способ и устройство для глубокой очистки изотопов ксенона от газообразных примесей

Формула изобретения

1. Способ глубокой очистки изотопов ксенона от газообразных примесей, включающий подачу и конденсацию газовой смеси в вымораживателе с последующим удалением из него несконденсированных газовых примесей путем вакуумирования при температуре минус 196°С и отбор очищенных изотопов ксенона в баллон накопления после прекращения вакуумирования путем постепенного нагрева рабочего объема вымораживателя, отличающийся тем, что газовую смесь в вымораживатель подают непосредственно из каскада центрифуг, а при отборе очищенных изотопов ксенона рабочий объем вымораживателя нагревают до минус 70÷78°С при остаточном давлении 0,2÷1,0 мм рт.ст.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе конденсации газовой смеси в вымораживателе из него периодически удаляются воздушные примеси посредством вакуумирования до остаточного давления (3÷10)·10 ^-3 мм рт.ст.

3. Устройство для глубокой очистки изотопов ксенона от газообразных примесей, содержащее вымораживатель, вакуумную систему и баллон накопления очищенных изотопов, отличающееся тем, что вымораживатель выполнен в виде пустотелого вертикального цилиндрического сосуда, в отверстиях верхней торцевой части которого расположены два патрубка, первый из которых снабжен двумя вентилями для ввода газовой смеси из каскада центрифуг, причем один из этих вентилей предназначен для отбора очищенных изотопов в баллон накопления посредством дополнительного патрубка, размещенного на первом патрубке между двумя указанными вентилями, а второй патрубок, расположенный в торцевой части указанного сосуда, снабжен вентилем для соединения вымораживателя с вакуумной системой.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно снабжено, по меньшей мере, двумя вымораживателями, каждый из которых посредством первого патрубка соединен с каскадом центрифуг, а через дополнительный патрубок соединен с баллоном накопления.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что вымораживатели соединены с каскадом центрифуг параллельно, а с баллонами накопления последовательно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии разделения стабильных изотопов, в частности к очистке изотопов ксенона, полученных на каскаде центрифуг с заданным изотопным составом и используемых в ядерной физике для определения массы нейтрино. Кроме того, изобретение может быть применено в химической, металлургической промышленностях, в медицине, светотехнике и т.п.

Известен способ очистки изотопов химических элементов от воздушных примесей, проникающих в каскад через вакуумные неплотности в соединениях из атмосферы помещения, который осуществляется конденсацией газовой смеси в вымораживателе (емкости) [фиг.1] конденсационно-испарительной установки путем удаления из нее примесей вакуумированием при заданной температуре охлаждения (см. Дж.Кац и Е.Рабинович. Химия урана. Москва: Иностранная литература, 1954, стр.327; В.Ю.Баранов. Изотопы. Москва: Атомная наука и техника, 2000, стр.145).

К недостаткам известного способа очистки газов от примесей в конденсационно-испарительной установке относится невозможность удаления примесей, которые имеют более высокие температуры кипения насыщенных паров, чем разделяемые изотопы.

Так, в процессе разделения изотопов из-за гажения конструкционных материалов роторов газовых центрифуг во внутренних полостях каскада образуются дополнительно к воздушным еще и органические газовые примеси, состоящие из ацетона, ксилола, толуола, бутилацетата, пропанола, этанола, бутилового спирта, паров воды и др., которые конденсируются в вымораживателе совместно с разделяемыми изотопами. Вследствие этого они значительно загрязняют товарную продукцию, и поэтому требуется разработка нового способа очистки изотопов от этих примесей в процессе разделения.

В криогенной технике известен способ очистки ксенона, получаемого в установках разделения воздуха из газовой смеси, содержащей криптон, кислород, азот, метан, ацетилен, двуокись углерода, пары воды и др., путем выжигания углеводородов (ацетилена, метана) в нагревательных печах при температуре плюс 700°С и поглощения остальных примесей твердыми адсорбентами - активированным углем, цеолитами, губчатым титаном и др., с отбором очищенного ксенона в вымораживатель, охлаждаемый жидким азотом (см. В.Г.Фастовский и др. Инертные газы. Москва: Атомиздат, 1972, стр.150-161).

Недостатком известного способа является его большая трудоемкость, сложность и высокая стоимость технологического процесса очистки, т.к. для реализации этого способа очистки необходимо использование специальной установки, включающей в себя нагревательные печи, адсорберы, компрессоры, теплообменники и т.д.

Наиболее близким по глубине очистки от примесей является «Способ выделения ксенона и установка для его осуществления» по патенту России, №2134387, МПК⁶ F 25 J 3/08, опубл. 10.08.1999 г.

В данном способе очистку ксенона, полученного не на каскаде, а на установке разделения воздуха, осуществляют конденсацией газовой смеси (содержащей кислород и метан) в вымораживателе [фиг.2] с прерыванием подачи смеси и проведением вакуумирования рабочего объема при температуре минус 196°С до остаточного давления (3...4)×10 ^-3 мм рт.ст. (удаляется кислород и метан), отбором ксенона после прекращения вакуумирования плавным нагревом вымораживателя до положительных температур плюс 27...27°С с отводом паров ксенона в термокомпрессор или в баллон накопления, предварительно охлажденный до температуры минус 196°С.

Недостатком известного способа является его узконаправленность, т.к. удаляются только кислород и метан, при этом процесс очистки ведут при давлении выше атмосферного, чтобы исключить загрязнение ксенона воздушными примесями и парами воды, проникающими в коммуникации из атмосферы помещения.

Данный способ невозможно использовать в случае центрифужного метода разделения при получении особо чистых изотопов ксенона, т.к. из каскада газовых центрифуг под давлением ниже атмосферного в вымораживатель конденсационно-испарительной установки наряду с изотопами ксенона поступают еще и продукты гажения внутренних полостей каскада, у которых давление насыщенных паров ниже давления насыщенного пара ксенона, что обуславливает совместную их конденсацию в вымораживателе и в конечном результате к загрязнению готового продукта.

Следовательно, для окончательной очистки изотопов ксенона от примесей необходимо проведение дополнительной операции очистки, для чего: демонтировать баллон накопления с конденсационно-испарительной установки каскада, установить баллон накопления в специальную установку, в которой провести окончательную очистку изотопов ксенона от органических примесей известным способом (см. В.Г.Фастовский и др. Инертные газы. Москва: Атомиздат, 1972, стр.150-161).

Задачей настоящего изобретения является создание такого способа очистки и устройства для его осуществления, которые позволили бы существенно увеличить глубину очистки изотопов ксенона при упрощении процесса очистки и снизить затраты на получение готового продукта путем соединения процессов разделения изотопов и очистки в единый непрерывный технологический процесс.

Технический результат достигается тем, что в известном способе очистки изотопов ксенона путем конденсации подаваемой газовой смеси в вымораживателе, последующего вакуумирования рабочего объема вымораживателя при температуре минус 196°С до остаточного давления (3...4)×10 ^-3 мм рт.ст. и отбора очищенных изотопов ксенона, подачу газовой смеси, содержащей ксенон, азот, кислород, криптон, метан, ацетон, ксилол, толуол, пары воды и др. в вымораживатель осуществляют непосредственно из каскада центрифуг, а отбор очищенных изотопов ксенона ведут после прекращения вакуумирования путем постепенного нагрева вымораживателя до отрицательной температуры минус 70...78°С с одновременным отводом паров очищенных изотопов ксенона в накопительный баллон, предварительно замороженный жидким азотом до температуры минус 196°С.

Известна установка для очистки изотопов различных химических элементов от воздушных примесей, включая вымораживатель (емкость) и вакуумную систему (см. В.Ю.Баранов. Изотопы. Москва: Атомная наука и техника, 2000, стр.145).

В данной установке после завершения вакуумирования и вымораживания отбор очищенных изотопов не проводится. Вымораживатель (фиг.1) сам является накопителем товарной продукции. При таких условиях органические примеси, поступившие из каскада, остаются в товарном продукте, т.е. в вымораживателе. Следовательно, в установке с таким вымораживатлем не может быть достигнут заявляемый технический результат.

Известна также установка (фиг.2) для выделения ксенона из газовой смеси (кислород-метан), содержащая вымораживатель 1, имеющий корпус 4, соединенный с автономным источником газовой смеси 2, двумя вакуумными системами 3, 13, термокомпрессором или газгольдером, баллоном накопления, снабженным трубками с общими тарельчатыми ребрами 7, 8 для ввода смеси, сетчатыми фильтрами 9, теплообменником 14, каналом 22 подвода жидкого азота в ванну охлаждения 6, каналом вывода очищенного ксенона, датчиками индикаторов двухфазного тока 12, теплоизоляцией 18 (см. патент России, №2134387, МПК⁶ F 25 J 3/08, опубл. 10.08.1999 г.).

Данная установка по количеству существенных признаков является наиболее близким аналогом.

Однако в известной установке-аналоге не предусмотрены средства для изменения температурных режимов вымораживателя с температуры минус 196°С до температуры минус 70...78°С и обратно, что обуславливает неэффективность процесса очистки и непрерывность эксплуатации вымораживателя как по удалению воздушных и органических примесей, так и по затариванию баллонов товарной продукцией. По этой причине и на этой установке не может быть достигнут заявляемый в способе технический результат.

Задачей данного изобретения является разработка такого устройства, которое обеспечивало бы возможность объединения процессов разделения изотопов ксенона с его очисткой от многокомпонентных газовых примесей и с отбором в баллоны товарной продукции в единый непрерывный технологический процесс.

Технический результат достигается тем, что в известной установке, содержащей вымораживатель, корпус которого соединен с источником газовой смеси, вакуумной системой и баллоном накопления, вымораживатель выполнен в виде полого вертикального цилиндрического сосуда, в отверстиях верхней торцевой части которого расположены два патрубка, первый из которых снабжен двумя вентилями для ввода газовой смеси из каскада центрифуг, причем один из этих вентилей предназначен также для отбора очищенных изотопов в баллон накопления посредством дополнительного патрубка, размещенного на первом патрубке между двумя указанными вентилями, а второй патрубок, расположенный в торцевой части указанного сосуда, снабжен вентилем для соединения вымораживателя с вакуумной системой, при этом вымораживатель размещен в съемном сосуде Дьюара с хладагентом (фиг.3). Патрубок ввода газовой смеси в вымораживатель в процессе эксплуатации имеет двойное назначение - в режиме конденсации он служит для ввода в вымораживатель, а в режиме испарения - для вывода очищенных изотопов ксенона из вымораживателя в баллон накопления через патрубок, установленного между двумя его вентилями.

Для обеспечения непрерывности процессов разделения изотопов и очистки от газовых примесей устройство снабжено не менее чем двумя вымораживателями, соединенными параллельно с каскадом центрифуг, при этом каждый вымораживатель соединен с баллоном накопления последовательно.

Основной технический эффект заявляемого способа и устройства выражается в расширении диапазона удаляемых газовых примесей изотопов ксенона при увеличении глубины их очистки и непрерывности процесса получения готового продукта.

Приводимые чертежи иллюстрируют предложенное изобретение.

Фиг.1 - известный вымораживатель (емкость).

Фиг.2 - вымораживатель по патенту 2134387.

Фиг.3 - заявляемая конструкция вымораживателя.

Фиг.4 - блок-схема устройства, реализующего заявляемый технологический процесс получения, очистки от газовых примесей и затаривания изотопов ксенона.

Фиг.5 - график зависимости давления насыщенного пара от температуры для основных компонентов газовой смеси. Использована логарифмическая шкала делений.

Устройство (фиг.4) для очистки изотопов ксенона от газовых примесей и затаривания изотопов содержит вымораживатель 2 или 3, который соединен с трассой отбора тяжелой или легкой фракций каскада центрифуг 1, баллон накопления 4 или 5 товарной продукции и вакуумную систему 6.

Вымораживатель 2 или 3 (фиг.4) выполнен в виде пустотелого вертикального цилиндрического сосуда, в верхней торцевой части 17 или 18 которого установлен патрубок 19 или 20 с вентилями 7, 8 или 9, 10 для ввода газовой смеси и вывода (вентиль 8 или 10) очищенных изотопов ксенона, патрубок 21 или 22 с вентилем 11 или 12 для подсоединения к вакуумной системе 6. Между вентилями 7, 8 или 9, 10 патрубка 19 или 20 установлен патрубок 24 или 25 с вентилем 26 или 27 для подсоединения баллона накопления 4 или 5, размещенного в сосуде Дьюара 16. Вымораживатель 2 или 3 установлен в съемный сосуд Дьюара 15 или 23.

Работа устройства очистки изотопов ксенона от газообразных примесей осуществляется следующим образом

- Режим вымораживания

Газовая смесь, содержащая изотопы ксенона с газовыми примесями, подается из каскада центрифуг 1 через патрубок 19 или 20 и вентили 7, 8 или 9, 10 в вымораживатель 2 или 3, предварительно охлажденный жидким азотом в сосуде Дьюара 15 или 23 и отвакуумированный до давления (3...10)×10^-3 мм рт.ст. вакуумной системой 6 по патрубку 21 или 22 через вентиль 11 или 12.

На внутренних стенках вымораживателя 2 или 3 происходит осаждение изотопов ксенона и части газовых примесей (фиг.5), у которых давление насыщенного пара ниже, чем давление насыщенного пара ксенона, а газовые примеси, у которых давление насыщенного пара выше, чем у ксенона, периодически удаляются вакуумной системой 6.

- Режим отогрева и отбора изотопов ксенона

После завершения процесса заполнения продуктом вымораживателя 2 или 3 подачу газовой смеси в него прекращают путем закрытия вентилей 7, 8 на патрубке 19 или 9, 10 на патрубке 20 с одновременным переводом ее в вымораживатель 3 или 2 путем открытия вентилей 9, 10 патрубка 20 или вентилей 7, 8 патрубка 19 на вымораживателе 3 или 2, подготовленном к работе как вымораживатель 2 или 3.

При температуре минус 196°С с помощью вакуумной системы 6 через патрубок 21 и вентиль 11 или патрубок 22 и вентиль 12 проводят вакуумирование рабочего объема вымораживателя 2 или 3 до остаточного давления (3...10)×10^-3 мм рт.ст. Затем вакуумная система 6 отключается закрытием вентиля 11 на патрубке 21 или вентиля 12 на патрубке 22 и собирается схема эвакуации очищенных изотопов ксенона из вымораживателя 2 или 3 по патрубку 19 или 20 и трубопроводу 24 или 25, открытием вентилей 8, 26, 13 или 10, 27, 14 в баллон накопителя 4 или 5, предварительно замороженного до температуры минус 196°С в сосуде Дьюара 16 и отвакуумированного до остаточного давления (3...10)×10^-3 мм рт.ст. вакуумной системой 6 через вентили 28 или 29. Эвакуацию очищенных изотопов ксенона ведут постепенным нагревом вымораживателя 2 или 3 снятием с него сосуда Дьюара 15 или 23 с жидким азотом с последующим помещением вымораживателя 2 или 3 в сосуд Дьюара 15 или 23 с «сухим льдом». Процесс отвода очищенных изотопов ксенона (фиг.5) из вымораживателя 2 или 3 в баллон накопления 4 или 5 проводят при отрицательной температуре минус 70...78°С вымораживателя 2 или 3 до остаточного давления 0,2...1,0 мм рт.ст.

В условиях непрерывности ведения процесса разделения изотопов ксенона на каскаде центрифуг 1 предусматривается попарное чередование работы вымораживателя 2 или 3 с накопительным баллоном 4 или 5 в режиме конденсация - испарение.

В соответствии с заявленным способом очистки изотопов ксенона и устройства для его осуществления в табл.1-4 представлены сравнительные результаты анализа химического состава примесей очищенного ксенона, обогащенного изотопом ксенон-136, а также требования заказчика по химической чистоте обогащенного ксенона и ГОСТа 10219-77.

Таблица 1 Масс - спектрометрический анализ примесей
Этап анализа		Молярная доля примесей, ppm
		N2	O2	Ar	Kr	СН 4	CF4	Другие
до	использования изобретения	2,8	0,3	0,04	0,04	1,2	0,04	644
после		0,46	0,2	<0,02	<0,02	0,08	<0,02	2,3
ГОСТ 10219-77		10	2	-	10	1	-	-
Требования заказчика		<5	<5	<0,5	<0,1	<1	<5	<7,4

Таблица 2 Масс - спектрометрический анализ изотопного состава товарного ксенона
Этап анализа			Атомная доля изотопов, %
			124		126		128			129	130	131			132		134		136
Товарное содержание			-		-		-			-	-	0,03			0,26		18,95		80,76
изотопное содержание природного ксенона			0,096		0,090		1,919			26,44	4,08	21,18			26,89		10,44		8,87
Таблица 3 Хроматографический анализ примесей
Этап анализа				Молярная доля примесей, ppm
				этанол		ацетон			пропанол		Бутиловый спирт			толуол		Бутилацетат		ксилол
до	использования изобретения			158		366			34		44			22		2		18
после				<0,2		<0,2			<0,2		<0,4			<0,4		<0,4		<0,5
Таблица 4 Анализ примесей методом ИК-спектрометрии
Этап анализа								Молярная доля примесей, ppm
								CO 2					H2 O
до		использования изобретения						2,7					6,7
после								0,3					<1,0
ГОСТ 10219-77								1					5
Требования заказчика								1					5

Из результатов анализа следует, что глубина очистки изотопов ксенона, полученных на каскаде центрифуг и очищенных в заявленной установке с использованием заявляемого способа, повысилась с 657,82 ppm до <4,4 ppm, т.е. в ˜150 раз. Это свидетельствует о том, что заявляемый способ обладает высокой эффективностью, а устройство для его осуществления - высокой работоспособностью в условиях непрерывности технологического процесса.

В мировой практике центрифужного разделения стабильных изотопов химических элементов не известны случаи получения высокообогащенных изотопов такой высокой степени химической чистоты.

Исследование заявленного изобретения обеспечивает следующие технические и полезные преимущества:

- непрерывное ведение процесса разделения изотопов ксенона на каскаде центрифуг и одновременно процесса их глубокой очистки от широкого спектра газообразных химических примесей,

- повышение глубины очистки изотопов ксенона не менее чем на два порядка,

- отсутствие необходимости создания сложных специальных установок для очистки изотопов ксенона от газовых примесей,

- снижение затрат на получение товарной продукции за счет объединения двух процессов в один непрерывный процесс при простоте его обслуживания.