Ректификация водорода с целью извлечения дейтерия - Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике

В 1985-1991 годах на экспериментальном стенде ректификации водорода был выполнен большой цикл работ по исследованию гидравлических и разделительных характеристик низкотемпературной колонны с массообменными вставками диаметром от 80 до 300 мм. Предварительные исследования, отладка оборудования и приобретение опыта работы с большим количеством водорода (до 70 литров жидкого водорода) проводились при ректификации смесей Ar-O2 и орто-Н2 - пара-Н2 . Основные исследования проводились при ректификации смесей H2-HD-D2 и HD-D2-DT. Были исследованы следующие массообменные устройства: тарельчатого типа с межтарельчатой сепарацией фаз конструкции НПО "Криогенмаш", спирально-призматическая насадка и из химически обработанной медной проволоки, рулонная насадка из нержавеющей и латунной сетки, насадка регулярного типа из слоев зигзагообразной сетки. Исследования проводились при давлении в колонне 0.15 и 0.3 МПа. Было исследовано:

Ѕ влияние потока (скорости) газа в колонне на перепад давления в колонне;

Ѕ влияние потока (скорости) газа на задержку жидкости на массообменном устройстве. Этот параметр определяет количество дейтерия и трития в колонне и отсюда капитальные и эксплуатационные расходы;

Ѕ определены значения величины единицы переноса (ВЕП) для каждого массообменного устройства и их зависимость от нагрузки (скорости) газа в колонне и диаметра колонны.

Было показано, что все насадки за исключением регулярной насадки из слоев зигзагообразной сетки могут быть использованы в качестве массообменных устройств, но предпочтение может быть отдано тарельчатой конструкции и спирально-призматической насадке из медной проволоки. На экспериментальном стенде ректификации водорода был выполнен также цикл исследований по обеспечению безопасности (теплофизические исследования при нарушениях нормального режима работы колонны, уменьшение объема жидкости в кубе-испарителе колонны, исследование намораживания компонентов воздуха на корпусе колонны при потере герметичности кожуха колонны и др.). Результаты исследований опубликованы, последняя публикация [7].

Ректификация жидкого водорода для выделения из него дейтерия и получения тяжелой воды в настоящее время является одним из основных промышленных способов производства этого продукта. Ректификация водорода имеет такие преимущества, как высокий коэффициент разделения, низкую молекулярную массу рабочего вещества, достаточно большие ресурсы водорода. В качестве сырья могут быть использованы электролитический водород, азотно-водородная смесь для синтеза аммиака, синтез-газ для производства метанола, водородсодержащие газы нефтеперерабатывающих заводов. Лучшим видом сырья является электролитический водород, он меньше загрязнен примесями и при соответствующей организации процесса электролиза воды может иметь повышенное содержание дейтерия. Однако стоимость производства водорода электролитическим методом пока высока и масштабы соответственно невелики.

Принципиально процесс ректификации сжиженных газов при низкой температуре ничем не отличается от ректификации при положительной температуре и поэтому описывается теми же известными расчетными соотношениями.

То же можно сказать об устройстве ректификационных колонн, однако конструкционный материал для их изготовления должен сохранять свои механические свойства при низкой температуре. Поэтому исключается применение углеродистых сталей, которые при низкой температуре становятся хрупкими. Пригодны легированные сорта стали, медь и ее сплавы, алюминиевые сплавы.[12]

Главная особенность ректификации сжиженных газов связана с принципами и техникой получения и поддержания низкой температуры и покрытия потерь холода. Другая ее черта это необходимость глубокой очистки разделяемого газа от примесей.

Холод, необходимый для стационарного функционирования промышленных установок низкотемпературной ректификации, а также для первоначального охлаждения и заполнения сжиженным газом при пуске, получают с помощью холодильных циклов, включенных в технологическую схему установки и основанных на дросселировании-изоэнтальпическом расширении газа без совершения работы или на изоэнтропическом расширении газа в детандере с совершением внешней работы. Последние экономичнее, но требуют более сложного оборудования. Рабочим телом в холодильных циклах может служить сам ректифицируемый газ или вспомогательное вещество.[3]

Важным элементом установок для низкотемпературной ректификации является тепловая изоляция, предназначенная для уменьшения потерь холода в окружающую среду.

Приток тепла из окружающей среды в аппаратуру, работающую при низкой температуре, происходит через теплоизолирующее пространство, так и через "тепловые мосты"-опоры, подвесы, трубопроводы.

Для изоляции низкотемпературных установок применяются различные способы.

Насыпная изоляция-пространство между аппаратурой и наружным кожухом заполняют изолирующим материалом с низкой теплопроводностью. К таким материалам относятся волокнистые(шлаковая и стеклянная вата), порошкообразные(перлит, аэрогель или аэросил) и ячеистые(пеностекло и пенопласты). [6]

Высоковакуумная изоляция-пространство между аппаратурой и наружным кожухом с помощью вакуум-насосов вакуумируют до остаточного давления 10-3Па. При этих условиях длина свободного пробега молекул больше расстояния между стенками и перенос тепла остаточным газом достаточно мал. В области более высоких давлений, когда длина свободного пробега мала, уменьшение теплопроводности, вследствие уменьшения плотности газа компенсируется ростом длины свободного пробега. Следовательно, хороший эффект вакуумной изоляции наблюдается только при достаточно глубоком вакууме. Другой недостаток вакуумной изоляции состоит в том, что не исключаются потери по механизму лучеиспускания. Высоковакуумная изоляция применяется преимущественно в небольших установках.[3]

Вакуум-порошковая изоляция отличается тем, что вакуумированное пространство заполняют мелким порошкообразным материалом с низкой тепловодностью, например перлитом, аэрогелем, магнезией тонкого помола. Распространению теплового излучения препятствует экранирующее действие частиц порошка, которые образуют систему малоэффективных, но очень многочисленных экранов. Отражающую способность порошка можно повысить добавлением к нему небольшого количества металлической пудры.

Наиболее совершенной является многослойная экрановакуумная изоляция, состоящая из чередующихся слоев материала с малой теплопроводностью(стеклобумага) и материала с высокой отражающей способностью(алюминиевая фольга). [6]

Похожие статьи




Ректификация водорода с целью извлечения дейтерия - Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике

Предыдущая | Следующая