Способ и устройство для обогащения тяжелых изотопов кислорода - RU2446862C2

Чертежи

Описание

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для обогащения тяжелых изотопов кислорода и, более конкретно, относится к способу и устройству, в которых используют реакцию фотохимического разложения озона под действием лазерного излучения с достижением обогащения тяжелых изотопов кислорода¹⁷O и¹⁸O, относительное содержание которых чрезвычайно низкое.

Приоритет испрашивается согласно Японской Патентной Заявке № 2006-260894, поданной 26 сентября 2006 года, содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки.

Предпосылки изобретения

Тяжелые изотопы кислорода¹⁷O и¹⁸O используют в качестве радиоактивных индикаторов для таких целей, как диагностика заболеваний взрослых пациентов. Поскольку относительное содержание этих тяжелых изотопов кислорода в природе чрезвычайно низкое, используют способы, которые в общих чертах описаны ниже, для осуществления их обогащения перед использованием.

Одним примером способа обогащения для тяжелого изотопа кислорода является способ, в котором кислород подвергают дистилляции в молекулярном состоянии, и кислород, содержащий целевой изотоп кислорода, постепенно обогащается (см. Патентный документ 1). Этот документ также раскрывает способ, объединяющий дистилляцию с выравниванием изотопной метки в целях повышения эффективности обогащения изотопов, достигаемого путем дистилляции.

В качестве примеров применений этого способа, сочетающего выравнивание изотопной метки, Патентный документ 2 и Патентный документ 3 раскрывают способы обогащения, в которых используют селективное разложение озона, содержащего целевой изотоп. В частности, озон, образуемый при помощи озонатора, подвергают лазерному облучению и после селективного разложения тех молекул озона, которые содержат целевые тяжелые изотопы кислорода (¹⁷O и/или¹⁸O), образовавшийся кислород отделяют от неразложившегося озона и затем подвергают дистилляции для обогащения целевых изотопов кислорода в форме молекул кислорода (¹⁶O¹⁷O,¹⁶O¹⁸O,¹⁷O¹⁷O,¹⁷O¹⁸O,¹⁸O¹⁸O).

Кроме того, Патентный документ 3 раскрывает способ, в котором инертный газ, такой как криптон, ксенон или радон, смешивают с целевым озоном при лазерном облучении для обеспечения более стабильного разложения озона.

Способ обогащения тяжелых изотопов кислорода при помощи лазерного облучения осуществляют, например, как показано на Фиг. 3.

Конструкция, показанная на Фиг. 3, включает устройство для разделения, которое, включая улавливание разбавляющего газа, состоит из, по меньшей мере, трех дистилляционных колонн.

Исходное кислородное сырье подают в озонатор 1 и часть кислорода преобразуют в озон при помощи озонатора 1 с образованием газовой смеси, состоящей из озона и непрореагировавшего кислорода. Эту газовую смесь вводят в первую дистилляционную колонну 2 вместе с разбавляющим газом и смесь разделяют на кислород и смесь озона и разбавляющего газа. Кислород экстрагируют из верхней части колонны, а смесь озона и разбавляющего газа экстрагируют из нижней части колонны.

Смесь озона и разбавляющего газа, отделенную при помощи первой дистилляционной колонны 2, вводят в камеру фотохимической реакции 3. Лазерное излучение специфической длины волны пропускают в камеру фотохимической реакции 3, вызывая посредством этого селективное разложение озона, содержащего целевые тяжелые изотопы кислорода (¹⁷O и/или¹⁸O), и образование кислорода, содержащего эти целевые изотопы.

Газовую смесь, которая включает кислород, содержащий целевые тяжелые изотопы кислорода в молекуле, неразложившийся озон и разбавляющий газ, сжижают в аппарате высокого давления для сжижения 4 и после сжатия вводят во вторую дистилляционную колонну 5. Газовую смесь разделяют на целевой кислородный продукт и смесь озона и разбавляющего газа, и целевой кислородный продукт экстрагируют из верхней части колонны. Полученную в результате разделения газовую смесь, состоящую из озона и разбавляющего газа, экстрагируют из нижней части колонны и вводят в устройство для разложения озона 6, где происходит разложение озона с образованием кислорода. Газовую смесь, извлеченную из устройства для разложения озона 6, разделяют на разбавляющий газ и кислород в третьей дистилляционной колонне 7. Кислород удаляют из системы, тогда как разбавляющий газ возвращают в первую дистилляционную колонну 2 и повторно используют.

[Патентный документ 1] Международная Патентная Публикация WO 00-27509.

[Патентный документ 2] Не прошедшая экспертизу Патентная Публикация Японии, Первая публикация № 2004-261776.

[Патентный документ 3] Не прошедшая экспертизу Патентная Публикация Японии, Первая публикация № 2005-40668.

Раскрытие изобретения

Задачи, решаемые настоящим изобретением

В способе с использованием традиционной технологии, показанной на Фиг. 3, используют, по меньшей мере, три дистилляционные колонны, и эти колонны соединены в ряд в соответствии с последовательностью процесса.

Как правило, в процессе дистилляции жидкость должна задерживаться внутри колонны в течение определенного периода времени (захват колонны). Если дистилляционные колонны соединены в ряд таким образом, как описано выше, тогда жидкость должна задерживаться в каждой из этих колонн в последовательности, начиная с колонны, расположенной в самом начале потока, и это означает, что колонны не могут быть запущены одновременно. Следовательно, возникает проблема, связанная с тем, что требуется значительное количество времени для получения желаемого продукта.

В частности, объем газа на единицу времени, получаемый из камеры фотохимической реакции 3, довольно мал, и это означает, что можно ожидать очень небольшой скорости потока для ввода во вторую дистилляционную колонну 5. При низкотемпературной дистилляции, если нельзя обеспечить соответствующее количество циркулирующего газа, в этом случае внутренняя часть дистилляционной колонны не охлаждается, и требуется значительное количество времени для достижения нормальных условий работы процесса. Увеличение размера камеры фотохимической реакции 3 является одним из возможных вариантов для увеличения объема газа, но это увеличивает как размер, так и стоимость устройства и не является особенно желательным.

Другая проблема состоит в том, что поскольку фотохимическое разложение озона в камере фотохимической реакции 3 осуществляют при пониженном давлении, аппарат высокого давления для сжижения 4 необходимо обеспечивать между камерой фотохимической реакции 3 и второй дистилляционной колонной 5. Однако сжатие сжиженного озона механическим путем с использованием насоса или подобного средства не очень желательно с точки зрения безопасности.

Кроме того, при таком типе соединения в ряд дистилляционных колонн низкую скорость потока газа необходимо контролировать при пониженном давлении по всей системе, что чрезвычайно затрудняет измерения и работу клапанов и может затруднять достижение стабильного рабочего управления.

Следовательно, задачей настоящего изобретения является обеспечение обогащения тяжелых изотопов кислорода, где все устройство в целом можно поддерживать компактным, что позволяет сэкономить затраты на оборудование, и где работа способа является безопасной и его можно осуществлять с высокой стабильностью.

Средства решения задач

Для достижения указанной выше задачи

первый аспект настоящего изобретения обеспечивает способ обогащения тяжелого изотопа кислорода путем дистилляции, при этом указанный способ включает:

первую стадию дистилляции (a), включающую подачу кислорода и озона, образованного при помощи озонатора, в дистилляционную колонну, заполненную разбавляющим газом, и разделение кислорода и озона и разбавляющего газа;

стадию (b) выпуска кислорода из верхней части дистилляционной колонны;

стадию (c) сброса давления в дистилляционной колонне;

стадию фоторазложения (d), включающую введение газовой смеси, состоящей из озона и разбавляющего газа, из нижней части дистилляционной колонны в камеру фотохимической реакции, и облучение газовой смеси при помощи лазерного излучения для селективного разложения озона, содержащего тяжелый изотоп кислорода;

вторую стадию дистилляции (e), включающую возвращение неразложившегося озона и кислорода, содержащего тяжелый изотоп кислорода, который был получен на стадии (d), в дистилляционную колонну и разделение кислорода и озона и разбавляющего газа;

стадию (f) сжижения кислорода, содержащего тяжелый изотоп кислорода, с использованием конденсатора, обеспечиваемого в верней части дистилляционной колонны, и экстракцию кислорода в качестве кислородного продукта;

стадию (g) экстракции неразложившегося озона из дистилляционной колонны, разложение озона до кислорода с использованием устройства для разложения озона и затем возвращение кислорода дистилляционную колонну;

третью стадию дистилляции (h), включающую разделение кислорода и разбавляющего газа; и

стадию (i) выпуска кислорода, отделенного на стадии (h), из системы наружу, причем

стадии дистилляции с первой по третью включительно осуществляют в одной и той же дистилляционной колонне (т.е. только в одной единственной дистилляционной колонне).

В настоящем изобретении стадию (c) предпочтительно осуществляют путем изменения рабочих условий конденсатора.

Кроме того, движущая сила для возвращения газа в дистилляционную колонну на стадии (d), предпочтительно, образуется посредством перепада давления, вызываемого напором жидкости в нижней части дистилляционной колонны.

Второй аспект настоящего изобретения представляет устройство для обогащения тяжелых изотопов кислорода для осуществления способа обогащения тяжелого изотопа кислорода в соответствии с настоящим изобретением, при этом указанное устройство включает, по меньшей мере:

озонатор, который образует озон из кислорода,

одну дистилляционную колонну, в которой осуществляют три стадии (a), (e) и (h),

камеру фотохимической реакции, в которой происходит селективное разложение озона, содержащего тяжелый изотоп кислорода, и

устройство для разложения озона.

В настоящем изобретении внутренний диаметр в нижней части дистилляционной колонны, предпочтительно, меньше, чем внутренние диаметры других частей дистилляционной колонны.

Кроме того, блок для разделения газа и жидкости, предпочтительно, обеспечивают в нижней части дистилляционной колонны.

Эффект настоящего изобретения

В соответствии с настоящим изобретением, поскольку три стадии дистилляции осуществляют последовательно с использованием одной дистилляционной колонны, размер устройства в целом можно сделать очень компактным. Кроме того, количество разбавляющего газа, используемого для обеспечения стабильной дистилляции, можно сократить примерно до 1/3 от традиционно используемого количества.

Кроме того, в дистилляционной колонне, поскольку осуществляют рециркуляцию газа в камеру фотохимической реакции с использованием напора жидкости, аккумулированной в нижней части колонны, механический компрессор не требуется, что повышает безопасность устройства.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет схему, иллюстрирующую один пример устройства для обогащения по настоящему изобретению.

Фиг. 2 представляет схему, иллюстрирующую еще один пример устройства для обогащения по настоящему изобретению.

Фиг. 3 представляет схему, иллюстрирующую общеизвестное устройство для обогащения.

Расшифровка ссылочных позиций:

11: Компрессор, 12: Озонатор, 13: Дистилляционная колонна, 14: Камера фотохимической реакции, 15: Устройство для разложения озона, 16: Конденсатор, 17: Ребойлер, 18: Лазерная установка, 19: Перепускной клапан, 20: Резервуар для хранения жидкого продукта и 21: Установка для разделения газа и жидкости.

Лучший способ осуществления изобретения

Фиг. 1 иллюстрирует один пример устройства для обогащения для осуществления способа обогащения тяжелого изотопа кислорода в соответствии с настоящим изобретением.

Устройство для обогащения тяжелых изотопов кислорода, проиллюстрированное на Фиг. 1, по существу, состоит из компрессора 11, озонатора 12, одной дистилляционной колонны 13, камеры фотохимической реакции 14 и устройства для разложения озона 15. Конденсатор 16 и ребойлер 17 обеспечиваются соответственно в верней части и в нижней части дистилляционной колонны 13.

Характерным признаком настоящего изобретения является то, что три стадии дистилляции осуществляют в одной дистилляционной колонне 13.

На первой стадии дистилляции осуществляют концентрацию озона, на второй стадии дистилляции осуществляют обогащение целевого изотопа и на третьей стадии дистилляции кислород, который не содержит никакого целевого изотопа, отделяют от разбавляющего газа.

(Первая стадия дистилляции: Концентрация озона)

Исходное кислородное сырье подвергают сжатию с использованием компрессора 11 и затем вводят в озонатор 12 для образования озона.

Полученную газовую смесь, содержащую озон и непрореагировавший кислород, подают в дистилляционную колонну 13. Для обеспечения безопасной и стабильной дистилляции, разбавляющий газ (такой как криптон, ксенон или хлорфторуглерод) вводят в дистилляционную колонну 13 заранее. Путем пропускания жидкости (такой как жидкий азот) через конденсатор 16 и ребойлер 17 при подходящих температурных условиях, внутри дистилляционной колонны 13 образуются направленный вниз поток жидкости и направленный вверх поток газа.

После концентрации кислорода в верхней части дистилляционной колонны 13 газообразный кислород в верхней части колонны постепенно выпускают. Экстрагируемый кислород можно просто выпустить за пределы системы, но в случае осуществления рециркуляции кислорода в точку, находящуюся выше по потоку от озонатора 12, выход может быть улучшен.

После того как концентрация озона в нижней части дистилляционной колонны 13 достигает предварительно установленной концентрации в пределах от нескольких % до примерно 10%), подачу газовой смеси из озонатора 12 в дистилляционную колонну 13 приостанавливают.

Дистилляцию продолжают, при этом остаточный газообразный кислород, оставшийся в дистилляционной колонне 13, выпускают из системы. Концентрация разбавляющего газа в выпускаемом из системы газе постепенно увеличивается. В тех случаях, когда разбавляющий газ вступает в реакцию внутри озонатора 12, в целях предотвращения образования реакционных продуктов рециркуляцию выпускаемого газа в озонатор 12 не осуществляют. Однако выпускаемый газ можно собирать вне системы и подавать непосредственно в дистилляционную колонну 13 на начальном этапе первой стадии дистилляции. Такой тип способа позволяет более эффективно использовать кислород и разбавляющий газ.

Измеряют концентрацию газа в верхней части дистилляционной колонны 13 и первую стадию дистилляции продолжают до тех пор, пока кислород больше не определяется в верхней части колонны. Если кислород остается в колонне, тогда получают разбавленную концентрацию кислородного продукта на второй стадии дистилляции и поэтому осуществляют выпуск по возможности большего количества кислорода.

После того как выпуск кислорода должным образом завершен, в верхней части дистилляционной колонны 13 создаются условия насыщения разбавляющим газом.

(Вторая стадия дистилляции: Экстракция кислородного продукта)

После завершения выпуска кислорода температуру охлаждающей жидкости (жидкий азот), подаваемой в конденсатор 16, снижают и внутри дистилляционной колонны 13 создают пониженное давление (отрицательное давление). В этот момент внутри колонны создается состояние полного орошения.

После того как давление внутри дистилляционной колонны 13 было снижено до заданного давления, часть направленного вверх потока газа (газовой смеси, состоящей из озона и разбавляющего газа) из ребойлера 17 вводят в камеру фотохимической реакции 14. В камере фотохимической реакции 14 лазерное излучение специфической длины волны воздействует на газ из лазерной установки 18, разлагая таким образом только изотопный озон (такой как¹⁶O¹⁶O¹⁸O,¹⁶O¹⁷O¹⁸O и¹⁶O¹⁸O¹⁸O), содержащий целевой тяжелый изотоп кислорода (например,¹⁸O), и обогащая целевой изотоп в форме изотопных молекул кислорода.

Для подавления молекулярных столкновений между молекулами озона давление внутри камеры фотохимической реакции 14 в процессе облучения, предпочтительно, должно быть не выше чем 13 кПа. Нет никаких конкретных ограничений нижних пределов давления при условии возможности осуществления настоящего изобретения.

Остальную часть направленного вверх потока газа из ребойлера 17 возвращают в дистилляционную колонну 13 через перепускной клапан 19.

После фотохимической реакции газ (газовая смесь, состоящая из кислорода и неразложившегося озона) возвращают в дистилляционную колонну 13 из камеры фотохимической реакции 14. Хотя нет никаких конкретных ограничений, касающихся того положения, где газ возвращают в дистилляционную колонну 13, положение в нижней части колонны является предпочтительным.

Вторую стадию дистилляции осуществляют при непрерывной подаче направленного вверх потока газа из ребойлера 17 в камеру фотохимической реакции 14 и возвращения в дистилляционную колонну 13, и прореагировавший газ из камеры фотохимической реакции 14 непрерывно возвращают в дистилляционную колонну 13. По мере осуществления этой стадии кислород, содержащий большое количество целевого тяжелого изотопа кислорода, постепенно аккумулируется в верхней части дистилляционной колонны 13. Этот кислород охлаждают при помощи конденсатора 16 и осуществляют его обратную циркуляцию в дистилляционную колонну 13 в качестве жидкости для орошения.

Циркуляцию газа между дистилляционной колонной 13 и камерой фотохимической реакции 14, предпочтительно, осуществляют с использованием напора жидкости (давления жидкости) направленного вниз потока жидкости, которая аккумулируется в нижней части дистилляционной колонны 13. Осуществление подачи газа с использованием жидкостного насоса или компрессора может вызывать разложение озона и поэтому является нежелательным. В этот момент если внутренний диаметр в нижней части колонны меньше, чем внутренний диаметр других частей дистилляционной колонны 13, тогда перепад давления может быть получен с небольшим количеством жидкости.

Кроме того, в тех случаях, когда используют систему термосифона для ребойлера 17, необходимо обеспечить установку для разделения газа и жидкости. В тех случаях, когда внутренний диаметр в нижней части колонны является уменьшенным, установку для разделения газа и жидкости 21 можно обеспечивать в нижней части дистилляционной колонны 13, как показано на Фиг. 2.

На второй стадии дистилляции, после того как концентрация кислорода в жидкости для орошения, сжиженной при помощи конденсатора 16, достигает уровня высокой чистоты, часть этой жидкости для орошения собирают в резервуаре для хранения жидкого продукта 20. В тех случаях когда резервуар для хранения жидкого продукта 20 не используют, конденсатор 16 также может выполнять функцию резервуара для хранения так, чтобы жидкий кислород экстрагировали непосредственно из конденсатора.

После того как кислород, содержащий обогащенный целевой тяжелый изотоп кислорода (кислородный продукт), собран в резервуаре для хранения жидкого продукта 20, линию к резервуару для хранения жидкого продукта 20 закрывают. Температуру резервуара для хранения жидкого продукта 20 затем повышают и газообразный кислородный продукт экстрагируют.

В этот момент верхняя часть дистилляционной колонны 13 находится в состоянии насыщения разбавляющим газом.

(Третья стадия дистилляции: Разделение кислорода и разбавляющего газа)

Озон, остающийся внутри дистилляционной колонны 13 на момент завершения второй стадии дистилляции, содержит значительно уменьшенную концентрацию целевого тяжелого изотопа кислорода. Следовательно, способ переходит к третьей стадии дистилляции, где озон, который был сконцентрирован в нижней части колонны, разлагают с образованием кислорода, который затем выпускают из системы.

На второй стадии дистилляции, после того как линию к резервуару для хранения жидкого продукта 20 закрывают, подачу газа в камеру фотохимической реакции 14 приостанавливают и перепускной клапан 19 закрывают так, чтобы весь направленный вверх поток газа из ребойлера 17 поступал в устройство для разложения озона 15. Озон заданным образом разлагают до кислорода и образовавшийся кислород возвращают в дистилляционную колонну 13 в виде направленного вверх потока газа.

На третьей стадии дистилляции кислород концентрируется в верхней части колонны, тогда как разбавляющий газ концентрируется в нижней части колонны. Кислород, сконцентрированный в верхней части колонны, выпускают из системы в виде отработанного кислорода.

После того как кислород был выпущен, внутри дистилляционной колонны 13 содержится только разбавляющий газ и поэтому способ можно возвращать к первой стадии дистилляции.

Инертный газ (криптон или ксенон) или хлорфтотруглерод, используемый в качестве разбавляющего газа, является дорогим, а хлорфтотруглероды создают дополнительные проблемы, связанные с тем, что выпуск газа в атмосферу является нежелательным с точки зрения экологии, и поэтому разбавляющий газ, предпочтительно, повторно используют несколько раз.

В варианте осуществления изобретения, описанном выше, в целях предотвращения какого-либо износа в процессе разделения в дистилляционной колонне 13, обводная линия (перепускной клапан 19), которая может регулировать поток газа, предусматривается между дистилляционной колонной 13 и камерой фотохимической реакции 14 отдельно от линии рециркуляции, обеспечивая таким образом поддержание направленного вверх потока газа, необходимого для дистилляции. В результате скорость потока газа, поступающего в камеру фотохимической реакции 14, можно изменять в соответствии с количеством озона, прореагировавшим в камере фотохимической реакции 14, что делает возможным эффективное и стабильное осуществление дистилляции.

Способ по настоящему изобретению представляет собой периодический способ, в котором целевой кислород получают только на второй стадии дистилляции, но этот способ не только требует одной дистилляционной колонны, что означает минимальные затраты на оборудование, но также количество используемого разбавляющего газа можно снизить примерно до 1/3 от обычного количества. Кроме того, время, необходимое для охлаждения дистилляционной колонны в процессе работы способа, снижается, позволяя существенно сократить время работы способа.

ПРИМЕРЫ

С использованием устройства для обогащения, имеющего структуру, проиллюстрированную на Фиг. 1, осуществляли обогащение¹⁷O, и был разработан способ получения 0,5 кг (в расчете на H₂O эквивалент) в год. Исходное кислородное сырье имело природное относительное содержание изомеров (¹⁶O=99,759% (ат.%, это также относится ко всем указанным далее значениям),¹⁷O=0,037%,¹⁸O=0,204%).

¹⁶O¹⁶O¹⁷O был выбран в качестве изотополога целевого озона для разложения в камере фотохимической реакции.

Длину волны 992 нм использовали в качестве длины волны лазерного излучения для разложения этого озонового изотополога. Мощность лазера устанавливали на 3 Вт и площадь сечения абсорбции устанавливали на 3,0×10-23 см². Давление в камере фотохимической реакции устанавливали на 13 кПа, температуру устанавливали на 200 K, длина пробега световых частиц составляла 30 м, время нахождения в камере составляло 1800 с, коэффициент использования излучения составил 0,05, и количество селективного разложения других озоновых изотопологов, разлагающихся одновременно с разложением целевого изотополога, составило 3,3 относительно значения 1 для целевого изотополога.

В таких условиях количество обогащенного¹⁷O в кислородном продукте составляло 7,8 ат.%.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение способно обеспечивать обогащение тяжелых изотопов кислорода, при этом устройство в целом может быть компактным, что позволяет сократить стоимость оборудования, и работа способа является безопасной, и его можно осуществлять с высокой стабильностью. Следовательно, настоящее изобретение является промышленно полезным.

Реферат

Изобретение относится к способу и устройству для обогащения тяжелых изотопов кислорода, в которых используется реакция фотохимического разложения озона под действием лазерного излучения. Способ включает первую стадию дистилляции, на которой подают кислород и озон в дистилляционную колонну, заполненную разбавляющим газом, стадию выпуска кислорода из верхней части дистилляционной колонны, стадию сбрасывания давления в дистилляционной колонне, стадию фоторазложения, на которой вводят газовую смесь, состоящую из озона и разбавляющего газа, из нижней части дистилляционной колонны в камеру фотохимической реакции, и облучают газовую смесь лазерным излучением, вторую стадию дистилляции, на которой возвращают неразложившийся озон и кислород в дистилляционную колонну, стадию сжижения кислорода, с использованием конденсатора, стадию экстрагирования неразложившегося озона из дистилляционной колонны, третью стадию дистилляции, на которой разделяют кислород и разбавляющий газ, и стадию выпуска наружу отделенного кислорода. Устройство содержит озонатор, дистилляционную колонну, камеру фотохимической реакции и устройство для разложения озона. Изобретение обеспечивает обогащение тяжелых изотопов кислорода с высокой стабильностью и безопасностью и позволяет сократить стоимость оборудования. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 пр.

Формула