CN106178828A - 一种非消耗型二氧化碳和水份的一体化处理装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航天航空生保环控技术领域，具体为一种非消耗型二氧化碳和水份的一体化联合处理装置与方法。本发明装置包括：送风单元、吸附与解吸单元，及必要的控制阀门、连接管路及控制***；其中，吸附与解吸单元是一体化分离器，分为下、上吸附器两部分，下部分吸附器中以疏水型二氧化碳中空纤维分子筛作为吸附剂，用于吸附气体中的二氧化碳，上部分吸附器中以介孔沸石中空纤维分子筛作为吸附剂，用于吸附气体中的水份；两部分中间设置有解吸装置，用于对使用过的吸附剂进行加热再生。该一体化分离器可以有多个，并联或串联运行。该装置可有效实现舱内二氧化碳和水份的一体化处理，降低***重量、功耗和消耗品补给需求。

Description

一种非消耗型二氧化碳和水份的一体化处理装置与方法

技术领域

本发明属于航天航空生保环控技术领域，具体涉及一种生保环控***中大气再生子***的二氧化碳与水份的处理装置，更具体的，涉及一种非消耗型二氧化碳和水份的一体化联合处理装置。

背景技术

环境控制与生命保障***（简称环控生保***，ECLSS）是载人航天飞行器最重要的***，通常，环控生保***有六个子***组成：温度与湿度控制子***、大气控制与供应子***、大气再生子***、火情探测与灭火子***、水回收与管理子***以及废物管理子***。

大气再生子***直接关系到飞行器乘员生命安全保障，主要功能包括二氧化碳清除、大气监测、微量污染物的控制等，在载人航天飞行器等密闭空间中，因人的呼吸会不断的产生二氧化碳，烹调等燃烧过程及有机材料的氧化过程等也会产生二氧化碳，二氧化碳在密闭空间大气中累积，其浓度不断升高，而过高的二氧化碳浓度会导致人员的生理功能和工作效率，严重时甚至会危及生命，当人员长期暴露于二氧化碳浓度超过0.1%的环境下，会给人带来不愉快感，含量为1%时，能使正常人呼吸量增加25%，含量为3%时,使呼吸量增加2倍，继续积累达一定程度后,便会使人头晕眼花、思维混乱、恶心、呕吐等等，对人体的机能造成损坏和基本生理功能的变更，达到5%浓度时，人的呼吸仅能维持30分钟，当含量为25%时，则可使呼吸中枢麻痹，并引起酸中毒，按照国家相关标准规定，工作环境中二氧化碳含量不得超过1%，因此，必须及时、有效地清除密闭空间人居环境所产生的二氧化碳，保证密闭空间大气中二氧化碳浓度在一个适当的水平。

目前，有关二氧化碳的处理及控制技术主要有非再生式、物理化学再生式和受控生态再生式三类：

非再生式二氧化碳清除技术因吸收/吸附剂不可再生，属于消耗型处理技术，不仅需要大量携带，而且在中长期载人航天飞行任务时面临质量增加过快和再补给困难等问题，典型的有采用氢氧化锂和超氧化物吸收二氧化碳的技术，仅适应于短期载人航天，或作为再生式技术必要的补充，如舱外航天服及紧急情况下的短时使用用途

在长期的载人航天飞行任务中，物理或化学再生式二氧化碳清除技术显然更具竞争力，它克服了非再生式处理技术的缺陷，因可再生，可获得更高的经济性、效费比，典型的，如采用分子筛吸附、固态胺吸附、电化学吸收、膜分离等技术，尤其是分子筛吸附分离技术，美国天空实验室、俄罗斯和平号以及现在的国际空间站采用的都是这种可再生式分子筛清除技术，但是，因为传统分子筛吸附二氧化碳的同时吸附水份，存在竞争性吸附，甚至水还更为容易被分子筛吸附而大幅降低了其吸附二氧化碳的能力，而使得装置设计更复杂，控制困难，重量、体积、功耗较大。

而受控生态再生式二氧化碳清除技术主要指在非再生和再生式***的基础上加入了生物技术，利用植物的光合作用净化二氧化碳，并提供食物给航天员或动物，从而将各种再生循环整合到一起，为长时间、远距离的航天飞行任务，比如更大型的空间站、月球基地甚至未来的火星基地等，因为物资的再补给难度进一步升高，需要考虑再生的物资除氧气和水外，又增加了食品，并且对可靠性和效率的要求也更加严格，受控需调整净化平衡时使用非再生或再生式***辅助运行，基本模拟地球生态环境的循环过程，以实现在完全不依靠外部补给的情况下维持人类生存，总体上，生态生保***面临的技术挑战更高，迄今距离实用阶段还差得很远。

如上所述，尽管净化二氧化碳的方法有很多,如金属氧化物吸收、固态胺吸收、醇胺吸收和电化学去极化膜分离技术、分子筛变压吸附等，但在中长期的载人航天飞行任务中航天器乘员舱内的二氧化碳的处理技术，物理或化学再生式二氧化碳清除技术因可再生，可获得更高的经济性、效费比，尤其是分子筛吸附分离技术，是国内外重点的研究方向，如美国，早在上世纪八十年代就在天空实验室中采用了沸石分子筛的处理技术，目前，美国天空实验室、俄罗斯和平号以及现在的国际空间站二氧化碳净化采用的都是这种可再生式分子筛清除技术，较为成熟的典型技术方案是四床分子筛变压吸附处理技术：

四床分子筛变压吸附处理技术主要是根据分子之间的物理吸附来进行设计,采用5A分子筛，它可选择性地吸附来自座舱中的二氧化碳，但由于5A分子筛与水蒸汽的亲和力也较大，吸附空气中的水蒸汽将引起对二氧化碳的吸附失效(降低分子筛对二氧化碳的吸附能力)，因此，在进入二氧化碳吸附床之前，空气必须经过干燥处理，为此在二氧化碳吸附床前串接了一个硅胶和13X分子筛分层结构构成的干燥床，构成以两套装填干燥剂的干燥床串联两套装填可吸附二氧化碳的沸石分子筛吸附床的分离装置，可连续完成吸附与解吸工作，其解吸则采用太空的真空环境并适当辅助以热能（或仅依赖真空）直接将吸附质脱附到太空，宏观上，前级处理水份，后级净化二氧化碳，其主要优点是能独立地运作，与环控生保***中的其它功能件无关，也不存在对座舱湿度负荷的冲击，吸附材料稳定、无气味，不需更换，在紧急状态下能用飞行器外部的高真空资源进行解吸,还可降低功率负荷。但是，由于传统的5A分子筛吸附二氧化碳的同时强力吸附水份，存在竞争性吸附，不得已采用前级干燥处理，这将使得装置设计更复杂，控制困难，重量、体积、再生功耗较大，而且，传统的沸石分子筛为颗粒类分子筛，在发射等存在振动、冲击的环境条件下这些分子筛容易破碎成粉末，即使正常运行也将因存在空间、体积等限制条件下，频繁切换、设计空速过高等客观设计条件带来分子筛的流化现象，不但降低了***的使用寿命，也将污染其下游设备

因此，在面向未来深空探测等更加长期或是对重量、功耗、补给限制更严格的飞行任务，本发明的 “基于疏水性分子筛吸附分离技术构建的非消耗型二氧化碳和水份的一体化处理方法及装置”，可降低环控生保***的初始发射重量，降低***本身能源消耗，减少消耗品补给量，实现***的轻量化的同时并提高***的可靠性，为我国空间站后续环控生保技术的升级奠定基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种重量轻、功耗低，使用寿命长的二氧化碳和水份的一体化处理装置与方法。

为更好的描述本发明，有关本发明中的部分名字释义如下：

贫气，是指相对进入吸附器之前的原料气中的特定组分而言，经吸附器之后获得的较原料气中的该组分更低浓度的气体，如相对进入吸附器中的含二氧化碳的原料气体来说，吸附塔出口即获得较该原料气更低的浓度，称为贫二氧化碳气，如相对进入吸附器中的含水份的原料气体来说，吸附塔出口即获得较该原料气更低的浓度，称为贫水汽。

吸附器，也可称为吸附塔、吸附床、分离器，是指装填了至少一种比如上面所说的吸附剂的容器，吸附剂对混合气体中较易吸附的组分有较强的吸附能力。

变压吸附、吸附分离，PSA等词，本专业的技术人员会承认，这些方法所指不仅是PSA方法，还包括与之类似的方法，如真空变压吸附(Vacuum Swing Adsorption-VSA)或混合压力变压吸附(Mixed Pressure Swing Adsorption-MPSA)方法等等，要在更宽广的意义上理解。也就是说，对于周期性循环的吸附压力、一种较高的压力是相对于解吸步骤的更高的压力，可以包括大于或等于大气压力，而周期性循环的解吸压力，一种较低的压力是相对于吸附步骤的更低的压力，则包括小于或等于大气压力。

压力，除注明是表压，其它均指绝对压力；

难吸附组分，是指相对于较为容易吸附的组分而言，同样的，易吸附组分则是指相对于较难吸附的组分而言。

附图中，以字母V为头的符号，代表自动控制阀门：如V1A/V1B，V2，V3，V4，等等，都是自动控制阀门，它们可根据预先设定的逻辑开启或关闭，当然，也可以是带有流量控制调节性能的自动控制阀门，这些阀门可以是气动控制的，也可以是电动、液压控制的自动控制阀，在特定条件下，甚至可手动操作。

101A，101B，等是吸附器编号，装填有至少一种或多种吸附剂；

101C是安装在吸附器中的解吸装置，如微波加热器；

AB01，等代表压缩机械、升压设备；如鼓风机。

本发明设计的非消耗型二氧化碳和水份的一体化处理装置，参见图1所示，包括：送风单元、吸附与解吸单元，及必要的控制阀门、连接管路及控制***，其中：

所述送风单元，至少为一个；该送风单元是一种升压设备AB01（如鼓风机）；送风单元通过管道与所述吸附与解吸单元连接，在该连接管道上设有控制阀门V1A，而且，在升压设备AB01与控制阀门 V1A之间的管道上还设有第一管道支路，在该支路上设置排空控制阀门V1B；

所述吸附与解吸单元是一个一体化分离器，分为吸附器101A与吸附器101B下、上两部分，以轴向床为例,101A、101B均为圆桶形空腔，内由中空纤维分子筛填充满，两端各有至少一个接口,称之为进、出口，吸附器101A中以疏水型二氧化碳中空纤维分子筛作为吸附剂，用于吸附气体中的二氧化碳，吸附器101B中以介孔沸石中空纤维分子筛作为吸附剂，用于吸附气体中的水份；吸附器101A与吸附器101B组件之间为间壁空腔中设置有解吸装置101C（如微波加热器），用于对使用过的吸附剂进行加热再生；吸附器101A设有通向舱内的第二管道支路，该管道支路上设有自控制调节阀V3；吸附器101B设有通向舱内的第三管道支路，该管道支路上设有自控制调节阀V2；吸附与解吸单元还设有通向舱外的第四管道支路，该管道支路上设有自控制调节阀V4。

基于本装置的非消耗型二氧化碳和水份的一体化处理方法的流程如下：

来自舱内的含有二氧化碳与水份的原料气，为常温、常压、0～100%RH相对湿度的气体，自进口A通过升压设备AB01，控制升压设备AB01将原料气体升压至0～800KPa；并用换热器将原料气体温度降至常温，典型的，如5～60℃，并通过管道送入一体化分离器，控制管道内气体流速为1～20m/s；

在一体化分离器中，控制气体流速≤1m/s，使气体中的二氧化碳被吸附器101A中的吸附剂吸附，经过吸附器101A的气体，一路是被吸附了二氧化碳贫二氧化碳但仍然富含水份的气体被直接分流进入第二管道支路，控制流速为1～20m/s，通过控制调节阀V3经出口B返回舱内，用以调控舱内湿度；另一路被吸附了二氧化碳但仍然富含水份的气体继续通过吸附器101B，控制气体流速≤1m/s，由介孔沸石中空纤维分子筛吸附气体中水份，出来的气体是贫二氧化碳与贫水汽的气体；该气体进入第三管道支路，控制流速为1～20m/s，通过控制调节阀V2自出口C返回舱内；

当吸附器101A与吸附器101B吸附器的吸附剂吸附饱和失效后，利用解吸装置101C，使吸附剂恢复功能，以便继续使用。

使吸附剂恢复功能的操作流程如下，打开第一管道支路上的控制阀门 V1B ，关闭控制阀门V1A、第三、第二管道支路上的控制阀门V2、V3，利用深空的真空（打开第四管道支路上的制调节阀V4，联通D口的真空源，或者自此口接真空泵）并辅以解吸装置101C的微波加热，使吸附剂彻底再生，以便继续使用。当然，也可采用如上技术原理以公知技术的多塔吸附分离装置实现连续使用。

本装置中，所述的一体化分离器可以有多个的并联或串联运行。

本装置与传统的吸附处理技术比较，它全面克服了如四床分子筛变压吸附传统处理技术的缺陷，不仅可有效的实现舱内二氧化碳和水份的一体化处理及控制，降低了***重量、功耗和消耗品补给需求，具有如下技术优势：

（1）净化过程连续并可再生，采用单床变压变温吸附技术构建吸附分离装置，本身无需物料补给即可连续净化二氧化碳，调控舱内湿度（水份），并仅依靠深空固有的真空环境辅助以很低的能量消耗即可满足再生条件，保证长期循环使用寿命；

（2）净化过程能量消耗低，采用疏水型二氧化碳分子筛不仅疏水还具有较高的解吸速率，解吸能量需求低，特殊设计的低传质阻力的二氧化碳及水份一体化吸附床层，通常可将床层压降降低至数十至数百帕，远低于常规分离床的压力降，进一步降低了***的能量消耗；

（3）降低了***重量与体积需求，疏水型二氧化碳分子筛具有极低的水吸附容量及较高的二氧化碳吸附容量，相对传统技术装置更小型化、轻量化，尤其是结合疏水型二氧化碳分子筛开发的单床吸附分离流程相对现有传统技术的四床分子筛吸附分离流程更简单，进一步降低了***的体积与重量；

（4）为适应载人航天飞行器恶劣的应用环境，将疏水型二氧化碳分子筛材料及介孔沸石分子筛材料制成“中空纤维分子筛组件”用以集成为一体化的分离器，不仅可获得低传质阻力、抗振动冲击、抗流化的分离器，也可进一步提高吸附及解吸性能。

附图说明

图1为本发明装置结构图示。

具体实施方式

下面将结合附图，通过实施例以进一步描述本发明。

实施例

一个6人乘员舱的舱内二氧化碳和水份（湿度）控制方案，设计目标为去除二氧化碳及水份的效率不低于70%，吸附剂具备再生能力，再生能耗不大于300W，其中：

二氧化碳控制能力：满足密闭空间条件下6人乘组（产CO2量6kg/d）使用，控制密闭空间内的CO2浓度在0.8%以下；

湿度控制能力：满足密闭空间条件下6人乘组（产湿量12kg/d）使用，控制密闭空间内的相对湿度在30~70%之间。

如附图1，***设备组成设计如下表：

采用以上的设备及附图1示意的技术流程，舱内二氧化碳和水份（湿度）控制均满足使用要求，达到了预期的控制效果，而以上设备，概略尺寸不超过300×450×600mm，并可随舱内情况分布布置，概略质量小于60kg，其中：

（1）送风单元

按舱室内可接受的二氧化碳浓度（小于0.8%，按0.6~0.8%，v/v）设计，含二氧化碳浓度越低，吸附剂装填量越大，设计目标按0.6%计，按二氧化碳天产生量6kg/h，脱除效率不低于80%计，天吸附20h，解吸2h，2小时富裕，装置小时消减量应大于0.3kg/h，送风单元的送风量约需20-25m3/h，按25m3/h计，送风压力即床层及管路、阀门的阻力，总计300PaG。同时，按舱室内可接受的湿度（30-70%，按65%设计，v/v）设计，含水分越低，吸附剂装填量越大，设计目标按湿度30%计，1atm环境温度25℃条件下，湿含量7.56g/m3湿空气，按水分天产生量12kg/h，脱除效率不低于80%计，天吸附20h，解吸2h，2小时富裕，装置小时消减量应大于0.6kg/h，送风单元的送风量约需100m3/h，按100m3/h计，送风压力即床层及管路、阀门的阻力，总计300PaG。综合选型100m3/h，送风压力300PaG的风机，装机功率40W，重量2kg，噪音小于50dBA；

（2）吸附单元

吸附单元直接体现二氧化碳脱除及湿度控制的功效，是一个串联连接并一体化设计的中空纤维分离器，其中，101A为仅吸附二氧化碳的疏水型中空纤维分子筛组件，101B为仅吸附水分的介孔沸石中空纤维分子筛组件，101C为101A、101B组件之间的间壁空腔，内置微波发生器，并且，101A与101B串联连接，以耐微波材料外壳整体封装，其中：

中空纤维分离器101A装填了4kg疏水型二氧化碳吸附材料，单位材料的吸附容量达8-15%（wt%，质量百分比），中空纤维分离器101B装填了1.5kg介孔分子筛吸附材料，单位材料的吸附容量达40-75%（wt%，质量百分比），均预留有足够的富裕量，101C为101A、101B组件之间的间壁空腔内置功率300W的微波发生器，重量3kg，床层总压降80pa；

为节省空间及重量，吸附单元仅设单塔。在接近吸附饱和点时，停止进气，吸附塔转入解吸脱附过程。

解吸单元主要由通往太空的阀门V4及通入吸附分离器101A、101B组件之间的间壁空腔101C及管路组成，当床层吸附饱和后，可通过打开V1B，关闭阀V1A、控制调节阀V2、V3利用深空的真空（打开V4）并辅以微波加热（内置于整体吸附分离床层内）以彻底再生吸附床层，二氧化碳及多余的水分被排至太空而清除，解吸温度50-80℃，在真空及辅助微波的条件下，吸附剂所吸附的二氧化碳、水等组份将陆续脱附出来，重新恢复活性，即可再次投入使用；

（3）控制***及装置底盘、管路附件

控制***用以控制V2/V3的开度与开闭，以及V1A/V4的开闭，实现分离器的吸附与解吸，以及舱内湿度的调控，控制***及装置附件主要为:

1）为监视处理过程，配备必要的监测仪器仪表、执行器和控制软件；

2）设备底盘、管线和阀件；

控制***能根据设定值和控制值的要求，自动开启或关闭、调节二氧化碳脱除及控制湿度（二氧化碳浓度超过0.8%时，开启；二氧化碳浓度低于0.5%时，关闭；湿度大于70%时开启，低于30%时，关闭）。

各单元及单元内的各设备间的操作切换，均通过现场传感和控制***自动实现，在装置调试合格后，无需专人值守。

以上描述的或附图所示的方法和装置中，通过吸附塔的气流型式可用轴向流、径向流、侧向流或其它的型式，关于吸附塔内装填的吸附剂，每个都可包括有多个主要吸附层，或者也可没有或设有一个或更多的预处理层用以吸附其它组分如水汽、二氧化碳等。另外，每个吸附剂层可包括单一品种的吸附剂或两种或两种以上吸附剂的混合物。

以上描述的或附图所示的工艺参数或装置中，可作出各种各样的变动。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在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。

Claims (5)

1.一种非消耗型二氧化碳和水份的一体化处理装置，其特征在于，包括：送风单元、吸附与解吸单元，及必要的控制阀门、连接管路及控制***，其中：

所述送风单元，至少为一个；该送风单元是一种升压设备AB01；送风单元通过管道与所述吸附与解吸单元连接，在该连接管道上设有控制阀门V1A，而且，在升压设备AB01与控制阀门 V1A之间的管道上还设有第一管道支路，在该支路上设置排空控制阀门 V1B ；

所述吸附与解吸单元是一个一体化分离器，分为吸附器101A与吸附器101B下、上两部分，对于轴向床而言, 吸附器101A与吸附器101B均为圆桶形空腔，内由中空纤维分子筛填充满，两端各有至少一个接口,称之为进、出口；吸附器101A中以疏水型二氧化碳中空纤维分子筛作为吸附剂，用于吸附气体中的二氧化碳，吸附器101B中以介孔沸石中空纤维分子筛作为吸附剂，用于吸附气体中的水份；吸附器101A与吸附器101B组件之间为间壁空腔，其中设置有解吸装置101C，用于对使用过的吸附剂进行加热再生；吸附器101A设有通向舱内的第二管道支路，该管道支路上设有自控制调节阀V3；吸附器101B设有通向舱内的第三管道支路，该管道支路上设有自控制调节阀V2；吸附与解吸单元还设有通向舱外的第四管道支路，该管道支路上设有自控制调节阀V4。

2.根据权利要求1所述的非消耗型二氧化碳和水份的一体化处理装置，其特征在于，所述升压设备AB01为一鼓风机，所述解吸装置101C为微波加热器。

3.根据权利要求1所述的非消耗型二氧化碳和水份的一体化处理装置，其特征在于，所述的一体化分离器有多个，并联或串联运行。

4.一种基于权利要求1-3之一所述装置的非消耗型二氧化碳和水份的一体化处理方法，其特征在于，具体流程为：

来自舱内的含有二氧化碳与水份的原料气，为常温、常压、0～100%RH相对湿度的气体，自进口A通过升压设备AB01，控制升压设备AB01将原料气体升压至0～800KPa；并用换热器将原料气体温度降至5～60℃，然后通过管道送入一体化分离器，控制管道内气体流速为1～20m/s；

在一体化分离器中，控制气体流速≤1m/s，使气体中的二氧化碳被吸附器101A中的吸附剂吸附，经过吸附器101A的气体，一路是被吸附了二氧化碳贫二氧化碳但仍然富含水份的气体被直接分流进入第二管道支路，控制流速为1～20m/s，通过控制调节阀V3经出口B返回舱内，用以调控舱内湿度；另一路被吸附了二氧化碳但仍然富含水份的气体继续通过吸附器101B，控制气体流速≤1m/s，由介孔沸石中空纤维分子筛吸附气体中水份，出来的气体是贫二氧化碳与贫水汽的气体；该气体进入第三管道支路，控制流速为1～20m/s，通过控制调节阀V2自出口C返回舱内；

当吸附器101A与吸附器101B吸附器的吸附剂吸附饱和失效后，利用解吸装置101C，使吸附剂恢复功能，以便继续使用。

5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于：使吸附剂恢复功能的操作流程如下，打开第一管道支路上的控制阀门 V1B ，关闭控制阀门V1A、第三、第二管道支路上的控制阀门V2、V3；打开第四管道支路上的制调节阀V4，联通D口的真空源，或者自此口接真空泵，使装置内呈真空，并辅以解吸装置101C的加热，使吸附剂彻底再生。