一種氫同位素氣體凈化方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種氫同位素氣體凈化方法，所述凈化方法依次包括如下步驟：a.氫同位素氣體凈化裝置的漏率檢驗(yàn)，充He至1.5MPa，保壓60min；b.凈化前的預(yù)處理；c.凈化處理；d.后處理。采用本發(fā)明的凈化方法，能夠獲得高純度的氫同位素氣體。
【專利說(shuō)明】一種氫同位素氣體凈化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氫同位素處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種氫同位素氣體凈化方法，本發(fā)明用于將氫同位素中的02、N2、Ar、CH4、C02等雜質(zhì)元素高效去除，以獲得純度為99.999%以上的氫同位素氣體。

【背景技術(shù)】
[0002]能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境是當(dāng)今人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展面臨的三大問題，其中，能源是經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。核裂變能是上世紀(jì)60年代出現(xiàn)的新興能源，經(jīng)過(guò)近半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，目前已具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模。到20世紀(jì)末，全世界的裝機(jī)容量已達(dá)到430GW，裂變能對(duì)總能源的貢獻(xiàn)為7%。正如沒有煤或天然氣就不可能有傳統(tǒng)發(fā)電廠的電力輸出一樣，沒有完整的氘氚燃料循環(huán)也就不可能有聚變反應(yīng)堆的電力輸出。
[0003]氫同位素的高效、快速凈化是聚變反應(yīng)堆氘氚核燃料循環(huán)的核心技術(shù)之一，通過(guò)同位素凈化，不僅可使反應(yīng)堆運(yùn)行中大量未燃燒的氘氚氣體得到重新利用，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)聚變反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中氚的環(huán)境釋放量的有效控制。為滿足未來(lái)聚變反應(yīng)堆運(yùn)行對(duì)大規(guī)模氫同位素凈化需求，目前已經(jīng)發(fā)展了一系列的氫同位素凈化技術(shù)，如鈀合金膜氫擴(kuò)散凈化器坐寸ο
[0004]鈀合金膜氫擴(kuò)散凈化器利用了氫同位素在鈀合金膜中的快速前期或擴(kuò)散的特點(diǎn)。鈀薄膜表面具有很強(qiáng)的吸氫能力，能使氫分子離解成氫原子溶解于鈀中，并沿濃度梯度方向由表面向內(nèi)擴(kuò)散，并透過(guò)鈀薄膜，在膜的另一端以H2分子形態(tài)脫離膜表面。在同等條件下，其它氣體分子，如02、N2, Ar、CH4, CO2等，由于原子體積、離解能等比氫同位素分子大得多，在鈀晶格中的擴(kuò)散速度十分低，從宏觀角度看，不能透過(guò)鈀薄膜。因此，鈀薄膜具有氫氣的選擇性透過(guò)能力。
[0005]早期，當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)鈀-氫體系的特點(diǎn)后，就以純鈀膜制成滲氫膜以制取少量高純氫。但是，純鈀膜不是一種好的滲氫膜。在室溫和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下，Pd/H體系的一個(gè)重要特征是在鈀氫化物的兩個(gè)面心立方晶格的不同相(α相、β相)間存在融合間隙。aMax和β ?in的晶間距分別為0.389nm和0.402nm,對(duì)應(yīng)于兩相間的線尺度差為3.3%，兩種固溶體的比容相差約10%。因此，當(dāng)用氫氣跨越融合間隙區(qū)進(jìn)行吸放氫循環(huán)時(shí)，鈀氫化物會(huì)反復(fù)發(fā)生a - β相間的相變。由于α相、β相晶格常數(shù)的差異，相變過(guò)程會(huì)伴隨鈀晶格的膨脹和收縮并產(chǎn)生應(yīng)力，很快導(dǎo)致鈀膜皺折破裂。因此，純鈀膜不宜作氫氣凈化材料。為了克服這一缺點(diǎn)，后來(lái)發(fā)展了一種Pd-Ag合金，銀的加入主要是為了彌合室溫下α相、β相間存在的融合間隙，改善合金膜的性能，這種組分的合金比純鈀具有更高的氫滲透率，能有效克服氫化循環(huán)過(guò)程中鈀膜皺折破裂的缺點(diǎn)。對(duì)商用Pd-Ag合金的電子顯微鏡觀測(cè)結(jié)果表明，相同條件下，氫化導(dǎo)致的位錯(cuò)密度比純鈀低得多?？墒?，該合金膜的缺點(diǎn)是強(qiáng)度僅比純鈀膜稍高，這意味高溫下無(wú)支承的合金膜不能承受高的氫壓力。近年來(lái)，鈀合金膜在氚凈化工藝中的應(yīng)用結(jié)果表明，與材料相關(guān)聯(lián)的一些缺點(diǎn)，如氫脆、氦脆、雜質(zhì)中毒等，限制了這類合金膜在聚變反應(yīng)堆核燃料凈化嚴(yán)酷條件下的應(yīng)用。
[0006]研究結(jié)果表明，可以通過(guò)多元鈕合金的方式克服這些缺點(diǎn)。Hughes D T andHarris I R等人的研究結(jié)果表明，鈀稀土固溶合金是一類很好的氫凈化材料，它們是未來(lái)聚變反應(yīng)堆核燃料凈化材料的主要侯選材料。適量合金元素的加入，既能有效地消除α相、β相的融合間隙，增強(qiáng)了合金的抗氫脆、氦脆和抗雜質(zhì)中毒能力，又大大改善氫滲透性能，合金的機(jī)械強(qiáng)度又有較大的提高，這有利于聚變反應(yīng)堆核燃料凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。例如，在鈀中添加金、銀、釔等元素不僅大大提高了氫滲透膜的透氫性能，也提高了氫滲透膜的高溫強(qiáng)度。合金元素加入后，氫化物α相、β相固溶體的比容差縮小，抗氫化蠕變能力加強(qiáng)。例如純鈀在20?500°C間的氫氣氛中加熱-冷卻循環(huán)，5次左右出現(xiàn)明顯變形，而PdNi5.5氫滲透膜加熱-冷卻循環(huán)可達(dá)3000次以上無(wú)明顯變形。
[0007]通過(guò)上述分析可看出，鈀合金膜對(duì)氫同位素有較好的選擇透過(guò)性，利用這一特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外一些知名的實(shí)驗(yàn)室均采用鈀合金膜進(jìn)行氫同位素氣體的凈化處理，只不過(guò)采用的組裝結(jié)構(gòu)和添加的微量元素不同而已。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種氫同位素氣體凈化方法。
[0009]本發(fā)明的氫同位素氣體凈化方法，依次包括如下步驟:a、氫同位素氣體凈化裝置的漏率檢驗(yàn)，充He至1.5MPa，保壓60min ;b、凈化前的預(yù)處理；c、凈化處理；d、后處理。
[0010]步驟a中的漏率檢驗(yàn)的漏率值小于1.0X10 —9.Pa.m3.s'
[0011]步驟b中的凈化前的預(yù)處理包括下列步驟:
(1)打開氫同位素凈化裝置的入口端及出口端閥門；
(2)在室溫下抽空至20Pa以下；
(3)加熱至400°C，再抽空至2Pa并維持30min；
(4)繼續(xù)加熱至5000C，繼續(xù)抽空至2Pa，關(guān)閉入口端及出口端閥門。
[0012]步驟C中的凈化處理包括下列步驟:
(O打開凈化裝置的原料氣入口端閥門和產(chǎn)品氣接收端閥門；
(2)在500°C的恒溫下，讓待凈化的氫同位素氣體從原料氣入口端進(jìn)入凈化裝置；
(3)原料氣入口端壓力控制在0.2MPa-0.25MPa之間；
(4)產(chǎn)品氣用貯氫床吸收；
(5)凈化處理完畢后，關(guān)閉貯氫床閥門；
(6)尾氣用氣體循環(huán)裝置轉(zhuǎn)至緩沖罐。
[0013]步驟d中的凈化后處理包括下列步驟:
(1)在500°C的恒溫條件下，將凈化裝置抽空至4Pa以下并維持60min；
(2)自然冷卻至室溫并關(guān)閉降氕裝置的各種工藝閥門。
[0014]本發(fā)明的有益效果是縮短了氫同位素周期，簡(jiǎn)化了活化工藝，降低了高純氫同位素氣體的制備成本，確定的氫同位素凈化工藝參數(shù)可以有效地獲得99.999%的氫同位素氣體。

【具體實(shí)施方式】
[0015]本發(fā)明的氫同位素氣體凈化方法，氫同位素氣體凈化裝置的主體設(shè)置有螺旋狀的鈀釔合金螺旋管。其工藝系統(tǒng)主要由凈化器、標(biāo)準(zhǔn)罐、貯氣罐、壓力傳感器、閥門、真空規(guī)、氣體循環(huán)轉(zhuǎn)移泵、真空泵及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等構(gòu)成。整個(gè)工藝系統(tǒng)在使用前須經(jīng)氦質(zhì)譜檢漏，漏率宜小于1.0X 10_9Pa.m3.s'凈化器主要用于氫同位素氣體的凈化處理；標(biāo)準(zhǔn)罐主要用于氫同位素氣體凈化過(guò)程中處理氣量的定量標(biāo)定；貯氣罐主要用于氫同位素氣體處理過(guò)程中處理氣量的收集；壓力傳感器主要用于氫同位素氣體凈化過(guò)程中工作壓力顯示與控制；閥門主要對(duì)工藝系統(tǒng)進(jìn)行控制；真空規(guī)主要用于工藝系統(tǒng)真空度的監(jiān)測(cè)；氣體循環(huán)轉(zhuǎn)移泵主要用于氫同位素氣體凈化過(guò)程中氣體的轉(zhuǎn)移與增壓；真空泵主要用于工藝系統(tǒng)的抽空處理；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于氫同位素氣體凈化過(guò)程中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。
[0016]本發(fā)明依次包括如下步驟:
I)、氫同位素氣體凈化裝置的設(shè)計(jì)與加工
氫同位素氣體凈化裝置的主體是螺旋狀的鈕乾合金螺旋管(Pd-0.8wt.% Y),有效滲透面積為620cm2，此裝置的最大耐壓強(qiáng)度為1.5MPa，該裝置設(shè)計(jì)為內(nèi)壓式。包括I個(gè)原料氣進(jìn)口、I個(gè)產(chǎn)品氣出口和I個(gè)尾氣出口。
[0017]2)氫同位素氣體凈化裝置的漏率檢驗(yàn)
為了確保產(chǎn)品氣的純度，在進(jìn)行氫同位素氣體凈化前，需對(duì)該裝置進(jìn)行整體檢漏。檢漏方式:充He至1.5MPa并保壓60min，漏率小于1.0X10 —9.Pa.m3.s'
[0018]3)氫同位素氣體凈化前的預(yù)處理
氫同位素凈化裝置抽空至20Pa以下，然后加熱至400°C，再抽空至2Pa并維持30min ；
3)將加熱后的氫同位素凈化裝置繼續(xù)加熱至500°C，繼續(xù)抽空至2Pa并在此溫度下進(jìn)行氫同位素氣體的凈化處理。
[0019]4)氫同位素氣體的凈化處理
為了確保氫同位素凈化裝置在凈化過(guò)程中的安全性，在氫同位素氣體凈化前必須對(duì)裝置進(jìn)行漏率檢驗(yàn)和預(yù)處理，其漏率檢驗(yàn)工藝過(guò)程為:將制作好的氫同位素氣體凈化裝置接入工藝系統(tǒng)，充He至1.5MPa后并保壓60min，漏率小于1.0X 10 —9.Pa.m3.S-1。其預(yù)處理過(guò)程為:在500°C的恒溫條件下，將緩沖罐中的氫同位素氣體從凈化裝置的原料氣入口端進(jìn)入凈化裝置，產(chǎn)品氣接收端用預(yù)先活化好的貯氫床進(jìn)行吸收，尾氣用氣體循環(huán)裝置轉(zhuǎn)至緩沖罐中進(jìn)行進(jìn)行凈化處理，直到取樣分析原料氣中的氫同位素含量小于I %為止，為了確保凈化裝置在氫同位素氣體凈化過(guò)程中有較高的驅(qū)動(dòng)力(即螺旋管內(nèi)外壓差大于0.2MPa)，氫同位素氣體凈化過(guò)程中，必須采用氣體循環(huán)增壓泵維持相對(duì)恒定的壓差。
[0020]氫同位素氣體凈化裝置的工作溫度為500°C，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了不同雜質(zhì)含量、不同處理氣量。在相同的雜質(zhì)含量下，當(dāng)初始處理氣量為14L時(shí),凈化30min后,尾氣的氫同位素氣體總量小于I 而當(dāng)初始處理氣量為14L時(shí)，凈化60min后，尾氣的氫同位素氣體總量小于I %。在相同的處理氣量下，當(dāng)原料氣雜質(zhì)含量為10%時(shí),凈化20min后,尾氣中的氫同位素氣體總量小于1% ;當(dāng)原料氣雜質(zhì)含量為50%時(shí)，凈化40min后，尾氣中的氫同位素氣體總量小于I %。結(jié)果顯示，在500°C的凈化溫度下，該方法對(duì)氫同位素有較好的凈化效果，凈化尾氣中的氫同位素濃度小于1%。且凈化時(shí)間較現(xiàn)國(guó)際上通用的直管型凈化裝置的凈化時(shí)間低約2?3倍。
[0021]5)氫同位素氣體凈化后的處理
在氫同位素氣體凈化完畢后，在500°C的恒溫條件下，用真空泵將凈化裝置抽空至4Pa以下并維持60min后，讓凈化裝置自然冷卻至室溫并關(guān)閉裝置的各種工藝閥門。
[0022]工藝過(guò)程主要技術(shù)條件:
(I)檢漏介質(zhì):He-4氣體，純度:大于99.999%。
[0023](2)檢漏壓力:1.5MPa (絕壓)。
[0024](3)預(yù)處理:冷除氣包括，常溫、抽空至20Pa以下并保持30min ;熱除氣包括500 0C，抽空至2Pa并保持60min。
[0025](4)氫同位素氣體凈化處理:工作為500°C，裝置采用內(nèi)壓式，內(nèi)外壓差不低于
0.2MPa (絕壓)。
[0026](5)氫同位素氣體凈化后的處理:在500°C下抽空至5Pa并維持60min。
[0027]氫同位素凈化裝置的凈化效果:
在使用本發(fā)明中保壓檢漏工藝后，確保了該裝置的使用過(guò)程中的安全性；獲得的氫同位素氣體凈化前預(yù)處理工藝，能有效地去除微量水分、氧、氮及表面吸附物等，確保后續(xù)的氫同位素氣體凈化過(guò)程中避免裝置中毒而降低凈化效率；獲得的氫同位素氣體凈化工藝參數(shù)能獲得高純度的氫同位素氣體且能將尾氣中的氫同位素氣體總量控制在1%以下，避免了因氫同位素氣體的環(huán)境釋放而帶來(lái)的安全隱患。
【權(quán)利要求】
1.一種氫同位素氣體凈化方法，所述凈化方法依次包括如下步驟:a、氫同位素氣體凈化裝置的漏率檢驗(yàn)，充He至1.5MPa，保壓60min ;b、凈化前的預(yù)處理；c、凈化處理；d、后處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫同位素氣體凈化方法，其特征在于:步驟a中的漏率檢驗(yàn)的漏率值小于 1.0X10 —9.Pa.m3.S—1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的氫同位素氣體凈化方法，其特征在于:步驟b中的凈化前的預(yù)處理包括下列步驟: (1)打開氫同位素凈化裝置的入口端及出口端閥門； (2)在室溫下抽空至20Pa以下； (3)加熱至400°C，再抽空至2Pa并維持30min； (4)繼續(xù)加熱至5000C，繼續(xù)抽空至2Pa，關(guān)閉入口端及出口端閥門。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的氫同位素氣體凈化方法，其特征在于:步驟c中的凈化處理包括下列步驟: (1)打開凈化裝置的原料氣入口端閥門和產(chǎn)品氣接收端閥門； (2)在500°C的恒溫下，讓待凈化的氫同位素氣體從原料氣入口端進(jìn)入凈化裝置； (3)原料氣入口端壓力控制在0.2MPa-0.25MPa之間； (4)產(chǎn)品氣用貯氫床吸收； (5)凈化處理完畢后，關(guān)閉貯氫床閥門； (6)尾氣用氣體循環(huán)裝置轉(zhuǎn)至緩沖罐。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的氫同位素氣體凈化方法，其特征在于:步驟d中的凈化后處理包括下列步驟: (1)在500°C的恒溫條件下，將凈化裝置抽空至4Pa以下并維持60min； (2)自然冷卻至室溫并關(guān)閉降氕裝置的各種工藝閥門。
【文檔編號(hào)】B01D59/10GK104128093SQ201410354805
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】熊義富, 羅德禮, 石巖, 把靜文, 敬文勇, 何名明, 吳文清, 常元慶 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院材料研究所