Изотопное обогащение веществ

3 июля 2017 г.

Статья содержит два раздела:

1. Применение изотопного обогащения в фармацевтике и медицине.

2. Применение изотопного обогащения при производстве химических веществ.

В разделах описаны запатентованные в РФ и за рубежом технологии изотопного обогащения различных химических веществ.

В разделах даны ссылки на патентные документы, приведены схемы, чертежи и описания работы установок, используемых для изотопного обогащения. В каждом разделе используется собственная нумерация фигур чертежей, а также нумерация позиций, обозначенных на чертежах.

1. Применение изотопного обогащения в фармацевтике и медицине.

В настоящее время в Мире относительно редкие изотопы, в частности, изотопы водорода 3Н и углерода 14С широко применяются в биохимии и медицине для диагностики.

Кроме того, изотопы 13С, 15N используются для повышения стабильности лекарственных препаратов, а также для усиления лекарственного действия препаратов.

В патенте РФ 2412188 и патенте ЕА008591 приведены сведения, о том, что:

- соединения, в которые введены такие радиоактивные изотопы, как 3Н и 14С, полезны в анализах на распределение лекарственного средства и/или субстрата в тканях;

- изотопы 3Н и 14С, особенно предпочтительны благодаря легкости их получения и обнаружения;

- замещение легких более тяжелыми изотопами, такими как дейтерий 2Н, может дать некоторые терапевтические преимущества, обусловленные большей метаболической стабильностью этих изотопов, например, увеличение периода полувыведения in vivo или уменьшение дозировки, и, следовательно, в некоторых случаях могут быть предпочтительными, для повышения эффективности изотопного мечения.

В исследовательских компаниях ООО "ЭН.СИ.ФАРМ" и ООО "ФАРМАЦЕВТИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ "СЛАВЯНСКАЯ АПТЕКА" (исследователи Челяева Анастасия Геннадьевна, Лобко Владимир Павлович, Тихоненко Олег Олегович и др.) разработаны эффективные методы изотопного обогащения фармацевтических препаратов. На исследовательских установках достигнут высокий уровень обогащения веществ такими изотопами, как 13С, 15N и др.

Ниже в таблицах представлены перечни Евразийских патентов, принадлежащих российским компаниям ООО "ЭН.СИ.ФАРМ" и ООО "ФАРМАЦЕВТИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ "СЛАВЯНСКАЯ АПТЕКА".  

Патентообладатель ООО "ЭН.СИ.ФАРМ"

патента

Дата публикации и выдачи патента

Название изобретения


020164

2014.09.30

ТВЕРДАЯ ЛЕКАРСТВЕННАЯ ФОРМА, ОБЛАДАЮЩАЯ ЖЕЛЧЕГОННЫМ ДЕЙСТВИЕМ (ВАРИАНТЫ)

020165

2014.09.30

ТВЕРДАЯ ЛЕКАРСТВЕННАЯ ФОРМА, ОБЛАДАЮЩАЯ ЖЕЛЧЕГОННЫМ ДЕЙСТВИЕМ (ВАРИАНТЫ)

020166

2014.09.30

ТВЕРДАЯ ЛЕКАРСТВЕННАЯ ФОРМА, ОБЛАДАЮЩАЯ ЖЕЛЧЕГОННЫМ ДЕЙСТВИЕМ (ВАРИАНТЫ)

020167

2014.09.30

ТВЕРДАЯ ЛЕКАРСТВЕННАЯ ФОРМА, ОБЛАДАЮЩАЯ ЖЕЛЧЕГОННЫМ ДЕЙСТВИЕМ (ВАРИАНТЫ)

020168

2014.09.30

ТВЕРДАЯ ЛЕКАРСТВЕННАЯ ФОРМА, ОБЛАДАЮЩАЯ ЖЕЛЧЕГОННЫМ ДЕЙСТВИЕМ (ВАРИАНТЫ)

020270

2014.09.30

ТВЕРДАЯ ЛЕКАРСТВЕННАЯ ФОРМА, ОБЛАДАЮЩАЯ ЖЕЛЧЕГОННЫМ ДЕЙСТВИЕМ (ВАРИАНТЫ)

Патентообладатель ООО "ФАРМАЦЕВТИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ

"СЛАВЯНСКАЯ АПТЕКА"

патента

Дата публикации и выдачи патента

Название изобретения


020361

2014.10.30

ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ СОСТАВ, СОДЕРЖАЩИЙ МАГНИЙ, ЖЕЛЕЗО, ЦИНК И ОБЛАДАЮЩИЙ МЕТАБОЛИЧЕСКИМ, ПРОТИВОКАТАРАКТНЫМ, РЕТИНОПРОТЕКТОРНЫМ ДЕЙСТВИЕМ (ВАРИАНТЫ)

020362

2014.10.30

ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ СОСТАВ, СОДЕРЖАЩИЙ НАТРИЙ, КАЛЬЦИЙ, МАГНИЙ, ЦИНК И ОБЛАДАЮЩИЙ МЕТАБОЛИЧЕСКИМ, ПРОТИВОКАТАРАКТНЫМ, РЕТИНОПРОТЕКТОРНЫМ ДЕЙСТВИЕМ (ВАРИАНТЫ)

020388

2014.10.30

ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ СОСТАВ, СОДЕРЖАЩИЙ НАТРИЙ, КАЛЬЦИЙ, ЖЕЛЕЗО, ЦИНК И ОБЛАДАЮЩИЙ МЕТАБОЛИЧЕСКИМ, ПРОТИВОКАТАРАКТНЫМ, РЕТИНОПРОТЕКТОРНЫМ ДЕЙСТВИЕМ (ВАРИАНТЫ)

020389

2014.10.30

ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ СОСТАВ, СОДЕРЖАЩИЙ НАТРИЙ, ЖЕЛЕЗО, ЦИНК И ОБЛАДАЮЩИЙ МЕТАБОЛИЧЕСКИМ, ПРОТИВОКАТАРАКТНЫМ, РЕТИНОПРОТЕКТОРНЫМ ДЕЙСТВИЕМ (ВАРИАНТЫ)

020401

2014.10.30

ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ СОСТАВ, СОДЕРЖАЩИЙ НАТРИЙ, КАЛЬЦИЙ, МАГНИЙ, ЖЕЛЕЗО, ЦИНК И ОБЛАДАЮЩИЙ МЕТАБОЛИЧЕСКИМ, ПРОТИВОКАТАРАКТНЫМ, РЕТИНОПРОТЕКТОРНЫМ ДЕЙСТВИЕМ (ВАРИАНТЫ)

В патентах описаны результаты исследований по влиянию изотопов углерода 13С на эффективность действия твердых и жидких лекарственных форм.

Экспериментально установлено повышение стабильности заявленных лекарственных форм в течение срока годности за счет замены (от 0.3% до 75%) изотопов углерода 12С на изотопы углерода 13С.

В процессе экспериментальной проверки лекарственных форм, обогащенных изотопами углерода 13С, установлено, что они обладают повышенной стабильностью, по сравнению с лекарственной формой, в которой отсутствуют изотопы углерода 13С.

Как указывалось, выше, способы производства стабильного высокообогащенного нерадиоактивного изотопа 13С (углерода-13) широко применяются в российской и мировой промышленности. Хорошо отработаны способы получения изотопа углерода-13 методом газовой диффузии через пористые перегородки, диффузии в потоке пара, термодиффузии, а также методом дистилляции, изотопного обмена, центрифугирования, электролиза, генной инженерии и др. Краткая характеристика этих методов приведена в источнике / Разделение изотопов. Физическая энциклопедия. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/1071/ИЗОТОПОВ /.

В Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова отрабатывают современные нано-технологии получения и включения атомов стабильных изотопов углерода 13С в молекулы различной структуры. В академии получают молекулы изотопномеченных соединений с различными уровнями изотопного обогащения - от долей процентов до ста процентов изотопов в веществе. Работы ведутся в интересах медицинской диагностики. В источнике (О. В. Мосин. Нано технология и включение атомов дейтерия 2H, углерода 13C, азота 15N, и кислорода 18O в молекулы аминокислот и белков) http://www.o8ode.ru/article/oleg/method/literatura_k_dannomu_razdelu.htm приведено 165 ссылок на источники информации по изотопному обогащению различных веществ.

Смотри также статьи Мосина О.В. http://read.newlibrary.ru/read.php/pdf=19928 .

http://samlib.ru/o/oleg_w_m/cdocumentsandsettingsolegmoidokumentymetodypoluchenijaaminokislotibelkowmechenyhstabilxnymiizotopami2n13s15n18ortf.shtml

В источнике описаны современные методы включения атомов стабильных изотопов в молекулы различных веществ, в частности, описаны следующие методы:

Химический синтез;

Изотопный (1Н-2Н)- и (16О-18O)-обмен в молекулах аминокислот и белков;

Выращивание микроорганизмов на средах со стабильными изотопами;

Использование ауксотрофных мутантов бактерий для включения атомов стабильных изотопов в молекулы аминокислот и белков;

Генно-инженерные методы включения атомов стабильных изотопов в молекулы аминокислот и белков;

Выделение изотопномеченых молекул аминокислот из белковых гидролизатов микроорганизмов;

Метод газофазного осаждения, и другие.

Исследователи Челяева А.Г., Лобко В.П., Тихоненко О.О. активно участвовали в работах по изотопному обогащению углеводородов, а также реагентов для получения различных лекарственных препаратов. Обогащение веществ изотопами углерода 13С (замещение изотопов углерода 12С на изотопы углерода 13С), изотопами азота 15N и другими изотопами осуществляли в кавитационных реакторах конструкции профессора Кормилицына В.И. (Московский Энергетический Институт - технический университет).

Перед проведением экспериментов, в процессе экспериментов и по завершении экспериментов осуществляли изотопный контроль веществах.

Изотопный контроль осуществлялся масс-спектроскопией высокого разрешения (см. патент ЕАПВ 022836, опубликованный 31.03.2016, http://www.eapatis.com/Data/EATXT/eapo2016/PDF/022836.pdf).

Перед проведением экспериментов изотопы углерода 13С в веществах отсутствовали.

В процессе экспериментов количество изотопов углерода 12С в веществах уменьшалось, а количество изотопов углерода 13С увеличивалось.

Кроме того, перед проведением экспериментов изотопы азота 15N в веществах отсутствовали. В процессе экспериментов количество изотопов азота 14N в веществах уменьшалось, а количество изотопов азота 15N увеличивалось.

Реакторы для изотопного обогащения изготовлены с использованием методики, приведенной в источнике ( Р.Ф.Ганиев, В.И.Кормилицын, Л.И.Украинский. Волновая технология приготовления альтернативных видов топлив и эффективность их сжигания.-М.:Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2008.-116 с.). Скорость течения в реакторах, по длине канала, изменялась от 10м/с до 50м/с. Расход – от 0.01 до 10т/час.

На фиг.3 представлена схема кавитационного реактора для изотопного обогащения различных веществ, в частности, реагентов для получения лекарственных форм, обогащенных изотопами 13С, 15N и др. редкими изотопами. Реактор расположен в установке, которая содержит насос, обеспечивающий расход от 0.1 до 1.0 м3/час, напор - до 500 м при мощности электродвигателя 0.75кВт, частоте оборотов ротора электродвигателя и колеса насоса 2950 об/мин. Дополнительно установка содержит емкости для реагентов и измерительные приборы.

В экспериментах мощность электродвигателя уменьшали до 0.5 кВт с сокращением расхода.

Кавитационный реактор 1 (см. фиг.1) выполнен в виде плоского сопла Лаваля с телами кавитации 2-9 в канале 10.

На фиг.2 представлено поперечное сечение кавитационного реактора. Канал реактора в области тел кавитации разделяется на несколько каналов. Например, тела кавитации 5 и 6 разделяют канал на более мелкие каналы 13, 14 и 15. Снаружи канал ограничивают стенки 16 и 17, а также две крышки 11 и 12.

На фиг.1 стрелками 18 показано направление движения реагента на входе в реактор, стрелкой 19 показано направление движения реагента на выходе из реактора.

В стенке 16 выполнены каналы 24 и 25 для подачи в зоны кавитации двуокиси углерода и азота.

Установка работает следующим образом. Реагент из емкости 28 (см. фиг.3) с помощью насоса 26 прокачивается через реактор 27 и поступает обратно в емкость 28. Падение давления на реакторе контролируется манометрами 29 и 30. Температура реагента контролируется по термометру 31. Подогрев реагента в емкости осуществляют нагревателем 32.

При работе реактора реагент движется по каналу кавитатора в направлении 18. При обтекании тел кавитации поток разделяется на несколько потоков. За телами кавитации возникают области кавитации. В частности, за телами (если смотреть по направлению движения реагента) кавитации 2, 3 и 4 располагаются зоны кавитации 20, 21, 22 и 23. При входе в область кавитации реагент «закипает», возникают кавитационные пузырьки, при выходе из области кавитации кавитационные пузырьки схлопываются. При этом, в области (в месте) схлопывания кавитационного пузырька наблюдается повышение давления до нескольких тысяч атмосфер и повышение температуры до тысячи градусов Цельсия и выше. Через каналы 24 и 25 в поток подается двуокись углерода или азот (в зависимости от вида изотопного обогащения) таким образом, чтобы газ попал в зоны кавитации.

Парогазовая смесь, полученная в реакторе совместно с жидким реагентом, поступает в емкость 28. Далее парогазовая смесь по трубопроводу 33 поступает в сепаратор с пористой перегородкой, где парогазовые смеси, например, с 13С и 12С разделяются. После чего смеси переводятся в жидкое состояние.

В экспериментах реактор работал от нескольких часов до нескольких суток. Установлена прямая зависимость степени обогащения парогазовой смеси и реагента изотопами от времени работы кавитационного реактора.

Контроль количества изотопов углерода 13С осуществлялся масс-спектроскопией высокого разрешения.

В результате экспериментов было достигнуто обогащение реагента изотопом углерода 13С от 0.3% до 75%. В реагенте отношение количества изотопов углерода 13С к общему количеству углерода в реагенте составляет величину от 0.003 до 0.75 (от 0.3% до 75%).

Степень обогащения углеродом 13С характеризуется показателем:

«отношение количества изотопов углерода 13С к общему количеству углерода в реагенте (или веществе)». Упрощенно этот показатель может называться «содержание углерода 13С в реагенте, измеряться в процентах».

Таким образом, были получены растворы, а из растворов были получены лекарственные формы с содержанием изотопов углерода 13С от 0.3% до 75% от всего углерода в лекарственной форме.

Другими словами, были получены лекарственные формы, которые содержат изотопы углерода 13С, и отношение количества изотопов углерода 13С к общему количеству углерода (к количеству всех изотопов) в лекарственных формах составляет величину от 0.003 до 0.75.

Реагенты обогащались изотопами азота 15N способом, аналогичным вышеописанному способу. При обогащении реагента в реактор 1 (см. фиг.3) по каналам 24 и 25 подавали газообразный азот 14N.

Кроме того, реакторы использовался для равномерного перемешивания веществ в реагенте для изготовления лекарственной формы.

fig-1.jpg

2. Применение изотопного обогащения при производстве химических веществ.

В патентах РФ 2603784, 2604033, 2604219, 2604213, 2603156 и др. описаны перспективные способы получения твердого противогололедного материала на основе пищевой поваренной соли и кальцинированного хлорида кальция.

Задачей, указанных выше, изобретений являлась разработка способа получения твердого противогололедного материала с пониженной коррозионной активностью. Задача решалась за счет использования перспективных ингибиторов коррозии металлов.

В процессе получения противогололедного материала каждый элемент ингибитора коррозии (содержащий углерод и азот) насыщали тяжелыми изотопами углерода 13С и изотопами азота 15N.

При разработке изобретений использовали литературные источники 1-20.

Ингибитор коррозии металлов – химическое вещество или химические вещества, замедляющие коррозию металлов. В изобретениях используют ингибитор коррозии, содержащий несколько химических веществ – элементов ингибитора коррозии. В качестве элементов ингибитора коррозии металлов использовали карбамид гранулированный первого сорта, 2-фосфонобутан-1,2,4-трикарбоновой кислоты тетранатриевую соль, уротропин, однозамещенный фосфат натрия NаH2РО4×2Н2O, простой суперфосфат Са(Н2РО4)2, нитрат кальция Са(NО3)2.

Ниже опишем способ изотопного обогащения химических веществ – элементов ингибиторов коррозии.

Перед проведением экспериментов, в процессе экспериментов и по завершении экспериментов осуществляли изотопный контроль элементов ингибитора коррозии.

Изотопный контроль осуществлялся масс-спектроскопией высокого разрешения.

Перед проведением экспериментов изотопы углерода 13С в элементах ингибитора коррозии отсутствовали.

В процессе экспериментов количество изотопов углерода 12С в элементах ингибитора коррозии уменьшалось, а количество изотопов углерода 13С увеличивалось.

Кроме того, перед проведением экспериментов изотопы азота 15N в элементах ингибитора коррозии отсутствовали. В процессе экспериментов количество изотопов азота 14N в элементах ингибитора коррозии уменьшалось, а количество изотопов азота 15N увеличивалось.

Каждый вышеуказанный элемент ингибитора коррозии растворяли в дистиллированной воде таким образом, что полученный водный раствор содержал одну весовую часть элемента ингибитора коррозии и три весовые части дистиллированной воды. Смешение производили при положительной температуре. Далее, полученный водный раствор подвергали кавитационной обработке в реакторной установке.

Реакторная установка, используемая для экспериментов, была изготовлена с использованием материалов, приведенных в источниках /10 – 18/. В экспериментах принимали участие ученые, упомянутые выше - в разделе 1.

Конструктивно реакторная установка содержит емкость 1 для раствора (см. фиг.1 ниже), шестеренчатый насос 5 с электроприводом (на фигуре не показан), кавитационный реактор 8. В реакторной установке емкость 1 трубопроводом соединена с входом в насос 5, выход насоса 5 трубопроводом соединен с входом кавитационного реактора 8, выход кавитационного реактора 8 трубопроводом 20 соединен с емкостью 1. На входе в кавитационный реактор 8 и выходе из кавитационного реактора расположены манометры 9 и 6 для определения перепада давления на кавитационном реакторе.

Для технологических нужд, в обход кавитационного реактора расположена магистраль 10 с краном 7. Эта магистраль служит для перепуска, по меньшей мере, части раствора в обход кавитационного реактора при его пуске и регламентах. В емкости 1 расположен термометр 2, мешалка (на фигуре не показана) и теплообменник 4 для нагревания или охлаждения раствора 3. В процессе работы установки, при необходимости через теплообменник 4 пропускают горячую или холодную воду, соответственно, для подогрева или охлаждения раствора. Как правило, мешалку в емкости 1 используют для перемешивания раствора в течении всего времени работы установки.

Кавитационный реактор 8 выполнен, как показано на фиг.2 (для наглядности пропорции элементов на фигуре не соблюдены), и содержит канал 23 для движения водного раствора. Этот канал, по направлению движения водного раствора (на фигуре слева – направо), содержит три сужения 24, 25 и 26, перед каждым сужением канала расположен регулируемый по высоте стержень 27, 28 и 29. Стержни турбулизируют поток, движущийся по каналу 23. Турбулизация необходима для установления кавитационного режима при минимально возможных скоростях движения потока. Если бы стержней не было, то скорость, при которой устанавливается кавитация увеличилась бы на 15-17%.

Как указывалось, выше, перед каждым сужением канала расположен регулируемый по высоте стержень. Целесообразно, чтобы стержень 27 перед первым, по направлению движения раствора, сужением 24 был расположен на расстоянии равном 2.1 диаметра проходного сечения в месте сужения 24, стержень 28 перед вторым, по направлению движения раствора, сужением 25 был расположен на расстоянии равном 1.4 диаметра проходного сечения в месте сужения 25, стержень 29 перед третьим, по направлению движения раствора, сужением 26 был расположен на расстоянии равном 1.4 диаметра проходного сечения в месте сужения 26.

За каждым сужением в корпусе кавитационного реактора расположен канал для подачи углекислого газа или азота в область кавитации реактора. Так, за сужением 24 расположен канал 30, за сужением 25 расположен канал 31, за сужением 26 расположен канал 32.

В ходе отработки конструкций реакторной установки и кавитационного реактора, и проведения экспериментов были разработаны рекомендации по конструктивному выполнению элементов установки и кавитационного реактора. Так, площадь проходного сечения канала в месте сужения составляет 8% от максимальной площади проходного сечения канала. Максимальная площадь проходного сечения канала равна площади проходного сечения трубопровода, расположенного между выходом шестеренчатого насоса и входом кавитационного реактора. Целесообразно, чтобы площади проходных сечений всех трубопроводов и магистрали 10 были одинаковы. Формы проходных сечений трубопроводов и кавитационного реактора могут быть любыми, удобно их выполнять круглой формы. Хотя проводили испытания кавитационных реакторов с прямоугольными формами проходных сечений канала, с овальными формами проходных сечений и др.

Каждое сужение канала выполнено в форме сопла (см. фиг 2) и имеет:

- сужающуюся часть сопла (в направлении движения потока) – это часть сопла перед минимальным проходным сечением;

- минимальное проходное сечение - сечение с минимальной площадью проходного сечения;

- расширяющуюся часть сопла - это часть сопла, расположенная за минимальным проходным сечением.

В используемой для исследований реакторной установке формы проходных сечений по длине канала кавитационного реактора выполнены круглыми, поэтому внутренние поверхности сужающейся и расширяющейся частей выполнены в форме боковой поверхности усеченного конуса.

В исходном состоянии все краны 7, 48, 14, 49, 15, 50, 16 (см. фиг.1) реакторной установки закрыты.

Для кавитационной обработки, полученный водный раствор 3 элемента ингибитора коррозии заливают в емкость 1 реакторной установки. После чего раствор 3, расположенный в емкости 1, посредством теплообменника 4 нагревают до 600С. Затем раствор 3 посредством шестеренчатого насоса 5 прокачивают от 170 до 720 раз через кавитационный реактор. После начала прокачки открывают краны 14, 15 и 16. В кавитационный реактор из баллонов 17, 18 и 19 подают углекислый газ. Подачу газа контролируют исходя из показаний манометров 9, 6, 11, 12 и 13 и регулируют с помощью кранов 14, 15 и 16.

Количество прокачек раствора 3 через кавитационный реактор 8 зависит от требуемого содержания тяжелых изотопов 13С в элементе ингибитора коррозии. В таблице 1.1 представлена зависимость содержания тяжелых изотопов углерода 13С в элементе ингибитора коррозии от количества прокачек «n» водного раствора элемента ингибитора коррозии через кавитационный реактор посредством шестеренчатого насоса. Из таблицы видно, что чем больше требуется изотопов 13С в элементе ингибитора коррозии, тем большее количество раз необходимо прокачать раствор через кавитационный реактор.

Таблица 1.1

Зависимость содержания тяжелых изотопов углерода 13С в элементе ингибитора коррозии от количества прокачек «n» водного раствора элемента ингибитора коррозии через кавитационный реактор посредством шестеренчатого насоса

Характеристики

Отношение количества изотопов углерода 13С к общему количеству углерода в элементе ингибитора коррозии

0.005

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.75

Количество прокачек «n»

170

350

470

560

620

650

670

720


В процессе кавитационной обработки высоту каждого из регулируемых стержней 27, 28 и 29 выставляют таким образом, чтобы стержень перекрыл 4-5% площади поперечного сечения канала в месте установки стержня. При работе установки стержни взаимодействуют с потоком, турбулизируют его, тем самым обеспечивают установление режима кавитации при минимальной скорости потока в сечениях 24, 25 и 26.

В процессе кавитационной обработки через канал 30, расположенный за первым, по движению раствора сужением, подают углекислый газ из баллона 17 при открытом кране 14 с массовым расходом равным 2% от величины массового расхода водного раствора.

Через канал 31, расположенный за вторым, по движению раствора сужением, подают углекислый газ из баллона 18 при открытом кране 15 с массовым расходом равным 1% от величины массового расхода водного раствора.

Через канал 32, расположенный за третьим, по движению раствора сужением, подают углекислый газ из баллона 19 при открытом кране 16 с массовым расходом равным 0.5% от величины массового расхода водного раствора.

Посредством шестеренчатого насоса перепад давления на кавитационном реакторе поддерживают в диапазоне от 7.5.105Па до 8.105Па, температуру раствора в емкости в процессе кавитационной обработки посредством теплообменника 4 повышают с 600С до 750С. По теплообменнику подают горячую воду, температуру раствора 3 в емкости 1 контролируют по термометру 2.

На фиг.3 представлено продольное сечение кавитационного реактора 8. Направление потока (движения раствора) показано стрелкой 33. Стрелками 34 показано направление движения потока в канале 23. Стрелками 35, 36, 37 показано движение потока по каналу кавитационного реактора за стержнями 27, 28, 29. Поток, двигаясь по каналу, попадает в первое сужение. Площадь проходного сечения уменьшается, скорость потока растет. В районе минимального проходного сечения 24 скорость потока увеличивается так, что давление в потоке становится меньше давления насыщенного пара. Поток в этом месте «закипает» - образуются паровые пузырьки 38. Далее, поток (жидкость и паровые пузырьки) двигаясь по каналу, попадает в расширяющуюся часть, где проходное сечение канала увеличивается, а скорость уменьшается. Давление в потоке становится больше давления насыщенного пара, паровые пузырьки схлопываются. Точки схлопывания паровых пузырьков показаны позицией 39. При этом, в области схлопывания (в области точки схлопывания) кавитационного пузырька наблюдается повышение давления до нескольких тысяч атмосфер и повышение температуры до тысячи и более градусов Цельсия.

Область, в которой образуются и схлопываются пузырьки, называется областью кавитации. Как говорилось выше, стержень 27 турбулизирует поток, и тем самым облегчает установление кавитационного режима течения на минимально возможной скорости течения.

Аналогичным образом возникают пузырьки 40 и схлопываются 41 в области проходного сечения 25, а также образуются пузырьки 42 и схлопываются 43 в области проходного сечения 26.

Углекислый газ подают по каналам 30, 31 и 32 в области потока за минимальными проходными сечениями 24, 25 и 26, насыщенные паровыми пузырьками. При схлопывании паровых пузырьков происходит мощное динамическое воздействие на окружающую пузырьки среду. Именно в месте схлопывания происходит обогащение элемента ингибитора коррозии тяжелыми изотопами углерода.

На фиг. 3 стрелками 44 показаны направления движения газа по каналам 30, 31 и 32.

В процессе кавитационной обработки элемент ингибитора коррозии, находящийся в растворе, насыщают тяжелыми изотопами углерода 13С таким образом, что отношение количества изотопов углерода 13С к общему количеству углерода в элементе составляет величину от 0.005 до 0.75. Контроль количества изотопов углерода 13С осуществляют масс-спектроскопией высокого разрешения. Пробы для этого берут из емкости 1. Газ, попадающий в емкость, удаляют из емкости через горловину 21. Удаление газа из емкости показано стрелкой 22.

Далее закрывают краны 14, 15 и 16. Насосную установку выключают.

После чего, полученный водный раствор вышеуказанного элемента ингибитора коррозии подвергают повторной кавитационной обработке в реакторной установке, для чего водный раствор, расположенный в емкости, нагревают посредством теплообменника до 800С. Включают насосную установку, открывают краны 48, 49 и 50 и раствор посредством шестеренчатого насоса прокачивают от 50 до 390 раз через кавитационный реактор 8.

Количество прокачек раствора 3 через кавитационный реактор 8 зависит от требуемого содержания тяжелых изотопов 15N в элементе ингибитора коррозии.

В таблице 1.2 представлена зависимость содержания тяжелых изотопов азота 15N в элементе ингибитора коррозии от количества прокачек «n» водного раствора элемента ингибитора коррозии через кавитационный реактор посредством шестеренчатого насоса.

Из таблицы видно, что чем больше требуется изотопов 15N в элементе ингибитора коррозии, тем большее количество раз необходимо прокачать раствор через кавитационный реактор.

Таблица 1.2

Зависимость содержания тяжелых изотопов азота 15N в элементе ингибитора коррозии от количества прокачек «n» водного раствора элемента ингибитора коррозии через кавитационный реактор посредством шестеренчатого насоса

Характеристики

Отношение количества изотопов азота 15N к общему количеству азота в элементе ингибитора коррозии

0,0001

0.01

0.02

0.03

0.05

0.07

0.1

0,1375

Количество прокачек «n»

50

250

300

320

350

360

370

390

В процессе повторной кавитационной обработки высоту каждого из регулируемых стержней выставляют таким образом, чтобы он перекрыл 4-5% площади поперечного сечения канала в месте установки стержня. В частном случае, регулировку стержней оставляют прежней.

В процессе кавитационной обработки через канал 30, расположенный за первым, по движению раствора сужением, подают газообразный азот из баллона 45 при открытом кране 48 с массовым расходом равным 1% от величины массового расхода водного раствора.

Через канал 31, расположенный за вторым, по движению раствора сужением, подают газообразный азот из баллона 46 при открытом кране 49 с массовым расходом равным 0.5% от величины массового расхода водного раствора.

Через канал 32, расположенный за третьим, по движению раствора сужением, подают газообразный азот из баллона 47 при открытом кране 50 с массовым расходом равным 0.1% от величины массового расхода водного раствора.

Подачу газа контролируют исходя из показаний манометров 9, 6, 11, 12 и 13.

Посредством шестеренчатого насоса 5 перепад давления на кавитационном реакторе поддерживают в диапазоне от 7.5.105Па до 8.105Па. Температуру раствора 3 в емкости 1 в процессе кавитационной обработки посредством теплообменника 4 повышают с 800С до 850С.

Как указывалось, ранее, на фиг.3 представлено продольное сечение кавитационного реактора 8. Направление потока (движения раствора) показано стрелкой 33. Стрелками 34, 35, 36, 37 показаны движение потока по каналу реактора и за стержнями 27, 28, 29. Поток, двигаясь по каналу попадает в первое сужение. Площадь проходного сечения уменьшается, скорость потока растет. В районе минимального проходного сечения 24 скорость потока увеличивается так, что давление в потоке становится меньше давления насыщенного пара. Поток в этом месте «закипает» - образуются паровые пузырьки 38. Далее, поток (жидкость и паровые пузырьки) двигаясь по каналу попадает в расширяющуюся часть, где проходное сечение канала увеличивается, а скорость уменьшается. Давление в потоке становится больше давления насыщенного пара, паровые пузырьки схлопываются 39. При этом, в области (в месте) схлопывания кавитационного пузырька наблюдается повышение давления до нескольких тысяч атмосфер и повышение температуры до тысячи и более градусов Цельсия.

Стержень 27 турбулизирует поток, и тем самым облегчает установление кавитационного режима течения на минимально возможной скорости течения.

Аналогичным образом возникают пузырьки 40 и схлопываются 41 в области проходного сечения 25, а также образуются пузырьки 42 и схлопываются 43 в области проходного сечения 26.

Газообразный азот подают по каналам 30, 31 и 32 в области потока, насыщенные паровыми пузырьками, за минимальными проходными сечениями 24, 25 и 26. При схлопывании паровых пузырьков происходит мощное динамическое воздействие на окружающую пузырьки среду. Именно в месте схлопывания происходит обогащение элемента ингибитора коррозии тяжелыми изотопами азота.

В процессе кавитационной обработки элемент ингибитора коррозии, находящийся в растворе, насыщают тяжелыми изотопами азота 15N таким образом, что отношение количества изотопов азота 15N к общему количеству азота в элементе составляет величину от 0,0001 до 0,1375. Контроль количества изотопов азота 15N осуществляют масс-спектроскопией высокого разрешения. Пробы для этого берут из емкости 1. Газ, попадающий в емкость, удаляют из емкости через горловину 21. Удаление газа из емкости показано стрелкой 22.

Далее закрывают краны 48, 49 и 50. Установку выключают.

После повторной кавитационной обработки раствора, осуществляют кристаллизацию данного элемента ингибитора коррозии, для чего, раствор переливают из емкости 1 в устройство для выпаривания воды. Из водного раствора выпаривают 95.5% воды.

После кавитационной обработки и кристаллизации всех вышеуказанных элементов ингибитора коррозии их смешивают с остальными компонентами противогололедного материала.

Кавитационную обработку элементов ингибитора коррозии осуществляют таким образом, что процентное содержание изотопов углерода 13С в каждом элементе ингибитора коррозии одинаково и процентное содержание изотопов азота 15N в каждом элементе ингибитора коррозии одинаково.

Кран 7 и магистраль 10 служат для технологических целей. Промывку Реакторной установки осуществляют водой при открытом кране 7, и закрытых кранах 48, 14, 49, 15, 50 и 16. Магистраль 10 при открытом кране 7 могут использовать для перемешивания элемента ингибитора коррозии с водой.

Внешний вид реакторной установки представлен на фотографии (см. фиг. 4). На фиг.4 газовые баллоны и система сопряжения баллонов с реакторной установкой не показаны.

Пример расчета времени кавитационной обработки приведен ниже.

При кавитационной обработке, раствор посредством шестеренчатого насоса прокачивают n раз через кавитационный реактор, при этом время работы t реакторной установки определяют по формуле:

t=n V/Q,

где n - количество прокачек водного раствора через кавитационный

реактор посредством шестеренчатого насоса;

V - объем, занимаемый раствором в емкости;

Q - объемный расход шестеренчатого насоса.

В экспериментальной реакторной установке использовали шестеренчатый насос НМШ 5-25-4.0/10. У насоса при частоте оборотов шестерни 1450 об/мин расход Q = 4м3/ч. Напор обеспечивается равным 10.105Па, при этом потребляемая мощность 1.8 кВт.

Приводом насосу служит асинхронный электродвигатель АИР100S4УЗ.

Объем емкости 0.01м3, объем, занимаемый раствором – 0.008 м3.

Приведем пример расчета времени работы реакторной установки.

170 прокачек раствора через кавитационный реактор потребует 0.34 часа (или 1224 секунды).

Другой пример, 400 прокачек раствора через кавитационный реактор потребует 0.8 часа (или 2880 секунды).

А 1110 прокачек (это максимальное число прокачек, предусмотренной для реализации изобретения) через кавитационный реактор потребует 2.22 часа (или 7992 секунды).

В источниках /11-18/ описана реакторная установка для изотопного обогащения лекарственных препаратов. В начале экспериментальной работы эта установка была применена для кавитационной обработки элементов ингибитора коррозии. Однако, большие энергетические и временные затраты при обработке растворов потребовали разработать и изготовить новую реакторную установку (см. фиг.1 - 4).

У старой реакторной установки /11-18/ потребляемая мощность 75кВт, в ней использовали центробежный насос 6НК-6Х1, с расходом 90 м3/час, подачей 125 м, а также емкость для раствора объемом 18 литров (из них 16 литров для раствора).

У новой реакторной установки, используемой для реализации всех вариантов изобретения, потребляемая мощность 1.8кВт. В установке использовали шестеренчатый насос НМШ 5-25-4.0/10, с расходом 4 м3/час, подачей 100 м, емкость для раствора объемом 10 литров (из них 8 литров для раствора).

У новой установки, по сравнению со старой установкой, описанной в источниках /10-18/ и в первом разделе потребляемая мощность насосом уменьшена более чем в 40 раз, расход уменьшен в 22 раза.

При работе на старой установке насыщение элемента ингибитора коррозии изотопами 13С до содержания 75% осуществляли в течение нескольких суток (до 65 часов). Для работы с лекарствами такие затраты приемлемы, но для работы с ПГМ – затраты чрезмерны. Поэтому была разработана и экспериментально отработана новая реакторная установка.

При работе на новой установке насыщение элемента ингибитора коррозии изотопами 13С до содержания 75% и изотопами 15N до 13.75% осуществляли в течение 2.22 часа (при объеме раствора 8 литров). Еще 8 литров обрабатывалось также в течение 2.22 часов. Таким образом на новой установке для обработки 16 литров раствора понадобится 4.44 часа (при потребляемой мощности 1.8 кВт). При этом, будет затрачено 8 кВт . час электроэнергии.

На старой установке время обработки 16 литров составляло 65 часов при потребляемой мощности 75 кВт. Затраты энергии составят 4800 кВт . час электроэнергии.

Экономия электроэнергии – в 600 раз, экономия времени – в 14 раз. Это существенная экономия электроэнергии и времени работы.

Именно заявленная конструкция реакторной установки и кавитационного реактора обеспечивает эффективное обогащение ингибитора коррозии тяжелыми изотопами углерода 13С и азота 15N. В настоящее время более эффективной установки для этих целей нет.

Следует отметить, что на установке проводили кавитационную обработку с целью изотопного обогащения не только компонентов водных растворов, но и компонентов не водных растворов, компонентов коллоидных систем, а также компонентов различных дисперсных систем, состоящих из жидкой фазы и твердой (жидких и твердых компонентов).

Во всех экспериментах установлено, что эффективность изотопного обогащения зависит от интенсивности кавитации, энергии, выделяемой при кавитации (которая оценивается по динамике роста температуры реагента).

Литература.

  1. Инструкция по охране природной среды при строительстве, ремонте и содержании автомобильных дорог ВСН 8-89. М.: Минавтодор, 1989.
  2. Справочник химика, т.3. М.: Химия, 1964, с.213.
  3. А.И. Алцыбеев, С.З. Левин. Ингибиторы коррозии металлов. Под редакцией Л.И.Антропова, Издательство «Химия», Ленинградское отделение, 1968.
  4. Инструкция по борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах. ВСН 20-87. Минавтодор РСФСР. Москва «Транспорт», 1988.
  5. ГОСТ Р 51574-2000. Соль поваренная пищевая. Технические условия.
  6. ГОСТ 450-77. Кальций хлористый технический. Технические условия.
  7. Справочника химика, т.3, стр.613, 628, издательство Химия, М.-Л., 1964.
  8. Описание 2-этилгексилиминодипропионат натрия. http://ruswind.ru/katalog/spetsialnye-ingredienty-dlya-avtohimii/amphotensid-eh.html.
  9. ГОСТ 2210-73. Аммоний хлористый технический. Технические условия.
  10. Р.Ф.Ганиев, В.И.Кормилицын, Л.И.Украинский. Волновая технология приготовления альтернативных видов топлив и эффективность их сжигания.-М.:Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2008.-116 с./.
  11. Патент ЕАПВ 020060, опубл. 29.08.2014.
  12. Патент ЕАПВ 020129, опубл. 29.08.2014.
  13. Патент ЕАПВ 020143, опубл. 29.08.2014.
  14. Патент ЕАПВ 020405, опубл. 30.10.2014.
  15. Патент ЕАПВ 020167, опубл. 30.09.2014.
  16. Патент ЕАПВ 020168, опубл. 30.09.2014.
  17. Патент ЕАПВ 020270, опубл. 30.09.2014.
  18. Патент ЕАПВ 020164, опубл. 30.09.2014.
  19. Разделение изотопов. Физическая энциклопедия. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/1071/ИЗОТОПОВ.
  20. О. В. Мосин. Нанотехнология и включение атомов дейтерия 2H, углерода 13C, азота 15N, и кислорода 18O в молекулы аминокислот и белков. http://samlib.ru/o/oleg_w_m/cdocumentsandsettingsolegmosinmoidokumentynanotehnologijaiwkljuchenieatomowdejterija2hrtf.shtml.


Авторы статьи:

Курилов С.В.

Лифшиц М.В.

ктн, снс Лобко В.П.


2017-07-03 fig-1.jpg

Фиг. 1


2017-07-03 fig-2.jpg

Фиг. 2

2017-07-03 fig-3.jpg

Фиг. 3
2017-07-03 fig-4.jpg

Фиг.4