[發明專利]一種用于水去氚化的內環流反應器及其實現方法

有效

• 申請號: 201610176516.0
• 申請日: 2016-03-25
• 公開（公告）號: CN105654998B
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發明（設計）人: 李佩龍;熊仁金;姜飛;楊雷;宋江鋒;張志;羅軍洪;陳長安;羅德禮
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院材料研究所
• 主分類號: G21F9/06
• 分類號: G21F9/06
• 代理公司: 成都眾恒智合專利代理事務所(普通合伙)51239
• 代理人: 劉華平

技術領域

本發明涉及化工和核技術及設備領域，具體涉及的是一種用于水去氚化的內環流反應器及其實現方法。

背景技術

氚是氫的放射性同位素，在軍工和核電領域都至關重要。核武器制造和聚變堆運行都會涉及大量氚的操作，部分氚最終以氚化水形式存在；核電站運行過程也會產生大量的含氚廢水。如果這些含氚廢水得不到合理處理，將會造成嚴重的環境污染。同時，氚是自然界中的極其微量的元素，本身具有極高的價值，含氚水中氚的回收具有很高的經濟價值。因此，開發高效、節能、環保、低成本的水去氚化技術和裝備，對于回收含氚水中的氚元素，并使含氚水達到排放指標，都具有非常重要的意義。

液相催化交換（LPCE）技術是目前相對成熟的水去氚化技術，采用多節串聯的催化交換柱以實現更高的反應效率和處理量，但是該技術的不足之處在于設備復雜、安裝高度高、加工成本高；而采用的Pt基催化劑價格昂貴，多節串聯的交換柱填充催化劑總量大，費用高；同時，交換柱內氣液相停留時間難以控制，無法定量準確地控制反應后低氚水和含氚氫氣的氚含量。

因此，有必要對現有的水去氚化技術進行改進。

發明內容

針對上述現有技術的不足，本發明提供了一種用于水去氚化的內環流反應器及其實現方法，可方便、準確地控制反應后氣液相的氚含量。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種用于水去氚化的內環流反應器，包括頂蓋、外筒、中心區進氣管、環隙區進氣管、燒結板、帶有導流孔的導流筒、涂覆了疏水催化劑的θ環填料、含氚水進水管、含氚氫氣排氣管、環管式分布器和低氚水出水管；所述頂蓋設置在外筒頂部，所述環管式分布器位于外筒內部并靠近頂蓋，所述含氚水進水管和含氚氫氣排氣管則均穿入頂蓋與外筒內部連通，并且含氚水進水管還與環管式分布器連接；所述導流筒設置在外筒內部底部，并將外筒內部底部空間分隔為中心區和環隙區，所述中心區進氣管由外筒底部穿入并與導流筒連通，用于向中心區內通入高純氫氣；所述環隙區進氣管與外筒底部連通，用于向環隙區通入高純氫氣；所述燒結板固定在外筒內部，并位于導流筒下方，其將外筒底部分隔出一個氫氣進氣緩沖腔體；所述θ環填料分別填裝于中心區和環隙區內；所述低氚水出水管與外筒外壁連接并與環隙區連通。

進一步地，所述θ環填料由玻璃棉氈或80～200目不銹鋼絲網，經涂覆Pt基疏水催化劑、切割和卷壓成型制得。

作為優選，所述θ環填料的高徑比為1～1.2。

作為優選，所述θ環填料的填裝高度不超過導流筒高度。

再進一步地，本發明還包括控溫系統，該控溫系統包括套在外筒外部、且呈對稱半圓環狀結構的加熱器，與該加熱器連接的固態繼電器，以及與該固態繼電器連接的PID溫控儀。

更進一步地，所述加熱器和外筒外部還均包裹有用作保溫層、且厚度為2 cm的硅酸鋁纖維棉層。

作為優選，所述環隙區和中心區的橫截面面積比為2.5～5。

基于上述反應器的結構，本發明還提供了該用于水去氚化的內環流反應器的實現方法，包括以下步驟：

（1）對內環流反應器進行保壓測試，并對其內部進行抽真空，直至真空度達到5Pa以下；

（2）啟動控溫系統，對外筒內部進行預熱；

（3）預熱結束后，分別向中心區和環隙區中通入高純氫氣，然后引入待處理含氚水，控制中心區和環隙區的氫氣表觀氣速，形成中心氣升式環流，并控制含氚水液位高度不超過反應器外筒內徑的20%，使含氚水與高純氫氣進行氫同位素交換反應，得到含氚氫氣和低氚水；該步驟中，中心區液相向上流動，液相高度超過導流筒后受到重力影響，在環隙區向下流動，并在到達導流孔位置時，受到導流孔兩側壓力差的推動，從環隙區經導流孔流入中心區，形成循環；

（4）將含氚氫氣排出，并繼續循環通入至中心區和環隙區內與低氚水反應，然后檢測低氚水出水管水相的氚含量，直至符合氚濃度指標時排出低氚水和含氚氫氣。

進一步地，所述步驟（3）中，高純氫氣經中心區進氣管、環隙區進氣管進入內環流反應器底部的氫氣進氣緩沖腔體中，并經過燒結板形成分布均一的氣泡，然后進入中心區和環隙區內。