КАСКАД ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ КСЕНОНА Российский патент 2006 года по МПК B01D59/00 B01D59/20 

Изобретение относится к технологии разделения стабильных изотопов и, в частности, к получению особо чистых изотопов ксенона на каскаде центрифуг для экспериментальных исследований в области физики элементарных частиц и особенно в физике нейтрино, где используется высокообогащенный изотоп ксенон-136 с очень высокой степенью химической чистоты (Рыскунов А.В. и др., Доклады VII Всероссийской (международной) научной конференции «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул», Москва, ЦНИИАтоминформ, 2002 г., с.121).

Известны каскады для разделения изотопов химических элементов из газовой смеси, включающие множество ступеней центрифуг, соединенных по противоточной схеме последовательно: межступенный трубопровод легкой фракции из каждой ступени соединен с питанием следующей ступени, а межступенный трубопровод тяжелой фракции из каждой ступени соединен с питанием предыдущей ступени. Газовая смесь вводится в каскад по трубопроводу в питание одной из ступеней. Сбор разделенных конечных продуктов легкой и тяжелой фракций, соответственно обогащенной (обогатительная часть каскада) и обедненной (регенеративная часть каскада) легким изотопом, осуществляется раздельно по трубопроводам в охлаждаемые емкости накопления (сосуды, баллоны) конденсационно-испарительной установки (КИУ) (Баранов В.Ю. Изотопы. Москва: Атомиздат, 2000, стр.78, 145, патент США №4436709, МПК B 01 D 59/00, НКИ 423-439, опубл. 13.03.84 г.).

В процессе разделения рабочего вещества в потоках легкой и тяжелой фракциях внутри каскада происходит накопление органических примесей (ацетон, толуол, ксилол, бутиловый спирт и др.) и паров воды как результат гажения конструкционных материалов центрифуг и внутренних полостей каскада. Кроме того, в каскад через неплотности в его соединениях проникают пары воды и воздушные примеси из атмосферы помещения. При этом примеси из-за малости молекулярных весов по сравнению с рабочим веществом в основном преобладают в потоке легкой фракции обогатительной части каскада.

Недостатком конструкции каскада, например для разделения изотопов ксенона, является отсутствие устройств для удаления органических примесей и паров воды из потоков разделяемого ксенона в процессе работы каскада, что в дальнейшем требует дополнительных затрат на очистку товарной продукции от органических примесей и паров воды на специальных установках (Фастовский В.Г. и др. Инертные газы. - Москва: Атомиздат, 1972 г., стр.150-164).

Кроме того, увеличение концентрации легких примесей за счет умножения каскадного эффекта в ступенях обогатительной части каскада приводит к уменьшению молекулярной массы рабочего вещества (ксенона) в питании центрифуг, что отрицательно сказывается на разделительной способности центрифуги, как следствие, приводит к снижению эффективности работы разделения каскада.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности удаления органических примесей и паров воды непосредственно из межступенных потоков легкой фракции в процессе разделения изотопов ксенона на каскаде центрифуг за счет усовершенствования его конструкционной схемы путем оптимального размещения по длине каскада охлаждаемых холодильных устройств и, тем самым, обеспечение максимальной чистоты получаемого продукта на выходе из каскада.

Технический результат достигается тем, что в известном каскаде, содержащем несколько разделительных ступеней, каждая из которых соединена межступенными трубопроводами подачи потока ксенона легкой фракции предыдущей ступени в питание последующей и передачи потока ксенона тяжелой фракции последующей ступени в питание предыдущей ступени, трубопроводы для подачи газовой смеси в ступень и для выведения из каскада разделенного готового продукта, межступенные трубопроводы легкой фракции снабжены холодильными устройствами по всей длине каскада не менее чем через 5 ступеней. Кроме того, на трубопроводах в месте выведения из каскада разделенных потоков легкой и тяжелой фракций ксенона перед охлажденными емкостями конденсационно-испарительной установки установлены дополнительные холодильные устройства.

В основу изобретения заложено различие между температурами кипения или возгонки ксенона и примесей при давлении их насыщенного пара. Исходя из этого была определена оптимальная температура охлаждения минус 70...78°С холодильных устройств, в которых примеси, обладающие более низким давлением насыщенных паров, чем ксенон, конденсировались (осаждались) на внутренних поверхностях, а ксенон свободно проходил для дальнейшего разделения через холодильные устройства.

Чертеж иллюстрирует заявляемое изобретение. На чертеже приведена блок-схема предложенного каскада.

Блок-схема каскада содержит разделительные ступени 1 из центрифуг, соединенных последовательно межступенными трубопроводами 5, 6 по противоточной схеме, холодильные устройства 8, установленные на межступенные трубопроводы 5 легкой фракции и на трубопроводы 3, 4 выведения разделенных потоков легкой и тяжелой фракций ксенона из каскада в КИУ 13, 14, трубопровод 2 для подачи газовой смеси в каскад.

В холодильные устройства 8 на трубопроводах 3, 4, 5 установлены запорные вентили 7. Холодильные устройства выполнены пустотелыми в виде U-образного или петлеобразного профиля, каждое плечо которого оснащено запорными вентилями 9. Холодильные устройства 8 размещены в сосудах Дьюара 10 с хладагентом.

Предлагаемая конструкция каскада работает следующим образом. Газовая смесь по трубопроводу 2 поступает в коллектор питания разделительной ступени 1 (S). В ней ксенон разделяется на две фракции: легкую фракцию, которая по межступенному трубопроводу 5 через открытые вентили 9 пустотелого холодильного устройства 8, охлажденного до температуры минус 70...78°С в сосуде Дьюара 10, поступает в охлажденные емкости накопления КИУ 13, 14, при этом вентили 7 на трубопроводах 3, 4 закрыты.

Основным технологическим эффектом конструкции каскада для разделения изотопов ксенона является обеспечение максимально возможного удаления органических примесей и паров воды из межступенных потоков легкой фракции установленными холодильными устройствами, в результате чего возрастает в процентном отношении количество очищенного ксенона в потоке питания каждой последующей ступени в направлении конечной ступени обогатительной части каскада, что приводит к повышению разделительной способности центрифуг, так и к повышению производительности каждой ступени и каскада в целом.

В таблице представлены результаты масс-спектрометрического анализа газовой фазы конденсата из холодильных устройств обогатительной и регенеративной частях каскада.

№ п/пМесто установки холодильных устройств в каскадеКоличествоВремя работы каскадаКол-во конденсата в холодильникахСостав газовой фазыступеней в каскадехолодильных устройствАцетонТолуолКсилолБутило вый спиртАроматические углеводородыВодаПрочеештуксутокграмм% молярных1Обогатительная часть1538662,42,80,10,1223,02,871,00,182Регенеративная часть1628638,37,80,50,529,31,559,60,8

Результаты анализа доказывают высокую эффективность использования предлагаемой конструкции каскада.

Предлагаемая конструктивная схема каскада, позволяя производить очистку изотопов ксенона непосредственно в процессе ведения технологического режима разделения, одновременно существенно повышает производительность центрифуг в каскаде и исключает создание специальных дорогостоящих установок для очистки изотопов ксенона от органических примесей и паров воды.

Изобретение может быть использовано в физике элементарных частиц, например, нейтрино. Каскад включает разделительные ступени, каждая из которых соединена межступенными трубопроводами для передачи потока ксенона легкой фракции предыдущей ступени в питание последующей ступени и для передачи потока ксенона из тяжелой фракции последующей ступени в питание предыдущей ступени. Каскад также содержит трубопроводы для подачи газовой смеси в питание одной из ступеней и для выведения из каскада разделенных потоков легкой и тяжелой фракций ксенона. По всей длине каскада межступенные трубопроводы снабжены холодильными устройствами не менее чем через 5 ступеней. На трубопроводах в месте выведения разделенных потоков легкой и тяжелой фракций ксенона перед охлажденными емкостями конденсационно-испарительной установки расположены дополнительные холодильные устройства. Холодильные устройства выполнены полыми в виде U-образного или петлеобразного профиля и имеют температуру (-70)÷(-78)°С. Повышается производительность каждой ступени и каскада в целом, увеличивается разделительная способность. Удаляется максимально возможное количество органических примесей и паров воды, 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Каскад для разделения изотопов ксенона, включающий разделительные ступени, каждая из которых соединена межступенными трубопроводами для передачи потока ксенона легкой фракции предыдущей ступени в питание последующей ступени и передачи потока ксенона из тяжелой фракции последующей ступени в питание предыдущей ступени, трубопроводы для подачи газовой смеси в питание одной из ступеней и для выведения из каскада разделенных потоков легкой и тяжелой фракций ксенона, при этом по всей длине каскада межступенные трубопроводы легкой фракции снабжены холодильными устройствами не менее чем через 5 ступеней.2. Каскад по п.1, отличающийся тем, что на трубопроводах в месте выведения из каскада разделенных потоков легкой и тяжелой фракций ксенона перед охлажденными емкостями конденсационно-испарительной установки установлены дополнительные холодильные устройства.3. Каскад по п.1, отличающийся тем, что холодильные устройства выполнены полыми в виде U-образного или петлеобразного профиля.4. Каскад по п.1, отличающийся тем, что холодильные устройства имеют температуру минус 70...78°С.