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。

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。

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。

Aspen软件在低温精馏分离稳定同位素^(13)C中的应用

本工作对低温精馏分离13 C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Asp-en 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。

CO中^(12)C^(18)O同位素交换反应实验研究

在催化剂的作用下,CO分子间存在氧同位素和碳同位素重排达到热力学平衡的现象。通过分析12C18O和13C16O反应生成12C16O和13C18O的同位素形态,从而得到合适的反应条件。在实验中,研究了反应温度、反应压力以及空速等因素对12C18O转化率的影响。结果表明,在260Torr,400℃,空速为0.5mL/(g·min)条件下,12C18O的转化率可以达到80%。

超低温精馏塔顶回流管中气液两相流动数值模拟研究

超低温精馏分离稳定性同位素13C中试装置运行中出现塔顶冷凝回流管道流动不畅的现象,影响整个精馏系统的稳定运行,本文针对以上问题,运用计算流体力学的方法,采用商业软件FLUENT14.0,运用VOF模型,以CO(g)-CO(l)为介质,对管道内超低温两相流体的流动过程进行了三维非稳态数值模拟,得到了压力、速度、壁面剪切力、气液两相体积分率在管道内的分布情况,并对不同管道位置处气液两相流的相互作用进行了分析,揭示了超低温两相流体在管内流动的特性,从而为稳定同位素13C产业化生产装置的管道设计提供了理论基础和设计依据。

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。

特种高效填料用于^(13)C分离的计算传质学研究

由于碳同位素分离系数仅为1.007,分离难度大,要获得99%^(13)C的高丰度产品,需要近三千块理论级数,为有效降低工程化实施难度,需要采用特种高效填料实现^(13)C的分离。为准确预测^(13)C分离用低温精馏塔的传质性能,本文运用计算流体力学方法(CFD),对自主研制的高比表面高效规整填料PACK-^(13)C进行计算传质学分析。通过研究气液两相在两片填料片组成的精馏单元内部相互传质现象,提出了一种耦合传质效率的CFD计算方法;并实现由局部精馏单元的传质模拟计算推广到对整塔传质性能的模拟预测。结果显示,计算传质学模拟值与低温精馏分离^(13)C同位素的传质实验值吻合较好,等板高度(HETP)的模拟值与实验值平均相对误差为10.15%;分离功模拟值与实验值的平均相对误差为9.1%。本研究方法可推广运用于^(13)C产业化装置的传质性能预测。

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。

第十四讲 基于UD+Aspen模拟^(13)C级联装置的耦合优化设计

稳定同位素13C因其具有优良的物理化学性能,广泛应用于多种领域,尤其在医药学及生命科学相关领域发挥着巨大作用,随着13C呼气实验的研究及临床测定幽门螺旋杆菌的应用,国内外对稳定同位素13C的需求日益增大。目前,现有的碳同位素分离富集方法有低温精馏法、化学交换法、热扩散法等,而工业化应用的只有低温精馏法。世界上能工业化生产稳定同位素13C的仅有美国、俄罗斯、英国、日本等少数几个国家,且各国生产能力不一,