本發(fā)明屬于鈾轉(zhuǎn)化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種間接測量hf酸度的方法，具體涉及一種10ka中溫電解槽中電解質(zhì)液位與hf酸度關(guān)系數(shù)學(xué)模型的建立方法。

背景技術(shù)：

在核工業(yè)鈾化工生產(chǎn)中需要大量氟氣，是通過電解hf取得的，這一過程稱為電解制氟工序。在電解的過程中要實時檢測電解液中hf酸度。但在現(xiàn)有技術(shù)條件下，直接對電解質(zhì)的酸度進行檢測在國內(nèi)還無法實現(xiàn)，國外也沒有這方面技術(shù)的公開報道。目前采用的是人工操作的方法來檢測電解槽內(nèi)hf酸度：即在某一時間周期內(nèi)，人工通過中溫電解槽取樣孔，取其中少量電解質(zhì)為檢測樣品，送至實驗室進行分析、計算出電解質(zhì)酸度，無法保證實時檢測要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)條件下，通過理論計算和試驗，發(fā)現(xiàn)電解液液位的變化量與電解質(zhì)中hf酸度變化量有線性對應(yīng)關(guān)系，采用測量電解質(zhì)液位來間接測量電解質(zhì)中hf的酸度，滿足實時測量的要求。

為達到上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：

一種10ka中溫電解槽中hf酸度檢測數(shù)學(xué)模型的建立方法，測量電解槽的液封以及對應(yīng)時刻hf酸度值，將這些數(shù)值繪制在坐標圖中，即可得到散點圖，散點散落在某直線附近，通過曲線擬合確定這條直線的方程，得到的數(shù)學(xué)模型y＝ax+b為：

(1)電解前初始液封為80㎜～85㎜時：

y＝(0.0550x+32.9625)％

(2)電解前初始液封為85㎜～90㎜時：

y＝(0.0550x+32.6875)％

(3)電解前初始液封為90㎜～95㎜時：

y＝(0.0550x+32.4125)％

(4)電解前初始液封為95㎜～100㎜時：

y＝(0.0550x+32.1375)％

式中：x為電解槽中電解質(zhì)液封；y為電解質(zhì)中hf酸度。

采用非接觸式雷達液位計作為電解槽液封的檢測儀表，雷達液位計的精度為±3mm。

常數(shù)a的確定方法為：在電解槽正常電解狀態(tài)下，向電解槽中加入hf至液封120mm，取樣分析電解質(zhì)此時對應(yīng)的酸度，確定最高液封下對應(yīng)酸度值；停止hf供料，將電解槽投入進行正常運行，在電解過程中監(jiān)測液封變化，1h進行一次人工液封測量，同時對電解質(zhì)取樣進行酸度分析，觀測各參數(shù)關(guān)系，隨著電解的進行，電解液的液封和酸度也在逐漸降低，直至液封降至90mm時，一次測量周期完成；根據(jù)測量液封與酸度的關(guān)系，使用最小二乘法獲得擬合曲線，得到第一組數(shù)據(jù)擬合曲線數(shù)學(xué)模型：

y＝(0.0596x+32.341)％

以此方法再進行2次測量，得出的數(shù)學(xué)模型分別為：

y＝(0.0529x+32.843)％

y＝(0.0526x+33.009)％

三組數(shù)學(xué)模型中，第一組數(shù)學(xué)模型a1＝0.0596，第二組數(shù)學(xué)模型a2＝0.0529，第三組數(shù)學(xué)模型a3＝0.0526，對這三組數(shù)學(xué)模型中的a取平均值，得到a＝0.0550。

常數(shù)b的確定方法為：將合格的重量為3080±5kg的khf2分別加入電解槽中，按照氟化氫hf和khf2的配比為1：4的要求，在小于等于0.2mpa壓力的情況下加入hf以配置成kh2f3融鹽電解質(zhì)，控制電解質(zhì)融化溫度在80℃～90℃之間，使電解液融化均勻，取樣分析hf含量為39.8～40.2％為合格，此時測量液封為80mm～100mm之間；數(shù)學(xué)模型的建立按照初始液封分為四個范圍：80㎜～85㎜、85㎜～90㎜、90㎜～95㎜、95㎜～100㎜；

(1)電解前初始液封80㎜～85㎜時，取x＝82.5㎜：

y＝(0.0550x+b)％

將y＝40％，x＝82.5㎜帶入式中得b＝35.4625；

(2)電解前初始液封85㎜～90㎜時，取x＝87.5㎜：

y＝(0.0550x+b)％

將y＝40％，x＝87.5㎜帶入式中得b＝35.1875；

(3)電解前初始液封90㎜～95㎜時，取x＝92.5㎜：

y＝(0.0550x+b)％

將y＝40％，x＝92.5㎜帶入式中得b＝34.9125；

(4)電解前初始液封95㎜～100㎜時，取x＝97.5㎜；

y＝(0.0550x+b)％

將y＝40％，x＝97.5㎜帶入式中得b＝34.6375；

選擇第二組試驗數(shù)據(jù)作為標準校正，電解槽初始液封為89㎜，通過計算對比，計算酸度比實測酸度高2.5％，將數(shù)學(xué)模型中的b減去2.5，重新得到數(shù)學(xué)模型：

y＝(0.0550x+32.6875)％

此公式是對1個電解槽的1種初始值進行計算而得出的結(jié)果；通過上述方法，依據(jù)此電解槽的不同初始液位對其余三個公式進行b值修正。

本發(fā)明所取得的有益效果為：

本發(fā)明對電解質(zhì)中hf的酸度進行較為精確的實時檢測，從而實現(xiàn)電解過程中對hf的加入量精確控制。在電解制氟過程中如能夠保持hf酸度在某一個穩(wěn)定值，則電解效率會最高，生產(chǎn)的氟氣純度也高而且陽極碳板壽命長，因此精確控制電解過程中hf的加入量，能夠提高產(chǎn)出氟氣的質(zhì)量，提升生產(chǎn)效率并且降低成本。數(shù)學(xué)模型通過在plc系統(tǒng)中建立運行之后，對一臺電解槽進行了一個月的驗證考核，系統(tǒng)能及時反映電解液的酸度情況。在線plc顯示酸度(％)與化學(xué)分析測得電解質(zhì)酸度(％)滿量程誤差均小于2.5％(f·s)，滿足技術(shù)指標要求，且比現(xiàn)有檢測方法更高效、準確、方便。

附圖說明

圖1為液封高度與對應(yīng)酸度曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

在電解過程中，理論上是不損耗電解質(zhì)的，只是氟氣中夾帶少量的電解質(zhì)，故可忽略不計，只是hf的減少，隨之液位降低。根據(jù)電解槽生產(chǎn)廠提供的數(shù)據(jù)，對10ka中溫電解槽，加電解液液位總高度設(shè)計為880mm～900mm。其酸度變化1％，相當于氟化氫39kg，液面變化16mm。在電解液液位800mm以上，液面變化1mm，相當于三氟二氫化鉀4.8kg，二氟氫化鉀5.9kg或氟化氫2.4kg。

具體方案是利用測量現(xiàn)有10ka電解槽中電解質(zhì)液位變化來反映酸度變化。采用非接觸式雷達液位計作為電解質(zhì)液位的檢測儀表，因為它不用直接接觸電解質(zhì)，而且它的天線部分是ptfe(聚四氟乙烯)材質(zhì)的，這樣就很好地解決了抗腐蝕的問題。此次選擇的雷達液位計的精度為±3mm，根據(jù)測算，電解槽中酸度變化1％，電解質(zhì)液面變化約16mm，這也符合雷達液位計測量精度的要求。而且雷達液位計是靠發(fā)射并接收高頻微波(約26ghz)的方式來測量液位的，這樣就解決了抗磁干擾的問題。

(一)建立數(shù)學(xué)模型

電解槽的液封與酸度呈線性關(guān)系，通過大量測量電解槽的液封以及對應(yīng)時刻酸度值，將這些數(shù)值繪制在坐標圖中，即可得到散點圖，從散點圖中可看出這些點大致散落在某直線附近，確定這條直線的方程(數(shù)學(xué)模型)，即可通過數(shù)學(xué)模型根據(jù)液封變化得到電解槽的實時酸度。

直線方程(數(shù)學(xué)模型)為：y＝ax+b(1)

式中：x:電解槽中電解質(zhì)液封；

y:電解質(zhì)中hf的含量(酸度)；

a:常數(shù)；

b:常數(shù)。

(1)常數(shù)a的確定

在電解槽正常電解狀態(tài)下，向電解槽中加入hf至液封120mm左右，取樣分析電解質(zhì)此時對應(yīng)的酸度，確定最高液封下對應(yīng)酸度值。停止hf供料，將電解槽投入進行正常運行。在電解過程中監(jiān)測液封變化，1h進行一次人工液封測量，同時對電解質(zhì)取樣送分析室進行酸度分析，觀測各參數(shù)關(guān)系。隨著電解的進行，電解液的液封和酸度也在逐漸降低，直至液封降至90mm左右時，一次測量周期完成。

根據(jù)測量液封與酸度的關(guān)系，使用最小二乘法獲得擬合曲線，如圖1所示。

得到第一組數(shù)據(jù)擬合曲線數(shù)學(xué)模型:

y＝(0.0596x+32.341)％(2)

式中，x:電解槽中電解質(zhì)液封；y:電解質(zhì)中hf的含量(酸度)。

以此方法再進行2次測量，得出的數(shù)學(xué)模型分別為：

y＝(0.0529x+32.843)％(3)

y＝(0.0526x+33.009)％(4)

三組數(shù)學(xué)模型中，第一組數(shù)學(xué)模型a1＝0.0596，第二組數(shù)學(xué)模型a2＝0.0529，第三組數(shù)學(xué)模型a3＝0.0526。對這三組數(shù)學(xué)模型中的a取平均值a＝0.0550。將a帶入(1)式，得到數(shù)學(xué)模型：

y＝0.0550x+b

(2)常數(shù)b的確定

電解質(zhì)的配比應(yīng)嚴格進行配置。將合格的重量為(3080±5)kg的khf2分別加入電解槽中，按照氟化氫hf和khf2的配比約為1：4的要求，在以≤0.2mpa壓力的情況下加入hf以配置成kh2f3融鹽電解質(zhì)?？刂齐娊赓|(zhì)融化溫度在80℃～90℃之間，使電解液融化均勻。取樣分析hf含量為39.8～40.2％為合格，此時測量液封為80mm～100mm之間。

由于電解質(zhì)配置有一定的誤差，以及電解槽的結(jié)構(gòu)存在一定的差異，因此電解前電解質(zhì)的液位(液封)會有一定的差異。因此，數(shù)學(xué)模型的建立應(yīng)按照初始液封分為四個范圍：80㎜～85㎜、85㎜～90㎜、90㎜～95㎜、95㎜～100㎜。

1)電解前初始液封80㎜～85㎜時(取x＝82.5㎜)

y＝(0.0550x+b)％(5)

式中：x:電解槽中電解質(zhì)液封；y:電解質(zhì)中hf的含量(酸度)。

將y＝40％，x＝82.5㎜帶入(5)式中得b＝35.4625。

即得到數(shù)學(xué)模型：

y＝(0.0550x+35.4625)％(6)

2)電解前初始液封85㎜～90㎜時(取x＝87.5㎜)

y＝(0.0550x+b)％(7)

式中：x:電解槽中電解質(zhì)液封；y:電解質(zhì)中hf的含量(酸度)。

將y＝40％，x＝87.5㎜帶入(7)式中得b＝35.1875。

即得到數(shù)學(xué)模型：

y＝(0.0550x+35.1875)％(8)

3)電解前初始液封90㎜～95㎜時(取x＝92.5㎜)

y＝(0.0550x+b)％(9)

式中：x:電解槽中電解質(zhì)液封；y:電解質(zhì)中hf的含量(酸度)。

將y＝40％，x＝92.5㎜帶入(9)式中得b＝34.9125。

即得到數(shù)學(xué)模型：

y＝(0.0550x+34.9125)％(10)

4)電解前初始液封95㎜～100㎜時(取x＝97.5㎜)

y＝(0.0550x+b)％(11)

式中：x:電解槽中電解質(zhì)液封；y:電解質(zhì)中hf的含量(酸度)。

將y＝40％，x＝97.5㎜帶入(11)式中得b＝34.6375。

(3)數(shù)學(xué)模型的基本確定

得到a值與b值，即得到數(shù)學(xué)模型：

y＝(0.0550x+34.6375)％(12)

該數(shù)學(xué)模型是通過試驗數(shù)據(jù)散點分布，再經(jīng)過擬合曲線得到的，曲線的擬合度不是很高，所以確定的數(shù)學(xué)模型有一定的誤差，必須進行校正處理。

選擇第二組試驗數(shù)據(jù)作為標準校正，第二組試驗數(shù)據(jù)是在30#電解槽中得來。30#電解槽初始液封為89㎜，所以應(yīng)選擇公式(8)，通過計算對比，數(shù)學(xué)模型計算酸度求平均值為41.3076％，計算酸度比實測酸度高了2.5％。將數(shù)學(xué)模型中的b減去2.5，重新得到新的數(shù)學(xué)模型：

y＝(0.0550x+32.6875)％(13)

(4)數(shù)學(xué)模型的驗證

將數(shù)學(xué)模型(公式13)帶入表1(第一組液封與酸度對應(yīng)數(shù)據(jù))中，計算酸度與實測酸度較為接近，最大相對誤差為1.85％，能夠達到技術(shù)指標要求。因此，數(shù)學(xué)模型合理。

(5)公式(13)是對1個電解槽的1種初始值進行計算而得出的結(jié)果。通過上述方法，依據(jù)此電解槽的不同初始液位又對其余三個公式進行了b值修正。

最后，通過對不同電解槽的不同液封情況下的計算，從而得出每個公式b值的平均值。

(二)數(shù)學(xué)模型的最終確定

1)、電解前初始液封80㎜～85㎜時：

y＝(0.0550x+32.9625)％(14)

2)、電解前初始液封85㎜～90㎜時：

y＝(0.0550x+32.6875)％(15)

3)、電解前初始液封90㎜～95㎜時：

y＝(0.0550x+32.4125)％(16)

4)、電解前初始液封95㎜～100㎜時：

y＝(0.0550x+32.1375)％(17)

表1第一組液封與酸度對應(yīng)數(shù)據(jù)

通過對電解槽酸度儀的現(xiàn)場驗證，并且經(jīng)過初步試驗得出試驗數(shù)據(jù)，在此數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過機理分析和數(shù)學(xué)模型分析的方法得出數(shù)學(xué)模型，酸度檢測系統(tǒng)應(yīng)用于電解過程中滿足電解槽中的電解液酸度的檢測要求，通過驗證考核最大相對誤差≤2.5％(f·s)，達到試驗要求。通過采集大量試驗數(shù)據(jù)，利用電解槽酸度與液封的對應(yīng)關(guān)系，使用最小二乘法擬合曲線，確定了數(shù)學(xué)模型。并將數(shù)學(xué)模型在plc中進行組態(tài)，從而實現(xiàn)了根據(jù)電解槽液封的變化，在線測量出電解質(zhì)酸度的實時變化。