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热循环吸附法分离氢同位素的技术研究

钱晓静

  热循环吸附工艺(TCAP)是一种半连续的氢同位素分离方法,在分离氢同位素方面有许多独特的优越性。本文简要介绍了TCAP分离氢同位素的原理,分离材料涂钯硅藻土(Pd/K)的制备、活化及性能测试结果等。设计的TCAP系统主要由分离柱、气体进料及提取系统、分离柱加热/冷却系统、数据采集及自动控制系统组成。分离柱内装入的Pd/K重901.69g,其基本参数为:40目~60目、含钯量40.8%。分离柱贮氢量为27016ml(STP)。为确定TCAP系统氢同位素分离的最佳工作条件,进行了全回流模式下的氕-氘分离实验,主要考核了初始进料比、冷/热循环温度、原料气进料位置对分离效果的影响,获得了大量的实验数据,确定了本实验系统氢同位素分离的关键运行参数,并对TCAP的工艺流程和实验参数进行了优化。结果显示,从分离柱中点进料时,初始进料比相对越大、冷/热循环温差越大,分离效果越好:而从回流柱进料时,分离效果更好。对于48.5%H_2-51.5%D_2组成的二元混合原料气,冷/热循环温度为56℃/290℃,采用从回流柱进料的方式,初始进料比为90%时,经30次循环后产品端D含量达到99.2%;经60次循环后尾气端H含量达到96.1%;分离系数在60次循环后达到最高值为3055.49。为验证TCAP的分离能力,进行了生产模式下的氕-氘分离实验。对于47.5%H_2-52.5%D_2组成的原料气,初始进料比为90%,分离过程的进料比和提取比为3%,冷/热循环温度为21℃/290℃。经7次循环后尾气端H含量达到71.5%,产品端D含量达到97.6%,分离系数为102.02;12次循环后尾气端H含量达到76.9%,产品端D含量为98.1%,分离系数为171.88。结果表明,随着循环次数增加,产品端D、尾气端H浓度逐渐升高,这足以证明TCAP在分离氢同位素方面完全可行。生产模式下进料比为3%,循环1次就取气、进料时,本TCAP系统的日分离量约为2.47mol。实验时分离柱中气阻较大,原因可能有两个方面:Pd/K粉化、分离柱中管子连接端堵塞。实验采用的Pd/K在经过大约1000次循环后,其粉化程度将显著影响TCAP的分离效果。另外,TCAP装置中分离柱的冷却系统未完全达到设计要求,影响分离效果,还需要加以改进。研究实验结果表明,TCAP氢同位素分离系统具有分离量大、分离速度快、自动化操作简单等特点,可满足中等规模氢同位素分离需求。但是在TCAP工程化研制、工艺流程优化等方面,还存在一些问题,有待今后继续深入研究。……   
[关键词]:TCAP;氢同位素;分离;全回流模式;生产模式
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:中国工程物理研究院2006年
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