一种同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种同时生产高浓硼‑10三氟化硼和高浓硼‑11三氟化硼的方法及装置，用少量市售钢瓶三氟化硼为原料，以三氟化硼/硝基甲烷或醚类化合物为硼同位素交换工作体系，通过级联装置中的浓缩工段和提取工段的冷热回流，使得三氟化硼和由硝基甲烷或醚类化合物吸收三氟化硼而生成的络合物发生硼同位素交换，实现循环回流分离硼‑10和硼‑11，本发明专利技术结构紧凑，操作简单，易于连续自动化，既大幅度地减少了原料三氟化硼用量，同时也解决了废料三氟化硼排放问题，并且能耗降低了约80％，实现了节能零排，大大降低了生产成本，得到的产品硼‑10和硼‑11浓度≥99atom％。

A method and system for simultaneous production of boron fluoride -10 three boron fluoride and high concentration boron -11 three boron fluoride

The invention discloses a method and device for producing high concentration boron 10 three boron fluoride and high boron fluoride 11 three boron fluoride at the same time. A small amount of municipal steel bottle three boron fluoride is used as raw material, and three boron fluoride / nitromethane or ether compounds are used as boron isotope exchange system, and the cold and heat of the concentrated section and the extraction section in the cascade are used. Reflux, which makes three boron fluoride and the absorption of boron fluoride from nitromethane or ether compounds to three boron fluoride to exchange boron isotopes, and realizes circulating reflux and separation of boron 10 and boron 11. The invention has compact structure, simple operation and easy automation. It reduces the amount of boron fluoride in raw materials by a large extent, and at the same time The problem of waste three boron fluoride emission is solved, and the energy consumption is reduced by about 80%. The energy saving zero row is realized and the production cost is greatly reduced. The obtained product boron carbide 10 and boron carbide 11 concentration are more than 99atom%.

【技术实现步骤摘要】
一种同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的方法及系统
：本专利技术涉及稳定同位素硼-10和硼-11生产
，具体涉及一种同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的方法及系统。
技术介绍
：自然界所有含硼物质中的硼元素均是由两种稳定同位素硼-10和硼-11组成的，它们的天然含量(称天然丰度)分别为19.8atom％和80.2atom％。硼元素在自然界的储量较丰富，但要从硼元素里成功分离出同位素硼-10和硼-11，则是一个世界性难题。硼-10对中子的吸收能力极强，热中子的反应截面σ(n,α)为3838靶，而天然硼中子吸收截面σa只有750靶，硼-10对中子的吸收能力是铅的20倍、混凝土的500倍、硼-11的60000倍，所以硼-10是屏蔽中子和射线的最佳材料，能极其有效地起到保护人们免受辐射的作用。硼-10在核反应堆中被用作高效中子减速剂，起到控制反应堆运行的功能,同时硼-10也被广泛地应用在国防工业、医学、电子工业以及其他一些特殊行业。而硼-11恰好相反，几乎不吸收中子，在半导体器件制造过程中,若被用作同位素纯度级别的掺杂剂，能够有效地提高半导体器件的导电性能和抗辐射抗干扰能力,因此研究开发高丰度硼-11同位素掺杂源是未来硼系半导体材料发展的必然趋势。目前我国使用的硼-10和硼-11同位素产品全部依赖进口，进口价格十分昂贵。随着第三代核电站快中子堆时代的到来，对硼-10和硼-11同位素的工业化生产提出了迫切的要求。工业化生产硼同位素的现有技术为三氟化硼/苯甲醚工作体系的同位素交换技术，但因现有工艺能耗较大(能量主要消耗在交换塔塔顶为取走络合物生成热的操作和交换塔底部供给络合物分解热的操作上)；此外由于原料三氟化硼的提取率低，不但原料消耗量较大而且尾气三氟化硼中硼-11同位素含量较低多是当作废弃物排放，这些缺点都造成产品成本的升高。其他三氟化硼/醚类及酮类化合物体系同位素交换技术，多因分离系数较小或因络合物热分解不完全只得将交换塔操作温度提高到溶液沸点温度而形成了同位素交换精馏，从而降低了分离系数，因而不宜工业化生产。研究过的硼同位素分离技术还有BF3/SO2﹒BF3低温交换体系和BF3低温精馏等等，均未实现过工业化生产。
技术实现思路
：本专利技术的目的克服现有技术存在的缺点，提供一种同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的方法及装置，用少量市售钢瓶三氟化硼为原料，以三氟化硼/硝基甲烷或醚类化合物为硼同位素交换工作体系，通过级联装置中的浓缩工段和提取工段的冷热回流，使得三氟化硼和由硝基甲烷或醚类化合物吸收三氟化硼而生成的络合物发生硼同位素交换，实现循环回流分离硼-10和硼-11，该方法既大幅度地减少了原料三氟化硼用量，同时也解决了废料三氟化硼排放问题，并且能耗降低了约80％，实现了节能零排，降低生产成本。本专利技术是通过以下技术方案予以实现的：一种同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的系统，该系统包括原料气供应系统、级联装置、高浓硼-11三氟化硼产品稳流收集装置、高浓硼-10三氟化硼产品稳流收集装置；所述级联装置包括相互气/液连接的用于提取工段的提取级联子系统、用于浓缩工段的浓缩级联子系统；所述提取级联子系统包括按级联方式通过气体管路和液体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，以及设在每级提取塔底部通往上一级提取塔顶部的液体管路上的计量泵；所述冷回流塔顶部设有高浓硼-11三氟化硼气体出口和硝基甲烷或醚类化合物进料口；所述高浓硼-11三氟化硼气体出口连通高浓硼-11三氟化硼产品稳流收集装置；所述浓缩级联子系统包括按级联方式通过气体管路和液体管路连接的多级浓缩塔、通过气体和液体管路与最后级浓缩塔底部连通的用来分解硝基甲烷或醚类化合物﹒三氟化硼络合物的第二热回流塔、跟第二热回流塔底部连通的第二分解液冷却器，以及设在每级浓缩塔底部通往下一级浓缩塔顶部的液体管路上的计量泵；所述浓缩级联子系统中，第1级浓缩塔底部连接有顶部设有分流部件的第一热回流塔，最后级浓缩塔底部连通有第二热回流塔，除此之外，其他的多级浓缩塔底部没有连接热回流塔；所述第二热回流塔底部经第二分解液冷却器连通冷回流塔的硝基甲烷或醚类化合物的进料口，形成硝基甲烷或醚类化合物的循环回路；所述浓缩工段的最后级(第n级)浓缩塔底部还设有高浓硼-10三氟化硼产品出口，连接有高浓硼-10三氟化硼产品稳流收集装置；其中提取级联子系统第1级提取塔塔底设有液相络合物出口和三氟化硼气体进口，所述液相络合物出口经液体管道和计量泵连通浓缩工段的第1级浓缩塔塔顶，所述三氟化硼气体进口通过气体管道连通浓缩工段的第1级浓缩塔塔顶，实现提取工段与浓缩工段的液/气连接；所述原料气供应系统包括依次连通的原料气钢瓶、原料气缓冲瓶和原料气净化塔，所述原料气净化塔的出口跟第1级提取塔塔底三氟化硼气体进口至第1级浓缩塔塔顶的气体管道连通，所述原料气钢瓶装硼同位素含量为天然丰度的三氟化硼，经原料气缓冲瓶和原料气净化塔除水净化后加入到第1级提取塔塔底三氟化硼气体进口至第1级浓缩塔塔顶的气体管道中，作为整个级联装置的原料；所述第1级浓缩塔底部连接第一热回流塔，第一热回流塔顶部设有分流部件，第一热回流塔底部经第一分解液冷却器连通冷回流塔的硝基甲烷或醚类化合物的进料口，经第1级浓缩塔浓缩的硼-10液相络合物流入塔底第一热回流塔时被第一热回流塔顶部的分流部件切割成两部分，一部分通过液体管道和计量泵直接送入浓缩工段第2级浓缩塔塔顶，作为浓缩工段第2级浓缩塔的加料；另一部分则流入所述的第一热回流塔中，受热分解成三氟化硼气体和硝基甲烷或醚类化合物，热分解的气体产物三氟化硼返回第1级浓缩塔塔底，自下而上与自上而下流动的硝基甲烷或醚类化合物﹒三氟化硼络合物逆流接触进行硼同位素交换，硼-10富集于液相，硼-11富集于气相；热分解液体产物硝基甲烷或醚类化合物从所述第一热回流塔底部流出，通过液体管道经第一分解液冷却器冷却至室温后由计量泵送入位于提取工段最后级(第N级)提取塔顶部的冷回流塔的硝基甲烷或醚类化合物的进料口，作为级联系统制备硝基甲烷或醚类化合物﹒三氟化硼络合物的原料之一，循环使用。所述提取工段中的提取塔以及浓缩工段中的浓缩塔均为逆流接触气液传质塔。所述浓缩塔操作温度为20～30℃，操作压力为表压0.02～0.05MPa，液相喷淋密度为0.5～5ml/cm2.min。所述提取工段中的提取塔均为逆流接触气液传质塔，操作温度为20～30℃，操作压力为表压0.01～0.03MPa，液相喷淋密度为0.5～5ml/cm2.min。特别地，所述提取工段中的每级提取塔底部连接一个与其同径的储液器，其底端设有一个液体出口，通过液体管道与计量泵与上一级提取塔的塔顶液体进口相连。所述浓缩工段中的每级浓缩塔底部连接一个与其同径的储液器，其底端设有一个液体出口，通过液体管道与计量泵连通下一级浓缩塔塔顶液体进口。所述冷回流塔是列管膜式或列管填料逆流气液传质塔，直接与所述最后级提取塔第N提取塔塔顶连成一体，管间走冷却水。所述第一、二热回流塔中分解段的操作温度在70±5℃的范围内。所述第一热回流塔顶部与所述第1级浓缩塔同径并连为一体；所述第一热回流塔从上而本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同时生产高浓硼‑10三氟化硼和高浓硼‑11三氟化硼的系统，其特征在于，该系统包括原料气供应系统、级联装置、高浓硼‑11三氟化硼产品稳流收集装置、高浓硼‑10三氟化硼产品稳流收集装置；所述级联装置包括相互气/液连接的用于提取工段的提取级联子系统、用于浓缩工段的浓缩级联子系统；所述提取级联子系统包括按级联方式通过气体管路和液体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，以及设在每级提取塔底部通往上一级提取塔顶部的液体管路上的计量泵；所述冷回流塔顶部设有高浓硼‑11三氟化硼气体出口和硝基甲烷或醚类化合物进料口；所述高浓硼‑11三氟化硼气体出口连通高浓硼‑11三氟化硼产品稳流收集装置；所述浓缩级联子系统包括按级联方式通过气体管路和液体管路连接的多级浓缩塔、通过气体和液体管路与最后级浓缩塔底部连通的用来分解硝基甲烷或醚类化合物﹒三氟化硼络合物的第二热回流塔、跟第二热回流塔底部连通的第二分解液冷却器，以及设在每级浓缩塔底部通往下一级浓缩塔顶部的液体管路上的计量泵；所述浓缩级联子系统中，第1级浓缩塔底部连接有顶部设有分流部件的第一热回流塔，最后级浓缩塔底部连通有第二热回流塔，除此之外，其他的多级浓缩塔底部没有连接热回流塔；所述第二热回流塔底部经第二分解液冷却器连通冷回流塔的硝基甲烷或醚类化合物的进料口，形成硝基甲烷或醚类化合物的循环回路；所述浓缩工段的最后级浓缩塔底部还设有高浓硼‑10三氟化硼产品出口，连接有高浓硼‑10三氟化硼产品稳流收集装置；其中提取级联子系统第1级提取塔塔底设有液相络合物出口和三氟化硼气体进口，所述液相络合物出口经液体管道和计量泵连通浓缩工段的第1级浓缩塔塔顶，所述三氟化硼气体进口通过气体管道连通浓缩工段的第1级浓缩塔塔顶，实现提取工段与浓缩工段的液/气连接；所述原料气供应系统包括依次连通的原料气钢瓶、原料气缓冲瓶和原料气净化塔，所述原料气净化塔的出口跟第1级提取塔塔底三氟化硼气体进口至第1级浓缩塔塔顶的气体管道连通，所述原料气钢瓶装硼同位素含量为天然丰度的三氟化硼，经原料气缓冲瓶和原料气净化塔除水净化后加入到第1级提取塔塔底三氟化硼气体进口至第1级浓缩塔塔顶的气体管道中，作为整个级联装置的原料；所述第1级浓缩塔底部连接第一热回流塔，第一热回流塔顶部设有分流部件，第一热回流塔底部经第一分解液冷却器连通冷回流塔的硝基甲烷或醚类化合物的进料口，经第1级浓缩塔浓缩的硼‑10液相络合物流入塔底第一热回流塔时被第一热回流塔顶部的分流部件切割成两部分，一部分通过液体管道和计量泵直接送入浓缩工段第2级浓缩塔塔顶，作为浓缩工段第2级浓缩塔的加料；另一部分则流入所述的第一热回流塔中，受热分解成三氟化硼气体和硝基甲烷或醚类化合物，热分解的气体产物三氟化硼返回第1级浓缩塔塔底，自下而上与自上而下流动的硝基甲烷或醚类化合物﹒三氟化硼络合物逆流接触进行硼同位素交换，硼‑10富集于液相，硼‑11富集于气相；热分解液体产物硝基甲烷或醚类化合物从所述第一热回流塔底部流出，通过液体管道经第一分解液冷却器冷却至室温后由计量泵送入位于提取工段最后级提取塔顶部的冷回流塔的硝基甲烷或醚类化合物的进料口，循环使用。...

【技术特征摘要】
1.一种同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的系统，其特征在于，该系统包括原料气供应系统、级联装置、高浓硼-11三氟化硼产品稳流收集装置、高浓硼-10三氟化硼产品稳流收集装置；所述级联装置包括相互气/液连接的用于提取工段的提取级联子系统、用于浓缩工段的浓缩级联子系统；所述提取级联子系统包括按级联方式通过气体管路和液体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，以及设在每级提取塔底部通往上一级提取塔顶部的液体管路上的计量泵；所述冷回流塔顶部设有高浓硼-11三氟化硼气体出口和硝基甲烷或醚类化合物进料口；所述高浓硼-11三氟化硼气体出口连通高浓硼-11三氟化硼产品稳流收集装置；所述浓缩级联子系统包括按级联方式通过气体管路和液体管路连接的多级浓缩塔、通过气体和液体管路与最后级浓缩塔底部连通的用来分解硝基甲烷或醚类化合物﹒三氟化硼络合物的第二热回流塔、跟第二热回流塔底部连通的第二分解液冷却器，以及设在每级浓缩塔底部通往下一级浓缩塔顶部的液体管路上的计量泵；所述浓缩级联子系统中，第1级浓缩塔底部连接有顶部设有分流部件的第一热回流塔，最后级浓缩塔底部连通有第二热回流塔，除此之外，其他的多级浓缩塔底部没有连接热回流塔；所述第二热回流塔底部经第二分解液冷却器连通冷回流塔的硝基甲烷或醚类化合物的进料口，形成硝基甲烷或醚类化合物的循环回路；所述浓缩工段的最后级浓缩塔底部还设有高浓硼-10三氟化硼产品出口，连接有高浓硼-10三氟化硼产品稳流收集装置；其中提取级联子系统第1级提取塔塔底设有液相络合物出口和三氟化硼气体进口，所述液相络合物出口经液体管道和计量泵连通浓缩工段的第1级浓缩塔塔顶，所述三氟化硼气体进口通过气体管道连通浓缩工段的第1级浓缩塔塔顶，实现提取工段与浓缩工段的液/气连接；所述原料气供应系统包括依次连通的原料气钢瓶、原料气缓冲瓶和原料气净化塔，所述原料气净化塔的出口跟第1级提取塔塔底三氟化硼气体进口至第1级浓缩塔塔顶的气体管道连通，所述原料气钢瓶装硼同位素含量为天然丰度的三氟化硼，经原料气缓冲瓶和原料气净化塔除水净化后加入到第1级提取塔塔底三氟化硼气体进口至第1级浓缩塔塔顶的气体管道中，作为整个级联装置的原料；所述第1级浓缩塔底部连接第一热回流塔，第一热回流塔顶部设有分流部件，第一热回流塔底部经第一分解液冷却器连通冷回流塔的硝基甲烷或醚类化合物的进料口，经第1级浓缩塔浓缩的硼-10液相络合物流入塔底第一热回流塔时被第一热回流塔顶部的分流部件切割成两部分，一部分通过液体管道和计量泵直接送入浓缩工段第2级浓缩塔塔顶，作为浓缩工段第2级浓缩塔的加料；另一部分则流入所述的第一热回流塔中，受热分解成三氟化硼气体和硝基甲烷或醚类化合物，热分解的气体产物三氟化硼返回第1级浓缩塔塔底，自下而上与自上而下流动的硝基甲烷或醚类化合物﹒三氟化硼络合物逆流接触进行硼同位素交换，硼-10富集于液相，硼-11富集于气相；热分解液体产物硝基甲烷或醚类化合物从所述第一热回流塔底部流出，通过液体管道经第一分解液冷却器冷却至室温后由计量泵送入位于提取工段最后级提取塔顶部的冷回流塔的硝基甲烷或醚类化合物的进料口，循环使用。2.根据权利要求1所述的同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的系统，其特征在于，所述提取工段中的提取塔以及浓缩工段中的浓缩塔均为逆流接触气液传质塔。3.根据权利要求1或2所述的同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的系统，其特征在于，所述浓缩塔操作温度为20～30℃，操作压力为表压0.02～0.05MPa，液相喷淋密度为0.5～5ml/cm2.min。4.根据权利要求3所述的同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的系统，其特征在于，所述浓缩工段中的每级浓缩塔底部连接一个与其同径的储液器，其底端设有一个液体出口，通过液体管道与计量泵连通下一级浓缩塔塔顶液体进口。5.根据权利要求1或2所述的同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的系统，其特征在于，所述提取工段中的提取塔均为逆流接触气液传质塔，操作温度为20～30℃，操作压力为表压0.01～0.03MPa，液相喷淋密度为0.5～5ml/cm2.min。6.根据权利要求5所述的同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的系统，其特征在于，所述提取工段中的每级提取塔底部连接一个与其同径的储液器，其底端设有一个液体出口，通过液体管道与计量泵与上一级提取塔的塔顶液体进口相连。7.根据权利要求1或2所述的同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三氟化硼的系统，其特征在于，所述冷回流塔是列管膜式或列管填料逆流气液传质塔，直接与所述最后级提取塔塔顶连成一体，管间走冷却水。8.根据权利要求1或2所述的同时生产高浓硼-10三氟化硼和高浓硼-11三...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨国华，张子庚，
申请(专利权)人：壹号元素广州科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44