本发明涉及氢同位素水分离，具体地说，是涉及一种利用多级级联膜蒸馏制备低氘水的装置及方法。
背景技术：
1、低氘水的主要生产过程是同位素分离过程，氢的同位素主要包含氢(h)、氘(d)、氚(t)，其中氘主要以hdo的形式存在于水中，元素丰度约为156.25ppm；氚在自然界中存量几乎为零，需要通过中子轰击li6靶板或利用重水堆生产，t极易与水反应，生成hto。另一方面，同位素之间相同的电子构型，并且拥有几乎相同的物理化学质，因此实现高效的同位素分离目前仍然是一个巨大的挑战。传统的氢同位素水分离的方法主要有交换法和精馏法，对应的典型过程是双温交换(girdler-sulfide process)和水精馏(waterdistillation)。双温交换是利用氢同位素在两种不同组分的原料接触时，同位素在两种不同组分的原料中实现转移而进行的同位素的分离和富集。具体来说，该方法主要运用h2s与hdo反应的平衡常数随温度变化而不同，在303k时，平衡常数(分离因子)为2.33，而在403k时，平衡常数为1.82。水精馏则是利用待分离组分的蒸气压差别，使得重组分进入液相，轻组分在气相富集。但单级水分离的因子只能达到1.026(温度100℃)。以以加拿大glace bay重水生产厂采用gs+水精馏级联的方式进行重水生产。其中，gs采用三级级联的方式，首级采用6根直径为7m高为60m大型双温交换柱从海水中进行提氘，gs产生浓度为20％的富氘水，再通过水精馏的方式将富氘水浓集至纯氘水(浓度：99.75％)。该厂年产量重水约为400吨，日功耗约为300mw。
2、上述两类方法存在以下问题：①是装置结构复杂，工艺流程复杂，前期设备设入成本较大；②是整个过程能耗较高，由于gs和精馏过程都需要不断将水加热至100℃再经换热器冷却，以回流进行再浓集，能耗较高，是典型的能源密集型工艺；③相关原料具有毒性和腐蚀性，如h2s气体，会对设备和人体产生危害。
3、膜蒸馏(membrane distillation,md)是将单级蒸馏与膜分离技术结合的一个热驱动分离过程。原理如图1所示，膜两侧分别为高温侧和低温侧，高温侧的原料水与疏水多孔膜直接接触，原料水由于表面张力的存在不能直接渗透过疏水膜；高温侧的易挥发组分在两侧温度梯度的作用下，蒸发并扩散进入低温侧后冷凝；而其它不挥发组份或难挥发组份则完全或部分滞留在原料水测，从而实现不挥发组份与挥发组份，或易挥发组分与难挥发组份的分离。膜分离过程实质上是一个非等温的传质与传热相结合的过程，其分离能力不仅来源于混合物的饱和蒸汽压差，也来源于不同组分在膜内的扩散速率差。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种利用多级级联膜蒸馏制备低氘水的装置及方法，主要解决现有氢同位素水分离装置结构复杂，工艺流程复杂，前期设备设入成本较大的问题。
2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
3、一种利用多级级联膜蒸馏制备低氘水的装置，包括原料供料装置、m×n级级联的多个膜精馏模块、冷却水装置、加热装置和冷凝收集装置；其中，m代表行数，m≥1；n代表列数，n>1；
4、当m＝1时，原料供料装置与第一行第一列的膜精馏模块的进料口相连，第一行第一列的膜精馏模块的冷凝出料口与下一列的膜精馏模块的进料口相连，直到最后一列的膜精馏模块的冷凝出料口连通至冷凝收集装置；原料供料装置和每两个膜精馏模块之间均通过加热装置对原料进行加热；其中，每个膜精馏模块的原料出料口连通至原料供料装置；冷却水装置与每个膜精馏模块均相连；
5、当n>1时，原料供料装置与第一行第一列的膜精馏模块的进料口相连，每一行的每个膜精馏模块的冷凝出料口均对应与同一行下一列的膜精馏模块的进料口相连，直到每一行最后一列的膜精馏模块的冷凝出料口均连通至冷凝收集装置；每一列的每个膜精馏模块的原料出料口对应与下一行的膜精馏模块的进料口相连，直到最后一行的每个膜精馏模块的原料出料口连通至原料供料装置；原料供料装置和每两个膜精馏模块之间均通过加热装置对原料进行加热；冷却水装置与每个膜精馏模块均相连。
6、进一步地，在本发明中，所述膜精馏模块包括左右两块夹板，紧贴两块夹板内侧设置的两块密封垫片，紧贴靠近冷却水进水一侧的密封垫片朝向原料进料一侧设置的冷却板，紧贴冷却板朝向原料进料一侧设置的支撑板，紧贴冷却板朝向原料进料一侧设置的支撑板，设置在支撑板朝向原料进料一侧上的疏水分离薄膜，设置于靠近原料进料一侧夹板上的原料水进出口，以及设置于靠近冷却水装置一侧夹板上的冷却水进出口；其中，膜精馏模块的冷凝出料口位于冷却板与疏水分离薄膜之间。
7、进一步地，在本发明中，左右两块所述夹板上均设置有温度计。
8、进一步地，在本发明中，所述原料装置或每两个膜精馏模块之间通过原料进水管路与所述夹板上的原料水进出口的进口相连，所述原料进水管路上设置有原料输送泵和原料流量计。
9、进一步地，在本发明中，所述冷却水装置通过冷却水进水管路与所述夹板上的冷却水进出口的进口相连，通过冷却水回水管路与所述夹板上的冷却水进出口的出口相连；所述冷却水进水管路上设置有冷却水蠕动泵和冷却水流量计。
10、进一步地，在本发明中，所述密封垫片采用硅胶垫片。
11、进一步地，在本发明中，所述疏水分离薄膜采用具有疏水性和轻重水分离功能的薄膜。
12、基于上述装置，本发明还提供了一种利用多级级联膜蒸馏制备低氘水的方法，包括如下步骤：
13、s1，将用于制备低氘水的原料水通入级联模式后的膜蒸馏模块中；所述级联模式包括单列级联和多列级联；
14、s2，在单列级联中，将每一级膜蒸馏模块得到的蒸馏水作为下一级的原料水进行蒸馏，出口的废水则直接统一收集排放；经最后一级膜蒸馏模块输出的蒸馏水即为得到的低氘水；
15、在多列级联中，第一列级联中膜蒸馏模块的蒸馏水作为下一级的原料水进行蒸馏，从第二级联的膜蒸馏模块开始，每一级原料水来源于同一系统前级的蒸馏水，也来源于同一级第一个膜蒸馏模块的原料水，最后一行的所有膜蒸馏模块的出口废水统一收集排放；经最后一行、最后一列的膜蒸馏模块输出的蒸馏水即为得到的低氘水。
16、进一步地，在本发明中，在所述膜蒸馏模块中，原料水进入后，水在薄膜表面流动时，只有水蒸气能通过薄膜，液态水不会渗透过薄膜，水蒸气进入到亲水聚丙烯的孔中，遇到不锈钢冷却板后冷凝成液态水，水蒸气在透过薄膜的时候产生同位素分离。
17、进一步地，在本发明中，原料水在经过首个膜蒸馏模块的腔室后依据流速的不同伴随着原料水温出现下降，此时需要对原料水进行一次补充加热，以使原料水达到设定的蒸馏工况。
18、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
19、(1)本发明利用级联的膜精馏模块采用膜精馏的方法实现低氘水的制备，疏水分离薄膜具有疏水性，水在薄膜表面流动时只有水蒸气能通过薄膜，液态水不会渗透过薄膜，水蒸气进入到亲水聚丙烯的孔中，遇到不锈钢冷却板后冷凝成液态水，水蒸气在透过薄膜的时候由于零点能、与通道内化学亲合力位点的吸附能不同造成扩散速率不同产生同位素分离，从而得到低氘水。
20、(2)本发明相对于传统的水精馏方案来说，膜精馏装置小，制作成本低，运行便利；并且通过合理的级联设计，下一级可利用上一级的原料水余热，减少原料水在冷热循环过程中的热量损失，相比单级可节约能耗；同时通过多级级联，弥补了单级膜蒸馏分离因子低的缺点，低氘水产品的氘丰度下降，整体产率上升。
1.一种利用多级级联膜蒸馏制备低氘水的装置，其特征在于，包括原料供料装置(1)、m×n级级联的多个膜精馏模块(2)、冷却水装置(3)、加热装置(4)和冷凝收集装置(5)；其中，m代表行数，m≥1；n代表列数，n>1；
2.根据权利要求1所述的一种利用多级级联膜蒸馏制备低氘水的装置，其特征在于，所述膜精馏模块(2)包括左右两块夹板(20)，紧贴两块夹板(20)内侧设置的两块密封垫片(21)，紧贴靠近冷却水进水一侧的密封垫片(21)朝向原料进料一侧设置的冷却板(22)，紧贴冷却板(22)朝向原料进料一侧设置的支撑板(23)，紧贴冷却板(22)朝向原料进料一侧设置的支撑板(23)，设置在支撑板(23)朝向原料进料一侧上的疏水分离薄膜(24)，设置于靠近原料进料一侧夹板(20)上的原料水进出口，以及设置于靠近冷却水装置(3)一侧夹板(20)上的冷却水进出口；其中，膜精馏模块(2)的冷凝出料口位于冷却板(22)与疏水分离薄膜(24)之间。
3.根据权利要求2所述的一种利用多级级联膜蒸馏制备低氘水的装置，其特征在于，左右两块所述夹板(20)上均设置有温度计(25)。
4.根据权利要求3所述的一种利用多级级联膜蒸馏制备低氘水的装置，其特征在于，所述原料装置或每两个膜精馏模块(2)之间通过原料进水管路(26)与所述夹板(20)上的原料水进出口的进口相连，所述原料进水管路(26)上设置有原料输送泵(27)和原料流量计(28)。
5.根据权利要求4所述的一种利用多级级联膜蒸馏制备低氘水的装置，其特征在于，所述冷却水装置(3)通过冷却水进水管路(29)与所述夹板(20)上的冷却水进出口的进口相连，通过冷却水回水管路与所述夹板(20)上的冷却水进出口的出口相连；所述冷却水进水管路(29)上设置有冷却水蠕动泵(210)和冷却水流量计(211)。
6.根据权利要求5所述的一种利用多级级联膜蒸馏制备低氘水的装置，其特征在于，所述密封垫片(21)采用硅胶垫片。
7.根据权利要求6所述的一种利用多级级联膜蒸馏制备低氘水的装置，其特征在于，所述疏水分离薄膜(24)采用具有疏水性和轻重水分离功能的薄膜。
8.一种利用多级级联膜蒸馏制备低氘水的方法，其特征在于，采用了如权利要求7所述的装置，包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种利用多级级联膜蒸馏制备低氘水的装置，其特征在于，在所述膜蒸馏模块中，原料水进入后，水在薄膜表面流动时，只有水蒸气能通过薄膜，液态水不会渗透过薄膜，水蒸气进入到亲水聚丙烯的孔中，遇到不锈钢冷却板后冷凝成液态水，水蒸气在透过薄膜的时候产生同位素分离。
10.根据权利要求9所述的一种利用多级级联膜蒸馏制备低氘水的装置，其特征在于，原料水在经过首个膜蒸馏模块的腔室后依据流速的不同伴随着原料水温出现下降，此时需要对原料水进行一次补充加热，以使原料水达到设定的蒸馏工况。
