Page 11 - 《真空与低温》2025年第4期

426 真空与低温 第 31 卷 第 4 期

将液膜厚度设置为丝网厚度，液膜厚度增加，气液 得到的气相传质系数 k G和液相传质系数 k L减小，根
接触面上的液体含氪浓度由于气液传质作用下降， 据式（8），气液间的传质系数 k LG会减小，进而出口
但液体内部未与气体发生传质作用，液体会产生浓 液体含氪浓度升高。其中峰高相较于波距而言对
度梯度，进而引发浓度扩散，导致液体含氪平均浓 液相传质系数 k L更为显著，因此对传质的影响更大。
度偏高。因此，形成较薄的液膜有利于提高提纯效
×10 −7
率，但会限制提纯速率。 2.980

3.2.3 填料几何结构对 PACK-13C 填料传质的影响
填料几何结构会影响气液两相的流道形状，导 2.975

致气液流速的变化，进而影响传质作用。从图 9（a） 2.970
（b）可以看到，出口液体含氪浓度与峰高 H 和波距 出口液体含氪浓度/ （mol·mol −1 ）
B 皆为正相关，当峰高由 2 mm 增至 3 mm 后，液体 2.965
−7
出口含氪浓度上升 0.004×10 mol/mol，提纯效率下 2.960
降为 12.66%。波距由 3 mm 增至 5 mm 后，液体出
口含氪浓度上升 0.002×10 mol/mol，提纯效率下降 2.955 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55
−7
为 6.45%，可见峰高相较于波距对传质的影响更大。 丝网厚度/mm
造成这种现象的原因是，填料的峰高和波距增加虽 图 8 出口含氪浓度随不同丝网厚度的变化
然在一定程度上可以使三角通道的斜边 S 变长，增 Fig. 8 The Kr concentration variation in outlet liquid with the
加气液接触面积，但同时会导致 Delft 模型预测 variation of thickness

×10 −7 ×10 −7
2.976 2.976
出口液体含氪浓度/ （mol·mol −1 ） 2.972 出口液体含氪浓度/ （mol·mol −1 ） 2.972
2.974
2.974

2.970
2.970
2.968

2.966
2.966 2.968
1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
峰高/mm 波距/mm
（a）不同峰高 （b）不同波距
图 9 出口含氪浓度随不同峰高、波距的变化
Fig. 9 The Kr concentration variation in outlet liquid with the variation of peak height and wave distance

4 结论 过大将抑制气液间传质，丝网厚度由 0.3 mm 增至
PandaX-II 低温精馏系统是一套自主研制运行 0.5 mm，传质效率将显著下降 42.5%。且填料的传
的氪氙分离低温精馏系统，利用规整填料 PACK- 质效率与峰高和波距成反比，其中峰高的影响更加
−12
13C 从商业氙中去除氪，降至 3×10 mol/mol，以满 显著，揭示了低温精馏系统中传质效率的影响因素。
足高灵敏度、低背景暗物质检测实验的要求。根 模拟和优化结果对于在极低杂质浓度条件下提高
据实验，获得了低温全回流工况下精馏塔的流量、 低温精馏分离效率、生产高纯度气体具有重要意义。
温度和浓度场分布。模拟结果显示氪浓度偏差为
参考文献：
0.12%，准确性较好。规整填料开孔有利于提高气
液间的传质效率，但开孔直径超过 1.75 mm 后，气 [1] MENG Y，WANG Z，TAO Y，et al. Dark matter search results
液接触面积降低，提纯效率显著下降。丝网厚度 from the PandaX-4T commissioning run[J]. Physical Review