一种用于实现水去氚化的系统及其实现方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于实现水去氚化的系统，包括催化交换系统、氢气供料系统、含氚水供应系统、含氚氢气干燥与收集系统、低氚水收集系统、冷凝系统和检测控制装置。本发明专利技术可以满足水去氚化全部工艺需求，包括系统运行前抽真空处理、分子筛床交替干燥和活化的不间断处理工艺等，其不仅布局合理，大幅提高了含氚水净化效率，而且能获得高浓度的含氚氢气。同时，本发明专利技术操作便捷，能耗低，催化交换系统内气液相间接触面积大、传质系数大、反应效率高，并且流体能定向流动，能够定量控制水去氚化效率。本发明专利技术催化交换装置结构简单，比传统水去氚化交换柱高度显著降低，设备投资和催化剂投资大幅缩减。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及化工和核技术及设备领域，具体涉及的是一种用于实现水去氚化的系统及其实现方法。
技术介绍
氚是氢的放射性同位素，在军工和核电领域都至关重要。核武器制造和聚变堆运行都会涉及大量氚的操作，部分氚最终以氚化水形式存在；核电站运行过程也会产生大量的含氚废水。如果这些含氚废水得不到合理处理，将会造成严重的环境污染。同时，氚是自然界中的极其微量的元素，本身具有极高的价值，含氚水中氚的回收具有很高的经济价值。因此，开发高效、节能、环保、低成本的水去氚化技术和装备，对于回收含氚水中的氚元素，并使含氚水达到排放指标，都具有非常重要的意义。液相催化交换(LPCE)技术是目前相对成熟的水去氚化技术，采用多节串联的催化交换柱以实现更高的反应效率和处理量，但是该技术的不足之处在于设备复杂、安装高度高、加工成本高；而采用的Pt基催化剂价格昂贵，多节串联的交换柱填充催化剂总量大，费用高；同时，交换柱内气液相停留时间难以控制，无法定量准确地控制反应后低氚水和含氚氢气的氚含量。而与其对应的水去氚化工艺处理含氚水的效率低、成本高，也不能灵活控制反应后气液相的氚含量。因此，有必要对现有的水去氚化技术进行改进。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种用于实现水去氚化的系统及其实现方法，可方便、准确地控制反应后气液相的氚含量，满足水去氚化过程全部工艺需求。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种用于实现水去氚化的系统，包括催化交换系统、氢气供料系统、含氚水供应系统、含氚氢气干燥与收集系统、低氚水收集系统、冷凝系统和检测控制装置；所述催化交换系统包括顶盖、外筒、中心区进气管、环隙区进气管、烧结板、带有导流孔的导流筒、涂覆了疏水催化剂的θ环填料、含氚水进水管、含氚氢气排气管、环管式分布器和低氚水出水管；所述顶盖设置在外筒顶部，所述环管式分布器位于外筒内部并靠近顶盖，所述含氚水进水管和含氚氢气排气管则均穿入顶盖与外筒内部连通，并且含氚水进水管还与环管式分布器连接；所述导流筒设置在外筒内部底部，并将外筒内部底部空间分隔为中心区和环隙区，所述中心区进气管由外筒底部穿入并与导流筒连通；所述环隙区进气管与外筒底部连通；所述烧结板固定在外筒内部，并位于导流筒下方，其将外筒底部分隔出一个氢气进气缓冲腔体；所述θ环填料分别填装于中心区和环隙区内；所述低氚水出水管与外筒外壁连接并与环隙区连通；所述氢气供料系统同时与中心区进气管和环隙区进气管连接，用于同时向中心区和环隙区内通入高纯氢气；所述含氚水供应系统分别与含氚水进水管和低氚水出水管连接，用于向外筒内通入含氚水以及回收低氚水出水管排出的氚浓度未达标的含氚水；所述含氚氢气干燥与收集系统包括通过管道与含氚氢气排气管连接的第一冷凝器，均与该第一冷凝器连接、且呈并联关系的第一分子筛干燥床和第二分子筛干燥床，设置在第一分子筛干燥床上、用于加热第一分子筛干燥床的第一加热器，设置在第二分子筛干燥床上、用于加热第二分子筛干燥床的第二加热器，均同时与第一分子筛干燥床和第二分子筛干燥床连接的气体压缩机和干燥气体加热器，与气体压缩机连接的含氚氢气产品罐，同时与第一分子筛干燥床和第二分子筛干燥床连接、用于活化时除去分子筛干燥床中的水蒸气的第二冷凝器，以及与该第二冷凝器连接的气体循环泵；所述含氚氢气产品罐还通过一传输管路与氢气供料系统连接；所述低氚水收集系统与低氚水出水管连接，用于收集由低氚水出水管排出的低氚水；所述冷凝系统包括同时与第一冷凝器和第二冷凝器连接、用于提供冷源的冷凝水箱，与第一冷凝器连接、用于收集由其传输出来的冷凝含氚水的第三液体质量流量计，与第二冷凝器连接、用于收集由其传输出来的冷凝含氚水的第二液体质量流量计，以及同时与第三液体质量流量计、第二液体质量流量计和含氚水供应系统连接的冷凝水储藏罐；所述检测控制装置同时与催化交换系统、氢气供料系统、含氚水供应系统、含氚氢气干燥与收集系统、低氚水收集系统、冷凝系统连接，用于监测和控制系统的压力、液位、温度、湿度和氚含量，并在系统使用前对其进行抽真空预处理。进一步地，所述θ环填料由玻璃棉毡或80～200目不锈钢丝网，经涂覆Pt基疏水催化剂、切割和卷压成型制得；同时所述θ环填料的高径比为1～1.2，并且θ环填料的填装高度不超过导流筒高度。再进一步地，本专利技术还包括控温装置和保温层；所述控温装置包括套在外筒外部、且呈对称半圆环状结构的加热板，与该加热板连接的固态继电器，以及与该固态继电器连接的PID温控仪；所述保温层包裹在加热板和外筒外部。再进一步地，所述环隙区和中心区的横截面面积比为2.5～5。具体地说，所述氢气供料系统包括与中心区进气管连接的第四气体质量流量计，与环隙区进气管连接的第五气体质量流量计，同时与第四气体质量流量计和第五气体质量流量计连接的减压阀，以及与该减压阀连接的高纯氢气储罐；所述高纯氢气储罐连接有一用于补充高纯氢气的管路，且该管路中设有第三气体质量流量计；所述高纯氢气储罐与传输管路连接，并且在传输管路上还设有第二气体质量流量计。具体地说，所述含氚水供应系统包括与含氚水进水管连接的计量泵，以及与该计量泵连接的待处理含氚水储罐；所述低氚水出水管通过回收管道与待处理含氚水储罐连接，且该回收管道中还设有第六液体质量流量计；所述冷凝水储藏罐也通过管道与待处理含氚水储罐连接。具体地说，所述低氚水收集系统包括与低氚水出水管连接的第四液体质量流量计，以及与该第四液体质量流量计连接的低氚水产品罐。具体地说，所述检测控制装置包括与待处理含氚水储罐连接的第一液位仪，与冷凝水储藏罐连接的第二液位仪，与低氚水产品罐连接的第三液位仪，均与外筒连接的用于监测其内部温度的温度传感器和第一压力传感器，与高纯氢气储罐连接的第三压力传感器，与减压阀连接的第四压力传感器，连接在第一冷凝器和第一分子筛干燥床之间的第一露点仪，与第二分子筛干燥床连接的第二露点仪，分别与气体加热器和气体循环泵连接的第三露点仪，用于系统初始抽真空的第一真空泵、第二真空泵和真空规，以及用于检测低氚水出口氚浓度的磁质谱仪和用于测量氢气氚含量的四极质谱仪。基于上述系统结构，本专利技术还提供了该水去氚化系统的实现方法，包括以下步骤：(1)对催化交换系统进行保压测试，并利用检测控制装置对整个水去氚化系统进行抽真空处理，直至真空度达到5Pa以下；(2)启动控温装置，对外筒内部进行预热；(3)预热结束后，通过高纯氢气储罐分别向中心区和环隙区中通入高纯氢气，然后通过...

【技术保护点】
一种用于实现水去氚化的系统，其特征在于，包括催化交换系统(13)、氢气供料系统、含氚水供应系统、含氚氢气干燥与收集系统、低氚水收集系统、冷凝系统和检测控制装置；所述催化交换系统(13)包括顶盖、外筒(5)、中心区进气管(1)、环隙区进气管(2)、烧结板(3)、带有导流孔的导流筒(4)、涂覆了疏水催化剂的θ环填料(6)、含氚水进水管(7)、含氚氢气排气管(8)、环管式分布器(9)和低氚水出水管(12)；所述顶盖设置在外筒(5)顶部，所述环管式分布器(9)位于外筒(5)内部并靠近顶盖，所述含氚水进水管(7)和含氚氢气排气管(8)则均穿入顶盖与外筒内部连通，并且含氚水进水管(7)还与环管式分布器(9)连接；所述导流筒(4)设置在外筒(5)内部底部，并将外筒内部底部空间分隔为中心区和环隙区，所述中心区进气管(1)由外筒(5)底部穿入并与导流筒(4)连通；所述环隙区进气管(2)与外筒(5)底部连通；所述烧结板(3)固定在外筒(5)内部，并位于导流筒(4)下方，其将外筒(5)底部分隔出一个氢气进气缓冲腔体；所述θ环填料(6)分别填装于中心区和环隙区内；所述低氚水出水管(12)与外筒(5)外壁连接并与环隙区连通；所述氢气供料系统同时与中心区进气管(1)和环隙区进气管(2)连接，用于同时向中心区和环隙区内通入高纯氢气；所述含氚水供应系统分别与含氚水进水管(7)和低氚水出水管(12)连接，用于向外筒(5)内通入含氚水以及回收低氚水出水管(12)排出的氚浓度未达标的含氚水；所述含氚氢气干燥与收集系统包括通过管道与含氚氢气排气管(8)连接的第一冷凝器(24)，均与该第一冷凝器(24)连接、且呈并联关系的第一分子筛干燥床(31)和第二分子筛干燥床(35)，设置在第一分子筛干燥床(31)上、用于加热第一分子筛干燥床的第一加热器(30)，设置在第二分子筛干燥床(31)上、用于加热第二分子筛干燥床的第二加热器(34)，均同时与第一分子筛干燥床(31)和第二分子筛干燥床(35)连接的气体压缩机(41)和干燥气体加热器(44)，与气体压缩机(41)连接的含氚氢气产品罐(56)，同时与第一分子筛干燥床(31)和第二分子筛干燥床(35)连接、用于活化时除去分子筛干燥床中的水蒸气的第二冷凝器(49)，以及与该第二冷凝器(49)连接的气体循环泵(50)；所述含氚氢气产品罐(56)还通过传输管路与氢气供料系统连接；所述低氚水收集系统与低氚水出水管(12)连接，用于收集由低氚水出水管排出的低氚水；所述冷凝系统包括同时与第一冷凝器(24)和第二冷凝器(49)连接、用于提供冷源的冷凝水箱(27)，与第一冷凝器(24)连接、用于收集由其传输出来的冷凝含氚水的第三液体质量流量计(72)，与第二冷凝器(49)连接、用于收集由其传输出来的冷凝含氚水的第二液体质量流量计(68)，以及同时与第三液体质量流量计(72)、第二液体质量流量计(68)和含氚水供应系统连接的冷凝水储藏罐(69)；所述检测控制装置同时与催化交换系统(13)、氢气供料系统、含氚水供应系统、含氚氢气干燥与收集系统、低氚水收集系统、冷凝系统连接，用于监测和控制系统的压力、液位、温度、湿度和氚含量，并在系统使用前对其进行抽真空预处理。...

【技术特征摘要】
1.一种用于实现水去氚化的系统，其特征在于，包括催化交换系统(13)、氢气供料系
统、含氚水供应系统、含氚氢气干燥与收集系统、低氚水收集系统、冷凝系统和检测控制装
置；
所述催化交换系统(13)包括顶盖、外筒(5)、中心区进气管(1)、环隙区进气管(2)、
烧结板(3)、带有导流孔的导流筒(4)、涂覆了疏水催化剂的θ环填料(6)、含氚水进水管
(7)、含氚氢气排气管(8)、环管式分布器(9)和低氚水出水管(12)；所述顶盖设置在外
筒(5)顶部，所述环管式分布器(9)位于外筒(5)内部并靠近顶盖，所述含氚水进水管(7)
和含氚氢气排气管(8)则均穿入顶盖与外筒内部连通，并且含氚水进水管(7)还与环管式
分布器(9)连接；所述导流筒(4)设置在外筒(5)内部底部，并将外筒内部底部空间分隔
为中心区和环隙区，所述中心区进气管(1)由外筒(5)底部穿入并与导流筒(4)连通；所
述环隙区进气管(2)与外筒(5)底部连通；所述烧结板(3)固定在外筒(5)内部，并位
于导流筒(4)下方，其将外筒(5)底部分隔出一个氢气进气缓冲腔体；所述θ环填料(6)
分别填装于中心区和环隙区内；所述低氚水出水管(12)与外筒(5)外壁连接并与环隙区连
通；
所述氢气供料系统同时与中心区进气管(1)和环隙区进气管(2)连接，用于同时向中
心区和环隙区内通入高纯氢气；
所述含氚水供应系统分别与含氚水进水管(7)和低氚水出水管(12)连接，用于向外
筒(5)内通入含氚水以及回收低氚水出水管(12)排出的氚浓度未达标的含氚水；
所述含氚氢气干燥与收集系统包括通过管道与含氚氢气排气管(8)连接的第一冷凝器
(24)，均与该第一冷凝器(24)连接、且呈并联关系的第一分子筛干燥床(31)和第二分子
筛干燥床(35)，设置在第一分子筛干燥床(31)上、用于加热第一分子筛干燥床的第一加热
器(30)，设置在第二分子筛干燥床(31)上、用于加热第二分子筛干燥床的第二加热器(34)，
均同时与第一分子筛干燥床(31)和第二分子筛干燥床(35)连接的气体压缩机(41)和干
燥气体加热器(44)，与气体压缩机(41)连接的含氚氢气产品罐(56)，同时与第一分子筛
干燥床(31)和第二分子筛干燥床(35)连接、用于活化时除去分子筛干燥床中的水蒸气的
第二冷凝器(49)，以及与该第二冷凝器(49)连接的气体循环泵(50)；所述含氚氢气产品
罐(56)还通过传输管路与氢气供料系统连接；
所述低氚水收集系统与低氚水出水管(12)连接，用于收集由低氚水出水管排出的低氚
水；
所述冷凝系统包括同时与第一冷凝器(24)和第二冷凝器(49)连接、用于提供冷源的

\t冷凝水箱(27)，与第一冷凝器(24)连接、用于收集由其传输出来的冷凝含氚水的第三液体
质量流量计(72)，与第二冷凝器(49)连接、用于收集由其传输出来的冷凝含氚水的第二液
体质量流量计(68)，以及同时与第三液体质量流量计(72)、第二液体质量流量计(68)和
含氚水供应系统连接的冷凝水储藏罐(69)；
所述检测控制装置同时与催化交换系统(13)、氢气供料系统、含氚水供应系统、含氚
氢气干燥与收集系统、低氚水收集系统、冷凝系统连接，用于监测和控制系统的压力、液位、
温度、湿度和氚含量，并在系统使用前对其进行抽真空预处理。
2.根据权利要求1所述的一种用于实现水去氚化的系统，其特征在于，所述θ环填料(6)
由玻璃棉毡或80～200目不锈钢丝网，经涂覆Pt基疏水催化剂、切割和卷压成型制得；同时
所述θ环填料(6)的高径比为1～1.2，并且θ环填料(6)的填装高度不超过导流筒高度。
3.根据权利要求2所述的一种用于实现水去氚化的系统，其特征在于，还包括控温装置
和保温层(11)；所述控温装置包括套在外筒(5)外部、且呈对称半圆环状结构的加热板(10)，
与该加热板(10)连接的固态继电器，以及与该固态继电器连接的PID温控仪；所述保温层
(11)包裹在加热板(10)和外筒(5)外部。
4.根据权利要求3所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：李佩龙，熊仁金，周帅，郭莉，宋江锋，姚勇，安永涛，陈长安，罗德礼，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51