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热循环吸附法(TCAP)分离氕、氘的研究
钱晓静,罗德礼,黄国强,熊义富,雷强华
(表面物理与化学国家重点实验室,lat)Jl牮i绵阳市718信箱35分箱,621907)
摘要:本文对TCAP全回流模式和生产模式下的氕一氘分离实验进行了研究。全回流模式下,主要考核了初始进料比、冷
d热循环温度、进料位置对分离效果的影响。结果表明,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。几组实验中,从回流柱视始进料90%、冷/热循环温度分别为
56C/290C的一组效果最好。生产模式下,由于分离柱中气阻较大,影响氕、氘的分离效果,这部分实验还有待继续进行。
关键词:TCAP;氢同位素;分离;全回流模式;生产模式
热循环吸附法(ThermalCyclingAbsorption
与其他工艺相比有很多优点:分离能力强、分离速度快、效率高、不产生过渡气体、氢滞留量少、主系
统体种小、操作简单、实际成本低、自动化程度高、容易规模生产掣2。引。
TCAP的操作模式有全回流和生产两种弘。J。全回流模式时,系统中的气体在分离柱和回流柱
(Plug-FlowReverser,简写PFR)之间反复进出循环,不取气、不进料,涉及到两个步骤:冷却分离柱、
气体从PFR转移至分离柱,加热分离柱、气体从分离柱转移至PFRl4。5J。其目的是经过多次冷/热循环后,
使分离柱内建立稳定锋锐的浓度分布,馒可进入生产模式,开始一种半连续的同位素分离模式【6l。生产
模式在上述全回流模式的基础上,还增加了两个操作:产品气和尾气提取、原料气输送,输送的原料气
量与从分离柱中提取的气体量相等Ⅲ。本文对TCAP分离氕-氘的两种操作模式进行了研究。
1 实验
1.1实验原理
TCAP是一种依赖于金属氢化物来进行氢同位素分离的系统,一般使用涂钯硅藻土(Pd/I)作为分
离材料。Pd其有非常大的氢同位索效应,且其同位素效应随温度变化而变化,温度越高,同位素效应越
小,而温度越低,同位素效应越大。TCAP原理上利用了钯的氢同位素效应以及同位素效应与温度之间
的关系。TCAP的操作由半周期冷却循环和半周期加热循环构成。冷却时,分离柱中的钯吸附从PFR流
入的氢同位素气体,较轻的伺位素被Pd优先吸收,同时,气相中的同位素与固相中的同位素发生置换,
则较重的氚远比氘和氕移动的快,于是便形成了氚浓度沿分离柱长度方向的浓度梯度分布FJ。加热时,
气体从钯氢化物中解吸出来,柱内压力升高,气体从分离柱流向PFR,因同位素效应随温度升高而明显
减弱,加热时将部分抵消冷半周所获得的分离效果,则柱内的浓度梯度分布有所下降,但在热半周结束
时仍然存在一定的浓度梯度,所以每次全循环后仍然保留有一定的纯分离效果,多次循环后,氚就浓集
于柱的一端,较轻的同位素富集于另一端肛峨¨J。
氢同位素的分离系数定义为:
1丝!亡楚.:!!!里!亡邑
口:!!!坚!芝邑:12
(T/H)尾气(D//-/)尾.t(T/D)尾^t
1.2实验装置
TCAP主要由原料气进料系统、分离柱系统、分离柱加热/冷却系统、产品气和尾气提取系统以及一
些子系统组成¨,¨。 ,
进料系统的原料气引入口一般设在分离柱中部。
分离柱系统由一个能加热/冷却的分离柱和一个PFR组成,运行时氢同位素气体在两柱间来回移动。
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吸氢量约27016ml(STP);匿流柱为空桂。
分离柱加热/冷却系统主要完成对分离柱的交替加热和冷却功能。加热系统是通过在分离械外围设
有包套的电磁感应线圈,采用中频电磁感应加热,功率可随温度和时间的嫠求进行调节;冷却系统采用
强制风冷装嚣或最扇,冷却方式可视温度和时闻的要求进行谓第。
产品气和尾气提取系统分别设在分离柱两端,其中尾气端与匿流柱在嚼一端。
本装置中还配套了数据采集与自动控制系统。
床
回流柱
瑟
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