CN107098413B - 一种制备多种浓度低氘水的精馏工艺系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备多种浓度低氘水的精馏工艺系统，包括氮气供气系统、原料水供应系统、第一水精馏系统、第一氘水收集系统、第一换热系统、第一监测控制系统、第二水精馏系统、第二氘水收集系统、第二换热系统、第二监测控制系统、第三水精馏系统、第三氘水收集系统、第三换热系统、第三监测控制系统。本发明还提供了该精馏工艺系统的实现方法。本发明逻辑严谨、设计完备，能有效简化生产工艺、提高氢氘分离效率、降低低氘水生产成本，并提供满足不同需求的浓度的低氘水。因此，本发明适于推广应用。

Description

一种制备多种浓度低氘水的精馏工艺系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及低氘水的制备领域，具体涉及一种制备多种浓度低氘水的精馏工艺系统及其实现方法。

背景技术

氘是氢的稳定同位素，氢和氘原子结构的差异导致了其物理和化学性质存在一定差异。自然界中含有特定浓度的氘，其丰度约150ppm，氘浓度低于该浓度的水被称为低氘水。

目前，水-氢双温交换法是较大规模生产低氘水的办法。基于氢氘在反应中非等几率平衡分布的特性，及交换反应分离因子随温度升高而减少的原理，进行氢氘的分离。冷塔内氘从气相向液相富集；热塔内氘由液相向气相的相转变加强，但分离因子减小；最终获得浓缩的氘水和贫氘氢气。但该法存在以下问题：（1）由于过程包括液相催化交换和相转变过程，因而涉及高低温塔之间的物料循环，流量、温度等参数的操作控制复杂；（2）整个工艺包括低温塔和高温塔，设备复杂，投资成本高；（3）由天然丰度水和氢气制备的低氘水浓度范围有限；（4）分离系数低，大规模生产需要多级并联，生产低氘水成本较高。

综上，如何简化生产工艺，提高氢氘分离效率，降低低氘水生产成本，便成为本领域重点研究的主要内容之一。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种制备多种浓度低氘水的精馏工艺系统，能有效简化生产工艺、提高氢氘分离效率、降低低氘水生产成本，并提供满足不同需求的浓度的低氘水。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种制备低氘水的精馏装置，包括氮气供气系统、原料水供应系统、第一水精馏系统、第一氘水收集系统、第一换热系统、第一监测控制系统以及用于制造真空的第一水环泵，其中：

所述第一水精馏系统用于进行氢同位素氧化物的分离，获得低氘水和富氘水，包括塔底用于获得高温富氘水、塔顶用于获得贫氘水蒸气的第一水精馏柱和设置在该第一水精馏柱外部的第一交换柱加热保温层；

所述第一换热系统包括同时与第一水精馏柱塔底、氮气供气系统、原料水供应系统和第一氘水收集系统连接的利用第一水精馏柱塔底高温富氘水预热原料水的第一冷凝器，同时与第一水精馏柱塔顶和第一氘水收集系统连接、用于将第一水精馏柱塔顶获得的贫氘水蒸气冷凝成低氘水的第二冷凝器，同时与第一水精馏柱和第一冷凝器连接、用于提供含氘蒸汽从而与第一水精馏柱柱内下行的富氘水进行氢同位素转移、完成精馏工艺的第一再沸器，以及同时与第二冷凝器和第一水精馏柱连接的第一汽水分离器；所述第一水环泵与第一汽水分离器连接；

所述第一监测控制系统同时与氮气供气系统、原料水供应系统、第一水精馏系统、第一氘水收集系统、第一换热系统连接，用于实现系统内液位监测、压力监测和氘浓度测量。

具体地说，所述第一交换柱加热保温层包括呈对称半圆环状的加热板，包裹在该加热板外部的硅酸铝纤维棉层，以及均与加热板连接的继电器和PID温控仪。

具体地说，所述氮气供气系统包括与第一冷凝器连接的氮气储罐，以及依次设置在氮气储罐和第一冷凝器之间的第一气相阀门、减压阀和气体质量流量计；所述第一监测控制系统与氮气储罐连接。

具体地说，所述原料水供应系统包括与第一冷凝器连接的原料水储罐，以及依次设置在原料水储罐和第一冷凝器之间的第二液相阀门和第一计量泵；所述第一监测控制系统与原料水储罐连接。

具体地说，所述第一氘水收集系统包括与第一冷凝器连接的第一氘水储罐，依次设置在第一氘水储罐与第一冷凝器之间的第一液体质量流量计和第三液相阀门，与第二冷凝器连接的第二氘水储罐，以及依次设置在第二氘水储罐与第二冷凝器之间的第二计量泵和第七液相阀门；所述第一监测控制系统分别与第一氘水储罐和第二氘水储罐连接。

具体地说，所述第一监测控制系统包括与氮气储罐连接的第一压力传感器，均与原料水储罐连接的第一液相阀门、第一液位传感器和第一氘浓度监测仪，均与第一氘水储罐连接的第二液位传感器、第二氘浓度监测仪和第四液相阀门，以及均与第二氘水储罐连接的第三液位传感器、第三氘浓度监测仪和第九液相阀门。

进一步地，基于上述精馏装置，本发明还提供了一种制备多浓度低氘水的精馏工艺系统，包括如上所述的精馏装置，以及第二水精馏系统、第二氘水收集系统、第二换热系统、第二监测控制系统和同样用于制造真空的第二水环泵；所述第二水精馏系统与第一水精馏系统结构相同；所述第二氘水收集系统与第一氘水收集系统结构相同；所述第二换热系统与第一换热系统结构相同；

所述第二水精馏系统包括第二水精馏柱和设置在该第二水精馏柱外部的第二交换柱加热保温层；

所述第二换热系统包括同时与第二冷凝器、第二水精馏柱塔底和第二氘水收集系统连接的第三冷凝器，同时与第二水精馏柱塔顶和第二氘水收集系统连接的第四冷凝器，同时与第二水精馏柱和第三冷凝器连接的第二再沸器，以及同时与第四冷凝器和第二水精馏柱连接的第二汽水分离器；所述第二水环泵与第二汽水分离器连接。

进一步地，本发明还包括第三水精馏系统、第三氘水收集系统、第三换热系统、第三监测控制系统和同样用于制造真空的第三水环泵；所述第三水精馏系统与第一水精馏系统结构相同；所述第三氘水收集系统与第一氘水收集系统结构相同；所述第三换热系统与第一换热系统结构相同；

所述第三水精馏系统包括第三水精馏柱和设置在该第三水精馏柱外部的第三交换柱加热保温层；

所述第三换热系统包括同时与第四冷凝器、第三水精馏柱塔底和第三氘水收集系统连接的第五冷凝器，同时与第三水精馏柱塔顶和第三氘水收集系统连接的第六冷凝器，同时与第三水精馏柱和第五冷凝器连接的第三再沸器，以及同时与第六冷凝器和第三水精馏柱连接的第三汽水分离器；所述第三水环泵与第三汽水分离器连接。

更进一步地，本发明还提供了该制备多浓度低氘水的精馏工艺系统的实现方法，包括以下步骤：

单级操作模式

（1）启动氮气供气系统，对系统进行保压和真空测试，直至符合工艺要求，氮气供气系统为系统保压测试和气氛保护提供气源；

（2）利用第一交换柱加热保温层对第一水精馏柱进行预热，预热至反应温度；

（3）对系统进行抽真空，直至系统真空度达到预设真空度；

（4）启动原料水供应系统、第一氘水收集系统、第一换热系统和第一监测控制系统，将天然丰度去离子水引入第一水精馏柱，利用待分离组分的蒸气压的差异，在塔底获得富氘水，系统运行稳定时在塔顶获得100-120ppm的贫氘水蒸汽；

（5）第一再沸器对部分进入的氘水进行升温汽化，形成含氘蒸汽，进入塔内后与下行的富氘水接触进行氢同位素转移，完成精馏过程，然后经第一冷凝器冷凝后收集到第一氘水储罐中；同时，贫氘水蒸汽经第二冷凝器冷凝、第一汽水分离器分离后获得低氚水，并收集到第二氘水储罐中；

（6）重复步骤（1）～（5）；

两级操作模式

（1）启动氮气供气系统，对系统进行保压和真空测试，直至符合工艺要求，氮气供气系统为系统保压测试和气氛保护提供气源；

（2）利用交换柱加热保温层对水精馏柱进行预热，预热至反应温度；

（3）对系统进行抽真空，直至系统真空度达到预设真空度；

（4）启动原料水供应系统、第一氘水收集系统、第一换热系统和第一监测控制系统，将天然丰度去离子水引入第一水精馏柱，利用待分离组分的蒸气压的差异，在塔底获得富氘水；

（5）第一再沸器对部分进入的氘水进行升温汽化，形成含氘蒸汽，进入塔内后与下行的富氘水接触进行氢同位素转移，完成第一级精馏过程，然后经第一冷凝器冷凝后收集到第一氘水储罐中；同时，贫氘水蒸汽经第二冷凝器冷凝、第一汽水分离器分离后获得低氚水；

（6）将部分低氚水收集到第二氘水储罐中，其余低氘水引入至第二水精馏柱中；

（7）第二再沸器对部分进入的氘水进行升温汽化，形成含氘蒸汽，进入塔内后与下行的富氘水接触进行氢同位素转移，完成第二级精馏，然后经第三冷凝器冷凝后收集；贫氘水蒸汽经第四冷凝器冷凝、第二汽水分离器分离后获得低氚水，并收集；同时，第二水精馏柱塔底获得的氘水返回至第一水精馏柱中循环处理；

（8）直至系统运行稳定，在第一水精馏柱塔顶获得100-120ppm的低氘水，在第二水精馏柱塔顶获得50-80ppm的低氘水；

（9）重复步骤（1）～（8）；

三级操作模式

（1）启动氮气供气系统，对系统进行保压和真空测试，直至符合工艺要求，氮气供气系统为系统保压测试和气氛保护提供气源；

（2）利用交换柱加热保温层对水精馏柱进行预热，预热至反应温度；

（3）对系统进行抽真空，直至系统真空度达到预设真空度；

（4）启动原料水供应系统、第一氘水收集系统、第一换热系统和第一监测控制系统，将天然丰度去离子水引入第一水精馏柱，利用待分离组分的蒸气压的差异，在塔底获得富氘水，在塔顶获得100-120ppm的贫氘水蒸汽；

（5）第一再沸器对部分进入的氘水进行升温汽化，形成含氘蒸汽，进入塔内后与下行的富氘水接触，进行氢同位素转移，完成第一级精馏，然后经第一冷凝器冷凝后收集到第一氘水储罐中；同时，贫氘水蒸汽经第二冷凝器冷凝、第一汽水分离器分离后获得低氚水；

（6）将部分低氚水收集到第二氘水储罐中，其余低氘水引入至第二水精馏柱中；

（7）第二再沸器对部分进入的氘水进行升温汽化，形成含氘蒸汽，进入塔内后与下行的富氘水接触，进行氢同位素转移，完成第二级精馏，然后经第三冷凝器冷凝后收集到第二氘水收集系统；贫氘水蒸汽经第四冷凝器冷凝、第二汽水分离器分离后获得低氚水；同时，将第二水精馏柱塔底获得的富氘水返回至第一水精馏柱中循环处理；

（8）将部分低氚水收集到第二氘水收集系统，其余低氘水引入至第三水精馏柱中；

（9）第三再沸器对部分进入的氘水进行升温汽化，形成含氘蒸汽，进入塔内后与下行的富氘水接触，进行氢同位素转移，完成第三级精馏，然后经第五冷凝器冷凝后收集；贫氘水蒸汽经第六冷凝器冷凝、第三汽水分离器分离后获得低氚水，并收集；同时，将第三水精馏柱塔底获得的富氘水返回至第二水精馏柱中循环处理（可根据工艺需要调整部分氘水用于预热原料氘水后存储在第五氘水储罐）；

（10）直至系统运行稳定，在第一水精馏柱塔顶获得100-120ppm的低氘水，在第二水精馏柱塔顶获得50-80ppm的低氘水，在第三水精馏柱塔顶获得10-30ppm的低氘水；

（11）重复步骤（1）～（10）。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明逻辑严谨、设计完备、布局合理，可以满足水精馏技术生产低氘水的工艺需求。

（2）本发明所述工艺系统通过设置三套独立的精馏系统及其他辅助系统，可以采用单级、两级和三级串联的方式制备多种浓度的低氘水（可以制备10-140ppm范围指定浓度的低氘水），工艺灵活性强，操作弹性大，生产低氘水浓度范围广，可满足各种不同需求浓度的低氘水，市场适应能力强。

（3）本发明采用真空精馏工艺，不仅显著提高氢氘分离效率，也有效降低工艺能耗。

（4）本发明制备低氘水采用原料为天然丰度的去离子水，有效控制了原料成本。

（5）本发明采用水精馏柱底的氘水对原料水进行预热，工艺热效率高，且大幅节约了工艺成本。

（6）本发明性价比高、实用性强，工艺显著简化且更加安全，无需贫氘氢气氧化工序，所处理介质只有水和水蒸气，因此，本发明非常适合推广应用。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明的工艺流程图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-第一液相阀门，2-原料水箱，3-第一液位传感器，4-第一氘浓度监测仪，5-第二液相阀门，6-第一计量泵，7-第一冷凝器，8-第一气相阀门，9-第一压力传感器，10-氮气储罐，11-第二气相阀门，12-减压阀，13-气体质量流量计，14-第一水精馏柱，15-第一水精馏柱加热器，16-第二压力传感器，17-第三液相阀门，18-第一液体质量流量计，19-第一氘水储罐，20-第二液位传感器，21-第二氘浓度监测仪，22-第四液相阀门，23-第五液相阀门，24-第一再沸器，25-第三气相阀门，26-第四气相阀门，27-第二冷凝器，28-第二液体质量流量计，29-第五气相阀门，30-第一汽水分离器，31-第六气相阀门，32-第一水环泵，33-第六液相阀门，34-第七液相阀门，35-第二计量泵，36-第八液相阀门，37-第三液体质量流量计，38-第二氘水储罐，39-第三液位传感器，40-第三氘浓度监测仪，41-第九液相阀门，42-第三冷凝器，43-第二水精馏柱，44-第二水精馏柱加热器，45-第三压力传感器，46-第十液相阀门，47-第四液体质量流量计，48-第三氘水储罐，49-第四液位传感器，50-第四氘浓度监测仪，51-第十一液相阀门，52-第十二液相阀门，53-第三计量泵，54-第十三液相阀门，55-第二再沸器，56-第七气相阀门，57-第八气相阀门，58-第四冷凝器，59-第五液体质量流量计，60-第九气相阀门，61-第二汽水分离器，62-第十气相阀门，63-第二水环泵，64-第十四液相阀门，65-第十五液相阀门，66-第四计量泵，67-第十六液相阀门，68-第六液体质量流量计，69-第四氘水储罐，70-第五液位传感器，71-第五氘浓度监测仪，72-第十七液相阀门，73-第五冷凝器，74-第三水精馏柱，75-第三水精馏柱加热器，76-第四压力传感器，77-第十八液相阀门，78-第七液体质量流量计，79-第五氘水储罐，80-第六液位传感器，81-第六氘浓度监测仪，82-第十九液相阀门，83-第二十液相阀门，84-第五计量泵，85-第二十一液相阀门，86-第三再沸器，87-第十一气相阀门，88-第十二气相阀门，89-第六冷凝器，90-第八液体质量流量计，91-第十三气相阀门，92-第三汽水分离器，93-第十四气相阀门，94-第三水环泵，95-第二十二液相阀门，96-第二十三液相阀门，97-第九液体质量流量计，98-第六氘水储罐，99-第七液位传感器，100-第七氘浓度监测仪，101-第二十四液相阀门。

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。

实施例

如图1所示，本发明提供了一种可制备低氘水的精馏系统，其包括氮气供气系统、原料水供应系统、第一水精馏系统、第一氘水收集系统、第一换热系统、第一监测控制系统、第二水精馏系统、第二氘水收集系统、第二换热系统、第二监测控制系统、第三水精馏系统、第三氘水收集系统、第三换热系统、第三监测控制系统以及均用于制造真空的第一水环泵32、第二水环泵63、第三水环泵94。

所述第一水精馏系统、第二水精馏系统、第三水精馏系统结构相同，均用于进行氢同位素氧化物（即HDO和H₂O）的分离，获得低氘水和富氘水，其中，第一水精馏系统包括塔底用于获得高温富氘水、塔顶用于获得贫氘水蒸气的第一水精馏柱14和设置在该第一水精馏柱14外部的第一交换柱加热保温层15。所述第二水精馏系统包括第二水精馏柱43和设置在该第二水精馏柱43外部的第二交换柱加热保温层44。所述第三水精馏系统包括第三水精馏柱74和设置在该第三水精馏柱74外部的第三交换柱加热保温层75。本发明中的水精馏柱内部填充填料，内部按照直径3~5倍的高度设置气体和液体分布器，确保上行氢气和下流液体的分布均匀，抑制液泛现象的发生。

上述第一交换柱加热保温层15、第二交换柱加热保温层44和第三交换柱加热保温层75均包括呈对称半圆环状的加热板，包裹在加热板外部的硅酸铝纤维棉层，以及均与加热板连接的继电器和PID温控仪。

所述第一换热系统、第二换热系统、第三换热系统结构，其中，第一换热系统包括同时与第一水精馏柱14塔底、氮气供气系统、原料水供应系统和第一氘水收集系统连接的第一冷凝器7，同时与第一水精馏柱14塔顶和第一氘水收集系统连接、用于将第一水精馏柱塔顶获得的贫氘水蒸汽冷凝成低氘水的第二冷凝器27，同时与第一水精馏柱14和第一冷凝器7连接、用于提供含氘蒸汽从而与第一水精馏柱柱内下行的富氘水进行氢同位素转移、完成精馏工艺的第一再沸器24，以及同时与第二冷凝器27和第一水精馏柱14连接的第一汽水分离器30；所述第一水环泵32与第一汽水分离器30连接。第二换热系统包括同时与第二冷凝器27、第二水精馏柱43塔底和第二氘水收集系统连接的第三冷凝器42，同时与第二水精馏柱43塔顶和第二氘水收集系统连接的第四冷凝器58，同时与第二水精馏柱43和第三冷凝器42连接的第二再沸器55，以及同时与第四冷凝器58和第二水精馏柱43连接的第二汽水分离器61；所述第二水环泵63与第二汽水分离器61连接。第三换热系统包括同时与第四冷凝器58、第三水精馏柱74塔底和第三氘水收集系统连接的第五冷凝器73，同时与第三水精馏柱74塔顶和第三氘水收集系统连接的第六冷凝器89，同时与第三水精馏柱74和第五冷凝器73连接的第三再沸器86，以及同时与第六冷凝器89和第三水精馏柱74连接的第三汽水分离器92；所述第三水环泵94与第三汽水分离器92连接。

所述氮气供气系统用于系统保压测试提供气源，并提供吹扫系统的惰性保护气体，包括与第一冷凝器7连接的氮气储罐10，以及依次设置在氮气储罐10和第一冷凝器7之间的第一气相阀门8、减压阀12和气体质量流量计13。

所述原料水供应系统用于为第一、第二和第三水精馏柱提供待处理含氚水，其包括与第一冷凝器7连接的原料水储罐2，以及依次设置在原料水储罐2和第一冷凝器7之间的第二液相阀门5和第一计量泵6；所述第一监测控制系统与原料水储罐2连接。

所述第一氘水收集系统、第二氘水收集系统和第三氘水收集系统结构相同，其中，第一氘水收集系统包括与第一冷凝器7连接的第一氘水储罐19，依次设置在第一氘水储罐19与第一冷凝器7之间的第一液体质量流量计18和第三液相阀门17，与第二冷凝器27连接的第二氘水储罐38，以及依次设置在第二氘水储罐38与第二冷凝器27之间的第二计量泵35和第七液相阀门34。第二氘水收集系统包括与第三冷凝器42连接的第三氘水储罐48，依次设置在第三氘水储罐48与第三冷凝器42之间的第四液体质量流量计47和第十液相阀门46，与第四冷凝器58连接的第三氘水储罐69，以及依次设置在第三氘水储罐69与第四冷凝器58之间的第四计量泵66和第十五液相阀门65。第三氘水收集系统包括与第五冷凝器73连接的第五氘水储罐79，依次设置在第五氘水储罐79与第五冷凝器79之间的第七液体质量流量计78和第十八液相阀门77，与第六冷凝器89连接的第六氘水储罐98，以及依次设置在第六氘水储罐98与第六冷凝器89之间的第九液体质量流量计97和第二十三液相阀门96。

所述第一监测控制系统、第二监测控制系统和第三监测控制系统均用于实现系统内液位监测、压力监测和氘浓度测量，其中，第一监测控制系统包括与氮气储罐10连接的第一压力传感器9，均与原料水储罐2连接的第一液相阀门1、第一液位传感器3和第一氘浓度监测仪4，均与第一氘水储罐19连接的第三液位传感器39、第三氘浓度监测仪40和第九液相阀门41，以及均与第二氘水储罐38连接的第四液位传感器49、第四氘浓度监测仪50和第十一液相阀门51。第二监测控制系统包括均与第三氘水储罐48连接的第四液位传感器49、第四氘浓度监测仪50和第十一液相阀门51，以及均与第四氘水储罐69连接的第五液位传感器70、第五氘浓度监测仪71和第十七液相阀门72。第三监测控制系统包括均与第五氘水储罐79连接的第六液位传感器80、第六氘浓度监测仪81和第十九液相阀门82，以及均与第六氘水储罐98连接的第七液位传感器99、第七氘浓度监测仪100和第二十四液相阀门101。

本发明所用原理是利用待分离组分的蒸气压的差异，尤其适用于沸点相差较小的体系，最终使水精馏柱底采出富氘水，而塔顶的贫氘水蒸汽则经冷凝后可得低氘水。并且，基于温度对HDO和H₂O饱和蒸气压差的影响规律，随着温度降低，饱和蒸气压差增大，精馏推动力增加，分离效率提升，本实施例采用真空精馏工艺，水精馏柱绝对操作压力0.12 bar，塔底至塔顶温度保持在50-55℃范围。

下面介绍本发明的实现流程。如图2所示，本发明可实现单级、两级和三级串联操作，从而制备多种浓度的低氚水，其具体步骤如下：

单级操作模式

（1）启动氮气供气系统，对系统进行保压和真空测试，直至符合工艺要求，氮气供气系统为系统保压测试和气氛保护提供气源；

（2）利用第一交换柱加热保温层对第一水精馏柱进行预热，预热至反应温度；

（3）对系统进行抽真空，直至系统真空度达到预设真空度；

（4）启动原料水供应系统、第一氘水收集系统、第一换热系统和第一监测控制系统，将天然丰度去离子水引入第一水精馏柱，利用待分离组分的蒸气压的差异，在塔底获得富氘水，系统运行稳定时在塔顶获得100-120ppm的贫氘水蒸汽；

（5）第一再沸器对部分进入的氘水进行升温汽化，形成含氘蒸汽，进入塔内后与下行的富氘水接触进行氢同位素转移，完成精馏过程，然后经第一冷凝器冷凝后收集到第一氘水储罐中；同时，贫氘水蒸汽经第二冷凝器冷凝、第一汽水分离器分离后获得低氚水，并收集到第二氘水储罐中；

（6）重复步骤（1）～（5）；

两级操作模式

（1）启动氮气供气系统，对系统进行保压和真空测试，直至符合工艺要求，氮气供气系统为系统保压测试和气氛保护提供气源；

（2）利用交换柱加热保温层对水精馏柱进行预热，预热至反应温度；

（3）对系统进行抽真空，直至系统真空度达到预设真空度；

（4）启动原料水供应系统、第一氘水收集系统、第一换热系统和第一监测控制系统，将天然丰度去离子水引入第一水精馏柱，利用待分离组分的蒸气压的差异，在塔底获得富氘水；

（5）第一再沸器对部分进入的氘水进行升温汽化，形成含氘蒸汽，进入塔内后与下行的富氘水接触进行氢同位素转移，完成第一级精馏过程，然后经第一冷凝器冷凝后收集到第一氘水储罐中；同时，贫氘水蒸汽经第二冷凝器冷凝、第一汽水分离器分离后获得低氚水；

（6）将部分低氚水收集到第二氘水储罐中，其余低氘水引入至第二水精馏柱中；

（7）第二再沸器对部分进入的氘水进行升温汽化，形成含氘蒸汽，进入塔内后与下行的富氘水接触进行氢同位素转移，完成第二级精馏，然后经第三冷凝器冷凝后收集；贫氘水蒸汽经第四冷凝器冷凝、第二汽水分离器分离后获得低氚水，并收集；同时，第二水精馏柱塔底获得的氘水返回至第一水精馏柱中循环处理（可根据工艺需要调整部分氘水用于预热原料氘水后存储在第三氘水储罐）；

（8）直至系统运行稳定，在第一水精馏柱塔顶获得100-120ppm的低氘水，在第二水精馏柱塔顶获得50-80ppm的低氘水；

（9）重复步骤（1）～（8）；

三级操作模式

（1）启动氮气供气系统，对系统进行保压和真空测试，直至符合工艺要求，氮气供气系统为系统保压测试和气氛保护提供气源；

（2）利用交换柱加热保温层对水精馏柱进行预热，预热至反应温度；

（3）对系统进行抽真空，直至系统真空度达到预设真空度；

（4）启动原料水供应系统、第一氘水收集系统、第一换热系统和第一监测控制系统，将天然丰度去离子水引入第一水精馏柱，利用待分离组分的蒸气压的差异，在塔底获得富氘水，在塔顶获得100-120ppm的贫氘水蒸汽；

（5）第一再沸器对部分进入的氘水进行升温汽化，形成含氘蒸汽，进入塔内后与下行的富氘水接触，进行氢同位素转移，完成第一级精馏，然后经第一冷凝器冷凝后收集到第一氘水储罐中；同时，贫氘水蒸汽经第二冷凝器冷凝、第一汽水分离器分离后获得低氚水；

（6）将部分低氚水收集到第二氘水储罐中，其余低氘水引入至第二水精馏柱中；

（7）第二再沸器对部分进入的氘水进行升温汽化，形成含氘蒸汽，进入塔内后与下行的富氘水接触，进行氢同位素转移，完成第二级精馏，然后经第三冷凝器冷凝后收集到第二氘水收集系统；贫氘水蒸汽经第四冷凝器冷凝、第二汽水分离器分离后获得低氚水；同时，将第二水精馏柱塔底获得的富氘水返回至第一水精馏柱中循环处理（可根据工艺需要调整部分氘水用于预热原料氘水后存储在第三氘水储罐）；

（8）将部分低氚水收集到第二氘水收集系统，其余低氘水引入至第三水精馏柱中；

（9）第三再沸器对部分进入的氘水进行升温汽化，形成含氘蒸汽，进入塔内后与下行的富氘水接触，进行氢同位素转移，完成第三级精馏，然后经第五冷凝器冷凝后收集；贫氘水蒸汽经第六冷凝器冷凝、第三汽水分离器分离后获得低氚水，并收集；同时，将第三水精馏柱塔底获得的富氘水返回至第二水精馏柱中循环处理（可根据工艺需要调整部分氘水用于预热原料氘水后存储在第五氘水储罐）；

（10）直至系统运行稳定，在第一水精馏柱塔顶获得100-120ppm的低氘水，在第二水精馏柱塔顶获得50-80ppm的低氘水，在第三水精馏柱塔顶获得10-30ppm的低氘水；

（11）检测系统内各水精馏柱和其他设备运行工况，至系统运行稳定，各氘水储罐连续收集氘水；

（12）关闭系统时，首先关闭原料水供应子系统，关闭水精馏柱加热器、再沸器和水环泵，至系统温度降至30℃以下，关闭冷水机组，并对系统进行充氮保护，最后关闭系统阀门。

上述操作模式中，第一冷凝器利用第一水精馏柱塔底高温富氘水预热原料水，第三冷凝器利用第二水精馏柱塔底高温氘水预热来自第一水精馏柱顶部冷凝的贫氘原料水，第五冷凝器利用第三水精馏柱塔底高温氘水预热来自第二水精馏柱顶部冷凝的贫氘原料水，如此一来，采用水精馏柱底的氘水对原料水进行预热，可以有效提高工艺的热效率，并大幅节约工艺成本。同时，本发明可配备冷水机，用于为第二、第四和第六冷凝器提供制冷所需的冷源。

本发明通过合理的系统及工艺设计，很好地实现了低氚水的制备，并且可以根据实际工况，通过多级串联的方式制备不同浓度的低氚水，因而不仅效率高、成本低廉，而且低氘水浓度范围广，可满足各种不同需求浓度的低氘水，市场适应能力强。因此，与现有技术相比，本发明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 (9)

1.一种制备低氘水的精馏装置，其特征在于，包括氮气供气系统、原料水供应系统、第一水精馏系统、第一氘水收集系统、第一换热系统、第一监测控制系统以及用于制造真空的第一水环泵（32），其中：

所述第一水精馏系统用于进行氢同位素氧化物的分离，获得低氘水和富氘水，包括塔底用于获得高温富氘水、塔顶用于获得贫氘水蒸气的第一水精馏柱（14）和设置在该第一水精馏柱（14）外部的第一交换柱加热保温层（15）；

所述第一换热系统包括同时与第一水精馏柱（14）塔底、氮气供气系统、原料水供应系统和第一氘水收集系统连接的利用第一水精馏柱塔底高温富氘水预热原料水的第一冷凝器（7），同时与第一水精馏柱（14）塔顶和第一氘水收集系统连接、用于将第一水精馏柱塔顶获得的贫氘水蒸气冷凝成低氘水的第二冷凝器（27），同时与第一水精馏柱（14）和第一冷凝器（7）连接、用于提供含氘蒸汽从而与第一水精馏柱柱内下行的富氘水进行氢同位素转移、完成精馏工艺的第一再沸器（24），以及同时与第二冷凝器（27）和第一水精馏柱（14）连接的第一汽水分离器（30）；所述第一水环泵（32）与第一汽水分离器（30）连接；

所述第一监测控制系统同时与氮气供气系统、原料水供应系统、第一水精馏系统、第一氘水收集系统、第一换热系统连接，用于实现系统内液位监测、压力监测和氘浓度测量。

2.根据权利要求1所述的一种制备低氘水的精馏装置，其特征在于，所述第一交换柱加热保温层（15）包括呈对称半圆环状的加热板，包裹在该加热板外部的硅酸铝纤维棉层，以及均与加热板连接的继电器和PID温控仪。

3.根据权利要求1或2所述的一种制备低氘水的精馏装置，其特征在于，所述氮气供气系统包括与第一冷凝器（7）连接的氮气储罐（10），以及依次设置在氮气储罐（10）和第一冷凝器（7）之间的第一气相阀门（8）、减压阀（12）和气体质量流量计（13）；所述第一监测控制系统与氮气储罐（10）连接。

4.根据权利要求3所述的一种制备低氘水的精馏装置，其特征在于，所述原料水供应系统包括与第一冷凝器（7）连接的原料水储罐（2），以及依次设置在原料水储罐（2）和第一冷凝器（7）之间的第二液相阀门（5）和第一计量泵（6）；所述第一监测控制系统与原料水储罐（2）连接。

5.根据权利要求4所述的一种制备低氘水的精馏装置，其特征在于，所述第一氘水收集系统包括与第一冷凝器（7）连接的第一氘水储罐（19），依次设置在第一氘水储罐（19）与第一冷凝器（7）之间的第一液体质量流量计（18）和第三液相阀门（17），与第二冷凝器（27）连接的第二氘水储罐（38），以及依次设置在第二氘水储罐（38）与第二冷凝器（27）之间的第二计量泵（35）和第七液相阀门（34）；所述第一监测控制系统分别与第一氘水储罐（19）和第二氘水储罐（38）连接。

6.根据权利要求5所述的一种制备低氘水的精馏装置，其特征在于，所述第一监测控制系统包括与氮气储罐（10）连接的第一压力传感器（9），均与原料水储罐（2）连接的第一液相阀门（1）、第一液位传感器（3）和第一氘浓度监测仪（4），均与第一氘水储罐（19）连接的第二液位传感器（20）、第二氘浓度监测仪（21）和第四液相阀门（22），以及均与第二氘水储罐（38）连接的第三液位传感器（39）、第三氘浓度监测仪（40）和第九液相阀门（41）。

7.一种制备多浓度低氘水的精馏工艺系统，其特征在于，包括如权利要求6所述的精馏装置，以及第二水精馏系统、第二氘水收集系统、第二换热系统、第二监测控制系统和同样用于制造真空的第二水环泵（63）；所述第二水精馏系统与第一水精馏系统结构相同；所述第二氘水收集系统与第一氘水收集系统结构相同；所述第二换热系统与第一换热系统结构相同；

所述第二水精馏系统包括第二水精馏柱（43）和设置在该第二水精馏柱（43）外部的第二交换柱加热保温层（44）；

所述第二换热系统包括同时与第二冷凝器（27）、第二水精馏柱（43）塔底和第二氘水收集系统连接的第三冷凝器（42），同时与第二水精馏柱（43）塔顶和第二氘水收集系统连接的第四冷凝器（58），同时与第二水精馏柱（43）和第三冷凝器（42）连接的第二再沸器（55），以及同时与第四冷凝器（58）和第二水精馏柱（43）连接的第二汽水分离器（61）；所述第二水环泵（63）与第二汽水分离器（61）连接。

8.根据权利要求7所述的一种制备多浓度低氘水的精馏工艺系统，其特征在于，还包括第三水精馏系统、第三氘水收集系统、第三换热系统、第三监测控制系统和同样用于制造真空的第三水环泵（94）；所述第三水精馏系统与第一水精馏系统结构相同；所述第三氘水收集系统与第一氘水收集系统结构相同；所述第三换热系统与第一换热系统结构相同；

所述第三水精馏系统包括第三水精馏柱（74）和设置在该第三水精馏柱（74）外部的第三交换柱加热保温层（75）；

所述第三换热系统包括同时与第四冷凝器（58）、第三水精馏柱（74）塔底和第三氘水收集系统连接的第五冷凝器（73），同时与第三水精馏柱（74）塔顶和第三氘水收集系统连接的第六冷凝器（89），同时与第三水精馏柱（74）和第五冷凝器（73）连接的第三再沸器（86），以及同时与第六冷凝器（89）和第三水精馏柱（74）连接的第三汽水分离器（92）；所述第三水环泵（94）与第三汽水分离器（92）连接。

9. 权利要求8所述的精馏工艺系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

单级操作模式

（1）启动氮气供气系统，对系统进行保压和真空测试，直至符合工艺要求，氮气供气系统为系统保压测试和气氛保护提供气源；

（2）利用第一交换柱加热保温层对第一水精馏柱进行预热，预热至反应温度；

（3）对系统进行抽真空，直至系统真空度达到预设真空度；

（4）启动原料水供应系统、第一氘水收集系统、第一换热系统和第一监测控制系统，将天然丰度去离子水引入第一水精馏柱，利用待分离组分的蒸气压的差异，在塔底获得富氘水，系统运行稳定时在塔顶获得100-120ppm的贫氘水蒸汽；

（5）第一再沸器对部分进入的氘水进行升温汽化，形成含氘蒸汽，进入塔内后与下行的富氘水接触进行氢同位素转移，完成精馏过程，然后经第一冷凝器冷凝后收集到第一氘水储罐中；同时，贫氘水蒸汽经第二冷凝器冷凝、第一汽水分离器分离后获得低氚水，并收集到第二氘水储罐中；

（6）重复步骤（1）～（5）；

两级操作模式

（1）启动氮气供气系统，对系统进行保压和真空测试，直至符合工艺要求，氮气供气系统为系统保压测试和气氛保护提供气源；

（2）利用交换柱加热保温层对水精馏柱进行预热，预热至反应温度；

（3）对系统进行抽真空，直至系统真空度达到预设真空度；

（4）启动原料水供应系统、第一氘水收集系统、第一换热系统和第一监测控制系统，将天然丰度去离子水引入第一水精馏柱，利用待分离组分的蒸气压的差异，在塔底获得富氘水；

（5）第一再沸器对部分进入的氘水进行升温汽化，形成含氘蒸汽，进入塔内后与下行的富氘水接触进行氢同位素转移，完成第一级精馏过程，然后经第一冷凝器冷凝后收集到第一氘水储罐中；同时，贫氘水蒸汽经第二冷凝器冷凝、第一汽水分离器分离后获得低氚水；

（6）将部分低氚水收集到第二氘水储罐中，其余低氘水引入至第二水精馏柱中；

（7）第二再沸器对部分进入的氘水进行升温汽化，形成含氘蒸汽，进入塔内后与下行的富氘水接触进行氢同位素转移，完成第二级精馏，然后经第三冷凝器冷凝后收集；贫氘水蒸汽经第四冷凝器冷凝、第二汽水分离器分离后获得低氚水，并收集；同时，第二水精馏柱塔底获得的氘水返回至第一水精馏柱中循环处理；

（8）直至系统运行稳定，在第一水精馏柱塔顶获得100-120ppm的低氘水，在第二水精馏柱塔顶获得50-80ppm的低氘水；

（9）重复步骤（1）～（8）；

三级操作模式

（1）启动氮气供气系统，对系统进行保压和真空测试，直至符合工艺要求，氮气供气系统为系统保压测试和气氛保护提供气源；

（2）利用交换柱加热保温层对水精馏柱进行预热，预热至反应温度；

（3）对系统进行抽真空，直至系统真空度达到预设真空度；

（4）启动原料水供应系统、第一氘水收集系统、第一换热系统和第一监测控制系统，将天然丰度去离子水引入第一水精馏柱，利用待分离组分的蒸气压的差异，在塔底获得富氘水，在塔顶获得100-120ppm的贫氘水蒸汽；

（5）第一再沸器对部分进入的氘水进行升温汽化，形成含氘蒸汽，进入塔内后与下行的富氘水接触，进行氢同位素转移，完成第一级精馏，然后经第一冷凝器冷凝后收集到第一氘水储罐中；同时，贫氘水蒸汽经第二冷凝器冷凝、第一汽水分离器分离后获得低氚水；

（6）将部分低氚水收集到第二氘水储罐中，其余低氘水引入至第二水精馏柱中；

（7）第二再沸器对部分进入的氘水进行升温汽化，形成含氘蒸汽，进入塔内后与下行的富氘水接触，进行氢同位素转移，完成第二级精馏，然后经第三冷凝器冷凝后收集到第二氘水收集系统；贫氘水蒸汽经第四冷凝器冷凝、第二汽水分离器分离后获得低氚水；同时，将第二水精馏柱塔底获得的富氘水返回至第一水精馏柱中循环处理；

（8）将部分低氚水收集到第二氘水收集系统，其余低氘水引入至第三水精馏柱中；

（9）第三再沸器对部分进入的氘水进行升温汽化，形成含氘蒸汽，进入塔内后与下行的富氘水接触，进行氢同位素转移，完成第三级精馏，然后经第五冷凝器冷凝后收集；贫氘水蒸汽经第六冷凝器冷凝、第三汽水分离器分离后获得低氚水，并收集；同时，将第三水精馏柱塔底获得的富氘水返回至第二水精馏柱中循环处理；

（10）直至系统运行稳定，在第一水精馏柱塔顶获得100-120ppm的低氘水，在第二水精馏柱塔顶获得50-80ppm的低氘水，在第三水精馏柱塔顶获得10-30ppm的低氘水；

（11）重复步骤（1）～（10）。

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