Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и создание эффективных аппаратов-разделителей для получения кондиционной (с концентрацией 99,8%) тяжелой воды на ФГУП "ПО"Маяк"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
тяжелая вода, ректификация, аппарат-разделитель, регулярная насадка, рулонная ленточно-винтовая насадка, дейтерий, протий, депротизация

Цель проекта:
В настоящее время в России отсутствуют производственные мощности по производству тяжелой воды из природного сырья. Текущие потребности в тяжелой воде (в том числе потребности ФГУП «ПО «Маяк» для реакторной установки ЛФ-2) удовлетворяются за счет переработки некондиционной тяжелой воды с концентрацией дейтерия около 42%, образующейся при «разубоживании» дейтерида лития на НЗХК, на установке ЭВИО в ПИЯФ им. Б.П. Константинова в г. Гатчине Ленинградской области, в которой используется технология, основанная на каталитическом изотопном обмене водорода с водой, и катализатор, разработанные в РХТУ им. Д.И. Менделеева. При этом следует отметить, что предприятия, на которых проводится «разубоживание», переработка некондиционной тяжелой воды и основной потребитель кондиционной тяжелой воды, территориально сильно разнесены, что приводит к дополнительным расходам на транспортировку сырья и продукта. Вместе с этим, на предприятии-потребителе тяжелой воды (завод 23 ФГУП «ПО «Маяк») имеется большой опыт эксплуатации установок депротизации тяжелой воды методом ректификации воды под вакуумом, использующийся для поддержания концентрации дейтерия в теплоносителе реакторной установки ЛФ-2, который может быть использован и для проведения переработки некондиционной тяжелой воды. Еще одним источником сырья для получения кондиционной тяжелой воды может быть переработка 96%-ной тяжелой воды, образующейся при разложении дейтерида лития по технологии, разработанной в РХТУ им. Д.И. Менделеева и НИЦ «Курчатовский институт» в рамках договоров с ФГУП «ПО «Маяк», реализация которой планируется также на ФГУП «ПО «Маяк». В связи с принятием решения о строительстве на ФГУП «ПО «Маяк» нового тяжеловодного реактора ТВР-Э вопрос о получении кондиционной тяжелой воды «на месте» путем переработки тяжеловодных сливов разной концентрации становится еще более актуальным. Данная проблема может быть решена путем частичной модернизации существующего каскада ректификационных колонн и использования имеющейся системы обеспечения технологического процесса и опыта персонала. Кроме этого, создаваемая в рамках проекта установка будет служить прототипом узла депротизации тяжеловодного теплоносителя реакторной установки ТВР-Э. Целью проекта является разработка высокоэффективных аппаратов-разделителей с контактными устройствами рулонного ленточно-винтового типа (РЛВН) для переработки тяжелой воды с различной концентрацией дейтерия методом ректификации под вакуумом.

Основные планируемые результаты проекта:
В результате выполнения проекта будут созданы
1. аппараты-разделители с контактными устройствами рулонного ленточно-винтового типа, которые должны обеспечивать возможность получения кондиционной воды (с концентрацией дейтерия не менее 99,8 %, мольн.) из тяжеловодного сырья с концентрацией дейтерия от 42 до 90 %, мольн.
2. лабораторная установка ректификации воды под вакуумом с колонной диаметром 250 мм (h=1,6 м), предназначеная для определения массообменных характеристик контактных устройств, как предоставленных Индустриальным партнером (спирально-призматического типа), так и разрабатываемых РЛВН.
3. экспериментальная установка с колонной диаметром 120 мм (h=10 м), предназначеная для проведения экспериментальных испытаний разрабатываемых контактных устройств РЛВН, получения коэффициентов масштабного перехода, а также отработки технического регламента процесса концентрирования слабых тяжеловодных сливов на ФГУП «ПО «Маяк».
4. экспериментальная установка с колонной диаметром 250 мм (h=40 м) предназначена для проведения экспериментальных испытаний разрабатываемых контактных устройств РЛВН и отработки технологии получения кондиционной (с концентрацией дейтерия 99,8 ат. %) тяжелой воды и отвального продукта с концентрацией дейтерия не более 0,1 ат. %.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В результате проведения работ будет разработана технология изготовления контактного устройства рулонного ленточно-винтового типа для ректификации воды под вакуумом. На ее основе будет разработан и изготовлен образец контактного устройства рулонного ленточно-винтового типа, подготовлены программы и методики и проведены испытания образца.
Результатом ПНИЭР станет рабочая конструкторская и проектная документация по размещению каскада колонн, заполненных разработанным контактным устройством, на имеющихся площадях регенерационной установки реактора ЛФ-2 на ФГУП «ПО «Маяк».
В настоящее время не существует стандартных алгоритмов и методов решения поставленной задачи, и, следовательно, она предполагает разработку принципиально новых технологий, обеспечивающих возможность создания конкурентоспособных высокоэффективных аппаратов-разделителей для ректификации воды под вакуумом на основе регулярных контактных устройств рулонного ленточно-винтового типа.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Назначением разработки является создание высокоэффективного комплекса ректификационных установок для переработки некондиционной тяжелой воды с концентрацией дейтерия 42 ат.% и 96 ат.%. Создаваемый комплекс депротизации явится прототипом для системы очистки теплоносителя нового реактора ТВР-Э.
Таким образом, будет реализована технология переработки некондиционной тяжелой воды методом ректификации под вакуумом, обеспечивающая:
- замену малоэффективных тарельчатых контактных устройств на высокоэффективную рулонную ленточно-винтовую насадку, обеспечивающую более высокую разделительную способность при сопоставимой пропускной способности аппаратов-разделителей;
- высокую эффективность процесса депротизации некондиционной тяжелой воды с получением кондиционной (с концентрацией дейтерия 99,8 ат.%) тяжелой воды и отвального продукта с концентрацией дейтерия не более 0,1 ат.%;
- возможность получения кондиционной тяжелой воды в количестве 3,5 т/год, что в ценах 2014 года позволит сэкономить около 150 млн. руб. за счет сокращения импорта.

Текущие результаты проекта:
1. Проведенные лабораторные испытания контактных устройств спирально-призматического типа показали, что исследованные виды спирально-призматической насадки могут быть использованы в процессах разделения изотопов водорода методом ректификации воды под вакуумом в достаточно широком диапазоне нагрузок.
2. Лабораторные испытания регулярных насадок позволили получить высоту эквивалентной тарелки приемлемую для насадок данного типа. В результате экспериментов установлено, что разделительная способность контактных устройств – регулярных насадок не зависит от нагрузки в диапазоне от 30% до 100% от максимальной рабочей нагрузки.
3. Изготовлена и смонтирована экспериментальная установки ректификации тяжелой воды под вакуумом с колонной диаметром 120 мм.
4. Полученное в результате испытаний на экспериментальной установке с колонной диаметром 120 мм спирально-призматической насадки из нержавеющей стали с размером элемента 3х3х0,2 мм значение ВЭТС соответствует требованиям, и такие контактные устройства могут быть использованы в условиях реальной эксплуатации при проведении процесса ректификации воды под вакуумом на ФГУП «ПО «Маяк».
5. Разработанные и изготовленные образцы распределительных (орошающих) устройств успешно прошли экспериментальные испытания и могут быть использованы для распределения потоков в колонне диаметром 120 мм при проведении процесса ректификации воды под вакуумом в реальных условиях на ФГУП «ПО «Маяк».
6. Полученные в результате проведенных работ зависимости массообменных характеристик контактных устройств различных типов (регулярных и нерегулярных) могут быть использованы для проектирования промышленных ректификационных установок, в том числе и для создания экспериментальной установки ректификации тяжелой воды под вакуумом с колонной диаметром 250 мм.