Способ разделения изотопов бора Российский патент 2022 года по МПК B01D59/50 B01D59/20 B01D59/04 B01D59/30 C01B35/06 

Изобретение относится к области разделения изотопов легких химических элементов и может быть использовано для производства высококонцентрированного изотопа бора ¹⁰В.

Известны способы разделения изотопов бора физико-химическими методами, такими как:

- химобменная ректификация молекулярного комплекса BF₃ с диметиловым эфиром (Бондаренко Б.Р., Власенко В.А., Гвердцители И.Г., Гагуа Т.А. и др. Установка для получения изотопа В¹⁰ методом обменной дистилляции комплекса (CH₃)₂O⋅BF₃ // Isotopenpraxis, 1967, Vol. 3, №3, p. 97 - 100);

- низкотемпературная ректификация трифторида бора (Амирханова И.Б., Асатиани П.Я., Борисов А.В., Гвердцители И.Г. и др. Влияние давления на разделение изотопов бора // Атомная энергия, 1967, т. 23, №4, с. 336 -339);

- химический изотопный обмен между газообразным BF₃ и его жидким комплексным соединением, например, с анизолом (Волощук A.M., Джиджийшвили Ш.И., Катальников С.Г., Недзвецкий B.C. и др. Разделение изотопов бора на опытной установке с использованием комплексных соединений BF3 с анизолом и фенетолом // Производство изотопов: Сб. статей. М.: Атомиздат, 1973, с. 443 - 450 или Katalnikov S.G. Ivanov V.A. Physico-chemical and engineering principles of boron isotopes separation by using BF₃ - Anisole-BF₃ System // Separation Science and Technology, 2001, Vol.36, №8&9, p. 1737-1768),

все из которых основаны на использовании трифторида бора BF₃ и реализуются в каскадах из двухфазных разделительных элементов в виде массообменных колонн вертикального или горизонтального типа (Массообменная колонна. Патент РФ №2729797 // Бюл. №23 от 12.08.2020).

К недостаткам указанных способов следует отнести ограничение конечной концентрации целевого изотопа бор-10 или бор-11, уменьшение производительности из-за малого значения однократного изотопного эффекта и протекания побочных реакций, приводящих к потере обогащенного продукта, что особенно сказывается в области высокой концентрации целевого изотопа.

Известен способ разделения изотопов бора газоцентробежным методом с получением высококонцентрированного изотопа ¹⁰В, принадлежащим к физическим методам разделения изотопов, реализуемым в каскадах из однофазных разделительных элементов, таких как газовые центрифуги, с использованием в качестве рабочего вещества триметилборана В(СН₃)₃ (Способ получения обогащенного изотопа бор-10. Патент РФ №2720774 // Бюл. №14 от 13.05.2020).

Недостаток указанного способа заключается в высокой пожароопасности рабочего вещества.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ разделения изотопов бора в газовых центрифугах с использованием трифторида бора, как рабочего вещества и получением высококонцентрированного 95% ат. ¹⁰В (Токманцев В.И., Палкин В.А. Разделение изотопов бора в прямоточных газовых центрифугах // Атомная энергия, 2017, т. 123, №1, с. 40-45) - прототип.

Недостатком прототипа, является малая степень извлечения целевого изотопа бора, малая производительность по ¹⁰В, высокие затраты на разделительное оборудование и, соответственно, высокая себестоимость производства изотопа ¹⁰В.

Задачей изобретения является увеличение степени извлечения целевого изотопа бора, увеличение производительности, снижение затрат на разделительное оборудование, уменьшение себестоимости производства изотопа ¹⁰В при его высокой концентрации.

Поставленная задача достигается способом разделения изотопов бора газоцентробежным методом в каскаде газовых центрифуг при использовании в качестве рабочего вещества трифторида бора с получением высококонцентрированного изотопа бор-10, отличающимся тем, что концентрирование целевого изотопа бор-10 производится в две стадии: на первой - от его природного содержания C_F до значения концентрации C_P^I меньше конечной, равной C_P, осуществляется одним из физико-химических методов разделения изотопов бора в каскаде двухфазных разделительных элементов, а именно, химобменной ректификацией, или низкотемпературной ректификацией, или химическим изотопным обменом; на второй - от концентрации C_P^I до конечной концентрации С_Р - производится газоцентробежным методом в каскаде однофазных разделительных элементов с одновременным получением второго борсодержащего продукта с концентрацией изотопа бора ¹⁰В, равной C_P^II, меньше конечной C_P и меньше C_P^I, но больше концентрации C_F, при этом рабочее вещество при его передаче из каскада двухфазных разделительных элементов в каскад однофазных элементов подвергают кондиционированию.

Кондиционирование рабочего вещества предусматривает конверсию рабочего вещества в иную борсодержащую химическую форму, пригодную для газоцентробежного разделения.

Кондиционирование рабочего вещества представляет собой его очистку от примесей химических соединений, сконцентрировавшихся или образовавшихся в процессе физико-химического разделения изотопов бора в каскаде двухфазных элементов.

Пример 1

Начальное концентрирование от природной концентрации ¹⁰В, равной C_F, производится методом химобменной ректификации комплексного соединения трифторида бора с диметиловым эфиром (CH₃)₂O⋅BF₃ в каскаде двухфазных разделительных элементов или каскаде I (фиг.1), представляющем собой массообменные колонны. В каскад I в качестве потока питания F подается BF₃ с природной концентрацией ¹⁰В C_F, контактирующий с предварительно полученным по реакции синтеза

молекулярным комплексом BF₃ с диметиловым эфиром. Процесс химобенной ректификации проводят при температуре 100°С и давлении 250 мм рт.ст. В каскаде I, в силу частичной диссоциации комплексного соединения

и однократного изотопного эффекта по реакции

а также его многократного умножения в условиях противотока жидкости и пара (газа) происходит увеличение концентрации изотопа ¹⁰В до значения C_P^I в потоке отбора P^I и, в силу материального баланса, уменьшение концентрации ¹⁰В в другой части каскада I до значения C_w в потоке отвала W.

Поток отбора P^I выводится из каскада I в виде жидкости и поступает в блок кондиционирования (фиг.1), в котором за счет противотока жидкости и газа происходит конверсия рабочего вещества, а именно, комплексного соединения (CH₃)₂O⋅BF₃ в трифторид бора BF₃ в ходе обменной реакции

после чего газообразный ¹⁰BF₃ подвергается очистке от примеси (CH₃)₂O⋅¹¹BF₃ ее конденсацией (тип очистки I) при температуре минус (15÷20)°С, что определяет потери обогащенного материала в количестве ΔР¹.

Поток очищенного BF₃ с концентрацией ¹⁰В, равной C_P^I в количестве (P^I-ΔP^I) поступает в сечение ввода потока питания каскада из однофазных разделительных элементов - газовых центрифуг (каскад II), включающего концентрирующую и исчерпывающую части. В последней части концентрация ¹⁰В уменьшается до значения C_P^II, находящейся в интервале C_F < C_P^II < C_P^I, и выводится потоком P^II, представляющим собой второй по значимости продукт разделения изотопов бора (задана концентрация C_P^II = 40% ат., представляющая собой минимальную концентрацию ¹⁰В для его практического применения). В концентрирующей части каскада II концентрация ¹⁰В возрастает до заданного значения С_Р (конечная концентрация) и выводится из каскада потоком продукта Р в химической форме BF₃. В качестве центрифуг, как в прототипе, использована прямоточная центрифуга Игуасу с центральным телом, а конечная концентрация ¹⁰В принята равной 96% ат.

Условия и результаты описанного процесса в сравнении со способом-прототипом приведены в табл.1. При равной производительности по основному продукту Р с концентрацией C_P = 96% ат. и одинаковых значениях концентрации ¹⁰В в потоках питания F и отвала W производительность по 100%-му ¹⁰В в предлагаемом способе возрастает по сравнению с прототипом в 1,75 раза, обусловлено вторым изотопным продуктом.

Кроме того, как видно из табл.1, степень извлечения целевого изотопа возрастает до 44,5% вместо 41,2% по прототипу, причем затраты на оборудование снижаются примерно на 19%. Себестоимость ¹⁰В в случае его концентрирования на первой стадии методом химобменной ректификации молекулярного комплекса BF₃ с диметиловым эфиром, а на второй - газоцентробежным методом в виде трифторида бора, уменьшается по сравнению с прототипом на 11%, а с учетом второго продукта - почти на одну треть (32%).

Пример 2

Начальное концентрирование изотопа ¹⁰В от его природной концентрации, равной C_F, производится низкотемпературной ректификацией трифторида бора в каскаде двухфазных разделительных элементов (массообменные колонны) или каскаде I (фиг.1). В последний поступает поток питания в виде BF₃ в количестве F с начальной (природной) концентрацией ¹⁰В, равной C_F. Процесс проводят при температуре минус 100°С и оптимальном давлении 3,5 атм. В каскаде I в силу однократного фазового изотопного эффекта жидкость-пар и его многократного умножения происходит увеличение концентрации изотопа ¹⁰В до значения C_P^I в потоке P^I и, в силу материального баланса уменьшение концентрации ¹⁰В в другой части каскада I до значения Cw в потоке отвала W.

Поток P^I направляется в блок кондиционирования, где происходит удаление из BF₃ содержащихся в нем менее летучих примесей, например, тетрафторида кремния SiF₄, сконцентрировавшихся в каскаде I при разделении изотопов бора. Процесс очистки BF₃ производится газоцентробежным методом (тип очистки И) за счет удаления веществ с молекулярной массой более 68 а.е.м., приводя к некоторым потерям обогащенного материала в количестве ΔP^I.

Поток очищенного BF₃ с той же концентрацией ¹⁰В, равной C_P^I, в количестве (P^I-ΔP^I) поступает в сечение ввода потока питания каскада газовых центрифуг (каскад II), включающего концентрирующую и исчерпывающую части. В последней части концентрация ¹⁰В уменьшается до значения C_P^II, находящейся в интервале C_F<C_P^II<C_P^I, и выводится потоком P^II, представляющим собой второй по значимости продукт разделения изотопов бора. В концентрирующей части каскада II концентрация ¹⁰В возрастает до заданного значения С_Р и выводится из каскада потоком продукта Р в химической форме BF₃.

Характеристики описанного процесса в сравнении со способом-прототипом приведены в табл.2.

Как следует из табл.2, при равной производительности основного продукта Р с концентрацией С_Р = 96% ат. и одинаковых значениях концентрации ¹⁰В в потоках питания F и отвала W производительность по 100%-ному ¹⁰В в предлагаемом способе возрастает по сравнению с прототипом на 75%, а степень извлечения изотопа ¹⁰В составляет 44,5% вместо 41,2% по способу-прототипу, а затраты на оборудование (капитальные затраты) снижаются в 2,8 раза. Себестоимость ¹⁰В в случае его концентрирования на первой стадии методом низкотемпературной ректификации BF₃ уменьшается по сравнению с прототипом на 49%, то есть почти вдвое, а с учетом второго продукта - более чем в 2,5 раза.

Пример 3

Начальное концентрирование изотопа ¹⁰В от значения его природной концентрации, равной C_F, производится методом химического изотопного обмена между газообразным BF₃ и его жидким комплексным соединением с анизолом (метилфениловый эфир) в каскаде двухфазных разделительных элементов в виде массообменных колонн или в каскаде I (фиг.1). В последний поступает поток питания в виде BF₃ в количестве F с начальной (природной) концентрацией ¹⁰В, равной C_F. В результате реакции химического изотопного обмена

и умножения однократного эффекта реакции (5) при противоточном движении потоков жидкости и газа через последовательно соединенные двухфазные разделительные элементы в виде массообменной колонны происходит концентрирование ¹⁰В в жидкой фазе. Из каскада I выходят два потока трифторида бора: поток отвала W с концентрацией ¹⁰В C_W < C_F; поток промежуточного продукта P^I, в котором концентрация изотопа ¹⁰В увеличена до значения C_P^I.

Поток P^I поступает в блок кондиционирования, где реализуются последовательно две стадии очистки: конденсация (тип очистки I) и, далее, газоцентробежное разделение (тип очистки II). На первой стадии происходит удаление из BF₃ содержащихся в нем макропримесей, как самого анизола, так и примесей, образовавшихся в процессе разделения изотопов бора при протекании побочных химических превращений (фенол, крезолы и т.д.). Конденсация происходит в виде молекулярных комплексов BF₃-D, где D - комплексообразователь (анизол, фенол, крезолы и т.д.) при температуре минус (20÷40)°С. На второй стадии осуществляется удаление микропримесей, преимущественно остаточных паров более тяжелых по сравнению с BF₃ молекул (с молекулярной массой 94 а.е.м. и более). Указанные стадии очистки приводят к потерям обогащенного материала в количестве A_P^I.

Очищенный BF₃ с той же концентрацией ¹⁰В, равной C_P^I в количестве (P^I-ΔP^I) поступает в сечение ввода потока питания каскада газовых центрифуг (каскад II), включающего концентрирующую и исчерпывающую части. В последней части концентрация ¹⁰В уменьшается до значения C_P^II, находящейся в интервале C_F<C_P^II<С_Р, и выводится потоком P^II, представляющим собой второй по значимости продукт разделения изотопов бора. Наоборот, в концентрирующей части каскада II концентрация ¹⁰В возрастает до заданного значения С_Р и выходит из каскада в виде потока Р в химической форме BF₃.

Характеристики описанного процесса в сравнении со способом-прототипом приведены в табл.3. Аналогично примерам 1 и 2 при равной производительности основного продукта Р с концентрацией С_Р = 96% ат. и одинаковых значениях концентрации ¹⁰В в потоках питания F и отвала W производительность по 100%-ному ¹⁰В в предлагаемом способе возрастает по сравнению с прототипом на 75%, а значение степени извлечения ¹⁰В увеличивается с 41,2% в способе-прототипе до 44,5%. Кроме того, в предлагаемом способе за счет значительного сокращения по сравнению с прототипом числа однофазных разделительных элементов, то есть, газовых центрифуг вклад в себестоимость амортизационных отчислений снижается более чем в четыре раза, причем при принятом удвоенном времени амортизации для газовых центрифуг по сравнению со временем амортизации для двухфазных разделительных элементов.

Как видно из табл.1, общая стоимость производства изотопа ¹⁰В с концентрацией 96% ат. уменьшается в 3 раза, а с учетом дополнительной изотопной продукции себестоимость основного продукта становится меньше по сравнению с прототипом в 4 раза.

Изобретение относится к области разделения изотопов легких химических элементов. Предложен способ разделения изотопов бора газоцентробежным методом в каскаде газовых центрифуг с получением высококонцентрированного изотопа бор-10. В качестве рабочего вещества при этом используют трифторид бора. Концентрирование целевого изотопа бор-10 проводят в две стадии. Первую стадию, от природного содержания изотопа бор-10 C_F до значения концентрации C_P^I меньше конечной, равной С_Р, осуществляют одним из физико-химических методов разделения в каскаде двухфазных разделительных элементов, а именно химобменной ректификацией, или низкотемпературной ректификацией, или химическим изотопным обменом. Вторую стадию, от концентрации C_P^I до конечной концентрации С_Р, осуществляют газоцентробежным методом в каскаде однофазных разделительных элементов с одновременным получением второго борсодержащего продукта с концентрацией изотопа бора ¹⁰В, равной C_P^II, меньше конечной С_Р и меньше C_P^I, но больше концентрации C_F. Рабочее вещество при его передаче из каскада двухфазных разделительных элементов в каскад однофазных элементов подвергают кондиционированию. Изобретение позволяет увеличить степень извлечения целевого изотопа бора, повысить производительность, снизить затраты на разделительное оборудование, уменьшить себестоимость производства изотопа ¹⁰В высокой концентрации. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл., 3 пр.

1. Способ разделения изотопов бора газоцентробежным методом в каскаде газовых центрифуг при использовании в качестве рабочего вещества трифторида бора с получением высококонцентрированного изотопа бор-10, отличающийся тем, что концентрирование целевого изотопа бор-10 производят в две стадии: на первой из которых, от его природного содержания C_F до значения концентрации C_P^I меньше конечной, равной С_Р, осуществляется одним из физико-химических методов разделения изотопов бора в каскаде двухфазных разделительных элементов путем химобменной ректификации, или низкотемпературной ректификации, или химического изотопного обмена, а на второй, от концентрации C_P^I до конечной концентрации С_Р, осуществляется газоцентробежным методом в каскаде однофазных разделительных элементов с одновременным получением второго борсодержащего продукта с концентрацией изотопа бора ¹⁰В, равной C_P^II, меньше конечной С_Р и меньше C_P^I, но больше концентрации C_F, при этом рабочее вещество при его передаче из каскада двухфазных разделительных элементов в каскад однофазных элементов подвергают кондиционированию.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что кондиционирование рабочего вещества представляет собой конверсию рабочего вещества в иную борсодержащую химическую форму, пригодную для газоцентробежного разделения.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что кондиционирование рабочего вещества представляет собой его очистку от примесей химических соединений, сконцентрировавшихся или образовавшихся в процессе физико-химического разделения изотопов бора в каскаде двухфазных элементов.