低温吸附法净化氢同位素气体

2004年第2期总第138期低温工程CRYOGENICSNO．22004SumNO．138低温吸附法净化氢同位素气体周俊波王奎升高丽萍王少波申会堂(‘北京化工大学机电学院北京100029)(中国船舶重工集团公司718所邯郸056027)(河北工程学院邯郸056002)摘要为了回收利用核聚变反应堆排出的托卡马克废气，将含有氧、氮杂质的氢同位素混合气，通过催化剂脱氧，低温(77．4K)吸附的方法，进行了净化处理。实验结果表明，净化后的氢同位素产品气体氧体积分数小于0．1×10～，氮体积分数小于1×10～。通过理论计算发现，采用此方法净化氢同位素时，氢同位素的损耗量只有氮杂质含量的10％～30％。因此，采用本方法回收处理核聚变反应堆中的托卡马克废气完全能够满足实际需要。主题词低温吸附氮杂质氢同位素脱氧分离1引言2实验在核聚变反应堆中，氘氚燃料的利用率不到10％，因此，从核聚变堆的运行，经济以及环境安全的考虑，从等离子室排出的废气中未反应的燃料，必须进行回收利用。通常这种托卡马克废气处理系统包括两部分¨，一是首先除去氢同位素中的氧、氮及惰性气体杂质；二是进一步对氢同位素进行分离。本文主要研究第一个问题，即氢同位素中氧、氮杂质的去除。关于这一问题，工业上已有各种各样的方法，如：变压吸附法、钯膜渗透法、吸气剂法(金属氢化物法)。但是，每种方法都有其局限性，如变压吸附法，回收率低，有大量废气排出，特别是含有氚的废气不允许随便排放；采用钯膜渗透法，钯膜价格昂贵、易损，系统处理量小；吸气剂法(或称金属氢化物法)，对氧、氮杂质很敏感，容易中毒失效，它更适用于下一步的氢同位素分离。因此，本研究采用催化脱氧，低温(液氮温度77．4K)吸附除氮的联合工艺，净化氢同位素，为下一步的氢同位素分离奠定一个良好基础。另外，还从理论上对低温吸附法除氮所造成的氢同位素的损耗进行了分析计算，结果令人满意。修改稿于2004年1月27日收到。周俊波，男，44岁，博士生。2．1实验装置流程图实验装置流程图如图1所示。图1低温法净化氢同位票工艺流程图氢同位素混合气首先经脱氧器，(内装钯触媒)，氢同位素在钯催化剂作用下，使混合气中的氧杂质迅速与氢，氘反应生成水，0+H一2H0[D0，或HDO]经过脱氧后，进入低温吸附器，吸附器内装填活性炭，硅胶或5A分子筛。这些吸附剂对氢氮的吸附差别很大，特别是在液氮温度(77．4K)时，更是如此(见图2)。2．2实验过程维普资讯http://www.cqvip.com第2期低温吸附法净化氢同位素气体51图277．4K条件下，氮、氢在活性炭上的吸附等温线Pa)首先对图示装置利用脱氧器和吸附器中的加热装置，分别将它们加温到250oC，抽真空脱气至1Pa以下，保持两小时；接着把吸附器放人液氮槽内降温1h后，打开进气阀F1使气体进入脱氧器中，经脱氧后(氢同位素中氧体积分数达0．1ppm以下)的气体进入低温吸附器，在这里氮杂质几乎被完全吸附到吸附剂中，少量氢同位素同时被吸附，纯净的氢同位素气体流出吸附器，经色谱仪在线分析。如图3，图4所示，图3是未经净化的气体色谱检测图，氧体积分数在300X10以上，氮体积分数在1000X10以上。图4为经净化的气体色谱检测图，氧、氮均未检出，色谱仪的最小检测极限为1X10一。用微量'氧分析仪分析氧体积分数小于0．1X10一。当工作一段时间后，吸附器中的吸附剂所吸附氮会达到饱和状态。这时就要进行再生处理，(工业生产装置至少要有两台吸附器切换使用)，再生时将吸附器进口阀关闭，使吸附器内气体全部排出到0．01MPa以下，接着把吸附器提到液氮槽外，关闭产品气阀门；然后加热吸附器到250oC，并抽真空、脱气至1Pa以下，持续2h；停止加热、自然降温到常温后，放回液氮槽继续降温1h后再用。0．00．51．01．52．O2．5时间／min图3含氧、氮的氢同位素气体净化前色谱图筛梓米5A分析结果图4净化后的氢同位素色谱图3净化原理分析及氢同位素损耗计算根据检测得知，经过脱氧器后，氧体积分数已降到0．1X10以下，所以低温吸附器主要是用来分离氢同位素中的氮。因为，氢同位素与氮在吸附剂上的吸附容量差别较大，而且温度越低，其差别越大。因此，工业上常采用低温吸附法去除氢中的氧、氮杂质。对于仅含有氢(同位素)和氮的二元气体混合物，根据郎格缪尔(Langmuir)等温式，可以推导出下列每种组分的吸附方程式：(1)。(1)⋯。“(z)式中。为被吸附的气体的体积，P为吸附时气体平衡压力，m为某种气体分子有效的挤满吸附剂表面时单分子层饱和吸附量，b为吸附常数，下标N，H分别代表氮气和氢同位素。由于氮气比氢同位素在吸附剂上(如活性炭，硅胶，5A分子筛上)更容易吸附，这时b》6。这样方程(1)和(2)中的bHP项就可以忽略不计，故有：mNbNPN⋯。N