Разделение легких изотопов в сверхзвуковой струе паров тяжелых углеводородов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

О*

2 О МАЯ

На правах рукописи

Манрике Гарсиа Хосе Херардо

РАЗДЕЛЕНИЕ ЛЕГКИХ ИЗОТОПОВ В СВЕРХЗВУКОВОЙ СТРУЕ ПАРОВ ТЯЖЕЛЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск - 1996

Работа выполнена в Институте теплофизики Сибирского отделения Российской Академии наук.

Научный руководитель: член-корр. РАН, д. ф.-м. н. Ребров А.К.

Официальные оппоненты: д. ф.-м. н., профессор Куценогий К.П.

к. ф.-м. н., Булгаков A.B.

Ведущая организация - Институт теоретической и прикладной механики СО РАН.

Защита состоится "/? " емсиЯ- 1995 года в часов на за-

седание Диссертационного совета К.002.65.01 Института теплофизики СО РАН, по адресу:

630090, г. Новосибирск, пр. Акад. Лаврентьева, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО РАН.

Автореферат разослан " /7- " М<& 1996 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета д. т. н., профессор

Ярыгин В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Разделение изотопов легких элементов остается до сих пор слишком энергозатратным и дорогостоящим. Это затрудняет их широкое применение в народном хозяйстве и медицине. Ввиду того, что традиционные методы разделения (дистилляция, химический обмен) фактически исчерпали свои возможности по снижению себестоимости обогащенного продукта, уже более 20 лет ведутся работы по созданию более экономичных и менее опасных для окружающей 'среды методов обогащения легких изотопов. До настоящего времени ведутся поиски реальных альтернатив традиционным методам в промышленном масштабе. В связи с этим создание новых методов разделения является актуальной задачей науки и техники.

Цель работы заключалась в разработке и исследовании нового метода газодинамического разделения легких изотопов, использующего сверхзвуковую газовую мембрану при локализованной подаче разделяемой смеси, а также в создании макета разделительного элемента.

Научная новизна. 1. Обоснование перспективности использования идеи локализованной подачи в сверхзвуковую струю для разделения изотопов легких элементов.

2. Экспериментальное получение эффекта разделения, характеризующегося коэффициентом обогащения, превышающим свободно-молекулярное значение в два раза при отборе порядка 0,5.

3. Создание варианта осесимметричного разделительного элемента, который может быть принят за основу для дальнейшей разработки элемента разделительного каскада.

Практическое значение работы. Разработан новый метод разделения газовых смесей и изотопов легких масс, который может стать альтернативой существующим промышленным методам.

3

Результаты работы могут быть рекомендованы к использованию в федеральных и международных программах по развитию более экономичных методов разделения.

Внноевтся на защиту;

1. Экспериментальные данные по разделению изотопов аргона

( Аг36 + Аг40 ) и компонентов воздуха ( 0г -н при использовании двух вариантов макетов разделительных элементов - плоского и осе-симметричного.

2. Метод измерения отношения двух массовых пиков с погрешностью 1% и менее с помощью автоматизированного масс-спектрометра монополярного типа.

3. Оценки перспективности метода на примере разделительного каскада для обогащения аммиака изотопом Я15 с естественной концентрации 0,36% до 99% на основе ухе полученных экспериментальных результатов.

4. Конструкция осесимметричного разделительного элемента.

Вклад автора:

- участие в разработке идеи нового метода газодинамического разделения;

- участие в разработке двух вариантов разделительного элемента;

- создание экспериментальной установки для измерения разделительного эффекта;

- разработка и отладка программы для автоматизации работы масс-спектрометра и обработки результатов;

- разработка электрометра с переменным коэффициентом усиления и блока управления разверткой масс-спектрометра;

- подготовка и проведение экспериментов в Институте теплофизики СО РАН и в Институте неорганической химии СО РАН, обработка и ана-

4

лиз полученных результатов; подготовка работ к печати и заявки на изобретение.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на Расширенном Ученом Совете Ядерных Проблем Республики Куба, на Ученом Совете Института теплофизики СО РАН и на семинаре отдела разреженных газов Института Теплофизики СО РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликован препринт ИТ СО РАН и представлены две заявки на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы; содержит 101 страница машинописного текста, в том числе 39 рисунков и 32 таблицы. Список литературы включает 64 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы исследования; сформулированы цель и задачи исследования; положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен краткий обзор основных методов раз-делениия изотопов азота и углерода: дистилляция, химический обмен, термодиффузия, хроматография и массдиффузия. Здесь яе анализируется состояние более современных разработок, например, использование химических реакций при неравновесных условиях, селективное возбуждение под действием лазерного излучения и селективная сепарация изотопов из плазмы с помощью селективного-ионного нагрева. Проведен анализ перспективности всех втих методов на основе опубликованных в печати материалов по разделению и на основе анализа структуры спроса и предложений. Показано, что современное состояние производства

5

и использования стабильных легких изотопов способно удовлетворить лишь потребности в изотопных соединениях для медицинских и биологических исследований. Широкое применение этих веществ в промышленности, сельском хозяйстве или в медицинской диагностике весьма ограничено и в бликайшее время не предвидится существенных изменений, т.к. традиционные промышленные методы фактически исчерпали свои технологические возможности по снижению себестоимости продукта, а лабораторные методы могут удовлетворить лишь конкретные потребности научных исследований. Во всем мире ведутся работы по созданию более рентабельных и менее экологически опасных методов разделения. Поэтому задача поиска новых методов разделения для изотопов легких элементов - актуальна.

Первая часть второй главы посвящена краткому описанию наиболее известных методов газодинамического разделения: струйная мембрана, разделительное сопло, сталкивающиеся струи и разделение во взаимодействующих потоках. Во второй части представляется новый метод разделения, который является реализацией идеи локализованной подачи в системе, которую маяно отнести к струйным мембранам. На рис. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого метода.

Через профилированое сверхзвуковое сопло подаются пары тяжёлого газа-носителя в пространство, ограниченное горячей и холодной стен ками. В определённую точку сверхзвуковой части сопла инжектируется разделяемая смесь которая диффундирует через струи паров газа-носителя. Т.к. лёгкая компонента диффундирует быстрее при общем сносе струи, можно выбрать место для разделения потока газа-носителя и выделить часть обогащенной лёгкой компоненты смеси практически при любом отборе. Как заключение этой главы формулируются задачи исследовании и план работы по данной диссертации.

Рис. 1. Принципиальная схема предложенного метода. 1-сверхзвуковое сопло; 2-какал подачи разделяемой смеси; 3-линия тока (условно); 4-разделительный нож; 5-фракция, обогащенная лёгкой компонентой; 6-фракция, обеднённая лёгкой компонентой.

И третьей главе приведено описание экпериментальной_ установки, исследуемых моделей разделительных элементов и диагностического комплекса. Дано обоснование выбора методики измерений и ее описание. В качестве разделяемых смесей в работе использовались Аг36-Аг40 и К2 - 02; в качестве газов-носителей - вакуумные масла ВМ-3 и Алкарен. Исследовались два варианта разделительного элемента -плоский и осесимметричный (рис. 2 и 3 соотвестсвенно). В плоском разделительном элементе (ПРЭ) разделяемая смесь поступает в форка-меру 3 и подается через щель, ширина которой регулируется от 0 до 1 мм путем перемещения деталей 1 и 2. Щель находится на расстоянии 4 мм от критического сечения сопла. В форкамеру 4 поступают пары масла, которые затем подаются в сопло с регулируемым от 0,1 до 2 мм критическим сечением. Разделительный нож 6 закреплён на тефлоновом

7

держателе и его основание находится на расстоянии 6 мм от горячей стенки и 10 до 20 мм от среза сопла.

В осесимметричном разделительном элементе (ОРЭ) была предусмотрена возможность регулирования критического сечения сопла от 0,5 до 2,5 мм. Разделяемая смесь поступает через трубку 6 в кольцевую форкамеру 8 и далее подается через щель, ширина которой регулируется от 0 до 0,2 мм. Разделительный нож 11 установлен на кольцевом охлаждающем держателе 12 и его положение регулируется на растоянии 20 - 30 мм от большой стенки и 20 - 45 мм от среза сопла с помошью сменных наконечников.

Рис 2. Общий вид ПРЭ. 1 и 2 - корпус; 3- форкамера подачи разделяемого газа; 4- форкамера подачи паров масла; 5- сопло; 6- разделительный нож; 7- держатель; 8 и 9 - камеры конденсации; 10-трубка слива конденсата; 11 и 12- отверстия для откачки разделенных фракций.

Рис 3. Общий вид ОРЭ. 1 - корпус; 2- котел; 3- паропровод; 4-сопло; 5- верхная часть паропровода; 6- трубка; 7- крышка; 8-форкамера; 9- цель; 10- поле разделения; 11- разделительный но*; 12- держатель; 13 и 14- экраны; 15 и 16- каналы отвода.

В работе использовалась масс-спектрометрическая диагностика для измерения концентрации компонентов разделяемой смеси. Использовались масс-спектрометры МХ-7304 и МИ-1201. Для получения достоверных

9

результатов при работе с масс-спектрометром МХ-7304 производилась автоматизация масс-спектрометра, отбор и обработка информации. Программа для управления масс-спектрометром была написана на языке Фортран, а подпрограммы управления крейта КАМАК были написаны на языке С. Она позволяет проводить измерения масс-спёктров в заданном диапазоне масс и коэффициента усиления в нормальном и ускоренном режимах. На рис. 4 показан спектр остаточных газов снятый в области масс от 10 до 60 а. м. и на рис. 5 и 6 - спектры для аргона и воздуха.

Рис.4. Спектр остаточных газов при давлении в окрестности датчика 2.10-7 торр.

Рис.5. Спектр аргона. Давление в окрестности датчика -2,5.10~5 торр.

2д

39

40

20 26

В

Ли

<6

32

кА

Рис.6. Спектр воздуха. Давление в окрестности датчика -2,5.10"5 торр.

Для работы в режиме определения изотопного отношения программа автоматически осуществляет настройку на заданные пики и производит полное снятие участка спектра при заданных коэффициентах усиления.

Определялась интенсивность массовых пиков по максимальной высоте с учётом фона. Для каждого положения разделительных ножей снимались зависимости интенсивности каждого компонента смеси каждой фракции от мощности генератора пара. Проводилось не менее пяти сеансов измерений, что позволило проверить воспроиводимость результатов. Коэффициенты разделения а и р и коэффициент отбора 9 определялись на выходе разделительного элемента для каждой фракции независимо друг от друга. Для определенного положения ножа при заданной мощности генератора пара производилось снятие участка спектра с целью определения положения пиков и коэффициента усиления. Далее в течение 15 - 20 минут снималось циклично значение каждого пика поочередно с целью набора достаточной статистики. Периодически про-

11

верилось смещение максимумов путем снятия спектра в 10 точках, находящихся справа и слева от максимума. После этого закрывалась подача газа и в течение 5 минут снималось циклично фоновое значение каждого пика поочередно. Эта процедура повторялась до тех пор, пока отклонение полученных в последних шести измерениях значений изотопного отношения от среднего не превышало 1% при изучении разделения изотопов аргона и 2% при изучении разделения компонентов воздуха. При проведении измерений неоднократно проверялось изотопное отношение смеси, которая поступает на вход разделительного элемента. Во всех экспериментах были учтены фоновые значения в массовых пиках при включенном разделительном элементе.

Основными источникамы погрешности в работы были нестабильность работы блоков масс-спектрометрической системы (особенно блока питания ионного источника), влияние разности скоростей откачки насоса и вакуумной системы масс-спектрометра и селективность откачки используемых агрегатов. Для учета последней проводились тарировки масс-спектрометров по каждой из исследованных .смесей.

Мерой достоверности проведенных измерении служило:

- выполнение в пределах ошибок(уравнений массового баланса для каждого компонента;

- сравнение с полуденными результатами на масс-спектрометре НИ-1201 в лаборатории физических методов Института неорганической химии СО РАН.

В четвертой главе представлены результаты измерения коэффициента обогащения в ПРЭ И ОРЭ:

В ПРЭ был измерен коэффициент разделения р для легкого изотопа Аг36 при трёх положениях разделительного ножа в зависимости от температуры нагрева пара-носителя. Расход газа был 0,01 см?сек при

12

нормальных условиях во всех экспериментах, ширина критического сечения сопла - 0,97 мм, а ширина сечения щели для подачи газа - 0,1 мм. Наличие эффекта разделения было подтверждено тем, что наблюдалось обогащение лёгким компонентом той части струи, которая находилась дальше от места подачи разделяемой смеси. Также проводились измерения при разделении воздуха, в которых при учёте фона наблюдается эффект разделения того же знака, что и на аргоне.

В ОРЭ были измерени коэффициенты разделения аир для легкого изотопа Аг36 для шести положений разделительного ножа в зависимости от мощности нагрева разделительного элемента и значения коэффициента отбора 0 для той фракции, в которой наблюдается обогащение легким компонентом. Проверка результатов на масс-спектрометре МИ-1201 подтверждает достоверность результатов полученных на масс-спектрометре МХ-7304. Расход газа был 0,04 см?сек при нормальных условиях во всех экспериментах, ширина критического сечения сопла - 1,53 мм, а ширина сечения щели для подачи газа - 0,15 мм. На рисунке 7 для каждого значения мощности показана зависимость коэффициента обогащения е от 8 согласно соотношению

е = А . е£ .1п(1/9), где А - постоянная. Методом наименьших квадратов были расчитаны все значения постоянной А для каждой мощности нагрева. В таблице I показаны полученные результаты и значения е при коэффициента отбора 0,5.

При первом положении разделительного ножа и расходах 0,02 , 0,05 и 0,07 см3/сек проводились измерения коэффициента разделения 0 для легкого изотопа Аг36. Получено, что при увеличении расхода эффект разделения ухудшается.

Аналогичные измерения проводились при разделении компонентов

13

воздуха. Эффект разделения при подобных условиях работы оказался такого хе порядка, как для разделения изотопов аргона (таблица II).

Таблица I РЕЗУЛЬТАТЫ НА ОРЭ, АРГОН ЗНАЧЕНИЯ ПОСТОЯННОЙ А И КОЭФФИЦИЕНТА ОБОГАЩЕНИЯ е ПРИ 9 = 0,5 Мощность нагре- А е

вателя (ватт)

236 1,5 * ,2 1,05

260 1,6 * ,2 1,12

286 1,8 т ,2 1,22

316 2,1 г ,1 1,45

345 2,5 * ,2 1,71

372 2,7 г ,1 1,88

400 2,6 т .2 1,83

Таблица II РЕЗУЛЬТАТЫ НА ОРЭ, ВОЗДУХ ЗНАЧЕНИЯ ПОСТОЯННОЙ А И КОЭФФИЦИЕНТА ОБОГАЩЕНИЯ е ПРИ 8 = 0,5

Мощность нагре- А е вателя (ватт)

236 1,2 * ,1 0,79

260 1,5 т ,1 1,07

286 1,9 * ,2 1,29

316 2,5 * ,1 1,75

345 2,8 * ,1 1,95

372 3,0 г ,1 2,10

400 2,4 т ,2 1,64

| £Г!»(</&)' А

Д,-2,65£Ц£3

(А(-2.Г2±0,09

А*2,Ч7±01{?

А/-г,*о±о,¿3

2 -1 -

г ■■ 1 ••

-г-

10 20

30

НО 50

ео

£

Рис.7 Значения постоянной А в зависимости от 0 по формуле А = е/ (е{.1п(1/9) для каждой мощности нагрева при разделении изотопов аргона.

Для анализа условий инжекции разделяемой смеси были выбраны типичные для эксперимента параметры торможения при определенных допущениях относительно термодинамических свойств пара. В пренебрежении скольжения и температурного скачка у стенки для рассматриваемого случая можно принять параметры потока, соответствующим условиям торможения на стенке в точке инжекции: Т = Тс ; Р = Ро , где Тс -температура стенки, Ро - давление в форкамере. Для молекул паров масла при Ро= 1 мм р. ст. число Кнудсена Кп по размерам щели для инжекции приблизительно равно 1 и длина свободного пробега Я приблизительно равна 0,0125 см. Для молекул разделяемого газа (аргона) Кп е 50 и А. £ 1 см. Таким образом, процесс инжекции можно рассматривать как свободно- молекулярный. Это означает отсутствие существенных газодинамических эффектов взаймодействия инжектируемой смеси и потока газа-носителя.

Уравнение для описания процесса диффузии газовой смеси в потоке третьего газа в приближении Чепмена-Энскога действительны при Кп < 0,1. В рассматриваемом случае процесс разделения не может быть описан в рамках теории Чепмена-Энскога и необходимо проводить тщательный анализ эффектов неравновесности при поступательной релаксации. Для этого необходимы знания столкновигельных характеристик молекул пара (газа-носителя), а-также пара и разделяемого газа.

Для приобретения молекулой смеси температуры потока необходимо количество столкновений порядка и /т2, где ш1 и т2 - массы молекул потока газа-носителя и разделяемой смеси соотвественно. В проведенных расчетах П. А. Сковородко по моделированию процесса разделения при использовании модели молекул в виде твердых сфер показано, что молекулы разделяемой смеси испытывают порядка 60 столкновений. Это существенно больше чем отношение масс молекул газа-носителя и раз-

16

деляемого газа. Это означает, что релаксационные процессы завершаются в окрестности щели, из которой происходит инжекция смеси. Поэтому положение ножа выбрано достаточно оптимально с точки зрения уменьшения его влияния на процесс разделения.

Полученные результаты позволять сделать следующие выводы:

- Коэффициет обогащения б превосходит ef при разделении изотопов аргона и разделении компонентов воздуха при коэффициента отбора порядка 0,5 в зависимости от плотности струй до 2 раз. Это указывает на определенную роль нескольких процессов, участвующих в разделении.

- При всех положениях разделительного ножа наблюдается сохранение зависимости величины эффекта разделения от коэффициента отбора по формуле е = А . ef .1п(1./8). Это указывает на тот факт, что процесс разделения происходит непосредственно в окрестности выходного среза сверхзвукового сопла.

- При расходах более чем 0,05 см3/сек наблюдается ухудшение эффекта разделения, возможной причиной которого является слабое обез-гаживание конденсата.

Чтобы ответить на вопрос о целесообразности продолжения работ в развитие и практической реализации проведенных исследований на основе полученных результатов оценена стоимость обогащения 2 кг аммиака изотопом N15 от естественной концентрации 0,36% до 99%. Результаты представлены в таблице III.

Если принять срок амортизации капитальных затрат 10 лет, то себестоимость обогащения 1 грамма аммиака изотопом И15 порядка 360 USD, то есть всего в 1,5 раза дороже, чем в данный момент.

Таблица III СТРУКТУРА ЗАТРАТ КАСКАДА

Капитальные затраты:

- Изготовление 225 раз. элементов 1,012,500 USD

- Монтаж каскада и вспом. систем 200,000 USD

Эксплуатационные затраты:

- Электричество (450 квт/час в год

при стоимости 0,12 USD за 1 кват/час) 470,000 USD

- Обслуживание каскада (10% от стоимости) 120,000 USD

На оснований результатов проведенной работы выяснились возможные пути совершенствования разделительного элемента. Это:

1) улучшение системы обезганивания;

2) применение каскада локализованных поясов подачи разделяемой смеси;

3) уменьшение геометрических размеров разделительного элемента.

Первые два направления ориентированы на увеличение расхода разделяемой смеси. Третье направление ориентировано на создание каскада без компрессоров на линиях разделяемой смеси.

Перспективу дальнейших исследований и практической разработки при ограниченных ресурсах определит разработка теоретической модели, точнее, компьютерного моделирования разделительного каскада. Тестовым экспериментом для такого моделирования могут быть электронно-пучковые измерения термодинамических параметров разделяемой смеси и отдельных компонентов в потоке пара. Такой комплексный подход, включая тестовые эксперименты, необходим, так как столкнови-тельные характеристики молекул пара (газа-носителя), а также пара и разделяемого газа неизвестны.

Основные результаты и выводи:

1. Доказана перспективность использования идеи локализованно» подачи в сверхзвуковую струю для разделения изотопов легких элементов;

2. Получен эффект разделения, характеризующийся коэффициентом обогащения, превышающим свободно-молекулярное значение почти в два раза при отборе порядка 0,5;

3. Предложен осесимметричный разделительный элемент в качестве перспективного варианта для дальнейшей разработки.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

-Манрике Гарсиа Х.Х., Ребров А.К., Гранкин В.М., Семянников П. П. "Газодинамическое разделение легких изотопов в сверхзвуковой струе паров вакуумных масел" Препринт ИТ СО РАН ном. 277 - 96.

-Заявка на изобретение ном. 94039246/26 (038890) от 18.10.1994.

-Solicitud de registro de invención número 42 del 7 de abril de 1994. Oficina Nacional de Invenciones, Información Técnica y Marcas de la República de Cuba.