CN110545891A - 高长度同位素分离柱及组装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通过蒸馏柱获得同位素的蒸馏的领域。本发明的目的是描述一种创新性蒸馏柱，提供对现有技术的显著改进。特别地，蒸馏柱将是具有需要的任何高度的创新性构想的模块化柱。
Description
技术领域
本发明涉及同位素分离的领域，以及，具体地，以在非常高的柱中通过蒸馏来分离为基础的方法，特别地，本发明描述一种创新性构想的柱，由串联地连接的几个模块构建而成，安装在矿井或适配结构中并且适配成由矿井或适配结构支撑，以此在该领域中获得新的技术成果。
背景技术
对于原子核中含有的中子数，化学元素的同位素不同。质子数(于是，电子数)是等同的，同位素的化学键也一样。同位素分离必须依靠受同位素间的质量差异影响的化学物理性质中的细微差异。
在使用于同位素分离的各种方法之中，一般在低温温度下进行的连续分馏(于是，常常称为低温蒸馏)是用于轻元素的原子和分子的同位素分离的已知技术。
在连续分馏处理中，进料(气体或液体)在流量控制下输送到蒸馏柱；蒸馏柱填充有蒸馏板和/或结构化填料(必要时，夹有液体再分布板)，设计成使向上流动的蒸汽流和向下流动的液体流之间的接触最大化。在柱的顶部处，冷凝器冷却并冷凝向上流动的蒸汽流，产生向下流动的液体流，液体流在重力的作用下从顶部落到底部；在柱的底部处，液体流在再沸器中沸腾，产生向上流动的蒸汽流，蒸汽流通过顶部冷凝器处的蒸汽冷凝所产生的压力差驱动，从柱的底部流动到顶部。连续分馏处理允许利用其选择性蒸发来分离物质或其组分。蒸汽张力较低的物质集中在柱的底部中；蒸汽张力较高的物质集中在顶部冷凝器中；在处理期间，可以从顶部冷凝器以及从底部再沸器中提取分离出的物质的滑流。
当使用于同位素分离时，连续分馏处理使重同位素集中在柱的底部中(即，特征在于有较低蒸汽压力的那些)；使轻同位素集中在柱的顶部中(特征在于有较高蒸汽压力)。
确定蒸馏柱中可实现的同位素分离速率和纯度的最重要参数是元素的蒸汽压力的比率α(T)，取决于处理操作的温度T。对于经由蒸馏的同位素分离，比率α一般非常接近于一(数字1)，与一的差异(α-1)非常小，一般在从千分之几到万分之几的量级，并且在柱的操作的小温度范围内差不多恒定，大体选择在流体的标准沸点附近。
小差异(α-1)确定对于蒸馏柱中的有效分离所要求的最小平衡级数。所谓的“Fenske定律”指示，有效分离规模所要求的最小级数是1/ln(α)≈1/(α-1)：这意味着对于同位素分离的所需平衡级数极其大，范围从几百到几万。
小差异(α-1)还严重限制生产速率，并决定分离所要求的能量：对于具有通过Fenske定律设定的理论最小值附近的理论级数的系统，回流比率也在1/ln(α)≈1/(α-1)的量级，回流比率限定为柱中液体质量流率与蒸馏质量流率的比率，即，在顶部冷凝器处冷凝并送回到柱中的蒸汽的质量流率与在顶部冷凝器处冷凝并提取为蒸馏液体的蒸汽的质量流率的比率。这意味着可以提取为有用产物的再冷凝蒸汽的分数最小；这也意味着要求大量的能量来再冷凝蒸汽，以形成非常大的向下流动的液体流；这还意味着要求同样大量的能量来使柱的底部处的液体沸腾，以产生非常大的向上流动的蒸汽流。
因此，为了有效使用连续低温分馏，期望可用极其高的柱，高度范围从几百到几千米，因而能够容纳几千到几十万平衡级；期望可用直径非常大的柱，范围从几十厘米到几米，能够支撑要求的非常大的向上流动的蒸汽流和向下流动的液体流，而不引发柱的“溢流”的问题状况，这阻碍对于有效同位素分离所要求的蒸汽和液体相之间非常有效的平衡。
请注意，在已知现有技术中，低温蒸馏柱至少包含内部蒸馏柱，内部蒸馏柱是自支撑的并且通过被动隔绝材料隔绝或者在低温恒温器内，即，在真空下操作的自支撑容器，内部处理柱包裹在多层隔绝(MLI)中以使热传递最小化。不可能构建适于低温蒸馏且达到几百米以上的要求高度的自支撑柱。
直径上达几米的非常高的柱的建造、调试和操作要求将支撑切换到昂贵的机械结构，机械结构的成本比它支撑的柱的成本随高度放大得更加迅速得多。出于这个原因，最高的已知蒸馏柱不超过60-70米的高度。
此外，当缘于本发明的创新性技术而达到要求的几百米的高度时，预期室温和低温蒸馏柱的处理操作温度之间的大波动导致柱的净热收缩从一米的分数到几米，与此同时，由于环境温度的有限温度波动，周围的容器受到有限的热膨胀和或收缩。
具有上述问题的现有技术的示例可以在1940的文件GB525,575的描述中找到，该文件描述化学处理中使用的塔(即，接触塔、分凝器和鼓泡塔)，塔的重量在其整个高度上以空间间隔被弹性地支撑。塔包含叠加的一系列泡泡或接触支撑元件，其中的一些或全部由弹簧通过塔的高度以间隔支撑，直接地或者通过外壳体部分。塔由硅铁的均匀部分2形成。具有圆锥形扩口端的锅具或金属支承通过螺母和螺栓固接的夹紧环，其中的一些是有眼螺栓，通过锚定在承载于外部钢框架上的托架上的螺旋压缩弹簧上的钩子接合。替代部分具有在内接触器泡泡元件上通过外向周界法兰接合的内向周界法兰。更进一步，通过提供弹性支撑手段，在塔由于使用期间温度状况浮动而膨胀或收缩的情况下，塔的重量分布变得连续。
对于本领域技术人员立即显然的是，这种安装非常昂贵，并且高度不能无限增加，这种安装仅能达到100米的合理高度，更进一步没有隔绝，这违背使柱作为低温蒸馏柱操作的本发明的基本目的。还有，经由弹簧支撑柱的方法将不能够补偿作为低温蒸馏柱来操作所要求的上达几米的柱的膨胀或收缩。
1999的文件EP0913655描述一种构造大尺寸的伸长内结构的方法，内结构被外结构围绕，所述内结构是流体含留结构，用于形成至少一部分流体供应安装，如申请人自己声明的：“本发明更特别地应用于空气蒸馏柱的构造，其高度可以达到60米，通过其支撑框架围绕”，所以，这与本发明的一个及更多目的不同，是上文引用的现有技术限制的进一步示例。本发明具有提出一种构造被外部结构围绕的大内部结构的方法的目的，一方面允许现场快速组装以响应柱的竖直应力，并且还允许现场运输之前在车间预组装。该程序使用各模块，每个模块由包围在外结构5的一部分中的内结构1的一部分制作，并且在侧组装以制作要求的高度的柱。内结构和外结构通过将每个内结构水平地插入外结构中而装配在一起，如，使用辊子11和轨道31的系统，这之后，两个结构固定在一起，以形成模块。
在分离这些模块之前；对于每个模块，通过将保护性金属片材放置在对应的外部结构部分上(至少除了在与其它模块的连接区域中)来完成构造；内结构是蒸馏柱；外部结构仅仅是支撑框架；从下模块到上模块相继组装各模块，以现场竖立内结构。对于本领域技术人员清楚的是，这仅仅是蒸馏柱的构造的另一示例，蒸馏柱具有这里之前描述的缺点，特别是没有提供任何热隔绝的提述，没有提供任何隔绝容器的提述，没有提供任何适于在真空下作为低温恒温器操作的隔绝容器的提述，高度最大为60米，更进一步，柱在支撑框架之内在水平方向上构建，需要在柱的构造完成时将其在竖直位置上提升。所有这些特征使该方法对于本发明的目的无用。实际上，本发明要求适于支撑好几百或几千米的柱的构造的构造方法；这要求存在沿着柱的定位的最终竖直方向已经安装的支撑，从而通过将柱的模块串联地安置在所述支撑上，容许已经在将要调试和操作的最终竖直方向上和在最终位置的柱的构造。在一些优选实施例中，本发明是低温蒸馏柱，要求存在在真空下作为低温恒温器操作的隔绝容器。
所以，对于本领域技术人员清楚的是，上面引用的那些文件不属于最接近的现有技术，因为本发明涉及通过该文件中描述的创新性设计和方法使得使用高度几百米的连续低温分馏成为可能。代之，在上面引用的文件中详述的本领域可实现的结果受上述结构技术问题限制。
发明内容
本发明的一个目的是克服背景技术的缺点。
特别地，本发明的一个目的是以实质上实用的方式改进蒸馏柱的高度和直径。
本发明的另一目的是描述一种低温蒸馏柱。
本发明的另一目的是描述一种新构想的蒸馏柱，用于同位素蒸馏，以获得同位素分离的新结果。
本发明的进一步目的是描述一种新构想的蒸馏柱，容许以合理且可负担的构造成本来实现所述结果。
本发明的另一目的是描述一种新构想的蒸馏柱，实用于构建，其各模块可以在车间构建并且容易地运输到现场，在那里它们组装在最终位置(以及，如果需要，拆卸，用于维护或其它原因)。
本发明的另一目的是描述一种新构想的蒸馏柱，可适应其自身热膨胀或收缩以及随之而来的应力。
所以，本发明的另一目的是描述一种新构想的蒸馏柱，在损坏的情况下实用于修复，可以被容易地访问，并且其构成元件可以容易地替换。
本发明的另一目的是改进蒸馏的能量性能。
最后，本发明的另一目的是描述一种新构想的蒸馏柱，容许以更加可负担的成本来通过低温蒸馏获得同位素。
通过构造用于同位素蒸馏的创新性柱将有利地实现本发明的这个目的及进一步目的，创新性柱至少包含大量分离的模块，所述模块可以或少或多地高；特别地，以非常创新的方式，本发明的目的描述有一种创新性低温蒸馏柱以及一种组装该柱的方法，该柱至少包含底部再沸器、顶部冷凝器和中心柱部分，所述中心柱部分至少包含一个以上中心模块化元件，所述模块化元件借助于连接手段连接到支撑结构的壁，所述柱特征在于，一个或多个模块至少包含一个以上波纹管，用于通过波纹管沿着柱的总高度收缩或膨胀来补偿所述柱模块的热膨胀或收缩。
在进一步的优选实施例中，所述模块被隔绝材料围绕。
在进一步的优选实施例中，所述模块至少包含隔绝容器元件和包围在所述容器元件内的至少一个内部模块化柱元件。热隔绝容器和内部柱元件之间的容积保持在真空下，而柱元件被多层隔绝包裹，或是，可以填充有使用于针对低温蒸馏的柱的操作的隔绝材料，从而热传递最小化，并且内部模块化元件的大温度变化对外部容器元件的影响最小化。所以，创新性模块化蒸馏柱可以作为低温蒸馏柱在低温温度下操作。
在本发明的优选实施例中，所述外部隔绝容器元件中的一个以上还包含波纹管，也即，容器的一部分被一个以上波纹管代替，以补偿由环境温度的变化引起的热膨胀或收缩，从而外部隔绝容器的总高度在其顶部和底部支撑之间维持恒定。外部隔绝容器中波纹管的存在还确保每个单独模块的重量转移到支撑结构的对应各个支撑。
在本发明进一步的优选实施例中，至少一隔绝容器含有诸多蒸馏柱元件，这些柱并联地工作，和/或，串联地连接。
所以，在特别的优选实施例中，所述至少一个内部柱元件借助于固定连接而在一个点上或不在点上至少结构上连接到外部容器元件，而柱和容器的除该连接以外的部分被释放并且自由地在轴向方向上相互滑动。所以，当在处理操作期间至少一个内部柱元件在竖直方向上受到显著的热膨胀或收缩时，由于内部柱元件的这种膨胀或收缩，外部容器不遭受机械应力。
特别地，在一些优选实施例中，所述至少一个外部容器元件和所述至少一个内部柱元件借助于固定连接而在一个点上或不在点上连接，以及，借助于滑动接头、滑动支柱、链节或容许内部柱元件在轴向方向上相对于外部容器元件的定位的有限且最小的调整的其它手段而在一个以上点上连接，所以，至少一个容器和内部柱元件的未通过固定手段连接的部分自由地在轴向方向上滑动，以在模块的高度内局部地补偿其部分中的任一个的热膨胀或收缩。
关于用于该创新性低温蒸馏柱的组装方法，特别地，在一个优选实施例中，形成该柱的模块将安装在矿井内，这仅是本发明的可能的实施例：对于本发明的范围，还可以使用支撑塔或相似结构，假如其足够高，可以使用，这不限制本发明的领域。
本发明容许设计和构建空前的尺寸的柱，高度范围从几百米到几千米，直径从几厘米到几米，安置在矿井或适配结构内并且由所述矿井/塔支撑，优选地，由底部再沸器、顶部冷凝器和中心柱部分组成，有利地通过一个以上创新性中心模块实现。
以非常便利的方式，矿井将用作支撑结构，实际上在本发明的优选实施例中，便利地，所述结构是蒸馏柱的支撑框架，从而避免在地面上面构建巨大且不可持续的昂贵结构的必要性；请注意，在任何情况下，在进一步的实施例中，其它相似支撑性结构可以用以在其它部位固定和支撑用于同位素蒸馏的创新性柱的模块化元件，假如这些结构将适合本发明的范围，这不限制本发明的领域。
所以，在这里描述的优选实施例中，构建创新性柱的几个模块将固接到矿井壁，以支撑各个模块，从而使得能够构造高度上达几千米、直径上达几米的柱。理想地，有利地，柱的模块将每个具有范围从数米到数十米的单独高度，从而它们可以容易地从构造现场(在那里他们被构建并测试)运输到矿井(在那里他们进行最终组装)。
以这种方式，最终组装步骤便利地最小化，并且基本上主要在于模块系列之间的仅有连接，在矿井内一个到另一个上地串联地堆叠，仅在模块安装于最终位置时，连接便利地进行。(参考与本发明的至少一个优选实施例相关的附图的详细描述，下面将描述模块可以组装的又一方式)。
新模块化柱的构造将源于从矿井的底部到顶部的模块的串联组装。
请注意，显然，以模块化模式构想的用于同位素的蒸馏柱的实现不仅仅是将已知蒸馏柱划分为单个模块化元件，上面描述的这种柱已经是已知的：在本发明中，已考虑大量物理方面的问题，以实现创新性模块化柱，将解决所有描述的技术缺点。
所以，在组装现场接收时，通过使用暗井在矿井内下降模块；它们被带到用于连接到已经作为预定顺序的部分的其它模块所要求的位置；它们例如通过首先连接到平台而有利地固接到矿井壁和周围岩石，平台又固接到结构板，结构板固定到井壁或矿井壁，直接地或者通过其它结构元件，借助于岩石螺栓或是到井壁或到围绕井壁的岩石的其它类型的连接，包括，通过固定到凹进井壁或岩石中的榫眼中的榫接头。
所以，当所述模块放置在其最终位置时，任何模块的重量转移到矿井和周围岩石；然后才通过焊接或法兰连接将模块连接到已经安装的模块，串联地进展高蒸馏柱的构造。
所以，在本发明中引入的创新性构想的元件中的一些是：柱元件到井壁的新的连接，用于直接通过矿井壁和周围岩石固接每个模块的结构支撑；在每个模块的本体中，存在可膨胀/可收缩部分，通过引入波纹管或其它可膨胀/可收缩材料来创新地实现，能够补偿在构建、调试、尤其是操作的循环期间柱可能引起的显著的竖直的热膨胀或收缩：对于在室温和上达300开氏度的低温温度之间进行热转变的数百米高的柱，不可膨胀/可收缩部分的膨胀和收缩可以达到几米，必须通过可膨胀/可收缩部分在长度上的适应来补偿。所以，这显出相对于GB525,575非常不同，在GB525,575中，蒸馏柱的膨胀或收缩通过连接到柱自身的支撑的弹簧的压缩或伸展来抵消。而在本发明中，蒸馏柱的膨胀或收缩通过波纹管的收缩或膨胀补偿，波纹管本质上是蒸馏柱的(以及，周围隔绝容器的)模块的部分，维持在其顶部和底部处的两个极端支撑之间的柱的总竖直长度不变。本发明的明显优势是构造方法适于极其高的柱的构造。相反地，GB525,575中描述的方法不适于高度超过100米的柱的构造，因为当在低温温度下操作柱时，柱从顶部到底部的累积变形会导致在米的量级的柱的收缩，这利用弹簧补偿是不实用的。特别地，请注意，考量到GB525,575中描述的发明中使用的弹簧的具体布置，这些弹簧仅仅对补偿从室温移到处理操作温度时的热膨胀有用(具有上面描述的限制和问题)，但它们对补偿热收缩没有用，这是通过本发明作为蒸馏柱所解决的中心问题，更加特别地，低温蒸馏柱，特别是当从室温移到处理操作温度时受到热收缩。
所以，特别地，缘于随后将在附图中进一步描述的波纹管的创新性使用，通过本发明解决上面描述的那些及其它已经已知问题。
众所周知，总竖直高度几百米到几千米、直径几米的矿井轻易地可得。本发明中描述的创新性构想的柱和方法容许通过串联地连接大量所述新构想的模块来构建空前级数的蒸馏柱，每个模块通过矿井壁和周围岩石支撑。级数直接与可用总高度成比例，每个理论级高度从数厘米到数十厘米。有利地，利用该模块化柱可以实现的总级数范围从几千到几十万级。
该新构想的模块化柱还给出构建大直径的柱元件的可能性，范围从数十厘米到几米，容许实质上改进同位素分离速率和同位素纯度。
在一个实施例中，蒸馏柱包含中空本体，内筒形壁填充有蒸馏板和/或结构化填料的。
在一个特别的优选实施例中，蒸馏柱被热隔绝层围绕。
在一个实施例中，热隔绝层可以通过利用结构热隔绝容器围绕蒸馏柱来获得。
在一个实施例中，热隔绝容器的内表面和蒸馏柱的外部表面之间的间隙由隔绝材料填充。
在一个实施例中，特别地，所述隔绝材料是膨胀珍珠岩，由于其高的开孔率，还提供有非凡的轻度，膨胀珍珠岩具有非凡的热隔绝能力和在所有温度下都能保证的非常低的热导率。缘于成本低、易于安装、不易燃以及保留水分的趋势减少，它在要求超冷却气体性能的低温领域的工业领域中找到了其重要应用之一，显示出其在应用和使用中的无数的优势。
在一个实施例中，内部蒸馏柱的外部表面被多层隔绝覆盖，热隔绝容器的内表面与蒸馏柱的外部表面之间的容积保持在真空下，在低于10-2mbar的压力下，从而在低温恒温器内操作内部蒸馏柱。
在一个实施例中，有利地，热隔绝容器含有诸多蒸馏柱元件，这些柱可以并联地工作，和/或，可以串联地连接，通过处理线路将一个柱的顶部与后续的柱的底部捆绑，处理线路构建在热隔绝容器之内或是隔绝容器之外，在后者的情况下，设置有独立的热隔绝；在并联构造中，柱可以彼此结合或彼此独立地工作。
在一个实施例中，初始时，柱由诸多竖直的模块化部分构建而成，竖直的模块化部分又通过法兰或通过焊接接头连接到其它竖直部分。
在一个实施例中，模块化热隔绝容器由诸多竖直部分构建而成，竖直部分还又通过法兰或通过焊接接头连接到热隔绝容器的其它竖直部分。
在一个有利的实施例中，组成内部柱的竖直部分中的每一个或几个，或者内部柱和周围的热隔绝容器的组合，配备有一个或诸多波纹管，在安装期间，尤其是在处理操作期间，允许补偿柱所经受的在竖直方向上的显著的热膨胀或收缩。
本发明的目的还是通过创新性地引入经济型能量回收环路来改进蒸馏的能量性能；顶部冷凝器处的冷却功率和底部再沸器处的加热功率通过两个热交换器分配；存在含有热交换流体的单个闭合环路，热交换流体在顶部冷凝器的热交换器处使用为制冷剂，以提供将到达顶部冷凝器的上游气流冷凝成液相所要求的冷却功率；并且，它还在底部再沸器的热交换器处使用为底部再沸器处的加热流体，以提供沸腾进行蒸馏的流体的液相所要求的加热功率。请注意，使用单个流体用于热交换也是新的。
在一个实施例中，蒸馏在低温温度下进行，用作冷凝器处的制冷剂流体和再沸器处的加热流体的流体是氮：在闭合回路中，氮从再沸器循回到冷凝器并且从冷凝器循回到再沸器；以液态形式，氮进送到顶部冷凝器处的热交换器中，热交换器内液体氮的蒸发提供冷凝上游气态流动所要求的冷却功率；氮再循环压缩器提升顶部冷凝器热交换器所排出的气态氮的压力，并将其送到底部再沸器；在底部再沸器处，气态氮进入底部冷凝器热交换器；在底部再沸器处，加压氮释放加热功率立即迫使进行蒸馏的流体的液体回流流动的沸腾，并且迫使冷凝成液相的氮交换流体的冷却；最后，为使闭合环路，在底部冷凝器的热交换器内液化的氮通过低温泵而通过热隔绝线路朝向顶部冷凝器热交换器泵送。
在一个实施例中，从底部到顶部热交换器运送液体氮的热隔绝线路含有在柱的热隔绝容器内。在一个实施例中，从顶部到底部热交换器运送气态氮的热隔绝线路含有在柱的热隔绝容器内。请注意，使用氮作为单个流体用于热交换也是新的。
在低温蒸馏的另一新实施例中，氮被惰性稀有元素(诸如氩、氪或氙)替换，作为制冷剂流体，容许扩展操作使用温度的范围，这只是在同一液压回路中使用另一元素，其特征在于，用于所述元素的液体和气体之间的相变的压力相关的温度的不同范围。请注意，使用氩、氪或氙作为单个流体用于热交换也是新的。
之前引用的新构想的模块化柱的空前的尺寸和高度容许达到分离氩和氙的同位素所必需的级数，范围从几千到几十万。对于氩同位素(诸如36Ar、38Ar、39Ar和40Ar)，挥发性的比率(α-1)的与一的差异在千分之几的量级。39Ar中贫化的40Ar作为用于非常大规模(几吨到几百吨)暗物质研究的目标特别有兴趣。由于之前引入的“Fenske定律”，有效分离规模所要求的最小级数作为1/ln(α)≈1/(α-1)。这意味着同位素分离的所需平衡级数极其大，范围从几百到几万。
氩同位素的分离要求在氩的标准沸点的温度(在87开氏度)附近的低温范围内操作，以及在低温恒温器内操作蒸馏柱。由于(α-1)的数值小，同位素浓缩氩同位素的几kg/天的最小生产率要求非常大的蒸汽流率(在每小时几百标准m3的量级)以及非常大的液体流率(在每小时几m3的量级)。利用最小直径几十厘米的柱，可以实现所需蒸汽和液体流率，配备有结构化填料，能够维持显著的液体和蒸汽流率，同时维持表面的优良覆护而不产生溢流状况。这可以利用优选地具有10-15厘米或更多的理论塔板高度(HETP)以及几m3/(m2×小时)的最大液体速度的填料来实现。这些考虑推动对于几百米的内部柱的最小高度和对于几十厘米的内部柱的最小直径的选择。包围超隔绝和几个处理线路的热隔绝容器可以容易地达到几十厘米的直径。
使用矿井用于安装低温模块化蒸馏柱容许实现甚至超过生产氩同位素所必需的应用所要求的尺寸。模块化低温蒸馏柱可以适配在现有矿井中，达到几米的直径，上达几千米的高度：这将使得使用柱甚至用于分离氙同位素成为可能，其(α-1)的数值在比用于氩同位素的低一个数量级，在几万分之几的量级上。在其它氙同位素中贫化的136Xe作为用于非常大规模实验的目标特别有兴趣，目标在几吨到几百吨，用于极其罕见且尚未观察到的核衰变模式(已知为“无中微子双β衰变”)的研究。
本发明将以非常有利的方式使得特有地可能地大量分离(大于几kg/天)氩和氙同位素。
与之同时，本发明将显著提高生产和制作成本更加可负担得多的轻同位素的能力，在小得多的柱中通过低温蒸馏来生产同位素已经被现有技术涵盖，包括但不限于：12C和13C，通过包括但不限于CO的低温蒸馏的方法获得；14N和15N，通过包括但不限于N2、NO和NH3的低温蒸馏的方法获得；16O和18O，通过包括但不限于H2O、O2和NO的低温蒸馏的方法获得。
作为示例，对于相当有30cm直径的2,500级的300米的柱高度将以每单程系数10、以大约10kg/天的速率的导致40Ar流中39Ar减少；相似地，同一柱将通过以kg/天的分数的速率蒸馏CO而以0.995(99.5％)的同位素分数直接富集13C；相似地，同一柱将通过以kg/天的分数的速率蒸馏NO而以0.995(99.5％)的同位素分数直接富集15N和18O。
附图说明
由于这里描述的用于同位素蒸馏的创新性低温模块化柱而获得的这个优点和更多优点将在下文参考非限制性示例进一步描述，非限制性示例在附图中提供用于说明性、非限制性目的。这些附图图示本发明的不同方面和实施例，并且在适当的情况下，结构、部件、材料和/或相似元件在不同附图中用相似的附图标记指示。
图1图示根据本发明的安装在矿井/支撑结构内且由矿井/支撑结构的侧向壁支撑的模块化蒸馏柱的优选实施例；
图2图示根据本发明的模块化蒸馏柱的优选实施例，包括有经济型热回收环路；
图3参考其连接和实现图示柱的各个模块的优选实施例。
具体实施方式
虽然本发明易于进行各种修改和替代构造，但是，在附图中示出了图示实施例的一些，下面将详细描述。
然而，必须理解，无意将本发明限制为图示的特定实施例，而是，反之，本发明意在涵盖落入权利要求书中限定的本发明范围内的所有修改、替代构造和等效形式。
除非另有指出，否则使用“诸如”、“等”、“或”指示非排他性替代，而没有限制。
除非另有指出，否则使用“包括”意指“包含但不限于”。
图1图示创新性模块化蒸馏柱100的简化的优选实施例，包含安装在由周围岩石1界定的矿井2中的支撑系统7。在该实施例中，完整的蒸馏模块化柱100包含冷凝器3和再沸器4和一个或多个中心模块5，…，5n。有利地，中心模块5每个皆配备有一个以上波纹管6，以补偿由于室温和处理操作温度之间的较大波动而造成的模块化立柱100在竖直方向上的热膨胀或收缩。
利用该创新性构造，缘于模块中包含的波纹管，顶部和底部支撑之间的柱的最终高度始终保持相同，而不管室温和处理操作温度之间的任何大的温度波动，这是因为柱的一个以上模块因温度增加而膨胀，高度的变化通过所述模块中(或者，还有其它模块中)包含的波纹管的收缩而补偿，当模块因温度减小而收缩时，高度的变化通过波纹管的膨胀而补偿，因而非常有利地维持柱的同一高度并且在不同的操作条件下保持其整体性，同时，以非常创新且有利的方式，允许构造需要的任何高度的柱，甚至高于100米。
一些或全部竖直模块5连接到井壁。在一个实施例中，竖直模块5通过机械支撑系统7附接到井壁，机械支撑系统7例如包含托架或结构支撑(图3中示出)，托架或结构支撑又通过岩石螺栓31或者到井壁或到围绕井壁的岩石的其它类型的连接(包括，通过固定到凹进井壁或岩石中的榫眼中的榫接头)而固定到井壁。
请注意，在图1中，表示了本发明的简化实施例，其中，模块化元件5直接连接到井壁。
在进一步的实施例中，竖直模块5安置在平台29上，提供对柱100的局部访问，柱100又通过机械托架附接到井壁，机械托架又通过岩石螺栓31或上述其它手段固定到井壁。井壁可以是裸露的岩石，或者，可以覆盖有混凝土层，增强混凝土或砖块或其它适合于该目的的手段。
在一个实施例中，还有，冷凝器和/或再沸器通过机械托架固定到井壁，机械托架又通过岩石螺栓或其它手段固定到井壁。
在一个实施例中，还有，冷凝器和/或再沸器安置在平台上，提供局部访问，平台又通过岩石螺栓或其它手段固定到井壁。在一个实施例中，还有，冷凝器和/或再沸器含有具有一个以上波纹管的部分，以补偿柱在竖直方向上的热膨胀或收缩。
添加经济型热交换器的系统可以通过回收再沸器处和冷凝器处花费和得到的焓来降低操作成本。根据图2，在一个实施例中，蒸馏在低温温度下进行，用作冷凝器处的制冷剂流体且用作再沸器处的加热流体的热交换流体是氮或稀有元素，诸如氩或氙。热交换流体作为液体进送到顶部冷凝器热交换器11；顶部冷凝器热交换器11冷凝在蒸馏柱中通过蒸馏进行分离的流体的蒸汽流所要求的冷却功率通过热交换流体到气体的相变来提供；顶部冷凝器热交换器11所排出的热交换流体气态流通过气体压缩器12压缩在高压下并且送到底部再沸器热交换器13的输入端；底部再沸器热交换器11使在蒸馏柱中通过蒸馏进行分离的流体的液体流沸腾所要求的加热功率通过热交换流体从气体到液体的相变来提供；源于底部冷凝器热交换器13的热交换流体液体流经由低温泵14朝向顶部冷凝器热交换器泵送，从而闭合环路。
根据图3，在一个实施例中，柱100的各个模块5包含：至少一个外部热隔绝容器22；以及，至少一个内部柱元件23，包裹在多层隔绝(图3中未示出)中，除了专用于焊接到其它模块5的最后部分(该部分在执行焊接之后被多层隔绝覆盖就位，如下所述)之外；热隔绝容器22和内部柱23的容积24之间的间隙容积27保持在真空下；未示出的是将热隔绝容器连接到内部柱的结构支撑。
特别地，每个所述模块或模块化元件5…5n至少包含隔绝容器，隔绝容器包含包围内部柱状元件23…23n的容器元件22…22n。
请注意，一个隔绝容器22可以包含一个以上内部柱元件23，形成可以一起或彼此独立地工作的独立柱。
在本发明的优选实施例中，内部柱23的内部容积24是处理容积，其填充有结构化填料和/或蒸馏板(必要时，夹有液体分布板)。有利地，隔绝容器22的一部分由一个以上波纹管26代替，以适应热膨胀或收缩；在本实施例中，内部柱23的一部分也由波纹管25代替，以补偿热膨胀或收缩。请注意，波纹管25对于内部中心蒸馏柱23起着至关重要的作用，由于室温和处理操作温度之间预期的大的温度波动，内部蒸馏柱受到最高的热偏移，因此受到最大的膨胀或收缩循环。波纹管26也可以引入外部隔绝容器22(如这里表示的)上，或者不这样。
在这方面，注意到，外部热隔绝容器22和内部蒸馏柱23之间的容积27可以运用来延伸服务管线(诸如组成热交换流体的闭合环路的两条管线，从柱的顶部延伸到底部，图2中示出)，以及在必要时还收容柱进料线路和传感器。在一个优选实施例中，波纹管还引入服务管线(这里未表示)上，服务管线放置在内部柱23和外部隔绝容器22之间的空间27中，在内部柱之外和外部隔绝容器之内。
热隔绝容器22与结构支撑28联接，结构支撑28又连接到平台29，平台29又固接到结构板或支撑30，结构板或支撑30通过岩石螺栓31或到井壁或到围绕井壁的岩石的其它类型的连接(包括，通过固定到凹进井壁或岩石中的榫眼中的榫接头)而固定到矿井壁。
在另一实施例中，模块化元件5通过岩石螺栓直接连接到固定于矿井的板。
利用已经就位的最低的模块化元件5n，要坐落成紧邻最低模块的模块5n-1降低到井21中并且定位，从而顶部模块5n-1的内部柱部分23n_1可以焊接到最低模块5n的内部柱部分23n，焊点通过点33标识。(图3表示简化实施例，所以仅示出有模块5n，5作为示例。)
在这一点，用来减少经由辐射的热传递的多层热隔绝(未表示)包裹在内部柱的尚未被隔绝容器覆盖的部分周围。
外部套筒32预先定位在底部外部隔绝容器的外径周围，然后将升高到适当位置并且焊接到底部22n且紧邻底部22n-1外部隔绝容器元件，以利用焊点34闭合低温恒温器部分。
所有其它置入的或后续的模块化元件51…5n-2将以相同或相似的方法(以从5n-2到51的相反顺序)固定，直到达到模块化柱100的所需操作高度。
请注意，模块还可以通过其它适配方法或手段固定在一起，这仅仅是对本发明的不明显的变型；在本实施例中，考量到预计柱100的模块化元件要受到的显著的机械应力，焊接被认为是固定那些模块5n，5n-1，5n-2，…52，51，5的最安全的方法。
在任何情况下，请注意，将模块化元件51…5n联接在一起非常容易且实用，以相同的方式，如果必要，在损坏等的情况下，为了维护，拆卸一些模块化元件将容易且实用，这也是本发明的优势，如之前其它地方描述的。
如指明的，本发明所描述的非常重要和创新的方面实际上容许构建和开发高到获得上述所有优势的柱，至少引入有模块5…5n，所述模块中的一个以上至少包含一个更多波纹管，可以通过波纹管的收缩或膨胀来补偿模块的热膨胀或收缩。
特别地，在优选实施例中，所述模块包含模块化容器22和至少一个蒸馏柱的模块化元件23，所述模块化元件23中的至少一个包含一个以上波纹管。
所述至少一个外部容器元件22和所述至少一个内部柱元件23借助于固定连接而在一个点上或不在点上连接，并且借助于滑动接头、滑动支柱、链节或容许内部柱元件在轴向方向上相对于外部容器元件的定位的调整的其它手段而在一个以上点上连接，所以，至少一个容器22和内部柱元件23的未通过固定手段连接的部分自由地在轴向方向上滑动，以在模块5的高度内局部地补偿其部分中的任一个的热膨胀或收缩。
本发明的这些及进一步目的借助于包含所附权利要求的特征的模块化蒸馏柱而实现，权利要求的特征形成本说明书的整体部分。
所以，在模块化元件的高度或直径上，在到井的固定手段、蒸馏模块化柱的功能元件、固定手段的数量、模块之间的固定手段的类型上，全都仅被认为是对本发明的一些实现实施例的不显著的修改，必须被认为是被上述本发明的目的所涵盖，并且参考所附权利要求被更好地阐述。
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权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于同位素分离的低温蒸馏柱(100)，至少包含底部再沸器(4)、顶部冷凝器(3)和中心柱部分，所述中心柱部分至少包含波纹管，用于补偿热膨胀和/或收缩，所述柱借助于连接手段连接到支撑结构的壁，其特征在于，所述中心蒸馏柱部分至少包含一个以上中心模块化元件(5...5n)，所述模块化元件、所述模块(5...5n)包含至少一个绝缘容器元件(22...22n)和包围在所述绝缘容器元件(22...22n)内的至少一个内部模块化柱元件(23...23n)，所述容器对所述内部柱元件赋予绝热，一个或多个所述模块至少包含一个以上波纹管，用于补偿沿着该柱的高度的热膨胀。
2.如权利要求1所述的用于同位素分离的蒸馏柱(100)，其特征在于，其中，所述外部隔绝容器元件(22)中的一个以上包含波纹管(26)，也即，所述容器(22)的一部分被一个以上波纹管(26)代替，以补偿由环境温度的较小变化引起的热膨胀或收缩。
3.如在前权利要求所述的用于同位素分离的蒸馏柱(100)，其特征在于，其中，所述至少一个外部容器元件(22)和所述至少一个内部柱元件(23)借助于固定连接而在一个点上或不在点上连接，并且借助于滑动接头、滑动支柱、链节或容许该内部柱元件在轴向方向上相对于该外部容器元件的定位的调整的其它手段而在一个以上点上连接，所以，该至少一个容器(22)和内部柱元件(23)的未通过固定手段连接的部分自由地在该轴向方向上滑动，以在该模块(5)的高度内局部地补偿其部分中的任一个的热膨胀或收缩。
4.如在前权利要求所述的用于同位素分离的蒸馏柱(100)，其特征在于，其中，该热隔绝容器(22)和该内部柱元件(23)之间的容积(27)在真空下操作，而该柱元件(23)被多层隔绝包裹，或是，填充有适于作为低温蒸馏柱的柱的操作的特殊隔绝材料，从而热传递最小化，并且该内部模块化元件(23)的温度变化对该外部容器元件(23)的影响最小化。
5.如在前权利要求所述的用于同位素分离的蒸馏柱(100)，其特征在于，其中，该蒸馏柱包含服务管线，该波纹管还引入服务管线上，所述服务管线放置在该内部柱(23)和该外部隔绝容器(22)之间的空间(27)中，在该内部柱之外且在该外部隔绝容器之内。
6.如在前权利要求所述的用于同位素分离的蒸馏柱(100)，其特征在于，其中，所述模块化柱(1)包含经济型热交换器，用于通过回收在该再沸器和该冷凝器处花费和得到的焓来降低同位素分离处理的成本。
7.如在前权利要求所述的用于同位素分离的蒸馏柱(100)，其特征在于，其中，至少一个隔绝容器(22)含有诸多蒸馏柱元件(23)，这些柱并联地或是串联地连接。
8.如在前权利要求所述的用于同位素分离的蒸馏柱(100)，其特征在于，其中，该模块化蒸馏柱(100)具有最小级数，范围从几千到几十万，对于分离氩和氙的同位素是必需的，考虑到对于有效分离，最小级数在一(数字1)和有兴趣的同位素的相对挥发性之间的差值的倒数的量级，因此所述最小级数对于氩同位素在几千的量级，对于氙同位素在几万的量级。
9.一种用于如在前权利要求所述的低温蒸馏柱的组装方法，其特征在于，其中，第一模块(5…5n)包含共同预先组装成模块(5…5n)的柱元件(22…22n)和周围的隔绝容器元件(23…23n)，所述模块(5…5n)具有范围从数米到数十米的单独高度，从而容易地从构造现场运输，然后模块通过依次堆叠和连接而依序组装就位，一个在另一个上地在矿井或支撑结构内。
10.如权利要求9所述的用于同位素分离的低温蒸馏柱(100)的组装方法，其特征在于，其中，所述模块元件首先容纳在其最终位置，然后通过焊接每个模块(5n-1)的最后部分与下一个(5n)或是通过法兰连接两个部分而连接在一起。
11.如权利要求9、10所述的用于同位素分离的低温蒸馏柱(100)的组装方法，其特征在于，其中，该模块(5…5n)与结构支撑(28)联接，所述结构支撑(28)连接到平台(29)，所述平台(29)固接到结构板(30)，所述结构板(30)直接或通过其它结构元件固定到井壁或矿井壁，借助于岩石螺栓(31)或是到该井壁或到围绕该井壁的岩石的其它类型的连接，其它类型的连接包括，通过固定到凹进该井壁或岩石中的榫眼中的榫接头。
12.如权利要求9至11所述的用于同位素分离的低温蒸馏柱(100)的组装方法，其特征在于，其中，该模块(5…5n)与结构支撑(28)联接，所述结构支撑(28)连接到平台(29)，所述平台(29)固接到任何外部支撑框架，诸如很高的塔。
13.如权利要求9至12所述的用于同位素分离的低温蒸馏柱(100)的组装方法，其特征在于，其中，制冷剂流体被惰性稀有元素诸如氩、氪或氙替换，以扩展处理操作温度的范围。
Claims (15)
1.一种用于同位素分离的蒸馏柱(100)，至少包含底部再沸器(4)、顶部冷凝器(3)和中心柱部分，所述中心柱部分至少包含一个以上中心模块化元件(5…5n)，所述模块化元件借助于连接手段连接到支撑结构的壁，其特征在于，一个或多个模块(5)至少包含一个以上波纹管，用于通过该波纹管沿着该柱的总高度的收缩或膨胀，来补偿由于室温和处理操作温度之间的大的波动造成的所述模块(5…5n)的热膨胀或收缩，从而维持该内部柱在其顶部和底部支撑之间的总高度不变，因而在调试和操作期间保持该柱的整体性，该模块化柱具有需要的任何高度。
2.如权利要求1所述的用于同位素分离的蒸馏柱(100)，其特征在于，其中，所述模块(5…5n)包含至少一个隔绝容器元件(22…22n)和包围在所述隔绝容器元件(22…22n)内的至少一个内部模块化柱元件(23…23n)，所述隔绝容器是模块化的，并且所述柱适于支撑室温和处理操作温度之间的非常大的波动。
3.如在前权利要求所述的用于同位素分离的蒸馏柱(100)，其特征在于，其中，所述蒸馏柱可以在低温温度下操作，是低温模块化蒸馏柱。
4.如权利要求1所述的用于同位素分离的蒸馏柱(100)，其特征在于，其中，所述外部隔绝容器元件(22)中的一个以上包含波纹管(26)，也即，所述容器(22)的一部分被一个以上波纹管(26)代替，以补偿由环境温度的较小变化引起的热膨胀或收缩。
5.如在前权利要求所述的用于同位素分离的蒸馏柱(100)，其特征在于，其中，所述至少一个外部容器元件(22)和所述至少一个内部柱元件(23)借助于固定连接而在一个点上或不在点上连接，并且借助于滑动接头、滑动支柱、链节或容许该内部柱元件在轴向方向上相对于该外部容器元件的定位的调整的其它手段而在一个以上点上连接，所以，该至少一个容器(22)和内部柱元件(23)的未通过固定手段连接的部分自由地在该轴向方向上滑动，以在该模块(5)的高度内局部地补偿其部分中的任一个的热膨胀或收缩。
6.如在前权利要求所述的用于同位素分离的蒸馏柱(100)，其特征在于，其中，该热隔绝容器(22)和该内部柱元件(23)之间的容积(27)在真空下操作，而该柱元件(23)被多层隔绝包裹，或是，填充有适于作为低温蒸馏柱的柱的操作的特殊隔绝材料，从而热传递最小化，并且该内部模块化元件(23)的温度变化对该外部容器元件(23)的影响最小化。
7.如在前权利要求所述的用于同位素分离的蒸馏柱(100)，其特征在于，其中，该波纹管还引入服务管线上，所述服务管线放置在该内部柱(23)和该外部隔绝容器(22)之间的空间(27)中，在该内部柱之外且在该外部隔绝容器之内。
8.如在前权利要求所述的用于同位素分离的蒸馏柱(100)，其特征在于，其中，所述模块化柱(1)包含经济型热交换器，用于通过回收在该再沸器和该冷凝器处花费和得到的焓来降低同位素分离处理的成本。
9.如在前权利要求所述的用于同位素分离的蒸馏柱(100)，其特征在于，其中，至少一个隔绝容器(22)含有诸多蒸馏柱元件(23)，这些柱并联地或是串联地连接。
10.如在前权利要求所述的用于同位素分离的蒸馏柱(100)，其特征在于，其中，该模块化蒸馏柱(100)具有最小级数，范围从几千到几十万，对于分离氩和氙的同位素是必需的，考虑到对于有效分离，最小级数在一(数字1)和有兴趣的同位素的相对挥发性之间的差值的倒数的量级，因此所述最小级数对于氩同位素在几千的量级，对于氙同位素在几万的量级。
11.一种用于如在前权利要求所述的低温蒸馏柱的组装方法，其特征在于，其中，第一模块(5…5n)包含共同预先组装成模块(5…5n)的柱元件(22…22n)和周围的隔绝容器元件(23…23n)，所述模块(5…5n)具有范围从数米到数十米的单独高度，从而容易地从构造现场运输，然后模块通过依次堆叠和连接而依序组装就位，一个在另一个上地在矿井或支撑结构内。
12.如在前权利要求所述的用于同位素分离的低温蒸馏柱(100)的组装方法，其特征在于，其中，所述模块元件首先容纳在其最终位置，然后通过焊接每个模块(5n-1)的最后部分与下一个(5n)或是通过法兰连接两个部分而连接在一起。
13.如在前权利要求所述的用于同位素分离的低温蒸馏柱(100)的组装方法，其特征在于，其中，该模块(5…5n)与结构支撑(28)联接，所述结构支撑(28)连接到平台(29)，所述平台(29)固接到结构板(30)，所述结构板(30)直接或通过其它结构元件固定到井壁或矿井壁，借助于岩石螺栓(31)或是到该井壁或到围绕该井壁的岩石的其它类型的连接，其它类型的连接包括，通过固定到凹进该井壁或岩石中的榫眼中的榫接头。
14.如在前权利要求所述的用于同位素分离的低温蒸馏柱(100)的组装方法，其特征在于，其中，该模块(5…5n)与结构支撑(28)联接，所述结构支撑(28)连接到平台(29)，所述平台(29)固接到任何外部支撑框架，诸如很高的塔。
15.如在前权利要求所述的用于同位素分离的低温蒸馏柱(100)的组装方法，其特征在于，其中，该制冷剂流体被惰性稀有元素诸如氩、氪或氙替换，以扩展处理操作温度的范围。
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