Способ получения воды, обогащенной по кислороду-18, и установка для ее получения



Способ получения воды, обогащенной по кислороду-18, и установка для ее получения
Способ получения воды, обогащенной по кислороду-18, и установка для ее получения
Способ получения воды, обогащенной по кислороду-18, и установка для ее получения
Способ получения воды, обогащенной по кислороду-18, и установка для ее получения

 


Владельцы патента RU 2632697:

Акционерное общество "Радиевый институт имени В.Г. Хлопина" (RU)

Изобретение относится к области производства изотопа кислорода-18 для ПЭТ-томографии и также может быть использовано для производства воды, обогащенной по изотопу кислорода-18. Способ получения воды, обогащенной по кислороду-18, из природной воды методом ректификации воды под вакуумом включает предварительное обогащение воды по кислороду-18 в параллельно работающих по открытой схеме колоннах с отбором первого рода промежуточного концентрата кислорода-18 и конечное обогащение промежуточного концентрата в каскаде колонн, состоящем из концентрирующих по кислороду-18 и исчерпывающих по кислороду-16 колонн. При этом для питания установки используется вода, циркулирующая в колоннах предварительного обогащения, природное содержание кислорода-18 в которой поддерживается путем химического изотопного обмена с углекислым газом, который в свою очередь поддерживает природное содержание кислорода-18 путем химического изотопного обмена с природной водой. Установка для получения воды, обогащенной по кислороду-18, из природной воды включает узел предварительного концентрирования, выполненного в виде параллельно работающих по открытой схеме без исчерпывания с отбором первого рода ректификационных колонн предварительного обогащения, узел конечного концентрирования, выполненного в виде концентрирующих по кислороду-18 колонн и исчерпывающих по кислороду-16 колонн, и узел предварительного концентрирования, расположенный на линии питания и состоящий из колонн химического изотопного обмена в системе вода – углекислый газ. Изобретение обеспечивает получение воды, обогащенной по кислороду-18, с обогащением 95% и нормализованным изотопным составом по дейтерию, с высокой эффективностью и низким уровнем технологических потерь. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

 

Изобретения относятся к области производства кислорода-18 для ПЭТ-томографии и могут быть использованы для производства воды, обогащенной по изотопу кислород-18 (тяжелокислородной воды, Н2О-18).

Вода, обогащенная по изотопу кислород-18 (H2O-18), широко используется в настоящее время в медицине, агрохимии и биохимии. Впервые кислород-18 был обогащен до 99,5% в 1943 году с помощью метода термической диффузии [Clusius, Dickel and Becker, Naturwiss, 31, 210, 1943]. К настоящему времени для обогащения воды по кислороду-18 описано применение электролиза, химического изотопного обмена, газовой диффузии, ректификации кислорода, окиси азота и воды. Среди них метод ректификации воды, впервые продемонстрированный в 1944 году [Н.G. Thode, S.R. Smith, F.D. Walkling, The Separation Of The Oxygen Isotopes By The Distillation Of Water, Canadian Journal of Research, 1944, 22b(4): 127-136, 10.1139/cjr44b-016], успешно используется в настоящее время в промышленности.

Кислородный изотопный эффект при электролизе был обнаружен одновременно с изотопным эффектом водорода [Е.W. Washburn, Е.R. Smith and М. Frandsen, J. Chem. Phys. 1, 288, 1933]. Однако попытки производства кислорода-18 этим методом были безуспешными [H.L Johnston, J. Am. Chem. Soc, 57, 484, 1935], [H. Anbar, H. Taube, J. Am. chem. Soc. 78, 3252, 1956]. Точно также попытки обогатить кислород-18 методом химического изотопного обмена в реакции обмена между СО2 и Н2О не увенчались успехом. Хотя коэффициент разделения для этой реакции является высоким - 1,046 - скорость реакции слишком мала, чтобы сделать этот процесс эффективным в промышленном масштабе [W.Т. Boyd, R.R. White, Ind. Eng. Chem. 44, 2302, 1952].

Метод химического изотопного обмена для получения H2O-18 был реализован на основе обменной реакции между окисью азота NO и азотной кислотой [Т. I. Taylor, J. Chim. Phys. 60, 154, 1963]. Этим путем удалось получить H2O-18 с обогащением около 15%. Невысокие технико-экономические показатели процесса связаны с трудностями количественного превращения окиси азота в азотную кислоту: часть продуктов необратимо превращается в элементарный азот или окислы азота в высоких степенях окисления.

Применение методов газовой диффузии для получения кислорода-18 также не дает удовлетворительных результатов из-за низких коэффициентов обогащения [R. Sherr, J. Chim. Phys. 6, 251, 1938].

Более эффективным является метод термической диффузии, однако и он не подходит для производства больших количеств обогащенной Н2О-18 из-за очень медленной кинетики процесса. Так, например, для получения 250 мл кислорода-18 потребовалась работа каскада колонн общей длиной 59 м в течение более 1,5 лет [Clusius, Dickel and Becker, Naturwiss, 31, 210, 1943]. Некоторые более поздние модификации этого процесса делают метод немного быстрее. Так в 4-ступенчатом каскаде с использованием колонн с размерами 3,4 м × 9,2 мм с исходного полупродукта с содержанием кислорода-18 1,5 - 2% после 3 недель работы удалось получить продукт с обогащением 81% [K. Clusius and K. Schleich, Helv. Chim. Acta, 45, N5, 1702, 1962]. Использование исходного материала с содержанием кислорода-18 около 40% на 3-ступенчатом каскаде с 3 колоннами в каждом позволяет производить до 30 мл в сутки продукта с концентрацией 85-90% [Е.P. Ageev and G.М. Panczenkov, Atomnaja Energia, 14, No. 5, 494, 1963]. Однако и эти показатели очень далеки от требуемых для производства промышленных количеств продукции. Кроме того, они требует в любом случае предварительно обогащенного материала.

Намного более эффективным является процесс дистилляции воды. Впервые этот метод был реализован в 1937 году, когда удалось получить 200 мл Н2О-18 с обогащением 0,85% [Huffman and Urey, Ind. Eng. Chem. 29, 531, 1937]. В последующий период этот метод был усовершенствован, и в 1956 году была создана установка ректификационного обогащения воды, способная производить воду с 24% О-18 и 1,7% 0-17 [О.W. Umarov, W.A. Sokolski and N.М. Zavoronkov, Chim. Promyszi, 404, 1956]. Наиболее совершенный процесс, лежащий в основе всех современных производств кислорода-18 методом ректификации воды, был реализован в конце 50-х годов [Dostrovsky, Llewellyn, Vromen, J. Chem. Soc. 3517, 1952; Dostrovsky ref. Proc. 2nd Intern. Conf. Peaceful Uses Atomic Energy, Geneva, 1958, p. 605]. Этот процесс позволяет получать Н2О-18 с обогащением более 99% и характеризуется высокой эффективностью и надежностью.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению, относящемуся к способу получения воды, обогащенной по кислороду-18, является способ, описанный в статье Dostrovsky, I., Raviv, A.: "Proc. Int. Symp. Isotope Separation (Amsterdam, 1957)", p.336, (1958), North-Holland, Amsterdam. Данный способ, выбранный в качестве прототипа, заключается в получении воды, обогащенной по кислороду-18, с обогащением 90% из природной воды с содержанием кислорода-18-0,2% и дейтерия - 0,015% путем двухстадийного процесса: предварительное концентрирование методом ректификации и конечное концентрирование методом химического изотопного обмена.

В качестве исходного сырья используется обычная природная вода с содержанием кислорода-18 около 0,2% и дейтерия около 0,015%. Наличие дейтерия в природной воде приводит к тому, что одновременно с обогащением по кислороду-18 происходит обогащение по дейтерию (при рабочей температуре в колоннах 65°С коэффициент обогащения αO-18/O-16 в системе H2O-18/H2O-16 равен ~1,005; коэффициент обогащения αD/H в системе HDO/H2O примерно в 10 раз больше и равен ~1,045). В итоге конечный продукт производства - H2O-18 практически на 100% имеет состав D2O-18. Для медицинского применения, однако, требуется продукт с природным содержанием изотопов водорода: содержание дейтерия в продукте не должно превышать 0,015%. Поэтому продукт, полученный по схеме согласно прототипу, должен в обязательном порядке дополнительно перерабатываться с целью удаления дейтерия (так называемый процесс нормализации изотопного состава). Процесс нормализации проводят, как правило, путем электролитического разложения воды, с последующим сжиганием полученного кислорода-18 в водороде природного изотопного состава. На этой стадии неизбежно имеют место потери и отходы, что отражается на стоимости продукции.

В той же статье описана установка для получения воды (фиг. 1), обогащенной по кислороду-18, наиболее близкая к заявляемой. Установка по прототипу включает:

- узел предварительного концентрирования H2O-18, состоящий из параллельно работающих по открытой схеме (без исчерпывания) ректификационных колонн с отбором 1-го рода: полученный промежуточный концентрат передается в узел конечного концентрирования без обратной связи по потокам;

- узел конечного концентрирования, содержащий три концентрирующих по Н2О-18 колонны и одну исчерпывающую по H2O-16 колонну.

Благодаря принятой схеме, каждая колонна предварительного концентрирования, не связанная обратными потоками с последующими ступенями каскада, работает независимо.

Производительность установки с указанными характеристиками составляет 4 кг в год H2O-18 с обогащением 90%. Установки, основанные на использование данного метода и данной схемы, но с большей производительностью, эксплуатируются в настоящее время в США, Европе, Израиле и Китае и обеспечивают получение более 50% мирового рынка (около 1500 кг в год) тяжелокислородной воды [Oxygen-18 (CAS 32767-18-3), Market Research Report 2015, ВАС Reports].

В таблице 1 представлены характеристики установки по прототипу.

Установка по прототипу использует в качестве сырья природную воду с природным содержанием дейтерия 0,015%, в соответствии с чем имеет место накопление дейтерия в продукте и полупродуктах производства (технологических средах в колоннах конечного концентрирования). Наличие в значимых количествах дейтерия (более 50%) в полупродуктах производства ведет к резкому снижению эффективности процесса обогащения в установке. Это связано с тем, что коэффициент разделения αO-18/O-16 в системе H2O-18/H2O-16 равен ~1,005 (65°С), а при накоплении дейтерия резко снижается: αO-18/O-16 в системе HDO-18/HDO-16 равен 1,0041, а в системе D2O-18/D2O-16 равен 1,0034. Соответственно, эффективность (производительность) процесса, обратно пропорциональная коэффициенту разделения, снижается.

Предлагаемыми изобретениями решаются задачи по устранению указанных недостатков, а именно:

- повышение качества продукта и снижение его потерь, связанных с необходимостью проведения дополнительных операций по удалению дейтерия в методе и установке по прототипу;

- повышение эффективности (производительности) процесса, ограниченного в методе и установке по прототипу из-за накопления в технологических потоках дейтерия.

Для решения поставленных задач, а именно - снижения потерь продукта и повышения эффективности процесса, в предлагаемом способе получения воды, обогащенной по кислороду-18, методом ректификации воды под вакуумом в каскаде ректификационных колонн, включающем предварительное концентрирование H2O-18 в узле предварительного концентрирования и конечное концентрирование в узле конечного концентрирования, технологическая схема и установка дополнительно включают узел химического изотопного обмена в системе вода - углекислый газ на линии питания установки сырьем - природной водой. Природная вода служит источником кислорода-18. В схеме согласно прототипу она непосредственно поступает в каскад ректификационных колонн, одновременно с кислородом-18 внося в технологические потоки дейтерий, содержащийся в природной воде. Согласно заявляемому решению кислород-18, содержащийся в сырьевой природной воде, передается на питание установки посредством углекислого газа, который служит транспортным агентом сырьевая вода - поток питания установки. Узел химического изотопного обмена имеет в своем составе две колонны химического изотопного обмена: сырьевая колонна, которая орошается природной водой, и колонна питания, по которой циркулирует поток питания каскада ректификационных колонн. Колонны связаны друг с другом по линии углекислого газа, который циркулирует в замкнутом цикле, осуществляя передачу кислорода-18 из сырья в поток питания. Дейтерий при этом не переносится углекислым газом, и, следовательно, не поступает в установку. Углекислый газ циркулирует в колоннах узла предварительной очистки противотоком к потоку воды и обеспечивает передачу кислорода-18 из потока сырья в поток питания узла предварительного концентрирования.

Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в принципе питания установки: кислород-18 из природной воды поступает на питание каскада через узел химического изотопного обмена с углекислым газом, чем за счет исключения наличия дейтерия в технологических потоках достигается повышение производительности установки и исключение потерь продукта.

Для достижения названного технического результата предлагается установка, которая содержит:

- узел химического изотопного обмена;

- узел предварительного концентрирования H2O-18, состоящий из параллельно работающих по открытой схеме (без исчерпывания) ректификационных колонн с отбором 1-го рода;

- узел конечного концентрирования, содержащий комплекс из концентрирующих по H2O-18 и исчерпывающих по H2O-16 колонн.

В отличие от известной предлагаемая установка (фиг. 2) дополнительно оборудована на линии питания узла предварительного концентрирования узлом химического изотопного обмена, состоящим из комплекса колонн химического изотопного обмена в системе вода - углекислый газ, с целью повышения эффективности и производительности процесса, а также для повышения качества продукта и снижения его потерь.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены:

- на фиг. 1 - схема процесса для производства Н2О-18 согласно прототипу;

- на фиг. 2 - схема процесса для производства Н2О-18 согласно изобретению.

Предлагаемая установка для получения воды (фиг. 2), обогащенной по кислороду-18, содержит:

- узел химического изотопного обмена, состоящий из колонн химического изотопного обмена 15, 16 в системе вода - углекислый газ.

- узел предварительного концентрирования, состоящий из колонн предварительного концентрирования 1-10;

- узел конечного концентрирования, содержащий концентрирующие колонны 11-13 и исчерпывающую колонну 14.

Установка работает следующим образом:

Сырьевой поток воды поступает в узел химического изотопного обмена в колонну 15. Противотоком к потокам воды в колоннах 15 и 16 циркулирует углекислый газ, который обеспечивает передачу кислорода-18 из потока сырья (колонна 16) в колонну питания каскада 15. При этом дейтерий, содержащийся в сырьевой воде, не поступает в каскад, и, соответственно, не накапливается в технологических потоках и в продукте.

Вода из колонны 16 питания каскада поступает в узел предварительного концентрирования в параллельно работающие по открытой схеме (без исчерпывания) ректификационные колонны 1-10 с отбором 1-го рода, откуда полученный промежуточный концентрат передается в узел конечного концентрирования без обратной связи по потокам.

Промежуточный концентрат в концентрирующих колоннах узла конечного концентрирования обогащается по кислороду-18 до уровня не менее 95%, а отвальный поток воды, содержащий более 99% кислорода-16, выводится из цикла в исчерпывающей колонне узла конечного концентрирования.

Установка по данному техническому решению обеспечивает получение воды, обогащенной по кислороду-18 до уровня 95%, с высокой производительностью, низким уровнем потерь и с получением продукта, имеющего природное содержание изотопов водорода. Последнее является необходимым требованием к товарной продукции для использования в медицине и биохимии. В таблице 2 приведены характеристики предлагаемой установки, согласно заявленному способу.

Установка в данном исполнении при реализации предлагаемого способа имеет производительность 6 кг в год и обеспечивает получение продукта с обогащением 95% и содержанием дейтерия на уровне 0,013-0,015% (на уровне природного содержания дейтерия). По этой причине продукт не требует дополнительных операций по нормализации изотопного состава по водороду.

Таким образом, установка по данному техническому решению обладает следующими преимуществами в сравнении с прототипом:

- имеет большую в 1,5 раза производительность;

- обеспечивает получение продукта с более высоким обогащением (95%);

- обеспечивает получение продукта с нормализованным изотопным составом по водороду (0,013-0,015% содержание дейтерия);

Дополнительно, важным с точки зрения эксплуатации является отсутствие в технологических потоках воды с содержанием дейтерия выше природного, что исключает необходимость лицензирования производства по критерию ядерной безопасности (вследствие отнесения дейтерия к ядерным материалам).

Эффективность и экономичность заявляемого способа и предлагаемой установки свидетельствуют об их технико-экономических преимуществах в сравнении со способом и установкой по прототипу и другими известными техническими решениями. Поэтому установка может успешно использоваться при промышленном производстве воды, обогащенной по кислороду-18.

1. Способ получения воды, обогащенной по кислороду-18, из сырья - природной воды методом ректификации воды под вакуумом, включающий предварительное обогащение воды по кислороду-18 в параллельно работающих по открытой схеме с отбором первого рода промежуточного концентрата кислорода-18 в колоннах предварительного концентрирования, и конечное обогащение промежуточного концентрата в каскаде колонн конечного концентрирования, состоящем из концентрирующих по кислороду-18 и исчерпывающих по кислороду-16 колонн, отличающийся тем, что для питания установки используется вода, циркулирующая в колоннах предварительного обогащения, природное содержание кислорода-18 в которой поддерживается путем химического изотопного обмена с углекислым газом, который в свою очередь поддерживает природное содержание кислорода-18 путем химического изотопного обмена с сырьем - природной водой.

2. Установка для получения воды, обогащенной по кислороду-18, из сырья - природной воды, состоящая из узла предварительного концентрирования, выполненного в виде параллельно работающих по открытой схеме без исчерпывания с отбором первого рода ректификационных колонн предварительного обогащения, и узла конечного концентрирования, выполненного в виде концентрирующих по кислороду-18 колонн и исчерпывающих по кислороду-16 колонн, отличающаяся тем, что установка дополнительно снабжена на линии питания узла предварительного концентрирования комплексом из колонн химического изотопного обмена в системе вода - углекислый газ.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу утилизации конденсата, образующегося на спиртзаводах при выпаривании фугата (фильтрата) послеспиртовой барды и кормовых дрожжей, который может быть использован в пищевой, химической, микробиологической, комбикормовой и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к ректификационному устройству для очистки воды от примесей в виде молекул воды, содержащих в своем составе тяжелые изотопы водорода и кислорода.

Изобретение относится к способу и устройству обработки газообразного водорода, выделяющегося при растворении металла кислотой или щелочью. Способ включает подачу выделяющегося газообразного водорода через реактор, содержащий окислитель для окисления газообразного водорода в воду, а затем восстановление окислителя.

Изобретение относится к устройствам кристаллизационной очистки воды. Устройство получения легкой воды включает две перекрываемые емкости, расположенные одна в другой и образующие межъемкостное пространство, канал, расположенный во внутренней емкости и связывающий ее объем через запорный орган с атмосферой.

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 катализаторам сжигания водорода. Описан катализатор сжигания водорода, включающий каталитически активный металл, нанесенный на носитель катализатора, образованный неорганическим оксидом, при этом носитель включает органический силан по меньшей мере с одной алкильной группой из трех или менее атомов углерода, путем замещения присоединенной к концу каждой из определенной части или ко всем гидроксильным группам на поверхности носителя; и каталитически активный металл нанесен на носитель катализатора, включающий присоединенный к нему органический силан.
Изобретение относится к обработке воды. .

Изобретение относится к способу и устройству для очистки воды от примесей в виде молекул воды, содержащих в своем составе тяжелые изотопы водорода и кислорода, а более конкретно - к способу и установке для получения легкой, высокочистой воды с бóльшим содержанием легких молекул 1Н2 16О.

Изобретение относится к реактору для взаимодействия газообразного водорода и кислорода и к способу осуществления реакции газообразных водорода и кислорода и может быть использовано в процессах для производства дейтерированной воды и при удалении трития из воды.

Изобретение относится к способу обогащения изотопа кислорода. Способ включает получение кислорода, содержащего первично обогащенный изотоп кислорода, с помощью дистилляции кислородного сырья при использовании первого дистилляционного устройства, получение воды с помощью гидрогенизации кислорода, содержащего первично обогащенный изотоп кислорода, получение оксида азота, отводимого при дистилляции сырья оксида азота, при использовании второго дистилляционного устройства, и получение оксида азота и воды с помощью осуществления реакции химического обмена между водой и отведенным оксидом азота, в результате чего получают оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопа кислорода, и воду, имеющую пониженную концентрацию изотопа кислорода, причем оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопа кислорода, подают во второе дистилляционное устройство, а кислород, полученный электролизом воды, имеющей пониженную концентрацию изотопа кислорода, возвращают в первое дистилляционное устройство.

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 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 способу обогащения изотопа кислорода. Способ включает получение кислорода, содержащего первично обогащенный изотоп кислорода, с помощью дистилляции кислородного сырья при использовании первого дистилляционного устройства, получение воды с помощью гидрогенизации кислорода, содержащего первично обогащенный изотоп кислорода, получение оксида азота, отводимого при дистилляции сырья оксида азота, при использовании второго дистилляционного устройства, и получение оксида азота и воды с помощью осуществления реакции химического обмена между водой и отведенным оксидом азота, в результате чего получают оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопа кислорода, и воду, имеющую пониженную концентрацию изотопа кислорода, причем оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопа кислорода, подают во второе дистилляционное устройство, а кислород, полученный электролизом воды, имеющей пониженную концентрацию изотопа кислорода, возвращают в первое дистилляционное устройство.
Наверх