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浅谈如何解决小型甲烷液化设备中的压力问题

已有 456 次阅读 2020-5-25 13:04 |个人分类:农林科技|系统分类:科研笔记| 甲烷, 液化, 技术, 原理

浅谈如何解决小型甲烷液化设备中的压力问题

我对农村秸秆产生的大量沼气的液化问题一直比较关注,虽然不太懂这方面的专业知识,但是也是一边学习一边总结摸索。以前写了一篇文章《能否嵌套制造甲烷液化设备》,使用提出了“压缩机嵌套”http://blogsciencenetcn/blog-117615-1167112html技术来解决甲烷液化问题。但是液化甲烷不仅需要温度条件,也需要压力条件。如何解决高压问题呢?现在找到了一个办法,就是单向阀技术,可以解决小型机器加压问题。

甲烷从气态液化的必要条件是温度低于临界温度,甲烷临界温度约为-83℃,在温度低于临界温度的情况下,只要有足够的压力,即可使其液化。当温度为临界温度-83℃时,甲烷液化所需的压力就是甲烷的临界压力,约为4.64MPa,温度越低,液化越容易。

那么什么是临界温度和临界压力呢?说老实话,我以前真的不懂,现在才知道这两个概念。温度不超过某一数值,对气体进行加压,可以使气体液化,而在该温度以上,无论加多大压力都不能使气体液化,这个温度叫该气体的临界温度。在临界温度下,使气体液化所必须的最小压力叫临界压力。以下是气体的临界温度和临界压力表

气体名称

临界温度

临界压力


MPa

-240

129

-11856

504

-1469

339

空气

- 1405

3766

一氧化碳

-1402

350

二氧化碳

311

738

二氧化硫

1578

788

3743

2212

甲烷

-83

464

氩气

-122

486

从表中可以看出,实际上甲烷的液化并不是气体中最困难的,尽管甲烷的沸点是负的1615摄氏度,但是从-83到-1615都是它的液化温度,只要在这个温度区间给甲烷增加足够的压力就可以实现液化,所以不需要把温度降低到沸点,这就给技术带来了很多方便,但是压力必须足够大。那么如何加压呢?

甲烷的临界压力是4.64兆帕,压力越大越容易液化,这个压力相当于46个大气压。这么大的压力可以用单向阀来实现。单向阀如图所示:

单向阀闭合.bmp 

单向阀开.bmp 

在一个密闭容器中只保留进口和出口,在单向阀内部安装一个控制弹簧,弹簧前端安装一个封堵小球,或者一个封堵的挡板。当右端液体压力很大,超过弹簧的弹力的时候封堵小球打开,液体进入容器;当右端不再增压的时候,弹簧的压力会把封堵小球压制在进口,由于内部液体压力很大,封堵以后弹簧和容器内压力共同作用在封堵小球上,所以封堵得很严实,很密闭。如果在封堵的挡板上加一个能够忍受低温的橡胶垫圈,那么效果会更好。这时候就实现了容器内部的增压,这个设备是一个只能进入不能输出的容器。单向阀原理其实中国古人已经在应用,过去农村人在灶房使用的风箱就是一个单向阀设施。钢材的抗压强度一般都在250兆帕以上,因此使用钢管就能够满足抵抗高压需求。

利用单向阀原理可以直接给甲烷加压,也可以间接给甲烷加压。我们根据单向阀原理设计的压力容器不需要出口(实际上需要一个输出液化甲烷的出口,用来安装电磁阀)。是一个完全封闭容器,只保留一个进气口。这样气体只能进入不能出去,容器内的压力就会逐渐加大,达到甚至超过4.64兆帕。那么如何把气体压进容器里面呢?只要瞬时压强足够大就可以,而产生瞬时巨大压力的设备很多。例如千斤顶,例如轧钢机都可以。在单向阀的进口外面利用“活塞原理”(其实活塞就是一个可以活动的单向阀),安装一个和单向阀容器原理一样的小单向阀,在这个单向阀中安装一个活塞挤压设备,当这个小容器中加满甲烷的时候利用电磁力产生脉冲式压力(或者其它力),把活塞压向大容器的进气口,这样大容器就能够每次加进去一点气体,当容器中气体逐渐增多的时候压力自然而然就足够大了。但是大家知道,气体的压缩能力很强,压缩比很大,很难一次形成脉冲式高压,因此直接压缩甲烷,让甲烷冲入高压容器还是不够科学的。因此加压可以使用液体,产生脉冲式高压,液体的压缩比很小。

通常情况下不需要考虑水的压缩性,可以认为水是不可压缩的。但在压强变化过程非常迅速的情况下,例如在分析水击或水下爆炸问题时,必须考虑水的压缩性。但是总体来说水的压缩性能很小,远远低于气体,而且水非常稳定,它基本上是一种小分子简单化合物,使用物理方法无法分解,因此使用水作为压力介质非常合适。当上述的加压活塞中使用水的时候,必须把水压传导给容器中的甲烷,代替的设备是一个压力传导装置。我们把压力容器一分为二,一半填充甲烷气体,一半填充水或者油,间隔的隔断完全封闭,为了达到封闭效果,气体部分在容器上部(高于液体),加压用的油在下部,中间的隔断可以使用具有柔性的钢板。这样,无论隔板是否漏水漏气,由于他们共同在一个密闭容器中,根据帕斯卡定律,加在密闭液体上的压强,能够大小不变地由液体向各个方向传递。但是由于气体比液体密度小,所以甲烷总是在压力容器的顶部,不会泄漏(如果采取另外的隔断措施则必须采取严格的密封措施)。这个压力容器中的甲烷和水的压力一样,在逐渐增加。

瞬时加压设备除过可以使用电磁力以外,也可以使用多种设备加压。能够产生瞬时高压的设备有:自动液压锤、空气锤、锻造机、落锤、振动桩锤、轧钢机等等都可以产生巨大的瞬时压力。千斤顶顶压,一般的千斤顶的压力不会超过2兆帕,五吨的千斤顶的压力是2.18兆帕,满足不了4.64兆帕的要求。但是轧钢机的瞬时压力非常大,远远超过5兆帕。我们以1吨质量的钢锤从10米高度落下,打压在一个1平方厘米的活塞上产生的瞬时压力为例来计算:1吨质量的钢锤从10米高度落下时产生的动能是9.8万牛顿,此时速度是9.8米每秒,动量是9800 kg·m/s 。假如打压在活塞上的时间是0.1秒,此时根据冲量定律产生的力是9.8万牛顿,根据固体压力公式,这个强大的力作用在1平方厘米的活塞上产生的瞬时压力为98兆帕。98兆帕的压力远远大于液化甲烷所需要的临界压力。因此,使用瞬时加压设备是完全可行的。只不过对于活塞和甲烷容器的抗压强度有很高的要求,而特种钢是完全能够满足这种需求的。

总结以上分析,我们设计的小型甲烷液化设备主要由以下几个部件组成:1,瞬时加压部件,这个部件的选择可以有多种,最为简单的就是落锤;2,瞬时承压部件,这个类似于活塞,有进水口,出水口,这个部件要求有很大的抗压强度,同时要求有很好的密封性能;3,压力容器,压力容器需要足够大,能够承受不断增加的压强。当甲烷在压力容器中的压力越来越大的时候,根据克拉伯龙方程PV=nRT,v是定值,R是定值,此时P和n在增加,但是P和n并非是同比例增加,此时温度T会急剧增加,而降温的设备就是我在《能否嵌套制造甲烷液化设备》中设计的工业冰箱,4,把压力容器放在工业冰箱冷冻室中就可以把多余的热量带出去,从而实现压力的增加,温度的降低,达到并且超过液化甲烷需要的4.64兆帕,负83摄氏度要求。这样就能实现液化甲烷的目的,而从此以后农村的大量沼气池就能够焕发活力,农村存在的大量秸秆、枯枝落叶也就不再是污染环境的污染源,而是清洁能源了。

这个设备如果能够造出来,其价格我们可以估算一下:嵌套式工业冰箱估计大约不会超过二十万元,而大型压力容器最多也不会超过5万元,落锤装置不会超过5万元,比较精密的瞬时承压部件大约需要3万元。其它辅助设备大约需要5万元(根据规模变动)。总体设备投资38万元。占地大约半亩以上即可,厂房高度要求超过10米。所以,这样的设施基本上在农村可以普及。




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