一種基于催化反應(yīng)和膜分離級聯(lián)的氫同位素高效回收裝置及回收方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及聚變反應(yīng)堆領(lǐng)域，尤其是氘氚聚變?nèi)剂涎h(huán)領(lǐng)域，具體為一種基于催化反應(yīng)和膜分離級聯(lián)的氫同位素高效回收裝置及回收方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，隨著化石燃料的短缺和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，聚變能源逐漸引起了人們的重視。在聚變能源的發(fā)展過程中，氘氚燃料循環(huán)是必須解決的工程技術(shù)問題，也是其實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)。由于聚變裝置中氖氣的反應(yīng)率很低，致使大量未反應(yīng)的氖氣存在于排灰氣中，從安全、環(huán)保及經(jīng)濟角度出發(fā)，必須對排灰氣進(jìn)行處理，回收其中的氘氚燃料，提高氘氚燃料的利用率，避免其對環(huán)境的污染。
[0003]聚變反應(yīng)堆排灰氣中的氘氚主要以Q2 (單質(zhì)態(tài))、碳?xì)浠衔锖退?化合態(tài))的形式存在。其中，q2是指由氫元素的三種同位素組成的單質(zhì)，即h2、hd、ht、d2、dt、t2。單質(zhì)態(tài)氘氚的回收相對簡單，采用鈀基膜即可對其進(jìn)行分離；而化合態(tài)氘氚的回收則較為復(fù)雜，需要先通過催化反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為單質(zhì)態(tài)Q2，再由鈀基膜選擇性分離。由于氚有放射性且價格昂貴，因此，在該分離過程中，對于氫同位素的回收率要求很高(99.9999%以上)，采用普通的途徑很難實現(xiàn)。
[0004]若將催化反應(yīng)和膜分離進(jìn)行集成，則可使反應(yīng)突破平衡轉(zhuǎn)化率的限制，大大提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率及氫同位素的回收率。目前，催化反應(yīng)和膜分離的集成主要采用原位集成的方式，即采用膜反應(yīng)器。
[0005]在工業(yè)制氫領(lǐng)域(如甲烷、甲醇裂解制氫、水煤氣變換制氫等領(lǐng)域)，膜反應(yīng)器已獲得了應(yīng)用。在氖氣燃料循環(huán)系統(tǒng)中，德國Tritium Laboratory of Karlsruhe (TLK)的研究人員采用膜反應(yīng)器作為聚變堆等離子體排灰氣處理系統(tǒng)的第三單元(稱為“PERMCAT”單元)，其能夠?qū)⑸倭炕蠎B(tài)氖氣通過氫同位素交換反應(yīng)置換并分離出來，提高對氖氣的回收率及去污因子。PERMCAT的基本原理如圖1所示。該單元進(jìn)行氫同位素交換反應(yīng)的過程如下:?分子從膜管內(nèi)側(cè)滲透到外側(cè)，在催化劑作用下，其與逆流的CQ4、Q20等發(fā)生同位素交換反應(yīng)，生成的Q2又透過Pd膜，在滲透側(cè)被分離回收。
[0006]膜反應(yīng)器集成模式能夠?qū)a(chǎn)物QJI位分離出反應(yīng)體系，其不僅可以使化學(xué)平衡向生成產(chǎn)物氫的方向進(jìn)行，又能通過降低流速的方式，延長反應(yīng)物與催化劑接觸的時間，有利于反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生，因而能夠獲得很高的轉(zhuǎn)化效率。
[0007]然而，膜反應(yīng)器也存在如下缺點:(1)原料中較多的雜質(zhì)氣體會與Pd膜接觸，降低其滲氫速率，甚至造成Pd的中毒；(2)反應(yīng)器入口附近的02濃度較低，滲透驅(qū)動力較小，導(dǎo)致鈀基膜分離氫的效率降低；(3)由于甲烷裂解、水汽重整等反應(yīng)一般在高于鈀基膜最佳使用溫度條件下，才會有較高的反應(yīng)速率，導(dǎo)致催化反應(yīng)速率與鈀基膜的使用溫度兩者難以完美兼顧。
[0008]因此，迫切需要一種新的裝置以解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的發(fā)明目的在于:針對現(xiàn)有的膜反應(yīng)器進(jìn)行氫同位素回收時，原料中較多的雜質(zhì)氣體會使鈀基膜滲氫速率及分離效率降低，其最佳使用溫度難以與催化反應(yīng)速率兼顧的問題，提供一種基于催化反應(yīng)和膜分離級聯(lián)的氫同位素高效回收裝置及回收方法。本發(fā)明采用催化反應(yīng)與膜分離非原位集成的模式，能夠有效提高鈀膜的利用率，降低雜質(zhì)氣體對鈀膜的毒化作用，延長鈀膜的使用壽命，同時能夠有效提高氫同位素的回收率。此外，本發(fā)明還能形成閉路循環(huán)，可獲得較高的氫同位素回收效率。本發(fā)明設(shè)計合理，適應(yīng)性強，能夠滿足氫同位素的回收需求，具有較高的回收率，對于實現(xiàn)聚變反應(yīng)堆氘氚燃料循環(huán)、提高反應(yīng)堆的經(jīng)濟性和安全性，具有重要的意義。
[0010]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種基于催化反應(yīng)和膜分離級聯(lián)的氫同位素高效回收裝置，包括原料氣、用于催化反應(yīng)的固定床反應(yīng)器、鈀膜氫氣分離裝置、第一儲氣罐、第二儲氣罐、第一增壓器，所述原料氣通過管道與固定床反應(yīng)器相連，所述固定床反應(yīng)器、第一儲氣罐、第一增壓器、第二儲氣罐、鈀膜氫氣分離裝置通過管道依次相連，所述第二儲氣罐與鈀膜氫氣分離裝置相連的管道上設(shè)置有流量調(diào)節(jié)閥。
[0011]所述固定床反應(yīng)器的反應(yīng)產(chǎn)物能通過管道進(jìn)入第一儲氣罐中，所述第一儲氣罐內(nèi)的反應(yīng)產(chǎn)物能經(jīng)第一增壓器增壓后進(jìn)入第二儲氣罐中，所述第二儲氣罐內(nèi)的反應(yīng)產(chǎn)物能進(jìn)入鈀膜氫氣分離裝置中進(jìn)行分離。
[0012]還包括用于監(jiān)測氫氣含量的氫氣泄漏報警裝置。
[0013]還包括壓力計，所述壓力計分別與第一儲氣罐、第二儲氣罐相連，所述壓力計能分別顯示第一儲氣罐、第二儲氣罐內(nèi)的壓力。
[0014]還包括壓力報警裝置，所述壓力報警裝置分別與第一儲氣罐、第二儲氣罐相連。
[0015]還包括排壓裝置、與排壓裝置相連的控制系統(tǒng)，所述排壓裝置分別設(shè)置在第一儲氣罐、第二儲氣罐上，所述排壓裝置能在第一儲氣罐、第二儲氣罐的壓力超過設(shè)定值時排氣。
[0016]所述原料氣與固定床反應(yīng)器相連的管道上分別設(shè)置有減壓閥、截止閥。
[0017]還包括第三儲氣罐、第四儲氣罐、第二增壓器，所述鈀膜氫氣分離裝置、第三儲氣罐、第二增壓器、第四儲氣罐、固定床反應(yīng)器通過管道依次相連。
[0018]所述第三儲氣罐和第四儲氣罐上均分別設(shè)置有壓力計、排壓裝置。
[0019]所述第四儲氣罐與固定床反應(yīng)器相連的管道上分別設(shè)置有減壓閥、截止閥。
[0020]—種基于催化反應(yīng)和膜分離級聯(lián)的氫同位素高效回收裝置的回收方法，包括如下步驟:原料氣中的原料經(jīng)管道進(jìn)入固定床反應(yīng)器反應(yīng)后，得到反應(yīng)產(chǎn)物，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入第一儲氣罐中，再將第一儲氣罐的反應(yīng)產(chǎn)物通過第一增壓器進(jìn)行增壓，增壓后的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入第二儲氣罐中，最后進(jìn)入鈀膜氫氣分離裝置進(jìn)行分離，回收其中的單質(zhì)態(tài)氫同位素。
[0021]針對前述問題，本發(fā)明提供一種基于催化反應(yīng)和膜分離級聯(lián)的氫同位素高效回收裝置及回收方法。該裝置包括原料氣、用于催化反應(yīng)的固定床反應(yīng)器、鈀膜氫氣分離裝置、第一儲氣罐、第二儲氣罐、第一增壓器，原料氣通過管道與固定床反應(yīng)器相連，從而使固定床反應(yīng)器的反應(yīng)產(chǎn)物能通過管道進(jìn)入第一儲氣罐中；固定床反應(yīng)器、第一儲氣罐、第一增壓器、第二儲氣罐、鈀膜氫氣分離裝置通過管道依次相連，使第一儲氣罐內(nèi)的反應(yīng)產(chǎn)物能經(jīng)第一增壓器增壓后進(jìn)入第二儲氣罐中，第二儲氣罐內(nèi)的反應(yīng)產(chǎn)物能進(jìn)入鈀膜氫氣分離裝置中進(jìn)行分離；第二儲氣罐與鈀膜氫氣分離裝置相連的管道上設(shè)置有流量調(diào)節(jié)閥，通過流量調(diào)節(jié)閥能夠調(diào)節(jié)進(jìn)入鈀膜氫氣分離裝置的氣體流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0022]本發(fā)明中，固定床反應(yīng)器為催化反應(yīng)的場所，能夠為甲烷裂解、水汽重整、氫同位素交換等反應(yīng)提供合適的溫度、壓力、催化劑等條件，從而將化合態(tài)氫同位素轉(zhuǎn)化為單質(zhì)態(tài)。鈀膜氫氣分離裝置則能夠?qū)钨|(zhì)態(tài)氫同位素與其它雜質(zhì)氣體分離，獲得高純的氫同位素單質(zhì)(滲透氣)。
[0023]進(jìn)一步，還包括氫氣泄漏報警裝置，通過該裝置能夠?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)周圍的氫氣含量，確保系統(tǒng)的安全性。還包括壓力報警裝置，壓力報警裝置分別與第一儲氣罐、第二儲氣罐相連，通過壓力報警裝置能夠監(jiān)測儲氣罐內(nèi)的氣體壓力。還包括排壓裝置、與排壓裝置相連的控制系統(tǒng)，當(dāng)壓力高于0.7MPa時，發(fā)出聲光報警，并及時排出罐內(nèi)氣體，避免超壓情況的發(fā)生。
[0024]進(jìn)一步，還包括第三儲氣罐、第四儲氣罐、第二增壓器，鈀膜氫氣分離裝置、第三儲氣罐、第二增壓器、第四儲氣罐、固定床反應(yīng)器通過管道依次相連。
[0025]采用前述裝置的回收方法，包括如下步驟:原料氣中的原料經(jīng)管道進(jìn)入固定床反應(yīng)器反應(yīng)后，得到反應(yīng)產(chǎn)物，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入第一儲氣罐中，再將第一儲氣罐的反應(yīng)產(chǎn)物通過第一增壓器進(jìn)行增壓，增壓后的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入第二儲氣罐中，最后進(jìn)入鈀膜氫氣分離裝置進(jìn)行分離，回收其中的單質(zhì)態(tài)氫同位素。
[0026]為了在高效回收氫同位素的同時，提高鈀膜的利用率，降低雜質(zhì)氣體對鈀膜的毒化作用，本發(fā)明采用將固定床反應(yīng)器與鈀膜氫氣分離裝置的非原位集成，即催化反應(yīng)與膜分離級聯(lián)，先將甲烷裂解、水汽重整等催化反應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物引入Pd/Ag膜分離器(即鈀膜氫氣分離裝置)，分離回收其中的單質(zhì)態(tài)氫同位素，以促進(jìn)正反應(yīng)的進(jìn)行，提高化合態(tài)氫同位素的轉(zhuǎn)化率。同時，鈀膜氫氣分離裝置的尾氣中若仍有較高含量的氫同位素，還可經(jīng)第三儲氣罐、第四儲氣罐、第二增壓器組成的回收系統(tǒng)，將尾氣返回到固定床反應(yīng)器中再次反應(yīng)，如此形成閉路循環(huán)，可獲得較高的氫同位素回收效率。
[0027]本發(fā)明中，原料中的碳?xì)浠衔铩⑺入s質(zhì)經(jīng)催化反應(yīng)后，大多數(shù)被轉(zhuǎn)化為Q2，得到反應(yīng)產(chǎn)物，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入第一儲氣罐中，再將第一儲氣罐