CN1378479A - 液体喷射压缩机 - Google Patents

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Abstract

利用在如至少16个大气压的高压下注入的液体得到高速液体注入到压缩机中,高速液体的注入将要压缩的气体吸入到压缩机中,将气体在液体喷射压缩机中压缩到高压,如至少7个大气压。

Description

液体喷射压缩机
                    技术领域
本发明涉及利用液体压缩来压缩气体的方法。
                    背景技术
已经使用喷射器通过压缩气体从低于大气压到大气压来产生真空。喷射器的操作原理已经扩展到将气体压缩到更高的压力。特别是如流体工程杂志(Journal of Fluid Engineering)1974年9月216-226页上R.G.Cunningham和R.J.Dopkin的文章“Jet Breakup and Mixing Throat Lengths for Liquid Jet Gas Pump”中公开的那样，气体从13psia(0.88大气压，88.88千帕)开始压缩到50psia(3.4大气压，343.4千帕)。在本文中，喷射器可以被称为液体喷射压缩机，即利用液体压缩气体。如在JOFE文章中公开的那样，通过液体从喷嘴在高至165psia(11.2大气压，1120千帕)的压力下轴向注入，产生气体的压缩。液体沿着管子的长度注入，将要被压缩的低于大气压气体吸入到管中，结果使液体分离成液滴，并与气体混合。所以称该管为混合喉管。液滴的混合物接着进入称为扩散区的体积膨胀区，在那里动能减小压力增加，即液体的速度减小。液滴在混合喉管中与气体的混合和在扩散区中速度的减小两者的组合分别将液体的动量和功能转换成气体的压缩，然后气体可以通过如旋流式分离器从液体中分离作下一步使用。
化学工业面对的一个问题是以安全的方式压缩反应性气体。不幸的是已知许多反应性气体，如供给化学方法的反应物气体都具有爆炸的危险，这是由于用常规的机械膜式或活塞式压缩机的压缩热所致。在某些情况，气体可能自动点火燃烧或因爆炸力而过早聚合。
                    发明内容
已经发现可以操作液体喷射压缩机安全地压缩气体到比至今能获得的高得多的压力，即至少到7大气压(707千帕)，甚至到25大气压(2525千帕)和更高。因此，本发明的方法包括在至少为16大气压(1616千帕)的压力下将液体轴向注入到吸入管内，使要压缩的气体被吸入到所述吸入管内以与其中注入的液体接触，在所述管内与所述气体接触的所述液体的速度使所述液体在所述管内分离成液滴以形成所述液滴与所述气体的混合物，从而所述液体的动量传递给所述气体，可选择地让所述混合物进入速度减小的区域，从而将所述液体的动能传递给所述气体，结果达到将所述气体压缩到至少7大气压。大部分的气体压缩发生在吸入管中，如至少85％的压缩。使用速度减小的区域进行辅助的压缩能使该方法获得最大的性能，但是如果在管内的压缩已经足够用于压缩气体的计划用途，可以省略这个区。
在优选的实施例中，要压缩的气体是反应性气体，例如用作供给化学反应的气体的反应物气体。
                    附图说明
图1是可以用于本发明方法中的液体喷射压缩机的示意侧向剖面图。
图2是用于图1的压缩机中优选孔的侧向剖面图。
                  具体实施方式
图1中，液体喷射压缩机2包括中空管4，该管的中空内部限定该压缩机的混合喉管6。混合喉管的直径优选地是沿着它的长度恒定的。液体注入喷嘴8定位在管4的上游端附近，喷嘴有瞄准喉管6(管)的纵向轴线11的孔12。液体在高压下例如通过泵(未表示)供给喷嘴8，使这液体通过孔12沿着喉管的轴线以高速液流10注入。管4的上游端通向集气管部段14，该部段装设一个或几个要压缩的气体的入口16，该部段包围喷嘴8从而使液体注入到喉管中造成通过入口吸入气体并进入喉管。该管(喉管)的下游端19通向扩散器18，扩散器由向外张开的锥形壁20限定。管4，集气管14和扩散器18优选地都是圆形截面并与管4的纵向轴线同心。如上所述，压缩机可以终止在管4的下游端19。
在操作中，将液体供给到喷嘴中用于沿着管4的纵向轴线高速注入到管4中。这种注入造成(要压缩的)气体通过集气管14周围的入口16吸入并进入到管4的喉管以与注入的液体接触。吸入的气体包围液流10在各个方面与其接触。在吸入气体和高速液流之间这种接触的结果是使液流分离成为液滴，在邻近该管下游端19的区域22内液滴与气体形成混合物。管4有足够的长度以在到达下游端19之前使液流10分离成液滴。液滴/气体的混合物进入扩散器18(如果有的话)，因为扩散器比管有更大的截面积(体积)，使混合物的速度降低。
图2表示孔12的优选孔构形，其中喷嘴8终止在板24，孔12中心定位在该板内。板24例如通过焊接附接到喷嘴壳体26。孔12包括与该管纵向轴线平行的平台区28，平台区同心地连接到其下游的倾斜区30，因此孔的平台区28为从喷嘴注入的液流提供刀一样的出口。平台区的宽度优选地是1-3mm。这种刀一样的出口的效果是帮助液流分离成液滴，从而可以使管子(和该喉管)的长度最小，因此使由于在液流和限定喉管6的该管内壁之间的摩擦造成的流体能量损失最小。
气体的压缩主要发生在喉管的区域22中，通过液滴对气体的作用液体把动量传递给气体，和根据伯努利定理(当流动面积增加从而速度减小时动能转换成势能(压力))通过液体的动能传递给气体在扩散器中完成气体的压缩。然后通过如旋流器的气/液分离设备可将压缩的气体从液体中分离。
通过在很高速度下经过喷嘴8将液体供给到管4中可获得至少7个大气压的气体压缩，通过在液体到喷嘴的输入口上加高压获得这个高速。需要至少16个大气压的压力来获得这个结果。获得这个结果的液体喷射压缩机的几何形状的例子将表示在该实例中。
为了增加所需的气体压缩，在高于大气压如至少为2个绝对大气压(atm abs.)(202千帕)下通过入口16将气体引入到压缩机中可能是优选的。用大于十倍进气压力(通过入口16)的系数的液体喷射压缩机很难增加气体的压力。因此，如果需要压缩到压力大于20大气压(2020千帕)，将需要相应地增加进气压力。优选地由液体喷射压缩机获得的气体压力增加是4到8倍的进气压力。甚至进气也可以是在压力下，无论如何进气仍受到高速液流10吸入作用的影响，借助液流10的速度大于进气的速度，液流沿着喉管6注入。通过常规的装置例如机械压缩机可以获得进气的压缩，但也可以采用第二液体喷射压缩机来获得所需的进气压缩。在那种情况下在第二压缩机中增加第一压缩机的气体输出的压缩。可以使用连续的附加压缩机以便得到最终所需的压缩。
这样的液体到喷嘴的体积流速也是优选的，即，使进气的体积流速小于液体体积流速的三倍。
本发明可以应用于所有气体，有机的和无机的，如包括HCl，HBr，HF的氢卤酸气，卤族气体如氯气，氟气，脂肪族烃如甲烷，乙烷和丙烷，烯烃如乙烯，丙烯，丁烯，丁二烯和乙炔及卤代有机化合物如氯乙烯，氟乙烯，二氟乙烯，一氯三氟乙烯和四氟乙烯。气体可以夹带悬浮颗粒，如悬浮的固体颗粒或液滴，通过与液流接触这些可从气体中除去。任何与要压缩的气体相容的液体都可使用。相容意思是液体不会与气体以不希望的方式互相作用。通常这将意味着液体将不会与气体反应除非反应是需要的。还可希望通过液体与气体混合物一个组份或者溶解或者反应，使液体与气体混合物的一部分(组份)互相作用，而同时压缩气体的其余部分。液体的例子包括水，水介质和有机液体。有利地，也可以使用本发明的压缩方法在压缩气体的同时冷却气体。所以，进气可以在至少50℃的温度，液流在压缩气体的同时冷却气体到小于40℃的温度。这种冷却效果提供了消减压缩热量的明显的安全效益，以便使过早反应和/或爆炸的可能性减至最小。一旦液体从压缩气体中分离，这样的液体可以送到循环泵再循环使用，循环泵在高压下将液体送到喷嘴8。
本发明压缩气体的方法还可以包括压缩至足够高的程度以使被压缩气体全部或部分液化(凝结)。然后冷结的液体可以通过常规的液/液分离法与液流10分离，如当液体不能混溶时用倾析法将例如烃类液体与水分离。
这个发明特别有利于供给化学反应的高压气体，这些气体可能是对热敏感的，如在经受热时可能会产生分解甚至爆炸，而用其他的方法进行气体压缩将会产生热量。由于在压缩机2中存在液体冷却了被压缩的气体，使得压缩实际上是等温的。所以压缩可以在低于50℃的温度下进行。在压缩机2中没有运动的机械部件存在，由于金属与金属接触可能造成局部的高温。当用压缩机使气体冷结时，不会造成如活塞式压缩机这样的对压缩机的损害的危险。
                        实例
在这些实例中，液体喷射压缩机由不锈钢制成，具有如下的尺寸：
  管4(喉管)的内直径                0.546in(1.39cm)
      管4的长度                    15in(38.1cm)
      喷嘴孔直径                   0.34in(0.86cm)
喷嘴孔到喉管入口的距离             1.6in(3.8cm)
  在排放端的扩散器直径             0.742in(1.88cm)
       扩散器长度                  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。常用于气体压缩的液体是在31-33℃的温度。
                    表：试验细节和压缩结果实例              1       2      3      4         5      6气体              C3H6 HCl    HCl    HCl/N2   C2H2TFE入口压力          3       6.1    1      1         1.7    5.4(绝对大气压)入口气体温度℃    33      33     500    33        33     33液体              H2O    OIL    OIL    H2O     H2O   H2O液体压力
              33.5    101.2  20.1   20.1      22.2   101.6(绝对大气压)(兆帕)            0.34    10.22  2.03   2.03      2.24   10.26液体温度℃        31      33     33     33        33     33液体速率，GPM     44      82     34     35        34     80m3/min           0.17    0.31   0.13   0.13      0.13   0.30气体速率kg/hr     102     340.5  9.1    20.1      27.2   817.2m3/min           0.33    0.61   0.25   0.26      0.26   0.60气体出口压力喉管：(绝对大气压)      13.2    34.0   7.1    7.1       7.4    36.1(兆帕)            1.33    3.43   0.72   0.72      0.75   3.65扩散器：(绝对大气压)      13.2    37.4   7.5    7.5       8.2    38.4(兆帕)            1.33    3.78   0.76   0.76      0.83   3.88气体出口温度℃    32      33     33.2   33.6      33     33
在实例1的试验中，因为出口温度低于压缩产生量的饱和温度，被压缩的丙烯在喉管中冷结。
实例2表示用烃类油压缩无水HCl到高压。
实例3表示同时压缩和冷却。
在实例4的试验中，HCl/氮气混合物各自的比例是50/50摩尔百分比，通过与水直接接触从气流中除去HCl，HCl被吸收(溶解)到水中，因此是进气中氮气组份被压缩。注入到喉管中的水流可以用例如水性的碱溶液代替，在这种情况下HCl将与碱反应生成盐溶液，从而在被压缩的氮气中除去HCl。
实例5和6表示反应性气体乙炔和四氟乙烯的等温压缩。
各实例还表示大部分的压缩(超过85％)发生在管4的喉管6中。

Claims (14)

1.一种方法，其包括在至少16个大气压的压力下将液体轴向注入到吸入管中，将要压缩的反应性气体吸入到所述管中以与注入其中的液体接触，在所述管内接触所述气体的所述液体的速度使所述液体在所述管中分离成液滴以形成所述液滴和所述气体的混合物，从而把所述液体的动量传递给所述气体，可选择地让所述混合物进入速度减小的区域，从而把所述液体的动能传递给所述气体，并且其结果是达到将所述气体压缩到至少7个大气压。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体在至少2个大气压的压力下被吸入到所述管中。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，被吸入到所述管中的所述气体对所述液体的体积比小于3∶1。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述气体压缩到至少25个大气压。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体包括与所述液体互相作用的组份，从而所述压缩是对所述气体的其余部分的压缩。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述组份溶解在所述液体中。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述组份与所述液体反应。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体包含用所述液体从所述气体中除去的颗粒。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体的温度为至少50℃，并且在所述压缩方法中接触所述气体的所述液体将所述气体冷却到小于40℃的温度。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体通过具有象刀一样的边缘和下游倾斜部分的孔注入。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应性气体选自包括氢卤酸气体、卤族气体、脂肪族烃气体、烯烃气体和卤代有机化合物气体。
12.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述反应性气体供给化学反应。
13.一种压缩供给化学反应的气体的方法，其包括以下各步，在至少16个大气压的压力下将液体轴向注入到吸入管中，将要压缩的反应物气体吸入到所述管中以与注入其中的液体接触，在所述管内接触所述气体的所述液体的速度使所述液体在所述管中分离成液滴，以形成所述液滴和所述气体的混合物，从而把所述液体的动量传递给所述气体，让所述混合物进入速度减小的区域，从而把所述液体的动能传递给所述反应物气体，并且其结果是达到将所述反应物气体压缩到至少7个大气压。
14.一种化学方法，其包括通过在至少16个大气压的压力下将液体轴向注入到吸入管中压缩反应物气体的各步；将要压缩的反应物气体吸入到所述管中以与注入其中的液体接触，在所述管内接触所述气体的所述液体的速度使所述液体在所述管中分离成液滴以形成所述液滴和所述气体的混合物，从而把所述液体的动量传递给所述气体，并且让所述混合物进入速度减小的区域，从而把所述液体的动能传递给所述反应物气体，并且其结果是达到将所述反应物气体压缩到至少7个大气压；并使所述压缩的反应物气体进入化学反应。
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