بخشی از مقاله
.1مقدمه
در راستاي جداسازي ایزوتوپهاي اورانیوم و انجام فرآیند غنیسازي اورانیوم نیاز به یک ترکیب گازي از عنصراورانیوم داریم. تنها ترکیب پایدار گازي شناخته شده از اورانیوم ترکیبی از آن به شکل هگزافلورید اورانیوم (UF6) میباشدUF6 .[1] از واکنش بین UF4 وگاز فلوئور (F2) در راکتورهاي عمودي فلوراسیون حاصل می شود.UF6 خروجی حاصل از این راکتور، ناخالصی هایی همچون گازهاي فلوئور، اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن فلوراید به همراه دارد. یک روش جداسازي UF6از این گازها کندانس کردن گاز خروجیاز راکتور فلوراسیون می-باشد.درصنایع هستهاي موادیهمچونTiF4 ,ReF6,WF6,UF6 بهوسیلهي فرآیند چگالش خالصسازي می-شوند.[2]در صنعت جهت کندانسکردن گاز خروجی از راکتور فلوراسیون از دو کندانسور با آرایش سري استفاده میشود. این کندانسورها در حقیقت مبدلهاي حرارتی از نوع پوسته لوله میباشند. سیال خنک کننده در این کندانسورها آب است. گاز خروجی از راکتور فلوراسیون وارد قسمت پوستهي کندانسور شده و پس از چگالش و رسوب UF6، از آن خارج میگردد.در جدول 1و 2 به برخی از خصوصیات این کندانسورها اشاره شده است.مشکل اساسی در این فرآیند خروج اورانیوم از کندانسور بصورت برفک می باشد که کاهش بازیابی اورانیوم و مسائل زیست محیطی را به همراه دارد. لذا هدف عمده این تحقیق پیش بینی شرایط مناسب کارکرد در راستاي کاهش ضایعات اورانیوم از سیستم کندانسور می باشد.
21st Iranian Nuclear Conference 25-26Feb 2015 University of Isfahan
_ ت و ی_ ن ا س _ ه _ی ان
۶و۷ ا" د ماه ۳۹۳۱ دا+ گاه ) هان
اسمولکین و همکاران [3]یک مدل ریاضی براي محاسبهي دماي بهینه چگالش در خصوص فلوراید هاي فلزي در کندانسورهاي لولهاي تدوین کردند. در تحقیق مذکور، گاز حامل فلورایدهاي فلزي از داخل لولههایی با ابعاد مشخص عبور کرده و با انتقال حرارت با آب از طریق دیواره لوله سرد شده و در نتیجه فلورایدهاي فلزي بر روي دیواره داخلی این لولهها چگالش می یابد. در این تحقیق همچنین تعداد بهینه کندانسور مورد نیاز براي بازیابی 99/9 درصدي UF6 محاسبهشدهاست.سافرانو و همکاران [4]آزمایشهایی را براي بررسی تاثیر دماي سطح کندانسور لولهاي بر بازده آن، براي چگالش تیتانیوم تترافلوراید انجام دادهاند. آنها نشان دادند که با کاهش دماي سطح کندانسور، مقدار برفک خروجی از آن افزایش مییابد و متعاقبا بازده آن بهطور محسوسی کاهش مییابد.براي کندانسورهاي لولهایمدلسازي توسط عباس عابد[5] نیز صورت گرفت. از جمله پارامترهاي درنظرگرفتهشده توسط وي، میتوان به سرعت گاز ورودي، نرخ جریان گاز ورودي و زمان ماند گاز ورودي در کندانسور اشاره کرد. براي چگالش فتالیک آنهیدریک در کندانسورهاي پوسته لوله مدلی توسط بیلیک و کروبیزکا [6] تدوین شده است. هدف اصلی در تحقیق مذکور حصول روابطی براي بدست آوردن مقاومتهاي انتقال حرارت و چگالی معادل مواد ته نشین شده بصورت تابعی از متغیرهاي قابل اندازه گیري بوده است. در این تحقیق از تشکیل برفک درون کندانسور و تاثیرات آن بر بازدهی کندانسور صرف نظر شده است. مطالعات بر روي سیستمهاي مشابه (مانند مخلوط بخار آب- هوا تحت چگالش) نشان میدهد یکی از عوامل تاثیر گذار بر بازدهی کندانسورهاي پوسته لوله تحت چگالش، تشکیل برفک درون آنها می باشد. [7-10] لذا براي بهینه سازي شرایط عملیاتی این کندانسورها،باید ازمدلهاي استفاده کردکه در آن ها از تشکیل برفک درون کندانسور صرف نظرنشده است.
براي سیستم UF6 تحت چگالش در کندانسورهاي پوسته لوله مدلی توسط قریشی و همکاران تدوین شده است.[11] از جمله مزیتهاي این مدل قابل دستیابی بودن کلیه خواص فیزیکی مخلوط گازي، پارامترهاي انتقال جرم و حرارت، غلظت برفک تشکیل شده درون گاز در طول کندانسور و در هر لحظه از زمان فرآیندي میباشد. لذا براي تحلیل متغیرهاي موثر بر چگالش درون کندانسور و در نهایت انتخاب شرایط بهینه کارکرد این کندانسورها، در تحقیق حاضر از معادلات مدل مذکور استفاده شده است.لازم به ذکر است، تا کنون تحقیقی در خصوصبهینه سازي شرایط عملیاتی کندانسورهایپوسته لوله جداسازUF6صورت نگرفته است.
.2مدلسازي ریاضی کندانسور
همانطورکه قبلا ذکر شده است،مدلسازي ریاضی این کندانسورهاتوسط نویسندگان این مقاله انجام شده-است.[11]نتایج حاصل از پیشبینی این مدل با دادههاي آزمایشگاهی شرکت UCF اصفهان مقایسه شد که گویاي دقت عمل بسیار بالاي این مدلسازي میباشد. لذا از این مدل اثبات شده جهت تحلیل و بررسی متغیرهاي موثر بر کندانسور و نهایتا بهینه سازي شرایط عملیاتی در این کندانسورها استفاده گردید.
.3تحلیل متغیرهاي موثر بر عملکرد کندانسور
21st Iranian Nuclear Conference 25-26Feb 2015 University of Isfahan
_ ت و ی_ ن ا س _ ه _ی ان
۶و۷ ا" د ماه ۳۹۳۱ دا+ گاه ) هان
متغیر هاي مستقل و موثردر راندمان سیستم کندانسور، دما و سرعت گازورودي میباشند. بهینه سازي شرایط عملیاتی کندانسور 1 به طور مستقیم بر شرایط عملیاتی و راندمان کندانسور 2 تاثیرگذار است. به همین لحاظ در بررسی متغیرها و بهینه سازي، شرایط کارکرد کندانسور 1 مدنظر قرار گرفت که منجر به افزایش بازده کندانسور 1 و همچنین کندانسور 2 می شود. در تحقیق حاضر با کاربرد نرم افزار مدلسازي اثبات شده که در محیط MATLABطراحی شده است، در نهایت بهینهسازي شرایط عملیاتی کندانسور در راستاي تعیین بهترین عملکرد کندانسور انجام شد.
1.3 اثر سرعت گاز ورودي بر ضریب انتقال حرارت
براي آگاهی از تاثیر سرعت گاز ورودي بر روي ضریب انتقال حرارت جابجایی در طول کندانسور، برنامهي کامپیوتري براي سرعتهاي 0/06، 0/09 و 0/12 متر بر ثانیه و در دماي 278 کلوین براي آب ورودي به کندانسور وگرفتن نتایج براي ضریب انتقال حرارت جابجایی اجرا شده است. نتایج در شکل((1 بر حسب تعداد ردیفهاي لوله در کندانسورقابل مشاهده است.همانطور که از نمودار مشاهده میشود، با بالا رفتن سرعت گاز ورودي به کندانسور، مقدار ضریب انتقال حرارت در کل کندانسور افزایش مییابد. این نتایج با توجه به افزایش عدد رینولدز با افزایش سرعت گاز ورودي قابل پیش بینی بود. در قسمتی از کندانسور که 5 ردیف اول لولهها قرار دارد، کاهش قابل ملاحظهاي در ضریب انتقال حرارت گاز بر سطوح لوله مشاهده میشود.
2.3 اثر سرعت گاز ورودي بر شعاع لایه چگالش یافته UF6بر روي لوله هاي کندانسور
در شکل (2) اثر سرعت گاز ورودي بر شعاع (ضخامت) ماده چگالش یافته UFبر سطح لوله هاي کندانسور بررسی شده است . در شکل (3) نیز تغییرات ترکیب درصد مولی اورانیوم هگزا فلوراید در گاز در طول کندانسوربر حسب تعداد ردیف هاي لوله در کندانسور بررسی شده است.
همانطور که از شکل (2) مشخص میشود، افزایش سرعت گاز سبب میشود بیشترین مقدار چگالش در ابتداي کندانسور صورت گیرد. بنابراین عملا در لولههاي میانی و انتهایی کندانسور مقدار بسیار ناچیزي چگالش انجام می شود. اما با کاهش سرعت گاز ورودي به کندانسور، لوله هاي میانی و انتهایی کندانسور نیز در چگالش شرکت می-کنند و در این حالت احتمال گرفتگی کندانسور در زمان هاي پایین بسیار کاهش مییابد. باید توجه داشت با توجه به طول زیاد کندانسور(4/17 متر) سرعت گاز ورودي نمیتواند از حدي پایینتر قرار گیرد، زیرا در این صورت خروج گاز از کندانسور مشکل خواهد شد و این مساله خود موجب بروز پدیده گرفتگی در کندانسور میشود. از شکل((2 مشاهده میشودکه ضخامت اورانیومهگزا فلوراید چگالش شده در ناحیهي اولیهي کندانسور محتوي 5 ردیف لوله با شیب تندي کاهش یافته و پس از آن این تغییرات ناچیز بوده و در نواحی میانی و انتهایی کندانسور روند تقریبا ثابتی ملاحظه میشود. این تغییرات شدید در ضخامت مواد چگالش شده، نتایج حاصله از مدل را در
21st Iranian Nuclear Conference 25-26Feb 2015 University of Isfahan
_ ت و ی_ ن ا س _ ه _ی ان
۶و۷ ا" د ماه ۳۹۳۱ دا+ گاه ) هان
شکل((3 تایید مینماید بدین نحو که تهنشینی عمدهي UF6در 5 ردیف اول لولههاي کندانسوراتفاق می افتد و این عامل باعث تغییرات زیاد درصد ترکیب گاز در این ناحیه شده است.
3.3 اثر سرعت گاز ورودي بر دماي سطح لایه چگالش یافته UF
در شکل((4 اثر سرعت گاز ورودي بر دماي سطح لایه چگالش یافته (Ts)UF6 بررسی شده است. این دادهها براي دماي آب ورودي 278 کلوین و در سه سرعت 0/06، 0/09و 0/12 متر بر ثانیه براي گاز ورودي توسط نرم افزار مدل سازي محاسبه شده اند و بر حسب تعداد ردیفهاي لوله در شکل((4 نشان داده شده است.
افزایش سرعت گاز ورودي باعث افزایش عدد رینولدز ودر نتیجه افزایش میزان انتقال حرارت گاز میگردد. این افزایش میزان انتقال حرارت،گرادیان دمایی بیشتري را در لایه جامد چگالش یافته سبب می شود. افزایش گرادیان دمادلیل عمدهي افزایش اختلاف دماي سطح ماده چگالش یافته با آب ورودي میباشد.
4.3اثر سرعت گاز ورودي بر مقدار برفک خروجی از کندانسور
در شکل((5 اثر سرعت گاز ورودي بر مقدار برفک تولید شده در کندانسور را نشان میدهد.با توجه به نمودار، با افزایش سرعت گاز ورودي، مقدار برفک خروجی از کندانسور کاهش مییابد. دلیل مشاهدات فوق آن است که با افزایش سرعت گاز ورودي دماي سطح لایه چگالش یافته در قسمت هاي ابتدایی کندانسور افزایش مییابد(شکل (4 و شرایط براي تشکیل ذرات برفک درون کندانسور نامساعد میشود، به همین دلیل مقدار برفک خروجی از کندانسور به طور محسوسی کاهش مییابد.
5. 3اثر سرعت گاز ورودي بر بازده کندانسور
در شکل((6 اثر سرعت گاز ورودي بر بازده کندانسور بررسی شده است.این نمودار حاکی از آن است که با افزایش سرعت گاز ورودي مقدار بازده کندانسور افزایش مییابد. دلیل این امر آن است که با افزایش سرعت گاز ورودي مقدار ضریب انتقال حرارت درون کندانسور افزایش مییابد و گرماي بیشتري از گاز خارج میشود، در نتیجه نرخ چگالش افزایش یافته و اورانیوم هگزا فلوراید بیشتري در کندانسور چگالش مییابد.همچنین از نمودار مشاهده می شود با افزایش دماي آب ورودي مقدار بازده کندانسور کاهش مییابد. دلیل این کاهش، افزایش دماي سطح لایهي چگالش یافته است و همین امر سبب میشود مقدار UF6 کمتري در کل کندانسور چگالش یابد و در نتیجه مقدار UF6 بیشتري به صورت گاز از کندانسور خارج شود.
6.3 تاثیر دماي آب ورودي بر مقدار کلی چگالش یافته UF6درون کندانسور
در شکل((7اثر دماي آب ورودي بر روي مقدار کلی ماده ته نشین شده UF6درون کندانسور بررسی شده است.شکل((7 نشان دهندهي دو روند متفاوت افزایشی و کاهشی در اثر افزایش دماي آب ورودي میباشد. بدین-نحو که در محدودهي درجهحرارت 258 تا 283 کلوین روند افزایش میزان UF6 چگالشی و متعاقبا در درجه
21st Iranian Nuclear Conference 25-26Feb 2015 University of Isfahan
_ ت و ی_ ن ا س _ ه _ی ان
۶و۷ ا" د ماه ۳۹۳۱ دا+ گاه ) هان
حرارتهاي بالاتر تا 293 کلوین روند کاهشی مشاهده میشود. دلیل روند ملاحظهشده این است که در ابتدا با افزایش دماي آب ورودي به کندانسور، مقدار برفک تولید شده کاهش مییابد که این عامل سبب افزایش جرم UF6 ته نشین شده در داخل کندانسور میگردد. ولی در دماهاي بالاتر هر چند مقدار برفک خروجی کاهش مییابد، اما به دلیل دماي بالاي سطح لوله هاي کندانسور، مقدار چگالش درون کندانسور کاهش پیدا میکند.
