CN107879312A - 一种用于氢同位素交换的波纹状膜反应器装置 - Google Patents

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    • C01B4/00—Hydrogen isotopes; Inorganic compounds thereof prepared by isotope exchange, e.g. NH3 + D2 → NH2D + HD

Abstract

本发明公开了一种用于氢同位素交换的波纹状膜反应器装置，所述的钯合金管右端通过法兰与外部套管连接，钯合金管左端连接有热电偶套管，通过机械焊接方式进行连接和密封；在所述的热电偶套管上方设有支管Ⅱ作为含氚杂质气Q2O的进口；在外部套管下方设有支管Ⅲ作为置换气H2入口；在外部套管上方设有支管Ⅳ作为产品气Q2的出口；钯合金管右端连接有支管I作为尾气H2O的出口。钯合金管内部装填催化剂作为催化交换反应区域，发生反应：                                              。本发明利用氢同位素交换反应将化合态的氘氚置换出来并加以回收，采用波纹状钯合金管比传统钯合金直管在相同外观尺寸下具备更大的表面积，确保了Q2的快速渗透以及操作稳定性，内部装填模式降低了催化剂装填难度，可以获得更高的去污因子，适用于聚变堆中排灰气含氚杂质气体处理等场合。

Description

一种用于氢同位素交换的波纹状膜反应器装置
技术领域
本发明属于聚变堆排灰气含氚杂质气体处理领域，具体涉及一种用于氢同位素交换的波纹状膜反应器装置。
背景技术
聚变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。针对化合态氚，国际上主要采用膜反应器来进行回收。其原理是：催化剂装填在钯合金管内侧，含氚杂质气体从管内侧流入反应器，H2从管外侧进入反应器内。H2渗透到钯合金管内侧后与含氚杂质气体在催化剂作用下发生同位素交换反应，得到的含氚Q2渗透到钯合金管外侧从产品气出口流出，去氚后的杂质气体从尾气出口排出，交换反应发生的程度通常用去污因子衡量。
由于钯吸收氢气后，会发生晶格膨胀，同时400℃以上的高温运行会使钯合金管明显热膨胀或变形。为了克服反复热冲击和氢气吸附解吸引起的钯膜形变，必须采用特殊的工艺设计。德国卡尔斯鲁厄理工学院采用了一端固定，另一端悬空的设计（手指状钯膜管）。该设计中，催化剂必须装填在钯膜管外侧，装填困难且装填量有限，因而去污因子较低。名称为“一种氢同位素交换膜反应组件”的中国专利（公开号：CN104129758B）采用了一种钯膜反应管一端固定，另一端焊接不锈钢波纹管的技术。该专利中，不锈钢管段不发生催化反应和渗透，同时钯膜反应管与外部套管直径相差较大，钯膜反应管渗透面积较小，不利于氢气的传质与渗透，催化剂外部装填模式不利于大量催化剂的装填，因而去污因子有限。
发明内容
为了克服已有技术中膜反应器不利于氢气的传质与渗透、催化剂装填困难且装填量较少、去污因子有限的不足，本发明提供一种用于氢同位素交换的波纹状膜反应器装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明的一种用于氢同位素交换的波纹状膜反应器装置，其特点是，所述的装置包括钯合金管、外部套管、法兰、热电偶套管、支管Ⅰ、支管Ⅱ、支管Ⅲ、支管Ⅳ。其中，钯合金管形状为波纹状，其连接关系是，在钯合金管的***设置有外部套管，法兰设置于外部套管内。所述的钯合金管的右端通过法兰与支管Ⅰ的一端连接，支管Ⅰ的另一端伸出外部套管并设置有尾气H2O出口。热电偶套管的一端穿过外部套管进入钯合金管的左端，热电偶套管的另一端位于外部套管外侧，热电偶置于热电偶套管内。热电偶套管的上方设置有支管Ⅱ，支管Ⅱ的一端与热电偶套管连接，支管Ⅱ的另一端设置有含氚杂质气Q2O入口。外部套管的下方设置有支管Ⅲ，支管Ⅲ的一端与外部套管连接，支管Ⅲ的另一端设置有置换气H2入口，用于置换杂质气中的氘氚。外部套管的上方设置有支管Ⅳ，支管Ⅳ的一端与外部套管连接，支管Ⅳ的另一端设置有产品气Q2的出口；钯合金管内部装填催化剂作为催化交换反应区域。
所述的钯合金管为钯银合金或钯钇合金，钯银合金的质量比为钯:银=77:23，钯钇合金的质量比为钯: 钇=93.4:6.6。
所述的钯合金管长度范围为250~550 mm，外径范围为2~6 mm，厚度范围为0.08~0.1 mm。
所述的催化剂为硅藻土负载的Ni、Pt、Pd中的一种。
本发明中，所述的催化反应温度为400 ℃，杂质气流量为10~100 mL/min，（H2/杂质气）流量比=1~3.3。
本发明的有益效果是：本发明可用于聚变堆排灰气中杂质气体的处理，波纹状钯合金管表面的波纹结构可以缓冲晶格膨胀和热膨胀引起的钯合金管延伸或变形；同时波纹结构使钯合金管比传统结构在相同外尺寸下具备更大的表面积，确保了Q2的快速渗透以及操作稳定性；催化剂的内部装填模式降低了催化剂的装填难度，增大了催化剂的装填量，有利于提高去污因子。
附图说明
图1为本发明的用于氢同位素交换的波纹状膜反应器装置结构示意图；
图中，1.钯合金管 2.外部套管 3.法兰 4.热电偶套管 5.支管Ⅰ 6.支管Ⅱ 7.支管Ⅲ 8.支管Ⅳ。
具体实施方式
实施例1
图1为本发明的用于氢同位素交换的波纹状膜反应器装置结构示意图，在图1中，本发明的用于氢同位素交换的波纹状膜反应器装置，包括钯合金管1、外部套管2、法兰3、热电偶套管4、支管Ⅰ6、支管Ⅱ7、支管Ⅲ8、支管Ⅳ9。其中，钯合金管1形状为波纹状，其连接关系是，在钯合金管1的***设置有外部套管2，法兰3设置于外部套管2内。所述的钯合金管1的右端通过法兰3与支管Ⅰ6的一端连接，支管Ⅰ6的另一端伸出外部套管2并设置有尾气H2O出口。热电偶套管4的一端穿过外部套管2进入钯合金管1的左端，热电偶套管4的另一端位于外部套管2外侧，热电偶置于热电偶套管4内。热电偶套管4的上方设置有支管支管Ⅱ7，支管Ⅱ7的一端与热电偶套管4连接，支管支管Ⅱ7的另一端设置有含氚杂质气Q2O入口。外部套管2的下方设置有支管Ⅲ8，支管Ⅲ8的一端与外部套管2连接，支管Ⅲ8的另一端设置有置换气H2入口，用于置换杂质气中的氚。外部套管2的上方设置有支管Ⅳ9，支管Ⅳ9的一端与外部套管2连接，支管Ⅳ9的另一端设置有产品气Q2出口。钯合金管1内部装填催化剂作为催化交换反应区域。
所述的钯合金管1为钯银合金或钯钇合金，钯银合金的质量比为钯:银=77:23，钯钇合金的质量比为钯: 钇=93.4:6.6。
所述的钯合金管1长度范围为250~550 mm，外径范围为2~6 mm，，厚度范围为0.08~0.1 mm。
所述的催化剂为硅藻土负载的Ni、Pt、Pd中的一种。
本发明中，所述的催化反应温度为400 ℃，杂质气流量为10~100 mL/min，（H2/杂质气）流量比=1~3.3。
以D2O与H2的催化交换反应为例解释该装置的工作原理：
首先将催化剂装填在钯合金管内部；然后加热反应区域温度至400℃，采用载气He把气化的D2O从杂质气进口载带进入钯合金管内侧，从左向右流动；H2通过置换气进口进入到钯合金管与外部套管间的夹层，从右向左流动，渗透入钯合金管内侧与D2O发生同位素交换反应。这种逆向对流的模式保证了氢同位素的快速渗透。反应产生的D2渗透到钯合金管外侧从产品气出口流出，H2O从尾气出口流出。
已有技术中一般采用计算产品气的去污因子来定义膜反应器的性能，去污因子定义如下：
去污因子= 杂质气D2O浓度/产品气D2O浓度
本实施例及以下实施例中钯合金管材料为钯:银=77:23，所用催化剂为硅藻土负载的Ni催化剂，D2O的流量为15 mL/min，H2/杂质气 = 2，杂质气中He与D2O的进气量之比为1:1
本实施例中，钯合金管长度为250 mm，外径为2 mm，厚度为0.08 mm。
通过对杂质气和产品气中的D2O浓度分析并结合去污因子计算公式得到，波纹状膜反应器去污因子为12。
实施例2
本实施例与实施例1结构相同，不同之处是，钯合金管长度为400 mm，外径为4 mm，厚度为0.09 mm。
波纹状膜反应器去污因子为210。
实施例3
本实施例与实施例1结构相同，不同之处是，钯合金管长度为550 mm，外径为6 mm，厚度为0.1mm。
波纹状膜反应器去污因子为530。

Claims (4)

1.一种用于氢同位素交换的波纹状膜反应器装置，其特征在于，所述的装置包括钯合金管（1）、外部套管（2）、法兰（3）、热电偶套管（4）、支管Ⅰ（5）、支管Ⅱ（6）、支管Ⅲ（7）、支管Ⅳ（8）；其中，钯合金管（1）形状为波纹状，其连接关系是，在钯合金管（1）的***设置有外部套管（2），法兰（3）设置于外部套管（2）内；所述的钯合金管（1）的右端通过法兰（3）与支管Ⅰ（5）的一端连接，支管Ⅰ（5）的另一端伸出外部套管（2）并设置有尾气H2O出口；热电偶套管（4）的一端穿过外部套管（2）进入钯合金管（1）的左端，热电偶套管（4）的另一端位于外部套管（2）外侧，热电偶置于热电偶套管（4）内；热电偶套管（4）的上方设置有支管Ⅱ（6），支管Ⅱ（6）的一端与热电偶套管（4）连接，支管支管Ⅱ（6）的另一端设置有含氚杂质气Q2O入口；外部套管（2）的下方设置有支管Ⅲ（7），支管Ⅲ（7）的一端与外部套管（2）连接，支管Ⅲ（7）的另一端设置有置换气H2入口，用于置换杂质气中的氘氚；外部套管（2）的上方设置有支管Ⅳ（8），支管Ⅳ（8）的一端与外部套管（2）连接，支管Ⅳ（8）的另一端设置有产品气Q2的出口；钯合金管（1）内部装填催化剂作为催化交换反应区域。
2.根据权利要求1所述的一种用于氢同位素交换的波纹状膜反应器装置，其特征在于，所述的钯合金管（1）为钯银合金或钯钇合金，钯银合金的质量比为钯:银=77:23，钯钇合金的质量比为钯: 钇=93.4:6.6。
3.根据权利要求1所述的一种用于氢同位素交换的波纹状膜反应器装置，其特征在于，所述的钯合金管（1）长度范围为250~550 mm，外径范围为2~6 mm，厚度范围为0.08~0.1 mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于氢同位素交换的波纹状膜反应器装置，其特征在于，所述的催化剂为硅藻土负载的Ni、Pt、Pd中的一种。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112037958A (zh) * 2020-09-09 2020-12-04 中国工程物理研究院核物理与化学研究所 一种高浓氚水处理装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19918499A1 (de) * 1998-04-24 1999-10-28 Karlsruhe Forschzent Verwendung eines Rohres, das eine in Form eines Faltenbalges gewellte innere und äußere Oberfläche aufweist
CN1715179A (zh) * 2005-06-07 2006-01-04 四川材料与工艺研究所 氢同位素分离装置及方法
CN102985357A (zh) * 2010-06-16 2013-03-20 国家新技术、能源和可持续经济发展局(Enea) 用于处理含氚气体的膜反应器
CN104129758A (zh) * 2014-08-19 2014-11-05 中国工程物理研究院核物理与化学研究所 一种氢同位素交换膜反应组件
CN105233691A (zh) * 2015-09-14 2016-01-13 中国工程物理研究院核物理与化学研究所 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及回收方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19918499A1 (de) * 1998-04-24 1999-10-28 Karlsruhe Forschzent Verwendung eines Rohres, das eine in Form eines Faltenbalges gewellte innere und äußere Oberfläche aufweist
CN1715179A (zh) * 2005-06-07 2006-01-04 四川材料与工艺研究所 氢同位素分离装置及方法
CN102985357A (zh) * 2010-06-16 2013-03-20 国家新技术、能源和可持续经济发展局(Enea) 用于处理含氚气体的膜反应器
CN104129758A (zh) * 2014-08-19 2014-11-05 中国工程物理研究院核物理与化学研究所 一种氢同位素交换膜反应组件
CN105233691A (zh) * 2015-09-14 2016-01-13 中国工程物理研究院核物理与化学研究所 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及回收方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112037958A (zh) * 2020-09-09 2020-12-04 中国工程物理研究院核物理与化学研究所 一种高浓氚水处理装置
CN112037958B (zh) * 2020-09-09 2022-09-23 中国工程物理研究院核物理与化学研究所 一种高浓氚水处理装置

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