離心分離大質(zhì)量數(shù)差混合物的實(shí)驗(yàn)研究方法

潘建雄，周明勝，裴 根，姜東君，孫啟明

(清華大學(xué) 工程物理系，北京 100084)

氣體離心法作為一種能耗低、分離系數(shù)大、規(guī)模靈活的分離方法，現(xiàn)已成功應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)濃縮鈾和穩(wěn)定同位素分離[1-3]。利用離心法生產(chǎn)同位素產(chǎn)品時(shí)，工作介質(zhì)一般要求為純凈物。針對(duì)離心分離混合物，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究。1980年前后，F(xiàn)uhse[4]、Kai[5]、Makihara等[6]開(kāi)展了離心分離氣體混合物的研究，探究了小分子量氣體對(duì)離心分離性能的影響。2004年，鄭直[7]基于雙組分氣體模型，對(duì)相對(duì)分子質(zhì)量相差大的混合氣體的流場(chǎng)、豐度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值研究。2006年，張彤等[8]、賈興國(guó)等[9]利用數(shù)值模擬的方法，研究了小分子量氣體對(duì)離心級(jí)聯(lián)中組分分布情況的影響，并提出通過(guò)附加供料氟利昂C6F12的方式，可實(shí)現(xiàn)用離心級(jí)聯(lián)凈化原料的目的。2014年，Cheltsov等[10]以SF6為介質(zhì)，利用離心級(jí)聯(lián)生產(chǎn)硫同位素，通過(guò)級(jí)聯(lián)的多次分離，有效去除了S2F10，獲得了超純SF6產(chǎn)品。

在實(shí)際中，由于混合物中重氣體組分與輕氣體組分性質(zhì)接近，較難通過(guò)其他方法分離，因此難以測(cè)定輕、重氣體組分的分離效果。本文嘗試尋找容易分離的輕、重氣體組分作為混合物分離介質(zhì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得輕、重氣體組分的分離效果，以評(píng)估混合物的離心分離性能。

1 離心分離介質(zhì)的選取

氣體離心法的分離介質(zhì)需滿足一定的要求[11]，經(jīng)過(guò)對(duì)不同氣體物性參數(shù)的調(diào)研[12-14]，選取了2組輕、重氣體介質(zhì)。第1組，C7F14作為重氣體組分，SF6、Xe作為輕氣體組分；第2組，CCl3F作為重氣體組分，C2H4作為輕氣體組分。

1.1 C7F14和SF6/Xe

C7F14的相對(duì)分子質(zhì)量為350.05，常溫下為無(wú)色、透明、低沸點(diǎn)的液體，無(wú)腐蝕性，穩(wěn)定性好，570 K溫度下不分解。天然C7F14同位素組成及其豐度列于表1，由于氟只有1種穩(wěn)定同位素，碳有2種穩(wěn)定同位素(14C含量微小，不作考慮)，故主要的同位素組分為12C7F14和12C613CF14，其他同位素組分豐度很小，可視為二元分離。

表1 天然C7F14的同位素組成Table 1 Isotopic component of natural C7F14

SF6的相對(duì)分子質(zhì)量為146.06，Xe的相對(duì)分子質(zhì)量為131.29。SF6、Xe化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有熱穩(wěn)定性、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性，適合用于離心分離。

在-100 ℃下，C7F14為固態(tài)，飽和蒸氣壓幾乎為0，而此溫度下，SF6的飽和蒸氣壓為5.3 kPa，Xe的飽和蒸氣壓為157.9 kPa，通過(guò)調(diào)制-100 ℃的酒精/液氮混合物能將輕、重氣體組分順利分開(kāi)。

1.2 CCl3F和C2H4

CCl3F即氟里昂-11，相對(duì)分子質(zhì)量為137.37，與某些穩(wěn)定同位素離心分離介質(zhì)(GeF4、BCl3)的相對(duì)分子質(zhì)量接近，且化學(xué)性質(zhì)不活潑、較穩(wěn)定，是一種廉價(jià)的制冷劑，可作為穩(wěn)定同位素離心分離介質(zhì)的模擬介質(zhì)。

C2H4的相對(duì)分子質(zhì)量為28.06，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，價(jià)格低廉，且易獲取。

在-115 ℃下，CCl3F為固態(tài)，飽和蒸氣壓為4 Pa；C2H4為氣態(tài)，飽和蒸氣壓為49.9 kPa。通過(guò)調(diào)制-115 ℃的酒精/液氮混合物能輕松將二者分開(kāi)。

2 混合氣體離心分離實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 單機(jī)分離實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的包含國(guó)產(chǎn)離心分離專用設(shè)備在內(nèi)的單機(jī)分離實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了混合氣體離心分離實(shí)驗(yàn)，其原理如圖1[2]所示。

在常溫下，將離心分離介質(zhì)通入專用設(shè)備，為保證供料流的穩(wěn)定性，在供料瓶處并聯(lián)一穩(wěn)壓容器。利用液氮冷阱收集專用設(shè)備分離出的精、貧料。由于混合氣體分離的特點(diǎn)，單機(jī)分離實(shí)驗(yàn)得到的精、貧料均為輕、重氣體組分的混合物，需在分離實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行分餾操作，將輕、重氣體相對(duì)分開(kāi)后再進(jìn)行取樣。

圖1 單機(jī)分離實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of single centrifugal experiment system

2.2 分餾裝置

通過(guò)采用分餾法徹底分開(kāi)精、貧料中的輕、重氣體組分，以獲得各組分氣體的含量。本文建立的分餾裝置示意圖如圖2所示。為達(dá)到較好的分餾效果，設(shè)計(jì)了分餾取樣流程。以C7F14/SF6混合介質(zhì)為例，分餾取樣流程如下。

圖2 分餾裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of fractional distillation unit

1) 將待分餾的C7F14/SF6混合介質(zhì)利用液氮冷凍在料瓶A中；

2) 利用-100 ℃的酒精/液氮混合溶液初步解凍料瓶A，將揮發(fā)出的SF6氣體用液氮冷凍收集到料瓶B中，此時(shí)C7F14仍冷凍在料瓶A中；

3) 待料瓶A中的SF6完全轉(zhuǎn)移到料瓶B后，對(duì)料瓶進(jìn)行解凍；

4) 在相同體積、相同溫度下測(cè)量料瓶A、B中的氣體壓強(qiáng)并取樣。

測(cè)得的壓強(qiáng)比即為混合氣體中C7F14和SF6的摩爾比。

3 基本全分離系數(shù)/全凈化系數(shù)計(jì)算

根據(jù)Kai所提出的多元分離系數(shù)定義[15-16]，任意兩組分i、j之間的全分離系數(shù)γij為：

針對(duì)混合物分離，借鑒二元離心分離理論中分離系數(shù)的定義，引入全凈化系數(shù)Df作為表征凈化效果的參數(shù)。定義精料混合氣體中輕氣體組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為xP，貧料混合氣體中輕氣體組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為xW。全凈化系數(shù)Df由下式定義：

4 混合氣體離心分離實(shí)驗(yàn)

4.1 C7F14/SF6混合氣體分離實(shí)驗(yàn)

以SF6摩爾含量為20%的C7F14/SF6混合氣體為供料，通過(guò)改變供料流量、分流比θ等流體參數(shù)，進(jìn)行了一系列單機(jī)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2。由表2可知：1) 單獨(dú)考慮C7F14、SF6組分的分離，二者的基本全分離系數(shù)均低于作為單一工作介質(zhì)時(shí)的基本全分離系數(shù)；2) 綜合考慮混合氣體的分離，C7F14/SF6混合氣體的全凈化系數(shù)在6附近，隨供料流量的增大，全凈化系數(shù)變小。

表2 C7F14/SF6混合氣體單機(jī)分離結(jié)果Table 2 Experimental result of C7F14/SF6 mixture

4.2 C7F14/Xe混合氣體分離實(shí)驗(yàn)

以Xe摩爾含量為20%的C7F14/Xe混合氣體為供料，選取供料流量為30 g/h、分流比為0.5進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表3。由表3可知：1) 與C7F14/SF6混合氣體分離實(shí)驗(yàn)類似，單獨(dú)考慮C7F14、Xe組分的分離，二者的基本全分離系數(shù)均低于作為單一工作介質(zhì)時(shí)的基本全分離系數(shù)；2) 相比C7F14/SF6混合氣體，C7F14/Xe混合氣體輕、重組分相對(duì)分子質(zhì)量相差更大，混合氣體的全凈化系數(shù)明顯增大，能達(dá)到12.19。

表3 C7F14/Xe混合氣體單機(jī)分離結(jié)果Table 3 Experimental result of C7F14/Xe mixture

4.3 CCl3F/C2H4混合氣體分離實(shí)驗(yàn)

為探究平均分子量較小的混合氣體離心分離性能，進(jìn)行了CCl3F/C2H4混合氣體離心分離實(shí)驗(yàn)，以C2H4摩爾含量為10%的混合氣體為供料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表4。由表4可知：1) C2H4相對(duì)分子質(zhì)量小，離心分離C2H4效果不明顯；2) CCl3F和C2H4的相對(duì)分子質(zhì)量相差較小，CCl3F/C2H4混合氣體的全凈化系數(shù)均低于C7F14/SF6混合氣體和C7F14/Xe混合氣體。在分流比為0.5的情況下，CCl3F/C2H4混合氣體的全凈化系數(shù)可達(dá)5.27。

綜合以上3組混合氣體分離實(shí)驗(yàn)分析，二元混合氣體的全凈化系數(shù)遠(yuǎn)大于純凈氣體的同位素分離系數(shù)，混合物中氣體組分間相對(duì)分子質(zhì)量相差越大，全凈化系數(shù)越大；混合氣體組分的離心分離系數(shù)低于單一介質(zhì)離心分離時(shí)的系數(shù)。

表4 CCl3F/C2H4混合氣體單機(jī)分離結(jié)果Table 4 Experimental result of CCl3F/C2H4 mixture

5 結(jié)論

本文提出了一種實(shí)驗(yàn)方法，即通過(guò)使用易于分離的輕、重氣體組分作為離心介質(zhì)，來(lái)評(píng)估離心分離混合物性能，并引入全凈化系數(shù)的概念，評(píng)估組分氣體間的分離效果。該實(shí)驗(yàn)方法能得到二元混合氣體的全凈化系數(shù)及其各自組分的基本全分離系數(shù)。通過(guò)開(kāi)展C7F14/SF6、C7F14/Xe、CCl3F/C2H4混合氣體離心分離實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)方法的可行性。從已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)。

1) 二元混合氣體的全凈化系數(shù)大。重氣體組分更多地進(jìn)入貧料，輕氣體組分更多地進(jìn)入精料，使得最終精、貧料中輕氣體組分含量較供料發(fā)生明顯變化。

2) 離心分離混合氣體中，兩種輕、重氣體組分的基本全分離系數(shù)均低于各自單獨(dú)分離時(shí)的基本全分離系數(shù)。對(duì)于任一組分，另一種組分的混入會(huì)降低該組分的離心分離效果。

針對(duì)離心分離混合物，可運(yùn)用本方法開(kāi)展更為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。