30B产品容器收料可行性研究及应用

孙继全，赵 梅，关成明

(中核陕西铀浓缩有限公司，陕西 汉中 723312)

按照UF6容器使用规定，精料产品容器须使用30B容器运输[1-2]，URENCO公司在铀浓缩生产中直接使用30B容器收料，达到装料量后只需液化均质及取样合格就能以产品容器的形式直接出厂。而国内均大规模采用3 m3B容器收取级联精料产品，后续再将精料分装至30B产品容器中[3]。分装工艺主要包含液化均质、液态取样、液态分装等环节。其中液态分装环节高温高压且难以在耐压装置内完成，有一定的物料泄漏风险。

级联精料产品采用增压(增压泵)、冷凝(冷风箱)的方式进行收料[4]，收料容器放置在冷风箱内。3 m3B容器与30B容器除容积不同外，结构上的主要区别为3 m3B容器有两个φ22直角阀，在收料过程中一个阀门作为收料的进口，当容器内压力升高到一定程度，另一个阀门作为净化释放压力的出口，因此3 m3B容器可以实现收料连续化；30B容器只有一个φ22直角阀，当压力升高到一定程度后，必须转换到备用容器收料，将30B容器退出、净化。

近年来，中核陕西铀浓缩有限公司一直在开展30B容器收料研究[5]。发现在增压泵与冷风箱不变条件下，容器内部压力升高是造成30B容器退出净化频次高的主要原因。本文建立一个30B产品容器收料时容器内部压力计算的理论模型，然后通过实际应用验证模型的准确性；并探索30B容器收取精料的新工艺，拟为同类工厂及新建工厂提供参考。

1 理论研究

1.1 30B容器收料模型

本文主要研究30B容器收取精料的问题。30B容器收取精料与收取贫料的不同之处在于，除了容器内部温度上升对容器内部压力的影响，还有精料流中夹带的不凝轻杂质气体(HF和空气)，同时，不同的流量收料效果也不同。精料流中的轻杂质来源主要有三个途径：供料流中夹带的轻杂质、级联腐蚀损耗产生的轻杂质、渗漏的空气[6-7]。根据文献[6-7]，对于同一级联，腐蚀损耗产生的轻杂质和渗漏的空气量一定，而供料的原料来源及净化标准相同，单位供料流中的轻杂质含量也相同，唯一不同的是供料流量。可以根据不同供料流量下精料流中的轻杂质含量计算出单位供料流中的轻杂质含量以及腐蚀损耗产生的轻杂质含量。

G1+G2=G3

(1)

G′1+G2=G′3

(2)

其中：G1、G′1分别为不同工况下供料流中轻杂质含量；G3、G′3分别为不同工况下精料流中轻杂质含量；G2为腐蚀损耗产生的以及渗漏带来的轻杂质含量。对于级联来说，不同工况下渗漏均一定，级联中各处流量相对于被腐蚀损耗的物质的量来说是极大量，因此不同工况下G2为定值。

针对某一特定级联，根据两种工况下不同的供料流量以及精料端的轻杂质含量，即可计算出级联腐蚀损耗产生以及渗漏带来的轻杂质含量及单位供料流中的轻杂质含量。

30B容器收料时，设容器内部温度为T，容器剩余容积为V，容器内部压力为P，则容器内部压力升高与收料量的增加(剩余容积的减少)的关系式为：

(P+ΔP)·(V-k1·Δt)=k2·(t+Δt)

(3)

式中：t为收料时间；k1为常数，与单位精料流量对应的固态物料体积相关；k2为常数，与单位时间、单位流量轻杂质的量相关。

在供取料系统的温度和压力条件下，UF6及轻杂质气体可近似满足理想气体状态方程[8]。

P·V=n·R·T

(4)

式中：P为压力；V为体积；n为气体物质的量；R为理想气体常数，8.314 J/(mol·K)；T为热力学温度。

因此，公式(3)可以变换为内部压力单位时间内的升高情况：

(5)

式中：P0为内部温度对应的UF6饱和蒸汽压，也是容器内部UF6的分压；L1为精料流量；ρ为固态UF6密度；L2、L3分别为单位时间HF含量及空气含量；M2、M3分别为HF及空气的摩尔质量。

由公式(5)可看出：在精料流量一定的条件下，轻杂质L2、L3对容器内部压力的影响最大，轻杂质含量越高，容器内部压力升高越快；而随着内部温度T的升高，P0的值随之增加。

30B容器是内部中空容器，收料时UF6优先冷凝在容器内壁上[9]，中间为气态UF6，效果示于图1。

图1 30B容器收料时效果示意图Fig.1 Schematic diagram of container receiving effect

UF6有效传热随着固态UF6层变厚而下降，文献[10]实验测定了固态UF6传热系数K1为0.55 kJ/(m·h·℃)；容器壁的导热系数K2为163.8 kJ/(m·h·℃)[11]。则收料过程中热阻与固态UF6厚度d1及器壁厚度d2的关系为：

S=d1/K1+d2/K2

(6)

气态UF6比热容C1为0.563 kJ/(kg·K)，UF6的凝华热C2为135.4 kJ/kg[12]，在特定的精料流量下，30B容器收料UF6冷凝放出的热量为：

气态UF6降温放热：

Q1=L×C1×(T1-T2)

(7)

气态UF6凝华放热：

Q2=L×C2

(8)

式中：L为精料流量；T1、T2为气态UF6与容器内部温度。

传热公式[11]:

(9)

式中：A为传热面积；T3为容器表面温度。

根据公式(6)～(9)，可得出30B容器收料时容器内部温度与各参数的关系式：

(10)

将公式(10)代入公式(5)，即可得出30B容器收料时内部压力的计算模型，通过数学软件即可计算出在特定精料流量下容器内部压力与收料量之间的关系。计算此模型需要设定容器压力高限值，当达到高限值时，需要将收料30B容器退出净化，而此值与增压泵的增压能力相关，增压能力越强，压力高限值越高。

1.2 30B容器收料计算

1.2.1单台30B容器

以典型规模的分离级联为例，精料流量一般为8～27 kg/h。一般单级增压泵出口压力最大为8.6 kPa，增压泵的出口压力近似等于冷风箱入口压力，即增压泵出口压力达到8.6 kPa时，将收料的30B容器退出净化，净化后再次投入工作。根据公式(5)，取某工况下精料流量11 kg/h进行计算，结果示于图2。

图2 某工况下单台30B容器收料情况Fig.2 Predicted variations of the temperature and pressure in the product collection process with one cylinder type 30B under working condition

由图2可看出，容器内部温度呈上升趋势。30B容器收料至规定量需要退出净化29次，后期最短净化间隔时间为2.1 h，净化频次远大于3 m3B容器收料。30B容器退出、净化均采用手动操作的模式，工作强度较大。

1.2.2两台30B容器

在我国，尽管无形资产的重要价值日益受到重视，但财务报告及相关会计政策的改进却明显滞后。2006年之前，由于我国将无形资产研发投入全部费用化，使得企业通过自主研发获得的无形资产价值远远低于其实际价值；相比之下，通过外购获得无形资产反而能够更好地反映其价值。这不利于激发企业的自主创新意识，抑制了企业研发的积极性，进而影响了企业的综合竞争力。

两台30B容器并联收料，由于每台容器的精料流量减半，UF6冷凝释放的热量比单台时降低，容器内部温度必然有所降低，且容器内部剩余空间是单台的两倍，收料时压力及容器内部温度上涨幅度均将变缓。计算条件与上节相同，结果示于图3。

由图3可看出：两台30B容器并联收料达规定装料量，只需要退出净化11次，平均净化间隔时间为36 h，后期最短净化间隔时间为21.4 h。根据运行数据进行统计，3 m3B收料时平均净化间隔时间约为38 h，后期最短间隔时间约为24 h，与两台30B容器并联收料时净化频次相近。

图3 某工况下两台30B容器并联收料情况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台或更多的30B容器并联收料，其收料能力将会进一步增强，由于容器传热面积增加，其净化频次将会小于3 m3B。如果应用增压能力更强的真空泵，提高容器内部压力，可进一步降低30B容器收料时的净化频次[13-14]。

1.3 理论计算统计分析

通过建立的理论计算模型对30B容器收料情况进行计算，结果表明，单台30B收料净化频次远高于3 m3B；两台30B并联收料与3 m3B收料情况相近；三台或四台30B容器并联收料，效果将进一步增强。表1为典型规模的分离级联最大、最小流量工况下30B容器收料理论计算的净化频次。

表1 30B容器收料理论计算净化频次Table 1 Theoretical purification frequency of 30B container

1.4 收料点位配置

典型规模的分离级联，精料采用3 m3B容器收料时，配置两台-25 ℃冷风箱即能满足正常工况的收料要求[15]，考虑备用、检修功能一般配置四台冷风箱。如果一台冷风箱内放置两台30B容器，按最大精料流量27 kg/h、两台容器收料4 450 kg计算，两台30B容器收料工作时间t1为165 h；容器辅助工作时间t2包括净化50 L中间容器解冻24 h，中间容器倒料24 h，产品容器解冻24 h，容器拆装及真空测量24 h，投冷冻备用12 h，共计108 h。则正常周转的容器组数n=(t1+t2)/t1，计算得1.65，取其值为2，备用检修组数各为1，因此4台冷风箱内安装8台30B容器即能满足收料周转要求，相对于3 m3B容器收料没有增加冷风箱的点位。

2 收料实验验证

2.1 线路改造

根据理论计算的结果，主要开展两台30B容器并联收料的实验，并与3 m3B容器收料进行对比。一台冷风箱内的空间可以容纳两台30B容器，通过改造容器支架实现一台冷风箱内放置两台30B容器；一台冷风箱内只有一根入口连接管，可通过一个三通管实现两台30B容器同时收料。线路改造前后的效果示于图4。

图4 收料线路改造前后效果对比图Fig.4 Effect comparison diagram of receiving circuit before and after modification

2.2 收料实验

实验条件：精料流量为11 kg/h；30B容器：两台容器总控制装料量为4 450 kg，增压泵出口压力达到8.6 kPa左右时，退出收料进行净化，净化结束再转回30B容器收料；3 m3B容器：装料量为7 150 kg，增压泵出口压力达到8.6 kPa左右时，打开净化阀门进行净化。共进行了9组两台30B容器并联收料实验、4台3 m3B容器收料实验。9组30B容器实验数据相似，图5给出了其中一组实验数据；4组3 m3B容器实验数据相似，图6给出其中一组实验数据；表2是13组实验相关参数。

表2 13组收料实验参数Table 2 Thirteen groups of receiving test parameters

图5 两台30B容器并联收料实验数据Fig.5 Measured variations of the weight and pressure in the two 30B containers used in parallel

图6 3 m3B容器收料实验数据Fig.6 Measured variations of the weight and pressure in the 3 m3B container

两台30B容器与3 m3B容器收料实验相比，净化频次稍高，但30B容器即使到收料后期，净化间隔时间仍在15 h左右，满足生产的同时未明显增加工作强度。

30B容器收料实验数据与理论计算相近，退出净化的次数略高于理论计算，造成此差异的原因是实际收料过程存在如下客观因素：1) 净化时轻杂质无法彻底排空；2) 冷风箱定时除霜，温度上升对容器内部温度有一定影响；3) 容器壁电伴加热减少了容器的传热面积。

3 结论

本文针对30B容器收取精料建立了一个计算容器内部压力上升的理论模型，并针对30B容器收料的问题提出了解决方案。通过实际收料实验验证理论模型的准确性，表明30B容器直接收取精料的工艺可行。通过理论模型公式(5)及收料实验研究可得出以下结论。

1) 容器内部温度对30B容器收料能力有较大的影响，而容器内部温度上升的主要因素是物料冷凝放出的热量及收料量的增加对传热效果的影响。

2) 收取精料时，轻杂质是导致30B容器压力上升的主要影响因素。

3) 采用两台30B容器并联收料的方式对典型规模的分离级联可行；对于更大规模的级联，不会大幅度增加冷风箱的配置。