[科普中国]-液相催化交换法-

简介

水-氢同位素液相催化交换工艺在重水生产和重水升级、轻水或重水脱氚，以及热核聚变堆净化回收氚等方面的应用前景十分广阔。上世纪70 年代以来，加拿大、日本、俄罗斯、印度、罗马尼亚等相继开展了这方面的研究工作，有关液相催化交换的具体工艺较少涉及，因此，水-氢同位素液相催化交换工艺条件需自行探索1。

水-氢同位素交换反应过程水-氢同位素交换反应体系为气-液-固三相共存，是一复杂的传质-反应过程。在催化交换床上进行的水-氢同位素交换反应涉及相间转化和催化交换反应两个过程，即在亲水填料上主要进行汽-液相间转化，在憎水催化剂上主要进行氢同位素催化交换反应。具体过程如下。汽-液相间转化：

HDO(液)+H2O(汽)

HDO(汽)+H2O(液)

氢同位素催化交换：

HDO(汽)+H2HD +H2O(汽)

总反应：

HDO(液)+H2HD +H2O(液)

工艺流程及参数水-氢同位素液相催化交换工艺流程示于图1 。预热后的高纯氢气和低浓重水分别从底部和顶部进入催化交换床，以逆流方式通过催化交换床并进行氢同位素催化交换反应。反应生成的氘化氢气体用色谱仪进行分析。

催化交换床尺寸为40 mm ×300mm ，催化剂为1%Pt-SDB ，经过表面处理的不锈钢三角弹簧填料与催化剂按4∶1 分层有序填装2。

反应温度对传质单元高度的影响加拿大AECL曾对脱氚的实验装置进行过设计计算。若脱氚率为90%、反应温度为25℃，催化交换塔高度则约为40m ；温度升高到60℃时，催化交换塔高度可降低至20m 。由此可见，温度对水-氢同位素液相催化交换反应的影响十分明显，所以，选择合适的反应温度尤为重要。

随着反应温度的升高，传质单元高度总体上呈下降趋势。因此，升高温度对水-氢同位素液相催化交换反应有利。因为无论是对憎水催化剂上的催化交换反应还是对亲水填料上的汽-液相间质量转移来说，升高温度均能提高交换过程的速率，所以，交换塔的分离效率提高，传质单元高度下降。

在实际工艺过程中，通常选择60 ℃作为水-氢同位素液相催化交换反应的温度。这是因为：

1) 温度高于60 ℃时，继续升高反应温度，交换塔的分离效率提高的趋势不明显，而升高温度却带来能耗的增加；

2) 温度太高时，水的汽化增大，使得实际的气液比变得很大，阻碍液体水的下流与均匀分布而影响交换效果，甚至发生液泛，从而破坏了交换过程的顺利进行3。

气液比对传质单元高度的影响在水-氢同位素液相催化交换反应中，作为反应物的氢气和低浓重水的流量均对交换塔的分离效果产生一定影响，因此，确定适宜的氢气流量和低浓重水流量（气液比）十分必要。

空塔线速度越大，塔的处理能力就越大。空塔线速度是设计交换塔的一重要参数，也是衡量交换塔好坏的一个重要指标。

随着气体流量增大，传质单元高度上升。造成这一结果的可能原因是：气体流速增大，塔板上气液接触时间变短，导致塔板交换效率降低;气体流速增大，水汽挟带现象变得严重，气体流速大到一定程度时，气体将把反应床中所有的液体泛起，即发生液泛。发生液泛不仅与反应床中催化剂与填料的填装方式和比例有关，而且主要受流量控制。

低浓重水流量对传质单元高度的影响在常温常压下，低浓重水的摩尔体积比氢气的小很多，当两者变化相同的摩尔量时，体积流量或线速度的变化量差别很大，这对催化交换塔的传质单元高度的影响是不同的。

随着低浓重水流量增大，即气液比的降低，传质单元高度呈下降趋势。但这种趋势比氢气流量对传质单元高度的影响小。

这可能由以下两方面原因造成：一是低浓重水流量增大，塔板上（填料层）液-汽接触的机会增多，相交换能力增强，导致塔板交换效率的提高;二是低浓重水的单位摩尔流速（mol/h）变化量虽然与氢气的相同，但线速度（m/s）的变化量却比氢气的小很多，所以，低浓重水流量对传质单元高度的影响比氢气的小。

从氢气流量和低浓重水流量对传质单元高度影响的结果可知：

1) 无论是氢气还是低浓重水，随着气液比的增大，传质单元高度皆升高，即塔的分离效率降低；

2) 低浓重水流量对传质单元高度的影响比氢气的小；

3) 氢气流量增大，气液比增大，传质单元高度升高，即塔的分离效率降低；

低浓重水流量增大，气液比减小，传质单元高度降低，即塔的分离效率提高。

从工程角度考虑，对于一定的催化交换塔，希望氢气流量和低浓重水流量越大越好，但随着氢气流量的增大，塔的分离效率迅速降低（与低浓重水流量的增大相比），所以，应严格控制氢气的流量。为了同时兼顾处理量即氢气流量、低浓重水流量和塔的分离效率，实际工艺过程中氢气流量和低浓重水流量之比（气液比）约取1 2。

温度和氢气流速对塔阻力降的影响催化交换塔有两个最重要的参数，一为传质单元高度，另一个则是阻力降，它们是设计催化交换塔时的重要依据。传质单元高度决定着催化交换塔的高度，阻力降则决定催化交换塔处理能力的大小。研究表明，在塔的填装确定后，温度和氢气流速对交换塔阻力降的影响最大。随着温度和氢气流速的增加，阻力降上升。

总结通过研究，可得到如下结论：

1) 60℃是水-氢同位素液相催化交换反应的适宜温度；

2) 氢气流量和低浓重水流量对塔的分离效率来说是一对矛盾因素，所以，在实际工艺过程中，应选择合适的氢气流量和低浓重水流量，一般应取氢气流量和低浓重水流量之比（气液比）约为1∶1 ；

3) 在塔的填装方式确定后，温度和氢气流速是影响催化交换塔阻力降的主要因素2。