硼同位素分离的多塔级联方法和装置与流程

本技术涉及同位素分离，尤其涉及一种硼同位素分离的多塔级联方法和装置。

背景技术：

1、硼元素以稳定同位素10b和11b存在于自然界中，其中10b与11b的天然丰度分别为19.78％和80.22％。10b具有对热中子强烈的吸收特性，被广泛应用于核工业、军事工业、生物医疗等科学技术领域。此外，高纯度、高丰度11bf3产品是芯片生产领域中重要的材料，可以作为半导体器件和集成电路生产中制备光纤预制件的原料。我国工业上所使用的富集硼同位素绝大部分依赖于进口，限制了我国核电、医药等高新技术的进一步发展，也带来了巨大的经济负担。因此，开发硼同位素具有极高的经济价值和社会效益。

2、随着现代科技的发展进步，世界范围内对高丰度10b的需求促进了硼同位素分离技术和硼同位素分离工业的快速发展。当前，分离硼同位素的方法主要有三氟化硼化学交换精馏法、三氟化硼低温蒸馏法、离子交换色谱法、激光分离法和吸附分离法等。

3、目前工业应用的富集硼同位素的化学交换精馏生产工艺经历了三氟化硼－乙醚、三氟化硼－甲醚、三氟化硼－苯甲醚三个阶段。络合剂采用苯甲醚的三氟化硼化学交换精馏工艺是目前世界上生产硼同位素的主要方法，该工艺在常压下完成，操作安全且分离效果较好，可以实现工业化大规模生产。但该硼同位素分离工艺对设备要求极高，能量消耗高，对控制稳定性和可靠性的要求较为严格，操作极其复杂，而且目前的硼同位素产品的丰度水平达不到产业要求。此外，现有工艺产生的副产物难以避免，导致原料浪费和成本增加的问题。随着自动控制和低温制冷技术的进步，该工艺已逐渐被低温精馏分离硼同位素技术所取代。

4、低温精馏法是利用同位素原子或分子间饱和蒸汽压的微小差异来实现同位素组分间的分离。碳等轻同位素体系的分离都是通过低温分离技术来实现的。研究发现，11bf3/10bf3的分离系数为1.0076。因此，bf3作为分离物质具有分离因子较大，原料稳定，分离速度快，平衡时间相对较短等优点，对于实现大规模工业化生产更为简单。然而现有低温精馏法分离bf3工艺，分离塔太高，工程投入大，能耗较大，对原料气的净化、自控仪表、设备加工水平等方面均有严格要求，并且对塔体的保温要求极高，需要严格控制温度和压力。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种硼同位素分离的多塔级联方法和装置，旨在解决现有化学交换精馏法能耗高、操作复杂、副反应多、产品丰度达不到要求的问题。

2、为实现以上目的，本技术提供一种硼同位素分离的多塔级联方法，包括：

3、将天然丰度的三氟化硼通入第一低温精馏塔的塔中，进行第一低温精馏富集，得到第一塔顶物料和第一塔釜物料，所述第一塔顶物料为硼-11丰度不小于99％的11bf3产品；

4、将所述第一塔釜物料通入第二低温精馏塔的塔顶，进行第二低温精馏富集，得到第二塔顶物料和第二塔釜物料，所述第二塔顶物料返回所述第一低温精馏塔的塔釜；

5、将所述第二塔釜物料通入第三低温精馏塔的塔顶，进行第三低温精馏富集，得到第三塔顶物料和第三塔釜物料，所述第三塔顶物料返回所述第二低温精馏塔的塔釜；

6、将所述第三塔釜物料通入第四低温精馏塔，进行第四低温精馏富集，得到第四塔顶物料和第四塔釜物料，所述第四塔顶物料返回所述第三低温精馏塔的塔釜，所述第四塔釜物料为硼-10丰度不小于99％的10bf3产品；

7、其中，所述第一低温精馏塔、所述第二低温精馏塔、所述第三低温精馏塔和所述第四低温精馏塔的塔顶温度均为-97℃～-86℃，塔顶压力均为130kpa～250kpa，塔釜温度为-95℃～-83℃，塔釜压力为150kpa～300kpa。

8、在一些实施例中，所述第一低温精馏塔、所述第二低温精馏塔、所述第三低温精馏塔、所述第四低温精馏塔的压降均为20kpa～100kpa。

9、在一些实施例中，所述第一低温精馏塔的再沸比为0.9～1.0，所述第二低温精馏塔、所述第三低温精馏塔的再沸比为1～3，所述第四低温精馏塔的再沸比为100-5000；

10、所述第一低温精馏塔的回流比为100～5000，所述第二低温精馏塔、所述第三低温精馏塔、所述第四低温精馏塔的回流比均为1.0～1.1。

11、本技术还提供一种用于硼同位素分离的多塔级联装置，用于执行上述的硼同位素分离的多塔级联方法，包括前级塔的塔釜和后级塔的塔顶依次连接的第一低温精馏塔、第二低温精馏塔、第三低温精馏塔、第四低温精馏塔；

12、所述第一低温精馏塔的塔顶设置有冷凝器；所述第一低温精馏塔设置有进料口；

13、所述第二低温精馏塔、所述第三低温精馏塔、所述第四低温精馏塔的塔釜分别设置有第一再沸器、第二再沸器、第三再沸器。

14、在一些实施例中，所述第一低温精馏塔的塔釜和所述第二低温精馏塔的塔顶通过第一液体出料管连接，所述第二低温精馏塔的塔顶和所述第一低温精馏塔的塔釜通过第一气体出料管连接；

15、所述第二低温精馏塔的塔釜和所述第三低温精馏塔的塔顶通过第二液体出料管连接，所述第三低温精馏塔的塔顶和所述第二低温精馏塔的塔釜通过第二气体出料管连接；

16、所述第三低温精馏塔的塔釜和所述第四低温精馏塔的塔顶通过第三液体出料管连接，所述第四低温精馏塔的塔顶和所述第三低温精馏塔的塔釜通过第三气体出料管连接。

17、在一些实施例中，所述冷凝器通过液体返流管与所述第一低温精馏塔的塔顶连接；

18、所述第一再沸器通过第一返流管与所述第二低温精馏塔的塔釜连接；所述第二再沸器通过第二返流管与所述第三低温精馏塔的塔釜连接；所述第三再沸器通过第三返流管与所述第四低温精馏塔的塔釜连接。

19、在一些实施例中，所述第一低温精馏塔、所述第二低温精馏塔、所述第三低温精馏塔、所述第四低温精馏塔均装填填料，所述填料的高度在20米～250米范围内。

20、在一些实施例中，所述填料满足以下特征中的至少一个：

21、(1)所述填料分别独立的选自金属板波纹规整填料、金属丝网波纹规整填料或锯齿型波纹填料；

22、(2)所述填料的比表面积为250m2/m3～2000m2/m3；

23、(3)所述填料的材料选自不锈钢、铜、铝或其氧化物及合金。

24、在一些实施例中，所述第一低温精馏塔、所述第二低温精馏塔、所述第三低温精馏塔、所述第四低温精馏塔的理论板数均在200～1200的范围内。

25、在一些实施例中，所述第一低温精馏塔、所述第二低温精馏塔、所述第三低温精馏塔、所述第四低温精馏塔的塔径为50mm～500mm；

26、优选地，所述第一低温精馏塔的塔径>所述第二低温精馏塔的塔径>所述第三低温精馏塔的塔径>所述第四低温精馏塔的塔径。

27、与现有技术相比，本技术的有益效果包括：

28、本技术提供的硼同位素分离的多塔级联方法在特定的温度和压力下实现低温精馏分离硼同位素，解决传统化学交换精馏法生产工艺不够简单，副反应多，杂质多，生产效率低，原料成本较高，设备腐蚀的问题，以及现有低温精馏装置过高，工程难以实现的问题；该硼同位素分离的多塔级联方法经过多塔级联可实现连续生产，工艺简单，能耗减少，理论板数少，塔高度降低，工程投入量减少，得到的10bf3丰度大于99％，具有成品产率高，生产效率高，无副反应，成本低，经济效率好的优点，适合长期大规模工业化生产。

29、本技术提供的硼同位素分离的多塔级联装置包括前级塔的塔釜和后级塔的塔顶依次连接的第一低温精馏塔、第二低温精馏塔、第三低温精馏塔、第四低温精馏塔，原料从第一低温精馏塔进入，第一低温精馏塔的塔顶设置有冷凝器，其余各级精馏塔均未设置冷凝器；第一低温精馏塔未连接再沸器，其余各级精馏塔塔釜均设置有再沸器；前级精馏塔塔釜的液体经液体出料管输送到次级精馏塔塔顶，作为次级精馏塔分离原料，次级精馏塔塔顶的气体经气体出料管输送到前级精馏塔塔釜。该装置省掉了次级精馏塔塔顶的冷凝器，节省了低温能耗，且次级精馏塔的塔顶气相经管道返回前级精馏塔塔釜，同样也节省了前级精馏塔塔釜的热能消耗。与现有技术相比，该装置的高度大大降低，产品纯度高，能耗较低，有效降低了生产成本，具有较高的工业化应用价值。