收稿日期： 2022-11-03

作者簡介： 丁峰（1988-），男，藏族，甘肅省天祝藏族自治縣人，工程師，2014年畢業(yè)于湖南大學機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)，研究方向：核化工、鈾純化技術(shù)工作。

通信作者： 衛(wèi)宏靚（1994-），女，助理工程師，碩士，研究方向：核化工、鈾純化技術(shù)工作。

摘""""" 要： 針對硝酸鈾酰MVR蒸發(fā)系統(tǒng)分離器的精餾段304L不銹鋼填料腐蝕向產(chǎn)品引入金屬雜質(zhì)的問題，利用Aspen Plus模擬軟件，確定分離器操作條件。通過計算優(yōu)化確定分離器所需理論板數(shù)為19，回流比為0.072 6。同時得到了分離器內(nèi)溫度、壓力和酸度的分布曲線，模擬結(jié)果表明第11板下方料液酸度超過0.3 mol/L。在99 ℃的高溫條件下，對304L不銹鋼的電化學腐蝕強烈。根據(jù)模擬結(jié)果選用不銹鋼與陶瓷填料組合，減緩填料腐蝕。

關(guān)" 鍵" 詞：Aspen Plus； 硝酸鈾酰； 模擬； 組合填料

中圖分類號：TQ018"""" 文獻標識碼： A" """文章編號： 1004-0935（2024）02-0313-04

天然鈾“濕法”純化工藝中，采用MVR（機械式蒸汽再壓縮技術(shù)）裝置蒸發(fā)濃縮硝酸鈾酰溶液，蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽中含有硝酸并夾帶少量硝酸鈾酰液滴，為得到酸度低于0.01 mol/L的合格冷凝液，采用MVR分離器（以下稱分離器）實現(xiàn)二次蒸汽的凈化，分離器屬于氣體洗滌塔，填料是分離器的核心構(gòu)件，為傳質(zhì)和分離提供空間。分離器內(nèi)設(shè)置洗滌器和填料段，洗滌凈化二次蒸汽，使冷凝液中硝酸濃度低于0.01 mol/L。

MVR蒸發(fā)器和分離器全部采用304L材質(zhì)，硝酸屬于強電解質(zhì)，304L不銹鋼發(fā)生電化學腐蝕[1]。MVR系統(tǒng)蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽，夾帶有硝酸鈾酰液滴，硝酸鈾酰電離過程中，將強化硝酸溶液中的離子強度，使腐蝕加劇。由于填料層底部硝酸濃度高，夾帶的硝酸鈾酰與填料層直接接觸，這種電化學腐蝕在填料層底部尤為顯著，導(dǎo)致硝酸鈾酰濃縮液中金屬雜質(zhì)超標。針對填料層腐蝕問題，采用Aspen Plus軟件[2-7]建立MVR分離工藝流程，采用ENRTL-RK活度系數(shù)模型進行設(shè)計計算，ENRTL熱力學方法適用于強非理想性的電解質(zhì)溶液，利用RK狀態(tài)方程單獨計算氣相平衡以提高準確性，優(yōu)化確定達到分離性能要求的理論板數(shù)與回流比。

1" MVR分離器流程模擬

1.1" 硝酸鈾酰MVR分離模擬流程建立

用Aspen Plus軟件繪制出模擬MVR分離器工藝流程見圖1。其中，設(shè)備S101為MVR分離器，流股1為MVR蒸發(fā)器濃縮后的硝酸鈾酰溶液分離過程中產(chǎn)生的蒸汽（以下稱為濃縮蒸汽），從底部自下而上進入MVR分離器，流股2為塔頂凈化后的二次蒸汽，流股3為MVR分離器精餾段底部洗滌二次蒸汽所得稀硝酸。

結(jié)合鈾純化轉(zhuǎn)化生產(chǎn)線項目中硝酸鈾酰溶液MVR蒸發(fā)濃縮工藝，確定濃縮蒸汽自分離器填料段底部進入，進料量為16.492 t/h，溫度99.5 ℃，進入填料段的壓力為99.5 kPa；塔頂產(chǎn)品為硝酸濃度小于0.01 mol/L的冷凝水；MVR分離器精餾段底部產(chǎn)品為1.5 ～2.5 mol/L的稀硝酸溶液。塔頂回流比選取最小回流比的1.2倍。

1.2" 熱力學模型及相圖計算

稀硝酸為水和硝酸組成的具有二組分最高恒沸點的混合物，在不同的壓力下該體系的最高共沸點不同。當大氣壓為101.325 kPa時，該體系共沸點為120.05 ℃，氣液兩相達到平衡的硝酸質(zhì)量濃度均為68.4%。

在Aspen Plus軟件中，所選擇的物性模型對計算模擬的結(jié)果有直接的影響，從而影響計算結(jié)果的準確度。利用軟件中的物性分析功能，選取ENRTL-RK活度系數(shù)模型[8-11]計算方法可得到最接近真實的二元組成相圖，如圖2所示。故MVR分離器模擬可采用ENRTL-RK活度系數(shù)模型計算方法。

2" 結(jié)果與討論

2.1" MVR分離器模擬

設(shè)定水為輕關(guān)鍵組分（Light key），硝酸為重關(guān)鍵組分（Heavy key）。根據(jù)工藝參數(shù)及產(chǎn)品純度要求，計算可得塔頂水的回收率為91.63%，精餾段底部硝酸回收率為99.26 %，回流比（Reflux ratio）為最小回流比的1.2倍。設(shè)定塔頂壓力為98.7 kPa，塔底壓力為99.5 kPa。

利用精餾塔的簡捷設(shè)計模塊（DSTWU）模擬所得結(jié)果如表1所示。

根據(jù)模擬結(jié)果，分離器精餾段最小回流比為0.060 5，最小理論板數(shù)為15，實際回流比為0.072 6，實際理論板數(shù)為19，實際進料位置為第19板。精餾塔塔頂溫度為98.7 ℃，塔底溫度為99.5 ℃。

2.2" 物流計算

在模擬過程中得到分離器內(nèi)各物質(zhì)輸入情況如表2所示。表中詳細列出了進料、塔頂產(chǎn)品及塔底產(chǎn)品的物料狀況及物流組成明細。分離器頂部產(chǎn)生的凈化后蒸汽流量為16.366 t/h，硝酸的摩爾濃度為0.005 mol/L；分離器底部產(chǎn)品（稀硝酸）摩爾濃度為1.63 mol/L。根據(jù)模擬結(jié)果，分離器頂部和底部產(chǎn)品均達到設(shè)計要求。

2.3" 理論板數(shù)與回流量和稀硝酸產(chǎn)量的關(guān)系

MVR分離器內(nèi)氣液分離效果主要受兩個參數(shù)影響，即液氣比L/V（塔頂冷凝液回流量）和理論板數(shù)NT[12-14]。塔頂回流量的提高和理論板數(shù)的增大均有利于濃縮蒸汽的凈化，但是過高的理論板數(shù)意味著填料層高度的增加，而回流量的增大，將會限制MVR蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)能力并增加能源消耗。為此以塔頂蒸汽中硝酸摩爾濃度為0.005 mol/L為約束條件，計算理論板數(shù)對回流量需求的影響，如圖3所示。

隨著理論板數(shù)的增大，冷凝水回流量迅速下降，而在19塊理論板之后，下降趨勢減弱，因此選擇19塊理論板作為優(yōu)化的結(jié)果，進行工藝設(shè)計。

圖4所示為理論板數(shù)對硝酸產(chǎn)量和濃度的影響，隨著理論板數(shù)減少，所需的回流量顯著增加，此時產(chǎn)生的稀硝酸量遠超過純化工序的處理能力1.5 m3/h。選擇理論板數(shù)19板，可將稀硝酸產(chǎn)量和濃度調(diào)整在合理范圍內(nèi)。

2.4" MVR分離器內(nèi)酸度分布

RadFrac模塊可以計算MVR分離器內(nèi)的溫度、壓力和硝酸濃度分布曲線[15-18]。計算所得MVR分離器內(nèi)硝酸在氣液兩相內(nèi)的質(zhì)量分布隨理論板變化的曲線如圖5所示。

由圖可知，跨越過第11板后，硝酸濃度已達到0.3 mol/L，在99 ℃的高溫環(huán)境和酸性蒸汽夾帶硝酸鈾酰溶液的條件下，對304L不銹鋼填料的電化學腐蝕強烈。因此在第11～19板，即MVR分離器精餾段底部3 m設(shè)置陶瓷規(guī)整填料， 減緩硝酸和硝酸鈾酰的腐蝕，減少向濃縮液中引入金屬雜質(zhì)的總量。

2.5" MVR分離器內(nèi)溫度分布

根據(jù)分離器內(nèi)硝酸濃度模擬結(jié)果，將精餾段1～10板設(shè)置為304L不銹鋼填料，第11～19板設(shè)置為陶瓷規(guī)整填料。將以上條件輸入模擬軟件，對精餾段各參數(shù)進行模擬，得到模擬過程中MVR分離器內(nèi)蒸汽溫度分布如圖6所示。

MVR分離器內(nèi)的溫度隨著理論板數(shù)的增加而逐漸升高，隨著理論板數(shù)的增加，精餾段的輕組分含量減少，重組分含量增加，泡點升高而導(dǎo)致的。其中因第11塊理論板位置處于陶瓷填料與不銹鋼填料交界位置，溫度有微小的損失。

2.6" MVR分離器內(nèi)壓力分布

模擬過程中MVR分離器內(nèi)壓力分布曲線如圖7所示。

在MVR分離器的正常操作條件下，塔內(nèi)壓力分布呈現(xiàn)接近線性變化，塔頂壓力為98.7 kPa，塔底壓力為99.5 kPa。在第11板位置，氣體在陶瓷填料與不銹鋼填料之間重新分布，存在一定的擾動，形成了微小的壓降。陶瓷填料段的壓降斜率略高于不銹鋼填料段，主要是因為陶瓷填料的壁厚高于不銹鋼填料，但空隙率反而低于不銹鋼填料。MVR分離器內(nèi)的溫度和壓力分布表明，采用陶瓷與不銹鋼填料的組合形式，對MVR分離器內(nèi)二次蒸汽的溫度和壓力影響較小，不會對機械蒸汽再壓縮過程造成顯著的影響。

3" 結(jié)論

利用Aspen Plus模擬軟件對MVR分離器內(nèi)操作條件進行模擬，確定精餾段塔板數(shù)、回流比及各塔板上溶液酸度。根據(jù)各塔板酸度，去頂分離器內(nèi)填料類型，并模擬其壓力、溫度等參數(shù)隨塔板位置的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1）對于硝酸-水溶液的強非理想性體系，利用ENRTL-RK（電解質(zhì)活度系數(shù)-狀態(tài)方程組合模型）的熱力學方法模擬得到T-x-y相圖，作為MVR分離器內(nèi)氣液平衡的計算基礎(chǔ)；

2）模擬確定實際回流比為0.0726，實際理論板數(shù)為19板。精餾塔塔頂溫度為98.7 ℃，塔底溫度為99.5 ℃，分離器頂部產(chǎn)品（冷凝液）的硝酸摩爾濃度為0.005 mol/L；分離器底部產(chǎn)品（稀硝酸）摩爾濃度為1.63 mol/L，符合鈾純化工藝要求；

3）模擬得到MVR分離器內(nèi)的溫度、壓力和酸度分布曲線，第11板后，硝酸濃度已達到0.3 mol/L，為減輕填料層底部腐蝕，在第11～19板，即MVR分離器精餾段底部3 m設(shè)置陶瓷規(guī)整填料。

參考文獻：

［1］閆康平.工程材料[M].北京：化學工業(yè)出版社， 2008：83.

［2］王洪江. Aspen Plus軟件在濃硝酸制備工藝上的應(yīng)用[J].石化技術(shù)，2005，1（12）：31-33.

［3］孫蘭義.化工過程模擬實訓[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012：88-94.

［4］李群生，劉陽.氯乙烯精餾過程的Aspen Plus模擬分析[J].北京化工大學學報（自然科學版），2009（01）：5-8.

［5］夏清， 陳常貴.化工原理.上冊[M].天津大學出版社，2005：137-148.

［6］包宗宏， 武文良.化工計算與軟件應(yīng)用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2013：181-184.

［7］黃衛(wèi)星，王松年，潘大偉，等.氣液并流通過波紋篩板填料的流體力學性能研究[J].工程科學與技術(shù)：1-8.

［8］劉衛(wèi)杰.淺議洗滌填料塔優(yōu)化改造[J].中國設(shè)備工程，2022， 492 （04）：127-128.

［9］朱燦朋，穆傳冰，田寶龍，等.填料塔氣體分布裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和流場模擬[J].化工裝備技術(shù)，2021，42（05）：18-22.

［10］郭偉，劉源，張俊輝，等.吸收塔的填料設(shè)計研究[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2021，20（16）：47-48.

［11］花亦懷，劉云飛，王銘，等.高壓填料塔內(nèi)脫碳傳質(zhì)模型的建立及適用性分析[J].天然氣化工—C1化學與化工，2022，47（06）：110-118.

［12］包春鳳，李瑜哲，周幗彥.規(guī)整填料塔專用耐腐蝕支撐裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元模擬[J].化工機械，2022，49（01）：132-136.

［13］程傳成，趙時超.高效規(guī)整填料在己二胺提質(zhì)降耗生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].化工機械，2020，47（04）：552-553.

［14］朱燦朋，穆傳冰，田寶龍，等.填料塔氣體分布裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和流場模擬[J].化工裝備技術(shù)，2021，42（05）：18-22.

［15］穆傳冰，侯添，朱燦朋，等.填料塔液體分布裝置的優(yōu)化設(shè)計[J].石油和化工設(shè)備，2019，22（04）：10-15.

［16］徐永杰.幾種新型散裝填料結(jié)構(gòu)性能分析及其應(yīng)用[J].安徽化工，2021，47（04）：25-27.

［17］郭偉，劉源，張俊輝，等.吸收塔的填料設(shè)計研究[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2021，20（16）：47-48.

［18］崔曉慧，趙亞南.新型精餾塔填料、塔內(nèi)件的開發(fā)應(yīng)用[J].化工設(shè)計通訊，2020，46（08）：27-28.

Optimum Design of Separator for Uranyl

Nitrate MVR-Evaporation Process

DING Feng， LI Ziyun， WEI Hongliang

（CNNC 404 Co.， Ltd.， Lanzhou Gansu 732850， China）

Abstract：" In view of the problem that metal impurities were introduced into the product due to the corrosion of 304L stainless steel packing in the rectification section of the separator of uranyl nitrate MVR evaporation system， using Aspen Plus simulation software， the operating conditions of the separator were determined. Through calculation and optimization， it was determined that the theoretical number of plates required for the separator was 19 and the reflux ratio was 0.072 6. At the same time， the distribution curves of temperature， pressure and acidity in the separator were obtained. The simulation results showed that the acidity of the feed liquid below the 11th plate exceeded 0.3 mol·L-1. At the high temperature of 99 ℃， the electrochemical corrosion of 304L stainless steel was strong. According to the simulation results， the combination of stainless steel and ceramic filler was selected to slow down the corrosion of filler.

Key words：" Aspen Plus; Uranyl nitrate; Simulation; Combined packing