ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2015, том 49, № 3, с. 267-276
УДК 66.096.3
ВЛИЯНИЕ СПОСОБА ЗАПУСКА НАСАДОЧНОЙ КОЛОННЫ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССОВ РЕКТИФИКАЦИИ ВОДЫ И ДЕТРИТИЗАЦИИ ГАЗОВ МЕТОДОМ ФАЗОВОГО ИЗОТОПНОГО ОБМЕНА
© 2015 г. А. С. Сумченко, А. Н. Букин, С. А. Марунич, Ю. С. Пак, М. Б. Розенкевич, И. Л. Селиваненко, Тхет Мью Аунг
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва
aleks.bukin88@gmail.com Поступила в редакцию 09.06.2014 г.
Приведены результаты сравнительного исследования влияния способа предварительной подготовки регулярной насадки (насадка Зульцер CY-типа и рулонная ленточно-винтовая насадка) на эффективность массообмена при изотопном обмене водорода в процессах ректификации воды и ее фазового изотопного обмена (ФИО). Последний процесс используется для удаления паров трити-рованной воды из газов и его отличие от ректификации заключается в том, что плотность орошения насадки водой в 50—150 раз меньше при прочих сопоставимых условиях проведения процесса. Это различие приводит к тому, что для насадок, изготовленных из нержавеющей стали, отношение коэффициентов массопередачи для двух крайних случаев — ее предварительного затопления водой или запуска колонны с сухой насадкой — составляет около 50 для ФИО и 2 для ректификации. Использование для процесса ФИО насадки Зульцер CY-типа, изготовленной из оксидированной меди, приводит к тому, что это отношение для процесса ФИО становится одинаковым с процессом ректификации. На основании полученных результатов даны рекомендации для оптимизации запуска колонн ФИО.
Ключевые слова: тритий, детритизация, фазовый изотопный обмен, ректификация, регулярная насадка, скрубберная колонная.
БО1: 10.7868/80040357115030136
ВВЕДЕНИЕ
Хорошо известно, что эффективность массообмена в двухфазных системах газ (пар)—жидкость в противоточных насадочных колоннах зависит от способа предварительной подготовки насадки. Это относится как к различного рода операциям с насадкой за пределами колонны (обезжиривание, травление, нанесение различных покрытий), так и к способу запуска колонны после того, как в нее загружена насадка. Целью всех этих операций является стремление к максимальному для данной насадки увеличению удельной поверхности контакта фаз, участвующих в массообмене, за счет создания равномерной пленки жидкости по всей ее поверхности. Особое значение это имеет для процессов разделения изотопов, т.к. в них величины однократных разделительных эффектов малы, и для получения больших степеней разделения эти эффекты необходимо многократно повторять. Для них увеличение коэффициента массопередачи на 10—15% мо-
жет привести к уменьшению объема разделительной аппаратуры на несколько кубических метров.
В настоящей работе основное внимание будет уделено использованию противоточных насадочных колонн для двух близких по своей физико-химической сущности процессов обращения с изотопами водорода: ректификации воды и очистки от трития технологических и вентиляционных потоков предприятий ядерного профиля методом фазового изотопного обмена (ФИО). Первый из этих процессов до сих пор достаточно широко используется для получения тяжелой воды на стадии ее конечного концентрирования [1]. Второй процесс недавно был предложен и детально разработан как альтернативный адсорбционной технологии для крупномасштабной детрити-зации газовых потоков, содержащих тритирован-ные пары воды [2]. В основе обоих этих процессов лежит межфазный перенос целевого изотопа
НХОпар + Н2Ож О Н2Опар
X = D или T,
НХОж
в котором тяжелый изотоп концентрируется в жидкой фазе и его равновесное распределение характеризуется коэффициентом разделения а, причем величина а определяется как
аИ-Б = РИ2с/РНБО = ^ РН2о/р и ан-т = рн2о/Рнто = Vрн2о^
О
Б2О
(2)
т,о-
При этом в широком диапазоне температур Т отношение парциальных давлений чистых изотопо-
меров р0 можно рассчитать по уравнениям [3]: 1п(р^о!рРНво) = 26398.8/Т2 -
- 89.6065/Т + 0.075802, 1п [Рщо/РтОо) = 68702.3/ Т2
(3)
(4)
- 244.687/Т + 0.224388.
Значения коэффициентов разделения аН_0 и аН-Т, рассчитанные по этим уравнения при температуре, например, 40°С, равны 1.059 и 1.071 соответственно и хорошо совпадают с экспериментальными данными.
Несмотря на сходство в своей физико-химической основе, эти два процесса имеют принципиальное различие, заключающееся в очень большой разнице в удельных потоках воды, подаваемой на насадку. И в процессе ректификации, и в процессе детритизации газа методом ФИО отношение потоков водяного пара и воды в колонне (к = ^Н2о/ Хщо) близки к 1. Однако при детритиза-ции газа, когда колонна ФИО работает при температуре не выше 20°С, поток паров воды в насыщенном даже до относительной влажности ЯН = = 100% газе невелик. Так, например, при величине газового потока, поступающего на очистку от паров тритированной воды, 100 м3/ч количество паров воды в нем при температуре 20°С составит 1.9 кг/ч. Если линейная скорость очищаемого газа в колонне будет равна 1 м/с, то колонна должна иметь диаметр 190 мм. Таким образом, при X = 1 плотность орошения насадки водой в этой колонне составит около 70 кг/м2 ч. Эта величина в десятки раз меньше обычно используемой при ректификации плотности орошения насадки, составляющей п х 103 кг/м2ч (п = 1—10 для разных типов насадок) при сопоставимой линейной скорости пара в сечении колонны. Заметим при этом, что физико-химические характеристики второй фазы — пара воды или паровоздушной смеси — в этих процесса близки: плотность водяного пара и воздуха при атмосферном давлении — 0.8 и 1.3 кг/м3, вязкость при температуре 27°С — 9.1 х 10-6 и 18.5 х 10-6 Па с [4] соответственно.
Целью настоящей работы было сравнительное исследование влияния способа предварительной подготовки насадки в колонне на массообменные характеристики процессов детритизации газа и ректификации воды в ней.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Для проведения опытов использовали две установки (рис. 1 и 2).
Подробное описание установки для исследования эффективности процесса ФИО можно найти в [2]. В настоящей работе следует отметить, что назначение аппарата-насытителя 2, орошаемого тритированной водой из емкости 10, заключается в создании смеси воздуха с тритированны-ми парами воды с контролируемой влажностью и температурой, поступающей на очистку в колонну 1, орошаемую природной водой из емкости 22. Диаметр колонны ФИО — 62 мм, высота насадоч-ного слоя в ней — 96 см. После установления заданных параметров процесса детритизации (потока воздуха, его температуры и относительной влажности (опыты проведены при ЯН = 100%), потока орошающей колонну природной воды, рабочей температуры в колонне), эксперимент продолжали 6—8 ч, поддерживая параметры постоянными. В течение этого времени достигается стационарный профиль концентрации трития по высоте колонны. После этого проводится отбор проб для изотопного анализа. Концентрация трития определяется в потоке воды, выходящей их колонны (Хвых), в конденсате водяного пара из потока воздуха на входе и выходе колонны (^вх и ^вых соответственно). Анализ проб проводили жидкостным сцинтилляционным методом на приборе Тй-СагЬ 2810 ТЯ. Заданная погрешность измерения концентрации трития не превышала 1.5 отн. % при 95% доверительной вероятности. По результатам измерения концентраций рассчитывали массообменные характеристики процесса: ВЭТС, ВЕП и коэффициент массопередачи
— высота, эквивалентная теоретической ступени (ВЭТС)
ВЭТС = Нкол/ЧТСР = Д^Б
- Нкол 1п
(а \ ан-т
конц у
— высота единицы переноса (ВЕП)
,(ан-т
ВЭП = ВЭТС
1п
^ а н-т Л
а н-т /
— коэффициент массопередачи
°н ,о
конц
К =
Б ВЭП
(5)
(6)
Рис. 1. Схема экспериментального стенда для исследования процесса детритизации газа методом ФИО: 1 — колонна ФИО; 2 — аппарат-насытитель; 3 — воздушный фильтр; 4 — газодувка; 5, 11, 14, 19, 26 — теплообменники; 6 — контроллеры газового потока; 7 — манометр; 8 — расходомер; 9 — перистальтический насос; 10 — емкость с водой; 12, 16, 17, 18, 28 — термопары; 13, 21, 32; 34, 35 — пробоотборники; 15, 20, 26 — термостаты; 22 — емкость для питающей воды; 23 — фильтр тонкой очистки; 24, 25 — контроллер потока воды; 29, 33 — гидрозатвор; 30 — приемная емкость для воды; 31 — мерная емкость.
22
V {хЬ
Выход газа
23
28 35
24'
17
/15
Воздух
н н Ь|
ч н
.6 Л Охлажд. 5 /3
А т вода / ^Т 4 1 т^4
Охлажд. вода
В этих уравнениях: Д2Б = 2вх - 2*, 2* = Хвых/а н-т,
Д2М = 2вых, Xконц = XвЫх/(2вх - 2вых) - отношение
потоков пара воды и жидкой воды, рассчитанный исход их материального баланса трития в потоках воздуха и воды, 6Н 0 — поток паров воды, моль, S — площадь сечения колонны, м2.
Ректификационная колонна 1 диаметром 60 мм заполнена насадкой 2 на высоту слоя 0.96 м. Куб колонны 3 объемом 9 л обогревается регулируемыми ТЭНами 4 мощностью до 12 кВт. Образующийся в конденсаторе 5 поток флегмы поступает на орошение колонны через калиброванную
Охлаждающая вода
,14
10
•/•/•/VVVVV VV/VV
7//'/<///////<//У///У'У///У /УУ 'А/Ж/ '/'/'/■ '/'/'/■ '/'/'/-'/'/У/ yyyv-yyvv yy-yyvvyyy
J///////////// у/у/у. '//у/у. 'у////
ЩШШ/у/У/УМу
,13
'11
сле вывода колонны в стационарное состояние определяли концентрацию дейтерия в воде из куба и из верхней части колонны (с использованием вентиля 12). Концентрацию дейтерия определяли с использованием прибора "Liquid Water Isotope Analyzer LGR 500", обеспечивающего погрешность измерения ±0.0001 ат. % (1 млн-1). Расчет ВЭТС проводили с использованием уравнения Фенске для безотборного режима:
v ЧТСР
K = ан-в ,
(8)
Рис. 2. Схема установки для ректификации воды: 1 — колонна ректификации, 2 — насадка колонны, 3 — куб-испаритель, 4 — ТЭНы для обогрева куба, 5 — охлаждаемый водой конденсатор, 6 — калиброванный объем для измерения потока флегмы, 7—12 — краны, 13—14 — смотровые трубки.
смотровую трубку 6, которая служит для измерения потока флегмы (для чего требуется закрыть кран 7 и определить время заполнения калиброванного объема трубки 6) и визуального контроля захлебывания. Краны 10 и 11 служат для залива и слива жидкости в кубе колонны.
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.