[发明专利]一种用于水去氚化的内环流反应器及其实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及化工和核技术及设备领域，具体涉及的是一种用于水去氚化的内环流反应器及其实现方法。

背景技术

氚是氢的放射性同位素，在军工和核电领域都至关重要。核武器制造和聚变堆运行都会涉及大量氚的操作，部分氚最终以氚化水形式存在；核电站运行过程也会产生大量的含氚废水。如果这些含氚废水得不到合理处理，将会造成严重的环境污染。同时，氚是自然界中的极其微量的元素，本身具有极高的价值，含氚水中氚的回收具有很高的经济价值。因此，开发高效、节能、环保、低成本的水去氚化技术和装备，对于回收含氚水中的氚元素，并使含氚水达到排放指标，都具有非常重要的意义。

液相催化交换（LPCE）技术是目前相对成熟的水去氚化技术，采用多节串联的催化交换柱以实现更高的反应效率和处理量，但是该技术的不足之处在于设备复杂、安装高度高、加工成本高；而采用的Pt基催化剂价格昂贵，多节串联的交换柱填充催化剂总量大，费用高；同时，交换柱内气液相停留时间难以控制，无法定量准确地控制反应后低氚水和含氚氢气的氚含量。

因此，有必要对现有的水去氚化技术进行改进。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于水去氚化的内环流反应器及其实现方法，可方便、准确地控制反应后气液相的氚含量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于水去氚化的内环流反应器，包括顶盖、外筒、中心区进气管、环隙区进气管、烧结板、带有导流孔的导流筒、涂覆了疏水催化剂的θ环填料、含氚水进水管、含氚氢气排气管、环管式分布器和低氚水出水管；所述顶盖设置在外筒顶部，所述环管式分布器位于外筒内部并靠近顶盖，所述含氚水进水管和含氚氢气排气管则均穿入顶盖与外筒内部连通，并且含氚水进水管还与环管式分布器连接；所述导流筒设置在外筒内部底部，并将外筒内部底部空间分隔为中心区和环隙区，所述中心区进气管由外筒底部穿入并与导流筒连通，用于向中心区内通入高纯氢气；所述环隙区进气管与外筒底部连通，用于向环隙区通入高纯氢气；所述烧结板固定在外筒内部，并位于导流筒下方，其将外筒底部分隔出一个氢气进气缓冲腔体；所述θ环填料分别填装于中心区和环隙区内；所述低氚水出水管与外筒外壁连接并与环隙区连通。

进一步地，所述θ环填料由玻璃棉毡或80～200目不锈钢丝网，经涂覆Pt基疏水催化剂、切割和卷压成型制得。

作为优选，所述θ环填料的高径比为1～1.2。

作为优选，所述θ环填料的填装高度不超过导流筒高度。

再进一步地，本发明还包括控温系统，该控温系统包括套在外筒外部、且呈对称半圆环状结构的加热器，与该加热器连接的固态继电器，以及与该固态继电器连接的PID温控仪。

更进一步地，所述加热器和外筒外部还均包裹有用作保温层、且厚度为2 cm的硅酸铝纤维棉层。

作为优选，所述环隙区和中心区的横截面面积比为2.5～5。

基于上述反应器的结构，本发明还提供了该用于水去氚化的内环流反应器的实现方法，包括以下步骤：

（1）对内环流反应器进行保压测试，并对其内部进行抽真空，直至真空度达到5Pa以下；

（2）启动控温系统，对外筒内部进行预热；

（3）预热结束后，分别向中心区和环隙区中通入高纯氢气，然后引入待处理含氚水，控制中心区和环隙区的氢气表观气速，形成中心气升式环流，并控制含氚水液位高度不超过反应器外筒内径的20%，使含氚水与高纯氢气进行氢同位素交换反应，得到含氚氢气和低氚水；该步骤中，中心区液相向上流动，液相高度超过导流筒后受到重力影响，在环隙区向下流动，并在到达导流孔位置时，受到导流孔两侧压力差的推动，从环隙区经导流孔流入中心区，形成循环；

（4）将含氚氢气排出，并继续循环通入至中心区和环隙区内与低氚水反应，然后检测低氚水出水管水相的氚含量，直至符合氚浓度指标时排出低氚水和含氚氢气。

进一步地，所述步骤（3）中，高纯氢气经中心区进气管、环隙区进气管进入内环流反应器底部的氢气进气缓冲腔体中，并经过烧结板形成分布均一的气泡，然后进入中心区和环隙区内。