固态胺二氧化碳去除系统中反应罐的设计
作者：周抗寒 陆熙瑜 刘向阳 艾尚坤 刘成良
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：密闭生态系统；固态胺吸收；水蒸气吸收；反应罐；设计；二氧化碳浓度
航天医学与医学工程000409摘要： 目的 设计一种能满足长期载人航天器内固态胺吸附/水蒸气解吸CO2控制系统要求的反应罐。 方法 根据系统要求及固态胺本身特性，解决如下关键问题：(1)额定的阻力损失需要减少床高与吸附、浓缩需要增加床高的问题；(2)有限的解吸热量与一定解吸温度保持的问题；(3)微重力下如何适应固态胺的膨胀与收缩的问题。 结果 成功地实现了CO2的吸附、解吸及浓缩，系统可控制座舱CO2浓度在0.5%以下,浓缩的CO2浓度>95%,可直接进入CO2还原系统,系统阻力低于160 mmH2O，解吸能耗降到650 W以下。 结论 设计的反应罐能满足微重力条件下固态胺二氧化碳去除系统的要求。
, http://www.100md.com
中图分类号：R852.82 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(2000)04-0272-05
Design of Reaction Canister in A Solid Amine Carbon Dioxide Removal System
ZHOU Kang-han LU Xi-yu LIU Xiang-yang AI Shang-kun LIU Cheng-liang
(Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China)
Abstract: Objective To design a reaction canister using in solid amine carbon dioxide removal system for long-duration spaceflight. Method On consideration of system demand and properties of solid amine, key problems must be solved were found out: 1) the rated resistance limit tends to shorten the length of the canister while absorption and concentration require to increase the length of the canister; 2) limited quantity of heat for keeping the temperature of the canister; 3) inflation or contraction of the solid amine under micro-gravity. Result After appropriate measures were taken, effective adsorption and desorption, as well as concentration of CO2 were achieved, the concentration of CO2 in the space cabin could be controlled below 0.5%; and the concentration of the concentrated CO2 was as high as 98% so that it could be directly send to the CO2 reduction system; and that the resistance of the canister was below 160 mm H2O; moreover, the energy consumption was decreased to below 650 W. Conclusion The designed reaction canister could meet the requirements of the solid amine carbon bioxide removal system under microgravity.
, http://www.100md.com
Key words:closed ecological system;solid amine adsorption;steam desorption;canister;design;carbon dioxide concentration
空间站的有效运行需要再生的环境控制与生命保障体系来支持，大气净化与再生是这一体系的主要内容之一。CO2的控制是大气净化与再生系统的关键一环，固态胺吸附水蒸汽解吸系统就是一种最有发展前景的CO2去除方案[1～4]。在这一系统中固态胺反应罐不仅是树脂吸附CO2及树脂再生的场所，也是浓缩CO2的场所，其设计合适与否极大地影响CO2收集、浓缩的性能，是该系统中最关键的部件之一。前阶段对这一CO2去除技术进行研究时,没能实现CO2的浓缩以及系统的连续吸附,其中最重要原因就是反应罐的设计不完善。因此,本文从系统本身的特征出发，通过对固态胺水蒸气解吸工作机理的分析研究,按系统的要求,设计符合微重力工作条件的固态胺反应罐,以实现所需的目标。
, http://www.100md.com
设计参数的确定
密封环境中氧气闭路再生系统对CO2去除系统的性能要求如表1所示。从系统性能要求与CO2吸附剂的循环再生的要求可知：要保证座舱内CO2的连续去除，至少需要两个反应罐交替工作，一个罐吸附，另一个已吸附饱和的罐解吸再生。系统的性质决定了反应罐工作压力不大于225 kPa，工作温度在288～394 K。从座舱中CO2产率、所需控制的CO2浓度以及固态胺本身的吸附容量可确定所需的固态胺总量，从CO2的负荷与座舱通风的要求算出系统的通风量，系统的压降由风机的性能及功耗决定。在长期的载人航天器的应用中，反应罐的寿命应大于40000个周期[5]，考虑到目前地面的试验工作，设计寿命为4000个周期。基于以上的分析与计算，确定反应罐设计所需的基本参数如表2。
表1 性能要求参数
, 百拇医药
Table 1 Performance requirements parameters
requirements
cabin pressure
101.4 kPa
cabin temperature
291～297 K
CO2-production rate
1.0 kg/man。day
cabin PCO2
, http://www.100md.com
0.5 kPa
concentrated CO2 concentration
≥90%
表2 基本设计参数
Table 2 Basic design specification parameters
specification
air flow rate
18～24 m3/h
solid amine dry mass
6 kg
, http://www.100md.com
absorption cycle duration
40～60 min
system resistance
160 mmH2O
问题及分析 在这一体系中的CO2吸附过程是一个气、固二相的反应过程，最大的气、固接触界面和充分的接触时间是充分吸附的重要保证。对固态胺吸附来说还有一个重要因素就是需要合适的含水率，因为树脂是含有胺的有机材料，在吸附CO2前，需先与水形成一种水化胺，然后吸附CO2形成碳酸氢盐，但过高的含水率，将形成水膜阻碍传质过程。对于CO2的浓缩来说，其实质是在热力推动下的解吸与树脂吸附过程的交替，吸附、解吸过程既是纯化CO2的过程，又是积累CO2的过程。因此，CO2的浓缩过程不仅需要与吸附、解吸过程同样的条件，而且需要一定路径-床层高度。影响解吸的因素有：树脂的含水率、吸附的CO2的量、解吸的温度等。解吸耗能随吸附量增加而增加，随树脂含水率增加而急剧增加，而解吸温度是解吸能否彻底的重要因素，图1是不同的解吸温度下解吸的树脂在相同时间内吸附的CO2量的关系曲线。
, http://www.100md.com
从图中可见，温度越高，解吸越彻底，解吸后的树脂吸附CO2的量越多。说明温度是解吸的动力，也是浓缩的动力，要有效地解吸并浓缩必须保证反应罐内达到一定的温度。从吸附、解吸、浓缩的过程可知：过多的解吸蒸汽，将增大反应罐内树脂的含水率，既不利于吸附也不利于解吸，为了保证CO2吸附与解吸的连续顺利进行，必须控制一定的湿度，从而需要控制一定的解吸蒸汽量，也即控制解吸能量。
图1 树脂在不同温度下解吸后的吸附特性
Fig.1 Effects of desorption temperature on adsorption performance
在反应罐中，由于树脂在吸附与再生过程中反复被干燥和加湿，即固态胺树脂重复着失水收缩与吸水膨胀的过程。在失重条件下，这一现象将造成气体分布的不均以及形成沟流，严重影响系统的工作性能。由此，固态胺的收缩与膨胀的过程也必须受到控制。
, http://www.100md.com
以上的分析清楚地表明：在设计的固态胺反应罐中，需解决如下三方面的问题：
a. 额定的阻力损失需要减少床高与吸附、浓缩需要增加床高的矛盾问题；
b. 有限的解吸能量与一定解吸温度保持的矛盾问题；
c. 微重力下如何适应固态胺的膨胀与收缩的问题。
反应罐的设计
从分析可知，反应罐设计的合理性取决于解决好以上3个问题。由于系统的阻力要求由风机决定，只能改变固态胺床层的高度来适应这一要求。从实验可以得出一定流量下的固态胺床层高度与阻力的对应关系、固态胺反应的最少接触时间与浓缩所需的最短床高，因此，综合这3方面的要求以及所需填充的量，便确定了固态胺反应床的尺寸。
将解吸的蒸汽量限制到尽可能少的条件下，要保证解吸的彻底进行，必须尽可能地将蒸汽传递来的热量用于解吸。因此，设计中，一方面要简化反应罐的结构，减少其重量，降低它本身的热容；另一方面应采取有效的隔热措施，控制热的损失。
, http://www.100md.com
为适应树脂层交替膨胀与收缩过程，反应罐的设计在原理上有二种方式，一种是采用多孔材料与固态胺树脂混填的方式，利用多孔材料的孔隙变化来调节树脂的体积变化。在干燥与加湿过程中树脂的体积变化一般在17%左右，因此，反应罐中只能填充其体积的65%～70%的干树脂。可采用的多孔物质有聚醚泡沫、发泡镍及尼龙毡。采用这一原理的反应罐，由于有调节材料的加入，增大了反应罐体积，同时也增大反应罐的热容，导致系统能耗增加。
另一种结构是采用一弹簧元件控制树脂层。这一方案有二种形式，一种类似于带有活塞的气缸，固态胺树脂装入缸内，通过弹簧驱动活塞来保持树脂层的密实。由于有活塞与弹簧等辅助材料，增大了反应罐的体积与热容，同时由于采用动态密封降低了长时间运行的可靠性。另一种形式是将固态胺树脂装于金属波纹管中，利用波纹管的伸缩性来适应树脂层体积的变化。各种形式的反应罐的特征列于表3中[5～7]。从表3中可见，波纹管方式的反应罐结构简单、热容量少、可靠性高，优于其余方式，因此，确定反应罐的芯体为波纹管式结构。
, 百拇医药
考虑到固态胺树脂是一种弱碱性材料，有一定的腐蚀性，因此波纹管及两端支撑固态胺的部分采用不锈钢。波纹管组件外面采用防锈铝保护外壳，外壳用隔热性能良好的聚氨脂保温，其反应罐的结构如图2所示。
图2 固态胺反应罐结构图
Fig.2 Solid amine canister design
1.bolt for confinement；2.desorption gas outlet；3.upper side assembly；4.bellow assembly；5.solid amine；6.carapace；7.under side assembly；8.steam inlet
性能测试及讨论
, 百拇医药
为了测试所设计的反应罐的性能，在CO2输入量1.0 L/min，入口浓度为0.5%的条件下进行固态胺的吸附/解吸及浓缩实验，进、出及浓缩的CO2浓度用CO2红外分析仪监测，流量由蜗轮流量传感器计量。所耗蒸汽量由供水量及从冷凝干燥组件所收集的冷凝水两方面进行确定。图3是解吸后的固态胺的吸附曲线，从图中可见：经多个周期的试验，每一周期解吸后树脂的吸附曲线基本一致。只有CO2完全解吸，树脂完全再生，才能吸附同样多的物质，这说明了反应罐内解吸温度保持较合适，证明了反应罐设计中所采用的降低热容及热损失的措施是合理、有效的。从吸附时间来看， 每一周期的前45 min， 出口气体中CO2浓度基本为零，在吸附60 min后，出口气体中CO2浓度也不到进口浓度的1/10，最长的吸附时间能达90 min。这一方面说明树脂的含水率控制在最佳状态，设计中较好地解决了有限的解吸热量与一定的温度保持之间的矛盾；另一方面，说明设计的反应罐保障了气流在罐内分布均匀，气体与树脂接触充分，且满足了吸附反应所需的接触时间。
, 百拇医药
表3 各种形式的反应罐的特征
Table 3 Different canister design characteristics configuration
characteristic
nickel foam bed
Good performance; Nickel corroded; Complete amine expansion not accommodated by foam; Higher
thermal mass
spring retained bed
Viable concept; Good life expectancy; complex(dynamic seal, springs); Higher thermal mass
, 百拇医药
metal bellows bed
Good performance; Good life expectancy; Good moisture control and distribution; Low thermal mass
Nylon felt bed
Good performance; Complete amine expansion accommodated; Higher thermal mass
polyether foam bed
Good performance; poor life (structural failure)
, 百拇医药
图3 解吸后的固态胺的吸附曲线
Fig.3 CO2 adsorption performance vs.time after desorption
图4是浓缩的CO2流量及浓度随解吸时间的变化曲线，浓缩的CO2浓度最高可达99.5%，流量达1～4 L/min，时间长达20～30 min，大部分CO2能够回收。由于CO2浓缩的实质是CO2在树脂床上不断重复着吸附与解吸的过程，因此，这进一步说明了设计的反应罐既有利于CO2的吸附，又有利于CO2解吸，从而也保障了CO2的浓缩。从收集到的CO2量与浓度来看，浓缩所需的床层高度也得到了满足。
在不同风量下系统的阻力降，风量在18.9～25.5 m3/h时，阻力降在113～179 mmH2O之间，而在所要求的风量(18～24 m3/h)下，系统阻力基本控制在160 mmH2O以内，符合系统对阻力降的要求(表4)。证明设计的反应罐极好地解决了吸附、浓缩所要求的固态胺床层高度与阻力降所限定的床层高度之间的矛盾。
, 百拇医药
图4 浓缩的气体流量及浓度随时间的变化曲线
Fig.4 Desorption performance vs.time
表5是系统采用所设计的反应罐所达到的性能，这些性能指标是描述这一系统先进性的主要依据[8]。除了解吸功率与国外还有一定差距外，其余性能与美国、德国同样规模系统的性能接近[3,5]。用热容量少、传热效果差的材料代替现有的金属材料，对降低能耗具有一定的效果，但功耗的降低主要依靠系统的其它措施来解决。
结 论
反应罐的设计不但要涉及到传质、传热及流体力学等诸多方面，还需注意所应用系统的特点。固态胺吸附水蒸气解吸系统问题的分析以及固态胺反应罐的实验结果，都说明固态胺反应罐设计有其自身的特殊性，这就是反应罐内树脂合适含水率的保持与解吸温度维持，它们是系统能否连续运转的保证,也是实现浓缩的必备条件。因此，在设计中必须充分考虑与此相关的因素，并平衡这些关系，才能使设计达到预期的目的。本文所设计的反应罐由于较充分注意了这些问题，所以圆满地解决了存在的主要问题，从而确保了其主要性能满足所期待的要求，实现了CO2去除、浓缩、回收的过程，具备了连续控制载人密闭环境中CO2浓度的能力，其研究结果能直接应用到今后的设计中。反应罐的波纹管芯体能适应树脂工作时交替的膨胀与收缩,确保了反应罐的工作与重力不发生相关关系，但是将其应用到未来空间站的环控生保系统中，还需更多的努力以提高其性能、完善其结构。
, 百拇医药
表4 风量与系统阻力的关系
Table 4 Relation between system flow rate and system resistance fan charge (V)
system flow rate(m3/h)
resistance(mmH2O)
resistance(Pa)
14
18.9
113
110.8
, 百拇医药 16
23.2
149
146.1
17
24.4
162
158.8
18
25.5
179
175.5
表5 系统的性能
, 百拇医药
Table 5 Performance of solid amine carbon dioxide removal system cycle(min)
CO2 inlet(%)
concentration of the concentrated CO2 (%)
desorption power(W)
steam consumption(g)
60～90
0.5
95
650
, http://www.100md.com
600～900
[参考文献]
[1] Helmut Preiss.Regenerative CO2-control:a technology development for European manned space programs[R].SAE881116
[2] Timothy A Nalette.Development of an advanced solid amine humidity and CO2 control system for potential space station extravehicular activity application[R].SAE881062
[3] H Funke.CO2 processing technologies[R].SAE932273
, 百拇医药
[4] Albert M Boehm.Chamber testing of CO2 removal systems using solid amines[R].SAE951488
[5] Arthur K Colling.Development status of regenerable solid amine CO2 control system[R],SAE851340
[6] Kenneth J Dresser.Development of solid amine CO2 control systems extended duration missions[R].SAE840937
[7] Albert M Boehm.A regenerable solid amine CO2 concentrator for space station[R].SAE820847
[8] ZHOU Kang-han,LU Xi-yu,AI Shang-kun et al.The study on CO2 concentration in solid amine CO2 control system[J].Space Medicine & Medical Engineering,2000,13(3):179～182
周抗寒，陆熙瑜，艾尚坤等.固态胺二氧化碳控制系统中的CO2浓缩技术研究[J].航天医学与医学工程,2000,13(3):179～182
收稿日期：1999-08-30, 百拇医药
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：密闭生态系统；固态胺吸收；水蒸气吸收；反应罐；设计；二氧化碳浓度
航天医学与医学工程000409摘要： 目的 设计一种能满足长期载人航天器内固态胺吸附/水蒸气解吸CO2控制系统要求的反应罐。 方法 根据系统要求及固态胺本身特性，解决如下关键问题：(1)额定的阻力损失需要减少床高与吸附、浓缩需要增加床高的问题；(2)有限的解吸热量与一定解吸温度保持的问题；(3)微重力下如何适应固态胺的膨胀与收缩的问题。 结果 成功地实现了CO2的吸附、解吸及浓缩，系统可控制座舱CO2浓度在0.5%以下,浓缩的CO2浓度>95%,可直接进入CO2还原系统,系统阻力低于160 mmH2O，解吸能耗降到650 W以下。 结论 设计的反应罐能满足微重力条件下固态胺二氧化碳去除系统的要求。
, http://www.100md.com
中图分类号：R852.82 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(2000)04-0272-05
Design of Reaction Canister in A Solid Amine Carbon Dioxide Removal System
ZHOU Kang-han LU Xi-yu LIU Xiang-yang AI Shang-kun LIU Cheng-liang
(Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China)
Abstract: Objective To design a reaction canister using in solid amine carbon dioxide removal system for long-duration spaceflight. Method On consideration of system demand and properties of solid amine, key problems must be solved were found out: 1) the rated resistance limit tends to shorten the length of the canister while absorption and concentration require to increase the length of the canister; 2) limited quantity of heat for keeping the temperature of the canister; 3) inflation or contraction of the solid amine under micro-gravity. Result After appropriate measures were taken, effective adsorption and desorption, as well as concentration of CO2 were achieved, the concentration of CO2 in the space cabin could be controlled below 0.5%; and the concentration of the concentrated CO2 was as high as 98% so that it could be directly send to the CO2 reduction system; and that the resistance of the canister was below 160 mm H2O; moreover, the energy consumption was decreased to below 650 W. Conclusion The designed reaction canister could meet the requirements of the solid amine carbon bioxide removal system under microgravity.
, http://www.100md.com
Key words:closed ecological system;solid amine adsorption;steam desorption;canister;design;carbon dioxide concentration
空间站的有效运行需要再生的环境控制与生命保障体系来支持，大气净化与再生是这一体系的主要内容之一。CO2的控制是大气净化与再生系统的关键一环，固态胺吸附水蒸汽解吸系统就是一种最有发展前景的CO2去除方案[1～4]。在这一系统中固态胺反应罐不仅是树脂吸附CO2及树脂再生的场所，也是浓缩CO2的场所，其设计合适与否极大地影响CO2收集、浓缩的性能，是该系统中最关键的部件之一。前阶段对这一CO2去除技术进行研究时,没能实现CO2的浓缩以及系统的连续吸附,其中最重要原因就是反应罐的设计不完善。因此,本文从系统本身的特征出发，通过对固态胺水蒸气解吸工作机理的分析研究,按系统的要求,设计符合微重力工作条件的固态胺反应罐,以实现所需的目标。
, http://www.100md.com
设计参数的确定
密封环境中氧气闭路再生系统对CO2去除系统的性能要求如表1所示。从系统性能要求与CO2吸附剂的循环再生的要求可知：要保证座舱内CO2的连续去除，至少需要两个反应罐交替工作，一个罐吸附，另一个已吸附饱和的罐解吸再生。系统的性质决定了反应罐工作压力不大于225 kPa，工作温度在288～394 K。从座舱中CO2产率、所需控制的CO2浓度以及固态胺本身的吸附容量可确定所需的固态胺总量，从CO2的负荷与座舱通风的要求算出系统的通风量，系统的压降由风机的性能及功耗决定。在长期的载人航天器的应用中，反应罐的寿命应大于40000个周期[5]，考虑到目前地面的试验工作，设计寿命为4000个周期。基于以上的分析与计算，确定反应罐设计所需的基本参数如表2。
表1 性能要求参数
, 百拇医药
Table 1 Performance requirements parameters
requirements
cabin pressure
101.4 kPa
cabin temperature
291～297 K
CO2-production rate
1.0 kg/man。day
cabin PCO2
, http://www.100md.com
0.5 kPa
concentrated CO2 concentration
≥90%
表2 基本设计参数
Table 2 Basic design specification parameters
specification
air flow rate
18～24 m3/h
solid amine dry mass
6 kg
, http://www.100md.com
absorption cycle duration
40～60 min
system resistance
160 mmH2O
问题及分析 在这一体系中的CO2吸附过程是一个气、固二相的反应过程，最大的气、固接触界面和充分的接触时间是充分吸附的重要保证。对固态胺吸附来说还有一个重要因素就是需要合适的含水率，因为树脂是含有胺的有机材料，在吸附CO2前，需先与水形成一种水化胺，然后吸附CO2形成碳酸氢盐，但过高的含水率，将形成水膜阻碍传质过程。对于CO2的浓缩来说，其实质是在热力推动下的解吸与树脂吸附过程的交替，吸附、解吸过程既是纯化CO2的过程，又是积累CO2的过程。因此，CO2的浓缩过程不仅需要与吸附、解吸过程同样的条件，而且需要一定路径-床层高度。影响解吸的因素有：树脂的含水率、吸附的CO2的量、解吸的温度等。解吸耗能随吸附量增加而增加，随树脂含水率增加而急剧增加，而解吸温度是解吸能否彻底的重要因素，图1是不同的解吸温度下解吸的树脂在相同时间内吸附的CO2量的关系曲线。
, http://www.100md.com
从图中可见，温度越高，解吸越彻底，解吸后的树脂吸附CO2的量越多。说明温度是解吸的动力，也是浓缩的动力，要有效地解吸并浓缩必须保证反应罐内达到一定的温度。从吸附、解吸、浓缩的过程可知：过多的解吸蒸汽，将增大反应罐内树脂的含水率，既不利于吸附也不利于解吸，为了保证CO2吸附与解吸的连续顺利进行，必须控制一定的湿度，从而需要控制一定的解吸蒸汽量，也即控制解吸能量。
图1 树脂在不同温度下解吸后的吸附特性
Fig.1 Effects of desorption temperature on adsorption performance
在反应罐中，由于树脂在吸附与再生过程中反复被干燥和加湿，即固态胺树脂重复着失水收缩与吸水膨胀的过程。在失重条件下，这一现象将造成气体分布的不均以及形成沟流，严重影响系统的工作性能。由此，固态胺的收缩与膨胀的过程也必须受到控制。
, http://www.100md.com
以上的分析清楚地表明：在设计的固态胺反应罐中，需解决如下三方面的问题：
a. 额定的阻力损失需要减少床高与吸附、浓缩需要增加床高的矛盾问题；
b. 有限的解吸能量与一定解吸温度保持的矛盾问题；
c. 微重力下如何适应固态胺的膨胀与收缩的问题。
反应罐的设计
从分析可知，反应罐设计的合理性取决于解决好以上3个问题。由于系统的阻力要求由风机决定，只能改变固态胺床层的高度来适应这一要求。从实验可以得出一定流量下的固态胺床层高度与阻力的对应关系、固态胺反应的最少接触时间与浓缩所需的最短床高，因此，综合这3方面的要求以及所需填充的量，便确定了固态胺反应床的尺寸。
将解吸的蒸汽量限制到尽可能少的条件下，要保证解吸的彻底进行，必须尽可能地将蒸汽传递来的热量用于解吸。因此，设计中，一方面要简化反应罐的结构，减少其重量，降低它本身的热容；另一方面应采取有效的隔热措施，控制热的损失。
, http://www.100md.com
为适应树脂层交替膨胀与收缩过程，反应罐的设计在原理上有二种方式，一种是采用多孔材料与固态胺树脂混填的方式，利用多孔材料的孔隙变化来调节树脂的体积变化。在干燥与加湿过程中树脂的体积变化一般在17%左右，因此，反应罐中只能填充其体积的65%～70%的干树脂。可采用的多孔物质有聚醚泡沫、发泡镍及尼龙毡。采用这一原理的反应罐，由于有调节材料的加入，增大了反应罐体积，同时也增大反应罐的热容，导致系统能耗增加。
另一种结构是采用一弹簧元件控制树脂层。这一方案有二种形式，一种类似于带有活塞的气缸，固态胺树脂装入缸内，通过弹簧驱动活塞来保持树脂层的密实。由于有活塞与弹簧等辅助材料，增大了反应罐的体积与热容，同时由于采用动态密封降低了长时间运行的可靠性。另一种形式是将固态胺树脂装于金属波纹管中，利用波纹管的伸缩性来适应树脂层体积的变化。各种形式的反应罐的特征列于表3中[5～7]。从表3中可见，波纹管方式的反应罐结构简单、热容量少、可靠性高，优于其余方式，因此，确定反应罐的芯体为波纹管式结构。
, 百拇医药
考虑到固态胺树脂是一种弱碱性材料，有一定的腐蚀性，因此波纹管及两端支撑固态胺的部分采用不锈钢。波纹管组件外面采用防锈铝保护外壳，外壳用隔热性能良好的聚氨脂保温，其反应罐的结构如图2所示。
图2 固态胺反应罐结构图
Fig.2 Solid amine canister design
1.bolt for confinement；2.desorption gas outlet；3.upper side assembly；4.bellow assembly；5.solid amine；6.carapace；7.under side assembly；8.steam inlet
性能测试及讨论
, 百拇医药
为了测试所设计的反应罐的性能，在CO2输入量1.0 L/min，入口浓度为0.5%的条件下进行固态胺的吸附/解吸及浓缩实验，进、出及浓缩的CO2浓度用CO2红外分析仪监测，流量由蜗轮流量传感器计量。所耗蒸汽量由供水量及从冷凝干燥组件所收集的冷凝水两方面进行确定。图3是解吸后的固态胺的吸附曲线，从图中可见：经多个周期的试验，每一周期解吸后树脂的吸附曲线基本一致。只有CO2完全解吸，树脂完全再生，才能吸附同样多的物质，这说明了反应罐内解吸温度保持较合适，证明了反应罐设计中所采用的降低热容及热损失的措施是合理、有效的。从吸附时间来看， 每一周期的前45 min， 出口气体中CO2浓度基本为零，在吸附60 min后，出口气体中CO2浓度也不到进口浓度的1/10，最长的吸附时间能达90 min。这一方面说明树脂的含水率控制在最佳状态，设计中较好地解决了有限的解吸热量与一定的温度保持之间的矛盾；另一方面，说明设计的反应罐保障了气流在罐内分布均匀，气体与树脂接触充分，且满足了吸附反应所需的接触时间。
, 百拇医药
表3 各种形式的反应罐的特征
Table 3 Different canister design characteristics configuration
characteristic
nickel foam bed
Good performance; Nickel corroded; Complete amine expansion not accommodated by foam; Higher
thermal mass
spring retained bed
Viable concept; Good life expectancy; complex(dynamic seal, springs); Higher thermal mass
, 百拇医药
metal bellows bed
Good performance; Good life expectancy; Good moisture control and distribution; Low thermal mass
Nylon felt bed
Good performance; Complete amine expansion accommodated; Higher thermal mass
polyether foam bed
Good performance; poor life (structural failure)
, 百拇医药
图3 解吸后的固态胺的吸附曲线
Fig.3 CO2 adsorption performance vs.time after desorption
图4是浓缩的CO2流量及浓度随解吸时间的变化曲线，浓缩的CO2浓度最高可达99.5%，流量达1～4 L/min，时间长达20～30 min，大部分CO2能够回收。由于CO2浓缩的实质是CO2在树脂床上不断重复着吸附与解吸的过程，因此，这进一步说明了设计的反应罐既有利于CO2的吸附，又有利于CO2解吸，从而也保障了CO2的浓缩。从收集到的CO2量与浓度来看，浓缩所需的床层高度也得到了满足。
在不同风量下系统的阻力降，风量在18.9～25.5 m3/h时，阻力降在113～179 mmH2O之间，而在所要求的风量(18～24 m3/h)下，系统阻力基本控制在160 mmH2O以内，符合系统对阻力降的要求(表4)。证明设计的反应罐极好地解决了吸附、浓缩所要求的固态胺床层高度与阻力降所限定的床层高度之间的矛盾。
, 百拇医药
图4 浓缩的气体流量及浓度随时间的变化曲线
Fig.4 Desorption performance vs.time
表5是系统采用所设计的反应罐所达到的性能，这些性能指标是描述这一系统先进性的主要依据[8]。除了解吸功率与国外还有一定差距外，其余性能与美国、德国同样规模系统的性能接近[3,5]。用热容量少、传热效果差的材料代替现有的金属材料，对降低能耗具有一定的效果，但功耗的降低主要依靠系统的其它措施来解决。
结 论
反应罐的设计不但要涉及到传质、传热及流体力学等诸多方面，还需注意所应用系统的特点。固态胺吸附水蒸气解吸系统问题的分析以及固态胺反应罐的实验结果，都说明固态胺反应罐设计有其自身的特殊性，这就是反应罐内树脂合适含水率的保持与解吸温度维持，它们是系统能否连续运转的保证,也是实现浓缩的必备条件。因此，在设计中必须充分考虑与此相关的因素，并平衡这些关系，才能使设计达到预期的目的。本文所设计的反应罐由于较充分注意了这些问题，所以圆满地解决了存在的主要问题，从而确保了其主要性能满足所期待的要求，实现了CO2去除、浓缩、回收的过程，具备了连续控制载人密闭环境中CO2浓度的能力，其研究结果能直接应用到今后的设计中。反应罐的波纹管芯体能适应树脂工作时交替的膨胀与收缩,确保了反应罐的工作与重力不发生相关关系，但是将其应用到未来空间站的环控生保系统中，还需更多的努力以提高其性能、完善其结构。
, 百拇医药
表4 风量与系统阻力的关系
Table 4 Relation between system flow rate and system resistance fan charge (V)
system flow rate(m3/h)
resistance(mmH2O)
resistance(Pa)
14
18.9
113
110.8
, 百拇医药 16
23.2
149
146.1
17
24.4
162
158.8
18
25.5
179
175.5
表5 系统的性能
, 百拇医药
Table 5 Performance of solid amine carbon dioxide removal system cycle(min)
CO2 inlet(%)
concentration of the concentrated CO2 (%)
desorption power(W)
steam consumption(g)
60～90
0.5
95
650
, http://www.100md.com
600～900
[参考文献]
[1] Helmut Preiss.Regenerative CO2-control:a technology development for European manned space programs[R].SAE881116
[2] Timothy A Nalette.Development of an advanced solid amine humidity and CO2 control system for potential space station extravehicular activity application[R].SAE881062
[3] H Funke.CO2 processing technologies[R].SAE932273
, 百拇医药
[4] Albert M Boehm.Chamber testing of CO2 removal systems using solid amines[R].SAE951488
[5] Arthur K Colling.Development status of regenerable solid amine CO2 control system[R],SAE851340
[6] Kenneth J Dresser.Development of solid amine CO2 control systems extended duration missions[R].SAE840937
[7] Albert M Boehm.A regenerable solid amine CO2 concentrator for space station[R].SAE820847
[8] ZHOU Kang-han,LU Xi-yu,AI Shang-kun et al.The study on CO2 concentration in solid amine CO2 control system[J].Space Medicine & Medical Engineering,2000,13(3):179～182
周抗寒，陆熙瑜，艾尚坤等.固态胺二氧化碳控制系统中的CO2浓缩技术研究[J].航天医学与医学工程,2000,13(3):179～182
收稿日期：1999-08-30, 百拇医药