Способ разделения изотопов азота

 

Использование: в ядерной энергетике, биологии, агрохимии, медицине. Сущность изобретения: проводят разделение изотопов при комнатной температуре в противоточной стеклянной колонне между NO и 16 М HNO₃ с обращением потоков под действием SO₂. Образующуюся H₂SO₄ обрабатывают природным газом при 550 - 600^oС в двухсекционном кварцевом реакторе, одна секция которого наполнена кварцем, а вторая - силиколированным силикагелем фракции 0,25- 0,50. Продукты обработки направляют в обращение потоков. Сокращается расход сернистого ангидрида, отсутствуют вредные выбросы и кислые стоки.

Изобретение относится к способу разделения изотопов азота 14_N и 15_N, используемых в качестве меченых атомов в медицине, биологии, сельском хозяйстве, исследованиях в области ядерной физики. Цель изобретения обеспечение защиты окружающей среды и сокращение расхода реагентов, что позволит в дальнейшем создать безотходную технологию производства изотопов азота, т.е. значительно снизить расход SO₂ на восстановление азотной кислоты, избежать образования кислых стоков и вредных выбросов в атмосферу. Использование в изобретении в качестве восстановителя серной кислоты метана из природного газа продиктовано дешевизной, доступностью последнего, большей безопасностью по сравнению с другими газообразными восстановителя, например, Н₂ и Н₂S, удобством в работе из-за простоты управления потоком газа и возможностью дальнейшей утилизации продуктов восстановления. Проведение восстановления при температурах ниже 550^оС не дает полностью восстановления Н₂SO₄, а при температурах выше 600^оС энергетически нецелесообразно. Сущность предложенного способа разделения изотопов азота состоит в следующем: разделении изотопов азота и противоточной химобменной колонне между газообразным оксидом азота и азотной кислотой с обращением потока под действием SO₂ и восстановлении полученных при разделении растворов серной кислоты на силикагеле с возвратом образованного SO₂ в узел обращения потока. Общая схема процесса разделения предлагаемым способом аналогична схеме любого двухфазного противоточного способа разделения изотопа, поэтому разделение изотопов азота можно проводить как в системе газ-жидкость NO-NHO₃, так и в системе газ-твердое тело NO-HNO₃, нанесенная на силикагель. После процесса разделения изотопов азота в противоточной колонне серная кислота поступает в кварцевый реактор, заполненный силикагелем С-3 зернением 0,25-0,50 (для системы газ-твердое тело силикагель поступает с нанесенной серной кислотой и его увод из нижней части реактора осуществляют с помощью шнека). Кварцевый реактор представляет собой двухсекционную колонну (d 2,0 см, l 50 см), в верхней части которой происходит испарение H₂SO₄, а в нижней восстановление серной кислоты до диоксида серы. Обе секции снабжены нагревателями со встроенными термопарами для контроля за температурой реактора. Температуру испарителя поддерживают постоянной (500^оС), а температуру реактора варьируют в интервале 450-600^оС. Поток газообразных продуктов восстановления создают путем подачи метана в зону восстановления H₂SO₄, сверху в реактор подают раствор серной кислоты, для системы газ-твердая фаза включением шнека осуществляют движение твердой фазы с заданной линейной скоростью. Подачу метана из сети регулируют роторным насосом. По манометру, стоящему на выходе из установки, контролируют давление в системе. Для контроля за составом газообразных продуктов восстановления (СН₄, СО, СО₂, SO₂) используют кран-дозатор серийного хроматографа марки "Цвет", что позволяет, не перекрывая основного потока, отбирать пробы выходящего из реактора газового потока и направлять их для разделения в аналитический хроматограф. Жидкую фракцию, вытекающую из холодильника, собирают в сборнике, затем проводят титрование щелочью для определения общей кислотности собранного раствора, а концентрацию серной кислоты определяют титрованием КMnO₄. П р и м е р 1. В противоточной стеклянной колонне (l 60 см, d 105 см) проводят разделение изотопов азота при комнатной температуре между оксидом азота (II) и 16М азотной кислотой с обращением потока под действием сернистого ангидрида. После процесса образуется концентрированная серная кислота, термокаталитическое восстановление которой проводят в двухсекционном кварцевом реакторе (d 3 cм²), состоящем из зоны испарителя (l 10 см), выполненного кварцем и непосредственно реактора (l 40 см), заполненного силикагелем марки С-3 фракции 0,25-0,50. Температуру испарителя поддерживают постоянной 500^оС, а температуру реактора 550^оС. В реактор подают метан из сети и концентрированную серную кислоту после противоточной химобменной колонны. Скорость подачи компонентов поддеpживают постоянной в мольном соотношении метан):3,5 (серная кислота). Установлено, что 100% степень восстановления серной кислоты метаном достигается при суммарной скорости газопарового потока 38 л/мин. Скорость подачи H₂SO₄ 7,3 мл/мин. Газообразные продукты восстановления состоят: из О₂, СО₂, СО, Н₂О, причем соотношение СО₂:СО равно двум. Минимальное время контакта смеси с катализатором равно 0,1 с. П р и м е р 2. Проводят разделение изотопов азота противоточным химическим обменом между оксидом азота (II) и азотной кислотой, нанесенной на силикагель (марки С-3 зернением 0,25-0,50 мм) в количестве 1 ммоль/г SiO₂. После разделения термокаталитическое восстановление серной кислоты на силикагеле проводят в двухсекционном кварцевом реакторе (S 3 см²), состоящем из зоны испарителя (l 10 см) и непосредственно реактора (l 40 см). Температура реактора 550^оС. 100% степень восстановления серной кислоты достигается при суммарной скорости газопарового потока 0,35 м/мин. Скорость подачи H₂SO₄ на силикагеле 0,7 ммоль/мин. Минимальное время контакта реакционной смеси равно 10 с. П р и м е р 3. Процесс проводят так же, как и в примере 2 но восстановление серной кислоты проводят при 570^оС. В этих условиях 100% степень восстановления серной кислоты на силикагеле достигается при суммарной скорости газопарового потока 38 л/мин, скорость подачи Н₂SO₄ на силикагеле 7,3 ммоль/мин. Минимальное время контакта реакционной смеси с катализатором уменьшается в 100 раз и равно 0,1 с. П р и м е р 4. Процесс проводят так же, как и в примере 2, но используют для разделения изотопов азота 10М НО₃ и восстанавливают 50% раствор серной кислоты метаном при 600^оС. В этом случае 100% степень восстановления достигается при суммарной скорости газопарового потока 38 л/мин, но скорость подачи 50% раствора H₂О₄ на силикагеле 4,9 ммоль/мин. Таким образом, преимуществом предложенного способа является возможность решать экологические проблемы,т.е. отсутствие вредных выбросов в атмосферу, и практическое отсутствие кислых стоков. Также преимущества данного способа заключаются в том, что после разделения изотопов между газообразным оксидом азот (II) и азотной кислотой значительно сокращаются затраты сернистого газа, подаваемого в узел обращения потока, вследствие термокаталитического восстановления серной кислоты и возможностью выделения и утилизации диоксида серы из газового потока. В случае разделения изотопов азота между оксидом азота и азотной кислотой, нанесенной на силикагель, с помощью предлагаемого способа возможно pегенеpиpовать силикагель и запускать его в дальнейшее производство. Данный способ может послужить основой для создания безотходной технологии производства изотопов азота.

Формула изобретения

СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ АЗОТА противоточным химическим обменом между газообразным оксидом азота (II) и азотной кислотой с обращением потоков под действием сернистого ангидрида с получением серной кислоты, отличающийся тем, что, с целью обеспечения защиты окружающей среды и сокращения расхода реагентов, серную кислоту обрабатывают природным газом на силикагеле при 550 - 600^oС и продукты обработки направляют в обращение потоков.