Page 5 - 《真空与低温》2025年第4期
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420                                         真空与低温                                   第 31 卷 第  4  期


                  sults show the acceptable error and indicate appropriate hole diameter could form a trail with a significant concentration
                  gradient downstream of the holes. The gas-liquid exchange channel between two pieces of packing could effectively increase
                  the local flow velocity，which was able to enhance the mass transfer between cryogenic gas and liquid. The peak height and
                  wave distance are negatively correlated with separation efficiency，as the peak height and wave distance increase，the concen-
                  tration of the liquid at the outlet rises， the purification efficiency decreases， and the peak height have a more significant
                  impact.
                     Key words：structured packing；two-phase flow；heat and mass transfer；cryogenic distillation；CFD simulation


              0 引言                                              料表面形成连续降膜流动，显著增强传质推动力。

                  由于大光产额、高密度、自屏蔽效应和无长                           阎维平等     [14]  发现波纹板的结构对液膜流动有重要
              寿命放射性同位素等特点，氙被用作暗物质探测                             影响。扈诗语等        [15]  发现高褶皱角有助于液体形成
              实验中的探测介质          [1-4] 。目前商业高纯度氙产自空              稳定的液膜，可以减小压降和促进传质。但目前大
                     [5]
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              气分离 ，会不可避免引入放射性杂质 Kr，衰变过                          多研究皆针对较高浓度下的精馏分离，尚未有对
                                                                  −12
              程会释放出最大为           687 keV  的  β  能量，半衰期为         10  mol/mol 级别精馏分离的数值模拟模型，结合
                     [6]
              10.76 年 ，会对暗物质探测实验引入放射性本底。                        实验数据研究低温工况极低浓度下规整填料上的
              中国暗物质探测器配套的氪氙低温精馏系统，可有                            传热传质情况对于以电子气为代表的超高纯工业
              效将氪氙分离，能将 Kr 含量降至               10  mol/mol 以     气体的精馏分离工艺设计具有一定的指导作用。
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              下，即氙中氪的含量降至            10  mol/mol 以下 ，最高              对此，本文将基于自主研发并已投入运行的氪
              提纯速率可达       10 kg/h。                             氙 分 离 低 温 精 馏 系 统 的 实 验 数 据， 在        COMSOL
                  目前世界上已研制用于暗物质探测器且投入                           Multiphysics 软件中建立低温全回流工况极低浓度
              运行的超高纯氪氙分离低温精馏系统基于                      McCa-     下波纹填料      PACK-13C   的特征单元模型，通过分析
              ble-Thiele 方法设计，浓度最低可达            10 −14  mol/mol。  气液两相传热传质特性，研究低温工况极低浓度下
                    [8]
              Abe 等 基于“DX 实验室填料（Sulzer）”，塔总高为                   的气液传质过程，并通过改变填料几何结构进行
                                                 −9
              208 cm，可以  0.6 kg/h 的速率将含氪     3×10  mol/mol 的    优化分析。

              原料氙气提纯至        3.3×10  mol/mol±1.0×10  mol/mol，
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              后期将塔高升级至          291.5 cm，可以   4.7 kg/h 的速率
                                                                1.1 精馏系统介绍
              提 纯 得 到 含 氪 至多     2.7×10  mol/mol 的 高 纯 氙 。
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                            [9]
              PandaX  合作组 基于双层不锈钢金属丝网波纹填                             基于  McCable-Thiele 方法，设计并研制了一套
                                                                氪氙低温精馏系统 ，如图             1 所示。精馏塔总高为
                                                                                  [16]
              料  PACK-13C，塔总高为       400 cm，可以   5.0 kg/h 的速
              率将含氪      3×10  mol/mol 的原料氙气提纯至          1.2×    6 m，内部填料柱高度为           4 m，其中精馏端为        1.9 m，
                            −9
                                −12
                −12
              10  mol/mol±0.3×10  mol/mol，后期将塔高升级至              提馏段为      2.1 m，塔内径为     80 mm。精馏塔主体材
              600 cm，可以   10.0 kg/h 速率提纯至多     1×10  mol/mol    质为   304 不锈钢，分为内外塔两层，内外塔间抽真
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                           [10]
              的含氪高纯氙 。Xenon 合作组            [11]  基于“EX 实验室      空以减少对流换热，真空度为               6 ×10  Pa，内塔外侧
              填料（Sulzer）”，塔总高为       550 cm，可以最大     7.2 kg/h   包裹多层绝热纸以减少辐射漏热至约                   6 W。
              的速率提纯得到含氪至多             4.8×10  mol/mol 的超高            塔顶部为带      GM  制冷机的冷凝器，其底部呈漏
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              纯氙。低温精馏塔的分离能力极大依赖于其填料                             斗形，便于液化的液氙回流至塔中。GM                    制冷机冷
              的性能，因此研究极低浓度下填料表面上的气液传                            头底部焊接紫铜扩展翅片以增大换热面积，提高换
              质过程，对于促进极低浓度低温精馏系统的优化发                            热效率，与加热棒配合可实现温度控制。除此之外，
              展具有重要意义。                                          紫铜扩展翅片贴有加热片以控制温度。塔底部为
                  目前，由于低温工况下规整填料测试实验成本                          再沸器，安装有电容式液位计以实时测量液位，再
              高、难度大，大多采用数值模拟的方法对填料的传                            沸器中安装电加热棒用于蒸发液氙。在精馏塔顶
              热传质性能进行研究。Guo 等             [12]  发现波纹填料上         部、中部和底部均安装了液体分配锥，能使在整个
              开孔会增大气液两相相互作用，有利于传质传热。                            高度内的填料都得到均匀喷淋，减少壁流效应，提
              田叶盛等     [13]  发现丝网波纹填料使液膜更容易在填                   高精馏塔的效率。
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