CN103979494B - 利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统及其实现方法，解决含氚水去氚化装置存在流程繁琐、能耗高、不能有效收集氚的问题。本发明包括由上往下依次连接的氢同位素分离系统、气体干燥机、第一液化系统、水蒸气加热装置、催化反应段、第二液化系统和产品水收集箱，与水蒸气加热装置连接的蒸汽发生器，以及与蒸汽发生器连接的原料水储水箱；催化反应段内部填满有亲水催化剂。本发明结构合理，操作便捷，去氚化效率高，其通过含氚水与氢气逆流的方式，将氚由含氚水蒸气中转移到氢气中，实现了含氚水的去氚化，净化了含氚水，并对分离的氚进行收集，实现高浓度氚的富集，本发明大幅降低了能耗和成本，具有很高的应用价值。

Description

利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统及其实现方法

技术领域

    本发明涉及一种用于收集氚的系统，具体涉及的是一种利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统及其实现方法。

背景技术

目前，无论是核武器的制造还是聚变反应堆的运行过程，都会涉及到大量氚的操作，其中有一部分是以氚化水的形式存在。另外，在很多商用或者民用核电站的运行过程中，也要产生大量的含氚水，如果不对这部分氚加以回收，而是直接排放，则不仅会给环境造成污染，而且也造成了经济上的损失。因此，在氚工艺中，必须要配备氚化水的去氚化装置，以回收氚，使水的排放达到一定的指标。

目前已公开的含氚水去氚化技术采用的是水蒸气与氢气同流的方式进行交换，其装置由多级串联组成，每级都需要在反应前将水蒸气与氢气预热到200℃，然后进行催化反应，待反应后再冷凝，使水蒸气与氢气分离，如此反复多次汽化、预热、反应、冷凝、分离，方可使含氚水去除大部分氚，而这不仅流程繁琐、操作麻烦，而且能耗和成本太高，并且还不能有效地回收氚，其对于氚的回收率相当低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统及其实现方法，主要解决现有的含氚水去氚化装置存在流程繁琐、能耗高、不能有效收集氚的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统，包括由上往下依次连接的氢同位素分离系统、气体干燥机、第一液化系统、水蒸气加热装置、催化反应段、第二液化系统和产品水收集箱，与水蒸气加热装置连接的蒸汽发生器，以及与该蒸汽发生器连接的原料水储水箱；所述催化反应段内部填满有亲水催化剂。

具体地说，所述第一液化系统包括依次连接的第一冷凝器和第一空腔；所述第一冷凝器与气体干燥机连接，所述第一空腔与水蒸气加热装置连接，并且该第一空腔内部自下而上填充有疏水催化剂。

作为优选，所述第一空腔内疏水催化剂的填充高度为该第一空腔高度的一半。

具体地说，所述水蒸气加热装置包括分别与第一空腔和催化反应段连接的外筒体，设置在该外筒体内部中间位置的多孔蜂窝状蓄热体，以及设置在外筒体上且均贯穿多孔蜂窝状蓄热体的第一加热管和第二加热管；所述第一加热管位于第二加热管上方，并且二者相互垂直，该第一加热管和第二加热管中还均设有加热棒；所述蒸汽发生器连接在外筒体的侧面上，并且位于第一加热管的上方。

具体地说，所述第二液化系统包括相互连接的第二冷凝器和第二空腔；所述第二空腔与催化反应段连接，所述第二冷凝器与产品水收集箱连接。

作为优选，所述第一冷凝器与第二冷凝器均为列管式冷凝器。

进一步地，所述催化反应段与第二空腔之间还设有支撑板。

再进一步地，所述外筒体和催化反应段外部均包覆有保温包层。

基于上述结构基础，本发明还提供了利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统的实现方法，包括以下步骤：

（1）含氚水经由原料水储水箱进入到蒸汽发生器中加热，形成水蒸气；

（2）水蒸气进入到水蒸气加热装置中，由水蒸气加热装置维持其温度，并使其扩散至催化反应段整个内部，同时从催化反应段下端通入纯净氢气，氢气流动方向与水蒸气流动方向相反；

（3）氢气与水蒸气在催化反应段中由亲水催化剂触发催化反应，氚由含氚水蒸气转移到氢气中并随着氢气一起进入到水蒸气加热装置中，同时第二冷凝器促使第二空腔中的水蒸气液化，使得催化反应段与第二空腔之间产生水蒸气浓度差，第二空腔内水蒸气浓度低于催化反应段内水蒸气浓度，催化反应段内水蒸气向第二空腔内扩散并继续由第二冷凝器液化；

（4）含氚氢气经催化反应段依次通过水蒸气加热装置和第一空腔，并由第一冷凝器将含氚氢气夹带的水蒸气液化，与含氚氢气分离，初步干燥含氚氢气；同时第二空腔中被液化的水蒸气通过第二冷凝器进入到产品水收集箱中收集；

（5）含氚氢气进入到气体干燥机中进行二次干燥，形成干燥的含氚氢气；

（6）干燥的含氚氢气进入到氢同位素分离系统中进行分离，得到高浓度氚。

进一步地，所述步骤（4）中，由第一冷凝器凝结的液态水在外筒体中由加热棒加热汽化，使得第一空腔内水蒸气和液态水形成动态平衡，并保持水蒸气加热装置内水蒸气比催化反应段内水蒸气浓度高，浓度高的水蒸气由于浓度差而进入催化反应段并继续向第二空腔扩散，最后再由第二冷凝器液化后收集到产品水收集箱中。

本发明的设计原理在于，其将含氚水进行汽化，然后通过上下端水蒸气浓度差的方式引导催化反应段中的含氚水蒸气流动，使得含氚水蒸气与从催化反应段底端进入的氢气形成相反方向的流动，实现了含氚水与氢气的逆流，然后结合蒸汽相催化交换的技术原理，并通过亲水催化剂提高含氚水蒸气与氢气的催化交换效率，从而实现了含氚水的去氚化，净化了含氚水。本发明只需要将含氚水完全汽化一次，然后与氢气反应，使氚由含氚水蒸气转移到氢气中，实现含氚水的净化。反应后，也只需要一次冷凝，即可将净化后的水回收，同时，利用含氚水蒸气与氢气逆流还可以实现高浓度氚的富集，水蒸气分离出的氚随着氢气一起经过第一冷凝器和气体干燥机的两次干燥后，完全脱除水分，然后通过氢同位素分离技术将二者分离，最终便得到了高浓度的氚。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明将多种技术原理与实际结构相结合，使得其具有了设计巧妙、结构合理、设备成本低廉、流程简洁、操作方便的优点。

（2）本发明采用水蒸气与氢气逆流去氚化的方式，代替了传统的水蒸气与氢气同流去氚化方式，本发明只需将含氚水一次汽化、预热和催化反应，即可将氚由含氚水蒸气中转移到氢气中，然后冷凝液化回收，实现对含氚水的净化，本发明含氚水的净化率可达到90%以上；而含有氚的氢气在经过干燥后，由氢同位素分离系统分离，实现高浓度干燥氚的富集。本发明大幅简化了含氚水去氚化的流程，提高了催化交换的效率，并且还实现了高浓度氚的富集，两个过程同时进行，互不干涉，因此，其不仅提高了去氚化的效率，而且节约了能耗和成本，试验表明，本发明相比现有技术，其能耗至少节约了50%以上，并且本发明还突破了传统技术的限制，实现了大量高浓度氚的收集，其对于氚的回收率也能达到90%以上。

（3）本发明在第一空腔内部填充有疏水催化剂，可以增大气阻，促使水蒸气能够向催化反应段流动，从而保证水蒸气能够完全去氚化并形成净化水进行收集，同时也能确保含氚氢气能够完全干燥和分离，收集到高浓度氚。

（4）本发明水蒸气加热装置中的第一加热管和第二加热管均设有加热棒，第一加热管和第二加热管利用加热棒可以向多孔蜂窝状蓄热体提供热量，并由其向进入的水蒸气传递，保证外筒体内水蒸气的温度；并且第一加热管和第二加热管相互垂直的设置方式一方面可以对多孔蜂窝状蓄热体起到支撑的作用，另一方面也使得多孔蜂窝状蓄热体受热均匀，令其能够很好地向水蒸气传递热量。

（5）本发明中的第一冷凝器与第二冷凝器均优选为列管式冷凝器，具有良好的耐腐蚀性、耐高温性，并且维修方便，因此非常适于应用在本发明所属的核电技术领域中。

（6）本发明中催化反应段和第二空腔之间设有支撑板，不仅可以提高催化反应段的机械强度，确保催化反应段和第二空腔之间连接稳固，而且还可以方便气体在二者之间流通。

（7）本发明中的外筒体和催化反应段的外部均包覆有保温包层，可以进一步保证水蒸气的温度，稳定其与氢气催化交换反应的进行，确保催化效率，保温包层的设计从整体上优化了整个系统的性能。

（8）本发明逻辑严谨，各个环节紧密相扣，其不仅实用性相当强，而且运行可靠，因此，其具有广泛的市场应用前景，适于在核电领域内推广应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为水蒸气加热装置的结构示意图。

图3为水蒸气加热装置的俯视图。

其中，附图标记对应的零部件名称为：

1-原料水储水箱，2-蒸汽发生器，3-氢同位素分离系统，4-气体干燥机，5-第一冷凝器，6-第一空腔，7-水蒸气加热装置，701-外筒体，702-第一加热管，703-第二加热管，8-催化反应段，9-第二空腔，10-第二冷凝器，11-产品水收集箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1所示，本发明用于使水和氢气在蒸汽相条件下进行同位素转移，实现含氚水净化处理，以及高浓度氚的富集。本发明包括原料水储水箱1、蒸汽发生器2、氢同位素分离系统3、气体干燥机4、第一液化系统、第二液化系统、水蒸气加热装置7、催化反应段8以及产品水收集箱11。所述原料水储水箱1用于收集含氚水，并向蒸汽发生器2输送，所述蒸汽发生器2用于加热含氚水，使其形成水蒸气，然后输送至水蒸气加热装置7中，由水蒸气加热装置7、催化反应段8和第二液化系统配合并通入氢气进行处理。

如图2、3所示，所述水蒸气加热装置7包括与催化反应段8连接的外筒体701，设置在该外筒体701内部中间位置的多孔蜂窝状蓄热体，以及设置在外筒体701上且均贯穿多孔蜂窝状蓄热体的第一加热管702和第二加热管703；所述蒸汽发生器2连接在外筒体701的侧面上，并且位于第一加热管702的上方。第一加热管702位于第二加热管703上方，并且二者相互垂直，可以作为多孔蜂窝状蓄热体的支撑结构，该第一加热管702和第二加热管703中还均设有加热棒，其产生的热量通过多孔蜂窝状蓄热体传递，可以使由蒸汽发生器2进入的水蒸气温度保持不变，为确保保温效果，所述第一加热管702和第二加热管703均设置两根，其排列方式如图2所示，并且所述外筒体701外部包覆有保温包层。

所述第二液化系统包括相互连接的第二冷凝器10和第二空腔9；所述第二空腔9与催化反应段8连接，所述第二冷凝器10与产品水收集箱11连接。所述催化反应段8在通入氢气后用于实现分离水蒸气中的氚，其内部填满有亲水催化剂，并且为确保分离的过程中，水蒸气温度不降低，该催化反应段8外部也包覆有保温包层。所述第二冷凝器10则将分离出氚后的水蒸气进行液化，并将其输送至产品水收集箱11中进行收集。为保证催化反应段8与第二空腔9之间连接稳定，并方便气体的流动，从而更好地使用本发明，该催化反应段8与第二空腔9之间设有支撑板。

由于氚是氢的同位素，因此，被分离出来的氚会随着氢气一同进入到第一液化系统中进行初步干燥，然后进入到气体干燥机4中进行二次干燥，最后由氢同位素分离系统3进行分离，收集到高浓度的氚。本发明中的氢同位素分离系统3为现有技术，其用于分离氢同位元素，包括氕（H）、氘（D）、氚（T）的分离，因此，利用氢同位素分离系统3可以将含氚氢气中的氚分离出来。而具体地说，所述第一液化系统包括依次连接的第一冷凝器5和第一空腔6，本实施例中的第一冷凝器5与第二冷凝器10均为列管式冷凝器。第一冷凝器5与气体干燥机4连接，而所述第一空腔6则与外筒体701连接，并且该第一空腔6内部自下而上填充有疏水催化剂。第一空腔6内部填充疏水催化剂可以增大气阻，防止水蒸气进入外筒体701后，向其上方的第一空腔6流动，从而减少向下方的催化反应段8流动而降低水蒸气的催化反应效率。为做到合适气阻大小及成本之间的平衡，作为优选，本实施例中，第一空腔6内疏水催化剂的填充高度为该第一空腔6高度的一半。

为确保本发明系统方面的密封性，本实施例中，所述蒸汽发生器2、第一液化系统及第二液化系统之间均通过刀口法兰连接，并在法兰两个刀口之间的配合面放置无氧铜垫圈进行密封。

下面对本发明的实现过程进行详细介绍，如下所述：

（1）含氚水经由原料水储水箱进入到蒸汽发生器中加热，形成水蒸气，本实施例中，水蒸气的温度为200℃；

（2）水蒸气进入到外筒体中，由加热棒提供热量并由多孔蜂窝状蓄热体传递热量，从而维持水蒸气的温度200℃不变，然后该水蒸气扩散至催化反应段整个内部，同时从催化反应段下端通入纯净氢气；

（3）氢气与水蒸气在催化反应段中由亲水催化剂触发催化反应，氚由含氚水蒸气转移到氢气中并随着氢气一起进入到水蒸气加热装置中，同时第二冷凝器促使第二空腔中的水蒸气液化，使得催化反应段与第二空腔之间产生水蒸气浓度差，第二空腔内水蒸气浓度低于催化反应段内水蒸气浓度，催化反应段内水蒸气向第二空腔内扩散并继续由第二冷凝器液化；该步骤持续循环，即水蒸气在分离出氚之后不断进入到第二空腔中，由第二冷凝器持续液化；

（4）含氚氢气经催化反应段依次通过外筒体和第一空腔，并由第一冷凝器将含氚氢气夹带的水蒸气液化，与含氚氢气分离，初步干燥含氚氢气；同时第二空腔中被液化的水蒸气通过第二冷凝器进入到产品水收集箱中收集；

该步骤中，由第一冷凝器凝结的液态水在外筒体中由加热棒加热汽化，使得第一空腔内水蒸气和液态水形成动态平衡，并保持水蒸气加热装置内水蒸气比催化反应段内水蒸气浓度高，浓度高的水蒸气由于浓度差而进入催化反应段并继续向第二空腔扩散，最后再由第二冷凝器液化后收集到产品水收集箱中；

（5）含氚氢气进入到气体干燥机中进行二次干燥，形成干燥的含氚氢气；

（6）干燥的含氚氢气进入到氢同位素分离系统中进行分离，得到高浓度氚。

综上所述，本发明在利用蒸汽相催化方式处理含氚水时，不仅可以将含氚水中的氚分离出来，实现对含氚水的净化，有利于环境的保护，而且能够收集到高浓度的氚，上述步骤经过多次循环后，可以实现高浓度氚的富集。众所周知，氚是目前世界上最稀有的元素，其可用于核聚变发电方面，特别是高浓度氚，其与氘结合在核裂变中所释放的能量是非常高的，因此，利用本发明的技术方案来实现高浓度氚的富集，无论是技术价值还是商业价值方面都是非常可观的，其意义相当深远。

本发明实现了氢气和含氚水蒸气的逆流，使得含氚水蒸气只需要一次加热、预热、催化交换及冷凝过程便可实现含氚水的去氚化和高浓度氚的收集，其大幅降低了能耗和成本，因此，本发明相比现有技术来说，具有突出的实质性特点和显著的进步。

上述实施例仅为本发明较佳的实施例之一，不应当用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神下所作出的任何毫无实质意义的改动和润色，或是进行等同置换的技术方案，其所解决的技术问题实质上与本发明一致的，也应当在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1. 利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统，其特征在于，包括由上往下依次连接的氢同位素分离系统（3）、气体干燥机（4）、第一液化系统、水蒸气加热装置（7）、催化反应段（8）、第二液化系统和产品水收集箱（11），与水蒸气加热装置（7）连接的蒸汽发生器（2），以及与该蒸汽发生器（2）连接的原料水储水箱（1）；所述催化反应段（8）内部填满有亲水催化剂。

2.根据权利要求1所述的利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统，其特征在于，所述第一液化系统包括依次连接的第一冷凝器（5）和第一空腔（6）；所述第一冷凝器（5）与气体干燥机（4）连接，所述第一空腔（6）与水蒸气加热装置（7）连接，并且该第一空腔（6）内部自下而上填充有疏水催化剂。

3.根据权利要求2所述的利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统，其特征在于，所述第一空腔（6）内疏水催化剂的填充高度为该第一空腔高度的一半。

4.根据权利要求2或3所述的利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统，其特征在于，所述水蒸气加热装置（7）包括分别与第一空腔（6）和催化反应段（8）连接的外筒体（701），设置在该外筒体（701）内部中间位置的多孔蜂窝状蓄热体，以及设置在外筒体（701）上且均贯穿多孔蜂窝状蓄热体的第一加热管（702）和第二加热管（703）；所述第一加热管（702）位于第二加热管（703）上方，并且二者相互垂直，该第一加热管（702）和第二加热管（703）中还均设有加热棒；所述蒸汽发生器（2）连接在外筒体（701）的侧面上，并且位于第一加热管（702）的上方。

5.根据权利要求4所述的利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统，其特征在于，所述第二液化系统包括相互连接的第二冷凝器（10）和第二空腔（9）；所述第二空腔（9）与催化反应段（8）连接，所述第二冷凝器（10）与产品水收集箱（11）连接。

6.根据权利要求5所述的利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统，其特征在于，所述第一冷凝器（5）与第二冷凝器（10）均为列管式冷凝器。

7.根据权利要求6所述的利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统，其特征在于，所述催化反应段（8）与第二空腔（9）之间还设有支撑板。

8.根据权利要求6或7所述的利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统，其特征在于，所述外筒体（701）和催化反应段（8）外部均包覆有保温包层。

9.利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）含氚水经由原料水储水箱进入到蒸汽发生器中加热，形成水蒸气；

（2）水蒸气进入到水蒸气加热装置中，由水蒸气加热装置维持其温度，并使其扩散至催化反应段整个内部，同时从催化反应段下端通入纯净氢气，氢气流动方向与水蒸气流动方向相反；

（3）氢气与水蒸气在催化反应段中由亲水催化剂触发催化反应，氚由含氚水蒸气转移到氢气中并随着氢气一起进入到水蒸气加热装置中，同时第二冷凝器促使第二空腔中的水蒸气液化，使得催化反应段与第二空腔之间产生水蒸气浓度差，第二空腔内水蒸气浓度低于催化反应段内水蒸气浓度，催化反应段内水蒸气向第二空腔内扩散并继续由第二冷凝器液化；

（4）含氚氢气经催化反应段依次通过水蒸气加热装置和第一空腔，并由第一冷凝器将含氚氢气夹带的水蒸气液化，与含氚氢气分离，初步干燥含氚氢气；同时第二空腔中被液化的水蒸气通过第二冷凝器进入到产品水收集箱中收集；

（5）含氚氢气进入到气体干燥机中进行二次干燥，形成干燥的含氚氢气；

（6）干燥的含氚氢气进入到氢同位素分离系统中进行分离，得到高浓度氚。

10.根据权利要求9所述的利用蒸汽相催化方式收集高浓度氚的系统的实现方法，其特征在于，所述步骤（4）中，由第一冷凝器凝结的液态水在外筒体中由加热棒加热汽化，使得第一空腔内水蒸气和液态水形成动态平衡，并保持水蒸气加热装置内水蒸气比催化反应段内水蒸气浓度高，浓度高的水蒸气由于浓度差而进入催化反应段并继续向第二空腔扩散，最后再由第二冷凝器液化后收集到产品水收集箱中。