一種非消耗型二氧化碳和水份的一體化處理裝置與方法與流程
2023-10-06 08:15:24 2
本發明屬於航天航空生保環控技術領域，具體涉及一種生保環控系統中大氣再生子系統的二氧化碳與水份的處理裝置，更具體的，涉及一種非消耗型二氧化碳和水份的一體化聯合處理裝置。
背景技術：
環境控制與生命保障系統（簡稱環控生保系統，ECLSS）是載人航天飛行器最重要的系統，通常，環控生保系統有六個子系統組成：溫度與溼度控制子系統、大氣控制與供應子系統、大氣再生子系統、火情探測與滅火子系統、水回收與管理子系統以及廢物管理子系統。
大氣再生子系統直接關係到飛行器乘員生命安全保障，主要功能包括二氧化碳清除、大氣監測、微量汙染物的控制等，在載人航天飛行器等密閉空間中，因人的呼吸會不斷的產生二氧化碳，烹調等燃燒過程及有機材料的氧化過程等也會產生二氧化碳，二氧化碳在密閉空間大氣中累積，其濃度不斷升高，而過高的二氧化碳濃度會導致人員的生理功能和工作效率，嚴重時甚至會危及生命，當人員長期暴露於二氧化碳濃度超過0.1%的環境下，會給人帶來不愉快感，含量為1%時，能使正常人呼吸量增加25%，含量為3%時,使呼吸量增加2倍，繼續積累達一定程度後,便會使人頭暈眼花、思維混亂、噁心、嘔吐等等，對人體的機能造成損壞和基本生理功能的變更，達到5%濃度時，人的呼吸僅能維持30分鐘，當含量為25%時，則可使呼吸中樞麻痺，並引起酸中毒，按照國家相關標準規定，工作環境中二氧化碳含量不得超過1%，因此，必須及時、有效地清除密閉空間人居環境所產生的二氧化碳，保證密閉空間大氣中二氧化碳濃度在一個適當的水平。
目前，有關二氧化碳的處理及控制技術主要有非再生式、物理化學再生式和受控生態再生式三類：
非再生式二氧化碳清除技術因吸收/吸附劑不可再生，屬於消耗型處理技術，不僅需要大量攜帶，而且在中長期載人航天飛行任務時面臨質量增加過快和再補給困難等問題，典型的有採用氫氧化鋰和超氧化物吸收二氧化碳的技術，僅適應於短期載人航天，或作為再生式技術必要的補充，如艙外航天服及緊急情況下的短時使用用途
在長期的載人航天飛行任務中，物理或化學再生式二氧化碳清除技術顯然更具競爭力，它克服了非再生式處理技術的缺陷，因可再生，可獲得更高的經濟性、效費比，典型的，如採用分子篩吸附、固態胺吸附、電化學吸收、膜分離等技術，尤其是分子篩吸附分離技術，美國天空實驗室、俄羅斯和平號以及現在的國際空間站採用的都是這種可再生式分子篩清除技術，但是，因為傳統分子篩吸附二氧化碳的同時吸附水份，存在競爭性吸附，甚至水還更為容易被分子篩吸附而大幅降低了其吸附二氧化碳的能力，而使得裝置設計更複雜，控制困難，重量、體積、功耗較大。
而受控生態再生式二氧化碳清除技術主要指在非再生和再生式系統的基礎上加入了生物技術，利用植物的光合作用淨化二氧化碳，並提供食物給航天員或動物，從而將各種再生循環整合到一起，為長時間、遠距離的航天飛行任務，比如更大型的空間站、月球基地甚至未來的火星基地等，因為物資的再補給難度進一步升高，需要考慮再生的物資除氧氣和水外，又增加了食品，並且對可靠性和效率的要求也更加嚴格，受控需調整淨化平衡時使用非再生或再生式系統輔助運行，基本模擬地球生態環境的循環過程，以實現在完全不依靠外部補給的情況下維持人類生存，總體上，生態生保系統面臨的技術挑戰更高，迄今距離實用階段還差得很遠。
如上所述，儘管淨化二氧化碳的方法有很多,如金屬氧化物吸收、固態胺吸收、醇胺吸收和電化學去極化膜分離技術、分子篩變壓吸附等，但在中長期的載人航天飛行任務中太空飛行器乘員艙內的二氧化碳的處理技術，物理或化學再生式二氧化碳清除技術因可再生，可獲得更高的經濟性、效費比，尤其是分子篩吸附分離技術，是國內外重點的研究方向，如美國，早在上世紀八十年代就在天空實驗室中採用了沸石分子篩的處理技術，目前，美國天空實驗室、俄羅斯和平號以及現在的國際空間站二氧化碳淨化採用的都是這種可再生式分子篩清除技術，較為成熟的典型技術方案是四床分子篩變壓吸附處理技術：
四床分子篩變壓吸附處理技術主要是根據分子之間的物理吸附來進行設計,採用5A分子篩，它可選擇性地吸附來自座艙中的二氧化碳，但由於5A分子篩與水蒸汽的親和力也較大，吸附空氣中的水蒸汽將引起對二氧化碳的吸附失效(降低分子篩對二氧化碳的吸附能力)，因此，在進入二氧化碳吸附床之前，空氣必須經過乾燥處理，為此在二氧化碳吸附床前串接了一個矽膠和13X分子篩分層結構構成的乾燥床，構成以兩套裝填乾燥劑的乾燥床串聯兩套裝填可吸附二氧化碳的沸石分子篩吸附床的分離裝置，可連續完成吸附與解吸工作，其解吸則採用太空的真空環境並適當輔助以熱能（或僅依賴真空）直接將吸附質脫附到太空，宏觀上，前級處理水份，後級淨化二氧化碳，其主要優點是能獨立地運作，與環控生保系統中的其它功能件無關，也不存在對座艙溼度負荷的衝擊，吸附材料穩定、無氣味，不需更換，在緊急狀態下能用飛行器外部的高真空資源進行解吸,還可降低功率負荷。但是，由於傳統的5A分子篩吸附二氧化碳的同時強力吸附水份，存在競爭性吸附，不得已採用前級乾燥處理，這將使得裝置設計更複雜，控制困難，重量、體積、再生功耗較大，而且，傳統的沸石分子篩為顆粒類分子篩，在發射等存在振動、衝擊的環境條件下這些分子篩容易破碎成粉末，即使正常運行也將因存在空間、體積等限制條件下，頻繁切換、設計空速過高等客觀設計條件帶來分子篩的流化現象，不但降低了系統的使用壽命，也將汙染其下遊設備
因此，在面向未來深空探測等更加長期或是對重量、功耗、補給限制更嚴格的飛行任務，本發明的 「基於疏水性分子篩吸附分離技術構建的非消耗型二氧化碳和水份的一體化處理方法及裝置」，可降低環控生保系統的初始發射重量，降低系統本身能源消耗，減少消耗品補給量，實現系統的輕量化的同時並提高系統的可靠性，為我國空間站後續環控生保技術的升級奠定基礎。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種重量輕、功耗低，使用壽命長的二氧化碳和水份的一體化處理裝置與方法。
為更好的描述本發明，有關本發明中的部分名字釋義如下：
貧氣，是指相對進入吸附器之前的原料氣中的特定組分而言，經吸附器之後獲得的較原料氣中的該組分更低濃度的氣體，如相對進入吸附器中的含二氧化碳的原料氣體來說，吸附塔出口即獲得較該原料氣更低的濃度，稱為貧二氧化碳氣，如相對進入吸附器中的含水份的原料氣體來說，吸附塔出口即獲得較該原料氣更低的濃度，稱為貧水汽。
吸附器，也可稱為吸附塔、吸附床、分離器，是指裝填了至少一種比如上面所說的吸附劑的容器，吸附劑對混合氣體中較易吸附的組分有較強的吸附能力。
變壓吸附、吸附分離，PSA等詞，本專業的技術人員會承認，這些方法所指不僅是PSA方法，還包括與之類似的方法，如真空變壓吸附(Vacuum Swing Adsorption-VSA)或混合壓力變壓吸附(Mixed Pressure Swing Adsorption-MPSA)方法等等，要在更寬廣的意義上理解。也就是說，對於周期性循環的吸附壓力、一種較高的壓力是相對於解吸步驟的更高的壓力，可以包括大於或等於大氣壓力，而周期性循環的解吸壓力，一種較低的壓力是相對於吸附步驟的更低的壓力，則包括小於或等於大氣壓力。
壓力，除註明是表壓，其它均指絕對壓力；
難吸附組分，是指相對於較為容易吸附的組分而言，同樣的，易吸附組分則是指相對於較難吸附的組分而言。
附圖中，以字母V為頭的符號，代表自動控制閥門：如V1A/V1B，V2，V3，V4，等等，都是自動控制閥門，它們可根據預先設定的邏輯開啟或關閉，當然，也可以是帶有流量控制調節性能的自動控制閥門，這些閥門可以是氣動控制的，也可以是電動、液壓控制的自動控制閥，在特定條件下，甚至可手動操作。
101A，101B，等是吸附器編號，裝填有至少一種或多種吸附劑；
101C是安裝在吸附器中的解吸裝置，如微波加熱器；
AB01，等代表壓縮機械、升壓設備；如鼓風機。
本發明設計的非消耗型二氧化碳和水份的一體化處理裝置，參見圖1所示，包括：送風單元、吸附與解吸單元，及必要的控制閥門、連接管路及控制系統，其中：
所述送風單元，至少為一個；該送風單元是一種升壓設備AB01（如鼓風機）；送風單元通過管道與所述吸附與解吸單元連接，在該連接管道上設有控制閥門V1A，而且，在升壓設備AB01與控制閥門 V1A之間的管道上還設有第一管道支路，在該支路上設置排空控制閥門 V1B；
所述吸附與解吸單元是一個一體化分離器，分為吸附器101A與吸附器101B下、上兩部分，以軸向床為例,101A、101B均為圓桶形空腔，內由中空纖維分子篩填充滿，兩端各有至少一個接口,稱之為進、出口，吸附器101A中以疏水型二氧化碳中空纖維分子篩作為吸附劑，用於吸附氣體中的二氧化碳，吸附器101B中以介孔沸石中空纖維分子篩作為吸附劑，用於吸附氣體中的水份；吸附器101A與吸附器101B組件之間為間壁空腔中設置有解吸裝置101C（如微波加熱器），用於對使用過的吸附劑進行加熱再生；吸附器101A設有通向艙內的第二管道支路，該管道支路上設有自控制調節閥V3；吸附器101B設有通向艙內的第三管道支路，該管道支路上設有自控制調節閥V2；吸附與解吸單元還設有通向艙外的第四管道支路，該管道支路上設有自控制調節閥V4。
基於本裝置的非消耗型二氧化碳和水份的一體化處理方法的流程如下：
來自艙內的含有二氧化碳與水份的原料氣，為常溫、常壓、0～100%RH相對溼度的氣體，自進口A通過升壓設備AB01，控制升壓設備AB01將原料氣體升壓至0～800KPa；並用換熱器將原料氣體溫度降至常溫，典型的，如5～60℃，並通過管道送入一體化分離器，控制管道內氣體流速為1～20m/s；
在一體化分離器中，控制氣體流速≤1m/s，使氣體中的二氧化碳被吸附器101A中的吸附劑吸附，經過吸附器101A的氣體，一路是被吸附了二氧化碳貧二氧化碳但仍然富含水份的氣體被直接分流進入第二管道支路，控制流速為1～20m/s，通過控制調節閥V3經出口B返回艙內，用以調控艙內溼度；另一路被吸附了二氧化碳但仍然富含水份的氣體繼續通過吸附器101B，控制氣體流速≤1m/s，由介孔沸石中空纖維分子篩吸附氣體中水份，出來的氣體是貧二氧化碳與貧水汽的氣體；該氣體進入第三管道支路，控制流速為1～20m/s，通過控制調節閥V2自出口C返回艙內；
當吸附器101A與吸附器101B吸附器的吸附劑吸附飽和失效後，利用解吸裝置101C，使吸附劑恢復功能，以便繼續使用。
使吸附劑恢復功能的操作流程如下，打開第一管道支路上的控制閥門 V1B ，關閉控制閥門V1A、第三、第二管道支路上的控制閥門V2、V3，利用深空的真空（打開第四管道支路上的制調節閥V4，聯通D口的真空源，或者自此口接真空泵）並輔以解吸裝置101C的微波加熱，使吸附劑徹底再生，以便繼續使用。當然，也可採用如上技術原理以公知技術的多塔吸附分離裝置實現連續使用。
本裝置中，所述的一體化分離器可以有多個的並聯或串聯運行。
本裝置與傳統的吸附處理技術比較，它全面克服了如四床分子篩變壓吸附傳統處理技術的缺陷，不僅可有效的實現艙內二氧化碳和水份的一體化處理及控制，降低了系統重量、功耗和消耗品補給需求，具有如下技術優勢：
（1）淨化過程連續並可再生，採用單床變壓變溫吸附技術構建吸附分離裝置，本身無需物料補給即可連續淨化二氧化碳，調控艙內溼度（水份），並僅依靠深空固有的真空環境輔助以很低的能量消耗即可滿足再生條件，保證長期循環使用壽命；
（2）淨化過程能量消耗低，採用疏水型二氧化碳分子篩不僅疏水還具有較高的解吸速率，解吸能量需求低，特殊設計的低傳質阻力的二氧化碳及水份一體化吸附床層，通常可將床層壓降降低至數十至數百帕，遠低於常規分離床的壓力降，進一步降低了系統的能量消耗；
（3）降低了系統重量與體積需求，疏水型二氧化碳分子篩具有極低的水吸附容量及較高的二氧化碳吸附容量，相對傳統技術裝置更小型化、輕量化，尤其是結合疏水型二氧化碳分子篩開發的單床吸附分離流程相對現有傳統技術的四床分子篩吸附分離流程更簡單，進一步降低了系統的體積與重量；
（4）為適應載人航天飛行器惡劣的應用環境，將疏水型二氧化碳分子篩材料及介孔沸石分子篩材料製成「中空纖維分子篩組件」用以集成為一體化的分離器，不僅可獲得低傳質阻力、抗振動衝擊、抗流化的分離器，也可進一步提高吸附及解吸性能。
附圖說明
圖1為本發明裝置結構圖示。
具體實施方式
下面將結合附圖，通過實施例以進一步描述本發明。
實施例
一個6人乘員艙的艙內二氧化碳和水份（溼度）控制方案，設計目標為去除二氧化碳及水份的效率不低於70%，吸附劑具備再生能力，再生能耗不大於300W，其中：
二氧化碳控制能力：滿足密閉空間條件下6人乘組（產CO2量6kg/d）使用，控制密閉空間內的CO2濃度在0.8%以下；
溼度控制能力：滿足密閉空間條件下6人乘組（產溼量12kg/d）使用，控制密閉空間內的相對溼度在30~70%之間。
如附圖1，系統設備組成設計如下表：
採用以上的設備及附圖1示意的技術流程，艙內二氧化碳和水份（溼度）控制均滿足使用要求，達到了預期的控制效果，而以上設備，概略尺寸不超過300×450×600mm，並可隨艙內情況分布布置，概略質量小於60kg，其中：
（1）送風單元
按艙室內可接受的二氧化碳濃度（小於0.8%，按0.6~0.8%，v/v）設計，含二氧化碳濃度越低，吸附劑裝填量越大，設計目標按0.6%計，按二氧化碳天產生量6kg/h，脫除效率不低於80%計，天吸附20h，解吸2h，2小時富裕，裝置小時消減量應大於0.3kg/h，送風單元的送風量約需20-25m3/h，按25m3/h計，送風壓力即床層及管路、閥門的阻力，總計300PaG。同時，按艙室內可接受的溼度（30-70%，按65%設計，v/v）設計，含水分越低，吸附劑裝填量越大，設計目標按溼度30%計，1atm環境溫度25℃條件下，溼含量7.56g/m3溼空氣，按水分天產生量12kg/h，脫除效率不低於80%計，天吸附20h，解吸2h，2小時富裕，裝置小時消減量應大於0.6kg/h，送風單元的送風量約需100m3/h，按100m3/h計，送風壓力即床層及管路、閥門的阻力，總計300PaG。綜合選型100m3/h，送風壓力300PaG的風機，裝機功率40W，重量2kg，噪音小於50dBA；
（2）吸附單元
吸附單元直接體現二氧化碳脫除及溼度控制的功效，是一個串聯連接並一體化設計的中空纖維分離器，其中，101A為僅吸附二氧化碳的疏水型中空纖維分子篩組件，101B為僅吸附水分的介孔沸石中空纖維分子篩組件，101C為101A、101B組件之間的間壁空腔，內置微波發生器，並且，101A與101B串聯連接，以耐微波材料外殼整體封裝，其中：
中空纖維分離器101A裝填了4kg疏水型二氧化碳吸附材料，單位材料的吸附容量達8-15%（wt%，質量百分比），中空纖維分離器101B裝填了1.5kg介孔分子篩吸附材料，單位材料的吸附容量達40-75%（wt%，質量百分比），均預留有足夠的富裕量，101C為101A、101B組件之間的間壁空腔內置功率300W的微波發生器，重量3kg，床層總壓降80pa；
為節省空間及重量，吸附單元僅設單塔。在接近吸附飽和點時，停止進氣，吸附塔轉入解吸脫附過程。
解吸單元主要由通往太空的閥門V4及通入吸附分離器101A、101B組件之間的間壁空腔101C及管路組成，當床層吸附飽和後，可通過打開V1B，關閉閥V1A、控制調節閥V2、V3利用深空的真空（打開V4）並輔以微波加熱（內置於整體吸附分離床層內）以徹底再生吸附床層，二氧化碳及多餘的水分被排至太空而清除，解吸溫度50-80℃，在真空及輔助微波的條件下，吸附劑所吸附的二氧化碳、水等組份將陸續脫附出來，重新恢復活性，即可再次投入使用；
（3）控制系統及裝置底盤、管路附件
控制系統用以控制V2/V3的開度與開閉，以及V1A/V4的開閉，實現分離器的吸附與解吸，以及艙內溼度的調控，控制系統及裝置附件主要為:
1）為監視處理過程，配備必要的監測儀器儀表、執行器和控制軟體；
2）設備底盤、管線和閥件；
控制系統能根據設定值和控制值的要求，自動開啟或關閉、調節二氧化碳脫除及控制溼度（二氧化碳濃度超過0.8%時，開啟；二氧化碳濃度低於0.5%時，關閉；溼度大於70%時開啟，低於30%時，關閉）。
各單元及單元內的各設備間的操作切換，均通過現場傳感和控制系統自動實現，在裝置調試合格後，無需專人值守。
以上描述的或附圖所示的方法和裝置中，通過吸附塔的氣流型式可用軸向流、徑向流、側向流或其它的型式，關於吸附塔內裝填的吸附劑，每個都可包括有多個主要吸附層，或者也可沒有或設有一個或更多的預處理層用以吸附其它組分如水汽、二氧化碳等。另外，每個吸附劑層可包括單一品種的吸附劑或兩種或兩種以上吸附劑的混合物。
以上描述的或附圖所示的工藝參數或裝置中，可作出各種各樣的變動。因此，其它的不違背本發明精神的方法、裝置或結合應用的改良以及在實踐中採用的實施方案也應包括在所附權利要求的範圍之內。