液體噴射壓縮機的製作方法

2023-09-22 18:33:05

專利名稱：液體噴射壓縮機的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用液體壓縮來壓縮氣體的方法。
背景技術：
已經使用噴射器通過壓縮氣體從低於大氣壓到大氣壓來產生真空。噴射器的操作原理已經擴展到將氣體壓縮到更高的壓力。特別是如流體工程雜誌(Journal of Fluid Engineering)1974年9月216-226頁上R.G.Cunningham和R.J.Dopkin的文章「Jet Breakup and Mixing Throat Lengths for Liquid Jet Gas Pump」中公開的那樣，氣體從13psia(0.88大氣壓，88.88千帕)開始壓縮到50psia(3.4大氣壓，343.4千帕)。在本文中，噴射器可以被稱為液體噴射壓縮機，即利用液體壓縮氣體。如在JOFE文章中公開的那樣，通過液體從噴嘴在高至165psia(11.2大氣壓，1120千帕)的壓力下軸向注入，產生氣體的壓縮。液體沿著管子的長度注入，將要被壓縮的低於大氣壓氣體吸入到管中，結果使液體分離成液滴，並與氣體混合。所以稱該管為混合喉管。液滴的混合物接著進入稱為擴散區的體積膨脹區，在那裡動能減小壓力增加，即液體的速度減小。液滴在混合喉管中與氣體的混合和在擴散區中速度的減小兩者的組合分別將液體的動量和功能轉換成氣體的壓縮，然後氣體可以通過如旋流式分離器從液體中分離作下一步使用。
化學工業面對的一個問題是以安全的方式壓縮反應性氣體。不幸的是已知許多反應性氣體，如供給化學方法的反應物氣體都具有爆炸的危險，這是由於用常規的機械膜式或活塞式壓縮機的壓縮熱所致。在某些情況，氣體可能自動點火燃燒或因爆炸力而過早聚合。

發明內容
已經發現可以操作液體噴射壓縮機安全地壓縮氣體到比至今能獲得的高得多的壓力，即至少到7大氣壓(707千帕)，甚至到25大氣壓(2525千帕)和更高。因此，本發明的方法包括在至少為16大氣壓(1616千帕)的壓力下將液體軸向注入到吸入管內，使要壓縮的氣體被吸入到所述吸入管內以與其中注入的液體接觸，在所述管內與所述氣體接觸的所述液體的速度使所述液體在所述管內分離成液滴以形成所述液滴與所述氣體的混合物，從而所述液體的動量傳遞給所述氣體，可選擇地讓所述混合物進入速度減小的區域，從而將所述液體的動能傳遞給所述氣體，結果達到將所述氣體壓縮到至少7大氣壓。大部分的氣體壓縮發生在吸入管中，如至少85％的壓縮。使用速度減小的區域進行輔助的壓縮能使該方法獲得最大的性能，但是如果在管內的壓縮已經足夠用於壓縮氣體的計劃用途，可以省略這個區。
在優選的實施例中，要壓縮的氣體是反應性氣體，例如用作供給化學反應的氣體的反應物氣體。


圖1是可以用於本發明方法中的液體噴射壓縮機的示意側向剖面圖。
圖2是用於圖1的壓縮機中優選孔的側向剖面圖。
具體實施例方式
圖1中，液體噴射壓縮機2包括中空管4，該管的中空內部限定該壓縮機的混合喉管6。混合喉管的直徑優選地是沿著它的長度恆定的。液體注入噴嘴8定位在管4的上遊端附近，噴嘴有瞄準喉管6(管)的縱向軸線11的孔12。液體在高壓下例如通過泵(未表示)供給噴嘴8，使這液體通過孔12沿著喉管的軸線以高速液流10注入。管4的上遊端通向集氣管部段14，該部段裝設一個或幾個要壓縮的氣體的入口16，該部段包圍噴嘴8從而使液體注入到喉管中造成通過入口吸入氣體並進入喉管。該管(喉管)的下遊端19通向擴散器18，擴散器由向外張開的錐形壁20限定。管4，集氣管14和擴散器18優選地都是圓形截面並與管4的縱向軸線同心。如上所述，壓縮機可以終止在管4的下遊端19。
在操作中，將液體供給到噴嘴中用於沿著管4的縱向軸線高速注入到管4中。這種注入造成(要壓縮的)氣體通過集氣管14周圍的入口16吸入並進入到管4的喉管以與注入的液體接觸。吸入的氣體包圍液流10在各個方面與其接觸。在吸入氣體和高速液流之間這種接觸的結果是使液流分離成為液滴，在鄰近該管下遊端19的區域22內液滴與氣體形成混合物。管4有足夠的長度以在到達下遊端19之前使液流10分離成液滴。液滴/氣體的混合物進入擴散器18(如果有的話)，因為擴散器比管有更大的截面積(體積)，使混合物的速度降低。
圖2表示孔12的優選孔構形，其中噴嘴8終止在板24，孔12中心定位在該板內。板24例如通過焊接附接到噴嘴殼體26。孔12包括與該管縱向軸線平行的平臺區28，平臺區同心地連接到其下遊的傾斜區30，因此孔的平臺區28為從噴嘴注入的液流提供刀一樣的出口。平臺區的寬度優選地是1-3mm。這種刀一樣的出口的效果是幫助液流分離成液滴，從而可以使管子(和該喉管)的長度最小，因此使由於在液流和限定喉管6的該管內壁之間的摩擦造成的流體能量損失最小。
氣體的壓縮主要發生在喉管的區域22中，通過液滴對氣體的作用液體把動量傳遞給氣體，和根據伯努利定理(當流動面積增加從而速度減小時動能轉換成勢能(壓力))通過液體的動能傳遞給氣體在擴散器中完成氣體的壓縮。然後通過如旋流器的氣/液分離設備可將壓縮的氣體從液體中分離。
通過在很高速度下經過噴嘴8將液體供給到管4中可獲得至少7個大氣壓的氣體壓縮，通過在液體到噴嘴的輸入口上加高壓獲得這個高速。需要至少16個大氣壓的壓力來獲得這個結果。獲得這個結果的液體噴射壓縮機的幾何形狀的例子將表示在該實例中。
為了增加所需的氣體壓縮，在高於大氣壓如至少為2個絕對大氣壓(atm abs.)(202千帕)下通過入口16將氣體引入到壓縮機中可能是優選的。用大於十倍進氣壓力(通過入口16)的係數的液體噴射壓縮機很難增加氣體的壓力。因此，如果需要壓縮到壓力大於20大氣壓(2020千帕)，將需要相應地增加進氣壓力。優選地由液體噴射壓縮機獲得的氣體壓力增加是4到8倍的進氣壓力。甚至進氣也可以是在壓力下，無論如何進氣仍受到高速液流10吸入作用的影響，藉助液流10的速度大於進氣的速度，液流沿著喉管6注入。通過常規的裝置例如機械壓縮機可以獲得進氣的壓縮，但也可以採用第二液體噴射壓縮機來獲得所需的進氣壓縮。在那種情況下在第二壓縮機中增加第一壓縮機的氣體輸出的壓縮。可以使用連續的附加壓縮機以便得到最終所需的壓縮。
這樣的液體到噴嘴的體積流速也是優選的，即，使進氣的體積流速小於液體體積流速的三倍。
本發明可以應用於所有氣體，有機的和無機的，如包括HCl，HBr，HF的氫滷酸氣，滷族氣體如氯氣，氟氣，脂肪族烴如甲烷，乙烷和丙烷，烯烴如乙烯，丙烯，丁烯，丁二烯和乙炔及滷代有機化合物如氯乙烯，氟乙烯，二氟乙烯，一氯三氟乙烯和四氟乙烯。氣體可以夾帶懸浮顆粒，如懸浮的固體顆粒或液滴，通過與液流接觸這些可從氣體中除去。任何與要壓縮的氣體相容的液體都可使用。相容意思是液體不會與氣體以不希望的方式互相作用。通常這將意味著液體將不會與氣體反應除非反應是需要的。還可希望通過液體與氣體混合物一個組份或者溶解或者反應，使液體與氣體混合物的一部分(組份)互相作用，而同時壓縮氣體的其餘部分。液體的例子包括水，水介質和有機液體。有利地，也可以使用本發明的壓縮方法在壓縮氣體的同時冷卻氣體。所以，進氣可以在至少50℃的溫度，液流在壓縮氣體的同時冷卻氣體到小於40℃的溫度。這種冷卻效果提供了消減壓縮熱量的明顯的安全效益，以便使過早反應和/或爆炸的可能性減至最小。一旦液體從壓縮氣體中分離，這樣的液體可以送到循環泵再循環使用，循環泵在高壓下將液體送到噴嘴8。
本發明壓縮氣體的方法還可以包括壓縮至足夠高的程度以使被壓縮氣體全部或部分液化(凝結)。然後冷結的液體可以通過常規的液/液分離法與液流10分離，如當液體不能混溶時用傾析法將例如烴類液體與水分離。
這個發明特別有利於供給化學反應的高壓氣體，這些氣體可能是對熱敏感的，如在經受熱時可能會產生分解甚至爆炸，而用其他的方法進行氣體壓縮將會產生熱量。由於在壓縮機2中存在液體冷卻了被壓縮的氣體，使得壓縮實際上是等溫的。所以壓縮可以在低於50℃的溫度下進行。在壓縮機2中沒有運動的機械部件存在，由於金屬與金屬接觸可能造成局部的高溫。當用壓縮機使氣體冷結時，不會造成如活塞式壓縮機這樣的對壓縮機的損害的危險。
實例在這些實例中，液體噴射壓縮機由不鏽鋼製成，具有如下的尺寸管4(喉管)的內直徑0.546in(1.39cm)管4的長度15in(38.1cm)噴嘴孔直徑 0.34in(0.86cm)噴嘴孔到喉管入口的距離 1.6in(3.8cm)
在排放端的擴散器直徑 0.742in(1.88cm)擴散器長度 2.5in(6.35cm)在下面的表中，C3H6是丙稀，C2H2是乙炔，TFE是四氟乙烯，和OIL是Mobil SHC-224。常用於氣體壓縮的液體是在31-33℃的溫度。
表試驗細節和壓縮結果實例 1 2 3 4 5 6氣體 C3H6HClHClHCl/N2C2H2TFE入口壓力 3 6.11 1 1.75.4(絕對大氣壓)入口氣體溫度℃33 33 5003333 33液體 H2OOILOILH2O H2O H2O液體壓力33.5101.2 20.1 20.1 22.2 101.6(絕對大氣壓)(兆帕)0.3410.22 2.03 2.03 2.24 10.26液體溫度℃31 33 33 3333 33液體速率，GPM 44 82 34 3534 80m3/min 0.170.31 0.13 0.13 0.13 0.30氣體速率kg/hr 102 340.5 9.120.1 27.2 817.2m3/min 0.330.61 0.25 0.26 0.26 0.60氣體出口壓力喉管(絕對大氣壓) 13.234.0 7.17.1 7.436.1(兆帕)1.333.43 0.72 0.72 0.75 3.65擴散器(絕對大氣壓) 13.237.4 7.57.5 8.238.4(兆帕)1.333.78 0.76 0.76 0.83 3.88氣體出口溫度℃32 33 33.2 33.6 33 33在實例1的試驗中，因為出口溫度低於壓縮產生量的飽和溫度，被壓縮的丙烯在喉管中冷結。
實例2表示用烴類油壓縮無水HCl到高壓。
實例3表示同時壓縮和冷卻。
在實例4的試驗中，HCl/氮氣混合物各自的比例是50/50摩爾百分比，通過與水直接接觸從氣流中除去HCl，HCl被吸收(溶解)到水中，因此是進氣中氮氣組份被壓縮。注入到喉管中的水流可以用例如水性的鹼溶液代替，在這種情況下HCl將與鹼反應生成鹽溶液，從而在被壓縮的氮氣中除去HCl。
實例5和6表示反應性氣體乙炔和四氟乙烯的等溫壓縮。
各實例還表示大部分的壓縮(超過85％)發生在管4的喉管6中。
權利要求
1.一種方法，其包括在至少16個大氣壓的壓力下將液體軸向注入到吸入管中，將要壓縮的反應性氣體吸入到所述管中以與注入其中的液體接觸，在所述管內接觸所述氣體的所述液體的速度使所述液體在所述管中分離成液滴以形成所述液滴和所述氣體的混合物，從而把所述液體的動量傳遞給所述氣體，可選擇地讓所述混合物進入速度減小的區域，從而把所述液體的動能傳遞給所述氣體，並且其結果是達到將所述氣體壓縮到至少7個大氣壓。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述氣體在至少2個大氣壓的壓力下被吸入到所述管中。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，被吸入到所述管中的所述氣體對所述液體的體積比小於3∶1。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，將所述氣體壓縮到至少25個大氣壓。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述氣體包括與所述液體互相作用的組份，從而所述壓縮是對所述氣體的其餘部分的壓縮。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述組份溶解在所述液體中。
7.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述組份與所述液體反應。
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述氣體包含用所述液體從所述氣體中除去的顆粒。
9.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述氣體的溫度為至少50℃，並且在所述壓縮方法中接觸所述氣體的所述液體將所述氣體冷卻到小於40℃的溫度。
10.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述液體通過具有象刀一樣的邊緣和下遊傾斜部分的孔注入。
11.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述反應性氣體選自包括氫滷酸氣體、滷族氣體、脂肪族烴氣體、烯烴氣體和滷代有機化合物氣體。
12.根據權利要求12所述的方法，其特徵在於，所述反應性氣體供給化學反應。
13.一種壓縮供給化學反應的氣體的方法，其包括以下各步，在至少16個大氣壓的壓力下將液體軸向注入到吸入管中，將要壓縮的反應物氣體吸入到所述管中以與注入其中的液體接觸，在所述管內接觸所述氣體的所述液體的速度使所述液體在所述管中分離成液滴，以形成所述液滴和所述氣體的混合物，從而把所述液體的動量傳遞給所述氣體，讓所述混合物進入速度減小的區域，從而把所述液體的動能傳遞給所述反應物氣體，並且其結果是達到將所述反應物氣體壓縮到至少7個大氣壓。
14.一種化學方法，其包括通過在至少16個大氣壓的壓力下將液體軸向注入到吸入管中壓縮反應物氣體的各步；將要壓縮的反應物氣體吸入到所述管中以與注入其中的液體接觸，在所述管內接觸所述氣體的所述液體的速度使所述液體在所述管中分離成液滴以形成所述液滴和所述氣體的混合物，從而把所述液體的動量傳遞給所述氣體，並且讓所述混合物進入速度減小的區域，從而把所述液體的動能傳遞給所述反應物氣體，並且其結果是達到將所述反應物氣體壓縮到至少7個大氣壓；並使所述壓縮的反應物氣體進入化學反應。
全文摘要
利用在如至少16個大氣壓的高壓下注入的液體得到高速液體注入到壓縮機中,高速液體的注入將要壓縮的氣體吸入到壓縮機中,將氣體在液體噴射壓縮機中壓縮到高壓,如至少7個大氣壓。
文檔編號B01F5/04GK1378479SQ99817000
公開日2002年11月6日 申請日期1999年11月9日 優先權日1999年11月9日
發明者G·F·萊弗裡特 申請人:納幕爾杜邦公司