[发明专利]一种生产高浓碳－13二氧化碳的方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种冷热回流二氧化碳/二正丁胺/辛烷同位素交换生产高浓碳-13的方法及系统，属于稳定同位素碳-13生产技术领域。

背景技术

天然界所有含碳物质中的碳元素均是由两种稳定同位素碳-12和碳-13组成的，它们的天然含量(称天然丰度)分别为98.99％和1.01％，原子结构差别仅在于原子核的中子数目不同，碳-13比碳-12多一个中子。由于它们的核外性质相同，化学性质及绝大多数物理性质完全相同，所以碳-13是碳元素最好的示踪剂。碳元素是有机生命体的主要组成元素，而碳-13又是稳定同位素(即没有放射性危害问题)，可以直接用于人体，所以在医、药、生物化学和生命科学等科学领域中得到了广泛的应用，具有重要的经济和社会效益。

工业化生产碳-13的现有技术是-194℃一氧化碳低温精馏方法，该方法存在设备、仪表要求高，投资和能耗较大，需要既毒又难得的高纯一氧化碳做原料，而且还不能直接获得93％以上浓度的碳-13产品等缺点。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点，降低生产成本，本发明提供了一种生产高浓碳-13二氧化碳的方法，该方法用少量市售钢瓶二氧化碳为原料，以二氧化碳/二正丁胺/辛烷为碳同位素交换工作体系，通过浓缩工段和提取工段这两个工段的冷热回流，使得二氧化碳和由二正丁胺/辛烷溶液吸收二氧化碳而生成的氨基甲酸酯/辛烷溶液发生碳同位素交换，实现循环回流分离碳-12和碳-13的过程；

1)浓缩工段

在浓缩工段中，将提取工段中的热回流塔分解得到的二氧化碳与少量具有天然丰度的二氧化碳的汇流物作为浓缩工段的原料，送入第1级浓缩塔上方的第1级冷回流塔底部，自下而上流动，与由第1级浓缩塔下方第1级热回流塔分解而得的二正丁胺/辛烷溶液逆流接触，生成氨基甲酸酯/辛烷溶液；然后让所述氨基甲酸酯/辛烷溶液进入第1级浓缩塔塔顶自上而下流动，与来自第2级浓缩塔塔顶的二氧化碳逆流接触进行碳的同位素交换反应，使得往下流动的氨基甲酸酯/辛烷溶液中碳-13浓度不断升高，而向上流动的二氧化碳中碳-13浓度不断剥淡，从第1级浓缩塔塔顶流出所述浓缩工段的二氧化碳中的碳-13浓度略低于天然丰度，将这股二氧化碳作为提取工段的原料，送至提取工段中第1级提取塔的塔底，继续供同位素交换反应使用，以便进一步提取其中的碳-13；

从第1级浓缩塔塔底流出的氨基甲酸酯/辛烷溶液，其中碳-13浓度已获得一定程度的提高，让其流入第1级浓缩塔下方的第1热回流塔，受热分解得二正丁胺/辛烷溶液和碳-13浓度获得一定程度提高的二氧化碳；所述分解得的二正丁胺/辛烷溶液自第1级热回流塔塔底流出，经冷却器后用计量泵送回第1级浓缩塔上方第1级冷回流塔塔顶，循环使用；所述碳-13浓度获得一定程度提高的二氧化碳从第1级热回流塔塔顶流出后直接进入第2级浓缩塔上方的第2级冷回流塔塔底，作为浓缩工段第2级以后浓缩碳-13的原料；如此继续下去，在浓缩工段最后级浓缩塔下方的最后级热回流塔塔顶获得所需同位素浓度的碳-13二氧化碳产品；

在浓缩工段中，将各冷回流塔塔顶流出的吸收过剩的二氧化碳分别与所对应级别的浓缩塔塔顶出来的二氧化碳汇合，返回到前级浓缩塔塔底，供同位素交换反应用；

2)提取工段

在提取工段中，将提取工段中热回流塔塔底流出的二正丁胺/辛烷溶液，经冷却器后用计量泵送到提取工段中冷回流塔塔顶，自上而下流动，与来自最后级提取塔塔顶出来的二氧化碳逆流接触，生成氨基甲酸酯/辛烷溶液；所述氨基甲酸酯/辛烷溶液又流回最后级提取塔塔顶，与浓缩塔工作原理相同，在所述提取塔中同样发生碳的同位素交换反应，气相向上流，碳-13同位素浓度不断剥淡，液相往下流，碳-13同位素浓度逐渐提高，从提取塔塔底流出的液体直接用计量泵全部送至前级提取塔塔顶，如此继续下去，从第1级提取塔塔底流出的氨基甲酸酯/辛烷溶液，其中的碳-13同位素浓度已经恢复到天然丰度，流入提取工段的热回流塔，分解得到的具有天然丰度的二氧化碳被作为上述浓缩工段的原料来源之一，它占原料总量的99％以上；