PandaX-4T超高纯氪氙低温精馏系统运行分析及气液两相流动模拟

作     者：严锐 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：巨永林

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

主      题：低温精馏 超高纯氙 实验运行 数值模拟 

摘      要：随着PandaX暗物质探测实验的规模不断升级,探测介质氙的用量需求更大,纯度要求也更高,原有的精馏系统已无法满足实验需求。PandaX-4T实验组通过McCabe-Thiele(M-T)方法及质量、能量守恒方法设计并研制了新一代的超高纯氪氙低温精馏系统,用于将商业氙中氪的摩尔分数由5 × 10-7mol/mol降低至1 × 10-14mol/mol。本文基于该低温精馏系统开展实验运行分析和模拟研究。新研制的氪氙低温精馏系统在未与暗物质探测器耦合的情况下,独立离线运行了 1.5月。通过对精馏系统各个运行阶段的温度、压力、流量及产品氙中氪的摩尔分数等参数进行分析,研究该低温精馏系统的综合性能。此外,在实验数据的基础上,利用数值模拟软件Fluent对氙在填料通道内的气-液两相逆流流动过程进行模拟和分析。本文具体研究内容及主要结论如下:(1)介绍了 PandaX-4T低温精馏系统的运行流程,并对各运行阶段的系统状态进行分析。系统在预冷、进料、全回流、提纯和回收这5个运行阶段中,热力状态稳定,且实验运行的1.5月期间,没有发生液泛现象,系统可靠性高。(2)精馏系统实现了 10 kg/h的大流量运行,产品氙中氪的摩尔分数不超过7.99 × 10-12 mol/mol,共提纯制得5.75 t超高纯氙。10kg/h是目前国内外文献中能查阅到的同类低温精馏系统能达到的最大提纯运行流量。(3)精馏系统在10 kg/h的大流量运行下,各方面性能的综合表现较好。进料的平均液相分率为0.964,基本满足全液相进料的要求;在原料的预冷过程中,板式换热器的平均热回收效率高达94.3%;规整填料PACK-13C对流体的阻力较小,单位填料高度的压降范围为16.7-58.3 Pa/m;气相动能因子的变化范围为0.0215-0.0235(?),远小于泛点参数1.42(?),在合规操作下不会发生液泛现象。(4)实验运行中发现,原料氙的压强、冷凝器的热补偿功率以及再沸器的液位等与进料相关的参数存在周期性变化的规律,初步分析认为这种变化是由进料管路的垂直高差和管路中存在的U型管结构导致的。(5)利用Fluent模拟了回流比R=45、90、135、180这4个工况下填料通道内的气-液两相流动。模拟结果表明气相占据了填料通道的绝大部分空间,液相所占的空间非常有限,液相沿填料的一侧呈溪流流动。气、液两相逆流过程中存在一定的返流和雾沫夹带现象,由于进料几乎全部流往提馏段,气相在精馏段对液相影响更大,精馏段的回流和雾沫夹带现象比提馏段多。但总的来说,各工况下的返流现象并不显著,发生液泛的可能性较小,可以考虑在精馏系统的运行过程中,适当地增加回流比,以提高系统的提纯性能。PandaX-4T超高纯氪氙低温精馏系统的运行分析和数值模拟研究具有十分重要的理论价值和工程实际意义,同时也是优化下一阶段精馏提纯运行的非常重要的参考依据。