CN104129758B - 一种氢同位素交换膜反应组件 - Google Patents

一种氢同位素交换膜反应组件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氢同位素交换膜反应组件，包括钯复合膜管、波浪形不锈钢管、外部套管，在外部套管靠近波浪形不锈钢管一端通过螺纹连接设置有热电偶套管、另一端通过机械焊接有渗透气出口；在热电偶套管上端开设支管作为氢同位素交换原料气体入口；在外部套管上端靠近波浪形不锈钢管处开设有尾气出口，在外部套管下端远离波浪形不锈钢管处开设有载气He和Q2O原料气入口。本发明能利用氢同位素交换反应将少量化合态氘氚置换并分离出来，在反应的同时将部分产物原位分离出体系，从而获得很高的转化率及去污因子，提高了对氘氚的回收率；该装置可以用于高浓氚水的处理以及聚变反应中等离子排灰气的处理，也可用于工业生产高纯氢。

Description

一种氢同位素交换膜反应组件
技术领域
本发明涉及高浓氚水处理及等离子体排灰气处理装置，尤其涉及一种氢同位素交换膜反应组件。
背景技术
能源和环境是人类赖以生存和发展的基础。随着国民经济的迅速发展，人们对于能源的需求愈发强烈。由于化石燃料的短缺以及对环境造成的污染日趋严重，研究者们将目光投向了清洁、高效的可控热核聚变能。在聚变装置运行过程中，某些正常操作状况下(如第一壁清洗)会产生少量(2-4kg)很高浓度的含氚水(活度约为1.4×106Ci/kg，接近DTO的化学计量比)，在一些意外状况下(如燃烧室空气泄露或手套箱内氚泄露)也会产生少量的高浓氚水。
由于氚水可发生自辐射分解，储存时可能会分解形成爆炸性的HT和O2混合气体，存在过压的风险；HTW还具有腐蚀性，可能会对容器造成损伤，不利于储存；此外，氚水蒸气可以同时通过呼吸道和皮肤进入人体内，对人体产生内照射，而且HTO产生的辐射效应是相同剂量HT的10000倍，在防护方面要求很高。因此，应尽量避免以高浓氚水的形式收集和储存氚，对于产生的高浓氚水需要尽快处理，转化为HT、T2等气体形式。
氢同位素交换反应由于产物中的氚易于回收、产生的废物量少等特点，在高浓氚水的处理方面可能更有优势。氢同位素交换反应一般是在催化剂存在的条件下，用过量的H2将高浓氚水中的氚置换出来，获得HT单质后回收储存，同时含氚水的活度降低。目前氢同位素交换反应的形式主要有气相催化交换(VPCE)和液相催化交换(LPCE)，这两种方式已应用于重水提氚工艺中，但是由于受到反应平衡的限制，其转化效率并不是很高(在H2大量过量并经过多级反应的情况下也很难达到99％)，因此不适用于高浓氚水的处理。与此同时，在催化膜反应组件中进行的氢同位素交换反应由于具有很高的转化效率(经过多次循环，去污因子可达到105)，有可能应用于高浓氚水的处理。氢同位素交换膜反应组件是将催化反应和膜分离原位集成，其主要优势在于反应进行的同时将部分产物Q2分离出反应体系，可以使反应突破化学平衡的限制，获得很高的转化率及去污因子。
催化交换膜反应组件中进行的氢同位素交换反应可以描述为如下过程：H2分子从膜管内侧渗透到外侧，在催化剂作用下与逆流的CQ4(Q代表氢同位素氕、氘、氚，下同)、Q2O等发生同位素交换反应，生成的Q2又透过Pd膜，在渗透侧被分离回收。
与本发明相关的现有技术包括：
一、目前文献报道用于氢同位素交换的催化膜反应组件均采用了厚度为50～100微米的Pd/Ag合金膜。
该技术的缺点在于所选用的钯膜较厚，从而导致氢同位素Q2渗透速度较慢，降低分离速率。从理论上分析，由于降低钯膜厚度会加快Q2的渗透，可能会对催化交换膜反应组件中的氢同位素交换反应产生有利的影响，但目前没有相关报道。
二、由于Pd基膜吸收氢气后，会发生晶格膨胀，同时膜反应组件一般在400℃以上高温运行，这些都会使Pd基合金管明显增长或变形。为了解决这一问题，TLK的研究人员设计了三种结构的催化交换膜反应组件，采用的方式分别为：(a)固定膜管一端，将另一端悬空(即指状膜管)；(b)一端焊接不锈钢波纹管；(c)使用褶皱型的Pd基合金管。比较发现，对于H2O/D2之间的氢同位素交换反应，褶皱型的膜反应组件效果较好，主要归因于这种结构中催化剂用量与渗透面积之比较大，水蒸气停留时间相应延长，因此反应更充分。
但这种褶皱型膜反应组件加工比较困难，制作成本高，而且褶皱规格不统一，重复性差，不同的反应组件之间可比性差。
三、公开号为CN101648105A、CN101372314A及CN101406791A的中国专利分别采用了钯膜从含氢合成气或者焦炉煤气中提纯生产高纯度氢气。
该等技术的缺点在于钯膜只是作为后续氢气提纯及分离装置使用，未能利用反应组件的催化反应功能。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种氢同位素交换膜反应组件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种氢同位素交换膜反应组件，包括钯复合膜管和波浪形不锈钢管，所述钯复合膜管通过法兰与波浪形不锈钢管连接，在钯复合膜管和波浪形不锈钢管外通过螺纹连接设置有外部套管，在外部套管与钯复合膜管之间留有空间作为催化交换反应区；在外部套管靠近波浪形不锈钢管一端通过螺纹连接设置有热电偶套管、另一端通过机械焊接有渗透气出口；在所述热电偶套管上端开设支管作为氢同位素交换原料气体入口；在外部套管上端靠近波浪形不锈钢管处开设有尾气出口，在外部套管下端远离波浪形不锈钢管处开设有载气He和Q2O原料气入口。
所述钯复合膜管的基底材料为多孔陶瓷或多孔不锈钢。
所述钯复合膜管长度为5～120cm，外径为3～25mm，厚度为1～4mm。
所述钯复合膜管采用化学气相沉积法在基底材料表面沉积一层钯膜，所述钯膜总长为5～30cm，厚度为2～10μm。
所述螺纹连接之间采用石墨密封。
外部套管与钯复合膜管之间的催化交换反应区通过玻璃纤维密封。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：本装置可以用于聚变反应中对等离子排灰气进行处理，也可用于工业生产高纯氢，能利用氢同位素交换反应将少量化合态氘氚通过氢同位素交换反应置换并分离出来，获得很高的转化率及去污因子，从而提高了对氘氚的回收率。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本氢同位素交换膜反应组件的结构示意图。
具体实施方式
一种氢同位素交换膜反应组件，如图1所示，包括：钯复合膜管1、法兰2、波浪形不锈钢管3、外部套管4、热电偶套管5、氢同位素交换原料气入口6、渗透气出口7、载气He和Q2O原料气入口8、尾气出口9等，其中：
钯复合膜管1的基底材料采用多孔陶瓷或多孔不锈钢，膜管长度：5～120cm，膜管外径：3～25mm，膜管厚度：1～4mm，采用化学气相沉积法在基底材料表面沉积一层钯膜，其沉积钯膜总长：5～30cm，钯膜厚度：2～10μm。
钯复合膜管1一端通过法兰2与波浪形不锈钢管3连接，钯复合膜管1两端的法兰2同时起到密封和固定钯复合膜管1的作用；波浪形不锈钢管3起到缓冲作用，防止钯复合膜管1增长或变形；外部套管4通过螺纹连接与波浪形不锈钢管3及钯复合膜管1连接，螺纹连接之间采用石墨密封；热电偶套管5通过螺纹连接与外部套管4连接，螺纹连接之间采用石墨密封；热电偶套管5上端开支管，作为氢同位素交换原料气体入口6；渗透气出口7通过机械焊接与外部套管4连接，其中渗透气为氢同位素气体Q2(即H2，D2，T2,HD,HT,DT六种气体)；外部套管4下端开支管，作为载气He和Q2O原料气入口8(其中Q为氢同位素H,D,T)；外部套管4上端开支管，作为载气He和氢同位素交换反应完成后的Q2O尾气出口9(其中Q为氢同位素H,D,T)。外部套管4与钯复合膜管1之间的空间为催化交换反应区，催化交换反应区装填同位素交换反应催化剂，装填完催化剂后通过玻璃纤维密封。
以氢气H2与氚水HTO在催化交换膜反应组件内交换反应为例，解释膜反应组件工作原理如下：
首先将催化剂装填进氢同位素交换膜反应组件，然后将该组件接入氢同位素交换膜反应系统，除此之外，氢同位素交换膜反应系统还包括具有通风条件的外壳、自动控制和检查系统、加热系统、氢气泄漏报警系统、高压恒流泵、蒸汽发生器和混合器、气液分离器、各种必要的阀件、管路和面密封连接件等组成，确保能实现系统的无泄漏连接。其中自动控制和检测系统用于气体流量的精确控制、系统压力的稳定调节以及在线检测各关键点的温度、压力、流量等参数；加热系统用于确保原料气及钯膜反应器组件的热量供给、温度控制及保持等；氢气泄漏报警系统用于确保氢同位素交换膜反应系统的安全性；气液分离器用于分离气液两相产物；过滤器用于保证进入氢同位素交换膜反应器的原料没有颗粒杂质。
载气He和汽化后的HTO通过外部套管下端支管8进入到膜组件，进入后气体在钯复合膜管1的外侧由右端向左端移动；氢气H2由热电偶支管6进入到膜组件，在钯复合膜管1内部由左向右移动，利用钯膜特殊的氢渗透性，氢气H2从膜管内部向膜管外部渗透进入到催化交换反应区，与通过外部套管下端支管8进入到膜组件内部的HTO在催化剂的作用下发生氢同位素交换反应H2+HTO→HT+H2O，纯化后的H2O和载气He从外部套管上端支管9排出，由于膜管内部和外部的HT分压相差较大，因此反应生成的HT再由膜管外部渗透回膜管内部，最终由渗透气出口7排出并回收。

Claims (4)

1.一种氢同位素交换膜反应组件，其特征在于：包括钯复合膜管和波浪形不锈钢管，所述钯复合膜管通过法兰与波浪形不锈钢管连接，在钯复合膜管和波浪形不锈钢管外通过螺纹连接设置有外部套管，在外部套管与钯复合膜管之间留有空间作为催化交换反应区；在外部套管靠近波浪形不锈钢管一端通过螺纹连接设置有热电偶套管、另一端通过机械焊接有渗透气出口；在所述热电偶套管上端开设支管作为氢同位素交换原料气体入口；在外部套管上端靠近波浪形不锈钢管处开设有尾气出口，在外部套管下端远离波浪形不锈钢管处开设有载气He和Q2O原料气入口，其中Q 代表氢同位素氕、氘、氚；所述钯复合膜管的基底材料为多孔陶瓷或多孔不锈钢；所述钯复合膜管采用化学气相沉积法在基底材料表面沉积一层钯膜，所述钯膜总长为5～30cm，厚度为2～10μm。
2.根据权利要求1所述的一种氢同位素交换膜反应组件，其特征在于：所述钯复合膜管长度为5～120cm，外径为3～25mm，厚度为1～4 mm。
3.根据权利要求1所述的一种氢同位素交换膜反应组件，其特征在于：所述螺纹连接之间采用石墨密封。
4.根据权利要求1所述的一种氢同位素交换膜反应组件，其特征在于：外部套管与钯复合膜管之间的催化交换反应区通过玻璃纤维密封。
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