专利名称：一种从水中去除氚的方法
技术领域：
本发明一般涉及从水中回收氚同位素的领域，更具体地涉及通过将水中的氚转化成元素氢流、然后通过膜扩散分离并富集氚、最后通过热扩散富集氚以从水中除去氚的方法。
背景技术：
加拿大、法国以及最近在韩国已经建造了一些大型装置，用于从核反应堆的重水调节系统中提取氚。Kalyanam and Sood，“Fusion Technology”1988，pp525-528中提供了这些类型系统的工艺特征的对比。已经设计出用于聚变应用的类似但较小的轻水氚回收系统(参见H.Yoshida，et al，“Fusion Eng.and Design”1998，pp825-882；Busigin，et al，“Fusion Technology”，1995pp 1312-1316；A.Busigin and S.K.Sood，“Fusion Technology”1995pp 544-549)。当前所有大型系统都使用前端工艺来将水中的氚转化成元素氢，随后通过低温蒸馏级联将全部或大部分氢同位素分离。
已经设计和建造了用于铀同位素分离的大型膜(气体)扩散系统。气体扩散技术的详细描述由M.Benedict，T.Pigford and H.Levi，“Nuclear ChemicalEngineering”，McGraw Hill(1981)提供。气体扩散从来没有用于大规模氢同位素分离。
如G.Vasaru，et al，“The Thermal Diffusion Column”，VEB Deutscher derWissenschaften，Berlin，1968中叙述，自从二十世纪五十年代以来，热扩散塔已经应用于小规模的氢同位素分离。由于不能成比例的扩大生产，这项技术的应用受到了限制。
当前所有用于水去氚化的大型工艺都是基于通过下列方法将水中的氚转化为元素氢(a)催化交换反应，例如(b)直接电解水，即；或(c)通过适当的反应分解水，例如水气转换反应(参见Kalyanam and Sood，“Fusion Technology”1988，pp525-528；A.Busigin and P.Gierszewski，“Fusion Engineering and Design”1998，pp909-914；D.K.Murdoch，et al，“Fusion Science and Technology”2005，pp3-10；K.L.Sessions，“Fusion Science and Technology”2005，pp91-96；J.Cristescu，et al.“Fusion Science and Technology”2005，pp97-101；I-R.Cristescu，et al，“FusionScience and Technology”2005，pp343-348)。
最近建议将Pd/Ag膜级联作为低温蒸馏的替代技术应用于ITER(D.L.Luo，et al，“Fusion Science and Technology”2005，pp156-158)。然而，所建议装置的氢通量比CANDU反应堆调节器水去氚系统例如Darlington去氚设备的氢通量小1000倍。该替代技术可用于小规模的同位素分离，例如将含有约50％氘和50％氚的等离子体废气提高到适用于聚变燃料再循环的90％氚浓度。大型聚变装置的高通量氚使得低通量技术例如热扩散的使用不切合实际。在核反应堆典型的水去氚化应用中，氚通量与ITER规模的聚变装置相比非常微小，然而需要处理的水量非常大。
现有技术中大规模氢同位素分离低温蒸馏方法具有如下缺点1.使用液态制冷剂具有相应的危险，例如升温和蒸发时产生高压的可能；非常低的温度工艺条件引起的热应力；需要真空绝缘的低温盒容器来容纳制冷设备。
2.大量的液氢(以及氚)存量，几乎充满了蒸馏塔装填量。
3.潜在的由于杂质冷冻引起的工艺管线阻塞。
4.复杂并且昂贵的工艺装置。
5.复杂的操作和维护。
6.非模块式工艺使得更新和保持设备备件变得困难。
7.需要间歇操作干燥器和液氮吸收器来净化低温蒸馏级联的进料。
由于不能在商业上利用以及从百万分之几到99+％的纯度富集氚需要大量不连续的压缩阶段，因此以前大型膜扩散没有应用于氢同位素分离。为了与低温蒸馏竞争，压缩阶段的数量需要减少，尤其在工艺的高氚浓度端，在此存在氚材料的匹配性和安全性问题。
热扩散已经成功的应用于小规模氚分离，甚至达到99+％的氚，但是不能简单的放大到高通量。这是因为热扩散塔必须在层流态下操作，而放大将使得热扩散塔操作进入湍流态(R.Clark Jones and W.H.Furry，“Reviews of Modern Physics”，1946，pp151-224)。当通量需求很大时，并联建设的多个小热扩散塔的替代方法是不具有吸引力的。热扩散塔还具有低的热力学效率，这对于小规模并不重要，但对大规模就有问题了。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种轻水和重水去氚化的大型基于非低温扩散的方法，该方法比传统的低温蒸馏方法更简单并且更加经济。
本发明的另一个目的是提供一种在启动、关闭和操作上比传统的低温蒸馏方法更简单的方法。
本发明的另一个目的是提供一种设计和更新比传统的低温蒸馏方法更简单的模块式方法。
本发明的另一目的是提供一种基于标准化模块的方法，使得维护和保持设备备件更加简单。
本发明的另一目的是提供一种比传统低温蒸馏方法具有明显减少的元素氢同位素存量的方法。
本发明的另一目的是提供一种方法，其中与传统的低温蒸馏方法相比，该方法由于排除了液态制冷剂而减少了危险。
本发明的另一目的是提供一种能够将含有百万分之几氚含量的水去氚化并且生成具有99％或更高浓度氚的产物的方法。
本发明的另一目的是提供一种连续方法，其中该方法不需要例如通常用在低温蒸馏系统前端的干燥器和液氮吸收器的间歇操作。
通过以下与附图相结合的详细描述，本发明的其它目的和优点将变得非常明显，其中通过图解和示例的方式，公开了本发明的实施方案。
根据本发明的优选实施方案，公开了一种从水中除去氚的方法，通过将水中的氚转化为元素氢流，随后通过膜扩散分离并富集氚，最后通过热扩散富集氚。该方法结合了用于分离和预富集氚的膜扩散级联和用于最终富集氚的一个或多个热扩散塔。这种结合利用了在高通量和低氚浓度下膜扩散的可缩放性，以及对于最终富集所需要的低通量热扩散的简单性。该方法适合任何将含氚水中的氚转化为元素氢的前端(front-end)工艺，包括汽相催化交换(VPCE)、液相催化交换(LPCE)、直接电解(DE)、电解和催化交换结合(CECE)、通过水气转化反应器(即钯膜反应器(PMR))或热金属床反应器(HMBR)分解水。该方法可以设计成，但不限制于，在膜扩散部分的高压侧和热扩散部分中在低压(约1大气压)下操作。这将没有例如传统的低温蒸馏中的过压危险，其中传统的低温蒸馏中液态制冷剂在升温下蒸发。
附图构成了本说明书的一部分并且包括本发明的示例性实施方案，其中实施方案可以以不同的方式实施。应当理解，在一些情况下，可以放大或扩大本发明的不同方面以助于理解本发明。
图1是用于说明本发明中组合方法的工艺流程图。
具体实施例方式
在此提供本发明的优选实施方案的详细描述。然而应当理解，本发明可以以不同的方式实施。因此，这里公开的详细描述不作为限制性说明，而是作为权利要求的根据并且作为教导本领域技术人员的代表性依据，使本领域技术人员能够以任何适当的详细系统、结构或方式来实际实施本发明。
根据本发明，图1显示了基于本发明的水去氚化系统的总体工艺流程图。前端(front-end)系统10是一种汽相催化交换系统(VPCE)，其中含氚水进料11流入用于加湿去氚气流13的气-液接触器12，离开气-液接触器12的未蒸发水14可以回流到进料流11中或返回到源头，这取决于应用。
在该实施例中，控制进入到气-液接触器12的进料11的温度，以在被加湿的上部流出气流15中维持最佳的氢-水蒸汽比，气流15随后通过高温催化反应器16，在此富含氚的水根据交换反应发生反应
然而应当理解，该方法对于根据任何以下反应从富含氚的重水或轻水中提取氚都是有用的
或者更普遍的
其中Q表示氢同位素H或D。在所有这些反应中，氚从水中转化为元素氢。
明显减少去氚水返回流18中的氚浓度要求进入催化反应器的进料流15中氢与水蒸汽的高比率。然而，在例如重水反应堆调节器水去氚化的应用中，主要目的可以是使总的氚去除率最大化，优选氢与水蒸汽的低比率，这样可以使总的氚去除率最大化。
图l中显示的前端系统10可以由不同的系统替代，例如液相催化交换(LPCE)、直接电解(DE)、电解和催化交换结合(CECE)、通过水气转化反应例如钯膜反应器(PMR)分解水、或在热金属床反应器(HMBR)中分解水。同样，气-液接触器12可以是另一种装置，例如加湿膜、蒸发器等。
水蒸汽在位于反应器16下游的冷凝器17中冷凝，然后通过重力作用作为去氚水18回流。在冷凝器的下游，元素氢同位素通过进料真空泵19抽引透过Pd/Ag膜20，其中该膜仅仅可渗透过元素氢同位素。Pd/Ag膜20和进料真空泵19可以为一个或多个联合操作单元，以获得氢同位素的高回收率。通过压力控制阀21，没有透过的气体或蒸汽作为滞留物排出，其中阀21被加热到足够的温度以防止水蒸气在其中冷凝。
进料真空泵19的出口连接到膜扩散级联22中。膜扩散级联的进料位置24在阶段4中示出。进料位置随着分离要求而特别设定，因而阶段4的进料位置24应当被认为仅仅是示例性的。膜扩散级联22的每个阶段由至少一个压缩机和一个膜组成。对于高通量来说，每阶段可以具有并联的若干膜和压缩机，因为压缩机仅具有不连续的尺寸。分离部分23分离出氚以生成用于循环到前端系统10的去氚气体产物流13。富集部分25将氚富集到充分的浓度，以允许通过一个或多个(但是一个实际数)热扩散塔29进行最终富集。来自膜扩散级联22的富含氚产物33流入到热扩散塔29用于最终富集。
膜扩散级联22的每个膜单元都具有高压滞留物侧26、低压渗透物侧27和扩散膜28。扩散膜28是膜的微孔一般小于气体平均自由行程的微孔膜，或例如Pd/Ag氢可渗透膜的金属膜。在任一情形下，较轻的同位素物质比较重的同位素物质通过膜的扩散更快，结果使较重的同位素集中在膜的滞留物侧。系统中使用的分离和富集阶段的多少取决于系统分离需求和将流到下游热扩散塔29的流33减少到可行值所需要的阶段数。
膜扩散级联22可以设计成在低压下操作。对于微孔膜，操作压力可以不升高到超过在气体平均自由行程远大于微孔尺寸时的点。
由于有限的气体存量的存在，因此在系统设计中不存在固有的高压危险。这与低温蒸馏形成鲜明的对比，其中低温蒸馏在液态制冷剂蒸发和膨胀时存在由于升温而产生过压的可能。而且，膜扩散级联22具有少量存量，因为它避免使用液氢。(液氢具有比低压热气体高接近3个数量级的摩尔密度)。
图1中显示了一个热扩散塔31，尽管根据应用，可以使用并联或串联连接的多个塔。热扩散塔由同心位于管内部的热金属丝或圆柱形加热棒30组成，其中管由冷却夹套32包围。氚产物36从塔31的底部排出，而去氚的气体34回流到膜扩散级联22。冷却剂35一般是水，但原则上可以是更冷的物质，例如液氮。随着热冷温度的比值增加，热扩散塔的分离性能得到改进。
通过将膜扩散级联22放大到高通量的缩放性与一个或多个低通量热扩散塔29结合在一起，结合的工艺在膜扩散级联22中具有有效的阶段个数以及有效的热扩散塔29个数。选择任一单独工艺都不具有吸引力或实用性。
膜扩散级联22和热扩散塔29的结合比传统低温蒸馏级联的操作更简单。没有复杂的启动、操作或关闭程序。该方法连续操作，不需要间歇操作。
虽然结合优选实施方案详细描述了本发明，但并不意味着本发明限定在列举的特殊形式的范围内，相反，意味着其旨在覆盖包括在所附权利要求限定的本发明精神和范围内的替换、修改以及等同物。
权利要求
1.一种用于从水中去除氚的方法，所述方法通过将水中的氚转化成元素氢流，然后通过膜扩散分离并富集氚，最后通过热扩散富集氚。
2.一种氢同位素分离方法，包括将大型膜扩散和用于最终富集的小型热扩散串联结合。
3.一种结合膜扩散和热扩散的方法，适合任何将含氚水中的氚转化为元素氢的前端工艺，所述前端工艺包括汽相催化交换(VPCE)、液相催化交换(LPCE)、直接电解(DE)、电解和催化交换结合(CECE)、通过水气转化反应器(即钯膜反应器(PMR))或热金属床反应器(HMBR)分解水。
全文摘要
一种用于从水中去除氚的基于扩散的方法，通过将水中的氚转化成元素氢流，然后通过用于分离和富集氚的膜扩散级联，最后通过一个或多个热扩散塔富集氚。该工艺步骤组合利用在低氚浓度下膜扩散的高通量能力和用于低通量最终氚富集的热扩散的简单性。膜扩散阶段使用承载或非承载微孔或氢可渗透金属膜(例如Pd/Ag合金)。扩散工艺适合任何用于将含氚水中的氚转化为元素氢的前端工艺。该方法可以设计并在低压下操作同时具有低气体存量以及没有内在过压危险。
文档编号C01B4/00GK1948128SQ20061012723
公开日2007年4月18日 申请日期2006年9月14日 优先权日2005年10月11日
发明者安东尼·布西金 申请人:精细分离应用有限公司