專(zhuān)利名稱(chēng)：以重水為原料制取特高純氘氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用重水生產(chǎn)特高純氘氣的生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
以重水為原料制取氘氣，傳統(tǒng)方法是通過(guò)濃縮重水、蒸餾除堿、氘氣制取等工藝方法獲得。雖有一些改進(jìn)措施，如采用低溫濃縮重水、用高真空抽吸設(shè)備處理管道上的殘留水膜、以及在干燥手套箱內(nèi)裝入重水和電解質(zhì)碳酸鉀等，依然沒(méi)有解決氘氣的純度取決于重水純度的問(wèn)題，氘氣的純度始終低于重水純度一個(gè)數(shù)量級(jí)，也就是說(shuō)要穩(wěn)定生產(chǎn)純度為99.99％的氘氣，重水的純度必須始終達(dá)到99.999％以上，因此利用現(xiàn)有方法獲得的重水很難滿(mǎn)足生產(chǎn)特高純氘氣的要求。同時(shí)，已有的生產(chǎn)過(guò)程仍存在著影響氘氣純度的因素如無(wú)隔膜電解槽的電解質(zhì)是碳酸鉀，電解后將槽液放出，借蒸餾把其中電解質(zhì)除去，蒸餾除堿階段是必不可少的，濃縮后的重水一定要通過(guò)加熱、沸騰、蒸餾和冷凝等許多過(guò)程后重新凝結(jié)為重水，在這個(gè)過(guò)程中，一方面蒸發(fā)和挾帶的損失過(guò)大，另一方面在如此溫差變化大的設(shè)備與管道中負(fù)壓操作，時(shí)常會(huì)影響重水的質(zhì)量；在低溫條件下電解，為了防止電解液結(jié)凍，必須大幅度提高碳酸鉀的濃度，碳酸鉀濃度提高后，其粘度成倍增長(zhǎng)，電解液的流動(dòng)性變得很差，分離氫同位素的分離系數(shù)降低，嚴(yán)重影響富集質(zhì)量和速度；氘氣發(fā)生器對(duì)氘氣質(zhì)量不能控制，氘氣質(zhì)量波動(dòng)直接影響產(chǎn)品的合格率，造成浪費(fèi)，大大提高成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種以重水為原料制取特高純氘氣的生產(chǎn)方法，用該方法可獲得濃度為99.99％-99.999％的特高純氘氣。
本發(fā)明提供了一種以重水為原料制取特高純氘氣的方法，采用低溫雙堿容方法制取氘氣，包括下列步驟A、設(shè)備干燥處理，利用干燥的氮?dú)庵脫Q設(shè)備與管道中的空氣、水汽和水膜，然后抽真空，進(jìn)一步去除內(nèi)壁上的水汽薄膜；B、配料，將重水和氫氧化鉀按1∶0.01-0.03的比例送入混合罐，混合后的電解液再送入無(wú)隔膜電解槽里；C、電解，電解液在-20℃～-10℃的溫度條件下在無(wú)隔膜電解槽里進(jìn)行減容電解，重水濃度達(dá)到99.99％時(shí)終止電解，電解產(chǎn)生的爆鳴氣經(jīng)冷凝和冷凍后回收利用；D、電解，電解液經(jīng)過(guò)濾后送入氧氣分離器，再?gòu)难鯕夥蛛x器送入隔膜電解槽，電解液溫度在-10℃～-5℃的溫度條件下再次進(jìn)行減容電解，當(dāng)氘氣濃度達(dá)到99.99％時(shí)進(jìn)行特高純氘氣生產(chǎn)；E、裝罐，合格的氘氣經(jīng)冷凝、冷凍、脫氧凈化和干燥處理后，灌充至鋼瓶。
隔膜電解槽產(chǎn)生的氣液混合物經(jīng)氧氣分離器和氘氣分離器分離，分離下來(lái)的電解液送入隔膜電解槽循環(huán)使用。
隔膜電解槽循環(huán)使用的電解液，其電解質(zhì)達(dá)到35％-45％高濃度時(shí)，終止電解，送入無(wú)隔膜電解槽循環(huán)使用。
采用兩臺(tái)無(wú)隔膜電解槽，其中一臺(tái)無(wú)隔膜電解槽進(jìn)行配料、裝料及進(jìn)行堿容電解，另一臺(tái)無(wú)隔膜電解槽將合格電解液放入已經(jīng)倒空的隔膜電解槽的氧氣分離器內(nèi)，進(jìn)行氘氣生產(chǎn)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下特點(diǎn)1、采用氫氧化鉀作為本發(fā)明的電解質(zhì)，無(wú)隔膜電解槽與隔膜電解槽兩個(gè)電解階段均能使用，并且隔膜電解槽的濃電解液可返回?zé)o隔膜電解槽循環(huán)使用，同時(shí)還省去了蒸餾除堿生產(chǎn)過(guò)程，大大縮短流程，減少吸濕、漏損損失，保證了電解氘氣的重水濃度與減容濃縮的重水濃度一致性，進(jìn)而確保氘氣質(zhì)量。
2、對(duì)原料重水進(jìn)行兩級(jí)低溫減容處理，無(wú)隔膜電解槽為一級(jí)低溫減容，隔膜電解槽為二級(jí)低溫減容。通過(guò)雙級(jí)低溫減容，生產(chǎn)純度為99.99％的氘氣，無(wú)隔膜電解槽濃縮重水的濃度不再達(dá)到99.999％以上，只要達(dá)到99.99％就可以了，這樣大大提高了濃縮重水的收率。運(yùn)用雙級(jí)低溫減容原料重水的消耗比單級(jí)低溫減容降低16％左右，縮短電解時(shí)間33％左右，另外可以省掉復(fù)雜的干燥手套箱設(shè)備和一級(jí)高真空泵，只需設(shè)置一級(jí)普通的真空泵。
3、在隔膜電解槽與氧氣、氘氣分離器之間的電解液可以循環(huán)使用。電解液循環(huán)使電解過(guò)程中產(chǎn)生的氘氣質(zhì)量始終平穩(wěn)均勻。由于電解液循環(huán)，能實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)控制，可以根據(jù)用戶(hù)的需求，生產(chǎn)多種規(guī)格的氘氣產(chǎn)品，氘氣純度從99.9％到99.996％，甚至能生產(chǎn)99.999％純度的氘氣。這樣，一方面大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量，另一方面節(jié)省大量投資(不消耗貴重金屬-鉑)和外匯(不引進(jìn)固體電解質(zhì)電解槽)。
4、本發(fā)明再生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品(氧氣和爆鳴氣)可以進(jìn)行加工利用。
5、該發(fā)明簡(jiǎn)化了操作，節(jié)省投資，降低成本，單位產(chǎn)品的成本比現(xiàn)有技術(shù)降低10％以上，提高了產(chǎn)量。


圖1是本發(fā)明的生產(chǎn)工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的生產(chǎn)過(guò)程為二個(gè)階段，第一階段是低溫雙減容制取氘氣，第二階段是爆鳴氣和氧氣回收。
1、低溫雙減容制取氘氣開(kāi)車(chē)前，先開(kāi)啟氮?dú)怃撈?127)，氮?dú)饨?jīng)氮?dú)飧稍锲?128)干燥后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行置換，除去設(shè)備和管道中的空氣、水汽和水膜，然后再開(kāi)啟高純氮?dú)怃撈?126)，繼續(xù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行置換，進(jìn)一步除去設(shè)備和管道上的水汽薄膜。置換合格后，開(kāi)啟真空泵(223)，對(duì)系統(tǒng)抽真空，除去氮?dú)夂蜌埓娴目諝?、水汽與水膜，經(jīng)檢查合格后開(kāi)車(chē)。開(kāi)車(chē)時(shí)，先開(kāi)啟雙溫冷凍機(jī)(125)，對(duì)系統(tǒng)的冷卻、冷凍設(shè)備進(jìn)行預(yù)冷。
將氫氧化鉀液體2-6kg灌入混合罐(102)，接著將原料罐(101)的低濃重水80-120kg吸入混合罐(102)，混合后將混合液吸入無(wú)隔膜電解槽(103)內(nèi)，當(dāng)槽內(nèi)液體溫度降到-20℃～-10℃時(shí)，通電電解，電壓為3-6伏。電解產(chǎn)生的爆鳴氣進(jìn)入爆鳴氣冷凝器(119)，冷凝溫度為0℃左右，凝結(jié)的液體返回電解槽內(nèi)，接著氣體進(jìn)入爆鳴氣冷凍器(120)，冷凍溫度為-20℃左右，形成的液體流入稀重水回收罐(121)，然后爆鳴氣進(jìn)入第二階段的爆鳴氣緩沖罐(201)。當(dāng)電解液的重水濃度達(dá)到99.99％時(shí)，電解終止。通常電解時(shí)間55-70小時(shí)。濃縮的電解液流經(jīng)過(guò)濾器(104)，除去電解時(shí)產(chǎn)生的殘?jiān)?，開(kāi)始先將無(wú)隔膜電解槽(103)放液口至出口閥之間的一段管內(nèi)沒(méi)有電解的液體放入乏水回收罐(124)，然后將濃縮電解液放入氧氣分離器(106)至液面計(jì)2/3處，開(kāi)啟電解液循環(huán)泵(108)，電解液流入隔膜電解槽(105)，待注滿(mǎn)后，通電電解，電解產(chǎn)生的氣液混合物進(jìn)入氧氣分離器(106)，分離下來(lái)的液體再進(jìn)入電解液循環(huán)泵(108)循環(huán)，氧氣則進(jìn)入氧氣干燥器(109)，然后送入第二階段的氧氣回收系統(tǒng)。電解產(chǎn)生的氘氣進(jìn)入氘氣分離器(107)，夾帶的電解液分離下來(lái)后也進(jìn)入電解液循環(huán)泵(108)循環(huán)使用，氘氣則進(jìn)入氘氣干燥器(110)，對(duì)干燥的氘氣進(jìn)行在線(xiàn)分析，不合格的氘氣送入乏氣回收罐(123)，然后再送入第二階段的爆鳴氣緩沖罐(201)，當(dāng)氘氣濃度達(dá)到99.99％時(shí)進(jìn)行特高純氘氣的生產(chǎn)，合格的氘氣流入氘氣冷凝冷凍器(111)，除去夾帶的水汽后進(jìn)入脫氧槽(112)、干燥器(113)除去微量氧和水汽，使其含量小于1PPm，然后進(jìn)入低壓貯罐(114)貯存，當(dāng)氣體壓力升至0.04 Mpa時(shí)，開(kāi)啟氘氣壓縮機(jī)(115)，將氘氣壓縮至15Mpa，送入高壓貯罐(116)，然后進(jìn)入氘氣灌充器(117)，充入純氘氣鋼瓶組(118)。產(chǎn)品氘氣純度為99.99％，最高可達(dá)99.999％。
無(wú)隔膜電解槽(103)配置兩臺(tái)，即a、b臺(tái)。隔膜電解槽(105)循環(huán)使用的電解液，當(dāng)電解質(zhì)達(dá)到35-45高濃度時(shí)，終止電解。隨后，高濃電解液經(jīng)電解液循環(huán)泵(108)打入混合罐(102)，經(jīng)配料后送入一臺(tái)無(wú)隔膜電解槽(103b)，進(jìn)行減容電解；另一臺(tái)無(wú)隔膜電解槽(103a)將合格電解液放入已經(jīng)倒空的隔膜電解槽(105)的氧氣分離器(106)內(nèi)，繼而進(jìn)行氘氣生產(chǎn)，采用兩臺(tái)無(wú)隔膜電解槽可以縮短停機(jī)時(shí)間，保證生產(chǎn)的連續(xù)性。
另外，氘氣冷凝冷凍器(111)凝結(jié)的重水流入濃重水回收罐(122)，再返回電解液循環(huán)系統(tǒng)。稀重水回收罐(121)和乏水回收罐(124)，回收的稀重水送入第二階段的合成重水回收槽(210)。空氣干燥器(129、130)用于在系統(tǒng)卸負(fù)壓時(shí)灌入干燥空氣，以避免大氣中的濕汽進(jìn)入系統(tǒng)。
2、爆鳴氣和氧氣回收在無(wú)隔膜電解槽電解過(guò)程中產(chǎn)生的爆鳴氣，由于爆鳴氣中含有大量的氘氣，回收利用可降低成本。爆鳴氣從第一階段的爆鳴氣冷凍器(120)進(jìn)入本階段的爆鳴氣緩沖罐(201)，經(jīng)過(guò)爆鳴氣水封槽(202)防止爆炸氣體倒流，再經(jīng)阻火器(203)防止回火，在爆鳴氣中充入氮?dú)?，氮?dú)鈦?lái)自氮?dú)怃撈?127)，并經(jīng)氮?dú)飧稍锲?128)干燥，爆鳴氣和氮?dú)饣旌虾筮M(jìn)入三管式合成反應(yīng)器(204)，同時(shí)補(bǔ)充一定數(shù)量的空氣，空氣來(lái)自空氣壓縮機(jī)(206)，經(jīng)空氣貯罐(207)，也進(jìn)入三管式合成反應(yīng)器(204)。三管式合成反應(yīng)器(204)由噴咀、混合室、三管式器體和集氣室四部分組成，而三管式器體由三根管組成，通過(guò)管板與法蘭連接混合室和集氣室，三管式器體又分阻火層和催化層，阻火層里裝有細(xì)粒的石英砂，以防止回火，阻火層由小花板支撐，阻火層上方為催化層，里面裝有催化劑。為了保證合成反應(yīng)正常進(jìn)行，應(yīng)先將三管式合成反應(yīng)器(204)用加熱爐(205)加熱至100℃以上，避免由于合成反應(yīng)生成的水蒸汽冷凝在催化劑上，使催化劑失效。進(jìn)入三管式合成反應(yīng)器(204)的爆鳴氣與氮?dú)饣旌蠚夂涂諝庥蓢娋讎姵?，在混合室?nèi)充分混合，然后分別進(jìn)入三根反應(yīng)管，混合氣在一定的溫度條件和催化劑的作用下，合成水蒸汽，并在集氣室匯合，出反應(yīng)器后進(jìn)入水冷卻器(208)，然后進(jìn)入合成氣冷凝冷凍器(209)，蒸汽凝結(jié)為重水流入合成重水回收槽(210)，尾氣排放，尾氣主要是氮?dú)夂瓦^(guò)剩的空氣，氘氣含量只有100PPm以下。合成重水回收槽(210)的稀重水存儲(chǔ)至液面計(jì)2/3處，送入三管式真空蒸餾塔(211)塔釜。三管式真空蒸餾塔(211)是間歇操作，主要由塔釜和塔管組成，三根塔管并立在同一塔釜上，塔管內(nèi)裝有θ形網(wǎng)環(huán)填料。塔頂蒸汽由三個(gè)冷凝器(213，214，215)分別冷凝，各自回流，即三根塔管在塔釜內(nèi)的液體是相互混合的，塔頂蒸汽和回流液各自分開(kāi)，互不混合。稀重水加入塔內(nèi)后，浸泡24小時(shí)，稱(chēng)為泡塔。泡塔完成后，開(kāi)啟真空泵(223)，經(jīng)真空緩沖罐(222)，將穩(wěn)壓罐(221)抽真空，使塔頂真空度為90.7kPa，塔底為76.0kPa。接通蒸汽，調(diào)好溫度，使釜底加熱至70℃。釜內(nèi)重水受熱變成蒸汽，經(jīng)冷凝器(213，214，215)凝結(jié)的水從高位槽(216，217，218)經(jīng)回流管返回塔頂回流液入口處，利用U形回流管的液位差各自自動(dòng)回流，各個(gè)回流管回流下來(lái)的水，沿導(dǎo)鏈經(jīng)塔釜空間迅速下流，與釜中水混合，再進(jìn)行精餾。在每一周期開(kāi)始，塔全回流運(yùn)行，當(dāng)塔頂冷凝液中重水濃度監(jiān)測(cè)不出時(shí)，便可改為部分回流，連續(xù)抽提殘液，直到塔釜重水濃度符合要求，終止蒸餾。將塔釜中合格的重水吸入富液收集槽(212)存儲(chǔ)，然后返回第一階段再濃縮。在這同時(shí)，從高位槽(216，217，218)抽出的氣體，經(jīng)冷凍干燥器(219)，脫去水汽并一起流向貧液收集器(220)，液體貯存，氣體從上部排出，經(jīng)穩(wěn)壓罐(221)穩(wěn)壓后，在經(jīng)真空緩沖罐(222)，吸入真空泵(223)，氣體排放。
由隔膜電解槽(105)產(chǎn)生的氧氣經(jīng)氧氣分離器(106)、氧氣干燥器(109)，進(jìn)入本階段的氧氣冷凝冷凍器(224)，脫去水汽的氧氣進(jìn)入脫氫槽(225)，在經(jīng)氧氣干燥器(226)，凈化后的氧氣進(jìn)入氧氣低壓貯槽(227)，當(dāng)氣體壓力升至0.04Mpa時(shí)，開(kāi)啟氧氣壓縮機(jī)(228)，將氧氣壓縮至15Mpa，送入氧氣高壓貯槽(229)，然后進(jìn)入氧氣灌充器(230)，充入純氧氣鋼瓶組(231)。付產(chǎn)品氧氣的純度為99.9％。另外，經(jīng)氧氣冷凝冷凍器(224)凝結(jié)的淡重水流入淡重水回收槽(232)。
權(quán)利要求
1.一種以重水為原料制取特高純氘氣的方法，其特征在于采用低溫雙堿容方法制取氘氣，包括下列步驟A、設(shè)備干燥處理，利用干燥的氮?dú)庵脫Q設(shè)備與管道中的空氣、水汽和水膜，然后抽真空，進(jìn)一步去除內(nèi)壁上的水汽薄膜；B、配料，將重水和氫氧化鉀按1∶0.01-0.03的比例送入混合罐，混合后的電解液再送入無(wú)隔膜電解槽里；C、電解，電解液在-20℃～-10℃的溫度條件下在無(wú)隔膜電解槽里進(jìn)行減容電解，重水濃度達(dá)到99.99％時(shí)終止電解，電解產(chǎn)生的爆鳴氣經(jīng)冷凝和冷凍后回收利用；D、電解，電解液經(jīng)過(guò)濾后送入氧氣分離器，再?gòu)难鯕夥蛛x器送入隔膜電解槽，電解液溫度在-10℃～-5℃的溫度條件下再次進(jìn)行減容電解，當(dāng)氘氣濃度達(dá)到99.99％時(shí)進(jìn)行特高純氘氣生產(chǎn)；E、裝罐，合格的氘氣經(jīng)冷凝、冷凍、脫氧凈化和干燥處理后，灌充至鋼瓶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以重水為原料制取特高純氘氣的方法，其特征在于隔膜電解槽產(chǎn)生的氣液混合物經(jīng)氧氣分離器和氘氣分離器分離，分離下來(lái)的電解液送入隔膜電解槽循環(huán)使用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以重水為原料制取特高純氘氣的方法，其特征在于隔膜電解槽循環(huán)使用的電解液，其電解質(zhì)達(dá)到35％-45％高濃度時(shí)，終止電解，送入無(wú)隔膜電解槽循環(huán)使用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以重水為原料制取特高純氘氣的方法，其特征在于采用兩臺(tái)無(wú)隔膜電解槽，其中一臺(tái)無(wú)隔膜電解槽進(jìn)行配料、裝料及進(jìn)行堿容電解，另一臺(tái)無(wú)隔膜電解槽將合格電解液放入已經(jīng)倒空的隔膜電解槽的氧氣分離器內(nèi)，進(jìn)行氘氣生產(chǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以重水為原料制取特高純氘氣的方法，采用低溫雙減容方法制取氘氣，將重水和氫氧化鉀按1∶0.01－0.03的比例混合，混合后的電解液在－20℃～－10℃的溫度條件下在無(wú)隔膜電解槽里進(jìn)行減容電解，重水濃度達(dá)到99.99％時(shí)終止電解，然后在隔膜電解槽內(nèi)進(jìn)行減容電解，電解液溫度在－10℃～－5℃，當(dāng)氘氣濃度達(dá)到99.99％時(shí)進(jìn)行特高純氘氣生產(chǎn)。其特點(diǎn)采用氫氧化鉀作為本發(fā)明的電解質(zhì)，無(wú)隔膜電解槽與隔膜電解槽兩個(gè)電解階段均能使用，并且可循環(huán)使用，省去了蒸餾除堿生產(chǎn)過(guò)程，大大縮短流程，節(jié)省投資，降低成本。
文檔編號(hào)C01B4/00GK101092704SQ20061004701
公開(kāi)日2007年12月26日 申請(qǐng)日期2006年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月20日
發(fā)明者李尚武, 徐經(jīng)宇 申請(qǐng)人:柯香文