Aspen Plus模擬H2-HD低溫精餾分離

齊 鑫，曾 靜，楚 禎，吳全鋒

(中國原子能科學研究院，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交換法、低溫精餾法、熱擴散法、離心法和氣固色譜法、和吸收/吸附分離法、激光法等[1-2],而工業化生產氫同位素主要采用低溫精餾法。1971年法國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)技術組合工藝建成了世界上第一座重水提氚實驗工廠[3]。在JET(歐洲聯合托卡馬克裝置)和ITER(國際聚變實驗堆)上均采用低溫精餾工藝對未燃盡的氘氚和從WDS(含氚廢水處理系統)與NBI(中性束注入器)回來的氣體進行同位素分離[4]。低溫精餾法有許多優勢：分離系數大，處理量相對較大，能耗相對較低，可忽略的氚滲透等等[5]。計算機模擬研究在氫同位素分離過程的單塔或級聯塔的設計計算或性能預測方面發揮著重要的作用。國外Masahiro Kinoshita[5]、A.Busigin[6]、J.C.Buvat[7]、Rupsha Bhattacharyya[8]、Alina Niculescu[9]等人進行了相關的低溫精餾模擬研究。國內主要有天津大學和中國工程物理研究院等單位的科技工作者進行了低溫精餾氫同位素分離的相關模擬研究,羅青等人以平衡級模型為基礎建立了低溫精餾分離氫同位素的穩態模擬模型，研究了帶側線返回進料的低溫精餾塔應用于氫同位素體系的分離特性[10]；夏修龍等人以MATLAB平臺開發了計算程序，對不同的氫同位素體系如H2-HD、D2-DT、H2-HT-T2、D2-DT-T2等進行了相關的低溫精餾塔分離特性的靜態和動態模擬研究[11-16]。本文使用經典化工模擬軟件Aspen Plus靜態模擬低溫精餾塔對氫同 位素H2-HD雙組分的分離特性。

1 精餾塔的簡捷設計

氫同位素分子之間的物性差異較大，在對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的純組分數據庫中模擬時所需的HD的物性參數不全，所以在模擬前，需要在模擬軟件的物性數據庫中輸入HD的基礎參數如Antoine蒸氣壓方程PLXANT參數、汽化熱、正常沸點、臨界壓力、臨界溫度、偏心因子等[17-19]，再進行物性估算。根據文獻[17]中有關HD組分的部分飽和液體粘度和表面張力等數據，利用Data Regression功能進行回歸分析HD純組分的相關方程。

表1 DSTWU計算結果

在利用DSTWU(簡捷法)模型設計精餾塔時，氫同位素為泡點進料，原料氣中H2摩爾 分數為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。模擬的結果如表1所示。

在DSTWU模擬的結果中，低溫精餾塔的回流比與塔板數之間的關系如圖1所示。

圖1 低溫精餾塔的回流比與塔板數的關系圖

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為負相關。塔板數的增加使回流比顯著減小，但隨著塔板數的增加，曲線逐漸趨于平穩，這時增加塔板數對回流比的減小已無明顯作用，回流比的減小使操作費用減小，但塔板數增加，造成塔及附屬設備費用增加因而，過多地增加塔板數并沒有好處[16]。

2 精餾塔的嚴格核算

依據表1內DSTWU模型模擬的數據，對氫同位素分離的低溫精餾塔進行RADFRAC(嚴格核算)模型模擬。RADFRAC模擬的結果如表2所示。

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

表2 嚴格核算結果

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,而且與系統操作條件相關，必須嚴格控制[14]。由于難揮發組分HD泡點溫度高,向精餾塔底端濃集,而易揮發組分H2泡點溫度低,且向精餾塔頂部濃集,因此精餾塔底端(高塔板數)溫度會比頂端高。圖2所示較好的體現了這一點。

圖3 精餾塔上的濃度分布

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

2.2 回流比對分離性能的影響

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

圖4 塔底HD濃度與回流比的關系圖

圖4表明，在其它運行參數一致的情況下，回流比的增大，會不斷增加塔底餾出液中難揮發組分HD的摩爾濃度，當操作回流比為9.0時，塔底餾出液中所需的分離產品HD濃度達到98.99%。繼續加大回流比，對塔底餾出液中HD濃度的提升已無明顯的作用了，但卻增加了能耗，因此實驗中需選擇合適的回流比。

2.3 再沸器加熱功率對分離性能的影響

氫同位素分離的低溫精餾塔總板數為48，塔頂冷凝器為全凝器，飽和H2-HD液體混合物進料，塔頂壓力1.5 bar，回流比為9.0，塔頂出料占進料量分率為0.9899，考察了再沸器加熱功率對塔底餾出液中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，促進了H2與HD的分離，但也使加熱能耗和制冷能耗相應增加。加熱功率達到12.59 W時，塔底產品中HD含量高達98.99%。

圖5 塔底HD濃度與再沸器加熱功率的關系圖

2.4 理論塔板數對分離性能的影響

在理論塔板數變化范圍為30～56時，通過Sensitivity功能模擬理論塔板數對塔底餾出液中HD摩爾濃度的影響，其結果如圖6所示。

圖6 塔底HD濃度與理論塔板數的關系圖

由圖6可知，總板數的增加顯著增強了分離性能，塔底餾出液中HD的摩爾濃度在不斷升高的同時，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。當理論塔板數超過48塊時，塔底產品中HD濃度基本上不變。

2.5 塔壓對分離性能的影響

操作壓強的變化對餾出液中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的增加而下降。系統操作壓力升高，整個精餾塔上溫度會升高，因此分離系數會降低。

圖7 塔底HD濃度與操作壓力的關系圖

3 結論

通過Aspen Plus對H2-HD同位素體系的分離進行了相關的模擬研究。低溫精餾塔的總塔板數為48，塔頂壓力1.5 bar，飽和H2-HD液態混合物在第25塊板進料，操作回流比為9.0，塔頂出料占進料量分率為0.9899時，模擬優化得到塔底餾出液HD摩爾濃度為98.99%，塔頂產餾出液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、操作壓力等參數對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的增加而下降，而回流比、再沸器加熱功率、塔板數的增加在所模擬的范圍內有利于H2-HD體系的分離。