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一種用于水去氚化的內環流反應器的制造方法

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一種用于水去氚化的內環流反應器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開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、導流筒、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;頂蓋設在外筒頂部,環管式分布器位于外筒內部,含氚水進水管和含氚氫氣排氣管均與外筒內部連通,且含氚水進水管連接環管式分布器;導流筒將外筒內部底部空間分為中心區和環隙區,中心區進氣管與導流筒連通;環隙區進氣管與外筒底部連通;燒結板固定在外筒內部;θ環填料填裝于中心區和環隙區內;低氚水出水管與環隙區連通。本實用新型具有氣液相接觸面積大、反應效率高的特點,且含氚水能定向流動,同時還能控制液相停留時間,因而可準確控制反應后氣液相氚含量。
【專利說明】
一種用于水去氚化的內環流反應器
技術領域
[0001]本實用新型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。
【背景技術】
[0002]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氣的操作,部分氣最終以氣化水形式存在;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。
[0003]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氣含量。
[0004]因此,有必要對現有的水去氚化技術進行改進。
【實用新型內容】
[0005]針對上述現有技術的不足,本實用新型提供了一種用于水去氚化的內環流反應器,可方便、準確地控制反應后氣液相的氚含量。
[0006]為實現上述目的,本實用新型采用的技術方案如下:
[0007]—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。
[0008]作為優選,所述Θ環填料的高徑比為I?1.2。
[0009]作為優選,所述Θ環填料的填裝高度不超過導流筒高度。
[0010]進一步地,本實用新型還包括控溫系統,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。
[0011]再進一步地,所述加熱器和外筒外部還均包裹有用作保溫層、且厚度為2cm的硅酸鋁纖維棉層。
[0012]作為優選,所述環隙區和中心區的橫截面面積比為2.5?5。
[0013]與現有技術相比,本實用新型具有以下有益效果:
[0014](I)本實用新型反應器內的流體循環流動,液相停留時間長,且氣含率高,傳質系數高,同時Θ環填料提供了大量的反應表面,氣液相接觸面積大,使得氫同位素反應的效率得到了顯著提升。
[0015](2)在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的條件下,本實用新型可使通入到外筒內的含氚水發生定向流動和循環,并可控制液相的停留時間,從而方便、準確地控制反應后氣液相中氚的濃度。
[0016](3)本實用新型采用的液相循環流動的方式,相比氣液相催化交換工藝多級串聯的交換柱,可以顯著降低反應器高度,結構簡單,設備投資少。同時催化劑填裝量少,可以顯著降低Pt基催化劑的使用成本。
[0017](4)本實用新型還設置了控溫系統,可實現對外筒內部的加熱,不僅加熱穩定、溫控精度高、加熱效果好,而且可以方便調整反應器內的溫度。同時,采用2 cm厚的硅酸鋁纖維棉層,可以保證內環流反應器的溫度穩定,減少反應器與環境的熱交換,提高反應器的節能效率。
[0018](5)本實用新型設計巧妙、結構緊湊、操作便捷、操作彈性大且反應效率高,可以理想地解決現有技術的弊端,大幅減小設備和催化劑的成本。因此,該技術進步明顯,具有實質性的特點和進步,非常適合在相關領域內進行推廣應用。
【附圖說明】
[0019]圖1為本實用新型的結構示意圖。
[0020]圖2為本實用新型工作時的液相循環示意圖。
[0021 ]圖3為本實用新型的三維正視圖。
[0022]圖4為本實用新型的三維剖視圖。
[0023]其中,附圖標記對應的名稱為:
[0024]1-中心區進氣管;2-環隙區進氣管;3-燒結板;4-導流筒;5-外筒;6-Θ環填料;7_含氣水進水管;8-含氣氫氣排出管道;9-環管式分布器;10-加熱器;11-娃酸招纖維棉層;12-低氚水出水管。
【具體實施方式】
[0025]下面結合【附圖說明】和實施例對本實用新型作進一步說明,本實用新型的方式包括但不僅限于以下實施例。
[0026]如圖1所示,本實用新型提供了一種新型的反應器,可實現水去氚化,本實用新型包括頂蓋、外筒5、中心區進氣管1、環隙區進氣管2、燒結板3、帶有導流孔的導流筒4、涂覆了疏水催化劑的Θ環填料6、含氣水進水管7、含氣氫氣排氣管8、環管式分布器9、低氣水出水管12和彳:£溫系統ο
[0027]所述頂蓋、外筒5、導流筒4和氫氣進氣緩沖腔構成內環流反應器主體,其中,外筒采用不銹鋼或石英材質制作,而頂蓋設置在外筒5頂部,導流筒4則設置在外筒5內部底部,并將外筒內部底部空間分隔為中心區和環隙區。所述環管式分布器9位于外筒5內部并靠近頂蓋,所述含氚水進水管7和含氚氫氣排氣管8則均穿入頂蓋與外筒內部連通,并且含氚水進水管7還與環管式分布器9連接。含氚水進水管7用于通入含氚水。
[0028]所述中心區進氣管I由外筒5底部穿入并與導流筒4連通,用于向中心區內通入高純氫氣;所述環隙區進氣管2與外筒5底部連通,用于向環隙區通入高純氫氣。所通入的高純氫氣將與含氚水接觸,并發生氫同位素交換反應。所述燒結板3為石英燒結板,其固定在外筒5內部,并位于導流筒4下方,所述氫氣進氣緩沖腔體由該燒結板3在外筒5底部分隔出。所述低氚水出水管12則與外筒5外壁連接并與環隙區連通。
[0029]所述Θ環填料6分別填裝于中心區和環隙區內。本實施例中,Θ環填料6由玻璃棉氈或80?200目不銹鋼絲網,高徑比為I?1.2,其經涂覆Pt基疏水催化劑、切割和卷壓成型制得,并且Θ環填料6的填裝高度不超過導流筒高度,以便提供充足的反應表面,并控制氣泡的尺寸和均勻分布。而環隙區填料量是中心區的2.5?5倍橫截面面積比,且該區域氣液相逆流接觸,液相流速緩慢,進一步提高了反應效率。
[0030]所述的控溫系統用于保證反應所需的溫度條件,其包括套在外筒5外部、且呈對稱半圓環狀結構的加熱器10,與該加熱器10連接的固態繼電器,以及與該固態繼電器連接的PID溫控儀。此外,加熱器和外筒外部表面均包裹有保溫層,本實施例中,保溫層采用2 cm厚的硅酸鋁纖維棉層11。
[0031]下面對本實用新型的工作流程進行詳細介紹。
[0032]首先,對安裝好的內環流反應器以及配套的管路和后處理系統進行保壓測試,并對外筒5內進行抽真空,直至真空度達到5Pa以下,確保氫氣操作時的設備安全。
[0033]接著,啟動控溫系統,對外筒內部進行預熱。預熱結束后,通過中心區進氣管I和環隙區進氣管2向中心區和環隙區內通入高純氫氣。
[0034]而后,將待處理的含氚廢水從含氚水進水管7引入,然后經環管式分布器9緩慢平穩地滴入至環隙區,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。進入的高純氫氣首先進入到氫氣進氣緩沖腔體,然后經燒結板3形成尺寸較小、分布均一的氣泡后進入環流中心區和環隙區內。含氚水與高純氫氣充分反應,得到含氚氫氣和低氚水,含氚水液位高度不超過反應器外筒內徑的20%。反應后的含氚氫氣自反應器頂部的含氚氫氣排出管道8引出,引出的含氚氫氣可以通過循環栗加壓后,自反應器底部的進氣通道繼續引入到外筒5中,實現循環反應,提升氫氣氚的含量,并連續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。
[0035]上述低氚水的排出可以采用間歇或連續的處理方式;間歇操作時,在環流反應器內一次性注入足量的待處理含氚水,經反應器內多次循環反應,監測低氚水濃度達到指標,將該批次低氚水全部引出,再重復進行;連續操作時,緩慢平穩地滴入待處理含氚水,與反應器內的低氚水混合后進行氫同位素交換,在低氚水采出口監測氚濃度,并連續引出符合氚濃度指標的低氚水,保證環流反應器連續穩定運行的同時連續排出所需低氚水。
[0036]另外,如圖2所示,在上述處理過程中,控制中心區高純氫氣表觀氣速高于環隙區氣速,中心區液相氣含率高,水相整體向上流動。水相高度超過導流筒高度時,受重力作用進入環隙區。環隙區由于氫氣表觀氣速較小,水相整體向下移動。到達環隙底部導流孔位置時,受導流孔兩側壓力差的驅動,環隙水相經導流孔進入中心區,從而實現反應器內中心區水相向上運動、環隙向下運動的中心氣升式環流模式。而反應器頂部的含氚水經環管式分布器9滴入環隙區,局部提升了環隙區水相的氚濃度,導致氣液相傳質和反應推動力增加,從而進一步提升了反應效率。如此一來,通過控制液相環流速度或停留時間、含氚水加料速率和低氚水引出速率,以及氫氣進氣流量,就可以便捷、定量地控制反應器內同位素交換反應進程,得到符合指標的低氚水和高濃度的含氚氫氣。
[0037]圖3和圖4分別為內環流反應器的三維正視圖和剖視圖。在本實施例中,內環流反應器安裝流程如下:導流筒最底端設置密封膠,結合燒結板上的契合結構,使得導流筒壓緊燒結板,保證導流筒最底部內外筒之間的密封性。填裝Θ環填料,填料高度不超過導流筒高度,然后將外筒和頂蓋通過法蘭連接,再依次安裝控溫系統和保溫層。
[0038]本實用新型通過合理的結構設計,氣液相接觸面積大、反應效率高,并且含氚水能定向流動,同時還可以控制液相停留時間,因而操作彈性大,可快速、準確地控制反應后氣液相的氚含量。因此,本實用新型技術進步十分明顯,將水去氚化反應器的設計提升到了一個新的高度。
[0039]上述實施例僅為本實用新型的優選實施方式之一,不應當用于限制本實用新型的保護范圍,凡在本實用新型的主體設計思想和精神上作出的毫無實質意義的改動或潤色,其所解決的技術問題仍然與本實用新型一致的,均應當包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種用于水去氚化的內環流反應器,其特征在于,包括頂蓋、外筒(5)、中心區進氣管(1)、環隙區進氣管(2)、燒結板(3)、帶有導流孔的導流筒(4)、涂覆了疏水催化劑的Θ環填料(6)、含氣水進水管(7)、含氣氫氣排氣管(8)、環管式分布器(9)和低氣水出水管(12);所述頂蓋設置在外筒(5)頂部,所述環管式分布器(9)位于外筒(5)內部并靠近頂蓋,所述含氚水進水管(7)和含氚氫氣排氣管(8)則均穿入頂蓋與外筒內部連通,并且含氚水進水管(7)還與環管式分布器(9)連接;所述導流筒(4)設置在外筒(5)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(I)由外筒(5)底部穿入并與導流筒(4)連通,用于向中心區內通入高純氫氣;所述環隙區進氣管(2)與外筒(5)底部連通,用于向環隙區通入高純氫氣;所述燒結板(3)固定在外筒(5)內部,并位于導流筒(4)下方,其將外筒(5)底部分隔出一個氫氣進氣緩沖腔體;所述Θ環填料(6)分別填裝于中心區和環隙區內;所述低氚水出水管(12)與外筒(5)外壁連接并與環隙區連通。2.根據權利要求1所述的一種用于水去氚化的內環流反應器,其特征在于,所述Θ環填料(6)的高徑比為I?1.2。3.根據權利要求2所述的一種用于水去氚化的內環流反應器,其特征在于,所述Θ環填料(6)的填裝高度不超過導流筒高度。4.根據權利要求1?3任一項所述的一種用于水去氚化的內環流反應器,其特征在于,還包括控溫系統,該控溫系統包括套在外筒(5)外部、且呈對稱半圓環狀結構的加熱器(10),與該加熱器(10)連接的固態繼電器,以及與該固態繼電器連接的PID溫控儀。5.根據權利要求4所述的一種用于水去氚化的內環流反應器,其特征在于,所述加熱器(10)和外筒(5)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(11)。6.根據權利要求1、2、3或5所述的一種用于水去氚化的內環流反應器,其特征在于,所述環隙區和中心區的橫截面面積比為2.5?5。
【文檔編號】G21F9/06GK205582521SQ201620237459
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月25日
【發明人】李佩龍, 熊仁金, 文明, 鄧立, 宋江鋒, 張志 , 喻彬, 陳閩, 陳克琳
【申請人】中國工程物理研究院材料研究所
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