[发明专利]一种制取重水及氘气的生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用氢同位素交换法制取重水及氘气的生产方法。

背景技术

现在生产重水的主要方法有硫化氢-水双热(双温)交换法、氢-水交换和电解联合法以及氢-水双热(双温)交换法。

硫化氢-水双热(双温)交换方法，其优点是不需要使用催化剂，但是，因硫化氢毒性大、易爆，严重腐蚀设备与管线，能源消耗大，逐渐被淘汰。

氢-水交换和电解联合方法，它是一种单温交换法，靠电解把水转化为氢，因此全部原料水都要通过电解。这样，对生产重水来说需要消耗大量电能，生产成本十分昂贵。

氢-水双热(双温)交换方法，在每一阶段有一个上部冷塔，其中氘从氢气转移到液态水中，和一个下部热塔，其中氘从水转移到氢气中，更高阶段的进料取自冷塔与热塔之间。这种方法与硫化氢-水双热(双温)交换方法相似，其缺点是：(1)仍然摆脱不了硫化氢-水双热(双温)交换方法的双热特点，冷、热塔的温度过高，既降低了分离系数，又增加了能源消耗；(2)工艺流程长、复杂，建设投资大；(3)贵重金属催化剂用量过大，大大增加重水成本；(4)变压吸附洗涤过程中损失氢气，回收率低，平均不足80％。另外甲烷转化制氢，虽经变压吸附，氢气中仍会残留微量CO、H₂S等杂质，它们会损害催化剂；(5)大量水资源消耗，被转化为二氧化碳和水蒸汽排放，既污染环境，又浪费资源和能源。

发明内容

本方法的目的在于提供一种制取重水及氘气的生产方法，用该方法可获得浓度为99.8％(mol)的重水和99.8％(mol)的氘气。

本方法的技术方案是：制取重水及氘气的生产方法包括下列步骤：

1、双温交换提取氘阶段

将一部分原料水送入提氘塔上塔，上塔水的温度为20～30℃，压力为1.2～1.25Mpa，原料水与氢气在催化床中进行逆流交换，氘自氢气向水中富集，被贫化的气体即半贫氘气体经加压后进入液氢蒸馏阶段的回流系统(付循环系统)。形成的富氘水进入提氘塔的中部与预热的另一部分原料水汇合，两者之间的比例为1∶1.2～1.3，并一起进入提氘塔下塔，下塔水的温度为150～180℃，压力为1.2～1.25Mpa，富氘水与氢气在催化床中逆流交换，氘从水中转入氢气内，气体中氘被液体浓缩，浓缩的气体作为富氘气体送入液氢蒸馏阶段的进料系统(主循环系统)。液氢蒸馏阶段的主、付循环系统回收的贫氘氢气经加压后返回双温交换提取氘阶段，周而复始。

2、液氢蒸馏阶段

液氢蒸馏装置主循环系统采用一级带膨胀机的冷冻循环制冷，付循环系统采用二级带膨胀机的冷冻循环制冷，采用低温吸附法脱除原料气中的杂质，采用三塔分离氢气、氢化氘和氘气，HD预精馏塔采用三级塔，HD精馏塔和D₂精馏塔采用单级塔。

(1)低温吸附

在-190～-195℃低温度条件下进行吸附除去能在液化设备和蒸馏设备中凝固的杂质，富氘气体中的杂质应除到0.01PPm以下；

(2)液氢蒸馏

首先对富氘气体进行预蒸馏，将氢化氘浓度富集到4％(mol)以上；接着再蒸馏将4％(mol)以上浓度的氢化氘浓度富集到90％(mol)以上；然后对90％(mol)以上氢化氘气体进行歧化反应，反应方程式：，使氢化氘气体转化成氢气和氘气，歧化反应在40～60℃的温度条件下进行，采用铂(钯)催化剂或镍催化剂，氢化氘气体温度自-244～-248℃提高到40～60℃，歧化后再降到-244～-248℃继续蒸馏，此过程富集氘气浓度达99.8％(mol)；将一部分氘气压缩灌充装瓶得到氘气产品，另一部分氘气与空气混合燃烧生成重水。

从双温交换提取氘阶段出来半贫氘氢气，经除沫、分离，除去液滴和雾气后，加压进入液氢蒸馏阶段的回流系统。

从双温交换提取氘阶段抽出的富氘氢气，经分离、除去液滴和雾气后，进入液氢蒸馏阶段的进料系统。

液氢蒸馏分离氘后的贫氘氢气经回收冷量、汇集、压缩后，返回双温交换提取氘阶段，作为循环氢气原料。

本发明利用氢同位素的分离系数α随温度变化的特点，采用两个温度条件进行交换提取，在低温条件下分离系数高，使氘自氢气向水中富集，在高温条件下分离系数低，使氘自水中转入氢气中。采用液氢蒸馏法，通过三次蒸馏获得高纯度的氘气和重水。在主循环系统采用一级带膨胀机的冷冻循环制冷，付循环系统采用二级带膨胀机的冷冻循环制冷。采用低温吸附脱除原料氢气中的杂质。

本发明采用双温交换和液氢蒸馏法生产氘气和重水的特点是：