Диссертация (1025195), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Приусловиях температуры холодного потока в 10К и горячего 20К, возможнообогащение 1 к 3, а вероятность прохождения изотопа составит более 10-4.Принимая во внимание малую разделяющую способность мембран инебольшой возможный объем получения 3He с удельной площади мембраны,можно сказать, что данный метод разделения гелиевых изотопов насегодняшний деньнеявляетсянецелесообразнымдляприменениявпромышленных масштабах.1.3.2. Альтернативные методы разделения смеси гелиевых изотопов1.3.2.1.
ТермодиффузияТермодиффузионный эффект был открыт Л. Дюфуром в 1873 году.Прямой термодиффузионный эффект для газов заключается в том, что приналичии постоянной разницы температур по обе стороны перегородки,разделяющей один и тот же газ, возникает, растет и становится постояннойразница давлений, даже если вначале ее не было. Таким образом, разница(градиент) температур приводит к разнице (градиенту) концентраций.Для бинарной смеси газов, в отсутствие внешних сил и градиентадавления,полныйдиффузионныйпотокопределяетсяследующимсоотношением:Dji nDgradxi n T gradT nD(k grad ln T gradxi )TT(1.28)где D – коэффициент диффузии, DT – коэффициент термодиффузии, n – числочастиц смеси в единице объема, хi = ni / n – концентрация i-го компонента,kT = DT / D.Вопрос о разделении3He и4He термодиффузией был детальнорассмотрен Джонсом и Ферри [32], которые показали, что двухступенчатая60установка может дать возможность отбирать 3,8 мл гелия в день сконцентрацией 3He от 10-2 до 10-3, причем характеристическое время будет приэтом равно 14 дням.Первые опыты, проделанные Мак Интиром, Олдричем и Ниром [5], сколонной с горячей проволокой показали, что термодиффузия может датьвозможность обогатить гелий легким изотопом в несколько сотен раз.
Авторыиспользовали колонку диаметром 0,87 см, в центре которой находиласьплатиновая проволока диаметром 0,036 см. При мощности 1520 Вт проволокаимела температуру 780 °С, а внешняя стенка охлаждалась водой. Длинаколонны была 305 см, давление 10 атм.При помощи этой колонны был получен гелий в количестве 52 мл принормальных условиях, в котором содержание 3He было увеличено в 300 раз(исходная концентрация 1,6·10-7). Помимо этого была определена постояннаятермодиффузии, которая оказалась равной 0,059 ± 0,005.Вслед за этим Эндрю и Смит построили аппарат для разделения изотоповгелия, который состоял из четырех колонн Клузиуса–Диккеля и 29 ячеек Герца.В результате двухнедельной работы установки было получено 20 мл гелия придавлении 10 мм рт.
ст., содержавшего 0,5 % 3He. Предполагается, что дляполучения гелия с 50 % 3He таким методом понадобится около года.Роллин и Хэттон сообщили о получении гелия с 0,15 % 3He методомтермодиффузии.В книге К. Джонса и В. Ферри приведен расчет термодиффузионнойустановки для разделения гелия.
Согласно расчету установка должна давать3,8 мл в день гелия с 3He/4He = 10-2–10-3 и иметь характеристическое времяприближения к рабочим условиям 14 дней.Мак Интир, Олдрич и Нир создали довольно сложную установку дляразделения изотопов гелия термодиффузией. Здесь были использованыпоследовательно соединенные две колонки с концентрическими трубками иодна с горячей проволокой. Рабочее давление было равно 7,8 атм. Прихарактеристическом времени в 14 дней можно было из третьей секции отбирать61ежедневно 14 мл гелия при нормальных условиях с 3He/4He = 2,1·10-3, чтосоответствует обогащению в 18 300 раз (исходная концентрация 1,5·10-7).
Болеебогатые смеси получались при уменьшении количества отбираемого гелия ипри значительно большем характеристическом времени. Так, например, приотборе 3,5 мл гелия в день с 3He/4He = 8,4·10-3 это время составляло 58 дней(обогащение в 73 000 раз).Heобходимо отметить еще работу Шутте, Цуккера и Уотсона [5], которыеэкспериментировалисосложнойтрехступенчатойтермодиффузионнойустановкой и получили на ней гелий с содержанием 3He 0,05 %, использовав вкачестве сырья гелий с 3He/4He = 1,5·10-7.Эндрью и Смит построили установку, в которой последовательно сколонной Клузиуса и Диккеля (колонка с горячей проволокой) установленнасос Гертца, действие которого основано на различной скорости диффузииизотопов через струю пара ртути. Проба, полученная ими после двухнедельнойобработки, массой примерно 0,07 мг содержала 0,5 % 3He.Все эти эксперименты показывают, что термодиффузия может датьвозможность получить гелий, обогащенный 3He в несколько сотен или тысячраз.
Однако значительное обогащение гелия связано с очень длительнойработой установки.Ректификация растворов3He/4He давно была признана, как болееэффективный метод разделения по сравнению с термодиффузией, в основномпотому, что жидкий гелий при температуре 4,2 К имеет плотность в сотню разбольшую, нежели при 300 К или выше (что необходимо для термодиффузии), атакже коэффициент разделения при ректификации может быть значительновыше, чем при термодиффузии.1.3.2.2. Разделение на центрифугахВпервые эта технология была разработана в Германии во время второймировой войны, но промышленно нигде не применялась до начала 50-х гг.
Если62газообразную смесь изотопов пропускать через высокоскоростные центрифуги,то центробежная сила разделит более легкие или тяжелые частицы на слои, гдеих и можно будет собрать. Большое преимущество центрифугирования состоитв зависимости коэффициента разделения от абсолютной разницы в массе, а неот отношения масс [33, 34].Центрифуга одинаково хорошо работает и с легкими, и с тяжелымиэлементами. Степень разделения пропорциональна квадрату отношенияскорости вращения к скорости молекул в газе.
Типичные линейные скоростивращающихся роторов 250-350 м/с и более 600 м/с в усовершенствованныхцентрифугах.Типичный коэффициент разделения от 1,01 до 1,1. По сравнению стермодиффузионнымиустановкамиэтотметодимеетуменьшенноеэнергопотребление, большую легкость в наращивании мощности. В настоящеевремя газовое центрифугирование –промышленный метод разделения тяжелыхизотопов в России.1.4. Цель и задачи исследованияИсходя из анализа научных источников и методов разделения смесигелиевыхизотопов,былипредложеныорганизации непрерывной экстракции3возможныеэтапыиспособыHe из природного гелия при егопромышленном получении исходя из анализа научных источников:Рисунок 1.21. Возможные этапы промышленного получения 3He из природногогелияПри выборе параметров ректификации смесей изотопов гелия, следует63исходить, прежде всего, из условия обеспечения минимума удельныхэнергетических затрат на термостатирование на самом низком температурномуровне.
В этом состоит основное отличие представленного выше метода оттрадиционного, характерного, например, для техники разделения воздуха, гдепри выборе параметров ректификационной установки принимают во вниманиене только затраты на ее эксплуатацию, но и затраты на ее строительство(капитальные затраты) [35].Heобходимо отметить, что, прежде всего, на основании выполненныхранее работ и накопленных данных, имеет смысл попробовать технологию,состоящую из 2-х методов: фильтрации и ректификации.
Heобходиморазработать и спроектировать экономически целесообразную и промышленноэффективную установку по разделению изотопов гелия. В качестве первойступени использовать фильтрацию до обогащения от 0,1 до 1 % по 3He, а далееректификацию – до конечного продукта.Удельныезатратынатермостатированиеконденсатораректификационной колонны обратно-пропорциональны (степени обогащения),а затраты на термостатирование фильтра пропорциональны этой концентрации.Это обстоятельство и указывает на возможное наличие оптимума в зависимостисуммы этих затрат от концентрации 3He в продукте фильтрации.Heпрерывное выделение практически чистого 3He из разбавленной смеси3He/4He было достигнуто методом низкотемпературной ректификации влабораторных опытах прошлого века. Коэффициент разделения такой, что однаректификационная колонна, работающая при температурах ниже 3 К, можетпроизводить практически чистый3He в количествах, необходимых дляснабжения данным материалом.Преимущества насадочной колонны перед безнасадочной колонной былипоказаны в статьях Пешкова [28, 36] и позже других авторов [99, 102].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
