CN109663456B - 一种氢置换吸附法富集氢同位素中痕量重核氢同位素的方法及系统 - Google Patents

一种氢置换吸附法富集氢同位素中痕量重核氢同位素的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种氢置换吸附法富集氢同位素中痕量重核氢同位素的方法及系统，属于化工分离领域。本发明首先使用分离柱吸附纯氕至饱和，再将原料气通入分离柱中进行置换吸附，再通过气体加热的方式进行脱附，从而实现痕量重核氢同位素的分离。本发明提供的方法及系统无需多级分离柱，无需分段加热，单次分离时间短，且脱附彻底、富集效果好、回收率高、成本低。

Description

一种氢置换吸附法富集氢同位素中痕量重核氢同位素的方法 及系统
技术领域
本发明涉及化工分离技术领域，特别涉及一种氢置换吸附法富集氢同位素中痕量重核氢同位素的方法及系统。
背景技术
内陆核电站建设项目是我国十三五规划以及未来一段时期内的拟开展的一个重大项目。内陆核电站与沿海核电站的一个重要区别在于需要及时在线地将重水中的痕量重核氢同位素提取出来。这将对氢同位素中痕量重核氢同位素的富集分离技术提出了急迫需求。
现有的氢同位素富集分离方法主要包括低温精馏、热扩散法、色谱法等。其中，低温精馏技术成熟，分离效率高，但建造成本和运行成本高；热扩散法分离能力弱，无法扩大规模；色谱法是目前研究最为活跃的一类氢同位素富集分离方法。色谱法因工艺的不同主要分为洗提色谱和置换色谱等，而置换色谱可分为自置换色谱、氢置换色谱和前沿色谱。洗提色谱得到的产品丰度高，但因增加了载气处理步骤而导致分离工艺的能耗偏高；置换色谱与洗提色谱相比，具有分离能力大的特点。
前期的置换色谱主要基于钯金属或合金材料，由于钯金属或合金材料存在易粉化和老化、高价格等不足，导致该工艺在装置扩大规模时存在建造成本和维护成本高的不足。采用5A作为分离材料的置换色谱，使得装置的建造成本和维护成本显著降低。基于分子筛的置换吸附工艺主要分为变温法和变压法。变压法虽然降低了能耗，但存在脱附不彻底以及工艺控制相对复杂的不足。现有的变温工艺往往采用分段加热或多级分离柱逐级加热(程序升温)的方式实现氢同位素的富集分离，存在单次分离时间较长和控制程序复杂的不足。此外，现有的基于分子筛的变温吸附分离技术因完全依靠热脱附气体自身的压力驱动气体向分离柱出口端流动，加热温度往往较高，导致较高的能耗。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种氢置换吸附法富集氢同位素中痕量重核氢同位素的方法及系统，其中首先使用分离柱吸附纯氕至饱和，再将原料气通入分离柱中进行置换吸附，再通过气体加热的方式进行脱附，从而实现痕量重核氢同位素的分离。本发明具有如下特点：(1)无需多级分离柱，无需分段加热；(2)采用气体加热和脱附量控制加热温度和时间；(3)实际加热温度较原有技术有大幅的降低。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种氢置换吸附法富集氢同位素中痕量重核氢同位素的方法，包括以下步骤：
(1)分离柱在液氮温度下吸附纯氕至饱和；所述分离柱内装填有分子筛；
(2)将原料气通入分离柱，使重核氢同位素气体置换吸附在分离柱中的氕；所述原料气为氢同位素混合气体；
(3)采用气体加热的方式对分离柱进行加热脱附，收集从分离柱中脱附的氢同位素气体，得到产品气。
优选的，所述分子筛为5A型分子筛。
优选的，所述步骤(1)中纯氕的流速为4～6标准升/分钟；所述步骤(1)中纯氕的饱和压力为100kPa；
所述步骤(2)中原料气在分离柱内的表观流速控制为0.15～0.23m/s；所述置换吸附过程中分离柱出口端的压力与分离柱吸附纯氕至饱和时的压力相同。
优选的，所述原料气的进料量和进料速率通过流量计控制；所述分离柱出口端的压力通过压力控制器控制；所述脱附过程中的脱附量通过流量计进行监测。
优选的，所述步骤(3)中加热脱附的温度为150K～160K；
所述步骤(3)中氢同位素气体的脱附量>分离柱饱和吸附量的85％后，使用转移泵进行真空热脱附。
本发明提供了一种氢置换吸附法富集氢同位素中痕量重核氢同位素的系统，包括原料罐；
和原料罐出口连通的分离柱；所述原料罐出口和分离柱分别通过两条管路相连，其中一条管路上设置有转移泵；所述分离柱内装填有5A分子筛；所述分离柱入口和出口处设置有过滤器；
套在分离柱外侧的绝热夹套；
与绝热夹套连通的液氮供给及转移系统；
与绝热夹套连通的氮气加热系统；
与分离柱入口和分离柱出口连通的氕贮气罐；所述分离柱出口和贮氕气罐连通的管路经过转移泵；
与分离柱出口连通的产品罐；所述产品罐分别通过两条管路和分离柱出口连通，其中一条管路经过转移泵；所述产品罐和原料罐的入口相连通；所述产品罐分别通过两条管路和原料罐入口连通，其中一条管路经过转移泵；
与分离柱出口连通的真空泵；
与产品罐连通的贮氢床；所述贮氢床还和原料罐入口连通，所述贮氢床分别通过两条管路和原料罐入口连通，其中一条管路经过转移泵；
所述系统还包括流量计，所述流量计用于计量进入分离柱的氕流量、原料气流量以及产品气流量；
所述系统还包括压力控制器，所述压力控制器与分离柱出口相连，用于控制分离柱出口压力；
所述原料罐、产品罐、分离柱和氕贮气罐分别设置有真空规和压力传感器；
所述系统还包括阀门，用于形成闭合气体回路。
本发明提供了一种利用上述方案所述的系统富集分离氢同位素中痕量重核氢同位素的方法，包括以下步骤：
(1)使用液氮供给及转移系统将分离柱冷却至液氮温度，从贮氕气罐中向分离柱通入纯氕，使分子筛吸附纯氕至饱和；
(2)原料罐中的氢同位素混合气体在流量计控制下进入分离柱，使重核氢同位素置换分离材料中的纯氕，分离柱出口端的气体通过转移泵进入贮氕气罐；分离柱出口端的压力通过压力控制器恒定为步骤(1)中分子筛吸附纯氕至饱和时的压力；
(3)分离柱停止进气，将分离柱脱离液氮并关闭纯氕贮气罐入口阀门，使用氮气加热系统对分离柱进行加热脱附，使分离柱内氢同位素气体脱附并进入产品气罐中；
(4)重复步骤(1)～(3)，直至原料气富集完毕。
优选的，所述步骤(3)中氢同位素气体的脱附量>分离柱饱和吸附量的85％后，脱附的气体经转移泵进入产品罐；
所述步骤(3)中的加热脱附的时间根据脱附气体的累积流量间接控制。
优选的，若富集一次后，产品罐内的产品气的重核氢同位素富集浓度没有达到要求，则将产品罐中的气体转移至原料罐中，然后按照上述方案所述的方法再次进行富集，直至重核氢同位素富集浓度达到要求。
优选的，所述将产品罐中的气体转移至原料罐中的过程具体为：将产品罐和原料罐连通，产品气向原料罐中自发转移，当产品罐和原料罐气压相等时，产品气转经转移泵进入产品罐。
有益效果：
本发明提供的氢置换吸附法富集氢同位素中痕量重核氢同位素的方法具有以下有益效果：
(1)本发明充分利用了分子筛材料在液氮温度下较大的同位素效应(在相同条件下，分子筛优先吸附重核氢同位素)，提高了单次富集的富集因子；
(2)本发明采用气体加热的方式进行脱附，相比程序升温，本发明的加热方式更加简单，并且加热温度可以通过向产品气罐流入的气体的气量间接获得，相比温度测量，本发明的温度控制方式更加方便、灵敏；
(3)富集过程中分离出来的氕可以循环使用，因此仅第一次富集时需要额外提供纯氕，剩余步骤将分离出来的氕进行循环使用即可，进一步节约了运行成本；
(4)进一步的，本发明在脱附过程中监测脱附量，将分离柱的最高加热温度控制为150K～160K，既保证了氢同位素气体的彻底脱附，又避免了分离柱的过热导致随后的冷却步骤的高能耗问题，同时使加热时间显著缩短，提高了分离能力；
(5)进一步的，本发明采用流量计控制原料气进料量和进料速率以及采用压力控制器控制出口压力的方法，使得重核氢同位素在单次富集过程中的回收率可调；
(6)进一步的，在脱附后期，本发明使用转移泵的作用下进行脱附，使得气体在低温下即可脱附彻底，降低了残留气对二次富集的干扰。
本发明还提供了一种氢置换吸附法富集氢同位素中痕量重核氢同位素的系统，本发明提供的系统能够实现上述方法所述的吸附-置换吸附-脱附的过程，可以实现在线或离线富集重核氢同位素气体。
实施例表明，使用本发明的方法及系统进行重核氢同位素气体的富集，重核氢同位素在单次富集过程中的回收率可以达到99％以上，H2/HT中HT的单次富集因子可以达到2.0，H2/HD中HD的单次富集因子可以达到1.4，单次分离时间仅为30～50min。
附图说明
图1为本发明提供的氢置换吸附法富集氢同位素中痕量重核氢同位素的系统的结构示意图；
图1中：1-真空规；2-压力传感器；3-原料罐；4-产品罐；5-流量控制器；6-转移泵；7-分离柱；8-绝热夹套；9-压力控制器；10-液氮供给及转移系统；11-氮气加热系统；12氕贮气罐；13-真空泵；14-贮氢床；15-过滤器；16-原料气源接口；17-氕气源接口；18-氕接收系统。
具体实施方式
本发明提供了一种氢置换吸附法富集氢同位素中痕量重核氢同位素的方法，包括以下步骤：
(1)分离柱在液氮温度下吸附纯氕至饱和；所述分离柱内装填有分子筛；
(2)将原料气通入分离柱，使重核氢同位素气体置换吸附在分离柱中的氕；所述原料气为氢同位素混合气体；
(3)采用气体加热的方式对分离柱进行加热脱附，收集从分离柱中脱附的氢同位素气体，得到产品气。
本发明将分离柱在液氮温度下吸附纯氕至饱和；所述分离柱内装填有分子。在本发明中，所述分子筛优选为5A分子筛；所述纯氕的流速优选为4～6标准升/分钟，更优选为5标准升/分钟；本发明优选使分离柱吸附纯氕至达到一定的平衡压力，在本发明的具体实施例中，该平衡压力为100KPa，本发明优选使用流量计监测纯氕在分离柱中的累积吸附量。
吸附纯氕后，本发明将原料气通入分离柱，使重核氢同位素气体置换吸附在分离柱中的氕；所述原料气为氢同位素混合气体。在本发明中，所述原料气在分离柱内的表观流速优选为0.15～0.23m/s，更优选为0.19m/s；所述置换吸附过程中分离柱出口端的压力和步骤(1)中分离柱吸附纯氕至饱和时的压力相同。在本发明中，所述步骤(1)中纯氕的饱和压力优选为100kPa。
在本发明中，所述原料气的进料量优选根据分离柱体积、分子筛颗粒尺寸以及分子筛在液氮温度和平衡压力下的饱和吸附量计算得到。本发明对所述分离柱的体积、分子筛的颗粒尺寸没有特殊要求，在本发明的具体实施例中，优选根据原料气的处理量确定具体的分离柱体积及分子筛颗粒尺寸。
在本发明中，所述原料气的进料量和进料速率优选通过流量计控制；所述分离柱出口端的压力优选通过压力控制器控制；本发明通过对原料气进气量、进气速率以及分离柱出口端压力的调控，使得重核氢同位素在单次富集过程中的回收率可调。
本发明充分利用分子筛在液氮温度下具有较大的同位素效应(即分子筛优先吸附重核氢同位素，在相同条件下对重核氢同位素有更大的吸附量)的特性，在置换吸附过程中使重核氢同位素气体将原本吸附在分离柱中的纯氕置换出来，原料气中的分离的氕以及置换出来的氕从分离柱出口流出，本发明将氕气体进行收集，用于循环利用，进一步节约了成本。
置换吸附完成后，本发明采用气体加热的方式对分离柱进行加热脱附，收集从分离柱中脱附的氢同位素气体，得到产品气。在本发明中，所述加热脱附的温度优选为150K～160K；本发明采用气体加热方式进行加热脱附，相比程序升温，本发明的加热方法更加简便。
在本发明中，所述脱附过程中的脱附量优选通过流量计进行监测，通过脱附量(即得到的产品气量)间接计算得到实时的脱附温度(根据分子筛材料在不同温度下的吸附等温线进行计算，通过脱附气量与分离柱原来的吸附量比值进行计算即可判断此时的温度)，相比温度测量，本发明的控温方式更加简便灵敏，并且保证了氢同位素气体的彻底脱附，避免了分离柱的过热导致随后的冷却步骤的高能耗问题，同时使加热时间显著缩短，提高了分离能力，节约了分离成本。
在本发明中，氢同位素气体的脱附量>分离柱饱和吸附量的85％后，本发明优选使用转移泵继续进行真空热脱附。本发明使用转移泵进行进一步热脱附，可以保证气体脱附更为彻底，降低了残留气对二次富集的干扰。
在本发明中，若单次富集后的丰度未达到要求，则可以将产品气作为原料气再次进行富集，通过多次富集直至达到要求的丰度为止。
本发明提供了一种氢置换吸附法富集氢同位素中痕量重核氢同位素的系统。
在本发明中，所述系统包括原料罐；本发明对所述原料罐没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的原料罐即可。
本发明提供的系统包括和原料罐出口连通的分离柱。在本发明中，所述分离柱内装填有5A分子筛；所述分离柱入口和出口处设置有过滤器；所述过滤器用于防止分子筛颗粒材料破碎后的小颗粒进入系统中的管路和其它系统，另外也防止分子筛在充气和抽空过程中被吹出或吸出分离柱。
在本发明中，所述原料罐出口和分离柱分别通过两条管路相连，其中一条管路上设置有转移泵。在应用时，所述原料罐内的压力高于分离柱压力时，原料可自发向分离柱转移，当原料罐内压力低于或等于分离柱压力时，则通过转移泵向分离柱中转移，本发明通过设置转移泵使原料罐内的原料气能够转移的更加完全。
本发明提供的系统包括套在分离柱外侧的绝热夹套。本发明对所述绝热夹套没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的绝热夹套即可。
本发明提供的系统包括与绝热夹套连通的液氮供给及转移系统。在本发明中，所述液氮供给及转移系统用于向绝热夹套内提供液氮以冷却分离柱，并在进行加热脱附前将液氮从绝热夹套中转移出来。
本发明提供的系统包括与绝热夹套连通的氮气加热系统。在本发明中，所述氮气加热体系用于向绝热夹套内充入热氮气，以将分离柱加热至脱附温度。
本发明提供的系统包括与分离柱入口和分离柱出口连通的氕贮气罐；所述分离柱出口和贮氕气罐连通的管路经过转移泵。在本发明中，在置换吸附过程中，置换出来的氕(以及原料气中分离出来的氕)通过转移泵返回氕贮气罐中；所述贮氕气罐中的氕进入氕接收系统进行进一步处理。
本发明提供的系统包括与分离柱出口连通的产品罐。在本发明中，所述产品罐分别通过两条管路和分离柱出口连通，其中一条管路经过转移泵；在应用时，在脱附刚开始时，分离柱出口出来的产品气自发进入产品罐中，在脱附后期，产品气改经转移泵进入产品罐中。
在本发明中，所述产品罐和原料罐的入口相连通；所述产品罐分别通过两条管路和原料罐入口连通，其中一条管路经过转移泵。在应用时，若富集一次后产品气的富集浓度未达到要求，则将产品气转移到原料罐中再次进行富集，在转移开始时，产品罐内产品气自发向原料罐转移，当产品罐内气压和原料罐内气压相等时，剩余产品气改经转移泵转移进入原料罐。
本发明提供的系统包括与分离柱出口连通的真空泵。在本发明中，所述真空泵用于对分离柱抽真空，以对分子筛材料的活化提供条件。
本发明提供的系统包括与产品罐连通的贮氢床。在本发明中，所述贮氢床还和原料罐入口连通，所述贮氢床分别通过两条管路和原料罐入口连通，其中一条管路经过转移泵。在应用时，当产品罐内产品气较多时，将产品气转移到贮氢床进行暂存，并且在产品罐进气前，可以使用贮氢床对产品罐的压力进行调节，以确保产品罐内压力在进气时小于分离柱出口端压力。此外，当贮氢床中的产品气需要再次富集时，则将贮氢床中的产品气转移至原料罐中，当贮氢床压力大于原料罐压力时，贮氢床内产品气可自发向原料罐转移，当贮氢床内压力小于原料罐压力时在，则改经转移泵进入原料罐。
本发明所述系统还包括流量计，所述流量计用于计量进入分离柱的氕流量、原料气流量以及产品气流量。本发明的系统优选包括两个流量计，在应用过程中，通过阀门进行控制，使气体在流通过程中通过流量计进行计量，本发明对所述流量计的具体安装位置没有特殊要求，只要能实现上述功能即可；作为本发明所述系统的一个具体实施方式，所述流量计的具体安装位置如图1所示。
本发明所述系统还包括压力控制器，所述压力控制器与分离柱出口相连，用于控制分离柱出口压力。
本发明通过流量计控制原料气的进气量进、纯氕的的进气量以及产品气流量进行监测，通过压力控制器对分离柱出口的压力进行控制，从而使得重核氢同位素在单次富集过程中的回收率可调。
在本发明中，所述原料罐、产品罐、分离柱和氕贮气罐分别设置有真空规和压力传感器；通过真空规和压力传感器对罐内(分离柱内)的真空度和压力进行实时监测。
本发明提供的系统还包括阀门，所述阀门用于控制气体走向，形成闭合气体回路。本发明对所述阀门的具体位置没有特殊要求，只要能实现上述方案中气体的走向即可。
本发明提供的系统可存在多种管路连接方式，只要能够实现上述方案所述的气体走向即可，作为本发明的一个具体实施例，所述系统的结构示意图如图1所示，图1中：1-真空规；2-压力传感器；3-原料罐；4-产品罐；5-流量控制器；6-转移泵；7-分离柱；8-绝热夹套；9-压力控制器；10-液氮供给及转移系统；11-氮气加热系统；12氕贮气罐；13-真空泵；14-贮氢床；15-过滤器；16-原料气源接口；17-氕气源接口；18-氕接收系统。
本发明还提供了一种利用上述方案所述的系统富集分离氢同位素中痕量重核氢同位素的方法，包括以下步骤：
(1)使用液氮供给及转移系统将分离柱冷却至液氮温度，从贮氕气罐中向分离柱通入纯氕，使分子筛吸附纯氕至饱和；
(2)原料罐中的氢同位素混合气体在流量计控制下进入分离柱，使重核氢同位素置换分离材料中的纯氕，分离柱出口端的气体通过转移泵进入贮氕气罐；分离柱出口端的压力通过压力控制器恒定为步骤(1)中分子筛吸附纯氕至饱和时的压力；
(3)分离柱停止进气，将分离柱脱离液氮并关闭纯氕贮气罐入口阀门，使用氮气加热系统对分离柱进行加热脱附，使分离柱内氢同位素气体脱附并进入产品气罐中；
(4)重复步骤(1)～(3)，直至原料气富集完毕。
本发明使用液氮供给及转移系统将分离柱冷却至液氮温度，从贮氕气罐中向分离柱通入纯氕，使分子筛吸附纯氕至饱和。本发明优选在吸附纯氕之前先对分离柱中的分子筛材料进行活化处理；所述活化处理优选包括以下步骤：分离柱在氮气加热系统的加热下加热至300℃，同时采用真空泵对分离柱进行抽空；维持上述操作10小时以上，以确保分离柱内的分子筛材料上的吸附水完全脱附。随后停止加热和抽空，将分离柱出入端阀门关闭，自然冷却至常温。
分子筛材料活化后，本发明通过液氮供给及转移系统将液氮注入绝热夹套，确保液氮将分离柱完全浸没，本发明优选使用液氮将分离柱浸没20min以上，以确保分离柱达到液氮温度。
分离柱达到液氮温度后，本发明将分离柱入口和贮氕气罐连通，使纯氕从分离柱入口端进入分离柱中进行吸附，吸附过程中分离柱出口阀门关闭，分离柱吸附纯氕达到平衡压力后，关闭分离柱入口阀门。在本发明中，所述纯氕的速率和上述方案一致，在此不再赘述。
吸附纯氕后，本发明将原料罐中的氢同位素混合气体在流量计控制下进入分离柱，使重核氢同位素置换分离材料中的纯氕。在本发明中，置换吸附过程中，原本吸附在分子筛中的纯氕被置换出来，原料气中分离的氕以及被置换出来的氕自分离柱出口端通过转移泵进入贮氕气罐；分离柱出口端的压力通过压力控制器恒定为步骤(1)中分子筛吸附纯氕至饱和时的压力(约为100KPa)。在本发明中，原料气的进气速率优选和上述方案一致，在此不再赘述。
置换吸附完成后，本发明停止分离柱进气，将分离柱脱离液氮并关闭纯氕贮气罐入口阀门，使用氮气加热系统对分离柱进行加热脱附，使重核氢同位素从分离柱中脱附进入产品气罐中。本发明优选根据分离柱体积、分子筛颗粒尺寸以及分子筛在液氮温度和平衡压力下的饱和吸附量计算得到原料气的进料量，当进料量达到计算值时即认为置换吸附完毕，此时即关闭分离柱出口阀门以及进口阀门。
本发明通过液氮供给及转移系统将绝热夹套内的液氮返回液氮供给及转移系统，液氮完全排出后，分离柱在氮气加热系统作用下开始升温，同时将分离柱出口和产品罐连通，产品气开始自分离柱进入产品罐中；在本发明中，所述步骤(3)中氢同位素气体的脱附量>分离柱饱和吸附量的85％后，脱附的气体改经转移泵进入产品罐。当所述分离柱入口处的真空规显示低于100Pa后，将相关阀门关闭，将氮气加热系统关闭，停止脱附过程。
脱附完成后，本发明重复上述步骤(1)～(3)，直至原料气富集完毕。在本发明中，开始时原料罐的压力大于分离柱入口的压力，原料气可自行进入分离柱内，当原料罐内压力小于分离柱入口压力后，本发明优选使用转移泵对原料罐内气体进行增压，使原料气在转移泵作用下向分离柱内冲注，直至原料罐内气体经转移泵增压后仍然小于分离柱入口的压力，即认为原料罐内气体富集完毕。
在本发明中，若原料气富集一次后，产品罐内的产品气的重核氢同位素富集浓度没有达到要求，则将产品罐中的气体转移至原料罐中，然后按照上述方法再次进行富集，直至重核氢同位素富集浓度达到要求。在本发明中，所述将产品罐中的气体转移至原料罐中的过程具体优选为：将产品罐和原料罐连通，产品气向原料罐中自发转移，当产品罐和原料罐气压相等时，产品气转经转移泵进入产品罐。在本发明中，当产品罐容量不够时，将产品气贮存在贮氢床中，当需要再次富集时，本发明优选将贮氢床中的产品气也转移到产品罐中，本发明优选将贮氢床加热至650℃，使贮氢床中的产品气自发向原料罐转移，当贮氢床和原料罐气压相等时，贮氢床内的产品气转经转移泵进入产品罐。
本发明提供的上述系统和方法可以实现在线或离线富集重核氢同位素气体，离线富集时，将原料气置于原料罐中即可，在线富集时，可以将产氚系统或产氘系统与原料罐气源接口连接，然后按照上述方法进行富集即可。
下面结合实施例对本发明提供的一种氢置换吸附法富集氢同位素中痕量重核氢同位素的方法及系统进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
纯氕中天然丰度氘的离线富集分离
本实例中的分离形状柱为Ф12×2的不锈钢管绕制成的螺旋管，分离柱长度为10m，螺旋管中径0.25m。分离柱采用密闭的氮气加热系统回路进行加热，采用液氮注入分离柱夹套的方式冷却。分离柱内装满了平均直径为2.17mm的5A分子筛颗粒，且两端按附图所示采用焊接过滤器的方式固定分离柱内的分子筛颗粒材料。
分离系统的管路连接方式和阀门位置如图1所示；
原料气中氘的丰度为0.015％；
分离过程主要包括如下步骤：
(1)将填装了5A分子筛的分离柱按附图所示的连接方式接入富集分离系统；分离柱在氮气加热系统的加热下加热至300℃，同时采用真空泵对分离柱进行抽空；维持上述操作10小时以上，以确保分离柱内的分离材料上的吸附水完全脱附。随后停止加热和抽空，将分离柱出入端阀门关闭，自然冷却至常温。
(2)通过液氮供给与转移系统，将液氮注入绝热夹套，并确保分离柱完全浸没在液氮中。
(3)氕贮气罐内的高纯氕在流量计的控制下以5.0标准升/分钟的流量进入分离柱，当进入的气体达到累积流量后(146标准升)，立即关闭流量计入口阀门。分离柱静置数分钟，以确保分离柱内的温度达到液氮温度。记录此时的压力并作为后续步骤压力控制器的设置值。
(4)随后，将分离柱入口与氢同位素原料罐连通，将分离柱出口-压力控制器出口-转移泵-氕贮气罐连通。氢同位素原料气在流量计的控制下以5.0标准升/分钟的流量进入分离柱，通过流量计的累积流量控制原料气总进气量为146标准升。原料气进入分离柱后，分离柱出口端的气体在压力控制器的作用下以恒定的压力流出分离柱并在转移泵的作用下进入氕贮气罐。当原料气累积进气量达到流量控制器预先设定值(146标准升)后，立即关闭分离柱出口阀门，关闭原料罐与分离系统的连接阀门，关闭转移泵出口与氕贮气罐之间的连接阀门，关闭氕贮气罐与分离系统的连接阀门，转移泵出口经流量计与产品罐连通。氕贮气罐内的压力达到300kPa后，进入氕接收系统进行进一步处理。
(5)绝热夹套内的液氮在液氮供给及转移系统的作用下完全排出绝热夹套并进入液氮供给及转移系统；当液氮完全排出后，分离柱在氮气加热系统的加热下开始升温，同时将分离柱出口经压力控制器的旁通阀门与产品罐连通，气体开始自发由分离柱进入产品气罐。通过PVT法计量进入产品罐的气体量，当气体量达到100标准升后，继续加热分离柱并启动转移泵，同时气体经压力控制器旁通阀门后改由经转移泵进入产品罐。随后通过读取分离柱入口处的真空规显示的真空度，当真空显示低于100Pa后，关闭分离柱进出口阀门，关闭上述真空规阀门，关闭压力控制器旁通阀门，关闭产品气罐阀门，关闭产品气罐与转移泵之间的连接阀门。产品罐内的压力在产品罐进气前可通过贮氢床吸附气体进行调节，以确保产品罐内的压力在进气时不高于100kPa。
(6)关闭氮气加热系统电源以及与分离柱绝热夹套之间的连接阀门。
(7)重复步骤(2)至步骤(6)，直至原料罐内的剩余的原料气低于100kPa。
(8)原料罐内的气体向分离柱内的充注通过转移泵完成。重复步骤2至步骤6，直至原料罐的气体经转移泵增压后仍低于100kPa。
原料气富集一次完毕后，产品气中氘的丰度为0.021％，单次富集因子达到1.4，氘的回收率达到99.0％，单次富集的时间35min。
实施例2
将实施例1产品罐中的气体进行进一步富集，步骤如下：
加热贮氢床至650℃，同时将产品气罐、贮氢床和原料罐连通，产品气内的气体向原料气自发转移；当产品气罐与原料罐内气体压力相等时，产品气罐、贮氢床内的气体转由经转移泵进入原料罐，直至产品气罐内压力低于100Pa。随后关闭上述管路的所有阀门；重复实施例1中的步骤(2)～(8)，直至原料罐内的剩余的原料气低于100kPa。
重复富集1次后，产品气中的氘丰度为0.029％，富集因子为1.4，氘的回收率达到99.0％；
重复富集2次后，产品气中的氘丰度为0.041％，富集因子为1.4，氘的回收率达到99.0％。
实施例3
氕氚混合气体中痕量氚的在线富集分离
本实施例演示在线富集氕氚混合气体中的低含量氚的工艺过程，而本实例中的产氚系统可用于但不限于不限于ITER-TBM包层，涉氚实验室的氚包容系统等涉氚设施。实验装置及分离柱结构同实施例1，原料气体为含有低含量氚的氕氚混合气体(氚的丰度为1000ppm)。
(1)将分离柱在氮气加热系统的加热下加热至300℃，同时采用真空泵对分离柱进行抽空；维持上述操作10小时以上，以确保分离柱内的分离材料上的吸附水等杂质完全脱附。随后停止加热和抽空，将分离柱出入端阀门关闭，自然冷却至常温。
(2)通过液氮供给与转移系统，将液氮注入绝热夹套，并确保分离柱完全浸没在液氮中。
(3)氕贮气罐内的高纯氕在流量计的控制下以5.0标准升/分钟的流量进入分离柱，当进入的气体达到累积流量后(146标准升)，立即关闭流量计入口阀门。分离柱静置数分钟，以确保分离柱内的温度达到液氮温度。记录此时的压力并作为后续步骤压力控制器的设置值。
(4)随后，将分离柱入口与原料罐连通，将分离柱出口-压力控制器出口-转移泵-氕贮气罐连通。氢同位素原料气在流量计的控制下以5.0标准升/分钟的流量进入分离柱。为提高氚的回收率，通过设置流量计的累积流量控制原料气总进气量为100标准升(原料气总进气量控制为100标准升，可使氚回收率达到95％以上)。原料气进入分离柱后，分离柱出口端的气体在压力控制器的作用下以恒定的压力流出分离柱并在转移泵的作用下进入氕贮气罐。当原料气累积进气量达到流量控制器预先设定值(100标准升)后，立即关闭分离柱出口阀门，关闭原料罐与分离系统的连接阀门，关闭转移泵出口与氕贮气罐之间的连接阀门，关闭氕贮气罐与分离系统的连接阀门，转移泵出口经流量计与产品罐连通。氕贮气罐内的压力达到300kPa后，进入氕接收系统进行进一步处理。
(5)绝热夹套内的液氮在液氮供给及转移系统的作用下完全排出绝热夹套并进入液氮供给及转移系统；当液氮完全排出后，分离柱在氮气加热系统的加热下开始升温，同时将分离柱出口经压力控制器的旁通阀门与产品罐连通，气体开始自发由分离柱进入产品气罐。通过PVT法计量进入产品罐的气体量，当气体量达到100标准升后，继续加热分离柱并启动转移泵，同时气体经压力控制器旁通阀门后改由经转移泵进入产品罐。随后通过读取分离柱入口处的真空规显示的真空度，当真空显示低于100Pa后，关闭分离柱进出口阀门，关闭上述真空规阀门，关闭压力控制器旁通阀门，关闭产品气罐阀门，关闭产品气罐与转移泵之间的连接阀门。产品罐内的压力在产品罐进气前可通过贮氢床吸附气体进行调节，以确保产品罐内的压力在进气时不高于100kPa。
(6)关闭氮气加热系统。
(7)重复步骤(2)至步骤(6)，直至在线富集任务结束。
所得产品气中氚的丰度达到0.21％，单次富集因子为2.1，氚回收率为95％。
在线富集任务结束后，若需要进一步富集产品气中的氚，则将产品气作为原料气，可按实施例1中的方法进行进一步富集。
实施例结果表明，本发明提供的分离系统及方法无需多级分离柱，无需分段加热，单次分离时间短，且脱附彻底、富集效果好、回收率高、成本低,具有广阔的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种氢置换吸附法富集氢同位素中痕量重核氢同位素的系统，其特征在于，包括原料罐；
与原料罐出口连通的分离柱；所述原料罐出口和分离柱分别通过两条管路相连，其中一条管路上设置有转移泵；所述分离柱内装填有5A分子筛；所述分离柱入口和出口处设置有过滤器；
套在分离柱外侧的绝热夹套；
与绝热夹套连通的液氮供给及转移系统；
与绝热夹套连通的氮气加热系统；
与分离柱入口和分离柱出口连通的氕贮气罐；所述分离柱出口和贮氕气罐连通的管路经过转移泵；
与分离柱出口连通的产品罐；所述产品罐分别通过两条管路和分离柱出口连通，其中一条管路经过转移泵；所述产品罐和原料罐的入口相连通；所述产品罐分别通过两条管路和原料罐入口连通，其中一条管路经过转移泵；
与分离柱出口连通的真空泵；
与产品罐连通的贮氢床；所述贮氢床还和原料罐入口连通，所述贮氢床分别通过两条管路和原料罐入口连通，其中一条管路经过转移泵；
所述系统还包括流量计，所述流量计用于计量进入分离柱的氕流量、原料气流量以及产品气流量；
所述系统还包括压力控制器，所述压力控制器与分离柱出口相连，用于控制分离柱出口压力；
所述原料罐、产品罐、分离柱和氕贮气罐分别设置有真空规和压力传感器；
所述系统还包括阀门，用于形成闭合气体回路。
2.一种利用权利要求1所述的系统富集分离氢同位素中痕量重核氢同位素的方法，包括以下步骤：
(1)使用液氮供给及转移系统将分离柱冷却至液氮温度，从贮氕气罐中向分离柱通入纯氕，使分子筛吸附纯氕至饱和；
(2)原料罐中的氢同位素混合气体在流量计控制下进入分离柱，使重核氢同位素置换分离材料中的纯氕，分离柱出口端的气体通过转移泵进入贮氕气罐；分离柱出口端的压力通过压力控制器恒定为步骤(1)中分子筛吸附纯氕至饱和时的压力；
(3)分离柱停止进气，将分离柱脱离液氮并关闭纯氕贮气罐入口阀门，使用氮气加热系统对分离柱进行加热脱附，使分离柱内氢同位素气体脱附并进入产品气罐中；
(4)重复步骤(1)~(3)，直至原料气富集完毕。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中氢同位素气体的脱附量>分离柱饱和吸附量的85％后，脱附的气体经转移泵进入产品罐；
所述步骤(3)中的加热脱附的时间根据脱附气体的累积流量间接控制。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，若富集一次后，产品罐内的产品气的重核氢同位素丰度没有达到要求，则将产品罐中的气体转移至原料罐中，然后按照权利要求2所述的方法再次进行富集，直至重核氢同位素丰度达到要求。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将产品罐中的气体转移至原料罐中的过程具体为：将产品罐和原料罐连通，产品气向原料罐中自发转移，当产品罐和原料罐气压相等时，产品气转经转移泵进入原料罐。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中纯氕的流速为4~6标准升/分钟；所述步骤(1)中纯氕的饱和压力为100kPa；
所述步骤(2)中氢同位素混合气体在分离柱内的表观流速为0.15~0.23m/s。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中加热脱附的温度为150K~160K。
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