Page 6 - 《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 421

GM 制冷机

冷 废品氙
凝
器 T
液体分配锥
精
馏
段

产 原 提
品 料 馏
氙 氙 段
外塔
液位计
预 T
换 冷 再
热 制 沸 内塔
器 冷 器
机 T
（a）系统结构 （b）系统实物

图 1 超高纯氪氙低温精馏系统 [16]
Fig. 1 Krypton-xenon separation cryogenic distillation system [16]

186
填料是精馏塔中最关键的部分，由于重力作用，
平衡后 230
液体会附着填料表面呈液膜下滑，与上升的气体逆 184
向接触进行传质传热作用，其性能直接影响精馏塔 220
182
的提纯效率。在本文中，填料采用由上海化工研究 210
院自主研制的双层不锈钢金属丝网波纹填料 PACK- 温度/K 180 压力/kPa
13C ，适用于理论板数较高的精密精馏过程，比表 178 再沸器底部 200
[17]
再沸器顶部
2
3
面积高达 1 135 m /m ，单位理论板压降仅为 29 Pa。 冷凝器
176 冷凝器 190

1.2 实验结果 再沸器
174 180
精馏塔运行主要包括预冷、进料、全回流、精 40 50 60 70 80
馏提纯和停机回收五个阶段。全回流阶段在精馏 时间/h
塔运行过程中具有极其重要意义，在该阶段中全塔 图 2 全回流阶段中精馏塔温度和压力随时间的变化
无进料和出料，全塔处于低温工况，内塔和外塔之 Fig. 2 The variation tendency of temperature and pressure of
−3
间保持至少 6 ×10 Pa 真空以减少漏热，塔顶制冷量 the distillation column during the total reflux satge
与塔底加热量基本相等，气液两相间传质推动力最
大，在最短的时间内使精馏塔进入传质平衡状态。在 2 数值模型
全回流阶段平衡后，塔底产品氙的纯度决定了提纯
2.1 物理模型和边界条件
阶段产品的纯度 ，可测定低温精馏塔的分离效率。
[17]
为研究规整填料中低温气液的传热传质过程，
全回流阶段在 62.5 h 后进入平衡状态，塔底再
本文截取实验所用的双层不锈钢金属丝网波纹填
沸器中液位基本保持在 12.75 cm，再沸器和冷凝器
的温度压力如图 2 所示，冷凝器的温度为 179 K，再 料 PACK-13C 进行建模，其物理模型如图 3 所示，
沸器底部温度为 179.8 K，整塔处于低温工况，再沸 单片填料长度约为 20 cm，关键参数如表 1 所列。
器压力约为 221 kPa，为氙气在 179.8 K 下对应的 研究模拟位于冷凝器下方的首块填料，选取气液两
−7
饱和压力，高于塔顶约 6 kPa，为氙气提供了足够的 相氪氙混合物作为流体物系，其中氪浓度为 10 量
上升压差。经取样测量，塔底氙含氪浓度为 3.0× 级，其物理性质由 Peng-Robison（PR-Twu）方程进行
[9]
[19]
−12
10 mol/mol，塔顶氙含氪浓度为 3.0×10 mol/mol 。 描述 ，其中二元相互作用参数 k P 为 R 0.001 9 。
−7
[18]