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能否嵌套制造甲烷液化设备

已有 519 次阅读 2019-3-12 13:57 |个人分类:农林科技|系统分类:科研笔记| 甲烷, 液化, 设备, 发明

能否嵌套制造甲烷液化设备

农村存在大量的秸秆、树叶、柴草、木屑、粪便等等生物能源,最近几年环保检查严格,农村中大量的生物能源白白浪费掉,令人可惜。世界要可持续发展,要走向环保,必须使用生物能源。目前把生物能源转化为甲烷气体的技术已经成熟,但是把甲烷运输和液化技术并不成熟,虽然使用大型的制冷设备可以液化甲烷,但是成本非常昂贵,无法在广大农村和小城镇普及。现在急需一种小型液化设备,把甲烷液化成为罐装气体,这样便于携带运输储存,可以实现商品化。

那么如何实现制造这种设备呢?甲烷的液化需要负的161.5摄氏度,而且需要45ATM压力(4.59兆帕),普通的设备无法达到零下161.5摄氏度,只有液化氮气可以达到,但是液化氮气也不是普通设备能够制造出来的。通过液化甲烷气体的体积会缩小600多倍,在普通液化气罐中可以保存和运输。液化甲烷不仅需要负的161.5摄氏度,而且压力必须同步达到45个标准大气压(ATM),液化的时候放出大量热量。普通情况下,一个汽车轮胎的压力超过5ATM就会爆胎。所以要达到45ATM这是一个技术难题。

通常冰箱的制冷效果可以达到零下15摄氏度,冷库的制冷压缩机可以达到零下20度。但是要达到零下161.5摄氏度还很遥远。但是不管是冰箱制冷,还是空调制冷,还是冷库制冷,他们的原因是一样的。冰箱的原理就是利用制冷液遇见高温气化,气化是一个吸热过程,把周围空间的热量吸收到制冷液中,然后让制冷液(气体)流动在另外一个地方压缩液化,压缩液化的过程是放热过程,放热液化后制冷气体中的热量被排放到了外界环境,这样内部环境不断地降温,被带走热量,外部环境则不断地加温,被释放热量,由于外部环境在通常情况下和广大的外界相互联系,所以外部也就不断在散热。结果就是,冰箱里面越来越冷,可以结冰,而冰箱外面比较热。空调的在冬天的运转却恰恰相反,它把热量带给了室内,把室外的热量带给了制冷液,让制冷液在室外气化,在室内液化放热。

所以,制冷的关键在于制冷液,它通过不断地气化和液化来吸收和放出热量,从而达到制冷的效果。制冷液的熔点和沸点成为制约制冷成败的关键。现在普通的冰箱、空调、冷库非常常见,所以普通的制冷技术是完全成熟的。那么,我们能不能利用这种普通的制冷技术把甲烷液化呢?如何把甲烷的温度从常温降低到—161.5度呢?

我想到一个办法,不知道行不行?就是把冰箱嵌套在冰箱中,嵌套三次,分三次把温度降到——161.5摄氏度,第一次下降到—60度左右,第二次下降到—105摄氏度左右,第三次下降到—161.5摄氏度左右。甲烷液化器可以分为三层,最外面一层和外界连接,把热量排放到大气中,冷气排放到第一层,这时候第一层的温度可以下降到—20摄氏度,这一层使用普通的制冷设备;然后,里面一层再次隔离,使用另外一套制冷设备,使用一种新的制冷液,例如氨气或者二氧化硫;这时候可以把温度降低到—70摄氏度。里面再隔离第三层,使用第三套制冷设备,使用更低温的制冷液,例如氯气;这时候可以把温度降低到—100摄氏度。再次用高强度隔离班制造第四层空间,也是最里面一层空间,使用第四套制冷设备,使用更低温的制冷液,例如乙烯;这时候可以把温度降低到—169.4摄氏度。而甲烷的液化温度是—161.5度。恰好可以实现甲烷的液化。甲烷气体经过四次制冷,每一层对内是气化层,对外是液化层,在液化过程中都需要一个机械压缩设备,最终把它的温度降到了液化温度。在甲烷的液化中,需要45兆帕的压力,这个压力目前的专业压缩机可以达到要求,所以也许这个设备可以发明出来。

现在,我们来看看在不同的温度段需要什么样的制冷液比较合适。这些制冷液在常温下肯定都是气态的,所以只需要从气体中筛选即可。常温下的气体的熔点和沸点表格如下:

名称

熔点

沸点

二氧化碳

78.5

56.5

氨气

77.7

33.5

二硫化氢

85.5

60.4

氯气

101

34

二氧化硫

75.5

10

乙烯

169.4

103

甲烷

182.5

161.5

 

从表格中筛选,氨气和二氧化硫可以把温度降低到—70摄氏度,氯气可以把温度降低到—100摄氏度,而乙烯可以把温度进一步降低到—161.5.但是氯气的熔点是—101摄氏度,氯气的熔点和乙烯的沸点连接不上,这是一个问题。

以上设计是基于分步加压,分步降温,使用四套不同的降温压缩设备,把甲烷气体从外向内降温加压,最后让甲烷完全液化,最后使用罐装设备把甲烷制成液化气。这种设备一旦发明,我相信,给农村发展会带来革命性的影响。




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