RU2201283C1

RU2201283C1 - Hydrogen isotopes' separation method

Info

Publication number: RU2201283C1
Application number: RU2001131297A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Асновский; С.В. Баранов; С.П. Глазков; А.В. Жарков; М.Г. Кожанов; З.Г. Каграманов; А.Б. Сазонов; Э.П. Магомедбеков
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Производственное объединение "Маяк"; Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева
Priority date: 2001-11-21
Filing date: 2001-11-21
Publication date: 2003-03-27

Abstract

FIELD: isotope separation. SUBSTANCE: separation is accomplished in four cryogenic-rectification packed column and four homomolecular isotope-exchange assemblies. Two raw material streams are processed, the first one containing 0.80-0.99 at. parts protium and 0.01-0.20 at. parts tritium and the second one containing 0.01-0.03 at. parts protium, 0.64-0.72 at. parts deuterium, and 0.25-0.35 at. parts tritium. Process gives protium, deuterium, and tritium products with isotopic purities 0.99999, 0.9999, and 0.9999 at. parts, respectively. EFFECT: increased isotope separation efficiency. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к технологии разделения изотопов водорода. The invention relates to a technology for the separation of hydrogen isotopes.

Известен способ разделения изотопов водорода (Японский патент 61107926, кл. В 01 D 59/04, 1986 г.) в установке, состоящей из двух колонн криогенной ректификации и двух блоков гомомолекулярного изотопного обмена. A known method for the separation of hydrogen isotopes (Japanese patent 61107926, class B 01 D 59/04, 1986) in an installation consisting of two columns of cryogenic distillation and two blocks of homomolecular isotopic exchange.

Недостатком данного способа является то, что концентрация протия в исходного сырье не может превышать 0,03 ат. доли. The disadvantage of this method is that the concentration of protium in the feedstock cannot exceed 0.03 at. share.

Известен способ разделения изотопов водорода (пат. США 4353871, кл. 422/159, 1982 г.), принятый за прототип, в установке, состоящей из четырех колонн криогенной ректификации и двух блоков гомомолекулярного изотопного обмена. A known method for the separation of hydrogen isotopes (US Pat. US 4353871, class 422/159, 1982), adopted as a prototype, in an installation consisting of four columns of cryogenic distillation and two blocks of homomolecular isotopic exchange.

Недостатками прототипа является то, что в качестве сырья может использоваться только эквимолярная дейтерий-тритиевая смесь с содержанием протия порядка 0,01 ат. доли; в качестве продуктов получаются HD (побочный продукт), D₂, DT и Т₂; для превращения НТ в HD и DT вводится вспомогательный поток D₂.The disadvantages of the prototype is that as raw materials can only be used equimolar deuterium-tritium mixture with a protium content of about 0.01 at. shares; as products, HD (by-product), D ₂ , DT and T ₂ are obtained; to turn NT into HD and DT, an auxiliary stream D ₂ is introduced.

Задачей изобретения является получение чистых протия (Н₂), дейтерия (D₂) и трития (Т₂) и устранение недостатков, присущих прототипу.The objective of the invention is to obtain pure protium (H ₂ ), deuterium (D ₂ ) and tritium (T ₂ ) and to eliminate the disadvantages inherent in the prototype.

Поставленная задача решается способом разделения изотопов водорода, включающим криогенную ректификацию в четырех насадочных колоннах и разложение молекул HD, НТ и DT в блоках гомомолекулярного изотопного обмена, причем переработке подвергают два сырьевых потока, первый из которых содержит от 0,80 до 0,99 ат. долей протия и от 0,01 до 0,20 ат. долей трития, а второй сырьевой поток содержит от 0,01 до 0,03 ат. долей протия, от 0,64 до 0,72 ат. долей дейтерия и от 0,25 до 0,35 ат. долей трития. Причем первый сырьевой поток смешивают с потоком, выходящим из дефлегматора второй колонны криогенной ректификации. Смесь пропускают через первый блок гомомолекулярного обмена и подают в качестве питания в первую колонну криогенной ректификации, а второй сырьевой поток смешивают с потоком, выходящим из куба первой колонны криогенной ректификации и далее через второй блок гомомолекулярного изотопного обмена подают на разделение во вторую колонну криогенной ректификации. Кубовый остаток из второй колонны криогенной ректификации смешивают с потоком, поступающим из дефлегматора четвертой колонны криогенной ректификации через четвертый блок гомомолекулярного изотопного обмена, и подают на разделение в третью колонну криогенной ректификации. Поток из куба третьей колонны криогенной ректификации смешивают с потоком, отбираемым из четвертой колонны криогенной ректификации. Далее смесь пропускают через третий блок гомомолекулярного изотопного обмена и направляют на разделение в четвертую колонну криогенной ректификации. В качестве продуктов получают три потока, причем первый поток с содержанием 0,99999 ат. долей протия отбирают из дефлегматора первой колонны криогенной ректификации, второй поток с содержанием 0,9999 ат. долей дейтерия отбирают из дефлегматора третьей колонны криогенной ректификации, третий поток содержанием 0,9999 ат. долей трития отбирается из куба четвертой колонны криогенной ректификации. The problem is solved by the method of separation of hydrogen isotopes, including cryogenic distillation in four packed columns and the decomposition of HD, NT and DT molecules in homomolecular isotope exchange units, and two feed streams are subjected to processing, the first of which contains from 0.80 to 0.99 at. lobes of protium and from 0.01 to 0.20 at. fractions of tritium, and the second feed stream contains from 0.01 to 0.03 at. lobes of protium, from 0.64 to 0.72 at. fractions of deuterium and from 0.25 to 0.35 at. share of tritium. Moreover, the first feed stream is mixed with the stream leaving the reflux condenser of the second cryogenic distillation column. The mixture is passed through the first homomolecular exchange unit and fed as feed to the first cryogenic distillation column, and the second feed stream is mixed with the stream leaving the cube of the first cryogenic distillation column and then, through the second homomolecular isotope exchange block, it is fed to the second cryogenic distillation column for separation. The bottoms from the second cryogenic distillation column are mixed with the stream coming from the reflux condenser of the fourth cryogenic distillation column through the fourth homomolecular isotope exchange unit and fed to the third cryogenic distillation column for separation. The stream from the cube of the third cryogenic distillation column is mixed with the stream taken from the fourth cryogenic distillation column. Next, the mixture is passed through the third block of homomolecular isotope exchange and sent for separation in the fourth column of cryogenic distillation. Three streams are obtained as products, the first stream containing 0.99999 at. lobes of protium are taken from the reflux condenser of the first cryogenic distillation column, the second stream with a content of 0.9999 at. fractions of deuterium are taken from the reflux condenser of the third cryogenic distillation column, the third stream containing 0.9999 at. a fraction of tritium is taken from the cube of the fourth column of cryogenic distillation.

Такая совокупность признаков в литературе неизвестна. Such a combination of features is unknown in the literature.

Установка для разделения изотопов водорода состоит из четырех колонн криогенной ректификации и четырех блоков гомомолекулярного изотопного обмена (чертеж). На разделение подают два сырьевых потока. Первый сырьевой поток, содержащий от 0,80 до 0,99 ат. долей протия и от 0,01 до 0,20 ат. долей трития, смешивают с потоком, выходящим из дефлегматора колонны криогенной ректификации 2. Далее смесь через блок гомомолекулярного изотопного обмена 5 подают на разделение в колонну криогенной ректификации 1. Продукт, выходящий из дефлегматора колонны криогенной ректификации 1, представляет собой протий с концентрацией 0,99999 ат. долей. Поток из куба колонны криогенной ректификации 1 смешивают со вторым сырьевым потоком, содержащим от 1 до 3 ат. долей протия, от 64 до 72 ат. долей дейтерия и от 25 до 35 ат. долей трития, и далее через блок гомомолекулярного изотопного обмена 6 направляют на разделение в колонну криогенной ректификации 2. Кубовый остаток из колонны криогенной ректификации 2 смешивают с потоком, поступающим из дефлегматора колонны криогенной ректификации 4 через блок гомомолекулярного изотопного обмена 7, и подают на разделение в колонну криогенной ректификации 3. Из дефлегматора колонны криогенной ректификации 3 отбирают дейтерий с концентрацией 0,9999 ат. долей. Поток из куба колонны криогенной ректификации 3 смешивают с потоком, отбираемым из колонны криогенной ректификации 4, и подают в блок гомомолекулярного изотопного обмена 8, после чего направляют на разделение в колонну криогенной ректификации 4. Из куба колонны криогенной ректификации 4 отбирают тритий с концентрацией 0,9999 ат. долей. Installation for the separation of hydrogen isotopes consists of four columns of cryogenic distillation and four blocks of homomolecular isotope exchange (drawing). Two feed streams are fed to the separation. The first feed stream containing from 0.80 to 0.99 at. lobes of protium and from 0.01 to 0.20 at. fractions of tritium, mixed with the stream leaving the reflux condenser of the cryogenic distillation column 2. Next, the mixture is fed through a homomolecular isotope exchange unit 5 to the separation into the cryogenic distillation column 1. The product leaving the reflux condenser of the cryogenic distillation column 1 is protium with a concentration of 0.99999 at. share. The stream from the cube of the cryogenic distillation column 1 is mixed with a second feed stream containing from 1 to 3 at. lobes of protium, from 64 to 72 at. fractions of deuterium and from 25 to 35 at. fractions of tritium, and then through the homomolecular isotope exchange unit 6 are sent for separation into the cryogenic distillation column 2. The bottom residue from the cryogenic distillation column 2 is mixed with the stream coming from the reflux condenser of the cryogenic distillation column 4 through the homomolecular isotope exchange unit 7 and fed to the separation in a cryogenic distillation column 3. From the reflux condenser of the cryogenic distillation column 3, deuterium with a concentration of 0.9999 at. share. The stream from the cube of the cryogenic distillation column 3 is mixed with the stream taken from the cryogenic distillation column 4 and fed to the homomolecular isotope exchange unit 8, after which it is directed to the separation into the cryogenic distillation column 4. Tritium with a concentration of 0 is taken from the cube of the cryogenic distillation column 4, 9999 at. share.

Исходные сырьевые потоки являются шестикомпонентными смесями, в то время как продуктами являются чистые три компонента. Разложение HD, НТ и DT производится в блоках гомомолекулярного изотопного обмена при температуре 300К. Характеристики колонн криогенной ректификации приведены в таблице. Raw feed streams are six-component mixtures, while the products are pure three components. The decomposition of HD, NT, and DT is carried out in blocks of homomolecular isotopic exchange at a temperature of 300K. Characteristics of cryogenic distillation columns are given in the table.

Потоки подаются на разделение в колонны в виде жидкостей, нагретых до температуры кипения. Отбор из дефлегматора и куба колонн криогенной ректификации производится в виде жидкостей. С 20-й теоретической ступени разделения колонны криогенной ректификации 4 смесь отбирается в виде пара. The streams are sent for separation into columns in the form of liquids heated to boiling point. The selection of reflux condenser and cube of cryogenic distillation columns is carried out in the form of liquids. From the 20th theoretical stage of separation of the cryogenic distillation column 4, the mixture is taken in the form of steam.

Claims

A method for the separation of hydrogen isotopes, including cryogenic distillation in four packed columns and the decomposition of HD, NT and DT molecules in homomolecular isotope exchange units, characterized in that four homomolecular isotope exchange units are used, wherein two feed streams are processed, the first of which contains from 0 , 80 to 0.99 at. lobes of protium and from 0.01 to 0.20 at. fractions of tritium, and the second feed stream contains from 0.01 to 0.03 at. lobes of protium, from 0.64 to 0.72 at. fractions of deuterium and from 0.25 to 0.35 at. tritium, wherein the first feed stream is mixed with the stream leaving the reflux condenser of the second cryogenic distillation column, the mixture is passed through the first homomolecular exchange unit and fed as feed to the first cryogenic distillation column, and the second feed stream is mixed with the stream leaving the cube of the first column cryogenic distillation and then through the second block of homomolecular isotope exchange serves for separation in the second column of cryogenic distillation, still residue from the second column of cryogenic rect fication is mixed with the stream coming from the reflux condenser of the fourth cryogenic distillation column through the fourth block of homomolecular isotope exchange, and fed to the third cryogenic distillation column for separation, the stream from the cube of the third cryogenic distillation column is mixed with the stream taken from the fourth cryogenic distillation column, then the mixture is passed through the third block of homomolecular isotope exchange and sent for separation into the fourth column of cryogenic distillation, t and flux, wherein the first stream with a content of 0.99999 atm. lobes of protium are taken from the reflux condenser of the first cryogenic distillation column, the second stream with a content of 0.9999 at. fractions of deuterium are taken from the reflux condenser of the third cryogenic distillation column, the third stream with a content of 0.9999 at. a fraction of tritium is taken from the cube of the fourth column of cryogenic distillation.