專利名稱：一種制取貧氘水的生產方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用氫同位素交換制取貧氘水的生產方法。
背景技術：
目前，貧氘水的生產方法主要有高塔分層蒸餾法和水/氫雙溫交換法。高塔分層蒸餾法即水蒸餾法，是基于氫或含氫化合物的兩種組成(如H2O和D2O) 的不同揮發(fā)性，同位素分離發(fā)生在氣、液兩相共存期間。蒸餾過程一般是在裝有若干塔板或 填料的蒸餾塔內進行，每一塊塔板或一個傳質單元形成一個逆流循環(huán)的矩形級聯(lián)，液相和 氣相在塔內逆流流動，蒸汽在上升過程中逐漸富集了揮發(fā)較高的組分，如h20。液體在逐級 溢流到塔底的過程中富集了揮發(fā)性較低的組分，如DHO和D20。塔頂有冷凝器使蒸汽凝結后 回流塔內，塔底有蒸餾釜將一部分液體蒸發(fā)以提供上升氣流。水蒸餾法優(yōu)點是不需要使用 催化劑、化學試劑，生產工藝簡單、成熟。其缺點是由于水的兩種組分的揮發(fā)性差別很小， 水蒸餾法的分離系數很小，約1.03 1.06，因此，需要串聯(lián)很多分離級，故設備高大、復雜， 建設投資大；蒸餾時，在塔釜要消耗大量熱能使水轉變成蒸汽，在塔頂又要消耗大量冷卻水 使蒸汽再冷凝成水，水氣的回流需要各分離級之間的流量要比凈供料量大許多倍，因此，生 產過程中需要處理的水量非常大，能源消耗大，運行費用高。水/氫雙溫交換法分離氫同位素是基于氫同位素在各反應分子間平衡分布不是 等幾率的，交換反應的分離系數α 0隨溫度變化而變化，溫度越高，α 0越趨于1。在冷塔內 氘自氣相向液相中富集，因溫度升高后α 0減小，所以在熱塔中將發(fā)生相反的傳質過程，即 氘又從液相轉入氣相內。這樣利用低溫主塔即冷塔進行富集，用高溫輔助塔即熱塔實現相 轉換，從而達到水被貧化形成貧氘水。但水/氫雙溫交換法實現工業(yè)化的最大障礙是交換 過程必須使用催化劑，并且催化活性在液相水/氫間氫同位素互相交換過程中提高。

發(fā)明內容
本方法的目的在于提供一種原料利用率高、設備容積小、能耗低、安全可靠的制取 貧氘水的生產方法，用該方法可獲得濃度為lOOPPm(mol) 25PPm(mol)的貧氘水。本發(fā)明的技術方案是一種制取貧氘水的生產方法，其特征在于至少設置一級雙 溫交換脫氘工藝過程，該過程是先將80% 90%原料水送入冷交換塔，進塔水的溫度為 20 30°C，壓力為1. 4 2. OMpa，原料水與氫氣在催化床中進行逆流交換，氘自氫氣向水 中富集，富集的水作為富氘水在冷、熱交換塔中間引出10% 20%，剩余部分的富氘水與 10% 20%原料水匯合進入熱交換塔，熱交換塔水的溫度為140 160°C，壓力為1. 4 2. OMpa，被貧化的氫氣經循環(huán)壓縮機加壓后進入熱交換塔，富氘水與氫氣在催化床中進行 逆流交換，氘從水中轉入氫氣內，氣體中的氘被液體濃縮，濃縮的氣體作為富氘氫氣送入冷 交換塔，被貧化的水即為產品貧氘水。本發(fā)明設置五級雙溫交換脫氘工藝過程，第一級是將80 % 90 %的原料水送入 冷交換塔，進塔水的溫度為20 30°C，壓力為1. 8 2. OMpa，原料水與氫氣在催化床中進行逆流交換，氘自氫氣向水中富集，富集的水作為富氘水在冷、熱交換塔中間引出10% 20%，剩余部分的富氘水與10% 20%原料水匯合進入熱交換塔，熱交換塔水的溫度為 140 160°C，壓力為1. 8 2. OMpa，被貧化的氫氣經循環(huán)壓縮機加壓后進入熱交換塔，富氘 水與氫氣在催化床中進行逆流交換，氘從水中轉入氫氣內，氣體中的氘被液體濃縮，濃縮的 氣體作為富氘氫氣送入冷交換塔，被貧化的水即為產品貧氘水。從第二級開始每一級的原料水都取至上一級制得的貧氘水，各級的工藝過程為 將80% 90%的原料水送入冷交換塔，進塔水的溫度為20 30°C，二級至五級的壓力分別 為1. 7 1. 9Mpa、l. 6 1. 8Mpa、l. 5 1. 7Mpa、l. 4 1. 6Mpa，原料水與氫氣在催化床中 進行逆流交換，氘自氫氣向水中富集，富集的水作為富氘水在冷、熱交換塔中間引出10% 20%，剩余部分的富氘水與10% 20%原料水匯合進入熱交換塔，熱交換塔水的溫度為 140 1600C，二級至五級的壓力分別為1. 7 1. 9Mpa、1. 6 1. 8Mpa、1. 5 1. 7Mpa、1. 4 1. 6Mpa，被貧化的氫氣經循環(huán)壓縮機加壓后進入熱交換塔，富氘水與氫氣在催化床中進行 逆流交換，氘從水中轉入氫氣內，氣體中的氘被液體濃縮，濃縮的氣體作為富氘氫氣送入本 級冷交換塔，被貧化的水即為產品貧氘水。本發(fā)明的特點是1、利用氫同位素的分離系數α隨溫度變化的特點，采用兩個溫度條件進行交換 脫氘，在低溫條件下分離系數高，使氘自氫氣向水中富集，在高溫條件下分離系數低，使氘 自水中轉入氫氣中即脫氘。2、采用相同流程和設備進行五級雙溫交換脫氘，其生產流程短、操作簡便、安全可 靠，設備容積小，節(jié)省建設投資，能源消耗低，原料利用率高，可達70% 80%以上。3、生產過程中需要處理的水量少，是全部產品總量的1. 2 1. 5倍，節(jié)約水源，成 本低。4、制取的貧氘水品種規(guī)格多，五級流程五種主要產品，其規(guī)格分別為 IOOPPm(mo 1)、70PPm(mol)、50PPm(mol)、35PPm(mol)和 25PPm(mol)，由這五種產品加上輕 水可配制各種規(guī)格貧氘水，以滿足用戶的需要，生產過程中產生的副產品富氘水可以進行 加工利用，降低生產成本，原料水可以使用清水、海水和其他潔凈水。


圖1是本發(fā)明的生產工藝流程圖。 具體實施方案下面結合附圖對本方法作進一步說明1、第一級雙溫交換脫氘工藝過程原料水經原料水貯槽(110)和原料水泵(111)加壓，將80% 90%原料水送入 一級氣液分離器(101)，除沫后進入一級冷交換塔(102)，進塔水的溫度為20 30°C，壓力 為1. 8 2. OMpa，原料水與氫氣在催化床中進行逆流交換，氘自氫氣向水中富集，富集的水 作為富氘水在一級冷、熱交換塔中間引出進料量的10% 20%排放或作為生產重水的原 料，剩余部分富氘水與10% 20%原料水匯合，一起進入一級熱交換塔(104)，熱交換塔水 的溫度為140 160°C，壓力為1. 8 2. OMpa0在一級冷交換塔被貧化的氣體即貧氘氫氣 進入一級氣液分離器(101)，除去水沫后經一級循環(huán)壓縮機(106)加壓后進入一級加熱器 (105)加熱，然后送入一級熱交換塔(104)。富氘水與貧化的氣體在熱交換塔催化床中進行逆流交換，氘從水中轉入氫氣內，氣體中的氘被液體濃縮，得到的濃縮氣體作為富氘氫氣 再送入一級冷卻器(103)和一級冷交換塔(102)作為原料氣體周而復始循環(huán)。將80% 90%被貧化的水即貧氘水送入一級加熱器(105)加熱一級循環(huán)壓縮機(106)來的貧氘氫 氣，然后在流入一級水冷卻器(107)，冷卻后的貧氘水一半作為半成品，流進一級膜純化分 離器(108)，除去有害、有毒、污染物，然后貯存在一級貧氘水貯槽(109)，作為產品出售。半 成品貧氘水的另一半作為第二級的原料水送入第二級雙溫交換脫氘階段。原始氫氣貯存在 氫氣貯罐(112)，經氫氣壓縮機(113)加壓在一級加熱器(105)的氫氣入口管線上進入系統(tǒng) 與循環(huán)氫氣匯合。氫氣壓縮機(113)出口壓力為2. 1 2.2Mpa。此氫氣作為原始開工用 氫氣和補充系統(tǒng)減少或漏損的氫氣。第一級產品規(guī)格為lOOPPm(mol)，水中氘含量為97 103PPm(mol)。2、第二級雙溫交換脫氘工藝過程采用第一級生產的部分貧氘水作為第二級的原料水，將80% 90%原料水送入 二級氣液分離器(201)，除沫后進入二級冷交換塔(202)，進塔水的溫度為20 30°C，壓力 為1.7 1.9Mpa，原料水與氫氣在催化床中進行逆流交換，氘自氫氣向水中富集，富集的水 作為富氘水在二級冷、熱交換塔中間引出進料量的10% 20%排放或作為生產重水的原 料，剩余部分富氘水與10% 20%原料水匯合，一起進入二級熱交換塔(204)，二級熱交換 塔水的溫度為140 160°C，壓力為1. 7 1. 9Mpa。在二級冷交換塔被貧化的氣體即貧氘氫 氣進入二級氣液分離器(201)，除去水沫后經二級循環(huán)壓縮機(206)加壓后進入二級加熱 器(205)加熱，然后送入二級熱交換塔(204)。富氘水與貧化的氣體在催化床中進行逆流交 換，氘從水中轉入氫氣內，氣體中的氘被液體濃縮，得到的濃縮氣體作為富氘氫氣再送入二 級冷卻器(203)和二級冷交換塔(202)作為原料氣體周而復始循環(huán)。將80% 90%被貧化 的水即貧氘水送入二級加熱器(205)加熱二級循環(huán)壓縮機(206)來的貧氘氫氣，然后在流 入二級水冷卻器(207)，冷卻后的貧氘水一半作為半成品，流進二級膜純化分離器(208)， 除去有害、有毒、污染物，然后貯存在二級貧氘水貯槽(209)，作為產品出售。半成品貧氘水 的另一半作為第三級的原料水送入第三級雙溫交換脫氘階段。原始氫氣從一級氣液分離器 (101)的氫氣出口管線上引出，并在二級氣液分離器(201)的氫氣出口管線上引入系統(tǒng)，與 循環(huán)氫氣匯合后進入二級循環(huán)壓縮機(206)。此氫氣作為原始開工用氫氣和補充系統(tǒng)減少 或漏損的氫氣。第二級產品規(guī)格為70PPm(mol)，水中氘含量為67 73PPm(mol)。3、第三級至第五級雙溫交換脫氘工藝過程第三級至第五級雙溫交換脫氘工藝過程與第二級相同，其原料水都是采用上一級 生產的貧氘水，將從上一級得到的80% 90%原料水送入本級氣液分離器(301)、(401)、 (501)，除沫后進入本級冷交換塔(302)、(402) (502)，進塔水的溫度為20 30°C，三至五級 的壓力分別為1. 6 1. 8Mpa、l. 5 1. 7Mpa、l. 4 1. 6Mpa，各級原料水與氫氣在催化床中 進行逆流交換，氘自氫氣向水中富集，富集的水作為富氘水在本級冷、熱交換塔中間引出進 料量的10% 20%排放或作為生產重水的原料，剩余部分富氘水與10% 20%原料水匯 合，一起進入本級熱交換塔(304)、(404)、(504)，各級熱交換塔水的溫度為140 160°C，三 至五級的壓力為1. 6 1. 8Mpa、l. 5 1. 7Mpa、l. 4 1. 6Mpa。在本級冷交換塔被貧化的 氣體即貧氘氫氣進入本級氣液分離器(301)、(401)、(501)，除去水沫后經本級循環(huán)壓縮機 (306)、(406)、(506)加壓后進入本級加熱器(305)、(405)、(505)加熱，然后送入本級熱交換塔(304)、(404)、(405)。富氘水與貧化的氣體在催化床中進行逆流交換，氘從水中轉入 氫氣內，氣體中的氘被液體濃縮，得到的濃縮氣體作為富氘氫氣再送入本級冷卻器(303)、 (403)、(503)和本級冷交換塔(302)、(402)、(502)作為本級原料氣體周而復始循環(huán)。將 80% 90%被貧化的水即貧氘水送入本級加熱器(305)、(405)、(505)加熱本級循環(huán)壓縮 機(306)、(406)、(506)來的貧氘氫氣，然后在流入本級水冷卻器(307)、(407)、(507)，冷 卻后的貧氘水一半作為半成品，流進本級膜純化分離器(308)、(408)、(508)，除去有害、有 毒、污染物，然后貯存在本級貧氘水貯槽(309)、(409)、(509)，作為產品出售。本級半成品 貧氘水的另一半作為下一級的原料水送入下一級雙溫交換脫氘階段。原始氫氣從上一級氣 液分離器(201)、(301)、(401)的氫氣出口管線上引出，并在本級氣液分離器(301)、(401)、 (501)的氫氣出口管線上引入系統(tǒng)，與循環(huán)氫氣匯合后進入本級循環(huán)壓縮機(306)、(406)、 (506)。此氫氣作為原始開工用氫氣和補充系統(tǒng)減少或漏損的氫氣。第三級產品規(guī)格為 50PPm(mol)，水中氘含量為48 52PPm(mol)。第四級產品規(guī)格為35PPm(mol)，水中氘含量 為33 37PPm(mol)。第五級產品規(guī)格為25PPm(mol)，水中氘含量為23 27PPm(mol)。
權利要求
一種制取貧氘水的生產方法，其特征在于至少設置一級雙溫交換脫氘工藝過程，該過程是先將80％～90％原料水送入冷交換塔，進塔水的溫度為20～30℃，壓力為1.4～2.0Mpa，原料水與氫氣在催化床中進行逆流交換，氘自氫氣向水中富集，富集的水作為富氘水在冷、熱交換塔中間引出10％～20％，剩余部分的富氘水與10％～20％原料水匯合進入熱交換塔，熱交換塔水的溫度為140～160℃，壓力為1.4～2.0Mpa，被貧化的氫氣經循環(huán)壓縮機加壓后進入熱交換塔，富氘水與氫氣在催化床中進行逆流交換，氘從水中轉入氫氣內，氣體中的氘被液體濃縮，濃縮的氣體作為富氘氫氣送入冷交換塔，被貧化的水即為產品貧氘水。
2.根據權利要求1所述的制取貧氘水的生產方法，其特征在于設置五級雙溫交換脫氘 工藝過程，第一級是將80% 90%的原料水送入冷交換塔，進塔水的溫度為20 30°C，壓 力為1. 8 2. OMpa，原料水與氫氣在催化床中進行逆流交換，氘自氫氣向水中富集，富集的 水作為富氘水在冷、熱交換塔中間引出10% 20%，剩余部分的富氘水與10% 20%原料 水匯合進入熱交換塔，熱交換塔水的溫度為140 160°C，壓力為1. 8 2. OMpa，被貧化的 氫氣經循環(huán)壓縮機加壓后進入熱交換塔，富氘水與氫氣在催化床中進行逆流交換，氘從水 中轉入氫氣內，氣體中的氘被液體濃縮，濃縮的氣體作為富氘氫氣送入冷交換塔，被貧化的 水即為產品貧氘水；從第二級開始每一級的原料水都取至上一級制得的貧氘水，各級的工 藝過程為將80% 90%的原料水送入冷交換塔，進塔水的溫度為20 30°C，二級至五級 的壓力分別為1. 7 1. 9Mpa、l. 6 1. 8Mpa、l. 5 1. 7Mpa、l. 4 1. 6Mpa，原料水與氫氣 在催化床中進行逆流交換，氘自氫氣向水中富集，富集的水作為富氘水在冷、熱交換塔中間 引出10% 20%，剩余部分的富氘水與10% 20%原料水匯合進入熱交換塔，熱交換塔 水的溫度為140 160°C，二級至五級的壓力分別為1.7 1.9Mpa、1.6 1.8Mpa、1.5 1. 7Mpa、l. 4 1. 6Mpa，被貧化的氫氣經循環(huán)壓縮機加壓后進入熱交換塔，富氘水與氫氣在 催化床中進行逆流交換，氘從水中轉入氫氣內，氣體中的氘被液體濃縮，濃縮的氣體作為富 氘氫氣送入本級冷交換塔，被貧化的水即為產品貧氘水。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用氫同位素交換制取貧氘水的生產方法，該方法至少設置一級雙溫交換脫氘工藝，將原料水送入冷交換塔，原料水與氫氣在催化床中進行逆流交換，氘自氫氣向水中富集，富集的水作為富氘水在冷、熱交換塔中間引出一部分，剩余部分的富氘水與原料水匯合進入熱交換塔，被貧化的氫氣經循環(huán)壓縮機加壓后進入熱交換塔，富氘水與氫氣在催化床中進行逆流交換，氘從水中轉入氫氣內，氣體中的氘被液體濃縮，被貧化的水即為產品貧氘水。本發(fā)明的特點是生產流程短、操作簡便、安全可靠，設備容積小，節(jié)省建設投資，能源消耗低，原料利用率高，可達70％～80％以上。
文檔編號C01B5/00GK101985349SQ20091001285
公開日2011年3月16日 申請日期2009年7月29日 優(yōu)先權日2009年7月29日
發(fā)明者徐經宇 申請人:大連世紀新源技術開發(fā)有限公司