Разработка программы для расчета параметров разделительного каскада

1 ПЛАНИРУЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОБУЧЕНИЯ ПО ООП 2
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 11
ВВЕДЕНИЕ 12
2.2Теория графов 23
1.2.1Особенности графов 23
1.2.2 Основные понятия теории графов 24
2.2.3 Особенности задания графов 27
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 36
3. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 59
SWOT-анализ 60
3.2.2 Определение трудоемкости выполнения НИР 63
3.2.3 Разработка календарного плана работ 64
3.3 Бюджет научно-технического исследования 68
3.3.1 Расчет материальных затрат НТИ 68
3.3.2 Основная заработная плата исполнителей темы 69
3.3.3 Дополнительная заработная плата исполнителей темы 70
3.3.5Накладные расходы 71
3.4 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта 71
3.5Ресурсоэффективность 72
4. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 77
4.1 АНАЛИЗ ОПАСНЫХ И ВРЕДНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ФАКТОРОВ 77
4.2 ТРЕБОВАНИЯ К ПЭВМ И ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ 79
4.2.1 ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ 79
4.6ПОЖАРНАЯ И ВЗРЫВНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ 85
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 88
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 89

Весь текст будет доступен после покупки

В современном разделительном производстве используются сложные многокаскадные технологические схемы, состоящие из нескольких разделительных каскадов соединённых между трубопроводами межкаскадных коммуникаций. Каждый каскад в свою очередь состоит разделительных ступеней соединенных в общем случае по противоточной симметричной схеме (поток отбора ступени подается на питание следующей ступени, а поток отвала подается на питание предыдущей ступени). В некоторых случаях может быть использована противоточная не симметричная схема (когда потоки отбора и отвала ступени подаются на питание через одну, две ступени и т.д.). Кроме того в процессе эксплуатации возможны ситуации, когда часть разделительных ступеней закрываются, в этом случае также происходит перенаправление межступенных потоков (байпасирование), при котором соответствующие межступенные потоки передаются в следующие работающие ступени минуя исключенное из работы оборудование. Таким образом, современная технологическая схема разделительного производства представляет из себя набор разделительных ступеней соединенных между собой межступенными и межкаскадными коммуникациями определенным образом. Расчет параметров подобных систем традиционными итерационными методами достаточно сложен и в некоторых случаях, при внесении значительных изменений в технологическую схему, требует внесения существенных изменений не только в начальные данные, но и в сам алгоритм расчета, что требует определенного времени и квалификации от пользователя программой по расчету параметров технологической схемы разделительного производства.

Весь текст будет доступен после покупки

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Теория каскадирования

1.1.1 Понятия и приемы, используемые в практике центробежного каскадирования.

Для получения нужного количества изотопного продукта и определенной концентрации как правило невозможно с помощью отдельной газовой центрифуги в связи с тем, что ее производительность ограничена и недостаточно большие коэффициенты разделения. Для описания центробежного каскада используют следующее произведение:
?0 · N,
где ?0 = (q0 – 1) – полный коэффициент обогащения, который приходится на единичную разность массовых чисел разделяемых компонентов,
N – общее число ступеней в каскаде.
Для того, чтобы получить высококонцентрированные малораспространенные в природе стабильные изотопы используются центробежные каскады, содержащие сотни ступеней.
В каскаде разделительная ступень может содержать одну центрифугу, а также несколько или много, которые соединяются параллельно и работают в одном и том же разделительном и гидравлическом режимах. Количество рабочего вещество («ширина» ступени), который протекает через ступень, определяет количество центрифуг. Одной центрифуге соответствует минимальная ширина ступени. С увеличением ширины ступени будет увеличиваться количество вещества, которое подвергается разделению, а соответственно каскад будет производить больше обогащенного продукта.
Изначально для того, чтобы создать целевую разделительную установку проводятся исследования, которые моделируют одиночную разделительную ступень. Данные опыты позволяют найти относительные коэффициенты разделения:
q_ij=(c_i^' c_j^'')/(c_j^' c_i^'' ),
где c_i^' c_j^' и c_j^'' c_i^'' - концентрации i-го и j-го компонентов в выходных потоках из ступени,
i, j = (1,m) ?, m – это число компонентов разделяемой смеси.
Найденные относительные коэффициенты разделения используют для проведения расчетов параметров каскада.
Современная центробежная технология обладает такой характерной возможностью как гибкость. Это заключается в ее она способности перестраивать конфигурацию каскада, изменении его длины и ширины ступеней, а также вариации места подачи питания в каскад. Все это необходимо для реализации режимов разделения, которые необходимы для того, чтобы концентрировать тот или иной изотоп различных химических элементов и осуществления наиболее производительных режимов разделения. Для того, чтобы это осуществить без специальных монтажных работ и не нарушая вакуумную плотность ступеней устанавливаются необходимые коммутации и вентили. Если бы в каскаде имелось, например, двести центрифуг, то при ширине в четыре центрифуги можно смонтировать каскад из пятьдесят ступеней. Наличие необходимых трасс и вентилей помогло бы перенаправить потоки так, чтобы каскад при ширине две центрифуги содержал сто ступеней. Чем шире каскад, тем больше пропускается исходного вещества. Чем длиннее каскад, тем выше обогащение крайних компонентов разделяемой смеси.
Регулировочными органами, которыми снабжают разделительные ступени каскада, являются: расходомерные элементы и регуляторы давлений для поддержки стабильности гидравлического режима работы, которые позволяют выполнять условия каскадирования разделительных ступеней. Чтобы обеспечить технологическую надежность каскада на случай нарушения гидравлических режимов каскад разделяют на «отсекаемые» группы с помощью вентилей и клапанов. Если нарушается работа какой-либо центрифуги, то ее отсекают собственными клапанами и выводят из эксплуатации.
Трасса питания каскада расположена по всей длине каскада. Через специальный вентиль данной трассы подается исходное рабочее вещество в любую ступень каскада. Регулирует и контролирует подачу заданного и постоянного потока питания соответствующая аппаратура.
Применение процессов конденсации и испарение рабочего газа необходимо для функционирования центробежного каскада. В качестве такого рабочего газа используются летучие соединения различного химического каскада. Разделительным режимом задается соотношение подачи и отбора потоков легкой и тяжелой фракции из концевых ступеней. Конденсационно-испарительная установка (КИУ) обеспечивает данную подачу и отбор. Разделенные фракции низкотемпературной конденсацией собирают в емкости. В случаях окончания работы или экстренном случае в каскаде для сбора газа сбросные емкости. КИУ и каскад снабжают необходимой вакуумной системой. Контроль работы каждой центрифуги контролирует система специального контроля. Она следит за числом оборотов центробежного аппарата, величиной давления и потоков в КИУ и каскаде.
Центрифуга является унифицированным оборудованием, на основе которого построена центробежная технология. Это способствует поэтапному повышению разделительных возможностей центробежного каскада. Сначала запуск в эксплуатацию, затем производство продукта, после монтируется (не приостанавливая разделения) и подключается следующая ступень.

1.1.2. Многопараметричность разделительных задач

Ставя задачей получение какого – либо изотопа обычно задают необходимую изотопную концентрацию и требуемое количество вещества. Пока нарабатывается целевой компонент ограничивают время наработки целевого компонента, степени его обогащения и содержание примесных изотопных компонентов.
Расчётно – теоретические исследования необходимы при постановке разделительной задачи. Для этого необходимы алгоритмы расчетов, которые оформляют в виде специализированных программных продуктов. Для расчета каскада заданной конфигурации используются исходные параметры:
F – поток питания,
P – поток отбора,
ciF, при i =1, ... , m – концентрации компонентов в потоке питания,
qij – относительные коэффициенты разделения,
N – число ступеней в каскаде,
f – номер ступени, на вход которой подают поток питания,
L – поток питания ступеней («ширина»),
ciP, ciW – концентрации в выходных потоках из каскада,
ci (s) – распределение концентраций по ступеням каскада.
Как правило, процесс разделения урана непрерывен и постоянен. На выбор наиболее эффективного разделительного режима существенно влияет цена имеющегося в наличии рабочего соединения. Анализ разделительного процесса перед его практической реализацией усложняется необходимостью проведения более чем одного разделительного этапа, которая возникает из-за того, что наличие разделительных элементов ограничено. Существенно упрощает будущую работу по разделению наличие изотопно-разделенных фракций данного химического элемента от предыдущих кампаний у производителя.
Более чем один этап разделения необходим, если нарабатывается не крайний изотоп или же достаточно высокие требования по наличию примесных компонентов. В данном случае в каскад снова идет подача в виде потока питания ценная фракция, которую собрали на предыдущем этапе. Меньшей длине используемого каскада соответствует большее количество этапов проведения.
Стратегия разделительной кампании выстраивается при разделении изотопов на каскадах центрифуг, учитывая тот компонент разделяемой смеси, который является целевым и какая концентрация целевого изотопа, и какое количество должны быть получены. Данные факторы задают последовательность разделительных этапов, а также необходимую массу исходного рабочего вещества. Для того, чтобы определить оптимальные условия ведения процесса разделения необходимо провести комплекс расчетно-теоретических исследований используя при этом различные методики расчета прямоугольного каскада. По ходу одной разделительной кампании иногда требуется получить не только основной, но и один или несколько других изотопов разделяемого элемента. Последовательность проведения разделительных этапов, а также степень целевых изотопных компонентов зависят от требований, которые предъявляются к концентрации данных компонентов и их молекулярным массам.
Если вещество в каскаде не теряется, то суммарный поток отбора легкой и тяжелой фракций равен потоку питания, который подается в данный каскад. Химические соединения, которые используют в качестве рабочего вещества, должны быть химически и термически стойкими. Это значит, что они не должны переходить в больших количествах в нелетучие формы и не должны вызывать коррозию материалов, из которых изготовлена разделительная установка. Если рабочее вещество, которое используется при разделении изотопов урана, разлагается, то в разделительных каскадах ступени возникают его потери. Наличие данных потерь нарушает изотопный баланс на ступенях и концевых (выходных) потоках каскада, поэтому возникает необходимость анализа процесса разделения в каскаде при учете наличия потерь.
Величина потерь рабочего вещества существенно влияет на выбор режима разделения. Из-за потерь снижаются разделительные возможности каскада, а также возникает необходимость увеличения исходного количества рабочего вещества. Если уровни потерь значительны при нестационарной начальной работе каскада, то проводят коррективный учет данной величины оптимизации работы по следующему параметру: «продолжительность работы/масса исходного вещества». Данные потери способствуют осаждению продуктов разложения рабочего вещества, и в самих центрифугах, и в коммуникациях.
Продукты разложения и рабочим газом могут находиться в во взаимодействии, а также приводят к изменению изотопного состава отбираемых фракций, а также вносят дополнительное химическое загрязнение отбираемого продукта.

1.1.3. Организация разделительной кампании.

Перед тем, как каскад переходит в стационарный режим работы, ему предшествуют некоторые операции. Сначала каскад заполняют рабочим веществом и подают рабочий поток его питания в заданную ступень. После начинается отбор легкой и тяжелой фракций с необходим давлением, затем выравнивают гидравлические параметры (давлений и количества вещества) в разделительных ступенях. Достигнув стационарный гидравлический режим, потребуется время для установки стационарного разделительного режима. Что позволит концентрациям изотопных компонентов в отбираемых потоках не изменяться и соответствовать заданным. Причем в каскаде будет достигаться постоянное распределение изотопных компонентов по ступеням.
Разработанные алгоритмы расчета каскадов дают возможность вычисления концентрации компонентов, как в концевых потоках, так и на каждой ступени каскада. Это позволяет рассчитывать весовое содержание всех изотопных компонентов в каскаде.
Характеристики каскада можно на практике определить следующим образом. Необходимо прекратить подачу питания в каскад, перекрыть отбираемые потоки и удалить в сбросную емкость весь рабочий газ. С помощью массы удаленного газа можно определить газонаполнение самого каскада и одной его ступени. При совпадении расчетных концентраций в потоках отбора и отвала с реальными можно утверждать о том, что использованная расчетная методика выбрана правильно и в общем выбранный технологический режим оптимален.
Время установления разделительного режима определяется накоплением изотопных компонентов в каскаде с заданным концентрациями. Предположим, что газонаполнение некоторого каскада равняется 100 г рабочего вещества, а, согласно расчету, на стационарном режиме 30% в нем содержится ценный изотопный компонент. Допустим, для питания каскада берется каждые сутки 1000 г вещества, у которого 2% будет концентрация ценного изотопного компонента, а соответственно поток данного компонента – 20 г/сут. Если в отбираемые фракции ценный изотопный компонент не попадает, а только имеет свойство накапливаться в каскаде, то 30/20~1,5 суток будет его оценочным временем установления. Как показывает практика времена установления варьируются от нескольких часов до нескольких суток.
Время установления, в случае если проводится многоэтапная разделительная кампания, является одним из важных параметров, который зависит от газонаполнения каскада. Для того, чтобы получить некоторый изотоп в количестве 20 г рабочего вещества, необходимо провести трехэтапную кампанию на одном и том же каскаде, причем на каждом этапе отношение потока питания к потоку отбора будет составлять 10/1. Таким образом, поток питания исходного вещества и поток отбора ценной фракции на разных этапах будут принимать соответственно следующие значения:
1 этап – 20000 г и 2000 г;
2 этап – 2000 г и 200 г;
3 этап – 200 г и 20 г.
Это факт характеризует случаи если обогащают малораспространенные (1% и менее) изотопы или изотопы, имеющие большое природное содержание. Данная задача не характерна для крайних изотопов элемента в изотопном интервале. Справедливость данных оценок достигнута, если на каждом этапе разделительной кампании газонаполнение каскада на много меньше величины потока питания.
В случае, если имеется каскад, у которого газонаполнение равно 100 г рабочего вещества, третий этап, который найден в расчетах не реализуется в силу того, что половина 200 г (были наработаны во время второго этапа) будет уходить на заполнение каскада, что займет время (и питающий газ) для выхода в стационарный режим, тем самым накопительный режим может быть невыполним, так как на него не хватит времени. Проще говоря для того, чтобы реализовать третий этап понадобится вдвое или даже втрое большее количество газа для потока питания, т. е. от 400 до 600 г. Соответственно на первом этапе разделения необходимо перерабатывать от 40 до 60 г исходного рабочего соединения, на что будет тратиться в 2 – 3 раза большее количество времени.
Поэтому каскад, газонаполнение которого равно 100 г, хорош для начальных этапов, но в силу того, что его возможности ограничены общее время разделительной кампании будет увеличено.
Время выхода каскадной установки на стационарный режим является критерием ее оптимальной работы, если разделяются многокомпонентные смеси стабильных изотопов. Оно меньше, чем время самой разделительной кампании:
(Мисх.)/F= tраб. >> tуст. ,
где Мисх. – исходная масса рабочего вещества в каскаде,
F – величина потока питания каскада,
tраб. – время работы установки,
tуст. – время установления стационарного режима.
Чтобы определить общее времени многоэтапной разделительной кампании нужно добавить время, которое понадобится для выполнения технологического перехода от этапа к этапу (замена конденсационных емкостей, изотопный анализ фракций, установка нового питания, откачка КИУ и т. д.). В результате этого практически время кампании больше в сравнении с первоначально оцененной длительностью наработки целевого изотопа. Данный фактор оказывает существенное влияние на последних этапах работы, когда нельзя чтобы был снижен достигнутый уровень обогащения ценного компонента. Поэтому на последних этапах желательно использование каскадов, у которых небольшое газонаполнение.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Сулаберидзе, Г.А. Теория каскадов для разделения бинарных и многокомпонентных изотопных смесей: учеб. пособие / Г.А. Сулаберидзе, В.А. Палкин, В.Д. Борисевич, В.Д. Борман, А.В. Тихомиров. – М. : НИЯУМИФИ, 2011. - 368 с.
2. Бать Г.А., Коченов А.С., Кабанов Л.П. Исследовательские ядерные реакторы - М. : Атомиздат, 1972. - 272 с.
3. Российское атомное сообщество. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.atomic-energy.ru/node/1779.
4. Круглов А.К., Рудик А.П. Реакторное производство радиоактивных нуклидов - М. : Энергоатомиздат, 1985. - 256 с.
5. Андреев О.В. Активационная радиометрия нейтронных полей: учеб. пособие / Т. : Изд-во ТПИ им. С.М. Кирова, 1991. - 56 с.

Весь текст будет доступен после покупки