一种应用于火星表面的Sabatier装置反应气分离液化系统及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种应用于火星表面的Sabatier装置反应气分离液化系统及方法。本发明专利技术可根据火星大气温度来切换不同的运行模式，其中在火星大气温度较低时，利用火星大气的冷能实现水汽和二氧化碳的液化，并对Sabatier装置反应气进行充分预冷，减少低温冷机的功耗；在火星大气温度较高时，利用已经液化后的甲烷冷凝反应气中少量的气态二氧化碳。本发明专利技术将Sabatier装置反应气的分离和液化环节一体化，充分利用火星大气冷能完成反应气中水和二氧化碳组分的液化，并对反应气进行充分预冷，减少低温冷机的功耗，最终获取液化甲烷，并实现水汽、二氧化碳和氢气的回收再利用。二氧化碳和氢气的回收再利用。二氧化碳和氢气的回收再利用。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于火星表面的Sabatier装置反应气分离液化系统及方法


[0001]本专利技术涉及火星探测
，特别涉及一种应用于火星表面的Sabatier装置反应气分离液化系统及方法。

技术介绍

[0002]利用火星大气中丰富的二氧化碳资源原位制备甲烷推进剂，是一种可持续性强和成本低的火星探测解决方案，能够有效降低返回式火星探测对携带资源和地球补给的依赖。二氧化碳加氢甲烷化(Sabatier反应)已成为当前研究的主流原位制备技术，将二氧化碳和氢气在催化剂的作用下还原成甲烷和水。Sabatier反应是一个受热力学平衡限制的强放热过程，要提高Sabatier反应速度，必须维持反应器处于高温，而要提高转化率则需要反应器处于较低温度，上述特性使得二氧化碳和氢气难以完全转化，因此Sabatier装置的反应气包含甲烷、水汽、二氧化碳和氢气四种成分，其中甲烷和水汽所占比例较高。
[0003]Sabatier装置反应气的后续处理包括分离和液化两个环节，分离是为了获取高纯的甲烷气体，并对二氧化碳、氢气和水汽进行回收再利用，液化则是为了进一步获取可应用的液态甲烷推进剂。对于分离环节，吸附分离系统过于复杂，吸附性能受温度和压力的限制，难以实现二氧化碳和水的单一吸附；填料式分离(精馏塔)法和重力式分离法受火星表面的弱重力加速度(约3.72m/s2)影响，分离效果较差；常规液化分离法可以虽然可同时实现分离和液化目标，但由于Sabatier反应气的温度一般大于473K，而甲烷气的冷凝温度约为110K，整体温差较大，所以若单纯使用低温冷机，则对功率的要求过高，难以满足降温目标。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种应用于火星表面的Sabatier装置反应气分离液化系统，将Sabatier装置反应气的分离和液化环节一体化，充分利用火星大气冷能(火星平均气温约为216K，最低气温约172K)完成反应气中水和二氧化碳组分的液化，并对反应气进行充分预冷，减少低温冷机的功耗，最终获取液化甲烷，并实现水汽、二氧化碳和氢气的回收再利用。
[0005]本专利技术拟用如下技术方案实现本专利技术的目的：
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种应用于火星表面的Sabatier装置反应气分离液化系统，其包括反应气分离管路、水汽冷凝器、预冷器、二氧化碳冷凝器和液态甲烷回流管路；
[0007]其中水汽冷凝器、预冷器和二氧化碳冷凝器中分别设有构成换热接触的第一通路和第二通路；
[0008]所述反应气分离管路的入口端用于通入Sabatier装置反应气，出口端接入液态甲烷储罐；反应气分离管路从入口端到出口端之间依次连接水汽冷凝器的第一通路、第一气液分离器、预冷器的第一通路、二氧化碳冷凝器的第一通路、第二气液分离器、甲烷液化冷
箱中的换热管路、第三气液分离器和第一低温截止阀；水汽冷凝器和预冷器的第二通路均用于通入火星大气从而对第一通路进行冷却；甲烷液化冷箱上设有低温冷机，且低温冷机的冷头与甲烷液化冷箱中的换热管路构成换热接触，且冷头温度能液化流经换热管路的Sabatier装置反应气内的甲烷；
[0009]所述液态甲烷回流管路的入口端连接第三气液分离器和第一低温截止阀之间的反应气分离管路，出口端连接第二气液分离器和甲烷液化冷箱之间的反应气分离管路；液态甲烷回流管路从入口端到出口端之间依次连接第二低温截止阀、二氧化碳冷凝器的第二通路和第三低温截止阀。
[0010]作为上述第一方面的优选，所述水汽冷凝器的冷却温度能使Sabatier装置反应气中的水汽液化但不凝固。
[0011]作为上述第一方面的优选，所述低温冷机采用斯特林型低温冷机。
[0012]作为上述第一方面的优选，所述第一气液分离器采用离心式气液分离器。
[0013]作为上述第一方面的优选，所述第二气液分离器采用离心式气液分离器。
[0014]作为上述第一方面的优选，所述第三气液分离器采用离心式气液分离器。
[0015]作为上述第一方面的优选，所述水汽冷凝器和预冷器采用翅片管式换热器。
[0016]作为上述第一方面的优选，所述二氧化碳冷凝器采用液
‑
液板式换热器。
[0017]作为上述第一方面的优选，所述甲烷液化冷箱中的换热管路采用盘管形式与低温冷机的冷头衔接，且两者之间填充导热介质。
[0018]第二方面，本专利技术提供了一种如上述第一方面任一方案所述系统的Sabatier装置反应气分离液化方法，其具体做法如下：实时监测火星大气温度，在火星大气温度能够冷凝反应气中的二氧化碳时采用第一运行模式对Sabatier装置反应气进行分离液化，在火星大气温度无法冷凝反应气中的二氧化碳时采用第二运行模式对Sabatier装置反应气进行分离液化；
[0019]所述第一运行模式如下：
[0020]S11、启动第一气液分离器、第二气液分离器、低温冷机、第三气液分离器，打开第一低温截止阀，关闭第二低温截止阀和第三低温截止阀；通过风机将火星大气分别输入水汽冷凝器的第二通路和预冷器的第二通路，进而为各自的第一通路提供冷量；
[0021]S12、将来自Sabatier装置的原始反应气输入反应气分离管路中，通过调节输入水汽冷凝器的第二通路的火星大气流量，使得原始反应气中的水汽在流经水汽冷凝器的第一通路过程中吸收火星大气的冷能完成液化，从而变为不低于273.15K的第一气液两相混合物；第一气液两相混合物继续进入第一气液分离器中分离回收液态水后，得到仅包含二氧化碳、甲烷和氢气三种物质的第一剩余反应气；
[0022]S13、将第一剩余反应气继续通入预冷器的第一通路，通过调节输入预冷器的第二通路的火星大气流量，使得第一剩余反应气中的二氧化碳吸收火星大气的冷量后液化，从而变为第二气液两相混合物；第二气液两相混合物继续通过二氧化碳冷凝器的第一通路进入第二气液分离器中分离回收液态二氧化碳，得到仅包含甲烷和氢气两种物质的第二剩余反应气；
[0023]S14、将第二剩余反应气继续通入甲烷液化冷箱，通过控制低温冷机的冷头温度，使得第二剩余反应气中的甲烷与冷头换热后液化，从而变为第三气液两相混合物；第三气
液两相混合物继续进入第三气液分离器中分离液态甲烷和氢气，氢气直接排出回收，而液态甲烷则存储至液态甲烷储罐中；
[0024]所述第二运行模式如下：
[0025]S21、启动第一气液分离器、第二气液分离器、低温冷机、第三气液分离器，打开第一低温截止阀、第二低温截止阀和第三低温截止阀；通过风机将火星大气分别输入水汽冷凝器的第二通路和预冷器的第二通路，进而为各自的第一通路提供冷量；
[0026]S22、将来自Sabatier装置的原始反应气输入反应气分离管路中，通过调节输入水汽冷凝器的第二通路的火星大气流量，使得原始反应气中的水汽在流经水汽冷凝器的第一通路过程中吸收火星大气的冷能完成液化，从而变为不低于273.15K的第一气液两相混合物；第一气液两相混合物继续进入第一气液分离器中分离回收液态本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于火星表面的Sabatier装置反应气分离液化系统，其特征在于，包括反应气分离管路(1)、水汽冷凝器(2)、预冷器(4)、二氧化碳冷凝器(5)和液态甲烷回流管路(12)；其中水汽冷凝器(2)、预冷器(4)和二氧化碳冷凝器(5)中分别设有构成换热接触的第一通路和第二通路；所述反应气分离管路(1)的入口端用于通入Sabatier装置反应气，出口端接入液态甲烷储罐(11)；反应气分离管路(1)从入口端到出口端之间依次连接水汽冷凝器(2)的第一通路、第一气液分离器(3)、预冷器(4)的第一通路、二氧化碳冷凝器(5)的第一通路、第二气液分离器(6)、甲烷液化冷箱(7)中的换热管路、第三气液分离器(9)和第一低温截止阀(10)；水汽冷凝器(2)和预冷器(4)的第二通路均用于通入火星大气从而对第一通路进行冷却；甲烷液化冷箱(7)上设有低温冷机(8)，且低温冷机(8)的冷头与甲烷液化冷箱(7)中的换热管路构成换热接触，且冷头温度能液化流经换热管路的Sabatier装置反应气内的甲烷；所述液态甲烷回流管路(12)的入口端连接第三气液分离器(9)和第一低温截止阀(10)之间的反应气分离管路(1)，出口端连接第二气液分离器(6)和甲烷液化冷箱(7)之间的反应气分离管路(1)；液态甲烷回流管路(12)从入口端到出口端之间依次连接第二低温截止阀(13)、二氧化碳冷凝器(5)的第二通路和第三低温截止阀(14)。2.如权利要求1所述的应用于火星表面的Sabatier装置反应气分离液化系统，其特征在于，所述水汽冷凝器(2)的冷却温度能使Sabatier装置反应气中的水汽液化但不凝固。3.如权利要求1所述的应用于火星表面的Sabatier装置反应气分离液化系统，其特征在于，所述低温冷机(8)采用斯特林型低温冷机。4.如权利要求1所述的应用于火星表面的Sabatier装置反应气分离液化系统，其特征在于，所述第一气液分离器(3)采用离心式气液分离器。5.如权利要求1所述的应用于火星表面的Sabatier装置反应气分离液化系统，其特征在于，所述第二气液分离器(6)采用离心式气液分离器。6.如权利要求1所述的应用于火星表面的Sabatier装置反应气分离液化系统，其特征在于，所述第三气液分离器(9)采用离心式气液分离器。7.如权利要求1所述的应用于火星表面的Sabatier装置反应气分离液化系统，其特征在于，所述水汽冷凝器(2)和预冷器(4)采用翅片管式换热器。8.如权利要求1所述的应用于火星表面的Sabatier装置反应气分离液化系统，其特征在于，所述二氧化碳冷凝器(5)采用液
‑
液板式换热器。9.如权利要求1所述的应用于火星表面的Sabatier装置反应气分离液化系统，其特征在于，所述甲烷液化冷箱(7)中的换热管路采用盘管形式与低温冷机(8)的冷头衔接，且两者之间填充导热介质。10.一种如权利要求1～9任一所述的系统的Sabatier装置反应气分离液化方法，其特征在于，实时监测火星大气温度，在火星大气温度能够冷凝反应气中的二氧化碳时采用第一运行模式对Sabatier装置反应气进行分离液化，在火星大气温度无法冷凝反应气中的二氧化碳时采用第二运行模式对Sabatier装置反应气进行分离液化；所述第一运行模式如下：S11、启动第一气液分离器(3)、第二气液分离器(6...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春伟，陈静，王克军，汪丽，陈宇泽，赵康，王淮英，苏谦，时云卿，
申请(专利权)人：北京航天试验技术研究所，
类型：发明
国别省市：