CN104888605B - 一种用于分离同位素混合气体的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于分离同位素混合气体的装置，涉及混合气体分离领域，包括相对设置的上谐振腔和下谐振腔，上谐振腔的底部设置有上隔板，下谐振腔的顶部设置有下隔板，上隔板和下隔板之间设置有若干分离管束，每根分离管束的外部均套接有冷却管，所有冷却管相互连通，至少1根冷却管的底部开有进水口，至少1根冷却管的顶部开有出水口；每根分离管束的长度L根据混合气体在工作频率下的波长λ确定：L＜1/4λ；每根分离管束的横截面均呈直径为d的圆形，d根据待分离混合气体的质量扩散渗透深度h确定：2h＜d＜4h。本发明同时利用热声分离效应和热扩散分离效应，而且两种分离效应相互促进，可以提高分离效率。

Description

一种用于分离同位素混合气体的装置

技术领域

本发明涉及混合气体分离领域，具体涉及一种用于分离同位素混合气体的装置。

背景技术

混合气体的分离一直以来都是化工和相关行业一个十分活跃的领域，针对不同需求，需要不同分离方法。传统的混合气体分离方法，包括蒸馏法、离心法、热扩散法、分子扩散法和色谱法，其中蒸馏法是应用最广、效率最高的气体分离方法。

在分离同位素或同分异构体组成的混合气体时，由于混合气体中各组分的沸点相同或十分接近，使用蒸馏法不再有效。这时需要采用非蒸馏的分离方法，如热扩散分离方法和热声分离方法。

热扩散分离方法使用的装置包括垂直分离塔，塔内设置有热壁和冷壁，在使用时，对垂直分离塔的热壁进行加热，使热壁达到预定的温度；同时，对冷壁通冷却水使之保持恒定的温度，冷壁和热壁之间形成温度梯度。在热扩散效应的作用下，重质气体在冷壁上富集，轻质气体在热壁上富集。冷壁富集的重质气体密度较大，在重力作用下，沿冷壁向下流动；热壁富集的轻质气体密度较小，会沿热壁向上流动。重质气体和轻质气体在重力方向上的运动方向相反，进而使得混合气体在重力方向上发生分离。

热声分离方法是最近发展起来的一种新的混合气体分离方法。分离的步骤为：在声波的作用下，混合气体发生周期性的压缩和膨胀运动，并在靠近固体壁面的边界层内建立垂直于壁面方向的温度梯度，温度梯度导致的热扩散效应使得混合气体中的不同组分沿着不同方向扩散，进而在边界内形成浓度梯度；然后，混合气体的粘性运动使得边界层内的气体相对静止，而主流区的气体在声波作用下向不同方向运动，进而导致混合气体的不同组分沿着声波的传播方向发生分离。

与传统的同位素分离方法相比，热声分离法具有以下优点：a、热声分离方法利用的是气体压缩膨胀过程中的压力梯度和温度梯度来分离混合气体，可以在常温常压下工作，不需要额外提供高温或高压边界；b、热声分离方法的动力源是声波，整套装置几乎没有运动部件，因此具有高可靠性、低成本的特点；c、热声分离方法的结构十分简单，可以十分方便的与热扩散分离法、气体扩散分离法、离心分离法等传统的分离方法相结合，来进一步提高分离的效率。

现有的热扩散法和热声分离方法在使用时，存在以下缺陷：

(1)热声分离方法需要首先在粘性边界层内建立温度梯度，而声波膨胀和压缩过程中产生的温度梯度很小，这严重影响热声分离方法的效率。

(2)热扩散分离和热声分离方法分离同位素混合气体时，效率均较低，要想到达理想的分离效果，需要建立多级的分离装置，系统复杂。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高效的同位素混合气体分离装置。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种用于分离同位素混合气体的装置，包括垂直安装的上谐振腔和下谐振腔，上谐振腔的外壁开有出样口，下谐振腔的外壁开有进样口，所述上谐振腔的内部设置有上驱动活塞，所述下谐振腔的内部设置有下驱动活塞，所述上谐振腔的底部设置有上隔板，下谐振腔的顶部设置有下隔板，所述上隔板和下隔板之间设置有若干分离管束，上隔板、下隔板与每根分离管束对应之处均开有分离口；

所述每根分离管束的长度L根据混合气体在工作频率下的波长λ确定：L＜1/4λ；所述每根分离管束的横截面均呈直径为d的圆形，所述d根据待分离混合气体的质量扩散渗透深度h确定：2h＜d＜4h。

在上述技术方案的基础上，所述每根分离管束的外部均套接有冷却管，所有冷却管相互连通，形成冷却装置，冷却装置上开有进水口和出水口。

在上述技术方案的基础上，所述每根分离管束的中心固定有电加热棒；所述加热棒的顶部与上隔板固定连接、底部与下隔板固定连接。

在上述技术方案的基础上，所述上谐振腔、下谐振腔、上驱动活塞、下驱动活塞、上隔板、下隔板、和电加热棒的横截面均呈圆形。

在上述技术方案的基础上，所述上谐振腔与下谐振腔的尺寸相同，所述上谐振腔、下谐振腔的体积远大于单根分离管束的体积。

在上述技术方案的基础上，所述上驱动活塞能够在上谐振腔内上下运动，下驱动活塞能够在下谐振腔内上下运动，上驱动活塞和下驱动活塞的运动能够使得分离管束内产生一定频率和振幅的压力波，所述压力波的速度相位领先压力相位0°～90°。

在上述技术方案的基础上，所述上谐振腔的顶部设置有上活塞，所述下谐振腔的底部设置有下活塞。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明中用于分离同位素混合气体的装置，包括若干分离管束，分离管束的长度和直径根据待分离混合气体确定，混合气体在工作频率下的波长为λ、质量扩散渗透深度为h时，每根分离管束长度为L，L＜1/4λ；每根分离管束的横截面均为圆形，该圆形的直径为d，2h＜d＜4h，不仅能够提高同位素混合气体的分离效率和分离速度，还能够减小分离装置的体积和重量。

(2)本发明中用于分离同位素混合气体的装置，包括设置在分离管束中心的加热棒、套接于分离管束外的冷却管，该装置在使用时，分离管束内靠近加热棒之处的温度较高，分离管束的外壁被冷却管内的冷却水冷却，温度较低，分离管束沿其径向形成较大的温度梯度；此时，重质气体向冷却管的内壁扩散，轻质气体向冷却管内靠近加热棒处扩散；重质气体在外壁富集后，在重力作用下向下流动；轻质气体在加热棒的附近富集后，向上流动，重质气体与轻质气体的运动方向相反，进而发生分离。

(3)本发明中用于分离同位素混合气体的装置，混合气体在发生热声分离的同时进行热扩散分离，而且两种方法的分离方向相同，可提高分离效率；另外，为了实现热扩散分离而在分离管束中心安装的电加热棒和分离管束外套装的水冷却管，在分离管束径向上附加了较大的温度梯度，可以大大促进热声分离效应的发生，而且分离管束内加入了声波，也可以促进热扩散分离效应的发生。因此，与现有的单一的热声分离方法和热扩散分离方法相比，本发明的分离效率可以得到大幅提高。

由于现有的热声分离、热扩散分离技术的分离原理完全不同，本领域技术人员难以想到将热声分离和热扩散分离装置相结合，尤其难以想到利用热扩散分离方法建立的温度梯度来促进热声分离效应的发生，难以达到本发明中装置的分离效率。

附图说明

图1为本发明实施例中用于分离同位素混合气体的装置的结构示意图。

图中：1-出样口，2-出水口，3-进水口，4-进样口，5-上驱动活塞，6-上谐振腔，7-上隔板，8-加热棒，9-分离管束，10-冷却管，11-下隔板，12-下驱动活塞，13-下谐振腔。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供一种用于分离同位素混合气体的装置，该装置包括垂直安装的上谐振腔6和下谐振腔13，上谐振腔6的外壁开有出样口1，下谐振腔13的外壁开有进样口4，上谐振腔6的内部设置有上驱动活塞5，下谐振腔13的内部设置有下驱动活塞12。上驱动活塞5能够在上谐振腔6内上下运动，下驱动活塞12能够在下谐振腔13内上下运动，上驱动活塞5和下驱动活塞12的运动能够使得分离管束9内产生一定频率和振幅的压力波，所述压力波的速度相位领先压力相位0°～90°。

上谐振腔6顶部设置有上活塞、底部设置有上隔板7，下谐振腔13的顶部设置有下隔板11，底部设置有下活塞，上隔板7和下隔板11之间设置有若干分离管束9，上隔板7、下隔板11与每根分离管束9对应之处均开有分离口，每根分离管束9的中心固定有电加热棒8、外部均套接有冷却管10，加热棒8的顶部与上隔板7固定连接、底部与下隔板11固定连接，所有冷却管10相互连通，，形成冷却装置，冷却装置上开有进水口3和出水口2，本发明实施例中，进水口3位于任意一根冷却管10的底部，出水口2位于任意一根冷却管10的顶部。

每根分离管束9的长度L根据混合气体在工作频率下的波长λ确定：L＜1/4λ；每根分离管束9的横截面呈直径为d的圆形，d待分离混合气体的质量扩散渗透深度h确定：2h＜d＜4h。

本实施例中，上谐振腔6、下谐振腔1、上驱动活塞5、下驱动活塞12、上隔板7、下隔板11、分离管束9和电加热棒8的横截面均呈圆形，上谐振腔6与下谐振腔13的尺寸相同，上谐振腔6与下谐振腔13的体积相同，且远大于单根分离管9的体积。

在实际使用中，每根分离管束9的长度L根据实际需要进行设定，本发明实施例中，每根分离管束9的长度L可以＜1/5λ；也可以＜1/6λ。

在实际使用中，每根分离管束9的直径d根据实际需要进行设定，本发明实施例中，每根分离管束9的直径d的取值为：2.5h＜d＜3.5h；最优为d＝3h。

本发明实施例的使用方法如下：

S1：根据待分离混合气体的在工作频率下的波长λ、待分离混合气体的质量扩散渗透深度h，确定分离管束9的长度和直径。

S2：将待分离的同位素混合气体通入进样口4，驱动上驱动活塞5和下驱动活塞12运行，使混合气体产生一定频率和振幅的压力波，该压力波的速度相位领先压力相位0°～90°；同时，启动加热棒8加热、通过进水口3向冷却管10中通入冷却水，至混合气体完全分离。

本发明实施例的工作原理如下：

上驱动活塞5和下驱动活塞12运行，产生一定频率和振幅的压力波，该压力波的速度相位领先压力相位0°～90°，待分离混合气体在分离管束9的轴向发生热声分离效应，重质气体向下运动，并在下谐振腔13中富集；轻质气体向上运动，并在上谐振腔6中富集。

同时，加热棒8加热、通过进水口3向冷却管10中通入冷却水，分离管束9的径向产生温度梯度，使得重质气体向分离管束9的内壁、靠近冷却管10处富集；轻质气体向靠近电热棒处富集。冷却管10的壁面附近富集的重质气体密度较大，在重力作用下向下流动，加热棒8的附近富集的轻质气体密度较小、向上流动；进而使得同位素混合气体在分离管束9的轴向发生热扩散分离效应，重质气体在下谐振腔13内富集，而轻质气体在上谐振腔6内富集。

由于同位素混合气体在热声分离效应作用下的分离方向与热扩散分离效应的分离方向相同，而且分离管束9径向的温度梯度又可以增强热声分离效应，而分离管束9内的声波又有利于热扩散分离效应的进行，因此，本发明实施例中用于分离同位素混合气体的装置，能够有效提高同位素混合气体的分离效率。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种用于分离同位素混合气体的装置，包括垂直安装的上谐振腔(6)和下谐振腔(13)，上谐振腔(6)的外壁开有出样口(1)，下谐振腔(13)的外壁开有进样口(4)，所述上谐振腔(6)的内部设置有上驱动活塞(5)，所述下谐振腔(13)的内部设置有下驱动活塞(12)，其特征在于：所述上谐振腔(6)的底部设置有上隔板(7)，下谐振腔(13)的顶部设置有下隔板(11)，所述上隔板(7)和下隔板(11)之间设置有若干分离管束(9)，上隔板(7)、下隔板(11)与每根分离管束(9)对应之处均开有分离口；

所述每根分离管束(9)的长度L根据混合气体在工作频率下的波长λ确定：L＜1/4λ；所述每根分离管束(9)的横截面均呈直径为d的圆形，所述d根据待分离混合气体的质量扩散渗透深度h确定：2h＜d＜4h。

2.如权利要求1所述的用于分离同位素混合气体的装置，其特征在于：每根所述分离管束(9)的外部均套接有冷却管(10)，所有冷却管(10)相互连通，形成冷却装置，冷却装置上开有进水口(3)和出水口(2)。

3.如权利要求1所述的用于分离同位素混合气体的装置，其特征在于：所述每根分离管束(9)的中心固定有电加热棒(8)；所述加热棒(8)的顶部与上隔板(7)固定连接，底部与下隔板(11)固定连接。

4.如权利要求3所述的用于分离同位素混合气体的装置，其特征在于：所述上谐振腔(6)、下谐振腔(13)、上驱动活塞(5)、下驱动活塞(12)、上隔板(7)、下隔板(11)、和电加热棒(8)的横截面均呈圆形。

5.如权利要求1所述的用于分离同位素混合气体的装置，其特征在于：所述上谐振腔(6)与下谐振腔(13)的尺寸相同，所述上谐振腔(6)、下谐振腔(13)的体积远大于单根分离管束(9)的体积。

6.如权利要求1所述的用于分离同位素混合气体的装置，其特征在于：所述上驱动活塞(5)能够在上谐振腔(6)内上下运动，下驱动活塞(12)能够在下谐振腔(13)内上下运动，上驱动活塞(5)和下驱动活塞(12)的运动能够使得分离管束(9)内产生一定频率和振幅的压力波，所述压力波的速度相位领先压力相位0°～90°。