CN205019966U - 一种基于催化反应和膜分离级联的氢同位素高效回收装置 - Google Patents

一种基于催化反应和膜分离级联的氢同位素高效回收装置 Download PDF

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韩军
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Abstract

本实用新型公开了一种基于催化反应和膜分离级联的氢同位素高效回收装置，目的在于解决现有的膜反应器进行氢同位素回收时，原料中较多的杂质气体会导致钯基膜渗氢速率降低，其最佳使用温度难以与催化反应速率兼顾的问题。该装置包括原料气、固定床反应器、钯膜氢气分离装置、储气罐、增压泵等。本实用新型采用催化反应与膜分离非原位集成的模式，能够有效提高钯膜的利用率，降低杂质气体对钯膜的毒化作用，延长钯膜的使用寿命，同时能够有效提高氢同位素的回收率。此外，本实用新型还能形成闭路循环，可获得较高的氢同位素回收效率。本实用新型设计合理，适应性强，能够满足氢同位素的回收需求，具有较高的回收率，对于实现聚变反应堆氘氚燃料循环、提高反应堆的经济性和安全性，具有重要的意义。

Description

一种基于催化反应和膜分离级联的氢同位素高效回收装置
技术领域
本实用新型涉及聚变反应堆领域，尤其是氘氚聚变燃料循环领域，具体为一种基于催化反应和膜分离级联的氢同位素高效回收装置。
背景技术
当前，随着化石燃料的短缺和环境污染的日益严重，聚变能源逐渐引起了人们的重视。在聚变能源的发展过程中，氘氚燃料循环是必须解决的工程技术问题，也是其实现商业应用的基础。由于聚变装置中氘氚的反应率很低，致使大量未反应的氘氚存在于排灰气中，从安全、环保及经济角度出发，必须对排灰气进行处理，回收其中的氘氚燃料，提高氘氚燃料的利用率，避免其对环境的污染。
聚变反应堆排灰气中的氘氚主要以Q2（单质态）、碳氢化合物和水（化合态）的形式存在。其中，Q2是指由氢元素的三种同位素组成的单质，即H2、HD、HT、D2、DT、T2。单质态氘氚的回收相对简单，采用钯基膜即可对其进行分离；而化合态氘氚的回收则较为复杂，需要先通过催化反应将其转化为单质态Q2，再由钯基膜选择性分离。由于氚有放射性且价格昂贵，因此，在该分离过程中，对于氢同位素的回收率要求很高（99.9999%以上），采用普通的途径很难实现。
若将催化反应和膜分离进行集成，则可使反应突破平衡转化率的限制，大大提高反应的转化率及氢同位素的回收率。目前，催化反应和膜分离的集成主要采用原位集成的方式，即采用膜反应器。
在工业制氢领域（如甲烷、甲醇裂解制氢、水煤气变换制氢等领域），膜反应器已获得了应用。在氘氚燃料循环系统中，德国TritiumLaboratoryofKarlsruhe（TLK）的研究人员采用膜反应器作为聚变堆等离子体排灰气处理系统的第三单元（称为“PERMCAT”单元），其能够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，提高对氘氚的回收率及去污因子。PERMCAT的基本原理如图1所示。该单元进行氢同位素交换反应的过程如下：H2分子从膜管内侧渗透到外侧，在催化剂作用下，其与逆流的CQ4、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。
膜反应器集成模式能够将产物Q2原位分离出反应体系，其不仅可以使化学平衡向生成产物氢的方向进行，又能通过降低流速的方式，延长反应物与催化剂接触的时间，有利于反应的进一步发生，因而能够获得很高的转化效率。
然而，膜反应器也存在如下缺点：（1）原料中较多的杂质气体会与Pd膜接触，降低其渗氢速率，甚至造成Pd的中毒；（2）反应器入口附近的Q2浓度较低，渗透驱动力较小，导致钯基膜分离氢的效率降低；（3）由于甲烷裂解、水汽重整等反应一般在高于钯基膜最佳使用温度条件下，才会有较高的反应速率，导致催化反应速率与钯基膜的使用温度两者难以完美兼顾。
因此，迫切需要一种新的装置以解决上述问题。
实用新型内容
本实用新型的发明目的在于：针对现有的膜反应器进行氢同位素回收时，原料中较多的杂质气体会使钯基膜渗氢速率及分离效率降低，其最佳使用温度难以与催化反应速率兼顾的问题，提供一种基于催化反应和膜分离级联的氢同位素高效回收装置。本实用新型采用催化反应与膜分离非原位集成的模式，能够有效提高钯膜的利用率，降低杂质气体对钯膜的毒化作用，延长钯膜的使用寿命，同时能够有效提高氢同位素的回收率。此外，本实用新型还能形成闭路循环，可获得较高的氢同位素回收效率。本实用新型设计合理，适应性强，能够满足氢同位素的回收需求，具有较高的回收率，对于实现聚变反应堆氘氚燃料循环、提高反应堆的经济性和安全性，具有重要的意义。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种基于催化反应和膜分离级联的氢同位素高效回收装置，包括原料气、用于催化反应的固定床反应器、钯膜氢气分离装置、第一储气罐、第二储气罐、第一增压器，所述原料气通过管道与固定床反应器相连，所述固定床反应器、第一储气罐、第一增压器、第二储气罐、钯膜氢气分离装置通过管道依次相连，所述第二储气罐与钯膜氢气分离装置相连的管道上设置有流量调节阀。
所述固定床反应器的反应产物能通过管道进入第一储气罐中，所述第一储气罐内的反应产物能经第一增压器增压后进入第二储气罐中，所述第二储气罐内的反应产物能进入钯膜氢气分离装置中进行分离。
还包括用于监测氢气含量的氢气泄漏报警装置。
还包括压力计，所述压力计分别与第一储气罐、第二储气罐相连，所述压力计能分别显示第一储气罐、第二储气罐内的压力。
还包括压力报警装置，所述压力报警装置分别与第一储气罐、第二储气罐相连。
还包括排压装置、与排压装置相连的控制系统，所述排压装置分别设置在第一储气罐、第二储气罐上，所述排压装置能在第一储气罐、第二储气罐的压力超过设定值时排气。
所述原料气与固定床反应器相连的管道上分别设置有减压阀、截止阀。
还包括第三储气罐、第四储气罐、第二增压器，所述钯膜氢气分离装置、第三储气罐、第二增压器、第四储气罐、固定床反应器通过管道依次相连。
所述第三储气罐和第四储气罐上均分别设置有压力计、排压装置。
所述第四储气罐与固定床反应器相连的管道上分别设置有减压阀、截止阀。
针对前述问题，本实用新型提供一种基于催化反应和膜分离级联的氢同位素高效回收装置。该装置包括原料气、用于催化反应的固定床反应器、钯膜氢气分离装置、第一储气罐、第二储气罐、第一增压器，原料气通过管道与固定床反应器相连，从而使固定床反应器的反应产物能通过管道进入第一储气罐中；固定床反应器、第一储气罐、第一增压器、第二储气罐、钯膜氢气分离装置通过管道依次相连，使第一储气罐内的反应产物能经第一增压器增压后进入第二储气罐中，第二储气罐内的反应产物能进入钯膜氢气分离装置中进行分离；第二储气罐与钯膜氢气分离装置相连的管道上设置有流量调节阀，通过流量调节阀能够调节进入钯膜氢气分离装置的气体流量进行调节。
本实用新型中，固定床反应器为催化反应的场所，能够为甲烷裂解、水汽重整、氢同位素交换等反应提供合适的温度、压力、催化剂等条件，从而将化合态氢同位素转化为单质态。钯膜氢气分离装置则能够将单质态氢同位素与其它杂质气体分离，获得高纯的氢同位素单质（渗透气）。
进一步，还包括氢气泄漏报警装置，通过该装置能够实时监测系统周围的氢气含量，确保系统的安全性。还包括压力报警装置，压力报警装置分别与第一储气罐、第二储气罐相连，通过压力报警装置能够监测储气罐内的气体压力。还包括排压装置、与排压装置相连的控制系统，当压力高于0.7MPa时，发出声光报警，并及时排出罐内气体，避免超压情况的发生。
进一步，还包括第三储气罐、第四储气罐、第二增压器，钯膜氢气分离装置、第三储气罐、第二增压器、第四储气罐、固定床反应器通过管道依次相连。
为了在高效回收氢同位素的同时，提高钯膜的利用率，降低杂质气体对钯膜的毒化作用，本实用新型采用将固定床反应器与钯膜氢气分离装置的非原位集成，即催化反应与膜分离级联，先将甲烷裂解、水汽重整等催化反应的反应产物引入Pd/Ag膜分离器（即钯膜氢气分离装置），分离回收其中的单质态氢同位素，以促进正反应的进行，提高化合态氢同位素的转化率。同时，钯膜氢气分离装置的尾气中若仍有较高含量的氢同位素，还可经第三储气罐、第四储气罐、第二增压器组成的回收系统，将尾气返回到固定床反应器中再次反应，如此形成闭路循环，可获得较高的氢同位素回收效率。
本实用新型中，原料中的碳氢化合物、水等杂质经催化反应后，大多数被转化为Q2，得到反应产物，反应产物进入第一储气罐中，再将第一储气罐的反应产物通过第一增压器进行增压，增压后的反应产物通入钯膜氢气分离装置进行分离。采用本实用新型在实现催化反应与膜分离级联的同时，能够将钯膜氢气分离装置接触到原料气中氢单质的初始浓度升高，增大氢单质渗透的驱动力，大幅提高单位膜面积的渗氢效率及膜的利用率。并且，本实用新型的固定床反应器能够对原料气充分反应，从而将对钯基膜性能有不利影响的杂质气体含量降低，减弱对钯基膜的毒化作用，有效延长钯膜氢气分离装置中钯基膜的使用寿命。另外，采用本实用新型的方式，设计催化反应时，能不考虑反应温度对钯基膜稳定性与使用寿命的影响，降低系统的设计难度，提高装置的适应性。
综上，与膜反应器集成模式相比，本实用新型能够降低装置的设计难度，具有较强的实用性，且能增加单位膜面积的渗氢效率，提高钯膜的利用率，延长其使用寿命。
附图说明
图1为现有PERMCAT（催化膜反应器）的基本原理示意图。
图2为本实用新型的结构示意图。
图中标记：1为原料气，2为固定床反应器，3为钯膜氢气分离装置，4为第一储气罐，5为第二储气罐，6为第一增压器，7为压力计，8为第三储气罐，9为第四储气罐，10为第二增压器。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例1
如图所示，该装置包括原料气、用于催化反应的固定床反应器、钯膜氢气分离装置、第一储气罐、第二储气罐、第一增压器、第三储气罐、第四储气罐、第二增压器，原料气通过管道与固定床反应器相连，固定床反应器、第一储气罐、第一增压器、第二储气罐、钯膜氢气分离装置通过管道依次相连，钯膜氢气分离装置、第三储气罐、第二增压器、第四储气罐、固定床反应器通过管道依次相连，第二储气罐与钯膜氢气分离装置相连的管道上设置有流量调节阀。原料气与固定床反应器相连的管道上、第四储气罐与固定床反应器相连的管道上分别设置有减压阀、截止阀。固定床反应器的反应产物能通过管道进入第一储气罐中，第一储气罐内的反应产物能经第一增压器增压后进入第二储气罐中，第二储气罐内的反应产物能进入钯膜氢气分离装置中进行分离。钯膜氢气分离装置分离的尾气能经依次经第三储气罐、第二增压器、第四储气罐通过管道返回至固定床反应器中。
进一步，该装置还包括用于监测氢气含量的氢气泄漏报警装置、压力报警装置、压力计、排压装置、与排压装置相连的控制系统，压力报警装置分别与第一储气罐、第二储气罐、第三储气罐、第四储气罐相连。压力计、排压装置分别为若干个，压力计、排压装置分别设置在第一储气罐、第二储气罐、第三储气罐、第四储气罐上。
本实用新型启动时，原料气经管道进入固定床反应器中，并在催化剂作用下发生反应，反应产物经管道进入第一储气罐中。然后，启动第一增压器，将第一储气罐内的反应气体送入第二储气罐中，压力计能够显示第一储气罐、第二储气罐的压力。再将第二储气罐内加压的反应气体送入钯膜氢气分离装置中，通过第二储气罐与钯膜氢气分离装置相连管道上的流量调节阀能够调节气体流量，从而控制反应的速率。从钯膜氢气分离装置分离出的渗透气体（高纯Q2）被回收，若尾气中Q含量较低，则可直接排放；若Q含量较高，则通过回收系统返回至固定床反应器中再次进行反应。即尾气进入第三储气罐中，并通过第二增压器增压后，进入第四储气罐，第四储气罐内增压后的尾气经其与固定床反应器相连的管道，返回至固定床反应器再次进行催化反应，以形成闭路循环。
以甲烷裂解为例。
原料气为CH4，固定床反应器中装填NiCu/SiO2催化剂，反应温度为800℃，经一次裂解反应，甲烷转化率约为25%，得到反应产物，反应产物中CH4和H2的含量分别为60%和40%（体积分数）。反应产物依次经第一储气罐、第一增压器、第二储气罐到达膜分离器（工作温度为400℃），膜分离的渗透气为纯度高于99.9%的H2（直接回收利用），尾气中则含有大量未反应的CH4和少量H2，其含量分别为95%和5%（体积分数）。尾气依次经第三储气罐、第二增压器、第四储气罐进入固定床反应器再次反应，产物中CH4和H2的含量分别为57.6%和42.4%（体积分数），再依次经第一储气罐、第一增压器、第二储气罐到达膜分离器，渗透气为可直接回收的高纯H2，尾气中含有未反应的CH4和少量H2，再次回到固定床反应器。如此循环五次后，CH4中氢元素的转化回收率超过90%。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于催化反应和膜分离级联的氢同位素高效回收装置，其特征在于，包括原料气、用于催化反应的固定床反应器、钯膜氢气分离装置、第一储气罐、第二储气罐、第一增压器，所述原料气通过管道与固定床反应器相连，所述固定床反应器、第一储气罐、第一增压器、第二储气罐、钯膜氢气分离装置通过管道依次相连，所述第二储气罐与钯膜氢气分离装置相连的管道上设置有流量调节阀。
2.根据权利要求1所述基于催化反应和膜分离级联的氢同位素高效回收装置，其特征在于，还包括用于监测氢气含量的氢气泄漏报警装置。
3.根据权利要求1所述基于催化反应和膜分离级联的氢同位素高效回收装置，其特征在于，还包括压力计，所述压力计分别与第一储气罐、第二储气罐相连，所述压力计能分别显示第一储气罐、第二储气罐内的压力。
4.根据权利要求1所述基于催化反应和膜分离级联的氢同位素高效回收装置，其特征在于，还包括压力报警装置，所述压力报警装置分别与第一储气罐、第二储气罐相连。
5.根据权利要求1所述基于催化反应和膜分离级联的氢同位素高效回收装置，其特征在于，还包括排压装置、与排压装置相连的控制系统，所述排压装置分别设置在第一储气罐、第二储气罐上，所述排压装置能在第一储气罐、第二储气罐的压力超过设定值时排气。
6.根据权利要求1所述基于催化反应和膜分离级联的氢同位素高效回收装置，其特征在于，所述原料气与固定床反应器相连的管道上分别设置有减压阀、截止阀。
7.根据权利要求1-6任一项所述基于催化反应和膜分离级联的氢同位素高效回收装置，其特征在于，还包括第三储气罐、第四储气罐、第二增压器，所述钯膜氢气分离装置、第三储气罐、第二增压器、第四储气罐、固定床反应器通过管道依次相连。
8.根据权利要求7所述基于催化反应和膜分离级联的氢同位素高效回收装置，其特征在于，所述第三储气罐、第四储气罐上均分别设置有压力计、排压装置。
9.根据权利要求7所述基于催化反应和膜分离级联的氢同位素高效回收装置，其特征在于，所述第四储气罐与固定床反应器相连的管道上分别设置有减压阀、截止阀。
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