孫繼全，趙 梅，關(guān)成明

(中核陜西鈾濃縮有限公司，陜西 漢中 723312)

按照UF6容器使用規(guī)定，精料產(chǎn)品容器須使用30B容器運(yùn)輸[1-2]，URENCO公司在鈾濃縮生產(chǎn)中直接使用30B容器收料，達(dá)到裝料量后只需液化均質(zhì)及取樣合格就能以產(chǎn)品容器的形式直接出廠。而國(guó)內(nèi)均大規(guī)模采用3 m3B容器收取級(jí)聯(lián)精料產(chǎn)品，后續(xù)再將精料分裝至30B產(chǎn)品容器中[3]。分裝工藝主要包含液化均質(zhì)、液態(tài)取樣、液態(tài)分裝等環(huán)節(jié)。其中液態(tài)分裝環(huán)節(jié)高溫高壓且難以在耐壓裝置內(nèi)完成，有一定的物料泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

級(jí)聯(lián)精料產(chǎn)品采用增壓(增壓泵)、冷凝(冷風(fēng)箱)的方式進(jìn)行收料[4]，收料容器放置在冷風(fēng)箱內(nèi)。3 m3B容器與30B容器除容積不同外，結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別為3 m3B容器有兩個(gè)φ22直角閥，在收料過程中一個(gè)閥門作為收料的進(jìn)口，當(dāng)容器內(nèi)壓力升高到一定程度，另一個(gè)閥門作為凈化釋放壓力的出口，因此3 m3B容器可以實(shí)現(xiàn)收料連續(xù)化；30B容器只有一個(gè)φ22直角閥，當(dāng)壓力升高到一定程度后，必須轉(zhuǎn)換到備用容器收料，將30B容器退出、凈化。

近年來，中核陜西鈾濃縮有限公司一直在開展30B容器收料研究[5]。發(fā)現(xiàn)在增壓泵與冷風(fēng)箱不變條件下，容器內(nèi)部壓力升高是造成30B容器退出凈化頻次高的主要原因。本文建立一個(gè)30B產(chǎn)品容器收料時(shí)容器內(nèi)部壓力計(jì)算的理論模型，然后通過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性；并探索30B容器收取精料的新工藝，擬為同類工廠及新建工廠提供參考。

1 理論研究

1.1 30B容器收料模型

本文主要研究30B容器收取精料的問題。30B容器收取精料與收取貧料的不同之處在于，除了容器內(nèi)部溫度上升對(duì)容器內(nèi)部壓力的影響，還有精料流中夾帶的不凝輕雜質(zhì)氣體(HF和空氣)，同時(shí)，不同的流量收料效果也不同。精料流中的輕雜質(zhì)來源主要有三個(gè)途徑：供料流中夾帶的輕雜質(zhì)、級(jí)聯(lián)腐蝕損耗產(chǎn)生的輕雜質(zhì)、滲漏的空氣[6-7]。根據(jù)文獻(xiàn)[6-7]，對(duì)于同一級(jí)聯(lián)，腐蝕損耗產(chǎn)生的輕雜質(zhì)和滲漏的空氣量一定，而供料的原料來源及凈化標(biāo)準(zhǔn)相同，單位供料流中的輕雜質(zhì)含量也相同，唯一不同的是供料流量?？梢愿鶕?jù)不同供料流量下精料流中的輕雜質(zhì)含量計(jì)算出單位供料流中的輕雜質(zhì)含量以及腐蝕損耗產(chǎn)生的輕雜質(zhì)含量。

G1+G2=G3

(1)

G′1+G2=G′3

(2)

其中：G1、G′1分別為不同工況下供料流中輕雜質(zhì)含量；G3、G′3分別為不同工況下精料流中輕雜質(zhì)含量；G2為腐蝕損耗產(chǎn)生的以及滲漏帶來的輕雜質(zhì)含量。對(duì)于級(jí)聯(lián)來說，不同工況下滲漏均一定，級(jí)聯(lián)中各處流量相對(duì)于被腐蝕損耗的物質(zhì)的量來說是極大量，因此不同工況下G2為定值。

針對(duì)某一特定級(jí)聯(lián)，根據(jù)兩種工況下不同的供料流量以及精料端的輕雜質(zhì)含量，即可計(jì)算出級(jí)聯(lián)腐蝕損耗產(chǎn)生以及滲漏帶來的輕雜質(zhì)含量及單位供料流中的輕雜質(zhì)含量。

30B容器收料時(shí)，設(shè)容器內(nèi)部溫度為T，容器剩余容積為V，容器內(nèi)部壓力為P，則容器內(nèi)部壓力升高與收料量的增加(剩余容積的減少)的關(guān)系式為：

(P+ΔP)·(V-k1·Δt)=k2·(t+Δt)

(3)

式中：t為收料時(shí)間；k1為常數(shù)，與單位精料流量對(duì)應(yīng)的固態(tài)物料體積相關(guān)；k2為常數(shù)，與單位時(shí)間、單位流量輕雜質(zhì)的量相關(guān)。

在供取料系統(tǒng)的溫度和壓力條件下，UF6及輕雜質(zhì)氣體可近似滿足理想氣體狀態(tài)方程[8]。

P·V=n·R·T

(4)

式中：P為壓力；V為體積；n為氣體物質(zhì)的量；R為理想氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T為熱力學(xué)溫度。

因此，公式(3)可以變換為內(nèi)部壓力單位時(shí)間內(nèi)的升高情況：

(5)

式中：P0為內(nèi)部溫度對(duì)應(yīng)的UF6飽和蒸汽壓，也是容器內(nèi)部UF6的分壓；L1為精料流量；ρ為固態(tài)UF6密度；L2、L3分別為單位時(shí)間HF含量及空氣含量；M2、M3分別為HF及空氣的摩爾質(zhì)量。

由公式(5)可看出：在精料流量一定的條件下，輕雜質(zhì)L2、L3對(duì)容器內(nèi)部壓力的影響最大，輕雜質(zhì)含量越高，容器內(nèi)部壓力升高越快；而隨著內(nèi)部溫度T的升高，P0的值隨之增加。

30B容器是內(nèi)部中空容器，收料時(shí)UF6優(yōu)先冷凝在容器內(nèi)壁上[9]，中間為氣態(tài)UF6，效果示于圖1。

圖1 30B容器收料時(shí)效果示意圖Fig.1 Schematic diagram of container receiving effect

UF6有效傳熱隨著固態(tài)UF6層變厚而下降，文獻(xiàn)[10]實(shí)驗(yàn)測(cè)定了固態(tài)UF6傳熱系數(shù)K1為0.55 kJ/(m·h·℃)；容器壁的導(dǎo)熱系數(shù)K2為163.8 kJ/(m·h·℃)[11]。則收料過程中熱阻與固態(tài)UF6厚度d1及器壁厚度d2的關(guān)系為：

S=d1/K1+d2/K2

(6)

氣態(tài)UF6比熱容C1為0.563 kJ/(kg·K)，UF6的凝華熱C2為135.4 kJ/kg[12]，在特定的精料流量下，30B容器收料UF6冷凝放出的熱量為：

氣態(tài)UF6降溫放熱：

Q1=L×C1×(T1-T2)

(7)

氣態(tài)UF6凝華放熱：

Q2=L×C2

(8)

式中：L為精料流量；T1、T2為氣態(tài)UF6與容器內(nèi)部溫度。

傳熱公式[11]:

(9)

式中：A為傳熱面積；T3為容器表面溫度。

根據(jù)公式(6)～(9)，可得出30B容器收料時(shí)容器內(nèi)部溫度與各參數(shù)的關(guān)系式：

(10)

將公式(10)代入公式(5)，即可得出30B容器收料時(shí)內(nèi)部壓力的計(jì)算模型，通過數(shù)學(xué)軟件即可計(jì)算出在特定精料流量下容器內(nèi)部壓力與收料量之間的關(guān)系。計(jì)算此模型需要設(shè)定容器壓力高限值，當(dāng)達(dá)到高限值時(shí)，需要將收料30B容器退出凈化，而此值與增壓泵的增壓能力相關(guān)，增壓能力越強(qiáng)，壓力高限值越高。

1.2 30B容器收料計(jì)算

1.2.1單臺(tái)30B容器

以典型規(guī)模的分離級(jí)聯(lián)為例，精料流量一般為8～27 kg/h。一般單級(jí)增壓泵出口壓力最大為8.6 kPa，增壓泵的出口壓力近似等于冷風(fēng)箱入口壓力，即增壓泵出口壓力達(dá)到8.6 kPa時(shí)，將收料的30B容器退出凈化，凈化后再次投入工作。根據(jù)公式(5)，取某工況下精料流量11 kg/h進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果示于圖2。

圖2 某工況下單臺(tái)30B容器收料情況Fig.2 Predicted variations of the temperature and pressure in the product collection process with one cylinder type 30B under working condition

由圖2可看出，容器內(nèi)部溫度呈上升趨勢(shì)。30B容器收料至規(guī)定量需要退出凈化29次，后期最短凈化間隔時(shí)間為2.1 h，凈化頻次遠(yuǎn)大于3 m3B容器收料。30B容器退出、凈化均采用手動(dòng)操作的模式，工作強(qiáng)度較大。

1.2.2兩臺(tái)30B容器

在我國(guó)，盡管無形資產(chǎn)的重要價(jià)值日益受到重視，但財(cái)務(wù)報(bào)告及相關(guān)會(huì)計(jì)政策的改進(jìn)卻明顯滯后。2006年之前，由于我國(guó)將無形資產(chǎn)研發(fā)投入全部費(fèi)用化，使得企業(yè)通過自主研發(fā)獲得的無形資產(chǎn)價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其實(shí)際價(jià)值；相比之下，通過外購(gòu)獲得無形資產(chǎn)反而能夠更好地反映其價(jià)值。這不利于激發(fā)企業(yè)的自主創(chuàng)新意識(shí)，抑制了企業(yè)研發(fā)的積極性，進(jìn)而影響了企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

兩臺(tái)30B容器并聯(lián)收料，由于每臺(tái)容器的精料流量減半，UF6冷凝釋放的熱量比單臺(tái)時(shí)降低，容器內(nèi)部溫度必然有所降低，且容器內(nèi)部剩余空間是單臺(tái)的兩倍，收料時(shí)壓力及容器內(nèi)部溫度上漲幅度均將變緩。計(jì)算條件與上節(jié)相同，結(jié)果示于圖3。

由圖3可看出：兩臺(tái)30B容器并聯(lián)收料達(dá)規(guī)定裝料量，只需要退出凈化11次，平均凈化間隔時(shí)間為36 h，后期最短凈化間隔時(shí)間為21.4 h。根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，3 m3B收料時(shí)平均凈化間隔時(shí)間約為38 h，后期最短間隔時(shí)間約為24 h，與兩臺(tái)30B容器并聯(lián)收料時(shí)凈化頻次相近。

圖3 某工況下兩臺(tái)30B容器并聯(lián)收料情況Fig.3 Predicted variations of the temperature and pressure in the product collected with two cylinders of type 30B under working condition

如果用3臺(tái)或更多的30B容器并聯(lián)收料，其收料能力將會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，由于容器傳熱面積增加，其凈化頻次將會(huì)小于3 m3B。如果應(yīng)用增壓能力更強(qiáng)的真空泵，提高容器內(nèi)部壓力，可進(jìn)一步降低30B容器收料時(shí)的凈化頻次[13-14]。

1.3 理論計(jì)算統(tǒng)計(jì)分析

通過建立的理論計(jì)算模型對(duì)30B容器收料情況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，單臺(tái)30B收料凈化頻次遠(yuǎn)高于3 m3B；兩臺(tái)30B并聯(lián)收料與3 m3B收料情況相近；三臺(tái)或四臺(tái)30B容器并聯(lián)收料，效果將進(jìn)一步增強(qiáng)。表1為典型規(guī)模的分離級(jí)聯(lián)最大、最小流量工況下30B容器收料理論計(jì)算的凈化頻次。

表1 30B容器收料理論計(jì)算凈化頻次Table 1 Theoretical purification frequency of 30B container

1.4 收料點(diǎn)位配置

典型規(guī)模的分離級(jí)聯(lián)，精料采用3 m3B容器收料時(shí)，配置兩臺(tái)-25 ℃冷風(fēng)箱即能滿足正常工況的收料要求[15]，考慮備用、檢修功能一般配置四臺(tái)冷風(fēng)箱。如果一臺(tái)冷風(fēng)箱內(nèi)放置兩臺(tái)30B容器，按最大精料流量27 kg/h、兩臺(tái)容器收料4 450 kg計(jì)算，兩臺(tái)30B容器收料工作時(shí)間t1為165 h；容器輔助工作時(shí)間t2包括凈化50 L中間容器解凍24 h，中間容器倒料24 h，產(chǎn)品容器解凍24 h，容器拆裝及真空測(cè)量24 h，投冷凍備用12 h，共計(jì)108 h。則正常周轉(zhuǎn)的容器組數(shù)n=(t1+t2)/t1，計(jì)算得1.65，取其值為2，備用檢修組數(shù)各為1，因此4臺(tái)冷風(fēng)箱內(nèi)安裝8臺(tái)30B容器即能滿足收料周轉(zhuǎn)要求，相對(duì)于3 m3B容器收料沒有增加冷風(fēng)箱的點(diǎn)位。

2 收料實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 線路改造

根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果，主要開展兩臺(tái)30B容器并聯(lián)收料的實(shí)驗(yàn)，并與3 m3B容器收料進(jìn)行對(duì)比。一臺(tái)冷風(fēng)箱內(nèi)的空間可以容納兩臺(tái)30B容器，通過改造容器支架實(shí)現(xiàn)一臺(tái)冷風(fēng)箱內(nèi)放置兩臺(tái)30B容器；一臺(tái)冷風(fēng)箱內(nèi)只有一根入口連接管，可通過一個(gè)三通管實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)30B容器同時(shí)收料。線路改造前后的效果示于圖4。

圖4 收料線路改造前后效果對(duì)比圖Fig.4 Effect comparison diagram of receiving circuit before and after modification

2.2 收料實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件：精料流量為11 kg/h；30B容器：兩臺(tái)容器總控制裝料量為4 450 kg，增壓泵出口壓力達(dá)到8.6 kPa左右時(shí)，退出收料進(jìn)行凈化，凈化結(jié)束再轉(zhuǎn)回30B容器收料；3 m3B容器：裝料量為7 150 kg，增壓泵出口壓力達(dá)到8.6 kPa左右時(shí)，打開凈化閥門進(jìn)行凈化。共進(jìn)行了9組兩臺(tái)30B容器并聯(lián)收料實(shí)驗(yàn)、4臺(tái)3 m3B容器收料實(shí)驗(yàn)。9組30B容器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相似，圖5給出了其中一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；4組3 m3B容器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相似，圖6給出其中一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；表2是13組實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)。

表2 13組收料實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Thirteen groups of receiving test parameters

圖5 兩臺(tái)30B容器并聯(lián)收料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.5 Measured variations of the weight and pressure in the two 30B containers used in parallel

圖6 3 m3B容器收料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.6 Measured variations of the weight and pressure in the 3 m3B container

兩臺(tái)30B容器與3 m3B容器收料實(shí)驗(yàn)相比，凈化頻次稍高，但30B容器即使到收料后期，凈化間隔時(shí)間仍在15 h左右，滿足生產(chǎn)的同時(shí)未明顯增加工作強(qiáng)度。

30B容器收料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算相近，退出凈化的次數(shù)略高于理論計(jì)算，造成此差異的原因是實(shí)際收料過程存在如下客觀因素：1) 凈化時(shí)輕雜質(zhì)無法徹底排空；2) 冷風(fēng)箱定時(shí)除霜，溫度上升對(duì)容器內(nèi)部溫度有一定影響；3) 容器壁電伴加熱減少了容器的傳熱面積。

3 結(jié)論

本文針對(duì)30B容器收取精料建立了一個(gè)計(jì)算容器內(nèi)部壓力上升的理論模型，并針對(duì)30B容器收料的問題提出了解決方案。通過實(shí)際收料實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確性，表明30B容器直接收取精料的工藝可行。通過理論模型公式(5)及收料實(shí)驗(yàn)研究可得出以下結(jié)論。

1) 容器內(nèi)部溫度對(duì)30B容器收料能力有較大的影響，而容器內(nèi)部溫度上升的主要因素是物料冷凝放出的熱量及收料量的增加對(duì)傳熱效果的影響。

2) 收取精料時(shí)，輕雜質(zhì)是導(dǎo)致30B容器壓力上升的主要影響因素。

3) 采用兩臺(tái)30B容器并聯(lián)收料的方式對(duì)典型規(guī)模的分離級(jí)聯(lián)可行；對(duì)于更大規(guī)模的級(jí)聯(lián)，不會(huì)大幅度增加冷風(fēng)箱的配置。