CN104340959A - 一种氢氦混合气体分离与回收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氢氦混合气体分离与回收装置，其特点是：所述装置中的高浓度氢氦混合气体与膜分离器连接，膜分离器分别与低温吸附床、氢气储罐连接；中等浓度氢氦混合气体与低温吸附床连接，低温吸附床分别与膜分离器、催化氧化床、氦气储罐连接，催化氧化床分别与氦气储罐和水储罐连接；低浓度氢氦混合气体与催化氧化床连接，催化氧化床分别与氦气储罐和水储罐连接。采用本发明的装置，能够实现不同体积浓度的氢氦混合气体的分离与回收。
Description
技术领域
本发明涉及一种氢氦混合气体分离与回收装置。
背景技术
随着人类的发展，能源短缺已日趋严重，为了弥补能源的不足，核能开发已经成为全人类迫在眉睫的任务。无论是传统的重水堆重水升级、还是聚变堆中氘氚燃料循环过程，都涉及到氢同位素的分离与回收。在这些过程中，氢同位素通常与载带气体混合在一起，而通常用到的载带气体为氦等惰性气体。
近几十年来，科技工作者在氢同位素回收技术、氢同位素与惰性气体的分离技术方面开展了大量的工作，尤其在低温冷井、低温吸附、催化氧化法、膜分离、低温冷凝、变压吸附及金属床氧化吸附等处理技术方面进行了大量的理论和实验研究工作。低温冷阱主要用来处理以Q2O的形式存在的氢同位素，比如含少量水的氢同位素混合气的预处理。低温吸附法由于其对氢同位素的处理量较大，回收率高、受杂质气体影响小及容易再生等优点，经常被用来做大流量单质氢同位素的净化与回收，但解吸出的氢同位素纯度不高。催化氧化法使用的是化学方法除氢，去除氢同位素彻底，处理量大，因此常被用来做含极少氢同位素的尾气处理、手套箱除氚及环境除氢或去氚，但处理氢同位素浓度高的气体不合适，而且产物是以Q2O形式存在的氢同位素，如果含氚，则毒性会比气态的Q2大几个数量级。膜分离由于其分离步骤简单，可以用来分离氢与其它杂质气体，是回收氢同位素的有效手段，但膜分离对氢分压有一定的要求，氢分压低于一定水平，其回收率下降明显，而且通过膜分离很难获得高纯的惰性气体。低温冷凝吸附法具有自动化程度高，能得到高纯度的氢气，操作简便等优点，但由于液氢的出现使得安全性降低，另外不同浓度的原料气进气点很难掌握。金属吸附床对氢的吸收容量比低温吸附法的容量大，但由于同位素效应明显，对氚的吸附较小；另外吸附床需要在较高的温度下才能放出被吸附的氢同位素。同位素交换法吸附氚量较大，但为了放氚必须进行第二次同位素交换。变压吸附法处理后氢的纯度高，但处理量较小。
综上所述，使用单一技术进行氢的处理总存在或多或少的缺点或不足，到目前为止，没有看到一种使用单一技术的装置能够将氢-惰性气体混合气处理后同时获得高纯惰性气体、高纯氢。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种氢氦混合气体分离与回收装置。
本发明的氢氦混合气体分离与回收装置，其特点是：所述装置中的高浓度氢氦混合气体与膜分离器连接，膜分离器分别与低温吸附床、氢气储罐连接；中等浓度氢氦混合气体与低温吸附床连接，低温吸附床分别与膜分离器、催化氧化床、氦气储罐连接，低浓度氢氦混合气体与催化氧化床连接，催化氧化床分别与氦气储罐和水储罐连接。
所述膜分离器采用金属合金膜。
所述低温吸附床采用5A分子筛。
所述催化氧化床采用氧化铜或氧化银。
高浓度氢氦混合气体中的氢气体积百分比浓度大于90%；中等浓度氢氦混合气体中的氢气体积百分比浓度为0.1%~90%；低浓度氢氦混合气体中的氢气体积百分比浓度低于0.1%。
本发明公开了一种氢氦混合气体分离与回收装置，该装置主要由膜分离器、低温吸附床和催化氧化床组合而成。本发明综合了几种氢同位素回收装置的优点，经合理级联，形成了一种新的组合装置，可以实现任意氢同位素浓度的氢-氦混合气的分离，获得氢同位素的高效回收，并获得纯度大于99%的氢同位素气体和纯度大于99.999%的氦气。
附图说明
图1为本发明的氢氦混合气体分离与回收装置的结构框图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的实施方式。
图1为本发明的氢氦混合气体分离与回收装置的结构框图。从图1可以看出，本发明的氢氦混合气体分离与回收装置，其特点是：所述装置中的高浓度氢氦混合气体1与膜分离器4连接，膜分离器4分别与低温吸附床5、氢气储罐7连接；中等浓度氢氦混合气体2与低温吸附床5连接，低温吸附床5分别与膜分离器4、催化氧化床6、氦气储罐8连接，低浓度氢氦混合气体3与催化氧化床6连接，催化氧化床6分别与氦气储罐8和水储罐9连接。
所述膜分离器4采用金属合金膜。
所述低温吸附床5采用5A分子筛。
所述催化氧化床6采用氧化铜或氧化银。
实施例1 高浓氢氦混合气的分离与回收
高浓氢氦混合气体直接进入膜分离器，膜分离后透氢端气体引入氢气储罐，膜尾气进入低温吸附床，经低温吸附后流出的含微量氢的氦气进入催化氧化床，除氢后进入氦气储罐，氧化产生的水收集在水储罐中；解吸氢中还有一定量的氦气，返回膜分离器进一步分离得到高纯氢及少量的氢氦混合气，氢氦混合气再次进入低温吸附床，这样可以既获得高纯氢，又可以获得高纯氦。
本实施例中使用的膜为钯银合金膜，原料气为含96%氢的氢氦混合气，进气流速控制为1L/min；低温吸附床填充的吸附剂为5A分子筛，吸附温度为液氮温度；催化氧化床为氧化铜柱，反应温度为300℃。使用气相色谱仪测量膜透氢端的氢中氦和尾气端的氦中氢、低温吸附床和催化氧化床流出氦中氢。在透氢端得到纯度为99%的氢气，氢气回收率达到97%；低温吸附床流出的氦气中氢气体积浓度小于20ppm，催化氧化床流出的氦气中氢气体积浓度小于10ppm，结果见表1。
表1为实施例1的色谱测量结果
实施例2高浓氢氦混合气的分离与回收
本实施例与实施例1的不同之处在于下列参数的不同，其余与实施例1相同
原料气为含92%氢的氢氦混合气，进气流速控制为1.5L/min；催化氧化床为氧化银柱，反应温度为260℃。在透氢端得到纯度为99.5%的氢气，氢气回收率达到97.4%；低温吸附床流出的氦气中氢气体积浓度小于20ppm，催化氧化床流出的氦气中氢气体积浓度小于10ppm。
实施例3 中等氢浓度范围的氢氦混合气的分离与回收
中等浓度氢氦混合气体与低温吸附床连接，经低温吸附后流出的含微量氢的氦气进入催化氧化床（涉氚时更需要）除微量氢后进入高纯氦储气罐，氧化产生的微量水收集在水储罐中；解吸氢中含有一定量的氦气，进入膜分离器进一步分离得到高纯氢及少量的氢氦混合气，氢氦混合气再次进入低温吸附床，这样可以既获得高纯氢，又可以获得高纯氦。氢氦混合气氢体积浓度为10%，低温吸附床为5A分子筛床。吸附温度为液氮温度，气体流速为30L/min；催化氧化床为氧化铜柱，反应温度为300℃。使用气相色谱仪测量低温吸附床和催化氧化床流出氦中的氢浓度。低温吸附床流出氦中的氢体积浓度小于20ppm，催化氧化床氦气中氢气体积浓度小于10ppm。
实施例4 中等氢浓度范围的氢氦混合气的分离与回收
本实施例与实施例3的不同之处在于下列参数的不同，其余与实施例3相同
氢氦混合气氢体积浓度为50%，低温吸附床为5A分子筛床，吸附温度为液氮温度，气体流速为25L/min；催化氧化床为氧化铜柱，反应温度为280℃。使用气相色谱仪测量低温吸附床和催化氧化床流出氦中的氢浓度。低温吸附床流出氦气中的氢气体积浓度小于20ppm，催化氧化床氦气中氢气体积浓度小于10ppm。
实施例5 低氢浓度氢氦混合气的分离与回收
低浓度氢氦混合气体与催化氧化床连接，催化氧化床将微量氢氧化成水，得到的氦气进入氦气储罐和水进入水储罐。氢氦混合气氢体积浓度为0.1%，气体流速为200ml/min；催化氧化床为氧化银柱，反应温度为280℃。使用气相色谱仪测量催化氧化床流出的氦气中的氢气浓度，氢气体积浓度小于10ppm。
实施例6 低氢浓度氢氦混合气的分离与回收
本实施例与实施例5的不同之处在于下列参数的不同，其余与实施例5相同
氢氦混合气氢体积浓度为0.5%，气体流速为250ml/min；催化氧化床为氧化铜柱，反应温度为320℃。使用气相色谱仪测量催化氧化床流出的氦气中的氢气浓度，氢气体积浓度小于10ppm。
Claims (4)
1.一种氢氦混合气体分离与回收装置，其特征在于：所述装置中的高浓度氢氦混合气体（1）与膜分离器（4）连接，膜分离器（4）分别与低温吸附床（5）、氢气储罐（7）连接；中等浓度氢氦混合气体（2）与低温吸附床（5）连接，低温吸附床（5）分别与膜分离器（4）、催化氧化床（6）、氦气储罐（8）连接，低浓度氢氦混合气体（3）与催化氧化床（6）连接，催化氧化床（6）分别与氦气储罐（8）和水储罐（9）连接。
2.根据权利要求1所述的氢氦混合气体分离与回收装置，其特征在于：所述膜分离器（4）的材料采用金属合金膜。
3.根据权利要求1所述的氢氦混合气体分离与回收装置，其特征在于：所述低温吸附床（5）采用5A分子筛制作。
4.根据权利要求1所述的氢氦混合气体分离与回收装置，其特征在于：所述催化氧化床（6）的材料采用氧化铜或氧化银。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20160406 Termination date: 20191105 |