CN113813786A - 准矩形级联分离方法、矩形级联改善方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矩形级联改善方法，该方法不改变矩形级联的级联结构，只改变矩形级联中端部级的回流量，从而简单便捷的改善矩形级联运行工况，达到矩形级联稳定运行的目的。还提供了一种准矩形级联分离方法，该方法是在矩形级联分离方法的基础上进行的改进提升。应用该分离方法，不仅可以降低供入端部级的杂质含量，提高级联运行稳定性，还可以提高从端部级取出的物质中的同位素富集程度，提高分离效果。
Description
技术领域
本发明涉及同位素分离技术领域，特别是涉及一种准矩形级联分离方法、矩形级联改善方法及其应用。
背景技术
矩形级联分离方法是国内外非常通用的级联分离方法，是通过设计级联各级分流比，端部级添加回流达到级联各级供入物质流量相等的分离方法。所述分流比即供入该级物质流量向两侧相邻级输送物质流量的比例。回流为该级向本身输送的物质流量，其目的是保证各级供入物质流量相等，以便于参数设定保持稳定运行。
该方法具有适用范围广、便于设计的优点。
但是矩形级联分离具有端部级杂质含量跳高的劣势，当杂质含量影过高会影响级联稳定运行。此时，就需要以降低级联利用效率的方式改变级联运行工况，达到级联稳定运行的目的。然而，降低级联利用效率涉及到对矩形级联参数的修改，过程较为复杂。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中端部级杂质含量过高导致级联运行不稳定，然而降低级联利用效率过程较为复杂的缺陷，而提供一种准矩形级联分离方法，该方法是在矩形级联分离方法的基础上进行的改进提升。
本发明的另一个目的，是提供上述准矩形级联分离方法在同位素分离中的应用。
本发明的另一个目的，是提供一种矩形级联改善方法，该方法不改变矩形级联的级联结构，只改变矩形级联中端部级的回流量，从而简单便捷的改善矩形级联运行工况，达到矩形级联稳定运行的目的。
本发明的另一个目的，是提供上述矩形级联改善方法在级联结构中的应用。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种准矩形级联分离方法，包括以下步骤：
步骤1：根据矩形级联分离方法设计矩形级联的相关参数；
步骤2：修改并减小步骤1中设计的矩形级联的相关参数中供入端部级的物质流量e；
步骤3：根据步骤2修改并减小的供入端部级的物质流量e，重新计算所述端部级的回流量。
在上述技术方案中，步骤1中，所述矩形级联的相关参数包括级联各级分流比、各级的物质流量a、从端部级取出的物质流量b、端部级向相邻级输送的物质流量c和相邻级向端部级输送的物质流量d。
在上述技术方案中，步骤2中，所述供入端部级的物质流量e小于或等于所述相邻级向端部级输送的物质流量d。
在上述技术方案中，所述端部级包括重流分端和/或轻流分端。
本发明的另一方面，上述准矩形级联分离方法在同位素分离中的应用。
本发明的另一方面，一种矩形级联改善方法，在矩形级联分离方法的基础上，减小端部级的回流量。
在上述技术方案中，所述端部级的回流量为零。
在上述技术方案中，所述端部级包括重流分端和/或轻流分端。
在上述技术方案中，所述矩形级联为各级的物质流量相等的逆流型矩形级联。
本发明的另一方面，上述矩形级联改善方法在级联结构中的应用，所述矩形级联包括单一矩形级联、多个矩形级联搭接或单一矩形级联和其他级联搭接，所述其他级联包括梯形级联和层架级联。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明提供的矩形级联改善方法，不需要以降低级联利用效率的方式改变工况，不改变矩形级联的级联结构，只改变矩形级联中端部级的回流量，从而简单便捷的改善矩形级联运行工况，达到矩形级联稳定运行的目的。
2.本发明提供的准矩形级联分离方法，不仅可以降低供入端部级的杂质含量，提高级联运行稳定性，还可以提高从端部级取出的物质中的同位素富集程度，提高分离效果。
附图说明
图1所示为实施例2中准矩形级联分离方法示意图。
图中，f为从外部供入的物质流量；b为端部级取出的物质流量；d为相邻级向端部级输送的物质流量；a为各级(除端部级)的物质流量。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种矩形级联改善方法，减小端部级的回流量。通过减小端部级的回流量从而减小供入端部级的物质流量，供入端部级的物质流量越小，端部级杂质含量越低，越有利于提高级联运行稳定性，防止由于杂质含量过高引起的级联运行不稳定。
作为优选，所述端部级的回流量为零，即最大限度的降低供入端部级的物质流量。
具体来说，所述端部级包括重流分端和/或轻流分端。可根据物质中杂质的类型不同进行选择。一般来说，当同时含有小分子量杂质和大分子量杂质，且均会影响级联运行稳定性时，同时减小重流分端和轻流分端的回流量；当仅含有小分子量杂质时，可仅减小轻流分端的回流量；当仅含有大分子量杂质时，可仅减小重流分端的回流量。
具体来说，所述矩形级联为各级的物质流量相等的逆流型矩形级联。
上述矩形级联改善方法在级联结构中的应用，所述级联结构包括矩形级联、多个矩形级联搭接或矩形级联和其他级联搭接，所述其他级联包括梯形级联和层架级联。上述矩形级联改善方法可针对所述级联结构中的矩形级联部分进行改善。
当矩形级联分离是杂质含量已经影响级联稳定运行，如超标不是太多，不需以降低级联利用效率的方式改变工况，只需使用上述矩形级联改善方法，将矩形级联分离方法改善成为准矩形级联分离方法进行分离。
实施例2
待分离四氟化碳组分中包括：
分子量为20的氟化氢杂质(摩尔含量5×10-2)，以下简称组分1；碳-12对应的四氟化碳(摩尔含量4.5×10-1)，以下简称组分2；碳-13对应的四氟化碳(摩尔含量4.5×10-1)，以下简称组分3；分子量为138的全氟乙烯杂质(摩尔含量5×10-2)，以下简称组分4，无其他成分。
一种准矩形级联分离方法，该方法是在矩形级联分离方法的基础上进行改善而得的，包括以下步骤：
步骤1：根据矩形级联分离方法设计矩形级联的相关参数，包括级联各级分流比、各级的物质流量a、从端部级取出的物质流量b、端部级向相邻级输送的物质流量c和相邻级向端部级输送的物质流量d。
步骤2：修改并减小步骤1中设计的矩形级联的相关参数中供入端部级的物质流量e，使所述供入端部级的物质流量e等于所述相邻级向端部级输送的物质流量d；
步骤3：根据步骤2修改并减小的供入端部级的物质流量e，重新计算所述端部级的回流量为0。
具体来说，上述准矩形级联分离方法中，如图1所示，准矩形级联为5级级联，供料级为第3级。级联从外部供入的物质流量f为10克/小时，从第1级取出的物质流量b，即重流分物质流量，为5克/小时，从第5级取出物质流量b，即轻流分物质流量，为5克/小时。准矩形级联中各级的基本全分离系数为1.3。准矩形级联分离时供入级联各级(除端部级)的物质流量a为100克/小时。
更具体来说，级联第1级(即重流分端)取出的物质流量为5克/小时，级联第1级向级联第2级输送的物质流量为47.5克/小时，级联第1级回流量为0克/小时；
级联第2级向级联第1级输送的物质流量为52.5克/小时，级联第2级向级联第3级输送的物质流量为47.5克/小时；
外部供入级联第3级的物质流量为10克/小时，级联第3级向级联第2级输送的物质流量为52.5克/小时，级联第3级向级联第4级输送的物质流量为47.5克/小时；
级联第4级向级联第3级输送的物质流量为42.5克/小时，级联第4级向级联第5级输送的物质流量为57.5克/小时；
级联第5级(即轻流分端)取出的物质流量为5克/小时，级联第5级向级联第4级输送的物质流量为52.5克/小时，级联第5级的回流量为0克/小时；
供入级联第1级的物质中，组分1-4的摩尔含量分别是9.3130×10-19、3.9624×10-1、5.9406×10-1、9.7015×10-3；
第1级取出的物质中，组分1-4的摩尔含量分别是8.1935×10-27、3.0683×10-1、5.8573×10-1、1.0744×10-1；
供入第5级的物质中，组分1-4的摩尔含量分别是8.7313×10-3、5.7150×10-1、4.1977×10-1、5.4247×10-14；
第5级取出的物质中，组分1-4的摩尔含量分别是9.3522×10-2、5.7462×10-1、3.3185×10-1、1.2089×10-19。
对比例1
一种矩形级联分离方法，为5级级联，供料级为第3级。级联从外部供入的物质流量为10克/小时，从第1级取出的物质流量b，即重流分物质流量，为5克/小时，从第5级取出物质流量b，即轻流分物质流量，为5克/小时。矩形级联中各级的基本全分离系数为1.3。准矩形级联分离时供入级联各级的物质流量a为100克/小时。
具体来说，级联第1级取出的物质流量为5克/小时，级联第1级向级联第2级输送的物质流量为47.5克/小时，级联第1级向级联第1级输送的物质流量，即回流量为47.5克/小时；
级联第2级向级联第1级输送的物质流量为52.5克/小时，级联第2级向级联第3级输送的物质流量为47.5克/小时；
外部供入级联第3级的物质流量为10克/小时，级联第3级向级联第2级输送的物质流量为52.5克/小时，级联第3级向级联第4级输送的物质流量为47.5克/小时；
级联第4级向级联第3级输送的物质流量为42.5克/小时，级联第4级向级联第5级输送的物质流量为57.5克/小时；
级联第5级取出的物质流量为5克/小时，级联第5级向级联第4级输送的物质流量为52.5克/小时，级联第5级向级联第5级输送的物质流量，即回流量为42.5克/小时。
供入第1级的物质中，组分1-4的摩尔含量分别是5.2146×10-19、3.5698×10-1、5.8819×10-1、5.4829×10-2；
第1级取出的物质中，组分1-4的摩尔含量分别是8.5279×10-27、3.0867×10-1、5.8389×10-1、1.0744×10-1；
供入第5级的物质中，组分1-4的摩尔含量分别是4.6248×10-2、5.7115×10-1、3.8260×10-1、3.1381×10-14；
第5级取出的物质中，组分1-4的摩尔含量分别是9.3524×10-2、5.7302×10-1、3.3345×10-1、1.2549×10-19。
实施例2中的准矩形级联分离方法相比于对比例1中的矩形级联分离方法：
1.杂质含量降低，提高级联运行稳定性
如分子量为138的全氟乙烯杂质含量影响级联稳定运行。在准矩形级联分离过程中，供入重流分端(即级联第1级)的物质中，分子量为138的全氟乙烯杂质(即组分4)含量为9.7015×10-3；在矩形级联分离过程中，供入重流分端(即级联第1级)的物质中，分子量为138的全氟乙烯杂质(即组分4)含量为5.4829×10-2。准矩形级联分离的杂质含量较矩形级联分离得杂质含量降低80％以上，准矩形级联分离稳定性优于矩形级联分离。
如分子量为20的氟化氢杂质含量影响级联稳定运行，在准矩形级联分离过程中，供入轻流分端(即级联第5级)的物质中，分子量为20的氟化氢杂质(即组分1)含量8.7313×10-3；在矩形级联分离过程中，供入轻流分端(即级联第5级)的物质中，分子量为20的氟化氢杂质(即组分1)含量为4.6248×10-2，准矩形级联分离的杂质含量较矩形级联分离得杂质含量降低80％以上，准矩形级联分离稳定性优于矩形级联分离。
2.同位素富集程度略好，提高分离效果
经准矩形级联分离后，重流分端(即级联第1级)取出的物质中，富集碳-13对应的四氟化碳(即组分3)含量为5.8573×10-1；经矩形级联分离后，重流分端(即级联第1级)取出的物质中，富集碳-13对应的四氟化碳(即组分3)含量为5.8389×10-1。
经准矩形级联分离后，轻流分端(即级联第5级)取出的物质富集碳-12对应的四氟化碳(即组分2)的含量5.7462×10-1，经矩形级联分离后，轻流分端(即级联第5级)取出的物质富集碳-12对应的四氟化碳(即组分2)的含量为5.7302×10-1。
准矩形级联从同位素分离角度来说，同位素富集程度略好，分离效果略优于矩形级联分离。
实施例3
氙-124同位素分离过程中，由于氙-124含量很小，需要级联分流比很小，导致轻杂质影响明显。一般情况，级联各级供料轻杂质含量超过1％，级联该级将出现超载设备失效现象，系统不能运行。
假定待分离氙组分包括：
分子量为32的氧气杂质(摩尔含量5×10-3，以下简称组分1)、氙-124(摩尔含量9.4×10-4，以下简称组分2)、氙-126(摩尔含量8.9×10-4，以下简称组分3)、氙-128(摩尔含量1.875×10-2，以下简称组分4)、氙-129(摩尔含量2.6075×10-1，以下简称组分5)、氙-130(摩尔含量4.011×10-2，以下简称组分6)、氙-131(摩尔含量2.121×10-1，以下简称组分7)、氙-132(摩尔含量2.7108×10-1，以下简称组分8)、氙-134(摩尔含量1.0451×10-1，以下简称组分9)、氙-136(摩尔含量8.588×10-2，以下简称组分10)，无其他成分；
一种准矩形级联分离方法，级联为10级级联，供料级为第8级。级联从外部供入的物质流量f为40克/小时，从第1级取出物质流量b，即重流分物质流量，为39克/小时，从第10级取出物质流量b，即轻流分物质流量，为1克/小时。准矩形级联中各级的基本全分离系数为1.25。准矩形级联分离时供入级联各级(除第10级)的物质流量为200克/小时。
更具体来说，级联第1级取出的物质流量为39克/小时，级联第1级向第2级输送的物质流量为80.5克/小时，级联第1级向第1级输送的物质流量为80.5克/小时；
级联第2～8级向下1级即3～9级输送的物质流量均为80.5克/小时，级联第2～8级向上1级即1～7级输送的物质流量为119.5克/小时；其中，外部供入级联第8级的物质流量为40克/小时，
级联第9级向第8级输送的物质流量为79.5克/小时，级联第9级向第10级输送的物质流量为120.5克/小时；
级联第10级取出的物质流量为1克/小时，级联第10级向第9级输送的物质流量为119.5克/小时，级联第10级向第10级输送的物质流量为0克/小时；
供入第10级物质组分1-10的摩尔含量分别是9.8921×10-4、1.2972×10-2、1.7955×10-2、1.4863×10-1、6.3676×10-1、3.5260×10-2、8.3588×10-2、5.5006×10-2、6.8238×10-3、2.0241×10-3；
第10级取出物质组分1-10的摩尔含量分别是1.7139×10-1、3.2192×10-2、2.8665×10-2、1.5236×10-1、5.2284×10-1、2.3183×10-2、4.4001×10-2、2.3178×10-2、1.8418×10-3、3.4985×10-4。
对比例2
一种矩形级联分离方法，级联为10级级联，供料级为第8级。级联从外部供入的物质流量f为40克/小时，从第1级取出物质流量b，即重流分物质流量，为39克/小时，从第10级取出物质流量b，即轻流分物质流量，为1克/小时。矩形级联中各级的基本全分离系数为1.25。矩形级联分离时供入级联各级的物质流量为200克/小时。
更具体来说，级联第1级取出的物质流量为39克/小时，级联第1级向第2级输送的物质流量为80.5克/小时，级联第1级向第1级输送的物质流量为80.5克/小时；
级联第2～8级向下1级即3～9级输送的物质流量均为80.5克/小时，级联第2～8级向上1级即1～7级输送的物质流量为119.5克/小时；其中，外部供入级联第8级的物质流量为40克/小时，
级联第9级向第8级输送的物质流量为79.5克/小时，级联第9级向第10级输送的物质流量为120.5克/小时；
级联第10级取出的物质流量为1克/小时，级联第10级向第9级输送的物质流量为119.5克/小时，级联第10级向第10级输送的物质流量为79.5克/小时；
供入第10级物质组分1～10的摩尔含量分别是1.9680×10-2、2.1700×10-2、2.3385×10-2、1.5788×10-1、6.2238×10-1、3.2080×10-2、7.1555×10-2、4.4747×10-2、5.1442×10-3、1.4538×10-3；
第10级取出物质组分1～10的摩尔含量分别是1.7139×10-1、3.2191×10-2、2.8660×10-2、1.5227×10-1、5.2283×10-1、2.3197×10-2、4.4050×10-2、2.3213×10-2、1.8457×10-3、3.5072×10-4。
实施例3中的准矩形级联分离方法相比于对比例2中的矩形级联分离方法：
1.杂质含量降低，免于设备失效，保障系统正常运行。
实施例3中介绍轻杂质含量不能超过1％的级联运行要求。在准矩形级联分离过程中，供入轻流分端(即级联第10级)的物质中，分子量为32的氧气(即组分1)含量9.8921×10-4；在矩形级联分离过程中，供入轻流分端(即级联第10级)的物质中，分子量为32的氧气(即组分1)含量1.9680×10-2；准矩形级联分离的杂质含量远低于级联稳定运行要求，矩形级联分离的杂质含量则超出级联稳定运行要求。
2.同位素富集程度略好，提高分离效果
经准矩形级联分离后，轻流分端(即级联第10级)取出的物质中，氙-124(即组分2)的含量3.2192×10-2；经准矩形级联分离后，轻流分端(即级联第10级)取出的物质中，氙-124(即组分2)的含量3.2191×10-2；准矩形级联从同位素分离角度来说，同位素富集程度略好，分离效果略优于矩形级联分离。
依照本发明提供的矩形级联改善方法，改变矩形级联的类型，例如将单一矩形级联改变为多个矩形级联搭接或单一矩形级联和其他级联搭接，所述其他级联包括梯形级联和层架级联，均可表现出与本发明一致的效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种准矩形级联分离方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据矩形级联分离方法设计矩形级联的相关参数；
步骤2：修改并减小步骤1中设计的矩形级联的相关参数中供入端部级的物质流量e；
步骤3：根据步骤2修改并减小的供入端部级的物质流量e，重新计算所述端部级的回流量。
2.如权利要求1所述的准矩形级联分离方法，其特征在于，步骤1中，所述矩形级联的相关参数包括级联各级分流比、各级的物质流量a、从端部级取出的物质流量b、端部级向相邻级输送的物质流量c和相邻级向端部级输送的物质流量d。
3.如权利要求2所述的准矩形级联分离方法，其特征在于，步骤2中，所述供入端部级的物质流量e小于或等于所述相邻级向端部级输送的物质流量d。
4.如权利要求3所述的准矩形级联分离方法，其特征在于，所述端部级包括重流分端和/或轻流分端。
5.如权利要求1-4任一项所述的准矩形级联分离方法在同位素分离中的应用。
6.一种矩形级联改善方法，其特征在于，在矩形级联分离方法的基础上，减小端部级的回流量。
7.如权利要求6所述的矩形级联改善方法，其特征在于，所述端部级的回流量为零。
8.如权利要求7所述的矩形级联改善方法，其特征在于，所述端部级包括重流分端和/或轻流分端。
9.如权利要求8所述的矩形级联改善方法，其特征在于，所述矩形级联为各级的物质流量相等的逆流型矩形级联。
10.如权利要求6-9任一项所述的矩形级联改善方法在级联结构中的应用，其特征在于，所述矩形级联包括单一矩形级联、多个矩形级联搭接或单一矩形级联和其他级联搭接，所述其他级联包括梯形级联和层架级联。
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