Способ концентрирования изотопов азота


 


Владельцы патента RU 2583808:

Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Открытое акционерное общество "Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" (RU)

Изобретение относится к области технологии разделения стабильных изотопов азота 14N и 15N. Способ концентрирования изотопов азота включает проведение противоточного массообменного процесса с использованием молекулярного азота в качестве рабочего вещества, при этом газообразную смесь изотопов азота приводят в контакт с раствором нитрогенильного комплексного соединения переходного металла, способного к термическому отщеплению молекулярного азота и вступающего с ним в реакцию химического изотопного обмена с накоплением 15N в одной из фаз, a 14N - в другой. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента разделения изотопов азота и эффективное и экологически безопасное концентрирование изотопа 15N. 2 з.п. ф-лы, 5 пр.

 

Изобретение относится к области технологии разделения стабильных изотопов азота 14N и 15N. Изотопы азота находят широкое применение в атомной физике, биологии, химии, агрономии и других областях науки и техники. Наибольший интерес изотоп 15N представляет как перспективный компонент высокоплотного уран-плутониевого нитридного топлива АЭС на быстрых нейтронах, поскольку позволяет избежать наработки высокотоксичного радиоактивного изотопа 14С, проблема иммобилизации которого до сих пор не решена.

Известен способ разделения стабильных изотопов азота и кислорода низкотемпературной ректификацией монооксида азота на каскаде колонн [патент РФ №2309788, МПК B01D 59/00, B01D 59/04, B01D 59/28, F25J 3/02, опубл. 10.11.2007], которое обеспечивает одновременное получение изотопов 18O, 17О и 15N.

Недостатками этого способа являются необходимость проведения разделительного процесса при криогенных температурах; склонность жидкого монооксида азота к кристаллизации, нарушающей устойчивую работу каскада колонн; а также высокая токсичность и взрывоопасность оксида азота (II).

Известен способ разделения стабильных изотопов азота противоточным химическим изотопным обменом между газообразными оксидами азота и азотной кислотой, позволяющий получать высококонцентрированный изотоп азот-15 в промышленных масштабах [патент US 2923601, МПК B01D 59/32, опубл. 02.02.1960] с одновременным концентрированием тяжелых изотопов кислорода. Недостатками этого способа являются необходимость использования для обращения потоков больших количеств химических реагентов (до 600 кг диоксида серы на 1 г-ат. 15N и т.д.) с образованием большого количества отвальных продуктов (до 1000 кг некондиционной серной кислоты на 1 г-ат 15N), высокая токсичность и коррозионная активность рабочих веществ.

Известен способ разделения стабильных изотопов азота противоточным химическим изотопным обменом между газообразными оксидами азота и азотной кислотой при низких температурах. В данном способе с целью устранения химического обращения потоков проводят двухтемпературный обмен между азотной кислотой концентрацией выше 40% и оксидами азота в интервале температур от -(50-47) до +(47-50)°С [патент РФ №786102, МПК B01D 59/28, опубл. 27.01.1995]. Основным недостатком является малая эффективность двухтемпературной схемы для значения коэффициентов разделения, наблюдаемых в вышеуказанной системе.

Наиболее близким к описываемому способу по технической сущности является способ концентрирования изотопов азота ректификацией молекулярного азота [заявка US 2010206711, МПК B01D 59/04, опубл. 19.08.2010] на каскаде колонн с отбором изотопного концентрата из конечной колонны при температуре кипения (-196°С). Недостатками указанного метода являются низкие коэффициенты разделения изотопов азота (около 1,004) и необходимость использования криогенных температур для проведения процесса разделения.

Задача изобретения - организация процесса разделения изотопов азота методом химического обмена с использованием в качестве рабочего вещества нетоксичного и доступного рабочего вещества - молекулярного азота без использования криогенных температур. Задача решается за счет использования свойства молекулярного азота обратимо связываться в комплексные соединения с некоторыми переходными металлами. Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента разделения изотопов азота при использовании в качестве рабочего вещества молекулярного азота; возможность проводить процесс разделения изотопов азота, исключая процесс глубокого охлаждения рабочей среды разделительной установки; возможность термического обращения потоков, что позволяет более эффективно и экологически безопасно концентрировать изотоп 15N, востребованный атомной энергетикой.

Технический результат достигается тем, что способ концентрирования изотопов азота включает проведение противоточного массообменного процесса с использованием молекулярного азота в качестве рабочего вещества, причем газообразную смесь изотопов азота приводят в контакт с раствором нитрогенильного комплексного соединения переходного металла, способного к термическому отщеплению молекулярного азота и вступающего с ним в реакцию химического изотопного обмена с накоплением 15N в одной из фаз, a 14N - в другой.

В качестве соединения, обратимо связывающего молекулярный азот с образованием нитрогенильного комплексного соединения, используют вещества, выбранные из ряда: аммиакаты рутения, аммиакаты осмия, бис-[три-циклогексилфосфин]-никель; а также соединения из класса металлоценов - например, бис-[пентаметилциклопентадиенил]-титан.

В узлах обращения потоков каскада используют термическое обращение потоков газообразного азота, в сочетании с изменением давления газовой фазы.

Известно явление химического связывания молекулярного азота (диазота) в комплексные химические соединения, в которых диазот (N2) выступает в роли внутрисферного лиганда, образуя комплексы типа [Me(N2)Xn]Am. Образующийся при этом комплекс может вступать в реакцию химического изотопного обмена (1) с газообразным молекулярным азотом:

где Me - переходный металл,

N* - изотоп N-15,

X - внутрисферный лиганд,

А - внешнесферный анион.

Изотопный эффект для системы на основе комплексных соединений молекулярного азота определяли по опубликованным данным о колебательных частотах изотопозамещенных форм молекул комплексных соединений [Бородько Ю.Г., Шилов А.Е / Комплексы молекулярного азота // Успехи химии, 1969, т. XXXVIII, в. 5, с. 761-796] путем расчета отношения приведенных статистических сумм по состояниям соответствующих молекул по известным методикам [Андреев Б.М., Зельвенский Я.Д., Катальников С.Г. I Разделение стабильных изотопов физико-химическими методами. // М., Энергоатомиздат, 1982], при этом предполагали, что изотопное замещение по азоту в молекуле диазота, входящей в состав молекулярного комплексного соединения, не вносит существенного изменения в частоты нормальных колебаний молекулы, за исключением частоты колебания связи в молекуле диазота.

Пример 1.

Проводят многоступенчатый процесс химического обмена между раствором Ru[(NH3)5(N2)]I2 в воде и газообразным азотом N2 при температуре Т=273 K. Частоты нормальных колебаний изотопозамещенных форм молекулы комплексного соединения Ru[(NH3)5(14N2)]I2 и Ru[(NH3)5(14N15N)]I2 составляют 2130 см-1 и 2098 см-1 соответственно; частоты нормальных колебаний изотопозамещенных форм молекулы диазота составляют 2330 см-1 и 2290 см-1 соответственно. Рассчитанное значение коэффициента разделения изотопозамещенных форм рабочего вещества - диазота 14N2 и 14N15N составляет 1,013 (исходя из величин β-факторов - приведенных сумм по состояниям для изотопозамещенных молекулярных форм). Минимальное число теоретических ступеней разделения, требуемое для обогащения изотопом 15N от уровня его природного содержания (0,366 ат.%) до 25 ат.%, 45,5 ат.% и 49,8 ат.%, составляет в этих условиях 354, 436 и 440 соответственно. Процесс осуществляется в насадочной массообменной колонне, заполненной нерегулярной высокоэффективной насадкой, например насадкой типа СПН (спирально призматическая насадка). Обращение потоков - термическое (безреагентное): нагревание жидкого комплексного нитрогенильного соединения с его полной термической диссоциацией на исходный молекулярный азот и вещество-комплексообразователь на нижнем конце разделительного каскада, и охлаждение газообразного молекулярного азота до рабочей температуры разделительного процесса с последующим приведением молекулярного азота в контакт с комплексообразователем с образованием комплексного нитрогенильного соединения на верхнем его конце.

Пример 2.

Проводят многоступенчатый процесс химического обмена между раствором Ru[(NH3)5(N2)]I2 в воде и газообразным азотом при температуре Т=298 K. Частоты нормальных колебаний изотопозамещенных форм молекулы комплексного соединения Ru[(NH3)5(14N2)]I2 и Ru[(NH3)5(14N15N)]I2 составляют 2130 см-1 и 2098 см-1 соответственно; частоты нормальных колебаний изотопозамещенных форм молекулы диазота составляют 2330 см-1 и 2290 см-1 соответственно. Рассчитанное значение коэффициента разделения изотопозамещенных форм рабочего вещества - диазота 14N2 и 14N15N составляет 1,011. Минимальное число теоретических ступеней разделения, требуемое для обогащения изотопом 15N от уровня его природного содержания (0,366 ат.%) до 25 ат.%, 45,5 ат.% и 49,8 ат.%, составляет в этих условиях 389, 479 и 485 ступеней соответственно. Принципиальное аппаратурное оформление процесса аналогично примеру 1.

Пример 3.

Проводят многоступенчатый процесс химического обмена между раствором Os[(NH3)5(N2)]I2 в воде и газообразным азотом при температуре Т=298 K. Частоты нормальных колебаний изотопозамещенных форм молекулы комплексного соединения Os[(NH3)5(14N2)]Cl2 и Os[(NH3)5(14N15N)]Cl2 составляют 2012 см-1 и 1979 см-1 соответственно; частоты нормальных колебаний изотопозамещенных форм молекулы диазота составляют 2330 см-1 и 2290 см-1 соответственно. Рассчитанное значение коэффициента разделения изотопозамещенных форм рабочего вещества - диазота 14N2 и 14N15N составляет 1,013. Минимальное число теоретических ступеней разделения, требуемое для обогащения изотопом 15N от уровня его природного содержания (0,366 ат.%) до 25 ат.%, 45,5 ат.% и 49,8 ат.%, составляет в этих условиях 349, 430 и 435 ступеней соответственно. Принципиальное аппаратурное оформление процесса аналогично примеру 1.

Пример 4.

Проводят многоступенчатый процесс химического обмена между раствором {Ni[(N2)Р(С6Н11)3]2} в циклогексене и газообразным азотом N2. при температуре Т=298 K. Частоты нормальных колебаний изотопозамещенных форм молекулы комплексного соединения Ni14N2[Р(С6Н11)3]2 и Ni14N15N[P(C6H11)3]2 составляют 2028 см-1 и 1979 см-1 соответственно; частоты нормальных колебаний изотопозамещенных форм молекулы диазота составляют 2330 см-1 и 2290 см-1 соответственно. Рассчитанное значение коэффициента разделения изотопозамещенных форм рабочего вещества - диазота 14N2 и 14N15N составляет 1,012. Минимальное число теоретических ступеней разделения, требуемое для обогащения изотопом 15N от уровня его природного содержания (0,366 ат.%) до 25 ат.%, 45,5 ат.% и 49,8 ат.%, составляет в этих условиях 378, 465 и 470 ступеней соответственно. Принципиальное аппаратурное оформление процесса аналогично примеру 1.

Пример 5.

Проводят многоступенчатый процесс химического обмена между раствором [Ti(C5(CH3)5)2]2(N2) в ксилоле и N2 при температуре Т=298 К. Оценочная величина коэффициента разделения изотопозамещенных форм рабочего вещества - диазота 14N2 и 14N15N составляет 1,01. Минимальное число теоретических ступеней разделения, требуемое для обогащения изотопом 15N от уровня его природного содержания (0,366 ат.%) до 25 ат.%, 45,5 ат.% и 49,8 ат.%, составляет в этих условиях 454, 546 и 563 ступени соответственно. Принципиальное аппаратурное оформление процесса аналогично примеру 1, за исключением того, что в узлах обращения потоков каскада используют термическое обращение потоков газообразного азота, в сочетании с изменением давления газовой фазы, выбираемого в диапазоне (0,1÷0,9) долей от значения давления в нижнем сечении разделительного каскада.

Из приведенных примеров видно, что повышается коэффициент разделения изотопов азота; процесс разделения изотопов азота проводят, исключая процесс глубокого охлаждения рабочей среды разделительной установки; существует возможность термического обращения потоков.

1. Способ концентрирования изотопов азота, включающий проведение противоточного массообменного процесса с использованием молекулярного азота в качестве рабочего вещества, отличающийся тем, что газообразную смесь изотопов азота приводят в контакт с раствором нитрогенильного комплексного соединения переходного металла, способного к термическому отщеплению молекулярного азота и вступающего с ним в реакцию химического изотопного обмена с накоплением 15N в одной из фаз, a 14N - в другой.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве соединения, обратимо связывающего молекулярный азот с образованием нитрогенильного комплексного соединения, используют вещества, выбранные из ряда: аммиакаты рутения, аммиакаты осмия, бис-[три-циклогексилфосфин]-никель; а также соединения из класса металлоценов - например, бис-[пентаметилциклопентадиенил]-титан.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в узлах обращения потоков каскада используют термическое обращение потоков газообразного азота, в сочетании с изменением давления газовой фазы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии извлечения ценных компонентов из природного углеводородного газа и может быть использовано на предприятиях газоперерабатывающей промышленности.

Изобретение относится к способу отделения микрокомпонентов от фракции, содержащей азот и гелий, где ее до обогащения гелием частично конденсируют, а затем частично сконденсированную фракцию частично направляют в одну ректификационную колонну и в ней разделяют на обогащенную гелием газообразную фракцию и обогащенную азотом жидкостную фракцию, которая содержит микрокомпоненты.

Изобретение относится к способу разделения азотсодержащей загрузочной фракции с высоким содержанием углеводородов, предпочтительно природного газа. Способ разделения азотсодержащей загрузочной фракции с высоким содержанием углеводородов (1, 1') включает разделение загрузочной фракции (1, 1') путем ректификации (Т1, Т2) на обогащенную азотом фракцию (5) и на фракцию, обедненную азотом, с высоким содержанием углеводородов (10), причем ректификационное разделение осуществляют в ректификационной колонне, состоящей из предварительной разделительной колонны (Т1) и главной разделительной колонны (Т2), при этом из отобранной из предварительной разделительной колонны (Т1) и подведенной в главную разделительную колонну (Т2) фракции (7, 7', 7”) на главной разделительной колонне (Т2) выше места или мест загрузки отбирают жидкую фракцию (6) и как возврат подают на предварительную разделительную колонну (Т1).

Группа изобретений относится к способу и устройству для разделения смеси веществ путем перегонки в системе перегонных колонн, а также к способу получения криптона и ксенона в этих колоннах.

Изобретение относится к способу получения фракции чистого гелия из исходной фракции, содержащей гелий, метан и азот. Исходную фракцию подвергают разделению N2/CH4 (А).

Изобретение относится к способу сжижения природного газа путем непрерывного изменения состава по меньшей мере одной охлаждающей смеси. На одном этапе охлаждения природный газ охлаждают посредством теплообмена с одной охлаждающей смесью, циркулирующей в закрытом контуре охлаждения.

Изобретение относится к производству этановой фракции, сжиженных углеводородных газов и к подготовке природного и попутного нефтяного газа для производства сжиженного природного газа и может быть реализовано на объектах нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности.

Изобретение относится к технике и технологии низкотемпературной переработки газа и может быть использовано на объектах нефте- и газоперерабатывающей промышленности.

Изобретение относится к способу сжижения природного газа, в котором: указанный природный газ приводят в контакт с водным раствором, обогащенным растворителем, с получением газовой фазы, обогащенной растворителем, и водной фазы, обедненной растворителем.

Изобретение относится к способу разложения азотосодержащей исходной фракции с высоким содержанием углеводородов, предпочтительно природного газа, при этом: исходную фракцию частично сжижают и методом ректификации разделяют на обогащенную азотом фракцию и обедненную азотом фракцию с высоким содержанием углеводородов.

Изобретение относится к установке для разделения изотопов методом фракционной перегонки. Установка содержит многоканальную ректификационную колонну 1, выполненную в виде каскада последовательно расположенных в вертикальном направлении модулей 11 с параллельно расположенными трубками 2, образующими рабочие каналы с насадкой 12, верхний буфер 3 и нижний буфер 4, конденсатор 7, испаритель 8 и дозирующее устройство 5 с раздаточными трубками 6, соединенными с рабочими каналами.

Изобретение относится к области технологии радионуклидов и может быть использовано как в технологических процессах, использующих молекулярный тритий и тритийсодержащие соединения, так и для глубокой очистки газовых сбросов от трития предприятий атомной отрасли при решении экологических задач.

Изобретение относится к технологии разделения изотопов водорода, а именно детритизации водных отходов методом химического изотопного обмена водорода с водой на гетерогенных катализаторах.

Изобретение относится к устройствам для разделения изотопов водорода (протий, дейтерий, тритий) или кислорода (кислород-16, 17, 18). .

Изобретение относится к способу разделения изотопов, т.е. .

Изобретение относится к области контроля и управления, а именно к способам измерения циркуляционного потока и стабилизации уровня жидкого компонента в испарительной системе дистилляционной колонны, предназначенной для получения целевого продукта, например стабильного изотопа О18, методом низкотемпературной дистилляции оксида азота NO.

Изобретение относится к химической технологии, к способам разделения изотопов, а именно к способам разделения изотопов бора. .

Изобретение относится к атомной, медицинской, сельскохозяйственной и другим отраслям промышленности и может быть использовано при производстве стабильных изотопов азота и кислорода.

Изобретение относится к технологии получения целевого продукта, такого как стабильный изотоп О18, методом низкотемпературной дистилляции оксида азота NO в 3-секционной колонне.

Изобретение относится к технологии процесса обмена изотопов водорода между жидкой водой и газообразным водородом на катализаторе и может быть использовано для получения тяжелой воды и очистки воды от трития.

Изобретение относится к способам получения платинового гидрофобного катализатора, используемого для разделения изотопов водорода в колоннах изотопного обмена водорода с водой.
Наверх