一種用于實(shí)現(xiàn)水去氚化的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種用于實(shí)現(xiàn)水去氚化的系統(tǒng)，包括催化交換系統(tǒng)、氫氣供料系統(tǒng)、含氚水供應(yīng)系統(tǒng)、含氚氫氣干燥與收集系統(tǒng)、低氚水收集系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)和檢測控制裝置。本實(shí)用新型可以滿足水去氚化全部工藝需求，包括系統(tǒng)運(yùn)行前抽真空處理、分子篩床交替干燥和活化的不間斷處理工藝等，其不僅布局合理，大幅提高了含氚水凈化效率，而且能獲得高濃度的含氚氫氣。同時(shí)，本實(shí)用新型操作便捷，能耗低，催化交換系統(tǒng)內(nèi)氣液相間接觸面積大、傳質(zhì)系數(shù)大、反應(yīng)效率高，并且流體能定向流動，能夠定量控制水去氚化效率。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，比傳統(tǒng)水去氚化交換柱高度顯著降低，設(shè)備投資和催化劑投資大幅縮減。
【專利說明】
一種用于實(shí)現(xiàn)水去氚化的系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及化工和核技術(shù)及設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及的是一種用于實(shí)現(xiàn)水去氚化的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]氚是氫的放射性同位素，在軍工和核電領(lǐng)域都至關(guān)重要。核武器制造和聚變堆運(yùn)行都會涉及大量氣的操作，部分氣最終以氣化水形式存在;核電站運(yùn)行過程也會產(chǎn)生大量的含氚廢水。如果這些含氚廢水得不到合理處理，將會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。同時(shí)，氚是自然界中的極其微量的元素，本身具有極高的價(jià)值，含氚水中氚的回收具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，開發(fā)高效、節(jié)能、環(huán)保、低成本的水去氚化技術(shù)和裝備，對于回收含氚水中的氚元素，并使含氚水達(dá)到排放指標(biāo)，都具有非常重要的意義。
[0003]液相催化交換(LPCE)技術(shù)是目前相對成熟的水去氚化技術(shù)，采用多節(jié)串聯(lián)的催化交換柱以實(shí)現(xiàn)更高的反應(yīng)效率和處理量，但是該技術(shù)的不足之處在于設(shè)備復(fù)雜、安裝高度高、加工成本高;而采用的Pt基催化劑價(jià)格昂貴，多節(jié)串聯(lián)的交換柱填充催化劑總量大，費(fèi)用高；同時(shí)，交換柱內(nèi)氣液相停留時(shí)間難以控制，無法定量準(zhǔn)確地控制反應(yīng)后低氚水和含氚氫氣的氚含量。而與其對應(yīng)的水去氚化工藝處理含氚水的效率低、成本高，也不能靈活控制反應(yīng)后氣液相的氣含量。
[0004]因此，有必要對現(xiàn)有的水去氚化技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供了一種用于實(shí)現(xiàn)水去氚化的系統(tǒng)，可方便、準(zhǔn)確地控制反應(yīng)后氣液相的氚含量，滿足水去氚化過程全部工藝需求。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0007]—種用于實(shí)現(xiàn)水去氚化的系統(tǒng)，包括催化交換系統(tǒng)、氫氣供料系統(tǒng)、含氚水供應(yīng)系統(tǒng)、含氚氫氣干燥與收集系統(tǒng)、低氚水收集系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)和檢測控制裝置；
[0008]所述催化交換系統(tǒng)包括頂蓋、外筒、中心區(qū)進(jìn)氣管、環(huán)隙區(qū)進(jìn)氣管、燒結(jié)板、帶有導(dǎo)流孔的導(dǎo)流筒、涂覆了疏水催化劑的Θ環(huán)填料、含氚水進(jìn)水管、含氚氫氣排氣管、環(huán)管式分布器和低氚水出水管;所述頂蓋設(shè)置在外筒頂部，所述環(huán)管式分布器位于外筒內(nèi)部并靠近頂蓋，所述含氚水進(jìn)水管和含氚氫氣排氣管則均穿入頂蓋與外筒內(nèi)部連通，并且含氚水進(jìn)水管還與環(huán)管式分布器連接;所述導(dǎo)流筒設(shè)置在外筒內(nèi)部底部，并將外筒內(nèi)部底部空間分隔為中心區(qū)和環(huán)隙區(qū)，所述中心區(qū)進(jìn)氣管由外筒底部穿入并與導(dǎo)流筒連通;所述環(huán)隙區(qū)進(jìn)氣管與外筒底部連通;所述燒結(jié)板固定在外筒內(nèi)部，并位于導(dǎo)流筒下方，其將外筒底部分隔出一個(gè)氫氣進(jìn)氣緩沖腔體;所述Θ環(huán)填料分別填裝于中心區(qū)和環(huán)隙區(qū)內(nèi)；所述低氚水出水管與外筒外壁連接并與環(huán)隙區(qū)連通；
[0009]所述氫氣供料系統(tǒng)同時(shí)與中心區(qū)進(jìn)氣管和環(huán)隙區(qū)進(jìn)氣管連接，用于同時(shí)向中心區(qū)和環(huán)隙區(qū)內(nèi)通入高純氫氣；
[0010]所述含氚水供應(yīng)系統(tǒng)分別與含氚水進(jìn)水管和低氚水出水管連接，用于向外筒內(nèi)通入含氚水以及回收低氚水出水管排出的氚濃度未達(dá)標(biāo)的含氚水；
[0011]所述含氚氫氣干燥與收集系統(tǒng)包括通過管道與含氚氫氣排氣管連接的第一冷凝器，均與該第一冷凝器連接、且呈并聯(lián)關(guān)系的第一分子篩干燥床和第二分子篩干燥床，設(shè)置在第一分子篩干燥床上、用于加熱第一分子篩干燥床的第一加熱器，設(shè)置在第二分子篩干燥床上、用于加熱第二分子篩干燥床的第二加熱器，均同時(shí)與第一分子篩干燥床和第二分子篩干燥床連接的氣體壓縮機(jī)和干燥氣體加熱器，與氣體壓縮機(jī)連接的含氚氫氣產(chǎn)品罐，同時(shí)與第一分子篩干燥床和第二分子篩干燥床連接、用于活化時(shí)除去分子篩干燥床中的水蒸氣的第二冷凝器，以及與該第二冷凝器連接的氣體循環(huán)栗;所述含氚氫氣產(chǎn)品罐還通過一傳輸管路與氫氣供料系統(tǒng)連接；
[0012]所述低氚水收集系統(tǒng)與低氚水出水管連接，用于收集由低氚水出水管排出的低氚水；
[0013]所述冷凝系統(tǒng)包括同時(shí)與第一冷凝器和第二冷凝器連接、用于提供冷源的冷凝水箱，與第一冷凝器連接、用于收集由其傳輸出來的冷凝含氚水的第三液體質(zhì)量流量計(jì)，與第二冷凝器連接、用于收集由其傳輸出來的冷凝含氚水的第二液體質(zhì)量流量計(jì)，以及同時(shí)與第三液體質(zhì)量流量計(jì)、第二液體質(zhì)量流量計(jì)和含氚水供應(yīng)系統(tǒng)連接的冷凝水儲藏罐；
[0014]所述檢測控制裝置同時(shí)與催化交換系統(tǒng)、氫氣供料系統(tǒng)、含氚水供應(yīng)系統(tǒng)、含氚氫氣干燥與收集系統(tǒng)、低氚水收集系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)連接，用于監(jiān)測和控制系統(tǒng)的壓力、液位、溫度、濕度和氚含量，并在系統(tǒng)使用前對其進(jìn)行抽真空預(yù)處理。
[0015]進(jìn)一步地，所述Θ環(huán)填料的高徑比為I?1.2，并且Θ環(huán)填料的填裝高度不超過導(dǎo)流筒高度。
[0016]再進(jìn)一步地，本實(shí)用新型還包括控溫裝置和保溫層;所述控溫裝置包括套在外筒外部、且呈對稱半圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)的加熱板，與該加熱板連接的固態(tài)繼電器，以及與該固態(tài)繼電器連接的PID溫控儀;所述保溫層包裹在加熱板和外筒外部。
[0017]再進(jìn)一步地，所述環(huán)隙區(qū)和中心區(qū)的橫截面面積比為2.5?5。
[0018]具體地說，所述氫氣供料系統(tǒng)包括與中心區(qū)進(jìn)氣管連接的第四氣體質(zhì)量流量計(jì)，與環(huán)隙區(qū)進(jìn)氣管連接的第五氣體質(zhì)量流量計(jì)，同時(shí)與第四氣體質(zhì)量流量計(jì)和第五氣體質(zhì)量流量計(jì)連接的減壓閥，以及與該減壓閥連接的高純氫氣儲罐;所述高純氫氣儲罐連接有一用于補(bǔ)充高純氫氣的管路，且該管路中設(shè)有第三氣體質(zhì)量流量計(jì);所述高純氫氣儲罐與傳輸管路連接，并且在傳輸管路上還設(shè)有第二氣體質(zhì)量流量計(jì)。
[0019]具體地說，所述含氚水供應(yīng)系統(tǒng)包括與含氚水進(jìn)水管連接的計(jì)量栗，以及與該計(jì)量栗連接的待處理含氚水儲罐;所述低氚水出水管通過回收管道與待處理含氚水儲罐連接，且該回收管道中還設(shè)有第六液體質(zhì)量流量計(jì);所述冷凝水儲藏罐也通過管道與待處理含氚水儲罐連接。
[0020]具體地說，所述低氣水收集系統(tǒng)包括與低氣水出水管連接的第四液體質(zhì)量流量計(jì)，以及與該第四液體質(zhì)量流量計(jì)連接的低氚水產(chǎn)品罐。
[0021]具體地說，所述檢測控制裝置包括與待處理含氚水儲罐連接的第一液位儀，與冷凝水儲藏罐連接的第二液位儀，與低氚水產(chǎn)品罐連接的第三液位儀，均與外筒連接的用于監(jiān)測其內(nèi)部溫度的溫度傳感器和第一壓力傳感器，與高純氫氣儲罐連接的第三壓力傳感器，與減壓閥連接的第四壓力傳感器，連接在第一冷凝器和第一分子篩干燥床之間的第一露點(diǎn)儀，與第二分子篩干燥床連接的第二露點(diǎn)儀，分別與氣體加熱器和氣體循環(huán)栗連接的第三露點(diǎn)儀，用于系統(tǒng)初始抽真空的第一真空栗、第二真空栗和真空規(guī)，以及用于檢測低氚水出口氚濃度的磁質(zhì)譜儀和用于測量氫氣氚含量的四極質(zhì)譜儀。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下有益效果:
[0023](I)本實(shí)用新型將多種技術(shù)原理和實(shí)際結(jié)構(gòu)結(jié)合，邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、設(shè)計(jì)巧妙、布局合理、流程明晰，可以滿足水去氚化過程的全部工藝需求;本實(shí)用新型所述工藝操作便捷，大幅提高了含氚水凈化處理效率，能耗低，且成本得到了顯著控制，實(shí)現(xiàn)了成本與技術(shù)的相對平衡。
[0024](2)本實(shí)用新型設(shè)置了抽真空系統(tǒng)，可以在系統(tǒng)運(yùn)行前對管道和設(shè)備進(jìn)行抽真空處理，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。
[0025](3)本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的含氚氫氣干燥與收集系統(tǒng)包含兩套獨(dú)立的分子篩床干燥系統(tǒng)，分子篩床可以交替運(yùn)行，互不影響，一套分子篩床進(jìn)行干燥除水的同時(shí)，另一套分子篩床可以進(jìn)行預(yù)熱再生，保證了系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行，提升了系統(tǒng)工作效率。
[0026](4)本實(shí)用新型催化交換系統(tǒng)內(nèi)的流體循環(huán)流動，液相停留時(shí)間長，且氣含率高，傳質(zhì)系數(shù)高，同時(shí)Θ環(huán)填料提供了大量的反應(yīng)表面，氣液相接觸面積大，使得氫同位素反應(yīng)的效率得到了顯著提升。
[0027](5)在控制中心區(qū)和環(huán)隙區(qū)的氫氣表觀氣速、形成中心氣升式環(huán)流的條件下，本實(shí)用新型可使通入到外筒內(nèi)的含氚水發(fā)生定向流動和循環(huán)，并可控制液相的停留時(shí)間，從而方便、準(zhǔn)確地控制反應(yīng)后氣液相中氚的濃度。
[0028](6)本實(shí)用新型采用的液相循環(huán)流動的方式，相比氣液相催化交換工藝多級串聯(lián)的交換柱，可以顯著降低外筒高度，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備投資少。同時(shí)催化劑填裝量少，可以顯著降低Pt基催化劑的使用成本。
[0029](7)本實(shí)用新型還設(shè)置了控溫裝置，可實(shí)現(xiàn)對外筒內(nèi)部的加熱，不僅加熱穩(wěn)定、溫控精度高、加熱效果好，而且可以方便調(diào)整外筒內(nèi)的溫度。同時(shí)，采用2cm厚的硅酸鋁纖維棉層，可以保證外筒內(nèi)部的溫度穩(wěn)定，減少外筒與環(huán)境的熱交換，提高催化交換系統(tǒng)的節(jié)能效率。
[0030](8)本實(shí)用新型通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了含氚水和含氚氫氣的循環(huán)，從而使沒有達(dá)到氚濃度指標(biāo)的含氚水和含氚氫氣可以循環(huán)輸入原料儲罐，達(dá)到指標(biāo)的含氚水和含氚氫氣存入產(chǎn)品儲罐，反復(fù)循環(huán)，可以有效提升含氚氫氣的氚濃度、減少低氚水的含氚量，最大程度實(shí)現(xiàn)了含氚廢水的去氚化處理。
[0031](9)本實(shí)用新型設(shè)計(jì)巧妙、結(jié)構(gòu)緊湊、操作便捷、操作彈性大且反應(yīng)效率高，可以理想地解決現(xiàn)有技術(shù)的弊端，大幅減小設(shè)備和催化劑的成本。因此，該技術(shù)進(jìn)步明顯，具有實(shí)質(zhì)性的特點(diǎn)和進(jìn)步，非常適合在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行推廣應(yīng)用。
【附圖說明】
[0032]圖1為本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖2為催化交換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖3為本實(shí)用新型使用第一分子篩干燥床干燥含氚氫氣的工作原理圖。
[0035]圖4為本實(shí)用新型使用第二分子篩干燥床干燥含氚氫氣的工作原理圖。
[0036]圖5為催化交換系統(tǒng)工作時(shí)的液相循環(huán)示意圖。
[0037]圖6為催化交換系統(tǒng)的三維剖視圖。
[0038]其中，附圖標(biāo)記對應(yīng)的名稱為:
[0039]1-中心區(qū)進(jìn)氣管;2-環(huán)隙區(qū)進(jìn)氣管;3-燒結(jié)板;4-導(dǎo)流筒;5-外筒;6-Θ環(huán)填料;7_含氚水進(jìn)水管;8-含氚氫氣排氣管;9-環(huán)管式分布器;10-加熱板；11-保溫層;12-低氚水出口 ；13-催化交換系統(tǒng)；14-第一液相閥門；15-第一液體質(zhì)量流量計(jì)；16-第一液位儀;17-待處理含氚水儲罐；18-第二液相閥門；19-計(jì)量栗;20-第一壓力傳感器;21-溫度傳感器;22-緊急泄壓閥門；23-第一氣相閥門；24-第一冷凝器;25-第三液相閥門；26-第四液相閥門；27-冷凝水箱;28-第一露點(diǎn)儀;29-第二氣相閥門；30-第一分子篩床加熱器;31-第一分子篩干燥床;32-第三氣相閥門；33-第四氣相閥門；34-第二分子篩床加熱器;35-第二分子篩干燥床；36-第五氣相閥門；37-第二露點(diǎn)儀;38-第六氣相閥門；39-第一真空栗;40-第七氣相閥門；41-氣體壓縮機(jī);42-四極質(zhì)譜儀;43-第八氣相閥門；44-氣體加熱器;45-第九氣相閥門；46_第十氣相閥門；47-第十一氣相閥門；48-第十二氣相閥門；49-第二冷凝器;50-氣體循環(huán)栗；51-第三露點(diǎn)儀;52-第五液相閥門；53-第六液相閥門；54-第十三氣相閥門；55-第二壓力傳感器;56-含氣氫氣產(chǎn)品罐;57-第一氣體質(zhì)量流量計(jì)；58-第十四氣相閥門；59-第十五氣相閥門；60-第二氣體質(zhì)量流量計(jì);61-高純氫氣儲罐;62-第三壓力傳感器;63-第三氣體質(zhì)量流量計(jì);64-第十六氣相閥門；65-減壓閥；66-第四壓力傳感器;67-第七液相閥門；68-第二液體質(zhì)量流量計(jì);69-冷凝水儲藏罐;70-第二液位儀;71-第八液相閥門；72-第三液體質(zhì)量流量計(jì);73-第九液相閥門；74-磁質(zhì)譜儀;75-第十液相閥門；76-第四液體質(zhì)量流量計(jì);77-低氚水產(chǎn)品罐;78-第三液位儀;79-第五液體質(zhì)量流量計(jì);80-第^^一液相閥門；81-第十二液相閥門；82-第十七氣相閥門；83-第四氣體質(zhì)量流量計(jì);84-第十八氣相閥門；85-第五氣體質(zhì)量流量計(jì);86-第十九氣相閥門；87-真空規(guī);88-第二十氣相閥門；89-第二真空栗;90-第六液體質(zhì)量流量計(jì)。
【具體實(shí)施方式】
[0040]下面結(jié)合【附圖說明】和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，本實(shí)用新型的方式包括但不僅限于以下實(shí)施例。
[0041]如圖1所示，本實(shí)用新型提供了一種用于水去氚化的系統(tǒng)，其包括催化交換系統(tǒng)
13、氫氣供料系統(tǒng)、含氚水供應(yīng)系統(tǒng)、含氚氫氣干燥與收集系統(tǒng)、低氚水收集系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)和檢測控制裝置。
[0042]所述催化交換系統(tǒng)13用于實(shí)現(xiàn)含氚水與高純氫氣發(fā)生氫同位素反應(yīng)，獲得低氚水和含氚氫氣，該催化交換系統(tǒng)13包括頂蓋、外筒5、中心區(qū)進(jìn)氣管1、環(huán)隙區(qū)進(jìn)氣管2、燒結(jié)板
3、帶有導(dǎo)流孔的導(dǎo)流筒4、涂覆了疏水催化劑的Θ環(huán)填料6、含氚水進(jìn)水管7、含氚氫氣排氣管
8、環(huán)管式分布器9、低氚水出水管12和控溫裝置。
[0043]所述頂蓋、外筒5、導(dǎo)流筒4和氫氣進(jìn)氣緩沖腔體構(gòu)成催化交換系統(tǒng)主體，其中，夕卜筒采用不銹鋼或石英材質(zhì)制作，而頂蓋設(shè)置在外筒5頂部，導(dǎo)流筒4則設(shè)置在外筒5內(nèi)部底部，并將外筒內(nèi)部底部空間分隔為中心區(qū)和環(huán)隙區(qū)。所述環(huán)管式分布器9位于外筒5內(nèi)部并靠近頂蓋，所述含氚水進(jìn)水管7和含氚氫氣排氣管8則均穿入頂蓋與外筒內(nèi)部連通，并且含氚水進(jìn)水管7還與環(huán)管式分布器9連接。含氚水進(jìn)水管7用于通入含氚水。
[0044]所述中心區(qū)進(jìn)氣管I由外筒5底部穿入并與導(dǎo)流筒4連通，用于向中心區(qū)內(nèi)通入高純氫氣;所述環(huán)隙區(qū)進(jìn)氣管2與外筒5底部連通，用于向環(huán)隙區(qū)通入高純氫氣。所通入的高純氫氣將與含氚水接觸，并發(fā)生氫同位素交換反應(yīng)。所述燒結(jié)板3為石英燒結(jié)板，其固定在外筒5內(nèi)部，并位于導(dǎo)流筒4下方，所述氫氣進(jìn)氣緩沖腔體由該燒結(jié)板3將外筒5底部分隔出。所述低氚水出水管12則與外筒5外壁連接并與環(huán)隙區(qū)連通。
[0045]所述Θ環(huán)填料6分別填裝于中心區(qū)和環(huán)隙區(qū)內(nèi)。本實(shí)施例中，Θ環(huán)填料6由玻璃棉氈或80?200目不銹鋼絲網(wǎng)，高徑比為I?1.2，其經(jīng)涂覆Pt基疏水催化劑、切割和卷壓成型制得，并且Θ環(huán)填料6的填裝高度不超過導(dǎo)流筒高度，以便提供充足的反應(yīng)表面，并控制氣泡的尺寸和均勻分布。而環(huán)隙區(qū)填料量是中心區(qū)的2.5?5倍橫截面面積比，且該區(qū)域氣液相逆流接觸，因此，液相流速緩慢，進(jìn)一步提高了反應(yīng)效率。
[0046]所述的控溫裝置用于保證反應(yīng)所需的溫度條件，其包括套在外筒5外部、且呈對稱半圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)的加熱板10，與該加熱板10連接的固態(tài)繼電器，以及與該固態(tài)繼電器連接的PID溫控儀。此外，加熱板和外筒外部表面均包裹有保溫層11，本實(shí)施例中，保溫層11采用2cm厚的硅酸鋁纖維棉層。
[0047]所述氫氣供料系統(tǒng)用于提供高純氫氣，其包括與中心區(qū)進(jìn)氣管I連接的第四氣體質(zhì)量流量計(jì)83，與環(huán)隙區(qū)進(jìn)氣管2連接的第五氣體質(zhì)量流量計(jì)85，同時(shí)與第四氣體質(zhì)量流量計(jì)83和第五氣體質(zhì)量流量計(jì)85連接的減壓閥65，以及與該減壓閥65連接的高純氫氣儲罐61;所述高純氫氣儲罐61連接有一用于補(bǔ)充高純氫氣的管路，且該管路中設(shè)有第三氣體質(zhì)量流量計(jì)63和第十六氣相閥門64;所述高純氫氣儲罐61與傳輸管路連接，并且在傳輸管路上還設(shè)有第二氣體質(zhì)量流量計(jì)60和第十五氣相閥門59。
[0048]所述含氚水供應(yīng)系統(tǒng)用于提供待處理含氚水，其包括與含氚水進(jìn)水管7連接的計(jì)量栗19，以及與該計(jì)量栗19連接的待處理含氚水儲罐17;所述低氚水出水管12通過回收管道與待處理含氚水儲罐17連接，且該回收管道中還設(shè)有第六液體質(zhì)量流量計(jì)90。此外，含氚水供應(yīng)系統(tǒng)中還包含有第一液相閥門14、第九液相閥門73和第十二液相閥門81。
[0049]所述含氚氫氣干燥與收集系統(tǒng)用于干燥從催化交換系統(tǒng)中流出的含氚氫氣中的水蒸氣，并儲存氚含量達(dá)標(biāo)的氫氣，其包括通過管道與含氚氫氣排氣管8連接的第一冷凝器24，均與該第一冷凝器24連接、且呈并聯(lián)關(guān)系的第一分子篩干燥床31和第二分子篩干燥床35，設(shè)置在第一分子篩干燥床31上、用于加熱第一分子篩干燥床的第一加熱器30，設(shè)置在第二分子篩干燥床31上、用于加熱第二分子篩干燥床的第二加熱器34，均同時(shí)與第一分子篩干燥床31和第二分子篩干燥床35連接的氣體壓縮機(jī)41和干燥氣體加熱器44，與氣體壓縮機(jī)41連接的含氣氫氣產(chǎn)品罐56，同時(shí)與第一分子篩干燥床31和第二分子篩干燥床35連接、用于活化時(shí)除去分子篩干燥床中的水蒸氣的第二冷凝器49，以及與該第二冷凝器49連接的氣體循環(huán)栗50。所述含氣氫氣產(chǎn)品罐56還通過一傳輸管路與高純氫氣儲罐61連接。此外，含氣氫氣干燥與收集系統(tǒng)中還包含有第一氣相閥門23、第二氣相閥門29、第三氣相閥門32、第四氣相閥門33、第五氣相閥門36、第七氣相閥門40、第八氣相閥門43、第九氣相閥門45、第十氣相閥門46、第^^一氣相閥門47、第十二氣相閥門48、第十三氣相閥門54、第十四氣相閥門58。
[0050]所述冷凝系統(tǒng)用于為第一、第二冷凝器提供冷水循環(huán)，并收集冷凝器中冷凝的含氚水，其同時(shí)與第一冷凝器24和第二冷凝器49連接、用于提供冷源的冷凝水箱27，與第一冷凝器24連接、用于收集由其傳輸出來的冷凝含氚水的第三液體質(zhì)量流量計(jì)72，與第二冷凝器49連接、用于收集由其傳輸出來的冷凝含氚水的第二液體質(zhì)量流量計(jì)68，以及同時(shí)與第三液體質(zhì)量流量計(jì)72、第二液體質(zhì)量流量計(jì)68和待處理含氣水儲罐17連接的冷凝水儲藏罐69。此外，冷凝系統(tǒng)中還包含有第三液相閥門25、第四液相閥門26、第五液相閥門52、第六液相閥門53。
[0051]所述低氣水收集系統(tǒng)用于收集氣含量達(dá)到指標(biāo)的低氣水，其包括與低氣水出水管12連接的第四液體質(zhì)量流量計(jì)7 6，以及與該第四液體質(zhì)量流量計(jì)7 6連接的低氣水產(chǎn)品罐77。此外，低氚水收集系統(tǒng)中還包含有第十液相閥門75和第^^一液相閥門80。
[0052]所述檢測控制裝置用來監(jiān)測和控制系統(tǒng)的壓力、液位、溫度、濕度和氚含量等工況參數(shù)以指導(dǎo)系統(tǒng)操作運(yùn)行，并在系統(tǒng)適用前進(jìn)行抽真空預(yù)處理。該檢測控制裝置包括與待處理含氚水儲罐17連接的第一液位儀16，與冷凝水儲藏罐69連接的第二液位儀70，與低氚水產(chǎn)品罐77連接的第三液位儀78，均與外筒5連接的用于監(jiān)測其內(nèi)部溫度的溫度傳感器21和第一壓力傳感器20，與高純氫氣儲罐61連接的第三壓力傳感器62，與減壓閥65連接的第四壓力傳感器66，連接在第一冷凝器24和第一分子篩干燥床31之間的第一露點(diǎn)儀28，與第二分子篩干燥床35連接的第二露點(diǎn)儀37，分別與氣體加熱器44和氣體循環(huán)栗50連接的第三露點(diǎn)儀51，用于系統(tǒng)初始抽真空的第一真空栗39、第二真空栗89和真空規(guī)87，以及用于檢測低氚水出口氚濃度的磁質(zhì)譜儀74和用于測量氫氣氚含量的四極質(zhì)譜儀42。
[0053]下面對本實(shí)用新型的工作流程進(jìn)行詳細(xì)介紹。
[0054]安裝工藝系統(tǒng)，進(jìn)行保壓測試及調(diào)試，直至符合氫氣操作安全要求，然后打開第一真空栗39、第二真空栗89和系統(tǒng)內(nèi)相應(yīng)閥門，對體系進(jìn)行抽真空處理，并利用真空規(guī)87實(shí)時(shí)監(jiān)測管道內(nèi)壓力，直至真空度達(dá)到5Pa以下，關(guān)閉真空栗和閥門；
[0055]接著，啟動控溫裝置，對外筒5內(nèi)部進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱結(jié)束后，為防止含氚水滲入氫氣進(jìn)料緩沖腔，先后通入高純氫氣和待處理含氚廢水;通過中心區(qū)進(jìn)氣管I和環(huán)隙區(qū)進(jìn)氣管2向中心區(qū)和環(huán)隙區(qū)內(nèi)通入高純氫氣。進(jìn)入的高純氫氣首先進(jìn)入到氫氣進(jìn)氣緩沖腔體，然后經(jīng)燒結(jié)板3形成尺寸較小、分布均一的氣泡后進(jìn)入環(huán)流中心區(qū)和環(huán)隙區(qū)內(nèi)。
[0056]而后，將待處理的含氚廢水從含氚水進(jìn)水管7引入，然后經(jīng)環(huán)管式分布器9緩慢平穩(wěn)地滴入至環(huán)隙區(qū)；控制中心區(qū)和環(huán)隙區(qū)的氫氣表觀氣速，形成中心氣升式環(huán)流。含氚水與高純氫氣充分反應(yīng)，得到含氚氫氣和低氚水，含氚水液位高度不超過外筒內(nèi)徑的20%。反應(yīng)后的含氣氫氣自外筒頂部的含氣氫氣排出管道8引出。
[0057]開啟低氚水收集系統(tǒng)、含氚氫氣干燥與收集系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)和檢測控制系統(tǒng)，利用四極質(zhì)譜42和第二露點(diǎn)儀37分別檢測含氚氫氣中的氚濃度和含水量，達(dá)到氚濃度和含水量指標(biāo)的含氣氫氣存至含氣氫氣產(chǎn)品罐56，否則轉(zhuǎn)入高純氫氣儲罐61;同時(shí)，利用磁質(zhì)譜儀74檢測低氚水中氚濃度，直至達(dá)到指標(biāo)時(shí)存入低氚水產(chǎn)品罐77，否則轉(zhuǎn)入待處理含氚水儲罐17，然后繼續(xù)循環(huán)上述處理過程。
[0058]在上述處理過程中，當(dāng)高純氫氣儲罐61壓力低于3MPa時(shí)，打開第十六氣相閥門64，引入高純氫氣。而當(dāng)待處理含氚水儲罐17液位低于5cm時(shí)，則打開第九液相閥門73，將冷凝水儲藏罐69中的水栗入含氚水儲罐，或打開第一液相閥門14，從外部引入待處理含氚水；
[0059]在上述采集數(shù)據(jù)過程中，實(shí)時(shí)采集對比工作分子篩干燥床前后的露點(diǎn)儀數(shù)據(jù)，如果第二露點(diǎn)儀37達(dá)到-30度，則停用該分子篩干燥床，同時(shí)將待干燥含氚氫氣更換到另一根分子篩干燥床，并對前者其進(jìn)行加熱除水再生。
[0060]本實(shí)施例中，以上所述的工藝系統(tǒng)中，氣體閥門均為氣體隔膜閥，液體閥門均為液體球閥，保證準(zhǔn)確控制氣體和液體流動的同時(shí)，確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
[0061]圖3為本實(shí)用新型使用第一分子篩床干燥含氚氫氣而活化第二分子篩床的工作原理圖。圖4為使用第二分子篩床干燥含氚氫氣而活化第一分子篩床的工作原理圖。以圖3為例，描述含氚氫氣干燥與收集系統(tǒng)的工藝流程:
[0062](I)開啟氣體加熱器44、第二冷凝器49和氣體循環(huán)栗50，開啟第二分子篩床加熱器34并設(shè)置溫度350 °C;
[0063](2)開啟第八氣相閥門43引入定量壓縮機(jī)流出的含氚氫氣后再關(guān)閉；
[0064](3)氣體加熱器44加熱后的含氣氫氣，在第二分子篩干燥床35中將分子篩吸附的含氚水汽化；
[0065](4)含氚水蒸汽和含氚氫氣流入第二冷凝器49中冷凝，含氚水蒸汽冷凝為液態(tài)水，液態(tài)含氚水轉(zhuǎn)入冷凝水儲藏罐69，而含氚氫氣經(jīng)氣體循環(huán)栗50加壓后循環(huán)進(jìn)入氣體加熱器44；
[0066](5)循環(huán)步驟(3)、(4)，直至第二露點(diǎn)儀37示數(shù)降至-90度，關(guān)閉第二分子篩床加熱器34、氣體加熱器44、第二冷凝器49和氣體循環(huán)栗50，經(jīng)四極質(zhì)譜儀42檢測達(dá)到濃度指標(biāo)的含氚氫氣回流至含氚氫氣產(chǎn)品罐56，否則循環(huán)至高純氫氣儲罐61;
[0067](6)完成第二分子篩干燥床35的預(yù)熱去水活化，等待第一分子篩干燥床31除水能力下降直至第二露點(diǎn)儀37達(dá)到-30度后，切換使用第二分子篩干燥床35進(jìn)行干燥，而同時(shí)活化第一分子篩干燥床31。
[0068]另外，如圖5所示，在上述催還交換處理過程中，控制中心區(qū)高純氫氣表觀氣速高于環(huán)隙區(qū)氣速，中心區(qū)液相氣含率高，水相整體向上流動。水相高度超過導(dǎo)流筒高度時(shí)，受重力作用進(jìn)入環(huán)隙區(qū)。環(huán)隙區(qū)由于氫氣表觀氣速較小，水相整體向下移動。到達(dá)環(huán)隙底部導(dǎo)流孔位置時(shí)，受導(dǎo)流孔兩側(cè)壓力差的驅(qū)動，環(huán)隙水相經(jīng)導(dǎo)流孔進(jìn)入中心區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)外筒內(nèi)中心區(qū)水相向上運(yùn)動、環(huán)隙向下運(yùn)動的中心氣升式環(huán)流模式。而外筒頂部的含氚水經(jīng)環(huán)管式分布器9滴入環(huán)隙區(qū)，局部提升了環(huán)隙區(qū)水相的氚濃度，導(dǎo)致氣液相傳質(zhì)和反應(yīng)推動力增加，從而進(jìn)一步提升了反應(yīng)效率。如此一來，通過控制液相環(huán)流速度或停留時(shí)間、含氚水加料速率和低氚水引出速率，以及氫氣進(jìn)氣流量，就可以便捷、定量地控制催化交換系統(tǒng)內(nèi)同位素交換反應(yīng)進(jìn)程，得到符合指標(biāo)的低氚水和高濃度的含氚氫氣。
[0069]圖6為本發(fā)明中催化交換系統(tǒng)的三維剖視圖。在本實(shí)施例中，催化交換系統(tǒng)的安裝流程如下:導(dǎo)流筒最底端設(shè)置密封膠，結(jié)合燒結(jié)板上的契合結(jié)構(gòu)，使得導(dǎo)流筒壓緊燒結(jié)板，保證導(dǎo)流筒最底部內(nèi)外筒之間的密封性。填裝Θ環(huán)填料，填料高度不超過導(dǎo)流筒高度，然后將外筒和頂蓋通過法蘭連接，再依次安裝控溫系統(tǒng)和保溫層。
[0070]本實(shí)用新型通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅可以快速、準(zhǔn)確地控制反應(yīng)后氣液相的氚含量，而且顯著提高了水去氚化的效率，大幅降低了成本。因此，本實(shí)用新型技術(shù)進(jìn)步十分明顯，將水去氚化系統(tǒng)及工藝的設(shè)計(jì)提升到了一個(gè)新的高度。
[0071]上述實(shí)施例僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式之一，不應(yīng)當(dāng)用于限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡在本實(shí)用新型的主體設(shè)計(jì)思想和精神上作出的毫無實(shí)質(zhì)意義的改動或潤色，其所解決的技術(shù)問題仍然與本實(shí)用新型一致的，均應(yīng)當(dāng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之H.1
I—1
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于實(shí)現(xiàn)水去氚化的系統(tǒng)，其特征在于，包括催化交換系統(tǒng)(13)、氫氣供料系統(tǒng)、含氚水供應(yīng)系統(tǒng)、含氚氫氣干燥與收集系統(tǒng)、低氚水收集系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)和檢測控制裝置； 所述催化交換系統(tǒng)(13)包括頂蓋、外筒(5)、中心區(qū)進(jìn)氣管(1)、環(huán)隙區(qū)進(jìn)氣管(2)、燒結(jié)板(3)、帶有導(dǎo)流孔的導(dǎo)流筒(4)、涂覆了疏水催化劑的Θ環(huán)填料(6)、含氚水進(jìn)水管(7)、含氚氫氣排氣管(8)、環(huán)管式分布器(9)和低氚水出水管(12);所述頂蓋設(shè)置在外筒(5)頂部，所述環(huán)管式分布器(9)位于外筒(5)內(nèi)部并靠近頂蓋，所述含氣水進(jìn)水管(7)和含氣氫氣排氣管(8)則均穿入頂蓋與外筒內(nèi)部連通，并且含氚水進(jìn)水管(7)還與環(huán)管式分布器(9)連接;所述導(dǎo)流筒(4)設(shè)置在外筒(5)內(nèi)部底部，并將外筒內(nèi)部底部空間分隔為中心區(qū)和環(huán)隙區(qū)，所述中心區(qū)進(jìn)氣管(I)由外筒(5)底部穿入并與導(dǎo)流筒(4)連通;所述環(huán)隙區(qū)進(jìn)氣管(2)與外筒(5)底部連通;所述燒結(jié)板(3)固定在外筒(5)內(nèi)部，并位于導(dǎo)流筒(4)下方，其將外筒(5)底部分隔出一個(gè)氫氣進(jìn)氣緩沖腔體;所述Θ環(huán)填料(6)分別填裝于中心區(qū)和環(huán)隙區(qū)內(nèi)；所述低氚水出水管(12)與外筒(5)外壁連接并與環(huán)隙區(qū)連通； 所述氫氣供料系統(tǒng)同時(shí)與中心區(qū)進(jìn)氣管(I)和環(huán)隙區(qū)進(jìn)氣管(2)連接，用于同時(shí)向中心區(qū)和環(huán)隙區(qū)內(nèi)通入高純氫氣； 所述含氚水供應(yīng)系統(tǒng)分別與含氚水進(jìn)水管(7)和低氚水出水管(12)連接，用于向外筒(5)內(nèi)通入含氚水以及回收低氚水出水管(12)排出的氚濃度未達(dá)標(biāo)的含氚水； 所述含氚氫氣干燥與收集系統(tǒng)包括通過管道與含氚氫氣排氣管(8)連接的第一冷凝器(24)，均與該第一冷凝器(24)連接、且呈并聯(lián)關(guān)系的第一分子篩干燥床(31)和第二分子篩干燥床(35)，設(shè)置在第一分子篩干燥床(31)上、用于加熱第一分子篩干燥床的第一加熱器(30)，設(shè)置在第二分子篩干燥床(31)上、用于加熱第二分子篩干燥床的第二加熱器(34)，均同時(shí)與第一分子篩干燥床(31)和第二分子篩干燥床(35)連接的氣體壓縮機(jī)(41)和干燥氣體加熱器(44)，與氣體壓縮機(jī)(41)連接的含氣氫氣產(chǎn)品罐(56)，同時(shí)與第一分子篩干燥床(31)和第二分子篩干燥床(35)連接、用于活化時(shí)除去分子篩干燥床中的水蒸氣的第二冷凝器(49)，以及與該第二冷凝器(49)連接的氣體循環(huán)栗(50);所述含氚氫氣產(chǎn)品罐(56)還通過一傳輸管路與氫氣供料系統(tǒng)連接； 所述低氚水收集系統(tǒng)與低氚水出水管(12)連接，用于收集由低氚水出水管排出的低氚水； 所述冷凝系統(tǒng)包括同時(shí)與第一冷凝器(24)和第二冷凝器(49)連接、用于提供冷源的冷凝水箱(27)，與第一冷凝器(24)連接、用于收集由其傳輸出來的冷凝含氚水的第三液體質(zhì)量流量計(jì)(72)，與第二冷凝器(49)連接、用于收集由其傳輸出來的冷凝含氚水的第二液體質(zhì)量流量計(jì)(68)，以及同時(shí)與第三液體質(zhì)量流量計(jì)(72)、第二液體質(zhì)量流量計(jì)(68)和含氚水供應(yīng)系統(tǒng)連接的冷凝水儲藏罐(69); 所述檢測控制裝置同時(shí)與催化交換系統(tǒng)(13)、氫氣供料系統(tǒng)、含氚水供應(yīng)系統(tǒng)、含氚氫氣干燥與收集系統(tǒng)、低氚水收集系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)連接，用于監(jiān)測和控制系統(tǒng)的壓力、液位、溫度、濕度和氚含量，并在系統(tǒng)使用前對其進(jìn)行抽真空預(yù)處理。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于實(shí)現(xiàn)水去氚化的系統(tǒng)，其特征在于，所述Θ環(huán)填料(6)的高徑比為I?1.2，并且Θ環(huán)填料(6)的填裝高度不超過導(dǎo)流筒高度。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于實(shí)現(xiàn)水去氚化的系統(tǒng)，其特征在于，還包括控溫裝置和保溫層(11);所述控溫裝置包括套在外筒(5)外部、且呈對稱半圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)的加熱板(10)，與該加熱板(10)連接的固態(tài)繼電器，以及與該固態(tài)繼電器連接的PID溫控儀;所述保溫層(11)包裹在加熱板(10)和外筒(5)外部。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于實(shí)現(xiàn)水去氚化的系統(tǒng)，其特征在于，所述環(huán)隙區(qū)和中心區(qū)的橫截面面積比為2.5?5。5.根據(jù)權(quán)利要求1?4任一項(xiàng)所述的一種用于實(shí)現(xiàn)水去氚化的系統(tǒng)，其特征在于，所述氫氣供料系統(tǒng)包括與中心區(qū)進(jìn)氣管(I)連接的第四氣體質(zhì)量流量計(jì)(83)，與環(huán)隙區(qū)進(jìn)氣管(2)連接的第五氣體質(zhì)量流量計(jì)(85)，同時(shí)與第四氣體質(zhì)量流量計(jì)(83)和第五氣體質(zhì)量流量計(jì)(85)連接的減壓閥(65)，以及與該減壓閥(65)連接的高純氫氣儲罐(61);所述高純氫氣儲罐(61)連接有一用于補(bǔ)充高純氫氣的管路，且該管路中設(shè)有第三氣體質(zhì)量流量計(jì)(63);所述高純氫氣儲罐(61)與傳輸管路連接，并且在傳輸管路上還設(shè)有第二氣體質(zhì)量流量計(jì)(60)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于實(shí)現(xiàn)水去氚化的系統(tǒng)，其特征在于，所述含氚水供應(yīng)系統(tǒng)包括與含氣水進(jìn)水管(7)連接的計(jì)量栗(19 )，以及與該計(jì)量栗(19)連接的待處理含氣水儲罐(17);所述低氚水出水管(12)通過回收管道與待處理含氚水儲罐(17)連接，且該回收管道中還設(shè)有第六液體質(zhì)量流量計(jì)(90);所述冷凝水儲藏罐(69)也通過管道與待處理含氚水儲罐(17)連接。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于實(shí)現(xiàn)水去氚化的系統(tǒng)，其特征在于，所述低氚水收集系統(tǒng)包括與低氚水出水管(I2)連接的第四液體質(zhì)量流量計(jì)(76)，以及與該第四液體質(zhì)量流量計(jì)(76)連接的低氚水產(chǎn)品罐(77)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種用于實(shí)現(xiàn)水去氚化的系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測控制裝置包括與待處理含氚水儲罐(17)連接的第一液位儀(16)，與冷凝水儲藏罐(69)連接的第二液位儀(70)，與低氚水產(chǎn)品罐(77)連接的第三液位儀(78)，均與外筒(5)連接的用于監(jiān)測其內(nèi)部溫度的溫度傳感器(21)和第一壓力傳感器(20)，與高純氫氣儲罐(61)連接的第三壓力傳感器(62)，與減壓閥(65)連接的第四壓力傳感器(66)，連接在第一冷凝器(24)和第一分子篩干燥床(31)之間的第一露點(diǎn)儀(28)，與第二分子篩干燥床(35)連接的第二露點(diǎn)儀(37),分別與氣體加熱器(44)和氣體循環(huán)栗(50)連接的第三露點(diǎn)儀(51)，用于系統(tǒng)初始抽真空的第一真空栗(39)、第二真空栗(89)和真空規(guī)(87)，以及用于檢測低氚水出口氚濃度的磁質(zhì)譜儀(74)和用于測量氫氣氚含量的四極質(zhì)譜儀(42)。
【文檔編號】G21F9/00GK205582518SQ201620243415
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月25日
【發(fā)明人】李佩龍, 熊仁金, 陳軍, 胡俊, 宋江鋒, 張志 , 喻彬, 陳閩, 陳克琳
【申請人】中國工程物理研究院材料研究所