齊 鑫，曾 靜，楚 禎，吳全鋒

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

氫同位素有三種，分別為H、D和T，形成的六種同位素分子分別為：H2、HD、HT、D2、DT和T2。氫同位素的分離方法主要有化學(xué)交換法、低溫精餾法、熱擴(kuò)散法、離心法和氣固色譜法、和吸收/吸附分離法、激光法等[1-2],而工業(yè)化生產(chǎn)氫同位素主要采用低溫精餾法。1971年法國(guó)Lane-Langevin 研究所基于VPCE(氫氣與水蒸氣之間的氫同位素交換)-CD(低溫蒸餾)技術(shù)組合工藝建成了世界上第一座重水提氚實(shí)驗(yàn)工廠[3]。在JET(歐洲聯(lián)合托卡馬克裝置)和ITER(國(guó)際聚變實(shí)驗(yàn)堆)上均采用低溫精餾工藝對(duì)未燃盡的氘氚和從WDS(含氚廢水處理系統(tǒng))與NBI(中性束注入器)回來的氣體進(jìn)行同位素分離[4]。低溫精餾法有許多優(yōu)勢(shì)：分離系數(shù)大，處理量相對(duì)較大，能耗相對(duì)較低，可忽略的氚滲透等等[5]。計(jì)算機(jī)模擬研究在氫同位素分離過程的單塔或級(jí)聯(lián)塔的設(shè)計(jì)計(jì)算或性能預(yù)測(cè)方面發(fā)揮著重要的作用。國(guó)外Masahiro Kinoshita[5]、A.Busigin[6]、J.C.Buvat[7]、Rupsha Bhattacharyya[8]、Alina Niculescu[9]等人進(jìn)行了相關(guān)的低溫精餾模擬研究。國(guó)內(nèi)主要有天津大學(xué)和中國(guó)工程物理研究院等單位的科技工作者進(jìn)行了低溫精餾氫同位素分離的相關(guān)模擬研究,羅青等人以平衡級(jí)模型為基礎(chǔ)建立了低溫精餾分離氫同位素的穩(wěn)態(tài)模擬模型，研究了帶側(cè)線返回進(jìn)料的低溫精餾塔應(yīng)用于氫同位素體系的分離特性[10]；夏修龍等人以MATLAB平臺(tái)開發(fā)了計(jì)算程序，對(duì)不同的氫同位素體系如H2-HD、D2-DT、H2-HT-T2、D2-DT-T2等進(jìn)行了相關(guān)的低溫精餾塔分離特性的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬研究[11-16]。本文使用經(jīng)典化工模擬軟件Aspen Plus靜態(tài)模擬低溫精餾塔對(duì)氫同 位素H2-HD雙組分的分離特性。

1 精餾塔的簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)

氫同位素分子之間的物性差異較大，在對(duì)低溫精餾分離氫同位素的模擬過程中不能選擇理想氣體的物性方法。由于Aspen Plus的純組分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)中模擬時(shí)所需的HD的物性參數(shù)不全，所以在模擬前，需要在模擬軟件的物性數(shù)據(jù)庫(kù)中輸入HD的基礎(chǔ)參數(shù)如Antoine蒸氣壓方程PLXANT參數(shù)、汽化熱、正常沸點(diǎn)、臨界壓力、臨界溫度、偏心因子等[17-19]，再進(jìn)行物性估算。根據(jù)文獻(xiàn)[17]中有關(guān)HD組分的部分飽和液體粘度和表面張力等數(shù)據(jù)，利用Data Regression功能進(jìn)行回歸分析HD純組分的相關(guān)方程。

表1 DSTWU計(jì)算結(jié)果

在利用DSTWU(簡(jiǎn)捷法)模型設(shè)計(jì)精餾塔時(shí)，氫同位素為泡點(diǎn)進(jìn)料，原料氣中H2摩爾 分?jǐn)?shù)為99%，HD的含量為1%。塔頂餾出液中H2的回收率為99.99%，重組分HD的回 收率為0.01%，實(shí)際回流比選取最小回流比的5倍，塔頂壓力為1.5 bar。模擬選用BWR-LS模型。模擬的結(jié)果如表1所示。

在DSTWU模擬的結(jié)果中，低溫精餾塔的回流比與塔板數(shù)之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 低溫精餾塔的回流比與塔板數(shù)的關(guān)系圖

由圖1可以看出，氫同位素低溫精餾分離的回流比與理論塔板數(shù)為負(fù)相關(guān)。塔板數(shù)的增加使回流比顯著減小，但隨著塔板數(shù)的增加，曲線逐漸趨于平穩(wěn)，這時(shí)增加塔板數(shù)對(duì)回流比的減小已無(wú)明顯作用，回流比的減小使操作費(fèi)用減小，但塔板數(shù)增加，造成塔及附屬設(shè)備費(fèi)用增加因而，過多地增加塔板數(shù)并沒有好處[16]。

2 精餾塔的嚴(yán)格核算

依據(jù)表1內(nèi)DSTWU模型模擬的數(shù)據(jù)，對(duì)氫同位素分離的低溫精餾塔進(jìn)行RADFRAC(嚴(yán)格核算)模型模擬。RADFRAC模擬的結(jié)果如表2所示。

由表2可知，在上述的操作條件下，塔頂脫氘率達(dá)到99.98%，塔底產(chǎn)品中HD的摩爾濃度也能達(dá)到98.99%。

表2 嚴(yán)格核算結(jié)果

2.1 精餾塔上溫度和濃度分布

在Aspen Plus中選擇blocks/radfrac/Profiles，可以獲得低溫精餾塔上每塊塔板上的溫度及液相中H2和HD平衡濃度的分布狀況，分別如圖2和圖3所示。

圖2 精餾塔上的溫度分布

氫同位素的低溫精餾分離中溫度不但直接影響分離能力,而且與系統(tǒng)操作條件相關(guān)，必須嚴(yán)格控制[14]。由于難揮發(fā)組分HD泡點(diǎn)溫度高,向精餾塔底端濃集,而易揮發(fā)組分H2泡點(diǎn)溫度低,且向精餾塔頂部濃集,因此精餾塔底端(高塔板數(shù))溫度會(huì)比頂端高。圖2所示較好的體現(xiàn)了這一點(diǎn)。

圖3 精餾塔上的濃度分布

從圖3中可以看出，精餾塔塔板數(shù)與液相中HD濃度成正相關(guān)，與液相中H2濃度成負(fù)相關(guān)。即精餾塔塔板數(shù)在不斷增加時(shí)，液相中H2濃度在不斷降低，而難揮發(fā)組分HD的含量則在逐漸增大，在精餾塔底端不斷富集。

2.2 回流比對(duì)分離性能的影響

在回流比變化范圍為2～12時(shí)，通過Sensitivity功能模擬回流比對(duì)塔底餾出液中HD摩爾濃度的影響，如圖4所示。

圖4 塔底HD濃度與回流比的關(guān)系圖

圖4表明，在其它運(yùn)行參數(shù)一致的情況下，回流比的增大，會(huì)不斷增加塔底餾出液中難揮發(fā)組分HD的摩爾濃度，當(dāng)操作回流比為9.0時(shí)，塔底餾出液中所需的分離產(chǎn)品HD濃度達(dá)到98.99%。繼續(xù)加大回流比，對(duì)塔底餾出液中HD濃度的提升已無(wú)明顯的作用了，但卻增加了能耗，因此實(shí)驗(yàn)中需選擇合適的回流比。

2.3 再沸器加熱功率對(duì)分離性能的影響

氫同位素分離的低溫精餾塔總板數(shù)為48，塔頂冷凝器為全凝器，飽和H2-HD液體混合物進(jìn)料，塔頂壓力1.5 bar，回流比為9.0，塔頂出料占進(jìn)料量分率為0.9899，考察了再沸器加熱功率對(duì)塔底餾出液中HD摩爾濃度的影響，如圖5所示。

從圖5中可以看出，增加再沸器的加熱功率能夠顯著提高塔底餾出液中HD的摩爾濃度。加熱功率的增加，促進(jìn)了H2與HD的分離，但也使加熱能耗和制冷能耗相應(yīng)增加。加熱功率達(dá)到12.59 W時(shí)，塔底產(chǎn)品中HD含量高達(dá)98.99%。

圖5 塔底HD濃度與再沸器加熱功率的關(guān)系圖

2.4 理論塔板數(shù)對(duì)分離性能的影響

在理論塔板數(shù)變化范圍為30～56時(shí)，通過Sensitivity功能模擬理論塔板數(shù)對(duì)塔底餾出液中HD摩爾濃度的影響，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 塔底HD濃度與理論塔板數(shù)的關(guān)系圖

由圖6可知，總板數(shù)的增加顯著增強(qiáng)了分離性能，塔底餾出液中HD的摩爾濃度在不斷升高的同時(shí)，塔底餾出液中HD的摩爾濃度卻在不斷降低，脫氘率及氘的回收率也在不斷提高。當(dāng)理論塔板數(shù)超過48塊時(shí)，塔底產(chǎn)品中HD濃度基本上不變。

2.5 塔壓對(duì)分離性能的影響

操作壓強(qiáng)的變化對(duì)餾出液中HD的摩爾濃度的影響如圖7所示。

由圖7可知，塔底餾出液中HD摩爾濃度隨著操作壓強(qiáng)的增加而下降。系統(tǒng)操作壓力升高，整個(gè)精餾塔上溫度會(huì)升高，因此分離系數(shù)會(huì)降低。

圖7 塔底HD濃度與操作壓力的關(guān)系圖

3 結(jié)論

通過Aspen Plus對(duì)H2-HD同位素體系的分離進(jìn)行了相關(guān)的模擬研究。低溫精餾塔的總塔板數(shù)為48，塔頂壓力1.5 bar，飽和H2-HD液態(tài)混合物在第25塊板進(jìn)料，操作回流比為9.0，塔頂出料占進(jìn)料量分率為0.9899時(shí)，模擬優(yōu)化得到塔底餾出液HD摩爾濃度為98.99%，塔頂產(chǎn)餾出液H2的摩爾濃度為99.9998%，H2和HD在該塔中能夠較好的分離。并研究了回流比、再沸器加熱功率、塔板數(shù)、操作壓力等參數(shù)對(duì)H2-HD同位素體系低溫精餾分離性能的影響，塔底餾出液HD摩爾濃度隨操作壓強(qiáng)的增加而下降，而回流比、再沸器加熱功率、塔板數(shù)的增加在所模擬的范圍內(nèi)有利于H2-HD體系的分離。