В настоящее время изотопы приобрели большое значение для науки и техники. Значительные трудности, возникающие при разделении столь близких по свойствам веществ, за последние десятилетия успешно преодолены, и в настоящее время изотопы некоторых элементов (например, водорода и урана) производятся в крупнопромышленном масштабе. В сравнительно большом количестве получают изотопы кислорода, углерода, азота и др., широко применяемые в качестве меченых атомов при научных исследованиях.
Между тем, литература по разделению изотопов отстает от развития и требований техники. Нет пособий по проектированию разделительных установок. Отсутствуют книги, посвященные основным методам разделения (исключение представляет термо-дкффузия, практическое значение которой невелико). Следует также отметить, что разнообразие методов разделения привело к разнообразию подходов к решению задач, в результате чего специалисты в различных областях техники разделения не всегда понимают друг друга.
Единственной книгой, посвященной общим вопросам, в настоящее время является монография Коэна «Теория разделения изотопов в применении к крупнопромышленному производству урана - 235» [128 ].1 Однако в связи с поставленной конкретной задачей в этой книге, содержащей ряд весьма важных общих результатов, основное внимание фактически уделено каскадам из элементов однократного разделительного действия, разделению с помощью однофазных процессов. Вопросы перехода от идеальных каскадов к реальным (прямоугольным), специфические закономерности концентрирования в колоннах, в особенности при использовании обратимых (двухфазных) методов разделения (дистилляция, обмен, двухтемпературный метод), в книге не разработаны.
1 Этим же вопросам частично посвящена вышедшая недавно книга Бенедикта и Пигфорда [107].
В результате поиски оптимальных условий двухфазного разделения нередко ведут частными методами, не позволяющими выяснить суть вопроса [109].
Следовательно, назрела необходимость в книге, в которой: 1) рассматривались бы все основные способы противоточного разделения, причем, по возможности, единым методом; 2) наряду с общей теорией детально изучались бы закономерности разделения в колоннах (прямоугольных каскадах) и каскадах колонн, а также особенности двухфазных способов разделения, перехода от идеальных каскадов к реальным и т. д.; 3) разумно сочетались бы основные понятия и методы инженерной и физической теории, точность и простота конечных результатов, необходимые для практического применения.
Попыткой решить поставленные задачи и является настоящая книга. В значительной- части она служит обобщением работ автора по двухфазным процессам разделения в колоннах, производившихся с 1945 г., и представляет собой переработанный курс лекций, читавшихся инженерам с 1953 г. (некоторые результаты, преимущественно в гл. 1—4,8, 10—11, публикуются в этой книге впервые). В книге широко освещаются исследования советских ученых, работающих в данной области (А. И. Бродского, И. М. Жа-воронкова, М. П. Малкова, Н. Н. Туницкого и многих других), а также зарубежных ученых.
Главы 1—6 книги посвящены особенностям отдельных методов противоточного разделения — дистилляции, изотопного обмена, термодиффузии, масс-диффузий. Кратко рассмотрено также центрифугирование.
Отдельные процессы рассматриваются с позиций общих закономерностей массопередачи, физико-химической гидродинамики. При этом понятия коэффициента массопередачи, концентрационного напора, высоты единицы переноса применяются и к таким методам разделения, как термодиффузия, масс-диффузия и др., которые исследовались ранее специальными методами. Подобный единый подход позволяет свести характеристику специфических особенностей -отдельных процессов к значению коэффициента обогащения и показать, что вторая характеристика — высота единицы переноса — зависит не от способа разделения, а от гидродинамического режима, физико-химических свойств смеси и геометрии аппарата. Например, при разделении с помощью столь различных методов, как пленочная дистилляция, термодиффузия и центрифугирование, высота единицы переноса выражается одной и той же функцией диффузионного числа Пекле, поскольку все эти методы связаны с ламинарным движением газа.
Соответственно обсуждение каждого способа разделения сводится к рассмотрению элементарного эффекта (коэффициента обогащения) и вопроса о высоте единицы переноса; при обсуждении дистилляции и обмена рассматриваются свойства контактных устройств, в том числе для колонн больших диаметров. При этом
4
используются общие методы учета особенностей реальных контактных устройств (наличие продольной диффузии, поперечной неравномерности и т. д.); устанавливается связь между движущей силой, применяемой в инженерных расчетах, и физической движущей силой — разностью химических потенциалов извлекаемого компонента в обменивающихся фазах.
В главах 7—10 рассматриваются общие методы расчета колонн и каскадов, сочетается применение понятий и методов инженерной теории диффузионных процессов с использованием общей теории разделения. Развивается теория и методика расчета колонн (прямоугольных каскадов); далее, общая теория разделения применяется для выбора оптимальных значений основных параметров колонны. Особое внимание уделяется установлению оптимальных условий разделения двухфазными методами (дистилляция, изотопный обмен), когда часть затрат пропорциональна не работе разделения, а перерабатываемым потокам.
В главе 11 выведены сравнительно простые формулы для расчета скорости приближения к равновесию в колоннах различных типов. Развиваются теория подобия нестационарных процессов и электрическая аналогия, позволяющая моделировать кинетику колонн и каскадов; приведены некоторые результаты моделирования.
Глава 12 содержит примеры расчета разделительных установок и в известной мере сопоставление различных методов производства тяжелой воды и других изотопов.
Книга рассчитана на научных работников, инженеров-химиков и студентов, занимающихся вопросами разделения смесей (в том числе и неизотопных), а также может быть полезной при проектировании разделительных установок.
Автор выражает благодарность чл.-корр. АН СССР И. В. Пет-рянову, чл.-корр. АН СССР В. Г. Левичу, Я. В. Шевелеву и научным редакторам А. А. Сазыкину (гл. 4—7, 9—И) и О. Ф. Щеглову (гл. 1—3, 8, 12) за весьма ценные замечания, а также инж. Э. И. Моисеенко и другим товарищам по работе за помощь в подготовке рукописи к печати.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие............................ 3
Условные обозначения........................ 6
Глава I. Характеристики процесса разделения в колонне
1.1. Особенности установок для разделения изотопов......... 13
1.2. Величины, необходимые для расчета разделительных установок . . . 16
1.3. Характеристики колонны. Концентрационный напор. Высота единицы переноса (ВЕП)....................... 17
1.4. Влияние продольной диффузии на высоту единицы переноса..... 24
1.5. Влияние поперечной неравномерности.............. 27
1.6. Общее выражение для ВЕП................... 28
Глава 2. Дистилляция k
2.1. Принцип разделения. Схемы колонн и каскадов.......... 29
2.2. Коэффициент разделения при дистилляции............ 31
2.3. Влияние отклонений от законов идеальных газов и неидеальности растворов на коэффициент разделения............... 37
2.4. О зависимости коэффициента разделения от концентрации изотопа 45
2.5. Влияние температуры и давления на коэффициент разделения .... 50
2.6. Управление коэффициентом разделения.............. 54
2.7. Краткая характеристика применяемых насадок и тарелок...... 55
2.8. Высота единицы переноса и предельные нагрузки при дистилляции. Некоторые положения физико-химической гидродинамики...... 57
2.9. ВЕП при пленочной ректификации в трубках. Роль продольной диффузии. Влияние режима движения газа.............. 61
2.10. ВЕП пленочной колонны с вращающимся ротором......... 64
2.11. Листовая пакетная насадка и другие регулярные насадки...... 64
2.12. Насадочные колонны...................... 67
2.13. Ситчатые тарелки....................... 73
2.14. Ситчатые провальные тарелки.................. 75
2.15. Ситчатые провальные тарелки с направленным движением жидкости 76
2.16. Тепловые схемы дистилляционных установок........... 80
2.17. Применение дистилляции для разделения изотопов........ 82
Глава 3. Изотопный обмен
3.1. Коэффициент разделения. Расчет по спектроскопическим данным. Сопоставление с экспериментом.................. 89
3.2. Связь константы равновесия с коэффициентом разделения. Зависимость а от концентрации изотопа................. 102
3.3. Коэффициенты разделения при обмене с участием жидкой фазы . . . 105
3.4. Обмен газа с ионом в растворе.................. 106
3.5. Обмен газ — жидкость. Аналогия с абсорбцией. Разделение с химическим обращением фаз..................... 108
28* 435
3.6. Насадка колонн. ВЕП...................... JU
3.7. Применение обмена с химическим обращением фаз для концентрирования изотопов углерода, азота, кислорода, серы и бора...... 112
3.8. Двухтемпературный метод. Получение тяжелой воды........ 115-
3.9. Разделение изотопов с помощью обмена в газовой фазе (концентрирование тяжелой воды)..................... 121
Глава 4. Термодиффузия
4.1. Коэффициент разделения.................... 124
4.2. Термодиффузионная колонна. Постановка задачи......... 131
4.3. Потоки в термодиффузионной колонне.............. 133
4.4. Уравнение массопередачи. Коэффициент обогащения. Высота единицы переноса........................... 134
4.5. Зависимость ВЕП от температуры и давления........... 136
4.6. Использование более точной теории................ 138
4.7. Цилиндрическая геометрия................... 140
4.8. Условия диффузионной и тепловой стабилизации......... 141
4.9. Влияние турбулентности..................... 141
4.10. Термодиффузия в жидкостях................. 144
4.11. Применение термодиффузии.................V . 148
Глава 5. Масс-диффузия
5.1. Принцип разделения. Mace-диффузионная колонна......... 149
5.2. Основные уравнения масс-диффузий............... 152
5.3. Коэффициент разделения.................... 154
5.4. Высота единицы переноса.................... 156
Глава 6. Прочие методы разделения
6.1. Противоточные газовые центрифуги.............. 164
6.2. Газовая диффузия....................... 168
6.3. Электролиз .......................... 173
6.4. Хроматографическое разделение................. 174
6.5. Экстракционное разделение................... 175
Глава 7. Об эффективности различных методов разделения
7.1. Термодинамический к. п. д.................... 176
7.2. О выборе метода разделения................... 182
Глава 8. Стационарное состояние отдельных колонн и каскада колонн в целом
8.1. Задача расчетов......................... 185
8.2. Рассматриваемые типы каскадов. Материальный баланс каскада в целом ............................. 185
8.3. Схема каскада колонн. Основные рабочие переменные........ 187
8.4. у — лг-диаграмма каскада.................... 189
8.5. Предельная производительность колонн и расчет потоков..... 193
8.6. Определение потоков во всех колоннах. Некоторые практические рекомендации ......................... 196
8.7. Методика расчета степени разделения и числа ступеней ,...... 197
8.8. Формулы для расчета числа ступеней колонн каскада........ 201
8.9. Связь между обогащением q и производительностью / в концентрирующей колонне каскада и одиночной колонне........... 204
8.10. Зависимость обогащения от производительности в случае колонны, совмещающей концентрирование с извлечением. Оптимальная точка
ввода питания.......................... 207
8.11. Распределение концентраций по высоте колонны......... 213
8.12. О работе колонн при наличии дополнительных потоков и потерь продукта .............................. 215
436
8.13. Каскад колонн в целом..................... 216
8.14. Электрическая аналогия для каскада колонн........... 222
8.15. Двухтемпературные колонны и каскады............. 224
8.16. Расчет обменных колонн.................... 229
Глава 9. Некоторые положения общей теории разделения
9.1. Введение............................ 231
9.2. Максимальная степень разделения и минимальные потоки в каскаде
из элементов однократного разделительного действия........ 232
9.3. Идеальный каскад........................ 235
9.4. Эффективный коэффициент разделения, степень разделения, необходимое число ступеней...................... 236
9.5. Концентрации и потоки в идеальном каскаде............ 238
9.6. Идеальные каскады тонкого разделения.............. 239
9.7. Использование концентрационного напора. К. п. д. формы..... 240
9.8. Степень разделения и суммарные потоки............. 241
9.9. Разделительная мощность Ш и разделительный потенциал Ф . . . . 242
9.10. Использование функций U и Ф для расчетов........... 245
9.11. Работа разделения. Зависимость стоимости продукта от его концентрации ............................. 246
9.12. Зависимость степени разделения от производительности. Электрическая аналогия......................... 247
Глава 10. Оптимальные условия разделения
10.1. Общие положения. Особенности обратимых и необратимых методов разделения........................... 250
10.2. Коэффициент полезного действия колонны, его зависимость от степени разделения. Оптимальный относительный отбор........ 253
10.3. Допустимое значение степени разделения в одной колонне..... 262
10.4. Оптимальный относительный отбор при разделении с помощью обратимых процессов........................ 264
10.5. Степень сокращения потоков а................. 266
10.6. О выборе насадки и рабочей нагрузки (скорости газа) при дистилляции и изотопном обмене.................... 269
10.7. Оптимальное давление при дистилляции............. 271
10.8. Оптимальное давление при изотопном обмене........... 273
J0.9. О сопоставлении дистилляционных и обменных методов концентрирования ............................ 274
10.10. Оптимальные условия термодиффузионного разделения..... 274
10.11. Об оптимальных условиях при центрифугировании........ 277
.10.12. Об оптимальных условиях газодиффузионного разделения .... 277 10.13. Зависимость разделительной мощности и пропускной способности
от скорости и режима движения газа............... 279
Глава 11. Нестационарные процессы в одиночных колоннах и каскаде
11.1. Исходные соотношения.................... 281
11.2. Концентрирующая колонна при х <С 1- Решение задачи операционным методом.......................... 286
11.3. Принципы подобия и эквивалентности.............. 295
11.4. Применение принципов подобия. Концентрирующая колонна. Некоторые другие задачи....................... 299
11.5. Пределы применимости и точность методов подобия........ 300
11.6. Колонна с двумя резервуарами................. 303
11.7. Двухтемпературные колонны.................. 309
11.8. Кинетика каскада колонн (при х С 1).............. 309
11.9. Электрическая аналогия и ее применение. Результаты моделирования .............................. 317
11.10. Скорость приближения к равновесию при промежуточных концентрациях извлекаемого компонента................ 326
437
11.11. Кинетика при высоких концентрациях извлекаемого компонента 334
11.12. О влиянии колебаний газового потока на обогащение и производительность при двухфазном разделении.............. 335
Глава 12. Примеры расчета разделительных установок
12.1. Колонна с секцией извлечения для получения тяжелой воды дистилляцией водорода......................... 346
12.2. Каскад колонн для получения тяжелой воды методом дистилляции аммиака............................ 351
!2.3. Каскад двухтемпературных колонн для получения тяжелой воды.
Сопоставление методов получения тяжелой воды.......... 357
12.4. Обменная колонна для передачи изотопа из одной фазы в другую 364
12.5. Каскад из элементов однократного разделительного действия с а ^>
> 1 (концентрирование D2O электролизом с изотопным обменом) . . 364
12.6. Каскад из элементов с малыми е, без сокращения потоков (электролитическое концентрирование изотопов Li)............ 366
12.7. Каскад из элементов однократного разделительного действия с малыми коэффициентами обогащения и сокращением потоков (газодиффузионное разделение изотопов урана).............. 367
12.8. Концентрирование изотопа N15 обменом с химическим обращением
фаз .............................. 378
12.9. Каскад термодиффузионных колонн для концентрирования С13 в виде метана............................. 379
12.10. Применение понятий разделительной мощности и разделительного потенциала для оценки размеров каскада (разделение изотопов урана центрифугированием)...................... 381
12.11. Определение производительности имеющегося оборудования (применение понятий сопротивления колонн и каскада)......... 382
12.12. Влияние дополнительных потоков (подпитки).......... 387
12.13. Расчет времени установления в колонне при различных режимах работы............................. 389
12.14. Кинетика малоэффективной колонны.............. 391
12.15. Время установления равновесия в каскаде колонн........ 392
12.16. Определение коэффициента обогащения по кинематической кривой 394
12.17. Расчеты неизотопных систем (экстракционная колонна)..... 398
Приложения
1. Расчет констант равновесия реакций изотопного обмена....... 399
2. Приближенное интегрирование уравнений вынужденной диффузии . . 409
3. Некоторые закономерности адсорбционного разделения........ 414
4.. Использованные правила операционного исчисления и решение уравнений нестационарной массопередачи............... 419
Литература ......................... 429
Цена: 150руб.
