[发明专利]一种回转式低温氢同位素分离系统及分离方法

权利要求书

1.一种回转式低温氢同位素分离系统，其特征在于，包括内蓄液氮的低温槽(1)，安装于所述低温槽（1）内并沿所述低温槽（1）的径向方向旋转的圆环形回转架（2），等间距水平安装于回转架(2)外环的圆周上并可随着所述回转架(2)同步旋转的n个分离柱(3)，存储有原料氢并通过管道分别与1#～(n-2)#分离柱(3)连接的原料氢储罐(4)，用于储存轻同位素并通过管道与(n-1)#分离柱(3)连接的轻同位素储罐(5)，用于储存重同位素并通过管道与1#分离柱(3)连接的重同位素储罐(6)，通过管道分别与所有所述分离柱(3)连接的真空泵(7)，以及与所述真空泵(7)管道连接的尾气储罐(8)；n个所述分离柱(3)在所述回转架(2)上按顺时针方向依次通过管道首尾连接形成闭合回路，n个所述分离柱(3)中有且仅有一个分离柱(3)位于低温槽(1)中液氮的液面以上，剩余n-1个所述分离柱(3)全部位于低温槽(1)中液氮的液面以下，所述尾气储罐(8)与所述原料氢储罐(4)管道连接，n个所述分离柱依次从1#、2#、3#……(n-1)#、n#进行编号。

2.根据权利要求1所述的一种回转式低温氢同位素分离系统，其特征在于，所述回转架(2)包括水平安装于所述低温槽(1)内并可相对于所述低温槽(1)自由旋转的旋转轴(21)，以及位于所述低温槽(1)内并沿纵向安装于所述旋转轴(21)上且可随同所述旋转轴(21)同步旋转的圆环形铝框架(22)，所述铝框架(22)的圆周上纵向等距开设有n个分别与所述分离柱(3)相匹配的圆形卡装孔，并且n个所述分离柱(3)分别安装于n个所述圆形卡装孔内。

3.根据权利要求2所述的一种回转式低温氢同位素分离系统，其特征在于，所述旋转轴(21)的两端分别伸至所述低温槽(1)相对应的两侧壁外，所述旋转轴(21)的一端通过联轴器连接有位于所述低温槽(1)外用于驱动所述旋转轴(21)旋转的变频调速电机(23)，所述旋转轴(21)的另一端连接有位于所述低温槽(1)外用于气体管路连接的多通路旋转接头(24)，所述旋转轴(21)为空心铝管，连接于n个所述分离柱(3)的管线均通过所述旋转轴(21)的内腔及所述多通路旋转接头(24)走线。

4.根据权利要求3所述的一种回转式低温氢同位素分离系统，其特征在于，所述旋转轴(21)的两端分别套装有一个低温轴承(25)，两个所述低温轴承(25)分别嵌装于所述低温槽(1)相对应的两侧壁内。

5.根据权利要求4所述的一种回转式低温氢同位素分离系统，其特征在于，所述分离柱(3)为两端采用平面密封焊接并且两端面分别通过卡套连接不锈钢波纹管，所述分离柱(3)耐压达1MPa。

6.根据权利要求5所述的一种回转式低温氢同位素分离系统，其特征在于，所述分离柱(3)内填装有具有低温氢同位素效应的无机填料，所述无机填料为分子筛、三氧化二铝或硅胶中的任意一种，并且所述无机填料在填装入所述分离柱(3)内之前均经过300℃及以上高温活化除水处理。

7.根据权利要求6所述的一种回转式低温氢同位素分离系统，其特征在于，与所述原料氢储罐(4)连接的原料氢管道上设有第一流量计(9)，与所述轻同位素储罐(5)连接的轻同位素气体管道上设有第三流量计(11)，与所述重同位素储罐(6)连接的重同位素气体管道上设有第二流量计(10)。

8.根据权利要求7所述的一种回转式低温氢同位素分离系统，其特征在于，所述原料氢管道分别与1#～(n-2)#分离柱(3)连接的管道上各设有一个开关阀，所述轻同位素气体管道与(n-1)#分离柱(3)连接的管道上设有一个开关阀，所述重同位素气体管道与1#分离柱(3)连接的管道上设有一个开关阀，所述真空泵(7)分别与n个所述分离柱(3)连接的管道上各设有一个开关阀，所有连接相邻所述分离柱(3)之间的管道上均设有一个开启压差为0.1MPa～0.5MPa可调的单向阀。

9.根据权利要求8所述的一种回转式低温氢同位素分离系统，其特征在于，所述铝框架(22)采用1515铝型材制成。

10.一种回转式低温氢同位素分离系统的分离方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先顺序将n个分离柱进行编号，编号分别为1#、2#、3#……(n-1)#、n#，然后将各分离柱与真空泵连通，开启真空泵抽除各分离柱内残留的气体，之后向低温槽内注入液氮，使1#～(n-1)#均浸没于液氮中，而位于回转架最顶端的n#分离柱高于液氮液面；

2)开启1#分离柱与原料氢储罐连通的阀门，向系统内注入原料氢，使1#～(n-1)#分离柱达到饱和吸附量；

3)开启变频调速电机，使回转架逆时针旋转，使1#分离柱向上移动脱离液氮液面，同时n#分离柱向下移动浸入液氮内；1#分离柱吸收空气热量，氢同位素解吸使1#～(n-1)#分离柱内的氢同位素依次向后移动，最终在2#～n#分离柱内完成第一次重排；当1#分离柱氢同位素释放完成时，开启真空管路抽除1#分离柱内残留的氢同位素；

4)再次逆时针旋转回转架，使2#分离柱向上移动脱离液氮液面，1#分离柱向下移动浸入液氮内；2#分离柱吸收空气热量解吸出氢同位素气体，各分离柱内氢同位素依次向后移动，最终在3#～n#及1#分离柱内完成第二次重排；当2#分离柱解吸完成时，开启连接2#分离柱的真空管路抽除2#分离柱内残留氢同位素；

5)重复步骤4，分别进行3#～(n-1)#分离柱的分离操作，使氢同位素在1#～n#分离柱组成的环形回路内顺序移动，不断促进氢同位素的分离重排；当第n#分离柱解吸完成后，氢同位素进行了第n次重排，氢同位素再次分布于1#～(n-1)#分离柱，表示系统完成了一次循环分离；氢同位素形成显著的氢同位素浓度梯度，回路近端的1#分离柱顶部重同位素浓度最高，而回路远端的(n-1)#分离柱底部的重同位素浓度最低；

6)开通轻同位素储罐与(n-1)#分离柱连接的管路，同时开启变频调速电机使回转架按顺时针旋转，使(n-1)#分离柱上升脱离液氮液面，从(n-1)#分离柱的底部排出轻同位素并收集入轻同位素储罐，收集完后关闭轻同位素储罐与(n-1)#分离柱连接的管路；之后开通重同位素储罐与1#分离柱连接的管路，同时开启变频调速电机使回转架按逆时针旋转，使1#分离柱上升脱离液面，从1#分离柱的顶部排出重同位素并收集入重同位素储罐；

7)对2#～(n-2)#分离柱内的同位素丰度取样分析，选取丰度与原料氢接近的分离柱，从其顶部注入原料氢，原料氢注入量与轻同位素储罐中收集的轻同位素和重同位素储罐中收集的重同位素的总收集量相等；然后进行下一个循环的分离操作；若一次循环分离的轻同位和重同位素丰度及提取量未达到期望值，通过增加分离柱数量或循环次数来获得更大的氢同位素浓度梯度，以达到预期分离效果。