Метод разделения изотопов бора противоточным химическим изотопным обменом между BF3 в газе с его полностью диссоциирующим при нагреве комплексом в жидкости

В качестве комплексообразователя для такого процесса в СССР был выбран анизол (C6H5(OCH3)). Метод характеризуется большим коэффициентом разделения 1,03. Достаточно сложный технологический процесс, требующий соответствующей аппаратурной реализации.

На сегодняшний день это т.н. “анизольный процесс” является технология противоточного химического изотопного обмена между BF3 в газовой фазе и его комплексным соединением с органическим комплексообразователем в жидкости - анизолом:

F3(газ) + С6Н5ОСН3·B11F3 (ж) = B11F3 (газ) + С6Н5ОСН3·B10F3(ж)(1)

 

С учетом различных факторов, а также того обстоятельства, что анизольный процесс, в любом случае, требует организации очистки сырьевого трифторида бора методом низкотемпературной ректификации, специалистами ФГУП «НПО «Радиевый институт им. В.Г. Хлопина» г. Санкт-Петербурга было принято решение начать воссоздание утраченной ранее технологии с этапа разработки современной версии низкотемпературной ректификации трифторида бора. На втором этапе предполагается перейти к разработке “анизольного процесса”.

Очевидно что такая стратегия позволит минимизировать некоторые технологические риски и кадровые риски, уменьшить временные и капитальные затраты для получения первых партий товарной продукции и позволит скорейшим образом обеспечить нужды российской “быстрой” атомной энергетики: БН-600 и БН-800.

Схема анизольного процесса представлена на рисунке 1.

 

Рисунок 1 - Принципиальная схема опытной установки с процессом «анизольным» обогащения В-10

 

Схема анизольного процесса предполагает ступень очистки BF3 методом н/температурной ректификации, т.е. н/т ректификация является частью «анизольного» процесса.

Таким образом, на первых этапах работ по воссозданию производства В-10 специалистами ФГУП «НПО «Радиевый институт им. В.Г. Хлопина» г. Санкт-Петербурга планируется использование метода низкотемпературной ректификации, который позволит снизить технологические риски, уменьшить временные и капитальные затраты для получения первых партий продукции.

Краткое описание принципа работы колонны низкотемпературной ректификации трифторида бора.

Приведенное ниже описание обогатительного процесса привязано к прилагаемой структурной схеме колонны (рисунок 2). Схема и её описание предполагают один из самых простых вариантов питания через верхний резервуар и др. упрощения. На схеме не указан блок автоматического контроля изотопного обогащения В-10.

Ректификационная колонна имеет насадочную часть 13, испаритель 14, конденсатор 15 и верхний резервуар 12. Предполагается, что насадочная часть будет заполнена нерегулярной (насыпной) насадкой: спиралями Левина из нержавеющей стали.

Верхний резервуар 12, испаритель 14, конденсатор 15, накопитель целевого продукта 18 и сборник кубового остатка 19 находятся внутри термостатов, которые обеспечивают их соответствующий температурный режим. Насадочная часть колонны имеет теплоизоляцию (вакуумного типа) для обеспечения адиабатического процесса и высокого КПД системы охлаждения.

Принцип низкотемпературного ректификационного обогащения состоит в следующем.

Исходный трифторид бора поступает на заполнение верхнего резервуара 12, где он находится в жидкой фазе и при температуре примерно минус 104 оС. Из резервуара 12 сырье через вентили 8 и 4 поступает в конденсатор 15 и на орошение насадочного слоя 13. В кубе-испарителе 14 жидкий трифторид бора нагревается с помощью блока АСУТП 16 до температуры примерно минус 100 оС, испаряется и уже в газовой форме поднимается до конденсатора 15, где опять переводится в жидкую форму. В процессе стекания флегмы по насадке, происходит наиболее полный контакт между газовой и жидкой фазами трифторида бора, и соответствующий межфазный изотопный обмен. В результате межфазного массообмена между трифторидом бора в жидкой и газовой фазах по всему насадочному слою, более легкий В-10 в наибольшей степени накапливается в кубе-испарителе 14, а более тяжелый В-11 - в конденсаторе 15. Соответственно с течением времени и по высоте насадочной части колонны установится соответствующее распределение изотопов В-10 и В-11.

Это “инверсное” разделение, когда более тяжелый изотоп накапливается в верхней части колонны присуще только для изотопов бора вследствие специфических особенностей процесса разделения только этих двух изотопов. Для остальных легких элементов такой “инверсии” не наблюдается.

С некоторого момента, когда профиль распределения достигнет предельного (заданного) уровня, из блока 15 можно производить отбор определенного количества целевого продукта в накопитель.

Оставшееся в насадочном слое 13 колонны и в кубе 14 сырье с повышенным обогащением по В-11 считается «отвалом» и периодически выводится.

После проведенного отбора В-10 из блока 14 и вывода отвала, через резервуар 12 дополнительно вводится сырье из расчета сохранения материального баланса.

Процесс отбора готового продукта, описанный выше, периодически повторяется.

Рис. 2 - Вариант схемы колонны низкотемпературной ректификации: 1-11 - вентили, 12 - верхний резервуар, 13- насадочная часть, 14 - испаритель, 15 - конденсатор, 16 - АСУТП, 17 - система аварийной вентиляции, 18 - накопитель целевого продукта, 19 - кубовый остаток