Способ и установка для обогащения изотопа лития-7

 

Изобретение предназначено для атомной электроэнергетики. Установка состоит из контактной системы 1, образованной несколькими колоннами 2, заполненными насадкой 3 в форме колец с закругленными внешними кромками. Колонны 2 объединены в каскад. Первая колонна 2 соединена с одним или несколькими электролизерами 4. Выход водного раствора соединения лития первой колонны 2 соединен с входом емкости 8 первоначального запаса сырья. Выход емкости 8 соединен с входами электролизеров 4, сообщенных с испарителем 6 и конденсатором 7. Последняя колонна 2 контактной системы 1 соединена с колонной 5, заполненной наполнителем, катализирующим разложение амальгамы лития. Питание процесса осуществляют путем первоначальной загрузки исходного сырья в емкость 8 в количестве, превышающем выводимое с отвалом из колонны 5. В отвале накапливается сопутствующий изотоп - литий-6. Цикл завершается при достижении в емкости 8 требуемой концентрации щелевого изотопа литий-7. Способ и установка имеют высокую производительность, позволяют получить любую степень обогащения по литию-7 при ограниченной длине контактной системы. 2 с.п. ф-лы, 3 табл., 9 ил.

Изобретение относится к физической химии, а в частности к массообменным процессам и методам разделения изотопов лития.

Изотоп литий-7 в последние годы получил широкое применение в качестве вспомогательного вещества в атомной электроэнергетике.

Конкретным приложением лития-7 является регулирование водно-химического режима в первом контуре ядерных энергетических водоохлаждающих реакторов.

Известно несколько методов разделения изотопов лития, таких как молекулярная дистилляция, электролиз, электромиграция, ионный обмен, химический обмен.

Наиболее эффективными считаются методы, основанные на изотопном эффекте, который сопровождает химический обмен лития между амальгамой лития, с одной стороны, и водным или органическим раствором соединений лития, с другой стороны.

Известен способ и установка для разделения изотопов лития по патенту США 3463606, МКИ С 01 D 11/02, В 01 D 59/30, 1969, согласно которому процесс обогащения изотопов лития осуществляют при использовании обменной колонки с обратным контуром на верхнем конце и обратным контуром на нижнем конце, в которой амальгама лития взаимодействует с литиевой солью, растворенной в органическом растворителе аминов.

Недостатком изложенного выше способа, основанного на химическом обмене между амальгамой лития и органическим раствором, являются сложные, а следовательно, дорогостоящие превращения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату прототипом являются способ и установка для обогащения изотопов лития (Descrierea inventiei 72252 (R.S.R.). Procedeu si instalatie pentru imbogatirea izotopilor litiulni, Solicitant: bis. Hie Hoder, fis. Constantin Bindea, chim Simion Dranca, ing. Virgil Staia, bit. Sabin Stoicoviciu, Cluj-Napoca, data registraru 21.12.1977, nr. Curent 23486, data publicaru 28.07.1981, Сl², С 01 D 15/02; В 01 D 59/40 Перевод "Способ и установка для обогащения изотопов лития", ВЦП, Москва, 1984).

Способ состоит в том, что для усиления изотопного эффекта обмена без необходимости регенерации амальгамы или задерживания реакции ее разложения, путем приложения разности электрических потенциалов между фазами амальгама лития и гидрооксид лития, которые образуют две жидкие фазы, циркулируют в противотоке в контактной системе в условиях поддерживания высоких значений отношения между скоростью химического обмена лития между фазами и скоростью разложения амальгамы, причем литий амальгамы, покидающий контактную систему, переводят в водный раствор путем пропускания амальгамы в контакте с водой через наполнитель, который катализирует реакцию разложения амальгамы, после чего раствор вновь вводят в контактную систему, либо литий из водного раствора, который покидает контактную систему, переводят в амальгаму лития путем испарения воды из водного раствора и поддерживают приблизительно постоянную концентрацию раствора в конверсионной установке, а амальгаму лития затем вновь вводят в контактную систему.

Установка для осуществления процесса (фиг. 1) состоит из контактной системы, выполненной в виде вертикальной колонны 1 и двух узлов обращения фаз.

Узел обращения водного раствора соединения лития в амальгаму включает электролизер 2 и испаритель 6.

Узел обращения амальгамы лития в водный раствор выполнен в виде колонны 11 с наполнителем, катализирующим реакцию разложения амальгамы.

В установку включены трубопровод 16 для непрерывного ввода питания исходным сырьем в среднюю часть колонны 1, трубопровод 17 для вывода продукта, обогащенного по литию-7, из верхней части колонны и трубопровод 18 для вывода продукта, обогащенного по литию-6, из нижней части колонны.

Применительно к цели получения лития-7 с высокой изотопной концентрацией из природного сырья прототип обладает следующими возможностями.

Из данных таблицы 1 следует, что для получения лития-7 с требуемой концентрацией (0.9995) необходимо, чтобы контактная система имела более 95 ступеней разделения.

Принимаем для расчета, что контактная система имеет эффективность 100 ступеней разделения и начальный поток амальгамы лития, равный 1, а установка работает в режиме непрерывного питания контактной системы исходным сырьем в количестве, равном сумме отборов с богатого и бедного по литию-7 концов контактной системы. Наилучшей точкой питания установки при обогащении по литию-7 является последняя, в данном случае 100-ая ступень разделения, а величина отбора с бедного по литию-7 конца контактной системы равна величине доходящего потока. В этом случае максимальная производительность установки по литию-7 с концентрацией 0.9995 достигается при отборе с богатого по литию-7 конца контактной системы, равном 0.16 относительных единиц потока в час.

Способ и установка по прототипу обладает следующими недостатками.

Амальгама лития движется по контактной системе в режиме свободного падения. Это приводит к ограничению скорости изотопного обмена, вызывает продольное перемешивание растворов, не обеспечивает равномерность изотопных концентраций в плоскостях, ортогональных направлениям движения потоков в контактной системе, что увеличивает высоту эквивалентной теоретической тарелки (ВЭТТ).

В процессе движения диспергированной амальгамы лития по контактной системе в противотоке с водным раствором соединения лития возникает паразитный процесс разложения амальгамы водой с вымыванием лития из амальгамы в раствор в виде гидроокиси лития и сопровождаемый выделением водорода. Этот неизбежный для данного способа процесс выводит литий из потока и создает отрицательное воздействие на кинетику процесса за счет восходящего потока водородных пузырьков в водной среде. Выделяющийся водород покидает колонну через верхний раструб, на котором установлен электролизер 2. При электролизе водного раствора гидроокиси лития с ртутным катодом образуется амальгама лития на катоде, а на аноде выделяется свободный кислород. Поэтому водород, проходящий из колонны 1 через полость электролизера 2, может смешиваться с кислородом, образуя взрывоопасную газовую смесь.

Установка состоит из одной колонны, поэтому при значительной требуемой длине контактной системы содержание водорода будет возрастать по высоте контактной системы. Повышенное содержание водорода в верхней части контактной системы приводит к уменьшению содержания водного раствора соединения лития в контактной системе, увеличению скорости движения восходящего потока и, следовательно, снижению эффективности изотопного обмена.

При указанных выше недостатках колонна контактной системы (по прототипу) теоретически и практически не может иметь более сорока ступеней разделения и, таким образом, не обладает способностью обеспечить высокую степень обогащения как по литию-7, так и по сопутствующему изотопу в непрерывном режиме работы (с вводом питания в контактную систему и отбором обогащенных по литию-7 и сопутствующему ему изотопу продуктов).

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности обмена и производительности установки.

Указанная задача достигается тем, что в способе обогащения изотопа лития-7 посредством контакта двух жидких фаз - амальгамы лития и водного раствора соединения лития, которые циркулируют в противотоке в контактной системе в условиях поддержания высоких значений отношения между скоростью химического обмена лития между фазами и скоростью разложения амальгамы, причем литий амальгамы, покидающий контактную систему, переводят в водный раствор путем пропускания амальгамы в контакте с водой через наполнитель, который катализирует реакцию разложения амальгамы, после чего раствор частично или полностью вновь вводят в контактную систему, а литий из водного раствора, который покидает контактную систему, переводят в амальгаму лития путем испарения воды из водного раствора и поддержания приблизительно постоянной концентрации раствора в электролизере и электролиза концентрированного раствора, а амальгама лития вводится в контактную систему, согласно формулы изобретения процесс проводят в периодическом режиме путем разовой загрузки исходного сырья природного изотопного состава и его обогащения с последовательным повышением концентрации лития-7 в первой колонне контактной системы путем непрерывного вывода в отвал сопутствующего изотопа с противоположного конца контактной системы и выгрузки обогащенного изотопа лития-7.

Задача решается также благодаря тому, что в установке для обогащения изотопа лития-7, содержащей контактную систему, узел обращения водного раствора соединения лития в амальгаму лития, включающий, по меньшей мере, один электролизер, и узел обращения амальгамы лития в водный раствор соединения лития, включающий колонну с наполнителем, согласно формулы изобретения контактная система состоит из нескольких насадочных колонн, объединенных в каскад, при этом узел обращения водного раствора соединения лития в амальгаму лития дополнительно снабжен емкостью для первоначального запаса сырья, вход которой соединен с выходом водного раствора соединения лития первой насадочной колонны контактной системы, а выход - с входом электролизера, а насадка в колоннах контактной системы выполнена в виде винипластовых колец с закругленными внешними кромками.

Указанная совокупность признаков является новой и обладает изобретательским уровнем, так как предлагаемый способ обогащения лития-7 путем последовательного непрерывного повышения его концентрации в емкости первоначального запаса сырья не накладывает никаких ограничений на концентрацию выводимого в отвал сопутствующего изотопа. При увеличении концентрации лития-7 в верхней части контактной системы, равно как и в емкости первоначального запаса сырья, пропорционально возрастает концентрация лития-7 в отвале при неизменной степени разделения (см. таблицу 2). Использование емкости для первоначального запаса сырья позволит осуществить работу установки в режиме без питания сырьем природного состава контактной системы и, таким образом, концентрация в нижней части контактной системы не будет ограничена концентрацией природного состава, а может изменяться в широком диапазоне. Это позволит, не увеличивая ВЭТТ и длину контактной системы, получить сколь угодно высокое обогащение по литию-7 при одной и той же степени обогащения контактной системы. Расчеты, поясняющие данное утверждение, приведены в таблице 2.

В связи с тем, что вывод водорода, образующегося при разложении амальгамы лития в контактной системе, осуществляется через верхнее сечение колонны, содержание его возрастает по высоте колонны, что приводит к уменьшению содержания водного раствора соединения лития в контактной системе, увеличению скорости движения восходящего потока и, следовательно, снижению эффективности изотопного обмена тем больше, чем выше колонна контактной системы. Разбиение контактной системы на несколько колонн позволит выводить образующийся в ней водород через верхнее сечение каждой колонны и, таким образом, содержание водорода в каждой колонне будет соответствовать содержанию водорода в нижней части колонны контактной системы без разбиения ее на несколько колонн. Экспериментально установлено увеличение эффективности изотопного обмена (см. фиг.9).

Использование в колоннах контактной системы насадки, состоящей из винипластовых колец с закругленными внешними кромками, приводит к увеличению скорости изотопного обмена, уменьшает продольное перемешивание растворов, обеспечивает равномерность изотопных концентраций в плоскостях, ортогональных направлениям движения потоков в контактной системе, что уменьшает (ВЭТТ) и повышает эффективность контактной системы на 30%.

На фиг.1 представлена принципиальная схема установки (по прототипу).

на фиг. 2 - предлагаемая принципиальная схема установки обогащения лития-7, на фиг.3 - элемент насадки в разрезе, на фиг.4 - диаграмма изменения потока амальгамы в контактной системе, на фиг. 5 - диаграмма выноса лития из емкости первоначального запаса сырья через контактную систему, на фиг. 6 - диаграмма изменения содержания лития в емкости первоначального запаса сырья во времени, на фиг.7 - диаграмма изменения содержания сопутствующего изотопа лития в емкости первоначального запаса сырья во времени, на фиг. 8 - диаграмма изменения концентрации лития-7 в емкости первоначального запаса сырья во времени, на фиг.9 - диаграмма эффективности контактной системы.

Установка для реализации способа (фиг.2) по изобретению состоит из контактной системы 1, узла обращения водного раствора соединения лития в амальгаму лития, включающего электролизеры 4, испаритель 6, конденсатор 7, а также емкость первоначального запаса сырья 8 и узла обращения амальгамы лития в водный раствор соединения лития, выполненного в виде колонны 5 с наполнителем, катализирующим процесс разложения амальгамы лития.

Контактная система 1 образована из нескольких колонн 2, заполненных насадкой 3 в форме колец с закругленными внешними кромками, объединенных в каскад. Первая колонна контактной системы соединена с одним или несколькими электролизерами 4 и емкостью первоначального запаса сырья 8. Электролизеры сообщаются с испарителем 6, который соединен с конденсатором 7 и емкостью первоначального запаса сырья 8. Последняя колонна контактной системы соединена с колонной 5 с наполнителем для разложения конечного потока амальгамы лития, которая в свою очередь соединена с электролизерами 4 и конденсатором 7.

Способ разделения осуществляется на установке, которая работает следующим образом. Емкость первоначального запаса сырья 8 и контактная система 1 заполняются водным раствором соединения лития природного изотопного состава.

Способ разделения реализуется в массообменных колоннах 2 контактной системы 1, где циркулирует восходящий поток водного раствора соединения лития, через который пропускают амальгаму лития.

Амальгаму лития получают электролизом водного раствора, соединения лития на одном или нескольких электролизерах 4 с проточным ртутным катодом. Обедненный по литию водный раствор соединения лития, поступающий с электролизеров, отводят в испаритель 6, где часть воды отбирается, конденсируется в конденсаторе 7 и выводится в колонну 5 с наполнителем для разложения амальгамы, а концентрированный водный раствор соединения лития поступает в емкость 8, смешивается там с раствором, поступающим из первой колонны контактной системы 1, и вновь вводится в электролизеры 4.

Из основания последней колонны 2 контактной системы 1 амальгама вводится в колонну 5 с наполнителем, где она приводится в контакт и циркулирует в противотоке с водой, поступающей с конденсатора 7. Колонна с наполнителем 5 содержит наполнитель, который катализирует реакцию между литием амальгамы и водой, в результате чего образуется водный раствор соединения лития, который частично выводится в отвал, а оставшийся вводится в основание последней колонны контактной системы. Получающийся водород выводится через верхнее сечение колонны 5 с наполнителем. Образующаяся в результате разложения амальгамы ртуть покидает основание колонны 5 с наполнителем и вновь вводится в электролизеры 4.

Водород, получающийся при самопроизвольном частичном разложении амальгамы в колоннах 2 контактной системы 1 и при полном принудительном разложении амальгамы в колонне 5 с наполнителем, отводится и удаляется через верхнее сечение каждой колонны.

Питание процесса осуществляется путем первоначальной загрузки исходного сырья в емкость 8 в количестве, превышающем величину, выводимую с отвалом, и в случае необходимости в любую из колонн контактной системы.

Из нижней части последней колонны 2 контактной системы 1 извлекается фракция, обогащенная сопутствующим изотопом, а в емкости 8 происходит обогащение лития-7 до требуемой изотопной концентрации. Цикл завершается по достижении в емкости 8 требуемой концентрации лития-7. После чего обогащенный по литию-7 продукт выгружается из емкости 8 и установка вновь может быть использована для получения следующей партии продукта. Установка работает в периодическом режиме.

Пример реализации способа.

Для сравнения работы установки по прототипу и по изобретению принимаем эффективность контактной системы равной 100 теоретических ступеней разделения (хотя для прототипа такая эффективность недостижима).

Пусть исходное количество запасенного продукта составляло 1000 единиц относительно начального потока в контактной системе.

Процесс проводился до достижения в верхней части колонны концентрации лития-7 равной 0,9995.

В процессе работы установки на определенных этапах по времени (через каждые 50 часов) определялась изотопная концентрация и количество лития в емкости.

Результаты расчетов, проведенные по экспериментальным данным, представлены в таблице 3 и на фиг.5-8.

Из расчетов следует, что за время работы установки в течение 1432,73 часа в отвал выведено 99,58556% сопутствующего изотопа и 16,7% лития-7 от исходного количества.

Остаток в системе составил 770,4523 относительных единиц лития-7 и 0.310833 относительных единиц сопутствующего изотопа.

Выход продукта с относительным содержанием целевого изотопа 0,9995 от исходного природного сырья составил 77,07632%.

Для сравнительной оценки прототипа и варианта без питания примем время работы по обоим вариантам равным величине Т=1432,73 часа.

Установка по прототипу, работающая в непрерывном режиме, даже если бы удалось получить принятую в примере эффективность установки, имела бы производительность 0,16 относительных единиц в час.

Таким образом, за указанное время работы установки по прототипу в непрерывном режиме можно получить максимально 229,23 относительных единиц целевого продукта. Это в 3,36 раза меньше, чем при работе по предлагаемому способу, без питания и с созданием в узле обращения водного раствора соединения лития в амальгаму лития определенного запаса природного сырья, и с выводом сопутствующего изотопа в отвал путем частичного отбора из нижней части последней колонны контактной системы.

Контактная система с учетом предлагаемых технических решений при максимально возможной длине (см. фиг.4) может иметь до 160 ступеней разделения за счет существенного уменьшения ВЭТТ. Ограничение на число ступеней разделения связано с ограничением на длину контактной системы, так как в колоннах контактной системы имеет место самопроизвольное частичное разложение амальгамы лития (см. фиг 4.).

Параметры насадки (приведены размеры относительно диаметра колонны): d₁= 0,03; d₂=0,04; h=0,04; г=0,005 (см. фиг.3).

Установка обладает высокой производительностью и позволяет получить сколь угодно высокую степень обогащения по литию-7 при ограниченной длине контактной системы.

Формула изобретения

1. Способ обогащения изотопа лития-7 посредством контакта двух жидких фаз - амальгамы лития, с одной стороны, и водного раствора соединения лития, с другой стороны, которые циркулируют в противотоке в контактной системе в условиях поддержания высоких значений отношения между скоростью химического обмена лития между фазами и скоростью разложения амальгамы, причем литий амальгамы, покидающий контактную систему, переводят в водный раствор путем пропускания амальгамы в контакте с водой через наполнитель, который катализирует реакцию разложения амальгамы, после чего раствор частично или полностью вновь вводят в контактную систему, а литий из водного раствора, который покидает контактную систему, переводят в амальгаму лития путем испарения воды из водного раствора и поддержания приблизительно постоянной концентрации раствора в электролизере и электролиза концентрированного раствора, а амальгаму лития вводят в контактную систему, отличающийся тем, что процесс проводят в периодическом режиме путем разовой начальной загрузки исходного сырья природного изотопного состава с последовательным повышением концентрации лития-7 в первой колонне контактной системы, путем непрерывного вывода в отвал сопутствующего изотопа с противоположного конца контактной системы и выгрузки обогащенного изотопа лития-7.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первоначально создают запас природного сырья в количестве, превосходящем величину, выводимую с отвалом.

3. Установка для обогащения изотопа лития-7, содержащая контактную систему, узел обращения водного раствора соединения лития в амальгаму лития, включающий, по меньшей мере, один электролизер, и узел обращения амальгамы лития в водный раствор соединения лития, включающий колонну с наполнителем, отличающаяся тем, что контактная система состоит из нескольких насадочных колонн, объединенных в каскад, при этом узел обращения водного раствора соединения лития в амальгаму лития дополнительно снабжен емкостью для первоначального запаса сырья, вход которой соединен с выходом водного раствора соединения лития первой насадочной колонны контактной системы, а выход - с входом электролизера.

4. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что насадка в колоннах контактной системы выполнена в виде винипластовых колец с закругленными внешними кромками.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12