专利名称：可压缩流体泵送系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于泵送可压缩流体的方法和系统。更具体而言，本发明涉及在高压应用中泵送可压缩流体。
背景技术：
工业上的泵送采用多种形式，全部这些形式都有通过过程流(process stream)输送流体或泥浆的普遍要求。基于包括泵头压强(head pressure)、计量精度、温度、微粒公差(particle tolerance)、流体粘度、成本、安全性、服务率和多种其他参数在内的应用需求来选择泵。泵一般分为两类。容积式泵将工作流体分隔成分立的容积，并且迫使它们在控制方向中移动。动力泵通过增加系统的动能从而局部提高流体的速度来工作。动能在泵输出处被转化为势能，即压强。
图1-3显示了各种不同的容积式泵。在图1中显示了凸轮泵。这种类型的泵是为了低压强、高容积的用途设计的，其中高微粒负载可能是需要关注的问题。泵头1的旋转凸轮2、2’被有意地设计成具有宽松公差以防止物理接触和磨损。宽松的机械公差允许加压流体回漏到低压侧。这限制了泵的泵头压强一般能达到小于20巴。图2显示了第二种类型的回转泵，其被称为外啮合齿轮泵。泵送操作与凸轮泵类似，但齿轮泵的公差可以任意紧密。作为结果，齿轮泵可以获得数百巴的泵头压强以及粘度从0. 05到lOOOOOcP的泵流体。 齿轮3、3’的明显磨损，特别是在高压和高温下的明显磨损导致可变地回漏到低压侧。这两种回转泵都被隔离在密封机壳4中，并且由磁耦合泵马达来驱动。这种方式的一大优点在于可以防止流体外泄，而不需要使用动态密封。磁耦合比直接驱动的转矩极限低，不过，齿轮泵因此通常只对小于30至50巴的压强差是有效的。凸轮和齿轮泵的最终的有价值的特征在于它们被认为既是连续的又是无脉动的。例如如图3所示的往复泵在需要高纯度、高压(例如> 100巴至大于1000巴)和高精度(例如< 的流量变化)的时候保持泵送流体的主要工业方式。往复泵有若干种形式，包括机械和气动活塞泵以及机械和液压隔膜泵。这种泵的特征在于具有在低压输入和较高压的输出之间转移流体的一个或多个泵头5。每个泵头含有物理地调节泵送流体可用的内部容积的装置。在操作中，每个泵头5使用由凸轮8来驱动的活塞7，活塞7交替地通过增加可用的泵头容积从输入端6吸入流体，然后通过减少该容积将流体分送到输出端 7。大多数往复泵被设计成仅在一个方向中流动。通过将泵头在吸入过程中与输出压强隔离开以及在分送过程中与输入压强隔离开的一系列止回阀6’、7’来控制流动方向。输出压强通常不是被泵所控制，而是被泵所供应的过程流动流(flow stream)的下游流动阻力控制。往复泵的特征在于其使用数个泵头。具有单个泵头的泵被称为单缸泵。双缸泵、三缸泵、四缸泵分别指具有两个、三个和四个泵头的泵。由于一个泵头可以在另一个泵头吸入的同时输送，因此需要两个或更多的泵头来提供伪连续的流动。但是，由于该运动的真正性质包括相反运动中的停止和重新开始，因此往复泵只能大致上效仿连续的回转泵。通常， 对于给定的流速，泵头的数量越多，输出流的脉动越低。当活塞泵所泵送的流体相对不可压缩时，这些泵常被称为计量泵，因为假定流体的体积流量与泵头中的活塞或隔膜的机械容积位移(volumetric displacement)是匹配的。往复泵的计量应用的一个很好的示例是低压注射泵，其中玻璃注射器抽进水溶液并将其非常准确地分送到下游贮存器。在这种低压用途中(通常小于2巴)，水溶液的体积压缩几乎是不可测量的，因此准确位移的假定是正确的。当往复泵使用诸如永久气体的高度可压缩的流体时，常将其称为压缩机或气体升压器。气体升压器代表了流体压缩率对泵性能的影响的理想示例。在这种情况下，典型应用为增大输入端和输出端之间的气体的压强。气体升压器的基本特性是压缩比。压缩比就是泵头在其吸入冲程(intake stroke)的顶点能够在其止回阀之间隔离的最大流体体积与泵头在其输送冲程结束时能够减少到的最小体积之比。因此，7 1的压缩比表示吸入的总体积比输送结束时的剩余流体体积大7倍。图4显示了气体升压器中的泵头的压缩或输送冲程。在该图中，泵头10包括气缸 (cylinder) 12、活塞14、以及输入止回阀16和输出止回阀18。在输送冲程中，气缸内部容积具有三个不同区域压缩容积20、输送容积22以及剩余容积24。在压缩过程中，系统地减小容积，并对流体作热力功，流体趋于升温。较高的温度和较低的体积使流体压强增大。 温度升高的作用是流体在泵冲程中比通过简单的等温容积位移计算所得的时间更早达到输送压强。如果没有热量流失到活塞或气缸壁，则将升温称为绝热升温，对于给定的气体， 通过熵表可以容易地计算绝热升温。流体中产生的热量通常是低效的来源，因为其输送气体的密度比所需的密度低很多。在增压过程中常常需要冷却步骤以去除压缩的废热，从而下游容器可以充满密度更高的加压气体。具有鲁棒性的泵头设计在输送冲程结束时几乎不可能不剩下剩余流体。加工公差太小会导致磨损率加大以及密封表面较早失效。图4显示了在活塞冲程结束时留下的气体的剩余容积。通常，对于增大气体压强的应用来说，非常希望该容积尽可能的小，以使压缩比变大。泵头中的热的残余气体使泵送效率进一步降低，因为在吸入过程中，在新的流体能够进入泵头之前，残余气体必须先膨胀到低于输入压强。最终，泵头自身的压缩升温会将进入的气体加温到较低的密度并且减少每次吸入进入的流体的量。气体升压器的输出流量的检验显示了泵送可压缩流体的最高难度。对于每个泵头而言，希望吸入冲程只充满泵头容积，而不将流体输送到输出端。另一方面，希望分送冲程 (dispense stroke)将流体输送到输出端。在基于活塞的气体升压器中，当活塞向前移动以排出流体时，温度和压强升高，但不释放流体，直到达到输出压强。如果输入压强为1巴而输出压强为2巴，在输送开始前仅是压缩流体就要用掉几乎半个活塞冲程。当输出压强升高时，输送冲程释放到输出流的体积越来越小。等到压缩比为7 1的升压器中的输出压强达到7巴时，几乎整个冲程用于压缩，而只有很少的体积或者根本没有体积释放到输出流。如果吸入冲程和分送冲程的持续时间相等，则在2巴的情况中，只在整个泵循环的25%中输送流体。即使是在双缸升压泵中，流动也只占用50%的时间。当达到7巴的输出压强时，泵将输送< 的时间。因此，大多数的升压泵应用是基于压强而不是基于流量的。计量泵是根本不考虑这些的，因为用于压缩的功使得无法可靠地计算每个冲程所输送的体积。一些应用需要能够在高压下连续和准确地计量流体的泵。对于所有的流体，包括气体、液化气、液体和超临界流体，加压某种程度上导致相应的体积降低以及温度升高。通常，在以氦为例的永久气体、以液态二氧化碳(LCO2)为例的液化气以及以水为例的理想液体之间，压缩作用是不同数量级的。不过，在足够高的输出压强下，在被输送到泵流动流的输出流动之前，即使是水也必须被显著压缩。水本质上表现得很像是具有可确定的力常数的弹簧，其中力常数表示每施加单位压强会发生多大的体积变化。这个力常数被称为压缩率，常常以巴的倒数(inverse bar) (巴―1)为单位来表示。水在20C通常公认的压缩率值为46Χ10_6ΕΛ因此，压强增加1 巴，水的体积将减少.0046% ；压强增加10巴，水的体积将减少0. 046% ；压强增加100巴， 水的体积将减少0. 46%，而压强增加1000巴，水的体积将减少4. 6%。事实上，水的表现不像是完美的弹簧，在非常高的压强下，压缩率值倾向于变小，因此4. 6%的体积变化有些夸大。不过很清楚，在100和1000巴之间，分送泵冲程(dispensing pump stroke)的相当一部分将专门用来压缩水，因此导致标准双缸泵的连续流动中断。水被认为是更抗压缩 (incompressible)的液体的之一。表1列出了其他代表性的有机溶剂在20°C的压缩率值。 这些有机溶剂的压缩率通常比水高二至三倍。表1不同的纯液体在20C的压缩率值
权利要求
1.一种用于可压缩流体的加压泵送系统，包括 第一泵，其操作以增加流体的压强；第二泵，其与所述第一泵串联连接，从所述第一泵接收加压流体并计量供应到所述第二泵的输出端的流体；以及热交换器，其连接在所述第一泵和所述第二泵之间，在所述流体进入所述第二泵之前对所述加压流体进行热调节，其中所述第二泵接收到的流体的输入压强被保持为接近所述第二泵的输出端的流体的输出压强，以使所述第二泵的输入端和输出端之间传送的流体发生最小的密度变化。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括第一压力传感器，其感测所述第一泵的输出端的流体压强； 第二压力传感器，其感测所述第二泵的输出端的流体压强；以及控制器，其可操作地连接到所述第一压力传感器和所述第二压力传感器，并且可操作地连接到所述第一泵并控制所述第一泵，其中通过所述控制器分析来自所述第一压力传感器的压强和来自所述第二压力传感器的压强，以及所述控制器操作所述第一泵以将所述第一传感器处的压强保持为接近所述第二传感器处的压强。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制器操作所述第二泵。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二泵接收到的流体的输入压强被保持在所述第二泵的输出端的流体的输出压强的2至10巴的压强范围内。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二泵接收到的流体的输入压强被保持在所述第二泵的输出端的流体的输出压强的0. 1至2巴的压强范围内。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二泵接收到的流体的输入压强被保持在所述第二泵的输出端的流体的输出压强的0. 和10%的压强范围内。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二泵所输送的流体的输出压强介于20至 2000巴之间。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二泵的输出端的流体的密度变化在所述第二泵的输入端的流体密度的0. 01%至2. 00%之间的范围内变化。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一泵和所述第二泵均为容积式泵，以及其中由所述第一泵在流体中引起的泵噪声在所述第二泵的输出端被减弱。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一泵包括往复泵，以及所述第一泵不需要压缩补偿。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二泵包括具有两个或更多个气缸的往复泵。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二泵包括齿轮泵。
13.根据权利要求1所述的系统，其中小于150X10_6巴―1的压缩补偿值为所述第二泵中的流体提供足够的压缩。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统为超高效色谱系统或超临界流体色谱系统的其中之一产生流动。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二泵不会导致明显的绝热升温。
16.根据权利要求1所述的系统，进一步包括脉冲阻尼器，其连接在所述第一泵和所述第二泵之间，操作以平滑流体中的压强波动以及满足所述第二泵的间歇要求。
17.根据权利要求1所述的系统，进一步包括温度控制器，其连接在所述第一泵和所述第二泵之间，增加或者去除流体流动流中的热量，其中通过所述温度控制器保持所述第二泵的输入端的流体的等温温度以允许精确的体积流量。
18.根据权利要求1所述的系统，进一步包括温度控制器，其连接在所述第一泵和所述第二泵之间，增加或者去除流体流动流中的热量，其中通过改变温度作为压强变化的响应来提供所述第二泵的输入端的流体的恒定密度。
19.根据权利要求17所述的系统，其中改变输入压强作为所述第二泵的输出压强的响应提供所述第二泵的输入端的流体的恒定的压缩率。
20.根据权利要求2所述的系统，进一步包括温度传感器，其位于所述第二泵的输出端的下游，并且可操作地连接到所述控制器，其中所述传感器向所述控制器发送流体温度信号，其中通过使用所述输出端的流体的温度和压强，所述控制器调节所述第二泵的位移速度，从而不需要使用流量计就能够以准确的质量控制输送流体。
21.根据权利要求1所述的系统，进一步包括背压调节器(BPR)和BI^R控制器，其连接在所述第二泵输入端的下游，调节所述第二泵下游的压强。
22.根据权利要求1所述的系统，其中通过连接在所述第一泵的上游的预冷装置来冷却流体，其中所述泵送系统是超临界流体色谱系统中的可压缩流体的压力源。
23.根据权利要求22所述的系统，其中供给流体是气相的，所述预冷装置的尺寸使得所述供给流体在进入所述第一泵之前冷凝到液化状态。
24.根据权利要求1所述的系统，进一步包括中流背压调节器(BPR)，其连接在所述第一泵和所述第二泵之间，调节进入所述第二泵的流体的压强；以及系统控制器，其控制所述第一泵和所述BPR，其中所述第一泵以一直输送高于所述第二泵所消耗的质量流量的流动模式工作。
25.根据权利要求1所述的系统，进一步包括多个所述第二泵，每一个独立地从所述第一泵的输出端吸入流体。
26.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二泵在单一驱动电机上包括通过泵的多个所述输出端提供并行的流体流动的多个独立的泵头。
27.根据权利要求1所述的系统，进一步包括多个所述第一泵，其设置有到所述第二泵的共同输出流动，其中所述第二泵具有计量来自于多个所述第一泵的合成流体流动的能力。
28.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一泵包括多个串联的泵。
29.一种用于将HPLC色谱系统转化为SFC色谱系统的方法，包括 向HPLC系统提供第一泵，所述第一泵操作以对可压缩流体加压；利用HPLC泵作为第二泵，所述第二泵串联连接到所述第一泵，从所述第一泵接收加压流体并计量供应到所述第二泵的输出端的流体；以及向所述HPLC系统提供热交换器，所述热交换器连接在所述第一泵和所述第二泵之间， 在所述流体进入所述第二泵之前对所述加压流体进行热调节，以及向所述HPLC系统提供背压调节器，所述背压调节器连接到所述HPLC系统中的色谱柱的下游；其中所述第二泵接收到的加压流体的输入压强被保持为接近所述第二泵的输出端的流体的输出压强。
30.根据权利要求29所述的方法，进一步包括 使用连接到至少一个液体贮存器的另外的HPLC泵，其中所述泵的输出端连接到共同输出流动流以产生二元、三元或更高水平的流动组分。
31.根据权利要求29所述的方法，进一步包括向所述HPLC系统提供系统控制器和SFC控制器，所述系统控制器可操作地连接到原来的HPLC系统部件，所述SFC控制器可操作地连接到所述第一泵以及控制所述第一泵的输出压强的背压调节器，以及其中所述系统控制器和所述SFC控制器独立工作。
32.根据权利要求29所述的方法，进一步包括向所述HPLC系统提供系统控制器和SFC控制器，所述系统控制器可操作地连接到原来的HPLC系统部件，所述SFC控制器可操作地连接到所述第一泵以及控制所述第一泵的输出压强的背压调节器，以及其中所述系统控制器和所述SFC控制器以协同配置的方式工作。
33.一种用于建立超高效色谱系统的方法 提供第一泵，所述第一泵操作以对流体加压；提供第二泵，所述第二泵串联连接到所述第一泵，从所述第一泵接收加压流体并计量供应到所述第二泵的输出端的流体；提供热交换器，所述热交换器连接在所述第一泵和所述第二泵之间，在所述流体进入所述第二泵之前对所述加压流体进行热调节，以及提供连接到HPLC泵的下游的至少一个进样器、连接到所述进样器下游的至少一个分离柱，以及连接到所述进样器下游的至少一个检测器；其中所述第二泵接收到的加压流体的输入压强被保持为接近所述第二泵的输出端的流体的输出压强。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述系统在所述第二泵输出端测得的1巴至 2000巴的压强范围内操作。
35.根据权利要求33所述的方法，进一步包括提供背压调节器，所述背压调节器连接到所述系统中的色谱柱的下游。
36.根据权利要求33所述的方法，进一步包括提供预冷装置，所述预冷装置连接到所述系统中的所述第一泵的上游。
37.根据权利要求33所述的方法，进一步包括 提供多个所述第一泵、所述热调节器和所述第二泵设置，其中多个所述第二泵中的每个第二泵的输出端连接到共同输出流动流以产生二元、三元或更高水平的流动组分。
38.根据权利要求33所述的方法，进一步包括提供系统控制器，所述系统控制器可操作地连接到所述第一泵并且控制所述第一泵。
39.根据权利要求38所述的方法，进一步包括提供本地控制器，所述本地控制器可操作地连接到所述系统控制器并且控制一个或多个所述第一泵、所述第二泵、所述热控制器、所述进样器或所述检测器。
40.根据权利要求33所述的方法，其中所述系统所使用的流体能够以可冷凝蒸汽、液体、液化气或超临界流体状态提供到系统输入端。
41.根据权利要求36所述的方法，其中所述系统所使用的流体能够以可冷凝蒸汽、液体、液化气或超临界流体状态提供到系统输入端。
全文摘要
要求保护的本发明实现了在需要准确的流量时以高压泵送可压缩流体。以串联连接的泵为例的两个压力源将第一压力源处的诸如加压的热力学功与第二压力源中的容积或物质计量功能分离。一个示例是用于化学仪器系统的流动流输送，其从相对简单的泵制成，但输送在大于100巴的压强内具有低脉动(＜1％)的精确流动。一个实施例的优点在于，通过对系统部件的最小的改动，可以将典型的HPLC系统经济地转化为目前的超临界流体色谱(SFC)系统。
文档编号F04B49/00GK102203421SQ200980129909
公开日2011年9月28日 申请日期2009年6月23日 优先权日2008年6月24日
发明者E·E·维克福什, K·D·福格尔曼, L·T·斯塔茨三世, M·A·卡萨莱, S·高露洁, T·A·贝格 申请人:奥罗拉Sfc系统公司