分离装置结构优化对稳定同位素分离经济性的影响研究

杨 坤，丛艺坤，牟 宏

(核工业理化工程研究院，天津 300180)

分离装置结构优化对稳定同位素分离经济性的影响研究

杨 坤，丛艺坤，牟 宏

(核工业理化工程研究院，天津 300180)

为评价分离装置结构或参数优化对级联经济性的影响，提出以单台分离装置年纯利为经济性判据，并以此为评判标准，以级联分离SiF4获取28Si、29Si同位素为例，对分离装置的结构优化进行了经济性分析。计算并对比了结构优化前后的单台分离装置年纯利。结果表明，分离装置结构优化后，单台分离装置年纯利增加了12.3%。优化分离装置的结构能够较大幅度地提高级联分离稳定同位素的经济性。

经济性；级联；稳定同位素；结构优化

稳定同位素分离的工作介质多为多组分混合物，表征分离装置分离能力的多组分价值函数和分离功率至今没有公认的定义[1]，难以直接用某个函数来评价分离装置内部结构参量或外部控制参量改变后其分离性能的变化。而采用某些经济性判据来间接地衡量分离装置分离性能的优劣不失为一种有益的尝试。本文采用单台分离装置纯利法为评判标准，即将级联完成一定分离任务所产生的经济效益平均到每台分离装置上得到的单台分离装置年纯利。通过对分离装置动密封系统结构优化前后，单台分离装置年纯利的比较，评价这种结构优化对级联经济性的影响。

1 单台分离装置纯利法

级联分离的经济性一般与以下两个因素密切相关：一是同位素产品的价值增量(即毛利)，二是除原料成本之外的各种费用之和(即运行成本)。分离对象和产品丰度不同，二者对级联经济性的影响程度也不同。如果原料成本低，可以适当放宽提取率要求，缩短生产时间，从而降低运行成本；反之，假如原料很昂贵，则要提高目标同位素的提取率，充分利用原料，使产品的价值增量提高，从而增加毛利。

定义单台分离装置年纯利为级联每年完成一定分离任务时所获得的纯利与分离装置台数的比值。

Pn0=Pnc/N

(1)

其中，Pn0为单台分离装置年纯利；N为分离装置台数；Pnc为级联年纯利。

Pnc=Pgc-Crc

(2)

其中，Pgc为级联年毛利；Crc为级联年运行成本。

级联年毛利Pgc定义为级联每年生产所得各种同位素产品或副产品的总价值与所消耗的原料总价值之差，即同位素产品的价值增量。

(3)

其中，VPi为第i种产品或副产品的每千克单价；mi为第i种产品或副产品的年产量，kg；VR为原料每千克单价；mR为原料年消耗量，kg。

级联年运行成本Crc由燃料动力费Ce、固定资产折旧费Cd、工资及劳务费Cw和其他费用Co构成。(以上各项费用单位均为元/年)

Crc=Ce+Cd+Cw+Co

(4)

综上，单台分离装置年纯利的计算式为

(5)

2 结构优化

目前的分离装置动密封系统抽空能力欠佳，用其分离稳定同位素效果不甚理想。当工作介质的摩尔质量较小时，分离装置内部的气体压强径向分布较为平缓，导致内部压强升高、负载功耗增大、供料流量受限。而级联的经济性主要取决于供料流量和分离系数，过低的供料流量必然使其经济性大打折扣。理论计算和试验研究结果表明，优化分离装置的动密封系统结构，可以提高其总压比，降低负载功耗，进而提高供料流量。对于工作介质四氟化硅而言，动密封系统结构优化后，单台分离装置的供料流量提高了11.5%，而基本全分离系数不变。

3 经济性分析

3.1 级联年运行成本计算

一旦级联形式和装机容量确定，(4)式中的部分参数值即为常数，与分离对象无关。本文以一座总装机量为100 000台的矩形级联为例进行经济性分析，则下列为固定成本。

(1) 燃料动力费Ce

级联运行过程中所消耗的基于能源的各种费用，主要包括电费、取暖费以及液氮和去离子水的费用。整个级联系统运行所需电费的统计情况见表1(按工业电价1元每千瓦时计算)。

表1 级联电费统计Table 1 Electricity charge statistics of cascade

100 000台规模的级联大约需要建筑面积8 000 m2的厂房，按每平方米50元的取暖费计算，每年需要花费40万元。在级联的运行过程中，物料的收集和转储需要消耗液氮，平均每天大约消耗10 000升液氮。按每升液氮4元钱计算，级联一年需要支出液氮费10 000×4×365=1 460万元。级联每月需要更换冷却水100吨，按每吨去离子水1 000元计算，级联每年在去离子水上需花费100×0.1×12=120万元。

综上，级联燃料每年动力费Ce=7 472.28+40+1 460+120=9 092.28万元。

上述级联燃料动力费根据我国北方地区温差较大条件下进行费用计算，相对其他温差较小地区，该费用偏高。

(2) 固定资产折旧费Cd

按照年限平均法，固定资产每年折旧额的计算公式为：

固定资产净残值是预计的折旧年限终了时的固定资产残值减去清理费用后的余额。固定资产净残值与固定资产原值之比称为净残值率，净残值率一般为3%～5%。

建筑面积8 000 m2的厂房的建设费用约为4 000万元，折旧年限50年，净残值率5%。级联总投资规模200 000万元，折旧年限10年，净残值率5%。于是，厂房的年折旧额为76万元，级联的年折旧额为19 000万元。固定资产每年折旧费Cd=76+19 000=19 076万元。

以上级联建造成本及厂房建造成本根据现有的结构类似的级联及厂房建设费用推算。

(3) 工资及劳务费Cw

该级联的日常运行维护需要1 000名工作人员，每人每月工资及奖金按10 000元计算，则工资及劳务费Cw=1×1 000×12=12 000万元。

(4) 其他费用Co

分离装置动密封系统结构优化费用为每台700元，预计可以使用10年。故其他费用Co=0.07×100 000÷10=700万元。

级联年运行成本Crc=9 092.28+19 076+12 000+700=40 868.28万元。

3.2 实例分析

以分离装置动密封系统结构优化前后，级联分离[2-4]SiF4获取28Si、29Si同位素为例(其中，29Si同位素为中间组分)，进行经济性分析。

对分离Si同位素而言，2013年原料单价为每千克VR=0.035万元，丰度为99.5%以上的28Si产品单价为每千克VP1=100万元，丰度为7%的29Si产品单价为每千克VP2=3.5万元，其他丰度的副产品目前暂无利用价值。

(1) 使用原动密封系统

级联原料年消耗量mR=70.00 t，同位素产品28Si年产量m1=4.32 t，29Si年产量m2=28.00 t[5-11]。单台分离装置年纯利为：

Pn0=(100×4.32×103+3.5×28×103-0.035×70×103-9 092.28-19 076-12 000)/100 000=4.87万元。

(2) 使用结构优化的动密封系统

相同运行条件下，结构优化后，单台分离装置的流量提高了11.5%，所以原料消耗量和同位素产品产量均增加11.5%，即mR=78.05吨，m1=4.82吨，m2=31.22吨。单台分离装置年纯利为：

Pn0=(100×4.82×103+3.5×31.22×103-0.035×78.05×103-9 092.28-19 076-12 000-700)/100 000=5.47万元。

通过计算可知，动密封系统结构优化后单台分离装置年纯利增加了12.3%。可见，用于稳定同位素分离的动密封系统结构优化具有良好的经济性。以上所给出的燃料动力费、工资及劳务费、原料及同位素价格只是参考价格，均随市场供求关系而变化。

4 结论

本研究提出了一种衡量级联分离稳定同位素经济性的评价指标，单台分离装置年纯利，并给出计算方法。通过对一座100 000台规模级联分离SiF4的实例计算发现，动密封系统结构优化后，单台分离装置年纯利增加了12.3%。说明优化分离装置的结构能较大幅度地提高级联分离稳定同位素的经济性。

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Study on the Effect of the Separating Unit Optimization on the Economy of Stable Isotope Separation

YANG Kun, CONG Yi-kun, MOU Hong

(ResearchInstituteofPhysicalandChemicalEngineeringofNuclearIndustry,Tianjin300180,China)

An economic criterion called as yearly net profit of single separating unit (YNPSSU) was presented to evaluate the influence of structure optimization on the economy. Using YNPSSU as a criterion, economic analysis was carried out for the structure optimization of separating unit in the case of separating SiF4to obtain the28Si and29Si isotope. YNPSSU was calculated and compared with that before optimization. The results showed that YNPSSU was increased by 12.3% by the structure optimization. Therefore, the structure optimization could increase the economy of the stable isotope separation effectively.

economy; cascade; stable isotope; optimization of structure

10.7538/tws.2015.28.01.0033

2014-06-06;

2014-08-29

杨 坤(1982—)，女，山西大同人，助理研究员，同位素分离专业

TL99

A

1000-7512(2015)01-0033-04