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研究动态行为和水蒸馏塔的水力特性

Rupsha Bhattacharyya^*和Kalyan Bhanja

重水,巴巴原子能研究中心,Trombay,孟买085年- 400年,印度马哈拉施特拉邦

*通讯作者:

Rupsha Bhattacharyya
重水,巴巴原子研究中心
Trombay、孟买085年- 400年,印度马哈拉施特拉邦
电话:+ 91-022-2559-2962
电子邮件: (电子邮件保护)

收到日期:2018年7月2日;接受日期:2018年7月27日;发表日期:2018年8月3日,

引用:Bhattacharyya R, Bhanja k的动态行为和水力特性的研究水蒸馏塔。化学抛光工艺印第安纳j . 2018; 13 (2): 125。

文摘

重水(D2O)作为主持人以及加压重水反应堆的冷却剂(PHWRs)。为了确保中子经济表现最好的主持人,重水的同位素纯度必须确保99.95%以上在反应堆操作。真空蒸馏是最广泛的练习方法,重水浓缩的核反应堆级前集中(H2O 15%或更多D2O)饲料。一个简单的,通用的数学模型模拟的动态行为列提出了这项工作。液体,压降和洪水点计算已经执行了塔使用已知的包装特点和流体性质。模拟柱性能,它被建模为一个等价的托盘塔使用的已知值相当于理论塔板高度(HETP)及其动态行为在全回流操作以及其分离性能下连续喂养与产品预计撤军。的影响参数,如温度、回流比、进料点位置和饲料成分最后同位素的顶部和底部产品纯度稳定状态也被研究过。

关键字

动态模拟;沉重的水;真空蒸馏;同位素纯度

介绍

重水是水的内容氘(H21),目前为D₂O和HDO不仅仅是自然的比例大约150 ppm (ppm)。这是一个同位素形式的水,因此它是化学类似于轻水(H₂O),但这两个概念物种有轻微的沸点的差异和其他吗物理属性(1]。重水是核能发电系统的一个组成部分使用天然铀(氧化铀)燃料因为它的中子慢化能力和非常非常好低中子俘获截面。此外还用作冷却剂去除核反应堆堆芯产生的热量,然后随后用于产生蒸汽和电力(2]。在正常操作期间重水主持人和冷却剂被光污染的水从周围空气的湿度或从任何来源的泄漏。这是不利于重水的缓和力量轻水严重影响中子经济在核心(即氢轻水吸收中子寄生的比氘在更大程度上)。所以主持人/冷却需要升级也是通过真空蒸馏(这是相同的过程最终浓缩重水在其生产的轻水)至少99.9%氘(3,4]。同位素纯度定义这里比D / (D + H)即氘原子的存在于氘原子和氢的混合物。重水的净化进行真空蒸馏塔因为相对挥发度或真空下的分离系数达到大于获得较低的压力。由于重水的摩尔质量的差异和轻水不是太多(20 gm /摩尔和18分别gm /摩尔)他们的沸点的差异在任何给定的压力也因此分离因素低和重水蒸馏塔需要大型包装高度即使高效规整填料,相当于几百盘在一个列中。而且这是一个高纯度分离自提要本身可能是同位素纯度超过90%,需要进一步提高同等数量的托盘。减少的损失宝贵的D₂O通过顶部产品(本质上是一个拒绝的轻水)是另一个需要被照顾的净化。

稳态条件下蒸馏柱通常操作但总有各种各样的因素导致系统的动态或与时间有关的行为。这种行为发生在列启动或关闭,那么重要的是要知道这些瞬态条件下系统的特点。除了这些情况下总有列操作的可能性受到一些干扰,来源于上游的列。此外,它可能有必要改变塔的吞吐量或修改操作条件或产品规格。所有这些导致列的动态行为。蒸馏塔的动态模拟研究也是很有必要建立适当的控制策略塔,以便它不生产不合格的产品太久。选择最佳操作条件的塔和减少运行成本列通过理解的动态状态列。

在目前的工作简单、动态平衡的基础数学模型真空蒸馏塔的重水。稳态时,代数模型已经开发升级列模拟(5- - - - - -9这些列的动态行为也很重要,这是在这项工作。的模型由一组耦合常微分方程代表物质平衡,随着汽液平衡关系,随着时间的推移已集成使用标准技术。的模型代表了塔作为托盘塔通过使用已知值HETP的特定类型的包装和气体和液体流量使用。参数研究进行了解设计和操作参数对分离的影响,实现在给定的塔。一个简单的模型如提出的优点是它可以解决使用内部代码开发的特定的终端用户,无需依赖昂贵的商业化过程仿真软件包,它经常没有完整的相平衡数据等同位素系统的考虑。此外套代数方程组的解,这是需要在稳态模型进行多组分的蒸馏塔,常常会导致收敛性和数值不稳定问题。但非线性求解的一阶常微分方程从最初组成配置文件使用“呢”算法,数值遇到麻烦要少得多,最终需要稳态成分预计从给定初始条件。因此,非稳定态模型也更通用的应用程序比稳定状态。

水蒸馏技术生产重水浓缩产品是众所周知的全球和成熟。经济意义的特殊重要性和印度核电项目主要是基于加压重水反应堆。这种情况预计将继续在接下来的几十年。因此新鲜水蒸馏系统的分析来获得更好的洞察他们的工作是至关重要的。这项工作试图在这方面进行尝试。

光含水多的水同位素系统的热力学性质

光富含水的供水系统,包括至少三个物种在液体或蒸汽阶段。这三个物种是H₂O D₂O和HDO [10]。最后一个物种是由同位素交换反应(发生在液体和蒸汽阶段)表示为是哪一个

H₂O + D₂2 O↔hdo (2.1)

认为在目前的研究中,重水升级不包含任何氚化形式的水,因此混合物纯化已被视为三元系统H₂O D₂O和HDO现有独立的气体和液体阶段。包含氚化水物种在模型是一个简单的扩展的问题。应恢复D₂O在底部流尽可能纯净的一种形式,即同位素纯度的底流必须符合最低要求纯度水平核反应堆。顶部流,它也包含一定数量的氘,并不被认为是在这项工作进一步分离(即只有一个蒸馏塔被认为是可用的)但实际上氘复苏这个流在另一列也可以潜在的经济效益。

同位素水的蒸汽压力物种从方程(2.2)-(2.5)分别和他们用来计算的相对波动的饱和水汽压之比混合物中的每个组件的引用组件(在本例中D₂在特定温度(O)10,11]。

蒸气压光的水(H₂O):

(2.2)

常量的值A1 A6如下:

A1 = -7.85823, = 1.83991 A2、A3 = -11.7811, A4 = 22.6705, A5 = -15.9393, A6 = 1.77516, Tc = 647.14 K,电脑= 22.064 MPa。

τ被定义为数量

(2.3)

蒸汽压力重水物种(HDO和维₂O):

(2.4)

(2.5)

相对波动被定义为

(2.6)

(2.7)

混合物被认为是理想的液体和蒸汽阶段。这种假设是有效的考虑到塔通常运行在一个真空的120 - 200毫米汞柱(绝对)和液相由同位素组成物种这是化学和相当close-boiling组件非常相似。因此这些之间的相互作用物种不太可能导致非理想效应的解决方案。因此,纯为每个组件关键属性和蒸气压数据物种可以提供足够的措施的相对波动成分的混合物。一个恒定的相对挥发度,这是顶部和底部的几何均值相对波动,已为每个物种认为在数学模型它被用于解决耦合的物质平衡和平衡方程。

重水蒸馏柱的水动力特性

重水通常进行的蒸馏塔逆流的蒸汽和液体在真空。高效波纹金属丝网的包装类型被认为是用于蒸馏塔。在目前的研究中,所有的计算都是假设一个托盘列提供一个执行分离性能相当于实际填充柱,基于可用HETP数据类型的包装考虑这里(12]。典型的设计和操作数据的范围重水蒸馏塔认为在这工作了表1。托盘配置用来写非稳定态物质平衡在第四节所示图1。

表1。蒸馏塔的性能仿真的设计和操作参数(12,21,14]。

液体在计算列

动态液体在可用的列估计使用以下相关(13]:

(3.1)

方程(3.1)是用来确定的总液体举起列,当时除以相同数量的托盘来获取液体容纳每托盘。持有ups的再沸器和冷凝器通常会超过个人托盘,所以这些都是作为两次上面的托盘撑起计算。所有持有ups都假定列的操作期间保持不变。的物理性质₂O(液体)被用来评估举起从方程(3.1)14]。

压降特征列

通过填料塔的压降的计算包括首先评估压降在干燥条件假设只有蒸汽流动,其次是纠正它流动的液体,液体在灌溉列。方程(3.2)(3.5)被用于填料的压降计算用于蒸馏塔(12]。

通过干燥包装单位长度压降计算

(3.2)

在哪里

(3.3)

和

(3.4)

通过灌溉的压降计算列

(3.5)

在K2 = 0.614 + 71.35 s

压降在洪灾评估从方程(3.6)15]。

(3.6)

使用报告的参数表1,填料的压降每米通过蒸馏塔已经计算在不同回流比的值(即各种可能的组合的气体和液体流速通过列)在给定总进料流量和介绍图2。可以看出,对于典型的流速和包装的总高度认为是出现在塔在这工作,在灌溉条件下总压降约14毫米汞柱。这反过来意味着塔的底部温度高出1到1.5°C的最高温度。因此顶部和底部温度的算术平均值可以安全地假定为常数平均列操作温度的模拟研究只有一小列内的温度梯度的可以忽略不计。

图2允许一个理论上估计气体和液体流动的容许极限在洪水点下面的塔回流比允许的上限。洪水一点的压降只取决于包装材料的类型,从而保持不变在每一个回流比和饲料流量价值考虑。大多数包装塔效率高的包装可以在蒸汽速度70溢流速度的80%,尽管为真空蒸馏操作,限制是保守组溢流速度的50%。图2显示了最大允许为每个饲料流量回流比,这样压降洪水仍然保持在80%的压降。可以看出,随着回流比的限制价值必然导致这种级别的压降非常高。这似乎表明,即使在几乎全回流条件下(即在液体烧开率高,因此蒸汽冷凝率高低顶级产品退出),列不可能淹没。因此列可以占据更高的饲料吞吐量相同的直径。

加载和洪水点列的特征

几个相关性提出了文学的加载和洪水计算蒸汽速度在填充柱(12,15,16]。迭代计算使用方程(3.7)和(3.8)进行确定装载点蒸汽速度对于一个给定的液体表面的速度(12]。列内的液体和蒸汽速度是指定的进料流量,饲料质量、产品顶部和底部流速计算的基础上,选择一个假定的组件分离和回流比高于最低要求值。蒸汽和液体性质进行评估在333 K温度,假设液体泡点和露点蒸汽。

(3.7)

(3.8)

同样的洪水点气速的计算,进行迭代计算使用方程(3.9)(3.11)。

(3.9)

(3.10)

(3.11)

典型的加载和洪水点计算结果列所示图3。这给出了一个允许蒸汽速度的选择液体速度包装部分的列。

评价的最小润湿速率列

蒸馏塔的最小润湿速率计算从方程(3.1213]。

(3.12)

它可以很容易地表明,液体流速的塔远高于所需的最低比率计算润湿包装,所以高效气液接触的表面积所提供的包装可以在实践中发生。LD乐动体育官网

Fenske-Underwood-Gilliland(相邻)计算重水蒸馏塔

烟雾缭绕的计算为我们提供一些起点(如:假定顶部和底部成分、初始成分概要或回流比率被认为是)为更详细的托盘,托盘在多组分的模拟蒸馏(13,17]。这些计算进行重水蒸馏塔的一些典型所需条件中描述的算法表2这项研究的结果发表在表3。随着分离性能、液压的行为列也被纳入这个捷径的修改形式计算。另外这些计算帮助建立塔的充足率高度所需的分离在选择操作条件下,由于理论需要的托盘数量远低于可用的基于总包装数量的托盘高度的列。也压降的实际情况远低于洪水条件下的压降,因此显示列设计也是水动力地声音预期范围的操作条件。捷径的计算也有助于建立可操作性的限制给定列如最低的饲料IP,可以在设计处理饲料流量和产品成分等决定,下调重水的饲料IP可以处理高达70%列40液体变阻器进料流率,同时保持安全远离洪水的限制。

表2。算法初步捷径重水蒸馏塔的计算。

表3。相邻的结果计算典型操作条件下的蒸馏塔。(顶部IP = 0.1%,底部IP = 99.95%,最高压力= 120毫米汞柱(a),进料温度= 330 K)。

动态模型重水的蒸馏塔

的模型方程的动态模拟是基于以下假设[18]:

一)蒸气和液体阶段作为理想的解决方案。

b)顶部温度估计从给定的聚光器操作压力。饲料和回流是假定为分别在露点和泡点。回流冷凝器是假定为总冷凝器。

c)不变的假设克分子溢出,因此L / V的比率在整流部分和L / V的比率在提馏段视为常数。

d)阶段是假定为100%的效率和液体和蒸气流离开每个托盘都处于平衡状态。

e)通过塔的压降的计算基于包装的特点,已被认为是相当于苏尔寿公司™CY型波纹金属钢丝网包装。根据塔底部压力、温度的重沸器已经被估计。知识的顶部和底部温度使计算几何平均的相对挥发度,整个塔认为保持不变。

f)塔只有提要,馏分油和底部流,没有另一边流。因此它是一个简单的列。

g)液体体积或在重沸器、回流罐和假想的列板的混合区域统一的成分,所以没有空间变化组成的径向方向的设想。液体离开每个托盘已经有相同的成分的液体在托盘上。

h)开销的动态管和冷凝器是微不足道的工作,因此没有时间滞后系统中的元素。气相的动态列的更快比液相和被忽视。

我)液体拦路抢劫常数在每个托盘以及重沸器和回流鼓。蒸汽ups中不考虑模型方程。

j)之间的交换反应各种同位素水物种在托盘上忽视了学习列的性能。没有活跃的金属表面被认为是出现在塔在任何重要程度上促进这些反应。所有这三个物种因此被认为是独立的,没有化学反应平衡的影响他们的蒸气和液体阶段之间的分布。这只是沉重的净水条件有效在饲料已经很高的D₂O内容被认为是。

k)列被认为是通过墙上没有热损失,因此焓平衡不被认为是在这项研究中,除了回流冷凝器和再沸器热负荷计算。

l)由于低压降计算的列中指定的操作条件表1,一个恒定的工作压力已经假定仿真研究。

列模型在全回流条件下

列操作在全回流条件下,上述假设是用来写以下物料平衡方程(18]:

重沸器或油底壳(托盘数N + 1):

(4.1)

托盘部分(托盘数n, n变化从2到n):

(4.2)

回流罐(托盘数量1):

(4.3)

操作在全回流条件下,V等于l .多组分体系的气-液平衡关系表示为:

(4.4)

为每个组件方程4.1到4.4写在每个托盘,同时集成获得的与时间有关的组合配置文件物种在每个托盘。计算是持续到稳态成分达到每个托盘上。全回流操作,给定数量的饲料被认为是美联储的水池里。最初的饲料成分以及液体的初始成分在每个托盘被指定。进行了数值积分与假定的初始组分分布。的值在每个托盘上的油底壳和被作为一个特定的常量。蒸汽烧开率可以通过改变不同热输入(蒸汽流量或电加热器功率输出)油底壳液体和假定所需的蒸汽流量立即建立了重沸器忽略传热动力学。的进化构成概要文件在每个托盘的塔当时决定和成分的稳定状态。

列模型使用连续纸输入和产品撤出

的模型假设被用来为模拟列写方程4.5到4.11行为一直受到饲料产品介绍和顶部和底部撤军(18]。每个模拟盘上的初始成分列被认为是组成达到全回流操作。方程被集成如4.1节所述获取动态成分资料列和到达稳态成分在每个托盘当塔连续操作。

回流罐(托盘1):

(4.5)

在整流部分托盘:

(4.6)

进料塔盘:

(4.7)

托盘的提馏段:

(4.8)

重沸器(托盘N + 2):

(4.9)

汽液平衡关系:

(5.0)

蒸汽和液体流率之间的关系和提馏段浓缩饲料质量可以表示如下(Treybal, 1981):

结果与讨论

一些典型的托盘,托盘的结果计算总回流和连续列操作了图4和图5。从顶部和底部产品感兴趣的蒸馏塔考虑这项工作,在所有后续的数据在这一节中,只有托盘顶部和底部托盘液体同位素组成策划。这是见到组成压力区出现了D₂附近的阿列底部和顶部的列HDO和H₂O。

参数研究全回流操作条件

顶部和底部托盘流体成分(即同位素纯度)是重要的因为在连续操作,这两个产品流将撤出这些位置。基于计算构成概要摩尔分数的函数的三个物种,同位素原料纯度计算方程(5.1)和在随后的数据表示。

(5.1)

图6演示的效果改变蒸汽/液体速度总重沸器液体回流通过不同升温速率在顶部和底部构成概要文件。随着蒸汽率的变化,液体率变化和液体表面速度变化。这将导致液体的变化保持在每个托盘和影响达到稳定所需的时间构成概要文件。说明中的差异进化组成的资料改变烧开率,只有第一个600秒的操作此图所示。效果被认为是更深刻的在最上面的托盘(即回流鼓)概要文件。

图7说明了这个事实,增加列操作平均温度(这是直接依赖于列操作压力和压降)导致纯度降低稳态同位素值重沸器的液体。这是由于温度升高导致的相对挥发度低分离表现不佳的蒸馏塔。同样明显的是,温度每上升一度变化成分的变化更明显的回流罐液体与液体重沸器。

这两个图6和7表明,稳态下的同位素纯度达到早于顶板稳定同位素纯度值即是有区别的时间常数和质量能源转移过程中列的顶部和底部部分由于不同成分的液体位置。在所有的情况下,液体底部,感兴趣的产品达到所需的同位素组成的价值。

参数研究连续列操作

在全回流操作,参数研究的动态行为进行了连续列的时间等于60小时列操作。结果给出的同位素纯净的液体回流鼓和重沸器图8- - - - - -12。

图8表现出相同的温度对整体效果获得的同位素纯度在顶部和底部托盘液体。增加温度降低了纯洁和导致更多的氘通过顶部的产品丢失。增加了回流比提高了分离可能在列。改变回流比意味着液体速度变化通过列,从而显著影响液体举起。整体有一个改善分离获得的列显示随着回流比图9。图10表明,增加饲料流量通过列,它可能最初出现,产品的纯度更高的同位素被从再沸器获得相应下降纯度最高的产品。但在实现真正的稳定状态(约300小时的操作),最终产品的同位素纯度被认为是独立于饲料流量。更高的饲料流量意味着更高的液体举起,因此需要不同的时间实现真正的稳定状态。

进料塔盘的位置似乎有什么影响进化的成分资料,以防蒸馏操作,如所示图11。饲料有同位素D纯度(即较高含量的增加₂计算和O)图12表明很少有差异在最后同位素重沸器产品的纯度,但花费的时间达到稳定状态的变化,更多的时间是越集中所需饲料。在正常情况下,如果饲料显著的低同位素纯度必须净化产生在同一列的底部产品的纯度要求基本情况考虑,保持相同的回流比,进料流量即列必须相应地降低吞吐量。例如,对于饲料20% IP,只有2.25摩尔人力资源¹饲料可以处理在列,而对于50%的IP, 17摩尔人力资源¹可以处理的饲料。IP饲料的80%,可以提高到125摩尔人力资源价值¹同时保持足够的保证金从洪水条件以及实现理想的分离。

每个情况下考虑的参数分析,液体底部的同位素纯度达到反应堆操作所需的规范。但顶级产品也明显高价值的氘含量由于切除大部分HDO提要。三个组件的一个间接分裂一直认为这项工作,即D₂O恢复为高纯度产品从底部的列和可能需要使用另一个较小的蒸馏塔串联与第一进一步恢复价值的氘的产品。另一个选择是继续积累拒绝顶部流,然后一次或两次在同一列选择流量。必须牢记,这个选项会降低列的有效性因素的主要职责。

重水蒸馏过程的热力学效率

第二个法律困难的蒸馏过程的效率,如一个被认为是在这个工作是很差(15]。使用稳态成分和流量预测的模拟,估计价值的第二个法律重水蒸馏过程的效率。这些计算需要的知识的饲料和产品流焓变和熵。实验数据的形式方程可用在文学表达这些热力学量的值为饱和液体和蒸气D₂O和H₂O作为温度的函数(19,20.,21),但不是物种HDO。因此流焓和熵的计算,只有两个物种D₂O和H₂O一直被认为是出现在饲料。流属性值计算的加权平均纯组件属性在适当的温度。结果被提出了表3对于一些选定的操作条件的列。效率值后面低,增加价值被观察到更高的列的操作温度和降低值更高的回流比,保持其他条件不变。冷凝器和再沸器热职责范围70到76千瓦的条件中指定的表4。

表4。净化的热力学效率计算列。(TRS = 389 K, TCW = 303 K)。

摘要和结论

本文提出了一种不稳定状态的数学模型性能模拟蒸馏塔的净化的主持人和冷却剂重水PHWRs反应堆oepration纯度低于预期的同位素。评估的一些措施列液压行为也都弄好了,液压的行为列已经包含在模拟模型以及物料平衡和汽液平衡方程。动态分析的柱性能、液体支撑是一个重要的参数,因为它的值出现在动态物料平衡方程,与稳态模拟。洪水和装载点填充柱模拟计算是相关的,因为这些地方实际限制最大吞吐量,可以由一个给定的列。对于典型的吞吐量列被认为是在这个工作,目前蒸汽速度发现远低于洪水速度给定液体率。能源影响和化学同位素交换被忽视了在这工作,气-液平衡数据和物质平衡一直被用来预测的动态浓度资料沿着列全回流和连续列操作。各种操作参数对分离性能的影响可实现的列的调查。可以看出增加列温度对分离实现有不利影响但这可能是反对通过增加回流比。增加饲料流量影响达到稳态所需的时间,但不会影响最终的顶部和底部的产品成分。第二个法律过程的热力学效率发现约1 - 3%的典型操作条件列。的模型这里提出可以进一步修改包含所有其他同位素水物种物质平衡方程和平衡关系。此外,考虑蒸汽ups和同位素交换效应模型将使动态方程模型成为一个真正的通用设计一个用于模拟甚至水蒸馏塔通过重复模拟的方法。

确认

作者感谢成就法汉博士重水,巴克的鼓励和帮助使这项工作的过程中

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