Методы получения особо чистых неорганических веществ - Степин Б.Д.
Скачать (прямая ссылка):
6. H. Samel son, J. Appl. Phys., 33, (2), 1779 (1962),
о' ?' R- AntelI> J- Appl. Phys., 31, (9), 1686 (1960). 18. А. В. Новоселова, Журн. ВХО, 13, 539 (1968).
ГЛАВА XI
ТЕРМИЧЕСКАЯ ДИФФУЗИЯ
Сущность процесса термической диффузии заключается в том, что если смесь газов или жидкостей поместить в неоднородное температурное поле, например, в трубку, верх которой нагревается, а низ охлаждается, то между верхом и низом трубки
Легкая фракция А+(В)
Исходная смесь А*В-
Хладагент
4" It
It
И
It и
¦Чи
Теплоноситель
Тяжелая фракция 8+(Д)
Рис. 84. Схема термодиффузионного разделения.
Легкая фракция А +{В)
-4К
І і Теплоноситель
I ^—
Исходная смесь А + В -
Хладагент
Тяжелая фракция 8+(А)
Рис. 85. Схема термодиффузионного разделения, которому способствует конвекция.
возникает градиент концентраций, так что один компонент концентрируется в горячем конце трубки, а второй — в холодном (рис. 84). Такой эффект носит название термодиффузионного.
Явление термической диффузии наиболее подробно изучено в приложении к газовым смесям. Существование ее в газах было предсказано Энскогом [1] в начале XX в. и вскоре экспериментально подтверждено Чепменом и Дутсоном [2]. Позже по термодиффузии газов было опубликовано большое количество
409
фундаментальных работ. Особенно их число возросло за последнее время, что связано с эффективностью применения термодиффузии для решения такой важной задачи, как разделение изотопов, в том числе изотопов урана. Весьма детальное теоретическое рассмотрение этого процесса содержится в монографиях [3—6].
Термодиффузия нарушает пространственную однородность в системе таким образом, что один вид молекул направляется в область повышенной температуры, а другой — противоположном направлении. Процессу термодиффузионного разделения препятствует обычная диффузия, которая стремится уравнять концентрации и восстановить однородность смеси. В результате возникает диффузионный поток, направленный вдоль оси / и результирующий оба противоположно направленных процесса.
Выразим этот поток на единицу поверхности / для одного из компонентов с мольной долей х следующим образом:
/-/д + /,= -рО-|?+Дтрх(1--*)-^11 (XI. 1)
Здесь й — коэффициент обычной диффузии; /_)т — коэффициент термодиффузии; р — плотность смеси.
Коэффициенты диффузии и термодиффузии связаны соотношением
?т = ?*(1 -х)ат (XI. 2)
где ат —термодиффузионная постоянная, очень слабо зависящая от концентрации. Значение ат определяется как относительной разностью масс молекул смеси, так и характером взаимодействия последних друг с другом.
В равновесном состоянии диффузионный и термодиффузионный токи уравновешивают друг друга и / = 0, так что уравнение (XI. 1) с учетом (Х1.2) может быть представлено так:
йх М (1п Т)
х (1 — х)
Интегрирование этого уравнения дает возможность после соответствующих преобразований определить коэффициент разделения, равный
1 — Х2 1 — XI
где х2 и 1—х2 — мольные доли компонентов в «горячей» зоне: хх и 1 — х 1 — мольные компоненты в «холодной».
Величина а характеризует эффект разделения при термодиффузии для однократного акта разделения:
а^+ох-^- (XI. 3)
410
Здесь АТ=Т2—Т\ — разность температур «горячей» и «холод-ной» зон, а / = —g— •
Таким образом, эффективность термодиффузионного разделения определяется перепадом температур и термодиффузионной постоянной, значение которой для газов может быть подсчитано приближенно по формуле, предложенной Джонсом и Ферри [7,8]
105 Aij-Af, „ ,VI ..
^-Tie-Aa + AfT11* (XI'4)
где Mi и M2 — молекулярные веса разделяемых газов (Mi < М2); RT — поправочный коэффициент, учитывающий характер сил межмолекулярного взаимодействия, который можно определить, исходя из современной молекулярно-кинетической теории.
Как показывают многочисленные экспериментальные и расчетные данные, значения а весьма незначительно отличаются от единицы, так что термодиффузионный эффект однократного акта разделения очень мал и применение его в практических целях требует многократного умножения данного эффекта.
Как было предложено Клузиусом и Диккелем [9, 10], для этой цели целесообразно использовать конвекцию, благодаря которой каждый элемент смеси непрерывно соприкасается с другим, не находящимся с ним в равновесии по составу. Конвекция возникает в том случае, когда термодиффузионная колонна выполняется в виде узкого вертикального резервуара, одна из стенок которого имеет высокую температуру, а другая — низкую "(рис. 85). При этом у первой создается восходящий конвекционный поток, а у второй — нисходящий, поэтому состав смеси непрерывно меняется при перемещении ее вверх и вниз, и легкий компонент концентрируется в верхней части колонны, а тяжелый в нижней. В результате эффект термодиффузионного разделения значительно усиливается.
Производительность термодиффузионной колонны ограничивается необходимостью поддерживать в ней ламинарный поток, так как при больших нагрузках, т. е. при больших скоростях конвекции, происходит турбулизация потока, и процесс разделения ухудшается. Последнее требование является важнейшим при создании аппаратуры для термодиффузионного разделения, основным рабочим элементом которой оказывается узкий щелевой зазор, плоский или чаще образованный двумя концентрическими трубами, в котором и происходит процесс (рис. 86). Одна из стенок зазора охлаждается, другая нагревается *; хладагентом может служить проточная вода, а нагревание осуществляется
