Способ одновременного обогащения оксида азота (ii) изотопами 18о, 17о, 15n

Способ одновременного обогащения оксида азота (ii) изотопами 18о, 17о, 15n

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области разделения изотопных смесей и может быть использовано при производстве стабильных изотопов азота и кислорода, а также в атомной, медицинской, сельскохозяйственной и других отраслях промышленности, где применяются изотопно-модифицированные соединения на основе атомов кислорода и азота.

Для одновременного разделения изотопов кислорода и азота широко используют способ низкотемпературной дистилляции оксида азота (II) в последовательно соединенных противоточных колоннах. Элементарный изотопный разделительный эффект существует за счет различий давления насыщенных паров у разных изотопных модификаций молекул оксида азота (II) и является достаточно высоким для экономически выгодной практической реализации способа при производстве десятков килограмм в год изотопной продукции.

Способ реализуют следующим образом. Дистилляционные колонны заполняют оксидом азота (II) исходного состава. Как правило, для заполнения колонн используют оксид азота природного или близкого к нему изотопного состава. В отдельных случаях для заполнения используют предварительно обогащенный оксид азота. В процессе заполнения в колоннах создают и далее поддерживают непрерывное во времени замкнутое противоточное течение жидкого и газообразного оксида азота, что служит для многократного умножения элементарного разделительного эффекта. Для этого в верхней части колонн постоянно осуществляют конденсацию поднимающихся вверх паров оксида азота, а в нижней части колонн производят постоянное испарение текущего сверху жидкого оксида азота. Для увеличения площади контакта фаз в колоннах используют насадку с высокой удельной поверхностью или устройства тарельчатого типа.

В промежуточную по высоте точку одной из колонн подают газовый поток питания оксидом азота исходного изотопного состава. Для этого используют оксид азота природного изотопного состава или, в большинстве случаев, почти полностью восстановленные по изотопному составу обедненные отвалы текущего разделительного производства. Восстановление производят за счет реакций химического изотопного обмена при контакте обедненного газообразного оксида азота с азотной кислотой. Из верхней части этой колонны отбирают поток газообразного оксида азота (поток отвала), обедненный по целевым изотопным компонентам. Этот поток либо утилизируют, либо после изотопного восстановления используют в качестве питания той же колонны. Из нижней части колонны также отбирают поток газообразного оксида азота, обогащенный целевыми изотопными компонентами (см., например, T.R.Mills et al., Sep. Scie. and Techn., 24(5&6), pp.415-428, 1989).

Разделяемая изотопная смесь является шестикомпонентной, а большая часть целевых молекулярных компонентов имеет промежуточные величины давления насыщенных паров. За счет этого целевые компоненты достигают максимума обогащения в дистилляционной колонне также в промежуточных по ее высоте точках. Так, в одиночной дистилляционной колонне, питаемой оксидом азота исходного изотопного состава, при реализации чисто дистилляционного процесса концентрация изотопа ¹⁸О в отборе из ее нижней части теоретически не может превысить 99,6%. На практике труднодостижимой является величина концентрации 99%. Предельное значение концентрации изотопа ¹⁷О составляет величину около 15%. Концентрация изотопа ¹⁵N не может превысить 64%. Одновременное достижение предельного высокого обогащения по всем трем целевым изотопам невозможно. В тех случаях, когда на фоне чисто дистилляционного процесса самопроизвольно или искусственно возбуждается химический изотопный обмен, скорость которого пропорциональна концентрации примеси в виде диоксида азота NO₂, концентрация изотопа ¹⁵N может быть увеличена одновременно с концентрацией изотопа ¹⁸О, но при этом изотоп ¹⁷О с заметно высоким обогащением получен быть не может.

Для одновременного получения продуктов с высоким обогащением по трем целевым изотопам ¹⁸О, ¹⁷О и ¹⁵N используют метод непрерывного последовательного разделения смеси в двух и более дистилляционных колоннах. Отбираемый из нижней части первой колонны газовый поток подают в промежуточную по высоте точку следующей колонны, в которой из верхней и нижней частей также осуществляют отборы газовых потоков, каждый из которых обогащен различными целевыми компонентами (см., например, Asashi Kitamoto and Masami Shimizu, in Proceedings International Conference on Stable Isotopes and Isotopic Effects, Carry Ie Rouct (France), 1999).

При недостаточном обогащении могут быть использованы последующие дополнительные колонны. Для сохранения материального баланса и поддержания стационарности процесса используют поддержание равенства подаваемых в каждую колонну газовых потоков сумме отбираемых из нее газовых потоков. Теоретически для одновременного получения изотопов ¹⁵N и ¹⁸О с концентрацией более 98% и изотопа ¹⁷О с концентрацией до 40% и выше достаточно трех колонн.

Наиболее близким по технической сути является способ обогащения оксида азота (II) изотопами ¹⁸О, ¹⁷О и ¹⁵N, включающий заполнение низкотемпературных разделительных дистилляционных колонн оксидом азота (II), создание в колоннах противоточных жидкостного и газового циркуляционных потоков оксида азота (II), подачу газового потока питания оксидом азота (II) исходного состава в промежуточную по высоте точку первой колонны, отбор газового потока из верхней части первой колонны, отбор газового потока из нижней части первой колонны и подачу его в промежуточную по высоте точку второй колонны, отбор газового потока из нижней части второй колонны, отбор газового потока из верхней части второй колонны и подачу его в промежуточную по высоте точку третьей колонны, отборы газовых потоков из верхней и нижней частей третьей колонны, поддержание равенства подаваемых в каждую колонну газовых потоков сумме отбираемых из нее газовых потоков (см., например, заявку на изобретение RU №2001132921, кл. B01D 59/28, 2003 г.). Схема коммутации газовых потоков между колоннами в известном способе приведена на фиг.1.

Используя газовый поток питания первой колонны оксидом азота (II) исходного состава, близкого к природному (концентрация изотопа ¹⁸О около 0,2%, изотопа ¹⁷О около 0,037% и изотопа ¹⁵N в интервале 0,32-0,365%), при реализации данного способа в отборе газового потока из нижней части второй колонны может быть получен изотоп ¹⁸О с концентрацией до 99%, в отборе газового потока из нижней части третьей колонны изотоп ¹⁵N с концентрацией до 99%, а в отборе газового потока из верхней части третьей колонны изотоп ¹⁷О с концентрацией более 40%.

Однако указанный способ обладает рядом недостатков.

Первым недостатком является то, что для одновременного получения трех высокообогащенных целевых изотопов в рассматриваемом способе необходимо использование рабочего вещества оксида азота (II) очень высокой чистоты, практически не содержащего примесей диоксида азота NO₂. При наличии примесей диоксида азота в рабочем веществе начинаются реакции химического изотопного обмена, приводящие к перераспределению изотопов между молекулами оксида азота (II) и нарушающие основной дистилляционный процесс разделения изотопов. Даже в случае использования исходного рабочего вещества очень высокой чистоты реакции химического изотопного обмена могут начаться вследствие неконтролируемых реакций диспропорционирования оксида азота (II) с образованием диоксида азота:

В результате, при масштабах производства в несколько десятков килограммов изотопной продукции в год на трех колоннах выделение высокообогащенного изотопа ¹⁷O становится невозможным в течение длительного времени, измеряемого несколькими годами. Если химический изотопный обмен отсутствует, изотоп ¹⁷O выделяется в виде молекулярной композиции ¹⁴N¹⁷O в верхней части третьей колонны. При наличии изотопного обмена основное количество изотопа ¹⁷О перераспределяется в молекулярную композицию ¹⁵N¹⁷O, которая, если не производить специальных мероприятий по сокращению продолжительности переходных процессов, медленно накапливается в промежуточной по высоте области второй колонны. По истечении 2-3-х лет эта молекулярная композиция начинает накапливаться в объеме третьей колонны и по истечении последующих 1-2 лет его концентрация может заметно повыситься в газовом потоке, отбираемом из нижней части этой колонны. Параллельно с трудностями выделения высокообогащенного изотопа ¹⁷О при наличии изотопного обмена заметно (до 20-30%) снижается количество производимого высокообогащенного изотопа ¹⁸О.

Вторым недостатком является то, что для обеспечения высоких обогащений по целевым изотопам при использовании трех разделительных колонн требуется задание очень высокой точности поддержания малых величин газовых потоков, отводимых с концов колонн, и соответственно высокой точности поддержания величин потоков, подаваемых в колонны в виде питания. Это связано с тем, что каждая из колонн должна эксплуатироваться в режиме, близком к предельному по обогащению определенных компонентов. Для этого во второй и третьей колоннах необходимо подавать питание со строго заданным изотопным составом, который, в свою очередь, достигается строго заданными величинами отборов газовых потоков на предыдущих колоннах. Для известного способа с использованием трех колонн требуемая точность находится на уровне не хуже 1%. Например, при суммарной производительности по трем изотопам в виде оксида азота (II) около 50 кг/год величины газовых потоков, отводимых из нижних частей всех трех колонн, и потоков, отводимых из верхних частей второй и третьей колонн, лежат в диапазоне от 1,0 до 0,05 нормальных см³/с. Соответственно, абсолютная точность поддержания потоков должна быть не хуже диапазона ±(0,01-0,0005) нормальных см³/с. Достижение подобной точности для современных средств автоматизации является предельно трудной задачей.

Третьим недостатком известного способа, относящегося также ко всем двухфазным методам разделения изотопов, является то, что длительности пусковых переходных периодов, в течение которых достигается требуемое обогащение по целевым изотопным компонентам, очень велики и могут составить от нескольких месяцев до нескольких лет. Для их сокращения в течение переходного процесса всегда требуются специальные режимы изменения во времени величин отбираемых газовых потоков, которые, в свою очередь, определяются конкретной схемой организации способа разделения. При получении одного целевого компонента из многокомпонентной смеси изотопов использование специальных режимов может сократить переходный период до 2-3-х месяцев. При одновременном обогащении нескольких компонентов (в настоящем случае -трех) способ задания режимов изменения во времени величин отбираемых газовых потоков из опубликованных данных не известен. Его конкретизация весьма существенна, что, например, следует из приведенного выше примера по длительности переходных периодов при получении изотопа ¹⁷О. Если не использовать специальные режимы, высокообогащенный изотоп кислород ¹⁷О не может быть получен в течение 3-5 лет.

Задачей изобретения является обеспечение стабильного одновременного производства высокообогащенных изотопов ¹⁸О, ¹⁷O и ¹⁵N методом низкотемпературной дистилляции оксида азота (II).

Техническими результатами изобретения являются:

- обеспечение возможности одновременного производства изотопов ¹⁸О, ¹⁷O и ¹⁵N при любых скоростях реакций химического изотопного обмена на фоне основного дистилляционного процесса разделения;

- снижение требований по точности поддержания газовых потоков оксида азота (II), отводимых из верхних и нижних частей дистилляционных колонн;

- снижение продолжительности пусковых переходных периодов.

Указанные задача и технические результаты достигаются тем, что в способе обогащения оксида азота (II) изотопами ¹⁸О, ¹⁷О и ¹⁵N на трех дистилляционных колоннах, включающем заполнение низкотемпературных разделительных дистилляционных колонн оксидом азота (II), создание в колоннах противоточных жидкостного и газового циркуляционных потоков оксида азота (II), подачу газового потока питания оксидом азота (II) исходного состава в промежуточную по высоте точку первой колонны, отбор газового потока из верхней части первой колонны, отбор газового потока из нижней части первой колонны и подачу его в промежуточную по высоте точку второй колонны, отбор газового потока из нижней части второй колонны, отбор газового потока из верхней части второй колонны и подачу его в промежуточную по высоте точку третьей колонны, отборы газовых потоков из верхней и нижней частей третьей колонны, поддержание равенства подаваемых в каждую колонну газовых потоков сумме отбираемых из нее газовых потоков, обогащенную смесь, производимую в третьей дистилляционной колонне, подвергают разделению в дополнительной колонне. Для этого один из отборов газовых потоков третьей колонны подают в промежуточную по высоте точку дополнительной низкотемпературной разделительной дистилляционной колонны, из верхней и нижней частей которой осуществляют отборы газовых потоков, а начало отборов газовых потоков из нижних частей всех колонн производят с запаздыванием относительно начала отборов газовых потоков из их верхних частей.

Разделение обогащенной смеси в дополнительной колонне позволяет снизить требуемую точность поддержания величин газовых потоков, отводимых из колонн. Снижение требований к точности поддержания газовых потоков достигается тем, что использование разделения в дополнительной колонне обуславливает менее жесткие требования к ее разделительным характеристикам по сравнению с требованиями в предыдущих трех колоннах (третья разделительная колонна уже производит высокообогащенную смесь, более тонкое дополнительное разделение которой не требует жесткого задания величин выходящих газовых потоков). Поэтому одновременно могут быть снижены требования по точности для всех предыдущих колонн, задавая более низкий средний уровень точности поддержания потоков во всех колоннах. Кроме того, в случае присутствия изотопного обмена на фоне основного дистилляционного процесса использование дополнительного разделения смеси позволяет сохранить производительность всей разделительной установки по целевым изотопам ¹⁸O и ¹⁵N и минимизировать потери производительности по изотопу ¹⁷О. Начало отборов газовых потоков из нижних частей всех колонн с запаздыванием относительно начала отбора газовых потоков из их верхних частей позволяет в несколько раз сократить продолжительность пускового переходного периода для каждого целевого изотопа.

В тех случаях, когда химический изотопный обмен на фоне основного дистилляционного процесса отсутствует, в промежуточную по высоте точку дополнительной колонны, в соответствии с п.2, формулы изобретения, подают отбор газового потока из нижней части третьей колонны (см, последнюю, шестую фазу последовательности коммутации газовых потоков на фиг.2). При этом в отборе газового потока из верхней части дополнительной колонны получают требуемое количество высокообогащенного изотопа ¹⁵N, а в отборе газового потока из ее нижней части дополнительное количество высокообогащенного изотопа ¹⁸О, что повышает производительность разделительной установки по этому изотопу (основное количество высокообогащенного изотопа ¹⁸О, как и в известном способе, получают в отборе газового потока из нижней части второй колонны). Изотоп ¹⁷O, как и в известном способе, получают в отборе газового потока из верхней части третьей колонны.

В тех случаях, когда эффективная скорость химического изотопного обмена такова, что он заметно искажает характер массопереноса, формируемого основным дистилляционным процессом, в промежуточную по высоте точку дополнительной колонны, в соответствии с п.3. формулы изобретения, подают отбор газового потока из верхней части третьей колонны (см. последнюю, шестую фазу последовательности коммутации газовых потоков на фиг.3). При этом целевые продукты получают в других потоках по сравнению со случаем отсутствия изотопного обмена: В отборе газового потока из нижней части второй колонны получают часть высокообогащенных изотопов ¹⁸О и ¹⁵N в виде молекулярной композиции ¹⁵N¹⁸O. Оставшуюся часть высокообогащенного изотопа ¹⁸О получают в отборе газового потока из нижней части третьей колонны, а оставшуюся часть высокообогащенного изотопа ¹⁵N получают в отборе газового потока из нижней части дополнительной колонны. Целевой изотоп ¹⁷O накапливается в объеме второй колонны и его выделение в обогащенном виде требует специальных мероприятий, которые описаны ниже.

В обоих случаях сокращение продолжительности пусковых переходных периодов достигается тем, что отборы газовых потоков из нижних частей всех колонн начинают с запаздыванием относительно начала отбора газовых потоков из их верхних частей (см. фиг.2, фиг.3). Для дополнительного сокращения продолжительности пусковых переходных периодов используют специальные мероприятия, характер которых определяется отсутствием или наличием химического изотопного обмена, а именно.

В тех случаях, когда химический изотопный обмен отсутствует в соответствии с п.5 формулы изобретения одновременно (здесь и далее «одновременность» операций включения-выключения потоков не носит абсолютного значения. Под «одновременностью» подразумевается интервал времени, превышение которого может привести к заметным изменениям количества рабочего вещества на определенных участках колонн, в основном в области испарителей внизу колонн. Например, если испаритель содержит 100 г жидкости, а потоки отборов и питания колонны заданы на уровне 0,1 г/мин, то одновременные изменения потоков допускают погрешности по времени около 50 минут, что не приведет к изменению количества жидкости в испарителе более чем на 5%.) с началом отбора газового потока из нижней части второй колонны временно прекращают отбор газового потока из ее верхней части, а подачу газового потока из верхней части второй колонны в промежуточную по высоте точку третьей колонны начинают одновременно с повторным началом отбора газового потока из верхней части второй колонны (см. третью и четвертую фазы последовательности коммутации газовых потоков на фиг.2). При этом отбор газового потока из нижней части первой колонны подают в промежуточную по высоте точку второй колонны сразу после его начала. Как только во вторую колонну начали подавать газовый поток из первой колонны, из ее верхней части начинают отбор газового потока, который может быть подан в систему сбора полупродуктов до повторного начала этого отбора (см. фиг.2). Временное прекращение отбора газового потока из верхней части второй колонны позволяет ускорить рост концентрации изотопа ¹⁸О и дополнительно сократить пусковой переходный период для получения высокообогащенного продукта с этим изотопом.

Когда химический изотопный обмен вносит заметные изменения в основной дистилляционный процесс, в соответствии с п.6. формулы изобретения, отбор газового потока из верхней части второй колонны начинают подавать в промежуточную по высоте точку третьей колонны с запаздыванием после его начала, а отбор газового потока из верхней части третьей колонны начинают подавать в промежуточную по высоте точку дополнительной колонны также с запаздыванием после его начала и одновременно с началом отбора газового потока из нижней части третьей колонны (см. вторую - пятую фазы последовательности коммутации газовых потоков на фиг.3). Использование запаздывания подачи потоков в промежуточные точки третьей и дополнительной колонн приводит к тому, что в эти колонны в виде питания поступают изотопные смеси с меньшим содержанием нецелевых изотопов ¹⁴N и ¹⁶О (за время запаздывания эти потоки значительно обедняются наиболее летучей молекулярной композицией ¹⁴N¹⁶O) и служит для дополнительного сокращения пусковых переходных периодов. В течение периодов запаздывания отборы газовых потоков из верхних частей второй и третьей колонн могут быть поданы в систему сбора полупродуктов.

Последний случай, связанный с наличием химического изотопного обмена, имеет варианты оптимизации. Так, в соответствии с п.9 формулы изобретения, если эффективная скорость изотопного обмена имеет промежуточные по величине значения, отбор газового потока из нижней части второй колонны целесообразно начинать со значения ниже номинального, постепенно увеличивая его до номинального значения (здесь и далее под «номинальными значениями» подразумеваются значения потоков, которые обеспечивают требуемые разделительные характеристики и производительности установки, работающей в стационарном состоянии, т.е. после завершения всех переходных процессов, по всем изотопным продуктам. Номинальное значение каждого потока определяется расчетным путем (см., например, Розен A.M. Теория разделения изотопов в колоннах. - М.: Атомиздат, 1960. -438 с.), постоянно и для каждой колонны имеет свое численное значение. Для случаев отсутствия или наличия изотопного обмена в дистилляционных колоннах номинальные значения потоков разные). Дополнительно, в соответствии с п.11 формулы изобретения отбор газового потока из нижней части третьей колонны целесообразно начинать со значения выше номинального, постепенно уменьшая его до номинального значения. Закон изменения указанных отборов газовых потоков для удобства управления можно регулировать в зависимости от изменения концентраций некоторых изотопных компонентов, которые поддаются прямому измерению. Например, в соответствии с п.10 формулы изобретения, изменение величины отбора из нижней части второй колонны можно производить пропорционально величине концентрации молекулярного компонента ¹⁵N¹⁸O в потоке этого отбора, а в соответствии с п.12 формулы изобретения изменение величины отбора из нижней части третьей колонны можно производить пропорционально величине концентрации молекулярного компонента ¹⁴N¹⁸О в потоке этого отбора.

Если же эффективная скорость изотопного обмена велика и приближается к предельной, при которой дальнейшее увеличение содержания двуокиси азота и, следовательно, скорости изотопнообменных реакций не влияет на характер массопереноса в колоннах, дополнительная оптимизация продолжительности переходных периодов не дает заметного результата и вышеуказанные отборы газовых потоков следует сразу задавать номинальной величиной.

Как правило, на практике в первой колонне в каскаде из четырех колонн можно производить высокообогащенную изотопную продукцию. Для этого достаточно уменьшить величину отбора газового потока из ее нижней части. Поток отбора из нижней части колонны может содержать изотоп ¹⁸О с концентрацией до 99% в молекулярных модификациях ¹⁵N¹⁸O и ¹⁴N¹⁸O. Изотоп ¹⁷O с заметным обогащением в этом режиме получен быть не может. В тех случаях, когда химический изотопный обмен отсутствует, концентрация изотопа ¹⁵N в отборе также мала и составляет величину порядка 2%. Если эффективная скорость химического изотопного обмена велика, концентрация изотопа ¹⁵N может достигать нескольких десятков процентов. При эксплуатации первой колонны в таком «одиночном» режиме вторую, третью и дополнительную колонны целесообразно перевести в режим накопления целевых изотопов (см. фиг.5, фиг.6). Для этого, в соответствии с п.4. формулы изобретения, в течение того времени, когда отборы газового потока из нижних частей второй, третьей и дополнительной колонн не производят, из верхних частей этих колонн производят отборы, а в промежуточные по высоте точки колонн подают оксид азота (II) исходного состава (см. первую и вторую фазы последовательности коммутации газовых потоков на фиг.4 и фиг.5). Режим накопления может быть использован в течение требуемого по различным технологическим причинам времени, например при продолжительных тестовых испытаниях колонн или в тех случаях, когда временно представляет интерес только изотопная продукция в виде изотопа ¹⁸О. Режим накопления также выгоден тем, что дальше, при переводе каскада из четырех колонн на одновременное производства всех трех целевых изотопов, переходные периоды могут быть заметно сокращены по сравнению со случаем, когда режим накопления не используют.

Для перевода каскада колонн из режима накопления в режим производства трех изотопов используют специальные мероприятия, способы реализации которых определяются отсутствием или наличием химического изотопного обмена, а именно.

В тех случаях, когда химический изотопный обмен на фоне основного дистилляционного процесса отсутствует, в соответствии с п.7. формулы изобретения после прекращения подачи потока оксида азота (II) исходного состава в промежуточные по высоте точки второй, третьей и дополнительной колонн отборы газового потока из верхних частей этих колонн прекращают. Далее начинают подачу отбора газового потока из нижней части первой колонны в промежуточную по высоте точку второй колонны и одновременно на время прекращают отбор газового потока из верхней части первой колонны. Это служит для того, чтобы произвести ускоренное установление требуемого изотопного состава в нижней части первой колонны за счет вытеснения высокообогащенных наименее летучих молекулярных компонентов. При подаче отбора газового потока из нижней части первой колонны в промежуточную по высоте точку второй колонны одновременно начинают отбор газового потока из верхней части второй колонны и подают его в промежуточную по высоте точку третьей колонны, где одновременно начинают отбор газового потока из ее верхней части. В целях сокращения переходных периодов отборы газового потока из нижних частей второй и третьей колонн некоторое время не производят. Далее с различными задержками по времени начинают отбор газового потока из верхней части первой колонны и отборы газового потока из нижних частей второй и третьей колонн. Как только отбор газового потока из нижней части третьей колонны начат, его сразу подают в промежуточную по высоте точку дополнительной колонны, где одновременно начинают отбор газового потока из ее верхней части. В целях сокращения переходного периода отбор газового потока из нижней части дополнительной колонны начинают с задержкой после начала отбора из ее верхней части. По окончании указанных мероприятий каскад колонн приведен в стационарное рабочее состояние для производства трех целевых изотопов (см. фиг.4).

В тех случаях, когда эффективная скорость химического изотопного обмена заметно велика и он искажает характер массопереноса, формируемого основным дистилляционным процессом, в соответствии с п.8. формулы изобретения операции идентичны за исключением того, что после начала отбора газового потока из нижней части первой колонны и его подачи в промежуточную по высоте точку второй колонны, одновременно начинают отборы газовых потоков из верхних частей второй, третьей и дополнительной колонн. С их началом отборы из верхних частей второй и третьей колонн начинают подавать в промежуточные по высоте точки последующих колонн. В целях сокращения переходных периодов отборы газовых потоков из верхней части первой колонны и из нижних частей второй, третьей и дополнительной колонн начинают с различными задержками по времени. По окончании указанных мероприятий каскад колонн приведен в стационарное рабочее состояние для производства трех целевых изотопов (см.фиг.5).

В тех случаях, когда эффективная скорость химического изотопного обмена заметно велика и он искажает характер массопереноса, формируемого основным дистилляционным процессом (в частности, при реализация процесса в соответствии с п.п.3, 6, 8 формулы изобретения), целевой изотоп ¹⁷O накапливается в объеме второй колонны и его выделение в обогащенном виде требует специальных мероприятий, реализацию которых осуществляют использованием операций, представленных в п.13 формулы изобретения (см. фиг.6). Для этого определяют время достижения требуемого накопление молекулярного компонента ^l5N¹⁷O в объеме второй колонны. Как правило, требуемое накопление должно соответствовать условию, что жидкостная задержка во второй колонне должна на 65-75% состоять из компонента ¹⁵N¹⁷O. Проще и надежнее всего этот момент времени можно определить в соответствии с п.14 формулы изобретения по результатам измерений во времени величины концентрации ¹⁵N¹⁷O в отборах газовых потоков из колонны и в газовом потоке отбора из нижней части первой колонны (по балансу между поступающим во вторую колонну и отводимым из нее количеством компонентом ¹⁵N¹⁷О).

По достижении требуемого накопления молекулярного компонента ¹⁵N¹⁷O в объеме второй колонны подачу отбора газового потока из нижней части первой колонны в промежуточную по высоте точку второй колонны прекращают. Сам отбор газового потока из нижней части первой колонны не прекращают, сохраняя его номинальное значение и подавая, например, в приемник полупродуктов тем самым изотопный состав в этом потоке остается неизменным во времени. Одновременно с прекращением подачи этого потока в промежуточную по высоте точку второй колонны в эту точку начинают подачу оксида азота (II) исходного состава, а отбор газового потока из ее верхней части прекращают. При этом в верхней части второй колонны идет накопление более летучих молекулярных компонентов (¹⁴N¹⁶O, ¹⁴N¹⁷O, ¹⁵N¹⁶O и ¹⁴N¹⁸О), которые вытесняют к низу колонны целевой компонент ¹⁵N¹⁷О и повышают его концентрацию в отборе газового потока из нижней части второй колонны. Одновременно с прекращением подачи отбора газового потока из нижней части первой колонны в промежуточную по высоте точку второй колонны прекращают отборы газового потока из верхних и нижних частей третьей и дополнительной колонн. Это связано с тем, что источник питания третьей колонны (отбор газового потока из верхней части второй колонны) с этого момента времени перестал существовать, что в силу поддержания материальных балансов вынуждает прекратить вышеуказанные отборы. С этого момента времени третья и дополнительная колонны начинают эксплуатировать в «закрытом» режиме (без внешних потоков), при котором количество каждого изотопного компонента в объеме колонн не изменяется во времени, а по высоте колонн происходит незначительное дополнительное разделение. В верхних частях увеличивается концентрация более летучих компонентов (¹⁴N¹⁶O и ¹⁴N¹⁷O), а в нижних частях увеличивается концентрация менее летучих компонентов (¹⁵N¹⁸О и ¹⁵N¹⁷O). После того, как в отборе газового потока из нижней части второй колонны получен высокообогащенный компонент ¹⁵N¹⁷O, каскад колонн необходимо перевести в исходное состояние. Перевод в исходное состояние производят с помощью операций, минимизирующих продолжительности переходных периодов. Для этого прекращают подачу газового потока исходного состава в промежуточную по высоте точку второй колонны. Поскольку отбор газового потока из верхней части второй колонны на этот момент времени не производят, в силу условий материального баланса одновременно прекращают отбор газового потока из нижней части колонны. Вторая колонна, как третья и дополнительная колонны, находится в «закрытом» режиме разделения. Далее, через определенный промежуток времени осуществляют непосредственно перевод каскада колонн в исходное состояние. Для этого отбор газового потока из нижней части первой колонны подают в промежуточную по высоте точку второй колонны, одновременно начинают все отборы газовых потоков во второй, третьей и дополнительной колоннах и одновременно отборы газовых потоков из верхних частей второй и третьей колонн подают соответственно в промежуточные по высоте точки третьей и дополнительной колонны. После этого каскад колонн переведен в штатное рабочее состояние и величины отборов газового потока из всех колонн не изменяют до очередного достижения требуемого накопления молекулярного компонента ¹⁵N¹⁷O в объеме второй колонны. Далее с целью очередного извлечения изотопа ¹⁷О все операции повторяют в той же последовательности.

Патентуемый способ поясняется прилагаемыми схемами, представленными на следующих фигурах:

Фиг.1 Схема коммутации газовых потоков между колоннами в известном способе.

Фиг.2 Схема и последовательность коммутации газовых потоков между колоннами при отсутсвии изотопного обмена.

Фиг.3 Схема и последовательность коммутации газовых потоков между колоннами при наличии изотопного обмена.

Фиг.4 Схема перевода каскада колонн из режима производства одного изотопа ¹⁸О в первой колонне и режима накопления в остальных колоннах в режим производства трех изотопов ¹⁸О, ¹⁷O и ¹⁵N при отсутствии изотопного обмена.

Фиг.5 Схема перевода каскада колонн из режима производства одного изотопа ¹⁸О в первой колонне и режима накопления в остальных колоннах в режим производства трех изотопов ¹⁸О, ¹⁷О и ¹⁵N при наличии изотопного обмена.

Фиг.6 Схема и последовательность коммутации газовых потоков между колоннами для выделения обогащенного изотопа ¹⁷O при наличии изотопного обмена.

На чертежах цифрами обозначены колонны (первая, вторая, третья), стрелками - газовые потоки, дп - дополнительная колонна.

Конкретные примеры осуществления поясняют сущность патентуемого изобретения.

Способ реализуется в каскаде из четырех дистилляционных колонн. Последовательность операций для случая отсутствия изотопного обмена следующая (реализация п.1 и п.п.2, 4, 5, 7 формулы изобретения):

- Колонны заполняют оксидом азота (II) с изотопным составом, близким к природному содержанию, и создают противоточные жидкостные и газовые циркуляционные потоки оксида азота (II) (далее NO).

- В промежуточную по высоте точку первой колонны непрерывно подают газовый поток питания оксидом азота (II) исходного состава. За счет того, что питающую смесь формируют отбором газового потока из верхней части первой колонны после восстановления ее изотопного состава, в питающей смеси существует незначительный дефицит по содержанию целевого изотопа ¹⁵N (концентрация на уровне 0,32% вместо 0,365% для природного содержания).

- Номинальное значение потока питающей смеси составляет 18 тонн NO в год.

- Из нижней части первой колонны осуществляют отбор газового потока и подают его в промежуточную по высоте точку второй колонны в виде потока питания. Номинальное значение отбора газовой смеси из нижней части первой колонны составляет P₁=52 кг NO в год.

- Из верхней части первой колонны осуществляют отбор газового потока. Значение этого потока, как и всех остальных потоков, подаваемых и отводимых из колонн, определяется из условия поддержания равенства подаваемых в каждую колонну газовых потоков сумме отбираемых из нее газовых потоков.

- Из нижней части второй колонны осуществляют отбор газового потока. Номинальное значение отбора составляет Р₂=21,3 кг NO в год.

- Из верхней части второй колонны осуществляют отбор газового потока и подают его в промежуточную по высоте точку третьей колонны в виде потока питания. Номинальное значение отбора составляет W₂=30,7 кг NO в год.

- Из верхней части третьей колонны осуществляют отбор газового потока. Номинальное значение отбора составляет W₃=4,0 кг NO в год.

- Из нижней части третьей колонны осуществляют отбор газового потока и подают его в промежуточную по высоте точку дополнительной колонны в виде потока питания (использование п.2 формулы изобретения). Номинальное значение отбора составляет Р₃=26,7 кг NO в год.

- Из верхней части дополнительной колонны осуществляют отбор газового потока с номинальным значением W