專利名稱：活性成分催化減少系統(tǒng)及方法
活性成分催化減少系統(tǒng)及方法發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明涉及機載(on board)的活性成分去除系統(tǒng)以及從燃 料存儲容器的蒸汽相中去除活性成分的反應系統(tǒng)和方法的領(lǐng)域。在一 個具體方面，本發(fā)明涉及從燃料存儲容器的蒸汽相中催化去除活性成 分——具體而言為氧和/或燃料的系統(tǒng)和方法，因此減少在這樣的容器 中發(fā)生火災和爆炸的可能性。發(fā)明背景
為了避免燃料罐(如航空器油箱、載有作為貨物的易燃流 體的船舶和類似物)中潛在的火災和爆炸危險，減少與液體燃料接觸 的氣相中的活性成分(如氧和/或燃料蒸汽)的濃度是必要的。已經(jīng)努 力采用許多不同的方法解決這個問題。例如， 一種這樣的方法涉及從 航空器引擎上取走引氣(bleed air),使之通過基于膜的氣體分離器， 去除足夠量的氧氣，以使氧氣濃度減少到10%以下。該減少氧含量的 氣體然后被用作燃料罐中的惰性氣體層。
本領(lǐng)域應用的另一個方法涉及變壓吸附系統(tǒng)的使用，以從 空氣中分離氧氣，產(chǎn)生氧氣耗盡的惰性氣體。
這些以及在現(xiàn)有技術(shù)中描述的其它系統(tǒng)需要復雜的裝置并 顯著增加了操作成本，這是由于要提供機載惰性氣體發(fā)生器系統(tǒng)(on board enert gas generator system, OBIGGS)。因此，需要改進的系統(tǒng)和 方法，用于從燃料存儲容器的蒸汽相中去除活性成分(如氧和/或燃料 蒸汽)或減少其含量。發(fā)明概述
按照本發(fā)明，提供了催化降低燃料存儲罐的蒸汽相中一種 或多種活性成分濃度的簡化系統(tǒng)和方法。本文描述的簡單裝置可用于 代替市場上的復雜OBIGGS系統(tǒng)。簡單地說，在本發(fā)明的一個實施方式 中，來自燃料罐的蒸汽相通過在合適溫度下操作的催化床，使得自由 氧和燃料蒸汽之間通過燃料蒸汽的氧化發(fā)生反應，從而鈍化氣相中的 活性成分。此外，本文考慮的蒸汽的循環(huán)和處理使向大氣中排放含燃 料的蒸汽減到最少。
在本發(fā)明的另一實施方式中，提供了從燃料存儲罐的蒸汽 相中使一種或多種活性成分(如氧和/或燃料蒸汽)鈍化、降低濃度或 者去除的系統(tǒng)。本發(fā)明系統(tǒng)包括有入口和出口的反應區(qū)，其中反應區(qū) 提供了適合鈍化活性成分的條件。任選地，本發(fā)明系統(tǒng)包括從蒸汽相 中去除熱和或水的能力。
而在本發(fā)明的另一個實施方式中，提供了用在容器(如運 載作為貨物的易燃流體的航空器、船和類似容器)中的燃料存儲系統(tǒng)， 這種燃料存儲系統(tǒng)能夠使燃料存儲罐的蒸汽相中的一種或多種活性成 分的濃度水平維持在足夠低的水平，以顯著降低由此引起的火災和爆 炸風險。而且，本文考慮的蒸汽的循環(huán)和處理使向大氣中排放含燃料 的蒸汽減到最少。
仍然在本發(fā)明的另一個實施方式中，提供了從燃料存儲罐 的蒸汽相中使一種或多種活性成分鈍化、降低濃度或者去除的方法。 本發(fā)明方法包括在蒸汽相返回燃料存儲罐之前，使至少一部分來自燃 料存儲罐的蒸汽相通過反應區(qū)，該反應區(qū)用于鈍化活性成分。任選地， 本發(fā)明方法包括從蒸汽相中去除熱和/或水的能力。附圖簡述
圖l是根據(jù)本發(fā)明的活性成分減少系統(tǒng)的一種實施方式的 示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的活性成分減少系統(tǒng)的另一種實施方式 的示意圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的活性成分減少系統(tǒng)的另一種實施方式 的示意圖。
圖4說明本發(fā)明的活性成分催化去除系統(tǒng)的性能。在相對低 的溫度下，標準貴金屬催化劑能將氧水平從0.6%的起始水平減少到 5ppm以下。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的活性成分減少系統(tǒng)的另一種實施方式 的示意圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的含催化劑的反應區(qū)的一種實施方式的 圖示，該反應區(qū)具有熱交換能力。
圖7是根據(jù)本發(fā)明，用于減少活性成分(一種或多種)的含 有催化劑的管的一種實施方式的圖示。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的具有梯度密度的催化劑管的圖示。
圖9A和9B說明催化劑管的兩種實施方式，該催化劑管具 有適合被催化劑涂覆的內(nèi)部鰭狀物(fm)。


圖10總體說明考慮用在本發(fā)明的實踐中的催化管的三種 實施方式。圖10A是具有外部鰭狀物的催化劑管的一個實施方式的圖 解。圖IOB是具有內(nèi)部圓錐體的催化劑管的一個實施方式的圖解，該 內(nèi)部圓錐體可以涂覆有催化劑。圖10C是具有外部鰭狀物和內(nèi)部圓錐 體的催化劑管的一個實施方式的圖解，該內(nèi)部圓錐體可以涂覆有催化 劑。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的活性成分減少系統(tǒng)的一種實施方式 的圖示。
圖12是根據(jù)本發(fā)明的活性成分減少系統(tǒng)的另一種實施方 式的圖示。
圖13是根據(jù)本發(fā)明的以蒸發(fā)冷卻為特征的活性成分減少 系統(tǒng)的一種實施方式的圖示。
圖14是考慮用在本發(fā)明的實踐中的旋轉(zhuǎn)式除水系統(tǒng)的一 種實施方式的圖示。
圖15是考慮用在本發(fā)明的實踐中的催化劑管的一種實施 方式的圖示。優(yōu)選實施方式詳述
按照本發(fā)明，提供了從燃料存儲罐的蒸汽相中降低一種或 多種活性成分濃度的系統(tǒng)(如通過鈍化在其中的活性成分(一種或多 種))，其中所述的燃料存儲罐具有出口和入口，出口用于從那里去除蒸汽，入口用于蒸汽返回到那里。本發(fā)明系統(tǒng)包括反應區(qū)，其中當與之接觸時，所述的反應區(qū)提供適合鈍化所述的 一種或者多種活性成分的條件，所述反應區(qū)的入口，其經(jīng)由燃料存儲罐的出口，與所述燃料存儲 罐的蒸汽空間流體連通，和所述反應區(qū)的出口，其經(jīng)由燃料存儲罐的入口，與所述燃料儲存 罐的蒸汽空間流體連通。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員所容易認識到的，當與燃料(如噴氣燃 料)接觸時，有多種期望去除(或降低濃度)的活性成分。按照本發(fā) 明， 一種考慮要處理的活性成分是氧。按照本發(fā)明，另外一種考慮要 處理的活性成分也可以包括燃料蒸汽以及多種添加劑和/或與之通常相關(guān)的雜質(zhì)。本發(fā)明的一種具體優(yōu)勢涉及這一事實本文考慮的蒸汽的循環(huán)和處理使向大氣中排放含燃料的蒸汽減到最少，因此減少了由處 理這樣的材料所引起的環(huán)境影響。
本發(fā)明系統(tǒng)任選地包括入口/出口，該入口/出口使容器內(nèi)的 壓力平衡，這取決于容器是暴露在低于大氣壓還是高于大氣條件下。 例如，當容器暴露于低于大氣壓條件下，可能需要提供補償氣體 (make-up gas)源以平衡系統(tǒng)內(nèi)壓力?？蛇x地，當容器暴露在高于大 氣條件下，可能需要使容器排氣以降低其中的壓力。例如，航空器上 升或下降時，航空器內(nèi)的壓力，包括其中的燃料存儲容器內(nèi)的壓力， 可能顯著不同。例如，在下降情況，可能需要補充容器的氣體含量。 反過來，航空器上升時，可能需要釋放燃料存儲罐上的過多壓力。任 選地，補償氣體(或排出的蒸汽)將被用在本發(fā)明的方法中，用以鈍 化其中的一種或多種活性成分(如通過降低其濃度)，從而減少與外部 空氣導入系統(tǒng)或者蒸汽向大氣排放有關(guān)的安全危害。
本發(fā)明系統(tǒng)可以任選地配置為閉環(huán)系統(tǒng)。如此處使用的，術(shù)語"閉環(huán)(closed loop)"是指這一事實被處理以鈍化其中活性成 分的蒸汽返回到燃料存儲容器中，而不是被排放。然而，應該理解， 本發(fā)明閉環(huán)系統(tǒng)仍然考慮存在一個或多個入口/出口，這是出于其中壓 力平衡、從中去除水蒸汽或其它成分這樣的目的和類似目的?？紤]用 在本發(fā)明的實踐中的反應區(qū)可以以多種方式配置，如反應區(qū)可以包括 含有催化劑的容器，其中當在合適的條件下與之接觸時，所述催化劑 與所述的一種或多種活性成分反應。在一些實施方式中，容器具有入 口末端和出口末端并且整個容器中催化劑含量可以不同。在某些其它 實施方式中，從容器的入口末端到出口末端，催化劑含量可以增加。
如此處使用的，"鈍化"指活性成分如氧、燃料蒸汽和類似 物轉(zhuǎn)化為基本非活性種類，即在它們所暴露的條件下是基本惰性的種 類。優(yōu)選地，鈍化的種類是非易燃的。
考慮用在本發(fā)明實踐中的催化劑包括任選負載的金屬催化 劑，如，舉例而言，貴金屬(如鉑、鈀、金、銀和類似金屬)、貴重金 屬、過渡金屬、金屬氧化物、稀土氧化物、氮化物、碳化物、酶和類 似物，以及其任意兩種或多種的混合物。"催化的"指促進涉及一種或 多種反應物的反應或相互作用。催化材料可包括貴金屬、過渡金屬、 金屬氧化物(如過渡金屬氧化物如RuOx、 LaMnOx和鈣鈦礦)和類似 物，以及其各種組合。
考慮用在本文的催化材料可以任選地負載在各種材料上， 例如，諸如金屬載體、活性碳、碳黑和類似物，以及其混合物。無機 氧化物也可以作為載體材料使用，單獨使用或者聯(lián)合使用，如，二氧 化硅、氧化鋁、二氧化硅-氧化鋁、氧化鎂、二氧化鈦、二氧化鋯、蒙 脫石和類似物，或其結(jié)合物，例如，二氧化硅-鉻、二氧化硅-二氧化鈦 和類似結(jié)合。
當應用催化處理活性成分時，考慮各種各樣的使所述的催 化劑和所述的一種或多種活性成分接觸的合適條件。示例性的條件包 括在大約25°C到大約120CTC范圍內(nèi)的溫度下使蒸汽相物質(zhì)與催化劑接 觸?？紤]用在此處的目前優(yōu)選的溫度范圍是從大約5(TC到大約40(TC。 甚至更優(yōu)選的溫度范圍是從大約10(TC到大約350°C。
為了容易控制上面所描述的催化過程，本發(fā)明系統(tǒng)可以任選地進一步包括溫度調(diào)節(jié)器。任選地，溫度調(diào)節(jié)器可以是熱交換器， 熱交換器可以包括熱交換介質(zhì)。熱交換介質(zhì)可以任選地包括液體或者 外部空氣。任選地，熱交換可以通過蒸發(fā)冷卻完成。熱交換器可以位 于發(fā)明系統(tǒng)內(nèi)的多個位置，如熱交換器可以與含有催化劑的容器連接； 或者熱交換器位于含有催化劑容器的上游或下游；或者熱交換器可以 與催化劑容器整合。
當溫度調(diào)節(jié)器位于含有催化劑的容器的上游時，優(yōu)選地用 于預熱燃料蒸汽、空氣或者其混合物。當溫度調(diào)節(jié)器位于含有催化劑 容器的下游時，優(yōu)選地用于降低離開含有催化劑容器的蒸汽的溫度。 當溫度調(diào)節(jié)器與含有催化劑的容器連接時，如果需要，可被用于加熱 或者冷卻反應容器，以提供適合催化氧與燃料蒸汽反應的條件，從而 鈍化燃料蒸汽和空氣混合物中的活性成分(如，氧和/或燃料蒸汽)。
按照本發(fā)明用于處理活性成分的可選方法包括使用這樣的反應區(qū)，該反應區(qū)包括當與其接觸時足以鈍化一種或多種活性成分的 微波能量源。
按照本發(fā)明用于處理活性成分的另一可選方法，可以使用 這樣的反應區(qū)，該反應區(qū)包括當與其接觸時足以鈍化所述的一種或者 多種活性成分的等離子體能量源。
任選地，本發(fā)明系統(tǒng)可進一步包括在燃料存儲罐和反應區(qū) 之間的阻火器，以防止燃燒傳回燃料存儲罐的任何可能性?？蛇x地， 可以設(shè)計反應區(qū)以防止任何火焰的形成。
可以包括在本發(fā)明系統(tǒng)中的附加的可選特征包括一種或者 多種氧傳感器，該氧傳感器可位于反應區(qū)的上游和/或下游，以監(jiān)控燃 料存儲罐入口和/或出口氣體中的氧濃度。此外，可以提供反饋環(huán)路以 調(diào)整作為反應區(qū)之前和/或之后檢測的氧水平函數(shù)的反應區(qū)內(nèi)接觸條 件。
如此處所用的，術(shù)語"上游"指流程圖中的元件，其位于參 考點或參考元件以前或者之前。如此處所用的，術(shù)語"下游"指流程圖 中的元件，其位于參考點或參考元件之后。
在本發(fā)明的一些實施方式中，系統(tǒng)也可以包括適于從處理 的空氣中去除水的流體純化模塊(fluidpurification module)。例如，流體純化模塊可以包括冷凝器以降低被處理的蒸汽的溫度在露點之下， 因此促進除去任何過多的水。在具體的實施方式中，流體純化模塊可 以包括變壓吸附模塊。在其它實施方式中，純化模塊可以包括膜?？?以提供再循環(huán)管線，將流體從流體純化模塊轉(zhuǎn)移到反應區(qū)的入口。流 體純化模塊可以位于反應區(qū)的上游或者下游。在其它實施方式中，可以通過脫水器(moisture trap)去除水分。
如此處所用的，"凈化"和"純化"指從流體中去除一種或多 種組分。這種去除可以是部分的、全部的或者是所期望的水平，并且 可以包括去除僅一些或者全部組分。
在一種實施方式中，系統(tǒng)可以包括再循環(huán)管線，該再循環(huán) 管線適于將流體從分離器轉(zhuǎn)移到反應區(qū)的入口。
在一種實施方式中，系統(tǒng)也可以包括除氣器(vapor trap)， 該除氣器適于從分離器中分離與流體混合的揮發(fā)液體。
按照本發(fā)明的進一步方面，提供這樣的系統(tǒng)，用于當燃料從中撤出時，將缺少活性成分的蒸汽導入到燃料存儲容器中。本發(fā)明系統(tǒng)包括具有入口和出口的反應區(qū)，空氣源，其中空氣源與反應區(qū)的入口流體連通，燃料蒸汽源，其中燃料蒸汽源與所述反應區(qū)的入口流體連通，和任選的濾器/冷凝器，其中當濾器/冷凝器存在時，反應區(qū)與濾器/冷凝器的入口流體連通，并且濾器/冷凝器的出口與燃料儲存容器流體連通，其中在燃料蒸汽存在下，當與之接觸時，反應區(qū)在去除或降低空 氣源中的氧濃度的合適條件下運轉(zhuǎn)，并且其與燃料存儲容器流體連通。
按照本發(fā)明的還進一步方面，提供這樣的系統(tǒng)，用于用活性成分耗盡的蒸汽置換在燃料存儲容器中的燃料或在燃料存儲容器的蒸汽空間的蒸汽(如，當燃料或來自其蒸汽空間的燃料蒸汽從中被撤出)。本發(fā)明系統(tǒng)包括具有入口和出口的反應區(qū)，空氣源，其中所述空氣源與反應區(qū)的入口流體連通， 燃料蒸汽源，其中燃料蒸汽源與所述反應區(qū)的入口流體連通，和任選的濾器/冷凝器，其中當濾器/冷凝器存在時，反應區(qū)與濾器/ 冷凝器的入口流體連通，并且濾器/冷凝器的出口與燃料儲存容器流體 連通，其中在燃料蒸汽存在下，當與之接觸時，所述的反應區(qū)提供去除 或降低空氣源中的氧濃度的合適條件，其中反應區(qū)與燃料儲存容器流 體連通。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了在航空器上使用的燃料存儲系統(tǒng)。本發(fā)明的燃料儲存系統(tǒng)包括燃料存儲罐，其具有用于從其除去蒸汽的出口，和用于蒸汽返回 其中的入口，和具有入口和出口的反應區(qū)，其中當與其接觸時，所述的反應區(qū)提 供鈍化所述燃料存儲罐的蒸汽相中的一種或者多種活性成分的合適條 件，其中所述燃料存儲罐的出口與反應區(qū)的入口流體連通，并且所述 燃料存儲罐的入口與所述反應區(qū)的出口流體連通。
按照本發(fā)明的又一個方面，提供了這樣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)用 于降低來自燃料儲存罐的蒸汽相中的一種或者多種活性成分的濃度 (如，通過鈍化其中的活性成分(一種或多種))，其中所述的燃料儲 存罐包括用于從其除去蒸汽的出口和使蒸汽返回其中的入口。本發(fā)明 系統(tǒng)包括，催化劑區(qū)，所述的催化劑區(qū)包括任選負載的金屬催化劑，所述催 化劑當在合適條件下與其接觸時，能夠促進一種或者多種活性成分的 反應，所述系統(tǒng)的入口，其與所述燃料儲存罐的蒸汽空間通過燃料儲存 罐的出口流體連通，和所述反應區(qū)的出口，其與所述燃料儲存罐的蒸汽空間通過燃料儲 存罐的入口流體連通。本發(fā)明的實施方式可以包括與催化劑區(qū)連接的溫度調(diào)節(jié)器。在其 它實施方式中，本發(fā)明系統(tǒng)可以包括阱，用于從蒸汽中除去水分。
按照本發(fā)明的又一個方面，提供了在航空器上使用的燃料 儲存系統(tǒng)。本發(fā)明系統(tǒng)包括燃料存儲罐，其具有用于從其除去蒸汽的出口，和使蒸汽返回其 中的入口，和具有入口和出口的反應區(qū)，其中當與其接觸時，所述的反應區(qū)提 供了鈍化所述燃料儲存罐的蒸汽相中的一種或者多種活性成分的合適 條件，其中所述燃料儲存罐的出口與反應區(qū)的入口流體連通，并且所述 燃料儲存罐的入口與所述反應區(qū)的出口流體連通。
按照本發(fā)明的又一個方面，提供了方法，以降低來自燃料 存儲罐的蒸汽相中的一種或者多種活性成分的濃度(如，通過鈍化其 中的活性成分(一種或多種))，其中所述的燃料儲存罐具有從其除去蒸汽的出口和使蒸汽返回其中的入口。本發(fā)明方法包括使至少一部分來自燃料存儲罐的蒸汽相通過反應區(qū)，其中當與其接觸時，所述反應區(qū)提供了適合鈍化一種或者多種活性成分的條件，因此產(chǎn)生其中活性成分(一種或多種)的濃度降低的蒸汽相，和其后 使其中具有降低濃度的活性成分(一種或多種)的蒸汽相返回到所述燃料儲存罐中。
仍然按照本發(fā)明的另外一個方面，提供了方法，該方法用 活性成分耗盡的蒸汽置換在燃料儲存容器中的燃料或在燃料儲存容器 的蒸汽空間的蒸汽(如，當燃料或來自其蒸汽空間的燃料蒸汽從中撤出)。本發(fā)明方法包括將空氣與汽化燃料混合，在適合產(chǎn)生活性成分耗盡的蒸汽的條件下，使產(chǎn)生的混合物經(jīng)過反應區(qū)，任選地，從活性成分耗盡的蒸汽除去任何水分，產(chǎn)生基本無水、 活性成分耗盡的蒸汽，和將產(chǎn)生的基本無水、活性成分耗盡的蒸汽引入所述燃料存儲容器中。
對于用活性成分耗盡的蒸汽取代在燃料儲存容器中的燃料 或在燃料儲存容器的蒸汽空間的蒸汽(如，當燃料或來自其蒸汽空間的燃料蒸汽被從中撤出)，本文考慮的另外的方法包括在適合產(chǎn)生活性成分耗盡的空氣的條件下，在反應區(qū)中接觸空氣和汽化燃料的結(jié)合物，任選地，從活性成分耗盡的空氣中除去任何水分，產(chǎn)生基本無水、 活性成分耗盡的空氣，將產(chǎn)生的基本無水、活性成分耗盡的空氣引入所述燃料存儲容器中。
對于用活性成分耗盡的蒸汽取代在燃料儲存容器中的燃料 或在燃料儲存容器的蒸汽空間的蒸汽，本文考慮的另外的方法包括當 燃料或來自燃料儲存容器蒸汽空間的燃料蒸汽從中撤出時，將經(jīng)處理 的蒸汽引入所述燃料存儲容器中，其中所述經(jīng)處理的蒸汽通過在適合產(chǎn)生活性成分耗盡的空氣的條 件下，使空氣和汽化燃料的結(jié)合物經(jīng)過反應區(qū)而制備，和任選地從活性成分耗盡的空氣中除去任何水分。
圖1是本發(fā)明的一種實施方式的示意圖?；钚猿煞譁p少系 統(tǒng)100被提供來自燃料容器102的空氣(含有氮和氧)和燃料蒸汽的 混合物。經(jīng)由管線104將空氣/燃料蒸汽混合物提供給催化劑床106， 該催化劑床106維持在足以減少空氣和燃料蒸汽混合物中氧含量的條 件下。任選地，可以經(jīng)由管線108將空氣提供給催化劑床106 (或從催 化劑床106除去)(當需要時)，使得燃料容器中的壓力平衡。然后經(jīng) 由管線110，空氣和燃料蒸汽混合物可以從催化劑床106提供給燃料容 器102。
圖2是圖1所示的本發(fā)明活性成分減少系統(tǒng)的另一種實施方 式的示意圖。提供泵112，以促進空氣和燃料蒸汽混合物從燃料容器102 到催化劑床106的供應。在催化劑床106的上游和下游，可以分別提供 任選的多孔塞阻火器114和116,防止來自催化劑床的火焰或火花蔓延 或接觸燃料容器102。在催化劑床106和阻火器116下游，可以提供水過 濾器11S，以在活性成分含量減少的空氣和燃料蒸汽的混合物再循環(huán)到 燃料容器102之前除去該混合物中的水分。
圖3是本發(fā)明的另一種實施方式的示意圖，其中空氣源202 和燃料蒸汽源206分別經(jīng)由管線204和管線208供給管線210，它們在管 線210結(jié)合形成燃料蒸汽/空氣混合物并提供給催化劑床212。可選地， 空氣源202和燃料蒸汽源206可以直接供給催化劑床212，它們在催化劑床212結(jié)合。燃料蒸汽/空氣混合物受到催化劑的作用，這樣催化劑減少 了燃料蒸汽/空氣混合物中活性成分的含量。許多不同的催化劑中任何 一種可以在本發(fā)明的實踐中使用，如目前優(yōu)選使用的催化劑是標準貴 金屬催化劑。燃料蒸汽/空氣混合物，其具有降低的活性成分含量，經(jīng)由管線214離開催化劑床212，可以任選地經(jīng)過過濾器/冷凝器216，以除 去在催化處理過程中形成的任何水分，然后當燃料從燃料儲存容器218 撤出時將該混合物弓I入燃料儲存容器218 。
圖4表示在低氧濃度下催化劑的性能。在不同的溫度下，空 氣和燃料蒸汽混合物經(jīng)過標準貴金屬催化劑粒，該貴金屬催化劑裝填 在1/2英寸X7英寸的不銹鋼管中，并測定從那里流出的氣體的氧含量。 曲線圖表示了在催化劑管流出物中的氧濃度，其作為漸增溫度的函數(shù)。 如在圖4中所示，當溫度升高到大約290。F (143。C)時，催化劑管流出 物中的氧含量快速下降，其中測出大約650ppm的氧含量。當溫度進一 步從290。F (M3。C)升高到400。F (204°C)時，流出物中氧含量逐漸 地降低到5 ppm以下。該實例清楚地表明操作這樣的活性成分減少系統(tǒng) 的能力。
圖5表示本發(fā)明的活性成分去除系統(tǒng)的一種實施方式，該系 統(tǒng)包括溫度調(diào)節(jié)器和催化劑區(qū)。經(jīng)由入口302向活性成分去除系統(tǒng)300 提供來自燃料罐的蒸汽(其可能包括溶解在其中的氧)。入口302可包 括鼓風機304，其可以促進蒸汽通過活性成分去除系統(tǒng)300的運動。入 口302也可以包括樣品端口306，用于入口氣體的內(nèi)容物取樣，并且也 包括反向流動閥308。經(jīng)由入口302進入系統(tǒng)的蒸汽被提供給溫度調(diào)節(jié) 器310，該溫度調(diào)節(jié)器可以包括例如管殼式設(shè)計熱交換器。熱交換介質(zhì) 可以是外部的空氣或氣體，或者可以是液體。任選地，來自活性成分 去除系統(tǒng)的純化蒸汽可以作為熱交換介質(zhì)使用。系統(tǒng)也可以包括催化 劑床314上游的加熱器312。催化劑床314可以用許多方式配置，如流化床，或者可以包括擔載在鰭狀物或錐形物上的催化劑。
溫度調(diào)節(jié)器310，其可以是熱交換器，也可以包括從蒸汽流 中除去水的裝置，并且可以包括排水管322和自動排水閥320?；钚猿?分含量降低的蒸汽經(jīng)由出口328離開系統(tǒng)，出口328可以包括氧傳感器 324和反向流動閥330。
基于要處理的蒸汽的體積和從蒸汽中除去活性成分的期望 速率，可以合適地確定活性成分去除系統(tǒng)300的大小。相似地，基于多 種參數(shù)，熱交換器310的大小可以不同，該參數(shù)包括使用的熱交換介質(zhì) 和溫度梯度。
在本發(fā)明的活性成分去除系統(tǒng)的一個實施例中，提供了設(shè) 計具有流速至少為50 CFM (cu.ft/min)的裝置。優(yōu)選地，系統(tǒng)提供至 少為150 CFM (cu.ft./min)的流速。在本發(fā)明活性成分去除系統(tǒng)的一 個實施例中，裝置的尺寸大約是12英寸X12英寸X40英寸。在一個 這樣的系統(tǒng)中，催化劑床可以是圓管，至少是5英寸直徑和4.5英寸長 度。
圖6闡明本發(fā)明系統(tǒng)的一種實施方式，該系統(tǒng)包括溫度調(diào) 節(jié)器。包含催化劑的反應區(qū)400經(jīng)由入口 404被提供含有活性成分的 蒸汽402。反應區(qū)400包括覆蓋有催化劑的管406，管406在反應區(qū)中 垂直定位。優(yōu)選地，管406是可拆卸的，使催化劑容易置換。反應區(qū) 400可以包括鰭狀物或者通路408，使加熱或冷卻反應區(qū)用的熱交換介 質(zhì)容易通過。如在圖中所示的，熱交換介質(zhì)(或者氣體，如空氣，或 者液體，如水)可以經(jīng)由反應區(qū)400的頂部410進入反應區(qū)，流過反 應區(qū)的鰭狀物或通路408，從底部412出來?；钚猿煞趾拷档偷恼羝?經(jīng)由出口 414離開反應區(qū)400。
圖7闡明根據(jù)本發(fā)明用于減少活性成分(一種或多種)的 催化劑管的一種實施方式。管500包括涂覆有催化劑的圓錐體502，圓 錐體這樣放置，使圓錐體的尖端504位于圓錐體底部506的上游。氣 流501通過管的流動大體用箭頭表示。圓錐體位于管內(nèi)的這種布置使 催化劑和蒸汽之間容易發(fā)生最大相互作用、使得下游具有更大濃度的 催化劑并可以控制活性成分正被去除的燃料蒸汽和空氣混合物的流 動。具有降低的活性成分含量的蒸汽507流過圓錐體506。
圖8闡明用于降低燃料蒸汽中活性成分(一種或多種)的 催化劑管/熱交換器的一種實施方式。催化劑管/熱交換器系統(tǒng)600可以 包括管602，管602可以裝填有催化劑顆粒604(在圖中顯示為空心圓)。 任選地，惰性的非催化固體顆粒物(沒有顯示)也可以存在于管中。 該管可以包括濾網(wǎng)，其位于催化區(qū)的入口 606和出口 608處，用于保持催化劑和非催化劑顆粒。圖中所示的實施方式中，管中催化劑的密 度可以是下游比上游高。非催化的固體顆粒物可以是廢催化劑、沒有 催化劑的載體材料、玻璃珠或類似物。梯度催化劑分布便于熱負荷的 均勻分布，并導致活性成分濃度自進料蒸汽的逐步減少。管設(shè)計可以 加入鰭狀物或者脊狀物610，以提供最大表面積，作為熱交換器起作用。
圖9總體闡明用于從燃料蒸汽和任選的空氣的氣流中除去 活性成分(一種或多種)的催化劑管/熱交換系統(tǒng)的兩種實施方式(分 別如9A和9B中的700a和700b所示)。燃料蒸汽混合物的流動由箭頭 表示，其中被處理的蒸汽流在上游位置進入管和在下游位置離開管。 催化劑管700a和700b的內(nèi)部包括涂覆有催化劑的鰭狀物704a和704b。 該管可以配置有梯度催化劑密度，如在管700a中所示，其中涂覆有催 化劑的鰭狀物704a的長度隨在管中往下游前進的蒸汽流增加。在另一 種實施方式中，該管可以配置有均一的催化劑密度，如在管700b中所 示，其中涂覆有催化劑的鰭狀物704b的長度在整個催化劑管的長度上 是相同的。如所示，該管可包括熱交換鰭狀物，如在管706a和706b 的外部所示。在熱交換器系統(tǒng)中暴露的表面積越大，傳熱越容易。涂 覆有催化劑的鰭狀物704a和704b的寬度可以變化，使燃料蒸汽和催 化劑的接觸容易達到最大。
圖10總體上闡明三種催化劑管/熱交換器設(shè)計。如圖10A 所示，提供了催化劑管，用于從燃料蒸汽和空氣的進料流中除去活性 成分(一種或多種)。管800a包括壁802a和內(nèi)部部分804a。任選地， 內(nèi)部804a可以包括濾網(wǎng)(沒有顯示)，以將催化劑顆粒保持在確定的 空間和體積。管800a包括在管外表面的鰭狀物806a，以促進與催化劑 管的傳熱。
如在圖10B中所示，提供了沒有熱交換器鰭狀物的催化劑 管。該管包括壁802b、內(nèi)部部分804b，其中內(nèi)部部分可以包括涂覆有 催化劑的圓錐體808b。優(yōu)選地，涂覆有催化劑的圓錐體808b具有尖端 810b和底部812b，并且優(yōu)選地，圓錐體的尖端810b位于催化劑圓錐 體的底部812b的上游。
如在圖10C中所示，提供了具有涂覆了催化劑的圓錐體 808c和熱交換鰭狀物806c的催化劑管。該管包括壁部分802c和在管壁內(nèi)部提供的內(nèi)部部分804c。內(nèi)部804c包括涂覆有催化劑的圓錐體 808c，其中該圓錐體優(yōu)選地具有尖端810c和底部812c，其中圓錐體的 尖端810c優(yōu)選地位于涂覆有催化劑的圓錐體808c的底部812c的上游。 鰭狀物806c從管壁外部延伸，并且促進傳熱。
圖11表示本發(fā)明的活性成分去除系統(tǒng)的一種實施方式。燃 料蒸汽902經(jīng)由管線094提供給活性成分去除系統(tǒng)900a，管線094可 以任選地包括控制閥906。新鮮或再循環(huán)的空氣908可以經(jīng)由入口 910 供應?？諝馊肟?910可以任選地包括加熱器912，加熱器912可以包括 在加熱器內(nèi)部的鰭狀物914，以預熱空氣進料流。燃料蒸汽902和預熱 的空氣908在反應區(qū)918結(jié)合，該混合物在反應區(qū)918接觸涂覆有催 化劑的熱交換器鰭狀物920。催化劑涂覆的鰭狀物920位于催化區(qū)918 的內(nèi)部，而鰭狀物922位于催化區(qū)918的外部。催化劑鰭狀物920可 以具有各種寬度并且可以位于催化區(qū)之內(nèi)，以促進包含活性成分的蒸 汽和催化劑涂覆的鰭狀物之間的最大接觸。如在圖中所示，催化劑區(qū) 可以被配置具有梯度催化劑密度，或者任選地，可以具有均勻催化劑 密度。活性成分含量降低的燃料蒸汽/空氣經(jīng)由出口 924離開系統(tǒng)。
圖12表示本發(fā)明的活性成分去除系統(tǒng)的另外一種實施方 式。燃料蒸汽1002經(jīng)由管線1004提供給活性成分去除系統(tǒng)1000，管 線1004可以任選地包括控制閥1006?？諝?008，其可以是新鮮供應 的空氣或再循環(huán)的空氣，供應給活性成分去除系統(tǒng)1000的入口 1010。 該空氣通過預熱區(qū)1011，該預熱區(qū)1011可以包括熱交換器1012和鰭 狀物1014或者增加空氣接觸的表面積的其它裝置。預熱的空氣和燃料 蒸汽進入反應區(qū)1030，該反應區(qū)1030可以包括催化劑源。如在圖中所 示，含有催化劑的源可以是線網(wǎng)或蜂窩狀結(jié)構(gòu)1032?；钚猿煞趾拷?低的燃料蒸汽/空氣混合物經(jīng)由出口 1034離開活性成分去除系統(tǒng)1000。
圖13圖解說明惰化系統(tǒng)(inertingsystem)的一種實施方式， 該系統(tǒng)使用蒸發(fā)冷卻，以便于從進料流中除去水分，該進料流包含來 自燃料單元(未顯示)的蒸汽相。燃料蒸汽1102供應給惰化系統(tǒng)1100 的入口 1104，其任選地與經(jīng)由管線入口 1108供應的第二氣體源1106 例如空氣在此處結(jié)合。該蒸汽通過加熱器1110，其可以是熱交換器， 然后進入反應區(qū)1112，反應區(qū)1112按需要可以包括催化劑系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)或冷卻系統(tǒng)。經(jīng)由反應區(qū)出口 1114離開反應區(qū)的蒸汽通過冷凝器 部分1116，該冷凝器部分可以在管的外部與液體例如水接觸。在冷凝 器部分從處理的蒸汽中除去的水可以在管子的底部收集，并且可以經(jīng) 由多個閥1118的任何一個從冷凝器部分1116除去，多個閥1118位于 冷凝器部分1116的低處。需要時，經(jīng)由排水閥1118從處理的蒸汽中除 去的液體可以經(jīng)由泵1124在蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)并使用。惰化系統(tǒng) 1100也可以包括水分過濾系統(tǒng)1120并且可以任選地包括其他期望的過 濾系統(tǒng)1122 (—種或多種)，例如，配置用于除去氧、碳氫化合物或其 它任何不期望的保留在處理的蒸汽流中的成分的系統(tǒng)。蒸發(fā)冷卻系統(tǒng) 可以將從蒸汽中除去的水經(jīng)由管線1126再循環(huán)到孔1128，從而使得 水接觸活性成分去除系統(tǒng)的冷凝器部分1116，因此進一步促進從蒸汽 中除去水。
圖14圖解說明用于從蒸汽流中除去熱和水分的系統(tǒng)的一 種實施方式。燃料蒸汽進料流1202和任選的空氣供應給去除系統(tǒng)1200 的入口 1204。入口 1204可以任選地包括預熱器1206。任選的經(jīng)過預 熱的流供應給催化區(qū)1208，該催化區(qū)可以包括催化劑材料，該催化劑 材料的位置使蒸汽和催化劑之間容易最大接觸?；钚猿煞趾拷档偷?處理過的蒸汽經(jīng)由出口管線1210離開催化區(qū)1208，并進入旋轉(zhuǎn)的串聯(lián) 式設(shè)備1212。旋轉(zhuǎn)的串聯(lián)式設(shè)備可以用于促進從出來的蒸汽流中去除 水分、熱或兩者。設(shè)備1212圍繞以出口 1210定義的軸順時針或者逆 時針旋轉(zhuǎn)。蒸汽經(jīng)由管線1214離開串聯(lián)式設(shè)備1212。
圖15圖解說明一種方法，該方法用于控制活性成分去除系 統(tǒng)內(nèi)的冷卻。蒸汽經(jīng)由管線1302進入冷卻設(shè)備1300。優(yōu)選地，蒸汽流 1302通過膨脹冷卻被冷卻，其中進口管的直徑小于出口管的直徑。較 大的體積導致較低的壓力，并且隨后導致較低的溫度。膨脹冷卻裝置 (expansiveheating system)可以包括濾網(wǎng)1306，在離開設(shè)備1300時， 該濾網(wǎng)可進一步促進壓力的降低。
雖然圖中圖解說明的和上面所描述的示例性實施方式是目 前優(yōu)選的，但應當理解，這些實施方式只是通過舉例提供。其它的實 施方式可以包括，例如，用于實施相同操作的不同技術(shù)。本發(fā)明不受 限于具體的實施方式，而延伸到各種修改、組合和置換，這些仍然落入所附的權(quán)利要求的范圍和精神內(nèi)。
權(quán)利要求
1.用于降低燃料存儲罐的蒸汽相中一種或多種活性成分的濃度的系統(tǒng)，其中所述燃料存儲罐具有用于從其中除去蒸汽的出口和用于蒸汽返回其中的入口，所述系統(tǒng)包括反應區(qū)，其中所述反應區(qū)提供，當與之接觸時適合鈍化所述一種或多種活性成分的條件，所述反應區(qū)的入口，其與所述燃料存儲罐的蒸汽空間經(jīng)由所述燃料存儲罐的所述出口流體連通，和所述反應區(qū)的出口，其與所述燃料存儲罐的蒸汽空間經(jīng)由所述燃料存儲罐的所述入口流體連通。
2. 權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)。
3. 權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進一步包括用于平衡暴露于低于大氣壓或 高于大氣壓條件時所述系統(tǒng)內(nèi)壓力的入口/出口 。
4. 權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述入口/出口包括補償氣體源以平衡暴露于低于大氣壓條件時所述系統(tǒng)內(nèi)的壓力。
5. 權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述入口/出口包括排氣口，以平衡 暴露于高于大氣壓條件時所述系統(tǒng)內(nèi)的壓力。
6. 權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述活性成分是氧。
7. 權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述蒸汽相進一步包括燃料蒸汽。
8. 權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述反應區(qū)包括含有催化劑的容器， 其中所述催化劑當在合適的條件下與其接觸時，與所述一種或者多種 活性成分反應。
9. 權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所述容器具有入口末端和出口末端，并且從所述入口末端到所述出口末端，所述催化劑的含量不同。
10. 權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中從所述入口末端到所述出口末端， 所述催化劑的含量增加。
11. 權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所述催化劑是任選負載的金屬催化劑。
12. 權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中所述金屬催化劑選自貴金屬、貴重 金屬、過渡金屬氧化物、稀土氧化物和其任意兩種或多種的混合物。
13. 權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中使所述催化劑和所述一種或多種活 性成分接觸的所述合適條件包括在大約25"C到大約120(TC范圍內(nèi)的溫度。
14. 權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所述反應區(qū)與溫度調(diào)節(jié)器連接。
15. 權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中所述溫度調(diào)節(jié)器是熱交換器。
16. 權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述熱交換器與所述含有催化劑的 容器整合。
17. 權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述熱交換器包括熱交換介質(zhì)。
18. 權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述熱交換介質(zhì)選自外部空氣或液體。
19. 權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中所述熱交換器是熱泵。
20. 權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中所述溫度調(diào)節(jié)器是蒸發(fā)冷卻器。
21. 權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述反應區(qū)包括當與其接觸時足以鈍化所述一種或多種活性成分的微波能量源。
22. 權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述反應區(qū)包括當與其接觸時足以 鈍化所述一種或多種活性成分的等離子體能量源。
23. 權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進一步包括位于所述燃料存儲罐的所述 入口和/或出口的阻火器。
24. 權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進一步包括在所述反應區(qū)之前和/或之后 的氧傳感器。
25. 權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進一步包括所述反應區(qū)下游的阱，用于 從所述蒸汽中除去水分。
26. 權(quán)利要求14的系統(tǒng)，進一步包括所述反應區(qū)下游的阱，用于 從蒸汽中除去水分。
27. —種系統(tǒng)，用于當燃料從燃料存儲容器撤出時將活性成分耗 盡的空氣導入所述燃料存儲容器，所述系統(tǒng)包括具有入口和出口的反應區(qū)，空氣源，其中所述空氣源與所述反應區(qū)的入口流體連通， 燃料蒸汽源，其中所述燃料蒸汽源與所述反應區(qū)的入口流體連通，和任選的濾器/冷凝器，其中當所述濾器/冷凝器存在時，所述反應區(qū) 與所述濾器/冷凝器的入口流體連通，并且所述濾器/冷凝器的出口與所 述燃料存儲容器流體連通，其中在燃料蒸汽存在下，當與其接觸時，所述反應區(qū)在適合去除 或降低所述空氣源中的活性成分濃度的條件下運轉(zhuǎn)，并且其與所述燃 料存儲容器流體連通。
28. —種系統(tǒng)，用于用活性成分耗盡的空氣置換燃料存儲容器中的燃料或燃料存儲容器的蒸汽空間的蒸汽，所述系統(tǒng)包括具有入口和出口的反應區(qū)，空氣源，其中所述空氣源與所述反應區(qū)的所述入口流體連通， 燃料蒸汽源，其中所述燃料蒸汽源與所述反應區(qū)的所述入口流體 連通，和任選的濾器/冷凝器，其中當所述濾器/冷凝器存在時，所述反應區(qū) 與所述濾器/冷凝器的所述入口流體連通，并且所述濾器/冷凝器的所述 出口與所述燃料存儲容器流體連通，其中在燃料蒸汽存在下，當與其接觸時，所述反應區(qū)提供適合去 除或降低所述空氣源中活性成分濃度的條件，其中所述反應區(qū)與所述 燃料儲存容器流體連通。
29. 用于降低來自燃料存儲罐的蒸汽相中的一種或者多種活性成 分的濃度的系統(tǒng)，其中所述燃料存儲罐包括從其中除去蒸汽的出口和 使蒸汽返回其中的入口，所述系統(tǒng)包括，催化區(qū)，所述催化區(qū)包括任選負載的金屬催化劑，所述催化劑當 在合適條件下與其接觸時，與所述一種或者多種活性成分反應，所述系統(tǒng)的入口，其與所述燃料存儲罐的蒸汽空間通過所述燃料 存儲罐的出口流體連通，和所述反應區(qū)的出口，其與所述燃料存儲罐的蒸汽空間通過所述燃 料儲存罐的入口流體連通。
30. 權(quán)利要求29的系統(tǒng)，進一步包括與所述催化劑區(qū)連接的溫度 調(diào)節(jié)器。
31. 權(quán)利要求29的系統(tǒng)，進一步包括用于從蒸汽中除去水分的阱。
32. 在航空器上使用的燃料存儲系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括-燃料存儲罐，其具有用于從其中除去蒸汽的出口，和使蒸汽返回其中的入口，禾口具有入口和出口的反應區(qū)，其中所述反應區(qū)當與之接觸時，提供適合鈍化所述燃料存儲罐的蒸汽相中的一種或者多種活性成分的條 件，其中所述燃料儲存罐的出口與所述反應區(qū)的入口流體連通，并且 所述燃料存儲罐的入口與所述反應區(qū)的出口流體連通。
33. 權(quán)利要求32的系統(tǒng)，其中所述反應區(qū)進一步包括含有催化劑 的容器，其中所述催化劑在合適的條件下，當與之接觸時能夠促進所 述一種或者多種活性成分的鈍化。
34. 權(quán)利要求33的系統(tǒng)，進一步包括溫度調(diào)節(jié)器。
35. 權(quán)利要求34的系統(tǒng)，其中所述溫度調(diào)節(jié)器與所述含有催化劑 的容器連接。
36. —種降低來自燃料存儲罐的蒸汽相中的一種或者多種活性成 分的濃度的方法，其中所述燃料存儲罐包括從其中除去蒸汽的出口和 使蒸汽返回其中的入口，所述方法包括使來自燃料儲存罐的蒸汽相的至少一部分通過反應區(qū)，其中所述 反應區(qū)提供當與之接觸時適合鈍化所述一種或者多種活性成分的條 件，因此產(chǎn)生其中活性成分濃度降低的蒸汽相，和其后將所述其中活性成分濃度降低的蒸汽相返回所述燃料存儲罐。
37. 權(quán)利要求36的方法，其中所述反應區(qū)包括含有催化劑的容器。
38. 權(quán)利要求36的方法，進一步包括使來自所述燃料存儲罐的所 述蒸汽相與所述反應區(qū)上游的溫度調(diào)節(jié)器接觸。
39. —種方法，用于當燃料從燃料儲存容器撤出時，用活性成分 耗盡的空氣置換在所述燃料儲存容器中的燃料或所述燃料儲存容器的 蒸汽空間的蒸汽，所述方法包括混合空氣與汽化燃料，使形成的混合物在適合產(chǎn)生活性成分耗盡的空氣的條件下通過反 應區(qū)，任選地，從所述活性成分耗盡的空氣中除去任何水分，產(chǎn)生基本 無水、活性成分耗盡的空氣，和當燃料從燃料存儲容器中撤出時，將形成的基本無水、活性成分 耗盡的空氣引入所述燃料存儲容器。
全文摘要
按照本發(fā)明，提供了從燃料儲存罐的蒸汽相中催化鈍化、除去或者減少活性成分(一種或多種)含量的簡化系統(tǒng)和方法。本文描述的簡單裝置可被用于代替市場上復雜的OBIGGS系統(tǒng)。簡單地說，在本發(fā)明的一個實施方式中，來自燃料罐的蒸汽相通過在合適溫度下操作的催化床，使得自由氧和燃料蒸汽之間通過燃料蒸汽的氧化發(fā)生反應，從而鈍化氣相中的活性成分(一種或多種)。
文檔編號B65B1/04GK101233049SQ200680028199
公開日2008年7月30日 申請日期2006年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者D·凱尼格, S·利馬耶 申請人:法伊利技術(shù)公司