RU2812219C1 - Method for obtaining highly concentrated o-18 oxygen isotope - Google Patents

Method for obtaining highly concentrated o-18 oxygen isotope Download PDF

Info

Publication number
RU2812219C1
RU2812219C1 RU2023100998A RU2023100998A RU2812219C1 RU 2812219 C1 RU2812219 C1 RU 2812219C1 RU 2023100998 A RU2023100998 A RU 2023100998A RU 2023100998 A RU2023100998 A RU 2023100998A RU 2812219 C1 RU2812219 C1 RU 2812219C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
water
isotope
rectification
concentration
oxygen
Prior art date
Application number
RU2023100998A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Владимирович Хорошилов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева)
Application granted granted Critical
Publication of RU2812219C1 publication Critical patent/RU2812219C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: isotope separation.
SUBSTANCE: method for separating isotopes by rectification and chemical isotope exchange. A method has been proposed for obtaining a highly concentrated 18O oxygen isotope by distillation of water under vacuum with concentration of 18O isotope from its natural content to a high concentration of at least 95 at.%. in several stages. At one of the stages, water with intermediate 18O enrichment is removed in the form of selection of the first or the second kind. Water flow is subjected to isotope exchange with hydrogen in a counter-current mass transfer column with a platinum hydrophobic catalyst at the water distillation temperature. After this, the flow is sent to the next stage of rectification into a cascade of columns with 18O concentration and exhausting parts if the first type is selected or to a separate stage of the concentrating cascade if the second type is selected at the previous stage of rectification.
EFFECT: reduced consumption of the working gas used for chemical isotope exchange, reduced volume of separation equipment, and increased specific production of 18O in the form of water.
3 cl, 3 dwg, 2 tbl, 2 ex

Description

Изобретение относится к способам разделения изотопов физико-химическими методами, а именно, ректификацией и химическим изотопным обменом, и может быть использовано при получении высококонцентрированных изотопов кислорода О-17 и 0-18.The invention relates to methods for separating isotopes by physical and chemical methods, namely, rectification and chemical isotope exchange, and can be used to obtain highly concentrated oxygen isotopes O-17 and 0-18.

Известен способ разделения изотопов кислорода газоцентробежным методом, когда исходное кислородосодержащее неорганическое соединение, обогащенное целевым изотопом кислорода, химически превращают в газообразное одноатомное неорганическое соединение кислорода с моноизотопными элементами, такое как P18OF3 (оксифторид фосфора) или F2 17O (оксид фтора), которое используют далее в качестве рабочего вещества в газовых центрифугах (Петров Ю.В. и др. Способ разделения изотопов кислорода. Патент RU №2092234 от 10.10.1997).There is a known method for separating oxygen isotopes by the gas centrifugal method, when the initial oxygen-containing inorganic compound, enriched with the target oxygen isotope, is chemically converted into a gaseous monoatomic inorganic oxygen compound with monoisotopic elements, such as P 18 OF 3 (phosphorus oxyfluoride) or F 2 17 O (fluorine oxide) , which is further used as a working substance in gas centrifuges (Petrov Yu.V. et al. Method for separating oxygen isotopes. Patent RU No. 2092234 dated 10.10.1997).

Такой способ пригоден лишь на стадии конечного концентрирования 18О и, как указывают авторы, начиная с 10% ат. 18О, то есть, после увеличения природной концентрации 18О в 50 раз и более.This method is suitable only at the stage of final concentration of 18 O and, as the authors point out, starting from 10% at. 18 O, that is, after increasing the natural concentration of 18 O by 50 times or more.

Известен способ разделения изотопов кислорода с концентрированием 18О при химическом изотопном обмене между газообразными оксидами азота (NO, NO2) и водным раствором азотной кислоты (Озиашвили Е.Д., Николаев Ю.В., Мясоедов Н.Ф. О возможности использования изотопного обмена между NO и Н2О в растворах азотной кислоты для концентрирования О18 // Сообщения АН Грузинской ССР, 1962, т. XXIX, №3, с. 289-292) с концентрированием более тяжелого изотопа кислорода 18O в газовой фазе:There is a known method for separating oxygen isotopes with a concentration of 18 O during chemical isotope exchange between gaseous nitrogen oxides (NO, NO 2 ) and an aqueous solution of nitric acid (Oziashvili E.D., Nikolaev Yu.V., Myasoedov N.F. On the possibility of using isotopic exchange between NO and H 2 O in solutions of nitric acid for the concentration of O 18 // Communications of the Academy of Sciences of the Georgian SSR, 1962, vol. XXIX, No. 3, pp. 289-292) with the concentration of the heavier oxygen isotope 18 O in the gas phase:

N16O(газ)+HN18O16O2(р-родн.)=N18O(газ)+HN16O3(p-р, водн.); (1)N 16 O (gas) + HN 18 O 16 O 2 (solution, aq .) = N 18 O (gas) + HN 16 O 3 ( solution, aq.) ; (1)

N16O(газ)+H2 18O(жидк.)=N18O(газ)+H2 16O(жидк.); (2)N 16 O (gas) + H 2 18 O (liquid) = N 18 O (gas) + H 2 16 O (liquid) ; (2)

N16O2(газ)+HN18O16O2(р-родн.)=N18O16O(газ)+HN16O3(p-p, водн.); (3)N 16 O 2 (gas) + HN 18 O 16 O 2 (p-relative) = N 18 O 16 O (gas) + HN 16 O 3 (pp, aq ); (3)

N16O2(газ)+H2 18O(жидк.)=N18O16O(газ)+H2 16O(жидк.), (4)N 16 O 2 (gas) + H 2 18 O (liquid) = N 18 O 16 O (gas) + H 2 16 O (liquid) , (4)

начиная от природного содержания 18О.starting from the natural content of 18 O.

Процесс разделения изотопов кислорода проводят при комнатной температуре и концентрации азотной кислоты, равной 8 М, а значение коэффициента разделения изотопов кислорода а в указанных условиях равно 1,018.The process of separating oxygen isotopes is carried out at room temperature and a nitric acid concentration of 8 M, and the value of the oxygen isotope separation coefficient a under the specified conditions is 1.018.

Недостатки такого способа заключаются в сложной системе обращения потоков фаз, причем химическим способом, когда для получения концентрированного 18О необходимо в едином контуре системы обращения потоков получить и HN18O3, и Н2 18О, причем без использования со стороны кислородсодержащих веществ, имеющих природный изотопный состав. Кроме того, из-за особенностей обращения потоков этим способом 18О производят с относительно невысокой концентрацией ≈70-80% ат.The disadvantages of this method lie in the complex system of phase flow circulation, and chemically, when in order to obtain concentrated 18 O it is necessary to obtain both HN 18 O 3 and H 2 18 O in a single circuit of the flow circulation system, and without the use of oxygen-containing substances having natural isotopic composition. In addition, due to the peculiarities of flow circulation by this method , 18 O is produced with a relatively low concentration of ≈70-80% at.

Известен способ разделения изотопов кислорода и азота низкотемпературной ректификацией оксида азота NO, реализуемой при температуре 120 К и характеризующейся коэффициентом разделения изотопов кислорода α=1,037 для молекул 14N16O14N18O (Борман В.Д. и др. Способ одновременного обогащения оксида азота (II) изотопами 18О, 17О, 15N. Патент RU №2309788).There is a known method for separating oxygen and nitrogen isotopes by low-temperature rectification of nitric oxide NO, implemented at a temperature of 120 K and characterized by the separation coefficient of oxygen isotopes α = 1.037 for molecules 14 N 16 O 14 N 18 O (Borman V.D. et al. Method of simultaneous enrichment of oxide nitrogen (II) isotopes 18 O, 17 O, 15 N. Patent RU No. 2309788).

К существенным недостаткам способа следует отнести:Significant disadvantages of this method include:

- необходимость получения оксида азота NO высокой чистоты, что осложняется диспропорционированием последнего по реакции- the need to obtain nitrogen oxide NO of high purity, which is complicated by the disproportionation of the latter in the reaction

4 NO=N2O+N2O3 (5)4 NO=N 2 O+N 2 O 3 (5)

с образованием закиси азота и полуторного оксида азота;with the formation of nitrous oxide and sesquinitric oxide;

- близость температуры плавления и кипения NO, значения которых еще и выше температуры кипения жидкого азота, что делает невозможным его прямое использование как хладагента, осложняя конструкцию конденсатора и определяя применение промежуточного хладагента;- the proximity of the melting and boiling points of NO, the values of which are also higher than the boiling point of liquid nitrogen, which makes its direct use as a refrigerant impossible, complicating the design of the condenser and determining the use of an intermediate refrigerant;

- относительно высокие затраты основного хладагента - жидкого азота;- relatively high costs of the main refrigerant - liquid nitrogen;

- высокая степень экологической опасности, обусловленная токсичностью NO.- high degree of environmental hazard due to NO toxicity.

Известен и иной способ разделения изотопов кислорода низкотемпературной ректификацией. Это ректификация молекулярного кислорода O2 (температура 93 К, α=1,006). Процесс не требует применения промежуточного хладагента, но реализуется в сочетании с разделением воздуха (в комбинации с воздухоразделительной установкой), что обеспечивает в едином технологическом цикле, как получение сырьевого O2, так и хладагента - жидкого азота (Igarashi Т., Kambe Т., Kihara Н. Industrial separation of oxygen isotopes by oxygen distillation // J. labeled Compounds and Radiopharmaceuticals, 2019, Vol. 1-5, p. 1-5).Another known method for separating oxygen isotopes is low-temperature rectification. This is the rectification of molecular oxygen O 2 (temperature 93 K, α = 1.006). The process does not require the use of an intermediate refrigerant, but is implemented in combination with air separation (in combination with an air separation unit), which ensures in a single technological cycle both the production of raw material O 2 and the refrigerant - liquid nitrogen (Igarashi T., Kambe T., Kihara N. Industrial separation of oxygen isotopes by oxygen distillation // J. labeled Compounds and Radiopharmaceuticals, 2019, Vol. 1-5, p. 1-5).

К недостаткам способа относится высокий расход хладагента, а также необходимость для достижения высокой концентрации 18O2 проведения реакции гомомолекулярного изотопного обмена кислородаThe disadvantages of this method include high refrigerant consumption, as well as the need to carry out a homomolecular oxygen isotope exchange reaction to achieve a high concentration of 18 O 2

16O18O=16O2+18O2 (6) 16 O 18 O= 16 O 2 + 18 O 2 (6)

между двумя стадиями криогенной ректификации (начальное и конечное концентрирование).between two stages of cryogenic distillation (initial and final concentration).

Известен способ получения воды, обогащенной по кислороду-18, ректификацией воды под вакуумом (Костылев A.M. и др. Способ получения воды, обогащенной по кислороду-18, и установка для ее получения. Патент №RU 2632697), согласно которому способ получения воды, обогащенной по кислороду-18, из природной воды методом ректификации воды под вакуумом включает предварительное обогащение воды по кислороду-18 в параллельно работающих по открытой схеме колоннах с отбором первого рода промежуточного концентрата кислорода-18 и конечное обогащение промежуточного концентрата в каскаде колонн, состоящем из концентрирующих по кислороду-18 и исчерпывающих по кислороду-16 колонн, то есть, используют, так называемую, схему Достровского (Андреев Б.М. и др. Разделение изотопов биогенных элементов в двухфазных системах. - М.: Изд.АТ, 2003, с. 350). При этом для питания установки используется вода, циркулирующая в колоннах предварительного обогащения, в которой природное содержание кислорода-18 поддерживается путем химического изотопного обмена с углекислым газом, который в свою очередь поддерживает природное содержание кислорода-18 путем химического изотопного обмена с природной водой, выполняя роль транспортного агента между сырьевой колонной и потоком питания установки.There is a known method for producing water enriched in oxygen-18 by rectifying water under vacuum (Kostylev A.M. et al. Method for producing water enriched in oxygen-18 and an installation for its production. Patent No. RU 2632697), according to which the method for producing water enriched in for oxygen-18, from natural water by the method of rectification of water under vacuum includes preliminary enrichment of water for oxygen-18 in parallel columns operating in an open circuit with the selection of the first type of intermediate concentrate of oxygen-18 and the final enrichment of the intermediate concentrate in a cascade of columns consisting of concentrating oxygen-18 and oxygen-exhaustive 16 columns, that is, they use the so-called Dostrovsky scheme (Andreev B.M. et al. Separation of isotopes of biogenic elements in two-phase systems. - M.: Publishing house AT, 2003, p. 350). In this case, to power the installation, water is used circulating in the pre-enrichment columns, in which the natural content of oxygen-18 is maintained through chemical isotope exchange with carbon dioxide, which in turn maintains the natural content of oxygen-18 through chemical isotope exchange with natural water, performing the role of transport agent between the raw material column and the plant feed flow.

Авторы патента указывают, что изобретение обеспечивает получение воды, обогащенной по кислороду-18, с концентрацией 95% ат. и нормализованным изотопным составом по дейтерию, с высокой эффективностью и низким уровнем технологических потерь.The authors of the patent indicate that the invention provides the production of water enriched in oxygen-18 with a concentration of 95% at. and normalized isotope composition for deuterium, with high efficiency and low level of technological losses.

Основным недостатком прототипа является необходимость использования максимальных потоков рабочих веществ на начальной стадии технологических операций, представляющих собой изотопный обмен кислорода между исходной водой и диоксидом углерода и, далее, диоксида углерода с водой, циркулирующей в разделительном оборудовании, то есть, проведение обмена в две стадии: H2O-CO2-H2O.The main disadvantage of the prototype is the need to use maximum flows of working substances at the initial stage of technological operations, which represent an isotope exchange of oxygen between the source water and carbon dioxide and, further, carbon dioxide with water circulating in the separation equipment, that is, the exchange is carried out in two stages: H 2 O-CO 2 -H 2 O.

Введение двух дополнительных стадий в самом начале технологической цепи, где имеют место максимальные потоки рабочих веществ, не только экономически нецелесообразно, но и с практической точки зрения вряд ли осуществимо. Дело в том, что скорость изотопного обмена кислорода между водой и CO2 очень мала и обмен без специальных добавок практически не идет: в колонне диаметром 25 мм с насадкой из проволочных спиралей при давлении 14,6 атм значение ВЭТС составило ≈7,7 м (Андреев Б.М. и др. Разделение изотопов биогенных элементов в двухфазных системах. - М.: Изд АТ, 2003, с. 370). Для интенсификации изотопного обмена кислорода в воде растворяют активирующие добавки. В частности, это может быть моноэтаноламин в сочетании с селенидом натрия: 2 М раствор МЭА +9% Na2SeO2. При использовании такого раствора в аналогичной колонне диаметром 20 мм при температуре 50°С и давлении ≥10 атм значение ВЭТС снижалось до 6-10 см (там же), достигая приемлемых значений.The introduction of two additional stages at the very beginning of the technological chain, where the maximum flows of working substances take place, is not only economically inexpedient, but also hardly feasible from a practical point of view. The fact is that the rate of oxygen isotope exchange between water and CO 2 is very low and exchange practically does not occur without special additives: in a column with a diameter of 25 mm with a packing of wire spirals at a pressure of 14.6 atm, the HETS value was ≈7.7 m ( Andreev B.M. et al. Separation of isotopes of biogenic elements in two-phase systems. - M.: Publishing house AT, 2003, p. 370). To intensify the isotope exchange of oxygen, activating additives are dissolved in water. In particular, it can be monoethanolamine in combination with sodium selenide: 2 M solution of MEA + 9% Na 2 SeO 2 . When using such a solution in a similar column with a diameter of 20 mm at a temperature of 50°C and a pressure of ≥10 atm, the HETS value decreased to 6-10 cm (ibid.), reaching acceptable values.

К сожалению, не всегда удовлетворительные результаты, полученные при решении исследовательских задач, могут быть использованы в производственной практике. Введение в воду, циркулирующую в разделительной части установки, указанных выше активирующих добавок, приведет к прекращению разделения изотопов кислорода при ректификации воды из-за смеси вода-МЭА и концентрирования в испарителях колонн селенида натрия. Кроме того, увеличение давления в обменных колоннах, например, до 10 атм потребует соответствующего оборудования, но, кроме того, вызовет растворение CO2 в воде, поступающей на орошение ректификационных колонн, работающих под вакуумом. Это означает, что борьба технологов за чистоту ректифицируемой воды и стабильность процесса ректификации способна пойти на смарку из-за дегазации воды и сопутствующих этому колебаний потоков в колоннах. Скорее всего, и производительность установки, и заявляемое увеличение концентрации 18О достигнуты не будут, так как отрицательное воздействие превысит заявляемый (предполагаемый) положительный эффект от снижения концентрации дейтерия в воде.Unfortunately, satisfactory results obtained in solving research problems cannot always be used in production practice. The introduction of the above-mentioned activating additives into the water circulating in the separation part of the installation will lead to the cessation of the separation of oxygen isotopes during water rectification due to the water-MEA mixture and concentration of sodium selenide in the evaporators of the columns. In addition, increasing the pressure in the exchange columns, for example, to 10 atm, will require appropriate equipment, but, in addition, will cause the dissolution of CO 2 in the water supplied to the reflux of distillation columns operating under vacuum. This means that the struggle of technologists for the purity of rectified water and the stability of the rectification process can go to waste due to degassing of water and accompanying fluctuations in flows in the columns. Most likely, both the productivity of the installation and the claimed increase in the concentration of 18 O will not be achieved, since the negative impact will exceed the claimed (supposed) positive effect from reducing the concentration of deuterium in water.

Задача изобретения заключается в сокращении расхода рабочего газа, используемого для химического изотопного обмена, в процессе ректификации воды под вакуумом при разделении изотопов кислорода с концентрированием изотопа 18О, уменьшении объема разделительного оборудования и увеличении удельной производительности по 18О в форме воды.The objective of the invention is to reduce the consumption of working gas used for chemical isotope exchange during the rectification of water under vacuum when separating oxygen isotopes with concentration of the 18 O isotope, reducing the volume of separation equipment and increasing the specific productivity of 18 O in the form of water.

Поставленная задача решается способом разделения изотопов кислорода ректификацией воды под вакуумом с концентрированием изотопа 18O от его природного содержания до высокой концентрации не менее 95% ат. в несколько стадий, в одной из которых воду с промежуточным обогащением по 18O выводят в виде отбора первого или второго рода, отличающимся тем, что поток воды подвергают изотопному обмену с водородом в противоточной массообменной колонке с платиновым гидрофобным катализатором при температуре ректификации воды, после чего направляют на следующую стадию ректификации в каскад колонн с концентрирующей и исчерпывающей по 18O частями при отборе первого рода или на отдельную ступень концентрирующего каскада при отборе второго рода на предыдущей стадии ректификации.The problem is solved by the method of separating oxygen isotopes by rectifying water under vacuum with concentrating the 18 O isotope from its natural content to a high concentration of at least 95% at. in several stages, in one of which water with intermediate enrichment of 18 O is removed in the form of selection of the first or second kind, characterized in that the water flow is subjected to isotope exchange with hydrogen in a countercurrent mass transfer column with a platinum hydrophobic catalyst at the temperature of water rectification, after which sent to the next stage of rectification in a cascade of columns with concentrating and 18 O-exhausting parts during selection of the first type or to a separate stage of the concentrating cascade during selection of the second type at the previous stage of rectification.

Изотопный обмен воды, обогащенной изотопом 18O, с водородом природного изотопного состава используют для нормализации изотопного состава водорода воды.Isotopic exchange of water enriched with the 18 O isotope with hydrogen of natural isotopic composition is used to normalize the hydrogen isotope composition of water.

Изотопный обмен с водородом используют на нескольких стадиях процесса разделения изотопов кислорода.Hydrogen isotope exchange is used at several stages of the oxygen isotope separation process.

Пример 1Example 1

Схема предлагаемого процесса разделения изотопов кислорода ректификацией воды под вакуумом с использованием химического изотопного обмена водорода с водой показана на фиг. 1. Схема включает две стадии ректификации воды, а именно, стадию получения промежуточного продукта (поз. I) и стадию конечного концентрирования (поз. II). На первой стадии ректификации поз. I на фиг. 1, когда процесс проводят при давлении ≈13-15 кПа, воду с природным содержанием изотопов (питание) обогащают до концентрации 1,6% ат. 18O. При этом происходит одновременное концентрирование дейтерия, содержание которого возрастает от природного уровня 0,015% ат. до 0,7% ат. Поток воды в виде отбора первого рода из первой стадии ректификации направляют на орошение массообменной колонки со смешанным слоем гидрофобного платинового катализатора и гидрофильной насадки в соотношении 1:4 (колонка изотопного обмена - КИО), работающей при той же температуре ректификации, и в которую противотоком воде подают газообразный водород. В колонке в результате реакции химического изотопного обменаA diagram of the proposed process for separating oxygen isotopes by distillation of water under vacuum using chemical isotope exchange of hydrogen with water is shown in Fig. 1. The scheme includes two stages of water rectification, namely, the stage of obtaining an intermediate product (item I) and the final concentration stage (item II). At the first stage of rectification, pos. I in Fig. 1, when the process is carried out at a pressure of ≈13-15 kPa, water with a natural content of isotopes (food) is enriched to a concentration of 1.6% at. 18 O. In this case, a simultaneous concentration of deuterium occurs, the content of which increases from the natural level of 0.015% at. up to 0.7% at. The water flow in the form of a first-class selection from the first stage of rectification is directed to irrigate a mass transfer column with a mixed layer of a hydrophobic platinum catalyst and a hydrophilic packing in a ratio of 1:4 (isotope exchange column - IEC), operating at the same distillation temperature, and into which water is countercurrent hydrogen gas is supplied. In the column as a result of a chemical isotope exchange reaction

HDO(ж)2(г)=H2O(ж))+HD(г) (7)HDO (l) + H 2 (g) = H 2 O (l) ) + HD (g) (7)

содержание дейтерия в воде снижается до концентрации ≈0,03-0,4% ат. без изменения изотопного состава кислорода. Вышедший из КИО поток воды подают на стадию конечного концентрирования 18O (поз. II), где вода обогащается тяжелым изотопом кислорода до 95,7% ат.the deuterium content in water is reduced to a concentration of ≈0.03-0.4% at. without changing the isotopic composition of oxygen. The water flow leaving the CIO is fed to the stage of final concentration of 18 O (item II), where the water is enriched with the heavy oxygen isotope up to 95.7% at.

Во избежание потерь 18O (фиг. 2) выходящий из колонки КИО I водород с увеличенным содержанием дейтерия охлаждают в теплообменнике ТО, где при этом происходит конденсация паров H2 18O и воду в жидком состоянии направляют на стадию II в дополнение к основному потоку из КИО I.To avoid losses of 18 O (Fig. 2), the hydrogen leaving the CIO column I with an increased deuterium content is cooled in the TO heat exchanger, where condensation of H 2 18 O vapor occurs and liquid water is sent to stage II in addition to the main flow from KIO I.

Для получения в конце установки воды с нормализованным изотопным составом водорода на линии отбора продукта стадии II устанавливают КИО II, действующую аналогично КИО I.To obtain water with a normalized hydrogen isotopic composition at the end of the installation, KIO II is installed on the product selection line of stage II, which operates similarly to KIO I.

Результаты разделения изотопов кислорода в сравнении со способом-прототипом приведены в таблице 1. The results of the separation of oxygen isotopes in comparison with the prototype method are shown in Table 1.

Как следует из таблицы 1, поток рабочего газа, используемый для химического изотопного обмена, сокращается по сравнению со способом-прототипом, как минимум, в 7,6 раза, объем разделительного оборудования снижается на 65% отн., а удельная производительность возрастает в 1,65 раза.As follows from Table 1, the flow of working gas used for chemical isotope exchange is reduced compared to the prototype method by at least 7.6 times, the volume of separation equipment is reduced by 65% rel., and the specific productivity increases by 1. 65 times.

Пример 2Example 2

Разделение изотопов кислорода ректификацией воды под вакуумом проводят в N стадий в составе каскада с сокращением потоков, то есть, используя для связи стадий или ступеней отбор второго рода (фиг. 3). Процесс ректификации проводят при давлении в конденсаторах колонн 13-15 кПа и концентрацию 18O изменяют от природного уровня 0,204% ат. до 98% ат. При этом поток из ступени J перед его подачей в ступень J+1 направляют на орошение колонки изотопного обмена КИО J, в которую противотоком подают водород и где протекает реакция (7), снижая содержание дейтерия в воде. После стадии изотопного обмена воду направляют на орошение ступени J+1, а возвратный поток воды из этой ступени подают в нижнюю часть предыдущей ступени (ступень J). Аналогичным образом производят уменьшение концентрации дейтерия в воде, выходящий из ступени N-2 (ступень на фиг. 3 не показана), которую подают на орошение колонки КИО N-2, а после ее прохождения направляют на орошение ступени N-1 с возвратом потока этой ступени на ступень N-2. Таким образом, в схеме на фиг. 3 изотопный обмен для снижения концентрации дейтерия производят на каждой стадии или ступени концентрирования, 18O. Сравнение результатов разделения изотопов кислорода в этом случае приведено в таблице 2.The separation of oxygen isotopes by rectification of water under vacuum is carried out in N stages as part of a cascade with a reduction in flows, that is, using selection of the second kind to connect the stages or stages (Fig. 3). The rectification process is carried out at a pressure in the column condensers of 13-15 kPa and the concentration of 18 O is changed from the natural level of 0.204% at. up to 98% at. In this case, the flow from stage J, before it is supplied to stage J+1, is directed to irrigate the isotope exchange column KIO J, into which hydrogen is supplied in countercurrent and where reaction (7) occurs, reducing the deuterium content in the water. After the isotope exchange stage, water is sent to irrigate stage J+1, and the return flow of water from this stage is supplied to the lower part of the previous stage (stage J). In a similar way, the concentration of deuterium in the water leaving stage N-2 is reduced (the stage is not shown in Fig. 3), which is supplied to irrigate the KIO column N-2, and after its passage it is sent to irrigate stage N-1 with the return of the flow of this steps to stage N-2. Thus, in the circuit in FIG. 3 isotope exchange to reduce the concentration of deuterium is carried out at each stage or stage of concentration, 18 O. A comparison of the results of the separation of oxygen isotopes in this case is given in Table 2.

Сравнительные результаты, полученные в примере (таблица 2), показывают, что и в случае каскада с сокращением потоков и с отбором второго рода для связи стадий или ступеней по потокам воды, причем с химическим изотопным обменом на каждой стадии или ступени, преимущества заявляемого способа сохраняются и при получении 18О с более высокой концентрацией.The comparative results obtained in the example (Table 2) show that in the case of a cascade with a reduction in flows and with selection of the second kind to connect stages or steps along water flows, and with chemical isotope exchange at each stage or step, the advantages of the proposed method are preserved and when receiving 18 O with a higher concentration.

Так, поток рабочего газа для химического изотопного обмена уменьшается в 3,6 раза, а объем разделительного оборудования снижается в 1,49 раз при увеличении удельной производительности почти на 50% отн.Thus, the flow of working gas for chemical isotope exchange decreases by 3.6 times, and the volume of separation equipment decreases by 1.49 times with an increase in specific productivity by almost 50% rel.

Рассмотренные примеры процесса разделения изотопов кислорода ректификацией воды под вакуумом демонстрируют, в целом, существенные преимущества использования изотопного обмена водорода в заявляемом способе по сравнению с изотопным обменом кислорода, как это имеет место в способе-прототипе.The considered examples of the process of separating oxygen isotopes by distillation of water under vacuum demonstrate, in general, significant advantages of using hydrogen isotope exchange in the proposed method compared to oxygen isotope exchange, as is the case in the prototype method.

Claims (3)

1. Способ получения высококонцентрированного изотопа кислорода 18О ректификацией воды под вакуумом с концентрированием изотопа 18О от его природного содержания до высокой концентрации не менее 95% ат. в несколько стадий, в одной из которых воду с промежуточным обогащением по 18О выводят в виде отбора первого или второго рода, отличающийся тем, что поток воды подвергают изотопному обмену с водородом в противоточной массообменной колонне с платиновым гидрофобным катализатором при температуре ректификации воды, после чего направляют на следующую стадию ректификации в каскад колонн с концентрирующей и исчерпывающей по 18О частями при отборе первого рода или на отдельную ступень концентрирующего каскада при отборе второго рода на предыдущей стадии ректификации.1. A method for producing a highly concentrated oxygen isotope 18 O by distillation of water under vacuum with concentration of the isotope 18 O from its natural content to a high concentration of at least 95 at. in several stages, in one of which water with intermediate enrichment of 18 O is removed in the form of selection of the first or second type, characterized in that the water flow is subjected to isotope exchange with hydrogen in a countercurrent mass transfer column with a platinum hydrophobic catalyst at the temperature of water rectification, after which sent to the next stage of rectification in a cascade of columns with concentrating and exhaustive 18 O parts during selection of the first type or to a separate stage of the concentrating cascade during selection of the second type at the previous stage of rectification. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изотопный обмен воды, обогащенной изотопом 18О, с водородом природного изотопного состава используют для нормализации изотопного состава водорода воды.2. The method according to claim 1, characterized in that the isotopic exchange of water enriched with the 18 O isotope with hydrogen of natural isotopic composition is used to normalize the hydrogen isotope composition of water. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изотопный обмен с водородом используют на нескольких стадиях процесса разделения изотопов кислорода.3. The method according to claim 1, characterized in that isotope exchange with hydrogen is used at several stages of the process of separating oxygen isotopes.
RU2023100998A 2023-01-18 Method for obtaining highly concentrated o-18 oxygen isotope RU2812219C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2812219C1 true RU2812219C1 (en) 2024-01-25

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004300021A (en) * 2003-03-19 2004-10-28 Showa Denko Kk Method for concentrating 18o by isotope exchange reaction
CN1631768A (en) * 2003-12-24 2005-06-29 上海化工研究院 H218O production method and apparatus for rectifying 18O isotope enriched water
RU2632697C1 (en) * 2016-04-08 2017-10-09 Акционерное общество "Радиевый институт имени В.Г. Хлопина" Method of producing water enriched in oxygen-18 and device for its production
CN208893981U (en) * 2018-04-13 2019-05-24 杭州杭氧股份有限公司 A kind of technical grade produces the device of 18O isotope using cryogenic rectification
CN108176225B (en) * 2017-12-22 2020-04-07 江苏华益科技有限公司 Method for separating hydrogen and oxygen isotopes
RU2723844C1 (en) * 2020-01-17 2020-06-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем безопасности развития атомной энергетики Российской академии наук (ИБРАЭ РАН) Rectification plant for separation of isotopes

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004300021A (en) * 2003-03-19 2004-10-28 Showa Denko Kk Method for concentrating 18o by isotope exchange reaction
CN1631768A (en) * 2003-12-24 2005-06-29 上海化工研究院 H218O production method and apparatus for rectifying 18O isotope enriched water
RU2632697C1 (en) * 2016-04-08 2017-10-09 Акционерное общество "Радиевый институт имени В.Г. Хлопина" Method of producing water enriched in oxygen-18 and device for its production
CN108176225B (en) * 2017-12-22 2020-04-07 江苏华益科技有限公司 Method for separating hydrogen and oxygen isotopes
CN208893981U (en) * 2018-04-13 2019-05-24 杭州杭氧股份有限公司 A kind of technical grade produces the device of 18O isotope using cryogenic rectification
RU2723844C1 (en) * 2020-01-17 2020-06-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем безопасности развития атомной энергетики Российской академии наук (ИБРАЭ РАН) Rectification plant for separation of isotopes

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6461583B1 (en) Method for enrichment of heavy component of oxygen isotopes
JP2000218134A (en) Method and apparatus for producing heavy oxygen water
CN110606470B (en) Device for concentrating, resolving and producing hydrogen chloride from hydrochloric acid
US3972691A (en) Method for recovering chlorine from chlorine-containing gaseous mixtures containing carbon dioxide as one component
CN217785616U (en) Carbon dioxide compression refrigeration and purification dehydrogenation system for decarburization working section
RU2812219C1 (en) Method for obtaining highly concentrated o-18 oxygen isotope
JP2018008986A (en) Process and plant for production of nitrobenzene
US3716625A (en) Process for the production of nitric acid with a concentration of over 70 percent by weight
JPS6389410A (en) Concentration of sulfuric acid
US4132588A (en) Concentration process by multistage, multiple effect evaporator
US1057052A (en) Process of recovering nitrous vapors or oxids of nitrogen diluted in indifferent gases.
US4529417A (en) Process for the isothermal absorption of ethylene oxide using film absorbers
CN114602319B (en) Membrane separation and purification method
NO874557L (en) PROCEDURE FOR MANUFACTURING UREA.
CN107473223A (en) A kind of CO cryogenic separation system and method using nitrogen cycle
EP3329982A1 (en) Method and apparatus for producing heavy oxygen water
US2004000A (en) Process and apparatus for manufacture of nitric acid
CN206514616U (en) A kind of neon helium extraction system of hydrogeneous unstripped gas
CN113509811A (en) Method and system for treating tail gas containing chloropropene and oxygen
US3591342A (en) Apparatus for the preparation of nitric acid
CN111195471A (en) Cyanogen chloride liquefaction and gas-liquid separation method
JPS6241572A (en) Method of concentrating neon and helium in air separator
CN213285683U (en) Seven-effect integrated type mold-reducing evaporator set for sodium aluminate solution
CN219347033U (en) Argon recovery device
CN112777568B (en) System and method for jointly producing electronic chlorine and electronic hydrogen chloride