本發(fā)明涉及高豐度²²Ne和²⁰Ne的生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種氖氣生產(chǎn)穩(wěn)定同位素的精餾工藝和裝置。

背景技術(shù)：

1912年湯姆遜(J.J.Thomson)在陽離子磁分析儀中發(fā)現(xiàn)了天然氖中的兩個穩(wěn)定性同位素(²⁰Ne和²²Ne)，該發(fā)現(xiàn)也首次證實(shí)了非放射元素也存在同位素。現(xiàn)已證實(shí)，天然氖氣是由²⁰Ne、²¹Ne和²²Ne三種穩(wěn)定性同位素組成的混合物，天然豐度分別為90.47％，0.28％和9.25％。

²²Ne和²⁰Ne具有雙凸峰的光強(qiáng)-頻率特征，是用于制備激光陀螺的氦氖激光器的關(guān)鍵材料。激光陀螺儀是一種能夠精確地確定運(yùn)動物體方位的新型慣性導(dǎo)航儀器，具有極高的亮度、極好的方向性和穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代航空、航海、航天和國防工業(yè)中，它的發(fā)展對一個國家的工業(yè)、國防和其他高科技的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。氖同位素的分離于1913年就開始了相關(guān)研究工作，其分離方法包括氣體擴(kuò)散法、質(zhì)量擴(kuò)散法、低溫精餾法、以及熱擴(kuò)散法等?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道最多的是運(yùn)用熱擴(kuò)散法分離氖同位素的研究。

20世紀(jì)40年代，迪凱爾(G.Dickel)和克勞休斯(K.Glusius)首先用熱擴(kuò)散柱成功分離氖同位素，天然氖氣在溫度梯度的作用下，²²Ne作為重組分富集于較冷區(qū)域，²⁰Ne作為輕組分富集于較熱區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)氖同位素的分離。經(jīng)過試驗(yàn)研究，研究者們以總長29米的熱擴(kuò)散級聯(lián)裝置成功的獲取了濃度高達(dá)99.99％的²²Ne和²⁰Ne。美國芒特(Mound)實(shí)驗(yàn)室在這方面開展了大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)工作，建立了²⁰Ne和²²Ne同位素豐度均超過99.9％，每天產(chǎn)量分別達(dá)到數(shù)升²⁰Ne和數(shù)百毫升²²Ne的氖同位素生產(chǎn)裝置。

國內(nèi)的上海化工研究院于20世紀(jì)70年代開始熱擴(kuò)散法分離氖穩(wěn)定同位素的研究，自行設(shè)計(jì)并建造了熱擴(kuò)散柱級聯(lián)生產(chǎn)系統(tǒng)，成功的實(shí)現(xiàn)了²²Ne和²⁰Ne的分離，豐度均超過99.9％，其中²²Ne同位素產(chǎn)量達(dá)到240mL/d，²⁰Ne同位素產(chǎn)量達(dá)到600mL/d，該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)打破了國外對于氖同位素產(chǎn)品的壟斷，填補(bǔ)國內(nèi)空白，為維護(hù)國家的國防安全做出了突出貢獻(xiàn)。然而隨著民用核技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有氖同位素的生產(chǎn)規(guī)模越來越無法滿足市場需求。

由文獻(xiàn)查閱可知，目前國內(nèi)外實(shí)現(xiàn)氖同位素分離主要采用熱擴(kuò)散法。熱擴(kuò)散法作為最基本的同位素分離方法，雖然具有設(shè)備簡單、無轉(zhuǎn)動部件、級聯(lián)容易實(shí)現(xiàn)、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但是其最突出的缺陷是生產(chǎn)裝置不易放大，產(chǎn)率低，且電能消耗也較大。在諸多的同位素分離方法中，精餾法適合于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，如低溫精餾法制取¹³C、真空水精餾法制取¹⁸O、化學(xué)交換精餾法制取¹⁵N等。

申請?zhí)?01210061205.1的中國專利公開了一種氖氦分離提純的方法，涉及一種從含氖氦混合氣中分離制取高純氖氣和高純氦氣的方法。該專利公開的工藝方法包括氖氦混合氣凈化處理、氖氦混合氣低溫分離等過程，而不涉及同位素分離、級聯(lián)理論等復(fù)雜過程，只是通過單一的精餾塔實(shí)現(xiàn)氖氦分離級提純，況且在一篇名為《氖氣的液化與氖氦氣體的分離》的文獻(xiàn)資料中也涉及到氖氦分離的相關(guān)報(bào)道。本專利公開了一種由氖氣生產(chǎn)穩(wěn)定同位素的精餾工藝和裝置，二者的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)以及關(guān)鍵設(shè)備完全不同；再者，低溫精餾法制備氖同位素方面的文獻(xiàn)報(bào)道極少，而專利文獻(xiàn)更是空白。

由于氖同位素是制造激光陀螺等激光器的關(guān)鍵材料，涉及國防、航空航天、機(jī)械加工、醫(yī)療器械等多種應(yīng)用領(lǐng)域，為推動民用核技術(shù)的快速發(fā)展，迫切需要開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的氖同位素規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)，解決現(xiàn)有氖同位素生產(chǎn)裝置產(chǎn)能低下的瓶頸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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氖氣生產(chǎn)穩(wěn)定同位素²²Ne和²⁰Ne的精餾工藝和裝置。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種氖氣生產(chǎn)穩(wěn)定同位素的精餾裝置，包括：

原料凈化系統(tǒng)：包括沿原料氖氣進(jìn)氣方向依次連接的第一壓縮機(jī)、除水干燥組件和脫氮脫氧組件；

低溫精餾級聯(lián)系統(tǒng)：連接所述原料凈化系統(tǒng)，包括依次連接的冷凝組件和低溫精餾級聯(lián)組件，所述低溫精餾級聯(lián)組件由n級精餾塔級聯(lián)而成，其中，n為不小于1的整數(shù)，

所述的n級精餾塔中，每一級精餾塔均有提餾段和精餾段，原料氖氣經(jīng)冷凝組件冷卻后送入第1級精餾塔的進(jìn)料點(diǎn)，

當(dāng)n≥2時，相鄰兩級精餾塔件設(shè)有級聯(lián)冷凝器，前一級精餾塔的塔釜出料送入后一級精餾塔的進(jìn)料點(diǎn)，后一級精餾塔塔頂?shù)囊徊糠治锪纤腿爰壜?lián)冷凝器中，冷凝成液相返回前一級精餾塔內(nèi)，另一部分物料進(jìn)入塔頂冷凝器冷凝回流；低溫精餾級聯(lián)組件工作時，²⁰Ne同位素作為輕組分在第1級精餾塔塔頂濃縮并作為產(chǎn)品輸出，²²Ne同位素產(chǎn)品作為重組分在第n級精餾塔塔釜富集并輸出產(chǎn)品。

優(yōu)選的，所述的除水干燥組件包括兩個并聯(lián)的除水干燥塔，其內(nèi)部裝有除水干燥柱，所述的脫氮脫氧組件包括兩個并排設(shè)置的低溫吸附塔，其內(nèi)部裝有脫氮脫氧吸附柱。

優(yōu)選的，所述冷凝組件包括依次連接的第二壓縮機(jī)、第二換熱器、液氮冷凝器、第三換熱器、高壓節(jié)流閥和氣液分離罐，該氣液分離罐兩個上部出口和一個底部出口，其中一個上部出口經(jīng)一個中壓節(jié)流閥連接第1級精餾塔的進(jìn)料點(diǎn)，另一個上部出口依次經(jīng)過第三換熱器、第二換熱器后，返回連接第二壓縮機(jī)入口，底部出口連接一個中壓節(jié)流閥并輸出液氖。

更優(yōu)選的，經(jīng)中壓節(jié)流閥冷凝的液氖作為冷源進(jìn)入液氖冷凝器，所述低溫精餾級聯(lián)組件的塔頂冷凝器與級聯(lián)冷凝器均置入所述液氖冷凝器中，所述的液氖冷凝器的氣化氖氣出口還通過管道依次經(jīng)過第三換熱器、第二換熱器，并返回連接第二壓縮機(jī)的入口。

優(yōu)選的，所述的低溫精餾級聯(lián)組件中的理論塔板數(shù)為1000～2000塊，每級精餾塔的塔經(jīng)為0.015～0.3m。

優(yōu)選的，所述的n級精餾塔中，從第1級精餾塔到第n級精餾塔，塔經(jīng)逐漸減小。

優(yōu)選的，精餾塔內(nèi)填充高效絲網(wǎng)或者板波紋規(guī)整填料，材質(zhì)包括不銹鋼、磷青銅、或者相關(guān)金屬合金及其氧化物；且在塔內(nèi)等距離間隔處放置液體再分布器。

采用上述精餾裝置的精餾工藝，包括以下步驟：

(1)原料凈化處理

原料氖氣由第一壓縮機(jī)壓縮增壓后，經(jīng)第一換熱器預(yù)冷，再依次通過除水干燥組件和脫氮脫氧組件凈化除雜，得到凈化原料氖氣；

(2)低溫精餾處理

(2-1)凈化原料氖氣進(jìn)入冷凝組件，依次經(jīng)過第二壓縮機(jī)增壓，第二換熱器、液氮冷凝器和第三換熱器換熱，高壓節(jié)流閥調(diào)壓后，再經(jīng)過液氖冷凝器冷凝，形成氣液混合物進(jìn)入氣液分離器內(nèi)；

(2-2)氣液分離器中，一個上部出口輸出一部分氣相，經(jīng)一個中壓節(jié)流閥節(jié)流后，從第1級精餾塔的進(jìn)料點(diǎn)進(jìn)入低溫精餾級聯(lián)組件，低溫精餾處理，并從第1級精餾塔塔頂濃縮輕組分²⁰Ne同位素，所得輕組分²⁰Ne同位素部分冷凝回流，剩余部分經(jīng)第三換熱器與第二換熱器復(fù)溫后，作為²⁰Ne同位素產(chǎn)品輸出，第n級精餾塔塔釜富集重組分²²Ne同位素，并作為產(chǎn)品輸出；

(2-3)氣液分離器中，另一個上部出口輸出另一部分氣相，并依次與第三換熱器和第二換熱器換熱，返回送入第二壓縮機(jī)入口，底部出口輸出物料經(jīng)一個中壓節(jié)流閥進(jìn)一步節(jié)流降溫液化，并作為冷源送入液氖冷凝器中，液氖冷凝器中排出的重新氣化的氖氣再依次與第三換熱器和第二換熱器換熱，返回送入第二壓縮機(jī)入口。

優(yōu)選的，所述的低溫精餾級聯(lián)組件，塔頂操作的絕對壓力為1.0～3.0kg/cm²，相鄰兩級精餾塔中，后一級精餾塔內(nèi)壓力不高于前一級精餾塔內(nèi)壓力。

優(yōu)選的，所述的凈化原料氣滿足：H₂O含量≤0.1ppm，N₂含量≤0.1ppm，O₂含量≤0.1ppm，Ar含量≤0.1ppm，且高沸點(diǎn)雜質(zhì)(高于氖氣沸點(diǎn)-246℃的氣體組分統(tǒng)稱為高沸點(diǎn)雜質(zhì))總量<1ppm。

優(yōu)選的，液氖是通過以下過程獲得的：凈化原料氖氣先通過第二壓縮機(jī)增壓到150～160bar，經(jīng)第二換熱器換熱冷卻至285～300K，然后進(jìn)入液氮冷凝器，將原料氣體用液氮冷卻至80K，再經(jīng)過第三換熱器后，由高壓節(jié)流閥進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)，通過氣液分離器，原料氣體的溫度接近30～35K，再經(jīng)過中壓節(jié)流閥，使得氖氣液化。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明提出一種低溫精餾法制取²⁰Ne和²²Ne同位素，適合于公斤級、幾十公斤級乃至百公斤的規(guī)模化生產(chǎn)需要，克服了熱擴(kuò)散法不易放大的缺點(diǎn)。

(2)同時在本發(fā)明設(shè)計(jì)的低溫精餾級聯(lián)系統(tǒng)中，各級精餾塔均設(shè)置有提餾段，可減少塔間的物料傳輸量。

(3)級聯(lián)塔之間采用無動力輸送，前一級塔釜的氣相在壓差的推動下進(jìn)入后一級塔的中部，后一級精餾塔塔頂?shù)牟糠謿庀辔锪线M(jìn)入冷凝器被冷凝成液體，在重力作用下返回至前一級塔內(nèi)，如此實(shí)現(xiàn)各級塔間的物料輸送。簡化操作，利于生產(chǎn)裝置長期、穩(wěn)定的運(yùn)行。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明的實(shí)施例2的工藝流程圖；

圖中，1-天然高純氖氣鋼瓶，2-減壓閥，3-原料緩沖罐，4-第一壓縮機(jī)，5-第一換熱器，6-除水干燥塔，6A、6B-除水干燥柱，7-低溫吸附塔，7A、7B-脫氮脫氧吸附柱，8-第二壓縮機(jī)，9-第二換熱器，10-液氮冷凝器，11-第三換熱器，12-高壓節(jié)流閥，13-液氖冷凝器，14-氣液分離器，15-中壓節(jié)流閥a，F(xiàn)1-中壓節(jié)流閥b，T1～Tn-精餾塔，F(xiàn)2～Fn、V1～Vn-調(diào)節(jié)閥，C0～Cn、K1～Kn-冷凝蒸發(fā)器，16-液氮，17、19-氮?dú)猓?8-回流氖氣，20-穩(wěn)定同位素²⁰Ne產(chǎn)品，21-穩(wěn)定同位素²²Ne產(chǎn)品。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例

圖1為本發(fā)明由n級低溫精餾塔組成的制備氖同位素的精餾工藝示意圖。所述精餾裝置包括原料凈化系統(tǒng)和低溫精餾級聯(lián)系統(tǒng)兩大系統(tǒng)。所述的低溫精餾級聯(lián)系統(tǒng)全部放置于冷箱內(nèi)，或者放置于多層絕熱的真空容器內(nèi)，其真空度達(dá)到5×10^-6Pa以上。

參照圖1所示的流程，高純的天然氖氣從天然高純氖氣鋼瓶1釋放出來后，經(jīng)減壓閥2和原料緩沖罐3，由第一壓縮機(jī)(膜壓機(jī))4增壓至20～30bar，經(jīng)過第一換熱器5預(yù)冷后，依次通過并聯(lián)的兩個除水干燥塔6(分別裝有除水干燥柱6A、6B)、并聯(lián)的兩個低溫吸附塔7(內(nèi)部分別裝有脫氮脫氧吸附柱7A、7B)，除去天然氖氣中的水份以及氮氧等雜質(zhì)，凈化后的氖氣中H₂O含量≤0.1ppm，N₂含量≤0.1ppm，O₂含量≤0.1ppm，Ar含量≤0.1ppm，且高沸點(diǎn)雜質(zhì)總量<1ppm。

凈化后的原料氖氣進(jìn)入低溫精餾級聯(lián)系統(tǒng)。首先由第二壓縮機(jī)(膜壓機(jī))8增壓至150～160bar后進(jìn)入低溫分離裝置，高壓原料氖氣由高壓節(jié)流閥12和中壓節(jié)流閥15進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，但是僅僅通過這一過程是無法將氖氣液化的，因此裝置內(nèi)設(shè)有第二換熱器9和第三換熱器11，以及液氮冷凝器10，利用液氮經(jīng)換熱蒸發(fā)后形成低溫氮?dú)夂凸?jié)流后溫度較低的介質(zhì)氣體(即低溫氖氣)返回至節(jié)流前，進(jìn)行冷熱傳遞，逐步提高節(jié)流降溫的效果，直至氖氣液化，液氖進(jìn)入液氖冷凝器13，作為低溫精餾級聯(lián)組件的冷源。在氖氣液化的過程中，溫區(qū)的變化過程為：經(jīng)第二換熱器9換熱，將第二壓縮機(jī)(膜壓機(jī))8出口的氣體冷卻至285～300K，然后進(jìn)入液氮冷凝器10，將原料氣體用液氮冷卻至80K，再經(jīng)過第三換熱器11后，由高壓節(jié)流閥12進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)，再經(jīng)過位于液氖冷凝器13內(nèi)的冷凝蒸發(fā)器C0，通過氣液分離器14后，原料氣體的溫度接近30～35K，再經(jīng)過中壓節(jié)流閥15，使得氖氣液化。

這部分中還有一條外部的液氮16線路作為冷源介質(zhì)，其中一部分作為冷源冷卻低溫吸附塔7，防止其脫氮脫氧吸附柱7A、7B在吸附過程中過熱而失活；在低溫吸附塔7內(nèi)，液氮經(jīng)換熱蒸發(fā)形成低溫氮?dú)?，繼續(xù)進(jìn)入第一換熱器5進(jìn)行熱交換后作為氮?dú)?7排出。另一部液氮16作為冷源直接進(jìn)入液氮冷凝器10內(nèi)，蒸發(fā)后形成的低溫氮?dú)饫^續(xù)進(jìn)入第二換熱器9進(jìn)行熱量交換后作為氮?dú)?9排出。

氣液分離器14中的一部分氣體經(jīng)過調(diào)節(jié)閥V0計(jì)量后，與從液氖冷凝器13出來的氣化氖氣一起，再經(jīng)過第三換熱器11和第二換熱器9換熱，作為回流氖氣18送入第二壓縮機(jī)8入口。

氣液分離器14中的另一部分氣體經(jīng)過中壓節(jié)流閥F1，進(jìn)入氖同位素分離用低溫精餾級聯(lián)組件內(nèi)，該低溫精餾級聯(lián)組件由T1～Tn共n級低溫精餾塔組成，n級精餾塔分別包括塔頂冷凝器K1～Kn、塔釜再沸器B1～Bn、以及填充有規(guī)整填料的精餾柱，以上n級精餾塔均設(shè)置有提餾段，塔頂冷凝器K1～Kn均放置于液氖冷凝器13中。原料氖氣的進(jìn)料點(diǎn)位于第1級精餾塔T1的中部，相鄰兩級低溫精餾塔中，前一級精餾塔塔釜的物料經(jīng)過調(diào)節(jié)閥(F2、F3、…或Fn)調(diào)節(jié)后進(jìn)入后一級精餾塔的中部，同時，后一級精餾塔塔頂?shù)牟糠治锪辖?jīng)過調(diào)節(jié)閥(V2、V3、…或Vn)調(diào)節(jié)后進(jìn)入級聯(lián)冷凝器(C1、C2、…或Cn-1)，冷凝成液相后返回至前一級精餾塔內(nèi)。級聯(lián)冷凝器C1～Cn-1同樣放置于液氖冷凝器13中。在低溫精餾級聯(lián)組件內(nèi)，²²Ne同位素作為重組分在最后一級精餾塔Tn塔底得到富集，通過管線21輸出²²Ne同位素產(chǎn)品；²⁰Ne同位素作為輕組分在第1級精餾塔T1塔頂達(dá)到濃縮，由調(diào)節(jié)閥V1調(diào)節(jié)計(jì)量后，經(jīng)過第三換熱器11和第二換熱器9復(fù)溫后，通過管線20輸出²⁰Ne同位素產(chǎn)品。

實(shí)施例2

如圖2所示，與實(shí)施例1相比，除了本實(shí)施例兩塔級聯(lián)組成的氖同位素精餾裝置外，其余均相同。

天然氖氣原料經(jīng)過干燥脫水、低溫吸附除氮氧雜質(zhì)后，進(jìn)入低溫精餾兩塔級聯(lián)組件，第1級精餾塔T1和第2級精餾塔T2均設(shè)有提餾段。從氣液分離器14出來的部分氣相經(jīng)中壓節(jié)流閥F1送入第1級精餾塔T1的中部進(jìn)料點(diǎn)，第1級精餾塔T1塔釜物料在壓差推動下經(jīng)調(diào)節(jié)閥F2輸送至第2級精餾塔T2中部，塔頂?shù)牟糠治锪辖?jīng)調(diào)節(jié)閥V1計(jì)量，經(jīng)第三換熱器11和第二換熱器9復(fù)溫后作為20Ne同位素產(chǎn)品輸出，產(chǎn)品豐度達(dá)到99.9％以上，其余部分物料經(jīng)塔頂冷凝器K1冷凝成液相回流。第2級精餾塔T2塔頂?shù)牟糠治锪辖?jīng)調(diào)節(jié)閥V2送至級間冷凝器C1，冷凝成液相后在重力作用下返回第1級精餾塔T1，返回物料點(diǎn)位于第1級精餾塔T1中上部，而第2級精餾塔T2塔頂?shù)钠溆嗖糠治锪辖?jīng)塔頂冷凝器K2冷凝成液相回流。在第2級精餾塔T2塔釜處得到日產(chǎn)近237升的高豐度的²²Ne同位素產(chǎn)品，豐度不低于99.9％。

在本實(shí)施例2中，塔頂冷凝器K1～K2以及級聯(lián)冷凝器C1均放置于液氖儲槽13中。具體的工藝條件如下表1所示。

表1制備高豐度²²Ne同位素產(chǎn)品的兩塔級聯(lián)工藝條件

結(jié)合表1所給出的工藝設(shè)計(jì)結(jié)果分析可知，與熱擴(kuò)散法分離氖同位素相比，本發(fā)明的級聯(lián)系統(tǒng)裝置顯著提升了氖同位素的生產(chǎn)能力，適合于大規(guī)模制取²²Ne和²⁰Ne同位素產(chǎn)品。

上述的對實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。