RU2812219C1 - Method for obtaining highly concentrated o-18 oxygen isotope - Google Patents
Method for obtaining highly concentrated o-18 oxygen isotope Download PDFInfo
- 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
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 35
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 33
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 title claims abstract description 33
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 33
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 55
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000004821 distillation Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 9
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 9
- 230000000155 isotopic effect Effects 0.000 claims description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 18
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract description 16
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 15
- 238000005372 isotope separation Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- XLYOFNOQVPJJNP-NJFSPNSNSA-N ((18)O)water Chemical compound [18OH2] XLYOFNOQVPJJNP-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 10
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N Deuterium Chemical compound [2H] YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N 0.000 description 8
- 229910052805 deuterium Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 8
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 6
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYSA-N Nitrous Oxide Chemical compound [O-][N+]#N GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 3
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 3
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 2
- 230000000035 biogenic effect Effects 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 2
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 239000008239 natural water Substances 0.000 description 2
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- VPQBLCVGUWPDHV-UHFFFAOYSA-N sodium selenide Chemical compound [Na+].[Na+].[Se-2] VPQBLCVGUWPDHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HZAXFHJVJLSVMW-UHFFFAOYSA-N 2-Aminoethan-1-ol Chemical compound NCCO HZAXFHJVJLSVMW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000007872 degassing Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007323 disproportionation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013067 intermediate product Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 239000001272 nitrous oxide Substances 0.000 description 1
- 231100000956 nontoxicity Toxicity 0.000 description 1
- 150000002927 oxygen compounds Chemical class 0.000 description 1
- 125000004334 oxygen containing inorganic group Chemical group 0.000 description 1
- UJMWVICAENGCRF-UHFFFAOYSA-N oxygen difluoride Chemical compound FOF UJMWVICAENGCRF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FFUQCRZBKUBHQT-UHFFFAOYSA-N phosphoryl fluoride Chemical compound FP(F)(F)=O FFUQCRZBKUBHQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 239000012217 radiopharmaceutical Substances 0.000 description 1
- 229940121896 radiopharmaceutical Drugs 0.000 description 1
- 230000002799 radiopharmaceutical effect Effects 0.000 description 1
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
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)+Н2(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)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2812219C1 true RU2812219C1 (en) | 2024-01-25 |
Family
ID=
Citations (6)
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)
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 |