电解-精馏级联分离D_2/HD/DT研究

为研究电解精馏级联氢同位素分离过程的规律性,建立了理论模型,以D2/HD/DT为对象计算研究系统分离行为,获得了电解和精馏过程系统的浓集行为。由于分离因子的差异,在电解池中HD趋向贫化,DT趋向富集。第一根柱再沸器中DT随时间呈线性增长,经48h浓缩近68倍。在第二根柱再沸器中,HD降低一个量级,DT降低约两个量级。电解-精馏级联工艺能同时除去D2中微量的HD和DT,可应用于重水升级和除氚。     

水-氢交换氢同位素体系HD/H_2O、DT/D_2O和HT/H_2O分离性能模拟研究

计算模拟应用于氢同位素分离领域,能够方便、快捷地进行工艺条件分析。本工作采用数值模拟的方法对比研究了水-氢催化交换过程中HD/H_2O、DT/D2O和HT/H_2O三种氢同位素体系的分离性能。研究表明:在一定工艺条件下,三种体系均在操作温度为343K时达到最大的分离效果;随着气液比从1.0增大到3.0,最优操作温度均从343K降低到323K,但是在此过程中,HT/H_2O体系的分离效果受温度的影响较小一些;在达到最大分离效果的目标下,HT/H_2O体系需要的理论塔板数比HD/H_2O和DT/D2O体系少,同时,在优化的工艺条件下,三体系气相中氢同位素浓度在交换柱内分布曲线存在一定的差异。     

H_2/HD和D_2/DT低温精馏分离影响因素研究

系统研究了低温精馏氢同位素分离中总板数、进料位置、回流比、采出量等对系统分离性能的影响,获得了蒸馏柱上的浓度和温度分布。随着进液位置向底端移动,再沸器和冷凝器中HD(或DT)浓度均减小;随着回流比的增大,再沸器和冷凝器中HD(或DT)浓度均减小;顶端采出量增大,再沸器中HD浓度明显增大;在相同的总板数下,H2/HD,D2/DT两个体系的分离特性明显有差别。     

低温精馏氢同位素分离影响因素研究

本文系统研究了低温精馏氢同位素分离中总板数、进料位置、回流比、采出率等操作条件对系统分离性能的影响,获得了精馏柱上的浓度和温度分布.随着进液位置向底端移动,再沸器和冷凝器中HD浓度均减小;随着回流比的增大,再沸器和冷凝器中HD浓度均减小;顶端采出率增大,再沸器中HD浓度明显增大;在相同的总板数下,H2/HD和D2/DT两个体系的分离特性明显有差别.     

多柱互联低温精馏分离H2/HD过程理论研究

在氢同位素分离中,通常采用多柱级联工艺实现微量氘或氚的浓集。文章提出了三柱级联分离H₂/HD的设计工艺和操作模式,获得了3根精馏柱的分离行为。在合适的操作模式下,三柱级联将HD浓缩了20×10×10倍,表明采用多柱级联可非常有效地浓缩微量组分。进一步研究了压力和回流比等因素对分离性能的影响。压力从0.06MPa增加到0.15MPa,脱氘率从99.79%降到99.44%。回流比从3增长到5,脱氘率从99.67%升到99.81%。     

电解-精馏级联分离H2／HD过程的理论分析

为研究电解精馏级联氢同位素分离过程的规律性,建立了电解-精馏级联的微分模型,计算了H2／HD系统的分离行为,并获得了电解和精馏过程中系统的浓集行为,即,电解池中HDO摩尔分数从2．88×10^-4增长到8．35×10^-4精馏柱再沸器中HD摩尔分数达到0．033。随时间的延长,脱氘率下降,在精馏柱上HD的摩尔分数整体抬升。进一步研究了回流比对脱氘率的影响,结果显示,回流比为3～7时,平均脱氘率可达0．9828～0．9973。实验结果表明,电解-精馏级联分离氢同位素有明显的浓集效应。     

侧线反馈对H2/HD/D2低温精馏分离的影响

为研究带侧线反馈的低温精馏氢同位素分离规律性,建立了带侧线反馈的低温精馏氢同位素分离计算方法,并以H2/HD/D2体系进行了计算分析.计算结果表明,侧线反馈对分离性能影响显著,再沸器中以D2为主,氘丰度可达到0.90,而无侧线反馈情况下,再沸器中以HD为主,氘丰度不超过0.50;有侧线反馈条件下,系统运行约40 h HD向D2的转化达到峰值,而在无侧线情况下,HD浓缩在40 h已达到饱和;当侧线采出比为1时,脱氘率最高.     

D2/DT低温精馏分离动态模拟

本文建立了氢同位素低温精馏分离的动态模型,利用该模型针对D2/DT体系计算获得了精馏柱上DT浓度的动态变化和空间分布;研究了再沸器滞留量、回流比等参数对系统分离性能的影响.回流比的提高可以显著地提高脱氚率;再沸器中DT浓度不但与滞液量存在显著的依赖关系,而且随时间增长而增长.在理论板数为80时,塔顶与塔底DT浓度相差约3个数量级,分离效果明显.     

基于LPCE+CD的重水除氚和升级工艺

提出了基于LPCE+CD工艺的重水除氚和升级工艺概念设计,建立了理论模型,在MATLAB平台下编制了计算程序,对整个系统的分离行为进行研究。气液摩尔比为3时,LPCE可以将重水中98.38%的T和98.35%的H转移到气相,气液摩尔比对LPCE过程有显著影响,增大气液摩尔比会显著降低顶端气体中HD和DT浓度。第1根精馏柱再沸器中DT浓缩效应显著,24 h后约为进料含氚重水的30倍。在第2根精馏柱冷凝器中,HD为主要组分,仍然含有10-11水平的DT。低温精馏系统对气体除氚率和除氢率分别为99.30%和97.75%。通过合理的系统设计,可以保持前后两级的一致性,使LPCE+CD成为非常高效的重水除氚和升级工艺。     

联合电解催化交换系统分离氢同位素影响因素研究

利用建立起来的理论模型,深入研究了联合电解催化交换（Combined Electrolysis and Catalytic Exchange,CECE）工艺中各种因素对氢同位素分离性能的影响。电解池分离因子的提高对浓缩倍数和脱氚率均有显著影响,降低电解池滞留量是提高浓缩倍数的有效手段。进料位置在1．5m处系统性能好于3m处;催化剂传质系数在3—4mol·m-3·s-1范围内,浓缩倍数和脱氚率基本呈线性增长。各种因素对HD／H2O和HT／H2O两个体系的影响具有相似的规律性,由于热力学因素的差异,相同条件下,HT／H2O体系分离性能好于HD／H2O。     

钯钇合金膜分离器的氕氘分离系数测定

文章设计钯钇合金膜氢同位素分离器，并系统研究分离系数与温度、分流比、气体流速等因素间的关系。研究结果表明：分离系数随温度的增加而下降，在573～723K范围内，对于66.2%H2-33.8%D₂气体，当进料流速为5L/min、分流比为0.1时，分离系数由2.09下降至1.85；而当分流比为0.2时，分离系数由1.74下降至1.52。随着分流比的增大，分离系数逐渐降低。在573K下，进料流量为5L/min时，对于15.0%H2-85.0%D₂，当分流比由0.050增大至0.534时，分离系数由2.43降低至1.35；对于66.2%H2-33.8%D₂，当分流比由0.050上升至0.688时，分离系数由2.87下降至1.30。对于一定的分离过程，原料气体流速存在最佳值，达到该值时，分离系数最大。     

用GC-GCMS分析氢、氦同位素及氧、氮、一氧化碳的含量

本文叙述了用氖气作载气的毛细管热导池气相色谱(GC)与气相色谱-质谱(GCMS)并联的方法,同时准确地测定氢、氦同位素及氧、氮、一氧化碳的含量。样品量为10μl,测量精度为1.5-2.0％。用GCMS法测量了HD,HT和DT的原子离子与母体分子离子的比值,并发现同一母体离子的两种组成同位素的原子离子与分子离子的比值是不相等的,还观察到了CO对低温色谱柱分离性能的影响。     

Tritium Breeding Capability of Heliotron-H Fusion Reactor Blankets

Preparation and operation procedures of chromatographic column for hydrogen isotope separation have been examined. The best separation of isotopic molecular hydrogen was obtained when the stationary phase was activated at 230°C for 16 h and subsequently deactivated with CO₂ at ?7°C. The technique has been applied to analyzing commercially available tritium gases. Protium tritide (HT), DT, and tritiated-methane and -ethane were observed as impurities in all three samples analyzed. It was experimentally confirmed that most of the contaminant protium in the tritium gas came from the inner-surface of the storage vessel.     

Adsorption capacity of hydrogen isotopes on mordenite

In a fusion reactor system, a monitoring of hydrogen isotopes including tritium is necessary for the safety of system control and operation. A gas chromatography using a cryogenic separation column is one of the methods for hydrogen isotope analysis. Synthesis zeolite such as molecular sieve 5A (CaA) is a candidate material of the separation column, and its property varies by the ratio of silica to alumina, the kinds of cation and so on. If the factor affected the hydrogen adsorption property of the synthesis zeolite is clarified, it may lead to the development of the new zeolite optimized to the separation column. So, in this work, adsorption capacity of hydrogen (H₂) and deuterium (D₂) for mordenite (MOR) and NaY type zeolite (NaY) were investigated at various temperatures, and were compared with CaA. The amount of adsorption per unit weight of MOR was larger than that of CaA, and that of NaY was smaller than that of CaA. The adsorption isotherms were expressed by sum of two Langmuir equations, and the Langmuir coefficients of H₂ and D₂ were proposed. Furthermore, the Langmuir coefficients of HD, HT, DT and T₂ were estimated by the reduced mass. The correlation between the adsorption properties and the physical parameters of the zeolite were not confirmed.     

联合电解催化交换系统HD/H2O和HT/H2O体系模拟

计入蒸汽的影响，研究建立基于两步传质的联合电解催化交换系统模型，计算HD/H₂O和HT/H₂O两个体系的分离性能。传质系数的提高能显著改善交换系统的整体性能，电解池浓缩倍数与电解池滞液量有关。电解池中氘浓度的增长最终将引起交换系统脱氘率的下降，这一现象表明，在交换系统操作模式选择以及与后级浓缩系统的级联匹配中，对交换系统的动态行为必须予以特别关注，并应在交换床设计中考虑此因素。