一種熱循環(huán)吸附氫同位素分離裝置的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種熱循環(huán)吸附氫同位素分離裝置，包括外殼、分離柱、原料氣閥門(mén)、產(chǎn)品氣閥門(mén)、尾氣閥門(mén)、低溫液氮管路和加熱棒；分離柱包括至少為兩個(gè)、且縱向并排分布的填裝有氫同位素分離材料的U型管組件，以及將兩排U型管組件各自的一端連接在一起的彎管；原料氣閥門(mén)與彎管連通，產(chǎn)品氣閥門(mén)與其中一排U型管組件的另一端連通，尾氣閥門(mén)與另一排U型管組件的另一端連通；低溫液氮管路位于兩排U型管組件之間，其形狀與分離柱形狀相同，并且低溫液氮管路的一端連接有進(jìn)液閥門(mén)，另一端連接有出液閥門(mén)；加熱棒設(shè)置在低溫液氮管路的內(nèi)側(cè)。本實(shí)用新型能實(shí)現(xiàn)快速冷熱循環(huán)，可用于大規(guī)模氫同位素分離，因此，其具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種熱循環(huán)吸附氫同位素分離裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及氫同位素分離技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種熱循環(huán)吸附氫同位素分離裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]氘氚的聚變反應(yīng)能夠釋放出比裂變反應(yīng)大得多的能量，在軍事上已用于制造氫核武器，在民用上正用于可控聚變能源研究。在聚變能源工程方面，送入聚變堆的氘氚燃料只有一小部分被消耗，其余的排出到燃料循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行處理再利用，在這其中，氫同位素分離是關(guān)鍵的技術(shù)之一。
[0003]目前，主流的氫同位素分流方法有熱擴(kuò)散分離法、洗提色譜分離法、置換色譜分離法、低溫蒸餾分離法等。其中，置換色譜分離法從一出現(xiàn)就受到了高度重視，在許多國(guó)家的氣工號(hào)里都對(duì)其進(jìn)行了而研究和應(yīng)用。而熱循環(huán)吸附法(Thermal Cycling Absorpt1nProcess，TCAP)屬于置換色譜分離法的一種，是由薩凡納河實(shí)驗(yàn)室(Savanah RiverLaboratory)的M.ff.Lee首先從理論概念上提出的，并于1994年正式建成并投入運(yùn)行。TCAP的原理是利用載鈀材料的氫同位素效應(yīng)，通過(guò)對(duì)分離柱多次施加半周低溫、半周高溫的冷熱循環(huán)，使輕、重的同位素分別聚集在分離柱兩端，從而實(shí)現(xiàn)分離。TCAP除了能夠容易地分離氫氘和氫氚外還可以分離氘氚，而且分離速度快、效率高。因此，TCAP工藝在很多國(guó)家的氚實(shí)驗(yàn)室里都受到了重視，并且一直在研究發(fā)展之中。
[0004]TCAP分離柱結(jié)構(gòu)與冷熱循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)其分離效果有決定性的影響。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)設(shè)計(jì)建立了數(shù)種不同結(jié)構(gòu)的分離裝置，其中具有代表性的主要有采用冷熱氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)冷熱循環(huán)的螺旋管結(jié)構(gòu)(美國(guó)SRS)和采用感應(yīng)加熱/循環(huán)水冷的圓形排列鉆孔管結(jié)構(gòu)(法國(guó)CEA)。中國(guó)工程物理研究院也開(kāi)發(fā)出了TCAP氫同位素分離原理系統(tǒng)，處理規(guī)模達(dá)每天40L。
[0005]由于聚變堆采用的TCAP分離裝置涉及氚操作，必須安裝在手套箱中，因此對(duì)裝置的尺寸有一定要求。而為了實(shí)現(xiàn)聚變堆大規(guī)模處理氫同位素，不僅要求TCAP裝置的結(jié)構(gòu)緊湊、便于安裝與集成，還要求實(shí)現(xiàn)快速冷熱循環(huán)?，F(xiàn)有公開(kāi)文獻(xiàn)介紹的TCAP分離裝置雖然各有其特點(diǎn)，但存在冷熱循環(huán)周期長(zhǎng)、設(shè)備占地面積大或裝料過(guò)程繁瑣、容易堵塞等缺點(diǎn)，無(wú)法滿足聚變反應(yīng)堆氘氚燃料循環(huán)過(guò)程中大規(guī)模處理量的需求。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供了一種熱循環(huán)吸附氫同位素分離裝置，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝與集成方便的特點(diǎn)，并且傳熱效率高，能實(shí)現(xiàn)快速冷熱循環(huán)。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0008]—種熱循環(huán)吸附氫同位素分離裝置，包括外殼，以及均設(shè)置在該外殼內(nèi)的分離柱、原料氣閥門(mén)、產(chǎn)品氣閥門(mén)、尾氣閥門(mén)、低溫液氮管路和加熱棒;所述分離柱包括至少為兩個(gè)、且縱向并排分布的填裝有氫同位素分離材料的U型管組件，以及將兩排U型管組件各自的一端連接在一起的彎管;所述原料氣閥門(mén)與彎管連通，所述產(chǎn)品氣閥門(mén)與其中一排U型管組件的另一端連通，所述尾氣閥門(mén)與另一排U型管組件的另一端連通;所述低溫液氮管路位于兩排U型管組件之間，其形狀與分離柱形狀相同，并且該低溫液氮管路的一端連接有進(jìn)液閥門(mén)，另一端連接有出液閥門(mén)；所述加熱棒設(shè)置在低溫液氮管路的內(nèi)側(cè)。
[0009]進(jìn)一步地，所述外殼內(nèi)還填充有導(dǎo)熱填料，所述加熱棒插入在導(dǎo)熱填料中。
[0010]作為優(yōu)選，所述導(dǎo)熱填料為泡沫銅。
[0011]再進(jìn)一步地，所述導(dǎo)熱填料與外殼之間還設(shè)有保溫層。
[0012]更進(jìn)一步地，本實(shí)用新型還包括緊貼于U型管組件外壁上的測(cè)溫計(jì)。
[0013]具體地說(shuō)，所述U型管組件包括至少兩個(gè)、且橫向并排分布的填裝有載鈀材料的U型管，以及用于實(shí)現(xiàn)相鄰兩個(gè)U型管連通的連接裝置;所述彎管同時(shí)與兩個(gè)U型管組件各自一端的U型管連通;所述產(chǎn)品氣閥門(mén)與其中一個(gè)U型管組件另一端的U型管連通;所述尾氣閥門(mén)與另一個(gè)U型管組件另一端的U型管連通。
[0014]具體地說(shuō)，所述連接裝置包括第一彎頭、第二彎頭、堵頭和用于使載鈀材料填入U(xiǎn)型管內(nèi)的三通接頭;所述第一彎頭一端連接其中一個(gè)U型管，另一端連接三通接頭其中一個(gè)接頭;所述第二彎頭一端連接另一個(gè)U型管，另一端連接三通接頭第二個(gè)接頭;所述堵頭連接三通接頭第三個(gè)接頭，用于載鈀材料填入U(xiǎn)型管之后將三通接頭堵住。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下有益效果:
[0016](I)本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊湊、占地空間小、使用方便、成本低廉，在手套箱中很容易放置，且通過(guò)多個(gè)分離裝置的串聯(lián)，可以順利實(shí)現(xiàn)集成大規(guī)模處理氫同位素。
[0017](2)本實(shí)用新型中分離柱采用多個(gè)U型管和連接裝置串聯(lián)而成，利用連接裝置中的三通接頭向上的接頭向U分離柱內(nèi)裝填載鈀填料，然后再封上堵頭，如一來(lái)，其安裝方法和工具簡(jiǎn)單，而且不容易造成堵塞。
[0018](3)本實(shí)用新型中，由于外殼內(nèi)填充了導(dǎo)熱填料，使得分離柱、加熱棒和低溫管路之間充滿了導(dǎo)熱填料，因此不僅能有效減輕整個(gè)分離裝置的重量，而且還具備了良好的導(dǎo)熱效果，可以快速實(shí)現(xiàn)冷熱循環(huán)，進(jìn)而為提高氫同位素的處理規(guī)模提供了可能。
[0019](4)本實(shí)用新型中低溫管路位于分離柱內(nèi)部，其彎折形式和空間布局與分離柱相同，且加熱棒均勻插入導(dǎo)熱填料內(nèi)，保證了分離柱在冷卻或加熱過(guò)程中保持較小的溫差。
[0020](5)本實(shí)用新型中外殼作為二級(jí)包容的邊界，提高了裝置的安全性，且在導(dǎo)熱填料與外殼之間裝有保溫層，能減小能量損失。
[0021](6)本實(shí)用新型性價(jià)比高、實(shí)用性強(qiáng)、性能穩(wěn)定，具有較高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)不意圖。
[0023]圖2為本實(shí)用新型的局部放大圖。
[0024]圖3為本實(shí)用新型部分零部件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖4為本實(shí)用新型部分零部件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]其中，附圖標(biāo)記對(duì)應(yīng)的零部件名稱(chēng)為:
[0027]1-外殼，2-保溫層，3-分離柱，31-U型管，32-三通接頭，33-堵頭，4_測(cè)溫計(jì)，5_低溫液氮管路，6-加熱棒，7-導(dǎo)熱填料，8-原料氣閥門(mén)，9-產(chǎn)品氣閥門(mén)，10-尾氣閥門(mén)，11-進(jìn)液閥門(mén)，12-出液閥門(mén)。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合【附圖說(shuō)明】和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)用新型的方式包括但不僅限于以下實(shí)施例。
[0029]實(shí)施例
[0030]如圖1?4所示，本實(shí)用新型提供了一種新型的氫同位素分離裝置，其包括外殼I，以及均設(shè)置在該外殼I內(nèi)的分離柱3、原料氣閥門(mén)8、產(chǎn)品氣閥門(mén)9、尾氣閥門(mén)10、低溫液氮管路5和加熱棒6。
[0031]如圖3所示，所述的分離柱3用于實(shí)現(xiàn)氫同位素的分離，作為本實(shí)用新型的主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)之一，該分離柱3包括至少為兩個(gè)、且縱向并排分布的填裝有氫同位素分離材料(本實(shí)施例中優(yōu)選為載鈀材料)的U型管組件，以及將兩排U型管組件各自的一端連接在一起的彎管。每個(gè)U型管組件均包括至少兩個(gè)、且橫向并排分布的填裝有載鈀材料的U型管31和連接裝置。所述的彎管同時(shí)與兩個(gè)U型管組件各自一端的U型管連通。所述的產(chǎn)品氣閥門(mén)9與其中一個(gè)U型管組件另一端的U型管連通;而所述的尾氣閥門(mén)10則與另一個(gè)U型管組件另一端的U型管連通。
[0032]所述的連接裝置用于實(shí)現(xiàn)相鄰兩個(gè)U型管的連通，其具體包括第一彎頭、第二彎頭、堵頭33和用于使載鈀材料填入U(xiǎn)型管內(nèi)的三通接頭32;所述第一彎頭一端連接其中一個(gè)U型管，另一端連接三通接頭32其中一個(gè)接頭;所述第二彎頭一端連接另一個(gè)U型管，另一端連接三通接頭32第二個(gè)接頭;所述堵頭33連接三通接頭32第三個(gè)接頭，用于載鈀材料填入U(xiǎn)型管之后將三通接頭焊接密封。
[0033]如圖4所示，作為本實(shí)用新型的另一個(gè)主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)，所述的低溫液氮管路5位于兩排U型管組件之間，其形狀與分離柱形狀相同，并且該低溫液氮管路5的一端連接有進(jìn)液閥門(mén)11，另一端連接有出液閥門(mén)12。而所述的加熱棒6則設(shè)置在低溫液氮管路5的內(nèi)側(cè)。并且，為保證分離柱在冷卻或加熱過(guò)程中保持較小的溫差，本實(shí)用新型在外殼I內(nèi)填充有導(dǎo)熱填料7，加熱棒6插入在導(dǎo)熱填料中。
[0034]此外，本實(shí)用新型在導(dǎo)熱填料7與外殼I之間還設(shè)置了保溫層2，在本實(shí)用新型中，外殼I作為二級(jí)包容的邊界，可以提高整個(gè)裝置的安全性，而設(shè)置在導(dǎo)熱填料7與外殼I之間的保溫層2，則可以減小能量的損失。
[0035]另外，為方便控制和維持整個(gè)分離裝置的溫度，本實(shí)用新型還設(shè)置了測(cè)溫計(jì)4，其緊貼于U型管組件外壁上，如此可方便對(duì)分離裝置的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。
[0036]本實(shí)用新型的工藝流程與現(xiàn)有TCAP流程一致，先在冷半周內(nèi)從分離柱中間饋入原料氣，然后在熱半周內(nèi)提取產(chǎn)品和尾氣。本實(shí)施例中，分離柱3的管徑為Φ 12?28_，低溫液氮管路5的管徑為Φ 6?18mm，工作時(shí)，可將分離柱3內(nèi)部溫度降至-120?-20°C;加熱棒6采用電加熱，工作時(shí)，可將分離柱3內(nèi)部溫度升至150?300 0C ；導(dǎo)熱填料7為泡沫銅，密度為500?3560kg/m3o
[0037]當(dāng)本實(shí)用新型進(jìn)入冷半周時(shí)，關(guān)閉產(chǎn)品氣閥門(mén)9和尾氣閥門(mén)10，開(kāi)啟進(jìn)液閥門(mén)11，使液氮流入低溫液氮管路5內(nèi)，待測(cè)溫計(jì)4所測(cè)溫度達(dá)到設(shè)定值后降低液氮流量，維持裝置溫度。與此同時(shí)，開(kāi)啟原料氣閥門(mén)8，在分離柱3的中間饋入一定量的原料氣。
[0038]當(dāng)本實(shí)用新型進(jìn)入熱半周時(shí)，關(guān)閉進(jìn)液閥門(mén)11，打開(kāi)加熱棒6，利用低溫液氮管路5內(nèi)的自增壓將剩余液氮從出液閥門(mén)12排出。待測(cè)溫計(jì)4所測(cè)溫達(dá)到設(shè)定值后降低加熱棒6功率，維持裝置溫度，并打開(kāi)產(chǎn)品氣閥門(mén)9和尾氣閥門(mén)10，即可按照原料氣的比例等量提取產(chǎn)品氣和尾氣。
[0039]上述實(shí)施例僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式之一，不應(yīng)當(dāng)用于限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡在本實(shí)用新型的主體設(shè)計(jì)思想和精神上作出的毫無(wú)實(shí)質(zhì)意義的改動(dòng)或潤(rùn)色，其所解決的技術(shù)問(wèn)題仍然與本實(shí)用新型一致的，均應(yīng)當(dāng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種熱循環(huán)吸附氫同位素分離裝置，其特征在于，包括外殼(I)，以及均設(shè)置在該外殼(I)內(nèi)的分離柱(3)、原料氣閥門(mén)(8)、產(chǎn)品氣閥門(mén)(9)、尾氣閥門(mén)(10)、低溫液氮管路(5)和加熱棒(6);所述分離柱(3)包括至少為兩個(gè)、且縱向并排分布的填裝有氫同位素分離材料的U型管組件，以及將兩排U型管組件各自的一端連接在一起的彎管;所述原料氣閥門(mén)(8)與彎管連通，所述產(chǎn)品氣閥門(mén)(9)與其中一排U型管組件的另一端連通，所述尾氣閥門(mén)(10)與另一排U型管組件的另一端連通;所述低溫液氮管路(5)位于兩排U型管組件之間，其形狀與分離柱形狀相同，并且該低溫液氮管路(5)的一端連接有進(jìn)液閥門(mén)(11)，另一端連接有出液閥門(mén)(12);所述加熱棒(6)設(shè)置在低溫液氮管路(5)的內(nèi)側(cè)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱循環(huán)吸附氫同位素分離裝置，其特征在于，所述外殼(I)內(nèi)還填充有導(dǎo)熱填料(7)，所述加熱棒(6)插入在導(dǎo)熱填料中。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種熱循環(huán)吸附氫同位素分離裝置，其特征在于，所述導(dǎo)熱填料(7)為泡沫銅。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種熱循環(huán)吸附氫同位素分離裝置，其特征在于，所述導(dǎo)熱填料(7)與外殼(I)之間還設(shè)有保溫層(2)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種熱循環(huán)吸附氫同位素分離裝置，其特征在于，還包括緊貼于U型管組件外壁上的測(cè)溫計(jì)(4)。6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或5所述的一種熱循環(huán)吸附氫同位素分離裝置，其特征在于，所述U型管組件包括至少兩個(gè)、且橫向并排分布的填裝有載鈀材料的U型管(31)，以及用于實(shí)現(xiàn)相鄰兩個(gè)U型管連通的連接裝置;所述彎管同時(shí)與兩個(gè)U型管組件各自一端的U型管連通；所述產(chǎn)品氣閥門(mén)(9)與其中一個(gè)U型管組件另一端的U型管連通;所述尾氣閥門(mén)(10)與另一個(gè)U型管組件另一端的U型管連通。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種熱循環(huán)吸附氫同位素分離裝置，其特征在于，所述連接裝置包括第一彎頭、第二彎頭、堵頭(33)和用于使載鈀材料填入U(xiǎn)型管內(nèi)的三通接頭(32);所述第一彎頭一端連接其中一個(gè)U型管，另一端連接三通接頭(32)其中一個(gè)接頭;所述第二彎頭一端連接另一個(gè)U型管，另一端連接三通接頭(32)第二個(gè)接頭;所述堵頭(33)連接三通接頭(32)第三個(gè)接頭，用于載鈀材料填入U(xiǎn)型管之后將三通接頭堵住。
【文檔編號(hào)】B01D59/26GK205659564SQ201620557030
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月7日
【發(fā)明人】黃國(guó)強(qiáng), 劉青松, 陳華明, 陳長(zhǎng)安, 鄧良才, 錢(qián)曉靜
【申請(qǐng)人】中國(guó)工程物理研究院材料研究所