CN115325439B - 氢同位素气体汲储装置及对气体处理的方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种氢同位素气体汲储装置及对气体处理的方法。氢同位素气体汲储装置包括：环形密封腔；进气管路，与所述环形密封腔连通，用于接收待汲储的氢同位素气体；汲储材料，填充在所述环形密封腔内，用于汲储所述氢同位素气体；加热腔，设置于所述环形密封腔的径向内侧；以及加热体，设置于所述加热腔中，用于受控地将所述汲储材料加热至预设温度，以使所述汲储材料在所述预设温度下将汲储的氢同位素气体释放。本申请实施例在利用加热体对汲储材料进行加热时，加热体产生的热量绝大部分能够沿径向传递至环形密封腔内，从而提高了对汲储材料的加热效率，有利于加快汲储材料的解吸效率。

Description

氢同位素气体汲储装置及对气体处理的方法

技术领域

本发明涉及氢同位素技术领域，特别涉及一种氢同位素气体汲储装置及对气体处理的方法。

背景技术

现有的氢同位素气体汲储装置通常用于处理大量氢同位素气体。该类氢同位素气体汲储装置处理小量氢同位素气体时，存在解吸效率低的问题。

发明内容

本申请提供了一种氢同位素气体汲储装置及对气体处理的方法。

第一方面，本申请实施例提供了一种氢同位素气体汲储装置，包括：

环形密封腔；

进气管路，与所述环形密封腔连通，用于接收待汲储的氢同位素气体；

汲储材料，填充在所述环形密封腔内，用于汲储所述氢同位素气体；

加热腔，设置于所述环形密封腔的径向内侧；以及

加热体，设置于所述加热腔中，用于受控地将所述汲储材料加热至预设温度，以使所述汲储材料在所述预设温度下将汲储的氢同位素气体释放。

第二方面，本申请实施例提供了一种对气体处理的方法，所述方法利用本申请第一方面的氢同位素气体汲储装置对气体进行处理。所述方法包括：当所述装置的进气管路接收的气体为纯氢同位素气体时，断开所述装置的出气管路，导通所述装置的冷却介质进管和冷却介质出管，向所述装置的环形密封腔中引入冷却介质，使所述装置的汲储材料在低温状态下汲储氢同位素气体。

第三方面，本申请实施例提供了一种对气体处理的方法，所述方法利用本申请第一方面的氢同位素气体汲储装置对气体进行处理。所述方法包括：当所述进气管路接收的氢同位素气体中存在杂质成分时，导通所述进气管路和所述出气管路，由所述装置的汲储材料汲储氢同位素气体，从而使得杂质成分单独地从所述出气管路流出，实现氢同位素气体与杂质成分相分离。

本申请实施例由于将汲储材料设置于环形密封腔中，且将加热腔设置在环形密封腔的径向内侧，从而在利用加热体对汲储材料进行加热时，加热体产生的热量绝大部分能够沿径向传递至环形密封腔内，从而提高了对汲储材料的加热效率，有利于加快汲储材料的解吸效率。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是根据本发明一个实施例的氢同位素气体汲储装置的结构示意图；

图2是图1所示氢同位素气体汲储装置的局部放大图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需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。

需要说明的是，除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

在本发明实施例的描述中“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

参见图1和图2，本发明实施例的氢同位素气体汲储装置(下文简称为汲储装置)包括：环形密封腔15，进气管路7，汲储材料9，加热腔以及加热体3。

进气管路7与环形密封腔15连通，用于接收待汲储的氢同位素气体。汲储材料9填充在环形密封腔15内，用于汲储(即吸附)氢同位素气体。加热腔设置于环形密封腔15的径向内侧。加热体3设置于加热腔中，用于受控地将汲储材料9加热至预设温度，以使汲储材料9在预设温度下将汲储的氢同位素气体释放(即对汲储材料9进行解吸)。

本申请实施例由于将汲储材料9设置于环形密封腔15中，且将加热腔设置在环形密封腔15的径向内侧，从而在利用加热体3对汲储材料9进行加热时，加热体3产生的热量绝大部分能够沿径向传递至环形密封腔15内，从而提高了对汲储材料9的加热效率，有利于加快汲储材料9的解吸效率。

本发明实施例的汲储装置由于具有上述结构，因此可将整体尺寸设计的较小。在一些实施例中，汲储装置的直径可以小于5cm，从而使得汲储材料9升降温速率快，工艺效率高，使用方便快捷，特别适合微量氢同位素的汲储，能够用于汲储氚提取工艺系统的工艺管路中微量含氚气体。

容易理解，环形密封腔15内填充的汲储材料9也可称之为床体。

在一些实施例中，环形密封腔15内填充的汲储材料9所占体积小于环形密封腔15总体积的80％。如此设置，可在对汲储材料9进行加热时，避免环形密封腔15被膨胀后的汲储材料9挤爆。

在一些实施例中，汲储装置还包括：内筒14，外筒5，底板13，以及盖体12。

外筒5设置于内筒14的径向外侧。底板13设置于外筒5和内筒14的底部。盖体12设置于内筒14和外筒5的顶部。底板13、盖体12、外筒5和内筒14共同限定形成环形密封腔15。内筒14、外筒5、底板13与盖体12形成了氢同位素气体的一级包容。

在一些实施例中，内筒14，外筒5，底板13以及盖体12可以焊接为一体，从而增加环形密封腔15的密封性。

在一些实施例中，内筒14与底板13为一体成型件。在一些实施例中，盖体12与外筒5为一体成型件。外筒5可以与底板13焊接。

内筒14与底板13共同形成加热腔。加热体3设置于内筒14的径向内侧。盖体12的中部设有第一通孔，内筒14的上端经由第一通孔向上延伸至高于盖体12以与盖体12焊接；加热体3经由内筒14的上端开口进入加热腔。

在这样的实施例中，整个环形密封腔15仅有三处焊缝，即外筒5的底端与底板13的周缘之间的焊缝、内筒14的顶端与盖体12之间的焊缝、进气管路7与盖体12之间的焊缝。容易理解，当汲储装置还包括下文提及的出气管路1时，出气管路1与盖体12之间也会有一处焊缝。由此可见，本申请实施例通过上述设置，使得环形密封腔15具有较少的焊缝，可大大减小环形密封腔15漏率风险。

此外，加热体3通过内筒14进入加热腔，还能够使得加热体3在出现故障时容易更换。

在一些实施例中，汲储装置还包括：上端开口的外壳6。外筒5和底板13设置于外壳6内，盖体12与外壳6密封连接。在一些实施例中，盖体12的周缘与外壳6的上端焊接。外壳6、盖体12、底板13以及外筒5共同限定形成外层密封腔11。外壳6与盖体12形成了氢同位素气体的二级包容。外层密封腔11可以起到隔热保温的作用。

在一些实施例中，汲储装置还包括：冷却介质进管4和冷却介质出管8。冷却介质进管4与外层密封腔11连通，用于向外层密封腔11中引入冷却介质。冷却介质出管8与外层密封腔11连通，用于将冷却介质引出外层密封腔11。

当进气管路7接收的待汲储的氢同位素气体中不存在杂质成分(即气体为纯氢同位素气体)时，在汲储材料9汲储氢同位素气体时，冷却介质进管4和冷却介质出管8导通，以利用冷却介质以对环形密封腔15进行冷却。

由于本申请实施例能够利用冷却介质以对环形密封腔15进行冷却，从而能够提高汲储材料9的吸附(汲储)能力。特别适合于对工艺系统中残留的微量氢同位素气体进行汲储。

汲储材料9可以选为用于汲储氢同位素气体常用的材料。在一些实施例中，汲储材料9可以为ZrTiCo。本申请的发明人发现，ZrTiCo在低温下具有极强的热力学和动力学特性，特别适合用于对氢同位素气体进行汲储。换言之，汲储材料9在低温下材料的吸附平衡压动力学高，可高效回吸氢同位素气体。本申请的发明人进一步发现，汲储材料9低于约-20℃以下时，进入环形密封腔15中的氢同位素气体被汲储材料9深度汲储。

在一些实施例中，床体内填充ZrTiCo材料为20g-30g，粒度100-200目。

在一些实施例中，冷却介质进管4和冷却介质出管8相对地设置在外壳6的上部。冷却介质可以为液氮。汽化的氮可以从上方的冷却介质出管8流出外层密封腔11。

在一些实施例中，进气管路7自盖体12向下延伸至环形密封腔15的底部。从而，进入环形密封腔15内的气体可在自下向上流动的过程中被汲储材料9吸附。进气管路7的端口处设有过滤器10，以防止汲储材料9进入进气管路7。

在一些实施例中，汲储装置还包括温度传感器，设置于加热腔中，用于采集环形内筒14的温度。温度传感器可以为热电偶。

加热体3可包括加热丝和设置于加热丝径向外侧的均温层。均温层可以由导热好的材料制成，从而利于热量均匀传递。温度传感器可以设置于均温层中，与加热体3为一体结构。

加热丝的高度可以低于盖体12的高度，以减少扩散至盖体12的热量。

在相关技术中，氢同位素气体汲储装置一般仅具有进气管路7，从而仅能够用于汲储纯氢同位素气体。当工艺气体中存在一定量的衰变杂质气体He-3等，氢同位素气体汲储装置无法处理。

在本申请实施例中，特别地为汲储装置设置出气管路1，使其与环形密封腔15连通。当进气管路7接收的氢同位素气体中存在杂质成分时，氢同位素气体被汲储材料9吸附，杂质成分则从出气管路1流出。

当利用加热体3对汲储材料9进行加热以使汲储材料9解吸时，出气管路1被断开，进气管路7被导通，汲储材料9释放的氢同位素气体从进气管路7流出。通过上述汲储和解吸过程，能够实现对氢同位素气体的净化除杂。

在一些实施例中，盖体12设有第二通孔，出气管路1通过第二通孔与环形密封腔15连通。出气管路1设有过滤器2，用于防止汲储材料9经由出气管路1流出。过滤器2设置于环形密封腔15的外部。

本申请实施例的汲储装置通过设置与环形密封腔15连通的进气管路7和出气管路1，使得汲储装置具有对氢同位素气体进行汲储的功能，还具有对氢同位素气体进行除杂的功能。

本申请实施例还提供了一种对气体处理的方法。该方法利本申请实施例的汲储装置对气体进行处理。该方法适合于对纯氢同位素气体进行处理。

该方法包括：当汲储装置的进气管路7接收的气体为纯氢同位素气体时，断开汲储装置的出气管路1，导通汲储装置的冷却介质进管4和冷却介质出管8，向装置的环形密封腔15中引入冷却介质，使汲储材料9在低温状态下汲储氢同位素气体，从而使得汲储材料9具有较高的吸附效率。

在一些实施例中，该方法还包括：利用汲储装置的温度传感器采集汲储材料9的温度，以控制冷却介质进管4和冷却介质出管8的通断。

在这样的实施例中，当进行系统管路含氚系统处理时，通过汲储装置的进气管路7实现微量含氚气体的汲储(此时汲储装置为单通道)。具体地，出气管路1的阀门关闭，通过冷却介质进管4在外层密封腔11中通入适量液氮，通过加热腔中的热电偶观察内筒14温度变化，以调节液氮含量，使ZrTiCo汲储材料9的温度为-20℃左右。

在一些实施例中，该方法还包括：当汲储材料9进行解吸时，断开出气管路1、冷却介质进管4以及冷却介质出管8，控制汲储装置的加热体3将汲储材料9加热至预设温度。

在一些实施例中，当汲储材料9进行解吸时，可以在加热体3将汲储材料9加热至预设温度后，导通进气管路7。

在一些实施例中，当对汲储材料9进行解吸时，先断开进气管路7，当环形密封腔15内的气压达到预设压力时导通进气管路7，从而可以对进气管路7的下游管路进行增压。

在本申请实施例中，汲储材料9经多次汲储处理后，可根据试验需求，通过加热体3加热汲储材料9，解吸汲储材料9中的氢同位素气体，达到增压效果，提高氢同位素气体的使用效率。

在一些实施例中，该方法还包括：当汲储材料9解吸结束时，断开进气管路7，导通冷却介质进管4和冷却介质出管8，利用冷却介质对汲储材料9进行冷却，从而使得该汲储装置能够快速被冷却从而进行新的汲储操作。

当加热解吸后的汲储材料9需要快速降温时，可在冷却介质进管4向外层密封腔11通入一定量液氮进行快速降温。

由此可见，本申请实施例对气体处理的方法可以实现汲储纯氢同位素气体，以及将汲储的氢同位素气体从汲储材料9中解吸出来，提供给其他管路。

本申请实施例还提供了另一种对气体处理的方法。该方法利本申请实施例的汲储装置对气体进行处理。该方法适合于对含有杂质成分的氢同位素气体进行处理。

该方法包括：当进气管路7接收的氢同位素气体中存在杂质成分时，导通进气管路7和出气管路1，由汲储装置的汲储材料9汲储氢同位素气体，从而使得杂质成分单独地从出气管路1流出，实现氢同位素气体与杂质成分相分离。

在这样的实施例中，当氢同位素气体中存在杂质成分时，可以利用出气管路1将杂质成分流出环形密封腔15，从而实现将氢同位素气体与杂质气体相分离。

例如，当利用本申请实施例的汲储装置进行氢同位素气体与其他杂质气体(氦-3等)的分离时，汲储装置采用流气式双通道模式。具体地，打开进气管路7和出气管路1的阀门，混合气体通过汲储材料9，氢同位素气体被ZrTiCo汲储材料9捕集，杂质气体可通过出气管路1排至下游应急除氚系统(EDS)。

在一些实施例中，导通进气管路7和出气管路1时，断开冷却介质进管4和冷却介质出管8，使汲储材料9在常温状态下汲储氢同位素气体。在这样的实施例中，汲储装置进行氢同位素气体与其他杂质气体(氦-3等)的分离时，汲储材料9可在常温下进行汲储，即可满足工艺管路的分离要求。

在一些实施例中，该方法还包括：对汲储材料9进行解吸，以释放与杂质成分相分离的氢同位素气体。具体地，捕集后的氢同位素气体同样可以根据汲储量和需求进行加热解吸汲储材料9，通过上述汲储和解吸过程即可实现对氢同位素气体的净化。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (20)

1.一种氢同位素气体汲储装置，其特征在于，包括：

环形密封腔；

进气管路，与所述环形密封腔连通，用于接收待汲储的氢同位素气体；

汲储材料，填充在所述环形密封腔内，用于汲储所述氢同位素气体；

加热腔，设置于所述环形密封腔的径向内侧；以及

加热体，设置于所述加热腔中，用于受控地将所述汲储材料加热至预设温度，以使所述汲储材料在所述预设温度下将汲储的氢同位素气体释放；

内筒；

外筒，设置于所述内筒的径向外侧；

底板，设置于所述外筒和所述内筒的底部；以及

盖体，设置于所述内筒和所述外筒的顶部，

其中，所述底板、所述盖体、所述外筒以及所述内筒共同限定形成所述环形密封腔；

所述内筒与所述底板共同限定形成所述加热腔；

所述盖体的中部设有第一通孔，

所述内筒的上端经由所述第一通孔向上延伸至高于所述盖体以与所述盖体焊接；

所述加热体经由所述内筒的上端开口进入所述加热腔；

所述内筒与所述底板为一体成型件；

所述盖体与所述外筒为一体成型件；

所述外筒与所述底板焊接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

上端开口的外壳，所述外筒和所述底板设置于所述外壳内，所述盖体与所述外壳密封连接；

所述外壳、所述盖体、所述底板以及所述外筒共同限定形成外层密封腔。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括：

冷却介质进管，与所述外层密封腔连通，用于向所述外层密封腔中引入冷却介质；和

冷却介质出管，与所述外层密封腔连通，用于将冷却介质引出所述外层密封腔。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述冷却介质进管和所述冷却介质出管相对地设置在所述外壳的上部。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述进气管路自所述盖体向下延伸至所述环形密封腔的底部。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述进气管路的端口处设有过滤器。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述环形密封腔内填充的汲储材料所占体积小于所述环形密封腔总体积的80％。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

出气管路，与所述环形密封腔连通，

当所述进气管路接收的氢同位素气体中存在杂质成分时，所述杂质成分从所述出气管路流出。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，当所述加热体对所述汲储材料进行加热时，所述进气管路被导通，所述出气管路被断开，以使所述汲储材料释放的氢同位素气体从所述进气管路流出。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述盖体设有第二通孔，所述出气管路通过所述第二通孔与所述环形密封腔连通。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述出气管路设有过滤器，用于防止所述汲储材料经由所述出气管路流出。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

温度传感器，设置于所述加热腔中，用于检测所述汲储材料的温度。

13.一种对气体处理的方法，所述方法利用权利要求1至12中任一项所述的氢同位素气体汲储装置对气体进行处理，其特征在于，所述方法包括：

当所述装置的进气管路接收的气体为纯氢同位素气体时，断开所述装置的出气管路，导通所述装置的冷却介质进管和冷却介质出管，向所述装置的环形密封腔中引入冷却介质，使所述装置的汲储材料在低温状态下汲储氢同位素气体。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：利用所述装置的温度传感器采集所述汲储材料的温度，以控制所述冷却介质进管和冷却介质出管的通断。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：

当对所述汲储材料进行解吸时，断开所述出气管路、所述冷却介质进管以及所述冷却介质出管，控制所述装置的加热体将所述汲储材料加热至预设温度。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，当对所述汲储材料进行解吸时，先断开所述进气管路，当所述环形密封腔内的气压达到预设压力时导通所述进气管路。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：

当所述汲储材料解吸结束时，断开所述进气管路，导通所述冷却介质进管和所述冷却介质出管，利用冷却介质对所述汲储材料进行冷却。

18.一种对气体处理的方法，所述方法利用权利要求1至12中任一项所述的氢同位素气体汲储装置对气体进行处理，其特征在于，所述方法包括：

当所述进气管路接收的氢同位素气体中存在杂质成分时，导通所述进气管路和出气管路，由所述装置的汲储材料汲储氢同位素气体，从而使得杂质成分单独地从所述出气管路流出，实现氢同位素气体与杂质成分相分离。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：导通所述进气管路和所述出气管路时，断开冷却介质进管和冷却介质出管，使所述汲储材料在常温状态下汲储氢同位素气体。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：对所述汲储材料进行解吸，以释放与杂质成分相分离的所述氢同位素气体。