一种热泵精馏生产低氘水的装置的制作方法

本实用新型涉及低氘水生产设备，属于低氘水生产技术领域。

背景技术：

自然界中已知的107个化学元素有近270个稳定同位素，质量最小的是氢元素，它有氕(1H)和氘(2H即D)两种稳定性同位素，由此组成的水¹H2O和²H2O(即D2O)分别称为氕水(轻水)和氘水(也称重水)。天然水中氘的丰度一般为150ppm，而氘丰度低于150ppm的水被称低氘水。经¹⁷O核磁共振分析证实，低氘水的分子团较一般的水小50％以上，这些较小的分子团在身体内部移动穿越比其他的水更迅速有效，更容易被细胞吸收，使身体更快更有效地补充水分。且低氘水具有活化免疫细胞、改善机体基础代谢水平、抗细胞突变和延缓衰老等功能，有益于包括人在内的各种动植物生命体的生存发展和繁衍，因此越来越多的人选择了低氘水。

由于水与重水的沸点不同，可以用水精馏的方法生产低氘水，但由于水和重水的沸点差异很小，且天然水中氘同位素丰度极少且氢同位素的分离系数小，精馏法生产大规模低氘水，需要多级并联，存在生产效率低、生产中耗能较大和生产成本较高等问题，已严重限制低氘水的应用。

因此，提供一种低能耗的低氘水生产设备是十分必要的。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决现有水精馏方法生产低氘水的设备梯级蒸馏系统较多，具有生产效率低、能耗大、生产成本较高等问题，提供的一种热泵精馏生产低氘水的装置。

本实用新型的技术方案：一种热泵精馏生产低氘水的装置，其特征在于：包括精馏塔、压缩机、热泵蒸发系统、热泵冷凝系统、冷凝水循环泵、热水循环泵，第一管线系统和第二管线系统，冷凝水循环泵串联安装在第一管线系统上，热泵蒸发系统通过第一管线系统与精馏塔的上部建立连接安装，热水循环泵串联安装在第二管线系统上，热泵冷凝系统通过第二管线系统与精馏塔的下部建立连接安装，热泵蒸发系统和热泵冷凝系统使用高压管线与压缩机建立连接安装，高压管线上设有节流阀。

优选的：所述的精馏塔包括蒸汽发生釜、质换系统、回液收集器、冷却系统和真空系统，蒸汽发生釜通过法兰与质换系统的下端建立连接安装，回液收集器通过法兰安装在质换系统的上端，冷却系统安装在回液收集器的上端，真空系统的真空管道一端与冷却系统连通，另一端与外部真空系统连通，并通过机械真空调节阀控制该装置内部的真空度梯度。

优选的：所述的热泵蒸发系统包括热泵蒸发器和热泵蒸发器外壳，热泵蒸发外壳上设有冷凝水进口和出口，第一管线系统的一端与热泵蒸发器外壳上设有的冷凝水进口和出口连通，热泵蒸发器的两端与高压管线连通，所述的冷却系统包括冷凝器和冷凝器外壳，冷凝器安装在冷凝器外壳内，第一管线系统的另一端与冷凝器的进口和出口连通。

优选的：所述的热泵冷凝系统包括热泵冷凝器和热泵冷凝器外壳，热泵冷凝器外壳上设有热水进口和出口，第二管线系统的一端与热泵冷凝器外壳上设有的热水进口和出口连通，热泵冷凝器的两端与高压管线连通，所述的蒸汽发生釜包括电加热器、换热器和蒸汽发生釜外壳，电加热器和换热器安装在蒸汽发生釜外壳内，蒸汽发生釜外壳左侧设有反渗透水进口和出口，第二管线系统的另一端与换热器的进口和出口连通。

优选的：所述的蒸汽发生釜为空心圆柱体，内径为500mm，高度为1m，电加热器的功率为15-25kw/h。

优选的：所述的质换系统为空心圆柱体包括规整填料、散堆填料和液体分配器，规整填料焊接在外壳的下端内壁上，散堆填料置于规整填料上，液体分配器焊接在外壳的上端内壁上。

优选的：所述的回液收集器包括回液收集器内壳、低氘水出口管、液体回流筒和回液收集器外壳，回液收集器内壳与回液收集器外壳连接安装构成环形腔，环形腔底面设有通孔，液体回流筒为圆筒状焊接在通孔内，低氘水出口管设置在回液回液收集器外壳上，低氘水出口管水平位置低于液体回流筒的上口高度。

优选的：所述的质换系统内径为300-600mm，壁厚为2-5mm，高度为4-6m。

本实用新型的技术方案是这样实现的：设备开车时，首先通过蒸汽发生釜内的电加热器对釜内的反渗透水进行加热，产生的蒸汽向上运动进入的质换系统内，在质换系统的散堆填料上形成水膜并进行同位素间的质换后，蒸汽进入到冷却系统，通过与冷凝器交换热量凝结为冷凝水，冷凝水向下流动进入回液收集器，由于低氘水出口管水平位置低于液体回流筒的上口高度，故一部分冷凝水通过低氘水出口管排出系统外成为低氘水产品，另一部分冷凝水回流，经过液体分配器均匀分流后重新滴落到质换系统，在散堆填料上继续形成水膜与蒸汽进行同位素质换；设备开车平稳运行后，关闭电加热器，启动压缩机加压，使得压缩机两侧的高压管线形成压力差和温度差，将气态制冷工质加热并压入到热泵冷凝器中，在热泵冷凝器内气态制冷工质冷凝为液态制冷工质并放出放热，放出的热量加热流动在热泵冷凝器外壳内的水，使用热水循环泵通过第二管线系统将加热后的热水送入到换热器内，换热器对蒸汽发生釜内的反渗透水进行加热，加热至60-80℃，并通过机械真空调节阀控制该装置内部的真空度梯度，实现在蒸汽反应釜内的绝对压力为0.25-0.4bar，将反渗透水汽化为蒸汽，进入质换系统进行低氘水的生产；调节节流阀减压，使得液态制冷工质进入到热泵蒸发器内，液态制冷工质蒸发吸热，使得热泵蒸发器内的冷凝水由40℃被冷却至20℃，使用冷凝水循环泵通过第一管道系统送入到冷却系统中进行冷却工作，冷凝器中冷却水进水温度为20℃，出水温度为40℃。

本实用新型还可通过以下方式实现：在上述技术方案的基础上，将热泵蒸发器放置在精馏塔的冷凝器位置，代替冷凝器；将热泵冷凝器放到蒸汽发生釜内，代替其中的换热器。

本实用新型具有以下有益效果：本装置采用热泵冷凝系统回收的热加热反渗透水，并利用热泵蒸发系统吸热冷却冷凝水，进而将质换后的蒸汽冷凝为低氘水，无需额外制冷；本装置可将反渗透水加热所吸收的热量和冷却所放出的热量进行合理分配和二次利用，实现将本设备的能耗降低至原有设备能耗的50％，同时还降低了设备冷凝器内冷却水的消耗，节水环保；该装置为一体式精馏塔和热泵系统组成，精馏部分为真空塔，可以将蒸发温度降低，进一步降低能量的消耗，降低低氘水的制造成本。

附图说明

图1是热泵精馏生产低氘水的装置示意图；

图中1-精馏塔，2-压缩机，3-热泵蒸发系统，4-热泵冷凝系统，5-冷凝水循环泵，6-热水循环泵，7-第一管线系统，8-第二管线系统，9-外壳，10-蒸汽发生釜，11-质换系统，12-回液收集器，13-冷却系统，14-真空系统，15-电加热器，16-换热器，17-蒸汽发生釜外壳，18-冷凝器，19-冷凝器外壳，20-规整填料，21-散堆填料，22-液体分配器，23-回液收集器内壳，24-低氘水出口管，25-液体回流筒，26-热泵蒸发器，27-热泵蒸发器外壳，28-热泵冷凝器，29-热泵冷凝器外壳，30-节流阀，31-制冷工质运动方向，32-回液收集器外壳，33-环形腔，34-环形腔底面。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种热泵精馏生产低氘水的装置包括精馏塔1、压缩机2、热泵蒸发系统3、热泵冷凝系统4、冷凝水循环泵5、热水循环泵6，第一管线系统7和第二管线系统8，冷凝水循环泵5串联安装在第一管线系统7上，热泵蒸发系统3通过第一管线系统7与精馏塔1的上部建立连接安装，热水循环泵6串联安装在第二管线系统8上，热泵冷凝系统4通过第二管线系统8与精馏塔1的下部建立连接安装，热泵蒸发系统3和热泵冷凝系统4使用高压管线与压缩机2建立连接安装，高压管线上设有节流阀30。如此设置，本装置通过冷凝水循环泵5、热水循环泵6和相应的管线将精馏塔的冷凝器18和换热器16进行连接实现热交换，采用热泵冷凝系统4回收的热加热反渗透水，并利用热泵蒸发系统3冷却冷凝水，本设备可将加热所需的热量和冷却所放出的热量进行合理分配和二次利用，降低本设备的能耗。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种热泵精馏生产低氘水的装置所述的精馏塔1包括蒸汽发生釜10、质换系统11、回液收集器12、冷却系统13和真空系统14，蒸汽发生釜10通过法兰与质换系统11的下端建立连接安装，回液收集器12通过法兰安装在质换系统11的上端，冷却系统13安装在回液收集器12的上端，真空系统14的真空管道一端与冷却系统13连通，另一端与外部真空系统连通，并通过机械真空调节阀控制该装置内部的真空度梯度。如此设置，该装置为一体式真空精馏塔，可以将蒸发温度降低，降低生产过程中的能量消耗，降低低氘水的制造成本。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种热泵精馏生产低氘水的装置所述的热泵蒸发系统3包括热泵蒸发器26和热泵蒸发器外壳27，热泵蒸发外壳27上设有冷凝水进口和出口，第一管线系统7的一端与热泵蒸发器外壳27上设有的冷凝水进口和出口连通，热泵蒸发器26的两端与高压管线连通，所述的冷却系统13包括冷凝器18和冷凝器外壳19，冷凝器18安装在冷凝器外壳19内，第一管线系统7的另一端与冷凝器18的进口和出口连通。如此设置，调节节流阀30减压，液态制冷工质进入热泵蒸发器26内，液态制冷工质在热泵蒸发器26内蒸发吸热，将热泵蒸发器26内的冷凝水由40℃被冷却至20℃，并使用冷凝水循环泵通过第一管道系统送入到冷却系统中进行冷却工作。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种热泵精馏生产低氘水的装置所述的热泵冷凝系统4包括热泵冷凝器28和热泵冷凝器外壳29，热泵冷凝器外壳29上设有反渗透水进口和出口，第二管线系统8的一端与热泵冷凝外壳29上设有的热水进口和出口连通，热泵冷凝器28的两端与高压管线连通，所述的蒸汽发生釜10包括电加热器15、换热器16和蒸汽发生釜外壳17，电加热器15和换热器16安装在蒸汽发生釜外壳17内，蒸汽发生釜外壳17设左侧设有反渗透水进口和出口，第二管线系统8的另一端与换热器16的进口和出口连通。如此设置，压缩机2工作时，压缩机2两侧的高压管线形成压力差和温度差，将气态制冷工质加热并压入到热泵冷凝器28中，制冷工质按照制冷工质运动方向31在高压管线内运动，在热泵冷凝器28内气态制冷工质冷凝为液态制冷工质并放出放热，放出的热量加热流动在热泵冷凝器外壳29内的水，将水加热至60-80℃时，并使用热水循环泵6通过第二管线系统8将加热后的水送入到换热器16内，对蒸汽发生釜10内的反渗透水进行加热，加热至60-80℃，并通过机械真空调节阀控制该装置内部的真空度梯度，实现在蒸汽反应釜内的绝对压力为0.25-0.4bar，将60-80℃的反渗透水汽化为蒸汽，进入质换系统11进行低氘水的制备。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种热泵精馏生产低氘水的装置所述的蒸汽发生釜10为空心圆柱体，内径为500mm，高度为1m，电加热器15的功率为15-25kw/h。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种热泵精馏生产低氘水的装置所述的质换系统11为空心圆柱体包括规整填料20、散堆填料21和液体分配器22，规整填料20焊接在外壳9的下端内壁上，散堆填料21置于规整填料20上，液体分配器22焊接在外壳9的上端内壁上。如此设置，通过蒸汽发生釜10内的电加热器15和换热器16对釜内的反渗透水进行加热，产生的蒸汽向上运动进入的质换系统11内，在质换系统11的散堆填料21上形成水膜并进行同位素间的质换后，进入到冷却系统13，通过于冷凝器18交换热量凝结为低氘水冷凝液，且规整填料20具有支撑散堆填料21的作用，使用散堆填料21在保证低氘水生产质量的同时，降低蒸馏塔高度，可进一步减少能量散耗。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种热泵精馏生产低氘水的装置所述的回液收集器12包括回液收集器内壳23、低氘水出口管24、液体回流筒25和回液收集器外壳32，回液收集器内壳23与回液收集器外壳32连接安装构成环形腔33，环形腔底面34设有通孔，液体回流筒25为圆筒状焊接在通孔内，低氘水出口管24设置在回液回液收集器外壳上，低氘水出口管24水平位置低于液体回流筒25的上口高度。如此设置，通过蒸汽发生釜10内的电加热器15和换热器16对釜内的反渗透水进行加热，产生的蒸汽向上运动进入的质换系统11内，在质换系统11的散堆填料21上形成水膜并进行同位素间的质换后，进入到冷却系统13，通过于冷凝器18交换热量凝结为冷凝水，冷凝水向下流动进入回液收集器12，由于低氘水出口管24水平位置低于液体回流筒25的上口高度，故一部分冷凝水通过低氘水出口管24排出系统外成为低氘水产品，另一部分冷凝水回流，经过液体分配器22均匀分流后重新滴落到质换系统11，在散堆填料21上继续形成水膜与蒸汽进行同位素质换，实现低氘水的制备。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种热泵精馏生产低氘水的装置所述的质换系统11内径为300-600mm，壁厚为2-5mm，高度为4-6m。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。