一种获得超高纯氙气的低温精馏装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种获得超高纯氙气的低温精馏装置，主要由冷凝器、冷凝用低温制冷机、低温精馏柱、再沸器以及加热器组成，所述冷凝器连接在低温精馏柱的顶端，所述再沸器连接在低温精馏柱的底端，所述低温精馏柱中填充有精馏填料，原料氙进口位于所述低温精馏柱中部，所述冷凝用低温制冷机连接在所述冷凝器上部，废品氙出口位于所述冷凝器旁侧，所述加热器连接在所述再沸器底部，产品氙出口位于所述再沸器旁侧。本发明专利技术所提供的精馏装置，可将氙气中的氪浓度从10-9降低到10-12，且提纯速率为每小时5kg氙气，以满足大型暗物质探测器对探测介质的纯度要求及某些特定需求。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种获得超高纯氙气的低温精馏装置，主要由冷凝器、冷凝用低温制冷机、低温精馏柱、再沸器以及加热器组成，所述冷凝器连接在低温精馏柱的顶端，所述再沸器连接在低温精馏柱的底端，所述低温精馏柱中填充有精馏填料，原料氙进口位于所述低温精馏柱中部，所述冷凝用低温制冷机连接在所述冷凝器上部，废品氙出口位于所述冷凝器旁侧，所述加热器连接在所述再沸器底部，产品氙出口位于所述再沸器旁侧。本专利技术所提供的精馏装置，可将氙气中的氪浓度从10-9降低到10-12，且提纯速率为每小时5kg氙气，以满足大型暗物质探测器对探测介质的纯度要求及某些特定需求。【专利说明】一种获得超高纯氙气的低温精馏装置
本专利技术属于制冷与低温工程领域，更具体的说，涉及一种用于获得超高纯氙气的低温精馏提纯装置。
技术介绍
氙具有极高的发光强度、低能量阈和高能分辨率的特点。故液氙常被用作航空航天及粒子物理探测器中的介质材料。氙的原子序数较高(Z=54)且液氙的密度较高(?3g/cm3),没有长期存在的放射性同位素，这有助于减少环境污染(如铀和钍污染中的Y射线和@射线)，故是暗物质探测实验中的优质探测介质。氙是通过空气提取获得的。在空气中，氙气的浓度为?KTmol/mol，氪的浓度是?10_6mOl/mOl。用蒸馏或吸附方法生产的氙气，可满足一般的应用要求，其氙中氪的含量为10_9?10_6mOl/mOl。85Kr是一种放射性原子核，半衰期是10.76年，衰减后成为铷_85，会放射出P射线，其放射能量最大可达687keV，且其放射比为99.57%。85Kr在空气中的浓度测量值大约是lBq/m3，相当于85Kr/Kr=10_n左右。而在暗物质探测器中，在85Kr的含量低于?10_23mOl/mOl的情况下，才可探知暗物质信号。这说明其中Kr/Xe的比率不应超过?10 12mol/mol。蒸馏和吸附是去除氙中氪的常用方法。该类方法常用于工业生产过程，但是它不能去除足够多的氪以满足暗物质探测器的高精度需求。现今美国的A.1.Bolozdynya等利用以吸附为基础的色谱分析法可以将氙气中氪的浓度继续降低，但无法降低到IO-12Hiol/mol。而世界上第一台获得超高纯氙气的低温精馏塔由日本的K.Abe等研制出来。但是该塔的提纯速率为0.6kg每小时，虽然满足浓度需求，但是因提纯速率较低，不适用于大规模生产使用。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供一种获得超高纯氙气的低温精馏系统，可将氙气中的氪浓度从10_9降低到10_12，且提纯速率为每小时5kg氙气，以满足大型暗物质探测器对探测介质的纯度要求及某些特定需求。为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下:—种获得超高纯氙气的低温精馏装置，主要由冷凝器、冷凝用低温制冷机、低温精馏柱、再沸器以及加热器组成，所述冷凝器连接在低温精馏柱的顶端，所述再沸器连接在低温精馏柱的底端，所述低温精馏柱中填充有精馏填料，原料氙进口位于所述低温精馏柱中部，所述冷凝用低温制冷机连接在所述冷凝器上部，废品氙出口位于所述冷凝器旁侧，所述加热器连接在所述再沸器底部，产品氙出口位于所述再沸器旁侧。所述低温精馏柱外侧包裹有铝箔绝热层，防止辐射传热。所述冷凝器为漏斗式不锈钢锥体。所述冷凝用低温制冷机冷头上焊接一个紫铜扩展翅片以增大换热面积。 所述原料氙气体通过一气体纯化器后进入所述换热器换热。所述原料氙气体与所述再沸器中抽取出的液氙通过一换热器换热，再通过一预冷用低温制冷机后，进入所述低温精馏柱。所述精馏装置安装在一个真空外壳内，由真空机组维持真空。所述精馏填料为填丝网波纹填料、迪克松环、三角形、或者矩形圈颗粒填料。所述原料氣进口、废品氣出口以及产品氣出口处设置有阀门。所述铝箔绝热层的铝箔为20-40层。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果:1、本专利技术的低温精馏装置所生产的产品氙中氪的浓度可小于原料氙中氪的浓度3个数量级，其中原料氙中氪与氙的摩尔比一般为3X10_9mOl/mOl，故产品氙中氪与氙的摩尔比可达到 3XlCT12mol/mol ；2、本专利技术的低温精馏装置中氙的回收率可达到99%，即产品氙与原料氙比率可达到 99% ；3、本专利技术的低温精馏装置的回流比可达到R=191 ；4、本专利技术的低温精馏装置的提纯速率为每小时5kg氙气，即一周内可提纯840kg氣气。【专利附图】【附图说明】图1为本专利技术所提供的低温精馏装置的结构示意图；图中:1_废品氙出口，2-精馏填料，3-再沸器，4-产品氙出口，5-加热器，6-原料氙进口，7-低温精馏柱，8-冷凝器，9-冷凝用低温制冷机；图2为本专利技术一实施例的结构示意图；图中:10_气体纯化器，11-换热器，12-预冷用低温制冷机，9-冷凝用低温制冷机，8-冷凝器，7-低温精馏柱，13-液位计，3-再沸器，14-真空外壳，1-废品氙出口，6-原料氙进口，4-产品氙出口，18-针阀，19-截止阀，20-真空抽口。【具体实施方式】下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。图1所示，本专利技术所提供的低温精馏装置，用于氙气的低温精馏分离。主要由冷凝器8、冷凝用低温制冷机9、低温精馏柱7、再沸器3以及加热器5组成。冷凝器8连接在低温精馏柱7的顶端，再沸器3连接在低温精馏柱7的底端，低温精馏柱7中填充有精馏填料2。原料氙进口 6位于低温精馏柱7中部，冷凝用低温制冷机9连接在冷凝器8上部，废品氙出口 I位于冷凝器8旁侧，加热器5连接在再沸器3底部，产品氙出口 4位于再沸器3旁侧。在低温精馏柱7内，含氪的氙的气液两相在精馏填料2表面进行传质交换，含氪量较少的氙组分富集在液相，向柱底流动；而含氪量较多的氙组分则富集在气相，向柱顶上升。如此经过多次气液交换，在再沸器3内氙组分得到富集，而柱顶冷凝器8内的氪组分得到富集。液氙在再沸器3内被加热蒸发汽化，返回柱上部，同样在柱顶的气氙被冷凝器8冷凝而回流至柱下部。含氪量为10_12的产品氙从柱底取出，而含氪量为10_7的废品氙从柱顶取出，如此实现低温精馏提取高纯氙的目的。图2所示本专利技术一实施例中，原料氙气体6先经气体纯化器10后，与再沸器3中抽取出的液氙通过换热器11换热，再通过预冷用低温制冷机12预冷后，进入低温精馏柱7中。本专利技术实施例中，废品氙出口 I为外径为1/4"的不锈钢管，用于将冷凝器中的饱和气体一废品氙输出。产品氙出口 4为外径为1/2"的不锈钢管，用于将再沸器中的液氙——产品氙输出。原料氙进口 6为外径为1/2"的不锈钢管，用于输入原料氙。本专利技术实施例中，冷凝器8为不锈钢漏斗式椎体结构，上升至此的氙气由冷凝用低温制冷机9冷却为液氣后,在冷凝器8中分离为液氣/饱和氣蒸汽后，液氣流入低温精懼柱7，饱和氙蒸汽则以1%的比率由废品氙出口 I导出。冷凝用低温制冷机9冷头上焊接一个紫铜扩展翅片以增大换热面积。本专利技术实施中，低温精馏柱7为高为4m,直径为O 80mmX 4mm的不锈钢柱。低温精馏柱7外壁包裹着20层的铝箔，中间间隔纤维材本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：巨永林，王舟，郝熙欢，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：