CN104474898B - 生产高丰度13c的低温精馏多塔级联节能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生产高丰度13C的低温精馏多塔级联节能装置，由位于第一座精馏塔顶的1只冷凝器、n只首尾相连的低温精馏塔、n‑1只低温液体泵、1‑(n‑1)只同位素扰频器及特种波纹填料组成水平级联节能***。本发明装置的优点是冷凝器少、能耗低、填料分离效率高、动力输送设备可靠，设备紧凑、容易放大，直接得到99％的高丰度13C。与现有技术相比，低温液氮消耗可减少50％，精馏塔高度降低、输送设备电耗及设备尺寸大大减小、生产能力提高，有效降低了生产成本。

Description

生产高丰度13C的低温精馏多塔级联节能装置
技术领域
本发明涉及低温精馏法生产稳定同位素的工艺技术，尤其是涉及一种生产高丰度13C的低温精馏多塔级联节能装置。
背景技术
稳定性同位素的应用越来越广，其分离方法有热扩散法、气体扩散法、离心分离法、激光法、化学交换法、离子交换法及精馏法。但适合工业应用的目前只有低温精馏法。稳定性同位素13C、18O、15N、10B大多是用CO、NO、BF3低温精馏得到的。CO低温精馏中12CO/13CO理想分离系数为1.01，而实际大多小于1.008，所以要想从天然丰度1.11％13CO富集到99％13CO，一般需要3000块理论板，所以导致同位素分离级联具有非常大的长度。同时，由于采用乱堆填料，一般塔径都小于 100mm，要扩大生产规模，就得采用多管塔。这使得实际生产装置安装起来相当困难。低温精馏分离同位素时，低温精馏塔是主要的设备投资；在生产过程中，回流比高达1000以上，所以低温能耗是主要的生产成本。
在现有技术中，已有稳定同位素13C的生产方法。
1947年美国Eastman Kodak公司采用毒性极强的HCN/NaCN化学交换法 (ClydeA.Hutchison，David W.Stewart，Harold C.Urey，the concentration of 13C， Journalofchemical physics，Vol.8，1940，532-537)，进行半工业化生产65％13C，后被勒令关闭。
在20世纪60年代，美国用CH4热扩散法生产13C(W.M.Rutherford，J.M.Keller，Preparation of highly enriched carbon-13by thermal diffusion of methane，thejournal of chemical physics，Vol.44，No.2，1966，723)；因该法生产能力小、耗费大量电能，后被CO低温精馏法取代。
美国Los Alamos实验室(B.B.Mclnteer，isotope separation by distillation：design of a carbon-13plant，separation science and technology，vol.15，No.3，1980，491-508)于1978年建立了一座年产8kg/a99％13C的工厂(设计能力为20kg/a)，即Cola-Colita 装置。主塔由两段组成，第一级由6根塔径为5cm、长100m的多管塔并列组成，第二级为长100m、塔径为5cm的一根塔构成；塔内装散堆填料，两级垂直并接，总长200m。该种方法的特点是采用垂直级联，级联容易实现，缺点是需要大量直径很小的管并列来提高产量，精馏塔特别长，场地要求高。直接精馏13C产品丰度只能达到81.9％。主塔的产品在钨管内、1200℃下经同位素转化装置高温反应：
转化后进入另一座长55m的副塔中进一步浓缩至99％13C。Cola-Colita精馏装置垂直悬挂于200m深的地洞中，施工难度极大。
美国专利US4029559、US4941956、US5827405报道了用激光法分离13C同位素，但未见工业应用。虽然激光法被很多专家看好，但它能耗极高、技术尚未成熟。
美国专利US6202440介绍了一种提高原有装填散堆填料的垂直级联装置生产能力的一种方法，其实现途径是在现有生产装置的前面增加一座装填规整填料的垂直级联精馏塔，该塔底得到小于10％丰度的13CO产品作为原料，提供给原有生产装置，可以提高产能10倍。该专利的创新点增加一座采用提高流体分布的规整填料垂直级联作为初浓塔，该塔的产品丰度只适于小于10％的低丰度生产，该塔的产品作为原料供已有的垂直级联工业生产装置进一步精馏，从而得到99％丰度的产品。正因为它仅作为初浓塔的作用，所以该装置的再沸比介于900-2000之间。利用计算机模拟计算，在压力为0.8-3.0bar、填料比表面积为500-1000m2/m3，柱内径0.25-0.5m，分离柱分为A、B、C三段。在柱总长为450m～150m内的不同条件进行模拟计算，得出最优条件为A、B、C三段高分别为44、46、60m，塔内径为 0.305m，再沸器功率38.8KW，持液量为5％，13C产品丰度仅为10％。该发明专利其实也是垂直级联技术，不能直接得到高丰度产品。如果要得到99％的13C，总高度将达到上千米，如此超长的设备加工安装、精馏工况组织及热量维持涉及到诸多先进工业技术领域。理论上虽然可以实现，但在工程上显然并不可行。该专利技术的缺点是采用垂直级联，精馏塔高达150多米；各塔直径相同，没有利用塔级联的优势；再沸比介于900-2000之间，远高于常规塔级联，造成能耗高；不能得到高丰度产品，只能作为初浓塔得到10％以下丰度的产品，再作为原料提供给原有生产装置，从而提高原有生产装置的生产能力。
日本Tokyo Gas Co.于1988-1999年建立了甲烷为介质的低温精馏中试装置(伊藤一男，关于用低温精密蒸馏法对甲烷碳同位素分离技术的开发，Petrotech，Vol.16， No.8，1993，P727-729)。该装置由原料前处理段、13CH4浓缩段及12CH4浓缩段三部分组成。13CH4浓缩段由30米高的三级联组成，其中第一级由7根塔并列而成，采用自己开发的填料，第一塔的设计理论板数为1000块、第二塔为1200块、第三塔为1000块。12CH4浓缩塔理论板数为1300块。产品为99％的13CH4及99.9％的12CH4产品。该中试装置消耗液氮150公斤/小时，原料处理量520升/小时、得到 99.9999％的高纯CH4494.6升/小时、95％的13CH40.4升/小时、99.9％的12CH45升/ 小时。精馏温度-172～-164℃，压力0.4～0.8atm。该装置级联为多管塔结构，级联间通过气体相互输送，即前级塔底通过压力推动进入次级塔的中部，次级塔顶的气体通过气体泵输送至前级塔的中部。该套工艺的缺点是采用大量多管塔并列提高产能，任何一根管泄漏都将导致整套装置的停车；多管之间的汽液分布均匀性及相互影响也不可忽视；气体输送泵的气密性及连续运转可靠性也存在问题；同时各级塔都有抽提段，精馏塔的利用率低。
中国专利200910197588.3公开了一种无动力输送的水平级联工艺。其特点是级联之间汽液流动仅依靠流体压降、重力实现自然回流，而没有动力输送设备。该种生产技术的优点是不用动力输送，但缺点是低温液氮消耗增加。
中国专利201110355385.X、201110355376.0公开了一种低温精馏生产工艺，其特点是级联之间全部是气相输送，水平级联各塔中设置提取段来减小级联各塔之间的物料输送流量，同时通过改变水平级联***的压力分布实现各塔间物料的自动流动，或通过气体输送设备来实现。该种生产技术的特点是级联之间气体输送量小，缺点是压力分布要求高，工程上控制难度高；同时精馏塔利用率低，设备投资高。
由此可见，现有13C低温精馏生产技术具有装置过高、结构复杂、冷能消耗大、传输设备可靠性差、同位素产品达到99％困难的缺点，造成了生产成本高、生产能力低下的现状。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种仅使用1台冷凝器，设备投资省、采用液相输送，降低了级联塔端的返混现象的生产高丰度13C的低温精馏多塔级联节能装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
生产高丰度13C的低温精馏多塔级联节能装置，为2-20座塔径依次减小的精馏塔组成水平塔级联，
精馏塔内装填板波纹填料、丝网波纹填料或锯齿型波纹填料，
含有碳元素的原料从第1级精馏塔中部进入，第1级精馏塔的塔顶分别通过气相管道和液相管道连接1只冷凝器，其余各级精馏塔没有设置冷凝器；第1座精馏塔顶连接冷凝器、废气排放管，塔中连接进料管，塔釜连接液体出料管及气体返流管。
每级精馏塔的塔釜均连接有再沸器，前级精馏塔塔釜经液相管道连接到次级精馏塔塔顶，次级精馏塔塔顶的轻同位素气体经气相管道连接到前级精馏塔塔釜，前级精馏塔塔釜的重同位素液体通过液体泵输送到次级精馏塔塔顶；这样次级塔顶省掉了冷凝器，节约了低温能耗；同样次级塔是气相返回前级塔底，所以也节省了前级塔釜的热能消耗。
第1级精馏塔塔顶的轻同位素蒸汽从顶部的废气管道排出，最后一级精馏塔釜为丰度不小于99％的13C产品，通过管道引出，塔釜没有气相返回，
各精馏塔联之间设有实现同位素在分子内重排的同位素扰频器。
同位素的分离在含有同位素的液体和其蒸汽在精馏塔内填充的填料表面完成。
含有碳元素的原料为CO或CH4。
前一级精馏塔塔釜的液体通过低温液体泵输送到次级精馏塔塔顶，作为次级精馏塔的喷淋液；次级精馏塔塔顶的蒸汽通过压力返回前级精馏塔塔釜。低温液体泵是级联装置中唯一的传动设备。
最后一座精馏塔的再沸比为100-200，其余精馏塔的再沸比为0-20但不为0，均远低于现有技术如US6202440中公布的900-2000，生产能力得到提高。
各级精馏塔内压力为0.5-5bar，气相动能因子为0.3-1.5m/s(kg/m3)1/2。
所述的精馏塔的塔径为50-5000mm。
所述的板波纹填料、丝网波纹填料或锯齿型波纹填料的比表面积为1000-2000m2/m3。
所述的板波纹填料、丝网波纹填料或锯齿型波纹填料的材料为不锈钢、铜、铝或其氧化物及合金。
所述的同位素扰频器内充装材料为Ni、Co、Cu、Zn、Cr、Al、Mg、Fe、Ti、 Zr、Mn、Mo、Ca、B、Ba、W、Ru、Rh、Th、La、Ta、Pd、Ir、Pt、Au、Ag的金属单质，或其合金、氧化物中的一种或多种，扰频器工作温度为20℃～600℃，经过浓缩的13C与12C在扰频器内发生同位素交换，达到平衡后进入后级塔内继续精馏。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用低温精馏多塔水平级联技术，解决了传统垂直级联具有的精馏塔过高、安装检修困难、多管塔结构复杂、放大困难的缺点；也避免了现有多塔水平级联气体泵存在功耗大、故障率高、气密性差的缺点。
(2)本发明在级联中安装同位素扰频器，实现13C16O和12C18O的同位素转化。这样可以直接得到99％的13C16O，避免了传统工艺只能得到93％的13C，必须高温反应后二次分离的缺点。扰频器内充装材料为Ni、Al、Fe、Mn等非贵金属单质或其合金、氧化物中的一种或多种，及微量Ru、Pd、Pt等贵金属。扰频器的工作温度为20℃～600℃的温区。
(3)本发明仅使用l台冷凝器，设备投资省。
(4)本发明第2-N级塔都不需要低温冷凝，整个工艺的低温能耗是现有水平级联工艺的50％；2-N级塔顶返回的气体进入前级塔釜再沸器后不需加热，节约了热量消耗。
(5)本发明低温精馏塔内装填高效波纹规整填料，效率高于传统采用散堆填料的工艺。本发明每一级均由一根塔组成，塔径最大可达5米，克服了传统13C分离装置采用多管塔结构的缺点。
(6)本发明级联采用液相输送，降低了级联塔端的返混现象，同时降低了管道直径，减少了材料使用。
(7)本发明级间使用低温液体泵实现物料输送，与气体泵相比，液体泵具有长期运转可靠性高、功耗低、价格低、计量准确的优点。
附图说明
图1为本发明由N座低温精馏塔组成的水平级联工艺流程图。
图2为本发明CO低温精馏生产13C的5塔级联装置图。
图3为本发明CH4低温精馏生产13C的5塔级联装置图。
图4为本发明采用的锯齿形波纹填料结构示意图。
图5为传统生产13C的垂直级联流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
生产高丰度13C的低温精馏多塔级联节能装置，其结构如图1所示，为n (n＝2-20)座塔径依次减小的精馏塔组成水平塔级联，精馏塔内装填板波纹填料、丝网波纹填料或锯齿型波纹填料，作为优选的实施方式，采用的是锯齿形波纹填料，其结构如图4所示。
含有碳元素的低沸点气体(如CO、CH4)从第一级精馏塔12中部的进料管11进入精馏塔内；第1塔顶的蒸汽通过气相管道进入位于塔顶的1只冷凝器16，冷凝的液体通过液相管道17返回精馏塔顶，作为第1级塔的喷淋液；
精馏塔内装填锯齿型波纹填料13，塔内汽、液两相在填料表面进行交换精馏，轻同位素组分在塔顶得到富集，重同位素组分在塔釜得到富集；塔内的液体在位于塔釜的再沸器19内被加热汽化，转变为气相；前级塔釜的液体经过一液相管道18，被低温液体泵111输送，进入次级塔顶21，作为次级塔的喷淋液；次级塔顶的轻同位素气体在压力驱动下通过气相管道24返回前级塔釜10；多座低温精馏塔组成水平塔级联，塔径依次减小；第1塔顶的轻同位素蒸汽经管道15从顶部的废气管道14排出；塔级联之间有同位素扰频器(n-1)21，实现在同位素分子内的重排；基于同样的道理，第二级精馏塔22内装有锯齿型波纹填料23，塔内的液体在位于塔釜的再沸器29内被加热汽化，转变为气相；塔釜的液体经过一液相管道28，被低温液体泵211输送，进入后方塔顶(n-1)1，后方塔顶的轻同位素气体在压力驱动下通过气相管道(n-1)4返回前级塔釜20。第n-1级精馏塔(n-1)2内装有锯齿型波纹填料(n-1)3，塔内的液体在位于塔釜的再沸器(n-1)9内被加热汽化，转变为气相；塔釜的液体经过一液相管道(n-1)8，被低温液体泵(n-1)11输送至后方塔顶n1，最后一级精馏塔n2内装有锯齿型波纹填料n3，塔内的液体在位于塔釜的再沸器n9内被加热汽化，转变为气相，后方塔顶的轻同位素气体在压力驱动下通过气相管道n4返回前级塔釜(n-1)0；塔釜n0的产物为丰度不小于99％的13C 产品，经过液相管道n8，经管道n31输送，该塔釜没有气相返回。
采用的同位素扰频器IS内充装材料为Ni、Co、Cu、Zn、Cr、Al、Mg、Fe、 Ti、Zr、Mn、Mo、Ca、B、Ba、W、Ru、Rh、Th、La、Ta、Pd、Ir、Pt、Au、Ag 的金属单质，或其合金、氧化物中的一种或多种。扰频器工作温度为20℃～600℃。经过浓缩的13C与12C在扰频器内发生同位素交换，达到平衡后进入后级塔内继续精馏。本发明的低温精馏塔内充装特种高效填料，包括板波纹、丝网波纹填料、锯齿形波纹填料，填料的比表面积为1000～2000m2/m3，填料的材料是不锈钢、铝、铜及其金属氧化物、合金，结构如图4所示。
另外，本发明在使用时，各精馏塔的绝对工作压力为0.5～5kg/cm2，气体动能因子为0.3-1.5m/s(kg/m3)1/2，精馏塔内径在50-5000mm，通过低温精馏直接得到 99％的13C产品。***唯一的传动设备是低温液体泵。另外只有1台冷凝器，置于第1级精馏塔的顶部，本发明前级塔釜的液体通过低温液体泵输送到次级塔顶，作为次级塔的喷淋液，次级塔顶的气体通过压力的作用下，进入前级塔釜，作为返流气体。这样次级塔顶省掉了冷凝器，节约了低温能耗；同样次级塔是气相返回前级塔底，所以也节省了前级塔釜的热能消耗。前n-1座塔的再沸比为0-20，最后1座塔的再沸比为100-200，均远低于US6202440公布的900-2000，从而生产能力得到提高。接下来对具体的工艺案例做进一步的说明。
实施例1
由CO低温精馏法生产99％13C的5塔级联节能装置，其结构如图2。含有碳元素的低沸点气体CO从第一级精馏塔12中部的进料管11进入精馏塔内，第1塔顶的蒸汽通过气相管道进入位于塔顶的1只冷凝器16，冷凝的液体通过液相管道 17返回精馏塔顶，作为第1级塔的喷淋液。精馏塔内装填锯齿型波纹填料13，塔内汽、液两相在填料表面进行交换精馏，轻同位素组分在塔顶得到富集，重同位素组分在塔釜得到富集。塔内的液体在位于塔釜的再沸器19内被加热汽化，转变为气相。
第1级塔釜的液体经过一液相管道18，被低温液体泵111输送，进入第2级塔顶21，作为2级塔的喷淋液；第2级塔顶的轻同位素气体在压力驱动下通过气相管道24返回第1级塔釜10。第1塔顶的轻同位素蒸汽经管道15从顶部的废气管道14排出。
后面级联输送同上所述。5座低温精馏塔组成水平塔级联，塔径依次减小。具体来说，低温液体泵111将第一级精馏塔12的塔釜输出的液体自第二级精馏塔22 的顶部21输入，在精馏塔内装填锯齿型波纹填料23，塔内汽、液两相在填料表面进行交换精馏，轻同位素组分在塔顶得到富集，重同位素组分在塔釜得到富集。塔内的液体在位于塔釜的再沸器29内被加热汽化，转变为气相。第2级塔釜的液体经过一液相管道28，被低温液体泵211输送，进入第3级塔顶31，作为3级塔的喷淋液；第3级塔顶的轻同位素气体在压力驱动下通过气相管道34返回第2级塔釜20。
低温液体泵211将第二级精馏塔22的塔釜输出的液体自第三级精馏塔32的顶部输入，在精馏塔内装填锯齿型波纹填料33，塔内汽、液两相在填料表面进行交换精馏，轻同位素组分在塔顶得到富集，重同位素组分在塔釜得到富集。塔内的液体在位于塔釜的再沸器39内被加热汽化，转变为气相。第3级塔釜的液体经过一液相管道38，被低温液体泵311输送，进入第4级塔顶41，作为4级塔的喷淋液；第4级塔顶的轻同位素气体在压力驱动下通过气相管道44返回第3级塔釜30。
低温液体泵311将第三级精馏塔32的塔釜输出的液体自第四级精馏塔42的顶部输入，在精馏塔内装填锯齿型波纹填料43，塔内汽、液两相在填料表面进行交换精馏，轻同位素组分在塔顶得到富集，重同位素组分在塔釜得到富集。塔内的液体在位于塔釜的再沸器49内被加热汽化，转变为气相。第4级塔釜的液体经过一液相管道48，被低温液体泵411输送，进入第5级塔顶51，作为5级塔的喷淋液；第5级塔顶的轻同位素气体在压力驱动下通过气相管道54返回第4级塔釜40。
低温液体泵411将第四级精馏塔42的塔釜输出的液体自第五级精馏塔52的顶部输入，在精馏塔内装填锯齿型波纹填料53，塔内汽、液两相在填料表面进行交换精馏，轻同位素组分在塔顶得到富集，重同位素组分在塔釜得到富集。塔内的液体经过一液相管道58导入至位于塔釜的再沸器59内被加热汽化，转变为丰度为 99％的13CO产品，从第5级塔釜通过管道531引出。第5级塔顶的轻同位素气体在压力驱动下通过气相管道54返回第4级塔釜40。
另外，第4级塔顶的气体从气相管44出来后经过同位素扰频器321，返回第3 级塔釜；第5级塔顶的气体从气相管54出来后经过同位素扰频器421，返回第4 级塔釜。同位素分子在同位素扰频器实现热力学重排。
实施例2
由CH4低温精馏法生产99％13C的5塔级联节能装置，见图3。含有碳元素的低沸点气体CH4从第一塔中部的进料管11进入精馏塔内，第1塔顶的蒸汽通过气相管道进入位于塔顶的1只冷凝器16，冷凝的液体通过液相管道17返回精馏塔顶，作为第1级塔的喷淋液。精馏塔内装填锯齿型波纹填料13，塔内汽、液两相在填料表面进行交换精馏，轻同位素组分在塔顶得到富集，重同位素组分在塔釜得到富集。塔内的液体在位于塔釜的再沸器19内被加热汽化，转变为气相。
第1级塔釜的液体经过一液相管道18，被低温液体泵111输送，进入第2级塔顶21，作为2级塔的喷淋液；第2级塔顶的轻同位素气体在压力驱动下通过气相管道24返回第1级塔釜10。第1塔顶的轻同位素蒸汽从顶部的废气管道14排出。
后面级联输送同上所述。5座低温精馏塔组成水平塔级联，塔径依次减小。具体来说，低温液体泵111将第一级精馏塔12的塔釜输出的液体自第二级精馏塔22 的顶部输入，在精馏塔内装填锯齿型波纹填料23，塔内汽、液两相在填料表面进行交换精馏，轻同位素组分在塔顶得到富集，重同位素组分在塔釜得到富集。塔内的液体在位于塔釜的再沸器29内被加热汽化，转变为气相。第2级塔釜的液体经过一液相管道28，被低温液体泵211输送，进入第3级塔顶31，作为3级塔的喷淋液；第3级塔顶的轻同位素气体在压力驱动下通过气相管道34返回第2级塔釜 20。
低温液体泵211将第二级精馏塔22的塔釜输出的液体自第三级精馏塔32的顶部输入，在精馏塔内装填锯齿型波纹填料33，塔内汽、液两相在填料表面进行交换精馏，轻同位素组分在塔顶得到富集，重同位素组分在塔釜得到富集。塔内的液体在位于塔釜的再沸器39内被加热汽化，转变为气相。第3级塔釜的液体经过一液相管道38，被低温液体泵311输送，进入第4级塔顶41，作为4级塔的喷淋液；第4级塔顶的轻同位素气体在压力驱动下通过气相管道44返回第3级塔釜30。
低温液体泵311将第三级精馏塔32的塔釜输出的液体自第四级精馏塔42的顶部输入，在精馏塔内装填锯齿型波纹填料43，塔内汽、液两相在填料表面进行交换精馏，轻同位素组分在塔顶得到富集，重同位素组分在塔釜得到富集。塔内的液体在位于塔釜的再沸器49内被加热汽化，转变为气相。第4级塔釜的液体经过一液相管道48，被低温液体泵411输送，进入第5级塔顶51，作为5级塔的喷淋液；第5级塔顶的轻同位素气体在压力驱动下通过气相管道54返回第4级塔釜40。
低温液体泵411将第四级精馏塔42的塔釜输出的液体自第五级精馏塔52的顶部输入，在精馏塔内装填锯齿型波纹填料53，塔内汽、液两相在填料表面进行交换精馏，轻同位素组分在塔顶得到富集，重同位素组分在塔釜得到富集。塔内的液体经过一液相管道58导入至位于塔釜的再沸器59内被加热汽化，转变为丰度为 99％的13CO产品，从第5级塔釜通过管道531引出。第5级塔顶的轻同位素气体在压力驱动下通过气相管道54返回第4级塔釜40。
对比例
图5是传统生产13C的垂直级联流程图。
该分离装置由主塔和副塔组成。主塔由两段组成，第一级由6根塔径为5cm、长100m的多管塔并列组成；第二级为长100m、塔径为5cm的一根塔构成，两级组成垂直级联。塔内装散堆填料，两段垂直并接，总长200m。该种方法的特点是采用垂直级联，前一级塔釜的液体依靠自重直接进入次级塔顶，次级塔顶的气体自然上升进入前级塔的塔釜，级联容易实现，缺点是精馏塔特别高达200米、需要大量直径很小的管并列来提高产量、场地要求高。直接精馏13C产品丰度只能达到 81.9％。主塔的产品在钨管内、1200℃下经同位素转化装置高温反应：
转化后进入另一座长55m的副塔中进一步精馏富集到99％13C。
这种垂直级联工艺的缺点是：装置有数百米的高度要求，施工难度极大；同时副塔顶45％的13C产品没法直接利用，只能排放，造成了产品的损失；此外，多管塔结构复杂，单根泄漏或效率低下将导致整个级联的效率。

Claims (5)

1.生产高丰度13C的低温精馏多塔级联节能装置，其特征在于，该级联节能装置为2-20座塔径依次减小的精馏塔组成水平塔级联，
精馏塔内装填板波纹填料、丝网波纹填料或锯齿型波纹填料，
含有碳元素的原料从第1级精馏塔中部进入，第1级精馏塔的塔顶分别通过气相管道和液相管道连接1只冷凝器，其余各级精馏塔没有设置冷凝器；
每级精馏塔的塔釜均连接有再沸器，前级精馏塔塔釜经液相管道连接到次级精馏塔塔顶，次级精馏塔塔顶的轻同位素气体经气相管道连接到前级精馏塔塔釜，前级精馏塔塔釜的中同位素液体通过液体泵输送到次级精馏塔塔顶；
第1级精馏塔塔顶的轻同位素蒸汽从顶部的废气管道排出，最后一级精馏塔釜为丰度不小于99％的13C产品，通过管道引出，塔釜没有气相返回；
前一级精馏塔塔釜的液体通过低温液体泵输送到次级精馏塔塔顶，作为次级精馏塔的喷淋液；次级精馏塔塔顶的蒸汽通过压力返回前级精馏塔塔釜；
含有碳元素的原料为CO或CH4；最后一座精馏塔的再沸比为100-200，其余精馏塔的再沸比为0-20但不为0；各级精馏塔内压力为0.5-5bar，气相动能因子为0.3-1.5m/s(kg/m3)1/2；所述的精馏塔的塔径为50-5000mm。
2.根据权利要求1所述的生产高丰度13C的低温精馏多塔级联节能装置，其特征在于，同位素的分离在含有同位素的液体和其蒸汽在精馏塔内设置的填料表面完成。
3.根据权利要求1所述的生产高丰度13C的低温精馏多塔级联节能装置，其特征在于，所述的板波纹填料、丝网波纹填料或锯齿型波纹填料的比表面积为1000-2000m2/m3。
4.根据权利要求1或3所述的生产高丰度13C的低温精馏多塔级联节能装置，其特征在于，所述的板波纹填料、丝网波纹填料或锯齿型波纹填料的材料为不锈钢、铜、铝或其氧化物及合金。
5.根据权利要求1所述的生产高丰度13C的低温精馏多塔级联节能装置，其特征在于，各精馏塔联之间还设有实现同位素在分子内的重排同位素扰频器，该同位素扰频器内充装材料为Ni、Co、Cu、Zn、Cr、Al、Mg、Fe、Ti、Zr、Mn、Mo、Ca、B、Ba、W、Ru、Rh、Th、La、Ta、Pd、Ir、Pt、Au、Ag的金属单质，或其合金、氧化物中的一种或多种，扰频器工作温度为20℃～600℃。
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