Sabatier反应器的小型化研究

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1、第２２卷第５期载人航天Ｖｏｌ．２２Ｎｏ．５２０１６年１０月ＭａｎｎｅｄＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔＯｃｔ．２０１６Ｓａｂａｔｉｅｒ反应器的小型化研究１１２１１∗赵玉潮，杨梅，吉定豪，焦凤军，黄延强（１．中国科学院大连化学物理研究所，大连１１６０２３；２．中国航天员科研训练中心，北京１０００９４）摘要：针对中长期载人航天ＣＯ处理与Ｏ循环再生问题，在Ｓａｂａｔｉｅｒ反应热力学分析的基础２２上，通过优化反应器高低温区的反应温度及进出口温度并预测冷却气体的最佳流量及出口温度，提出了适于载人航天的Ｓａｂａｔｉｅｒ反应流程及基于微化工技术的微反

2、应器设计方案，制造出一套地面Ｓａｂａｔｉｅｒ反应试验样机。在Ｈ／ＣＯ摩尔比为３?５、原料气流量为４?３Ｌ／ｍｉｎ、高温反２２应器温度为２６０～２６８℃、低温反应器温度为２１０～２３５℃的条件下，实现了４５００小时稳定运行、Ｈ转化率大于９８％、系统压力降小于４ｋＰａ的结果，为未来实用微反应器的设计奠定了技２术基础。关键词：Ｓａｂａｔｉｅｒ反应；微通道；微反应器；载人航天中图分类号：Ｒ８５２?８２文献标识码：Ａ文章编号：１６７４⁃５８２５（２０１６）０５⁃０５８２⁃０５ＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎＭｉｎｉａｔｕｒａｔｉｏｎｏｆＳ

3、ａｂａｔｉｅｒＲｅａｃｔｏｒ１１２１１∗ＺＨＡＯＹｕｃｈａｏ，ＹＡＮＧＭｅｉ，ＪＩＤｉｎｇｈａｏ，ＪＩＡＯＦｅｎｇｊｕｎ，ＨＵＡＮＧＹａｎｑｉａｎｇ（１．ＤａｌｉａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｄａｌｉａｎ１１６０２３，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｉｎａＡｓｔｒｏｎａｕｔＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＴｒａｉｎｉｎｇＣｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，Ｓａｂａｔｉｅｒｒｅａｃｔｉｏｎｗａｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｔｈ

4、ｅｍａｉｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｏｘｙｇｅｎｒｅｃｙｃｌｉｎｇｉｎｔｈｅｌｏｎｇ⁃ｄｕｒａｔｉｏｎｍａｎｎｅｄｓｐａｃｅｆｌｉｇｈｔｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｔｈｅＳａｂａｔｉｅｒｒｅａｃｔｉｏｎｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｂｙｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｒｅａｃｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｈｉｇｈｏｒｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅｇｉｏｎｉｎｔｈｅｒｅａｃｔｏｒａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｈｅｏｕｔｌｅｔ，ａｎｄｂｙｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｔｈｅｏｐｔ

5、ｉｍａｌｆｌｏｗｒａｔｅａｎｄｔｈｅｏｕｔｌｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｃｏｏｌｉｎｇｇａｓ，ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｍａｎｎｅｄｓｐａｃｅｆｌｉｇｈｔａｎｄｔｈｅｎｏｖｅｌｄｅｓｉｇｎｏｆｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＭｉｃｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＳａｂａｔｉｅｒｒｅａｃｔｉｏｎｗｅｒｅｐｒｏ⁃ｐｏｓｅｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ａｐｒｏｔｏｔｙｐｅｇｒｏｕｎｄＳａｂａｔｉｅｒｒｅａｃｔｏｒｗａｓｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ．ＦｏｒＨ／ＣＯｍｏ

6、ｌａｒｒａｔｉｏｏｆ２２３．５，ｔｈｅｆｅｅｄｇａｓｆｌｏｗｏｆ４．３Ｌ／ｍｉｎ，ｔｈｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅａｃｔｏｒｏｆ２６０～２６８℃，ｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｅａｃｔｏｒｏｆ２１０～２３５℃，ａｎｄｔｈｅｓｔａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆａｔｌｅａｓｔ４，５００ｈｏｕｒｓｗｅｒｅａｃｈｉｅｖｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆ９８％Ｈ２ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄ４ｋＰａｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｍａｙｅｓｔａｂｌｉｓｈａｇｏｏｄｆｏｕｎｄａ⁃ｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎ

7、ｏｆｌｉｇｈｔｅｒ，ｓｍａｌｌｅｒ，ｍｏｒｅｃｏｍｐａｃｔ，ａｎｄｍｏｒｅｅｆｆｉｃｉｅｎｔｍｉｃｒｏｒｅａｃｔｏｒｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅＫｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓａｂａｔｉｅｒｒｅａｃｔｉｏｎ；ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ；ｍｉｃｒｏｒｅａｃｔｏｒ；ｍａｎｎｅｄｓｐａｃｅｆｌｉｇｈｔ操作性、经济性、长期稳定性等各方面因素，促使１引言ＣＯ加氢甲烷化（Ｓａｂａｔｉｅｒ反应）成为目前各国解２ＣＯ的回收利用是一种再生式气体控制技［４］２决ＣＯ还原的主流技术。该反应是一个受热２术，包括ＣＯ２的富集浓缩、还原、水电解等三个步力学平衡限制的强放热过

8、程，若提高反应速度，需骤，目前被认为是解决中长期载人航天（如空间维持反应器处于高温状态，而高转化率则需反应站）供氧问题的有效途径，其中ＣＯ２还原技术是器处于较低温度，总之反应温度及温度梯度的精［１⁃３］其中重要环节之一。综合考虑技术成熟性、可确控制是实现该反应的重要前提。可见