Экстрактор с саморегулируемым уровнем раздела фаз

 

Изобретение относится к области радиохимии, в частности к устройствам для получения технеция-99m для медицины. Экстрактор с саморегулируемым уровнем раздела фаз содержит две колонки примерно равного сечения, коаксиально размещенные одна в другой, внутренняя колонка выполнена с зауженной средней частью - горловиной, у верхнего уровня которой расположена заборная трубка и в нижней части внутренней колонки выполнены отверстия для сообщения с объемом наружной колонки, обе колонки в верхней части имеют патрубки для подключения к воздушно-вакуумной системе, при этом отношение высоты горловины к высоте нижней части внутренней колонки не превышает 0,2, а отношение площади сечения горловины к общей площади экстрактора - 0,3. Изобретение позволяет повысить эффективность работы экстрактора за счет увеличения соотношения объемов экстрагента и водной фазы до V_э/V_в≥ 1 без снижения уровня потерь экстрагента. 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к области радиохимии, в частности к устройствам для получения технеция-99m для медицины.

Короткоживущий радионуклид технеций-99m является дочерним продуктом β -распада изотопа ⁹⁹Мо. Для его отделения от ⁹⁹Мо чаще всего используются устройства (хроматографические и экстракционные), называемые генераторами технеция. Первый из них является транспортируемым и применяется для экспрессного получения препаратов технеция-99m непосредственно в медицинских учреждениях. Создание мобильных экстракционных генераторов связано с решением проблем снижения их габаритов и повышения эффективности. Как правило, при использовании прямоточных экстракторов (см. например, Sloboda К.Solvent extraction ⁹⁹mТc generator. //Seminar on radionuclide generator technology, Vienna, Austria, Oct. 13-17, 1986, IAEA-SR-131/21) степень выделения технеция-99m из водного раствора молибдата, ⁹⁹Мо напрямую зависит от продолжительности контакта экстрагента (метилэтилкетона - МЭК) с раствором водной фазы (ВФ) при его движении снизу вверх. Чем выше колонна, тем больше степень выделения дочернего радионуклида. При этом объем экстрагента должен быть не менее объема ВФ, т.е. V_э/V_в≥ 1.

Известны устройства, где для повышения эффективности экстракции вместо колонн используются экстракторы с мешалкой (см., например, В.А.Соколов. Генераторы короткоживущих радиоактивных изотопов /М.: Атомиздат. - 1975. - с.12-13, 29). Наряду с усложнением конструкции, введение мешалки с двигателем не способствует снижению габаритов установки.

Известен генератор (см. Патент РФ №2118858 от 10.09.98, Бюл. №25, 1998), экстрактор которого выполнен в виде двух колонн: основной и дополнительной, в которых поочередно и многократно проводится смешивание фаз при их переводе из колонны в колонну. За счет этого увеличивается продолжительность контакта с одновременным снижением габаритов установки по сравнению с одноколоночными прямоточными системами. Снижение потерь экстракта с технецием при его отборе достигается за счет расположения заборной трубки в зауженной части дополнительной колонны, где поверхность границы раздела фаз минимальна. Недостатком экстрактора является отсутствие саморегуляции уровня раздела фаз и необходимость проведения визуального контроля за его местоположением при процессе отбора. Это требует использования тяжелой защиты от облучения персонала.

Указанных недостатков лишен экстрактор выбранный в качестве прототипа (см. Патент РФ №2161132 от 27.12.2000 г., Бюл. №36, 2000), включающий две колонки с примерно равным сечением, коаксиально размещенные одна в другой, с заборной трубкой, расположенной в зауженной средней части внутренней колонки, с патрубками в верхней части обеих колонок для подключения к воздушно-вакуумной системе и с отверстиями в нижней части внутренней колонки для сообщения колонок между собой. Экстрактор помещен в защитный контейнер с отверстиями для подключения шлангов и коммуникаций.

Саморегуляция уровня раздела фаз при отборе экстрагента достигается за счет избыточного гидростатического давления столба водной фазы ρ _в· g· h_в(t), находящейся в межстеночном пространстве, на столб отбираемого из внутренней колонки экстрагента ρ _э· g· h_э(t). Здесь ρ _в и ρ _э - плотности ВФ и экстрагента соответственно; g - ускорение силы тяжести; h_B и h_Э - высота столбов ВФ и экстрагента в момент отбора t. Обязательным условием работы экстрактора является то, что в момент отбора (при запуске атмосферного воздуха в обе колонки экстрактора) весь экстрагент должен находиться во внутренней колонке. То есть его столб в этот момент (и соответственно, масса ρ _эV_э) должен обеспечивать полное вытеснение ВФ из внутренней части в межстеночное пространство, но не более того.

Недостатком экстрактора является то, что он работает при соотношении объемов экстрагента и водной фазы 40:85, т.е. при V_э/V_в=0,5. Как следствие, выход технеция-99m из генератора не превышает 40-50% от теоретического. Увеличение соотношения за счет снижения объема ВФ приведет к соответствующему снижению высоты ее столба и большой потере экстрагента при отборе за счет его неполного “выталкивания”.

Таким образом, остается нерешенной задача создания конструкции экстрактора с саморегулируемым уровнем раздела фаз с повышенной эффективностью работы.

Технический результат от предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности работы экстрактора за счет увеличения соотношения объемов экстрагента и водной фазы до V_э/Vв≥ 1 без снижения уровня потерь экстрагента.

Поставленная техническая задача решается следующим образом. Так же, как и в прототипе экстрактор содержит две коаксиально размещенные одна в другой колонки с примерно равной площадью сечения. Внутренняя колонка выполнена с зауженной частью - горловиной, у верхнего уровня которой расположена заборная трубка. В нижней части внутренней колонки выполнены отверстия для сообщения с объемом наружной колонки. Обе колонки в верхней части имеют патрубки для подключения к воздушно-вакуумной системе. Экстрактор помещен в защитный контейнер с отверстиями для подключения шлангов и коммуникаций.

В отличие от прототипа, отношение высоты горловины к высоте нижней части внутренней колонки не превышает 0,2, а отношение площади сечения горловины к общей площади экстрактора - 0,3.

В результате, так же как и в прототипе, осуществляется многократная экстракция, но при соотношении объемов V_э/V_в≥ 1.

На чертеже схематически представлено осевое сечение (фиг. 1) и поперечный разрез (фиг. 2) экстрактора. Экстрактор образован двумя коаксиальными колонками, внутренней 1 и внешней 2. Объем внешней колонки составляет кольцевое пространство между стенками внутренней и внешней колонок. Внутренняя колонка 1 в своей средней части имеет горловину 3. Заборная трубка 4 расположена у верхнего уровня горловины. Внутренняя 1 и внешняя 2 колонки имеют в верхней части патрубки 5 и 6 для подключения к воздушно-вакуумной системе, которая не показана. В нижней части внутренней колонки выполнены отверстия 7, через которые объемы колонок сообщаются друг с другом. Объемы внутренней и наружных колонок экстрактора примерно равны между собой и по отдельности превышают суммарный объем вводимых реагентов. Весь экстрактор помещен в защитный контейнер 8. Буквами на фигурах обозначено: h_o - высота внутренней колонки экстрактора до горловины, соответствующая исходному уровню водной фазы в обеих колонках экстрактора, h_з - высота горловины, обеспечивающая соответствующую высоту подъема кончика заборной трубки 4 над h_o; S₁ - площадь поперечного сечения внутренней колонки; S₂ - внешней колонки. Обозначим S_o=S₁+S₂ - общую площадь экстрактора, S_г - площадь сечения горловины. В конструкции экстрактора в соответствии с изобретением h_З/h_o меньше или равно 0,2, а отношение S_г/S_о меньше или равно 0,3.

Работает устройство следующим образом.

В исходном равновесном состоянии при отсутствии экстрагента общий объем ВФ в экстракторе составляет

Примем, что S₁=S₂=0,5 S_o, а сечение горловины S_г=nS_о. Соответственно, сечение колонки 2 в области горловины будет равным S_o-nS_o=(1-n)S_o.

При введении в колонку 1 экстрагента содержащаяся в ней водная фаза будет вытесняться в межстеночное пространство. В случае полного вытеснения ВФ равновесие в системе будет описываться уравнением

Здесь h_x и h_У - высота столба экстрагента в колонке 1 и столба ВФ в колонке 2 над уровнем заборной трубки соответственно.

Объем ВФ, вытесненной в колонку 2, можно представить суммой объемов:

Отсюда:

h_У=h_o-2h_З(1-n).

При подстановке полученного выражения в (2) определим величину h_х.

где k=ρ _в/ρ _э Для рассматриваемой системы раствор молибдата калия - метилэтилкетон k≅ 1,5.

Предельный объем экстрагента, требуемый для полного вытеснения ВФ, в соответствии с равновесием (2) можно представить суммой

V_э=0,5h_oS₀+h_зnS₀+0,5h_xS_o.

Подставив сюда h_х из выражения (4) и разделив на общий объем ВФ (1), найдем предельное соотношение объемов экстрагента и ВФ в экстракторе

Из полученного выражения (5) следует, что соотношение объемов экстрагента и ВФ зависит от двух основных параметров: отношения высоты подъема заборной трубки к исходной высоте ВФ в экстракторе и отношения сечения горловины к общей площади экстрактора. При этом максимальное значение Vэ/V_В=k достигается при n=0,5, т.е. при отсутствии горловины в колонке 1.

Экстракцию технеция-99m осуществляют путем подачи экстрагента в колонку 2 с последующим переводом водной и органической фаз в колонку 1 и в обратном направлении за счет попеременного создания разрежения воздуха в колонках через патрубки 5 и 6. Операцию повторяют несколько раз. Отбор экстрагента производят после перевода обеих фаз в колонку 1 и запуска атмосферного воздуха в обе колонки. При этом в экстракторе устанавливается равновесие, отвечающее уравнению (2).

Оценим величину потери экстрагента при его отборе. При процессе отбора экстрагент через заборную трубку выводится за пределы экстрактора. Одновременно водная фаза поступает из внешней во внутреннюю колонку, вытесняя его остатки до некоторого предельного уровня, при котором в системе устанавливается новое равновесие

ρ _э(h_з+Δ h₁)+ρ _в(h_o-Δ h₁)=ρ _в(h_o+Δ h₂)

или

где Δ h₁ - высота столба ВФ, вытесняемой из колонки 1 столбом экстрагента высотой h_з; Δ h₂ - приращение столба ВФ в колонке 2.

Суммарный объем потери экстрагента при этом составит

С учетом равенства объемов, вытесняемых экстрагентом из колонки 1 в колонку 2, можно записать

0,5Δ h₁S₀=0,5Δ h₂S₀(1-n).

Отсюда найдем

При подстановке (8) в уравнение (6) получим

Подставив полученное выражение в (7), определим величину потери экстрагента:

В общем случае, важна не сама величина потери экстрагента V_п, а отношение V_п к общему введенному объему V_э.

В таблице приведены значения V_э/V_B и V_п/v_э, рассчитанные по уравнениям (5) и (9) для заданных параметров и n.

Из приведенной таблицы следует, что требуемое соотношение объемов V_э/V_в≥ 1 в сочетании с приемлемой величиной относительной потери экстрагента менее 8,5% достигается при условии, если отношение h_З/h_o не превышает 0,2, а отношение площадей сечений горловины и экстрактора в целом - 0,3.

Пример 1 расчета экстрактора. В качестве исходных данных примем, что объем исходной водной фазы V_в=20 см³, общее сечение экстрактора S₀=10 см², а сечения колонок S₁=S₂=5 см². Для указанного сечения экстрактора величина h_о=V_в/h_о=2 см. Согласно данным таблицы для получения соотношения объемов V_э/V_в=1,43 при величине относительной потери экстрагента V_п/V_э,=2,9% параметры h_з/h_o и n должны быть соответственно равны 0,1 и 0,05. Отсюда высота горловины экстрактора h_З=0,1· h_o=0,2 см, а ее сечение n S_o=0,05· 10=0,5 см.

Суммарная высота экстрактора Н в конечном итоге определяется высотой его внутренней колонки, имеющей сужение. При этом колонка должна вмещать объемы ВФ и экстрагента. В общем случае

Здесь К=V_э/V_в, h_т - технологический зазор между уровнем жидкости в колонке 1 до воздушного патрубка, предотвращающий попадание раствора в воздушно-вакуумную систему; 2nh_З - поправка, учитывающая объем горловины.

Для рассматриваемого случая h_o=2 см, К=1,43, h_з=0,2 см, h_T=2 см, 2nh_з=0,02. Отсюда Н=11,94 см.

Пример 2. Исходные данные те же, что и в примере 1. Для получения соотношения объемов V_э/V_в=1,45 при величине относительной потери экстрагента V_п/V_э,=8,3% параметры h_з/h_o и n согласно таблице должны быть соответственно равны 0,2 и 0,3. Отсюда h_з=0,2 h_o=0,4 см, а сечение горловины n S_o=0,3· 10=3 см.

Согласно (10) высота экстрактора будет равна Н=11,96 см.

Заявляемый экстрактор с саморегулируемым уровнем раздела фаз обеспечивает повышение эффективности экстракции при заданном уровне потери экстрагента при его отборе.

Формула изобретения

Экстрактор с саморегулируемым уровнем раздела фаз, содержащий две колонки примерно равного сечения, коаксиально размещенные одна в другой, внутренняя колонка выполнена с зауженной средней частью - горловиной, у верхнего уровня которой расположена заборная трубка и в нижней части внутренней колонки выполнены отверстия для сообщения с объемом наружной колонки, обе колонки в верхней части имеют патрубки для подключения к воздушно-вакуумной системе, отличающийся тем, что отношение высоты горловины к высоте нижней части внутренней колонки не превышает 0,2, а отношение площади сечения горловины к общей площади экстрактора - 0,3.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2