CN102745650B - 一种气液分离制氧装置和采用此装置的潜航器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气液分离制氧装置和采用此装置的潜航器，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

一种气液分离制氧装置和采用此装置的潜航器

技术领域

本发明涉及一种自海水、淡水等富含气体的液体中以气液膜分离方法制氧的装置和采用此装置的潜航器，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装置，可直接自海水中分离其中富含的氧气；进一步的要解决的技术问题是提供一种包含上述制氧装置的潜航器，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：

一种气液分离制氧装置，其特征在于：主要包括过滤器、减压器、气/液膜分离器、水泵、气泵、气体分离装置、解吸泵；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气体出口；装置入口经过滤器、减压器后与气/液膜分离器的富气液体入口连接；贫气液体出口端经水泵后与贫气液体输出端连接；气体出口经气泵后分为两支，一个分支连接到一般富氧用气单元，另一个分支经过气体分离装置后连接呼吸用气单元和废气端；废气端经解吸泵后经与废气出口连接；所述的气/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。

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，气体分离装置为基于变压吸附法、或变温吸附法、或膜分离法或其中的两种或多种相耦合的方法而设计的气体分离装置；包含多个不同分离功能的模块；其中一个模块为气体净化模块。

按上述技术方案，气体出口经气体分离装置后连接多个并列的呼吸用气单元。

按上述技术方案，贫气液体输出端与水泵之间设置止回阀；废气出口与解吸泵之间设置止回阀；气泵的一个分支经截止阀与一般富氧用气单元相连，另一分支经截止阀与气体分离装置相连；所述的一般富氧用气单元包含燃烧供氧系统。

按上述技术方案，所述的气泵、水泵和解吸泵均为手/电动复合泵。

一种采用上述气液分离制氧装置的潜航器，废气出口和贫气液体输出端均为潜航器系统出口；装置入口为潜航器系统入口，水下表层水从装置入口处进入；当富含氧气的表层海水经富气液体入口进入膜的水侧时，在膜的气侧施加气泵产生真空，在真空作用下溶解在水中的气体经溶解、渗透继而从膜的真空气侧扩散出来，然后由气泵增压进入一般富氧用气单元或气体分离装置，气液分离之后的贫气液体经水泵由贫气液体输出端排出；经气体分离装置分离净化后，一部分气体输送到呼吸用气单元，另一部分废气由解吸泵升压后经废气出口排出潜航器。

按上述技术方案，当气泵引出的气体中的氧含量达到或大于大气中氧含量时，一部分气体进入一般富氧用气单元；另一部分经过气体分离装置中的模块净化后进入呼吸用气单元；而分离净化过程产生的废气由解吸泵升压后经废气出口排出潜航器；当气泵引出的气体中的氧含量低于大气中氧含量时，关闭一般富氧用气单元对应的端口，所有气体进入气体分离装置，经过分配，气体进入不同分离模块，所产生的氧气向相应的呼吸用气单元供氧，而分离净化过程产生的废气由解吸泵升压后经废气出口排出潜航器。

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。

本装置通过采用气/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。

装置中的手/电动复合泵主要由于进水、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装置结构示意图。

附图1中，各附图标记对应如下：1-过滤器、2-减压器、3-气/液膜分离器、4-手/电动复合水泵、5-手/电动复合气泵，6-气体分离装置、7-手/电动复合解吸泵。

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。

下面结合附图1对本发明的上述内容作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明以上的内容所实现的技术均属于本发明的范围。

如图1所示，一种适合自水下取氧进行供氧保障的气液分离制氧装置，安装在船舶或潜航器内部的。在此装置中，A为装置入口，B是贫气液体出口，C是废气出口，D、E、F分别是不同浓度氧气出口；主要包括过滤器1，减压器2，具有一个入口A0和两个出口A1、A2的气/液膜分离器3，手/电动复合气泵5，手/电动复合水泵4，手/电动复合解吸泵7，气体分离装置6含多个不同分离功能的模块。

具体说明如下：

富气液体由系统入口A0进入分离系统，经过过滤器1除去其中的悬浮颗粒物后经减压器2减压进入主要由壳体和具有气液分离能力的膜材料组成的气/液膜分离器3，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。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）施加以手/电动复合气泵5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，从渗透气出口A1出来，然后由手/电动复合气泵5增压进入分离或用气单元，气液分离之后的贫气液体经贫气液体出口A2出来后，经由手/电动复合水泵4系统液体出口B端排出返回海洋。

针对不同的用气单元，它们对氧气的纯度要求也有所不同，典型的，我们把所有用氧单元分为一般富氧用气单元和呼吸用气单元。由于不同海域的海水所溶解各种气体的量会有一定差别，一些杂质气体对于呼吸用有害，经手/电动复合气泵5引出的气体组成可能会有所变化并且有时并不适合呼吸用氧。当其中的氧含量达到或大于大气中氧含量时，一部分气体可经过D出口直接进入一般富氧用气单元（如燃烧供氧系统）；另一部分经过气体分离装置6中的模块净化后由E或F出口进入呼吸用气单元（如呼吸用气供氧系统）。而净化模块分离过程产生的废气由手/电动复合解吸泵7升压后经系统出口C排出。

当手/电动复合气泵5引出的气体中的氧含量低于大气中氧含量时，关闭D出口，所有气体进入气体分离装置6。经过分配，气体进入不同分离模块，所产生的氧气分别由E和F出口向相应的用气单元供氧，而分离过程产生的废气由手/电动复合解吸泵7升压后经系统出口C排出潜航器。

以上描述的气体分离装置6是一套制氧装置，优选的可以是基于常规的变压吸附法、变温吸附法、膜分离法或者其中的几种相耦合的方法以及其他可以实现制取氧气的方法而设计的装置。因此，此气体分离装置6可作出各种各样的变动而不会背离本发明的范围。

以上实施例中，采用手/电动复合泵，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。

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 (7)

1.一种气液分离制氧装置，其特征在于：主要包括过滤器、减压器、气/液膜分离器、水泵、气泵、气体分离装置、解吸泵；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气体出口；装置入口经过滤器、减压器后与气/液膜分离器的富气液体入口连接；贫气液体出口端经水泵后与贫气液体输出端连接；气体出口经气泵后分为两支，一个分支连接到一般富氧用气单元，另一个分支经过气体分离装置后连接呼吸用气单元和废气端；废气端经解吸泵后经与废气出口连接；所述的气/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；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；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。

2.根据权利要求1所述的制氧装置，其特征在于：气体分离装置为基于变压吸附法、或变温吸附法、或膜分离法或其中的两种或多种相耦合的方法而设计的气体分离装置；包含多个不同分离功能的模块；其中一个模块为气体净化模块。

3.根据权利要求2所述的制氧装置，其特征在于：气体出口经气体分离装置后连接多个并列的呼吸用气单元。

4.根据权利要求1-3之一所述的制氧装置，其特征在于：贫气液体输出端与水泵之间设置止回阀；废气出口与解吸泵之间设置止回阀；气泵的一个分支经截止阀与一般富氧用气单元相连，另一分支经截止阀与气体分离装置相连；所述的一般富氧用气单元包含燃烧供氧系统。

5.根据权利要求4所述的制氧装置，其特征在于：所述的气泵、水泵和解吸泵均为手/电动复合泵。

6.一种采用上述权利要求之一所述气液分离制氧装置的潜航器，废气出口和贫气液体输出端均为潜航器系统出口；装置入口为潜航器系统入口，水下表层水从装置入口处进入；当富含氧气的表层海水经富气液体入口进入膜的水侧时，在膜的气侧施加气泵产生真空，在真空作用下溶解在水中的气体经溶解、渗透继而从膜的真空气侧扩散出来，然后由气泵增压进入一般富氧用气单元或气体分离装置，气液分离之后的贫气液体经水泵由贫气液体输出端排出；经气体分离装置分离净化后，一部分气体输送到呼吸用气单元，另一部分废气由解吸泵升压后经废气出口排出潜航器。

7.根据权利要求6所述的潜航器，其特征在于：当气泵引出的气体中的氧含量达到或大于大气中氧含量时，一部分气体进入一般富氧用气单元；另一部分经过气体分离装置中的模块净化后进入呼吸用气单元；而分离净化过程产生的废气由解吸泵升压后经废气出口排出潜航器；当气泵引出的气体中的氧含量低于大气中氧含量时，关闭一般富氧用气单元对应的端口，所有气体进入气体分离装置，经过分配，气体进入不同分离模块，所产生的氧气向相应的呼吸用气单元供氧，而分离净化过程产生的废气由解吸泵升压后经废气出口排出潜航器。