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上海交通大学学报 2021年第7期55卷 834-841页

作者：严锐王舟崔祥仪巨永林沙海东李帅杰黄沛尧王秀丽上海交通大学制冷与低温工程研究所上海200240 上海交通大学粒子与核物理研究所上海200240 上海交通大学李政道研究所上海200240 上海电力大学能源与机械工程学院上海200090 上海交通大学巴黎高科卓越工程师学院上海200240

PandaX-4T实验组通过McCabe-Thiele(M-T)方法及质量、能量守恒,设计研制出将商业氙中氪的摩尔分数由5×10^(-7)降低至1×10^(-14)的高效低温精馏系统.该超高纯氪氙低温精馏系统已完成离线提纯运行,现需要对其运行状态进行深入分析.通过... 详细信息

PandaX-4T实验组通过McCabe-Thiele(M-T)方法及质量、能量守恒,设计研制出将商业氙中氪的摩尔分数由5×10^(-7)降低至1×10^(-14)的高效低温精馏系统.该超高纯氪氙低温精馏系统已完成离线提纯运行,现需要对其运行状态进行深入分析.通过对系统各个运行阶段的温度、压力、流量及产品氙的摩尔分数等参数进行分析,研究该超高纯氪氙低温精馏系统的稳定性和提纯性能.该低温精馏系统在回收率为99%、提纯速率为10 kg/h的条件下稳定运行1.5 m,共提纯5.75 t氙.实验数据表明,系统在各运行阶段状态稳定、安全可靠,产品氙中氪的摩尔分数小于7.99×10^(-12).PandaX-4T超高纯氪氙低温精馏系统的运行分析具有理论研究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非常重要的参考依据.

关键词：低温精馏超高纯氙氪暗物质探测

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暗物质探测器用超高纯氙去除氪和氡的低温精馏塔运行气相负荷数据分析

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真空与低温 2022年第3期28卷 359-367页

作者：黄沛尧王舟巨永林崔祥仪沙海东李帅杰严锐王秀丽上海交通大学巴黎卓越工程师学院上海200240 上海交通大学粒子与核物理研究所上海200240 上海交通大学制冷与低温工程研究所上海200240 上海交通大学李政道研究所上海200240 上海电力大学能源与机械工程学院上海200090 上海交通大学四川研究院成都610000

PandaX(Partical and Astrophysics Xenon Experiments)实验使用两相型液氙探测器直接探测暗物质,介质液氙中氪-85与氡-222含量会影响暗物质探测器的灵敏度,PandaX-4T项目组通过McCabe-Thiele(M-T)方法设计研制高效的低温精馏系统以降低... 详细信息

PandaX(Partical and Astrophysics Xenon Experiments)实验使用两相型液氙探测器直接探测暗物质,介质液氙中氪-85与氡-222含量会影响暗物质探测器的灵敏度,PandaX-4T项目组通过McCabe-Thiele(M-T)方法设计研制高效的低温精馏系统以降低氪-85与氡-222含量获得高纯度氙。该系统在回流比为145、回收率99%的情况下,以10 kg/h的进料质量流量将商品氙中氪的摩尔分数由5×10^(-7)降低至1×10^(-14);通过精馏反向运行,在回流比为0.16、回收率99%的情况下,以56.5 kg/h(160SLPM)的进料质量流量将探测器中氡的含量降低为原料氙中氡含量的35%,从而满足探测器低本底、高灵敏度的要求。根据精馏系统的调试运行数据对其气相负荷进行分析,使用Hysys软件进行模拟,提出低温精馏操作的优化操作参数,模拟结果与实验结果基本吻合,证明所建立的模拟模型较接近实验模型,同时证明了模拟方法的可靠性。这对超高纯氙去除氪和氡及低温精馏系统产品纯度的提高具有重要作用。

关键词：暗物质探测低温精馏超高纯氙气相负荷

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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

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

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作者：严锐上海交通大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：低温精馏超高纯氙实验运行数值模拟

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