一種用于氚濃集的spe電解系統的制作方法

一種用于氚濃集的spe電解系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于氚濃集的SPE電解系統，包括電解池系統、含氚水供應系統、氣液分離器、氚水收集系統、氫氣干燥系統、氧氣干燥系統、氫氣收集系統、產品氧氣收集儲罐、冷凝系統以及檢測和控制系統。本實用新型還提供了該用于氚濃集的SPE電解系統的實現方法。本實用新型電解系統可以滿足水相氚濃集的全部工藝需求，包括氚水循環濃集、氫泄露緊急斷電、分子篩干燥床不間斷處理工藝等。同時，含氚水的循環濃集使得含氚水濃集濃度可以定量控制，大幅提高氚濃集效率，而且也獲得了大量貧氚氫氣。
【專利說明】
一種用于氚濃集的SPE電解系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及化工和核技術及設備領域，具體涉及的是一種用于氚濃集的SPE電解系統。
【背景技術】
[0002]核電站運行過程會產生含氚廢水，如果不能合理處置放射性含氚廢水，將會造成嚴重的環境污染。而且自然界中氚的豐度極低，含氚水中氚的回收具有很高的經濟價值。因此，開發高效、節能、環保、低成本的水去氚化技術和裝備，對于回收氚元素，并使廢水達到環境排放指標，都具有非常重要的意義。
[0003]固體聚合物電解質(Solid Polymer Electrolyte，SPE)電解，即SPE電解，對于含氚水氚富集過程具有明顯的優勢:(I)固體聚合物電解質膜具有優異的氫同位素分離性能，氚T+透膜能力遠小于氫H+，使得SPE電解產生貧氚氫氣的同時，將氚濃縮于液相；(2)SPE膜還具有優良的抗輻照性能，對于輻射性氚的處理具有顯著的耐久性。目前已有的電解-催化交換水去氚化的工藝(CECE)，將SPE電解與氫同位素催化交換工藝耦合，具有非常高的去氚因子。
[0004]SPE電解用于氚富集過程時要求具有較高的處理量，需要開發完善高效的工藝系統，確保系統安全運行的同時，提高系統處理含氚水的能力；同時必須增大膜電極組件(Membrane Electrode Assemblies,MEA)的工作效率，雙極板流場的改良對于降低接觸電阻、改善傳質效率、提高電解效率并降低電解成本至關重要。
【實用新型內容】
[0005]針對上述現有技術的不足，本實用新型提供了一種用于氚濃集的SPE電解系統，可以方便、準確地控制含氚水濃集過程，滿足氚濃集過程的全部工藝需求，并顯著提升了工藝處理效率。
[0006]為實現上述目的，本實用新型采用的技術方案如下:
[0007]—種用于氚濃集的SPE電解系統，包括電解池系統、含氚水供應系統、氣液分離器、氚水收集系統、氫氣干燥系統、氧氣干燥系統、氫氣收集系統、產品氧氣收集儲罐、冷凝系統以及檢測和控制系統;其中:
[0008]所述電解池系統用于電解含氚水，獲得氚濃集水相和貧氚氫氣;其包括SPE電解池模塊和直流電源，所述的SPE電解池模塊包括依次疊加組裝的陽極雙極板、陽極密封圈、陽極擴散層、陽極催化層、質子交換膜、陰極催化層、陰極擴散層、陰極密封圈和陰極雙極板；所述陽極雙極板連接陽極擴散層的表面上刻有陽極雙極板流道，且該雙極板流道中設有含氚水入口和水氧出口；所述陰極雙極板連接陰極擴散層的表面刻有陰極雙極板流道，且該雙極板流道只設有氫氣出口 ；所述的直流電源正極連接陽極雙極板，負極連接陰極雙極板；
[0009]所述含氚水供應系統與陽極雙極板上的雙極板流道中的含氚水入口連接，用于向SPE電解池模塊供應含氚水，并將SPE電解后未達到氚濃縮指標的含氚水循環引入SPE電解池模塊中繼續處理；
[0010]所述氣液分離器分別與SPE電解池模塊中的水氧出口、氚水收集系統、氧氣干燥系統連接，用于將SPE電解池模塊流出的富氚水和氧氣兩相混合物進行氣液分離，使氧氣進入氧氣干燥系統，富氚水進入氚水收集系統；
[0011 ]所述氚水收集系統與含氚水供應系統連接，用于檢測由氣液分離系統流出的富氚水濃度，收集達到濃集指標的含氚水，并將濃度未達標的含氚水循環輸入含氚水供應系統；
[0012]所述氫氣干燥系統用于干燥由SPE電解池模塊中的氫氣出口流出的貧氚氫氣，并且可以實現分子篩干燥床同時干燥和活化并保證工藝連續不中斷的目標;其包括均與氫氣出口連接、且呈并聯關系的第一分子篩干燥床和第二分子篩干燥床，設置在第一分子篩干燥床上用于對其進行加熱的第一分子篩干燥床加熱器，設置在第二分子篩干燥床上用于對其進行加熱的第二分子篩干燥床加熱器，同時與第一和第二分子篩干燥床連接的第一氣體壓縮機和第一氣體加熱器，同時與第一分子篩干燥床和第二分子篩干燥床連接、用于活化時除去分子篩干燥床中的水蒸氣的第一冷凝器，以及與第一冷凝器連接的第一氣體循環栗;所述第一氣體壓縮機與氫氣收集系統連接；
[0013]所述氧氣干燥系統用于干燥氣液分離后的氧氣，除去氧氣中的水蒸氣，并向產品氧氣收集儲罐輸入合格氧氣產品，該系統也可以實現分子篩干燥床同時干燥和活化并保證工藝連續的目標;其包括與氣液分離系統連接、且呈并聯關系的第三分子篩干燥床和第四分子篩干燥床，設置在第三分子篩干燥床上用于對其進行加熱的第三分子篩干燥床加熱器，設置在第四分子篩干燥床上用于對其進行加熱的第二分子篩干燥床加熱器，同時與第三和第四分子篩干燥床連接的第二氣體壓縮機和第二氣體加熱器，同時與第三和第四分子篩干燥床連接、用于活化時除去分子篩干燥床中的水蒸氣的第二冷凝器，以及與第二冷凝器連接的第二氣體循環栗;所述第二氣體壓縮機與產品氧氣收集儲罐；
[0014]所述氫氣收集系統用于將氚濃度檢測后的貧氚氫氣進行分流處理，并分別收集氚濃度達到指標和未達到指標的氫氣；
[0015]所述產品氧氣收集儲罐用于存儲干燥后的氧氣；
[0016]所述冷凝系統包括與第一冷凝器連接、用于對其進行冷卻的第一冷水機，與第二冷凝器連接、用于對其進行冷卻的第二冷水機，以及用于將冷凝器冷卻所得的含氚水輸入氚水收集系統的第三液相質量流量計；
[0017]所述檢測和控制系統與SPE電解池模塊、含氚水供應系統、氚水收集系統、氫氣干燥系統、氧氣干燥系統、氫氣收集系統、產品氧氣收集儲罐、冷凝系統連接，用于檢測和控制系統的壓力、液位、濕度和氚濃度，并針對電解池氫氣泄露事故進行緊急斷電處理。
[0018]具體地說，所述雙極板流道包括由不少于五折的復合流道從上往下依次彎折連接構成、用于流體在其中流動的蛇形通道;每折復合流道的前后兩端均設有呈點狀矩陣結構設計的圓柱體群，并且，在每折復合流道上、且位于兩端圓柱體群之間均設有呈交錯方式分布、并將復合流道由上往下分成N條平行流道的平行流道脊，4SN，且相鄰的平行流道脊之間均設有用于連通相鄰兩條平行流道、以便平衡復合流道中的流體壓力和流速的貫通口；同時，所述的復合流道由上往下，其平行流道的條數按照等差的方式依次遞減。
[0019]進一步地，本實用新型中，所述陽極雙極板流道上，所述的含氚水入口設置在該雙極板流道中最上方的復合流道的端部;所述的水氧出口設置在該雙極板流道中最下方的復合流道的端部;而所述陰極雙極板流道上，所述的氫氣出口設置在該雙極板流道中最下方的復合流道的端部。
[0020]再進一步地，在陽極雙極板流道和陰極雙極板流道中，除最底部一折復合流道外的其他復合流道中的最下方平行流道，其寬度均比其他平行流道寬50%;同時，最底部的復合流道中的所有平行流道的寬度均與其他復合流道中的最下方平行流道寬度相同。
[0021]更進一步地，每折復合流道中用于使流體轉向的端部均設有光滑過渡圓倒角。
[0022]具體地說，所述含氚水供應系統栗出口包括與SPE電解池上的含氚水入口連接的計量栗，出水口與該計量栗栗入口連接的待處理含氚水儲罐，以及栗出口與該含氚水儲罐進水口連接的水循環栗;所述含氚水儲罐與檢測和控制系統連接;所述水循環栗的栗入口與氚水收集系統連接。
[0023]具體地說，所述氚水收集系統包括進水口與氣液分離器連接、用于收集未達標含氚水的循環水箱，以及進水口與氣液分離器連接、用于收集富氚水的產品氚水儲罐;所述循環水箱出水口與水循環栗的栗入口連接，且循環水箱和產品氚水儲罐均與檢測和控制系統連接。
[0024]具體地說，所述氫氣收集系統包括均與第一氣體壓縮機連接的用于收集氚含量指標的氫氣的產品氫氣儲罐和用于收集未達標氫氣的未達標氫氣儲罐;所述產品氫氣儲罐和未達標氫氣儲罐均與檢測和控制系統連接。
[0025]具體地說，所述檢測和控制系統包括與待處理含氚水儲罐連接的第一液位儀，與循環水箱連接的第二液位儀，與產品氚水儲罐連接的第三液位儀，與產品氫氣儲罐連接的第一壓力傳感器，與未達標氫氣儲罐連接的第二壓力傳感器，與產品氧氣收集儲罐連接的第三壓力傳感器，連接在電解池陰極雙極板氫氣出口和第一、第二分子篩干燥床之間的第一露點儀，連接在第一、第二分子篩干燥床和第一氣體壓縮機之間連接的第二露點儀，連接在第一氣體循環栗尾端的第三露點儀，連接在氣液分離器和第三、第四分子篩干燥床之間的第四露點儀，連接在第三、第四分子篩干燥床和第二氣體壓縮機之間連接的第五露點儀，連接在第二氣體循環栗尾端的第六露點儀，與SPE電解池模塊連接、用于檢測工藝操作環境的氫氣報警器，以及用于檢測氣液分離器后富氚水濃度的磁質譜儀、用于測量氫氣氚含量的四極質譜儀和用于在氫氣泄露時停止向SPE電解池模塊供電的繼電器。
[0026]與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果:
[0027](I)本實用新型設計的SPE電解池模塊不僅電解氫氣純度高(彡99.999%)，而且可以有效降低歐姆損耗，具有所需電壓小、電流密度大、工作發熱量少、電解效率高的優點。
[0028](2)本實用新型大幅提升了純水擴散性能和陽極雙極板排氧能力，其不僅沿程壓降小、流道面積大，而且膜電極工作效率高。
[0029](3)本實用新型通過改進雙極板流道的結構設計，在其上設置了由多折復合流道構成的蛇形通道，并在復合流道中設置點狀矩陣結構圓柱體群，從而提升了液相載氣能力，解決了流體在SPE電解池模塊中排氣困難的問題。
[0030](4)本實用新型雙極板流道的復合流道中的平行流道的條數采用等差遞減設計，流道后程流速增大提高了陽極雙極板載帶氧氣的能力，同時提高后程壓力有利于保證液相擴散能力，提升膜電極工作效率。并且每折復合流道最下方的平行流道和最下方復合流道的所有平行流道的寬度比其他平行流道寬50%，可以使流場流速分布更加均勻。
[0031](5)本實用新型在每折復合流道中用于使流體轉向的端部均設有光滑過渡圓倒角，可進一步降低流體沿程壓降，更加有利于流道各向均勻分配流體，減少流場死區。
[0032](6)本實用新型設計的貧氚氫氣和氧氣干燥系統分別包含兩套獨立的分子篩干燥床干燥系統，分子篩干燥床可以交替運行，互不影響，一套分子篩干燥床進行干燥除水的同時，另一套分子篩干燥床可以進行預熱再生，保證了系統的不間斷運行，提升了系統工作效率。
[0033](7)本實用新型通過合理的結構設計，實現了含氚水的循環濃集，從而使沒有達到氚濃度指標的含氚水循環輸入原料儲罐，達到指標的含氚水存入產品儲罐，最大程度實現了含氚廢水的去氚化處理。
[0034](8)本實用新型所述SPE電解系統中電解產生的氫氣和氧氣被半滲透膜隔離，不會產生爆鳴氣體，安全性能好；同時系統設置氫氣報警器，在氫氣泄露時啟動斷電繼電器，停止向電解池供電。
[0035](9)本實用新型將多種技術原理和實際結構結合，設計巧妙、結構緊湊、流程明晰、操作便捷、操作彈性大，可以滿足SPE電解氚濃集過程的全部工藝需求，大幅提高了氚濃集處理效率，實現了成本與技術的相對平衡，理想地解決了現有技術的弊端。因此，該技術進步明顯，具有突出的實質性特點和顯著的進步，非常適合在相關領域內進行推廣應用。
【附圖說明】
[0036]圖1為本實用新型的系統結構示意圖。
[0037]圖2為本實用新型中SPE電解池模塊的結構分解示意圖。
[0038]圖3為本實用新型中雙極板流道的結構示意圖。
[0039]圖4為本實用新型分別使用第一分子篩干燥床和第三分子篩干燥床干燥氫氣和氧氣的工作原理圖。
[0040]圖5為本實用新型分別使用第二分子篩干燥床和第四分子篩干燥床干燥氫氣和氧氣的工作原理圖。
[0041 ]其中，附圖標記對應的各部件名稱為:
[0042] 1-SPE電解池模塊，101-圓柱體群，102-平行流道脊，103-平行流道，104-貫通口，105-光滑過渡圓倒角，106-陽極雙極板，107-陽極密封圈，108-陽極擴散層，109-陽極催化層，110-質子交換膜，111-陰極催化層，112-陰極擴散層，113-陰極密封圈，114-陰極雙極板，115-雙極板流道，2-第一液相閥門，3-第一液相質量流量計，4-待處理含氚水儲罐，5-第一液位儀，6-計量栗，7-直流電源，8-斷電繼電器，9-氫氣報警器，10-氣液兩相閥門，11-氣液分離器，12-磁質譜儀，13-第二液相閥門，14-第二液位儀，15-循環水箱，16-水循環栗，17-第三液相閥門，18-第四液相閥門，19-產品氚水儲罐，20-第三液位儀，21-第二液相質量流量計，22-第五液相閥門，23-第一露點儀，24-第一氣相閥門，25-第一分子篩干燥床加熱器，26-第一分子篩干燥床，27-第二氣相閥門，28-第三氣相閥門，29-第二分子篩干燥床加熱器，30-第二分子篩干燥床，31-第四氣相閥門，32-第二露點儀，33-第五氣相閥門，34-第一氣體壓縮機，35-四極質譜儀，36-第六氣相閥門，37-第三露點儀，38-第一氣體加熱器，39-第七氣相閥門，40_第八氣相閥門，41-第九氣相閥門，42_第十氣相閥門，43-第一冷凝器，44-第一氣體循環栗，45-第^ 氣相閥門，46-產品氫氣儲罐，47-第一壓力傳感器，48-第一氣體質量流量計，49-第十二氣相閥門，50-第十三氣相閥門，51-未達標氫氣儲罐，52-第二壓力傳感器，53-第二氣體質量流量計，54-第十四氣相閥門，55-第六液相閥門，56-第一冷水機，57-第七液相閥門，58-第八液相閥門，59-第三液相質量流量計，60-第四露點儀，61-第十五氣相閥門，62-第三分子篩干燥床加熱器，63-第三分子篩干燥床，64-第十六氣相閥門，65-第十七氣相閥門，66-第四分子篩吸附床加熱器，67-第四分子篩干燥床，68-第十八氣相閥門，69-第五露點儀，70-第十九氣相閥門，71-第二氣體壓縮機，72-第二十氣相閥門，73-第六露點儀，74-第二氣體加熱器，75-第二一氣相閥門，76-第二二氣相閥門，77-第二三氣相閥門，78-第二四氣相閥門，79-第二冷凝器，80-第二氣體循環栗，81-第九液相閥門，82-第二冷水機，83-第十液相閥門，84-第^^一液相閥門，85-第二五氣相閥門，86_產品氧氣收集儲罐，87-第三壓力傳感器，88-第三氣體質量流量計，89-第二六氣相閥門。
【具體實施方式】
[0043]下面結合【附圖說明】和實施例對本實用新型作進一步說明，本實用新型的方式包括但不僅限于以下實施例。
[0044]如圖1所示，本實用新型提供了一種SPE電解系統，其采用了復合式流場。本實用新型包括電解池系統、含氚水供應系統、氣液分離器11、氚水收集系統、氫氣干燥系統、氧氣干燥系統、氫氣收集系統、產品氧氣收集儲罐86、冷凝系統以及檢測和控制系統。
[0045]所述電解池系統用于電解含氚水，獲得氚濃集水相和貧氚氫氣;其包括SPE電解池模塊I和直流電源7。如圖2所示，所述的SPE電解池模塊I包括依次疊加組裝的陽極雙極板106、陽極密封圈107、陽極擴散層108、陽極催化層109、質子交換膜110、陰極催化層111、陰極擴散層112、陰極密封圈113和陰極雙極板114;所述陽極雙極板106連接陽極擴散層108的表面上刻有陽極雙極板流道115，且該雙極板流道中分別設有含氚水入口和水氧出口；所述陰極雙極板114連接陰極擴散層112的表面上也刻有陰極雙極板流道，且該雙極板流道只設有氫氣出口；所述的直流電源7正極連接陽極雙極板106，負極連接陰極雙極板106。本實施例中，擴散層、催化層和質子交換膜構成膜電極組件，是SPE電解池模塊的核心組件。而所述的密封圈優選高彈性、耐腐蝕的硅橡膠密封圈，厚度優選0.5?1_，同時雙極板上設置密封圈緩沖槽，與密封圈契合。
[0046]上述部件中，所述的陽極雙極板106和陰極雙極板114均優選采用鈦合金或其他耐腐蝕合金進行表面處理的不銹鋼制成。陽極擴散層108采用表面進行鍍鉭處理的不銹鋼網，陰極擴散層112優選燒結多孔鈦，保證通透性和耐久性。所述陽極催化層109采用IrO2催化劑，陰極催化層111采用Pt黑催化劑，陰極和陽極催化層均經噴涂工藝分別涂覆于質子交換膜110兩側，該質子交換膜110作為傳遞H+的介質，采用全氟磺酸膜，本實施例優選杜邦公司生產的Naf 1n 111膜。
[0047]此外，作為本實用新型的另一主要改進點，如圖3所示，本實施例中，所述的雙極板流道包括由不少于五折(本實施例采用五折)的復合流道從上往下依次彎折連接構成、用于含氚水在其中流動的蛇形通道。每折復合流道(深度優選1.2?2.0mm)的前后兩端均設有呈點狀矩陣結構設計的圓柱體群群101(矩陣中的圓柱體群呈60°角交錯的方式分布，圓柱直徑優選2mm)，并且，在每折復合流道上、且位于兩端圓柱體群之間均設有呈交錯方式分布、并將復合流道由上往下分成N條平行流道103的平行流道脊102(寬度為1.5?2.0mm)，同時，相鄰的平行流道脊之間均設有用于連通相鄰兩條平行流道、以便平衡復合流道中的流體壓力和流速的貫通口 104。
[0048]此外，所述的復合流道由上往下，其平行流道的條數按照等差的方式依次遞減，本實施例中，最上方的復合流道有108條平行流道，往下的復合流道依次等差遞減一條平行流道，即最下方的復合流道有4條平行流道。并且，除最底部一折復合流道外的其他復合流道中的最下方平行流道，其寬度均比其他平行流道寬50%，而最底部的復合流道中的所有平行流道的寬度均與其他復合流道中的最下方平行流道寬度相同。
[0049]另外，由于采用了蛇形通道的設計結構，為降低流道變向時的流體沿程壓降，每折復合流道中用于使流體轉向的端部均設有光滑過渡圓倒角105。
[0050]所述含氚水供應系統用于向SPE電解池模塊供應含氚水，并將SPE電解后未達到氚濃縮指標的含氚水循環引入SPE電解池模塊中繼續處理。該含氚水供應系統栗出口包括與SPE電解池上的含氚水入口連接的計量栗6，出水口與該計量栗6栗入口連接的待處理含氚水儲罐4，以及栗出口與該含氚水儲罐4進水口連接的水循環栗16。并且，所述的含氚水儲罐4還連接有用于補充含氚水的管路，包括第一液相閥門2和第一液相質量流量計3，通過水循環栗16和第三液相閥門17連接循環水箱15，實現濃度未達標含氚水和冷凝系統冷凝含氚水的循環處理。
[0051]所述氣液分離器11通過氣液兩相閥門10與SPE電解池模塊中的水氧出口連接，并且還分別與氚水收集系統、氧氣干燥系統連接，用于將SPE電解池模塊流出的富氚水和氧氣兩相混合物進行氣液分離，使氧氣進入氧氣干燥系統，富氚水進入氚水收集系統。
[0052]所述氚水收集系統用于檢測由氣液分離系統流出的富氚水濃度，收集達到濃集指標的含氚水，并將濃度未達標的含氚水循環輸入含氚水供應系統。該氚水收集系統包括進水口與氣液分離器11連接、用于收集未達標含氚水(經第二液相閥門13傳輸)的循環水箱15，以及進水口與氣液分離器11連接、用于收集富氚水(經第四液相閥門18傳輸)的產品氚水儲罐19;所述循環水箱15出水口與水循環栗16的栗入口連接。此外，產品氚水儲罐19還連接第二液相質量流量計21和第五液相閥門22，用于向外輸出富氚水。
[0053]所述氫氣干燥系統用于干燥由SPE電解池模塊中的氫氣出口流出的貧氚氫氣。該氫氣干燥系統包括均與氫氣出口連接、且呈并聯關系的第一分子篩干燥床26和第二分子篩干燥床30，設置在第一分子篩干燥床26上用于對其進行加熱的第一分子篩干燥床加熱器25，設置在第二分子篩干燥床30上用于對其進行加熱的第二分子篩干燥床加熱器29，同時與第一和第二分子篩干燥床連接的第一氣體壓縮機34和第一氣體加熱器38，同時與第一分子篩干燥床26和第二分子篩干燥床30連接、用于活化時除去分子篩干燥床中的水蒸氣的第一冷凝器43，與第一冷凝器43連接的第一氣體循環栗44，以及連接于管路中的氣相閥門24、27、28、31、33、36、39、40、41、42。
[0054]所述氧氣干燥系統用于干燥氣液分離后的氧氣，除去氧氣中的水蒸氣，并向產品氧氣收集儲罐輸入合格氧氣產品。該氧氣干燥系統包括與氣液分離系統連接、且呈并聯關系的第三分子篩干燥床63和第四分子篩干燥床67，設置在第三分子篩干燥床63上用于對其進行加熱的第三分子篩干燥床加熱器62，設置在第四分子篩干燥床67上用于對其進行加熱的第二分子篩干燥床加熱器66，同時與第三和第四分子篩干燥床連接的第二氣體壓縮機71和第二氣體加熱器74，同時與第三和第四分子篩干燥床連接、用于活化時除去分子篩干燥床中的水蒸氣的第二冷凝器79，與第二冷凝器79連接的第二氣體循環栗80，以及連接于管路中的氣相閥門61、64、65、68、70、72、75、76、77、78。所述第二氣體壓縮機71與產品氧氣收集儲罐86。
[0055]所述氫氣收集系統用于將氚濃度檢測后的貧氚氫氣進行分流處理，并分別收集氚濃度達到指標和未達到指標的氫氣。該氫氣收集系統包括均與第一氣體壓縮機34連接的用于收集氣含量指標的氫氣的產品氫氣儲罐46和用于收集未達標氫氣的未達標氫氣儲罐51。并且，所述產品氫氣儲罐46連接有第一氣體質量流量計48和第十二氣相閥門49向外輸出產品，所述未達標氫氣儲罐51通過第二氣體質量流量計53和第十四氣相閥門54向外輸出。
[0056]所述產品氧氣收集儲罐86用于存儲干燥后的氧氣，本實施例中，干燥氧氣通過第二五氣相閥門85通入產品產品氧氣收集儲罐86，產品氧氣收集儲罐86連接第三氣體質量流量計88和第二六氣相閥門89向外輸出產品。
[0057]所述冷凝系統包括與第一冷凝器43連接、用于對其進行冷卻的第一冷水機56，與第二冷凝器79連接、用于對其進行冷卻的第二冷水機82，用于將冷凝器冷卻所得的含氚水輸入氚水收集系統的第三液相質量流量計59，以及液相閥門55、57、58、81、83和84。
[0058]所述檢測和控制系統用于檢測和控制系統的壓力、液位、濕度和氚濃度，并針對電解池氫氣泄露事故進行緊急斷電處理。該檢測和控制系統包括與待處理含氚水儲罐4連接的第一液位儀5，與循環水箱15連接的第二液位儀14，與產品氚水儲罐19連接的第三液位儀20，與產品氫氣儲罐46連接的第一壓力傳感器47，與未達標氫氣儲罐51連接的第二壓力傳感器52，與產品氧氣收集儲罐86連接的第三壓力傳感器87，連接在電解池陰極雙極板氫氣出口和第一、第二分子篩干燥床之間的第一露點儀23，連接在第一、第二分子篩干燥床和第一氣體壓縮機34之間連接的第二露點儀32，連接在第一氣體循環栗44尾端的第三露點儀37，連接在氣液分離器11和第三、第四分子篩干燥床之間的第四露點儀60，連接在第三、第四分子篩干燥床和第二氣體壓縮機71之間連接的第五露點儀69，連接在第二氣體循環栗80尾端的第六露點儀73，與SPE電解池模塊連接、用于檢測工藝操作環境的氫氣報警器9，以及用于檢測氣液分離器后富氚水濃度的磁質譜儀12、用于測量氫氣氚含量的四極質譜儀35和用于在氫氣泄露時停止向SPE電解池模塊供電的繼電器8。
[0059]按照上述系統結構，下面對本實用新型的工作流程進行詳細介紹:
[0060](I)對系統進行保壓測試和調試，確保達到操作要求；
[0061](2)對氫氣輸運管路和存儲容器進行抽真空處理，直至真空度達到5Pa以下；
[0062](3)向待處理含氣水儲罐中輸入足量的待處理含氣水；
[0063](4)向SPE電解池模塊的陽極雙極板輸入含氚水，待膜組件得到充分潤濕后接通直流電源；
[0064](5)電位作用下含氚水在陽極催化層上電解為氧氣和質子，氧氣經陽極擴散層回到陽極雙極板的雙極板流道中，質子則穿過質子交換膜，在陰極催化層作用下還原為氫氣；而未電解的水和電解產生的氧氣則從陽極雙極板的雙極板流道的水氧出口引出，并通入氣液分離器進行分離；
[0065](6)分離后的氧氣經干燥后進入產品氧氣收集儲罐中儲存，而達到氚富集指標的含氚水則進入產品氚水儲罐，未達標的含氚水引入到循環水箱；
[0066](7)陰極雙極板上的雙極板流道中富集的含氚氫氣在氫氣出口引出，然后經干燥后，達到氚含量指標的氫氣進入產品氫氣儲存罐中儲存，未達標的含氚氫氣則進入到未達標氫氣儲罐；
[0067](8)當待處理含氚水儲罐液位低于5cm時，通過水循環栗將未達到氚濃度指標的氚水以及冷凝系統冷凝的含氚水輸入待處理含氚水儲罐，或從外部引入含氚水；
[0068](9)按步驟(4)?(8)所述方式進行循環。
[0069]在上述采集數據過程中，實時采集對比工作分子篩干燥床前后的露點儀數據，如果第二露點儀32或第五露點儀69達到-30度，則停用該分子篩干燥床，同時將待干燥氣體切換到另一根分子篩干燥床，并對前者其進行加熱除水活化。
[0070]本實施例中，以上所述的工藝系統中，氣體閥門均為氣體隔膜閥，液體閥門均為液體球閥，保證準確控制氣體和液體流動的同時，確保系統運行的穩定性。
[0071 ]圖4為本實用新型分別使用第一分子篩干燥床和第三分子篩干燥床干燥氫氣和氧氣的工作原理圖。圖5為本實用新型分別使用第二分子篩干燥床和第四分子篩干燥床干燥氫氣和氧氣的工作原理圖。以圖4為例，描述氫氣干燥系統在開啟第一分子篩干燥床26干燥氫氣后，對第二分子篩干燥床30活化的工藝:
[0072](I)開啟第一氣體加熱器38、第一冷凝器43和第一氣體循環栗44，開啟第二分子篩干燥床加熱器29并設置溫度350 °C ；
[0073](2)開啟第六氣相閥門36引入定量第一氣體壓縮機34或氫氣收集系統輸出的貧氚氫氣后再關閉；
[0074](3)第一氣體加熱器38加熱后的貧氣氫氣，在第二分子篩干燥床30中將分子篩的吸附水汽化；
[0075](4)水蒸汽和貧氚氫氣流入第一冷凝器43中冷凝，水蒸汽冷凝為液態水并輸入循環水箱15，而貧氚氫氣經第一氣體循環栗44加壓后循環進入第一氣體加熱器38;
[0076](5)循環步驟(3)、(4)，直至第三露點儀37示數降至-90度，關閉第二分子篩干燥床加熱器29、第一氣體加熱器38、第一冷凝器43和第一氣體循環栗44，經四極質譜儀35檢測達到濃度指標的含氣氫氣回流至產品氫氣產品罐46，否則輸入未達標氫氣儲罐51 ；
[0077](6)完成第二分子篩干燥床30的預熱去水活化，等待第一分子篩干燥床26除水能力下降直至第二露點儀32達到-30度后，切換使用第二分子篩干燥床30進行干燥，而同時活化第一分子篩干燥床26。
[0078]本實用新型通過合理的結構設計，不僅可以快速、準確地控制電解后富氚水的氚含量，而且顯著提高了氚富集的效率。因此，本實用新型技術進步十分明顯，將氚富集系統及工藝的設計提升到了一個新的高度。
[0079]上述實施例僅為本實用新型的優選實施方式之一，不應當用于限制本實用新型的保護范圍，凡在本實用新型的主體設計思想和精神上作出的毫無實質意義的改動或潤色，其所解決的技術問題仍然與本實用新型一致的，均應當包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種用于氚濃集的SPE電解系統，其特征在于:包括電解池系統、含氚水供應系統、氣液分離器(11)、氚水收集系統、氫氣干燥系統、氧氣干燥系統、氫氣收集系統、產品氧氣收集儲罐(86)、冷凝系統以及檢測和控制系統;其中: 所述電解池系統用于電解含氚水，獲得氚濃集水相和貧氚氫氣;其包括SPE電解池模塊(I)和直流電源(7)，所述的SPE電解池模塊(I)包括依次疊加組裝的陽極雙極板(106)、陽極密封圈(107)、陽極擴散層(108)、陽極催化層(109)、質子交換膜(110)、陰極催化層(111)、陰極擴散層(112)、陰極密封圈(113)和陰極雙極板(114);所述陽極雙極板(106)連接陽極擴散層(108)的表面上刻有陽極雙極板流道(115)，且該雙極板流道中分別設有含氚水入口和水氧出口；所述陰極雙極板(114)連接陰極擴散層(112)的表面上刻有陰極雙極板流道，且該雙極板流道只設有氫氣出口；所述的直流電源(7)正極連接陽極雙極板(106)，負極連接陰極雙極板(106); 所述含氚水供應系統與陽極雙極板上的雙極板流道中的含氚水入口連接，用于向SPE電解池模塊供應含氚水，并將SPE電解后未達到氚濃縮指標的含氚水循環引入SPE電解池模塊中繼續處理； 所述氣液分離器(11)分別與SPE電解池模塊中的水氧出口、氚水收集系統、氧氣干燥系統連接，用于將SPE電解池模塊流出的富氚水和氧氣兩相混合物進行氣液分離，使氧氣進入氧氣干燥系統，富氚水進入氚水收集系統； 所述氚水收集系統與含氚水供應系統連接，用于檢測由氣液分離系統流出的富氚水濃度，收集達到濃集指標的含氚水，并將濃度未達標的含氚水循環輸入含氚水供應系統； 所述氫氣干燥系統用于干燥由SPE電解池模塊中的氫氣出口流出的貧氚氫氣；其包括均與氫氣出口連接、且呈并聯關系的第一分子篩干燥床(26)和第二分子篩干燥床(30)，設置在第一分子篩干燥床(26)上用于對其進行加熱的第一分子篩干燥床加熱器(25)，設置在第二分子篩干燥床(30)上用于對其進行加熱的第二分子篩干燥床加熱器(29)，同時與第一和第二分子篩干燥床連接的第一氣體壓縮機(34)和第一氣體加熱器(38)，同時與第一分子篩干燥床(26)和第二分子篩干燥床(30)連接、用于活化時除去分子篩干燥床中的水蒸氣的第一冷凝器(43)，以及與第一冷凝器(43)連接的第一氣體循環栗(44);所述第一氣體壓縮機(34)與氫氣收集系統連接； 所述氧氣干燥系統用于干燥氣液分離后的氧氣，除去氧氣中的水蒸氣，并向產品氧氣收集儲罐輸入合格氧氣產品；其包括與氣液分離系統連接、且呈并聯關系的第三分子篩干燥床(63)和第四分子篩干燥床(67)，設置在第三分子篩干燥床(63)上用于對其進行加熱的第三分子篩干燥床加熱器(62)，設置在第四分子篩干燥床(67)上用于對其進行加熱的第二分子篩干燥床加熱器(66)，同時與第三和第四分子篩干燥床連接的第二氣體壓縮機(71)和第二氣體加熱器(74)，同時與第三和第四分子篩干燥床連接、用于活化時除去分子篩干燥床中的水蒸氣的第二冷凝器(79)，以及與第二冷凝器(79)連接的第二氣體循環栗(80);所述第二氣體壓縮機(71)與產品氧氣收集儲罐(86); 所述氫氣收集系統用于將氚濃度檢測后的貧氚氫氣進行分流處理，分別收集氚濃度達到指標和未達到指標的氣氣； 所述產品氧氣收集儲罐用于存儲干燥后的氧氣； 所述冷凝系統包括與第一冷凝器(43)連接、用于對其進行冷卻的第一冷水機(56)，與第二冷凝器(79)連接、用于對其進行冷卻的第二冷水機(82)，以及用于將冷凝器冷卻所得的含氚水輸入氚水收集系統的第三液相質量流量計(59); 所述檢測和控制系統與SPE電解池模塊、含氚水供應系統、氚水收集系統、氫氣干燥系統、氧氣干燥系統、氫氣收集系統、產品氧氣收集儲罐、冷凝系統連接，用于檢測和控制系統的壓力、液位、濕度和氚濃度，并針對電解池氫氣泄露事故進行緊急斷電處理。2.根據權利要求1所述的一種用于氚濃集的SPE電解系統，其特征在于:所述雙極板流道包括由不少于五折的復合流道從上往下依次彎折連接構成、用于流體在其中流動的蛇形通道;每折復合流道的前后兩端均設有呈點狀矩陣結構的圓柱體群(101)，并且，在每折復合流道上、且位于兩端圓柱體群之間均設有呈交錯方式分布、并將復合流道由上往下分成N條平行流道(103)的平行流道脊(102)，4<N，且相鄰的平行流道脊之間均設有用于連通相鄰兩條平行流道、以便平衡復合流道中的流體壓力和流速的貫通口(104);同時，所述的復合流道由上往下，其平行流道的條數按照等差的方式依次遞減。3.根據權利要求2所述的一種用于氚濃集的SPE電解系統，其特征在于，所述陽極雙極板流道上，所述的含氚水入口設置在該雙極板流道中最上方的復合流道的端部;所述的水氧出口設置在該雙極板流道中最下方的復合流道的端部;而所述陰極雙極板流道上，所述的氫氣出口設置在該雙極板流道中最下方的復合流道的端部。4.根據權利要求3所述的一種用于氚濃集的SPE電解系統，其特征在于，在陽極雙極板流道和陰極雙極板流道中，除最底部一折復合流道外的其他復合流道中的最下方平行流道，其寬度均比其他平行流道寬50%;同時，最底部的復合流道中的所有平行流道的寬度均與其他復合流道中的最下方平行流道寬度相同。5.根據權利要求4所述的一種用于氚濃集的SPE電解系統，其特征在于，每折復合流道中用于使流體轉向的端部均設有光滑過渡圓倒角(105)。6.根據權利要求1?5任一項所述的一種用于氚濃集的SPE電解系統，其特征在于，所述含氚水供應系統栗出口包括與SPE電解池上的含氚水入口連接的計量栗(6)，出水口與該計量栗(6)栗入口連接的待處理含氚水儲罐(4)，以及栗出口與該含氚水儲罐(4)進水口連接的水循環栗(16);所述含氚水儲罐(4)與檢測和控制系統連接;所述水循環栗(16)的栗入口與氚水收集系統連接。7.根據權利要求6所述的一種用于氚濃集的SPE電解系統，其特征在于，所述氚水收集系統包括進水口與氣液分離器(11)連接、用于收集未達標含氚水的循環水箱(15)，以及進水口與氣液分離器(11)連接、用于收集富氚水的產品氚水儲罐(19);所述循環水箱(15)出水口與水循環栗(16)的栗入口連接，且循環水箱(15)和產品氚水儲罐(19)均與檢測和控制系統連接。8.根據權利要求7所述的一種用于氚濃集的SPE電解系統，其特征在于，所述氫氣收集系統包括均與第一氣體壓縮機(34)連接的用于收集氚含量指標的氫氣的產品氫氣儲罐(46)和用于收集未達標氫氣的未達標氫氣儲罐(51);所述產品氫氣儲罐(46)和未達標氫氣儲罐(51)均與檢測和控制系統連接。9.根據權利要求8所述的一種用于氚濃集的SPE電解系統，其特征在于，所述檢測和控制系統包括與待處理含氚水儲罐(4)連接的第一液位儀(5)，與循環水箱(15)連接的第二液位儀(I4)，與產品氚水儲罐(19)連接的第三液位儀(20)，與產品氫氣儲罐(46)連接的第一壓力傳感器(47)，與未達標氫氣儲罐(51)連接的第二壓力傳感器(52)，與產品氧氣收集儲罐(86)連接的第三壓力傳感器(87)，連接在電解池陰極雙極板氫氣出口和第一、第二分子篩干燥床之間的第一露點儀(23)，連接在第一、第二分子篩干燥床和第一氣體壓縮機(34)之間連接的第二露點儀(32)，連接在第一氣體循環栗(44)尾端的第三露點儀(37)，連接在氣液分離器(11)和第三、第四分子篩干燥床之間的第四露點儀(60)，連接在第三、第四分子篩干燥床和第二氣體壓縮機(71)之間連接的第五露點儀(69)，連接在第二氣體循環栗(80)尾端的第六露點儀(73)，與SPE電解池模塊連接、用于檢測工藝操作環境的氫氣報警器(9)，以及用于檢測氣液分離器后富氚水濃度的磁質譜儀(12)、用于測量氫氣氚含量的四極質譜儀(35)和用于在氫氣泄露時停止向SPE電解池模塊供電的繼電器(8)。
【文檔編號】G21F9/06GK205508421SQ201620335939
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月20日
【發明人】李佩龍, 何康昊, 楊雷, 周帥, 鄧立, 胡俊, 宋江鋒, 羅軍洪, 姚偉志, 王勁川, 殷雪峰
【申請人】中國工程物理研究院材料研究所