氢氘气相分离中的温度场分布模拟及实验

【作者】 胡鹏； 肖成建； 付小龙； 氘氚燃料循环团队；

【机构】 中国工程物理研究院核物理与化学研究所；

【摘要】 大量氢同位素气体分离对于聚变堆、聚变-裂变混合堆燃料循环和氚环境安全约束十分重要。气相色谱法具有技术设备简单可靠、系统搭建费用低廉、分离系数大、氚滞留量少以及能够实现自动循环分离等技术优势,逐渐成为中、大规模氢同位素分离工程应用重点研究发展方向。由于工业生产中大容量、宽柱径色谱柱内梯度温度场对单次循环气体分离、组分提取时机控制以及生产能耗等影响巨大,本文对氢氘体系在色谱柱中的动态吸附和脱附过程建立了模型方程,设定不同规格的色谱柱,模拟计算不同操作条件下柱内温度场分布以及对各组分浓度分布的影响,并通过实际色谱分离的实验数据对模型进行检验和修正。考虑到数学模型的通用性,建模过程采用粒径约20目的 5A分子筛均匀填充到一定长度的金属管中作为分离色谱柱,二维动态模拟了以氦为载气、氢氘组分在色谱柱内的吸附和脱附变换。模型构建了质量衡算方程、热量衡算方程、动量衡算方程、传质速率方程以及吸附等温方程,根据色谱分离流程设定了定解条件,采用有限差分和松弛迭代方法对方程组进行求解。结果表明,随着色谱柱直径的增加,色谱柱内轴向和径向的温度梯度逐渐增大,尤其是脱附过程中由壁面到中心温度明显降低,使得柱径增加不能等比例地增加处理量,氢氘吸附与解吸过程增长,组分间分离的难度增大,见图1及图2。与实际实验数据进行比较,所建模型能够正确模拟氢同位素分离的操作过程,基本反映了色谱分离中温度场分布情况及影响规律,可为大规模氢同位素色谱分离工艺的优化设计提供参考。更多还原