一種用于分離同位素混合氣體的裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及混合氣體分離領域，具體涉及一種用于分離同位素混合氣體的裝置。
【背景技術】
[0002]混合氣體的分離一直以來都是化工和相關行業一個十分活躍的領域，針對不同需求，需要不同分離方法。傳統的混合氣體分離方法，包括蒸餾法、離心法、熱擴散法、分子擴散法和色譜法，其中蒸餾法是應用最廣、效率最高的氣體分離方法。
[0003]在分離同位素或同分異構體組成的混合氣體時，由于混合氣體中各組分的沸點相同或十分接近，使用蒸餾法不再有效。這時需要采用非蒸餾的分離方法，如熱擴散分離方法和熱聲分離方法。
[0004]熱擴散分離方法使用的裝置包括垂直分離塔，塔內設置有熱壁和冷壁，在使用時，對垂直分離塔的熱壁進行加熱，使熱壁達到預定的溫度；同時，對冷壁通冷卻水使之保持恒定的溫度，冷壁和熱壁之間形成溫度梯度。在熱擴散效應的作用下，重質氣體在冷壁上富集，輕質氣體在熱壁上富集。冷壁富集的重質氣體密度較大，在重力作用下，沿冷壁向下流動；熱壁富集的輕質氣體密度較小，會沿熱壁向上流動。重質氣體和輕質氣體在重力方向上的運動方向相反，進而使得混合氣體在重力方向上發生分離。
[0005]熱聲分離方法是最近發展起來的一種新的混合氣體分離方法。分離的步驟為:在聲波的作用下，混合氣體發生周期性的壓縮和膨脹運動，并在靠近固體壁面的邊界層內建立垂直于壁面方向的溫度梯度，溫度梯度導致的熱擴散效應使得混合氣體中的不同組分沿著不同方向擴散，進而在邊界內形成濃度梯度；然后，混合氣體的粘性運動使得邊界層內的氣體相對靜止，而主流區的氣體在聲波作用下向不同方向運動，進而導致混合氣體的不同組分沿著聲波的傳播方向發生分離。
[0006]與傳統的同位素分離方法相比，熱聲分離法具有以下優點:a、熱聲分離方法利用的是氣體壓縮膨脹過程中的壓力梯度和溫度梯度來分離混合氣體，可以在常溫常壓下工作，不需要額外提供高溫或高壓邊界；b、熱聲分離方法的動力源是聲波，整套裝置幾乎沒有運動部件，因此具有高可靠性、低成本的特點；c、熱聲分離方法的結構十分簡單，可以十分方便的與熱擴散分離法、氣體擴散分離法、離心分離法等傳統的分離方法相結合，來進一步提高分離的效率。
[0007]現有的熱擴散法和熱聲分離方法在使用時，存在以下缺陷:
[0008](I)熱聲分離方法需要首先在粘性邊界層內建立溫度梯度，而聲波膨脹和壓縮過程中產生的溫度梯度很小，這嚴重影響熱聲分離方法的效率。
[0009](2)熱擴散分離和熱聲分離方法分離同位素混合氣體時，效率均較低，要想到達理想的分離效果，需要建立多級的分離裝置，系統復雜。
【發明內容】
[0010]針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種高效的同位素混合氣體分離裝置。
[0011]為達到以上目的，本發明采取的技術方案是:一種用于分離同位素混合氣體的裝置，包括垂直安裝的上諧振腔和下諧振腔，上諧振腔的外壁開有出樣口，下諧振腔的外壁開有進樣口，所述上諧振腔的內部設置有上驅動活塞，所述下諧振腔的內部設置有下驅動活塞，所述上諧振腔的底部設置有上隔板，下諧振腔的頂部設置有下隔板，所述上隔板和下隔板之間設置有若干分尚管束，上隔板、下隔板與每根分尚管束對應之處均開有分尚口 ；
[0012]所述每根分離管束的長度L根據混合氣體在工作頻率下的波長λ確定:L< 1/4 λ ;所述每根分離管束的橫截面均呈直徑為d的圓形，所述d根據待分離混合氣體的質量擴散滲透深度h確定:2h < d < 4h。
[0013]在上述技術方案的基礎上，所述每根分離管束的外部均套接有冷卻管，所有冷卻管相互連通，形成冷卻裝置，冷卻裝置上開有進水口和出水口。
[0014]在上述技術方案的基礎上，所述每根分離管束的中心固定有電加熱棒；所述加熱棒的頂部與上隔板固定連接、底部與下隔板固定連接。
[0015]在上述技術方案的基礎上，所述上諧振腔、下諧振腔、上驅動活塞、下驅動活塞、上隔板、下隔板、和電加熱棒的橫截面均呈圓形。
[0016]在上述技術方案的基礎上，所述上諧振腔與下諧振腔的尺寸相同，所述上諧振腔、下諧振腔的體積遠大于單根分離管束的體積。
[0017]在上述技術方案的基礎上，所述上驅動活塞能夠在上諧振腔內上下運動，下驅動活塞能夠在下諧振腔內上下運動，上驅動活塞和下驅動活塞的運動能夠使得分離管束內產生一定頻率和振幅的壓力波，所述壓力波的速度相位領先壓力相位0°?90°。
[0018]在上述技術方案的基礎上，所述上諧振腔的頂部設置有上活塞，所述下諧振腔的底部設置有下活塞。
[0019]與現有技術相比，本發明的優點在于:
[0020](I)本發明中用于分離同位素混合氣體的裝置，包括若干分離管束，分離管束的長度和直徑根據待分離混合氣體確定，混合氣體在工作頻率下的波長為λ、質量擴散滲透深度為h時，每根分離管束長度為L，L < 1/4 λ ;每根分離管束的橫截面均為圓形，該圓形的直徑為d，2h < d < 4h，不僅能夠提高同位素混合氣體的分離效率和分離速度，還能夠減小分離裝置的體積和重量。
[0021](2)本發明中用于分離同位素混合氣體的裝置，包括設置在分離管束中心的加熱棒、套接于分離管束外的冷卻管，該裝置在使用時，分離管束內靠近加熱棒之處的溫度較高，分離管束的外壁被冷卻管內的冷卻水冷卻，溫度較低，分離管束沿其徑向形成較大的溫度梯度；此時，重質氣體向冷卻管的內壁擴散，輕質氣體向冷卻管內靠近加熱棒處擴散；重質氣體在外壁富集后，在重力作用下向下流動；輕質氣體在加熱棒的附近富集后，向上流動，重質氣體與輕質氣體的運動方向相反，進而發生分離。
[0022](3)本發明中用于分離同位素混合氣體的裝置，混合氣體在發生熱聲分離的同時進行熱擴散分離，而且兩種方法的分離方向相同，可提高分離效率；另外，為了實現熱擴散分離而在分離管束中心安裝的電加熱棒和分離管束外套裝的水冷卻管，在分離管束徑向上附加了較大的溫度梯度，可以大大促進熱聲分離效應的發生，而且分離管束內加入了聲波，也可以促進熱擴散分離效應的發生。因此，與現有的單一的熱聲分離方法和熱擴散分離方法相比，本發明的分離效率可以得到大幅提高。
[0023]由于現有的熱聲分離、熱擴散分離技術的分離原理完全不同，本領域技術人員難以想到將熱聲分離和熱擴散分離裝置相結合，尤其難以想到利用熱擴散分離方法建立的溫度梯度來促進熱聲分離效應的發生，難以達到本發明中裝置的分離效率。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明實施例中用于分離同位素混合氣體的裝置的結構示意圖。
[0025]圖中:1-出樣口，2-出水口，3-進水口，4-進樣口，5-上驅動活塞，6-上諧振腔，7-上隔板，8-加熱棒，9-分離管束，10-冷卻管，11-下隔板，12-下驅動活塞，13-下諧振腔。
【具體實施方式】
[0026]以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0027]參見圖1所示，本發明實施例提供一種用于分離同位素混合氣體的裝置，該裝置包括垂直安裝的上諧振腔6和下諧振腔13，上諧振腔6的外壁開有出樣口 1，下諧振腔13的外壁開有進樣口 4，上諧振腔6的內部設置有上驅動活塞5，下諧振腔13的內部設置有下驅動活塞12。上