專利名稱：動態氣筒充氣法的制作方法
技術領域：
本發明涉及氣體儲器的充氣方法，更具體的說，涉及讓兩種或兩種以上氣體同時引入氣體儲器來將具有特定組成的氣體混合物充入氣體儲器的方法。
運往各地的氣體通常被裝在耐高壓且便于運輸的各種形狀和大小的便攜式容器中。其中較為典型的是通常被稱為氣筒或氣瓶的圓柱形容器。這種容器的充裝通常是通過向其中裝入氣體直至達到要求的壓力。當只需要向氣筒中裝入一種氣體時，這種方法比較簡單而且沒有問題。但是，當需要在氣體容器中裝入高壓的混合氣體時，就較難準確地測定出氣體混合物中各種成份的含量。在需要充入高壓混合氣時，在氣體容器中充裝混合氣尤其成問題，因為在這種條件下，真實氣體并不遵循理想氣體定理，實際上，各種真實氣體在高壓下的表現是各不相同的。
充裝高壓二元氣體混合物通常是通過先在容器中充入一種氣體直至設定的壓力，然后再裝入另一種氣體直至達到最終壓力。設定的壓力對應于要求的混合氣中第一成份的分壓。但是，由于氣體在不同壓力下的表現是不一樣的，所以很難或者不可能準確地生成所要求的混合氣。
如果容器內要充以一種成份的濃度很高，例如體積濃度達75％或以上，而另一種或其它各成份含量很少，例如各次要成份的體積濃度為10％或以下，的混合氣時，問題就更復雜。此時，壓力表本身的不準確性使誤差隨著某成份要求濃度的減小而放大。用包含一種主要成份和一種次要成份的混合氣充裝氣筒的一種常規方法是先用低壓壓力表在氣筒內充入次要成份，然后用高壓壓力表在氣筒內引入主要成份直至達到最終壓力。由于壓力表讀數的精確度通常在滿刻度的0.1％之內，所以使用此方法的誤差將較小。該方法的不便之處在于為了測定混合氣的各成份需要使用不同的壓力表。而且，如果次要成份比主要成份重，在很長的時間內，首先充入的次要成份將單獨沉積在氣筒底部。
以上充氣方法的主要缺點是必需分步驟向儲器中充入不同的成份，即每次充裝一種氣體。
人們已經對在儲器中準確充裝混合氣的方法和系統進行了大量的研究。美國專利3,653,414公開了一種用于在恒溫器中充裝由可凝聚的介質和不可凝聚的氣體組成的混合物的系統和方法。首先在恒溫器的傳感器內引入設定壓力的不可凝聚氣體，設定壓力利用第一壓力表來測定。然后在傳感器中引入一定量的可凝聚介質，該量通過用第二壓力表測得的壓力差來確定。
美國專利3,669,134公開了一種測定氣體的方法，其中，利用彼此連通的壓力調節器將兩種氣體裝入不同的氣室，由此使得氣體的壓力達到設定的比例。該專利中的裝置和方法十分復雜而且難以實施，尤其是在要形成三種或更多氣體的混合物時。
美國專利3,856,033和3,948,281公開了在氣體容器中充裝混合氣的方法，它是通過連續地在低壓下混合氣體，然后將氣體混合物加壓，再對高壓混合物進行紅外線分析來測定混合氣中各成份的濃度。如果高壓混合物的組成不合要求，則對進入低壓混合區的各成份的相對流速進行調整，由此減小與要求組成的差異。
美國專利4,219,038公開了一種混合多種氣體的混合裝置，其中每種氣體通過各具壓力調節器的一根管路流入。在所述發明的實施例之一中，各種氣體被保存在容器組中。
美國專利4,688,946公開了一種將液體有機化合物與液體推進劑混合的方法，它先將液體有機化合物加入量筒，然后將液體有機化合物與設定體積的液體推進劑一起壓入混合容器中。
美國專利4,698,160公開了一種用于血液透析的將兩種液體混合的裝置。注射型活塞泵被用來測量和將一種或多種混合物組分壓入混合器中。
美國專利5,353,848公開了一種準確測定進入氣筒的氣體混合物、同時避免氣體分層的方法，它是通過使用一個差示壓力表(differential pressure guage)將各氣體按其分子量順序引入氣筒。
美國專利5,427,160公開了一種將氧化氣體和可燃氣裝入儲器的方法，其中對各氣體分別使用各自的測量氣室。系統管路中的殘留氣體被從系統中驅出。
由于提供混合成份組成準確的包裝混合氣的重要性，以及迅速令儲器內混合氣達到均勻的要求，人們仍然需要更好的氣體儲器充氣方法。本發明提供了可達到以上目的的方法和系統。本發明的其它優點還在于因允許所要求的混合氣內不同氣體組分同時進入氣體儲器而縮短了充氣時間。
根據一一般實施方式，本發明包括一種通過管道裝置輸送具有特定組成的定量混合氣的方法，其步驟包括(a)形成由兩種或多種氣體均勻混合而成、通過管道裝置某設定點的氣流；(b)定時測定通過該設定點的混合氣的流速；(c)定時測定通過該設定點時混合氣中各氣體的即時濃度，即取樣時的濃度；
(d)利用步驟(b)和(c)獲得的數據，定時測定已經通過設定點的累積氣體的組成；(e)定時調節混合氣中至少一種氣體流經管道裝置的流速，通過所述的調節減小測得的已經通過設定點的累積混合氣的組成與設定組成之間的差異。
最好，在到達管道內設定點之前，例如，靠通過一氣體混合裝置將混合氣混合均勻。
較好的是，一般實施方式中的步驟(c)用一氣體分析儀來實施。氣體分析儀可以是，例如，紅外分析儀或質譜儀。另外，較好的是，步驟(d)用累計流量計來實施。更好的是，氣體分析儀和累計流量計向完成步驟(d)的測量的控制系統傳遞信號。最好的是，響應于步驟(d)的測量，控制系統使流量調節裝置對進入管道的混合氣中一種或多種氣體的流量進行調節。
構成混合氣的各氣體通常通過各自的氣路分別引入管道。較好的是，流量調節裝置調節流經各氣路的氣體組分的流速。
在優選實施例之一中，所述的充氣方法被用于通過管道以在一個或多個氣體容器內充以混合氣。另一優選內容是，所述的方法被用于通過管道以混合氣同時充裝兩個或更多個氣體容器。更好的是，經測定后的混合氣流被用作送往化學反應的原料。
本發明的另一實施形式是一種向下游用途輸送具有特定組成的定量混合氣的系統。該系統包括(a)混合氣管道，具有入口和出口，在入口和出口之間有累計氣體體積測量裝置和氣體混合物分析裝置；(b)許多氣體組分供氣管，各自具有流量調節裝置，并各自與混合氣管道的入口相流通；(c)用于測定累積混合氣的組成的系統控制裝置，所依據的是氣流的增量測量值和累積測定值和對混合氣的定時分析；(d)響應于氣體分析讀數，將來自氣體分析儀的信號傳遞至系統控制裝置的裝置；(e)響應于氣體體積測定值，將來自累計氣體體積測量裝置的信號傳遞至系統控制裝置的裝置；和(f)響應于累積混合氣的組成的測定值，將來自系統調控裝置的流量調節信號傳遞至一個或多個流量調節裝置的裝置。
在本發明的優選實施例之一中，所述系統包括位于混合氣分析裝置上游的氣體混合裝置。
另一優選內容是，混合氣分析裝置是紅外分析儀或質譜儀。其它優選內容是，流量調節裝置是可調通孔、調速壓縮機或是與閥門聯用的固定通孔或與蒸發器聯用的調速流體泵。
在優選實施例之一中，系統包括充裝氣體容器的裝置。
圖1所示的是根據本發明實施例之一以混合氣充裝氣體容器的系統。
圖2是利用實施例所述方法進行的氣筒充氣過程圖。
本發明可以在要求以具有特定組成(目標組成)的均勻混合氣將容器充裝至特定壓力時，用于充裝氣體容器之類的操作。
本發明的裝置包括氣體傳送裝置，例如管道；測量裝置，所述的測量裝置可以準確而連續地測定流經氣體傳送裝置中設定點的氣體流量，以便在任何時刻提供一個在操作過程中已經流過該設定點的氣體的累計測定值；氣體分析裝置，它適合在操作的任何時刻快速而準確地測定當時流經設定點的氣體組成；計算裝置，它能夠立即確定在操作過程中已經流過氣體管道內設定點的氣體整體的組成(根據氣體測定值和流量測定值)；以及控制裝置，用于在必要時調節流入氣體傳送裝置的一種或多種氣體的流速，以減少或消除算得氣體組成與目標組成之間的差異。
總而言之，本發明的方法包括，先令各種氣體組分各以一定的流速流入并通過氣體傳送裝置，以形成近似要求組成的混合物。在氣體混合和測量操作中，通過系統的混合氣體流速和組成基本保持恒定，直至，例如，為了調節組成而改變混合氣中一種或多種氣體組分的流速而被改變。進入氣體傳送裝置的氣體組分被混合成組成均勻的混合氣流。在設定的時間間隔，(1)當混合氣通過氣體傳送系統內設定點時測定其流速，(2)當混合氣通過該設定點時對其進行分析以測定流經的混合物中各組分當時的濃度。流速測量和混合氣分析結果被用來確定在操作過程中已經流過設定點的氣體整體的組成。如果已經通過設定點的累積混合氣的各組分正以要求的比例流經氣體傳送裝置，就無需調節任何氣體組分的流量。但是，如果氣體混合物的組成超過了可接受的組成限值，就有信號被反饋給一個或多個流量調節裝置，這些調節裝置與將各氣體組分引入氣體傳送裝置的氣路相聯，以便令流量調節裝置向消除算得組成與目標組成之間差異的方向調節氣體組分的流速。在充氣操作的全過程中需頻繁地進行分析和流速調節，從而將混合氣的組成維持在窄的范圍內。
圖1顯示了一套用于實施本發明的典型系統，所顯示的是將所要求的混合氣的3種成份混合的系統。該系統也可以用于制備兩種氣體的混合物，或者在稍加改進后用于制備四種或更多組分的混合氣。該系統包括氣體組分送氣管2、4和6，各自具有流量調節裝置8、10和12。流量調節裝置可以是，例如，可調通孔、流量調節閥、調速壓縮機、與閥門聯用的固定通孔或與蒸發器聯用的調速流體泵。
送氣管2、4和6的下游端與裝有氣體混合裝置M的混合氣管道14連通。混合裝置M可以是任何氣體混合裝置，例如為了確保將進入混合器的氣體混合均勻而一般配置擋板的混合室。混合室M可有可無。有時，當各氣體合并進入一根單獨的管道時可能就會充分混合，此時就不再需要氣體混合室。但重要的是，進入氣體分析儀A的混合氣必需具有均勻的組成，如此才能使分析儀的測定有意義。
氣體取樣管16在混合器M的下游。管16與氣體分析儀A相連，該分析儀可以是任何氣體分析儀，它測定當時流經管道14內設定點的混合氣內各組分的濃度(“即時組分濃度”)。合用的氣體分析儀中較典型的有紅外分析儀、質譜儀和氣相色譜儀。較好的是紅外分析儀和質譜儀，因為它們能夠對氣體進行快速分析并提供有用的信息。紅外混合氣分析系統及其操作可參見前文提到及在此引用并參考的美國專利3,856,033和3,948,281。
與管道14相連的還有流量測量裝置F，可以是任何連續測定流經某氣體管路的氣體流量并提供累計流量讀數的裝置。在實際裝配時，取樣管16和管道14內的設定點即測量裝置F測定體積流量的位置靠得很近，以便令管道14在以上兩點之間的體積小到可以在質量守恒計算中忽略不計。氣體分析儀A和流量測量裝置F分別通過數據線路18和20將氣體分析和總氣體流量信息傳遞給過程控制器C。
控制單元C最好是基于計算機的控制裝置，它能夠解釋來自分析儀A和流量測量裝置F的信號，并計算出已經流過管道14內設定點的氣體總體積內各氣體組分的濃度(“總組分濃度”)。控制單元C不斷將各氣體組分的總組分濃度與目標組成中該組分的規定濃度相比較，并在必要時向一個或多個流量調節裝置8、10和12發出指令，令流量調節裝置調節流經裝置的氣體組分的流量。
在分析儀A和流量測量裝置F的下游，管道14與最終用途相連。在圖中，最終用途之一是氣筒充氣站，它包括管路24、分路管16和閥門28、30和32，這些閥門控制著進入當時在站中等待充氣的氣筒34、36和38的氣體流量。另一種最終用途可以是化學反應車間，它通過裝有閥門42的管路40獲得組成經仔細測定的混合氣。
為了用圖中的系統制備兩種氣體的混合物，通過打開管路2和4上的截止閥(未示出)在所述的管路中形成兩種氣體的氣流。通過調節流量調節裝置8和10的開啟程度，將兩種氣體的流速設定成可形成組成接近要求的混合氣。氣體組分進入管道14，在此發生混合。如果通過在管道14內的簡單混合就能夠發生充分混合從而得到均勻的混合氣，那就不再需要附加的混合裝置。但是，如果另外需要混合，可令混合氣通過混合器M之類的機械氣體混合裝置。重要的是，為了進行準確而可靠的氣體分析，混合氣必須被混合均勻。
分析儀A定時通過管16對流經管道14的混合氣取樣，并對每份樣品就混合氣的各組分進行即時組分濃度測定。在操作全過程中，流量測定裝置F累計測定流經管14的氣體流速。流量測量裝置F可以位于管道14內的任意位置，因為它測定的是流經管道14的氣體的總流量而不管氣體是否混合均勻，但是，為了避免因通過管16從管道14內取出氣體樣品而造成的誤差，它最好位于氣體分析儀A的下游。
同樣，混合氣內各組分的總組分濃度通過定時地根據即時組分濃度計算而得，即等于完成操作的時間內混合氣各氣體組分的總流量除以完成操作的時間內混合氣的總流量，其中完成操作的時間內混合氣各氣體組分的總流量是通過，將(1)一段時間間隔即取樣間隔內的增量氣體體積流量乘以該間隔內一次取樣測得的即時組分濃度，并將此一系列乘積相加而得，其中時間間隔的總和就是完成操作的時間。如前所述，如果發現測定時的總組分濃度與測定時要求組成中該組分的規定濃度不同，就會向一個或多個流量調節裝置發出信號，由此進行適當的調節以減小和消除被發現的差異。在操作的全過程內，該過程反復進行。較好的是，取樣的間隔時間很短，因為，時間越短，對氣體組分濃度的測定越準。
流經管道14的氣體可以用來充裝氣體儲器，例如圖中所示的氣筒組。此時，可以同時充裝多個氣筒，也可以各個氣筒單獨充裝。較好的是多個氣筒同時充裝，因為，此時，每一批中的每個氣筒都被以完全相同的氣體組合物充裝至相同的壓力。作為另一種用途，混合氣可以通過管路40和閥門42被送至位于下游的具有其它最終用途的反應器。這可以確保提供一定量的具有要求組成的混合氣。
應該理解，本發明的范圍包括用常規設備來監測和自動調節系統內各氣體的流量，從而令系統自動、連續、有效運行。
以下實施例將進一步說明本發明，若非另作說明，其中的份數、百分比和比例都是以體積為基礎的。實施例用氬氣/二氧化碳混合氣充裝一組14個氣筒(每個可裝15升水)，目標組成為90％氬氣和10％二氧化碳。各組分利用帶蒸發器的調速流體泵以2.5×107Pa(250bar)的壓力送入。氬氣流利用與氬氣泵直接相連的常溫蒸發器蒸發而成。二氧化碳蒸汽利用38℃(100°F)的加熱蒸發器蒸發而成。蒸發后，用靜態混合器將氣體混合。混合后，立刻用紅外分析儀測定某氣筒充裝汽流內的二氧化碳含量。充裝氣以25標準立方米/分鐘的流速引入氣筒。通過只改變二氧化碳泵的速度來校正樣品氣的濃度偏差。氬氣泵被設定成恒速。每秒分析一次混合氣樣品。當二氧化碳濃度超過目標濃度10％時，減小二氧化碳泵的流速，當二氧化碳濃度低于10％時，將流速加大。在21℃(70°F)將氣筒充裝至1.82×107Pa(182bar)。
圖2顯示的是實驗的結果。曲線A表示給定時刻的即時二氧化碳濃度測量值，曲線B表示各時刻算得的二氧化碳濃度。可以看出，在充裝過程結束時，氣筒內混合氣的算得二氧化碳濃度是10.00％。對氣筒中的氣體樣品另外進行的氣相色譜分析顯示，混合氣內的實際二氧化碳濃度是10.05％。
雖然，以上參照具體的設備配置和具體的實驗對本發明進行了說明，但這些特征只是對本發明的例舉，其可變動之處是可想而知的。例如，可以如下由即時組分濃度算得混合氣中各組分的總組分濃度，即將各次取樣間隔內的增量氣體體積流量與間隔內一次取樣測得的即時組分濃度的乘積在完成操作總時間內的積分(a)除以完成操作總時間內混合氣的總流量(b)。本發明的范圍只受所附權利要求書的范圍的限定。
權利要求
1．一種通過管道裝置輸送一定量的具有選定組成的混合氣的方法，它包括以下步驟(a)形成由兩種或更多種氣體均勻混合而成的、通過所述管道裝置內某設定點的氣流；(b)定時測定通過所述設定點的混合氣的流速；(c)定時測定通過所述設定點的所述混合氣內各氣體的即時濃度；(d)利用步驟(b)和(c)得到的數據定時測定已經通過所述點的累積混合氣的組成；和(e)定時以減少測得組成與設定組成之間差異的方式調節所述的兩種或更多種氣體中至少一種氣體流經所述管道的流速。
2．根據權利要求1所述的方法，其特征在于利用氣體分析儀來實施其中的步驟(c)。
3．根據權利要求2所述的方法，其特征在于利用累計流量計來實施其中的步驟(d)。
4．根據權利要求3所述的方法，其特征在于所述的氣體分析儀和所述的累計流量計向進行測定步驟(d)的控制系統發出信號。
5．根據權利要求4所述的方法，其特征在于所述的控制系統響應于所述測定步驟(d)使得流量調節裝置調節進入所述管道裝置的氣體的流量。
6．根據權利要求5所述的方法，其特征在于所述的一種或多種氣體是通過兩路或更多路單獨的氣體管道裝置引入前述的管道裝置。
7．根據權利要求6所述的方法，其特征在于其中的流量調控裝置調節通過所述單獨氣體管道裝置中一路或多路的氣體流量。
8．根據權利要求2所述的方法，其特征在于所述的氣體分析儀是紅外分析儀或質譜儀。
9．根據權利要求1所述的方法，其特征在于它還包括通過所述的管道裝置以所述的混合氣充裝一個或多個氣體容器的步驟。
10．根據權利要求1所述的方法，其特征在于它還包括通過所述的管道裝置以所述的混合氣同時充裝兩個或多個氣體容器的步驟。
11．根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述的混合氣被用作原料送至化學反應。
12．根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述的混合氣在混合氣到達所述管道內設定點之前靠流過氣體混合裝置來混合均勻。
13．一種通過管道裝置傳送一定量的混合氣的方法，混合氣內各氣體組分具有設定的濃度，它包括以下步驟(a)形成由兩種或更多種氣體均勻混合而成的、通過所述管道裝置內某設定點的氣流；(b)通過定時測定通過所述設定點的混合氣的流速，匯集成一系列流速測量值；(c)在前述系列內每一流速有效的時間內測定通過所述設定點的所述混合氣內各氣體的濃度c，由此匯集成一系列氣體組分濃度值；(d)通過將流速f與各氣體組分的濃度c的乘積相加，定時測算通過所述設定點的各氣體組分的累積量；(e)通過將流速f相加，定時測算通過所述設定點的混合氣的累積量；(f)通過測定各氣體組分的累積量與通過所述設定點的混合氣的累積量之比，定時測算累積混合氣中各氣體組分的濃度；(g)定時以減少各氣體組分的測算組成與選定組成之間差異的方式調節流經所述管道的一種或多種氣體組分的流速。
14．一種向下游用途輸送一定量的具有選定組成的混合氣的系統，它包括(a)混合氣管道裝置，該裝置具有入口和出口，并在所述的入口和出口之間具有累計氣體體積測定裝置和混合氣分析裝置；(b)多條氣體組分供氣管道裝置，它們各自具有流量調節裝置，而且各自與所述的混合氣管道裝置的入口流通；(c)用于測定累積混合氣的組成的系統控制裝置，所依據的是累計氣體流量測定值和對混合氣的定時分析值；(d)響應于氣體分析讀數，將來自所述氣體分析裝置的信號傳遞至所述系統控制裝置的裝置；(e)響應于累計氣體體積測定值，將來自所述累計氣體體積測量裝置的信號傳遞至系統調控裝置的裝置；(f)響應于累積混合氣的組成測定值，將來自所述系統控制裝置的流量調節信號傳遞至一個或多個所述流量調節裝置的裝置。
15．根據權利要求14所述的系統，其特征在于它還包括位于所述混合氣分析裝置上游的氣體混合裝置。
16．根據權利要求14所述的系統，其特征在于所述的下游用途是氣體容器充裝系統。
17．根據權利要求14所述的系統，其特征在于所述的混合氣分析裝置是紅外分析儀或質譜儀。
18．根據權利要求14所述的系統，其特征在于所述的流量調節裝置是可調通孔、調速壓縮機、閥門-固定通孔組合件或與蒸發器聯用的調速流體泵。
全文摘要
具有選定組成的混合氣充氣系統,包括:氣體管道,其入口與各具流量調控裝置的各組分供氣管道相連,出口與充氣系統相連,并配有氣體分析儀,累計氣體流量測定裝置和位于分析儀上游的氣體混合裝置;控制器,接收來自流量測定裝置和分析儀的信號并向各流量調節裝置發送信號。定量充裝混合氣的方法,包括累計流經管道的氣體量,定時分析混合氣,定時向系統控制器發送累計流量和分析信號,定時向流量調節裝置發送調節信號,以減少實際組成與要求組成的差異。
文檔編號F17C5/00GK1212900SQ9810953
公開日1999年4月7日 申請日期1998年5月29日 優先權日1997年5月30日
發明者A·米克, L·B·科西 申請人:波克股份有限公司