Способ разделения изотопов бора
BORON ISOTOPE SEPARATION METHOD

10
Изобретение относится к области разделения изотопов легких химических элементов и может быть использовано для производства высококонцентрированного изотопа бора В.
Известны способы разделения изотопов бора физико-химическими методами, такими как:
3
3
2
3
10
- химобменная ректификация молекулярного комплекса BF с диметиловым эфиром (Бондаренко Б.Р., Власенко В.А., Гвердцители И.Г., Гагуа Т.А. и др. Установка для получения изотопа В методом обменной дистилляции комплекса (CH)O⋅BF // Isotopenpraxis, 1967, Vol. 3, №3, p. 97 - 100);
- низкотемпературная ректификация трифторида бора (Амирханова И.Б., Асатиани П.Я., Борисов А.В., Гвердцители И.Г. и др. Влияние давления на разделение изотопов бора // Атомная энергия, 1967, т. 23, №4, с. 336 -339);
3
3
3
- химический изотопный обмен между газообразным BF и его жидким комплексным соединением, например, с анизолом (Волощук A.M., Джиджийшвили Ш.И., Катальников С.Г., Недзвецкий B.C. и др. Разделение изотопов бора на опытной установке с использованием комплексных соединений BF3 с анизолом и фенетолом // Производство изотопов: Сб. статей. М.: Атомиздат, 1973, с. 443 - 450 или Katalnikov S.G. Ivanov V.A. Physico-chemical and engineering principles of boron isotopes separation by using BF - Anisole-BF System // Separation Science and Technology, 2001, Vol.36, №8&9, p. 1737-1768),
3
все из которых основаны на использовании трифторида бора BF и реализуются в каскадах из двухфазных разделительных элементов в виде массообменных колонн вертикального или горизонтального типа (Массообменная колонна. Патент РФ №2729797 // Бюл. №23 от 12.08.2020).
К недостаткам указанных способов следует отнести ограничение конечной концентрации целевого изотопа бор-10 или бор-11, уменьшение производительности из-за малого значения однократного изотопного эффекта и протекания побочных реакций, приводящих к потере обогащенного продукта, что особенно сказывается в области высокой концентрации целевого изотопа.
10
3
3
Известен способ разделения изотопов бора газоцентробежным методом с получением высококонцентрированного изотопа В, принадлежащим к физическим методам разделения изотопов, реализуемым в каскадах из однофазных разделительных элементов, таких как газовые центрифуги, с использованием в качестве рабочего вещества триметилборана В(СН) (Способ получения обогащенного изотопа бор-10. Патент РФ №2720774 // Бюл. №14 от 13.05.2020).
Недостаток указанного способа заключается в высокой пожароопасности рабочего вещества.
10
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ разделения изотопов бора в газовых центрифугах с использованием трифторида бора, как рабочего вещества и получением высококонцентрированного 95% ат. В (Токманцев В.И., Палкин В.А. Разделение изотопов бора в прямоточных газовых центрифугах // Атомная энергия, 2017, т. 123, №1, с. 40-45) - прототип.
10
10
Недостатком прототипа, является малая степень извлечения целевого изотопа бора, малая производительность по В, высокие затраты на разделительное оборудование и, соответственно, высокая себестоимость производства изотопа В.
10
Задачей изобретения является увеличение степени извлечения целевого изотопа бора, увеличение производительности, снижение затрат на разделительное оборудование, уменьшение себестоимости производства изотопа В при его высокой концентрации.
F
P
P
P
Р
P
P
P
F
I
I
10
II
I
Поставленная задача достигается способом разделения изотопов бора газоцентробежным методом в каскаде газовых центрифуг при использовании в качестве рабочего вещества трифторида бора с получением высококонцентрированного изотопа бор-10, отличающимся тем, что концентрирование целевого изотопа бор-10 производится в две стадии: на первой - от его природного содержания C до значения концентрации Cменьше конечной, равной C, осуществляется одним из физико-химических методов разделения изотопов бора в каскаде двухфазных разделительных элементов, а именно, химобменной ректификацией, или низкотемпературной ректификацией, или химическим изотопным обменом; на второй - от концентрации Cдо конечной концентрации С - производится газоцентробежным методом в каскаде однофазных разделительных элементов с одновременным получением второго борсодержащего продукта с концентрацией изотопа бора В, равной C, меньше конечной C и меньше C, но больше концентрации C, при этом рабочее вещество при его передаче из каскада двухфазных разделительных элементов в каскад однофазных элементов подвергают кондиционированию.
Кондиционирование рабочего вещества предусматривает конверсию рабочего вещества в иную борсодержащую химическую форму, пригодную для газоцентробежного разделения.
Кондиционирование рабочего вещества представляет собой его очистку от примесей химических соединений, сконцентрировавшихся или образовавшихся в процессе физико-химического разделения изотопов бора в каскаде двухфазных элементов.
Пример 1
10
10
F
3
2
3
3
F
Начальное концентрирование от природной концентрации В, равной C, производится методом химобменной ректификации комплексного соединения трифторида бора с диметиловым эфиром (CH)O⋅BF в каскаде двухфазных разделительных элементов или каскаде I (фиг.1), представляющем собой массообменные колонны. В каскад I в качестве потока питания F подается BF с природной концентрацией В C, контактирующий с предварительно полученным по реакции синтеза
3
молекулярным комплексом BF с диметиловым эфиром. Процесс химобенной ректификации проводят при температуре 100°С и давлении 250 мм рт.ст. В каскаде I, в силу частичной диссоциации комплексного соединения
и однократного изотопного эффекта по реакции
10
I
I
10
P
w
а также его многократного умножения в условиях противотока жидкости и пара (газа) происходит увеличение концентрации изотопа В до значения C в потоке отбора P и, в силу материального баланса, уменьшение концентрации В в другой части каскада I до значения C в потоке отвала W.
I
3
2
3
3
Поток отбора P выводится из каскада I в виде жидкости и поступает в блок кондиционирования (фиг.1), в котором за счет противотока жидкости и газа происходит конверсия рабочего вещества, а именно, комплексного соединения (CH)O⋅BF в трифторид бора BF в ходе обменной реакции
10
11
1
3
3
2
3
после чего газообразный BF подвергается очистке от примеси (CH)O⋅BF ее конденсацией (тип очистки I) при температуре минус (15÷20)°С, что определяет потери обогащенного материала в количестве ΔР.
3
P
P
F
P
P
P
Р
3
10
I
I
I
10
II
II
I
II
II
10
10
10
Поток очищенного BF с концентрацией В, равной C в количестве (P-ΔP) поступает в сечение ввода потока питания каскада из однофазных разделительных элементов - газовых центрифуг (каскад II), включающего концентрирующую и исчерпывающую части. В последней части концентрация В уменьшается до значения C, находящейся в интервале C < C < C, и выводится потоком P, представляющим собой второй по значимости продукт разделения изотопов бора (задана концентрация C = 40% ат., представляющая собой минимальную концентрацию В для его практического применения). В концентрирующей части каскада II концентрация В возрастает до заданного значения С (конечная концентрация) и выводится из каскада потоком продукта Р в химической форме BF. В качестве центрифуг, как в прототипе, использована прямоточная центрифуга Игуасу с центральным телом, а конечная концентрация В принята равной 96% ат.
P
10
10
Условия и результаты описанного процесса в сравнении со способом-прототипом приведены в табл.1. При равной производительности по основному продукту Р с концентрацией C = 96% ат. и одинаковых значениях концентрации В в потоках питания F и отвала W производительность по 100%-му В в предлагаемом способе возрастает по сравнению с прототипом в 1,75 раза, обусловлено вторым изотопным продуктом.
10
3
Кроме того, как видно из табл.1, степень извлечения целевого изотопа возрастает до 44,5% вместо 41,2% по прототипу, причем затраты на оборудование снижаются примерно на 19%. Себестоимость В в случае его концентрирования на первой стадии методом химобменной ректификации молекулярного комплекса BF с диметиловым эфиром, а на второй - газоцентробежным методом в виде трифторида бора, уменьшается по сравнению с прототипом на 11%, а с учетом второго продукта - почти на одну треть (32%).
Пример 2
10
10
10
I
I
10
F
3
F
P
Начальное концентрирование изотопа В от его природной концентрации, равной C, производится низкотемпературной ректификацией трифторида бора в каскаде двухфазных разделительных элементов (массообменные колонны) или каскаде I (фиг.1). В последний поступает поток питания в виде BF в количестве F с начальной (природной) концентрацией В, равной C. Процесс проводят при температуре минус 100°С и оптимальном давлении 3,5 атм. В каскаде I в силу однократного фазового изотопного эффекта жидкость-пар и его многократного умножения происходит увеличение концентрации изотопа В до значения Cв потоке P и, в силу материального баланса уменьшение концентрации В в другой части каскада I до значения Cw в потоке отвала W.
I
I
3
4
3
Поток P направляется в блок кондиционирования, где происходит удаление из BF содержащихся в нем менее летучих примесей, например, тетрафторида кремния SiF, сконцентрировавшихся в каскаде I при разделении изотопов бора. Процесс очистки BF производится газоцентробежным методом (тип очистки И) за счет удаления веществ с молекулярной массой более 68 а.е.м., приводя к некоторым потерям обогащенного материала в количестве ΔP.
3
P
P
F
P
P
Р
3
10
I
I
I
10
II
II
I
II
10
Поток очищенного BF с той же концентрацией В, равной C, в количестве (P-ΔP) поступает в сечение ввода потока питания каскада газовых центрифуг (каскад II), включающего концентрирующую и исчерпывающую части. В последней части концентрация В уменьшается до значения C, находящейся в интервале C<C<C, и выводится потоком P, представляющим собой второй по значимости продукт разделения изотопов бора. В концентрирующей части каскада II концентрация В возрастает до заданного значения С и выводится из каскада потоком продукта Р в химической форме BF.
Характеристики описанного процесса в сравнении со способом-прототипом приведены в табл.2.
Р
3
10
10
10
10
Как следует из табл.2, при равной производительности основного продукта Р с концентрацией С = 96% ат. и одинаковых значениях концентрации В в потоках питания F и отвала W производительность по 100%-ному В в предлагаемом способе возрастает по сравнению с прототипом на 75%, а степень извлечения изотопа В составляет 44,5% вместо 41,2% по способу-прототипу, а затраты на оборудование (капитальные затраты) снижаются в 2,8 раза. Себестоимость В в случае его концентрирования на первой стадии методом низкотемпературной ректификации BF уменьшается по сравнению с прототипом на 49%, то есть почти вдвое, а с учетом второго продукта - более чем в 2,5 раза.
Пример 3
10
10
F
3
3
F
Начальное концентрирование изотопа В от значения его природной концентрации, равной C, производится методом химического изотопного обмена между газообразным BF и его жидким комплексным соединением с анизолом (метилфениловый эфир) в каскаде двухфазных разделительных элементов в виде массообменных колонн или в каскаде I (фиг.1). В последний поступает поток питания в виде BF в количестве F с начальной (природной) концентрацией В, равной C. В результате реакции химического изотопного обмена
10
10
I
10
I
W
F
P
и умножения однократного эффекта реакции (5) при противоточном движении потоков жидкости и газа через последовательно соединенные двухфазные разделительные элементы в виде массообменной колонны происходит концентрирование В в жидкой фазе. Из каскада I выходят два потока трифторида бора: поток отвала W с концентрацией В C < C; поток промежуточного продукта P, в котором концентрация изотопа В увеличена до значения C.
I
I
3
3
3
P
Поток P поступает в блок кондиционирования, где реализуются последовательно две стадии очистки: конденсация (тип очистки I) и, далее, газоцентробежное разделение (тип очистки II). На первой стадии происходит удаление из BF содержащихся в нем макропримесей, как самого анизола, так и примесей, образовавшихся в процессе разделения изотопов бора при протекании побочных химических превращений (фенол, крезолы и т.д.). Конденсация происходит в виде молекулярных комплексов BF-D, где D - комплексообразователь (анизол, фенол, крезолы и т.д.) при температуре минус (20÷40)°С. На второй стадии осуществляется удаление микропримесей, преимущественно остаточных паров более тяжелых по сравнению с BF молекул (с молекулярной массой 94 а.е.м. и более). Указанные стадии очистки приводят к потерям обогащенного материала в количестве A.
3
P
P
F
P
Р
Р
3
10
I
I
I
10
II
II
II
10
Очищенный BF с той же концентрацией В, равной C в количестве (P-ΔP) поступает в сечение ввода потока питания каскада газовых центрифуг (каскад II), включающего концентрирующую и исчерпывающую части. В последней части концентрация В уменьшается до значения C, находящейся в интервале C<C<С, и выводится потоком P, представляющим собой второй по значимости продукт разделения изотопов бора. Наоборот, в концентрирующей части каскада II концентрация В возрастает до заданного значения С и выходит из каскада в виде потока Р в химической форме BF.
Р
10
10
10
Характеристики описанного процесса в сравнении со способом-прототипом приведены в табл.3. Аналогично примерам 1 и 2 при равной производительности основного продукта Р с концентрацией С = 96% ат. и одинаковых значениях концентрации В в потоках питания F и отвала W производительность по 100%-ному В в предлагаемом способе возрастает по сравнению с прототипом на 75%, а значение степени извлечения В увеличивается с 41,2% в способе-прототипе до 44,5%. Кроме того, в предлагаемом способе за счет значительного сокращения по сравнению с прототипом числа однофазных разделительных элементов, то есть, газовых центрифуг вклад в себестоимость амортизационных отчислений снижается более чем в четыре раза, причем при принятом удвоенном времени амортизации для газовых центрифуг по сравнению со временем амортизации для двухфазных разделительных элементов.
10
Как видно из табл.1, общая стоимость производства изотопа В с концентрацией 96% ат. уменьшается в 3 раза, а с учетом дополнительной изотопной продукции себестоимость основного продукта становится меньше по сравнению с прототипом в 4 раза.