CN104373809B

CN104373809B - 一种氢同位素定量分装设备及其分装方法

Info

Publication number: CN104373809B
Application number: CN201410679296.4A
Authority: CN
Inventors: 程宏辉; 陆沉; 叶一鸣; 黄新; 王笃雄; 王妹婷
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2014-11-24
Filing date: 2014-11-24
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2034-11-24
Also published as: CN104373809A

Abstract

本发明公开了气体分装领域内的一种氢同位素定量分装设备及其分装方法，该分装设备包括大型储氢容器、定量分装装置、小型储氢容器以及真空泵组，该分装方法包括以下步骤，连接=>加热=>抽真空=>冷却=>定量分装，本发明提高了分装精度、控制精度以及自动化程度，降低成本，可用于氢同位素（氕氘氚）分装中。

Description

一种氢同位素定量分装设备及其分装方法

技术领域

本发明涉及一种气体分装设备及方法，特别涉及一种精确定量分装氢同位素的设备及方法。

背景技术

一般，氢同位素主要分为氕、氘、氚三种。常规应用中氕比较常见，且在许多民用领域有很多应用，比如在合成氨，炼铁，化工还原，宇航领域，以及将来大规模发展的燃料电池领域等等，氕都是不可缺少的。对于尖端武器，聚变能发电领域，氘，氚是两种重要的元素。而对于新型医药的研发过程中，氚主要用于标记药物中的分子或基团。在上述这些应用中，经常会涉及到氢同位素（氕氘氚）的定量分装问题。所谓定量分装就是氢同位素（氕氘氚）从一个大型储罐分装到多个小型储罐中，并且对分装量进行定量控制。以往，人们一般利用称重法实现定量分装，就是对储罐充氢前后的重量进行称重，取其差值确定为充装量。但是，由于氢分子自身分子量很小，而储罐自身重量相比很重，因此该方法在实际运用中存在分装定量精度不高，难以控制，自动化程度不高，通用性不强，成本高昂等问题，亟待开发新技术予以解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种氢同位素定量分装设备及其分装方法，提高分装精度、控制精度以及自动化程度，降低成本。

本发明的目的是这样实现的：一种氢同位素定量分装设备及其分装方法，该分装设备包括大型储氢容器、定量分装装置、小型储氢容器以及真空泵组，定量分装装置包括质量流量控制计、压力传感器、第一温度传感器、第一过滤器、第二过滤器、钢瓶、第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀、第四气动阀以及第五气动阀，大型储氢容器输出端通过第一角阀与第一过滤器输入端相连，第一过滤器输出端分为两路，分别与第一气动阀、第二气动阀的输入端相连，第一气动阀的输出端与第三气动阀的输出端汇接到质量流量控制计的输入端，第三气动阀的输入端连接有钢瓶，质量流量控制计的输入端还连接有压力传感器和第一温度传感器，质量流量控制计的输出端与第四气动阀输入端相连，第四气动阀的输出端分为两路，分别与第二过滤器输入端、第五气动阀输入端相连，第二过滤器的输出端经第二角阀与小型储氢容器，第五气动阀输出端和第二气动阀输出端汇接到真空泵组输入端，所述真空泵组包括第一真空阀、第二真空阀、第三真空阀、分子泵以及无油涡旋泵，无油涡旋泵通过波纹管与第一真空阀、第二真空阀相连，所述分子泵通过波纹管与第二真空阀、第三真空阀相连，第一真空阀与第三真空阀并联形成真空泵组的输入端；

该分装方法包括以下步骤：

步骤1）将需要分装的大型储氢容器出口与定量分装装置的进气口相连，将用于储存分装出来的氢同位素的小型储氢容器与定量分装装置的出气口相连；

步骤2）对大型储氢容器进行加热，通过温控装置调节控制大型储氢容器的加热温度，其温度范围为100～500℃，使吸收于储氢合金中氢同位素气体释放出来，并使压力达到小于并接近1个大气压；

步骤3）通过真空泵组对系统中各部分腔体进行抽真空，保证抽真空的部分达到10^-3Pa量级，然后打开第一角阀向相应的腔体充入需要分装的气体，压力达到100KPa左右；

步骤4）进行分装前启动冷水机，调节冷却水的温度，温度范围为5-35℃进而通过冷却盘管对接收氢同位素的小型储氢容器进行冷却；

步骤5）然后选择分装方法；当需要实现≥0.05mol的氢同位素分装量时通过质量流量控制计法实现分装，当需要实现<0.05mol的氢同位素分装量通过容量法实现分装。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）自动化程度高，通用性强，操作简易方便；

（2）可实现低成本的氢同位素（氕氘氚）的定量分装；

（3）大大提高氢同位素（氕氘氚）定量分装的效率和安全性；

（4）大大提高氢同位素（氕氘氚）定量分装的控制精度。

为了进一步提高分装的精度以及效率，所述定量分装装置设置在恒温箱内。

作为本发明的改进，所述大型储氢容器的外表面包裹有电加热套，电加热套内设置有第二温度传感器，第二温度传感器和电加热套通过导线与温控装置相连。通过设置加热套并控制加热温度，提高本发明的安全性以及效率。

作为本发明的改进，所述小型储氢容器的外表面缠绕有冷却盘管，冷却盘管连接有冷水机。确保氢同位素分装在小型储氢容器中后的安全性。

作为本发明的改进，所述第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀、第四气动阀、第五气动阀通过气管与电磁阀相连，电磁阀的开关状态由晶体管驱动板控制，晶体管驱动板与数据采集卡的数字输出端口相连；压力传感器的信号输出端、第一温度传感器的信号输出端与数据采集卡的信号输入端相连，质量流量控制计与数据采集卡进行数据交换，数据采集卡与计算机通过信号电缆相连。通过测控系统对个阀门进行自动控制，提高了分装的精度以及效率。

作为本发明的进一步限定，大型储氢容器和小型储氢容器中通过ZrCo、LaNi_4.25Al_0.75、Zr₂Fe、LaNi_4.25Mn_0.75、U等金属氢化物来储存氢同位素。提高了氢同位素存放的可靠性和安全性。

为了进一步提高本发明的安全性，整个气体管路选用不锈钢管道，整个气体管路中与充装气体相接触部分的密封材料均采用不锈钢或者纯镍，或者直接通过氩弧焊接来实现密封。避免放射性氢同位素（氚）产生的辐照损伤对密封性的破坏，造成放射性物质的泄漏。

为了进一步提高本发明的安全性，避免内壁对气体的吸附残留，整个气体管路内壁均进行电解抛光，其材质为316/316L或者304/304L不锈钢。

作为本发明的改进，步骤5）中分装方法具体如下：

如果采用质量流量控制计法进行定量分装，则首先打开流量控制计前后阀门，设定流量控制计的瞬时流量和累计流量，按设定结果运行流量控制计，待累计流量达到设定值，关闭流量控制计的前后阀门，其中累计流量的计算方法是对流量控制计输出的实测瞬时流量值进行采样，采样时间间隔为0.1-0.01s，然后从启动流量控制计进行流量控制开始到当前时刻对实测瞬时流量值进行数值积分处理，积分结果即为累计流量，累计流量就是分装量；如果采用容量法进行定量分装，则首先保证流量控制计自带阀门处于全开状态，然后采用小球标定法对各部分容积进行精确标定，然后根据分装量大小判断是否需要打开钢瓶前端阀门，同时设定充氢次数，然后不断循环打开流量控制计前后的阀门，实现对小型储氢容器的充装，充装过程对流量控制计后端阀门的关闭次数进行计数，同时记录质量流量控制计前后阀门关闭后的腔体的压力和温度数据，当关闭次数达到设定的充氢次数时终止充氢。依据相应气体的状态方程及记录的压力和温度数据计算出具体充装量。

附图说明

图1本发明实施例中氢同位素（氕氘氚）定量分装设备的结构示意图。

图2本发明实施例中氢同位素（氕氘氚）定量分装设备的测控系统结构示意图。

图3本发明实施例中氢同位素（氕氘氚）定量分装设备的抽真空流程图。

图4本发明实施例中基于流量控制计法定量分装的流程图。

图5本发明实施例中基于容量法定量分装的流程图。

具体实施方式

如图1所示的一种氢同位素定量分装设备，包括大型储氢容器1、定量分装装置、小型储氢容器18以及真空泵组，大型储氢容器1的外表面包裹有电加热套2，电加热套2内设置有第二温度传感器3，第二温度传感器3和电加热套2通过导线与温控装置4相连，定量分装装置设置在恒温箱29内，定量分装装置包括质量流量控制计14、压力传感器13、第一温度传感器15、第一过滤器6、第二过滤器16、钢瓶12、第一气动阀8、第二气动阀7、第三气动阀9、第四气动阀10以及第五气动阀11，小型储氢容器18的外表面缠绕有冷却盘管19，冷却盘管19连接有冷水机30，大型储氢容器1输出端通过第一角阀5与第一过滤器6输入端相连，第一过滤器6输出端分为两路，分别与第一气动阀8、第二气动阀7的输入端相连，第一气动阀8的输出端与第三气动阀9的输出端汇接到质量流量控制计14的输入端，第三气动阀9的输入端连接有钢瓶12，质量流量控制计14的输入端还连接有压力传感器13和第一温度传感器15，质量流量控制计14的输出端与第四气动阀10输入端相连，第四气动阀10的输出端分为两路，分别与第二过滤器16输入端、第五气动阀11输入端相连，第二过滤器16的输出端经第二角阀17与小型储氢容器18，第五气动阀11输出端和第二气动阀7输出端汇接到真空泵组输入端，真空泵组包括第一真空阀21、第二真空阀22、第三真空阀20、分子泵23以及无油涡旋泵24，无油涡旋泵24通过波纹管与第一真空阀21、第二真空阀22相连，分子泵23通过波纹管与第二真空阀22、第三真空阀20相连，第一真空阀21与第三真空阀20并联形成真空泵组的输入端，第一气动阀8、第二气动阀7、第三气动阀9、第四气动阀10、第五气动阀11通过气管与电磁阀25相连，电磁阀25的开关状态由晶体管驱动板27控制，晶体管驱动板27与数据采集卡26的数字输出端口相连；压力传感器13的信号输出端、第一温度传感器15的信号输出端与数据采集卡26的信号输入端相连，质量流量控制计14与数据采集卡26进行数据交换，数据采集卡26与计算机28通过信号电缆相连，大型储氢容器1和小型储氢容器18中通过ZrCo、LaNi_4.25Al_0.75、Zr₂Fe、LaNi_4.25Mn_0.75、U等金属氢化物来储存氢同位素，整个气体管路选用不锈钢管道，整个气体管路中与充装气体相接触部分的密封材料均采用不锈钢或者纯镍，或者直接通过氩弧焊接来实现密封。避免放射性氢同位素（氚）产生的辐照损伤对密封性的破坏，造成放射性物质的泄漏，为了避免内壁对气体的吸附残留，整个气体管路内壁均进行电解抛光，其材质为316/316L或者304/304L不锈钢。

本发明工作时，通过定量分装设备的测控系统进行控制，测控系统的具体结构如图2所示，计算机28上运行测试控制软件，该控制软件是基于LabVIEW编程环境编制而成的，控制软件通过数据采集卡26驱动程序与USB-6003数据卡进行通讯，完成对第一温度传感器15，压力传感器13，流量控制计实测流量输出端的数据采集，对质量流量控制计14的流量信号输入端进行设定，并对晶体管驱动板27和电磁阀25的状态进行控制，进而对第一气动阀8、第二气动阀7、第三气动阀9、第四气动阀10以及第五气动阀11的开关状态进行控制。另外，测控软件还将采集过来的温度，压力和流量数据，按照特定的模型公式进行计算获得分装量和充装进度等重要参数。

在进行定量分装操作之前，首先需要对分装系统进行必要的抽真空。其抽真空流程如图3所示；首先打开无油涡旋泵24和第一真空阀21，然后判断是否为初始充装；如果是的话，那么接下来按顺序打开第二气动阀7和第五气动阀11，第一气动阀8、第三气动阀9、第四气动阀10、质量流量控制计14内部阀门以及第二角阀17对分装系统进行粗抽；当系统压力降到5Pa以下，按顺序打开第二真空阀22，启动分子泵23，打开第三真空阀20，对分装系统进行精抽，当系统压力降到10^-3Pa以下，关闭第二气动阀7和第五气动阀11，打开第一角阀5充入气体使压力达到100kPa，然后启动第一气动阀8、第三气动阀9、第四气动阀10及质量流量控制计14内部阀门；然后，关闭分子泵23，无油涡旋泵24，关闭第一真空阀21、第二真空阀22、第三真空阀20，准备进行氢同位素（氕氘氚）定量分装操作；

如果不是初始充装而是连续重装的话，则无需对大型储氢容器1与定量分装设备的连接位置进行抽真空处理，而只需要对小型储氢容器18与定量分装设备的连接位置，以及小型储氢容器18本身进行抽真空处理，具体步骤是：打开无油涡旋泵24和第一真空阀21，打开第二角阀17和第五气动阀11，对小型储氢容器18进行粗抽，当系统压力小于5Pa时，按顺序打开第二真空阀22，启动分子泵23，和第三真空阀20，对系统进行精抽，当系统压力小于10^-3Pa，关闭第五气动阀11，然后，关闭分子泵23，无油涡旋泵24，关闭第一真空阀21、第二真空阀22、第三真空阀20，准备进行氢同位素（氕氘氚）定量分装操作。

定量分装前打开第一角阀5、第二角阀17，通过温控装置4设定加热套的加热温度为100℃～500℃；将冷水机30中的冷却水的温度设定为5～35℃。当需要实现≥0.05mol的氢同位素（氕氘氚）分装量时主要通过质量流量控制计14法实现分装，当需要实现<0.05mol的氢同位素（氕氘氚）分装量时主要通过容量法实现分装。采用流量控制计法进行定量分装时，其分装流程如图4所示，首先打开第一气动阀8、第四气动阀10，然后设定流量控制计的瞬时流量和累计流量，然后按设定结果运行流量控制计，待累计流量达到设定值，终止流量控制计的运行，关闭第一气动阀8、第四气动阀10和第二角阀17。对于没有放射性的氕氘气体，则可以将小型储氢容器18直接拧下取走。而对于有放射性的氚气体，则还需要打开无油涡旋泵24，第一真空阀21和第五气动阀11对小型储氢容器18与分装设备的螺纹连接部位的管道进行抽真空，排出的废气直接排往室外，以防对操作者造成放射性损害。

采用流量控制计法进行定量分装时，所有操作均是通过基于LabVIEW的测控软件完成，首先需要设定预期的瞬时流量q_m’(g/min)和预期的累计流量（分装量）Q_m’（g），瞬时流量是为了控制气体充装的速度，累计流量就是所需要实现的分装量；瞬时流量和累计流量在分装操作时有两种表达形式，一种是基于体积的方式表达的，一种是基于质量的方式表达的；前者更切合流量控制计直接输出的结果，后者则容易被操作者所接受；因此，这两种表达方式一般同时都会用到；下面将会介绍这两种方式的流量间的换算关系。通过流量控制计所实测得到的瞬时体积流量为q_v(sccm)，且保证流量控制的采样时间间隔为0.01～0.1s，对应的瞬时质量流量为q_m(g/min)=q_v·ρ·f，其中ρ为气体的密度（g/mL），氕气体的密度为0.0000899g/mL，氘气体的密度为0.0001798g/mL，氚气体的密度为0.0002697g/mL，f为气体的转换系数，氕气体的转换系数为1，氘气体的转换系数为0.988，氚气体的转换系数为0.976。那么累计体积流量为（scc），累计质量流量为（g），其中t（min）为从启动运行流量控制计到当前时刻的时长。另外充气进度P（%）和估计的剩余充气时间t_r(min)对操作者来说也是两个重要的参数，其详细计算公式为，。上述所有参数均显示在软件的用户界面上。

当采用容量法实现分装时，首先利用小球标定法对系统各部分容积进行精确标定，且保证流量控制计中的阀门处于全开状态。其充装流程如图5所示，当0.01mol<分装量<0.05mol时，打开钢瓶12前端气动全金属阀9以增加储气室容积，钢瓶12的容积为50～100ml。当分装量≤0.01mol时，气动全金属阀9处于关闭状态，以降低储气室容积。此时通过压力传感器13和温度传感器15分别获得管道腔体内氢同位素（氕氘氚）气体的压力（p）和温度（t），储气室的容积是（V），则腔体中氢同位素（氕氘氚）的密度为ρ（p，t）(单位为mol·L^-1)。氢同位素（氕氘氚）的密度主要依据相应的状态方程计算获得，其中氕真实密度计算所依据的状态方程为最新Helmholtz型状态方程，其具体形式和相关参数参见文献LeachmanJW，JacobsenRT，PenoncelloSG，LemmonEW，FundamentalEquationsofStateforParahydrogen，NormalHydrogen，andOrthohydrogen，JPhysChemRefData2009；38:721-48，其中氘真实密度计算所依据的状态方程为MBWR型状态方程，其具体形式和相关参数参见文献CorrelationsfortheThermophysicalPropertiesofCarbonMonoxide，NationalInstituteofStandardsandTechnology，Boulder，CO，1989，0。这两个状态方程都是美国国家标准技术局（NIST）最新推荐的。由于氚具有放射性，且具有战略军事价值，因此到目前为止还未见专门的气体状态方程见诸文献报道。中国工程物理研究院的陆光达等人在1998年报道的氚的PVT计量系统中所采用的氚气体的状态方程是理想气体状态方程（见陆光达，蒋国强，王华菊，氚的PVT计量系统，《中国工程物理研究院科技年报（1998）》1998）。考虑到本应用中氚气体的温度和压力均不是太高，基本与理想气体相近，因此考虑暂时采用理想气体状态方程计算氚气体的密度ρ（p，t）。那么，储气室中氢同位素（氕氘氚）气体的摩尔量为ρ（p，t）·V。按设定次数反复打开关闭第一气动阀8、第四气动阀10，计算并记录每次关闭气动全金属阀第一气动阀8后的储气室的氢同位素（氕氘氚）气体的摩尔量n_i，1，以及每次关闭第四气动阀10后的储气室的氢同位素（氕氘氚）气体的摩尔量n_i，2，则经过i次充气后氢同位素（氕氘氚）的分装量为（g），其中氕气体的分子量（M）为2.015894g/mol，氘气体的分子量（M）为4.028204g/mol，氚气体的分子量（M）为6.032g/mol。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种氢同位素定量分装设备，其特征在于，包括大型储氢容器、定量分装装置、小型储氢容器以及真空泵组，定量分装装置包括质量流量控制计、压力传感器、第一温度传感器、第一过滤器、第二过滤器、钢瓶、第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀、第四气动阀以及第五气动阀，大型储氢容器输出端通过第一角阀与第一过滤器输入端相连，第一过滤器输出端分为两路，分别与第一气动阀、第二气动阀的输入端相连，第一气动阀的输出端与第三气动阀的输出端汇接到质量流量控制计的输入端，第三气动阀的输入端连接有钢瓶，质量流量控制计的输入端还连接有压力传感器和第一温度传感器，质量流量控制计的输出端与第四气动阀输入端相连，第四气动阀的输出端分为两路，分别与第二过滤器输入端、第五气动阀输入端相连，第二过滤器的输出端经第二角阀与小型储氢容器，第五气动阀输出端和第二气动阀输出端汇接到真空泵组输入端，所述真空泵组包括第一真空阀、第二真空阀、第三真空阀、分子泵以及无油涡旋泵，无油涡旋泵通过波纹管与第一真空阀、第二真空阀相连，所述分子泵通过波纹管与第二真空阀、第三真空阀相连，第一真空阀与第三真空阀并联形成真空泵组的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种氢同位素定量分装设备，其特征在于，所述定量分装装置设置在恒温箱内。

3.根据权利要求1或2所述的一种氢同位素定量分装设备，其特征在于，所述大型储氢容器的外表面包裹有电加热套，电加热套内设置有第二温度传感器，第二温度传感器和电加热套通过导线与温控装置相连。

4.根据权利要求1或2所述的一种氢同位素定量分装设备，其特征在于，所述小型储氢容器的外表面缠绕有冷却盘管，冷却盘管连接有冷水机。

5.根据权利要求1或2所述的一种氢同位素定量分装设备，其特征在于，所述第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀、第四气动阀、第五气动阀通过气管与电磁阀相连，电磁阀的开关状态由晶体管驱动板控制，晶体管驱动板与数据采集卡的数字输出端口相连；压力传感器的信号输出端、第一温度传感器的信号输出端与数据采集卡的信号输入端相连，质量流量控制计与数据采集卡进行数据交换，数据采集卡与计算机通过信号电缆相连。

6.根据权利要求1或2所述的一种氢同位素定量分装设备，其特征在于，大型储氢容器和小型储氢容器中通过ZrCo、LaNi_4.25Al_0.75、Zr2Fe、LaNi_4.25Mn_0.75或U金属氢化物来储存氢同位素。

7.根据权利要求1或2所述的一种氢同位素定量分装设备，其特征在于，整个气体管路选用不锈钢管道，整个气体管路中与充装气体相接触部分的密封材料均采用不锈钢或者纯镍，或者直接通过氩弧焊接来实现密封。

8.根据权利要求1或2所述的一种氢同位素定量分装设备，其特征在于，整个气体管路内壁均进行电解抛光，其材质为316/316L或者304/304L不锈钢。

9.一种使用权利要求4所述分装设备进行氢同位素定量分装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤5）然后选择分装方法；当需要实现≥0.05mol的氢同位素分装量时通过质量流量控制计法实现分装，首先打开流量控制计前后阀门，设定流量控制计的瞬时流量和累计流量，按设定结果运行流量控制计，待累计流量达到设定值，关闭流量控制计的前后阀门，其中累计流量的计算方法是对流量控制计输出的实测瞬时流量值进行采样，采样时间间隔为0.1-0.01s，然后从启动流量控制计进行流量控制开始到当前时刻对实测瞬时流量值进行数值积分处理，积分结果即为累计流量，累计流量就是分装量；当需要实现<0.05mol的氢同位素分装量通过容量法实现分装，首先保证流量控制计自带阀门处于全开状态，然后采用小球标定法对各部分容积进行精确标定，然后根据分装量大小判断是否需要打开钢瓶前端阀门，同时设定充氢次数，然后不断循环打开流量控制计前后的阀门，实现对小型储氢容器的充装，充装过程对流量控制计后端阀门的关闭次数进行计数，同时记录质量流量控制计前后阀门关闭后的腔体的压力和温度数据，当关闭次数达到设定的充氢次数时终止充氢，依据相应气体的状态方程及记录的压力和温度数据计算出具体充装量。