C的低溫精餾多塔級聯(lián)節(jié)能裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及生產(chǎn)高豐度13C的低溫精餾多塔級聯(lián)節(jié)能裝置，由位于第一座精餾塔頂?shù)?只冷凝器、n只首尾相連的低溫精餾塔、n-1只低溫液體泵、1-(n-1)只同位素擾頻器及特種波紋填料組成水平級聯(lián)節(jié)能系統(tǒng)。本發(fā)明裝置的優(yōu)點是冷凝器少、能耗低、填料分離效率高、動力輸送設(shè)備可靠，設(shè)備緊湊、容易放大，直接得到99％的高豐度13C。與現(xiàn)有技術(shù)相比，低溫液氮消耗可減少50％，精餾塔高度降低、輸送設(shè)備電耗及設(shè)備尺寸大大減小、生產(chǎn)能力提高，有效降低了生產(chǎn)成本。
【專利說明】生產(chǎn)高豐度13C的低溫精餾多塔級聯(lián)節(jié)能裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及低溫精餾法生產(chǎn)穩(wěn)定同位素的工藝技術(shù)，尤其是涉及一種生產(chǎn)高豐度 13C的低溫精餾多塔級聯(lián)節(jié)能裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 穩(wěn)定性同位素的應(yīng)用越來越廣，其分離方法有熱擴散法、氣體擴散法、離心分離 法、激光法、化學(xué)交換法、離子交換法及精餾法。但適合工業(yè)應(yīng)用的目前只有低溫精餾法。穩(wěn) 定性同位素 13(：、180、15隊、大多是用CO、NO、BF3低溫精餾得到的。CO低溫精餾中 12OV13CO理 想分離系數(shù)為1. 01，而實際大多小于1. 008,所以要想從天然豐度1. 11% 13CO富集到99% 13C0, 一般需要3000塊理論板，所以導(dǎo)致同位素分離級聯(lián)具有非常大的長度。同時，由于采 用亂堆填料，一般塔徑都小于1〇〇_，要擴大生產(chǎn)規(guī)模，就得采用多管塔。這使得實際生產(chǎn)裝 置安裝起來相當(dāng)困難。低溫精餾分離同位素時，低溫精餾塔是主要的設(shè)備投資；在生產(chǎn)過程 中，回流比高達(dá)1000以上，所以低溫能耗是主要的生產(chǎn)成本。
[0003] 在現(xiàn)有技術(shù)中，已有穩(wěn)定同位素 13C的生產(chǎn)方法。
[0004] 1947年美國Eastman Kodak公司采用毒性極強的HCN/NaCN化學(xué)交換法（Clyde A. Hutchison, David ff. Stewart, Harold C. Urey, the concentration of 13C, Journal of chemical physics，Vol. 8,1940, 532-537)，進(jìn)行半工業(yè)化生產(chǎn) 65% 13C，后被勒令關(guān)閉。
[0005] 在 20 世紀(jì) 60 年代，美國用 CH4熱擴散法生產(chǎn) 13C(W. Μ· Rutherford，J. Μ· Keller， Preparation of highly enriched carbon_13by thermal diffusion of methane， the journal of chemical physics，Vol. 44, No. 2,1966, 723);因該法生產(chǎn)能力小、耗費大量電 能，后被CO低溫精餾法取代。
[0006] 美國 Los Alamos 實驗室（Β· B. Mclnteer，isotope separation by distillation ： design of a carbon_13plant，separation science and technology，vol.15，No. 3， 1980,491-508)于1978年建立了一座年產(chǎn)8kg/a99% 13C的工廠（設(shè)計能力為20kg/a)，即 Cola-Colita裝置。主塔由兩段組成，第一級由6根塔徑為5cm、長IOOrn的多管塔并列組成， 第二級為長l〇〇m、塔徑為5cm的一根塔構(gòu)成；塔內(nèi)裝散堆填料，兩級垂直并接，總長200m。 該種方法的特點是采用垂直級聯(lián)，級聯(lián)容易實現(xiàn)，缺點是需要大量直徑很小的管并列來提 高產(chǎn)量，精餾塔特別長，場地要求高。直接精餾 13C產(chǎn)品豐度只能達(dá)到81.9%。主塔的產(chǎn)品 在鎢管內(nèi)、1200°C下經(jīng)同位素轉(zhuǎn)化裝置高溫反應(yīng)：
[0007] '2c]so+nc'6o -Un-K >i2c'6o+nc'so
[0008] 轉(zhuǎn)化后進(jìn)入另一座長55m的副塔中進(jìn)一步濃縮至99% 13C。Cola-Colita精餾裝 置垂直懸掛于200m深的地洞中，施工難度極大。
[0009] 美國專利US4029559、US4941956、US5827405報道了用激光法分離13C同位素，但 未見工業(yè)應(yīng)用。雖然激光法被很多專家看好，但它能耗極高、技術(shù)尚未成熟。
[0010] 美國專利US6202440介紹了一種提高原有裝填散堆填料的垂直級聯(lián)裝置生產(chǎn)能 力的一種方法，其實現(xiàn)途徑是在現(xiàn)有生產(chǎn)裝置的前面增加一座裝填規(guī)整填料的垂直級聯(lián)精 餾塔，該塔底得到小于10%豐度的13CO產(chǎn)品作為原料，提供給原有生產(chǎn)裝置，可以提高產(chǎn)能 10倍。該專利的創(chuàng)新點增加一座采用提高流體分布的規(guī)整填料垂直級聯(lián)作為初濃塔，該塔 的產(chǎn)品豐度只適于小于10%的低豐度生產(chǎn)，該塔的產(chǎn)品作為原料供已有的垂直級聯(lián)工業(yè)生 產(chǎn)裝置進(jìn)一步精餾，從而得到99%豐度的產(chǎn)品。正因為它僅作為初濃塔的作用，所以該裝 置的再沸比介于900-2000之間。利用計算機模擬計算，在壓力為0. 8-3. Obar、填料比表面 積為500-1000m2/m3,柱內(nèi)徑0. 25-0. 5m，分離柱分為A、B、C三段。在柱總長為450m?150m 內(nèi)的不同條件進(jìn)行模擬計算，得出最優(yōu)條件為A、B、C三段高分別為44、46、60m，塔內(nèi)徑為 0. 305m，再沸器功率38. 8KW，持液量為5%，13C產(chǎn)品豐度僅為10%。該發(fā)明專利其實也是垂 直級聯(lián)技術(shù)，不能直接得到高豐度產(chǎn)品。如果要得到99%的 13C，總高度將達(dá)到上千米，如 此超長的設(shè)備加工安裝、精餾工況組織及熱量維持涉及到諸多先進(jìn)工業(yè)【技術(shù)領(lǐng)域】。理論上 雖然可以實現(xiàn)，但在工程上顯然并不可行。該專利技術(shù)的缺點是采用垂直級聯(lián)，精餾塔高達(dá) 150多米；各塔直徑相同，沒有利用塔級聯(lián)的優(yōu)勢；再沸比介于900-2000之間，遠(yuǎn)高于常規(guī) 塔級聯(lián)，造成能耗高；不能得到高豐度產(chǎn)品，只能作為初濃塔得到10%以下豐度的產(chǎn)品，再 作為原料提供給原有生產(chǎn)裝置，從而提高原有生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)能力。
[0011] 日本Tokyo Gas Co.于1988-1999年建立了甲烷為介質(zhì)的低溫精餾中試裝置 (伊藤一男，關(guān)于用低溫精密蒸餾法對甲烷碳同位素分離技術(shù)的開發(fā)，Petrotech，Vol. 16， N〇.8，1993，P727-729)。該裝置由原料前處理段、13014濃縮段及 12CH4濃縮段三部分組成。 13〇14濃縮段由30米高的三級聯(lián)組成，其中第一級由7根塔并列而成，采用自己開發(fā)的填料， 第一塔的設(shè)計理論板數(shù)為1000塊、第二塔為1200塊、第三塔為1000塊。 12CH4濃縮塔理論板 數(shù)為1300塊。產(chǎn)品為99%的1301 4及99. 9%的12CH4產(chǎn)品。該中試裝置消耗液氮150公斤/ 小時，原料處理量520升/小時、得到99. 9999%的高純CH4494. 6升/小時、95 %的13CH4O. 4 升/小時、99. 9%的12CH45升/小時。精餾溫度-172?-164°C，壓力0· 4?0· 8atm。該裝 置級聯(lián)為多管塔結(jié)構(gòu)，級聯(lián)間通過氣體相互輸送，即前級塔底通過壓力推動進(jìn)入次級塔的 中部，次級塔頂?shù)臍怏w通過氣體泵輸送至前級塔的中部。該套工藝的缺點是采用大量多管 塔并列提高產(chǎn)能，任何一根管泄漏都將導(dǎo)致整套裝置的停車；多管之間的汽液分布均勻性 及相互影響也不可忽視；氣體輸送泵的氣密性及連續(xù)運轉(zhuǎn)可靠性也存在問題；同時各級塔 都有抽提段，精餾塔的利用率低。
[0012] 中國專利200910197588. 3公開了一種無動力輸送的水平級聯(lián)工藝。其特點是級 聯(lián)之間汽液流動僅依靠流體壓降、重力實現(xiàn)自然回流，而沒有動力輸送設(shè)備。該種生產(chǎn)技術(shù) 的優(yōu)點是不用動力輸送，但缺點是低溫液氮消耗增加。
[0013] 中國專利201110355385. X、201110355376. 0公開了一種低溫精餾生產(chǎn)工藝，其特 點是級聯(lián)之間全部是氣相輸送，水平級聯(lián)各塔中設(shè)置提取段來減小級聯(lián)各塔之間的物料輸 送流量，同時通過改變水平級聯(lián)系統(tǒng)的壓力分布實現(xiàn)各塔間物料的自動流動，或通過氣體 輸送設(shè)備來實現(xiàn)。該種生產(chǎn)技術(shù)的特點是級聯(lián)之間氣體輸送量小，缺點是壓力分布要求高， 工程上控制難度高；同時精餾塔利用率低，設(shè)備投資高。
[0014] 由此可見，現(xiàn)有13C低溫精餾生產(chǎn)技術(shù)具有裝置過高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、冷能消耗大、傳輸 設(shè)備可靠性差、同位素產(chǎn)品達(dá)到99%困難的缺點，造成了生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)能力低下的現(xiàn) 狀。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種僅使用1臺冷 凝器，設(shè)備投資省、采用液相輸送，降低了級聯(lián)塔端的返混現(xiàn)象的生產(chǎn)高豐度 13C的低溫精 餾多塔級聯(lián)節(jié)能裝置。
[0016] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0017] 生產(chǎn)高豐度13C的低溫精餾多塔級聯(lián)節(jié)能裝置，為2-20座塔徑依次減小的精餾塔 組成水平塔級聯(lián)，
[0018] 精餾塔內(nèi)裝填板波紋填料、絲網(wǎng)波紋填料或鋸齒型波紋填料，
[0019] 含有碳元素的原料從第1級精餾塔中部進(jìn)入，第1級精餾塔的塔頂分別通過氣相 管道和液相管道連接1只冷凝器，其余各級精餾塔沒有設(shè)置冷凝器；第1座精餾塔頂連接冷 凝器、廢氣排放管，塔中連接進(jìn)料管，塔釜連接液體出料管及氣體返流管。
[0020] 每級精餾塔的塔釜均連接有再沸器，前級精餾塔塔釜經(jīng)液相管道連接到次級精餾 塔塔頂，次級精餾塔塔頂?shù)妮p同位素氣體經(jīng)氣相管道連接到前級精餾塔塔釜，前級精餾塔 塔釜的重同位素液體通過液體泵輸送到次級精餾塔塔頂；這樣次級塔頂省掉了冷凝器，節(jié) 約了低溫能耗；同樣次級塔是氣相返回前級塔底，所以也節(jié)省了前級塔釜的熱能消耗。
[0021] 第1級精餾塔塔頂?shù)妮p同位素蒸汽從頂部的廢氣管道排出，最后一級精餾塔釜為 豐度不小于99 %的13C產(chǎn)品，通過管道引出，塔釜沒有氣相返回，
[0022] 各精餾塔聯(lián)之間設(shè)有實現(xiàn)同位素在分子內(nèi)重排的同位素擾頻器。
[0023] 同位素的分離在含有同位素的液體和其蒸汽在精餾塔內(nèi)填充的填料表面完成。
[0024] 含有碳元素的原料為CO或CH4。
[0025] 前一級精餾塔塔釜的液體通過低溫液體泵輸送到次級精餾塔塔頂，作為次級精餾 塔的噴淋液；次級精餾塔塔頂?shù)恼羝ㄟ^壓力返回前級精餾塔塔釜。低溫液體泵是級聯(lián)裝 置中唯一的傳動設(shè)備。
[0026] 最后一座精餾塔的再沸比為100-200,其余精餾塔的再沸比為0-20但不為0,均遠(yuǎn) 低于現(xiàn)有技術(shù)如US6202440中公布的900-2000,生產(chǎn)能力得到提高。
[0027] 各級精餾塔內(nèi)壓力為0. 5_5bar，氣相動能因子為0. 3-1. 5m/s(kg/m3)1/2。
[0028] 所述的精餾塔的塔徑為50-5000mm。
[0029] 所述的板波紋填料、絲網(wǎng)波紋填料或鋸齒型波紋填料的比表面積為1000-2000m2/ m3〇
[0030] 所述的板波紋填料、絲網(wǎng)波紋填料或鋸齒型波紋填料的材料為不銹鋼、銅、鋁或其 氧化物及合金。
[0031] 所述的同位素擾頻器內(nèi)充裝材料為Ni、Co、Cu、Zn、Cr、Al、Mg、Fe、Ti、Zr、Mn、Mo、 Ca、B、Ba、W、Ru、Rh、Th、La、Ta、Pd、Ir、Pt、Au、Ag的金屬單質(zhì)，或其合金、氧化物中的一種或 多種，擾頻器工作溫度為20°C?600°C，經(jīng)過濃縮的 13C與12C在擾頻器內(nèi)發(fā)生同位素交換， 達(dá)到平衡后進(jìn)入后級塔內(nèi)繼續(xù)精餾。
[0032] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0033] (1)本發(fā)明采用低溫精餾多塔水平級聯(lián)技術(shù)，解決了傳統(tǒng)垂直級聯(lián)具有的精餾塔 過高、安裝檢修困難、多管塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、放大困難的缺點；也避免了現(xiàn)有多塔水平級聯(lián)氣體 泵存在功耗大、故障率高、氣密性差的缺點。
[0034] (2)本發(fā)明在級聯(lián)中安裝同位素擾頻器，實現(xiàn)13C16O和 12C18O的同位素轉(zhuǎn)化。這樣 可以直接得到99%的13C16O,避免了傳統(tǒng)工藝只能得到93%的 13C，必須高溫反應(yīng)后二次分 離的缺點。擾頻器內(nèi)充裝材料為Ni、Al、Fe、Mn等非貴金屬單質(zhì)或其合金、氧化物中的一種 或多種，及微量Ru、Pd、Pt等貴金屬。擾頻器的工作溫度為20°C?600°C的溫區(qū)。
[0035] (3)本發(fā)明僅使用1臺冷凝器，設(shè)備投資省。
[0036] (4)本發(fā)明第2-N級塔都不需要低溫冷凝，整個工藝的低溫能耗是現(xiàn)有水平級聯(lián) 工藝的50% ;2-N級塔頂返回的氣體進(jìn)入前級塔釜再沸器后不需加熱，節(jié)約了熱量消耗。
[0037] (5)本發(fā)明低溫精餾塔內(nèi)裝填高效波紋規(guī)整填料，效率高于傳統(tǒng)采用散堆填料的 工藝。本發(fā)明每一級均由一根塔組成，塔徑最大可達(dá)5米，克服了傳統(tǒng) 13C分離裝置采用多 管塔結(jié)構(gòu)的缺點。
[0038] (6)本發(fā)明級聯(lián)采用液相輸送，降低了級聯(lián)塔端的返混現(xiàn)象，同時降低了管道直 徑，減少了材料使用。
[0039] (7)本發(fā)明級間使用低溫液體泵實現(xiàn)物料輸送，與氣體泵相比，液體泵具有長期運 轉(zhuǎn)可靠性高、功耗低、價格低、計量準(zhǔn)確的優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0040] 圖1為本發(fā)明由N座低溫精餾塔組成的水平級聯(lián)工藝流程圖。
[0041] 圖2為本發(fā)明CO低溫精餾生產(chǎn)13C的5塔級聯(lián)裝置圖。
[0042] 圖3為本發(fā)明CH4低溫精餾生產(chǎn)13C的5塔級聯(lián)裝置圖。
[0043] 圖4為本發(fā)明采用的鋸齒形波紋填料結(jié)構(gòu)示意圖。
[0044] 圖5為傳統(tǒng)生產(chǎn)13C的垂直級聯(lián)流程圖。

【具體實施方式】
[0045] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0046] 生產(chǎn)高豐度13C的低溫精餾多塔級聯(lián)節(jié)能裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，為η (η = 2-20) 座塔徑依次減小的精餾塔組成水平塔級聯(lián)，精餾塔內(nèi)裝填板波紋填料、絲網(wǎng)波紋填料或鋸 齒型波紋填料，作為優(yōu)選的實施方式，采用的是鋸齒形波紋填料，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
[0047] 含有碳元素的低沸點氣體（如COXH4)從第一級精餾塔12中部的進(jìn)料管11進(jìn)入 精餾塔內(nèi)；第1塔頂?shù)恼羝ㄟ^氣相管道進(jìn)入位于塔頂?shù)?只冷凝器16,冷凝的液體通過 液相管道17返回精餾塔頂，作為第1級塔的噴淋液；
[0048] 精餾塔內(nèi)裝填鋸齒型波紋填料13,塔內(nèi)汽、液兩相在填料表面進(jìn)行交換精餾，輕 同位素組分在塔頂?shù)玫礁患?，重同位素組分在塔釜得到富集；塔內(nèi)的液體在位于塔釜的再 沸器19內(nèi)被加熱汽化，轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?；前級塔釜的液體經(jīng)過一液相管道18,被低溫液體泵 111輸送，進(jìn)入次級塔頂21，作為次級塔的噴淋液；次級塔頂?shù)妮p同位素氣體在壓力驅(qū)動 下通過氣相管道24返回前級塔釜10 ;多座低溫精餾塔組成水平塔級聯(lián)，塔徑依次減??；第 1塔頂?shù)妮p同位素蒸汽經(jīng)管道15從頂部的廢氣管道14排出；塔級聯(lián)之間有同位素擾頻器 (η-1)21，實現(xiàn)在同位素分子內(nèi)的重排；基于同樣的道理，第二級精餾塔22內(nèi)裝有鋸齒型波 紋填料23,塔內(nèi)的液體在位于塔釜的再沸器29內(nèi)被加熱汽化，轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀啵凰囊后w經(jīng) 過一液相管道28,被低溫液體泵211輸送，進(jìn)入后方塔頂（n-1) 1，后方塔頂?shù)妮p同位素氣體 在壓力驅(qū)動下通過氣相管道（n-1) 4返回前級塔釜20。第n-1級精餾塔（n-1) 2內(nèi)裝有鋸齒 型波紋填料（n-1) 3,塔內(nèi)的液體在位于塔釜的再沸器（n-1) 9內(nèi)被加熱汽化，轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀啵?塔釜的液體經(jīng)過一液相管道（n-l)8,被低溫液體泵（n-1) 11輸送至后方塔頂nl，最后一級 精餾塔n2內(nèi)裝有鋸齒型波紋填料n3,塔內(nèi)的液體在位于塔釜的再沸器n9內(nèi)被加熱汽化，轉(zhuǎn) 變?yōu)闅庀啵蠓剿數(shù)妮p同位素氣體在壓力驅(qū)動下通過氣相管道n4返回前級塔釜（n-1) 0 ; 塔釜n0的產(chǎn)物為豐度不小于99%的13C產(chǎn)品，經(jīng)過液相管道n8,經(jīng)管道n31輸送，該塔釜沒 有氣相返回。
[0049] 采用的同位素擾頻器IS內(nèi)充裝材料為Ni、Co、Cu、Zn、Cr、Al、Mg、Fe、Ti、Zr、Mn、 Mo、Ca、B、Ba、W、Ru、Rh、Th、La、Ta、Pd、Ir、Pt、Au、Ag 的金屬單質(zhì)，或其合金、氧化物中的一 種或多種。擾頻器工作溫度為20°C?600°C。經(jīng)過濃縮的13C與 12C在擾頻器內(nèi)發(fā)生同位素 交換，達(dá)到平衡后進(jìn)入后級塔內(nèi)繼續(xù)精餾。本發(fā)明的低溫精餾塔內(nèi)充裝特種高效填料，包括 板波紋、絲網(wǎng)波紋填料、鋸齒形波紋填料，填料的比表面積為1000?2000m 2/m3,填料的材料 是不銹鋼、鋁、銅及其金屬氧化物、合金，結(jié)構(gòu)如圖4所示。
[0050] 另外，本發(fā)明在使用時，各精餾塔的絕對工作壓力為0. 5?5kg/cm2,氣體動能因 子為0. 3-1. 5m/s (kg/m3)1/2,精餾塔內(nèi)徑在50-5000mm，通過低溫精餾直接得到99%的 13C產(chǎn) 品。系統(tǒng)唯一的傳動設(shè)備是低溫液體泵。另外只有1臺冷凝器，置于第1級精餾塔的頂部， 本發(fā)明前級塔釜的液體通過低溫液體泵輸送到次級塔頂，作為次級塔的噴淋液，次級塔頂 的氣體通過壓力的作用下，進(jìn)入前級塔釜，作為返流氣體。這樣次級塔頂省掉了冷凝器，節(jié) 約了低溫能耗；同樣次級塔是氣相返回前級塔底，所以也節(jié)省了前級塔釜的熱能消耗。前 n-1座塔的再沸比為0-20,最后1座塔的再沸比為100-200,均遠(yuǎn)低于US6202440公布的 900-2000,從而生產(chǎn)能力得到提高。接下來對具體的工藝案例做進(jìn)一步的說明。
[0051] 實施例1
[0052] 由CO低溫精餾法生產(chǎn)99% 13C的5塔級聯(lián)節(jié)能裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2。含有碳元素 的低沸點氣體CO從第一級精餾塔12中部的進(jìn)料管11進(jìn)入精餾塔內(nèi)，第1塔頂?shù)恼羝ㄟ^ 氣相管道進(jìn)入位于塔頂?shù)?只冷凝器16,冷凝的液體通過液相管道17返回精餾塔頂，作為 第1級塔的噴淋液。精餾塔內(nèi)裝填鋸齒型波紋填料13,塔內(nèi)汽、液兩相在填料表面進(jìn)行交換 精餾，輕同位素組分在塔頂?shù)玫礁患?，重同位素組分在塔釜得到富集。塔內(nèi)的液體在位于塔 釜的再沸器19內(nèi)被加熱汽化，轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀唷?br> [0053] 第1級塔釜的液體經(jīng)過一液相管道18,被低溫液體泵111輸送，進(jìn)入第2級塔頂 21，作為2級塔的噴淋液；第2級塔頂?shù)妮p同位素氣體在壓力驅(qū)動下通過氣相管道24返回 第1級塔釜10。第1塔頂?shù)妮p同位素蒸汽經(jīng)管道15從頂部的廢氣管道14排出。
[0054] 后面級聯(lián)輸送同上所述。5座低溫精餾塔組成水平塔級聯(lián)，塔徑依次減小。具體來 說，低溫液體泵111將第一級精餾塔12的塔釜輸出的液體自第二級精餾塔22的頂部21輸 入，在精餾塔內(nèi)裝填鋸齒型波紋填料23,塔內(nèi)汽、液兩相在填料表面進(jìn)行交換精餾，輕同位 素組分在塔頂?shù)玫礁患赝凰亟M分在塔釜得到富集。塔內(nèi)的液體在位于塔釜的再沸器 29內(nèi)被加熱汽化，轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?。?級塔釜的液體經(jīng)過一液相管道28,被低溫液體泵211 輸送，進(jìn)入第3級塔頂31，作為3級塔的噴淋液；第3級塔頂?shù)妮p同位素氣體在壓力驅(qū)動下 通過氣相管道34返回第2級塔釜20。
[0055] 低溫液體泵211將第二級精餾塔22的塔釜輸出的液體自第三級精餾塔32的頂部 輸入，在精餾塔內(nèi)裝填鋸齒型波紋填料33,塔內(nèi)汽、液兩相在填料表面進(jìn)行交換精餾，輕同 位素組分在塔頂?shù)玫礁患?，重同位素組分在塔釜得到富集。塔內(nèi)的液體在位于塔釜的再沸 器39內(nèi)被加熱汽化，轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?。?級塔釜的液體經(jīng)過一液相管道38,被低溫液體泵311 輸送，進(jìn)入第4級塔頂41，作為4級塔的噴淋液；第4級塔頂?shù)妮p同位素氣體在壓力驅(qū)動下 通過氣相管道44返回第3級塔釜30。
[0056] 低溫液體泵311將第三級精餾塔32的塔爸輸出的液體自第四級精餾塔42的頂部 輸入，在精餾塔內(nèi)裝填鋸齒型波紋填料43,塔內(nèi)汽、液兩相在填料表面進(jìn)行交換精餾，輕同 位素組分在塔頂?shù)玫礁患?，重同位素組分在塔釜得到富集。塔內(nèi)的液體在位于塔釜的再沸 器49內(nèi)被加熱汽化，轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀唷５?級塔釜的液體經(jīng)過一液相管道48,被低溫液體泵411 輸送，進(jìn)入第5級塔頂51，作為5級塔的噴淋液；第5級塔頂?shù)妮p同位素氣體在壓力驅(qū)動下 通過氣相管道54返回第4級塔釜40。
[0057] 低溫液體泵411將第四級精餾塔42的塔釜輸出的液體自第五級精餾塔52的頂部 輸入，在精餾塔內(nèi)裝填鋸齒型波紋填料53,塔內(nèi)汽、液兩相在填料表面進(jìn)行交換精餾，輕同 位素組分在塔頂?shù)玫礁患赝凰亟M分在塔釜得到富集。塔內(nèi)的液體經(jīng)過一液相管道58 導(dǎo)入至位于塔釜的再沸器59內(nèi)被加熱汽化，轉(zhuǎn)變?yōu)樨S度為99%的 13CO產(chǎn)品，從第5級塔釜 通過管道531引出。第5級塔頂?shù)妮p同位素氣體在壓力驅(qū)動下通過氣相管道54返回第4 級塔釜40。
[0058] 另外，第4級塔頂?shù)臍怏w從氣相管44出來后經(jīng)過同位素擾頻器321，返回第3級塔 釜；第5級塔頂?shù)臍怏w從氣相管54出來后經(jīng)過同位素擾頻器421，返回第4級塔釜。同位 素分子在同位素擾頻器實現(xiàn)熱力學(xué)重排。
[0059] 實施例2
[0060] 由014低溫精餾法生產(chǎn)99% 13C的5塔級聯(lián)節(jié)能裝置，見圖3。含有碳元素的低沸 點氣體〇14從第一塔中部的進(jìn)料管11進(jìn)入精餾塔內(nèi)，第1塔頂?shù)恼羝ㄟ^氣相管道進(jìn)入位 于塔頂?shù)?只冷凝器16,冷凝的液體通過液相管道17返回精餾塔頂，作為第1級塔的噴淋 液。精餾塔內(nèi)裝填鋸齒型波紋填料13,塔內(nèi)汽、液兩相在填料表面進(jìn)行交換精餾，輕同位素 組分在塔頂?shù)玫礁患?，重同位素組分在塔釜得到富集。塔內(nèi)的液體在位于塔釜的再沸器19 內(nèi)被加熱汽化，轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀唷?br> [0061] 第1級塔釜的液體經(jīng)過一液相管道18,被低溫液體泵111輸送，進(jìn)入第2級塔頂 21，作為2級塔的噴淋液；第2級塔頂?shù)妮p同位素氣體在壓力驅(qū)動下通過氣相管道24返回 第1級塔釜10。第1塔頂?shù)妮p同位素蒸汽從頂部的廢氣管道14排出。
[0062] 后面級聯(lián)輸送同上所述。5座低溫精餾塔組成水平塔級聯(lián)，塔徑依次減小。具體來 說，低溫液體泵111將第一級精餾塔12的塔釜輸出的液體自第二級精餾塔22的頂部輸入， 在精餾塔內(nèi)裝填鋸齒型波紋填料23,塔內(nèi)汽、液兩相在填料表面進(jìn)行交換精餾，輕同位素組 分在塔頂?shù)玫礁患赝凰亟M分在塔釜得到富集。塔內(nèi)的液體在位于塔釜的再沸器29內(nèi) 被加熱汽化，轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?。?級塔釜的液體經(jīng)過一液相管道28,被低溫液體泵211輸送， 進(jìn)入第3級塔頂31，作為3級塔的噴淋液；第3級塔頂?shù)妮p同位素氣體在壓力驅(qū)動下通過 氣相管道34返回第2級塔釜20。
[0063] 低溫液體泵211將第二級精餾塔22的塔釜輸出的液體自第三級精餾塔32的頂部 輸入，在精餾塔內(nèi)裝填鋸齒型波紋填料33,塔內(nèi)汽、液兩相在填料表面進(jìn)行交換精餾，輕同 位素組分在塔頂?shù)玫礁患?，重同位素組分在塔釜得到富集。塔內(nèi)的液體在位于塔釜的再沸 器39內(nèi)被加熱汽化，轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀唷５?級塔釜的液體經(jīng)過一液相管道38,被低溫液體泵311 輸送，進(jìn)入第4級塔頂41，作為4級塔的噴淋液；第4級塔頂?shù)妮p同位素氣體在壓力驅(qū)動下 通過氣相管道44返回第3級塔釜30。
[0064] 低溫液體泵311將第三級精餾塔32的塔釜輸出的液體自第四級精餾塔42的頂部 輸入，在精餾塔內(nèi)裝填鋸齒型波紋填料43,塔內(nèi)汽、液兩相在填料表面進(jìn)行交換精餾，輕同 位素組分在塔頂?shù)玫礁患?，重同位素組分在塔釜得到富集。塔內(nèi)的液體在位于塔釜的再沸 器49內(nèi)被加熱汽化，轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?。?級塔釜的液體經(jīng)過一液相管道48,被低溫液體泵411 輸送，進(jìn)入第5級塔頂51，作為5級塔的噴淋液；第5級塔頂?shù)妮p同位素氣體在壓力驅(qū)動下 通過氣相管道54返回第4級塔釜40。
[0065] 低溫液體泵411將第四級精餾塔42的塔釜輸出的液體自第五級精餾塔52的頂部 輸入，在精餾塔內(nèi)裝填鋸齒型波紋填料53,塔內(nèi)汽、液兩相在填料表面進(jìn)行交換精餾，輕同 位素組分在塔頂?shù)玫礁患赝凰亟M分在塔釜得到富集。塔內(nèi)的液體經(jīng)過一液相管道58 導(dǎo)入至位于塔釜的再沸器59內(nèi)被加熱汽化，轉(zhuǎn)變?yōu)樨S度為99%的 13CO產(chǎn)品，從第5級塔釜 通過管道531引出。第5級塔頂?shù)妮p同位素氣體在壓力驅(qū)動下通過氣相管道54返回第4 級塔釜40。
[0066] 對比例
[0067] 圖5是傳統(tǒng)生產(chǎn)13C的垂直級聯(lián)流程圖。

【權(quán)利要求】
1. 生產(chǎn)高豐度13c的低溫精餾多塔級聯(lián)節(jié)能裝置，其特征在于，該級聯(lián)節(jié)能裝置為2-20 座塔徑依次減小的精餾塔組成水平塔級聯(lián)， 精餾塔內(nèi)裝填板波紋填料、絲網(wǎng)波紋填料或鋸齒型波紋填料， 含有碳元素的原料從第1級精餾塔中部進(jìn)入，第1級精餾塔的塔頂分別通過氣相管道 和液相管道連接1只冷凝器，其余各級精餾塔沒有設(shè)置冷凝器； 每級精餾塔的塔釜均連接有再沸器，前級精餾塔塔釜經(jīng)液相管道連接到次級精餾塔塔 頂，次級精餾塔塔頂?shù)妮p同位素氣體經(jīng)氣相管道連接到前級精餾塔塔釜，前級精餾塔塔釜 的中同位素液體通過液體泵輸送到次級精餾塔塔頂； 第1級精餾塔塔頂?shù)妮p同位素蒸汽從頂部的廢氣管道排出，最后一級精餾塔釜為豐度 不小于99 %的13C產(chǎn)品，通過管道引出，塔釜沒有氣相返回。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)高豐度13C的低溫精餾多塔級聯(lián)節(jié)能裝置，其特征在于， 同位素的分離在含有同位素的液體和其蒸汽在精餾塔內(nèi)設(shè)置的填料表面完成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)高豐度13C的低溫精餾多塔級聯(lián)節(jié)能裝置，其特征在于， 含有碳元素的原料為CO或CH4。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)高豐度13C的低溫精餾多塔級聯(lián)節(jié)能裝置，其特征在于， 前一級精餾塔塔釜的液體通過低溫液體泵輸送到次級精餾塔塔頂，作為次級精餾塔的噴淋 液；次級精餾塔塔頂?shù)恼羝ㄟ^壓力返回前級精餾塔塔釜。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)高豐度13C的低溫精餾多塔級聯(lián)節(jié)能裝置，其特征在于， 最后一座精餾塔的再沸比為100-200,其余精餾塔的再沸比為0-20但不為0。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)高豐度13C的低溫精餾多塔級聯(lián)節(jié)能裝置，其特征在于， 各級精餾塔內(nèi)壓力為〇. 5-5bar，氣相動能因子為0. 3-1. 5m/s(kg/m3)1/2。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)高豐度13C的低溫精餾多塔級聯(lián)節(jié)能裝置，其特征在于， 所述的精餾塔的塔徑為50-5000mm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)高豐度13C的低溫精餾多塔級聯(lián)節(jié)能裝置，其特征在于， 所述的板波紋填料、絲網(wǎng)波紋填料或鋸齒型波紋填料的比表面積為1000-2000m2/m3。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的生產(chǎn)高豐度13C的低溫精餾多塔級聯(lián)節(jié)能裝置，其特征 在于，所述的板波紋填料、絲網(wǎng)波紋填料或鋸齒型波紋填料的材料為不銹鋼、銅、鋁或其氧 化物及合金。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)高豐度13C的低溫精餾多塔級聯(lián)節(jié)能裝置，其特征在于， 各精餾塔聯(lián)之間還設(shè)有實現(xiàn)同位素在分子內(nèi)的重排同位素擾頻器，該同位素擾頻器內(nèi)充裝 材料為 Ni、Co、Cu、Zn、Cr、Al、Mg、Fe、Ti、Zr、Mn、Mo、Ca、B、Ba、W、Ru、Rh、Th、La、Ta、Pd、 Ir、Pt、Au、Ag的金屬單質(zhì)，或其合金、氧化物中的一種或多種，擾頻器工作溫度為20°C? 600。。。
【文檔編號】C01B31/02GK104474898SQ201410682633
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】李虎林, 吉永喆, 姜永悅, 田葉盛, 龍磊, 蔡揚 申請人:上?；ぱ芯吭?br>