УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОТОПА БОР-10

Область техники
Техническое решение относится к ядерной технике, а именно к химической технологии разделения изотопов.
Уровень техники
3
2
3.
2
3
Известна установка (US2796330 от 18.06.1957) для получения изотопа бора-10 методом дистилляционного концентрирования (CH)O⋅BFУказанная установкасостоит из каскада последовательно соединенных колонн, заполненных насадкой Стедмана или кольцами Рашига. Для питания установки сырьем метиловый эфир из одной из пары питающих резервуаров и трифторид бора из другой пары питающих резервуаров подаются через трубопроводы соответственно в реакционную камеру - адсорбер, где они реагируют с образованием жидкого комплекса, который проходит через трубопровод поступает к основанию первой колонны каскада в испаритель. Жидкий комплекс в испарителе нагревается паром из паропровода через соответствующий теплообменник и испаряется. Пары, образующиеся в испарителе, проходят через колонну к конденсатору, где они конденсируются. Относительно небольшая доля конденсата, содержащая продукты необратимого разложения эфирата трифторида бора непрерывно отводится через трубопровод к одному из пары резервуаров для последующей очистки и регенерации, а основная часть конденсата возвращается в колонну в качестве флегмы. Некоторая порция жидкости извлекается из колонны в виде отвального продукта, обедненного по изотопу бор-10, в точке несколько ниже верха колонны и проходит через теплообменник - охладитель к одному из пары резервуаров - сборников отвального продукта. Первая колонна каскада и последующие работают при пониженном давлении, что обеспечивается вакуумным насосом, соединенным через трубопроводы с конденсорами, размещенными в верхней части колонн каскада. Часть жидкого комплекса, поступающего из нижней части первой колонны каскада, проходит через трубопровод к насосу и подается в качестве флегмы на орошение второй колонны каскада. Вторая колонна каскада аналогична по конструкции первой колонне и снабжена также конденсором в верхней части и испарителем в нижней части. Пары комплекса, конденсирующиеся в конденсоре второй колонны каскада, поступают в испаритель первой колонны каскада. При ректификации комплекса в колоннах происходит концентрирование изотопа бор-10 в нижней части колонн. Выбором достаточного количества колонн в каскаде достигается концентрирование изотопа бор-10 до требуемого уровня. Продукт, имеющий высокую концентрацию Бора-10, выводится из основания последней колонны каскада и поступает в резервуары - сборники продукта. Для выделения трифторида бора из его жидкого комплекса используется последовательная обработка жидкого комплекса безводным фторидом кальция при пониженной температуре с образованием двойной соли фторид кальция - трифторид бора CaF⋅BF, с последующим нагреванием двойной соли до высокой температуры. При этом двойная соль разлагается с выделением чистого трифторида бора и регенерацией фторида кальция.
Известна опытная установка для разделения изотопов бора, работающая по данной схеме, имеющая в своей основе стеклянную дистилляционную колонну высотой 4 м и диаметром 19 мм, заполненную кольцами Диксона с размерами1,6 мм ×1,6 мм [Separation of Boron Isotopes. doi: 10.1063/1.1725109]. Рабочая температура в колонне составляла 70°С, давление составляло 2,7 кПа вверху колонны и 4,0 кПа внизу колонны. Рабочий цикл длился 88 дней и выход B-10 составлял 2 кг/год с изотопной чистотой 83%.
3
2
3
Недостаток этих заявленных устройств является высокая скорость необратимого разложения комплекса эфира с трифторидом бора (CH)O⋅BF (12% в день), что как показывает практика, ограничивает ее эффективную работу.
3
2
3
Известна также аналогичная промышленная установка, которая была рассчитана на производительность 300 кг B-10 (95%) в год [Large-Scale Separation of Boron Isotopes, A.L. Conn, J.E. Wolf, Eng. Chem., 1958, 509, 1231-1234, September 1, 1958]. Установка представляла собой каскад из 9 последовательно работающих колонн высотой 8,3 м из монель-сплава. Колонны имели диаметр, соответственно, первые три колонны - 457 мм, вторые 3 - 305 мм и последние 3 - 152 мм. Колонны заполнялись насадкой Stedman. Рабочее давление и температура составляли 20 кПа/90°С - верх колонн, 38,7 кПа/104°С внизу. Каждая колонна имела в своей нижней части испаритель, обогреваемый паром, и в верхней части - конденсор с циркулирующей водой в качестве теплоносителя. Установка была оборудована устройством для получения комплекса (CH)O⋅BF из реактора с охлаждающей рубашкой, баллонов с реагентами и дозирующими системами.
Недостатком заявленной установки, как показывает практика, являются значительные затраты энергии, огнеопасность используемого в установке диметилового эфира и потери на разложение комплекса диметиловый эфир-трифторид бора, что снижает эффективность работы.
3
3
3
Известна также  промышленная установка, использующая изотопный обмен в системе трифторид бора - комплекс трифторида бора с нитрометаном (Separation of the isotopes of boron by chemical exchange reactions, US5419887A, 1994-01-25). Установка включает по меньше мере две колонны. Колонна № 1 оборудована устройством синтеза исходного комплекса для подачи питания в колонну -  адсорбер 1 в верхней части колонны и устройством для десорбции трифторида бора из его комплекса с нитрометаном - десорбер 1 в нижней части колонны. Колонна № 2 соединена через соответствующие трубопроводы верхней своей частью с нижней частью колонны № 1 по газовому потоку (трифторид бора) и по жидкому потоку (комплекс трифторида бора с нитрометаном) и содержит десорбер в нижней части и систему отбора целевого продукта - трифторида бора, обогащенного по изотопу бор-10. Колонна № 1 имеет секцию исчерпания из 47 ступеней и секцию обогащения из 48 ступеней. Поток через колонну составляет 38500 молей в час при флегмовом числе 102,4. Изотопно обедненный газ BF выделяется из потока, выходящего из верхней части этой колонны в качестве газообразного отхода. Остальная часть этого потока газа передается в адсорбер № 1, где он реагирует с эквимолярным количеством чистого нитрометана с образованием жидкого комплекса нитрометан - трифторид бора, который возвращается из адсорбера в верхнюю часть колонны. Фракция жидкого комплекса, выходящяя из нижней части колонны, поступает в десорбер, где полностью диссоциирует с образованием эквимолярных количеств газообразного трифторида бора BF и жидкого нитрометана. Остальная часть потока жидкой фракции из нижней части колонны № 1 подается в верхнюю часть колонны № 2. Газообразный трифторид бора BF, полученный из комплекса в десорбере № 1, объединяется с газовым потоком, выходящим из верхней части колонны № 2 и возвращаемым в нижнию часть колонны № 1. Колонна № 2 содержит 71 концентрирующую ступень и работает при флегмовом числе 33,1 и потоке 9600 молей в час. Продукт в виде газообразного трифторида бора с обогащением 95% отбирается из нижней части колонны № 2 в количестве 2 моля в час.
Недостатками данной установки является необходимость эксплуатировать колонны при пониженной температуре - до - 45°С, а также необходимость использовать нитрометан - пожароопасное и дорогостоящее соединение. Указанные факторы делают, в итоге, процесс получения бора-10 на данного типа установке не экономичным.
2
Известно также, что существенный прогресс в эффективности получения бора-10 был достигнут с переходом к установкам, использующих химический изотопный обмен в системе трифторид бора - комплекс трифторида бора с анизолом (О возможности разделения изотопов бора химическим обменом, Г.М. Панченков, В.Д. Моисеев, А.В. Макаров, Докл. АН СССР, 1957, том 112, номер 4, 659-661; Separation of Boron Isotopes. Karl Erik O. Holmberg, US Patent 3050367, 21.08. 1962). При этом одна из первых установок включала (Separation of Boron Isotopes in the Bench-Scale Boron Fluoride-Anisole Unit. A.A. Palko, Industrial and Engineerino Chemistry, Vol. 51, №. 2, February 19597): колонну химического изотопного обмена, десорбер в нижней ее части, адсорбер в верхней ее части и колонну ректификационной очистки анизола. Обменная колонна и адсорбер выполнены из стеклянной трубы диаметром 1 дюйм и снабжены термостатирующей рубашкой. Обменная колонна имеет высоту 36 дюймов с высотой слоя насадки 32 дюйма. При использовании насадки Хелипак колонна имела от 20 до 30 теоретических ступеней разделения. Адсорбер содержал 20 дюймов насадки. Десорбер имел высоту 30 дюймов и диаметр 2 дюйма, в нижней части был снабжен резервуаром объемом 1 л. Колонна очистки растворителя была аналогична по конструкции обменной колонне и имела высоту 30 дюймов при диаметре 1 дюйм с испарителем объемом 0,5 л. Обменная колонна работа при температуре 25°С-27°С и давление несколько выше атмосферного: 850-950 мм рт.ст. Наиболее хорошие результаты были получены на установке с использованием насадки Хелипак с размерами элементов 0,05×0,1×0,1 дюйма при скорости орошения колонны 125-335 мл/час и плотности орошения до 70 мл/(см⋅час). Максимальная достигнутая степень обогащения бора-10 в колонне составила 2,17, то - есть был получен продукт с содержанием бора-10 43%.
Недостатком данной установки является производство относительно небольшого количества слабо обогащенного продукта, что делает ее эксплуатацию не эффективной и экономически не целесообразной.
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
10
11
11
10
Наиболее близкой по своим техническим характеристикам к заявляемой, является установка, находящаяся в составе пилотного завода по производству бора-10 (Engineering-Scale Studies of Boron Isotope Separation. Merriman, J.R.; Pashley, J.H. & Snow, N.W. April 15, 1966, Union Carbide, ORNL, AEC Research and Development Report K-1653, https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc1030502/m1/1/4).  Установка имеет в своем составе колонну химического изотопного обмена, связанную в верхней своей части газовым трубопроводом с узлом отбора отвального материала - обедненного по бору трифторида бора и трубопроводами газа и жидкости с адсорбером, связанную в нижней части газовым трубопроводом с узлом отбора целевого продукта - обогащенного по бору-10 трифторида бора и трубопроводами газа и жидкости с десорбером, соединенную в средней своей части газовым трубопроводом с узлом питания сырьем - трифторидом бора. Десорбер в свою очередь связан жидкостными трубопроводами с адсорбера и ректификационной колонной. Ректификационная колонна оборудована в нижней своей части кубом-испарителем, в верхней своей части - конденсором и связана жидкостным трубопроводом в верхней своей части с адсорбером. Узел отбора отвального трифторида бора и узел отбора целевого продукта выполнены в виде газоочистительного аппарата (скрубера), основанного на разложение трифторида бора смесью гранулированных гидроокисей натрия и кальция, а узел питания сырьем выполнен в виде емкости для хранения трифторида бора под давлением с регулирующей арматурой. Данная установка работает следующим образом. Сырье - трифторид бора природного изотопного состава поступает из узла питания (емкости под давлением) в среднюю часть колонны химического изотопного обмена, заполненную нерегулярной насадкой. В верхнюю часть колонны на орошение поступает жидкий комплекс трифторида бора с анизолом BF⋅A из адсорбера. В колонне газообразный трифторид бора BF и жидкий комплекс BF⋅A движутся противотоком друг другу. При взаимодействии газообразного трифторида бора BF с жидким комплексом BF⋅A на поверхности насадки протекает реакция химического изотопного обмена:  BF + BF⋅A → BF + BF⋅A, в результате которой жидкий поток комплекса BF⋅A обогащается изотопом бор-10, а газовый поток BF обедняется изотопом бор-10. Обогащенный бором-10 поток жидкого комплекса вытекает из нижней части колонны, откуда поступает в десорбер 3. В десорбере 3 жидкий комплекс BF⋅A нагревается до высокой температуры, в результате чего диссоциирует на газообразный трифторид бора BF⋅ и жидкий анизол A:  BF⋅A → BF + A.
3
2
3
3
2
3
3
3
Трифторид бора из десорбера в основной своей части поступает назад в колонну, а частично отбирается в виде целевого продукта, обогащенного бором-10 трифторида бора и поступает в узел отбора целевого продукта. В данном узле при взаимодействии трифторида бора со смесью гидроокисей натрия и кальция трифторид бора разлагается на борную кислоту, обогащенную бором-10, и фторид кальция: BF + Са(ОН) → НВО+ СаF. Борная кислота, обогащенная бором-10, является продуктом производства, а фторид кальция - отходом. Анизол из десорбера частично перекачивается в адсорбер, частично поступает в нижнюю часть ректификационной колонны 4 для ректификационной очистки от примесей. Очищенный анизол отбирается из верхней части ректификационной колонны и перекачивается в адсорбер. В адсорбер также поступает трифторид бора, выходящий из верхней части колонны химического изотопного обмена. При взаимодействии анизола и трифторида бора в адсорбере образуется жидкий комплекс BF⋅A: BF +A → BF⋅A, который направляется на орошение колонны химического изотопного обмена. Часть трифторида бора, выходящего из верха колонны химического изотопного обмена, обедненного по бору-10, отбирается в качестве отвального продукта и поступает в узел отбора отвального трифторида бора, где утилизируется при взаимодействии с смесью гидроокиси кальция и гидроокиси натрия с получением борной кислоты и фторида кальция согласно уравнению реакции. Указанные материалы - борная кислота, обедненная по бору-10, и фторид кальция являются отходом производства. Описанная установка при ее промышленном применение способна обеспечить получение порядка 2,5 кг обогащенного бора-10 в день. Необходимая степень обогащения достигается последовательной установкой нескольких колонн химического изотопного обмена, соединенных в разделительный каскад, в котором каждая последующая колонна связана своей верхней частью по газу и жидкости с нижней частью предыдущей колонны.
Недостатком данной установки является необходимость использовать в качестве сырья в процессе газообразный трифторид бора, стоимость которого составляет одну из основных статей затрат на получение изотопа бор-10. Кроме того, значительные технические сложности вызывает транспортировка и хранения этого высоко токсичного и химически активного сырья в баллонах под высоким давлением.
Задачей технического решения является создание установки для получения изотопа бор-10, обеспечивающая более высокую эффективность работы,  по сравнению с аналогами, за счет снижения затрат на сырье: замена дорого газообразного трифторида бора на борный ангидрид, не вызывающий сложностей в транспортировке и хранении.
Раскрытие сущности технического решения
Технический результат вышеприведенной задачи достигается тем, что в известной установке для получения бора-10, имеющей в своем составе колонну химического изотопного обмена, связанную в верхней своей части газовым трубопроводом с узлом отбора отвального материала - обедненного по бору-10 трифторида бора  и трубопроводами газа и жидкости с адсорбером, соединенную в средней своей части газовым трубопроводом с узлом питания сырьем - трифторидом бора и связанную в нижней части газовым трубопроводом с узлом отбора целевого продукта, обогащенного по бору-10 трифторида бора и трубопроводами газа и жидкости с десорбером, соединенным в свою очередь магистралью с адсорбера и ректификационной колонной, оборудованной в нижней своей части кубом-испарителем, в верхней своей части - конденсором и соединенной жидкостным трубопроводом в верхней своей части с адсорбером, для снижения затрат на сырье узел конверсии обогащенного трифторида бора и узел конверсии отвального (обедненного) трифторида бора выполнены в виде комплекса аппаратов для химического поглощения трифторида бора с получением борной кислоты и фторида кальция, и соединены транспортной магистралью для передачи фторида кальция в узел питания сырьем, который выполнен в виде аппарата с мешалкой для синтеза трифторида бора из борного ангидрида, серной кислоты и фторида кальция.
Установка по данному техническому решению обеспечивает получение бора-10 с низким уровнем затрат на сырье и имеет высокую технологичность и безопасности.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показано заявляемое техническое решение, а именно схема установки для получения изотопа бор-10:
1 - колонна (или каскад последовательно параллельных колонн) химического изотопного обмена, выполненная в виде колонного аппарата, заполненного нерегулярной или регулярной насадкой с перераспределителями потоков газа и жидкости;
2 - адсорбер, выполненный в виде колонного аппарата, заполненного нерегулярной или регулярной насадкой с перераспределителями потоков газа и жидкости;
3 - десорбер, выполненный в виде кожухотрубного теплообменника;
4-1 - ректификационная колонна, снабженная кубом-испарителем 4-3 и конденсором 4-2;
5 - узел питания сырьем - трифторидом бора природного изотопного состава, выполненный в виде аппарата с мешалкой и системами дозирования реагентов;
6 - узел конверсии обогащенного трифторада бора, состоящий из аппарата для поглощения газа, фильтрующего аппарата и сушильной камеры;
7 - узел конверсии обедненного трифторада бора, состоящий из аппарата для поглощения газа, фильтрующего аппарата и сушильной камеры;
8, 9 - трубопроводы для передачи твердого реагента из узла 6 и 7 соответственно.
Осуществления технического решения
Пример реализации технического решения поясняется работой заявляемой установки:
2
3
2
2
4
3
2
3
2
2
4
3
3
4
2
4
Для питания установки сырьем - бором природного изотопного состава в узел 5 подается борный ангидрид ВО. Одновременно в узел 5 поступает из узла 6 и узла 7 фторид кальция CaF, образующийся при конверсии обогащенного трифторида бора в узле 6 и при конверсии обедненного трифторида бора в узле 7. В узел 5 также дозируется концентрированная серная кислота с олеумом HSO/SO. При взаимодействии борного ангидрида с фторидом кальция и олеумом протекает реакция образования трифторида бора: BO + CaF + HSO + SO → BF + CaSO + HSO.
3
3
3
3
2
3
3
2
Трифторид бора очищается от примесей в сорбционной колонне и поступает в среднее сечение колонны химического изотопного обмена 1 и движется по колонне сквозь слой насадки противотоком к потоку жидкого комплекса трифторида бора с анизолом BF⋅A, стекающему вниз по колонне из адсорбера 2.  Из верхней части колонны 1 поток трифторида бора, обедненный по изотопу бор-10, делится на две части.  Первая, основная часть поступает в адсорбер 2, где при взаимодействии с очищенным анизолом, поступающем из ректификационной колонны 4-1, образует комплекс BF⋅A, который, как указано выше, поступает на орошение колонны 1. Вторая, меньшая часть, трифторида бора BF отбирается в качестве отвального продукта, обедненного по бору-10, в узел 7. В узле 7 трифторид бора обрабатывается гидроокисью кальция с образованием борной кислоты и фторида кальция: BF + Ca(OH) → HBO + CaF.
2
2
3
2
2
4
3
3
4
2
4
Получаемая в узле 7 борная кислота имеет пониженное содержание бора-10 и является отходом производства, который, однако, может быть реализован как стандартный химический продукт. Фторид кальция CaF поступает, как указано выше, в узел 5 питания сырьем и используется при синтезе трифторида бора из борной кислоты (BO + CaF + HSO + SO → BF + CaSO + HSO ) природного изотопного состава.
3
3
3
3
2
3
3
2
Комплекс BF⋅A, поступающий на орошение колонны из адсорбера 2, протекающей по колонне от верхней ее части до нижней ее части противотоко к трифториду бора, вытекает из нижней части колонны 1 и поступает в десорбер 3. В десорбере 3 комплекс BF⋅A диссоциирует (разлагается) на анизол А и трифторид бора BF при нагревании в теплообменном аппарате узла 3. Полученный трифторид бора, обогащенный по бору-10,  делится на два потока: один, основной поток поступает назад в колонну 1. Второй, меньший поток, является целевым продуктом, обогащенным по изотопу бор-10, который отбирается из системы десорбера 3 в качестве полупродукта производства и поступает в узел 6. В узле 6 трифторид бора перерабатывается в борную кислоту, обогащенную по бору-10 (BF + Ca(OH) → HBO + CaF ). Фторид кальция, образующийся в качестве побочного продукта, передается в узел 5 и используется для синтеза трифторида бора природного изотопного состава. Анизол А, полученный в десорбере 3, делится на две части: одна часть поступает в адсорбер 2, вторая часть поступает для очистки в систему 4. В системе 4 анизол ректифицируется и очищается от органических примесей в ректификационной колонне 4-1, откуда поступает в систему адсорбера 2.
Таким образом, установка для получения изотопа бор-10 перерабатывает борный ангидрид природного изотопного состава в борную кислоту, обогащенную по бору-10 и обеспечивает более высокую эффективность работы,  за счет снижения затрат на сырье.