Ядерная энергетика: технология, безопасность, экология, экономика, управление

Подождите немного. Документ загружается.

Использование горизонтального шнекового реактора

для получения тетрафторобромата калия

Соболев В.И., Островский Д.Ю.

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Целью данной работы является оценка приемлемости метода фторирования

бромида калия в качестве промышленного способа получения KBrF

. Первона-

чально были проведены исследования термической устойчивости в атмосфере

фтора KBrF

, полученного методом взаимодействия KF и BrF

. Результаты указали

на разрушение данного комплекса при температурах выше 80 °С. Активное разло-

жение комплекса проходит при температурах более 100 °С [1].

Были проведены кинетические исследования процесса фторирования KBr при

температурах от 50 до 80 °С. Обработка данных, описывающих зависимость изме-

нения массы от времени, указывает, что степень превращения KBr в статических

условиях составляет менее 70 %. Рассчитанное по результатам исследований зна-

чение кажущейся энергии активации составило E

= –17 кДж/моль.

Значение энергии активации указывают на протекание процесса во внешней

диффузионной области реагирования, следовательно, степень реагирования можно

увеличить применением перемешивания реакционной массы, а так же увеличением

дисперсности бромида калия.

В качестве промышленного прототипа был выбран горизонтальный шнеко-

вый реактор. Проведен расчѐт и изготовлена экспериментальная установка. В ходе

проведения испытания реактора были определены технологические параметры по-

лучения KBrF

. Оптимальной является температура 70÷80 °С, соотношение F

KBr 3,5÷4 : 1, режим фторирования – прямоточный. Степень реагирования соста-

вила 73÷80 %.

Полученные порошки были проанализированы титриметрическими и термо-

гравиметричеким методами анализа, а так же сделаны микрофотографии порош-

ков.

На основе полученных данных, на кафедре освоена методика получения ки-

лограммовых количеств тетрафторобромата калия для последующего использова-

ния в научных целях сотрудниками института неорганической химии им А.В. Ни-

колаева СО РАН.

Рис 1. Принципиальная схема установки.

1- загрузочный бункер; 2- патрубок подачи фтор; 3- патрубок вывода газовой смеси;

4- приемный бункер.

Список литературы

1. R.V. Ostvald, V.V. Shagalov, I.I. Zherin, Book of Abstracts 19th International

Symposium on Fluorine Chemistry 2009 129.

Возможности использования газогидратной технологии

Нерадовский А.В., Гузеев В.В.

СТИ НИЯУ «МИФИ», ТФ, кафедра ХиТМСЭ, e-mail:guzeev@ssti.ru

Соединяясь с водой при определенных термодинамических условиях, некото-

рые газы и легколетучие жидкости образуют так называемые газовые гидраты,

вещества, напоминающие фирновый лед. Сходство не ограничивается лишь внеш-

ним видом. Многие физические свойства газовых гидратов близки к со-

ответствующим характеристикам льда. С газогидратами исследователи познакоми-

лись в 1811 году, когда Гэмфри Дэви открыл новое соединение — гидрат хлора. В

20-х годах позапрошлого столетия изучением гидратов занимался ученик Г. Дэви

известный физик М. Фарадей, который в 1823 г. впервые определил состав гидрата

хлора. В течение последующего столетия были получены равновесные кривые

большинства известных газогидратов, изучены их составы, но свойства гидратов

практически оставались не изученными. Открытие газового гидрата хлора положи-

ло начало исследованию таких двух обширных классов веществ, как молекулярные

кристаллы и нестехиометрические соединения включения. Сам же виновник этой

лавины исследований — газовый гидрат — был практически забыт, и лишь в 30-х

годах нашего столетия, когда с увеличением добычи газа участились аварии (сква-

жины и газопроводы забивались гидратами), начались усиленные исследования га-

зовых гидратов. Но, несмотря на большое количество публикаций, проблема дале-

ка от завершения.

Уникальные свойства газовых гидратов широко, используются в технике:

разделение газовых смесей, хранение газа, опреснение морской воды, повышение

давления газов, рассеяние туманов и облаков. В области технических приложений

у газовых гидратов богатые перспективы. Актуальной ледотехнической проблемой

является создание кристаллогидратов с заданными физико-механическими свойст-

вами. Такие образования могли бы служить гидратным цементом для консолида-

ции дисперсных сред, в частности ядер и оснований плотин и стенок каналов.

Таким образом, перед исследователями стоят две задачи: найти эффективные

методы борьбы с гидратами и научиться получать газовые гидраты с заданными

характеристиками для различных технических целей. Решение любой из этих тео-

ретических задач требует знания физических свойств газовых гидратов, экспери-

ментальных и расчетных методов их определения.

Все возрастающий практический интерес к газовым гидратам связан со сле-

дующими обстоятельствами. Многие технологические процессы, осуществляемые

в газовой, нефтяной и химической промышленности, сопровождаются образовани-

ем газовых гидратов.

Газовые гидраты представляют собой твердые кристаллические вещества.

Они напоминают внешним видом снег или рыхлый лед и характеризуются общей

формулой МхnН2О (n>5,67). В этой формуле М - молекула, образующая гидрат

при строго определенных значениях температуры и давления. Способностью обра-

зовывать гидраты обладают многие газы, органические жидкости (в основном ле-

тучие), а также их двойные и многокомпонентные смеси (Аг, N2, О2, СН4, СО2,

С2Н4, С2Н6, С3Н8, изо-С4Н10, Н2S, SO2, C12, CS2, галогенпроизводные углево-

дородов C1-С4, циклические и простые эфиры и т. д.).

Следует отметить, следующие перспективные направления промышленного

использования газовых гидратов: 1) опреснение морской воды (с более низкими

энергозатратами по сравнению с дистилляцией); 2) хранение газов; 3) разделение

двойных и многокомпонентных газовых и жидких смесей; 4) межконтинентальный

транспорт (трубопроводный или контейнерный) природного газа; 5) концентриро-

вание изотопов; 6) повышение давления газов путем перевода их через гидратное

состояние; 7) переработка попутного нефтяного газа; 8) концентрирование раство-

ров и т.д.

Хранение и транспортировка газа в гидратном состоянии

Целесообразность хранения и транспортировки газа в гидратном состоянии

вытекает из молярного соотношения газ — вода и исключительно высокой плотно-

сти газа в гидратном состоянии. Удельная плотность газа в решетке гидрата пре-

вышает его плотность в жидком состоянии. Хранение газа в гидратном состоянии

наиболее эффективно при относительно низких давлениях, когда при одном и том

же давлении в единице объема в гидратном состоянии содержится значительно

больше газа, чем в свободном. В гидратном состоянии возможно хранение и транс-

портировка радиоактивных, инертных газов, например радона.

Повышение давления природных газов путем перевода их через гидрат-

ное состояние

Современные технологические процессы часто требуют создания высоких

давлений, достигающих нескольких сотен и даже тысяч атмосфер. Такие же давле-

ния иногда требуются при изучении физических свойств различных веществ. Ус-

тановлена возможность получения давления до нескольких сотен и даже тысяч ат-

мосфер путем разложения гидратов природных газов в ограниченном объеме.

Технология переработки попутного нефтяного газа

В настоящее время при добыче нефти извлекается газ, в составе которого ~

70% метана ~10% этана ~ 10-15 % пропана, остальное широкая фракция углеводо-

родов. Для работы газопоршневой станции используемой на промысле для энерго-

обеспечения требуется газ, содержащий метан и этан. Для транспортировки газа

потребителю (~ 80%) требуется разделение смеси на три составляющие 1 - метан,

этан; 2 - пропан, бутан; 3 - широкая фракция углеводородов.

Сущность технологии состоит в том, что за одну стадию ПНГ разделяется на

три фракции: 1-пропан-изобутановую в форме газовых гидратов (твердая) 2- ме-

тан-этановую (газообразная) и 3-широкую фракцию углеводородов (жидкая).

Метан-этановая фракция также может быть переработана в газовые гидраты

для хранения и транспортировки.

Технология и установка переработки жидких радиоактивных отходов

Свойства газовых гидратов могут быть использованы для создания техноло-

гии концентрирования растворов любых элементов, в том числе редких, рассеян-

ных и радиоактивных.

Наибольшее значение имеет газогидратная технология концентрирования

растворов урана, на стадиях обработки следующих за выщелачиванием урана из

руды. В этих целях могут быть использованы различные методы концентрирова-

ния, такие как выпаривание, ионный обмен или экстракция.

Для осуществления процесса выпаривания необходимы большие затраты

энергии (69 кДж/моль) и громоздкое оборудование. При ионном обмене и экстрак-

ции также необходимо сложное оборудование, например ионообменные колоны

или экстракторы. И кроме того при данных процессах образуются побочные отхо-

ды производства, такие как отработанный ионит и экстрагент, которые необходимо

каким-то образом утилизировать, а это повлечет за собой увеличение затрат време-

ни и денег на производство.

Предлагаемая газогидратная технология по сравнению с выше перечислен-

ными позволяет в значительной степени сократить затраты энергии (при образова-

нии газовых гидратов выделяется около 70 кДж/моль) на проведение процесса

концентрирования. Кроме того отпадает необходимость в дополнительных реаген-

тах (ионит, экстрагент, реэкстрагент, эллюат) и технологически сложном оборудо-

вании. Также решается проблема и с побочными продуктами производства, так как

при газогидратном методе концентрирования выделяются лишь вода и газ-

гидратообразователь, которые могут быть возвращены обратно в производствен-

ный цикл и повторно использованы множество раз без предварительной регенера-

ции.

Сущность технологии заключается в том, что газ, например фреон образует

твердое соединение с водой - газовый гидрат. При этом в газовый гидрат может пере-

ходить часть инертных газов – радон, ксенон криптон. Растворенные радиоактивные

вещества не переходят в газовый гидрат и таким образом концентрируются в остаю-

щемся растворе. После ступенчатого разложения газового гидрата отделенный от

инертных газов, фреон подается опять на образование газовых гидратов. Предлагае-

мая установка дает возможность концентрировать радиоактивные растворы с од-

новременным выделением образующихся радиоактивных газов в частности радона,

а также водорода.

С дальнейшим изучением различных свойств газовых гидратов сфера их тех-

нологического использования значительно расширяется.

Весьма перспективным представляется гидратный способ концентрирования

пищевых соков, паток, растворов, сухих вин, минеральных кислот и т. д.

Следует также указать на перспективные возможности использования газо-

вых гидратов в качестве своеобразного цемента при упрочнении гидротехнических

сооружений (стенки каналов, основания плотин и т. д.), а также для создания и ис-

пользования гидратных изолирующих экранов, непроницаемых для свободного га-

за, нефти и воды.

Исследование процессов массопередачи

в пульсационных колонных экстракторах

Теровский С.В., Теровская Т.С., Пищулин В.П.

Северский технологический институт

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

В настоящее время аффинаж природного урана осуществляется с применени-

ем экстракционной технологии, использование которой позволяет обеспечить пол-

ное разделение веществ. Реализация технологии осуществляется в экстрационных

насадочных колоннах.

В экстракционном оборудовании рабочей средой является двухфазная систе-

ма, изучение характера которой представляется весьма важным при исследовании

различных методов интенсификации процесса экстракции и для определения оп-

тимальных режимов работы оборудования.

В химической промышленности и в технологии очистки газообразных и жид-

ких систем широко распространены и имеют важное значение процессы массопе-

редачи, характеризуемые переходом одного и нескольких веществ из одной фазы в

другую в гетерогенных системах.

Массопередача представляет собой сложный процесс, включающий перенос

вещества (массы) в пределах одной фазы, перенос через поверхность раздела фаз и

его перенос в пределах другой фазы.

Распределяемое вещество внутри каждой фазы переносится путем молеку-

лярной и турбулентной диффузии.

Для диффузионных процессов принимают, что количество переносимого ве-

щества пропорционально поверхности раздела фаз и движущей силе (разности

концентраций распределяемого компонента).

Анализ процессов массопередачи позволяет изучить влияние различных ус-

ловий проведения процесса на характеристики конечных продуктов разделения.

По данным исследований и практики в экстракционных колоннах при хаоти-

ческом перемешивании режим равномерного движения разнородных жидкостей не

соблюдается – возникают застойные зоны, продольное перемешивание, поперечное

неравномерное распределение. Такие отклонения снижают эффективность процес-

сов, требуют больших затрат вводимой внешней энергии, увеличения времени на

получение контактной поверхности.

Для решения задачи математического моделирования процесса экстракции

нами использована диффузионная модель разработанная Кафаровым В.В., позво-

ляющая учесть пространственное распределение извлекаемого компонента по вы-

соте экстракционной колонны. Описание процесса заключается в составлении

дифференциальных уравнений материального баланса растворенного вещества, ко-

торые учитывают содержание его в обеих фазах. Уравнения равновесия учитывают

концентрацию извлекаемого компонента в дисперсной и сплошной фазах.

В результате математического моделирования была разработана модель про-

цесса экстракции в пульсационной экстракционной колонне с оптимальными зна-

чениями коэффициентов продольного перемешивания и объемной массопередачи

режима работы колонны. Это позволяет определять наименьший оптимальный

диапазон концентрации ценного компонента в исходном растворе, в интервале рег-

ламентных норм, при подготовке раствора к экстракции. Благодаря этому снижа-

ются затраты реагентов, времени и количества подводимой внешней энергии.

Атомный проект 2 в томской области

Троценко Н.О., Селиваникова О.В.

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Атомная отрасль России была заложена и создана в середине минувшего века

в годы кровопролитнейшей войны и сразу после нее. В атомном проекте 1 были

сконцентрированы лучшие умы и патриоты нашей Родины. Составной частью

Атомного проекта1 было строительство самого мощного в Европе Сибирского хи-

мического комбината, который успешно работает уже более 60 лет. В 1958 году на

СХК введена в эксплуатацию первая в СССР промышленная Сибирская АЭС, ко-

торая в течении более 40 производила электроэнергию и тепло для г.Томска и

г.Северска.

В России принята Федеральная целевая программа (ФЦП) «Развитие атомно-

го энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу

до 2020 г.». По своим масштабам она сравнима с Атомным проектом 1 и поэтому

ее иногда называют Атомный проект 2. В Федеральной целевой программе преду-

смотрено строительство в Томском регионе Северской АЭС.

Необходимость строительства Северской АЭС продиктована сложной ситуа-

цией в энергосистеме Томской области и объединенной энергосистеме Сибири в

целом.

Объѐм собственного производства электроэнергии в энергосистеме Томской

области после плановой остановки реакторов на Сибирском химическом комбина-

те сократился до 40%.

В марте 2009 г. по материалам обоснования инвестиций в строительство и

оценки воздействия на окружающую среду Северской АЭС были успешно прове-

дены общественные слушания в Томске и Северске.

В то же время они показали, что бытующее в обществе представление об

атомной энергии по-прежнему окутано мифами и страхами, которые абсолютно не

соответствуют фактическому положению дел, и в основном опираются исключи-

тельно на чувства и эмоции.

Поэтому одна из важнейших задач, стоящая в настоящее время перед учены-

ми – достижение «общественного понимания» экологических проблем, в том числе

– атомной энергетики.

В Томской области планируется построить двухблочную АЭС с реакторами

ВВЭР-1150 суммарной мощностью 2300 МВт.

Проект Северской АЭС будет разрабатываться на основании базового проекта

АЭС-2006 и явится усовершенствованным вариантом существующих и строящихся

атомных станций [1].

В работе оценены последствия гипотетической ситуации, при которой энер-

гоблоки 2300 МВт использовали бы в качестве топлива уголь, газ или другие аль-

тернативные источники (солнце, ветер, биомасса).

Сравнение по 17 технико-экономическим и экологическим показателям ТЭС

и АЭС электрической мощностью 2300МВт представлено в виде таблицы [2].

Выводы:

Такие масштабные проекты, как создание особой экономической зоны в Том-

ске, освоение нефтяных и газовых месторождений на правобережье р. Оби, разра-

ботка Бакчарского железорудного месторождения, строительство автомобильных и

железнодорожных магистралей, динамичное развитие лесопереработки, интеллек-

туального, научно-образовательного комплекса, наукоемкого, высокотехнологиче-

ского бизнеса – все это может не состояться по одной простой причине: из-за не-

хватки энергии.

Выполнение этих проектов позволит добиться высоких экономических пока-

зателей и обеспечит качественно новый, более высокий уровень жизни населения.

Список литературы

1. Проект АЭС-2006 – путь к решению энергетических проблем России//

Бюллетень по атомной энергии. - № 2. – 2007.

2. В.И. Бойко Ф.П. Кошелев, Г.М. Пшакин, О.В. Селиваникова Ядерные тех-

нологии и вызовы XXI века: учебное пособие. – Томск, Изд-во: ТПУ, 2009.