一种氢同位素水分离系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种氢同位素水分离系统及方法，包括原料水储罐、轻同位素储水罐、中丰度氢同位素水储罐、重同位素水储罐、缓冲罐、循环泵、两个吸水床组和至少一个分离柱；每个分离柱的进料口都与原料水储罐的出水管和循环泵的出气口连通，吸水床组包括两个分子筛床，轻同位素储水罐和每个分子筛床都与每个分离柱的出料口连通，分离柱的出料口上设置有露点仪，中丰度氢同位素水储罐与第一吸水床组中的出水口连通，重同位素水储罐与第二吸水床组中的出水口连通，同一个吸水床组中的两个分子筛床的蒸汽出口并联后分别通过一个汇流管与缓冲罐连通，缓冲罐上设置有注气管，循环泵的进气口与缓冲罐连通。本发明专利技术降低了氢同位素水分离的成本。离的成本。离的成本。

A hydrogen isotope water separation system and method

【技术实现步骤摘要】
一种氢同位素水分离系统及方法


[0001]本专利技术涉及水处理
，特别是涉及一种氢同位素水分离系统及方法。

技术介绍

[0002]氢同位素水包括轻水(H2O)、重水(D2O)和氚水(T2O)及相应的组合形态(HDO、HTO、DTO)。氘含量很高的重水(D2O)有极其重要的用途，重水可以用作核反应堆的慢化剂，减小中子速度，控制核裂变过程；重水在研究化学和生理变化中是一种宝贵的示踪材料，如可以测定水在植物及动物体中的新陈代谢过程；此外，核磁共振分析若研究对象是氢，也采用重水作为溶剂。另外，氚是重要的战略物资，从氚水中进行氚的分离回收具有重要的经济价值和军事用途。此外，低氘水是指氘含量低于150ppm的水，低氘水有多种有益于人体的生物效应：活化人体细胞、增强人体免疫力、防癌保健功能等。低氘水是结合癌症治疗的重要辅助产品。
[0003]目前氢同位素水的分离方法主要有高塔分层蒸馏法和水/氢双温交换法等。蒸馏法基于氢同位素水的不同挥发性，在气、液两相共存期间可以发生氢同位素分离。蒸汽在上升过程中，轻同位素水由于挥发度较高在柱顶端被逐渐富集，液体在逐级溢流到塔底的过程中，重同位素水由于挥发度较低在柱底端被逐渐富集。水蒸馏法的优点是不需要使用催化剂或化学试剂，生产工艺简单、成熟；但由于分离系数很小，约1.03～1.06，因此需要串联很多分离级，故设备高大、复杂，建设投资大；此外，由于需要反复冷凝及汽化，生产过程中需要处理的水量非常大，能源消耗大，运行费用高。水/氢双温交换法是基于氢同位素在各反应分子间的非等几率平衡分布特性，交换反应的分离系数α随温度变化而变化，当温度越高α越趋于1。在冷塔内重氢同位素自气相向液相中富集，在热塔中因温度升高α减小，所以发生相反的传质过程，即重氢同位素又从液相转入气相内。这样利用低温主塔即冷塔进行富集，用高温辅助塔即热塔实现相转换，从而获得轻同位素水。但水/氢双温交换法的工业化应用存在下述问题：一方面是冷塔必须使用价格昂贵的铂基疏水催化剂作为填料，系统建造成本较高；另一方面是水/氢同位素的交换反应包括液相催化交换和蒸汽相催化交换两个连续过程，温度及流量等参数控制较为复杂。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种氢同位素水分离系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题，降低氢同位素水分离的成本。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]本专利技术提供了一种氢同位素水分离系统，包括原料水储罐、轻同位素储水罐、中丰度氢同位素水储罐、重同位素水储罐、缓冲罐、循环泵、两个吸水床组和至少一个分离柱；每个所述分离柱内都设置有第一电加热棒、填料和测温热电偶，每个所述分离柱上都设置有一个温度控制器，所述第一电加热棒和所述测温热电偶分别与所述温度控制器电连接，所述填料为强酸性阳离子交换树脂，每个所述分离柱的进料口都与所述原料水储罐的出水管
和所述循环泵的出气口连通，所述原料水储罐的出水管上设置有计量泵，所述吸水床组包括两个分子筛床，所述轻同位素储水罐和每个所述分子筛床都与每个所述分离柱的出料口连通，所述分离柱的出料口上设置有露点仪，两个所述吸水床组分别为第一吸水床组和第二吸水床组，所述中丰度氢同位素水储罐与所述第一吸水床组中的两个所述分子筛床的出水口连通，所述重同位素水储罐与另所述第二吸水床组中的两个所述分子筛床的出水口连通，同一个所述吸水床组中的两个所述分子筛床的蒸汽出口并联后分别通过一个汇流管与所述缓冲罐连通，两个所述汇流管上分别设置有流量控制器，所述缓冲罐上设置有注气管，所述循环泵的进气口与所述缓冲罐连通。
[0007]优选的，所述分离柱为至少两个时，部分或全部所述分离柱串联，且相串联的两个所述分离柱之间的连接管路上设置有阀门。
[0008]优选的，相串联的两个所述分离柱之间的连接管路上包裹有隔热套。
[0009]优选的，所述第一电加热棒上设置有导热翅片，每个所述分离柱的外壁均包裹有保温层。
[0010]优选的，所述强酸性阳离子交换树脂包括凝胶型强酸性阳离子交换树脂和大孔型强酸性阳离子交换树脂；所述计量泵为蠕动泵或柱塞泵。
[0011]优选的，所述注气管与惰性气体储罐连通。
[0012]优选的，所述分子筛床中的填料为4A分子筛或5A分子筛，所述分子筛床的内部设置有第二电加热棒和测温热电偶，所述分子筛床的外壁上设置有保温层；所述循环泵采用高压鼓风机。
[0013]优选的，所述分离柱的出料管上设置有散热翅片。
[0014]一种氢同位素水分离方法，基于上述的氢同位素水分离系统，在使用任意一个分离柱进行分离之前需将所述分离柱加热到并维持在设定温度，所述设定温度的范围为100℃
‑
200℃；
[0015]当所述分离柱为一个时，包括以下步骤：
[0016]S1：开启所述分离柱与轻同位素水储罐连接管道上的阀门，通过计量泵将原料水储罐中的原料水泵入所述分离柱内，并通过所述计量泵控制流量；原料水被泵入所述分离柱内后会被加热生成水蒸汽，随着原料水的不断注入，所述水蒸汽朝所述分离柱的出料口方向移动，由于所述分离柱内的填料对轻同位素水和重同位素水的吸附能力的不同，所述轻同位素水会率先流出所述分离柱；
[0017]S2：当所述分离柱发生水蒸汽穿透后，轻同位素水在压差驱动下进入轻同位素水储罐内，待所述分离柱内的轻同位素水收集完成后，关闭所述计量泵；
[0018]S3：切换阀门使得所述分离柱的出料管与第一吸水床组连通，通过注气管在缓冲罐内注入惰性气体即载气，并开启所述循环泵，所述载气依次循环通过所述分离柱、所述第一吸水床组中的一个分子筛床、流量控制器、所述缓冲罐和所述循环泵；且所述第一吸水床组中的两个分子筛床交替式地流通所述载气，所述分离柱内的残留的中丰度氢同位素水发生解吸并随载气进入所述第一吸水床组中的一个分子筛床并被分子筛床中的分子筛吸附，所述第一吸水床组中的不流通所述载气的分子筛床进行加热再生；
[0019]S4：通过露点仪检测所述分离柱的出料口处的露点，当所述露点<0℃，切换阀门使得所述分离柱的出料管与第二吸水床组连通，使得所述载气依次循环通过所述分离柱、所
述第二吸水床组中的一个分子筛床、流量控制器、所述缓冲罐和所述循环泵；且使所述第二吸水床组中的两个分子筛床交替式地流通所述载气，所述分离柱内的残留的重同位素水发生解吸并随载气进入所述第二吸水床组中的一个分子筛床并被分子筛床中的分子筛吸附，所述第二吸水床组中的不流通所述载气的分子筛床进行加热再生；当所述露点<
‑
40℃视为所述分离柱的再生完成；
[0020]当所述分离柱为至少两个时，不同的所述分离柱依次进行步骤S1
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S2，并且循环不断，以实现原料水储罐中原料水的连续分离；所述分离柱进行完步骤S2后，立即进行步骤S3
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S4，且下一个所述分离柱立即进行步骤S1
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S2，所述分离柱进行完步骤S4后，再准备进行下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢同位素水分离系统，其特征在于：包括原料水储罐、轻同位素储水罐、中丰度氢同位素水储罐、重同位素水储罐、缓冲罐、循环泵、两个吸水床组和至少一个分离柱；每个所述分离柱内都设置有第一电加热棒、填料和测温热电偶，每个所述分离柱上都设置有一个温度控制器，所述第一电加热棒和所述测温热电偶分别与所述温度控制器电连接，所述填料为强酸性阳离子交换树脂，每个所述分离柱的进料口都与所述原料水储罐的出水管和所述循环泵的出气口连通，所述原料水储罐的出水管上设置有计量泵，所述吸水床组包括两个分子筛床，所述轻同位素储水罐和每个所述分子筛床都与每个所述分离柱的出料口连通，所述分离柱的出料口上设置有露点仪，两个所述吸水床组分别为第一吸水床组和第二吸水床组，所述中丰度氢同位素水储罐与所述第一吸水床组中的两个所述分子筛床的出水口连通，所述重同位素水储罐与另所述第二吸水床组中的两个所述分子筛床的出水口连通，同一个所述吸水床组中的两个所述分子筛床的蒸汽出口并联后分别通过一个汇流管与所述缓冲罐连通，两个所述汇流管上分别设置有流量控制器，所述缓冲罐上设置有注气管，所述循环泵的进气口与所述缓冲罐连通。2.根据权利要求1所述的氢同位素水分离系统，其特征在于：所述分离柱为至少两个时，部分或全部所述分离柱串联，且相串联的两个所述分离柱之间的连接管路上设置有阀门。3.根据权利要求2所述的氢同位素水分离系统，其特征在于：相串联的两个所述分离柱之间的连接管路上包裹有隔热套。4.根据权利要求1所述的氢同位素水分离系统，其特征在于：所述第一电加热棒上设置有导热翅片，每个所述分离柱的外壁均包裹有保温层。5.根据权利要求1所述的氢同位素水分离系统，其特征在于：所述强酸性阳离子交换树脂包括凝胶型强酸性阳离子交换树脂和大孔型强酸性阳离子交换树脂；所述计量泵为蠕动泵或柱塞泵。6.根据权利要求1所述的氢同位素水分离系统，其特征在于：所述注气管与惰性气体储罐连通。7.根据权利要求1所述的氢同位素水分离系统，其特征在于：所述分子筛床中的填料为4A分子筛或5A分子筛，所述分子筛床的内部设置有第二电加热棒和测温热电偶，所述分子筛床的外壁上设置有保温层；所述循环泵采用高压鼓风机。8.根据权利要求1所述的氢同位素水分离系统，其特征在于：所述分离柱的出料管上设置有散热翅片。9.一种氢同位素水分离方法，基于权利要求1
‑
8任意一项所述的氢同位素水分离系统，其特征在于，在使用任意一个分离柱进行分离之前需将所述分离柱加热到并维持在设定温度，所述设定温度的范围为100℃
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200℃；当所述分离柱为一个时，包括以下步骤：S1：...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚勇，李佩龙，文明，胡俊，陈军，安永涛，陈克琳，宋江锋，
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：