一種常溫氫氦分離儲存一體化裝置及方法制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種常溫氫氦分離儲存一體化裝置及方法，該常溫氫氦分離儲存一體化裝置包括依次連接的增壓泵I，流量計，第一儲氫床，第二儲氫床，四級桿質譜，增壓泵II，氦氣儲存罐和儲氫儲存罐。該方法具體包括如下步驟：S1.將氫氦混合氣通入第一儲氫床中，同時控制氫氦混合氣通入流量為0～400mL/min，此時第一儲氫床處于工作狀態，第二儲氫床處于閑置狀態；S2.當四級桿質譜出現氫氣信號時，將氫氦混合氣切換通入至第二儲氫床；S3：直至增壓泵I前端無氣體輸入，恢復所有閥門至關閉狀態，混合氣分離完成。本發明專利技術實現了常溫下高純氫、高純氦的可連續完全分離及氫的分離儲存一體化，減少了設備投資，簡化工藝操作。

【技術實現步驟摘要】
一種常溫氫氦分離儲存一體化裝置及方法
本專利技術屬于氣體分離領域，具體涉及一種常溫氫氦分離儲存一體化裝置及方法。
技術介紹
聚變堆中產氚包層載氣提取以及氚儲存容器長期存放后都涉及到氫氦分離。產氚包層載氣提取采用0.1％H2/He吹掃輻照后的增殖劑小球，將其產生的氚從表面帶走，為了獲得氫同位素氣體以及氦氣的重復利用，必須將氫氦氣體進行分離。對于氚儲存容器而言，由于氚衰變會產生3He，每年的衰變量約為5％，因此長期存放后也必須進行氫氦分離，將衰變產生的3He去除。目前，氫氦分離一般采用低溫吸附分離或鈀膜分離技術。低溫吸附分離技術是在77K下采用分子篩床吸附氫，去除氦，隨后再升溫解吸得到氫。但是該工藝需在液氮溫度下分離，常溫下解吸，能耗較高。此外，盡管低溫吸附分離尾氣的氦濃度很高，可達99.99％，但其解吸再生的氫氣一般含有10％甚至更高的氦氣，往往還需要通過串聯鈀膜進行深度分離，增加了工藝的復雜程度以及能耗。鈀膜分離一般用于高濃氫的氫氦分離，但鈀膜本身價格昂貴，且分離使用溫度和壓力較高(＞623K，2bar)，存在氚滲透風險，從經濟性和安全性角度考并不是好的選擇。此外，鈀膜分離無法獲取純凈的氦氣，分離的氦氣中還有一定量的氫氣。專利201810308806.5提出了一種從含氫的氦氣中提取純氦的工藝，具體包含壓縮單元、甲烷化單元、第一氣體分離單元、催化氧化脫氫單元、第二氣體分離單元等，該工藝可以獲得高純氦，但無法獲得純氫，且過程繁瑣。專利201410612052.4提出了一種氫氦混合氣體分離與回收裝置，具體包含膜分離器、低溫吸附床、催化氧化床、氫儲存罐、氦儲存罐與水儲存罐等，可以同時獲得高純氫和高純氦，并行進行氫儲存，但該工藝實質為多種技術的組合，存在操作復雜、投資高、裝置龐大且氫滯留較大等缺點。當前，現有的單一分離技術很難同時分離得到純凈的氦氣和氫氣，且使用溫度并不友好(77K或＞623K)，導致能耗較大，或分離工藝復雜，涉及多種技術的組合運用。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術提出一種常溫氫氦分離儲存一體化裝置及方法，本專利技術實現了常溫下高純氫、高純氦的可連續、完全分離及氫的分離儲存一體化，本專利技術減少了設備投資，簡化工藝操作。具體采用如下技術方案：一種常溫氫氦分離儲存一體化裝置，其特征在于，所述的常溫氫氦分離儲存一體化裝置包括依次連接的增壓泵I，流量計，第一儲氫床，第二儲氫床，四級桿質譜，增壓泵II，氦氣儲存罐和儲氫儲存罐；其中，增壓泵I通過背壓閥與流量計相連，第一儲氫床和第二儲氫床的進口端分別通過閥門I、閥門III與流量計相連；第一儲氫床和第二儲氫床的出口端分別通過閥門II、閥門IV連接至閥門VII，閥門VII后端連接有氦氣儲存罐，閥門VII前端設有支路I，支路I連接有四極桿質譜；第一儲氫床和閥門II的連接管路設有支路II，支路II通過閥門V與增壓泵II相連；第二儲氫床和閥門IV的連接管路設有支路III，支路III通過閥門VI與增壓泵II相連；增壓泵II后端連接有氫氣儲存罐，前端設有支路IV，支路IV連接四極桿質譜；所述第一儲氫床和第二儲氫床內部裝填有儲氫材料。進一步，所述裝置還包括加熱組件和制冷組件，其中加熱組件為分別纏繞在第一儲氫床和第二儲氫床外周的彈簧加熱器，制冷組件為裝有可流動冷水的容器，所述第一儲氫床和第二儲氫床放置于所述容器內。進一步，所述第一儲氫床、第二儲氫床均為U型結構，二者內部儲氫材料為鋯鈷合金、海綿鈀或碳納米管中的一種。一種基于前述的常溫氫氦分離儲存一體化裝置的常溫氫氦分離儲存一體化方法，其特征在于，該方法具體包括如下步驟：S1.打開增壓泵I，將背壓閥的進料壓力設定為P，打開閥門I、閥門II和閥門VII，將氫氦混合氣通入第一儲氫床中，同時控制氫氦混合氣通入流量為0～400mL/min，第一儲氫床吸附氫氣后末端排出的氣體(簡稱：尾氣)進入至氦氣儲存罐，此時第一儲氫床處于工作狀態，第二儲氫床處于閑置狀態；S2.當四級桿質譜檢測第一儲氫床尾氣出現氫氣信號時，關閉閥門I和閥門II，打開閥門III和閥門IV，將氫氦混合氣切換通入至第二儲氫床；閥門III閥門IV及閥門VII保持開啟狀態，此時第一儲氫床處于閑置狀態，第二儲氫床處于工作狀態；S3：直至增壓泵I前端無氣體輸入，恢復所有閥門至關閉狀態，氫氦混合氣分離完成。進一步，步驟S2“此時第一儲氫床處于閑置狀態，第二儲氫床處于工作狀態”之后還包括依次解吸第一儲氫床、第二儲氫床，其中，第一儲氫床解吸過程為：保持第二儲氫床持續工作，此時閥門III和閥門IV處于開啟狀態，打開閥門V與增壓泵II，啟動第一儲氫床加熱組件，進行加熱和抽真空，解吸出第一儲氫床內儲氫材料吸附的氫氣，將解吸出的氫氣轉移至氫氣儲存罐，直至第一儲氫床內吸附的氫氣解吸完全，關閉閥門V與增壓泵II；當四極桿質譜檢測第二儲氫床吸附氫氣后末端排出的氣體出現氫氣信號時，關閉閥門III和閥門IV，打開閥門I和閥門II，將氫氦混合氣切換通入第一儲氫床中；第二儲氫床解吸過程為：保持第一儲氫床持續工作，此時閥門I和閥門II處于開啟狀態，打開閥門V與增壓泵II，啟動第二儲氫床加熱組件，進行加熱和抽真空，解吸出第二儲氫床內儲氫材料吸附的氫氣，將解吸出的氫氣轉移至氫氣儲存罐，直至第二儲氫床內吸附的氫氣解吸完全；重復步驟S1-S2，直至增壓泵I前端無氣體輸入。進一步，步驟S1中，背壓閥的進料壓力P與氫氦混合氣流量q存在P＝f(q)的函數關系，具體地：當0.1≤x≤0.3時，p＝0.56q+115；當0.3＜x≤0.6時，p＝0.5q+111；當0.6＜x≤0.8時，p＝0.32q+112；當0.8＜x≤1時，p＝0.24q+109；其中，p為背壓閥進料壓力，單位為kPa；q為氫氦混合氣流量，單位為mL/min；x為氫氦混合氣中氫濃度，無量綱。本專利技術將儲氫床直接用作氫氦分離裝置，可以同時完成分離和儲存的操作。以兩個U型儲氫床為核心設備，以并聯模式交替吸附氫氣并結合質譜在線監測儲氫床尾氣，當尾氣出現氫氣信號時，進行切換。其中儲氫床配備有冷卻和加熱組件，加熱組件用于解吸過程中的升溫，冷卻組件確保吸氫過程中儲氫床維持在室溫以及解吸結束后的降溫。附圖說明圖1為本專利技術常溫氫氦分離儲存一體化裝置；圖2為0.1≤x≤0.3的氫氦混合氣進料壓力與流量間的關系曲線；圖3為0.3＜x≤0.6的氫氦混合氣進料壓力與流量間的關系曲線；圖4為0.6＜x≤0.8的氫氦混合氣進料壓力與流量間的關系曲線；圖5為0.8＜x≤1的氫氦混合氣進料壓力與流量間的關系曲線；圖中，1.增壓泵I2.背壓閥3.流量計4.閥門I5.第一儲氫床6.閥門II7.閥門III8.第二儲氫床9.閥門IV10.閥門V11.閥門VI12.四級桿質譜13.閥門VII14.增壓泵II15.氦氣儲存罐16.氫氣儲存罐。具體實施本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種常溫氫氦分離儲存一體化裝置，其特征在于，所述的常溫氫氦分離儲存一體化裝置包括依次連接的增壓泵I(1)，流量計(3)，第一儲氫床(5)，第二儲氫床(8)，四級桿質譜(12)，增壓泵II(14)，氦氣儲存罐(15)和儲氫儲存罐(16)；其中，增壓泵I(1)通過背壓閥(2)與流量計(3)相連，第一儲氫床(5)和第二儲氫床(8)的進口端分別通過閥門I(4)、閥門III(7)與流量計(3)相連；第一儲氫床(5)和第二儲氫床(8)的出口端分別通過閥門II(6)、閥門IV(9)連接至閥門VII(13)，閥門VII(13)后端連接有氦氣儲存罐(15)，閥門VII(13)前端設有支路I，支路I連接有四極桿質譜(12)；第一儲氫床(5)和閥門II(6)的連接管路設有支路II，支路II通過閥門V(10)與增壓泵II(14)相連；第二儲氫床(8)和閥門IV(9)的連接管路設有支路III，支路III通過閥門VI(11)與增壓泵II(14)相連；增壓泵II(14)后端連接有氫氣儲存罐(16)，前端設有支路IV，支路IV連接四極桿質譜(12)；所述第一儲氫床(5)和第二儲氫床(8)內部裝填有儲氫材料。/n

【技術特征摘要】
1.一種常溫氫氦分離儲存一體化裝置，其特征在于，所述的常溫氫氦分離儲存一體化裝置包括依次連接的增壓泵I(1)，流量計(3)，第一儲氫床(5)，第二儲氫床(8)，四級桿質譜(12)，增壓泵II(14)，氦氣儲存罐(15)和儲氫儲存罐(16)；其中，增壓泵I(1)通過背壓閥(2)與流量計(3)相連，第一儲氫床(5)和第二儲氫床(8)的進口端分別通過閥門I(4)、閥門III(7)與流量計(3)相連；第一儲氫床(5)和第二儲氫床(8)的出口端分別通過閥門II(6)、閥門IV(9)連接至閥門VII(13)，閥門VII(13)后端連接有氦氣儲存罐(15)，閥門VII(13)前端設有支路I，支路I連接有四極桿質譜(12)；第一儲氫床(5)和閥門II(6)的連接管路設有支路II，支路II通過閥門V(10)與增壓泵II(14)相連；第二儲氫床(8)和閥門IV(9)的連接管路設有支路III，支路III通過閥門VI(11)與增壓泵II(14)相連；增壓泵II(14)后端連接有氫氣儲存罐(16)，前端設有支路IV，支路IV連接四極桿質譜(12)；所述第一儲氫床(5)和第二儲氫床(8)內部裝填有儲氫材料。


2.如權利要求1所述的常溫氫氦分離儲存一體化裝置，其特征在于，所述裝置還包括加熱組件和制冷組件，其中加熱組件為分別纏繞在第一儲氫床(5)和第二儲氫床(8外周的彈簧加熱器，制冷組件為裝有可流動冷水的容器，所述第一儲氫床(5)和第二儲氫床(8)放置于所述容器內。


3.如權利要求1所述的常溫氫氦分離儲存一體化裝置，其特征在于，所述第一儲氫床(5)、第二儲氫床(8)均為U型結構，二者內部儲氫材料為鋯鈷合金、海綿鈀或碳納米管中的一種。


4.一種基于權利要求1-3任一項所述的常溫氫氦分離儲存一體化裝置的常溫氫氦分離儲存一體化方法，其特征在于，該方法具體包括如下步驟：
S1.打開增壓泵I(1)，將背壓閥(2)的進料壓力設定為P，打開閥門I(4)、閥門II(6)和閥門VII(13)，將氫氦混合氣通入第一儲氫床(5)中，同時控制氫氦混合氣通入流量為0～400mL/min，此時第一儲氫床(5)處于工作狀態，第二儲氫床(8)處于閑置狀態；
S2.當四級桿質譜(12)出現氫氣信號時，關閉閥門I(4)和閥門...

【專利技術屬性】
技術研發人員：岳磊，彭述明，王和義，肖成建，李佳懋，陳超，龔宇，侯京偉，趙林杰，
申請(專利權)人：中國工程物理研究院核物理與化學研究所，
類型：發明
國別省市：四川;51