CN104147928A - 一种含氚氢同位素气体中氕的快速去除方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种含氚氢同位素气体中氕的快速去除方法，依次包括以下步骤：a、钯留滞法降氕装置的漏率检验，充He至1.5MPa，保压60min；b、净化前的预处理；c、净化处理；d、后处理。采用本发明的含氚氢同位素气体中氕的快速去除方法，能够获得低氕含量的含氚氢同位素气体。

Description

一种含氚氢同位素气体中氕的快速去除方法

技术领域

本发明属于氢同位素处理技术领域，具体涉及一种含氚氢同位素气体中氕的快速去除方法，本发明用于将氕含量高于1％氘氚气体中的氕进行高效、快速去除，以获得氕含量低于1％的氘氚气体。

背景技术

能源、经济和环境是当今人类社会可持续发展面临的三大问题，其中，能源是经济和环境可持续发展的基础。核裂变能是上世纪60年代出现的新兴能源，经过近半个多世纪的发展，目前已具有相当的规模。到20世纪末，全世界的装机容量已达到430GW，裂变能对总能源的贡献为7%。正如没有煤或天然气就不可能有传统发电厂的电力输出一样，没有完整的氘氚燃料循环也就不可能有聚变反应堆的电力输出。

对于氘-氚聚变堆而言，氘氚燃料中同样对氕的含量有严格限制，要求对排灰气进行降氕去杂质处理后方可注入环形室，实现氘氚燃料闭合循环。

迄今为止，国内外已发展了多种氢同位素分离方法，主要包括热扩散柱法（TD－Thermal Diffusion Column）、分步吸附法（FS－Fractional Sorption）、分批式低温分馏法（CS－Batch Cryogenic Still）等。其中CS法是目前公认的分离能力最大的氢同位素分离技术，但分离***体积较大，很难进行二次密封，运行控制要求高。FS法分离效率低，已被淘汰。TCAP(热循环吸附法)分离氢同位素的技术是美国氚工厂萨凡那河场地（SRS）于1980年发明，具有操作条件温和、分离纯度高、分离能力大等优点，不仅可以用于氢同位素气体的分离，也可用于含氚废气的净化、低浓度氚气的富集；若是多个TCAP单元级联，还可以直接分离三元氢同位素气体。

许多金属或金属间化合物(合金)能够与氢发生可逆的化合反应，形成金属氢化物。一个重要的特点是这些金属或合金在形成氢化物时具有同位素效应，而在讫今所知的金属-氢体系中，钯氢体系的氢同位素效应最强。

钯的氢化过程是，氢分子首先被钯表面吸附，随即离解成原子，钯表面吸附的原子氢能象溶质溶入溶剂那样溶入钯金属内部，形成所谓的固溶体，当溶入的氢不断增加时，会出现相变，形成氢化物相。其中的a相和β相是具有不同晶格参数的面心立方晶相。β相的形成与否，一与H/Pd原子比有关，二与温度有关。在一定温度下，只有H/Pd原子比达到一定值以后才会出现β相，而温度越低，出现相变的比值也越小。当由a相向β相转化时，总的H/Pd原子比在改变，但气相压强却基本不变，从而形成一个压力坪区。

与氢不同，氘氚在溶入钯中后，由于原子质量的不同，在晶格中所处能态（基态）也不同，其中氚的基态能级最高，其次是氘，氢最低。能态的不同使得反应的宏观效果也不同：在反应热方面，氢化时释放的热量最多，氚化时最少；在吸/放氢等温线方面，氚的压力最高，氢最低。钯-氢体系的上述特点即为它的氢同位素效应。

钯-氢体系的同位素效应还表现在钯的选择性吸附和释放倾向上。钯优先吸附的是氢，其次是氘，再次是氚，另一方面，在解吸时优先释出的是氚，其次是氘，再次才是氢。钯-氢体系的氢同位素效应是随温度而变化的，温度越高，同位素效应越小，温度越低同位素效应越大。比如，温度较低时，平台压力的相对差别很大，而升高温度将减小这种差别，即在β相时，分离因子随着温度升高以指数函数下降，此结论为留滞法降氕装置的建立提供了理论基础。

当氢同位素气体混合物被钯吸收时，钯的吸氢速率不但比氘氚快，而且吸收的容量也稍大些，结果，吸附平衡时在气相中的重氢丰度比原来的高，而吸附在固相中的重氢丰度则比原来的低。这意味着重氢（氘氚）在气相中得到浓缩，而轻氢（氕）在固相中得到富集，也就是同位素间获得了一定程度的分离。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种含氚氢同位素气体中氕的快速去除方法。

本发明的一种含氚氢同位素气体中氕的快速去除方法，依次包括以下步骤：a、钯留滞法降氕装置的漏率检验，充He至1.5MPa，保压60min；b、净化前的预处理；c、净化处理；d、后处理。

步骤a中的漏率检验的漏率值小于1.0×10^－9.Pa.m³.s^-1。

步骤b中的降氕前的预处理包括下列步骤：

（1）将钯留滞法降氕装置加热至550℃；

（2）用真空泵将降氕装置抽空至4Pa以下并维持60min；

（3）让降氕装置自然冷却至室温并关闭装置的各种工艺阀门。

步骤c中的降氕处理包括下列步骤：

（1）打开降氕装置的原料气入口端阀门和产品气接收端阀门；

（2）在室温下，让含氚氢同位素气体从原料气入口端进入降氕装置；

（3）原料气入口端压力控制在0.2MPa-0.25MPa之间；

（4）产品气用贮氢床吸收；

（5）降氕处理完毕后，关闭贮氢床阀门并打开贮氢床阀门；

（6）加热降氕装置至550℃，留滞在降氕装置中的解吸气体用接收贮氢床；

（7）解吸完毕后，关闭贮氢床阀门。

步骤d中的降氕处理包括下列步骤：

（1）在550℃的恒温条件下，将降氕装置抽空至4Pa以下并维持60min；

（2）自然冷却至室温并关闭降氕装置的各种工艺阀门。

本发明的有益效果是缩短了氘氚中氕的去除周期，简化了氕的去除工艺，降低了装置的运行温度，减少了氚的高温渗透和环境释放，降低了氘氚气体中氕的去除成本，容易实现大规模的氘氚气体的降氕处理，确定的降氕工艺参数可以有效地将氘氚气体中的氕含量降低至1％以下。

具体实施方式

本发明的含氚氢同位素气体中氕的快速去除方法采用钯留滞法，该方法所用装置的主体设置有螺旋状的钯钇合金螺旋管。其工艺***主要由钯留滞分离柱、循环罐、压力传感器、阀门、真空规、气体循环转移泵、真空泵、产品接收床、尾气接收床及数据采集***等构成。整个工艺***在使用前须经氦质谱检漏，漏率小于1.0′10^-9Pa.m³.s^-1。钯留滞分离柱主要用于氘氚气体中少量氕的降低处理；循环罐主要用于降氕处理过程中处理气量的定量标定；压力传感器主要用于降氕处理过程中工作压力显示与控制；阀门主要对工艺***进行控制；真空规主要用于工艺***真空度的监测；气体循环转移泵主要用于降氕过程中气体的转移与增压；真空泵主要用于工艺***的抽空处理；数据采集***主要用于降氕过程中数据的实时采集。

本发明的含氚氢同位素气体中氕的快速去除方法，依次包括如下步骤：

1）、钯留滞法降氕装置的设计与加工

钯留滞法降氕装置的主体是三个级联的钯留滞分离钯柱，每个钯留滞分离钯柱由不锈钢管焊制而成，均用钯石棉和纯钯粉分层填装，装填时尽可能使各层与实际柱长接近。每根柱的两个埠均焊有烧结不锈钢过滤片，以防止钯粉末进入管路***。此装置的最大耐压强度为1.5MPa。包括1个原料气进口、1个产品气出口、循环罐、循环泵、真空泵、产品气接收床、尾气接收床。

2）钯留滞法降氕装置的漏率检验

为将制作好的钯留滞法降氕装置接入检漏工装，充He至1.5MPa后并保压60min，漏率小于1.0×10^－9.Pa.m³.s^-1。

3）钯留滞法降氕装置降氕前的预处理

将钯留滞法降氕装置加热至550℃，用真空泵将降氕装置抽空至4Pa以下并维持60min后，让降氕装置自然冷却至室温并关闭装置的各种工艺阀门，备用。

4）钯留滞法降氕装置对氘氚气体中少量氕的快速处理

在室温下，将缓冲罐中的氘氚气体从钯留滞法降氕装置的原料气入口端进入降氕装置，产品气接收端用预先活化好的贮氢床进行吸收，待产品气中氕接近1％时，关闭产品气接收床阀门，加热降氕装置至550℃，让滞留在降氕装置中氕含量被富集的氘氚气体（尾气）解吸出来并用另外的接收床接收，为了确保降氕装置有较高的驱动力，必须采用气体循环增压装置以维持相对恒定的气体驱动力。

在原料气中氕含量高于2％时，当初始处理气量为100L时，降氕处理6h后，产品气中的氕含量为0.88％，产品气为54L，即产品气提取率为54％；而当初始处理气量为75L时，净化6h后，产品气中氕含量为0.75％，产品气为49L，即产品气提取率为65％。结果显示，在室温下，该方法对氘氚气体中少量氕有快速、高效的降低效果，产品气中的氕含量小于1％。在相同的处理时间内，本发明获得的降氕处理装置的处理规模较现国际上通用的钯热置换分离装置提升了约7倍，降氕处理温度温度由550℃降低至室温，大大地提高装置运行的安全性、降低了氚的高温渗透与环境释放。

5）钯留滞法降氕装置的后处理

在对氘氚气体中少量氕进行快速去除后，在500℃的恒温条件下，用真空泵将降氕装置抽空至4Pa以下并维持60min后，让降氕装置自然冷却至室温并关闭装置的各种工艺阀门。

工艺过程主要技术条件：

（1）检漏介质：He-4气体，纯度：大于99.999％。

（2）检漏压力：1.5MPa（绝压）。

（3）预处理：加热至550℃，抽空至4Pa以下并保持60min。

（4）钯留滞法降氕装置对氘氚气体中少量氕的快速处理：工作温度为室温，气体驱动力不低于0.2MPa（绝压）。

（5）钯留滞法降氕装置的后处理：在550℃下抽空至4Pa以下并维持60min。

氢同位素净化装置的净化效果：

在使用本发明中保压检漏工艺后，确保了该装置在使用过程中的安全性；钯留滞法降氕装置降氕前的预处理工艺，能有效地去除微量水分、氧、氮及表面吸附物等，确保后续氘氚气体的降氕处理过程中避免装置中毒而降低降氕处理效率；获得的降氕处理工艺参数能将氕含量高于2％的氘氚原料气中的氕快速、高效地降低至1％以下；获得的降氕处理装置的处理规模较现国际上通用的钯热置换分离装置提升了约7倍，降氕处理温度温度由550℃降低至室温，大大地提高装置运行的安全性、降低了氚的高温渗透与环境释放。

Claims (5)

1.一种含氚氢同位素气体中氕的快速去除方法，依次包括以下步骤：a、钯留滞法降氕装置的漏率检验，充He至1.5MPa，保压60min；b、净化前的预处理；c、净化处理；d、后处理。

2.根据权利要求1所述的含氚氢同位素气体中氕的快速去除方法，其特征在于：步骤a中的漏率检验的漏率值小于1.0×10^－9.Pa.m³.s^-1。

3.根据权利要求1的含氚氢同位素气体中氕的快速去除方法，其特征在于：步骤b中的降氕前的预处理包括下列步骤：

（1）将钯留滞法降氕装置加热至550℃；

（2）用真空泵将降氕装置抽空至4Pa以下并维持60min；

（3）让降氕装置自然冷却至室温并关闭装置的各种工艺阀门。

4.根据权利要求1的含氚氢同位素气体中氕的快速去除方法，其特征在于：步骤c中的降氕处理包括下列步骤：

（1）打开降氕装置的原料气入口端阀门和产品气接收端阀门；

（2）在室温下，让含氚氢同位素气体从原料气入口端进入降氕装置；

（3）原料气入口端压力控制在0.2MPa-0.25MPa之间；

（4）产品气用贮氢床吸收；

（5）降氕处理完毕后，关闭贮氢床阀门并打开贮氢床阀门；

（6）加热降氕装置至550℃，留滞在降氕装置中的解吸气体用接收贮氢床；

（7）解吸完毕后，关闭贮氢床阀门。

5.根据权利要求1的含氚氢同位素气体中氕的快速去除方法，其特征在于：步骤d中的降氕处理包括下列步骤：

（1）在550℃的恒温条件下，将降氕装置抽空至4Pa以下并维持60min；

（2）自然冷却至室温并关闭降氕装置的各种工艺阀门。