DE69833522T2

DE69833522T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Trennung von Stabilisotopen

Info

Publication number: DE69833522T2
Application number: DE69833522T
Authority: DE
Inventors: Shigeruc/Onippon Sanso Corporation Hayashida; Katsuyoshic/Onippon Sanso Corporatio Kuwata; Hiroshic/Onippon Sanso Corporation Kawakami; Ushio Maeda
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 1997-10-13
Filing date: 1998-10-10
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2018-10-11
Also published as: DE69833522D1; EP0908226A3; EP0908226A2; US6202440B1; EP0908226B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die destillative Trennung von stabilen Isotopatomen, vorhanden in der Form einer stabilen Isotopverbindung, wobei eine Destillationssäule verwendet wird, die mit so genanntem geformtem Füllmaterial gepackt ist. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Trennung mittels Destillation, wobei eine Destillationssäule beziehungsweise eine Destillationskolonne mit einer strukturierten Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ verwendet wird. Indem dieses Verfahren und diese Vorrichtung verwendet werden, kann die optimale Trennung von ¹³CO und ¹²CO erzielt werden.
Diese Anmeldung beruht auf der Patentanmeldung Nr. Hei 9-279223, in Japan eingereicht.
Beschreibung von verwandtem Stand der Technik
Unter stabilen Isotopatomen kommt ¹³C natürlicherweise in einem Verhältnis von 1,11% vor und existiert natürlicherweise in CO in demselben Verhältnis in Form von ¹³CO.
Eine Vielzahl von Verfahren der Trennung von Isotopen ist verfügbar, welche Verfahren die Trennung mittels thermischer Diffusion, mittels gasförmiger Diffusion, mittels Zentrifugation, mittels Laser, mittels chemischem Austausch und Destillation beinhalten. In dem Fall der Trennung von CO-Isotopen wurde üblicherweise das Verfahren der Trennung mittels Destillation eingesetzt.
In dem Fall der Trennung von ¹³c in der Form von ¹³CO, wird das Ausgangsmaterial CO typischerweise in ¹²CO und ¹³CO getrennt, wobei eine oder mehrere Destillationssäulen verwen det werden. Entweder wird ¹³CO in ¹²CO aus dem Material CO durch Destillation angereichert.
Die Trennung einer gasförmigen Isotopenmischung durch Destillation ist dadurch charakterisiert, dass der Trennungskoeffizient extrem nahe bei 1 ist. In dem Fall einer ¹²CO/¹³CO-Destillation beispielsweise ist die relative Flüchtigkeit, das heißt der Trennungskoeffizient, bei 1,005 bis 1,009. Aus diesem Grunde sind, um ¹³CO zu erhalten, das eine Reinheit von 99,9% oder darüber hat, 2000 oder mehr theoretische Böden notwendig. Darüber hinaus wird eine des Rückflussrate von etwa dem 1000fachen oder mehr der Abzugsrate im Sumpf benötigt. Demgemäß wurde die Trennung von ¹³CO und ¹²CO typischerweise unter Verwendung einer Vielzahl von Destillationssäulen durchgeführt.
9 zeigt ein Beispiel einer üblichen ¹³CO-Trennungs- und Herstellungsvorrichtung. Diese übliche Vorrichtung verwendet eine Vielzahl von Destillationssäulen, um zu 99,9% reines ¹³CO herzustellen. In der Figur zeigen die Symbole 1A, 1B und 1C Destillationssäulen an, 2a, 2b und 2C sind Reboiler und 3A, 3B und 3C sind Heizvorrichtungen.
Bei dieser Vorrichtung hat die Destillationssäule 1A einen Säulendurchmesser von 25 mm und ist mit einer Zufallsfüllung wie etwa Heri-pak (1,3 × 2,5 × 23 mm Drahtformkörpern, hergestellt von Pedbelniak, Inc.) befüllt. Destillationssäule 1B hat einen Säulendurchmesser von 50 mm und ist mit einer Zufallsfüllung wie der bekannten Füllung Pro-pak (hergestellt von Scientific Development CO.) gefüllt beziehungsweise gepackt. Im Allgemeinen, wenn man Destillationssäulen maßstabsgerecht vergrößert, wobei man Zufallsfüllungen verwendet, wird es notwendig, den Säulendurchmesser entsprechend der Durchflussrate in der eingesetzten Säule zu erhöhen. Jedoch kann die Wahl einer Zufallsfüllung, die für den Säulendurchmesser geeignet ist, schwierig sein, da es zu einer Reduktion in der Effizienz der Destillation wegen der schlechten Verteilung der Flüssigkeit kommt. Um die Effizienz der Destillation aufrecht zuerhalten, wird deshalb die Erhöhung der Füllungshöhe benötigt.
Jedoch gibt es natürlich eine Grenze für die Höhe der Destillationssäule. Dadurch wird in dem Falle, dass die Produktionsrate die Durchflussrate übersteigt, die mittels einer Säule verarbeitet werden kann, ein Verfahren eingesetzt, bei dem die Zahl der eingesetzten Destillationssäulen erhöht wird. Diese Herangehensweise ist jedoch nicht günstig, da die Zusammensetzung der Vorrichtung kompliziert wird.
Bei dem vorstehend beschriebenen üblichen System, wenn man ¹³CO und ¹²CO trennt, um ¹³CO zu produzieren, erhöht sich, wenn der Säulendurchmesser von 25 auf 50 mm erhöht wird, die Durchflussrate, die verarbeitet werden kann, um das Vierfache. Wenn weiterhin die Füllung gewechselt wird, ist ein achtfacher Anstieg in der zu verarbeitenden Durchflussrate möglich, jedoch steigt die Höhe der Säule um das 2,5fache an. Konsequenterweise wird, um ¹³CO von ¹²CO zu trennen, wobei ein dreistufiges System von Destillationssäulen verwendet wird, wie es in 9 gezeigt ist, eine Anordnung notwendig, bei der es sechs Destillationssäulen 1A mit einem Säulendurchmesser von 50 mm und einer Säulenhöhe von 100m und eine Destillationssäule 1B mit einem Säulendurchmesser von 50 mm und einer Säulenhöhe von 100m gibt.
Jedoch ist das Flüssigkeitsrückhaltevermögen bei Verwendung dieses Typs der Zufallsfüllung 20 bis 30% des Innenvolumens der Säule, oder 40 bis 60% gelegentlich im Falle einer großen Menge. Deshalb bedarf es einer Zeit von 150 Tagen vom Beginn der Durchführung bis zu dem Zeitpunkt, wenn die gesamte Säule den Zustand der Durchführung im Fließgleichgewicht erreicht. Dieser Faktor fügt im Sinne von Kosten und Produktionsschema eine vergleichsweise große Anforderung hinzu. Dieses übliche Verfahren ist im Detail in der folgenden Referenz aufgeführt: B.B. McInteer, Los Alamos Scientific Laboratory, „Isotope Separation by Destillation Design of a Carbon-13 Plant", Separation Science and Technology, 15(3), Seiten 491 bis 508 (1980).
Übliche Destillationsverfahren verwenden nach dem statistischen Zufall befüllte Füllungen (so genannte „Randompackings" beziehungsweise Zufallsfüllungen) unter Einsatz einer Vorrichtung, bei der eine Reihe von enormen Säulen Seite an Seite bereitgestellt werden. Deshalb sind die Kosten zum Zusammenbau der Vorrichtung verglichen mit dem Anstieg der Produktionsrate vergleichsweise gering. Darüber hinaus kann daran gedacht werden, die Kapazität der Säule zu vergrößern. Jedoch wird kein Vorteil oder Nutzen aus der Vergrößerung erhalten.
Die Nachfrage nach ¹³C ist in den letzten Jahren in Übereinstimmung mit den sich vergrößernden Anwendungen gestiegen. Demgemäß wurde es notwendig, die Produktion dieses Produktes zu erhöhen. Als eine Lösung, die Produktion zu erhöhen, kann einfach der Durchmesser der Säule erhöht werden, wie es vorstehend beschrieben wurde. Jedoch ist diese Vorgehensweise auf Grund der Erfordernis, dass die Höhe der Säule erhöht werden muss, schwierig durchzuführen. Darüber hinaus wird, wenn lediglich die Zahl der vorhandenen Vorrichtungen erhöht wird, kein Vorteil aus dem Größenmaßstabe erhalten.
Deshalb wurde es notewendig, wenn der Durchmesser der Säule erhöht wird, Vorteile aus dem Größenmaßstab zu suchen, indem der Status des Gas-Flüssigkeitskontaktes spezifiziert wird, das heißt, indem eine Füllung mit einer Form und Struktur spezifiziert wird, die festgelegte Bedingungen berücksichtigt, das Füllungsverfahren und die Betriebsbedingungen, bei denen eine maximale Produktionsrate von einer Säule, die mit dieser Füllung gepackt ist, erhalten werden kann.
Ein Verfahren ist bekannt, die Produktion zu erhöhen, bei der eine neue Vorrichtung, die eine andere Struktur aufweist, mit der vorhandenen Ausrüstung Form einer Kaskade verbunden ist. Das heißt, bei diesem Verfahren wird ¹³CO, das in der neuen Vorrichtung konzentriert wurde, wird in die vorhandene Ausrüstung eingespeist, dann konzentriert und abgetrennt wird. Mittels dieses Verfahrens kann die Produktion erhöht werden, ohne dass das Volumen geändert wird, das durch die vorhandene Vorrichtung verarbeitet wird. Zusätzlich können die Kosten der Ausrüstung überprüfbar gehalten werden.
In diesem Fall jedoch muss daran gedacht werden, die neuen Verfahrensabläufe der Vorrichtung mit dem Volumen, das durch die vorhandene Vorrichtung verarbeitet wird, abzugleichen. Darüber hinaus ist es bevorzugt, um die Kosten der Ausrüstung niedrig zu halten, dass die neue Vorrichtung einen kleinen Säulendurchmesser und eine kleine Säulenhöhe aufweist.
GB 451014 offenbart – wie in dem Oberbegriff des gegenwärtigen Hauptanspruchs wiedergegeben -eine regelmäßig geformte Füllung für eine Säule, die bei der Destillation von Flüssigkeiten (wie etwa Wasser) verwendet werden kann, Sauerstoffisotope, die in dem Wasser (H₂O) enthalten sind, werden abgetrennt.
XP008003804 B.B. McInteer, „Isotope Separation by Destillation Design of a Carbon-13-Plant", Separation Science and Technology, 15(3), Seiten 491 bis 508 (1980) offenbart die Trennung von CO-Isotopen durch ein Verfahren, das Verflüssigung und Destillation umfasst. Dieses Dokument nach dem Stand der Technik, offenbart weder, dass die Vorrichtung (Säule), die für die Trennung verwendet wird, eine spezifische Füllung aufweist, noch dass das damit zusammenhängende Verfahren in einer spezifisch detaillierten Art durchgeführt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung löst die vorstehend erwähnten Probleme mittels des Verfahrens zur Trennung einer stabilen Isotopverbindung durch eine Trennung, die die Destillation einer Dampf- oder einer Flüssigmischung umfasst, gekennzeichnet dadurch, dass das Verfahren die Trennung durch Verflüssigung und Des tillation einer Dampfmischung oder einer Flüssigmischung beinhaltet, die eine stabile Isotopverbindung – stabile Isotopatome eingeschlossen – umfasst, und so durchgeführt wird, dass eine Destillationssäule (11), die regelmäßig mit einer geformten Füllung gepackt ist und so durchgeführt wird, dass das Verhältnis der Fließrate des zum Sieden Gebrachten und des Abgezogenen in der Destillationsäule 11 während der Destillation im Bereich von 900 bis 2000 liegt.
Das Verfahren ist durch die Maßnahmen und Merkmale, die in den abhängigen Verfahrensansprüchen erwähnt sind, vorteilhaft weiterentwickelt.
Weiterhin verwendet zum Lösen der vorstehend erwähnten Aufgaben das Verfahren eine Vorrichtung wie sie in den unabhängigen Vorrichtungsansprüchen spezifiziert sind, wobei die Vorrichtung für die Trennung der stabilen Isotopverbindung mit einer Destillationssäule (11) versehen ist, die die Trennung durch Verflüssigung und Destillation eines spezifizierten Bestandteils aus einer eine stabile Isotopverbindung enthaltenden Dampf- oder einer Flüssigmischung vollführt, gekennzeichnet dadurch, dass die Destillationssäule (11) mit einer geformten Füllung regelmäßig befüllt ist und dass die geformte Füllung eine strukturierte Füllung vom „Promotion-fluid-dispersion"-Typ mit einer Form vorn der Art ist, dass die absteigende Flüssigkeit und der aufsteigende Dampf über die Oberfläche der geformten Füllung längs der Richtung des Gesamtflusses fließt, während zur gleichen Zeit der Fluss der Flüssigkeit und der des Dampfes in einer Richtung senkrecht zu der Richtung des Gesamtflusses bewegt werden, wodurch die Massenübertragung vollzogen wird, wobei Mischen der Flüssigkeit und des Dampfes befördert werden, und dadurch, dass die spezifische Oberfläche der strukturierten Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ 500 m²/m³ oder mehr und 1000 m²/m³ oder weniger beträgt.
Die Vorrichtung wird vorteilhaft durch die Merkmale der abhängigen Vorrichtungsansprüche weiterentwickelt.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in den unabhängigen Verwendungsansprüchen näher erläutert. Vorteilhafte Ausführungsformen derselben sind in den abhängigen Verwendungsansprüchen beschrieben.
Die Erfindung löst die erwähnten Probleme, die im Stand der Technik auftreten, dadurch, dass eine Destillationssäule regelmäßig mit einer geformten Füllung, mit einer regelmäßigen Füllung oder mit einer strukturierten Füllung vom so genannten „Promoting-fluid-dispersion"-Typ befüllt ist.
Die strukturierte Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ ist eine regelmäßige Füllung mit einer derartige Form, dass die absteigende Flüssigkeit und der aufsteigende Dampf über die gesamte Oberfläche derselben längs der Richtung des Hauptteils des Flusses (das heißt der Richtung der Säulenachse) fließen, währen zur gleichen Zeit die Flüsse von Flüssigkeit und Dampf im rechten Winkel zur Hauptflussrichtung geleitet werden, wodurch das Mischen von Flüssigkeit und Dampf befördert wird, während Massentransfer erzielt wird.
Mit anderen Worten handelt es sich bei der strukturierten Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ um die geformte Füllung, bei der der Massentransfer unter innigem Dampf-Flüssigkeitskontakt durchgeführt wird und das Mischen von Flüssigkeit und Dampf senkrecht zu der Richtung der Säulenachse gleichzeitig befördert wird.
Mittels der Erfindung ist es möglich, den Säulendurchmesser in Reaktion auf die zu verarbeitende Fließrate im Bereich von etwas genauer spezifiziertem Druck zu erhöhen. Darüber hinaus ist es nicht notwendig, die Füllung entsprechend der Änderung des Säulendurchmessers auszuwählen. Dementsprechend wird es möglich, eine kompakte Vorrichtung einzusetzen, um eine stabile Isotopatome enthaltende Verbindung aus einer Gasmischung oder einer Flüssigmischung, die die stabile Isotopatome enthaltende Verbindung enthält, abzutrennen. Da darüber hinaus die Vorrichtung kompakt ist, kann das Rückhal tevolumen der Flüssigkeit reduziert werden, was es möglich macht, mit Vorgehensweisen für das Fließgleichgewicht zu beginnen und diese innerhalb einer kürzeren Zeitperiode zu erreichen. Da darüber hinaus der Druckverlust auf niedrigem Niveau gehalten werden kann, kann der Druck für den Betrieb der Destillation reduziert werden. Dementsprechend kann dann für den Koeffizienten der Trennung ein großer Wert eingestellt und die Effizienz der Destillation erhöht werden. Daher werden die Betriebsschritte einfach. Auch kann mittels der Erfindung ein Verfahrensdesign zum Erhöhen der Produktion ermöglicht werden, indem eine neue Destillationssäule hinzugefügt wird, bei der eine strukturierte Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ eingesetzt wird.
1 zeigt ein Fließdiagramm eines Beispiels einer Destillationsvorrichtung, die eine Destillationssäule aufweist, die eine strukturierte Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ aufweist.
2 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen Säulenhöhe und Säulendurchmesser zeigt, welche mit einer strukturierten Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ befüllt ist.
3 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen Säulendurchmesser und dem Reboiler-Heizvolumen einer Destillationssäule darstellt, die mit einer strukturierten Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ befüllt ist.
4 zeigt ein Fließdiagramm eines Beispiels einer Verbindung, wenn eine neue Destillationsäule einer vorhandenen Destillationssäule hinzugefügt wird.
5 zeigt ein Fließdiagramm eines anderen Beispiels einer Verbindung, wenn eine neue Destillationsäule einer vorhandenen Destillationssäule hinzugefügt wird.
6 ist eine Schrägansicht eines Beispiels einer strukturierten Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ.
7 ist eine Schrägansicht eines anderen Beispiels einer strukturierten Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ.
8 ist eine Schrägansicht eines anderen Beispiels einer strukturierten Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ.
9 ist ein Fließdiagramm eines Beispiels einer üblichen Destillationseinrichtung zur Trennung von ¹³CO.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Unterschied zur konventionellen Technik einer statistisch zufallsmäßig gepackten Füllung einer Destillationssäule mit einer zufallsmäßigen Füllung ist erfindungsgemäß die Destillationssäule regelmäßig mit einer geformten Füllung befüllt.
Formierte Füllungen können klassifiziert werden in ordentliche und statistisch zufallsmäßige Füllungen. Beispiele einer statistisch zufallsmäßigen Füllung beinhalten Raschigringe, Pallringe, Lessingringe, sattelförmige Einsätze, Berlsättel. Intaloxsättel, Telleratfüllungen, Pallringe, Steadmanfüllungen und ähnliche. die Verwendung dieser Füllungen bei einer Vielzahl von Destillationssäulen ist seit langem bekannt.
Erfindungsgemäß besagt der Ausdruck „ordnungsmäßig" gepackt (nach regulärem technischen Können) unter Verwendung einer geformten Füllung" bedeutet eine Füllung mit einer re gelmäßigen oder statistisch zufallsmäßigen Füllung (auf regelmäßige Weise) in dem Ausmaße, dass die computergenerierten Formeln, die nachfolgend angegeben werden, angewandt werden können.
Regelmäßige Füllungen können weiterhin in strukturierten Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ und nicht-strukturierte Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ klassifiziert werden. Eine strukturierte Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ ist eine solche, die eine Form und Struktur aufweist, in der die Flüsse von Flüssigkeit und Dampf längs der Oberfläche der Füllung zueinander senkrecht verlaufen, so dass Mischen von Flüssigkeit und Dampf in der Richtung senkrecht zu der Säulenachse (zum Gesamtmassenfluss) so ist, dass Mischen von Gas und Flüssigkeit begünstigt wird. Wobei der Gesamtmassenfluss (Hauptfluss) das Aufsteigen des Dampfflusses und Absteigen des Flüssigkeitsflusses in der Destillationssäule längs der Achse der Säule, definiert im Gebiet des Massentransfers, bedeutet und das für den Fluss wie an der Zwischengrenzfläche (das heißt der Grenzfläche) von Flüssigkeit und Dampf oder der Füllungsoberfläche bedeutet.
Regelmäßige Füllungen, insbesondere strukturierte Füllungen vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ werden erfindungsgemäß als die geformten Füllungen eingesetzt. Wenn solche Füllungen vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ eingesetzt werden, werden die Flüssigkeit des Rückflusses und der Fluss des aufsteigenden Dampfes uniform. Darüber hinaus gibt es erfindungsgemäß für die Flüssigkeit nur wenig Tendenz, sich in Richtung auf die Säulenwand zu verschieben, wie es vorkommt, wenn Füllungen mit zufallsmäßiger Verteilung eingesetzt werden, wodurch die Nachteile, dass man eine erhöhte befüllte Höhe hat, wenn der Durchmesser der Füllung erhöht wird, wie es bei zufallsgemäßen Füllungen, die zufallsgemäß gepackt werden, vorkommt. Daher ist es möglich, den Säulendurchmesser innerhalb eines weiten Bereichs in Antwort auf die Produktionsrate bei dem Druck im bestimmtem spezifischem Bereich.
Beispiele traditioneller strukturierter Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ werden in den 6, 7 und 8 gezeigt. Das Beispiel in 6 ist in 3 der japanischen Offenlegungsschrift, Zweitveröffentlichungsnr. SHO 57-36009 offenbart. Das Beispiel in 7 ist in 1 der japanischen Offenlegungsschrift, Zweitveröffentlichungsnr SHO 54-16761 offenbart. Das Beispiel in 8 ist in 3 der japanischen Offenlegungsschrift, Zweitveröffentlichungsnr. SHO 54-15554 offenbart.
All diese Figuren zeigen eine wellenförmig geformte dünne Struktur des Sumpfes, bei der es sich um den Strukturbestandteil der strukturierten Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ handelt. Kleine Löcher (Bezugszeichen 33 in den Fig.) mit einem Durchmesser von 2 bis 4 mm sind in eine dünne Platte aus Metall, wie eine aus Aluminium, gestanzt, die eine dicke von 0,1 bis 0,3 mm hat, und zwar in einer fixierten regelmäßigen Verteilung. Die metallische Platte wird dann zu einer wellenartigen Form geformt.
Im Falle der strukturierten Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ, wie sie in 6 gezeigt ist, sind eine Vielzahl von wellenförmigen dünnen Platten beziehungsweise Scheiben parallel zu der Säulenachse und zu der Form eines Blocks angeordnet, indem die Platten beziehungsweise Scheiben so übereinandergelegt werden, dass sie in Berührung miteinander kommen. Die wellenförmigen Rillen jeder der dünnen Platten sind so in Bezug auf die Säulenachse geneigt und benachbarte dünne Platten sind so angebracht, das ihre wellenförmigen Vertiefungen sich schneiden. Ferner sind eine Mehrzahl von Löchern 33 in den dünnen Platten bereitgestellt. Wenn jede der dünnen Platten vertikal angeordnet wird, so bilden die Löcher eine Vielzahl von Reihen längs einer Richtung, welche einen rechten Winkel mit der Säulenachse bildet. In diesen Reihen weisen die Löcher zwischeneinander ein Intervall des Abstands auf. Bei einer strukturierten Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ 30 mit einer derartigen Struktur wird das Ausmaß des Vermögens der Füllung, die Verteilung der Flüssigkeit zu beschleunigen, von der Verteilung, der Größe und der Zahl de Löcher 33 abhängen, die in den wellenförmigen dünnen Platten bereitgestellt sind. Dementsprechend wurden eine Reihe von Erfindungen vorgeschlagen, die von der Auswahl und der Kombination dieser Bedingungen abhängen.
7 zeigt eine dünne Platte, die die strukturelle Einheit der strukturierten Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ 31 darstellt. Bei diesem Beispiel ist eine dünne Platte in einer Form einer Welle gebildet, um wellenförmige Runzeln beziehungsweise eine Riefelung zu bilden. Zusätzlich sind extrem kleine wellenförmige Vertiefungen beziehungsweise Rillen 31a mit einem konstanten Winkel in Bezug auf die wellenförmigen Vertiefungen in der dünnen Platte ausgebildet. In diesem Falle ist es vorteilhaft, die wellenförmige Riefelung auf einen Winkel von 15° bis 60° in bezug auf die Säulenachse einzustellen und die extrem kleinen wellenförmigen Riefelungen 31a auf einen Winkel von 15 bis 90° bezüglich der Säulenachse, zusätzlich sind Winkel und Länge in einer Höhe von 0,3 bis 3 mm für die extrem kleinen Riefelungen 31a vorteilhaft.
Bei der Füllung 32 vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ sind – wie in 8 gezeigt – extrem kleine wellenförmige Riefelungen 32a mit einem fixen Winkel in bezug auf die wellenförmigen Riefelungen in den wellenförmigen dünnen Platten bereitgestellt, wohingegen extrem kleine wellenförmige Riefelungen 32a und die glatten Teile, in denen extrem kleine wellenförmige Riefelungen 32a nicht bereitgestellt sind, umgekehrt bereitgestellt werden
Diese Füllungen 30, 31 und 32 vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ sind in der Form von Blöcken bereitgestellt. Wenn eine Destillationssäule damit befüllt wird, ist es bevorzugt, das Aufeinanderstapeln dadurch zu bewirken, dass der Beladungswinkel für jeden der Blöcke im Querschnitt (das heißt der Winkel zum Bereitstellen der wellenförmigen dünnen Platten) der Säulen für jeden Block um einen fixen Winkel rotieren gelassen wird oder bei einer bestimmten, nach Aufeinanderlegen der Blöcke erreichten Höhe. Wenn dies erfolgte, wird der Effekt, eine einheitliche Verteilung zu erzielen, weiter verbessert.
Die genaue Form und Struktur jeder der verschiedenen Füllungen, ihre Charakteristika sowie die Charakteristika der Befüllungsverfahren sind in der japanischen Offenlegungsschrift, Erstpublikation Nr. Sho-26997 sowie auch in den vorstehend wiedergegebenen Referenzen gemacht.
Im Unterschied zu den strukturierten Füllungen vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ beinhalten Füllungen vom nicht-„Promoting-fluid-dispersion"-Typ regelmäßige Füllungen mit einer Form und Struktur, die nicht zum Ansteigen des Mischens von Flüssigkeit und Dampf in der Querschnittsrichtung senkrecht zu der Säulenachse führt, Beispiele sind eine Vielzahl von Leitungen parallel zu dem Gesamtfluss übereinander gestapelt, so dass sie einen Block bilden, wobei dann wiederum eine Vielzahl dieser Blöcke übereinander gestapelt sind.
1 zeigt ein Fließdiagramm einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Trennen einer stabilen Isotopverbindung. Diese Vorrichtung verwendet eine Destillationssäule, die mit einer Füllung mit der Struktur vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ befüllt ist, um das ¹³CO im CO am Boden der Säule zu konzentrieren. In der Fig. gezeigt ist das Bezugszeichen 11 eine Destillationssäule mit einer strukturierten Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ. Bezugszeichen 12 ist ein Kondensator, der primär ¹²CO kondensieren lässt, das innerhalb der Destillationssäule 11 aufgestiegen ist, bei Bezugszeichen 13 handelt es sich um einen Reboiler, der die Flüssigkeit im Sumpf verdampfen lässt.
Bei dieser Vorrichtung ist die Füllung der Destillationssäule 11 so angeordnet, dass sie in eine obere Zone A und eine Zone B eingeteilt werden kann. Eine Sammelvorrichtung und eine Verteilvorrichtung sind zwischen diesen Zonen angeordnet, um die Flüssigkeit zu sammeln und sie wieder in gleichförmiger Weise zu verteilen. Die Sammelvorrichtung und die Verteilvorrichtung sind weiterhin an einer geeigneten Position jeder Zone A, B und C angeordnet.
Materialgas F1 (Zufuhrgas), das als Primärbestandteil ¹²CO aufweist, das 1,11% ¹³CO enthält, passiert die Leitung 14 und wird einem intermediären Punkt zwischen der Zone A und der Zone B der Säule an einem mittleren Punkt der Destillationssäule 11 zugeführt. Das zugeführte Zufuhrgas F1 steigt auf, wobei es Kontakt zwischen Flüssigkeit und Gas mit der Rücklaufflüssigkeit erlaubt, die vom oberen Teil der Säule absteigend zurückläuft.
Das aufsteigende Gas erreicht die Spitze der Säule, wenn das ¹²CO konzentriert wird, das heißt beim Strippen des ¹³CO. Nach Auslass aus der Leitung 15 verzweigt sich das Gas, ein Teil wird durch Leitung 17 außerhalb des Systems als Abgas F6 geleitet. Der andere Teil des Gases, das sich verzweigt hat, wird wieder dem Kondensator 12 über die Leitung 16 zugeführt und mittels einer Einrichtung zum Abkühlen als Quelle kondensieren gelassen, die dann zum Kondensator 12 führt (Kondensatorquelle nicht in den Figuren gezeigt.). Die zum Kondensieren gebrachte refluxierte Flüssigkeit F5 wird dann dem oberen Teil der Destillationssäule 11 über die Leitung 18 wieder zugeführt. Flüssigstickstoff oder Ähnliches von außerhalb des Systems kann als Quelle zur Kühlung verwendet werden. Wenn die erneut zugeführte refluxierte Flüssigkeit F5 durch die Destillationssäule 11 absteigen gelassen wird, kommt sie in Kontakt mit dem Dampf, der vom Sumpf der Säule aufsteigt, so dass sich Kontakt zwischen Dampf und Flüssigkeit ausbildet. Das ¹³CO in dem aufsteigenden Dampf wird in der Flüssigkeit konzentriert, und erreicht den Sumpf der Säule.
Die absteigende Flüssigkeit, in der das ¹³CO konzentriert ist, verbleibt für eine Zeit am Sumpf der Säule und wird dann über die Leitung 19 abgeführt (Sumpfflüssigkeit F2). Ein Teil der Flüssigkeit verzweigt sich zu der Leitung 21, während der verbleibende Teil als Produkt (Ablauf) F3 mit Leitung 20 abgeführt wird
Ein Teil des Sumpfproduktes F2 wird zur Leitung 21 abgeleitet und dem Reboiler 13 zugeführt und mittels der Wärme aus einer Heizungsquelle verdampft. Es wird dann dem Sumpf der Destillationssäule 11 als nachverdampftes Gas F4 über die Leitung 22 zugeführt. Prozessgas, Heizmittel und andere als optional gewählte Mittel können als Wärmequelle für den Reboiler 13 eingesetzt werden. Das in die Destillationssäule 11 zugeführte nachverdampfte Gas F4 steigt in der Destillationssäule 11, wenn der Dampf-Flüssigkontakt durchgeführt wird, auf, wobei die Flüssigkeit auf der Oberfläche der Füllung absteigt. ¹²CO wird in dem aufsteigenden dampf konzentriert, während ¹³CO sich in der absteigenden Flüssigkeit konzentriert.
Auf diese weise wird es möglich, den Säulendurchmesser und die Säulenhöhe zu reduzieren wobei man eine große Zunahme im Prozessvolumen in einer Vorrichtung, die eine geformte Füllung verwirklicht, vorzugsweise eine strukturierte Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ zur Trennung einer Isotopverbindung, insbesondere ¹³CO und ¹²CO, indem man den geeigneten Bereich für die Durchführung für eine Füllung untersucht, die auf grund ihrer geeigneten Form und der spezifischen Oberfläche gewählt wurde, das heißt unter Untersuchung des Druckverlusts und des F-Faktors an der Oberfläche (densitometrische Oberflächengasgeschwindigkeit) in der Säule
Beim Optimieren dieser Bedingungen wurden die in der Vergangenheit hauptsächlich verwendeten computergestützten Formeln auf der Voraussetzung aufbauend theoretisch gegründet, dass der Dampf-Flüssigkontakt und der Massentransfer auf den Siebböden stattfindet. Der Unterschied zwischen dem Mechanismus des Dampf-Flüssigkontakts im Siebboden und dem Mechanismus des Dampf-Flüssigkontakts in der mit Nässe benetzten Wand der Säule oder in der befüllten Säule wurde berücksichtigt.
Deshalb bestimmte die Erfindung die genaue Festlegung der Größenangabe der Säule, wobei sie die Unterschiede im Dampf-Flüssigkontakt berücksichtigte, und man verwendete Experimente, um genaue Werte für die bei der Simulierung per Computer verwendeten physikalischen Parameter festzulegen, und berechnete dann genau die Parameter für die Destillationssäule mittels Computersimulierung.
Insbesondere wurde Shgs (Jgs/N) eingesetzt, anstelle des Werts von Shgs für die Sherwood-Zahl des Dampfs zu verwenden, die Reynold-Zahl Reg und die Schmidtsche Zahl Scgs wurde dann bestimmt, wobei Korrelationsdaten verwendet wurden, die durch Experimente in der Säule erhalten wurden, deren Wand benetzt war. Dies wurde dann dazu benutzt, Computersimulationen von erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen durchzuführen, wobei eine numerische Analysenmethode verwendet wurde.
Die vorstehend erwähnte Korrelation kann durch die folgenden Formeln ausgedrückt werden: Shgs(Jgs/N) = A1REGA2·ScgsA3 (1)
A1, A2 und A3 sind Konstanten, die vom System abhängen und Sherwood-Zahl, Reynold-Zahl und Schmidtsche Zahl sind gemäß den folg enden Formeln definiert. ShGS = Nd/(ρGS DGSΔωGS) (2) ReG = ρG/UνGd/μG (3) ScGS = μGS/(ρGSDgs (4),wobei:
Indem Werte für den Massenfluss V_t und V_b für den Dampf an der Spitze beziehungsweise dem Sumpf der Säule, deren Wand benetzt war, verwendet wurden und der durchschnittliche Massenfluss N für ¹³CO durch die folgende Formel erhalten wird: N = (VbωGb – VtωGt)/πLd (5)
Wobei ωG der Massenanteil für ¹³CO im Dampf und die Beziehung zwischen n und j durch die folgende Formel ausgedrückt wird: N = JGS + ρGS Vgsωgs (6)wobei ρ_GSν_gs der Konvektivmassenfluß ist.
Die Differenz der latenten Wärme liegt vermutlich bei extrem kleinen Werten. Deshalb wird davon ausgegangen, dass der Wärmeverlust als Resultat der hervorragenden Isolierung extrem gering ist, so dass der Ausdruck ρ_GSν_gs vernachlässigt werden kann.
Daher sind N = JGS (7) Vb = Vt (8)
Die folgende Formel ist von den Formeln (1) und (7) abgeleitet. Shgs = A1reg A2·ScGS A3 (9)
Der Durchschnittswert für den Fluss N ist mittels der folgenden Formel (10) berechnet, die aus den Formeln 5) und (8) erhalten wurde. N = Vb(ωGb – ωGt)/πLd (10)
Dementsprechend kann die Sherwood-Zahl unter Verwendung der folgenden Formel (1) bestimmt werden, die aus den Formeln (2) und (10) sich ergibt. Die Koeffizienten A₁, A₂ und A₃ werden mittels Experimenten bestimmt.
Eine Computersimulation unter Verwendung der vorstehend wiedergegebenen Formel (1), die auf den experimentellen Werten in der Säule beruht, deren Wand benetzt war, wurde dann verwendet, um optimale werte für den Säulendurchmesser, die Säulenhöhe, den Druck innerhalb der Säule, die Fließrate, das Rückflussverhältnis, die Konzentration der gewünschten Kompo nente, die im Sumpf der Säule konzentriert wird sowie die Produktionsrate, für den Fall, in dem die vorstehend erwähnte Füllung eingesetzt wird.
Wenn maßstabsgerecht vergrößert wird, um die Volumenausbeute zu erhöhen, war es die übliche Praxis, eine Methode zu verwenden, bei der die Zahl von großen, schmalen Säulen mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Höhe von 100m erhöht wurde. Erfindungsgemäß ist es jedoch möglich, den Säulendurchmesser zu erhöhen, während man die Säulenhöhe im Bereich einiger fixierter Druckwerte so steuert, dass die Struktur vereinfacht und die Vorrichtung kompakter gestaltet wird.
Des weiteren kann das Rückhaltevolumen herabgesetzt werden, indem man eine strukturierte Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ einsetzt. So kann die Zeit, die für die Anlaufphase der Vorrichtung benötigt wird, grob gesagt halbiert werden, verglichen mit dem Stand der Technik.
Als Nächstes wird als eine zweite Ausführungsform der Erfindung unter Zuhilfenahme der 4 ein Beispiel erläutert, bei dem eine neue erfindungsgemäße Vorrichtung mit bestehender Ausrüstung in einer Kaskade verbunden wird, um die Produktion von ¹³CO zu erhöhen.
Die gleichen Zahlensymbole wurden wie in 1 auf Komponenten angewendet, eine Erläuterung derselben unterbleibt. Man berücksichtige, dass – obwohl die vorhandene Ausrüstung der Bequemlichkeit halber aus einer Mehrzahl von Säulen gebildet wird – diese zusammengruppiert sind und lediglich als eine vorhandene Destillationssäule angedeutet sind (33 in den Fig.).
Diese Vorrichtung ist mit einer Leitung 14 versehen, um das Materialgas F1 einem Zwischenteil in einer neuen Destillationssäule 11 zuzuführen, einer Leitung 20, um die Sumpfflüssigkeit F2 derselben oder einem Teil des Dampf des Sumpfs zu dem mittleren Teil der Destillationssäule 23 der vorhande nen Trennvorrichtung zu liefern sowie eine Leitung 25 zur Rückführung des Abgases von der vorhandenen Vorrichtung zu einem mittleren Teil der Destillationssäule 11.
Die Füllung der neuen Destillationssäule 11 ist so angeordnet, dass sie in drei Zonen A, B und C eingeteilt werden kann. Eine Sammelvorrichtung und eine Verteilvorrichtung sind zwischen diesen Zonen angeordnet und haben eine geeignete Position in jeder der Zonen A, B und C, um die Flüssigkeit zu sammeln und gleichmäßig zu verteilen.
Eine Pumpe 26 ist bei dieser Vorrichtung an Leitung 20 angebracht. Im Ergebnis wird die Sumpfflüssigkeit F2 oder ein Teil F3' des Sumpfdampfes der neuen Destillationssäule 11 einem mittleren Teil der vorhandenen Destillationssäule 23 zugeführt. Die Destillation wird in dieser Säule mit bekannter Methode ausgeführt. Produkt F7, in dem das ¹³CO weiter konzentriert ist, wird über die Leitung 24 von dem Säulensumpf weiter befördert. Rückgeführtes Gas F8 wird einer mittleren Fläche zwischen den Zonen B und C der Destillationssäule 11 über die Leitung 25 von dem oberen Teil der vorhandenen Destillationssäule 23 zugeführt. Der Ort der Zufuhr des rückgeführten Gases F8 ist eine mittlere Fläche zwischen der Zufuhrstelle des zugeführten Gases F1 und dem Säulensumpf der Destillationssäule 11 und ist die Stelle, an der die ¹³CO-Gaszusammensetzung eine Konzentration aufweist, die ungefähr gleich der Konzentration des ¹³CO im rückgeführten Gas F8 ist.
Die ¹³CO-Konzentration an der Stelle der Zufuhr des rückgeführten Gases F8 ist durch die Berechnung der ¹³CO-Konzentrationsverteilung innerhalb der Destillationssäule 11 gemäß der vorstehend wiedergegebenen detaillierten Ausführung festgelegt und wird so ausgeführt, dass die Konzentration des rückgeführten Gases F8 und die Konzentration an der Position der Zufuhr gleich sind.
Die Fließrate des rückgeführten Gases F8 beträgt den Wert, der erhalten wird, wenn die Fließrate des Produkts F7 von der Fließrate des Teils F3' der Sumpfflüssigkeit subtrahiert wird. Die Fließrate des rückgeführten Gases F8 und der Anteil F3' der Sumpfflüssigkeit sind klein im Vergleich zu der Fließrate des aufsteigenden Dampfes F8 oder der Rückflussrate innerhalb der Destillationssäule 11. Dementsprechend haben sie keinen großen Einfluss auf die Verteilung des Drucks, die Konzentrationsverteilung oder Ähnlichem innerhalb der Destillationssäule 11.
5 zeigt ein anderes Beispiel zum Verbinden einer neuen erfindungsgemäße Destillationssäule 11 mit einer vorhandenen Destillationssäule 23 mittels einer Kaskade.
Die Vorrichtung ist mit einer Leitung 14 versehen zum Einleiten des Materialgases F1 in einen mittleren Teil einer neuen Destillationssäule 11, einer Leitung 20a zur Zufuhr der Sumpfflüssigkeit F2 derselben oder wenigstens eines Teils des Dampfs im Sumpf zu dem oberen Teil der Destillationssäule 23 der vorhandenen Trennvorrichtung, Leitung 25a zur Rückführung des Abgases von der vorhandenen Vorrichtung zum sumpf der Destillationssäule 11.
die Vorrichtung unterscheidet sich von der, die in 4 gezeigt ist dadurch, dass ein Teil F3' der Sumpfflüssigkeit F2 der neuen Destillationssäule 11 an die Spitze der vorhandenen Destillationssäule 23 geführt wird und als rückgeführte Flüssigkeit der Destillationssäule 23 dient. Das rückgeführte Gas F8, entnommen der Spitze der Destillationssäule 23, wird dem Sumpf der neuen Destillationssäule 11 zugeführt, um als Gas zu dienen, das durch die Destillationssäule 11 absteigt.
Ausführungsbeispiele
(Beispiele 1 bis 3)
Computersimulationen gemäß den in Tab. 1 gezeigten Bedingungen wurden mit der in 1 gezeigten Vorrichtung durchgeführt.
Der Wert der spezifischen Oberfläche der verwendeten Füllung betrug 500 m²/m³ in der ersten Ausführungsform (Beispiele 1), 750 m²/m³ in der zweiten Ausführungsform (Beispiel 2) und 900 m²/m³ bei der dritten Ausführungsform (Beispiel 3). Der Durchmesser wurde mit 0,305 m konstant gehalten. Die Packungshöhe der Füllung wurde mit 150 m konstant gehalten. Zufuhrgas F1, bei dem es sich um das Ausgangsmaterial handelt enthielt 1,11% CO und hatte eine Fließrate von 0,05 mol/s. Die Ausbeute des Produkts F3 betrug ungefähr 10% des Volumens des Zufuhrgases, während der Druck des Abgases F6 0,81 bar betrug.
Tabelle 1
Die Heizkapazität des Reboilers, die die Heizkapazität des Reboilers begleitende Fließrate des aufsteigenden Dampfs, der Druckverlust und Ähnliches wurden auf die Bedingungen des Betriebs hin optimiert. Das heißt, dass die Heizkapazität des Reboilers, die Rückflussrate und so weiter variiert wurden und Computersimulationen durchgeführt wurden, nachdem die Charakteristika des Druckverlust der Füllungen berücksichtigt waren. Die unter diesen Bedingungen erzielten Ergebnisse bei optimalem Betrieb sind in Tab. 2 gezeigt.
Tabelle 2
Die relative Flüchtigkeit von ¹²CO/¹³CO ändert sich bekanntermaßen in Abhängigkeit vom Druck. Mit anderen Worten je mehr der Betriebsdruck fällt, desto größer ist die relative Flüchtigkeit und desto leichter ist die Trennung. Ein niedriger Betriebsdruck erleichtert die Trennung und ist deshalb günstig als Betriebsbedingung.
Der Druckverlust beträgt ungefähr, wenn man eine Füllung mit der strukturierten Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ verwendet, 0,1 bar je Säule oder 0,4 bar je Säule im Falle eines großen Verlusts. Dies repräsentiert eine merkliche Reduzierung im Vergleich zu einem Druckverlust von ungefähr 1 bar für den Fall, dass eine zufallsverteilte Füllung verwendet wird.
Dementsprechend kann der Betriebsdruck im Falle der erfindungsgemäßen Destillationssäule nahe oder unterhalb des Atmosphärendrucks über die gesamte Fläche liegen. Das heißt, dass der Betriebsdruck auf den Bereich von 0,8 bis 1,2 bar oder im Bereich von 0,8 bis 1,5 bar je im Falle eines hohen Druckverlusts eingestellt werden kann.
Wenn, wie in den Tabellen 1 und 2 gezeigt, die Fläche der spezifischen Oberfläche zwischen 500 m²/m³, 750 m²/m³ und 900 m²/m³ der Füllung variiert wird, beträgt die Konzentration von ¹³CO in dem Produkt unter optimalen Betriebsbedingungen der Destillationssäule 4,24%, 5,93% beziehungsweise 5,97%. Die Ausbeute an Produkt, wenn die spezifische Oberfläche der Füllung 750 m²/m³ und 900 m²/m³ beträgt, befindet sich in einem ungefähr gesättigten Zustand. Wenn ein Versuch durchgeführt wird, einen äquivalenten Wert für die Ausbeute unter Verwendung einer Füllung zu erzielen, die eine höhere Fläche für die spezifische Oberfläche aufweist, dann kommt es leicht dazu, dass Fluten auftritt. Daher sollte es klar sein, dass die optimale Fläche der spezifischen Oberfläche im Bereich von 500 bis 1000 m²/m³, bevorzugt im Bereich von 750 bis 1000 m²/m³ liegt.
Bei der vorstehend beschriebenen Simulation beträgt der Oberflächen-F-Faktor des Dampfes (die densimetrische Ober flächengeschwindigkeit) in einer Säule, FS, einen Wert im Bereich von 2,0 m/s (kg/m3)1/2 oder weniger. Dies desgalb, wie bestätigt werden konnte, dass Fluten oberhalb dieses Wertes auftrat.
Das Verhältnis des Reboilergases F4 und des Produktes F3, das heißt das Verhältnis von Aufheizrate und Produktrate aus 1 beträgt Werte von 1706, 1479 beziehungsweise 932 für die Beispiele 1, 2 und 3. Dementsprechend hat das Verhältnis von Aufheizrate und Produktrate einen optimalen Wert im Bereich von 900 bis 2000.
Eine Sammelvorrichtung zum Sammeln und eine Verteilvorrichtung zum gleichmäügen Rückverteilen von Flüssigkeit befinden sich in der Destillationssäule 11. Das Rückhaltevolumen für Flüssigkeit innerhalb der Destillationssäule beträgt ungefähr 10% bis 15%, selbst wenn die in der Sammel- und der Verteilvorrichtung verbleibende Flüssigkeit berücksichtigt wird. Dieser wert ist ungefähr die Hälfte dessen, der bei den üblichen Verfahren erhalten wird.
In Bezug auf die innerhalb der Destillationssäule 11, die mit einer ordnungsmäßigen Füllung befüllt ist, herrschenden Betriebsbedingungen werden die Beziehung zwischen dem erforderlichen Säulendurchmesser und der Säulenhöhe, wenn die Konzentration an ¹³CO konstant wird, und die Beziehung zwischen dem erforderlichen Wärmevolumen des Reboilers und dem Säulendurchmesser – entsprechend der ersteren Beziehung – wurden für den Fall den untersucht, wo die Fläche der spezifischen Oberfläche der Füllung 750 m²/m³ betrug. Die Ergebnisse der Untersuchungen der ersteren und der letzteren Beziehung sind in 2 beziehungsweise 3 gezeigt. Die übrigen Betriebsbedingungen sind die gleichen wie die Werte in Tab. 1 zeigen.
Aus 3 kann verstanden werden, dass durch das Ansteigen des Durchmessers der Säule die Wärmekapazität des Reboilers ungefähr grob im Verhältnis zum Säulendurchmesser der Säule als eine Betriebsbedingung für Destillationssäule 11 ansteigen kann.
Das heißt, dass im Falle der in 1 gezeigten Vorrichtung es angenommen werden kann, dass ein Säulendurchmesser im Bereich von 0,25 bis 0,5 m, bevorzugt im Bereich von 0,3 m bis 0,4 m optimal ist. Wenn jedoch eine noch höhere Produktionsrate benötigt wird, ist es möglich, den Säulendurchmesser zu erhöhen, ohne die Säulenhöhe zu erhöhen, um einen Anstieg in der Rate der Ausbeute zu erzielen, die im Bereich einiger fixer Druckwerte erzielt wird.
Die Parameter der Destillationssäule für den Fall, wenn man eine Destillationssäule 11 bereitstellte, die eine Produktionsrate in der Größenordnung von 0,05 mol/s zeigte, wurden in diesen Fälle erhalten. Jedoch sind diese Parameter auch anwendbar bei allgemeinen Parametern für eine Vorrichtung, die ¹³CO konzentriert, was in der Natur zu 1,11% vorliegt. Mit anderen Worten nämlich, wenn man die Parameter für eine Destillationssäule für den Fall bestimmt, wo – unter Bereitstellung des gesamten Verfahrens – eine Neuberechnung unter Verwendung der zuvor erwähnten Daten als Basis durchgeführt wird.
Beispiele 4, 5
Diese Beispiele erhöhen den Druck des Betriebs in den genannten Fällen. Verringern des Durchmessers der Säule und Verringern der Kosten wird durch Erhöhen des Druckes des Betriebs möglich.
Computersimulationen gemäß den zuvor genannten Bedingungen- in Tabelle 3 gezeigt – wurden unter Verwendung derselben Vorrichtung wie in den in 1 gezeigten Beispielen 1, 2 und 3 durchgeführt.
Die Fläche der spezifischen Oberfläche der verwendeten befüllten ist 750 m²/m³ für die beiden Beispiele 4 und 5, der Durchmesser der Säule ist 0,270 m beziehungsweise 0,255, die befüllten Höhen sind 165 m beziehungsweise 183, das zugeführte Materialgas F1 ist CO-Gas mit 1,11% ¹³CO Fließrate 0,05 mol/s, Fließrate des Produktgases F3 ist ungefähr 10 des Zufuhegases, der Druck des Abgases ist ungefähr 0,81 bar.
Tabelle 3
Computersimulationen wurden wie in den Beispielen 1, 2 und 3 durchgeführt, um jede Variable zu berechnen. Die er haltenen Ergebnisse unter optimalen Bedingungen sind in Tabelle 4 gezeigt.
Tabelle 4
Der Durchmesser der Säulen kann durch Erhöhen des Betriebsdrucks verringert werden; jedoch werden dann die Höhen der Säulen ebenfalls etwas erhöht. Des weiteren wird das Rückhaltevolumen in der Säule verringert, so dass die benötigte Zeit, um die Säule in Betrieb zu nehmen ebenfalls herabgesetzt wird.
(Beispiel 6)
¹³CO wurde hergestellt, wobei man die in 4 gezeigte Vorrichtung verwendete. Nämlich, um die Produktionsrate zu erhöhen, wurde eine neue Destinationssäule 11, die mit strukturierter Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ befüllt ist, was dem Beispiel 2 entspricht, einer vorhandenen Destinationssäule 23 zugefügt und mit dieser in einer Kaskade verbunden.
Im Fall der Herstellung in der vorhandenen Destinationssäule 23 wurde ein lediglich 1,11% ¹³CO enthaltendes Ausgangsmaterial mit einer Rate von 0,0044 Mol/s zugeführt, wobei ein zu 99% oder mehr reines ¹³CO-Produkt mit einer Rate von 0,0022 Mol/s hergestellt wurde.
Die ¹³CO-Produktion konnte als Ergebnis mit der Zufügung einer neuen Destinationssäule 11 10fach erhöht werden. Die Betriebsbedingungen während dieser Zeit waren ungefähr gleich denen der Werte, die in den Tabelle 1 und Tabelle 2 gezeigt sind.
Die experimentellen Bedingungen sind in Tabelle 5 gezeigt.
Tabelle 5
Der optimale Bereich für die Betriebsbedingungen der Destillationssäule 11 wurde berechnet, wobei man eine Computersimulation unter den Bedingungen, wie sie in Tabelle 5 gezeigt sind, verwendete. Als Ergebnis wurden ein Bereich des Drucks von 0.8 bis 1.5 bar, ein Bereich des Verhältnisses von Verdampfrate und der Fließrate F3' des Sumpfproduktanteils von 900–2000 und ein Oberflächen-F-Faktor von 2,0 m/s(kg/m³)^1/2} erhalten.
Das Rückhaltevolumen für die Flüssigkeit in der neuen Destillationssäule 11 betrug zu diesem Zeitpunkt ungefähr größenordnungsmäßig 5% und war damit weniger als 15%, selbst wenn man das Rückhaltevolumen für die Flüssigkeit in der Verteilungsvorrichtung dazu rechnete.
Darüber hinaus ist es bei diesem Verfahren nicht notwendig, die vorhandene Destillationsvorrichtung während des Intervalls von der Installation der Destillationssäule 11 und des Beginns der Betriebsvorgänge bis zum Ausstoß des Produktes anzuhalten.
Wenn nämlich das Materialgas F1 in die neue Destillationssäule 11 eingeführt wurde und die Kondensationsvorrichtung 12 und der Reboiler 13 ihre Arbeitsvorgänge aufgenommen haben, wird ein Materialgas mit ¹³CO in einer Konzentration von 1,11%, das der vorhandenen Destillationssäule 23 zugeführt wurde, angehalten und ein Teil F3' des Sumpfprodukts, bei dem es sich um eine Flüssigkeit oder Dampf handelt, wird der vorhandenen Destillationssäule 23 zugeführt. Die Konzentration an ¹³CO in dem Teil F3' der Sumpfproduktflüssigkeit (oder -gas) kann 1,11% betragen. Da das ¹³CO durch die Destillationssäule 11 langsam konzentriert wird, ist es möglich, die Fließrate des Produkts F7 zu erhöhen, während man den Reinheitsgrad des 13C im Produkt F7 beibehält, wobei man die Konzentration des 13C misst.
Die experimentellen Ergebnisse(berechnete Ergebnisse) sind im detail in Tabelle 6 gezeigt.
Tabelle 6
Auf der Grundlage der vorstehenden experimentellen Ergebnisse und Berechnungen konnte es bestätigt werden, dass bei Zufügen einer neuen Destillationssäule mit einer Höhe von 150 m und einem inneren Durchmesser von 30,5 cm mit strukturierter Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ einer vorhandenen Destillationssäule das Volumen des hergestellten ¹³CO 10fach erhöht werden konnte.
Wenn man eine Trennung von ¹²CO und ¹³CO mittels Destillation ausführt, werden die folgenden Effekte als Ergebnis dessen erhalten, dass man eine Destillationssäule einsetzt, die ordnungsmäßig mit einer geformten Füllung befüllt ist oder die eine ordnungsmäßige Füllung verwendet und insbesondere als Ergebnis der Verwendung einer Destillationssäule, die mit einer strukturierten Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ befüllt ist.
Nämlich:

• Die Säule kann im Verhältnis zu ihrem Betriebsvolumen groß gemacht werden.
• Wenn man die Betriebsfließrate dadurch erhöht, dass man den Durchmesser der Destillationssäule erhöht, ist es nicht notwendig, wie bei den üblichen verfahren den Typ der zufallsmäßigen Füllung, die für diesen Säulendurchmesser geeignet ist auszuwählen. Demgemäß ist Freiraum beim Design zulässig. Darüberhinaus ist der Abfall in der Effizienz der Destillation auf Grund von Schlechtverteilung und Ähnlichem stark verschmälert. Daher muss ein Bedarf für eine Erwägung nicht darauf verwendet werden, dass die Säulenhöhe als Antwort auf die Erhöhung des Säulendurchmessers für den Fall erhöht werden muss, dass der Druck in der Säule ungefähr 1 bar beträgt.
• Der Druckverlust wird auf einem niedrigen Niveau gehalten, so dass die Destillationsbetriebsschritte bei einem niedrigen Druck durchgeführt werden können. Dementsprechend kann der Separationskoeffizient erhöht werden, was die Effizienz der Destillation erhöht. Im Ergebnis werden die Betriebsschritte einfach.
• Es versteht sich, dass dadurch, dass die Vorrichtung mit einem Oberflächen-F-Faktor (densitometrische Oberflächengeschwindigkeit) in der Säule von 1,7 m/s(kg/m³)^1/2 oder weniger arbeitet, dass die Destillationssäule betrieben werden kann ohne dass es zum Fluten oder großen Druckverlusten kommt.
• Das Flüssigkeitsrückhaltevolumen kann unterhalb von 15% gehalten werden, während die Anlaufphase vom Anfang des Betriebes bis zum Ablassen des Produktes auf etwa die Hälfte verringert werden kann.

Bei der Trennung eines stabilen Isotops in einem ¹²C/¹³C-System mittels Destillation, ermöglicht es die Erfindung, das Verfahren so zu führen, dass die Produktion erhöht wird, indem eine neue Destillationsvorrichtung mit einer strukturierten Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ als Kaskade eingesetzt wird. In diesem Falle wird die neue Vorrichtung an eine vorhandene angeschlossen, die die Trennung mittels Destillation durchführt, was einen Anstieg in der Produktion ermöglicht, ohne dass man die vorhandene Vorrichtung bis zum Produktausstoß anhalten müsste.
Darüber hinaus kann für die gesamte Anlage, indem eine neue Vorrichtung, die aus einer Destillationssäule besteht, die mit einer strukturierten Füllung (einer strukturierten Füllung vom „Promoting-fluid-dispersion"-Typ) befüllt ist, ein ungefähr 10facher Anstieg in der Produktion des 13CO für die gesamte Anlage erzielt werden.

Claims

Verfahren zur Abtrennung einer Stabilisotopenverbindung durch eine Trennung, welche die Destillation eines Dampfgemisches oder eines Flüssigkeitsgemisches umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Trennung durch Verflüssigung und Destillation eines Dampfgemisches oder Flüssigkeitsgemisches, das eine Stabilisotopenverbindung enthält, welche ein Stabilisotopenatom umfasst, beinhaltet und mittels einer Destillationskolonne (11) durchgeführt wird, die in geordneter Weise mit einer geformten Packung gepackt ist, und das Verhältnis zwischen der Flussrate von Aufgekochtem und der Flussrate von Abgezogenem in der Destillationskolonne (11) während der Destillation im Bereich von 900 bis 2000 liegt.
Verfahren zur Abtrennung einer Stabilisotopenverbindung nach Anspruch 1, wobei die Trennung durch Verflüssigung und Destillation durch ein Verfahren durchgeführt wird, bei dem das Dampfgemisch oder Flüssigkeitsgemisch in die Destillationskolonne (11) eingespeist wird, die in geordneter Weise mit einer geformten Packung gepackt ist, absteigende Flüssigkeit und aufsteigender Dampf, die entlang der Richtung des Massenstromes in der Destillationskolonne (11) strömen, hauptsächlich an der Oberfläche der geformten Packung Dampf-Flüssigkeits-Kontakt erfahren und die Flüssigkeits- und Dampfströme in eine Richtung senkrecht zur Richtung des Massenstromes gelenkt werden, während sie zugleich über die Oberfläche der geformten Packung entlang der Richtung des Massenstromes strömen, so dass ein Stoffübergang unter gleichzeitiger Förderung der Durchmischung der Flüssigkeits- und Dampfströme erfolgt.
Verfahren zur Abtrennung einer Stabilisotopenverbindung nach irgendeinem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Stabilisotopenatom ¹³C ist und die Stabilisotopenverbindung ¹³CO ist.
Verfahren zur Abtrennung einer Stabilisotopenverbindung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der der Oberflächen-F-Faktor (densiometrische Oberflächen-Gasgeschwindigkeit) in der Destillationskolonne (11) während der Destillation höchstens 2,0 m/s(kg/m³)^1/2 und vorzugsweise höchstens 1,2 m/s(kg/m³)^1/2 beträgt.
Verfahren zur Abtrennung einer Stabilisotopenverbindung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Druck in der Destillationskolonne (11) während der Destillation im Bereich von 0,8 bis 3,0 bar liegt.
Vorrichtung zur Abtrennung einer Stabilisotopenverbindung, die mit einer Destillationskolonne (11) ausgestattet ist, welche die Abtrennung einer bestimmten Komponente durch Verflüssigung und Destillation aus einem Dampfgemisch oder einem Flüssigkeitsgemisch, das eine Stabilisotopenverbindung enthält, durchführt, dadurch gekennzeichnet, dass eine geformte Packung in geordneter Weise in die Destillationskolonne (11) gepackt wird und dass die geformte Packung eine "fluidverteilungsfördernd" strukturierte Packung ist, mit einer solchen Gestalt, dass die absteigende Flüssigkeit und der aufsteigende Dampf entlang der Richtung des Massenstromes über die Oberfläche der geformten Packung strömen, während zugleich die Flüssigkeit und der Dampf in eine Richtung senkrecht zur Richtung des Massenstromes gelenkt werden, wodurch ein Stoffübergang unter gleichzeitiger Förderung der Durchmischung der Flüssigkeit und des Dampfes erreicht wird, und dass die spezifische Oberfläche der "fluidverteilungsfördernd" strukturierten Packung mindestens 500 m²/m³ und höchstens 1000 m²/m³ beträgt.
Vorrichtung zur Abtrennung einer Stabilisotopenverbindung nach Anspruch 6, wobei die geformte Packung eine strukturierte Packung ist.
Vorrichtung, die in einer Kaskade zur Abtrennung einer Stabilisotopenverbindung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hauptvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 und 7 und eine weitere Vorrichtung zur Abtrennung einer Stabilisotopenverbindung, die wenigstens eine Destillationskolonne (23) aufweist, verbunden sind, wobei die Vorrichtung, die in einer Kaskade zur Abtrennung einer Stabilisotopenverbindung angeordnet ist, ausgestattet ist mit: einer Leitung für die Einleitung von Gas in einen mittleren Teil in der Destillationskolonne (11) der Hauptvorrichtung; einer Leitung (20) für die Zufuhr wenigstens eines Teils (F3') der Bodenflüssigkeit oder des Bodengases (F2) der Destillationskolonne (11) zu einem mittleren Teil wenigstens einer Destillationskolonne (23) der anderen Vorrichtung; und einer Leitung (25) für die Rückführung von Abgas aus der anderen Vorrichtung zu einem Teil zwischen dem Teil, wo das Materialgas zugeführt wird, und dem Boden der Destillationskolonne (11) der Hauptvorrichtung.
Vorrichtung, die in einer Kaskade zur Abtrennung einer Stabilisotopenverbindung angeordnet ist, dadurch gekenn zeichnet, dass eine Hauptvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 und 7 und eine weitere Vorrichtung zur Abtrennung einer Stabilisotopenverbindung, die wenigstens eine Destillationskolonne (23) aufweist, verbunden sind, wobei die Vorrichtung, die in einer Kaskade zur Abtrennung einer Stabilisotopenverbindung angeordnet ist, ausgestattet ist mit: einer Leitung für die Einleitung von Gas in einen mittleren Teil in der Destillationskolonne (11) der Hauptvorrichtung; einer Leitung (20a) für die Zufuhr wenigstens eines Teils (F3') der Bodenflüssigkeit oder des Bodengases (F2) der Destillationskolonne (11) zum oberen Teil wenigstens einer Destillationskolonne (23) der anderen Vorrichtung; und einer Leitung (25a) für die Rückführung von Abgas aus der anderen Vorrichtung zum Boden der Destillationskolonne (11) der Hauptvorrichtung.
In einer Kaskade zur Abtrennung einer Stabilisotopenverbindung angeordnete Vorrichtung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei die Konzentration an ¹³CO in der Bodenflüssigkeit oder dem Bodendampf (F2) 10% oder weniger beträgt.
In einer Kaskade zur Abtrennung einer Stabilisotopenverbindung angeordnete Vorrichtung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei das Holdup-Volumen der Flüssigkeit in der Destillationskolonne (11) der Hauptvorrichtung 15% oder weniger beträgt.
Verwendung einer ["fluidverteilungsfördernd" strukturierten] geformten Packung bei der Abtrennung einer Stabil isotopenverbindung, die Stabilisotopenatome enthält, durch Verflüssigung und Destillation, dadurch gekennzeichnet, dass die geformte Packung eine "fluidverteilungsfördernd" strukturierte Packung mit einer solchen Gestalt ist, dass die absteigende Flüssigkeit und der aufsteigende Dampf entlang der Richtung des Massenstromes über die Oberfläche der geformten Packung strömen, während zugleich die Flüssigkeit und der Dampf in eine Richtung senkrecht zur Richtung des Massenstromes gelenkt werden, wodurch ein Stoffübergang unter gleichzeitiger Förderung der Durchmischung der Flüssigkeit und des Dampfes erreicht wird, und dass die spezifische Oberfläche der "fluidverteilungsfördernd" strukturierten Packung mindestens 500 m²/m³ und höchstens 1000 m²/m³ beträgt.
Verwendung nach Anspruch 12, wobei ¹³CO und ¹²CO verflüssigt und destilliert werden.