分離設備清理的優化方法

楊 坤

(核工業理化工程研究院，天津 300180)

隨著科學技術發展，大量同位素已經被廣泛應用于基礎科學、地質學、生物學、醫療診斷以及半導體技術等領域[1]，同位素產品的需求量越來越大，進一步推進了某些同位素產品的批量化制備。在同位素分離領域，同位素的分離過程中，多數會伴隨固體沉積物微量、持續的產生，而隨著固體沉積物的不斷堆積，會影響分離設備取料裝置的取料能力，嚴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專用設備分離性能是亟待解決的關鍵問題。為了恢復分離設備的分離性能，目前采用多個分離設備并聯形成區段單級清理模式進行沉積物清理，但原料用量大，多區段清理總用時長。為此開展級聯模式清理技術研究工作，并進行相應的優化計算。

本文研究各工況參數與單級、級聯模式清理效果的關系，對比不同清理模式的優缺點，并指出級聯模式清理的工況參數確定方法，為級聯模式清理方法應用提供技術支持。

1 計算基礎

1.1 單機參數

假定分離工質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，與NiO2固體反應生成產物均為氣體，以達到清理效果。反應方程式為：

(1)

假設單機清理參數是：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 級聯參數

需要進行清理的級聯系統是圖1所示的各級流量相等的逆流型矩形級聯[2]。級聯總級數為n，每級分離設備個數為N；供料位置為f；各級供料摩爾流量為G；m為級聯運行過程中系統內氣態物質的個數，根據反應式(1)確定m值為3；級聯總供、精、貧摩爾流量及第i種物質的摩爾含量分別用F、P、W，Cfi，Cpi，Cwi表示，i=1對應O2含量，i=2對應H2O2含量，i=3對應Ni(OH)4含量；級聯第s級的供、精、貧摩爾流量，及第i種物質的摩爾含量分別用Fs、Ps、Ws、Cfi,s、Cpi,s、Cwi,s表示；根據單機清理參數，級聯第s級的清理摩爾速率Vs為：

圖1 逆流型矩形級聯

Vs=Cf2,sgV

(2)

級聯清理完成時間為T，可知：

T=max(M/Vs)

(3)

清理裝置系統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值將二者結合起來，所以定義級聯清理總損耗Vz為：

Vz=FTVy+nNTVd

(4)

2 清理優化

2.1 計算方法

由于級聯清理技術還處于理論研究階段初期，目前已知一種級聯清理的計算方法[3]，在常規同位素分離級聯算法[4-8]基礎上改進，需要已知級聯總級數n、級的分離設備個數N、供料位置f、級聯的供料摩爾流量F及各物質的摩爾含量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，就能計算出級聯穩態狀態下所有流體及物質的摩爾含量，后續相應的級聯清理計算均使用該方法。

一般優化計算中，單機清理參數已知，級聯的供料中各物質的摩爾含量Cfi采用純清理工質數據，級聯總級數n、級的分離設備個數N根據實際情況確定，通過供料位置f、級聯的供料摩爾流量F、精料摩爾流量P、精料回流量PH的參數調整結合公式(3)計算級聯清理完成時間T，再通過公式(4)將不同參數下的級聯清理總損耗Vz值進行比較，確定優化結果。

2.2 單級清理優化

一般來說，單級清理是指多個單機并聯組成1級級聯的區段清理模式，對比圖1，也是指級聯總級數n=1、供料位置f=1的級聯，下面進行單級清理優化計算。確定三個可優化方向：① 優化供料流量F，其余用回流量補充；② 優化精料取料量與供料流量的比值θ；③ 總回流量中優化精料回流量PH。需要說明的是，精、貧回流量及供料流量之和為區段供料流量，由于區段供料流量有限值，只需優化其中兩項即可。此處定義清理損耗最小時所對應的供料流量、精料取料量和精料回流量為最佳清理參數。

在前文假定的單機參數基礎上，以級聯各級分離設備個數N=40為例進行優化計算。由于優化參量有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)的關系圖，具體結果示于圖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。對不同參數對應的清理損耗值進行比較，最低清理損耗值對應的最佳清理參數是供料流量為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。

如果生產級聯單級清理時其他級設備可以正常運行生產，不計算損耗，當級聯總級數n=10，則級聯系統清理完成的最低損耗是25.18萬元，清理總時長是10 278 h。

如果生產級聯單級清理時其他級設備不能正常運行生產，需計算損耗，則完成級聯系統清理損耗需重新計算。單級清理時其他級不生產的計算結果是，最佳清理參數是供料流量為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果發現，單級清理時，不論其他級設備是否正常生產，最佳清理參數均相同，只是清理損耗不同。可見，針對現有損耗參數，工況調整所產生清理時間變化導致停止生產帶來的損耗沒有原料用量變化對清理損耗的影響大。因此，在現有參數條件下，可以只考慮原料成本進行優化。

2.3 級聯清理優化

假定供料中摩爾含量CFi是純的清理工質H2O2，根據級聯參數和單機參數，可以看出影響級聯清理效果的主要參數是供料位置f、級聯供料摩爾流量F、級聯精料取料量P，其他均為已知或可以通過計算得出的參數。

因精料取料量和供料流量有直接關系，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對應的損耗最小值Vz,min(f)，然后繪制F、θVz,min(f)關系圖，具體結果示于圖3。

圖3 級聯清理供料流量、精料取料量與供料流量比值與清理損耗的關系

從圖3中可以看出，級聯供料流量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大幅增加，其他情況清理損耗值變化平緩。對不同參數對應的清理損耗值進行比較，最低清理損耗值對應的最佳清理參數是供料流量為0.56 mol/h，最低損耗是19.76萬元，對應的精料取料量為0.336 mol/h，供料位置第9級。

2.4 級聯清理簡化優化

前文的級聯清理優化計算包含供料位置f、級聯供料摩爾流量F、級聯精料取料量P三個優化參量，同時每組參量還需進行相應的級聯計算，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化內容。

根據公式(4)可以看出，影響清理損耗的參數主要是清理時長和級聯供料流量。通過公式(2)、(3)可以看出，在M、g、V已知的前提下，清理時長只與級聯各級供料中清理工質含量的最小值有關。因此，首先分析級聯最佳清理參數對應的級聯各級供料中清理工質含量數據，結果示于圖4。

圖4 級聯最佳清理參數對應的級聯各級供料中清理工質含量

從圖4可以看出，級聯端部級清理工質含量是影響級聯清理時長的關鍵參數。那么，在最佳供料流量0.56 mol/h條件下，再優化精料取料量與供料流量的比值θ、供料位置f與清理損耗的關系，計算結果示于圖5。從圖5中可以看出，供料位置f對清理損耗略有影響，主要的待優化參數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，調整θ值可將兩個端部級供料流中的清理工質含量調整至大致相當的水平。再結合圖3數據可知，級聯清理優化通過提高級聯供料流量F來提高端部級中的清理工質含量，并通過調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的含量比例，即通過優化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系

綜合分析，在現有參數條件下，級聯清理簡化優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，對級聯供料摩爾流量F進行優化。

3 優化數據對比

根據前述單機和級聯計算參數，對單級清理和級聯清理進行優化計算，計算結果列于表1。通過表1數據可以看出，相比于單級清理，級聯清理優化中原料用量下降至單級清理的24.1%，原料使用量節省75.9%；總清理時長下降至單機清理的10.7%，清洗時間節省89.3%；即使單機清理過程中其他設備能夠正常運行生產任務，總清理損耗也將下降至單級清理的78.5%，若其他設備不能正常運行生產，則總清理損耗只有單級清理的11.4%；級聯清理簡化優化方法比級聯清理優化方法損耗提升2.1%。

表1 清理優化數據

4 結論

通過上述各工況參數與清理效果之間的關系研究，得出如下結論。

(1) 理論上級聯清理方式對應清理時長和原料消耗量顯著優于單級清理方式所需。

(2) 級聯清理優化參數中，供料位置f對優化影響不大，精料取料量與供料流量的比值θ在0.6附近時優化結果較好，供料流量F是級聯清理優化的關鍵。