CN204257222U - 一种高效型除氚净化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种高效型除氚净化装置，包括柜体、气体循环泵和储气罐，以及均设置在柜体内的真空泵、流量控制器、催化吸气装置和吸附床；气体循环泵、流量控制器、催化吸气装置和吸附床依次连接构成循环回路，真空泵接入到循环回路中；催化吸气装置包括并联的催化氧化装置和合金吸附装置，催化氧化装置包括依次连接的第一电磁阀、催化床、第二电磁阀，合金吸附装置包括依次连接的第三电磁阀、吸气剂床、第四电磁阀；流量控制器同时与第一电磁阀和第三电磁阀连接，吸附床同时与第二电磁阀和第四电磁阀连接；催化床内部还设有衬垫。本实用新型能够在氚***中氚浓度超标以及发生氚泄漏时，快速转移和处理含氚气体，有效地实现了氚的净化。

Description

一种高效型除氚净化装置

技术领域

    本实用新型涉及一种放射性废物回收净化装置，属于氚化学与氚工艺中的安全防护领域，具体涉及的是一种高效型除氚净化装置。

背景技术

氚是一种战略物质，不仅价格昂贵，而且不容易获得；同时，氚是一种迁移性很强的放射性核素，它的泄漏会对环境造成污染，给人体带来很大的危害。所以，但凡是涉氚的操作，均必须执行严格的辐射防护和环境排放要求。按照目前的安全理念，氚设施应当建立三重包容***，同时采用物理屏蔽和除氚净化相结合的方式解决氚包容有效性的问题。不论是次级包容***（如手套箱），还是第三级包容***都会由于氚的渗透而含氚。对含氚气氛进行净化，是建立安全生产的必要手段，同时，回收其中的氚也可以提高氚的利用效率。

然而，由于氚***特定的用途和保密需要，氚净化***见诸报道的文献并不多，而且也都是针对某个特定氚***。另外，目前的除氚工艺，大多是利用活泼金属吸气剂来对氚进行回收处理，其一般只能用在惰性气体保护气氛下的除氚场合，因为在空气环境中或有其它活泼的化学元素（如氧气）存在时，金属吸气剂容易被毒化，所以金属吸气剂氚捕集工艺不能应用于含氧气氛下的除氚场合。

而随着氚实验室对氚***安全防护的日益重视，氚净化***的需求也不断加大，特别是当氚***中发生氚浓度超标、甚至是氚泄漏事故状况下时，更加需要除氚净化***快速转移和处理高浓度氚。因此，需要提供一种既能应用于多种场合下的除氚净化、又能快速处理氚***中氚浓度超标和氚泄漏的除氚装置，但目前国内外还没有这方面的除氚净化装置。

实用新型内容

针对上述技术不足，本实用新型提供了一种高效型除氚净化装置，不仅能够快速处理氚包容***气氛中超标以及氚泄漏事故状况下的高浓氚，而且可以在惰性气体保护气氛或者含氧气氛中实现除氚净化，从而适应不同的除氚场合，提高氚的回收率，降低氚向外界的释放量，并确保环境和操作人员的安全。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种高效型除氚净化装置，包括柜体、气体循环泵和储气罐，以及均设置在该柜体内的真空泵、流量控制器、催化吸气装置和内部填装有5A分子筛的吸附床；所述气体循环泵、流量控制器、催化吸气装置和吸附床通过管道依次连接并构成循环回路，所述真空泵通过第一单向阀接入到该循环回路中；所述气体循环泵通过第二单向阀与氚***连接，所述储气罐与循环回路连接并位于气体循环泵与氚***之间；所述催化吸气装置包括并联的催化氧化装置和合金吸附装置，其中，催化氧化装置包括依次连接的第一电磁阀、内部填装有贵金属Pt催化剂的催化床、第二电磁阀，所述合金吸附装置包括依次连接的第三电磁阀、内部填装有Zr₂Fe合金颗粒的吸气剂床、第四电磁阀；所述流量控制器同时与第一电磁阀和第三电磁阀连接，而所述吸附床则同时与第二电磁阀和第四电磁阀连接；所述催化床内部还设有衬垫，该衬垫缠绕贵金属Pt催化剂外壁一周并用于固定和防止催化剂振动；所述气体循环泵与流量控制器之间的管道上还设有补气阀门。

进一步地，所述柜体、气体循环泵和储气罐各自的底部均设有活动轮。

再进一步地，本实用新型还包括分别设置在所述循环回路中的原气取样阀和尾气取样阀。

再进一步地，所述催化床、吸气剂床和吸附床各自的进、出口端均设有波纹管截止阀。

更进一步地，所述真空泵、原气取样阀、尾气取样阀和储气罐上均设有压力真空规。

为防止吸附床能效较低或失效，所述吸附床为两个，并且两个吸附床通过切换阀并联连接。

作为优选，所述气体循环泵为隔膜压缩机。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

（1）本实用新型通过设计催化氧化和金属吸气剂结合的设备***，配合真空泵、气体循环泵、流量控制器及一些阀门部件，可以分别实现惰性气体保护和含氧气氛下的除氚净化。本实用新型很好地提高了吸附率和催化氧化率，其在催化床中填装了贵金属Pt催化剂，并辅以衬垫进行固定和防振，从而不仅能够为流体的通过提供稳定、均匀的孔道，而且降低了***的气阻，并且衬垫受热后体积会发生膨胀，产生不可逆的变化，因而也防止了部分含氚气体未经除氚催化剂的规整孔道而从床体器壁流出，保证了催化氧化效率。试验表明，本实用新型在对含氚密闭容器的单程快速处理上，尾气氚浓度可降低至10^-8Ci/L量级，除氚净化因子可达到10⁵；对数立方米手套箱进行循环除氚净化，短时间内可降低气氛氚浓度2个数量级，从而有效保护现场操作人员安全，降低了氚向环境的释放量。并且，对于手套箱气氛或含氚气体处理量较大的场合，本实用新型可以随时快速装配，并进行循环除氚净化，从而实现了较大流量下含氚手套箱的快速除氚净化处理，为氚***完整的二重包容提供了技术保障。

（2）本实用新型在气体循环泵与氚***之间设置储气罐，可在氚***发生紧急氚泄漏、需要循环除氚的场合中快速转移绝大部分含氚气体，继而再进行循环除氚净化流程，如此既可以在紧急情况下确保氚不发生泄漏，又能快速有效地对含氚气体进行循环除氚净化，保证氚***的正常运行以及操作人员的安全。

（3）本实用新型设置了活动轮，并且整个装置可以即插即用，因此可以快速移动到任何需要除氚的场合，及时对含氚密闭容器进行氚的回收净化。

（4）本实用新型设置了波纹管截止阀、原气取样阀、尾气取样阀及压力真空规等部件，可以进一步确保整个装置的性能稳定和除氚效果，进而使其可以在涉氚***中得到长期的应用。

附图说明

图1为本实用新型的外部结构示意图。

图2为本实用新型的原理示意图。

其中，附图标记对应的零部件名称：

1-柜体，2-气体循环泵，3-真空泵，4-第一单向阀，5-第二单向阀，6-补气阀门，7-流量控制器，8-第一电磁阀，9-波纹管截止阀，10-催化床，11-第二电磁阀，12-第三电磁阀，13-吸气剂床，14-第四电磁阀，15-吸附床，16-切换阀，17-原气取样阀，18-尾气取样阀，19-压力真空规，20-储气罐，21-活动轮，22-氚***。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，本实用新型的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1、2所示，本实用新型主要用于惰性气体保护气氛或含氧气氛下，对氚***中发生氚浓度超标以及氚泄漏时对氚进行转移和净化。本实用新型包括柜体1、气体循环泵2和储气罐20，柜体1、气体循环泵2和储气罐20各自的底部均设有活动轮21，可以方便将整个除氚净化装置快速移动到各个除氚场合。所述柜体1内分别设有真空泵3、流量控制器7、催化吸气装置和吸附床15，其中，气体循环泵2、流量控制器7、催化吸气装置和吸附床15通过依次连接并构成循环回路，并且气体循环泵2和流量控制器7之间的管道上还设有补气阀门6。所述真空泵3则通过第一单向阀4接入到该循环回路中，储气罐20也与该循环回路连接。

所述催化吸气装置是整个除氚净化装置的核心处理部件，可实现惰性气体保护或含氧气氛下的含氚气体的除氚净化。该催化吸气装置包括并联的催化氧化装置和合金吸附装置，其中，催化氧化装置用于含氧气氛下的含氚气体的除氚净化，其包括依次连接的第一电磁阀8、催化床10、第二电磁阀11，所述合金吸附装置包括依次连接的第三电磁阀12、吸气剂床13、第四电磁阀14；并且，催化床10、吸气剂床13和吸附床15各自的进、出口端均设有波纹管截止阀9。所述流量控制器7同时与第一电磁阀8和第三电磁阀12连接。而所述吸附床15则同时与第二电磁阀11和第四电磁阀14连接，本实用新型中，吸附床15为两个，并且两个吸附床通过切换阀16并联连接。

此外，在柜体1上还分别设置有原气取样阀17、尾气取样阀18和压力真空规19，用于实现整个装置的原气取样、尾气取样、真空压力检测。通过获取的原气和尾气的测量值，可以计算出氚捕集的效率。

上述部件中，所有床体均采用不锈钢材料制成，固定床式设计，容积约3-5L。其中，吸气剂床内部装填Zr₂Fe合金颗粒，保证氢同位素气体大量释放状况下的应急处理能力。装填高度为床体有效高度的2/3即可，防止合金材料在吸放氢过程中粉化造成体积膨胀。催化床内部填装有贵金属Pt催化剂，其为整体式催化剂，在本实施例中，贵金属Pt催化剂可采用现有的催化剂，也可以采用中国专利申请号为201410201011.6、实用新型创造名称为“一种用于含氚空气除氚的催化剂的制备方法”的文献中记载的方法制备，其制备的主要过程如下：

（1）将异丙醇铝加入到蒸馏水中搅拌水解，形成水解溶液，然后去除水解产生的醇；

（2）加入胶溶剂（优选为稀硝酸），使水解溶液形成胶状，且其PH值为2～2.5，然后搅拌回流2～3h，得到氧化铝溶胶；

（3）将蜂窝陶瓷（优选为堇青石蜂窝陶瓷）作为催化剂基体在5%～10%的稀硝酸溶液中浸泡20～24h，然后取出清洗、烘干；

（4）将活性氧化铝粉末与氧化铝溶胶混合球磨成浆液；

（5）将烘干后的催化剂基体与浆液一起加入到超声波清洗器中，并在超声震荡条件下进行超声辅助涂覆，使浆液均匀涂覆在催化剂基体上，然后取出烘干，催化剂基体重量被增大；

（6）重复步骤（5），直至催化剂基体增重12%～20%；

（7）在质量分数为0.3%～0.5%的氯铂酸溶液中加入稀硝酸混合搅拌，使混合液的PH值调节至1.5～2；

（8）按照2～4g/L的规格取用氯铂酸溶液与稀硝酸的混合液，并将催化剂基体浸泡在取用的混合液中，直至该混合液全部被吸入到催化剂基体中，然后烘干催化剂基体；

（9）重复步骤（8），直至催化剂基体达到饱和状态，然后在烘干催化剂基体后于500～550℃的条件下焙烧2～3h，得到催化剂。

催化床内填装贵金属Pt催化剂后，辅以衬垫进行固定和防振，即，将衬垫缠绕在催化剂的外壁一周，然后置入催化床中。如此设计，可以使催化剂在常温下保证99%以上的转化效率，并且空速可以达到100000/h。衬垫采用3M公司的Interam TM系列产品，可在较低温度下起始膨胀，使用时，衬垫受热后体积会膨胀，并具有不可逆性，防止了部分含氚气体未经除氚催化剂的规整孔道而从床体器壁流出，从而保证了催化氧化效率。衬垫的填充密度在0.8-1.2g/cm3之间。通常对于催化床设计80-150mm的直径，衬垫填充厚度大致为4-8mm，即保证了对大直径催化剂的固定和密封，也防止体积膨胀过大而损坏整体催化剂。

吸附床内部装填颗粒状5A分子筛，保证吸附效率99.9%，水吸附容量达到40g以上。

另外，在床体的进出口均焊接有多层不锈钢过滤网烧结而成的过滤片，有效防止气体通过时，将捕集材料带入管道，造成阀门堵塞和损坏真空泵，同时不造成***大的气阻。各组件之间的可拆装连接均采用法兰双刀口与金属密封垫圈的结构，采用标准法兰与管路***连接，便于装料、***拆卸及维修。所有床体采用外加热的方式，床体上安装带保温层的电阻加热炉。床体顶部法兰上焊有盲管，内插热电偶，用于测量和控制各床体工作温度。通过温控实现除氚材料的活化和再生，还可以有效回收宝贵的氚资源。催化床工作温度通常为常温～180℃即可。

本实用新型的工作原理如下：

如图2所示，首先，利用真空泵3对整个装置进行抽真空，直至整个装置内真空度小于10Pa时关闭真空泵3，并使储气罐20处于负压状态下备用。当氚***22中发生氚泄漏及氚浓度超标时，将储气罐20与氚***连接，并打开相应的阀门，使含氚气体快速转移至储气罐20中。接着，再将气体循环泵2通过第二单向阀5等阀门部件连接出氚***22，并同时连接储气罐20和柜体1（若只是发生氚***中氚浓度超标，则直接将气体循环泵2与氚***和柜体1连接即可）。启动气体循环泵2，使除氚***22和储气罐20中的含氚气体（包括氢同位素）泵入，如果不是在含氧气氛下，则打开补气阀门6，将惰性气体充入到管道中与含氚气体混合，然后经流量控制器7调节气体流量后，开启第三电磁阀12、吸气剂床13及其上的波纹管截止阀9，使含氚气体中的氚及其氢同位素被吸气剂合金高效吸附（吸附效率可达99.9%以上）。然后，开启第四电磁阀14和切换阀16，使气体进入到吸附床15中进行脱水干燥，然后排出。脱水干燥后的气体，可将尾气取样阀18打开，检测吸附后的气体的氚浓度，然后确定是否需要进行二次循环处理，而气体在经过多次循环处理后，即可得到除氚净化后的洁净气体，同时实现了氚的回收。

如果是含氧气氛下的待处理气体，则由气体循环泵2增压，并经流量控制器7调节气体流量后，开启第一电磁阀8、催化床10及其上的波纹管截止阀，气氛中的氚及其氢同位素被氧化成水，然后开启第二电磁阀11和切换阀15，使含水气体进入到吸附床15中，水由吸附床15干燥除去。如此便去除了氢同位素的气体，然后再返回到手套箱中，进行二次循环处理。

本实施例中，并联安装的两个分子筛吸附床，可以按照“一用一备”的形式交替使用，从而延缓吸附床15在长期使用过程中的能效降低或失效。气体循环泵2则优选采用隔膜压缩机，由于隔膜压缩机具有压缩比大、密封性好、压缩气体不受润滑油和其它固体杂质所污染的特点，在氚的循环净化处理上能够得到有效利用。该类型隔膜压缩机排气压力可以达到0.8Mpa，接入循环***管路后，平压状态下循环气体流量14L/min；增压0.1Mpa，循环流量即可达到30L/min以上，可以基本满足手套箱循环除氚净化的需求。

经试验，本实用新型不仅可以在氚***发生氚泄漏时快速转移含氚气体，而且还可以将含氚密闭容器气氛的氚浓度降至10^-8Ci/L量级。并且还可用于手套箱循环除氚，在催化床工作温度100℃条件下，几个循环即可降低数立方米手套箱氚浓度2个数量级，从而有效地保护了操作人员安全和降低氚向环境的释放。

本实用新型通过合理结构和工艺流程设计，可以在多种场合下实现除氚净化，降低了氚的释放量，并使氚的回收利用得到了很大程度上的保证，其不仅运行稳定，而且实用性强、适用范围广，因而与现有技术相比，具有实质性的特点和进步。

上述实施例仅为本实用新型较佳的实现方式之一，不应当用以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下对本实用新型技术方案作出的改动或润色，或进行等同置换，其解决的技术问题实质上仍与本实用新型一致的，均应当在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高效型除氚净化装置，其特征在于，包括柜体（1）、气体循环泵（2）和储气罐（20），以及均设置在该柜体（1）内的真空泵（3）、流量控制器（7）、催化吸气装置和内部填装有5A分子筛的吸附床（15）；所述气体循环泵（2）、流量控制器（7）、催化吸气装置和吸附床（15）通过管道依次连接并构成循环回路，所述真空泵（3）通过第一单向阀（4）接入到该循环回路中；所述气体循环泵（2）通过第二单向阀（5）与氚***连接，所述储气罐（21）与循环回路连接并位于气体循环泵（2）与氚***之间；所述催化吸气装置包括并联的催化氧化装置和合金吸附装置，其中，催化氧化装置包括依次连接的第一电磁阀（8）、内部填装有贵金属Pt催化剂的催化床（10）、第二电磁阀（11），所述合金吸附装置包括依次连接的第三电磁阀（12）、内部填装有Zr₂Fe合金颗粒的吸气剂床（13）、第四电磁阀（14）；所述流量控制器（7）同时与第一电磁阀（8）和第三电磁阀（12）连接，而所述吸附床（15）则同时与第二电磁阀（11）和第四电磁阀（14）连接；所述催化床（10）内部还设有衬垫，该衬垫缠绕贵金属Pt催化剂外壁一周并用于固定和防止催化剂振动；所述气体循环泵（2）与流量控制器（7）之间的管道上还设有补气阀门（6）。

2.根据权利要求1所述的一种高效型除氚净化装置，其特征在于，所述柜体（1）、气体循环泵（2）和储气罐（20）各自的底部均设有活动轮（21）。

3.根据权利要求1或2所述的一种高效型除氚净化装置，其特征在于，还包括分别设置在所述循环回路中的原气取样阀（17）和尾气取样阀（18）。

4.根据权利要求3所述的一种高效型除氚净化装置，其特征在于，所述催化床（10）、吸气剂床（13）和吸附床（15）各自的进、出口端均设有波纹管截止阀（9）。

5.根据权利要求4所述的一种高效型除氚净化装置，其特征在于，所述真空泵（3）、原气取样阀（17）、尾气取样阀（18）和储气罐（20）上均设有压力真空规（19）。

6.根据权利要求5所述的一种高效型除氚净化装置，其特征在于，所述吸附床（15）为两个，并且两个吸附床通过切换阀（16）并联连接。

7.根据权利要求1、2、4、5或6所述的一种高效型除氚净化装置，其特征在于，所述气体循环泵（2）为隔膜压缩机。