Page 4 - 《真空与低温》2025年第4期
P. 4

第  31 卷    第  4 期                          真空与低温
                 2025 年 7 月                           Vacuum and Cryogenics                                419



                          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



                                                                      1*
                                                    1
                                            陆聪聪 ，王 舟        2,3* ，巨永林 ，崔祥仪     2,3
                                   （1. 上海交通大学 制冷与低温工程研究所，上海 200240；
                                         2. 上海交通大学 李政道研究所，上海 200240；
                                         3. 上海交通大学 四川研究院，成都 610213）


                     摘要：PandaX-II 超高纯氙低温精馏系统采用规整填料 PACK-13C             以分离商业氙中的杂质氪，以满足高灵敏度、
                  低背景暗物质检测实验的要求，精馏塔总高为                 6 m，内部填料柱高度为       4 m，其中精馏端为     1.9 m，提馏段为   2.1 m。
                                                                     −3
                  低温精馏系统运行实验结果表明，在全回流阶段，外塔保持                     6×10  Pa 真空，内塔处于    178 K、221 kPa 的低温工况，
                                                −12
                                 −9
                  氙含氪浓度从     3×10  mol/mol 降至  3×10  mol/mol。基于低温精馏系统所使用的规整填料           PACK-13C，建立了特征
                  单元上的计算流体力学（CFD）多物理场耦合模型，基于 Delft 模型得到传质系数，模拟了全回流阶段规整填料上的
                  低温气液分离过程，模拟结果与实验结果误差较小。模拟结果显示在规整填料表面进行适当尺寸的穿孔可以显
                  著增强低温气液传质，填料的峰高和波长与分离效率呈负相关，其中峰高的影响更为显著。
                     关键词：规整填料；两相流；传热传质；低温精馏；CFD                模拟
                                   +
                     中图分类号：TB61 1                    文献标志码：A       文章编号：1006−7086（2025）04−0419−09
                     DOI：10.12446/j.issn.1006-7086.2025.04.001

                        Simulation and Optimization Design of Heat and Mass Transfer of Structured Packing
                                         Based on Xenon/Krypton Cryogenic Distillation


                                                  1
                                                                          1*
                                      LU Congcong ，WANG Zhou  2,3* ，JU Yonglin ，CUI Xiangyi  2,3
                      （1. Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；
                             2. Tsung-Dao Lee Institute，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；
                            3. Sichuan Research Institute，Shanghai Jiao Tong University，Chengdu 610213，China）


                     Abstract：Based on the structured packing PACK-13C，an ultra-high purity cryogenic distillation system was designed
                  to remove krypton from commercially available xenon to satisfy the needs of low-background and high-sensitivity dark mat-
                  ter detection experiment. The distillation tower had a total height of 6 meters，with an internal packing height of 4 meters.
                  Within the packing，the rectification section was 1.9 meters，and the stripping section was 2.1 meters. The inner diameter of
                  the tower was 80 millimeters. The experiment result of cryogenic distillation system demonstrated that during total-reflux
                                             −3
                  stage，it maintained vacuum of  6×10  Pa between the inner and outer tower，the temperature of the distillation column is
                  178 K，the pressure of the top reboiler was approximately 221 kPa. and the krypton concentration in xenon could be reduced
                         −9            −12
                  from 3×10  mol/mol to 3×10  mol/mol. According to the characteristic unit of structured packing PACK-13C which used in
                  the cryogenic distillation system，this article constructs a Computational Fluid Dynamics （CFD） model incorporating multi-
                  physics coupling，which can perform coupled calculations of flow field，temperature field，and concentration field，and the
                  mass transfer coefficient is calculated from the Delft model. This CFD model could be utilized to simulate the gas-liquid sep-
                  aration process on structured packing unit during total-reflux stage. Compared to the experimental result，the simulation re-


              收稿日期：2024−11−12
              基金项目：国家自然科学青年基金（52206015）；四川省科技计划项目（2024YFHZ0006）
              作者简介：陆聪聪，硕士研究生。E-mail：1458810299@sjtu.edu.cn
              通信作者：王舟，副研究员。E-mail：wangzhou0303@sjtu.edu.cn
                      巨永林，教授。E-mail：yju@sjtu.edu.cn
   1   2   3   4   5   6   7   8   9