專利名稱：液體噴射壓縮機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用液體壓縮來壓縮氣體的方法。
背景技術(shù)：
已經(jīng)使用噴射器通過壓縮氣體從低于大氣壓到大氣壓來產(chǎn)生真空。噴射器的操作原理已經(jīng)擴(kuò)展到將氣體壓縮到更高的壓力。特別是如流體工程雜志(Journal of Fluid Engineering)1974年9月216-226頁上R.G.Cunningham和R.J.Dopkin的文章“Jet Breakup and Mixing Throat Lengths for Liquid Jet Gas Pump”中公開的那樣，氣體從13psia(0.88大氣壓，88.88千帕)開始壓縮到50psia(3.4大氣壓，343.4千帕)。在本文中，噴射器可以被稱為液體噴射壓縮機(jī)，即利用液體壓縮氣體。如在JOFE文章中公開的那樣，通過液體從噴嘴在高至165psia(11.2大氣壓，1120千帕)的壓力下軸向注入，產(chǎn)生氣體的壓縮。液體沿著管子的長度注入，將要被壓縮的低于大氣壓氣體吸入到管中，結(jié)果使液體分離成液滴，并與氣體混合。所以稱該管為混合喉管。液滴的混合物接著進(jìn)入稱為擴(kuò)散區(qū)的體積膨脹區(qū)，在那里動能減小壓力增加，即液體的速度減小。液滴在混合喉管中與氣體的混合和在擴(kuò)散區(qū)中速度的減小兩者的組合分別將液體的動量和功能轉(zhuǎn)換成氣體的壓縮，然后氣體可以通過如旋流式分離器從液體中分離作下一步使用。
化學(xué)工業(yè)面對的一個問題是以安全的方式壓縮反應(yīng)性氣體。不幸的是已知許多反應(yīng)性氣體，如供給化學(xué)方法的反應(yīng)物氣體都具有爆炸的危險，這是由于用常規(guī)的機(jī)械膜式或活塞式壓縮機(jī)的壓縮熱所致。在某些情況，氣體可能自動點火燃燒或因爆炸力而過早聚合。

發(fā)明內(nèi)容
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以操作液體噴射壓縮機(jī)安全地壓縮氣體到比至今能獲得的高得多的壓力，即至少到7大氣壓(707千帕)，甚至到25大氣壓(2525千帕)和更高。因此，本發(fā)明的方法包括在至少為16大氣壓(1616千帕)的壓力下將液體軸向注入到吸入管內(nèi)，使要壓縮的氣體被吸入到所述吸入管內(nèi)以與其中注入的液體接觸，在所述管內(nèi)與所述氣體接觸的所述液體的速度使所述液體在所述管內(nèi)分離成液滴以形成所述液滴與所述氣體的混合物，從而所述液體的動量傳遞給所述氣體，可選擇地讓所述混合物進(jìn)入速度減小的區(qū)域，從而將所述液體的動能傳遞給所述氣體，結(jié)果達(dá)到將所述氣體壓縮到至少7大氣壓。大部分的氣體壓縮發(fā)生在吸入管中，如至少85％的壓縮。使用速度減小的區(qū)域進(jìn)行輔助的壓縮能使該方法獲得最大的性能，但是如果在管內(nèi)的壓縮已經(jīng)足夠用于壓縮氣體的計劃用途，可以省略這個區(qū)。
在優(yōu)選的實施例中，要壓縮的氣體是反應(yīng)性氣體，例如用作供給化學(xué)反應(yīng)的氣體的反應(yīng)物氣體。


圖1是可以用于本發(fā)明方法中的液體噴射壓縮機(jī)的示意側(cè)向剖面圖。
圖2是用于圖1的壓縮機(jī)中優(yōu)選孔的側(cè)向剖面圖。
具體實施例方式
圖1中，液體噴射壓縮機(jī)2包括中空管4，該管的中空內(nèi)部限定該壓縮機(jī)的混合喉管6?；旌虾砉艿闹睆絻?yōu)選地是沿著它的長度恒定的。液體注入噴嘴8定位在管4的上游端附近，噴嘴有瞄準(zhǔn)喉管6(管)的縱向軸線11的孔12。液體在高壓下例如通過泵(未表示)供給噴嘴8，使這液體通過孔12沿著喉管的軸線以高速液流10注入。管4的上游端通向集氣管部段14，該部段裝設(shè)一個或幾個要壓縮的氣體的入口16，該部段包圍噴嘴8從而使液體注入到喉管中造成通過入口吸入氣體并進(jìn)入喉管。該管(喉管)的下游端19通向擴(kuò)散器18，擴(kuò)散器由向外張開的錐形壁20限定。管4，集氣管14和擴(kuò)散器18優(yōu)選地都是圓形截面并與管4的縱向軸線同心。如上所述，壓縮機(jī)可以終止在管4的下游端19。
在操作中，將液體供給到噴嘴中用于沿著管4的縱向軸線高速注入到管4中。這種注入造成(要壓縮的)氣體通過集氣管14周圍的入口16吸入并進(jìn)入到管4的喉管以與注入的液體接觸。吸入的氣體包圍液流10在各個方面與其接觸。在吸入氣體和高速液流之間這種接觸的結(jié)果是使液流分離成為液滴，在鄰近該管下游端19的區(qū)域22內(nèi)液滴與氣體形成混合物。管4有足夠的長度以在到達(dá)下游端19之前使液流10分離成液滴。液滴/氣體的混合物進(jìn)入擴(kuò)散器18(如果有的話)，因為擴(kuò)散器比管有更大的截面積(體積)，使混合物的速度降低。
圖2表示孔12的優(yōu)選孔構(gòu)形，其中噴嘴8終止在板24，孔12中心定位在該板內(nèi)。板24例如通過焊接附接到噴嘴殼體26?？?2包括與該管縱向軸線平行的平臺區(qū)28，平臺區(qū)同心地連接到其下游的傾斜區(qū)30，因此孔的平臺區(qū)28為從噴嘴注入的液流提供刀一樣的出口。平臺區(qū)的寬度優(yōu)選地是1-3mm。這種刀一樣的出口的效果是幫助液流分離成液滴，從而可以使管子(和該喉管)的長度最小，因此使由于在液流和限定喉管6的該管內(nèi)壁之間的摩擦造成的流體能量損失最小。
氣體的壓縮主要發(fā)生在喉管的區(qū)域22中，通過液滴對氣體的作用液體把動量傳遞給氣體，和根據(jù)伯努利定理(當(dāng)流動面積增加從而速度減小時動能轉(zhuǎn)換成勢能(壓力))通過液體的動能傳遞給氣體在擴(kuò)散器中完成氣體的壓縮。然后通過如旋流器的氣/液分離設(shè)備可將壓縮的氣體從液體中分離。
通過在很高速度下經(jīng)過噴嘴8將液體供給到管4中可獲得至少7個大氣壓的氣體壓縮，通過在液體到噴嘴的輸入口上加高壓獲得這個高速。需要至少16個大氣壓的壓力來獲得這個結(jié)果。獲得這個結(jié)果的液體噴射壓縮機(jī)的幾何形狀的例子將表示在該實例中。
為了增加所需的氣體壓縮，在高于大氣壓如至少為2個絕對大氣壓(atm abs.)(202千帕)下通過入口16將氣體引入到壓縮機(jī)中可能是優(yōu)選的。用大于十倍進(jìn)氣壓力(通過入口16)的系數(shù)的液體噴射壓縮機(jī)很難增加氣體的壓力。因此，如果需要壓縮到壓力大于20大氣壓(2020千帕)，將需要相應(yīng)地增加進(jìn)氣壓力。優(yōu)選地由液體噴射壓縮機(jī)獲得的氣體壓力增加是4到8倍的進(jìn)氣壓力。甚至進(jìn)氣也可以是在壓力下，無論如何進(jìn)氣仍受到高速液流10吸入作用的影響，借助液流10的速度大于進(jìn)氣的速度，液流沿著喉管6注入。通過常規(guī)的裝置例如機(jī)械壓縮機(jī)可以獲得進(jìn)氣的壓縮，但也可以采用第二液體噴射壓縮機(jī)來獲得所需的進(jìn)氣壓縮。在那種情況下在第二壓縮機(jī)中增加第一壓縮機(jī)的氣體輸出的壓縮?？梢允褂眠B續(xù)的附加壓縮機(jī)以便得到最終所需的壓縮。
這樣的液體到噴嘴的體積流速也是優(yōu)選的，即，使進(jìn)氣的體積流速小于液體體積流速的三倍。
本發(fā)明可以應(yīng)用于所有氣體，有機(jī)的和無機(jī)的，如包括HCl，HBr，HF的氫鹵酸氣，鹵族氣體如氯氣，氟氣，脂肪族烴如甲烷，乙烷和丙烷，烯烴如乙烯，丙烯，丁烯，丁二烯和乙炔及鹵代有機(jī)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。氣體可以夾帶懸浮顆粒，如懸浮的固體顆?；蛞旱?，通過與液流接觸這些可從氣體中除去。任何與要壓縮的氣體相容的液體都可使用。相容意思是液體不會與氣體以不希望的方式互相作用。通常這將意味著液體將不會與氣體反應(yīng)除非反應(yīng)是需要的。還可希望通過液體與氣體混合物一個組份或者溶解或者反應(yīng)，使液體與氣體混合物的一部分(組份)互相作用，而同時壓縮氣體的其余部分。液體的例子包括水，水介質(zhì)和有機(jī)液體。有利地，也可以使用本發(fā)明的壓縮方法在壓縮氣體的同時冷卻氣體。所以，進(jìn)氣可以在至少50℃的溫度，液流在壓縮氣體的同時冷卻氣體到小于40℃的溫度。這種冷卻效果提供了消減壓縮熱量的明顯的安全效益，以便使過早反應(yīng)和/或爆炸的可能性減至最小。一旦液體從壓縮氣體中分離，這樣的液體可以送到循環(huán)泵再循環(huán)使用，循環(huán)泵在高壓下將液體送到噴嘴8。
本發(fā)明壓縮氣體的方法還可以包括壓縮至足夠高的程度以使被壓縮氣體全部或部分液化(凝結(jié))。然后冷結(jié)的液體可以通過常規(guī)的液/液分離法與液流10分離，如當(dāng)液體不能混溶時用傾析法將例如烴類液體與水分離。
這個發(fā)明特別有利于供給化學(xué)反應(yīng)的高壓氣體，這些氣體可能是對熱敏感的，如在經(jīng)受熱時可能會產(chǎn)生分解甚至爆炸，而用其他的方法進(jìn)行氣體壓縮將會產(chǎn)生熱量。由于在壓縮機(jī)2中存在液體冷卻了被壓縮的氣體，使得壓縮實際上是等溫的。所以壓縮可以在低于50℃的溫度下進(jìn)行。在壓縮機(jī)2中沒有運動的機(jī)械部件存在，由于金屬與金屬接觸可能造成局部的高溫。當(dāng)用壓縮機(jī)使氣體冷結(jié)時，不會造成如活塞式壓縮機(jī)這樣的對壓縮機(jī)的損害的危險。
實例在這些實例中，液體噴射壓縮機(jī)由不銹鋼制成，具有如下的尺寸管4(喉管)的內(nèi)直徑0.546in(1.39cm)管4的長度15in(38.1cm)噴嘴孔直徑 0.34in(0.86cm)噴嘴孔到喉管入口的距離 1.6in(3.8cm)
在排放端的擴(kuò)散器直徑 0.742in(1.88cm)擴(kuò)散器長度 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。常用于氣體壓縮的液體是在31-33℃的溫度。
表試驗細(xì)節(jié)和壓縮結(jié)果實例 1 2 3 4 5 6氣體 C3H6HClHClHCl/N2C2H2TFE入口壓力 3 6.11 1 1.75.4(絕對大氣壓)入口氣體溫度℃33 33 5003333 33液體 H2OOILOILH2O H2O H2O液體壓力33.5101.2 20.1 20.1 22.2 101.6(絕對大氣壓)(兆帕)0.3410.22 2.03 2.03 2.24 10.26液體溫度℃31 33 33 3333 33液體速率，GPM 44 82 34 3534 80m3/min 0.170.31 0.13 0.13 0.13 0.30氣體速率kg/hr 102 340.5 9.120.1 27.2 817.2m3/min 0.330.61 0.25 0.26 0.26 0.60氣體出口壓力喉管(絕對大氣壓) 13.234.0 7.17.1 7.436.1(兆帕)1.333.43 0.72 0.72 0.75 3.65擴(kuò)散器(絕對大氣壓) 13.237.4 7.57.5 8.238.4(兆帕)1.333.78 0.76 0.76 0.83 3.88氣體出口溫度℃32 33 33.2 33.6 33 33在實例1的試驗中，因為出口溫度低于壓縮產(chǎn)生量的飽和溫度，被壓縮的丙烯在喉管中冷結(jié)。
實例2表示用烴類油壓縮無水HCl到高壓。
實例3表示同時壓縮和冷卻。
在實例4的試驗中，HCl/氮氣混合物各自的比例是50/50摩爾百分比，通過與水直接接觸從氣流中除去HCl，HCl被吸收(溶解)到水中，因此是進(jìn)氣中氮氣組份被壓縮。注入到喉管中的水流可以用例如水性的堿溶液代替，在這種情況下HCl將與堿反應(yīng)生成鹽溶液，從而在被壓縮的氮氣中除去HCl。
實例5和6表示反應(yīng)性氣體乙炔和四氟乙烯的等溫壓縮。
各實例還表示大部分的壓縮(超過85％)發(fā)生在管4的喉管6中。
權(quán)利要求
1.一種方法，其包括在至少16個大氣壓的壓力下將液體軸向注入到吸入管中，將要壓縮的反應(yīng)性氣體吸入到所述管中以與注入其中的液體接觸，在所述管內(nèi)接觸所述氣體的所述液體的速度使所述液體在所述管中分離成液滴以形成所述液滴和所述氣體的混合物，從而把所述液體的動量傳遞給所述氣體，可選擇地讓所述混合物進(jìn)入速度減小的區(qū)域，從而把所述液體的動能傳遞給所述氣體，并且其結(jié)果是達(dá)到將所述氣體壓縮到至少7個大氣壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氣體在至少2個大氣壓的壓力下被吸入到所述管中。
3.根據(jù)權(quán)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氣體對所述液體的體積比小于3∶1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將所述氣體壓縮到至少25個大氣壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氣體包括與所述液體互相作用的組份，從而所述壓縮是對所述氣體的其余部分的壓縮。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述組份溶解在所述液體中。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述組份與所述液體反應(yīng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氣體包含用所述液體從所述氣體中除去的顆粒。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氣體的溫度為至少50℃，并且在所述壓縮方法中接觸所述氣體的所述液體將所述氣體冷卻到小于40℃的溫度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述液體通過具有象刀一樣的邊緣和下游傾斜部分的孔注入。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述反應(yīng)性氣體選自包括氫鹵酸氣體、鹵族氣體、脂肪族烴氣體、烯烴氣體和鹵代有機(jī)化合物氣體。
12.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述反應(yīng)性氣體供給化學(xué)反應(yīng)。
13.一種壓縮供給化學(xué)反應(yīng)的氣體的方法，其包括以下各步，在至少16個大氣壓的壓力下將液體軸向注入到吸入管中，將要壓縮的反應(yīng)物氣體吸入到所述管中以與注入其中的液體接觸，在所述管內(nèi)接觸所述氣體的所述液體的速度使所述液體在所述管中分離成液滴，以形成所述液滴和所述氣體的混合物，從而把所述液體的動量傳遞給所述氣體，讓所述混合物進(jìn)入速度減小的區(qū)域，從而把所述液體的動能傳遞給所述反應(yīng)物氣體，并且其結(jié)果是達(dá)到將所述反應(yīng)物氣體壓縮到至少7個大氣壓。
14.一種化學(xué)方法，其包括通過在至少16個大氣壓的壓力下將液體軸向注入到吸入管中壓縮反應(yīng)物氣體的各步；將要壓縮的反應(yīng)物氣體吸入到所述管中以與注入其中的液體接觸，在所述管內(nèi)接觸所述氣體的所述液體的速度使所述液體在所述管中分離成液滴以形成所述液滴和所述氣體的混合物，從而把所述液體的動量傳遞給所述氣體，并且讓所述混合物進(jìn)入速度減小的區(qū)域，從而把所述液體的動能傳遞給所述反應(yīng)物氣體，并且其結(jié)果是達(dá)到將所述反應(yīng)物氣體壓縮到至少7個大氣壓；并使所述壓縮的反應(yīng)物氣體進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)。
全文摘要
利用在如至少16個大氣壓的高壓下注入的液體得到高速液體注入到壓縮機(jī)中,高速液體的注入將要壓縮的氣體吸入到壓縮機(jī)中,將氣體在液體噴射壓縮機(jī)中壓縮到高壓,如至少7個大氣壓。
文檔編號B01F5/04GK1378479SQ99817000
公開日2002年11月6日 申請日期1999年11月9日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月9日
發(fā)明者G·F·萊弗里特 申請人:納幕爾杜邦公司