一種濃縮富集穩定同位素²H、¹⁸O、¹³C的方法和裝置的製作方法

2023-07-01 23:13:56 1

專利名稱：一種濃縮富集穩定同位素2H、18O、13C的方法和裝置的製作方法
—種濃縮富集穩定同位素2H、180、13C的方法和裝置本發明涉及一種化工產品的生產方法和生產裝置技術領域，具體地說是一種濃縮富集穩定同位素2H、18o、13c的方法和裝置。自然界中，氫元素共有兩種穩定同位素1H(氕)，2H (氘)，原子量分別是1，2其天然豐度分別為99. 985%, O. 015% ；自然界中，氧元素存在三種穩定同位素160，170，180，其原子量分別為16，17，18，天然豐度分別為99. 76%, O. 04%, O. 20% ；自然界中，碳元素存在兩種穩定同位素12C，13C原子量分別為12，13其天然豐度分別為99%，1%。上述每種同位素之間，除原子量差別外，具有幾乎一樣的物理性質和化學性質；另外，由於2H，180，13C的半衰期均大於IO15年，故也稱為穩定同位素。相對於自然界中佔絕大多數的輕同位素1H, 160,12C,同位素2H, 180,13C也成為重同位素。生產分離穩定同位素的方法有很多，早期主要有熱擴散法、電解法、雷射法、離心法和吸附法等，主要是年生產百克級同位素的小規模裝置，用於研究領域的示蹤應用；後來主要有化學交換法和精餾法等技術，年生產數公斤以上規模的裝置，產品已開始用於醫學、化學、生命科學等民用領域。發展到現在，主要以「熱集成、高效率、大規模」為標誌的化學交換法和精餾法等第三代分離濃縮技術，年生產百公斤以上同位素產品的規模，廣泛應用到醫學、生命科學、化學、環境科學、食品、防偽等各個領域。目前，精餾法分離濃縮技術還存在許多不足之處各塔採用相同的恆定操作壓力，塔之間熱量無法耦合利用，能耗高；塔內普遍採用單一的顆粒填料，不易於放大；大規模生產重2H, 18O或13C同位素的裝置需要串並聯幾十上百個塔，投資大；塔之間(串並聯)級聯技術複雜，控制操作困難；系統持液量大，系統平衡時間長等。本發明的目的就是要解決上述的不足而提供一種濃縮富集穩定同位素2H、180、13C的方法和裝置。為實現上述目的設計一種濃縮富集穩定同位素2H、180、13C的方法，其包括以下步驟I)、原料純化將分別含有重氫同位素、重氧同位素、重碳同位素的化合物為原料經過純化處理；2 )、濃縮富集重氫同位素、重氧同位素、重碳同位素化合物將步驟I)所純化後的化合物分別加入由多級汽液傳質塔串聯而成的重同位素濃縮塔組中，在每級汽液傳質塔內經過多次汽液兩相傳熱傳質過程,所述每級汽液傳質塔內構成初始的液相，流到塔底後會被再沸器加熱汽化構成初始汽相，下行的液相和上行的汽相在複合結構傳質組件中連續逆流接觸，在每一小段傳質組件中會因汽液兩相的傳熱而完成一次部分汽化和一次部分冷凝，在此過程中，重同位素會因相對揮發度小在下行的液相會被逐步濃縮富集出重氫同位素、重氧同位素、重碳同位素化合物；步驟2)中所純化後的重氫同位素、重氧同位素、重碳同位素化合物在每級汽液傳質塔內經過200 - 400次汽液兩相傳熱傳質過程。步驟I)中所述含有重氫同位素的化合物為H20 (ZjC)XH2O (甲醒)、CH4 (甲燒);所述含有重氧同位素的化合物為=H2O (水)、CH2O (甲醛)、CO (一氧化碳)、NO (一氧化氮)；所述含有重碳同位素的化合物為=CH4 (甲烷)、C0 (—氧化碳)、CH20 (甲醛)。所述每級汽液傳質塔的塔頂操作壓力在50 — 760mmHgo所述第I級汽液傳質塔的塔頂操作壓力均高於第2級至最後一級汽液傳質塔的塔頂操作壓力，所述第2級至最後一級汽液傳質塔的塔頂操作壓力均相同。一種濃縮富集穩定同位素2H、180、13C的裝置，包括多級串聯的汽液傳質塔以及物料儲存罐、進料泵、多臺冷凝器、多個調節閥、多臺物料輸送泵和出料泵，所述每級汽液傳質塔由多節塔節上下疊加而成，每節塔節內設有液體收集分布器、狄克鬆散堆傳質組件及金屬波紋傳質組件，最下節塔節的下方設有再沸器，所述每級汽液傳質塔的頂部分別設有物料進口和蒸汽出口，底部分別設有物料出口、蒸汽進口和物料返回口，所述進料泵的進口與物料儲存罐連通，所述進料泵的出口與第I級汽液傳質塔的物料進口連通，所述物料輸送泵、冷凝器分別設置在相鄰兩汽液傳質塔之間，所述物料輸送泵的進口連接上一級汽液傳質塔的物料出口，所述物料輸送泵的出口連接下一級汽液傳質塔的物料進口，所述冷凝器的進口連接下一級汽液傳質塔的蒸汽出口，所述冷凝器的出口連接上一級汽液傳質塔的物料返回口，所述出料泵與最後一級汽液傳質塔的物料出口連接，所述第I級汽液傳質塔的蒸汽進口連接外界蒸汽管路，所述第2級至最後一級汽液傳質塔的蒸汽進口通過管路分別連接第I級汽液傳質塔的蒸汽出口。所述每臺物料輸送泵的出口還設有自動調節閥，所述調節閥一端與物料輸送泵的出口相連通，所述調節閥另一端與與下一級汽液傳質塔頂物料進口相連通，用以調節控制各級塔相應再沸器內的液位和進入下一級汽液傳質塔的塔頂液體的流量。所述波紋傳質組件的等板高度在2. 5cm-3. 5cm,所述狄克鬆散堆傳質組件的等板高度在1. 5cm_2. 5cm。所述每節塔節內由上而下依次設有液體收集分布器、傳質組件壓環、狄克鬆散堆傳質組件、金屬波紋傳質組件及支撐層。本發明的有益效果各塔採用不同的操作壓力，即變壓操作，塔之間熱量互相耦合利用，節約能耗30— 40%以上；塔內採用由液體收集分布器、狄克松傳質組件以及波紋傳質組件等組成的複合結構傳質組件，易於放大；大規模生產重2H, 18O或13C同位素裝置只需串聯2-8個汽液傳質塔，較同規模裝置節約投資50%以上；塔之間採用簡單的串聯級聯技術，操作控制容易；由於流程簡單，系統持液量小，系統平衡時間大為縮短。

圖1 :本發明的重同位素濃縮塔組流程示意圖；圖2 :本發明的濃縮塔組中第Tk級汽液傳質塔結構示意圖；圖3 :本發明的高豐度2H2O濃縮生產工藝流程框圖4 :本發明的高豐度H218O濃縮生產工藝流程框圖；圖5 :本發明的高豐度13CO2濃縮生產工藝流程框圖。下面結合附圖對本發明作以下進一步說明如圖1所示，含2H,或180，或13C為天然豐度的原料經純化後儲存在物料儲存罐1，由進料泵2輸送，且經調節閥3計量以一定流量進入第Tl級汽液傳質塔4的頂部，液體下行至塔底，在再沸器5中被蒸汽加熱成汽相，加熱介質為經調節閥6控制流量的外界蒸汽；下行液體與上行汽相在汽液傳質組件中逆流接觸，不斷部分汽化和部分冷凝，重同位素在塔的下部得到第I次濃縮，第Tl級塔底利用物料輸送泵7抽出部分液體，經調節閥8控制再沸器5內的液位，以一定流量送入第T2級汽液傳質塔9的頂部。在T2級塔中，下行液體流至再沸器10中，被來自第Tl級塔頂部的蒸汽加熱成上行汽相，來自第Tl級塔頂的(熱源)蒸汽由調節閥12控制流量，在T2級塔中，下行液體與上行汽相在汽液傳質組件中逆流接觸，不斷進行部分汽化和部分冷凝，重同位素在該塔下部得到第2次濃縮；第T2級塔頂部蒸汽進冷凝器11被冷凝成液相全部返回到第Tl級塔底的再沸器5中。第T2級塔底由物料輸送泵13抽出部分液體，經調節閥14控制再沸器10內的液位，以一定的流量進入第T3級汽液傳質塔的頂部，第T3汽液傳質塔頂部蒸汽經冷凝後進入第T2級塔底部再沸器10中；順序的，相同於第Tl和T2級塔的原理，重同位素得到第3次濃縮。同樣，在串聯的第Tk級塔中，重同位素得到第k次濃縮。同樣，來自第Tn-2級塔底的液體以一定流量進入第Tn-1級塔15的頂部，液體下行至塔底再沸器16中，被來自第Tl級塔頂的蒸汽加熱成上行汽相，來自第Tl級塔頂(熱源)蒸汽由調節閥18控制流量。 在第Tn-1級塔中，下行液體與上行汽相在汽液傳質組件中逆流接觸，不斷進行部分汽化和部分冷凝，重同位素在該塔中得到第η-1次濃縮，第η-1級塔頂的蒸汽進入冷凝器17被冷凝成液體後全部返回到第Tn-2級塔底的再沸器中；在第Tn-1級塔底部抽出一定量的液體由物料輸送泵19輸送，經調劑閥20控制再沸器16內的液位，以一定流量進入最後一級即第Tn級塔21的頂部，在該塔中，下行液體流至塔底部再沸器22中，被來自第Tl級塔頂的蒸汽加熱成上行汽相，來自第Tl級塔頂的(熱源)蒸汽經調節閥24控制流量，在第Tn級塔中，下行液體與上行汽相在傳質組件中逆流接觸，不斷進行部分汽化和部分冷凝，重同位素得到第η次濃縮，即達到或超過設計豐度要求後，經出料泵25輸送，再經調節閥26控制再沸器22內的液位，而連續不斷的採出高豐度重同位素粗品。第Tn塔頂蒸汽進入冷凝器23中，冷凝成液體後返回到Tn-1級塔底。如圖2所示，a為再沸器、b為物料進口、c為蒸汽出口、d為物料出口、e為物料返回口、f為蒸汽進口。塔由m節塔節組成，每節塔節中由上而下裝有一個特殊結構的液體收集分布器，一定高度的等板高度在1. 5cm-2. 5cm的狄克松傳質組件，一定高度的等板高度在2.5cm-3.5cm的波紋傳質組件。重同位素分離難易程度不同，構成該塔的塔節數(m)也不相同。取前一級第Tk-1級塔底一定流量的液體經物料輸送泵輸送到第Tk級塔頂部，先經過初分布管27進行初始分布，液體進入特殊結構液體收集分布器28進行第二次分布，經兩級分布後液體均勻進入該塔節狄克松傳質組件30及波紋傳質組件31，兩段傳質組件的上部有傳質組件壓環29，下部有支撐層32 ;在傳質組件中，下行液體與上行汽相逆流接觸，進行多次部分汽化和部分冷凝，達到重同位素濃縮目的；經過第一節塔節後，液體由上而下順序的進入第2至第m節塔節，最終完成重同位素的第k次濃縮。在每一節塔節的末端，液體會有一定程度的不均勻分布，但進入相鄰的下一節塔節的液體收集分布盤後，液體會重新達到均勻分布，並進入該塔節的傳質組件中。實施例1如圖3所示，天然水經過去離子化裝置33進行純化處理，進入重同位素濃縮塔組34，重同位素濃縮塔組由2級汽液傳質塔串聯而成，每個汽液傳質塔由6節塔節組成(即n=2, m=6)。重同位素2H(D)濃縮到99%以後，進入電解裝置35，高豐度99%的2H2氣體在燃燒反應裝置36中與外界輸入O2結合，最終冷卻成正常化的99%高豐度2H2O ;從電解裝置中出來的低豐度18O2在燃燒反應裝置37中，與外界高純度H2結合，經冷卻最終形成低豐度副產H218O產品。實施例2如圖4所示，天然水經過去離子化裝置38進行純化處理，進入重同位素濃縮塔組39，重同位素濃縮塔組由4級汽液傳質塔串聯而成，每級汽液傳質塔由6節塔節組成(即n=4，m=6)。重同位素18O濃縮到98%以後，進入電解裝置40，高豐度(98%)的18O2氣體在燃燒反應裝置42中與外界輸入H2結合，最終冷卻成正常化的98%高豐度H218O ;從電解裝置中出來的低豐度2H2 (也稱D2)在燃燒反應裝置41中，與外界高純度O2結合，經冷卻最終形成低豐度副產2H2O (也稱D2O)產品。實施例3如圖5所示，以天然甲烷CH4為原料，在乾燥脫水裝置43中進行乾燥、純化處理，進入重同位素濃縮塔組44中，重同位素濃縮塔組由6級汽液傳質塔串聯而成，每級汽液傳質塔由6節塔節組成(即n=6，m=6)。重同位素13C濃縮到99%以上豐度後，進入燃燒反應裝置45中，與外界高純度02結合，經冷卻後，氣相部分為99%高豐度產品13CO2，液相部分為副產的低豐度2H2O (也稱D2O)產品。下表為本發明三個實施案例，但本發明的範圍不局限於實施例
權利要求
1.一種濃縮富集穩定同位素2H、18o、13c的方法，其特徵在於，包括以下步驟 I)、原料純化 將分別含有重氫同位素、重氧同位素、重碳同位素的化合物為原料經過純化處理； 2 )、濃縮富集重氫同位素、重氧同位素、重碳同位素化合物 將步驟I)所純化後的化合物分別加入由多級汽液傳質塔串聯而成的重同位素濃縮塔組中，在每級汽液傳質塔內經過多次汽液兩相傳熱傳質過程,所述每級汽液傳質塔內構成初始的液相，流到塔底後會被再沸器加熱汽化構成初始汽相，下行的液相和上行的汽相在複合結構傳質組件中連續逆流接觸，在每一小段傳質組件中會因汽液兩相的傳熱而完成一次部分汽化和一次部分冷凝，在此過程中，重同位素會因相對揮發度小在下行的液相會被逐步濃縮富集出重氫同位素、重氧同位素、重碳同位素化合物。
2.如權利要求1所述的濃縮富集穩定同位素2H、180、13C的方法，其特徵在於步驟2)中所純化後的重氫同位素、重氧同位素、重碳同位素化合物在每級汽液傳質塔內經過200 -400次汽液兩相傳熱傳質過程。
3.如權利要求1或2所述的濃縮富集穩定同位素2H、180、13C的方法，其特徵在於步驟O中所述含有重氫同位素的化合物為水、甲醛、甲烷；所述含有重氧同位素的化合物為水、甲醛、一氧化碳、一氧化氮；所述含有重碳同位素的化合物為甲烷、一氧化碳、甲醛。
4.如權利要求3所述的濃縮富集穩定同位素2H、180、13C的方法，其特徵在於所述每級汽液傳質塔的塔頂操作壓力在50 - 760mmHg。
5.如權利要求4所述的濃縮富集穩定同位素2H、180、13C的方法，其特徵在於所述第I級汽液傳質塔的塔頂操作壓力均高於第2級至最後一級汽液傳質塔的塔頂操作壓力，所述第2級至最後一級汽液傳質塔的塔頂操作壓力均相同。
6.一種濃縮富集穩定同位素2H、180、13C的裝置，其特徵在於包括多級串聯的汽液傳質塔以及物料儲存罐、進料泵、多臺冷凝器、多個調節閥、多臺物料輸送泵和出料泵，所述每級汽液傳質塔由多節塔節上下疊加而成，每節塔節內設有液體收集分布器、狄克鬆散堆傳質組件及金屬波紋傳質組件，最下節塔節的下方設有再沸器，所述每級汽液傳質塔的頂部分別設有物料進口和蒸汽出口，底部分別設有物料出口、蒸汽進口和物料返回口，所述進料泵的進口與物料儲存罐連通，所述進料泵的出口與第I級汽液傳質塔的物料進口連通，所述物料輸送泵、冷凝器分別設置在相鄰兩汽液傳質塔之間，所述物料輸送泵的進口連接上一級汽液傳質塔的物料出口，所述物料輸送泵的出口連接下一級汽液傳質塔的物料進口，所述冷凝器的進口連接下一級汽液傳質塔的蒸汽出口，所述冷凝器的出口連接上一級汽液傳質塔的物料返回口，所述出料泵與最後一級汽液傳質塔的物料出口連接，所述第I級汽液傳質塔的蒸汽進口連接外界蒸汽管路，所述第2級至最後一級汽液傳質塔的蒸汽進口通過管路分別連接第I級汽液傳質塔的蒸汽出口。
7.如權利要求6所述的濃縮富集穩定同位素2H、180、13C的裝置，其特徵在於所述每臺物料輸送泵的出口還設有自動調節閥，所述調節閥一端與物料輸送泵的出口相連通，所述調節閥另一端與下一級汽液傳質塔頂部的物料進口相連通。
8.如權利要求6或7所述的濃縮富集穩定同位素2H、180、13C的裝置，其特徵在於所述波紋傳質組件的等板高度在2. 5cm-3. 5cm,所述狄克鬆散堆傳質組件的等板高度在1.5cm-2. 5cm。
9.如權利要求8所述的濃縮富集穩定同位素2H、180、13C的裝置，其特徵在於所述每節塔節內由上而下依次設有液體收集分布器、傳質組件壓環、狄克鬆散堆傳質組件、金屬波紋傳質組件及支撐層。
全文摘要
本發明涉及一種濃縮富集穩定同位素2H、18O、13C的方法和裝置，將分別含有穩定同位素2H、18O、13C的化合物為原料經過純化處理後，加入由多級汽液傳質塔串聯而成的重同位素濃縮塔組中，利用氫、氧、碳元素的輕、重同位素間的微弱蒸汽壓差別，在串聯的汽液傳質塔組中，不斷部分汽化和部分冷凝，逐步濃縮提純相應的重同位素，本發明的各塔採用不同的操作壓力，塔之間熱量互相耦合利用，節約能耗30—40%以上；塔內採用由液體收集分布器、狄克松傳質組件以及波紋傳質組件等組成的複合結構傳質組件，易於放大；大規模生產重2H，18O或13C同位素裝置只需串聯2-8個汽液傳質塔，較同規模裝置節約投資50%以上；塔之間採用簡單的串聯級聯技術，流程簡單，操作控制容易。
文檔編號B01D59/04GK103055697SQ201310016340
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月16日 優先權日2013年1月16日
發明者伍昭化, 伍子傑, 陳永紅 申請人:伍昭化