緩蝕技術(shù)在六氟化鈾捕集制冷中的應(yīng)用研究

陳建勇

（中核四〇四有限公司第一分公司 甘肅·蘭州 732850）

在天然六氟化鈾生產(chǎn)過(guò)程中，乙二醇水溶液因具有沸點(diǎn)較高、冰點(diǎn)低、價(jià)格適中、原料易得等特點(diǎn)被作為六氟化鈾主捕集器的傳熱介質(zhì)。因乙二醇長(zhǎng)時(shí)間在高溫下運(yùn)行，同時(shí)與空氣接觸，很容易被氧化成酸性的乙二醇衍生物，如乙二酸、乙醛酸、乙醇酸等，這些酸性物質(zhì)對(duì)捕集器內(nèi)的循環(huán)管道會(huì)產(chǎn)生一定的腐蝕。針對(duì)上述情況，在不改變乙二醇水溶液傳熱和流動(dòng)等性能前提下，通過(guò)向乙二醇水溶液內(nèi)添加緩蝕劑（Na2HPO3和KH2PO3），控制其pH值，從而降低對(duì)循環(huán)管道的腐蝕速率，保證生產(chǎn)線的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 原理

緩蝕劑（Na2HPO3和KH2PO3）溶于水后發(fā)生如下反應(yīng)：

Na2HPO32Na++H++PO33-（電離反應(yīng)）

H2O+Na2HPO3Na++OH-+NaH2PO32Na++2OH-+H3PO3（水解反應(yīng)）

KH2PO3K++H++HPO32-K++2H++PO33-(電離反應(yīng))

H2O+KH2PO3K++OH-+H3PO3（水解反應(yīng)）

Na2HPO3和KH2PO3是一對(duì)共軛酸堿對(duì)，可以穩(wěn)定乙二醇溶液的 pH值，在一定范圍內(nèi)使其不發(fā)生顯著變化。另外，Na2HPO3還可以作為一種防腐劑使用，在管道表面形成一層防蝕膜，阻止溶液對(duì)管道的深層腐蝕。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容

2.1.1 條件試驗(yàn)

（1）緩蝕劑的選擇；

（2）乙二醇水溶液中緩蝕劑加入比例的確定；

（3）乙二醇水溶液緩中緩蝕劑加入量的確定；

（4）加入緩蝕劑后乙二醇溶液性能變化研究。

2.1.2 工程化應(yīng)用研究試驗(yàn)

按照條件試驗(yàn)確定的緩蝕劑，按添加比例的配方比，配制乙二醇緩蝕劑溶液；驗(yàn)證添加緩蝕劑后乙二醇溶液在不同溫度下的參數(shù)變化；比較緩蝕劑加入前后乙二醇溶液對(duì)循環(huán)管道的腐蝕情況。

3 數(shù)據(jù)分析和結(jié)果討論

3.1 條件試驗(yàn)

3.1.1 緩蝕劑的選擇

緩蝕劑在一定程度上可以穩(wěn)定溶液的酸堿度。目前，緩蝕劑的種類和配方都比較多。根據(jù)設(shè)備管道材質(zhì)，選擇合適的緩蝕劑，從以下幾個(gè)方面考慮選擇：

（1）根據(jù)化學(xué)成分不同，緩蝕劑可分為無(wú)機(jī)緩蝕劑、有機(jī)含氮緩蝕劑、有機(jī)酸及其鹽或酯、有機(jī)含磷緩蝕劑和其他有機(jī)化合物等。

（2）針對(duì)六氟化鈾的特殊性，從乙二醇水溶液的互溶性及溶解后溶液的流動(dòng)性能、使用的安全性等考慮，緩蝕劑應(yīng)選擇無(wú)機(jī)緩蝕劑。

（3）緩蝕率較高的鐵用無(wú)機(jī)緩蝕劑主要有磷酸鹽、亞磷酸鹽、三乙醇胺、碳酸鹽等，它們的pKa值及防蝕效果如表1所示。

表1：常用無(wú)機(jī)緩蝕劑體系

選擇緩蝕劑時(shí)，應(yīng)使其中酸組分的pKa等于或接近于所需要穩(wěn)定的pH（pH=pKa±1），至少使要求控制的酸度落在緩蝕劑的緩沖范圍之內(nèi)。由表1可知，緩蝕劑Na2HPO3-KH2PO3體系的pKa為8.0，符合技術(shù)指標(biāo)的要求，添加后可將乙二醇溶液的pH值控制在7.5-8之間。推薦采用Na2HPO3和KH2PO3的混合劑作為緩蝕劑。采取向乙二醇水溶液中添加Na2HPO3和KH2PO3來(lái)控制乙二醇水溶液的pH值。

3.1.2 乙二醇水溶液中添加緩蝕劑的組合比例確定

（1）不同溫度乙二醇溶液pH值和比重的測(cè)定。在試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)定了Na2HPO3和KH2PO3的飽和溶液pH值。Na2HPO3飽和溶液pH值為9，溶于水后，其水解反應(yīng)強(qiáng)于電離反應(yīng)。KH2PO3飽和溶液pH值為5，溶于水后，其電離反應(yīng)強(qiáng)于水解反應(yīng)。對(duì)乙二醇溶液取樣分析，其pH、比重如表2所示。

表2：工藝運(yùn)行時(shí)不同溫度下乙二醇水溶液pH與比重

由表2中數(shù)據(jù)可知，乙二醇水溶液在不同溫度下均呈弱酸性，會(huì)對(duì)循環(huán)管道產(chǎn)生腐蝕，需加入緩蝕劑 Na2HPO3和KH2PO3調(diào)至弱堿性。

（2）分別取溫度為-25℃、0℃、45℃、95℃下的乙二醇水溶液100mL，配制Na2HPO3和KH2PO3的飽和溶液，然后將兩種飽和溶液按不同體積比混合，測(cè)得不同配比下溶液的pH如表3、表4、表5和表6所示：

表3：-25℃乙二醇溶液中加入不同體積比緩蝕劑的pH

表4：0℃乙二醇溶液中加入不同體積比緩蝕劑的pH

表5：45℃乙二醇溶液中加入不同體積比緩蝕劑的pH

表6：95℃乙二醇溶液中加入不同體積比緩蝕劑的pH

由表3、表4、表5和表6可知，不同溫度下的乙二醇溶液，將其pH值調(diào)至約8.0時(shí)所加緩蝕劑Na2HPO3和KH2PO3飽和溶液的體積比均為7:1左右。

3.1.3 不同濃度乙二醇水溶液緩蝕劑添加量確定

分別配制體積濃度分別為50%、55%、60%、65%、70%的乙二醇水溶液，向其中添加緩蝕劑，將其pH值調(diào)至8.0時(shí)，緩蝕劑添加量和溶液的比重如表7所示。

表7：加入緩蝕劑后不同體積百分濃度乙二醇溶液的參數(shù)值

從表中數(shù)據(jù)可知，隨著乙二醇體積百分濃度的增加，調(diào)節(jié)溶液pH值為8.0時(shí)所需加入的緩蝕劑量逐步增加，當(dāng)乙二醇體積百分濃度超過(guò)65%后，所需緩蝕劑的加入量逐步減少。

3.1.4 加入緩蝕劑后乙二醇溶液的性能變化研究

加入緩蝕劑后，對(duì)乙二醇水溶液升降溫后PH值變化情況進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，并直觀對(duì)比其流動(dòng)性和載熱能力變化情況。考慮到生產(chǎn)中，乙二醇水溶液最高溫度為100℃，最低溫度為-30℃，選擇試驗(yàn)溫度條件為 100℃、60℃、20℃、-30℃。

在20℃條件下，按照確定的緩蝕劑加入量配制乙二醇水溶液，等量移裝入4個(gè)燒杯中。將其中2個(gè)燒杯裝乙二醇水溶液置于加熱電爐上分別加熱至60℃、100℃。將1個(gè)燒杯裝乙二醇水溶液使用液氮降溫至-30攝氏度。分別測(cè)量其 pH值，如表8所示。

表8：加入緩蝕劑后，不同溫度下的乙二醇水溶液pH值

由表8中數(shù)據(jù)可知，加入緩蝕劑后，乙二醇水溶液溫度升高對(duì)pH值沒(méi)有影響，溫度降低至-30℃時(shí)，緩蝕劑調(diào)節(jié)溶液pH值的作用會(huì)受到影響，但仍然呈弱堿性，能夠滿足生產(chǎn)使用要求。通過(guò)直觀觀察和測(cè)量，加入緩蝕劑后的乙二醇水溶液溫度在-30～100℃范圍內(nèi)發(fā)生變化，其流動(dòng)性和載熱能力沒(méi)有明顯變化。

3.2 工程化應(yīng)用研究試驗(yàn)

3.2.1 工況下乙二醇水溶液pH值變化情況

為充分驗(yàn)證工況下加入緩蝕劑的乙二醇水溶液pH值和對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行的影響，對(duì)其跟蹤取樣和分析，具體數(shù)據(jù)如表9所示。

表9：各種溫度乙二醇水溶液運(yùn)行中pH值變化情況

從表9中數(shù)據(jù)可知，在工況條件下，加入緩蝕劑后的乙二醇水溶液能夠呈弱堿性，可以達(dá)到減少對(duì)溶液循環(huán)管道腐蝕的目的。另外，從動(dòng)力泵運(yùn)行情況和六氟化鈾捕集器中溫度控制情況可知，緩蝕劑加入對(duì)乙二醇水溶液的載熱能力和流動(dòng)性均沒(méi)有影響。

3.2.2 緩蝕劑加入前后乙二醇水溶液對(duì)循環(huán)系統(tǒng)的腐蝕情況對(duì)比

為檢驗(yàn)緩蝕劑減緩腐蝕的效果，對(duì)管路不同位置因腐蝕發(fā)生故障的頻次進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表10。

表10：緩蝕劑加入前后管路不同位置因腐蝕發(fā)生的故障頻次

由表10中數(shù)據(jù)可知，加入緩蝕劑前，乙二醇水溶液循環(huán)系統(tǒng)管路各主要位置均發(fā)生過(guò)不同頻次的腐蝕。向乙二醇水溶液內(nèi)加入緩蝕劑后，乙二醇水溶液循環(huán)系統(tǒng)管路沒(méi)有發(fā)生因乙二醇水溶液腐蝕而導(dǎo)致的故障。

4 結(jié)論

Na2HPO3和 KH2PO3的混合劑可以作為乙二醇水溶液的緩蝕劑。在工況條件下，加入緩蝕劑后，乙二醇水溶液可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)呈弱堿性，有效減緩了乙二醇水溶液對(duì)其循環(huán)系統(tǒng)管路的腐蝕。加入緩蝕劑后，乙二醇水溶液載熱能力和流動(dòng)性沒(méi)有明顯變化，可以實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行。