CN113800586A - 一种双向强化生产重氧水与重水的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于稳定同位素分离技术领域，提供了一种双向强化生产重氧水与重水的方法。针对现有的重水生产过程和重氧水生产过程集成程度不高、忽视氘的综合利用等问题，开发了一种重水生产工艺与重氧水生产工艺相耦合、协同强化的新型生产工艺，实现氘的综合利用。第一生产工艺、第二生产工艺，在能耗不变的情况下，H₂O‑H₂S双温化学交换工艺中回收率提升至100％，增加了重水的产率，提升了重氧水精馏生产工艺中氧十六与氧十八的分离系数，降低分离难度，进而提高了重氧水的产率。

Description

一种双向强化生产重氧水与重水的方法

技术领域

本发明属于稳定同位素分离技术领域，涉及一种双向强化生产重氧水与重水的方法，实现氘的综合利用。

背景技术

天然水中含有五种稳定同位素，其中氢有两种稳定同位素，分别为H(氕)、D(氘)。氧有三种稳定同位素，分别为O₁₆(氧十六)、O₁₇(氧十七)、O₁₈(氧十八)。天然水分子由两个氢原子和一个氧原子构成，其中由两个氘原子构成的水分子叫做重水；由两个氧十八原子构成的水分子叫做重氧水。用于氢、氧稳定同位素分离的方法有化学交换法、热扩散法、低温精馏法和水精馏法等。其中水精馏法，不受原料限制，技术成熟，经济性可行，是可以达到工业化规模的稳定同位素分离工艺。

常规重水生产工艺采用H₂O-H₂S双温化学交换与重水精馏的组合工艺，传统H₂O-H₂S双温化学交换体系回收率只有19.6％，Burgess,M.P的AEC报告(Predictedperformance of GS process with supplementary feed to the hot tower.DP-1204.)，报道了一种除了第一级冷塔顶的正常进料外，在热塔适当位置提供额外进料的H₂O-H₂S双温化学交换工艺，当补充进料量约为冷塔正常进料的33％时，产率将提高10％。然而，额外进料也导致回收率从18.23％下降至14.24％。专利US 3711598提出了一种在冷塔合适位置抽出一股物料，返回至热塔适当位置的H₂O-H₂S双温化学交换工艺，冷塔进料口下方抽出物料的同时加大进料量，保持最佳气液比，当抽出量为冷塔进料的50％时，产率提高11.2％，但回收率大幅下降。Szapiro S,Steckel F.(Szapiro S,Steckel F.Physical propertiesof heavy-oxygen water.Part 2.Vapour pressure[J].Transactions of the FaradaySociety,1967,63(532P).)、Hook V,Alexander W(Hook V,Alexander W.Vapor pressuresof the isotopic waters and ices[J].The Journal of Physical Chemistry,1968,72(4):1234-1244.)、Andreev B M,Magomedbekov E P,Raitman A A,et al.(Andreev B M,Magomedbekov E P,Raitman A A,et al.Separation of Isotopes of BiogenicElements in Two-phase Systems[J].minerva chirurgica,2007.)的研究报道了氘的存降低了氧十六和氧十八的分离系数，增加了分离难度。

(α_D-1)/(α_H-1)＝0.825±0.022 (1)

其中α_D是D₂O₁₆与D₂O₁₈的分离因子，α_H是H₂O₁₆与H₂O₁₈的分离因子。

H₂O-H₂S双温化学交换是重水生产工艺的初段浓缩工艺、为终端重水精馏提供高浓度重水进料。目前H₂O-H₂S双温化学交换改进方法其核心是在热塔加入第二股进料，第二股进料氘含量越高其产率提升越高。随着第二股进料的加入热塔中气相的氘浓度增加，进而提高了冷塔中气相的氘浓度，在冷塔中更多的氘从气相传递到液相，所以提高了产率。但随着第二股进料的加入更多的低氘废水需要排放，造成回收率进一步降低，如何为H₂O-H₂S双温化学交换提供氘含量更高的第二股进料和低氘水的综合利用是目前H₂O-H₂S双温化学交换工艺待解决的主要问题。在重氧水生产工艺中，氘的存在会降低氧十六和氧十八的分离系数，降低分离效率，为重氧水精馏提供低氘水进料或在重氧水精馏过程中如何降低氘的含量，可以提高重氧水精馏分离效果。

综上所述，现有的重水生产过程和重氧水生产过程集成程度不高、忽视氘的综合利用。为改善上述问题，开发了一种重氧水与重水耦合、分离的新型生产工艺，实现氘的综合利用。

发明内容

针对现有工艺技术的不足，为了解决现有工艺技术中氘不能充分利用的问题，本发明提供一种双向强化生产重氧水与重水的方法，提高了重水生产工艺和重氧水生产工艺的产率和分离效率。

本发明的技术方案：

一种双向强化生产重氧水与重水的方法，包括第一生产工艺和第二生产工艺，第一生产工艺和第二生产工艺均包括多级联同位素双温化学交换冷塔、多级联同位素双温化学交换热塔、多级联重水减压精馏塔、多级联重氧水减压精馏塔、同位素双温化学交换加湿器和同位素双温化学交换汽提塔；

第一生产工艺中，多级联同位素双温化学交换冷塔、多级联同位素双温化学交换热塔、多级联重水减压精馏塔、多级联重氧水减压精馏塔采用串联或并联连接方式；

各级同位素双温化学交换冷塔塔底液相出口均分为两路，分别连接各级同位素双温化学交换热塔塔顶液相入口和下一级同位素双温化学交换冷塔塔顶液相入口；各级同位素双温化学交换冷塔塔顶气相出口连接前各级同位素双温化学交换冷塔塔底气相入口；

同位素双温化学交换热塔塔底液相出口与前各级同位素双温化学交换热塔塔顶液相入口相连；同位素双温化学交换热塔塔顶气相出口与同级同位素双温化学交换冷塔塔底气相入口相连；

其中，第一级同位素双温化学交换冷塔C11塔底一液相出口与第一级同位素双温化学交换热塔H11塔顶液相入口相连；第一级同位素双温化学交换冷塔C11塔顶气相出口通过同位素双温化学交换加湿器M11与第一级同位素双温化学交换热塔H11塔底气相入口相连；

最后一级同位素双温化学交换冷塔塔底液相出口分为两路，分别连接第一级重水减压精馏塔D11塔中液相入口和最后一级同位素双温化学交换热塔塔顶液相入口；最后一级同位素双温化学交换热塔塔底一液相出口与前各级同位素双温化学交换热塔塔顶一液相入口相连；

第一级同位素双温化学交换热塔H11塔底液相出口与第一级重氧水减压精馏塔O11塔顶液相入口直接联通，或过二者之间的管路上并联有同位素双温化学交换加湿器M11和/或同位素双温化学交换汽提塔S11后与第一级重氧水减压精馏塔O11塔顶液相入口联通；

多级重水减压精馏塔采取液相回流式串联，后一级重水减压精馏塔塔顶气相出口通过冷凝器冷凝成液体后与前一级重水减压精馏塔塔底液相入口相连；第一级重水减压精馏塔D11的塔顶气相出口，通过冷凝器E121冷凝后分为两路，一路与最后一级同位素双温化学交换冷塔塔中一液相入口相连，另一路与第一级重水减压精馏塔D11的塔顶液相入口相连；

多级重氧水减压精馏塔液相回流式串联，后一级重氧水减压精馏塔塔顶气相出口通过冷凝器冷凝成液体后与前一级重氧水减压精馏塔塔底液相入口相连；

具体步骤如下：

步骤1.1：同位素双温化学交换；每个同位素双温化学交换塔，液相从塔顶液相入口流向塔底液相出口，气相从塔底气相入口流向塔顶气相出口；液相流股与气相流股逆流接触传递同位素；天然水作为进料加入第一级同位素双温化学交换冷塔C11塔顶液相入口；第一级同位素双温化学交换冷塔C11塔底液相出口分为两部分，一部分作为进料进入后一级同位素双温化学交换冷塔塔顶液相入口进行同位素交换，另一部分作为第一级同位素双温化学交换热塔H11进料加入其塔顶液相入口；第n级同位素双温化学交换冷塔C1n塔底液相出口分为两部分，一部分作为重水减压精馏供料加入第一级重水减压精馏塔D11塔中液相入口，另一部分作为第j级同位素双温化学交换热塔H1j进料加入塔顶液相入口；第j级同位素双温化学交换热塔H1j塔底液相出口与前j级同位素双温化学交换热塔塔顶液相入口相连进行同位素双温化学交换；第一级同位素双温化学交换热塔H11塔底液相出口流股，作为重氧水减压精馏供料，加入第一级重氧水减压精馏塔O11塔顶液相入口；

步骤1.2：重水减压精馏；第n级同位素双温化学交换冷塔C1n塔底的液相出口与第一级重水减压精馏塔D11塔中液相入口相连；第1级重水减压精馏塔D11塔顶气相出口通过冷凝器后冷凝液一部分返回第n级同位素双温化学交换冷塔C1n塔中液相入口，另一部分作为回流返回第一级重水减压精馏塔D11塔顶液相入口；在m级重水减压精馏塔中，采用液相回流的连接方式；前一级重水减压精馏塔塔底液相出口流股分为两部分，一部分作为进料加入后一级塔顶液相入口，另一部分通过塔底再沸器返回塔底气相入口作为气相回流；后一级重水减压精馏塔塔顶气相出口通过冷凝器冷凝，冷凝液加入前一级塔底液相入口；

步骤1.3：第一级同位素双温化学交换热塔H11塔底液相出口与第一级重氧水减压精馏塔O11塔顶液相入口相连，第一级重氧水减压精馏塔O11塔顶设置冷凝液排除系统；在k级重氧水减压精馏塔中，采用液相回流的连接方式；前一级重氧水减压精馏塔塔底液相出口流股分为两部分，一部分作为进料加入后一级塔顶液相入口，另一部分通过塔底再沸器返回塔底气相入口作为气相回流；后一级重氧水减压精馏塔塔顶气相出口通过冷凝器冷凝，冷凝液加入前一级塔底液相入口；

第二生产工艺中，多级联同位素双温化学交换冷塔、多级联同位素双温化学交换热塔、多级联重水减压精馏塔、多级联重氧水减压精馏塔采用串联或并联连接方式；各级同位素双温化学交换冷塔液相出口与下一级同位素双温化学交换冷塔液相入口相连；各级同位素双温化学交换冷塔塔顶气相出口与前各级同位素双温化学交换冷塔塔底气相入口相连；各级同位素双温化学交换热塔塔底液相出口与前各级同位素双温化学交换热塔的液相入口相连；各级同位素双温化学交换热塔塔顶气相出口与同级同位素双温化学交换冷塔塔底气相入口相连；

其中，第一级同位素双温化学交换冷塔C21的气相出口通过同位素双温化学交换加湿器M21与第一级同位素双温化学交换热塔H21塔底气相入口相连；最后一级同位素双温化学交换冷塔C2n塔底液相出口与第一级重水减压精馏塔D21塔中液相入口相连；

第一级同位素双温化学交换热塔H21液相出口与第一级重氧水减压精馏塔O21塔中液相入口相连，或过二者之间的管路上并联有同位素双温化学交换加湿器M21和/或同位素双温化学交换汽提塔S21后与第一级重氧水减压精馏塔O21塔中液相入口相连；

k个重氧水减压精馏塔中，在降低氘浓度的位置设置液相出口，该液相出口与各级同位素双温化学交换热塔塔顶液相入口相连；多级重水减压精馏塔采取液相回流式串联，后一级重水减压精馏塔塔顶气相出口通过冷凝器冷凝后与前一级重水减压精馏塔塔底液相入口相连，第一级重水减压精馏塔D21的塔顶气相出口通过冷凝器E221冷凝后分为两支路，一路与最后一级同位素双温化学交换冷塔C2n塔中一液相入口相连，另一路返回至第一级重水减压精馏塔D21的塔顶液相入口；多级重氧水减压精馏塔液相回流式串联，后一级重氧水减压精馏塔塔顶气相出口通过冷凝器冷凝成液体后与前一级重氧水减压精馏塔塔底液相入口相连；

具体步骤如下：

步骤2.1：同位素双温化学交换；每个同位素双温化学交换塔，液相从塔顶液相入口流向塔底液相出口，气相从塔底气相入口流向塔顶气相出口，液相流股与气相流股逆流接触传递同位素；天然水作为进料加入第一级同位素双温化学交换冷塔C21塔顶液相入口，第一级同位素双温化学交换冷塔C21塔底液相出口流股作为进料加入后一级同位素双温化学交换冷塔塔顶液相入口中进行同位素双温化学交换；第n级同位素双温化学交换冷塔C2n塔底液相出口与第一级重水减压精馏塔D21塔中液相入口相连；同位素双温化学交换冷塔和热塔液相断开，第n级同位素双温化学交换冷塔C2n塔底液相出口流股全部作为重水减压精馏供料；k个重氧水减压精馏塔中，在降低氘浓度的位置设置液相出口，该液相出口与第一级同位素双温化学交换热塔H21塔顶液相入口和第j级同位素双温化学交换热塔H2j塔顶液相入口相连，第j级同位素双温化学交换热塔H2j塔底液相出口与前一级同位素双温化学交换热塔塔顶液相入口相连进行同位素交换，第一级同位素双温化学交换热塔H21塔底液相出口与第一级重氧水减压精馏塔O21塔中液相入口相连，同位素双温化学交换冷塔和同位素双温化学交换热塔气相相连与常规流程相同；

步骤2.2：重水减压精馏；第n级同位素双温化学交换冷塔C2n塔底液相出口与第一级重水减压精馏塔D21塔中液相入口相连；第一级重水减压精馏塔D21塔顶气相出口通过冷凝器冷凝，冷凝液一部分返回第n级同位素双温化学交换冷塔C2n塔中液相入口，另一部分作为回流返回第一级重水减压精馏塔D21塔顶液相入口；在m级重水减压精馏塔中，采用液相回流的连接方式；前一级重水减压精馏塔塔底液相出口流股分为两部分，一部分作为进料加入后一级塔顶液相入口，另一部分通过塔底再沸器返回塔底气相入口作为气相回流；后一级重水减压精馏塔塔顶气相出口通过冷凝器冷凝，冷凝液加入前一级塔底液相入口；

步骤2.3：天然水加入第一级重氧水减压精馏塔O21塔顶液相入口，第一级重氧水减压精馏塔O21塔顶设置冷凝液排除系统；在k级重氧水减压精馏塔中，采用液相回流的连接方式；前一级重氧水减压精馏塔塔底液相出口流股分为两部分，一部分作为进料加入后一级塔顶液相入口，另一部分通过塔底再沸器返回塔底气相入口作为气相回流；后一级重氧水减压精馏塔塔顶气相出口通过冷凝器后冷凝液加入前一级塔底液相入口；第一级重氧水减压精馏塔塔中液相出口与第一级同位素双温化学交换热塔H21塔顶液相入口和第j级热塔H2j塔顶液相入口相连，第j级同位素双温化学交换热塔H2j塔底液相出口与前一级同位素双温化学交换热塔塔顶液相入口相连进行同位素双温化学交换；第一级同位素双温化学交换热塔H21塔底液相出口与第一级重氧水减压精馏塔O21塔中液相入口相连。

多级联同位素双温化学交换冷塔、多级联同位素双温化学交换热塔、多级联重水减压精馏塔、多级联重氧水减压精馏塔、同位素双温化学交换汽提塔为板式塔或填料塔。

第一生产工艺、第二生产工艺中同位素双温化学交换体系选用任何水与不含氧元素物质组成的同位素双温化学交换体系，例如H₂O-H₂S双温交换体系、H₂O-H₂双温交换体系；

第二生产工艺中k个重氧水减压精馏塔中，在降低氘浓度的位置设置液相出口，该液相出口与各级同位素双温化学交换热塔塔顶液相入口相连。该位置可以设置在k个重氧水减压精馏塔中，任意氘浓度需要降低的位置。

第一生产工艺、第二生产工艺中同位素双温化学交换冷塔个数n为1～30个，同位素双温化学交换热塔个数j为1～30个；同位素双温化学交换冷塔工艺与热塔工艺均采用普通的同位素双温化学交换工艺，全塔操作压力在0.2～5.2Mpa，操作温度200～500K；重水减压精馏塔个数m为1～30个，其全塔操作压力在10～90kpa，操作温度303～373K；重氧水减压精馏塔个数k为1～30个，其全塔操作压力在10～90kpa，操作温度303～373K。

本发明的有益效果是：实现重水生产工艺与重氧水生产工艺相耦合、协同强化的新型生产工艺，实现氘的综合利用。在能耗不变的情况下，H₂O-H₂S双温化学交换工艺中回收率提升至100％，增加了重水的产率，提升了重氧水精馏生产工艺中氧十六与氧十八的分离系数，降低分离难度，进而提高重氧水的产率。

附图说明

图1为一种双向强化生产重氧水与重水的方法第一生产工艺流程图。

图2为一种双向强化生产重氧水与重水的方法第二生产工艺流程图。

图1中标记：C11-第1个双温同位素化学交换冷塔；C1n-第n个双温同位素化学交换冷塔；H11-第1个双温同位素化学交换热塔；H1j-第j个双温同位素化学交换热塔；D11-第1个重水精馏塔；D12-第2个重氢同位素浓缩水精馏塔；以此类推，D1m-为第m个重水精馏塔；O11为第1个重氧水精馏塔；O12为第2个重氧水精馏塔；以此类推，O1k为第k个重氧水精馏塔；M11-同位素双温化学交换加湿器；S11-同位素双温化学交换汽提塔；

图2中标记：C21-第1个双温同位素化学交换冷塔；C2n-第n个双温同位素化学交换冷塔；H21-第1个双温同位素化学交换热塔；H2j-第j个双温同位素化学交换热塔；D21-第1个重水精馏塔；D22-第2个重氢同位素浓缩水精馏塔；以此类推，D2m-第m个重水精馏塔；O21-第1个重氧水精馏塔；O22-第2个重氧水精馏塔；以此类推，O2k-第k个重氧水精馏塔；M21-同位素双温化学交换加湿器；S21-同位素双温化学交换汽提塔。

具体实施方式

下面将本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员经改进或调整的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

双向强化生产重氧水与重水的方法中第一生产工艺，每个双温同位素化学交换冷塔C11、C12、C13…C1n，液相从塔顶入口流向塔底出口，气相从塔底入口流向塔顶出口，液相流股与气相流股逆流接触传递同位素。天然水作为进料加入双温同位素化学交换冷塔C11塔顶液相入口，双温同位素化学交换冷塔C11塔底液相出料分为两部分，一部分作为进料进入双温同位素化学交换后续冷塔C12、C13…C1n的塔顶液相入口进行同位素交换，另一部分作为双温同位素化学交换热塔H11塔顶液相进料。

双温同位素化学交换冷塔C1n塔底流股，一部分加入重水精馏塔D11塔中液相进料口，另一部分作为双温同位素化学交换热塔H1j塔顶液相进料。双温同位素化学交换热塔H1j塔底液相进入双温同位素化学交换前热塔H11、H12、H13…H1j-1中进行同位素交换，双温同位素化学交换热塔H11塔底流股，加入重氧水精馏塔O11塔顶进料口；

双温同位素化学交换冷塔C1n塔底的出料H₂O加入重水精馏塔D11，重水精馏塔D11塔顶冷凝液一部分返回双温同位素化学交换冷塔C1n，另一部分作为回流返回重水精馏塔D11塔顶。在m个重水精馏塔中，采用液相回流的连接方式，前一级塔塔底液一部分作为进料加入后一级塔塔顶，另一部分通过塔底再沸器返回塔底作为气相回流。后一级塔塔顶出料通过冷凝器液态加入前一级塔底；

双温同位素化学交换热塔H11塔底的出料H₂O加入重氧水精馏塔O11塔顶，重氧水精馏塔O11塔顶冷凝液排除系统。在k个重水精馏塔中，采用液相回流的连接方式，前一级塔塔底液一部分作为进料加入后一级塔顶，另一部分通过塔底再沸器返回塔底作为气相回流。后一级塔塔顶出料通过冷凝器液态加入前一级塔底；

重水生产工艺与重氧水生产工艺第二生产工艺，双温同位素化学交换，在此步骤中，每个双温同位素化学交换塔C21、C22、C23…C2n，液相从塔顶入口流向塔底出口，气相从塔底入口流向塔顶出口，液相流股与气相流股逆流接触传递同位素。天然水作为进料加入第一级双温同位素化学交换冷塔C21塔顶，第一级双温同位素化学交换冷塔C21塔底液相出料作为进料进入后续的双温同位素化学交换冷塔C22、C23…C2n中进行同位素交换。双温同位素化学交换冷塔C2n塔底流股加入重水精馏塔D21进料口。双温同位素化学交换冷塔和双温同位素化学交换热塔液相断开，双温同位素化学交换冷塔冷塔塔底液相全部为重水精馏供料。重氧水精馏系统在合适位置抽取流股加入双温同位素化学交换热塔H2j塔顶作为进料，双温同位素化学交换热塔H2j塔底液相进入前j级双温同位素化学交换热塔H21、H23…H2j-1中进行同位素交换，双温同位素化学交换热塔H21塔底流股，返回重氧水精馏抽出位置，双温同位素化学交换冷塔和双温同位素化学交换热塔气相相连与常规流程相同；

双温同位素化学交换冷塔C2n塔底进料H₂O加入重水精馏塔D21，重水精馏塔D21塔顶冷凝液一部分返回双温同位素化学交换冷塔C2n，另一部分作为回流返回重水精馏塔D21塔顶。在m个重水精馏塔中，采用液相回流的连接方式，前一级塔塔底液一部分作为进料加入后一级塔顶，另一部分通过塔底再沸器返回塔底作为气相回流，后一级塔塔顶出料通过冷凝器液态加入前一级塔底；

天然水加入重氧水精馏塔O21塔顶，重氧水精馏塔O21塔顶冷凝液排除系统。在k个重水精馏塔中，采用液相回流的连接方式，前一级塔塔底液一部分作为进料加入后一级塔顶，另一部分通过塔底再沸器返回塔底作为气相回流。后一级塔塔顶出料通过冷凝器液态加入前一级塔底。重氧水精馏系统在合适位置抽取流股加入第一级双温同位素化学交换热塔塔顶和第j级双温同位素化学交换热塔塔顶作为进料，双温同位素化学交换热塔H2j塔底液相进入双温同位素化学交换前j个热塔H21、H23…H2j-1中进行同位素交换，双温同位素化学交换热塔H21塔底流股，于重氧水精馏塔塔中入口返回；

本发明的装置中，各设备之间以及管线与设备之间相互连通和连接的方式根据需要设置，各设备并不限于上述描述的连接方式。

实施例1

以图1为重氢同位素的浓缩工艺与重氧同位素的浓缩工艺第一连接方式流程图，本实例中共2个双温同位素交换冷塔、2个双温同位素交换热塔、5个重水精馏塔和5个重氧水精馏塔，即n＝2；j＝2；m＝5；k＝5。重氢同位素的浓缩工艺与重氧同位素的浓缩工艺协同强化工艺经过3个步骤，第一步骤为氘同位素初端浓缩工艺阶段，在此步骤中，包括2个双温H₂O-H₂S化学交换冷塔C11、C12，2个双温H₂O-H₂S化学交换热塔H11、H12，其中冷塔操作温度305K，操作压力2.01Mpa。热塔操作温度411K，操作压力2.16Mpa。液体流股用泵P121、P131、P122、P132、P141连接，气体流股用压缩机G111、G112、G121、G122、G131连接，通过换热器E131、E141、E132、E142、E151、E161改变流股温度。流量为4000kmol/h、氘浓度为0.015％的天然水由第一级双温同位素交换冷塔C11塔顶进料口进料，与H₂S循环载体逆向接触，在双温同位素交换冷塔中氘同位素由气相H₂S传递到液相H₂O中，液相中氘同位素不断浓缩，第一级双温同位素交换冷塔C11塔底液流量为1066.9kmol/h，氘浓度为0.085％由泵P121引到第二级双温同位素交换冷塔C12塔顶进料处，氘浓度逐渐增大到15％，流量为0.1905kmol/h、氘浓度为10％的流股通过泵P122和E161为第一级重水减压精馏塔D11供料。另一部分第二级双温同位素交换冷塔C12塔底液流股由P132和E132引到第二级双温同位素交换热塔H12塔顶进料处，在双温同位素交换热塔中氘同位素由液相H₂O传递到气相H₂S中，液相氘同位素不断剥离，第二级双温同位素交换热塔H12塔底液由P151与另一部分由P131和E131来的第一级双温同位素交换冷塔C11塔底液混合引到第一级双温同位素交换热塔H11塔顶进料处，第一级双温同位素交换热塔H11塔底液进入H₂S增湿器M11，H₂S增湿器M11出口流股，通过H₂S剥离塔，流量为4882.6kmol/h，氘浓度为0.000116％的低氘水由P141和E151为第一级重氧水精馏塔O11供料。流量为8448.1kmol/hH₂S气体在2个冷塔和2个热塔中循环，H₂S气体由第一级双温同位素交换冷塔C11塔顶出口通过压缩机G111进入H₂S增湿器M11，M11出口气相流股进入第一级双温同位素交换热塔H11塔底，第一级双温同位素交换热塔H11塔顶气相流股一部分通过G131进入第二级双温同位素交换热塔H12底部进料处，另一部分通过G121和E141进入第一级双温同位素交换冷塔C11底部进料处。第二级双温同位素交换热塔H12塔顶气相流股通过G122和E142进入第二级双温同位素交换冷塔C12塔底进料处，第二级双温同位素交换冷塔C12塔顶气相流股通过G112与由G121与E141的第一级双温同位素交换热塔H11塔顶气相流股混合后进入第一级双温同位素交换冷塔C11塔底进料处。

第二步骤为重水精馏部分，在此步骤中，包括5个重水精馏塔D11、D12、D13、D14、D15，液体流股用泵P111、P112、P113、P114、P115连接，通过再沸器E111、E112、E113、E114、E115和冷凝器E121、E122、E123、E124、E125实现回流倒相。各塔操作数据如表2所示，5个重水精馏塔串级连接，采用液相连接方式，P122和E161将第二级双温同位素交换冷塔C12塔底液引到第一级重水减压精馏塔D11中部进料，第一级重水减压精馏塔D11上部为剥离段，下部为浓集段，第一级重水减压精馏塔D11塔顶出口冷凝液氘浓度为7％，一部分返回第二级双温同位素交换冷塔C12氘浓度相同处，另一部分返回第一级重水减压精馏塔D11塔顶，第一级重水减压精馏塔D11塔底液经泵P111一部分送至第二级重水减压精馏塔D12塔顶进料口，一部分经塔底再沸器E111返回第一级重水减压精馏塔D11底部作为气相回流，第二级重水减压精馏塔D12塔顶气相经冷凝器E122冷凝返回第一级重水减压精馏塔D11底部。之后每一级都采用相同连接方式，本实例中采用5级联串联水精馏体系，最后一级重水减压精馏塔塔底重水浓度到达99.75％。

第三步骤为重氧水精馏部分，在此步骤中，包括5个精馏塔O11、O12、O13、O14、O15，5个精馏塔采用减压精馏，只有浓缩段，其操作条件如表3所示。液体流股用泵P11、P12、P13、P14、P15连接，通过再沸器E11、E12、E13、E14、E15和冷凝器E111、E112、E113、E114、E115实现回流倒相。各塔操作数据如表3所示，5个精馏塔串级连接，采用液相连接方式，H₂O-H₂S双温化学交换热塔H11塔底液氘浓度降低到0.0116％，由P141和E151加入第一级重氧水减压精馏塔O11塔顶。传统H₂O-H₂S双温交换体系回收率19.6％，低氘水回收热量后直接排放造成大量浪费，本工艺流程低氘水全部利用，回收率提升至100％。第一级重氧水减压精馏塔O11塔顶气体经E111冷凝排出系统，塔O11塔底液经泵P11一部分送至塔O12塔顶进料口，一部分经塔底再沸器E11返回塔O11底部作为气相回流，塔O12塔顶气相经冷凝器E112冷凝返回塔O11底部。之后每一级都采用相同连接方式，本实例中采用5级联串联水精馏体系，最后一级塔O11塔底重氧水浓度到达98％。

表1

表2

级数	塔数	塔板数	塔顶压力，kpa	塔底压力，kpa
					1	剥离段	72	13.3	42.7
	浓缩段	84	40.0	76.0
					2	1	72	13.3	42.7
3	1	72	13.3	42.7
					4	1	72	13.3	42.7
5	1	72	13.3	42.7

表3

级数	塔数	塔板数	塔顶压力，kpa	塔底压力，kpa
					1	1	206	13.3	24.0
2	1	337	13.3	26.7
					3	1	377	13.3	33.3
4	1	413	13.3	40.0
					5	1	710	13.3	53.3

实施例2

以图2为重氢同位素的浓缩工艺与重氧同位素的浓缩工艺第二连接方式流程图，本实例中共2个双温同位素交换冷塔、共2个双温同位素交换热塔、共5个重水精馏塔、共5个重氧水精馏塔，即n＝2；j＝2；m＝5；k＝5。重氢同位素的浓缩工艺与重氧同位素的浓缩工艺协同强化工艺经过3个步骤，第一步骤为氘同位素初端浓缩工艺阶段，在此步骤中，包括2个双温H₂O-H₂S化学交换冷塔C21、C22，2个双温H₂O-H₂S化学交换热塔H21、H22。液体流股用泵P221、P231、P222、P232、P241连接，气体流股用压缩机G211、G212、G221、G222、G231连接，通过换热器E231、E241、E232、E242、E251、E261改变流股温度。天然水由第一级同位素双温化学交换冷塔C21塔顶进料口进料，与循环载体为H₂S气体逆向接触，在同位素双温化学交换冷塔中氘同位素由气相H₂S传递到液相H₂O中，液相中氘同位素不断浓缩，第一级同位素双温化学交换冷塔C21塔底液由泵P221将引到第二级同位素双温化学交换冷塔C22塔顶进料处，第二级同位素双温化学交换冷塔C22塔底液通过泵P222和E261为重水精馏塔D21供料。在重氧水精馏塔5级联体系中氘浓度合适位置抽取流股，通过P231一部分由E231引到第一级同位素双温化学交换热塔H21塔顶，另一部分由P222和E232送至第二级同位素双温化学交换热塔H22塔顶。在同位素双温化学交换热塔中氘同位素由液相H₂O传递到气相H₂S中，液相中氘同位素不断剥离，第二级同位素双温化学交换热塔H22塔底液由P251送至P231和E231流股混合后引到第一级同位素双温化学交换热塔H21塔顶，第一级同位素双温化学交换热塔H21塔底低氘水进入H₂S增湿器M21，H₂S增湿器M21出口液，通过H₂S剥离塔，低氘水由P241和E251返回重氧水精馏抽出处。H₂S气体在2个冷塔和2个热塔中循环，H₂S气体由第一级同位素双温化学交换冷塔C21塔顶出口通过压缩机G211进入H₂S增湿器M21，M21出口气相流股进入第一级同位素双温化学交换热塔H21塔底，第一级同位素双温化学交换热塔H21塔顶气相流股一部分通过G231进入第二级同位素双温化学交换热塔H22底部进料处，另一部分通过G221和E241进入第一级同位素双温化学交换冷塔C21底部进料处。第二级同位素双温化学交换热塔H22塔顶气相流股通过G222和E242进入第二级同位素双温化学交换冷塔C22塔底进料处，第二级同位素双温化学交换冷塔C22塔顶气相流股通过G212与由G221与E241来的第一级同位素双温化学交换热塔H21塔顶气相流股混合后进入第一级同位素双温化学交换冷塔C21塔底进料处。

第二步骤为重水精馏部分，在此步骤中，包括5个精馏塔D21、D22、D23、D24、D25，液体流股用泵P211、P212、P213、P214、P215连接，通过再沸器E211、E212、E213、E214、E215和冷凝器E221、E222、E223、E224、E225实现回流倒相。5个精馏塔串级连接，采用液相连接方式，P222和E261将第二级同位素双温化学交换冷塔C22塔底液引到重水减压精馏塔D21中部进料，第一级重水减压精馏塔D21上部为剥离段，下部为浓集段，重水减压精馏塔D21塔顶出口冷凝液一部分返回第二级同位素双温化学交换冷塔C22氘浓度相同处，一部分返回第一级重水减压精馏塔D21塔顶，第一级同位素双温化学交换冷塔D21塔底液一部分经泵P211送至第二级重水减压精馏塔D22塔顶进料口，一部分经塔底再沸器E211返回第一级重水减压精馏塔D21塔底作为气相回流，第二级重水减压精馏塔D22塔顶气相经冷凝器E222冷凝返回第一级重水减压精馏塔D21底部。之后每一级都采用相同连接方式。

第三步骤为重氧水精馏部分，在此步骤中，包括5个精馏塔O21、O22、O23、O24、O25，5个精馏塔采用减压精馏，只有浓缩段。液体流股用泵P21、P22、P23、P24、P25连接，通过再沸器E21、E22、E23、E24、E25和冷凝器E211、E212、E213、E214、E215实现回流倒相。5个精馏塔串级连接，采用液相连接方式，第一级重氧水减压精馏塔O21塔顶进料处天然水进料，第一级重氧水减压精馏塔O21塔顶气体经E211冷凝排出系统，第一级重氧水减压精馏塔O21塔底液经泵P21一部分送至第二级重氧水减压精馏塔O22塔顶进料口，一部分经塔底再沸器E21返回第一级重氧水减压精馏塔O21塔底作为气相回流，第二级重氧水减压精馏塔塔O22塔顶气相经冷凝器E212冷凝返回第一级重氧水减压精馏塔O21底部。之后每一级都采用相同连接方式。

Claims (4)

1.一种双向强化生产重氧水与重水的方法，包括第一生产工艺和第二生产工艺，其特征在于：第一生产工艺和第二生产工艺均包括多级联同位素双温化学交换冷塔、多级联同位素双温化学交换热塔、多级联重水减压精馏塔、多级联重氧水减压精馏塔、同位素双温化学交换加湿器和同位素双温化学交换汽提塔；

第一生产工艺中，多级联同位素双温化学交换冷塔、多级联同位素双温化学交换热塔、多级联重水减压精馏塔、多级联重氧水减压精馏塔采用串联或并联连接方式；

各级同位素双温化学交换冷塔塔底液相出口均分为两路，分别连接各级同位素双温化学交换热塔塔顶液相入口和下一级同位素双温化学交换冷塔塔顶液相入口；各级同位素双温化学交换冷塔塔顶气相出口连接前各级同位素双温化学交换冷塔塔底气相入口；

同位素双温化学交换热塔塔底液相出口与前各级同位素双温化学交换热塔塔顶液相入口相连；同位素双温化学交换热塔塔顶气相出口与同级同位素双温化学交换冷塔塔底气相入口相连；

其中，第一级同位素双温化学交换冷塔(C11)塔底一液相出口与第一级同位素双温化学交换热塔(H11)塔顶液相入口相连；第一级同位素双温化学交换冷塔(C11)塔顶气相出口通过同位素双温化学交换加湿器(M11)与第一级同位素双温化学交换热塔(H11)塔底气相入口相连；

最后一级同位素双温化学交换冷塔塔底液相出口分为两路，分别连接第一级重水减压精馏塔(D11)塔中液相入口和最后一级同位素双温化学交换热塔塔顶液相入口；最后一级同位素双温化学交换热塔塔底一液相出口与前各级同位素双温化学交换热塔塔顶一液相入口相连；

第一级同位素双温化学交换热塔(H11)塔底液相出口与第一级重氧水减压精馏塔(O11)塔顶液相入口直接联通，或过二者之间的管路上并联有同位素双温化学交换加湿器(M11)和/或同位素双温化学交换汽提塔(S11)后与第一级重氧水减压精馏塔(O11)塔顶液相入口联通；

多级重水减压精馏塔采取液相回流式串联，后一级重水减压精馏塔塔顶气相出口通过冷凝器冷凝成液体后与前一级重水减压精馏塔塔底液相入口相连；第一级重水减压精馏塔(D11)的塔顶气相出口，通过冷凝器(E121)冷凝后分为两路，一路与最后一级同位素双温化学交换冷塔塔中一液相入口相连，另一路与第一级重水减压精馏塔(D11)的塔顶液相入口相连；

多级重氧水减压精馏塔液相回流式串联，后一级重氧水减压精馏塔塔顶气相出口通过冷凝器冷凝成液体后与前一级重氧水减压精馏塔塔底液相入口相连；

具体步骤如下：

步骤1.1：同位素双温化学交换；每个同位素双温化学交换塔，液相从塔顶液相入口流向塔底液相出口，气相从塔底气相入口流向塔顶气相出口；液相流股与气相流股逆流接触传递同位素；天然水作为进料加入第一级同位素双温化学交换冷塔(C11)塔顶液相入口；第一级同位素双温化学交换冷塔(C11)塔底液相出口分为两部分，一部分作为进料进入后一级同位素双温化学交换冷塔塔顶液相入口进行同位素交换，另一部分作为第一级同位素双温化学交换热塔(H11)进料加入其塔顶液相入口；第n级同位素双温化学交换冷塔(C1n)塔底液相出口分为两部分，一部分作为重水减压精馏供料加入第一级重水减压精馏塔(D11)塔中液相入口，另一部分作为第j级同位素双温化学交换热塔(H1j)进料加入塔顶液相入口；第j级同位素双温化学交换热塔(H1j)塔底液相出口与前j级同位素双温化学交换热塔塔顶液相入口相连进行同位素双温化学交换；第一级同位素双温化学交换热塔(H11)塔底液相出口流股，作为重氧水减压精馏供料，加入第一级重氧水减压精馏塔(O11)塔顶液相入口；

步骤1.2：重水减压精馏；第n级同位素双温化学交换冷塔(C1n)塔底的液相出口与第一级重水减压精馏塔(D11)塔中液相入口相连；第1级重水减压精馏塔(D11)塔顶气相出口通过冷凝器后冷凝液一部分返回第n级同位素双温化学交换冷塔(C1n)塔中液相入口，另一部分作为回流返回第一级重水减压精馏塔(D11)塔顶液相入口；在m级重水减压精馏塔中，采用液相回流的连接方式；前一级重水减压精馏塔塔底液相出口流股分为两部分，一部分作为进料加入后一级塔顶液相入口，另一部分通过塔底再沸器返回塔底气相入口作为气相回流；后一级重水减压精馏塔塔顶气相出口通过冷凝器冷凝，冷凝液加入前一级塔底液相入口；

步骤1.3：第一级同位素双温化学交换热塔(H11)塔底液相出口与第一级重氧水减压精馏塔(O11)塔顶液相入口相连，第一级重氧水减压精馏塔(O11)塔顶设置冷凝液排除系统；在k级重氧水减压精馏塔中，采用液相回流的连接方式；前一级重氧水减压精馏塔塔底液相出口流股分为两部分，一部分作为进料加入后一级塔顶液相入口，另一部分通过塔底再沸器返回塔底气相入口作为气相回流；后一级重氧水减压精馏塔塔顶气相出口通过冷凝器冷凝，冷凝液加入前一级塔底液相入口；

第二生产工艺中，多级联同位素双温化学交换冷塔、多级联同位素双温化学交换热塔、多级联重水减压精馏塔、多级联重氧水减压精馏塔采用串联或并联连接方式；各级同位素双温化学交换冷塔液相出口与下一级同位素双温化学交换冷塔液相入口相连；各级同位素双温化学交换冷塔塔顶气相出口与前各级同位素双温化学交换冷塔塔底气相入口相连；各级同位素双温化学交换热塔塔底液相出口与前各级同位素双温化学交换热塔的液相入口相连；各级同位素双温化学交换热塔塔顶气相出口与同级同位素双温化学交换冷塔塔底气相入口相连；

其中，第一级同位素双温化学交换冷塔(C21)的气相出口通过同位素双温化学交换加湿器(M21)与第一级同位素双温化学交换热塔(H21)塔底气相入口相连；最后一级同位素双温化学交换冷塔(C2n)塔底液相出口与第一级重水减压精馏塔(D21)塔中液相入口相连；

第一级同位素双温化学交换热塔(H21)液相出口与第一级重氧水减压精馏塔(O21)塔中液相入口相连，或过二者之间的管路上并联有同位素双温化学交换加湿器(M21)和/或同位素双温化学交换汽提塔(S21)后与第一级重氧水减压精馏塔(O21)塔中液相入口相连；

k个重氧水减压精馏塔中，在降低氘浓度的位置设置液相出口，该液相出口与各级同位素双温化学交换热塔塔顶液相入口相连；多级重水减压精馏塔采取液相回流式串联，后一级重水减压精馏塔塔顶气相出口通过冷凝器冷凝后与前一级重水减压精馏塔塔底液相入口相连，第一级重水减压精馏塔(D21)的塔顶气相出口通过冷凝器(E221)冷凝后分为两支路，一路与最后一级同位素双温化学交换冷塔(C2n)塔中一液相入口相连，另一路返回至第一级重水减压精馏塔(D21)的塔顶液相入口；多级重氧水减压精馏塔液相回流式串联，后一级重氧水减压精馏塔塔顶气相出口通过冷凝器冷凝成液体后与前一级重氧水减压精馏塔塔底液相入口相连；

具体步骤如下：

步骤2.1：同位素双温化学交换；每个同位素双温化学交换塔，液相从塔顶液相入口流向塔底液相出口，气相从塔底气相入口流向塔顶气相出口，液相流股与气相流股逆流接触传递同位素；天然水作为进料加入第一级同位素双温化学交换冷塔(C21)塔顶液相入口，第一级同位素双温化学交换冷塔(C21)塔底液相出口流股作为进料加入后一级同位素双温化学交换冷塔塔顶液相入口中进行同位素双温化学交换；第n级同位素双温化学交换冷塔(C2n)塔底液相出口与第一级重水减压精馏塔(D21)塔中液相入口相连；同位素双温化学交换冷塔和热塔液相断开，第n级同位素双温化学交换冷塔(C2n)塔底液相出口流股全部作为重水减压精馏供料；k个重氧水减压精馏塔中，在降低氘浓度的位置设置液相出口，该液相出口与第一级同位素双温化学交换热塔(H21)塔顶液相入口和第j级同位素双温化学交换热塔(H2j)塔顶液相入口相连，第j级同位素双温化学交换热塔(H2j)塔底液相出口与前一级同位素双温化学交换热塔塔顶液相入口相连进行同位素交换，第一级同位素双温化学交换热塔(H21)塔底液相出口与第一级重氧水减压精馏塔(O21)塔中液相入口相连，同位素双温化学交换冷塔和同位素双温化学交换热塔气相相连与常规流程相同；

步骤2.2：重水减压精馏；第n级同位素双温化学交换冷塔(C2n)塔底液相出口与第一级重水减压精馏塔(D21)塔中液相入口相连；第一级重水减压精馏塔(D21)塔顶气相出口通过冷凝器冷凝，冷凝液一部分返回第n级同位素双温化学交换冷塔(C2n)塔中液相入口，另一部分作为回流返回第一级重水减压精馏塔(D21)塔顶液相入口；在m级重水减压精馏塔中，采用液相回流的连接方式；前一级重水减压精馏塔塔底液相出口流股分为两部分，一部分作为进料加入后一级塔顶液相入口，另一部分通过塔底再沸器返回塔底气相入口作为气相回流；后一级重水减压精馏塔塔顶气相出口通过冷凝器冷凝，冷凝液加入前一级塔底液相入口；

步骤2.3：天然水加入第一级重氧水减压精馏塔(O21)塔顶液相入口，第一级重氧水减压精馏塔(O21)塔顶设置冷凝液排除系统；在k级重氧水减压精馏塔中，采用液相回流的连接方式；前一级重氧水减压精馏塔塔底液相出口流股分为两部分，一部分作为进料加入后一级塔顶液相入口，另一部分通过塔底再沸器返回塔底气相入口作为气相回流；后一级重氧水减压精馏塔塔顶气相出口通过冷凝器后冷凝液加入前一级塔底液相入口；第一级重氧水减压精馏塔塔中液相出口与第一级同位素双温化学交换热塔(H21)塔顶液相入口和第j级热塔(H2j)塔顶液相入口相连，第j级同位素双温化学交换热塔(H2j)塔底液相出口与前一级同位素双温化学交换热塔塔顶液相入口相连进行同位素双温化学交换；第一级同位素双温化学交换热塔(H21)塔底液相出口与第一级重氧水减压精馏塔(O21)塔中液相入口相连。

2.根据权利要求1所述的一种双向强化生产重氧水与重水的方法，其特征在于，多级联同位素双温化学交换冷塔、多级联同位素双温化学交换热塔、多级联重水减压精馏塔、多级联重氧水减压精馏塔、同位素双温化学交换汽提塔为板式塔或填料塔。

3.根据权利要求1或2所述的一种双向强化生产重氧水与重水的方法，其特征在于，第一生产工艺、第二生产工艺中同位素双温化学交换体系选用任何水与不含氧元素物质组成的同位素双温化学交换体系。

4.根据权利要求1或2所述的一种双向强化生产重氧水与重水的方法，其特征在于：

第一生产工艺、第二生产工艺中同位素双温化学交换冷塔个数n为1～30个，同位素双温化学交换热塔个数j为1～30个；同位素双温化学交换冷塔工艺与热塔工艺均采用普通的同位素双温化学交换工艺，全塔操作压力在0.2～5.2Mpa，操作温度200～500K；重水减压精馏塔个数m为1～30个，其全塔操作压力在10～90kpa，操作温度303～373K；重氧水减压精馏塔个数k为1～30个，其全塔操作压力在10～90kpa，操作温度303～373K。

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