一种用于水去氚化的内环流反应器及其实现方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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氣的操作，部分氣最终以氣化水形式存在;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。
[0003]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氣含量。
[0004]因此，有必要对现有的水去氚化技术进行改进。
【发明内容】
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]作为优选，所述Θ环填料的高径比为I?1.2。
[0009]作为优选，所述Θ环填料的填装高度不超过导流筒高度。
[0010]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。
[0011]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2cm的硅酸铝纤维棉层。
[0012]作为优选，所述环隙区和中心区的横截面面积比为2.5?5。
[0013]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:
(I)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。
[0014]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。
[0015]再进一步地，所述步骤(4)中，低氚水的排出可以采用间歇或连续的处理方式；间歇操作时，在环流反应器内一次性注入足量的待处理含氚水，经反应器内多次循环反应，监测低氚水浓度达到指标，将该批次低氚水全部引出，再重复进行;连续操作时，缓慢平稳地滴入待处理含氚水，与反应器内的低氚水混合后进行氢同位素交换，在低氚水采出口监测氚浓度，并连续引出符合氚浓度指标的低氚水，保证环流反应器连续稳定运行的同时连续排出所需低氚水。
[0016]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
(I)本发明反应器内的流体循环流动，液相停留时间长，且气含率高，传质系数高，同时Θ环填料提供了大量的反应表面，气液相接触面积大，使得氢同位素反应的效率得到了显著提升。
[0017](2)在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的条件下，本发明可使通入到外筒内的含氚水发生定向流动和循环，并可控制液相的停留时间，从而方便、准确地控制反应后气液相中氚的浓度。
[0018](3)本发明采用的液相循环流动的方式，相比气液相催化交换工艺多级串联的交换柱，可以显著降低反应器高度，结构简单，设备投资少。同时催化剂填装量少，可以显著降低Pt基催化剂的使用成本。
[0019](4)本发明还设置了控温系统，可实现对外筒内部的加热，不仅加热稳定、温控精度高、加热效果好，而且可以方便调整反应器内的温度。同时，采用2 cm厚的硅酸铝纤维棉层，可以保证内环流反应器的温度稳定，减少反应器与环境的热交换，提高反应器的节能效率。
[0020](5)本发明设计巧妙、结构紧凑、操作便捷、操作弹性大且反应效率高，可以理想地解决现有技术的弊端，大幅减小设备和催化剂的成本。因此，该技术进步明显，具有突出的实质性特点和显著的进步，非常适合在相关领域内进行推广应用。
【附图说明】
[0021]图1为本发明的结构示意图。
[0022]图2为本发明工作时的液相循环示意图。
[0023]图3为本发明的三维正视图。
[0024]图4为本发明的三维剖视图。
[0025]其中，附图标记对应的名称为:
1-中心区进气管;2-环隙区进气管;3-烧结板;4-导流筒;5-外筒;6-Θ环填料;7-含氚水进水管;8-含氣氢气排出管道;9-环管式分布器；10-加热器；11-娃酸招纤维棉层；12-低氣水出水管。
【具体实施方式】
[0026]下面结合【附图说明】和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
[0027]如图1所示，本发明提供了一种新型的反应器，可实现水去氚化，本发明包括顶盖、外筒5、中心区进气管1、环隙区进气管2、烧结板3、带有导流孔的导流筒4、涂覆了疏水催化剂的Θ环填料6、含氣水进水管7、含氣氢气排气管8、环管式分布器9、低氣水出水管12和控温系统。
[0028]所述顶盖、外筒5、导流筒4和氢气进气缓冲腔构成内环流反应器主体，其中，外筒采用不锈钢或石英材质制作，而顶盖设置在外筒5顶部，导流筒4则设置在外筒5内部底部，并将外筒内部底部空间分隔为中心区和环隙区。所述环管式分布器9位于外筒5内部并靠近顶盖，所述含氚水进水管7和含氚氢气排气管8则均穿入顶盖与外筒内部连通，并且含氚水进水管7还与环管式分布器9连接。含氚水进水管7用于通入含氚水。
[0029]所述中心区进气管I由外筒5底部穿入并与导流筒4连通，用于向中心区内通入高纯氢气;所述环隙区进气管2与外筒5底部连通，用于向环隙区通入高纯氢气。所通入的高纯氢气将与含氚水接触，并发生氢同位素交换反应。所述烧结板3为石英烧结板，其固定在外筒5内部，并位于导流筒4下方，所述氢气进气缓冲腔体由该烧结板3在外筒5底部分隔出。所述低氚水出水管12则与外筒5外壁连接并与环隙区连通。
[0030]所述Θ环填料6分别填装于中心区和环隙区内。本实施例中，Θ环填料6由玻璃棉毡或80?200目不锈钢丝网，高径比为I?1.2，其经涂覆Pt基疏水催化剂、切割和卷压成型制得，并且Θ环填料6的填装高度不超过导流筒高度，以便提供充足的反应表面，并控制气泡的尺寸和均匀分布。而环隙区填料量是中心区的2.5?5倍横截面面积比，且该区域气液相逆流接触，液相流速缓慢，进一步提高了反应效率。
[0031]所述的控