CN101985349B

CN101985349B - 一种制取贫氘水的生产方法

Info

Publication number: CN101985349B
Application number: CN 200910012853
Authority: CN
Inventors: 徐经宇
Original assignee: DALIAN SHIJI XINYUAN TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: DALIAN SHIJI XINYUAN TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2029-07-29
Also published as: CN101985349A

Abstract

本发明涉及一种利用氢同位素交换制取贫氘水的生产方法，该方法至少设置一级双温交换脱氘工艺，将原料水送入冷交换塔，原料水与氢气在催化床中进行逆流交换，氘自氢气向水中富集，富集的水作为富氘水在冷、热交换塔中间引出一部分，剩余部分的富氘水与原料水汇合进入热交换塔，被贫化的氢气经循环压缩机加压后进入热交换塔，富氘水与氢气在催化床中进行逆流交换，氘从水中转入氢气内，气体中的氘被液体浓缩，被贫化的水即为产品贫氘水。本发明的特点是：生产流程短、操作简便、安全可靠，设备容积小，节省建设投资，能源消耗低，原料利用率高，可达70％～80％以上。

Description

一种制取贫氘水的生产方法

技术领域

本发明涉及一种利用氢同位素交换制取贫氘水的生产方法。

背景技术

目前，贫氘水的生产方法主要有高塔分层蒸馏法和水/氢双温交换法。

高塔分层蒸馏法即水蒸馏法，是基于氢或含氢化合物的两种组成(如H₂O和D₂O)的不同挥发性，同位素分离发生在气、液两相共存期间。蒸馏过程一般是在装有若干塔板或填料的蒸馏塔内进行，每一块塔板或一个传质单元形成一个逆流循环的矩形级联，液相和气相在塔内逆流流动，蒸汽在上升过程中逐渐富集了挥发较高的组分，如H₂O。液体在逐级溢流到塔底的过程中富集了挥发性较低的组分，如DHO和D₂O。塔顶有冷凝器使蒸汽凝结后回流塔内，塔底有蒸馏釜将一部分液体蒸发以提供上升气流。水蒸馏法优点是不需要使用催化剂、化学试剂，生产工艺简单、成熟。其缺点是：由于水的两种组分的挥发性差别很小，水蒸馏法的分离系数很小，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；蒸馏时，在塔釜要消耗大量热能使水转变成蒸汽，在塔顶又要消耗大量冷却水使蒸汽再冷凝成水，水气的回流需要各分离级之间的流量要比净供料量大许多倍，因此，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/氢双温交换法分离氢同位素是基于氢同位素在各反应分子间平衡分布不是等几率的，交换反应的分离系数α0随温度变化而变化，温度越高，α0越趋于1。在冷塔内氘自气相向液相中富集，因温度升高后α0减小，所以在热塔中将发生相反的传质过程，即氘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，从而达到水被贫化形成贫氘水。但水/氢双温交换法实现工业化的最大障碍是交换过程必须使用催化剂，并且催化活性在液相水/氢间氢同位素互相交换过程中提高。

发明内容

本方法的目的在于提供一种原料利用率高、设备容积小、能耗低、安全可靠的制取贫氘水的生产方法，用该方法可获得浓度为100PPm(mol)～25PPm(mol)的贫氘水。

本发明的技术方案是：一种制取贫氘水的生产方法，其特征在于设置五级双温交换脱氘工艺过程，第一级是将80％～90％的原料水送入冷交换塔，进塔水的温度为20～30℃，压力为1.8～2.0Mpa，原料水与氢气在催化床中进行逆流交换，氘自氢气向水中富集，富集的水作为富氘水在冷、热交换塔中间引出10％～20％，剩余部分的富氘水与10％～20％原料水汇合进入热交换塔，热交换塔水的温度为140～160℃，压力为1.8～2.0Mpa，被贫化的氢气经循环压缩机加压后进入热交换塔，富氘水与氢气在催化床中进行逆流交换，氘从水中转入氢气内，气体中的氘被液体浓缩，浓缩的气体作为富氘氢气送入冷交换塔，被贫化的水即为产品贫氘水。

从第二级开始每一级的原料水都取至上一级制得的贫氘水，各级的工艺过程为：将80％～90％的原料水送入冷交换塔，进塔水的温度为20～30℃，二级至五级的压力分别为1.7～1.9Mpa、1.6～1.8Mpa、1.5～1.7Mpa、1.4～1.6Mpa，原料水与氢气在催化床中进行逆流交换，氘自氢气向水中富集，富集的水作为富氘水在冷、热交换塔中间引出10％～20％，剩余部分的富氘水与10％～20％原料水汇合进入热交换塔，热交换塔水的温度为140～160℃，二级至五级的压力分别为1.7～1.9Mpa、1.6～1.8Mpa、1.5～1.7Mpa、1.4～1.6Mpa，被贫化的氢气经循环压缩机加压后进入热交换塔，富氘水与氢气在催化床中进行逆流交换，氘从水中转入氢气内，气体中的氘被液体浓缩，浓缩的气体作为富氘氢气送入本级冷交换塔，被贫化的水即为产品贫氘水。

本发明的特点是：

1、利用氢同位素的分离系数α随温度变化的特点，采用两个温度条件进行交换脱氘，在低温条件下分离系数高，使氘自氢气向水中富集，在高温条件下分离系数低，使氘自水中转入氢气中即脱氘。

2、采用相同流程和设备进行五级双温交换脱氘，其生产流程短、操作简便、安全可靠，设备容积小，节省建设投资，能源消耗低，原料利用率高，可达70％～80％以上。

3、生产过程中需要处理的水量少，是全部产品总量的1.2～1.5倍，节约水源，成本低。

4、制取的贫氘水品种规格多，五级流程五种主要产品，其规格分别为100PPm(mol)、70PPm(mol)、50PPm(mol)、35PPm(mol)和25PPm(mol)，由这五种产品加上轻水可配制各种规格贫氘水，以满足用户的需要，生产过程中产生的副产品富氘水可以进行加工利用，降低生产成本，原料水可以使用清水、海水和其他洁净水。

附图说明

图1是本发明的生产工艺流程图。

具体实施方案下面结合附图对本方法作进一步说明：

1、第一级双温交换脱氘工艺过程

原料水经原料水贮槽(110)和原料水泵(111)加压，将80％～90％原料水送入一级气液分离器(101)，除沫后进入一级冷交换塔(102)，进塔水的温度为20～30℃，压力为1.8～2.0Mpa，原料水与氢气在催化床中进行逆流交换，氘自氢气向水中富集，富集的水作为富氘水在一级冷、热交换塔中间引出进料量的10％～20％排放或作为生产重水的原料，剩余部分富氘水与10％～20％原料水汇合，一起进入一级热交换塔(104)，热交换塔水的温度为140～160℃，压力为1.8～2.0Mpa。在一级冷交换塔被贫化的气体即贫氘氢气进入一级气液分离器(101)，除去水沫后经一级循环压缩机(106)加压后进入一级加热器(105)加热，然后送入一级热交换塔(104)。富氘水与贫化的气体在热交换塔催化床中进行逆流交换，氘从水中转入氢气内，气体中的氘被液体浓缩，得到的浓缩气体作为富氘氢气再送入一级冷却器(103)和一级冷交换塔(102)作为原料气体周而复始循环。将80％～90％被贫化的水即贫氘水送入一级加热器(105)加热一级循环压缩机(106)来的贫氘氢气，然后在流入一级水冷却器(107)，冷却后的贫氘水一半作为半成品，流进一级膜纯化分离器(108)，除去有害、有毒、污染物，然后贮存在一级贫氘水贮槽(109)，作为产品出售。半成品贫氘水的另一半作为第二级的原料水送入第二级双温交换脱氘阶段。原始氢气贮存在氢气贮罐(112)，经氢气压缩机(113)加压在一级加热器(105)的氢气入口管线上进入系统与循环氢气汇合。氢气压缩机(113)出口压力为2.1～2.2Mpa。此氢气作为原始开工用氢气和补充系统减少或漏损的氢气。第一级产品规格为100PPm(mol)，水中氘含量为97～103PPm(mol)。

2、第二级双温交换脱氘工艺过程

采用第一级生产的部分贫氘水作为第二级的原料水，将80％～90％原料水送入二级气液分离器(201)，除沫后进入二级冷交换塔(202)，进塔水的温度为20～30℃，压力为1.7～1.9Mpa，原料水与氢气在催化床中进行逆流交换，氘自氢气向水中富集，富集的水作为富氘水在二级冷、热交换塔中间引出进料量的10％～20％排放或作为生产重水的原料，剩余部分富氘水与10％～20％原料水汇合，一起进入二级热交换塔(204)，二级热交换塔水的温度为140～160℃，压力为1.7～1.9Mpa。在二级冷交换塔被贫化的气体即贫氘氢气进入二级气液分离器(201)，除去水沫后经二级循环压缩机(206)加压后进入二级加热器(205)加热，然后送入二级热交换塔(204)。富氘水与贫化的气体在催化床中进行逆流交换，氘从水中转入氢气内，气体中的氘被液体浓缩，得到的浓缩气体作为富氘氢气再送入二级冷却器(203)和二级冷交换塔(202)作为原料气体周而复始循环。将80％～90％被贫化的水即贫氘水送入二级加热器(205)加热二级循环压缩机(206)来的贫氘氢气，然后在流入二级水冷却器(207)，冷却后的贫氘水一半作为半成品，流进二级膜纯化分离器(208)，除去有害、有毒、污染物，然后贮存在二级贫氘水贮槽(209)，作为产品出售。半成品贫氘水的另一半作为第三级的原料水送入第三级双温交换脱氘阶段。原始氢气从一级气液分离器(101)的氢气出口管线上引出，并在二级气液分离器(201)的氢气出口管线上引入系统，与循环氢气汇合后进入二级循环压缩机(206)。此氢气作为原始开工用氢气和补充系统减少或漏损的氢气。第二级产品规格为70PPm(mol)，水中氘含量为67～73PPm(mol)。

3、第三级至第五级双温交换脱氘工艺过程

第三级至第五级双温交换脱氘工艺过程与第二级相同，其原料水都是采用上一级生产的贫氘水，将从上一级得到的80％～90％原料水送入本级气液分离器(301)、(401)、(501)，除沫后进入本级冷交换塔(302)、(402)(502)，进塔水的温度为20～30℃，三至五级的压力分别为1.6～1.8Mpa、1.5～1.7Mpa、1.4～1.6Mpa，各级原料水与氢气在催化床中进行逆流交换，氘自氢气向水中富集，富集的水作为富氘水在本级冷、热交换塔中间引出进料量的10％～20％排放或作为生产重水的原料，剩余部分富氘水与10％～20％原料水汇合，一起进入本级热交换塔(304)、(404)、(504)，各级热交换塔水的温度为140～160℃，三至五级的压力为1.6～1.8Mpa、1.5～1.7Mpa、1.4～1.6Mpa。在本级冷交换塔被贫化的气体即贫氘氢气进入本级气液分离器(301)、(401)、(501)，除去水沫后经本级循环压缩机(306)、(406)、(506)加压后进入本级加热器(305)、(405)、(505)加热，然后送入本级热交换塔(304)、(404)、(405)。富氘水与贫化的气体在催化床中进行逆流交换，氘从水中转入氢气内，气体中的氘被液体浓缩，得到的浓缩气体作为富氘氢气再送入本级冷却器(303)、(403)、(503)和本级冷交换塔(302)、(402)、(502)作为本级原料气体周而复始循环。将80％～90％被贫化的水即贫氘水送入本级加热器(305)、(405)、(505)加热本级循环压缩机(306)、(406)、(506)来的贫氘氢气，然后在流入本级水冷却器(307)、(407)、(507)，冷却后的贫氘水一半作为半成品，流进本级膜纯化分离器(308)、(408)、(508)，除去有害、有毒、污染物，然后贮存在本级贫氘水贮槽(309)、(409)、(509)，作为产品出售。本级半成品贫氘水的另一半作为下一级的原料水送入下一级双温交换脱氘阶段。原始氢气从上一级气液分离器(201)、(301)、(401)的氢气出口管线上引出，并在本级气液分离器(301)、(401)、(501)的氢气出口管线上引入系统，与循环氢气汇合后进入本级循环压缩机(306)、(406)、(506)。此氢气作为原始开工用氢气和补充系统减少或漏损的氢气。第三级产品规格为50PPm(mol)，水中氘含量为48～52PPm(mol)。第四级产品规格为35PPm(mol)，水中氘含量为33～37PPm(mol)。第五级产品规格为25PPm(mol)，水中氘含量为23～27PPm(mol)。

Claims

1.一种制取贫氘水的生产方法，其特征在于设置五级双温交换脱氘工艺过程，第一级是将80％～90％的原料水送入冷交换塔，进塔水的温度为20～30℃，压力为1.8～2.0Mpa，原料水与氢气在催化床中进行逆流交换，氘自氢气向水中富集，富集的水作为富氘水在冷、热交换塔中间引出10％～20％，剩余部分的富氘水与10％～20％原料水汇合进入热交换塔，热交换塔水的温度为140～160℃，压力为1.8～2.0Mpa，被贫化的氢气经循环压缩机加压后进入热交换塔，富氘水与氢气在催化床中进行逆流交换，氘从水中转入氢气内，气体中的氘被液体浓缩，浓缩的气体作为富氘氢气送入冷交换塔，被贫化的水即为产品贫氘水；从第二级开始每一级的原料水都取至上一级制得的贫氘水，各级的工艺过程为：将80％～90％的原料水送入冷交换塔，进塔水的温度为20～30℃，二级至五级的压力分别为1.7～1.9Mpa、1.6～1.8Mpa、1.5～1.7Mpa、1.4～1.6Mpa，原料水与氢气在催化床中进行逆流交换，氘自氢气向水中富集，富集的水作为富氘水在冷、热交换塔中间引出10％～20％，剩余部分的富氘水与10％～20％原料水汇合进入热交换塔，热交换塔水的温度为140～160℃，二级至五级的压力分别为1.7～1.9Mpa、1.6～1.8Mpa、1.5～1.7Mpa、1.4～1.6Mpa，被贫化的氢气经循环压缩机加压后进入热交换塔，富氘水与氢气在催化床中进行逆流交换，氘从水中转入氢气内，气体中的氘被液体浓缩，浓缩的气体作为富氘氢气送入本级冷交换塔，被贫化的水即为产品贫氘水。