научная статья по теме О НЕКОТОРЫХ ПРОБЛЕМАХ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСЕЙ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «О НЕКОТОРЫХ ПРОБЛЕМАХ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСЕЙ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2007, том 41, № 1, с. 3-15

УДК 66.066

О НЕКОТОРЫХ ПРОБЛЕМАХ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСЕЙ

© 2007 г. Н. Н. Кулов

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва

kulov@igic.ras.ru Поступила в редакцию 26.09.2006 г.

Прослежены пути развития исследований и смена приоритетов в области разделения смесей на примере анализа работ лаборатории, организованной Н.М. Жаворонковым в 1945 г. Выполненные исследования охватывают широкий круг фундаментальных проблем массо- и теплообмена в процессах абсорбции газов, ректификации, вакуумной и молекулярной дистилляции, фракционной кристаллизации и плавления. Тематика рассматриваемых работ охватывает разделение изотопов легких элементов, создание массообменных аппаратов большой единичной мощности, исследования механизма и кинетики процессов разделения, способов их интенсификации, разработку гибридных энерго- и ресурсосберегающих процессов и аппаратов.

Юбилейная дата - 40 лет существования журнала "Теоретические основы химической технологии" - требует вспомнить об учителях и о том пути, который прошла химическая технология за последние полвека в поисках научных истин и практических решений. На 2007 г. приходится 100-летний юбилей со дня рождения основателя и первого главного редактора журнала академика

Н.М. Жаворонкова. В этой связи уместно упомянуть еще одно событие, которому и посвящена настоящая статья, - 60 лет существования научной лаборатории, организованной Н.М. Жаворонковым по инициативе И.В. Курчатова (рис. 1).

В 1945 г. в Москве в Научно-исследовательском физико-химическом институте (НИФХИ) им. Л.Я. Карпова была создана лаборатория № 3,

Рис. 1. У истоков: Н.М. Жаворонков (в центре) и И.В. Курчатов (справа).

11-9~

-10

-1 -5

Рис. 2. Колонна с пакетной листовой насадкой:

I — нижний корпус; 2 - колонна; 3 - головка колонны; 4 - кольцо; 5 - опорная балка; 6, 7 - пакеты высотой 1000 и 80 мм соответственно; 8 - ороситель; 9, 10 — нижний и верхний колосники соответственно;

II - разбрызгиватель.

которая впоследствии получила открытое название лаборатории химии и технологии стабильных изотопов легких элементов. Организация этой лаборатории была вызвана необходимостью иметь высокоавторитетный центр по основным проблемам разделения смесей.

В 1940-50-е гг. в лаборатории было четыре группы, которые возглавляли В.А. Малюсов, С.И. Бабков, О.В. Уваров и М.Э. Аэров, но деловую и творческую атмосферу в основном создавал руководитель лаборатории профессор Н.М. Жаворонков.

Коллектив лаборатории занимался разработкой методов получения тяжелой воды и стабильных изотопов, главным образом, методами ректификации и химическог обмена. Уникальные свойства дейтерия, тяжелого стабильного изотопа водорода, сделали его незаменимым продуктом для ядерной энергетики и ядерного оружия. В связи с этим возникла необходимость создания промышленного производства дейтерия, как чистого, так и в виде тяжелой воды. В конце 1945 г. перед НИФХИ была поставлена задача разработки научно-технических основ промышленного производства тяжелой воды.

Для решения поставленной задачи в короткие сроки Н.М. Жаворонков организовал при НИФХИ межведомственный Научно-технический совет по тяжелой воде, в котором он был председателем, а М.Г. Слинько - ученым секретарем. В состав Совета вошли ведущие специалисты различных институтов и организаций страны.

Была предусмотрена разработка многих процессов обогащения. Среди них - ректификация воды при нормальном и пониженном давлениях, ректификация жидкого аммиака, низкотемпературная ректификация жидкого водорода, двухтемператур-ный метод обогащения в системе Н2Б-Н20, многоступенчатый электролиз водных растворов в сочетании с изотопным обменом между водой и водородом.

Как заведующий лабораторией разделения смесей Н.М. Жаворонков непосредственно руководил исследованиями по ректификации воды с целью обогащения по дейтерию. Были разработаны оригинальные насадки для колонн с малым гидравлическим сопротивлением и рассчитан оптимальный каскад.

На рис. 2 показана разработанная в лаборатории колонна высотой 17.5 м и диаметром 0.48 м с насадкой в виде пакетов тонких металлических листов, расположенных вертикально, по обеим сторонам которых стекает тонкая пленка жидкости, а навстречу к ней противотоком поднимается пар [1]. Колонна предназначалась для получения тяжелой воды путем ее ректификации под вакуумом. Впоследствии колонны с такой насадкой успешно использовали в ряде производств, в частности, в крупнотоннажном производстве ка-пролактама.

Лабораторная колонна для получения тяжелокислородной воды Н280 путем ректификации воды под вакуумом (рис. 3) была спроектирована и испытана О.В. Уваровым и И.В. Сокольским [2].

3

6

2

7

4

Найденный в опытах при нормальной температуре кипения воды коэффициент разделения а = 1.0032 отличается от единицы только в третьем знаке после запятой. Это означает, что требуется огромное число ступеней разделения, чтобы получить заданное обогащение.

В 1956 г. Н.М. Жаворонков совместно с С.И. Баб-ковым опубликовали в Докладах АН СССР [3] математическую модель нестационарного состояния разделительной системы, позволяющую рассчитывать пусковой период разделительного каскада. Формула Бабкова-Жаворонкова быстро вошла в расчетную практику. Было показано, что из сырья с низким содержанием целевого изотопа практически невозможно получить высокообога-щенный продукт без использования каскадной схемы. Так, при разделении изотопов кислорода методом вакуумной ректификации воды в одной колонне из-за малой величины коэффициента обогащения £ = а - 1, время достижения в продукте концентрации 180 на уровне 95 ат. % превысило бы срок амортизации установки.

В построенном на территории НИФХИ специальном корпусе имелась высотная часть (двухсветный зал), где была смонтирована укрупненная установка, состоящая из каскада трех ректификационных колонн различного диаметра. На этой установке и была разработана уникальная по тем временам технология разделения стабильных изотопов кислорода.

В промышленности высота ректификационной колонны, эквивалентная одной ступени разделения, обычно составляет 0.3-0.5 м. Однако применение в качестве насадки трехгранных проволочных спиралей из нержавеющей стали оказалось весьма эффективным и позволило получить высоту, эквивалентную одной теоретической тарелке, ВЭТТ = 1 см. Это означало, что на ректификационных колоннах каскада общей высотой 10 м удалось получить около 1000 теоретических ступеней разделения. На строительство корпуса и монтаж установки ушло несколько лет, но в результате была получена тяжелокислородная вода концентрацией до 30 ат. % по 180.

На основании этих исследований на Московском электролизном заводе была построена промышленная установка, которая в течение более 20 лет успешно эксплуатировалась, обеспечивая потребность страны в тяжелом изотопе кислорода.

В последние 10-15 лет потребность в изотопе 180 резко увеличивается в связи с быстрым ростом числа центров позитрон-эмиссионной томографии в США, Европе, России, Японии и других странах. Интересно, что разработанная в 1950-е гг. технология - вакуумная ректификация воды в колоннах со спирально-призматической насадкой -остается наиболее надежной и эффективной.

18

Рис. 3. Лабораторная ректификационная колонна для получения И^О: 1 - куб; 2 - электронагреватель;

3 — водомерное стекло; 4 - зажимы ; 5 - капельница; 6 - отбойник; 7- карман для термопары; 8 - кольцо с сеткой; 9 - манометрическая трубка; 10 - насадка; 11 - контакт спирали; 12 - спираль; 13 - вакуумный кожух; 14 - экран; 15 - распорные кольца; 16 - колонна; 17 - ловушки; 18 - ртутный манометр; 19 - сильфон; 20 - верхнее кольцо с сеткой; 21 - верхний подогреватель; 22 - дифманометр; 23 - верхний карман для термопары; 24 - конденсатор; 25 - капилляр; 26 - фильтр; 27 - верхний сосуд; 28 - ловушка с сосудом Дьюара; 29 - верхняя капельница; 30 - ртутный манометр; 31 - напорный бачок; 32 - изоляция.

к вакуумному насосу

10 9 3 1

Рис. 4. Схема многоступенчатого аппарата для молекулярной дистилляции:

1 - корпус аппарата; 2 - конденсатор; 3 - вставное корыто; 4 - водяной холодильник; 5 - конденсатор для даутермита; 6 - крышка аппарата; 7 - приспособление для отбора проб и измерения температуры; 8 - карман для термопары; 9 — экран; 10 - лоточек.

6

Работы по разделению изотопов азота [4] привели к созданию в 1960 г. на Новомосковском химическом комбинате первой в СССР промышленной установки для получения изотопа 15К методом химического изотопного обмена между газообразным аммиаком и водным раствором нитрата аммония.

В большом цикле работ, выполненных в лаборатории, был решен ряд принципиальных вопросов разделения смесей методами молекулярной дистилляции, когда расстояние от зеркала испарения молекул до холодной поверхности конденсатора сопоставимо с длиной свободного пробега молекулы.

На рис. 4 показан многоступенчатый аппарат, разработанный в лаборатории и использованный в опытах по применению молекулярной дистилляции для разделения изотопов лития ^ и выполнявшихся в 1955-1956 гг. [5]. Впоследствии такие аппараты нашли применение также в производстве витаминов.

В процессе разработки технологий получения тяжелой воды и продуктов, обогащенных изотопами легких элементов, были выполнены обширные физико-химические работы по определению коэффициентов разделения изотопов водорода, азота, углерода, бора и лития в равновесных системах жидкость-пар.

Изотопы легких элементов привлекали внимание исследователей в 1940-1950 гг. в связи с созданием атомного и термоядерного оружия, поэтому в первую очередь были освоены промышленные методы концентрирования и выделения таких изотопов как 2Нф), 10В.

В 1960-е гг. мирное использование атомной энергии, широкое применение метода меченых атомов в различных областях человеческой деятельности способствовали реализации промышленных методов разделения изотопов азота, кислорода, углерода. В лаборатории Н.М. Жаворонкова к началу 1960-х гг. были готовы и опробованы в промышленных масштабах технологии получения 15К, 180, 13С. Таким образ

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химическая технология. Химическая промышленность»