CN103314214B - 压缩机以及用于压缩工业气体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压缩机（10）以及一种方法，其中该压缩机（10）尤其用于等温压缩工业气体，该压缩机（10）具有一个压缩缸筒（12），具有杂质的工业气体可被引入至该压缩缸筒（12）中，以及一种顶替液（16），该顶替液（16）通过一个压缩泵（26）能够被引入至该压缩缸筒（12）中，该顶替液（16）对于该工业气体的至少一种杂质具有比该工业气体的主要成分更高的溶解性。根据本发明，提供了一个膨胀空间（32）用于从该顶替液（16）的至少一部分中解吸杂质，一个用于排出已转变成气相（34）的杂质的清洗泵（36）连接至该膨胀空间（32）。该压缩机（10）除了该压缩缸筒（12）之外还提供该膨胀空间（32）并且该膨胀空间与该压缩缸筒（12）分离，通过该膨胀空间，在受控气氛下被该顶替液（16）吸收的杂质可被再次分离，从而避免或者至少显著降低了由于吸收的杂质的渐进污染而导致的顶替液（16）的老化。因此，该压缩机（10）及该方法对于有待被压缩的工业气体的杂质不敏感。

Description

压缩机以及用于压缩工业气体的方法
本发明涉及一种压缩机以及一种方法，借助于该压缩机及方法，尤其可进行工业气体的基本上等温的压缩。
为了基本上等温压缩气体，所公知是，不通过活塞而是通过顶替液在压缩机中压缩被引入至压缩缸筒内的气体，从而在气体压缩期间产生的热量被顶替液吸收并在顶替液内与气体分离。然而，工业规模上使用的工业气体通常为化学过程产生的循环流中回收的气体，并且由于建立的化学平衡，这些工业气体尤其负载有气态杂质。因此，典型的工业气体除了具有所希望的主要成分之外，特别地还具有一种或多种气态杂质。这些杂质可被该顶替液吸收，从而，因为这个污染，该顶替液可能改变它的化学和物理性质，并且经过一定老化之后，需要更换该顶替液。为了避免或者至少延迟更换顶替液，需要在压缩之前使工业气体经受气体洗涤，然而，这是成本密集的且有效性是不充足的。
本发明的目的在于提供一种尤其用于等温压缩工业气体的压缩机及方法，该压缩机及方法对于有待被压缩的工业气体的杂质不敏感。
根据本发明，通过一种尤其用于等温压缩工业气体的压缩机实现本发明的目的，该压缩机具有一个压缩缸筒，其中具有杂质的工业气体被引至该压缩缸筒中，以及一种顶替液，该顶替液通过一个压缩泵能够被引入至该压缩缸筒中，该顶替液对于该工业气体的至少一种杂质具有比该工业气体的主要成分更高的溶解性，提供一个用于从该顶替液的至少一部分中解吸杂质的膨胀空间，一个用于排出已转变成气相的杂质的清洗泵连接至该膨胀空间。
本发明的另一个目的在于提供一种尤其用于等温压缩工业气体的方法，其中将一种工业气体（具有一种主要成分和至少一种杂质）传送至根据本发明的压缩机，并且该工业气体被该顶替液压缩，同时该杂质的至少一部分被该顶替液吸收，并且接着该被吸收的杂质从该顶替液的至少一部分中至少部分地解吸至该气相并被排出。
根据本发明的尤其用于等温压缩工业气体的压缩机具有一个压缩缸筒，具有杂质的工业气体被引至该压缩缸筒中，以及一种顶替液，该顶替液通过一个压缩泵能够被引入至该压缩缸筒中，该顶替液对于该工业气体的至少一种杂质具有比该工业气体的主要成分更高的溶解性。根据本发明，提供了一个膨胀空间用于从该顶替液的至少一部分中解吸杂质，一个用于排出已转变成气相的杂质的清洗泵连接至该膨胀空间。
该压缩机除了该压缩缸筒之外还提供有一个膨胀空间并且该膨胀空间与该压缩缸筒分离，通过该膨胀空间，在受控气氛下被该顶替液吸收的杂质可被再次分离，从而避免或者至少显著降低了由于吸收的杂质的渐进污染而导致的顶替液的老化。因此，该压缩机对于有待被压缩的工业气体的杂质不敏感，无需额外清洗上游的气体。同时，该压缩机除了执行压缩功能之外，可还执行从工业气体分离杂质的功能，从而，优选地，为了从该工业气体中吸收杂质，可选择该顶替液的化学和物理性质。因此，该顶替液吸收杂质是不可避免的，但是故意进行的。在该情况下，通过该顶替液吸收的杂质的解吸可被结合至该压缩机，从而，例如，借助于在任何情况下都提供的压缩泵，该膨胀空间可被填充和/或被清空。
例如，为了压缩之前吸入的和/或泵入的工业气体，该压缩泵可将该顶替液泵出贮液器至该压缩缸筒中。当在该压缩缸筒中该顶替液的液位足够高时，例如，该压缩气体可在较高的压力水平下经由出口阀的开口离开该压缩缸筒。在这种情况下，可继续用该顶替液填充该压缩缸筒，从而流入的顶替液可将相应大量的压缩气体压出该压缩缸筒。随后，该压缩泵可改变它的泵送方向，并且特别地，在关闭出口阀之后，将该顶替液泵出该压缩缸筒。当该顶替液被泵出时，例如，一个入口阀可被打开，从而借助于通过泵出该顶替液所产生的真空，有待被压缩的工业气体可被吸入到该压缩缸筒中。尤其借助于该压缩泵，泵出的顶替液的至少一部分可优选地被泵入至该膨胀空间，从而在压缩期间吸收的杂质可被再次解吸。该清洗泵可排出该膨胀空间内存在的气相以及被解吸的杂质，并且在该膨胀空间内设定尽可能低的压力水平。还可使该顶替液留在该膨胀空间内持续多个压缩循环，从而，依据该清洗泵的泵送能力，可达到特别低的压力水平，该压力水平仅略微高于该顶替液的蒸汽压力或甚至接近真空。对于随后的压缩，该压缩泵可将通过解吸纯化的顶替液的至少一部分泵入该压缩缸筒中。该顶替液的至少部分纯化改善了吸收性，从而相应更大的物质的量的杂质可被溶解在该顶替液中并经由解吸分离。
尤其该膨胀空间可仅被部分填充有该顶替液用于解吸杂质。结果，在该膨胀空间中保持有一个气相，溶于该顶替液中的杂质可以进入该气相。同时，可避免较高的压力水平，并且借助于该清洗泵，该膨胀空间内可保持尽可能低的压力水平。特别地，可避免该清洗泵将顶替液非故意排出该膨胀空间的情况。
优选地，当该顶替液被引入时，该膨胀空间具有膨胀压力pE，并且处于基本上清空状态的该压缩缸筒具有进气压力pA，该膨胀压力pE低于该进气压力pA。特别地，0.000001≤pE/pA≤0.9，优选0.0005≤pE/pA≤0.7，进一步优选0.01≤pE/pA≤0.5以及特别优选0.2≤pE/pA≤0.4。结果，一个相对低压建立在该膨胀空间内并促进被吸附的杂质的解吸。同时，在该压缩缸筒中，一个相对高压占优势，该相对高压促进吸收且还阻止或者至少保持在该压缩缸筒内的低解吸。
特别优选地，当引入该顶替液时，该膨胀空间具有膨胀压力pE，该膨胀压力pE为10hPa≤pE≤1000hPa，特别地为50hPa≤pE≤800hPa，优选为100hPa≤pE≤600hPa以及特别优选为200hPa≤pE≤400hPa。通过该清洗泵可相对简单地在该膨胀空间内实现所述压力，并且在这些压力下，可在比较大的程度上实现所述杂质的解吸。
特别地，该膨胀空间具有温度TE，并且该压缩缸筒具有压缩温度TV，其中1K≤(TE-TV)≤100K，特别地5K≤(TE-TV)≤50K以及优选10K≤(TE-TV)≤30K。这些温度差促进了在该压缩缸筒内吸收所述杂质以及在该膨胀空间内解吸所述杂质。同时，可比较容易地处理所述温度差，用以为该顶替液设定一个规定温度。尤其当实现基本上等温压缩时，借助于热交换器可冷却通过所吸收的压缩热而被加热的顶替液，同时释放的热的一部分可被传送至如该膨胀空间。此外，来自该膨胀空间的被加热的顶替液可同样被传送至该相同热交换器的冷却侧。
优选地，该清洗泵配置为一个真空泵。这使得可在该膨胀空间内设定一个特别低的压力水平。此外，可经由该清洗泵排出特别大量的所解吸的杂质的分子。考虑到该真空泵的结构的具体类型，可避免回流至该膨胀空间，从而可避免由于泄漏流而导致的该膨胀空间内无意的压力上升。
在一个优选实施例中，提供了至少一个额外缸筒用于阶梯式压缩该工业气体，该压缩泵连接至该压缩缸筒、该额外缸筒以及该膨胀空间，从而，当该压缩缸筒被清空时，借助于该压缩泵填充该额外缸筒和该膨胀空间。尤其为了通过阶梯式压缩实现压缩气体特别高的压力水平，多个额外缸筒可串联连接。例如，提供三至七个串联连接的额外缸筒。为了增加体积流量，每阶也可并联多个压缩缸筒或额外缸筒。特别地，借助于该顶替液，在该额外缸筒内不仅可发生杂质的额外压缩，还可发生杂质的额外吸收。优选地，该额外缸筒具有比该压缩缸筒或前一个额外缸筒更小的体积。从而，可在该额外缸筒内为压缩气体提供更低的残余体积和/或泵入更少体积的顶替液，进而该顶替液的差量体积可导至该膨胀空间中。为此，通过相同的压缩泵可既填充该额外缸筒和又填充该膨胀空间，在该情况下，该填充可与该压缩缸筒的排空同时发生。
特别地，在23°C及1000hPa下，该顶替液具有pV≤1hPa、特别地pV≤0.1hPa、优选地pV≤0.01hPa且特别优选地pV≤0.001hPa的蒸汽压力PV。特别地，该蒸汽压力在实验室测量仪器的测量极限之下。由于该顶替液基本上没有蒸汽压力或者该蒸汽压力是低到可以忽略不计，因此可避免在该膨胀空间内该顶替液的蒸发。即使在该膨胀空间内压力特别低的情况中，也可大大避免该顶替液的蒸发，从而基本上仅所吸收的杂质转变为气相。
特别地，合适的顶替液为离子液体。在本发明的内容中，离子液体可理解为具有至少一个阳离子或一个阳离子基团以及至少一个阴离子或一个阴离子基团、但整体呈电中性且在23°C及1000hPa下为液体的化合物。从而可大大避免该顶替液的非故意蒸发。
优选的离子液体为具有有机阳离子和有机阴离子的那些。
例如，DE102006014335A1的权利要求7中描述了指定为工作液体的合适的顶替液，引用其内容在此作为本发明的一部分。优选地，所用的顶替液为1-丁基-2,3-二甲基咪唑双(三氟甲磺酰基)亚胺和/或1-丁基-3-乙基l-2-二甲基咪唑双(三氟甲磺酰基)亚胺。
该顶替液优选地在-10°C下具有低于1200mPas的粘度以及在+100°C下具有高于10mPas的粘度。在一个优选实施例中，将比剩余顶替液更易于蒸发的添加剂（例如水和/或甲烷）混合至该顶替液，从而由于所述添加剂的蒸发使得该顶替液被冷却。
此外，本发明涉及一种尤其用于等温分离工业气体的方法，其中将一种工业气体（具有一种主要成分和至少一种杂质）传送至一个如上所述设计及开发的压缩机。此外，该工业气体被该顶替液压缩，同时该杂质的至少一部分被该顶替液吸收。并且接着该被吸收的杂质从该顶替液的至少一部分中至少部分地解吸至气相并被排出。该压缩机除了该压缩缸筒之外还提供一个膨胀空间并且该膨胀空间与该压缩缸筒分离，通过该膨胀空间，在受控气氛下被该顶替液吸收的杂质可被再次分离，从而避免或者至少显著降低了由于吸收的气体的渐进污染而导致的顶替液的老化。因此，该方法对于有待被压缩的工业气体的杂质不敏感。特别地，该方法可通过根据本发明的压缩机如上解释设计及开发。
尤其在该吸收的杂质的解吸期间，通过压力下降和/或温度升高将该杂质蒸发。无需气体清洗或提取。
优选地，当该压缩缸筒被清空时，用于阶梯式压缩工业气体的额外缸筒和该膨胀空间同时被该排空的顶替液填充。这使得可以通过一个常用压缩泵来执行该压缩缸筒的清空以及该额外缸筒和膨胀空间的填充。额外泵以及共同协调各种泵运作的控制逻辑并非是必需的。
特别优选地，该膨胀空间可仅被部分填充有该顶替液用于解吸杂质至气相。结果，在该膨胀空间中保持了一个气相，溶于该顶替液中的杂质可进入该气相。同时，可避免较高的压力水平，并且借助于该清洗泵，该膨胀空间内可保持尽可能低的压力水平。尤其可避免该清洗泵将顶替液非故意排出该膨胀空间的情况。
特别地，流入的顶替液可将解吸的杂质移出该膨胀空间。从而，可改进将该解吸的杂质排出该膨胀空间。尤其当该清洗泵已达到定义的特别低的压力时，该气相的残余体积降低，从而可改进该清洗泵的体积流量以及该清洗泵的效率，而无需考虑之前解吸的杂质的显著吸收。改变流入的顶替液的体积流量以适应该膨胀空间内的体积流量和/或压力。
以下通过实例，借助于优选示例性实施例，参见所附图来解释本发明，其中：
图1：显示了根据本发明的压缩机的示意回路图。
图1所示的压缩机10具有一个压缩缸筒12，该压缩缸筒12经由一个入口阀14填充有具有杂质的工业气体。随后，关闭该入口阀14，引入一种顶替液，该顶替液为离子液体16的形式并将该工业气体压缩至残余体积18。在该情况下，该离子液体16可吸收所产生的压缩热并吸收杂质。在足够高的压力下，可打开一个出口阀20，该出口阀连接至该压缩缸筒12。在本发明示例性实施例中，在进一步压缩步骤中，该压缩气体可被传送至一个额外缸筒22，在该额外缸筒中，借助于该离子液体16可将该气体再次压缩至残余体积18。在再次压缩之后，该气体经由另一个出口阀24被传送至一个贮液器、一个消耗器或另一个额外缸筒22。
借助于一个压缩泵26，可填充和/或清空该压缩缸筒22和/或该额外缸筒22。在所述示例性实施例中，一个分支阀28提供在该压缩泵26与该额外缸筒22之间并经由一个节流阀30连接至一个膨胀空间32。该压缩泵26可将具有所吸附杂质的离子液体16泵入该膨胀空间32中，其中由于该节流阀30，该离子液体16被暴露在显著更低的压力下。结果，该膨胀空间32内的吸收的杂质可进入气相34，从而借助于配置为真空泵36的清洗泵分离该杂质。随后，借助于该压缩泵26，在该膨胀空间32内纯化的离子液体16可被泵出该膨胀空间32并再次用于该压缩缸筒12和/或该额外缸筒22内的压缩，同时由于该离子液体16的纯化，该杂质可被更有效地吸收，不必由于老化作用及化学和/或物理性质变化而更换该离子液体16。

Claims (27)

1.一种压缩机，用于等温压缩工业气体，该压缩机具有
一个压缩缸筒(12)，一种具有杂质的工业气体能够被引入至该压缩缸筒(12)中，以及
一种顶替液(16)，该顶替液(16)通过一个压缩泵(26)能够被引入至该压缩缸筒(12)中，该顶替液(16)对于该工业气体的至少一种杂质具有比该工业气体的主要成分更高的溶解性，
一个膨胀空间(32)被设置为用于从该顶替液(16)的至少一部分中解吸杂质，一个用于排出已转变成气相(34)的杂质的清洗泵(36)连接至该膨胀空间(32)。
2.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，该膨胀空间(32)能够仅被部分地填充该顶替液(16)用于解吸杂质。
3.如权利要求1或2所述的压缩机，其特征在于，当引入该顶替液(16)时，该膨胀空间(32)具有一个膨胀压力pE，并且处于基本上清空状态的压缩缸筒(12)具有一个进气压力pA，该膨胀压力pE低于该进气压力pA。
4.如权利要求3所述的压缩机，其特征在于，0.000001≤pE/pA≤0.9。
5.如权利要求3所述的压缩机，其特征在于，0.0005≤pE/pA≤0.7。
6.如权利要求3所述的压缩机，其特征在于，0.01≤pE/pA≤0.5。
7.如权利要求3所述的压缩机，其特征在于，0.2≤pE/pA≤0.4。
8.如权利要求1或2所述的压缩机，其特征在于，当引入该顶替液(16)时，该膨胀空间(32)具有一个膨胀压力pE，该膨胀压力pE为10hPa≤pE≤1000hPa。
9.如权利要求8所述的压缩机，其特征在于，该膨胀压力pE为50hPa≤pE≤800hPa。
10.如权利要求8所述的压缩机，其特征在于，该膨胀压力pE为100hPa≤pE≤600hPa。
11.如权利要求8所述的压缩机，其特征在于，该膨胀压力pE为200hPa≤pE≤400hPa。
12.如权利要求1或2所述的压缩机，其特征在于，该膨胀空间(32)具有一个温度TE，并且该压缩缸筒(12)具有一个压缩温度TV，其中1K≤(TE-TV)≤100K。
13.如权利要求12所述的压缩机，其特征在于，5K≤(TE-TV)≤50K。
14.如权利要求12所述的压缩机，其特征在于，10K≤(TE-TV)≤30K。
15.如权利要求1或2所述的压缩机，其特征在于，该清洗泵(36)配置为一个真空泵。
16.如权利要求1或2所述的压缩机，其特征在于，提供至少一个额外缸筒(22)用于阶梯式压缩该工业气体，该压缩泵(26)连接至该压缩缸筒(12)、该额外缸筒(22)以及该膨胀空间(32)，从而，当清空该压缩缸筒(12)时，能够借助于该压缩泵(26)填充该额外缸筒(22)和该膨胀空间(32)。
17.如权利要求1或2所述的压缩机，其特征在于，在23℃及1000hPa下，该顶替液(16)具有pV≤1hPa的蒸汽压力PV。
18.如权利要求17所述的压缩机，其特征在于，在23℃及1000hPa下，该顶替液(16)具有pV≤0.1hPa的蒸汽压力PV。
19.如权利要求17所述的压缩机，其特征在于，在23℃及1000hPa下，该顶替液(16)具有pV≤0.01hPa的蒸汽压力PV。
20.如权利要求17所述的压缩机，其特征在于，在23℃及1000hPa下，该顶替液(16)具有pV≤0.001hPa的蒸汽压力PV。
21.如权利要求1或2所述的压缩机，其特征在于，该顶替液(16)具有至少一种离子液体。
22.如权利要求21所述的压缩机，其特征在于，该顶替液(16)含有1-丁基-2,3-二甲基咪唑双(三氟甲磺酰基)亚胺和/或1-丁基-3-乙基-2-二甲基咪唑双(三氟甲磺酰基)亚胺。
23.一种用于等温分离工业气体的方法，其中
将具有一种主要成分和至少一种杂质的一种工业气体传送至一个如权利要求1至22中任一项所述的压缩机(10)，
通过该顶替液(16)压缩该工业气体，同时通过该顶替液(16)吸收该杂质的至少一部分，并且
接着将该被吸收的杂质从该顶替液(16)的至少一部分中至少部分地解吸至气相(34)并排出。
24.如权利要求23所述的方法，其中，在该吸收的杂质的解吸期间，通过压力下降和/或温度升高来蒸发该杂质。
25.如权利要求23或24所述的方法，其中，当该压缩缸筒(12)被清空时，将一个用于阶梯式压缩工业气体的额外缸筒(22)和该膨胀空间(32)同时用该清空的顶替液(16)来填充。
26.如权利要求23或24所述的方法，其中，该膨胀空间(32)仅被部分地填充用于解吸该杂质至气相(34)。
27.如权利要求23或24所述的方法，其中，流入的顶替液(16)可将解吸的杂质移出该膨胀空间(32)。
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