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://blog。sciencenet。cn/blog-117615-1167112．html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

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161．5摄氏度，但是从－８３到－161．5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：

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。