[发明专利]生产高丰度13C的低温精馏多塔级联节能装置

说明书

技术领域

本发明涉及低温精馏法生产稳定同位素的工艺技术，尤其是涉及一种生产高丰度¹³C的低温精馏多塔级联节能装置。

背景技术

稳定性同位素的应用越来越广，其分离方法有热扩散法、气体扩散法、离心分离法、激光法、化学交换法、离子交换法及精馏法。但适合工业应用的目前只有低温精馏法。稳定性同位素¹³C、¹⁸O、¹⁵N、¹⁰B大多是用CO、NO、BF₃低温精馏得到的。CO低温精馏中¹²CO/¹³CO理想分离系数为1.01，而实际大多小于1.008，所以要想从天然丰度1.11％¹³CO富集到99％¹³CO，一般需要3000块理论板，所以导致同位素分离级联具有非常大的长度。同时，由于采用乱堆填料，一般塔径都小于100mm，要扩大生产规模，就得采用多管塔。这使得实际生产装置安装起来相当困难。低温精馏分离同位素时，低温精馏塔是主要的设备投资；在生产过程中，回流比高达1000以上，所以低温能耗是主要的生产成本。

在现有技术中，已有稳定同位素¹³C的生产方法。

1947年美国Eastman Kodak公司采用毒性极强的HCN/NaCN化学交换法(Clyde A.Hutchison，David W.Stewart，Harold C.Urey，the concentration of ¹³C，Journal ofchemical physics，Vol.8，1940，532-537)，进行半工业化生产65％¹³C，后被勒令关闭。

在20世纪60年代，美国用CH₄热扩散法生产¹³C(W.M.Rutherford，J.M.Keller，Preparation of highly enriched carbon-13by thermal diffusion of methane，the journal of chemical physics，Vol.44，No.2，1966，723)；因该法生产能力小、耗费大量电能，后被CO低温精馏法取代。

美国Los Alamos实验室(B.B.Mclnteer，isotope separation by distillation：design of a carbon-13plant，separation science and technology，vol.15，No.3，1980，491-508)于1978年建立了一座年产8kg/a99％¹³C的工厂(设计能力为20kg/a)，即Cola-Colita装置。主塔由两段组成，第一级由6根塔径为5cm、长100m的多管塔并列组成，第二级为长100m、塔径为5cm的一根塔构成；塔内装散堆填料，两级垂直并接，总长200m。该种方法的特点是采用垂直级联，级联容易实现，缺点是需要大量直径很小的管并列来提高产量，精馏塔特别长，场地要求高。直接精馏¹³C产品丰度只能达到81.9％。主塔的产品在钨管内、1200℃下经同位素转化装置高温反应：

转化后进入另一座长55m的副塔中进一步浓缩至99％¹³C。Cola-Colita精馏装置垂直悬挂于200m深的地洞中，施工难度极大。

美国专利US4029559、US4941956、US5827405报道了用激光法分离¹³C同位素，但未见工业应用。虽然激光法被很多专家看好，但它能耗极高、技术尚未成熟。