本实用新型涉及氢同位素分离技术领域，具体涉及一种氢同位素低温精馏分离装置。
背景技术：
精馏是利用混合物中各组分挥发度不同而将各组分加以分离的一种分离过程，自然界中的氢以氕(1h)、氘(2h)、氚(3h)三种同位素的形式存在。低温精馏工艺具有处理量大、分离因子高、连续操作的独特优势。
氢及其同位素的沸点处于20.38k至23.36k之间，分离温度极低(约20k)且沸点相差太小(不到3k)，根据氢同位素沸点存在微小差异的特性，低温精馏是分离氢同位素的一种有效方法，如公告号为cn201476466u的专利公开一种全精馏制备纯氪和纯氙的装置，包括液体泵、第一级精馏塔、第二级精馏塔、第三级精馏塔、第四级精馏塔和第五级精馏塔，所述的液体泵连接第一级精馏塔，第一级精馏塔塔釜连接第二级精馏塔，第二级精馏塔塔釜连接第三级精馏塔，第三级精馏塔塔顶连接纯氪产品收集器、塔釜连接第四级精馏塔，第四级精馏塔塔顶连接第五级精馏塔，第五级精馏塔塔釜连接纯氙产品收集器。但是现有技术中的低温精馏装置中常温环境易对精馏塔造成辐射热负荷，影响氢同位素低温精馏效率。
技术实现要素：
本实用新型所要解决的技术问题在于现有的技术中的低温精馏装置中常温环境易对精馏塔造成辐射热负荷，影响氢同位素低温精馏效率，提供一种氢同位素低温精馏分离装置。
本实用新型通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
本实用新型提供一种氢同位素低温精馏分离装置，包括真空冷箱、液氮冷屏、制冷机、冷头换热器、柱顶冷凝器、精馏塔和柱底再沸器，所述液氮冷屏位于真空冷箱内，所述制冷机上设有冷头，所述冷头、冷头换热器、柱顶冷凝器、精馏塔和柱底再沸器均位于液氮冷屏内；
所述制冷机位于真空冷箱上，所述冷头与冷头换热器连接，所述冷头换热器与柱顶冷凝器的一端连接，所述柱顶冷凝器的另一端与精馏塔的一端连接，所述精馏塔的另一端与柱底再沸器连接；
所述冷头换热器上设有第一进料口和第一出料口，所述精馏塔上设有第二进料口，所述柱底再沸器上设有第二出料口，所述柱顶冷凝器上设有第三出料口，所述第一出料口通过第一管道与第二进料口连接。
工作原理：原料气从第一进料口进入冷头换热器内，制冷机为冷源，原料气在冷头换热器内经过换热降温后，通过第一管道通入第二进料口内，降温后原料气在精馏塔内不断上升，进入柱顶冷凝器内，原料气在柱顶冷凝器内被冷凝成液体，液体在精馏塔内不断往下流动，与不断上升的原料气在精馏塔内的精馏填料表面进行传质传热，从而使低沸点的氢同位素吸热成为气体不断上升，富集在柱顶冷凝器顶部，从第三出料口流出，高沸点的氢同位素冷凝成液体，在柱底再沸器内富集，从第二出料口流出。通过合理的控制柱顶柱顶冷凝器及柱底柱底再沸器的温度，可以实现精馏过程的连续，从而达到低温精馏分离氢同位素的作用。
有益效果：本实用新型装置结构合理紧凑，使用制冷机为整个系统提供冷量，保证精馏过程冷量充足、可靠、稳定和高效，采用低温精馏方法对氢及其同位素进行分离，制冷机冷头处于真空环境中，通过真空冷箱加上液氮冷屏多层绝热结构，减少常温环境对精馏塔的辐射热负荷，降低低温精馏过程中的冷量损伤，使制冷机的冷量能够高效的应用于双组份氢同位素的精馏分离，实现对氕氘组分或氘氚组分的分离。
优选地，所述真空冷箱包括冷箱筒体和冷箱法兰，所述冷箱筒体顶端开口，所述冷箱法兰位于冷箱筒体顶端。
优选地，所述液氮冷屏的顶端与冷箱法兰的底端可拆卸连接。
优选地，所述冷箱筒体包括第一冷箱筒体和第二冷箱筒体，所述第一冷箱筒体和第二冷箱筒体连通，所述第二冷箱筒体的顶端与第一冷箱筒体的底端可拆卸连接。
优选地，所述液氮冷屏的顶端设有第一连接杆，所述冷箱法兰的底端设有第二连接杆，所述第一连接杆的截面和第二连接杆的截面均呈l形；所述第一连接杆和第二连接杆之间设有吊杆，所述吊杆的一端与第一连接杆的一端连接，所述吊杆的另一端与第二连接杆的一端连接。
优选地，所述第二进料口位于精馏塔侧壁底端。
优选地，所述第三出料口位于柱顶冷凝器侧壁，所述第三出料口上设有第三管道，所述第三管道的一端与第三出料口连接，所述第三管道的另一端依次贯穿液氮冷屏顶端和冷箱法兰。
优选地，所述第一进料口上设有第四管道，所述第四管道的一端与第一进料口连接，所述第四管道的另一端依次贯穿液氮冷屏底端和冷箱法兰。
优选地，所述第二出料口位于柱底再沸器底端，所述第二出料口上设有第五管道，所述第五管道的一端与第一出料口连接，所述第五管道的另一端依次贯穿液氮冷屏底端和冷箱法兰。
优选地，所述精馏塔底端设有网兜。
防止精馏填料从精馏塔底端掉入柱底再沸器内。
优选地，所述冷头换热器与柱顶冷凝器可拆卸连接。
本实用新型的工作原理：原料气从第一进料口进入冷头换热器内，制冷机为冷源，原料气在冷头换热器内经过换热降温后，通过第一管道通入第二进料口内，降温后原料气在精馏塔内不断上升，进入柱顶冷凝器内，原料气在柱顶冷凝器内被冷凝成液体，液体在精馏塔内不断往下流动，与不断上升的原料气在精馏塔内的精馏填料表面进行传质传热，从而使低沸点的氢同位素吸热成为气体不断上升，富集在柱顶冷凝器顶部，从第三出料口流出，高沸点的氢同位素冷凝成液体，在柱底再沸器内富集，从第二出料口流出。通过合理的控制柱顶柱顶冷凝器及柱底柱底再沸器的温度，可以实现精馏过程的连续，从而达到低温精馏分离氢同位素的作用。
本实用新型的优点在于：本实用新型采用低温精馏方法对氢及其同位素进行分离，制冷机冷头处于真空环境中，通过真空冷箱加上液氮冷屏多层绝热结构，减少常温环境对精馏塔的辐射热负荷，使制冷机的冷量能够高效的应用于氢同位素的精馏分离。
本实用新型装置结构合理紧凑、冷量利用率高，液氮冷屏通过吊杆可拆卸安装在冷箱法兰上，冷头换热器与柱顶冷凝器可拆卸连接，便于安装及拆卸。
附图说明
图1为本实用新型氢同位素低温精馏分离装置的截面结构示意图；
图2为图1中a处的放大结构示意图；
图3为图1中b处的放大结构示意图；
图4为本实用新型氢同位素低温精馏分离装置去除真空冷箱和液氮冷屏的截面结构示意图；
图5为本实用新型氢同位素低温精馏分离装置的侧视图；
图6为本实用新型氢同位素低温精馏分离装置中吊杆的结构示意图；
图中：真空冷箱1；冷箱筒体11；第一冷箱筒体111；第二冷箱筒体112；冷箱法兰12；液氮冷屏2；制冷机3；冷头31；冷头换热器4；柱顶冷凝器5；精馏塔6；网兜61；柱底再沸器7；第一连接杆81；第二连接杆82；吊杆83；第三管道84；第五管道85。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
需要说明的是，在本文中，如若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
一种氢同位素低温精馏分离装置，如图1-图6所示，包括真空冷箱1、液氮冷屏2、制冷机3、冷头换热器4、柱顶冷凝器5、精馏塔6和柱底再沸器7，液氮冷屏2位于真空冷箱1内，冷头31、冷头换热器4、柱顶冷凝器5、精馏塔6和柱底再沸器7均位于液氮冷屏2内。
如图1所示，真空冷箱1包括冷箱筒体11和冷箱法兰12，冷箱筒体11顶端开口，冷箱法兰12安装在冷箱筒体11的顶端；本实施例中冷箱筒体11包括第一冷箱筒体111和第二冷箱筒体112，第一冷箱筒体111和第二冷箱筒体112连通，第一冷箱筒体111和第二冷箱筒体112均为圆柱状，第二冷箱筒体112的顶端与第一冷箱筒体111的底端可拆卸连接，其可拆卸连接方式为现有技术，如采用法兰连接，真空冷箱1内的真空环境可以通过真空泵或其他现有技术实现。
本实施例中液氮冷屏2呈圆柱状，液氮冷屏2的侧壁设置夹层(图未标示)，夹层内注入液氮，整个液氮冷屏2维持77k低温环境，用以减少常温环境对精馏塔6的辐射热负荷。
如图1、图2和图6所示，液氮冷屏2安装在真空冷箱1内，液氮冷屏2的顶端与冷箱法兰12的底端可拆卸连接，液氮冷屏2的顶端固定安装第一连接杆81，冷箱法兰12的底端固定安装第二连接杆82，第一连接杆81的截面和第二连接杆82的截面均呈l形，第一连接杆81的端部侧壁与液氮冷屏2的顶端固定连接，第二连接杆82的端部侧壁与冷箱法兰12的底端固定连接，第一连接杆81和第二连接杆82之间设有吊杆83，吊杆83的一端与第一连接杆81的端部通过螺栓和螺母可拆卸连接，吊杆83的另一端与第二连接杆82的端部通过螺栓和螺母可拆卸连接，本实施例中的吊杆83为绝热吊杆83，第一连接杆81、第二连接杆82和吊杆83的个数根据实际需要设置。
制冷机3安装在冷箱法兰12上，冷箱法兰12上设有通孔，冷头31穿过通孔位于第一冷箱筒体111内，冷头31底端与冷头换热器4之间通过法兰连接，其中冷头换热器4、制冷机3均为现有技术。
如图1和图4所示，冷头换热器4上开设第一进料口和第一出料口，冷头换热器4的底端通过法兰与柱顶冷凝器5的顶端可拆卸连接，本实施例中柱顶冷凝器5为翅片式冷凝器，柱顶冷凝器5的侧壁开设第三出料口，第三出料口上安装第三管道84，为方便收集，第三管道84的一端与第三出料口固定连接，第三管道84的另一端依次贯穿液氮冷屏2顶端和冷箱法兰12，第三管道84的另一端位于冷箱法兰12上方，第一进料口上安装第四管道(图未示)，第四管道的一端与第一进料口固定连接，第四管道的另一端依次贯穿液氮冷屏2底端和冷箱法兰12，第四管道位于冷箱法兰12上方。
柱顶冷凝器5的出口端与精馏塔6的进口端固定连接，其固定连接方式采用焊接但不仅限于焊接，精馏塔6的侧壁底端开设第二进料口，第二进料口上安装第一管道(图未示)，为方便收集，第一管道的一端与第二进料口固定连接，第一管道的另一端与第一出料口固定连接，本实施例中精馏塔6竖直放置，精馏塔6内填充颗粒状精馏填料，本实施例中精馏塔、精馏填料均为现有技术，柱顶冷凝器5底端与精馏塔6的顶端连通。
如图1所示，柱底再沸器7固定安装在精馏塔6的底端，柱底再沸器7的顶端与精馏塔6的底端连通，柱底再沸器7的固定安装方式为焊接但不仅限于焊接，为减小氢同位素低温精馏分离装置的体积，本实施例中柱底再沸器7位于第二冷箱筒体112内，第二冷箱筒体112截面的直径小于第一冷箱筒体111截面的直径。如图3所示，为防止精馏填料从精馏塔6底端掉入柱底再沸器7内，精馏塔6的底端固定安装网兜61，网兜61的材质为不锈钢，网兜61的安装方式为现有技术，本实施例中柱底再沸器7为现有技术。
如图4所示，柱底再沸器7的底壁开设第二出料口，第二出料口上安装第五管道85。为方便收集，第五管道85的一端与第二出料口固定连接，第五管道85的另一端依次贯穿液氮冷屏2底端和冷箱法兰12，第五管道85的另一端位于冷箱法兰12上方。
本实施例的工作原理：从第四管道通入原料气，原料气从第一进料口进入冷头换热器4内，制冷机3为冷源，原料气在冷头换热器4内经过换热降温后，通过第一管道从第二进料口进入精馏塔6内，降温后原料气在精馏塔6内不断上升，进入柱顶冷凝器5内，原料气在柱顶冷凝器5内被冷凝成液体，液体在精馏塔6内不断往下流动，与不断上升的原料气在精馏塔6内的精馏填料表面进行传质传热，从而使低沸点的氢同位素吸热成为气体不断上升，富集在柱顶冷凝器5顶部，经第三出料口从第三管道84流出，高沸点的氢同位素冷凝成液体，在柱底再沸器7内富集，经第二出料口从第五管道85流出。
本实施例的有益效果：本实用新型采用低温精馏方法对氢及其同位素进行分离，制冷机3冷头处于真空环境中，通过真空冷箱1加上液氮冷屏2多层绝热结构，减少常温环境对精馏塔6的辐射热负荷，使制冷机3的冷量能够高效的应用于双组份氢同位素的精馏分离，可以分离氕氘组分或氘氚组分。
本实用新型装置结构合理紧凑、冷量利用率高，液氮冷屏2通过吊杆83可拆卸安装在冷箱法兰12上，冷头换热器4与柱顶冷凝器5可拆卸连接，便于安装及拆卸。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
1.一种氢同位素低温精馏分离装置，其特征在于：包括真空冷箱、液氮冷屏、制冷机、冷头换热器、柱顶冷凝器、精馏塔和柱底再沸器，所述液氮冷屏位于真空冷箱内，所述制冷机上设有冷头，所述冷头、冷头换热器、柱顶冷凝器、精馏塔和柱底再沸器均位于液氮冷屏内；
所述制冷机位于真空冷箱上，所述冷头与冷头换热器连接，所述冷头换热器与柱顶冷凝器的一端连接，所述柱顶冷凝器的另一端与精馏塔的一端连接，所述精馏塔的另一端与柱底再沸器连接；
所述冷头换热器上设有第一进料口和第一出料口，所述精馏塔上设有第二进料口，所述柱底再沸器上设有第二出料口，所述柱顶冷凝器上设有第三出料口，所述第一出料口通过第一管道与第二进料口连接。
2.根据权利要求1所述的氢同位素低温精馏分离装置，其特征在于：所述真空冷箱包括冷箱筒体和冷箱法兰，所述冷箱筒体顶端开口，所述冷箱法兰位于冷箱筒体顶端。
3.根据权利要求2所述的氢同位素低温精馏分离装置，其特征在于：所述液氮冷屏的顶端与冷箱法兰的底端可拆卸连接。
4.根据权利要求3所述的氢同位素低温精馏分离装置，其特征在于：所述液氮冷屏的顶端设有第一连接杆，所述冷箱法兰的底端设有第二连接杆，所述第一连接杆的截面和第二连接杆的截面均呈l形；所述第一连接杆和第二连接杆之间设有吊杆，所述吊杆的一端与第一连接杆的一端连接，所述吊杆的另一端与第二连接杆的一端连接。
5.根据权利要求2所述的氢同位素低温精馏分离装置，其特征在于：所述冷箱筒体包括第一冷箱筒体和第二冷箱筒体，所述第一冷箱筒体和第二冷箱筒体连通，所述第二冷箱筒体的顶端与第一冷箱筒体的底端可拆卸连接。
6.根据权利要求2所述的氢同位素低温精馏分离装置，其特征在于：所述第三出料口位于柱顶冷凝器侧壁，所述第三出料口上设有第三管道，所述第三管道的一端与第三出料口连接，所述第三管道的另一端依次贯穿液氮冷屏顶端和冷箱法兰。
7.根据权利要求2所述的氢同位素低温精馏分离装置，其特征在于：所述第二出料口位于柱底再沸器底端，所述第二出料口上设有第五管道，所述第五管道的一端与第一出料口连接，所述第五管道的另一端依次贯穿液氮冷屏底端和冷箱法兰。
8.根据权利要求2所述的氢同位素低温精馏分离装置，其特征在于：所述第二出料口位于柱底再沸器底端，所述第二出料口上设有第五管道，所述第五管道的一端与第一出料口连接，所述第五管道的另一端依次贯穿液氮冷屏底端和冷箱法兰。
9.根据权利要求2所述的氢同位素低温精馏分离装置，其特征在于：所述第一进料口上设有第四管道，所述第四管道的一端与第一进料口连接，所述第四管道的另一端依次贯穿液氮冷屏底端和冷箱法兰。
10.根据权利要求1所述的氢同位素低温精馏分离装置，其特征在于：所述第二进料口位于精馏塔侧壁底端。
技术总结