一种高效低成本的氢同位素氧化物分离工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种高效低成本的氢同位素氧化物分离工艺，主要包括对原料水净化，将净化后端原料水进行精馏分离，在精馏分离过程中将精馏塔顶蒸气通过加压升温，在降膜换热器中与塔底富集水进行高效换热，利用蒸气冷凝潜热提供塔底富集水蒸发所需热量，避免了塔顶蒸气热量被冷却水带走而塔底富集水又额外输入大量热量进行蒸发的弊端，实现了整体精馏分离工艺能耗的显著降低；同时通过能量集成优化，利用精馏塔输出的较高温度液体对原料水进行预热，进一步提升能量利用效率。本发明专利技术工艺流程简单、装置操作便捷、系统稳定性好，可以实现精馏单元能耗60～85％的降低。本发明专利技术可改善目前氢同位素氧化物分离体系分离成本高的现状，具有非常显著的工程应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种高效低成本的氢同位素氧化物分离工艺
本专利技术涉及氢同位素分离
，具体地讲，是涉及一种高效低成本的氢同位素氧化物分离工艺。
技术介绍
氢同位素包括氕(1H)、氘(2H或D)、氚(3H或T)三种核素，氕和氘是稳定氢同位素，而氚具有放射性。氢同位素存在不同形态氧化物，包括H2O、HDO、D2O、HTO、DTO、T2O共六种形态。氢同位素氧化物的分离工艺在民用、核电、聚变能源和军工等领域都具有极其重要的地位。氕-氚氧化物的分离体系，对核电和聚变能源发展不可或缺。我国针对内陆核电规定了极为严苛的排放标准，要求厂址排放口下游1km处氚活度不高于100Bq/L(GB14587)；核工业快速发展，核燃料后处理需求显著增加，大量含氚废水必须妥善处置。大体积、低氚浓度的含氚废水的高效、低成本技术已成为瓶颈。聚变反应堆运行过程会产生大量工艺含氚水，水中氚的提取与净化决定着聚变堆的自持和稳定运行。氘-氚氧化物体系的分离，在重水反应堆的慢化剂净化、重水提氚等领域至关重要。重水堆慢化剂氚积累到一定程度，必须进行去氚净化，否则会影响堆的稳定运行。且重水提氚本身具有重要的经济和战略价值，可以提取昂贵的氚，为聚变堆首炉用氚和其他领域提供氚源。非氚的氕-氘分离体系，是重水生产、水去氘的关键技术。天然水中的氘含量约为140～150ppm，约每6600个氢原子中含1个氘原子(其余均为氕原子)。水中氘的预浓集，是重水生产的必要步骤，也是决定重水生产成本的关键环节。与氘的富集相对的是水中氘的去除，形成氘浓度低于天然浓度的水，即所谓的低氘水或贫氘水。已有研究表明应用低氘水就有提升机体免疫能力、延缓衰老、增强代谢等功效，并在临床辅助治疗肺癌、宫颈癌、鼻咽癌、乳腺癌和肝癌等癌症的过程中显示一定功效，因而目前已引起研究者和民众的广泛关注。就氢同位素氧化物的分离方法而言，主要包括化学交换法、精馏法、电解法、色谱分离法、热扩散法、膜扩散吸附法、离心法、激光法等。但作为工业化生产的方法，有大规模使用价值的方法主要有化学交换法、电解法和精馏法。化学交换法基于不同温度条件下氢同位素氧化物在各相的分配系数不同而实现分离，有代表性的如水-氢双温交换法，但该法涉及多塔变温控制，操作复杂，设备投资成本高，且多涉及腐蚀性的氢载体如硫化氢。将催化交换与电解方法结合，虽然可以显著提高分离效率，但该过程使用大量贵金属催化剂，产能有限，同时电耗投入极高。精馏法利用不同组分蒸气压的差别实现分离目的，尽管组分蒸气压相差甚小，平衡推动力较小，但通过增加平衡级或级联运行等方式可以实现大规模处理，同时该法操作简单可靠，生产过程无污染，兼有固定投资少、运维成本低等诸多优点，因而备受关注。传统精馏工艺中，塔釜物料被加热汽化；汽化后进入精馏塔内与下行液相物料传质传热，不断汽化冷凝，实现轻重组分在两相的分配；上行蒸气最终到达塔顶被冷凝，部分作为产品采出，部分回流至塔内。在整体精馏过程中，绝大部分的热量用于塔底液相沸腾和塔顶蒸气冷凝，对应相变过程的能耗极大。传统精馏技术主要通过优化操作条件、塔结构、提升反应精馏催化剂性能等方式进行优化，但改进空间有限，节能效果并不显著。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在分离成本高的问题，本专利技术提供一种高效低成本的氢同位素氧化物分离工艺。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种高效低成本的氢同位素氧化物分离工艺，包括以下步骤：S10、对原料水进行净化，去除杂质；S20、对净化后的原料水精馏分离：S21、将净化后的原料水依次经过一级换热器和二级换热器进行换热升温，当其温度达到指定物料温度后从指定进料口输入精馏塔内；S22、输入的原料水在精馏塔内形成上行蒸气和下行液体，并在塔内填料表面进行氢同位素交换反应，实现氢同位素转移，使上行蒸气中的重组分含量降低在塔顶形成贫化蒸气，下行液体中的重组分含量提升在塔底形成富集水；S23、从塔底采出设定流量的富集水输入一级换热器中作为对原料水的一次换热源，其余富集水输入降膜换热器中，与从塔顶输出并加压升温形成的贫化压缩蒸气进行高效换热，将富集水液相蒸发后，再从指定蒸气入口返回精馏塔内继续进行氢同位素交换反应；S24、在降膜换热器中换热后的贫化压缩蒸气自身冷凝为贫化液体后输入二级换热器中作为对原料水的二次换热源，贫化液体由此初步冷凝，并输入冷凝器中由制冷机组提供的冷却介质冷凝降温至与精馏塔塔顶的物料温度一致，形成贫化冷凝液体；S25、将贫化冷凝液体输入回流缓冲罐内，并按预设流量采出部分贫化冷凝液体作为贫化端产品，其余贫化冷凝液体按预设回流比例返回精馏塔塔顶继续进行氢同位素交换反应；S26、通过调整精馏分离过程的运行参数，实现不同程度的氢同位素分离，获得不同浓度的贫化端产品；其中，通过回流缓冲罐后接的气液分离器和真空泵为精馏分离过程维持所需的真空度。进一步地，所述步骤S10中，当原料水来自天然水源时，取水后依次进行沉降、初滤、精滤、吸附、反渗透处理后，形成纯净水作为精馏分离的原料水。所述步骤S10中，当原料水来自含氚废水时，从含氚废水存储的中转区引入，进行酸碱中和、除盐、过滤、吸附、反渗透处理后，形成深度净化的氢同位素液体作为精馏分离的原料水。更进一步地，所述高效低成本的氢同位素氧化物分离工艺，还包括：S31、将从回流缓冲罐采出的贫化端产品进行后置分离处理，形成可供输出的贫化水；S32、将从一级换热器进行换热降温的富集水进行后置分离处理，形成可供输出的富集水。具体地，所述精馏塔在运行时处于负压状态，塔顶压力为6～15kPa，塔内操作温度低于65℃，氢同位素氧化物分离因子提升超过2％。具体地，所述真空泵和冷凝器所需的冷却介质由制冷机组提供，介质温度5～15℃。具体地，所述塔内填料采用表面经涂层处理改善表面亲水性的金属填料。具体地，所述步骤S20中用于精馏分离的系统包括一级换热器、二级换热器、精馏塔、降膜换热器、压缩机、冷凝器、回流缓冲罐、气液分离器、真空泵和制冷机组，其中，所述一级换热器、二级换热器、精馏塔之间通过进液管道连通，净化后的原料水输入精馏塔的指定进料口；所述精馏塔上位于塔顶的气相出料口通过独立的气相出料管道依次连通压缩机和降膜换热器，用于对塔顶输出的贫化蒸气加压升温形成贫化压缩蒸气并在降膜换热器内进行高效换热；所述精馏塔上位于塔底的液相出料口通过独立的液相出料管道分别连通一级换热器和降膜换热器，用于在一级换热器内对原料水进行一次换热升温和在降膜换热器内与贫化压缩蒸气进行换热升温；所述降膜换热器通过富集水回流管道连通精馏塔的指定蒸气入口，用于将富集水液相蒸发后返回精馏塔，并且所述降膜换热器通过冷凝出料管道依次连通二级换热器、冷凝器和回流缓冲罐，用于将贫化液体输入二级换热器中对原料水进行二次换热升温，并使贫化液体在冷凝器内冷凝降温至精馏塔塔顶物料温度后输入回流缓冲罐；所述回流缓冲罐通过贫化水回流管道连通精馏塔塔顶的指定回流口，用于将部分贫化液体返回本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效低成本的氢同位素氧化物分离工艺，其特征在于，包括以下步骤：/nS10、对原料水进行净化，去除杂质；/nS20、对净化后的原料水精馏分离：/nS21、将净化后的原料水依次经过一级换热器和二级换热器进行换热升温，当其温度达到指定物料温度后从指定进料口输入精馏塔内；/nS22、输入的原料水在精馏塔内形成上行蒸气和下行液体，并在塔内填料表面进行氢同位素交换反应，实现氢同位素转移，使上行蒸气中的重组分含量降低在塔顶形成贫化蒸气，下行液体中的重组分含量提升在塔底形成富集水；/nS23、从塔底采出设定流量的富集水输入一级换热器中作为对原料水的一次换热源，其余富集水输入降膜换热器中，与从塔顶输出并加压升温形成的贫化压缩蒸气进行高效换热，将富集水液相蒸发后，再从指定蒸气入口返回精馏塔内继续进行氢同位素交换反应；/nS24、在降膜换热器中换热后的贫化压缩蒸气自身冷凝为贫化液体后输入二级换热器中作为对原料水的二次换热源，贫化液体由此初步冷凝，并输入冷凝器中由制冷机组提供的冷却介质冷凝降温至与精馏塔塔顶的物料温度一致，形成贫化冷凝液体；/nS25、将贫化冷凝液体输入回流缓冲罐内，并按预设流量采出部分贫化冷凝液体作为贫化端产品，其余贫化冷凝液体按预设回流比例返回精馏塔塔顶继续进行氢同位素交换反应；/nS26、通过调整精馏分离过程的运行参数，实现不同程度的氢同位素分离，获得不同浓度的贫化端产品；/n其中，通过回流缓冲罐后接的气液分离器和真空泵为精馏分离过程维持所需的真空度。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高效低成本的氢同位素氧化物分离工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S10、对原料水进行净化，去除杂质；
S20、对净化后的原料水精馏分离：
S21、将净化后的原料水依次经过一级换热器和二级换热器进行换热升温，当其温度达到指定物料温度后从指定进料口输入精馏塔内；
S22、输入的原料水在精馏塔内形成上行蒸气和下行液体，并在塔内填料表面进行氢同位素交换反应，实现氢同位素转移，使上行蒸气中的重组分含量降低在塔顶形成贫化蒸气，下行液体中的重组分含量提升在塔底形成富集水；
S23、从塔底采出设定流量的富集水输入一级换热器中作为对原料水的一次换热源，其余富集水输入降膜换热器中，与从塔顶输出并加压升温形成的贫化压缩蒸气进行高效换热，将富集水液相蒸发后，再从指定蒸气入口返回精馏塔内继续进行氢同位素交换反应；
S24、在降膜换热器中换热后的贫化压缩蒸气自身冷凝为贫化液体后输入二级换热器中作为对原料水的二次换热源，贫化液体由此初步冷凝，并输入冷凝器中由制冷机组提供的冷却介质冷凝降温至与精馏塔塔顶的物料温度一致，形成贫化冷凝液体；
S25、将贫化冷凝液体输入回流缓冲罐内，并按预设流量采出部分贫化冷凝液体作为贫化端产品，其余贫化冷凝液体按预设回流比例返回精馏塔塔顶继续进行氢同位素交换反应；
S26、通过调整精馏分离过程的运行参数，实现不同程度的氢同位素分离，获得不同浓度的贫化端产品；
其中，通过回流缓冲罐后接的气液分离器和真空泵为精馏分离过程维持所需的真空度。


2.根据权利要求1所述的高效低成本的氢同位素氧化物分离工艺，其特征在于，所述步骤S10中，当原料水来自天然水源时，取水后依次进行沉降、初滤、精滤、吸附、反渗透处理后，形成纯净水作为精馏分离的原料水。


3.根据权利要求1所述的高效低成本的氢同位素氧化物分离工艺，其特征在于，所述步骤S10中，当原料水来自含氚废水时，从含氚废水存储的中转区引入，进行酸碱中和、除盐、过滤、吸附、反渗透处理后，形成深度净化的氢同位素液体作为精馏分离的原料水。


4.根据权利要求1～3任一项所述的高效低成本的氢同位素氧化物分离工艺，其特征在于，还包括：
S31、将从回流缓冲罐采出的贫化端产品进行后置分离处理，形成可供输出的贫化水；
S32、将从一级换热器进行换热降温的富集水进行后置分离处理，形成可供输出的富集水。


5.根据权利要求1～3任一项所述的高效低成本...

【专利技术属性】
技术研发人员：白彬，宋江锋，陈长安，李佩龙，姜飞，文明，张志，姚军，封加波，田广，李时，张佳博，封禹，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院材料研究所，上海朱光亚战略科技研究院，
类型：发明
国别省市：四川;51