一种氧气气氛中微量氢的氧化吸附实验系统及方法与流程

本发明属于化学设备领域，具体涉及一种氧气气氛中微量氢的氧化吸附实验系统及方法。

背景技术：

乏燃料元件高温氧化处理工艺是上世纪六七十年代由美国爱达荷实验室(inl)提出的一种先进核燃料后处理首端工艺。在传统乏燃料后处理元件剪切和溶解之间，将乏燃料元件在空气、氧气或氮氧化物等氧化氛围下高温煅烧。经高温煅烧将uo2芯块氧化转变为易被硝酸溶解的u3o8或uo3细微粉末，利用uo2芯块氧化后体积会有36％的增加而形成体积膨胀力的特性破坏包壳，使其与芯块分离。同时实现³h、⁸⁵kr/xe、¹⁴c、¹²⁹i、cs、ru和tc等裂变元素以气体的形式完全或部分去除。

现有技术中，高温氧化过程中乏燃料芯块中的氚几乎全部释放进入到工艺尾气中去，通过对尾气中氚的捕集实现了氚的集中管理。这对目前的purex流程改进具有重要的意义。首先，在元件溶解之前将氚进行挥发和捕集会简化后续流程的氚的管理问题和硝酸复用方案；其次，氚的捕集将解决后处理厂低放废水中氚的排放问题，使内陆后处理厂建厂成为可能。

高温氧化尾气中氚的处理有如下特点，高温氧化过程会通入大量的氧气作为反应物，而体系中的氚是乏燃料芯块中的裂变产物，氚的含量极低。所以，上述处理工艺的处理对象为高含氧量中极低浓度氚的氧化以及捕集。现有技术中缺乏能够实现这一工艺效果的方法和系统。

现有的除氚工艺研究中，主要是处理反应堆里的氚废气，该研究对象中惰性气体含量非常高，并没有进行高氧(90％以上)含量的除氚实验。鉴于氚是氢的同位素，一般情况下，是采用氢来代替氚进行实验研究，其实验数据可以为除氚工艺的设计提供可靠参考。一个典型的对于氚和氢的测量的实验方法是采用电离室和微量水分析仪。微量水分析仪的原理是利用五氧化二磷的高吸湿性将气体中微量的水吸收后电离为氢气和氧气，此方法对受氢气氧气影响特别大，不适用于本实验的高氧气氛。并且在做相关除氚实验时，调节标定测量仪表是一件非常复杂的事情。

有鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种氧气气氛中微量氢的氧化吸附实验系统及方法，本技术方案可进行用于核燃料后处理中高温氧化挥发过程除氢和氚的实验以为工业生产过程中氧化床温度与材料、吸附剂的选择等工艺条件的选择提供数据支持。

本发明的技术方案如下：

一种氧气气氛中微量氢的氧化吸附实验系统，包括依次连接的氧化床、微量氢分析仪和吸附床；气源连接至所述氧化床的入口；所述气源包括氢气源和氧气源，二者通过三通阀连接至所述氧化床的入口以在所述氧化床内反应生成水；所述微量氢分析仪用于分析残留未氧化的氢气浓度；吸附床用于吸附反应生成的水。

进一步地，上述的氧气气氛中微量氢的氧化吸附实验系统，压力监测系统监测所述氧化床入口处的压力数据和气源的压力数据以确保安全。

进一步地，上述的氧气气氛中微量氢的氧化吸附实验系统，所述三通阀后部设置有能够加长气路长度的盘管以确保氢气和氧气进入氧化床前流动形态稳定。

进一步地，上述的氧气气氛中微量氢的氧化吸附实验系统，所述微量氢分析仪前端设置有冷却器。

进一步地，上述的氧气气氛中微量氢的氧化吸附实验系统，所述氧化床和吸附床的筛床中心及边缘部分均设置有温度计以确保实验进行时全床达到预设温度。

同时，本发明还提供了一种氧气气氛中微量氢的氧化吸附实验方法，包括：

将氢气在氧气氛围中氧化反应生成水；

分析残留未氧化的氢气浓度并计算相应氧化床对氢气的氧化效率；

吸附氧化反应生成的水并根据该水的质量计算吸附床的吸附效率。

进一步地，上述的氧气气氛中微量氢的氧化吸附实验方法，在实验过程中，监测氧化床入口处的压力数据和气源的压力数据以确保安全。

进一步地，上述的氧气气氛中微量氢的氧化吸附实验方法，氧化反应前，加长气路以确保氢气和氧气进入氧化床前流动形态稳定。

进一步地，上述的氧气气氛中微量氢的氧化吸附实验方法，分析残留未氧化的氢气浓度前，对残留气体进行冷却。

本发明的有益效果如下：

(1)分析设备的调试标定检修等一直是相关实验最为耗时耗力步骤，本实验装置仅装有一台分析装置-微量氢分析仪，在确保精度的情况下极大程度的简化了实验测量装置。

(2)监测氧化床入口处的压力数据和气源的压力数据确保装置内压力分布情况，能预知因催化剂粉末或者吸附剂被气流带走堵塞管路造成危险的情况，让实验的安全性大大提升。

(3)在三通管后部装有盘管，能加长气路的长度，确保气体在进入氧化铜床前流动形态已发展完全并稳定，有效提高反应前氢气氧气的混合效果，提升整体实验精度。

附图说明

图1为本发明的氧气气氛中微量氢的氧化吸附实验系统的结构图。

图2为本发明的氧气气氛中微量氢的氧化吸附实验方法的流程图。

上述附图中，1、氢气压力表；2、氧气压力表；3、阀门；4、阀门；5、氢气质量流量控制器；6、氧气质量流量控制器；7、阀门；8、阀门；9、盘管；10、压力传感器；11、阀门；12、氧化铜床；13、氧化铜床外壁温度计；14、氧化铜床中心温度计；15、冷却器；16、阀门；17、阀门；18、阀门；19、微量氢分析仪；20、分子筛床；21、分子筛床中心温度计；22、排空口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供了一种氧气气氛中微量氢的氧化吸附实验系统，包括依次连接的氧化床、微量氢分析仪19和吸附床；气源连接至所述氧化床的入口；所述气源包括氢气源和氧气源，二者通过三通阀连接至所述氧化床的入口以在所述氧化床内反应生成水；所述微量氢分析仪19用于分析残留未氧化的氢气浓度；吸附床用于吸附反应生成的水。

本实施例中，氧化床为采用的是氧化铜床12，吸附床采用的是分子筛床20。实验时，一定比例的氢气与氧气经过氧化铜床12发生反应生成水；从氧化铜床12流出的气体经冷却器15冷却至一定温度经微量氢分析仪19分析残留未氧化的氢气浓度，氧化生成的水经分子筛床20吸附后剩余气体排入大气。氧化床和吸附床的筛床中心及边缘部分均设置有温度计以确保实验进行时全床达到预设温度，从而可以提高实验数据的可靠性。

具体的实验装置如图1所示，气体入口处装有压力表(包括氢气压力表1和氧气压力表2)，质量流量控制器(氢气质量流量控制器5和氧气质量流量控制器6)和压力表间装有球阀，质量控制器后装有单向阀。氧化铜床中心和外壁都插有温度计(氧化铜床中心温度计14和氧化铜床外壁温度计13)，冷却器外接制冷机。冷却器15后面的管路上有一个旁路，旁路上装有微量氢分析仪19。在旁路与主路汇总后接有分子筛床20，分子筛床20后面的排空口22直接排空，其中分子筛床上设置有分子筛床中心温度计21，另外也可以。装置内管道为ss316lba级，英制1/8英寸不锈钢管，氧化铜床、分子筛床20为不锈钢腔体及cf法兰结构，外部通过铠装加热体加热，温度、压力、流量参数可在上位机组态软件实现监测，完成数据记录，装置整体为铝合金型材框架及喷塑面板组成，管路及阀门部分为敞开式结构。氧化铜床前的压力计能有效监测氧化铜床或者分子筛床阻力是否过大，防止出现由于装置内压力过大而损坏设备造成气体泄漏的情况，提高安全系数。氧化铜床及分子筛床中心及边缘部分都装有温度计，能够知道是否全床都已经达到了指定温度，提高实验精度。分析设备仅一台微量氢分析仪19，极大程度的简化了设备，节约了调试分析设备的时间及财力。该装置是一套安全、精度高的、能用于高氧含量下的氢和氢氧化吸附实验的实验装置。

本发明的系统所要进行的实验是氢气和氧气体系，氢气为易爆气体，特别是在氧气气氛中爆炸极限会比在空气中更低。出于安全性能的考虑，本发明采用压力监测系统监测所述氧化床入口处的压力数据和气源的压力数据以确保安全。具体方案可以是在氧化铜床前安装压力传感器10以便实时监测，防止因氧化床和分子筛床气体阻力过大导致气体无法顺利流通，憋在设备内造成装置破裂气体泄漏引发危险。当氧化铜床前的压力传感器示数与气体进口压力较接近时就需要停止操作，检查是否有催化剂或者吸附剂堵塞出气管亦或是催化剂和吸附剂堆积过密。确保装置内压力分布情况后能让实验的安全性大大提升。

另外，现有的设备安装时大多比较紧凑，在气体入口与氧化床距离比较近，此时气体刚混合，管内压力分布，流动形态并未稳定，若改变气体进口组成或气体流量管内流动形态会发生变化，对氧化床的氧化效果也会有影响。因此，本实施例中，三通阀后部设置有能够加长气路长度的盘管9以确保氢气和氧气进入氧化床前流动形态稳定，有效提高反应前氢气氧气的混合效果，提升整体实验精度。

本发明的氧气气氛中微量氢的氧化吸附实验系统工作时，首先监视各仪表示数，随后打开阀门(4，8，11，17)通入氧气并开启循环冷却水器，随后在计算机对氧化铜床进行加热设定，缓慢加热，在氧化铜床加热至指定温度后先打开阀门(16，18)，再打开阀门(3，7)通入氢气。

所有的实验数据都会储存，通过对入口氢气流速对时间进行积分就能得到通入氢气的量，同理对微量氢分析仪19测得的氢气含量对时间进行积分可以获得通过氧化床后剩余的氢气的量，从而获得该氧化床的对氢气的氧化效率。在实验前后用高精度的电子天平对分子筛床中的吸附剂质量进行测量可以得到吸附剂吸收的水的质量从而计算得到分子筛床的吸附效率。

本实验装置仅在氧化铜床后装有一台高精度的微量氢分析仪，极大程度的简化了实验测量装置。

该实验装置可以测量不同氧化剂在高氧气氛下氧化氢气的效率，也可以测量不同分子筛吸附剂的吸附效率，可为未来工业核燃料后处理高温氧化尾气处理工艺设计提供指导。

如图2所示，本发明还提供了一种氧气气氛中微量氢的氧化吸附实验方法，包括：

s100将氢气在氧气氛围中氧化反应生成水；

s200分析残留未氧化的氢气浓度并计算相应氧化床对氢气的氧化效率；

s300吸附氧化反应生成的水并根据该水的质量计算吸附床的吸附效率。

在实验过程中，监测氧化床入口处的压力数据和气源的压力数据以确保安全。氧化反应前，加长气路以确保氢气和氧气进入氧化床前流动形态稳定。

在此类实验过程中，分析设备的调试标定检修等一直是相关实验最为耗时耗力步骤，本实验装置仅装有一台分析装置-微量氢分析仪，在确保精度的情况下极大程度的简化了实验测量装置，有效保障了实验数据的可靠性。监测氧化床入口处的压力数据和气源的压力数据确保装置内压力分布情况，能预知因催化剂粉末或者吸附剂被气流带走堵塞管路造成危险的情况，让实验的安全性大大提升。在三通管后部装有盘管，能加长气路的长度，确保气体在进入氧化铜床前流动形态已发展完全并稳定，有效提高反应前氢气氧气的混合效果，提升整体实验精度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。