利用火星大气冷能的双段Sabatier二氧化碳甲烷化反应系统及方法与流程

利用火星大气冷能的双段sabatier二氧化碳甲烷化反应系统及方法
技术领域
1.本发明涉及火星探测技术领域，具体涉及一种利用火星大气冷能的双段sabatier二氧化碳甲烷化反应系统及方法。


背景技术：

2.火星推进剂原位制备是指勘探、获取和利用火星的天然资源在火星上原地制备运载火箭推进剂，是实现地外载人探测和未来太空殖民等地外活动的关键技术。火星表面大气的主要成分是二氧化碳，占总量的95.32％，可通过还原反应获取推进剂。二氧化碳还原存在多种技术路径，综合考虑成熟性、可操作性、经济性、长期稳定性等多种因素，二氧化碳加氢甲烷化(sabatier反应)已成为当前的主流技术，并已在国际空间站成功应用，处理航天员呼吸产生的二氧化碳。
3.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。由于当前的sabatier反应系统中的反应器均为一体化结构，难以同时实现高反应速度与反应速率的目标。此外，火星平均气温约为216k，昼夜温差高达80k，而空间站的sabatier反应系统应用环境的温度波动相对较小，难以适应火星表面的低温环境。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有技术中sabatier反应系统在火星表面低温环境中难以可靠使用的技术问题，并提供一种利用火星大气冷能的双段sabatier二氧化碳甲烷化反应系统及方法。本发明通过设置双段sabatier反应器构建沿着反应气流动方向的梯度温度场，前段设置高温sabatier反应器，提升反应速度，后段设置基于火星大气冷却的低温sabatier反应器，提升二氧化碳到甲烷的转化率，在充分利用火星低温环境的同时，实现甲烷推进剂高效制备目标。
5.本发明所采用的具体技术方案如下：
6.第一方面，本发明提供了一种利用火星大气冷能的双段二氧化碳甲烷化sabatier反应系统，其包括液态二氧化碳储罐、高压氢气源、汽化器、预热器、中间冷却器、高温sabatier反应器和低温sabatier反应器；
7.所述汽化器、预热器、中间冷却器中分别设有构成换热接触的第一通路和第二通路；
8.所述液态二氧化碳储罐通过二氧化碳管路依次连接汽化器的第一通路、第一调压阀和混合器；所述高压氢气源通过氢气管路依次连接氢气管路和混合器；所述混合器通过混合气预热管路依次连接预热器的第一通路、中间冷却器的第一通路和电加热器，电加热器通过混合气反应管路依次连接高温sabatier反应器、中间冷却器的第二通路、汽化器的第二通路、低温sabatier反应器和预热器的第二通路，预热器的第二通路的出口放空；
9.所述低温sabatier反应器中设有用于通入火星大气的外置换热通路，外置换热通路与低温sabatier反应器的反应腔构成换热，且通过调节外置换热通路中的火星大气流量能够实现低温sabatier反应器的反应温度调控。
10.作为上述第一方面的优选，所述汽化器采用翅片管式换热器。
11.作为上述第一方面的优选，所述预热器采用气-气板式换热器。
12.作为上述第一方面的优选，所述中间冷却器采用气-气板式换热器。
13.作为上述第一方面的优选，所述高温sabatier反应器和低温sabatier反应器外部均包覆绝热材料。
14.作为上述第一方面的优选，所述高温sabatier反应器和低温sabatier反应器内部均填充有sabatier反应催化剂。
15.作为上述第一方面的优选，所述二氧化碳管路的入口端位于液态二氧化碳储罐的液面以下，液态二氧化碳储罐中的液态二氧化碳通过自增压方式驱动进入二氧化碳管路中。
16.作为上述第一方面的优选，所述高压氢气源采用高压氢气瓶组。
17.作为上述第一方面的优选，所述低温sabatier反应器中的外置换热通路由变频低温风机提供火星大气的输送动力。
18.第二方面，本发明提供了一种利用上述第一方面任一方案所述系统的的利用火星大气冷能的双段二氧化碳甲烷化sabatier反应方法，其包括：
19.s1、将液态二氧化碳储罐中的液态二氧化碳增压后，通过二氧化碳管路进入汽化器的第一通路，并吸收汽化器的第二通路中的反应气热量后完成汽化，随后通过第一调压阀进入混合器中；同时将高压氢气源中的高压氢气通过氢气管路和第二调压阀进入混合器；增压后的氢气与二氧化碳气体在混合器中按照sabatier反应的化学计量比混合，形成压力满足反应需求的混合气；
20.s2、将混合器中的混合气首先通过混合气预热管路进入预热器的第一通路，吸收预热器的第二通路中反应气热量后完成第一次升温，随后进入中间冷却器的第一通路，吸收中间冷却器的第二通路中的反应气热量后完成第二次升温，最后进入电加热器完成第三次升温并达到设定的sabatier反应启动温度；
21.s3、电加热器出口的混合气首先经过混合气反应管路进入高温sabatier反应器中，在高温sabatier反应器内的sabatier反应催化剂作用下使部分二氧化碳和氢气发生还原反应生成甲烷和水且释放反应热，使混合气转化为包含二氧化碳、氢气、甲烷和水的反应气；
22.s4、高温sabatier反应器排出的反应气继续进入中间冷却器的第二通路，与中间冷却器的第一通路中的混合气换热冷却，随后进入汽化器的第二通路，与汽化器的第一通路中的液态二氧化碳换热冷却；冷却后的反应气进入低温sabatier反应器，在低温sabatier反应器内的sabatier反应催化剂作用下剩余的二氧化碳和氢气继续发生还原反应，生成甲烷和水且释放反应热，且在反应过程中将火星大气引入低温sabatier反应器的外置换热通路中对低温sabatier反应器内进行冷却，提高低温sabatier反应器中的反应转化率；
23.s5、低温sabatier反应器出口的反应气进入预热器的第二通路，与预热器的第一
通路中的混合气换热冷却后，最终排出至外部的反应气存储设备或者回收设备。
24.作为上述第二方面的优选，所述高温sabatier反应器中的反应气温度为400～450℃，所述低温sabatier反应器中的反应气温度为250～350℃。
25.本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：设置处于不同温区的高温sabatier反应器和低温sabatier反应器，并通过中间换热设备实现反应气温度的合理下降，同时实现高反应速度和高转化效率目标；低温sabatier反应器采用火星大气进行冷却，充分利用火星的环境特征提升甲烷推进剂原位制备效率；液态二氧化碳通过汽化压力调节，无需配置特定的增压设备，同时利用汽化冷能冷却高温sabatier反应气，提高后续sabatier反应的转化率；设置预热器对混合气进行第一次预热，充分回收来自低温sabatier反应器中反应气的热量，设置中间冷却器对回收来自高温sabatier反应器中反应气的热量并对混合气进行第二次预热，大幅减少电加热器功耗。
26.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果做进一步说明，以充分的了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
27.图1是本发明一种利用火星大气冷能的双段二氧化碳甲烷化sabatier反应系统的结构示意图。
28.图中：二氧化碳管路1、液态二氧化碳储罐2、汽化器3、第一调压阀4、氢气管路5、高压氢气源6、第二调压阀7、混合气预热管路8、混合器9、预热器10、中间冷却器11、电加热器12、混合气反应管路13、高温sabatier反应器14、低温sabatier反应器15。
具体实施方式
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
30.在本发明的描述中，需要理解的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件或者是间接连接即存在中间元件。相反，当元件为称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
32.如图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种利用火星大气冷能的双段二氧化碳甲烷化sabatier反应系统，其组成元件包括二氧化碳管路1、液态二氧化碳储罐2、汽化器3、第一调压阀4、氢气管路5、高压氢气源6、第二调压阀7、混合气预热管路8、混合器9、预热器10、中间冷却器11、电加热器12、混合气反应管路13、高温sabatier反应器14、低温sabatier反应器15。该sabatier反应系统中，核心组件是高温sabatier反应器14和低温sabatier反应器15。设置两个sabatier反应器的目的是解决sabatier反应的反应速度与转
化率之间的矛盾，因为要提高sabatier反应速度必须维持反应器处于较高温度，而要提高转化率则需要反应器处于较低温度。因此，本发明中将sabatier反应整体分为两个阶段，通过设置双段sabatier反应器构建沿着反应气流动方向的梯度温度场，前段设置高温sabatier反应器14来提升反应速度，使大部分物料在这个阶段发生反应，后段设置低温sabatier反应器15来提升二氧化碳到甲烷的转化率，尽可能使所有物料转化完毕。
33.需要说明的是，本发明中的高温sabatier反应器14和低温sabatier反应器15，其中的“高温”和“低温”是一种相对概念，即要求高温sabatier反应器14中的反应温度高于低温sabatier反应器15中的反应温度。但高温sabatier反应器14和低温sabatier反应器15中各自的具体反应温度数值，可根据实际需要进行设定。一般而言，可在sabatier反应的反应温度区间中选择靠近上限的高温段作为高温sabatier反应器14内的反应温度，而在sabatier反应的反应温度区间中选择靠近下限的低温段作为低温sabatier反应器15内的反应温度。作为本发明实施例的一种较佳实现方式，高温sabatier反应器14中的反应气温度可设置为400～450℃，低温sabatier反应器15中的反应气温度可设置为250～350℃。
34.另外，本发明中为了充分节省火星上运行该反应系统的能源，设置了汽化器3、预热器10、中间冷却器11等组件来对整个反应流程中的热能和冷量进行合理利用。其中，汽化器3、预热器10、中间冷却器11中分别设有构成换热接触的第一通路和第二通路。作为本发明实施例的一种较佳实现方式，汽化器3可采用翅片管式换热器，预热器10可采用气-气板式换热器，中间冷却器11也可采用气-气板式换热器。
35.本发明的反应系统中，sabatier反应的原料包括二氧化碳和氢气，两者分别通过液态二氧化碳储罐2和高压氢气源6进行供应。液态二氧化碳储罐2通过二氧化碳管路1依次连接汽化器3的第一通路、第一调压阀4和混合器9。而高压氢气源6通过氢气管路5依次连接氢气管路5和混合器9。混合器9通过混合气预热管路8依次连接预热器10的第一通路、中间冷却器11的第一通路和电加热器12，电加热器12通过混合气反应管路13依次连接高温sabatier反应器14、中间冷却器11的第二通路、汽化器3的第二通路、低温sabatier反应器15和预热器10的第二通路，预热器10的第二通路的出口放空。
36.在本发明中，高压氢气源6可以采用加压设备对氢气进行加压来实现，也可以直接采用高压气瓶组。本实施例中采用的是高压氢气瓶组。
37.另外，液态二氧化碳储罐2中的液态二氧化碳当然也可通过低温流体输送设备进行加压输送，但由于液态二氧化碳自身容易汽化，因此本实施例中可将二氧化碳管路1的入口端设置于液态二氧化碳储罐2的液面以下，从而液态二氧化碳储罐2中的液态二氧化碳通过汽化后在储罐顶空形成高压环境，进而以自增压方式驱动液态二氧化碳进入二氧化碳管路1中。
38.需要注意的是，设置第一调压阀4和第二调压阀7的目的是为了提高进入混合器9的气体压力，使其满足最终的sabatier反应对于反应压力的要求。第一调压阀4和第二调压阀7的出口压力是可调整的，具体出口压力值根据实际的反应需要进行设定。在实际使用时，可先设定第一调压阀4的出口压力，液态二氧化碳储罐2中的液态二氧化碳在自增压驱动下通过二氧化碳管路1进入汽化器3第一通路，吸收高温反应气热量完成汽化，随后通过第一调压阀4进入混合器9；设定第二调压阀7的出口压力，高压氢气瓶组中的高压氢气通过氢气管路5和第二调压阀7进入混合器9。氢气与二氧化碳气体以特定比例完成混合，混合气
压力约为3.0mp。需注意的是，混合器9中氢气与二氧化碳气体的混合比例需要根据实际的sabatier反应所需的物料比例进行调整，优选为满足sabatier反应的原料化学计量比。
39.另外，由于汽化器3、预热器10、中间冷却器11、电加热器12的作用是为了合理利用整个反应过程中各种物料、反应气中的冷热能量。sabatier反应在启动时需要加热，使反应器内催化剂达到要求的初始反应温度，反应启动后就不需要再加热，能靠自身的放热维持反应温度，所以混合器9中的混合气需要通过预热器10、中间冷却器11、电加热器12进行三次升温，达到设定的sabatier反应启动温度，如400～450℃。而达到sabatier反应启动温度的反应气在高温sabatier反应器14中发生高温sabatier反应后会释放大量的反应热，反应热导致反应气迅速升温，形成高温反应气。该高温反应气依次进入中间冷却器11、汽化器3进行换热冷却后，再进入低温sabatier反应器15继续进行低温sabatier反应。
40.但虽然高温反应气进入低温sabatier反应器15之前已经预先进行了换热冷却，但如果其反应气温度依然尚未达到能够最大化转化率的温度，则需要继续进行换热冷却。因此，本发明在低温sabatier反应器15中设有用于通入火星大气的外置换热通路，外置换热通路与低温sabatier反应器15的反应腔构成换热，且通过调节外置换热通路中的火星大气流量能够实现低温sabatier反应器15的反应温度调控。作为本发明实施例的一种较佳实现方式，低温sabatier反应器15中的外置换热通路可连接变频低温风机的出气口，由变频低温风机提供火星大气的输送动力。变频低温风机的功率可调整，进而改变其输入的火星大气流量，流量越大低温sabatier反应器15中的反应温度越低，反之低温sabatier反应器15中的反应温度越高。因此，实际运行时可根据低温sabatier反应器15中所需的反应温度，通过调节变频低温风机的功率来保持始终处于该反应温度。
41.另外，由于低温sabatier反应器15中的sabatier反应依然会释放大量反应热，低温sabatier反应器15出口的反应气温度依然相对较高，这部分反应气可进入预热器10中进行换热后再排出。
42.另外，由于火星大气的温度较低，因此为了保证sabatier反应的正常进行，高温sabatier反应器14和低温sabatier反应器15外部均包覆绝热材料。高温sabatier反应器14和低温sabatier反应器15的反应器结构不限，可采用任意现有技术中的sabatier反应器来实现，反应器的反应腔内部均填充有sabatier反应催化剂。sabatier反应催化剂的形式不限，ru、ni、co、fe和mo等对sabatier反应具有较好的催化活性，可根据实际进行选择。
43.在本发明的另一实施例中，基于上述利用火星大气冷能的双段二氧化碳甲烷化sabatier反应系统，还提供了一种利用火星大气冷能的双段二氧化碳甲烷化sabatier反应方法，其包括如下步骤：
44.s1、将液态二氧化碳储罐2中的液态二氧化碳增压后，通过二氧化碳管路1进入汽化器3的第一通路，并吸收汽化器3的第二通路中的反应气热量后完成汽化，随后通过第一调压阀4进入混合器9中；同时将高压氢气源6中的高压氢气通过氢气管路5和第二调压阀7进入混合器9；增压后的氢气与二氧化碳气体在混合器9中按照sabatier反应的化学计量比混合，形成压力满足反应需求的混合气。
45.在本实施例中，混合器9中的混合气压力优选调节至约为3.0mp，这可以通过设定第一调压阀4的出口压力和第二调压阀7的出口压力来调整。
46.s2、将混合器9中的混合气首先通过混合气预热管路8进入预热器10的第一通路，
吸收预热器10的第二通路中反应气热量后完成第一次升温，随后进入中间冷却器11的第一通路，吸收中间冷却器11的第二通路中的反应气热量后完成第二次升温，最后进入电加热器12完成第三次升温并达到设定的sabatier反应启动温度。
47.s3、电加热器12出口的混合气首先经过混合气反应管路13进入高温sabatier反应器14中，由于此时混合气的温度和压力均已达到设定温度，因此在高温sabatier反应器14内的sabatier反应催化剂作用下使部分二氧化碳和氢气发生还原反应生成甲烷和水且释放大量的反应热。由于反应热的产生会导致反应气迅速升温，虽然高温会加快反应速率但同时会抑制转化率，所以高温sabatier反应器14内只有部分二氧化碳和氢气还原成甲烷和水。因此，经过高温sabatier反应器14后，混合气转化成了包含二氧化碳、氢气、甲烷和水汽的反应气。
48.s4、高温sabatier反应器14排出的反应气包含二氧化碳、氢气、甲烷和水汽继续进入中间冷却器11的第二通路，与中间冷却器11的第一通路中的混合气换热冷却，随后进入汽化器3的第二通路，与汽化器3的第一通路中的液态二氧化碳换热冷却。冷却后的反应气进入低温sabatier反应器15，在低温sabatier反应器15内的sabatier反应催化剂作用下剩余的二氧化碳和氢气继续发生还原反应，生成甲烷和水且释放反应热。且在低温sabatier反应器15内的sabatier反应反应过程中，可在变频低温风机等设备的作用下将火星大气引入低温sabatier反应器15的外置换热通路中，进而对低温sabatier反应器15内进行冷却，提高低温sabatier反应器15中的反应转化率。低温sabatier反应器15中的反应温度可通过调节变频低温风机的功率进而控制在250～350℃。由于反应气已经过两次冷却，整体处于相对低的温度区间，同时在火星大气的冷却下反应气进一步降温，因此低温sabatier反应器15中的转化率会大幅提升，使得绝大部分的二氧化碳和氢气完成转化。
49.s5、由于sabatier反应会释放大量反应热，所以低温sabatier反应器15出口的反应气温度依然相对较高，因此低温sabatier反应器15出口的反应气急需进入预热器10的第二通路，与预热器10的第一通路中的混合气换热冷却后，最终排出至外部的反应气存储设备或者回收设备。
50.作为本发明实施例的一种较佳实现方式，预热器10的第二通路中排出的反应气可进入反应气分离和液化系统中，用于对反应气中的二氧化碳、氢气、甲烷和水汽按照各自的相变点进行逐级液化分离。
51.需要说明的是，由于sabatier反应在启动时需要加热使反应器内催化剂达到要求的sabatier反应启动温度，但反应启动后就不需要再加热，能靠自身的放热维持反应温度。因此，在整个反应过程中，s2步骤内的电加热器12可仅在反应器启动阶段开启，待高温sabatier反应器14启动后即可保持关闭，若出现高温sabatier反应器14内的反应温度不足时再重新启动。
52.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。