全回流系统中六氟化铀精馏纯化技术研究.doc

全回流系统中六氟化铀精馏纯化技术研究高兴星张慧中蒙金红（兰州市信箱分箱）摘要：在建立单塔全回流精馏纯化系统的基础上，通过，在中的溶解性能研究，配制了符合实际情况的精馏用原料；以，作为中杂质组分代表，实现了全回流系统平衡状态下的稳定运行；平衡状态下精馏塔塔底中含量为（一），在塔顶的富集系数可达到；简单蒸馏实现了中；的有效去除，中含量降低至。眺以下。关键词：六氟化铀精馏全回流六氟化铝四氟化钦引台：二十世纪年代，为解决六氟化铀产品中部分杂质超标的问题，四四厂和天津大学合作开展了精馏纯化技术研究工作，在天津大学建立了单塔全回流实验装置。在借鉴美国阿贡实验室的精馏系统的设计思路的基础上，结合我国六氟化铀产品的实际状况，选择了，为六氟化铀产品中待分离的杂质组分，于年底实现了在塔顶的富集。但由于模拟料液配制不当，在全回流装置中分布异常，未能达到分离目的。后因安全性问题，该装置于年拆迁至四四厂，以便进一步开展研究工作。年，在改进、完善的基础上，四四厂基于纯化的要求，建立了完整的的单塔全回流精馏纯化实验研究系统，实现了平衡状态下的稳定操作。其研究结果表明：该系统实现稳态操作的时间为，塔底中。含量可降至吮塔顶中的含量可达到，最大富集系数为；通过简单蒸馏处理，进入精馏塔的中的含量可从（）降至以下。精馏纯化原理精馏纯化的基本原理为：在一定的温度、压力条件下，利用，打发度的差异，在精馏塔中通过连续气化和冷凝，完成气、液两相传质、传热，直至系统达到平衡，实现易挥发的在精馏塔塔顶得到富集，难挥发的；在再沸器中得到富集。之间，液态饱和蒸汽压为：尸一一式中：液态饱和蒸汽压，；：温度，之间，液态的饱和蒸汽压为：尸一三竺竺（）式中：液态饱和蒸汽压，；：温度，在全回流条件下为了实现和的分离，所需要的最少的理论塔板数计算如，二，憠（）式中，：最少理论塔板数；：塔顶馏出液中的摩尔分率；：再沸器中的摩尔分率。：全塔相对挥发度有关研究结果表明，和溶液符合拉乌尔定律，而由式，式￥的饱和蒸汽压为，的饱和蒸汽压为寸，与的相对挥发度为可知，因此，山式可知，如控制全回流系统中塔顶的。含量为（的摩尔分数为）、再沸器中含量为（的摩尔分数为从几分离计算憠，憠为；如控制全回流系统中塔顶的。含量为），（摩尔分数）、再沸器中含量为（摩尔分数），基于分离计算。为在和时，；的饱和蒸汽压分别为和，且八：。中的溶解度很低，因此可利用难于挥发的性质，通过简单蒸馏使之富集于蒸馏塔残液中。全回流精馏纯化流程概述全回流精馏纯化工艺流程见图图全回流精馏纯化工艺流程示意图如图，再沸器中的经充分升温液化后，蒸汽沿精馏塔上升至塔顶冷凝器“冷凝为液体六氟化铀，冷凝下来的液体沿回流管流回精馏塔中。利用，相对挥发度不同，在塔内完成上升蒸汽和下降液体汽、液两相之间的传质、传热过程，从而实现易挥发组分在塔顶馏份中的富集，难挥发组分在塔底再沸器液相中幸衬集。在该全回流精馏系统中，再沸器采用外热式加热，有效容积，内设块隔板，换热面积，最大装填量为，最大蒸发量为；精馏塔为填料塔，塔内径中为，塔高，填料层高度，塔体母材为镍，填料为镍丝双网环填料，比表面积为，表面湿润性好，成膜率高；冷凝器为内装紫铜型列管换热器，换热面积，其中列管面积，档板面积。实验条件中，；的溶解性能为了配制与实际生产情况相一致的精馏用原料，对，；在中的溶解性能进行了研究。研究结果表明：在温度（士）、工作压力（士）均匀化时间的条下，以。含量计，在中的溶解度）；以含量计，在中的溶解度；当含量时，在中可实现充分溶解，均匀化较好；当含量吮时，中有部分以固态形式存在，导致中的分布不均匀根据上述研究结果，采取气相转移、冷凝接收，采取保护、的方式含量计，配制出了符合于实际生产情况的全回流精馏纯化实验用原料。固体加入以，该原料中，；的含量分别为（士），操作条件在上述实验条件下，通过工艺参数的不断优化，确定了全回流精馏纯化实验系统平衡时稳定操作的主要工艺条件如下：（）再沸器工艺操作条件水夹套水温：（）；内温：（）；操作压力：（）；六氟化铀蒸发速率：（）（）精馏塔工艺操作条件塔顶温度：（）；塔顶压力：（）；夹套水温：（）（）冷凝器工艺操作条件冷却水温度：（）；水流量：；冷凝器操作温度：（），壁温：（一）。全回流精馏实验系统中的纯化效果在系统中分布与富集效果在上述工艺条件下，单塔全回流精馏纯化实验研究系统的的富集情况如、表所示。表全回流系统中。的富集效果时间再沸器中气相铝含量、冷凝器中气相铝含量（）（）富集系数刃表中数据仅为不同阶段再沸器、冷凝器中的气相铝含量的部分分析结果。实验过程表明，该系统在时达到了平衡。系统平衡时在系统中的分布比较稳定，再沸器气相中。含量为（），达到了天然产品的国家标准要求；塔顶冷凝器气相中。含量（），在精馏塔的塔顶中得到了有效地富集。由式可知，平衡后富集系数按核算该系统的。为。等板高度核算如下：一三（）式中，：精馏塔填料层高度，由式可知，精馏塔填料层高度为时，该塔等板高度为，与经验公式计算值基本一致，说明该系统的设计科学、合理，可达到纯化富集的目的。在系统中的分布在上述实验条件下，；在系统中的分布情况如表所示。表全回流对的分离效果再沸器中含量冷凝器中含量时（，）（）液相气相液相曰，：八残留液。由表可知，在全回流精馏纯化系统中，精馏塔各部位液相中的分布极不均匀，而气相中的含量均不超过精馏操作过程中，受溶解性能的影响，在气流和温差的作用下，存在固态；被带入精馏塔、导致系统沾污的现象。物料衡算结果也表明，同样是在气流和温差的作用下，随进入冷凝器后进一步析出，导致在冷凝器液相回流管处得到较大程度的富集。蒸馏净化效果针对全回流精馏实验系统运行过程中的分布状况，在；物化性质分析的基础上，以加入杂质元素后氟化制备的为原料液，通过简单蒸馏实现了，的分离。简单蒸馏净化的实验结果如表所示。表蒸馏净化的效果（）（）料别物类一刃注：类一由加入的四氟化铀物料氟化制得；类一由经缎烧、氢还原、氢氟化、氟化制得；由表中可知，通过引入杂质元素后氟化制备出来的，经过蒸馏处理，均可使中的含量从（）降至以下，完全满足天然。产品的国家标准要求。另外，对于在中溶解度较小的难挥发杂质，如等，通过的蒸馏，也得到了较好的净化效果。的蒸馏净化研究结果表明，在精馏系统中引入蒸馏净化步骤，是中难挥发杂质净化的有效手段，有利于降低精馏塔的操作难度。结论（）在纯化处理过程中，精馏纯化是一种可靠而有效的技术手段。精馏纯化后的产品含量可从（士）降至，满足天然产品的国家质量标准要求。（）建立的全回流精馏单塔纯化系统可操作性强，稳定性好；可得到有效富集，富集系数可达到；以核算，该塔的最少理论塔板数。为，等板高度为（）蒸馏净化是中难挥发杂质去除的有效手段。