СПОСОБ ОБОГАЩЕНИЯ ИЗОТОПА КИСЛОРОДА Российский патент 2016 года по МПК B01D59/04 B01D59/28 C01B13/02 B01D3/14 H01M8/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу обогащения изотопа кислорода, в котором обогащение большого количества определенного изотопа кислорода с помощью дистилляции оксида азота позволяет осуществлять обогащение изотопа кислорода без необходимости регулярного восполнения больших количеств сырья оксида азота и при небольшом удерживаемом объеме жидкого NO, без снижения эффективности отделения изотопа кислорода.

Испрашивается приоритет по японской патентной заявке №2012-230766, поданной 18 октября 2012 года, содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки.

Уровень техники

В общепринятых способах обогащения изотопа кислорода (¹⁷О или ¹⁸О) применяется способ дистилляции, раскрытый в непатентном документе 1, в котором используется оксид азота (NO) в качестве сырья (в дальнейшем называется «способ дистилляции NO»), способ дистилляции, в котором используется вода (Н₂О) в качестве сырья (в дальнейшем называется «способ дистилляции воды»), способ дистилляции, в котором используется кислород (О₂) в качестве сырья (в дальнейшем называется «способ дистилляции кислорода»), или способ дистилляции, в котором используется монооксид углерода (СО) в качестве сырья (в дальнейшем называется «способ дистилляции СО») или тому подобное.

Таблица 1 является сравнительной таблицей, сравнивающей способ дистилляции NO, способ дистилляции воды, способ дистилляции кислорода, и способ дистилляции СО.

Значение относительной летучести соответствует коэффициенту разделения. Когда относительная летучесть мала, число теоретических ступеней, необходимое для достижения отделения и обогащения изотопа кислорода приблизительно пропорциональна обратной величине коэффициента разделения (коэффициент разделения^-1).

Следовательно, как показано в таблице 1, способ дистилляции NO обеспечивает уменьшение числа теоретических ступеней, необходимых для отделения изотопа кислорода, примерно в 10 раз по сравнению с другими способами дистилляции (в частности, со способом дистилляции воды, способом дистилляции кислорода и способом дистилляции СО).

Соответственно, установка для дистилляции NO может быть уменьшена в размерах, и энергия, необходимая для достижения отделения изотопа кислорода, может быть снижена.

Документы предшествующего уровня техники

Патентные документы

Патентный Документ 1: Не прошедшая экспертизу заявка на патент Японии, первая публикация №2000-218134.

Патентный Документ 2: Не прошедшая экспертизу заявка на патент Японии, первая публикация №Hei 11-188240.

Непатентные документы

Непатентный документ 1: В.В. McInteer, Robert M. Potter, "Nitric Oxide Distillation Plant for Isotope Separation", Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development, Vol. 4, No. 1, pp. 35-42 (1965).

Раскрытие изобретения

Задачи, решаемые изобретением

Однако установка для дистилляции NO, используемая в способе дистилляции NO, имеет проблему, заключающуюся в том, что когда масштаб дистилляции оксида азота увеличивается, удерживаемый объем жидкого NO становится довольно большим. Поскольку оксид азота обладает высокой реакционной способностью, если удерживаемый объем велик, существует возможность возникновения крупной аварии в случае утечки оксида азота.

Кроме того, в случае дистилляции оксида азота большого масштаба должно быть подготовлено большое количество сырья оксида азота, что требует безопасной транспортировки больших количеств оксида азота. Иными словами, оказывается, что обращение с сырьем оксида азота является сложным.

Соответственно задачей изобретения является предложить способ обогащения изотопа кислорода, который при дистилляции большого количества сырья оксида азота позволяет получить большое количество изотопа кислорода без необходимости регулярного восполнения больших количеств сырья оксида азота и при небольшом удерживаемом объеме жидкого NO, без снижения эффективности отделения изотопа кислорода.

Средства решения задачи

Для решения указанной выше задачи изобретение предлагает (1) способ обогащения изотопа кислорода, который включает стадию получения кислорода, содержащего первично обогащенный изотоп кислорода, с помощью дистилляции кислородного сырья при использовании первого дистилляционного устройства, стадию получения воды с помощью гидрогенизации кислорода, содержащего первично обогащенный изотоп кислорода, стадию получения оксида азота, отводимого при дистилляции сырья оксида азота, при использовании второго дистилляционного устройства, и стадию получения оксида азота и воды с помощью осуществления реакции химического обмена между водой и отведенным оксидом азота, в результате которой получают оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопа кислорода, и воду, имеющую пониженную концентрацию изотопа кислорода, причем оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопа кислорода, подается во второе дистилляционное устройство, и кислород, полученный электролизом воды, имеющей пониженную концентрацию изотопа кислорода, возвращается в первое дистилляционное устройство.

Кроме того, изобретение также предлагает (2) способ обогащения изотопа кислорода в соответствии с (1), в котором на стадии получения воды воду получают с помощью водородного топливного элемента, в котором происходит реакция и добавление водорода к кислороду, содержащему первично обогащенный изотоп кислорода, и электричество, выработанное при получении воды с помощью водородного топливного элемента, в котором происходит реакция и добавление водорода к кислороду, содержащему первично обогащенный изотоп кислорода, используется для осуществления электролиза воды, имеющей пониженную концентрацию изотопа кислорода.

Кроме того, изобретение также предлагает (3) способ обогащения изотопа кислорода в соответствии с (1) или (2), в котором на стадии получения кислорода, содержащего первично обогащенный изотоп кислорода, первая группа дистилляционных колонн, содержащая множество дистилляционных колонн, соединенных в каскад, используется в качестве первого дистилляционного устройства.

Кроме того, изобретение также предлагает (4) способ обогащения изотопа кислорода в соответствии с любым из (1)-(3), в котором на стадии получения оксида азота, вторая группа дистилляционных колонн, содержащая множество дистилляционных колонн, соединенных в каскад, используется в качестве второго дистилляционного устройства.

Кроме того, изобретение также предлагает (5) способ обогащения изотопа кислорода, который включает в себя стадию получения воды, первично обогащенной молекулами воды, содержащими изотоп кислорода, с помощью дистилляции сырьевой воды при использовании первого дистилляционного устройства, стадию получения оксида азота, отводимого при дистилляции сырья оксида азота, при использовании второго дистилляционного устройства, и стадию осуществления реакции химического обмена между первично обогащенной водой и отведенным оксидом азота, в результате которой получают оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопа кислорода, и воду, имеющую пониженную концентрацию изотопа кислорода, причем оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопа кислорода, подается во второе дистилляционное устройство, и вода, имеющая пониженную концентрацию изотопа кислорода, возвращается в первое дистилляционное устройство.

Кроме того, изобретение также предлагает (6) способ обогащения изотопа кислорода в соответствии с (5), в котором на стадии получения воды, первично обогащенной молекулами воды, содержащими изотоп кислорода, первая группа дистилляционных колонн, содержащая множество дистилляционных колонн, соединенных в каскад, используется в качестве первого дистилляционного устройства.

Кроме того, изобретение также предлагает (7) способ обогащения изотопа кислорода в соответствии с (5) или (6), в котором на стадии получения оксида азота вторая группа дистилляционных колонн, содержащая множество дистилляционных колонн, соединенных в каскад, используется в качестве второго дистилляционного устройства.

Результаты изобретения

В способе обогащения изотопа кислорода в соответствии с изобретением, с помощью подвергания кислорода, первично обогащенного целевым изотопом кислорода путем дистилляции кислорода, гидрогенизации с образованием воды, подвергания этой воды реакции химического обмена с оксидом азота, имеющим пониженную концентрацию изотопа кислорода, полученным путем дистилляции оксида азота, и затем возвращения образованного в результате оксида азота, имеющего повышенную концентрацию изотопа кислорода, в устройство дистилляции оксида азота, оксид азота, обогащенный целевым изотопом кислорода, может быть получен в большом количестве без необходимости регулярного восполнения больших количеств сырья оксида азота и без уменьшения эффективности отделения, при одновременном уменьшении удерживаемого объема жидкого оксида азота по сравнению со случаем, когда все обогащение осуществляется с помощью дистилляции оксида азота.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена схема, иллюстрирующая основную конфигурацию установки изотопного обогащения кислорода, используемой для осуществления способа обогащения изотопа кислорода в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения.

На фиг. 2 представлена схема, иллюстрирующая основную конфигурацию установки изотопного обогащения кислорода, используемой для осуществления способа обогащения изотопа кислорода в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

Варианты осуществления изобретения будут подробно описаны ниже со ссылкой на чертежи. Чертежи, используемые в нижеследующем описании, используются только для объяснения конфигураций вариантов осуществления изобретения, и величина, ширина и геометрические параметры и тому подобное различных показанных устройств и блоков могут отличаться от соотношений размеров, имеющихся в реальной установке изотопного обогащения кислорода.

Сначала дается описание принципов и результатов изобретения.

В изобретении вода, содержащая обогащенный изотоп кислорода ¹⁸O и/или ¹⁷O, и газообразный NO (оксид азота), имеющий более низкую концентрацию ¹⁸O и/или ¹⁷О по сравнению с указанной водой, приводятся в газожидкостный контакт для осуществления реакции химического обмена атомов кислорода.

В изобретении термин «химический обмен» означает осуществление изотопного обмена атомов кислорода (О) между различными химическими веществами, например, в результате приведения Н₂О и NO в газожидкостный контакт.

В воде реакция обмена изотопов кислорода происходит быстро.

Оксид азота, имеющий пониженную концентрацию ¹⁸O, отводимый при дистилляции NO (а именно, дистилляции, использующей оксид азота в качестве сырья), и Н₂ ¹⁸О (жидкость), которая была первично обогащена при дистилляции воды (дистилляции, использующей воду в качестве сырья) или дистилляции кислорода (дистилляции, использующей кислород в качестве сырья), приводятся в газожидкостный контакт. Оксид азота, содержащий повышенное количество ¹⁸O, полученный в результате контакта с первично обогащенной Н₂ ¹⁸О, возвращают на дистилляцию NO. Аналогичная реакция обмена может осуществляться и в случае ¹⁷О.

В изобретении термин «первично обогащенный» относится к обогащению изотопа кислорода на несколько процентов от естественного относительного содержания.

В изобретении с помощью осуществления описанного выше процесса отделения изотопа кислорода, а именно процесса, представленного [дистилляцией воды (или дистилляцией кислорода) ↔ реакцией химического обмена ↔ NO дистилляцией], большое количество изотопа кислорода может быть получено при небольшом удерживаемом объеме жидкого NO, без снижения эффективности отделения изотопа кислорода.

Кроме того, с помощью включения стадии реакции химического обмена изотопов в процесс отделения изотопа кислорода, только оксид азота, извлеченный в качестве продукта дистилляции NO, должен быть восполнен (небольшим поступлением оксида азота).

В результате, хотя для получения большого количества целевого изотопа кислорода и необходимо дистиллировать большое количество сырья оксида азота, отсутствует необходимость в регулярной подготовке больших количеств оксида азота (сырья). Соответственно можно гарантировать большую безопасность.

(Первый вариант осуществления)

На фиг. 1 представлена схема, иллюстрирующая основную конфигурацию установки изотопного обогащения кислорода, используемой для осуществления способа обогащения изотопа кислорода в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения.

Сначала приводится описание со ссылкой на фиг. 1 установки 10 изотопного обогащения кислорода, используемой для осуществления способа обогащения изотопа кислорода в соответствии с первым вариантом осуществления.

Установка 10 изотопного обогащения кислорода первого варианта осуществления содержит первое дистилляционное устройство 11, второе дистилляционное устройство 12, блок 14 гидрогенизации, блок 15 расщепления воды, колонну 16 химического обмена, блок 17 удаления воды, возвратный трубопровод 18 кислорода, возвратный трубопровод 19 воды и трубопровод 20 подачи воды.

Первое дистилляционное устройство 11 представляет собой устройство, которое осуществляет дистилляцию, используя кислород (О₂) в качестве сырья, и содержит первую группу 21 дистилляционных колонн, первый конденсатор 23, первый испаритель 24, второй конденсатор 26, второй испаритель 27, третий конденсатор 29, третий испаритель 31, трубопроводы 34, 42 и 49 головного газа, возвратные трубопроводы 35, 45 и 52 жидкости, трубопроводы 39, 46 и 54 подачи газа и трубопроводы 43 и 51 для жидкости.

Первая группа 21 дистилляционных колонн образована из первой, второй и третьей дистилляционных колонн 21А, 21В и 21С, соединенных в каскад. Каскадное соединение описывает конструкцию, в которой первая, вторая и третья дистилляционные колонны 21А, 21В и 21С соединены последовательно.

Для непрерывного концентрирования определенного компонента в сырье первая группа 21 дистилляционных колонн концентрирует определенный компонент, который был сконцентрирован в первой дистилляционной колонне 21А, во второй дистилляционной колонне 21В, и затем дополнительно концентрирует этот определенный компонент, который был сконцентрирован во второй дистилляционной колонне 21В, в третьей дистилляционной колонне 21С. Этот единичный непрерывный процесс дистилляции называется каскадным процессом.

В первой дистилляционной колонне 21А, которая снабжается кислородным сырьем (О₂), концентрация изотопа является низкой, и, следовательно, должно быть обработано большое количество кислорода. Концентрация изотопа повышается в результате операции дистилляции, и, следовательно, количество кислорода, обрабатываемое в каждой колонне, последовательно снижается для второй дистилляционной колонны 21В и третьей дистилляционной колонны 21С.

Соответственно диаметр первой дистилляционной колонны 21А является наибольшим, и диаметр третьей дистилляционной колонны 21С является наименьшим.

На фиг. 1 случай, в котором первая группа 21 дистилляционных колонн образована из трех дистилляционных колонн (первой, второй и третьей дистилляционных колонн 21А, 21В и 21С), описан в качестве одного из примеров первой группы 21 дистилляционных колонн, но число дистилляционных колонн в пределах первой группы 21 дистилляционных колонн не ограничивается тремя.

Первый конденсатор 23 предусмотрен в трубопроводе 34 головного газа, который соединен с головной частью первой дистилляционной колонны 21А и используется для транспортировки газа. Первый конденсатор 23 также соединен с возвратным трубопроводом 35 жидкости.

Первый конденсатор 23 содержит канал, через который циркулирует теплопередающая текучая среда. Первый конденсатор 23 осуществляет теплообмен между газом, извлеченным из головной части первой дистилляционной колонны 21А, и теплопередающей текучей средой, тем самым охлаждая и сжижая газ. Сжиженная конденсированная жидкость проходит через возвратный трубопровод 35 жидкости и возвращается в верхнюю часть первой дистилляционной колонны 21А.

Первый испаритель 24 предусмотрен в трубопроводе 39 подачи газа, который соединяет донную часть первой дистилляционной колонны 21А и верхнюю часть второй дистилляционной колонны 21В. Первый испаритель 24 содержит канал, через который циркулирует теплопередающая текучая среда.

Первый испаритель 24 осуществляет теплообмен между жидкостью, извлеченной из донной части первой дистилляционной колонны 21А, и теплопередающей текучей средой, тем самым нагревая и испаряя жидкость в операции дистилляции. В результате ¹⁸О и ¹⁷О обогащаются в донной части первой дистилляционной колонны 21А.

Если установка 10 изотопного обогащения кислорода содержит множество дистилляционных колонн (в частности первую, вторую и третью дистилляционные колонны 21А, 21В и 21С), как показано на фиг. 1, обогащение ¹⁸O и ¹⁷O на данной стадии (после первого обогащения) все еще является неудовлетворительным.

Кислород, обогащенный ¹⁸О и ¹⁷О, проходит по трубопроводу 39 подачи газа и подается в верхнюю часть второй дистилляционной колонны 21В.

Второй конденсатор 26 предусмотрен в трубопроводе 42 головного газа, который соединен с головной частью второй дистилляционной колонны 21В и используется для транспортировки газа. Второй конденсатор 26 также соединен с трубопроводом 43 жидкости.

Возвратный трубопровод 45 жидкости ответвляется от трубопровода 43 жидкости и соединен с верхней частью второй дистилляционной колонны 21В.

Второй конденсатор 26 содержит канал, через который циркулирует теплопередающая текучая среда. Второй конденсатор 26 осуществляет теплообмен между газом, извлеченным из головной части второй дистилляционной колонны 21В, и теплопередающей текучей средой, тем самым охлаждая и сжижая газ. Сжиженная конденсированная жидкость проходит через трубопровод 43 жидкости и возвратный трубопровод 45 жидкости и возвращается в верхнюю часть второй дистилляционной колонны 21В.

Второй испаритель 27 предусмотрен в трубопроводе 46 подачи газа, который соединяет донную часть второй дистилляционной колонны 21В и верхнюю часть третьей дистилляционной колонны 21С. Второй испаритель 27 содержит канал, через который циркулирует теплопередающая текучая среда.

Второй испаритель 27 осуществляет теплообмен между жидкостью, извлеченной из донной части второй дистилляционной колонны 21В, и теплопередающей текучей средой, тем самым нагревая и испаряя жидкость, и образуя поднимающийся газ. В результате ¹⁸О и ¹⁷О обогащаются.

На данной стадии (второе обогащение) ¹⁸О и ¹⁷О обогащаются дополнительно, свыше уровня, достигнутого при первом обогащении. Кислород, содержащий обогащенные ¹⁸О и ¹⁷О, проходит по трубопроводу 46 подачи газа и подается в верхнюю часть третьей дистилляционной колонны 21С.

Третий конденсатор 29 предусмотрен в трубопроводе 49 головного газа, который соединен с головной частью третьей дистилляционной колонны 21С и используется для транспортировки газа. Третий конденсатор 29 также соединен с трубопроводом 51 жидкости.

Возвратный трубопровод 52 жидкости ответвляется от трубопровода 51 жидкости и соединен с верхней частью третьей дистилляционной колонны 21С.

Третий конденсатор 29 содержит канал, через который циркулирует теплопередающая текучая среда. Третий конденсатор 29 осуществляет теплообмен между газом, извлеченным из головной части третьей дистилляционной колонны 21С, и теплопередающей текучей средой, тем самым охлаждая и сжижая газ. Сжиженная конденсированная жидкость проходит через трубопровод 51 жидкости и возвратный трубопровод 52 жидкости и возвращается в верхнюю часть третьей дистилляционной колонны 21С.

Третий испаритель 31 предусмотрен в трубопроводе 54 подачи газа, который соединяет донную часть третьей дистилляционной колонны 21С и блок 14 гидрогенизации. Третий испаритель 31 содержит канал, через который циркулирует теплопередающая текучая среда.

Третий испаритель 31 осуществляет теплообмен между жидкостью, извлеченной из донной части третьей дистилляционной колонны 21С, и теплопередающей текучей средой, тем самым нагревая и испаряя жидкость, и образуя поднимающийся газ, обогащенный ¹⁸О и ¹⁷O.

На данной стадии (третье обогащение) ¹⁸O и ¹⁷O обогащаются дополнительно, свыше уровня, достигнутого при втором обогащении. Кислород, содержащий первично обогащенные ¹⁸О и ¹⁷О, проходит по трубопроводу 54 подачи газа и подается в блок 14 гидрогенизации.

Когда дистилляция кислорода осуществляется при помощи первого дистилляционного устройства 11 описанной выше конфигурации, отработанный компонент W₁ отводится из головной части первой дистилляционной колонны 21А.

Второе дистилляционное устройство 12 представляет собой устройство, которое осуществляет дистилляцию, используя оксид азота (NO) в качестве сырья, и содержит вторую группу 61 дистилляционных колонн, теплообменник 63, возвратный трубопровод 64 газа, трубопровод 66 подачи сырья, четвертый конденсатор 68, четвертый испаритель 69, пятый конденсатор 72, пятый испаритель 73, трубопроводы 75 и 83 головного газа, возвратные трубопроводы 77 и 86 жидкости, трубопровод 81 подачи жидкости в четвертый испаритель 69, трубопровод 84 жидкости и трубопровод 88 подачи жидкости в пятый испаритель 73.

Вторая группа 61 дистилляционных колонн образована из четвертой и пятой дистилляционных колонн 61А и 61В, соединенных в каскад. Иными словами, для непрерывного концентрирования определенного компонента в сырье вторая группа 61 дистилляционных колонн концентрирует определенный компонент, который был сконцентрирован в четвертой дистилляционной колонне 61А, в пятой дистилляционной колонне 61В.

Четвертая дистилляционная колонна 61А, в которую подается сырье оксида азота (NO), имеет большую дистилляционную нагрузку, чем пятая дистилляционная колонна 61В. Соответственно диаметр четвертой дистилляционной колонны 61А больше, чем диаметр пятой дистилляционной колонны 61В.

На фиг. 1 случай, в котором вторая группа 61 дистилляционных колонн образована из двух дистилляционных колонн (в данном случае, четвертой и пятой дистилляционных колонн 61А и 61В), описан в качестве одного из примеров второй группы 61 дистилляционных колонн, но число дистилляционных колонн во второй группе 61 дистилляционных колонн не ограничивается двумя.

Теплообменник 63 осуществляет теплообмен с отходящим газом, тем самым изменяя температуру газа нормальной температуры в колонне 16 химического обмена до температуры, близкой к температуре внутри четвертой дистилляционной колонны 61А (например, низкой температуры приблизительно 120 K перед введением указанного газа в дистилляционную колонну 61А).

Возвратный трубопровод 64 газа представляет собой трубопровод, по которому подается сырье оксида азота (NO), и также служит в качестве трубопровода для подачи отходящего газа оксида азота, образовавшегося при дистилляции оксида азота, в донную часть колонны 16 химического обмена.

Один конец трубопровода 66 подачи сырья соединен с головной частью колонны 16 химического обмена, а другой конец соединен с верхней частью четвертой дистилляционной колонны 61А. Трубопровод 66 подачи сырья подает оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸О и ¹⁷О) в четвертую дистилляционную колонну 61А, которая является частью второго дистилляционного устройства 12.

Четвертый конденсатор 68 предусмотрен в трубопроводе 75 головного газа, который соединен с головной частью четвертой дистилляционной колонны 61А и используется для транспортировки газа. Четвертый конденсатор 68 также соединен с возвратным трубопроводом 77 жидкости.

Четвертый конденсатор 68 содержит канал, через который циркулирует теплопередающая текучая среда. Четвертый конденсатор 68 осуществляет теплообмен между газом, извлеченным из головной части четвертой дистилляционной колонны 61А, и теплопередающей текучей средой, тем самым охлаждая и сжижая газ. Сжиженная конденсированная жидкость проходит через возвратный трубопровод 77 жидкости и возвращается в верхнюю часть четвертой дистилляционной колонны 61А.

Четвертый испаритель 69 предусмотрен в трубопроводе 81 подачи газа, который соединяет донную часть четвертой дистилляционной колонны 61А и верхнюю часть пятой дистилляционной колонны 61В. Четвертый испаритель 69 содержит канал, через который циркулирует теплопередающая текучая среда.

Четвертый испаритель 69 осуществляет теплообмен между жидкостью, извлеченной из донной части четвертой дистилляционной колонны 61А, и теплопередающей текучей средой, тем самым нагревая и испаряя жидкость и образуя поднимающийся газ. В результате концентрация изотопов кислорода (¹⁸O и/или ¹⁷O) обогащается в донной части четвертой дистилляционной колонны 61А.

Оксид азота (NO), содержащий обогащенные изотопы (¹⁸O и/или ¹⁷O), проходит по трубопроводу 81 подачи газа и подается в верхнюю часть пятой дистилляционной колонны 61В.

Пятый конденсатор 72 предусмотрен в трубопроводе 83 головного газа, который соединен с головной частью пятой дистилляционной колонны 61В и используется для транспортировки газа. Пятый конденсатор 72 также соединен с трубопроводом 84 жидкости.

Возвратный трубопровод 86 жидкости ответвляется от трубопровода 84 жидкости и соединен с верхней частью пятой дистилляционной колонны 61В.

Пятый конденсатор 72 содержит канал, через который циркулирует теплопередающая текучая среда. Пятый конденсатор 72 осуществляет теплообмен между газом, извлеченным из головной части пятой дистилляционной колонны 61В, и теплопередающей текучей средой, тем самым охлаждая и сжижая газ. Сжиженная конденсированная жидкость проходит через трубопровод 84 жидкости и возвратный трубопровод 86 жидкости и возвращается в верхнюю часть пятой дистилляционной колонны 61В.

Пятый испаритель 73 предусмотрен в трубопроводе 88 подачи газа, соединенном с донной частью пятой дистилляционной колонны 61В. Пятый испаритель 73 содержит канал, через который циркулирует теплопередающая текучая среда.

Пятый испаритель 73 осуществляет теплообмен между жидкостью, извлеченной из донной части пятой дистилляционной колонны 61В, и теплопередающей текучей средой, тем самым нагревая и испаряя жидкость и образуя поднимающийся газ. В результате продукт оксида азота (N¹⁸O и/или N¹⁷O (газ)) обогащается.

Блок 14 гидрогенизации соединен с верхней частью колонны 16 химического обмена через трубопровод 20 подачи воды.

В блоке 14 гидрогенизации водород добавляется по трубопроводу 54 подачи газа к кислороду, содержащему первично обогащенные изотопы кислорода (¹⁸О и ¹⁷О), и происходит реакция с образованием воды.

В блоке 14 гидрогенизации вода может быть получена, например, с помощью использования водородного топливного элемента для реакции водорода с кислородом, содержащим первично обогащенные изотопы кислорода. Образующаяся в результате вода проходит по трубопроводу 20 подачи воды и поступает в верхнюю часть колонны 16 химического обмена.

Блок 15 расщепления воды соединен с возвратным трубопроводом 18 кислорода и возвратным трубопроводом 19 воды. Вода, в которой концентрация изотопов кислорода (¹⁸О и ¹⁷О) понижена, подается в блок 15 расщепления воды из донной части колонны 16 химического обмена через возвратный трубопровод 19 воды.

В блоке 15 расщепления воды вода, имеющая пониженную концентрацию изотопа кислорода, подвергается электролизу. При этом электролиз воды, имеющей пониженную концентрацию изотопа кислорода, осуществляется с использованием электричества, выработанного при помощи водородного топливного элемента в блоке 14 гидрогенизации.

Блок 15 расщепления воды подает кислород, полученный в результате электролиза воды, имеющей пониженную концентрацию изотопа кислорода, через возвратный трубопровод 18 кислорода в третью дистилляционную колонну 21С первого дистилляционного устройства 11.

Колонна 16 химического обмена расположена между первым дистилляционным устройством 11 и вторым дистилляционным устройством 12. Головная часть колонны 16 химического обмена соединена с трубопроводом 66 подачи газового сырья. Верхняя часть колонны 16 химического обмена соединена с трубопроводом 20 подачи воды. Донная часть колонны 16 химического обмена соединена с возвратным трубопроводом 64 газа.

Вода подается в колонну 16 химического обмена через трубопровод 20 подачи воды, и оксид азота, отведенный из второго дистилляционного устройства 12, подается в колонну 16 химического обмена через возвратный трубопровод 64 газа.

В колонне 16 химического обмена вода, поданная через трубопровод 20 подачи воды, и оксид азота, отведенный из второго дистилляционного устройства 12, подвергаются химическому обмену, тем самым образуя оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸O и ¹⁷O), и воду, имеющую пониженную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸O и ¹⁷O).

Блок 17 удаления воды предусмотрен в трубопроводе 66 подачи сырья, расположенном между колонной 16 химического обмена и теплообменником 63. Блок 17 удаления воды служит для удаления влаги, содержащейся в газообразном оксиде азота после химического обмена.

Один конец возвратного трубопровода 18 кислорода соединен с блоком 15 расщепления воды, а другой конец соединен с нижней частью третьей дистилляционной колонны 21С, которая является частью первого дистилляционного устройства 11.

Возвратный трубопровод 18 кислорода возвращает кислород, выделенный из воды блоком 15 расщепления воды (в частности, кислород, полученный электролизом воды, имеющей пониженную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸O и ¹⁷O)), в первое дистилляционное устройство 11.

Один конец возвратного трубопровода 19 воды соединен с донной частью колонны 16 химического обмена, а другой конец соединен с донной частью блока 15 расщепления воды. Возвратный трубопровод 19 воды отводит воду, имеющую пониженную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸O и ¹⁷O) из донной части колонны 16 химического обмена, и подает эту воду в донную часть блока 15 расщепления воды.

Один конец трубопровода 20 подачи воды соединен с блоком 14 гидрогенизации, а другой конец соединен с верхней частью колонны 16 химического обмена. Трубопровод 20 подачи воды представляет собой трубопровод, который используется для подачи воды, образованной в блоке 14 гидрогенизации, в верхнюю часть колонны 16 химического обмена.

В установке 10 изотопного обогащения кислорода, имеющей описанную выше конструкцию, продукт N¹⁷O извлекается из средней части пятой дистилляционной колонны 61В, и продукт N¹⁸O извлекается из донной части пятой дистилляционной колонны 61В.

На фиг. 1 трубопровод для извлечения N¹⁸O проиллюстрирован в качестве примера.

Далее приводится описание со ссылкой на фиг. 1 способа обогащения изотопа кислорода в соответствии с первым вариантом осуществления, при использовании установки 10 изотопного обогащения кислорода, проиллюстрированной на фиг. 1.

Во-первых, с помощью первого дистилляционного устройства 11 кислородное сырье дистиллируется с получением кислорода, содержащего первично обогащенные изотопы кислорода (¹⁸О и ¹⁷О).

В частности, кислородное сырье подается в первую дистилляционную колонну 21А, и с помощью первой группы 21 дистилляционных колонн, в которой первая, вторая и третья дистилляционные колонны 21А, 21В и 21С соединены в каскад, кислородное сырье дистиллируется. В результате получают кислород, содержащий первично обогащенные изотопы кислорода. Этот кислород, содержащий первично обогащенные изотопы кислорода, подают в блок 14 гидрогенизации.

После этого в блоке 14 гидрогенизации, водород добавляют к кислороду, содержащему первично обогащенные изотопы кислорода, с получением воды.

При этом вода может быть получена в блоке 14 гидрогенизации, например, с помощью использования водородного топливного элемента для реакции водорода с кислородом, содержащим первично обогащенные изотопы кислорода (¹⁸О и ¹⁷О). Электричество, вырабатываемое при использовании водородного топливного элемента для реакции водорода с кислородом, содержащим первично обогащенные изотопы кислорода, может использоваться в качестве электричества, необходимого в блоке 15 расщепления воды при осуществлении электролиза воды, имеющей пониженную концентрацию изотопов кислорода.

Воду, образованную в блоке 14 гидрогенизации, подают по трубопроводу 20 подачи воды в верхнюю часть колонны 16 химического обмена.

Затем с помощью дистилляции сырья оксида азота с помощью второго дистилляционного устройства 12 получают продукт оксидов азота (в частности, N¹⁷O и N¹⁸O).

В частности, сырье оксида азота подают в четвертую дистилляционную колонну 61А, и оксид азота дистиллируется с помощью второй группы 61 дистилляционных колонн, в которой четвертая и пятая дистилляционные колонны 61А и 61В соединены в каскад.

Оксид азота, отведенный из второго дистилляционного устройства 12, подают в донную часть колонны 16 химического обмена.

Затем с помощью осуществления химического обмена в колонне 16 химического обмена между водой, поданной по трубопроводу 20 подачи воды, и оксидом азота, отведенным из второго дистилляционного устройства 12, получают оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸O и ¹⁷O), и воду, имеющую пониженную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸О и ¹⁷О).

Указанный выше термин «химический обмен» означает осуществление изотопного обмена атомов кислорода (О) между различными химическими веществами, например, в результате приведения Н₂О и NO в газожидкостный контакт.

После этого оксид азота, полученный в колонне 16 химического обмена, имеющий повышенную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸O и ¹⁷O), подают в верхнюю часть четвертой дистилляционной колонны 61А через блок 17 удаления воды, теплообменник 63 и трубопровод 66 подачи сырья.

Кроме того, воду, полученную в колонне 16 химического обмена, имеющую пониженную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸O и ¹⁷O), подают в донную часть блока 15 расщепления воды через возвратный трубопровод 19 воды.

Затем воду, имеющую пониженную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸O и ¹⁷O) подвергают электролизу в блоке 15 расщепления воды. При этом электричество, выработанное с помощью водородного топливного элемента в блоке 14 гидрогенизации, используется для осуществления электролиза воды, имеющей пониженную концентрацию изотопов кислорода

Блок 15 расщепления воды подает кислород, полученный в результате электролиза воды, имеющей пониженную концентрацию изотопов кислорода, в третью дистилляционную колонну 21С первого дистилляционного устройства 11 через возвратный трубопровод 18 кислорода.

Способ обогащения изотопа кислорода в соответствии с первым вариантом осуществления включает стадию получения кислорода, содержащего первично обогащенные изотопы кислорода (¹⁸O и ¹⁷O), с помощью дистилляции кислородного сырья при использовании первого дистилляционного устройства 11, стадию получения воды с помощью добавления водорода к кислороду, содержащему первично обогащенные изотопы кислорода (¹⁸O и ¹⁷O), стадию получения оксида азота, отводимого при дистилляции сырья оксида азота при использовании второго дистилляционного устройства, и который имеет пониженную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸O и ¹⁷O), и стадию получения оксида азота и воды с помощью осуществления химического обмена между указанной выше водой и отведенным оксидом азота, в результате которой получают оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопов кислорода, и воду, имеющую пониженную концентрацию изотопов кислорода, причем подача оксида азота, имеющего повышенную концентрацию изотопов кислорода, во второе дистилляционное устройство 12, и возвращение кислорода, полученного при электролизе воды, имеющей пониженную концентрацию изотопов кислорода, в первое дистилляционное устройство 11 означает, что при дистилляции большого количества сырья оксида азота можно получить большое количество изотопов кислорода без необходимости регулярного восполнения больших количеств сырья оксида азота и при небольшом удерживаемом объеме жидкого NO, без снижения эффективности разделения изотопов кислорода.

(Второй вариант осуществления)

На фиг. 2 представлена схема, иллюстрирующая основную конфигурацию установки изотопного обогащения кислорода, используемой для осуществления способа обогащения изотопа кислорода в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения. На фиг. 2 те компоненты конструкции, которые являются аналогичными компонентам конструкции установки 10 изотопного обогащения кислорода первого варианта осуществления, проиллюстрированной на фиг. 1, обозначены теми же самыми ссылочными позициями.

Сначала, со ссылкой на фиг. 2, приводится описание установки 100 изотопного обогащения кислорода, используемой для осуществления способа обогащения изотопами кислорода в соответствии со вторым вариантом осуществления.

За исключением оснащения установки 100 изотопного обогащения кислорода второго варианта осуществления первым дистилляционным устройством 101 вместо первого дистилляционного устройства 11, предусмотренного в установке 10 изотопного обогащения кислорода первого варианта осуществления, а также за исключением блока 14 гидрогенизации, блока 15 расщепления воды, возвратного трубопровода 18 кислорода и трубопровода 20 подачи воды, которые являются частью установки 10 изотопного обогащения кислорода, и обеспечения дополнительного возвратного трубопровода 103 воды, установка 100 изотопного обогащения кислорода второго варианта осуществления сконструирована таким же образом, как и установка 10 изотопного обогащения кислорода.

Первое дистилляционное устройство 101 представляет собой устройство, которое осуществляет дистилляцию, используя воду (Н₂О) в качестве сырья, и содержит первую группу 105 дистилляционных колонн, первый конденсатор 108, первый испаритель 109, второй конденсатор 112, второй испаритель 113, третий конденсатор 115, третий испаритель 116, трубопроводы 118, 125 и 132 головного газа, возвратные трубопроводы 119, 128 и 135 жидкости, трубопроводы 123, 129 и 136 подачи газа и трубопроводы 126 и 133 для жидкости.

Первая группа 105 дистилляционных колонн образована из первой, второй и третьей дистилляционных колонн 105А, 105В и 105С, соединенных в каскад. Для непрерывного концентрирования определенного компонента в сырье первая группа 105 дистилляционных колонн концентрирует определенный компонент, который был сконцентрирован в первой дистилляционной колонне 105А, во второй дистилляционной колонне 105В, и затем дополнительно концентрирует этот определенный компонент, который был сконцентрирован во второй дистилляционной колонне 105В, в третьей дистилляционной колонне 105С.

В первой дистилляционной колонне 105А, которая снабжается сырьевой водой (Н₂О), концентрация изотопа является низкой, и, следовательно, должно быть обработано большое количество воды. Концентрация изотопа повышается в результате операции дистилляции, и, следовательно, количество воды, обрабатываемое в каждой колонне, последовательно снижается для второй дистилляционной колонны 105В и третьей дистилляционной колонны 105С. Соответственно диаметр первой дистилляционной колонны 105А является наибольшим, а диаметр третьей дистилляционной колонны 105С является наименьшим.

На фиг. 2 случай, в котором первая группа 105 дистилляционных колонн образована из трех дистилляционных колонн (первой, второй и третьей дистилляционных колонн 105А, 105В и 105С), описан в качестве одного из примеров первой группы 105 дистилляционных колонн, но число дистилляционных колонн в первой группе 105 дистилляционных колонн не ограничивается тремя.

Первый конденсатор 108 предусмотрен в трубопроводе 118 головного газа, который соединен с головной частью первой дистилляционной колонны 105А и используется для транспортировки газа. Первый конденсатор 108 также соединен с возвратным трубопроводом 119 жидкости.

Первый конденсатор 108 содержит канал, через который циркулирует теплопередающая текучая среда. Первый конденсатор 108 осуществляет теплообмен между газом, извлеченным из головной части первой дистилляционной колонны 105А, и теплопередающей текучей средой, тем самым охлаждая и сжижая газ. Сжиженная конденсированная жидкость проходит через возвратный трубопровод 119 жидкости и возвращается в верхнюю часть первой дистилляционной колонны 105А.

Первый испаритель 109 предусмотрен в трубопроводе 123 подачи газа, который соединяет донную часть первой дистилляционной колонны 105А и верхнюю часть второй дистилляционной колонны 105В. Первый испаритель 109 содержит канал, через который циркулирует теплопередающая текучая среда.

Первый испаритель 109 осуществляет теплообмен между жидкостью, извлеченной из донной части первой дистилляционной колонны 105А, и теплопередающей текучей средой, тем самым нагревая и испаряя жидкость с получением воды, содержащей обогащенные ¹⁸O и ¹⁷O. На данной стадии (первого обогащения) обогащение ¹⁸O и ¹⁷O все еще является неудовлетворительным. Эта вода, содержащая обогащенные ¹⁸О и ¹⁷О, проходит по трубопроводу 123 подачи газа и подается в верхнюю часть второй дистилляционной колонны 105В.

Второй конденсатор 112 предусмотрен в трубопроводе 125 головного газа, который соединен с головной частью второй дистилляционной колонны 105В и используется для транспортировки газа. Второй конденсатор 112 также соединен с трубопроводом 126 жидкости. Возвратный трубопровод 128 жидкости ответвляется от трубопровода 126 жидкости и соединен с верхней частью второй дистилляционной колонны 105В.

Второй конденсатор 112 содержит канал, через который циркулирует теплопередающая текучая среда. Второй конденсатор 112 осуществляет теплообмен между газом, извлеченным из головной части второй дистилляционной колонны 105В, и теплопередающей текучей средой, тем самым охлаждая и сжижая газ. Сжиженная конденсированная жидкость проходит через трубопровод 126 жидкости и возвратный трубопровод 128 жидкости и возвращается в верхнюю часть второй дистилляционной колонны 105В.

Второй испаритель 113 предусмотрен в трубопроводе 129 подачи газа, который соединяет донную часть второй дистилляционной колонны 105В и верхнюю часть третьей дистилляционной колонны 105С. Второй испаритель 113 содержит канал, через который циркулирует теплопередающая текучая среда.

Второй испаритель 113 осуществляет теплообмен между жидкостью, извлеченной из донной части второй дистилляционной колонны 105В, и теплопередающей текучей средой, тем самым нагревая и испаряя жидкость с получением воды, содержащей обогащенные ¹⁸О и ¹⁷О. На данной стадии (второе обогащение) ¹⁸О и ¹⁷О обогащаются дополнительно, свыше уровня, достигнутого при первом обогащении. Вода, содержащая обогащенные ¹⁸О и ¹⁷О, проходит по трубопроводу 129 подачи газа и подается в верхнюю часть третьей дистилляционной колонны 105С.

Третий конденсатор 115 предусмотрен в трубопроводе 132 головного газа, который соединен с головной частью третьей дистилляционной колонны 105С и используется для транспортировки газа. Третий конденсатор 115 также соединен с трубопроводом 133 жидкости. Возвратный трубопровод 135 жидкости ответвляется от трубопровода 133 жидкости и соединен с верхней частью третьей дистилляционной колонны 105С.

Третий конденсатор 115 содержит канал, через который циркулирует теплопередающая текучая среда. Третий конденсатор 115 осуществляет теплообмен между газом, извлеченным из головной части третьей дистилляционной колонны 105С, и теплопередающей текучей средой, тем самым охлаждая и сжижая газ. Сжиженная конденсированная жидкость проходит через трубопровод 133 жидкости и возвратный трубопровод 135 жидкости и возвращается в верхнюю часть третьей дистилляционной колонны 105С.

Третий испаритель 116 предусмотрен в трубопроводе 136 подачи газа, который соединяет донную часть третьей дистилляционной колонны 105С и колонну 16 химического обмена. Третий испаритель 116 содержит канал, через который циркулирует теплопередающая текучая среда.

Третий испаритель 116 осуществляет теплообмен между жидкостью, извлеченной из донной части третьей дистилляционной колонны 105С, и теплопередающей текучей средой, тем самым нагревая и испаряя жидкость с получением воды, содержащей обогащенные ¹⁸O и ¹⁷O. На данной стадии (третье обогащение) ¹⁸O и ¹⁷O обогащаются дополнительно, свыше уровня, достигнутого при втором обогащении. Вода, содержащая обогащенные ¹⁸О и ¹⁷О, проходит по трубопроводу 136 подачи газа и подается в колонну 16 химического обмена.

Когда дистилляция воды осуществляется при помощи первого дистилляционного устройства 101 описанной выше конфигурации, отработанный компонент W₂ отводится из головной части первой дистилляционной колонны 105А.

Один конец возвратного трубопровода 103 воды соединен с донной частью колонны 16 химического обмена, а другой конец соединен с нижней частью третьей дистилляционной колонны 105С. Возвратный трубопровод 103 воды отводит воду, имеющую пониженную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸O и ¹⁷O) из донной части колонны 16 химического обмена, и подает эту воду, имеющую пониженную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸O и ¹⁷O) в нижнюю часть третьей дистилляционной колонны 105С.

В установке 100 изотопного обогащения кислорода второго варианта осуществления, имеющей описанную выше конфигурацию, вода может подвергаться химическому обмену непосредственно, и таким образом блок 14 гидрогенизации и блок 15 расщепления воды, которые требовались в установке 10 изотопного обогащения кислорода первого варианта осуществления, являются ненужными.

Соответственно установка 100 изотопного обогащения кислорода второго варианта осуществления может иметь более простую конструкцию, чем установка 10 изотопного обогащения кислорода первого варианта осуществления.

Концентрация изотопов кислорода (¹⁸O и ¹⁷O) в оксиде азота, подаваемом во второе дистилляционное устройство 12, является, по существу, такой же, как и концентрация в первом варианте осуществления.

Поскольку относительные летучести изотопов воды и относительные летучести изотопов кислорода (например, H₂ ¹⁸O/H₂ ¹⁶O и ¹⁶O¹⁸O/¹⁶O¹⁶O) являются почти одинаковыми, концентрация изотопов кислорода в воде, подаваемой в колонну 16 химического обмена, является, по существу, такой же, как и концентрация изотопов кислорода в воде в первом варианте осуществления, полученной с помощью добавления водорода к кислороду, извлеченному из первого дистилляционного устройства 11.

Далее приводится описание со ссылкой на фиг. 2 способа обогащения изотопа кислорода в соответствии со вторым вариантом осуществления, при использовании установки 100 изотопного обогащения кислорода, проиллюстрированной на фиг. 2.

Во-первых, с помощью первого дистилляционного устройства 101 сырьевую воду дистиллируют с получением воды, содержащей первично обогащенные изотопы кислорода (¹⁸О и ¹⁷О).

В частности, сырьевую воду подают в первую дистилляционную колонну 105А, и с помощью первой группы 105 дистилляционных колонн, в которой первая, вторая и третья дистилляционные колонны 105А, 105В и 105С соединены в каскад, сырьевая вода дистиллируется. В результате, получают воду, содержащую первично обогащенные изотопы кислорода. Эту воду, имеющую первично обогащенные изотопы кислорода, подают в верхнюю часть колонны 16 химического обмена через трубопровод 136 подачи газа.

Затем с помощью дистилляции сырья оксида азота при использовании второго дистилляционного устройства 12 получают продукт оксидов азота (в частности, N¹⁷O и N¹⁸O).

В частности, сырье оксида азота подают в четвертую дистилляционную колонну 61А, и сырье оксида азота дистиллируется с помощью второй группы 61 дистилляционных колонн, в которой четвертая и пятая дистилляционные колонны 61А и 61В соединены в каскад.

Оксид азота, отведенный из второго дистилляционного устройства 12, подают в донную часть колонны 16 химического обмена.

Затем с помощью осуществления химического обмена в колонне 16 химического обмена между водой, имеющей первично обогащенные изотопы кислорода (¹⁸О и ¹⁷О), и оксидом азота, отведенным из второго дистилляционного устройства 12, получают оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸О и ¹⁷О), и воду, имеющую пониженную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸O и ¹⁷O).

Указанный выше термин «химический обмен» означает осуществление изотопного обмена атомов кислорода (О) между различными химическими веществами, например, в результате приведения Н₂О и NO в газожидкостный контакт.

После этого оксид азота, полученный в колонне 16 химического обмена, имеющий повышенную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸О и ¹⁷О), подают в верхнюю часть четвертой дистилляционной колонны 61А через блок 17 удаления воды, теплообменник 63 и трубопровод 66 подачи сырья.

Кроме того, воду, полученную в колонне 16 химического обмена, имеющую пониженную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸О и ¹⁷О), подают в нижнюю часть третьей дистилляционной колонны 105С через возвратный трубопровод 103 воды.

Способ обогащения изотопа кислорода в соответствии со вторым вариантом осуществления включает стадию получения воды, первично обогащенной молекулами воды, содержащими изотопы кислорода (¹⁸O и ¹⁷O), с помощью дистилляции сырьевой воды при использовании первого дистилляционного устройства 101, стадию получения оксида азота, отводимого при дистилляции сырья оксида азота, при использовании второго дистилляционного устройства 12, и стадию осуществления реакции химического обмена между первично обогащенной водой и отведенным оксидом азота, в результате которой получают оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸O и ¹⁷O), и воду, имеющую пониженную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸O и ¹⁷O), причем подача оксида азота, имеющего повышенную концентрацию изотопов кислорода, во второе дистилляционное устройство 12, и возвращение воды, имеющей пониженную концентрацию изотопов кислорода, в первое дистилляционное устройство 101 означает, что при дистилляции большого количества сырья оксида азота можно получить большое количество изотопов кислорода без необходимости регулярного восполнения больших количеств сырья оксида азота и при небольшом удерживаемом объеме жидкого NO, без снижения эффективности разделения изотопов кислорода.

Хотя предпочтительные варианты осуществления изобретения были описаны и проиллюстрированы выше, изобретение никоим образом не ограничивается этими конкретными вариантами осуществления, и различные модификации и изменения могут быть сделаны без отклонения от сущности или объема изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.

Примеры

(Пример)

В следующем примере установка 10 изотопного обогащения кислорода первого варианта осуществления, проиллюстрированная на фиг. 1, использовалась для обогащения изотопов кислорода (¹⁸O и ¹⁷O).

В примере концентрация ¹⁷О, содержащегося в одном продукте оксида азота (N¹⁷O), составляла по меньшей мере 10 ат. %, и концентрация ¹⁸O, содержащегося в другом продукте оксида азота (N¹⁸O), составляла по меньшей мере 98 ат. %.

Для получения продукта оксида азота (N¹⁷O) был сконструирован процесс для способа обогащения изотопа кислорода, в котором предполагалось производство 5 тонн в год обогащенной воды, содержащей гидрогенизированный ¹⁷O.

Способ обогащения изотопов кислорода в соответствии с примером описан ниже.

Во-первых, кислородное сырье подавали в первую дистилляционную колонну 21А (объем подачи: 5500 н.м³/ч), и с помощью дистилляции кислородного сырья и обогащения изотопов кислорода (¹⁸O и ¹⁷O) при использовании первой группы 21 дистилляционных колонн, в которой первая, вторая и третья дистилляционные колонны 21А, 21В и 21С соединены в каскад, получали кислород, содержащий первично обогащенные изотопы кислорода (¹⁸O и ¹⁷O).

На данном этапе, когда определяли концентрации ¹⁷О и ¹⁸О в донной части третьей дистилляционной колонны 21С, концентрация ¹⁷О составляла 2,23 ат. %, и концентрация ¹⁸O составляла 26,1 ат. %.

Производительность по продукту, полученному на данном этапе, а именно оксиду азота, содержащему обогащенные изотопы кислорода, составляла 0,58 н.м³/ч.

После этого кислород, содержащий первично обогащенные изотопы кислорода, подавали в блок 14 гидрогенизации.

Затем в блоке 14 гидрогенизации водород добавляли к кислороду, содержащему первично обогащенные изотопы кислорода, с получением воды, и эту полученную воду подавали в верхнюю часть колонны 16 химического обмена через трубопровод 20 подачи воды.

Затем с помощью дистилляции сырья оксида азота при использовании второго дистилляционного устройства 12 получали продукт оксида азота (в частности, N¹⁷O и/или N¹⁸O).

Затем с помощью осуществления химического обмена в колонне 16 химического обмена между водой, поданной через трубопровод 20 подачи воды, и оксидом азота (в частности, оксидом азота, полученным смешиванием отходящего газа оксида азота (0,082 н.м³/ч) и оксида азота, отличного от отходящего газа (0,035 н.м³/ч)), получали оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸О и ¹⁷О), и воду, имеющую пониженную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸O и ¹⁷O).

После данного химического обмена, когда определяли концентрацию ¹⁷O в N¹⁷O, результат составлял 2 ат. %. Кроме того, когда определяли концентрацию ¹⁸О в N¹⁸O, результат составлял 23,6 ат. %.

Данные вещества подавали во второе дистилляционное устройство 12, имеющее 300 ступеней. Продукт N¹⁷O извлекали из средней части дистилляционной колонны, и продукт N¹⁸O извлекали из донной части дистилляционной колонны.

Когда объем производства воды с ¹⁷O (H₂ ¹⁷O), необходимый для получения продукта N¹⁷O, составлял 5 тонн в год, объем производства воды с ¹⁸О, необходимый для получения N¹⁸O, составлял 10 тонн.

После этого воду, имеющую пониженную концентрацию изотопов кислорода (¹⁸O и ¹⁷О), полученную в результате химического обмена, подвергали электролизу, и кислород, полученный в результате этого электролиза, подавали в первое дистилляционное устройство 11. На данном этапе концентрация изотопов кислорода в кислороде составляла 0,8 ат. % для ¹⁷O и 2,6 ат. % для ¹⁸O.

С помощью подачи кислорода, образованного электролизом воды, в первое дистилляционное устройство 11 таким путем могут быть получены изотопы кислорода, и получение изотопов кислорода может осуществляться без потери энергии во время обогащения сырья.

Кроме того, в изобретении только количество оксида азота, извлеченное в качестве продукта во время дистилляции NO, нуждается в восполнении, и, следовательно, восполняемое количество является таким же, как и указанная выше производительность 0,58 н.м³/ч.

Когда производство осуществляли с использованием только второго дистилляционного устройства 12 и были запланированы такие же объемы производства изотопов кислорода, было необходимо дистилляционное устройство, имеющее 1200 ступеней (иными словами, 1200 соединенных в каскад дистилляционных колонн) и расход подачи сырья 1600 н.м³/ч. С учетом удерживаемого объема жидкости внутри дистилляционных колонн должно использоваться очень большое количество оксида азота.

Соответственно на основе результатов приведенного выше примера было очевидно, что расход подачи оксида азота может быть значительно снижен, то есть количество оксида азота, которое должно быть приготовлено в качестве сырья, также может быть значительно снижено.

Кроме того, поскольку диаметр дистилляционных колонн, которые составляют второе дистилляционное устройство 12, может быть уменьшен, удерживаемый объем жидкого NO во втором дистилляционном устройстве 12 может быть уменьшен примерно в 10 раз по сравнению с установкой, в которой осуществлялись только дистилляция NO и обогащение.

Промышленная применимость

Изобретение относится к способу обогащения изотопа кислорода, который при дистилляции большого количества сырья оксида азота позволяет осуществлять обогащение изотопа кислорода без необходимости регулярного восполнения больших количеств сырья оксида азота и при небольшом удерживаемом объеме жидкого NO, без снижения эффективности отделения изотопа кислорода.

Описание ссылочных позиций

10, 100: установка изотопного обогащения кислорода

11, 101: первое дистилляционное устройство

12: второе дистилляционное устройство

14: блок гидрогенизации

15: блок расщепления воды

16: колонна химического обмена

17: блок удаления воды

18: возвратный трубопровод кислорода

19: возвратный трубопровод воды

20: трубопровод подачи воды

21, 105: первая группа дистилляционных колонн

21А, 105А: первая дистилляционная колонна

21В, 105В: вторая дистилляционная колонна

21С, 105С: третья дистилляционная колонна

23, 108: первый конденсатор

24, 109: первый испаритель

26, 112: второй конденсатор

27, 113: второй испаритель

29, 115: третий конденсатор

31, 116: третий испаритель

34, 42, 49, 75, 83, 118, 125, 132: трубопровод головного газа

35, 45, 52, 77, 86, 119, 128, 135: возвратный трубопровод жидкости

39, 46, 54, 123, 129, 136: трубопровод подачи газа

43, 51, 84, 126, 133: трубопровод жидкости

61: вторая группа дистилляционных колонн

61А: четвертая дистилляционная колонна

61В: пятая дистилляционная колонна

63: теплообменник

64: возвратный трубопровод газа

66: трубопровод подачи сырья

68: четвертый конденсатор

69: четвертый испаритель

72: пятый конденсатор

73: пятый испаритель

81, 88: трубопровод подачи жидкости

103: трубопровод подачи воды

W₁, W₂: отработанный компонент

Изобретение относится к способу обогащения изотопа кислорода. Способ включает получение кислорода, содержащего первично обогащенный изотоп кислорода, с помощью дистилляции кислородного сырья при использовании первого дистилляционного устройства, получение воды с помощью гидрогенизации кислорода, содержащего первично обогащенный изотоп кислорода, получение оксида азота, отводимого при дистилляции сырья оксида азота, при использовании второго дистилляционного устройства, и получение оксида азота и воды с помощью осуществления реакции химического обмена между водой и отведенным оксидом азота, в результате чего получают оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопа кислорода, и воду, имеющую пониженную концентрацию изотопа кислорода, причем оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопа кислорода, подают во второе дистилляционное устройство, а кислород, полученный электролизом воды, имеющей пониженную концентрацию изотопа кислорода, возвращают в первое дистилляционное устройство. Изобретение обеспечивает эффективное обогащение изотопа кислорода. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ обогащения изотопа кислорода, включающий:
стадию получения кислорода, содержащего первично обогащенный изотоп кислорода, с помощью дистилляции кислородного сырья при использовании первого дистилляционного устройства,
стадию получения воды с помощью гидрогенизации кислорода, содержащего первично обогащенный изотоп кислорода,
стадию получения оксида азота, отводимого при дистилляции сырья оксида азота, при использовании второго дистилляционного устройства, и
стадию получения оксида азота и воды с помощью осуществления реакции химического обмена между указанной водой и указанным отведенным оксидом азота, в результате чего получают оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопа кислорода, и воду, имеющую пониженную концентрацию изотопа кислорода, причем
оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопа кислорода, подают во второе дистилляционное устройство, а кислород, полученный электролизом воды, имеющей пониженную концентрацию изотопа кислорода, возвращают в первое дистилляционное устройство.

2. Способ обогащения изотопа кислорода по п. 1, в котором на стадии получения воды воду получают с помощью водородного топливного элемента, в котором происходит реакция и добавление водорода к кислороду, содержащему первично обогащенный изотоп кислорода, и
электричество, выработанное при получении воды с помощью водородного топливного элемента, в котором происходит реакция и добавление водорода к кислороду, содержащему первично обогащенный изотоп кислорода, используется для осуществления электролиза воды, имеющей пониженную концентрацию изотопа кислорода.

3. Способ обогащения изотопа кислорода по п. 1 или 2, в котором на стадии получения кислорода, содержащего первично обогащенный изотоп кислорода, в качестве первого дистилляционного устройства используется первая группа дистилляционных колонн, содержащая множество дистилляционных колонн, соединенных в каскад.

4. Способ обогащения изотопа кислорода по п. 1 или 2, в котором на стадии получения оксида азота в качестве второго дистилляционного устройства используется вторая группа дистилляционных колонн, содержащая множество дистилляционных колонн, соединенных в каскад.

5. Способ обогащения изотопа кислорода, включающий:
стадию получения воды, первично обогащенной молекулами воды, содержащими изотоп кислорода, с помощью дистилляции сырьевой воды при использовании первого дистилляционного устройства,
стадию получения оксида азота, отводимого при дистилляции сырья оксида азота, при использовании второго дистилляционного устройства, и
стадию осуществления реакции химического обмена между указанной первично обогащенной водой и указанным отведенным оксидом азота, в результате которой получают оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопа кислорода, и воду, имеющую пониженную концентрацию изотопа кислорода, причем
оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопа кислорода, подают во второе дистилляционное устройство, а воду, имеющую пониженную концентрацию изотопа кислорода, возвращают в первое дистилляционное устройство.

6. Способ обогащения изотопа кислорода по п. 5, в котором на стадии получения воды, первично обогащенной молекулами воды, содержащими изотоп кислорода, в качестве первого дистилляционного устройства используется первая группа дистилляционных колонн, содержащая множество дистилляционных колонн, соединенных в каскад.

7. Способ обогащения изотопа кислорода по п. 5 или 6, в котором на стадии получения оксида азота в качестве второго дистилляционного устройства используется вторая группа дистилляционных колонн, содержащая множество дистилляционных колонн, соединенных в каскад.