低温精馏模拟实验平台的研制

张召,张梅梅,朱伟平,贾启明,龚领会

(1.中国科学院理化技术研究所航天低温推进剂技术国家重点实验室,100190,北京; 2.中国科学院大学,100190,北京)

experiment platform; reverse Brayton cycle

低温精馏技术是氢同位素分离、稳定性碳13分离和液氙中除氪-85等的有效手段,具有分离因子高的优势[1-6]。尤其在含氚重水脱氚方面,通过低温精馏,可得到99%以上高纯氚,脱氚后尾气中氚的体积分数可小于0.000 1%[7-11]。低温精馏技术的发展离不开低温制冷技术的支持。目前低温精馏技术多处于实验室研究阶段,精馏规模相对较小,一般采用小型低温制冷机,如斯特林制冷机和GM制冷机,为精馏塔的冷凝器提供冷量。再沸器则采用电加热器提供热量。

随着低温精馏处理量的增大,冷凝器所需的制冷量和再沸器的加热量都将达到千瓦级甚至万瓦级,单台小型低温制冷机将难以满足所要求的制冷量,如荷兰斯特林低温和制冷机公司生产的SPC-4T型两级斯特林制冷机可在15～60 K提供120～700 W的制冷量,美国CRYOMECH公司生产的AL330型GM制冷机可在30 K提供100 W的制冷量。虽然可采用多台制冷机并联的方式来满足冷凝器制冷量的要求,但是多台并联增加了流程的复杂性,使得其可靠性下降;更为重要的是,小型低温制冷机因其制冷原理和结构的限制,无法回收再沸器的巨大冷量,这将造成精馏系统能源的极大浪费。

相比小型低温制冷机,氦透平膨胀机大型低温制冷系统具有制冷量大、调节方便、工作寿命长的优点,并且在能源利用和高能物理方面已经广泛应用[12-19]。……