稳定同位素~(13)C分离级联装置的模拟优化研究

本工作设计了一套利用CO低温精馏分离稳定同位素13 C的三级联装置,其填料层高度为38m,塔径分别为0.15、0.08和0.05m,塔内装填自主研发的高比表面PACK-13 C专用填料。采用均匀设计方法进行级联装置的优化设计,综合分析了不同的回流比、原料量和级间进料量对同位素13 C产品丰度和生产能耗的影响。对实验数据进行二次多项式逐步回归分析,获得了产品丰度与塔顶回流比、原料量及级间流量和能耗费用与回流比、原料量及级间流量的模型方程,并利用遗传算法对模型方程进行优化。模拟研究结果显示,优化后的三塔级联生产装置的各级间流量依次为18.056、236.50和32.400 mol/h,塔顶回流比为74.824,在此条件下可获得13 C丰度≥93%。与初始设计值相比较,优化后降低了能耗费用成本。本工作提出的模拟优化研究方法可应用到同位素13 C的产业化生产,以至推广到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。     

稳定同位素~(13)C标记乙醇

以Ba13CO3为原料,采用碳化锂方法制备乙炔,再经催化水合法和NaBH4还原,制备了13C-乙醇。考察了反应温度、助催化剂等合成工艺对产物收率的影响。设计的合成路线反应条件温和,总收率高于50%。产品经红外、色谱和核磁检测,化学纯度99%,13C同位素丰度95%,产物的同位素丰度相对原料而言降低3%。     

稳定同位素~(13)C分离用高效丝网波纹填料表面降膜流动研究

由于碳同位素分离系数小,分离难度大,需要采用高效规整填料实现~(13)C的分离。本文通过计算流体力学(CFD)数值模拟研究,采用流体体积函数(VOF)方法,研制了用于~(13)C分离的高比表面积丝网波纹规整填料(PACK-~(13)C),建立了PACK-~(13)C填料表面伴随有气相逆流的局部液体降膜流动模型,选用CO(l)-CO(g)为模拟计算物系,考察了板面结构、丝网目数等因素对液膜流动的影响,并对填料表面气液相界面进行追踪,探究了气液相界面波动对传质效率的影响,研究表明,改善填料壁面结构能够增强气液相界面波动,可以实现强化传质过程。填料表面局部降膜流动的研究方法,可应用于填料气液传质过程中涉及的多尺度流动及传质现象的可视化研究,为优化填料结构提供基础性理论指导。     

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。     

~(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。     

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。     

基于动态模拟计算的低温精馏分离13C同位素丰度分析

低温精馏法分离碳同位素（¹²CO/¹³CO）的分离系数仅为1.007,且分离操作工况苛刻,富集平衡时间长,为降低工业化装置运行风险,实现¹³C同位素富集的动态过程理论预测是工业化技术研究中亟需解决的问题。为此,本文通过采用Aspen Dynamics模拟研究CO低温精馏分离碳同位素的动态过程,获取¹³C同位素在全回流、浓缩富集、连续精馏操作条件下的丰度分布等值图,实现¹³C同位素在时间和空间两个维度内丰度变化过程的可视化。将上述操作条件下的动态模拟值与试验值进行对比分析,结果显示,两者吻合较好,且富集平衡时塔底¹³C丰度和富集平衡时间的相对误差均在15%以下,验证了所建立的低温精馏分离¹³C同位素动态模拟计算方法的准确性,可进一步用于高丰度¹³C同位素生产装置中丰度变化过程的理论预测。     

Aspen 软件在低温精馏分离稳定同位素13C中的应用

本工作对低温精馏分离¹³C同位素的稳态模拟与动态模拟进行了研究。使用商用流程模拟软件Aspen Plus建立低温精馏过程的稳态模型,通过对比模拟数据与实验数据,验证物性参数和模型的可靠性。使用Aspen Dynamics建立低温精馏过程的动态模型,动态模拟结果与实验数据吻合良好。结果表明,可以使用Aspen Dynamics对碳同位素分离过程进行动态特性研究,并对精馏过程进行开车时间预测、控制方案分析、操作性分析和安全性分析等。     

~(13)C核磁共振法定量分析~(13)C标记正十六酸

~(13)C核磁共振定量技术既可应用于~(13)C标记化合物的结构定位,标记定量,又可间接应用于~(13)C标记化合物的制备过程中。 J.N.Shoolery曾用~(13)C核磁共振法测定植物油中脂肪酸组成,但误差较大;后来关剑秋等人从样品的自旋-晶格弛豫时间(T_1)的缩短、核的NOE效应的消除及核磁共振参数设定等方面进行了进一步探讨。我们采用微样品技术(φ1.7mm、C/H双探头、取样量为毫克     

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。     

分离装置结构优化对稳定同位素分离经济性的影响研究

为评价分离装置结构或参数优化对级联经济性的影响,提出以单台分离装置年纯利为经济性判据,并以此为评判标准,以级联分离SiF₄获取²⁸Si、²⁹Si同位素为例,对分离装置的结构优化进行了经济性分析。计算并对比了结构优化前后的单台分离装置年纯利。结果表明,分离装置结构优化后,单台分离装置年纯利增加了12.3%。优化分离装置的结构能够较大幅度地提高级联分离稳定同位素的经济性。