CN115364631B - 用于从以氦气为载体的氦气和氢同位素气体的混合气体中分离纯化氢同位素气体的装置 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种用于从以氦气为载体的氦气和氢同位素气体的混合气体中分离纯化氢同位素气体的装置，包括：分离床和纯化器；其中，分离床被设置成从混合气体中吸收氢同位素气体，并将吸收的氢同位素气体释放至纯化器，分离床释放的氢同位素气体中含有由混合气体中除氢同位素气体之外的其他气体形成的杂质；纯化器被设置成接收分离床释放的氢同位素气体以及杂质，纯化器被设置成允许氢同位素气体通过但不允许杂质通过；分离床还被设置成接收未通过纯化器的氢同位素气体和杂质。

Description

用于从以氦气为载体的氦气和氢同位素气体的混合气体中分 离纯化氢同位素气体的装置

技术领域

本发明的实施例涉及气体分离领域，具体涉及一种用于从以氦气为载体的氦气和氢同位素气体的混合气体中分离纯化氢同位素气体的装置。

背景技术

氚是聚变堆的重要原料，聚变堆中一般使用氚增殖包层模块来生产氚。氚增殖包层模块生产的氚，一般通过含一定量氢气的氦载气带出。通过氦载气带出的氚，氚在氦气中具有较低的纯度，需要经过分离纯化，才能获得高纯度的氚。

因此，需要一种能够从以氦气为载体的氦气和氢同位素气体的混合气体中分离纯化氢同位素气体的装置。

发明内容

为解决上述问题的至少一个方面，本发明的实施例提供了一种用于从以氦气为载体的氦气和氢同位素气体的混合气体中分离纯化氢同位素气体的装置，包括：分离床和纯化器；其中，分离床被设置成从混合气体中吸收氢同位素气体，并将吸收的氢同位素气体释放至纯化器，分离床释放的氢同位素气体中含有由混合气体中除氢同位素气体之外的其他气体形成的杂质；纯化器被设置成接收分离床释放的氢同位素气体以及杂质，纯化器被设置成允许氢同位素气体通过但不允许杂质通过；分离床还被设置成接收未通过纯化器的氢同位素气体和杂质。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的用于从以氦气为载体的氦气和氢同位素气体的混合气体中分离纯化氢同位素气体的装置示意图；

图2为本发明实施例的用于从以氦气为载体的氦气和氢同位素气体的混合气体中分离纯化氢同位素气体的装置示意图；

图3为本发明实施例的用于从以氦气为载体的氦气和氢同位素气体的混合气体中分离纯化氢同位素气体的装置示意图；

图4为本发明实施例的用于从以氦气为载体的氦气和氢同位素气体的混合气体中分离纯化氢同位素气体的装置示意图；

图5为本发明实施例的用于从以氦气为载体的氦气和氢同位素气体的混合气体中分离纯化氢同位素气体的装置示意图。

需要说明的是，附图不一定按比例绘制，其仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。若全文中涉及“第一”、“第二”等描述，则该“第一”、“第二”等描述仅用于区别类似的对象，而不能理解为指示或暗示其相对重要性、先后次序或者隐含指明所指示的技术特征的数量，应该理解为“第一”、“第二”等描述的数据在适当情况下可以互换。若全文中出现“和/或”，其含义为包括三个并列方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。此外，为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等，仅用来描述如图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系，应当理解为也包含除了图中所示的方位之外的在使用或操作中的不同方位。

参见图1，本发明的实施例提供一种用于从以氦气为载体的氦气和氢同位素气体的混合气体中分离纯化氢同位素气体的装置，包括：分离床10和纯化器20；其中，分离床10被设置成从混合气体中吸收氢同位素气体，并将吸收的氢同位素气体释放至纯化器20，分离床10释放的氢同位素气体中含有由混合气体中除氢同位素气体之外的其他气体形成的杂质；纯化器20被设置成接收分离床10释放的氢同位素气体以及杂质，纯化器20被设置成允许氢同位素气体通过但不允许杂质通过；分离床10还被设置成接收未通过纯化器20的氢同位素气体和杂质。

在图1所示的实施例中，混合气体从A方向流入分离床10并从B方向流出分离床10，通过分离床10从混合气体中捕集低浓度的氚，并将捕集的氚临时储存在分离床10中，实现氢同位素气体和氦气的分离，但分离床10中还会留存有少量的氦气，这些氦气作为杂质，影响氢同位素气体的纯度，为了进一步提高氢同位素气体的纯度，通过后续对分离床10的解吸操作(例如加热分离床10)，将分离床10中储存的氚沿C方向释放至能够使氢同位素气体通过但不能使氦气通过的纯化器20，通过纯化器20进一步将氢同位素气体和氦气分离，提高氢同位素气体的纯度。由于纯化器20一次只能通过有限量的氢同位素气体，因此，往往不能通过一次过滤就使氢同位素气体全部通过，故将未通过纯化器20的氢同位素气体以及由氦气形成的杂质沿D方向重新输送回到分离床10，以便对氢同位素气体和杂质进行下次过滤；而沿E方向通过纯化器20的氢同位素气体为经过分离纯化的氢同位素气体，具有较高的纯度，可以用于后续的浓缩步骤。重复上述气体循环，直至氢同位素气体的浓度低于一定值时，此时难以再从氢同位素气体和氦气的混合气体中分离出氢同位素气体，可以停止气体在分离床10和纯化器20之间的气体循环，使分离床10重新开始在氢同位素气体和氦气的混合气体中捕集氢同位素气体。

在本发明的优选实施例中，分离床10为锆钴系合金床，纯化器20为钯膜组件。锆钴系合金床可以在室温条件下长期高效地从氢同位素气体和氦气的混合气体中捕集氢同位素气体，钯膜组件能够选择性地使氢同位素气体通过而使氦气不能通过。本发明的实施例中，通过锆钴系合金床捕集氢同位素气体，能够解吸出高浓度的氢同位素气体，降低了到达钯膜组件的气体中氦气的浓度，避免了氦气浓度过高时，氦包覆钯膜组件中的钯膜，产生浓差极化现象，影响钯膜组件的透氢速率。

参见图2，本发明的优选实施例中，装置还包括储氢床30，储氢床30被设置成接收并储存通过纯化器20的氢同位素气体。储氢床30通过管路与纯化器20连接，储氢床30接收通过纯化器20的氢同位素气体，并将氢同位素气体储存在储氢床30中，储氢床30中储存的氢同位素气体可以在后续对氚浓缩的步骤中使用。

在本发明的优选实施例中，储氢床30被设置成将通过纯化器20的氢同位素气体以非气态的形式储存在储氢床30中。储氢床30内部可以设置能够吸收氢同位素气体并将氚转化成非气态的物质，通过将氢同位素气体转化为非气态的形式，可以降低钯膜组件在储氢床30一侧的气压，为氚通过钯膜提供动力，有利于氚通过钯膜组件。

参见图3，在本发明的优选实施例中，储氢床包括第一储氢床301和第二储氢床302；第一储氢床301吸收氢同位素气体的速度大于第二储氢床302吸收氢同位素气体的速度；第一储氢床301解吸速度大于第二储氢床302的解吸速度；第一储氢床301室温吸附氢压大于第二储氢床302的室温吸附氢压。室温吸附氢压越小，室温吸附平衡压越低，越能够在更小的氢压下吸附氢气，分离床10中储存一定量的氢同位素气体，开始解吸时分离床10能释放出较多的氢同位素气体，随着解吸的进行，分离床10解吸出的氢同位素气体逐渐变少，基于上述解吸时氢同位素气体量的变化规律，本发明的实施例设置第一储氢床301和第二储氢床302，在解吸刚开始时，氢同位素气体通过纯化器20的速度较快，可以使用吸收氢同位素气体速度较快的第一储氢床301吸收通过纯化器20的氢同位素气体，以维持纯化器20两侧的压力差，保证纯化器20的过滤速度；当分离床10解吸后期，整个管路中氢同位素气体的浓度较低，氢同位素气体通过纯化器20的速度较慢，通过纯化器20的氢压较小，此时可以使用吸收氢同位素气体速度较慢但吸附平衡压较低的第二储氢床302吸收通过纯化器20的氢同位素气体。

在本发明的优选实施例中，第一储氢床301可以为镧镍铝锰合金床，镧镍铝锰合金床具有较快的氢同位素气体吸收速率，较低的气体解吸温度，可以在解吸前中期使用；第二储氢床302可以为锆钴系合金床，具有低于镧镍铝锰合金床的氢同位素气体吸收速率，但室温吸附氢压低于镧镍铝锰合金床，可以在解吸后期氢同位素气体浓度较低时使用。

在本发明的优选实施例中，第一储氢床301和第二储氢床302之间通过管路连通，管路上设置有阀门，阀门用于控制管路的通断。在需要对经分离纯化后的氢同位素气体浓缩时，需要将第一储氢床301和第二储氢床302储存的氢同位素气体沿F方向解吸到氢同位素气体浓缩装置。但是在解吸后期，储氢床中氢同位素气体的压力较小，难以从储氢床中引入氢同位素气体浓缩装置，因此，可以通过将第一储氢床301和第二储氢床302连通，由于第二储氢床302中的室温吸附平衡压低，可以将第一储氢床301的气体解吸至第二储氢床302中，从而将两个储氢床中残留的氢同位素气体汇集到一个储氢床中。第二储氢床302的床体可以设置成小于第一储氢床301的床体，这样可以使第二储氢床302升降温速率快，加快了转移速度。减小了氢同位素气体在储氢床中的滞留，同时增加氢同位素气体的解吸压力，有利于氢同位素气体从储氢床中引入到氢同位素气体浓缩装置中，使储氢床中残留更少的氢同位素气体。

参见图4，在本发明的优选实施例中，分离床10包括第一分离床101和第二分离床102；第一分离床101和第二分离床102并联设置，第一分离床101和第二分离床102设置成交替从混合气体中吸收氢同位素气体并交替将吸收的氢同位素气体释放至纯化器20。分离床10具有一定的氢同位素气体容纳量，当分离床10对氢同位素气体的吸附达到饱和时，分离床10将难以再从混合气体中吸收氢同位素气体，此时可以切断分离床10与混合气体循环装置的连接，将分离床10中吸收的氢同位素气体解吸到纯化器20中进行纯化。通过设置两个并联的第一分离床101和第二分离床102，可以在第一分离床101从混合气体循环装置中吸收氢同位素气体时，解吸第二分离床102中已经吸收的氢同位素气体；或者可以在第二分离床102从混合气体循环装置中吸收氢同位素气体时，解吸第一分离床101中已经吸收的氢同位素气体，以此来实现氢同位素气体分离纯化装置的连续运行。在某些实施例中，通过设置第一分离床101和第二分离床102的床体容量，可以使吸附时间为解吸时间的两倍以上，来确保工艺的连续运行。

参见图5，在本发明的优选实施例中，装置还包括流量控制器40，流量控制器40被设置成使未通过纯化器20的混合有杂质的氢同位素气体流经流量控制器40被分离床10接收。流量控制器40可以控制气体通过流量控制器40的速度，将流量控制器40沿气体流动方向设置在纯化器20和分离床10之间，即，未通过纯化器20但从纯化器20流出的气体通过流量控制器40到达分离床10，可以使用流量控制器40控制纯化器20上游的压力，为氢同位素气体通过纯化器20提供动力，使氢同位素气体更容易通过纯化器20。

在本发明的优选实施例中，装置还包括第一压力计51和第二压力计52；第一压力计51沿气体流向方向设置在纯化器20之后以及流量控制器40之前，用于测量未通过纯化器20的混合有杂质的氢同位素气体的压力；第二压力计52沿气体流向方向设置在纯化器20之后以及储氢床之前，用于测量通过纯化器20的氢同位素气体的压力。

第一压力计51计沿气体流向方向设置在纯化器20之后以及流量控制器40之前，也就是说，第一压力计51设置在纯化器20和流量控制器40之间，可以第一压力计51测量的压力可以作为流量控制器40控制流量的依据，例如，当第一压力计51的测量值小于设定的阈值时，此时说明纯化器20上游的压力过小，可以通过流量控制器40减小流量，来增大纯化器20上游的压力，以此来维持氢同位素气体通过纯化器20的动力。第二压力计52沿气体流向方向设置在纯化器20之后以及储氢床之前，也就是说，第二压力计52设置在纯化器20和储氢床之间，第二压力计52用于测量纯化器20下游的压力，此时第二压力计52与第一压力计51配合，检测纯化器20两侧的压力差；通过控制阀门的开闭，还可以使用第二压力计52测量储氢床解吸时储氢床中的压力，来确定是否需要连通第一储氢床301和第二储氢床302，将第二储氢床302中的氢同位素气体吸附到第一储氢床301中。

在本发明的优选实施例中，装置还包括氚电离室60，氚电离室60被设置成测量分离床10释放至纯化器20的氢同位素气体的比活度。氚电离室60可以检测氚的比活度，氚电离室60沿气体流动方向可以设置在分离床10和纯化器20之间，通过氚电离室60测量的氢同位素气体的比活度，当氢同位素气体的比活度小于预设阈值时，可以认定分离床10中的氢同位素气体已经基本全部引入储氢床中，此时可以替换成另外一个分离床10继续进行解吸，或者停止整个装置的气体循环。

在本发明的优选实施例中，装置还包括除氚床70，除氚床70被设置成吸收装置的管路内残留的氢同位素气体。当停止整个装置的气体循环后，装置的各个组件或者管路中还存留有少量氢同位素气体，需要对残留的少量氢同位素气体进行回收，此时可以使气体沿G方向流经除氚床70，通过除氚床70吸收装置中残留的少量氢同位素气体。整个装置的气体流动由循环泵提供动力，并通过若干阀门来实现气体流道的切换，对本发明实施例的描述以及附图中省略了这些本领域公知的结构。

对于本申请的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于从以氦气为载体的氦气和氢同位素气体的混合气体中分离纯化氢同位素气体的装置，其特征在于，包括：

分离床和纯化器；

其中，所述分离床被设置成从所述混合气体中吸收氢同位素气体，并将吸收的氢同位素气体释放至所述纯化器，所述分离床释放的氢同位素气体中含有由所述混合气体中除氢同位素气体之外的其他气体形成的杂质；

所述纯化器被设置成接收所述分离床释放的氢同位素气体以及所述杂质，所述纯化器被设置成允许氢同位素气体通过但不允许所述杂质通过；

所述分离床还被设置成接收未通过所述纯化器的所述氢同位素气体和所述杂质；

所述装置还包括储氢床，所述储氢床被设置成接收并储存通过所述纯化器的氢同位素气体；

所述储氢床被设置成将通过所述纯化器的氢同位素气体以非气态的形式储存在所述储氢床中；

所述储氢床包括第一储氢床和第二储氢床；

所述第一储氢床吸收氢同位素气体的速度大于所述第二储氢床吸收氢同位素气体的速度；

所述第一储氢床室温吸附氢压大于所述第二储氢床的室温吸附氢压；

在解吸刚开始时，氢同位素气体通过所述纯化器的速度较快，使用吸收氢同位素气体速度较快的所述第一储氢床吸收通过所述纯化器的氢同位素气体，以维持所述纯化器两侧的压力差，保证所述纯化器的过滤速度；当所述分离床解吸后期，整个管路中氢同位素气体的浓度较低，氢同位素气体通过所述纯化器的速度较慢，通过所述纯化器的氢压较小，此时使用吸收氢同位素气体速度较慢但吸附平衡压较低的所述第二储氢床吸收通过所述纯化器的氢同位素气体。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述分离床为锆钴系合金床，所述纯化器为钯膜组件。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述第一储氢床和所述第二储氢床之间通过管路连通，所述管路上设置有阀门，所述阀门用于控制所述管路的通断。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述第一储氢床为镧镍铝锰合金床；

所述第二储氢床为锆钴系合金床。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述分离床包括第一分离床和第二分离床；

所述第一分离床和所述第二分离床并联设置，所述第一分离床和所述第二分离床设置成交替从所述混合气体中吸收氢同位素气体并交替将吸收的氢同位素气体释放至所述纯化器。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述装置还包括流量控制器，所述流量控制器被设置成使未通过所述纯化器的混合有所述杂质的氢同位素气体流经所述流量控制器被所述分离床接收。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述装置还包括第一压力计和第二压力计；

所述第一压力计沿气体流向方向设置在所述纯化器之后以及所述流量控制器之前，用于测量未通过所述纯化器的混合有所述杂质的氢同位素气体的压力；

所述第二压力计沿气体流向方向设置在所述纯化器之后以及所述储氢床之前，用于测量通过所述纯化器的氢同位素气体的压力。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述装置还包括氚电离室，所述氚电离室被设置成测量所述分离床释放至所述纯化器的氢同位素气体的比活度。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：

所述装置还包括除氚床，所述除氚床被设置成吸收所述装置的管路内残留的氢同位素气体。