CN2897991Y - 一种生产高浓碳－13二氧化碳的系统 - Google Patents

Abstract

一种生产高浓碳－13二氧化碳的系统，属于稳定同位素碳－13生产设备技术领域。为了克服现有技术不足，降低生产成本，本实用新型公开了一种用天然二氧化碳为原料、以二氧化碳/二正丁胺/辛烷为同位素交换工作体系、采取冷热回流措施的工业化生产同位素浓度超过99％以上的高浓碳－13的系统，包括浓缩级联子系统、提取级联子系统、原料供应子系统，以及尾气洗涤恒压器。本实用新型还采用了带直接换热－冷液淋洗段的热回流塔，不但杜绝了结晶堵塞现象的发生，操作方便稳定，而且节约能耗。

Description

一种生产高浓碳-13二氧化碳的系统

技术领域

本实用新型涉及一种冷热回流二氧化碳/二正丁胺/辛烷同位素交换生产高浓碳-13的系统，属于稳定同位素碳-13生产设备技术领域。

背景技术

天然界所有含碳物质中的碳元素均是由两种稳定同位素碳-12和碳-13组成的，它们的天然含量(称天然丰度)分别为98.99％和1.01％，原子结构差别仅在于原子核的中子数目不同，碳-13比碳-12多一个中子。由于它们的核外性质相同，化学性质及绝大多数物理性质完全相同，所以碳-13是碳元素最好的示踪剂。碳元素是有机生命体的主要组成元素，而碳-13又是稳定同位素(即没有放射性危害问题)，可以直接用于人体，所以在医、药、生物化学和生命科学等科学领域中得到了广泛的应用，具有重要的经济和社会效益。

工业化生产碳-13的现有技术是-194℃一氧化碳低温精馏方法，该方法存在设备、仪表要求高，投资和能耗较大，需要既毒又难得的高纯一氧化碳做原料，而且还不能直接获得93％以上浓度的碳-13产品等缺点。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的缺点，降低生产成本，本实用新型提供了一种生产高浓碳-13二氧化碳的系统，包括浓缩级联子系统、提取级联子系统、原料供应子系统，以及尾气洗涤恒压器，

所述浓缩级联子系统包括按级联方式通过管路连接的多级浓缩单元，每级浓缩单元均包括

浓缩塔，

通过管路与所述浓缩塔顶部连通的的冷回流塔，

通过管路与所述浓缩塔底部连通的热回流塔，以及

设在所述热回流塔底部通往所述冷回流塔顶部的液体管路上的釜液冷却器和计量泵；

所述提取级联子系统包括

按级联方式通过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，

通过液体管路与第1级提取塔底部连通的热回流塔，以及

设在所述热回流塔底部通往所述冷回流塔顶部的液体管路上的釜液冷却器和计量泵；

所述原料供应子系统包括

利用溶剂饱和蒸汽湿润具有天然丰度的二氧化碳的原料气预饱和塔，以及

用于从所述原料气预饱和塔塔釜抽出液体打入原料气预饱和塔塔顶的循环计量泵；

所述提取级联子系统中热回流塔顶部的气体管路和原料供应子系统中原料气预饱和塔塔顶的气体管路合并后，再通过气体管路与所述浓缩级联子系统中第1级冷回流塔的底部连通；所述浓缩级联子系统中第1级冷回流塔顶部的气体管路和第1级浓缩塔顶部的气体管路合并后，再通过气体管路与所述提取级联子系统中第1级提取塔的底部连通；所述提取级联子系统中的冷回流塔顶部通过气体管路与所述尾气洗涤恒压器连通。

所述浓缩级联子系统和提取级联子系统中的冷回流塔是列管膜式或列管填料逆流气液传质塔。

所述浓缩级联子系统和提取级联子系统中的热回流塔主要由位于热回流塔上部的不保温的直接换热-淋洗填料段、位于热回流塔中部的保温的热分解填料段及位于热回流塔下部的列管加热塔釜三部分组成，所述直接换热-冷液淋洗填料段高度为200-500mm，所述热分解填料段高度为500-900mm，所述直接换热-淋洗填料段与热分解填料段之间还设有用来测量和控制分解温度在60±5℃的温控元件。

所述系统中的热回流塔的塔釜均还设有釜液进出口，所述浓缩级联子系统中的各热回流塔釜液进出口通过管路逐级串接，并在管路中安装阀门，所述浓缩级联子系统中第1级热回流塔釜液出口通过管路与所述提取级联子系统中的热回流塔釜液进口相连，并在管路中安装阀门，所述提取级联子系统的热回流塔釜液出口通过管路经过阀门与一个釜液循环泵的进口相连，所述釜液循环泵的出口通过管路与所述浓缩级联子系统中最后级热回流塔的釜液进口相连。

所述系统中的各热回流塔塔釜之间还设有配置阀门的釜液进口支管和配置阀门的釜液出口支管；所述釜液出口支管的始端均接在相对应的热回流塔塔釜之间的连接管路上，所述釜液出口支管的终端汇接到一根釜液出口总管上，所述釜液出口总管接到所述釜液循环泵的进口管上；所述釜液进口支管的始端均接在所述釜液循环泵的出口总管上，所述釜液进口支管的终端均接在相对应的热回流塔塔釜之间的连接管路上。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1)与现有技术相比，本实用新型设有以多级提取塔和只有一座冷回流塔、一座热回流塔为特征的提取级联子系统，以原料气预饱和塔为特征的原料供应子系统，以干湿双管恒液位式尾气洗涤恒压器为特征的尾气排放子系统，以及釜液循环系统，使得原料气用量和昂贵溶剂消耗量大幅度下降，从而大幅度降低了生产成本；使得整个生产级联装置气液相流量稳定，从而保证了生产过程的连续稳定运转。

2)与现有技术采用的主要由列管气相冷却器和保温的热分解填料段及列管加热釜三部分组成的热回流塔结构形式及其70±1℃的分解操作条件对比，采用本实用新型所述的热回流塔结构形式及其60±5℃的分解操作条件具有如下优点：(1)杜绝结晶堵塞事故，操作容易且稳定，(2)造价便宜，(3)节约能耗约20％。

3)本实用新型中设置了釜液循环管路，通过釜液主循环和釜液支路循环工艺保证了系统中工作溶液的浓度一致。不同的工作溶液浓度对应着不同的气相流量，工作溶液浓度变大了，它在冷回流塔内吸收的二氧化碳气体量就会增多，经热回流塔分解后就会增大提取塔或浓缩塔中的气相流量，反之，工作溶液浓度变小了，气相流量就小了。生产过程中虽然控制住液相体积流量不变，但如果不能维持工作溶液的浓度的稳定，气相流量仍然不会稳定。而流量是同位素分离级联过程优化操作最重要的因素，流量不稳定会严重影响同位素分离效果。级联装置运转过程中因流量波动而影响同位素分离效果，这是以往研究者都认识到的事实，但是他们并没有解决这个影响同位素交换法成功浓缩高浓碳-13的关键问题。因为循环工作溶液中溶剂沸点比溶质低，所以研究人员多认为级联装置运转过程中溶剂会以饱和蒸汽压形式随尾气二氧化碳离开系统，故认为所有热回流塔塔釜液位会逐渐下降，工作溶液浓度也只会逐渐升高的，因此采用了控制热回流塔塔釜液位的办法，间断地向塔釜添加溶剂。本设计人从实际测定各塔工作溶液浓度中发现，各塔工作溶液浓度是呈有的塔升高有的塔下降的变化模式，而且同一热回流塔塔釜液位也会出现有升有降的现象，不是总是下降，液位下降的塔釜中工作溶液浓度有的也下降，并非一定是升高。鉴于这种实际的变化模式，本实用新型中设置了釜液循环管路，利用釜液循环操作，在所述的提取级联子系统和原料气预饱和塔两项措施配合下，达到了不必向各塔釜添加溶剂，只需向原料气预饱和塔塔釜补充少量溶剂即可维持系统循环工作溶液浓度不变，不但稳定了系统中气相流量，提高了碳-13浓缩效果，而且大幅度地降低了价格昂贵的溶剂消耗量，从而达到大幅度降低生产成本的目的。

附图说明

图1是实现本实用新型所述方法的生产高浓碳-13二氧化碳的系统的一个典型实施例的示意图。

图2是利用本实用新型生产高浓碳-13二氧化碳工艺的流程示意图。

图3是利用本实用新型进行釜液循环工艺的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来进一步说明本实用新型。

图1显示了本实用新型所述的生产高浓碳-13二氧化碳的系统的一个实施例。所述生产高浓碳-13二氧化碳的系统包括用于浓缩工段的浓缩级联子系统2、用于提取工段的提取级联子系统1，原料供应子系统3，以及尾气洗涤恒压器4。

在本实施例中，浓缩级联子系统2包括按级联方式通过管路连接的n级浓缩单元，n为正整数。每级浓缩单元均包括浓缩塔212(相应的其它浓缩塔的标记为222、……2(n-1)2、2n2)，通过管路与所述浓缩塔顶部连通的的冷回流塔211(相应的其它冷回流塔的标记为221、……2(n-1)1、2n1)，通过管路与所述浓缩塔底部连通的热回流塔213(相应的其它热回流塔的标记为223、……2(n-1)3、2n3)，以及设在所述热回流塔底部通往所述冷回流塔顶部的液体管路上的釜液冷却器214(相应的其它釜液冷却器的标记为224、……2(n-1)4、2n4)，和计量泵215(相应的其它计量泵的标记为225、……2(n-1)5、2n5)。浓缩级联子系统2中的各浓缩塔的塔径随其中碳-13浓度上升而递减。

在本实施例中，提取级联子系统1包括按级联方式通过管路连接的m级提取塔112、122……1(m-1)2和1m2，m为正整数，设在上述级联的液体管路上的计量泵125……1(m-1)5、1m5，通过气体和液体管路与最后级提取塔1m2顶部连通的冷回流塔1m1，通过液体管路与第1级提取塔112底部连通的热回流塔113，以及设在所述热回流塔113底部通往所述冷回流塔1m1顶部的液体管路上的釜液冷却器114和计量泵115。所述m级提取塔的塔径相同，并等于所述浓缩级联子系统2中第1级浓缩塔212的塔径。

浓缩级联子系统2和提取级联子系统1中的冷回流塔是列管膜式或列管填料逆流气液传质塔，操作温度为20～35℃，操作压力为表压0.01～0.03Mpa，液相喷淋密度为0.5～5ml/cm².min。由于二正丁胺/辛烷溶液吸收二氧化碳生成氨基甲酸酯/辛烷溶液的过程是放热过程，及时从冷回流塔中取走所述的反应热是冷回流塔关键的操作，在工业生产规模情况下靠塔体外冷却水夹套或再内置冷却盘管形式取热，因换热面积不够效果很差；外置冷却器须另加动力且结构复杂。采用本实用新型的列管膜式或列管填料逆流气液传质塔则可解决所述的技术问题，保证了系统中冷回流塔操作在优化状态下，保证了系统碳-13的浓缩效果。

提取级联子系统1中提取塔和浓缩级联子系统2中浓缩塔均是逆流气液传质塔，操作温度为20～35℃，操作压力为表压0.01～0.03Mpa，液相喷淋密度为0.5～5ml/cm².min。

浓缩级联子系统2和提取级联子系统1中的热回流塔主要由位于热回流塔上部的不保温的直接换热-淋洗填料段、位于热回流塔中部的保温的热分解填料段及位于热回流塔下部的列管加热塔釜三部分组成，所述直接换热-冷液淋洗填料段高度为200-500mm，所述热分解填料段高度为500-900mm，所述直接换热-淋洗填料段与热分解填料段之间还设有用来测量和控制分解温度在60±5℃的温控元件(浓缩级联子系统2中热回流塔213、223、……2(n-1)3、2n3设有的温控元件分别被对应地标记为216、226、……2(n-1)6、2n6，提取级联子系统1中热回流塔113设有的温控元件被标记116)。

在本实施例中，原料供应子系统3包括利用溶剂饱和蒸汽湿润具有天然丰度的二氧化碳的原料气预饱和塔33，以及用于从所述原料气预饱和塔33塔釜抽出液体打入原料气预饱和塔33塔顶的循环计量泵34。所述原料供应子系统3还包括装有碳-13同位素浓度为天然丰度的原料气二氧化碳的钢瓶31，和用于对原料气减压的二氧化碳稳压罐32。原料气预饱和塔33是一座具有较大塔底容器的填料塔，填料层高度为2～6米，最佳值为3～4米，填料塔直径与浓缩级联子系统中最小浓缩塔的塔径相同，塔釜是个溶剂贮槽，塔釜与所述循环计量泵34进口相连，循环计量泵34出口与原料气预饱和塔33塔顶进液口相连。原料气预饱和塔33塔底容器装有同位素交换循环工作溶液的溶剂辛烷。

在本实施例中，尾气洗涤恒压器4采用干湿双管恒液位式尾气洗涤恒压器，改变尾气洗涤恒压器高度可以改变整个工作系统的工作压力，所述的尾气洗涤恒压器内充自来水，采用浮球式液位控制器保持器内液位恒定，尾气通过恒定液位的水层分散鼓泡排放，既达到稳定系统压力作用又起到洗涤尾气的作用。

提取级联子系统1中热回流塔顶部的气体管路和原料供应子系统3中原料气预饱和塔33塔顶的气体管路合并后，再通过气体管路与浓缩级联子系统2中第1级冷回流塔211的底部连通；浓缩级联子系统2中第1级冷回流塔211顶部的气体管路和第1级浓缩塔212顶部的气体管路合并后，再通过气体管路与提取级联子系统1中第1级提取塔112的底部连通；提取级联子系统1中的冷回流塔1m1顶部通过气体管路与尾气洗涤恒压器4连通。

在本实施例中，所述系统中的热回流塔的塔釜均还设有釜液进出口。如图3所示，浓缩级联子系统中的最后级热回流塔2n3的釜液出口通过阀门2n33与最后第2级热回流塔2(n-1)3釜液进口相连，最后第2级热回流塔2(n-1)3釜液出口通过阀门2(n-1)33与最后第3级热回流塔2(n-2)3釜液进口相连，……浓缩级联子系统中的第2级热回流塔223釜液出口通过阀门2233与第1级热回流塔213釜液进口相连，浓缩级联子系统中的第1级热回流塔213釜液出口通过阀门2133与所述提取级联子系统中的热回流塔113釜液进口相连，而提取级联子系统中的热回流塔113釜液出口则经过阀门1133与釜液循环泵5进口相连，釜液循环泵5出口经阀门2n35与浓缩级联子系统中的最后级热回流塔2n3釜液进口相连。

在本实施例中，所述系统中的各热回流塔塔釜之间还设有配置阀门的釜液进口支管和配置阀门的釜液出口支管。如图3所示，在所述提取级联子系统中的热回流塔113釜液出口与阀门1133管路中间装一热回流塔113釜液出口支管，并配一阀门1134，釜液出口支管的终端接到釜液出口总管51上；所述浓缩级联子系统中的热回流塔213釜液出口与阀门2133管路中间装一热回流塔213釜液出口支管，并配一阀门2134，釜液出口支管的终端接到釜液出口总管51上；热回流塔223釜液出口与阀门2233管路中间装一热回流塔223釜液出口支管，并配一阀门2234，釜液出口支管的终端接到釜液出口总管51上；……热回流塔2(n-1)3釜液出口与阀门2(n-1)33管路中间装一热回流塔2(n-1)3釜液出口支管，并配一阀门2(n-1)34，釜液出口支管的终端接到釜液出口总管51上；热回流塔2n3釜液出口与阀门2n33管路中间装一热回流塔2n3釜液出口支管，并配一阀门2n34，釜液出口支管的终端接到系统釜液出口总管51上。在所述提取级联子系统中的热回流塔113釜液进口与阀门2133管路中间装一热回流塔113釜液进口支管，并配一阀门1135，釜液进口支管的始端接到釜液进口总管52上；所述浓缩级联子系统中的热回流塔213釜液进口与阀门2233管路中间装一热回流塔213釜液进口支管，并配一阀门2135，釜液进口支管的始端接到釜液进口总管52上；热回流塔223釜液进口与阀门2333管路中间装一热回流塔223釜液进口支管，并配一阀门2235，釜液进口支管的始端接到釜液出口总管52上；……热回流塔2(n-1)3釜液进口与阀门2n33管路中间装一热回流塔2(n-1)3釜液进口支管，并配一阀门2(n-1)35，釜液进口支管的始端接到釜液出口总管52上；热回流塔2n3釜液进口与釜液出口总管52之间装一阀门2n35。

下文将描述利用本实用新型所述的系统生产高浓碳-13的过程。图2显示了利用本实用新型所述系统的生产高浓碳-13二氧化碳的工艺流程。整个工艺是一种用少量市售钢瓶二氧化碳为原料，以二氧化碳/二正丁胺/辛烷为碳同位素交换工作体系，通过浓缩工段和提取工段这两个工段的冷热回流，使得二氧化碳和由二正丁胺/辛烷溶液吸收二氧化碳而生成的氨基甲酸酯/辛烷溶液发生碳同位素交换，实现循环回流分离碳-12和碳-13的过程。

如图1和图2所示，原料气二氧化碳自钢瓶31经减压阀后进入二氧化碳稳压罐32，再进入原料气预饱和塔33，从所述原料气预饱和塔填料层底部自下而上进入填料层，与循环计量泵34从原料气预饱和塔33塔底容器中抽出并打入原料气预饱和塔33塔顶的辛烷逆流接触，被充分湿润饱和后从原料气预饱和塔33塔顶出来，流量为F，再与来自提取工段的热回流塔113塔顶的碳-13同位素浓度恢复到天然丰度的二氧化碳1132汇合，形成对浓缩工段的加料流1101。因为加入系统的原料气流量几乎等于排出系统的尾气流量，但尾气离开系统时带走了系统操作温度下的溶剂饱和蒸汽，这份的溶剂损失量由被溶剂充分湿润了的原料气带进系统是最为理想的，所以本实用新型保证了系统溶剂量的平衡，保证了工作体系中二正丁胺/辛烷溶液浓度的稳定性，保证同位素交换处与最优化状态，从而保证了碳-13的浓缩效果。本实用新型所述方法采用无须纯化处理的市售钢瓶二氧化碳为原料，而且用量很少，仅为没有提取工段的1/110，不但能节约大量原料费用，而且还能降低被尾气以饱和蒸汽压形式带走的溶剂损失量，可降低生产操作费用。

1)浓缩工段

所述浓缩工段的原料为所述提取工段提取塔底部热回流塔分解得到的二氧化碳与原料钢瓶二氧化碳的汇流而得的加料流1101，所述二氧化碳汇流物中的碳-13同位素浓度为天然丰度。所述浓缩工段的加料流1101被引入到浓缩工段的第1级冷回流塔211塔底，自下而上流动，与由第1级浓缩塔212下方第1级热回流塔213分解而得的二正丁胺/辛烷溶液2131经第1级釜液冷却器214和第1级计量泵215送到第1级热回流塔213塔顶的二正丁胺/辛烷溶液2111逆流接触，生成氨基甲酸酯/辛烷溶液2112。所述氨基甲酸酯/辛烷溶液2112流入所述第1级浓缩塔212塔顶，自上而下流动，与来自第2级浓缩塔222塔顶出来的二氧化碳2222以及来自第2级冷回流塔221塔顶出来的过剩二氧化碳2213之汇合流2201逆流接触，进行碳的同位素交换反应，使得往下流动的氨基甲酸酯/辛烷溶液中碳-13浓度不断升高，而向上流动的二氧化碳中碳-13浓度不断剥淡，从第1级浓缩塔212塔顶流出的二氧化碳2122中的碳-13浓度略低于天然丰度。所述的二氧化碳2122与来自第1级冷回流塔211塔顶出来的过剩二氧化碳2113汇合形成汇合流2101，所述汇合流2101中的碳-13浓度仅略低于天然丰度，其中的碳-13应作进一步的提取利用，所以汇合流2101对于所述浓缩工段而言是“尾气”被排出浓缩工段，而对于所述提取工段而言却是“原料气”，利用提取工段的碳同位素交换功能进一步提取其中的碳-13并送回所述的浓缩工段。

从所述第1级浓缩塔212塔底流出的氨基甲酸酯/辛烷溶液2121，其中碳-13浓度已获得一定程度的提高，让其流入所述第1级浓缩塔212下方的第1级热回流塔213，并控制热回流塔中分解操作温度在60±5℃的范围内，受热分解得二正丁胺/辛烷溶液2131和碳-13浓度获得一定程度提高的二氧化碳2132。所述分解得的二正丁胺/辛烷溶液2131自第1级热回流塔213塔底流出，经第1级冷却器214后用第1级计量泵215送回所述第1级浓缩塔212上方的第1级冷回流塔211塔顶，循环使用；所述碳-13浓度获得一定程度提高的二氧化碳2132从第1级热回流塔213塔顶出来后直接进入所述浓缩工段第2级浓缩塔222上方的第2级冷回流塔221塔底，作为所述浓缩工段第2级以后浓缩碳-13的原料。如此继续下去，可以在所述浓缩工段最后级浓缩塔2n2下方的最后级热回流塔2n3塔顶获得所需同位素浓度的碳-13二氧化碳2n32，从所述的碳-13同位素浓度达到要求的二氧化碳2n32中取出一小部分作为产品流P导入碳-13标记化合物合成系统(未显示在图2中)。

在浓缩工段中，将各冷回流塔塔顶流出的吸收过剩的二氧化碳分别与所对应级别的浓缩塔塔顶出来的二氧化碳汇合，返回到前级浓缩塔塔底，供同位素交换反应用。

2)提取工段

自所述提取工段热回流塔113塔底流出的二正丁胺/辛烷溶液1131，经提取工段冷却器114冷却至室温，由计量泵115计量后得到二正丁胺/辛烷溶液流1m11送到所述提取工段冷回流塔1m1塔顶，自上而下流动，与来自所述提取工段最后级提取塔1m2塔顶出来的二氧化碳1m22逆流接触，生成氨基甲酸酯/辛烷溶液1m12，流入所述提取工段最后级提取塔1m2塔顶。向下流出所述提取塔1m2后的物流1m21直接用计量泵1m5全部送至前级提取塔1(m-1)2塔顶，与浓缩塔工作原理相同，在所述提取塔中同样发生碳的同位素交换反应，气相向上流，碳-13同位素浓度不断剥淡，液相往下流，碳-13同位素浓度逐渐提高，如此继续下去，从第1级提取塔112塔底流出的氨基甲酸酯/辛烷溶液1121，其中的碳-13同位素浓度已经恢复到天然丰度，流入所述提取工段热回流塔113，并控制热回流塔中分解操作温度在60±5℃的范围内，分解得到的二氧化碳1132其中碳-13同位素浓度即为天然丰度，因此可以代替绝大部分原料二氧化碳气体(占原料总量的99％以上)，与少量实际的二氧化碳原料气F汇合形成汇合流1101，加入所述浓缩工段第1级冷回流塔211塔底，作为所述浓缩工段的原料使用。

从所述浓缩工段排放出的“尾气”2101，其中碳-13浓度略低于天然丰度，将这股二氧化碳作为所述提取工段的原料，送至提取工段中的第1级提取塔112塔底，由于碳同位素交换反应作用，使得所述第1级提取塔112塔底处的液相碳-13同位素浓度恢复到天然丰度。气相在提取塔中向上流动中其中的碳-13同位素浓度不断下降，出所述第1级提取塔112塔顶后直接导入第2级提取塔122塔底，继续剥淡其中的碳-13浓度，如此继续下去可以在所述提取工段最后级提取塔1m2塔顶获得碳-13同位素浓度足够低的二氧化碳1m22(即碳-12二氧化碳)，经所述的提取工段冷回流塔1m1吸收回流后，过剩的一小部分1m13(数量上等于实际二氧化碳原料流量F减去产品流量P，几乎等于实际二氧化碳原料流量)作为尾气W经尾气洗涤恒压器4排出系统外，利用自来水41和安装在尾气洗涤恒压器4湿管上部的浮球式水位控制器，随时补充被尾气以室温下饱和蒸汽形式带走的水流，维持尾气洗涤恒压器4内液位恒定。

图3显示了利用本实用新型所述系统进行釜液循环的工艺流程。釜液循环工艺包括釜液主循环和釜液支路循环两项工艺过程。

釜液主循环工艺，也就是每间隔固定时间进行一次的釜液主循环操作，具体步骤为：从浓缩工段中的最后级热回流塔2n3开始，打开阀门2n33，让最后级热回流塔2n3釜液靠压差流到最后第2级热回流塔2(n-1)3的塔釜中去，待最后级热回流塔2n3液位降至下限时，关闭阀门2n33；打开最后第2级热回流塔2(n-1)3塔釜与最后第3级热回流塔2(n-2)3塔釜之间的阀门2(n-1)33，让最后第2级热回流塔2(n-1)3釜液靠压差流到最后第3级热回流塔2(n-2)3的塔釜中去，待最后第2级热回流塔2(n-1)3塔釜中液位降到下限时，关闭阀门2(n-1)33；依次按此操作，最后利用釜液循环泵5将提取工段中的热回流塔113釜液经阀门2n35送回浓缩工段中的最后级热回流塔2n3的塔釜中去，完成一次釜液主循环操作。

釜液支路循环工艺，也就是在任意两座热回流塔塔釜之间进行的釜液支路循环操作，具体步骤为：开启需要抽出釜液的热回流塔(如213)釜液出口支管阀门(如2134)，打开需要泵入釜液的热回流塔[如2(n-1)3]釜液进口支管阀门[如2(n-1)35]，同时启动釜液循环泵5，根据所操作的两台热回流塔液位情况，终止支路循环，停泵关阀门，即可完成一次釜液支路循环操作。

下面，以列表方式描述利用本实用新型所述的系统生产高浓碳-13二氧化碳的具体工艺参数。以碳-13天然丰度为1.1％的市售钢瓶二氧化碳为原料，在浓缩工段中使用10级浓缩塔，在提取工段中使用2座提取塔，年产1000克净碳-13的二氧化碳(其中碳-13同位素浓度≥99％)。

(一)基本参数：

循环工作溶液	二正丁胺/辛烷	溶液浓度：1.7摩尔
			原料气	市售钢瓶二氧化碳	化学纯度≥99.5％，
流量：F＝36.77l/h	碳-13天然丰度：yf＝1.1％
		尾气		二氧化碳
流量：W＝36.55l/h	碳-13浓度：yw＝0.5％
			产品	二氧化碳
流量：P＝216ml/h	碳-13浓度：yp≥99.0％
		级联装置		提取工段	A#，B#两级
浓缩级联	1#-10#十级
			操作温度	顶回流塔和交换塔	室温
底回流塔分解段顶	60±5℃
		底回流塔塔釜		135-140℃
操作压力	尾气端表压(最低)：10kPa				产品端表压(最高)：49kPa

(二)主要设备参数：

1.列管填料塔型冷回流塔主要参数[mm]：

名称与编号	结构摘要	列管内径	填料高	填料种类
					提取工段冷回流塔B#	91根列管，壳程冷却水	40	1200	小型散装填料
浓缩工段冷回流塔1#	91根列管，壳程冷却水	40	1200	小型散装填料
					浓缩工段冷回流塔2#	91根列管，壳程冷却水	32	1200	小型散装填料
浓缩工段冷回流塔3#	61根列管，壳程冷却水	40	1200	小型散装填料
					浓缩工段冷回流塔4#	61根列管，壳程冷却水	32	1200	小型散装填料
浓缩工段冷回流塔5#	61根列管，壳程冷却水	28	1200	小型散装填料
					浓缩工段冷回流塔6#	61根列管，壳程冷却水	25	1200	小型散装填料
浓缩工段冷回流塔7#	35根列管，壳程冷却水	25	1200	小型散装填料
					浓缩工段冷回流塔8#	7根列管，壳程冷却水	28	1200	小型散装填料
浓缩工段冷回流塔9#	7根列管，壳程冷却水	25	1200	小型散装填料
					浓缩工段冷回流塔	7根列管，壳程冷却水	25	1200	小型散装填料

2.填料塔型同位素交换塔主要参数[mm]：

名称与编号	填料材质	填料种类	塔内径	填料层高度
					第2提取塔B#	304#不锈钢丝	规整填料	300	16000
第1提取塔A#	304#不锈钢丝	规整填料	300	16000
					第1浓缩塔1#	304#不锈钢丝	规整填料	300	16000
第2浓缩塔2#	304#不锈钢丝	规整填料	280	16000
					第3浓缩塔3#	304#不锈钢丝	规整填料	240	16000
第4浓缩塔4#	304#不锈钢丝	规整填料	200	16000
					第5浓缩塔5#	304#不锈钢丝	规整填料	180	16000
第6浓缩塔6#	304#不锈钢丝	散装填料	150	16000
					第7浓缩塔7#	304#不锈钢丝	散堆填料	100	16000
第8浓缩塔8#	304#不锈钢丝	散堆填料	60	16000
					第9浓缩塔9#	304#不锈钢丝	散堆填料	50	16000
第10浓缩塔10#	304#不锈钢丝	散堆填料	50	16000

3.热回流塔主要参数：

各塔直接换热-洗涤段填料层高度均为0.4m，分解段填料层高度均为0.7m，两段塔径相同，均使用304#不锈钢丝网制的规整填料。

名称与编号	填料塔内径[mm]	加热塔釜型式
			提取工段热回流塔A#	330
浓缩工段热回流塔1#	330	管壳式，管程物料，壳程加热蒸汽
			浓缩工段热回流塔2#	300	管壳式，管程物料，壳程加热蒸汽
浓缩工段热回流塔3#	270	管壳式，管程物料，壳程加热蒸汽
			浓缩工段热回流塔4#	220	管壳式，管程物料，壳程加热蒸汽
浓缩工段热回流塔5#	200	管壳式，管程物料，壳程加热蒸汽
			浓缩工段热回流塔6#	170	管壳式，管程物料，壳程加热蒸汽
浓缩工段热回流塔7#	110	管壳式，管程物料，壳程加热蒸汽
			浓缩工段热回流塔8#	60	管壳式，管程物料，壳程加热蒸汽
浓缩工段热回流塔9#	55	管壳式，管程物料，壳程加热蒸汽
			浓缩工段热回流塔10#	55	管壳式，管程物料，壳程加热蒸汽

(三)同位素交换塔流量：

物流名称	单位	流量
			提取塔B#，A#汽相流量	l/min	64.54
提取塔B#，A#液相流量	ml/min	2380
			浓缩塔1#汽相流量	l/min	64.59
浓缩塔1#液相流量	ml/min	2403
			浓缩塔2#汽相流量	l/min	49.97
浓缩塔2#液相流量	ml/min	1859
			浓缩塔3#汽相流量	l/min	37.83
浓缩塔3#液相流量	ml/min	1407
			浓缩塔4#汽相流量	l/min	28.46
浓缩塔4#液相流量	ml/min	1059
			浓缩塔5#汽相流量	l/min	20.98
浓缩塔5#液相流量	ml/min	781
			浓缩塔6#汽相流量	l/min	15.42
浓缩塔6#液相流量	ml/min	574
			浓缩塔7#汽相流量	l/min	6.11
浓缩塔7#液相流量	ml/min	227
			浓缩塔8#汽相流量	l/min	2.55
浓缩塔8#液相流量	ml/min	95.0
			浓缩塔9#汽相流量	l/min	1.60
浓缩塔9#液相流量	ml/min	59.5
			浓缩塔10#汽相流量	l/min	0.98
浓缩塔10#液相流量	ml/min	36.5

(四)碳-13同位素浓缩结果：

序号	取样口位置	碳-13同位素浓度(atom％)	塔别	各塔每米理论塔板数(块/米)
					1	B#提取塔塔顶(尾气端)	0.498±0.003
2	B#提取塔塔底	0.801±0.003	B#提取塔	3.24
					3	A#提取塔塔底	1.122±0.002	A#提取塔	3.44
4	原料二氧化碳	1.116±0.002
					5	1#浓缩塔塔底	1.451±0.002	1#浓缩塔	2.95
6	2#浓缩塔塔底	1.918±0.003	2#浓缩塔	3.18
					7	3#浓缩塔塔底	2.558±0.002	3#浓缩塔	3.27
8	4#浓缩塔底	3.489±0.001	4#浓缩塔	3.52
					9	5#浓缩塔底	4.781±0.002	5#浓缩塔	3.59
10	6#浓缩塔底	14.627±0.002	6#浓缩塔	9.83
					11	7#浓缩塔底	38.959±0.002	7#浓缩塔	12.08
12	8#浓缩塔底	74.232±0.003	8#浓缩塔	13.60
					13	9#浓缩塔底	94.831±0.003	9#浓缩塔	15.84
14	10#浓缩塔底(产品端)	99.458±0.004	10#浓缩塔	18.14
					15	同位素浓缩平衡时间		211天

Claims (6)

1.一种生产高浓碳-13二氧化碳的系统，其特征在于：所述系统包括浓缩级联子系统、提取级联子系统、原料供应子系统，以及尾气洗涤恒压器，

所述浓缩级联子系统包括按级联方式通过管路连接的多级浓缩单元，每级浓缩单元均包括

浓缩塔，

通过管路与所述浓缩塔顶部连通的的冷回流塔，

通过管路与所述浓缩塔底部连通的热回流塔，以及

设在所述热回流塔底部通往所述冷回流塔顶部的液体管路上的釜液冷却器和计量泵；

所述提取级联子系统包括

按级联方式通过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，

通过液体管路与第1级提取塔底部连通的热回流塔，以及

设在所述热回流塔底部通往所述冷回流塔顶部的液体管路上的釜液冷却器和计量泵；

所述原料供应子系统包括

利用溶剂饱和蒸汽湿润具有天然丰度的二氧化碳的原料气预饱和塔，以及

用于从所述原料气预饱和塔塔釜抽出液体打入原料气预饱和塔塔顶的循环计量泵；

所述提取级联子系统中热回流塔顶部的气体管路和原料供应子系统中原料气预饱和塔塔顶的气体管路合并后，再通过气体管路与所述浓缩级联子系统中第1级冷回流塔的底部连通；所述浓缩级联子系统中第1级冷回流塔顶部的气体管路和第1级浓缩塔顶部的气体管路合并后，再通过气体管路与所述提取级联子系统中第1级提取塔的底部连通；所述提取级联子系统中的冷回流塔顶部通过气体管路与所述尾气洗涤恒压器连通。

2.根据权利要求1所述的生产高浓碳-13二氧化碳的系统，其特征在于：所述浓缩级联子系统和提取级联子系统中的冷回流塔是列管膜式或列管填料逆流气液传质塔。

3.根据权利要求1所述的生产高浓碳-13二氧化碳的系统，其特征在于：所述浓缩级联子系统和提取级联子系统中的热回流塔主要由位于热回流塔上部的不保温的直接换热-淋洗填料段、位于热回流塔中部的保温的热分解填料段及位于热回流塔下部的列管加热塔釜三部分组成，所述直接换热-冷液淋洗填料段高度为200-500mm，所述热分解填料段高度为500-900mm，所述直接换热-淋洗填料段与热分解填料段之间还设有用来测量和控制分解温度在60±5℃的温控元件。

4.根据权利要求1所述的生产高浓碳-13二氧化碳的系统，其特征在于：所述系统中的热回流塔的塔釜均还设有釜液进出口，所述浓缩级联子系统中的各热回流塔釜液进出口通过管路逐级串接，并在管路中安装阀门，所述浓缩级联子系统中第1级热回流塔釜液出口通过管路与所述提取级联子系统中的热回流塔釜液进口相连，并在管路中安装阀门，所述提取级联子系统的热回流塔釜液出口通过管路经过阀门与一个釜液循环泵的进口相连，所述釜液循环泵的出口通过管路与所述浓缩级联子系统中最后级热回流塔的釜液进口相连。

5.根据权利要求4所述的生产高浓碳-13二氧化碳的系统，其特征在于：所述系统中的各热回流塔塔釜之间还设有配置阀门的釜液进口支管和配置阀门的釜液出口支管；所述釜液出口支管的始端均接在相对应的热回流塔塔釜之间的连接管路上，所述釜液出口支管的终端汇接到一根釜液出口总管上，所述釜液出口总管接到所述釜液循环泵的进口管上；所述釜液进口支管的始端均接在所述釜液循环泵的出口总管上，所述釜液进口支管的终端均接在相对应的热回流塔塔釜之间的连接管路上。

6.根据权利要求1所述的生产高浓碳-13二氧化碳的系统，其特征在于：所述尾气洗涤恒压器为干湿双管恒液位式尾气洗涤恒压器。

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