способ получения высокообогащенного изотопа 13c
Классы МПК: | B01D59/00 Разделение различных изотопов одного и того же химического элемента |
Автор(ы): | Астахов А.В., Барабанщиков А.А., Баранов Г.А., Баранов В.Ю., Глухих В.А., Годисов О.Н., Дядькин А.П., Зинченко А.К., Калитеевский А.К., Кучинский А.А., Летохов В.С., Пигульский С.В., Рябов Е.А., Соколов Е.Н., Федичев С.В., Шевченко Ю.И., Кузьменко В.А. |
Патентообладатель(и): | Государственное предприятие Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры имени Д.В.Ефремова |
Приоритеты: |
подача заявки:
1998-03-10 публикация патента:
20.01.2000 |
Изобретение может быть использовано при получении диоксида углерода в промышленном масштабе, обогащенного изотопом 13С. Разделяемую смесь фреон: азот = (1 : 7) - (3 - 5) подают в камеру взаимодействия - часть разделительного блока, помещенного в область оптического резонатора импульсно-периодического СО2 -лазера. Облучают инфракрасным излучением, волновое число 1055 - 1040 см-1, плотность энергии импульса 5 - 20 Дж/см2, частота следования импульсов 100 - 200 Гц. Пары HCl отделяют. Облучение проводят до первичного обогащения тетрафторэтилена по 13С 10 - 40%. Из смеси выделяют фреон, обедненный 13С, после этого удаляют азот. Дополнительно очищают от остаточного фреона криогенной ректификацией. Очищенный С2F4 окисляют до диоксида углерода. Смесь 12СО2 и 13СО2 разделяют на каскаде газовых центрифуг до получения СО2 с содержанием изотопа 13C более 99,0%. Способ позволяет получить продукт с высоким содержанием 13C, пригоден для переработки больших масс сырья. 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
Способ получения высокообогащенного изотопа 13C из CF2HCl с использованием лазерного разделения изотопов, включающий облучение в камере взаимодействия газообразного фреона инфракрасным лазерным излучением, очистку продуктов разложения от образовавшихся в результате многофотонной диссоциации паров хлористого водорода и выделение из оставшейся смеси фреона, обедненного углеродом-13, окисление до двуокиси углерода полученного тетрафторэтилена, обогащенного углеродом-13 до первого уровня, и прохождение двуокиси углерода через вторую стадию обогащения, для разделения изотопов 13CO2 и 12CO2 и значительного увеличения относительной концентрации конечного продукта 13CO2, отличающийся тем, что в исходный продукт добавляют азот в соотношении фреон : азот в пределах (1 : 7) - (3 : 5), облучение проводят в камере взаимодействия, являющейся частью разделительного блока, помещенного в область оптического резонатора импульсно-периодического CO2-лазера, с одновременной очисткой облучаемой смеси от паров HCl и возвратом очищенной смеси в камеру взаимодействия, смесь облучают до первичного обогащения тетрафторэтилена на 10 - 40% по углероду-13, после выделения обедненного фреона удаляют азот, а на заключительной стадии процесса осуществляют центробежное обогащение на каскаде газовых центрифуг до получения конечного продукта CO2 с высоким (более 99,0%) содержанием изотопа 13C.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к способу разделения изотопов углерода с помощью инфракрасной (ИК) многофотонной диссоциации молекул CF2HCl лазерным излучением, предназначенному, в частности, для получения в промышленном масштабе двуокиси углерода, обогащенной в высокой степени изотопом 13C. Известен способ разделения изотопов углерода с целевым изотопом 13C посредством воздействия лучом импульсно-периодического лазера на рабочее вещество. В качестве рабочего вещества были использованы молекулы CF3J и CF3Br, находящиеся при давлении 0,5-20 Торр и содержащие изотопы 13C и 12C в природном соотношении, в котором процесс обогащения проводится в две стадии (Е.П. Велихов и др., Импульсные CO2-лазеры и их применение для разделения изотопов, М., Наука, 1983, с. 284 - 286.). Частота следования импульсов излучения лазера 100 Гц, энергия 10 Дж. Несмотря на приемлемую энергетическую стоимость процесс характеризуется недостаточным для организации массового производства выходом конечного продукта и поэтому сопровождается высокими производственными издержками. Известен способ получения углерода-13 путем многофотонного разложения CF2HCl, содержащего изотопы углерода 12 и 13, включающий облучение газообразного CF2HCl в реакционной камере, с помощью ИК-лазерного луча в диапазоне волновых чисел 1040-1080, прохождение полученных продуктов разложения: C2F4, обогащенного углеродом-13 до первого уровня, CF2HCl, обедненного по углероду-13, и HCl через поглотитель для удаления HCl, отделение CF2HCl, обедненного углеродом-13, от C2F4, окисление C2F4, обогащенного на 25-35% по углероду-13, для образования CO2 и прохождение CO2 через ступень химического обмена для разделения 13CO2 и 12CO2 и получения конечного продукта CO2, содержащего приблизительно 90-99% углерода-13 (Патент США N 4436709, кл. B 01 D 59/00, 13.03.84). Исходный материал фреон-22 в этом процессе облучается ИК-лазером с плотностью излучения 5 Дж/см2, давление фреона находится в диапазоне 10-100 Торр в зависимости от длительности импульса лазера. Полученный после лазерной стадии тетрафторэтилен, обогащенный по 13C приблизительно на 25-35%, окисляется до CO2, после чего углекислый газ проходит ступень химического обмена, где осуществляется реакция обмена "CO2-carbamate", в результате которой разделяются изотопы 13CO2 и 12CO2 с образованием конечного продукта CO2 с содержанием 90-99% изотопа 13C. В этом способе применяются лазерная и химическая технологии, где на стадии окончательной переработки использован химический обмен, с помощью которого весьма трудно получить высокую степень обогащения целевого продукта (более 99%). Задача изобретения - создать способ получения изотопа углерод-13 с относительной концентрацией более 99,0% из исходного продукта с природным содержанием изотопов, пригодный для переработки больших масс сырья с целью получения промышленных количеств целевого изотопа. Сущность изобретения заключается в способе получения высокообагащенного изотопа 13C из CF2HCl с использованием метода лазерного разделения изотопов, включающего облучение в камере взаимодействия газообразного фреона ИК-лазерным излучением, очистку продуктов разложения от образовавшихся в результате многофотонной диссоциации паров хлористого водорода и выделение из оставшейся смеси фреона, обедненного углеродом-13, окисление до двуокиси углерода полученного тетрафторэтилена, обогащенного углеродом-13 до первого уровня, и прохождение CO2 через вторую стадию обогащения, для разделения 13CO2 и 12CO2 и значительного увеличения относительной концентрации конечного продукта 13CO2. Согласно изобретению в этом способе в исходное вещество добавляют азот в соотношении фреон: азот в пределах (1 : 7) - (3 : 5), облучение проводят в камере взаимодействия, являющейся частью разделительного блока, помещенного в область оптического резонатора импульсно-периодического CO2-лазера, с одновременной очисткой получаемой смеси от паров HCl и возвратом очищенной смеси в камеру взаимодействия, смесь облучают до первичного обогащения тетрафторэтилена на 10-40% по углероду-13, после выделения обедненного фреона удаляют азот, а на заключительной стадии процесса осуществляют центробежное обогащение на каскаде газовых центрифуг до получения конечного продукта CO2 с максимальным (более 99,0%) содержанием изотопа 13C. При использовании этого способа получен следующий технический результат: в процессе испытаний комплекса наработано 15 грамм 13CO2 с содержанием 13C 99,2% (в пересчете на чистый углерод 4,7 грамм 13C с изотопной чистотой 99,2%). При этом непосредственно после лазерной стадии и очистки получено 250 грамм тетрафторэтилена со степенью обогащения по углероду 18-25%. Производительность лазерной стадии процесса составила 0,75 грамм 13C в час. Изобретение поясняется чертежом, на котором в качестве примера практической реализации предлагаемого способа приведена функциональная схема лазерного комплекса для разделения изотопов углерода. Внутри оптического резонатора, образованного отражающей дифракционной решеткой, находящейся в лазерном блоке 1, и зеркалом 3, расположен разделительный блок 4, частью которого является камера взаимодействия, в которой осуществляется взаимодействие исходной газовой смеси с лазерным излучением. Линза 2 служит для разделения сред в лазерном 1 и разделительном 4 блоках, а также для изменения плотности энергии в камере взаимодействия. Параллельно камере взаимодействия подсоединен поглотитель 5 для очистки от HCl, в качестве которого использовано устройство, заполненное реагентом на основе окиси алюминия. Фреон подается непосредственно в камеру взаимодействия разделительного блока 4, а азот поступает туда же через трубы 6 и 7. На выходе разделительного блока установлено устройство 8 отделения фреона, обедненного углеродом-13, соединенное с узлом сбора фреона 9. Выход устройства отделения фреона соединен с блоком выделения 10 азота, за которым следует блок криогенной ректификации 11 тетрафторэтилена, предназначенный для более тщательной очистки C2F4 от остатков фреона, и реактор окисления 12 тетрафторэтилена в двуокись углерода, в который подается кислород. Двуокись углерода, получаемая в реакторе 12, направляется в каскад газовых центрифуг 13. Смесь, состоящая из 20-60 Торр фреона-22 и 100-140 Торр азота, имеющая соотношение фреон: азот в пределах (1 : 7) - (3 : 5), прокачивается через камеру взаимодействия разделительного блока 4 со скоростью 42 м/с с тем, чтобы за время между импульсами излучения лазера 1 обеспечить полный обмен газа в камере взаимодействия. Длина волны излучения выбирается такой, чтобы преимущественно диссоциировали молекулы, содержащие атомы 13C. В камере взаимодействия разделительного блока 4 на газовую смесь воздействуют лучом с волновым числом в диапазоне 1055 - 1040 см-1 с плотностью энергии в импульсе 5 - 20 Дж/см2 и частотой следования импульсов 100 - 200 Гц. Образующиеся в результате фотодиссоциации фреона пары HCl, усложняющие дальнейшее выделение тетрафторэтилена, сорбируются в поглотителе 5, не попадая в другие блоки комплекса. Поглотитель 5 подключен таким образом, чтобы часть газовой смеси протекала через него и во время облучения очищалась от паров HCl. Отбор "грязного" газа и возврат очищенного выполнен так, чтобы обеспечить наибольшее его протекание через поглотитель 5 за счет максимального перепада давления в точках отбора и возврата смеси. Перепад давления возникает в результате принудительной прокачки газа в замкнутом контуре разделительного блока 4. Облучение проводят в течение времени, необходимого для обеспечения в концентрате содержания тетрафторэтилена, обогащенного атомами 13C, в пределах 10 - 40%. Далее концентрат, состоящий из азота, фреона-22 и обогащенного тетрафторэтилена поступает в систему отделения фреона и азота с сохранением полезного промежуточного продукта - обогащенного C2F4. Содержание этих веществ (при исходной смеси фреон : азот = 3 : 5 и давлении 160 Торр) на выходе разделительного блока 4 следующее: N2-62,5%, CF2HCl-(37-37,4)%, C2F4-(0,1-0,5)%. Газовая смесь, выходящая из разделительного блока 4, для отделения обогащенного тетрафторэтилена проходит следующие этапы криогенной очистки от других компонентов: сброс основной массы обедненного углеродом-13 фреона-22 (примерно 70% от начального количества) через устройство 8 в узел сбора 9 при температуре не ниже минус 130oC; сброс азота в блоке 10 и конденсация тетрафторэтилена с остатками фреона-22 при температуре минус 190oC (C2F470%; CF2HCl30%); криогенная ректификация для дополнительной очистки концентрата от остаточного фреона в блоке 11, на выходе которого остается очищенный, обогащенный тетрафторэтилен (95 - 98%). Далее проводится химическая конверсия тетрафторэтилена в двуокись углерода путем окисления C2F4 в реакторе 12. Отбор двуокиси углерода с изотопным содержанием 12CO2-70% и 13CO2-30% осуществляется через фильтр очистки в охлажденный и отвакуумированный баллон. На заключительной стадии процесса производится центробежное обогащение изотопа углерод-13 в форме 13CO2 на каскаде газовых центрифуг 13. Каскадирование, т.е. последовательное соединение газовых центрифуг, использовано для умножения эффекта разделения единичной центрифуги с целью получения более высокой степени обогащения целевого изотопа.Класс B01D59/00 Разделение различных изотопов одного и того же химического элемента