一种用于火星表面二氧化碳加氢甲烷化的Sabatier反应器及方法技术

本发明专利技术公开了一种用于火星大气二氧化碳还原的Sabatier反应器及其方法。沿原料气流动方向设置孔隙率逐渐降低的金属多孔介质层，构建高温区到低温区连续过渡的梯度温度场，从而兼顾了高温和低温下的Sabatier反应，同步提升Sabatier反应的反应速率和转化率。本发明专利技术以平板式热管和金属多孔介质层构建复合换热强化结构，充分利用平板热管内部工质的蒸发冷凝循环和金属多孔介质层良好的空间导热能力，利用火星大气冷能消除Sabatier反应的反应热，从而保证Sabatier反应器可靠且稳定地运行。本发明专利技术不需配置额外冷却设备，从而大幅提升了Sabatier反应器对火星环境的适应性。Sabatier反应器对火星环境的适应性。Sabatier反应器对火星环境的适应性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于火星表面二氧化碳加氢甲烷化的Sabatier反应器及方法


[0001]本专利技术涉及火星探测
，特指一种用于火星表面二氧化碳加氢甲烷化的Sabatier反应器及其方法。

技术介绍

[0002]火星推进剂原位制备是实现地外载人探测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。
[0003]Sabatier反应是一个受热力学平衡限制的强放热过程，大量反应热聚集所引起的温度升高会严重影响反应的正常进行，不仅会导致催化剂烧结失活，降低反应转化率，而且反应产物也会随着反应温度的变化发生变化，形成副产物。根据Sabatier反应特性，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。Sabatier反应器设计的关键在于使反应器的结构特性适应于反应的特性，应考虑反应速度与转化率对于温度的差异性要求。当前已有的Sabatier反应器结构通常前端布置加热器，而后端直接通过套管式结构进行冷却降温。此类结构存在两点不足，一是用以提升反应速率的高温区和用以提升转化率的低温区直接相连，导致两者均难以充分发挥设定功能，二是套管式外部冷却的冷却效率有限，当因原料气流量增加而导致反应热快速上升时，反应器内部易形成局部热点。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种用于火星表面二氧化碳加氢甲烷化的Sabatier反应器，以平板热管耦合不同孔隙率的泡沫金属构建梯度温度场，提升Sabatier反应的反应速度和转化率。
[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用于火星表面二氧化碳加氢甲烷化的Sabatier反应器，其包括绝热的反应器壳体，反应器壳体内部的反应腔设有进气口和出气口；
[0007]所述反应腔通过环形的绝热分隔板分为高温反应区和梯度温度场反应区；
[0008]所述高温反应区内置有用于将Sabatier反应的原料气加热到初始反应温度的加热器，加热器表面涂敷有Sabatier反应催化剂；
[0009]所述梯度温度场反应区中沿进气方向依次设有第一金属多孔介质层、第二金属多孔介质层和第三金属多孔介质层，且第一金属多孔介质层、第二金属多孔介质层和第三金属多孔介质层的孔隙率递减，介质表面均涂敷有Sabatier反应催化剂；三层金属多孔介质层均通过贯通反应器壳体的平板式热管与外部火星大气构成换热，使三层金属多孔介质层中的Sabatier反应热能够传递至火星大气；
[0010]所述原料气从所述进气口通入后，依次流经高温反应区中的加热器表面以及梯度温度场反应区中的第一金属多孔介质层、第二金属多孔介质层和第三金属多孔介质层，再从所述出气口排出。
[0011]作为上述第一方面的优选，所述反应器绝热壳体由Sabatier反应器外壳和Sabatier反应器内壳内外嵌套而成，且内外壳夹层中填充有绝热材料。
[0012]作为上述第一方面的优选，所述平板式热管包括顺次连接的平板式热管蒸发段、平板式热管绝热段和平板式热管冷凝段，平板式热管蒸发段位于梯度温度场反应区中且与第一金属多孔介质层、第二金属多孔介质层、第三金属多孔介质层连接并构成换热接触，所述平板式热管冷凝段位于反应器壳体外部并接触火星大气，所述平板式热管绝热段贯通穿过反应器壳体且两端分别连接平板式热管蒸发段和平板式热管冷凝段。
[0013]作为上述第一方面的优选，所述平板式热管在所述梯度温度场反应区中呈环形布置，平板式热管蒸发段环绕包裹于三层金属多孔介质层的外周。
[0014]作为上述第一方面的优选，所述平板式热管蒸发段与第一金属多孔介质层、第二金属多孔介质层和第三金属多孔介质层的连接位置填充有用于消除接触热阻的导热介质。
[0015]作为上述第一方面的优选，各金属多孔介质层采用泡沫铜作为金属骨架，且泡沫铜表面涂覆的Sabatier反应催化剂采用Ru基催化剂。
[0016]作为上述第一方面的优选，所述加热器采用以太阳能作为热源的加热器。
[0017]作为上述第一方面的优选，所述绝热材料为真空绝热板。
[0018]作为上述第一方面的优选，所述梯度温度场反应区中沿进气方向依次设有三层以上金属多孔介质层，且沿进气方向上各金属多孔介质层的孔隙率递减；所有金属多孔介质层表面均涂覆有Sabatier反应催化剂，且均通过贯通反应器壳体的平板式热管与外部火星大气构成换热。
[0019]第二方面，本专利技术提供了一种利用上述第一方面任一方案所述的Sabatier反应器的火星表面二氧化碳加氢甲烷化方法，其包括：
[0020]将原料气从所述进气口通入反应器壳体内部的反应腔中，首先在高温反应区中通过加热器将原料气加热升温至Sabatier反应启动温度，从而在加热器表面涂敷的Sabatier反应催化剂作用下发生还原反应，使部分原料气转化为甲烷和水；然后将部分转化的原料气继续通入梯度温度场反应区中，依次流经孔隙率递减的第一金属多孔介质层、第二金属多孔介质层和第三金属多孔介质层，在介质表面涂敷的Sabatier反应催化剂作用下继续进行三级转化并释放反应热，在三层金属多孔介质层的孔隙率控制下梯度温度场反应区中沿气流方向形成温度逐渐降低的温度场，从而逐级提高原料气的转化率；在反应过程中，第一金属多孔介质层、第二金属多孔介质层、第三金属多孔介质层中的反应热均通过平板式热管传递至反应器壳体外部的火星大气中；最终从所述出气口收集转化完毕的反应气物料。
[0021]本专利技术相比现有技术突出且有益的技术效果是：
[0022]本专利技术沿原料气流动方向设置孔隙率逐渐降低的金属多孔介质层，构建高温区到低温区连续过渡的梯度温度场，最大化高温和低温的有益效果，同步提升Sabatier反应的反应速率和转化率；充分利用火星大气冷能消除Sabatier反应的反应热，不需配置额外冷却设备并大幅提升Sabatier反应器对火星环境的适应性；以平板式热管和金属多孔介质层构建复合换热强化结构，充分利用平板热管内部工质的蒸发冷凝循环和金属多孔介质层良
好的空间导热能力，消除反应器可能产生的局部热点，从而保证Sabatier反应器可靠且稳定地运行。
[0023]以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果做进一步说明，以充分的了解本专利技术的目的、特征和效果。
附图说明
[0024]图1是本专利技术一种用于火星表面二氧化碳加氢甲烷化的Sabatier反应器的结构示意图。
[0025]图中：Sabatier反应器外壳1、绝热材料2、Sabatier反应器内壳3、高温反应区4、梯度温度场反应区5、平板式热管蒸发段6、平板式热管绝热段7、平板式热管冷凝段8、加热器9、绝热分隔板10、第一金属多孔介质层11、第二金本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于火星表面二氧化碳加氢甲烷化的Sabatier反应器，其特征在于，包括绝热的反应器壳体，反应器壳体内部的反应腔设有进气口和出气口；所述反应腔通过环形的绝热分隔板(10)分为高温反应区(4)和梯度温度场反应区(5)；所述高温反应区(4)内置有用于将Sabatier反应的原料气加热到初始反应温度的加热器(9)，加热器(9)表面涂敷有Sabatier反应催化剂；所述梯度温度场反应区(5)中沿进气方向依次设有第一金属多孔介质层(11)、第二金属多孔介质层(12)和第三金属多孔介质层(13)，且第一金属多孔介质层(11)、第二金属多孔介质层(12)和第三金属多孔介质层(13)的孔隙率递减，介质表面均涂敷有Sabatier反应催化剂；三层金属多孔介质层均通过贯通反应器壳体的平板式热管与外部火星大气构成换热，使三层金属多孔介质层中的Sabatier反应热能够传递至火星大气；所述原料气从所述进气口通入后，依次流经高温反应区(4)中的加热器(9)表面以及梯度温度场反应区(5)中的第一金属多孔介质层(11)、第二金属多孔介质层(12)和第三金属多孔介质层(13)，再从所述出气口排出。2.如权利要求1所述的用于火星表面二氧化碳加氢甲烷化的Sabatier反应器，其特征在于，所述反应器绝热壳体由Sabatier反应器外壳(1)和Sabatier反应器内壳(3)内外嵌套而成，且内外壳夹层中填充有绝热材料(2)。3.如权利要求2所述的用于火星表面二氧化碳加氢甲烷化的Sabatier反应器，其特征在于，所述平板式热管包括顺次连接的平板式热管蒸发段(6)、平板式热管绝热段(7)和平板式热管冷凝段(8)，平板式热管蒸发段(6)位于梯度温度场反应区(5)中且与第一金属多孔介质层(11)、第二金属多孔介质层(12)、第三金属多孔介质层(13)连接并构成换热接触，所述平板式热管冷凝段(8)位于反应器壳体外部并接触火星大气，所述平板式热管绝热段(7)贯通穿过反应器壳体且两端分别连接平板式热管蒸发段(6)和平板式热管冷凝段(8)。4.如权利要求3所述的用于火星表面二氧化碳加氢甲烷化的Sabatier反应器，其特征在于，所述平板式热管在所述梯度温度场反应区(5)中呈环形布置，平板式热管蒸发段(6)环绕包裹于三层金属多孔介质层的外周。5.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春伟，李山峰，王克军，江雅娟，赵和平，王晓宇，杨行，余海帅，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：