一種精餾CO生產穩定同位素¹³C的低溫精餾級聯系統的制作方法

專利名稱：一種精餾CO生產穩定同位素¹³C的低溫精餾級聯系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及碳的穩定同位素分離技術，尤其是涉及一種精餾CO生產穩定同位素 13C的低溫精餾級聯系統。
背景技術：
含碳化合物中，碳元素以穩定同位素12(、％和放射性噸存在于自然界中，其中12C 與13C的天然豐度比約為98. 9 1.1。隨著科技的發展，1V作為示蹤原子已經廣泛應用于醫學、藥理學、生物化學和生命科學等領域。此外，高豐度的1V合成的金剛石比天然產品更好的物理性質也得到關注。現有技術中，已經有多種穩定同位素13C的生產方法，例如熱擴散法、氣體擴散法、 化學交換法、低溫精餾法、激光法等。其中低溫精餾法是工業中生產"C的主要方法，但是由于同位素組分之間的蒸氣壓相差很小，獲得高豐度的碳-13必須采用多塔級聯操作。早在1949年，英國Harwell原子能研究中心就建立了低溫精餾CO分離13C的裝置(T. F. Johns, H. London, enrichment of isotopes 13C and 18O, AERE Harwell reportG/R 661，1951)，該裝置由垂直連接的兩座塔構成，全長32ft，產品中13C的豐度為60%，產率為 0. 4g13C/do前蘇聯梯比利斯實驗室(Π.H. Acamuaηu，B. A. KaMucku ε 3 e 6 , E.JI.03uacoeuJiu, et al., IIonyHeHHe η 3 ο τ ona C13 μ e τ ο π ο μ PeKTH(J)HKaUHH ο κ η c η yr Ji epo Ji a, Isotopenpraxis, 4. Jahrgang, Heft 7, 1968，275-277)建造的CO低溫精餾裝置由塔徑逐漸減小的三座塔構成，裝置全長36m，第一級塔徑為4. 3cm、高15m，第二級塔徑為2. 0cm、高10m，第三級塔徑為1. 0cm、高11m，三塔垂直連接，塔內裝填三角螺旋圈填料，保溫形式為真空絕熱，產品中13C的豐度為60%。1969年7月，美國Los Alamos實驗室建成一套CO低溫精餾裝置(D. E. Armstrong, Α. C. Briesmeister,B. B. Mclnteer,et al. ,A carbon—13 production plant using carbon monoxide distillation, LASL report, LA-4391，1970)，是當時規模最大的 CO 低溫精餾裝置，該裝置由垂直串聯起來的七段塔組成，整個級聯懸空放入一個真空夾套中，再用聚苯乙烯泡沫塑料以及40層鋁合金Mylar薄膜絕熱，最后放入直徑0. 9144米、深38. 1米的地洞中。級聯裝置經過6個星期的平衡期，獲得1V豐度為92. 37%的產品。該裝置后被1979 年建成的 8kg/a 的 13C 裝置代替(B. B. Mclnteer, isotope separation by distillation design of a carbon-13 plant, separation science and technology, vol. 15, No. 3, 1980，491-508)，即Cola-Colita裝置，Cola-Colita裝置的主塔由垂直串聯起來的兩段塔及同位素轉化反應器和精餾副塔組成，其中主塔第一段為長100米的6根塔，第二段為長 100米的1根塔，精餾副塔長55米。1999年，俄羅斯人楊.格.柴列萬西克(楊.格.柴列萬西克，阿.勃.哈勞西勞夫，低溫精餾碳氧化物制備穩定同位素，X η μ. n pom. 1999, No. 4,229-235)設計了一套采用CO低溫精餾分離"C的四塔級聯裝置，四座塔采用水平連接的方式，原料加入到第一級塔的塔釜，第2 4級塔全部為濃縮段，四座塔采用等高設計，塔內填料的高度均為20米。前級塔塔底的氣體物料通過壓力的推動自動流動至后級塔頂部的冷凝器中，冷凝后從冷凝器底部流到后級塔頂部，作為后級塔的噴淋液體，后級塔的蒸氣從頂部流出，經過鼓風機輸送至前級塔的底部，實現級聯各塔之間的物料流動。該流程降低了對場地的要求，但增加了級間物料的動力輸送設備。綜合以上文獻可知，采用CO低溫精餾法濃縮1V需要進行多塔級聯操作，現有技術中，級聯裝置有垂直級聯和水平級聯兩種連接方式。垂直級聯中，前級塔的液體依靠重力進入后級塔，后級塔的蒸汽依靠壓力進入前級塔，容易實現級聯各塔之間的物料輸送。但是由于同位素分離過程需要的理論板數很多，造成塔設備很高，因此，施工難度比較大；另外，由于級聯裝置的壓降比較大，降低同位素組分間的分離系數，對分離不利。相比較之下，水平級聯的施工難度小得多，但是，在現有技術的η級水平級聯裝置中，第2 η級精餾塔塔頂進料、出料維持液相和氣相的濃度相差一個α的差值，因此級聯各塔間的物料流量很大， 一方面造成輸送設備的能耗比較大，另一方面，這種級聯裝置對自動控制、儀器儀表的要求比較高，并要求每級必須連續、穩定運轉，任何一級塔出現事故，都會造成級聯裝置不好銜接。

發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種低溫精餾CO生產穩定同位素13C的水平級聯系統，該系統可實現低溫精餾裝置長期、穩定的運行。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種精餾CO生產穩定同位素13C的低溫精餾級聯系統，為水平放置的η級精餾塔組成的級聯裝置，所述的精餾塔由塔頂冷凝器、塔底再沸器和精餾柱組成，各級精餾塔之間經管道連接。所述的級聯裝置由直徑逐漸變細的η級水平連接的精餾塔組成。所述的精餾塔為2 10級。第一級精餾塔可以從中部或塔頂輸入原料。所述的級聯裝置中后級精餾塔塔頂的蒸氣依靠壓力經管道輸送到前級精餾塔的中部，前級精餾塔的塔釜產生的液體在管道中汽化后在壓力作用下輸送到后級精餾塔的中部。所述的后級精餾塔塔頂的蒸氣可以在前級精餾塔的進料點位置進入前級精餾塔內。所述的后級精餾塔塔頂的蒸氣可以在比前級精餾塔的進料點位置高的位置進入前級精餾塔內。所述的后級精餾塔塔頂的蒸氣可以在比前級精餾塔的進料點位置低的位置進入前級精餾塔內。所述的精餾塔內填充高效分離填料。所述的高效分離填料為金屬板波紋規整填料、金屬絲網規整填料、金屬網孔波紋填料、柵格填料或脈沖填料。與現有技術相比，本發明利用在水平級聯各塔中設置提取段來減小級聯各塔之間的物料輸送流量，同時通過改變水平級聯系統的壓力分布實現各塔間物料的自動流動，中間各級塔間的物料輸送不需要動力輸送設備，可確保級聯裝置長期、穩定、連續運轉。


圖1為本發明級聯系統的示意圖；圖2為實施例1的流程示意圖；圖3為實施例1中級聯精餾塔內各同位素組分的濃度分布圖；圖4為實施例2的流程示意圖；圖5為實施例2中級聯精餾塔內各同位素組分的濃度分布圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。圖1為本發明的由η級精餾塔組成的低溫精餾級聯系統的流程示意圖，該系統是由η級水平連接的精餾塔構成的級聯裝置。本發明中的級聯裝置中，各級塔是這樣連接的 原料加入級聯裝置的第一級精餾塔的中部，第1級塔塔頂采出部分低豐度的13CO氣體，第 1 第η-1級塔再沸器氣化的一部分蒸氣經計量后在壓力作用下分別進入第2 第η級精餾塔的中部，第2 第η級精餾塔塔頂的部分蒸氣經計量后在壓力作用下分別進入第1 第η-1級精餾塔的中部，第η級塔的再沸器氣化的蒸氣一部分進入精餾塔內與塔頂冷凝器下來的液體進行氣、液傳質，一部分高豐度的13CO氣體作為產品離開級聯裝置。第1級 第η級精餾塔的塔頂分別連接冷凝器Cl Cn，每個冷凝器均連接與本級精餾塔連通的氣體管道、液體管道，和向前一級精餾塔輸送物料的管道，此外，每個冷凝器還具有供冷凝介質進、出的管道。塔頂冷凝器Cl Cn可以是盤管式換熱器、列管式換熱器、套管式換熱器、板片式換熱器、螺旋板式換熱器、板翅式換熱器等，優選板翅式換熱器。圖1所示的級聯裝置中，第1 第η級精餾塔塔內裝填高比表面積的規整填料，其類型可以是板波紋填料、柵格填料、絲網波紋規整填料、脈沖填料等，優選孔板波紋填料和絲網波紋填料。第1級 第η級精餾塔的塔底分別連接再沸器Bl &1，每個再沸器均連接與本級精餾塔連通的氣體管道、液體管道，和向后級精餾塔輸送物料的管道。參照圖1，CO原料經由流量計Fl計量后沿管線L3輸送至第一級塔Tl的中部，Tl 塔內裝填分離填料，為塔頂冷凝器Cl中冷凝回流的液體與塔底再沸器Bl中汽化的蒸氣提供傳熱、傳質的表面。從Tl塔頂經由管線L2取出高豐度的碳-12，從Tl塔釜取出一部分蒸氣，在壓力的驅動下經由閥Vl與流量計F2計量后沿管線L4輸送到塔Τ2的中部，Τ2塔內裝填分離填料，為塔頂冷凝器C2中冷凝回流的液體與塔底再沸器Β2中汽化的蒸氣提供傳熱、傳質的表面。從Τ2塔頂取出一部分蒸氣，在壓力的驅動下經由閥V2與流量計F3計量后沿管線L5輸送到塔Tl的中部，從Τ2塔釜取出一部分蒸氣，在壓力的驅動下經由閥V3 與流量計F4計量后沿管線L6輸送到塔Τ3的中部，Τ3塔內裝填分離填料，為塔頂冷凝器C3 中冷凝回流的液體與塔底再沸器Β3中汽化的蒸氣提供傳熱、傳質的表面。從Τ3塔頂取出一部分蒸氣，在壓力的驅動下經由閥V4與流量計F5計量后沿管線L7輸送到塔Τ2的中部，
5從T3塔釜取出一部分蒸氣，在壓力的驅動下經由閥V5與流量計F6計量后沿管線L8輸送到塔T4的中部，類似地，第四塔T4、第五塔T5直到第η塔Τη，均采用這樣的連接方式，在第 η塔Tn的塔釜采出高豐度的碳-13產品。整個級聯裝置中，第1級 第η級精餾塔均有提取段和富集段，且第1級塔到第η 級塔的級聯裝置中的壓力是逐漸升高的，第η級塔的塔釜壓力最高，級聯各塔之間的物料傳輸均為氣體形式，且氣體物料的輸送在壓力的驅動下進行，不需要動力輸送設備，可確保級聯裝置的連續、穩定的操作。此外，本發明中還提供了使用以上低溫精餾系統分離富集13C時，級聯裝置內的各同位素組分的豐度分布的計算機模擬結果。本發明中，使用精餾理論進行級聯裝置的設計和優化，考慮到體系中氧同位素的影響，計算過程中考察天然豐度比較高的12C16CK13ClfiO和 1V1M三種組分。根據同位素分離級聯理論和精密精餾理論設計本發明中提出的低溫精餾級聯裝置，也可以獲得類似的結果。下面結合實施例對本發明作進一步的闡述。實施例1實施例1中的級聯裝置由4級精餾塔組成，級聯裝置的工藝流程簡圖如圖2所示。 CO原料經由流量計Fl計量后由管線L3輸送至第一級塔Tl的中部，Tl塔內裝填金屬絲網波紋填料，為塔頂冷凝器Cl中冷凝回流的液體與塔底再沸器Bl中汽化的蒸氣提供傳熱、傳質的表面。從Tl塔頂經由管線L2取出高豐度的碳-12，從Tl塔釜取出一部分蒸氣，在壓力的驅動下經由閥Vl與流量計F2計量后沿管線L4輸送到塔Τ2的中部，Τ2塔內裝填金屬絲網波紋填料，為塔頂冷凝器C2中冷凝回流的液體與塔底再沸器Β2中汽化的蒸氣提供傳熱、 傳質的表面。從Τ2塔頂取出一部分蒸氣，在壓力的驅動下經由閥V2與流量計F3計量后沿管線L5輸送到塔Tl的中部，與天然豐度的原料一起加入塔Tl中部，從Τ2塔釜取出一部分蒸氣，在壓力的驅動下經由閥V3與流量計F4計量后沿管線L6輸送到塔Τ3的中部，Τ3塔內裝填金屬絲網波紋填料，為塔頂冷凝器C3中冷凝回流的液體與塔底再沸器Β3中汽化的蒸氣提供傳熱、傳質的表面。從Τ3塔頂取出一部分蒸氣，在壓力的驅動下經由閥V4與流量計F5計量后沿管線L7輸送到塔Τ2的中部，其中管線L7與管線L4在同一位置與塔Τ2連接，從Τ3塔釜取出一部分蒸氣，在壓力的驅動下經由閥V5與流量計F6計量后沿管線L8輸送到塔Τ4的中部，Τ4塔內裝填金屬絲網波紋填料，為塔頂冷凝器C4中冷凝回流的液體與塔底再沸器Β4中汽化的蒸氣提供傳熱、傳質的表面。從Τ4塔頂取出一部分蒸氣，在壓力的驅動下經由閥V6與流量計F7計量后沿管線L9輸送到塔Τ3的中部，其中管線L8與管線L9 在同一位置與塔Τ3連接，在第4塔Τ4的塔釜采出高豐度的碳-13產品。實施例1中，原料為碳-13豐度為1. 的天然C0，經過四級塔的分離后，碳-13 富集到90%，表1是年產凈13C 100kg、豐度為90%的級聯裝置的工藝參數，級聯各塔內的同位素豐度分布如圖3所示。表1實施例1中年產IOOkg碳-13的四級聯裝置的工藝參數
權利要求
1.一種精餾CO生產穩定同位素13C的低溫精餾級聯系統，其特征在于，該低溫精餾級聯系統為水平放置的Π級精餾塔組成的級聯裝置，所述的精餾塔由塔頂冷凝器、塔底再沸器和精餾柱組成，各級精餾塔之間經管道連接。
2.根據權利要求1所述的一種精餾CO生產穩定同位素13C的低溫精餾級聯系統，其特征在于，所述的級聯裝置由直徑逐漸變細的η級水平連接的精餾塔組成。
3.根據權利要求1所述的一種精餾CO生產穩定同位素13C的低溫精餾級聯系統，其特征在于，所述的精餾塔為2 10級。
4.根據權利要求1所述的一種精餾CO生產穩定同位素13C的低溫精餾級聯系統，其特征在于，第一級精餾塔可以從中部或塔頂輸入原料。
5.根據權利要求1所述的一種精餾CO生產穩定同位素13C的低溫精餾級聯系統，其特征在于，所述的級聯裝置中后級精餾塔塔頂的蒸氣依靠壓力經管道輸送到前級精餾塔的中部，前級精餾塔的塔釜產生的液體在管道中汽化后在壓力作用下輸送到后級精餾塔的中部。
6.根據權利要求5所述的一種精餾CO生產穩定同位素13C的低溫精餾級聯系統，其特征在于，所述的后級精餾塔塔頂的蒸氣可以在前級精餾塔的進料點位置進入前級精餾塔內。
7.根據權利要求5所述的一種精餾CO生產穩定同位素13C的低溫精餾級聯系統，其特征在于，所述的后級精餾塔塔頂的蒸氣可以在比前級精餾塔的進料點位置高的位置進入前級精餾塔內。
8.根據權利要求5所述的一種精餾CO生產穩定同位素13C的低溫精餾級聯系統，其特征在于，所述的后級精餾塔塔頂的蒸氣可以在比前級精餾塔的進料點位置低的位置進入前級精餾塔內。
9.根據權利要求1所述的一種精餾CO生產穩定同位素13C的低溫精餾級聯系統，其特征在于，所述的精餾塔內填充高效分離填料。
10.根據權利要求9所述的一種精餾CO生產穩定同位素13C的低溫精餾級聯系統，其特征在于，所述的高效分離填料為金屬板波紋規整填料、金屬絲網規整填料、金屬網孔波紋填料、柵格填料或脈沖填料。
全文摘要
本發明涉及一種精餾CO生產穩定同位素13C的低溫精餾級聯系統，該低溫精餾級聯系統為水平放置的n級精餾塔組成的級聯裝置，精餾塔由塔頂冷凝器、塔底再沸器和精餾柱組成，各級精餾塔之間經管道連接。與現有技術相比，本發明利用在水平級聯各塔中設置提取段來減小級聯各塔之間的物料輸送流量，同時通過改變水平級聯系統的壓力分布實現各塔間物料的自動流動，中間各級塔間的物料輸送不需要動力輸送設備，可確保級聯裝置長期、穩定、連續運轉。
文檔編號B01D59/04GK102380315SQ20111035538
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月10日 優先權日2011年11月10日
發明者吉永喆, 周建躍, 李良君, 李虎林, 杜曉寧, 蔡揚, 許保云, 陳大昌, 龍磊 申請人:上海化工研究院