СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ Российский патент 1997 года по МПК B01D59/00 

Изобретение относится к разделению веществ, в частности, к способам разделения изотопов водорода.

Известен способ разделения изотопов, в частности, изотопов водорода путем непрерывного противоточного адсорбционного процесса в секционированной колонне с неподвижным сорбентом с системой обращения потоков фаз, в котором разделение проводят при перемещении секций колонны относительно системы обращения потоков фаз.

В качестве сорбента используют палладий, а обращение потоков фаз проводят десорбцией путем снижения давления газа над сорбентом, либо путем нагрева.

Недостатком этого способа является недостаточно высокая производительность процесса и невысокая степень разделения. Невысокая производительность процесса обусловлена тем, что при соединении секций на шлифовых разъемах отбор продуктов может быть проведен только один раз за несколько полных циклов перемещения секций относительно узлов обращения потоков фаз после полного заполнения секции-абсорбера водородом нужного изотопного состава. Второй причиной невысокой производительности является потеря продукта, находящегося в объеме шлифового разъема, при отсоединении секций друг от друга. Невысокая степень разделения обусловлена наличием шлифовых разъемов, связывающих секции и являющихся паразитным объемом.

Задачей, положенной в основу изобретения, является создание технологии разделения изотопов, позволяющей обеспечить высокую степень разделения и высокую производительность процесса.

Поставленная задача решается способом разделения изотопов, включающим последовательное пропускание разделяемой смеси через контактные секции разделительной колонны, заполненные неподвижным твердым материалом, последующую регенерацию отработанного материала при поочередном перемещении контактных секций и узлов обращения потоков фаз друг относительно друга и возврат контактной секции с отрегенерированным материалом в начало цикла, в котором согласно изобретению контактные секции перемещают относительно неподвижных узлов обращения потоков фаз в направлении, противоположном движению разделяемой смеси в контактной секции или узлы обращения потоков фаз и точки ввода и вывода реагентов перемещают относительно неподвижных контактных секций в направлении движения разделяемой смеси, причем продукты регенерации частично или полностью удаляют из разделительной колонны.

Разделение изотопов по изобретению осуществляют в газовых или жидких средах.

В первом случае в качестве твердого материала используют синтетические или природные цеолиты, активированный уголь, модифицированные углеродные сорбенты или силикагель. Их регенерацию ведут вакуумированием до 0,1-1 мм рт. ст. и/или нагревом до температуры, на 180-400 ^oC превышающей температуру разделения.

Во втором случае в качестве жидкого материала используют ионообменную смолу, относящуюся к сильнокислотным сульфокатионитам или слабокислотным карбоксильным катионитам и регенерацию ведут ионным обменом с группами H⁺, H^-, Meⁿ⁺ при промывке контактных секций. Обычно используют ионообменные смолы КУ, КБ, Дауэкс-50, Амберлит, R-C-50.

Сущность изобретения заключается в том, что создана технология противоточного разделения в системе газ (жидкость)- твердая фаза, в которой отсутствует физическое движение твердой фазы и связанные с ним недостатки процесса разделения: трудность регулирования потока твердой фазы, трудность переноса регенерированного твердого материала и начало цикла.

Согласно изобретению физическое движение твердого материала в разделительной колонне заменено относительным движением фаз. Относительное движение фаз достигается с помощью разделения колонны на ряд последовательно соединенных через запорно-распределительный узел контактных секций, в каждой из которых находится неподвижный твердый материал, а контактные секции и узлы регенерации твердого материала (обращение потоков фаз) перемещаются относительно друг друга. Твердый материал в каждой контактной секции неподвижен, однако вместе с контактными секциями он последовательно переносится из зоны сорбции в зону разделения и затем в зону десорбции с последующим возвратом в зону сорбции по замкнутому циклу, как это имеет место в способе разделения с реальным противотоком фаз за счет физического движения твердого материала.

При движении секций колонны относительно узлов обращения потоков фаз каждая секция из зоны десорбции последовательно переходит в зону сорбции и затем в зону разделения, проходит все позиции зоны разделения и поступает снова в зону десорбции. Подачу питания в разделительную колонну и отбор продуктов проводят непрерывно из неподвижных точек ввода и вывода реагентов.

При движении узлов обращения потоков фаз относительно неподвижных секций колонн синхронно с ними перемещаются точки ввода и вывода газовых (жидких) потоков, обеспечивая таким образом непрерывную подачу питающего потока и вывод продуктов из разделительной колонны.

Изобретение позволяет достичь одновременно как высокой степени разделения, так и большой производительности. При этом отсутствуют такие вредные эффекты, как потеря твердого материала за счет его истирания и снижение степени разделения за счет движения твердого материала.

Технология непрерывного противоточного разделения позволяет организовать процесс в компактном устройстве и значительно уменьшить количество целевого продукта, находящегося в разделительной установке.

Пример 1. Газообразную смесь изотопов подавали в разделительную колонну, состоящую из пяти контактных секций, заполненных неподвижным твердым поглотителем. Количество контактных секций в зоне разделения 3, в зоне сорбции 1, в зоне десорбции 1. Разделительная колонна работает в режиме концентрирования легкого изотопа. Питающий поток подавали в первую секцию зоны разделения. Обогащенный продукт отбирали на анализ из потока газа, выходящего из зоны разделения в зону сорбции. При движении секций колонны относительно узлов обращения потоков фаз каждая секция из зоны десорбции последовательно переходит в зону сорбции и затем в зону разделения, проходит все три позиции зоны разделения и поступает снова в зону десорбции. Подачу питания в разделительную колонну и отбор продуктов проводят непрерывно из неподвижных точек ввода и вывода газовых потоков. При движении узлов обращения потоков фаз относительно неподвижных секций колонны синхронно с ними перемещаются точки ввода и вывода газовых потоков, обеспечивая таким образом непрерывную подачу питающего потока и вывод продуктов из разделительной колонны. В качестве твердого вещества использовали синтетические цеолиты, силикагель, активированный уголь. Температура секций в зоне разделения и сорбции 196 ^oC.

Результаты разделения потоков различных элементов приведены в таблице.

При использовании в качестве твердого вещества природных цеолитов и модифицированных углеродных сорбентов были получены результаты, аналогичные представленным.

Пример 2. Разделение изотопов в жидкой среде проводили путем химического изотопного обмена RNH₄ с NH₄OH (где R-ионит) следующим образом. Пять контактных секций, заполненных ионитами КУ 2•8 в RH-форме, насыщали раствором NH₄OH, содержащим разделяемые изотопы азота. В первую контактную секцию (нижняя часть разделительной колонны) непрерывно подавали поток ионов Na⁺ (в виде раствора NaOH), имеющих более высокое сродство к иониту. При этом ионы разделяемых изотопов вытеснялись в жидкую фазу в форме водного раствора NaOH. При полном насыщении секции ионами Na⁺ с помощью устройства для распределения потоков жидкости производили переключение жидких потоков за счет перемещения контактных секций на одну в направлении, противоположном движению жидкой фазы. Отработавшая контактная секция регенерируется соляной кислотой с переводом ионита в H-форму, промывается водой и возвращается в начало цикла, где происходит насыщение твердой фазы разделяемыми ионами аммония (верхний узел обращения потоков). Тяжелый изотоп (¹⁵N) концентрируется в твердой фазе, легкий (₁₄N)- в жидкой. Обогащенный по ¹⁵N продукт отбирали из нижней части колонны, обедненный из верхней. При общей высоте слоя ионита КУ 2•8 в разделительной части 35 см и при температуре 22 ^oC получена степень разделения 2,05 (при коэффициенте разделения α = 1,025 ).

При использовании ионообменных смол других марок получены результаты, аналогичные представленным.

При реализации изобретения обеспечиваются следующие преимущества: высокая эффективность (степень разделения) процесса; высокая эффективность использования твердого материала; непрерывность процесса разделения; небольшое время достижения стационарного состояния разделительной колонны; низкое накопление изотопа в разделительной колонне; компактность устройства для разделения изотопов; возможность остановки или прекращения процесса разделения при сохранении достигнутого эффекта разделения; простота автоматизации процесса.

Сущность изобретения: смесь изотопов водорода последовательно пропускают через контактные секции разделительной колонны, перемещают их относительно неподвижных узлов обращения потоков фаз в направлении, противоположном движению разделяемой смеси в контактных секциях. По другому варианту изобретения узлы обращения потоков фаз и точки ввода и вывода реагентов перемещают относительно неподвижных контактных секций в направлении движения разделяемой смеси. Контактные секции заполнены неподвижным твердым материалом. При разделении изотопов в газовых средах в качестве твердого материала используют синтетические или природные цеолиты, активированный уголь, модифицированные углеродные сорбенты, силикагель, при разделении в жидких средах - ионообменную смолу из сильнокислотных сульфокатионитов или слабокислотных арбоксильных катионитов. Отработанный материал регенерируют поочередным перемещением контактных секций и узлов обращения потоков фаз друг относительно друга. При разделении в газовых средах материал регенерируют путем его ваккумирования до 0,1-1 мм рт.ст. и/или нагрева до температуры, на 180-400^oC превышающей температуру разделения, при разделении в жидких - ионным обменом с группами H⁺, H^-, Meⁿ⁺ при промывке контактных секций. Контактные секции с отрегенерированным материалом возвращают в начало цикла. Продукты регенерации частично или полностью удаляют из разделительной колонны. Коэффициент разделения - 1,008-2,1 ед., степень разделения - 1,07-1670 ед., 4 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ разделения изотопов, включающий последовательное пропускание разделяемой смеси через контактные секции разделительной колонны, заполненные неподвижным твердым материалом, последующую регенерацию отработанного материала при поочередном перемещении контактных секций и узлов обращения потоков фаз относительно друг друга и возврат контактной секции с отрегенерированным материалом в начало указанного цикла, отличающийся тем, что контактные секции перемещают относительно неподвижных узлов обращения потоков фаз в направлении, противоположном движению разделяемой смеси в контактные секции или узлы обращения потоков фаз, и точки ввода и вывода реагентов перемещают относительно неподвижных контактных секций в направлении движения разделяемой смеси, причем продукты регенерации частично или полностью удаляют из разделительной колонны. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при разделении изотопов в газовых средах в качестве твердого материала используют соединения из группы, включающей синтетические или природные цеолиты, активированный уголь, модифицированные углеродные сорбенты, силикагель. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что регенерацию твердого материала ведут путем его вакуумирования до 0,1 1,0 мм рт.ст. и/или нагрева до температуры, на 180 400^oС превышающей температуру разделения. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при разделении изотопов в жидких средах в качестве твердого материала используют ионообменную смолу, относящуюся к сильнокислотному сульфокатиониту или слабокислотному карбоксильному катиониту. 5. Способ по пп.1 и 4, отличающийся тем, что регенерацию твердого материала ведут ионным обменом с группами Н⁺, Н^-, Me^n + при промывке контактных секций.