¹³C是一种重要的稳定同位素,在生物医药、自然科学领域的应用十分普遍。特别是近年来,伴随着临床上用于诊断幽门螺杆菌的¹³C呼气试验的快速发展,对¹³C的需求也与日俱增。然而¹³C天然丰度只有1.11%,分离系数仅为1.007左右,分离难度大,要获得99%高丰度的¹³C产品必须借助多塔级联技术。本论文采用“计算机模拟+试验验证”的研究方法,进行低温精馏级联装置的优化研究,聚焦于搭建一个稳定可靠的数值模拟平台,借助模拟软件对试验过程进行有效预测和寻优分析,给出现有级联装置的优化试验条件,具体内容如下:⑴建立了低温精馏分离¹³C二塔级联的计算模型,回归了各CO同位素分子的Antoine方程参数,并完成了Aspen Plus数据库中关于同位素组分物性参数的补充,建立水平级联算法,利用前期单塔试验过程中不同条件下的操作参数进行验证模拟,最大误差仅4.76%,说明了该模型及物性参数可以真实地反应CO同位素低温精馏分离过程的特点。⑵计算了二塔级联中试装置的基础操作参数和产品指标,并对级联试验进行预测模拟,在此基础上开展了级联试验。试验结果显示,装置在出料量为10ml/min的工况下,获得了丰度为10.7%的产品。与校核模拟的结果相比,误差为4.67%。⑶对二塔级联装置进行了单因素影响分析,考察了原料进料量、级间输送量、产品出料量、操作压强、前级塔塔釜加热功率对产品丰度的影响。在此基础上,采用均匀试验设计法,综合考察了原料进料量、级间输送量、前级塔釜加热量对产品丰度的影响,在综合考虑产品丰度和能耗的情况下,给出该级联系统的优化操作条件,并完成优化试验验证,装置在出料量为20ml/min的工况下,获得了丰度为14.0%的产品,与校核模拟的结果相比,误差为5.79%。研究表明,本论文所建立的数学模型是准确可靠的,“计算机模拟+试验验证”的研究方法也是科学高效的,可以应用于¹³C产业化装置的设计和优化,将极大地减小研究成本、缩短研发时间,提高研发水平。