專利名稱：以重水為原料制取超高純氘氣的生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用重水生產(chǎn)超高純氘氣的生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
以重水為原料制取氘氣，主要是通過(guò)濃縮重水、蒸餾除堿、氘氣制取等工藝方法獲得。由于氘氣的純度取決于重水的純度，只有提高重水的濃度才能獲得高純氘氣。目前，對(duì)于重水的提濃是先將低于90％濃度的重水通過(guò)蒸餾法濃縮，濃度高于90％的用減容電解法濃縮，最終制得的重水濃度在99.6％左右，因此利用現(xiàn)有方法獲得的重水很難滿足生產(chǎn)高純氘氣的要求。同時(shí)，在上述生產(chǎn)過(guò)程還存在著影響氘氣純度的因素，如在常溫下進(jìn)行電解，其分離氫同位素的分離系數(shù)較低，蒸發(fā)和挾帶損失過(guò)大，影響富集質(zhì)量和速度；在開放的條件下配料，重水會(huì)受環(huán)境濕度的影響而吸濕氣，降低重水濃度；電解濃縮重水和蒸餾除堿的生產(chǎn)為間歇式操作，每次啟動(dòng)，設(shè)備內(nèi)的濕空氣以及附著在壁上的水汽薄膜都對(duì)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生影響。

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超高純氘氣的生產(chǎn)方法，用該方法可獲得濃度為99.99％以上的氘氣。
本發(fā)明以重水為原料制取超高純氘氣主要包括下列步驟1、低溫濃縮重水階段 先對(duì)該階段所用設(shè)備及管線抽真空，去除設(shè)備中的水汽薄膜，然后在干燥手套箱內(nèi)將重水和電解質(zhì)送入混合器內(nèi)混合，混合后的電解液通過(guò)真空抽吸方法吸入減容電解槽內(nèi)，對(duì)電解液進(jìn)行低溫處理，電解液溫度在-19℃-1℃的條件下進(jìn)行電解，使重水濃度達(dá)到99.999％，電解終止，電解產(chǎn)生的爆鳴氣送入回收階段的合成反應(yīng)器內(nèi)；2、蒸餾除堿階段 先對(duì)該階段所用設(shè)備及管線抽真空，去除設(shè)備內(nèi)的水汽薄膜，然后將電解槽內(nèi)的殘液放進(jìn)蒸餾器，加熱至沸騰，蒸餾獲得重水，蒸餾結(jié)束后去除殘存在蒸餾器內(nèi)的電解質(zhì)；3、氘氣制取階段 先對(duì)該階段所用設(shè)備及管線抽真空，去除設(shè)備內(nèi)的水汽薄膜，然后將蒸餾獲得的重水送入氘氣發(fā)生器的電解槽，電解產(chǎn)生氘氣，并對(duì)氘氣進(jìn)行冷凍、干燥處理，然后壓縮、灌充至鋼瓶?jī)?nèi)；4、回收階段 先對(duì)該階段所用設(shè)備及管線抽真空，與第一階段同步進(jìn)行，然后將第一階段電解重水產(chǎn)生的爆鳴氣經(jīng)冷凝、冷凍后，進(jìn)行催化合成反應(yīng)，生成重水蒸汽，冷凝為重水后回收，尾氣放空；5、蒸餾階段 開車前先對(duì)該階段所用設(shè)備及管線抽真空，然后將第四階段回收的稀重水進(jìn)行蒸餾，蒸餾開始為全回流運(yùn)行，然后再進(jìn)行部分回流運(yùn)行，當(dāng)塔底存留液重水濃度達(dá)到99.6％時(shí)，蒸餾終止，蒸餾獲得的重水送入第一階段再濃縮。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下特點(diǎn)1、電解濃縮重水在低溫條件下進(jìn)行，可以減小電解槽內(nèi)電阻，有利于電解液循環(huán)混合，顯著提高分離系數(shù)，降低蒸發(fā)和挾帶損失，因此可獲得超高濃度的重水，即99.999％濃度的重水；2、對(duì)設(shè)備及管線進(jìn)行真空處理，避免了因間歇式操作及首次啟動(dòng)設(shè)備時(shí)，殘存的空氣和附著的水汽薄膜對(duì)原料及產(chǎn)品的稀釋，保證原料及產(chǎn)品的純度，從而獲得超高純氘氣；3、重水與電解質(zhì)的配制在干燥手套箱內(nèi)進(jìn)行，干燥手套箱內(nèi)的相對(duì)濕度(20℃)為1×10-5％，防止了重水在配料過(guò)程中被濕氣稀釋；4、對(duì)排除的廢料進(jìn)行回收處理再利用，降低了成本，原料的利用率接近100％；5、以重水為原料，通過(guò)該方法生產(chǎn)的氘氣，其純度為99.99％以上。


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)程為五個(gè)階段，第一階段是用低溫減容電解方法濃縮重水。先對(duì)該階段的設(shè)備抽真空，包括干燥手套箱(39)和管線。合格后，再往干燥手套箱里通干燥氮?dú)?，保持干燥手套箱里正壓。配料，將所需的碳酸鉀放進(jìn)恒溫干燥箱(2)里干燥，合格后送入干燥手套箱里。再將重水罐(1)送入箱內(nèi)，打開混合器(3)的粉料進(jìn)口，用漏斗將碳酸鉀倒入后關(guān)閉進(jìn)口。然后打開重水罐的蓋，換上帶吸管的蓋，吸管的另一端與混合器(3)的液體進(jìn)口連接，利用真空吸入法將重水罐的重水吸入混合器，每個(gè)重水罐均按此方法的操作，達(dá)到額定數(shù)量后卸下連接管并把液體進(jìn)口關(guān)閉。待碳酸鉀完全溶于重水后用真空吸入法將混合器的電解液吸入附帶冷凍設(shè)備的低溫?zé)o隔膜減容電解槽(4)內(nèi)，吸盡后關(guān)閉進(jìn)口閥。開冷凍機(jī)(33)，將無(wú)隔膜減容電解槽內(nèi)液體溫度降到-10℃左右，通電電解，電壓為3-6伏，電解時(shí)放出的爆鳴氣流入混合氣冷凝器(17)，冷凝器溫度為1℃左右，形成的液體返回電解槽，冷凝后的氣體進(jìn)入混合氣冷凍器(18)，溫度為-20℃左右，形成的液體流入重水回收槽(37)，爆鳴氣進(jìn)入第四階段的回收設(shè)備中。電解液的重水濃度達(dá)到99.999％時(shí)，電解終止，通常電解時(shí)間在86-106小時(shí)。
第二階段為蒸餾除堿，該階段是間歇操作，每次裝料和開車前先對(duì)蒸餾器、管道等設(shè)備抽真空，真空度為1×10-6-1×10-8托，去除設(shè)備內(nèi)的水汽薄膜，然后，將提濃后的電解液送入純化蒸餾器(5)。打開純化蒸餾器加熱器的電源開關(guān)，進(jìn)行加熱至沸騰，產(chǎn)生的蒸汽連續(xù)移出至冷凝器(6)并在超高純重水收集槽(7)貯存?zhèn)溆?。蒸餾除堿為負(fù)壓操作，蒸餾器內(nèi)液體蒸干后立即停車。蒸餾器冷卻后其殘存碳酸鉀垢用脫鹽水洗凈除去。
第三階段為制取氘氣，它是連續(xù)操作的，其關(guān)鍵設(shè)備是氘氣發(fā)生器(8)，氘氣發(fā)生器電解槽包括金屬陽(yáng)極和金屬陰極，兩極是由多氟聚合物的膜分開的。陽(yáng)極是鉑族金屬，陰極使用Ir、鉑黑、Pt-Pb合金、WC或其他材料，多氟聚合物的膜是全氟化碳氯化磺酰共聚物。在裝料和開車前應(yīng)對(duì)設(shè)備和管線抽真空，真空度達(dá)到1×10-6-1×10-8托后，打開氘氣發(fā)生器重水入口閥，往氘氣發(fā)生器的電解槽里灌入通過(guò)蒸餾獲得的重水，接通電源，氘氣發(fā)生器生產(chǎn)高純氘氣，高純氘氣進(jìn)入氘氣冷凝冷凍器(9)，除去夾帶液滴和水汽后的氘氣進(jìn)入脫氧器(10)和氘氣干燥器(11)，除去微量氧和水汽，其含量均小于1ppm，然后進(jìn)入氘氣貯槽(12)貯存，貯存一定量后開啟氘氣壓縮機(jī)(13)，將氘氣壓縮至15Mpa，進(jìn)入氘氣緩沖罐(14)，再進(jìn)入氘氣灌充器(15)，充入鋼瓶(16)。氘氣冷凝冷凍器冷凝的重水流入超高純重水收集槽(38)，再返回氘氣發(fā)生器。
第四階段是排放物的回收，應(yīng)用催化和稀釋相結(jié)合的合成法回收第一階段在電解過(guò)程中產(chǎn)生的爆鳴氣，由于爆鳴氣含有大量氘，回收利用可降低成本。回收階段是間歇操作，本階段對(duì)所用設(shè)備進(jìn)行真空處理是與第一階段同步進(jìn)行的，設(shè)備真空度為1×10-2-1×10-4托，這樣，第一階段電解產(chǎn)生的爆鳴氣可直接經(jīng)過(guò)混合氣冷凝器、混合氣冷凍器進(jìn)入止逆器(19)，防止爆炸氣體倒流，經(jīng)過(guò)阻火器(20)防止回火，在進(jìn)入合成反應(yīng)器前，在爆鳴氣中混入氮?dú)?，氮?dú)鈦?lái)自高純氮?dú)怃撈?34)，并經(jīng)氮?dú)飧稍锲?35)干燥，同時(shí)補(bǔ)充少量空氣，空氣來(lái)自空氣鋼瓶(36)，混合氣進(jìn)入合成反應(yīng)器(21)，經(jīng)催化合成反應(yīng)生成重水蒸汽，蒸汽進(jìn)入冷凝冷凍器(22)，蒸汽冷凝為重水流入合成液貯槽(23)。尾氣放空，尾氣為氮?dú)?、氧氣，氘氣含量只?00PPm以下。稀重水貯存到一定量后送入第五階段進(jìn)行處理。
合成反應(yīng)器是由噴咀和爐體兩部分組成。而爐體由混合室、阻火層和合成室三部分組成，噴咀設(shè)在混合室的下方，由噴嘴噴出的氣體在混合室充分混合，混合室上方的阻火層里裝有細(xì)粒的石英砂以防止回火，阻火層由花板支撐，阻火層上方為合成室，里面裝有催化劑，進(jìn)入的氣體在一定的溫度條件和催化劑的作用下，合成重水蒸汽。
第五階段為蒸餾濃縮重水，為間歇操作，它將第四階段回收的稀重水進(jìn)行蒸餾，進(jìn)料液濃度為60-80％，開車前對(duì)設(shè)備及管線抽真空，蒸餾開始為全回流運(yùn)行，當(dāng)從蒸餾塔頂殘液中測(cè)不出重水濃度時(shí)，改為部分回流運(yùn)行，當(dāng)塔底存留液重水濃度達(dá)到99.6％時(shí)，同時(shí)塔頂殘液濃度為0.04％(包含天然氘豐度0.015％)時(shí)，蒸餾終止，蒸餾獲得的重水送入第一階段再濃縮。整個(gè)蒸餾系統(tǒng)為負(fù)壓操作。所用設(shè)備為蒸餾塔(24)、冷凝器(26)、用于回流或排放的高位槽(27)、冷凍干燥器(28)、貯存濃重水的收集槽(25)、貯存稀重水的收集器(29)、穩(wěn)壓罐(30)、緩沖罐(31)，和高真空泵(32)。
權(quán)利要求
1.以重水為原料制取超高純氘氣的生產(chǎn)方法，其特征在于該方法包括下列步驟A、低溫濃縮重水階段 先對(duì)該階段所用設(shè)備及管線抽真空，去除設(shè)備中的水汽薄膜，然后在干燥手套箱內(nèi)將重水和電解質(zhì)送入混合器內(nèi)混合，混合后的電解液通過(guò)真空抽吸方法吸入減容電解槽內(nèi)，對(duì)電解液進(jìn)行低溫處理，電解液溫度在-19℃-1℃的條件下進(jìn)行電解，使重水濃度達(dá)到99.999％，電解終止，電解產(chǎn)生的爆鳴氣送入回收階段的合成反應(yīng)器內(nèi)；B、蒸餾除堿階段 先對(duì)該階段所用設(shè)備及管線抽真空，去除設(shè)備內(nèi)的水汽薄膜，然后將電解槽內(nèi)的殘液放進(jìn)蒸餾器，加熱至沸騰，蒸餾獲得重水，蒸餾結(jié)束后去除殘存在蒸餾器內(nèi)的電解質(zhì)；C、氘氣制取階段 先對(duì)該階段所用設(shè)備及管線抽真空，去除設(shè)備內(nèi)的水汽薄膜，然后將蒸餾獲得的重水送入氘氣發(fā)生器的電解槽，電解產(chǎn)生氘氣，并對(duì)氘氣進(jìn)行冷凍、干燥處理，然后壓縮、灌充至鋼瓶?jī)?nèi)；D、回收階段 先對(duì)該階段所用設(shè)備及管線抽真空，與第一階段同步進(jìn)行，然后將第一階段電解重水產(chǎn)生的爆鳴氣經(jīng)冷凝、冷凍后，進(jìn)行催化合成反應(yīng)，生成重水蒸汽，冷凝為重水后回收，尾氣放空；E、蒸餾階段 開車前先對(duì)該階段所用設(shè)備及管線抽真空，然后將第四階段回收的稀重水進(jìn)行蒸餾，蒸餾開始為全回流運(yùn)行，然后再進(jìn)行部分回流運(yùn)行，當(dāng)塔底存留液重水濃度達(dá)到99.6％時(shí)，蒸餾終止，蒸餾獲得的重水送入第一階段再濃縮。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以重水為原料制取超高純氘氣的生產(chǎn)方法，包括五個(gè)步驟低溫濃縮重水、蒸餾除堿、氘氣制取、回收、蒸餾。本發(fā)明的特點(diǎn)是電解濃縮重水在低溫條件下進(jìn)行，減小電解槽內(nèi)電阻，有利于電解液循環(huán)混合，顯著提高分離系數(shù)，可獲得超高濃度的重水；對(duì)設(shè)備及管線進(jìn)行真空處理，避免殘存在設(shè)備內(nèi)的空氣和附著的水汽薄膜對(duì)原料及產(chǎn)品的稀釋，保證原料及產(chǎn)品的純度；原料的配制在干燥手套箱內(nèi)進(jìn)行，防止被濕氣稀釋；對(duì)排除的廢料進(jìn)行回收處理再利用，降低了成本；通過(guò)該方法生產(chǎn)的氘氣，其純度為99.99％以上。
文檔編號(hào)C01B5/02GK1834002SQ20051004605
公開日2006年9月20日 申請(qǐng)日期2005年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月15日
發(fā)明者徐經(jīng)宇, 李尚武 申請(qǐng)人:大連世紀(jì)欣科高新技術(shù)開發(fā)有限公司