本发明旨在提供可被设计为与传统装置相比具有更低容量同时仍然提供相当的冷却性能的方法和装置。该设计容量的降低明显节约了资金支出，能够使用更小的设备例如换热器、压缩机和冷凝器。
本发明提供了冷却工艺物流的方法，该方法包括至少以下步骤：
(a)在第一工艺温度下在第一冷却回路中使第一冷却剂供应物流与工艺物流换热，从而产生第一冷却剂返回物流和冷的工艺物流；
(b)使第一冷却剂返回物流通入第一冷却剂返回罐以提供热的第一冷却剂；
(c)从第一冷却剂返回罐中抽出一部分热的第一冷却剂作为热的第一冷却剂物流；
(d)在第二冷却回路中使冷的第二冷却剂物流与热的第一冷却剂物流换热，从而产生冷的第一冷却剂物流；
(e)使冷的第一冷却剂物流通入第一冷却剂供应罐以提供冷的第一冷却剂；
(f)从第一冷却剂供应罐中抽出一部分冷的第一冷却剂作为第一冷却剂供应物流；其中步骤(c)中热的第一冷却剂物流的流量响应于可由第二冷却回路获得的冷却负荷来控制，和由供应到返回缓冲的流量由工艺物流所需的冷却控制，和其中在一定时间内工艺物流的最小与最大冷却负荷之间的差值大于在所述时间内第二冷却回路的最小与最大冷却负荷之间的差值。
传统地，操作与工艺物流换热的第一冷却回路以对应于冷却回路所需的峰值容量提供特定的冷却负荷，所述峰值容量由所述工艺物流设定。这通过将相应的排热提供给第二冷却回路例如封闭的制冷循环来实现。
但可以排入第二冷却回路的热量可能由于外部条件例如环境温度而改变。另外，所需的工艺排热可能由于相同的外部条件而改变。实际上，在一些气候中白天与夜晚之间的温度变化可能超过10℃，有时超过20℃，和甚至超过30℃。
在低环境温度下，第二冷却回路可以将较大的冷却提供给第一冷却回路，但第一回路所需的工艺冷却较少。在本发明的方法中，由返回到供应罐的热的第一冷却剂物流的流量响应于可由第二冷却回路获得的冷却负荷来控制；而由供应到返回缓冲的冷的第一冷却剂的流量由所需的工艺冷却控制。当更多的热可以排入第二冷却回路时，热的第一冷却剂物流的流量可以增加，使得在步骤(d)中更多的热的第一冷却剂与冷的第二冷却剂换热，提供了更多的可以累积在冷的第一冷却剂缓冲供应罐中的冷的第一冷却剂。当需要从工艺中排出更多的热时，由供应到返回缓冲的冷的第一冷却剂流量增加。
当环境温度增加时，由第二冷却回路供应到第一冷却回路的冷却量减少和热的第一冷却剂物流的流量可以相应降低。如果由工艺物流施加给第一冷却回路的冷却负荷增加，可以增加第一冷却剂供应物流的流量以确保在受控、优选恒定的温度下提供冷的工艺物流。
例如由于增加的工艺物流冷却要求，增加第一冷却剂供应物流的流量可能消耗的冷的第一冷却剂比冷的第一冷却剂物流(通过与第二冷却回路换热)提供的更多。但在冷的第一冷却剂缓冲供应罐中累积的冷的第一冷却剂使得能够保持冷却装置的有效操作。
本发明的方法因此能够与设计用于满足工艺物流施加给装置的峰值负荷的传统回路相比减少第二冷却回路的容量。与针对峰值条件例如最大环境温度设计装置(该容量只在较低的环境条件下部分使用)相反，可以针对较低的容量设计第一和第二冷却回路。冷却工艺物流所需的冷的第一冷却剂(通过与第二冷却回路换热产生)的任何不足可由来自冷的第一冷却剂缓冲供应罐的冷的第一冷却剂满足。在较低的环境温度期间，第二冷却回路的冷却容量可能高于第一冷却回路冷却工艺物流所需的容量，和因此可以产生过量的冷的第一冷却剂和储存在冷的第一冷却剂供应罐中。
优选地，操作所述方法使得第一冷却剂返回罐中热的第一冷却剂的量和第一冷却剂供应罐中冷的第一冷却剂的量的总和保持在恒定值。当然，第一冷却剂的相对量可以在第一冷却剂供应罐与返回罐之间变化。
本发明因此允许提供容量比传统装置更低的冷却装置。例如可以对第二冷却回路提供降低至传统容量的约60％的容量，使得资金支出大大减少，即使尽管需要另外的缓冲罐和循环泵。
优选地，本发明的方法是至少24小时的连续方法和包含至少一个日夜周期，即步骤(a)-(g)在至少一个日夜周期内重复。更优选地，所述方法是持续一星期、优选一个月、更优选6个月和甚至更优选一年的连续方法。
在换热步骤(a)中冷的工艺物流可以是任何液态或气态物流。例如，在换热步骤(a)中冷的工艺物流可以是得自于天然气处理的液态或气态物流。优选地，所述工艺物流是来自酸气处理装置的胺物流或者含硫的或酸性天然气物流。
工艺物流在第一工艺温度下提供，该温度例如为20-65℃。可以通过用空气冷却器预先冷却热的工艺物流来提供所述工艺物流。空气冷却器的效力将取决于环境条件例如环境温度而变化。这是因为空气冷却器被设计为在最大环境温度下提供特定的冷却负荷。在低于最大温度下，工艺物流离开空气冷却器比在峰值条件下提供的温度更低。因此，由工艺物流施加给第一冷却回路的冷却负荷将更少。因此可以减小第一冷却剂供应物流的流量，减少来自冷的第一冷却剂供应罐的冷的第一冷却剂的消耗。冷的第一冷却剂因此可以累积在冷的第一冷却剂供应罐中，当第一冷却回路的冷却负荷增加时使用。
通过提供缓冲供应罐和缓冲返回罐，本发明允许冷却工艺物流的第一冷却剂供应物流的流量与排热到第二冷却回路的热的第一冷却剂物流的流量独立地变化。
第一冷却回路优选为封闭的再循环冷却回路。类似地，优选第二冷却回路是封闭的再循环冷却回路。
第一冷却回路使用第一冷却剂。优选地，第一冷却剂包括水。更优选地，第一冷却剂基本由水组成。在这些情况下，第一冷却剂还可以包含标准的水添加剂，例如消泡剂、防垢剂、杀虫剂和腐蚀抑制剂。第一冷却剂供应物流因此将是冷的水供应物流。第一冷却剂返回物流因此将是热的水返回物流。
在第二冷却回路中优选有加热泵，更优选压缩或吸收类型的冷却器系统。在步骤(d)中产生的热的第二冷却剂物流可以通入冷却系统，使冷的第二冷却剂物流再生。如果第二冷却剂回路是吸收循环，则第二冷却剂可以包括含有溴化锂吸收剂的水。如果第二冷却回路是压缩循环，则冷却系统可以包括压缩机、冷凝器和膨胀设备。在后一情况下，第二冷却剂包括制冷剂例如丙烷、氨、R-134a或者任何其它可商购获得的制冷剂。
优选换热步骤(a)在第一换热器中进行。进一步优选换热步骤(d)在第二换热器中进行。换热可以通过在步骤(a)中工艺物流和第一冷却剂供应物流直接接触或者在步骤(d)中热的第一冷却剂物流和冷的第二冷却剂物流直接接触实现。作为选择，在步骤(a)和(d)中可以使用间接换热，并且这是优选的。间接换热可以在管壳换热器、EM挡板换热器、板框换热器或翅片管换热器中进行。
在另一个实施方案中，本发明提供用于冷却工艺物流的装置，所述装置至少包括：
第一冷却回路，其包括第一换热器、第一冷却剂返回罐、第二换热器和第一冷却剂供应罐，
所述第一换热器具有与工艺物流管线相连的第一入口、与冷的工艺物流管线相连的第一出口、与第一冷却剂供应罐的出口相连的第二入口，和与第一冷却剂返回罐的入口相连的第二出口，
所述第二换热器具有与第一冷却剂返回罐的出口相连的第一入口，和与第一冷却剂供应罐的入口相连的第一出口；和
第二冷却回路，其包括第二换热器和冷却系统，
所述第二换热器具有与冷却系统的出口相连的第二入口和与冷却系统的入口相连的第二出口。
优选第二冷却回路的冷却系统包括压缩机、冷凝器和膨胀设备。压缩机可以具有与第二换热器的第二出口相连的入口，和与冷凝器的入口相连的出口。冷凝器可以具有与膨胀设备的入口相连的出口，膨胀设备具有与第二换热器的第二入口相连的出口。
此外，可以例如通过使第一换热器的第一入口与空气冷却器的出口相连，在工艺物流中的第一换热器的上游提供空气冷却器。
在本发明的另一个方面中，可以在第一冷却剂返回罐的出口与第二换热器的第一入口之间提供第一泵。此外，可以在第一冷却剂供应罐的出口与第一换热器的第二入口之间提供第二泵。这些泵可以控制第一冷却剂供应物流和热的第一冷却剂物流的流量。还可以使用控制阀控制流量。很显然可以将第一泵(或另外的泵)设置在冷的第一冷却剂物流而不是热的第一冷却剂物流中。类似地，也可以将第二泵(或另外的泵)设置在第一冷却剂返回物流而不是第一冷却剂供应物流中。
在另一个方面中，可以调节通过第一换热器(工艺/第一冷却剂)的冷却剂流量，以保持离开第一换热器的恒定控制的工艺出口温度。取决于工艺流量、物理性能和特别是它在第一换热器入口的温度(在空气冷却器的下游)，第一换热器中所需的传热速率改变(以保持离开第一换热器的控制的工艺温度)。实际的热负载可以不同的方式操控。优选地，离开第一换热器的工艺物流的温度通过传感器测量，和所述温度传感器与处理器相连，该处理器确定到达第一换热器的冷的第一冷却剂流量并且由此操控第一换热器中的热负载。本领域技术人员可以容易地找到替代的控制方案。
在又一个方面中，在离开第二换热器(冷却水对制冷剂)的冷的冷却水中提供温度传感器，所述温度传感器与处理器相连和所述处理器操控通过第二换热器的冷却水流量，以保持恒定的冷却水供应温度。
可以操控制冷剂循环的负载以匹配所需的冷却。例如冷水供应罐的液位控制可以操控制冷剂循环的负载(例如制冷剂压缩机负载控制系统)，因此改变到达制冷剂/冷却水换热器的制冷剂供应。
所述的控制方案在供应罐和返回罐中保持恒定且受控的温度。可以容易地找到替代的控制方案，但总是旨在当第二冷却回路的负载超过工艺冷却负荷时将冷的第一冷却剂缓冲液重新储存在供应罐中。
下文中，将通过以下非限定附图进一步描述本发明。
图1是本发明装置1的示意图，该装置包括工艺级联2、第一冷却回路10和第二冷却回路60。第一冷却回路10用于冷却工艺物流6。工艺物流6是优选在炼厂、天然气处理装置、液化天然气、气-液(也称为Shell中间馏分合成)或化学工艺装置中的液态或气态物流，例如来自酸气处理装置的胺物流或者含硫的或酸性天然气物流。
本发明涉及工艺物流的冷却。工艺物流6在优选为20-65℃的第一工艺温度下提供。工艺物流6经第一入口7通入第一换热器20，在其中与第一冷却剂供应物流52换热，以在第一出口8提供冷的工艺物流9。冷的工艺物流9在第二工艺温度下产生，该温度优选为0-35℃，优选25℃。冷的工艺物流9然后可以通向用于进一步处理的其它装置。例如，当工艺物流6是来自酸气处理装置的胺物流时，它在冷却后可以通入再生塔。
第一冷却回路10用于提供冷却工艺物流6所需的冷却负荷。第一冷却回路10优选为封闭的环路冷却回路。第一冷却回路10包含第一冷却剂，该第一冷却剂优选包括水，更优选地，第一冷却剂基本由水组成，甚至更优选地，对于低温而言，它为水和乙二醇或其它防冻剂的混合物。在该情况下，冷却剂水物流还可以包含标准的封闭环路水添加剂，例如防垢剂、杀虫剂和腐蚀抑制剂。
第一冷却剂供应物流52(优选为冷却水物流)在第一冷却剂供应温度下提供，该温度可以为5-30℃。第一冷却剂供应物流52经第二入口53通入第一换热器20，在其中使工艺物流6冷却和本身变热，在第二出口21产生第一冷却剂返回物流22。第一冷却剂返回物流22具有第一冷却剂返回温度，该温度可以为10-45℃。
第一冷却剂返回物流22经入口23通入第一冷却剂返回罐30。第一冷却剂返回罐30提供储存缓冲用于热的第一冷却剂。返回罐30可以装有绝热以使来自周围的热吸入最小化。返回罐30操作使得热的第一冷却剂在第一与第二换热器之间缓冲。热的第一冷却剂经出口32由返回罐30抽出作为热的第一冷却剂物流32。
当由工艺物流6施加给第一冷却回路10的冷却负荷大于可能排到第二冷却回路60的热量时，第一冷却剂返回物流22的流量将超过热的第一冷却剂物流32的流量，和返回罐30中热的第一冷却剂的液位将升高。
当由工艺物流6施加给第一冷却回路10的冷却负荷小于可能排到第二冷却回路60的热量时，第一冷却剂返回物流22的流量将小于热的第一冷却剂物流32的流量，和返回罐30中热的第一冷却剂的液位将下降。
在离开返回罐30后，热的第一冷却剂物流32通入第二换热器40的第一入口33，在其中被冷的第二冷却剂物流72冷却，经出口41再生成冷的第一冷却剂物流42。如上所述，冷的第一冷却剂物流42在第一冷却剂供应温度下产生，该温度可以为5-30℃。
冷的第一冷却剂物流42经入口43通入第一冷却剂供应罐50。供应罐50为冷的第一冷却剂提供储存缓冲。优选的是供应罐50装有绝热以使来自周围的热吸入最小化。供应罐50操作使得冷的第一冷却剂在第二与第一换热器之间缓冲。将冷的第一冷却剂经出口51由供应罐50抽出作为第一冷却剂供应物流52。
当由工艺物流6施加给第一冷却回路10的冷却负荷大于可能排到第二冷却回路60的热量时，冷的第一冷却剂物流42的流量将小于第一冷却剂供应物流52的流量，和供应罐50中冷的第一冷却剂的液位将下降。
当由工艺物流6施加给第一冷却回路10的冷却负荷小于可能排到冷却回路60的热量时，冷的第一冷却剂物流42的流量将大于第一冷却剂供应物流52的流量，和供应罐50中冷的第一冷却剂的液位将升高。
从上面的讨论将明显看出，热的第一冷却剂物流32的流量应该等于冷的第一冷却剂物流42的流量，以提供通过第二换热器40的均匀流量。类似地，第一冷却剂供应物流52的流量应该等于第一冷却剂返回物流22的流量，以提供通过第一换热器20的均匀流量。
但在本发明中不要求冷的第一冷却剂供应物流52(或第一冷却剂返回物流22)的流量应该与热的第一冷却剂物流32(或冷的第一冷却剂物流42)相同。实际上，与物流32和42相比，本发明的方法和装置可以提供不相等的物流52和22的流量。因此，在返回罐30和供应罐50中的热的和冷的第一冷却剂的液位可以分别响应于工艺物流6所需要的冷却负荷和可能排到第二冷却回路60的热量而变化。
通过使供应罐50中的冷的第一冷却剂和返回罐30中的热的第一冷却剂缓冲，可以补偿环境温度的变化。环境温度可能影响可能由第二冷却回路60提供的冷却负荷(和因此可能被第一冷却剂回路排出的热量)和工艺物流6的温度(和因此第一制冷剂回路20所需的冷却负荷)。
例如，在低环境温度下例如在夜晚，第二冷却回路60可能产生更多的冷量。这是因为当环境温度较低时，在第二冷却系统中例如在第二冷却剂压缩机的排放冷凝器中可以实现较低的温度。第二冷却回路60中更多冷量的产生使得更多的热量从第一冷却回路10中除去。在这些条件下，第二冷却回路60的冷却容量可能高于工艺物流6所需的，和冷的第一冷却剂可以累积在供应缓冲50中，因为在第二换热器40中冷却的热的第一冷却剂物流32的流量可能增加。供应缓冲50中过量的冷的第一冷却剂可以储存用于当例如在高的环境温度下第一冷却回路10的冷却负荷增加时使用。
与设计第二冷却回路以在峰值条件下(例如在最大环境温度下操作期间)产生第一冷却回路所需的所有冷量即只在较低环境温度期间部分使用的峰值容量相反，根据本发明可以将第二冷却回路60设计为较低的容量。
在高环境温度下例如白天，第二冷却回路60将接近最大容量或者在最大容量下操作，该最大容量仍然低于第一换热器20的峰值容量。在高环境温度条件期间通过与第二冷却回路换热产生的冷的第一冷却剂的任何不足由来自第一冷却剂供应罐50的缓冲的冷的第一冷却剂补偿。
在较低环境条件期间，第二冷却回路60的冷却容量高于工艺物流6实际所需的，使得在第二换热器40中可以产生附加的冷的第一冷却剂以恢复第一冷却剂供应罐50中的液位。
如上所述，由于第一冷却剂供应物流52与工艺物流4之间的换热排出的冷量，第一冷却剂的温度增加。第二冷却回路60向第一冷却回路10中的第一冷却剂提供冷却。
第二冷却回路60优选为封闭的再循环冷却回路。第二冷却回路60包括第二换热器40和冷却系统70。冷却系统70产生冷的第二冷却剂物流72，该物流进料到第二换热器40的第二入口73。在第二换热器40中，冷的第二冷却剂物流72与热的第一冷却剂物流32换热，从而在第二换热器40的第二出口45产生热的第二冷却剂物流46和冷的第一冷却剂物流42。热的第二冷却剂物流46然后经入口47返回到冷却系统70。
在图1所示的实施方案中，第二冷却回路是压缩循环。更特别地，压缩循环是制冷循环，其中第二冷却剂是丙烷。在该情况下，冷却系统70将包括压缩机、冷凝器和膨胀设备(未示出)。压缩机具有与第二换热器40的第二出口45相连的入口。压缩机还具有与冷凝器的入口相连的出口。冷凝器具有与膨胀设备的入口例如膨胀阀相连的出口。膨胀设备具有与第二换热器40的第二入口73相连的出口。这类制冷系统的操作是公知的和在此将不更详细讨论。
本发明的另一个优点是通过使冷的第一冷却剂在供应罐50中和热的第一冷却剂在返回罐30中缓冲，可以补偿工艺物流6的温度变化。
在图1所示的实施方案中，在工艺级联2中的第一换热器20的上游提供空气冷却器80。工艺物流6在出口5由空气冷却器80产生和通入第一换热器20的第一入口7。经入口4将热的工艺物流3供应到空气冷却器80。空气冷却器80使热的工艺物流3冷却，优选冷却到40-65℃的温度。但热的工艺物流3冷却至的温度将取决于穿过空气冷却器80的环境空气温度。
例如，在较低的环境温度下例如在夜间，在空气冷却器80下游的工艺物流6的第一工艺温度将低于高环境温度期间的值。这是因为空气冷却器80可能向热的工艺物流3提供更多的冷却，因为周围的空气比白天期间更冷。因此，如果在第一换热器20的下游使冷的工艺物流9保持恒定的第二工艺温度，则在低环境温度期间第一冷却回路10所需的冷却负荷较少。在该低环境温度下，第一冷却剂供应物流52的流量可能减小，因为由工艺物流6施加给第一冷却回路10的冷却负荷更少。第一冷却剂供应物流52的流量减小使得冷的第一冷却剂累积在供应缓冲罐50中，因为第一冷却剂供应物流52的流量将小于冷的第一冷却剂物流42的流量。
在较高环境温度下例如白天，工艺物流6的第一工艺温度将高于夜晚的值，因为空气冷却器80将不能向热的工艺物流3提供同样的冷却。因此更高的冷却负荷将施加给第一冷却回路10。为了将更多的冷量提供给工艺物流6以将第一换热器20下游的第二工艺温度保持在恒定的温度，可以增加第一冷却剂供应物流52的流量。当该流量变得大于热的第一冷却剂物流32进入第二换热器40的流量时，供应缓冲罐50中的冷的第一冷却剂将被消耗和罐中第一冷却剂的液位将下降。
从前面论述中明显看出，环境温度对可由第二冷却回路60获得的冷却负荷的影响和环境温度对工艺物流6的第一温度的影响组合起作用。特别地，在较低环境温度下，第二冷却回路60可以提供更高的冷却负荷，允许第一冷却回路10中更大的排热，升高供应缓冲罐50中冷的第一冷却剂的液位。同时，由工艺物流6施加给第一冷却回路的冷却负荷减小，这是因为空气冷却器80可以提供更大的冷却，降低工艺物流6的第一工艺温度，允许更多的冷的第一冷却剂累积在供应缓冲罐50中。
这些影响使供应罐50中冷的第一冷却剂的液位在较低环境温度下增加，使得当在白天温度增加和可由第二冷却回路60获得的冷却负荷降低，以及由工艺物流6施加给第一冷却回路10的冷却负荷增加时，在供应缓冲罐50中可获得冷的第一冷却剂的储备以满足增加的冷却要求。
以该方式，本发明的第二冷却回路可以配有比传统装置更低的容量，这相应节约资金支出同时仍然满足相同的操作要求。这将在下面的非限定实施例中更详细解释。
实施例1
提供封闭的环路冷却水回路作为第一冷却回路。第一冷却剂供应物流(冷却水)具有25℃的温度，和第一冷却剂返回物流(热水)具有40℃的温度。提供丙烷压缩制冷循环作为第二冷却回路。
按照本发明方法，将装置构造为具有传统峰值容量操作所需的设备的58％容量。特别地，发现70MW冷却水/制冷剂换热器(第二换热器)和具有70MW来自回路1的排热容量的制冷系统及附加的40000m3冷却水供应和返回罐容量提供了相当的性能，包括来自工艺的至多120MW的峰值排热。在没有本发明的情况下，第二回路(制冷剂，包括压缩机)将被设计为120MW。压缩机和余下的丙烷冷却循环(第二冷却回路)因此被减少至传统操作所需的相当设备容量的58％。
图2的图线表示实施例的装置的冷水缓冲供应罐50和热水缓冲返回罐30的液位随时间的变化。在该实验中，冷水供应罐50中冷水的最大液位被设置为90％，和热水缓冲返回罐30中的最小液位被设置为10％。
从图2中明显看出，当冷水供应物流52与热水返回物流32的流量之间的差值为最大时出现的缓冲供应罐50的液位的波谷对应缓冲返回罐30中热的冷却剂液位的峰值。当施加给第一冷却回路10的冷却负荷最大时，在白天在峰值环境温度下出现该情形。
在夜晚较低的环境条件期间，当施加给第一冷却回路10的冷却负荷减小时，缓冲供应罐50中冷水的液位恢复，和第二冷却回路60提供更多的冷却，同时工艺物流6需要更少的冷却。
当经历极端的白天环境温度时，出现图2的图线中心所示的日夜周期。在单个日/夜周期内，缓冲供应罐50中冷水的液位不能恢复到90％的水平。当在24小时内施加给第一冷却回路的冷却负荷大于可获得的对第二冷却回路的排热时，出现这种情形。但本发明的装置仍然有效地运行，这是因为附加的冷水储存在缓冲供应罐50中。在最热的白天期间，缓冲供应罐的液位降低至约35％的最小水平，和在夜晚恢复至约75％的水平。三个随后的热天将缓冲供应罐中冷水的液位降低至约45％。但当环境条件恢复到正常周期时，装置随后恢复到冷水和热水的平衡水平。
本领域技术人员将容易理解可以进行许多调整，只要不偏离本发明的范围。例如，可以针对第二冷却剂系统替代结构，使用吸收系统而不是参照图1描述的压缩系统。