30B產品容器收料可行性研究及應用

孫繼全，趙 梅，關成明

(中核陜西鈾濃縮有限公司，陜西 漢中 723312)

按照UF6容器使用規定，精料產品容器須使用30B容器運輸[1-2]，URENCO公司在鈾濃縮生產中直接使用30B容器收料，達到裝料量后只需液化均質及取樣合格就能以產品容器的形式直接出廠。而國內均大規模采用3 m3B容器收取級聯精料產品，后續再將精料分裝至30B產品容器中[3]。分裝工藝主要包含液化均質、液態取樣、液態分裝等環節。其中液態分裝環節高溫高壓且難以在耐壓裝置內完成，有一定的物料泄漏風險。

級聯精料產品采用增壓(增壓泵)、冷凝(冷風箱)的方式進行收料[4]，收料容器放置在冷風箱內。3 m3B容器與30B容器除容積不同外，結構上的主要區別為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口，當容器內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容器可以實現收料連續化；30B容器只有一個φ22直角閥，當壓力升高到一定程度后，必須轉換到備用容器收料，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]。發現在增壓泵與冷風箱不變條件下，容器內部壓力升高是造成30B容器退出凈化頻次高的主要原因。本文建立一個30B產品容器收料時容器內部壓力計算的理論模型，然后通過實際應用驗證模型的準確性；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，除了容器內部溫度上升對容器內部壓力的影響，還有精料流中夾帶的不凝輕雜質氣體(HF和空氣)，同時，不同的流量收料效果也不同。精料流中的輕雜質來源主要有三個途徑：供料流中夾帶的輕雜質、級聯腐蝕損耗產生的輕雜質、滲漏的空氣[6-7]。根據文獻[6-7]，對于同一級聯，腐蝕損耗產生的輕雜質和滲漏的空氣量一定，而供料的原料來源及凈化標準相同，單位供料流中的輕雜質含量也相同，唯一不同的是供料流量?？梢愿鶕煌┝狭髁肯戮狭髦械妮p雜質含量計算出單位供料流中的輕雜質含量以及腐蝕損耗產生的輕雜質含量。

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含量；G3、G′3分別為不同工況下精料流中輕雜質含量；G2為腐蝕損耗產生的以及滲漏帶來的輕雜質含量。對于級聯來說，不同工況下滲漏均一定，級聯中各處流量相對于被腐蝕損耗的物質的量來說是極大量，因此不同工況下G2為定值。

針對某一特定級聯，根據兩種工況下不同的供料流量以及精料端的輕雜質含量，即可計算出級聯腐蝕損耗產生以及滲漏帶來的輕雜質含量及單位供料流中的輕雜質含量。

30B容器收料時，設容器內部溫度為T，容器剩余容積為V，容器內部壓力為P，則容器內部壓力升高與收料量的增加(剩余容積的減少)的關系式為：

(P+ΔP)·(V-k1·Δt)=k2·(t+Δt)

(3)

式中：t為收料時間；k1為常數，與單位精料流量對應的固態物料體積相關；k2為常數，與單位時間、單位流量輕雜質的量相關。

在供取料系統的溫度和壓力條件下，UF6及輕雜質氣體可近似滿足理想氣體狀態方程[8]。

P·V=n·R·T

(4)

式中：P為壓力；V為體積；n為氣體物質的量；R為理想氣體常數，8.314 J/(mol·K)；T為熱力學溫度。

因此，公式(3)可以變換為內部壓力單位時間內的升高情況：

(5)

式中：P0為內部溫度對應的UF6飽和蒸汽壓，也是容器內部UF6的分壓；L1為精料流量；ρ為固態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及空氣的摩爾質量。

由公式(5)可看出：在精料流量一定的條件下，輕雜質L2、L3對容器內部壓力的影響最大，輕雜質含量越高，容器內部壓力升高越快；而隨著內部溫度T的升高，P0的值隨之增加。

30B容器是內部中空容器，收料時UF6優先冷凝在容器內壁上[9]，中間為氣態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UF6層變厚而下降，文獻[10]實驗測定了固態UF6傳熱系數K1為0.55 kJ/(m·h·℃)；容器壁的導熱系數K2為163.8 kJ/(m·h·℃)[11]。則收料過程中熱阻與固態UF6厚度d1及器壁厚度d2的關系為：

S=d1/K1+d2/K2

(6)

氣態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UF6降溫放熱：

Q1=L×C1×(T1-T2)

(7)

氣態UF6凝華放熱：

Q2=L×C2

(8)

式中：L為精料流量；T1、T2為氣態UF6與容器內部溫度。

傳熱公式[11]:

(9)

式中：A為傳熱面積；T3為容器表面溫度。

根據公式(6)～(9)，可得出30B容器收料時容器內部溫度與各參數的關系式：

(10)

將公式(10)代入公式(5)，即可得出30B容器收料時內部壓力的計算模型，通過數學軟件即可計算出在特定精料流量下容器內部壓力與收料量之間的關系。計算此模型需要設定容器壓力高限值，當達到高限值時，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，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

以典型規模的分離級聯為例，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箱入口壓力，即增壓泵出口壓力達到8.6 kPa時，將收料的30B容器退出凈化，凈化后再次投入工作。根據公式(5)，取某工況下精料流量11 kg/h進行計算，結果示于圖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，容器內部溫度呈上升趨勢。30B容器收料至規定量需要退出凈化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，盡管無形資產的重要價值日益受到重視，但財務報告及相關會計政策的改進卻明顯滯后。2006年之前，由于我國將無形資產研發投入全部費用化，使得企業通過自主研發獲得的無形資產價值遠遠低于其實際價值；相比之下，通過外購獲得無形資產反而能夠更好地反映其價值。這不利于激發企業的自主創新意識，抑制了企業研發的積極性，進而影響了企業的綜合競爭力。

兩臺30B容器并聯收料，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，容器內部溫度必然有所降低，且容器內部剩余空間是單臺的兩倍，收料時壓力及容器內部溫度上漲幅度均將變緩。計算條件與上節相同，結果示于圖3。

由圖3可看出：兩臺30B容器并聯收料達規定裝料量，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。根據運行數據進行統計，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容器并聯收料時凈化頻次相近。

圖3 某工況下兩臺30B容器并聯收料情況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容器并聯收料，其收料能力將會進一步增強，由于容器傳熱面積增加，其凈化頻次將會小于3 m3B。如果應用增壓能力更強的真空泵，提高容器內部壓力，可進一步降低30B容器收料時的凈化頻次[13-14]。

1.3 理論計算統計分析

通過建立的理論計算模型對30B容器收料情況進行計算，結果表明，單臺30B收料凈化頻次遠高于3 m3B；兩臺30B并聯收料與3 m3B收料情況相近；三臺或四臺30B容器并聯收料，效果將進一步增強。表1為典型規模的分離級聯最大、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

典型規模的分離級聯，精料采用3 m3B容器收料時，配置兩臺-25 ℃冷風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箱。如果一臺冷風箱內放置兩臺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。則正常周轉的容器組數n=(t1+t2)/t1，計算得1.65，取其值為2，備用檢修組數各為1，因此4臺冷風箱內安裝8臺30B容器即能滿足收料周轉要求，相對于3 m3B容器收料沒有增加冷風箱的點位。

2 收料實驗驗證

2.1 線路改造

根據理論計算的結果，主要開展兩臺30B容器并聯收料的實驗，并與3 m3B容器收料進行對比。一臺冷風箱內的空間可以容納兩臺30B容器，通過改造容器支架實現一臺冷風箱內放置兩臺30B容器；一臺冷風箱內只有一根入口連接管，可通過一個三通管實現兩臺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，增壓泵出口壓力達到8.6 kPa左右時，退出收料進行凈化，凈化結束再轉回30B容器收料；3 m3B容器：裝料量為7 150 kg，增壓泵出口壓力達到8.6 kPa左右時，打開凈化閥門進行凈化。共進行了9組兩臺30B容器并聯收料實驗、4臺3 m3B容器收料實驗。9組30B容器實驗數據相似，圖5給出了其中一組實驗數據；4組3 m3B容器實驗數據相似，圖6給出其中一組實驗數據；表2是13組實驗相關參數。

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

圖5 兩臺30B容器并聯收料實驗數據Fig.5 Measured variations of the weight and pressure in the two 30B containers used in parallel

圖6 3 m3B容器收料實驗數據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，滿足生產的同時未明顯增加工作強度。

30B容器收料實驗數據與理論計算相近，退出凈化的次數略高于理論計算，造成此差異的原因是實際收料過程存在如下客觀因素：1) 凈化時輕雜質無法徹底排空；2) 冷風箱定時除霜，溫度上升對容器內部溫度有一定影響；3) 容器壁電伴加熱減少了容器的傳熱面積。

3 結論

本文針對30B容器收取精料建立了一個計算容器內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論。

1) 容器內部溫度對30B容器收料能力有較大的影響，而容器內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，輕雜質是導致30B容器壓力上升的主要影響因素。

3) 采用兩臺30B容器并聯收料的方式對典型規模的分離級聯可行；對于更大規模的級聯，不會大幅度增加冷風箱的配置。