СПОСОБ ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ КСЕНОНА Российский патент 2004 года по МПК C01B23/00 B01J20/08 B01J20/18 

Заявляемый способ очистки ксенона от примесей относится к металлургии, химической промышленности, высоким технологиям, в том числе к современным методам детектирования излучений в ядерной физике, в которых требуется сверхчистый ксенон, в ряде случаев - определенного изотопного состава.

При разделении изотопов ксенона природного состава с помощью газовых центрифуг происходит загрязнение ксенона продуктами их гажения, компонентами воздуха и продуктами промывки оборудования. В состав продуктов гажения газовых центрифуг и продуктов промывки входят органические вещества, в том числе предельные углеводороды (метан, этан), непредельные углеводороды (этилен), ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилол), кетоны (ацетон), спирты (этанол, бутанол, пропанол, метанол), вода. Молярная доля каждой из примесей может находиться в пределах (0,00005-0,5)·10^-4 об.%, а воздушных примесей - (0,00004-1,0)·10^-4 об.%. Эти примеси загрязняют ксенон, подвергнутый разделению изотопов центрифужным методом, особенно его легкую фракцию.

Известна способность адсорбентов, цеолитов и геттеров поглощать газообразные примеси из инертных газов [Г.Мюллер, Г.Гнаук. Газы высокой чистоты. Пер. с нем., М.: Мир, 1968 г.].

Среди адсорбентов практический интерес представляют гранулированные адсорбенты с большой удельной поверхностью (≥200 м²/г), например оксид алюминия активный. К недостаткам способов очистки с применением только адсорбентов с большой удельной поверхностью относится невозможность получения сверхчистых инертных газов, особенно при наличии широкого набора примесей, включающего наряду с компонентами воздуха значительное количество органических соединений, особенно метан, а также диоксид углерода.

Использование геттеров, например титана губчатого, имеет ряд существенных ограничений, связанных с тем, что реакции хемосорбции, в частности углеводородов и диоксида углерода, относятся к медленно протекающим процессам [Г.Мюллер, Г.Гнаук. Газы высокой чистоты. Пер. с нем., М.: Мир, 1968 г.], что требует применения сложных приспособлений для затруднения движения и удлинения пути движения газа, для снижения каналообразования, применения высоких (до 1000°С) температур. Наиболее характерно устройство с геттерным поглотителем [авт. св. СССР, №1049089, кл В 01 D 53/04; заявл. 11.06.82 г., опубл. 23.10.83 г.], в котором, несмотря на наличие перегородок и применение высокой температуры (980-1050°С), обеспечивается очистка инертного газа от кислорода и азота до 0,0004-0,0006 об.%, что недостаточно. Кроме того, в случае очистки от паров воды и органических соединений образуется водород, для улавливания которого потребуется дополнительный блок очистки. Еще один недостаток способа очистки с применением геттеров - одноразовое его использование.

Одной из самых трудноудаляемых примесей из инертных газов является метан. Известен способ очистки ксенона от метана путем вымораживания при ≤77,4К из непрерывно подаваемой ксенонсодержащей газовой смеси с примесью кислорода и метана [патент РФ №2134387, кл. F 25 J 3/08, заявл. 23.10.97, опубл. 23.10.99]. Недостатком указанного способа является очистка только от двух примесей - кислорода и метана, причем содержание примеси метана составляет 0,0001-0,0030 об.%. В нашем случае требуется очистка ксенона, содержащего примесь метана в диапазоне 0,00002-0,0001 об.%, в присутствии примесей кислорода и азота в диапазоне 0,00002-0,0001 об.%.

Известна способность цеолитов избирательно сорбировать газообразные примеси из инертных газов [Г.Мюллер, Г.Гнаук. Газы высокой чистоты. Пер. с нем., М.: Мир, 1968 г.]. Особенностью цеолитов является наличие не только избирательной, но и вытеснительной сорбции. В связи с этим обеспечить глубокую очистку ксенона от большого набора органических газообразных веществ и компонентов воздуха только применением цеолитов вряд ли возможно. В частности, глубина очистки от диоксида углерода находится на уровне 0,0001 об.%, что недостаточно.

Задачей настоящего изобретения является глубокая очистка ксенона от газообразных продуктов гажения газовых центрифуг, продуктов промывки оборудования и воздушных примесей до уровня не более 0,5·10^-4-1,0·10^-4 об.%, возможность многократного применения поглотителя, снижения энергозатрат, исключение применения высоких температур, упрощение конструкции очистного оборудования (адсорбера).

Поставленная задача решена тем, что применяют 3-х компонентный поглотитель, включающий в себя адсорбент с удельной поверхностью не менее 200 м²/г, например оксид алюминия активный (1-й компонент), цеолит с размером входного окна 0,30-0,32 мкм, например цеолит КА-У (2-й компонент), и цеолит с размером входного окна 0,40-0,42 мкм, например цеолит NaA-У (3-й компонент), взятые в определенном соотношении, поглотитель помещают в адсорбер, например, типа “труба в трубе” последовательными чередующимися слоями как во внутренней трубе, так и в межтрубном пространстве, охлаждаемый в сосуде Дьюара до определенной температуры. Конденсацию очищенного ксенона производят при температуре ≤77,4К в режиме непрерывной прокачки. Адсорбер прокачивают при температуре помещения и тренируют в вакууме при 250-300°С. Проводят активацию поглотителя.

Подготовка поглотителя включает в себя предварительную сушку компонентов при 250-300°С в термостатированном шкафу в течение 2-3 часов.

Очистку ксенона проводят при

- температуре адсорбера с поглотителем - 195-163К, с применением охлаждающих агентов - сухой лед или смесь химически инертной жидкости, имеющей температуру плавления не выше 153К, с жидким азотом;

- регулировании расхода очищаемого газа с помощью регулирующего устройства, например расходной шайбы с калиброванным отверстием, размещенным на выходе газа из адсорбера;

- давлении очищаемого газа перед регулирующим устройством - 150-500 мм рт. ст.

Примеры осуществления способа

Пример 1

Загружают предварительно просушенный при 250°С в течение 3-х часов поглотитель, состоящий из адсорбента с удельной поверхностью ≥200 м²/г, например оксида алюминия активного АОА-1, ГОСТ 8136-85, цеолита с размером входного окна 0,3 мкм, например цеолита КА-У, ТУ 2163-006-05766557-97, цеолита с размером входного окна 0,40-0,42 мкм, например цеолита NaA-У, ТУ 2163-003-05766557-97 в адсорбер, представляющий собой “трубу в трубе”, чередующимися слоями, который тренируют в вакууме при температуре ~25°С и 300°С. Состав поглотителя, мас.%:

Оксид алюминия АОА-1 50,0

Цеолит КА-У 10,0

Цеолит NaA-У 40,0

Размер гранул поглотителя 1,6-2,0 мм. Масса поглотителя - 10 шт. Адсорбер помещают в сосуд Дьюара, охлаждаемый до температуры 195К. Давление очищаемого газа перед шайбой - 150 мм рт. ст. Очищенный ксенон конденсирует при 77,4К.

Результаты очистки приведены в таблице.

Пример 2

Загружают 10 кг предварительно просушенного при 280°С в течение 2 часов адсорбента с удельной поверхностью ≥200 м²/г, например оксида алюминия активного АОА-1, ГОСТ 8136-85 (30 мас.%), цеолита с размером входного окна 0,3 мкм, например КА-У, ТУ 2163-006-05766557-97 (20 мас.%), цеолита с размером входного окна 0,40-0,42 мкм, например NaA-У, ТУ 2163-003-05766557-97 (50 мас.%), чередующимися слоями в адсорбер типа “труба в трубе”, который тренируют в вакууме последовательно при температурах ~20 и 250°С. Давление очищаемого газа перед регулировочной шайбой поддерживают в диапазоне 300-450 мм рт. ст. Адсорбер помещают в сосуд Дьюара, заполненный сухим льдом. Очищенный ксенон конденсируют при температуре 77,4К.

Результаты очистки приведены в таблице.

Пример 3

Загружают 10 кг предварительно просушенного при 573К в течение 2,5 часов адсорбента с удельной поверхностью ≥200 м²/г, например оксид алюминия активный АОА-1, ГОСТ 8136-85 (40 мас.%), цеолит с размером входного окна 0,30 мкм, например КА-У, ТУ 2163-006-05766557-97 (20 мас.%), цеолит с размером входного окна 0,40-0,42 мкм, например NaA-У, ТУ 2163-003-05766557-97 (45 мас.%), чередующимися слоями в адсорбер типа “труба в трубе”, который тренируют в вакууме последовательно при 293 и 573К. Давление очищаемого газа поддерживают в диапазоне 150-400 мм рт. ст. перед регулировочной шайбой. Подготовленный адсорбер помещают в сосуд Дьюара, имеющий температуру 163-168К, охлаждаемый смесью жидкостей, например хладон 122, ТУ 301-02-137-90, и жидкий азот.

Очищенный ксенон конденсируют при температуре 77,4К.

Пример 4

Загружают 10 кг предварительно просушенного при 523К в течение 3 часов адсорбента с удельной поверхностью ≥200 м²/г, например оксид алюминия активный АОА-1, ГОСТ 8136-85 (40 мас.%), цеолит с размером входного окна ~0,30 мкм, например цеолит КА-У, ТУ 2163-006-05766557-97 (10 мас.%), цеолит с размером входного окна 0,40-0,42 мкм, например цеолит NaA-У, ТУ 2163-003-05766557-97 (50 мас.%), чередующимися слоями в адсорбер типа “труба в трубе”, который тренируют в вакууме последовательно при температурах 293 и 573К. Давление исходного ксенона перед регулирующей шайбой поддерживают на уровне 200-500 мм рт. ст. Температуру адсорбера при очистке ксенона поддерживают на уровне 195К. Очищенный ксенон конденсируют при температуре ≤74,4К. Процесс конденсации очищенного газа проводят в режиме непрерывной прокачки (≤ 0,1 мкм рт.ст).

Результаты очистки приведены в таблице.

Полученные практические результаты, приведенные в таблице, показывают, что в примерах 1, 2 за счет применения 3-х компонентного поглотителя, отдельные составляющие которого взяты в определенном соотношении, достигнута глубокая очистка ксенона от большинства примесей (до 0,02-0,04 ppm), кроме метана (0,7-1,0 ppm), кислорода (0,1-0,5 ppm) и азота (0,7-1,0 ppm). Применение дополнительного вымораживания примесей на поглотителе (пример 3) при 163-168К позволяет увеличить глубину очистки от метана до 0,1 ppm, от азота - до 0,2 ppm, от кислорода - до 0,1 ppm.

Для увеличения глубины очистки ксенона от метана при его содержании в диапазоне 0,00002-0,0001 об.%, в присутствии примесей кислорода и азота в диапазоне 0,00002-0,0001 об.%, конденсацию очищенного ксенона проводят при температуре ≤74,4К, в режиме непрерывного вакуумирования сосуда конденсации при давлении менее 0,1 мкм рт. ст. Применение такого режима позволяет получить сверхчистый ксенон, в котором содержание каждой из примесей, как органических, так и компонентов воздуха, находится на уровне 0,02-0,05 ppm (пример 4).

Предложенный поглотитель после проведения десорбции примесей можно использовать многократно.

Заявляемый способ позволяет получить сверхчистый ксенон, значительно сократить трудозатраты, многократно использовать поглотитель, исключить применение высоких температур, отличается простотой схемы.

Использованные источники

1. Г.Мюллер, Г.Гнаук. Газы высокой чистоты. Пер. с нем., М.: Мир, 1968 г.

2. Авт. св. СССР №1049089, кл В 01 D 53/04; заявл. 1.06.82 г., опубл. 23.10.83 г.

3. Патент РФ №2134387, кл. F 25 J 3/08, заявл. 23.10.97, опубл. 23.10.99.

Изобретение относится к способам получения сверхчистого ксенона, в частности к очистке от газообразных продуктов, загрязняющих ксенон в процессе центрифужного разделения ксенона природного изотопного состава. Способ включает в себя применение 3-х компонентного поглотителя, в котором используют Al₂O₃ с удельной поверхностью не менее 200 м²/г, цеолит с размером входного окна 0,30-0,32 мкм и цеолит с размером входного окна 0,40-0,42 мкм, который послойно загружают в адсорбер, охлаждаемый до температуры 195-168К, а отбор очищенного ксенона в сосуд конденсации производят при его непрерывном вакуумировании при давлении ниже 0,1 мкм рт.ст. Способ позволяет производить глубокую очистку ксенона от продуктов гажения газовых центрифуг, продуктов промывки оборудования и компонентов воздуха - до 0,5·10^-4 об.% -1,0·10^-4 об.%, не требует применения адсорберов сложной конструкции и высоких температур, снижает энергозатраты, позволяет многократно использовать поглотитель. 6 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ глубокой очистки ксенона от примесей газообразных органических соединений и компонентов воздуха, включающий подготовку поглотителя, содержащего активный оксид алюминия, размещение поглотителя в адсорбере при заданном соотношении компонентов и регулируемое пропускание через него очищаемого газа, отличающийся тем, что готовят трехкомпонентный поглотитель, состоящий из активного оксида алюминия с удельной поверхностью не менее 200 м²/г, цеолита с размером входного окна 0,30÷0,32 мкм и цеолита с размером входного окна 0,40÷0,42 мкм, размещают поглотитель в адсорбере последовательно чередующимися слоями с заполнением всего внутреннего пространства адсорбера, а пропускание очищаемого газа осуществляют при 195÷168°К и давлении 150÷500 мм рт.ст.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поглотитель содержит активный оксид алюминия, цеолит КА и цеолит NaA при следующем соотношении, мас.%:

Активный оксид алюминия 45-50

Цеолит КА 10-15

Цеолит NaA 35-40

Активный оксид алюминия 25-30

Цеолит КА 15-20

Цеолит NaA 45-50

Активный оксид алюминия 40-45

Цеолит КА 15-20

Цеолит NaA 45-50

Активный оксид алюминия 40-45

Цеолит КА 10-15

Цеолит NaA 50-55