CN110988287A - 一种适用于深水高压环境的水气分离装置 - Google Patents

一种适用于深水高压环境的水气分离装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于深水高压环境的水气分离装置，包括壳体、分别设置在壳体两端的气密电气接头与气体出口、设置在壳体内侧壁上的螺旋状的刻槽、分别设置在壳体两端外侧壁上且均与刻槽相连通的液体入口与液体出口、嵌入设置在壳体内的支撑块和包裹在支撑块外侧壁上的隔水透气膜。支撑块包括支撑块主体和开设在支撑块主体中间的腔体。支撑块主体包括对称设置的支撑块一与支撑块二。腔体包括依次设置的腔体一与腔体二。腔体一内放置有楔形支撑块。腔体二中安装有加热棒和液位传感器。支撑块一、支撑块二和楔形支撑块均采用多孔疏松材料。本发明能够解决现有技术中存在的不足，有效提升采用隔水透气膜提取溶解气的效率。

Description

一种适用于深水高压环境的水气分离装置
技术领域
本发明涉及原位检测技术领域，具体涉及一种适用于深水高压环境的水气分离装置。
背景技术
质谱、光谱、电化学传感器等化学监测手段无法直接在水下环境中检测水中溶解气，需要特殊的方法将溶解气从水中提取出来，再用仪器进行分析。水下化学量原位探测技术是指将质谱等设备通过特殊结构设计，并进行防水封装，直接放入水下对水中的化学成分进行分析。水中有一类化学量以溶解气的形式存在于水中，对于此类物质的原位检测一般采用隔水透气膜的方式将溶解气与水环境分离，并提取到检测设备内部进行分析。隔水透气膜一般采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)、聚乙烯等有机物制成。隔水透气膜将仪器所处的气体环境与外部的液体环境分隔开。基于“相似相溶”原理，水中的挥发性有机物等小分子物质会比较容易溶解到隔水透气膜中，而水分子等物质较难溶解到隔水透气膜中。因此，隔水透气膜靠近水环境的一侧附近会富集有大量的挥发性有机物等小分子。又由于扩散运动的存在，物质从高浓度区域向低浓度区域扩散，因此在隔水透气膜中，挥发性有机物等小分子会渐渐从膜靠近水的一侧向膜靠近空气的一侧扩散，最终到达隔水透气膜与空气的交接处，并从膜上脱附，到达气体环境中，进而被分析仪器检测和分析。因此为了能够在水下环境直接对溶解气进行原位分析，此类装置必须有特殊的水汽分离模块，从水中将溶解气提取出来。
现有的水汽分离装置存在以下不足：一、隔水透气膜的接触面积小、无温控装置、膜表面水流没有进行优化处理，影响隔水透气膜从水中提取挥发性有机物气体的效率；二、无漏液保护装置，一旦隔水透气膜发生破损，液体会直接进入装置内部，使装置损坏。三、支撑结构孔隙较大，无法进行有效支撑，不适于在深水高压环境下使用。这些不足严重影响了采用隔水透气膜提取溶解气的效率的提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以承受深水压力的快速膜进样装置，该装置能够解决现有技术中存在的不足，有效提升采用隔水透气膜提取溶解气的效率。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种适用于深水高压环境的水气分离装置，包括壳体、分别设置在壳体两端的气密电气接头与气体出口、设置在壳体内侧壁上的螺旋状的刻槽、分别设置在壳体两端外侧壁上且均与刻槽相连通的液体入口与液体出口、嵌入设置在壳体内的支撑块和包裹在支撑块外侧壁上的隔水透气膜。
所述支撑块包括支撑块主体和开设在支撑块主体中间的腔体；所述支撑块主体包括对称设置的支撑块一与支撑块二；所述腔体包括依次设置的腔体一与腔体二；所述腔体一内放置有楔形支撑块；所述腔体二中安装有加热棒和液位传感器；所述支撑块一、支撑块二和楔形支撑块均采用多孔疏松材料。
进一步的，所述气密电气接头包括绝缘底座和贯穿安装在绝缘底座上的若干导电连接杆；所述导电连接杆采用胶粘接在绝缘底座上。
进一步的，所述壳体包括一端开口的壳体主体和可拆卸安装在壳体主体开口处的密封盖板；所述壳体主体的封闭端上开设有电气接头安装孔，所述气密电气接头安装在安装孔中，且与电气接头安装孔之间设有电气接头密封圈；所述气体出口安装在密封盖板上；所述密封盖板与壳体主体之间设有盖板密封圈；所述密封盖板通过螺栓连接在壳体主体上。
进一步的，所述腔体一为圆台状，所述腔体二为圆柱状。
进一步的，所述多孔疏松材料为钛烧结块、铜烧结块、泡沫铜、泡沫钛中的任意一种。
进一步的，所述绝缘底座采用聚四氟、PEEK、亚克力材料中的任意一种；所述导电连接杆采用铜、金、银材料中的任意一种。
进一步的，所述密封盖板采用不锈钢材质。
进一步的，所述液体进口连接有机械泵。
进一步的，所述气体出口连接有电磁阀。
进一步的，所述加热棒和液位传感器的电源线及信号线分别与导电连接杆相连。
由以上技术方案可知，本发明所述的适用于深水高压环境的水气分离装置，可以直接在水下环境中提取水中溶解气。本发明通过将隔水透气膜包裹在支撑块的外侧壁上，并通过楔形支撑块挤压支撑块，使支撑块的外侧壁与壳体内壁紧密接触，从而增大液体与隔水透气膜的有效接触面积，进而有效提高水中溶解气体的透过膜的量；通过设置加热棒，能够对隔水透气膜的温度进行控制，从而提高水中溶解气在隔水透气膜中的扩散率，加快溶解气从水中的提取速度；通过采用钛烧结快等多孔疏松材料制作成支撑块和楔形支撑块，能有效提高隔水透气膜的承压上限，满足深水高压环境的检测需求；通过设置液位传感器和电磁阀，能有效防止因为隔水透气膜的破碎而导致的液体进入后续分析设备内部，对分析设备造成损坏。本发明属于水下传感原位检测进样方法，可用于质谱、光谱、电化学传感器等设备原位检测水中挥发性及半挥发性溶解气体。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的剖视图；
图3是本发明的爆炸结构示意图；
图4是壳体的局部结构示意图；
图5是支撑块一的结构示意图；
图6是楔形支撑块的结构示意图；
图7是气密电气接头的结构示意图；
图8是本发明的使用状态示意图。
其中：
1、壳体，2、液体入口，3、气密电气接头，4、液体出口，5、密封盖板，6、气体出口，7、电气接头密封圈，8a、支撑块一，8b、支撑块二，9、隔水透气膜，10、盖板密封圈，11、楔形支撑块，12、加热棒，13、液位传感器，14、控制器，15、机械泵，16、电磁阀，17、刻槽，18、腔体二，19、腔体一。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1-图4所示的一种适用于深水高压环境的水气分离装置，包括壳体1、分别设置在壳体1两端的气密电气接头3与气体出口6、设置在壳体1内侧壁上的螺旋状的刻槽17、分别设置在壳体1两端外侧壁上且均与刻槽17相连通的液体入口2与液体出口4、嵌入设置在壳体1内的支撑块和包裹在支撑块外侧壁上的隔水透气膜9。所述隔水透气膜9，一般由PDMS(聚二甲基硅氧烷树脂)、聚乙烯等材料制成的薄膜，具有一定的弹性。由于扩散作用的存在，隔水透气膜9可以允许水中的中挥发性及半挥发性溶解气体透过，而水分子无法通过。螺旋状的刻槽17连通液体入口2和液体出口4，与隔水透气膜9一起组成液体流动通道，外部液体从液体入口进入到液体流动通道中后，与隔水透气膜充分接触，并从液体出口流出。隔水透气膜提取气体的效率与液体和膜的接触面积呈正相关，通过在壳体1内部排布螺旋状的刻槽17，在保证液体的流动均匀性的同时，能够大大增加有效接触面积。螺旋状的刻槽与采用多孔疏松材料制成的支撑块及楔形支撑块，一方面有效增加了液体与隔水透气膜的接触面积，另一方面提高了承压能力，使得进样速度及适用水深都大大增加。
如图2、图3、图5和图6所示，所述支撑块包括支撑块主体和开设在支撑块主体中间的腔体。所述支撑块主体包括对称设置的支撑块一8a与支撑块二8b。所述腔体包括依次设置的腔体一19与腔体二18。所述腔体一19内放置有楔形支撑块11。所述腔体二18中安装有加热棒12和液位传感器13。所述腔体一19为圆台状，所述腔体二18为圆柱状。支撑块一8a与支撑块二8b的结构相同，二者均为半圆柱形。在支撑块一8a与支撑块二8b的内壁上均开设有一凹槽，支撑块一8a与支撑块二8b拼在一起后，形成一个圆柱体，二者上的凹槽围成一个空腔，该空腔即为依次相连通的腔体一19和腔体二18。腔体一19的最小直径端与腔体二18相连。腔体二18的最大直径端位于整个空腔的最外侧。先将支撑块一8a与支撑块二8b拼成一个圆柱体，再在该圆柱体的外侧壁上包覆一层隔水透气膜9，然后在空腔二18中放置一个与空腔二18的形状相适应的圆台状的楔形支撑块11，最后将支撑块一8a、支撑块二8b、隔水透气膜9和楔形支撑块11放置在壳体1内部。
为了保证液体只能在螺旋状刻槽内流动，不溢出，必须保证隔水透气膜紧贴壳体内壁，由于加工误差、装配误差、热胀冷缩等不确定因素存在，很难保证加工后的支撑块可以撑住隔水透气膜9，使其紧贴壳体的内壁。两个支撑块(支撑块一8a和支撑块二8b)的设计配合楔形支撑块11，可以使得楔形支撑块11在密封盖板5的挤压下，进一步挤压支撑块一8a和支撑块二8b，两个支撑块在楔形支撑块11的挤压下有向两侧扩张的趋势，保证隔水透气膜9可以紧贴壳体1内壁。所述腔体一19，用于为加热棒12及液位传感器13预留空间，理论上说任何形状的空腔都是可以的。圆台状的腔体二18的设计为了与楔形支撑块11配合，让两个支撑块撑住隔水透气膜，使得隔水透气膜9紧贴壳体内壁。楔形支撑块11的形状与圆台状的腔体二18的形状相适应，让两个支撑块撑住隔水透气膜9，使得隔水透气膜9紧贴壳体1内壁。
所述支撑块一8a、支撑块二8b和楔形支撑块11均采用多孔疏松材料。所述多孔疏松材料为粉末烧结钛管、钛烧结块、铜烧结块、泡沫铜、泡沫钛中的任意一种。粉末钛烧结棒/管/板/块，是利用钛颗粒，通过烧结方式，形成的各种结构的多孔疏松材料，此种材料具有丰富的孔隙，可以允许液体、气体等介质通过，大颗粒固体无法通过。
如图1-图4所示，所述壳体1包括一端开口的壳体主体和可拆卸安装在壳体主体开口处的密封盖板5；所述壳体主体的封闭端上开设有电气接头安装孔，所述气密电气接头3安装在安装孔中，且与电气接头安装孔之间设有电气接头密封圈7；所述气体出口6安装在密封盖板5上；所述密封盖板5与壳体主体之间设有盖板密封圈10；所述密封盖板5通过螺栓连接在壳体主体上。所述密封盖板5采用不锈钢材质。所述密封盖板5安装好后，能够压紧楔形支撑块11，进而固定支撑块一8a和支撑块二8b，使得隔水透气膜与壳体内壁紧密接触。
如图7所示，所述气密电气接头3包括绝缘底座3a和贯穿安装在绝缘底座3a上的若干导电连接杆3b；所述导电连接杆3b采用胶粘接在绝缘底座3a上。所述绝缘底座3b采用聚四氟、PEEK、亚克力材料中的任意一种。所述导电连接杆3b采用铜、金、银等良导体制成。如图2所示，所述加热棒12和液位传感器13的电源线及信号线分别与导电连接杆3b相连。本发明通过在腔体一种设置加热棒，能够提高隔水透气膜的温度，进而提高气体导入效率。
如图8所示，所述液体进口2连接有机械泵15。所述气体出口6连接有电磁阀16，电磁阀16的控制端与控制器14的输出端相连。所述机械泵15，用于提供驱动力，使液体由液体进口2进入到壳体1内。所述导电连接杆3b连接有控制器14，控制器14，用于为液位传感器13和加热棒12提供电源及进行必要的信号传输。当液位传感器13检测到腔体1中有液体渗入时，向控制器发送信号，控制器14会驱动电磁阀16关闭，从而避免腔体一中的液体经气体出口6流入到后续的分析设备中，对分析设备起到了保护作用。
本发明的工作过程为：
(1)机械泵15开启，加热棒通电12开始加热，液位传感器13开始检测腔体一19内是否渗入了液态水。
(2)机械泵15将液体从入口2处抽入刻槽17中，液体在刻槽17与隔水透气膜9组成的液体通道中从液体入口2一直流至液体出口4。液体在刻槽17内流动时，与隔水透气膜9充分接触，水中的挥发性有机物等气体被隔水透气膜提取至支撑块及楔形支撑块11的孔隙内。由于后续分析仪器抽气及分子扩散作用的存在，被提取出来的挥发性有机物等气体会慢慢穿过支撑块及楔形支撑块的多孔疏松材料，并在后续分析仪器抽气的作用下由气体出口6排出，直至被与气体出口6相连的分析仪器进行分析。
(3)液位传感器13一旦检测到腔体二18内有液态水存在，则控制器14立即切断加热棒12的电源12、关闭机械泵15、关闭电磁阀16，从而防止电路及仪器损坏。
本发明的设计原理为：
水中溶解气从液体环境转移到气态环境主要分为三步：第一步，挥发性有机物溶解到隔水透气膜与水的交界面一侧；第二步，挥发性有机物在隔水透气膜内从靠近水的一侧向靠近空气的一侧扩散；第三步，挥发性有机物到达隔水透气膜与空气的交界面，并脱附出来。以上三步就完成了将溶解气从水中提取到气体环境中的操作过程。挥发性有机物在透过膜的的透过量可以表示为：
Iss＝ADS(Ps/L)
其中，A表示膜的有效面积(cm2)，D表示样品在膜中的扩散系数(cm2/s)，S表示样品在膜中的溶解度(mol/torr·cm3)，Ps是样品分压(torr)，L表示膜的厚度(cm)。
由上式可知，若要提高有机物透过隔水透气膜的量，即提高隔水透气膜从水中提取挥发性有机物气体的效率，则可以通过增大膜的有效接触面积A、提高样品在膜中的扩散系数D、减小膜的厚度L等方式来实现。其中，由于扩散系数D与温度有关，因此，可以通过提升温度的方式提高样品在膜中的扩散速度。膜的厚度及有效接触面积则可以采用更改膜物理参数的方式实现。此外，扩散膜与水交界面处液体的的流速也会影响膜从液体环境中提取气体的效率，这是因为如果水流过缓，靠近扩散膜区域的液体中溶解气已经被膜提取走，新的液体还来不及补充，则此区域液体溶解气分压Ps降低，由以上公式可知Ps降低，水中溶解气的透过量就会减少，因此适当提高膜表面液体的流速，可以有效提高膜从液体中提取溶解气的效率。
具体地说，本发明通过使用圆柱状的壳体，并在壳体的内壁上设置螺旋状的刻槽，能够将隔水透气膜的有效面积从一个圆形底面扩展到整个圆柱侧面，并通过采用粉末烧结钛管等多孔疏松材料制成的支撑块及楔形支撑块的引入，使得整个隔水透气膜均为有效区域，大大增加了隔水透气膜的有效面积，提高了隔水透气膜从水中提取挥发性有机物气体的效率。
现有技术中的采用隔水透气膜的水下溶解气检测装置，对于片状膜的支撑其镂空孔径为毫米量级，高压环境下隔水透气膜极其容易发生变形甚至破裂。本发明采用粉末烧结钛管、钛烧结块等多孔疏松材料制成支撑块作为支撑，孔径可达数十微米量级，有效提高了隔水透气膜的承压范围和承压能力，可以在高压环境下正常使用。
此外，现有的应用于水下溶解气检测的片状膜厚度一般在微米量级，在外力的作用下很容易发生破损，一旦隔水透气膜发生破损，液体会大量涌入进样装置，继而进入分析设备，导致设分析备损坏；本发明通过引入液位传感器和电磁阀，能够在隔水透气膜发生破损，液体进入到腔体一后，液位传感器就发送信号给控制器，控制器驱动电磁阀关闭，防止液体进入到后续的分析设备中，确保分析设备的安全性。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于深水高压环境的水气分离装置，其特征在于：包括壳体、分别设置在壳体两端的气密电气接头与气体出口、设置在壳体内侧壁上的螺旋状的刻槽、分别设置在壳体两端外侧壁上且均与刻槽相连通的液体入口与液体出口、嵌入设置在壳体内的支撑块和包裹在支撑块外侧壁上的隔水透气膜；
所述支撑块包括支撑块主体和开设在支撑块主体中间的腔体；所述支撑块主体包括对称设置的支撑块一与支撑块二；所述腔体包括依次设置的腔体一与腔体二；所述腔体一内放置有楔形支撑块；所述腔体二中安装有加热棒和液位传感器；所述支撑块一、支撑块二和楔形支撑块均采用多孔疏松材料。
2.根据权利要求1所述的一种适用于深水高压环境的水气分离装置，其特征在于：所述气密电气接头包括绝缘底座和贯穿安装在绝缘底座上的若干导电连接杆；所述导电连接杆采用胶粘接在绝缘底座上。
3.根据权利要求1所述的一种适用于深水高压环境的水气分离装置，其特征在于：所述壳体包括一端开口的壳体主体和可拆卸安装在壳体主体开口处的密封盖板；所述壳体主体的封闭端上开设有电气接头安装孔，所述气密电气接头安装在安装孔中，且与电气接头安装孔之间设有电气接头密封圈；所述气体出口安装在密封盖板上；所述密封盖板与壳体主体之间设有盖板密封圈；所述密封盖板通过螺栓连接在壳体主体上。
4.根据权利要求1所述的一种适用于深水高压环境的水气分离装置，其特征在于：所述腔体一为圆台状，所述腔体二为圆柱状。
5.根据权利要求1所述的一种适用于深水高压环境的水气分离装置，其特征在于：所述多孔疏松材料为钛烧结块、铜烧结块、泡沫铜、泡沫钛中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种适用于深水高压环境的水气分离装置，其特征在于：所述绝缘底座采用聚四氟、PEEK、亚克力材料中的任意一种；所述导电连接杆采用铜、金、银材料中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的一种适用于深水高压环境的水气分离装置，其特征在于：所述密封盖板采用不锈钢材质。
8.根据权利要求1所述的一种适用于深水高压环境的水气分离装置，其特征在于：所述液体进口连接有机械泵。
9.根据权利要求1所述的一种适用于深水高压环境的水气分离装置，其特征在于：所述气体出口连接有电磁阀。
10.根据权利要求3所述的一种适用于深水高压环境的水气分离装置，其特征在于：所述加热棒和液位传感器的电源线及信号线分别与导电连接杆相连。
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