硝酸铀酰溶液蒸发密度测量优化改进

赵新梅 周萌

中核四0四有限公司 甘肃嘉峪关 735110

核能是继化学燃料（包括煤、石油、天然气等）和水力资源后的第三种主要能源。我国调整能源结构，积极发展核电标志着核电正迈向飞速发展的步伐。随着核电的发展，势必产生大量的放射性废料，即核燃料在反应堆内燃烧到一定程度时必须按照设计要求从堆内卸出，卸出的废料称之为乏燃料[1]。我国乏燃料后处理起步较晚，目前采用PUREX水法流程。乏燃料经过剪切、溶解、萃取等一系列工序后，获取中间产品溶液，其中铀的中间产品硝酸铀酰水溶液采用蒸发法进行蒸发浓缩，浓缩液用于制备最终产品。

1 原理

1.1 蒸发原理

硝酸铀酰溶液采用外加热自然循环式蒸发器，对放射性料液进行蒸发浓缩。蒸发器由加热室和分离室两大部分构成。加热室为列管式热交换器，采用蒸汽间接加热的方式将铀溶液加热到沸腾，沸腾的溶液在分离室进行汽液分离，以此实现溶液的浓缩。

溶液由料液入口进入加热室，被加热到沸腾，料液走管程，加热蒸汽走壳程。因为热溶液的比重比冷溶液小，沸腾的溶液在管束内不断上升，冷溶液从回流管不断补充，从而形成自然循环。沸腾的溶液经汽液混合体导管进入分离室，二次蒸汽从沸腾的溶液中溢出且夹带有大量雾沫。在容积比较大的分离空间慢慢上升，夹带的雾沫相互碰撞且汇集成较大的液滴。液滴在自身重力作用力下坠落而下与二次蒸汽分离。二次蒸汽从分离室进入旋风分离器、丝网除沫器进行进一步分离净化，随后进入冷凝冷却器，变成二次蒸汽冷凝液。

外加热蒸发器的主要特点是：加热管较长，由于循环管并未直接受到一次蒸汽加热，因此溶液的自然循环速度较快，从而提高了设备的处理能力[2]。加热室和分离室分开设置，可以降低蒸发器的总高度，有利于增加分离室的空间，便于汽液分离。其优点有：设备处理能力高；净化系数高；操作比较稳定，易于控制。

外加热自然循环蒸发器主要依靠热料和冷料的密度差形成自然循环，蒸发过程中通过监测蒸发器内料液的密度判断溶液的蒸发情况和卸料终点。

1.2 密度测量原理

采用吹气法测量密度是基于液体内有压强的原理而设计。空气经过滤、减压后经针型调节阀，通过金属浮子流量计进入贮槽吹气管，同时接三通连入差压变送器，缓慢均匀地向贮槽吹入空气。因蒸发过程中，密度为变量，故采用三根吹气管测量液位和密度。

一根短管在待测设备顶部的液面以上，第二根吹气管插入贮槽液面下，第三根吹气管插入设备底部如贮槽一般为50-100mm，便于气泡的溢出。

根据ΔP=ρgH，其中：H-第二、三根吹气管的管口差距；ρ-液体密度；ΔP-第二、三根吹气管的压差值。得ρ=ΔP2-3/gH，当密度为变量时，可采用h=ΔP3-1/ΔP3-2×H来修正密度变化是的液位值。

2 问题及原因分析

2.1 调试问题

调试期间按照设计通量，采用水介质进行蒸发浓缩，蒸发过程中水的密度变化范围为0.7-1.0g/cm3，波动幅度最大约0.3g/cm3，而水的密度为1.0g/cm3，在短时间内密度显示跳跃性大，无法指导蒸发器蒸发浓缩操作。由此可见，蒸发器密度测量值不能真实反映液体密度，测量误差较大。

鉴于此时待蒸料液为水介质，影响较小。后续进入放射性料液蒸发时，影响较大。根据硝酸铀酰溶液的结晶温度，蒸发过程中必须严格控制其浓缩倍数。最直观的方法便是在线监测密度，依照此密度值判断卸料终点。若密度测量值较大，易造成卸料终点的判定。在测量值比真实密度偏小的情况下，实际硝酸铀酰溶液浓度过高，易造成管线堵塞。且为放射性场所，管线疏通困难，造成较大麻烦。

2.2 原因分析

排除工艺运行操作失误，排查仪表发现测量密度的两根吹气仪表管管口位差较小仅为100mm，不能反映浓缩液的真实密度。考虑到两根吹气管口位差较小容易受吹气管吹气气泡相互干扰，又由于蒸发过程中液体处于自然循环流动状态，导致吹气测量密度误差较大且波动范围也很大[3]。

3 优化改进

通过将测量密度的两根吹气管管口位差由100mm增大至750mm：将原来的密度测量下管切除并焊封，在蒸发器外侧增加一根吹气管。由于密度吹气管管口位差的变化也需将蒸发器液位控制高度进行调整。因原来液位吹气管管口位差为300mm，中央循环管管径是100mm，因而取液位值为400mm。整改后，液位吹气管管口位差是950mm，加上中央循环管管径100mm,液位值调整为1050mm。

4 运行验证

蒸发器密度测量吹气管整改完成后进行验证，随着蒸发器运行时间的加长，浓缩液浓度升高，密度在逐渐升高。不论浓缩液浓度高或是低，自蒸发开始至终点，密度均是较平稳地变化，遵循随着浓缩液浓度增加，溶液密度增加的规律。根据整个趋势，可以看出蒸发过程中浓缩液密度变化，作为蒸发终点判断的标准，准确指导蒸发器卸料。将蒸发器运行时的密度试验值与理论计算值比较，计算相对误差。

试验结果表明：蒸发器蒸发浓缩至终点，浓缩液为不同浓度溶液时密度显示试验值和理论计算值基本吻合，密度试验值和理论计算值的相对误差小于等于0.06。由此证明，蒸发器密度测量改进后，蒸发器浓缩液密度测量准确，波动明显减小，可以由密度显示变化判断卸料终点，解决了蒸发过程和终点难以判断问题，密度指示准确满足工艺运行要求。

5 结语

通过将蒸发器密度测量管口位差由100mm增大至750mm后，经运行验证，硝酸铀酰溶液测量密度与理论计算误差小于等于0.06，由此可见，优化后的吹气管密度测量准确，能真实反映蒸发器内料液密度，可有效指导工艺运行。