一种液相催化交换工艺制备多浓度低氘水的系统及其实现方法与流程

本发明涉及是一种制备工艺系统，具体涉及的是一种液相催化交换工艺制备多浓度低氘水的系统及其实现方法。

背景技术：

氘是氢的稳定同位素，氢和氘不同的原子结构导致了其物理和化学性质存在一定差异。自然界中含有特定浓度的氘，其丰度约150ppm，氘浓度低于该浓度的水被称为低氘水。试验表明，低氘水不仅可以活化人体细胞，明显促进酶反应；而且可以提高nk细胞活性值，增强人体免疫功能；同时，低氘水还可以抑制细胞癌变和癌细胞增殖，从而具有防癌保健功能。

目前，水-氢双温交换法是较大规模生产低氘水的工艺。该方法基于氢氘在反应中非等几率平衡分布的特性，及交换反应分离因子随温度升高而减少的原理，进行氢氘的分离。冷塔内氘从气相向液相富集；热塔内氘由液相向气相的相转变加强，但分离因子减小；最终获得浓缩的氘水和贫氘氢气。但该法存在以下问题：过程包括液相催化交换和相转变过程，涉及高低温塔之间的物料循环，流量、温度等参数的操作控制复杂；工艺包括低温塔和高温塔，设备复杂，投资成本高；由天然丰度水和氢气制备的低氘水浓度范围有限；分离系数低，大规模生产需要多级并联，生产低氘水成本较高。此外，也有采用蒸馏法制备低氘水的方法，但其分离系数较小，需要多级串联处理，设备投入相对大。限于现有技术的不足，低氘水制备成本偏高，难以真正实现大规模、低成本的生产。

因此，有必要对现有的低氘水制备技术进行改进。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种液相催化交换工艺制备多浓度低氘水的系统及其实现方法，本发明能够制备多浓度低氘水，并且操作条件温和，能耗低，设备投资能得到有效控制。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种液相催化交换工艺制备多浓度低氘水的系统，包括催化交换系统、供气系统、原料水供应系统、氢氧复合系统、氘水收集系统、换热系统和监测控制系统；

所述监测控制系统同时与催化交换系统、供气系统、原料水供应系统、氢氧复合系统、氘水收集系统和换热系统连接，用于监测和控制系统的压力、液位、和氘浓度，并在系统使用前对其进行抽真空和充氮预处理

所述催化交换系统包括第一催化交换柱、第二催化交换柱和第三催化交换柱以及分别设置在第一催化交换柱、第二催化交换柱和第三催化交换柱上的加热保温层；

所述供气系统包括氢气储罐和氮气储罐；

所述原料水供应系统包括原料水罐；

所述氢氧复合系统包括第一氢氧复合器、第二氢氧复合器和第三氢氧复合器；

所述氘水收集系统包括富氘水箱、第一低氘水储罐、第二低氘水储罐和第三低氘水储罐；

所述换热系统包括第一冷凝器、第二冷凝器、第三冷凝器、第四冷凝器、第五冷凝器和第六冷凝器；

所述原料水罐与第一催化交换柱通过原料水管路连接、并为第一催化交换柱提供待处理的天然丰度的水，所述第一催化交换柱、第一冷凝器、第二催化交换柱、第三冷凝器、第二氢氧复合器、第四冷凝器通过低氘气相管路依次连接，所述第四冷凝器还通过低氘水管路与第二低氘水储罐连接，所述第一氢氧复合器通过低氘气相管路与第一冷凝器和第二催化交换柱之间的低氘气相管路连接，所述第一氢氧复合器通过低氘气相管路与第二冷凝器连接，所述第二冷凝器通过低氘水管路与第一低氘水储罐连接，所述第二催化交换柱和第三催化交换柱并联、且均通过低氘水管路与第二冷凝器和第一低氘水储罐之间的低氘水管路连接，所述氢气储罐和氮气储罐通过供气管路连接、并用于为第一催化交换柱和第二催化交换柱提供高纯氢气、以及提供为吹扫系统、确保运行安全的惰性氮气，所述第一催化交换柱和第二催化交换柱并联、且均通过供气管路与氢气储罐和氮气储罐之间的供气管路连接，所述第一催化交换柱、第二催化交换柱和第三催化交换柱分别通过富氘水管路与富氘水箱连接，所述第五冷凝器、第三氢氧复合器、第六冷凝器通过低氘气相管路依次连接、且第五冷凝器通过低氘气相管路还与第三催化交换柱连接，所述第六冷凝器通过低氘水管路与第三低氘水储罐连接，所述第一冷凝器通过富氘水管路与第一催化交换柱和富氘水箱之间的富氘水管路连接，所述第三冷凝器通过富氘水管路与第二催化交换柱和富氘水箱之间的富氘水管路连接，所述第五冷凝器通过富氘水管路与第三催化交换柱和富氘水箱之间的富氘水管路连接。

进一步的，所述第一催化交换柱、第二催化交换柱和第三催化交换柱内填充pt基疏水催化剂和亲水填料，分别提供催化交换和相转变的表面，采用混装填料方式，填料比为疏水催化剂：亲水填料＝1:3。

进一步的，所述第一催化交换柱、第二催化交换柱和第三催化交换柱内设置有用于确保上行氢气和下流液体均匀分布以及抑制液泛现象发生的气体和液体分布器。

进一步的，所述加热保温层包括设置在内层并且呈对称半圆环状的第一催化交换柱加热器、第二催化交换柱加热器和第三催化交换柱加热器，设置在外层的硅酸铝纤维棉，以及与第一催化交换柱加热器、第二催化交换柱加热器、第三催化交换柱加热器连接的继电器和pid温控仪。

再进一步的，所述供气系统还包括设置在氢气储罐和氮气储罐之间的供气管路上的第二气相阀门和第四气相阀门，依次设置在连接第一催化交换柱的供气管路上的第一减压阀和第一气体质量流量计，依次设置在连接第三催化交换柱的供气管路上的第二减压阀和第三气体质量流量计，以及设置在第一冷凝器和第二催化交换柱之间的低氘气相管路上、并与第一氢氧复合器并联的第二气体质量流量计。

更进一步的，所述原料水供应系统还包括在原料水罐与第一催化交换柱之间的原料水管路上依次设置的第一液体计量泵和第一加热器，在连接第二催化交换柱的低氘水管路上依次设置的第二液体计量泵和第二加热器，以及在连接第三催化交换柱的低氘水管路上依次设置的第三液体计量泵和第三加热器。

具体的，所述监测控制系统包括与原料水箱连接的第一液位传感器，与富氘水箱连接的第二液位传感器，与第一低氘水储罐连接的第三液位传感器，与第二低氘水储罐连接的第四液位传感器，与第三低氘水储罐连接的第五液位传感器，与氢气储罐连接的第一压力传感器，与氮气储罐连接的第二压力传感器，与原料水箱连接的第一氘浓度监测点，与第一催化交换柱连接的第二氘浓度监测点，与富氘水箱连接的第三氘浓度监测点，与第一低氘水储罐连接的第四氘浓度监测点，与第二催化交换柱连接的第五氘浓度监测点，与第二低氘水储罐连接的第六氘浓度监测点，与第三催化交换柱连接的第七氘浓度监测点，与第三低氘水储罐连接的第八氘浓度监测点，用于系统启动时抽真空及氮气置换的真空泵和真空规。

基于上述系统结构，本发明还提供了该液相催化交换工艺制备多浓度低氘水的系统的实现方法，包括以下步骤：

(1)安装工艺系统，对系统进行保压测试，直至符合氢气操作安全要求；

(2)打开真空泵和真空规及相应管路阀门，对系统进行抽真空处理，至真空度达到10pa以下，关闭真空泵和相应阀门；

(3)体系抽真空后，对体系充氮至常压；

(4)启动控温装置，对催化交换柱进行预热，预热至60℃；同时开启氢氧复合系统进行预热；

(5)预热结束后，启动原料水供应系统和供气系统，高纯氢气和天然丰度去离子水分别从催化交换柱底部和顶部引入交换柱，液相催化交换反应开始；

(6)同时开启氘水收集系统、换热系统和监测控制系统；

(7)监测各氘浓度监测点氘浓度，直至氘浓度达到稳定，系统连续生产低氘水；

(8)关闭系统时，首先关闭原料水供应系统和氢气供应，同时通入氮气；关闭控温装置和冷水机组，直至温度降至常温，关闭系统阀门。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明逻辑严谨、设计完备、布局合理，可以满足液相催化交换技术生产不同浓度低氘水的全部工艺需求。

(2)本发明所述工艺操作便捷，且操作条件温和，能耗低，设备投资得到显著控制。

(3)本发明制备低氘水采用天然丰度的去离子水和高纯氢气，原料易获取且有效控制了原料成本。

(4)本发明设置抽空系统，可以在运行前对系统进行抽真空处理，再进行充氮保护，确保系统安全稳定运行。

(5)本发明的采用氢氧复合器，可以高效地将催化交换柱制备的贫氘氢气转化成低氘水。

(6)本发明提出一类低氘水的低成本制备方法，通过调节操作条件，制备20-140ppm氘浓度范围内的任意指定浓度的低氘水，可以满足不同背景的应用需求，市场适应能力强，经济效益高。

因此，该技术进步明显，具有突出的实质性特点和显著的进步，非常适合在相关领域内进行推广应用。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明制备多浓度低氘水的流程示意图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-第一液相阀门，2-原料水罐，3-第一液位传感器，4-第一氘浓度监测点，5-第二液相阀门，6-第一液体计量泵，7-第一加热器，8-第一催化交换柱，9-第一催化交换柱加热器，10-第二氘浓度监测点，11-第三液相阀门，12-富氘水箱，13-第二液位传感器，14-第三氘浓度监测点，15-第四液相阀门，16-第一气相阀门，17-氢气储罐，18-第一压力传感器，19-第二气相阀门，20-第三气相阀门，21-氮气储罐，22-第二压力传感器，23-第四气相阀门，24-第五气相阀门，25-第六气相阀门，26-真空泵，27-真空规，28-第七气相阀门，29-第一减压阀，30-第一气体质量流量计，31-第八气相阀门，32-第一冷凝器，33-第五液相阀门，34-第九气相阀门，35-第一氢氧复合器，36-第十气相阀门，37-第二冷凝器，38-第六液相阀门，39-第一低氘水储罐，40-第三液位传感器，41-第四氘浓度监测点，42-第七液相阀门，43-第十一气相阀门，44-第二气体质量流量计，45-第二催化交换柱，46-第二催化交换柱加热器，47-第五氘浓度监测点，48-第八液相阀门，49-第九液相阀门，50-第二液体计量泵，51-第二加热器，52-第十二气相阀门，53-第三冷凝器，54-第十液相阀门，55-第十三气相阀门，56-第二氢氧复合器，57-第十四气相阀门，58-第四冷凝器，59-第十一液相阀门，60-第二低氘水储罐，61-第四液位传感器，62-第六氘浓度监测点，63-第十二液相阀门，64-第十三液相阀门，65-第三液体计量泵，66-第三加热器，67-第三催化交换柱，68-第三催化交换柱加热器，69-第七氘浓度监测点，70-第十四液相阀门，71-第二减压阀，72-第三气体质量流量计，73-第十五气相阀门，74-第五冷凝器，75-第十五液相阀门，76-第十六气相阀门，77-第三氢氧复合器，78-第十七气相阀门，79-第六冷凝器，80-第十六液相阀门，81-第三低氘水储罐，82-第五液位传感器，83-第八氘浓度监测点，84-第十七液相阀门。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

一种液相催化交换工艺制备多浓度低氘水的系统，包括催化交换系统、供气系统、原料水供应系统、氢氧复合系统、氘水收集系统、换热系统和监测控制系统；

具体如图1～2所示：催化交换系统包括第一催化交换柱8、第二催化交换柱45和第三催化交换柱67以及分别设置在第一催化交换柱8、第二催化交换柱45和第三催化交换柱67上的加热保温层；

供气系统包括氢气储罐17和氮气储罐21；

原料水供应系统包括原料水罐2；

氢氧复合系统包括第一氢氧复合器35、第二氢氧复合器56和第三氢氧复合器77；

氘水收集系统包括富氘水箱12、第一低氘水储罐39、第二低氘水储罐60和第三低氘水储罐81；

换热系统包括第一冷凝器32、第二冷凝器37、第三冷凝器53、第四冷凝器58、第五冷凝器74和第六冷凝器79；

原料水罐2与第一催化交换柱8通过原料水管路连接、并为第一催化交换柱8提供待处理的天然丰度的水，第一催化交换柱8、第一冷凝器32、第二催化交换柱45、第三冷凝器53、第二氢氧复合器56、第四冷凝器58通过低氘气相管路依次连接，第四冷凝器58还通过低氘水管路与第二低氘水储罐60连接，第一氢氧复合器35通过低氘气相管路与第一冷凝器32和第二催化交换柱45之间的低氘气相管路连接，第一氢氧复合器35通过低氘气相管路与第二冷凝器37连接，第二冷凝器37通过低氘水管路与第一低氘水储罐39连接，第二催化交换柱45和第三催化交换柱67并联、且均通过低氘水管路与第二冷凝器37和第一低氘水储罐39之间的低氘水管路连接，氢气储罐17和氮气储罐21通过供气管路连接、并用于为第一催化交换柱8和第二催化交换柱45提供高纯氢气、以及提供为吹扫系统、确保运行安全的惰性氮气，第一催化交换柱8和第二催化交换柱45并联、且均通过供气管路与氢气储罐17和氮气储罐21之间的供气管路连接，第一催化交换柱8、第二催化交换柱45和第三催化交换柱67分别通过富氘水管路与富氘水箱12连接，第五冷凝器74、第三氢氧复合器77、第六冷凝器79通过低氘气相管路依次连接、且第五冷凝器74通过低氘气相管路还与第三催化交换柱67连接，第六冷凝器79通过低氘水管路与第三低氘水储罐81连接，第一冷凝器32通过富氘水管路与第一催化交换柱8和富氘水箱12之间的富氘水管路连接，第三冷凝器53通过富氘水管路与第二催化交换柱45和富氘水箱12之间的富氘水管路连接，第五冷凝器74通过富氘水管路与第三催化交换柱67和富氘水箱12之间的富氘水管路连接。

供气系统还包括设置在氢气储罐17和氮气储罐21之间的供气管路上的第二气相阀门19和第四气相阀门23，依次设置在连接第一催化交换柱8的供气管路上的第一减压阀29和第一气体质量流量计30，依次设置在连接第三催化交换柱67的供气管路上的第二减压阀71和第三气体质量流量计72，以及设置在第一冷凝器32和第二催化交换柱45之间的低氘气相管路上、并与第一氢氧复合器35并联的第二气体质量流量计44。

原料水供应系统还包括在原料水罐2与第一催化交换柱8之间的原料水管路上依次设置的第一液体计量泵6和第一加热器7，在连接第二催化交换柱45的低氘水管路上依次设置的第二液体计量泵50和第二加热器51，以及在连接第三催化交换柱67的低氘水管路上依次设置的第三液体计量泵65和第三加热器66。

原料水罐2上游还连接有原料水管路，该原料水管路上设置有第一液相阀门1，在原料水罐2与第一液体计量泵6之间原料水管路上设置有第二液相阀门5，第一催化交换柱8和第一冷凝器32之间低氘气管路上设置有31第八气相阀门，第一冷凝器32与第二气体质量流量计44之间低氘气管路上设置有第十一气相阀门43，第一氢氧复合器35前后低氘气管路上设置有第九气相阀门34和第十气相阀门36，第九气相阀门34与第十一气相阀门43并联设置且第十一气相阀门43位于第二气体质量流量计44上游，第十二气相阀门52设置在第二催化交换柱45与第三冷凝器53之间低氘气管路上，第二氢氧复合器56前后低氘气管路上设置有第十三气相阀门55和第十四气相阀门57，第四冷凝器58和第二低氘水储罐60之间低氘水管路设置有第十一液相阀门59，第二低氘水储罐60还设置有低氘水排出管路且该管路上设置有第十二液相阀门63，第二冷凝器37和第一低氘水储罐39之间低氘水管路设置有第六液相阀门38，第二冷凝器37与第二液体计量泵50之间低氘水管路设置有第九液相阀门49，第二冷凝器37与第三液体计量泵65之间低氘水管路设置有第十三液相阀门64，第六液相阀门38、第九液相阀门49、第十三液相阀门64并联设置，第一低氘水储罐39还设置有低氘水排出管路且该管路上设置有第七液相阀门42，第一催化交换柱8和富氘水箱12之间富氘水管路设置有第三液相阀门11，连接第一冷凝器32的富氘水管路上设置有第五液相阀门33，第五液相阀门33与第三液相阀门11并联设置，第二催化交换柱45与富氘水箱12之间富氘水管路设置有第八液相阀门48，连接第三冷凝器53的富氘水管路上设置有第十液相阀门54，第十液相阀门54与第八液相阀门48并联设置，第三催化交换柱67与富氘水箱12之间富氘水管路设置有第十四液相阀门70，连接第五冷凝器74的富氘水管路上设置有第十五液相阀门75，第十五液相阀门75与第十四液相阀门70并联设置，富氘水箱12还设置有富氘水排出管路且该管路上设置有第四液相阀门15，第三催化交换柱67与第五冷凝器74之间的低氘气管路上设置有第十五气相阀门73，第三氢氧复合器77前后的低氘气管路上设置有第十六气相阀门76和第十七气相阀门78，第六冷凝器79与第三低氘水储罐81之间的低氘水管路上设置有第十六液相阀门80，第三低氘水储罐81还设置有低氘水排出管路且该管路上设置有第十七液相阀门84，氢气储罐17和氮气储罐21上设置有外接供气管路且该管路上分别设置有第一气相阀门16和第三气相阀门20。

监测控制系统包括与原料水箱2连接的第一液位传感器3，与富氘水箱12连接的第二液位传感器13，与第一低氘水储罐39连接的第三液位传感器40，与第二低氘水储罐60连接的第四液位传感器61，与第三低氘水储罐81连接的第五液位传感器82，与氢气储罐17连接的第一压力传感器18，与氮气储罐21连接的第二压力传感器22，与原料水箱2连接的第一氘浓度监测点4，设置在第一催化交换柱8与第三液相阀门11之间的富氘水管路上的第二氘浓度监测点10，与富氘水箱12连接的第三氘浓度监测点14，与第一低氘水储罐39连接的第四氘浓度监测点41，设置第二催化交换柱45与第八液相阀门48之间的富氘水管路上的连接的第五氘浓度监测点47，与第二低氘水储罐60连接的第六氘浓度监测点62，设置在第三催化交换柱67与第十四液相阀门70之间富氘水管路上的第七氘浓度监测点69，与第三低氘水储罐81连接的第八氘浓度监测点83，用于系统启动时抽真空及氮气置换的真空泵26和真空规27，真空泵26通过抽真空管路与富氘水箱12连接且该管路上还设置有第七气相阀门28，真空规27通过抽真空管路与第六气相阀门25连接，第六气相阀门25通过抽真空管路与真空泵26和第七气相阀门28之间抽真空管路连接，第五气相阀门24与第二气相阀门19和第四气相阀门23之间供气管路连接且与真空泵26与第七气相阀门28之间抽真空管路连接。

其中，在第一催化交换柱8、第二催化交换柱45和第三催化交换柱67上设置有加热保温层，催化交换柱8，45，67内填充pt基疏水催化剂和亲水填料，分别提供催化交换和相转变的表面，采用混装填料方式，填料比为疏水催化剂：亲水填料＝1:3；催化交换柱8，45，67内还设置有用于确保上行氢气和下流液体均匀分布以及抑制液泛现象发生的气体和液体分布器；加热保温层包括设置在内层并且呈对称半圆环状的第一催化交换柱加热器9、第二催化交换柱加热器46和第三催化交换柱加热器68，设置在外层的硅酸铝纤维棉，以及与交换柱加热器9，46，68连接的继电器和pid温控仪。

本实施例中，以上所述的工艺系统中，气体阀门均为气体隔膜阀，液体阀门均为液体球阀，保证准确控制气体和液体流动的同时，确保系统运行的稳定性。

基于上述系统结构，本发明的实现方法，包括以下步骤：

(1)安装工艺系统，对系统进行保压测试，直至符合氢气操作安全要求；

(2)打开真空泵26和真空规27及相应管路阀门，对系统进行抽真空处理，至真空度达到10pa以下，关闭真空泵26和相应阀门；

(3)体系抽真空后，对体系充氮至常压；

(4)启动控温装置，对催化交换柱8，45，67进行预热，预热至60℃；同时开启氢氧复合系统进行预热；

(5)预热结束后，启动原料水供应系统和供气系统，高纯氢气和天然丰度去离子水分别从催化交换柱8，45，67底部和顶部引入交换柱，液相催化交换反应开始；

(6)同时开启氘水收集系统、换热系统和监测控制系统；

(7)监测各氘浓度监测点氘浓度，直至氘浓度达到稳定，系统连续生产低氘水；

(8)关闭系统时，首先关闭原料水供应系统和氢气供应，同时通入氮气；关闭控温装置和冷水机组，直至温度降至常温，关闭系统阀门。

本发明通过合理的结构及操作流程设计，使得操作条件温和，降低了能耗，有效控制了设备投资和原料成本，通过调节操作条件，可以制备20-140ppm氘浓度范围内的任意指定浓度的低氘水，可以满足不同背景的应用需求，市场适应能力强，经济效益高。因此，本发明技术进步十分明显，将制备多浓度低氘水系统及工艺的设计提升到了一个新的高度。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。