СПОСОБ ДВУХСТУПЕНЧАТОГО ЛАЗЕРНОГО ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКООБОГАЩЕННОГО ИЗОТОПА С-13 Российский патент 2004 года по МПК B01D59/34 

Изобретение относится к области разделения изотопов с помощью лазерного излучения, в частности к промышленному получению изотопов С-13 путем многофотонной диссоциации молекул CF₂HCl.

Известны способы получения изотопов углерода, включающие диссоциацию молекул CF₂HCl излучением импульсного СО₂-лазера, выделение образовавшегося тетрафторэтилена (ТФЭ) и конвертирование его в двуокись углерода [1, 2].

К недостатку этих способов можно отнести то, что на первой лазерной стадии не удается получить высокообогащенный конечный продукт с содержанием С-13 более 99% и приходится использовать комбинации очень разных методов обогащения изотопов. Для получения высокообогащенного изотопа С-13 чисто лазерным методом необходимо проводить две стадии лазерного обогащения. При этом конечный продукт диссоциации молекул на первой стадии необходимо конвертировать в химическое соединение, пригодное для использования в качестве исходного соединения для второй стадии лазерного обогащения.

Прототипом настоящего изобретения является способ обогащения изотопов С-13 [3], согласно которому газовую смесь молекул CF₂HCl с парами брома облучают излучением импульсного СО₂-лазера. Образовавшийся CF₂Br₂, обогащенный изотопом С-13, выделяют и используют его в смеси с кислородом на второй стадии лазерного обогащения. При диссоциации молекул СF₂Вr₂ в присутствии кислорода образуется высокообогащенный оксифторид углерода СОF₂.

Особенность изотопически-селективной диссоциации молекул CF₂HCl в присутствии брома состоит в том, что в оптимальных для технологического процесса условиях (высокая интенсивность лазерного излучения и высокая производительность установки) даже при очень большом избытке брома в газовой смеси кроме СF₂Вr₂ образуется значительное количество (10÷50%) молекул C₂F₄Br₂. Последнее соединение по своим фотохимическим свойствам непригодно для лазерного разделения изотопов углерода. Его необходимо выделять из смеси и конвертировать в СF₂Вr₂.

Кроме того, и CF₂Br₂, и C₂F₄Br₂ хорошо поглощают лазерное излучение. При их образовании внутри лазерного реактора такое поглощение излучения является непроизводительным и с учетом внутрирезонаторного эффекта приводит к значительному падению интенсивности лазерного излучения и производительности установки в целом (в 4÷10) раз. Еще один недостаток прототипа состоит в том, что в этом случае невозможно охладить лазерный реактор и газовую смесь в нем до температуры -50100°С, так как бром будет конденсироваться в лазерном реакторе. В то же время такое охлаждение очень желательно, так как изотопическая селективность диссоциации молекул фреона возрастает при этом в 3÷4 раза.

Цель настоящего изобретения состоит в устранении непроизводительных потерь лазерного излучения, повышении производительности оборудования и создания технологических условий для охлаждения лазерного реактора и газовой смеси в нем до низких температур.

Цель достигается тем, что изотонически-селективную диссоциацию молекул CF₂HCl в лазерном реакторе проводят в отсутствии паров брома.

Сущность изобретения состоит в том, что предлагается добавлять пары брома в газовую смесь уже после лазерного реактора. В лазерном реакторе протекает диссоциация молекул CF₂HCl с образованием ТФЭ:

После добавления паров брома в облученную смесь ее направляют в фотохимический реактор, где под действием света происходит диссоциация молекул брома и протекает радикально-цепная реакция бромирования ТФЭ:

Затем образовавшийся С₂F₄Вr₂ и избыток паров брома выделяют из газовой смеси и направляют в химический реактор бромирования, где при температуре 600-900°С протекает реакция бромирования C₂F₄Br₂:

Образовавшийся СF₂Вr₂ очищают и используют в качестве исходного соединения для второй стадии лазерного обогащения изотопов:

Высокообогащенный оксифторид углерода COF₂ (>99% С-13) выделяют и используют либо в качестве исходного сырья для химического синтеза изотонически модифицированных соединений углерода, либо гидролизуют его до двуокиси углерода.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлена принципиальная схема технологической установки по двухступенчатому лазерному получению изотопа С-13.

Рассмотрим пример выполнения предлагаемого способа. Лазерный реактор 1 расположен внутри резонатора импульсно-периодического СО₂-лазера 2, работающего с частотой следования импульсов 400 Гц. Буферный газ (на первой ступени обогащения - азот) подается в соединительные трубы. Состав газа на входе в лазерный реактор: 20 мм рт.ст. CF₂HCl и 200 мм рт.ст. азота. В газовую смесь на выходе лазерного реактора (CF₂HCl, N₂, HCl, C₂F₄) добавляют пары брома (0,2÷0,5 мм рт.ст.) и направляют в фотохимический реактор 3, изготовленный из стекла и облучаемый светом трех ламп накаливания мощностью по 300 Вт. Образовавшийся С₂F₄Вr₂ и избыток брома улавливаются в адсорбере 4, и подается в реактор 5 бромирования С₂F₄Вr₂, где при температуре 800°С получают СF₂Вr₂. Последний выделяют на ректификационной колонке 6.

Прошедшую через адсорбер смесь газов направляют в криогенный конденсатор 7. Далее газообразный азот с помощью газодувки 8 подается на вход лазерного реактора. Обедненный фреон и хлористый водород в виде жидкой смеси подают из криогенного конденсатора в испаритель 9. Из испарителя газовую смесь при давлении 5÷8 атм пропускают через абсорбер 10 с раствором щелочи и осушитель 11. Осушенный фреон с помощью компрессора 12 сжижают и подают в сборник 13.

Полученный на первой стадии обогащения СF₂Вr₂ (с содержанием С-13 50÷80%) используют в качестве исходного вещества на второй ступени лазерного обогащения. В этом случае кроме буферного газа в лазерный реактор подают также кислород (кислород можно использовать как буферный газ). В адсорбере улавливаются остаточный CF₂Br₂ и бром. Высокообогащенный оксифторид углерода (с содержанием С-13 более 99%) подается из конденсатора в абсорбер. Из соответствующего карбоната затем действием кислоты получают двуокись углерода.

Источники информации

1. Патент США №4,436,709, В 01 D 59/00, от 13.03.1984.

2. Российский патент №2144421, от 10.03.1998.

3. Патент США №5,085,748, B 01 D 005/00, от 04.02.1992.

Изобретение предназначено для промышленного получения изотопов С-13. Смесь CF₂HCl с буферным газом - азотом подают в лазерный реактор 1, расположенный внутри импульсного СО₂-лазера 2. В лазерном реакторе 1 на первой ступени облучают молекулы CF₂HCl с получением С₂F₄. В смесь на выходе из лазерного реактора 1 добавляют пары брома. Направляют в фотохимический реактор 3, облучают светом ламп накаливания. Полученный в результате облучения С₂F₄Br₂ и избыток брома улавливают в адсорбере 4, подают в реактор бромирования 5, где получают CF₂Br₂, обогащенный по изотопу С-13. Прошедшие через адсорбер 4 газы направляют в криогенный конденсатор 7, где выделяют азот и снова направляют его с помощью газодувки 8 в реактор 1. Жидкую смесь фреона, обедненного С-13, и HCl из криогенного конденсатора 7 подают в испаритель 9, пропускают через абсорбер 10 и осушитель 11. Осушенный фреон сжижают с помощью компрессора 12 и собирают в сборнике 13. Полученный на первой ступени CF₂Br₂, обогащенный по изотопу С-13, выделяют на ректификационной колонке 6 и подают на вторую ступень в лазерный реактор 1, добавив кислород. В лазерном реакторе 1 получают высокообогащенный COF₂ с содержанием С-13 более 99%, который можно использовать в качестве сырья для синтеза изотопически модифицированных соединений углерода или гидролизовать до СО₂. В адсорбере 4 улавливают остаточный CF₂Br₂ и Br₂. COF₂ можно последовательно пропустить через конденсатор 7 и абсорбер 10 с получением Na132

Способ двухступенчатого лазерного получения высокообогащенного изотопа С-13 путем облучения излучением импульсного CO₂-лазера, включающий облучение на первой ступени молекул CF₂HCl, а на второй - смеси обогащенного изотопом С-13 CF₂Br₂ с кислородом с образованием оксифторида углерода - СОF₂, обогащенного изотопом С-13, отличающийся тем, что облучение CF₂HCl на первой ступени проводят в присутствии буферного газа, в газовую смесь, содержащую тетрафторэтилен, облученную на первой ступени, добавляют пары брома и подают эту смесь в фотохимический реактор, в котором проводят бромирование тетрафторэтилена, с последующим выделением продукта бромирования - C₂F₄Br₂ и избытка брома, выделенную смесь направляют в реактор бромирования и получают в этом реакторе CF₂Br₂, который подают на вторую ступень.