CN104226111B - 一种联合利用氧气低温精馏法与水精馏法制备氧18水的方法 - Google Patents
一种联合利用氧气低温精馏法与水精馏法制备氧18水的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种联合利用氧气低温精馏法与水精馏法制备氧18水的方法，包括如下步骤：步骤一，氧气低温精馏和步骤二，水精馏，尤其通过在氧气低温精馏段和水精馏段连接处的巧妙设计，达到在氧气低温精馏段已富集的氧18同位素能在理论上100%地得到有效利用，不浪费分离功。采用本发明的技术方案可以解决现有技术中在制备氧18同位素中方法不能将氧18水充分利用的问题，使得制备过程中的氧18水可以充分利用。
Description
技术领域
本发明涉及氧同位素分离技术领域，尤其涉及使用氧气低温精馏法和水精馏法分离氧18水的方法。
背景技术
正电子发射型计算机断层扫描显像（Positron Emission Tomography，PET）/CT作用一种先进的无创、动态的分子显像技术在临床已得到广泛应用，目前多采用放射性同位素18F等标记的正电子显像剂进行PET成像，而且18F是在加速器中用质子轰击氧18水而得到的。氧18水是PET技术的重要原料，随着PET技术的不断发展，氧18水的市场需求量不断增加。
氧的天然同位素有氧16、氧17、氧18三种，其中氧17的天然丰度为0.04%，氧18的天然丰度为0.2%，可见氧18的天然含量非常低，由于氧16与氧18的差别非常小，分离起来相当困难，成本很高。
氧18水的制造方法有膜分离法、热扩散法、氧气低温精馏法、一氧化氮低温精馏法和水精馏法。其中膜分离法发展尚不成熟，热扩散法产量非常小，都未形成工业化生产装置；一氧化氮低温精馏法采用NO体系在低温条件下进行精馏，分离系数比较大，但由于NO易燃易爆，且对人体毒性很大，存在较大安全隐患，在世界范围内出过几次爆炸事故后，此技术方案已被淘汰。
水精馏法在氧18生产中占主导地位，此技术使用天然水为原料，采用数个精馏塔级联，在经过每个精馏塔后，塔底氧18浓度有所提高，逐步得到98%浓度的氧18水。水精馏法的缺点主要有两个：1.水的汽化热2257kJ/kg非常大，能耗大；2.由于天然水中存在150ppm的氘，在精馏塔中氘也会得到富集，而富集的氘将会降低氧18水与氧16水的分离系数，增大分离难度。
氧气低温精馏法采用空气中分离出的氧气做为原料，应用精馏的方法分离氧18，英国Prochem公司很早就用低温精馏氧来分离18O，但由于天然氧气中几乎不含有18O2，主要组成是16O2和16O18O，只能得到25%的氧18丰度。而日本Nippon Sanso Co.通过同位素扰频技术来实现重氧同位素的再分布，具体原因如下式。此技术通过催化转化、克服了之前难以得到高丰度18O的缺陷。
216O18O→16O2+18O2
由于氧气汽化热仅为水的1/6，能够有效降低整套装置的能耗。但由于低温精馏需要巨大的冷箱来对精馏塔进行保温，所需设备投资比较大；且由于空气行业中普遍采用板波纹填料，每米仅有4～5个理论板，需要把精馏塔建非常高，进一步增大设备投资。
为了结合水精馏和氧气低温精馏的优点，日本Nippon Sanso Co.在其专利中提到将水精馏和氧气低温精馏结合起来，前一段采用氧气低温精馏、后一段采用水精馏的工艺流程，但其流程存在不合理之处，水精馏工段中氧18水经过剥淡处理后排出，宝贵的氧18水未完全得到利用，且增加了精馏塔的固定投资及操作费用。
发明内容
针对现有技术中的不足，解决现有技术中在制备氧18同位素中方法不能将氧18水充分利用的问题，本发明提供一种制备氧18水的方法，使得制备过程中的氧18水可以充分利用。本发明采用的技术方案是：一种联合利用氧气低温精馏法与水精馏法制备氧18同位素的方法，包括如下步骤：
如图1所示的产品制备流程图所示，步骤一：氧气低温精馏，在此步骤中，高纯O2在n个精馏塔中进行气液相交换，18O浓度逐渐增大，16O浓度逐渐减小；
步骤二：水精馏，在此步骤中，H2O在m个精馏塔中进行气液相交换，18O浓度进步提高，最终得到产品，步骤一中末个精馏塔塔底的O2物流经过换热器升温后，在加氢反应装置中与H2反应生成H2O，生成的H2O在中浓氧18水储罐缓冲后再进入步骤二中的第一个精馏塔，而步骤二中的第一个精馏塔塔顶的H2O物流经过电解装置生成O2和H2，生成的O2经过换热器后进入O2储罐缓冲后再返回步骤一中的末个精馏塔塔底。
更进一步地可以利用电解水步骤中产生的氢气，将电解装置生成的H2经过换热器后进入加氢反应装置中与O2反应生成H2O，进一步地使生产过程中的中间产物可以得到充分利用。
步骤一中的精馏塔个数n为2～20个；
步骤二中的精馏塔个数m为2～20个；
所述步骤一中的工艺采用普通的低温精馏工艺，其中全塔操作压力25～80KPa；
所述步骤二中的工艺采用普通的精馏工艺，其中全塔操作压力10～60Kpa。
本发明的有益技术效果是：将水精馏法具有的设备投资低、常温下操作、稳定性高的优点与氧气低温精馏具有的能耗低的优点结合起来，进行联合利用。本发明中将水精馏法和氧气低温精馏法结合起来，采用两段工艺生产氧18水，第一段采用氧气低温精馏，达到节能降耗之目的，第二段采用水精馏法，能够使操作更加稳定、降低投资，同时通过在氧气低温精馏段和水精馏段连接处的巧妙设计，达到在氧气低温精馏段已富集的氧18同位素能在理论上100%地得到有效利用，不浪费分离功，经模拟计算，可计算得出理论产量为100kg/8000小时。
附图说明
图1是本发明方法流程示意图。
图2是本发明实施例7的工艺条件参数表格。
具体实施方式
实施例1
氧18水的富集制备经过两个步骤，第一个步骤为氧气低温精馏阶段，在此步骤中，O2在精馏塔中进行气液相交换，18O浓度逐渐增大，16O浓度逐渐减小，高纯氧气首先经过低温精馏塔进行精馏过程，由于氧17的天然丰度非常低，且很难得到富集，可忽略氧17的存在，由于氧18的天然丰度只有0.2%，18O2的天然含量也可直接忽略，我们认为体系中只含有16O2和16O18O。
高纯氧气从塔中部进入T11塔，T11塔进料口上部称为剥淡段，进料口下部称为富集段。T11塔内部进行精馏过程的气液相交换，富集段往下16O18O浓度逐渐增高，16O2浓度逐渐降低，在T11塔底16O18O浓度最高。
由于16O2和16O18O的分离系数特别小，一个塔完不成分离任务，只能把几个塔串联起来共同完成此分离任务，称之为级联。用物流P-2将T11塔底产品引到T12塔顶进料口，在T12塔内继续进行气液相交换反应，从T12塔顶到塔底16O18O浓度逐渐增高，16O2浓度逐渐降低，在T12塔底处16O18O浓度最高。第一工段共有2个塔级联共同做功把16O18O浓度增高。
第二个步骤为水精馏阶段，在此步骤中H2O在精馏塔中进行气液相交换，18O浓度逐渐增大到98%，第二阶段从中浓氧18水储罐开始算起，我们认为体系中只含有H2 16O和H2 18O。浓氧18水从塔中部进入T21塔，T21塔进料口上部称为剥淡段，进料口下部称为富集段。T21塔内部进行精馏过程的气液相交换，富集段往下H2 18O浓度逐渐增高，H2 16O浓度逐渐降低，在T21塔底H2 18O浓度最高。由于H2 16O和H2 18O的分离系数特别小，一个塔完不成分离任务，只能把几个塔串联起来共同完成此分离任务，称之为级联。
用物流将T21塔底产品引到T22塔顶进料口，在T22塔内继续进行气液相交换反应，从T22塔顶到塔底H2 18O浓度逐渐增高，H2 16O浓度逐渐降低，在T22塔底H2 18O浓度最高。同理，第二工段共有20个塔级联共同做功把H2 18O浓度增高。
第一工段精馏塔T12塔底的O2物流经过换热器之后温度升高，在加氢反应装置中与H2反应生成H2O，生成的H2O在中浓氧18水储罐缓冲后进入第二工段的精馏塔T21，而第二工段精馏塔T21塔顶的H2O物流经过电解装置生成O2和H2，生成的O2经过换热器EC后进入O2储罐缓冲后再返回第一工段的T12塔。
实施例2
氧18水的富集制备经过两个步骤，第一个步骤为氧气低温精馏阶段，高纯氧气首先经过低温精馏塔进行精馏过程，高纯氧气从塔中部进入T11塔，T11塔进料口上部称为剥淡段，进料口下部称为富集段。T11塔内部进行精馏过程的气液相交换，富集段往下16O18O浓度逐渐增高，16O2浓度逐渐降低，在T11塔底16O18O浓度最高。
用物流P-2将T11塔底产品引到T12塔顶进料口，在T12塔内继续进行气液相交换反应，从T12塔顶到塔底16O18O浓度逐渐增高，16O2浓度逐渐降低，在T12塔底处16O18O浓度最高。同理第一工段共有4个塔级联共同做功把16O18O浓度增高。
第二个步骤为水精馏阶段，在此步骤中H2O在精馏塔中进行气液相交换，18O浓度逐渐增大到98%，第二阶段从中浓氧18水储罐开始算起，我们认为体系中只含有H2 16O和H2 18O。中浓氧18水从塔中部进入T21塔，T21塔进料口上部称为剥淡段，进料口下部称为富集段。T21塔内部进行精馏过程的气液相交换，富集段往下H2 18O浓度逐渐增高，H2 16O浓度逐渐降低，在T21塔底H2 18O浓度最高。
用物流将T21塔底产品引到T22塔顶进料口，在T22塔内继续进行气液相交换反应，从T22塔顶到塔底H2 18O浓度逐渐增高，H2 16O浓度逐渐降低，在T22塔底H2 18O浓度最高。同理，第二工段共有15个塔级联共同做功把H2 18O浓度增高。
第一工段精馏塔T14塔底的O2物流经过换热器之后温度升高，在加氢反应装置中与H2反应生成H2O，生成的H2O在中浓氧18水储罐缓冲后进入第二工段的精馏塔T21，而第二工段精馏塔T21塔顶的H2O物流经过电解装置生成O2和H2，生成的O2经过换热器EC后进入O2储罐缓冲后再返回第一工段的塔T14，点解生成的H2经过换热器后进入加氢反应装置中与O2反应生成H2O。
实施例3
氧18水的富集制备经过两个步骤，第一个步骤为氧气低温精馏阶段，高纯氧气首先经过低温精馏塔进行精馏过程，高纯氧气从塔中部进入T11塔，T11塔进料口上部称为剥淡段，进料口下部称为富集段。T11塔内部进行精馏过程的气液相交换，富集段往下16O18O浓度逐渐增高，16O2浓度逐渐降低，在T11塔底16O18O浓度最高。
用物流P-2将T11塔底产品引到T12塔顶进料口，在T12塔内继续进行气液相交换反应，从T12塔顶到塔底16O18O浓度逐渐增高，16O2浓度逐渐降低，在T12塔底处16O18O浓度最高，第一工段共有6个塔级联共同做功把16O18O浓度增高。
第二个步骤为水精馏阶段，在此步骤中H2O在精馏塔中进行气液相交换，18O浓度逐渐增大到98%，第二阶段从中浓氧18水储罐开始算起，我们认为体系中只含有H2 16O和H2 18O。中浓氧18水从塔中部进入T21塔，T21塔进料口上部称为剥淡段，进料口下部称为富集段。T21塔内部进行精馏过程的气液相交换，富集段往下H2 18O浓度逐渐增高，H2 16O浓度逐渐降低，在T21塔底H2 18O浓度最高。
用物流P-20将T21塔底产品引到T22塔顶进料口，在T22塔内继续进行气液相交换反应，从T22塔顶到塔底H2 18O浓度逐渐增高，H2 16O浓度逐渐降低，在T22塔底H2 18O浓度最高。同理，第二工段共有10个塔级联共同做功把H2 18O浓度增高。
第一工段精馏塔T16塔底的O2物流经过换热器之后温度升高，在加氢反应装置中与H2反应生成H2O，生成的H2O在中浓氧18水储罐缓冲后进入第二工段的精馏塔T21，而第二工段精馏塔T21塔顶的H2O物流经过电解装置生成O2和H2，生成的O2经过换热器EC后进入O2储罐缓冲后再返回第一工段的T16塔。
实施例4
氧18水的富集制备经过两个步骤，第一个步骤为氧气低温精馏阶段，高纯氧气首先经过低温精馏塔进行精馏过程，高纯氧气从塔中部进入T11塔，T11塔进料口上部称为剥淡段，进料口下部称为富集段。T11塔内部进行精馏过程的气液相交换，富集段往下16O18O浓度逐渐增高，16O2浓度逐渐降低，在T11塔底16O18O浓度最高。
用物流P-2将T11塔底产品引到T12塔顶进料口，在T12塔内继续进行气液相交换反应，从T12塔顶到塔底16O18O浓度逐渐增高，16O2浓度逐渐降低，在T12塔底处16O18O浓度最高。第一工段共有8个塔级联共同做功把16O18O浓度增高。
第二个步骤为水精馏阶段，在此步骤中H2O在精馏塔中进行气液相交换，18O浓度逐渐增大到98%，第二阶段从中浓氧18水储罐开始算起，我们认为体系中只含有H2 16O和H2 18O。中浓氧18水从塔中部进入T21塔，T21塔进料口上部称为剥淡段，进料口下部称为富集段。T21塔内部进行精馏过程的气液相交换，富集段往下H2 18O浓度逐渐增高，H2 16O浓度逐渐降低，在T21塔底H2 18O浓度最高。
用物流P-20将T21塔底产品引到T22塔顶进料口，在T22塔内继续进行气液相交换反应，从T22塔顶到塔底H2 18O浓度逐渐增高，H2 16O浓度逐渐降低，在T22塔底H2 18O浓度最高。同理，第二工段共有7个塔级联共同做功把H2 18O浓度增高。
第一工段精馏塔T18塔底的O2物流经过换热器之后温度升高，在加氢反应装置中与H2反应生成H2O，生成的H2O在中浓氧18水储罐缓冲后进入第二工段的精馏塔T21，而第二工段精馏塔T21塔顶的H2O物流经过电解装置生成O2和H2，生成的O2经过换热器EC后进入O2储罐缓冲后再返回第一工段的T18塔，点解生成的H2经过换热器后进入加氢反应装置中与O2反应生成H2O。
实施例5
氧18水的富集制备经过两个步骤，第一个步骤为氧气低温精馏阶段，高纯氧气首先经过低温精馏塔进行精馏过程，高纯氧气从塔中部进入T11塔，T11塔进料口上部称为剥淡段，进料口下部称为富集段。T11塔内部进行精馏过程的气液相交换，富集段往下16O18O浓度逐渐增高，16O2浓度逐渐降低，在T11塔底16O18O浓度最高。
用物流P-2将T11塔底产品引到T12塔顶进料口，在T12塔内继续进行气液相交换反应，从T12塔顶到塔底16O18O浓度逐渐增高，16O2浓度逐渐降低，在T12塔底处16O18O浓度最高。第一工段共有10个塔级联共同做功把16O18O浓度增高。
第二个步骤为水精馏阶段，在此步骤中H2O在精馏塔中进行气液相交换，18O浓度逐渐增大到98%，第二阶段从中浓氧18水储罐开始算起，我们认为体系中只含有H2 16O和H2 18O。中浓氧18水从塔中部进入T21塔，T21塔进料口上部称为剥淡段，进料口下部称为富集段。T21塔内部进行精馏过程的气液相交换，富集段往下H2 18O浓度逐渐增高，H2 16O浓度逐渐降低，在T21塔底H2 18O浓度最高。
用物流P-20将T21塔底产品引到T22塔顶进料口，在T22塔内继续进行气液相交换反应，从T22塔顶到塔底H2 18O浓度逐渐增高，H2 16O浓度逐渐降低，在T22塔底H2 18O浓度最高。同理，第二工段共有5个塔级联共同做功把H2 18O浓度增高。
第一工段精馏塔T110塔底的O2物流经过换热器之后温度升高，在加氢反应装置中与H2反应生成H2O，生成的H2O在中浓氧18水储罐缓冲后进入第二工段的精馏塔T21，而第二工段精馏塔T21塔顶的H2O物流经过电解装置生成O2和H2，生成的O2经过换热器EC后进入O2储罐缓冲后再返回第一工段的T110塔，点解生成的H2经过换热器后进入加氢反应装置中与O2反应生成H2O。
实施例6
氧18水的富集制备经过两个步骤，第一个步骤为氧气低温精馏阶段，高纯氧气首先经过低温精馏塔进行精馏过程，高纯氧气从塔中部进入T11塔，T11塔进料口上部称为剥淡段，进料口下部称为富集段。T11塔内部进行精馏过程的气液相交换，富集段往下16O18O浓度逐渐增高，16O2浓度逐渐降低，在T11塔底16O18O浓度最高。
用物流P-2将T11塔底产品引到T12塔顶进料口，在T12塔内继续进行气液相交换反应，从T12塔顶到塔底16O18O浓度逐渐增高，16O2浓度逐渐降低，在T12塔底处16O18O浓度最高。第一工段共有20个塔级联共同做功把16O18O浓度增高。
第二个步骤为水精馏阶段，在此步骤中H2O在精馏塔中进行气液相交换，18O浓度逐渐增大到98%，第二阶段从中浓氧18水储罐开始算起，我们认为体系中只含有H2 16O和H2 18O。中浓氧18水从塔中部进入T21塔，T21塔进料口上部称为剥淡段，进料口下部称为富集段。T21塔内部进行精馏过程的气液相交换，富集段往下H2 18O浓度逐渐增高，H2 16O浓度逐渐降低，在T21塔底H2 18O浓度最高。
用物流P-20将T21塔底产品引到T22塔顶进料口，在T22塔内继续进行气液相交换反应，从T22塔顶到塔底H2 18O浓度逐渐增高，H2 16O浓度逐渐降低，在T22塔底H2 18O浓度最高。同理，第二工段共有2个塔级联共同做功把H2 18O浓度增高。
第一工段精馏塔T120塔底的O2物流P-15经过换热器E1n2之后温度升高，在加氢反应装置中与H2反应生成H2O，生成的H2O在中浓氧18水储罐缓冲后进入第二工段的精馏塔T21，而第二工段精馏塔T21塔顶的H2O物流经过电解装置生成O2和H2，生成的O2经过换热器EC后进入O2储罐缓冲后再返回第一工段的T120塔，点解生成的H2经过换热器后进入加氢反应装置中与O2反应生成H2O。
实施例7
氧18水的富集制备经过两个步骤，第一个步骤为氧气低温精馏阶段，高纯氧气首先经过低温精馏塔进行精馏过程，高纯氧气从塔中部进入T11塔，T11塔进料口上部称为剥淡段，进料口下部称为富集段。T11塔内部进行精馏过程的气液相交换，富集段往下16O18O浓度逐渐增高，16O2浓度逐渐降低，在T11塔底16O18O浓度最高。
用物流P-2将T11塔底产品引到T12塔顶进料口，在T12塔内继续进行气液相交换反应，从T12塔顶到塔底16O18O浓度逐渐增高，16O2浓度逐渐降低，在T12塔底处16O18O浓度最高。第一工段共有4个塔级联共同做功把16O18O浓度增高。
第二个步骤为水精馏阶段，在此步骤中H2O在精馏塔中进行气液相交换，18O浓度逐渐增大到98%，第二阶段从中浓氧18水储罐开始算起，我们认为体系中只含有H2 16O和H2 18O。中浓氧18水从塔中部进入T21塔，T21塔进料口上部称为剥淡段，进料口下部称为富集段。T21塔内部进行精馏过程的气液相交换，富集段往下H2 18O浓度逐渐增高，H2 16O浓度逐渐降低，在T21塔底H2 18O浓度最高。
用物流P-20将T21塔底产品引到T22塔顶进料口，在T22塔内继续进行气液相交换反应，从T22塔顶到塔底H2 18O浓度逐渐增高，H2 16O浓度逐渐降低，在T22塔底H2 18O浓度最高。同理，第二工段共有4个塔级联共同做功把H2 18O浓度增高。
第一工段精馏塔T14塔底的O2物流经过换热器之后温度升高，在加氢反应装置中与H2反应生成H2O，生成的H2O在中浓氧18水储罐缓冲后进入第二工段的精馏塔T21，而第二工段精馏塔T21塔顶的H2O物流经过电解装置生成O2和H2，生成的O2经过换热器EC后进入O2储罐缓冲后再返回第一工段的T14塔，点解生成的H2经过换热器后进入加氢反应装置中与O2反应生成H2O。实施例7中塔工艺条件见图2所示。
Claims (6)
1.一种联合利用氧气低温精馏法与水精馏法制备氧18水的方法，包括如下步骤：
步骤一：氧气低温精馏，在此步骤中，高纯O2在n个精馏塔中进行气液相交换，18O浓度逐渐增大，16O浓度逐渐减小；
步骤二：水精馏，在此步骤中，H2O在m个精馏塔中进行气液相交换，18O浓度进一步提高，最终得到产品，其特征在于步骤一中末个精馏塔塔底的O2物流经过换热器升温后，在加氢反应装置中与H2反应生成H2O，生成的H2O在中浓氧18水储罐缓冲后再进入步骤二中的第一个精馏塔，而步骤二中的第一个精馏塔塔顶的H2O物流经过电解装置生成O2和H2，生成的O2经过换热器后进入O2储罐缓冲后再返回步骤一中的末个精馏塔塔底。
2.根据权利要求1所述的联合利用氧气低温精馏法与水精馏法制备氧18水的方法，其特征在于电解装置生成的H2经过换热器后进入加氢反应装置中与O2反应生成H2O。
3.根据权利要求1或2所述的联合利用氧气低温精馏法与水精馏法制备氧18水的方法，其特征在于步骤一中的精馏塔个数n为2～20个。
4.根据权利要求1或2所述的联合利用氧气低温精馏法与水精馏法制备氧18水的方法，其特征在于步骤二中的精馏塔个数m为2～20个。
5.根据权利要求1或2所述的联合利用氧气低温精馏法与水精馏法制备氧18水的方法，其特征在于步骤一中氧气低温精馏的工艺参数为：全塔操作压力25～80KPa。
6.根据权利要求1或2所述的联合利用氧气低温精馏法与水精馏法制备氧18水的方法，其特征在于步骤二中水精馏的工艺参数为：全塔操作压力10～60KPa。
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2013
- 2013-06-18 CN CN201310240529.6A patent/CN104226111B/zh active Active
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