[发明专利]一种用于存储和运输低温液态空气的系统和方法

说明书

相关申请的相互参照

本申请要求在2011年4月5日申请的第 61/471768号美国专利临时申请的权益，该专利作为一个整体以引用的方式结合在本文中。

技术领域

本发明涉及低温液体的存储和使用。更具体地，本发明涉及用于液体氮气和液体氧气低温混合物的存储和使用的系统和方法。

背景技术

一些美国政府机构使用亚临界液态空气背包而不是标准自给式呼吸器（SCBA）在危险气体场所从事工作。这些液态空气背包包括作为可呼吸空气源的、约21%液氧（LO₂）和79%液氮（LN₂）的低温混合物。因为用于存储大量液态空气的系统或方法是不可行的，在执行需要使用液态空气背包的任务之前的已知的期间内，制造了液态空气低温混合物（有时高达4000加仑）。用于防护服的液态空气供给背包提供高达约2小时的可呼吸空气源。

相比之下，第一批急救人员（消防员等）使用的标准SCBA，利用充满压缩空气的圆筒，并且只能供给1小时的可呼吸空气。通常，在该防护服中的空气供给只能持续约35-40分钟，因为空气的消耗速度由需求而定。急救人员，例如消防员，与正常状态下的空气消耗相比，在压力下会以更快的速度消耗空气。

由于组分的不成比例的蒸发速率，存储多组分制冷剂很难。液氮的沸点为-320^oF，LO₂的沸点为-297^oF，液态空气的沸点为-317^oF。由于甚至最好的保温容器也存在热损失，且在两种组分中LN₂具有更低的沸点，所以液氮倾向于更迅速地沸腾。随着富氮蒸气排放到大气中，过多的LN₂蒸发导致存储液体中氧气富集。排放是预防存储容器或者杜瓦瓶压力过大所必须的。随着更易挥发的氮气的沸腾和排放，O₂/N₂比例发生改变。最终，增加的氧气含量会使“生命维持级”呼吸空气成为无法使用的火灾隐患。目前，大量液态空气最多仅能存储约两周，两周后，任何剩余的液态空气都必须丢弃。

零损失系统被用于存储大量液氧。该系统如图1所示，包括一个存储LO₂的真空绝热容器10。一个处于第二容器11中的LN₂外部来源，LN₂外部来源通过一个穿过容器10气相区13的管道12传输。 随着LO₂蒸发，由于容器10的热损失，氧气蒸气在管道12处冷凝，从而由气相转为液相。管道10在LO₂上方的缺量空间中可以设置成蜿蜒来回来增加冷凝面积，由此增加冷凝的氧气蒸气的量。另外，在第一容器10和第二溶器11间设置一个或多个阀门，当容器10中的气压达到预定的上限时该阀门自动打开，当压力减小到预定的下限时阀门关闭。

在空气分离工厂中制备液氧，必然会产生少量甲烷污染物。在这种情况，LO₂的蒸发会导致甲烷富集。如果甲烷浓度过高，LO₂不能用于某些应用。因此，在容器10缺量空间中的氧气蒸气被冷凝来维持液氧-甲烷比例。然而，该系统从未被用于存储液态空气。

用于存储液态空气的系统和方法在许多专利都被公开了，包括但不限于第3260060号、第5571231号和第5778680号美国专利。大体上，这些专利公开了一种存储在容器中的LN₂ 和LO₂的低温混合物，该容器适于在容器的缺量空间中冷凝蒸气。液态空气从容器底部抽出，在位于存储容器的缺量空间中用来冷凝蒸气使其转化为液相的管道处再循环。然而，该系统用于大量液态空气存储时可能无法正常工作，因为液态空气和蒸气之间的温差可能很微小。在延长的时间期间内，这些系统不能冷凝足够量的蒸气来维持充当可呼吸空气源的LN₂ 和LO₂的适当浓度。

由于灾难，尤其是人为灾难例如生物性、化学性或者放射性灾难，会毫无预警地发生，第一急救人员的对灾难的反应时间至关重要。第一急救人员不能等着液态空气的低温混合物被制备。

另外，当灾难性事件（化学的、生物的、放射性的或原子核的）在城市发生，在灾难波及的建筑物中的人们被指示按以下方式应对：关闭，然后密封所有的窗户和门，关闭HVAC系统，撤离到安全的避难所，或者撤离到建筑物内的安全空间——如果存在的话，待在里面等待救援。根据事件的性质和规模，这可能是一个漫长的等待。