CN114768531B

CN114768531B - 一种氢同位素水分离系统及方法

Info

Publication number: CN114768531B
Application number: CN202210607220.5A
Authority: CN
Inventors: 姚勇; 李佩龙; 文明; 胡俊; 陈军; 安永涛; 陈克琳; 宋江锋
Original assignee: Institute of Materials of CAEP
Current assignee: Institute of Materials of CAEP
Priority date: 2022-05-31
Filing date: 2022-05-31
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2042-05-31
Also published as: CN114768531A

Abstract

本发明公开了一种氢同位素水分离系统及方法，包括原料水储罐、轻同位素储水罐、中丰度氢同位素水储罐、重同位素水储罐、缓冲罐、循环泵、两个吸水床组和至少一个分离柱；每个分离柱的进料口都与原料水储罐的出水管和循环泵的出气口连通，吸水床组包括两个分子筛床，轻同位素储水罐和每个分子筛床都与每个分离柱的出料口连通，分离柱的出料口上设置有露点仪，中丰度氢同位素水储罐与第一吸水床组中的出水口连通，重同位素水储罐与第二吸水床组中的出水口连通，同一个吸水床组中的两个分子筛床的蒸汽出口并联后分别通过一个汇流管与缓冲罐连通，缓冲罐上设置有注气管，循环泵的进气口与缓冲罐连通。本发明降低了氢同位素水分离的成本。

Description

一种氢同位素水分离系统及方法

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，特别是涉及一种氢同位素水分离系统及方法。

背景技术

氢同位素水包括轻水（H₂O）、重水（D₂O）和氚水（T₂O）及相应的组合形态（HDO、HTO、DTO）。氘含量很高的重水（D₂O）有极其重要的用途，重水可以用作核反应堆的慢化剂，减小中子速度，控制核裂变过程；重水在研究化学和生理变化中是一种宝贵的示踪材料，如可以测定水在植物及动物体中的新陈代谢过程；此外，核磁共振分析若研究对象是氢，也采用重水作为溶剂。另外，氚是重要的战略物资，从氚水中进行氚的分离回收具有重要的经济价值和军事用途。此外，低氘水是指氘含量低于150ppm的水，低氘水有多种有益于人体的生物效应：活化人体细胞、增强人体免疫力、防癌保健功能等。低氘水是结合癌症治疗的重要辅助产品。

目前氢同位素水的分离方法主要有高塔分层蒸馏法和水/氢双温交换法等。蒸馏法基于氢同位素水的不同挥发性，在气、液两相共存期间可以发生氢同位素分离。蒸汽在上升过程中，轻同位素水由于挥发度较高在柱顶端被逐渐富集，液体在逐级溢流到塔底的过程中，重同位素水由于挥发度较低在柱底端被逐渐富集。水蒸馏法的优点是不需要使用催化剂或化学试剂，生产工艺简单、成熟；但由于分离系数很小，约1.03～1.06，因此需要串联很多分离级，故设备高大、复杂，建设投资大；此外，由于需要反复冷凝及汽化，生产过程中需要处理的水量非常大，能源消耗大，运行费用高。水/氢双温交换法是基于氢同位素在各反应分子间的非等几率平衡分布特性，交换反应的分离系数α随温度变化而变化，当温度越高α越趋于1。在冷塔内重氢同位素自气相向液相中富集，在热塔中因温度升高α减小，所以发生相反的传质过程，即重氢同位素又从液相转入气相内。这样利用低温主塔即冷塔进行富集，用高温辅助塔即热塔实现相转换，从而获得轻同位素水。但水/氢双温交换法的工业化应用存在下述问题：一方面是冷塔必须使用价格昂贵的铂基疏水催化剂作为填料，系统建造成本较高；另一方面是水/氢同位素的交换反应包括液相催化交换和蒸汽相催化交换两个连续过程，温度及流量等参数控制较为复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种氢同位素水分离系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题，降低氢同位素水分离的成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种氢同位素水分离系统，包括原料水储罐、轻同位素储水罐、中丰度氢同位素水储罐、重同位素水储罐、缓冲罐、循环泵、两个吸水床组和至少一个分离柱；每个所述分离柱内都设置有第一电加热棒、填料和测温热电偶，每个所述分离柱上都设置有一个温度控制器，所述第一电加热棒和所述测温热电偶分别与所述温度控制器电连接，所述填料为强酸性阳离子交换树脂，每个所述分离柱的进料口都与所述原料水储罐的出水管和所述循环泵的出气口连通，所述原料水储罐的出水管上设置有计量泵，所述吸水床组包括两个分子筛床，所述轻同位素储水罐和每个所述分子筛床都与每个所述分离柱的出料口连通，所述分离柱的出料口上设置有露点仪，两个所述吸水床组分别为第一吸水床组和第二吸水床组，所述中丰度氢同位素水储罐与所述第一吸水床组中的两个所述分子筛床的出水口连通，所述重同位素水储罐与另所述第二吸水床组中的两个所述分子筛床的出水口连通，同一个所述吸水床组中的两个所述分子筛床的蒸汽出口并联后分别通过一个汇流管与所述缓冲罐连通，两个所述汇流管上分别设置有流量控制器，所述缓冲罐上设置有注气管，所述循环泵的进气口与所述缓冲罐连通。

优选的，所述分离柱为至少两个时，部分或全部所述分离柱串联，且相串联的两个所述分离柱之间的连接管路上设置有阀门。

优选的，相串联的两个所述分离柱之间的连接管路上包裹有隔热套。

优选的，所述第一电加热棒上设置有导热翅片，每个所述分离柱的外壁均包裹有保温层。

优选的，所述强酸性阳离子交换树脂包括凝胶型强酸性阳离子交换树脂和大孔型强酸性阳离子交换树脂；所述计量泵为蠕动泵或柱塞泵。

优选的，所述注气管与惰性气体储罐连通。

优选的，所述分子筛床中的填料为4A分子筛或5A分子筛，所述分子筛床的内部设置有第二电加热棒和测温热电偶，所述分子筛床的外壁上设置有保温层；所述循环泵采用高压鼓风机。

优选的，所述分离柱的出料管上设置有散热翅片。

一种氢同位素水分离方法，基于上述的氢同位素水分离系统，在使用任意一个分离柱进行分离之前需将所述分离柱加热到并维持在设定温度，所述设定温度的范围为100℃-200℃；

当所述分离柱为一个时，包括以下步骤：

S1：开启所述分离柱与轻同位素水储罐连接管道上的阀门，通过计量泵将原料水储罐中的原料水泵入所述分离柱内，并通过所述计量泵控制流量；原料水被泵入所述分离柱内后会被加热生成水蒸气，随着原料水的不断注入，所述水蒸气朝所述分离柱的出料口方向移动，由于所述分离柱内的填料对轻同位素水和重同位素水的吸附能力的不同，所述轻同位素水会率先流出所述分离柱；

S2：当所述分离柱发生水蒸气穿透后，轻同位素水在压差驱动下进入轻同位素水储罐内，待所述分离柱内的轻同位素水收集完成后，关闭所述计量泵；

S3：切换阀门使得所述分离柱的出料管与第一吸水床组连通，通过注气管在缓冲罐内注入惰性气体即载气，并开启所述循环泵，所述载气依次循环通过所述分离柱、所述第一吸水床组中的一个分子筛床、流量控制器、所述缓冲罐和所述循环泵；且所述第一吸水床组中的两个分子筛床交替式地流通所述载气，所述分离柱内的残留的中丰度氢同位素水发生解吸并随载气进入所述第一吸水床组中的一个分子筛床并被分子筛床中的分子筛吸附，所述第一吸水床组中的不流通所述载气的分子筛床进行加热再生；

S4：通过露点仪检测所述分离柱的出料口处的露点，当所述露点<0℃，切换阀门使得所述分离柱的出料管与第二吸水床组连通，使得所述载气依次循环通过所述分离柱、所述第二吸水床组中的一个分子筛床、流量控制器、所述缓冲罐和所述循环泵；且使所述第二吸水床组中的两个分子筛床交替式地流通所述载气，所述分离柱内的残留的重同位素水发生解吸并随载气进入所述第二吸水床组中的一个分子筛床并被分子筛床中的分子筛吸附，所述第二吸水床组中的不流通所述载气的分子筛床进行加热再生；当所述露点<-40℃视为所述分离柱的再生完成；

当所述分离柱为至少两个时，不同的所述分离柱依次进行步骤S1-S2，并且循环不断，以实现原料水储罐中原料水的连续分离；所述分离柱进行完步骤S2后，立即进行步骤S3-S4，且下一个所述分离柱立即进行步骤S1-S2，所述分离柱进行完步骤S4后，再准备进行下一轮的步骤S1-S2。

优选的，将相互串联的所述分离柱等效为一个总分离柱进行氢同位素水分离；对所述总分离柱进行氢同位素水分离的过程与上述的对一个所述分离柱进行氢同位素水分离的方法相同，但对应的单次进样分离的处理量增大，并根据工艺需求获得不同丰度和产率的轻同位素水和重同位素水。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的氢同位素水分离系统及方法进行氢同位素水分离的成本低；本发明的氢同位素水分离系统基于模拟移动床原理，通过阀门控制，各分离柱依次进行分离操作和再生处理，可以在连续进样模式下，持续获得轻氢同位素水和重氢同位素水。其相对于传统的蒸馏法、双温交换法，结构简单、填料廉价、控制方便，设备规模更小，建造成本更低，可以采用连续模式直接对氢同位素水进行分离操作。

本发明的氢同位素水分离分离方法操作灵活，可以很方便地通过工艺控制获得不同氢同位素丰度及产率的轻同位素水和重同位素水，来获得期望的分离效果，适应性强。本发明基于模拟移动床技术，分离柱固定不动，通过工艺参数控制使流体（即氢同位素水）在分离系统内连续流动，产生类似于真实移动床的气、固相逆向流动效果；不但生产能力和分离效率比传统固定床高，而且又可以避免真实移动床吸附剂磨损、碎片或粉尘土堵塞或固体颗料间的沟流。

本发明创造性地将模拟移动床技术应用于氢同位素水的分离，通过分离系统的管路切换，在100℃以上的温度条件下，利用氢同位素水在强酸性阳离子树脂上的吸附/解吸性能差异，实现以氢同位素水为直接处理对象的一步高效分离，同时获得轻同位素水和重同位素水，可以有效降低制备成本，拓展应用领域。本发明的氢同位素水分离分离分离方法，氢同位素水的分离系数明显大于蒸馏法，相对于传统的蒸馏法设备体积显著减小、建造成本及运行能耗可以大幅降低；相对于水/氢双温交换法，填充材料为价格低廉的多孔材料，不需要使用铂基贵金属催化剂，并且长期使用性能稳定，因而系统成本大幅度降低。本发明中的工作介质仅为温度为100℃以上的水蒸气，分离操作在一系列分离柱构成的闭环回路中进行，不需要氢气等辅助介质，因而不但操作更简便，而且无燃爆等安全风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明氢同位素水分离系统的结构示意图；

图2为本发明氢同位素水分离系统中分离柱的结构示意图；

其中：100、氢同位素水分离系统；1、原料水储罐；2、计量泵；3、分离柱；301、保温层；302、第一电加热棒；303、导热翅片；304、填料；305、出料管；4、轻同位素水储罐；5、中丰度氢同位素水储罐；6、重同位素水储罐；7、分子筛床；8、第一吸水床组；9、第二吸水床组；10、流量控制器；11、缓冲罐；12、汇流管；13、注气管；14、循环泵。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示：本实施例提供了一种氢同位素水分离系统100，包括原料水储罐1、轻同位素储水罐、中丰度氢同位素水储罐5、重同位素水储罐6、缓冲罐11、循环泵14、两个吸水床组和至少一个分离柱3。

每个分离柱3内都设置有第一电加热棒302、填料304和测温热电偶，每个分离柱3上都设置有一个温度控制器，第一电加热棒302和测温热电偶分别与分离柱3上的温度控制器电连接，通过对温度控制器设置温度，温度控制器能够自动控制第一电加热棒将分离柱3内的填料加热到设定温度，设定温度的范围为100℃-200℃；填料304为强酸性阳离子交换树脂，强酸性阳离子交换树脂包括凝胶型强酸性阳离子交换树脂和大孔型强酸性阳离子交换树脂；每个分离柱3的进料口都与原料水储罐1的出水管和循环泵14的出气口连通，分离柱3的出料口上设置有露点仪，原料水储罐1的出水管上设置有计量泵2，计量泵2采用蠕动泵或柱塞泵。分离柱3内的第一电加热棒302上设置有导热翅片303，以提高加热的均匀性；每个分离柱3的外壁均包裹有保温层301。分离柱3的出料口上设置有出料管305，出料管305上设置有散热翅片，以快速降低出料管305内气体的温度。

分离柱3为至少两个时，可以将部分或全部分离柱3串联，以增大单次进样分离的处理量，满足单次大处理量的需求；且相串联的两个分离柱3之间的连接管路上设置有阀门。相串联的两个分离柱3之间的连接管路上包裹有隔热套，防止串联模式下水蒸气在传输过程中冷凝为液态水。

两个吸水床组均包括两个分子筛床7，分子筛床7中的填料为4A分子筛或5A分子筛，分子筛床7的内部设置有第二电加热棒和测温热电偶，并配备有温度控制器，分子筛床7内的第二电加热棒和测温热电偶分别与温度控制器信号连接，通过对温度控制器设置温度，温度控制器能够控制第二电加热棒自动将分子筛床7内内的填料加热到设定温度；分子筛床7的外壁上设置有保温层；分子筛床7进行再生时，通过第二电加热棒将分子筛床7的温度升至300℃以上，以解吸分子筛内吸附的水。

轻同位素储水罐和每个分子筛床7都与每个分离柱3的出料口上的出料管305连通，两个吸水床组分别为第一吸水床组8和第二吸水床组9，中丰度氢同位素水储罐5与第一吸水床组8中的两个分子筛床7的出水口连通，重同位素水储罐6与第二吸水床组9中的两个分子筛床7的出水口连通，同一个吸水床组中的两个分子筛床7的蒸汽出口并联后分别通过一个汇流管12与缓冲罐11连通，两个汇流管12上分别设置有流量控制器10。

缓冲罐11上设置有注气管13，注气管13与惰性气体储罐连通，惰性气体储罐中的惰性气体为氮气、氩气、氦气等。循环泵14的进气口与缓冲罐11连通，循环泵14采用高压鼓风机。

一种氢同位素水分离方法，基于上述的氢同位素水分离系统100，在使用任意一个分离柱进行分离之前需将对应的分离柱加热到并维持在设定温度，设定温度的范围为100℃-200℃；

对单个分离柱3进行氢同位素水分离的方法包括以下步骤：

S1：开启分离柱3与轻同位素水储罐4连接管道上的阀门，通过计量泵2将原料水储罐1中的原料水泵入分离柱3内，并通过计量泵2控制流量；原料水被泵入分离柱3内后会被加热生成水蒸气，随着原料水的不断注入，水蒸气朝分离柱3的出料口方向移动，由于分离柱3内的填料304对轻同位素水和重同位素水吸附能力的不同，轻同位素水会率先流出分离柱3；填料304中的磺酸根通过离子交换反应形成高价离子，如Fe³⁺、Al³⁺等。

由于分离柱3内的填料304对重同位素水的吸附能力比对轻同位素水的吸附能力更强，水蒸气中重氢同位素浓度和中丰度同位素水的浓度从分离柱3的入料口到出料口逐渐降低；通过试验获取相关数据，便能够掌握在什么时间段内分离柱3流出轻同位素水、中丰度同位素水和重同位素水，从而方便完成分离工作；

S2：当分离柱3发生水蒸气穿透后，轻同位素水在压差驱动下进入轻同位素水储罐4内，待分离柱3内的轻同位素水收集完成后关闭计量泵2；需要说明的是，单个分离柱3单次处理的原料水的量与单个分离柱3的填料304的装料量有对应关系，在某一温度下，分离柱3的填料304的装料量对应有一个原料水的优选注入量，以氢氘水为例，可获得该优选注入量下对应的轻同位素水产率（约为原料水量的50%）及氘浓度（约为原料氘浓度的90%），中丰度同位素产率（约为原料水量的40%）及氘浓度（约为原料氘浓度的100%），重同位素产率（约为原料水量的10%）及氘浓度（约为原料浓度的550%）；

S3：待分离柱3内的轻同位素水收集完成后，切换阀门使得分离柱3的出料管305与第一吸水床组8连通，通过注气管13在缓冲罐11内注入惰性气体即载气，并开启循环泵14，载气依次循环通过分离柱3、第一吸水床组8中的一个分子筛床7、流量控制器10、缓冲罐11和循环泵14；且第一吸水床组8中的两个分子筛床7交替式地流通载气，分离柱3内的残留的中丰度氢同位素水发生解吸并随载气进入第一吸水床组8中的一个分子筛床7并被分子筛床7中的分子筛吸附，第一吸水床组8中的不流通载气的分子筛床7通过第二电加热棒进行加热再生，加热后分子筛床7中的分子筛吸附的中丰度氢同位素水发生解吸并流入中丰度氢同位素水储罐5内；

S4：通过露点仪检测分离柱3的出料口处的露点，当露点<0℃，切换阀门使得分离柱3的出料管305与第二吸水床组9连通，使得载气依次循环通过分离柱3、第二吸水床组9中的一个分子筛床7、流量控制器10、缓冲罐11和循环泵14；且使第二吸水床组9中的两个分子筛床7交替式地流通载气，分离柱3内的残留的重同位素水发生解吸并随载气进入第二吸水床组9中的一个分子筛床7并被分子筛床7中的分子筛吸附，第二吸水床组9中的不流通载气的分子筛床7进行加热再生，通过第二电加热棒进行加热，加热后分子筛床7中的分子筛吸附的重同位素水发生解吸并流入重同位素水储罐6内；当露点<-40℃视为分离柱3的再生完成；

当分离柱3为至少两个时，不同的分离柱3依次进行步骤S1-S2，并且循环不断，以实现原料水储罐1中原料水的连续分离；单个分离柱3进行完步骤S2后，立即进行步骤S3-S4，进行完步骤S4后，且下一个分离柱3立即进行步骤S1-S2，分离柱3进行完步骤S4后，再准备进行下一轮的步骤S1-S2。

当需要单次进行分离处理的原料水的处理量较大时，可以将若干个不同的分离柱3串联，将相互串联的分离柱3等效为一个总分离柱3进行氢同位素水分离；总分离柱3进行氢同位素水分离的过程与上述的对单个分离柱3进行氢同位素水分离的方法完全相同，但对应的单次进样分离的处理量增大，并根据工艺需求获得不同丰度和产率的轻同位素水和重同位素水。容易理解的，将若干个不同的分离柱3串联时，只有最后一级的分离柱3的出料管305与后面的吸附床组和轻同位素水储罐4连通。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种氢同位素水分离系统，其特征在于：包括原料水储罐、轻同位素水储罐、中丰度氢同位素水储罐、重同位素水储罐、缓冲罐、循环泵、两个吸水床组和至少一个分离柱；每个所述分离柱内都设置有第一电加热棒、填料和测温热电偶，每个所述分离柱上都设置有一个温度控制器，所述第一电加热棒和所述测温热电偶分别与所述温度控制器电连接，所述填料为强酸性阳离子交换树脂，每个所述分离柱的进料口都与所述原料水储罐的出水管和所述循环泵的出气口连通，所述原料水储罐的出水管上设置有计量泵，所述吸水床组包括两个分子筛床，所述轻同位素水储罐和每个所述分子筛床都与每个所述分离柱的出料口连通，所述分离柱的出料口上设置有露点仪，两个所述吸水床组分别为第一吸水床组和第二吸水床组，所述中丰度氢同位素水储罐与所述第一吸水床组中的两个所述分子筛床的出水口连通，所述重同位素水储罐与另所述第二吸水床组中的两个所述分子筛床的出水口连通，同一个所述吸水床组中的两个所述分子筛床的蒸汽出口并联后分别通过一个汇流管与所述缓冲罐连通，两个所述汇流管上分别设置有流量控制器，所述缓冲罐上设置有注气管，所述循环泵的进气口与所述缓冲罐连通。

2.根据权利要求1所述的氢同位素水分离系统，其特征在于：所述分离柱为至少两个时，部分或全部所述分离柱串联，且相串联的两个所述分离柱之间的连接管路上设置有阀门。

3.根据权利要求2所述的氢同位素水分离系统，其特征在于：相串联的两个所述分离柱之间的连接管路上包裹有隔热套。

4.根据权利要求1所述的氢同位素水分离系统，其特征在于：所述第一电加热棒上设置有导热翅片，每个所述分离柱的外壁均包裹有保温层。

5.根据权利要求1所述的氢同位素水分离系统，其特征在于：所述强酸性阳离子交换树脂包括凝胶型强酸性阳离子交换树脂和大孔型强酸性阳离子交换树脂；所述计量泵为蠕动泵或柱塞泵。

6.根据权利要求1所述的氢同位素水分离系统，其特征在于：所述注气管与惰性气体储罐连通。

7.根据权利要求1所述的氢同位素水分离系统，其特征在于：所述分子筛床中的填料为4A分子筛或5A分子筛，所述分子筛床的内部设置有第二电加热棒和测温热电偶，所述分子筛床的外壁上设置有保温层；所述循环泵采用高压鼓风机。

8.根据权利要求1所述的氢同位素水分离系统，其特征在于：所述分离柱的出料管上设置有散热翅片。

9.一种氢同位素水分离方法，基于权利要求1-8任意一项所述的氢同位素水分离系统，其特征在于，在使用任意一个分离柱进行分离之前需将所述分离柱加热到并维持在设定温度，所述设定温度的范围为100℃-200℃；

当所述分离柱为一个时，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的氢同位素水分离方法，其特征在于，基于权利要求2或3所述的氢同位素水分离系统，将相互串联的所述分离柱等效为一个总分离柱进行氢同位素水分离；对所述总分离柱进行氢同位素水分离的过程与权利要求9中对一个所述分离柱进行氢同位素水分离的方法相同，但对应的单次进样分离的处理量增大，并根据工艺需求获得不同丰度和产率的轻同位素水和重同位素水。