CN103257059B - 一种高温高湿环境下的碘蒸气取样装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种高温高湿环境下的碘蒸气取样装置。它包括管道取样系统、洗气系统、冷凝系统和旁路系统。所述管道取样系统由截止阀、减压阀和连接管道构成。所述洗气系统由多级吸收瓶以及装在吸收瓶中的KI吸收溶液组成。所述冷凝系统包括与最后一级吸收瓶连接的冷凝水槽，位于冷凝水槽后方的干燥剂箱和连接于干燥剂箱后的第一流量计。所述旁路系统包括第一三通阀、第二三通阀、第二流量计、旁路吸收瓶及旁路吸收瓶中的吸收液。本装置结构简单，易于操作，尤其能够应用于高温高湿环境下其它具有合适吸收液的物质的测量。

Description

一种高温高湿环境下的碘蒸气取样装置

技术领域

本发明涉及一种的是碘蒸气取样测量装置，特别应用于高温水蒸汽存在的环境，尤其是一种可用于测量安全壳过滤排放系统对碘去除效率的碘蒸气取样测量装置。

背景技术

核电站运行期间会产生大量挥发性裂变产物。发生严重事故时，安全壳的完整性遭到破坏，裂变气体将排入大气，对环境造成放射性危害。由此可见，确保安全壳的完整性是实现核安全的关键，而安全壳过滤排放系统的研制显得尤为重要。它能够去除安全壳内气体中的放射性物质，并通过主动排放的方式对安全壳卸压，使安全壳内的压力不超过其承载限值。其中，放射性碘元素是严重核事故对环境造成污染的早期关键核素，对人体造成的危害主要表现为甲状腺功能的损伤和腺体病理组织学的改变，进而诱发甲状腺肿瘤，因此对放射性碘元素去除能力的大小是评判系统工作性能优劣的重要指标之一，而碘浓度作为效率计算的唯一参数，它的测量是系统研制的关键环节。同时为了使实验更具说服力，需要模拟事故情况下安全壳内放射性碘元素存在的环境：压力0.73MPa，温度200℃，水蒸汽和空气以质量比7：3混合存在，即高温高压高湿环境（由于同位素具有相同的化学性质，所以可以采用稳定性碘127模拟安全壳内的放射性碘以降低设备研制过程中对环境的附加污染）。而在实验过程中，为准确测量安全壳过滤排放系统进、出口处的碘浓度，高温高压高湿度环境下的碘蒸汽取样问题成为关键。

对于碘浓度的测量，目前最常用的方法为分光光度法。分光光度法因其灵敏度高、费用低、设备简单，不失为非放射性碘浓度测量的最佳选择。但此方法仅针对溶液中离子的检测，即取样气体中的碘需完成以下化学反应：现有技术中，对于碘蒸气的取样采用的是物理方法，如专利申请号为94242351.8的“辐射监测系统取样装置”和专利申请号为200820124024.8的“一种放射性碘取样装置”均用了活性炭取样的方法，但若将这种取样方式应用于分光光度法中，测量前还需另设装置对取样物质进行化学溶解，首先步骤繁琐，检测效率较低，其次取样与化学溶解并非同时进行，导致测量结果误差较大。另外，由于活性炭无法工作在高温条件下，因此采用此方法需要提前对样气进行降温，这就意味着也要对样气中的水蒸汽进行冷凝处理。但由于碘单质易于凝华，且在水中有一定溶解度，如果在取样时首先对样气中的水蒸汽进行冷凝处理，将导致样气中的碘被冷凝水携带、碘的测量浓度降低，所以高温高湿实验条件下的碘蒸气取样必须保证碘被采集之前取样气体无凝结。因此现有方法还不能满足安全壳过滤排放系统对碘蒸气的测量要求。因此，本发明期望提供一种应用于高温高湿条件下，能够满足安全壳过滤排放系统取样需求的碘蒸气取样测量系统。一种可实施的途径就是采用水洗的原理收集取样气体中的碘蒸气，将取样气体直接通入装有碘化钾吸收液的吸收瓶中，同时实现碘的取样和化学溶解，简化了碘蒸气的监测过程，缩短了测量时间，提高了测量效率。水洗法可以保证取样气体在蒸汽未冷凝前进入吸收液中，由吸收液吸收取样气体中的碘，同时，吸收液虽会使取样气体中的蒸汽部分冷凝，但冷凝后的水仍会留在吸收液内，不会造成碘量损失。洗气法是化工领域制取气体和分离混合气的常用方法，专利申请号为93207098.1的专利文件中公开了一种“简易制气洗气装置”，其特点是设备简单，操作方便，但其无法适应高温高湿环境，且无流量测量环节，而对于碘的取样过程，混合气体体积流量的测量是必须的，因此采用现有洗气装置无法满足安全壳过滤排放系统性能试验中所需的碘蒸气的取样需求。要得到混合气体的取样体积，由于目前市场上的流量计无法直接准确测量混合气的流量，常规的做法是对冷却水和空气体积进行分别测量，然后进行换算加和。这样不仅复杂了测量过程，而且降低了测量精度，考虑到取样载气中空气的质量不会因压力或者温度的变化发生改变，在测量安全壳过滤排放系统对碘去除效率时，优选以空气的体积作为碘浓度的计量基准。这种方法的可行性证明如下：

安全壳过滤排放系统对碘去除效率可表示为：

$\mathrm{\η}=(1-\frac{c_2}{c_1})\×100\%---\left(1\right)$

式中：c₁、c₂分别代表安全壳过滤排放系统进出口碘的浓度，设安全壳过滤排放系统进出口取样气体中空气的体积分别为v₁、v₂，占总采样体积的份额为a（安全壳过滤排放系统进出口混合气体的组分不会发生改变），碘的质量流量分别为m₁、m₂，则（1）式可改写为：

$\mathrm{\η}=(1-\frac{m_{2}a}{v_2}/\frac{m_{1}a}{v_1})\×100\%=(1-\frac{m_2}{v_2}/\frac{m_1}{v_1})\×100\%---\left(2\right)$

m₁/v₁与m₂/v₂即是以空气为基准计算得到的安全壳过滤排放系统进出口碘的浓度，而要得到这组数据只需保证进入流量计的混合气体中水蒸汽被充分冷凝，为此，本发明提供了一种结构简单、具有足够冷却能力的冷凝水槽。取样结束时，由于水蒸汽的存在，其在管道中的冷凝会导致水溶液的倒吸。这种现象可解释为，取样结束，截止阀的关闭使取样装置处于压力平衡状态，而吸收瓶进气管中由于水蒸汽冷凝将形成负压，水溶液便被压入进气管，即发生倒吸现象。倒吸现象的存在会使不同吸收瓶内吸收液相互混合，直接影响到测量结果的准确性，而且会造成实验人员的恐慌。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够工作于高温水蒸汽介质，运行稳定，操作安全的高温高湿环境下的碘蒸气取样装置。

本发明的目的是这样实现的：

它包括管道取样系统、洗气系统、冷凝系统和旁路系统；

所述管道取样系统由截止阀、减压阀和连接管道构成，通过对截止阀的控制从取样环境中引入待测气体，经减压阀减压后进入旁路系统或者洗气系统；

所述洗气系统由多级吸收瓶以及装在吸收瓶中的KI吸收溶液组成，经减压阀减压后的待测气体接入第一级吸收瓶；

所述冷凝系统包括与最后一级吸收瓶连接的冷凝水槽，位于冷凝水槽后方的干燥剂箱和连接于干燥剂箱后的第一流量计；

所述旁路系统包括第一三通阀、第二三通阀、第二流量计、旁路吸收瓶及旁路吸收瓶中的吸收液，第一三通阀的第一端口连接于与第一级吸收瓶相连的连接管道上，第二三通阀的第一端口连接于与减压阀相连的连接管道上，第一三通阀的第二端口与第二三通阀的第二端口之间设置连接管道，第一三通阀的第三端口经过第二流量计连接于旁路吸收瓶中，第二三通阀的第三端口与大气相连通。

本发明还可以包括：

1、连接管道外顺次包裹有加热带和保温层，加热带由温控装置控制。

2、吸收瓶内设置有均流孔板，所述均流孔板与进气管连为一体。

3、所述冷凝水槽为由内层套筒和外层套筒构成的双层结构，内层套筒的下部带有进气口、上部带有出气口，内层套筒的内空腔内设有多级折流挡板，在上层折流挡板的上部设置有均流孔板，外层套筒上带有冷却水进口与出口，内层套筒和外层套筒之间的外腔室内设有循环冷却水对内空腔进行冷却。

本发明是一种工作于高温水蒸汽环境中的碘蒸气取样测量装置，能够满足安全壳过滤排放系统研制过程中碘浓度测量的需求。

本发明的管道取样系统中通过对截止阀1的控制将取样环境A中的待测气体引入取样系统，经减压阀3减压后进入旁路系统或者洗气系统。安装减压阀的目的是消除取样环境A压力波动对流量测量造成的影响，以适用变压力或者压力有波动工况下气体的取样。另外高湿环境下水蒸汽凝结会携带一定量的碘，如果对取样管道的散热不加以控制，待测气体中的碘会随着水蒸汽的凝结滞留在取样管道内，为了保证测量的真实性，避免取样管道内碘量损失所造成的误差，其连接管道上顺次包裹有加热带和保温层2，由温控装置7确保取样过程中管道温度恒定且高于水蒸汽的凝结温度，以适应高温高湿环境的气体取样。

本发明的洗气系统由多级吸收瓶8以及KI吸收溶液8.1组成，以完成碘的吸收与化学溶解，化学方法进行碘取样的基本原理可用化学方程式表示如下：

$I_2+I^{-}=I_3^{-}$

KI与取样气体中的单质碘发生反应，生成的离子，在溶液中呈淡黄色，溶液的颜色随着离子的增多而逐渐加深，用分光光度法可以测定溶液的吸光度，进而得到溶液的浓度。为了使气体中单质碘被充分吸收，本发明在吸收瓶内设计有均流孔板2.3，以增大取样气体与吸收液的接触面积，吸收液中碘化钾的摩尔浓度参考取样气体中的碘蒸气的浓度与所需取样时间进行配置，如果取样气体中碘蒸气的浓度过大，还可以通过增加洗气瓶的个数实现高浓度碘蒸气取样。另外由于高温取样气体在经过洗气瓶时，水蒸汽会被逐级冷凝，而吸收液被加热，当其温度达到瓶内压力下的饱和温度时，继续通入高温取样气体，吸收液转而被蒸发而随取样气体一同进入位于吸收瓶后端的冷凝水槽9，所以测量过程中不仅需要保证碘在吸收液中的浓度满足分光光度计的检出限，同时也应考虑吸收液不被蒸干。另外可以通过观察吸收液的颜色变化，判断取样结束时间，一般应保证最后一个吸收瓶内的吸收液无颜色变化或者颜色变化不明显。

冷凝系统中的冷凝水槽9采用双层结构，内腔使用换热效果最好的接触式冷却法。随着取样过程的进行，腔内冷却水被不断加热，温度会快速上升，为了使取样气体充分冷却，外腔内使用循环冷却水对内腔进行冷却，而位于冷凝水槽9后方的干燥剂10会对携带液滴进一步吸收，目的是使进入流量计12的气体能够达到碘浓度测量的水平。对于传统的浓度计算方法，要得到碘的浓度，必须完成取样气体总体积的测量，高湿环境下则需对空气和水蒸汽分别测量。考虑到取样载气中水蒸汽在洗气瓶内发生凝结或者携带均会造成其质量流量发生变化，而空气的质量不会因压力或者温度的变化发生改变，优选以空气作为碘浓度的计量基准，对于安全壳过滤排放系统性能试验中所需的碘去除效率的计算这种方法是可取的，即先对水蒸汽进行冷凝，再测量空气的体积流量，通过冷凝水槽9对进入流量计12的混合气体中水蒸汽进行充分冷凝。

旁路系统的主要组成部件是三通阀4.1，流量计5，吸收瓶6、吸收液6.1、三通阀4.2及其连接管道，取样前三通阀4.1和4.2配合使用，将待测气体引入后处理，目的是冲洗取样管道，消除取样管道内上次残余气体对本次测量造成的影响，同时监测流量计5完成对减压阀3开度的调节，在此过程中保持三通阀4.1的端口a与端口b、4.2的端口e与端口d的连通状态。取样开始只需旋转阀瓣使三通阀4.1的端口b和端口c接通，连通洗气系统。另外，由于本发明旨在应用于水蒸汽环境取样，而各级吸收瓶气空间内水蒸汽的含量是不同的，当运行结束时，管道与吸收瓶气空间内的水蒸汽均会冷凝，形成负压，进而发生倒吸现象。所以本发明采用将三通阀4.2接通大气平衡①号吸收瓶内压力的方法来防止倒吸现象的发生，即在取样结束时通过调节三通阀4.2使其端口f与端口e连通，将洗气系统与大气B连通，防止发生水溶液倒吸现象。该系统中为了使冲洗过程更有效，将三通阀4.2设计在三通阀4.1的前端，使得三通阀4.2也在冲洗范围之内，进一步降低了管道内残余气体与碘量滞留对测量结果的影响。

本发明可实现的有益效果：

1.配置有旁路系统，采用两个三通阀4.1、4.2连接，通过对三通阀4.1的调节能够实现取样前流量的调节及对管路的冲洗，通过对三通阀4.2的调节可以防止取样结束时倒吸现象的发生。

2.取样管道包裹加热带和保温层2，并有温控装置7对加热温度进行设定和控制，保证高温环境下高湿气体的取样无冷凝损失。

3.吸收瓶进气管底端设计成孔板结构2.3，增大了取样气体与水溶液的接触面积，提高了测量的准确性。

4.通过计算证明要得到高湿环境下安全壳过滤排放系统对碘的过滤效率，可以以空气作为浓度计量标准。

5.冷凝水槽9采用双层结构，保证了取样气体的充分冷却。

6.实际操作中可根据需求，配置不同数量的吸收瓶8，以适用不同碘蒸气浓度下的测量。

7.具有操作简单，维修方便，制造成本低等优点。

附图说明

图1是是本发明的碘蒸气取样系统的整体结构图。

图2a是吸收瓶的内部结构图，图2b是图2a的A-A剖视图。

图3a是冷凝水槽的整体结构图，图3b是图3a的B-B剖视图，图3c是图3a的C-C剖视图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明作进一步说明

图1是碘蒸气取样系统的整体结构图，图中1和3为截止阀和减压阀，分别用于控制系统的启停和对高压取样气体进行压力调节。回路中三通阀4.2位于三通阀4.1的前端。三通阀4.1具有a、b和c三个端口，通过旋转阀瓣可以使端口a和端口b或者端口b和端口c处于连通状态。三通阀4.2具有d、e和f三个端口，通过旋转阀瓣可以使端口d和端口e或者端口e和端口f处于连通状态。取样前控制三通阀4.1完成对取样管路的冲洗，取样结束时控制三通阀4.2防止发生倒吸现象。待测气体由取样环境A经管路系统进入吸收瓶8，吸收瓶的数量根据实际需求来设定，具有一定的灵活性。与吸收瓶连接的导气管均采用长进短出的方案，进气端伸到吸收液8.1液面以下，出气端悬浮于气空间内。吸收瓶前的管路包裹有加热带和保温层2，统一由一台温控装置7对管道加热温度进行监控与调节，以防止水蒸汽冷凝造成对碘蒸气的携带。冷凝水槽9位于吸收瓶8的后端，由位于其外腔内的循环水进行冷却，实现取样气体的充分冷凝，以满足转子流量计12的工作要求，达到浓度计算的标准。另外，考虑整套装置对温度的要求，吸收瓶前的取样管道均采用耐高温的不锈钢管。装置的具体实施步骤依次为：保持三通阀4.1与后处理，4.2与回路的联通状态，打开截止阀1，监测流量计5的示值将减压阀调到适当位置，对管路冲洗两分钟后将三通阀4.1的端口b和端口c连通，取样开始；取样过程中监测流量计12，通过微调调节阀11，保持整个取样过程中取样流量恒定；一定取样时间后停止取样，关闭截止阀1，同时迅速旋转三通阀4.2的阀瓣，使其端口e和端口f连通，待取样回路压力稳定后，取下吸收瓶8，完成碘蒸气的取样。

图2a-b是吸收瓶8的结构图，进气管2.2与洗气瓶瓶塞2.1连在一起，均流孔板2.3与进气管2.2连为一体。均流孔板2.3的直径略小于瓶口，以保证取样开始时能够放入洗气瓶，且在取样结束时能够顺利取出。

图3a-c是冷凝水槽9的结构图，为双层结构，取样气体在内空腔里采用接触冷却的方式，外腔室3.5内设有循环冷却水对内空腔进行冷却，以保证进入流量计的气体温度满足流量计的使用要求。具体实施步骤依次为：由吸收瓶出来的已被部分冷却的取样气，由冷凝水槽进气口3.1进入内空腔，空腔内设有多级折流挡板3.2，以增加气体在腔内的流程，增强换热。而设置在折流挡板的上部的均流孔板3.3，是为了降低气体离开冷却水表面时的速度，减少其对冷却水的携带。经充分冷凝的取样气体由凝水槽出气口3.6流出后进入转子流量计12，进行流量测量。

Claims (5)

1.一种高温高湿环境下的碘蒸气取样装置，它包括管道取样系统、洗气系统、冷凝系统和旁路系统；其特征是：

所述管道取样系统由截止阀、减压阀和连接管道构成，通过对截止阀的控制从取样环境中引入待测气体，经减压阀减压后进入旁路系统或者洗气系统；

所述洗气系统由多级吸收瓶以及装在吸收瓶中的KI吸收溶液组成，经减压阀减压后的待测气体接入第一级吸收瓶；

所述冷凝系统包括与最后一级吸收瓶连接的冷凝水槽，位于冷凝水槽后方的干燥剂箱和连接于干燥剂箱后的第一流量计；

所述旁路系统包括第一三通阀、第二三通阀、第二流量计、旁路吸收瓶及旁路吸收瓶中的吸收液，第一三通阀的第一端口(c)连接于与第一级吸收瓶相连的连接管道上，第二三通阀的第一端口(d)连接于与减压阀相连的连接管道上，第一三通阀的第二端口(b)与第二三通阀的第二端口(e)之间设置连接管道，第一三通阀的第三端口(a)经过第二流量计连接于旁路吸收瓶中，第二三通阀的第三端口(f)与大气相连通，通过旋转第一三通阀的阀瓣使第一三通阀的第三端口端口(a)和第一三通阀的第二端口(b)或者第一三通阀的第二端口(b)和第一三通阀的第一端口(c)处于连通状态，通过旋转第二三通阀的阀瓣使第二三通阀的第一端口(d)和第二三通阀的第二端口(e)或者第二三通阀的第二端口(e)和第二三通阀的第三端口(f)处于连通状态。

2.根据权利要求1所述的高温高湿环境下的碘蒸气取样装置，其特征是：连接管道外顺次包裹有加热带和保温层，加热带由温控装置控制。

3.根据权利要求1或2所述的高温高湿环境下的碘蒸气取样装置，其特征是：吸收瓶内设置有均流孔板，所述均流孔板与进气管连为一体。

4.根据权利要求1或2所述的高温高湿环境下的碘蒸气取样装置，其特征是：所述冷凝水槽为由内层套筒和外层套筒构成的双层结构，内层套筒的下部带有进气口、上部带有出气口，内层套筒的内空腔内设有多级折流挡板，在上层折流挡板的上部设置有均流孔板，外层套筒上带有冷却水进口与出口，内层套筒和外层套筒之间的外腔室内设有循环冷却水对内空腔进行冷却。

5.根据权利要求3所述的高温高湿环境下的碘蒸气取样装置，其特征是：所述冷凝水槽为由内层套筒和外层套筒构成的双层结构，内层套筒的下部带有进气口、上部带有出气口，内层套筒的内空腔内设有多级折流挡板，在上层折流挡板的上部设置有均流孔板，外层套筒上带有冷却水进口与出口，内层套筒和外层套筒之间的外腔室内设有循环冷却水对内空腔进行冷却。