一种制备多级低氘水的装置系统的制作方法

本技术属于氘水处理，尤其涉及一种制备多级低氘水的装置系统。

背景技术：

1、低氘水简称ddw，是指水中氘（²h，氢的稳定同位素）含量低于天然水的功能水。天然水中氘的丰度约为150ppm（每百万分水中含150分氘），而氘含量<150ppm的水都可称为低氘水或者超轻水，低于50甚至30ppm的低氘水称为医疗级的低氘水。

2、目前市面上的低氘水绝大部分是天然低氘水，来源于高海拔深层冰雪融化而成，氘的含量还是高于100ppm--130ppm左右，而人工低氘水成本高，能耗高。

3、可以生产低氘水的方法有如下：

4、a.蒸馏法，b.渗透法，c.吸附法，d.电解法，e.冷冻浓缩法，f.气体扩散法，g.离子交换法，h.过滤法，i.膜分离法。

5、实践生产中大多采用电解法和过滤法得到低氘水。

6、过滤法是将高海拔深层次冰川融化而来的水经过过滤而得来，方法简单成本较低，但很难达到真正医疗级别的低氘水，氘含量大多在100ppm左右及以上。

7、电解催化交换法中核心装置为电解槽、催化交换柱和氢燃料电池组件，处理步骤包括水源、电解生成h2/d2、催化交换柱（pt-sdb疏水催化剂）、同位素交换和氢燃料电池复合生成超低氘水。电解法可以得到较好的低氘水，但将电解得到的氢（在分离成氢和氘）和氧经过燃烧而得到低氘水，这对存储罐和燃烧器都有很高的要求，都是容易爆炸之物，安全防护成本高；且能耗高、多级蒸馏周期长效率低、氘脱除率不稳定等技术问题。也存在尤其地下水预处理不充分时，易导致后续设备结垢，影响氘分离效果的技术问题。

8、另外单级蒸馏、膜分离等方法难以高效产出多档位氘浓度，如30ppm、50ppm、80ppm等的低氘水，无法适配多场景需求。处理过程中分离的高氘水（氘富集相）未被有效回收，既造成资源浪费，又增加环保成本。

9、中国实用新型专利cn201720671439 .6的说明书中记载了一种低氘水的多塔连续蒸馏制备系统，包括第一蒸馏釜、第二蒸馏釜、第一蒸馏塔、第一蒸馏储罐、第二蒸馏塔、第二蒸馏储罐与水环真空泵，第一蒸馏釜与第二蒸馏釜相邻设置，且第一蒸馏釜与第二蒸馏釜通过回水管路相连通，第一蒸馏釜的顶部设置第一蒸馏塔，第一蒸馏塔与第一蒸馏储罐通过采料管路一相连通，第一蒸馏储罐还通过进料管路连通第二蒸馏釜，第二蒸馏釜的顶部设置第二蒸馏塔，第二蒸馏塔与第二蒸馏储罐通过采料管路二相连通；能够在较低塔高范围内保证低氘水的产量及质量，降低能耗，充分利用蒸馏过程中的余热进行原料水的加热，从而缩短低氘水的制备工时，提高生产效率，节约成本。但该专利中存在着虽系统通过多塔结构在一定程度上降低了塔高，但仍然需要较高的塔板数来实现有效的氘分离；及采用多个蒸馏釜、蒸馏塔、储罐以及复杂的管路连接，如回水管路、采料管路、进料管路等，虽然有助于提高分离效率和余热利用，但也使整个系统的结构更加复杂，增加了维护和操作的难度的等技术问题，且氘含量不一定达到50ppm或30ppm。

10、机械蒸汽再压缩（mvr）技术通过回收蒸气潜热实现节能，已在多领域应用，但如何将mvr技术与多级循环浓缩结合，高效提升氘水分离效率和低氘水纯度，仍是亟待突破的技术难题。

技术实现思路

1、为了解决以上技术问题，本实用新型提供一种制备多级低氘水的装置系统，基于mvr-edi-动力空气泵联用，利用过滤纯化、低温蒸馏和动力空气能泵的结合，大幅降低生产成本，可以让氘含量低于30ppm及还可以低于5ppm，适用于医疗、航天及高端实验室用水；多梯度低氘水生产，使氘资源的循环回收无废水产生，生产效率高，低能耗节能；结构简单，易操作，生产成本低。

2、解决以上技术问题的本实用新型中的一种制备多级低氘水的装置系统，通过预处理、梯度分离和氘回收三级架构实现功能，包括原水输入机构、多级mvr蒸发机构、医疗用水整合机构、氘水浓缩处理机构和核工业用水输出端，原水输入机构与多级mvr蒸发机构连接；

3、所述多级mvr蒸发机构包括初级处理机构和次级至n级处理机构，初级处理机构分别与edi机构和次级至n级处理机构连接，次级至n级处理机构分别输出130ppm、100ppm、80ppm、50ppm、30ppm及＜30ppm的低氘水，所述n≥6；医疗用水整合机构连接五级至n级出口；核工业用水输出端与初级处理机构之间通过氘水浓缩处理机构ⅰ连接。

4、优化方案中，所述n>6，当n=6时，医疗用水整合机构中连接5级与6级出口，将50ppm、30ppm低氘水作为医疗用低氘水；所述n>6时，医疗用水整合机构中连接5级与n级出口，将50ppm、30ppm低氘水及更低氘水作为医疗用低氘水。

5、所述多级mvr蒸发机构包括设有多级处理装置和压力调控装置，多级处理装置包括设有初级、次级至n级mvr蒸发器，mvr蒸发器设有罐体和动力泵，罐体为中空，相邻mvr蒸发器之间通过蒸气管道连接，动力泵位于罐体下方，与罐体底端连接；压力调控装置实现单元内压力梯度调控，设有加压管道、压力连接管、压力控制阀、增压机和干燥罐，增压机与干燥罐连接，干燥罐与加压管道连接，加压管道位于罐体顶端上方，通过压力连接管与各罐体顶端贯通连接，压力控制阀位于压力连接管上；还设有真空抽水泵、冷凝区和低氘水输出端，冷凝区通过真空抽水泵与罐体上部连接，冷凝区和低氘水输出端连接成一体。

6、所述mvr蒸发器包括设有罐体，罐体内从上向下设有立体网、mvr热交换区、平板型网和氘水区，罐体内上部为中空区，立体网位于罐体中部，氘水区位于罐体底部；罐体上部外侧设有低氘水出口，与中空区贯通连接；初级mvr蒸发器下部设有外侧设有氘水回流口和初级罐体氘水循环口；次级至n级mvr蒸发器的罐体下部外侧设有氘水回流口，与氘水区贯通连接；低氘水出口通过管道与冷凝泵连接，冷凝泵与冷凝区连接，冷凝区与低氘水输出端连接。50ppm、30ppm和5ppm低氘水输出端分别与医疗用低氘水储存箱ⅰ连接，医疗用低氘水储存箱ⅰ用于贮存50ppm、30ppm和5ppm低氘水。

7、低氘水从低氘水出口经冷凝泵进入冷凝区，经低氘水输出端收集低浓度氘水。冷凝区收集低浓度氘水，通过低氘水输出端输出。

8、蒸汽上升至mvr热交换区，与平板型网内的高温热介质进行热交换，实现热能回收与蒸汽升温，升温后的蒸汽进入冷凝区，冷却为液态低氘水，从低氘水出口收集。

9、进一步，所述中空区的高度为1/3罐体高度，每个罐体蒸馏时有1/3的空间足够保证纯氢水蒸汽和氘水蒸汽的二次分离，让氘水蒸汽返回到立体网上慢慢下沉到蒸发器底部的氘水区域。

10、所述立体网高度为1/3罐体高度，立体网材料为食品级立体网状不锈钢填充物，为低温蒸发区。

11、所述平板型的网状结构孔径=16目。

12、所述热交换区高度和氘水区高度各占罐体1/6的高度，热交换区起提高生产速度作用。

13、所述氘水浓缩处理机构设有氘水连接管、氘水回流管和氘水回笼浓缩装置，所述氘水回流管位于初级、次级至n级mvr蒸发器的罐体底端下方，所述氘水连接管一端与氘水回流管贯通连接成一体，另一端与mvr蒸发器的氘水回流口连接，形成氘水相循环回路；所述氘水回流管一端与n级mvr蒸发器的氘水回流口连接，另一端与初级罐体氘水循环口连接；所述氘水回笼浓缩装置为氘水回笼浓缩器，设于初级mvr蒸发器与核工业水输出端（高氘水）之间，所述氘水回笼浓缩器分别与初级mvr蒸发器的氘水回流口、纯水进水口、核工业水输出端和医疗用低氘水储存箱ⅱ连接。

14、医疗用低氘水储存箱ⅰ可与医疗用低氘水储存箱ⅱ连接，或与其它设备连接，进一步的处理或贮存。

15、氘水回笼浓缩器为集成式过滤净化设备，产生的高氘废水用于核工业水或其它水，实现水资源的最大限度再利用。

16、以上各设备之间通过管道进行连接。

17、所述系统设有检测机构，所述检测机构设有中央处理器端、水位监测装置、压力检测仪和n个比重检测仪，所述比重检测仪位于每个mvr低氘水蒸馏器罐体外，分别设于低氘水出口和氘水回流口处，在线实时检测水比重并反馈数据到中央处理器，保证准确测得氘水的排出浓度和低氘水的准确含氘量；中央处理器端独立设置，与水位监测装置、压力检测仪和比重检测仪通过无线或有线连接；所述水位监测装置设有水位检测仪，位于罐体外侧面，实时反馈液位状态；水位检测仪伸入罐体，检测泵入的水量不能超过热交换区的高度；压力检测仪设在罐体上，测罐体的压力。

18、所述水位检测仪设有观察窗。实时监控水位与蒸发状态，保证产品质量稳定可靠。

19、本实用新型中多级蒸馏机构利用mvr技术降低能耗，解决传统蒸馏法的能源浪费问题；通过多级循环浓缩，提升氘水富集效率与低氘水纯度；结合压力/水位精准控制，保障装置稳定运行，确定了分馏的高度要求，也保证了分溜产品的纯度。

20、所述系统还包括设有edi纯水预处理机构，edi纯水预处理机构设于原水输入机构和多级mvr蒸发机构之间，所述edi纯水预处理机构设有相互串联连接成一体的进水箱、水泵、过滤器ⅰ、过滤器ⅱ、离子交换器、1级高压水泵、1级反渗透过滤器、2级高压水泵、2级反渗透过滤器、纯水泵、edi过滤器和纯水出口管，进水箱与水泵连接、水泵与过滤器ⅰ连接、过滤器ⅰ与过滤器ⅱ连接、过滤器ⅱ与离子交换器连接、离子交换器与1级高压水泵连接、1级高压水泵与1级反渗透过滤器连接、1级反渗透过滤器与2级高压水泵连接、2级高压水泵与2级反渗透过滤器连接、2级反渗透过滤器与纯水泵连接、纯水泵与bedi过滤器连接，edi过滤器和纯水出口管连接。

21、所述edi过滤器为edi装置带灭菌器的过滤器。

22、本实用新型中edi纯水预处理机构：与原水输入机构连接，通过去离子（edi）技术去除离子、有机物等杂质，经过滤、离子交换和电去离子三级处理，获得电阻率≥18mω·cm的高纯水。

23、本实用新型中成本较低，没有易燃易爆等危险物质存储，安全可靠；高效节能、连续稳定；且操作简单，可以全自动化运作全面安全检查。具体表现如下：

24、a、低温蒸馏和空气能泵在低氘水中的运用。对所控低温水蒸气的蒸发点的扩张与压缩的温度进行检测，实时将水蒸气控制在一定压力范围内，实现氘水与纯氢水的有效分离。

25、b、实现纯水与低氘水制备的有机结合。将纯水工艺有效简化后作为低氘水的前级（预处理）工艺。

26、c、实现低氘水浓度的在线自动检测运用，解决了人工离线检测的技术问题。

27、d、将空气能泵的低高温区充分运用到低温蒸馏的不同区域，实现能源的充分利用，实现真正的节能。高氘水转化为核工业用水，资源循环利用率提升85%以上。

28、e、利用深紫外有效在线灭菌，保证水中无病菌。

29、f、一套低氘水装置可同时生产不同标准的低氘水，同时满足不同客户要求。达到节能减排的作用。多梯度生产：实现130ppm-30ppm多档位低氘水输出，覆盖医疗、日常饮用等场景。各处理级参数独立可调，可动态调整各档位产量占比，适应市场需求。

30、g、除去预处理中的过滤杂质外，实现真正意义上的零排放。

31、h、氘水的提纯和回流浓缩工艺。edi预处理保障纯度，“真空蒸馏+钯膜”组合节能30-50%，钯膜高选择性确保工艺稳定。

32、本实用新型采用纯化结合低温蒸馏和空气能泵的方法，通过多级协同工艺优化，实现高效氘分离与节能生产。可以大幅降低生产成本和得到高浓度氘水，可以做到零排放，而得到医疗级的低氘水。

33、本实用新型中可以得到氘浓度低于30ppm及更低浓度的低氘水。生产效率大于70%，零排放，因纯水后级的水只有氘水和纯氢水，而这俩种水都得到了充分的利用，故无废水排放。