活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　低溫活性炭測試設(shè)備是一種用于從混合氣體中例如氧氣，氮?dú)夂土炎儺a(chǎn)物氣體等雜質(zhì)中凈化氦氣的設(shè)備。由于氧和氮的分子較小，因此需要低溫(極低溫)條件。低溫活性炭測試設(shè)備有一個(gè)低溫容器，活性炭塔，液氮儲(chǔ)罐和氦儲(chǔ)罐(純凈的混合的)。本期討論了安裝在低溫容器內(nèi)的活性炭柱中溫度變化的研究。研究的目的是發(fā)現(xiàn)活性炭塔內(nèi)部可以達(dá)到的低溫度，從而可以實(shí)現(xiàn)較好的純化過程。

　　活性炭凈化氦氣系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)具有一列用于兩種凈化目的功能，即正常情況和事故情況。普通功能包括機(jī)械過濾器，電加熱器，氧化銅床轉(zhuǎn)換器。帶有水分分離器的冷卻器，分子篩床和低溫裝置。活性炭過濾器通過使用CuO氧化劑去除顆粒雜質(zhì)，CO和H2轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，分子篩吸附CH4和CO2，而低溫活性炭吸附氧氣，氮?dú)夂推渌麣鈶B(tài)裂變產(chǎn)物。凈化系統(tǒng)的最后一個(gè)子系統(tǒng)階段是低溫容器，其功能是覆蓋活性炭塔。低溫裝置由活性炭塔冷阱組件和-196°C的液氮填充組成。將活性炭柱安裝在低溫容器的內(nèi)部。正常運(yùn)行的機(jī)組也要進(jìn)行氦氣凈化，以用于啟動(dòng)前的反應(yīng)堆運(yùn)行。進(jìn)水事件的事故處理系統(tǒng)并行地內(nèi)置在凈化管線中。它有一個(gè)過濾器，冷卻器，水水分分離器，和鼓風(fēng)機(jī)。

　　低溫活性炭柱測試設(shè)施

　　低溫吸附器經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，可消除氦氣中的雜質(zhì)，例如O2，N2和氣態(tài)裂變產(chǎn)物，這些雜質(zhì)通常很難去除。基于活性炭柱上可逆的低溫捕集，所有這些雜質(zhì)都是干凈的。如圖1所示的設(shè)備由三個(gè)主要部分組成，即混合氣體容器，低溫裝置和純氦儲(chǔ)罐。

　　圖1：低溫活性炭柱測試設(shè)施。

　　低溫單元是一系列熱交換器，稱為冷阱和活性炭吸附柱，它們浸入裝有液氮的容器中。該系列熱交換器是氦氦換熱器(HE的管中管類型)。過冷器將氦氣溫度降低至-153°C。吸附器將一根裝有活性炭的U型管立柱。如圖2所示，在色譜柱周圍安裝了一個(gè)電加熱器以進(jìn)行再生。低溫容器是雙壁容器，其中壁之間的間隙中充滿了超絕熱材料。該容器裝有液氮，并將吸附過程保持在低溫(±180°C)下。

　　圖2：低溫容器和活性炭塔。

　　活性炭的吸附作用

　　設(shè)置該系統(tǒng)的目的是將進(jìn)入主冷卻劑的各種氣體雜質(zhì)去除到一定程度。這些雜質(zhì)包括化合物，例如氫，水蒸氣，氧氣，一氧化碳，二氧化碳，甲烷和氮?dú)猓�以及放射性核素裂變產(chǎn)物，例如鉀，氙和銫。將活性炭浸入液氮浴中，其功能是去除殘留的雜質(zhì)，例如氧氣，氮?dú)猓�鉀和氙或其他裂變產(chǎn)物。

　　當(dāng)進(jìn)行的氮?dú)夂脱鯕馕�附模擬測試如圖3所示。當(dāng)活性炭塔的氣壓升高時(shí)，-180°C下氮?dú)庠诨钚蕴可系奈�附能力將增加。由于壓力或溫度的變化，吸附劑可能�?huì)吸附更多。在氮分壓大于1毫巴時(shí)，吸附能力大于0.1N.m3/g。因?yàn)楸仨氝M(jìn)行吸附才能克服擴(kuò)散阻力，所以當(dāng)吸附氣體混合物流過活性炭床時(shí)，活性炭首先會(huì)形成傳質(zhì)區(qū)域。在形成該傳質(zhì)區(qū)域之后，在均勻的氣體流速期間，當(dāng)更多的雜質(zhì)被吸附時(shí)，其長度也沿流動(dòng)方向均勻地增加。在動(dòng)態(tài)吸附過程中，吸附床分為三部分。

　　圖3：活性炭低溫吸附N2和O2的模擬測試。

　　除溫度外，活性炭吸附N2，O2和裂變產(chǎn)物雜質(zhì)氣體的能力取決于一些因素，包括被吸附物與活性炭的接觸時(shí)間以及床中活性炭的量。被吸附物與吸附劑之間的接觸時(shí)間將增加雜質(zhì)的吸附效率。如果接觸時(shí)間短而雜質(zhì)含量大，則氦中可能殘留大量吸附物。足夠的接觸時(shí)間可使被吸附物吸收到活性炭的表面，而較少的接觸時(shí)間則無法達(dá)到吸附平衡，因此所吸收的雜質(zhì)不是最佳的。因此，活性炭柱變長，期望吸附物具有足夠的接觸時(shí)間以被活性炭吸附。

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