CN210522268U - 一种高效分离Ne-22同位素的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的是一种高效分离Ne‑22同位素的装置，包括热扩散法Ne‑22粗气生产系统、Ne‑22同位素低温精馏富集系统、Ne‑22同位素产品除重组分系统、热扩散法Ne‑22粗气生产废热利用系统，本实用新型具有较高分离系数的特点，快速富集粗Ne‑22原料气，利用低温精馏大量处理粗Ne‑22原料气，以提高Ne‑22同位素产量，将热扩散法所废弃的热量用作低温精馏过程中的蒸发热量，充分利用热扩散分离过程中产生的废热，有效提高了系统能量使用效率，降低了整套装置能耗。

Description

一种高效分离Ne-22同位素的装置

技术领域

本实用新型涉及一种Ne-22同位素的装置，更具体一点说，涉及一种高效分离Ne-22同位素的装置，属于化工领域。

背景技术

Ne-22同位素天然丰度9.25％，其是制造氖—氦稳频激光器、高精密激光托陀螺仪等高科技装备的充分材料，同时Ne-22同位素在癌症初期的医学检测、医学放疗、高能核物理等领域有重要应用，开发高效Ne-22同位素分离技术在战略层面上具有重要意义。目前，国内尚不能实现Ne-22规模化稳定生产，因此急需开发一种具有自主知识产权的高效Ne-22同位素分离系统，实现能够高效分离Ne-22和Ne-20同位素，设备体积紧凑、运行可靠性高，能够实现氖同位素规模化稳定生产。

实用新型内容

为了解决上述现有技术问题，本实用新型提供具有分离过程效率高，在保证Ne-22同位素产量规模前提下，其设备体积较紧凑，运行可靠性较高等技术特点的一种高效分离Ne-22同位素的装置。

本实用新型将同位素低温精馏和热扩散法相结合，充分利用了热扩散法具有较高分离系数，而低温精馏能够大量处理原料的特性，将两者相结合，具体：采用热扩散原理和低温精馏相结合的方法，快速高效地从高纯氖气中分离Ne-22同位素，利用热扩散分离同位素具有较高分离系数的特点，生产Ne-22粗气作为低温精馏富集Ne-22的原料气，低温精馏分离具有较大气体处理量，可以提高整套装置Ne-22同位素的产量，适用于工业规模的Ne-22同位素生产，热扩散法富集Ne-22粗气过程中氖气所携带的热量可以作为低温精馏子系统底部蒸发器的热量来源，充分利用热扩散分离过程中产生的废热，降低整套装置的能耗。

为了实现上述目的，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种高效分离Ne-22同位素的装置，包括热扩散法Ne-22粗气生产系统、Ne-22同位素低温精馏富集系统、Ne-22同位素产品除重组分系统；

其中，所述热扩散法Ne-22粗气生产系统包括循环冷却水管路以及串联的I级热扩散分离柱、Ⅱ级热扩散分离柱、Ⅲ级热扩散分离柱，所述I级热扩散分离柱、Ⅱ级热扩散分离柱上均设有带有截止阀的氖气出口，三级热扩散分离柱均与循环冷却水管路连接，所述I级热扩散分离柱进口接有原料氖气，所述Ⅲ级热扩散分离柱出料口连接有Ne-22气体过滤器；

所述Ne-22同位素低温精馏富集系统包括串联的I级低温精馏塔、Ⅱ级低温精馏塔、Ⅲ级低温精馏塔，所述Ⅰ级低温精馏塔、Ⅱ级低温精馏塔顶部设有一号废气口，所述一号废气口连接有调节阀，所述Ⅱ级低温精馏塔上调节阀连接Ⅰ级低温精馏塔，所述Ⅲ级低温精馏塔顶部设有二号废气口，所述二号废气口连接有截止阀，所述Ⅲ级低温精馏塔上截止阀连接Ⅱ级低温精馏塔，所述Ne-22气体过滤器与I级低温精馏塔进料口连接；

所述Ne-22同位素产品除重组分系统包括Ne-22同位素产品除重塔，所述Ne-22同位素产品除重塔顶部依次连接有Ne-22气体进除重塔截止阀、除重塔顶部氖气复温绕管，所述Ne-22同位素产品除重塔底部连接有除重塔废液排放截止阀以用来清除重组分杂质，所述Ne-22同位素产品除重塔进料口与Ⅲ级低温精馏塔12底部出料口连接；

还包括热扩散法Ne-22粗气生产废热利用系统，所述热扩散法Ne-22粗气生产废热利用系统包括三个再沸器，所述再沸器分别连接在I级低温精馏塔、Ⅱ级低温精馏塔、Ⅲ级低温精馏塔的底部，所述I级热扩散分离柱、Ⅱ级热扩散分离柱、Ⅲ级热扩散分离柱上端均连接有带有截止阀的排气管，所述I级热扩散分离柱上排气管与I级低温精馏塔上的再沸器连接，所述Ⅱ级热扩散分离柱上排气管与Ⅱ级低温精馏塔上的再沸器连接，所述Ⅲ级热扩散分离柱上排气管与Ⅲ级低温精馏塔上的再沸器连接。

作为一种改进，所述I级热扩散分离柱包括m个并联的子热扩散分离柱，Ⅱ级热扩散分离柱包括n个并联的子热扩散分离柱，每个子热扩散分离柱上端、下端分别设有循环水出口、循环水进口，所述子热扩散分离柱外壁面形成冷壁面，每个子热扩散分离柱的轴心设置有电加热丝，所述电加热丝形成热壁面。

作为一种改进，还包括氦气热交换器，所述Ⅲ级热扩散分离柱底部连接有低温精馏系统原料气管路，所述Ne-22气体过滤器连接在低温精馏系统原料气管路上，所述Ne-22气体过滤器分设有一号管路、二号管路，一号管路与I级热扩散分离柱进料口连接，所述一号管路、二号管路上均设有截止阀，所述二号管路经过氦气热交换器后与一号管路汇集，所述除重塔顶部氖气复温绕管出口连接有支路，所述支路经过氦气热交换器后连接有复热氦气绕管，所述复热氦气绕管连接有高纯氦充装瓶。

作为一种改进，所述Ⅰ级低温精馏塔包括多个并联组成的高效规整填料塔，所述高效规整填料塔包括氦气冷源冷凝器，所述氦气冷源冷凝器位于高效规整填料塔顶部。

作为一种改进，所述循环冷却水管路包括循环水支路以及流有循环制冷剂的循环制冷支路，所述循环水支路的两端分别连接在子热扩散分离柱的循环水出口和循环水进口上，所述循环水支路上连接有换热器，所述循环制冷支路两端均连接在换热器上，所述循环制冷支路上连接有压缩机。

作为一种改进，所述Ⅱ级低温精馏塔底部的再沸器延伸且分设有两条支路，一条支路与Ⅱ级热扩散分离柱顶部连接，另一条支路与Ⅲ级热扩散分离柱上排气管汇集。

有益效果：具有较高分离系数的特点，快速富集粗Ne-22原料气，然后利用低温精馏大量处理粗Ne-22原料气，以提高Ne-22同位素产量，将热扩散法所废弃的热量用作低温精馏过程中的蒸发热量，充分利用热扩散分离过程中产生的废热，有效提高了系统能量使用效率，降低了整套装置能耗。

附图说明

图1是本实用新型结构原理图。

图2是本实用新型循环冷却水管路结构原理图。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本实用新型作进一步说明，但本实用新型并不局限于以下实施例。

如图1-2所示为一种高效分离Ne-22同位素的装置的具体实施例，该实施例一种高效分离Ne-22同位素的装置，包括热扩散法Ne-22粗气生产系统1、Ne-22同位素低温精馏富集系统2、Ne-22同位素产品除重组分系统3；

其中，所述热扩散法Ne-22粗气生产系统1包括循环冷却水管路以及串联的I级热扩散分离柱6、Ⅱ级热扩散分离柱7、Ⅲ级热扩散分离柱8，所述I级热扩散分离柱6、Ⅱ级热扩散分离柱7上均设有带有截止阀的氖气出口9，从I级热扩散分离柱6底部氖气出口9导出氖气，该氖气从Ⅱ级热扩散分离柱11顶部导入，作为Ⅱ级热扩散分离柱原料气，从Ⅱ级热扩散分离柱11底部氖气出口9导出氖气，该氖气从Ⅲ级热扩散分离柱12顶部导入，作为末级热扩散分离柱原料气，三级热扩散分离柱均与循环冷却水管路连接，所述I级热扩散分离柱6进口接有原料氖气，原料氖气是原料高纯氖气，其纯度大于99.9999％，原料氖气从I级热扩散分离柱6顶部进入，所述Ⅲ级热扩散分离柱8出料口连接有Ne-22气体过滤器5，粗Ne-22气经过Ne-22气体过滤器5过滤除去固体颗粒≤0.01μm，获得纯化后粗Ne-22气；

所述Ne-22同位素低温精馏富集系统2包括串联的I级低温精馏塔10、Ⅱ级低温精馏塔11、Ⅲ级低温精馏塔12，所述Ⅰ级低温精馏塔10、Ⅱ级低温精馏塔11顶部设有一号废气口，所述一号废气口连接有调节阀，所述Ⅱ级低温精馏塔11上调节阀连接Ⅰ级低温精馏塔10，所述Ⅲ级低温精馏塔12顶部设有二号废气口，所述二号废气口连接有截止阀，所述Ⅲ级低温精馏塔12上截止阀连接Ⅱ级低温精馏塔11，从I级低温精馏塔10底部出料，底部氖气通过截止阀进入Ⅱ级低温精馏塔11中下部，I级低温精馏塔10顶部废气通过调节阀排空，Ⅱ级低温精馏塔11顶部废气通过调节阀返回I级低温精馏塔10上部，作为精馏回流液，Ⅱ级低温精馏塔11底部出料通过截止阀进入Ⅲ级低温精馏塔12上部，Ⅲ级低温精馏塔顶部废气通过截至阀返回Ⅱ级低温精馏塔11上部，作为精馏回流液，所述Ne-22气体过滤器5与I级低温精馏塔10进料口连接，经过Ne-22气体过滤器5过滤除去固体颗粒(颗粒直径≤0.01μm)的Ne-22气作为Ne-22同位素低温精馏富集系统2原料气；

所述Ne-22同位素产品除重组分系统3包括Ne-22同位素产品除重塔13，所述Ne-22同位素产品除重塔13顶部依次连接有Ne-22气体进除重塔截止阀14、除重塔顶部氖气复温绕管15，所述Ne-22同位素产品除重塔13底部连接有除重塔废液排放截止阀33以用来清除重组分杂质，所述Ne-22同位素产品除重塔13进料口与Ⅲ级低温精馏塔12底部出料口连接，从Ⅲ级低温精馏塔12底部出来的产品需通过Ne-22同位素产品除重塔13过滤重组分杂质，Ne-22同位素产品除重塔13顶部依次连接有Ne-22气体出除重塔截止阀14、除重塔顶部氖气复温绕管15，高丰度Ne-22产品在Ne-22同位素产品除重塔13顶部收集，获得Ne-22产品；

还包括热扩散法Ne-22粗气生产废热利用系统4，所述热扩散法Ne-22粗气生产废热利用系统4包括三个再沸器31，所述再沸器31分别连接在I级低温精馏塔10、Ⅱ级低温精馏塔11、Ⅲ级低温精馏塔12的底部，所述I级热扩散分离柱10、Ⅱ级热扩散分离柱11、Ⅲ级热扩散分离柱12上端均连接有带有截止阀的排气管32，所述I级热扩散分离柱6上排气管32与I级低温精馏塔10上的再沸器31连接，所述Ⅱ级热扩散分离柱7上排气管32与Ⅱ级低温精馏塔11上的再沸器31连接，所述Ⅲ级热扩散分离柱8上排气管32与Ⅲ级低温精馏塔12上的再沸器31连接，I级热扩散分离柱6顶部废氖气由截止阀控制通断并通过排气管32进入I级低温精馏塔10上的再沸器31，作为I级低温精馏塔10蒸发气热源，利用了I级热扩散分离柱6废弃热量，换热后废氖气可作为超高纯氖气另作他用，或直接作为产品超高纯氖气销售，Ⅱ级热扩散分离柱7顶部废氖气由截止阀控制通断并通过排气管32进入Ⅱ级低温精馏塔11上的再沸器31，作为Ⅱ级低温精馏塔11蒸发气热源，Ⅲ级热扩散分离柱8顶部废氖气经由截止阀并通过排气管32进入Ⅲ级低温精馏塔12上的再沸器31，作为Ⅲ级低温精馏塔12塔底蒸发热源，作为补充，Ⅱ级低温精馏塔11再沸器31出口部分氖气与Ⅲ级热扩散分离柱8顶部废氖气汇流后进入Ⅲ级低温精馏塔12再沸器31，I级热扩散分离柱6、Ⅱ级热扩散分离柱7、Ⅲ级热扩散分离柱8顶部废气分别作为I级低温精馏塔10、Ⅱ级低温精馏塔11、Ⅲ级低温精馏塔12底部蒸发热源，有效利用了热扩散系统排出的废热，降低了整套装置能耗。

本实用新型以高纯氖气为原料气原料高纯氖气纯度大于99.9999％，以高纯氦气为低温精馏系统冷凝冷源，结合同位素分离的热扩散法和低温精馏法，快速高效地从高纯氖气中富集Ne-22同位素，利用热扩散富集同位素分离系数大的特点，大量生产Ne-22粗气作为低温精馏原料气，利用低温精馏气体处理量大的特点，规模化生产Ne-22同位素。

作为一种改进的实施例方式，所述I级热扩散分离柱6包括m个并联的子热扩散分离柱16，Ⅱ级热扩散分离柱包括n个并联的子热扩散分离柱16，每个子热扩散分离柱16上端、下端分别设有循环水出口17、循环水进口18，所述子热扩散分离柱16外壁面形成冷壁面，每个子热扩散分离柱16的轴心设置有电加热丝，所述电加热丝形成热壁面，每个子热扩散分离柱16均自下而上通入循环冷却水，当原料氖气自上而下通过子热扩散分离柱16时，Ne-20倾向于在热壁面集中，从而在冷壁面富集Ne-22；m和n属于正整数，且m大于n。

作为一种改进的实施例方式，还包括氖气热交换器19，所述Ⅲ级热扩散分离柱8底部连接有低温精馏系统原料气管路20，所述Ne-22气体过滤器5连接在低温精馏系统原料气管路20上，所述Ne-22气体过滤器5分设有一号管路21、二号管路22，一号管路21与I级热扩散分离柱6进料口直接连接，且一号管路21上设有截止阀，一号管路21中Ne-22气体作为原料气参与精馏过程，纯化后粗Ne-22气本身带有一定热量，可部分作为I级低温精馏塔10蒸发热源，二号管路22经过氦气热交换器19后与一号管路21汇集，二号管路22中Ne-22气与氦气热交换器19中出来的冷氦气换热，预冷后进入I级低温精馏塔10参与精馏过程，具体选择一号管路21、二号管路22，通过截止阀控制，所述除重塔顶部氖气复温绕管15出口连接有支路23，所述支路23经过氦气热交换器19后连接有复热氦气绕管24，所述复热氦气绕管24连接有高纯氦充装瓶。

作为一种改进的实施例方式，所述Ⅰ级低温精馏塔10包括多个并联组成的高效规整填料塔25，所述高效规整填料塔25包括氦气冷源冷凝器26，所述氦气冷源冷凝器26位于高效规整填料塔25顶部，冷源冷凝器26中冷源氦气由高压氦气通过节流阀节流产生冷量，以此充当I级低温精馏塔10、Ⅱ级低温精馏塔11、Ⅲ级低温精馏塔12顶部冷源。

作为一种改进的实施例方式，所述循环冷却水管路包括循环水支路27以及流有循环制冷剂的循环制冷支路28，所述循环水支路27的两端分别连接在子热扩散分离柱16的循环水出口17和循环水进口18上，所述循环水支路27上连接有换热器29，所述循环制冷支路28两端均连接在换热器29上，所述循环制冷支路28上连接有压缩机30，所述子热扩散分离柱16上循环水出口17流出的冷却水通过换热器29与循环制冷支路28中的循环制冷剂换热，降温后冷却水分别进入子热扩散分离柱16的循环水进口18，且在子热扩散分离柱16冷壁面上进行冷却高温氖气。

作为一种改进的实施例方式，所述Ⅱ级低温精馏塔11底部的再沸器31延伸且分设有两条支路，一条支路与Ⅱ级热扩散分离柱7底部连接，另一条支路与Ⅲ级热扩散分离柱12上排气管32汇集，具体的：Ⅱ级热扩散分离柱7顶部废氖气进入Ⅱ级低温精馏塔11底部的再沸器31，在Ⅱ级低温精馏塔11底部的再沸器31内参与换热后部分Ⅱ级低温精馏塔11底部再沸器31出口氖气与Ⅲ级热扩散分离柱8上排气管32内废氖气混合后作为Ⅲ级低温精馏塔12底部再沸器31再沸热源，参与Ⅲ级低温精馏塔12底部液氖蒸发过程，特别指出，当Ⅲ级热扩散分离柱8顶部废氖气所能提供的蒸发热源不足时，可部分使用从Ⅱ级低温精馏塔11上再沸器31出来的废氖气一起作为Ⅲ级低温精馏塔12底部再沸器31再沸热源。

最后，需要注意的是，本实用新型不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种高效分离Ne-22同位素的装置，其特征在于：包括热扩散法Ne-22粗气生产系统(1)、Ne-22同位素低温精馏富集系统(2)、Ne-22同位素产品除重组分系统(3)；

其中，所述热扩散法Ne-22粗气生产系统(1)包括循环冷却水管路以及串联的I级热扩散分离柱(6)、Ⅱ级热扩散分离柱(7)、Ⅲ级热扩散分离柱(8)，所述I级热扩散分离柱(6)、Ⅱ级热扩散分离柱(7)上均设有带有截止阀的氖气出口(9)，三级热扩散分离柱均与循环冷却水管路连接，所述I级热扩散分离柱(6)进口接有原料氖气，所述Ⅲ级热扩散分离柱(8)出料口连接有Ne-22气体过滤器(5)；

所述Ne-22同位素低温精馏富集系统(2)包括串联的I级低温精馏塔(10)、Ⅱ级低温精馏塔(11)、Ⅲ级低温精馏塔(12)，所述Ⅰ级低温精馏塔(10)、Ⅱ级低温精馏塔(11)顶部设有一号废气口，所述一号废气口连接有调节阀，所述Ⅱ级低温精馏塔(11)上调节阀连接Ⅰ级低温精馏塔(10)，所述Ⅲ级低温精馏塔(12)顶部设有二号废气口，所述二号废气口连接有截止阀，所述Ⅲ级低温精馏塔(12)上截止阀连接Ⅱ级低温精馏塔(11)，所述Ne-22气体过滤器(5)与I级低温精馏塔(10)进料口连接；

所述Ne-22同位素产品除重组分系统(3)包括Ne-22同位素产品除重塔(13)，所述Ne-22同位素产品除重塔(13)顶部依次连接有Ne-22气体出除重塔截止阀(14)、除重塔顶部氖气复温绕管(15)，所述Ne-22同位素产品除重塔(13)底部连接有除重塔废液排放截止阀(33)以用来清除重组分杂质，所述Ne-22同位素产品除重塔(13)进料口与Ⅲ级低温精馏塔(12)底部出料口连接；

还包括热扩散法Ne-22粗气生产废热利用系统(4)，所述热扩散法Ne-22粗气生产废热利用系统(4)包括三个再沸器(31)，所述再沸器(31)分别连接在I级低温精馏塔(10)、Ⅱ级低温精馏塔(11)、Ⅲ级低温精馏塔(12)的底部，所述I级热扩散分离柱(6)、Ⅱ级热扩散分离柱(7)、Ⅲ级热扩散分离柱(8)上端均连接有带有截止阀的排气管(32)，所述I级热扩散分离柱(6)上排气管(32)与I级低温精馏塔(10)上的再沸器(31)连接，所述Ⅱ级热扩散分离柱(7)上排气管(32)与Ⅱ级低温精馏塔(11)上的再沸器(31)连接，所述Ⅲ级热扩散分离柱(8)上排气管(32)与Ⅲ级低温精馏塔(12)上的再沸器(31)连接。

2.根据权利要求1所述的一种高效分离Ne-22同位素的装置，其特征在于：所述I级热扩散分离柱(6)包括m个并联的子热扩散分离柱(16)，Ⅱ级热扩散分离柱(7)包括n个并联的子热扩散分离柱(16)，每个子热扩散分离柱(16)上端、下端分别设有循环水出口(17)、循环水进口(18)，所述子热扩散分离柱(16)外壁面形成冷壁面，每个子热扩散分离柱(16)的轴心设置有电加热丝，所述电加热丝形成热壁面。

3.根据权利要求1或2所述的一种高效分离Ne-22同位素的装置，其特征在于：还包括氦气热交换器(19)，所述Ⅲ级热扩散分离柱(8)底部连接有低温精馏系统原料气管路(20)，所述Ne-22气体过滤器(5)连接在低温精馏系统原料气管路(20)上，所述Ne-22气体过滤器(5)分设有一号管路(21)、二号管路(22)，所述一号管路(21)与I级热扩散分离柱(6)进料口连接，所述一号管路(21)、二号管路(22)上均设有截止阀，所述二号管路(22)经过氦气热交换器(19)后与一号管路(21)汇集，所述除重塔顶部氖气复温绕管(15)出口连接有支路(23)，所述支路(23)经过氦气热交换器(19)后连接有复热氦气绕管(24)，所述复热氦气绕管(24)连接有高纯氦充装瓶。

4.根据权利要求1或2所述的一种高效分离Ne-22同位素的装置，其特征在于：所述Ⅰ级低温精馏塔包括多个并联组成的高效规整填料塔(25)，所述高效规整填料塔(25)包括氦气冷源冷凝器(26)，所述氦气冷源冷凝器(26)位于高效规整填料塔(25)顶部。

5.根据权利要求2所述的一种高效分离Ne-22同位素的装置，其特征在于：所述循环冷却水管路包括循环水支路(27)以及流有循环制冷剂的循环制冷支路(28)，所述循环水支路(27)的两端分别连接在子热扩散分离柱(16)的循环水出口(17)和循环水进口(18)上，所述循环水支路(27)上连接有换热器(29)，所述循环制冷支路(28)两端均连接在换热器(29)上，所述循环制冷支路(28)上连接有压缩机(30)。

6.根据权利要求1所述的一种高效分离Ne-22同位素的装置，其特征在于：所述Ⅱ级低温精馏塔(11)底部的再沸器(31)延伸且分设有两条支路，一条支路与Ⅱ级热扩散分离柱(7)顶部连接，另一条支路与Ⅲ级热扩散分离柱(8)上排气管(32)汇集。

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