液相催化交換法是指交換反應體系為氣-液-固三相共存，是一複雜的傳質-反應過程。在催化交換床上進行的水-氫同位素交換反應涉及相間轉化和催化交換反應兩個過程，即在親水填料上主要進行汽-液相間轉化，在憎水催化劑上主要進行氫同位素催化交換反應。液相催化交換工藝在重水生產和重水升級、輕水或重水脫氚，以及熱核聚變堆淨化回收氚等方面的套用前景十分廣闊。
基本介紹
- 中文名：液相催化交換法
- 外文名：Liquid phase catalytic exchange
- 學科：冶金工程
- 領域：冶煉
- 反應體系：交換反應體系為氣-液-固三相共存
- 典型：水-氫同位素交換反應
簡介,水-氫同位素交換反應過程,工藝流程及參數,反應溫度對傳質單元高度的影響,氣液比對傳質單元高度的影響,低濃重水流量對傳質單元高度的影響,溫度和氫氣流速對塔阻力降的影響,總結,
簡介
水-氫同位素液相催化交換工藝在重水生產和重水升級、輕水或重水脫氚，以及熱核聚變堆淨化回收氚等方面的套用前景十分廣闊。上世紀70 年代以來，加拿大、日本、俄羅斯、印度、羅馬尼亞等相繼開展了這方面的研究工作，有關液相催化交換的具體工藝較少涉及，因此，水-氫同位素液相催化交換工藝條件需自行探索。
水-氫同位素交換反應過程
水-氫同位素交換反應體系為氣-液-固三相共存，是一複雜的傳質-反應過程。在催化交換床上進行的水-氫同位素交換反應涉及相間轉化和催化交換反應兩個過程，即在親水填料上主要進行汽-液相間轉化，在憎水催化劑上主要進行氫同位素催化交換反應。具體過程如下。汽-液相間轉化：
HDO(液)+H2O(汽)
HDO(汽)+H2O(液)
氫同位素催化交換：
HDO(汽)+H2HD +H2O(汽)
總反應：
HDO(液)+H2HD +H2O(液)
工藝流程及參數
水-氫同位素液相催化交換工藝流程示於圖1 。預熱後的高純氫氣和低濃重水分別從底部和頂部進入催化交換床，以逆流方式通過催化交換床並進行氫同位素催化交換反應。反應生成的氘化氫氣體用色譜儀進行分析。
催化交換床尺寸為40 mm ×300mm ，催化劑為1%Pt-SDB ，經過表面處理的不鏽鋼三角彈簧填料與催化劑按4∶1 分層有序填裝。
圖1反應溫度對傳質單元高度的影響
加拿大AECL曾對脫氚的實驗裝置進行過設計計算。若脫氚率為90%、反應溫度為25℃，催化交換塔高度則約為40m ；溫度升高到60℃時，催化交換塔高度可降低至20m 。由此可見，溫度對水-氫同位素液相催化交換反應的影響十分明顯，所以，選擇合適的反應溫度尤為重要。
隨著反應溫度的升高，傳質單元高度總體上呈下降趨勢。因此，升高溫度對水-氫同位素液相催化交換反應有利。因為無論是對憎水催化劑上的催化交換反應還是對親水填料上的汽-液相間質量轉移來說，升高溫度均能提高交換過程的速率，所以，交換塔的分離效率提高，傳質單元高度下降。
在實際工藝過程中，通常選擇60 ℃作為水-氫同位素液相催化交換反應的溫度。這是因為：
1) 溫度高於60 ℃時，繼續升高反應溫度，交換塔的分離效率提高的趨勢不明顯，而升高溫度卻帶來能耗的增加；
2) 溫度太高時，水的汽化增大，使得實際的氣液比變得很大，阻礙液體水的下流與均勻分布而影響交換效果，甚至發生液泛，從而破壞了交換過程的順利進行。
氣液比對傳質單元高度的影響
在水-氫同位素液相催化交換反應中，作為反應物的氫氣和低濃重水的流量均對交換塔的分離效果產生一定影響，因此，確定適宜的氫氣流量和低濃重水流量（氣液比）十分必要。
空塔線速度越大，塔的處理能力就越大。空塔線速度是設計交換塔的一重要參數，也是衡量交換塔好壞的一個重要指標。
隨著氣體流量增大，傳質單元高度上升。造成這一結果的可能原因是：氣體流速增大，塔板上氣液接觸時間變短，導致塔板交換效率降低;氣體流速增大，水汽挾帶現象變得嚴重，氣體流速大到一定程度時，氣體將把反應床中所有的液體泛起，即發生液泛。發生液泛不僅與反應床中催化劑與填料的填裝方式和比例有關，而且主要受流量控制。
低濃重水流量對傳質單元高度的影響
在常溫常壓下，低濃重水的摩爾體積比氫氣的小很多，當兩者變化相同的摩爾量時，體積流量或線速度的變化量差別很大，這對催化交換塔的傳質單元高度的影響是不同的。
隨著低濃重水流量增大，即氣液比的降低，傳質單元高度呈下降趨勢。但這種趨勢比氫氣流量對傳質單元高度的影響小。
這可能由以下兩方面原因造成：一是低濃重水流量增大，塔板上（填料層）液-汽接觸的機會增多，相交換能力增強，導致塔板交換效率的提高;二是低濃重水的單位摩爾流速（mol/h）變化量雖然與氫氣的相同，但線速度（m/s）的變化量卻比氫氣的小很多，所以，低濃重水流量對傳質單元高度的影響比氫氣的小。
從氫氣流量和低濃重水流量對傳質單元高度影響的結果可知：
1) 無論是氫氣還是低濃重水，隨著氣液比的增大，傳質單元高度皆升高，即塔的分離效率降低；
2) 低濃重水流量對傳質單元高度的影響比氫氣的小；
3) 氫氣流量增大，氣液比增大，傳質單元高度升高，即塔的分離效率降低；
低濃重水流量增大，氣液比減小，傳質單元高度降低，即塔的分離效率提高。
從工程角度考慮，對於一定的催化交換塔，希望氫氣流量和低濃重水流量越大越好，但隨著氫氣流量的增大，塔的分離效率迅速降低（與低濃重水流量的增大相比），所以，應嚴格控制氫氣的流量。為了同時兼顧處理量即氫氣流量、低濃重水流量和塔的分離效率，實際工藝過程中氫氣流量和低濃重水流量之比（氣液比）約取1 。
溫度和氫氣流速對塔阻力降的影響
催化交換塔有兩個最重要的參數，一為傳質單元高度，另一個則是阻力降，它們是設計催化交換塔時的重要依據。傳質單元高度決定著催化交換塔的高度，阻力降則決定催化交換塔處理能力的大小。研究表明，在塔的填裝確定後，溫度和氫氣流速對交換塔阻力降的影響最大。隨著溫度和氫氣流速的增加，阻力降上升。
總結
通過研究，可得到如下結論：
1) 60℃是水-氫同位素液相催化交換反應的適宜溫度；
2) 氫氣流量和低濃重水流量對塔的分離效率來說是一對矛盾因素，所以，在實際工藝過程中，應選擇合適的氫氣流量和低濃重水流量，一般應取氫氣流量和低濃重水流量之比（氣液比）約為1∶1 ；
3) 在塔的填裝方式確定後，溫度和氫氣流速是影響催化交換塔阻力降的主要因素。
