PandaX-4T超高纯氙去除氪低温精馏系统运行分析

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.

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

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。