分離設(shè)備清理的優(yōu)化方法

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，會影響分離設(shè)備取料裝置的取料能力，嚴(yán)重時會堵塞取料裝置，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，目前采用多個分離設(shè)備并聯(lián)形成區(qū)段單級清理模式進(jìn)行沉積物清理，但原料用量大，多區(qū)段清理總用時長。為此開展級聯(lián)模式清理技術(shù)研究工作，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化計算。

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

1 計算基礎(chǔ)

1.1 單機參數(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；單機供料流量g=0.1 mol/h，單機中NiO2的沉積量M=0.1 mol。

1.2 級聯(lián)參數(shù)

需要進(jìn)行清理的級聯(lián)系統(tǒng)是圖1所示的各級流量相等的逆流型矩形級聯(lián)[2]。級聯(lián)總級數(shù)為n，每級分離設(shè)備個數(shù)為N；供料位置為f；各級供料摩爾流量為G；m為級聯(lián)運行過程中系統(tǒng)內(nèi)氣態(tài)物質(zhì)的個數(shù)，根據(jù)反應(yīng)式(1)確定m值為3；級聯(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對應(yīng)O2含量，i=2對應(yīng)H2O2含量，i=3對應(yīng)Ni(OH)4含量；級聯(lián)第s級的供、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)單機清理參數(shù)，級聯(lián)第s級的清理摩爾速率Vs為：

圖1 逆流型矩形級聯(lián)

Vs=Cf2,sgV

(2)

級聯(lián)清理完成時間為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使用。在級聯(lián)或單級清理過程中只使用一套清理裝置，成本相同，計算損耗過程中不考慮清理裝置成本。同時清理損耗主要包含原料和時間，并且根據(jù)公式(2)、(3)可以看出原料損耗和使用時間變化方向相反。為了更好比較，假定原料的價值Vy是34元/mol，單機清理過程停止生產(chǎn)帶來的損耗Vd是0.4元/(h·臺)(不含原料)，這樣就可以通過損耗數(shù)值將二者結(jié)合起來，所以定義級聯(lián)清理總損耗Vz為：

Vz=FTVy+nNTVd

(4)

2 清理優(yōu)化

2.1 計算方法

由于級聯(lián)清理技術(shù)還處于理論研究階段初期，目前已知一種級聯(lián)清理的計算方法[3]，在常規(guī)同位素分離級聯(lián)算法[4-8]基礎(chǔ)上改進(jìn)，需要已知級聯(lián)總級數(shù)n、級的分離設(shè)備個數(shù)N、供料位置f、級聯(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和前文介紹的單機清理參數(shù)，就能計算出級聯(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)的級聯(lián)清理計算均使用該方法。

一般優(yōu)化計算中，單機清理參數(shù)已知，級聯(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)，級聯(lián)總級數(shù)n、級的分離設(shè)備個數(shù)N根據(jù)實際情況確定，通過供料位置f、級聯(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)計算級聯(lián)清理完成時間T，再通過公式(4)將不同參數(shù)下的級聯(lián)清理總損耗Vz值進(jìn)行比較，確定優(yōu)化結(jié)果。

2.2 單級清理優(yōu)化

一般來說，單級清理是指多個單機并聯(lián)組成1級級聯(lián)的區(qū)段清理模式，對比圖1，也是指級聯(lián)總級數(shù)n=1、供料位置f=1的級聯(lián)，下面進(jìn)行單級清理優(yōu)化計算。確定三個可優(yōu)化方向：① 優(yōu)化供料流量F，其余用回流量補充；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)化其中兩項即可。此處定義清理損耗最小時所對應(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)。

在前文假定的單機參數(shù)基礎(chǔ)上，以級聯(lián)各級分離設(shè)備個數(shù)N=40為例進(jìn)行優(yōu)化計算。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，首先計算出F、θ相同前提下，PH變化時損耗最小值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，精料取料量對清理損耗影響不大。對不同參數(shù)對應(yīng)的清理損耗值進(jìn)行比較，最低清理損耗值對應(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，清理時長為1 027.8 h。

如果生產(chǎn)級聯(lián)單級清理時其他級設(shè)備可以正常運行生產(chǎn)，不計算損耗，當(dāng)級聯(lián)總級數(shù)n=10，則級聯(lián)系統(tǒng)清理完成的最低損耗是25.18萬元，清理總時長是10 278 h。

如果生產(chǎn)級聯(lián)單級清理時其他級設(shè)備不能正常運行生產(chǎn)，需計算損耗，則完成級聯(lián)系統(tǒng)清理損耗需重新計算。單級清理時其他級不生產(chǎn)的計算結(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，清理總時長還是10 278 h。

比對上述兩種情況的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單級清理時，不論其他級設(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?，針對現(xiàn)有損耗參數(shù)，工況調(diào)整所產(chǎn)生清理時間變化導(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)級聯(lián)參數(shù)和單機參數(shù)，可以看出影響級聯(lián)清理效果的主要參數(shù)是供料位置f、級聯(lián)供料摩爾流量F、級聯(lián)精料取料量P，其他均為已知或可以通過計算得出的參數(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出現(xiàn)大幅增加，其他情況清理損耗值變化平緩。對不同參數(shù)對應(yīng)的清理損耗值進(jìn)行比較，最低清理損耗值對應(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，對應(yīng)的精料取料量為0.336 mol/h，供料位置第9級。

2.4 級聯(lián)清理簡化優(yōu)化

前文的級聯(lián)清理優(yōu)化計算包含供料位置f、級聯(lián)供料摩爾流量F、級聯(lián)精料取料量P三個優(yōu)化參量，同時每組參量還需進(jìn)行相應(yīng)的級聯(lián)計算，計算量非常大。因此分析不同參量對清理損耗的影響，確定是否可以簡化優(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)主要是清理時長和級聯(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，清理時長只與級聯(lián)各級供料中清理工質(zhì)含量的最小值有關(guān)。因此，首先分析級聯(lián)最佳清理參數(shù)對應(yīng)的級聯(lián)各級供料中清理工質(zhì)含量數(shù)據(jù)，結(jié)果示于圖4。

圖4 級聯(lián)最佳清理參數(shù)對應(yīng)的級聯(lián)各級供料中清理工質(zhì)含量

從圖4可以看出，級聯(lián)端部級清理工質(zhì)含量是影響級聯(lián)清理時長的關(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，計算結(jié)果示于圖5。從圖5中可以看出，供料位置f對清理損耗略有影響，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對比可以看出，調(diào)整θ值可將兩個端部級供料流中的清理工質(zhì)含量調(diào)整至大致相當(dāng)?shù)乃健Ｔ俳Y(jié)合圖3數(shù)據(jù)可知，級聯(lián)清理優(yōu)化通過提高級聯(lián)供料流量F來提高端部級中的清理工質(zhì)含量，并通過調(diào)整精料取料量與供料流量的比值θ來改善兩個端部級供料中清理工質(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，級聯(lián)清理簡化優(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，對級聯(lián)供料摩爾流量F進(jìn)行優(yōu)化。

3 優(yōu)化數(shù)據(jù)對比

根據(jù)前述單機和級聯(lián)計算參數(shù)，對單級清理和級聯(lián)清理進(jìn)行優(yōu)化計算，計算結(jié)果列于表1。通過表1數(shù)據(jù)可以看出，相比于單級清理，級聯(lián)清理優(yōu)化中原料用量下降至單級清理的24.1%，原料使用量節(jié)省75.9%；總清理時長下降至單機清理的10.7%，清洗時間節(jié)省89.3%；即使單機清理過程中其他設(shè)備能夠正常運行生產(chǎn)任務(wù)，總清理損耗也將下降至單級清理的78.5%，若其他設(shè)備不能正常運行生產(chǎn)，則總清理損耗只有單級清理的11.4%；級聯(lián)清理簡化優(yōu)化方法比級聯(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) 理論上級聯(lián)清理方式對應(yīng)清理時長和原料消耗量顯著優(yōu)于單級清理方式所需。

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