一种10kA中温电解槽中HF酸度检测数学模型的建立方法

摘要

本发明属于铀转化技术领域，涉及一种间接测量HF酸度的方法，具体涉及一种10kA中温电解槽中电解质液位与HF酸度关系数学模型的建立方法。测量电解槽的液封以及对应时刻HF酸度值，将这些数值绘制在坐标图中，即可得到散点图，散点散落在某直线附近，通过曲线拟合确定这条直线的方程，得到的数学模型为：电解前初始液封为80㎜～85㎜时：Y＝(0.0550X+32.9625)％；电解前初始液封为85㎜～90㎜时：Y＝(0.0550X+32.6875)％；电解前初始液封为90㎜～95㎜时：Y＝(0.0550X+32.4125)％；电解前初始液封为95㎜～100㎜时：Y＝(0.0550X+32.1375)％；式中：X为电解槽中电解质液封；Y为电解质中HF酸度。本发明采用测量电解质液位来间接测量电解质中HF的酸度，满足实时测量的要求。

说明书

技术领域

本发明属于铀转化技术领域，涉及一种间接测量HF酸度的方法，具体涉及一种10kA中温电解槽中电解质液位与HF酸度关系数学模型的建立方法。

背景技术

在核工业铀化工生产中需要大量氟气，是通过电解HF取得的，这一过程称为电解制氟工序。在电解的过程中要实时检测电解液中HF酸度。但在现有技术条件下，直接对电解质的酸度进行检测在国内还无法实现，国外也没有这方面技术的公开报道。目前采用的是人工操作的方法来检测电解槽内HF酸度：即在某一时间周期内，人工通过中温电解槽取样孔，取其中少量电解质为检测样品，送至实验室进行分析、计算出电解质酸度，无法保证实时检测要求。

发明内容

本发明在现有技术条件下，通过理论计算和试验，发现电解液液位的变化量与电解质中HF酸度变化量有线性对应关系，采用测量电解质液位来间接测量电解质中HF的酸度，满足实时测量的要求。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种10kA中温电解槽中HF酸度检测数学模型的建立方法，测量电解槽的液封以及对应时刻HF酸度值，将这些数值绘制在坐标图中，即可得到散点图，散点散落在某直线附近，通过曲线拟合确定这条直线的方程，得到的数学模型Y＝aX+b为：

(1)电解前初始液封为80㎜～85㎜时：

Y＝(0.0550X+32.9625)％

(2)电解前初始液封为85㎜～90㎜时：

Y＝(0.0550X+32.6875)％

(3)电解前初始液封为90㎜～95㎜时：

Y＝(0.0550X+32.4125)％

(4)电解前初始液封为95㎜～100㎜时：

Y＝(0.0550X+32.1375)％

式中：X为电解槽中电解质液封；Y为电解质中HF酸度。

采用非接触式雷达液位计作为电解槽液封的检测仪表，雷达液位计的精度为±3mm。

常数a的确定方法为：在电解槽正常电解状态下，向电解槽中加入HF至液封120mm，取样分析电解质此时对应的酸度，确定最高液封下对应酸度值；停止HF供料，将电解槽投入进行正常运行，在电解过程中监测液封变化，1h进行一次人工液封测量，同时对电解质取样进行酸度分析，观测各参数关系，随着电解的进行，电解液的液封和酸度也在逐渐降低，直至液封降至90mm时，一次测量周期完成；根据测量液封与酸度的关系，使用最小二乘法获得拟合曲线，得到第一组数据拟合曲线数学模型：

Y＝(0.0596X+32.341)％

以此方法再进行2次测量，得出的数学模型分别为：

Y＝(0.0529X+32.843)％

Y＝(0.0526X+33.009)％

三组数学模型中，第一组数学模型a1＝0.0596，第二组数学模型a2＝0.0529，第三组数学模型a3＝0.0526，对这三组数学模型中的a取平均值，得到a＝0.0550。

常数b的确定方法为：将合格的重量为3080±5kg的KHF₂分别加入电解槽中，按照氟化氢HF和KHF₂的配比为1：4的要求，在小于等于0.2MPa压力的情况下加入HF以配置成KH₂F₃融盐电解质，控制电解质融化温度在80℃～90℃之间，使电解液融化均匀，取样分析HF含量为39.8～40.2％为合格，此时测量液封为80mm～100mm之间；数学模型的建立按照初始液封分为四个范围：80㎜～85㎜、85㎜～90㎜、90㎜～95㎜、95㎜～100㎜；

(1)电解前初始液封80㎜～85㎜时，取X＝82.5㎜：

Y＝(0.0550X+b)％

将Y＝40％，X＝82.5㎜带入式中得b＝35.4625；

(2)电解前初始液封85㎜～90㎜时，取X＝87.5㎜：

Y＝(0.0550X+b)％

将Y＝40％，X＝87.5㎜带入式中得b＝35.1875；

(3)电解前初始液封90㎜～95㎜时，取X＝92.5㎜：

Y＝(0.0550X+b)％

将Y＝40％，X＝92.5㎜带入式中得b＝34.9125；

(4)电解前初始液封95㎜～100㎜时，取X＝97.5㎜；

Y＝(0.0550X+b)％

将Y＝40％，X＝97.5㎜带入式中得b＝34.6375；

选择第二组试验数据作为标准校正，电解槽初始液封为89㎜，通过计算对比，计算酸度比实测酸度高2.5％，将数学模型中的b减去2.5，重新得到数学模型：

Y＝(0.0550X+32.6875)％

此公式是对1个电解槽的1种初始值进行计算而得出的结果；通过上述方法，依据此电解槽的不同初始液位对其余三个公式进行b值修正。

本发明所取得的有益效果为：

本发明对电解质中HF的酸度进行较为精确的实时检测，从而实现电解过程中对HF的加入量精确控制。在电解制氟过程中如能够保持HF酸度在某一个稳定值，则电解效率会最高，生产的氟气纯度也高而且阳极碳板寿命长，因此精确控制电解过程中HF的加入量，能够提高产出氟气的质量，提升生产效率并且降低成本。数学模型通过在PLC系统中建立运行之后，对一台电解槽进行了一个月的验证考核，系统能及时反映电解液的酸度情况。在线PLC显示酸度(％)与化学分析测得电解质酸度(％)满量程误差均小于2.5％(F·S)，满足技术指标要求，且比现有检测方法更高效、准确、方便。

附图说明

图1为液封高度与对应酸度曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

在电解过程中，理论上是不损耗电解质的，只是氟气中夹带少量的电解质，故可忽略不计，只是HF的减少，随之液位降低。根据电解槽生产厂提供的数据，对10kA中温电解槽，加电解液液位总高度设计为880mm～900mm。其酸度变化1％，相当于氟化氢39kg，液面变化16mm。在电解液液位800mm以上，液面变化1mm，相当于三氟二氢化钾4.8kg，二氟氢化钾5.9kg或氟化氢2.4kg。

具体方案是利用测量现有10kA电解槽中电解质液位变化来反映酸度变化。采用非接触式雷达液位计作为电解质液位的检测仪表，因为它不用直接接触电解质，而且它的天线部分是PTFE(聚四氟乙烯)材质的，这样就很好地解决了抗腐蚀的问题。此次选择的雷达液位计的精度为±3mm，根据测算，电解槽中酸度变化1％，电解质液面变化约16mm，这也符合雷达液位计测量精度的要求。而且雷达液位计是靠发射并接收高频微波(约26GHz)的方式来测量液位的，这样就解决了抗磁干扰的问题。

(一)建立数学模型

电解槽的液封与酸度呈线性关系，通过大量测量电解槽的液封以及对应时刻酸度值，将这些数值绘制在坐标图中，即可得到散点图，从散点图中可看出这些点大致散落在某直线附近，确定这条直线的方程(数学模型)，即可通过数学模型根据液封变化得到电解槽的实时酸度。

直线方程(数学模型)为：Y＝aX+b(1)

式中：X:电解槽中电解质液封；

Y:电解质中HF的含量(酸度)；

a:常数；

b:常数。

(1)常数a的确定

在电解槽正常电解状态下，向电解槽中加入HF至液封120mm左右，取样分析电解质此时对应的酸度，确定最高液封下对应酸度值。停止HF供料，将电解槽投入进行正常运行。在电解过程中监测液封变化，1h进行一次人工液封测量，同时对电解质取样送分析室进行酸度分析，观测各参数关系。随着电解的进行，电解液的液封和酸度也在逐渐降低，直至液封降至90mm左右时，一次测量周期完成。

根据测量液封与酸度的关系，使用最小二乘法获得拟合曲线，如图1所示。

得到第一组数据拟合曲线数学模型:

Y＝(0.0596X+32.341)％(2)

式中，X:电解槽中电解质液封；Y:电解质中HF的含量(酸度)。

以此方法再进行2次测量，得出的数学模型分别为：

Y＝(0.0529X+32.843)％(3)

Y＝(0.0526X+33.009)％(4)

三组数学模型中，第一组数学模型a1＝0.0596，第二组数学模型a2＝0.0529，第三组数学模型a3＝0.0526。对这三组数学模型中的a取平均值a＝0.0550。将a带入(1)式，得到数学模型：

Y＝0.0550X+b

(2)常数b的确定

电解质的配比应严格进行配置。将合格的重量为(3080±5)kg的KHF₂分别加入电解槽中，按照氟化氢HF和KHF₂的配比约为1：4的要求，在以≤0.2MPa压力的情况下加入HF以配置成KH₂F₃融盐电解质。控制电解质融化温度在80℃～90℃之间，使电解液融化均匀。取样分析HF含量为39.8～40.2％为合格，此时测量液封为80mm～100mm之间。

由于电解质配置有一定的误差，以及电解槽的结构存在一定的差异，因此电解前电解质的液位(液封)会有一定的差异。因此，数学模型的建立应按照初始液封分为四个范围：80㎜～85㎜、85㎜～90㎜、90㎜～95㎜、95㎜～100㎜。

1)电解前初始液封80㎜～85㎜时(取X＝82.5㎜)

Y＝(0.0550X+b)％(5)

式中：X:电解槽中电解质液封；Y:电解质中HF的含量(酸度)。

将Y＝40％，X＝82.5㎜带入(5)式中得b＝35.4625。

即得到数学模型：

Y＝(0.0550X+35.4625)％(6)

2)电解前初始液封85㎜～90㎜时(取X＝87.5㎜)

Y＝(0.0550X+b)％(7)

式中：X:电解槽中电解质液封；Y:电解质中HF的含量(酸度)。

将Y＝40％，X＝87.5㎜带入(7)式中得b＝35.1875。

即得到数学模型：

Y＝(0.0550X+35.1875)％(8)

3)电解前初始液封90㎜～95㎜时(取X＝92.5㎜)

Y＝(0.0550X+b)％(9)

式中：X:电解槽中电解质液封；Y:电解质中HF的含量(酸度)。

将Y＝40％，X＝92.5㎜带入(9)式中得b＝34.9125。

即得到数学模型：

Y＝(0.0550X+34.9125)％(10)

4)电解前初始液封95㎜～100㎜时(取X＝97.5㎜)

Y＝(0.0550X+b)％(11)

式中：X:电解槽中电解质液封；Y:电解质中HF的含量(酸度)。

将Y＝40％，X＝97.5㎜带入(11)式中得b＝34.6375。

(3)数学模型的基本确定

得到a值与b值，即得到数学模型：

Y＝(0.0550X+34.6375)％(12)

该数学模型是通过试验数据散点分布，再经过拟合曲线得到的，曲线的拟合度不是很高，所以确定的数学模型有一定的误差，必须进行校正处理。

选择第二组试验数据作为标准校正，第二组试验数据是在30#电解槽中得来。30#电解槽初始液封为89㎜，所以应选择公式(8)，通过计算对比，数学模型计算酸度求平均值为41.3076％，计算酸度比实测酸度高了2.5％。将数学模型中的b减去2.5，重新得到新的数学模型：

Y＝(0.0550X+32.6875)％(13)

(4)数学模型的验证

将数学模型(公式13)带入表1(第一组液封与酸度对应数据)中，计算酸度与实测酸度较为接近，最大相对误差为1.85％，能够达到技术指标要求。因此，数学模型合理。

(5)公式(13)是对1个电解槽的1种初始值进行计算而得出的结果。通过上述方法，依据此电解槽的不同初始液位又对其余三个公式进行了b值修正。

最后，通过对不同电解槽的不同液封情况下的计算，从而得出每个公式b值的平均值。

(二)数学模型的最终确定

1)、电解前初始液封80㎜～85㎜时：

Y＝(0.0550X+32.9625)％(14)

2)、电解前初始液封85㎜～90㎜时：

Y＝(0.0550X+32.6875)％(15)

3)、电解前初始液封90㎜～95㎜时：

Y＝(0.0550X+32.4125)％(16)

4)、电解前初始液封95㎜～100㎜时：

Y＝(0.0550X+32.1375)％(17)

表1第一组液封与酸度对应数据

通过对电解槽酸度仪的现场验证，并且经过初步试验得出试验数据，在此数据的基础上通过机理分析和数学模型分析的方法得出数学模型，酸度检测系统应用于电解过程中满足电解槽中的电解液酸度的检测要求，通过验证考核最大相对误差≤2.5％(F·S)，达到试验要求。通过采集大量试验数据，利用电解槽酸度与液封的对应关系，使用最小二乘法拟合曲线，确定了数学模型。并将数学模型在PLC中进行组态，从而实现了根据电解槽液封的变化，在线测量出电解质酸度的实时变化。