Термодинамические изотопные эффекты водорода и кислорода при ректификации в системе водяной пар

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-13-00475

НазваниеТермодинамические изотопные эффекты водорода и кислорода при ректификации в системе водяной пар - водный солевой раствор

Руководитель Кулов Николай Николаевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-407 - Фундаментальные проблемы химической технологии

Ключевые слова Ректификация, контактные устройства, гидравлическое сопротивление, тепловой насос, изотопы, солевая ректификация, равновесие жидкость-пар

Код ГРНТИ58.29.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Основной задачей проекта является интенсификация процессов разделения изотопов легких элементов при ректификации природной воды. Решение этой задачи позволит разработать технологии рецикла тяжелых изотопов водорода и кислорода, используемых для получения меченых соединений, изотопнозамещенных кристаллов и органических соединений, а также в ядерной медицине (ПЭТ). Кроме того, указанные технологии будут способствовать организации получения питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия, востребованной сейчас на мировом рынке, и процессов опреснения морской воды. Использование солей для улучшения разделения жидких смесей известно давно, однако лишь в связи с развитием теории и практики применения метода экстрактивной ректификации в последние годы раскрылись большие возможности этого метода. Применение в качестве разделяющего агента экстрактивной ректификации растворов нелетучих солей позволило оценить возможность изменения фазового равновесия жидкость-пар с помощью солей и определить наиболее привлекательную область применения этого метода названного солевой ректификацией. Последняя особенно эффективна при концентрировании и очистке от примесей таких компонентов смесей, которые либо образуют азеотроп, либо имеют температуры кипения настолько мало различающиеся между собой, что обычная ректификация для этих целей непригодна. Поставленная в проекте задача представляет собой комплексное междисциплинарное исследование, направленное на разработку методов выбора разделяющего солевого агента, который, спускаясь по колонне, изменяет условия фазового равновесия жидкость-пар и движущую силу процесса ректификации в желаемом направлении. Важной составляющей проекта является раскрытие новых закономерностей, характеризующих влияние одного из компонентов в тройной системе «два разделяемых компонента – нелетучий разделяющий агент», поскольку ключевым вопросом является выбор эффективного разделяющего агента и количественная оценка его влияния на фазовое равновесие жидкость-пар, обусловленного сложными физико-химическими взаимодействиями между компонентами раствора. Другой задачей, требующей решения, является разработка высокоэффективного аппарата-разделителя с низким гидравлическим сопротивлением. Изотопные системы характеризуются малыми значениями коэффициентов разделения и поэтому требуют большого числа ступеней контакта фаз для получения требуемой концентрации продукта. Для достижения большой степени разделения требуются колонны большой высоты (до нескольких десятков метров), имеющие значительное гидравлическое сопротивление, которое обуславливает существенное повышение температуры кипения смеси от верха к низу колонны. При этом, коэффициент разделения, являющийся основной термодинамической характеристикой разделяемой системы, снижается с ростом температуры, в связи с чем эффективность разделения по высоте колонны также снижается. В связи с этим, задача разработки контактных устройств, обладающих низким гидравлическим сопротивлением, представляется весьма актуальной задачей. Следует также отметить, что ректификация является энергоемким процессом. Для колонн с низким гидравлическим сопротивлением можно ожидать, что эффективным способом снижения энергозатрат будет использование схемы с тепловым насосом, который из-за низкого перепада давления будет иметь высокие значения коэффициента преобразования энергии. Актуальность планируемых в рамках настоящего проекта работ обусловлена значительным интересом, проявляемым исследователями и представителями промышленности к созданию энергетически эффективной технологии изотопов водорода на основе ректификации природной воды, в том числе для получения питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия. Последняя производится в настоящее время путем ректификации под вакуумом, что значительно удорожает продукцию. Результатом выполнения проекта должен стать комплексный анализ факторов, определяющих влияние растворов солей минеральных или органических кислот на относительную летучесть компонентов разделяемой смеси, описание механизма термодинамического изотопного эффекта при фазовом равновесии, а также методика выбора эффективного разделяющего агента. Кроме того, будет дано описание метода расчета пленочной ректификационной колонны с низким гидравлическим сопротивлением. Научная значимость поставленной задачи обусловлена необходимостью развития фундаментальных представлений о физико-химических процессах, протекающих при солевой ректификации. Достижимость успешного решения поставленной задачи и получения запланированных результатов обусловлена следующими факторами. Авторы предлагаемого проекта имеют многолетний опыт экспериментальных исследований в области ректификации, в том числе экстрактивной, а также в области разделения изотопов легких элементов. Коллектив авторов имеет в своем распоряжении ряд экспериментальных установок (ректификационные насадочные колонны, установки для изучения фазового равновесия жидкость-пар, в том числе для систем жидкость-жидкость-пар), располагает уникальным аналитическим оборудованием. У авторов проекта имеется экспериментальный задел по экстрактивной ректификации и ректификационному разделению изотопов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Магомедбеков Э.П., Растунова И.Л., Селиваненко И.Л., Кулов Н.Н. Distribution of Heavy Hydrogen and Oxygen Isotopes in Water Distillation Theoretical Foundations of Chemical Engineering, Vol. 53, No. 2, pp. 151–158 (год публикации - 2019)
10.1134/S0040579519020118

2. Магомедбеков Э.П., Селиваненко И.Л., Кулов Н.Н., Веретенникова Г.В. Conditioning Heavy-Oxygen Water by Rectification under Vacuum Theoretical Foundations of Chemical Engineering, Vol. 53, No. 5, pp. 719–724 (год публикации - 2019)
10.1134/S0040579519050324

3. Кулов Н.Н., Полковниченко А.В., Лупачёв Е.В., Вошкин А.А., Магомедбеков Э.П. Распределение изотопов водорода между фазами при парожидкостном равновесии водных солевых растворов Теоретические основы химической технологии (Theoretical Foundations of Chemical Engineering) (год публикации - 2020)
10.31857/S0040357120010108

4. Кулов Н.Н., Полковниченко А.В., Лупачев Е.В., Растунова И.Л., Магомедбеков Э.П. Фракционирование изотопов воды D/H и 180/16O в насадочной ректификационной колонне Теоретические основы химической технологии (Theoretical Foundations of Chemical Engineering) (год публикации - 2020)

5. Кулов Н.Н. Процессы разделения смесей: проблемы и перспективы Материалы пленарной сессии Международного научно-технического симпозиума «Вторые международные Косыгинские чтения, приуроченные к 100-летию РГУ имени А.Н. Косыгина» / М.: ФГБОУ ВО «РГУ им. А.Н. Косыгина», с. 30-39 (год публикации - 2019)

6. Лупачев Е.В., Полковниченко А.В., Лотхов В.А., Кулов Н.Н. Исследование однократного разделительного эффекта дейтерий-протий при изучении равновесия жидкость-пар водных растворов мочевины Сборник научных трудов Международного научно-технического симпозиума «Вторые международные Косыгинские чтения, приуроченные к 100-летию РГУ имени А. Н. Косыгина»: Т. 1 / М.: ФГБОУ ВО «РГУ им. А. Н. Косыгина», Т. 1, с. 200-202 (год публикации - 2019)

7. Лотхов В.А., Квашнин С.Я., Кулов Н.Н. Эффект разделяющего агента в экстрактивной дистилляции Теоретические основы химической технологии (Theoretical Foundations of Chemical Engineering) (год публикации - 2020)
10.31857/S0040357120010145

Публикации

1. Покальчук В.С., Магомедбеков Э.П., Растунова И.Л., Чеботов А.Ю., Кулов Н.Н. Оценка величины коэффициента разделения изотопов кислорода в водных солевых растворах Теоретические основы химической технологии (Theoretical Foundations of Chemical Engineering), том 54, № 6, с. 663–667 (год публикации - 2020)
10.31857/S0040357120060184

2. Кулов Н.Н., Очкин А.В. Метод расчета плотностей смешанных растворов сильных электролитов Теоретические основы химической технологии (Theoretical Foundations of Chemical Engineering), том 54, No 6, с. 714–719 (год публикации - 2020)
10.31857/S0040357120060068

3. Магомедбеков Э.П., Растуновa И.Л., Кулов Н.Н. Ректификация воды как метод разделения изотопов водорода и кислорода: состояние и перспективы Теоретические основы химической технологии (Theoretical Foundations of Chemical Engineering), том 55, № 1 (год публикации - 2021)
10.31857/S0040357121010097

4. Кулов Н.Н., Полковниченко А.В., Лупачев Е.В., Кисель А.В., Вошкин А.А., Магомедбеков Э.П. Исследование кинетики процесса массообмена при ректификации изотопов водорода воды в присутствии карбамида Теоретические основы химической технологии (Theoretical Foundations of Chemical Engineering), том 55, № 2 (год публикации - 2021)

5. Кулов Н.Н., Полковниченко А.В., Лупачёв Е.В., Вошкин А.А., Магомедбеков Э.П. Distribution of Hydrogen Isotopes between Phases at Vapor–Liquid Equilibrium in Aqueous Salt Solutions Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 2020, Vol. 54, No. 1, pp. 132–138. (год публикации - 2020)
10.1134/S0040579520010108

6. Лотхов В.А., Квашнин С.Я., Кулов Н.Н. Effect of Separating Agent in Extractive Distillation Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 2020, Vol. 54, No. 1, pp. 172–177. (год публикации - 2020)
10.1134/S0040579520010145

7. Кулов Н.Н., Полковниченко А.В., Лупачев Е.В., Растунова И.Л., Магомедбеков Э.П. Fractionation of D/H and 18O/16O Water Isotopes in a Packed Distillation Column Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 2020, Vol. 54, No. 3, pp. 389–396. (год публикации - 2020)
10.1134/S0040579520030094