Установка-реактор изотопного обмена цинка

Полезная модель относится к устройствам для разделения изотопов одного и того же химического элемента путем химического обмена с целью модификации изотопного состава цинка в соединении диэтилцинка методом изотопного обмена в реакторе изотопного обмена. Устройство предназначено для работы при температурах от -196°С до 135°С и давлении от 10 Па до 500 кПа и представляет собой реактор периодического действия.

Полезная модель относится к устройствам для разделения изотопов одного и того же химического элемента путем химического обмена с целью модификации изотопного состава цинка в соединении диэтилцинка методом изотопного обмена в реакторе изотопного обмена (РИО).

Основным из известных устройств направленной модификации изотопного состава цинка в диэтилцинке является газовая центрифуга, в которой происходит селективное извлечение диэтилцинка определенной молекулярной массы из общей смеси молекул диэтилцинка. При этом помимо диэтилцинка с заданной молекулярной массой - "товарного продукта" образуется определенное количество диэтилцинка с модифицированным изотопным составом цинка.

В настоящее время устойчивым коммерческим спросом пользуются препараты цинка (оксид цинка, дигидрат ацетата цинка), в которых цинк содержит менее одного процента изотопа ⁶⁴Zn. Исходным веществом для получения препаратов цинка, обедненных по ⁶⁴Zn, является диэтилцинк, полученный после газоцентрифужного выделения из диэтилцинка природного изотопного состава молекул диэтилцинка, содержащих изотоп ⁶⁴Zn. В результате образуется диэтилцинк с содержанием изотопа ⁶⁴Zn до 95% от общего количества изотопов цинка. При отсутствии коммерческого спроса на изотоп ⁶⁴Zn, этот продукт является «отходами».

Задачей данной полезной модели является направленная модификация изотопного состава цинка в отходах диэтилцинка методом изотопного обмена до сколь угодно близкого к природному изотопному составу с целью получения диэтилцинка с изотопным составом цинка, пригодным для использования в качестве сырья разделительного стенда. Это позволяет, во-первых, отказаться от закупок сырьевого диэтилцинка, во-вторых, решить проблему накопления, хранения и утилизации отходов диэтилцинка.

В качестве ближайшего аналога может быть рассмотрено устройство массообменной колонны [1] и центробежный способ получения высокообогащенного изотопа ¹³С и устройство для проведения реакций изотопного обмена в каскаде газовых центрифуг [2].

В первом аналоге химический обмен происходит в установленном под углом к горизонту цилиндрическом корпусе с кольцевыми перегородками на внутренней поверхности и валом с вращающейся насадкой. В устройстве жидкая компонента вступает в реакцию химического изотопного обмена с газовой компонентой, в результате которой жидкая компонента обогащается, а газовая компонента обедняется целевым изотопом.

Ключевой проблемой данного устройства является невозможность его применения для направленной модификации изотопного состава методом изотопного обмена в сторону его приближения к природному.

Так же использование данной массообменной колонны невозможно для взаимодействия гетерофазной системы «жидкость-твердрая фаза».

Отличиями предлагаемой полезной модели от аналога являются:

- полезная модель позволяет осуществлять процесс изотопного обмена между жидкостью и твердым веществом (гетерогенный процесс);

- в реакционной зоне не создается противоток (нет колонны);

конструкция полезной модели позволяет проводить процесс при повышенной температуре (нет охлаждения и жидкого азота).

Во втором аналоге для избавления от эффекта изотопного перекрытия в трассы тяжелой фракции ступеней каскада устанавливают реакторы изотопного обмена. Изотопный обмен в данных реакторах протекает в гомогенной среде между молекулами одного и того же вещества на развитой каталитически-активной поверхности.

Одной из ключевых проблем данного способа и устройства является невозможность его применения в случаях, когда скорость изотопного обмена достаточно мала ввиду нахождения целевого изотопа в другом фазовом состоянии относительно рабочего газа центрифуги.

Отличиями предлагаемой полезной модели от второго аналога являются:

- полезная модель направлена не на снижение эффекта изотопного перекрытия, а на приведение изотопного состава цинка в диэтилцинке к природному, что позволяет избежать необходимости химического синтеза исходного вещества разделения и разложения или утилизации «отходов»;

- процесс изотопного обмена осуществляется между жидкостью и твердым веществом (гетерогенный процесс);

- процесс осуществляется не в составе стенда газоцентрифужного разделения изотопов в межступенных потоках, а отдельно от него.

Поэтому для осуществления изотопного обмена вне разделительного каскада предлагается устройство для модификации изотопного состава цинка в диэтилцинке при взаимодействии с металлическим цинком природного изотопного состава в реакторе изотопного обмена периодического действия. Согласно способу процесс ведут между жидкой фазой диэтилцинка и твердой фазой металлического цинка при повышенных температурах (323÷393) К. При этом под действием температуры происходит обмен этильными радикальными группами между молекулами диэтилцинка и атомами цинка, заключенными в кристаллической решетке, с образованием новых молекул диэтилцинка.

Полезная модель представляет из себя следующее устройство и состоит из следующих основных узлов (см.черт.1):

- реактор изотопного обмена (1);

- опорная рама (2);

- пневмопривод вращения (3);

- термостатирующая камера с нагревательными элементами (4). Реактор изотопного обмена (1) представляет собой герметичный сосуд объемом 5 литров, выдерживающий давление от 10 Па до 500 кПа при температуре от -196°С до 135°С. Внутренние стенки реактора имеют оребрение для обеспечения перемешивания контактирующих веществ. На крышке реактора изотопного обмена с внутренней стороны установлен никелевый металлокерамический фильтр для защиты вакуумных трасс и насосов от мелкой фракции металлического порошка цинка. Для контроля технологических параметров ведения процесса в корпус реактора изотопного обмена установлены датчик давления и датчик контроля температуры непосредственно в центре реакционной зоны.

Реактор изотопного обмена (1) устанавливается в термостатирующую камеру с нагревательными элементами (4). Данная камера выполнена таким образом, чтобы максимально сократить потери тепла при нагревании, но при этом обеспечить свободное вращение реактора изотопного обмена (1) внутри нее. Данная камера (4) установлена к линии горизонта под углом 45° на опорной раме (2). Такое расположение камеры (4) при вращении реактора (1) пневмоприводом вращения (3) обеспечивает оптимальное соотношение между занимаемым объемом установкой в целом и качеством перемешивания реагирующих веществ. Пневмопривод вращения (3) позволяет организовать различную скорость цикличного поворота на угол ~270°, при этом регулируя скорость поворота от 1 до 30 об/мин.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.

1. Патент на изобретение 2236895 «Центробежный способ получения высокообогащенного изотопа ¹³С и устройство для проведения реакций изотопного обмена в каскаде газовых центрифуг».

2. Патент на изобретение 2368413 «Массообменная колонна».

1. Устройство для проведения изотопного обмена изотопов цинка, содержащее корпус реактора изотопного обмена, опорную раму, пневмопривод вращения и термостатирующую камеру с нагревательными элементами, отличающееся тем, что реактор расположен к линии горизонта под углом 45°.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что реактор способен работать при температурах от -196°С до 135°С.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что реактор способен работать при давлении от 10 Па до 500 кПа.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в реакторе установлен никелевый металлокерамический фильтр.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вращение реактора обеспечивается пневмоприводом.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вращение реактора происходит независимо от термостатирующей камеры.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вращение реактора происходит циклически на ~270°.