分離裝置結構優化對穩定同位素分離經濟性的影響研究

楊 坤，叢藝坤，牟 宏

(核工業理化工程研究院，天津 300180)

分離裝置結構優化對穩定同位素分離經濟性的影響研究

楊 坤，叢藝坤，牟 宏

(核工業理化工程研究院，天津 300180)

為評價分離裝置結構或參數優化對級聯經濟性的影響，提出以單臺分離裝置年純利為經濟性判據，并以此為評判標準，以級聯分離SiF4獲取28Si、29Si同位素為例，對分離裝置的結構優化進行了經濟性分析。計算并對比了結構優化前后的單臺分離裝置年純利。結果表明，分離裝置結構優化后，單臺分離裝置年純利增加了12.3%。優化分離裝置的結構能夠較大幅度地提高級聯分離穩定同位素的經濟性。

經濟性；級聯；穩定同位素；結構優化

穩定同位素分離的工作介質多為多組分混合物，表征分離裝置分離能力的多組分價值函數和分離功率至今沒有公認的定義[1]，難以直接用某個函數來評價分離裝置內部結構參量或外部控制參量改變后其分離性能的變化。而采用某些經濟性判據來間接地衡量分離裝置分離性能的優劣不失為一種有益的嘗試。本文采用單臺分離裝置純利法為評判標準，即將級聯完成一定分離任務所產生的經濟效益平均到每臺分離裝置上得到的單臺分離裝置年純利。通過對分離裝置動密封系統結構優化前后，單臺分離裝置年純利的比較，評價這種結構優化對級聯經濟性的影響。

1 單臺分離裝置純利法

級聯分離的經濟性一般與以下兩個因素密切相關：一是同位素產品的價值增量(即毛利)，二是除原料成本之外的各種費用之和(即運行成本)。分離對象和產品豐度不同，二者對級聯經濟性的影響程度也不同。如果原料成本低，可以適當放寬提取率要求，縮短生產時間，從而降低運行成本；反之，假如原料很昂貴，則要提高目標同位素的提取率，充分利用原料，使產品的價值增量提高，從而增加毛利。

定義單臺分離裝置年純利為級聯每年完成一定分離任務時所獲得的純利與分離裝置臺數的比值。

Pn0=Pnc/N

(1)

其中，Pn0為單臺分離裝置年純利；N為分離裝置臺數；Pnc為級聯年純利。

Pnc=Pgc-Crc

(2)

其中，Pgc為級聯年毛利；Crc為級聯年運行成本。

級聯年毛利Pgc定義為級聯每年生產所得各種同位素產品或副產品的總價值與所消耗的原料總價值之差，即同位素產品的價值增量。

(3)

其中，VPi為第i種產品或副產品的每千克單價；mi為第i種產品或副產品的年產量，kg；VR為原料每千克單價；mR為原料年消耗量，kg。

級聯年運行成本Crc由燃料動力費Ce、固定資產折舊費Cd、工資及勞務費Cw和其他費用Co構成。(以上各項費用單位均為元/年)

Crc=Ce+Cd+Cw+Co

(4)

綜上，單臺分離裝置年純利的計算式為

(5)

2 結構優化

目前的分離裝置動密封系統抽空能力欠佳，用其分離穩定同位素效果不甚理想。當工作介質的摩爾質量較小時，分離裝置內部的氣體壓強徑向分布較為平緩，導致內部壓強升高、負載功耗增大、供料流量受限。而級聯的經濟性主要取決于供料流量和分離系數，過低的供料流量必然使其經濟性大打折扣。理論計算和試驗研究結果表明，優化分離裝置的動密封系統結構，可以提高其總壓比，降低負載功耗，進而提高供料流量。對于工作介質四氟化硅而言，動密封系統結構優化后，單臺分離裝置的供料流量提高了11.5%，而基本全分離系數不變。

3 經濟性分析

3.1 級聯年運行成本計算

一旦級聯形式和裝機容量確定，(4)式中的部分參數值即為常數，與分離對象無關。本文以一座總裝機量為100 000臺的矩形級聯為例進行經濟性分析，則下列為固定成本。

(1) 燃料動力費Ce

級聯運行過程中所消耗的基于能源的各種費用，主要包括電費、取暖費以及液氮和去離子水的費用。整個級聯系統運行所需電費的統計情況見表1(按工業電價1元每千瓦時計算)。

表1 級聯電費統計Table 1 Electricity charge statistics of cascade

100 000臺規模的級聯大約需要建筑面積8 000 m2的廠房，按每平方米50元的取暖費計算，每年需要花費40萬元。在級聯的運行過程中，物料的收集和轉儲需要消耗液氮，平均每天大約消耗10 000升液氮。按每升液氮4元錢計算，級聯一年需要支出液氮費10 000×4×365=1 460萬元。級聯每月需要更換冷卻水100噸，按每噸去離子水1 000元計算，級聯每年在去離子水上需花費100×0.1×12=120萬元。

綜上，級聯燃料每年動力費Ce=7 472.28+40+1 460+120=9 092.28萬元。

上述級聯燃料動力費根據我國北方地區溫差較大條件下進行費用計算，相對其他溫差較小地區，該費用偏高。

(2) 固定資產折舊費Cd

按照年限平均法，固定資產每年折舊額的計算公式為：

固定資產凈殘值是預計的折舊年限終了時的固定資產殘值減去清理費用后的余額。固定資產凈殘值與固定資產原值之比稱為凈殘值率，凈殘值率一般為3%～5%。

建筑面積8 000 m2的廠房的建設費用約為4 000萬元，折舊年限50年，凈殘值率5%。級聯總投資規模200 000萬元，折舊年限10年，凈殘值率5%。于是，廠房的年折舊額為76萬元，級聯的年折舊額為19 000萬元。固定資產每年折舊費Cd=76+19 000=19 076萬元。

以上級聯建造成本及廠房建造成本根據現有的結構類似的級聯及廠房建設費用推算。

(3) 工資及勞務費Cw

該級聯的日常運行維護需要1 000名工作人員，每人每月工資及獎金按10 000元計算，則工資及勞務費Cw=1×1 000×12=12 000萬元。

(4) 其他費用Co

分離裝置動密封系統結構優化費用為每臺700元，預計可以使用10年。故其他費用Co=0.07×100 000÷10=700萬元。

級聯年運行成本Crc=9 092.28+19 076+12 000+700=40 868.28萬元。

3.2 實例分析

以分離裝置動密封系統結構優化前后，級聯分離[2-4]SiF4獲取28Si、29Si同位素為例(其中，29Si同位素為中間組分)，進行經濟性分析。

對分離Si同位素而言，2013年原料單價為每千克VR=0.035萬元，豐度為99.5%以上的28Si產品單價為每千克VP1=100萬元，豐度為7%的29Si產品單價為每千克VP2=3.5萬元，其他豐度的副產品目前暫無利用價值。

(1) 使用原動密封系統

級聯原料年消耗量mR=70.00 t，同位素產品28Si年產量m1=4.32 t，29Si年產量m2=28.00 t[5-11]。單臺分離裝置年純利為：

Pn0=(100×4.32×103+3.5×28×103-0.035×70×103-9 092.28-19 076-12 000)/100 000=4.87萬元。

(2) 使用結構優化的動密封系統

相同運行條件下，結構優化后，單臺分離裝置的流量提高了11.5%，所以原料消耗量和同位素產品產量均增加11.5%，即mR=78.05噸，m1=4.82噸，m2=31.22噸。單臺分離裝置年純利為：

Pn0=(100×4.82×103+3.5×31.22×103-0.035×78.05×103-9 092.28-19 076-12 000-700)/100 000=5.47萬元。

通過計算可知，動密封系統結構優化后單臺分離裝置年純利增加了12.3%。可見，用于穩定同位素分離的動密封系統結構優化具有良好的經濟性。以上所給出的燃料動力費、工資及勞務費、原料及同位素價格只是參考價格，均隨市場供求關系而變化。

4 結論

本研究提出了一種衡量級聯分離穩定同位素經濟性的評價指標，單臺分離裝置年純利，并給出計算方法。通過對一座100 000臺規模級聯分離SiF4的實例計算發現，動密封系統結構優化后，單臺分離裝置年純利增加了12.3%。說明優化分離裝置的結構能較大幅度地提高級聯分離穩定同位素的經濟性。

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Study on the Effect of the Separating Unit Optimization on the Economy of Stable Isotope Separation

YANG Kun, CONG Yi-kun, MOU Hong

(ResearchInstituteofPhysicalandChemicalEngineeringofNuclearIndustry,Tianjin300180,China)

An economic criterion called as yearly net profit of single separating unit (YNPSSU) was presented to evaluate the influence of structure optimization on the economy. Using YNPSSU as a criterion, economic analysis was carried out for the structure optimization of separating unit in the case of separating SiF4to obtain the28Si and29Si isotope. YNPSSU was calculated and compared with that before optimization. The results showed that YNPSSU was increased by 12.3% by the structure optimization. Therefore, the structure optimization could increase the economy of the stable isotope separation effectively.

economy; cascade; stable isotope; optimization of structure

10.7538/tws.2015.28.01.0033

2014-06-06;

2014-08-29

楊 坤(1982—)，女，山西大同人，助理研究員，同位素分離專業

TL99

A

1000-7512(2015)01-0033-04