一種蒸汽相催化交換系統及其工藝的製作方法
2023-09-19 15:10:20
一種蒸汽相催化交換系統及其工藝的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種蒸汽相催化交換系統及其工藝，屬於核電【技術領域】，其解決了現有的含氚水去氚化裝置存在流程繁瑣、去氚化效率低、且能耗高的問題。本發明包括依次連接的原料水儲水箱、第一計量泵和蒸汽鍋爐，以及催化反應交換系統、氫氣傳輸系統、含氚氫氣乾燥收集系統、冷凝系統、檢測裝置和產品水收集箱。本發明設計合理，操作便捷，大幅提高了含氚水的去氚化效率，並有效地實現了氫同位素的富集，本發明具有能耗低，含氚水淨化率高的優點，因此，其適於在核電領域內推廣應用。
【專利說明】一種蒸汽相催化交換系統及其工藝
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種系統，具體涉及的是一種蒸汽相催化交換系統及其工藝。
【背景技術】
[0002]目前，無論是核武器的製造還是聚變反應堆的運行過程，都會涉及到大量氚的操作，其中有一部分是以氚化水的形式存在。另外，在很多商用或者民用核電站的運行過程中，也要產生大量的含氚水，如果不對這部分氚加以回收，而是直接排放，則不僅會給環境造成汙染，而且也造成了經濟上的損失。因此，在氚工藝中，必須要配備氚化水的去氚化裝置，以回收氚，使水的排放達到一定的指標。
[0003]目前已公開的含氚水去氚化技術採用的是水蒸氣與氫氣同流的方式進行交換，其裝置由多級串聯組成，每級都需要在反應前將水蒸氣與氫氣預熱到200°C，然後進行催化反應，待反應後再冷凝，使水蒸氣與氫氣分離，如此反覆多次汽化、預熱、反應、冷凝、分離，方可使含氚水去氚化 ，而這不僅流程繁瑣、去氚化效率低，而且能耗和成本太高。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供一種蒸汽相催化交換系統及其工藝，主要解決現有的含氚水去氚化裝置存在流程繁瑣、去氚化效率低、且能耗高的問題。
[0005]為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下:
一種蒸汽相催化交換系統，包括依次連接的原料水儲水箱、第一計量泵和蒸汽鍋爐，以及催化反應交換系統、氫氣傳輸系統、含氣氫氣乾燥收集系統、冷凝系統、檢測裝置和產品水收集箱，其中:
所述催化反應交換系統包括由上往下依次連接的第一空腔、水蒸氣加熱裝置、催化反應段和第二空腔；所述水蒸氣加熱裝置通過自動閥門與蒸汽鍋爐出氣口連接；所述催化反應段內部填滿有親水催化劑；
所述氫氣傳輸系統包括通過管道依次連接的氫氣鋼瓶、減壓閥、並聯氣體質量流量控制組件和電動泵；所述電動泵通過管道與催化反應段下端連接；
所述含氚氫氣乾燥收集系統包括依次連接的分子篩吸附系統、氣體壓縮機和儲氣罐；所述儲氣罐與氫氣鋼瓶連接；
所述冷凝系統包括冷水機，分別與該冷水機連接的第一冷凝器、第二冷凝器和第三冷凝器，以及與第三冷凝器連接的冷凝水箱；所述第一冷凝器分別與第一空腔和分子篩吸附系統連接，所述第二冷凝器分別與第二空腔和產品水收集箱連接，所述第三冷凝器分別與分子篩吸附系統和儲氣罐連接；
所述檢測裝置包括設置在第一冷凝器與分子篩吸附系統之間的第一露點儀，以及設置在分子篩吸附系統與氣體壓縮機之間的第二露點儀。
[0006]進一步地，本發明還包括連接在並聯氣體質量流量控制組件與電動泵之間的管道上的第二閥門，與該第二閥門連接的真空泵，以及連接在第二閥門與並聯氣體質量流量組件之間的管路上的真空規。
[0007]再進一步地，所述原料水儲水箱進水口連接有第二計量泵，該第二計量泵還分別與冷凝水箱和產品水收集箱連接。
[0008]具體地說，所述水蒸氣加熱裝置包括分別與第一空腔和催化反應段連接的外筒體，設置在該外筒體內部中間位置的多孔蜂窩狀蓄熱體，以及設置在外筒體上且均貫穿多孔蜂窩狀蓄熱體的第一加熱管和第二加熱管；所述第一加熱管位於第二加熱管上方，並且二者相互垂直，該第一加熱管和第二加熱管中還均設有加熱棒；所述蒸汽鍋爐連接在外筒體的側面上，並且位於第一加熱管的上方。
[0009]具體地說，所述並聯氣體質量流量控制組件包括並聯在減壓閥與電動泵之間的第一氣體質量流量控制器、第二氣體質量流量控制器和第三氣體質量流量控制器。
[0010]更進一步地，所述分子篩吸附系統包括與儲氣罐連接的氣體循環泵，分別與該氣體循環泵連接的第三露點儀和氣體加熱器，以及並聯在第一冷凝器與氣體壓縮機之間的第一分子篩床和第二分子篩床；所述氣體加熱器分別與第一分子篩床和第二分子篩床連接，所述第三冷凝器也分別與該第一分子篩床和第二分子篩床連接。
[0011]基於上述結構，本發明還提供了該蒸汽相催化交換系統的工藝，包括以下步驟:
(1)分別打開真空泵和第二閥門，對並聯氣體質量流量控制組件、氫氣鋼瓶、含氚氫氣乾燥收集系統和第三冷凝器的管路進行抽真空，並由真空規實時檢測其管道內的壓力；
(2)當真空規顯示 管道內壓力低於5Pa時，關閉真空泵和第二閥門；
(3)打開第一計量泵、冷水機、第一冷凝器和第二冷凝器，使含氚水由原料水儲水箱輸送到蒸汽鍋爐中加熱，形成水蒸氣；
(4)打開自動閥門，使水蒸氣進入到水蒸氣加熱裝置中，由水蒸氣加熱裝置維持其溫度，並使其擴散至催化反應段整個內部；同時，打開減壓閥和電動泵，氫氣在電動泵作用下，由氫氣鋼瓶輸出，並從催化反應段下端通入，氫氣流動方向與水蒸氣流動方向相反；
(5)氫氣與水蒸氣在催化反應段中由親水催化劑觸發催化反應，氚由含氚水蒸氣轉移到氫氣中並隨著氫氣一起進入到水蒸氣加熱裝置中，同時第二冷凝器促使第二空腔中的水蒸氣液化，使得催化反應段與第二空腔之間產生水蒸氣濃度差，第二空腔內水蒸氣濃度低於催化反應段內水蒸氣濃度，催化反應段內水蒸氣向第二空腔內擴散並繼續由第二冷凝器液化；
(6)含氚氫氣經催化反應段依次通過水蒸氣加熱裝置和第一空腔，並由第一冷凝器將含氚氫氣夾帶的水蒸氣液化，與含氚氫氣分離，初步乾燥含氚氫氣；同時第二空腔中被液化的水蒸氣通過第二冷凝器進入到產品水收集箱中收集；
(7)啟動氣體壓縮機，含氚氫氣在氣體壓縮機作用下進入到第一分子篩床中進行二次乾燥，形成乾燥含氚氫氣，然後進入到儲氣罐中儲存；
(8)循環步驟(3)~(7)。
[0012]進一步地，所述步驟(7)中，系統每運行三十分鐘後，分別觀察第一露點儀和第二露點儀採集的數據，對比兩個露點儀數據是否相同，是，則停止含氚氫氣進入第一分子篩床，並對其進行預熱再生，同時使含氚氫氣更換到第二分子篩床中進行二次乾燥；否，則繼續保持系統運行。
[0013]具體地說，所述第一分子篩床的預熱再生過程具體如下:(a) 啟動氣體循環泵、氣體加熱器和第三冷凝器，從氣體壓縮機出來的部分含氚氫氣被泵入到氣體加熱器中加熱，形成高溫含氚氫氣，然後進入到第一分子篩床中；
(b)高溫含氣氫氣使第一分子篩床中的水分汽化,形成水蒸氣，然後與含氣氫氣一起進入到第三冷凝器中進行分離，分離出水蒸汽的含氚氫氣繼續被泵入到氣體加熱器中加熱成高溫含氚氫氣，同時水蒸氣在液化後經由第三冷凝器進入到冷凝水箱中儲存；
(C)循環步驟(a)、(b)，直至第三露點儀的數據低於-90度時，關閉氣體循環泵、氣體加熱器和第三冷凝器，分離出水蒸氣的含氚氫氣回流到儲氣罐中，第一分子篩床預熱再生完畢。
[0014]再進一步地，所述步驟(8)中，若原料水儲水箱的液位低於2cm，則打開第二計量泵，使產品水收集箱和/或冷凝水箱中的水進入到原料水儲水箱中。
[0015]本發明的設計原理在於，其將含氚水進行汽化，然後通過上下端水蒸氣濃度差的方式引導催化反應段中的含氚水蒸氣流動，使得含氚水蒸氣與從催化反應段底端進入的氫氣形成相反方向的流動，實現了含氚水與氫氣的逆流，然後結合蒸汽相催化交換的技術原理，並通過親水催化劑提高含氚水蒸氣與氫氣的催化交換效率，從而實現了含氚水的去氚化，淨化含氚水。本發明只需要將含氚水完全汽化一次，然後與氫氣反應，使氚由含氚水蒸氣轉移到氫氣中，實現含氚水的淨化。反應後，也只需要一次冷凝，即可將淨化後的水回收，同時，含氚氫氣經過分子篩床吸附其中的水分後，形成了乾燥的含氚氫氣，然後由儲氣罐收集，而從含氚氫氣中分離出來的帶有少量氚的液態水由第二計量泵泵入到原料水儲水箱後，又再次進行去氚化的流程，如此反覆循環，實現含氚水最大程度上的淨化，並儘可能地回收氚。
[0016]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
(I)本發明將多種技術原理與實際結構相結合，使得其具有了設計巧妙、結構合理、流程清晰明了、操作方便的優點。
[0017](2)本發明採用水蒸氣與氫氣逆流去氚化的方式，代替了傳統的水蒸氣與氫氣同流去氚化方式，本發明只需將含氚水一次汽化、預熱和催化反應，即可將氚由含氚水蒸氣中轉移到氫氣中，然後冷凝液化回收，實現對含氚水的淨化，本發明含氚水的淨化率可達到90%以上；而含有氚的氫氣在經過乾燥後，由同分子篩吸附系統進行二次乾燥，然後進行回收，實現氫同位素的富集。本發明大幅簡化了含氚水去氚化的流程，提高了催化交換的效率，並且還實現了氫同位素的富集，兩個過程同時進行，互不幹涉，因此，其不僅提高了去氚化的效率，而且節約了能耗和成本，試驗表明，本發明相比現有技術，其能耗至少節約了 50%以上,並且對含氚水的去氚化效率達到了 90%以上。
[0018](3)本發明設置了真空泵，可在系統開始運行之前，對相應的管道和設備進行抽真空處理，從而確保系統的安全運行，提高運行的穩定性。
[0019](4)本發明水蒸氣加熱裝置中的第一加熱管和第二加熱管均設有加熱棒，第一加熱管和第二加熱管利用加熱棒可以向多孔蜂窩狀蓄熱體提供熱量，並由其向進入的水蒸氣傳遞，保證外筒體內水蒸氣的溫度；並且第一加熱管和第二加熱管相互垂直的設置方式一方面可以對多孔蜂窩狀蓄熱體起到支撐的作用，另一方面也使得多孔蜂窩狀蓄熱體受熱均勻，令其能夠很好地向水蒸氣傳遞熱量。
[0020](5)本發明採用三組並聯的氣體質量流量控制器精確控制氫氣的進氣流量，確保其始終處在系統可接受的誤差範圍內，從而保證氫氣與含氚水蒸氣催化交換反應的正常進行。
[0021](6)本發明工作時，第一分子篩床和第二分子篩床相互交替運行，互不影響，其中一個用於吸附含氚氫氣中的水蒸氣，同時另一個進行預熱再生，從而確保了系統的不間斷運行，大幅提聞了系統的工作效率。
[0022](7)本發明還設置了第二計量泵，用於將產品水收集箱和/或冷凝水箱中的水流回到原料水儲水箱中補充其液位，從而一方面確保原料水儲水箱的液壓，使系統正常工作，另一方面可以對產品水收集箱和/或冷凝水箱中的水進行再次去氚化處理，從而最大程度上實現對含氚水的淨化及氚的回收。
[0023](8)本發明邏輯嚴謹，各個環節緊密相扣，其不僅實用性相當強，而且運行穩定可靠，因此，其具有廣泛的市場應用前景，適於在核電領域內推廣應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明的結構示意圖。
[0025]圖2為水蒸氣加熱裝置的結構示意圖。
[0026]圖3為水蒸氣加熱裝置的俯視圖。
[0027]圖4為本發明使用第一分子篩床乾燥含氚氫氣時的工作原理圖。
[0028]圖5為本發明使用第二分子篩床乾燥含氚氫氣時的工作原理圖。
[0029]其中，附圖標記對應的零部件名稱為:
1-原料水儲水箱，2-第一計量泵，3-蒸汽鍋爐，4-自動閥門，5-冷水機，6-第一冷凝器，7-第一空腔,8-水蒸氣加熱裝置,801-外筒體,802-第一加熱管,803-第二加熱管，9-催化反應段，10-第二空腔，11-第二冷凝器，12-產品水收集箱，13-第一取樣閥，14-電動泵，15-第一閥門，16-第一氣體質量流量控制器，17-第二氣體質量流量控制器，18-第三氣體質量流量控制器，19-真空規，20-第二閥門，21-真空泵，22-減壓閥，23-氫氣鋼瓶，24-第三閥門，25-第一露點儀，26-第四閥門，27-第五閥門，28-第一分子篩床，29-第二分子篩床，30-第六閥門，31-第七閥門，32-氣體加熱器，33-氣體循環泵，34-第三露點儀，35-第三冷凝器，36-冷凝水箱，37-第二取樣閥，38-第二露點儀，39-氣體壓縮機，40-儲氣罐，41-第四氣體質量流量控制器，42-第三取樣閥，43-第八閥門，44-第九閥門，45-第二計量泵。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，本發明的實施方式包括但不限於下列實施例。
實施例
[0031]本發明主要應用於含氚水去氚化及實現氫同位素富集方面。如圖1所示，本發明包括依次連接的原料水儲水箱1、第一計量泵2和蒸汽鍋爐3，以及催化反應交換系統、氫氣傳輸系統、含氚氫氣乾燥收集系統、冷凝系統、檢測裝置、產品水收集箱12、真空規19和真空泵21。所述原料水儲水箱I用於盛裝含氚水，其通過第一計量泵2將含氚水泵入到蒸汽鍋爐3中加熱，形成水蒸氣。所述催化交換系統用於將含氚水蒸氣去氚化，其包括由上往下依次連接的第一空腔7、水蒸氣加熱裝置8、催化反應段9和第二空腔10 ;所述水蒸氣加熱裝置8通過自動閥門4與蒸汽鍋爐3出氣口連接。含氚水蒸氣經由蒸汽鍋爐3進入到水蒸氣加熱裝置8中，由該水蒸氣加熱裝置8、催化反應段9、冷凝系統和氫氣傳輸系統配合進行處理。
[0032]如圖2、3所示，具體地說，所述水蒸氣加熱裝置8包括分別與第一空腔7和催化反應段9連接的外筒體801，設置在該外筒體801內部中間位置的多孔蜂窩狀蓄熱體，以及設置在外筒體801上且均貫穿多孔蜂窩狀蓄熱體的第一加熱管802和第二加熱管803。第一加熱管802位於第二加熱管803上方，並且二者相互垂直，可以作為多孔蜂窩狀蓄熱體的支撐結構，該第一加熱管802和第二加熱管803中還均設有加熱棒，其產生的熱量通過多孔蜂窩狀蓄熱體傳遞，可以使由蒸汽鍋爐3進入的水蒸氣溫度保持不變，為確保保溫效果，所述第一加熱管802和第二加熱管803均設置兩根，其排列方式如圖2所示，並且所述外筒體801外部包覆有保溫包層，其可以進一步保證水蒸氣的溫度，穩定其與氫氣催化交換反應的進行，確保催化效率，保溫包層的設計從整體上優化了整個系統的性能。並且，為了能夠很好地實現本發明的功能，所述第一空腔7內部自下而上還填充有疏水催化劑，第一空腔7內部填充疏水催化劑可以增大氣阻，防止水蒸氣進入外筒體801後，向其上方的第一空腔7流動，從而減少向下方的催化反應段9流動而降低水蒸氣的催化反應效率。
[0033]此外，本發明還增設了三個溫度傳感器及兩個壓力傳感，以用於實時監控催化交換系統內的溫度和壓力，保證系統的安全，並能夠順利地對含氚水蒸氣進行處理。具體地說，一個溫度傳感器設置在蒸汽鍋爐3與外筒體801之間，用於檢測含氚水蒸汽進入外筒體801時，其溫度是否符合要求；另外兩個溫度傳感器以及兩個壓力傳感器則是一個溫度傳感器和一個壓力傳感器設置在第一空腔7上，另一個溫度傳感器與壓力傳感器則設置在第二空腔10上，分別用於檢測含氚水蒸氣和氫氣的溫度和壓力是否處於安全範圍。
[0034]所述冷凝系統包括冷水機5，分別與該冷水機5連接的第一冷凝器6、第二冷凝器11和第三冷凝器35，以及與第三冷凝器35連接的冷凝水箱36 ;所述第一冷凝器6與第一空腔7連接，所述第二冷凝器11分別與第二空腔10和產品水收集箱12連接。所述催化反應段9在通入氫氣後用於實現分離水蒸氣中的氚，其內部填滿有親水催化劑，並且為確保分離的過程中，水蒸氣溫度不降低，該催化反應段9外部也包覆有保溫包層。而冷水機5則用於給三個冷凝器提供冷水，以便於它們進行工作，其中，第一冷凝器6用於給催化反應後的含氣氫氣(由於氣是氫的同位素，因此，被分離出來的氣會隨著氫氣一同進入到第一冷凝器中)進行初步乾燥，第二冷凝器11則將第二空腔10中分離出氚後的水蒸氣進行液化，並將其輸送至產品水收集箱12中進行收集。
[0035]上述所提 到的氫氣由氫氣傳輸系統提供，該氫氣傳輸系統包括通過管道依次連接的氫氣鋼瓶23、減壓閥22、並聯氣體質量流量控制組件和電動泵14 ;所述電動泵14通過管道與催化反應段9下端連接；電動泵14與並聯氣體質量流量控制組件之間的管路中設有第一閥門15。電動泵14啟動後，氫氣從氫氣鋼瓶23輸出，並經過減壓閥22減壓、並聯氣體質量流量控制組件精確調節流量後從催化反應段9下端泵入。減壓閥22與並聯氣體質量流量控制組件的設置可以確保氫氣的壓力和流量均在系統可接受的誤差範圍之內，本發明在氫氣流動的管路中也設置了一個壓力傳感器，用於檢測減壓後氫氣的壓力。而所述並聯氣體質量流量控制組件則包括並聯在減壓閥22與電動泵14之間的第一氣體質量流量控制器16、第二氣體質量流量控制器17和第三氣體質量流量控制器18。三組氣體質量流量控制器的管路上均設有閥門，通過閥門的開啟或關閉，可以實現一個或兩到三個氣體質量流量控制器工作，靈活控制和精確調節氫氣的流量，確保氫氣與含氚水蒸氣催化交換反應的正常進行。
[0036]所述含氚氫氣乾燥收集系統用於進一步乾燥含氚氫氣，並將其進行收集。含氚水蒸氣去氚化，並收集到產品水儲水箱12的同時，通過開啟連接在第一冷凝器6與含氚氫氣乾燥收集系統之間的第三閥門24，使得含氚氫氣進入到含氚氫氣乾燥收集系統中。具體地說，所述含氚氫氣乾燥收集系統包括依次連接的分子篩吸附系統、氣體壓縮機39和儲氣罐40 ;所述儲氣罐40分別與第三冷凝器35和氫氣鋼瓶23連接。
[0037]在含氚氫氣乾燥收集系統中，對含氚氫氣進行二次乾燥的工作由分子篩吸附系統完成，該分子篩吸附系統包括與儲氣罐40連接的氣體循環泵33，分別與該氣體循環泵33連接的第三露點儀34和氣體加熱器32，以及並聯在第一冷凝器6與氣體壓縮機39之間的第一分子篩床28和第二分子篩床29 ;所述第一分子篩床28前後的管路中分別設有第四閥門26和第六閥門30，而所述第二分子篩床29前後的管路中則分別設有第五閥門27和第七閥門31 ;所述氣體加熱器32分別與第一分子篩床28和第二分子篩床29連接，所述第三冷凝器35也分別與該第一分子篩床28和第二分子篩床29連接。分子篩床可以吸附含氚氫氣中的水分，對其進行乾燥，但第一分子篩床28和第二分子篩床29並非同時對含氚氫氣進行二次乾燥處理，而是交替運行，在相同時間內，一個分子篩床用於處理含氣氫氣，另一個分子篩床則利用氫氣和含氚氫氣進行預熱再生，然後等到一定時間後，再將二者進行互換，改變其工作狀態，本實施例後面部分會對兩個分子篩床的交替運行過程進行說明。
[0038]由分子篩吸附 系統處理後的乾燥含氚氫氣，在氣體壓縮機39作用下，進入到儲氣罐40中儲存。而分子篩床預熱再生時由含氚氫氣帶出來的水蒸氣會和含氚氫氣一起進入到第三冷凝器35中液化和分離，然後液化水被收集到冷凝水箱36中，乾燥的含氚氫氣則進入到儲氣罐40中。
[0039]上述設備用於淨化含氚水並收集含氚氫氣，而所述真空泵21則是用於在系統開始處理含氚水之前，對並聯氣體質量流量控制組件、氫氣鋼瓶、含氚氫氣乾燥收集系統和第三冷凝器的管路進行抽真空，使其管道內壓力符合要求，確保系統的安全和運行穩定，該真空泵21連接有第二閥門20，使用時，將第二閥門20和真空泵21同時打開，而上述系統管道內的壓力則由真空規19實時監測。
[0040]所述檢測裝置則是用於檢測和顯示系統運行過程中的一些數據，以便工作人員能夠根據得到的數據進行分析，然後更好地控制系統的運行。該檢測裝置包括設置在第一冷凝器6與分子篩吸附系統之間的第一露點儀25，以及設置在分子篩吸附系統與氣體壓縮機39之間的第二露點儀38。
[0041]此外，同樣是為了方便工作人員能夠更好地控制系統運行，並得出結論，所述產品水收集箱12出水口連接有第一取樣閥13，所述冷凝水箱36出水口連接有第二取樣閥37，所述儲氣罐40出氣口連接有第三取樣閥42，並且在該儲氣罐40與第三取樣閥42之間還設有用於控制含氚氫氣流量的第四氣體質量流量控制器41。
[0042]另外，同樣是基於安全考慮，同時也為了系統能夠正常運行，所述原料水儲水箱I進水口連接有第二計量泵45，該第二計量泵45通過第八閥門43與產品水收集箱12連接，通過第九閥門44與冷凝水箱36連接。在系統運行一段時間後，若原料水儲水箱的液位低於2cm，則打開第二計量泵45，使產品水收集箱12和/或冷凝水箱36中的水進入到原料水儲水箱I中補充水位。
[0043]如圖4所示，下面對本發明的工藝流程進行詳細介紹，如下所述:
(1)按照圖1安裝好所有設備，並仔細檢查系統完整性、密封性，準備好含氚水，並放入原料水儲水箱中，同時準備好氫氣；
(2)將第一閥門、第三閥門以及第三冷凝器與冷凝水箱之間的閥門關閉，然後分別打開相應的閥門，以及真空泵和第二閥門，使其對並聯氣體質量流量控制組件、氫氣鋼瓶、含氚氫氣乾燥收集系統和第三冷凝器的管路進行抽真空，並由真空規實時檢測其管道內的壓力；由於第一閥門、第三閥門以及第三冷凝器與冷凝水箱之間的閥門關閉，因而真空泵抽真空不會影響到原料水儲水箱、蒸汽鍋爐、催化反應交換系統、產品水收集箱、第一冷凝器、第二冷凝器及冷凝水箱； (3)當真空規顯示管道內壓力低於5Pa時，關閉真空泵和第二閥門；
(4)打開第一計量泵、冷水機、第一冷凝器和第二冷凝器，使含氚水由原料水儲水箱輸送到蒸汽鍋爐中加熱，形成水蒸氣，本實施例中，水蒸氣的溫度為200°C ；
(5)打開自動閥門，水蒸氣進入到外筒體中，由加熱棒提供熱量並由多孔蜂窩狀蓄熱體傳遞熱量，從而維持水蒸氣的溫度200°C不變，並使其擴散至催化反應段整個內部；同時，打開第一閥門、減壓閥和電動泵，氫氣在電動泵作用下，由氫氣鋼瓶輸出，並從催化反應段下端通入,氫氣流動方向與水蒸氣流動方向相反；
(6)氫氣與水蒸氣在催化反應段中由親水催化劑觸發催化反應，氚由含氚水蒸氣轉移到氫氣中並隨著氫氣一起進入到水蒸氣加熱裝置中，同時第二冷凝器促使第二空腔中的水蒸氣液化，使得催化反應段與第二空腔之間產生水蒸氣濃度差，第二空腔內水蒸氣濃度低於催化反應段內水蒸氣濃度，催化反應段內水蒸氣向第二空腔內擴散並繼續由第二冷凝器液化；
(7)含氚氫氣經催化反應段依次通過外筒體和第一空腔，並由第一冷凝器將含氚氫氣夾帶的水蒸氣液化，與含氚氫氣分離，初步乾燥含氚氫氣；同時第二空腔中被液化的水蒸氣通過第二冷凝器進入到產品水收集箱中收集；
(8)啟動氣體壓縮機，保持第三閥門、第四閥門和第六閥門開啟，並關閉第五閥門和第七閥門，含氚氫氣在氣體壓縮機作用下進入到第一分子篩床中進行二次乾燥，形成乾燥含氚氫氣，然後進入到儲氣罐中儲存；
(9)循環步驟(4)~(8)。
[0044]上述流程中，系統每運行三十分鐘後，分別打開第一取樣閥、第二取樣閥和第三取樣閥，對收集的液化水和含氚氫氣的樣品進行分析，並觀察第一露點儀和第二露點儀採集的數據，對比兩個露點儀數據是否相同，是，則停止含氚氫氣進入第一分子篩床，並對其進行預熱再生，同時打開第五閥門和第七閥門，關閉第四閥門和第六閥門，使含氚氫氣更換到第二分子篩床中進行二次乾燥，其工作原理如圖5所示；否，則繼續保持系統運行。而第一分子篩床的預熱再生過程則如下所述:
(a)啟動氣體循環泵、氣體加熱器和第三冷凝器，從氣體壓縮機出來的部分含氚氫氣被泵入到氣體加熱器中加熱，形成高溫含氚氫氣，然後進入到第一分子篩床中；
(b)高溫含氣氫氣使第一分子篩床中的水分汽化,形成水蒸氣，然後與含氣氫氣一起進入到第三冷凝器中進行分離，分離出水蒸汽的含氚氫氣繼續被泵入到氣體加熱器中加熱成高溫含氚氫氣，同時水蒸氣在液化後經由第三冷凝器進入到冷凝水箱中儲存；
(C)循環步驟(a)、(b)，直至第三露點儀的數據低於-90度時，關閉氣體循環泵、氣體加熱器和第三冷凝器，分離出水蒸氣的含氚氫氣回流到儲氣罐中，第一分子篩床預熱再生完畢。
[0045]同理，第二分子篩床的預熱再生過程也與第一分子篩床預熱再生過程相同，除了最開始處理含氚氫氣不需預熱再生外，其餘時間裡，兩個分子篩床都是同時進行工作，即一個用於乾燥含氚氫氣，另一個用於預熱再生，然後每隔一定時間後二者狀態再進行互換，如圖4和圖5所示。
[0046]此外，上述流程中，每隔一定時間後，需要採集原料水儲水箱的液位及儲氣罐的壓力數據，以便於確定下一步的工作。若採集的數據是在系統所能接受的安全範圍的，則保持系統的運行。若只有原料水儲水箱的液位低於2cm，則如前面所說的，將第二計量泵打開，並將第八閥門和/或第九閥門打開，使產品水收集箱和/或冷凝水箱中的水由第二計量泵泵入到原料水儲水箱中補充水位，然後繼續運行系統，如此一來不僅可以確保系統安全、穩定運行，而且能夠對收集的液化水進行再次去氚化處理，使其更進一步地淨化。若是儲氣罐的壓力高於2Mpa，則需要停止系統運行，此時，將所有閥門和設備關閉，然後清理工作現場，排除安全隱患。如此一來，含氚量很高的氫氣便被儲存在儲氣罐中，而含氚量非常低的液化水則儲存在產品水收集箱和冷凝水箱中。本發明對含氚水的去氚化效率可達到90%以上。
[0047]本發明管路中的閥門，但凡涉及到氣體流動的，均是指氣體隔膜閥，而涉及到液體流動的，則指的是液體球閥，如此選擇可以方便控制氣體和液體的流動，並確保系統運行的穩定性。
[0048]本發明實現了氫氣和含氚水蒸氣的逆流，使得含氚水蒸氣只需要一次加熱、預熱、催化交換及冷凝過程便可實現含氚水的去氚化，其大幅降低了能耗和成本。並且收集的含氚氫氣可根據需要採用氫同位素分離技術進行分離，得到高濃度的氚，眾所周知，氚是目前世界上最稀有的元素，其可用於核聚變發電方面，特別是高濃度氚，其與氘結合在核裂變中所釋放的能量是非常高的。氫同位素分離技術目前已經是很成熟的技術了，因此，從技術方面考慮，顯然，從含氚氫氣中收集高濃度氚要比從含氚水中收集高濃度氚的難度低的多，可以很容易就收集到高濃度氚，而這無論是在技術價值還是商業價值方面都是非常可觀的。
[0049]綜上所述，本發明解決了現有技術無法解決的問題，實現了現有技術不能實現的效果，因此，其具有突出的實質性特點和顯著的進步。
[0050]上述實施例僅為本發明較佳的實施例之一，不應當用以限制本發明的保護範圍，凡在本發明的主體設計思想和精神下所作出的任何毫無實質意義的改動和潤色，或是進行等同置換的技術方案，其所解決的技術問題實質上與本發明一致的，也應當在本發明的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種蒸汽相催化交換系統，其特徵在於，包括依次連接的原料水儲水箱(1)、第一計量泵(2)和蒸汽鍋爐(3),以及催化反應交換系統、氫氣傳輸系統、含氣氫氣乾燥收集系統、冷凝系統、檢測裝置和產品水收集箱(12)，其中: 所述催化反應交換系統包括由上往下依次連接的第一空腔(7)、水蒸氣加熱裝置(8)、催化反應段(9)和第二空腔(10);所述水蒸氣加熱裝置(8)通過自動閥門(4)與蒸汽鍋爐(3)出氣口連接；所述催化反應段(9)內部填滿有親水催化劑； 所述氫氣傳輸系統包括通過管道依次連接的氫氣鋼瓶(23)、減壓閥(22)、並聯氣體質量流量控制組件和電動泵(14);所述電動泵(14)通過管道與催化反應段(9)下端連接； 所述含氚氫氣乾燥收集系統包括依次連接的分子篩吸附系統、氣體壓縮機(39)和儲氣罐(40);所述儲氣罐(40)與氫氣鋼瓶(23)連接； 所述冷凝系統包括冷水機(5)，分別與該冷水機(5)連接的第一冷凝器(6)、第二冷凝器(11)和第三冷凝器(35)，以及與第三冷凝器(35)連接的冷凝水箱(36);所述第一冷凝器(6)分別與第一空腔(7)和分子篩吸附系統連接，所述第二冷凝器(11)分別與第二空腔(10)和產品水收集箱(12)連接，所述第三冷凝器(35)分別與分子篩吸附系統和儲氣罐(40)連接； 所述檢測裝置包括設置在第一冷凝器(6)與分子篩吸附系統之間的第一露點儀(25)，以及設置在分子篩吸附系統與氣體壓縮機(39)之間的第二露點儀(38)。
2.根據權利要求1所述的一種蒸汽相催化交換系統，其特徵在於，還包括連接在並聯氣體質量流量控制組件與電動泵(14)之間的管道上的第二閥門(20)，與該第二閥門(20)連接的真空泵(21)，以及連接在第二閥門(20)與並聯氣體質量流量組件之間的管路上的真空規(19)。
3.根據權利要求2所述的一種蒸汽相催化交換系統，其特徵在於，所述原料水儲水箱(I)進水口連接有第二計量泵(45)，該第二計量泵(45)還分別與冷凝水箱(36)和產品水收集箱(12)連接。
4.根據權利3所述的一種蒸汽相催化交換系統，其特徵在於，所述水蒸氣加熱裝置(8)包括分別與第一空腔(7)和催化反應段(9)連接的外筒體(801)，設置在該外筒體(801)內部中間位置的多孔蜂窩狀蓄熱體，以及設置在外筒體(801)上且均貫穿多孔蜂窩狀蓄熱體的第一加熱管(802)和第二加熱管(803);所述第一加熱管(802)位於第二加熱管(803)上方，並且二者相互垂直，該第一加熱管(802)和第二加熱管(803)中還均設有加熱棒；所述蒸汽鍋爐(3)連接在外筒體(801)的側面上，並且位於第一加熱管(802)的上方。
5.根據權利要求4所述的一種蒸汽相催化交換系統，其特徵在於，所述並聯氣體質量流量控制組件包括並聯在減壓閥(22)與電動泵(14)之間的第一氣體質量流量控制器(16)、第二氣體質量流量控制器(17)和第三氣體質量流量控制器(18)。
6.根據權利要求4或5所述的一種蒸汽相催化交換系統，其特徵在於，所述分子篩吸附系統包括與儲氣罐(40)連接的氣體循環泵(33)，分別與該氣體循環泵(33)連接的第三露點儀(34)和氣體加熱器(32)，以及並聯在第一冷凝器(6)與氣體壓縮機(39)之間的第一分子篩床(28)和第二分子篩床(29);所述氣體加熱器(32)分別與第一分子篩床(28)和第二分子篩床(29)連接，所述第三冷凝器(35)也分別與該第一分子篩床(28)和第二分子篩床(29)連接。
7.一種蒸汽相催化交換系統的工藝，其特徵在於，包括以下步驟: (1)分別打開真空泵和第二閥門，對並聯氣體質量流量控制組件、氫氣鋼瓶、含氚氫氣乾燥收集系統和第三冷凝器的管路進行抽真空，並由真空規實時檢測其管道內的壓力； (2)當真空規顯示管道內壓力低於5Pa時，關閉真空泵和第二閥門； (3)打開第一計量泵、冷水機、第一冷凝器和第二冷凝器，使含氚水由原料水儲水箱輸送到蒸汽鍋爐中加熱，形成水蒸氣； (4)打開自動閥門，使水蒸氣進入到水蒸氣加熱裝置中，由水蒸氣加熱裝置維持其溫度，並使其擴散至催化反應段整個內部；同時，打開減壓閥和電動泵，氫氣在電動泵作用下，由氫氣鋼瓶輸出，並從催化反應段下端通入，氫氣流動方向與水蒸氣流動方向相反； (5)氫氣與水蒸氣在催化反應段中由親水催化劑觸發催化反應，氚由含氚水蒸氣轉移到氫氣中並隨著氫氣一起進入到水蒸氣加熱裝置中，同時第二冷凝器促使第二空腔中的水蒸氣液化，使得催化反應段與第二空腔之間產生水蒸氣濃度差，第二空腔內水蒸氣濃度低於催化反應段內水蒸氣濃度，催化反應段內水蒸氣向第二空腔內擴散並繼續由第二冷凝器液化； (6)含氚氫氣經催化反應段依次通過水蒸氣加熱裝置和第一空腔，並由第一冷凝器將含氚氫氣夾帶的水蒸氣液化，與含氚氫氣分離，初步乾燥含氚氫氣；同時第二空腔中被液化的水蒸氣通過第二冷凝器進入到產品水收集箱中收集； (7)啟動氣體壓縮機，含氚氫氣在氣體壓縮機作用下進入到第一分子篩床中進行二次乾燥，形成乾燥含氚氫氣，然後進入到儲氣罐中儲存； (8)循環步驟(3)~(7)。
8.根據權利要求7所述的一種蒸汽相催化交換系統的工藝，其特徵在於，所述步驟(7)中，系統每運行三十分鐘後，分別觀察第一露點儀和第二露點儀採集的數據，對比兩個露點儀數據是否相同，是，則停止含氚氫氣進入第一分子篩床，並對其進行預熱再生，同時使含氚氫氣更換到第二分子篩床中進行二次乾燥；否，則繼續保持系統運行。
9.根據權利要求8所述的一種蒸汽相催化交換系統的工藝，其特徵在於，所述第一分子篩床的預熱再生過程具體如下: (a)啟動氣體循環泵、氣體加熱器和第三冷凝器，從氣體壓縮機出來的部分含氚氫氣被泵入到氣體加熱器中加熱，形成高溫含氚氫氣，然後進入到第一分子篩床中； (b)高溫含氣氫氣使第一分子篩床中的水分汽化,形成水蒸氣，然後與含氣氫氣一起進入到第三冷凝器中進行分離，分離出水蒸汽的含氚氫氣繼續被泵入到氣體加熱器中加熱成高溫含氚氫氣，同時水蒸氣在液化後經由第三冷凝器進入到冷凝水箱中儲存； (C)循環步驟(a)、(b)，直至第三露點儀的數據低於-90度時，關閉氣體循環泵、氣體加熱器和第三冷凝器，分離出水蒸氣的含氚氫氣回流到儲氣罐中，第一分子篩床預熱再生完畢。
10.根據權利要求9所述的一種蒸汽相催化交換系統的工藝，其特徵在於，所述步驟(8)中，若原料水儲水箱的液位低於2cm，則打開第二計量泵，使產品水收集箱和/或冷凝水箱中的水進入到原料水儲水箱中。
【文檔編號】C01B4/00GK103979493SQ201410173594
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月28日 優先權日:2014年4月28日
【發明者】羅德禮, 鄧良才, 姚勇, 黃國強, 宋江鋒, 張志 , 楊莞, 蒙大橋 申請人:四川材料與工藝研究所