外回路不冻结的热交换器 【技术领域】
本发明涉及用于冷却传热流体的方法和系统。具体地说，本发明涉及用低温流体冷却传热流体的外回路不冻结的热交换器。
背景技术
低温流体，如液氮，被成功地用于许多低温冻结操作中如食品或生物材料的冻结。理论上，已知许多化学和制药工艺也可得益于低温冷却，因为低温液体提供低温和高推动力。然而，尽管某些低温流体可提供非常高的传热推动力，但如果不希望出现冻结的话它在冷却工艺液体上的用途将受到限制。许多工艺液体的冰点远高于液氮，后者在-195℃沸腾。这就限制了液氮在低温化学工艺中冷却工艺流体的应用，原因就在于工艺流体有冻结的潜在可能。在化学操作中，不希望工艺流体出现冻结，而如果用此种冷冻来控制放热反应则可能尤其危险。
恰当设计的直接接触冷却能减少潜在的冻结问题。这是通过将液氮直接注入到工艺或传热流体中来实现的。遗憾的是，由于种种原因，客户不总是能接受它。尽管在此种类型操作条件下排放水平非常低，可是某些制造厂的现场可能无法接受任何额外的蒸汽夹杂到溶剂回收系统中。在非常大的潜在低温冷却过程(对于冷冻干燥用传热流体的冷却可能使用高达40TPD(吨每天)的液氮)中，制造厂更愿重复使用乏氮气(spent nitrogen)。因此，在热交换器内的间接接触冷却成为一种优选的操作选择。但是，冻结的潜在可能必须消除。
解决上述问题的一种传统做法是设计一种尺寸富裕的管壳式换热器。传热流体或反应物由泵以高速压入到管程。液氮喷入或淹没热交换器的壳程。此种做法遇到的一个问题是，随着液氮在金属表面蒸发而吸收潜热，传热流体会引起问题。当开始结冰并蔓延开来时，传热表面地导热性也将被冻结。其结果是热交换器迅速丧失其传热能力，或者其内部物料完全冻结成固体。该装置必须停下来除冰才能恢复运转。对于要求非常短的批时间的反应或应用，尺寸富裕的热交换器虽然还能运转有限的时间，但最终仍将丧失其能力。
另一种做法是将液氮与室温氮气混合来降低冷冻剂的推动力和提供温度比-320°F的沸点高的低温气体。然而，所有的蒸发潜热都在混合过程中丧失了。虽然此种做法可以避免冻结，传热流体的温度可以加温到如要求的那样高的温度，但氮消耗率通常会高到经济上无法接受的程度。况且，冷气体混合物将由于低温流体热容量很低而非常迅速地丧失其显热，因此它不适合许多应用场合。
另一种做法是采用具有更低冰点的传热流体接受来自液氮的冷却。随后，用该较低冰点传热流体冷却另一种传热或工艺流体，使之达到最终要求的温度。此种权宜之计可以延长出现完全冻结之前的批操作时间。它同时也大大增加了工艺的复杂性和成本。
现有技术还提出一种循环进口和出口的低温流以避免冻结的复杂方案。然而，冻结最终仍将发生，即便采用此种利用一系列阀门完成的复杂循环操作。结果，此种现有技术还要求将一部分乏氮气与新鲜液氮混合。该液氮和乏氮气形成一种低温冷气体混合物作为冷冻剂。
然后，一种循环流控制机构强制这些冷气体混合物从前面进入热交换器，然后再使流动逆向从后面进入。这样一种复杂的机构不仅大大增加方法的基本投资和操作成本，而且使乏氮气的循环流通格局变差。据信此种复杂循环程序对于乏氮气和新鲜液氮的混合要求既不必要又不利。
美国专利5,456,084公开一种用于冷冻干燥器的上述复杂低温冷却系统，其中一系列阀门引导低温流在热交换器进口与出口之间循环。部分乏氮气交替地循环于进口和出口之间以便蒸发并与新鲜低温液体混合。没有任何现有技术教导或建议，需要一定的循环量才能使系统得以运转。再者，喷射器通常不是用于循环低温氮的恰当装置类型。
美国专利5,937,655公开一种热交换器，它包含在单一热交换器内的一系列挡板和蒸发器，其中液氮在一系列蒸发器管内直接蒸发。随着蒸发的氮通过与传热流体表面接触而变暖，它不断被挡板改变方向，受到液氮蒸发的冷却。可达到非常高的热效率而不需要任何机械装置。该系统要求单独专门设计和制造，这造成了其内部装置的复杂性，是此种系统的一个缺点。热交换器必须定制。
因此，若能具有一种将低温液体的全部蒸发潜热转化为显热的装置，那将是所希望的。本发明的目的还在于，开发一种方法，按此法，能够在保持冷却而不冻结的优点的同时仍可以使用传统热交换器。
根据本发明现已发现，低温进口与出口交替地操作并非实现从低温传热而不使工艺流体冻结所必须的。根据本发明还发现，需要循环的乏氮气数量必须高于新鲜低温液体的重量。倘若其数量少于所述的数量，必将出现某种多米诺效应，即，乏氮气的数量将不足以蒸发液氮，后者又将无法携带足够数量的乏氮气并由此引起一系列后果。整个回路必须允许高气体流量以低压降通过，不应具有复杂的阀门转换系统阻碍其流通。
当前，普遍存在着一种误解，认为在热交换器中之所以出现冻结条件是因为液氮的低温。大多数冷冻的发生是因为当接触更暖表面时液氮能沸腾并且迅速传递其蒸发潜热。蒸发潜热通常占到可从液氮获得的全部冷冻量的一半以上。因此，在初期接触期间某一非常小的一段会变得极其冷。结果，液氮的传热系数远远大于相等温度下低温冷气体的。
因此，所希望的是提供这样一种系统，其中该直接接触的设计不造成工艺流体的冻结。
发明概述
本发明涉及一种用于冷却工艺流体的方法，包括让冷混合冷冻剂沿着连续单向回路流动，包括：a)让加压的低温流体与循环气体处于热交换关系地流动，从而分别形成一股蒸发的低温流体和一股较冷循环气体；b)将蒸发的低温流体和较冷循环气体送过至少一个气体输送装置，从而形成一股混合气体冷冻剂；以及c)将该冷混合气体冷冻剂送去冷却工艺流体。
本发明还涉及一种用于冷却工艺流体的方法，包括让冷混合冷冻剂沿着连续单向回路流动，包括：a)将循环气体送过鼓风机，从而形成一股加压的循环气体；b)将加压的低温流体与该加压循环气体直接混合形成冷混合气体冷冻剂；以及c)将该冷混合气体冷冻剂送去冷却工艺流体。
该方法包括让加压的低温气体以高于循环气体的压力流动。该方法的循环气体的质量流量大于低温流体。循环气体将低温流体蒸发。低温流体处于约10～约1000psig的压力。
一种用于沿连续单向回路冷却工艺流体的系统，包括a)加压的低温流体源；b)循环气体；c)热交换器，用于供加压低温流体流过以形成蒸发的低温流体，和供循环气体流过以形成冷却的循环气体；d)至少一种气体输送装置，用于混合蒸发的低温流体与冷却的循环气体从而形成混合的冷冻剂；以及e)用于冷却工艺流体的装置，通过该装置暖的工艺流体被混合冷冻剂冷却而形成冷工艺流体，同时混合冷冻剂作为变暖的循环气体流出。
本发明还涉及一种用于冷却工艺流体的系统，包括在连续单向回路中的a)加压并蒸发的低温流体的源；b)循环气体；c)至少一台鼓风机，用于形成压缩的循环气体以便与压缩的低温流体混合形成混合的冷冻剂；以及d)用于冷却工艺流体的装置，通过该装置，较暖工艺流体被混合的冷冻剂冷却形成冷却的工艺流体，同时混合的冷冻剂作为变暖的循环气体流出。
附图简述
图1是采用板式换热器和多台鼓风机的本发明外回路不冻结的热交换器系统的工艺示意图；以及
图2是采用一台电动鼓风机的本发明外回路不冻结的热交换器系统的工艺示意图。
优选实施方案详述
为防止热交换器冻结，本发明避免让液氮直接接触流过工艺流体的金属表面。这是通过在液氮接触工艺流体之前蒸发液氮实现的。因此，装有工艺流体的金属表面将只接触到蒸发的低温冷气体，而不接触液氮本身。鉴于工艺流体具有大得多的热容，能够从单位体积氮气中吸收显热，故可避免冻结。
用冷氮气替代液氮的缺点在于，氮气的热容非常小。为传递足够的冷冻量，本发明采用气体输送装置沿闭合回路造成一种非常高的冷低温流体单向循环流动。本文所使用的气体输送装置是一种混合装置，它将气体流加压并强迫其沿单向流动。在本发明中，优选采用多台气体输送装置串联。多余氮气仅当回路内的压力变得过高时才排放出去。压力降维持在最小的水平。此种高容量循环回路消除了采用低温液体或低温氮气流冷却的现有技术所存在的许多缺点。凭借高气体流速，不再需要复杂阀门切换在进口与出口之间的流动。
带压的低温流体(例如，液氮)给高容量-循环回路提供推动力。带压低温流体在此过程中蒸发。不需要机械转动的零件或切换阀门。其逆流布置还提供极佳的传热效率。
循环率高，而尾气率低，是本发明的关键。这可以借助多级气体输送装置，优选按串联连接，以及具有最小压力降的循环回路来达到。
图1显示本发明的一般工艺示意图。低温流体10(例如，液氮)以优选约10～约1000psig，更优选约25～约300psig，最优选约75～约150psig的压力进入系统。当乏氮气用于下游应用时，需要更高的压力范围。低温流体的压力由压力传感器或压力表(未画出)监测。
低温流体10流过手动阀门(未画出)、电磁阀(未画出，应急关闭)；以及随后的控制阀12。控制阀接受来自温度控制器(未画出)的信号，该控制器监测被冷却的传热流体(工艺流体)的温度。
随后，低温流体进入热交换器14，优选板式热交换器，在此，低温流体沸腾(形成蒸发的低温气体16)，同时与循环气体18(例如，氮气)间接换热(形成冷循环气体20)。为使所有潜热都从蒸发的低温气体16传递给冷循环气体20，必须使非常大体积的冷循环气体20循环(这是最棘手的部分)。优选将低温流体以高于循环气体的压力，优选以至少二倍于循环气体的压力送过系统。表1显示氮气以1,814.51b/h被循环，而液氮以769.51b/h进入系统的一种过程的热和能量衡算。循环的氮气是液氮蒸发量的236％。即使考虑预蒸发液氮，凭借数量比之少得多的低温流体要循环如此大量的循环气体在物理上将被认为实际上不可能的。
表1：
就表1而言，LN2代表液氮；GN2代表气态氮；HTF指的是传热流体(或工艺流体)。
仍将处于其沸点温度(在本例中，在-176℃)的蒸发低温流体16(例如，液氮)，与几种单独物流，包括冷循环气体20，同时地进入气体输送装置22。蒸发的氮气的压力提供推动蒸发的低温流体16和冷循环气体20在气体鼓风机22内运动的驱动能量。作为例子，该高压冷混合的冷冻剂在鼓风机的中点进入气体鼓风机。在侧壁上夹着一个小间隙。该高压冷混合冷冻剂气体的速度在它流过小间隙的时刻升高。势能转化为动能。此时形成的高速冷循环气体从小间隙出来，形成和侧壁毗邻的高速气体环。紧靠侧壁附近的该高速气流破坏边界层并拖曳位于气体鼓风机中心的循环氮气。本文所使用的术语“气体输送装置”和气体鼓风机可彼此通用。
气体输送装置的式样显著不同于喷射器或热压缩机的式样和操作原理。文丘里管利用集中在文丘里管喉部的高压驱动气体。从设备的中心进入文丘里管的高压驱动气体喷射到文丘里管的锥形部分在它与周围气体二者挤过文丘里管喉部的狭窄通道的同时导致对周围气体的压缩。由于文丘里管喉部通道狭小，故喷射器或热压缩机适合给小流量夹带气体增压。
喷射器或热压缩机的操作原理对于用少量驱动冷气体来循环大量气体的情况通常不优选。一直存在着这样的误解，认为气体的粘度与温度呈反比。然而，事实恰好相反，气体粘度正比于温度，与液体的规律相反。但是，从蒸发液氮产生的低温流体却保持在-320°F。例如，氮气在80°F的粘度是0.0715厘泊。在-320°F，该数值降低到0.0055厘泊。这相当于粘度降低了99.9％。因此，粘滞拖曳也将缩小一个99.9％的系数，这将直接影响到文丘里管类型装置的操作。没有任何粘滞拖曳，则高速低温氮气在流过气流中心时将不发生动量交换。
替代如同喷射器或热压缩机中那样注入低温冷气体到气流的中心，低温冷气体可通过气体输送装置侧壁上的小间隙被送入到气流中。该低温冷气体随后能包裹、混合和携带整块循环气体，将其推向前进，尽管粘滞拖曳发生了大的下降。
现在，大循环体积的冷循环气体20(例如，乏氮气)与刚刚蒸发的低温气体16(例如，蒸发的氮气)充分混合从而形成混合的冷冻剂24(例如，低温冷气体的混合物)。该低温冷气体的混合物以高速进入主热交换器。采用一种配备大流动管的管壳式热交换器34。该热交换器34被设计成使流过该装置的压力降维持在最低，以便允许循环流维持在高速流动状态。为维持如此高的循环速率，不应使用调节、切换或截止阀，以免造成压降。
混合冷冻剂的高速度允许热边界层降低到最小。热边界层是混合的冷冻剂(例如，低温冷气体混合物)与冷却表面之间相对静止的气体薄层。鉴于该混合冷冻剂的热容很小，具有高热容的传热流体或工艺流体26从不会被冷却到冻结的程度。混合的冷冻剂24进入工艺流体热交换器34中。该热交换关系将暖工艺流体26冷却形成冷工艺流体28。暖循环气体从热交换器34出来并以连续单向流动方式继续另一次循环。背压调节器30控制循环气体32的排放流量。
本发明的一个关键方面是将全部低温流体预蒸发为高压低温冷气体。该高压冷循环气体用于驱动一系列气体鼓风机，以夹带其自身重量二倍以上的乏低温气体。所产生的冷循环气体将以高速和极低压降维持循环。不需要任何阀门或颠倒方向的装置来避免传热流体(或工艺流体)的冻结。
主热交换器34被用于在高速低温冷气体与传热或工艺流体之间传热。
替代地，主热交换器可由平行板而不是管和壳构成。这些板之间的间隙必须调整到使压力降保持在最低水平。其他类型热交换器如螺旋式热交换器，也可使用。
也可使用一系列专门设计的文丘里管或喷射器来替代气体鼓风机。鉴于喷射器通常被设计用于水蒸汽场合，因此需要通过试验来确定一套或多套装置的尺寸，以便携带二倍于其自身重量的低温状态的气体。
替代地，在使用外部电力驱动大量乏氮气的情况下可采用电动鼓风机。在此种情况下，使用者不得不为外部供电付费。然而，在此种情况下，可使用低压液氮，因为不要求它作为驱动气体工作。再者，第一热交换器14可以取消，因为低温流体(例如，液氮)可通过与循环的冷循环气体(例如，乏氮气)之间的直接混合而蒸发。这种情况如图2所示。
在图2中，带压的低温流体210流过控制阀212，形成带压低温流体220。循环气体218流过电动鼓风机250，然后再与带压低温流体220合并形成冷混合的冷冻剂224。暖工艺流体226流过热交换器234，在此与其中的混合冷冻剂224实现热交换关系，从而形成冷工艺流体228(或传热流体)。获得的循环气体218从热交换器234送来并从混合的乏冷冻剂224衍生而来。背压调节器230控制循环气体232的排放流量。
要知道，以上的描述不过是关于本发明的举例说明。本领域技术人员可想出各种各样不偏离本发明的替代方案和修改。因此，本发明应涵盖所附权利要求范围内的所有修改和变换方案。