148484. lajstromszámú szabadalom • Deutérium dúsítása kémiai cserélő eljárással

Megjelent: 1961. október 31. ORSZÁGOS TALÁLMÁNYI HIVATAL SZABADALMI LEÍRÁS 148.484. SZÁM 21. g. 17—21, OSZTÁLY - DE-354. ALAPSZÁM Deutérium dúsítása kémiai cserélő eljárással VEB Vakutronik, Dresden (NDK) Feltaláló: dr. Wetzel Klaus, Zwenkau b. Leipzig, NDK A bejelentés napja: 1960. április 7. Német Demokratikus Köztársaságbeli elsőbbsége: 1959! december 21. A találmány multiplikatív eljárás 'hidrogénizotópok elválasztására ill. dúsítására. A deutérium dúsítására desztillációs eljárások ismeretesek, mint pl. hidrogén alacsony hőmérsékletű desztillálása, ammónia nyomás alatti desztillálása és víz csökkentett nyomású desztillálása. Ezen túlmenően kémiai eljárások is ipari jelentőségre tettek szert, mint pl. a hidrogén/víz csere, a kénhidrogén/víz csere és az ammónia/hidrogén csere. Az ismeretes eljárásoknak azonban jelentős hátrányaik is vannak. A fázisváltás problémáját utóbbi eljárásokban pl. fonró-hideg-folyamat alkalmazásával oldják meg. Az ismeretes eljárások hátrányait azzal küszöböljük ki, hogy a találmány szerint egy kolonnában erős sav vízzel alkotott folyékony elegye (pl. azeotropikus elegye) és az ilyen eleggyel egyensúlyban levő gőz között ellenáramot létesítünk. A találmány szerinti deutérium dúsító eljárás előnye az ismeretes eljárásokkal szemben abban van, hogy a kémiai cserélő eljárásokra jellemző nagy részleges szétválasztási együtthatóval működik és ezen túlmenően eljárástechnológiája az ismert desztillálása eljárásokhoz hasonlóan egyszerű. A desztillálás folyamán uralkodó nyomás helyes megválasztásával ezen túlmenően a legkedvezőbb részleges szétválasztási együttható létrejöttét biztosító megfelelő hőmérsékleten dolgozhatunk. Alábbiakban a találmány szerinti multiplikatív cserélő eljárást egy példával közelebbről is megvilágítjuk: Az izotópcserélési reakció: (HDO)/, -f (H3

0+)/i (Hz

O)/i + (H2DO+)/, (1) Ennek r^w

egyensúlyi állandója: cHDO •

C

H

3

0+ KHW= CH

2

O-<H

2

DO+ (2) melynek értéke 1,95 és 2,25 közé esik. Ebből a szétválasztási együttható értéke: (D/H) víz _ 2 K HW (D/H) hidroxonium ion 3 (3) ami 1,3—1,5-el egyenlő. Ennek a szétválasztási eljárásnak sokszorozása céljából egy kolonnában HX általános képletű erős sav, pl. HCl,HNO3 és HCIO4 vízzel alkotott elegye és az ezzel az eleggyel .termodinamikai egyensúlyban levő gőz között ellenáramot létesítünk. Ebben a folyékony elegyben a következő részecskék tartalmaznak cserére alkalmas hidrogént: H2

0 (moltört

C

H

2

0) HDO (moltört c

HDO) HX (moltört C

HX) DX (moltört C

DX) H3

0+

CH

3

0 H2

DO+ (moltört

c

H

2

DO+) A gőzben csak a következő részecskék fordulnak elő: H2

0 (C

H

2

0) HDO cHDO) HX (C

HX) és DX (C

DX) Az egynél több deutérium atomot tartalmazó részecskéktől a kis deutérium-koncentrációk tartományában eltekinthetünk. Ha a folyadék és ^a gőz között ellenáram létesül, két kémiai cserélési folyamat sokszorozódik: a hidroxoniumon/víz csere és • a hidroxoniumon/sav csere: (HX)/;, + (H2

DO+)/u- — (DX)/

}

+ (H

3

0+),/ (4) 1 1 (

DX-c

H

3

0+ SH = 3

K sw =

3

c

H

X-c

H

2

DO+ (5) Az 1 és 4 cserefolyamatok a fázisváltási reakciói