氫同位素催化交換過程影響因素研究

古 梅 劉 俊 羅陽明

（中國工程物理研究院核物理與化學研究所 綿陽 621900）

氫同位素催化交換過程影響因素研究

古 梅 劉 俊 羅陽明

（中國工程物理研究院核物理與化學研究所 綿陽 621900）

氫-水催化交換反應(yīng)是研究氫同位素分離的重要手段，對反應(yīng)過程中各影響因素的研究是氫同位素分離工作中的重要內(nèi)容。在自行設(shè)計的不銹鋼催化交換柱中，裝填一定體積比的疏水催化劑與親水填料，進行H-D體系氣液催化交換實驗。觀察反應(yīng)溫度、氣液摩爾比、不同原料水氘濃度對傳質(zhì)系數(shù)的影響，討論了氣體流速對床層壓力降的影響情況。結(jié)果表明，不同氣液比下，反應(yīng)溫度為45°C時傳質(zhì)系數(shù)最高。傳質(zhì)系數(shù)隨原料水氘濃度(5.05?20.1)×10?3增加而降低，傳質(zhì)系數(shù)在0.58?1.17和2.65?3.56隨著氣液摩爾比而增加，催化交換柱床層壓力降隨氣體流速而增加。研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)溫度、氣液摩爾比和氘濃度等因素均會影響氘的傳質(zhì)系數(shù)。

催化交換，疏水催化劑，傳質(zhì)系數(shù)，床層壓力降

氫-水液相催化交換是分離氫同位素的重要方法之一，該工藝在重水生產(chǎn)和重水升級、輕水或重水脫氚，以及熱核聚變堆凈化回收氚等方面有廣闊的應(yīng)用前景。加拿大、日本、印度、俄羅斯等[1?3]已建立了液相催化交換和聯(lián)合電解催化交換中試裝置進行含氚重水或輕水脫氚實驗研究。國內(nèi)對氫-水液相催化交換工藝的研究逐漸深入，劉俊[4]對催化交換床壓力降及液泛進行了研究，比較了不同填料的液泛及床層壓力降的變化；祁世綸[5]研究了并流反應(yīng)床中液相水氫同位素交換反應(yīng)；阮皓[6]研究了水-氫催化交換反應(yīng)過程中反應(yīng)溫度、氫氣流量、低濃重水流量等工藝條件對催化交換塔傳質(zhì)單元高度的影響和反應(yīng)溫度、氣液比對催化交換塔阻力降的影響；羅陽明等[7]完成了氘從氣相到液相的催化交換實驗，得到溫度、氣體流量、液體流量對氘轉(zhuǎn)化率的影響情況。然而，作為未來工程應(yīng)用，關(guān)于氘濃度變化對催化交換影響的報道較少，需要進一步研究。本文在自行設(shè)計的催化交換不銹鋼實驗裝置上，重點觀察了不同氘濃度對氣-液催化交換過程傳質(zhì)系數(shù)的影響，同時對較高氘濃度下反應(yīng)溫度、氣液摩爾比、進料濃度對傳質(zhì)系數(shù)的影響進行分析，并研究了氣體流量對催化交換床層壓力降的影響。

1 實驗方法

1.1實驗裝置

實驗裝置由催化交換柱、冷凝器、氣體質(zhì)量流量計、計量泵、恒溫循環(huán)器、以及控制部分組成。在1 600 mm×530 mm的不銹鋼催化交換柱內(nèi)，親水填料和疏水催化劑按一定體積比混裝，催化床層有效高度為1.6 m，實驗流程示于圖1。

圖1 催化交換流程示意圖Fig.1 Scheme of experimental flow sheet of catalytic exchange.

1.2原料

交換氣使用高純氫(純度大于99.999%)，原料水用重水(純度為99.83%，瀘州火炬化工廠生產(chǎn))與去離子水以一定D/H摩爾比進行配制。

1.3實驗過程

將高純氫經(jīng)過氣體質(zhì)量流量計，從催化交換柱底部進入，與自上而下的一定濃度含氘輕水逆流接觸，在催化交換柱上進行氫同位素催化交換反應(yīng)，實現(xiàn)氘從液相交換到氣相的轉(zhuǎn)換，催化柱上安裝了差壓變送器，用于測定不同條件下床層壓力降變化。

1.4測量與計算

在催化交換柱頂及柱底采集氣體，采用氣相色譜測量氣體樣品的氘濃度，催化交換柱傳質(zhì)系數(shù)Kya[8]為：

式中，G為氣體流量；V為催化床體積；yb、yt分別為柱進口、出口氣體中氘濃度；y*為達到平衡時氘濃度，根據(jù)物料平衡及分離因子的定義計算得到。

2 結(jié)果與討論

2.1反應(yīng)溫度對傳質(zhì)系數(shù)的影響

當原料水氘濃度為5.05×10?3時，分別在氣液比為0.88、1.17、3.54情況下，測定溫度變化對傳質(zhì)系數(shù)的影響，結(jié)果如圖2。

圖2 不同溫度下傳質(zhì)系數(shù)(Kya)Fig.2 Transfer coefficients under different temperatures.

結(jié)果表明，在氣液摩爾比為0.88和1.17情況下，傳質(zhì)系數(shù)隨溫度變化較??；在氣液摩爾比為3.54時，傳質(zhì)系數(shù)隨溫度變化較明顯；在這三種情況下，45°C時傳質(zhì)系數(shù)都是最高。另外，當溫度升高時，意味著能耗將會增加。溫度升高也導(dǎo)致水的汽化增大，阻礙液體水的下流與均勻分布，進而影響交換效果。綜合能耗及操作性考慮，工程應(yīng)用中選擇45°C左右較好。

2.2氣液摩爾比對傳質(zhì)系數(shù)的影響

當原料水氘濃度為1.01×10?2時，分別在29°C、45°C、60°C、75°C條件下，觀察了不同氣液摩爾比對傳質(zhì)系數(shù)的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 不同氣液比下的傳質(zhì)系數(shù)(Kya)Fig.3 Transfer coefficients under different ratios of gas and liquid.

由圖3，在29°C、45°C、60°C和75°C下，傳質(zhì)系數(shù)隨氣液摩爾比的變化趨勢基本相同。一定溫度下，氣液比在0.58?1.17，傳質(zhì)系數(shù)隨氣液比而增加；氣液比在1.17?2.65，傳質(zhì)系數(shù)變化趨勢減緩并有減小趨勢；氣液比在2.65?3.54，隨著氣液比增加，傳質(zhì)系數(shù)增大。氣液摩爾比在3.54時傳質(zhì)系數(shù)最高，這一點需要進一步深入研究。

2.3進料濃度對傳質(zhì)系數(shù)的影響

進料含氘濃度為5.05×10?3、1.0144×10?2、2.01×10?2時，實驗得出29°C、60°C條件下的傳質(zhì)系數(shù)如圖4所示。

由圖4，兩種溫度下，傳質(zhì)系數(shù)變化趨勢相同；相同反應(yīng)溫度和氣液比情況下，隨著含氘濃度增加，傳質(zhì)系數(shù)逐漸減小。傳質(zhì)系數(shù)影響因素比較復(fù)雜，進料氘濃度的增加，氣液反應(yīng)過程中，液相中含氘濃度增加，氣相中氘濃度變化就越大，傳質(zhì)過程的平均推動力越小，則意味著反應(yīng)過程難度越大，傳質(zhì)系數(shù)就越小。

圖4 不同進料濃度下傳質(zhì)系數(shù)Fig.4 Transfer coefficient under different concentrations.● 5.05×10?3, ■ 1.01×10?2, ▲ 2.01×10?2

2.4氣體流量及液體流量對催化交換柱床層壓力降的影響

在催化交換柱的設(shè)計過程中，傳質(zhì)單元高度和催化交換柱床層壓力降是兩個重要參考因素，前者決定柱高，后者決定處理能力。研究表明，在柱裝填材料和裝填比例確定后，氫氣流速是影響床層壓力降的重要因素[4]。

在29°C、進料濃度為5.05×10?3條件下，固定液體流量分別為0.54 kg·h?1、1.1 kg·h?1，用差壓傳感器測量柱壓差，結(jié)果如圖5所示。

圖5 床層壓力降隨氣體流速的變化Fig.5 Effect of gas velocity on pressure drop.

由圖5，在0.54 kg·h?1、1.1 kg·h?1液體流量下，氫氣速率增加，床層壓力降增加。隨著氫氣流速增加，床層壓力降增加很大，主要原因是在一定液體流量下，當氣體流速增大時，氣液兩相間相互流動所產(chǎn)生的曳力增大，影響液體順利流下，于是在填料層表面或空隙間的液體逐漸增多，使氣體通過填料通道的截面變小，氣體通過填料通道的截面變小，氣體通過填料床層的阻力就會增大，因而催化交換柱床層壓力降增加。

3 結(jié)語

研究結(jié)果表明，傳質(zhì)系數(shù)隨氣液比的變化情況明顯。實驗進一步驗證了溫度對催化交換反應(yīng)傳質(zhì)系數(shù)有顯著的影響，當反應(yīng)溫度為45°C時，傳質(zhì)系數(shù)最大。床層壓力降隨氫氣流速而增加。進料濃度增大會影響傳質(zhì)系數(shù)，當進料濃度增大時，傳質(zhì)系數(shù)反而減小。

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6 阮皓, 胡石林, 張麗, 等. 水-氫同位素液相催化交換工藝研究[J]. 原子能科學技術(shù), 2005, 39(4): 318?321

RUAN Hao, HU Shilin, ZHANG Li, et al. Study on liquid catalytic isotopic exchange of H2O-H2[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2005, 39(4): 318?321

7 羅陽明, 王和義, 劉俊, 等. 氫同位素氘從氣相到液相的催化交換實驗研究[J]. 原子能科學技術(shù), 2005, 39(1): 49?52

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8 毛世奇, 郁婷婷, 李洪, 等. Pt-C-PTFE疏水性催化劑的H2O-H2同位素交換研究[J]. 核化學與放射化學, 1990, 12(2): 107?112

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CLCTL92

Study on influencing factors for hydrogen isotopic exchange

GU Mei LIU Jun LUO Yangming

(Institute of Nuclear Physics and Chemistry, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Background:Hydrogen-water catalytic exchange reaction offers an approach to hydrogen isotope separation, which can be applied in heavy water detritiation. Purpose: To optimize the operating condition for hydrogen-water catalytic exchange reaction, we analysed the influence of different factors on the transfer coefficient. Methods: In detail, the isotope exchange experiments of H-D system were carried out in a self-designed catalytic bed loaded with hydrophobic catalyst and hydrophilic packing with certain volume ratio. The experiments showed the changes of both the transfer coefficient and the pressure drop of column with the changing of the operational temperatures (29°C, 45°C, 60°C and 75°C), the ratios of gas to liquid (0.58, 1.17, 2.65, 3.54) and the deuterium concentrations (5.05×10?3, 1.0144×10?2, 2.01×10?2). Results: Results showed that 45°C is the optimal temperature for operating. The transfer coefficient increases with the increasinng of the ratio of gas to liquid in the ranges of 0.58 to 1.17 and 2.65 to 3.56, while decreases with the deuterium concentration increases from 5.05×10?3to 2.01×10?2. The pressure drop of column increases with increasing of gas flow rate. Conclusions: The experiment proves that the ratio of gas to liquid, the reaction temperature and the deuterium concentration are all important factors, which influence the transfer coefficient of deuterium obviously. The optimal operating condition for hydrogen-water catalytic exchange reaction are as follows: the temperature is 45°C, the ratio of gas to liquid is 3.56, and the deuterium concentration is 2.01×10?2.

Catalytic exchange, Hydrophobic catalyst, Transfer coefficient, Pressure drop of column

TL92

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.090202

古梅，女，1980年出生，2003年畢業(yè)于南京理工大學，助理研究員，從事放化分析與材料研究

2013-03-04，

2013-05-20