Инертные газы - Фастовский В.Г.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 4.2. Изменение скорости погло- Рис. 4.3. Поглощение воздуха каль-
щения воздуха кальцием при 650° С. цием при ступенчатом повышении Израсходовано Ca: температуры от 550 до 650° С.
i —. 10%; 2-50%.
ном при объемной скорости 500 ч-1 и 650° С; в аргон дозировался воздух в таком количестве, чтобы суммарная концентрация азота и кислорода в отходящем газе не превышала 0,005%. В течение первых 10 ч было израсходовано около 20% всего загруженного кальция, «о скорость поглощения уменьшилась от 8,75 л/(кг-ч), что соответствовало содержанию воздуха в поступающем на очистку аргоне хо~0,44%, до 1,37 л/'(кг-ч). (л:0~0,07%). Через 25 ч от начала опыта было использовано 50% Са, но скорость поглощения уменьшилась до 1,0 л/(кг-ч) (х0~0,05%) и продолжала в дальнейшем падать.
При относительно небольших концентрациях воздуха в инертном газе, которые встречаются в практике эксплуатации камер с защитными атмосферами, можно рассчитывать на использование до 70—75% загруженного кальция. Более эффективное использование кальция может быть достигнуто путем ступенчатого повышения температуры в реакторе по мере использования кальция. На рис. 4.3 показаны результаты очистки газа с повышением температуры от 550 до 650° С. Скорость поглощения в течение 400 ч не опускалась ниже 1,35 л/(кг»ч)
232
(х0«0,068%), и было израсходовано свыше 80% загруженного кальция.
Другие поглотители кислорода и азота. Наличие в кальции небольших примесей натрия несколько ускоряет поглощение азота, однако увеличение содержания натрия выше 2% заметно не улучшает поглощения азота и может представлять интерес только с точки зрения уменьшения рабочей температуры в реакторе.
Сплав 90% Са —10% N3 (гпл = 440°С) поглощает воздух при 200°С вначале со скоростью 4,2 л/(кг-ч), но после использования 40% загрузки скорость поглощения уменьшается до 0,624 л/(кг-ч), а после использования 75% загрузки — до 0,37 л/(кг-ч). Скорость поглощения азота падает еще более: от 6,24 л/(кг-ч) в начале процесса до 0,31 л/(кг-ч) при использовании 70% загруженного поглотителя.
Сплав 90% Са—10% N3 воспламеняется на воздухе, что создает трудности при загрузке реакторов и удалении из реактора непрореагировавшего металла, •гнеепаснмм является также К—Иа-сплав, который обеспечивает очистку до остаточного содержания кислорода 10~5% [10].
На небольших установках, главным образом в лабораторной практике, для связывания азота успешно используют расплавленный литий. При взаимодействии с азотом литий покрывается пленкой нитридов, которые затрудняют диффузию газа к активной поверхности металла. Поэтому для улучшения использования поглотителя и более эффективной очистки газа осуществляют барботаж газа через слой жидкого лития.
Реакция между азотом и литием протекает 'по уравнению
6И + N3 -> 2П3Н,
и при полном превращении 1 кг металла связывается 539 л азота. В реакторах с барботажем газа использование поглотителя достигает 60%. Литий отличается относительно высокой скоростью поглощения газа при сравнительно невысоких температурах. При 186° С литий плавится, и плотность жидкости не превышает 500 кг/м3, так что барботирование газа через слой поглотителя не связано с большим падением давления очищаемого газа.
В установке очистки аргона производительностью 150 л/ч с тремя последовательно соединенными литиевыми реакторами получен газ с содержанием кислорода не более 5 • 10-4 % и азота 10"4% [11].
Хотя температура кипения лития 1317°С, давление пара при температуре в реакторе (220—250°С) весьма велико, и наблюдается значительный унос пара с газом. Литий энергично реагирует с кислородом воздуха уже при комнатной температуре, воспламеняется при контакте с воздухом в нагретом состоянии и бурно реагирует с водой, в нагретом состоянии — со взрывом.
233
Огне- и взрывоопасность лития, наряду с относительной дефицитностью и дороговизной, — основная причина ограниченного применения этого поглотителя для очистки газов.
Для повторного использования лития полученный нитрид обрабатывают водой с образованием 1Л(ОН)3, который затем подвергают электролизу [12].
Эффективное поглощение азота достигается также барботи-рованием газа через расплавленный алюминий (гцл = 660° С) [13].
Для очистки от азота до остаточных содержаний порядка тысячных долей процента успешно используют титановый порошок или аморфный титан (так называемую титановую губку) при 850—950° С [14]. Степень использования титана зависит от того, в каком виде он применяется, и практически линейно возрастает с повышением температуры. Так, при увеличении температуры от 800 до 1000°С степень использования титановой стружки возрастает от 1—2 до 4—5%, а губки — от 20 до 65% [15]. Для повышения степени использования титана целесообразно устанавливать три или большее число реакторов с тем, чтобы в цепь очистки одновременно было включено последовательно по крайней мере два реактора. После проскока азота через ¦Конечный реактор потоки переключаются так, чтобы за этим реактором включался свежезагруженный; при этом наряду с процессом очистки на свежей массе продолжается связывание азота в предыдущем реакторе, и общая степень использования поглотителя существенно увеличивается.
