CN106731837A

CN106731837A - 一种氖气生产稳定同位素的精馏工艺和装置

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Publication number: CN106731837A
Application number: CN201611088256.8A
Authority: CN
Inventors: 田叶盛; 李虎林; 姜永悦; 周健跃; 吉永喆; 龙磊; 肖敬美; 蔡扬
Original assignee: Shanghai Research Institute of Chemical Industry SRICI
Current assignee: Shanghai Research Institute of Chemical Industry SRICI
Priority date: 2016-12-01
Filing date: 2016-12-01
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2036-12-01
Also published as: CN106731837B

Abstract

本发明涉及一种氖气生产稳定同位素的精馏工艺和装置，精馏装置包括原料净化系统：包括沿原料氖气进气方向依次连接的第一压缩机、除水干燥组件和脱氮脱氧组件；低温精馏级联系统：包括依次连接的冷凝组件和低温精馏级联组件，所述低温精馏级联组件由n级精馏塔级联而成，其中，n为不小于1的整数，相邻两级精馏塔件设有级联冷凝器，前一级精馏塔的塔釜出料送入后一级精馏塔的进料点，后一级精馏塔塔顶的一部分物料送入级联冷凝器中，冷凝成液相返回前一级精馏塔内，另一部分物料冷凝回流。与现有技术相比，本发明克服了热扩散法不易放大的缺点，适合于公斤级、几十公斤级乃至百公斤的规模化生产需要，且可实现长期而稳定的运行。

Description

一种氖气生产稳定同位素的精馏工艺和装置

技术领域

本发明涉及高丰度²²Ne和²⁰Ne的生产技术领域，尤其是涉及一种氖气生产稳定同位素的精馏工艺和装置。

背景技术

1912年汤姆逊(J.J.Thomson)在阳离子磁分析仪中发现了天然氖中的两个稳定性同位素(²⁰Ne和²²Ne)，该发现也首次证实了非放射元素也存在同位素。现已证实，天然氖气是由²⁰Ne、²¹Ne和²²Ne三种稳定性同位素组成的混合物，天然丰度分别为90.47％，0.28％和9.25％。

²²Ne和²⁰Ne具有双凸峰的光强-频率特征，是用于制备激光陀螺的氦氖激光器的关键材料。激光陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体方位的新型惯性导航仪器，具有极高的亮度、极好的方向性和稳定性，广泛应用于现代航空、航海、航天和国防工业中，它的发展对一个国家的工业、国防和其他高科技的发展具有十分重要的战略意义。氖同位素的分离于1913年就开始了相关研究工作，其分离方法包括气体扩散法、质量扩散法、低温精馏法、以及热扩散法等。现阶段，国内外文献报道最多的是运用热扩散法分离氖同位素的研究。

20世纪40年代，迪凯尔(G.Dickel)和克劳休斯(K.Glusius)首先用热扩散柱成功分离氖同位素，天然氖气在温度梯度的作用下，²²Ne作为重组分富集于较冷区域，²⁰Ne作为轻组分富集于较热区域，从而实现氖同位素的分离。经过试验研究，研究者们以总长29米的热扩散级联装置成功的获取了浓度高达99.99％的²²Ne和²⁰Ne。美国芒特(Mound)实验室在这方面开展了大量的理论研究和实验工作，建立了²⁰Ne和²²Ne同位素丰度均超过99.9％，每天产量分别达到数升²⁰Ne和数百毫升²²Ne的氖同位素生产装置。

国内的上海化工研究院于20世纪70年代开始热扩散法分离氖稳定同位素的研究，自行设计并建造了热扩散柱级联生产系统，成功的实现了²²Ne和²⁰Ne的分离，丰度均超过99.9％，其中²²Ne同位素产量达到240mL/d，²⁰Ne同位素产量达到600mL/d，该项技术的实现打破了国外对于氖同位素产品的垄断，填补国内空白，为维护国家的国防安全做出了突出贡献。然而随着民用核技术的发展，现有氖同位素的生产规模越来越无法满足市场需求。

由文献查阅可知，目前国内外实现氖同位素分离主要采用热扩散法。热扩散法作为最基本的同位素分离方法，虽然具有设备简单、无转动部件、级联容易实现、操作方便等优点，但是其最突出的缺陷是生产装置不易放大，产率低，且电能消耗也较大。在诸多的同位素分离方法中，精馏法适合于工业化规模生产，如低温精馏法制取¹³C、真空水精馏法制取¹⁸O、化学交换精馏法制取¹⁵N等。

申请号201210061205.1的中国专利公开了一种氖氦分离提纯的方法，涉及一种从含氖氦混合气中分离制取高纯氖气和高纯氦气的方法。该专利公开的工艺方法包括氖氦混合气净化处理、氖氦混合气低温分离等过程，而不涉及同位素分离、级联理论等复杂过程，只是通过单一的精馏塔实现氖氦分离级提纯，况且在一篇名为《氖气的液化与氖氦气体的分离》的文献资料中也涉及到氖氦分离的相关报道。本专利公开了一种由氖气生产稳定同位素的精馏工艺和装置，二者的技术关键点以及关键设备完全不同；再者，低温精馏法制备氖同位素方面的文献报道极少，而专利文献更是空白。

由于氖同位素是制造激光陀螺等激光器的关键材料，涉及国防、航空航天、机械加工、医疗器械等多种应用领域，为推动民用核技术的快速发展，迫切需要开发具有自主知识产权的氖同位素规模化生产技术，解决现有氖同位素生产装置产能低下的瓶颈。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种氖气生产稳定同位素²²Ne和²⁰Ne的精馏工艺和装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种氖气生产稳定同位素的精馏装置，包括：

原料净化系统：包括沿原料氖气进气方向依次连接的第一压缩机、除水干燥组件和脱氮脱氧组件；

低温精馏级联系统：连接所述原料净化系统，包括依次连接的冷凝组件和低温精馏级联组件，所述低温精馏级联组件由n级精馏塔级联而成，其中，n为不小于1的整数，

所述的n级精馏塔中，每一级精馏塔均有提馏段和精馏段，原料氖气经冷凝组件冷却后送入第1级精馏塔的进料点，

当n≥2时，相邻两级精馏塔件设有级联冷凝器，前一级精馏塔的塔釜出料送入后一级精馏塔的进料点，后一级精馏塔塔顶的一部分物料送入级联冷凝器中，冷凝成液相返回前一级精馏塔内，另一部分物料进入塔顶冷凝器冷凝回流；低温精馏级联组件工作时，²⁰Ne同位素作为轻组分在第1级精馏塔塔顶浓缩并作为产品输出，²²Ne同位素产品作为重组分在第n级精馏塔塔釜富集并输出产品。

优选的，所述的除水干燥组件包括两个并联的除水干燥塔，其内部装有除水干燥柱，所述的脱氮脱氧组件包括两个并排设置的低温吸附塔，其内部装有脱氮脱氧吸附柱。

优选的，所述冷凝组件包括依次连接的第二压缩机、第二换热器、液氮冷凝器、第三换热器、高压节流阀和气液分离罐，该气液分离罐两个上部出口和一个底部出口，其中一个上部出口经一个中压节流阀连接第1级精馏塔的进料点，另一个上部出口依次经过第三换热器、第二换热器后，返回连接第二压缩机入口，底部出口连接一个中压节流阀并输出液氖。

更优选的，经中压节流阀冷凝的液氖作为冷源进入液氖冷凝器，所述低温精馏级联组件的塔顶冷凝器与级联冷凝器均置入所述液氖冷凝器中，所述的液氖冷凝器的气化氖气出口还通过管道依次经过第三换热器、第二换热器，并返回连接第二压缩机的入口。

优选的，所述的低温精馏级联组件中的理论塔板数为1000～2000块，每级精馏塔的塔经为0.015～0.3m。

优选的，所述的n级精馏塔中，从第1级精馏塔到第n级精馏塔，塔经逐渐减小。

优选的，精馏塔内填充高效丝网或者板波纹规整填料，材质包括不锈钢、磷青铜、或者相关金属合金及其氧化物；且在塔内等距离间隔处放置液体再分布器。

采用上述精馏装置的精馏工艺，包括以下步骤：

(1)原料净化处理

原料氖气由第一压缩机压缩增压后，经第一换热器预冷，再依次通过除水干燥组件和脱氮脱氧组件净化除杂，得到净化原料氖气；

(2)低温精馏处理

(2-1)净化原料氖气进入冷凝组件，依次经过第二压缩机增压，第二换热器、液氮冷凝器和第三换热器换热，高压节流阀调压后，再经过液氖冷凝器冷凝，形成气液混合物进入气液分离器内；

(2-2)气液分离器中，一个上部出口输出一部分气相，经一个中压节流阀节流后，从第1级精馏塔的进料点进入低温精馏级联组件，低温精馏处理，并从第1级精馏塔塔顶浓缩轻组分²⁰Ne同位素，所得轻组分²⁰Ne同位素部分冷凝回流，剩余部分经第三换热器与第二换热器复温后，作为²⁰Ne同位素产品输出，第n级精馏塔塔釜富集重组分²²Ne同位素，并作为产品输出；

(2-3)气液分离器中，另一个上部出口输出另一部分气相，并依次与第三换热器和第二换热器换热，返回送入第二压缩机入口，底部出口输出物料经一个中压节流阀进一步节流降温液化，并作为冷源送入液氖冷凝器中，液氖冷凝器中排出的重新气化的氖气再依次与第三换热器和第二换热器换热，返回送入第二压缩机入口。

优选的，所述的低温精馏级联组件，塔顶操作的绝对压力为1.0～3.0kg/cm²，相邻两级精馏塔中，后一级精馏塔内压力不高于前一级精馏塔内压力。

优选的，所述的净化原料气满足：H₂O含量≤0.1ppm，N₂含量≤0.1ppm，O₂含量≤0.1ppm，Ar含量≤0.1ppm，且高沸点杂质(高于氖气沸点-246℃的气体组分统称为高沸点杂质)总量<1ppm。

优选的，液氖是通过以下过程获得的：净化原料氖气先通过第二压缩机增压到150～160bar，经第二换热器换热冷却至285～300K，然后进入液氮冷凝器，将原料气体用液氮冷却至80K，再经过第三换热器后，由高压节流阀进行节流调节，通过气液分离器，原料气体的温度接近30～35K，再经过中压节流阀，使得氖气液化。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明提出一种低温精馏法制取²⁰Ne和²²Ne同位素，适合于公斤级、几十公斤级乃至百公斤的规模化生产需要，克服了热扩散法不易放大的缺点。

(2)同时在本发明设计的低温精馏级联系统中，各级精馏塔均设置有提馏段，可减少塔间的物料传输量。

(3)级联塔之间采用无动力输送，前一级塔釜的气相在压差的推动下进入后一级塔的中部，后一级精馏塔塔顶的部分气相物料进入冷凝器被冷凝成液体，在重力作用下返回至前一级塔内，如此实现各级塔间的物料输送。简化操作，利于生产装置长期、稳定的运行。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的实施例2的工艺流程图；

图中，1-天然高纯氖气钢瓶，2-减压阀，3-原料缓冲罐，4-第一压缩机，5-第一换热器，6-除水干燥塔，6A、6B-除水干燥柱，7-低温吸附塔，7A、7B-脱氮脱氧吸附柱，8-第二压缩机，9-第二换热器，10-液氮冷凝器，11-第三换热器，12-高压节流阀，13-液氖冷凝器，14-气液分离器，15-中压节流阀a，F1-中压节流阀b，T1～Tn-精馏塔，F2～Fn、V1～Vn-调节阀，C0～Cn、K1～Kn-冷凝蒸发器，16-液氮，17、19-氮气，18-回流氖气，20-稳定同位素²⁰Ne产品，21-稳定同位素²²Ne产品。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

图1为本发明由n级低温精馏塔组成的制备氖同位素的精馏工艺示意图。所述精馏装置包括原料净化系统和低温精馏级联系统两大系统。所述的低温精馏级联系统全部放置于冷箱内，或者放置于多层绝热的真空容器内，其真空度达到5×10^-6Pa以上。

参照图1所示的流程，高纯的天然氖气从天然高纯氖气钢瓶1释放出来后，经减压阀2和原料缓冲罐3，由第一压缩机(膜压机)4增压至20～30bar，经过第一换热器5预冷后，依次通过并联的两个除水干燥塔6(分别装有除水干燥柱6A、6B)、并联的两个低温吸附塔7(内部分别装有脱氮脱氧吸附柱7A、7B)，除去天然氖气中的水份以及氮氧等杂质，净化后的氖气中H₂O含量≤0.1ppm，N₂含量≤0.1ppm，O₂含量≤0.1ppm，Ar含量≤0.1ppm，且高沸点杂质总量<1ppm。

净化后的原料氖气进入低温精馏级联系统。首先由第二压缩机(膜压机)8增压至150～160bar后进入低温分离装置，高压原料氖气由高压节流阀12和中压节流阀15进行压力调节，但是仅仅通过这一过程是无法将氖气液化的，因此装置内设有第二换热器9和第三换热器11，以及液氮冷凝器10，利用液氮经换热蒸发后形成低温氮气和节流后温度较低的介质气体(即低温氖气)返回至节流前，进行冷热传递，逐步提高节流降温的效果，直至氖气液化，液氖进入液氖冷凝器13，作为低温精馏级联组件的冷源。在氖气液化的过程中，温区的变化过程为：经第二换热器9换热，将第二压缩机(膜压机)8出口的气体冷却至285～300K，然后进入液氮冷凝器10，将原料气体用液氮冷却至80K，再经过第三换热器11后，由高压节流阀12进行节流调节，再经过位于液氖冷凝器13内的冷凝蒸发器C0，通过气液分离器14后，原料气体的温度接近30～35K，再经过中压节流阀15，使得氖气液化。

这部分中还有一条外部的液氮16线路作为冷源介质，其中一部分作为冷源冷却低温吸附塔7，防止其脱氮脱氧吸附柱7A、7B在吸附过程中过热而失活；在低温吸附塔7内，液氮经换热蒸发形成低温氮气，继续进入第一换热器5进行热交换后作为氮气17排出。另一部液氮16作为冷源直接进入液氮冷凝器10内，蒸发后形成的低温氮气继续进入第二换热器9进行热量交换后作为氮气19排出。

气液分离器14中的一部分气体经过调节阀V0计量后，与从液氖冷凝器13出来的气化氖气一起，再经过第三换热器11和第二换热器9换热，作为回流氖气18送入第二压缩机8入口。

气液分离器14中的另一部分气体经过中压节流阀F1，进入氖同位素分离用低温精馏级联组件内，该低温精馏级联组件由T1～Tn共n级低温精馏塔组成，n级精馏塔分别包括塔顶冷凝器K1～Kn、塔釜再沸器B1～Bn、以及填充有规整填料的精馏柱，以上n级精馏塔均设置有提馏段，塔顶冷凝器K1～Kn均放置于液氖冷凝器13中。原料氖气的进料点位于第1级精馏塔T1的中部，相邻两级低温精馏塔中，前一级精馏塔塔釜的物料经过调节阀(F2、F3、…或Fn)调节后进入后一级精馏塔的中部，同时，后一级精馏塔塔顶的部分物料经过调节阀(V2、V3、…或Vn)调节后进入级联冷凝器(C1、C2、…或Cn-1)，冷凝成液相后返回至前一级精馏塔内。级联冷凝器C1～Cn-1同样放置于液氖冷凝器13中。在低温精馏级联组件内，²²Ne同位素作为重组分在最后一级精馏塔Tn塔底得到富集，通过管线21输出²²Ne同位素产品；²⁰Ne同位素作为轻组分在第1级精馏塔T1塔顶达到浓缩，由调节阀V1调节计量后，经过第三换热器11和第二换热器9复温后，通过管线20输出²⁰Ne同位素产品。

实施例2

如图2所示，与实施例1相比，除了本实施例两塔级联组成的氖同位素精馏装置外，其余均相同。

天然氖气原料经过干燥脱水、低温吸附除氮氧杂质后，进入低温精馏两塔级联组件，第1级精馏塔T1和第2级精馏塔T2均设有提馏段。从气液分离器14出来的部分气相经中压节流阀F1送入第1级精馏塔T1的中部进料点，第1级精馏塔T1塔釜物料在压差推动下经调节阀F2输送至第2级精馏塔T2中部，塔顶的部分物料经调节阀V1计量，经第三换热器11和第二换热器9复温后作为20Ne同位素产品输出，产品丰度达到99.9％以上，其余部分物料经塔顶冷凝器K1冷凝成液相回流。第2级精馏塔T2塔顶的部分物料经调节阀V2送至级间冷凝器C1，冷凝成液相后在重力作用下返回第1级精馏塔T1，返回物料点位于第1级精馏塔T1中上部，而第2级精馏塔T2塔顶的其余部分物料经塔顶冷凝器K2冷凝成液相回流。在第2级精馏塔T2塔釜处得到日产近237升的高丰度的²²Ne同位素产品，丰度不低于99.9％。

在本实施例2中，塔顶冷凝器K1～K2以及级联冷凝器C1均放置于液氖储槽13中。具体的工艺条件如下表1所示。

表1制备高丰度²²Ne同位素产品的两塔级联工艺条件

结合表1所给出的工艺设计结果分析可知，与热扩散法分离氖同位素相比，本发明的级联系统装置显著提升了氖同位素的生产能力，适合于大规模制取²²Ne和²⁰Ne同位素产品。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种氖气生产稳定同位素的精馏装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种氖气生产稳定同位素的精馏装置，其特征在于，所述的除水干燥组件包括两个并联的除水干燥塔，其内部装有除水干燥柱，所述的脱氮脱氧组件包括两个并排设置的低温吸附塔，其内部装有脱氮脱氧吸附柱。

3.根据权利要求1所述的一种氖气生产稳定同位素的精馏装置，其特征在于，所述冷凝组件包括依次连接的第二压缩机、第二换热器、液氮冷凝器、第三换热器、高压节流阀和气液分离罐，该气液分离罐两个上部出口和一个底部出口，其中一个上部出口经一个中压节流阀连接第1级精馏塔的进料点，另一个上部出口依次经过第三换热器、第二换热器后，返回连接第二压缩机入口，底部出口连接一个中压节流阀并输出液氖。

4.根据权利要求3所述的一种氖气生产稳定同位素的精馏装置，其特征在于，经中压节流阀冷凝的液氖作为冷源进入液氖冷凝器，所述低温精馏级联组件的塔顶冷凝器与级联冷凝器均置入所述液氖冷凝器中，所述的液氖冷凝器的气化氖气出口还通过管道依次经过第三换热器、第二换热器，并返回连接第二压缩机的入口。

5.根据权利要求1所述的一种氖气生产稳定同位素的精馏装置，其特征在于，所述的低温精馏级联组件中的理论塔板数为1000～2000块，每级精馏塔的塔经为0.015～0.3m。

6.根据权利要求5所述的一种氖气生产稳定同位素的精馏装置，其特征在于，所述的n级精馏塔中，从第1级精馏塔到第n级精馏塔，塔经逐渐减小。

7.采用如权利要求4所述的精馏装置的精馏工艺，其特征在于，包括以下步骤：

(1)原料净化处理

(2)低温精馏处理

8.如权利要求7所述的精馏工艺，其特征在于，所述的低温精馏级联组件，塔顶操作的绝对压力为1.0～3.0kg/cm²，相邻两级精馏塔中，后一级精馏塔内压力不高于前一级精馏塔内压力。

9.如权利要求7所述的精馏工艺，其特征在于，所述的净化原料气满足：H₂O含量≤0.1ppm，N₂含量≤0.1ppm，O₂含量≤0.1ppm，Ar含量≤0.1ppm，且高沸点杂质总量<1ppm。