[发明专利]一种用于分离同位素混合气体的装置

说明书

技术领域

本发明涉及混合气体分离领域，具体涉及一种用于分离同位素混合气体的装置。

背景技术

混合气体的分离一直以来都是化工和相关行业一个十分活跃的领域，针对不同需求，需要不同分离方法。传统的混合气体分离方法，包括蒸馏法、离心法、热扩散法、分子扩散法和色谱法，其中蒸馏法是应用最广、效率最高的气体分离方法。

在分离同位素或同分异构体组成的混合气体时，由于混合气体中各组分的沸点相同或十分接近，使用蒸馏法不再有效。这时需要采用非蒸馏的分离方法，如热扩散分离方法和热声分离方法。

热扩散分离方法使用的装置包括垂直分离塔，塔内设置有热壁和冷壁，在使用时，对垂直分离塔的热壁进行加热，使热壁达到预定的温度；同时，对冷壁通冷却水使之保持恒定的温度，冷壁和热壁之间形成温度梯度。在热扩散效应的作用下，重质气体在冷壁上富集，轻质气体在热壁上富集。冷壁富集的重质气体密度较大，在重力作用下，沿冷壁向下流动；热壁富集的轻质气体密度较小，会沿热壁向上流动。重质气体和轻质气体在重力方向上的运动方向相反，进而使得混合气体在重力方向上发生分离。

热声分离方法是最近发展起来的一种新的混合气体分离方法。分离的步骤为：在声波的作用下，混合气体发生周期性的压缩和膨胀运动，并在靠近固体壁面的边界层内建立垂直于壁面方向的温度梯度，温度梯度导致的热扩散效应使得混合气体中的不同组分沿着不同方向扩散，进而在边界内形成浓度梯度；然后，混合气体的粘性运动使得边界层内的气体相对静止，而主流区的气体在声波作用下向不同方向运动，进而导致混合气体的不同组分沿着声波的传播方向发生分离。

与传统的同位素分离方法相比，热声分离法具有以下优点：a、热声分离方法利用的是气体压缩膨胀过程中的压力梯度和温度梯度来分离混合气体，可以在常温常压下工作，不需要额外提供高温或高压边界；b、热声分离方法的动力源是声波，整套装置几乎没有运动部件，因此具有高可靠性、低成本的特点；c、热声分离方法的结构十分简单，可以十分方便的与热扩散分离法、气体扩散分离法、离心分离法等传统的分离方法相结合，来进一步提高分离的效率。

现有的热扩散法和热声分离方法在使用时，存在以下缺陷：

(1)热声分离方法需要首先在粘性边界层内建立温度梯度，而声波膨胀和压缩过程中产生的温度梯度很小，这严重影响热声分离方法的效率。

(2)热扩散分离和热声分离方法分离同位素混合气体时，效率均较低，要想到达理想的分离效果，需要建立多级的分离装置，系统复杂。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高效的同位素混合气体分离装置。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种用于分离同位素混合气体的装置，包括垂直安装的上谐振腔和下谐振腔，上谐振腔的外壁开有出样口，下谐振腔的外壁开有进样口，所述上谐振腔的内部设置有上驱动活塞，所述下谐振腔的内部设置有下驱动活塞，所述上谐振腔的底部设置有上隔板，下谐振腔的顶部设置有下隔板，所述上隔板和下隔板之间设置有若干分离管束，上隔板、下隔板与每根分离管束对应之处均开有分离口；

所述每根分离管束的长度L根据混合气体在工作频率下的波长λ确定：L＜1/4λ；所述每根分离管束的横截面均呈直径为d的圆形，所述d根据待分离混合气体的质量扩散渗透深度h确定：2h＜d＜4h。

在上述技术方案的基础上，所述每根分离管束的外部均套接有冷却管，所有冷却管相互连通，形成冷却装置，冷却装置上开有进水口和出水口。

在上述技术方案的基础上，所述每根分离管束的中心固定有电加热棒；所述加热棒的顶部与上隔板固定连接、底部与下隔板固定连接。

在上述技术方案的基础上，所述上谐振腔、下谐振腔、上驱动活塞、下驱动活塞、上隔板、下隔板、和电加热棒的横截面均呈圆形。

在上述技术方案的基础上，所述上谐振腔与下谐振腔的尺寸相同，所述上谐振腔、下谐振腔的体积远大于单根分离管束的体积。

在上述技术方案的基础上，所述上驱动活塞能够在上谐振腔内上下运动，下驱动活塞能够在下谐振腔内上下运动，上驱动活塞和下驱动活塞的运动能够使得分离管束内产生一定频率和振幅的压力波，所述压力波的速度相位领先压力相位0°～90°。

在上述技术方案的基础上，所述上谐振腔的顶部设置有上活塞，所述下谐振腔的底部设置有下活塞。

与现有技术相比，本发明的优点在于：