CN105609152A - 一种用于实现水去氚化的系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于实现水去氚化的系统，包括催化交换系统、氢气供料系统、含氚水供应系统、含氚氢气干燥与收集系统、低氚水收集系统、冷凝系统和检测控制装置。本发明可以满足水去氚化全部工艺需求，包括系统运行前抽真空处理、分子筛床交替干燥和活化的不间断处理工艺等，其不仅布局合理，大幅提高了含氚水净化效率，而且能获得高浓度的含氚氢气。同时，本发明操作便捷，能耗低，催化交换系统内气液相间接触面积大、传质系数大、反应效率高，并且流体能定向流动，能够定量控制水去氚化效率。本发明催化交换装置结构简单，比传统水去氚化交换柱高度显著降低，设备投资和催化剂投资大幅缩减。

Description

一种用于实现水去氚化的系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及化工和核技术及设备领域，具体涉及的是一种用于实现水去氚化的系统及其实现方法。

背景技术

氚是氢的放射性同位素，在军工和核电领域都至关重要。核武器制造和聚变堆运行都会涉及大量氚的操作，部分氚最终以氚化水形式存在；核电站运行过程也会产生大量的含氚废水。如果这些含氚废水得不到合理处理，将会造成严重的环境污染。同时，氚是自然界中的极其微量的元素，本身具有极高的价值，含氚水中氚的回收具有很高的经济价值。因此，开发高效、节能、环保、低成本的水去氚化技术和装备，对于回收含氚水中的氚元素，并使含氚水达到排放指标，都具有非常重要的意义。

液相催化交换(LPCE)技术是目前相对成熟的水去氚化技术，采用多节串联的催化交换柱以实现更高的反应效率和处理量，但是该技术的不足之处在于设备复杂、安装高度高、加工成本高；而采用的Pt基催化剂价格昂贵，多节串联的交换柱填充催化剂总量大，费用高；同时，交换柱内气液相停留时间难以控制，无法定量准确地控制反应后低氚水和含氚氢气的氚含量。而与其对应的水去氚化工艺处理含氚水的效率低、成本高，也不能灵活控制反应后气液相的氚含量。

因此，有必要对现有的水去氚化技术进行改进。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于实现水去氚化的系统及其实现方法，可方便、准确地控制反应后气液相的氚含量，满足水去氚化过程全部工艺需求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于实现水去氚化的系统，包括催化交换系统、氢气供料系统、含氚水供应系统、含氚氢气干燥与收集系统、低氚水收集系统、冷凝系统和检测控制装置；

所述催化交换系统包括顶盖、外筒、中心区进气管、环隙区进气管、烧结板、带有导流孔的导流筒、涂覆了疏水催化剂的θ环填料、含氚水进水管、含氚氢气排气管、环管式分布器和低氚水出水管；所述顶盖设置在外筒顶部，所述环管式分布器位于外筒内部并靠近顶盖，所述含氚水进水管和含氚氢气排气管则均穿入顶盖与外筒内部连通，并且含氚水进水管还与环管式分布器连接；所述导流筒设置在外筒内部底部，并将外筒内部底部空间分隔为中心区和环隙区，所述中心区进气管由外筒底部穿入并与导流筒连通；所述环隙区进气管与外筒底部连通；所述烧结板固定在外筒内部，并位于导流筒下方，其将外筒底部分隔出一个氢气进气缓冲腔体；所述θ环填料分别填装于中心区和环隙区内；所述低氚水出水管与外筒外壁连接并与环隙区连通；

所述氢气供料系统同时与中心区进气管和环隙区进气管连接，用于同时向中心区和环隙区内通入高纯氢气；

所述含氚水供应系统分别与含氚水进水管和低氚水出水管连接，用于向外筒内通入含氚水以及回收低氚水出水管排出的氚浓度未达标的含氚水；

所述含氚氢气干燥与收集系统包括通过管道与含氚氢气排气管连接的第一冷凝器，均与该第一冷凝器连接、且呈并联关系的第一分子筛干燥床和第二分子筛干燥床，设置在第一分子筛干燥床上、用于加热第一分子筛干燥床的第一加热器，设置在第二分子筛干燥床上、用于加热第二分子筛干燥床的第二加热器，均同时与第一分子筛干燥床和第二分子筛干燥床连接的气体压缩机和干燥气体加热器，与气体压缩机连接的含氚氢气产品罐，同时与第一分子筛干燥床和第二分子筛干燥床连接、用于活化时除去分子筛干燥床中的水蒸气的第二冷凝器，以及与该第二冷凝器连接的气体循环泵；所述含氚氢气产品罐还通过一传输管路与氢气供料系统连接；

所述低氚水收集系统与低氚水出水管连接，用于收集由低氚水出水管排出的低氚水；

所述冷凝系统包括同时与第一冷凝器和第二冷凝器连接、用于提供冷源的冷凝水箱，与第一冷凝器连接、用于收集由其传输出来的冷凝含氚水的第三液体质量流量计，与第二冷凝器连接、用于收集由其传输出来的冷凝含氚水的第二液体质量流量计，以及同时与第三液体质量流量计、第二液体质量流量计和含氚水供应系统连接的冷凝水储藏罐；

所述检测控制装置同时与催化交换系统、氢气供料系统、含氚水供应系统、含氚氢气干燥与收集系统、低氚水收集系统、冷凝系统连接，用于监测和控制系统的压力、液位、温度、湿度和氚含量，并在系统使用前对其进行抽真空预处理。

进一步地，所述θ环填料由玻璃棉毡或80～200目不锈钢丝网，经涂覆Pt基疏水催化剂、切割和卷压成型制得；同时所述θ环填料的高径比为1～1.2，并且θ环填料的填装高度不超过导流筒高度。

再进一步地，本发明还包括控温装置和保温层；所述控温装置包括套在外筒外部、且呈对称半圆环状结构的加热板，与该加热板连接的固态继电器，以及与该固态继电器连接的PID温控仪；所述保温层包裹在加热板和外筒外部。

再进一步地，所述环隙区和中心区的横截面面积比为2.5～5。

具体地说，所述氢气供料系统包括与中心区进气管连接的第四气体质量流量计，与环隙区进气管连接的第五气体质量流量计，同时与第四气体质量流量计和第五气体质量流量计连接的减压阀，以及与该减压阀连接的高纯氢气储罐；所述高纯氢气储罐连接有一用于补充高纯氢气的管路，且该管路中设有第三气体质量流量计；所述高纯氢气储罐与传输管路连接，并且在传输管路上还设有第二气体质量流量计。

具体地说，所述含氚水供应系统包括与含氚水进水管连接的计量泵，以及与该计量泵连接的待处理含氚水储罐；所述低氚水出水管通过回收管道与待处理含氚水储罐连接，且该回收管道中还设有第六液体质量流量计；所述冷凝水储藏罐也通过管道与待处理含氚水储罐连接。

具体地说，所述低氚水收集系统包括与低氚水出水管连接的第四液体质量流量计，以及与该第四液体质量流量计连接的低氚水产品罐。

具体地说，所述检测控制装置包括与待处理含氚水储罐连接的第一液位仪，与冷凝水储藏罐连接的第二液位仪，与低氚水产品罐连接的第三液位仪，均与外筒连接的用于监测其内部温度的温度传感器和第一压力传感器，与高纯氢气储罐连接的第三压力传感器，与减压阀连接的第四压力传感器，连接在第一冷凝器和第一分子筛干燥床之间的第一露点仪，与第二分子筛干燥床连接的第二露点仪，分别与气体加热器和气体循环泵连接的第三露点仪，用于系统初始抽真空的第一真空泵、第二真空泵和真空规，以及用于检测低氚水出口氚浓度的磁质谱仪和用于测量氢气氚含量的四极质谱仪。

基于上述系统结构，本发明还提供了该水去氚化系统的实现方法，包括以下步骤：

(1)对催化交换系统进行保压测试，并利用检测控制装置对整个水去氚化系统进行抽真空处理，直至真空度达到5Pa以下；

(2)启动控温装置，对外筒内部进行预热；

(3)预热结束后，通过高纯氢气储罐分别向中心区和环隙区中通入高纯氢气，然后通过待处理含氚水储罐向外筒内引入待处理含氚水，控制中心区和环隙区的氢气表观气速，形成中心气升式环流，并控制含氚水液位高度不超过外筒内径的20％，使含氚水与高纯氢气进行氢同位素交换反应，得到含氚氢气和低氚水；该步骤中，中心区液相向上流动，液相高度超过导流筒后受到重力影响，在环隙区向下流动，并在到达导流孔位置时，受到导流孔两侧压力的推动，从环隙区经导流孔流入中心区，形成循环；

(4)分别开启低氚水收集系统、含氚氢气干燥与收集系统、冷凝系统；

(5)利用含氚氢气干燥与收集系统收集含氚氢气，并检测含氚氢气的氚浓度和含水量，达到浓度指标的含氚氢气存至含氚氢气产品罐，否则转入高纯氢气储罐中，然后执行步骤(6)；同时，利用低氚水收集系统收集低氚水，并检测低氚水中的氚浓度，直至达到指标时存入低氚水产品罐；未达标的低氚水则转入待处理含氚水储罐中，然后执行步骤(6)；

(6)按照步骤(3)～(5)所述的方式进行循环。

进一步地，所述步骤(3)中，高纯氢气经中心区进气管、环隙区进气管进入内环流外筒底部的氢气进气缓冲腔体中，并经过烧结板形成分布均一的气泡，然后进入中心区和环隙区内。

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和实际结构结合，逻辑严谨、设计巧妙、布局合理、流程明晰，可以满足水去氚化过程的全部工艺需求；本发明所述工艺操作便捷，大幅提高了含氚水净化处理效率，能耗低，且成本得到了显著控制，实现了成本与技术的相对平衡。

(2)本发明设置了抽真空系统，可以在系统运行前对管道和设备进行抽真空处理，确保系统安全稳定地运行。

(3)本发明设计的含氚氢气干燥与收集系统包含两套独立的分子筛床干燥系统，分子筛床可以交替运行，互不影响，一套分子筛床进行干燥除水的同时，另一套分子筛床可以进行预热再生，保证了系统的不间断运行，提升了系统工作效率。

(4)本发明催化交换系统内的流体循环流动，液相停留时间长，且气含率高，传质系数高，同时θ环填料提供了大量的反应表面，气液相接触面积大，使得氢同位素反应的效率得到了显著提升。

(5)在控制中心区和环隙区的氢气表观气速、形成中心气升式环流的条件下，本发明可使通入到外筒内的含氚水发生定向流动和循环，并可控制液相的停留时间，从而方便、准确地控制反应后气液相中氚的浓度。

(6)本发明采用的液相循环流动的方式，相比气液相催化交换工艺多级串联的交换柱，可以显著降低外筒高度，结构简单，设备投资少。同时催化剂填装量少，可以显著降低Pt基催化剂的使用成本。

(7)本发明还设置了控温装置，可实现对外筒内部的加热，不仅加热稳定、温控精度高、加热效果好，而且可以方便调整外筒内的温度。同时，采用2cm厚的硅酸铝纤维棉层，可以保证外筒内部的温度稳定，减少外筒与环境的热交换，提高催化交换系统的节能效率。

(8)本发明通过合理的结构及流程设计，实现了含氚水和含氚氢气的循环，从而使没有达到氚浓度指标的含氚水和含氚氢气可以循环输入原料储罐，达到指标的含氚水和含氚氢气存入产品储罐，反复循环，可以有效提升含氚氢气的氚浓度、减少低氚水的含氚量，最大程度实现了含氚废水的去氚化处理。

(9)本发明设计巧妙、结构紧凑、操作便捷、操作弹性大且反应效率高，可以理想地解决现有技术的弊端，大幅减小设备和催化剂的成本。因此，该技术进步明显，具有突出的实质性特点和显著的进步，非常适合在相关领域内进行推广应用。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为催化交换系统的结构示意图。

图3为本发明使用第一分子筛干燥床干燥含氚氢气的工作原理图。

图4为本发明使用第二分子筛干燥床干燥含氚氢气的工作原理图。

图5为催化交换系统工作时的液相循环示意图。

图6为催化交换系统的三维剖视图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-中心区进气管；2-环隙区进气管；3-烧结板；4-导流筒；5-外筒；6-θ环填料；7-含氚水进水管；8-含氚氢气排气管；9-环管式分布器；10-加热板；11-保温层；12-低氚水出口；13-催化交换系统；14-第一液相阀门；15-第一液体质量流量计；16-第一液位仪；17-待处理含氚水储罐；18-第二液相阀门；19-计量泵；20-第一压力传感器；21-温度传感器；22-紧急泄压阀门；23-第一气相阀门；24-第一冷凝器；25-第三液相阀门；26-第四液相阀门；27-冷凝水箱；28-第一露点仪；29-第二气相阀门；30-第一分子筛床加热器；31-第一分子筛干燥床；32-第三气相阀门；33-第四气相阀门；34-第二分子筛床加热器；35-第二分子筛干燥床；36-第五气相阀门；37-第二露点仪；38-第六气相阀门；39-第一真空泵；40-第七气相阀门；41-气体压缩机；42-四极质谱仪；43-第八气相阀门；44-气体加热器；45-第九气相阀门；46-第十气相阀门；47-第十一气相阀门；48-第十二气相阀门；49-第二冷凝器；50-气体循环泵；51-第三露点仪；52-第五液相阀门；53-第六液相阀门；54-第十三气相阀门；55-第二压力传感器；56-含氚氢气产品罐；57-第一气体质量流量计；58-第十四气相阀门；59-第十五气相阀门；60-第二气体质量流量计；61-高纯氢气储罐；62-第三压力传感器；63-第三气体质量流量计；64-第十六气相阀门；65-减压阀；66-第四压力传感器；67-第七液相阀门；68-第二液体质量流量计；69-冷凝水储藏罐；70-第二液位仪；71-第八液相阀门；72-第三液体质量流量计；73-第九液相阀门；74-磁质谱仪；75-第十液相阀门；76-第四液体质量流量计；77-低氚水产品罐；78-第三液位仪；79-第五液体质量流量计；80-第十一液相阀门；81-第十二液相阀门；82-第十七气相阀门；83-第四气体质量流量计；84-第十八气相阀门；85-第五气体质量流量计；86-第十九气相阀门；87-真空规；88-第二十气相阀门；89-第二真空泵；90-第六液体质量流量计。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1所示，本发明提供了一种用于水去氚化的系统，其包括催化交换系统13、氢气供料系统、含氚水供应系统、含氚氢气干燥与收集系统、低氚水收集系统、冷凝系统和检测控制装置。

所述催化交换系统13用于实现含氚水与高纯氢气发生氢同位素反应，获得低氚水和含氚氢气，该催化交换系统13包括顶盖、外筒5、中心区进气管1、环隙区进气管2、烧结板3、带有导流孔的导流筒4、涂覆了疏水催化剂的θ环填料6、含氚水进水管7、含氚氢气排气管8、环管式分布器9、低氚水出水管12和控温装置。

所述顶盖、外筒5、导流筒4和氢气进气缓冲腔体构成催化交换系统主体，其中，外筒采用不锈钢或石英材质制作，而顶盖设置在外筒5顶部，导流筒4则设置在外筒5内部底部，并将外筒内部底部空间分隔为中心区和环隙区。所述环管式分布器9位于外筒5内部并靠近顶盖，所述含氚水进水管7和含氚氢气排气管8则均穿入顶盖与外筒内部连通，并且含氚水进水管7还与环管式分布器9连接。含氚水进水管7用于通入含氚水。

所述中心区进气管1由外筒5底部穿入并与导流筒4连通，用于向中心区内通入高纯氢气；所述环隙区进气管2与外筒5底部连通，用于向环隙区通入高纯氢气。所通入的高纯氢气将与含氚水接触，并发生氢同位素交换反应。所述烧结板3为石英烧结板，其固定在外筒5内部，并位于导流筒4下方，所述氢气进气缓冲腔体由该烧结板3将外筒5底部分隔出。所述低氚水出水管12则与外筒5外壁连接并与环隙区连通。

所述θ环填料6分别填装于中心区和环隙区内。本实施例中，θ环填料6由玻璃棉毡或80～200目不锈钢丝网，高径比为1～1.2，其经涂覆Pt基疏水催化剂、切割和卷压成型制得，并且θ环填料6的填装高度不超过导流筒高度，以便提供充足的反应表面，并控制气泡的尺寸和均匀分布。而环隙区填料量是中心区的2.5～5倍横截面面积比，且该区域气液相逆流接触，因此，液相流速缓慢，进一步提高了反应效率。

所述的控温装置用于保证反应所需的温度条件，其包括套在外筒5外部、且呈对称半圆环状结构的加热板10，与该加热板10连接的固态继电器，以及与该固态继电器连接的PID温控仪。此外，加热板和外筒外部表面均包裹有保温层11。本实施例中，保温层11采用2cm厚的硅酸铝纤维棉层。

所述氢气供料系统用于提供高纯氢气，其包括与中心区进气管1连接的第四气体质量流量计83，与环隙区进气管2连接的第五气体质量流量计85，同时与第四气体质量流量计83和第五气体质量流量计85连接的减压阀65，以及与该减压阀65连接的高纯氢气储罐61；所述高纯氢气储罐61连接有一用于补充高纯氢气的管路，且该管路中设有第三气体质量流量计63和第十六气相阀门64；所述高纯氢气储罐61与传输管路连接，并且在传输管路上还设有第二气体质量流量计60和第十五气相阀门59。

所述含氚水供应系统用于提供待处理含氚水，其包括与含氚水进水管7连接的计量泵19，以及与该计量泵19连接的待处理含氚水储罐17；所述低氚水出水管12通过回收管道与待处理含氚水储罐17连接，且该回收管道中还设有第六液体质量流量计90。此外，含氚水供应系统中还包含有第一液相阀门14、第九液相阀门73和第十二液相阀门81。

所述含氚氢气干燥与收集系统用于干燥从催化交换系统中流出的含氚氢气中的水蒸气，并储存氚含量达标的氢气，其包括通过管道与含氚氢气排气管8连接的第一冷凝器24，均与该第一冷凝器24连接、且呈并联关系的第一分子筛干燥床31和第二分子筛干燥床35，设置在第一分子筛干燥床31上、用于加热第一分子筛干燥床的第一加热器30，设置在第二分子筛干燥床31上、用于加热第二分子筛干燥床的第二加热器34，均同时与第一分子筛干燥床31和第二分子筛干燥床35连接的气体压缩机41和干燥气体加热器44，与气体压缩机41连接的含氚氢气产品罐56，同时与第一分子筛干燥床31和第二分子筛干燥床35连接、用于活化时除去分子筛干燥床中的水蒸气的第二冷凝器49，以及与该第二冷凝器49连接的气体循环泵50。所述含氚氢气产品罐56还通过一传输管路与高纯氢气储罐61连接。此外，含氚氢气干燥与收集系统中还包含有第一气相阀门23、第二气相阀门29、第三气相阀门32、第四气相阀门33、第五气相阀门36、第七气相阀门40、第八气相阀门43、第九气相阀门45、第十气相阀门46、第十一气相阀门47、第十二气相阀门48、第十三气相阀门54、第十四气相阀门58。

所述冷凝系统用于为第一、第二冷凝器提供冷水循环，并收集冷凝器中冷凝的含氚水，其同时与第一冷凝器24和第二冷凝器49连接、用于提供冷源的冷凝水箱27，与第一冷凝器24连接、用于收集由其传输出来的冷凝含氚水的第三液体质量流量计72，与第二冷凝器49连接、用于收集由其传输出来的冷凝含氚水的第二液体质量流量计68，以及同时与第三液体质量流量计72、第二液体质量流量计68和待处理含氚水储罐17连接的冷凝水储藏罐69。此外，冷凝系统中还包含有第三液相阀门25、第四液相阀门26、第五液相阀门52、第六液相阀门53。

所述低氚水收集系统用于收集氚含量达到指标的低氚水，其包括与低氚水出水管12连接的第四液体质量流量计76，以及与该第四液体质量流量计76连接的低氚水产品罐77。此外，低氚水收集系统中还包含有第十液相阀门75和第十一液相阀门80。

所述检测控制装置用来监测和控制系统的压力、液位、温度、湿度和氚含量等工况参数以指导系统操作运行，并在系统适用前进行抽真空预处理。该检测控制装置包括与待处理含氚水储罐17连接的第一液位仪16，与冷凝水储藏罐69连接的第二液位仪70，与低氚水产品罐77连接的第三液位仪78，均与外筒5连接的用于监测其内部温度的温度传感器21和第一压力传感器20，与高纯氢气储罐61连接的第三压力传感器62，与减压阀65连接的第四压力传感器66，连接在第一冷凝器24和第一分子筛干燥床31之间的第一露点仪28，与第二分子筛干燥床35连接的第二露点仪37，分别与气体加热器44和气体循环泵50连接的第三露点仪51，用于系统初始抽真空的第一真空泵39、第二真空泵89和真空规87，以及用于检测低氚水出口氚浓度的磁质谱仪74和用于测量氢气氚含量的四极质谱仪42。

下面对本发明的工作流程进行详细介绍。

安装工艺系统，进行保压测试及调试，直至符合氢气操作安全要求，然后打开第一真空泵39、第二真空泵89和系统内相应阀门，对体系进行抽真空处理，并利用真空规87实时监测管道内压力，直至真空度达到5Pa以下，关闭真空泵和阀门；

接着，启动控温装置，对外筒5内部进行预热。预热结束后，为防止含氚水渗入氢气进料缓冲腔，先后通入高纯氢气和待处理含氚废水；通过中心区进气管1和环隙区进气管2向中心区和环隙区内通入高纯氢气。进入的高纯氢气首先进入到氢气进气缓冲腔体，然后经烧结板3形成尺寸较小、分布均一的气泡后进入环流中心区和环隙区内。

而后，将待处理的含氚废水从含氚水进水管7引入，然后经环管式分布器9缓慢平稳地滴入至环隙区；控制中心区和环隙区的氢气表观气速，形成中心气升式环流。含氚水与高纯氢气充分反应，得到含氚氢气和低氚水，含氚水液位高度不超过外筒内径的20％。反应后的含氚氢气自外筒顶部的含氚氢气排出管道8引出。

开启低氚水收集系统、含氚氢气干燥与收集系统、冷凝系统和检测控制系统，利用四极质谱42和第二露点仪37分别检测含氚氢气中的氚浓度和含水量，达到氚浓度和含水量指标的含氚氢气存至含氚氢气产品罐56，否则转入高纯氢气储罐61；同时，利用磁质谱仪74检测低氚水中氚浓度，直至达到指标时存入低氚水产品罐77，否则转入待处理含氚水储罐17，然后继续循环上述处理过程。

在上述处理过程中，当高纯氢气储罐61压力低于3MPa时，打开第十六气相阀门64，引入高纯氢气。而当待处理含氚水储罐17液位低于5cm时，则打开第九液相阀门73，将冷凝水储藏罐69中的水泵入含氚水储罐，或打开第一液相阀门14，从外部引入待处理含氚水；

在上述采集数据过程中，实时采集对比工作分子筛干燥床前后的露点仪数据，如果第二露点仪37达到-30度，则停用该分子筛干燥床，同时将待干燥含氚氢气更换到另一根分子筛干燥床，并对前者其进行加热除水再生。

本实施例中，以上所述的工艺系统中，气体阀门均为气体隔膜阀，液体阀门均为液体球阀，保证准确控制气体和液体流动的同时，确保系统运行的稳定性。

图3为本发明使用第一分子筛床干燥含氚氢气而活化第二分子筛床的工作原理图。图4为使用第二分子筛床干燥含氚氢气而活化第一分子筛床的工作原理图。以图3为例，描述含氚氢气干燥与收集系统的工艺流程：

(1)开启气体加热器44、第二冷凝器49和气体循环泵50，开启第二分子筛床加热器34并设置温度350℃；

(2)开启第八气相阀门43引入定量压缩机流出的含氚氢气后再关闭；

(3)气体加热器44加热后的含氚氢气，在第二分子筛干燥床35中将分子筛吸附的含氚水汽化；

(4)含氚水蒸汽和含氚氢气流入第二冷凝器49中冷凝，含氚水蒸汽冷凝为液态水，液态含氚水转入冷凝水储藏罐69，而含氚氢气经气体循环泵50加压后循环进入气体加热器44；

(5)循环步骤(3)、(4)，直至第二露点仪37示数降至-90度，关闭第二分子筛床加热器34、气体加热器44、第二冷凝器49和气体循环泵50，经四极质谱仪42检测达到浓度指标的含氚氢气回流至含氚氢气产品罐56，否则循环至高纯氢气储罐61；

(6)完成第二分子筛干燥床35的预热去水活化，等待第一分子筛干燥床31除水能力下降直至第二露点仪37达到-30度后，切换使用第二分子筛干燥床35进行干燥，而同时活化第一分子筛干燥床31。

另外，如图5所示，在上述催还交换处理过程中，控制中心区高纯氢气表观气速高于环隙区气速，中心区液相气含率高，水相整体向上流动。水相高度超过导流筒高度时，受重力作用进入环隙区。环隙区由于氢气表观气速较小，水相整体向下移动。到达环隙底部导流孔位置时，受导流孔两侧压力差的驱动，环隙水相经导流孔进入中心区，从而实现外筒内中心区水相向上运动、环隙向下运动的中心气升式环流模式。而外筒顶部的含氚水经环管式分布器9滴入环隙区，局部提升了环隙区水相的氚浓度，导致气液相传质和反应推动力增加，从而进一步提升了反应效率。如此一来，通过控制液相环流速度或停留时间、含氚水加料速率和低氚水引出速率，以及氢气进气流量，就可以便捷、定量地控制催化交换系统内同位素交换反应进程，得到符合指标的低氚水和高浓度的含氚氢气。

图6为本发明中催化交换系统的三维剖视图。在本实施例中，催化交换系统的安装流程如下：导流筒最底端设置密封胶，结合烧结板上的契合结构，使得导流筒压紧烧结板，保证导流筒最底部内外筒之间的密封性。填装θ环填料，填料高度不超过导流筒高度，然后将外筒和顶盖通过法兰连接，再依次安装控温系统和保温层。

本发明通过合理的结构及操作流程设计，不仅可以快速、准确地控制反应后气液相的氚含量，而且显著提高了水去氚化的效率，大幅降低了成本。因此，本发明技术进步十分明显，将水去氚化系统及工艺的设计提升到了一个新的高度。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于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上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于实现水去氚化的系统，其特征在于，包括催化交换系统(13)、氢气供料系统、含氚水供应系统、含氚氢气干燥与收集系统、低氚水收集系统、冷凝系统和检测控制装置；

所述催化交换系统(13)包括顶盖、外筒(5)、中心区进气管(1)、环隙区进气管(2)、烧结板(3)、带有导流孔的导流筒(4)、涂覆了疏水催化剂的θ环填料(6)、含氚水进水管(7)、含氚氢气排气管(8)、环管式分布器(9)和低氚水出水管(12)；所述顶盖设置在外筒(5)顶部，所述环管式分布器(9)位于外筒(5)内部并靠近顶盖，所述含氚水进水管(7)和含氚氢气排气管(8)则均穿入顶盖与外筒内部连通，并且含氚水进水管(7)还与环管式分布器(9)连接；所述导流筒(4)设置在外筒(5)内部底部，并将外筒内部底部空间分隔为中心区和环隙区，所述中心区进气管(1)由外筒(5)底部穿入并与导流筒(4)连通；所述环隙区进气管(2)与外筒(5)底部连通；所述烧结板(3)固定在外筒(5)内部，并位于导流筒(4)下方，其将外筒(5)底部分隔出一个氢气进气缓冲腔体；所述θ环填料(6)分别填装于中心区和环隙区内；所述低氚水出水管(12)与外筒(5)外壁连接并与环隙区连通；

所述氢气供料系统同时与中心区进气管(1)和环隙区进气管(2)连接，用于同时向中心区和环隙区内通入高纯氢气；

所述含氚水供应系统分别与含氚水进水管(7)和低氚水出水管(12)连接，用于向外筒(5)内通入含氚水以及回收低氚水出水管(12)排出的氚浓度未达标的含氚水；

所述含氚氢气干燥与收集系统包括通过管道与含氚氢气排气管(8)连接的第一冷凝器(24)，均与该第一冷凝器(24)连接、且呈并联关系的第一分子筛干燥床(31)和第二分子筛干燥床(35)，设置在第一分子筛干燥床(31)上、用于加热第一分子筛干燥床的第一加热器(30)，设置在第二分子筛干燥床(31)上、用于加热第二分子筛干燥床的第二加热器(34)，均同时与第一分子筛干燥床(31)和第二分子筛干燥床(35)连接的气体压缩机(41)和干燥气体加热器(44)，与气体压缩机(41)连接的含氚氢气产品罐(56)，同时与第一分子筛干燥床(31)和第二分子筛干燥床(35)连接、用于活化时除去分子筛干燥床中的水蒸气的第二冷凝器(49)，以及与该第二冷凝器(49)连接的气体循环泵(50)；所述含氚氢气产品罐(56)还通过传输管路与氢气供料系统连接；

所述低氚水收集系统与低氚水出水管(12)连接，用于收集由低氚水出水管排出的低氚水；

所述冷凝系统包括同时与第一冷凝器(24)和第二冷凝器(49)连接、用于提供冷源的冷凝水箱(27)，与第一冷凝器(24)连接、用于收集由其传输出来的冷凝含氚水的第三液体质量流量计(72)，与第二冷凝器(49)连接、用于收集由其传输出来的冷凝含氚水的第二液体质量流量计(68)，以及同时与第三液体质量流量计(72)、第二液体质量流量计(68)和含氚水供应系统连接的冷凝水储藏罐(69)；

所述检测控制装置同时与催化交换系统(13)、氢气供料系统、含氚水供应系统、含氚氢气干燥与收集系统、低氚水收集系统、冷凝系统连接，用于监测和控制系统的压力、液位、温度、湿度和氚含量，并在系统使用前对其进行抽真空预处理。

2.根据权利要求1所述的一种用于实现水去氚化的系统，其特征在于，所述θ环填料(6)由玻璃棉毡或80～200目不锈钢丝网，经涂覆Pt基疏水催化剂、切割和卷压成型制得；同时所述θ环填料(6)的高径比为1～1.2，并且θ环填料(6)的填装高度不超过导流筒高度。

3.根据权利要求2所述的一种用于实现水去氚化的系统，其特征在于，还包括控温装置和保温层(11)；所述控温装置包括套在外筒(5)外部、且呈对称半圆环状结构的加热板(10)，与该加热板(10)连接的固态继电器，以及与该固态继电器连接的PID温控仪；所述保温层(11)包裹在加热板(10)和外筒(5)外部。

4.根据权利要求3所述的一种用于实现水去氚化的系统，其特征在于，所述环隙区和中心区的横截面面积比为2.5～5。

5.根据权利要求1～4任一项所述的一种用于实现水去氚化的系统，其特征在于，所述氢气供料系统包括与中心区进气管(1)连接的第四气体质量流量计(83)，与环隙区进气管(2)连接的第五气体质量流量计(85)，同时与第四气体质量流量计(83)和第五气体质量流量计(85)连接的减压阀(65)，以及与该减压阀(65)连接的高纯氢气储罐(61)；所述高纯氢气储罐(61)连接有一用于补充高纯氢气的管路，且该管路中设有第三气体质量流量计(63)；所述高纯氢气储罐(61)与传输管路连接，并且在传输管路上还设有第二气体质量流量计(60)。

6.根据权利要求5所述的一种用于实现水去氚化的系统，其特征在于，所述含氚水供应系统包括与含氚水进水管(7)连接的计量泵(19)，以及与该计量泵(19)连接的待处理含氚水储罐(17)；所述低氚水出水管(12)通过回收管道与待处理含氚水储罐(17)连接，且该回收管道中还设有第六液体质量流量计(90)；所述冷凝水储藏罐(69)也通过管道与待处理含氚水储罐(17)连接。

7.根据权利要求6所述的一种用于实现水去氚化的系统，其特征在于，所述低氚水收集系统包括与低氚水出水管(12)连接的第四液体质量流量计(76)，以及与该第四液体质量流量计(76)连接的低氚水产品罐(77)。

8.根据权利要求7所述的一种用于实现水去氚化的系统，其特征在于，所述检测控制装置包括与待处理含氚水储罐(17)连接的第一液位仪(16)，与冷凝水储藏罐(69)连接的第二液位仪(70)，与低氚水产品罐(77)连接的第三液位仪(78)，均与外筒(5)连接的用于监测其内部温度的温度传感器(21)和第一压力传感器(20)，与高纯氢气储罐(61)连接的第三压力传感器(62)，与减压阀(65)连接的第四压力传感器(66)，连接在第一冷凝器(24)和第一分子筛干燥床(31)之间的第一露点仪(28)，与第二分子筛干燥床(35)连接的第二露点仪(37)，分别与气体加热器(44)和气体循环泵(50)连接的第三露点仪(51)，用于系统初始抽真空的第一真空泵(39)、第二真空泵(89)和真空规(87)，以及用于检测低氚水出口氚浓度的磁质谱仪(74)和用于测量氢气氚含量的四极质谱仪(42)。

9.权利要求8所述的水去氚化系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对催化交换系统进行保压测试，并利用检测控制装置对整个水去氚化系统进行抽真空处理，直至真空度达到5Pa以下；

(2)启动控温装置，对外筒内部进行预热；

(3)预热结束后，通过高纯氢气储罐分别向中心区和环隙区中通入高纯氢气，然后通过待处理含氚水储罐向外筒内引入待处理含氚水，控制中心区和环隙区的氢气表观气速，形成中心气升式环流，并控制含氚水液位高度不超过外筒内径的20％，使含氚水与高纯氢气进行氢同位素交换反应，得到含氚氢气和低氚水；该步骤中，中心区液相向上流动，液相高度超过导流筒后受到重力影响，在环隙区向下流动，并在到达导流孔位置时，受到导流孔两侧压力的推动，从环隙区经导流孔流入中心区，形成循环；

(4)分别开启低氚水收集系统、含氚氢气干燥与收集系统、冷凝系统；

(5)利用含氚氢气干燥与收集系统收集含氚氢气，并检测含氚氢气的氚浓度和含水量，达到浓度指标的含氚氢气存至含氚氢气产品罐，否则转入高纯氢气储罐中，然后执行步骤(6)；同时，利用低氚水收集系统收集低氚水，并检测低氚水中的氚浓度，直至达到指标时存入低氚水产品罐；未达标的低氚水则转入待处理含氚水储罐中，然后执行步骤(6)；

(6)按照步骤(3)～(5)所述的方式进行循环。

10.根据权利要求9所述的水去氚化系统的实现方法，其特征在于，所述步骤(3)中，高纯氢气经中心区进气管、环隙区进气管进入内环流外筒底部的氢气进气缓冲腔体中，并经过烧结板形成分布均一的气泡，然后进入中心区和环隙区内。