Массообменная колонна

Изобретение относится к массообменной колонне и может быть использовано для разделения широкого круга изотопов методами ректификации и химического обмена. Массообменная колонна, содержащая установленный под углом к горизонту цилиндрический корпус, снабженный торцевыми крышками, патрубками для ввода и вывода реагентов и размещенной внутри корпуса вращающейся массообменной частью, выполненной в виде цилиндрических перфорированных кассет, содержащих насыпной наполнитель - насадку, с внешней поверхностью, имеющей спиралевидную канавку, выполненную с шагом, меньшим размера элемента насыпного наполнителя, в которой размещена проволока, причем концевые участки кассет снабжены сепараторами с элементами качения и кольцевыми перегородками, а торцевые - элементами взаимной фиксации в виде кулачковых полумуфт, отличающаяся тем, что с верхней торцевой цилиндрической перфорированной кассетой соединен дополнительный диск, плоскопараллельный крышке корпуса и содержащий на противоположной от кассеты стороне магнитные элементы, а с внешней стороны торцевой крышки расположен второй плоскопараллельный внешней стороне крышки корпуса и расположенный на валу диск, на противоположной от вала стороне которого размещены магнитные элементы. Технический результат заключается в уменьшение потерь рабочих веществ, увеличении концентрации целевого компонента изотопной смеси, увеличении межремонтного пробега оборудования и повышении производительности установки. 4 з.п. ф-лы, 2 табл., 10 ил.

 

Изобретение относится к технологии разделения веществ с близкими свойствами, в частности, к получению стабильных изотопов бора в массообменных колоннах и может быть использовано для разделения широкого круга изотопов методами ректификации и химического обмена.

Известна массообменная колонна вертикального типа, использованная для разделения изотопов кислорода ректификацией воды, с вращающейся относительно неподвижного корпуса массообменной частью в виде расположенных на центральном валу один над другим воронкообразных (конических) контактных элементов (цит. по Бродский А.И. Химия изотопов - М.: АН СССР, 1952, с. 76-77).

Известна горизонтальная массообменная колонна для разделения изотопов азота методом химического обмена между газообразным аммиаком и ионом аммония (в водном растворе нитрата аммония), вращающаяся массообменная часть которой, представляет собой расположенные на центральном валу контактные элементы в виде перфорированных дисков - Бабков С.И., Жаворонков Н.М. Промышленный метод получения концентратов тяжелого изотопа азота // Химическая промышленность, 1955, т. 7, с. 388.

Недостатками и вертикальной, и горизонтальной колонн с расположенными на центральном валу контактными элементами, являются малая поверхность контакта фаз и недолговременная герметичность сальниковых уплотнений, обеспечивающих соединение наружного механического привода с валом массообменной части, расположенной в неподвижном корпусе колонны.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является массообменная колонна для разделения смесей близких по свойствам веществ, в том числе изотопов, представляющая собой цилиндрический корпус, снабженный торцевыми крышками с патрубками для ввода и вывода реагентов и размещенной внутри корпуса вращающейся массообменной частью, выполненной в виде цилиндрических перфорированных кассет, соединенных с помощью элементов взаимной фиксации в форме кулачковых полумуфт и заполненных нерегулярной (насыпной) насадкой (спирально-призматической, например) - Массообменная колонна. Патент РФ №2398610 // Бюл. №25 от 10.09.2010 (прототип). Такая конструкция колонны позволяет существенно увеличить поверхность контакта фаз и не использовать склонный к деформации (прогибу) центральный вал.

Недостатком прототипа, а также иных вышеуказанных технических решений, является наличие сальниковых уплотнений в крышке корпуса колонны, герметизирующих соединение наружного механического привода с торцевой (верхней) перфорированной кассетой с помощью вала. Деформация и разрушение таких уплотнений при эксплуатации колонн приводит к нарушению герметичности колонн и, как следствие, к:

- частичной потере рабочих веществ;

- уменьшению концентрации целевого компонента изотопной смеси;

- снижению производительности установки;

- сокращению времени межремонтного пробега оборудования, что также ведет к снижению производительности и увеличению себестоимости продукции.

Задача предлагаемого изобретения заключается в:

- уменьшении потерь рабочих веществ;

- увеличении концентрации целевого компонента изотопной смеси;

- увеличении времени межремонтного пробега оборудования;

- повышении производительности установки.

Поставленная задача решается тем, что массообменная колонна, содержащая установленный под углом к горизонту цилиндрический корпус, снабженный торцевыми крышками, патрубками для ввода и вывода реагентов и размещенной внутри корпуса вращающейся массообменной частью, выполненной в виде цилиндрических перфорированных кассет, содержащих насыпной наполнитель - насадку, с внешней поверхностью, имеющей спиралевидную канавку, выполненную с шагом, меньшим размера элемента насыпного наполнителя, в которой размещена проволока, причем концевые участки кассет снабжены сепараторами с элементами качения и кольцевыми перегородками, а торцевые - элементами взаимной фиксации в виде кулачковых полумуфт, причем с верхней торцевой цилиндрической перфорированной кассетой соединен дополнительный диск плоскопараллельный крышке корпуса и содержащий на противоположной от кассеты стороне магнитные элементы, а с внешней стороны торцевой крышки расположен второй плоскопараллельный внешней стороне крышки корпуса и расположенный на валу диск, на противоположной от вала стороне которого размещены магнитные элементы.

Магнитные элементы изготовлены из сплава NdFeB (неодим-железо-бор).

Торцы массообменной части соединены с закрепленными в корпусе бессмазочными подшипниками.

Бессмазочные подшипники изготовлены из полимерного или композитного материала или из металла.

Патрубки ввода и вывода реагентов расположены на поверхности корпуса колонны таким образом, что патрубки ввода жидкости и вывода газа или пара -над магнитным диском внутри корпуса, а патрубки вывода жидкости и ввода газа или пара - ниже последней торцевой кассеты массообменной части.

Изображение продольного разреза массообменной колонны приведено на рис. 1а, откуда следует, что массообменная колонна включает корпус 1, торцевые крышки 2, вращающуюся массообменную часть в виде кассет 3 с внутренним магнитным диском 4, прикрепленным к верхней торцевой кассете, расположенным плоскопараллельно торцевой крышке корпуса колонны и содержащий на обращенной к крышке стороне магнитные элементы 5, а также расположенный с внешней стороны торцевой крышки второй диск 6 плоскопараллельный внешней стороне крышки корпуса и находящийся на валу 7, причем на противоположной от вала стороне диска размещены магнитные элементы, а торцы массообменной части соединены с закрепленными в корпусе бессмазочными подшипниками 8. При этом но сравнению с внутренним диаметром корпуса колонны (D₁) возможны разные варианты исполнения диаметра магнитных дисков (D₂ и D₃): диаметры дисков меньше внутреннего диаметра корпуса колонны, то есть, D₁>D₂ и D₁>D₃ (рис. 1б); диаметры дисков больше внутреннего диаметра корпуса колонны, то есть, D₁<D₂ и D₁<D₃ (рис. 1в).

Вид на магнитную, то есть, активную поверхность дисков показан на рис. 2а, где на поверхности диска 4 (или 6) размещены магниты 5 в данном случае цилиндрической формы, а вид на торцевую часть диска в разрезе показан на рис. 2б.

Соединение кассет с помощью элементов взаимной фиксации в виде кулачковых полумуфт производится внутри подшипника, установленного в корпусе колонны (рис. 3), что снижает трение массообменной части о внутреннюю поверхность корпуса колонны.

Необходимо отметить, что патрубки ввода и вывода рабочих веществ (на рис. 1 не показаны) расположены на поверхности корпуса колонны: патрубки ввода жидкости и вывода газа или пара - над внутренним диском 4; патрубки вывода жидкости и ввода газа или пара - ниже конечной кассеты массообменной части 3.

Пример 1

Для двух исполнений массообменных колонн (№1 - колонна по прототипу; №2 - колонна по предлагаемому изобретению) выполнены сравнительные испытания. При этом в обоих исполнениях внутренний диаметр колонн, конструкция, длина собственно массообменной части и используемая насадка были идентичны. Одинаковы и условия испытаний колонн - температура, угол наклона колонны и скорость вращения массообменной части.

Испытания колонн проведены в режиме разделения изотопов бора методом химического обмена между газообразным трифторидом бора (BF₃) и его жидким комплексным соединением с метилфениловым эфиром или анизолом (BF₃⋅ОСН₃С₆Н₅) в составе установки с узлами обращения потоков фаз, схема которой приведена на рис. 4.

Поток исходного метилфенилового эфира (предварительно очищенного ректификацией под вакуумом с последующей отдувкой сухим азотом до концентрации воды в нем 0,001% мас.) из емкости 9 (рис. 4) подается насосом-дозатором 10 на орошение абсорбера 11 (верхний узел обращения потоков фаз), где протекает реакция (1) образования комплексного соединения BF₃ с метилфениловым эфиром

а тепло реакции (ΔН_обр) отводится охлаждается водой.

Образовавшееся комплексное соединение через гидрозатвор 12₁ поступает на орошение массообменной колонны 13, массообменная часть которой вращается с помощью электропривода (на рис. 4 не показан). В колонне между комплексным соединением и трифторидом бора идет реакция изотопного обмена

в результате которой жидкая фаза в виде BF₃OCH₃C₆H₅ обогащается более легким изотопом бора (¹⁰В) и концентрация последнего возрастает по мере прохождения жидкости по колонне. При этом заданный температурный режим колонны обеспечивается внешним электронагревателем 14.

Обогащенный изотопом ¹⁰В комплекс из колонны через гидрозатвор 12₂ поступает в верхнюю часть десорбера с кубом 15 и колбонагревателем 16 (нижний узел обращения потоков фаз), где за счет подвода тепла протекает обратная процессу (1) реакция термической диссоциации комплексного соединения (3):

Выделившийся BF₃ поступает в колонну, а метилфениловый эфир кипит в кубе десорбера, откуда периодически выводится в отдельную емкость (на рис. 4 не показана).

Контроль процесса разделения изотопов бора в колонне производится масс-спектрометрически при анализе проб BF₃, отобранных из установки с помощью узлов 17, расположенных по концам колонны на линиях подачи газа.

Помимо изотопного состава газообразного BF₃ в ходе испытаний контролировали концентрацию фенолов в анизоле после десорбера по методике Громова Д.М. и др. Методика определения фенола в анизоле применительно к процессу разделения изотопов бора // Успехи в химии и химической технологии, 2012, т. XXVI, №7 (136), с. 41-44.

Кроме того, контролировали остаточное содержание бора в анизоле после десорбера (потери бора) по методике, описанной в работе Хорошилов А.В. и др. Определение микроконцентраций бора в органических соединениях при концентрировании ¹⁰В для атомной техники и ядерной медицины // Микроэлементы в медицине, 2010, т. 11, №3-4, с. 84-89.

Результаты сравнительных испытаний двух исполнений колонн в идентичных условиях при безотборном режиме работы установки приведены в табл. 1, причем результаты разделения изотопов бора соответствуют времени работы установки, равном 12 ч с достижением стационарного состояния.

Как видно из табл. 1, при испытании колонн в идентичных условиях концентрация фенолов в метил фениловом эфире после десорбера уменьшилась с (46±4) мкг/мл для исполнения колонны по прототипу до (16±2) мкг/мл для исполнения колонны по предлагаемому изобретению, то есть, примерно в 2,9 раза. Так как образование фенолов происходит преимущественно за счет взаимодействия метилфенилового эфира с фтористым водородом (продукт гидролиза BF₃)

и дальнейшего взаимодействия образовавшегося фторметана CH₃F с фенолом вновь с выделением HF

указанное выше уменьшение концентрации фенолов соответствует снижению потерь метилфенилового эфира, как минимум, в 2,9 / 2 ≈1,4 раза или на 40%.

Также из табл. 1 следует уменьшение потерь второго рабочего вещества (BF₃ и, соответственно, бора) при испытании колонны по изобретению по сравнению с колонной по прототипу: (22±3) мкг/мл против (81±8) мкг/мл или в 3,7 раза, что соответствует почти троекратному сокращению потерь трифторида бора.

При этом наблюдается (табл. 1) и эффект увеличения концентрации целевого изотопа с (24,6±0,1) % ат. ¹⁰В до (25,3±0,1) % ат. ¹⁰В, то есть, на 0,7% ат. при практически неизменной концентрации ¹⁰В в голове колонны.

Пример 2

В условиях, аналогичных описанным в примере 1, проведены сравнительные испытания двух исполнений колонн при их длительной непрерывной работе. В ходе испытаний после достижения в течение 12 ч стационарного состояния установки (условия работы соответствуют данным табл. 1) далее ежесуточно контролировали потери бора и определяли степень разделения изотопов бора по результатам изотопного анализа BF₃. Результаты испытаний колонн приведены на рис. 5, откуда следует, что для колонны в исполнении по прототипу (рис. 5а) время стабильного режима работы не превысило пяти суток, а для исполнения колонны по предлагаемому изобретению (рис. 5б) ухудшения процесса разделения изотопов бора в течение всего периода испытаний выявлено не было.

В целом из результатов испытаний во времени работы двух исполнений колонн следует, что исполнение колонны по предлагаемому изобретению характеризуется, по меньшей мере, троекратным увеличением времени межремонтного пробега.

Пример 3

В случае работы установки для разделения изотопов бора в режиме с отбором продукта при достижении концентрации изотопа ¹⁰В, равной, например, 80% ат., длина массообменной части должна быть существенно увеличена по сравнению с данными табл. 1 (пример 1), что достигается последовательным соединением по потокам жидкости и газа нескольких массообменных колонн 1 при их расположении одна под другой, как показано на рис. 6. При этом такая сборка колонн соединена с остальными элементами установки аналогично схеме на рис. 4. Сравнительные характеристики двух исполнений массообменных колонн и достигаемые при их использовании результаты даны в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что в равных условиях работы установки для производства изотопа ¹⁰В химическим обменом между BF₃ и его комплексным соединением с анизолом, применение роторных массообменных колонн в заявляемом исполнении (исполнение №2) позволяет по сравнению с колоннами по прототипу (исполнение №1) увеличить производительность установки не менее чем на 14%, причем без учета увеличения времени межремонтного пробега, что отражено в примере 2. Учет сокращения времени межремонтного пробега в соответствии с данными примера 2 позволяет увеличить производительность установки при использовании роторных колонн в исполнении по предлагаемому изобретению до 40%.

1. Массообменная колонна, содержащая установленный под углом к горизонту цилиндрический корпус, снабженный торцевыми крышками, патрубками для ввода и вывода реагентов и размещенной внутри корпуса вращающейся массообменной частью, выполненной в виде цилиндрических перфорированных кассет, содержащих насыпной наполнитель - насадку, с внешней поверхностью, имеющей спиралевидную канавку, выполненную с шагом, меньшим размера элемента насыпного наполнителя, в которой размещена проволока, причем концевые участки кассет снабжены сепараторами с элементами качения и кольцевыми перегородками, а торцевые - элементами взаимной фиксации в виде кулачковых полумуфт, отличающаяся тем, что с верхней торцевой цилиндрической перфорированной кассетой соединен дополнительный диск, плоскопараллельный крышке корпуса и содержащий на противоположной от кассеты стороне магнитные элементы, а с внешней стороны торцевой крышки расположен второй плоскопараллельный внешней стороне крышки корпуса и расположенный на валу диск, на противоположной от вала стороне которого размещены магнитные элементы.

2. Массообменная колонна по п. 1, отличающаяся тем, что магнитные элементы изготовлены из сплава NdFeB.

3. Массообменная колонна по п. 1, отличающаяся тем, что торцы массообменной части соединены с закрепленными в корпусе бессмазочными подшипниками.

4. Массообменная колонна по п. 1, отличающаяся тем, что бессмазочные подшипники изготовлены из полимерного или композитного материала или из металла.

5. Массообменная колонна по п. 1, отличающаяся тем, что патрубки ввода и вывода реагентов расположены на поверхности корпуса колонны таким образом, что патрубки ввода жидкости и вывода газа или пара - над магнитным диском внутри корпуса, а патрубки вывода жидкости и ввода газа или пара - ниже последней торцевой кассеты массообменной части.