30B產(chǎn)品容器收料可行性研究及應(yīng)用

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。而國內(nèi)均大規(guī)模采用3 m3B容器收取級聯(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。

級聯(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φ22直角閥，在收料過程中一個閥門作為收料的進(jìn)口，當(dāng)容器內(nèi)壓力升高到一定程度，另一個閥門作為凈化釋放壓力的出口，因此3 m3B容器可以實現(xiàn)收料連續(xù)化；30B容器只有一個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30B產(chǎn)品容器收料時容器內(nèi)部壓力計算的理論模型，然后通過實際應(yīng)用驗證模型的準(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，不同的流量收料效果也不同。精料流中的輕雜質(zhì)來源主要有三個途徑：供料流中夾帶的輕雜質(zhì)、級聯(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]，對于同一級聯(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。可以根據(jù)不同供料流量下精料流中的輕雜質(zhì)含量計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。對于級聯(lián)來說，不同工況下滲漏均一定，級聯(lián)中各處流量相對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。

針對某一特定級聯(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，即可計算出級聯(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，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為收料時間；k1為常數(shù)，與單位精料流量對應(yīng)的固態(tài)物料體積相關(guān)；k2為常數(shù)，與單位時間、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)部壓力單位時間內(nèi)的升高情況：

(5)

式中：P0為內(nèi)部溫度對應(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]實驗測定了固態(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容器收料時內(nèi)部壓力的計算模型，通過數(shù)學(xué)軟件即可計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，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，壓力高限值越高。

1.2 30B容器收料計算

1.2.1單臺30B容器

以典型規(guī)模的分離級聯(lián)為例，精料流量一般為8～27 kg/h。一般單級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，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)行計算，結(jié)果示于圖2。

圖2 某工況下單臺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。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、凈化均采用手動操作的模式，工作強度較大。

1.2.2兩臺30B容器

在我國，盡管無形資產(chǎn)的重要價值日益受到重視，但財務(wù)報告及相關(guān)會計政策的改進(jìn)卻明顯滯后。2006年之前，由于我國將無形資產(chǎn)研發(fā)投入全部費用化，使得企業(yè)通過自主研發(fā)獲得的無形資產(chǎn)價值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其實際價值；相比之下，通過外購獲得無形資產(chǎn)反而能夠更好地反映其價值。這不利于激發(fā)企業(yè)的自主創(chuàng)新意識，抑制了企業(yè)研發(fā)的積極性，進(jìn)而影響了企業(yè)的綜合競爭力。

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

由圖3可看出：兩臺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，平均凈化間隔時間為36 h，后期最短凈化間隔時間為21.4 h。根據(jù)運行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，3 m3B收料時平均凈化間隔時間約為38 h，后期最短間隔時間約為24 h，與兩臺30B容器并聯(lián)收料時凈化頻次相近。

圖3 某工況下兩臺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臺或更多的30B容器并聯(lián)收料，其收料能力將會進(jìn)一步增強，由于容器傳熱面積增加，其凈化頻次將會小于3 m3B。如果應(yīng)用增壓能力更強的真空泵，提高容器內(nèi)部壓力，可進(jìn)一步降低30B容器收料時的凈化頻次[13-14]。

1.3 理論計算統(tǒng)計分析

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

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

1.4 收料點位配置

典型規(guī)模的分離級聯(lián)，精料采用3 m3B容器收料時，配置兩臺-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冷風(fēng)箱。如果一臺冷風(fēng)箱內(nèi)放置兩臺30B容器，按最大精料流量27 kg/h、兩臺容器收料4 450 kg計算，兩臺30B容器收料工作時間t1為165 h；容器輔助工作時間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，容器拆裝及真空測量24 h，投冷凍備用12 h，共計108 h。則正常周轉(zhuǎn)的容器組數(shù)n=(t1+t2)/t1，計算得1.65，取其值為2，備用檢修組數(shù)各為1，因此4臺冷風(fēng)箱內(nèi)安裝8臺30B容器即能滿足收料周轉(zhuǎn)要求，相對于3 m3B容器收料沒有增加冷風(fēng)箱的點位。

2 收料實驗驗證

2.1 線路改造

根據(jù)理論計算的結(jié)果，主要開展兩臺30B容器并聯(lián)收料的實驗，并與3 m3B容器收料進(jìn)行對比。一臺冷風(fēng)箱內(nèi)的空間可以容納兩臺30B容器，通過改造容器支架實現(xiàn)一臺冷風(fēng)箱內(nèi)放置兩臺30B容器；一臺冷風(fēng)箱內(nèi)只有一根入口連接管，可通過一個三通管實現(xiàn)兩臺30B容器同時收料。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比圖Fig.4 Effect comparison diagram of receiving circuit before and after modification

2.2 收料實驗

實驗條件：精料流量為11 kg/h；30B容器：兩臺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，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，打開凈化閥門進(jìn)行凈化。共進(jìn)行了9組兩臺30B容器并聯(lián)收料實驗、4臺3 m3B容器收料實驗。9組30B容器實驗數(shù)據(jù)相似，圖5給出了其中一組實驗數(shù)據(jù)；4組3 m3B容器實驗數(shù)據(jù)相似，圖6給出其中一組實驗數(shù)據(jù)；表2是13組實驗相關(guān)參數(shù)。

表2 13組收料實驗參數(shù)Table 2 Thirteen groups of receiving test parameters

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

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

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

30B容器收料實驗數(shù)據(jù)與理論計算相近，退出凈化的次數(shù)略高于理論計算，造成此差異的原因是實際收料過程存在如下客觀因素：1) 凈化時輕雜質(zhì)無法徹底排空；2) 冷風(fēng)箱定時除霜，溫度上升對容器內(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30B容器收取精料建立了一個計算容器內(nèi)部壓力上升的理論模型，并針對30B容器收料的問題提出了解決方案。通過實際收料實驗驗證理論模型的準(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)及收料實驗研究可得出以下結(jié)論。

1) 容器內(nèi)部溫度對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傳熱效果的影響。

2) 收取精料時，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30B容器并聯(lián)收料的方式對典型規(guī)模的分離級聯(lián)可行；對于更大規(guī)模的級聯(lián)，不會大幅度增加冷風(fēng)箱的配置。