生产重氧水的方法及用于富集重氧同位素水的水精馏装置

摘要

本发明提供了一种生产重氧水的方法和用于富集重氧同位素水的水精馏装置，本发明的方法包括用水精馏装置富集重氧同位素水、电解制备重氧同位素氧和将重氧同位素氧气与氢气化合制备重氧水等步骤。本发明的水精馏装置主要包括多个串联或串联/并联的精馏塔，各精馏塔内装填了比表面积为1000－3000m2/m3的颗粒填料和比表面积为350－700m2/m3的丝织填料。本发明的方法由于以天然水为原料，来源方便、价格便宜，生产辅助设备少，系统装置简单，操作安全，无环境污染问题。本发明的水精馏装置结构简单、操作方便，生产成本低。采用本发明的水精馏装置及生产重氧水的方法可以获得重氧同位素氧的浓度为10－97％原子、氘为天然丰度的重氧水。

说明书

技术领域

本发明涉及一种化工产品的生产方法和生产装置，尤其涉及一种富集重氧同位素生产重氧水的方法及用于富集重氧同位素水的水精馏装置。

背景技术

自然界的氧元素有三种稳定的同位素，其质量数分别为16、17、18。其在天然水中的丰度分别为99.76％、0.04％、0.2％原子。其中¹⁶O为普通氧元素，¹⁷O、¹⁸O为重氧同位素。氧元素的三种同位素由于其外部性质相近，之间可以互相替代而不影响其所构成的原来物质的性质。故重氧同位素可作为示踪原子广泛应用于物理化学、生物学、医药学、环境科学等许多领域。

重氧同位素的获得方法很多，主要有热扩散、化学交换、膜分离法和精馏法等。其中热扩散、化学交换和膜分离法虽然分离效率较高，但产量极小，仅适合于实验室内的小规模生产。

用精馏法获取重氧同位素的方法是可以达到工业化规模、经济可行的方法。精馏是分离液体混合物的经典方法。但由于同位素分子之间的蒸汽压相差甚小，分离同位素必须采用多级精馏。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种以天然水为原料富集重氧同位素水生产重氧水的方法及用于富集重氧同位素水的水精馏装置。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种生产重氧水的方法为：以天然水为原料，采用以下步骤生产：

步骤一、富集重氧同位素水

由多个精馏塔串联或串联/并联组成水精馏装置，将天然水进行连续真空精馏，富集重氧同位素水；

步骤二、制备重氧同位素氧气

将步骤一所富集到的重氧同位素水电解，制备出含高浓度重氧同位素氧的氧气；

步骤三、制备重氧水

用燃烧或催化转化的方法将步骤二所制得的含高浓度重氧同位素氧的氧气与氢气化合，制备成重氧水。

步骤一中所述的水精馏装置中的各精馏塔内装填了比表面积为1000-3000m²/m³的颗粒填料和比表面积为350-700m²/m³的丝织填料。

步骤一中所述的水精馏装置中各精馏塔的塔顶操作压力控制在绝对压力80-300mmHg之间，塔顶操作温度控制在47-76℃之间，全塔压降控制在150-250mmHg之间。

一种用于富集重氧同位素水的水精馏装置，包括多个串联或串联/并联的精馏塔以及进料泵、物料储罐、冷凝器、多台循环泵和出料泵，各精馏塔的顶部分别设有物料进口和蒸汽出口，底部分别设有物料出口和蒸汽进口，进料泵的进口与物料储罐连通，其出口与第一塔的物料进口连通，冷凝器的进口与第一塔的蒸汽出口连通，多台循环泵分别设置在两塔之间，其进口连接上一塔的物料出口，其出口连接下一塔的物料进口，出料泵与最后一塔的物料出口连通，在相邻的两塔之间还分别设有蒸汽连通管路，将下一塔的蒸汽出口与上一塔的蒸汽入口连通。

所述的各精馏塔从上至下分成5个功能段，位于塔顶的第一段为分布段，内部装有初分布器，所述的物料进口设置在该段的侧面，所述的蒸汽出口设置在该段的顶部，初分布器和物料进口连通；第二段为填料段，内装丝织填料；第三段为收集分布段，内设收集分布器；第四段为填料段，内装颗粒填料；第五段为蒸发段，内设加热机构，用于充装并加热被精馏的物料，所述的物料出口设置在该段的下部，所述的蒸汽入口设置在该段的上部。

所述的各精馏塔分别设有液位控制机构，该液位控制机构包括再沸器和液面控制阀，再沸器的一端与精馏塔物料段的上部连通，另一端连接液面控制阀，液面控制阀的另一端与连接该塔的循环泵或出料泵的出口管连通。

所述的颗粒填料的比表面积为1000-3000m²/m³，所述的丝织填料的比表面积为350-700m²/m³。

所述的水精馏装置中的多个精馏塔顺序串联在一起。

所述的水精馏装置中的多个精馏塔分成三个串联组，其中一个串联组设置在装置的前段，另两个串联组并联在其后。

所述的精馏塔为3-10个。

本发明生产重氧水的方法由于以天然水为原料，来源方便、价格便宜，生产辅助设备少，系统装置简单，操作安全，无环境污染问题。本发明用于富集重氧同位素水的水精馏装置结构简单、操作方便，生产成本低。采用本发明用于富集重氧同位素水的水精馏装置及生产重氧水的方法可以获得重氧同位素氧的浓度为10-97％原子、氘为天然丰度的重氧水。

附图说明

图1是本发明生产重氧水的方法的工艺流程方框图；

图2是本发明用于富集重氧同位素水的水精馏装置的基本组成和精馏塔采用单一串联方式的流程示意图；

图3是本发明装置中的精馏塔的基本结构示意图；

图4是本发明的水精馏装置中的精馏塔采用串联/并联组合的示意图。

具体实施方式

请参见图1，图1是本发明生产重氧水的方法的工艺流程方框图。本发明生产重氧水的方法首先将含有重氧同位素的原料如天然水加入由多个精馏塔串联或串联/并联组成的水精馏装置进行真空精馏，富集含高浓度重氧同位素的水。由于原料水分子中，氢元素中还含有同位素氘，通过水精馏装置真空精馏所得到的产品中，同时含有重氢水，这种重氢水的存在对重氧水产品是有害的，所以接着要将水精馏装置真空精馏所得到的产品进行电解，分离出高氘浓度的氢气，获得含高浓度重氧同位素的氧气，最后将上述含高浓度重氧同位素的氧气与低氘浓度的天然氢气通过燃烧或催化转化化合生成重氧同位素的浓度为10-97％原子、氘为天然丰度的重氧水。

请参见图2，配合参见图3、图4。图2是本发明用于富集重氧同位素水的水精馏装置的基本组成和精馏塔采用单一串联方式的流程示意图。图3是本发明装置中的精馏塔的基本结构示意图。图4是本发明的水精馏装置中的精馏塔采用串联/并联组合的示意图。本发明用于富集重氧同位素水的水精馏装置，包括3-10个串联或串联/并联在一起的精馏塔11、12、13…1n以及进料泵2、物料储罐3、冷凝器4、多台循环泵51、52…5n、出料泵6、多套液位控制机构71、72、73…7n和多根蒸汽连通管路81、82、83…8n-1。各精馏塔的顶部分别设有物料进口和蒸汽出口，底部分别设有物料出口和蒸汽进口，进料泵2的进口与物料储罐3连通，其出口与第一塔11的物料进口连通，冷凝器4的进口与第一塔11的蒸汽出口连通，多台循环泵分别设置在两塔之间，其进口连接上一塔的物料出口，其出口连接下一塔的物料进口，出料泵6与最后一塔1n的物料出口连通，液位控制机构71、72、73…7n各包括再沸器711、721、731…7n1和液面控制阀712、722、732…7n2，再沸器的一端与精馏塔物料段的上部连通，另一端连接液面控制阀，液面控制阀的另一端与连接该塔的循环泵或出料泵的出口管连通。液位控制机构可通过循环泵控制进入上一精馏塔再沸器的物料量和进入下一精馏塔的物料量，进而控制精馏塔内的液位。最后一塔的液位控制机构是控制进入最后一塔再沸器的物料量和产品出料量，进而控制最后精馏塔内的液位。蒸汽连通管路81、82、…8n分别设置在相邻的两塔之间，其连接关系是下一塔的蒸汽出口与上一塔的蒸汽入口连通。

参见图3，本发明中的各精馏塔从上至下分成5段，位于塔顶的第一段为分布段A，内部装有初分布器，在该段的侧面设有物料进口A1，在该段的顶部设有蒸汽出口A2。初分布器和物料进口连通；第二段为填料段B，内装丝织填料，丝织填料的比表面积为350-700m²/m³。第三段为收集分布段C，内设收集分布器；第四段为填料段D，内装颗粒填料，颗粒填料的比表面积为1000-3000m²/m³；第五段为蒸发段E，内设加热机构，用于充装并加热被精馏的物料，在该段的下部设有物料出口E1，在该段的上部设有蒸汽入口E2。

下面结合图1和实施例对本发明生产重氧水的方法进一步说明如下：

实施例1

原料水含¹⁸O0.2％原子，¹⁷O0.04％原子，¹⁶O99.76％原子。由三个精馏塔串联组成水精馏装置。其中第一精馏塔塔径50mm，填料高5m，第二精馏塔塔径20mm，填料高5m，第三精馏塔塔径15mm，填料高5m。分别对三个精馏塔建立真空，进料泵将原料水以5Kg/h送入第一精馏塔。各塔的操作工艺条件如表1所示(表中所示压力均为绝对压力)：

                                     表1

  精馏塔序号  塔顶温度/压力  塔中温度/压力  塔底温度/压力  全塔压降  1  47.1C/80mmHg  58.3C/140mmHg  69.5C/230mmHg  150mmHg  2  47.1C/80mmHg  61.5C/160mmHg  72.5C/260mmHg  180mmHg  3  47.1C/80mmHg  62.7C/170mmHg  73.7C/280mmHg  200mmHg

按表1所示工艺条件进行操作，可在第三精馏塔取出含¹⁸O15.0％原子的重氧水0.5g/h，其氘含量为85.0％原子。再经电解、加氢燃烧，得到低氘含量的含¹⁸O15.0％原子的重氧水。

实施例2

原料水含¹⁸O0.2％原子，¹⁷O0.04％原子，¹⁶O99.76％原子。由六个精馏塔串联组成水精馏装置。其中，第一精馏塔塔径100mm，填料高5m，第二精馏塔塔径80mm，填料高5m，第三精馏塔塔径50mm，填料高5m，第四精馏塔塔径30mm，填料高5m，第五精馏塔塔径20mm，填料高5m，第六精馏塔塔径15mm，填料高5m。分别对六个精馏塔建立真空，进料泵将原料水以12Kg/h送入第一精馏塔。各塔的操作工艺条件如表2所示(表中所示压力均为绝对压力)：

                                     表2

  精馏塔序号  塔顶温度/压力  塔中温度/压力  塔底温度/压力  全塔压降  1  71.5C/250mmHg  74.8C/290mmHg  79.5C/350mmHg  100mmHg  2  71.5C/250mmHg  75.9C/305mmHg  80.5C/370mmHg  120mmHg  3  71.5C/250mmHg  76.6C/310mmHg  82.0C/390mmHg  140mmHg  4  71.5C/250mmHg  77.5C/320mmHg  82.5C/400mmHg  150mmHg  5  71.5C/250mmHg  77.9C/330mmHg  84.5C/430mmHg  180mmHg  6  71.5C/250mmHg  77.9C/330mmHg  85.5C/450mmHg  200mmHg

按表2所示工艺条件进行操作，可在第六精馏塔取出含¹⁸O52.5％原子的重氧水0.38g/h，其氘含量为92.0％原子。再经电解、加氢燃烧，得到低氘含量的含¹⁸O52.5％原子的重氧水。

实施例3

原料水含¹⁸O0.2％原子，¹⁷O0.04％原子，¹⁶O99.76％原子。由九个精馏塔串联/并联组成水精馏装置。其中第一精馏塔到第四精馏塔组成串联组，第五精馏塔和第六精馏塔组成串联组，第七精馏塔到第九精馏塔组成串联组，后两个串联组都连接在第四精馏塔之后组成串联/并联水精馏装置。第一精馏塔到第六精馏塔的塔径和填料高与实施例2相同，第七精馏塔塔径20mm，填料高5m，第八精馏塔塔径20mm，填料高5m，第九精馏塔塔径15mm，填料高5m。分别对九个精馏塔建立真空。进料泵将原料水以12Kg/h送入第一精馏塔。各塔的操作工艺条件如表3所示(表中所示压力均为绝对压力)：

                                    表3

  精馏塔序号 塔顶温度/压力 塔中温度/压力 塔底温度/压力 全塔压降  1 71.5C/250mmHg 74.8C/290mmHg 79.5C/350mmHg 100mmHg  2 71.5C/250mmHg 75.9C/305mmHg 80.5C/370mmHg 120mmHg  3 71.5C/250mmHg 76.6C/310mmHg 82.0C/390mmHg 140mmHg  4 71.5C/250mmHg 77.5C/320mmHg 82.5C/400mmHg 150mmHg  5 71.5C/250mmHg 77.9C/330mmHg 84.5C/430mmHg 180mmHg  6 71.5C/250mmHg 77.9C/330mmHg 85.5C/450mmHg 200mmHg  7 71.5C/250mmHg 77.9C/330mmHg 84.5C/430mmHg 180mmHg  8 71.5C/250mmHg 78.2C/335mmHg 85.0C/440mmHg 190mmHg  9 71.5C/250mmHg 78.6C/340mmHg 86.1C/460mmHg 210mmHg

按表3所示工艺条件进行操作，可在第六精馏塔取出含¹⁸O48.0％原子的重氧水0.25g/h，其氘含量为88.0％原子。在第九精馏塔取出含¹⁷O12.0％原子的重氧水0.2g/h，其氘含量为93.0％原子。再经电解、加氢燃烧，得到低氘含量的含¹⁸O48.0％原子的重氧水和低氘含量的含¹⁷O12.0％原子的重氧水。