CC BY
141
17. Абаев Ю.К. Хирургическая повязка. - Минск: Беларусь, 2005.
- 150 с.
18. Кучеров С.В. Радиационная стерилизация // Радиационная обработка материалов. 2012. ИЯЬ: http://www.zao-intech.ru (дата обращения: 22.03.2012).
19. Быков Н.М., Губанов В.П., Гунин А.В. и др. Сильноточный импульсно-периодический ускоритель электронов с высокой стабильностью параметров электронного пучка // Приборы и техника эксперимента. - 1989. - № 1. - С. 37-39.
20. Ельчанинов А.С., Загулов Ф.Я., Коровин С.Д. и др. Ускорители сильноточных электронных пучков с высокой частотой следования импульсов // В сб.: Сильноточные импульсные электронные пучки в технологии / под ред. ГА. Месяца. - Новосибирск: Наука, 1983. - 520 с.
21. Коровин С.Д. Трансформатор Тесла в сильноточных импульсно-периодических ускорителях // Препринт № 47, ТФ СО АН СССР. - Томск, 1988. - 38 с.
22. Коровин С.Д., Ростов В.В. Сильноточные наносекундные импульсно-периодические ускорители электронов на основе трансформатора Тесла // Известия вузов. Сер. Физика. - 1996.
- № 12. - С. 21-30.
23. Mesyats G.A., Korovin S.D., Gunin A.V., et al. Repetitively pulsed high-current accelerators with transformer charging of forming lines // Laser and Particle Beams. - 2003. - V. 21. - P. 197-200.
24. Филатов В.Н., Рыльцев В.В. Биологически активные текстильные материалы. Т. 1. Терапевтические системы «дальцекс-три-псин». - М.: Информэлектро, 2002. - 248 с.
Поступила 16.03.2012 г.
УДК 621.039.342.001.53
ПОЛУЧЕНИЕ ВЫСОКООБОГАЩЕННОГО 13С В КАСКАДЕ ГАЗОВЫХ ЦЕНТРИФУГ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИЗОТОПНОГО ОБМЕНА В ДИОКСИДЕ УГЛЕРОДА
А.А. Орлов, В.П. Совач*
Томский политехнический университет *ОАО «ПО Электрохимический завод», г. Зеленогорск E-mail: [email protected]
Рассмотрены возможные схемы протекания реакции изотопного обмена в диоксиде углерода в реакторе изотопного обмена. Показаны изменения молекулярного состава диоксида углерода и распределения изотопа 13С на входе и выходе из реактора изотопного обмена. Исследована зависимость эффективности работы каскада газовых центрифуг по получению высокообогащенного 13С от места установки в нем реактора изотопного обмена при различных величинах степени изотопного обмена. Показано, что функция эффективности работы каскада от места установки в нем реактора изотопного обмена представляет собой унимодальную выпуклую линию, которая имеет максимум. Определены места оптимального расположения одного идвух реакторов изотопного обмена в каскаде газовых центрифуг и величины степени изотопного обмена в них, при которых можно обеспечить обогащение по 13С более 99 %.
Ключевые слова:
Каскад газовых центрифуг; изотопный обмен; диоксид углерода; реактор изотопного обмена.
Key words:
Gas centrifuge cascade; isotope exchange; carbon dioxide; isotope exchange reactor.
Введение
При разделении изотопов центрифужным методом приходится использовать рабочие вещества, представляющие собой химические соединения нескольких полиизотопных элементов. В этом случае говорят о «изотопном перекрытии», то есть целевой изотоп одновременно находится в нескольких различных массовых компонентах, которые состоят из изобарных молекул с различным набором изотопов.
Эффективность центробежного метода разделения зависит от разности молекулярных масс, следовательно, молекулы, состоящие из различных изотопов элементов и имеющие одинаковую молярную массу, будут вести себя в поле действия центробежных сил одинаково.
Изотопные перекрытия ограничивают максимальное обогащение целевым изотопом в разделительных каскадах некоторой предельной величиной.
Это ограничение можно преодолеть несколькими способами [1], одним из которых является использование совокупности реакций изотопного обмена, в результате которых рабочее вещество будет стремиться перейти в равновесное состояние.
Технология получения высокообогащенного изотопа 13С в ОАО «ПО ЭХЗ» описана в работе [2]. Она основана на изобретении [3]. Изотопный обмен можно проводить между разделительными этапами и непосредственно в процессе разделения. Во втором случае в разделительный каскад устанавливаются специальные устройства - реакторы изотопного обмена (РИО), что приводит к уменьшению числа разделительных этапов. Описание РИО приведено в работах [4, 5].
Данная статья посвящена расчетно-теоретическим исследованиям по определению необходимого числа РИО с заданными технологическими параметрами, и их оптимального расположения в ка-
скаде газовых центрифуг (ГЦ) при получении диоксида углерода обогащенного (более 99 %) изотопом 13С.
Теоретическая часть
Для синтеза диоксида углерода предназначенного для обогащения изотопом 13С используется кислород с природным содержанием изотопов и углерод, предварительно обогащенный изотопом 13С до 15...30 % [2, 3, 6]. Формулы определения равновесного изотопно-молекулярного состава диоксида углерода и содержания в нем 12С, 13С приведены в табл. 1.
Таблица 1. Формулы определения равновесного изотопномолекулярного состава диоксида углерода и содержания в нем 12С, 13С
Молярная масса СО2, М, кг/моль Изотопный состав молекул СО2 Содержание в СО2
,2С ,3С
0,044 ,2С,6О,6О ,2С,6О,6О/М 0
0,045 (,2С,6О,7О)'2+ ,3С,6О,6О (,2С,6О,7О).2/М ,3С,6О,6О/М
0,046 (,2С,6О,8О).2+ ,2С,7О,7О+ (вС,6О,7О)'2 (,2С,6О,8О).2+ ,2С,7О,7О/М (,3С,6О,7О).2/М
0,047 (,2С,7О,8О).2+ (,3С6О,8О)'2+ ,3С,7О,7О (,2С,7о,8о).2/М (,3С,6О,8О).2+ ,3С,7О,7О/М
0,048 ,2С,8О,8О+ (,3С,7О,8О).2 ,2С,8О,8О/М (,3С,7О,8О).2/М
0,049 ,3С,8О,8О 0 ,3С,8О,8О/М
Изотопное перекрытие в диоксиде углерода обусловлено наличием изотопов углерода 12С, 13С и изотопов кислорода 16О, 17О, 18О.
Равновесный изотопно-молекулярный состав диоксида углерода, используемый для центрифужного разделения приведен в табл. 2. Содержание 13С равно 15 %.
Таблица 2. Изотопно-молекулярный состав диоксида углерода
Молярная масса СО2, М, кг/моль Молекулярная концентрация СО2, % Концентрация изотопов углерода в молекулах СО2, %
,2С ,3С
0,044 84,5908 100,0000 0
0,045 14,9905 0,4186 99,58,4
0,046 0,3570 96,8987 Э/МЭ
0,047 0,0612 0,2097 99,7903
0,048 0,0004 93,9837 6,0,63
0,049 0,0001 0 Ю0,0000
Если процесс разделения проводится в каскаде газовых центрифуг без использования РИО, то диоксид углерода обогащается изотопом 13С до 95.97 %, затем он переводится в равновесное состояние с помощью РИО и организуется еще один разделительный этап. В табл. 3 приведены результаты теоретического исследования процесса изотопного обмена. На вход РИО подается неравно-
весный диоксид углерода, полученный в процессе работы разделительного каскада, на выходе из РИО имеем равновесный состав диоксида углерода.
Таблица 3. Молекулярный состав диоксида углерода и содержание 13С на входе и выходе из РИО
Молярная масса СО2, М, кг/моль Молекулярный состав СО2, % Содержание ,3С, %
Вход Выход Вход Выход
0,044 0,3,3, 3,3350 0,0000 0,0000
0,045 96,3675 92,9890 99,58,4 99,9827
0,046 2,8304 0,5766 3/Ю,3 812866
0,047 0,4856 3,0654 99,7903 99,99,3
0,048 0,0030 0,0086 6,0,63 89,6792
0,049 0,0005 0,0252 Ю0,0000 Ю0,0000
Анализируя приведенные данные можно предположить, что наиболее неравновесными изобарными являются молекулы диоксида углерода с молярными массами 0,045 и 0,046. При взаимодействии молекул СО2 этих молярных масс происходит их преобразование в молекулы СО2 других масс по следующим реакциям:
(С12О16О17*) + (С13О16*О17) = (С12О16О16) + (С13О17О17)
М 0,045 0,046 0,044 0,047
(С12*О17О17) + (С13*О16О16) = (С12О16О16) + (С13О17О17)
М 0,046 0,045 0,044 0,047
(С12О16О18*) + (С13О16О16*) = (С12О16О16) + (С13О16О18)
М 0,046 0,045 0,044 0,047
Безусловно, процесс изотопного выравнивания не ограничивается приведенными выше реакциями. Существует и множество других реакций, возможно более сложных, в результате которых образуются молекулы СО2 с молярными массами 0,047 и 0,048.
В табл. 3 показано, что в результате реакции и зотопного обмена происходит не только изменение молярных масс, но и увеличение концентрации 13С в молекулах более тяжелых масс. Например, до РИО содержание изотопа 13С в молекулах с молярной массой 0,046 составляло 3,1 %, а после РИО выросло до 81,3 %. Как видим, уменьшается влияние изотопного перекрытия на процесс разделения.
При установке РИО непосредственно в разделительный каскад можно получать диоксид углерода, обогащенный изотопом 13С более 99 % за один этап разделения.
Методика расчета
Основная сложность расчета каскада ГЦ с учетом наличия в нем РИО заключается в том, что в каскаде не соблюдается уравнение баланса молекулярных компонент и резко возрастает информационный массив, характеризующий разделительную ступень. В основном это обусловлено тем, что на каждой ступени каскада формируется свое, отличное от других ступеней, распределение изотопов по молярным массам.
На рис. 1 показана схема разделительной ступени с установленным РИО на трассе тяжелой фракции (отвала).
На питание ступени подается поток величиной 0¥ с концентрациями молекулярных компонент С/, /=1,...,и, где п - число молекулярных компонент, для диоксида углерода их шесть (М=0,044,
0,045, 0,046, 0,047, 0,048, 0,049). Из ступени выходят два потока: отбор величиной ОР с концентрацией молекулярных компонент СР, 1=1,...,п и отвал величиной ОЩс концентрацией молекулярных компонент СЩ, /=1,...,п. Содержание изотопов кислорода и углерода в питании характеризуется матрицей Ш^., где , — номер молекулярной компоненты;у - номер изотопа, для диоксида углерода это 12С, 13С, 160,170,18О, в отборе - БРЦ, в отвале - БЩц. Поток отвала с разделительной ступени поступает на вход РИО. На выходе РИО имеем поток величиной ОМ, с концентрациями молекулярных компонент СМ;, ,=1,...,п и содержанием изотопов кислорода и углерода ЬЩ1ц.
Расчет разделительной ступени проводится традиционным способом [7, 8].
Учитывая степень изотопного обмена в, определяются результирующие молекулярные составляющие и матрица содержания спектра изотопов в диоксиде углерода на выходе из РИО.
Рис. 1. Схема разделительной ступени с установленным РИО на трассе тяжелой фракции
Коэффициент изотопного обмена в определяется экспериментальным путем [9] и рассчитывается по формуле:
X (СЩ1, - СЩ )2
,=1_______________
п 9
X (СЛ,- - СЩ; )2
7=1
где СЯ - равновесные концентрации молекулярных компонент.
Результаты расчетно-теоретических исследований
Сначала были проведены расчеты каскада гц с одним РИО, установленным на разных ступенях каскада газовых центрифуг при степени изотопного обмена в= 100, 80, 60, 40 %. Расчеты проводились при постоянных величинах внешних потоков (потоке питания 5-10-6кг/с и потоке тяжелой фракции (отвала) 6,3-10-7кг/с) и технологических параметрах разделительных ступеней. Критерием эффективности размещения РИО служила кон-
центрация 13С в целевом потоке ОЩ1. Результаты расчетов приведены на рис. 2.
Номер ступени разделения
Рис. 2. Зависимость концентрации 13С от расположения РИО в каскаде газовых центрифуг
Таблица 4. Результаты определения месторасположения двух РИО в каскаде ГЦ при в=50 и40%
№ ступени установки РИО Концентрация ,3С на выходе каскада ГЦ, %
I 1 II
в=50 %
1 15 99,0422
5 15 99,0730
10 15 99,0710
15 15 99,0023
20 15 99,0959
25 15 99,1261
30 15 99,1283
35 15 99,1100
28 15 99,1303
29 15 99,1297
28 13 99,1415
28 11 99,1482
28 9 99,1499
28 7 99,1456
28 8 99,1485
27 9 99,1507
26 9 99,1507
27 10 99,1501
в=40 %
10 10 98,7049
10 30 99,0889
10 25 99,0970
10 20 99,0793
10 23 99,0935
10 24 99,0958
10 26 99,0973
10 27 99,0966
9 26 99,0992
11 26 99,0941
8 26 99,0995
7 26 99,0982
8 27 99,0985
8 25 99,0996
8 24 99,0987
9 25 99,0991
Из приведенных расчетных данных видно, что функция эффективности работы каскада ГЦ от
расположения в нем одного РИО представляет собой унимодальную выпуклую линию, имеющую максимум. При степени изотопного обмена в меньше 80 % одного РИО недостаточно для эффективной работы каскада и получения обогащения по 13С выше 99 %. При в=100 % оптимальное расположение РИО в каскаде ГЦ приходится на 22 ступень, а при в=80 % - на 18 ступень.
На следующем этапе исследований были проведены расчеты с двумя РИО установленными в каскаде ГЦ.
При проведении расчетов фиксировалось местоположение одного РИО, и по методу Кифе-ра-Вольвовица [10] находилось оптимальное местоположение второго РИО. Затем фиксировалось местоположение второго РИО и аналогично находилось оптимальное местоположение первого РИО. Данная процедура продолжалась до нахождения абсолютного оптимума. Критерием оптимизации служила величина концентрации целевого изотопа (13С).
Результаты расчетов приведены в табл. 4.
Из приведенных данных видно, что для эффективной работы разделительного каскада достаточно двух РИО, обеспечивающих степь изотопного обмена 40 %. Оптимальное место установки первого РИО в данном случае 8-ая ступень каскада ГЦ, второго РИО - 25 ступень.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сазыкин А.А. Некоторые проблемы разделения полиизото-пных смесей кинетическими методами // Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул: Сб. докл. III Все-росс. научн. конф. - Звенигород, 1998. - С. 103-110.
2. Скорынин Г.М. Производство изотопически обогащенной продукции в отрасли: Центрифужная технология разделения стабильных изотопов на электрохимическом заводе // Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул: Сб. докл. Х Междунар. научн. конф. - Звенигород, 2005. -С. 25-31.
3. Способ разделения изотопов: пат. 251334 Рос. Федерация. № 251334/10; заявл. 03.12.85; опубл. 21.01.86, Бюл. № 4. - 3 с.
4. Скорынин ГМ., Орлов А.А., Сенченко В.В. Исследование возможности проведения изотопного обмена в диоксиде углерода в каскаде газовых центрифуг // Известия Томского политехнического университета. - 2008. - Т. 313. - № 3. - С. 37-39.
5. Центробежный способ получения высокообогащенного изотопа 13С и устройство для проведения реакций изотопного обме-
При в=50 % оптимальным является расположение первого РИО на 26 или 27 ступенях каскада
ГЦ, а второго РИО - на 9 ступени.
Выводы
1. Рассмотрены возможные схемы протекания реакции изотопного обмена в реакторе. Показаны изменения молекулярного состава диоксида углерода и распределения концентрации изотопа 13С на входе и выходе из реактора изотопного обмена.
2. Исследована зависимость эффективности работы каскада газовых центрифуг по получению высокообогащенного 13С от места установки в нем реактора изотопного обмена при различных величинах степени изотопного обмена. Показано, что функция эффективности работы каскада от места установки в нем реактора изотопного обмена представляет собой унимодальную выпуклую линию, имеющую максимум.
3. Установлено, что для эффективной работы разделительного каскада газовых центрифуг (концентрация 13С на выходе из каскада выше 99 %) достаточно одного реактора изотопного обмена, работающего со степенью изотопного обмена 80 % или двух реакторов изотопного обмена, работающих со степенью изотопного обмена 40%.
на в каскаде газовых центрифуг: пат. 2236895 Рос. Федерация. № 2236895/10; заявл. 10.04.02; опубл. 27.10.03, Бюл. № 30. -3 с.
6. Изотопы - свойства, получение, применение / под ред.
B.Ю. Баранова. - М.: ИздАТ, 2000. - С. 343-357.
7. Кучеров Р.Я., Миненко В.П. К теории каскадов для разделения многокомпонентных изотопных смесей // Атомная энергия. -1965. - Т. 19. - №2. - С. 360.
8. Палкин В.А., Сбитнев Н.А., Фролов Е.С. Расчет оптимальных параметров каскада для разделения многокомпонентных изотопных смесей // Атомная энергия. - 2002. - Т. 92. - № 2. -
C. 130-133.
9. Garza D.L., Garrett G.A., Murphy J.E. Multicomponent Isotope Separation in Cascades // Chem. Engng. Sci. - 1961. - V. 15. -P. 188-209.
10. Уайлд Д.Дж. Методы поиска экстремума. - М.: Наука, 1967. -268 с.
Поступила 24.04.2012 г.
