Разделение изотопов бора методом химического изотопного обмена

 

Смолкин П.А., Хохлов В.А.

 

Сибирский химический комбинат

 

Бор и его соединения находят применение более чем в пятидесяти отраслях промышленности, медицины и сельского хозяйства. Велика их роль и в научных исследованиях. Столь широкая сфера использования этих соединений обусловлена их уникальными физико-химическими свойствами, среди которых немало представляющих особый интерес для ядерной физики, реакторостроения, радиационной химии, ЯМР-спектроскопии, нейтронозахватной терапии в медицине и так далее. Бор обладает способностью образовывать ряд химических соединений, характеризующихся высокой жаропрочностью и коррозионной стойкостью. Наш интерес к изотопам бора обусловлен их ядерно-физическими и радиационными характеристиками, в частности, высоким значением сечения захвата нейтронов в широком диапазоне энергий, характерным для изотопа бор-10 и нейтронопрозрачность для изотопа бор-11.

В последние годы внимание исследователей было сконцентрировано на изучении процессов химического изотопного обмена и химобменной ректификации. На Сибирском химическом комбинате (СХК) выполнена проектная разработка промышленной установки разделения изотопов бора, в основе которой лежит метод изотопного обмена в системе анизол-BF3. Для анализа работы разрабатываемой установки, а так же построения других возможных вариантов установки нами разработана математическая модель разделительного каскада и компьютерное приложение.

Назначение данной математической модели является следующим: 1) расчет на ЭВМ основных технологических параметров разделительного каскада: материальных потоков, рабочего числа теоретических ступеней разделения и флегмового числа; 2) исследование разделительного каскада на ЭВМ с целью оптимизации технологических размеров и параметров каскада; 3) оптимизация разбивки разделительного каскада на части с целью сокращения потоков.

Для определения оптимального соотношения между числом теоретических ступеней разделения и рабочим флегмовым числом была применена диаграмма Джиллилэнда, позволяющая осуществлять этот выбор на основе критерия экономической эффективности. Новизна разработанных методики и математической модели состоит в использовании данного критерия оптимизации при расчете числа ступеней разделения. Все известные ранее методики расчета не использовали оптимизацию для расчета  процесса разделения.

Разработанная математическая модель была применена для расчета и исследования каскадов двух типов предназначенных для разделения изотопов бор-10 и бор-11 методом химического изотопного обмена в системе анизол–трифторид бора.

Каскад первого типа был использован в промышленной установке, разрабатываемой на СХК, в его основу положен экспериментально испытанный тип ректификационной колонны. Каскад строится из набора параллельно работающих идентичных колонн, а его необходимая производительность достигается увеличением числа параллельных колонн. Каскад первого типа состоит из 48 колонн с диаметром 100 мм, высота разделительной части 70 м, заполненной насадкой Левина. Каждая колонна снабжена абсорбером в верхней ее части и десорбером в нижней.

Каскад второго типа состоит из 5-ти последовательно соединенных колонн. Выходной поток целевого продукта одной колонны является входным потоком для следующей.  Характеристики второго каскада являются аналогичными характеристикам первого каскада. Конструкционные размеры колонн в таком каскаде различны ввиду сокращения потоков в каскаде по мере обогащения. Диаметры колонн – 300-500 мм (при расчете могут увеличиваться с увеличением производительности каскада), высота колонн – 30 м. Контактные элементы – ситчатые тарелки. Каскад имеет 3 десорбера и 1 адсорбер.

На основе расчетов можно предположить, что применение каскада второго типа при создании установки для разделения изотопов бора позволит значительно сократить высоту колонн, а соответственно и высоту здания, уменьшить количество средств контроля параметров рабочего процесса, значительно уменьшить затраты на строительно-монтажные работы.