一种生产稳定同位素15N的全循环、双路进料节能系统技术方案

本发明专利技术涉及一种生产稳定同位素15N的全循环、双路进料节能系统，由n个交换塔级联组成，每个交换塔由底回流塔组件、交换塔组件、顶回流塔组件组成，交换塔间依次由管道相互连接形成水平级联装置，交换塔分别在塔顶和塔中分两路进料，回流塔内发生化学反应生成氮氧化物气体(NOx)，上升进入交换塔内，在交换塔内的填料表面发生氮同位素化学交换反应，从而硝酸中15N丰度得到富集，气相中的15N浓度不断降低，以此循环回流，得到高丰度15N产品。与现有技术相比，在同等生产规模下，本发明专利技术大大降低了原料硝酸的使用量，提高原料的利用率，减少了废弃物的排放，降低了生产成本。

【技术实现步骤摘要】
一种生产稳定同位素15N的全循环、双路进料节能系统
本专利技术属于高丰度15N的生产
，尤其是涉及一种生产稳定同位素15N的全循环、双路进料节能系统。
技术介绍
在天然界的含氮物质中，氮元素主要以稳定同位素14N和15N两种形式存在，其中14N和15N的天然丰度分别为99.635％和0.365％，在原子结构上，它们的核外电子数相同，15N仅比14N多一个中子。由于氮元素是有机生命体的主要组成元素，而15N具有稳定的物理化学性能，随着科技的不断发展，将其作为示踪原子可广泛应用于医学、药理学、生物化学和生命科学等领域，具有重要的经济和社会效益。由于同位素组分之间的蒸汽压差别较小，若要获得高丰度的15N产品，需采取多塔级联的方式操作。在现有技术中，稳定同位素15N的工业化应用主要有常温常压氧化氮/硝酸化学交换法及NO低温精馏法，其中化学交换法操作简便，装置相对简易，是当今生产氮-15的主要生产方法。早在1956年，美国科学家就提出了NO/HNO3化学交换法分离制备稳定同位素15N，随后，美国哥伦比亚大学建成一套年产300g纯15N的二塔级联装置。1975年原民主德国科学院莱比锡同位素和辐射研究院建成一套年产10Kg级纯15N的四塔级联装置，这也是迄今为止，已知的单套生产能力最大的NO/HNO3化学交换法生产15N的装置。国内的上海化工研究院从20世纪60年代开始进行NO/HNO3化学交换法分离15N的研究，目前已经达到年产30公斤的规模。然而，现有的化学交换法存在不足之处，主要可以概括为以下几点：(1)生产装置氮氧化物废气处理难度大、环境不友好。现有技术生产装置顶部排出大量的氮氧化物气体NOx，属于有毒有害物质，破环臭氧层，不能直接排放大气中；需要建立庞大的装置来进行回收利用，生产成本高，通常将其吸收转化为硝酸销售，废酸处理量大，不够节能。(2)原料硝酸利用率低、生产成本高。由于常温常压下氮同位素组分之间的分离系数为1.055，若将15N同位素从天然丰度0.365％富集到99％以上，原料硝酸的利用率不大于(1.055-1)/1.055＝5.21％，因此需消耗大量的原料硝酸，造成原料浪费，生产成本极高。申请号为201110355385.X的中国专利公开了一种精馏CO生产稳定同位素13C的低温精馏级联系统，该低温精馏级联系统为水平放置的n级精馏塔组成的级联装置，精馏塔由塔顶冷凝器、塔底再沸器和精馏柱组成，各级精馏塔之间经管道连接。该专利公开的是采用低温精馏法生产稳定同位素的一种级联工艺，其特点是物料为单一的气体，不存在化学反应。而本申请专利是一种采用化学交换法生产稳定同位素的技术，二者原理不同。其装置结构也完全不同。201110355385.X中冷凝器是通过液氮与CO换热达到塔顶气体液化，而本专利技术专利塔顶回流塔内发生化学反应：NO+NO2+O2+H2O＝2HNO3将氮氧化物气体转化为液体硝酸，实现回流；201110355385.X中低温精馏塔内CO气体与CO液体进行同位素交换：12CO(液)+13CO(气)→12CO(气)+13CO(液)13C同位素在液相中得到富集，而本专利技术专利化学交换塔内是氮氧化物与硝酸进行化学交换：15NO+15NO2+H14NO3→14NO+14NO2+H15NO315N同位素富集在硝酸中；201110355385.X中塔底再沸器内通过加热，将CO液体汽化，而本专利技术专利塔底回流塔是通过化学反应将液体硝酸转化为氮氧化物气体：2HNO3+2SO2+H2O＝NO+NO2+2H2SO4+Q所以本专利技术在设备结构、工艺原理方面都与现有技术不同。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种氧化氮/硝酸化学交换法生产稳定同位素15N的水平级联系统。该工艺系统能有效降低原料硝酸的使用量，提高原料利用率，降低单耗；同时该工艺系统能保持长期而稳定运行，确保产品质量，提升市场竞争力。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种生产稳定同位素15N的全循环、双路进料节能系统，由n个交换塔级联组成，每个交换塔由底回流塔组件、交换塔组件、顶回流塔组件组成，交换塔间依次由管道相互连接形成水平级联装置，交换塔分别在塔顶和塔中分两路进料。该系统由2-5个直径逐渐变细的交换塔级联组成。该系统中采用的原料硝酸分为两个部分，一部分为从第1级塔中部进料点加入天然丰度15N的新鲜硝酸，另一部分为交换塔顶排出的NOx气体经吸收塔后生成的低于天然丰度15N的硝酸循环利用。各级交换塔塔底的部分硝酸经计量泵计量后送入后一级交换塔，其余的大部分硝酸经管道向下流入各自的反应回流塔内。若第2～n级交换塔顶部均放置有氮氧化物气体吸收塔，则该系统级间为全液相输送；若第2～n级交换塔顶部均不连接氮氧化物气体吸收塔，则该系统级联分别为气液相输送。在各级的反应回流塔内，加入的SO2气体与交换塔流下的硝酸反应生成氮氧化物气体NOx(主要为NO和NO2)，并向上流入相应地交换塔内，与填料表面上的硝酸逆流接触，发生氮同位素化学交换反应，从而硝酸中的15N丰度得到富集。底回流反应原理如下：2HNO3+2SO2+H2O＝NO+NO2+2H2SO4+Q以此类推，不断进行传质交换与回流的循环作用，经过n级交换塔的浓缩富集，在第n级交换塔塔底得到的硝酸中15N丰度为全系统最高值，即为高丰度的15N产品。交换反应原理如下：15NO+15NO2+H14NO3→14NO+14NO2+H15NO3第一级交换塔的顶部设置氮氧化物气体吸收塔，第2～n级交换塔的顶部可设置氮氧化物气体吸收塔，或不设置氮氧化物气体吸收塔。第2～n级交换塔的顶部设置氮氧化物气体吸收塔，系统级间物料为全液相输送；第2～n级交换塔的顶部不设置氮氧化物气体吸收塔，系统级间物料分别为气相和液相输送。系统级间物料为全液相输送，各级交换塔塔底得到的10％-50％的浓缩的15N-硝酸经计量泵计量后送入后一级交换塔顶，其余的50％-90％的15N-硝酸经管道向下流入各自的反应回流塔内；后一级交换塔塔顶的NOx气体经吸收后生成硝酸，作为顶回流，回流的硝酸经计量后送入前一级交换塔；系统级间物料分别为气相和液相输送，各级交换塔塔底得到的10％-50％的浓缩的15N-硝酸经计量泵计量后送入后一级交换塔顶，其余的50％-90％的15N-硝酸经管道向下流入各自的反应回流塔内；后一级交换塔塔顶的NOx气体经计量后直接输送进入前一级交换塔。在各级底回流塔组件内加入SO2气体，与交换塔组件流下的硝酸反应生成氮氧化物气体NOx，并向上流入交换塔组件内，与填料表面上的硝酸逆流接触，发生氮同位素化学交换反应，硝酸中的15N丰度得到富集。前一级交换塔塔底流出的硝酸分别输送到后一级交换塔的塔顶或第2块塔板与中间塔板之间。后一级交换塔塔顶的NOx气体或经吸收塔后生成的硝酸分别输送到前一级交换塔的塔底或中间塔板与最底层塔板之间。所述的交换塔内填充有高比表面积散堆填料或规整填料，塔内间隔等距离处均设置液体再分布器。所述的交换塔为常温常压操作，操作温度为20～30℃，操作压力为表压0.01～0.04MPa，塔内自下而上的气相与从上而下的液相逆流接触，液相喷淋密度为0.2～4.0m3/(m2·h)。与现有技术相比，本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生产稳定同位素15N的全循环、双路进料节能系统，其特征在于，该系统由n个交换塔级联组成，每个交换塔由底回流塔组件、交换塔组件、顶回流塔组件组成，交换塔间依次由管道相互连接形成水平级联装置，交换塔分别在塔顶和塔中分两路进料。

【技术特征摘要】
1.一种生产稳定同位素15N的全循环、双路进料节能系统，其特征在于，该系统由n个交换塔级联组成，每个交换塔由底回流塔组件、交换塔组件、顶回流塔组件组成，交换塔间依次由管道相互连接形成水平级联装置，交换塔分别在塔顶和塔中分两路进料；第一级交换塔的顶部设置氮氧化物气体吸收塔，第2～n级交换塔的顶部可设置氮氧化物气体吸收塔，或不设置氮氧化物气体吸收塔；第2～n级交换塔的顶部设置氮氧化物气体吸收塔，系统级间物料为全液相输送，第2～n级交换塔的顶部不设置氮氧化物气体吸收塔，系统级间物料分别为气相和液相输送；系统级间物料为全液相输送，各级交换塔塔底得到的10％-50％的浓缩15N-硝酸经计量泵计量后送入后一级交换塔顶，其余50％-90％的15N-硝酸经管道向下流入各自的反应回流塔内；后一级交换塔塔顶的NOx气体经吸收后生成硝酸，作为顶回流，回流的硝酸经计量后送入前一级交换塔；系统级间物料分别为气相和液相输送，各级交换塔塔底得到的10％-50％的浓缩15N-硝酸经计量泵计量后送入后一级交换塔顶，其余的50％-90％的15N-硝酸经管道向下流入各自的反应回流塔内；后一级交换塔塔顶的NOx气体经计量后直接输送进入前一级交换塔；前一级交换塔...

【专利技术属性】
技术研发人员：李虎林，杜晓宁，田叶盛，卢建康，周建跃，
申请(专利权)人：上海联启化工科技有限公司，上海化工研究院，
类型：发明
国别省市：上海;31