения № 14.607.21.0109 о предоставлении субсидии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Экспериментальные методы химии высоких энергий: Учебное пособие / Под общей редакцией М.Я. Мельникова. М.: Изд-во МГУ, 2009.
2. Woods R.J., Pikaev A.K. // Applied Radiation Chemistry: Radiation Processing, New York.: Wiley-Inter-science, 1994.
3. Berejka A., Cleland M.R. // Industrial Electron Beam Processing, IAEA, CD Working Material, Vienna, 2008.
4. Ponomarev A. V. // Radiat. Phys. Chem. 2009. V 78. P. 48.
ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ том 49 № 4 2015
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.