CN203672869U

CN203672869U - 氢-水同位素交换分离因子测量系统

Info

Publication number: CN203672869U
Application number: CN201320888631.2U
Authority: CN
Inventors: 叶林森; 罗德礼; 唐涛; 杨莞; 饶咏初
Original assignee: SICHUAN MATERIALS AND TECHNOLOGY INST
Current assignee: SICHUAN MATERIALS AND TECHNOLOGY INST
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2023-12-31

Abstract

本实用新型公开了一种氢-水同位素交换分离因子测量系统，目的在于解决目前通常采用统计热力学数据计算的平衡常数来代替分离因子，其不可避免的存在一定误差，而现有用于测量非涉氚反应平衡常数的玻璃类反应器在涉氚体系中已经不再适用的问题，该系统包括交换平衡反应器、反应气、冷凝器、取样瓶、真空泵、阀及管道等。本实用新型构思巧妙，结构合理，能够用于测量不同温度条件下的氢-水同位素交换的分离因子，同时本实用新型设计了一种全新的密封阀，能够确保本实用新型内部无“死空间”，即取样气为交换平衡的气体。本实用新型中交换平衡的混合气经气液分离功能的冷凝器后取样分析，并根据分离因子的定义和定量分析结果计算出交换分离因子。

Description

氢-水同位素交换分离因子测量系统

技术领域

本实用新型涉及含氚废水去氚化、重水提纯和生产领域，特别是一种氢-水同位素交换分离因子测量系统，其适用于不同浓度和温度条件下，涉氚的氢-水交换分离因子的测量，能够为水去氚化、重水提纯和生产的疏水催化剂考核及工业化规模级别的交换柱处理能力的设计提供基础数据。

背景技术

在裂变堆、聚变堆、乏燃料后处理厂及各类氚处理系统的运行过程中，不可避免地会产生不同浓度的含氚废水。氧化态氚（HTO，DTO与T₂O）的放射性毒性比元素气体氚（HT，DT与T₂）强10000倍，从安全和环境考虑，水中的氚浓度必须限制在<1Ci/L水平。如CANDU堆用重水做慢化剂，每年运行产氚率1.4~2kCi/MWe，其平衡氚浓度C_∞的值决定于堆芯区的中子通量和D₂O的装载量。重水减速剂C_∞可取65 Ci/kg D₂O，重水冷却剂C_∞可取2.5 Ci/kg D₂O，平均起来CANDU堆重水氚浓度DTO/D₂O ?? 3×10^-5，稳态平衡氚浓度可达到85Ci/kg D₂O。

目前，实现重水提氚、氚提纯和重水生产等的主要方法是通过氢同位素的催化交换，按转移方式的不同，可分为蒸汽相催化交换（VPCE）、液相催化交换（LPCE）、组合电解催化交换（CECE）等三种。其中，液相催化交换（LPCE）由于具有低能耗、高分离因子等优点，已成为国内外催化交换应用领域的首选。然而，此类氢同位素交换必须在疏水催化剂的存在下才能完成。

在LPCE过程中，疏水催化剂的交换活性需要使用相同条件的分离因子进行计算交换效率，以此评估疏水催化剂的性能。此外，在氢-水同位素交换工业化规模能力的设计中，需要通过相同工况下的分离因子来计算交换处理量，进而确定交换柱的理论塔板高度、总高度以及疏水催化剂的装填量等。

氢-水同位素交换过程实质上是通过两个反应步骤完成的，即：汽液相转变和气汽催化交换两个连续的过程。目前，在国内外相关研究中，常采用统计热力学数据进行两个反应的平衡常数理论计算，以此来代替分离因子。分离因子的定义是指：在液态水中氢同位素摩尔分数比值除以在气体中氢同位素摩尔分数比值。一般来说，分离因子随浓度和温度的变化而改变，而平衡常数则是温度的函数，因而用平衡常数来代替分离因子不可避免的会来带一定的误差。因此，需要直接测量以获得交换分离因子。

氚和氚化水具有放射性和剧毒等特点。一般而言，涉氚系统需要三级包容结构，对每级包容都需要有严格的漏率标准，初级包容需要采用全金属部、组件。对于含氚的氢同位素交换分离因子的测定，反应系统可以归纳为初级包容结构。因此，用于测量非涉氚反应平衡常数的玻璃类反应器在涉氚体系中已经不再适用。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对目前通常采用统计热力学数据计算的平衡常数来代替分离因子，其不可避免的存在一定误差，而现有用于测量非涉氚反应平衡常数的玻璃类反应器在涉氚体系中已经不再适用的问题，提供一种氢-水同位素交换分离因子测量系统。本实用新型构思巧妙，结构合理，能够用于测量不同温度条件下的氢-水（H₂-HDO，H₂-HTO和D₂-DTO等）同位素交换的分离因子，同时本实用新型设计了一种全新的密封阀，能够确保本实用新型内部无“死空间”，即取样气为交换平衡的气体。本实用新型中交换平衡的混合气经气液分离功能的冷凝器后进行取样，所取样再在高分辨质谱仪上进行定量分析，交换反应完成的液态水通过将氢同位素转移成气体形式进行定量分析。根据分离因子的定义和定量分析结果计算出交换分离因子。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

氢-水同位素交换分离因子测量系统，包括反应气、冷凝器、取样瓶、真空泵、具有温度调节功能的冷冻加热搅拌器、放置于冷冻加热搅拌器内的平衡反应器、第一管道、第一针阀、第二管道、第二针阀、第三管道、第四管道、第三针阀、第五管道、第六管道、第四针阀、第七管道、第八管道、第一密封阀、第二密封阀，所述冷凝器上分别设置有进气口、出气口；

第一密封阀与第二密封阀的结构相同，统称为密封阀，所述密封阀包括阀体、设置在阀体底壁上的第一管口、设置在阀体侧壁上的第二管口、设置在阀体内部底壁上且与第一管口连通的锥形槽、设置在阀体内的密封柱，所述密封柱包括与锥形槽相配合的锥形件、与锥形件相连的控制杆，所述控制杆与阀体之间密封连接；

所述反应气通过第一管道与第一针阀相连，所述第一针阀通过第二管道与第二针阀相连，所述第二针阀通过第三管道与冷凝器的进气口相连，所述冷凝器的出气口通过第四管道与第三针阀相连，第三针阀通过第五管道与取样瓶相连，所述真空泵通过第六管道与第二管道相连，所述第四针阀设置在第六管道上；

所述第七管道的一端与第二管道相连，另一端通过第一密封阀与平衡反应器相连；

所述第八管道的一端与第三管道相连，另一端通过第二密封阀与平衡反应器相连。

所述第一密封阀、第二密封阀与平衡反应器的端盖之间分别采用密封连接，所述第一密封阀、第二密封阀的第一管口分别与平衡反应器连通；

所述第七管道的一端与第二管道相连，另一端与第一密封阀的第二管口相连；所述第八管道的一端与第三管道相连，另一端与第二密封阀的第二管口相连。

所述平衡反应器内设置有搅拌子。

所述平衡反应器内设置有疏水催化剂。

所述第二管道上还设置有真空计。

所述真空泵为无油真空泵。

所述控制杆与阀体之间采用螺纹密封连接。

所述冷凝器的底端设置有液体收集器。

所述第一密封阀、第二密封阀与平衡反应器的端盖之间分别采用全金属焊接密封连接。

所述冷凝器包括内层、外层，所述内层内设置有液氮，所述外层内填充有5A分子筛。

所述平衡反应器、第一密封阀、第二密封阀分别采用316L不锈钢材料制备而成。

重水提氚、氚提纯和重水生产等需通过催化交换技术来实现，而疏水催化剂评估和交换柱设计不可避免的涉及氢-水（H₂-HDO，H₂-HTO和D₂-DTO等）同位素交换的分离因子，而本实用新型则能有效解决上述问题，可用于不同温度、浓度条件下交换分离因子的直接测量，并为氢-水同位素工业化规模的交换柱设计提供基础。本实用新型中，真空计可采用复式真空计；疏水催化剂采用Pt/SDB型疏水催化剂，此类催化剂能浮在水面，即在氢气和液态水界面处，有利于加快交换反应达到平衡。同时，本实用新型中采用了一种特制的密封阀，密封阀包括阀体、设置在阀体底壁上的第一管口、设置在阀体侧壁上的第二管口、设置在阀体内部底壁上且与第一管口连通的锥形槽、设置在阀体内的密封柱，密封柱包括与锥形槽相配合的锥形件、与锥形件相连的控制杆，控制杆与阀体之间密封连接，即密封阀的内部采用两通式气路结构，设置在阀体侧壁上的第二管口与管路焊接，设置在底壁上的第一管口与平衡反应器连通。密封柱底部、阀体、与平衡反应器的端盖保持在同一水平面上，本发明中的密封阀采用全金属材料制备而成，其结构保证了平衡反应器内部无“死空间”，确保取样气为平衡反应交换气。本实用新型中的冷凝器采用金属材质加工而成，为双层结构，即冷凝器包括内层、外层，内层的冷却介质为液氮，外层内填充有5A分子筛，冷凝器的底端设置有液体收集器。其中，冷冻加热搅拌器具有温度调节功能，能够对平衡反应器内的温度进行调节，即：冷冻加热搅拌器具有磁力搅拌、电加热及液氮冷却等功能，可对平衡反应器进行冷冻或加热反应。搅拌子、疏水催化剂一起放置在平衡反应器内。第一密封阀、第二密封阀分别用于原料气输入、平衡反应混合气的输出。本实用新型在平衡反应器内设置搅拌子，有效增大了气液接触面积，使交换反应能进行的更加充分。本实用新型中的管道均采用金属卡套和焊接方式连接，测量系统漏率小于1×10^-10Pa·m³·s^-1。

测试流程如下。

第一步，组装。将各部分通过卡套方式进行连接，安装完成。

第二步，除气。开始前，首先采用氦质谱检测仪分别对各个系统进行检漏，确保系统整体漏率小于1×10^-10Pa·m³·s^-1。分别使第一针阀、第二针阀、第三针阀、第四针阀处于开路状态，同时开启真空泵，直至满足真空压力要求，平衡反应器除气前需要进行液氮冷却处理。

第三步，进气过程。将第四针阀、第二针阀、第二密封阀关闭，将反应气注入平衡反应器内，当达到所需压力时，关闭第一密封阀、第一针阀。

第四步，交换平衡。将平衡反应器放入冷冻加热搅拌器内进行恒温水浴加热，在加热过程中开启磁力搅拌，直至交换反应到达平衡。

第五步，平衡交换气取样。向冷凝器中注入液氮，缓慢打开第二密封阀，平衡交换气经冷凝器气液分离后进入取样瓶中，关闭第三针阀。将取样瓶中的平衡交换气进行质谱分析氢同位素。

第六步，平衡水取样。将平衡反应器的端盖打开，取水样进行分析水中氢同位素。

针对反应介质氢气和液态水间溶解度低、扩散速度慢等特点，本实用新型在平衡反应器内部设置了搅拌子。平衡反应器内的交换反应是在高活性Pt/SDB疏水催化剂表面完成。本实用新型中的氢-水交换反应是在密封环境进行的，平衡反应器采用了端盖倒密封连接方式，漏率小于1×10^-10Pa??m³??s^-1。交换平衡的混合气经过具有气液分离功能的冷凝器后进行取样，再在高分辨质谱仪上进行定量分析，交换反应完成的液态水通过将氢同位素转移成气体形式进行定量分析。根据分离因子的定义和定量分析结果计算交换分离因子。

本实用新型中测量系统中，密封阀设计结构较为巧妙，采用了金属锥形密封，能有效确保平衡反应器内部无“死空间”。本实用新型结构简单、操作方便、密封好，可靠性能高，能够用于氢-水同位素交换分离因子的测定，对涉氚环境条件进行测量，同时可为疏水催化剂考核及工业规模化交换柱的设计提供基础数据，测定结果准确可靠。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型中第一密封阀的结构示意图。

图3是本实用新型中冷凝器的剖视图。

图中标记：1为反应气，2为冷凝器，3为取样瓶，4为真空泵，5为冷冻加热搅拌器，6为平衡反应器，7为第一管道，8为第一针阀，9为第二管道，10为第二针阀，11为第三管道，12为第四管道，13为第三针阀，14为第五管道，15为第六管道，16为第四针阀，17为第七管道，18为第八管道，19为第一密封阀，20为第二密封阀，21为进气口，22为出气口，23为阀体，24为第一管口，25为第二管口，26为锥形槽，27为锥形件，28为控制杆，29为搅拌子，30为真空计，31为液体收集器。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

本实用新型包括反应气、冷凝器、取样瓶、真空泵、具有温度调节功能的冷冻加热搅拌器、放置于冷冻加热搅拌器内的平衡反应器、第一管道、第一针阀、第二管道、第二针阀、第三管道、第四管道、第三针阀、第五管道、第六管道、第四针阀、第七管道、第八管道、第一密封阀、第二密封阀、真空计，冷凝器上分别设置有进气口、出气口，平衡反应器内分别放置有搅拌子、疏水催化剂，真空计设置第二管道上。

第一密封阀与第二密封阀的结构相同，第一密封阀的结构如图2所示。第一密封阀包括阀体、第一管口、第二管口、锥形槽、密封柱，第一管口设置在阀体底壁上，第二管口设置在阀体侧壁上，锥形槽设置在阀体内部底壁上且与第一管口连通，密封柱设置在阀体内。密封柱包括与锥形槽相配合的锥形件、与锥形件相连的控制杆，控制杆与阀体之间采用螺纹密封连接。

反应气通过第一管道与第一针阀相连，第一针阀通过第二管道与第二针阀相连，第二针阀通过第三管道与冷凝器的进气口相连，冷凝器的出气口通过第四管道与第三针阀相连，第三针阀通过第五管道与取样瓶相连，真空泵通过第六管道与第二管道相连，第四针阀设置在第六管道上。第一密封阀、第二密封阀与平衡反应器的端盖之间分别采用密封连接，第一密封阀、第二密封阀的第一管口分别与平衡反应器连通。第七管道的一端与第二管道相连，另一端与第一密封阀的第二管口相连。第八管道的一端与第三管道相连，另一端与第二密封阀的第二管口相连。

冷凝器包括内层、外层，内层内设置有液氮，外层内填充有5A分子筛，冷凝器的底端设置有液体收集器。平衡反应器、第一密封阀、第二密封阀分别采用316L不锈钢材料制备而成。

本实用新型中的管路采用不锈钢双抛管，连接方式为焊接和卡套式。

本实施例以H₂和HDO进行同位素交换，测量不同温度和浓度下的分离因子。

本实施例中的平衡反应器由316L不锈钢加工而成，圆底，体积为60ml。

具体过程如下。

1、采用称重稀释法配置D/H=20,000×10^-6和500×10^-6两种浓度的稀重水，氢气为高纯自然氢。疏水催化剂选用等体积浸渍-氢还原的Pt/SDB型疏水催化剂。

2、开始前，首先采用氦质谱检测仪分别对各个系统进行检漏，确保系统整体漏率小于1×10^-10Pa·m³·s^-1。

3、将疏水催化剂和搅拌子加入平衡反应器中，用稀重水进行漂洗、烘干。将相同浓度的稀重水5ml转移到平衡反应器中。冷冻加热搅拌器中通入液氮，待平衡反应器内的液态水呈固态后，开启阀门进行真空除气处理，并经冷冻-除气-解冻，重复冷冻-除气-解冻过程三次。

4、通过第一密封阀向平衡反应器中注入0.12MPa压力的氢气，关闭第一密封阀。控制冷冻加热搅拌器中水浴温度进行一定恒温下的氢-水同位素交换。在此过程中，开启搅拌功能，在搅拌子的作用下，氢和液态水接触面积增大，进而加速交换反应达平衡。

5、向冷凝器中注入液氮，缓慢打开第二密封阀，交换平衡气（H₂和HD）经冷凝器气液分离后进入取样瓶中，关闭第三针阀。将取样瓶中的交换平衡气（H₂和HD）进行质谱分析氢同位素。

6、打开平衡反应器端盖，取水样进行分析平衡交换水中的氢同位素含量。

经实际测试，本实用新型能准确测量不同温度和浓度的分离因子，测定结果准确可靠。

实施例2

本实施例以HT和H₂O进行同位素交换测量不同温度和浓度的分离因子。

本实施例的装置同实施例1。

具体过程如下。

1、反应气选用不同浓度的HT气体，平衡反应器内的交换液态水为去离子水，疏水催化剂同样选用等体积浸渍-氢还原的Pt/SDB型疏水催化剂。

其余操作步骤与上述例1相同。

由上述实例1、2可知，测量系统结构简单，操作方便，密封好和可靠性高，也可用于测量涉氚环境的分离因子，并确保了结果真实可靠。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.氢-水同位素交换分离因子测量系统，其特征在于，包括反应气（1）、冷凝器（2）、取样瓶（3）、真空泵（4）、具有温度调节功能的冷冻加热搅拌器（5）、放置于冷冻加热搅拌器（5）内的平衡反应器（6）、第一管道（7）、第一针阀（8）、第二管道（9）、第二针阀（10）、第三管道（11）、第四管道（12）、第三针阀（13）、第五管道（14）、第六管道（15）、第四针阀（16）、第七管道（17）、第八管道（18）、第一密封阀（19）、第二密封阀（20），所述冷凝器（2）上分别设置有进气口（21）、出气口（22）；

第一密封阀（19）与第二密封阀（20）的结构相同，统称为密封阀，所述密封阀包括阀体（23）、设置在阀体（23）底壁上的第一管口（24）、设置在阀体（23）侧壁上的第二管口（25）、设置在阀体（23）内部底壁上且与第一管口（24）连通的锥形槽（26）、设置在阀体（23）内的密封柱，所述密封柱包括与锥形槽（26）相配合的锥形件（27）、与锥形件（27）相连的控制杆（28），所述控制杆（28）与阀体（23）之间密封连接；

所述反应气（1）通过第一管道（7）与第一针阀（8）相连，所述第一针阀（8）通过第二管道（9）与第二针阀（10）相连，所述第二针阀（10）通过第三管道（11）与冷凝器（2）的进气口（21）相连，所述冷凝器（2）的出气口（22）通过第四管道（12）与第三针阀（13）相连，第三针阀（13）通过第五管道（14）与取样瓶（3）相连，所述真空泵（4）通过第六管道（15）与第二管道（9）相连，所述第四针阀（16）设置在第六管道（15）上；

所述第七管道（17）的一端与第二管道（9）相连，另一端通过第一密封阀（19）与平衡反应器（6）相连；

所述第八管道（18）的一端与第三管道（11）相连，另一端通过第二密封阀（20）与平衡反应器（6）相连。

2.根据权利要求1所述氢-水同位素交换分离因子测量系统，其特征在于，所述第一密封阀（19）、第二密封阀（20）与平衡反应器（6）的端盖之间分别采用密封连接，所述第一密封阀（19）、第二密封阀（20）的第一管口（24）分别与平衡反应器（6）连通；

所述第七管道（17）的一端与第二管道（9）相连，另一端与第一密封阀（19）的第二管口（25）相连；所述第八管道（18）的一端与第三管道（11）相连，另一端与第二密封阀（20）的第二管口（25）相连。

3.根据权利要求1所述氢-水同位素交换分离因子测量系统，其特征在于，所述平衡反应器（6）内设置有搅拌子（29）。

4.根据权利要求1所述氢-水同位素交换分离因子测量系统，其特征在于，所述平衡反应器（6）内设置有疏水催化剂。

5.根据权利要求1所述氢-水同位素交换分离因子测量系统，其特征在于，所述第二管道（9）上还设置有真空计（30）。

6.根据权利要求1所述氢-水同位素交换分离因子测量系统，其特征在于，所述控制杆（28）与阀体（23）之间采用螺纹密封连接。

7.根据权利要求1所述氢-水同位素交换分离因子测量系统，其特征在于，所述冷凝器（2）的底端设置有液体收集器（31）。

8.根据权利要求1所述氢-水同位素交换分离因子测量系统，其特征在于，所述第一密封阀（19）、第二密封阀（20）与平衡反应器（6）的端盖之间分别采用全金属焊接密封连接。

9.根据权利要求1-8任一项所述氢-水同位素交换分离因子测量系统，其特征在于，所述冷凝器（2）包括内层、外层，所述内层内设置有液氮，所述外层内填充有5A分子筛。

10.根据权利要求1所述氢-水同位素交换分离因子测量系统，其特征在于，所述平衡反应器（6）、第一密封阀（19）、第二密封阀（20）分别采用316L不锈钢材料制备而成。