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基于微通道精馏技术的136Xe同位素级联工艺流程模拟及分析
Simulation and Analysis of the Cascade Process for 136Xe Isotope Separation Based on Microchannel Distillation Technology
- 制冷学报 2025年 页码：1-7
- 作者机构：
1.上海交通大学机械与动力工程学院 上海 200240
2. 上海交通大学碳中和发展研究院 上海 200030
- 作者简介：
巨永林，男，教授，上海交通大学低温与制冷工程研究所，021-34206532，E-mail：yju@sjtu.edu.cn。研究方向：小型低温制冷机，工业气体液化，低温精馏。
- 基金信息：
DOI：10.12465/issn.0253-4339.20250410001
中图分类号： TL25;TB63+2-
修回：2025-05-19，
录用：2025-05-28，
网络出版：2025-12-17，
- 稿件说明：
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王诗博,殷靓,巨永林.基于微通道精馏技术的136Xe同位素级联工艺流程模拟及分析[J].制冷学报,
Wang Shibo,Yin Liang,Ju Yonglin.Simulation and Analysis of the Cascade Process for 136Xe Isotope Separation Based on Microchannel Distillation Technology[J].Journal of Refrigeration,
王诗博,殷靓,巨永林.基于微通道精馏技术的136Xe同位素级联工艺流程模拟及分析[J].制冷学报, DOI：10.12465/issn.0253-4339.20250410001.
Wang Shibo,Yin Liang,Ju Yonglin.Simulation and Analysis of the Cascade Process for 136Xe Isotope Separation Based on Microchannel Distillation Technology[J].Journal of Refrigeration, DOI：10.12465/issn.0253-4339.20250410001.
摘要
传统精馏方法在氙同位素分离中面临诸多挑战。本研究提出基于微通道精馏（MCD）装置的
136
Xe同位素级联精馏系统。首先，精确计算氙同位素的相对挥发度，推导9种同位素的饱和蒸气压和汽化热，并在Aspen HYSYS中构建并验证虚拟组分模型。然后，采用3组分模型分析MCD装置的操作参数，确定单级MCD装置的最佳操作压力和回流比，探讨进料与出料比对
136
Xe富集效率和再沸器功率的影响。最后，建立级联精馏模型，运用均匀设计、2次多项式回归、NSGA-Ⅲ算法和TOPSIS方法优化操作参数，实现系统功率显著降低，
136
Xe丰度由8.670%升至13.347%。该研究通过设计微通道级联精馏系统，有效改善了传统精馏方法在氙同位素分离中的低效和高能耗问题，为
136
Xe的高效富集提供了新思路。
Abstract
Conventional distillation methods face significant challenges in xenon isotope separation. This paper proposes a cascaded distillation system based on a microchannel distillation （MCD） apparatus for
136
Xe enrichment. The relative volatilities， saturation vapor pressures， and enthalpies of vaporization of the nine Xe isotopes were determined， and a corresponding pseudo-component model was validated in Aspen Hyprotech Systems （HYSYS）. A ternary model was then used to optimize the MCD parameters， identifying the optimal operating pressure， reflux ratio， and feed-to-product ratio effects on enrichment efficiency and reboiler power consumption. Subsequent optimization
via uniform design， stepwise quadratic regression，
n
on-
d
ominated
s
orting
g
enetic
a
lgorithm （NSGA）-III， and the technique for order preference by similarity to an ideal solution （TOPSIS） reduced power consumption while increasing
136
Xe abundance from 8.670% to 13.347%. This microchannel cascaded distillation system overcomes conventional limitations and offers a novel and efficient approach for
136
Xe enrichment with significant theoretical and practical implications.
关键词
Keywords
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