ES2829632T3 - Procedimiento y sistema de compresión en múltiples etapas de un gas usando un líquido - Google Patents

Abstract

Un procedimiento para comprimir un gas usando un líquido, que comprende: mantener un primer volumen de líquido en una primera cámara de alta presión (716); mantener un primer volumen de gas en una segunda cámara de alta presión (718), donde el primer volumen de gas está a una primera presión y dicha primera cámara de alta presión (716) y dicha segunda cámara de alta presión (718) están conectadas de manera fluida a través de una bomba de alta presión (710); y forzar un gas presurizado dentro de la primera cámara de alta presión (716) que tiene el primer volumen de líquido y bombear simultáneamente, mediante el uso de la bomba de alta presión 710), al menos una porción del primer volumen de líquido en la primera cámara de alta presión (716) a la segunda cámara de alta presión (718), donde al menos una porción del primer volumen de líquido bombeado a la segunda cámara de alta presión (718) comprime el primer volumen de gas en la segunda cámara de alta presión (718) a una segunda presión mayor que la primera presión.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento y sistema de compresión en múltiples etapas de un gas usando un líquido

Referencia cruzada a solicitudes relacionadas

Esta solicitud reivindica el beneficio y la prioridad de la Solicitud de patente provisional de los EE.UU. No. 61/906.462, depositada el 20 de noviembre de 2013, y la Solicitud los EE.UU. No. 14/505.122, depositada el 2 de octubre de 2014.. Antecedentes

El gas comprimido es útil en varias aplicaciones diferentes. Por ejemplo, los vehículos de gas natural comprimido incluyen un tanque para almacenar gas natural comprimido usado para su propulsión. El tanque almacena el gas a alta presión para su uso por parte de un motor del vehículo. Actualmente, las estrategias usadas para comprimir gas desde una fuente de baja presión (por ejemplo, una línea residencial) a un tanque de alta presión (por ejemplo, un tanque de almacenamiento de vehículos) incluyen el uso de compresión mecánica directa. Estas estrategias de compresión mecánica directa usan un pistón alternativo móvil dentro de un cilindro para comprimir el gas. En el uso, estos sistemas pueden ser costosos y difíciles de reparar y/o mantener.

Por ejemplo, los documentos US 2010/139777 A1, WO 2013/148707 A1 y US 2011/277860 A1 describen un sistema de transferencia de gas comprimido, un procedimiento y un sistema para comprimir gas usando un líquido y sistemas para comprimir un gas, respectivamente, mientras que el documento US 2005/284155 A1 describe un compresor de gas de ultra alta presión de espacio libre cero. El documento US 2008/209916 A1 describe un aparato y un procedimiento para hacer fluir fluidos comprimidos dentro y fuera de la contención, mientras que el documento US 2007/0000016A1 describes procedimientos de refrigeración por gas para tanques de almacenamiento de combustible a alta presión en vehículos propulsados por gas natural comprimido o hidrógeno. El documento US 2.061.938 A describe un procedimiento y un aparato para comprimir gas.

Resumen

Un aspecto de los conceptos presentados en esta invención incluye un procedimiento para comprimir gas. El procedimiento incluye mantener un primer volumen de líquido en una primera cámara de alta presión y mantener un primer volumen de gas en una segunda cámara de alta presión, donde el primer volumen de gas está a una primera presión y la primera cámara de alta presión y la segunda cámara de alta presión están conectadas de manera fluida a través de una bomba de alta presión. Un gas presurizado es forzado dentro de la primera cámara de alta presión, que tiene el primer volumen de líquido, bombeando, simultáneamente, mediante el uso de la bomba de alta presión, al menos una porción del primer volumen de líquido en la primera cámara de alta presión a la segunda cámara de alta presión, donde el primer volumen de líquido bombeado dentro de la segunda cámara de alta presión comprime el primer volumen de gas en la segunda cámara de alta presión a una segunda presión mayor que la primera presión. Opcional o alternativamente, forzar el gas presurizado al interior de la primera cámara de alta presión que tiene el primer volumen de líquido puede comprender, además, mantener un segundo volumen de líquido en una primera cámara de baja presión; mantener un segundo volumen de gas en una segunda cámara de baja presión, donde la primera cámara de baja presión y la segunda cámara de baja presión están conectadas de manera fluida a través de una bomba de baja presión; y presurizar el segundo volumen de gas en la segunda cámara de baja presión bombeando, mediante el uso de la bomba de baja presión, al menos una porción del segundo volumen de líquido en la primera cámara de baja presión a la segunda cámara de baja presión, donde la segunda cámara de baja presión está conectada de manera fluida con la primera cámara de alta presión y al menos una porción del segundo volumen presurizado de gas es forzada a la primera cámara de alta presión y el gas se introduce en la primera cámara de baja presión a medida que la al menos una porción de líquido en la primera cámara de baja presión es bombeada a la segunda cámara de baja presión.

Opcional o alternativamente, forzar el gas presurizado hacia la primera cámara de alta presión que tiene el primer volumen de líquido comprende, además, presurizar un segundo volumen de gas usando uno o más compresores de pistón mecánico y al menos una porción del segundo volumen de gas presurizado es forzada hacia la primera cámara de alta presión.

Otro aspecto incluye un sistema para comprimir gas. El sistema incluye una primera cámara de alta presión que tiene un primer volumen de líquido, donde se fuerza un gas presurizado al interior de la primera cámara de alta presión que tiene el primer volumen de líquido; una bomba de alta presión; y una segunda cámara de alta presión, donde se mantiene un primer volumen de gas en la segunda cámara de alta presión y donde el primer volumen de gas está a una primera presión y la primera cámara de alta presión y la segunda cámara de alta presión están conectadas de manera fluida a través de la bomba de alta presión. A medida que el gas presurizado es forzado dentro de la primera cámara de alta presión, al menos una porción del primer volumen de líquido en la primera cámara de alta presión es bombeada simultáneamente a la segunda cámara de alta presión, donde al menos una porción del primer volumen de líquido bombeado a la segunda cámara de alta presión comprime el primer volumen de gas en la segunda cámara de alta presión a una segunda presión mayor que la primera presión.

Alternativa u opcionalmente, el sistema puede comprender, además, una primera cámara de baja presión que tiene un segundo volumen de líquido; una segunda cámara de baja presión que tiene un segundo volumen de gas, donde la primera cámara de baja presión y la segunda cámara de baja presión están conectadas de manera fluida a través de una bomba de baja presión. El segundo volumen de gas en la segunda cámara de baja presión se presuriza bombeando, mediante el uso de la bomba de baja presión, al menos una porción del segundo volumen de líquido en la primera cámara de baja presión a la segunda cámara de baja presión, donde la segunda cámara de baja presión está conectada de manera fluida con la primera cámara de alta presión y al menos una porción del segundo volumen presurizado de gas es forzada al interior de la primera cámara de alta presión.

Alternativa u opcionalmente, el sistema puede comprender además uno o más compresores de pistón mecánicos, donde forzar el gas presurizado hacia la primera cámara de alta presión que tiene el primer volumen de líquido comprende además presurizar un segundo volumen de gas usando uno o más compresores de pistón mecánicos y al menos una porción del segundo volumen de gas presurizado es forzada hacia la primera cámara de alta presión. Otros sistemas, procedimientos, características y/o ventajas serán o pueden llegar a ser evidentes para un experto en la materia tras el examen de los siguientes dibujos y la descripción detallada. Se pretende que todos esos sistemas adicionales, procedimientos, características y/o ventajas sean incluidos dentro de esta descripción y estén protegidos por las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción de los dibujos

La Fig.1 es una vista esquemática de un sistema para comprimir un gas usando un líquido.

La Fig.2 es una vista esquemática en sección de una cámara de compresión usada en el sistema de la Fig. 1. La Fig. 3 es una vista esquemática en sección parcial de una boquilla para suministrar líquido a la cámara de compresión ilustrada en la Fig. 2.

La Fig.4 es una vista esquemática de un conjunto de separación usado en el sistema de la Fig. 1.

La Fig.5 es una vista esquemática en sección transversal de una porción del conjunto de separación de la Fig. 4. La Fig. 6 es una vista esquemática de otro sistema para comprimir un gas usando un líquido, que muestra dos etapas de la compresión.

La Fig. 7 es una vista esquemática de un sistema de dos etapas para comprimir gas usando un líquido que emplea dos caras para las etapas de compresión de baja y alta presión.

Las Fig. 8A-8L son vistas esquemáticas de una secuencia de fases de compresión para el sistema de dos etapas para comprimir gas usando un líquido.

La Fig. 9 es una vista esquemática de un esquema de control de la presión de descarga de la cámara de alta presión de un sistema de dos etapas para comprimir gas usando un líquido.

La Fig. 10 es una vista en sección transversal de una posible cámara de compresión del sistema de dos etapas para comprimir gas usando un líquido.

La Fig. 11 es una vista en sección transversal de la cámara de compresión de la FIG. 10 para demostrar el enfriamiento interno del gas mediante el efecto Coanda.

Las Fig. 12A y 12B son diagramas de fases de gas natural con una composición típica de tuberías.

Descripción Detallada

La Fig. 1 es una vista esquemática de un sistema 10 capaz de implementar un procedimiento usando un líquido presurizado (por ejemplo, agua, gasolina, combustible diésel, etc.) para comprimir un gas (por ejemplo, gas natural, hidrógeno, gases inertes, etc.). Opcionalmente, esta descripción contempla que el líquido presurizado puede ser una mezcla de fluidos tales como agua y monoetilenglicol (MEG), por ejemplo. Se pueden usar mezclas de fluidos para garantizar operaciones a temperaturas extremas. Se apreciará que el sistema 10 puede incluir componentes tales como válvulas y similares para facilitar la transferencia de fluido dentro del sistema. Como se ilustra, el sistema 10 incluye una primera cámara de compresión de baja presión (BP) 11, una segunda cámara de compresión de alta presión (AP) 12, una válvula de transferencia 13, un conjunto de bomba 14, un conjunto de separación 15 y un tanque de líquido 16. Los detalles de estos componentes en el sistema 10 se proporcionan a continuación. En general; sin embargo, el sistema 10 utiliza dos etapas de compresión de líquido (una primera etapa dentro de la cámara de BP 11 y una segunda etapa dentro de la cámara de AP 12) acopladas con una técnica para enfriar el gas durante la compresión. Durante la compresión, se forma un pistón de líquido dentro de una cámara respectiva y el mismo opera para comprimir el gas dentro de la cámara, así como para proporcionar un medio adecuado para la transferencia de calor del gas comprimido. En una realización alternativa, el sistema 10 puede incluir solo una única cámara de compresión. La cámara de compresión única en esta realización funcionaría de manera similar a las cámaras 11 y 12 analizadas en esta invención.

En un procedimiento ejemplar para la compresión, el gas entra al sistema 10 desde una fuente 18 (por ejemplo, una línea de gas natural residencial) a una baja presión (por ejemplo, no mayor que 25 bar, normalmente de alrededor de 0,5 bar o menos). En una primera etapa de compresión, el gas se comprime a una presión intermedia más alta (por ejemplo, aproximadamente 20-22 bares) en la cámara de BP 11 mediante líquido proporcionado desde el tanque 16 usando el conjunto de bomba 14. En una realización, la cámara de BP 11 puede tener un volumen interno fijo (por ejemplo, aproximadamente 20 litros). Posteriormente, en una segunda etapa de compresión, el gas se comprime a una presión de almacenamiento aún más alta (por ejemplo, al menos 200 bar, aproximadamente 400 bar) en la cámara de AP 12 también mediante el líquido proporcionado desde el tanque 16 usando el conjunto de bomba 14. En una realización, la cámara de AP 12 también tiene un volumen interno fijo (por ejemplo, aproximadamente 2 litros).

Una vez que el gas se comprime en la cámara de BP 11 a la presión intermedia, la válvula de transferencia 13 se usa para transferir gas a la cámara de AP 12. El conjunto de bomba 14, en una realización, incluye al menos dos bombas que se usan para introducir el líquido en las cámaras 11 y 12 de manera que el gas se comprime a una presión de salida deseada del gas. En un ejemplo, el conjunto de bomba 14 incluye una primera bomba diseñada para lograr un flujo volumétrico alto/baja presión de fluido dentro del sistema 10 y una segunda bomba diseñada para lograr una alta presión/flujo volumétrico bajo de fluido dentro del sistema 10. Independientemente de la configuración del conjunto de bomba 14, el gas que sale de la cámara de alta presión 12 se filtra para eliminar el agua u otras impurezas en el conjunto de separación 15 antes de ser suministrado a un tanque de almacenamiento (por ejemplo, ubicado en un vehículo).

El líquido usado para la compresión se recircula continuamente y se almacena en el tanque 16. En una realización, el líquido se presuriza con gas comprimido de la fuente 18 de gas comprimido. En una realización, la fuente 18 incluye una o más válvulas para controlar la entrada de gas al tanque 16. La válvula de transferencia 13 puede controlar la entrada de gas desde el tanque 16 a la cámara 11 así como la entrada de gas desde la cámara de BP 11 a la cámara de AP 12. El conjunto de bomba 14 está configurado para proporcionar líquido desde el tanque 16 a la cámara de BP 11, la cámara de AP 12 y recibir líquido del conjunto de separación 15. Si se lo desea, el tanque 16 puede incluir una o más características de enfriamiento (por ejemplo, aletas de enfriamiento externas) para disipar el calor residual en el líquido.

Opcionalmente, la válvula de transferencia 13 puede ser una válvula de tres vías. Debe entenderse que la válvula de transferencia 13 puede controlarse eléctricamente (por ejemplo, reposicionarse enviando una señal de control a la válvula de transferencia 13). Por ejemplo, la válvula de transferencia 13 puede controlar la entrada de gas desde la fuente de gas 18 a la cámara de B^p 11 cuando está en una primera posición, la válvula de transferencia 13 puede controlar la entrada de gas desde la fuente de gas 18 a la cámara de AP 12 cuando está en una segunda posición y la válvula de transferencia 13 puede controlar el flujo de gas entre la cámara de BP 11 y la cámara de AP 12 cuando está en una tercera posición. Por ejemplo, en la primera posición, la válvula de transferencia 13 controla el flujo de gas desde la fuente de gas 18 hacia la cámara de BP 11. Como se analizó anteriormente, el gas, a continuación, se puede comprimir a una presión intermedia en la cámara de BP 11 introduciendo líquido en la cámara de BP 11. Cuando el gas se comprime a la presión intermedia, la válvula de transferencia 13 se puede reposicionar a la tercera posición para controlar el flujo de gas entre la cámara de BP 11 y la cámara de AP 12. Opcionalmente, mientras el gas fluye desde la cámara de BP 11 a la cámara de AP 12, el líquido puede continuar siendo introducido y, en algunas implementaciones, el líquido puede fluir desde la cámara de BP 11 a la cámara de AP 12. El líquido que entra en la cámara de AP 12 puede evitar que el gas fluya hacia atrás desde la cámara de AP 12 a la cámara de BP 11. A continuación, cuando se introduce una pequeña cantidad de líquido en la cámara de alta presión 12 desde la cámara de baja presión 11, la válvula de transferencia 13 puede reposicionarse a la segunda posición para controlar la entrada de gas desde la fuente de gas 18 a la cámara de alta presión 12 aunque generalmente gas fluye desde la fuente de gas 18 hacia la cámara de BP 11. Como se analizó anteriormente, el gas, a continuación, se puede comprimir a una presión de almacenamiento en la cámara de AP 12 introduciendo líquido en la cámara de AP 12.

La cámara de BP 11 y la cámara de AP 12 operan de manera idéntica, en principio y, en aras de la brevedad, solo la cámara de BP 11 se analiza en detalle a continuación. Los principios explicados con respecto a la cámara de BP 11 son aplicables a la estructura y la operación de la cámara de AP 12. Como se analiza con más detalle a continuación, cada una de las cámaras incluye un pistón de líquido que se puede operar para comprimir un gas. En una realización, se usa una boquilla Coanda con un perfil curvo que opera para inyectar un líquido en una cámara respectiva. Otras realizaciones incluyen una trayectoria en espiral a lo largo de la pared interior de la cámara de compresión, que sigue el líquido a medida que viaja desde la parte superior de la cámara de compresión hasta el nivel de líquido ascendente que forma el pistón de líquido. En general, esta solicitud cubre las diversas maneras en que se puede liberar un líquido desde la parte superior de la cámara de compresión para fomentar la interacción entre el líquido y el gas. En general, se introduce un volumen de gas en la cámara. Posteriormente, se inyecta líquido en la cámara a través de la boquilla y, en una realización, según el efecto Coanda, se arrastra el gas a medida que el líquido fluye a lo largo de la superficie curva de la boquilla. A medida que aumenta el nivel de líquido en la cámara, se forma un pistón de líquido. Además, en una realización, la boquilla Coanda y la cámara de compresión están diseñadas para mejorar la circulación del gas y, por tanto, la interacción del gas con el líquido, mientras el gas se comprime dentro de la cámara. Debido al líquido dentro de la cámara, el líquido puede enfriar el gas (mientras se comprime) a una alta tasa de transferencia de calor y, de hecho, puede acercarse a la compresión isotérmica (es decir, un cambio mínimo de temperatura del gas dentro de la cámara durante la compresión del gas).

La Figura 2 muestra una sección transversal de la cámara de BP 11 donde el gas introducido en la cámara 11 a través de una entrada de gas 30 se comprime usando un líquido introducido a través de una entrada de líquido 32. La entrada 32 está acoplada de manera fluida a una boquilla 34 que divide la cámara 11 entre una porción superior 36 y una porción inferior 38. Un volumen de gas 39 se coloca en la porción superior 36 y la porción inferior 38 para la compresión. En una realización, la boquilla 34 opera según el efecto Coanda para arrastrar gas 39 en la cámara debido a la introducción de líquido en la boquilla 34. En particular, debido al efecto Coanda, cuando el líquido fluye a una velocidad alta sobre una superficie curva (es decir, la boquilla 34), un flujo alto de gas (es decir, el gas 39 de la porción superior 36) que rodea la boquilla 34 también será arrastrado. Debe entenderse que para las aplicaciones Coanda, la relación entre los flujos volumétricos del fluido primario (por ejemplo, el líquido) y del fluido secundario (por ejemplo, el gas) es significativamente mayor que la que se puede lograr con eyectores, por ejemplo, la relación puede estar entre aproximadamente 10 y 80. La boquilla 34 también actúa como una bomba de transferencia que usa el líquido para arrastrar el gas y hacer circular una mezcla líquido-gas a través de la cámara 11. A medida que aumenta el nivel del líquido, se comprime el gas de la cámara 11.

La boquilla 34 puede adoptar muchas formas. En la realización ilustrada, la boquilla 34 converge a lo largo de una porción de entrada 40 a una porción de garganta 42. En una realización, el líquido se inyecta en la boquilla 34 con alta velocidad (por ejemplo, al menos 10 m/s) desde la entrada 32 usando el conjunto de bomba 14 y sale por la porción de garganta 42 para formar un cono de líquido 44 que se extiende desde la boquilla 34. El líquido introducido en la boquilla 34 fluye a lo largo de la porción de entrada 40, como se indica mediante una flecha 46, de manera ciclónica. Una vez que sale de la porción de garganta 42, el líquido continúa fluyendo de manera ciclónica para formar el cono de líquido 44. En la realización ilustrada, la porción de entrada 40 es axialmente simétrica alrededor de un eje longitudinal de la boquilla 34. En una realización, la porción de entrada curvada 40 puede definir un perfil parabólico que incluye una o más características estructurales (por ejemplo, ranuras) para crear la turbulencia deseada en el flujo de líquido a lo largo de la porción de entrada 40. Alternativa o adicionalmente, como se muestra en la Fig. 3, la porción de entrada curvada 40 puede definir un perfil parabólico que tiene una superficie lisa. Alternativa o adicionalmente, el perfil parabólico puede incluir una o más características estructurales tales como escalones (por ejemplo, protuberancias, porciones elevadas, etc.) para crear turbulencias en el flujo de líquido a lo largo de la porción de entrada curvada 40. Durante el flujo de líquido, el efecto Coanda mante12ndrá los chorros de líquido, que se comentan en detalle a continuación, unidos a la porción de entrada curvada 40 para crear un área 48 de baja presión y alta turbulencia sobre la porción de entrada 40. Debido a la baja presión y la alta turbulencia creada en el área 48, el arrastre de gas en los chorros de líquido se maximiza desde la parte superior 36, llevando el gas a la parte inferior 38. Alternativa o adicionalmente, uno o más de los chorros de líquido pueden definir un chorro de pared curvada. Debido al efecto desestabilizador de la curvatura sobre la turbulencia en la parte externa del chorro de líquido, es posible aumentar la cantidad de arrastre de gas en el chorro de líquido. Esto puede aumentar la cantidad de mezcla entre el gas y el líquido y, por lo tanto, también puede aumentar la cantidad de transferencia de calor y masa entre el gas y el líquido.

La boquilla 34 incluye además una porción en forma de campana 50 dispuesta dentro de la cámara a lo largo de un eje longitudinal de la boquilla 34 en relación con la porción de garganta 42. Cambiando la posición vertical de la porción 50, se puede variar una sección transversal mínima 52 de la porción de garganta 42. En principio, una sección transversal mínima 52 más grande permitirá un flujo de gas más alto desde la porción de entrada 40 al cono 44. Sin embargo, una sección transversal mínima 52 más pequeña provocará un aumento directo en la velocidad del gas y mejorará el nivel de turbulencia de una mezcla de gas y líquido dentro de la cámara 11. Con base en la experimentación, se puede determinar una transferencia de calor máxima deseada ajustando el flujo, la velocidad y la turbulencia del fluido dentro de la cámara 11.

Después de que el líquido pasa a través de la porción de garganta 42, el líquido forma el cono 44 con la ayuda del perfil en forma de campana 50. En una realización, un ángulo definido por la porción de entrada 40 y el cono 44 es mayor a 90 grados. Además, o independientemente, se puede introducir un componente de remolino en la porción de entrada 40 para crear un flujo ciclónico alrededor de la boquilla 34. En relación con la porción en forma de campana 50, el cono 44 puede definir un ángulo mayor con respecto a la porción de entrada 40 que un ángulo correspondiente entre la porción en forma de campana 50 y la porción de entrada 40. En esta configuración, el flujo entre la porción en forma de campana 50 y el cono 44 tendrá un efecto difusor con un ligero aumento de la presión del gas en el extremo de la porción en forma de campana 50 en una zona 54 en relación con una presión de gas promedio dentro la cámara 11. Este procedimiento de difusión también puede aumentar la turbulencia dentro de la cámara 11. Como resultado de esta configuración, el gas tenderá a escapar por la parte inferior del cono 44, ya sea pasando a través del cono 44 y/o a través de un pistón de líquido 56 formado en la cámara 11. A medida que entra más líquido en la cámara 11, el pistón de líquido 56 aumenta de volumen para comprimir el gas dentro de la cámara 11.

En última instancia, el gas se escapa del cono 44 como se muestra en las flechas 58. Una vez salido del cono 44, el gas se aspira a la porción superior 36 siguiendo la flecha 60 a través de los canales de recirculación 64 colocados alrededor de la boquilla 34. En una realización, debido a la configuración de la boquilla 34, el gas dentro de la cámara 11 circulará al menos veinte veces por cada ciclo de compresión. Para la cámara de AP 12, se puede usar una pequeña bomba de recirculación de baja altura para lograr un mayor número de ciclos de recirculación, a fin de contrarrestar la superficie de intercambio de calor reducida de la cámara de AP 12.

La Fig. 3 ilustra una vista en sección parcial de la boquilla 34. En una realización, como se ilustra, la porción de entrada 40 está formada por un solo cuerpo unitario. Una realización incluye el perfil de flujo 40 que tiene una geometría descrita (en una forma simplificada) mediante una parábola con un eje inclinado de aproximadamente 30-45 grados y una relación de D/a de 2,5 a 4. En una realización, la porción de entrada 40 puede formarse como se describe en la Patente de los EE.UU. No. 3.337.121.

Desde la entrada 32, se proporciona el flujo de líquido a través de una placa de retención 66 y una placa de cubierta 68. En una realización alternativa, las placas 66 y 68 pueden estar formadas por una sola placa. A continuación, el líquido se suministra a un colector de suministro formado por una primera placa 70 y una segunda placa 72. La primera placa 70 define un canal central 74 para el flujo de líquido a las aberturas 76 proporcionadas en la segunda placa 72. El líquido proporcionado a través de las aberturas 76 se proporciona a una placa de chorro 78 acoplada de manera fluida a la porción de entrada 40. La placa de chorro 78 define una pluralidad de ranuras 80. Opcionalmente, las aberturas 76 proporcionadas en la segunda placa 72 pueden alinearse con las ranuras 80 en la placa de chorro 78. Tras la entrada de líquido en las ranuras 80, se forman chorros de líquido (por ejemplo, el chorro de líquido 80A en la Fig, 3) y se suministran a la porción de entrada 40. Además, cada una de las ranuras 80 puede definir una boquilla, de modo que la velocidad de los chorros de líquido aumente a medida que se mueven a través de una porción convergente de las boquillas antes de que se proporcionen a la porción de entrada 40. Esta descripción contempla que las ranuras 80 pueden formarse cortando con láser la placa de chorro 78, por ejemplo. Esta descripción contempla que el número y la separación entre las ranuras 80 puede variar a fin de lograr el efecto deseado, por ejemplo, la cantidad deseada de arrastre del gas y el líquido y la transferencia de calor y masa entre el gas y el líquido. Además, las ranuras 80 se forman cerca de los canales de recirculación 64 para mejorar la mezcla de líquido y gas. Opcionalmente, las ranuras 80 y los canales de recirculación 64 se pueden intercalar.

En la realización ilustrada, las ranuras 80 están orientadas en un ángulo de 30 grados (con respecto a una línea tangente de una circunferencia externa de la cámara 11) para producir un movimiento giratorio en sentido horario del líquido que entra en las ranuras 80. Esta descripción contempla que las ranuras se pueden orientar en ángulos distintos al ángulo de 30 grados, a fin de producir el movimiento de remolino. Alternativa o adicionalmente, las ranuras 80 no están orientadas aproximadamente a lo largo de un radio de la cámara 11 (por ejemplo, una línea que se extiende desde el centro hasta la circunferencia de la cámara 11). Aunque se pueden utilizar diferentes configuraciones, cada una de las ranuras 80 en la realización ilustrada converge desde un punto de entrada y cada uno de los chorros de líquido formados por el líquido que fluye a través de las ranuras 80 diverge, a continuación, a una confluencia general de cada uno de los chorros de líquido al entrar en la porción de entrada 40. Las variaciones de la placa de chorro 78 pueden incluir variaciones paramétricas del ángulo de remolino para las ranuras 80, una distancia de confluencia para cada ranura 80, el espesor de la placa, el área de salida para la ranura 80 y el ángulo de salida de la ranura 80. En una realización, la placa de chorro 78 puede estar hecha de una aleación de metal adecuada, tal como aluminio 6061 o acero inoxidable.

La Figura 4 ilustra esquemáticamente el conjunto de separación 15, que recibe gas comprimido a alta presión desde la cámara de AP 12. El gas comprimido se mezcla con el líquido comprimido en una mezcla de líquido/gas debido a la compresión que tiene lugar dentro de la cámara de BP 11 y la cámara de AP 12. El conjunto de separación 15 incluye un separador ciclónico 82 que forma una cámara y, opcionalmente, una pala del rotor 84 que se utiliza para separar el gas del líquido y producir gas seco comprimido. El gas comprimido de la cámara de alta presión 12 se suministra primero a una entrada 86 del separador ciclónico 82 desde la operación del conjunto de bomba 14. El separador ciclónico 82 incluye ilustrativamente un tubo externo 88 y un tubo interno 90 colocado dentro del tubo externo 88. En una realización, tanto el tubo externo 88 como el tubo interno 90 son metálicos (por ejemplo, de hierro fundido, acero inoxidable). Se introduce gas en el tubo externo 88 a través de la entrada 86 en un ligero ángulo hacia abajo y tangencial a una pared interna 92 del tubo externo 88 con el fin de producir un remolino. Las fuerzas centrífugas dentro del remolino operan para separar el líquido del gas. En particular, el líquido se fuerza contra la pared interior 92 y se desplaza a lo largo de la pared 92 hacia la parte inferior del separador 82. Después de que disminuye la rotación del remolino, el tubo interno 90 transfiere gas a la pala del rotor 84. En particular, el gas gira 180 grados hacia el interior del tubo interno 90 ya que el líquido, debido a su alta inercia, tiene la tendencia a acumularse en la parte inferior del tubo externo 88.

La Fig. 5 ilustra una porción de la pala del rotor 84 que recibe gas comprimido del tubo interno 90 a través de una entrada 94. En una realización, la pala del rotor 84 se forma a partir de un material plástico y se coloca dentro de una carcasa 95. La pala del rotor 84 puede ser soportada por rodamientos de alta resistencia química, libres de lubricación. La pala del rotor 84 es impulsada por la energía del flujo de gas desde el tubo interno 90. Después de pasar por la entrada 94, el gas se acelera usando al menos una boquilla 96 (dos de las cuales se ilustran) a una alta velocidad (por ejemplo, una velocidad de aproximadamente 50 ml) y se suministra en un ángulo poco profundo a una turbina 98 que incluye una pluralidad de hojas curvadas espaciadas circunferencialmente. La turbina 98 está construida como parte de la pala del rotor 84 y está ubicada en la parte inferior de la pala del rotor 84. Las boquillas 96 están talladas en un portador de cojinetes 100 posicionado para recibir flujo desde la entrada 94. Se apreciará que se pueden utilizar diferentes configuraciones para las boquillas 96 (por ejemplo, número de boquillas, ángulos de entrada y salida de las boquillas).

La Fig. 6 es una vista esquemática de otro sistema 60 para implementar un procedimiento que usa líquido presurizado para comprimir un gas. El sistema 60 incluye una cámara de BP 11, una cámara de AP 12 y un tanque de líquido 16. Estos componentes del sistema se describieron anteriormente en detalle con respecto a la Fig. 1 y, por lo tanto, no se describen con más detalle a continuación. Debe entenderse que el sistema 60 puede incluir componentes tales como válvulas, tuberías y similares para facilitar la transferencia de fluidos (por ejemplo, líquido y/o gas presurizado) dentro del sistema 60. De manera similar a la Fig. 1, se puede suministrar gas al sistema 60 desde una fuente 18 de gas. Se puede proporcionar una válvula de retención o una válvula de una vía 24 a lo largo de la línea de suministro de gas para evitar que el gas regrese al tanque 16 cuando comienza el procedimiento de compresión. Además, se puede suministrar líquido al tanque 16 desde una fuente de líquido 18A.

También de manera similar a la Fig. 1, en la Fig. 6, el gas se puede comprimir a una presión intermedia más alta en la cámara de BP 11 mediante el líquido proporcionado desde el tanque 16 durante una primera etapa de compresión. Posteriormente, en una segunda etapa de compresión, el gas se puede comprimir a una presión de almacenamiento aún más alta en la cámara de AP 12 mediante el líquido proporcionado desde el tanque 16. Además, como se analizó anteriormente con respecto a la Fig.1, después de la segunda etapa de compresión, el gas puede fluir a un conjunto separador conectado de manera fluida a la cámara de AP 12, donde se puede eliminar el líquido del gas de manera que quede gas comprimido seco. En la Fig. 6, el conjunto de bomba puede incluir una pluralidad de bombas, por ejemplo, dos bombas 22A-22B. Las bombas 22A-22B se pueden usar para suministrar líquido a la cámara de BP 11 y la cámara de AP 12. En otras palabras, las bombas 22A-22B pueden usarse para impulsar los pistones de líquido. Específicamente, la bomba 22A puede usarse para suministrar líquido a la cámara de Bp 11, y la bomba 22B puede usarse para suministrar líquido a la cámara de AP 12.

Opcionalmente, la bomba 22A puede ser una bomba de baja presión y flujo volumétrico alto, que es apropiada para los requisitos de flujo de la cámara de BP 11. Por ejemplo, la bomba 22A puede ser una bomba centrífuga de múltiples etapas. De manera alternativa o adicional, la bomba 22B puede ser una bomba de alta presión y flujo volumétrico bajo, que es apropiada para los requisitos de flujo de la cámara de AP 12. Por ejemplo, la bomba 22B puede ser una bomba de pistones radiales. Además, las bombas 22A-22B se pueden conectar opcionalmente de manera fluida en serie. Como se muestra en la Fig. 6, la bomba 22A puede proporcionar líquido tanto a la cámara de BP 11 como a la bomba 22B. En esta configuración, la bomba 22A puede proporcionar una altura de succión para la bomba 22B. Además, según esta configuración, cuando las bombas 22A-22B se operan en serie, la cámara de BP 11 y la cámara de AP 12 se pueden suministrar con líquido (y se puede efectuar la compresión) al mismo tiempo, por ejemplo, simultáneamente, en las cámaras de BP y AP. Por ejemplo, para comprimir el gas en la cámara de BP 11, se puede bombear líquido desde el tanque 16 a la parte superior de la cámara de BP 11, donde el líquido se inyecta a través de la geometría de entrada, en una realización, la boquilla Coanda, lo que da como resultado un arrastre de gas y la transferencia de calor entre el líquido y el gas. Al mismo tiempo, se puede bombear líquido desde el tanque 16 a la parte superior de la cámara de AP 12, donde el líquido se inyecta a través de la boquilla Coanda, lo que da como resultado el arrastre de gas y calor y la transferencia de masa entre el líquido y el gas. Por tanto, los procedimientos de compresión se realizan por lotes, con los dos pistones de líquido operando simultáneamente. Además, las bombas 22A-22B y su disposición en el sistema 60 pueden seleccionarse para minimizar el consumo de energía.

Alternativa o adicionalmente, se puede proporcionar una válvula de control 26 entre la cámara de BP 11 y la cámara de AP 12. La válvula de control 26 puede controlar el flujo de fluido (por ejemplo, gas y/o líquido) entre las cámaras de BP y de AP. Opcionalmente, la cámara de AP 12 puede disponerse o colocarse encima (por ejemplo, a una altura mayor con respecto a) la cámara de BP 11. En esta configuración, cuando la válvula de control 26 está en una posición abierta (por ejemplo, permitiendo que el fluido fluya entre las cámaras de BP y de AP), el gas comprimido en la cámara de BP 11 puede transferirse a la cámara de AP 12. Además, como se muestra en la Fig. 6, el retorno de líquido de la cámara de AP 12 (por ejemplo, el líquido usado para comprimir el gas durante el ciclo anterior) es a través de la cámara de BP 11. Por consiguiente, por la fuerza de la gravedad, el líquido también se puede transferir desde la cámara de alta presión 12 a la cámara de baja presión 11 a través de la válvula de control 26. Como se analizó anteriormente, el líquido puede ser devuelto finalmente al tanque 16, donde el líquido puede enfriarse, de manera opcional, por convección, por ejemplo, antes de ser reutilizado para su inyección en las cámaras de BP y de AP durante un ciclo de compresión posterior. En esta configuración, se puede usar una sola válvula de control (por ejemplo, la válvula de control 26) para transferir tanto el gas como el líquido entre las cámaras de BP y de AP. En consecuencia, es posible reducir el trabajo de barrido que, de otro modo, sería necesario para expulsar el gas comprimido de la cámara de AP 12.

La Fig. 7 es una vista esquemática de incluso otra realización de un sistema 700 para implementar un procedimiento que usa líquido presurizado para comprimir un gas. Esta realización de un sistema 700 comprende un sistema de múltiples etapas para comprimir gas usando un líquido. Sin perder la generalidad, para explicar la operación y el funcionamiento del sistema, se toma como ejemplo un sistema de compresión de dos etapas, aunque debe apreciarse que las realizaciones del sistema 700 pueden comprender más o menos etapas de compresión. En la realización mostrada, el sistema 700 comprende una etapa de compresión de baja presión (CBP) 702, una etapa de compresión de alta presión (CAP) 704, un tanque de fluido de relleno/recarga (T^f ) 706, una bomba de líquido de baja presión (BBP) 708, una bomba de líquido de alta presión (BAP) 710 y una serie de válvulas y tubos que conectan las cámaras y bombas como se muestra en la Figura 7. El sistema puede incluir alternativamente un sistema de separación de líquido/gas (SLG), que no se muestra en la FIG. 7.

En la realización mostrada, la CBP 702 está compuesta por dos cámaras separadas, una primera cámara de baja presión 712 y una segunda cámara de baja presión 714. La CAP 704 también consta de dos cámaras separadas, una primera cámara de alta presión 716 y una segunda cámara de alta presión 718. En una realización, el líquido, presurizado mediante la BBP 708, se introduce en la CBP 702 y comprime el gas desde una presión de entrada a una presión intermedia superior a la presión de entrada. Por ejemplo, si la presión de entrada es de 1,1 bar, la presión intermedia podría alcanzar alrededor de 20 bar. Durante la compresión del gas al nivel de presión intermedia (por ejemplo 20 bar), el gas se transfiere desde la CBP 702 a la BAP 704. En esta etapa, la BAP 710 introduce líquido presurizado en la CAP 704, comprimiendo aún más el gas a una presión más alta hasta una presión máxima (por ejemplo, 300 bar o más). Este sistema de doble cara de esta realización usa la bomba de manera más eficiente y reduce los requisitos de energía para la bomba.

De manera similar, una realización de este sistema puede configurarse de tal manera que se cree una región de baja presión en la cámara de compresión de baja presión 712, 714 a medida que se bombea el líquido fuera de la cámara. Esta baja presión puede extraer o succionar el gas entrante usado para recargar la cámara de compresión de baja presión 712, 714, sin la necesidad de un compresor de refuerzo. En los compresores típicos de relación de compresión fija, la presión de entrada que debe tener el gas entrante es fija. A menudo, esta presión es del orden de 1 a 2 bar o más. En el caso de esta realización del dispositivo, la función de relación de compresión variable de este sistema se puede usar en la cara de entrada del compresor para aceptar gas que viene de la línea de distribución a una presión baja del orden de 0,1 a 1 bar, sin dejar de cumplir las especificaciones de presión del gas de salida.

Aunque no se muestra en la FIG. 7, una realización alternativa de un sistema 700 para implementar un procedimiento que usa líquido presurizado para comprimir un gas puede estar compuesta por la combinación de un sistema de compresión de pistón mecánico convencional (por ejemplo, una etapa (por ejemplo, La CBP 702 o la CAP 704) y una o varias etapas de compresión del pistón de líquido en función de la presión de descarga final del gas. Por ejemplo, la CBP 702 se puede reemplazar con uno o más compresores de pistón mecánicos que comprimen el gas a una presión intermedia más alta que la presión de entrada antes de que se introduzca en la CAP 704 y se comprima a una presión más alta hasta una presión máxima. Este enfoque híbrido puede aprovechar las ventajas tanto de los sistemas de compresión de pistón mecánico convencionales a baja presión como de la operación altamente eficiente del sistema de pistón de líquido a alta presión.

La operación de un sistema de compresión de múltiples etapas como el que se muestra en la FIG. 7 se basa en una secuencia de "empujar-tirar". La secuencia operativa para un procedimiento de compresión de dos etapas se muestra en las Fig. 8A-8L como una serie de diagramas que representan diferentes "tomas de tiempo" consecutivas del sistema durante la operación. El sistema presentado en la Figura 8 se caracteriza por un procedimiento de compresión de dos etapas. Sin embargo, está claro para cualquier experto en la técnica que una operación similar sería aplicable a un sistema con un número mayor o menor de etapas de compresión.

FIG. 8A representa el inicio de un ciclo de compresión genérico después de que se haya efectuado la secuencia de inicio. En la Fig. 8A, la primera cámara de baja presión 712 está completamente llena de líquido presurizado (representada por un sombreado más oscuro), mientras que la segunda cámara de baja presión 714 está completamente llena de gas (representada por un sombreado más claro). Además, la segunda cámara de alta presión 718 se llena con gas comprimido a la presión intermedia (por ejemplo 20 bar), mientras que la primera cámara de alta presión 716 contiene líquido presurizado de la BAP 710. En la CBP 702, la BBP 708 bombea el líquido desde la primera cámara de baja presión 712 a la segunda cámara de baja presión 714 para comprimir el gas en la segunda cámara de baja presión 714. Simultáneamente, o casi simultáneamente, la BAP 710 bombea el líquido desde la primera cámara de alta presión 716 a la segunda cámara de alta presión 718 para comprimir el gas contenido en la segunda cámara de alta presión 718. Por lo tanto, este sistema se basa en una secuencia de "empujar-tirar" gas.

En la FIG. 8B, se abre una válvula de gas en la primera cámara de baja presión 712 y el gas comienza a fluir hacia la primera cámara de baja presión 712 desde una fuente externa como, por ejemplo, una tubería de gas natural (no representada), un tanque o depósito, y similares, mientras el líquido es bombeado desde la primera cámara de baja presión 712 a la segunda cámara de baja presión 714 por la BBP 708. En una realización de este dispositivo, cuando el líquido se bombea desde la cámara de presión 712 a la cámara de presión 714, se crea una zona de baja presión en la cámara de baja presión 712 que realmente extrae el gas de la fuente externa. Mientras tanto, la BAP 710 bombea líquido desde la primera cámara de alta presión 716 a la segunda cámara de alta presión 718, comprimiendo el gas en la segunda cámara de alta presión 718 y extrayendo el gas de la cámara de baja presión 714, hacia la cámara de alta presión 716.

En la FIG. 8C, el gas sigue entrando en la primera cámara de baja presión 712 mientras que el líquido sigue siendo bombeado desde la primera cámara de baja presión 712 a la segunda cámara de baja presión 714 y desde la primera cámara de alta presión 716 a la segunda cámara de alta presión 718.

En la FIG. 8D, la segunda cámara de alta presión 718 alcanza la presión de gas deseada y se abre una válvula de gas asociada con la segunda cámara de alta presión 718. A continuación, el gas puede fluir a un vehículo, tanque de almacenamiento o similar o, alternativamente, puede fluir a un sistema de separación de gas/líquido (no representado en las FIG. 7 u 8). Esto introduce una característica importante de esta realización. En los sistemas de compresión convencionales, el compresor tiene una relación de compresión fija de modo que el gas que sale del compresor siempre estará a la misma presión. A medida que el compresor llena un tanque vacío, esto significa que el gas se comprime a la alta presión final y debe regularse o reducirse la presión cuando el gas ingresa al tanque. Esto representa una pérdida de energía que se debe poner en el gas para comprimirlo a alta presión. En el caso de esta realización, el procedimiento de compresión se detiene (es decir, se detiene la altura del pistón de líquido) cuando la presión del gas está justo por encima del nivel requerido para hacer que el gas fluya hacia el tanque desde la cámara de alta presión.

En la FIG. 8E, todo el gas en la segunda cámara de alta presión 718 se ha transferido al sistema de separación u otra ubicación, y la válvula de gas se ha cerrado, mientras que la primera cámara de baja presión 712 ahora está llena de gas listo para la compresión. En la FIG. 8F, la primera válvula de gas de la cámara de baja presión 712 está cerrada porque el volumen se ha llenado completamente con gas. Después de esto, comienza un nuevo ciclo.

Las FIGS. 8G-8L representan fases de compresión en las que el líquido ahora es bombeado por la BBP 708 desde la segunda cámara de baja presión 714 a la primera cámara de baja presión 712 de modo que el gas en la segunda cámara de baja presión 714 se comprime. A la inversa, la BAP 710 también bombea el líquido desde la segunda cámara de alta presión 718 a la primera cámara de alta presión 716 y se comprime el gas en la primera cámara de alta presión 716.

Las válvulas de gas que conectan la tubería a la primera cámara de baja presión 712 y la segunda cámara de baja presión 714, las válvulas que conectan la primera cámara de baja presión 712 y la segunda cámara de baja presión 714 a la primera cámara de alta presión 716 a la segunda cámara de alta presión 718, las válvulas que conectan la primera cámara de alta presión 716 a la segunda cámara de alta presión 718 al sistema de separación (opcional), las válvulas de cruce de la BAP 710 y la BBP 708 y la válvula que conecta el tanque de almacenamiento de líquido 706 a la succión de la BBP 708 se controlan activamente para proporcionar el máximo diseño y flexibilidad de operación. Sin embargo, está claro para cualquier experto en la materia que la optimización del diseño de la válvula y del sistema de actuación (incluido el uso de un sistema colector que incluye todas las válvulas que pueden ser controladas activa o pasivamente) se puede efectuar para reducir tanto el costo, como el número y la complejidad de la disposición de la válvula, manteniendo intacta la funcionalidad básica del sistema.

Con el fin de proporcionar más detalles técnicos del sistema, en esta invención, se describe el dimensionamiento básico de una realización ejemplar del sistema 700. Por ejemplo, para un sistema que comprime un gas a 3600 psi y que tiene una velocidad de flujo de 2 scfm, las dimensiones geométricas típicas de los componentes pueden comprender la primera cámara de baja presión 712 y la segunda cámara de baja presión 714, cada una con volúmenes aproximados de 16 litros, con una reserva de alrededor de 2 litros (un volumen activo aproximado de alrededor de 14 litros); la primera cámara de alta presión 716 y la segunda cámara de alta presión 718 tienen, cada una, volúmenes aproximados de alrededor de 1,2 litros, con una reserva de alrededor de 0,2 litros, cada una; una BBP 708 que tiene una presión máxima de alrededor de 300 psi y una velocidad de flujo de alrededor de 18 galones/minuto; una BAP 710 que tiene una presión máxima de alrededor de 4000 psi y una velocidad de flujo de alrededor de un (1) galón/minuto.

Una realización alternativa del sistema mostrado en la FIG. 7 comprende además un volumen de amortiguación. Por ejemplo, se puede agregar una cámara de amortiguación entre la etapa de compresión de baja presión (CBP) 702 y la etapa de compresión de alta presión (CAP) 704. Por ejemplo, la cámara de amortiguación se puede agregar entre la segunda cámara de baja presión 714 y la primera cámara de alta presión 716. La función principal de la cámara de amortiguación es desacoplar los volúmenes de compresión de baja y alta presión. Por ejemplo, una o ambas cámaras de compresión de baja presión, la primera y la segunda 712, 714, pueden descargarse en la cámara de amortiguación y la cámara de amortiguación puede descargarse en una o ambas de la primera y la segunda cámara de compresión de alta presión 716, 718. En el caso de un sistema de múltiples etapas (más de dos etapas), se puede agregar una cámara de amortiguación entre una etapa de baja presión y una etapa de presión media y/o entre una etapa de presión media y una etapa de alta presión.

La FIG. 9 es una representación esquemática de una realización de un esquema para controlar la presión de descarga de la etapa de alta presión 702 en un sistema separador (opcional) 902. La presión de descarga de la cámara de alta presión 904 puede controlarse activamente para tener la mínima caída de presión a través del sistema de separación 902, las tuberías de interconexión y la presión de descarga final del gas. Como se muestra en la FIG. 9, la presión en una línea de conexión del tanque-separador 906 puede medirse o estimarse apropiadamente (P1), también puede medirse o estimarse de manera apropiada la presión en la cámara de alta presión 904 (P2). Conociendo estas dos presiones, una válvula de gas 908 de la cámara de alta presión 904 que conecta el volumen de la CAP puede controlarse usando un mecanismo de control 910 de tal manera que se abra cuando la presión en la cámara de alta presión 904 alcance la presión P1 más una reserva de presión deseada, para responder por la caída de presión en el separador 902 y conectar las líneas.

La operación descrita anteriormente con referencia a la FIG. 9 permite que realizaciones del sistema para comprimir un gas funcionen eficazmente como un compresor de relación de compresión variable. Esto permite un aumento significativo de la eficiencia, ya que este sistema de compresión está diseñado para comprimir el gas a un nivel que es suficiente para superar la presión actual en un tanque de almacenamiento 912. El control de presión 910 también se puede lograr con una válvula de retención pilotada simple que se abre mecánicamente cuando la diferencia de presión entre la salida del separador (o la salida de la cámara de compresión de AP, en caso de que no haya un separador) y el tanque de descarga 912 alcanza un valor predeterminado.

Como se describió anteriormente en esta invención, todas las cámaras de compresión de pistón de líquido (por ejemplo, la primera cámara de baja presión 712, la segunda cámara de baja presión 714, la primera y la segunda cámara de compresión de alta presión 716, 718, etc.) pueden usar una combinación de medios para permitir el enfriamiento interno del gas. Este enfriamiento permite alcanzar una operación casi isotérmica y, por lo tanto, aumentar la eficiencia del procedimiento de compresión. Una manera eficiente de lograr el enfriamiento interno del gas hace uso de un perfil Coanda que utiliza el efecto Coanda. Para los expertos en la técnica, es bien sabido que el efecto Coanda se caracteriza por la combinación de tres elementos principales: 1) la tendencia de un chorro de fluido que se aproxima a una superficie curva a permanecer adherido a la superficie; 2) la capacidad de un chorro de fluido para adherirse a una superficie cercana; y 3) la tendencia de un chorro que fluye sobre superficies curvas convexas a atraer un gran flujo de fluido circundante. Las realizaciones del sistema descrito en esta invención para comprimir gas pueden hacer uso de cada uno de estos elementos, pero específicamente del elemento 3).

La Figura 10 presenta una vista en sección transversal de una posible cámara de compresión de las realizaciones del sistema descrito en esta invención para comprimir un gas. Generalmente, las cámaras de compresión (por ejemplo, la primera cámara de baja presión 712, la segunda cámara de baja presión 714, la primera y la segunda cámara de compresión de alta presión 716, 718, etc.) de las realizaciones del sistema pueden equiparse con un puerto de admisión de gas 1002, un puerto de admisión de líquido 1004, una ranura de admisión de líquido 1006, un perfil Coanda 1008, un elemento de protección 1010 y una pantalla 1012. El gas se induce dentro de una cámara de compresión según la secuencia descrita en esta invención como de "empujar-tirar" (FIG. 8A-8L). Después de que el gas se introduce en la cámara y la llena completamente, el líquido comienza a fluir dentro de la cámara de compresión a través de la línea de admisión de líquido 1004 primero, a la ranura de admisión de líquido 1006 en segundo lugar y finalmente al perfil Coanda 1008. El elemento de cubierta 1010 ajusta el área de la garganta para el paso del líquido sobre el perfil Coanda 1008. Mientras que el líquido se introduce dentro de la cámara y fluye sobre el perfil Coanda 1008, el gas presente en la cámara es transportado por el líquido e induce un movimiento de circulación en el gas en la parte superior de la cámara de compresión debido al efecto Coanda, como se muestra en la Figura 11.

Como se muestra en la FIG. 11, la circulación del gas en la parte inferior 1102 y la parte superior 1104 del volumen de compresión, simultáneamente con el contacto del gas con el líquido, promueve y aumenta la transferencia de calor entre el líquido y el gas. Esta realización, que promueve la interacción entre el gas y el líquido, también puede usarse ventajosamente para la transferencia de masa. Por ejemplo, la velocidad de transferencia de un componente no deseado en el gas (como en el caso del agua en el gas natural) puede acelerarse por el efecto Coanda al líquido (por ejemplo, un fluido adsorbente como el trietilenglicol). En esta realización, la mejora de la transferencia de masa, así como la transferencia de calor, se pueden usar de manera ventajosa para muchos procedimientos químicos en los que un componente del gas que se va a comprimir se puede transferir al líquido. Mediante este mecanismo, el líquido enfría el gas y favorece la transferencia de calor al líquido. El líquido, una vez que ha salido del perfil Coanda 1008, fluye a lo largo de la pared de la cámara de compresión transfiriendo el calor de compresión del gas a la pared de la cámara y finalmente al ambiente (FIG. 11). El uso del efecto Coanda puede proporcionar un mecanismo eficiente para aumentar la transferencia de calor entre el gas y el líquido, proporcionando el medio principal para el enfriamiento interno del gas y, por lo tanto, la compresión casi isotérmica.

Los medios alternativos o adicionales para el enfriamiento interno del gas incluyen la adopción de geometrías internas en la cámara de compresión, incluyendo la tubería capilar. En una realización, la tubería capilar puede tener pequeños diámetros (por ejemplo, del orden de 1 mm o menos). Estas geometrías internas pueden proporcionar una forma alternativa o adicional de aumentar la transferencia de calor entre el gas y el líquido mediante el aumento del contacto superficial entre el gas y las superficies metálicas y, eventualmente, el líquido de compresión. Estas geometrías internas podrían estar ubicadas, por ejemplo, en la parte superior de las cámaras de compresión justo aguas arriba de las líneas de descarga del gas.

Un procedimiento alternativo o adicional de enfriamiento interno del gas puede incluir la admisión del líquido de tal manera que el propio líquido fluya a lo largo de la superficie interna del recipiente, con el fin de mejorar la transferencia de calor desde el gas al ambiente a través de la pared del contenedor. En esta realización, en la cámara de compresión, se pueden construir geometrías internas, como nervaduras en espiral para canalizar el flujo de líquido a medida que corre por la superficie interior de la cámara de compresión, a fin de maximizar el área de la superficie de contacto y el tiempo de contacto entre el líquido y la superficie de la cámara de compresión. Además, esta realización reducirá la profundidad de penetración de los chorros de líquido que caen en el volumen de líquido en la parte inferior de la cámara de compresión.

Un procedimiento alternativo o adicional de enfriamiento interno de gas puede incluir la admisión del líquido mediante un mecanismo de pulverización. La técnica de pulverización puede resultar o no en la vaporización parcial o completa del líquido, lo que producirá un efecto de enfriamiento sustancial sobre el gas.

Debido a la forma en que se comprime el gas en la CBP 702 y la CAP 704, y en general en cualquier etapa de compresión de pistón de líquido (por contacto directo con el fluido de compresión), podría ser necesario un sistema de separación a fin de separar las gotitas de líquido de compresión de la corriente de gas antes de que el gas se descargue del sistema. Por lo tanto, las realizaciones del sistema para comprimir un gas, como se describen en esta invención, también pueden equiparse con un sistema de separación para separar las gotitas de líquido que podrían ser arrastradas en la corriente de gas principal antes de que el gas sea suministrado al destino final.

La separación de las gotas de líquido de la corriente de gas se puede lograr mediante el uso de técnicas de separación mecánica bien conocidas que se usan actualmente, por ejemplo, en el campo del procesamiento de gas natural. Un posible diseño de separador considera el uso de un sistema de separación de múltiples etapas que podría caracterizarse por uno o una combinación de los siguientes elementos: primera etapa: paleta de entrada para distribuir el gas de manera uniforme en el sistema de separación; segunda etapa: malla metálica de alambre o similar, por ejemplo un medio altamente poroso (90% o más de cierre), las gotas de líquido son interceptadas por alambres, mientras que el gas fluye a través de la malla; y tercera etapa: separador ciclónico. Al gas, se le da una velocidad tangencial. Debido a la fuerza centrífuga, las gotas se depositan en las paredes y son recolectadas.

En una realización en la que se usan realizaciones del sistema descrito en esta invención para comprimir un gas que necesita ser deshidratado, el sistema puede usar el líquido de compresión para depurar el contenido de humedad residual en el gas. Esto se puede lograr usando un líquido higroscópico como líquido de compresión. Un posible candidato para el líquido de compresión es el trietilenglicol (TEG). Sin embargo, cualquier otra sustancia de la familia de los glicoles puede usarse para el mismo fin, junto con cualquier otro fluido que presente altas propiedades higroscópicas. Debido a sus altas propiedades higroscópicas, el TEG se usa con éxito en conjuntos industriales de deshidratación de gas natural. La humedad en la corriente de gas natural se absorbe en TEG, a continuación, el TEG se separa de la humedad por adición de calor y destilación del agua. Además de la alta higroscopicidad, el TEG presenta un número de otras propiedades físicas deseables que hacen que sea un buen candidato como líquido de compresión en las realizaciones del sistema: baja volatilidad (un punto de ebullición a 1 atmósfera es 288°C), la alta solubilidad de agua en TEG (100%), la gravedad específica (1,12 a 20°C), la caída del punto de congelamiento (­ 4,3°C), muy baja toxicidad, bajo costo, una regeneración relativamente simple mediante adición de calor y propiedades solventes.. El líquido también se puede usar para lavar, depurar o limpiar el gas de otras impurezas, como partículas u otros productos químicos no deseados. La gran interacción que se promueve entre el líquido y el gas a través del efecto Coanda también puede mejorar la transferencia de masa y, de hecho, esta característica se puede usar para otras aplicaciones en las que se usa un líquido para limpiar o purificar un gas, o viceversa. Además, se puede agregar un filtro, un elemento de procesamiento químico o un intercambiador de calor para restaurar el fluido a su condición original.

Si se usa un líquido higroscópico como líquido de compresión, este líquido puede capturar la humedad originalmente presente en la corriente de gas mientras se comprime el gas. Debido a las características del diseño de las realizaciones del sistema descrito en esta invención, el contacto entre el líquido de compresión y el gas puede mejorarse durante el procedimiento de compresión permitiendo que el líquido de compresión capture efectivamente la humedad en el gas (véase, por ejemplo, la FIG. 11).

Por ejemplo, si el gas que se comprime es gas natural, suponer un contenido de humedad de la tubería de gas natural de 7 lb/MMscf (0,38 g/GGE), se puede estimar que la humedad que se puede capturar en el TEG (o cualquier otro líquido higroscópico) será del orden de alrededor de 2,7 g por 10 GGE de gas comprimido (10 horas de operación a 1 GGE/h, típico para un relleno completo de un tanque de combustible de un automóvil). Para reducir la complejidad y el coste, en una realización no se proporciona ningún sistema de regeneración en el sistema para comprimir gas. El líquido se drenará y cambiará en el sistema después de un número definido de horas de operación (por ejemplo, 1000 horas). Este sistema eliminará la necesidad de un sistema de secado por separado, como suele estar presente en otros productos comerciales que usan técnicas de compresión convencionales. En caso de que el coste y la complejidad agregada no sean un problema, a las realizaciones del sistema descrito en esta invención, se puede agregar un sistema de regeneración para el líquido de compresión. De manera alternativa o adicional, se puede agregar un secador de gas aguas abajo del sistema de compresión o, alternativamente, aguas abajo del separador (en caso de que haya un separador presente en el sistema).

En el caso de que el gas que se comprima sea gas natural, los hidrocarburos pesados presentes en pequeños porcentajes en el gas natural pueden mantenerse activamente en el estado líquido, manteniendo la temperatura del líquido apropiadamente más alta que la del punto de rocío del gas a cada presión. Consulte las FIGS. 12A y 12B, que muestran los diagramas de fase del gas natural.

La FIG. 12A presenta el diagrama de fases de un gas natural con una composición típica de tubería. La región dentro de la curva representa el área en la que el gas y el líquido están presentes simultáneamente en la mezcla. La línea que separa la región de gas/líquido de la región de gas se llama curva de punto de rocío. Al mantener la temperatura del gas apropiadamente más alta que el punto de rocío de la mezcla (por ejemplo, a 65°F), no se producirá la pérdida de líquido.

La FIG. 12B representa la situación relacionada con tres composiciones diferentes de gas natural. La composición de gas A es típica (igual que en la FIG. 12A), la composición de gas B y la composición de gas C representan, en cambio, mezclas con mayor y menor contenido de hidrocarburos pesados, respectivamente. A través de este gráfico, es evidente que la curva del punto de rocío tiende a moverse hacia temperaturas más altas con mayor contenido de hidrocarburos pesados. Por esta razón, las realizaciones del sistema descrito en esta invención se pueden ajustar para evitar la pérdida de líquido independientemente de la composición del gas natural de la tubería simplemente controlando la temperatura del gas durante la compresión.

Claims (18)

REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento para comprimir un gas usando un líquido, que comprende:

mantener un primer volumen de líquido en una primera cámara de alta presión (716);

mantener un primer volumen de gas en una segunda cámara de alta presión (718), donde el primer volumen de gas está a una primera presión y dicha primera cámara de alta presión (716) y dicha segunda cámara de alta presión (718) están conectadas de manera fluida a través de una bomba de alta presión (710); y

forzar un gas presurizado dentro de la primera cámara de alta presión (716) que tiene el primer volumen de líquido y bombear simultáneamente, mediante el uso de la bomba de alta presión 710), al menos una porción del primer volumen de líquido en la primera cámara de alta presión (716) a la segunda cámara de alta presión (718), donde al menos una porción del primer volumen de líquido bombeado a la segunda cámara de alta presión (718) comprime el primer volumen de gas en la segunda cámara de alta presión (718) a una segunda presión mayor que la primera presión.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, donde forzar el gas presurizado dentro de la primera cámara de alta presión (716) que tiene el primer volumen de líquido comprende, además:

mantener un segundo volumen de líquido en una primera cámara de baja presión (712);

mantener un segundo volumen de gas en una segunda cámara de baja presión (714), donde dicha primera cámara de baja presión y dicha segunda cámara de baja presión están conectadas de manera fluida a través de una bomba de baja presión (708);

presurizar el segundo volumen de gas en la segunda cámara de baja presión bombeando, mediante el uso de la bomba de baja presión, al menos una porción del segundo volumen de líquido en la primera cámara de baja presión (712) a la segunda cámara de baja presión (714), donde la segunda cámara de baja presión está conectada de manera fluida con la primera cámara de alta presión (716) y al menos una porción del segundo volumen presurizado de gas es forzada al interior de la primera cámara de alta presión; y

extraer gas hacia adentro de la primera cámara de baja presión a medida que se bombea al menos una porción de líquido en la primera cámara de baja presión (712) a la segunda cámara de baja presión (714).

3. El procedimiento de la reivindicación 2, donde una o más de la primera cámara de alta presión (716), la segunda cámara de alta presión (718), la primera cámara de baja presión (712) y la segunda cámara de baja presión tienen una geometría interna para aumentar el área de superficie de contacto entre el gas, una superficie interna de la cámara y el líquido.

4. El procedimiento de la reivindicación 3, donde la geometría interna de una o más de la primera cámara de alta presión (716), la segunda cámara de alta presión (718), la primera cámara de baja presión y la segunda cámara de baja presión comprende un perfil Coanda (1008), donde el perfil Coanda proporciona preferentemente un efecto Coanda que se usa para aumentar la transferencia de masa para ayudar en la purificación del gas mediante el líquido, o del líquido mediante el gas;

el procedimiento preferentemente comprende, además, hacer circular el gas y el líquido en una parte inferior (1102) y una parte superior (1104) de una o más de la primera cámara de alta presión, la primera cámara de baja presión, segunda cámara de alta presión o las segundas cámaras de baja presión para aumentar la transferencia de calor y masa entre el líquido y el gas.

5. El procedimiento de la reivindicación 3, que comprende, además:

- proporcionar una tubería capilar en una o más de la primera cámara de alta presión (716), la primera cámara de baja presión (712), la segunda cámara de alta presión (718) o la segunda cámara de baja presión (714) para aumentar la transferencia de calor entre el líquido y el gas, donde proporcionar la tubería capilar preferentemente comprende proporcionar la tubería capilar con diámetros de 1 mm o menos;

- el uso de la geometría interna para hacer que el líquido fluya a lo largo de una superficie interna de una o más de la primera cámara de alta presión (716), la primera cámara de baja presión (712), la segunda cámara de alta presión (718) o la segunda cámara de baja presión (714); o

- admitir el líquido en una o más de la primera cámara de alta presión (716), la primera cámara de baja presión (712), la segunda cámara de alta presión (718) o la segunda cámara de baja presión cámara de presión (714) a través de un mecanismo de pulverización.

6. El procedimiento de la reivindicación 2, que comprende, además:

- agregar una cámara de amortiguación entre una o más de la primera cámara de alta presión (716), la primera cámara de baja presión (712), la segunda cámara de alta presión (718) o la segunda cámara de baja presión (714), donde preferentemente una o más de la primera cámara de baja presión y la segunda cámara de baja presión se descargan en la cámara de amortiguación y la cámara de amortiguación se descarga en una o más de la primera cámara de alta presión y la segunda cámara de alta presión;

- el procedimiento comprende preferentemente, además, proporcionar una cámara de presión media, donde la cámara de amortiguación se agrega entre una o más de la primera cámara de baja presión y la segunda cámara de baja presión y la cámara de presión media o entre la cámara de presión media y una o más de la primera cámara de alta presión y la segunda cámara de alta presión.

7. El procedimiento de la reivindicación 1, donde forzar el gas presurizado hacia la primera cámara de alta presión (716) que tiene el primer volumen de líquido comprende además presurizar un segundo volumen de gas usando un compresor de pistón mecánico y al menos una porción del segundo volumen de gas presurizado es forzada hacia la primera cámara de alta presión (716).

8. El procedimiento de la reivindicación 1, que comprende además proporcionar un sistema de separación, donde el sistema de separación se usa para separar las gotitas de líquido arrastradas en el gas, donde preferentemente se aplica uno o más de los siguientes:

- el líquido comprende un líquido higroscópico para eliminar la humedad del gas, donde el líquido se usa preferentemente para lavar, depurar o limpiar el gas de otras sustancias químicas o partículas no deseadas;

- el líquido es un miembro de la familia de los glicoles, en particular un trietilenglicol (TEG); y

- el líquido se caracteriza por una alta higroscopicidad.

9. El procedimiento de la reivindicación 1, que comprende además proporcionar un filtro, un elemento de procesamiento químico o intercambiador de calor para purificar el gas o líquido.

10. Un sistema para comprimir un gas usando un líquido, que comprende:

una primera cámara de alta presión (716) que tiene un primer volumen de líquido, donde un gas presurizado es forzado a entrar en la primera cámara de alta presión que tiene el primer volumen de líquido;

una bomba de alta presión (710); y

una segunda cámara de alta presión (718), donde se mantiene un primer volumen de gas en la segunda cámara de alta presión y donde el primer volumen de gas está a una primera presión y dicha primera cámara de alta presión (716) y dicha segunda la cámara de alta presión (718) están conectadas de manera fluida a través de la bomba de alta presión (710),

donde al menos una porción del primer volumen de líquido en la primera cámara de alta presión es bombeada simultáneamente a la segunda cámara de alta presión, donde al menos una porción del primer volumen de líquido bombeado a la segunda cámara de alta presión comprime el primer volumen de gas en la segunda cámara de alta presión a una segunda presión mayor que la primera presión.

11. El sistema de la reivindicación 10, que comprende, además:

una primera cámara de baja presión (712) que tiene un segundo volumen de líquido;

una segunda cámara de baja presión (714) que tiene un segundo volumen de gas, donde dicha primera cámara de baja presión y dicha segunda cámara de baja presión están conectadas de manera fluida a través de una bomba de baja presión; y,

presurizar el segundo volumen de gas en la segunda cámara de baja presión bombeando, mediante el uso de la bomba de baja presión (708), al menos una porción del segundo volumen de líquido en la primera cámara de baja presión (712) a la segunda cámara de baja presión (714), donde la segunda cámara de baja presión está conectada de manera fluida con la primera cámara de alta presión y al menos una porción del segundo volumen presurizado de 5 gas es forzada al interior de la primera cámara de alta presión; donde el gas se extrae hacia dentro de la primera cámara de baja presión a medida que al menos una porción del líquido en la primera cámara de baja presión es bombeada hacia la segunda cámara de baja presión.

12. El sistema de la reivindicación 11, donde una o más de la primera cámara de alta presión (716), la segunda cámara 10 de alta presión (718), la primera cámara de baja presión (712) y la segunda cámara de baja presión tienen una geometría interna para aumentar el área de superficie de contacto entre el gas, una superficie interna de la cámara y el líquido.

13. El sistema de la reivindicación 12, donde la geometría interna de una o más de la primera cámara de alta presión 15 (716), la segunda cámara de alta presión (718), la primera cámara de baja presión (712) y la segunda cámara de baja presión comprende un perfil Coanda (1008), donde el perfil Coanda proporciona preferentemente un efecto Coanda que se usa para aumentar la transferencia de masa para ayudar en la purificación del gas mediante el líquido, o del líquido mediante el gas;

donde el sistema preferentemente comprende, además, hacer circular el gas y el líquido en una parte inferior (1102) 20 y una parte superior (1104) de una o más de la primera cámara de alta presión (716), la primera cámara de baja presión (712), segunda cámara de alta presión (718) o las segundas cámaras de baja presión (714) para aumentar la transferencia de calor y masa entre el líquido y el gas.

14. El sistema de la reivindicación 12, donde:

25

- una o más de la primera cámara de alta presión (716), la primera cámara de baja presión (712), la segunda cámara de alta presión (718) o la segunda cámara de baja presión (714) comprenden además una tubería capilar para aumentar la transferencia de calor entre el líquido y el gas, donde la tubería capilar tiene preferentemente un diámetro de 1 mm o menos;

30

- la geometría interna comprende una superficie interna y donde la geometría interna hace que el líquido fluya a lo largo de la superficie interna de una o más de la primera cámara de alta presión (716), la primera cámara de baja presión (712), la segunda cámara de alta presión (718) o la segunda cámara de baja presión (714); o

35 - la geometría interna comprende además un mecanismo de pulverización, y donde el líquido es admitido en una o más de la primera cámara de alta presión (716), la primera cámara de baja presión (712), la segunda cámara de alta presión (718) o la segunda cámara de baja presión cámara de presión (714) a través del mecanismo de pulverización.

15. El sistema de la reivindicación 11, que comprende además una o más cámaras de amortiguación, donde una o 40 más cámaras de amortiguación se agregan entre una o más de la primera cámara de alta presión (716), la primera cámara de baja presión (712), la segunda cámara de alta presión (718) o la segunda cámara de baja presión (714), donde preferentemente una o más de la primera cámara de baja presión y la segunda cámara de baja presión se descargan en una o más cámaras de amortiguación y una o más cámaras de amortiguación descargan en una o más de la primera cámara de alta presión y la segunda cámara de alta presión,

45

donde el sistema preferentemente comprende además una o más cámaras de presión media, donde la cámara de amortiguación se agrega entre una o más de la primera cámaras de baja presión cámara de presión (712) o la segunda cámara de baja presión (714) y la cámara de presión media, o entre una o más cámaras de presión media y una o más de la primera cámara de alta presión (716) o la segunda cámara de alta presión (718).

50

16. El sistema de la reivindicación 10, que comprende además uno o más compresores de pistón mecánicos, donde forzar el gas presurizado hacia la primera cámara de alta presión que tiene el primer volumen de líquido comprende además presurizar un segundo volumen de gas usando uno o más compresores de pistón mecánicos y al menos una porción del segundo volumen de gas presurizado es forzada hacia la primera cámara de alta presión (716).

55

17. El sistema de la reivindicación 10, que comprende además un sistema de separación, donde el sistema de separación se usa para separar las gotitas de líquido arrastradas en el gas, donde se aplica uno o más de los siguientes:

60 - el líquido comprende un líquido higroscópico para eliminar la humedad del gas, donde el líquido higroscópico se usa preferentemente para lavar, depurar o limpiar el gas de sustancias químicas o partículas no deseadas;

- el líquido es un miembro de la familia de los glicoles, en particular trietilenglicol (TEG); y

- el líquido se caracteriza por una alta higroscopicidad.

18. El sistema de la reivindicación 10, que comprende además un filtro, un elemento de procesamiento químico o intercambiador de calor para purificar el gas o líquido.