级联生产稳定同位素18O的模拟优化研究

本工作利用已有的四塔级联设计方案,通过采用均匀设计方法对操作参数进行优化,并利用二项式逐步回归求取模型方程,同时利用遗传算法对模型进行了优化设计,综合分析了不同进料量及级间流量对¹⁸O产品丰度的影响,得到产品¹⁸O的丰度与进料量及级间流量和热量消耗与进料量及级间流量的数学关系式,并得出进料量与级间流量的单因素响应图。本研究采用的模拟优化方法可应用到¹⁸O的产业化生产及推广至传统精馏过程的优化设计中。     

减压精馏分离稳定同位素18O的模拟优化研究

研究建立了1座采用蒸馏水减压精馏分离稳定同位素¹⁸O的实验装置,其填料层高20m,塔径为0.1m,塔内装填自主开发的PAC-¹⁸O专用填料。首先利用AspenPlus建立模型并验证其可靠性,然后利用此模型得出1组模拟数据,并利用人工神经网络（ANN）及Statistica软件对这组模拟数据进行优化设计。综合分析了塔顶压力及产品采出量对¹⁸O产品丰度的影响。结果表明,产品¹⁸O的丰度随塔顶压力和产品采出量的降低而升高,并得出最优化的塔压及¹⁸O丰度与产品采出量间的数学关联式。本研究采用的模拟优化方法可应用到¹⁸O的产业化设计及推广至传统精馏过程的优化设计中。     

同位素~(13)C分离二塔级联模拟研究

利用Aspen数值模拟软件建立低温精馏分离稳定同位素~(13)C的二塔级联数值模拟平台;完成同位素组分的物性参数在Aspen数据库中的嵌入;结合前期的实验数据验证该模型的可靠性;对比模拟结果与实验结果,误差小于10%;分析进、出料量,级间传输以及操作压强对产品丰度的影响,为优化设计工作提供依据。     

~(13)C同位素的分离工艺设计与实验研究

本文综述了在~(13)C同位素的分离研究中建立"数值模拟+实验研究"的工程化研究方法,完成了一氧化碳低温精馏法分离稳定性同位素~(13)C的计算机辅助设计,以及低温精馏工程实验研究。通过CO低温精馏单塔实验测定了~(13)C同位素分离体系的基础参数;利用计算机辅助设计了~(13)C分离二塔级联工艺,并得到了级联装置的优化参数;通过低温精馏分离~(13)C二塔级联实验,对优化设计结果进行检验。研究结果表明,课题建立的"数值模拟+实验研究"相结合的工程研究方法可靠,在~(13)C同位素分离中得到了实际应用;课题建立的研究方法提高了~(13)C同位素分离的设计水平、降低了实验成本、提高了研发效率,为~(13)C同位素分离工业化生产装置的设计提供了可靠的技术方法。     

稳定同位素~(13)C分离二塔级联耦合优化设计与实验研究

采用均匀实验与Aspen Plus模拟耦合的计算方法优化13 C分离二塔级联工艺操作参数。经实验验证,实验值与耦合优化的模拟值吻合较好,相对误差为6.5%;在不增大能耗费用的同时,优化实验得到二塔釜的13 C丰度为14.1%,较二塔级联初始实验结果提高25%以上。结果表明,建立的耦合优化设计方法经实验验证可行,可为13 C产业化级联工艺设计提供理论参考,也可为其他传统精馏工业优化设计提供指导。     

低温精馏分离稳定同位素13C的模拟优化研究

研究建立了1座采用一氧化碳低温精馏分离稳定同位素¹³C的试验装置,精馏塔填料层高17.5m,其中,精馏段15m,提馏段2.5m,塔内径为45mm。首先利用试验结果对计算机模拟手段进行验证,在此基础上,采用计算机模拟代替试验,进行试验装置操作条件的优化设计。综合分析了塔压、进料量、回流比、出料量、再沸器功率等对产品的影响,通过计算机模拟结合均匀试验设计的数字试验方法,实现了试验装置的优化设计。结果表明,在再沸器功率为250W、塔压为54kPa、回流比为84时,可达到已建试验装置的最优化操作。本研究所采用的计算机模拟结合试验设计手段可应用到¹³C的产业化设计以及推广至传统精馏过程的优化设计中。     

化学交换浓集~(13)C级联之流量研究

本文报道了CO_2/二正丁胺/三乙胺化学交换浓集稳定同位素~(13)C 1-5型级联之流量研究结果。级联的分离能力是流量的函数,当分离能力达到最大时(F_(max)=2.3mg atom C/cm~3·min),对应的流量L_(oPt)=6.3ml/cm~2·min。级联经历了三年的运转考验,每个实验平衡时间平均为五个半月。从天然丰度开始浓缩,级联最高浓度达98.97％,获得了98.6％以上的~(13)C产品,证实了这种方法能方便、可靠、直接地生产高浓~(13)C。由于解决了各级流量的理论计算问题,合理安排了级间流量收缩比,以及使用了一种新的高效填料——矩形螺旋圈,因而级联的分离效率高,在达到最高浓缩倍数时,级联的平均每米理论塔板数N=40.5 plates/m,并且分离能力也比较大。     

13C同位素的分离工艺设计与实验研究

本文综述了在¹³C同位素的分离研究中建立“数值模拟+实验研究”的工程化研究方法,完成了一氧化碳低温精馏法分离稳定性同位素¹³C的计算机辅助设计,以及低温精馏工程实验研究。通过CO低温精馏单塔实验测定了¹³C同位素分离体系的基础参数;利用计算机辅助设计了¹³C分离二塔级联工艺,并得到了级联装置的优化参数;通过低温精馏分离¹³C二塔级联实验,对优化设计结果进行检验。研究结果表明,课题建立的“数值模拟+实验研究”相结合的工程研究方法可靠,在¹³C同位素分离中得到了实际应用;课题建立的研究方法提高了¹³C同位素分离的设计水平、降低了实验成本、提高了研发效率,为¹³C同位素分离工业化生产装置的设计提供了可靠的技术方法。     

基于Aspen Plus的11BF3同位素分离工艺模拟研究

为实现高丰度¹¹BF₃同位素分离工艺的优化设计，本文通过自定义组分，补充商用化工流程模拟软件Aspen Plus数据库中同位素分子的相对分子质量和饱和蒸气压数据，回归扩展安托因方程参数，建立了基于Aspen Plus的¹¹BF₃同位素分离工艺模型。以两组实验数据为依据，采用默弗里板效率修正Aspen Plus中的模型，获得两组模拟值与实验值间的相对误差分别为-2.69%和0.91%,表明修正后的模型可较好地描述¹¹BF₃同位素分离过程。最后根据建立的数学模型分析了理论塔板数、回流比和塔顶压力对交换塔塔顶¹¹BF₃同位素丰度的影响。结果表明，塔顶压力降低、回流比增加和理论塔板数增加均有利于¹¹BF₃同位素的富集。通过计算得到当塔顶压力为常压、理论塔板数为720、回流比为300时，交换塔塔顶丰度达到最大值99.95%。本文结果可为后续的优化设计提供理论依据。     

用于多组分分离的中间取料矩形级联的优化设计

多组分同位素混合物的某一中间组分通常在分离级联的中间某级达到峰值,但一般的级联均采用从级联组两端取出产品和废料的工艺。为得到丰度较高的中间组分产品,最好在级联中间取料。本工作研究矩形级联中使用中间取料方式以提高级联分离的中间组分丰度。通过数值模拟计算和数值优化,研究了级联两端取料量和级联供取料位置等参数对中间取料中目标组分丰度的影响。采用单参数分析,估计了级联各参数的取值范围以及它们对目标组分丰度的影响。通过优化计算,在供料丰度和流量不变、产品流量不变的情况下,得到了可以生产更高丰度中间组分产品的级联。     

Experimental Evaluation of Release Rates of Cobalt Ions from Cobalt oxides at 285°C

The control characteristics of the cryogenic distillation column with a feedback stream have been discussed based on computer simulation results. This column plays an important role in fusion reactor. A new control system was proposed from the simulation results. The flow rate of top product is determined from the composition and flow rate of a main feed stream by a feedforward control loop. The flow rates of the feedback stream and vapor stream within the column are proportionally changed with a corresponding change of feed flow rate. The flow rate of vapor stream within the column is further adjusted to maintain product purity by a feedback control loop. The proposed system can control the product purity for a large fluctuation of feed composition, a change of feed flow rate, and an increase or decrease of the number of total theoretical stages of the column. The control system should be designed for each column by considering its operating conditions and function. The present study gives us a basic procedure for the design method of the control system of the cryogenic distillation column.     

胆甾醇辛酸酯-辛酰基-1-13C的合成

采用缩合与催化的组合方式,利用胆固醇（Ch-OH）与辛酸-1-13C反应,合成胆甾醇辛酸酯-辛酰基-1-13C（ChO-13C）,产率84.1%,13C丰度99.0%,光学纯度99.0%,化学纯度99.5%。用HPLC-ELSD、LC-MS和1H NMR对产品进行表征,确定产品为胆甾醇辛酸酯结构。     

~(13)C,~(15)N_3-盐酸氨基脲合成方法的优化

采用13C,15N2双标记尿素和15N2标记水合肼为原料,经回流反应一步合成13C,15N3-盐酸氨基脲。通过单因素考察和正交实验对13C,15N3-盐酸氨基脲的合成工艺进行优化,得到最优反应条件为:15N2-水合肼与13C,15N2-尿素的进料摩尔比为1.4∶1,加热温度为135℃,反应时间为4.5 h。采用此优化合成条件单步合成反应收率90%,13C,15N3-盐酸氨基脲纯度≥98%,13C丰度≥97%,15N丰度≥99%。结果显示,该方法具有反应周期短,产物收率高,后处理简便易行等优点。     

Parameter Setting Method for Control System of Cryogenic Distillation Column

A computer code is developed for analysis of dynamic behavior of a single cryogenic distillation column. A dynamic simulation study is performed for the lead column in a typical column cascade which consists of four columns and two catalytic equilibrators.

The atom fraction of protium in the bottom product and the reflux ratio are regarded as the controlled variable and the manipulated variable, respectively. Fluctuation or change of the feed composition is considered as the disturbance and the PI control scheme is introduced for a constant value control.

The criteria are derived, which can be used in setting the choice of the two PI controller parameters. Investigated are the effects of the controller parameters on the response of the controlled variable to a step change in the feed composition, and the validity of the criteria is verified. The parameter setting method proposed in the present study has two advantages: it accounts for the strong nonlinearity of the column and it predicts the unstable region which must be avoided in the actual operation.     

13C呼吸试剂D-木糖-U-13C5的合成

以D-葡萄糖-U-¹³C₆为起始原料,采用减碳法经双丙酮保护、选择性酸水解、氧化、还原和碱水解五步合成D-木糖-U-¹³C₅,总产率为38.6%（以D-葡萄糖-U-¹³C₆计）。对每步产物使用相应的气相色谱（GC）、气质联用仪（GC-MS）、液相色谱（HPLC）和液质联用仪（LC-MS）进行表征。分析结果表明,每步反应中的产物均为目的产物,同位素丰度和纯度都符合要求,最后一步的产物为D-木糖-U-¹³C₅,其¹³C丰度为99.1 % ,化学纯度为99.9%,符合¹³C呼吸试验的要求。     

~(13)C同位素低温精馏过程动态模拟

为深入了解CO低温精馏分离13C系统的动态特性,建立了系统的动态模型,借助软件Aspen Dynam-ics对该系统的全回流、开车以及物料量发生扰动过程进行了动态模拟。塔釜热负荷和塔釜持液量对全回流过程的影响结果显示,全回流动态浓缩过程耗时约1周,稳定时塔釜13C16O摩尔分数约为3.9%。模拟研究结果显示,先浓缩后稳态出料的开工方案可大幅缩减装置动态开工时间,产品摩尔分数达到14.5%,耗时约需38.6 d;而对应的同时稳态进出料开车方案平衡时间需127.7 d;开发持液量低的填料可进一步缩短开工时间,降低产品成本。对进料扰动的计算表明,本工作采用的分离装置对物料量的波动具有较强的抗干扰能力,波幅50%、时间为4 h的进出料量波动对产品品质的影响可忽略。     

多柱互联低温精馏分离H2/HD过程理论研究

在氢同位素分离中,通常采用多柱级联工艺实现微量氘或氚的浓集。文章提出了三柱级联分离H₂/HD的设计工艺和操作模式,获得了3根精馏柱的分离行为。在合适的操作模式下,三柱级联将HD浓缩了20×10×10倍,表明采用多柱级联可非常有效地浓缩微量组分。进一步研究了压力和回流比等因素对分离性能的影响。压力从0.06MPa增加到0.15MPa,脱氘率从99.79%降到99.44%。回流比从3增长到5,脱氘率从99.67%升到99.81%。     

~(13)C-海藻糖的合成

采用13C-甲醇作为唯一碳源,利用毕赤酵母发酵合成13C-海藻糖;运用均匀设计方法,探索了海藻糖的发酵和提取条件。发酵条件为:菌体在37℃发酵20 h,此后升温到44℃,继续培养1 h。提取条件为:乙醇浓度50%,提取温度42℃,提取时间110 min,料液比1∶30。利用99%丰度的13C-甲醇,获得的13C-海藻糖产品,丰度和纯度均大于98%,几乎没有稀释。     

稳定同位素13C或D标记对甲氧基苯甲酸的合成

稳定同位素标记对甲氧基苯甲酸是防腐剂、香料及药物等稳定同位素标记内标试剂合成中的重要中间体。本文以尼泊金乙酯(对羟基苯甲酸乙酯)和碘甲烷-¹³C或碘甲烷-D₃为原料,碱性条件下经2步反应合成对甲氧基苯甲酸-甲氧基-¹³C和对甲氧基苯甲酸-甲氧基-D₃。通过单因素实验确定适合的反应温度、物料摩尔比、反应时间,优化工艺参数为：反应温度为80 ℃,物料摩尔比n(碘甲烷-¹³C/D₃)∶n(尼泊金乙酯)=1.15∶1,反应时间为6 h。产品经液质联用仪（LC-MS）测试化学纯度和同位素丰度、经核磁共振（¹H NMR）进行结构确认,对甲氧基苯甲酸-甲氧基-¹³C的收率为91.12%,碘甲烷¹³C利用率为79.32%,产品熔点为186.5~187.8 ℃,化学纯度为99.1%,¹³C同位素丰度为99.0%;标记对甲氧基苯甲酸-甲氧基-D₃的收率为90.49%,碘甲烷-D₃利用率为78.70%,产品熔点为186.3~188.1 ℃,化学纯度为99.0%,D同位素丰度为98.1%。