Борман Теория каскадов для разделения бинарных 2011

3.1. Понятия и приемы, используемые в практике центробежного каскадирования

Получение требуемого количества и концентрации изотопного продукта, как правило, не может быть обеспечено на отдельной газовой центрифуге вследствие её ограниченной производительности и недостаточно больших коэффициентов разделения. На практике для характеристики центробежного каскада принято использовать произведение ε0·N, где ε0=(q0-1) – коэффициент обогащения, приходящийся на единичную разность массовых чисел разделяемых компонентов, а N – общее число ступеней в каскаде. При ε0·N, > 3, каскад называют «длинным». При значении ε0 =0,1 каскад, состоящий из трех десятков ступеней, считают длинным. Для получения высококонцентрированных малораспространенных в природе стабильных изотопов центробежные каскады содержат сотни ступеней.

Разделительная ступень в каскаде может состоять из одной центрифуги, нескольких или многих, соединенных параллельно и работающих в одном и том же гидравлическом и разделительном режимах (см. часть 1). Количество центрифуг в ступени определяет поток рабочего вещества, протекающего через ступень, часто называемый «шириной» ступени. Минимальная ширина ступени соответствует одной центрифуге. Чем больше ширина ступени, тем бόльшее количество вещества подвергают разделению и тем больше обогащенного продукта может произвести каскад.

На первом этапе создания целевой разделительной установки проводят исследования, моделирующие одиночную разделительную ступень. Найденные в этих опытах относительные

	c'c''
коэффициенты разделения q =	i	j	, где c′c′	и c′′c′′	–
ij	c'	c''	i, j	i, j
	j	i

концентрации i-го и j-го компонентов в выходных потоках из ступени, i, j =1, m , m – число компонентов разделяемой смеси,

затем используют при расчете параметров каскада [1].

В практике центробежного разделения изотопов неурановых элементов чаще всего применяют каскады постоянной ширины, в которых все разделительные ступени содержат одинаковое

341

количество центрифуг, соединенных параллельно. Такие установки представляют собой прямоугольные каскады (ПК). Разделительные каскады также могут быть выполнены из ступеней, имеющих разную ширину. В этом случае их называют прямоугольно-

секционированными каскадами (ПСК). Характерной возможностью современной центробежной технологии является ее гибкость, т.е. возможность перестраивать конфигурацию каскада, изменять его длину и ширину ступеней, а также варьировать место подачи потока питания в каскад, что позволяет реализовывать режимы разделения, необходимые для концентрирования того или иного изотопа различных химических элементов и осуществлять наиболее производительные режимы разделения [2]. Для этого на каскаде устанавливают необходимые трассы и вентили, позволяющие это осуществлять без специальных монтажных работ и нарушения вакуумной плотности ступеней. Пусть, например, в каскаде имеется 200 центрифуг. Из них можно смонтировать каскад из 50 ступеней при ширине ступени в 4 центрифуги. При наличии необходимых трасс и вентилей, можно перенаправить потоки таким образом, чтобы каскад имел 100 ступеней при ширине в две центрифуги. Более широкий каскад позволяет пропускать больше исходного вещества, а более длинный – обеспечить высокое обогащение крайних компонентов разделяемой смеси. Современный каскад с перестраиваемой конфигурацией позволяет в течение короткого времени перейти к наработке другого целевого изотопа в той же изотопной смеси или при использовании рабочего вещества иной физико-химической природы изотопов другого химического элемента.

Разделительные ступени каскадов снабжают регулировочными органами: регуляторами потоков и давлений для поддержания заданного, стабильного гидравлического режима работы, позволяющими выполнить условия каскадирования разделительных ступеней. Для обеспечения технологической надежности каскада в случае нарушения гидравлических режимов, каскад с помощью вентилей и клапанов разделяют на так называемые «отсекаемые» группы. Любая центрифуга, в случае нарушений в ее работе, также может быть отсечена своими клапанами и выведена из эксплуатации.

342

В каскаде по всей его длине располагают трассу питания каскада, из которой через специальный вентиль можно подать исходное рабочее вещество в любую ступень. Подача заданного и постоянного потока питания требует соответствующей регулирующей и контролирующей аппаратуры.

Для функционирования центробежного каскада применяют процессы конденсации и испарения рабочего газа, в качестве которого используют летучие соединения различного химического состава. Для этой цели служит конденсационно-испарительная установка (КИУ), обеспечивающая подачу в каскад требуемого потока питания и сбор потоков легкой и тяжелой фракции из концевых ступеней в соотношении, задаваемом разделительным режимом. Разделенные фракции низкотемпературной конденсацией собирают в специально подготовленные емкости. Для сбора газа, находящегося в каскаде, по окончанию работы или в экстренном случае предусмотрены сбросные емкости.

Каскад и КИУ снабжают необходимой вакуумной системой. Система технологического контроля контролирует работу каждой центрифуги, в частности отслеживает число оборотов центробежного аппарата, величины давления и потоков в каскаде и КИУ.

Центробежная технология основана на использовании унифицированного оборудования, которым является центрифуга. Поэтому повышение разделительных возможностей центробежного каскада может осуществляться поэтапно: запускается в эксплуатацию первая очередь, начинает производиться продукт. Затем, без приостановки разделения монтируется и подключается к работе следующий модуль.

3.2. Многопараметричность разделительных задач

При постановке задачи получения какого-либо изотопа обычно задается необходимая изотопная концентрация и требуемое количество вещества. Могут быть сделаны ограничения на время наработки целевого компонента, степень его обогащения, а также ограничения на содержание примесных изотопных компонентов.

Поставленная разделительная задача, как правило, требует проведения расчетно-теоретических исследований. С этой целью

343

используют алгоритмы расчетов, оформленные в виде специализированных программных продуктов [3]. При расчете каскада заданной конфигурации исходными параметрами являются потоки питания F и отбора P и концентрации компонентов в

потоке питания ciF i =1,...,m , относительные коэффициенты

разделения qij, число ступеней в каскаде N, f – номер ступени, на вход которой подают поток питания, а также поток питания ступеней («ширина») L. Определению подлежат концентрации в

выходных потоках из каскада ciP , ciW и распределение концентраций ci (s) по ступеням каскада.

Процесс разделения стабильных изотопов какого-либо химического элемента, в отличие от обогащения урана, как правило, не является непрерывным и постоянным. Работа осуществляется до получения заданного количества изотопной продукции, а затем режим разделения прекращают. Если изотопный продукт требуется производить в течение достаточно длительного времени, то для обеспечения долгосрочной производственной программы целесообразно создание специализированного каскада. Такая ситуация имеет место, например, при обогащении изотопов железа или обеднении цинка по изотопу цинк-64 [4].

Цена имеющегося в наличии рабочего соединения существенным образом влияет на выбор наиболее эффективного разделительного режима. Необходимость проведения более чем одного разделительного этапа, возникающая из-за ограниченного числа имеющихся в наличии разделительных элементов, еще более усложняет анализ разделительного процесса перед его практической реализацией. Напротив, наличие у производителя изотопно-разделенных фракций данного химического элемента от предыдущих кампаний, может существенно упростить будущую работу по разделению.

Если требуется наработать не крайний изотоп, или требования по наличию примесных компонентов достаточно высокие, в этом случае требуется проведение более чем одного этапа разделения. В этом случае ценная фракция, собранная на предыдущем этапе вновь подается в каскад в виде потока питания. При этом чем

344

меньше длина используемого каскада, тем больше этапов необходимо проводить.

При разделении изотопов на каскадах центрифуг стратегию разделительной кампании выстраивают с учетом того, какой компонент разделяемой смеси является целевым, а также какая концентрация целевого изотопа и какое количество должны быть получены. Эти факторы определяют последовательность разделительных этапов и необходимую массу исходного рабочего вещества. Для определения оптимальных условий ведения процесса разделения обычно проводят комплекс расчетнотеоретических исследований с использованием различных методик расчета прямоугольного каскада.

Иногда в ходе одной разделительной кампании требуется получить кроме основного один или несколько других изотопов разделяемого элемента. От требований к концентрации этих компонентов и их молекулярных масс (соседние они с целевым компонентом или далекоотстоящие), также зависит последовательность проводимых разделительных этапов и степень извлечения всех целевых изотопных компонентов.

Суммарный поток отбора легкой и тяжелой фракций из каскада равен подаваемому в каскад потоку питания, если отсутствуют потери вещества в каскаде. Используемые в качестве рабочего вещества химические соединения должны обладать достаточной химической и термической стойкостью, не позволяющей переход его в больших количествах в нелетучие формы и не вызывающей коррозии материалов, из которых изготовлена разделительная установка. В случае частичного разложения рабочего вещества, как это имеет место, например, в случае диметила кадия (ДМК), используемого при разделении изотопов кадмия, возникают его потери в разделительных ступенях каскада. Наличие потерь приводит к нарушению изотопного баланса в ступенях и концевых (выходных) потоках каскада и делает необходимым анализ процесса разделения в каскаде при учете наличия потерь (см. раздел 2.4.4.4 части 2 настоящего пособия).

Величина потерь рабочего вещества существенным образом влияет на выбор режима разделения. Потери снижают разделительные возможности каскада и приводят к необходимости увеличения исходного количества рабочего вещества. При

345

значительных уровнях потерь, и особенно на этапе нестационарной начальной работы каскада, необходим корректный учет их величины и оптимизация работы по параметру: «продолжительность работы/масса исходного вещества». Потери сопровождаются осаждением продуктов разложения рабочего вещества как в центрифугах, так и коммуникациях. Продукты разложения могут взаимодействовать с рабочим газом, и приводить к изменению изотопного состава отбираемых фракций, а также вносить дополнительное химическое загрязнение отбираемого продукта.

3.3. Организация разделительной кампании

Каждому стационарному режиму работы каскада предшествуют операции заполнения каскада рабочим веществом, установление рабочего потока питания каскада в заданную ступень, начало отбора легкой и тяжелой фракций с необходимым делением, выравнивание гидравлических параметров (давлений и потоков) в разделительных ступенях. В зависимости от длины каскада, вида рабочего вещества и заданных гидравлических параметров на это требуется от нескольких до двух десятков часов. После достижения стационарного гидравлического режима, требуется также время на установление стационарного разделительного режима, при котором концентрации изотопных компонентов в отбираемых потоках не изменяются и соответствуют заданным. При этом в каскаде достигается постоянное распределение изотопных компонентов по ступеням.

Возможность с помощью разработанных алгоритмов расчета каскадов вычислять концентрации компонентов не только в концевых потоках, но и на каждой ступени каскада (рис. 3.1) позволяет рассчитать весовое содержание всех изотопных компонентов в каскаде.

На практике эта характеристика каскада определяется следующим образом. Для этого прекращают подавать питание в каскад, перекрывают отбираемые потоки и удаляют весь рабочий газ из каскада в сбросную емкость. Масса удаленного газа позволяет определить газонаполнение как каскада в целом, так и одной ступени. Такую операцию обычно проводят в конце

346

разделительной кампании. Степень совпадения расчетных и реальных концентраций в потоках отбора и отвала является критерием правильности использованной расчетной методики и, в конечном счете, оптимальности выбранного технологического режима.

Рис. 3.1. Распределение концентраций изотопов серы по длине каскада постоянной ширины

Накопление в каскаде изотопных компонентов с заданными концентрациями определяет время установления разделительного режима. Допустим, газонаполнение некоторого каскада равно 100 г рабочего вещества, а по расчету на стационарном режиме содержание в нем ценного изотопного компонента составляет 30%, т.е. 30 г. Пусть в качестве питания каскада в сутки поступает 1000 г вещества с концентрацией ценного изотопного компонента 2%, что соответствует потоку этого компонента 20 г/сут. В случае, когда ценный изотопный компонент не выходит в отбираемые фракции, а только накапливается в каскаде, оценочное время установления составляет 30/20~1,5 суток. На практике времена установления могут составлять как несколько часов, так и несколько суток.

Время установления, зависящее от газонаполнения каскада, является важным параметром при многоэтапной разделительной кампании. Предположим, что для получения некоторого изотопа в

347

количестве 20 г рабочего вещества были выполнены расчеты и оказалось, что требуется проведение трехэтапной кампании на одном и том же каскаде, а отношение потока питания к потоку отбора на всех этапах одинаково и составляет 10/1. На первом этапе потребуется 20000 г исходного вещества, а отбор ценной фракции составит 2000 г. На втором этапе из 2000 г питания будет извлечено 200 г целевой фракции. А на третьем этапе из 200 г обогащенного вещества будет получено 20 г итогового продукта. Такая задача характерна при обогащении малораспространенных (1% и менее) изотопов, или изотопов с большим природным содержанием, но не крайних в изотопном интервале этого элемента. Приведенные оценки справедливы, если газонаполнение каскада много меньше потока питания на всех этапах разделительной кампании.

Если в распоряжении есть каскад, имеющий газонаполнение порядка 100 г рабочего вещества, то найденный в расчетах третий этап не может быть реализован, так как половина из 200 г, наработанных на втором этапе, уйдет на заполнение каскада, потребуется время (и питающий газ) для выхода на стационарный режим, а на накопительный режим работы газа может не остаться вовсе. Другими словами, для реализации расчетного третьего этапа нужно иметь вдвое или даже втрое больше газа для потока питания, т.е. 400-600 г. Для этого на первом этапе разделения нужно переработать не 20 кг, а 40-60 кг исходного рабочего соединения, что потребует в 2-3 раза больше времени. Таким образом, каскад с газонаполнением 100 г хорошо подходит для начальных этапов, но его ограниченные возможности приводят к увеличению общего времени разделительной кампании.

Одним из критериев оптимальной работы каскадной установки при разделении многокомпонентных смесей стабильных изотопов является время ее выхода на стационарный режим, которое должно

быть меньше времени	разделительной кампании		Мисх.	=
= t раб. >> t уст. , где: Мисх.			F
	– исходная масса рабочего вещества в
каскаде, F – величина потока питания каскада, t раб.		– время
	348

работы установки, tуст. – время установления стационарного

режима. Для определения общего времени многоэтапной разделительной кампании должно быть добавлено время, необходимое на технологический переход от этапа к этапу (замена конденсационных емкостей, изотопный анализ фракций, установка нового питания, откачка КИУ и т.д.). В результате на практике время кампании увеличивается по сравнению с первоначально оцененной длительностью наработки целевого изотопа. Особенно это имеет значение на последних этапах работы, когда важно не допустить снижения достигнутого уровня обогащения ценного компонента. На последних этапах желательно использовать каскады с небольшим газонаполнением.

Еще одним практическим аспектом, влияющим на выбор режима работы каскада, является величина возможного отбора легкой фракции центробежного каскада. Каскад не является абсолютно вакуумно-плотной установкой, поэтому в нем всегда имеется натекание некоторого количества воздуха, пропорционального числу центрифуг в каскаде. Этот воздух уходит из каскада вместе с отбираемым в легкую фракцию потоком рабочего вещества, величина которого не может быть меньше некоторого значения, зависящего от технических параметров каскада. В противном случае натекающий в каскад воздух не будет выводиться из ступеней, и выбранный режим не будет реализован. Если рабочее вещество химически нестойкое, например, идет гидролиз фторида (реакция фторидного рабочего соединения с влагой), то при этом будет образовываться дополнительный поток легкой примеси продукта гидролиза - фтористого водорода, который также должен уходить с легкой фракцией из каскада. Это повышает нижнюю допустимую границу величины отбора легкой фракции. Все перечисленное не относится к тяжелой фракции, в которую легкие газовые компоненты не переносятся. Поэтому абсолютная величина отбора может быть сколь угодно малой, и ограничивается только техническими возможностями используемой аппаратуры для отбора газа.

На рис. 3.2. представлены все основные факторы, влияющие на процесс разделения стабильных изотопов на каскаде газовых

349

350

Рис. 3.2. Факторы, влияющие на процесс разделения стабильных изотопов на каскаде газовых центрифуг