Un sistema de compresión de gas incluyendo (a) un cilindro de compresión (1) que tiene una entrada de gas,

una salida de gas comprimido, uno o más orificios de transferencia de líquido; (b) una bomba (20) que tiene una aspiración y una descarga; (c) un intensificador de presión (7) que tiene una entrada y una salida; (d) un líquido compresor (3), del que al menos una porción se contiene en la bomba (20), el intensificador de presión (7), y el cilindro de compresión (1); y (e) medios de tubo y válvula (19, 45, 47, 49, 51, 55, 59, 61, 63, 65, 67, 69, 73, 79) adaptados para transferir el líquido compresor de la descarga de la bomba (20) a alguno del uno o más orificios de transferencia de líquido del cilindro de compresión (1) y a la entrada del intensificador de presión (7); medios de tubo y válvula (45, 46, 48, 71, 75, 83, 91) adaptados para transferir el líquido compresor de alguno del uno o más orificios de transferencia de líquido del cilindro de compresión (1) a la aspiración de la bomba (20); y medios de tubo (5) para transferir el líquido compresor (3) de la salida del intensificador de presión (7) a alguno del uno o más orificios de transferencia de líquido del cilindro de compresión (1)

Antecedentes de la invención

La compresión de gas a presiones ultraaltas es necesaria en muchos procesos industriales, en el suministro de gases industriales para uso a presiones ultraaltas, y en sistemas especializados de almacenamiento de gas a presión ultraalta. La compresión de gas a presiones superiores a aproximadamente 0,8 MPa (100 psig) en dichas aplicaciones se efectúa típicamente por compresores de desplazamiento positivo que utilizan pistones macizos o diafragmas y requieren juntas estancas fiables y eficientes que operan a altas presiones diferenciales. La compresión de gas requiere refrigeración para quitar calor de compresión, lo que se puede lograr por refrigeración interetápica entre múltiples etapas de compresión. Las aplicaciones de compresión a presión ultraalta pueden requerir así muchas etapas de compresión para una operación eficiente. La mayoría de los compresores del tipo de pistón requieren lubricación entre el pistón y el cilindro, y el lubricante puede ser arrastrado en el gas comprimido, requiriendo por ello unos medios eficientes de extracción de aceite hacia abajo del compresor.

Los compresores de desplazamiento positivo alternativos convencionales pueden ser menos eficientes cuando aumenta la presión de descarga a causa de la holgura o volumen muerto requerido entre el elemento compresor móvil (por ejemplo, pistón o diafragma) y la caja de compresor. A causa de este volumen de holgura, queda una cantidad pequeña, pero significativa, de gas en el compresor al final de la carrera de compresión, y la energía de presión en este gas se pierde durante la carrera de admisión posterior.

Estos inconvenientes de los compresores alternativos de elementos sólidos han dado lugar al desarrollo de compresores de gas de pistón líquido en los que se bombea un líquido a un cilindro para comprimir gas en él por contacto directo entre el líquido de accionamiento y el gas que se comprime. Después de comprimir y descargar el gas del cilindro, el líquido es retirado y otra carga de gas a baja presión fluye al cilindro para compresión en un paso de compresión posterior. Muchos de los primeros compresores de pistón líquido, por ejemplo, estaban diseñados para servicio de compresión de aire y usaban agua como el líquido de compresión. Se han descrito múltiples compresores de cilindro líquido que realizan un flujo más constante de gas comprimido, y se han usado varios tipos de dispositivos de refrigeración montados en los cilindros de compresión.

La Publicación de Patente de Estados Unidos número US 2003/0039554 describe un método y aparato para llenar un recipiente de almacenamiento con gas comprimido. Se aspira fluido hidráulico de un depósito y se bombea a un primer depósito en contacto con el gas. Esto hace que el gas en el primer depósito fluya al recipiente de almacenamiento cuando se llena de fluido hidráulico. Al mismo tiempo se suministra gas desde la fuente de gas a un segundo depósito. El fluido hidráulico previo introducido en el segundo depósito sale al depósito cuando el segundo depósito se llena de gas. Cuando el primer depósito está lleno de fluido hidráulico, una válvula conmuta el ciclo de modo que la bomba hidráulica comience a bombear fluido hidráulico de nuevo al segundo depósito mientras el primer depósito se drena. El ciclo se repite hasta que el recipiente de almacenamiento se llena de gas a una presión deseada.

En el campo de la compresión de gas, en particular en la compresión de gas a presión ultraalta, se necesitan sistemas compresores mejorados que eviten los inconvenientes antes descritos de los compresores alternativos de elementos sólidos. En particular, se necesitan en la industria de gases industriales sistemas de compresión mejorados para proporcionar productos de gas a presiones ultraaltas y sistemas de almacenamiento de gas a presiones ultraaltas.

Breve resumen de la invención

Satisfacen esta necesidad varias realizaciones de la invención descritas en la siguiente memoria descriptiva y definidas en las reivindicaciones anexas. Los sistemas compresores de pistón líquido descritos más adelante utilizan varias características integradas en ciclos de compresión adecuados para la compresión de gas a presiones ultraaltas que pueden ser del rango, por ejemplo, de hasta 690 MPa (100.000 psig).

Una realización de la invención incluye un sistema de compresión de gas incluyendo un cilindro de compresión que tiene una entrada de gas, una salida de gas comprimido, uno o más orificios de transferencia de líquido, una bomba que tiene una aspiración y una descarga y un intensificador de presión que tiene una entrada y una salida. Se usa un líquido compresor en el sistema, del que al menos una porción se contiene en la bomba, el intensificador de presión, y el cilindro de compresión. El sistema incluye medios de tubo y válvula adaptados para transferir el líquido compresor de la descarga de la bomba a alguno del uno o más orificios de transferencia de líquido del cilindro de compresión y a la entrada del intensificador de presión; medios de tubo y válvula adaptados para transferir el líquido compresor de alguno del uno o más orificios de transferencia de líquido del cilindro de compresión a la aspiración de la bomba; y medios de tubo para transferir el líquido compresor de la salida del intensificador de presión a alguno del uno o más orificios de transferencia de líquido del cilindro de compresión.

Esta realización puede incluir además medios de refrigeración dentro del cilindro de compresión adaptados para efectuar la transferencia de su calor entre el líquido de compresión y un gas y puede incluir además un refrigerador adaptado para enfriar el líquido de compresión cuando fluye entre el cilindro de compresión y la bomba. Otra característica de esta realización puede incluir un eductor de alimentación que tiene una entrada a alta presión, una entrada a baja presión, y una salida, donde la entrada a alta presión está en comunicación de flujo con la descarga de la bomba, la entrada a baja presión está en comunicación de flujo con un depósito conteniendo una porción del líquido compresor, y la salida está en comunicación de flujo con alguno del uno o más orificios de transferencia de líquido del cilindro de compresión.

El sistema de esta realización puede incluir además un eductor de drenaje que tiene una entrada a alta presión, una entrada a baja presión, y una salida, donde la entrada a alta presión está en comunicación de flujo con la descarga de la bomba, la entrada a baja presión está en comunicación de flujo con alguno del uno o más orificios de transferencia de líquido del cilindro de compresión, y la salida del eductor está en comunicación de flujo con un depósito conteniendo una porción del líquido compresor. El sistema puede incluir cualquiera de (1) un acumulador de líquido compresor de volumen variable en comunicación de flujo con la descarga de la bomba puede estar incluido en este sistema y (2) un depósito de líquido compresor en comunicación de flujo con la aspiración de entrada de la bomba. El líquido compresor puede incluir uno o más componentes seleccionados del grupo que consta de agua, aceite mineral, aceite de silicona y aceite fluorado.

La invención también describe un sistema de compresión de gas incluyendo

(a) un cilindro de compresión que tiene una entrada de gas, una salida de gas comprimido, uno o más orificios de transferencia de líquido, y una salida de líquido;

(b) una bomba que tiene una aspiración y una descarga;

(c) un intensificador de presión que tiene una entrada y una salida, donde la entrada está en comunicación de flujo con la bomba y la salida está en comunicación de flujo con el cilindro de compresión;

(d) un eductor de drenaje que tiene una entrada a alta presión, una entrada a baja presión, y una salida, donde la entrada a alta presión está en comunicación de flujo con la descarga de la bomba, la entrada a baja presión está en comunicación de flujo con alguno del uno o más orificios de transferencia de líquido del cilindro de compresión, y la salida del eductor está en comunicación de flujo con un depósito conteniendo una porción del líquido compresor;

(e) un líquido compresor, del que al menos una porción se contiene en la bomba, los eductores, el depósito, el intensificador de presión, y el cilindro de compresión; y

(f) medios de tubo y válvula adaptados para transferir el líquido compresor de la descarga de la bomba a cualquiera de la entrada del intensificador de presión y la entrada a alta presión del eductor de drenaje;... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de compresión de gas incluyendo

(a) un cilindro de compresión (1) que tiene una entrada de gas, una salida de gas comprimido, uno o más orificios de transferencia de líquido;

(b) una bomba (20) que tiene una aspiración y una descarga;

(c) un intensificador de presión (7) que tiene una entrada y una salida;

(d) un líquido compresor (3), del que al menos una porción se contiene en la bomba (20), el intensificador de presión (7), y el cilindro de compresión (1); y

(e) medios de tubo y válvula (19, 45, 47, 49, 51, 55, 59, 61, 63, 65, 67, 69, 73, 79) adaptados para transferir el líquido compresor de la descarga de la bomba (20) a alguno del uno o más orificios de transferencia de líquido del cilindro de compresión (1) y a la entrada del intensificador de presión (7); medios de tubo y válvula (45, 46, 48, 71, 75, 83, 91) adaptados para transferir el líquido compresor de alguno del uno o más orificios de transferencia de líquido del cilindro de compresión (1) a la aspiración de la bomba (20); y medios de tubo (5) para transferir el líquido compresor (3) de la salida del intensificador de presión (7) a alguno del uno o más orificios de transferencia de líquido del cilindro de compresión (1).

2. El sistema de la reivindicación 1 que incluye además medios de refrigeración dentro del cilindro de compresión (1) adaptados para efectuar transferencia de calor entre el líquido compresor (3) y un gas.

3. El sistema de la reivindicación 1 que incluye además un refrigerador (31) adaptado para enfriar el líquido compresor (3) cuando circula entre el cilindro de compresión (1) y la bomba (20).

4. El sistema de la reivindicación 1 que incluye además un eductor de alimentación (27) que tiene una entrada a alta presión, una entrada a baja presión, y una salida, donde la entrada a alta presión está en comunicación de flujo con la descarga de la bomba (20), la entrada a baja presión está en comunicación de flujo con un depósito (21) conteniendo una porción del líquido compresor (3), y la salida está en comunicación de flujo con alguno del uno o más orificios de transferencia de líquido del cilindro de compresión (1).

5. El sistema de la reivindicación 1 que incluye además un eductor de drenaje (29) que tiene una entrada a alta presión, una entrada a baja presión, y una salida, donde la entrada a alta presión está en comunicación de flujo con la descarga de la bomba (20), la entrada a baja presión está en comunicación de flujo con alguno del uno o más orificios de transferencia de líquido del cilindro de compresión (1), y la salida del eductor de drenaje (29) está en comunicación de flujo con un depósito (21) conteniendo una porción del líquido compresor (3).

6. El sistema de la reivindicación 1 que incluye además un acumulador de líquido compresor de volumen variable

(25) en comunicación de flujo con la descarga de la bomba (20).

7. El sistema de la reivindicación 1 que incluye además un depósito de líquido compresor (21) en comunicación de flujo con la aspiración de entrada de la bomba (20).

8. El sistema de la reivindicación 1 donde el líquido compresor (3) incluye uno o más componentes seleccionados del grupo que consta de agua, aceite mineral, aceite de silicona, y aceite fluorado.

9. El sistema de compresión de gas de la reivindicación 1 donde el cilindro de compresión (1) incluye además una salida de líquido; donde la entrada del intensificador de presión (7) está en comunicación de flujo con la bomba (20) y la salida del intensificador de presión (7) está en comunicación de flujo con el cilindro de compresión (1);

incluyendo además el sistema de compresión de gas

un eductor de drenaje (29) que tiene una entrada a alta presión, una entrada a baja presión, y una salida, donde la entrada a alta presión está en comunicación de flujo con la descarga de la bomba (20), la entrada a baja presión está en comunicación de flujo con alguno del uno o más orificios de transferencia de líquido del cilindro de compresión (1), y la salida del eductor de drenaje (29) está en comunicación de flujo con un depósito (21) conteniendo una porción del líquido compresor (3),

donde al menos una porción del líquido compresor (3) se contiene en el eductor de drenaje (29), y el depósito (21) y donde los medios de tubo y válvula (19, 45, 47, 49, 51, 55, 59, 61, 63, 65, 67, 69, 73, 79) adaptados para transferir el líquido compresor de la descarga de la bomba (20) están adaptados para transferir el líquido compresor (3) a la entrada a alta presión del eductor de drenaje (29).

10. El sistema de la reivindicación 9 que incluye además un eductor de alimentación (27) que tiene una entrada a alta presión, una entrada a baja presión, y una salida, donde la entrada a alta presión está en comunicación de flujo con la descarga de la bomba (20), la entrada a baja presión está en comunicación de flujo con el depósito (21) conteniendo una porción del líquido compresor, y la salida está en comunicación de flujo con alguno del uno o más orificios de transferencia de líquido del cilindro de compresión (1).

11. El sistema de la reivindicación 9 que incluye además un acumulador de líquido compresor de volumen variable

(25) en comunicación de flujo con la descarga de la bomba (20).

12. El sistema de compresión de gas de la reivindicación 1 donde la entrada del intensificador de presión (7) está en comunicación de flujo con la bomba (20) y la salida del intensificador de presión (7) está en comunicación de flujo con el cilindro de compresión (1); y cualquiera de

(1) un eductor de alimentación (27) que tiene una entrada a alta presión, una entrada a baja presión, y una salida, donde la entrada a alta presión está en comunicación de flujo con la descarga de la bomba (20), la entrada a baja presión está en comunicación de flujo con un depósito (21) conteniendo una porción del líquido compresor (3), y la salida está en comunicación de flujo con alguno del uno o más orificios de transferencia de líquido del cilindro de compresión (1);

(2) un eductor de drenaje (29) que tiene una entrada a alta presión, una entrada a baja presión, y una salida, donde la entrada a alta presión está en comunicación de flujo con la descarga de la bomba (20), la entrada a baja presión está en comunicación de flujo con alguno del uno o más orificios de transferencia de líquido del cilindro de compresión (1), y la salida del eductor de drenaje (29) está en comunicación de flujo con la bomba (20) y con un depósito (21) conteniendo una porción del líquido compresor (3); y

(3) un acumulador de líquido compresor de volumen variable (25) en comunicación de flujo con la descarga de la bomba (20).

13. Un método para comprimir un gas incluyendo

(a) proporcionar un sistema de compresión de gas que tiene

(1) un cilindro de compresión (1) que tiene una entrada de gas, una salida de gas comprimido, uno o más orificios de transferencia de líquido;

(2) una bomba (20) que tiene una aspiración y una descarga;

(3) un intensificador de presión (7) que tiene una entrada y una salida; y

(4) un líquido compresor, del que al menos una porción se contiene en la bomba (20), el intensificador de presión (7), y el cilindro de compresión (1);

(b) introducir un gas a través de la entrada de gas al cilindro de compresión (1):

(c) bombear el líquido compresor (3) para suministrar un líquido compresor presurizado, e introducir el líquido compresor presurizado al cilindro de compresión (1) para comprimir el gas en el cilindro de compresión (1);

(d) seguir bombeando el líquido compresor (3) para suministrar líquido compresor presurizado, introducir el líquido compresor presurizado a la entrada del intensificador de presión (7), y extraer un líquido compresor presurizado adicional de la salida del intensificador de presión (7);

(e) introducir el líquido compresor presurizado adicional al cilindro de compresión (1) para comprimir más el gas en el cilindro de compresión (1); y

(f) extraer un gas comprimido de la salida de gas comprimido del cilindro de compresión (1).

14. El método de la reivindicación 13 que incluye además proporcionar un depósito de líquido compresor (21), extraer el líquido compresor (3) del cilindro de compresión (1), y transferir el líquido compresor (3) al depósito de líquido compresor (21).

15. El método de la reivindicación 14 que incluye además proporcionar un eductor de alimentación (27) que tiene una entrada a alta presión, una entrada a baja presión, y una salida, donde la entrada a alta presión está en comunicación de flujo con la descarga de la bomba (20), la entrada a baja presión está en comunicación de flujo con el depósito (21) conteniendo líquido compresor (3), y la salida está en comunicación de flujo con alguno del uno o más orificios de transferencia de líquido del cilindro de compresión (1), y antes de (c) pasar líquido compresor presurizado de la bomba (20) a la entrada a alta presión y a través del eductor, aspirar líquido compresor adicional

del depósito (21) a la entrada a baja presión del eductor, extraer un líquido compresor presurizado combinado de la salida del eductor, y transferir el líquido compresor presurizado combinado al cilindro de compresión (1).

16. El método de la reivindicación 13 que incluye además enfriar el gas en el cilindro de compresión (1) durante 5 cualquiera de (c), (d), y (e) efectuando transferencia de calor entre el gas y el líquido compresor (3).

17. El método de la reivindicación 14 que incluye además enfriar el líquido compresor (3) durante la transferencia del líquido del cilindro de compresión (1) al depósito de líquido compresor (21).

18. El método de la reivindicación 14 que incluye además proporcionar un eductor de drenaje (29) que tiene una entrada a alta presión, una entrada a baja presión, y una salida, donde la entrada a alta presión está en comunicación de flujo con la descarga de la bomba (20), la entrada a baja presión está en comunicación de flujo con alguno del uno o más orificios de transferencia de líquido del cilindro de compresión (1), y la salida del eductor de drenaje (29) está en comunicación de flujo con el depósito (21), pasar líquido compresor presurizado de la bomba (20) a la entrada a alta presión y a través del eductor de drenaje (29), aspirar líquido compresor (3) del cilindro de compresión (1) a la entrada a baja presión del eductor de drenaje (29), extraer un líquido compresor combinado de la salida del eductor de drenaje (29), y transferir el líquido compresor combinado al depósito (21).

19. El método de la reivindicación 14 donde el gas comprimido es retirado de la salida de gas comprimido del cilindro 20 de compresión (1) a una presión de entre 35 MPa y 690 MPa (5.000 y 100.000 psig).

20. El método de la reivindicación 19 donde el gas comprimido incluye hidrógeno.