Page 10 - 《真空与低温》2025年第4期

陆聪聪等：基于超高纯氙低温精馏的规整填料传热传质模拟和优化设计 425

况，由于气相和逆向流动的液相在接触面上发生传 了局部的流速和混合度，有利于增强气液相之间的
质作用，氪逐渐富集在气相，因此随着氙气向上流 传质作用，在该区域内的浓度变化较为剧烈。分子
[26]
动，其含氪浓度不断增加。相较于液相而言，在同 扩散理论中气相中分子扩散速度大于液相 ，所以
一片填料中相互平行的不同气相流道受到规整填 气相总体浓度相较于液相而言分布更均匀。

料丝网上液膜的阻隔作用，不同气相流道中的含氪 3.2 优化分析

浓度有较大差异。在进出口的外延部分，气相浓度 3.2.1 开孔直径对 PACK-13C 填料传质的影响
变化较为缓慢，而在中间的气相交叉区域，由于流 开孔直径对 PACK-13C 填料传质的影响如图 6
道相互垂直的气相能在交叉处不断交换流道，提高 所示。

氪浓度/（mol·mol ）
-1
3×10 −7

2.99×10 −7

2.98×10 −7

1.25 mm 1.50 mm 1.75 mm −7
2.97×10
2.96×10 −7

2.95×10 −7

2.00 mm 2.50 mm 3.00 mm 2.94×10 −7
2.94×10 −7

图 6 不同开孔直径下液相含氪浓度场
Fig. 6 The Kr concentration field of liquid xenon under different hole diameter

图 6 显示随着开孔直径变大，开孔后方含氪浓
×10 −7
度变化更为剧烈，尾部拖带宽度增加，但出口液体 2.971 6
含氪浓度不断升高，3 mm 开孔下出口液体含氪浓 2.971 4
−7
度为 2.971 5×10 mol/mol。且随着开孔直径的变 2.971 2
大，尤其是开孔直径超过 2 mm 后，在相邻两片填
料的液相交叉区域形成尾流中的浓度梯度明显减 出口液体含氪浓度/ （mol·mol −1 ） 2.971 0
小，这表明过大的开孔直径会对液相交叉区域的气 2.970 8
液传质过程起到抑制作用。 2.970 6
图 7 中，随着开孔直径的变大，出口液体含氪
2.970 4
浓度升高更为明显。这是因为随着开孔直径的 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
开孔直径/mm
增大，规整填料丝网占据面积减少，其单位长度上
气液接触面积减少，进一步影响了气液间的传质作 图 7 出口含氪浓度随已修改不同开孔直径的变化
用，从而导致出口液体含氪浓度不断升高，图中开 Fig. 7 The Kr concentration variation in outlet liquid
孔直径为 1.75 mm 之后随着开孔直径升高到 3 mm， with the variation of hole diameter
出口液体含氪浓度由 2.970 6×10 mol/mol 迅速升 3.2.2 丝网厚度对 PACK-13C 填料传质的影响
−7
−7
高至 2.971 5×10 mol/mol，说明此时气液接触面积 图 8 显示，当丝网厚度由 0.3 mm 增至 0.5 mm
减少对于整体传质的负面效应更为突出。因此在 时，出口液体含氪浓度上升 0.017×10 mol/mol，提
−7
设计丝网填料开孔时，应当综合考虑其对增强局部 纯效率下降为 42.5%，即丝网厚度越大，出口液体
传质作用和减少气液相接触面积的双面效应。 含氪浓度越高，提纯效率越低。这是由于在模拟中