重水生產

現代工業生產重水方法有：氨、水精餾及水、液氫蒸餾法，單溫、雙溫氨氫、氫一水、硫化氫一水交換法，間歇、半連續、連續電解法等。較多採用雙溫硫化氫一水交換法。

基本介紹

• 中文名：重水生產
• 外文名：heavy water production
• 領域：核能利用

市場行情

2021年全球重水市場銷售額達到了52.05百萬美元，預計2028年將達到85.20百萬美元，年複合增長率（CAGR）為5.96%（2022-2028）。從生產商來說，全球範圍內，重水核心廠商主要包括Isowater、劍橋同位素、Mesbah Energy和Heavy Water Board (HWB)。2021年，全球第一梯隊廠商主要有Isowater，第一梯隊占有大約50.80%的市場份額；第二梯隊廠商有劍橋同位素，共占有20.69%份額。生產端來看，北美和伊朗是兩個重要的生產地區，2021年分別占有76.37%和11.01%的市場份額，預計未來幾年，印度地區將保持最快增速，預計2028年份額將達到9.32%。

硫化氫交換法

GS法是基於在一系列塔內(通過頂部冷和底部熱的方式操作)水和硫化氫之間氫與氘交換的一種方法。在此過程中，水向塔底流動，而硫化氫氣體從塔底向塔頂循環。使用一系列多孔塔板促進硫化氫氣體和水之間的混合。在低溫下氘向水中遷移，而在高溫下氘向硫化氫中遷移。氘被濃縮了的硫化氫氣體或水從第一級塔的熱段和冷段的接合處排出，並且在下一級塔中重複這一過程。最後一級的產品(氘濃縮至高達30%的水)送入一個蒸鎦單元以製備反應堆級的重水（即99．75%的氧化氘）。

氨—氫交換法

氨——氫交換法可以在催化劑存在下通過同液態氨的接觸從合成氣中提取氘。合成氣被送進交換塔，而後送至氨轉換器。在交換塔內氣體從塔底向塔頂流動，而液氨從塔頂向塔底流動。氘從合成氣的氫中洗滌下來並在液氨中濃集。液氨然後流入塔底部的氨裂化器，而氣體流入塔頂部的氨轉換器。在以後的各級中得到進一步濃縮，最後通過蒸餾生產出反應堆級重水。合成氣進料可由氨廠提供，而這個氨廠也可以結合氨——氫交換法重水廠一起建造。氨——氫交換法也可以用普通水作為氘的供料源。

美國的大型重水廠是薩凡那河工廠，這個廠也是美國唯一生產重水的工業企業,它所生產的重水按每公斤62美元的價格出售。敦廠生產重水白氣右法有三：雙溫度交換法、蒸翩水法及電解水法。冰島正準備建造利用雙溫度交換法的、年產量為100噸的重水廠。該廠的造價估計為4000萬美元。西德A.G.霍斯特公司宣稱，在美因河法蘭克福市的工廠內已成功地利用液態氫蒸細法來生產重水，該廠是西德“蘭德公司設計的，每年可生產6噸重水。印度南加爾肥料及化學股份公司的工廠一也將利用蒸細法生產重水，年產量為14噸。該廠正在巴克拉水坦附近興建,它是一個綜合性化工廠。這家公司現已取得使用西德蘭德公司的重水生產法的許可證，印度的這個重水廠將採用電解水和蒸餾液態氫的過程，而且將和生產硝酸鐵肥料的工廠配合工作。這個廠現由紐約威特諾工程公司承擔設計及建造，每公斤重水的成術大約將低於62美元。電解水用的三極裝置是向義大利米蘭的阿倫卓·羅那公司買的。

阿拉伯聯合共和國也在規劃類似的綜合化工工廠。法國液態空氣公司已在土魯斯為法國原子能委員會建造一個年產重水40噸的工廠。日本原子能委員會正在經營一座用電解水法和蒸餾水法生產重水的工廠。該廠年產重水100公斤。據稱，以後將利用這個工藝過程建造一座年產10噸重水的工廠。

生產設備

利用GS法或氨——氫交換法生產重水的工廠所用的許多關鍵設備項目是與化學工業和石油工業的若干生產工序所用設備相同的。對於利用GS法的小廠來說尤其如此。然而，這種設備項目很少有“現貨”供應。GS法和氨——氫交換法要求在高壓下處理大量易燃、有腐蝕性和有毒的流體。因此，在制定使用這些方法的工廠和設備所用的設計和運行標準時，要求認真注意材料的選擇和材料的規格，以保證在長期服務中有高度的安全性和可靠性。規模的選擇主要取決於經濟性和需要。因而，大多數設備項目將按照用戶的要求製造。

最後，應該指出，對GS法和氨——氫交換法而言，那些單獨地看並非專門設計或製造用於重水生產的設備項目可以組裝成專門設計或製造用於生產重水的系統。氨——氫交換法所用的催化劑生產系統和在上述兩方法中將重水最終加濃至反應堆級所用的水蒸餾系統就是此類系統的實例。專門設計或製造用於利用GS法或氨——氫交換法生產重水的設備項目包括如下：

水——硫化氫交換塔

專門設計或製造用於利用GS法生產重水的、用優質碳鋼(例如ASTMA516)製造的交換塔。該塔直徑6米(20英尺)至9米(30英尺)，能夠在大於或等於2兆帕(300磅/平方英寸)壓力下和6毫米或更大的腐蝕允量下運行。

鼓風機和壓縮機

專門為利用GS法生產重水而設計或製造的用於循環硫化氫氣體(即含H2S70%以上的氣體)的單級、低壓頭(即0．2兆帕或30磅/平方英寸)離心式鼓風機或壓縮機。這些鼓風機或壓縮機的氣體通過能力大於或等於56米3/秒(120000標準立方英尺/分)，能在大於或等於1．8兆帕(260磅/平方英寸)的吸入壓力下運行，並有對濕H2S介質的密封設計。

氨——氫交換塔

專門設計或製造用於利用氨——氫交換法生產重水的氨——氫交換塔。該塔高度大於或等於35米（114．3英尺），直徑1．5米（4．9英尺）至2．5米（8．2英尺），能夠在大於15兆帕(2225磅/平方英寸)壓力下運行。這些塔至少都有一個用法蘭聯結的軸向孔，其直徑與交換塔筒體部分直徑相等，通過此孔可裝入或拆除塔內構件。

塔內構件和多級泵

專門為利用氨——氫交換法生產重水而設計或製造的塔內構件和多級泵。塔內構件包括專門設計的促進氣/液充分接觸的多級接觸裝置。多級泵包括專門設計的用來將一個接觸級內的液氨向其他級塔循環的水下泵。

氨裂化器

專門設計或製造的用於利用氨——氫交換法生產重水的氨裂化器。該裝置能在大於或等於3兆帕(450磅/平方英寸)的壓力下運行。

紅外吸收分析器

能在氘濃度等於或高於90%的情況下“線上”分析氫/氘比的紅外吸收分析器。

催化燃燒器

專門設計或製造的用於利用氨——氫交換法生產重水時將濃縮氘氣轉化成重水的催化燃燒器。