УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ Российский патент 1996 года по МПК C01B4/00 B01D59/00 

Изобретение относится к области устройств для разделения веществ, в частности, к устройствам для разделения изотопов.

Известна установка для разделения изотопа, включающая секционированную колонну, нагреватель, трубопроводы, соединяющие санкционированную колонну и вентиль ввода разделяемой смеси (см. Авторское свидетельство СССР N 540535, кл. В 01 D 59/00, 1976 непубликуемое).

Недостаток установки заключается в том, что относительный противоток участвующих в процессе разделения фаз достигается за счет периодического перемещения нагревателя вдоль секционированной колонны вручную.

Известно также устройство для разделения изотопа, включающее секционированную колонну, нагреватель, трубопроводы, соединяющие секционированную колонну и вентиль ввода смеси, в котором каждая контактная секция снабжена двумя запорными кранами и шлифовыми разъемами для соединения контактных секций между собой (см. Журнал физической химии, 1982, т. 56, No.2, с. 349 352) прототип.

Основным недостатком этого устройства является недостаточно высокие степень разделения и производительность (отбор продукта производится периодически один раз в течение нескольких полных циклов после полного заполнения абсорбера продуктом).

Задачей, положенной в основу изобретения, является создание аппаратуры для разделения изотопов, позволяющей обеспечить высокую степень разделения, высокую производительность, а также компактность оборудования.

Поставленная задача решается устройством для разделения изотопов, включающим секционированную колонну с узлами обращения потоков фаз, выполненных в виде последовательно расположенных контактных секций, заполненных твердым материалом, а трубопроводы для ввода и вывода реагентов. Контактные секции дополнительно оборудованы единым запорно-распределительным узлом, включающим три цилиндрические пластины расположенные соосно одна над другой, центральная из которых установлена с возможностью вращения относительно оси, причем в теле указанного запорно-распределительного узла выполнены сквозные каналы для сообщения внутренней поверхности внешней пластины с трубопроводами, внутренней поверхности нижней пластины с контактными секциями и внутренних поверхностей центральной пластины между собой.

Сквозные каналы в верхней пластине соединяют трубопроводы ввода и вывода реагентов с кольцевыми концентрическими проточками, выполненными на внутренней поверхности пластины.

Число каналов в центральной пластине равно числу кольцевых концентрических проточек и каналы предназначены для сообщения кольцевых концентрических проточек и в верхней неподвижной пластине со входами и выходами контактных секций через сквозные каналы в неподвижной нижней секции.

На нижней поверхности центральной пластины выполнены ходовые проточки для сообщения входа и выхода рядом расположенных контактных секций и число указанных проточек определяется из условия X ≅ Y N 1, где Х число хордовых проточек, Y число контактных секций, N число контактных секций в зонах обращения потоков фаз.

Хордовые проточки в центральной пластины могут быть выполнены в теле центральной пластины и сообщены с ее поверхностью дополнительными каналами.

Преимуществом предлагаемого изобретения является обеспечение высокой степени разделения и высокой производительности при компактном устройстве для разделения изотопов и возможности его работы в автоматическом режиме.

Конструктивной особенностью заявленных устройств является наличие единого для всех контактных секций запорно-распределительного узла, который позволяет проводить разделение непрерывно и в автоматическом режиме.

Устройство для разделения изотопов являются компактными, имеют низкое энергетическое потребление и большой ресурс непрерывной работы. Устройство может быть создано на основе отдельных блоков и позволяет останавливать, прерывать и вновь начинать процесс разделения без использования дополнительного оборудования.

Возможность реализации изобретения подтверждается следующими конкретными вариантами его использования.

Пример 1.

На фиг. 1 5 представлен общий вид установки, возможные варианты расположения проточек на поверхности верхней и центральной пластин, а также схема устройства для пояснения принципа его работы.

На фиг. 1 показан общий вид устройства. Оно состоит из запорно-распределительного узла, имеющего неподвижные верхнюю 1 и нижнюю 2 пластины, в которых выполнены каналы. В верхней пластине каналы 3 соединяют трубопроводами 4 ввода и вывода газа с внутренней поверхностью пластины. В нижней пластине каналы 5 соединяют входы и выходы жестко подсоединенных к ней контактных секций 6 с внутренней поверхностью пластин.

По внутренней поверхности верхней пластины выполнены кольцевые концентрические проточки 8, соединенные через каналы 9 с трубопроводами ввода и вывода газа. Расположение кольцевых проточек показано на фиг. 2.

Расположение каналов в нижней пластине показано на фиг. 3.

Расположение хордовых проточек на нижней поверхности центральной пластины показано на фиг. 4.

Перемещение нагревательного элемента 11 и охлаждающего элемента (ванны) 12 с термостатирующей жидкостью относительно неподвижных контактных секций 6 происходит путем поворота платформы 13 с установленными на ней нагревательным и охлаждающим элементами на угол, равный 360^o/Y. Перед началом поворота платформа 13 опускается, а после завершения поворота поднимается. Таким образом, теплонагревательный элемент и охлаждающий элемент последовательно проходят через все секции колонны.

Схема установки изображена на фиг. 5. Питающая газовая смесь из баллона 14 по трубопроводу 15 подается к верхней пластине и через один из каналов 3 (фиг. 1) поступает в кольцевую проточку 9 питающего газа (поз. 8, фиг. 1, 2). Из кольцевой проточки по каналу 16 в центральной пластине (фиг. 1) питающий газ поступает в канал 17 (фиг. 1), соединяющий внутреннюю поверхность нижней пластины со входом контактной секции 18 (поз. 18а, секцию 18 и через проточку 9 (фиг. 1,4), соединяющую выход секции 18 (поз. 18б, фиг. 3) со входом 19а секции 19. Секции 18, 19 находятся в зоне разделения, а секции 20 и 21 в зонах сорбции и десорбции, соответственно (фиг. 5). Газ, выходящий из зоны разделения, через каналы 5 в нижней и 9 центральной пластин, поступает в кольцевую проточку 22 (фиг. 2), предназначенную для сбора газа, выходящего из зоны разделения. Из кольцевой проточки 22 через один из каналов 3 в верхней пластине газ поступает в трубопровод 23 (фиг. 5), соединяющей зону разделения с зоной сорбции. Из трубопровода 23 по одному из каналов 3 в верхней пластине газ поступает в кольцевую проточку 24 (фиг. 2) в верхней пластине, предназначенную для сбора газа, идущего в зону сорбции. Из проточки 24 по одному из каналов в центральной пластине и каналу в нижней пластине газ поступает на вход 20а секции 20 (фиг. 3), находящейся в зоне сорбции, и поглащается сорбентом в секции. Секция 21, находящаяся в зоне десорбции, нагревается и газ, которым насыщен сорбент в секции, выделяется из сорбента. Выделившейся газ через выход 21б секции 21, канал в нижней платине, канал в центральной пластине поступает в кольцевую проточку 25 (фиг. 2), предназначенную для сбора выделившегося в зоне десорбции газа, и из нее по одному из каналов 3 в верхней пластине приходит в трубопровод 26 (фиг. 5) для удаления газа из зоны десорбции.

Питающий поток газа подается из баллона 14 в зону разделения, часть газа из зоны разделения отводится в виде одного из продуктов по трубопроводу 27 (фиг. 5), а из зоны десорбции газ отводится в виде другого продукта по трубопроводу 26 (фиг. 5) практически непрерывно, т.к. длительность поворота центральной пластины на угол 360^o/Y много меньше времени ее покоя между поворотами.

Описанный режим работы с сорбционным узлом обращения потоков фаз соответствует режиму работы устройства, выбранного в качестве прототипа. Кроме того, предлагаемое устройство без каких-либо принципиальных изменений может работать в режимах с десорбционным и с двумя узлами обращения потоков фаз.

Проточки согласно изобретению могут быть выполнены, например в варианте, представленном на фиг. 1, 2, 4.

Пример 2. Работа предлагаемого устройства поясняется по схеме на фиг. 5. Перед началом работы устройства секции 18, 19 и 20 из баллона 14 по трубопроводам 15, 28 заполняется исходной смесью. Движение газа в пластинах запорно-распределительного устройства и контактных секциях описано в примере 1. После заполнения сорбента в секциях 18, 19 зоны разделения и секции 20 зоны сорбции начинается работа устройства в режиме разделения изотопов.

Центральная пластина поворачивается на угол 360^o/Y. Направление вращения центральной пластины показано на фиг. 4 стрелкой. В результате поворота зона сорбции из позиции секции 20 переходит в позицию секции 21, зона разделения из позиции секции 18, 19 в позицию секций 19, 20, зона десорбции из позиции секции 21 в позицию секции 18.

С использованием устройства, описанного в примерах 1, 2, осуществляют разделение изотопов следующим образом.

Пример 3.

Смесь изотопов водорода протий-дейтерий ( содержание дейтерия 2 ат) подают в разделительную колонну, контактные секции которой заполнены неподвижным слоем гидридообразующего материала. В качестве гидрообразующего материала используют палладий. Температура секций в зоне разделения и сорбции комнатная, температура секции в зоне десорбции водорода из гидрида - 20^oC.

Разделительная колонна работает в режиме концентрирования дейтерия. Количество секций в зоне разделения 3, в зоне сорбции 1, в зоне десорбции 1. Высота слоя гидридообразующего материала в каждой секции 5.5 см. Питающий поток подается в первую секцию зоны разделения. Обогащенный продукт отбирали на анализ из потока газа, идущего из зоны разделения в зону сорбции.

Степень разделения в стационарном режиме работы разделенной колонны устройства составляет 1740,
Пример 4.

Разделение изотопов в жидкой среде проводили путем химического изотопного обмена RNH₄ с NH₄OH (где R-ионит) следующим образом. Пять контактных секций, заполненных ионитом КУ 2*8 в RH-форме, насыщали раствором гидроксида аммония (NH₄OH), содержащего разделяемые изотопы азота. В конкретную секцию первой зоны обращения потоков фаз непрерывно подавали поток ионов натрия (в виде раствора NaOH), имеющим более высокое сродство к иониту, чем ионы аммония. При этом ионы аммония, содержащие разделяемые изотопы, вытеснялись в жидкую фазу в виде гидроксида аммония. При полном насыщении ионита в первой зоне обращения потока фаз ионами натрия с помощью запорно-распределительного узла производится переключение жидких потоков за счет перемещения точек ввода и вывода жидких потоков в направлении движения жидкости к контактных секциях. Секция с ионитом в RNа-форме регенерируется соляной кислотой с переводом ионита в RН-форму, промывается водой путем подачи в секции соответствующих потоков за счет перемещения зон обращения потоков фаз и синхронно с ними перемещения точек ввода и вывода соответствующих потоков соляной кислоты, воды и вывода потоков водных растворов хлорида натрия и соляной кислоты. К регенерированной, таким образом, контактной секции подходит вторая зона обращения потоков фаз для насыщения ионита ионами аммония путем ионного обмена RH с NH₄OH.

В зоне разделения тяжелый изотоп (¹⁵N) концентрируется в твердой фазе, легкий (¹⁴N) в жидкой. Обогащенный изотопом ¹⁵N продукт отбирали из потока NH₄OH, выходящего из контактной секции первой зоны обращения потоков фаз, обедненный изотопом ¹⁵N продукт из потока NH₄OH, идущего во вторую зону обращения потоков фаз. При общей длине слоя ионита в зоне разделения 35 см при комнатной температуре степень разделения составила 2.05 (при коэффициенте разделения α 1.025).

При реализации изобретения обеспечиваются следующие преимущества:
увеличение степени разделения;
увеличение производительности за счет непрерывного отбора продуктов;
уменьшение времени достижения стационарного состояния разделительной колонны и накопления изотопа в устройстве за счет уменьшения объема коммуникаций;
компактность устройства;
возможность остановки или прекращения процесса разделения при сохранении достигнутого эффекта разделения;
простота автоматизации процесса разделения.

Сущность изобретения: секционированная колонна для противоточного разделения изотопов с узлами обращения потоков фаз, выполненными в виде последовательно расположенных контактных секций, трубопроводами для ввода и вывода реагентов, единым запорно-распределительным узлом, включающим три цилиндрические пластины, расположенные соосно одна над другой, центральная выполнена с возможностью вращения вокруг оси. В теле запорно-распределительного узла выполнены сквозные каналы для сообщения внутренней поверхности верхней пластины с трубопроводами, внутренней поверхности нижней пластины с контактными секциями, внутренних поверхностей центральной пластины между собой. На внутренней поверхности верхней пластины дополнительно выполнены концентрические кольцевые проточки. В теле указанной пластины выполнены каналы для сообщения трубопроводов с концентрическими кольцевыми проточками. Число сквозных каналов в центральной пластине равно числу концентрических кольцевых проточек, а ее нижняя поверхность дополнительно снабжена ходовыми проточками для сообщения выхода предыдущей контактной секции с входом следующих, X ≅ Y - N - 1, где Х - число хордовых проточек, Y - число контактных секций, N - число контактных секций в зонах обращения потоков фаз. Хордовые проточки могут быть выполнены в теле центральной пластины и сообщены с ее поверхностью дополнительными каналами, 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для противоточного разделения изотопов, включающее секционированную колонну с узлами обращения потоков фаз, выполненными в виде последовательно расположенных контактных секций, и трубопроводы для ввода и вывода реагентов, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено единым запорно-распределительным узлом, включающим три цилиндрические пластины, расположенные соосно одна над другой, центральная из которых установлена с возможностью вращения относительно оси, причем в теле запорно-распределительного узла выполнены сквозные каналы для сообщения внутренней поверхности верхней пластины с трубопроводами, внутренней поверхности нижней пластины с контактными секциями и внутренних поверхностей центральной пластины между собой. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на внутренней поверхности верхней неподвижной пластины дополнительно выполнены концентрические кольцевые проточки. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в центральной пластине число сквозных каналов равно числу концентрических кольцевых проточек, причем нижняя поверхность пластины дополнительно снабжена хордовыми проточками для сообщения выхода предыдущей контактной секции с входом следующей и число указанных проточек определяется из условия
X ≅ Y-N-1,
где Х число хордовых проточек;
Y число контактных секций;
N число контактных секций в зонах обращения потоков фаз. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что хордовые проточки выполнены в теле центральной пластины и сообщены с ее поверхностью дополнительными каналами.