Диссертация (1025195), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В качественасадки впервые была использована нерегулярная спирально-цилиндрическаянасадка из нержавеющей стали 12Х18Н10Т с элементами диаметром 1,5 мм ×1,5 мм, насыпной плотностью 1775 кг/м3 и долей свободного объема 77 %.Созданныйэкспериментальныйстенддляисследованияпроцесса14низкотемпературной ректификации смеси гелиевых изотопов в насадочнойколонне обеспечивал работу в диапазонах температур от 1,95 до 5,2 К,давлений от 2,7 до 103 кПа, максимальной нагрузки по жидкости 20 мг/сек прифлегмовом отношении, равном единице, на температурном уровне 2,0 К, ивозможностью термостатирования с точностью ± 30 мК.Для исследования изотопного состава продуктов, полученных на3ректификационной установке по извлечениюHe из природного гелия,использовался промышленный времяпролетный масс-спектрометр ЭМГ-20-8.Была разработана методика ввода пробы на вход масс-спектрометра,включая аппаратное оформление, которая позволила сократить нормальныйобъем отбираемой пробы газовой смеси более чем в 100 раз (менее 10 нмлгаза).
Важно отметить высокую экспрессность измерений (от 10 до 120 минут),по сравнении с классическими методами масс-спектрометрического изотопногоанализа.Для исследования процесса низкотемпературной ректификации смесигелиевых изотопов на экспериментальном стенде в насадочной колонне былавыбрананачальнаясмесьсмольнойконцентрацией4,7 %3He,соответствующая установленному диапазону рациональной промежуточнойконцентрации этапов фильтрации и ректификации. В ходе проведенияэксперимента без отбора продукта получены три различных режима притемпературеконденсатораколонны< 2,0 К,вкаждомизкоторыхпоследовательно, согласно разработанной методике, отбирались пробы изконденсатора колонны.В четвертой главе проведен анализ результатов и предложеныпрактические рекомендации к созданию опытно-промышленной установкиизвлечения 3He из природного гелия.Обработка полученных в работе экспериментальных данных показала,что для спиральной насадки с элементами диаметром 1,5 мм × 1,5 мм из стали12Х18Н10Т для двух режимов ВЭТТ составляет менее 40 мм.Проведенный анализпогрешностиизмерений изотопного состава15показал, что во всем диапазоне значений относительная погрешность непревышает ± 13 %.Полученные характеристики насадки и режимов работы колонныуказывают на возможность использования подобных устройств для разделениясмесей изотопов гелия с малой начальной концентрацией 3He (от 1 до 5 %).С учетом области рациональных значений промежуточного концентрирования3He при ступенчатой ректификации в промышленной технологии высотарабочего слоя спиральной насадки, использованной в экспериментальнойколонне, составит 250 мм при давлении колонны ~ 7 кПа.Определенаконцентрацийобластьвсехрациональныхтехнологическихзначенийэтаповцепочкипромежуточныхпромышленногополучения 3He из природного гелия криогенными методами с суммарнымкоэффициентом извлечения 0,99.Всоответствииспроведеннымиисследованиямирекомендации для создания опытно-промышленной установки.разработаны16ГЛАВА 1.
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧИССЛЕДОВАНИЯ1.1. Источники 3HeС1955года3Heсоздаетсяискусственноприраспадетрития(сверхтяжелого изотопа водорода). Этот метод является единственнымпромышленным источником 3He.В связи с растущим дефицитом3He в последнее время активнообсуждается возможность извлечения данного изотопа из природного гелия.Природные источники 3He разнообразны [8, 89, 90]:– водные ресурсы Земли (грунт донных отложений, газы растворенные вминеральных источниках, моря и океаны);– мантийный газ, вулканические выбросы (переработка породы);– природный газ (богатые гелием углеводороды при среднем содержании0,1 ppm) [9];– атмосфера (гелиевая отдувка при производстве неона, среднеесодержание 1,4 ppm) [88, 91].В вулканическом газе относительное содержание3He меняется от0,017 ppm (Тихий океан) до 104 ppm (Мауи).
Для изотопа в геотермальныхгорячих источниках и фумаролах относительное содержание 3He от 0,15 ppm(Болгарские горячие источники) до 33,6 ppm (Самоанская лава).Разброс 3He в воде от 0,006-0,007 ppm (Канада и Альпы) до 164 ppm(Японское море). Содержание 3He в поверхностях дна океанов и базальтовыхслоях имеет разброс, начиная от 0,12 ppm (тектоника Новой Зеландии) до350 ppm (дно на больших глубинах).Относительное содержание 3He в радиоактивных минералах и рудахизменяется от 0,0001 до 0,03 ppm.
Для других источников относительноесодержание изотопа от 0,1 до 150 ppm в вулканических образованиях, от 10 до17500 ppm в Fe-Ni сплавах, от 0,05 до 12 ppm в бериллии, от 2,4 до 12 ppm всподумене, и от 0,04 до 320 ppm в бриллиантах, хотя аллювиальныебриллианты могут содержать до 1510 ppm 3He.Для внеземных источников гелия относительное содержание3He вметеоритах колеблется от 150 ppm до 250 000 ppm. В случае космическихлучей, солнечного ветра, солнечного излучения и межпланетной пыли,значения идут от 290 ppm до 770 000 ppm. Относительное содержание 3He внеземных источниках представлено в Таблице 1.Другими источниками изотопа3He являются: внеземные источники,солнечный ветер – 3,4 % (здесь и далее относительное содержание изотопа 3Heк изотопу 4He), метеориты – до 25 %, Луна (содержание 3He в реголитесоставляет ~1 г на 100 т).У Луны нет атмосферы, что способствует накоплению 3He.
Ценноговещества в поверхностном слое почвы спутника (реголит) находится до 10 млнтонн (по минимальным оценкам – 500 тысяч тонн). Основной проблемойостаетсяреальностьдобычигелияизлунногореголита.Длительноеприсутствие человека на Луне будет требовать решения ряда проблем. Так,атмосфера Земли и магнитное поле задерживает большую часть солнечнойрадиации. В атмосфере также сгорает множество микрометеоритов. На Лунебез решения радиационной и метеоритной проблем невозможно созданиеусловий для нормальной колонизации. Во время солнечных вспышек создаётсяпоток протонов и других частиц, способных представлять угрозу длякосмонавтов.Большуюпроблемупредставляетжёсткоерентгеновскоеизлучение [92].Отдельную проблему представляет лунная пыль.
Лунная пыль состоит изострых частиц (поскольку нет сглаживающего влияния эрозии), также обладаетэлектростатическим зарядом. В результате лунная пыль проникает везде и,обладая абразивным действием, уменьшает срок работы механизмов. А попадаяв лёгкие, становится угрозой здоровью человека.18Таблица 1.Относительное содержание He3 в неземных источниках [88]АвторЗначение, %КомментарийPanath15,1-24,0Reasbeck22,1-23,5Ebert20,3-24,0Железные метеоритыHoffman20,6-23,0Железные метеоритыHoffman19,3Железные метеоритыHintenberger9,3-24,8Железные метеоритыWebber30,0Космические лучиWebber3,4АврораEberhardt0,035-15,9Каменные метеоритыBuehler4,3Солнечный ветерSrinivason0,018-2,9МетеоритыLewis0,018-0,34МетеоритыMobius15,0-77,0Солнечные выбросыFrick0,015Далекие метеоритыMewaldt< 0,26Солнечные выбросыJordan24,0Космические лучиWebber8,0Космические лучиEugster0,78-3,2МетеоритыMewaldt< 0,19Солнечные заряженныечастицыNier0,145Межпланетная пыльRao0,029-1,43Солнечный ветер19Как упомянуто выше, содержание 3He в реголите составляет ~1 г на 100 т.Поэтому для добычи тонны этого изотопа следует переработать не менее100 млн тонн грунта.В то же время критики планов добычи 3He на Луне, не оспаривая егодостоинства как термоядерного топлива, отмечают следующие обстоятельства:-приорганизациимассовогопроизводствасебестоимость3He,получаемого с помощью синтеза на ядерных реакторах деления (через тритий),будет намного ниже, чем лунного;- существующие методы вывода тяжелых грузов на орбиту недостаточнонадежны и экологически небезопасны, что может привести к сильномуразрушению озонового слоя, загрязнению атмосферы и поверхности Землиостаткамиракетноготопливаипродуктамиегосгорания,атакжеотработанными ракетными ступенями и потерпевшими аварию головнымичастями;- реализация длительной, крайне дорогостоящей и плохо поддающейсяаудиту лунной программы может привести к неоправданному перерасходуденежных средств.При всем многообразии возможных источников и потенциальныхметодов их разработки, в настоящее время реальным и экономическиконкурентоспособным, по сравнению с искусственным созданием изотопа приядерном распаде, является его выделение из природного гелия, получаемого наВРУ, где концентрация 3He/4He ~ 1,2·10−6, а так же из гелия, получаемого придобыче природного газа с концентрацией 3He/4He ~ 10−7.Рекомендованное значение относительного содержания изотопов гелияосновано на количестве гелия в атмосфере.
Данные от Молера длякоммерческого атмосферного гелия и от Сано для воздуха вокруг Токио для3He равны значению в 1,34 ppm и ниже, чем другие схожие измерения в воздухеот 1,37 до 1,40 ppm. В настоящее время не ясно, что является причинойподобного разброса. Среднее значение для полученных данных 1,380 ppm дляотносительного содержания 3He. Отношение 3He/4He неизменно в нижних20слоях атмосферы, согласно Мамырину, в пределах от 33 до 33 000 футов.Аналогично, Хоффман не нашел различия в отношении изотопов близко кповерхности земли и на высоте в 100 000 футов.Относительное содержание3He в природном гелии из скважинприродного газа изменяется от 0,05 ppm (Техас) до 22,7 ppm (в среднем0,1 ppm).При всем многообразии возможных источников и потенциальныхметодов их разработки в настоящее время реальным и экономическиконкурентоспособным, по сравнению с искусственным созданием изотопа приядерном распаде, является его выделение из природного гелия, получаемого навоздухоразделительных установках (ВРУ), а так же из гелия, получаемого придобыче природного газа (Рисунок 1.1) [10, 11].Рисунок 1.1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
