СПОСОБ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ОБОГАЩЕНИЯ ИЗОТОПА УГЛЕРОД-13 В ФОРМЕ CO Российский патент 2000 года по МПК B01D59/20 B04B5/08 

Изобретение относится к технологии получения высокообогащенного изотопа углерода-13 в форме углеродсодержащих стойких соединений и, в частности, к способу получения изотопа углерод-13 на центробежных каскадах.

Известен способ получения изотопа углерод-13 в виде окиси углерода методом низкотемпературной ректификации в аппаратах колонного типа (Япония, заявка N 0325273 на получение Европейского патента, B 01 D 59/00, опубл. 26.07.89).

К недостаткам этого метода относится высокая энергоемкость и малый коэффициент разделения единицы длины аппарата (эффективной теоретической тарелки). Вследствие этого для получения изотопа углерод-13 с концентрацией более 90-95% требуется использование колонных аппаратов высотой более 40-50 метров. При этом время, необходимое для установления концентраций изотопа вдоль колонны и начала наработки продукта, составляет месяцы. Изменения производительности таких аппаратов и концентрации товарного продукта чрезвычайно затруднены.

В настоящее время наиболее эффективным и экономически выгодным способом производства изотопов элементов, имеющих газообразные соединения при нормальных условиях, является применение центробежной технологии (Япония, Международная заявка N 90/11818, В 01 D 59/34, 59/04, опубл. 18.10.90, патент США N 4436709, МКИ В 01 D 59/00, НКИ 423-439, опубл. 13.03.84).

Принципиальная низкая энергоемкость этого метода обусловлена тем, что процесс разделения в газовых ультрацентрифугах проводится в состояниях, близких к термодинамическому равновесию. Разделение газов в центробежных полях более 50000g (g - ускорение свободного падения в гравитационном поле Земли) обуславливает высокие значения коэффициентов обогащения (>0,1)и малые времена процессов установления разделительной установки (часы-сутки). Известное центробежное оборудование позволяет эффективно разделять газовые соединения с молекулярной массой более 80 (США, патент N 4436709, МКИ В 01 D 59/00, НКИ 423-439, опубл. 13.03.84).

Известно большое количество углеродсодержащих газов с такими молекулярными массами, но для применения центробежной технологии требуются газы, состоящие из только одного атома углерода и моноизотопных элементов (или элементов с составом, близким к моноизотопному). В противном случае в состав массы, содержащей углерод-13 и выделяемой в процессе центробежного разделения, войдут изотопы углерода-12 других атомов углерода в соединении и изотопы других элементов и максимально возможная концентрация при получении изотопа углерод-13 уменьшится.

Цель изобретения - снижение стоимости и повышение производительности технологического процесса получения изотопа углерод-13 с высоким обогащением.

Сущность изобретения заключается в пропускании исходного углекислого газа через противоточный каскад газовых центрифуг с регулированием давления отбора и с пропускной способностью трассы отбора тяжелой фракции на 10-30% больше, чем легкой фракции, и отборе фракции CO₂ с повышенным содержанием масс 45-49, а также в том, что газонаполнение газовых центрифуг в каскаде выбирают так, чтобы давление газа в центральной зоне ротора превышало 300 мкм рт.ст., причем газонаполнение газовых центрифуг, установленных в ступенях отбора изотопических фракций CO₂ с повышенным содержанием массы 44, увеличено на 30-100% по сравнению с остальными газовыми центрифугами каскада, а на питание каскада подается углекислый газ, синтезированный из углерода с содержанием изотопа C-13 10-50%.

При использовании предлагаемого способа, кроме того, попутно предоставляется возможность получения двуокиси углерода с обогащением до 50% по изотопу кислород-18.

Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена блок-схема центробежной установки, реализующей технологический процесс получения изотопа углерод-13.

Центробежная установка, реализующая процесс получения изотопа углерод-13, содержит соединенные последовательно по противоточной схеме разделительные ступени 1 из параллельно соединенных газовых центрифуг, установленные на каждой ступени регуляторы давления 2 в трассе отбора фракции, обогащенной тяжелыми компонентами CO₂ (молекулярные массы 45-49), устройство ввода и регулирования потока питания 3, устройство 4 вывода разделенной легкой фракции углекислого газа, устройство 5 вывода разделенной тяжелой фракции углекислого газа, регулятор 6 величины отбора легкой фракции каскада - углекислого газа с повышенным содержанием углерода-12.

Процесс получения изотопа C-13 происходит следующим образом.

В каскад подается поток питания через устройство 3. Регуляторами 2 в ступенях каскада устанавливается газонаполнение роторов центрифуг более 300 мкм. рт. ст. При этом давления в отборных трассах ступеней возрастают и величина передаваемых межступенных потоков также растет. Поэтому возрастает поток питания газовых центрифуг в ступени, равный сумме межступенных потоков отборов соседних ступеней, и, связанная с величиной потока питания, производительность ГЦ в ступенях. В ступенях каскада происходит первичное разделение CO₂ на 2 фракции: тяжелую фракцию с повышенным содержанием тяжелых компонент углекислого газа, содержащих изотоп C-13 с массами 45-49, и легкую фракцию CO₂ с повышенным содержанием массы 44, в состав которой входит изотоп C-12. При последовательном противоточном соединении ступеней каскада происходит умножение эффекта разделения в одиночной ступени так, что в отборе каскада 4 накапливаются легкая компонента углекислого газа 44 с изотопом углерод-12, а противоположном конце каскада 5 - все тяжелые компоненты CO₂ с массами 45-49.

Регулятором 6 устанавливается величина потока каскада отбора легких компонент CO₂. Выбором доли потока отбираемого в каждый из отборов каскада, по отношению к величине потока питания каскада, изменяется концентрация отбираемых компонент смеси в отборах. При этом в двух частях каскада от точки ввода потока питания до каждого из отборов к межступенному потоку добавляется доля потока питания, которая отбирается из каждого из отборов. Так как отборы легкой фракции ступеней соединены с вводом питания в соседнюю ступень, значения потоков по отборам легких фракций ступеней определяются только величиной перепада давлений отбора этой фракции в роторе и давления в центре ротора. Благодаря тому, что проводимость трассы отбора тяжелой фракции установленных в каскаде газовых центрифуг превышает проводимость трассы отбора легкой фракции на 10-30% изменением давления перед регулятором 2 трассы отбора тяжелой фракции ступени также регулируется и максимально допустимая величина потока отбора в каскаде.

При поддержании выбранной доли отбора легкой фракции каскада выбирается величина потока питания каскада, при которой на выходе тяжелой фракции каскада будет обеспечиваться заданная концентрация изотопа C-13 более 90% и одновременно обеспечивается максимальная производительность газовых центрифуг каскада.

При обогащении двуокиси углерода центробежным методом в газовой центрифуге одновременно происходит разделение изотопов кислорода с выделением двуокиси углерода-(C-12)(O-18)2, обогащенной по кислороду-18 до 50%, которую дополнительно можно отбирать как сопутствующий товарный продукт и использовать, например, в качестве исходного материала для получения ценной для практики высокообогащенной по кислороду-18 двуокиси углерода.

Эффективность предлагаемого способа получения изотопа углерод-13 возрастает при использовании диоксида углерода, синтезированного из углерода-13 с содержанием 10- 50%, почти пропорционально росту концентрации C-13 в исходном CO₂
В целом применение предлагаемого центробежного метода для получения изотопа углерод-13 в форме углекислого газа позволяет увеличить производительность технологического процесса получения высокообогащенного углерода-13 не менее чем в 2 раза.

Изобретение предназначено для получения стойких соединений, содержащих углерод-13. В противоточный каскад газовых центрифуг подают исходный CO₂. Устанавливают газонаполнение роторов центрифуг более 300 мкм рт.ст. На питание можно подавать углекислый газ, синтезированный из углерода с содержанием С-13 10-50%. Давление отбора регулируют. CO₂ разделяется на 2 фракции: тяжелую с повышенным содержанием массы 45-49, содержащую С-13, и легкую с повышенным содержанием массы 44, содержащую С-12. Пропускная способность трассы отбора тяжелой фракции на 10-30% больше, чем легкой. При последовательном противоточном соединении ступеней каскада эффект разделения одиночной ступени умножается. На противоположных концах каскада скапливаются легкий компонент CO₂ с массой 44 и тяжелые компоненты CO₂ с массами 45-49. При поддержании доли отбора легкой фракции выбирают величину потока питания, обеспечивая заданную концентрацию изотопа C-13 с одновременным обеспечением максимальной производительности центрифуг каскада. Производительность процесса увеличена не менее чем в два раза. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ центробежного обогащения изотопа углерод-13 в форме CO₂, заключающийся в пропускании исходного углекислого газа через противоточный каскад газовых центрифуг с регулированием давления отбора и с пропускной способностью трассы отбора тяжелой фракции на 10 - 30% больше, чем легкой фракции, и отборе фракции CO₂ с повышенным содержанием масс 45 - 49, а также в том, что газонаполнение газовых центрифуг в каскаде выбирают так, чтобы давление газа в центральной зоне ротора превышало 300 мкм рт.ст. 2. Способ центробежного обогащения изотопа углерод-13 по п.1, отличающийся тем, что газонаполнение газовых центрифуг, установленных в ступенях отбора изотопических фракций CO₂ с повышенным содержанием массы 44, увеличено на 30 - 100% по сравнению с остальными газовыми центрифугами каскада. 3. Способ центробежного обогащения изотопа углерод-13 по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на питание каскада подается углекислый газ, синтезированный из углерода с содержанием изотопа C-13 10 - 50%.