一种用于氚浓集的spe电解系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于氚浓集的SPE电解系统，包括电解池系统、含氚水供应系统、气液分离器、氚水收集系统、氢气干燥系统、氧气干燥系统、氢气收集系统、产品氧气收集储罐、冷凝系统以及检测和控制系统。本实用新型还提供了该用于氚浓集的SPE电解系统的实现方法。本实用新型电解系统可以满足水相氚浓集的全部工艺需求，包括氚水循环浓集、氢泄露紧急断电、分子筛干燥床不间断处理工艺等。同时，含氚水的循环浓集使得含氚水浓集浓度可以定量控制，大幅提高氚浓集效率，而且也获得了大量贫氚氢气。
【专利说明】
一种用于氚浓集的SPE电解系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及化工和核技术及设备领域，具体涉及的是一种用于氚浓集的SPE电解系统。
【背景技术】
[0002]核电站运行过程会产生含氚废水，如果不能合理处置放射性含氚废水，将会造成严重的环境污染。而且自然界中氚的丰度极低，含氚水中氚的回收具有很高的经济价值。因此，开发高效、节能、环保、低成本的水去氚化技术和装备，对于回收氚元素，并使废水达到环境排放指标，都具有非常重要的意义。
[0003]固体聚合物电解质(Solid Polymer Electrolyte，SPE)电解，即SPE电解，对于含氚水氚富集过程具有明显的优势:(I)固体聚合物电解质膜具有优异的氢同位素分离性能，氚T+透膜能力远小于氢H+，使得SPE电解产生贫氚氢气的同时，将氚浓缩于液相；(2)SPE膜还具有优良的抗辐照性能，对于辐射性氚的处理具有显著的耐久性。目前已有的电解-催化交换水去氚化的工艺(CECE)，将SPE电解与氢同位素催化交换工艺耦合，具有非常高的去氚因子。
[0004]SPE电解用于氚富集过程时要求具有较高的处理量，需要开发完善高效的工艺系统，确保系统安全运行的同时，提高系统处理含氚水的能力；同时必须增大膜电极组件(Membrane Electrode Assemblies,MEA)的工作效率，双极板流场的改良对于降低接触电阻、改善传质效率、提高电解效率并降低电解成本至关重要。
【实用新型内容】
[0005]针对上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种用于氚浓集的SPE电解系统，可以方便、准确地控制含氚水浓集过程，满足氚浓集过程的全部工艺需求，并显著提升了工艺处理效率。
[0006]为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下:
[0007]—种用于氚浓集的SPE电解系统，包括电解池系统、含氚水供应系统、气液分离器、氚水收集系统、氢气干燥系统、氧气干燥系统、氢气收集系统、产品氧气收集储罐、冷凝系统以及检测和控制系统;其中:
[0008]所述电解池系统用于电解含氚水，获得氚浓集水相和贫氚氢气;其包括SPE电解池模块和直流电源，所述的SPE电解池模块包括依次叠加组装的阳极双极板、阳极密封圈、阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层、阴极密封圈和阴极双极板；所述阳极双极板连接阳极扩散层的表面上刻有阳极双极板流道，且该双极板流道中设有含氚水入口和水氧出口；所述阴极双极板连接阴极扩散层的表面刻有阴极双极板流道，且该双极板流道只设有氢气出口 ；所述的直流电源正极连接阳极双极板，负极连接阴极双极板；
[0009]所述含氚水供应系统与阳极双极板上的双极板流道中的含氚水入口连接，用于向SPE电解池模块供应含氚水，并将SPE电解后未达到氚浓缩指标的含氚水循环引入SPE电解池模块中继续处理；
[0010]所述气液分离器分别与SPE电解池模块中的水氧出口、氚水收集系统、氧气干燥系统连接，用于将SPE电解池模块流出的富氚水和氧气两相混合物进行气液分离，使氧气进入氧气干燥系统，富氚水进入氚水收集系统；
[0011 ]所述氚水收集系统与含氚水供应系统连接，用于检测由气液分离系统流出的富氚水浓度，收集达到浓集指标的含氚水，并将浓度未达标的含氚水循环输入含氚水供应系统；
[0012]所述氢气干燥系统用于干燥由SPE电解池模块中的氢气出口流出的贫氚氢气，并且可以实现分子筛干燥床同时干燥和活化并保证工艺连续不中断的目标;其包括均与氢气出口连接、且呈并联关系的第一分子筛干燥床和第二分子筛干燥床，设置在第一分子筛干燥床上用于对其进行加热的第一分子筛干燥床加热器，设置在第二分子筛干燥床上用于对其进行加热的第二分子筛干燥床加热器，同时与第一和第二分子筛干燥床连接的第一气体压缩机和第一气体加热器，同时与第一分子筛干燥床和第二分子筛干燥床连接、用于活化时除去分子筛干燥床中的水蒸气的第一冷凝器，以及与第一冷凝器连接的第一气体循环栗;所述第一气体压缩机与氢气收集系统连接；
[0013]所述氧气干燥系统用于干燥气液分离后的氧气，除去氧气中的水蒸气，并向产品氧气收集储罐输入合格氧气产品，该系统也可以实现分子筛干燥床同时干燥和活化并保证工艺连续的目标;其包括与气液分离系统连接、且呈并联关系的第三分子筛干燥床和第四分子筛干燥床，设置在第三分子筛干燥床上用于对其进行加热的第三分子筛干燥床加热器，设置在第四分子筛干燥床上用于对其进行加热的第二分子筛干燥床加热器，同时与第三和第四分子筛干燥床连接的第二气体压缩机和第二气体加热器，同时与第三和第四分子筛干燥床连接、用于活化时除去分子筛干燥床中的水蒸气的第二冷凝器，以及与第二冷凝器连接的第二气体循环栗;所述第二气体压缩机与产品氧气收集储罐；
[0014]所述氢气收集系统用于将氚浓度检测后的贫氚氢气进行分流处理，并分别收集氚浓度达到指标和未达到指标的氢气；
[0015]所述产品氧气收集储罐用于存储干燥后的氧气；
[0016]所述冷凝系统包括与第一冷凝器连接、用于对其进行冷却的第一冷水机，与第二冷凝器连接、用于对其进行冷却的第二冷水机，以及用于将冷凝器冷却所得的含氚水输入氚水收集系统的第三液相质量流量计；
[0017]所述检测和控制系统与SPE电解池模块、含氚水供应系统、氚水收集系统、氢气干燥系统、氧气干燥系统、氢气收集系统、产品氧气收集储罐、冷凝系统连接，用于检测和控制系统的压力、液位、湿度和氚浓度，并针对电解池氢气泄露事故进行紧急断电处理。
[0018]具体地说，所述双极板流道包括由不少于五折的复合流道从上往下依次弯折连接构成、用于流体在其中流动的蛇形通道;每折复合流道的前后两端均设有呈点状矩阵结构设计的圆柱体群，并且，在每折复合流道上、且位于两端圆柱体群之间均设有呈交错方式分布、并将复合流道由上往下分成N条平行流道的平行流道脊，4SN，且相邻的平行流道脊之间均设有用于连通相邻两条平行流道、以便平衡复合流道中的流体压力和流速的贯通口；同时，所述的复合流道由上往下，其平行流道的条数按照等差的方式依次递减。
[0019]进一步地，本实用新型中，所述阳极双极板流道上，所述的含氚水入口设置在该双极板流道中最上方的复合流道的端部;所述的水氧出口设置在该双极板流道中最下方的复合流道的端部;而所述阴极双极板流道上，所述的氢气出口设置在该双极板流道中最下方的复合流道的端部。
[0020]再进一步地，在阳极双极板流道和阴极双极板流道中，除最底部一折复合流道外的其他复合流道中的最下方平行流道，其宽度均比其他平行流道宽50%;同时，最底部的复合流道中的所有平行流道的宽度均与其他复合流道中的最下方平行流道宽度相同。
[0021]更进一步地，每折复合流道中用于使流体转向的端部均设有光滑过渡圆倒角。
[0022]具体地说，所述含氚水供应系统栗出口包括与SPE电解池上的含氚水入口连接的计量栗，出水口与该计量栗栗入口连接的待处理含氚水储罐，以及栗出口与该含氚水储罐进水口连接的水循环栗;所述含氚水储罐与检测和控制系统连接;所述水循环栗的栗入口与氚水收集系统连接。
[0023]具体地说，所述氚水收集系统包括进水口与气液分离器连接、用于收集未达标含氚水的循环水箱，以及进水口与气液分离器连接、用于收集富氚水的产品氚水储罐;所述循环水箱出水口与水循环栗的栗入口连接，且循环水箱和产品氚水储罐均与检测和控制系统连接。
[0024]具体地说，所述氢气收集系统包括均与第一气体压缩机连接的用于收集氚含量指标的氢气的产品氢气储罐和用于收集未达标氢气的未达标氢气储罐;所述产品氢气储罐和未达标氢气储罐均与检测和控制系统连接。
[0025]具体地说，所述检测和控制系统包括与待处理含氚水储罐连接的第一液位仪，与循环水箱连接的第二液位仪，与产品氚水储罐连接的第三液位仪，与产品氢气储罐连接的第一压力传感器，与未达标氢气储罐连接的第二压力传感器，与产品氧气收集储罐连接的第三压力传感器，连接在电解池阴极双极板氢气出口和第一、第二分子筛干燥床之间的第一露点仪，连接在第一、第二分子筛干燥床和第一气体压缩机之间连接的第二露点仪，连接在第一气体循环栗尾端的第三露点仪，连接在气液分离器和第三、第四分子筛干燥床之间的第四露点仪，连接在第三、第四分子筛干燥床和第二气体压缩机之间连接的第五露点仪，连接在第二气体循环栗尾端的第六露点仪，与SPE电解池模块连接、用于检测工艺操作环境的氢气报警器，以及用于检测气液分离器后富氚水浓度的磁质谱仪、用于测量氢气氚含量的四极质谱仪和用于在氢气泄露时停止向SPE电解池模块供电的继电器。
[0026]与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果:
[0027](I)本实用新型设计的SPE电解池模块不仅电解氢气纯度高(彡99.999%)，而且可以有效降低欧姆损耗，具有所需电压小、电流密度大、工作发热量少、电解效率高的优点。
[0028](2)本实用新型大幅提升了纯水扩散性能和阳极双极板排氧能力，其不仅沿程压降小、流道面积大，而且膜电极工作效率高。
[0029](3)本实用新型通过改进双极板流道的结构设计，在其上设置了由多折复合流道构成的蛇形通道，并在复合流道中设置点状矩阵结构圆柱体群，从而提升了液相载气能力，解决了流体在SPE电解池模块中排气困难的问题。
[0030](4)本实用新型双极板流道的复合流道中的平行流道的条数采用等差递减设计，流道后程流速增大提高了阳极双极板载带氧气的能力，同时提高后程压力有利于保证液相扩散能力，提升膜电极工作效率。并且每折复合流道最下方的平行流道和最下方复合流道的所有平行流道的宽度比其他平行流道宽50%，可以使流场流速分布更加均匀。
[0031](5)本实用新型在每折复合流道中用于使流体转向的端部均设有光滑过渡圆倒角，可进一步降低流体沿程压降，更加有利于流道各向均匀分配流体，减少流场死区。
[0032](6)本实用新型设计的贫氚氢气和氧气干燥系统分别包含两套独立的分子筛干燥床干燥系统，分子筛干燥床可以交替运行，互不影响，一套分子筛干燥床进行干燥除水的同时，另一套分子筛干燥床可以进行预热再生，保证了系统的不间断运行，提升了系统工作效率。
[0033](7)本实用新型通过合理的结构设计，实现了含氚水的循环浓集，从而使没有达到氚浓度指标的含氚水循环输入原料储罐，达到指标的含氚水存入产品储罐，最大程度实现了含氚废水的去氚化处理。
[0034](8)本实用新型所述SPE电解系统中电解产生的氢气和氧气被半渗透膜隔离，不会产生爆鸣气体，安全性能好；同时系统设置氢气报警器，在氢气泄露时启动断电继电器，停止向电解池供电。
[0035](9)本实用新型将多种技术原理和实际结构结合，设计巧妙、结构紧凑、流程明晰、操作便捷、操作弹性大，可以满足SPE电解氚浓集过程的全部工艺需求，大幅提高了氚浓集处理效率，实现了成本与技术的相对平衡，理想地解决了现有技术的弊端。因此，该技术进步明显，具有突出的实质性特点和显著的进步，非常适合在相关领域内进行推广应用。
【附图说明】
[0036]图1为本实用新型的系统结构示意图。
[0037]图2为本实用新型中SPE电解池模块的结构分解示意图。
[0038]图3为本实用新型中双极板流道的结构示意图。
[0039]图4为本实用新型分别使用第一分子筛干燥床和第三分子筛干燥床干燥氢气和氧气的工作原理图。
[0040]图5为本实用新型分别使用第二分子筛干燥床和第四分子筛干燥床干燥氢气和氧气的工作原理图。
[0041 ]其中，附图标记对应的各部件名称为:
[0042] 1-SPE电解池模块，101-圆柱体群，102-平行流道脊，103-平行流道，104-贯通口，105-光滑过渡圆倒角，106-阳极双极板，107-阳极密封圈，108-阳极扩散层，109-阳极催化层，110-质子交换膜，111-阴极催化层，112-阴极扩散层，113-阴极密封圈，114-阴极双极板，115-双极板流道，2-第一液相阀门，3-第一液相质量流量计，4-待处理含氚水储罐，5-第一液位仪，6-计量栗，7-直流电源，8-断电继电器，9-氢气报警器，10-气液两相阀门，11-气液分离器，12-磁质谱仪，13-第二液相阀门，14-第二液位仪，15-循环水箱，16-水循环栗，17-第三液相阀门，18-第四液相阀门，19-产品氚水储罐，20-第三液位仪，21-第二液相质量流量计，22-第五液相阀门，23-第一露点仪，24-第一气相阀门，25-第一分子筛干燥床加热器，26-第一分子筛干燥床，27-第二气相阀门，28-第三气相阀门，29-第二分子筛干燥床加热器，30-第二分子筛干燥床，31-第四气相阀门，32-第二露点仪，33-第五气相阀门，34-第一气体压缩机，35-四极质谱仪，36-第六气相阀门，37-第三露点仪，38-第一气体加热器，39-第七气相阀门，40_第八气相阀门，41-第九气相阀门，42_第十气相阀门，43-第一冷凝器，44-第一气体循环栗，45-第^ 气相阀门，46-产品氢气储罐，47-第一压力传感器，48-第一气体质量流量计，49-第十二气相阀门，50-第十三气相阀门，51-未达标氢气储罐，52-第二压力传感器，53-第二气体质量流量计，54-第十四气相阀门，55-第六液相阀门，56-第一冷水机，57-第七液相阀门，58-第八液相阀门，59-第三液相质量流量计，60-第四露点仪，61-第十五气相阀门，62-第三分子筛干燥床加热器，63-第三分子筛干燥床，64-第十六气相阀门，65-第十七气相阀门，66-第四分子筛吸附床加热器，67-第四分子筛干燥床，68-第十八气相阀门，69-第五露点仪，70-第十九气相阀门，71-第二气体压缩机，72-第二十气相阀门，73-第六露点仪，74-第二气体加热器，75-第二一气相阀门，76-第二二气相阀门，77-第二三气相阀门，78-第二四气相阀门，79-第二冷凝器，80-第二气体循环栗，81-第九液相阀门，82-第二冷水机，83-第十液相阀门，84-第^^一液相阀门，85-第二五气相阀门，86_产品氧气收集储罐，87-第三压力传感器，88-第三气体质量流量计，89-第二六气相阀门。
【具体实施方式】
[0043]下面结合【附图说明】和实施例对本实用新型作进一步说明，本实用新型的方式包括但不仅限于以下实施例。
[0044]如图1所示，本实用新型提供了一种SPE电解系统，其采用了复合式流场。本实用新型包括电解池系统、含氚水供应系统、气液分离器11、氚水收集系统、氢气干燥系统、氧气干燥系统、氢气收集系统、产品氧气收集储罐86、冷凝系统以及检测和控制系统。
[0045]所述电解池系统用于电解含氚水，获得氚浓集水相和贫氚氢气;其包括SPE电解池模块I和直流电源7。如图2所示，所述的SPE电解池模块I包括依次叠加组装的阳极双极板106、阳极密封圈107、阳极扩散层108、阳极催化层109、质子交换膜110、阴极催化层111、阴极扩散层112、阴极密封圈113和阴极双极板114;所述阳极双极板106连接阳极扩散层108的表面上刻有阳极双极板流道115，且该双极板流道中分别设有含氚水入口和水氧出口；所述阴极双极板114连接阴极扩散层112的表面上也刻有阴极双极板流道，且该双极板流道只设有氢气出口；所述的直流电源7正极连接阳极双极板106，负极连接阴极双极板106。本实施例中，扩散层、催化层和质子交换膜构成膜电极组件，是SPE电解池模块的核心组件。而所述的密封圈优选高弹性、耐腐蚀的硅橡胶密封圈，厚度优选0.5?1_，同时双极板上设置密封圈缓冲槽，与密封圈契合。
[0046]上述部件中，所述的阳极双极板106和阴极双极板114均优选采用钛合金或其他耐腐蚀合金进行表面处理的不锈钢制成。阳极扩散层108采用表面进行镀钽处理的不锈钢网，阴极扩散层112优选烧结多孔钛，保证通透性和耐久性。所述阳极催化层109采用IrO2催化剂，阴极催化层111采用Pt黑催化剂，阴极和阳极催化层均经喷涂工艺分别涂覆于质子交换膜110两侧，该质子交换膜110作为传递H+的介质，采用全氟磺酸膜，本实施例优选杜邦公司生产的Naf 1n 111膜。
[0047]此外，作为本实用新型的另一主要改进点，如图3所示，本实施例中，所述的双极板流道包括由不少于五折(本实施例采用五折)的复合流道从上往下依次弯折连接构成、用于含氚水在其中流动的蛇形通道。每折复合流道(深度优选1.2?2.0mm)的前后两端均设有呈点状矩阵结构设计的圆柱体群群101(矩阵中的圆柱体群呈60°角交错的方式分布，圆柱直径优选2mm)，并且，在每折复合流道上、且位于两端圆柱体群之间均设有呈交错方式分布、并将复合流道由上往下分成N条平行流道103的平行流道脊102(宽度为1.5?2.0mm)，同时，相邻的平行流道脊之间均设有用于连通相邻两条平行流道、以便平衡复合流道中的流体压力和流速的贯通口 104。
[0048]此外，所述的复合流道由上往下，其平行流道的条数按照等差的方式依次递减，本实施例中，最上方的复合流道有108条平行流道，往下的复合流道依次等差递减一条平行流道，即最下方的复合流道有4条平行流道。并且，除最底部一折复合流道外的其他复合流道中的最下方平行流道，其宽度均比其他平行流道宽50%，而最底部的复合流道中的所有平行流道的宽度均与其他复合流道中的最下方平行流道宽度相同。
[0049]另外，由于采用了蛇形通道的设计结构，为降低流道变向时的流体沿程压降，每折复合流道中用于使流体转向的端部均设有光滑过渡圆倒角105。
[0050]所述含氚水供应系统用于向SPE电解池模块供应含氚水，并将SPE电解后未达到氚浓缩指标的含氚水循环引入SPE电解池模块中继续处理。该含氚水供应系统栗出口包括与SPE电解池上的含氚水入口连接的计量栗6，出水口与该计量栗6栗入口连接的待处理含氚水储罐4，以及栗出口与该含氚水储罐4进水口连接的水循环栗16。并且，所述的含氚水储罐4还连接有用于补充含氚水的管路，包括第一液相阀门2和第一液相质量流量计3，通过水循环栗16和第三液相阀门17连接循环水箱15，实现浓度未达标含氚水和冷凝系统冷凝含氚水的循环处理。
[0051]所述气液分离器11通过气液两相阀门10与SPE电解池模块中的水氧出口连接，并且还分别与氚水收集系统、氧气干燥系统连接，用于将SPE电解池模块流出的富氚水和氧气两相混合物进行气液分离，使氧气进入氧气干燥系统，富氚水进入氚水收集系统。
[0052]所述氚水收集系统用于检测由气液分离系统流出的富氚水浓度，收集达到浓集指标的含氚水，并将浓度未达标的含氚水循环输入含氚水供应系统。该氚水收集系统包括进水口与气液分离器11连接、用于收集未达标含氚水(经第二液相阀门13传输)的循环水箱15，以及进水口与气液分离器11连接、用于收集富氚水(经第四液相阀门18传输)的产品氚水储罐19;所述循环水箱15出水口与水循环栗16的栗入口连接。此外，产品氚水储罐19还连接第二液相质量流量计21和第五液相阀门22，用于向外输出富氚水。
[0053]所述氢气干燥系统用于干燥由SPE电解池模块中的氢气出口流出的贫氚氢气。该氢气干燥系统包括均与氢气出口连接、且呈并联关系的第一分子筛干燥床26和第二分子筛干燥床30，设置在第一分子筛干燥床26上用于对其进行加热的第一分子筛干燥床加热器25，设置在第二分子筛干燥床30上用于对其进行加热的第二分子筛干燥床加热器29，同时与第一和第二分子筛干燥床连接的第一气体压缩机34和第一气体加热器38，同时与第一分子筛干燥床26和第二分子筛干燥床30连接、用于活化时除去分子筛干燥床中的水蒸气的第一冷凝器43，与第一冷凝器43连接的第一气体循环栗44，以及连接于管路中的气相阀门24、27、28、31、33、36、39、40、41、42。
[0054]所述氧气干燥系统用于干燥气液分离后的氧气，除去氧气中的水蒸气，并向产品氧气收集储罐输入合格氧气产品。该氧气干燥系统包括与气液分离系统连接、且呈并联关系的第三分子筛干燥床63和第四分子筛干燥床67，设置在第三分子筛干燥床63上用于对其进行加热的第三分子筛干燥床加热器62，设置在第四分子筛干燥床67上用于对其进行加热的第二分子筛干燥床加热器66，同时与第三和第四分子筛干燥床连接的第二气体压缩机71和第二气体加热器74，同时与第三和第四分子筛干燥床连接、用于活化时除去分子筛干燥床中的水蒸气的第二冷凝器79，与第二冷凝器79连接的第二气体循环栗80，以及连接于管路中的气相阀门61、64、65、68、70、72、75、76、77、78。所述第二气体压缩机71与产品氧气收集储罐86。
[0055]所述氢气收集系统用于将氚浓度检测后的贫氚氢气进行分流处理，并分别收集氚浓度达到指标和未达到指标的氢气。该氢气收集系统包括均与第一气体压缩机34连接的用于收集氣含量指标的氢气的产品氢气储罐46和用于收集未达标氢气的未达标氢气储罐51。并且，所述产品氢气储罐46连接有第一气体质量流量计48和第十二气相阀门49向外输出产品，所述未达标氢气储罐51通过第二气体质量流量计53和第十四气相阀门54向外输出。
[0056]所述产品氧气收集储罐86用于存储干燥后的氧气，本实施例中，干燥氧气通过第二五气相阀门85通入产品产品氧气收集储罐86，产品氧气收集储罐86连接第三气体质量流量计88和第二六气相阀门89向外输出产品。
[0057]所述冷凝系统包括与第一冷凝器43连接、用于对其进行冷却的第一冷水机56，与第二冷凝器79连接、用于对其进行冷却的第二冷水机82，用于将冷凝器冷却所得的含氚水输入氚水收集系统的第三液相质量流量计59，以及液相阀门55、57、58、81、83和84。
[0058]所述检测和控制系统用于检测和控制系统的压力、液位、湿度和氚浓度，并针对电解池氢气泄露事故进行紧急断电处理。该检测和控制系统包括与待处理含氚水储罐4连接的第一液位仪5，与循环水箱15连接的第二液位仪14，与产品氚水储罐19连接的第三液位仪20，与产品氢气储罐46连接的第一压力传感器47，与未达标氢气储罐51连接的第二压力传感器52，与产品氧气收集储罐86连接的第三压力传感器87，连接在电解池阴极双极板氢气出口和第一、第二分子筛干燥床之间的第一露点仪23，连接在第一、第二分子筛干燥床和第一气体压缩机34之间连接的第二露点仪32，连接在第一气体循环栗44尾端的第三露点仪37，连接在气液分离器11和第三、第四分子筛干燥床之间的第四露点仪60，连接在第三、第四分子筛干燥床和第二气体压缩机71之间连接的第五露点仪69，连接在第二气体循环栗80尾端的第六露点仪73，与SPE电解池模块连接、用于检测工艺操作环境的氢气报警器9，以及用于检测气液分离器后富氚水浓度的磁质谱仪12、用于测量氢气氚含量的四极质谱仪35和用于在氢气泄露时停止向SPE电解池模块供电的继电器8。
[0059]按照上述系统结构，下面对本实用新型的工作流程进行详细介绍:
[0060](I)对系统进行保压测试和调试，确保达到操作要求；
[0061](2)对氢气输运管路和存储容器进行抽真空处理，直至真空度达到5Pa以下；
[0062](3)向待处理含氣水储罐中输入足量的待处理含氣水；
[0063](4)向SPE电解池模块的阳极双极板输入含氚水，待膜组件得到充分润湿后接通直流电源；
[0064](5)电位作用下含氚水在阳极催化层上电解为氧气和质子，氧气经阳极扩散层回到阳极双极板的双极板流道中，质子则穿过质子交换膜，在阴极催化层作用下还原为氢气；而未电解的水和电解产生的氧气则从阳极双极板的双极板流道的水氧出口引出，并通入气液分离器进行分离；
[0065](6)分离后的氧气经干燥后进入产品氧气收集储罐中储存，而达到氚富集指标的含氚水则进入产品氚水储罐，未达标的含氚水引入到循环水箱；
[0066](7)阴极双极板上的双极板流道中富集的含氚氢气在氢气出口引出，然后经干燥后，达到氚含量指标的氢气进入产品氢气储存罐中储存，未达标的含氚氢气则进入到未达标氢气储罐；
[0067](8)当待处理含氚水储罐液位低于5cm时，通过水循环栗将未达到氚浓度指标的氚水以及冷凝系统冷凝的含氚水输入待处理含氚水储罐，或从外部引入含氚水；
[0068](9)按步骤(4)?(8)所述方式进行循环。
[0069]在上述采集数据过程中，实时采集对比工作分子筛干燥床前后的露点仪数据，如果第二露点仪32或第五露点仪69达到-30度，则停用该分子筛干燥床，同时将待干燥气体切换到另一根分子筛干燥床，并对前者其进行加热除水活化。
[0070]本实施例中，以上所述的工艺系统中，气体阀门均为气体隔膜阀，液体阀门均为液体球阀，保证准确控制气体和液体流动的同时，确保系统运行的稳定性。
[0071 ]图4为本实用新型分别使用第一分子筛干燥床和第三分子筛干燥床干燥氢气和氧气的工作原理图。图5为本实用新型分别使用第二分子筛干燥床和第四分子筛干燥床干燥氢气和氧气的工作原理图。以图4为例，描述氢气干燥系统在开启第一分子筛干燥床26干燥氢气后，对第二分子筛干燥床30活化的工艺:
[0072](I)开启第一气体加热器38、第一冷凝器43和第一气体循环栗44，开启第二分子筛干燥床加热器29并设置温度350 °C ；
[0073](2)开启第六气相阀门36引入定量第一气体压缩机34或氢气收集系统输出的贫氚氢气后再关闭；
[0074](3)第一气体加热器38加热后的贫氣氢气，在第二分子筛干燥床30中将分子筛的吸附水汽化；
[0075](4)水蒸汽和贫氚氢气流入第一冷凝器43中冷凝，水蒸汽冷凝为液态水并输入循环水箱15，而贫氚氢气经第一气体循环栗44加压后循环进入第一气体加热器38;
[0076](5)循环步骤(3)、(4)，直至第三露点仪37示数降至-90度，关闭第二分子筛干燥床加热器29、第一气体加热器38、第一冷凝器43和第一气体循环栗44，经四极质谱仪35检测达到浓度指标的含氣氢气回流至产品氢气产品罐46，否则输入未达标氢气储罐51 ；
[0077](6)完成第二分子筛干燥床30的预热去水活化，等待第一分子筛干燥床26除水能力下降直至第二露点仪32达到-30度后，切换使用第二分子筛干燥床30进行干燥，而同时活化第一分子筛干燥床26。
[0078]本实用新型通过合理的结构设计，不仅可以快速、准确地控制电解后富氚水的氚含量，而且显著提高了氚富集的效率。因此，本实用新型技术进步十分明显，将氚富集系统及工艺的设计提升到了一个新的高度。
[0079]上述实施例仅为本实用新型的优选实施方式之一，不应当用于限制本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本实用新型一致的，均应当包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于氚浓集的SPE电解系统，其特征在于:包括电解池系统、含氚水供应系统、气液分离器(11)、氚水收集系统、氢气干燥系统、氧气干燥系统、氢气收集系统、产品氧气收集储罐(86)、冷凝系统以及检测和控制系统;其中: 所述电解池系统用于电解含氚水，获得氚浓集水相和贫氚氢气;其包括SPE电解池模块(I)和直流电源(7)，所述的SPE电解池模块(I)包括依次叠加组装的阳极双极板(106)、阳极密封圈(107)、阳极扩散层(108)、阳极催化层(109)、质子交换膜(110)、阴极催化层(111)、阴极扩散层(112)、阴极密封圈(113)和阴极双极板(114);所述阳极双极板(106)连接阳极扩散层(108)的表面上刻有阳极双极板流道(115)，且该双极板流道中分别设有含氚水入口和水氧出口；所述阴极双极板(114)连接阴极扩散层(112)的表面上刻有阴极双极板流道，且该双极板流道只设有氢气出口；所述的直流电源(7)正极连接阳极双极板(106)，负极连接阴极双极板(106); 所述含氚水供应系统与阳极双极板上的双极板流道中的含氚水入口连接，用于向SPE电解池模块供应含氚水，并将SPE电解后未达到氚浓缩指标的含氚水循环引入SPE电解池模块中继续处理； 所述气液分离器(11)分别与SPE电解池模块中的水氧出口、氚水收集系统、氧气干燥系统连接，用于将SPE电解池模块流出的富氚水和氧气两相混合物进行气液分离，使氧气进入氧气干燥系统，富氚水进入氚水收集系统； 所述氚水收集系统与含氚水供应系统连接，用于检测由气液分离系统流出的富氚水浓度，收集达到浓集指标的含氚水，并将浓度未达标的含氚水循环输入含氚水供应系统； 所述氢气干燥系统用于干燥由SPE电解池模块中的氢气出口流出的贫氚氢气；其包括均与氢气出口连接、且呈并联关系的第一分子筛干燥床(26)和第二分子筛干燥床(30)，设置在第一分子筛干燥床(26)上用于对其进行加热的第一分子筛干燥床加热器(25)，设置在第二分子筛干燥床(30)上用于对其进行加热的第二分子筛干燥床加热器(29)，同时与第一和第二分子筛干燥床连接的第一气体压缩机(34)和第一气体加热器(38)，同时与第一分子筛干燥床(26)和第二分子筛干燥床(30)连接、用于活化时除去分子筛干燥床中的水蒸气的第一冷凝器(43)，以及与第一冷凝器(43)连接的第一气体循环栗(44);所述第一气体压缩机(34)与氢气收集系统连接； 所述氧气干燥系统用于干燥气液分离后的氧气，除去氧气中的水蒸气，并向产品氧气收集储罐输入合格氧气产品；其包括与气液分离系统连接、且呈并联关系的第三分子筛干燥床(63)和第四分子筛干燥床(67)，设置在第三分子筛干燥床(63)上用于对其进行加热的第三分子筛干燥床加热器(62)，设置在第四分子筛干燥床(67)上用于对其进行加热的第二分子筛干燥床加热器(66)，同时与第三和第四分子筛干燥床连接的第二气体压缩机(71)和第二气体加热器(74)，同时与第三和第四分子筛干燥床连接、用于活化时除去分子筛干燥床中的水蒸气的第二冷凝器(79)，以及与第二冷凝器(79)连接的第二气体循环栗(80);所述第二气体压缩机(71)与产品氧气收集储罐(86); 所述氢气收集系统用于将氚浓度检测后的贫氚氢气进行分流处理，分别收集氚浓度达到指标和未达到指标的氣气； 所述产品氧气收集储罐用于存储干燥后的氧气； 所述冷凝系统包括与第一冷凝器(43)连接、用于对其进行冷却的第一冷水机(56)，与第二冷凝器(79)连接、用于对其进行冷却的第二冷水机(82)，以及用于将冷凝器冷却所得的含氚水输入氚水收集系统的第三液相质量流量计(59); 所述检测和控制系统与SPE电解池模块、含氚水供应系统、氚水收集系统、氢气干燥系统、氧气干燥系统、氢气收集系统、产品氧气收集储罐、冷凝系统连接，用于检测和控制系统的压力、液位、湿度和氚浓度，并针对电解池氢气泄露事故进行紧急断电处理。2.根据权利要求1所述的一种用于氚浓集的SPE电解系统，其特征在于:所述双极板流道包括由不少于五折的复合流道从上往下依次弯折连接构成、用于流体在其中流动的蛇形通道;每折复合流道的前后两端均设有呈点状矩阵结构的圆柱体群(101)，并且，在每折复合流道上、且位于两端圆柱体群之间均设有呈交错方式分布、并将复合流道由上往下分成N条平行流道(103)的平行流道脊(102)，4<N，且相邻的平行流道脊之间均设有用于连通相邻两条平行流道、以便平衡复合流道中的流体压力和流速的贯通口(104);同时，所述的复合流道由上往下，其平行流道的条数按照等差的方式依次递减。3.根据权利要求2所述的一种用于氚浓集的SPE电解系统，其特征在于，所述阳极双极板流道上，所述的含氚水入口设置在该双极板流道中最上方的复合流道的端部;所述的水氧出口设置在该双极板流道中最下方的复合流道的端部;而所述阴极双极板流道上，所述的氢气出口设置在该双极板流道中最下方的复合流道的端部。4.根据权利要求3所述的一种用于氚浓集的SPE电解系统，其特征在于，在阳极双极板流道和阴极双极板流道中，除最底部一折复合流道外的其他复合流道中的最下方平行流道，其宽度均比其他平行流道宽50%;同时，最底部的复合流道中的所有平行流道的宽度均与其他复合流道中的最下方平行流道宽度相同。5.根据权利要求4所述的一种用于氚浓集的SPE电解系统，其特征在于，每折复合流道中用于使流体转向的端部均设有光滑过渡圆倒角(105)。6.根据权利要求1?5任一项所述的一种用于氚浓集的SPE电解系统，其特征在于，所述含氚水供应系统栗出口包括与SPE电解池上的含氚水入口连接的计量栗(6)，出水口与该计量栗(6)栗入口连接的待处理含氚水储罐(4)，以及栗出口与该含氚水储罐(4)进水口连接的水循环栗(16);所述含氚水储罐(4)与检测和控制系统连接;所述水循环栗(16)的栗入口与氚水收集系统连接。7.根据权利要求6所述的一种用于氚浓集的SPE电解系统，其特征在于，所述氚水收集系统包括进水口与气液分离器(11)连接、用于收集未达标含氚水的循环水箱(15)，以及进水口与气液分离器(11)连接、用于收集富氚水的产品氚水储罐(19);所述循环水箱(15)出水口与水循环栗(16)的栗入口连接，且循环水箱(15)和产品氚水储罐(19)均与检测和控制系统连接。8.根据权利要求7所述的一种用于氚浓集的SPE电解系统，其特征在于，所述氢气收集系统包括均与第一气体压缩机(34)连接的用于收集氚含量指标的氢气的产品氢气储罐(46)和用于收集未达标氢气的未达标氢气储罐(51);所述产品氢气储罐(46)和未达标氢气储罐(51)均与检测和控制系统连接。9.根据权利要求8所述的一种用于氚浓集的SPE电解系统，其特征在于，所述检测和控制系统包括与待处理含氚水储罐(4)连接的第一液位仪(5)，与循环水箱(15)连接的第二液位仪(I4)，与产品氚水储罐(19)连接的第三液位仪(20)，与产品氢气储罐(46)连接的第一压力传感器(47)，与未达标氢气储罐(51)连接的第二压力传感器(52)，与产品氧气收集储罐(86)连接的第三压力传感器(87)，连接在电解池阴极双极板氢气出口和第一、第二分子筛干燥床之间的第一露点仪(23)，连接在第一、第二分子筛干燥床和第一气体压缩机(34)之间连接的第二露点仪(32)，连接在第一气体循环栗(44)尾端的第三露点仪(37)，连接在气液分离器(11)和第三、第四分子筛干燥床之间的第四露点仪(60)，连接在第三、第四分子筛干燥床和第二气体压缩机(71)之间连接的第五露点仪(69)，连接在第二气体循环栗(80)尾端的第六露点仪(73)，与SPE电解池模块连接、用于检测工艺操作环境的氢气报警器(9)，以及用于检测气液分离器后富氚水浓度的磁质谱仪(12)、用于测量氢气氚含量的四极质谱仪(35)和用于在氢气泄露时停止向SPE电解池模块供电的继电器(8)。
【文档编号】G21F9/06GK205508421SQ201620335939
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】李佩龙, 何康昊, 杨雷, 周帅, 邓立, 胡俊, 宋江锋, 罗军洪, 姚伟志, 王劲川, 殷雪峰
【申请人】中国工程物理研究院材料研究所