緩蝕技術在六氟化鈾捕集制冷中的應用研究

陳建勇

（中核四〇四有限公司第一分公司 甘肅·蘭州 732850）

在天然六氟化鈾生產過程中，乙二醇水溶液因具有沸點較高、冰點低、價格適中、原料易得等特點被作為六氟化鈾主捕集器的傳熱介質。因乙二醇長時間在高溫下運行，同時與空氣接觸，很容易被氧化成酸性的乙二醇衍生物，如乙二酸、乙醛酸、乙醇酸等，這些酸性物質對捕集器內的循環管道會產生一定的腐蝕。針對上述情況，在不改變乙二醇水溶液傳熱和流動等性能前提下，通過向乙二醇水溶液內添加緩蝕劑（Na2HPO3和KH2PO3），控制其pH值，從而降低對循環管道的腐蝕速率，保證生產線的連續穩定運行。

1 原理

緩蝕劑（Na2HPO3和KH2PO3）溶于水后發生如下反應：

Na2HPO32Na++H++PO33-（電離反應）

H2O+Na2HPO3Na++OH-+NaH2PO32Na++2OH-+H3PO3（水解反應）

KH2PO3K++H++HPO32-K++2H++PO33-(電離反應)

H2O+KH2PO3K++OH-+H3PO3（水解反應）

Na2HPO3和KH2PO3是一對共軛酸堿對，可以穩定乙二醇溶液的 pH值，在一定范圍內使其不發生顯著變化。另外，Na2HPO3還可以作為一種防腐劑使用，在管道表面形成一層防蝕膜，阻止溶液對管道的深層腐蝕。

2 試驗部分

2.1 試驗研究內容

2.1.1 條件試驗

（1）緩蝕劑的選擇；

（2）乙二醇水溶液中緩蝕劑加入比例的確定；

（3）乙二醇水溶液緩中緩蝕劑加入量的確定；

（4）加入緩蝕劑后乙二醇溶液性能變化研究。

2.1.2 工程化應用研究試驗

按照條件試驗確定的緩蝕劑，按添加比例的配方比，配制乙二醇緩蝕劑溶液；驗證添加緩蝕劑后乙二醇溶液在不同溫度下的參數變化；比較緩蝕劑加入前后乙二醇溶液對循環管道的腐蝕情況。

3 數據分析和結果討論

3.1 條件試驗

3.1.1 緩蝕劑的選擇

緩蝕劑在一定程度上可以穩定溶液的酸堿度。目前，緩蝕劑的種類和配方都比較多。根據設備管道材質，選擇合適的緩蝕劑，從以下幾個方面考慮選擇：

（1）根據化學成分不同，緩蝕劑可分為無機緩蝕劑、有機含氮緩蝕劑、有機酸及其鹽或酯、有機含磷緩蝕劑和其他有機化合物等。

（2）針對六氟化鈾的特殊性，從乙二醇水溶液的互溶性及溶解后溶液的流動性能、使用的安全性等考慮，緩蝕劑應選擇無機緩蝕劑。

（3）緩蝕率較高的鐵用無機緩蝕劑主要有磷酸鹽、亞磷酸鹽、三乙醇胺、碳酸鹽等，它們的pKa值及防蝕效果如表1所示。

表1：常用無機緩蝕劑體系

選擇緩蝕劑時，應使其中酸組分的pKa等于或接近于所需要穩定的pH（pH=pKa±1），至少使要求控制的酸度落在緩蝕劑的緩沖范圍之內。由表1可知，緩蝕劑Na2HPO3-KH2PO3體系的pKa為8.0，符合技術指標的要求，添加后可將乙二醇溶液的pH值控制在7.5-8之間。推薦采用Na2HPO3和KH2PO3的混合劑作為緩蝕劑。采取向乙二醇水溶液中添加Na2HPO3和KH2PO3來控制乙二醇水溶液的pH值。

3.1.2 乙二醇水溶液中添加緩蝕劑的組合比例確定

（1）不同溫度乙二醇溶液pH值和比重的測定。在試驗過程中，測定了Na2HPO3和KH2PO3的飽和溶液pH值。Na2HPO3飽和溶液pH值為9，溶于水后，其水解反應強于電離反應。KH2PO3飽和溶液pH值為5，溶于水后，其電離反應強于水解反應。對乙二醇溶液取樣分析，其pH、比重如表2所示。

表2：工藝運行時不同溫度下乙二醇水溶液pH與比重

由表2中數據可知，乙二醇水溶液在不同溫度下均呈弱酸性，會對循環管道產生腐蝕，需加入緩蝕劑 Na2HPO3和KH2PO3調至弱堿性。

（2）分別取溫度為-25℃、0℃、45℃、95℃下的乙二醇水溶液100mL，配制Na2HPO3和KH2PO3的飽和溶液，然后將兩種飽和溶液按不同體積比混合，測得不同配比下溶液的pH如表3、表4、表5和表6所示：

表3：-25℃乙二醇溶液中加入不同體積比緩蝕劑的pH

表4：0℃乙二醇溶液中加入不同體積比緩蝕劑的pH

表5：45℃乙二醇溶液中加入不同體積比緩蝕劑的pH

表6：95℃乙二醇溶液中加入不同體積比緩蝕劑的pH

由表3、表4、表5和表6可知，不同溫度下的乙二醇溶液，將其pH值調至約8.0時所加緩蝕劑Na2HPO3和KH2PO3飽和溶液的體積比均為7:1左右。

3.1.3 不同濃度乙二醇水溶液緩蝕劑添加量確定

分別配制體積濃度分別為50%、55%、60%、65%、70%的乙二醇水溶液，向其中添加緩蝕劑，將其pH值調至8.0時，緩蝕劑添加量和溶液的比重如表7所示。

表7：加入緩蝕劑后不同體積百分濃度乙二醇溶液的參數值

從表中數據可知，隨著乙二醇體積百分濃度的增加，調節溶液pH值為8.0時所需加入的緩蝕劑量逐步增加，當乙二醇體積百分濃度超過65%后，所需緩蝕劑的加入量逐步減少。

3.1.4 加入緩蝕劑后乙二醇溶液的性能變化研究

加入緩蝕劑后，對乙二醇水溶液升降溫后PH值變化情況進行了試驗驗證，并直觀對比其流動性和載熱能力變化情況。考慮到生產中，乙二醇水溶液最高溫度為100℃，最低溫度為-30℃，選擇試驗溫度條件為 100℃、60℃、20℃、-30℃。

在20℃條件下，按照確定的緩蝕劑加入量配制乙二醇水溶液，等量移裝入4個燒杯中。將其中2個燒杯裝乙二醇水溶液置于加熱電爐上分別加熱至60℃、100℃。將1個燒杯裝乙二醇水溶液使用液氮降溫至-30攝氏度。分別測量其 pH值，如表8所示。

表8：加入緩蝕劑后，不同溫度下的乙二醇水溶液pH值

由表8中數據可知，加入緩蝕劑后，乙二醇水溶液溫度升高對pH值沒有影響，溫度降低至-30℃時，緩蝕劑調節溶液pH值的作用會受到影響，但仍然呈弱堿性，能夠滿足生產使用要求。通過直觀觀察和測量，加入緩蝕劑后的乙二醇水溶液溫度在-30～100℃范圍內發生變化，其流動性和載熱能力沒有明顯變化。

3.2 工程化應用研究試驗

3.2.1 工況下乙二醇水溶液pH值變化情況

為充分驗證工況下加入緩蝕劑的乙二醇水溶液pH值和對生產運行的影響，對其跟蹤取樣和分析，具體數據如表9所示。

表9：各種溫度乙二醇水溶液運行中pH值變化情況

從表9中數據可知，在工況條件下，加入緩蝕劑后的乙二醇水溶液能夠呈弱堿性，可以達到減少對溶液循環管道腐蝕的目的。另外，從動力泵運行情況和六氟化鈾捕集器中溫度控制情況可知，緩蝕劑加入對乙二醇水溶液的載熱能力和流動性均沒有影響。

3.2.2 緩蝕劑加入前后乙二醇水溶液對循環系統的腐蝕情況對比

為檢驗緩蝕劑減緩腐蝕的效果，對管路不同位置因腐蝕發生故障的頻次進行了統計，見表10。

表10：緩蝕劑加入前后管路不同位置因腐蝕發生的故障頻次

由表10中數據可知，加入緩蝕劑前，乙二醇水溶液循環系統管路各主要位置均發生過不同頻次的腐蝕。向乙二醇水溶液內加入緩蝕劑后，乙二醇水溶液循環系統管路沒有發生因乙二醇水溶液腐蝕而導致的故障。

4 結論

Na2HPO3和 KH2PO3的混合劑可以作為乙二醇水溶液的緩蝕劑。在工況條件下，加入緩蝕劑后，乙二醇水溶液可在較長時間內呈弱堿性，有效減緩了乙二醇水溶液對其循環系統管路的腐蝕。加入緩蝕劑后，乙二醇水溶液載熱能力和流動性沒有明顯變化，可以實現安全穩定運行。