空间站Sabatier CO2还原装置实验研究
作者：李军 艾尚坤 周抗寒
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：空间站；CO2还原；氧再生；Sabatier；转化率
航天医学与医学工程990210摘要：目的 研究长期载人航天任务中舱室CO2催化还原处理的大气再生技术。方法 研制了Sabatier CO2还原装置地面实验样机系统。结果 在CO2流量为1.0 L/min(模拟3人平均排出量)时，反应起动温度可降到165℃，起动时间14 min；H2与CO2摩尔比分别为1.9、2.8、3.5、4.0和5.0时，贫组分一次通过转化率均高于95%；产物水无色，呈中性。结论 Sabatier CO2还原装置地面实验样机系统操作简便，性能达到了设计目的，处理舱室中3人代谢CO2量有较高的效率。
, 百拇医药
中图分类号：R852.82，O621.25 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(1999)02-0121-04
An Experimental Study of the Sabatier CO2 Reduction Subsystem for Space Station
LI Jun,AI Shang-kun,ZHOU Kang-han
Abstract：Objective To develope and fabricate a prototype Sabatier CO2 reduction subsystem for long duration manned space missions. Method The rationale, equipment and function of the Sabatier CO2 reduction subsystem were introduced.Groundbased experiments with CO2 flows equivalent to a crew size of 3 persons were conducted to verify the operation performance of the prototype. Result The start-up temperature is less than 165℃ when the start-up time is 14 min;the lean component H2/CO2 conversion efficiency is over 95 percent when H2/CO2 molar ratios is 1.9～5.0; The water produced is nearly colorless and neutral. Conclusion The prototype Sabatier CO2 reduction subsystem is simple in operation and the test results showed that design goals were achieved.
, 百拇医药
Key words：space station；carbon dioxide reduction;oxygen regeneration;Sabatier;conversion-efficiency
Address reprint requests to：LI Jun. Institute of Space Medico-Engineering, Beijing 100094, China
在长期载人航天任务中，为减少发射质量及后勤保障费用，供氧必须采用再生技术，将舱室中的CO2收集并浓缩，再还原成水，然后水电解产氧，以达到大气再生的目的，实现O2的循环利用。CO2还原是其关键步骤之一。美国、日本对Sabatier和Bosch两种CO2还原方法进行了对比研究[1,2]，从性能、设计简单化、操作简便性、耗能、体积等多方面综合比较，认为Sabatier方法是目前较优的方案。70年代以来，美国、前苏联和日本相继研制了Sabatier CO2还原实验样机，并进行了不断改进[3～6]。本课题从90年代初开始对Sabatier CO2还原技术进行实验研究，取得了较大进展[7]。近年来，研制了Sabatier CO2还原装置地面实验样机，本文介绍其工作原理、系统组成和功能以及实验结果。
, 百拇医药
还原装置
Sabatier还原反应是可逆放热反应，在催化剂作用和一定的温度条件下，CO2和H2混合经还原反应生成水和甲烷。其反应方程式为：
CO2+4H2 → CH4+2H2O+Heat
舱室中的人体代谢物CO2由CO2收集与浓缩子系统收集，与水电解产物H2混合后供给Sabatier反应器，反应生成水和CH4，水再用来电解产生呼吸用O2和H2，或者输送到饮用水处理系统。
根据Sabatier反应原理，设计了CO2还原地面实验样机系统，由以下6个主要部分组成：进气控制装置、Sabatier反应器、钌催化剂、加热器及温度测控装置、冷凝及水收集装置、气体成份分析装置。实验系统框图见图1。
, 百拇医药
图1 CO2还原系统实验装置流程图
1.气瓶；2.减压阀;3.过滤器;4.流量调节阀;5.流量计;6.混气阀;7.压力表;8.Sabatier反应器;9.催化剂;10.热电偶;11.加热器;12.电源;13.多点记录仪;14.冷凝热交换器;15.风机;16.水收集箱;17.截止阀;18.气相色谱仪
Fig.1 Experimental flow diagram of Sabatier CO2 reduction subsystem
1.gas supply;2.check valve;3.filter;4.gas flow regulator;5.flowmeter;6.mix valve;7.pressure gauge;8.Sabatier reactor;9.catalyst;10.thermocouple;11.heater;12.power supply;13.recorder;14.condensing heat exchanger;15.fan;16.water collector;17.shut off valve;18.gas chromatography
, http://www.100md.com
进气控制装置 由气瓶、减压阀、过滤器、流量调节阀、流量计、混气阀和压力表等组成，其功能是按要求配置和调节反应气体的流量、CO2与H2的摩尔比、控制混合气体进口压力、控制吹扫气体N2的流量。
Sabatier反应器 反应器采用三层套管式结构，外层为进气管，采用逆流式进气方式，中层为冷却套管，采用气冷方式冷却，里层为反应管，直径36 mm，长314 mm。
钌催化剂 载体为Al2O3，粒径2～3 mm，含钌20%。采用碱溶液处理新工艺，将制备、还原后的钌催化剂，用一定浓度的碱溶液进行洗涤，再用去离子水洗，直至无Cl-为止，将处理好的催化剂放入烘箱中，120℃干燥4 h以上待用。这样处理后的催化剂有效地改进了产水的质量。
加热器及温度测控装置 由于Sabatier反应要在较高的温度下进行，反应前须对催化剂及反应床进行预热。反应管内径较小，普通加热器无法安装使用，研制了两个微型单端加热器，每支功率50 W，电压27 V。在反应管内设置8支热电偶，通过HR1300多点记录仪测量反应床前端、中端及末端温度。
, 百拇医药
冷凝及水收集装置 包括冷却风机、冷凝热交换器和水收集箱。反应产物冷凝后，水进入水收集箱，甲烷及剩余CO2和氢气排空。
气体成份分析装置 实验中用气相色谱仪分析反应器进、出口气体成份和浓度，采用自动进样阀进样。在气相色谱仪进样口前加一个干燥器，以消除尾气中水汽对结果的影响。
方 法
方法 CO2和H2高纯气体均由高压气瓶供气，供气压力为0.14 kPa，CO2流量模拟3人平均排出量约1.0 L/min，改变H2流量，H2与CO2摩尔比分别采用1.9、2.8、3.5、4.0和5.0。用色谱仪测量进气口CO2和H2的浓度来计算实际摩尔比值。反应床体积0.32 L，催化剂用量230 g。反应起始时由两个加热器加热至起动温度，然后关闭加热器，通入反应气体，反应进程中记录反应床各点温度，分析测定反应器出口气体成份和浓度，测量进、出口气体流量，计算反应转化率。
, 百拇医药
性能指标 (1)起动温度和起动时间：在不同温度下起动实验，记录停止加热至反应平衡时的时间；(2)反应转化率：在不同反应条件下计算贫组分的反应转化率；(3)产水水质：测量产物水的pH值、杂质浓度、电导率。
结 果
起动温度和起动时间 表1列出H2与CO2摩尔比为4的4次实验的起动温度和起动时间。起动时间指停止加热、通入CO2到主反应区温度达到平衡的时间。反应起动温度可降低至165℃，此时起动时间为14 min，起动温度升高，起动时间缩短。
反应床温度变化 Sabatier反应是一放热反应，反应起动后，随着反应的进行，转化率升高，反应热增加，反应床温度逐渐上升。当反应生成热量与反应器散热相等时，反应床处于动态热平衡状态，温度基本恒定。图2是反应床中温度随时间变化的曲线图，θ1是反应床主段温度，θ2是反应床中段温度，θ3是反应床末段温度。从图中可以看出：在反应床中，主反应区温度最高，中段次之，末段最低；起始阶段各区温度上升的速率也不一样，主反应区上升较快，而中段和末段上升较慢，这说明CO2还原量沿轴线递减，CO2还原过程主要集中于主反应区，大量的反应热使主反应区的温度很快上升，而中段和末段反应较少，产热也较少，温度上升缓慢；当反应进行一段时间后，各点温度逐渐达到平衡，各反应区平衡温度为θ1约452.6℃、θ2约269.0℃、θ3约205.0℃。
, 百拇医药
图2 反应床中温度随时间变化的曲线图
Fig.2 Curve of temperature versus time in the Sabatier reactor
反应转化率 表2列出了不同摩尔比时各次反应转化率。反应转化率以贫组分物质计算，摩尔比大于4计算CO2转化率，摩尔比小于4则计算H2转化率。
表1 反应起动时间与起动温度
Table 1 Start-up temperature and start-up time 指标(index)
实验序号(exprimental No.)
1
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2
3
4
起动温度(start-up temperature)(℃)
189.5
182.6
170.3
165.0
平衡温度(balance temperature)(℃)
454.1
452.6
445.0
, 百拇医药
452.5
起动时间(start-up time)(min)
10
11
13
14
表2 不同摩尔比反应转化率
Table 2 Effects of H2/CO2 molar ratio on conversion efficiency 实验
序号
(No.)
, 百拇医药 进气(inflowed gases)
排气(outflowed gases)
转化率(%)
(conversion
efficiency)
H2流速
(H2 flow
rate)
(L/min)
CO2流速
(CO2 flow
, 百拇医药
rate)
(L/min)
CO2浓度
(CO2
conc.)
(%)
H2浓度
(H2
conc.)
(%)
摩尔比
H2/CO2
, 百拇医药
(molar ration
of H2/CO2)
流速
(flow rate)
(L/min)
CH4浓度
(CH4
conc.)
(%)
CO2浓度
(CO2
, 百拇医药
conc.)
(%)
H2浓度
(H2
conc.)
(%)
H2
CO2
1
1.755
0.921
34.0
, http://www.100md.com
66.0
1.94
0.975
34.51
60.46
5.03
97.6
2
2.563
0.921
25.9
74.1
2.86
, http://www.100md.com
1.040
53.36
36.56
10.08
95.8
3
3.433
0.921
22.0
78.0
3.54
0.913
68.48
, http://www.100md.com
16.98
14.54
95.1
4
4.480
1.120
19.5
80.5
4.13
1.080
89.20
2.38
8.42
, 百拇医药
97.7
5
5.066
0.921
16.8
83.2
4.95
1.262
42.45
0.67
56.88
98.5
从表2可以看出，不同摩尔比条件下各次反应转化率均大于95%；摩尔比小于4时，随着摩尔比的下降，贫组分H2的转化率上升，未反应的CO2浓度增加；摩尔比大于4时，随着摩尔比的升高，贫组分CO2的转化率升高，未反应的H2浓度增加。在摩尔比接近4时，未反应的H2和CO2均较少。在空间站应用时，考虑到系统损耗，氧的再生不能达到完全闭环，需要一定的物质补充。由于水的贮存和输送都较为方便，采用补充水，电解后以获得补充氧是一个行之有效的方法。
, http://www.100md.com
产物水水质 反应所产的水无色，微有浑浊现象，pH值在6～8之间，基本呈中性，电导率720 μs/cm，Cl-浓度为3.3×10-4 kg/m3 ，SO42-浓度为5.38×10-3 kg/m3，未检测出钌离子。产水水质比较纯净，经消毒可用于饮用水；若用于电解，则需要改进催化剂，降低电导率。
讨 论
Sabatier反应器可视为平推流反应器。对于平推流反应器，要提高可逆反应一次通过的反应转化率，既要加快反应速度，又要提高反应平衡转化率。提高温度可以加快反应速度，但对于放热反应，提高反应平衡转化率需要降低温度。SabatierCO2还原反应是一放热反应，因此需要在反应床流向上保持一个合适的温度梯度。反应器采取绝热与冷却相结合的措施来控制反应床的温度。反应管前端利用加热器加热，并包上一层绝热材料，以保持较高温度，加快反应速度，中端和末端焊有冷却套筒，采用气冷方式冷却，提高反应平衡转化率。从实验结果可以看出，Sabatier反应器的设计很好地解决了这一矛盾，不同摩尔比条件下各次反应转化率均大于95%。
, 百拇医药
由于反应管前端温度较高，而反应原料气H2是危险气体，因此反应器密封性设计相当关键。反应器采用逆流式进气方式，进气口与出气口在反应器的同一侧，加热器与热电偶在另一侧，进气沿外层套管与反应管内的反应气体逆向换热，预热后再进入反应管，反应管前端为开放式，不接触反应器外壳，封闭端反应管末端温度相对较低，密封材料采用聚四氟乙烯，关键部件采用凹、凸密封垫片结构，保证密封可靠性。
结 论
Sabatier CO2还原装置地面实验样机系统结构简单可靠，操作简便，性能达到了设计目的，处理舱室中3人代谢CO2量有较高的效率，产水水质有较大改善，为空间站舱室CO2处理系统提供了技术准备。
参考文献
[1]Spina L, Lee MC. Comparison of CO2 reduction process —bosch and sabatier[R]. SAE 851343, 1986:262～271
, http://www.100md.com
[2]Otsuji K, Hanabusa O, Sawada T et al. An experimental study of the bosch and the sabatier CO2 reduction processes[R].SAE 871517,1987:1～6
[3]Cusick RJ.Space station prototype sabatier reactor design verification testing[R].ASME Paper 74-ENAs-58,1974
[4]Birbara PJ, Sribnik F.Development of an improved sabatier reactor[R].ASME Paper 79-ENAs-36, 1979
[5]Kleiner GN, Cusick RJ. Development of an advanced sabatier CO2 reduction subsystem[R]. ASME Paper 81-ENAs-11, 1981
[6]Rethke D, Birbara P, Grabowski N et al. Testing of russian ECLSS—sabatier and potable water processor[R].SAE 941251, 1994:444～450
[7]孟运余，尚传勋. CO2甲烷化还原技术研究[J]. 航天医学与医学工程，1994，7(2): 115～120
收稿日期：1998-05-07, 百拇医药
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：空间站；CO2还原；氧再生；Sabatier；转化率
航天医学与医学工程990210摘要：目的 研究长期载人航天任务中舱室CO2催化还原处理的大气再生技术。方法 研制了Sabatier CO2还原装置地面实验样机系统。结果 在CO2流量为1.0 L/min(模拟3人平均排出量)时，反应起动温度可降到165℃，起动时间14 min；H2与CO2摩尔比分别为1.9、2.8、3.5、4.0和5.0时，贫组分一次通过转化率均高于95%；产物水无色，呈中性。结论 Sabatier CO2还原装置地面实验样机系统操作简便，性能达到了设计目的，处理舱室中3人代谢CO2量有较高的效率。
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中图分类号：R852.82，O621.25 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(1999)02-0121-04
An Experimental Study of the Sabatier CO2 Reduction Subsystem for Space Station
LI Jun,AI Shang-kun,ZHOU Kang-han
Abstract：Objective To develope and fabricate a prototype Sabatier CO2 reduction subsystem for long duration manned space missions. Method The rationale, equipment and function of the Sabatier CO2 reduction subsystem were introduced.Groundbased experiments with CO2 flows equivalent to a crew size of 3 persons were conducted to verify the operation performance of the prototype. Result The start-up temperature is less than 165℃ when the start-up time is 14 min;the lean component H2/CO2 conversion efficiency is over 95 percent when H2/CO2 molar ratios is 1.9～5.0; The water produced is nearly colorless and neutral. Conclusion The prototype Sabatier CO2 reduction subsystem is simple in operation and the test results showed that design goals were achieved.
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Key words：space station；carbon dioxide reduction;oxygen regeneration;Sabatier;conversion-efficiency
Address reprint requests to：LI Jun. Institute of Space Medico-Engineering, Beijing 100094, China
在长期载人航天任务中，为减少发射质量及后勤保障费用，供氧必须采用再生技术，将舱室中的CO2收集并浓缩，再还原成水，然后水电解产氧，以达到大气再生的目的，实现O2的循环利用。CO2还原是其关键步骤之一。美国、日本对Sabatier和Bosch两种CO2还原方法进行了对比研究[1,2]，从性能、设计简单化、操作简便性、耗能、体积等多方面综合比较，认为Sabatier方法是目前较优的方案。70年代以来，美国、前苏联和日本相继研制了Sabatier CO2还原实验样机，并进行了不断改进[3～6]。本课题从90年代初开始对Sabatier CO2还原技术进行实验研究，取得了较大进展[7]。近年来，研制了Sabatier CO2还原装置地面实验样机，本文介绍其工作原理、系统组成和功能以及实验结果。
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还原装置
Sabatier还原反应是可逆放热反应，在催化剂作用和一定的温度条件下，CO2和H2混合经还原反应生成水和甲烷。其反应方程式为：
CO2+4H2 → CH4+2H2O+Heat
舱室中的人体代谢物CO2由CO2收集与浓缩子系统收集，与水电解产物H2混合后供给Sabatier反应器，反应生成水和CH4，水再用来电解产生呼吸用O2和H2，或者输送到饮用水处理系统。
根据Sabatier反应原理，设计了CO2还原地面实验样机系统，由以下6个主要部分组成：进气控制装置、Sabatier反应器、钌催化剂、加热器及温度测控装置、冷凝及水收集装置、气体成份分析装置。实验系统框图见图1。
, 百拇医药
图1 CO2还原系统实验装置流程图
1.气瓶；2.减压阀;3.过滤器;4.流量调节阀;5.流量计;6.混气阀;7.压力表;8.Sabatier反应器;9.催化剂;10.热电偶;11.加热器;12.电源;13.多点记录仪;14.冷凝热交换器;15.风机;16.水收集箱;17.截止阀;18.气相色谱仪
Fig.1 Experimental flow diagram of Sabatier CO2 reduction subsystem
1.gas supply;2.check valve;3.filter;4.gas flow regulator;5.flowmeter;6.mix valve;7.pressure gauge;8.Sabatier reactor;9.catalyst;10.thermocouple;11.heater;12.power supply;13.recorder;14.condensing heat exchanger;15.fan;16.water collector;17.shut off valve;18.gas chromatography
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进气控制装置 由气瓶、减压阀、过滤器、流量调节阀、流量计、混气阀和压力表等组成，其功能是按要求配置和调节反应气体的流量、CO2与H2的摩尔比、控制混合气体进口压力、控制吹扫气体N2的流量。
Sabatier反应器 反应器采用三层套管式结构，外层为进气管，采用逆流式进气方式，中层为冷却套管，采用气冷方式冷却，里层为反应管，直径36 mm，长314 mm。
钌催化剂 载体为Al2O3，粒径2～3 mm，含钌20%。采用碱溶液处理新工艺，将制备、还原后的钌催化剂，用一定浓度的碱溶液进行洗涤，再用去离子水洗，直至无Cl-为止，将处理好的催化剂放入烘箱中，120℃干燥4 h以上待用。这样处理后的催化剂有效地改进了产水的质量。
加热器及温度测控装置 由于Sabatier反应要在较高的温度下进行，反应前须对催化剂及反应床进行预热。反应管内径较小，普通加热器无法安装使用，研制了两个微型单端加热器，每支功率50 W，电压27 V。在反应管内设置8支热电偶，通过HR1300多点记录仪测量反应床前端、中端及末端温度。
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冷凝及水收集装置 包括冷却风机、冷凝热交换器和水收集箱。反应产物冷凝后，水进入水收集箱，甲烷及剩余CO2和氢气排空。
气体成份分析装置 实验中用气相色谱仪分析反应器进、出口气体成份和浓度，采用自动进样阀进样。在气相色谱仪进样口前加一个干燥器，以消除尾气中水汽对结果的影响。
方 法
方法 CO2和H2高纯气体均由高压气瓶供气，供气压力为0.14 kPa，CO2流量模拟3人平均排出量约1.0 L/min，改变H2流量，H2与CO2摩尔比分别采用1.9、2.8、3.5、4.0和5.0。用色谱仪测量进气口CO2和H2的浓度来计算实际摩尔比值。反应床体积0.32 L，催化剂用量230 g。反应起始时由两个加热器加热至起动温度，然后关闭加热器，通入反应气体，反应进程中记录反应床各点温度，分析测定反应器出口气体成份和浓度，测量进、出口气体流量，计算反应转化率。
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性能指标 (1)起动温度和起动时间：在不同温度下起动实验，记录停止加热至反应平衡时的时间；(2)反应转化率：在不同反应条件下计算贫组分的反应转化率；(3)产水水质：测量产物水的pH值、杂质浓度、电导率。
结 果
起动温度和起动时间 表1列出H2与CO2摩尔比为4的4次实验的起动温度和起动时间。起动时间指停止加热、通入CO2到主反应区温度达到平衡的时间。反应起动温度可降低至165℃，此时起动时间为14 min，起动温度升高，起动时间缩短。
反应床温度变化 Sabatier反应是一放热反应，反应起动后，随着反应的进行，转化率升高，反应热增加，反应床温度逐渐上升。当反应生成热量与反应器散热相等时，反应床处于动态热平衡状态，温度基本恒定。图2是反应床中温度随时间变化的曲线图，θ1是反应床主段温度，θ2是反应床中段温度，θ3是反应床末段温度。从图中可以看出：在反应床中，主反应区温度最高，中段次之，末段最低；起始阶段各区温度上升的速率也不一样，主反应区上升较快，而中段和末段上升较慢，这说明CO2还原量沿轴线递减，CO2还原过程主要集中于主反应区，大量的反应热使主反应区的温度很快上升，而中段和末段反应较少，产热也较少，温度上升缓慢；当反应进行一段时间后，各点温度逐渐达到平衡，各反应区平衡温度为θ1约452.6℃、θ2约269.0℃、θ3约205.0℃。
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图2 反应床中温度随时间变化的曲线图
Fig.2 Curve of temperature versus time in the Sabatier reactor
反应转化率 表2列出了不同摩尔比时各次反应转化率。反应转化率以贫组分物质计算，摩尔比大于4计算CO2转化率，摩尔比小于4则计算H2转化率。
表1 反应起动时间与起动温度
Table 1 Start-up temperature and start-up time 指标(index)
实验序号(exprimental No.)
1
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2
3
4
起动温度(start-up temperature)(℃)
189.5
182.6
170.3
165.0
平衡温度(balance temperature)(℃)
454.1
452.6
445.0
, 百拇医药
452.5
起动时间(start-up time)(min)
10
11
13
14
表2 不同摩尔比反应转化率
Table 2 Effects of H2/CO2 molar ratio on conversion efficiency 实验
序号
(No.)
, 百拇医药 进气(inflowed gases)
排气(outflowed gases)
转化率(%)
(conversion
efficiency)
H2流速
(H2 flow
rate)
(L/min)
CO2流速
(CO2 flow
, 百拇医药
rate)
(L/min)
CO2浓度
(CO2
conc.)
(%)
H2浓度
(H2
conc.)
(%)
摩尔比
H2/CO2
, 百拇医药
(molar ration
of H2/CO2)
流速
(flow rate)
(L/min)
CH4浓度
(CH4
conc.)
(%)
CO2浓度
(CO2
, 百拇医药
conc.)
(%)
H2浓度
(H2
conc.)
(%)
H2
CO2
1
1.755
0.921
34.0
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66.0
1.94
0.975
34.51
60.46
5.03
97.6
2
2.563
0.921
25.9
74.1
2.86
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53.36
36.56
10.08
95.8
3
3.433
0.921
22.0
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3.54
0.913
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16.98
14.54
95.1
4
4.480
1.120
19.5
80.5
4.13
1.080
89.20
2.38
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, 百拇医药
97.7
5
5.066
0.921
16.8
83.2
4.95
1.262
42.45
0.67
56.88
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从表2可以看出，不同摩尔比条件下各次反应转化率均大于95%；摩尔比小于4时，随着摩尔比的下降，贫组分H2的转化率上升，未反应的CO2浓度增加；摩尔比大于4时，随着摩尔比的升高，贫组分CO2的转化率升高，未反应的H2浓度增加。在摩尔比接近4时，未反应的H2和CO2均较少。在空间站应用时，考虑到系统损耗，氧的再生不能达到完全闭环，需要一定的物质补充。由于水的贮存和输送都较为方便，采用补充水，电解后以获得补充氧是一个行之有效的方法。
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产物水水质 反应所产的水无色，微有浑浊现象，pH值在6～8之间，基本呈中性，电导率720 μs/cm，Cl-浓度为3.3×10-4 kg/m3 ，SO42-浓度为5.38×10-3 kg/m3，未检测出钌离子。产水水质比较纯净，经消毒可用于饮用水；若用于电解，则需要改进催化剂，降低电导率。
讨 论
Sabatier反应器可视为平推流反应器。对于平推流反应器，要提高可逆反应一次通过的反应转化率，既要加快反应速度，又要提高反应平衡转化率。提高温度可以加快反应速度，但对于放热反应，提高反应平衡转化率需要降低温度。SabatierCO2还原反应是一放热反应，因此需要在反应床流向上保持一个合适的温度梯度。反应器采取绝热与冷却相结合的措施来控制反应床的温度。反应管前端利用加热器加热，并包上一层绝热材料，以保持较高温度，加快反应速度，中端和末端焊有冷却套筒，采用气冷方式冷却，提高反应平衡转化率。从实验结果可以看出，Sabatier反应器的设计很好地解决了这一矛盾，不同摩尔比条件下各次反应转化率均大于95%。
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由于反应管前端温度较高，而反应原料气H2是危险气体，因此反应器密封性设计相当关键。反应器采用逆流式进气方式，进气口与出气口在反应器的同一侧，加热器与热电偶在另一侧，进气沿外层套管与反应管内的反应气体逆向换热，预热后再进入反应管，反应管前端为开放式，不接触反应器外壳，封闭端反应管末端温度相对较低，密封材料采用聚四氟乙烯，关键部件采用凹、凸密封垫片结构，保证密封可靠性。
结 论
Sabatier CO2还原装置地面实验样机系统结构简单可靠，操作简便，性能达到了设计目的，处理舱室中3人代谢CO2量有较高的效率，产水水质有较大改善，为空间站舱室CO2处理系统提供了技术准备。
参考文献
[1]Spina L, Lee MC. Comparison of CO2 reduction process —bosch and sabatier[R]. SAE 851343, 1986:262～271
, http://www.100md.com
[2]Otsuji K, Hanabusa O, Sawada T et al. An experimental study of the bosch and the sabatier CO2 reduction processes[R].SAE 871517,1987:1～6
[3]Cusick RJ.Space station prototype sabatier reactor design verification testing[R].ASME Paper 74-ENAs-58,1974
[4]Birbara PJ, Sribnik F.Development of an improved sabatier reactor[R].ASME Paper 79-ENAs-36, 1979
[5]Kleiner GN, Cusick RJ. Development of an advanced sabatier CO2 reduction subsystem[R]. ASME Paper 81-ENAs-11, 1981
[6]Rethke D, Birbara P, Grabowski N et al. Testing of russian ECLSS—sabatier and potable water processor[R].SAE 941251, 1994:444～450
[7]孟运余，尚传勋. CO2甲烷化还原技术研究[J]. 航天医学与医学工程，1994，7(2): 115～120
收稿日期：1998-05-07, 百拇医药