СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ АЗОТА Советский патент 1995 года по МПК B01D59/28 

Изобретение относится к области технологии разделения стабильных изотопов азота ¹⁴N и ¹⁵N. Изотопы азота находят широкое применение в атомной физике, химии, биологии, агрономии и других областях науки и техники.

Известен способ разделения изотопов азота противоточным химическим изотопным обменом между газообразной окисью азота и азотной кислотой с обращением потоков на богатом по ¹⁵N конце колонны под действием двуокиси серы и на бедном по ¹⁵N конце колонны под действием кислорода и воды.

Наиболее близким к описываемому способу по технической сущности является способ разделения изотопов азота противоточным химическим изотопным обменом между газообразной окисью азота и раствором окиси азота в азотной кислоте при пониженной температуре от -50 до 0^оС с химическим обращением потоков, аналогичным описанному выше.

Общим недостатком двух указанных способов является необходимость использования для обращения потоков двуокиси серы: на получение 1 кг изотопа ¹⁵N по способу необходимы затраты 18 - 25 т двуокиси серы. Кроме того, при обращении потоков образуются требующие утилизации отходы разбавленной серной кислоты.

Цель изобретения - устранение химического обращения потоков при производстве изотопов азота.

Цель достигается проведением противоточного двухтемпературного обмена между азотной кислотой концентрации выше 40% и окисью азота в интервале температур от -(50-47) до +(47-50)^оС.

В охлажденной зоне противоточной установки в результате химического взаимодействия происходит растворение окиси азота в азотной кислоте. При переходе жидкой фазы из охлаждаемой зоны в нагреваемую растворенная окись азота выделяется и возвращается с газовым потоком в холодную зону. В результате, в средней части установки осуществляется частичное термическое обращение потоков. Эффективность разделения по этому способу определяется как различием в коэффициентах разделения α в холодной и нагретой зонах, так и долей частичного обращения потоков f, согласно уравнению
= - ε₂ где I - максимальный отбор целевого изотопа;
L - питающий поток;
х_о - исходная концентрация азота;
ε _i = α _i - 1, для i = 1 и 2, причем индекс 1 относится к холодной зоне, а индекс 2 - к нагреваемой зоне.

В зависимости от конкретной цели разделения-концентрирования изотопа ¹⁴N или ¹⁵N, относительное положение охлаждаемой и нагреваемой зон в установке изменяют. При концентрации ¹⁵N первой по пути движения жидкой фазы располагают охлаждаемую зону, при концентрировании ¹⁴N - нагреваемую зону.

Нижней границей температуры охлаждаемой зоны является температура -50^оС, соответствующая температуре кристаллизации жидкой фазы. Верхняя граница температуры нагреваемой зоны равна +50^оС. Этот предел связан со значительным увеличением с ростом температуры дополнительного циркуляционного потока высших окислов азота в горячей зоне, который возникает в результате равновесного выделения паров окислов из раствора азотной кислоты. Циркулирующий поток в горячей зоне снижает степень извлечения на величину ε ₂(1 + h), где h - отношение циркулирующего потока к поступающему потоку окиси азота.

Концентрация азотной кислоты должна быть не ниже 40%, так как только при таких концентрациях в результате химического взаимодействия происходит образование в жидкой фазе трехокиси азота, ускоряющей изотопный обмен. Снижение концентрации азотной кислоты ниже 40% приводит к недопустимому увеличению высоты, эквивалентной теоретической ступени.

П р и м е р 1. С целью концентрирования ¹⁵N 68% HNO₃ природного изотопного состава подают в колонну, состоящую из двух секций, высотой 3,5 м и 1,5 м, с температурами -40^оС в верхней секции и +25^оС в нижней. Колонна заполнена насадкой из отрезков треугольной проволочной спирали. Противотоком к азотной кислоте циркуляционным насосом подают окись азота. Значения α ₁ и α ₂ составляют соответственно 1,061 и 1,021, доля термического обращения потока f = 0,55. Отношение потоков фаз поддерживают равным 1,04 с точностью ±1,5% . При плотности питающего потока 14 ммоль/см² мин из верхней части нагреваемой секции отбирают обогащенную в 7 раз изотопом ¹⁵N азотную кислоту со скоростью 0,42 ммоль/см²мин. Максимальная степень извлечения изотопа составляет 0,114.

П р и м е р 2. Разделение проводят, как описано в примере 1, но с использованием 40% HNO₃ и с перепадом температур от -47,5^оС до +25^оС. В этом случае α ₁ = 1,069; α ₂ = 1,056 и f = 0,50. Максимальная степень извлечения изотопа 0,082.

П р и м е р 3. С целью концентрирования изотопа ¹⁴N разделение проводят, как описано в примере 1, но с нагреваемой до температуры +50^оС верхней секцией высотой 1,5 м и охлаждаемой до температуры -40^оС нижней секцией высотой 3,5 м, с использованием 48% HNO₃. Отбор продукта производят из нижней части нагреваемой зоны. Максимальная степень извлечения изотопа 0,053.

1. СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ АЗОТА противоточным изотопным обменом между газообразной окисью азота и азотной кислотой при низких температурах, отличающийся тем, что, с целью устранения химического обращения потоков, проводят двухтемпературный обмен между азотной кислотой концентрацией выше 40% и окисью азота в интервале температур от -(50 - 47) до +(47 - 50)^oС. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что , с целью концентрирования изотопа 15N, азотную кислоту подают в зону с низкой температурой. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью концентрирования изотопа ¹⁴N, азотную кислоту подают в зону с высокой температурой.