备用或补充供气系统的方法和设备的制作方法

专利名称：备用或补充供气系统的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及给选定的应用组分提供具有基本恒定浓度气体的方法和系统，更具体是涉及备用和/或补充供气系统的方法和系统。
背景技术：
近年来，工业气体如氧和氮等的需求与日俱增，例如在炼钢、炼铝、药物生产和玻璃制造等各种应用中。虽然供这些应用的气体惯常由气化现场贮存在低温贮器中的液氧(“大量”氧)或大量氮所供应，但是也常用现场真空和/或加压变压吸附(V/PSA)空气分离系统或膜空气分离系统来产生这些气体。
为确保不间断地供应气体，当由于电力中断、机械故障等使产气系统中断时，这些现场产气系统典型地使用气化的液体来代替(即备用)现场产气系统。此外，这些液体气化系统也用于当应用需求超过现场工厂能力时给现场产气流以补充。遗憾的是，现场产气和备用/补充气化的液化气之间的组成差会导致这种供气系统对一些应用不适用，因而使不能实现低成本现场产气。例如当V/PSA氧产品，典型浓度为90-95vol％(其余基本上为氮和氩)，用液氧，典型浓度为至少99.5vol％。来进行补充时，从供气设备中得到的产品中的氧浓度在V/PSA装置中断时，会突然改变4.5-10vol％。
这类氧浓度发生重大改变而不能接受的一个实例是玻璃加工。这些操作包括玻璃成形、抛光、熔边、磨钝和石英加工，典型地使用燃氧喷灯，其中使用手工燃烧控制。在上述操作中，燃烧氧化剂的氧浓度波动会引起火焰温度变化，因而影响玻璃成形性，并会引起火焰组成的变化，这会影响某些玻璃的颜色。尽管有可能调节正在进行的燃烧过程，以补偿氧化剂组成的变化，但因众多的手工控制、有限的操作技师，和/或事先极少或未注意到氧化剂变化等原因，使它在操作上常常不切实际。
因此本领域需要一种可靠性高、成本合理的手段，以补充非低温现场供气系统，用作对组成敏感的应用。
发明目的因此，本发明的目的之一是给现场产气装置提供一种改进的补气系统。
本发明的另一目的是提供如下一种系统，确保给应用选定的气体组分的浓度在备用/补气过程实施时保持不变。
本发明的另一目的是给气体组成敏感的应用提供一种备用/补气系统。
本发明还有一个目的是提供一种可靠而成本合理的系统。
下面将详述这些目的及其他目的，其新特点由所附的权利要求所指明。发明概述本发明包括给终端应用提供一种具有最低压力和组成中包含主组分的气体的方法。尤其是一种优选的方法包括下列步骤a)给所述终端应用提供一种具有处于第一浓度的所述主组分的第一气体；b)提供测量向所述终端应用提供第一气体的压力的装置；c)提供压力至少为所述最低压力和主组分浓度为高于所述第一气体主组分的第一浓度的第二浓度的第二气体；d)提供压力至少为最低压力，主组分浓度为低于所述第一气体主组分的第一浓度的第三浓度的第三气体；e)提供使第二第三气体混合的装置，用以产生压力至少为最低压力，主组分的浓度为第四浓度的第四气体；其中f)当在终端应用处接受的第一气体测量装置检测到低于最低压力的缺陷时，所述不足由加入第四种气体来纠正。
在一个优选实施方案中，第一气体包括氧作为主组分。
在另一个优选实施方案中，第二气体包括氧，更优选气化的液氧。
在另一个优选实施方案中，第一气体包括氮作为主组分。
在另一个优选实施方案中，第二气体包括氮，更优选气化的液氮。
在其他优选实施方案中，第三气体可为气化的液氮、气化的液氧或气化的液氩。
在其他优选实施方案中，第一气体是得自V/PSA系统的氧产品，或得自膜系统的氮产品。
本发明的另一实施方案包括给终端应用提供一种具有最低压力和组成中包含主组分(即选定的组分)的气体的系统。具体而言，一种优选的系统包括a)给所述终端应用提供第一气体的装置，该第一气体中的主组分处于第一浓度；b)测量向所述终端应用提供第一气体的压力的装置；c)提供压力至少为所述最低压力，主组分浓度为高于所述第一气体主组分的第一浓度的第二浓度的第二气体的装置；d)提供压力至少为最低压力，主组分浓度为低于所述第一气体主组分的第一浓度的第三浓度的第三气体的装置；e)提供使第二第三气体混合的装置，用以产生压力至少为最低压力，主组分的浓度为第四浓度的第四气体的装置；其中f)当在终端应用处接受的第一气体测量装置检测到低于最低压力的缺陷时，所述不足由加入第四种气体来纠正。
附图简述从对下述优选实施方案和附图的描述，本领域的技术人员将会明白本发明的其他目的、特点和优点。


图1是显示本发明系统具体操作方式的实施方案的流程图。
图2是显示本发明另一操作方式的实施方案的流程图。
发明详述本发明改进了用作非低温现场供气装置的备用或补气的常规大量液体贮存或气化系统。这一改进确保备用/补气系统使用时供给应用的选定气体组分的压力和浓度实质上保持不变。虽然选定组分浓度的变化容易由使用本发明的系统降至最小，但本领域的技术人员明白，不同终端用途的应用一般将会有不同灵敏度，并且浓度变化应降至最低的程度因此取决于具体过程的容许程度。在一优选实施方案中，氧浓度变化小于4.5vol％(例如低于常规V/PSA备用或补气系统所经历的最小变化)。
在一特定的优选实施方案中，一V/PSA氧装置装备有常用的大量氧贮存/气化补给系统，也装备有小量氮贮存/气化系统以及混气设备。气化的小量氮和气化的大量氧以合适比例混合进入缓冲贮罐，产生出具有名义体积百分数的某V/PSA氧产品的气体。然后将该混合气泵送到将V/PSA氧产品送入用气管道的压力调节器的入口。该压力调节器被设定为传送的压力略低于该管道的名义压力。因此，当出现由于V/PSA装置故障引起管道压力全部或局部损失时，混合气流就自动根据恢复管道压力的需要加到该管道中。
另一方面，本发明的方法如装置也可用于空气膜分离氮装置的备用或补给。这些装置典型地是由大量氮贮存/气化设施补给的。本领域的技术人员明白，这些系统可按相似于上述对V/PSA系统的改进的方法来改进。
本发明的系统可在宽的所需压力范围内将该混合气供给终端应用，这取决于用气处所需的终端应用。这类压力一般为约10-210psig，更典型为约40-100psig。由该系统可输送的最大压力由供应大量气体贮罐的操作压力所设定，典型为210psig，但本领域技术人员明白低温贮罐也可以在更高压力下操作。
本发明的一个优选系统是将气化的液氧与气化的液氮混合，产生富氧或富氮气。但本发明也不限氧与氮的混合。例如，可用干燥清洁的压缩空气或气化的液氩来代替氮，与具有液态纯度的气化氧混合，产生富氧气体。相类似地，用干燥清洁的压缩空气或气化的液氩也可与具有液态纯度的气化氮混合，产生富氮气体。
应当指出，较后的实施方案不大优选，因为当V/PSA或膜装置因断电而停工时，可能在电补给设备中为了确保压缩空气的可用性，用压缩空气作为氧或氮的稀释气涉及在空气清洁、压缩、和干燥设备方面的巨大投资。这种巨大投资在大部分时间中闲置，使这种选择方式不经济。用气化液氩作为稀释气，除非应用需要，现在也不优选，因为其与液氧或液氮相比费用大为增加。
也应指出，术语“富氧”或“富氮”气是指氧浓度为约21-100％，氮浓度为约78-100％(体积)。对于富氧气体，优选其体积浓度大于约90％，小于99.5％，更优选90-95％。对于富氮气体，优选其体积浓度为约95-100％。
本发明的混气设备可利用压力略低于大量液体贮罐的工作压力的过程气体，从而由于混气设备较紧凑而使投资降至最小。而且，大量气体贮存和气化设施一般也很简单、明了，并不大需消耗电能。混气设备可设计得简单、可电控，而容易向需要处补气，例如由一种小型、电池为电源的不间断电源供电(UPS)。因此，本发明系统满足了高可靠性和资本闲置最小的目的。
现在，本发明将参考附图加以描述。
本发明实施有关V/PSA氧装置补给的优选设备示于图1。总体上，该图描述混气装置1，它与气化液氧2和气化液氮3源分别相连，以给含从V/PSA装置4的气体的管道4a提供备用或补充混合气作为终端应用使用。非常实际的是将混气装置1设置在大量氧和氮贮罐5a和5b以及气化器系统6a和6b附近。由气化器6a和6b供给的气体一般压力为高达约210psig。保温阀7a和7b用来保护下游气体流动部分不致受到危险的低流体温度，这在气化设施6a和6b工作不正常时可能发生。
现在详述混气装置1。阀8a、8b和30可用来隔开混气设备与气化系统以及为维护等目的用的管道。过滤器9a和9b用于除去因下游物流部件操作故障时带来的尘埃或其他固体。在箱12内示出的气体比例控制系统按下述方式进行反馈回路控制和操作。
压力调节器10a和10b与压力指示器11a和11b一起，分别用于建立下游比例控制部件的设计氧和氮气压力。带比率控制14的流速控制器13操纵自动阀15，将氮流速转换器16来的信号送到针形阀，这是利用氧流速转换器17和程序流速比率来的信号内部计算出来的。
这个比率可容易地由本领域那些技术人员确定。下面将说明配置含92vol％的氧/氮混合气的非限制性实例。将气化的液O2和N2气作为纯物质处理，所需的N2/O2流速比为(100/cm)-1，这里的流速是以在相同标准温度和压力(STP)下的体积计的，cm是该混合物中所需的vol％。因此，一种具有92vol％O2的混合物是用每标准体积O2和0.087标准体积的N2制备的。
回到图1，图示的混气装置的所有信号是电信号，示出的自动阀15是例外，它是经三通阀18通至电流-压力转换器19的气化液体氮的气体操作的。这一仪器供氮被确保，该系统的控制电源的需求为最小，并可容易地经所需处的UPS补充。
进入混气设备的气化液氧和液N2的温度可受环境条件、气化系统7a和7b的设计和使用方案以及瞬时O2、N2流速的影响。为帮助预计发生温度变化处实现稳定的混合物组成，在箱12处示出的比率控制系统必须适当地计入O2、N2气的入口温度。特别是流速变送器17和16可以是质量流量设备，例如操作在互补的、热的或超声原理的那些。另外，它们也由温度变送器来补充，并计算温度补偿的流速低至保护阀7a和7b被设定的温度(典型地是约-30°F)。在另一实施方案中，当需要控制混合物组成时，对贮冲罐22的混合物取样后、从O2分析器输出的信号，可用于自动而连续修正比率控制器14的流速比率设定点，从而补偿从气温变化造成的流量测量误差。
标准阀20和21用于防止O2、N2供给系统的任何交叉污染。贮冲罐22用于减少由该贮罐传输混合物的压力或组成的波动，以与由比率控制系统传输到该贮罐的那些作比较。该罐由安全阀23保护压力，需要时用防爆盘24。阀25使待排出的缓冲罐产品流经氧分析器用于监测和调节目的。阀25还可用于放空混合物至大气，以使气体混合器调定和/或离场测试。
由该气体混合器传输的混合气经压力调节器26与V/PSA管道4相连。使用压力指示器27，压力调节器26被调至传递压力保持刚好在V/PSA管道4的名义压力之下，一般为40-100psig。因此在管道4a内压力损失会触发压力调节器26，使混合气从缓冲罐22送至管4a。因此，较昂贵的液化气只有当因V/PSA O2装置产量不足或离场而引起管道压力下降时才被使用。该混气装置的流动组件可按利用由大贮气罐与V/PSA管道之间压力差所具有的所需混合气容量来定级。
校准阀28和29用于防止V/PSA与气体混合器物流之间的交叉污染。
一个不很优选的实施方案示于图2。图2详示了对于图1箱12中说明的比率控制系统的替换系统。注意图2中编号22-25的特征的作用与图1方案的方式相同，它们被包括其中仅仅是为了完整性。
在该不很优选的系统中，被混合的两种气体之一经限流孔流动而进入缓冲罐，一旦建立起的流量比率由固定每个限流器上下游的压力来维持。具体而言，压力调节器44a和44b分别维持着限流孔48a和48b的气体的压力。从流量孔板排出的气体进入缓冲罐混合，其压力保持在某设定范围，此范围是由与电磁阀45a和45b相连的高限压开关41和低限压开关42的差分作用设定。具体而言，气动信号线40将缓冲罐22的压力传递到压力开关41和42。当高压设定点达到时，开关41使电磁阀45a和45b关闭，而当低压设定点达到时，开关42使电磁阀45a和45b打开。例如，当对现场V/PSA O2装置补气时，图2的设备使用与例如阀25相连的氧分析器来设定，而O2/N2混合气由缓冲罐22放空入大气；然后限流器48a和48b和/或从压力调节器44a和44b传递的压力被调节到达到O2在混合气中的预定浓度。在后续操作中，O2和N2将按适当比例流入缓冲罐22，不管缓冲罐的压力是否因应用使用而下降。校准阀46a和46b防止O2、N2气的交叉混合。在操作台板43和压力指示器47a、47b、49a和49b用于监控此过程。
图2的装置是不很优选的，因为当使用上述步骤进行起始设定后投入使用时，会出现入口气体流量(涉及STP)按其近似与有关的绝对温度的平方根成反比而变化的倾向(一种气体密度效应)。因此，例如当气化的大量气体于不很优选的设备中温度由30°F变化到90°F(即从Rankine绝对温标490°变至550°)，其用于给出限流孔板上下游压力的流速(涉及STP)将会增加约5.9％。根据结构材料和温度变化，限流孔板的热收缩将趋于在一定程度上抵销这一密度效应。与图1的质量流量控制设备相比，图2的更简单但不很优选的设备不能自动抵消超过设定的气体温度变化，选择它只能是在预期的温度效应分析建议该设备将满足具体应用可接受的组成偏差之后。
上述实施方案是非限制性的。例如，如本领域技术人员将会认识到，相似的系统可用于补给膜N2系统。用O2作为主要或次要混合气组分给V/PSA O2装置或膜N2系统补气的进一步应用包括a)使用回路控制器和O2分析器的输出信号操纵主要组分或次要组分气体的流量控制来控制混合气浓度，而不用任何中间流速比率控制；及b)用O2分析器监测混合气中O2浓度，需要时就报警。
该方法还有的其他应用，例如可包括(a)用一压力控制系统来代替压力调节器26，它包括压力变送器、自动压力控制阀和回路控制器，和(b)加旁通阀调节，以给围绕混气设备的主要气化部件，在混合器发生比回复本体纯度更危险的危及应用的故障期间自动转向。对本领域的那些技术人员，还可举出其它应用。
应当指出，对于一种给定的应用，气体用量、流速、和组分需求将随着该应用而变。本发明性体系在这方面提供了灵活性。作为一个具体例子，本发明系统在玻璃熔炼过程中是有用的，这时供氧系统需求为在40-100psig压力下每小时流量为约5000至45000标准立方英尺，O2浓度为约90-95vol％。
当从V/PSA或膜供给系统得到的产品作为固定地点的多种用途时，本发明装置还可提供附加灵活性，该装置不需依尺寸制造，或在与不受预期组分变化相反影响的任何有关场合应用。而且，本发明系统为任何现场供气系统备用或补气提供一种简单、可靠而价廉的方法，这类现场装置包括但不限于V/PSA O2和膜N2装置。
下面是有关一种V/PSA现场供气系统的非限制性实例。实例若使用一台传送O2浓度为92vol％O2产品的V/PSA O2装置，则用大量N2作稀释气的混气系统，按图1上述的公式，假设本目的O2、N2气是纯物质，将使用约8.7标准立方英尺(SCF)N2气/100SCF O2气。在V/PSA补给期间，使用25000SCF每小时(SCFH)O2流量则要用约2175SCFH N2气。因此，一个标准的900加仑液N2贮罐(净容量约82500SCF N2)可供应这种N2需求38小时。
本发明的具体特点为方便计示于附图之一幅或几幅图上，按本发明每个特点可与其它特点相结合。本领域的技术人员理解其它实施方案，它们被包括在权利要求的范围内。
权利要求
1．一种提供具有压力为最低压力和组成为包括给终端应用的主组分的气体的方法，该方法包括如下步骤a)给所述终端应用提供所述主组分浓度为第一浓度的第一气体；b)提供测量传送给所述终端应用的第一气体的压力的装置；c)提供主组分浓度为第二浓度的第二气体，该第二浓度超过第一气体主组分的第一浓度；d)提供主组分浓度为第三浓度的第三气体，该第三浓度低于第一气体主组分的第一浓度；e)提供使所述第二和第三气体混气的装置，以产生压力至少为最低压力、主组分浓度为第四浓度；其中f)当被所述终端接收的第一气体压力的测量装置检测出第一气体压力与所述最低压力相比有差时，由加入第四气体来纠正这种不足。
2权利要求1的方法，其中所述第一气体包括O2或N2气作为主组分。
3．权利要求1的方法，其中所述第一气体或者为第一浓度为22-99vol％的富O2空气或者为第一浓度为大于约95vol％并小于100vol％N2的N2气。
4．权利要求2的方法，其中所述第一气体包括O2，第一浓度为90-95vol％的O2。
5．权利要求1的方法，其中所述第一气体是由一非低温供给系统提供的。
6权利要求1的方法，其中所述第二气体包括O2作为主组分。
7．权利要求1的方法，其中所述第二气体是气化的液N2。
8．权利要求1的方法，其中所述第三气体选自气化的液N2、气化的液O2和压缩空气。
9．一种提供压力为最低压力、组成为包括给终端应用的主组分的气体的系统，该系统包括a)给所述终端应用提供所述主组分浓度为第一浓度的第一气体的装置；b)用于测量传送给所述终端应用的第一气体的压力的装置；c)提供主组分浓度为第二浓度的第二气体的装置，该第二浓度超过第一气体主组分的第一浓度；d)提供主组分浓度为第三浓度的第三气体的装置，该第三浓度低于第一气体主组分的第一浓度；e)提供使所述第二和第三气体混气的装置，以产生压力至少为最低压力、主组分浓度为第四浓度；其中f)当被所述终端接收的第一气体压力的测量装置检测出第一气体压力与所述最低压力相比有差时，由加入第四气体来纠正这种不足。
10．权利要求9的系统，其中给终端应用提供主组分浓度为第一浓度的第一气体的装置是一种非低温空气分离系统。
全文摘要
本发明涉及一种提供压力为最低压力和组成为包括给终端应用的主组分的气体的方法,包括:a)给终端应用提供主组分浓度为第一浓度的第一气体;b)提供测量第一气体压力的装置;c)提供主组分浓度超过第一气体的第二气体;d)提供主组分浓度低于第一气体的第三气体;e)提供使第二和第三气体混气的装置,以产生压力至少为最低压力的第四气体;其中f)当测量装置检测出第一气体压力与最低压力有差时,由加入第四气体来补足。
文档编号F17C13/02GK1203827SQ9810795
公开日1999年1月6日 申请日期1998年5月7日 优先权日1997年5月9日
发明者F·N·斯泰曼, L·C·考维斯 申请人:普拉塞尔技术有限公司