氫-水同位素交換分離因子測量系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種氫-水同位素交換分離因子測量系統，目的在于解決目前通常采用統計熱力學數據計算的平衡常數來代替分離因子，其不可避免的存在一定誤差，而現有用于測量非涉氚反應平衡常數的玻璃類反應器在涉氚體系中已經不再適用的問題，該系統包括交換平衡反應器、反應氣、冷凝器、取樣瓶、真空泵、閥及管道等。本實用新型構思巧妙，結構合理，能夠用于測量不同溫度條件下的氫-水同位素交換的分離因子，同時本實用新型設計了一種全新的密封閥，能夠確保本實用新型內部無“死空間”，即取樣氣為交換平衡的氣體。本實用新型中交換平衡的混合氣經氣液分離功能的冷凝器后取樣分析，并根據分離因子的定義和定量分析結果計算出交換分離因子。
【專利說明】氫-水同位素交換分離因子測量系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及含氚廢水去氚化、重水提純和生產領域，特別是一種氫-水同位素交換分離因子測量系統，其適用于不同濃度和溫度條件下，涉氚的氫-水交換分離因子的測量，能夠為水去氚化、重水提純和生產的疏水催化劑考核及工業化規模級別的交換柱處理能力的設計提供基礎數據。
【背景技術】
[0002]在裂變堆、聚變堆、乏燃料后處理廠及各類氚處理系統的運行過程中，不可避免地會產生不同濃度的含氚廢水。氧化態氚(HT0，DT0與T2O)的放射性毒性比元素氣體氚(HT，DT與T2)強10000倍，從安全和環境考慮，水中的氚濃度必須限制在〈ICi/L水平。如CANDU堆用重水做慢化劑，每年運行產氚率1.r2kCi/MWe，其平衡氚濃度C00的值決定于堆芯區的中子通量和D2O的裝載量。重水減速劑C00可取65 Ci/kg D2O,重水冷卻劑C00可取2.5 Ci/kg D2O,平均起來CANDU堆重水氚濃度DT0/D20 -- 3 X 10_5，穩態平衡氚濃度可達到85Ci/kgD2O。
[0003]目前，實現重水提氚、氚提純和重水生產等的主要方法是通過氫同位素的催化交換，按轉移方式的不同，可分為蒸汽相催化交換(VPCE)、液相催化交換(LPCE)、組合電解催化交換(CECE)等三種。其中，液相催化交換(LPCE)由于具有低能耗、高分離因子等優點，已成為國內外催化交換應用領域的首選。然而，此類氫同位素交換必須在疏水催化劑的存在下才能完成。 [0004]在LPCE過程中，疏水催化劑的交換活性需要使用相同條件的分離因子進行計算交換效率，以此評估疏水催化劑的性能。此外，在氫-水同位素交換工業化規模能力的設計中，需要通過相同工況下的分離因子來計算交換處理量，進而確定交換柱的理論塔板高度、總高度以及疏水催化劑的裝填量等。
[0005]氫-水同位素交換過程實質上是通過兩個反應步驟完成的，即:汽液相轉變和氣汽催化交換兩個連續的過程。目前，在國內外相關研究中，常采用統計熱力學數據進行兩個反應的平衡常數理論計算，以此來代替分離因子。分離因子的定義是指:在液態水中氫同位素摩爾分數比值除以在氣體中氫同位素摩爾分數比值。一般來說，分離因子隨濃度和溫度的變化而改變，而平衡常數則是溫度的函數，因而用平衡常數來代替分離因子不可避免的會來帶一定的誤差。因此，需要直接測量以獲得交換分離因子。
[0006]氚和氚化水具有放射性和劇毒等特點。一般而言，涉氚系統需要三級包容結構，對每級包容都需要有嚴格的漏率標準，初級包容需要采用全金屬部、組件。對于含氚的氫同位素交換分離因子的測定，反應系統可以歸納為初級包容結構。因此，用于測量非涉氚反應平衡常數的玻璃類反應器在涉氚體系中已經不再適用。
實用新型內容
[0007]本實用新型的發明目的在于:針對目前通常采用統計熱力學數據計算的平衡常數來代替分離因子，其不可避免的存在一定誤差，而現有用于測量非涉氚反應平衡常數的玻璃類反應器在涉氚體系中已經不再適用的問題，提供一種氫-水同位素交換分離因子測量系統。本實用新型構思巧妙，結構合理，能夠用于測量不同溫度條件下的氫-水(H2-HDO,H2-HTO和D2-DTO等)同位素交換的分離因子，同時本實用新型設計了一種全新的密封閥，能夠確保本實用新型內部無“死空間”，即取樣氣為交換平衡的氣體。本實用新型中交換平衡的混合氣經氣液分離功能的冷凝器后進行取樣，所取樣再在高分辨質譜儀上進行定量分析，交換反應完成的液態水通過將氫同位素轉移成氣體形式進行定量分析。根據分離因子的定義和定量分析結果計算出交換分離因子。
[0008]為了實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案:
[0009]氫-水同位素交換分離因子測量系統，包括反應氣、冷凝器、取樣瓶、真空泵、具有溫度調節功能的冷凍加熱攪拌器、放置于冷凍加熱攪拌器內的平衡反應器、第一管道、第一針閥、第二管道、第二針閥、第三管道、第四管道、第三針閥、第五管道、第六管道、第四針閥、第七管道、第八管道、第一密封閥、第二密封閥，所述冷凝器上分別設置有進氣口、出氣口；
[0010]第一密封閥與第二密封閥的結構相同，統稱為密封閥，所述密封閥包括閥體、設置在閥體底壁上的第一管口、設置在閥體側壁上的第二管口、設置在閥體內部底壁上且與第一管口連通的錐形槽、設置在閥體內的密封柱，所述密封柱包括與錐形槽相配合的錐形件、與錐形件相連的控制桿，所述控制桿與閥體之間密封連接；
[0011]所述反應氣通過第一管道與第一針閥相連，所述第一針閥通過第二管道與第二針閥相連，所述第二針閥通過第三管道與冷凝器的進氣口相連，所述冷凝器的出氣口通過第四管道與第三針閥相連，第三針閥通過第五管道與取樣瓶相連，所述真空泵通過第六管道與第二管道相連，所述第四針閥設置在第六管道上；
[0012]所述第七管道的一端與第二管道相連，另一端通過第一密封閥與平衡反應器相連；
[0013]所述第八管道的一端與第三管道相連，另一端通過第二密封閥與平衡反應器相連。
[0014]所述第一密封閥、第二密封閥與平衡反應器的端蓋之間分別采用密封連接，所述第一密封閥、第二密封閥的第一管口分別與平衡反應器連通；
[0015]所述第七管道的一端與第二管道相連，另一端與第一密封閥的第二管口相連；所述第八管道的一端與第三管道相連，另一端與第二密封閥的第二管口相連。
[0016]所述平衡反應器內設置有攪拌子。
[0017]所述平衡反應器內設置有疏水催化劑。
[0018]所述第二管道上還設置有真空計。
[0019]所述真空泵為無油真空泵。
[0020]所述控制桿與閥體之間采用螺紋密封連接。
[0021]所述冷凝器的底端設置有液體收集器。
[0022]所述第一密封閥、第二密封閥與平衡反應器的端蓋之間分別采用全金屬焊接密封連接。
[0023]所述冷凝器包括內層、外層，所述內層內設置有液氮，所述外層內填充有5A分子篩。[0024]所述平衡反應器、第一密封閥、第二密封閥分別采用316L不銹鋼材料制備而成。
[0025]重水提氚、氚提純和重水生產等需通過催化交換技術來實現，而疏水催化劑評估和交換柱設計不可避免的涉及氫-水(H2-HDO, H2-HTO和D2-DTO等)同位素交換的分離因子，而本實用新型則能有效解決上述問題，可用于不同溫度、濃度條件下交換分離因子的直接測量，并為氫-水同位素工業化規模的交換柱設計提供基礎。本實用新型中，真空計可采用復式真空計；疏水催化劑采用Pt/SDB型疏水催化劑，此類催化劑能浮在水面，即在氫氣和液態水界面處，有利于加快交換反應達到平衡。同時，本實用新型中采用了一種特制的密封閥，密封閥包括閥體、設置在閥體底壁上的第一管口、設置在閥體側壁上的第二管口、設置在閥體內部底壁上且與第一管口連通的錐形槽、設置在閥體內的密封柱，密封柱包括與錐形槽相配合的錐形件、與錐形件相連的控制桿，控制桿與閥體之間密封連接，即密封閥的內部采用兩通式氣路結構，設置在閥體側壁上的第二管口與管路焊接，設置在底壁上的第一管口與平衡反應器連通。密封柱底部、閥體、與平衡反應器的端蓋保持在同一水平面上，本發明中的密封閥采用全金屬材料制備而成，其結構保證了平衡反應器內部無“死空間”，確保取樣氣為平衡反應交換氣。本實用新型中的冷凝器采用金屬材質加工而成，為雙層結構，即冷凝器包括內層、外層，內層的冷卻介質為液氮，外層內填充有5A分子篩，冷凝器的底端設置有液體收集器。其中，冷凍加熱攪拌器具有溫度調節功能，能夠對平衡反應器內的溫度進行調節，即:冷凍加熱攪拌器具有磁力攪拌、電加熱及液氮冷卻等功能，可對平衡反應器進行冷凍或加熱反應。攪拌子、疏水催化劑一起放置在平衡反應器內。第一密封閥、第二密封閥分別用于原料氣輸入、平衡反應混合氣的輸出。本實用新型在平衡反應器內設置攪拌子，有效增大了氣液接觸面積，使交換反應能進行的更加充分。本實用新型中的管道均采用金屬卡套和焊接方式連接，測量系統漏率小于1X10, Pa.m3.s'
[0026]測試流程如下。
[0027]第一步，組裝。將各部分通過卡套方式進行連接，安裝完成。
[0028]第二步，除氣。開始前，首先采用氦質譜檢測儀分別對各個系統進行檢漏，確保系統整體漏率小于IXlO-uiPa分別使第一針閥、第二針閥、第三針閥、第四針閥處于開路狀態，同時開啟真空泵，直至滿足`真空壓力要求，平衡反應器除氣前需要進行液氮冷卻處理。
[0029]第三步，進氣過程。將第四針閥、第二針閥、第二密封閥關閉，將反應氣注入平衡反應器內，當達到所需壓力時，關閉第一密封閥、第一針閥。
[0030]第四步，交換平衡。將平衡反應器放入冷凍加熱攪拌器內進行恒溫水浴加熱，在加熱過程中開啟磁力攪拌，直至交換反應到達平衡。
[0031]第五步，平衡交換氣取樣。向冷凝器中注入液氮，緩慢打開第二密封閥，平衡交換氣經冷凝器氣液分離后進入取樣瓶中，關閉第三針閥。將取樣瓶中的平衡交換氣進行質譜分析氫同位素。
[0032]第六步，平衡水取樣。將平衡反應器的端蓋打開，取水樣進行分析水中氫同位素。
[0033]針對反應介質氫氣和液態水間溶解度低、擴散速度慢等特點，本實用新型在平衡反應器內部設置了攪拌子。平衡反應器內的交換反應是在高活性Pt/SDB疏水催化劑表面完成。本實用新型中的氫-水交換反應是在密封環境進行的，平衡反應器采用了端蓋倒密封連接方式，漏率小于1X10, Pa--!!!3--^。交換平衡的混合氣經過具有氣液分離功能的冷凝器后進行取樣，再在高分辨質譜儀上進行定量分析，交換反應完成的液態水通過將氫同位素轉移成氣體形式進行定量分析。根據分離因子的定義和定量分析結果計算交換分離因子。
[0034]本實用新型中測量系統中，密封閥設計結構較為巧妙，采用了金屬錐形密封，能有效確保平衡反應器內部無“死空間”。本實用新型結構簡單、操作方便、密封好，可靠性能高，能夠用于氫-水同位素交換分離因子的測定，對涉氚環境條件進行測量，同時可為疏水催化劑考核及工業規模化交換柱的設計提供基礎數據，測定結果準確可靠。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]圖1是本實用新型的結構示意圖。
[0036]圖2是本實用新型中第一密封閥的結構示意圖。
[0037]圖3是本實用新型中冷凝器的剖視圖。
[0038]圖中標記:1為反應氣，2為冷凝器，3為取樣瓶，4為真空泵，5為冷凍加熱攪拌器，6為平衡反應器，7為第一管道,8為第一針閥,9為第二管道,10為第二針閥，11為第三管道，12為第四管道，13為第三針閥，14為第五管道，15為第六管道，16為第四針閥，17為第七管道，18為第八管道，19為第一密封閥，20為第二密封閥，21為進氣口，22為出氣口，23為閥體，24為第一管口，25為第二管口，26為錐形槽，27為錐形件，28為控制桿，29為攪拌子，30為真空計，31為液體收集器。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖，對本實用新型作詳細的說明。
[0040]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0041]實施例1
[0042]本實用新型包括反應氣、冷凝器、取樣瓶、真空泵、具有溫度調節功能的冷凍加熱攪拌器、放置于冷凍加熱攪拌器內的平衡反應器、第一管道、第一針閥、第二管道、第二針閥、第三管道、第四管道、第三針閥、第五管道、第六管道、第四針閥、第七管道、第八管道、第一密封閥、第二密封閥、真空計，冷凝器上分別設置有進氣口、出氣口，平衡反應器內分別放置有攪拌子、疏水催化劑，真空計設置第二管道上。
[0043]第一密封閥與第二密封閥的結構相同，第一密封閥的結構如圖2所示。第一密封閥包括閥體、第一管口、第二管口、錐形槽、密封柱，第一管口設置在閥體底壁上，第二管口設置在閥體側壁上，錐形槽設置在閥體內部底壁上且與第一管口連通，密封柱設置在閥體內。密封柱包括與錐形槽相配合的錐形件、與錐形件相連的控制桿，控制桿與閥體之間采用螺紋密封連接。
[0044]反應氣通過第一管道與第一針閥相連，第一針閥通過第二管道與第二針閥相連，第二針閥通過第三管道與冷凝器的進氣口相連，冷凝器的出氣口通過第四管道與第三針閥相連，第三針閥通過第五管道與取樣瓶相連，真空泵通過第六管道與第二管道相連，第四針閥設置在第六管道上。第一密封閥、第二密封閥與平衡反應器的端蓋之間分別采用密封連接，第一密封閥、第二密封閥的第一管口分別與平衡反應器連通。第七管道的一端與第二管道相連，另一端與第一密封閥的第二管口相連。第八管道的一端與第三管道相連，另一端與第二密封閥的第二管口相連。
[0045]冷凝器包括內層、外層，內層內設置有液氮，外層內填充有5A分子篩，冷凝器的底端設置有液體收集器。平衡反應器、第一密封閥、第二密封閥分別采用316L不銹鋼材料制備而成。
[0046]本實用新型中的管路采用不銹鋼雙拋管，連接方式為焊接和卡套式。
[0047]本實施例以H2和HDO進行同位素交換，測量不同溫度和濃度下的分離因子。
[0048]本實施例中的平衡反應器由316L不銹鋼加工而成，圓底,體積為60ml。
[0049]具體過程如下。
[0050]1、采用稱重稀釋法配置D/H=20, 000 X 10-6和500 X 10-6兩種濃度的稀重水，氫氣為高純自然氫。疏水催化劑選用等體積浸潰-氫還原的Pt/SDB型疏水催化劑。
[0051]2、開始前，首先采用氦質譜檢測儀分別對各個系統進行檢漏，確保系統整體漏率小于 1 X 1CT10Pa.m3.S-1。 [0052]3、將疏水催化劑和攪拌子加入平衡反應器中，用稀重水進行漂洗、烘干。將相同濃度的稀重水5ml轉移到平衡反應器中。冷凍加熱攪拌器中通入液氮，待平衡反應器內的液態水呈固態后，開啟閥門進行真空除氣處理，并經冷凍-除氣-解凍，重復冷凍-除氣-解凍過程三次。
[0053]4、通過第一密封閥向平衡反應器中注入0.12MPa壓力的氫氣，關閉第一密封閥。控制冷凍加熱攪拌器中水浴溫度進行一定恒溫下的氫-水同位素交換。在此過程中，開啟攪拌功能，在攪拌子的作用下，氫和液態水接觸面積增大，進而加速交換反應達平衡。
[0054]5、向冷凝器中注入液氮，緩慢打開第二密封閥，交換平衡氣(H2和HD)經冷凝器氣液分離后進入取樣瓶中，關閉第三針閥。將取樣瓶中的交換平衡氣(H2和HD)進行質譜分析氫同位素。
[0055]6、打開平衡反應器端蓋，取水樣進行分析平衡交換水中的氫同位素含量。
[0056]經實際測試，本實用新型能準確測量不同溫度和濃度的分離因子，測定結果準確可靠。
[0057]實施例2
[0058]本實施例以HT和H2O進行同位素交換測量不同溫度和濃度的分離因子。
[0059]本實施例的裝置同實施例1。
[0060]具體過程如下。
[0061]1、反應氣選用不同濃度的HT氣體，平衡反應器內的交換液態水為去離子水，疏水催化劑同樣選用等體積浸潰-氫還原的Pt/SDB型疏水催化劑。
[0062]其余操作步驟與上述例I相同。
[0063]經實際測試，本實用新型能準確測量不同溫度和濃度的分離因子，測定結果準確可靠。
[0064]由上述實例1、2可知，測量系統結構簡單，操作方便，密封好和可靠性高，也可用于測量涉氚環境的分離因子，并確保了結果真實可靠。
[0065]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.氫-水同位素交換分離因子測量系統，其特征在于，包括反應氣(I)、冷凝器(2)、取樣瓶(3)、真空泵(4)、具有溫度調節功能的冷凍加熱攪拌器(5)、放置于冷凍加熱攪拌器(5)內的平衡反應器(6)、第一管道(7)、第一針閥(8)、第二管道(9)、第二針閥(10)、第三管道(11)、第四管道(12)、第三針閥(13)、第五管道(14)、第六管道(15)、第四針閥(16)、第七管道(17)、第八管道(18)、第一密封閥(19)、第二密封閥(20)，所述冷凝器(2)上分別設置有進氣口(21)、出氣口(22)； 第一密封閥(19)與第二密封閥(20)的結構相同，統稱為密封閥，所述密封閥包括閥體(23)、設置在閥體(23)底壁上的第一管口(24)、設置在閥體(23)側壁上的第二管口(25)、設置在閥體(23)內部底壁上且與第一管口(24)連通的錐形槽(26)、設置在閥體(23)內的密封柱，所述密封柱包括與錐形槽(26 )相配合的錐形件(27 )、與錐形件(27 )相連的控制桿(28)，所述控制桿(28)與閥體(23)之間密封連接； 所述反應氣(I)通過第一管道(7)與第一針閥(8)相連，所述第一針閥(8)通過第二管道(9)與第二針閥(10)相連，所述第二針閥(10)通過第三管道(11)與冷凝器(2)的進氣口(21)相連，所述冷凝器(2)的出氣口(22)通過第四管道(12)與第三針閥(13)相連，第三針閥(13)通過第五管道(14)與取樣瓶(3)相連，所述真空泵(4)通過第六管道(15)與第二管道(9)相連，所述第四針閥(16)設置在第六管道(15)上； 所述第七管道(17)的一端與第二管道(9)相連，另一端通過第一密封閥(19)與平衡反應器(6)相連； 所述第八管道(18)的一 端與第三管道(11)相連，另一端通過第二密封閥(20)與平衡反應器(6)相連。
2.根據權利要求1所述氫-水同位素交換分離因子測量系統，其特征在于，所述第一密封閥(19)、第二密封閥(20)與平衡反應器(6)的端蓋之間分別采用密封連接，所述第一密封閥(19)、第二密封閥(20)的第一管口(24)分別與平衡反應器(6)連通； 所述第七管道(17)的一端與第二管道(9)相連，另一端與第一密封閥(19)的第二管口(25)相連；所述第八管道(18)的一端與第三管道(11)相連，另一端與第二密封閥(20)的第二管口(25)相連。
3.根據權利要求1所述氫-水同位素交換分離因子測量系統，其特征在于，所述平衡反應器(6)內設置有攪拌子(29)。
4.根據權利要求1所述氫-水同位素交換分離因子測量系統，其特征在于，所述平衡反應器(6)內設置有疏水催化劑。
5.根據權利要求1所述氫-水同位素交換分離因子測量系統，其特征在于，所述第二管道(9 )上還設置有真空計(30 )。
6.根據權利要求1所述氫-水同位素交換分離因子測量系統，其特征在于，所述控制桿(28)與閥體(23)之間采用螺紋密封連接。
7.根據權利要求1所述氫-水同位素交換分離因子測量系統，其特征在于，所述冷凝器(2)的底端設置有液體收集器(31)。
8.根據權利要求1所述氫-水同位素交換分離因子測量系統，其特征在于，所述第一密封閥(19)、第二密封閥(20)與平衡反應器(6)的端蓋之間分別采用全金屬焊接密封連接。
9.根據權利要求1-8任一項所述氫-水同位素交換分離因子測量系統，其特征在于，所述冷凝器(2)包括內層、外層，所述內層內設置有液氮，所述外層內填充有5A分子篩。
10.根據權利要求1所述氫-水同位素交換分離因子測量系統，其特征在于，所述平衡反應器(6)、第一密封閥(19)、第二密封閥(20)分別采用316L不銹鋼材料制備而成。
【文檔編號】G01N33/18GK203672869SQ201320888631
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】葉林森, 羅德禮, 唐濤, 楊莞, 饒詠初 申請人:四川材料與工藝研究所