径向流氦氢分离床穿透特性实验与模拟分析.pdf

第58 卷第1期2024年1月原子能科学技术Atomic Energy Science and TechnologyVol.58,No.1Jan.2024径向流氮氢分离床穿透特性实验与模拟分析丁卫东，占勤，杨洪广，连旭东（中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所，北京10 2 413）摘要：为系统深入研究径向流氨氢分离床的吸附穿透性能，指导结构设计，本研究借助COMSOLMultiphysics软件耦合材料吸氢动力学方程、流体流动动量方程和质量传递方程，建立了径向床穿透数学模型，并结合实验验证了模型的可靠性，利用模型对特性参数进行参数化扫描，分析其对穿透性能的影响。结果表明，穿透实验结果与模拟数据符合较好，模型可靠。通过分析温度、高径比及孔隙率等参数对床体穿透性能的影响，推荐氨氢分离床床体参数如下：床体吸附温度为室温343K，在该温度范围内升高温度对传质区长度及出口处浓度-时间曲线影响较小；随着高径比的增加，床体效率明显下降，其中高径比为2.0 0 8.33时，维持高效率的时间较长；随着孔隙率的增加，床体吸附效率明显下降，考虑床层的吸附效率、压阻效应及粉末的装填难度，粉末孔隙率推荐0.56 0.6 4。以上结果表明，本研究建立的模型可较好地预测床体的吸附分离性能，可用于床体结构设计以及工艺参数的优化。关键词：径向流；氮氢分离床；穿透特性；数值模拟中图分类号：TL92.2doi:10.7538/yzk.2022.youxian.0862Experimental and Simulation Analysis of Breakthrough Capacityof Radial Flow Helium-hydrogen Separation BedDING Weidong,ZAN Qin,YANG Hongguang,LIAN Xudong(Reactor Engineering and Technology Research Institute,China Institute of Atomic Energy,Beijing 102413,China)Abstract:Helium-hydrogen separation bed is an important part of tritium extractionsystem.In order to deeply study penetration performance of the radial flow bed andguide the structure design,the mathematical model of radial bed breakthrough capacitywas established by coupling material hydrogen absorption kinetics equation,mass trans-fer equation and fluid flow momentum equation in COMSOL Multiphysics,which wasused to carry out parametric scanning of the characteristic parameters,and the effect ofthe model on the breakthrough capacity was analyzed.The results show that the break-through experiment results are in good agreement with the simulated data,and themodel is reliable.The effect of temperature,height-diameter ratio and porosity on thebreakthrough capacity was analyzed.The adsorption temperature of the bed is fromroom temperature to 343 K.In this temperature range,increasing the temperature hasless effect on the length of the mass transfer zone and the concentration-time curve at文献标志码：A文章编号：10 0 0-6 931（2 0 2 4)0 1-0 18 1-0 8收稿日期：2 0 2 2-11-2 6 修回日期：2 0 2 3-0 3-0 3182the outlet.With the increase of the height-diameter ratio,the efficiency of the beddecreases significantly,in which the high efficiency is maintained for a longer period oftime when the hieght-diameter ratio is 2.00-8.33.With the increase of porosity,theadsorption efficiency of the bed decreases significantly.Considering the adsorptionefficiency,the flow resistance and the difficulty of powder loading,the powder porosityis recommended from 0.56 to 0.64.Therefore,the model established in this study canbetter predict the adsorption performance,and can be used to optimize the structuredesign basis and process parameters.Key words:radial flow;helium-hydrogen separation bed;breakthrough capacity;numerical simulation氙提取系统(TES)是聚变堆氙工厂重要涉氙系统，而氮氢分离是TES中的关键工艺，氢同位素气体在此收集，其吸附分离效率和可靠性直接影响TES对氙的提取效率和可靠性。氮氢分离床体首先需要满足TES中苛刻的工艺条件要求：载气流量大（可达0.11g/s）、氢同位素含量低（ppm量级）、分离效率高（90%以上1-2 ）。同时在保证效率和压阻要求的前提下，床体装料尽量少，以降低氢同位素的滞留。意大利ENEA Brasimone实验技术研究所3-41在氮冷固态包层TES设计中，提出了ZrCo系列氮氢分离床替代传统低温分子筛吸附工艺回收包层氢同位素气体。2 0 世纪9 0 年代早期，日本学者Nobuo等5-7 针对锆系储氢材料（ZrNi、Zr(Vo.83Feo.17)2及Zr:Al,）在惰性气体中吸附分离H开展了大量研究，得到了一些传质区长度判断的经验拟合公式。之后德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)8 进一步实验验证了采用ZrCo粉末分离氮中微量氢的工艺可行性。关于氮氢分离床吸附性能的研究，早期多集中在一些经验公式以及试验性能测试上，目前关于填充床体所用储氢材料的吸氢动力学模K3He气源一8MFC-2H2气源一8氨氢分离床图1穿透曲线测试装置示意图Fig.1 Schematic diagram of breakthrough curve experimental device原子能科学技术第58 卷型及模拟验证的研究已经较全面9-11，而关于氮中氢同位素的吸附分离模型及模拟研究较少。改性ZrCo材料Zro.8Tio.2Co具有更好的抗歧化性能和良好的吸氢速率，因此本文选择其作为吸氢材料，针对聚变堆TES氮氢分离的工艺条件，开展实验以获得其床体穿透效率-时间曲线，采用COMSOL软件，通过耦合稀物质传递方程、材料吸氢反应动力学方程与流体力学方程建立吸附穿透模型，验证模型参数，并结合模型针对特性参数分析传质过程，进而指导床体结构设计与氮氢分离工艺参数的优化。1穿透曲线实验测试穿透曲线是关于吸附床出口处氢气浓度随时间的变化曲线，所使用实验测试装置如图1所示，装置主要由配气系统、真空系统、气体分析系统组成。配气系统由氮气、氢气气源与流量计MFC-1、M FC-2 组成，其最大量程分别为50 SLM、50 0 SC C M,精度为1%F.S.,通过调节流量，得到不同浓度及流量下的氮氢混合气体。气体分析系统由色谱仪及进气控制管路组成，色谱仪型号GOW-MAC816，氮气作为载气，P1P2MFC-1K4S1S2K5￥S3排空抽真空色谱第1期测试最小时间间隔为3min。真空系统由真空泵和分子泵组成，用于控制实验系统的真空。整个装置漏率H-23.1411874)孔隙率表1中其他参数不变，调整粉末孔隙率为0.52、0.56、0.6 0、0.6 4、0.6 8，考察孔隙率对床体穿透曲线的影响，结果如图11所示。由图11发现，孔隙率为0.52 时，吸附40 0 min内，一直保持较高的吸附效率，床体出口氢浓度几乎为0 ppm，之后随着孔隙率的增加，床体吸附效率明显下降。分析原因可能是，床体孔隙率较大时，粉末层体积不变，则粉末填充层质量减小，气体与合金粉末层的有效接触面积减小，导致吸氢速率下降；同时孔隙率增大会使气体流阻减小，径向速度增大，最终导致穿透性能明显下降。吸附初期孔隙率为0.52 0.6 8 时床高径比(H)体粉末层径向方向浓度分布如图12 所示。由2.00图12 发现,孔隙率增加后，传质区长度由10.1mm5.06增加至14 mm。结合径向床压阻性能影响分8.33析，考虑床层的吸附效率、压阻效应及粉末的装23.14填难度，推荐装填孔隙率为0.56 0.6 4。1.000.950.900.850.80F0.75F0.70L060120180240300360时间/min图11初始孔隙率对径向吸附床穿透曲线的影响Fig.llInfluence of initial porosityon radial adsorption bed penetration curve0.14.H=2.000.12H-5.06H-8.33HI-23.14-0.528-0.3642-0.6078-0.64+8-0.68L0.10(gu/low)/(0.080.06F0.040.020.000246810121416径向距离/mm图12孔隙率对径向方向浓度分布的影响Fig.12Influence of porosity on concentrationdistribution in radial direction4208-0.528-0.3648-0.60-8-0.646-0.681884结论1）随着入口氢浓度及床体温度的升高，粉末层穿透性能下降。2）采用COMSOL耦合建立的穿透模型所得结果与实验结果符合较好，验证了模型的准确性。3）通过模型及参数分析得到了推荐特性参数：吸附温度控制在室温343K之间；床体粉末层厚度控制在8 15mm,对应高径比为2.008.33；装填孔隙率为0.56 0.6 4。参考文献：1罗德礼，陈长安，黄志勇，等中国ITER氨冷固态实验包层模块氙工艺系统设计J核聚变与等离子体物理，2 0 0 6，2 6（3）：2 17-2 2 0.2RICAPITO I,CIAMPICHETTI A,BENAMATIG,et al.Tritium extraction systems 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