CN204897393U - 一种从氚化水中回收氚的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种从氚化水中回收氚的装置，包括通过管道依次连接的气体循环泵、装有惰性载气的缓冲罐、装有氚化水的氚化水存储罐、填装有铁粉的第一水分解床、填装有5A分子筛的第一吸附床以及填装有锆系储氢合金的第一储氢床；所述第一储氢床还回连于气体循环泵。本实用新型结构紧凑、成本低廉、操作便捷，可以连续进行氚化水中氚的回收工作，并且不产生固体废物，因此，其具有很高的实用价值和推广价值。

Description

一种从氚化水中回收氚的装置

技术领域

本实用新型涉及一种从氚化水中回收氚的装置。

背景技术

氚工艺实验室在常规运行状态或氚泄漏应急处理状态下都会产生不同活度的氚化水(HTO)。氚化水中的氚无法直接使用，必须将其转化为单质态氚(HT)，才能作为核燃料获得重新利用。并且，氚化水相对于单质态氚更容易被人体器官吸收，这会导致更大的放射剂量，其剂量系数是单质氚的25000倍。因此，从资源利用和环境安全两方面考虑，都必须将氚化水转化为单质态氚，以实现氚的回收。

目前，从氚化水中回收氚的方法主要有如下几种：电解、同位素交换、热金属分解法。电解法可以直接将HTO转化为HT，其原理是在电场作用下直接发生水分解反应：2HTO＝2HT+O₂。代表发展方向的主要包括聚合物电解(SPE)和高温陶瓷电解(SOEC)两类，该方法需要高性能的质子膜和电极，技术成熟度不高，还处于发展阶段。同位素交换法采用的是催化交换膜反应器(PERMCAT)，由Pd合金渗透膜和催化剂床组成。利用同位素交换原理，含HTO的气体进入催化剂床，而H₂或CO以逆流模式进入渗透膜侧，渗透侧维持负压，反应原理为：H₂+HTO＝H₂O+HT或CO+HTO＝HT+CO₂；HT富集在渗透管出口端，从而实现回收。该方法需要高性能的渗透膜和催化剂，成本较高，运行过程控制较为复杂。

热金属法采用具有还原性的金属或者合金，其反应原理为：xM+HTO＝MxO+HT。含HTO的气体通过反应床层后，水中的氧以金属氧化物的形式被截留在金属床中，水中的氢同位素变为HT。该方法不需要引入复杂的机械体系，具有体积小、初始投入成本低和安全可靠等优点。因此从经济性和技术成熟度考虑，该方法适合用于从氚化水中回收氚。但采用传统的活性金属(Mg、Zr等)或合金填料(ZrNi、ZrMnFe等)，床体失效后会形成固体含氚废物，增加后续处理负担；因此有必要对该方法进行优化设计，并对氚化水中氚回收方案进行整体设计，从而不但能够实现氚的高效回收，而且能够避免产生固体废物。

实用新型内容

针对上述技术的不足，本实用新型提供了一种从氚化水中回收氚的装置，具有能够高效回收氚、且不产生固体废物的优点。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种从氚化水中回收氚的装置，包括通过管道依次连接的气体循环泵、装有惰性载气的缓冲罐、装有氚化水的氚化水存储罐、填装有铁粉的第一水分解床、填装有5A分子筛的第一吸附床以及填装有锆系储氢合金的第一储氢床；所述第一储氢床还回连于气体循环泵。

进一步地，所述氚化水存储罐为鼓泡器结构。

为实现水分解床的连续处理，本实用新型还包括与第一水分解床并联、并且也填装有铁粉的第二水分解床；所述第一水分解床和第二水分解床各自的输入端与输出端均设有阀门。

为实现吸附床的连续处理，本实用新型还包括与第一吸附床并联、并且也填装有5A分子筛的第二吸附床；所述第一吸附床和第二吸附床各自的输入端与输出端也均设有阀门。

再进一步地，所述缓冲罐与氚化水存储罐之间的管道上也设有阀门，并且该阀门两侧均设有用作吸附床再生回路的支路，其中，靠近缓冲罐的支路同时与第一吸附床和第二吸附床各自的出气口连通，而靠近氚化水存储罐的支路则同时与第一吸附床和第二吸附床各自的进气口连通。

为实现储氢床的连续处理，本实用新型还包括与第一储氢床并联、并且也填装有锆系储氢合金的第二储氢床；所述第一储氢床和第二储氢床各自的输入端与输出端也均设有阀门。

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，其采用了气-固反应原理，通过有效的结构设计，直接将氚化水分解为含氚氢气，这相对于电解法、氢同位素交换法来说，器件加工制造容易实现，运行控制也更加简单，因此具有建造成本低和运行成本低的优势。

(2)本实用新型采用铁作为水分解材料，充分利用了铁的可逆反应特性，氧化阶段金属铁与氚化水反应生四氧化三铁和含氚氢气，还原阶段四氧化三铁与氢气反应生成金属铁和水，填料可以反复使用，无需更换，不产生固体废物，降低了成本的投入。

(3)本实用新型中氚化水存储罐采用鼓泡器结构设计，载气进入液体内部，载气在后续流动过程中，将以气泡的形式从液体中逸出，氚化水会转移到载气中，如此一来，在可以确保操作安全性的同时，可以很好地将液态氚化水转化为氚化水蒸汽，以便其中的氚能够很好地被后续的固定床分解和吸收。

(4)本实用新型采用密闭体系，装置输出的产品是纯组分的含氚氢同位素气体；运行过程中惰性载气采用循环模式，不会向环境排放含氚气体废物，因此安全性高、操作弹性大，可以满足不同浓度氚化水中氚回收需求。

(5)本实用新型并联设置了水分解床、吸附床和储氢床，采用双床交替的工作模式，能够实现氚的连续回收。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的一种使用状态图。

图3为本实用新型的另一种使用状态图。

其中，附图标记对应的零部件名称为：

1-气体循环泵，2-流量控制器，3-缓冲罐，4-氚化水存储罐，5-第一水分解床，6-第二水分解床，7-第一吸附床，8-第二吸附床，9-第一储氢床，10-第二储氢床。

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，本实用新型提供了一种可以从氚化水中回收氚的装置，主要应用于核设施氚化学与氚工艺中。本实用新型包括通过管道依次连接的气体循环泵1、流量控制器2、缓冲罐3、氚化水存储罐4、第一水分解床5、第一吸附床7以及第一储氢床9；并且第一储氢床9还回连于气体循环泵1。

所述的缓冲罐3中装有惰性载气，在气体循环泵1的驱动下，惰性载气可以进入到氚化水存储罐4中，而流量控制器2则用于控制载气的流量和流速，确保操作的安全。所述的氚化水存储罐4采用鼓泡器结构设计，罐体和进出管道均为不锈钢管，入口管道伸入到罐体底部，出口端道位于罐体顶部。氚化水存储罐4中装有氚化水，当载气进入到氚化水存储罐4时，在氚化水存储罐的鼓泡结构作用下，将以气泡的形式从液体中逸出，氚化水转移到载气中。

所述第一水分解床5中填装有铁粉作为填料，其用于水分解氚化水，获得含氚氢气。所述第一吸附床7中填装有5A分子筛作为填料，其用于去除含氚氢气中的水蒸汽。所述第一储氢床9中填装有锆系储氢合金，其用于吸附含氚氢气中的氢同位素气体。

此外，本实用新型还并联设置了第二水分解床6、第二吸附床8和第二储氢床10，第二水分解床6、第二吸附床8和第二储氢床10中同样依次填装有铁粉、5A分子筛和锆系储氢合金。如此设计目的是为了能实现水分解床、吸附床和储氢床之间两两交替运行工作，即：当一个床体处于工作状态的同时，另一个床体处于再生状态，这样便可实现整个装置的连续运行。具体地说，所述第一水分解床5和第二水分解床6各自的输入端与输出端均设有阀门；第一吸附床7和第二吸附床8各自的输入端与输出端均设有阀门；第一储氢床9和第二储氢床10各自的输入端与输出端也均设有阀门。通过相应阀门的控制，便可实现两个水分解床、两个吸附床和两个储氢床的切换。

本实用新型从氚化水中回收氚的过程如下：

如图2所示，当需要使用第一水分解床5、第一吸附床7和第一储氢床9对氚化水进行处理时，首先调节好流量控制器2的流量控制，然后分别开启气体循环泵1以及第一水分解床5、第一吸附床7和第一储氢床9各自的输入端和输出端的阀门，并关闭第二水分解床6、第二吸附床8和第二储氢床10各自的输入端和输出端的阀门。

在气体循环泵1的驱动下，缓冲罐3中的惰性载气被泵入到氚化水存储罐4中，由于氚化水存储罐4采用了鼓泡器结构的设计，因而载气进入氚化水存储罐4后，氚化水便以鼓泡的方式转移到载气中，液态氚化水转化成氚化水蒸汽，然后随着载气一起进入到第一水分解床5中。

载气进入第一水分解床5后，将第一水分解床5温度加热至400℃，使载气中的大部分(约90％)氚化水与铁粉发生氧化还原反应，生成四氧化三铁和含氚氢气。而后，含氚氢气进入到第一吸附床7中，由第一吸附床7吸附少部分残余的水蒸汽，得到干燥的含氚氢气。

最后，干燥的含氚氢气进入到第一储氢床9中，由其中的锆系储氢合金吸收，从而实现氚的回收。

当装置运行一段时间后，第一水分解床5、第一吸附床7和第一储氢床9发生失效，此时，需要对三个床体进行再生处理，同时，需要切换到第二水分解床6、第二吸附床7和第二储氢床10上，使装置连续工作。如图3所示，具体的操作方式如下：

第一水分解床再生

关闭第一水分解床5输入端和输出端各自的阀门，打开第二水分解床6输入端和输出端各自的阀门，使载气进入到第二水分解床6中继续进行氧化反应。同时，将第一水分解床5温度加热至500℃以上，然后从图3中的A2管路向第一水分解床5中持续通入高纯氢气，使其与四氧化三铁发生还原反应，生成金属铁，气体由A1管路排出。A1管路上设有湿度传感器，当水含量低于10ppm时，表明第一水分解床5再生完成，此时，便可停止高纯氢气的通入。

第一吸附床再生

在本实用新型中，吸附床采用高温加热并通入惰性载气吹洗的方式进行再生，具体设置是：缓冲罐3与氚化水存储罐4之间的管道上也设有阀门，并且该阀门两侧均设有用作吸附床再生回路的支路，其中，靠近缓冲罐3的支路同时与第一吸附床7和第二吸附床8各自的出气口连通，而靠近氚化水存储罐4的支路则同时与第一吸附床7和第二吸附床8各自的进气口连通。

当第一吸附床7需要再生时，关闭第一吸附床7输入端和输出端各自的阀门，打开第二吸附床8输入端和输出端各自的阀门，使含氚氢气进入到第二吸附床8中，由第二吸附床8继续吸附水蒸汽。同时，打开连接第一吸附床的再生回路上的阀门，关闭缓冲罐3与氚化水存储罐4之间主管道上的阀门，将第一吸附床温度加热至300℃以上，使干燥的惰性载气以相反的气流方向进入第一吸附床(图3中的B2管路进、B1管路出)，将其解吸的氚化水送入到氚化存储罐4中，同时使其再生。利用湿度传感器检测惰性载气流通的管路中的水含量，当水含量低于10ppm时，则表明第一吸附床7再生完成，停止惰性载气的供入。

第一储氢床再生

关闭第一储氢床9输入端和输出端各自的阀门，打开第二储氢床10输入端和输出端各自的阀门，使干燥的含氚氢气进入到第二储氢床10中，由第二储氢床10继续吸附含氚氢气。同时，将第一储氢床9温度加热至300～500℃，使含氚氢气吸热解吸为气态含氚氢气，维持体系压力低于1atm，然后通过图3中的C管路，将氢气从第一储氢床9中向外转移，使第一储氢床9再生。

本实施例中，气体循环泵1选用隔膜泵，并采用容积式多层金属膜片驱载模式，不会对工艺气体造成污染，并且可以避免含氚气体泄漏。流量控制器2选用全金属质量流量控制器，同样不会对工艺气体造成污染，并且也可以避免含氚气体泄漏。缓冲罐3选用不锈钢压力容器，额定工作压力可达5atm，满足氚系统部件的漏率要求，并设有气体输运管道。所有的水分解床、吸附床和储氢床均选用固定床反应器。而连接各管道的阀门则均选用气动两通阀，可以通过前级电磁阀驱动，自动实现气路通断控制。

本实用新型采用固定床结构，并以铁粉作为填料进行水分解，对于受反应平衡限制未完全分解的残余水蒸汽，在后端采用分子筛进行吸收，最后再由储氢合金将氢同位素气体吸附，即可实现氚的回收。本实用新型一方面不采用渗透方式提取含氚氢气，避免了使用钯管，可有效降低系统建造成本；另一方面分子筛除水的技术成熟，价格低廉、操作简单。因此，本实用新型通过巧妙的结构设计，在保证高效回收氚、且不产生固体废物的同时，还降低了系统建造的成本，简化了工艺操作的流程。

上述实施例仅为本实用新型的优选实施例，并非是对本实用新型保护范围的限制，但凡采用本实用新型的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种从氚化水中回收氚的装置，其特征在于，包括通过管道依次连接的气体循环泵（1）、装有惰性载气的缓冲罐（3）、装有氚化水的氚化水存储罐（4）、填装有铁粉的第一水分解床（5）、填装有5A分子筛的第一吸附床（7）以及填装有锆系储氢合金的第一储氢床（9）；所述第一储氢床（9）还回连于气体循环泵（1）。

2.根据权利要求1所述的一种从氚化水中回收氚的装置，其特征在于，所述氚化水存储罐（4）为鼓泡器结构。

3.根据权利要求2所述的一种从氚化水中回收氚的装置，其特征在于，还包括与第一水分解床（5）并联、并且也填装有铁粉的第二水分解床（6）；所述第一水分解床（5）和第二水分解床（6）各自的输入端与输出端均设有阀门。

4.根据权利要求3所述的一种从氚化水中回收氚的装置，其特征在于，还包括与第一吸附床（7）并联、并且也填装有5A分子筛的第二吸附床（8）；所述第一吸附床（7）和第二吸附床（8）各自的输入端与输出端也均设有阀门。

5.根据权利要求4所述的一种从氚化水中回收氚的装置，其特征在于，所述缓冲罐（3）与氚化水存储罐（4）之间的管道上也设有阀门，并且该阀门两侧均设有用作吸附床再生回路的支路，其中，靠近缓冲罐（3）的支路同时与第一吸附床（7）和第二吸附床（8）各自的出气口连通，而靠近氚化水存储罐（4）的支路则同时与第一吸附床（7）和第二吸附床（8）各自的进气口连通。

6.根据权利要求4或5所述的一种从氚化水中回收氚的装置，其特征在于，还包括与第一储氢床（9）并联、并且也填装有锆系储氢合金的第二储氢床（10）；所述第一储氢床（9）和第二储氢床（10）各自的输入端与输出端也均设有阀门。