CN101396633B - 一种应用于化学氧碘激光器的高效除水方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于化学氧碘激光器的高效除水方法和装置，通过让从单重态氧发生器中出来的气流与浓硫酸液流逆向流动，高效除去气流中的水气。该装置由除水射流储液罐、除水射流喷头、除水射流室、除水射流集液罐和除水物质组成；除水物质为浓硫酸。除水射流储液罐上有一个挤压浓硫酸的装置。本发明通过在除水射流室中形成浓硫酸射流与从单重态氧发生器中出来的气体逆向流动，在室温条件下即可在不造成气路阻塞的情况下高效的除去气流中的水气。

Description

一种应用于化学氧碘激光器的高效除水方法和装置

技术领域

本发明涉及一种应用于化学氧碘激光器(以下简称COIL)的高效除水方法以及使用此方法的高效除水装置。特别涉及一种在室温条件下即可在不阻塞气路的情况下将从单重态氧发生器中出来的气流中的水气含量降低为原来的1/10、最高可降低至原来的1/100以下的高效除水方法和装置。

背景技术

COIL在军事和工业中有广阔的应用前景。它是基于如下的近共振传能原理而实现的：

I+O₂(¹Δ)_ I^*+O₂(³∑)

I^*+hv→I+2hv，  λ＝1.315μm

其中，O₂(¹Δ)是COIL的直接能源，由Cl₂与碱性过氧化氢(以下简称BHP)在单重态氧发生器(以下简称SOG)中产生，其反应方程式为：

Cl₂+H₂O₂+2KOH → O₂(¹Δ)+2KCl+2H₂O.

Cl₂与BHP反应会产生大量的热量，使BHP中的水分蒸发出来，因此从SOG中出来的气体都含有部分的水气。而水气对COIL的激光输出有非常不利的影响，主要表现在以下三个方面：

1.水气减慢了I₂分子的解离

在COIL中，I原子来源于I₂分子的解离，其过程是：I₂分子首先与O₂(¹Δ)反应产生高振动激发态的碘分子I₂ ^≠，然后I₂ ^≠再进一步与O₂(¹Δ)反应而解离成I原子。其反应方程如下：

K₁＝7.0×10^-15cm³·molecule^-1·s^-1

K₂＝3.0×10^-10cm³·molecule^-1·s^-1

当有水气存在时，I₂ ^≠被水气快速猝灭而重新回到基态，其反应式为：

K₃＝3.0×10^-10cm³·molecule^-1·s^-1

从而使I₂分子的解离速度大大降低。

2.水气对激发态碘原子具有强烈的猝灭作用

COIL的出光粒子是激发态碘原子I^≠，COIL的输出功率大小直接与I^≠的多少有关。而水气对 

强烈的猝灭作用，其反应式为：

K₄＝3.0×10^-10cm³·molecule^-1·s^-1

3.水气对超音速流动特性的影响

目前大功率COIL都引入了超音速膨胀技术，其目的是大幅度降低光腔温度，显著提高激光介质的小信号增益系数，进而提高激光器输出功率 和改善光束质量。而水气的存在会使超音速喷管流动特性变坏，这是因为：一方面，I₂ ^≠和I^≠被水气猝灭时激发态能量转变成了热量；另外，超音速膨胀后气流温度急剧降低，使得水气凝结成微小的冰核，并因此放出大量的热量。这些释放出来的热量使光腔温度升高，小信号增益系数变小。假定水含量为2％，O₂∶He＝1∶4，则光是凝结过程释放的热量就会使气流温度升高近50C，大大抵消了超音速膨胀降温的效果。

综合以上原因，为了改善COIL的工作性能，需要尽可能降低O₂(¹Δ)气流中的水气含量。目前，在COIL中主要使用冷阱除水法来降低水气含量(庄琦、桑凤亭、周大正，短波长化学激光，北京：国防工业出版社，1997)，其原理是当通过一个低温冷阱时，O₂(¹Δ)气流中的水气就会在冷阱内壁被冻结下来，从而达到除水的目的。与其它除水方法比较，冷阱除水法是目前最好的除水方法，通常都能将水气的含量降到小于2％以下。但这种方法的除水能力仍嫌不够强，最好的情况下仅能将O₂(¹Δ)气流中的水气含量降低为原来的1/10。另外冷阱除水法还有两大缺点：一是冷冻下来的冰容易阻塞气路，导致很大压降，使得除水后的O₂(¹Δ)分压大大降低；二是需要耗费大量的冷冻剂，而且这些冷冻剂不能重复使用，从经济上考虑比较浪费。因此，寻找一种既能高效脱除O₂(¹Δ)气流中的水气，同时又不致于大幅降低O₂(¹Δ)分压、以及在常温下即可操作的除水方法具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于COIL的高效除水方法和装置。采用本发明，可在基本不降低O₂(¹Δ)分压的情况下，至少可使O₂(¹Δ)气流中的水气含量降低为原来的1/10，最高可降低至原来的1/100以下，并避免了冷阱除水法所出现的气路阻塞现象，还可以使除水物质在室温下工作，并且能被反复使用，从而节省了除水费用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种应用于化学氧碘激光器的高效除水方法，通过让从单重态氧发生器中出来的气流与浓硫酸液流逆向流动，高效除去气流中的水气。

浓硫酸为化工行业中通常采用的浓硫酸，其重量浓度≥95％；所述气流流速为5-20米/秒，浓硫酸液流流速为14-20米/秒，气流和液流的接触时间≥4.7毫秒。

本发明实现上述方法的专用装置，包括除水射流储液罐、除水射流喷头、除水射流室、除水射流集液罐和除水物质，

所述除水物质为浓硫酸，其盛装于除水射流储液罐中；除水射流室为筒状腔体；

所述除水射流储液罐为半密闭结构，一端与浓硫酸的挤压机构相连，另一端与除水射流喷头相连，除水射流喷头插入除水射流室的上端，除水射流室的下端与除水射流集液罐相通；在除水射流室的下部设置有气体入口，上部设置有气体出口；气体入口与单重态氧发生器的气体出口相连， 气体出口与单重态氧发生器的气体后续管路相连；所述除水射流喷头上设置有除水射流孔。

所述浓硫酸的挤压机构为一个与除水射流储液罐相连的装有气体的气瓶或气泵，在除水射流储液罐与气瓶或气泵的连接管路上设置有用于控制挤压压力的减压阀；所述减压阀与除水射流储液罐连接管路上设置有第一手阀，除水射流喷头上设置有第二手阀，除水射流集液罐的下方有一个可排出浓硫酸的第三手阀，除水射流储液罐上设置有加料管，加料管上设置有第四手阀。

浓硫酸的挤压机构为一块设置于除水射流储液罐上方的活塞，活塞置于除水射流储液罐上部的内壁上，其可沿除水射流储液罐内壁上下滑动。

本发明的原理：

在气体吸附中，化学吸附的效率要远远的高于物理吸附的效率。冷阱除水法利用的是物理吸附原理除水，如果利用化学吸附原理来除水，必定会获得更高的除水效率。几种最强的吸水物质，包括浓硫酸、五氧化二磷、氯化钙等，其吸水方式都属于化学吸附，原则上都可以用在COIL中除去O₂(¹Δ)气流中的水气，但是由于五氧化二磷和氯化钙均为粉末状，很难放置在COIL中，并且固体表面吸附水气后不能更新，除水效果会迅速下降。而浓硫酸为液体，可以形成表面不断更新的射流，维持除水能力不至于下降；吸附下来的水分被射流立刻带走，避免了冷阱除水法所出现的气路阻塞现象。所以最后选择浓硫酸作为除水物质。

本发明的优点为：

本发明的优点为：1.与传统的冷阱除水法相比，除水能力大大提高。本发明通过让从单重态氧发生器(SOG)中出来的气流在高效除水装置中与除水射流逆向流动，利用除水物质良好的吸水性高效除去气流中的水气，使除水后O₂(¹Δ)气流中的水气含量降低为原来的1/10，最高时可降低至原来的1/100以下。

2.除水射流可将脱除下来的水气立刻带走，克服了冷阱除水法中存在的因水气凝结成冰块所造成的气路堵塞的缺点，避免了O₂(¹Δ)气流压力的严重损失。以浓硫酸作为除水物质，通过除水射流喷头快速喷射到除水射流室中形成除水射流，利用射流的流动性将吸收掉的水分带走，防止气路的阻塞；SOG出口与高效除水装置的进口相连接，从SOG出来的O₂(¹Δ)气流在除水射流室中与除水射流逆向流动，其中的水气被除水射流表面强烈吸附后跟随除水射流而被带走，从而克服了冷阱除水法所出现的因冷凝下来的水气结成冰块后严重堵塞气路而造成压力损失的现象。

3.浓硫酸在常温下就有很强的除水能力，不需要在低温下使用而且能够重复使用，浓硫酸具有巨大的吸水容量，可以多次反复用而不会降低除水效果，从而节省了除水的费用。利用除水物质在室温下就具有良好除水性能的特点，实现室温下操作。

4.浓硫酸对O₂(¹Δ)的猝灭非常的小，基本上不会引起O₂(¹Δ)的猝灭损失。

5.浓硫酸射流除水装置结构简单，便于制造。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的结构示意图之一；

图2是本发明的结构示意图之二；

图3是实施本发明的实验装置示意图；

图4是实验一的工作过程曲线；

图5是在实验一中不用本发明时测量水气含量的光谱图；

图6是在实验一中采用本发明时测量水气含量的光谱图；

图7是实验二的工作过程曲线；

图8是在实验二中不用本发明时测量水气含量的光谱图；

图9是在实验二中采用本发明时测量水气含量的光谱图。

具体实施方式

实施例1：

请参阅图1所示。应用于COIL的高效除水装置由除水射流储液罐1、除水射流喷头3、除水射流室4、除水射流集液罐8和除水物质14浓硫酸组成；

浓硫酸盛装于除水射流储液罐1中；除水射流室4为筒状腔体；

所述除水射流储液罐1为半密闭结构，一端与浓硫酸的挤压机构相连，另一端与除水射流喷头3相连，除水射流喷头3插入除水射流室4的上端，除水射流室4的下端与除水射流集液罐8相通；在除水射流室4的下部设置有气体入口6，上部设置有气体出口7；气体入口6与单重态氧发生器的气体出口相连，气体出口7与单重态氧发生器的气体后续管路相连；所述除水射流喷头3上设置有许多除水射流孔，射流孔用电火花打孔技术或其它精密打孔技术打出。

所述除水射流储液罐1、除水射流喷头3、除水射流室4和除水射流集液罐8均由既耐硫酸又耐压力的材料制成；浓硫酸的挤压机构为一个与除水射流储液罐1相连的装有气体的气瓶12，在除水射流储液罐1与气瓶12的连接管路上设置有用于控制挤压压力的减压阀13；

所述减压阀13与除水射流储液罐1连接管路上设置有第一手阀2，除水射流喷头3上设置有第二手阀11，除水射流集液罐8的下方有一个可排出浓硫酸的第三手阀9，除水射流储液罐1上设置有加料管，加料管上设置有第四手阀10。

在除水装置工作前，首先在除水射流储液罐中倒入一定量的浓硫酸14。然后将一气瓶12通过减压阀13控制到一定的压力后通过第一手阀2与除水射流储液罐1相连。实验开始时，打开第二手阀11，除水射流储液罐中的浓硫酸在高压驱动下经过除水射流喷头3形成除水射流5进入到除水射流室4中，除水射流5与从除水射流室底部气体入口6进入的O₂(¹Δ)气流逆 向流动，其中的水气被高效的脱除，然后O₂(¹Δ)气流从气体出口7进入到后续管路，而除水射流5吸附水气后依靠自身动量沉积到除水射流集液罐8中。在除水射流集液罐8的下面有一个第三手阀9，每次除水过程结束后可以将浓硫酸从第三手阀9中放出，然后从第四手阀10处重新倒入除水射流储液罐1中重复使用。需要注意的是，每次往除水射流储液罐1中倒入浓硫酸以前，需要先将除水射流储液罐1恢复到常压，以免对工作人员造成伤害。

上述高效除水装置可以连接在任何类型SOG的气体出口后面进行高效除水。

实施例2：

图2为另一种高效除水装置的示意图。其结构和工作过程与实施例1基本相同，所不同之处在于采用了另外一种挤压浓硫酸的方式。在除水射流储液罐1的上方设置了一块活塞15代替图1中的气瓶12和减压阀13，工作时利用此活塞15挤压浓硫酸形成除水射流5。

上述高效除水装置也可以连接在任何类型SOG的气体出口后面进行高效除水。

实施例3：

下面以一次具体的实验来说明本发明所具有的除水能力强、对O₂(¹Δ)猝灭效应小、不堵塞气路因而O₂(¹Δ)气流压力损失小的优点。

请参考图3。实验前，将高效射流除水装置4的气体入口6与射流式SOG 16(以下简称JSOG)的气体出口17相连，在高效射流除水装置4的气体出口7后面接光度池18。电容压力计19和热电偶20分别测量光度池的压力和温度。由斩波器21、1270nm滤光片22、红外探测器23和锁相放大器24组成的红外探测系统放置在光度池的一侧，通过直接测量O₂(¹Δ)的1.27μm辐射得到气流中O₂(¹Δ)的浓度。由单色仪25和CCD摄谱仪26组成的CCD单色仪放置在光度池的另一侧，通过拍摄的O₂(¹Δ)气流的发射光谱(见图5)来测量水气浓度，其原理是：图5的光谱中，634nm峰和703nm峰来源于两个O₂(¹Δ)分子的协同辐射过程：

O₂(¹Δ，v＝0)+O₂(¹Δ，v＝0)→O₂(³∑，v＝0)+O₂(³∑，v＝0)+hv₁  λ₁＝634nm

O₂(¹Δ，v＝0)+O₂(¹Δ，v＝0)→O₂(³∑，v＝0)+O₂(³∑，v＝1)+hv₂  λ₂＝703nm762nm双峰来源于O₂(¹Δ)能量汇聚生成的O₂(b¹∑_g ⁺)到O₂(X³∑_g ^-)的P支和R支跃迁，

O₂(¹Δ)+O₂(¹Δ)→O₂(¹∑)+O₂(³∑)

O₂(¹∑，v＝0)→O₂(³∑，v＝0)+hv₃  λ₃＝762nm水气浓度[H₂O]可表示为634和762nm两峰处的光强积分比：

因此水含量的高低可直接由634nm和762nm处两峰值的大小直观反映出 来。

实验所用的硫酸浓度为99.8％wt.。气流流速为20米/秒，浓硫酸液流流速为14米/秒，气流和液流的接触时间为4.7毫秒。

如图4所示，实验过程曲线包括六个阶段，第一阶段：记录数据基线；第二阶段：在关闭图3中阀27的情况下先往JSOG中通入O₂(³∑)，待JSOG上升到一定的压力后，打开BHP射流，将O₂(³∑)切换成Cl₂，并打开阀27；第三阶段：Cl₂与BHP射流平稳反应产生O₂(¹Δ)，但高效除水装置的除水射流室中并没有喷除水射流。此时，在光度池处测量到的信号是没有除水时的信号；第四阶段：开始喷除水射流，受除水射流的影响，此时气流压力略有下降；第五阶段：除水射流存在情况下O₂(¹Δ)气流稳定流动；第六阶段：实验结束。从第三和第五阶段的对比可以看出：1、不论除水射流存在与否，光度池中的压力都没有变化，所以利用浓硫酸射流除水克服了冷阱法除水中存在的气路阻塞问题；2、喷浓硫酸射流后，O₂(¹Δ)浓度只有很小的下降，幅度约为6％，说明浓硫酸射流对O₂(¹Δ)的猝灭非常小。

图5和图6分别是实验过程曲线的第三和第五阶段CCD光谱仪所拍摄的O₂(¹Δ)气流发射光谱。可见，除水前(图5)，634nm峰强度I₆₃₄与762nm峰强度I₇₆₂的比值为5.28，由此得出水气粒子数密度为2.76×10¹⁶molecules/cm³；除水后(图6)，I₆₃₄与I₇₆₂的比值显著减小，只有0.31，相应的水气粒子数密度为1.62×10¹⁵molecules/cm³，水气含量降低了17.0倍。另外，I₆₃₄ 的大小是与O₂(¹Δ)浓度的平方成正比的，与图5相比，图6中I₆₃₄基本没有变化，从另一个侧面说明了浓硫酸射流对O₂(¹Δ)的猝灭非常小。

实施例4：

下面以一次具体的实验来说明本发明最高可以使O₂(¹Δ)气流中的水气含量降低超过100倍的超强除水能力。

本次实验所用的实验装置、测量装置、测量方法以及实验的工作过程与实施例3完全相同，不同之处在于本次实验所用的硫酸为发烟硫酸，浓度为104.3％wt.。图7是本次实验的工作过程曲线，各阶段的划分与实施例3的图4相同。从图7中可以看出：不论除水射流存在与否，光度池中的压力都没有变化，所以利用浓硫酸射流除水克服了冷阱法除水中存在的气路阻塞问题；2、喷浓硫酸射流后，O₂(¹Δ)浓度只有很小的下降，幅度约为4％，说明浓硫酸射流对O₂(¹Δ)的猝灭非常小。这两点结论与实施例3中的基本相同。

图8和图9分别是实验过程曲线的第三和第五阶段CCD光谱仪所拍摄的O₂(¹Δ)气流发射光谱。可见，除水前(图8)，I₆₃₄与I₇₆₂的比值为7.92，由此得出水气粒子数密度为4.14×10¹⁶molecules/cm³；除水后(图9)，I₆₃₄ 与I₇₆₂的比值显著减小，只有0.059，相应的水气粒子数密度为3.06×10¹⁴ molecules/cm³，水气含量降低了135.2倍。另外，与图8相比，图9中I₆₃₄ 基本没有变化，从另一个侧面说明了发烟硫酸射流对O₂(¹Δ)的猝灭非常小。

Claims (6)

1.一种应用于化学氧碘激光器的除水方法，其特征在于：通过让从单重态氧发生器中出来的气流与浓硫酸液流逆向流动，除去气流中的水气；

所述气流流速为5-20米/秒，浓硫酸液流流速为14-20米/秒，气流和液流的接触时间≥4.7毫秒；

所述的浓硫酸的重量浓度≥95％。

2.一种权利要求1所述除水方法的专用装置，其特征在于：包括除水射流储液罐(1)、除水射流喷头(3)、除水射流室(4)、除水射流集液罐(8)和除水物质(14)，

所述除水物质(14)为浓硫酸，其盛装于除水射流储液罐(1)中；除水射流室(4)为筒状腔体；

所述除水射流储液罐(1)为半密闭结构，一端与浓硫酸的挤压机构相连，另一端与除水射流喷头(3)相连，除水射流喷头(3)插入除水射流室(4)的上端，除水射流室(4)的下端与除水射流集液罐(8)相通；在除水射流室(4)的下部设置有气体入口(6)，上部设置有气体出口(7)；气体入口(6)与单重态氧发生器的气体出口相连，气体出口(7)与单重态氧发生器的气体后续管路相连；所述除水射流喷头(3)上设置有除水射流孔。

3.按照权利要求2所述的专用装置，其特征在于：所述除水射流储液罐(1)、除水射流喷头(3)、除水射流室(4)和除水射流集液罐(8)均由既耐硫酸又耐压力的材料制成。

4.按照权利要求2所述的专用装置，其特征在于：所述浓硫酸的挤压机构为一个与除水射流储液罐(1)相连的装有气体的气瓶(12)或气泵，在除水射流储液罐(1)与气瓶(12)或气泵的连接管路上设置有用于控制挤压压力的减压阀(13)。

5.按照权利要求4所述的专用装置，其特征在于：所述减压阀(13)与除水射流储液罐(1)连接管路上设置有第一手阀(2)，除水射流喷头(3)上设置有第二手阀(11)，除水射流集液罐(8)的下方有一个可排出浓硫酸的第三手阀(9)，除水射流储液罐(1)上设置有加料管，加料管上设置有第四手阀(10)。

6.按照权利要求2所述的专用装置，其特征在于：所述浓硫酸的挤压机构为一块设置于除水射流储液罐(1)上方的活塞(15)，活塞(15)置于除水射流储液罐(1)上部的内壁上，其可沿除水射流储液罐(1)内壁上下滑动。

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