CN115371359A - 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 - Google Patents

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Abstract

本发明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。

Description

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
技术领域
本发明涉及火星探测技术领域，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。
背景技术
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。
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。
发明内容
本发明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。
本发明拟用如下技术方案实现本发明的目的：
第一方面，本发明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；
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；
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；
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
第二方面，本发明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；
所述第一运行模式如下：
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；
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；
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；
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；
所述第二运行模式如下：
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；
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；
S23、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降温至接近火星大气的温度后进入二氧化碳冷凝器的第一通路中，继续吸收二氧化碳冷凝器的第二通路中的液态甲烷冷量后完成二氧化碳液化，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；
S24、将第二剩余反应气与液态甲烷回流管路中吸热汽化的甲烷混合后，继续通入甲烷液化冷箱中，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，而液态甲烷部分通过液态甲烷回流管路回流至二氧化碳冷凝器的第二通路中用于液化二氧化碳，剩余部分液态甲烷直接存储至液态甲烷储罐中。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
本发明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，可满足弱重力环境下高温反应气的分离需求。本发明在完成反应气组分高纯度分离的同时，实现了甲烷液化目标，同时实现水汽、二氧化碳和氢气的回收，使火星表面的各种宝贵资源损耗最小。本发明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，无需增加新的低温冷机，具有结构简单、操作方便的优点。
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
图1是本发明一种应用于火星表面的Sabatier装置反应气分离液化系统的结构示意图。
图中：反应气分离管路1、水汽冷凝器2、常温气液分离器3、预冷器4、二氧化碳冷凝器5、第一低温气液分离器6、甲烷液化冷箱7、低温冷机8、第二低温气液分离器9、第一低温截止阀10、液态甲烷储罐11、液态甲烷回流管路12、第二低温截止阀13、第三低温截止阀14。
具体实施方式
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。
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。
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。
如图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，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，其组成元件包括反应气分离管路1、水汽冷凝器2、常温气液分离器3、预冷器4、二氧化碳冷凝器5、第一低温气液分离器6、甲烷液化冷箱7、低温冷机8、第二低温气液分离器9、第一低温截止阀10、液态甲烷储罐11、液态甲烷回流管路12、第二低温截止阀13和第三低温截止阀14。该Sabatier装置反应气分离液化系统可在火星的弱重力环境下对Sabatier装置反应后排出的反应气中的不同组分进行分离。Sabatier装置反应气的温度一般大于473K，压力大于1MPa，是一种由水、二氧化碳、甲烷和氢气四种组分组成的混合气体，当然该混合气体中也可能存在部分杂质，但其含量极少，因此可忽略不计，本发明中主要考虑上述四种组分。
本发明的水汽冷凝器2、预冷器4和二氧化碳冷凝器5本质上都是换热器，各换热器中分别设有构成换热接触的第一通路和第二通路，第一通路用于通入待冷却的气体，而第二通路用于通入低温工质，从而对第一通路中的工质进行冷却。本发明需要分离的四种组分之间存在冷凝点差异，因此可利用火星大气的低温特性，通过不同的换热组合来实现四种组分的依次分离。下面对整个系统中各组成元件之间的连接方式和工作原理进行详细描述。作为本发明实施例的较佳实现方式，水汽冷凝器2和预冷器4采用翅片管式换热器，二氧化碳冷凝器5采用液-液板式换热器。
所有的组成元件主要通过反应气分离管路1和液态甲烷回流管路12来串联。
反应气分离管路1的入口端直连火星大气，用于通入Sabatier装置反应气，而反应气分离管路1的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各自内部的第一通路进行冷却，第二通路的入口端可连接风机从而便于火星大气的鼓入。而且在实际应用中，可通过控制风机的功率来调整进风流量，从而调节第一通路中的冷却温度。进风流量越大，第一通路中的冷却温度越低，水汽冷凝器2和预冷器4的极限冷却温度均为火星大气温度。
但由于火星平均气温约为216K，最低气温约172K，昼夜温差高达80K。当火星大气温度较低时，其温度能够冷凝Sabatier装置反应气中的二氧化碳，而当火星大气温度较高时，其温度不能冷凝反应气中的二氧化碳。而对于Sabatier装置反应气中的甲烷而言，其冷凝温度低于火星大气的最低温度，因此需要额外的冷源。本发明中在甲烷液化冷箱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，且冷头温度需保证能液化流经换热管路的Sabatier装置反应气内的甲烷。甲烷液化冷箱7中低温冷机8的主体部分需要与冷头部分进行热隔离，冷头部分与甲烷液化冷箱7中的换热管路换热接触且两者之间的缝隙中最好再填充高导热材料，而主体部分与冷头部分之间则需要进行隔热或者直接将主体部分直接设置于甲烷液化冷箱7之外。
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。二氧化碳冷凝器5的第二通路的入口、出口可分别通过第二低温截止阀13、第三低温截止阀14进行开闭控制。液态甲烷回流管路12的作用是在火星大气温度较高无法冷凝反应气中的二氧化碳时，将流出甲烷液化冷箱7的部分液态甲烷作为冷剂输入二氧化碳冷凝器5中，进而继续降低二氧化碳的温度。
在上述系统中，为了防止经过水汽冷凝器2之后的液态水凝固堵塞管路，水汽冷凝器2的第二通路中的进气量应当进行合理调节，使得水汽冷凝器2的冷却温度能使Sabatier装置反应气中的水汽液化但不凝固。
另外，如果火星大气温度较低能够冷凝反应气中的二氧化碳时，可直接通过预冷器4来液化二氧化碳，但如果火星大气温度较高无法冷凝反应气中的二氧化碳时，预冷器4自身无法液化二氧化碳，需要通过液态甲烷进行辅助。但此时，为了节省低温冷机8的能量消耗，可通过调节预冷器4的第二通路的进气量，使得预冷器4第一通路中的气体尽量接近火星大气温度。
由此，上述系统根据火星大气的温度不同存在两种运行模式：
运行模式一当火星大气温度较低且能够冷凝反应气中的二氧化碳时启用：
启动常温气液分离器3、第一低温气液分离器6、低温冷机8、第二低温气液分离器9，打开第一低温截止阀10，关闭第二低温截止阀13和第三低温截止阀14；火星大气在风机的作用下，分别流经水汽冷凝器2的第二通路和预冷器4的第二通路。来自Sabatier装置的高温反应气通过反应气分离管路1进入水汽冷凝器2第一通路，吸收火星大气的冷能，水汽首先完成液化，反应气变为气液两相混合物，此时反应气温度应该不低于273.15K，防止液态水凝固堵塞管路。处于两相状态的反应气进入常温气液分离器3，液态水在常温气液分离器3的作用下完成分离并排出回收，剩余反应气仅包含二氧化碳、甲烷和氢气三种物质。反应气继续进入预冷器4的第一通路，吸收火星大气的冷量，反应气中的二氧化碳会在预冷器4中液化，反应气再次变为气液两相混合物，随后通过二氧化碳冷凝器5的第一通路进入第一低温气液分离器6，液态二氧化碳在第一低温气液分离器6的作用下完成分离并排出回收，剩余反应气仅包含甲烷和氢气两种物质。反应气继续进入甲烷液化冷箱7，与其内部低温冷机8的冷头进行换热，反应气中的甲烷会在甲烷液化冷箱7中液化，反应气再次变为气液两相混合物，随后进入第二低温气液分离器9，氢气在第二低温气液分离器10的作用下完成分离并排出回收，剩余液态甲烷则通过第一低温截止阀10直接进入液态甲烷储罐11储存。
运行模式二当火星大气温度较高且不能冷凝反应气中的二氧化碳时启用：
启动常温气液分离器3、第一低温气液分离器6、低温冷机8、第二低温气液分离器9，打开第一低温截止阀10、第二低温截止阀13和第三低温截止阀14；火星大气在风机的作用下，分别流经水汽冷凝器2的第二通路和预冷器4的第二通路。来自Sabatier装置的高温反应气通过反应气分离管路1进入水汽冷凝器2第一通路，吸收火星大气的冷能，水汽首先完成液化，反应气变为气液两相混合物，此时反应气温度应该不低于273.15K，防止液态水凝固堵塞管路。处于两相状态的反应气进入常温气液分离器3，液态水在常温气液分离器3的作用下完成分离并排出回收，剩余反应气仅包含二氧化碳、甲烷和氢气三种物质。反应气继续进入预冷器4的第一通路，吸收火星大气的冷量后冷却降温，随后进入二氧化碳冷凝器5的第一通路，吸收液态甲烷的冷量，反应气中的二氧化碳会在吸收二氧化碳冷凝器5中液化，反应气再次变为气液两相混合物，随后进入第一低温气液分离器6，液态二氧化碳在第一低温气液分离器6的作用下完成分离并排出回收，剩余反应气仅包含甲烷和氢气两种物质。反应气与来自液态甲烷回流管路12的气态甲烷混合，随后进入甲烷液化冷箱7，与其内部低温冷机8的冷头进行换热，反应气中的甲烷会在甲烷液化冷箱7中液化，反应气再次变为气液两相混合物，随后进入第二低温气液分离器9，氢气在第二低温气液分离器10的作用下完成分离并排出回收，剩余反应气已全部转化为液态甲烷。液态甲烷绝大部分通过第一低温截止阀10直接进入液态甲烷储罐11储存，少部分甲烷进入液态甲烷回流管路12，通过第二低温截止阀13进入二氧化碳冷凝器5的第二通路，吸收反应气热量后转化为气态甲烷，随后通过第三低温截止阀14与来自第一低温气液分离器6的反应气混合。
本发明中，低温冷机8均需要采用能够耐受火星大气环境的低温冷机。、作为本发明实施例的较佳实现方式，低温冷机8可采用具有体积小、质量轻的斯特林型低温冷机。
另外，上述第一气液分离器3、第二气液分离器6、第三气液分离器9的具体形式不限，以能够从气液两相混合物中分离气体和液体为准。作为本发明实施例的较佳实现方式，第一气液分离器3、第二气液分离器6、第三气液分离器9均可采用离心式气液分离器。离心式气液分离器可使得气液两相混合物形成旋流，从而通过离心形式使得液滴被甩至内壁上，从气相中分离。考虑各气液分离器的运行温度，第一气液分离器3可采用常温气液分离器，而第二气液分离器6、第三气液分离器9均可采用能在各自工质温度下正常运行的低温气液分离器。
另外，为了提高低温冷机8的换热效率，甲烷液化冷箱7中的换热管路可采用盘管形式，盘管缠绕于低温冷机8的冷头上形成衔接，且两者之间可填充导热介质进一步提高换热效率。
需要注意的是，上述Sabatier装置反应气分离液化系统中的管路和设备均需进行绝热处理。
基于上述图1所示的Sabatier装置反应气分离液化系统，本发明还提供了一种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。火星大气温度的实时监测可通过布置温度传感器来实现。
1)上述第一运行模式如S11～S14所示：
S11、启动第一气液分离器3、第二气液分离器6、低温冷机8、第三气液分离器9，打开第一低温截止阀10，关闭第二低温截止阀13和第三低温截止阀14；通过风机将火星大气分别输入水汽冷凝器2的第二通路和预冷器4的第二通路，进而为各自的第一通路提供冷量。
S12、将来自Sabatier装置的原始反应气输入反应气分离管路1中，通过调节输入水汽冷凝器2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2的第一通路过程中吸收火星大气的冷能完成液化，从而变为第一气液两相混合物，此时反应气温度应该不低于273.15K，防止液态水凝固堵塞管路；第一气液两相混合物继续进入第一气液分离器3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；
S13、将第一剩余反应气继续通入预冷器4的第一通路，通过调节输入预冷器4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5的第一通路进入第二气液分离器6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；
S14、将第二剩余反应气继续通入甲烷液化冷箱7，通过控制低温冷机8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9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11中；
2)上述第二运行模式如S21～S24所示：
S21、启动第一气液分离器3、第二气液分离器6、低温冷机8、第三气液分离器9，打开第一低温截止阀10、第二低温截止阀13和第三低温截止阀14；通过风机将火星大气分别输入水汽冷凝器2的第二通路和预冷器4的第二通路，进而为各自的第一通路提供冷量；
S22、将来自Sabatier装置的原始反应气输入反应气分离管路1中，通过调节输入水汽冷凝器2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2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3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；
S23、将第一剩余反应气继续通入预冷器4的第一通路，通过调节输入预冷器4的第二通路的火星大气流量，使得第一剩余反应气降温至接近火星大气的温度后进入二氧化碳冷凝器5的第一通路中，继续吸收二氧化碳冷凝器5的第二通路中的液态甲烷冷量后完成二氧化碳液化，从而变为第二气液两相混合物；第二气液两相混合物继续进入第二气液分离器6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；
S24、将第二剩余反应气与液态甲烷回流管路12中吸热汽化的甲烷混合后，继续通入甲烷液化冷箱7中，通过控制低温冷机8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9中分离液态甲烷和氢气，氢气直接排出回收，而液态甲烷部分通过液态甲烷回流管路12回流至二氧化碳冷凝器5的第二通路中用于液化二氧化碳，剩余部分液态甲烷直接存储至液态甲烷储罐11中。
上述两种运行模式，均可实现Sabatier装置反应气中水、二氧化碳、甲烷和氢气四种组分的回收，各组分回收后可分别通过不同的存储装置进行存储或者输入其他用气设备中直接利用。
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。

Claims (10)

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)、低温冷机(8)、第三气液分离器(9)，打开第一低温截止阀(10)，关闭第二低温截止阀(13)和第三低温截止阀(14)；通过风机将火星大气分别输入水汽冷凝器(2)的第二通路和预冷器(4)的第二通路，进而为各自的第一通路提供冷量；
S12、将来自Sabatier装置的原始反应气输入反应气分离管路(1)中，通过调节输入水汽冷凝器(2)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(2)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(3)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；
S13、将第一剩余反应气继续通入预冷器(4)的第一通路，通过调节输入预冷器(4)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(5)的第一通路进入第二气液分离器(6)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；
S14、将第二剩余反应气继续通入甲烷液化冷箱(7)，通过控制低温冷机(8)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(9)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(11)中；
所述第二运行模式如下：
S21、启动第一气液分离器(3)、第二气液分离器(6)、低温冷机(8)、第三气液分离器(9)，打开第一低温截止阀(10)、第二低温截止阀(13)和第三低温截止阀(14)；通过风机将火星大气分别输入水汽冷凝器(2)的第二通路和预冷器(4)的第二通路，进而为各自的第一通路提供冷量；
S22、将来自Sabatier装置的原始反应气输入反应气分离管路(1)中，通过调节输入水汽冷凝器(2)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(2)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(3)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；
S23、将第一剩余反应气继续通入预冷器(4)的第一通路，通过调节输入预冷器(4)的第二通路的火星大气流量，使得第一剩余反应气降温至接近火星大气的温度后进入二氧化碳冷凝器(5)的第一通路中，继续吸收二氧化碳冷凝器(5)的第二通路中的液态甲烷冷量后完成二氧化碳液化，从而变为第二气液两相混合物；第二气液两相混合物继续进入第二气液分离器(6)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；
S24、将第二剩余反应气与液态甲烷回流管路(12)中吸热汽化的甲烷混合后，继续通入甲烷液化冷箱(7)中，通过控制低温冷机(8)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(9)中分离液态甲烷和氢气，氢气直接排出回收，而液态甲烷部分通过液态甲烷回流管路(12)回流至二氧化碳冷凝器(5)的第二通路中用于液化二氧化碳，剩余部分液态甲烷直接存储至液态甲烷储罐(11)中。
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