JPS6320564B2

JPS6320564B2 -

Info

Publication number: JPS6320564B2
Application number: JP55044719A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Tsucha; Yamato Asakura; Sadaji Suzuki; Jun Kikuchi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1980-04-07
Filing date: 1980-04-07
Publication date: 1988-04-28
Also published as: US4444737A; JPS56141822A; CA1165536A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は同位体の分離・回収方法に係り、特に
液体状の水から水素同位体を高除去・高濃縮する
に適した同位体の分離・回収方法に関するもので
ある。水素同位体（重水素：Ｄ，トリチウム：Ｔ）を
分離・濃縮する方法の一つとして、温度交換法が
ある。この方法は主として水素化合物間の同位体
交換反応を利用したものであり、この反応は例え
ば同じ重水素濃度の水と硫化水素ガスとを混合し
た場合、平衡状態においては、水中の重水素濃度
が硫化水素ガス中の濃度よりも高くなるという同
位体効果に起因する。水素同位体を高分離・高濃縮するには低温・高
温２種類の温度交換反応塔をカスケードに組み合
わせた二重温度交換法が用いられる。この温度交
換法で利用される交換反応は水／硫化水素ガス間
の交換反応、水／水素ガス間の交換反応等があ
る。水／硫化水素ガス系には交換反応速度が大き
いため、反応に触媒を必要としないという利点が
あるが、化学平衡によつて決まる分離係数が小さ
いという欠点がある。一方、水／水素ガス系で
は、分離係数は大きいが、交換反応速度が小さい
ため、反応を促進させるための触媒が必要とな
る。さて最近、水／水素ガス間の同位体交換反応を
促進する疎水性の高性能触媒の開発が進み、水／
水素ガス系二重温度交換法による水素同位体の分
離・濃縮の研究がさかんに行なわれてきている。第１図に従来考えられている水／水素ガス系二
重温度交換法のフローチヤートを示す。この方法
では低温塔１，高温塔２の内部に疏水性触媒が充
填されており、この接媒層内で水と水素ガスとの
向流接触反応が生じる。低温塔１は通常、温度30
℃で、圧力１気圧で運転される。この運転条件下
では水素ガス中の重水素が水側に移行し、重水が
濃縮される。一方、高温塔２は温度250℃、圧力
約30気圧で運転され、この条件下では水中の重水
素が水素ガス側に移り、重水の除去が可能とな
る。しかし、この方法では前記したように反応塔内
に疏水性触媒が充填されているため、触媒層内に
おける気・液接触が非常に不均一となり、反応塔
効率が著しく低下する。また、高温塔における操
業圧力が高くなるため、水素ガスのリークを生じ
易く、特に放射性同位体であるトリチウムを扱う
場合には、トリチウムリークによる放射能汚染の
危険性が大きくなるという問題点がある。そこで、これらの問題点を解決するため、第２
図に示される方法が提案されている（特公昭58−
44012号参照）。この方法の特徴は、低温塔におい
て水をミスト化した後、水ミストと水素ガスとを
触媒層内で並流接触反応させることにより、気・
液接触触媒反応の均一化をはかり、さらに高温塔
において水を蒸気化し、水蒸気と水素ガスとを
気・気並流接触反応させることにより、接触触媒
反応の均一化をはかると共に、常圧下での高温反
応を可能にした点にある。この方法では、並流操
作が行なわれるため、物質収支から求まる操作線
と化学平衡によつて決まる平衡曲線とが交差し、
多段効果が生じない。したがつて、水素同位体を
高濃縮する場合、多数の高温塔が必要となる。高
温塔２には蒸発器３および凝縮器４が設置されて
おり、各高温塔の前後で水の蒸発および凝縮を繰
り返すこととなる。このため、第２図に示される
従来法では高温塔の塔数が多くなり、その結果消
費エネルギーが大きくなるという問題点がある。本発明の目的は前記従来技術の諸欠点をなく
し、消費エネルギーを減少でき、かつ装置をコン
パクト化することの容易な水素同位体の分離・回
収方法を提供することにある。本発明の特徴は、水素ガスと、該水素ガス中に
浮遊している水の粒子との混合物の接触する触媒
層を有する反応塔を低温下で操業し、該反応塔に
接続されていて液体と気体中に含まれる水蒸気と
の気・液接触部ならびに水蒸気と水素ガスとの混
合物の接触する触媒層を分離しかつ交互に配列し
た反応塔を高温下で操業するところに存し、この
構成により消費エネルギーを節減でき、しかも装
置をコンパクト化しうる水素同位体の分離・回収
方法を得たものである。以下本発明を図面に基づいて詳細に説明する。第３図は本発明の一実施態様を示すもので、二
重温度交換法によるトリチウム除去装置の基本構
成を示し、第１の反応塔（以下、低温塔という）
１１，１２および第２の反応塔（以下、高温塔と
いう）１７とを備えている。前記低温塔１１，１２はそれぞれ内部の上方か
ら下方に順次設けられた低温触媒層１３、ミスト
分離器１４、水溜１５とが一つのユニツトをなし
て構成されている。そして低温塔１１にはミスト
化器１０が接続され、両低温塔１１，１２間には
他のミスト化器１６が連結されている。前記高温塔１７は内部の上部から中間部に順次
設置された高温触媒層１８、過熱器２０、バブル
プレート２１と前記高温触媒層１８の外側部に設
けられた加熱器１９とが一つのユニツトをなし、
さらに中間部から下部へ順次配置された高温触媒
層２２、過熱器２４、バブルプレート２５と前記
高温触媒層２２の外側部に設けられた加熱器２３
とが一つのユニツトをなし、これ等複数のユニツ
トが多段に組み合わされて構成されている。また
高温塔１７の外部の高温触媒層１８側には凝縮器
２６が接続され、バブルプレート２５側には蒸発
器２７が接続されている。そしてトリチウムを含む処理水はミスト化器１
０により微細な水の粒子に変換された後、低温塔
１１の上部に供給される。また低温塔１１の上部
にはトリチウムの富化された水素ガスが低温塔１
２の下部から通気される。前記低温塔１１は温度20〜50℃、圧力は常圧の
条件下で運転される。低温触媒としては多孔質テ
フロンチユーブに白金を担持した疏水性のものが
用いられる。この低温塔１１において、水ミスト
と水素ガスとは低温触媒層１３内で気・液接触反
応を行なう。この反応によりトリチウムは水素ガ
スから水ミストへ移行し、水中のトリチウムが濃
縮される。気・液接触反応をした水ミストと水素
ガスとはミスト分離器１４により水と水素ガスと
に分離される。分離された水は水溜１５およびミ
スト化器１６を介し、液ミストとして次の低温塔
１２へ供給される。この低温塔１２の運転条件は前記低温塔１１と
同一である。該低温塔１２において、液ミストは
高温塔１７の塔頂から流出する水素ガスと接触
し、前記低温塔１１と同様にして液ミスト中のト
リチウムはさらに濃縮され、そのトリチウム濃縮
水は低温塔１２の下部から導出される。次に高温塔１７では以下に示すようにして水中
のトリチウムが回収される。高温塔１７に使用される高温触媒としては、ニ
ツケル−クロム海綿金属にパラジウムをメツキし
た金属触媒、またはセラミツク触媒が用いられ
る。低温塔１２の下部からのトリチウム濃縮水の
一部は上部段のバブルプレート２１の棚部に供給
される。この棚部の温度は30〜80℃である。バブ
ルプレート２１の棚部の水はその下部にある高温
触媒層２２から流出する水蒸気及び水素ガスと接
触し、飽和水蒸気が発生する、水と水蒸気間で水
素の同位体交換反応が行なわれ、水中のトリチウ
ムが水蒸気側へ移行する。従つて、水中のトリチ
ウム濃度は減少することになる。この水はバブル
プレート２１の下部段に供給される。この段にお
いても、水と低温塔１１からの水素ガスおよび蒸
発器２７からの水蒸気との接触により、前述した
ところと同様の反応が行なわれる。一方、バブルプレート２１，２５で発生した水
蒸気は過熱器２０，２４で温度200〜300℃に過熱
され、水素ガスと共に高温触媒層１８，２２に導
入される。高温触媒層１８，２２内において水蒸
気／水素間の並流接触反応が行なわれ、トリチウ
ムは水蒸気から水素ガス中に移行する。高温触媒
層１８，２２を流出した水蒸気は凝縮器２６によ
り水となり低温塔１２の下部流出水に混合され
る。また水素ガスは凝縮器２６を介して低温塔１
２の上部に導入される。以上説明した通り、高温塔１７では水中のトリ
チウムが水蒸気を中間媒体として水素ガス側に移
行する反応が各段で行なわれる。その結果、高温
塔１７の塔頂から流下する水は塔底へ行くにつれ
てトリチウムを除去されることになる。ところで、高温塔１７では第３図から接触反応
を何回繰り返しても、蒸発および凝縮操作は１回
ですむことが解る。これに対して第２図に示した
従来例では一段毎に蒸発および凝縮操作が行なわ
れる。したがつて、本発明では従来例に比して所
要エネルギーを少なくできる。次に本発明を実際の処理装置に適用した場合に
ついて説明する。今、重水中からのトリチウム除去装置の仕様と
して、処理量100／hr、除染係数４，濃縮度10
に設定した場合、除去装置の構成は第４図のよう
になる。なお第４図中、はトリチウムの濃縮
部、は除去部を表わす。さらに第１表に除去装
置の仕様をまとめて示す。

【表】本実施例では蒸発器２基、凝縮器４基を必要と
するだけである。第１表に示した条件で蒸発に要
する熱量と凝縮に要する熱量とを計算すると、こ
れらの値はそれぞれ約50kW，約100kWとなる。一方、第２図に示した従来例を用い、前記した
ところと同一仕様でトリチウム除去装置を想定し
た場合、蒸発器の基数と凝縮器の基数とは共に約
20基となる。またこれらの蒸発所要熱量と凝縮所
要熱量は共に約7.5×10²kWである。装置の所要
エネルギーを、蒸発熱熱量と凝縮熱熱量との和に
比例すると考えると、所要エネルギーについては
本発明では従来例の約1/10に低減できることが解
る。さらに本発明方法を実施する場合に高温塔を
多段構造とすれば装置全体をコンパクト化でき
る。前記実施例に従つて重水中トリチウム除去方法
について述べたが、本発明方法を軽水中のトリチ
ウム除去、あるいは軽水中の重水素濃縮の場合に
もそのまま適用できる。これらの場合には、重水
中トリチウム除去装置の約1/2の低温塔数および
高温塔数で同じ濃縮・除去性能を得ることができ
る。本発明は以上説明した構成のもので、本発明に
よれば所要エネルギーを節減できる著効を有する
外、装置のコンパクト化を図りうる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来の二重温度交換法の
説明図、第３図は本発明方法の一実施態様を示す
図、第４図は本発明方法を実機トリチウム除去装
置への適用例を示す図である。１１，１２……低温塔、１３……低温触媒層、
１４……ミスト分離器、１５……水溜、１７……
高温塔、１８，２２……高温触媒層、１９，２３
……加熱器、２０，２４………過熱器、２１，２
５……バブルプレート、２６……凝縮器、２７…
…蒸発器。

Claims

【特許請求の範囲】１水素ガスと、水素ガス中に浮遊している水粒
子との混合物が並流接触反応を起こす触媒層を有
する第１の反応塔を低温下で操業し、上記反応塔に接続されて、後記ａ，ｂのように
構成された第２の反応塔を高温下で操業し、水素ガスを前記第２の反応塔内で上昇流動させ
た後に第１の反応塔内で下降流動せしめ、一方、処理水はミスト化して第１の反応塔の上
方に注入して下降流動せしめた後、第２の反応塔
内を下降流動せしめて該第２の反応塔の下方から
取り出すことを特徴とする水素同位体の分離・回
収方法。 (a) 水素ガスと、該水素ガス中に含まれる水蒸気
とが気・液反応を起こす気・液接触部と、 (b) 水蒸気と水素ガスとの混合物が並流接触反応
を起こす触媒層とを分離し、 (c) かつ、前記(a)項の気・液接触部と(b)項の触媒
層とを反応塔内に交互に配列する。２特許請求の範囲第１項において、低温下で操
作する反応塔から流出する水を、高温下で操業す
る反応塔に供給し、かつ水素ガスを前記両反応塔
に循環させるようにしたことを特徴とする水素同
位体の分離・回収方法。３特許請求の範囲第２項において、高温下で操
業する反応塔の触媒層に流入する混合物の温度を
気・液接触部よりも高くして操業することを特徴
とする水素同位体の分離・回収方法。４特許請求の範囲第３項において、気・液接触
部の温度を常圧下における水の沸点以下とし、常
圧以下で操業することを特徴とする水素同位体の
分離・回収方法。５特許請求の範囲第４項において、高温下で操
業する反応塔の触媒層の温度を常圧下における水
の沸点以上で操作することを特徴とする水素同位
体の分離・回収方法。