一种熔盐蒸馏纯化方法及设备与流程

本发明涉及一种熔盐纯化技术，属高温蒸馏和精炼及提纯技术，具体涉及一种熔盐蒸馏纯化方法及设备。

背景技术：

熔盐反应堆(msr)是一种采用液体燃料的反应堆系统，被认为是钍铀循环较好的增殖堆，其燃料盐为高温氟盐，在反应堆运行过程中将产生大量的裂变产物，大部分裂变产物，尤其是稀土、碱土、碱金属类裂变产物会溶解于燃料盐中，燃料盐中裂变产物的不断累积会严重影响反应堆中的中子经济性。因此，需要定期对燃料盐进行处理分离其中的裂变产物，并回收昂贵的载体盐，从而提高反应堆的运行效率，降低成本。

现有技术可采用熔盐蒸馏技术实现载体熔盐中裂变产物的去除和载体盐的纯化回收。然而，在使用该技术进行熔盐纯化时，例如发明专利cn106621429b，需要将设备停止运行，进行熔盐的进料或者纯化后熔盐的收集。而且，目前熔盐的进料一般都是直接将熔盐加至蒸馏器温度最高部位，每次进料都需要降温后再重新升温，既浪费时间又浪费电源，导致生产效率低下，无法连续生产，频繁的温度升降还会损害蒸发器材料的寿命。因此，现有工艺中存在着难以连续处理、纯化生产效率低、设备操作复杂等缺点，难以满足熔盐堆燃料处理流程中有效回收载体盐、去除裂变产物的工艺需要。

技术实现要素：

本发明为了克服现有熔盐分离技术难以连续处理、纯化效率低、工艺流程复杂等缺陷，提供一种熔盐蒸馏纯化方法及设备。本发明在保证熔盐纯化回收、杂质有效去除、无副产物的同时，实现了连续蒸馏，提高熔盐纯化效率，简化设备操作，降低成本。

本发明通过以下技术解决方案解决上述技术问题。

本发明提供一种熔盐蒸馏纯化设备，其特征在于，其包括一熔盐储存设备、一熔盐蒸馏设备、一熔盐收集设备、一熔盐输送管道和一熔盐收集管道；

所述熔盐储存设备包括一第一密封腔体、一进气流量计、一压力测量设备、一加热设备和一第一熔盐提桶；所述第一熔盐提桶和所述加热设备均设置于所述第一密封腔体的内部；所述加热设备用于加热所述第一熔盐提桶；所述第一密封腔体设有一进气口、一第一排气口和一第一出口；所述进气流量计设置于所述进气口的端部；所述压力测量设备设置于所述第一密封腔体的外壁，用于测量所述第一密封腔体中的压力；

所述熔盐蒸馏设备包括一密封蒸馏腔体、一蒸发器、一第一电加热器、一第二电加热器和一冷凝器；所述密封蒸馏腔体设有一第一进口、一第二出口、一第二排气口和一排气管；所述蒸发器、所述第一电加热器、所述第二电加热器和所述冷凝器均设于所述密封蒸馏腔体内部；所述蒸发器、所述冷凝器和所述排气管依次连接；所述排气管相悖于所述冷凝器的一端通过所述密封蒸馏腔体的第二排气口延伸至所述熔盐蒸馏设备的外部；所述第一电加热器用于加热所述蒸发器；所述第二电加热器用于加热所述冷凝器；

所述熔盐收集设备包括第二密封腔体；所述第二密封腔体还包括一第二进口；

所述熔盐输送管道的一端通过所述第一密封腔体的第一出口延伸至所述第一熔盐提桶的底部，另一端通过所述密封蒸馏腔体的第一进口延伸至所述蒸发器；

所述熔盐收集管道的一端通过所述密封蒸馏腔体的第二出口延伸至所述冷凝器的底部，另一端通过所述第二密封腔体的第二进口延伸至所述第二密封腔体的内部。

本发明中，所述熔盐蒸馏设备处理的熔盐为能够得到熔融态的熔盐(即为分解温度高于沸点温度的熔盐)，例如氟化物熔盐和/或氯化物熔盐。较佳地，所述熔盐蒸馏设备中熔盐的工作状态为液态和气态。

本发明中，所述熔盐储存设备为本领域常规熔盐储存设备。在熔盐储存设备中，调节所述熔盐储存设备的内部气压，使所述熔盐储存设备内部和所述熔盐蒸馏设备内部之间形成气压差，将所述熔盐储存设备内部的熔盐输送至所述蒸发器，并通过监控所述进气流量计和所述压力测量设备，控制熔盐输送速率，进而实现熔盐匀速、定量的进料。

较佳地，所述熔盐储存设备还包括一第一称重单元；所述第一称重单元设于所述第一密封腔体内部。更佳地，所述第一熔盐提桶通过一第一吊杆与设在所述第一熔盐提桶上方的所述第一称重单元连接。

较佳地，所述进气口与外部的供气系统连接，所述第一排气口与外部真空系统连接。

较佳地，所述供气系统用于向所述熔盐储存设备通入惰性气体。其中，所述惰性气体是指在设备使用过程中，不会与物料发生反应的气体，不限于常规所指的稀有气体，例如可以是氮气。

较佳地，所述第一密封腔体的内部设有若干红外反射层；所述第一称重单元设于所述红外反射层上方，所述第一熔盐提桶设于所述红外反射层下方。所述红外反射层用于阻隔第一熔盐提桶内高温熔盐的热辐射。

较佳地，多个所述红外反射层贴设在所述第一密封腔体的侧面内壁；多个所述红外反射层还套设在所述第一吊杆上。

较佳地，所述第一密封腔体顶部加设有一第一真空保护罩，将所述第一称重单元放置在所述第一真空保护罩内部。

较佳地，所述压力测量设备可以随时测量整个第一密封腔体内部压力，便于更佳精确调整内部压力，保证所述第一密封腔体内部与熔盐蒸馏设备内部间的气压差保持在10³-10⁵pa。

较佳地，所述熔盐储存设备还设有一热电偶，用于测量所述第一密封腔体内部的熔盐温度。

本发明中，在真空环境下，加热所述熔盐蒸馏设备中的所述蒸发器至熔盐的蒸发温度，产生熔盐蒸汽；所述熔盐蒸汽在所述冷凝器中进行冷凝，形成液态熔盐，进行收集。

较佳地，所述蒸发器、所述冷凝器和所述排气管依次连接组成一内层密封结构。

较佳地，所述蒸发器包括一蒸发体，所述蒸发体的蒸发面为阶梯状，用于增大熔盐蒸馏处理的表面积，提高熔盐蒸馏处理效率。

较佳地，至少一陶瓷材质的保护支架套设于所述蒸发器外，所述第一加热器环绕于所述保护支架上。

较佳地，所述第二电加热器环绕于所述冷凝器外围。

较佳地，所述蒸发器内设置有至少一个热电偶。

较佳地，所述冷凝器包括若干个的隔板；所述隔板设置于所述冷凝器的内部并将所述冷凝器划分为若干个冷凝部；所述隔板的面积小于所述冷凝器的横截面。

较佳地，所述隔板与冷凝器之间形成的缺口，相邻隔板之间的缺口位置相反，在所述冷凝器内形成“s”型走向的气体通道。

较佳地，与所述冷凝器的底部相连接的隔板上靠近所述冷凝器底部的一端均设有通孔。通过所述熔盐收集管道收集纯化后的熔盐时，若干个所述冷凝部中冷凝下来的液体熔盐可通过所述通孔汇聚至所述熔盐收集管道口。

更佳地，所述若干个隔板互相平行地设置于所述冷凝器的内部。

较佳地，所述冷凝器内设置有至少一个热电偶。

较佳地，所述第二排气口与外部真空系统连接。

本发明中，所述熔盐收集设备为本领域常规熔盐收集设备。

较佳地，所述熔盐收集设备还包括一第二称重单元和一第二熔盐提桶，所述第二称重单元与所述第二熔盐提桶均设于所述第二密封腔体内部；所述第二熔盐提桶通过一第二吊杆与设在所述第二熔盐提桶上方的所述第二称重单元连接；所述第二熔盐提桶用于收集纯化后的熔盐。

较佳地，所述第一熔盐提桶的容量与所述第二熔盐提桶的容量相等。

较佳地，所述第二密封腔体顶部加设有一第二真空保护罩，将所述第二称重单元放置在所述第二真空保护罩内部。

较佳地，所述第二密封腔体外壁设有一水冷套。

较佳地，所述熔盐输送管道的另一端通过所述密封蒸馏腔体的第一进口延伸至所述蒸发器中相悖于所述冷凝器的一端。

较佳地，所述熔盐收集设备还包括一第三排气口，所述第三排气口可用于调节所述熔盐收集设备的气压。

一优选实施方式中，所述熔盐收集设备还包括一取样口。

一优选实施方式中，为了实现在线取样，实时监测所述液态熔盐的组成和纯度变化，达到对熔盐进行分离纯化的目的，所述熔盐蒸馏纯化设备还包括一在线取样器；所述在线取样器与所述熔盐收集设备的取样口连接。

其中，所述在线取样器为本领域常规在线取样器。

本发明还提供一种熔盐蒸馏纯化的方法，应用如前所述的熔盐蒸馏纯化设备，具体包括下述步骤：

s1.调节所述熔盐储存设备的内部气压，使所述熔盐储存设备内部和所述熔盐蒸馏设备内部之间形成气压差，将所述熔盐储存设备内部的熔盐输送至所述蒸发器；

s2.在所述熔盐蒸馏设备中，在真空环境下，加热所述蒸发器至熔盐的蒸发温度，产生熔盐蒸汽；所述熔盐蒸汽在所述冷凝器中进行冷凝，形成液态熔盐，使用所述熔盐收集设备进行收集。

本发明中，通过调节所述熔盐储存设备的内部气压，使所述熔盐储存设备内部和所述熔盐蒸馏设备内部之间形成气压差，将所述熔盐储存设备内部的熔盐输送至所述蒸发器，并通过监控所述进气流量计和所述压力测量设备，控制熔盐输送速率，所述熔盐输送速率可为稳定均一的输送速率，也可为脉冲式的输送速率。同时控制所述熔盐蒸馏设备中真空度和所述蒸发器的加热温度，实现熔盐蒸馏的连续处理。

较佳地，步骤s2的熔盐蒸发速率为一均一的速率。

更佳地，步骤s1中的熔盐输送速率与步骤s2中的熔盐蒸发速率相等。

较佳地，所述熔盐蒸发设备中的真空度为1-1000pa。

其中，所述熔盐的蒸发温度，本领域技术人员知晓，具体的熔盐的蒸发温度与具体处理的熔盐种类有着直接的关系，所述熔盐的蒸发温度为具体处理的熔盐的蒸发温度，较佳地为300-1300℃。

例如，当熔盐为氟化物熔盐时，所述熔盐的蒸发温度为500-1300℃。再例如，当熔盐为氯化物熔盐时，所述熔盐的蒸发温度为300-1300℃。再例如，当熔盐为flinak时，所述熔盐的蒸发温度为900-1100℃。

其中，所述熔盐蒸汽的冷凝温度，本领域技术人员知晓，具体的冷凝温度与具体处理的熔盐种类有着直接的关系。较佳地，所述熔盐蒸汽的冷凝温度比所述熔盐的蒸发温度低80-120℃，但所述熔盐蒸汽的冷凝温度必须比所述熔盐的熔点高至少50℃。

本发明中，为了实现在线取样，实时监测所述液态熔盐的组成和纯度变化，达到对熔盐进行分离纯化的目的，还可在所述熔盐收集设备的取样口设置在线取样器进行实时监测。

本发明中，上述优选条件在符合本领域常识的基础上可任意组合，即得本发明的各较佳实施例。

本发明所用试剂和原料均市售可得。

本发明的积极进步效果在于：

本发明采用气压差法输送熔盐，并能够精确控制熔盐输送速率和熔盐蒸发速率。本发明采用减压蒸馏方法分离纯化熔盐，实现熔盐中难挥发杂质的有效去除，工艺操作简单，可提高熔盐纯化效率，实现杂质去除率高，无副产物，能耗低，连续蒸馏。

在一优选实施方式中，控制使得熔盐输送速率与熔盐蒸发速率相等，实现连续稳定生产。熔盐蒸馏设备中的蒸发器和冷凝器分别采取阶梯状蒸发表面和“s”型走向的气体通道，提高蒸馏处理效率。并且，能够对纯化后的熔盐进行在线取样，可实时掌握其组成变化，实现质量控制。

经本发明方法处理，可以实现熔盐物料中平均杂质去除率达到99％以上，熔盐连续蒸馏回收率可达95％以上。

附图说明

图1为实施例1的熔盐蒸馏纯化设备的结构示意图。

图2为实施例1的熔盐储存设备的结构示意图。

附图标记说明

熔盐储存设备100

熔盐蒸馏设备200

熔盐收集设备300

熔盐输送管道400

熔盐收集管道500

第一密封腔体101

加热设备102

第一熔盐提桶103

进气口104

第一排气口105

第一出口106

压力测量设备接口107

第一称重单元108

第一吊杆109

红外反射层110

第一真空保护罩111

密封蒸馏腔体201

蒸发器202

第一电加热器203

第二电加热器204

冷凝器205

第一进口206

第二出口207

第二排气口208

排气管209

蒸发体210

保护支架211

隔板212

缺口213

第二密封腔体301

第二进口302

第二称重单元303

第二熔盐提桶304

第二吊杆305

第二真空保护罩306

水冷套307

取样口308

在线取样器309

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

下面举出较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。

实施例1

本发明提供一种熔盐蒸馏纯化设备，如图1～2所示，包括一熔盐储存设备100、一熔盐蒸馏设备200、一熔盐收集设备300、一熔盐输送管道400和一熔盐收集管道500。

熔盐储存设备100包括一第一密封腔体101、一进气流量计、一压力测量设备、一加热设备102和一第一熔盐提桶103；第一熔盐提桶103和加热设备102均设置于第一密封腔体101的内部；加热设备102用于加热第一熔盐提桶103；第一密封腔体101设有一进气口104、一第一排气口105和一第一出口106；进气流量计设置于进气口104的端部；压力测量设备通过压力测量设备接口107设置于第一密封腔体101的外壁，用于测量第一密封腔体101中的压力。

熔盐蒸馏设备200包括一密封蒸馏腔体201、一蒸发器202、一第一电加热器203、一第二电加热器204和一冷凝器205；密封蒸馏腔体201设有一第一进口206、一第二出口207、一第二排气口208和一排气管209；蒸发器202、第一电加热器203、第二电加热器204和冷凝器205均设于密封蒸馏腔体201内部；蒸发器202、冷凝器205和排气管209依次连接；排气管209相悖于冷凝器205的一端通过密封蒸馏腔体201的第二排气口208延伸至熔盐蒸馏设备200的外部；第一电加热器203用于加热蒸发器202；第二电加热器204用于加热冷凝器205。

熔盐收集设备300包括第二密封腔体301；第二密封腔体301还包括一第二进口302。

熔盐输送管道400的一端通过第一密封腔体101的第一出口106延伸至第一熔盐提桶103的底部，另一端通过密封蒸馏腔体201的第一进口206延伸至蒸发器202。

熔盐收集管道500的一端通过密封蒸馏腔体201的第二出口207延伸至冷凝器205的底部，另一端通过第二密封腔体301的第二进口302延伸至第二密封腔体301的内部。

熔盐蒸馏设备200中熔盐的工作状态为液态和气态。

在熔盐储存设备100中，调节熔盐储存设备100的内部气压，使熔盐储存设备100内部和熔盐蒸馏设备200内部之间形成气压差，将熔盐储存设备100内部的熔盐输送至蒸发器202，并通过监控进气流量计和压力测量设备，控制熔盐输送速率，进而实现熔盐匀速、定量的进料。

熔盐储存设备100还包括一第一称重单元108；第一称重单元108设于第一密封腔体101内部。更佳地，第一熔盐提桶103通过一第一吊杆109与设在第一熔盐提桶103上方的第一称重单元108连接。

进气口104与外部的供气系统连接，第一排气口105与外部真空系统连接。

供气系统用于向熔盐储存设备100通入氮气。

第一密封腔体101的内部设有若干红外反射层110；第一称重单元108设于红外反射层110上方，第一熔盐提桶103设于红外反射层110下方。红外反射层110用于阻隔第一熔盐提桶103内高温熔盐的热辐射。

多个红外反射层110贴设在第一密封腔体101的侧面内壁；多个红外反射层110还套设在第一吊杆109上。

第一密封腔体101顶部加设有一第一真空保护罩111，将第一称重单元108放置在第一真空保护罩111内部。

压力测量设备可以随时测量整个第一密封腔体101内部压力，便于更佳精确调整内部压力，保证第一密封腔体101内部与熔盐蒸馏设备200内部间的气压差保持在10³-10⁵pa。

熔盐储存设备100还设有一热电偶，用于测量第一密封腔体101内部的熔盐温度。

在真空环境下，加热熔盐蒸馏设备200中的蒸发器202至熔盐的蒸发温度，产生熔盐蒸汽；熔盐蒸汽在冷凝器205中进行冷凝，形成液态熔盐，进行收集。

蒸发器202、冷凝器205和排气管209依次连接组成一内层密封结构。

蒸发器202包括一蒸发体210，蒸发体210的蒸发面为阶梯状，用于增大熔盐蒸馏处理的表面积，提高熔盐蒸馏处理效率。

至少一陶瓷材质的保护支架211套设于蒸发器202外，第一加热器环绕于保护支架211上。

第二电加热器204环绕于冷凝器205外围。

蒸发器202内设置有至少一个热电偶。

冷凝器205包括若干个的隔板212；隔板212设置于冷凝器205的内部并将冷凝器205划分为若干个冷凝部；隔板212的面积小于冷凝器205的横截面。隔板212与冷凝器205之间形成的缺口213，相邻隔板212之间的缺口213位置相反，在冷凝器205内形成“s”型走向的气体通道。

与冷凝器205的底部相连接的隔板212上靠近冷凝器205底部的一端均设有通孔。通过熔盐收集管道500收集纯化后的熔盐时，若干个冷凝部中冷凝下来的液体熔盐可通过通孔汇聚至熔盐收集管道500口。

若干个隔板212互相平行地设置于冷凝器205的内部。

冷凝器205内设置有至少一个热电偶。

第二排气口208与外部真空系统连接。

熔盐收集设备300还包括一第二称重单元303和一第二熔盐提桶304，第二称重单元303与第二熔盐提桶304均设于第二密封腔体301内部；第二熔盐提桶304通过一第二吊杆305与设在第二熔盐提桶304上方的第二称重单元303连接；第二熔盐提桶304用于收集纯化后的熔盐。

第一熔盐提桶103的容量与第二熔盐提桶304的容量相等。

第二密封腔体301顶部加设有一第二真空保护罩306，将第二称重单元303放置在第二真空保护罩306内部。

第二密封腔体301外壁设有一水冷套307。

熔盐输送管道400的另一端通过密封蒸馏腔体201的第一进口206延伸至蒸发器202中相悖于冷凝器205的一端。

一熔盐收集设备300还包括一取样口308。

为了实现在线取样，实时监测液态熔盐的组成和纯度变化，达到对熔盐进行分离纯化的目的，熔盐蒸馏纯化设备还包括一在线取样器309；在线取样器309与熔盐收集设备300的取样口308连接。

本发明还提供一种熔盐蒸馏纯化的方法，应用如前所述的熔盐蒸馏纯化设备，具体包括下述步骤：

s1.调节熔盐储存设备100的内部气压，使熔盐储存设备100内部和熔盐蒸馏设备200内部之间形成气压差，将熔盐储存设备100内部的熔盐输送至蒸发器202；其中，进气流量计和压力测量设备分别用于测量和控制熔盐储存设备100内部的气压；

s2.在熔盐蒸馏设备200中，在真空环境下，加热蒸发器202至熔盐的蒸发温度，产生熔盐蒸汽；熔盐蒸汽在冷凝器205中进行冷凝，形成液态熔盐，使用熔盐收集设备300进行收集。

通过调节熔盐储存设备100的内部气压，使熔盐储存设备100内部和熔盐蒸馏设备200内部之间形成气压差，将熔盐储存设备100内部的熔盐输送至蒸发器202，并通过监控进气流量计和压力测量设备，控制熔盐输送速率，同时控制熔盐蒸馏设备200中真空度和蒸发器202的加热温度，实现熔盐蒸馏的连续处理。

步骤s2的熔盐蒸发速率为一均一的速率。步骤s1中的熔盐输送速率与步骤s2中的熔盐蒸发速率相等。

为了实现在线取样，实时监测液态熔盐的组成和纯度变化，达到对熔盐进行分离纯化的目的，还可在熔盐收集设备300的取样口308设置在线取样器309进行实时监测。

在本实施例中，熔盐储存设备的设备外径达到60cm，设备高度约为180cm；熔盐蒸馏设备的设备外径达到80cm，长度约为230cm，为一个卧式蒸馏装置。表1中列出了使用该设备的操作参数。以该设备进行熔盐纯化处理时，处理量可达8千克/小时，日处理量可达192千克/天。本领域技术人员在阅读本发明技术方案后可知晓，如果增加装置大小，日处理能力也会倍增。

表1实施例1的操作参数

上述优选条件在符合本领域常识的基础上可任意组合，即得本发明的各较佳实施例。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。