CN108624350B - 用于惰性气体生成系统的燃料分馏装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种惰性气体生成系统，所述惰性气体生成系统包括液态烃燃料的来源；以及分馏装置，所述分馏装置被配置用来从所述来源接收所述液态烃燃料的一部分。所述分馏装置包括选择性渗透膜，所述选择性渗透膜被配置用来将所述液态烃燃料的所述部分分离为基本上无硫的蒸气和含硫剩余物。所述系统还包括催化氧化装置，所述催化氧化装置被配置用来接收所述基本上无硫的蒸气并使所述基本上无硫的蒸气发生反应来产生惰性气体。

Description

用于惰性气体生成系统的燃料分馏装置
背景技术
燃料箱可能潜在地含有氧气、燃料蒸气和点火源的可燃组合。为了防止飞机燃料箱的燃烧，航空条例要求有效地管理燃料箱的气隙，使得气隙中的氧分压小于12%。相关地，灭火系统，诸如部署在飞机货舱中的灭火系统使用卤化的化学品来防止燃烧和/或火灾。卤化的灭火剂对于人体接触来说可能是安全的；但是，它们被认为对地球的大气臭氧层有害。可以使用惰性气体来防火和灭火。
目前，许多板载惰性气体生成系统(OBIGGS)使用引气和加压的中空纤维膜来产生用于燃料箱气隙的惰性气体。在中空纤维膜中，氮气的扩散率小于氧气和水蒸气的扩散率。中空纤维膜系统需要加压的空气来驱动空气流中氮气与氧气和水蒸气的分离。然而，从飞机发动机压缩机抽取的引气的压力在整个任务过程中都会发生变化，这会影响惰性气体产量以及由氧分压界定的质量。另外，飞机设计趋向于低压引气系统并且越来越趋向于配电架构。因此，使用高压的中空纤维膜惰化系统对于这些系统来说可能是有问题的。
其他方法利用催化反应器来从气隙空间燃料蒸气或液态燃料产生惰性气体。然而，气隙空间可能并不总是含有足够量的燃料蒸气来提供用于反应。因此，为了遵守要求在整个任务过程中实现气隙钝化的条例，需要能够在气隙中维持安全的氧分压的系统。
发明内容
惰性气体生成系统包括液态烃燃料的来源；以及分馏装置，所述分馏装置被配置用来从来源接收液态烃燃料的一部分。分馏装置包括选择性渗透膜，所述选择性渗透膜被配置用来将液态烃燃料的所述部分分离为基本上无硫的蒸气和含硫剩余物。所述系统还包括催化氧化装置，所述催化氧化装置被配置用来接收基本上无硫的蒸气并使所述基本上无硫的蒸气发生反应来产生惰性气体。
生成惰性气体的方法包括：将液态烃燃料提供到分馏装置，所述分馏装置具有选择性渗透膜；产生分压梯度，使得液态烃燃料的基本上无硫的蒸气的分压在选择性渗透膜的渗透侧上是较低的；将经由选择性渗透膜吸出的一定量的基本上无硫的蒸气提供到催化氧化装置；以及使所述量的基本上无硫的蒸气发生反应来产生惰性气体。
惰性气体生成系统的替代实施方案包括液态烃燃料的来源；以及分馏装置，所述分馏装置被配置用来接收液态烃燃料的一部分并且将液态烃燃料的所述部分分离为基本上无硫的蒸气和含硫剩余物。催化氧化装置被配置用来接收基本上无硫的蒸气并使所述基本上无硫的蒸气发生反应来产生惰性气体。分馏装置被进一步配置用来将含硫剩余物输出到返回线中。返回线被配置用来将含硫剩余物提供到主燃料线，所述主燃料线包括前往发动机的燃料流。
附图说明
图1是惰性气体生成系统的示意图。
图2是惰性气体生成系统的分馏装置的示意图。
图3是分馏装置的替代实施方案的示意图。
图4是分馏装置的另一个替代实施方案的示意图。
具体实施方式
本公开涉及用于经由催化氧化生成惰性气体的惰性气体生成系统以及其使用方法。分馏装置产生基本上无硫的燃料蒸气以进行催化氧化。分馏装置能够在没有显著的加压的空气输入的情况下操作。
图1是惰性气体生成系统10的示意图。系统10包括燃料箱12、液态燃料14、燃料泵16、分馏装置18、催化氧化装置20、冷却装置22、干燥机24、通道26、气隙空间28、排气孔30以及任选的货舱32。燃料箱12经由燃料泵16将液态燃料14提供到分馏装置18。系统10可以包括一个或多个分馏装置18。在分馏装置18处产生的所希望的燃料馏分之后提供到催化氧化装置20。这些富含烃的燃料馏分在催化氧化装置20中发生反应以产生惰性气体，所述惰性气体主要含有氮气、二氧化碳和水蒸气。反应中使用的催化剂可以是例如贵金属或其他合适的催化剂。冷却装置22和干燥机24通过在惰性气体经由通道26引入到气隙空间28之前对所述惰性气体进行冷却并去除水蒸气来调节所述惰性气体。系统10被配置用来将未使用的燃料馏分提供到发动机或其他位置。
液态燃料14可以是基于煤油的喷气燃料，诸如Jet-A、Jet-A1或Jet-B燃料。在军事应用中，液态燃料14还可以是喷气推进“JP”类燃料，诸如JP-5或JP-8。其他类型的燃料，诸如柴油、汽油和燃料混合物也是本文预期的。在所示的实施方案中，燃料箱12用作液态燃料源，但是在其他实施方案中，可以使用其他燃料储存容器或液态燃料源。类似地，燃料泵16在图1中被示出处于燃料箱12的外部，然而，燃料泵16还可以定位于燃料箱12内。
气隙空间28—燃料箱12内的液态燃料14上方的蒸气空间—可能潜在地含有可燃的燃料蒸气。系统10操作来通过以下方式降低气隙空间28内燃烧的风险：提供惰性气体来维持气隙空间28内的氧气浓度处于或低于12氧气体积%，以满足商用航空要求，并且在军事应用中维持所述氧气浓度低于9%。
图2是分馏装置118的示意图，所述分馏装置是膜分馏装置。分馏装置118包括膜134，所述膜是选择性渗透膜，所述选择性渗透膜被配置用来选择性地优先于例如氧气和氮气渗透烃化合物。膜134可以是由交联的硅橡胶，诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)形成的反向选择性膜。其他合适的材料可以包括聚辛基甲基硅氧烷、聚醚(例如，聚(环氧乙烷)(PEO)和聚(对苯二甲酸丁二酯)(PBT)的共聚物)、聚(4-甲基-2-戊炔)以及聚三甲基-硅烷基-丙炔(PTMSP)。膜134可以进一步被布置为多根中空纤维，或者可以是平面(薄片)形式并且具有“螺旋缠绕”或“板-和-框”配置。其他合适的材料和配置是本文预期的。
在操作中，液态燃料114通过燃料泵116提供到分馏装置118。液态燃料114含有众多化合物和添加剂，包括提供用于在催化氧化装置20 (未示出于图2)内进行反应的烃化合物(石蜡、环烷烃或环烷属烃、芳香族环烃、烯烃等)。液态燃料114还可以含有硫化合物(硫化物、硫醇、噻吩等)。这些化合物会使反应催化剂(未示出)中毒，以致于所述化合物结合到催化剂上的活性位点并且减少可用于促进反应的活性位点的量。液态燃料114内的大部分硫被包含于具有大分子直径的物质中。因此，膜134被配置成因经由排除较大的环状分子，诸如芳香族硫化合物来优先防止许多含硫化合物从中通过而受到冷落。
容纳在分馏装置118内的液态燃料114的部分表示为液态燃料114F以将其与燃料箱112内的液态燃料114 (未示出于图2)区分开来。取决于分馏过程的阶段，液态燃料114F的组成可以不同于液态燃料114。例如，如下文更详细所解释，随着分馏过程的进行，液态燃料114F将变得富含硫化合物。
为了驱使烃蒸气136渗透穿过膜134，烃蒸气136的分压在膜134的渗透侧138上应是较低的。在图2的实施方案中，膜分馏由吹扫气体驱动。空气源140作用来通过将空气流142—吹扫气体—提供到分馏装置118而产生压差。空气源140可以是具有适当的热调节的任何类型的空气源，例如环境空气、冲压空气、风扇空气、发动机引气或舱室空气。其他合适的空气源是本文预期的。
空气流142流过膜134的渗透侧138。空气流142不含有烃，因此渗透侧138上的烃蒸气136的初始分压为零。整个膜134上的分压差启动烃蒸气136穿越膜134的输送。烃蒸气136基本上是无硫的，因为大部分硫都留在了液态燃料114F的较重的、未蒸发的馏分中。烃蒸气136随后提供到催化氧化装置120。
图3是分馏装置218的示意图，所述分馏装置是膜分馏装置的另一个实施方案。分馏装置218以与分馏装置118相同的方式操作，不同之处在于烃蒸气236穿越膜234的输送由真空源244驱动。真空源244与膜234的渗透侧238流体连通，并且被配置用来产生分压差，使得烃蒸气236的分压在膜234的渗透侧238上是较低的。真空源244可以是例如喷射器、隔膜泵、其他合适的泵或其组合。
在具有膜分馏装置(118、218)的实施方案中，系统10可以任选地包括热源(未示出)，所述热源用于加热处于膜(134、234)上游的液态燃料(114、214)。热源可以是例如加热元件或回收换热器。
一般而言，来自给定体积的燃料的烃蒸气的产生会随着可用于蒸发的燃料的表面积、燃料温度和燃料上方的分压的变化而变化。由于空速和高度的变化，温度和分压在整个任务过程中会发生变化。在图2和图3的实施方案中，有若干种方式可进一步调节产生的烃蒸气量(136、236)的量。首先是改变提供到分馏装置的液态燃料(114、214)的量。这可以例如通过将致动阀放置在燃料泵(116、216)的下游来完成。在图2的实施方案中，还可以改变吹扫气体(空气流142)的温度和流速来控制蒸气产生。例如，当空气流142具有来自空气源140的更高的温度和/或更大的流速时，这可以帮助生成并携带更多的烃蒸气136，但要小心地平衡对燃料蒸气的需求与对用于燃烧的氧气的化学计量需求。
上述膜分馏装置具有优于现有技术系统的若干优点。首先，膜的配置提供了坚固的表面区域，可以在所述表面区域上进行液态燃料的蒸发，从而允许生成大量烃蒸气。膜还被配置用来选择性地渗透具有较小分子直径的物质，这有助于产生基本上无硫的蒸气馏分。在其他类型的分馏系统中，很难控制蒸气馏分中硫的存在。
另外有可能将使用膜分馏的惰性气体生成系统结合到飞机燃料系统中，使得流向发动机的燃料流的一部分可以穿过在飞机上的每个分馏装置。这要求全体分馏装置中的总流速能够超过例如2,500 kg/hr，这取决于任务期间的发动机燃料需求。使用热分馏的系统例如将需要大量热输入来处理这种燃料流。
图4是分馏装置318的示意图。分馏装置318被配置用来从燃料箱312接收液态燃料314。燃料箱312包括隔开的收集器单元346，燃料泵316定位于所述收集器单元中。燃料泵316可以是例如进料泵、输送泵或任何其他合适的低压泵。燃料箱312还包括气隙空间328、排气孔330和回油泵348。
分馏装置318经由主燃料线350和分支线352与燃料箱312流体连通。主燃料线350被配置用来将燃料流从燃料箱312提供到一个或多个发动机。分支线352被配置用来将燃料流的一部分提供到分馏装置318。分支线352可以包括用于控制进入分馏装置318的燃料流的阀354。阀354可以是针阀，或一些其他类型的合适的致动阀。阀354可以被配置用来基于任务参数(停飞、巡航、下降等)根据调度表而改变进入分馏装置318的燃料流。其他合适的控制方法(无源或有源方法)是本文预期的。
分馏装置318可以被配置为真空分馏装置。在这种实施方案中，真空源344与分馏装置318连通。真空源344被配置用来降低液态燃料314F上方的分压以产生烃蒸气336。真空源344进一步操作来从分馏装置318抽出烃蒸气336以提供到催化氧化装置320 (未示出于图4)。在一些实施方案中，真空源344可以是真空泵，诸如隔膜泵或其他合适的泵。在其他实施方案中，真空源344可以是使用热引气作为运动流体的喷射器。在其他实施方案中，真空源344可以是真空泵或喷射器的串联组合，或者它们的组合。其他合适的真空源是本文预期的。在一些实施方案中，分馏装置318可以包括除雾器(未示出)，所述除雾器处于真空源344的上游以捕获液态燃料314F的液滴并且阻止所述液滴进入催化氧化装置320。
分馏装置318还可以与热源358连通，所述热源用于加热并由此改进分馏装置318内的液态燃料314F的输送性质。在一些实施方案中，热源358与真空源344结合使用来促进烃蒸气336的产生。分馏装置318还可以被配置为热分馏装置，并且仅依靠热源358来产生烃蒸气336。在所示的实施方案中，热源358是与分馏装置318热连通的加热元件。在其他实施方案中，热源358可以是换热器，所述换热器具有热源，诸如引气、热发动机油、热燃料或由催化氧化过程生成的热惰性气体。用于换热器的散热器可以是分馏装置318中的液态燃料314F或前往分馏装置318的液态燃料314。本发明另外设想了任何其他合适的热源。
热源358可以图4所示的方式与分馏装置318连通，以加热分馏装置318内的液态燃料314F。所述热源还可以例如沿着分支线352定位，以在液态燃料314进入分馏装置318时加热所述液态燃料。适合于加热液态燃料314/314F或分馏装置318的其他组分的其他位置是本文预期的。
无论是被配置为真空分馏装置还是热分馏装置，分馏装置318都产生基本上无硫的烃蒸气336，因为两种方法大体上都通过沸点来分离蒸气组分。含硫化合物通常具有高于液态燃料314内的许多烃化合物(己烷、苯、环己烷等)的沸点，因此含硫化合物往往不会与烃化合物一起蒸发。在其他实施方案中，分馏装置318可以包括膜334 (未示出)，所述膜以与膜134和234相同的方式操作来产生烃蒸气336。
分馏装置318与返回线356连通。返回线356被配置用来从分馏装置318接收液态燃料314F的未蒸发的含硫剩余物360，并且将剩余物360提供到主燃料线350。返回泵362沿着返回线356处于分馏装置318的下游。返回泵362被配置用来在合适的压力下将剩余物360提供到主燃料线350。返回泵362可以是喷射器或其他合适的泵。剩余物360可以在主线350处与来自燃料箱312的前往发动机的液态燃料314汇合。
分馏装置318具有优于现有技术系统的若干优点。类似于膜分馏装置118和218，分馏装置318被配置用来产生基本上无硫的烃蒸气，这有助于减轻催化剂中毒。分馏装置318还提供了排放含硫剩余物的方法，所述方法有助于防止含硫的残留馏分堆积在分馏装置318内。将剩余物提供用于发动机消耗也是有益的，因为这能确保未使用的剩余物不会被浪费掉。另外，剩余物在离开分馏装置318之后可能是相当热的，因此将所述剩余物返回到例如燃料箱312是不希望的，因为它会加热主体燃料。此外，将含硫燃料返回到燃料箱会不希望地将硫浓缩在箱中，这可能会导致较高的腐蚀率。
系统10的各种实施方案可以用于其他飞机应用，诸如货舱灭火。目前的系统采用Halon 1301，即一种有效的也被认为对环境有害的灭火剂。由系统10产生的惰性气体因此可以用于减少或消除这些系统中使用的Halon 1301的量。例如，除了被传送到气隙空间28之外/代替被传送到所述气隙空间，惰性气体可以被输送到货舱32 (示出于图1)。
系统10可以用于将惰性气体提供用于燃料鼓泡搅拌。也就是说，惰性气体可以鼓泡通过液态燃料以减少燃料内的溶解的氧气和其他杂质的量。鼓泡搅拌具有使燃料稳定下来用作散热器以及使气隙空间钝化的双重益处。
系统10还可以用在非航空应用中。例如，系统10可以用在海运船舶中，以对原油、天然气、产品烃以及车用燃料的储存罐进行清扫并使所述储存罐惰化。系统10也可以用在需要惰性气体的汽车或其他行业中。
可能的实施方案论述
以下是对本发明的可能的实施方案的非排他性描述。
惰性气体生成系统包括液态烃燃料的来源；以及分馏装置，所述分馏装置被配置用来从来源接收液态烃燃料的一部分。分馏装置包括选择性渗透膜，所述选择性渗透膜被配置用来将液态烃燃料的所述部分分离为基本上无硫的蒸气和含硫剩余物。所述系统还包括催化氧化装置，所述催化氧化装置被配置用来接收基本上无硫的蒸气并使所述基本上无硫的蒸气发生反应来产生惰性气体。
另外和/或可替代地，先前段落的系统可以任选地包括以下特征、配置和/或附加部件中的任一个或多个。
压差发生器与选择性渗透膜的渗透侧流体连通，并且被配置用来在整个选择性渗透膜上产生分压梯度。
分压发生器是被配置用来提供空气流的空气源。
空气流选自由以下各项组成的组：环境空气、风扇空气、发动机引气、舱室空气以及其组合。
压差发生器是真空源。
燃料泵被配置用来将液态烃燃料提供到分馏装置。
选择性渗透膜是反向选择性膜并且包括多根中空纤维。
选择性渗透膜是呈平面形式的具有螺旋缠绕或板-和-框配置的反向选择性膜。
选择性渗透膜是基于硅酮的材料。
通道被配置用来将惰性气体提供到限定的空间。
限定的空间是燃料箱或货舱。
分馏装置被配置用来将含硫剩余物提供到主燃料线，并且主燃料线包括前往发动机的燃料流。
生成惰性气体的方法包括：将液态烃燃料提供到分馏装置，所述分馏装置具有选择性渗透膜；产生分压梯度，使得液态烃燃料的基本上无硫的蒸气的分压在选择性渗透膜的渗透侧上是较低的；将经由选择性渗透膜吸出的一定量的基本上无硫的蒸气提供到催化氧化装置；以及使所述量的基本上无硫的蒸气发生反应来产生惰性气体。
另外和/或可替代地，先前段落的方法可以任选地包括以下特征、配置和/或附加部件中的任一个或多个。
产生分压梯度包括使空气流在选择性渗透膜的渗透侧上流动。
产生分压梯度包括操作真空源，所述真空源与选择性渗透膜的渗透侧流体连通。
惰性气体生成系统的替代实施方案包括液态烃燃料的来源；以及分馏装置，所述分馏装置被配置用来接收液态烃燃料的一部分并且将液态烃燃料的所述部分分离为基本上无硫的蒸气和含硫剩余物。催化氧化装置被配置用来接收基本上无硫的蒸气并使所述基本上无硫的蒸气发生反应来产生惰性气体。分馏装置被进一步配置用来将含硫剩余物输出到返回线中。返回线被配置用来将含硫剩余物提供到主燃料线，所述主燃料线包括前往发动机的燃料流。
另外和/或可替代地，先前段落的系统可以任选地包括以下特征、配置和/或附加部件中的任一个或多个。
热源被配置用来升高液态烃燃料的所述部分的温度。
真空源与分馏装置连通，并且真空源被配置用来降低液态烃燃料的所述部分的分压。
真空源是真空泵或喷射器中的一个。
分馏装置还包括选择性渗透膜，并且所述膜被配置用来选择性地渗透基本上无硫的蒸气。
虽然已经参考示例性实施方案描述了本发明，但本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且对于其元件可以进行等效替代。此外，在不脱离本发明的本质范围的情况下，可以进行许多修改来使特定情况或材料适于本发明的教义。因此，本发明并不意在受限于所公开的特定实施方案，而是本发明将包括落在随附权利要求书的范围内的所有实施方案。

Claims (19)

1.一种惰性气体生成系统，所述惰性气体生成系统包括：
液态烃燃料的来源；
分馏装置，所述分馏装置被配置用来从所述来源接收所述液态烃燃料的一部分，所述分馏装置包括选择性渗透膜，所述选择性渗透膜被配置用来将所述液态烃燃料的所述一部分分离为基本上无硫的蒸气和含硫剩余物；
压差发生器，所述压差发生器与所述选择性渗透膜的渗透侧流体连通，其中所述压差发生器被配置用来在整个所述选择性渗透膜上产生分压梯度；以及
催化氧化装置，所述催化氧化装置被配置用来接收所述基本上无硫的蒸气并使所述基本上无硫的蒸气发生反应来产生惰性气体。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述压差发生器是被配置用来提供空气流的空气源。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述空气流为环境空气。
4.如权利要求2所述的系统，其中所述空气流选自由以下各项组成的组：冲压空气、风扇空气、发动机引气、舱室空气以及其组合。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述压差发生器是真空源。
6.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括：燃料泵，所述燃料泵被配置用来将所述液态烃燃料的所述一部分提供到所述分馏装置。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述选择性渗透膜是包括多根中空纤维的反向选择性膜。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述选择性渗透膜是呈平面形式的具有螺旋缠绕或板-和-框配置的反向选择性膜。
9.如权利要求1所述的系统，其中所述选择性渗透膜包含基于硅酮的材料。
10.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括：惰性气体通道，所述惰性气体通道被配置用来将所述惰性气体提供到限定的空间。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述限定的空间是燃料箱或货舱中的一个。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述分馏装置被配置用来将所述含硫剩余物提供到主燃料线，并且其中所述主燃料线包括前往发动机的燃料流。
13.一种生成惰性气体的方法，所述方法包括：
将液态烃燃料的一部分从燃料源提供到分馏装置，所述分馏装置包括选择性渗透膜，所述选择性渗透膜被配置用来将所述液态烃燃料的所述一部分分离为基本上无硫的蒸气和含硫剩余物；
通过与所述选择性渗透膜的渗透侧流体连通的压差发生器，在整个所述选择性渗透膜上产生分压梯度，使得所述液态烃燃料的所述基本上无硫的蒸气的分压在所述选择性渗透膜的所述渗透侧上是较低的；
将经由所述选择性渗透膜吸出的一定量的所述基本上无硫的蒸气提供到催化氧化装置；以及
使所述量的所述基本上无硫的蒸气发生反应来产生所述惰性气体。
14.如权利要求13所述的方法，其中产生所述分压梯度包括使空气流在所述选择性渗透膜的所述渗透侧上流动。
15.如权利要求13所述的方法，其中产生所述分压梯度包括操作真空源，所述真空源与所述选择性渗透膜的所述渗透侧流体连通。
16.一种惰性气体生成系统，所述惰性气体生成系统包括：
液态烃燃料的来源；
分馏装置，所述分馏装置被配置用来从所述来源接收所述液态烃燃料的一部分，其中所述分馏装置包括选择性渗透膜，所述选择性渗透膜被配置用来将所述液态烃燃料的所述一部分分离为基本上无硫的蒸气和含硫剩余物；
压差发生器，所述压差发生器与所述选择性渗透膜的渗透侧流体连通，其中所述压差发生器被配置用来在整个所述选择性渗透膜上产生分压梯度；以及
催化氧化装置，所述催化氧化装置被配置用来接收所述基本上无硫的蒸气并使所述基本上无硫的蒸气发生反应来产生惰性气体；
其中所述分馏装置被进一步配置用来将所述含硫剩余物输出到返回燃料线中；
其中所述返回燃料线被配置用来将所述含硫剩余物提供到主燃料线，所述主燃料线包括前往发动机的燃料流。
17.如权利要求16所述的系统，所述系统还包括：热源，所述热源被配置用来加热所述液态烃燃料的所述一部分。
18.如权利要求16所述的系统，所述系统还包括：真空源，所述真空源与所述分馏装置连通，其中所述真空源被配置用来降低所述液态烃燃料的所述一部分的分压。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述真空源是真空泵或喷射器中的一个。
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