CN108275691A - 一种同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的方法及系统 - Google Patents

一种同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同时生产高浓硼‑10三氟化硼和高浓硼‑11三氟化硼的方法及装置，用少量市售钢瓶三氟化硼为原料，以三氟化硼/硝基甲烷或醚类化合物为硼同位素交换工作体系，通过级联装置中的浓缩工段和提取工段的冷热回流，使得三氟化硼和由硝基甲烷或醚类化合物吸收三氟化硼而生成的络合物发生硼同位素交换，实现循环回流分离硼‑10和硼‑11，本发明结构紧凑，操作简单，易于连续自动化，既大幅度地减少了原料三氟化硼用量，同时也解决了废料三氟化硼排放问题，并且能耗降低了约80％，实现了节能零排，大大降低了生产成本，得到的产品硼‑10和硼‑11浓度≥99atom％。

Description

一种同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的方 法及系统
技术领域：
本发明涉及稳定同位素硼-10和硼-11生产技术领域，具体涉及一种同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的方法及系统。
背景技术：
自然界所有含硼物质中的硼元素均是由两种稳定同位素硼-10和硼-11组成的，它们的天然含量(称天然丰度)分别为19.8atom％和80.2atom％。硼元素在自然界的储量较丰富，但要从硼元素里成功分离出同位素硼-10和硼-11，则是一个世界性难题。硼-10对中子的吸收能力极强，热中子的反应截面σ(n,α)为3838靶，而天然硼中子吸收截面σa只有750靶，硼-10对中子的吸收能力是铅的20倍、混凝土的500倍、硼-11的60000倍，所以硼-10是屏蔽中子和射线的最佳材料，能极其有效地起到保护人们免受辐射的作用。硼-10在核反应堆中被用作高效中子减速剂，起到控制反应堆运行的功能,同时硼-10也被广泛地应用在国防工业、医学、电子工业以及其他一些特殊行业。而硼-11恰好相反，几乎不吸收中子，在半导体器件制造过程中,若被用作同位素纯度级别的掺杂剂，能够有效地提高半导体器件的导电性能和抗辐射抗干扰能力,因此研究开发高丰度硼-11同位素掺杂源是未来硼系半导体材料发展的必然趋势。目前我国使用的硼-10和硼-11同位素产品全部依赖进口，进口价格十分昂贵。随着第三代核电站快中子堆时代的到来，对硼-10和硼-11同位素的工业化生产提出了迫切的要求。
工业化生产硼同位素的现有技术为三氟化硼/苯甲醚工作体系的同位素交换技术，但因现有工艺能耗较大(能量主要消耗在交换塔塔顶为取走络合物生成热的操作和交换塔底部供给络合物分解热的操作上)；此外由于原料三氟化硼的提取率低，不但原料消耗量较大而且尾气三氟化硼中硼-11同位素含量较低多是当作废弃物排放，这些缺点都造成产品成本的升高。其他三氟化硼/醚类及酮类化合物体系同位素交换技术，多因分离系数较小或因络合物热分解不完全只得将交换塔操作温度提高到溶液沸点温度而形成了同位素交换精馏，从而降低了分离系数，因而不宜工业化生产。研究过的硼同位素分离技术还有BF3/SO2﹒BF3低温交换体系和BF3低温精馏等等，均未实现过工业化生产。
发明内容：
本发明的目的克服现有技术存在的缺点，提供一种同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的方法及装置，用少量市售钢瓶三氟化硼为原料，以三氟化硼/硝基甲烷或醚类化合物为硼同位素交换工作体系，通过级联装置中的浓缩工段和提取工段的冷热回流，使得三氟化硼和由硝基甲烷或醚类化合物吸收三氟化硼而生成的络合物发生硼同位素交换，实现循环回流分离硼-10和硼-11，该方法既大幅度地减少了原料三氟化硼用量，同时也解决了废料三氟化硼排放问题，并且能耗降低了约80％，实现了节能零排，降低生产成本。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的系统，该系统包括原料气供应系统、级联装置、高浓硼-11三氟化硼产品稳流收集装置、高浓硼-10三氟化硼产品稳流收集装置；所述级联装置包括相互气/液连接的用于提取工段的提取级联子系统、用于浓缩工段的浓缩级联子系统；所述提取级联子系统包括按级联方式通过气体管路和液体管路连接的多级提取塔、通过气体和液体管路与最后级提取塔顶部连通的冷回流塔，以及设在每级提取塔底部通往上一级提取塔顶部的液体管路上的计量泵；所述冷回流塔顶部设有高浓硼-11三氟化硼气体出口和硝基甲烷或醚类化合物进料口；所述高浓硼-11三氟化硼气体出口连通高浓硼-11三氟化硼产品稳流收集装置；所述浓缩级联子系统包括按级联方式通过气体管路和液体管路连接的多级浓缩塔、通过气体和液体管路与最后级浓缩塔底部连通的用来分解硝基甲烷或醚类化合物﹒三氟化硼络合物的第二热回流塔、跟第二热回流塔底部连通的第二分解液冷却器，以及设在每级浓缩塔底部通往下一级浓缩塔顶部的液体管路上的计量泵；所述浓缩级联子系统中，第1级浓缩塔底部连接有顶部设有分流部件的第一热回流塔，最后级浓缩塔底部连通有第二热回流塔，除此之外，其他的多级浓缩塔底部没有连接热回流塔；所述第二热回流塔底部经第二分解液冷却器连通冷回流塔的硝基甲烷或醚类化合物的进料口，形成硝基甲烷或醚类化合物的循环回路；所述浓缩工段的最后级(第n级)浓缩塔底部还设有高浓硼-10三氟化硼产品出口，连接有高浓硼-10三氟化硼产品稳流收集装置；其中提取级联子系统第1级提取塔塔底设有液相络合物出口和三氟化硼气体进口，所述液相络合物出口经液体管道和计量泵连通浓缩工段的第1级浓缩塔塔顶，所述三氟化硼气体进口通过气体管道连通浓缩工段的第1级浓缩塔塔顶，实现提取工段与浓缩工段的液/气连接；所述原料气供应系统包括依次连通的原料气钢瓶、原料气缓冲瓶和原料气净化塔，所述原料气净化塔的出口跟第1级提取塔塔底三氟化硼气体进口至第1级浓缩塔塔顶的气体管道连通，所述原料气钢瓶装硼同位素含量为天然丰度的三氟化硼，经原料气缓冲瓶和原料气净化塔除水净化后加入到第1级提取塔塔底三氟化硼气体进口至第1级浓缩塔塔顶的气体管道中，作为整个级联装置的原料；所述第1级浓缩塔底部连接第一热回流塔，第一热回流塔顶部设有分流部件，第一热回流塔底部经第一分解液冷却器连通冷回流塔的硝基甲烷或醚类化合物的进料口，经第1级浓缩塔浓缩的硼-10液相络合物流入塔底第一热回流塔时被第一热回流塔顶部的分流部件切割成两部分，一部分通过液体管道和计量泵直接送入浓缩工段第2级浓缩塔塔顶，作为浓缩工段第2级浓缩塔的加料；另一部分则流入所述的第一热回流塔中，受热分解成三氟化硼气体和硝基甲烷或醚类化合物，热分解的气体产物三氟化硼返回第1级浓缩塔塔底，自下而上与自上而下流动的硝基甲烷或醚类化合物﹒三氟化硼络合物逆流接触进行硼同位素交换，硼-10富集于液相，硼-11富集于气相；热分解液体产物硝基甲烷或醚类化合物从所述第一热回流塔底部流出，通过液体管道经第一分解液冷却器冷却至室温后由计量泵送入位于提取工段最后级(第N级)提取塔顶部的冷回流塔的硝基甲烷或醚类化合物的进料口，作为级联系统制备硝基甲烷或醚类化合物﹒三氟化硼络合物的原料之一，循环使用。
所述提取工段中的提取塔以及浓缩工段中的浓缩塔均为逆流接触气液传质塔。
所述浓缩塔操作温度为20～30℃，操作压力为表压0.02～0.05MPa，液相喷淋密度为0.5～5ml/cm2.min。
所述提取工段中的提取塔均为逆流接触气液传质塔，操作温度为20～30℃，操作压力为表压0.01～0.03MPa，液相喷淋密度为0.5～5ml/cm2.min。
特别地，所述提取工段中的每级提取塔底部连接一个与其同径的储液器，其底端设有一个液体出口，通过液体管道与计量泵与上一级提取塔的塔顶液体进口相连。
所述浓缩工段中的每级浓缩塔底部连接一个与其同径的储液器，其底端设有一个液体出口，通过液体管道与计量泵连通下一级浓缩塔塔顶液体进口。
所述冷回流塔是列管膜式或列管填料逆流气液传质塔，直接与所述最后级提取塔第N提取塔塔顶连成一体，管间走冷却水。
所述第一、二热回流塔中分解段的操作温度在70±5℃的范围内。
所述第一热回流塔顶部与所述第1级浓缩塔同径并连为一体；所述第一热回流塔从上而下由分流部件、外壳不保温的直接换热-淋洗填料段、外壳保温的填料热分解段和电加热或蒸汽加热的塔釜四部分组成；所述填料热分解段顶部设有测量和控制分解温度的温控元件。
所述第二热回流塔顶部与所述最后级(第n级)浓缩塔同径并连为一体；所述第二热回流塔不设分流部件，从上而下由外壳不保温的直接换热-淋洗填料段、外壳保温的填料热分解段和电加热或蒸汽加热的塔釜三部分组成；所述填料热分解段顶部设有测量和控制分解温度在70±5℃的范围内的温控元件。
本发明还提供一种同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的方法，该方法以三氟化硼为原料，以三氟化硼/硝基甲烷或醚类化合物为硼同位素交换工作体系，通过级联装置的冷热回流，使得三氟化硼和由硝基甲烷或醚类化合物吸收三氟化硼而生成的液体络合物发生硼同位素交换，实现循环回流分离硼-10和硼-11，包括以下过程：
(1)浓缩工段
在浓缩工段中，将提取工段第1级提取塔底部流出的液体络合物通过液体管道和计量泵全部送入浓缩工段第1级浓缩塔的顶部，经第1级浓缩塔浓缩的硼-10液相络合物流入塔底第一热回流塔时被第一热回流塔顶部的分流部件切割成两部分，一部分通过液体管道和计量泵直接送入浓缩工段第2级浓缩塔塔顶，作为浓缩工段第2级浓缩塔的加料；另一部分则流入所述的第一热回流塔中，受热分解成三氟化硼气体和硝基甲烷或醚类化合物，热分解的气体产物三氟化硼返回第1级浓缩塔塔底，自下而上与自上而下流动的硝基甲烷或醚类化合物﹒三氟化硼络合物逆流接触进行硼同位素交换，硼-10富集于液相，硼-11富集于气相；热分解液体产物硝基甲烷或醚类化合物从所述第一热回流塔底部流出，通过液体管道经第一分解液冷却器冷却至室温后由计量泵送入位于提取工段最后级(第N级)提取塔顶部的冷回流塔的硝基甲烷或醚类化合物的进料口，作为级联系统制备硝基甲烷或醚类化合物﹒三氟化硼络合物的原料之一，循环使用；
自浓缩工段第2级浓缩塔塔顶流出的气相产物通过气体管道全部自行流入浓缩工段第1级浓缩塔塔底，与来自第一热回流塔分解的气相产物汇合，进入第1级浓缩塔底部，自下而上流向塔顶，期间与自上而下流动的液相硝基甲烷或醚类化合物﹒三氟化硼络合物逆流接触进行硼同位素交换，液相中硼-10得到进一步富集并流向塔底，从而实现浓缩工段中第1浓缩塔与第2浓缩塔间的液/气连接；浓缩工段第2级浓缩塔底部流出的液相络合物通过液体管道和计量泵送至第3级浓缩塔顶部作为第3级浓缩塔的加料，自上而下流向第3级浓缩塔塔底，期间与塔中三氟化硼气体逆流接触进行硼同位素交换，液相中硼-10又进一步得到富集；第3级浓缩塔塔顶流出的三氟化硼气体通过气体管道自行流入第2级浓缩塔的底部，实现浓缩工段中第2浓缩塔与第3浓缩塔的液/气连接；如此类推，硼-10逐步得到浓缩，使浓缩工段最后级浓缩塔(第n级浓缩塔)塔底络合物硼-10同位素浓度达到设计值；浓缩工段中最后级塔(第n级浓缩塔)底部连第二热回流塔，流入第二热回流塔的络合物中硼-10同位素浓度已达设计值的液相络合物受热分解成硝基甲烷或醚类化合物，从第二热回流塔底部流出，通过液体管道经第二分解液冷却器冷却至室温后由计量泵送入位于提取工段最后级提取塔(第N级提取塔)顶部冷回流塔的硝基甲烷或醚类化合物进料口，作为级联系统制备硝基甲烷或醚类化合物/三氟化硼络合物的原料之二；第二热回流塔的另一分解产物是硼-10同位素浓度已达设计值的三氟化硼气体返回最后级浓缩塔底部，从中定量取出三氟化硼作为高浓硼-10的产品；
自浓缩工段第1级浓缩塔塔顶出来的富集硼-11三氟化硼气体与所述原料气供应系统提供的天然丰度的三氟化硼气体混合通过气体管道全部自行流入提取工段第1级提取塔塔底，实现提取工段与浓缩工段的液/气连接；
(2)提取工段
自第1级提取塔塔顶出来的气体通过气体管道直接流入第2级提取塔塔底，而第2级提取塔塔底流出的液体络合物则通过液体管道和计量泵被全部送入所述第1级提取塔塔顶，自上而下流动与塔中来自浓缩工段第1级浓缩塔塔顶出来的富集硼-11三氟化硼气体和天然丰度的三氟化硼气体混合物逆流接触进行同位素交换，硼-11进一步富集于气相流向塔顶进入第2级提取塔塔底，如此类推，使提取工段的最后级提取塔(第N级提取塔)塔顶硼-11同位素浓度达到设计值；自最后级提取塔塔顶出来的硼-11同位素浓度达到设计值的三氟化硼气体进入所述冷回流塔后与来自浓缩工段中第一热回流塔和第二热回流塔分解产物硝基甲烷或醚类化合物发生络合反应，生成的络合物流入提取工段的最后级提取塔塔顶，从而完成硝基甲烷或醚类化合物的循环使用；冷回流塔的多余的硼-11三氟化硼气体作为高浓硼-11产品从冷回流塔顶部取出。
所述浓缩工段中的浓缩塔均为逆流接触气液传质塔，操作温度为20～30℃，操作压力为表压0.02～0.05MPa，液相喷淋密度为0.5～5ml/cm2.min。
所述第一、二热回流塔中分解段的操作温度被控制在70±5℃的范围内。
所述提取工段中的提取塔均为逆流接触气液传质塔，操作温度为20～30℃，操作压力为表压0.01～0.03MPa，液相喷淋密度为0.5～5ml/cm2.min。
本发明跟现有技术相比，具有如下优点：
1)本发明节能，本发明液气连接的级联装置，全程只需一个冷回流塔(需冷却的设备)和两座较传统技术小的热回流塔(需加热的设备)，因此能耗只有传统技术的20～30％；同时浓缩塔和提取塔是室温操作下实现了同位素交换，能耗降低了约80％，实现了节能零排，降低生产成本。
2)本发明采用高提取技术，大幅度减少原料气三氟化硼的用量，得到的产品硼-10和硼-11浓度≥99atom％，特别将原为废气的三氟化硼尾气中硼-11同位素含量同时富集至99％以上成为制备硼系半导体的重要材料，也就解决了排放的难题。
3)本发明结构紧凑，操作简单，很容易加塔级联，无需像现有技术要向空中垒高增加难度及建造维护成本，同时易于实现连续自动化操作。
总之，本发明结构紧凑，操作简单，易于实现连续自动化操作，既大幅度地减少了原料三氟化硼用量，同时将原为废气的三氟化硼尾气中硼-11同位素含量同时富集至99％以上成为制备硼系半导体的重要材料，也解决了废料三氟化硼排放问题，并且能耗降低了约80％，实现了节能零排，由于同位素分离成本主要是能耗和原料三氟化硼费用，本发明将两者都大幅度降低，大大降低了生产成本，得到的产品硼-10和硼-11浓度≥99atom％。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图；
其中，1、第1级提取塔，2、第2级提取塔，3、第3级提取塔，4、第N级提取塔，5、冷回流塔，6、第1级浓缩塔，7、第一热回流塔，8、第一分解液冷却器，9、第2级浓缩塔，10、第3级浓缩塔，11、第n级浓缩塔，12、第二热回流塔，13、第二分解液冷却器，14、计量泵，15、原料气钢瓶，16、原料气缓冲罐，17、原料气净化塔。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
如图1所示的一种同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的系统，该系统包括原料气供应系统、级联装置、高浓硼-11三氟化硼产品稳流收集装置、高浓硼-10三氟化硼产品稳流收集装置；所述级联装置包括相互气/液连接的用于提取工段的提取级联子系统、用于浓缩工段的浓缩级联子系统；所述提取级联子系统包括按级联方式通过气体管路和液体管路连接的多级提取塔、通过气体和液体管路与最后级提取塔(第N级提取塔4)顶部连通的冷回流塔5，以及设在每级提取塔底部通往上一级提取塔顶部的液体管路上的计量泵14；所述冷回流塔5顶部设有高浓硼-11三氟化硼气体出口和硝基甲烷或醚类化合物进料口；所述高浓硼-11三氟化硼气体出口连通高浓硼-11三氟化硼产品稳流收集装置；所述浓缩级联子系统包括按级联方式通过气体管路和液体管路连接的多级浓缩塔、通过气体和液体管路与最后级浓缩塔(第n级浓缩塔11)底部连通的用来分解苯甲醚﹒三氟化硼络合物的第二热回流塔12、跟第二热回流塔12底部连通的第二分解液冷却器13，以及设在每级浓缩塔底部通往下一级浓缩塔顶部的液体管路上的计量泵14；所述浓缩级联子系统中，第1级浓缩塔6底部连接有顶部设有分流部件的第一热回流塔7，最后级浓缩塔(第n级浓缩塔11)底部连通有第二热回流塔12，除此之外，其他的多级浓缩塔底部没有连接热回流塔；所述第二热回流塔12底部经第二分解液冷却器13连通冷回流塔5的硝基甲烷或醚类化合物的进料口，形成硝基甲烷或醚类化合物的循环回路；所述浓缩工段的最后级(第n级)浓缩塔11底部还设有高浓硼-10三氟化硼产品出口，连接有高浓硼-10三氟化硼产品稳流收集装置；其中提取级联子系统第1级提取塔1塔底设有液相络合物出口和三氟化硼气体进口，所述液相络合物出口经液体管道和计量泵14连通浓缩工段的第1级浓缩塔6塔顶，所述三氟化硼气体进口通过气体管道连通浓缩工段的第1级浓缩塔6塔顶，实现提取工段与浓缩工段的液/气连接；所述原料气供应系统包括依次连通的原料气钢瓶15、原料气缓冲瓶16和原料气净化塔17，所述原料气净化塔17的出口跟第1级提取塔1塔底三氟化硼气体进口至第1级浓缩塔6塔顶的气体管道连通，所述原料气钢瓶15装硼同位素含量为天然丰度的三氟化硼，经原料气缓冲瓶16和原料气净化塔17除水净化后加入到第1级提取塔1塔底三氟化硼气体进口至第1级浓缩塔6塔顶的气体管道中，作为整个级联装置的原料；所述第1级浓缩塔6底部连接第一热回流塔7，第一热回流塔7顶部设有分流部件，第一热回流塔7底部经第一分解液冷却器8连通冷回流塔5的硝基甲烷或醚类化合物的进料口，经第1级浓缩塔6浓缩的硼-10液相络合物流入塔底第一热回流塔7时被第一热回流塔7顶部的分流部件切割成两部分，一部分通过液体管道和计量泵14直接送入浓缩工段第2级浓缩塔9塔顶，作为浓缩工段第2级浓缩塔9的加料；另一部分则流入所述的第一热回流塔7中，受热分解成三氟化硼气体和硝基甲烷或醚类化合物，热分解的气体产物三氟化硼返回第1级浓缩塔6塔底，自下而上与自上而下流动的络合物逆流接触进行硼同位素交换，硼-10富集于液相，硼-11富集于气相；热分解液体产物硝基甲烷或醚类化合物从所述第一热回流塔7底部流出，通过液体管道经第一分解液冷却器8冷却至室温后由计量泵14送入位于提取工段最后级(第N级)提取塔4顶部的冷回流塔5的硝基甲烷或醚类化合物的进料口，作为级联系统制备硝基甲烷或醚类化合物﹒三氟化硼络合物的原料之一，循环使用。
实施例1：
本实施例采用三氟化硼/苯甲醚工作体系，原料三氟化硼为硼-10天然丰度为19.8atom％的市售钢瓶三氟化硼，原料流量392.1±0.5ml/min，硼-10三氟化硼产品流量73.5±0.5ml/min(约17kg硼-10/y)，硼-11三氟化硼产品流量318.6±0.5ml/min(约83kg硼-11/y)。
本实施例中，浓缩塔一共包括3个，获得年产17kg净硼-10(硼-10同位素浓度达99atom％)，提取塔一共为2个，获得年产83kg净硼-11(硼-11同位素浓度达99atom％)。
所述提取工段中的提取塔以及浓缩工段中的浓缩塔均为逆流接触气液传质塔。
所述浓缩塔操作温度为20～30℃，操作压力为表压0.02～0.05MPa，液相喷淋密度为0.5～5ml/cm2.min。
所述提取工段中的提取塔操作温度为20～30℃，操作压力为表压0.01～0.03MPa，液相喷淋密度为0.5～5ml/cm2.min。
所述冷回流塔5是列管膜式逆流气液传质塔，由7根长3mφ19x2mm的吸收管组成，六角形布置；所述冷回流塔5外壳内径为冷却水走所述吸收管的管间。
所述冷回流塔5底部经缩径至与第2级提取塔同径后直接坐落于第2级提取塔塔顶，使冷回流塔和最后级提取塔第2级提取塔形成一座塔，省去最后级提取塔第2级提取塔塔顶进料的液体分布器。
所述第1级提取塔内径内装316#不锈钢丝网制规整填料，填料有效高度15m。所述第1级提取塔顶部设有一个液体进口和气体出口，第1级提取塔塔底设有三氟化硼气体进口，所述三氟化硼气体进口跟第1级浓缩塔塔顶的气体出口连通。第1级提取塔塔底连接一个高200mm且与第1级提取塔同径的储液器，其底端设有一个液体出口，通过液体管道与计量泵连通浓缩工段中第1级浓缩塔塔顶液体进口。
所述第2级提取塔内径内装316#不锈钢丝网制规整填料，填料有效高度11m。所述第2级提取塔底部设有一个气体进口，通过气体管道与第1级提取塔塔顶气体出口相接，第2提取塔底部连接一个高200mm与第2提取塔同径的储液器，其底端设有一个液体出口，通过液体管道与计量泵与第1提取塔塔顶液体进口相连。
所述第1级浓缩塔内径内装316#不锈钢丝网制规整填料，填料有效高度10m。所述第1级浓缩塔顶部设有一个液体进口(通过液体管道、计量泵与第1级提取塔塔底储液器底端液体出口相连)和一个气体出口(通过气体管道与第1级提取塔塔底气体进口相接)；所述第1级浓缩塔底部设有一个气体进口，通过气体管道与第2级浓缩塔塔顶气体出口相接，所述第1级浓缩塔底部连接第一热回流塔。
所述第一热回流塔顶部与所述第1级浓缩塔同径，所述第1级浓缩塔直接坐落在第一热回流塔顶部，使第1级浓缩塔与第一热回流塔构成一体。所述第一热回流塔从上而下由分流部件、外壳不保温的直接换热-淋洗填料段、外壳保温的填料热分解段和电加热或蒸汽加热的塔釜等四部分组成。所述第一热回流塔在分流部件底部设有一个液体出口，通过液体管道与计量泵连通第2级浓缩塔塔顶的液体进口。所述填料热分解段顶部设有测量和控制分解温度的温控元件。所述第一热回流塔塔釜底部设有一个苯甲醚(络合物热分解产物之一)出口，通过液体管道与第一热分解液冷却器进口相连，所述第一热分解液冷却器出口通过液体管道与计量泵连通提取工段中冷回流塔顶部的一个苯甲醚的进料口。
所述第2级浓缩塔内径内装316#不锈钢丝制散堆填料，填料有效高度15m。所述第2级浓缩塔顶部设有一个液体进口，所述第2级浓缩塔顶部还设有一个气体出口，通过气体管道与第1级浓缩塔底部气体进口连通；所述第2级浓缩塔底部设有一个气体进口，通过气体管道与第3级浓缩塔塔顶气体出口相接，所述第2级浓缩塔底部连接一个高200mm与第2级浓缩塔同径的储液器，其底端设有一个液体出口，通过液体管道与计量泵连通第3级浓缩塔塔顶液体进口。所述第3级浓缩塔内径内装316#不锈钢丝制散堆填料，填料有效高度10m。所述第3级浓缩塔顶部设有一个液体进口，所述第3级浓缩塔顶部还设有一个气体出口，通过气体管道与第2级浓缩塔底部气体进口相接；所述第3级浓缩塔塔底设有一个产品流出料口，通过气体管道与高浓硼-10三氟化硼产品稳流收集装置相连接；所述第3级浓缩塔底部连接第二热回流塔。
所述第二热回流塔顶部与所述第3级浓缩塔同径，所述第3级浓缩塔直接坐落在第二热回流塔顶部，使第3级浓缩塔与第二热回流塔构成一体。所述第二热回流塔不设分流部件，从上而下由外壳不保温的直接换热-淋洗填料段、外壳保温的填料热分解段和电加热或蒸汽加热的塔釜等三部分组成。所述填料热分解段顶部设有测量和控制分解温度在70±5℃的范围内的温控元件。所述第二热回流塔塔底部设有一个苯甲醚(络合物热分解产物之一)出口，通过液体管道与第二热分解液冷却器进口相连，所述第二热分解液冷却器出口通过液体管道与计量泵连通所述提取工段中冷回流塔顶部苯甲醚进料口。
市售钢瓶装硼同位素含量为天然丰度的三氟化硼原料经除水净化后加入到所述浓缩工段第1级浓缩塔塔顶至所述提取工段第1级提取塔塔底的气相连接管中，作为整个级联装置的原料。
所述提取工段中的提取塔操作温度为20～30℃,操作压力为表压0.01～0.03MPa，液相喷淋密度为0.5～5ml/cm2.min。
所述冷回流塔、第一、第二分解液冷却器均使用循环冷却水作为冷却剂。
所述浓缩工段中的浓缩塔塔操作温度为20～30℃，操作压力为表压0.02～0.05MPa，液相喷淋密度为0.5～5ml/cm2.min。
所述第一、二热回流塔中分解段的操作温度被控制在70±5℃的范围内。
所述第一、二热回流塔塔釜均采用电加热。
同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的方法，以三氟化硼为原料，以三氟化硼/苯甲醚为硼同位素交换工作体系，通过级联装置的冷热回流，使得三氟化硼和由苯甲醚吸收三氟化硼而生成的液体络合物发生硼同位素交换，实现循环回流分离硼-10和硼-11，包括以下过程：
(1)浓缩工段
在浓缩工段中，将提取工段第1级提取塔底部流出的液体络合物通过液体管道和计量泵全部送入浓缩工段第1级浓缩塔的顶部，经第1级浓缩塔浓缩的硼-10液相络合物流入塔底第一热回流塔时被第一热回流塔顶部的分流部件切割成两部分，一部分通过液体管道和计量泵直接送入浓缩工段第2级浓缩塔塔顶，作为浓缩工段第2级浓缩塔的加料；另一部分则流入所述的第一热回流塔中，受热分解成三氟化硼气体和苯甲醚，热分解的气体产物三氟化硼返回第1级浓缩塔塔底，自下而上与自上而下流动的络合物逆流接触进行硼同位素交换，硼-10富集于液相，硼-11富集于气相；热分解液体产物苯甲醚从所述第一热回流塔底部流出，通过液体管道经第一分解液冷却器冷却至室温后由计量泵送入位于提取工段最后级(第2级)提取塔顶部的冷回流塔的苯甲醚的进料口，作为级联系统制备苯甲醚﹒三氟化硼络合物的原料之一，循环使用；
自浓缩工段第2级浓缩塔塔顶流出的气相通过气体管道全部自行流入浓缩工段第1级浓缩塔塔底，与来自第一热回流塔分解的气相产物汇合，进入第1级浓缩塔底部，自下而上流向塔顶，期间与自上而下流动的液相络合物逆流接触进行硼同位素交换，液相中硼-10得到进一步富集并流向塔底，从而实现浓缩工段中第1浓缩塔与第2浓缩塔间的液/气连接；浓缩工段第2级浓缩塔底部流出的液相络合物通过液体管道和计量泵送至第3级浓缩塔顶部作为第3级浓缩塔的加料，自上而下流向第3级浓缩塔塔底，期间与塔中三氟化硼气体逆流接触进行硼同位素交换，液相中硼-10又进一步得到富集；第3级浓缩塔塔顶流出的三氟化硼气体通过气体管道自行流入第2级浓缩塔的底部，实现浓缩工段中第2浓缩塔与第3浓缩塔的液/气连接；如此类推，硼-10逐步得到浓缩，使浓缩工段最后级浓缩塔(第3级浓缩塔)塔底络合物硼-10同位素浓度达到设计值；浓缩工段中最后级塔(第3级浓缩塔)底部连第二热回流塔，流入第二热回流塔的络合物中硼-10同位素浓度已达设计值的液相络合物受热分解成苯甲醚，从第二热回流塔底部流出，通过液体管道经第二分解液冷却器冷却至室温后由计量泵送入位于提取工段最后级提取塔(第2级提取塔)顶部冷回流塔的苯甲醚进料口，作为级联系统制备苯甲醚/三氟化硼络合物的原料之二；第二热回流塔的另一分解产物是硼-10同位素浓度已达设计值的三氟化硼气体返回第n浓缩塔底部，从中定量取出三氟化硼作为高浓硼-10的产品；
自浓缩工段第1级浓缩塔塔顶出来的富集硼-11三氟化硼气体与所述原料气供应系统提供的天然丰度的三氟化硼气体混合通过气体管道全部自行流入提取工段第1级提取塔塔底，实现提取工段与浓缩工段的液/气连接；
(2)提取工段
自第1级提取塔塔顶出来的气体通过气体管道直接流入第2级提取塔塔底，而第2级提取塔塔底流出的液体络合物则通过液体管道和计量泵被全部送入所述第1级提取塔塔顶，自上而下流动与塔中来自浓缩工段第1级浓缩塔塔顶出来的富集硼-11三氟化硼气体和天然丰度的三氟化硼气体混合物逆流接触进行同位素交换，硼-11进一步富集于气相流向塔顶进入第2级提取塔塔底，如此类推，使提取工段的最后级提取塔(第2级提取塔)塔顶硼-11同位素浓度达到设计值；自最后级提取塔塔顶出来的硼-11同位素浓度达到设计值的三氟化硼气体进入所述冷回流塔后与来自浓缩工段中第一热回流塔和第二热回流塔分解产物苯甲醚发生络合反应，生成的络合物流入提取工段的最后级提取塔塔顶，从而完成苯甲醚的循环使用；冷回流塔的多余的硼-11三氟化硼气体作为高浓硼-11产品从冷回流塔顶部取出。
(一)基本参数如表1所示：
表1
(二)主要设备参数：
1.冷回流塔主要参数如表2所示，提取塔主要参数如表3所示，浓缩塔主要参数如表4所示，第一热回流塔主要参数如表5所示，第二热回流塔主要参数如表6所示：
表2
表3
表4
表5
组成部件名称 主要参数
分流部件 有
直接换热-淋洗段 316#不锈钢丝网制规整填料，不保温
热分解段 316#不锈钢丝网制规整填料，保温
温控元件 位于热分解段顶部，控制在70±5℃
塔釜 电加热，功率0.65kw
表6
(三)主要的流量值如表7所示：
表7
流量名称 单位 流量值
第2级提取塔液相流量 ml/min 141.6
第2级提取塔气相流量 L/min 28.9
第1级提取塔液相流量 ml/min 141.6
第1级提取塔气相流量 L/min 28.9
第1级浓缩塔液相流量 ml/min 141.6
第1级浓缩塔气相流量 L/min 28.5
第2级浓缩塔液相流量 ml/min 62.4
第2级浓缩塔气相流量 L/min 12.5
第3级浓缩塔液相流量 ml/min 62.4
第3级浓缩塔气相流量 L/min 12.5
原料三氟化硼流量 ml/min 392.1
产品硼-10三氟化硼流量 ml/min 73.5
产品硼-11三氟化硼流量 ml/min 318.6
(四)硼-10出产品情况下硼同位素浓度分布如表8所示：
表8
(五)硼-10出产品情况下各座提取塔或浓缩塔的理论板数如表9所示：
表9

Claims (9)

1.一种同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的系统，其特征在于，该系统包括原料气供应系统、级联装置、高浓硼-11三氟化硼产品稳流收集装置、高浓硼-10三氟化硼产品稳流收集装置；所述级联装置包括相互气/液连接的用于提取工段的提取级联子系统、用于浓缩工段的浓缩级联子系统；所述提取级联子系统包括按级联方式通过气体管路和液体管路连接的多级提取塔、通过气体和液体管路与最后级提取塔顶部连通的冷回流塔，以及设在每级提取塔底部通往上一级提取塔顶部的液体管路上的计量泵；所述冷回流塔顶部设有高浓硼-11三氟化硼气体出口和硝基甲烷或醚类化合物进料口；所述高浓硼-11三氟化硼气体出口连通高浓硼-11三氟化硼产品稳流收集装置；所述浓缩级联子系统包括按级联方式通过气体管路和液体管路连接的多级浓缩塔、通过气体和液体管路与最后级浓缩塔底部连通的用来分解硝基甲烷或醚类化合物﹒三氟化硼络合物的第二热回流塔、跟第二热回流塔底部连通的第二分解液冷却器，以及设在每级浓缩塔底部通往下一级浓缩塔顶部的液体管路上的计量泵；所述浓缩级联子系统中，第1级浓缩塔底部连接有顶部设有分流部件的第一热回流塔，最后级浓缩塔底部连通有第二热回流塔，除此之外，其他的多级浓缩塔底部没有连接热回流塔；所述第二热回流塔底部经第二分解液冷却器连通冷回流塔的硝基甲烷或醚类化合物的进料口，形成硝基甲烷或醚类化合物的循环回路；所述浓缩工段的最后级浓缩塔底部还设有高浓硼-10三氟化硼产品出口，连接有高浓硼-10三氟化硼产品稳流收集装置；其中提取级联子系统第1级提取塔塔底设有液相络合物出口和三氟化硼气体进口，所述液相络合物出口经液体管道和计量泵连通浓缩工段的第1级浓缩塔塔顶，所述三氟化硼气体进口通过气体管道连通浓缩工段的第1级浓缩塔塔顶，实现提取工段与浓缩工段的液/气连接；所述原料气供应系统包括依次连通的原料气钢瓶、原料气缓冲瓶和原料气净化塔，所述原料气净化塔的出口跟第1级提取塔塔底三氟化硼气体进口至第1级浓缩塔塔顶的气体管道连通，所述原料气钢瓶装硼同位素含量为天然丰度的三氟化硼，经原料气缓冲瓶和原料气净化塔除水净化后加入到第1级提取塔塔底三氟化硼气体进口至第1级浓缩塔塔顶的气体管道中，作为整个级联装置的原料；所述第1级浓缩塔底部连接第一热回流塔，第一热回流塔顶部设有分流部件，第一热回流塔底部经第一分解液冷却器连通冷回流塔的硝基甲烷或醚类化合物的进料口，经第1级浓缩塔浓缩的硼-10液相络合物流入塔底第一热回流塔时被第一热回流塔顶部的分流部件切割成两部分，一部分通过液体管道和计量泵直接送入浓缩工段第2级浓缩塔塔顶，作为浓缩工段第2级浓缩塔的加料；另一部分则流入所述的第一热回流塔中，受热分解成三氟化硼气体和硝基甲烷或醚类化合物，热分解的气体产物三氟化硼返回第1级浓缩塔塔底，自下而上与自上而下流动的硝基甲烷或醚类化合物﹒三氟化硼络合物逆流接触进行硼同位素交换，硼-10富集于液相，硼-11富集于气相；热分解液体产物硝基甲烷或醚类化合物从所述第一热回流塔底部流出，通过液体管道经第一分解液冷却器冷却至室温后由计量泵送入位于提取工段最后级提取塔顶部的冷回流塔的硝基甲烷或醚类化合物的进料口，循环使用。
2.根据权利要求1所述的同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的系统，其特征在于，所述提取工段中的提取塔以及浓缩工段中的浓缩塔均为逆流接触气液传质塔。
3.根据权利要求1或2所述的同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的系统，其特征在于，所述浓缩塔操作温度为20～30℃，操作压力为表压0.02～0.05MPa，液相喷淋密度为0.5～5ml/cm2.min。
4.根据权利要求3所述的同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的系统，其特征在于，所述浓缩工段中的每级浓缩塔底部连接一个与其同径的储液器，其底端设有一个液体出口，通过液体管道与计量泵连通下一级浓缩塔塔顶液体进口。
5.根据权利要求1或2所述的同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的系统，其特征在于，所述提取工段中的提取塔均为逆流接触气液传质塔，操作温度为20～30℃，操作压力为表压0.01～0.03MPa，液相喷淋密度为0.5～5ml/cm2.min。
6.根据权利要求5所述的同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的系统，其特征在于，所述提取工段中的每级提取塔底部连接一个与其同径的储液器，其底端设有一个液体出口，通过液体管道与计量泵与上一级提取塔的塔顶液体进口相连。
7.根据权利要求1或2所述的同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的系统，其特征在于，所述冷回流塔是列管膜式或列管填料逆流气液传质塔，直接与所述最后级提取塔塔顶连成一体，管间走冷却水。
8.根据权利要求1或2所述的同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的系统，其特征在于，所述第一、二热回流塔中分解段的操作温度在70±5℃的范围内；所述第一热回流塔顶部与所述第1级浓缩塔同径并连为一体；所述第一热回流塔从上而下由分流部件、外壳不保温的直接换热-淋洗填料段、外壳保温的填料热分解段和电加热或蒸汽加热的塔釜四部分组成；所述填料热分解段顶部设有测量和控制分解温度的温控元件；所述第二热回流塔顶部与所述最后级浓缩塔同径并连为一体；所述第二热回流塔不设分流部件，从上而下由外壳不保温的直接换热-淋洗填料段、外壳保温的填料热分解段和电加热或蒸汽加热的塔釜三部分组成；所述填料热分解段顶部设有测量和控制分解温度在70±5℃的范围内的温控元件。
9.一种同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的方法，其特征在于，该方法以三氟化硼为原料，以三氟化硼/硝基甲烷或醚类化合物为硼同位素交换工作体系，通过权利要求1-8中任意权利要求所述的同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的系统的冷热回流，使得三氟化硼和由硝基甲烷或醚类化合物吸收三氟化硼而生成的液体络合物发生硼同位素交换，实现循环回流分离硼-10和硼-11，包括以下过程：
(1)浓缩工段
在浓缩工段中，将提取工段第1级提取塔底部流出的液体络合物通过液体管道和计量泵全部送入浓缩工段第1级浓缩塔的顶部，经第1级浓缩塔浓缩的硼-10液相络合物流入塔底第一热回流塔时被第一热回流塔顶部的分流部件切割成两部分，一部分通过液体管道和计量泵直接送入浓缩工段第2级浓缩塔塔顶，作为浓缩工段第2级浓缩塔的加料；另一部分则流入所述的第一热回流塔中，受热分解成三氟化硼气体和硝基甲烷或醚类化合物，热分解的气体产物三氟化硼返回第1级浓缩塔塔底，自下而上与自上而下流动的硝基甲烷或醚类化合物﹒三氟化硼络合物逆流接触进行硼同位素交换，硼-10富集于液相，硼-11富集于气相；热分解液体产物硝基甲烷或醚类化合物从所述第一热回流塔底部流出，通过液体管道经第一分解液冷却器冷却至室温后由计量泵送入位于提取工段最后级提取塔顶部的冷回流塔的硝基甲烷或醚类化合物的进料口，作为级联系统制备硝基甲烷或醚类化合物﹒三氟化硼络合物的原料之一，循环使用；
自浓缩工段第2级浓缩塔塔顶流出的气相产物通过气体管道全部自行流入浓缩工段第1级浓缩塔塔底，与来自第一热回流塔分解的气相产物汇合，进入第1级浓缩塔底部，自下而上流向塔顶，期间与自上而下流动的液相络合物逆流接触进行硼同位素交换，液相中硼-10得到进一步富集并流向塔底，从而实现浓缩工段中第1浓缩塔与第2浓缩塔间的液/气连接；浓缩工段第2级浓缩塔底部流出的液相硝基甲烷或醚类化合物﹒三氟化硼络合物通过液体管道和计量泵送至第3级浓缩塔顶部作为第3级浓缩塔的加料，自上而下流向第3级浓缩塔塔底，期间与塔中三氟化硼气体逆流接触进行硼同位素交换，液相中硼-10又进一步得到富集；第3级浓缩塔塔顶流出的三氟化硼气体通过气体管道自行流入第2级浓缩塔的底部，实现浓缩工段中第2浓缩塔与第3浓缩塔的液/气连接；如此类推，硼-10逐步得到浓缩，使浓缩工段最后级浓缩塔塔底络合物硼-10同位素浓度达到设计值；浓缩工段中最后级塔底部连第二热回流塔，流入第二热回流塔的络合物中硼-10同位素浓度已达设计值的液相络合物受热分解成硝基甲烷或醚类化合物，从第二热回流塔底部流出，通过液体管道经第二分解液冷却器冷却至室温后由计量泵送入位于提取工段最后级提取塔顶部冷回流塔的硝基甲烷或醚类化合物进料口，作为级联系统制备硝基甲烷或醚类化合物/三氟化硼络合物的原料之二；第二热回流塔的另一分解产物是硼-10同位素浓度已达设计值的三氟化硼气体返回最后级浓缩塔底部，从中定量取出三氟化硼作为高浓硼-10的产品；
自浓缩工段第1级 浓缩塔塔顶出来的富集硼-11三氟化硼气体与所述原料气供应系统提供的天然丰度的三氟化硼气体混合通过气体管道全部自行流入提取工段第1级提取塔塔底，实现提取工段与浓缩工段的液/气连接；
(2)提取工段
自第1级 提取塔塔顶出来的气体通过气体管道直接流入第2级提取塔塔底，而第2级提取塔塔底流出的液体络合物则通过液体管道和计量泵被全部送入所述第1级提取塔塔顶，自上而下流动与塔中来自浓缩工段第1级浓缩塔塔顶出来的富集硼-11三氟化硼气体和天然丰度的三氟化硼气体混合物逆流接触进行同位素交换，硼-11进一步富集于气相流向塔顶进入第2级提取塔塔底，如此类推，使提取工段的最后级提取塔塔顶硼-11同位素浓度达到设计值；自最后级提取塔塔顶出来的硼-11同位素浓度达到设计值的三氟化硼气体进入所述冷回流塔后与来自浓缩工段中第一热回流塔和第二热回流塔分解产物硝基甲烷或醚类化合物发生络合反应，生成的络合物流入提取工段的最后级提取塔塔顶，从而完成硝基甲烷或醚类化合物的循环使用；冷回流塔的多余的硼-11三氟化硼气体作为高浓硼-11产品从冷回流塔顶部取出。
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