Способ очистки и разделения концентрата тяжелых целевых компонентов с получением целевых компонентов концентрата и изотопов легких элементов и устройство для его осуществления

Изобретение относится к химической, нефтехимической, ядерной промышленности и медицине и может быть использовано для получения криптона, ксенона, дейтерия, трития, гелия-3. Изобретение предусматривает дополнительное термостатирование потока концентрата тяжелых целевых компонентов, потока фракции низкокипящего целевого компонента, потока фракции высококипящего целевого компонента перед подачей в соответствующие колонны, облучение вышеназванных потоков ионизирующим излучением с получением в них изотопов легких элементов и тяжелых нуклидов, очистку потоков в дополнительных блоках очистки, концентрирование тяжелых нуклидов ректификацией в потоке высококипящих примесей с выделением изотопов легких элементов посредством ректификации из потока отдувочных газов продукционной колонны низкокипящего целевого компонента, потока отдувочных газов продукционной колонны высококипящего компонента и потока низкокипящих примесей. Предложенные способ и устройство позволяют увеличить чистоту и безопасность продукционных целевых компонентов, а также повысить экономичность. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к методам очистки и разделения ректификацией концентрата тяжелых целевых компонентов с получением целевых компонентов концентрата и изотопов легких элементов, и может быть использовано в химической, нефтехимической, ядерной промышленности, а также в медицине.

Известен способ очистки и разделения концентрата тяжелых целевых компонентов с получением целевых компонентов концентрата и изотопов легких элементов, включающий подачу и разделение потока концентрата тяжелых целевых компонентов в предварительной ректификационной колонне с образованием потока фракции низкокипящего целевого компонента и потока фракции высококипящего целевого компонента, подачу и разделение потока фракции низкокипящего целевого компонента в дополнительной колонне низкокипящего целевого компонента с образованием потока очищенной фракции низкокипящего целевого компонента и потока промежуточных примесей, подачу и разделение потока очищенной фракции низкокипящего целевого компонента в продукционной колонне низкокипящего целевого компонента с образованием потока продукционного низкокипящего целевого компонента и потока отдувочных газов продукционной колонны низкокипящего целевого компонента, подачу и разделение потока фракции высококипящего целевого компонента в дополнительной колонне высококипящего целевого компонента с образованием потока очищенной фракции высококипящего целевого компонента и потока высококипящих примесей, подачу и разделение потока очищенной фракции высококипящего целевого компонента в продукционной колонне высококипящего целевого компонента с образованием потока продукционного высококипящего целевого компонента и потока отдувочных газов продукционной колонны высококипящего целевого компонента, подачу и разделение потока отдувочных газов продукционной колонны низкокипящего целевого компонента в колонне выделения низкокипящего целевого компонента с образованием потока низкокипящих примесей и потока выделенного низкокипящего целевого компонента, подачу и разделение потока выделенного низкокипящего целевого компонента и потока отдувочных газов продукционной колонны высококипящего целевого компонента в предварительной ректификационной колонне (см. патент РФ 2213609 С1, кл. 7 В01D 53/00).

Недостатками известного способа являются невозможность получения продукционных тяжелых целевых компонентов с содержанием примесей менее 50·10^-9 мольных долей, при этом веществами, ограничивающими чистоту тяжелых целевых компонентов, являются изотопы легких элементов, преимущественно гелия и водорода, а продукционные тяжелые целевые компоненты содержат радиоактивные нуклиды, что ограничивает возможность их применения, например, в медицинских и бытовых целях, а также низкая экономичность.

Целью изобретения являются увеличение чистоты и безопасности применения продукционных тяжелых целевых компонентов, а также повышение экономичности за счет получения дополнительных продуктов разделения в виде изотопов легких элементов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе очистки и разделения концентрата тяжелых целевых компонентов с получением целевых компонентов концентрата и изотопов легких элементов, включающем подачу и разделение потока концентрата тяжелых целевых компонентов в предварительной ректификационной колонне с образованием потока фракции низкокипящего целевого компонента и потока фракции высококипящего целевого компонента, подачу и разделение потока фракции низкокипящего целевого компонента в дополнительной колонне низкокипящего целевого компонента с образованием потока очищенной фракции низкокипящего целевого компонента и потока промежуточных примесей, подачу и разделение потока очищенной фракции низкокипящего целевого компонента в продукционной колонне низкокипящего целевого компонента с образованием потока продукционного низкокипящего целевого компонента и потока отдувочных газов продукционной колонны низкокипящего целевого компонента, подачу и разделение потока фракции высококипящего целевого компонента в дополнительной колонне высококипящего целевого компонента с образованием потока очищенной фракции высококипящего целевого компонента и потока высококипящих примесей, подачу и разделение потока очищенной фракции высококипящего целевого компонента в продукционной колонне высококипящего целевого компонента с образованием потока продукционного высококипящего целевого компонента и потока отдувочных газов продукционной колонны высококипящего целевого компонента, подачу и разделение потока отдувочных газов продукционной колонны низкокипящего целевого компонента в колонне выделения низкокипящего целевого компонента с образованием потока низкокипящих примесей и потока выделенного низкокипящего целевого компонента, подачу и разделение потока выделенного низкокипящего целевого компонента и потока отдувочных газов продукционной колонны высококипящего целевого компонента в предварительной ректификационной колонне, отличительной особенностью является то, что поток концентрата тяжелых целевых компонентов, поток фракции низкокипящего целевого компонента, поток фракции высококипящего целевого компонента перед подачей в соответствующие колонны дополнительно термостатируют, облучают ионизирующим излучением с получением в потоках изотопов легких элементов и тяжелых нуклидов, очищают потоки в дополнительных блоках очистки, концентрируют ректификацией тяжелые нуклиды в потоке высококипящих примесей, при этом из потока отдувочных газов продукционной колонны низкокипящего целевого компонента, потока отдувочных газов продукционной колонны высококипящего целевого компонента и потока низкокипящих примесей выделяют изотопы легких элементов ректификацией, причем используют концентрат тяжелых целевых компонентов, содержащий один тяжелый целевой компонент, при этом в качестве высококипящего целевого компонента концентрата тяжелых целевых компонентов используют ксенон, в качестве низкокипящего целевого компонента концентрата тяжелых целевых компонентов используют криптон.

Известно устройство для очистки и разделения концентрата тяжелых целевых компонентов с получением целевых компонентов концентрата и изотопов легких элементов, включающее линию потока концентрата тяжелых целевых компонентов, питающую предварительную ректификационную колонну, дополнительную колонну низкокипящего целевого компонента с линией потока промежуточных примесей, соединенную линией потока фракции низкокипящего целевого компонента с предварительной ректификационной колонной, дополнительную колонну высококипящего целевого компонента с линией потока высококипящих примесей, соединенную линией потока фракции высококипящего целевого компонента с предварительной ректификационной колонной, продукционную колонну низкокипящего целевого компонента, соединенную линией потока очищенной фракции низкокипящего целевого компонента с дополнительной колонной низкокипящего целевого компонента, продукционную колонну высококипящего целевого компонента с линией потока отдувочных газов продукционной колонны высококипящего целевого компонента, соединенную с дополнительной колонной высококипящего целевого компонента линией потока очищенной фракции высококипящего целевого компонента, колонну выделения низкокипящего целевого компонента с линией потока низкокипящих примесей, соединенную с продукционной колонной низкокипящего целевого компонента линией потока отдувочных газов продукционной колонны низкокипящего целевого компонента (см. патент РФ 2213609 С1, кл. 7 В01D 53/00).

Недостатками известного устройства являются невозможность получения продукционных тяжелых целевых компонентов с содержанием примесей менее 50·10^-9 мольных долей, при этом веществами, ограничивающими чистоту тяжелых целевых компонентов, являются изотопы легких элементов, преимущественно гелия и водорода, а продукционные тяжелые целевые компоненты содержат радиоактивные нуклиды, что ограничивает возможность их применения, например, в медицинских и бытовых целях, а также низкая экономичность.

Целью изобретения являются увеличение чистоты и безопасности применения продукционных тяжелых целевых компонентов, а также повышение экономичности за счет получения дополнительных продуктов разделения в виде изотопов легких элементов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для очистки и разделения концентрата тяжелых целевых компонентов с получением целевых компонентов концентрата и изотопов легких элементов, включающем линию потока концентрата тяжелых целевых компонентов, питающую предварительную ректификационную колонну, дополнительную колонну низкокипящего целевого компонента с линией потока промежуточных примесей, соединенную линией потока фракции низкокипящего целевого компонента с предварительной ректификационной колонной, дополнительную колонну высококипящего целевого компонента с линией потока высококипящих примесей, соединенную линией потока фракции высококипящего целевого компонента с предварительной ректификационной колонной, продукционную колонну низкокипящего целевого компонента, соединенную линией потока очищенной фракции низкокипящего целевого компонента с дополнительной колонной низкокипящего целевого компонента, продукционную колонну высококипящего целевого компонента с линией потока отдувочных газов продукционной колонны высококипящего целевого компонента, соединенную с дополнительной колонной высококипящего целевого компонента линией потока очищенной фракции высококипящего целевого компонента, колонну выделения низкокипящего целевого компонента с линией потока низкокипящих примесей, соединенную с продукционной колонной низкокипящего целевого компонента линией потока отдувочных газов продукционной колонны низкокипящего целевого компонента, отличительной особенностью является то, что оно дополнительно снабжено блоком выделения изотопов легких элементов, содержащим ректификационные колонны, при этом на линии потока концентрата тяжелых целевых компонентов, на линии потока фракции низкокипящего целевого компонента и на линии потока фракции высококипящего целевого компонента перед подачей в соответствующие колонны дополнительно размещены теплообменники, устройства термостатирования, камеры облучения ионизирующим излучением, дополнительные блоки очистки, причем линия потока низкокипящих примесей, линия потока отдувочных газов продукционной колонны низкокипящего целевого компонента и линия потока отдувочных газов продукционной колонны высококипящего целевого компонента через устройство сбора сдувок и дополнительную линию потока, обогащенного изотопами легких элементов, с установленным на ней устройством повышения давления соединены с блоком выделения изотопов легких элементов.

Заявляемый способ очистки и разделения концентрата тяжелых целевых компонентов с получением целевых компонентов концентрата и изотопов легких элементов может быть реализован в заявляемом устройстве, схематично показанном на чертежах. На фиг.1 представлена схема заявляемого устройства, на фиг.2 представлена схема блока 48 выделения изотопов легких элементов, на фиг.3 представлена схема исследовательского стенда.

Принятые сокращения:

- НКЦК - низкокипящий целевой компонент (например, криптон);

- ВКЦК - высококипящий целевой компонент (например, ксенон);

- колонна НКЦК - колонна низкокипящего целевого компонента;

- колонна ВКЦК - колонна высококипящего целевого компонента;

- поток КТК - поток концентрата тяжелых компонентов;

- поток фракции НКЦК - поток фракции низкокипящего целевого компонента;

- поток фракции ВКЦК - поток фракции высококипящего целевого компонента.

Устройство (фиг.1) содержит предварительную ректификационную колонну 1, дополнительную колонну НКЦК 2, продукционную колонну НКЦК 3, дополнительную колонну ВКЦК 4, продукционную колонну ВКЦК 5, колонну выделения НКЦК 6. Каждая ректификационная колонна в голове имеет конденсаторы-испарители 7-1÷7-6, а внизу - кубы 8-1÷8-6, снабженные электронагревательными элементами 9-1÷9-6. Куб 8-1, кроме этого, содержит испаритель 10.

Каждый из конденсаторов-испарителей 7-1÷7-6 имеет замкнутую полость 11-1÷11-6, заполняемую рабочим телом, причем верхняя часть поверхности замкнутой полости имеет тепловое взаимодействие с поверхностью 12-1÷12-6 кипения хладоагента, а нижняя часть - с поверхностью 13-1÷13-6 конденсации паров флегмы. Все конденсаторы-испарители имеют патрубки, соединенные с линиями 14-1÷14-6 подвода жидкого хладоагента, и патрубки, соединенные с линиями 15-1÷15-6 отвода паров хладоагента. Замкнутые полости конденсаторов-испарителей имеют патрубки, соединенные с линиями 16-1÷16-6 подачи рабочего тела.

Предварительная ректификационная колонна 1 в средней части имеет патрубок, соединенный линией 17 потока КТК (поток А) через испаритель 10, блок очистки 36, рекуперативный теплообменник 33, камеру облучения 35 с источником ионизирующего излучения, термостат 34 с источником тепла или холода с входом 37 потока КТК в устройство. Блок очистки 36 снабжен байпасной линией 17а. Верхняя часть предварительной ректификационной колонны 1 имеет патрубок, соединенный линией 18 потока фракции НКЦК (поток Б) через рекуперативный теплообменник 38, термостат 39 с источником тепла или холода, камеру облучения 40 с источником ионизирующего излучения, блок очистки 41, снабженный байпасной линией 18а, с патрубком в средней части дополнительной колонны НКЦК 2. Куб 8-1 предварительной ректификационной колонны 1 имеет патрубок, соединенный линией 19 потока фракции ВКЦК (поток В) через рекуперативный теплообменник 42, термостат 43 с источником тепла и холода, камеру облучения 44 с источником ионизирующего излучения, блок очистки 45, снабженный байпасной линией 19а, с патрубком в средней части дополнительной колонны ВКЦК 4.

Дополнительная колонна НКЦК 2 имеет в верхней части патрубок, соединенный линией 20 потока очищенной фракции НКЦК (поток Г) с патрубком в средней части продукционной колонны НКЦК 3, а в нижней части (в кубе 8-2) - патрубок, соединенный линией 21 потока промежуточных примесей (поток Д) с выходом из устройства.

Продукционная колонна НКЦК 3 имеет в верхней части патрубок, соединенный линией 22 потока отдувочных газов продукционной колонны НКЦК (поток Е) с патрубком в средней части колонны выделения НКЦК 6 или по линии 22а через устройство повышения давления 23 с патрубком в средней части предварительной ректификационной колонны 1 или по линии 22б с патрубком в устройстве сбора сдувок 24 или по линии 22в с выходом из устройства. Куб 8-3 имеет патрубок, соединенный линией 25 потока продукционного НКЦК (поток Ж) с выходом из устройства.

Дополнительная колонна ВКЦК 4 имеет в верхней части патрубок, соединенный линией 26 потока очищенной фракции ВКЦК (поток 3) с патрубком в средней части продукционной колонны ВКЦК 5, а в нижней части в кубе 8-4 патрубок, соединенный линией 27 потока высококипящих примесей (поток И) с выходом из устройства.

Продукционная колонна ВКЦК 5 имеет в верхней части патрубок, соединенный линией 28 потока отдувочных газов продукционной колонны ВКЦК (поток К) с устройством сбора сдувок 24 или по линии 28а с линией 22а и далее через устройство повышения давления 23 с патрубком, расположенным в средней части контактного пространства предварительной ректификационной колонны 1 или по линии 22в с выходом из устройства, а в нижней части в кубе 8-5 патрубок, соединенный линией 30 потока продукционного ВКЦК (поток Л) с выходом из устройства.

Колонна выделения НКЦК 6 имеет в верхней части патрубок, соединенный линией 31 потока низкокипящих примесей (поток М) с устройством сбора сдувок 24, а в нижней части в кубе 8-6 патрубок, соединенный линией 32 потока выделенного НКЦК (поток Н) с выходом из установки или по линии 32а через устройство повышения давления 29 с патрубком, расположенным в средней части предварительной ректификационной колонны 1.

Устройство сбора сдувок 24 линией 46 концентрата изотопов легких элементов через устройство повышения давления 47 соединено с блоком 48 выделения изотопов легких элементов.

Блок выделения изотопов легких элементов 48 включает (фиг.2) очистительную колонну 49, колонну выделения изотопов гелия 50, колонну выделения изотопов водорода 51, каждая колонна в голове снабжена конденсатором-испарителем 53-49÷53-51 с патрубками 65-49÷65-51 входа и патрубками 66-49÷66-51 выхода хладоагента, а внизу - кубами 54-49÷54-51, содержащими змеевики испарителей 55-49÷55-51. Куб 54-49 очистительной колонны содержит также испаритель 56. Очистительная колонна 49 в средней части имеет патрубок, соединенный трубопроводом через испаритель 56 и адсорбер 52 с линией 46 потока концентрата изотопов легких элементов, а в голове колонны - патрубок, соединенный линией 57 потока изотопов гелия и водорода (поток П) с патрубком в средней части колонны выделения изотопов гелия 50. Куб 54-49 имеет патрубок, соединенный линией 58 потока высококипящих газов (поток Р) с выходом из блока.

Колонна выделения изотопов гелия 50 в голове содержит патрубок, соединенный линией 59 продукционного потока изотопов гелия (поток С) со сборником изотопов гелия 60, а куб 54-50 колонны имеет патрубок, соединенный линией 61 потока водородной фракции (поток Т) с патрубком в средней части колонны выделения изотопов водорода 51.

Колонна выделения изотопов водорода 51 в голове имеет патрубок, соединенный линией 62 продукционного потока изотопов водорода (поток У) со сборником изотопов водорода 63, а куб 54-51 имеет патрубок, соединенный линией 64 потока неоновой фракции (поток Ф) с выходом из блока.

Исследовательский стенд (фиг.3) включает линию 67 подачи исследуемого потока с вентилем 68, соединенный с линией 67 сосуд облучения 69 с манометром M1 и источником ионизирующего излучения 70, линию 71 вывода исследуемого потока с вентилем 72, причем линия 67 снабжена пробоотборником А1, а линия 71 снабжена пробоотборником А2. Пробоотборник А1 линией 74, а пробоотборник А2 линией 75 соединены с прибором 73, в качестве которого использовали газовый хроматограф и масс-спектрометр. В качестве источника ионизирующего излучения использовали ультрафиолетовую лампу. Сосуд облучения 69 выполнен из кварцевого стекла, пропускающего ультрафиолетовое излучение.

Способ очистки и разделения концентрата тяжелых целевых компонентов с получением целевых компонентов концентрата и изотопов легких элементов осуществляют следующим образом.

Концентрат ТЦК (тяжелых целевых компонентов), содержащий в своем составе, например, криптон Kr (НКЦК), ксенон Хе (ВКЦК) с примесями, например, азота N₂, кислорода О₂, аргона Ar, неона Ne, гелия Не, водорода Н₂, оксида углерода СО, тетрафторметана CF₄, гексафторэтана C₂F₆, монофтортрихлорметана (фреон 11) CFCl₃, дифтордихлорметана (фреон 12) CF₂Cl₂, радона Rn, продуктов распада радона - изотопами полония Ро, изотопами висмута Bi, изотопами свинца Pb и др., подают на вход 37 потока КТК в устройство. Поток КТК пропускают по рекуперативному теплообменнику 33, нагревают (охлаждают) за счет обратного потока, стабилизируют его температуру в устройстве термостатирования 34 и подают в камеру облучения 35 с источником ионизирующего излучения, где поток КТК облучают ионизирующим излучением, при этом осуществляют процесс распада изотопов радона с образованием соответствующих продуктов распада, а также осуществляют процесс распада изотопов тяжелых компонентов (например, криптона и ксенона) с образованием изотопов легких элементов (водорода, гелия) и тяжелых нуклидов, таких как изотопов иода I, теллура Те, сурьмы Sb, олова Sn (при распаде, например, ксенона Хе), изотопов брома Br, селена Se, мышьяка As, германия Ge (при распаде, например, криптона Kr). При этом после образования вышеуказанных изотопов они могут сами образовывать химические соединения, в частности, с присутствующими в потоке КТК примесями (например, изотопы водорода могут образовывать химические соединения с примесями кислорода, оксида углерода, диоксида углерода и пр.). Затем поток КТК охлаждают (нагревают) в рекуперативном теплообменнике 33 за счет прямого потока, направляют в блок очистки 36, охлаждают в испарителе 10 и подают в среднюю часть контактного пространства предварительной ректификационной колонны 1, где флегмой является конденсат НКЦК (например, криптона), а хладоагентом и рабочим телом в замкнутой полости 11-1, конденсаторе-испарителе 7-1, например, азот. В результате процесса ректификации в кубе 8-1 собирается фракция ВКЦК (например, ксенона), содержащая весь высококипящий целевой компонент (например, ксенон) и высококипящие по отношению к НКЦК (например, криптону) примеси, такие, как C₂F₆, CFCl₃, CF₂Cl₂, Ra, Ро, Bi, Pb и др., а также небольшое, специально поддерживаемое количество НКЦК (например, криптона) в количестве 2-5% мольных, а в голове колонны - фракция НКЦК (например, криптона), содержащая НКЦК (например, криптон), летучие по отношению к нему примеси, в том числе изотопы легких элементов, а также CF₄ и другие примеси, имеющие близкую к НКЦК (например, криптону) температуру кипения. Образуемые при распаде тяжелых целевых компонентов тяжелые нуклиды, такие как изотопы иода I, теллура Те, сурьмы Sn, олова Sn (при распаде, например, ксенона Хе), изотопы брома Br, селена Se, мышьяка As, германия Ge (при распаде, например, криптона Kr) распределяются между фракцией ВКЦК и фракцией НКЦК в соответствии с относительной летучестью каждого элемента или его соединения по отношению к ВКЦК и НКЦК. Из головы предварительной ректификационной колонны 1 по линии 18 поток фракции НКЦК (например, криптона) направляют в рекуперативный теплообменник 38, где его нагревают (охлаждают) за счет обратного потока, стабилизируют его температуру в устройстве термостатирования 39 и подают в камеру облучения 40 с источником ионизирующего излучения, где дополнительно осуществляют процесс распада изотопов НКЦК (например, криптона) с получением в потоке изотопов легких элементов и тяжелых нуклидов, охлаждают (нагревают) в рекуперативном теплообменнике 38 за счет прямого потока, направляют в блок очистки 41 и подают в среднюю часть контактного пространства дополнительной колонны НКЦК 2, где флегмой является конденсат НКЦК (например, криптона), а хладоагентом в конденсаторе-испарителе 7-2 и рабочим телом в замкнутой полости 11-2, например, азот.

В результате процесса ректификации в кубе 8-2 концентрируют примеси, которые по отношению к НКЦК (например, криптону) являются менее летучими и по линии 21 потока промежуточных примесей выводятся из устройства.

Из головы дополнительной колонны НКЦК 2 выводят по линии 20 поток очищенной фракции НКЦК (например, криптона), уже не содержащий труднолетучих по отношению к НКЦК примесей и направляют в среднюю часть контактного пространства продукционной колонны НКЦК 3, где флегмой является конденсат НКЦК (например, криптона), а хладоагентом в конденсаторе-испарителе 7-3 и рабочим телом в замкнутой полости 11-3, например, азот.

В результате процесса ректификации в кубе 8-3 собирают продукционный НКЦК (например, криптон), который по линии 25 потока продукционного НКЦК выводят из устройства, а из головы продукционной колонны НКЦК 3 по линии 22 выводят поток отдувочных газов продукционной колонны НКЦК (поток Е), который в своем составе содержит НКЦК (например, криптон) и все более летучие по отношению к НКЦК (например, криптону) компоненты, в том числе и изотопы легких элементов (водорода, гелия), и направляют в среднюю часть контактного пространства колонны выделения НКЦК 6 (например, криптона). Флегмой в колонне 6 является конденсат из смеси низкокипящих примесей (например, азота, кислорода, аргона и т.д.), который получают при подаче хладоагента, например азота, непосредственно в замкнутую полость 11-6. Поток отдувочных газов продукционной колонны НКЦК (поток Е) кроме колонны 6 может быть направлен по линиям 22, 22а и устройство повышения давления 23 в среднюю часть контактного пространства предварительной ректификационной колонны 1, или по линиям 22, 22а и 22б - в устройство сбора сдувок 24, или по линиям 22, 22а, 22в выведен из устройства. В результате процесса ректификации в голове колонны выделения НКЦК 6 концентрируют низкокипящие примеси, содержащие, в том числе, и изотопы легких элементов (водорода, гелия), поток М которых по линии 31 направляют в устройство сбора сдувок 24. Из куба 8-6 поток выделенного НКЦК (например, криптона) - поток Н по линии 32 выводят из устройства или по линиям 32, 32а через устройство повышения давления 29 возвращают в среднюю часть контактного пространства предварительной ректификационной колонны 1.

Из куба 8-1 предварительной ректификационной колонны 1 поток фракции ВКЦК (например, ксенона) - поток В направляют по линии 19 в рекуперативный теплообменник 42, где нагревают (охлаждают) за счет обратного потока, стабилизируют его температуру в устройстве термостатирования 43 и подают в камеру облучения 44 с источником ионизирующего излучения, где дополнительно осуществляют процесс распада изотопов ВКЦК (например, ксенона) и НКЦК (например, криптона) с получением в потоке изотопов легких элементов и тяжелых нуклидов, охлаждают (нагревают) в рекуперативном теплообменнике 42 за счет прямого потока, направляют в блок очистки 45 и подают в среднюю часть контактного пространства дополнительной колонны ВКЦК 4, где флегмой является конденсат НКЦК (например, криптона), а хладоагентом в конденсаторе-испарителе 7-4 и рабочим телом в замкнутой полости 11-4 является, например, азот. В результате процесса ректификации в кубе 8-4 вместе с частью ВКЦК (например, ксенона) концентрируют все менее летучие по отношению к ВКЦК компоненты, находящиеся в потоке фракции ВКЦК, в том числе C₂F₆, CFCl₃, CF₂Cl₂, Ra, Po, Bi, Pb и др., а также менее летучие по отношению к ВКЦК тяжелые нуклиды и их соединения, образованные в процессе распада изотопов ВКЦК и НКЦК, которые по линии 27 потока высококипящих примесей (поток И) выводят из устройства.

Из верхней части контактного пространства дополнительной колонны ВКЦК 4 по линии 26 поток очищенной фракции ВКЦК (например, ксенона) - поток 3, содержащий в своем составе, например, криптон, ксенон, а также другие более летучие по отношению к ВКЦК (например, ксенону) компоненты, в том числе изотопы легких элементов (водорода, гелия), направляют в среднюю часть продукционной колонны ВКЦК 5, где флегмой является конденсат НКЦК (например, криптона), а хладоагентом в конденсаторе-испарителе 7-5 и рабочим телом в замкнутой полости 11-5 является, например, азот. В результате процесса ректификации в кубе 8-5 собирают продукционный ВКЦК (например, ксенон), который по линии 30 выводят из устройства, а из головы продукционной колонны ВКЦК 5 по линии 22 выводят поток отдувочных газов продукционной колонны ВКЦК (поток К), который в своем составе содержит НКЦК (например, криптон), следы ВКЦК (например, ксенона), а также другие более летучие по отношению к ВКЦК (например, ксенону) компоненты, в том числе изотопы легких элементов (водорода, гелия). Поток К направляют по линии 28 в устройство сбора сдувок 24 или по линиям 28, 28а, 22а через устройство повышения давления 23 в среднюю часть контактного пространства предварительной ректификационной колонны 1 или по линиям 28, 28а, 22в выводят из устройства.

Собираемые в устройстве сбора сдувок 24 потоки из колонн 3, 5, и 6 представляют собой концентрат изотопов легких элементов, содержащий в своем составе, кроме изотопов водорода и гелия, неон, азот, кислород, аргон и другие примеси. При этом из вышеуказанных потоков выделяют изотопы легких элементов физико-химическими методами, например, ректификационным методом. Для этого поток концентрата изотопов легких элементов (поток О) по линии 46 через устройство повышения давления 47, адсорбер 52 (фиг.2), испаритель 56 направляют в среднюю часть контактного пространства очистительной колонны 49, где флегмой является конденсат низкокипящих компонентов (водорода, неона, гелия), а хладоагентом в конденсаторе-испарителе 53-49 является, например, гелий. В результате процесса ректификации в кубе 54-49 концентрируют все менее летучие по отношению к водороду примеси, которые по линии 58 потока высококипящих газов выводят из устройства, а в голове колонны - изотопы легких элементов (водорода, гелия) с примесями неона, которые по линии 57 потока изотопов легких элементов направляют в среднюю часть контактного пространства колонны выделения изотопов гелия 50, хладоагентом в конденсаторе-испарителе 53-50 которой является, например, гелий. В результате процесса ректификации в голове колонны 50 концентрируют изотопы гелия, которые по линии 59 продукционного потока изотопов гелия выводят из устройства в сборник изотопов гелия 60, а в кубе 54-50 концентрируют водородную фракцию, содержащую неон и изотопы водорода, которую по линии 61 потока водородной фракции направляют в среднюю часть контактного пространства колонны выделения изотопов водорода, где флегмой является конденсат изотопов водорода, а хладоагентом является, например, гелий. В результате процесса ректификации в голове этой колонны концентрируют изотопы водорода, которые по линии 62 продукционного потока изотопов водорода выводят из устройства в сборник 63 изотопов водорода, а в кубе 54-51 концентрируют неон, который по линии 64 потока неона выводят из устройства.

Предлагаемые в настоящей заявке технические решения основаны на полученных авторами экспериментальных данных.

При эксплуатации установки по схеме прототипа, указанного выше, с целью получения продукционных тяжелых компонентов (эксперименты проводились на криптоне и ксеноне) с чистотой более 99,99999 объемных % (соответственно, сертификация примесей при этом осуществлялась с чувствительностью 1÷5·10^-9 мольной доли на газовом хроматографе) обнаружен следующий эффект: продукционный ВКЦК (в данном случае, ксенон), отбираемый из колонны продукционного ВКЦК, содержал водород на уровне 50÷60·10^-9 мольной доли при том, что концентрация углеводородов составляла менее 5·10^-9 мольных долей, концентрация кислорода составляла менее 10÷15·10^-9 мольных долей, концентрация фторсодержащих соединений (таких, как CF₄, C₂F₆) составляла менее 10·10^-9 мольных долей, то есть водород на общем фоне примесей при ректификационном разделении заметно выделяется, несмотря на то, что коэффициент относительной летучести водорода по отношению к ВКЦК (ксенону) выше, чем, например, коэффициент относительной летучести кислорода относительно ВКЦК (ксенона), равный ˜170. Были проведены исследования распределения водорода по высоте контактной части ректификационной колонны в режиме полного орошения (то есть без ввода и вывода потоков питания и выходных из колонны потоков, что термодинамически соответствует режиму максимального разделения). При этом было получено, что водород по колонне распределен (на уровне 30÷50·10^-9 мольных долей) довольно равномерно, то есть либо практически отсутствует разделительный процесс именно по системе ксенон-водород на этом уровне концентраций водорода, либо в колонне присутствует постоянный внутренний источник фона водорода, которым может быть сам ВКЦК (в данном случае - ксенон, если допустить возможность его частичного разложения). Подтверждением этой версии может служить факт отсутствия равновесия по содержанию водорода между жидким ВКЦК - ксеноном в кубе и паром над зеркалом куба. В описанных выше исследованиях в качестве газа-носителя в газовом хроматографе использовался гелий особой чистоты, поэтому микропримеси изотопов гелия идентифицированы быть не могли.

Для проверки версии разложения ВКЦК (в данном случае, ксенона) авторами был собран стенд, схематично показанный на фиг.3. Всю систему перед экспериментами обезжиривали, сушили потоком азота и вакуумировали. Первая серия экспериментов заключалась в следующем: подготовленный сосуд облучения 69 по линии 67 и вентиль 68 наполняли чистым ксеноном, продували по линии 71 через вентиль 72 с анализом через точки А1 и А2 (при этом добивались анализов в обеих точках, равных анализу исходного ксенона в баллоне), вентили 72 и 68 перекрывали и включали источник ионизирующего излучения 70 (использовали источник ультрафиолетового излучения). После облучения сосуда 69 ультрафиолетовым излучением осуществляли анализ ксенона из сосуда 69 на газовом хроматографе. Анализ показал увеличение концентрации водорода в ксеноне с 70·10^-9 мольной доли в исходном состоянии до 600·10^-6 мольной доли после облучения (то есть концентрация увеличилась более чем в 8000 раз), а также увеличение концентрации гелия с 10·10^-9 мольной доли в исходном состоянии до 30·10^-6 мольной доли после облучения (то есть увеличение концентрации гелия составило около 3000 раз). При анализе гелия в ксеноне в качестве газа-носителя в хроматографе использовали аргон особой чистоты с дополнительной очисткой. После этого эксперимент повторяли с дублированием анализов в точках А1 и А2 газовым хроматографом дополнительным анализом на масс-спектрометре. Масс-спектрометр показал появление в ксеноне после облучения изотопов дейтерия, трития и гелия-3. Были проведены аналогичные вышеописанным эксперименты с НКЦК (в данном случае, с криптоном), где также обнаружено наличие эффекта появления после облучения изотопов дейтерия, трития и гелия-3, но интенсивность эффекта (естественно, в условиях проведенного эксперимента) значительно ниже.

Вторая серия экспериментов была проведена на смеси ксенона с СО₂. В качестве исходной смеси была приготовлена смесь ксенона с СО₂ (содержание СО₂ - 0,3 мольной доли с суммарным содержанием микропримесей на уровне 2·10^-6 мольной доли, сертифицируемые примеси - О₂, N₂, Ar, Kr, Н₂, He, Ne, C₂F₆, CF₄). Анализ содержимого сосуда облучения 69 после облучения показал появление в смеси, кроме водорода и гелия, целого ряда углеводородов (СН₄, С₂Н₆, С₃Н₈ и т.д.), а также появление на стенках сосуда капель маслянистой жидкости (предположительно, капель воды с растворенными углеводородами, жидкость обладала отличительным запахом). Суммарное содержание углеводородов в газовой фазе составило до 1·10^-3 мольной доли. Этот опыт также подтверждает образование в облучаемой системе изотопов водорода. Повторение экспериментов при повышении температуры сосуда 69 до 370 К привело к увеличению интенсивности процесса.

Из приведенных экспериментов авторы сделали следующие выводы:

1. Обнаружен эффект разложения тяжелых компонентов, таких как ксенон и криптон, с образованием изотопов легких элементов, таких как водорода (в частности, дейтерия и трития), изотопов гелия (в частности, гелия-3), причем этот эффект интенсифицируется внешним воздействием (в частности, облучением ионизирующим излучением и изменением температуры).

2. Продукты деления, в частности, изотоп водорода - тритий, представляет опасность при использовании тяжелых компонентов, таких как ксенон и криптон, в медицинских и бытовых целях.

3. Изотопы водорода снижают потребительские свойства тяжелых компонентов, таких как криптон и ксенон, при использовании в ракетной технике, электроламповой промышленности, медицине, электронной промышленности, оконной промышленности.

4. Образование изотопов легких элементов, таких как водород и гелий, может сопровождаться как изменением изотопного состава распадающихся компонентов, так и образованием тяжелых осколков деления - тяжелых нуклидов.

5. Для повышения качества, чистоты и потребительских свойств продуктов разделения концентрата тяжелых целевых компонентов, например криптона и ксенона, в процессе их получения необходима дополнительная обработка соответствующих потоков с последующей очисткой ректификацией и/или сорбцией целевых продуктов разделения.

6. Дополнительная обработка и очистка потоков тяжелых целевых компонентов позволяет дополнительно получать новые продукты разделения - изотопы легких элементов, таких как дейтерий, тритий, гелий-3 путем выделения их из продукционного потока изотопов водорода и/или продукционного потока изотопов гелия адсорбционным методом, и/или методом газовой диффузии, и/или центробежным методом, при этом новые продукты разделения имеют самостоятельное техническое применение, за счет чего повышают экономичность способа очистки и разделения концентрата тяжелых целевых компонентов и устройства для его осуществления.

Необходимо отметить, что реализация заявляемого способа очистки и разделения концентрата тяжелых целевых компонентов с получением целевых компонентов концентрата и изотопов легких элементов в предлагаемом устройстве возможна как при использовании в качестве концентрата смеси тяжелых целевых компонентов, так и при использовании концентрата тяжелых целевых компонентов, содержащего один тяжелый целевой компонент, например концентрат тяжелых целевых компонентов, содержащий один тяжелый целевой компонент - ксенон с примесями, например, криптона Kr, азота N₂, кислорода О₂, аргона Ar, неона Ne, гелия Не, водорода Н₂, оксида углерода СО, диоксида углерода СО₂, тетрафторметана CF₄, гексафторэтана C₂F₆, монофтортрихлорметана (фреон 11) CFCl₂, дифтордихлорметана (фреон 12) CF₂Cl₂, радона Rn, продуктов распада радона - изотопами полония Ро, изотопами висмута Bi, изотопами свинца Pb и др. или концентрат тяжелых целевых компонентов, содержащий один тяжелый целевой компонент - криптон с примесями, например, ксенона Хе, азота N₂, кислорода О₂, аргона Ar, неона Ne, гелия Не, водорода Н₂, оксида углерода СО, диоксида углерода СО₂, тетрафторметана CF₄, гексафторэтана C₂F₆, монофтортрихлорметана (фреон 11) CFCl₃, дифтордихлорметана (фреон 12) CF₂Cl₂, радона Rn, продуктов распада радона - изотопами полония Ро, изотопами висмута Bi, изотопами свинца Pb и др. При этом целью переработки может ставиться получение чистых целевых тяжелых компонентов и/или получение изотопов легких элементов в качестве самостоятельных продуктов переработки.

За счет того, что в способе очистки и разделения концентрата тяжелых целевых компонентов с получением целевых компонентов концентрата и изотопов легких элементов, включающем подачу и разделение потока концентрата тяжелых целевых компонентов в предварительной ректификационной колонне с образованием потока фракции низкокипящего целевого компонента и потока фракции высококипящего целевого компонента, подачу и разделение потока фракции низкокипящего целевого компонента в дополнительной колонне низкокипящего целевого компонента с образованием потока очищенной фракции низкокипящего целевого компонента и потока промежуточных примесей, подачу и разделение потока очищенной фракции низкокипящего целевого компонента в продукционной колонне низкокипящего целевого компонента с образованием потока продукционного низкокипящего целевого компонента и потока отдувочных газов продукционной колонны низкокипящего целевого компонента, подачу и разделение потока фракции высококипящего целевого компонента в дополнительной колонне высококипящего целевого компонента с образованием потока очищенной фракции высококипящего целевого компонента и потока высококипящих примесей, подачу и разделение потока очищенной фракции высококипящего целевого компонента в продукционной колонне высококипящего целевого компонента с образованием потока продукционного высококипящего целевого компонента и потока отдувочных газов продукционной колонны высококипящего целевого компонента, подачу и разделение потока отдувочных газов продукционной колонны низкокипящего целевого компонента в колонне выделения низкокипящего целевого компонента с образованием потока низкокипящих примесей и потока выделенного низкокипящего целевого компонента, подачу и разделение потока выделенного низкокипящего целевого компонента и потока отдувочных газов продукционной колонны высококипящего целевого компонента в предварительной ректификационной колонне, отличительной особенностью является то, что поток концентрата тяжелых целевых компонентов, поток фракции низкокипящего целевого компонента, поток фракции высококипящего целевого компонента перед подачей в соответствующие колонны дополнительно термостатируют, облучают ионизирующим излучением с получением в потоках изотопов легких элементов и тяжелых нуклидов, очищают потоки в дополнительных блоках очистки, концентрируют ректификацией тяжелые нуклиды в потоке высококипящих примесей, при этом из потока отдувочных газов продукционной колонны низкокипящего целевого компонента, потока отдувочных газов продукционной колонны высококипящего целевого компонента и потока низкокипящих примесей выделяют изотопы легких элементов ректификацией, причем используют концентрат тяжелых целевых компонентов, содержащий один тяжелый целевой компонент, при этом в качестве высококипящего целевого компонента концентрата тяжелых целевых компонентов используют ксенон, в качестве низкокипящего целевого компонента концентрата тяжелых целевых компонентов используют криптон, за счет чего увеличивают чистоту и безопасность применения продукционных тяжелых целевых компонентов, а также повышают экономичность способа за счет получения дополнительных продуктов разделения в виде изотопов легких элементов.

За счет того, что в устройстве для очистки и разделения концентрата тяжелых целевых компонентов с получением целевых компонентов концентрата и изотопов легких элементов, включающем линию потока концентрата тяжелых целевых компонентов, питающую предварительную ректификационную колонну, дополнительную колонну низкокипящего целевого компонента с линией потока промежуточных примесей, соединенную линией потока фракции низкокипящего целевого компонента с предварительной ректификационной колонной, дополнительную колонну высококипящего целевого компонента с линией потока высококипящих примесей, соединенную линией потока фракции высококипящего целевого компонента с предварительной ректификационной колонной, продукционную колонну низкокипящего целевого компонента, соединенную линией потока очищенной фракции низкокипящего целевого компонента с дополнительной колонной низкокипящего целевого компонента, продукционную колонну высококипящего целевого компонента с линией потока отдувочных газов продукционной колонны высококипящего целевого компонента, соединенную с дополнительной колонной высококипящего целевого компонента линией потока очищенной фракции высококипящего целевого компонента, колонну выделения низкокипящего целевого компонента с линией потока низкокипящих примесей, соединенную с продукционной колонной низкокипящего целевого компонента линией потока отдувочных газов продукционной колонны низкокипящего целевого компонента, отличительной особенностью является то, что оно дополнительно снабжено блоком выделения изотопов легких элементов, содержащим ректификационные колонны, при этом на линии потока концентрата тяжелых целевых компонентов, на линии потока фракции низкокипящего целевого компонента и на линии потока фракции высококипящего целевого компонента перед подачей в соответствующие колонны дополнительно размещены теплообменники, устройства термостатирования, камеры облучения ионизирующим излучением, дополнительные блоки очистки, причем линия потока низкокипящих примесей, линия потока отдувочных газов продукционной колонны низкокипящего целевого компонента и линия потока отдувочных газов продукционной колонны высококипящего целевого компонента через устройство сбора сдувок и дополнительную линию потока, обогащенного изотопами легких элементов, с установленным на ней устройством повышения давления соединены с блоком выделения изотопов легких элементов, за счет чего увеличивают чистоту и безопасность применения продукционных тяжелых целевых компонентов, а также повышают экономичность устройства за счет получения дополнительных продуктов разделения в виде изотопов легких элементов.

Предлагаемый способ очистки и разделения концентрата тяжелых целевых компонентов с получением целевых компонентов концентрата и изотопов легких элементов и устройство для его осуществления позволяют увеличить чистоту продукционных тяжелых целевых компонентов (например, криптона и ксенона), уменьшить их радиоактивность и, соответственно, увеличить безопасность их применения, а также повысить экономичность за счет получения дополнительных продуктов разделения в виде изотопов легких элементов, таких как дейтерий, тритий и гелий-3.

1. Способ очистки и разделения концентрата тяжелых целевых компонентов с получением целевых компонентов концентрата и изотопов легких элементов, включающий подачу и разделение потока концентрата тяжелых целевых компонентов в предварительной ректификационной колонне с образованием потока фракции низкокипящего целевого компонента и потока фракции высококипящего целевого компонента, подачу и разделение потока фракции низкокипящего целевого компонента в дополнительной колонне низкокипящего целевого компонента с образованием потока очищенной фракции низкокипящего целевого компонента и потока промежуточных примесей, подачу и разделение потока очищенной фракции низкокипящего целевого компонента в продукционной колонне низкокипящего целевого компонента с образованием потока продукционного низкокипящего целевого компонента и потока отдувочных газов продукционной колонны низкокипящего целевого компонента, подачу и разделение потока фракции высококипящего целевого компонента в дополнительной колонне высококипящего целевого компонента с образованием потока очищенной фракции высококипящего целевого компонента и потока высококипящих примесей, подачу и разделение потока очищенной фракции высококипящего целевого компонента в продукционной колонне высококипящего целевого компонента с образованием потока продукционного высококипящего целевого компонента и потока отдувочных газов продукционной колонны высококипящего целевого компонента, подачу и разделение потока отдувочных газов продукционной колонны низкокипящего целевого компонента в колонне выделения низкокипящего целевого компонента с образованием потока низкокипящих примесей и потока выделенного низкокипящего целевого компонента, подачу и разделение потока выделенного низкокипящего целевого компонента и потока отдувочных газов продукционной колонны высококипящего целевого компонента в предварительной ректификационной колонне, отличающийся тем, что поток концентрата тяжелых целевых компонентов, поток фракции низкокипящего целевого компонента, поток фракции высококипящего целевого компонента перед подачей в соответствующие колонны дополнительно термостатируют, облучают ионизирующим излучением с получением в потоках изотопов легких элементов и тяжелых нуклидов, очищают потоки в дополнительных блоках очистки, концентрируют ректификацией тяжелые нуклиды в потоке высококипящих примесей, при этом из потока отдувочных газов продукционной колонны низкокипящего целевого компонента, потока отдувочных газов продукционной колонны высококипящего целевого компонента и потока низкокипящих примесей выделяют изотопы легких элементов ректификацией.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют концентрат тяжелых целевых компонентов, содержащий один тяжелый целевой компонент.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве высококипящего целевого компонента концентрата тяжелых целевых компонентов используют ксенон, в качестве низкокипящего целевого компонента концентрата тяжелых целевых компонентов используют криптон.

4. Устройство для очистки и разделения концентрата тяжелых целевых компонентов с получением целевых компонентов концентрата и изотопов легких элементов, включающее линию потока концентрата тяжелых целевых компонентов, питающую предварительную ректификационную колонну, дополнительную колонну низкокипящего целевого компонента с линией потока промежуточных примесей, соединенную линией потока фракции низкокипящего целевого компонента с предварительной ректификационной колонной, дополнительную колонну высококипящего целевого компонента с линией потока высококипящих примесей, соединенную линией потока фракции высококипящего целевого компонента с предварительной ректификационной колонной, продукционную колонну низкокипящего целевого компонента, соединенную линией потока очищенной фракции низкокипящего целевого компонента с дополнительной колонной низкокипящего целевого компонента, продукционную колонну высококипящего целевого компонента с линией потока отдувочных газов продукционной колонны высококипящего целевого компонента, соединенную с дополнительной колонной высококипящего целевого компонента линией потока очищенной фракции высококипящего целевого компонента, колонну выделения низкокипящего целевого компонента с линией потока низкокипящих примесей, соединенную с продукционной колонной низкокипящего целевого компонента линией потока отдувочных газов продукционной колонны низкокипящего целевого компонента, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено блоком выделения изотопов легких элементов, содержащим ректификационные колонны, при этом на линии потока концентрата тяжелых целевых компонентов, на линии потока фракции низкокипящего целевого компонента и на линии потока фракции высококипящего целевого компонента перед подачей в соответствующие колонны дополнительно размещены теплообменники, устройства термостатирования, камеры облучения ионизирующим излучением, дополнительные блоки очистки, причем линия потока низкокипящих примесей, линия потока отдувочных газов продукционной колонны низкокипящего целевого компонента и линия потока отдувочных газов продукционной колонны высококипящего целевого компонента через устройство сбора сдувок и дополнительную линию потока, обогащенного изотопами легких элементов, с установленным на ней устройством повышения давления соединены с блоком выделения изотопов легких элементов.