楊 坤

(核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180)

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，大量同位素已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科學(xué)、地質(zhì)學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)療診斷以及半導(dǎo)體技術(shù)等領(lǐng)域[1]，同位素產(chǎn)品的需求量越來越大，進(jìn)一步推進(jìn)了某些同位素產(chǎn)品的批量化制備。在同位素分離領(lǐng)域，同位素的分離過程中，多數(shù)會(huì)伴隨固體沉積物微量、持續(xù)的產(chǎn)生，而隨著固體沉積物的不斷堆積，會(huì)影響分離設(shè)備取料裝置的取料能力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞取料裝置，大福降低分離裝置的分離性能，如何清理固體沉積物恢復(fù)專用設(shè)備分離性能是亟待解決的關(guān)鍵問題。為了恢復(fù)分離設(shè)備的分離性能，目前采用多個(gè)分離設(shè)備并聯(lián)形成區(qū)段單級(jí)清理模式進(jìn)行沉積物清理，但原料用量大，多區(qū)段清理總用時(shí)長。為此開展級(jí)聯(lián)模式清理技術(shù)研究工作，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化計(jì)算。

本文研究各工況參數(shù)與單級(jí)、級(jí)聯(lián)模式清理效果的關(guān)系，對(duì)比不同清理模式的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出級(jí)聯(lián)模式清理的工況參數(shù)確定方法，為級(jí)聯(lián)模式清理方法應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 計(jì)算基礎(chǔ)

1.1 單機(jī)參數(shù)

假定分離工質(zhì)Ni(OH)4在分離過程中分解生成NiO2和2個(gè)H2O，其中NiO2為固體沉積物，H2O為低壓氣體排出。采用H2O2作為清理工質(zhì)，與NiO2固體反應(yīng)生成產(chǎn)物均為氣體，以達(dá)到清理效果。反應(yīng)方程式為：

(1)

假設(shè)單機(jī)清理參數(shù)是：清理NiO2的摩爾速率V是供料流量中H2O2的0.1%，精料中H2O2和Ni(OH)4的比值是貧料中H2O2和Ni(OH)4比值的10倍，精料中O2和H2O2的比值是貧料中O2和H2O2比值的2倍；單機(jī)供料流量g=0.1 mol/h，單機(jī)中NiO2的沉積量M=0.1 mol。

1.2 級(jí)聯(lián)參數(shù)

需要進(jìn)行清理的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)是圖1所示的各級(jí)流量相等的逆流型矩形級(jí)聯(lián)[2]。級(jí)聯(lián)總級(jí)數(shù)為n，每級(jí)分離設(shè)備個(gè)數(shù)為N；供料位置為f；各級(jí)供料摩爾流量為G；m為級(jí)聯(lián)運(yùn)行過程中系統(tǒng)內(nèi)氣態(tài)物質(zhì)的個(gè)數(shù)，根據(jù)反應(yīng)式(1)確定m值為3；級(jí)聯(lián)總供、精、貧摩爾流量及第i種物質(zhì)的摩爾含量分別用F、P、W，Cfi，Cpi，Cwi表示，i=1對(duì)應(yīng)O2含量，i=2對(duì)應(yīng)H2O2含量，i=3對(duì)應(yīng)Ni(OH)4含量；級(jí)聯(lián)第s級(jí)的供、精、貧摩爾流量，及第i種物質(zhì)的摩爾含量分別用Fs、Ps、Ws、Cfi,s、Cpi,s、Cwi,s表示；根據(jù)單機(jī)清理參數(shù)，級(jí)聯(lián)第s級(jí)的清理摩爾速率Vs為：

圖1 逆流型矩形級(jí)聯(lián)

Vs=Cf2,sgV

(2)

級(jí)聯(lián)清理完成時(shí)間為T，可知：

T=max(M/Vs)

(3)

清理裝置系統(tǒng)可能是增加清理成本的主要因素，因此不考慮多套清理裝置同時(shí)使用。在級(jí)聯(lián)或單級(jí)清理過程中只使用一套清理裝置，成本相同，計(jì)算損耗過程中不考慮清理裝置成本。同時(shí)清理損耗主要包含原料和時(shí)間，并且根據(jù)公式(2)、(3)可以看出原料損耗和使用時(shí)間變化方向相反。為了更好比較，假定原料的價(jià)值Vy是34元/mol，單機(jī)清理過程停止生產(chǎn)帶來的損耗Vd是0.4元/(h·臺(tái))(不含原料)，這樣就可以通過損耗數(shù)值將二者結(jié)合起來，所以定義級(jí)聯(lián)清理總損耗Vz為：

Vz=FTVy+nNTVd

(4)

2 清理優(yōu)化

2.1 計(jì)算方法

由于級(jí)聯(lián)清理技術(shù)還處于理論研究階段初期，目前已知一種級(jí)聯(lián)清理的計(jì)算方法[3]，在常規(guī)同位素分離級(jí)聯(lián)算法[4-8]基礎(chǔ)上改進(jìn)，需要已知級(jí)聯(lián)總級(jí)數(shù)n、級(jí)的分離設(shè)備個(gè)數(shù)N、供料位置f、級(jí)聯(lián)的供料摩爾流量F及各物質(zhì)的摩爾含量Cfi、精料摩爾流量P、精料回流量PH和前文介紹的單機(jī)清理參數(shù)，就能計(jì)算出級(jí)聯(lián)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下所有流體及物質(zhì)的摩爾含量，后續(xù)相應(yīng)的級(jí)聯(lián)清理計(jì)算均使用該方法。

一般優(yōu)化計(jì)算中，單機(jī)清理參數(shù)已知，級(jí)聯(lián)的供料中各物質(zhì)的摩爾含量Cfi采用純清理工質(zhì)數(shù)據(jù)，級(jí)聯(lián)總級(jí)數(shù)n、級(jí)的分離設(shè)備個(gè)數(shù)N根據(jù)實(shí)際情況確定，通過供料位置f、級(jí)聯(lián)的供料摩爾流量F、精料摩爾流量P、精料回流量PH的參數(shù)調(diào)整結(jié)合公式(3)計(jì)算級(jí)聯(lián)清理完成時(shí)間T，再通過公式(4)將不同參數(shù)下的級(jí)聯(lián)清理總損耗Vz值進(jìn)行比較，確定優(yōu)化結(jié)果。

2.2 單級(jí)清理優(yōu)化

一般來說，單級(jí)清理是指多個(gè)單機(jī)并聯(lián)組成1級(jí)級(jí)聯(lián)的區(qū)段清理模式，對(duì)比圖1，也是指級(jí)聯(lián)總級(jí)數(shù)n=1、供料位置f=1的級(jí)聯(lián)，下面進(jìn)行單級(jí)清理優(yōu)化計(jì)算。確定三個(gè)可優(yōu)化方向：① 優(yōu)化供料流量F，其余用回流量補(bǔ)充；② 優(yōu)化精料取料量與供料流量的比值θ；③ 總回流量中優(yōu)化精料回流量PH。需要說明的是，精、貧回流量及供料流量之和為區(qū)段供料流量，由于區(qū)段供料流量有限值，只需優(yōu)化其中兩項(xiàng)即可。此處定義清理損耗最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的供料流量、精料取料量和精料回流量為最佳清理參數(shù)。

在前文假定的單機(jī)參數(shù)基礎(chǔ)上，以級(jí)聯(lián)各級(jí)分離設(shè)備個(gè)數(shù)N=40為例進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。由于優(yōu)化參量有F、θ、PH不適合作圖表示，為了更直觀的比較，首先計(jì)算出F、θ相同前提下，PH變化時(shí)損耗最小值Vz,min(PH)，然后畫出F、θ、Vz,min(PH)的關(guān)系圖，具體結(jié)果示于圖2。

圖2 單級(jí)清理供料流量、精料取料量與清理損耗的關(guān)系

從圖2中可以看出，精料取料量對(duì)清理損耗影響不大。對(duì)不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的清理損耗值進(jìn)行比較，最低清理損耗值對(duì)應(yīng)的最佳清理參數(shù)是供料流量為0.25 mol/h，最低損耗為2.52萬元，精料取料量為0.175 mol/h，精料回流量為3.75 mol/h，清理時(shí)長為1 027.8 h。

如果生產(chǎn)級(jí)聯(lián)單級(jí)清理時(shí)其他級(jí)設(shè)備可以正常運(yùn)行生產(chǎn)，不計(jì)算損耗，當(dāng)級(jí)聯(lián)總級(jí)數(shù)n=10，則級(jí)聯(lián)系統(tǒng)清理完成的最低損耗是25.18萬元，清理總時(shí)長是10 278 h。

如果生產(chǎn)級(jí)聯(lián)單級(jí)清理時(shí)其他級(jí)設(shè)備不能正常運(yùn)行生產(chǎn)，需計(jì)算損耗，則完成級(jí)聯(lián)系統(tǒng)清理損耗需重新計(jì)算。單級(jí)清理時(shí)其他級(jí)不生產(chǎn)的計(jì)算結(jié)果是，最佳清理參數(shù)是供料流量為0.2 mol/h，精料取料量是0.17 mol/h，精料回流量是3.75 mol/h。最低損耗是173.19萬元，清理總時(shí)長還是10 278 h。

比對(duì)上述兩種情況的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單級(jí)清理時(shí)，不論其他級(jí)設(shè)備是否正常生產(chǎn)，最佳清理參數(shù)均相同，只是清理損耗不同?？梢?，針對(duì)現(xiàn)有損耗參數(shù)，工況調(diào)整所產(chǎn)生清理時(shí)間變化導(dǎo)致停止生產(chǎn)帶來的損耗沒有原料用量變化對(duì)清理損耗的影響大。因此，在現(xiàn)有參數(shù)條件下，可以只考慮原料成本進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 級(jí)聯(lián)清理優(yōu)化

假定供料中摩爾含量CFi是純的清理工質(zhì)H2O2，根據(jù)級(jí)聯(lián)參數(shù)和單機(jī)參數(shù)，可以看出影響級(jí)聯(lián)清理效果的主要參數(shù)是供料位置f、級(jí)聯(lián)供料摩爾流量F、級(jí)聯(lián)精料取料量P，其他均為已知或可以通過計(jì)算得出的參數(shù)。

因精料取料量和供料流量有直接關(guān)系，為了更直觀的比較，將精料取料量與供料流量的比值θ作為優(yōu)化參量，首先計(jì)算出相同供料流量F、精料取料量與供料流量比值θ條件下不同供料位置f對(duì)應(yīng)的損耗最小值Vz,min(f)，然后繪制F、θVz,min(f)關(guān)系圖，具體結(jié)果示于圖3。

圖3 級(jí)聯(lián)清理供料流量、精料取料量與供料流量比值與清理損耗的關(guān)系

從圖3中可以看出，級(jí)聯(lián)供料流量F、精料取料量與供料流量比值θ在極端情況下清理損耗值會(huì)出現(xiàn)大幅增加，其他情況清理損耗值變化平緩。對(duì)不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的清理損耗值進(jìn)行比較，最低清理損耗值對(duì)應(yīng)的最佳清理參數(shù)是供料流量為0.56 mol/h，最低損耗是19.76萬元，對(duì)應(yīng)的精料取料量為0.336 mol/h，供料位置第9級(jí)。

2.4 級(jí)聯(lián)清理簡(jiǎn)化優(yōu)化

前文的級(jí)聯(lián)清理優(yōu)化計(jì)算包含供料位置f、級(jí)聯(lián)供料摩爾流量F、級(jí)聯(lián)精料取料量P三個(gè)優(yōu)化參量，同時(shí)每組參量還需進(jìn)行相應(yīng)的級(jí)聯(lián)計(jì)算，計(jì)算量非常大。因此分析不同參量對(duì)清理損耗的影響，確定是否可以簡(jiǎn)化優(yōu)化內(nèi)容。

根據(jù)公式(4)可以看出，影響清理損耗的參數(shù)主要是清理時(shí)長和級(jí)聯(lián)供料流量。通過公式(2)、(3)可以看出，在M、g、V已知的前提下，清理時(shí)長只與級(jí)聯(lián)各級(jí)供料中清理工質(zhì)含量的最小值有關(guān)。因此，首先分析級(jí)聯(lián)最佳清理參數(shù)對(duì)應(yīng)的級(jí)聯(lián)各級(jí)供料中清理工質(zhì)含量數(shù)據(jù)，結(jié)果示于圖4。

圖4 級(jí)聯(lián)最佳清理參數(shù)對(duì)應(yīng)的級(jí)聯(lián)各級(jí)供料中清理工質(zhì)含量

從圖4可以看出，級(jí)聯(lián)端部級(jí)清理工質(zhì)含量是影響級(jí)聯(lián)清理時(shí)長的關(guān)鍵參數(shù)。那么，在最佳供料流量0.56 mol/h條件下，再優(yōu)化精料取料量與供料流量的比值θ、供料位置f與清理損耗的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果示于圖5。從圖5中可以看出，供料位置f對(duì)清理損耗略有影響，主要的待優(yōu)化參數(shù)是精料取料量與供料流量的比值θ，且該值主要集中在0.6附近。與圖4對(duì)比可以看出，調(diào)整θ值可將兩個(gè)端部級(jí)供料流中的清理工質(zhì)含量調(diào)整至大致相當(dāng)?shù)乃?。再結(jié)合圖3數(shù)據(jù)可知，級(jí)聯(lián)清理優(yōu)化通過提高級(jí)聯(lián)供料流量F來提高端部級(jí)中的清理工質(zhì)含量，并通過調(diào)整精料取料量與供料流量的比值θ來改善兩個(gè)端部級(jí)供料中清理工質(zhì)的含量比例，即通過優(yōu)化F和θ的值，得到清理損耗的最小值。

圖5 精料取料量與供料流量的比值、供料位置與清理損耗的關(guān)系

綜合分析，在現(xiàn)有參數(shù)條件下，級(jí)聯(lián)清理簡(jiǎn)化優(yōu)化可以不考慮供料位置f，精料取料量與供料流量的比值θ也可以限定在0.5～0.7之間，對(duì)級(jí)聯(lián)供料摩爾流量F進(jìn)行優(yōu)化。

3 優(yōu)化數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)前述單機(jī)和級(jí)聯(lián)計(jì)算參數(shù)，對(duì)單級(jí)清理和級(jí)聯(lián)清理進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算結(jié)果列于表1。通過表1數(shù)據(jù)可以看出，相比于單級(jí)清理，級(jí)聯(lián)清理優(yōu)化中原料用量下降至單級(jí)清理的24.1%，原料使用量節(jié)省75.9%；總清理時(shí)長下降至單機(jī)清理的10.7%，清洗時(shí)間節(jié)省89.3%；即使單機(jī)清理過程中其他設(shè)備能夠正常運(yùn)行生產(chǎn)任務(wù)，總清理損耗也將下降至單級(jí)清理的78.5%，若其他設(shè)備不能正常運(yùn)行生產(chǎn)，則總清理損耗只有單級(jí)清理的11.4%；級(jí)聯(lián)清理簡(jiǎn)化優(yōu)化方法比級(jí)聯(lián)清理優(yōu)化方法損耗提升2.1%。

表1 清理優(yōu)化數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

通過上述各工況參數(shù)與清理效果之間的關(guān)系研究，得出如下結(jié)論。

(1) 理論上級(jí)聯(lián)清理方式對(duì)應(yīng)清理時(shí)長和原料消耗量顯著優(yōu)于單級(jí)清理方式所需。

(2) 級(jí)聯(lián)清理優(yōu)化參數(shù)中，供料位置f對(duì)優(yōu)化影響不大，精料取料量與供料流量的比值θ在0.6附近時(shí)優(yōu)化結(jié)果較好，供料流量F是級(jí)聯(lián)清理優(yōu)化的關(guān)鍵。