CN203777941U - 一种低温钯置换色谱氢同位素分离系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低温钯置换色谱氢同位素分离系统，解决现有的氢同位素分离装置存在系统结构复杂、且分离效率低的问题。本实用新型包括待分离气源容器和产品气体收集柱，通过管道连接在待分离气源容器和产品气体收集柱之间的气体分离组件，以及均与气体分离组件后端管道连接的第一气体缓冲贮气容器和在线气体分析单元。本实用新型结构简单，操作便捷，分离流程合理，可降低分离温度，并大幅提高氢同位素的分离效率，因此，其具有很高的应用价值和推广价值。

Description

一种低温钯置换色谱氢同位素分离系统

技术领域

    本实用新型涉及一种氢同位素分离系统，具体涉及的是一种用于将氢同位素组分氕（H）、氘（D）、氚（T）分离的低温钯置换色谱氢同位素分离系统。

背景技术

大规模氢同位素分离是发展利用聚变能不可或缺的重要环节，例如ITER氚工厂不同阶段设计的氢同位素处理规模大概为280~360mol/h。目前，大规模氢同位素分离主要依赖于低温精馏（cryogenic distillation，CD）工艺。

CD工艺经过五六十年的发展后，在重水生产、重水除氚等领域已实现工业应用。加拿大上世纪八十年代建起的DTRF（Darlington Tritium Removal Facility）能同时为20个CANDU核电机组服务，处理量达到360kg/h，年回收公斤量级氚，迄今为止仍然是世界上最大的氢同位素分离装置。CD方法的优点显而易见，分离能力强，速度快，但也存在系统庞大、结构复杂，氚滞留量大，设备存在一定危险性等问题。

置换色谱法（displacement gas chromatography，DGC）是另一种很有发展潜力的大规模氢同位素分离技术，由于金属钯具有很强的氢同位素效应，因而氢同位素的分离材料通常都选用钯。钯置换色谱分离氢同位素技术具有分离因子高、产品提取效率较高、安全性高、无需精密控制与复杂设备以及空间与能耗需求适中等优点。英国JET聚变装置氢同位素分离设施就采用20%的载钯三氧化铝（Pd-Al₂O₃）做分离材料，然后通过色谱分离柱（φ33.6mm×5m）分离混合气体获得氚，并通过产品气体收集柱进行收集。虽然该类装置能够实现氕、氘、氚分离，但是其分离温度较高，导致分离系数较低，降低了氢同位素分离的效率，并且在分离过程中需要在分离柱内采用纯氢气对混合气体进行吹洗，因而能耗和成本也较高。因此，受限于分离效率和成本，现有的置换色谱技术的分离因子富集量较低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种低温钯置换色谱氢同位素分离系统，主要解决现有的氢同位素分离装置存在系统结构复杂、且分离效率低的问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种低温钯置换色谱氢同位素分离系统，包括待分离气源容器和产品气体收集柱，通过管道连接在待分离气源容器和产品气体收集柱之间、用于实现氢同位素分离的气体分离组件，以及均与气体分离组件后端管道连接的第一气体缓冲贮气容器和在线气体分析单元。

一种情况是，所述气体分离组件包括与待分离气源容器连接的气体质量流量控制器，至少为一根且并联在气体质量流量控制器与产品气体收集柱之间的分离柱，以及设置在气体质量流量控制器与分离柱之间的冷却器；所述第一气体缓冲贮气容器和在线气体分析单元均连接在分离柱出口端的管道上。

另一种情况是，所述气体分离组件至少为两个，且所有的气体分离组件并联在待分离气源容器和产品气体收集柱之间；每个气体分离组件均包括与待分离气源容器连接的气体质量流量控制器，与该气体质量流量控制器连接的冷却器，以及连接在该冷却器与产品气体收集柱之间的分离柱；所述第一气体缓冲贮气容器和在线气体分析单元均连接在分离柱出口端的管道上。

进一步地，所述分离柱出口端设有第一分支管路和第二分支管路，其中，第一分支管路分别与产品气体收集柱和在线气体分析单元连接，所述第一气体缓冲贮气容器则通过并联旁支管路与该第一分支管路连接；第二分支管路连接有气体循环泵，并且该气体循环泵还连接有第二气体缓冲贮气容器。

再进一步地，所述第一气体缓冲贮气容器和第二气体缓冲贮气容器均回连于待分离气源容器与气体质量流量控制器之间的管道上，并且第一气体缓冲贮气容器与第二气体缓冲贮气容器通过管道连通；所述气体循环泵还通过旁通管路连接在待分离气源容器与气体质量流量控制器之间。

为能更好地实现本实用新型的功能，所述气体质量流量控制器还通过管道连接有分子泵，并且在二者连接的管道上还设有用于检测整个系统管道压力的真空规。

更进一步地，所述待分离气源容器与分离柱各自的出气端处均设有压力传感器。

更进一步地，所述待分离气源容器与气体质量流量控制器之间的管道上还设有取样器。

作为优选，所述在线气体分析单元为气相色谱仪或四极质谱仪。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

（1）本实用新型结构简单、设计合理、成本低廉、操作便捷。

（2）本实用新型中的分离柱采用冷却器进行温度控制，可使其工作温度保持在-150℃～0℃之间，由于钯分离氢同位素时，分离温度越低，分离系数就越大，因而本实用新型的结构设计可以有效降低钯分离氢同位素时的分离温度，从而增大分离系数，本实用新型克服了背景技术中采用置换色谱时分离系数低的缺点，大幅提高了分离的效率，并增加了分离因子的富集量。

（3）本实用新型采用并联的方式设置气体分离组件，可以在相同时间内同时运行，从而进一步增大氢同位素的分离效率，实现大规模氢同位素的分离。本实用新型可以根据实际情况和需要灵活控制氢同位素的分离流程，并在同一时间并行运行多个流程（例如多根分离柱同时进行氢同位素分离，或者某些分离柱进行氢同位素分离，某些分离柱同时进行活化解析），各个流程之间相互独立运行，互不干扰，从而不仅节省了处理的时间，而且能够确保系统持续运行，工作效率相当高。

（4）本实用新型在分离柱出口端设置了在线气体分析单元，可以提高产品气和尾气的收集时间点的精确度，使之更准确，从而大幅优化了整个系统的性能。

（5）本实用新型设置了分子泵，在系统运行前，利用分子泵对整个系统进行抽真空处理，可以除去系统内的空气及其他杂质气体，确保分离材料不被污染和氧化，并顺利运行系统。

（6）本实用新型还设置了压力传感器和取样器，可以令工作人员实时观测到系统运行过程中的压力变化，并对待分离混合气体组成进行取样分析，实时了解系统运行和待分离混合气体的情况，从而大幅增强了工作人员与系统之间的衔接性。

（7）本实用新型实用性强，分离流程合理，分离温度低，并且运行安全、可靠，因此，其应用前景相当广泛，非常适合在核电领域内推广应用。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的第一种使用流程示意图。

图3为本实用新型的第二种使用流程示意图。

图4为本实用新型中两个气体缓冲贮气容器之间气体转移的流程示意图。

图5为本实用新型的三种使用流程的一种示意图。

图6为本实用新型的第三种使用流程的另一种示意图。

图7为本实用新型对分离柱流出气组成成分进行监测的结果示意图。

其中，附图标记对应的零部件名称为：

1-待分离气源容器，2-第一阀门，3-压力传感器，4-取样器，5-第二阀门，6-第一气体缓冲贮气容器，7-第三阀门，8-第二气体缓冲贮气容器，9-第四阀门，10-气体质量流量控制器，11-分离柱，12-第五阀门，13-旁通管路，14-气体循环泵，15-第六阀门，16-第七阀门，17-第八阀门，18-产品气体收集柱，19-在线气体分析单元，20-分子泵，21-真空规。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，本实用新型的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1所示，本实用新型包括待分离气源容器1、气体分离组件、第一气体缓冲贮气容器6、产品气体收集柱18、在线气体分析单元19、分子泵20以及真空规21。所述待分离气源容器1用于盛装待分离的氢同位素气体，所述气体分离组件用于分离氢同位素混合气体，并使产品气体收集柱18收集分离得到的气体。具体地说，所述气体分离组件包括与待分离气源容器1连接的气体质量流量控制器10，至少为一根且并联在气体质量流量控制器10与产品气体收集柱18之间的分离柱11，以及设置在气体质量流量控制器10与分离柱之间的冷却器。所述分离柱11用于处理待分离气体，其在分离氢同位素气体时，内部保持在-150℃～0℃范围内的低温状态下，该低温由冷却器提供，并且该分离柱11进行氢同位素分离时，气体通过分离柱11的动力是其两端气体的压力差，该气源压力为0.2～0.5Mpa。而气体质量流量控制器10则用于控制待分离气体的进入流量，其大小视分离柱11的处理量而定。

所述分离柱11出口端设有第一分支管路和第二分支管路，所述第一气体缓冲贮气容器6通过并联旁支管路与分离柱11出口端的第一分支管路连接，并且还回连于待分离气源容器1与气体质量流量控制器10之间的管道上。该第一气体缓冲贮气容器6用于收集产品气体前期少量不符合标准的气体，然后当累积到一定量后，视其组成情况，继而再对其进行二次分离、收集，或者直接排放。

所述在线气体分析单元19和产品气体收集柱18也分别与分离柱11出口端的第一分支管路连接，在线气体分析单元19用于对分离的气体进行分析，本实施例中，作为优选，该在线气体分析单元19为气相色谱仪或四极质谱仪。

所述分子泵20通过管道与气体质量流量控制器10连接，真空规21则连接在二者的管道上，如图1所示。所述分子泵20用于系统在工作之前对其进行抽真空处理，以除去系统中的空气及其他杂质气体，所述真空规21则用于实时检测系统管道抽真空后的压力，二者共同确保系统的正常运行。

此外，由于分离柱11使用一段时间后，需要对其进行活化解析，将分离柱11内剩余的尾气排出，因此，本实用新型还设置了气体循环泵14和第二气体缓冲贮气容器8。所述气体循环泵14与分离柱11出口端的第二分支管路连接，所述第二气体缓冲贮气容器8则与气体循环泵14连接。所述分离柱11加热解析后，其内解析出的尾气在气体循环泵14作用下进入到第二气体缓冲贮气容器8中贮存。

另外，为能对解析的尾气很好地进行分析，并为了确保第二气体缓冲贮气容器8始终能够贮存尾气，需要将第二气体缓冲贮气容器8中的气体转移至第一气体缓冲贮气容器6中。因此，所述第二气体缓冲贮气容器8也回连于待分离气源容器1与气体质量流量控制器10之间的管道上，并且该第二气体缓冲贮气容器8通过管道与第一气体缓冲贮气容器6连通；所述气体循环泵14则通过旁通管路13连接在待分离气源容器1与气体质量流量控制器10之间。本实施例后面部分会详细介绍两个气体缓冲贮气容器气体转移的过程。

为了更进一步地对整个系统的运行状态进行监测，本使实用新型在待分离气源容器1与分离柱11各自的出气端处均设有压力传感器3，并且在待分离气源容器1与气体质量流量控制器10之间的管道上还设有取样器4。如此设计，一来可以实时监测待分离气体分离前和分离后各自的气体压力，二来可以实时对待分离气体的组分进行取样分析，本实施例中的取样器4可以选用自带阀门的气体取样钢瓶。

基于上述系统结构，下面对本实用新型的系统工作流程进行详细介绍，本实用新型可以实现三种模式的工作流程，分别如下：

流程一

如图2所示，分别打开第一阀门2和第二阀门5，使待分离气源容器1释放出待分离混合气体，该待分离混合气体经由气体质量流量控制器10控制流量后流入其中一根分离柱11中，并在该分离柱11内与分离材料相互作用（吸附、解离、吸收、置换、解析、结合等），混合气体被分离，并从该分离柱11出口端的第一分支管路流出，此时，该分离柱11出口端的压力传感器3显示气体的压力值。

利用在线气体分析单元19对流出气体的组成进行在线监测，在收集产品气体前阶段可能会流出少量不符合收集标准的气体，此时打开第七阀门16，气体便经由并联旁支管路进入第一气体缓冲贮气容器6贮存。当判定组成符合产品气收集标准时，关闭第七阀门16，同时打开第八阀门17，气体便通过产品气体收集柱18实现收集。上述待分离混合气体组成可以通过取样器4取样分析。

当在线气体分析单元19监测到流出气体不再符合产品气收集标准时，则表示该分离柱已被穿透，此时切换到下一根分离柱，即关闭第一根分离柱的进出口阀门，打开第二根分离柱的进出口阀门，然后继续进行分离，如此不断循环，直至所有待分离混合气体全部被分离和收集。

流程二

由流程一可知，分离柱11使用一段时间后会被穿透，不能再继续使用，因而需要对其进行活化解析。而为了确保系统能够持续工作，不因分离柱穿透后停止，本流程提供了分离柱11同时分离混合气体和活化解析的流程。本实施例以一根分离柱11分离混合气体、另一根同时活化解析为例，对该流程进行介绍。

以A、B表示两根并联的分离柱，其中A表示的分离柱用于分离混合气体，B表示的分离柱用于活化解析。如图3所示，其中，A表示的分离柱，其分离混合气体的流程与流程一相同，故在此不再重复描述；B表示的分离柱，其活化解析的过程则为：首先，对该分离柱进行加热解析，其加热温度为250～300℃，分离柱加热解析出分离尾气；接着，启动气体循环泵14，并打开B分离柱出口端的第二分支管路上的阀门，使尾气在气体循环泵14作用下泵入到第二气体缓冲贮气容器8中进行贮存，分离柱活化解析完毕，可以重新投入使用。

上述同时进行的两个子流程从逻辑和气路上都不矛盾，二者之间互不干涉，独立运行，本流程可以大幅节省混合气体的处理时间，从而提高处理的效率。

另外，当第二气体缓冲贮气容器8累积到一定量的尾气时，可以将其转移到第一气体缓冲贮气容器6中，这样做的目的在于一来可以集中对贮存的气体进行分析，然后决定是否将其进行二次分离、收集，或者直接排放；二来可以确保第二气体缓冲贮气容器8内始终有空间来对分离柱活化解析出来的尾气进行贮存。两个气体缓冲贮气容器之间气体转移的过程为：如图4所示，首先，分别关闭第一阀门2、第七阀门16、第八阀门17以及第二气体缓冲贮气容器8进气端的阀门，打开第四阀门9、第五阀门12、第六阀门15以及第一气体缓冲贮气容器6进气端的阀门；接着，启动气体循环泵14，第二气体缓冲贮气容器8中的尾气在气体循环泵14作用下，从第二气体缓冲贮气容器8中流出，并流经旁通管路13和气体循环泵14，最后便进入到第一气体缓冲贮气容器6中，完成两个气体缓冲贮气容器内气体的转移。

流程三

本流程是多根分离柱同时进行分离混合气体的流程，该流程的目的是为了提高分离的速度，从而进一步提高工作的效率。与上述流程一、二不同的是，实现本流程的系统结构稍有不同，具体来说，其主要是在各个分离柱入口端均设置有相应的气体质量流量控制器，如图5所示。待分离混合气体经由几路气体质量流量控制器分别控制流量后同时流入相应的分离柱，气体在分离柱中与分离材料相互作用（吸附、解离、吸收、置换、解析、结合等）并被分离，然后流出分离柱，利用在线气体分析单元19对流出气体组成进行在线监测，当判定组成符合产品气收集标准时，多路气体便通过产品气体收集柱实现收集。本流程可采用同一气源或不同气源来对混合气体进行分离，采用同一气源的流程如图5所示。而采用不同气源的流程则如图6所示，图6所示的流程中，分别在各个分离柱入口端预留口进行进气，并设置相应的气体质量流量控制器，各路待分离混合气体由相应的气体质量流量控制器控制流量后送入分离柱进行分离。混合气体被分离后，在分离柱出口端流出时被在线气体分析单元19在线监测，当判定气体组成符合产品气收集标准时，气体便通过产品气体收集柱实现收集。

为确保系统的顺利、安全、可靠运行，在进行上述三个流程之前，均通过分子泵20对整个系统进行抽真空处理，然后由真空规21实时检测系统管道内压力。当真空规21显示系统管道压力小于5pa时，关闭分子泵20前端的阀门，然后便可开始三个流程的运行。

此外，在上述三个流程的运行过程中，对于第一气体缓冲贮气容器6和第二气体缓冲贮气容器8内贮存的气体，在经过分析其组成情况后，可以对其进行二次分离、收集，或者排放。当第一气体缓冲贮气容器6中的气体需要进行二次分离时，关闭第一阀门2，打开第三阀门7，使待分离的气源由待分离气源容器1变为第一气体缓冲贮气容器6，然后依次循环上述流程，对第一气体缓冲贮气容器6中的气体进行二次分离。同理，当第二气体缓冲贮气容器8中的气体需要进行二次分离时，则关闭第一阀门2，并打开第四阀门9，使待分离的气源由待分离气源容器1变为第二气体缓冲贮气容器8，然后依次循环上述流程，对第二气体缓冲贮气容器8中的气体进行二次分离。或者也可以是关闭第一阀门2，然后同时打开第三阀门7和第四阀门9，继而同时对第一气体缓冲贮气容器6和第二气体缓冲贮气容器8中的气体进行二次分离。

对分离柱流出气体组成进行监测的结果如图7所示，其后每根分离柱的流出气体组成变化都与之类似。图7中，在两条竖线之间的时间段收集产品气，其产品氘丰度可达到99.71%。

上述实施例仅为本实用新型较佳的实施例之一，不应当用以限制本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的主体设计思想和精神下所作出的任何毫无实质意义的改动和润色，或是进行等同置换的技术方案，其所解决的技术问题实质上与本实用新型一致的，也应当在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种低温钯置换色谱氢同位素分离系统，其特征在于：包括待分离气源容器（1）和产品气体收集柱（18），通过管道连接在待分离气源容器（1）和产品气体收集柱（18）之间、用于实现氢同位素分离的气体分离组件，以及均与气体分离组件后端管道连接的第一气体缓冲贮气容器（6）和在线气体分析单元（19）。

2.根据权利要求1所述的一种低温钯置换色谱氢同位素分离系统，其特征在于：所述气体分离组件包括与待分离气源容器（1）连接的气体质量流量控制器（10），至少为一根且并联在气体质量流量控制器（10）与产品气体收集柱（18）之间的分离柱（11），以及设置在气体质量流量控制器（10）与分离柱（11）之间的冷却器；所述第一气体缓冲贮气容器（6）和在线气体分析单元（19）均连接在分离柱（11）出口端的管道上。

3.根据权利要求1所述的一种低温钯置换色谱氢同位素分离系统，其特征在于：所述气体分离组件至少为两个，且所有的气体分离组件并联在待分离气源容器（1）和产品气体收集柱（18）之间；每个气体分离组件均包括与待分离气源容器（1）连接的气体质量流量控制器（10），与该气体质量流量控制器（10）连接的冷却器，以及连接在该冷却器与产品气体收集柱（18）之间的分离柱（11）；所述第一气体缓冲贮气容器（6）和在线气体分析单元（19）均连接在分离柱（11）出口端的管道上。

4.根据权利要求2或3所述的一种低温钯置换色谱氢同位素分离系统，其特征在于：所述分离柱（11）出口端设有第一分支管路和第二分支管路，其中，第一分支管路分别与产品气体收集柱（18）和在线气体分析单元（19）连接，所述第一气体缓冲贮气容器（6）则通过并联旁支管路与该第一分支管路连接；第二分支管路连接有气体循环泵（14），并且该气体循环泵（14）还连接有第二气体缓冲贮气容器（8）。

5.根据权利要求4所述的一种低温钯置换色谱氢同位素分离系统，其特征在于：所述第一气体缓冲贮气容器（6）和第二气体缓冲贮气容器（8）均回连于待分离气源容器（1）与气体质量流量控制器（10）之间的管道上，并且第一气体缓冲贮气容器（6）与第二气体缓冲贮气容器（8）通过管道连通；所述气体循环泵（14）还通过旁通管路（13）连接在待分离气源容器（1）与气体质量流量控制器（10）之间。

6.根据权利要求5所述的一种低温钯置换色谱氢同位素分离系统，其特征在于：所述气体质量流量控制器（10）还通过管道连接有分子泵（20），并且在二者连接的管道上还设有用于检测整个系统管道压力的真空规（21）。

7.根据权利要求6所述的一种低温钯置换色谱氢同位素分离系统，其特征在于：所述待分离气源容器（1）与分离柱（11）各自的出气端处均设有压力传感器（3）。

8.根据权利要求7所述的一种低温钯置换色谱氢同位素分离系统，其特征在于：所述待分离气源容器（1）与气体质量流量控制器（10）之间的管道上还设有取样器（4）。

9.根据权利要求5～8任意一条所述的一种低温钯置换色谱氢同位素分离系统，其特征在于：所述在线气体分析单元（19）为气相色谱仪或四极质谱仪。