一种具有高分离效率的同位素分离装置的制作方法

1.本实用新型涉及同位素分离技术领域，特别涉及一种具有高分离效率的同位素分离装置。


背景技术：

2.目前，核电站常规运行过程中产生的液态及气态排出物中，
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c(半衰期5730年)是最受关注也是最为重要的放射性核素，因其在所有排放核素中对公众产生的照射剂量最大，且放射性污染效应持久性存在。
3.核电站中
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c的主要来源是冷却水中的氧十七同位素受到中子辐射产生的。自然界中，氧有
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o、
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o、
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o三种稳定同位素，其天然丰度分别为99.759％、0.037％和0.204％，其中，氧十七同位素受到中子照射，会产生
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c同位素。其反应途径如下：
4.17
o+n
→
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c+4he
5.目前全球
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c同位素本底逐年升高，因此急需要降低其产出。其中一种最主要的方式就是降低冷却水中的
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o含量，也就是需要使用低氧十七水作为原料，所谓低氧十七水，就是指水中氧十七同位素丰度低于天然水中氧十七丰度的水。
6.而高丰度氧十七水可用于药物标记，或者用于核磁共振试剂制备；高丰度氧十八水则可以作为pet/ct中放射性
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f核素的原材料，也可作为示踪剂。
7.不同水同位素性质之间差异较小，h
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o和h
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o的分离系数比h
216
o和h
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o的分离系数还要小，而
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o的天然丰度又只有0.037％，导致氧十七同位素的分离难度比氧十八同位素的分离难度还要大。
8.现有的分离系统一般采用精馏法实现同位素分离；精馏法分离氧同位素主要依靠不同氧同位素标记的分子在相同温度下相对挥发度的不同进行分离，该相对挥发度以分离系数α作为表征。以水分子为例，在40℃-90℃条件下达到气液相平衡状态时，气相中h
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o的含量比液相中h
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o的含量高，而气相中h
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o的含量比液相中h
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o的含量低，也就是说比较“重”的h
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o在液相中富集，而比较“轻”的h
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o在气相中富集。
9.但是，现有的分离系统分离效率较低，分离纯度低，不能同时生产纯度较高的不同氧同位素水。


技术实现要素：

10.为解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种具有高分离效率的同位素分离装置，该装置对同位素的分离效率较高，可以用于同时生产低氧十七水、高氧十七水和高氧十八水，并且所获得的氧同位素水的纯度较高。
11.为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现：
12.一种具有高分离效率的同位素分离装置，包括一个纯化单元和三个依次连接的分离单元，该三个分离单元分别为第一分离单元、第二分离单元和第三分离单元；所述纯化单元是由至少一个纯化装置组成；纯化单元的出料口与第一分离单元的进料口连接；第一分
离单元和第二分离单元分别包括至少一级精馏塔；所述第三分离单元包括至少一级渗透汽化膜分离器；
13.第一分离单元、第二分离单元和第三分离单元均具有轻组分出料端和重组分出料端；第二分离单元的轻组分出料端与第一分离单元的回流口连接，第一分离单元的重组分出料端与第二分离单元的进料口连接，第二分离单元的重组分出料端与第三分离单元的进料口连接。
14.进一步地，所述纯化单元是由活性炭吸附装置、离子交换树脂装置、反渗透装置、edi电除盐装置中的一种或两种以上组成。
15.更进一步地，所述纯化单元是由一个活性炭吸附装置和一个反渗透装置组成。
16.更进一步地，所述第一分离单元的重组分出料端处连接有塔底再沸器，第一分离单元和第二分离单元的轻组分出料端处均连接有塔顶冷凝器；第一分离单元和第二分离单元的重组分出料端处均连接有塔底再沸器；第二分离单元的重组分出料端与第三分离单元的进料口之间设有预热器；第三分离单元的轻组分出料端处连接有透过侧冷凝器。
17.更进一步地，所述第一分离单元和第二分离单元中的精馏塔的级数为1～21级；精馏塔的级数为至少两级时，相邻两级的精馏塔的塔顶和塔底之间连接有气相管路和液相管路；第三分离单元中的渗透汽化膜分离器的级数为1～3级。
18.进一步地，精馏塔的塔高为1m～100m；精馏塔的塔径为0.01m～10m。
19.进一步地，精馏塔的进料量为0.01kg/h～10000kg/h，精馏塔的回流比为1-1000；精馏塔的工质为水时，所述精馏塔的塔顶压力为30mmhg～500mmhg。
20.进一步地，所述渗透汽化膜分离器的参数为：膜下游为高真空，压强为2pa-50pa；预热器的加热温度为30～80℃；透过侧冷凝器的冷却温度为-80℃～-30℃。
21.本实用新型的有益效果是：本实用新型的装置在用于分离氧同位素以及生产氧同位素水时，首先利用纯化单元将原水中的有机物及无机盐去除，然后利用三个分离单元对纯化后的水进行分离；其中，由第一分离单元的轻组分出料端可以得到第一轻组分水，即为低氧十七水(高纯度氧十六水)，由第一分离单元的重组分出料端得到第一重组分水，该第一重组分水包含了氧十六水、氧十七水和氧十八水；第一重组分水进入第二分离单元进行分离；由第二分离单元的轻组分出料端得到第二轻组分水，该第二轻组分水包含了氧十六水和氧十七水，这部分第二轻组分水回流到第一分离单元中，对其中的氧十六水进一步回流分离；由第二分离单元的重组分出料端得到第二重组分水，该第二重组分水包含了氧十七水和氧十八水；第二重组分水进入第三分离单元进行分离，由第三分离单元的轻组分出料端得到第三轻组分水，该第三轻组分水为高丰度氧十七水；由第三分离单元的重组分出料端得到第三重组分水，该第三重组分水为高丰度氧十八水。如此，利用该分离系统可以同时生产低氧十七水、高丰度氧十七水和高丰度氧十八水。
22.该分离系统的三个分离单元采用至少一级精馏塔或渗透汽化分离器进行组合，精馏塔可以利用不同同位素标记的分子在相同温度下相对挥发度的不同对同位素进行分离，渗透汽化分离器利用轻组分可渗透过膜、重组分可被膜截留的原理对同位素进行分离；本实用新型的分离装置不仅分离效率较高，用于生产氧同位素水时所获得的氧同位素水的纯度较高，而且运行稳定可靠，可用于工业化生产。
附图说明
23.图1为本实用新型实施例的同位素分离装置的示意图。
具体实施方式
24.下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。
25.如图1所示，本实用新型提供了一种具有高分离效率的同位素分离装置，包括一个纯化单元1和三个依次连接的分离单元，该三个分离单元分别为第一分离单元2、第二分离单元3和第三分离单元4；所述纯化单元1是由至少一个纯化装置组成；该纯化装置可以选择活性炭吸附装置、离子交换树脂装置、反渗透装置或edi电除盐装置；也即，纯化单元1可以由活性炭吸附装置、离子交换树脂装置、反渗透装置、edi电除盐装置中的一种或两种及以上组成；纯化单元1的出料口与第一分离单元2的进料口连接；第一分离单元2和第二分离单元3分别包括至少一级精馏塔；所述第三分离单元4包括至少一级渗透汽化膜分离器；
26.第一分离单元2、第二分离单元3和第三分离单元4均具有轻组分出料端和重组分出料端；第一分离单元2的重组分出料端与第二分离单元3的进料口连接，第二分离单元3的轻组分出料端与第一分离单元2的回流口连接，第二分离单元3的重组分出料端与第三分离单元4的进料口连接。
27.第一分离单元和第二分离单元中的第1级精馏塔的塔底连接有塔底再沸器，末级的精馏塔的塔顶连接有塔顶冷凝器；第三分离单元中的第1级渗透汽化分离器的进料口处设有预热器，末级渗透汽化分离器的轻组分出料端处设有透过侧冷凝器。
28.分离单元中的精馏塔的级数可设计为1～21级；当精馏塔的级数为至少两级时，相邻两级的精馏塔的塔顶和塔底之间连接有气相管路和液相管路；分离单元中的渗透汽化膜分离器的级数可设计为1～3级，如采用2级以上，前一级透过液进入下一级进料端，下一级截留液返回到上一级进料端。
29.精馏塔的塔高可设计为1m～100m，优选为20m～40m；精馏塔的塔径可设计为0.01m～10m，优选为0.1m～1m；精馏塔的进料量可设计为0.01kg/h～10000kg/h，优选为10kg/h～1000kg/h；精馏塔的回流比可设计为1～1000，优选为50～1000；当精馏塔的工质为水时，精馏塔的塔顶压力为30mmhg～500mmhg。
30.渗透汽化膜分离器的参数为：渗透汽化膜为疏水性高分子膜，膜材料可以是聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、硅树脂、纤维酯，或其改性材料；膜下游为高真空，压强为2pa～50pa，优选为5pa～10pa；预热器的加热温度为30～80℃，优选为40～60℃；透过侧冷凝器的冷却温度为-80℃～-30℃，优选为-40℃～-30℃；膜面积为0.5m
2-100m2，优选为1m
2-10m2。
31.实施例
32.表1示出了实施例1-8中第一分离单元的运行参数以及出料浓度，表2示出了实施例1-8中与第一分离单元相匹配的第二分离单元的运行参数。
33.如图1所示，实施例1-8的同位素分离装置包括一个纯化单元1和三个依次连接的分离单元，该三个分离单元分别为第一分离单元2、第二分离单元3和第三分离单元4。其中的纯化单元是由一个活性炭吸附装置101和一个反渗透装置102组成。其中的第一分离单元
和第二分离单元分别包括至少一级精馏塔5；各实施例的精馏塔的级数如表1所示；第三分离单元包括一级渗透汽化膜分离器6。
34.第一分离单元2、第二分离单元3和第三分离单元4均具有轻组分出料端和重组分出料端。第一分离单元2和第二分离单元3的重组分出料端处(第1级精馏塔的塔底)连接有塔底再沸器7，第一分离单元2和第二分离单元3的轻组分出料端处(末级精馏塔的塔顶)均连接有塔顶冷凝器8；第二分离单元3的重组分出料端与第三分离单元4的进料口之间设有预热器9；第三分离单元4的轻组分出料端处(渗透汽化膜分离器的透过侧)连接有透过侧冷凝器10。第一分离单元2的重组分出料端与第二分离单元3的进料口连接，第二分离单元3的轻组分出料端与第一分离单元2的回流口连接，第二分离单元3的重组分出料端与第三分离单元4的进料口连接。
35.其中的精馏塔5的级数为至少两级时，相邻两级的精馏塔5的塔顶和塔底之间连接有气相管路11和液相管路12。
36.实施例1-8的第一分离单元和第二分离单元的精馏塔5的塔高、塔径、进料量、回流比、塔顶压力以及进料口位置分别如表1和表2所示。
37.上述实施例的同位素分离装置分离氧同位素及生产氧同位素水的具体过程为：首先，原水进入纯化单元1，经活性炭吸附装置101将水中的有机物吸附去除，去除有机物的水进入反渗透装置102中，以除去其中的无机盐，得到纯化水。
38.纯化水经过精馏塔5的进料口进入第一分离单元2中的精馏塔5中；在精馏塔5中，高丰度的轻氧同位素水以气相沿塔上升，并可通过气相管路11进入相邻的精馏塔中，高丰度的重氧同位素水以液相流至塔底，并且可通过液相管路12在泵的作用下进入相邻的精馏塔5中；在精馏塔5中，气液两相经多次混合接触和分离，并进行热量的传递，使组分得到高程度分离；末级精馏塔5的塔顶冷凝器8对气相进行冷凝，一部分水采出，得到低氧十七水(高纯氧十六水)，另一部分水回流至精馏塔5；再沸器7可对塔底的液相水进行加热，一部分水被汽化，以气相返回至精馏塔5，另一部分液相采出，得到含有氧十六水、氧十七水和氧十八水的第一重组分水。
39.由第一分离单元2得到的第一重组分水进入第二分离单元3，经过第二分离单元3的精馏塔分离后，由第二分离单元3的轻组分出料端得到第二轻组分水；该第二轻组分水包含了氧十六水和氧十七水，这部分第二轻组分水回流到第一分离单元中，对其中的氧十六水进一步回流分离；由第二分离单元3的重组分出料端得到第二重组分水，该第二重组分水包含了氧十七水和氧十八水；第二重组分水经过预热器9加热至40℃～60℃后，进入第三分离单元3的渗透汽化膜分离器6中；轻组分氧十七水渗透过膜，在膜透过侧汽化，经透过侧冷凝器10冷凝后得到高丰度(90％)氧十七水；重组分氧十八水被膜截留，在截留侧得到高丰度(98％)的氧十八水。
40.表1实施例1-8的第一分离单元运行参数及出料浓度
41.[0042][0043]
表2实施例1-8的第二分离单元运行参数及出料浓度
[0044][0045]
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型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，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。