СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКООБОГАЩЕННОГО ИЗОТОПА C Российский патент 2000 года по МПК B01D59/00 

Изобретение относится к способу разделения изотопов углерода с помощью инфракрасной (ИК) многофотонной диссоциации молекул CF₂HCl лазерным излучением, предназначенному, в частности, для получения в промышленном масштабе двуокиси углерода, обогащенной в высокой степени изотопом ¹³C.

Известен способ разделения изотопов углерода с целевым изотопом ¹³C посредством воздействия лучом импульсно-периодического лазера на рабочее вещество. В качестве рабочего вещества были использованы молекулы CF₃J и CF₃Br, находящиеся при давлении 0,5-20 Торр и содержащие изотопы ¹³C и ¹²C в природном соотношении, в котором процесс обогащения проводится в две стадии (Е.П. Велихов и др., Импульсные CO₂-лазеры и их применение для разделения изотопов, М., Наука, 1983, с. 284 - 286.). Частота следования импульсов излучения лазера 100 Гц, энергия 10 Дж.

Несмотря на приемлемую энергетическую стоимость процесс характеризуется недостаточным для организации массового производства выходом конечного продукта и поэтому сопровождается высокими производственными издержками.

Известен способ получения углерода-13 путем многофотонного разложения CF₂HCl, содержащего изотопы углерода 12 и 13, включающий облучение газообразного CF₂HCl в реакционной камере, с помощью ИК-лазерного луча в диапазоне волновых чисел 1040-1080, прохождение полученных продуктов разложения: C₂F₄, обогащенного углеродом-13 до первого уровня, CF₂HCl, обедненного по углероду-13, и HCl через поглотитель для удаления HCl, отделение CF₂HCl, обедненного углеродом-13, от C₂F₄, окисление C₂F₄, обогащенного на 25-35% по углероду-13, для образования CO₂ и прохождение CO₂ через ступень химического обмена для разделения ¹³CO₂ и ¹²CO₂ и получения конечного продукта CO₂, содержащего приблизительно 90-99% углерода-13 (Патент США N 4436709, кл. B 01 D 59/00, 13.03.84). Исходный материал фреон-22 в этом процессе облучается ИК-лазером с плотностью излучения 5 Дж/см², давление фреона находится в диапазоне 10-100 Торр в зависимости от длительности импульса лазера. Полученный после лазерной стадии тетрафторэтилен, обогащенный по ¹³C приблизительно на 25-35%, окисляется до CO₂, после чего углекислый газ проходит ступень химического обмена, где осуществляется реакция обмена "CO₂-carbamate", в результате которой разделяются изотопы ¹³CO₂ и ¹²CO₂ с образованием конечного продукта CO₂ с содержанием 90-99% изотопа ¹³C.

В этом способе применяются лазерная и химическая технологии, где на стадии окончательной переработки использован химический обмен, с помощью которого весьма трудно получить высокую степень обогащения целевого продукта (более 99%).

Задача изобретения - создать способ получения изотопа углерод-13 с относительной концентрацией более 99,0% из исходного продукта с природным содержанием изотопов, пригодный для переработки больших масс сырья с целью получения промышленных количеств целевого изотопа.

Сущность изобретения заключается в способе получения высокообагащенного изотопа ¹³C из CF₂HCl с использованием метода лазерного разделения изотопов, включающего облучение в камере взаимодействия газообразного фреона ИК-лазерным излучением, очистку продуктов разложения от образовавшихся в результате многофотонной диссоциации паров хлористого водорода и выделение из оставшейся смеси фреона, обедненного углеродом-13, окисление до двуокиси углерода полученного тетрафторэтилена, обогащенного углеродом-13 до первого уровня, и прохождение CO₂ через вторую стадию обогащения, для разделения ¹³CO₂ и ¹²CO₂ и значительного увеличения относительной концентрации конечного продукта ¹³CO₂. Согласно изобретению в этом способе в исходное вещество добавляют азот в соотношении фреон: азот в пределах (1 : 7) - (3 : 5), облучение проводят в камере взаимодействия, являющейся частью разделительного блока, помещенного в область оптического резонатора импульсно-периодического CO₂-лазера, с одновременной очисткой получаемой смеси от паров HCl и возвратом очищенной смеси в камеру взаимодействия, смесь облучают до первичного обогащения тетрафторэтилена на 10-40% по углероду-13, после выделения обедненного фреона удаляют азот, а на заключительной стадии процесса осуществляют центробежное обогащение на каскаде газовых центрифуг до получения конечного продукта CO₂ с максимальным (более 99,0%) содержанием изотопа ¹³C.

При использовании этого способа получен следующий технический результат: в процессе испытаний комплекса наработано 15 грамм ¹³CO₂ с содержанием ¹³C 99,2% (в пересчете на чистый углерод 4,7 грамм ¹³C с изотопной чистотой 99,2%). При этом непосредственно после лазерной стадии и очистки получено 250 грамм тетрафторэтилена со степенью обогащения по углероду 18-25%. Производительность лазерной стадии процесса составила 0,75 грамм ¹³C в час.

Изобретение поясняется чертежом, на котором в качестве примера практической реализации предлагаемого способа приведена функциональная схема лазерного комплекса для разделения изотопов углерода.

Внутри оптического резонатора, образованного отражающей дифракционной решеткой, находящейся в лазерном блоке 1, и зеркалом 3, расположен разделительный блок 4, частью которого является камера взаимодействия, в которой осуществляется взаимодействие исходной газовой смеси с лазерным излучением. Линза 2 служит для разделения сред в лазерном 1 и разделительном 4 блоках, а также для изменения плотности энергии в камере взаимодействия. Параллельно камере взаимодействия подсоединен поглотитель 5 для очистки от HCl, в качестве которого использовано устройство, заполненное реагентом на основе окиси алюминия. Фреон подается непосредственно в камеру взаимодействия разделительного блока 4, а азот поступает туда же через трубы 6 и 7. На выходе разделительного блока установлено устройство 8 отделения фреона, обедненного углеродом-13, соединенное с узлом сбора фреона 9. Выход устройства отделения фреона соединен с блоком выделения 10 азота, за которым следует блок криогенной ректификации 11 тетрафторэтилена, предназначенный для более тщательной очистки C₂F₄ от остатков фреона, и реактор окисления 12 тетрафторэтилена в двуокись углерода, в который подается кислород. Двуокись углерода, получаемая в реакторе 12, направляется в каскад газовых центрифуг 13.

Смесь, состоящая из 20-60 Торр фреона-22 и 100-140 Торр азота, имеющая соотношение фреон: азот в пределах (1 : 7) - (3 : 5), прокачивается через камеру взаимодействия разделительного блока 4 со скоростью 42 м/с с тем, чтобы за время между импульсами излучения лазера 1 обеспечить полный обмен газа в камере взаимодействия. Длина волны излучения выбирается такой, чтобы преимущественно диссоциировали молекулы, содержащие атомы ¹³C. В камере взаимодействия разделительного блока 4 на газовую смесь воздействуют лучом с волновым числом в диапазоне 1055 - 1040 см^-1 с плотностью энергии в импульсе 5 - 20 Дж/см² и частотой следования импульсов 100 - 200 Гц. Образующиеся в результате фотодиссоциации фреона пары HCl, усложняющие дальнейшее выделение тетрафторэтилена, сорбируются в поглотителе 5, не попадая в другие блоки комплекса. Поглотитель 5 подключен таким образом, чтобы часть газовой смеси протекала через него и во время облучения очищалась от паров HCl. Отбор "грязного" газа и возврат очищенного выполнен так, чтобы обеспечить наибольшее его протекание через поглотитель 5 за счет максимального перепада давления в точках отбора и возврата смеси. Перепад давления возникает в результате принудительной прокачки газа в замкнутом контуре разделительного блока 4. Облучение проводят в течение времени, необходимого для обеспечения в концентрате содержания тетрафторэтилена, обогащенного атомами ¹³C, в пределах 10 - 40%. Далее концентрат, состоящий из азота, фреона-22 и обогащенного тетрафторэтилена поступает в систему отделения фреона и азота с сохранением полезного промежуточного продукта - обогащенного C₂F₄. Содержание этих веществ (при исходной смеси фреон : азот = 3 : 5 и давлении 160 Торр) на выходе разделительного блока 4 следующее: N₂-62,5%, CF₂HCl-(37-37,4)%, C₂F₄-(0,1-0,5)%. Газовая смесь, выходящая из разделительного блока 4, для отделения обогащенного тетрафторэтилена проходит следующие этапы криогенной очистки от других компонентов: сброс основной массы обедненного углеродом-13 фреона-22 (примерно 70% от начального количества) через устройство 8 в узел сбора 9 при температуре не ниже минус 130^oC; сброс азота в блоке 10 и конденсация тетрафторэтилена с остатками фреона-22 при температуре минус 190^oC (C₂F₄≈70%; CF₂HCl≈30%); криогенная ректификация для дополнительной очистки концентрата от остаточного фреона в блоке 11, на выходе которого остается очищенный, обогащенный тетрафторэтилен (95 - 98%). Далее проводится химическая конверсия тетрафторэтилена в двуокись углерода путем окисления C₂F₄ в реакторе 12. Отбор двуокиси углерода с изотопным содержанием ¹²CO₂-70% и ¹³CO₂-30% осуществляется через фильтр очистки в охлажденный и отвакуумированный баллон. На заключительной стадии процесса производится центробежное обогащение изотопа углерод-13 в форме ¹³CO₂ на каскаде газовых центрифуг 13. Каскадирование, т.е. последовательное соединение газовых центрифуг, использовано для умножения эффекта разделения единичной центрифуги с целью получения более высокой степени обогащения целевого изотопа.

Изобретение может быть использовано при получении диоксида углерода в промышленном масштабе, обогащенного изотопом ¹³С. Разделяемую смесь фреон: азот = (1 : 7) - (3 - 5) подают в камеру взаимодействия - часть разделительного блока, помещенного в область оптического резонатора импульсно-периодического СО₂ -лазера. Облучают инфракрасным излучением, волновое число 1055 - 1040 см^-1, плотность энергии импульса 5 - 20 Дж/см², частота следования импульсов 100 - 200 Гц. Пары HCl отделяют. Облучение проводят до первичного обогащения тетрафторэтилена по ¹³С 10 - 40%. Из смеси выделяют фреон, обедненный ¹³С, после этого удаляют азот. Дополнительно очищают от остаточного фреона криогенной ректификацией. Очищенный С₂F₄ окисляют до диоксида углерода. Смесь ¹²СО₂ и ¹³СО₂ разделяют на каскаде газовых центрифуг до получения СО₂ с содержанием изотопа ¹³C более 99,0%. Способ позволяет получить продукт с высоким содержанием ¹³C, пригоден для переработки больших масс сырья. 1 ил.

Способ получения высокообогащенного изотопа ¹³C из CF₂HCl с использованием лазерного разделения изотопов, включающий облучение в камере взаимодействия газообразного фреона инфракрасным лазерным излучением, очистку продуктов разложения от образовавшихся в результате многофотонной диссоциации паров хлористого водорода и выделение из оставшейся смеси фреона, обедненного углеродом-13, окисление до двуокиси углерода полученного тетрафторэтилена, обогащенного углеродом-13 до первого уровня, и прохождение двуокиси углерода через вторую стадию обогащения, для разделения изотопов ¹³CO₂ и ¹²CO₂ и значительного увеличения относительной концентрации конечного продукта ¹³CO₂, отличающийся тем, что в исходный продукт добавляют азот в соотношении фреон : азот в пределах (1 : 7) - (3 : 5), облучение проводят в камере взаимодействия, являющейся частью разделительного блока, помещенного в область оптического резонатора импульсно-периодического CO₂-лазера, с одновременной очисткой облучаемой смеси от паров HCl и возвратом очищенной смеси в камеру взаимодействия, смесь облучают до первичного обогащения тетрафторэтилена на 10 - 40% по углероду-13, после выделения обедненного фреона удаляют азот, а на заключительной стадии процесса осуществляют центробежное обогащение на каскаде газовых центрифуг до получения конечного продукта CO₂ с высоким (более 99,0%) содержанием изотопа ¹³C.