专利摘要
专利摘要
本发明提出一种利用水合物法分离氙气氪气混合气的方法及系统，属于水合物技术应用领域。本发明主要由气体水合物生成单元，换热单元，气水分离单元三部分构成：预冷的氙气氪气混合气从反应塔底部注入，混合气中氙气与附着在多孔塔板内的水生成氙气水合物；水由塔顶注入，润湿多孔塔板，同时将生成的水合物颗粒冲刷、汇集至塔底，形成水合物浆液，经换热单元后，浆液中的氙气水合物分解，形成气水两相流后进入气水分离单元，在重力作用下氙气与分解水分离，实现氙气的提纯。本发明能耗低，氙气分离条件温和，分离选择性高，且流程简单，易于实现工业化生产，为氙气氪气混合气分离提供了新的技术工艺选择。
权利要求
1.一种利用水合物法分离氙气氪气混合气的系统，其特征在于，包括气体水合物生成单元，换热单元，气水分离单元；
气体水合物生成单元的主要设备为反应塔(1)，预冷的氙气氪气混合气从反应塔底部经闸阀A(10-1)以及流量调节阀A(5-1)注入塔内，在混合气最先接触的多孔塔板(3)底部，放置气液分离膜(2)，气液分离膜界面面积大于反应塔横截面面积，并以倾斜形式搭建在多孔塔板和塔底之间，用于防止水合物浆液堵塞塔底进气口，同时引导水合物浆液的汇集；
混合气体在反应塔内上行过程中，氙气与附着在多孔塔板(3)上的水接触生成氙气水合物颗粒，残余气从反应塔顶排出，反应塔顶出口处安装背压控制阀(5-2)，用于稳定反应塔内气压，保证氙气水合物在塔内的持续生成；预冷水从塔顶经闸阀B(10-2)以及流量调节阀F(5-7)注入，一方面用于生成水合物，另一方面将多孔塔板上的水合物颗粒冲刷至气液分离膜与塔壁围成的空间中，汇聚成水合物浆液，经流量调节阀B(5-3)进入换热单元；
所述多孔塔板(3)为采用粉末冶金法或者电镀法获得孔隙度在40％～50％的板状泡沫铜；
所述换热单元的主要设备为换热器A(7-1)和换热器B(7-2)，水合物浆液经流体分流装置(4)后，分为两路进入换热单元；其中一路水合物浆液作为冷流体经流量调节阀C(5-4)以及输送泵B(6-2)加压后进入换热器B(7-2)，换热器B的热流体为来自气水分离单元的分解水，通过冷热流体之间的热交换，浆液中的水合物颗粒吸收分解水携带的热量而分解，水合物浆液转化为气水两相流，经输送泵E(6-5)进入气水分离单元，冷却的分解水经输送泵G(6-7)及流量调节阀F(5-7)注入反应塔(1)；另一路水合物浆液经流量调节阀D(5-5)及输送泵A(6-1)作为冷流体进入换热器A(7-1)，换热器A的热流体为经过输送泵D(6-4)加压后的常温氙气氪气混合气，通过冷热流体之间的热交换，浆液中的水合物颗粒吸收常温混合气携带的热量而分解，水合物浆液转化为气水两相流，经输送泵E(6-5)进入气水分离单元，冷却的混合气经输送泵C(6-3)及流量调节阀A(5-1)由塔底进入反应塔(1)；
所述气水分离单元的主要设备为气水分离塔(8)，含氙气的气水两相流经输送泵E(6-5)加压后由气水分离塔的中部位置注入，在重力作用下，氙气与分解水分离，其中氙气上升至塔顶处，经过干燥床(9)脱湿处理后由流量调节阀E(5-6)产出；分解水下沉至塔底，经过输送泵F(6-6)加压后由进入换热器B(7-2)参与热交换。
2.根据权利要求1所述利用水合物法分离氙气氪气混合气的系统，其特征在于，在较大混合气处理量的工况下，还包括制冷器A(11-1)、制冷器B(11-2)，分别用于对来自换热器A(7-1)的氙气氪气混合气、换热器B(7-2)的分解水进行辅助冷却，确保混合气、分解水的预冷温度达到工况设定温度；电加热设备(12)对来自换热器A(7-1)、换热器B(7-2)的气水两相流进行辅助加热，确保流体中的水合物颗粒完全分解。
3.根据权利要求1所述利用水合物法分离含氙气氪气混合气的系统，其特征在于，采用干腐蚀法对泡沫铜进行表面处理，增加金属表面粗糙度，为水合物成核提供更多位点。
4.权利要求1-3任一所述利用水合物法分离氙气氪气混合气的系统的操作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，常温水从反应塔(1)顶侧面注入，自上而下流经所有多孔塔板(3)后，汇聚在气液分离膜(2)与塔壁围成的空间中，经流体分流装置(4)、换热器A(7-1)和换热器B(7-2)后进入并储存在气水分离塔(8)，作为系统启动时换热器的热流体；
步骤2，调节反应塔顶处背压控制阀(5-2)至预设工况压力；预冷水从反应塔侧面注入，润湿多孔塔板后，预冷氙气氪气混合气从塔底注入，与水在多孔塔板上生成氙气水合物，通过流量调节阀F(5-7)增加进水流量，使水将塔板上的水合物颗粒冲刷至气液分离膜与塔壁围成的空间中，汇聚成水合物浆液进入换热单元；残余气从塔顶排出；
步骤3，启动流体分流装置，将水合物浆液分成两路；其中一路作为冷流体进入换热器B(7-2)，启动气水分离塔底处的输送泵F(6-6)，预存的常温水作为热流体进入换热器B，经热交换，冷流体中的水合物颗粒分解，转化为气水两相流进入气水分离单元，冷却的水经输送泵注入反应塔，整个系统运行后，来自气水分离单元的分解水替代常温水，作为热流体进入换热器B进行换热；另一路水合物浆液作为冷流体进入换热器A(7-1)，启动输送泵D(6-4)，将待分离的混合气作为热流体注入换热器A，经热交换，冷流体中的水合物颗粒分解，转化为气水两相流进入气水分离单元，冷却的混合气经输送泵C(6-3)注入反应塔；
步骤4，启动输送泵E(6-5)，使气水两相流从气水分离塔的中部位置注入，氙气与分解水在重力作用下分离，氙气上行至干燥床，经脱湿处理后产出；分解水在塔底汇聚，通过输送泵F(6-6)作为热流体进入换热器B。
说明书
技术领域
本发明属于水合物技术应用领域，涉及一种利用水合物法分离氙气氪气混合气的系统及方法。
背景技术
核能具有无排放、高能量密度等特点，成为潜在的取代化石燃料的新能源。然而，在核能利用过程中产生的高放射性废气必须从核废料中回收并封存到压力容器内，直至这些气体不再具有放射性。在这些放射性废气中，氙气(Xe)与氪气(Kr)的体积比为91:9，放射性元素
目前，氙气氪气的分离方法主要包括：低温蒸馏和固体吸附分离。低温蒸馏的原理是利用氙气氪气沸点不同(氙气：-108.12℃，氪气：-153.22℃)，通过多次的部分冷凝和部分蒸发的过程，在精馏塔内使组分分离。此方法技术难度大，生产操作程序要求极为严格。设备需要经受高压、低温考验，而且能耗巨大。固体吸附分离方法是利用吸附剂的选择性吸附属性，实现对气体组分的分离或提纯。该方法生成能耗低、分离效率高，但是制备成本昂贵，不适于大规模的商业化生产。
水合物法是一种新型气体分离技术。其原理是利用不同气体形成水合物的相平衡条件及难易程度不同，将混合气中易生成水合物的组分优先与水结合生成水合物，气体分子包裹在水分子形成的笼型结构中，从而实现混合气的有效分离。在2℃的温度条件下，氙气水合物、氪气水合物对应相平衡压力分别为0.17、1.82 MPa，巨大的相平衡差别为水合物法分离氙气氪气提供了理论依据。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种利用水合物法分离氙气氪气混合气的方法及系统
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种利用水合物法分离氙气氪气混合气的系统，包括气体水合物生成单元，换热单元，气水分离单元；
气体水合物生成单元的主要设备为反应塔，预冷的氙气氪气混合气从反应塔底部经闸阀A以及流量调节阀A注入塔内，在混合气最先接触的多孔塔板底部，放置气液分离膜，气液分离膜界面面积大于反应塔横截面面积，并以倾斜形式搭建在多孔塔板和塔底之间，用于防止水合物浆液堵塞塔底进气口，同时引导水合物浆液的汇集；
混合气体在反应塔内上行过程中，氙气与附着在多孔塔板上的水接触生成氙气水合物颗粒，残余气从反应塔顶排出，反应塔顶出口处安装背压控制阀，用于稳定反应塔内气压，保证氙气水合物在塔内的持续生成；预冷水从塔顶经闸阀B 以及流量调节阀F注入，一方面用于生成水合物，另一方面将多孔塔板上的水合物颗粒冲刷至气液分离膜与塔壁围成的空间中，汇聚成水合物浆液，经流量调节阀B进入换热单元。
所述换热单元的主要设备为换热器A和换热器B，水合物浆液经流体分流装置后，分为两路进入换热单元；其中一路水合物浆液作为冷流体经流量调节阀 C以及输送泵B加压后进入换热器B，换热器B的热流体为来自气水分离单元的分解水，通过冷热流体之间的热交换，浆液中的水合物颗粒吸收分解水携带的热量而分解，水合物浆液转化为气水两相流，经输送泵E进入气水分离单元，冷却的分解水经输送泵G及流量调节阀F注入反应塔；另一路水合物浆液经流量调节阀D及输送泵A作为冷流体进入换热器A，换热器A的热流体为经过输送泵D 加压后的常温氙气氪气混合气，通过冷热流体之间的热交换，浆液中的水合物颗粒吸收常温混合气携带的热量而分解，水合物浆液转化为气水两相流，经输送泵 E进入气水分离单元，冷却的混合气经输送泵C及流量调节阀A由塔底进入反应塔。所述换热单元充分利用原料(常温氙气氪气混合气、分解水)携带的热量，以较低的能耗代价实现水合物分解和原料预冷。
所述气水分离单元的主要设备为气水分离塔，含氙气的气水两相流经输送泵 E加压后由气水分离塔的中部位置注入，在重力作用下，氙气与分解水分离，其中氙气上升至塔顶处，经过干燥床脱湿处理后由流量调节阀E产出；分解水下沉至塔底，经过输送泵F加压后由进入换热器B参与热交换。水合物分解水含有大量的氙气微纳米气泡，将分解水返注反应塔参与水合物生成，可以极大提高氙气水合物生成速率。
进一步地，上述装置还包括在较大混合气处理量的工况下，还包括制冷器A、 B，分别用于对来自换热器A的氙气氪气混合气、换热器B的分解水进行辅助冷却，确保混合气、分解水的预冷温度达到工况设定温度；电加热设备对来自换热器A、换热器B的气水两相流进行辅助加热，确保流体中的水合物颗粒完全分解。
进一步地，上述多孔塔板特指采用粉末冶金法或者电镀法获得孔隙度在 40％～50％的板状泡沫铜；采用干腐蚀法对泡沫铜进行表面处理，增加金属表面粗糙度，为水合物成核提供更多位点。
本发明还提供一种利用水合物法分离氙气氪气混合气的方法，利用上述装置，包括如下步骤：
步骤1，常温水从反应塔顶侧面注入，自上而下流经所有多孔塔板后，汇聚在气液分离膜与塔壁围成的空间中，经流体分流装置、换热器A和换热器B后进入并储存在气水分离塔，作为系统启动时换热器的热流体。
步骤2，调节反应塔顶处背压控制阀至预设工况压力；预冷水从反应塔侧面注入，润湿多孔塔板后，预冷氙气氪气混合气从塔底注入，与水在多孔塔板上生成氙气水合物，通过流量调节阀F增加进水流量，使水将塔板上的水合物颗粒冲刷至气液分离膜与塔壁围成的空间中，汇聚成水合物浆液进入换热单元；残余气从塔顶排出；
步骤3，启动流体分流装置，将水合物浆液分成两路；其中一路作为冷流体进入换热器B，启动气水分离塔底处的流量调节阀F，预存的常温水作为热流体进入换热器B，经热交换，冷流体中的水合物颗粒分解，转化为气水两相流进入气水分离单元，冷却的水经输送泵注入反应塔，整个系统运行后，来自气水分离单元的分解水替代常温水，作为热流体进入换热器B进行换热；另一路水合物浆液作为冷流体进入换热器A，启动输送泵D，将待分离的混合气作为热流体注入换热器A，经热交换，冷流体中的水合物颗粒分解，转化为气水两相流进入气水分离单元，冷却的混合气经输送泵C注入反应塔；
步骤4，启动输送泵E，使气水两相流从气水分离塔的中部位置注入，氙气与分解水在重力作用下分离，氙气上行至干燥床，经脱湿处理后产出；分解水在塔底汇聚，通过输送泵F作为热流体进入换热器B。
本发明的有益效果是：实现氙气氪气在0℃、较低压力(0.5-2MPa)下的连续分离，以泡沫铜板作为多孔塔板，并对其进行表面处理，既能增加氙气水合物生成位点，加快水合物生成速率，又能使水合物颗粒流态化，实现氙气氪气连续分离；利用混合气气源以及分解水携带的热量分解氙气水合物，避免了常规水合物热分解所造成的能源消耗；同时，制冷器以及电加热设备作为辅助热交换设备，可以使分离系统满足大处理量下的氙气氪气分离需求；该系统对装备的耐压、保温要求较低，又能实现低能耗下的氙气氪气连续分离，具有极大的现实应用价值。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图；
图2是本发明应对较大气体处理量时设计的系统结构示意图；
图中：1反应塔；2气液分离膜；3多孔塔板；4流体分流装置；5-1流量调节阀A；5-2背压控制阀；5-3流量调节阀B；5-4流量调节阀C；5-5流量调节阀 D；5-6流量调节阀E；5-7流量调节阀F；6-1输送泵A；6-2输送泵B；6-3输送泵C；6-4输送泵D；6-5输送泵E；6-6输送泵F；6-7输送泵G；7-1换热器A； 7-2换热器B；8气水分离塔；9干燥床；10-1闸阀A；10-2闸阀B；11-1制冷器A；11-2制冷器B；12电加热设备。
具体实施方式
以下结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明：
实施例1
本实施例分离氙气氪气混合气组分比例(v/v)为Xe：20％、Kr：80％，即从空气捕集氙气过程中，得到的中间产品；由于氙气比例较低，需要将混合气注入流量控制在较低范围内，保证氙气在塔内停留足够时间与水生成水合物，故选择附图1所示系统结构图
具体步骤如下：常温水(20℃)从反应塔1顶侧面注入，自上而下流经所有多孔塔板3后，汇聚在气液分离膜2与塔壁围成的空间中，经流体分流装置、换热器A和B后进入并储存在气水分离塔，作为系统启动时换热器的热流体。调节反应塔顶处背压控制阀5-2至预设工况压力(1.5MPa)；预冷水(0℃)从反应塔侧面注入，润湿多孔塔板后，预冷氙气氪气混合气(0℃)从塔底注入，与水在多孔塔板上生成氙气水合物，调节流量调节阀A5-1将注气流量控制在较低范围，通过流量调节阀F5-7增加进水流量，使水将塔板上的水合物颗粒冲刷至气液分离膜与塔壁围成的空间中，汇聚成水合物浆液进入换热单元；残余气从塔顶排出；启动流体分流装置，将水合物浆液分成两路；其中一路作为冷流体进入换热器B7-2，启动气水分离塔底处的输送泵F6-6，预存的常温水(20℃)作为热流体进入换热器B7-2，经热交换，冷流体中的水合物颗粒分解，转化为气水两相流进入气水分离单元，冷却的水(0℃)经输送泵注入反应塔，整个系统运行后，来自气水分离单元的分解水替代常温水，作为热流体进入换热器B进行换热；另一路水合物浆液作为冷流体进入换热器A7-1，同时待分离的混合气(20℃)作为热流体进入换热器A7-1，经热交换，冷流体中的水合物颗粒分解，转化为气水两相流进入气水分离单元，冷却的混合气(0℃)经输送泵注入反应塔；启动输送泵，使气水两相流从气水分离塔的中部位置注入，氙气与分解水在重力作用下分离，氙气上行至干燥床，经脱湿处理后产出；分解水在塔底汇聚，通过输送泵作为热流体进入换热器B7-2。通过控制反应塔内压力以及混合气注入流量，确保含量仅为20％的Xe能够从混合气中以水合物形式有效分离出来。
实施例2
本实施例分离氙气氪气混合气组分比例(v/v)为Xe：91％、Kr：9％，即从核工业排放的废气中氙气与氪气比例；由于氙气比例较高，可以增加注气流量，以此提高系统气体处理量，考虑产自反应塔的水合物浆液中氙气水合物颗粒较多，只依靠换热器换热后产出的流体温度无法满足工况要求，因此采用图二所示系统结构图。
具体步骤如下：常温水(20℃)从反应塔1顶侧面注入，自上而下流经所有多孔塔板3后，汇聚在气液分离膜2与塔壁围成的空间中，经流体分流装置、换热器A和换热器B后进入并储存在气水分离塔，作为系统启动时换热器的热流体。调节反应塔顶处背压控制阀至预设工况压力(0.5MPa)；预冷水(0℃)从反应塔侧面注入，润湿多孔塔板后，预冷氙气氪气混合气(0℃)从塔底注入，与水在多孔塔板上生成氙气水合物，通过流量调节阀F5-7增加进水流量，使水将塔板上的水合物颗粒冲刷至气液分离膜与塔壁围成的空间中，汇聚成水合物浆液进入换热单元；残余气从塔顶排出；启动流体分流装置，将水合物浆液分成两路；其中一路作为冷流体进入换热器B，启动气水分离塔底处的输送泵F6-6，预存的常温水(20℃)作为热流体进入换热器B，经热交换和电加热设备辅助加热后，冷流体中的水合物颗粒完全分解，转化为气水两相流进入气水分离单元，常温水经热交换和制冷器B11-2辅助冷却后，温度降至(0℃)注入反应塔，整个系统运行后，来自气水分离单元的分解水替代常温水，作为热流体进入换热器 B7-2进行换热；另一路水合物浆液作为冷流体进入换热器A7-1，同时待分离的混合气(20℃)作为热流体进入换热器A7-1，经热交换和电加热设备12辅助加热后，冷流体中的水合物颗粒分解，转化为气水两相流进入气水分离单元，混合气经经热交换和制冷器A11-1辅助冷却后，温度降至(0℃)注入反应塔；启动输送泵E，使气水两相流从气水分离塔的中部位置注入，氙气与分解水在重力作用下分离，氙气上行至干燥床，经脱湿处理后产出；分解水在塔底汇聚，通过输送泵F作为热流体进入换热器B7-2。通过引入制冷设备以及电加热设备12，可以实现在较大气体处理量工况下，氙气以水合物形式高效分离出来。
一种利用水合物法分离氙气氪气混合气的系统及方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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