一种液相催化交换工艺制备低氘水的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及低氘水的制备领域，具体而言，涉及一种液相催化交换工艺制备低氘水的方法及装置。一种液相催化交换工艺制备低氘水的方法，包括以下步骤：将原料水和氢气通入催化交换柱中进行逆流反应，得到富氘水、贫氘氢气；贫氘氢气进行氧化反应，得到低氘水；催化交换柱采用多级串联的催化交换柱段连接而成，各柱段高径比不高于6‑8，催化交换柱段内混装填充有Pt基疏水催化剂和亲水填料，Pt基疏水催化剂和亲水填料的体积比为1:3‑4；催化交换柱段内还设置有气体和液体分布器。本发明专利技术通过限定催化交换柱的具体参数，使得反应高效，且操作条件温和，能耗低，工艺操作便捷，设备投资得到显著控制。

Method and device for preparing low deuterium water by liquid phase catalytic exchange process

The invention relates to the preparation field of low deuterium water, in particular to a method and a device for preparing low deuterium water by liquid phase catalytic exchange process. Method of preparing low deuterium water exchange process for liquid phase catalysis, which comprises the following steps: raw water and hydrogen into the catalytic exchange reaction column countercurrent, get rich water and deuterium depleted deuterium hydrogen; deuterium depleted hydrogen oxidation reaction, low deuterium water; catalytic exchange column by catalytic tandem exchange the column is connected to the column section height to diameter ratio is not higher than 6 8, catalytic exchange period of mixed column filled with Pt based hydrophobic catalysts and hydrophilic filler, Pt based hydrophobic catalysts and hydrophilic filler volume ratio of 1:3 4; catalytic exchange column section is arranged in the gas and liquid distributor. By limiting the specific parameters of the catalytic exchange column, the invention has the advantages of high reaction efficiency, mild operation condition, low energy consumption, convenient process operation and remarkable control of equipment investment.

【技术实现步骤摘要】
一种液相催化交换工艺制备低氘水的方法及装置
本专利技术涉及低氘水的制备领域，具体而言，涉及一种液相催化交换工艺制备低氘水的方法及装置。
技术介绍
氘是氢的稳定同位素，不同于氢原子只有一个质子，氘原子含有一个质子和一个中子，这也导致氢和氘的物理和化学性质的一定差异。自然界中含有特定浓度的氘，其丰度约150ppm，氘浓度低于该浓度的水被称为低氘水。人体内有60-70％的成分为水，水参与了生命体内几乎所有的反应，这其中也包括遗传物质DNA的演化。DNA控制分子系统的秩序，是机体衰老、癌症和免疫失调的根本原因。氘化学键比氢键断裂速率慢6倍以上，DNA转录复制中的随机错误发生在氘键上，就更难被修复酶纠正，从而发生在DNA上的错误的保持和积累，会对机体代谢和遗传产生一系列恶化影响。此外，氘置换氢原子在DNA的螺旋结构中产生附加应力，使得核糖核酸排列错乱，甚至导致基因突变，使得细胞产生缺陷的几率增加，提高癌症发生的可能性。试验研究表明，低氘水不仅可以活化人体细胞，明显促进酶反应；而且可以提高NK细胞活性值，增强人体免疫功能；同时，低氘水还可以抑制细胞癌变和癌细胞增殖，从而具有防癌保健功能。目前，水-氢双温交换法是较大规模生产低氘水的办法。基于氢氘在反应中非等几率平衡分布的特性，及交换反应分离因子随温度升高而减少的原理，进行氢氘的分离。冷塔内氘从气相向液相富集；热塔内氘由液相向气相的相转变加强，但分离因子减小；最终获得浓缩的氘水和贫氘氢气。但该法存在以下问题：过程包括液相催化交换和相转变过程，涉及高低温塔之间的物料循环，流量、温度等参数的操作控制复杂；工艺包括低温塔和高温塔，设备复杂，投资成本高；分离系数低，大规模生产需要多级并联，生产低氘水成本较高。此外，也有采用蒸馏法制备低氘水的方法，但其分离系数较小，需要多级串联处理，设备投入相对较大。限于现有技术的不足，低氘水制备成本偏高，难以真正实现大规模、低成本的生产。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
针对以上低氘水制备工艺的不足，本专利技术提供了一种低氘水制备的系统和实现方法，以简化生产工艺，降低操作难度，并减少设备投资。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：一种液相催化交换工艺制备低氘水的方法，包括以下步骤：将原料水和氢气通入催化交换柱中进行逆流反应，得到富氘水、贫氘氢气；所述贫氘氢气进行氧化反应，得到低氘水；所述催化交换柱采用多级串联的催化交换柱段连接而成，各柱段高径比不高于6-8，所述催化交换柱段内混装填充有Pt基疏水催化剂和亲水填料，所述Pt基疏水催化剂和亲水填料的体积比为1:3-4；所述催化交换柱段内还设置有气体和液体分布器。本专利技术提供的液相催化交换工艺制备低氘水的方法，在催化交换柱进行液相催化交换反应，催化交换柱为工艺核心反应器，该反应为氢-水同位素交换的一种反应，是相转变过程和催化交换两个过程的耦合，最终实现氢气中氘向水相的转移，具体反应如下：相转变：HDO(l)+H2O(v)→HDO(v)+H2O(l)催化交换：HDO(v)+H2(g)→HD(g)+H2O(v)耦合过程：HDO(l)+H2(g)→HD(g)+H2O(l)本专利技术制备低氘水采用普通去离子水和高纯氢气，原料易获取且有效控制了原料成本；催化交换柱内填充Pt基疏水催化剂和亲水填料，并限定两者混装填料以及两者的填装体积比例，使其分别提供充足的催化交换表面和相转变的表面，使得反应高效进行；催化交换柱内部设置气体和液体分布器，确保上行氢气和下流液体的分布均匀，抑制液泛现象的发生。本专利技术通过限定催化交换柱的具体参数，使得反应高效，且操作条件温和，能耗低，工艺操作便捷，设备投资得到显著控制。进一步地，Pt基疏水催化剂和亲水填料采用散装填料方式，将Pt基疏水催化剂负载在不锈钢金属毡上，并裁剪成θ环，而亲水填料采用不锈钢金属丝网的θ环，以提升反应原料的接触和反应效率。本专利技术中的催化交换柱可以为一个，也可以为多个并联设置，以增大低氘水的产量。为了便于反应的进行，得到更多的低氘水，进一步地，所述原料水和氢气的摩尔比为1:0.5-1。进一步地，原料水和氢气的反应温度为60±2℃，反应压力优选为微正压。原料水可采用催化交换柱底富氘水对其进行预热，工艺热效率高。进一步地，所述氧化反应采用贫氘氢气与Fe3O4反应得到所述低氘水。本专利技术还提供了实施上述液相催化交换工艺制备低氘水的方法的装置，包括催化交换柱，所述催化交换柱的顶端入口与原料水供应系统连接，所述催化交换柱的顶端出口与氧化系统连接，所述催化交换柱的底部入口与供气系统连接，所述催化交换柱的底部出口与富氘水储存装置连接；所述原料水供应系统包括原料水储备装置以及控制装置；所述供气系统包括氢气储备装置、惰性气体储备装置及其控制装置；所述氧化系统与低氘水收集系统连接。进一步地，所述催化交换柱上设置有加热保温层。更进一步地，交换柱加热保温层由内层的呈对称半圆环状的加热板和外层硅酸铝纤维棉层组成，还包括与加热带连接的继电器和PID温控仪。进一步地，所述装置还包括换热系统；所述换热系统包括第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器和冷水机组；所述第一冷凝器设置在所述原料水供应系统和催化交换柱之间，所述第二冷凝器设置在所述催化交换柱与所述氧化系统之间，所述第三冷凝器位于所述氧化系统与所述低氘水收集系统之间。优选地，所述富氘水储存装置还与所述第二冷凝器连接，用于收集第二冷凝器冷凝的低氘氢气中夹带的水蒸气。进一步地，述装置还包括监测控制系统，所述监测控制系统包括液位传感器、压力传感器、真空泵和真空规；所述液位传感器包括用于监测原料水储备装置液位的第一液位传感器、用于监测富氘水储存装置液位的第二液位传感器和用于监测低氘水收集装置液位的第三液位传感器；所述压力传感器包括监测氢气储备装置压力的第一压力传感器和监测惰性气体储备装置压力的第二压力传感器；真空泵和真空规用于系统启动时抽真空及惰性气体置换。本专利技术设置抽空系统，可以在运行前对系统进行抽真空处理，再进行惰性气体保护，确保系统安全稳定运行。优选地，所述惰性气体采用氮气。进一步地，所述原料水供应系统的控制装置包括计量泵和管路阀门；所述供气系统的控制装置包括气体质量流量计、减压阀及管路阀门，用于为液相催化交换反应提供高纯氢气，以及吹扫系统的惰性气体。氧化系统中的反应装置为固定床反应器，固定床反应器内填充粒度小于300nm的铁粉或Fe3O4，固定床反应器可以为一个也可以为多个，多个之间可以进行切换，从而使得Fe3O4不断再生，以达到生产的需求。作为优选，所述氧化系统包括均与所述第二冷凝器连接的呈并联关系的第一固定床反应器和第二固定床反应器、用于提供低氘水蒸汽的汽化器及连接管路的气相阀门和液相阀门，所述第一固定床反应器和所述第二固定床反应器外部均设置有加热器；所述第一固定床反应器和第二固定床反应器内填充粒度小于300nm的铁粉或Fe3O4，所述汽化器用于将固定床反应器中填充的Fe氧化为Fe3O4。本专利技术的贫氘氢气氧化系统设计了两套独立的固定床反应器，可以交替运行，互不影响，一套固定床反应器在进行贫氘氢气的氧化时，另一套进行反应介质Fe3O4再生，从而保证系统不间断运行，提升了系统工作效率。进一步地，所述氧化系统还包括氢气检测器，所述氢气检测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种液相催化交换工艺制备低氘水的方法，其特征在于，包括以下步骤：将原料水和氢气通入催化交换柱中进行逆流反应，得到富氘水、贫氘氢气；所述贫氘氢气进行氧化反应，得到低氘水；所述催化交换柱采用多级串联的催化交换柱段连接而成，各柱段高径比不高于6‑8，所述催化交换柱段内混装填充有Pt基疏水催化剂和亲水填料，所述Pt基疏水催化剂和亲水填料的体积比为1:3‑4；所述催化交换柱段内还设置有气体和液体分布器。

【技术特征摘要】
1.一种液相催化交换工艺制备低氘水的方法，其特征在于，包括以下步骤：将原料水和氢气通入催化交换柱中进行逆流反应，得到富氘水、贫氘氢气；所述贫氘氢气进行氧化反应，得到低氘水；所述催化交换柱采用多级串联的催化交换柱段连接而成，各柱段高径比不高于6-8，所述催化交换柱段内混装填充有Pt基疏水催化剂和亲水填料，所述Pt基疏水催化剂和亲水填料的体积比为1:3-4；所述催化交换柱段内还设置有气体和液体分布器。2.根据权利要求1所述的液相催化交换工艺制备低氘水的方法，其特征在于，所述原料水和氢气的摩尔比为1:0.5-1；优选地，所述原料水为天然丰度的去离子水。3.根据权利要求1所述的液相催化交换工艺制备低氘水的方法，其特征在于，原料水和氢气的反应温度为60±2℃，反应压力优选为微正压。4.根据权利要求1所述的液相催化交换工艺制备低氘水的方法，其特征在于，所述氧化反应采用贫氘氢气与Fe3O4反应得到所述低氘水。5.实施权利要求1-4任一项所述的液相催化交换工艺制备低氘水的方法的装置，其特征在于，包括催化交换柱，所述催化交换柱的顶端入口与原料水供应系统连接，所述催化交换柱的顶端出口与贫氘氢气氧化系统连接，所述催化交换柱的底部入口与供气系统连接，所述催化交换柱的底部出口与储存装置连接；所述原料水供应系统包括原料水储备装置以及控制装置；所述供气系统包括氢气储备装置、惰性气体储备装置及其控制装置；所述贫氘氢气氧化系统与低氘水收集系统连接。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括换热系统；所述换热系统包括第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器和冷水机组；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋江锋，李佩龙，文明，何康昊，陈闽，王劲川，周帅，邓立，胡俊，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