基于动态模拟计算的低温精馏分离13C同位素丰度分析

低温精馏法分离碳同位素（¹²CO/¹³CO）的分离系数仅为1.007，且分离操作工况苛刻，富集平衡时间长，为降低工业化装置运行风险，实现¹³C同位素富集的动态过程理论预测是工业化技术研究中亟需解决的问题。为此，本文通过采用Aspen Dynamics模拟研究CO低温精馏分离碳同位素的动态过程，获取¹³C同位素在全回流、浓缩富集、连续精馏操作条件下的丰度分布等值图，实现¹³C同位素在时间和空间两个维度内丰度变化过程的可视化。将上述操作条件下的动态模拟值与试验值进行对比分析，结果显示，两者吻合较好，且富集平衡时塔底¹³C丰度和富集平衡时间的相对误差均在15%以下，验证了所建立的低温精馏分离¹³C同位素动态模拟计算方法的准确性，可进一步用于高丰度¹³C同位素生产装置中丰度变化过程的理论预测。     

同位素~(13)C分离二塔级联模拟研究

利用Aspen数值模拟软件建立低温精馏分离稳定同位素~(13)C的二塔级联数值模拟平台;完成同位素组分的物性参数在Aspen数据库中的嵌入;结合前期的实验数据验证该模型的可靠性;对比模拟结果与实验结果,误差小于10%;分析进、出料量,级间传输以及操作压强对产品丰度的影响,为优化设计工作提供依据。     

13C同位素的分离工艺设计与实验研究

本文综述了在¹³C同位素的分离研究中建立“数值模拟+实验研究”的工程化研究方法，完成了一氧化碳低温精馏法分离稳定性同位素¹³C的计算机辅助设计，以及低温精馏工程实验研究。通过CO低温精馏单塔实验测定了¹³C同位素分离体系的基础参数；利用计算机辅助设计了¹³C分离二塔级联工艺，并得到了级联装置的优化参数；通过低温精馏分离¹³C二塔级联实验，对优化设计结果进行检验。研究结果表明，课题建立的“数值模拟+实验研究”相结合的工程研究方法可靠，在¹³C同位素分离中得到了实际应用；课题建立的研究方法提高了¹³C同位素分离的设计水平、降低了实验成本、提高了研发效率，为¹³C同位素分离工业化生产装置的设计提供了可靠的技术方法。     

基于Aspen Plus的11BF3同位素分离工艺模拟研究

为实现高丰度¹¹BF₃同位素分离工艺的优化设计，本文通过自定义组分，补充商用化工流程模拟软件Aspen Plus数据库中同位素分子的相对分子质量和饱和蒸气压数据，回归扩展安托因方程参数，建立了基于Aspen Plus的¹¹BF₃同位素分离工艺模型。以两组实验数据为依据，采用默弗里板效率修正Aspen Plus中的模型，获得两组模拟值与实验值间的相对误差分别为-2.69%和0.91%,表明修正后的模型可较好地描述¹¹BF₃同位素分离过程。最后根据建立的数学模型分析了理论塔板数、回流比和塔顶压力对交换塔塔顶¹¹BF₃同位素丰度的影响。结果表明，塔顶压力降低、回流比增加和理论塔板数增加均有利于¹¹BF₃同位素的富集。通过计算得到当塔顶压力为常压、理论塔板数为720、回流比为300时，交换塔塔顶丰度达到最大值99.95%。本文结果可为后续的优化设计提供理论依据。     

~(13)C同位素的分离工艺设计与实验研究

本文综述了在~(13)C同位素的分离研究中建立"数值模拟+实验研究"的工程化研究方法,完成了一氧化碳低温精馏法分离稳定性同位素~(13)C的计算机辅助设计,以及低温精馏工程实验研究。通过CO低温精馏单塔实验测定了~(13)C同位素分离体系的基础参数;利用计算机辅助设计了~(13)C分离二塔级联工艺,并得到了级联装置的优化参数;通过低温精馏分离~(13)C二塔级联实验,对优化设计结果进行检验。研究结果表明,课题建立的"数值模拟+实验研究"相结合的工程研究方法可靠,在~(13)C同位素分离中得到了实际应用;课题建立的研究方法提高了~(13)C同位素分离的设计水平、降低了实验成本、提高了研发效率,为~(13)C同位素分离工业化生产装置的设计提供了可靠的技术方法。     

~(13)C同位素低温精馏过程动态模拟

为深入了解CO低温精馏分离13C系统的动态特性,建立了系统的动态模型,借助软件Aspen Dynam-ics对该系统的全回流、开车以及物料量发生扰动过程进行了动态模拟。塔釜热负荷和塔釜持液量对全回流过程的影响结果显示,全回流动态浓缩过程耗时约1周,稳定时塔釜13C16O摩尔分数约为3.9%。模拟研究结果显示,先浓缩后稳态出料的开工方案可大幅缩减装置动态开工时间,产品摩尔分数达到14.5%,耗时约需38.6 d;而对应的同时稳态进出料开车方案平衡时间需127.7 d;开发持液量低的填料可进一步缩短开工时间,降低产品成本。对进料扰动的计算表明,本工作采用的分离装置对物料量的波动具有较强的抗干扰能力,波幅50%、时间为4 h的进出料量波动对产品品质的影响可忽略。     

稳定同位素~(13)C分离级联装置的模拟优化研究

本工作设计了一套利用CO低温精馏分离稳定同位素13 C的三级联装置,其填料层高度为38m,塔径分别为0.15、0.08和0.05m,塔内装填自主研发的高比表面PACK-13 C专用填料。采用均匀设计方法进行级联装置的优化设计,综合分析了不同的回流比、原料量和级间进料量对同位素13 C产品丰度和生产能耗的影响。对实验数据进行二次多项式逐步回归分析,获得了产品丰度与塔顶回流比、原料量及级间流量和能耗费用与回流比、原料量及级间流量的模型方程,并利用遗传算法对模型方程进行优化。模拟研究结果显示,优化后的三塔级联生产装置的各级间流量依次为18.056、236.50和32.400 mol/h,塔顶回流比为74.824,在此条件下可获得13 C丰度≥93%。与初始设计值相比较,优化后降低了能耗费用成本。本工作提出的模拟优化研究方法可应用到同位素13 C的产业化生产,以至推广到传统精馏过程的优化设计中。     

减压精馏分离稳定同位素18O的模拟优化研究

研究建立了1座采用蒸馏水减压精馏分离稳定同位素¹⁸O的实验装置,其填料层高20m,塔径为0.1m,塔内装填自主开发的PAC-¹⁸O专用填料。首先利用AspenPlus建立模型并验证其可靠性,然后利用此模型得出1组模拟数据,并利用人工神经网络（ANN）及Statistica软件对这组模拟数据进行优化设计。综合分析了塔顶压力及产品采出量对¹⁸O产品丰度的影响。结果表明,产品¹⁸O的丰度随塔顶压力和产品采出量的降低而升高,并得出最优化的塔压及¹⁸O丰度与产品采出量间的数学关联式。本研究采用的模拟优化方法可应用到¹⁸O的产业化设计及推广至传统精馏过程的优化设计中。     

特种高效填料用于~(13)C分离的计算传质学研究

由于碳同位素分离系数仅为1.007,分离难度大,要获得99%~(13)C的高丰度产品,需要近三千块理论级数,为有效降低工程化实施难度,需要采用特种高效填料实现~(13)C的分离。为准确预测~(13)C分离用低温精馏塔的传质性能,本文运用计算流体力学方法(CFD),对自主研制的高比表面高效规整填料PACK-~(13)C进行计算传质学分析。通过研究气液两相在两片填料片组成的精馏单元内部相互传质现象,提出了一种耦合传质效率的CFD计算方法;并实现由局部精馏单元的传质模拟计算推广到对整塔传质性能的模拟预测。结果显示,计算传质学模拟值与低温精馏分离~(13)C同位素的传质实验值吻合较好,等板高度(HETP)的模拟值与实验值平均相对误差为10.15%;分离功模拟值与实验值的平均相对误差为9.1%。本研究方法可推广运用于~(13)C产业化装置的传质性能预测。     

特种高效填料用于13C分离的计算传质学研究

由于碳同位素分离系数仅为1.007，分离难度大，要获得99%¹³C的高丰度产品，需要近三千块理论级数，为有效降低工程化实施难度，需要采用特种高效填料实现¹³C的分离。为准确预测¹³C分离用低温精馏塔的传质性能，本文运用计算流体力学方法（CFD），对自主研制的高比表面高效规整填料PACK¹³C进行计算传质学分析。通过研究气液两相在两片填料片组成的精馏单元内部相互传质现象，提出了一种耦合传质效率的CFD计算方法；并实现由局部精馏单元的传质模拟计算推广到对整塔传质性能的模拟预测。结果显示，计算传质学模拟值与低温精馏分离¹³C同位素的传质实验值吻合较好，等板高度（HETP）的模拟值与实验值平均相对误差为10.15%；分离功模拟值与实验值的平均相对误差为9.1%。本研究方法可推广运用于¹³C产业化装置的传质性能预测。     

Abundance Analysis of13C Isotope Separation by Cryogenic Rectification Based on Dynamic Simulation

The carbon isotope (¹²CO/¹³CO) separation has a separation coefficient of only 1.007, which has typical characteristics of severe separation conditions and long equilibrium time. In order to reduce the operational risk of industrial devices, the theoretical prediction of the dynamic process of¹³C isotope enrichment is an urgent problem to be solved in industrial technology research. Therefore, the dynamic simulation of carbon isotope separation by CO cryogenic rectification was carried out by using Aspen Dynamics. Through the simulation, the abundance distribution of¹³C isotope was obtained under the conditions of total reflux, concentration and continuous rectification operation, and the visualization of the abundance change of the¹³C isotope in the two dimensions of space and time was realized. On the other hand, comparing the dynamic simulation values with the experimental data, the results show that they are agree well, and the relative errors of the enrichment equilibrium abundance and equilibrium time are both less than 15%, which indicate that the accuracy of the dynamic simulation calculation method of¹³C isotope for cryogenic rectification separation is verified, which can be further used to theoretically predict the abundance enrichment process in the production plant of high abundance¹³C isotope.     

稳定同位素~(13)C分离二塔级联耦合优化设计与实验研究

采用均匀实验与Aspen Plus模拟耦合的计算方法优化13 C分离二塔级联工艺操作参数。经实验验证,实验值与耦合优化的模拟值吻合较好,相对误差为6.5%;在不增大能耗费用的同时,优化实验得到二塔釜的13 C丰度为14.1%,较二塔级联初始实验结果提高25%以上。结果表明,建立的耦合优化设计方法经实验验证可行,可为13 C产业化级联工艺设计提供理论参考,也可为其他传统精馏工业优化设计提供指导。     

Process Modeling and Dynamic Simulation for EAST Helium Refrigerator

In this paper,the process modeling and dynamic simulation for the EAST helium refrigerator has been completed.The cryogenic process model is described and the main components are customized in detail.The process model is controlled by the PLC simulator,and the realtime communication between the process model and the controllers is achieved by a customized interface.Validation of the process model has been confirmed based on EAST experimental data during the cool down process of 300-80 K.Simulation results indicate that this process simulator is able to reproduce dynamic behaviors of the EAST helium refrigerator very well for the operation of long pulsed plasma discharge.The cryogenic process simulator based on control architecture is available for operation optimization and control design of EAST cryogenic systems to cope with the long pulsed heat loads in the future.     

HYSYS软件在反应堆系统仿真中的应用探索

系统仿真软件可以模拟运行工况变化对系统整体运行带来的影响,在系统瞬态分析和安全研究中起着重要的作用。Aspen HYSYS软件是世界知名的油气过程仿真和优化的系统软件,具有强大的二次开发功能,可以用于反应堆系统仿真。在植入熔盐物性、修改熔盐换热模型的基础上,建立并调用点堆模型的动态链接库,尝试将HYSYS与点堆耦合起来,弥补HYSYS无法对熔盐堆等反应堆进行仿真的缺憾。在此基础上,对中国科学院上海应用物理研究所的熔盐堆设计进行了系统仿真,给出了熔盐堆在不同的运行工况下的系统响应分析结果,并与RELAP5仿真结果进行比较。结果表明,耦合程序有较高的可用性,能够达到预期的效果。