CN102730645B

CN102730645B - 一种气液分离制氧方法

Info

Publication number: CN102730645B
Application number: CN201210236646.0A
Authority: CN
Inventors: 金正涛; 刘辉; 杜红霞; 严震海; 陈宗篷
Original assignee: China Ship Development and Design Centre
Current assignee: China Ship Development and Design Centre
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2032-07-10
Also published as: CN102730645A

Abstract

本发明涉及一种气液分离制氧方法，可直接自海水中分离其中富含的氧气，采用真空泵通过具有疏水性质的气液分离膜材料渗透侧不断抽取溶解在流动液体中的氧气从而制氧。这种装置可以在失去电力供应时仍能正常供氧，解决船舶或潜器在空气受到如核生化污染时的供氧问题；使潜航器能够持续潜航。

Description

一种气液分离制氧方法

技术领域

本发明是一种采用膜分离方法自富含气体的液体中分离出其中的气体的方法，更具体的涉及一种自海水、淡水中以气液膜分离方法自水中分离氧气为船舶、潜器等提供氧气的方法。属于气/液分离技术领域。

背景技术

目前，水下潜航器传统的制氧方法主要有如依赖以化学药剂还原人员呼吸产生的二氧化碳来生成氧气，燃烧氧烛补充氧气以及消耗大量电力的水电解制氧来获得氧气的方法。

常规潜航器因化学方法产生的氧气量有限而依赖携带的空气瓶、氧气瓶、液氧储存等均无法满足动力系统推进所需的大量氧化剂，只能在氧化剂消耗殆尽后上浮自水面以上的空气中进行补充。另外一种如消耗大量电力进行水电解制氧进行补充氧气的方法则因发电所需的氧气远大于消耗大量电力进行水电解制取的氧气，使得其过程无法持续，也需要上浮补充。此外，即使在携带的氧气消耗后进行上浮自水面以上的空气中进行补充，也将因水面空气在受到如核生化污染时染毒而面临无法获得可靠的可供人员呼吸的氧气的情况。以上因素，都直接或间接的导致潜航器因为有限的氧存储量与现有的制氧方法使得潜航无法持续。

发明内容

本发明要解决的技术问题是解决潜航器由于常规制氧方法无法持续潜航的技术难题，提供一种气液分离制氧方法，可直接自海水中分离其中富含的氧气，使潜航器能够持续潜航。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种气液分离制氧方法，其特征在于：不断的将富含氧气的富气液体经过带有膜分离器的分离装置分离出气体，然后通过管网向用气单元持续供气；富气液体由分离装置入口进入，经过滤器除去其中的悬浮颗粒物后由引液泵引入分离装置的气/液膜分离器；气/液膜分离器具有一个富气液体入口、一个贫气液体出口和一个渗透气体出口；气/液膜分离器包含壳体以及位于壳体中的具有气液分离能力的亲气型膜材料；膜材料位于富气液体入口的一侧为液侧，膜材料位于气体出口的一侧为气侧；液侧和气侧之间设置贫气液体出口；当海水进入膜的水侧时，在膜的气侧施加以真空泵产生真空，在真空作用下溶解在水中的气体经溶解、渗透继而从膜的气侧扩散出来，然后由真空泵引到系统气体输出口直接和/或间接输向用气单元；气液分离之后的贫气液体由系统贫气液体出口排出；所述的富气液体为水下表层水。

按上述技术方案，所述的膜材料为表面积较大的疏水基中空有机纤维膜或板式膜。

按上述技术方案，所述的分离装置还包括过滤器、真空泵；装置入口经过滤器、引液泵后与气/液膜分离器的富气液体入口连接；贫气液体出口端与贫气液体输出端连接；渗透气体出口经真空泵后通过管网向用气单元持续供气。

按上述技术方案，应用于潜航器制氧及供养保障系统，不断的从富含氧气的水下表层水中分离出气体，然后通过管网向用气单元持续供气，使潜航器持续潜航。

该方法采用真空泵通过具有疏水性质的气液分离膜材料渗透侧不断抽取溶解在流动液体中的氧气从而制氧。这种方法可以有效降低潜器制氧能耗，延长潜航时间以及在失去电力供应时仍能正常供氧；解决船舶、潜器在空气受到如核生化污染时的供氧问题。

本发明的原理如下：

众所周知，溶解在海水中的氧是海洋生命活动不可缺少的物质，它的含量在海洋中的分布，主要受化学过程和生物过程的影响，还受物理过程的影响。从20世纪初期建立的适合现场分析的温克勒方法至今，已取得了关于大洋中氧含量分布的比较完整的资料。基本上，氧在海水中的溶解度随温度的升高而降低，随海水盐度的增加而减少，在浮游生物生长繁殖的海域，表层海水的溶解氧含量不但白天和黑夜不同，而且随季节而异，加上海流等因素的影响，使溶解氧在海洋中形成了垂直分布和区域分布。通常，海洋分成3层：①表层。风浪的搅拌作用和垂直对流作用，使氧在表层水和大气之间的分配，较快地趋于平衡。个别海区在50米深的水层之上，由于生物的光合作用，出现了氧含量的极大值。②中层。表层之下，由于下沉的生物残骸和有机体在分解过程中消耗了氧，使氧含量急剧降低，通常在700米～1000米深处出现氧含量的极小值(此深度因区域不同而异)。③深层。在氧含量为极小的水层之下,氧含量随深度而增加。

统观氧在垂直方向的分布，可见海洋中的氧都来自表层，所以表层水是富氧的。海洋深处的氧,主要靠高纬度下沉的表层水来补充，如果没有这种表层水的补充，仅靠氧分子从表层向深处扩散，其速度很缓慢，难以满足有机物分解的需要，势必造成深层水缺氧甚至于无氧。基于以上分析可知，一定深度、区域的海水中特别是表层水富含有氧气，自水中分离氧气的装置是一种可持续的供氧保障模式。

本方法通过采用气/液分离膜技术来实现，通过采用类似聚丙烯类（PP）亲气型膜分离材料，可直接自海水中分离其中富含的氧气。这种高分子材料膜，制成中空纤维形式、板式或其它分离膜组件，当海水进入分离面积巨大的膜内一侧（水侧）时，在膜的另一侧（气侧）施加以真空，在真空作用下溶解在水中的氧气经溶解、渗透继而从膜的另一侧（真空侧、气侧）扩散出来，从而达到分离海水中氧气的目的。

装置中的泵主要由于进水、排水、抽气及供气之用，当供电系统无法正常工作时，各泵改由人工操作。因此，整个供气装置不受供电约束，从而实现全时保障供气。

在连接装置内部各单元的管路上根据需要设置了截止阀或止回阀，防止倒灌和回流。

由于气/液分离膜自容积庞大的海水中尤其是一定深度的深海下分离水中的氧气，水面船舶或水下潜航器采用该装置和工艺都可获得满足人员呼吸用的无污染氧气。该技术工艺及操作简单，制氧系统体积小，制氧成本仅为传统电解水制氧的1/5。尤其是结合设计以采用手动/电动复合型的动力设备，可以满足即使在无电力保障条件下的持续氧气保障能力（达到理论上无限制的保障能力）。这种从水中获取氧气的装置，即使消耗电力获得氧气也较为产生相同氧气量的电能所需燃烧用的氧气量小，因此可为需要大量氧化剂的动力推进系统进行全面的供氧保障或辅助供氧保障，以延长潜航推进时间，并可在失去电力的极端条件下以手动设备满足持续的氧气保障而不仅仅依赖于再生药板，氧烛，从而获得真正意义上的持续潜航能力。

本发明的有益效果在于：

1、适合自水下取水进行供氧保障，自水中分离氧气供给船舶或潜航器人员呼吸，使得潜航器无需进行上浮自大气中补充氧气，以获得人员在水下的呼吸用氧的持续保障能力。

2、江河湖泊中的常规潜航器自水中取得氧气，供给推进系统用作氧化剂。

3、潜航器在水下潜航时因失去电力无法采用水电解制氧而携带氧气不足或携带的再生药板、氧烛不足时提供人员呼吸用氧。

4、船舶或潜航器水面航行，在空气受到如核生化污染而无法自大气补充可供人员呼吸气体时提供人员呼吸用氧。

附图说明

图1是根据本发明实施的气液分离制氧原理图。

附图1中，各附图标记对应如下：1-过滤器、2-引液泵、3-气/液膜分离器、4-真空泵。

具体实施方式

以下结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

在如图1的气液分离制氧原理图中，A是装置入口、B是贫气液体出口、C是气体出口；主要包括泵前过滤器1，引液泵2，具有一个富气液体入口A0和两个出口A1（渗透气出口）、A2（贫气液体出口）的气/液膜分离器3以及真空泵4。

一个典型的自水中采用气液分离方法制氧的过程如下：

1）富气液体由系统入口A进入分离系统，经过过滤器1除去其中的悬浮颗粒物后经引液泵2引入气/液膜分离器3。

2）气/液膜分离器3主要由壳体和具有气液分离能力的膜材料组成，用于此处的膜材料可以是表面积较大的疏水基中空有机纤维膜或板式膜。

3）当海水进入分离面积巨大的膜内一侧（水侧）时，在膜的另一侧（气侧）施加以真空泵4产生的真空，在真空作用下溶解在水中的气体经溶解、渗透继而从膜的另一侧（真空侧、气侧）扩散出来，然后由真空泵引到系统气体输出口C，气液分离之后的贫气液体由系统液体出口B端排出。

4）在如上述的连续进行的膜分离过程中，不断的将富含气体的液体经过膜分离器分离出气体，然后通过管网向用气单元持续供气。

本发明描述的或附图所示的方法、工艺参数或装置系统中，只是为了方便才把本发明的具体特性示于附图或解释于本文中，还可作出各种各样的变动而不会背离本发明的范围；因此，其它的不违背本发明精神的方法、装置或结合应用的改良以及可在本发明的实践中采用的实施方案也应包括在所附权利要求的范围之内，应按照本发明的权利要求。

Claims

1.一种气液分离制氧方法，其特征在于：不断的将富含氧气的富气液体经过带有膜分离器的分离装置分离出气体，然后通过管网向用气单元持续供气；富气液体由分离装置入口进入，经过滤器除去其中的悬浮颗粒物后由引液泵引入分离装置的气/液膜分离器；气/液膜分离器具有一个富气液体入口、一个贫气液体出口和一个渗透气体出口；气/液膜分离器包含壳体以及位于壳体中的具有气液分离能力的亲气型膜材料；膜材料位于富气液体入口的一侧为液侧，膜材料位于气体出口的一侧为气侧；液侧和气侧之间设置贫气液体出口；所述的膜材料为表面积较大的疏水基中空有机纤维膜或板式膜；当海水进入膜的水侧时，在膜的气侧施加以真空泵产生真空，在真空作用下溶解在水中的气体经溶解、渗透继而从膜的气侧扩散出来，然后由真空泵引到系统气体输出口直接和/或间接输向用气单元；气液分离之后的贫气液体由系统贫气液体出口排出；所述的富气液体为水下表层水。

2.根据权利要求1所述的制氧方法，其特征在于：所述的分离装置还包括过滤器、真空泵；装置入口经过滤器、引液泵后与气/液膜分离器的富气液体入口连接；贫气液体出口端与贫气液体输出端连接；渗透气体出口经真空泵后通过管网向用气单元持续供气。

3.根据权利要求1或2所述的制氧方法，其特征在于：应用于潜航器制氧及供养保障系统，不断的从富含氧气的水下表层水中分离出气体，然后通过管网向用气单元持续供气，使潜航器持续潜航。