CN101233049B - 活性成分催化减少系统及方法 - Google Patents

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Abstract

按照本发明，提供了从燃料储存罐的蒸汽相中催化钝化、除去或者减少活性成分(一种或多种)含量的简化系统和方法。本文描述的简单装置可被用于代替市场上复杂的OBIGGS系统。简单地说，在本发明的一个实施方式中，来自燃料罐的蒸汽相通过在合适温度下操作的催化床，使得自由氧和燃料蒸汽之间通过燃料蒸汽的氧化发生反应，从而钝化气相中的活性成分(一种或多种)。

Description

活性成分催化减少系统及方法
发明领域
本发明涉及机载(on board)的活性成分去除系统以及从燃料存储容器的蒸汽相中去除活性成分的反应系统和方法的领域。在一个具体方面，本发明涉及从燃料存储容器的蒸汽相中催化去除活性成分——具体而言为氧和/或燃料的系统和方法，因此减少在这样的容器中发生火灾和爆炸的可能性。
发明背景
为了避免燃料罐(如航空器油箱、载有作为货物的易燃流体的船舶和类似物)中潜在的火灾和爆炸危险，减少与液体燃料接触的气相中的活性成分(如氧和/或燃料蒸汽)的浓度是必要的。已经努力采用许多不同的方法解决这个问题。例如，一种这样的方法涉及从航空器引擎上取走引气(bleed air)，使之通过基于膜的气体分离器，去除足够量的氧气，以使氧气浓度减少到10％以下。该减少氧含量的气体然后被用作燃料罐中的惰性气体层。
本领域应用的另一个方法涉及变压吸附系统的使用，以从空气中分离氧气，产生氧气耗尽的惰性气体。
这些以及在现有技术中描述的其它系统需要复杂的装置并显著增加了操作成本，这是由于要提供机载惰性气体发生器系统(onboard enert gas generator system，OBIGGS)。因此，需要改进的系统和方法，用于从燃料存储容器的蒸汽相中去除活性成分(如氧和/或燃料蒸汽)或减少其含量。
发明概述
按照本发明，提供了催化降低燃料存储罐的蒸汽相中一种或多种活性成分浓度的简化系统和方法。本文描述的简单装置可用于代替市场上的复杂OBIGGS系统。简单地说，在本发明的一个实施方式中，来自燃料罐的蒸汽相通过在合适温度下操作的催化床，使得自由氧和燃料蒸汽之间通过燃料蒸汽的氧化发生反应，从而钝化气相中的活性成分。此外，本文考虑的蒸汽的循环和处理使向大气中排放含燃料的蒸汽减到最少。
在本发明的另一实施方式中，提供了从燃料存储罐的蒸汽相中使一种或多种活性成分(如氧和/或燃料蒸汽)钝化、降低浓度或者去除的系统。本发明系统包括有入口和出口的反应区，其中反应区提供了适合钝化活性成分的条件。任选地，本发明系统包括从蒸汽相中去除热和或水的能力。
而在本发明的另一个实施方式中，提供了用在容器(如运载作为货物的易燃流体的航空器、船和类似容器)中的燃料存储系统，这种燃料存储系统能够使燃料存储罐的蒸汽相中的一种或多种活性成分的浓度水平维持在足够低的水平，以显著降低由此引起的火灾和爆炸风险。而且，本文考虑的蒸汽的循环和处理使向大气中排放含燃料的蒸汽减到最少。
仍然在本发明的另一个实施方式中，提供了从燃料存储罐的蒸汽相中使一种或多种活性成分钝化、降低浓度或者去除的方法。本发明方法包括在蒸汽相返回燃料存储罐之前，使至少一部分来自燃料存储罐的蒸汽相通过反应区，该反应区用于钝化活性成分。任选地，本发明方法包括从蒸汽相中去除热和/或水的能力。
附图简述
图1是根据本发明的活性成分减少系统的一种实施方式的示意图。
图2是根据本发明的活性成分减少系统的另一种实施方式的示意图。
图3是根据本发明的活性成分减少系统的另一种实施方式的示意图。
图4说明本发明的活性成分催化去除系统的性能。在相对低的温度下，标准贵金属催化剂能将氧水平从0.6％的起始水平减少到5ppm以下。
图5是根据本发明的活性成分减少系统的另一种实施方式的示意图。
图6是根据本发明的含催化剂的反应区的一种实施方式的图示，该反应区具有热交换能力。
图7是根据本发明，用于减少活性成分(一种或多种)的含有催化剂的管的一种实施方式的图示。
图8是根据本发明的具有梯度密度的催化剂管的图示。
图9A和9B说明催化剂管的两种实施方式，该催化剂管具有适合被催化剂涂覆的内部鳍状物(fin)。
图10总体说明考虑用在本发明的实践中的催化管的三种实施方式。图10A是具有外部鳍状物的催化剂管的一个实施方式的图解。图10B是具有内部圆锥体的催化剂管的一个实施方式的图解，该内部圆锥体可以涂覆有催化剂。图10C是具有外部鳍状物和内部圆锥体的催化剂管的一个实施方式的图解，该内部圆锥体可以涂覆有催化剂。
图11是根据本发明的活性成分减少系统的一种实施方式的图示。
图12是根据本发明的活性成分减少系统的另一种实施方式的图示。
图13是根据本发明的以蒸发冷却为特征的活性成分减少系统的一种实施方式的图示。
图14是考虑用在本发明的实践中的旋转式除水系统的一种实施方式的图示。
图15是考虑用在本发明的实践中的催化剂管的一种实施方式的图示。
优选实施方式详述
按照本发明，提供了从燃料存储罐的蒸汽相中降低一种或多种活性成分浓度的系统(如通过钝化在其中的活性成分(一种或多种))，其中所述的燃料存储罐具有出口和入口，出口用于从那里去除蒸汽，入口用于蒸汽返回到那里。本发明系统包括：反应区，其中当与之接触时，所述的反应区提供适合钝化所述的一种或者多种活性成分的条件，所述反应区的入口，其经由燃料存储罐的出口，与所述燃料存储罐的蒸汽空间流体连通，和所述反应区的出口，其经由燃料存储罐的入口，与所述燃料储存罐的蒸汽空间流体连通，其中所述系统是闭环系统。
如本领域技术人员所容易认识到的，当与燃料(如喷气燃料)接触时，有多种期望去除(或降低浓度)的活性成分。按照本发明，一种考虑要处理的活性成分是氧。按照本发明，另外一种考虑要处理的活性成分也可以包括燃料蒸汽以及多种添加剂和/或与之通常相关的杂质。本发明的一种具体优势涉及这一事实：本文考虑的蒸汽的循环和处理使向大气中排放含燃料的蒸汽减到最少，因此减少了由处理这样的材料所引起的环境影响。
本发明系统任选地包括入口/出口，该入口/出口使容器内的压力平衡，这取决于容器是暴露在低于大气压还是高于大气条件下。例如，当容器暴露于低于大气压条件下，可能需要提供补偿气体(make-up gas)源以平衡系统内压力。可选地，当容器暴露在高于大气条件下，可能需要使容器排气以降低其中的压力。例如，航空器上升或下降时，航空器内的压力，包括其中的燃料存储容器内的压力，可能显著不同。例如，在下降情况，可能需要补充容器的气体含量。反过来，航空器上升时，可能需要释放燃料存储罐上的过多压力。任选地，补偿气体(或排出的蒸汽)将被用在本发明的方法中，用以钝化其中的一种或多种活性成分(如通过降低其浓度)，从而减少与外部空气导入系统或者蒸汽向大气排放有关的安全危害。
本发明系统可以任选地配置为闭环系统。如此处使用的，术语“闭环(closed loop)”是指这一事实：被处理以钝化其中活性成分的蒸汽返回到燃料存储容器中，而不是被排放。然而，应该理解，本发明闭环系统仍然考虑存在一个或多个入口/出口，这是出于其中压力平衡、从中去除水蒸汽或其它成分这样的目的和类似目的。考虑用在本发明的实践中的反应区可以以多种方式配置，如反应区可以包括含有催化剂的容器，其中当在合适的条件下与之接触时，所述催化剂与所述的一种或多种活性成分反应。在一些实施方式中，容器具有入口末端和出口末端并且整个容器中催化剂含量可以不同。在某些其它实施方式中，从容器的入口末端到出口末端，催化剂含量可以增加。
如此处使用的，“钝化”指活性成分如氧、燃料蒸汽和类似物转化为基本非活性种类，即在它们所暴露的条件下是基本惰性的种类。优选地，钝化的种类是非易燃的。
考虑用在本发明实践中的催化剂包括任选负载的金属催化剂，如，举例而言，贵金属(如铂、钯、金、银和类似金属)、贵重金属、过渡金属、金属氧化物、稀土氧化物、氮化物、碳化物、酶和类似物，以及其任意两种或多种的混合物。“催化的”指促进涉及一种或多种反应物的反应或相互作用。催化材料可包括贵金属、过渡金属、金属氧化物(如过渡金属氧化物如RuOx、LaMnOx和钙钛矿)和类似物，以及其各种组合。
考虑用在本文的催化材料可以任选地负载在各种材料上，例如，诸如金属载体、活性碳、碳黑和类似物，以及其混合物。无机氧化物也可以作为载体材料使用，单独使用或者联合使用，如，二氧化硅、氧化铝、二氧化硅-氧化铝、氧化镁、二氧化钛、二氧化锆、蒙脱石和类似物，或其结合物，例如，二氧化硅-铬、二氧化硅-二氧化钛和类似结合。
当应用催化处理活性成分时，考虑各种各样的使所述的催化剂和所述的一种或多种活性成分接触的合适条件。示例性的条件包括在大约25℃到大约1200℃范围内的温度下使蒸汽相物质与催化剂接触。考虑用在此处的目前优选的温度范围是从大约50℃到大约400℃。甚至更优选的温度范围是从大约100℃到大约350℃。
为了容易控制上面所描述的催化过程，本发明系统可以任选地进一步包括温度调节器。任选地，温度调节器可以是热交换器，热交换器可以包括热交换介质。热交换介质可以任选地包括液体或者外部空气。任选地，热交换可以通过蒸发冷却完成。热交换器可以位于发明系统内的多个位置，如热交换器可以与含有催化剂的容器连接；或者热交换器位于含有催化剂容器的上游或下游；或者热交换器可以与催化剂容器整合。
当温度调节器位于含有催化剂的容器的上游时，优选地用于预热燃料蒸汽、空气或者其混合物。当温度调节器位于含有催化剂容器的下游时，优选地用于降低离开含有催化剂容器的蒸汽的温度。当温度调节器与含有催化剂的容器连接时，如果需要，可被用于加热或者冷却反应容器，以提供适合催化氧与燃料蒸汽反应的条件，从而钝化燃料蒸汽和空气混合物中的活性成分(如，氧和/或燃料蒸汽)。
按照本发明用于处理活性成分的可选方法包括使用这样的反应区，该反应区包括当与其接触时足以钝化一种或多种活性成分的微波能量源。
按照本发明用于处理活性成分的另一可选方法，可以使用这样的反应区，该反应区包括当与其接触时足以钝化所述的一种或者多种活性成分的等离子体能量源。
任选地，本发明系统可进一步包括在燃料存储罐和反应区之间的阻火器，以防止燃烧传回燃料存储罐的任何可能性。可选地，可以设计反应区以防止任何火焰的形成。
可以包括在本发明系统中的附加的可选特征包括一种或者多种氧传感器，该氧传感器可位于反应区的上游和/或下游，以监控燃料存储罐入口和/或出口气体中的氧浓度。此外，可以提供反馈环路以调整作为反应区之前和/或之后检测的氧水平函数的反应区内接触条件。
如此处所用的，术语“上游”指流程图中的元件，其位于参考点或参考元件以前或者之前。如此处所用的，术语“下游”指流程图中的元件，其位于参考点或参考元件之后。
在本发明的一些实施方式中，系统也可以包括适于从处理的空气中去除水的流体纯化模块(fluid purification module)。例如，流体纯化模块可以包括冷凝器以降低被处理的蒸汽的温度在露点之下，因此促进除去任何过多的水。在具体的实施方式中，流体纯化模块可以包括变压吸附模块。在其它实施方式中，纯化模块可以包括膜。可以提供再循环管线，将流体从流体纯化模块转移到反应区的入口。流体纯化模块可以位于反应区的上游或者下游。在其它实施方式中，可以通过脱水器(moisture trap)去除水分。
如此处所用的，“净化”和“纯化”指从流体中去除一种或多种组分。这种去除可以是部分的、全部的或者是所期望的水平，并且可以包括去除仅一些或者全部组分。
在一种实施方式中，系统可以包括再循环管线，该再循环管线适于将流体从分离器转移到反应区的入口。
在一种实施方式中，系统也可以包括除气器(vapor trap)，该除气器适于从分离器中分离与流体混合的挥发液体。
按照本发明的进一步方面，提供这样的系统，用于当燃料从中撤出时，将缺少活性成分的蒸汽导入到燃料存储容器中，或者用于用活性成分耗尽的空气置换燃料存储容器中的燃料或燃料存储容器的蒸汽空间的蒸汽。本发明系统包括：具有入口和出口的反应区，空气源，其中空气源与反应区的入口流体连通，燃料蒸汽源，其中燃料蒸汽源与所述反应区的入口流体连通，和任选的滤器/冷凝器，其中当滤器/冷凝器存在时，反应区与滤器/冷凝器的入口流体连通，并且滤器/冷凝器的出口与燃料储存容器流体连通，其中在燃料蒸汽存在下，当与之接触时，反应区在去除或降低空气源中的氧浓度的合适条件下运转，并且其与燃料存储容器流体连通，和其中所述系统是闭环系统。
按照本发明的还进一步方面，提供这样的系统，用于用活性成分耗尽的蒸汽置换在燃料存储容器中的燃料或在燃料存储容器的蒸汽空间的蒸汽(如，当燃料或来自其蒸汽空间的燃料蒸汽从中被撤出)。本发明系统包括：具有入口和出口的反应区，空气源，其中所述空气源与反应区的入口流体连通，燃料蒸汽源，其中燃料蒸汽源与所述反应区的入口流体连通，和任选的滤器/冷凝器，其中当滤器/冷凝器存在时，反应区与滤器/冷凝器的入口流体连通，并且滤器/冷凝器的出口与燃料储存容器流体连通，其中在燃料蒸汽存在下，当与之接触时，所述的反应区提供去除或降低空气源中的氧浓度的合适条件，其中反应区与燃料储存容器流体连通。
按照本发明的另一方面，提供了在航空器上使用的燃料存储系统。本发明的燃料储存系统包括：燃料存储罐，其具有用于从其除去蒸汽的出口，和用于蒸汽返回其中的入口，和具有入口和出口的反应区，其中当与其接触时，所述的反应区提供钝化所述燃料存储罐的蒸汽相中的一种或者多种活性成分的合适条件，其中所述燃料存储罐的出口与反应区的入口流体连通，并且所述燃料存储罐的入口与所述反应区的出口流体连通。
按照本发明的又一个方面，提供了这样的系统，该系统用于降低来自燃料储存罐的蒸汽相中的一种或者多种活性成分的浓度(如，通过钝化其中的活性成分(一种或多种))，其中所述的燃料储存罐包括在闭环中用于从其除去蒸汽的出口和使蒸汽返回其中的入口。本发明系统包括，催化剂区，所述的催化剂区包括任选负载的金属催化剂，所述催化剂当在合适条件下与其接触时，能够促进一种或者多种活性成分的反应，所述系统的入口，其与所述燃料储存罐的蒸汽空间通过燃料储存罐的出口流体连通，和所述催化剂区的出口，其与所述燃料储存罐的蒸汽空间通过燃料储存罐的入口流体连通。本发明的实施方式可以包括与催化剂区连接的温度调节器。在其它实施方式中，本发明系统可以包括阱，用于从蒸汽中除去水分。
按照本发明的又一个方面，提供了在航空器上使用的燃料储存系统。本发明系统包括：燃料存储罐，其具有用于从其除去蒸汽的出口，和使蒸汽返回其中的入口，和具有入口和出口的反应区，其中当与其接触时，所述的反应区提供了钝化所述燃料储存罐的蒸汽相中的一种或者多种活性成分的合适条件，其中所述燃料储存罐的出口与反应区的入口流体连通，并且所述燃料储存罐的入口与所述反应区的出口流体连通，其中所述系统是闭环系统。
按照本发明的又一个方面，提供了方法，以降低来自燃料存储罐的蒸汽相中的一种或者多种活性成分的浓度(如，通过钝化其中的活性成分(一种或多种))，其中所述的燃料储存罐具有在闭环系统中从其除去蒸汽的出口和使蒸汽返回其中的入口。本发明方法包括：使至少一部分来自燃料存储罐的蒸汽相通过反应区，其中当与其接触时，所述反应区提供了适合钝化一种或者多种活性成分的条件，因此产生其中活性成分(一种或多种)的浓度降低的蒸汽相，和其后使其中具有降低浓度的活性成分(一种或多种)的蒸汽相返回到所述燃料储存罐中。
仍然按照本发明的另外一个方面，提供了方法，该方法用活性成分耗尽的蒸汽置换在包括燃料储存容器的闭环系统中的燃料或在包括燃料储存容器的闭环系统的蒸汽空间的蒸汽(如，当燃料或来自其蒸汽空间的燃料蒸汽从中撤出)。本发明方法包括：将空气与来自所述燃料储存容器罐空的汽化燃料混合，在适合产生活性成分耗尽的蒸汽的条件下，使产生的混合物经过反应区，任选地，从活性成分耗尽的蒸汽除去任何水分，产生基本无水、活性成分耗尽的蒸汽，和将产生的基本无水、活性成分耗尽的蒸汽引入所述燃料存储容器中。
对于用活性成分耗尽的蒸汽取代在燃料储存容器中的燃料或在燃料储存容器的蒸汽空间的蒸汽(如，当燃料或来自其蒸汽空间的燃料蒸汽被从中撤出)，本文考虑的另外的方法包括：在适合产生活性成分耗尽的空气的条件下，在反应区中接触空气和汽化燃料的结合物，任选地，从活性成分耗尽的空气中除去任何水分，产生基本无水、活性成分耗尽的空气，将产生的基本无水、活性成分耗尽的空气引入所述燃料存储容器中。
对于用活性成分耗尽的蒸汽取代在燃料储存容器中的燃料或在燃料储存容器的蒸汽空间的蒸汽，本文考虑的另外的方法包括当燃料或来自燃料储存容器蒸汽空间的燃料蒸汽从中撤出时，将经处理的蒸汽引入所述燃料存储容器中，其中所述经处理的蒸汽通过在适合产生活性成分耗尽的空气的条件下，使空气和汽化燃料的结合物经过反应区而制备，和任选地从活性成分耗尽的空气中除去任何水分。
图1是本发明的一种实施方式的示意图。活性成分减少系统100被提供来自燃料容器102的空气(含有氮和氧)和燃料蒸汽的混合物。经由管线104将空气/燃料蒸汽混合物提供给催化剂床106，该催化剂床106维持在足以减少空气和燃料蒸汽混合物中氧含量的条件下。任选地，可以经由管线108将空气提供给催化剂床106(或从催化剂床106除去)(当需要时)，使得燃料容器中的压力平衡。然后经由管线110，空气和燃料蒸汽混合物可以从催化剂床106提供给燃料容器102。
图2是图1所示的本发明活性成分减少系统的另一种实施方式的示意图。提供泵112，以促进空气和燃料蒸汽混合物从燃料容器102到催化剂床106的供应。在催化剂床106的上游和下游，可以分别提供任选的多孔塞阻火器114和116，防止来自催化剂床的火焰或火花蔓延或接触燃料容器102。在催化剂床106和阻火器116下游，可以提供水过滤器118，以在活性成分含量减少的空气和燃料蒸汽的混合物再循环到燃料容器102之前除去该混合物中的水分。
图3是本发明的另一种实施方式的示意图，其中空气源202和燃料蒸汽源206分别经由管线204和管线208供给管线210，它们在管线210结合形成燃料蒸汽/空气混合物并提供给催化剂床212。可选地，空气源202和燃料蒸汽源206可以直接供给催化剂床212，它们在催化剂床212结合。燃料蒸汽/空气混合物受到催化剂的作用，这样催化剂减少了燃料蒸汽/空气混合物中活性成分的含量。许多不同的催化剂中任何一种可以在本发明的实践中使用，如目前优选使用的催化剂是标准贵金属催化剂。燃料蒸汽/空气混合物，其具有降低的活性成分含量，经由管线214离开催化剂床212，可以任选地经过过滤器/冷凝器216，以除去在催化处理过程中形成的任何水分，然后当燃料从燃料储存容器218撤出时将该混合物引入燃料储存容器218。
图4表示在低氧浓度下催化剂的性能。在不同的温度下，空气和燃料蒸汽混合物经过标准贵金属催化剂粒，该贵金属催化剂装填在1/2英寸×7英寸的不锈钢管中，并测定从那里流出的气体的氧含量。曲线图表示了在催化剂管流出物中的氧浓度，其作为渐增温度的函数。如在图4中所示，当温度升高到大约290°F(143℃)时，催化剂管流出物中的氧含量快速下降，其中测出大约650ppm的氧含量。当温度进一步从290°F(143℃)升高到400°F(204℃)时，流出物中氧含量逐渐地降低到5ppm以下。该实例清楚地表明操作这样的活性成分减少系统的能力。
图5表示本发明的活性成分去除系统的一种实施方式，该系统包括温度调节器和催化剂区。经由入口302向活性成分去除系统300提供来自燃料罐的蒸汽(其可能包括溶解在其中的氧)。入口302可包括鼓风机304，其可以促进蒸汽通过活性成分去除系统300的运动。入口302也可以包括样品端口306，用于入口气体的内容物取样，并且也包括反向流动阀308。经由入口302进入系统的蒸汽被提供给温度调节器310，该温度调节器可以包括例如管壳式设计热交换器。热交换介质可以是外部的空气或气体，或者可以是液体。任选地，来自活性成分去除系统的纯化蒸汽可以作为热交换介质使用。系统也可以包括催化剂床314上游的加热器312。催化剂床314可以用许多方式配置，如流化床，或者可以包括担载在鳍状物或锥形物上的催化剂。
温度调节器310，其可以是热交换器，也可以包括从蒸汽流中除去水的装置，并且可以包括排水管322和自动排水阀320。活性成分含量降低的蒸汽经由出口328离开系统，出口328可以包括氧传感器324和反向流动阀330。
基于要处理的蒸汽的体积和从蒸汽中除去活性成分的期望速率，可以合适地确定活性成分去除系统300的大小。相似地，基于多种参数，热交换器310的大小可以不同，该参数包括使用的热交换介质和温度梯度。
在本发明的活性成分去除系统的一个实施例中，提供了设计具有流速至少为50CFM(cu.ft/min)的装置。优选地，系统提供至少为150CFM(cu.ft./min)的流速。在本发明活性成分去除系统的一个实施例中，装置的尺寸大约是12英寸×12英寸×40英寸。在一个这样的系统中，催化剂床可以是圆管，至少是5英寸直径和4.5英寸长度。
图6阐明本发明系统的一种实施方式，该系统包括温度调节器。包含催化剂的反应区400经由入口404被提供含有活性成分的蒸汽402。反应区400包括覆盖有催化剂的管406，管406在反应区中垂直定位。优选地，管406是可拆卸的，使催化剂容易置换。反应区400可以包括鳍状物或者通路408，使加热或冷却反应区用的热交换介质容易通过。如在图中所示的，热交换介质(或者气体，如空气，或者液体，如水)可以经由反应区400的顶部410进入反应区，流过反应区的鳍状物或通路408，从底部412出来。活性成分含量降低的蒸汽经由出口414离开反应区400。
图7阐明根据本发明用于减少活性成分(一种或多种)的催化剂管的一种实施方式。管500包括涂覆有催化剂的圆锥体502，圆锥体这样放置，使圆锥体的尖端504位于圆锥体底部506的上游。气流501通过管的流动大体用箭头表示。圆锥体位于管内的这种布置使催化剂和蒸汽之间容易发生最大相互作用、使得下游具有更大浓度的催化剂并可以控制活性成分正被去除的燃料蒸汽和空气混合物的流动。具有降低的活性成分含量的蒸汽507流过圆锥体506。
图8阐明用于降低燃料蒸汽中活性成分(一种或多种)的催化剂管/热交换器的一种实施方式。催化剂管/热交换器系统600可以包括管602，管602可以装填有催化剂颗粒604(在图中显示为空心圆)。任选地，惰性的非催化固体颗粒物(没有显示)也可以存在于管中。该管可以包括滤网，其位于催化区的入口606和出口608处，用于保持催化剂和非催化剂颗粒。图中所示的实施方式中，管中催化剂的密度可以是下游比上游高。非催化的固体颗粒物可以是废催化剂、没有催化剂的载体材料、玻璃珠或类似物。梯度催化剂分布便于热负荷的均匀分布，并导致活性成分浓度自进料蒸汽的逐步减少。管设计可以加入鳍状物或者脊状物610，以提供最大表面积，作为热交换器起作用。
图9总体阐明用于从燃料蒸汽和任选的空气的气流中除去活性成分(一种或多种)的催化剂管/热交换系统的两种实施方式(分别如9A和9B中的700a和700b所示)。燃料蒸汽混合物的流动由箭头表示，其中被处理的蒸汽流在上游位置进入管和在下游位置离开管。催化剂管700a和700b的内部包括涂覆有催化剂的鳍状物704a和704b。该管可以配置有梯度催化剂密度，如在管700a中所示，其中涂覆有催化剂的鳍状物704a的长度随在管中往下游前进的蒸汽流增加。在另一种实施方式中，该管可以配置有均一的催化剂密度，如在管700b中所示，其中涂覆有催化剂的鳍状物704b的长度在整个催化剂管的长度上是相同的。如所示，该管可包括热交换鳍状物，如在管706a和706b的外部所示。在热交换器系统中暴露的表面积越大，传热越容易。涂覆有催化剂的鳍状物704a和704b的宽度可以变化，使燃料蒸汽和催化剂的接触容易达到最大。
图10总体上阐明三种催化剂管/热交换器设计。如图10A所示，提供了催化剂管，用于从燃料蒸汽和空气的进料流中除去活性成分(一种或多种)。管800a包括壁802a和内部部分804a。任选地，内部804a可以包括滤网(没有显示)，以将催化剂颗粒保持在确定的空间和体积。管800a包括在管外表面的鳍状物806a，以促进与催化剂管的传热。
如在图10B中所示，提供了没有热交换器鳍状物的催化剂管。该管包括壁802b、内部部分804b，其中内部部分可以包括涂覆有催化剂的圆锥体808b。优选地，涂覆有催化剂的圆锥体808b具有尖端810b和底部812b，并且优选地，圆锥体的尖端810b位于催化剂圆锥体的底部812b的上游。
如在图10C中所示，提供了具有涂覆了催化剂的圆锥体808c和热交换鳍状物806c的催化剂管。该管包括壁部分802c和在管壁内部提供的内部部分804c。内部804c包括涂覆有催化剂的圆锥体808c，其中该圆锥体优选地具有尖端810c和底部812c，其中圆锥体的尖端810c优选地位于涂覆有催化剂的圆锥体808c的底部812c的上游。鳍状物806c从管壁外部延伸，并且促进传热。
图11表示本发明的活性成分去除系统的一种实施方式。燃料蒸汽902经由管线094提供给活性成分去除系统900a，管线094可以任选地包括控制阀906。新鲜或再循环的空气908可以经由入口910供应。空气入口910可以任选地包括加热器912，加热器912可以包括在加热器内部的鳍状物914，以预热空气进料流。燃料蒸汽902和预热的空气908在反应区918结合，该混合物在反应区918接触涂覆有催化剂的热交换器鳍状物920。催化剂涂覆的鳍状物920位于催化区918的内部，而鳍状物922位于催化区918的外部。催化剂鳍状物920可以具有各种宽度并且可以位于催化区之内，以促进包含活性成分的蒸汽和催化剂涂覆的鳍状物之间的最大接触。如在图中所示，催化剂区可以被配置具有梯度催化剂密度，或者任选地，可以具有均匀催化剂密度。活性成分含量降低的燃料蒸汽/空气经由出口924离开系统。
图12表示本发明的活性成分去除系统的另外一种实施方式。燃料蒸汽1002经由管线1004提供给活性成分去除系统1000，管线1004可以任选地包括控制阀1006。空气1008，其可以是新鲜供应的空气或再循环的空气，供应给活性成分去除系统1000的入口1010。该空气通过预热区1011，该预热区1011可以包括热交换器1012和鳍状物1014或者增加空气接触的表面积的其它装置。预热的空气和燃料蒸汽进入反应区1030，该反应区1030可以包括催化剂源。如在图中所示，含有催化剂的源可以是线网或蜂窝状结构1032。活性成分含量降低的燃料蒸汽/空气混合物经由出口1034离开活性成分去除系统1000。
图13图解说明惰化系统(inerting system)的一种实施方式，该系统使用蒸发冷却，以便于从进料流中除去水分，该进料流包含来自燃料单元(未显示)的蒸汽相。燃料蒸汽1102供应给惰化系统1100的入口1104，其任选地与经由管线入口1108供应的第二气体源1106例如空气在此处结合。该蒸汽通过加热器1110，其可以是热交换器，然后进入反应区1112，反应区1112按需要可以包括催化剂系统和加热系统或冷却系统。经由反应区出口1114离开反应区的蒸汽通过冷凝器部分1116，该冷凝器部分可以在管的外部与液体例如水接触。在冷凝器部分从处理的蒸汽中除去的水可以在管子的底部收集，并且可以经由多个阀1118的任何一个从冷凝器部分1116除去，多个阀1118位于冷凝器部分1116的低处。需要时，经由排水阀1118从处理的蒸汽中除去的液体可以经由泵1124在蒸发冷却系统内循环并使用。惰化系统1100也可以包括水分过滤系统1120并且可以任选地包括其他期望的过滤系统1122(一种或多种)，例如，配置用于除去氧、碳氢化合物或其它任何不期望的保留在处理的蒸汽流中的成分的系统。蒸发冷却系统可以将从蒸汽中除去的水经由管线1126再循环到孔1128，从而使得水接触活性成分去除系统的冷凝器部分1116，因此进一步促进从蒸汽中除去水。
图14图解说明用于从蒸汽流中除去热和水分的系统的一种实施方式。燃料蒸汽进料流1202和任选的空气供应给去除系统1200的入口1204。入口1204可以任选地包括预热器1206。任选的经过预热的流供应给催化区1208，该催化区可以包括催化剂材料，该催化剂材料的位置使蒸汽和催化剂之间容易最大接触。活性成分含量降低的处理过的蒸汽经由出口管线1210离开催化区1208，并进入旋转的串联式设备1212。旋转的串联式设备可以用于促进从出来的蒸汽流中去除水分、热或两者。设备1212围绕以出口1210定义的轴顺时针或者逆时针旋转。蒸汽经由管线1214离开串联式设备1212。
图15图解说明一种方法，该方法用于控制活性成分去除系统内的冷却。蒸汽经由管线1302进入冷却设备1300。优选地，蒸汽流1302通过膨胀冷却被冷却，其中进口管的直径小于出口管的直径。较大的体积导致较低的压力，并且随后导致较低的温度。膨胀冷却装置(expansive heating system)可以包括滤网1306，在离开设备1300时，该滤网可进一步促进压力的降低。
虽然图中图解说明的和上面所描述的示例性实施方式是目前优选的，但应当理解，这些实施方式只是通过举例提供。其它的实施方式可以包括，例如，用于实施相同操作的不同技术。本发明不受限于具体的实施方式，而延伸到各种修改、组合和置换，这些仍然落入所附的权利要求的范围和精神内。

Claims (37)

1.用于降低燃料存储罐的蒸汽相中一种或多种活性成分的浓度的系统，其中所述燃料存储罐具有用于从所述燃料存储罐中除去蒸汽的出口和用于蒸汽返回所述燃料存储罐中的入口，所述系统包括：
反应区，其中所述反应区提供，当所述一种或多种活性成分与所述反应区接触时适合钝化所述一种或多种活性成分的条件，
所述反应区的入口，其与所述燃料存储罐的蒸汽空间经由所述燃料存储罐的所述出口流体连通，和
所述反应区的出口，其与所述燃料存储罐的蒸汽空间经由所述燃料存储罐的所述入口流体连通，
其中所述系统是闭环系统。
2.如权利要求1所述的系统，进一步包括用于平衡暴露于低于大气压或高于大气压条件时所述系统内压力的入口或出口。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述用于平衡暴露于低于大气压或高于大气压条件时所述系统内压力的入口或出口包括补偿气体源以平衡暴露于低于大气压条件时所述系统内的压力。
4.如权利要求2所述的系统，其中所述用于平衡暴露于低于大气压或高于大气压条件时所述系统内压力的入口或出口包括排气口，以平衡暴露于高于大气压条件时所述系统内的压力。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述活性成分是氧。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述蒸汽相进一步包括燃料蒸汽。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述反应区包括含有催化剂的容器，其中所述催化剂当在合适的条件下与所述一种或者多种活性成分接触时，与所述一种或者多种活性成分反应。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述容器具有入口末端和出口末端，并且从所述入口末端到所述出口末端，所述催化剂的含量不同。
9.如权利要求8所述的系统，其中从所述入口末端到所述出口末端，所述催化剂的含量增加。
10.如权利要求7所述的系统，其中所述催化剂是任选负载的金属催化剂。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述金属催化剂是贵金属、过渡金属氧化物、稀土氧化物或其任意两种或多种的混合物。
12.如权利要求7所述的系统，其中使所述催化剂和所述一种或多种活性成分接触的所述合适条件包括在25℃到1200℃范围内的温度。
13.如权利要求7所述的系统，其中所述反应区与温度调节器连接。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述温度调节器是热交换器。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述热交换器与所述含有催化剂的容器整合。
16.如权利要求14所述的系统，其中所述热交换器包括热交换介质。
17.如权利要求16所述的系统，其中所述热交换介质选自外部空气或液体。
18.如权利要求14所述的系统，其中所述热交换器是热泵。
19.如权利要求13所述的系统，其中所述温度调节器是蒸发冷却器。
20.如权利要求1所述的系统，其中所述反应区包括当所述一种或多种活性成分与微波能量源接触时足以钝化所述一种或多种活性成分的微波能量源。
21.如权利要求1所述的系统，其中所述反应区包括当所述一种或多种活性成分与等离子体能量源接触时足以钝化所述一种或多种活性成分的等离子体能量源。
22.如权利要求1所述的系统，进一步包括位于所述燃料存储罐的所述入口和/或出口的阻火器。
23.如权利要求1所述的系统，进一步包括在所述反应区之前和/或之后的氧传感器。
24.如权利要求1所述的系统，进一步包括所述反应区下游的阱，用于从所述蒸汽中除去水分。
25.如权利要求13所述的系统，进一步包括所述反应区下游的阱，用于从蒸汽中除去水分。
26.一种系统，用于当燃料从燃料存储容器撤出时将活性成分耗尽的空气导入所述燃料存储容器，或者用于用活性成分耗尽的空气置换燃料存储容器中的燃料或燃料存储容器的蒸汽空间的蒸汽，所述系统包括：
具有入口和出口的反应区，
空气源，其中所述空气源与所述反应区的入口流体连通，和
燃料蒸汽源，其中所述燃料蒸汽源与所述反应区的入口流体连通，
滤器或冷凝器，其中所述反应区与所述滤器或冷凝器的入口流体连通，并且所述滤器或冷凝器的出口与所述燃料存储容器流体连通，
其中在燃料蒸汽存在下，当所述空气源中的活性成分与所述反应区接触时，所述反应区在适合去除或降低所述空气源中的活性成分浓度的条件下运转，并且与所述燃料存储容器流体连通，和
其中所述系统是闭环系统。
27.用于降低来自燃料存储罐的蒸汽相中的一种或者多种活性成分的浓度的系统，其中所述燃料存储罐包括在闭环中从所述燃料存储罐中除去蒸汽的出口和使蒸汽返回所述燃料存储罐中的入口，所述系统包括，
催化剂区，所述催化剂区包括任选负载的金属催化剂，所述催化剂当在合适条件下所述一种或者多种活性成分与所述催化剂区接触时，与所述一种或者多种活性成分反应，
所述催化剂区的入口，其与所述燃料存储罐的蒸汽空间通过所述燃料存储罐的出口流体连通，和
所述催化剂区的出口，其与所述燃料存储罐的蒸汽空间通过所述燃料储存罐的入口流体连通。
28.如权利要求27所述的系统，进一步包括与所述催化剂区连接的温度调节器。
29.如权利要求27所述的系统，进一步包括用于从蒸汽中除去水分的阱。
30.在航空器上使用的燃料存储系统，所述系统包括：
燃料存储罐，其具有用于从所述燃料存储罐中除去蒸汽的出口，和使蒸汽返回所述燃料存储罐中的入口，和
具有入口和出口的反应区，其中所述反应区当所述燃料存储罐的蒸汽相中的一种或者多种活性成分与所述反应区接触时，提供适合钝化所述一种或者多种活性成分的条件，
其中所述燃料储存罐的出口与所述反应区的入口流体连通，并且所述燃料存储罐的入口与所述反应区的出口流体连通，
其中所述系统是闭环系统。
31.如权利要求30所述的系统，其中所述反应区进一步包括含有催化剂的容器，其中所述催化剂在合适的条件下，当所述一种或者多种活性成分与所述催化剂接触时能够促进所述一种或者多种活性成分的钝化。
32.如权利要求31所述的系统，进一步包括温度调节器。
33.如权利要求32所述的系统，其中所述温度调节器与所述含有催化剂的容器连接。
34.一种降低来自燃料存储罐的蒸汽相中的一种或者多种活性成分的浓度的方法，其中所述燃料存储罐包括在闭环系统中从所述燃料存储罐中除去蒸汽的出口和使蒸汽返回所述燃料存储罐中的入口，所述方法包括：
使来自燃料储存罐的蒸汽相的至少一部分通过反应区，其中所述反应区提供当所述一种或者多种活性成分与所述反应区接触时适合钝化所述一种或者多种活性成分的条件，因此产生活性成分浓度降低的蒸汽相，和然后
将所述活性成分浓度降低的蒸汽相返回所述燃料存储罐。
35.如权利要求34所述的方法，其中所述反应区包括含有催化剂的容器。
36.如权利要求34所述的方法，进一步包括使来自所述燃料存储罐的所述蒸汽相与所述反应区上游的温度调节器接触。
37.一种用于当燃料从燃料储存容器撤出时用活性成分耗尽的空气置换在包括所述燃料储存容器的闭环系统中的燃料或包括所述燃料储存容器的闭环系统的蒸汽空间的蒸汽的方法，所述方法包括：
混合空气与汽化燃料，
使形成的混合物在适合产生活性成分耗尽的空气的条件下通过反应区，
从所述活性成分耗尽的空气中除去水分，产生基本无水、活性成分耗尽的空气，和
当燃料从燃料存储容器中撤出时，将形成的基本无水、活性成分耗尽的空气引入所述燃料存储容器。
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