CN106841447B - 一种vpce静态性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种VPCE静态性能测试方法，包括以下步骤：S1、将待检测分析的催化剂放置于反应罐中，并密闭；S2、将反应容器抽真空流洗数次，然后将反应容器抽真空；S3、使混合罐和反应罐相互隔断，形成独立空间；向混合罐中通入纯氢，并向混合罐中注入含氘水；S4、调整温度控制装置，使得反应容器的温度达到预设的温度值；监测混合罐、反应罐的压力传感器、温度传感器；当两者的温度、压力达到预设的要求，使混合罐和反应罐相互连通；含氘水蒸气和氢气在亲水催化剂作用下进行反应；S5、采样检测：每隔一段时间，从反应罐中取样检测分析。发明的VPCE静态性能测试方法可以准确的获取氢‑水同位素催化交换反应的动力学曲线、平衡常数、分离因子等参数。

Description

一种VPCE静态性能测试方法

技术领域

本发明涉及一种相转化交换反应的研究方法，更具体的涉及一种氢-水的蒸汽相催化交换方法及其研究，特别是一种重水转化研究方法，属于热核聚变反应研究领域。

背景技术

氢-水汽相催化交换（VPCE）是水去氚及重水生产的重要方法之一。特别是，随着内陆核电的迅猛发展，有望建成我国第一批内陆核电站，其中含氚废水的排放是其必须重视且解决的问题。现有技术中研究VPCE技术的主要是集中于亲水催化剂的选择及制备研究，但是缺少必要的验证手段，对于制备得到的催化剂成分各个研究机构提出的性能结果之间往往不具有可比性，导致众多研究之间相互没有比较说服力。而缺少了相应的科学可靠的研究方法，也使得制备的催化剂的研究进展缓慢，严重的制约了我国热核聚变反应堆的技术。为了保证VPCE能够运用到内陆核电含氚废水处理，需要研制其相应的催化剂以及催化性能。现有技术中对于催化剂的性能研究主要是集中于一般的催化剂使用比较，并没有专门的针对性研究方法，无法确定催化剂在应用的过程中，连续的催化性能研究分析，无法确定具体的催化剂的材料性能随着不同的反应条件参数变化情况，对于催化剂成分的综合性能评定效果不佳，不利于选择出更加适用于VPCE技术的催化剂成分。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的验证氢-水气相催化交换反应的研究验证方法缺失的不足，提供一种VPCE静态性能测试方法。本发明的VPCE静态性能测试方法系统能够很好的检测不同的催化剂材料在VPCE系统中的连续催化转化效率，实现对于VPCE系统的定性和定量的研究分析，能够有效的比较分析不同的催化剂成分在具体的VPCE应用中的效果表面，得到科学可靠的检验成果。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种VPCE静态性能测试方法，包括以下步骤：

S1、放入催化剂：将待检测分析的催化剂放置于反应罐中，并密闭；

S2、真空流洗：将反应容器抽真空流洗数次，优选地，真空流洗中使用氢气进行真空流洗。然后将反应容器抽真空。优选最后抽真空使反应容器达到50Pa以下的绝对真空度，指绝对气压小于50Pa。所述反应容器是指：相互连通的混合罐和反应罐，在混合罐和反应罐之间设置有阀门，可以实现两者的连通与隔断。

S3、注入反应原料：关闭混合罐和反应罐之间的阀门，使混合罐和反应罐相互隔断，形成独立空间；向混合罐中通入纯氢，优选纯度99.99%以上的纯氢；并向混合罐中注入含氘水（HDO）。注入氢气和注入含氘水在步骤不区分先后顺序，一般以先注入氢气为宜，气体注入后反应罐内的气压平衡，更方便后续的含氘水的注入。

S4、控制反应：调整温度控制装置，使得反应容器的温度达到预设的温度值。监测混合罐、反应罐的压力传感器、温度传感器。当两者的温度、压力达到预设的要求，使混合罐和反应罐相互连通，让混合罐中混合好的反应原料流入反应罐中。在反应罐中，含氘水蒸气和氢气在亲水催化剂作用下进行反应。优选地，所述预设的反应要求是需要研究的反应条件参数，根据需要设定好反应条件，然后开启混合罐和反应罐之间的阀门，实现精确的条件参数下的反应研究分析。

S5、采样检测：每隔一段时间，从反应罐中取样检测分析。优选的，在反应罐上设置有取样阀，取样阀与色谱仪器相连，利用色谱仪器进行在线测量。

优选的，还包括S6、反应完毕，停止采样，排空反应容器，将反应产物无害化处理（将反应后的氢气进行催化氧化成水）。可以通过上述的将氢气催化氧化成水实现无害化，也可以通过其他方式实现无害化，催化氧化成水的方式具有简单高效的特点，应当优选应用。

本发明利用现有的VPCE催化交换反应原理设计了适宜的静态测试方法，根据反应原理可知VPCE催化交换实质就是反应物在气（汽）相时利用催化剂进行快速交换反应，并达到平衡。以含氘水处理为例，反应物为含氘水（HDO）和H₂。

HD(g)+H₂O(v) — HDO(v)+H₂(g)

其中，v表示蒸汽相；g表示气相；

本发明的静态测试方法能够精确的分析研究反应物进料比例、反应温度、反应压力以及采用不同催化剂情况下，上述反应方程式的平衡常数、分离因子以及动力学曲线的区别。对于筛选合适的优秀的催化剂成分具有重要的意义，特别是不同的催化剂成分在不同的参数条件下的表现，能够有效的区分性能极为相近的催化剂成分的细小差别。特别是能够精确研究记录下反应温度、压力参数波动变化的情况下，反应的实际平衡状态。

进一步，所述催化剂包括了亲水催化剂和非亲水催化剂。本发明的方法可以应对于各种固体、液体甚至气体催化剂催化性能的检验与分析。当然，最好是应用于固体或液体催化剂性能的检验分析。所述的催化反应装置设备可以应用于固体与液态反应、固体与气体反应、气体与液体反应等多种不同的反应的情况，分析相应的催化剂在其中催化效率。

优选的，所述催化剂是亲水性催化剂成分。

进一步，具有的流洗过程是先向反应容器中通入氢气，然后抽真空；重复通入氢气和抽真空步骤数次，达到需要的真空流洗状态，即反应容器中残余的气体极少且其中与反应不相干的气体基本没有。

进一步，步骤（2）中，所述的抽真空流洗次数为1-5次，最好是2-4次。所述的抽真空流洗是指：将反应容器抽真空，然后通入纯氢，并重复上述抽真空和通入氢气的步骤，每次抽真空后通入纯氢即为一次抽真空流洗1次。优选的，流洗过程中通入的氢气是纯度为99.9%以上的氢气。

通过抽真空流洗数次，使得反应研究的反应容器（混合罐和反应罐）中原本残留的不相干的液体、气体排出干净，使得研究过程中的杂种干扰尽可能的低，提高本发明方法研究的精确度，为高品质高效率的催化剂成分的筛选提供可靠的保障。

进一步，在步骤（5）中，所述色谱检测设备能够在线测量反应过程中及反应达到平衡后，氢气中的氘含量。实现实时的反应状态的监测与分析，能够更好的建立起反应平衡系数的变化情况，特别是建立起反应平衡相图，为工业化规模生产应用提供可靠的理论数据。

进一步，在步骤（5）中，从反应罐中取样后，先经过干燥器干燥处理，在进行检测分析。具体的，可以把干燥器设置在取样阀和检测设备之间。

优选的，所述温度控制装置是油浴装置，利用油浴装置实现反应容器的温度调整。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1. 本发明的VPCE静态性能测试方法，结合了现有的VPCE静态性能测试原理，改进提出了更加适宜的处理方法方案，实现了不同的催化剂使用研究，完成在不同温度、压力和进料比例等条件下的化学平衡试验，从而验证所研制催化剂催化性能是否满足要求。

2. 本发明的VPCE静态性能测试方法，获取氢-水同位素催化交换反应的动力学曲线，得到反应的平衡常数、分离因子等参数。并且可以有效的应用于不同的催化剂成分，获得特定的催化剂成分对于氢-水同位素催化交换反应的促进作用/促进效果。

附图说明：

图1是VPCE静态性能测试系统示意图。

图中标记：1-恒温槽，2-混合罐，3-反应罐，4-连通阀，5-氢气罐，P1-第一压力传感器、T1-第一温度传感器、P2-第二压力传感器、T2-第二温度传感器、61-注液阀，62-氢气阀门，63-第一抽空阀，8-真空泵，64-排气阀，65-取样阀，66第二抽空阀，7-油浴装置，8真空泵，9-色谱检测设备，10-干燥器。

具体实施方式

本发明的VPCE静态性能测试方法中，使用到的装置系统如图1所述，包括恒温槽和设置在恒温槽内的混合罐、反应罐。所述恒温槽用于向设置在恒温槽内的混合罐、反应罐提供恒温环境。混合罐和反应罐之间设置有连通阀，能够实现混合罐和反应罐的连通与隔离。所述混合罐和氢气罐相连，能够从氢气罐接受反应氢气原料。所述的混合罐上还设置有第一压力传感器、第一温度传感器、注液阀和第一抽空阀，所述注液阀用于向混合罐中注入反应水，所述第一抽空阀和真空泵相连，用于将混合罐抽真空处理。所述反应罐上设置有第二压力传感器、第二温度传感器、取样阀和第二抽空阀，所述取样阀用于从反应罐中取样，所述第二抽空阀和真空泵相连，用于将反应罐抽真空处理。

反应容器被分成了混合罐和反应罐，其中专门设置的混合罐的主要作用是使得系统在反应前将含氘水与H₂充分混合，使反应原料充分混合后再进入到反应罐中和催化剂接触，避免原料混合不充分的时候催化剂的作用，提高研究的精确度。

其中，所述取样阀管道与色谱检测设备相连，用于直接取样检测分析。优选的，所述的色谱检测设备是微色谱检测设备。

进一步，所述真空泵和抽空阀之间还设置有真空规。设置真空规控制真空度，防止真空度未达到标准要求时外部的气体倒灌到反应容器或者外部的气体对于检测分析造成干扰，有利于提高检测的精准度。

进一步，优选所述真空泵是能够达到50Pa以下的绝对真空度的真空泵。使用高真空级别的真空泵，更加有效的抽空反应容器中的杂质成分，并达到S2优选要求达到的50Pa以下的绝对真空度。

进一步，在步骤（4）中所述的温度控制装置是油浴装置。上述装置系统中的恒温槽与油浴装置相连，利用油浴装置提供的油液，实现恒温槽的温度稳定控制，达到步骤（4）中的反应容器系统温度控制目的。优选的，油浴装置能够实现±0.5℃的温度误差控制。

进一步，上述装置系统中，在取样阀和色谱检测设备之间设置有干燥器。配合实现步骤（5）中精确检测到要求。干燥器可以在氢气进入色谱检测设备前，去除气体中含有的水蒸气等杂质，提高色谱的检测结果准确性。

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。本发明中未特别说明的百分比一般应该理解为重量百分比。

实施例1

如图1所示的VPCE静态性能测试装置系统，包括恒温槽1和设置在恒温槽1内的混合罐2和反应罐3，混合罐2和反应罐3之间设置有连通阀4，能够实现混合罐2和反应罐4的连通与关闭隔离。将待检测分析的亲水性的催化剂放置于反应罐中，并密闭。打开第一抽空阀63、第二抽空阀66及连通阀4，对整个系统进行抽真空。然后真空流洗：从氢气罐5向混合罐2中通入99.9%的纯氢气，然后再抽真空，再通氢气，重复3次完成流洗。最后将整个系统抽空至50Pa以下（绝对大气压），关闭第一抽空阀63、第二抽空阀66及连通阀4。之后打开注氢阀，向混合罐中注入定量的99.99%以上的纯氢，然后关闭注氢阀。打开注液阀，向混合罐中注入定量的含氘水（HDO），关闭注液阀。开启油浴装置，对混合罐2和反应罐3加热，使恒温槽保持在指定温度（实验温度）。在所述的混合罐2上还设置有第一压力传感器P1、第一温度传感器T1，在所述反应罐3上设置有第二压力传感器P2、第二温度传感器T2。观察反应容器的压力和温度，包括第一压力传感器P1、第二压力传感器P2，温度传感器T1、T2的值，当温度、压力到达指定要求，打开连通阀4。当第一压力传感器P1和第二压力传感器P2的值相等的时候，即P1=P2，关闭连通阀4，使混合罐2和反应罐3隔断独立开来。反应罐中水蒸气、氢气在亲水催化剂作用下进行反应。所述的反应罐3的取样阀65连接到干燥器10上，经过干燥器10再连接到色谱检测设备9上，每间隔一定时间，打开取样阀65，利用微色谱9进行在线测量。反应完毕后，停止采样，关闭油浴装置7，打开排气阀64、连通阀4将废气排出。以上即本发明的VPCE静态性能测试方法结合图1所示的装置系统进行相应的测试的过程，可以记录下满足实验需要的数据。

具体的实验实施过程如下：将待检测分析的催化剂放置于反应罐中，并密闭。反应罐和混合罐通过一个阀门相互连通，开启阀门，向反应容器（反应罐和混合罐）通入氢气，然后抽真空，重复通入氢气和抽真空以完全4次空流洗，并在完成真空流洗后抽真空使反应容器内部绝对气压小于50Pa。

然后，关闭混合罐和反应罐之间的阀门，使混合罐和反应罐相互隔断，向混合罐中通入纯度99.9%纯氢，注入含氘水。加料完成后，调整温度控制装置，使得反应容器的温度达到预设的温度值。监测混合罐、反应罐的压力传感器、温度传感器。当两者的温度、压力达到预设的要求，打开阀门，使混合罐和反应罐相互连通，让混合罐中混合好的反应原料流入反应罐中。在反应罐中，含氘水蒸气和氢气在亲水催化剂作用下进行反应。每隔一段时间，经过反应罐上的取样阀，从反应罐中取样，用色谱仪器检测分析，记录实时数据。

实施例2

同样的使用图1所示的装置系统，并采用与实施例1相类似的方法进行在线样品测试分析：将制备好的亲水催化剂放置于反应罐中，并密闭。打开抽空阀1、抽空阀2及连通阀，对整个系统进行抽空流洗，一般进行抽空流洗3次，每次向系统内充入纯度为99.9%以上的纯氢，最终将整个系统抽空至50Pa以下。关闭抽空阀1、抽空阀2及连通阀。打开注氢阀，向混合罐中注入定量的99.99%以上的纯氢，之后关闭注氢阀。打开注液阀，向混合罐中注入定量的含氘水（HDO），关闭注氢阀。开启油浴装置，使恒温罐保持在指定温度。观察压力传感器P1、P2，温度传感器T1、T2的值，当温度、压力到达指定要求，打开连通阀。观察压力传感器P1、P2值，使得P1=P2，关闭连通阀。使反应罐中水蒸气、氢气在亲水催化剂作用下进行反应。每间隔一定时间，打开取样阀，利用微色谱进行在线测量。反应完毕，停止采样，关闭油浴装置，打开排气阀、连通阀将废气排出。

利用Agilent Technologies 490 Micro-GC微色谱进行氘浓度的分析，并通过RS232通讯接口与上位机软件进行通讯，利用微色谱自带软件得到分析结果，实现在线样品分析，同时相应的采集数据结果进行统计分析；系统采集数据包括温度采集、压力采集等。

通过采用Agilent 34970A采集系统的温度、压力信息，并通过RS232通讯接口与上位机进行通讯。系统使用Labview制作上位机数据采集记录界面，该软件平台界面开发简单容易，通讯接口不用从底层开发，非常适合作为本系统的上位机软件。

进一步，装置系统中的阀门是针阀。系统中的阀门包括连通阀、第二抽空阀、取样阀、注液阀、第一抽空阀等，系统中涉及的阀门主要是手动针阀。其主要作用的注氢、注氘水、抽真空、取样、排气、连通反应罐和混合罐等。

进一步，所述传感器（包括：第一压力传感器、第一温度传感器、第二压力传感器、第二温度传感器）主要用于收集反应的状态信息。系统涉及到的压力、温度测量均选择用压力传感器、温度传感器，以便于进行数据采集和分析。压力传感器用于测量反应罐和混合罐中的压力。温度传感器用于测量反应罐和混合罐中的温度。

实施例3

采用与实施例1相同的VPCE静态性能测试方法研究分析重水溶液在装置系统中的反应情况。

首先，测试系统的静平衡

静平衡试验是测量在催化剂的作用下及在一定温度和压力下，含氘水与氢气充分反应达到平衡后，氢气中氘含量，并具体试验记录的参数结果。具体的测试分析过程包括如下流程：1）温度、压力、进料比（含氘水与氢气物质量之比）一定，采用不同催化剂时，氢气中氘含量；2）催化剂、温度、进料比一定，采用不同反应压力时，氢气中氘含量。3）催化剂、压力、进料比一定，采用不同反应温度时，氢气中氘含量。4）催化剂、温度、压力一定，采用不同进料比时，氢气中氘含量。根据上述的1-3项测试分析可以确定某一个特定的催化剂成分是否具有一定的催化效果，具体的在某一温度、压力情况下的反应转化率等实际表现。

其次，测试系统的动平衡

动平衡试验是测量在催化剂的作用下及在一定温度和压力下，含氘水与氢气刚开始反应到反应平衡阶段，不同时刻氢气中氘含量，并具体试验记录的参数结果。具体的测试分析过程包括如下流程：1）温度、压力、进料比（含氘水与氢气物质量之比）一定，采用不同催化剂时，每隔一段时间的氢气中氘含量；2）催化剂、温度、进料比一定，采用不同反应压力时，每隔一段时间的氢气中氘含量；3）催化剂、压力、进料比一定，采用不同反应温度时，每隔一段时间的氢气中氘含量；4）催化剂、温度、压力一定，采用不同进料比时，每隔一段时间的氢气中氘含量。根据上述的1-4项测试分析可以确定某一个状态下的催化转化的情况，特别是实际应用的过程中，催化剂最接近的实际表现水平。

Claims (8)

1.一种VPCE静态性能测试方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、将待检测分析的催化剂放置于反应罐中，并密闭；

S2、将反应容器抽真空流洗数次，然后将反应容器抽真空；所述反应容器是指：相互连通的混合罐和反应罐，在混合罐和反应罐之间设置有阀门，可以实现两者的连通与隔断；

S3、使混合罐和反应罐相互隔断，形成独立空间；向混合罐中通入纯氢，并向混合罐中注入含氘水；

S4、调整温度控制装置，使得反应容器的温度达到预设的温度值；监测混合罐、反应罐的压力传感器、温度传感器；

当两者的温度、压力达到预设的要求，使混合罐和反应罐相互连通，让混合罐中混合好的反应原料流入反应罐中；

在反应罐中，含氘水蒸气和氢气在亲水催化剂作用下进行反应；

S5、采样检测：每隔一段时间，从反应罐中取样，先经过干燥器干燥处理，再进行检测分析。

2.如权利要求1所述VPCE静态性能测试方法，其特征在于，所述方法还包括S6、反应完毕，停止采样，排空反应容器，将反应产物无害化处理。

3.如权利要求1所述VPCE静态性能测试方法，其特征在于， S2中，所述的抽真空流洗次数为1-5次。

4.如权利要求3所述VPCE静态性能测试方法，其特征在于，所述的抽真空流洗次数为2-4次。

5.如权利要求1所述VPCE静态性能测试方法，其特征在于，所述的抽真空流洗是指：将反应容器抽真空，然后通入纯氢，并重复上述抽真空和通入氢气的步骤，每次抽真空后通入纯氢即为一次抽真空流洗。

6.如权利要求5所述VPCE静态性能测试方法，其特征在于，流洗过程中通入的氢气是纯度为99.99%以上的氢气。

7.如权利要求1所述VPCE静态性能测试方法，其特征在于，在S5中，在反应罐上设置有取样阀，取样阀与色谱检测设备相连，利用色谱检测设备进行在线测量。

8.如权利要求7所述VPCE静态性能测试方法，其特征在于，在S5中，所述色谱检测设备能够在线测量反应过程中及反应达到平衡后，氢气中的氘含量。