[实用新型]一种氢同位素交换膜反应组件

说明书

技术领域

本实用新型涉及高浓氚水处理及等离子体排灰气处理装置，尤其涉及一种氢同位素交换膜反应组件。

背景技术

能源和环境是人类赖以生存和发展的基础。随着国民经济的迅速发展，人们对于能源的需求愈发强烈。由于化石燃料的短缺以及对环境造成的污染日趋严重，研究者们将目光投向了清洁、高效的可控热核聚变能。在聚变装置运行过程中，某些正常操作状况下(如第一壁清洗)会产生少量(2-4kg)很高浓度的含氚水(活度约为1.4×10⁶Ci/kg，接近DTO的化学计量比)，在一些意外状况下(如燃烧室空气泄露或手套箱内氚泄露)也会产生少量的高浓氚水。

由于氚水可发生自辐射分解，储存时可能会分解形成爆炸性的HT和O₂混合气体，存在过压的风险；HTW还具有腐蚀性，可能会对容器造成损伤，不利于储存；此外，氚水蒸气可以同时通过呼吸道和皮肤进入人体内，对人体产生内照射，而且HTO产生的辐射效应是相同剂量HT的10000倍，在防护方面要求很高。因此，应尽量避免以高浓氚水的形式收集和储存氚，对于产生的高浓氚水需要尽快处理，转化为HT、T₂等气体形式。

氢同位素交换反应由于产物中的氚易于回收、产生的废物量少等特点，在高浓氚水的处理方面可能更有优势。氢同位素交换反应一般是在催化剂存在的条件下，用过量的H₂将高浓氚水中的氚置换出来，获得HT单质后回收储存，同时含氚水的活度降低。目前氢同位素交换反应的形式主要有气相催化交换(VPCE)和液相催化交换(LPCE)，这两种方式已应用于重水提氚工艺中，但是由于受到反应平衡的限制，其转化效率并不是很高(在H₂大量过量并经过多级反应的情况下也很难达到99％)，因此不适用于高浓氚水的处理。与此同时，在催化膜反应组件中进行的氢同位素交换反应由于具有很高的转化效率(经过多次循环，去污因子可达到10⁵)，有可能应用于高浓氚水的处理。氢同位素交换膜反应组件是将催化反应和膜分离原位集成，其主要优势在于反应进行的同时将部分产物Q₂分离出反应体系，可以使反应突破化学平衡的限制，获得很高的转化率及去污因子。

催化交换膜反应组件中进行的氢同位素交换反应可以描述为如下过程：H₂分子从膜管内侧渗透到外侧，在催化剂作用下与逆流的CQ₄(Q代表氢同位素氕、氘、氚，下同)、Q₂O等发生同位素交换反应，生成的Q₂又透过Pd膜，在渗透侧被分离回收。

与本实用新型相关的现有技术包括：

一、目前文献报道用于氢同位素交换的催化膜反应组件均采用了厚度为50～100微米的Pd/Ag合金膜。

该技术的缺点在于所选用的钯膜较厚，从而导致氢同位素Q₂渗透速度较慢，降低分离速率。从理论上分析，由于降低钯膜厚度会加快Q₂的渗透，可能会对催化交换膜反应组件中的氢同位素交换反应产生有利的影响，但目前没有相关报道。

二、由于Pd基膜吸收氢气后，会发生晶格膨胀，同时膜反应组件一般在400℃以上高温运行，这些都会使Pd基合金管明显增长或变形。为了解决这一问题，TLK的研究人员设计了三种结构的催化交换膜反应组件，采用的方式分别为：(a)固定膜管一端，将另一端悬空(即指状膜管)；(b)一端焊接不锈钢波纹管；(c)使用褶皱型的Pd基合金管。比较发现，对于H₂O/D₂之间的氢同位素交换反应，褶皱型的膜反应组件效果较好，主要归因于这种结构中催化剂用量与渗透面积之比较大，水蒸气停留时间相应延长，因此反应更充分。

但这种褶皱型膜反应组件加工比较困难，制作成本高，而且褶皱规格不统一，重复性差，不同的反应组件之间可比性差。

三、公开号为CN101648105A、CN101372314A及CN101406791A的中国专利分别采用了钯膜从含氢合成气或者焦炉煤气中提纯生产高纯度氢气。

该等技术的缺点在于钯膜只是作为后续氢气提纯及分离装置使用，未能利用反应组件的催化反应功能。

实用新型内容

本实用新型克服了现在技术中的缺点，提供了一种氢同位素交换膜反应组件。