專利名稱：用于冷卻低溫交換管路的方法
用于冷卻低溫交換管路的方法本發(fā)明涉及一種熱交換管路，并涉及一種冷卻這種熱交換管路的方法。已知使用低溫技術(shù)將氣流分餾成至少兩種包括不同成分的流體，通常分餾成所謂 的輕流體和所謂的重流體，該輕流體也就是一種主要包括較易揮發(fā)組分的流體，該重流體 主要包括較易凝結(jié)的組分。為此，待分餾的混合物在稱為熱交換管路的一個(gè)熱交換器或多 個(gè)熱交換器中冷卻，直到獲得從所述熱交換管路提取的并在液體/蒸汽分離器中分離的液 體/蒸汽兩相混合物為止。蒸汽可進(jìn)一步被冷卻，直到新的兩相狀態(tài)被獲得和再次分餾為 止。列舉示例，烴/碳?xì)浠衔?Cp C2.....Ci, Ci+1, ... Cn)流被分餾成主要包含較輕
的烴(甲燒C1、乙燒C2、... Ci)的流體和主要包含較重的烴(cw、...cn)的第二流體。術(shù)語 “主要”用于表示通常在重的餾分中會(huì)出現(xiàn)小部分較輕的化合物，相反，通常在蒸汽餾分中 會(huì)出現(xiàn)小部分較重的化合物?？赏ㄟ^在兩相分離系統(tǒng)中插入塔板，和通過添加再沸塔段和/或汽提塔段以便從 液體餾分去除輕的成分和/或冷凝器，和/或通過增加回流以便從蒸氣餾分去除重的成分 來改進(jìn)這種分離。這些方法對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是已知的，在本發(fā)明中不再討論。在 下文中，表達(dá)“液體/蒸汽分離器”將用于覆蓋從至少一種兩相原料中生產(chǎn)至少一種液態(tài)輸 出和至少一種氣態(tài)輸出的所有設(shè)備。此設(shè)備可以是裝有或不裝有除霧裝置(d6v6SiCUleUr) 的水平或豎直重力式分離器類型，可以是旋流器或蒸餾塔類型等。液態(tài)輸出可包括被液體的速度(Vitesse)夾帶的少量氣泡，同樣，蒸汽輸出可包 括液體懸浮顆粒(Mrosol liquide)或液滴而不會(huì)脫離本發(fā)明的范圍。其它的應(yīng)用包括從富含各種烴的源中回收富含甲烷的流體和貧含甲烷的流體。從 而還可獲得多種流體，例如富含甲烷的餾分、富含乙烷或富含乙烯的餾分和C3+餾分。這種 類型的方法特別能夠從包括氫和烴的混合物中回收純度約為95%的氫，以及去除富含烴的 氣體中包含的一部分氮。還能夠回收高度富含(X)2的餾分以及包含諸如隊(duì)、氬、O2等的較輕 的成分的廢氣。這種分餾本身可能并不是目的，而僅僅是一種輸送用于使例如天然氣的其它流體 液化的制冷功率(puissance frigorifique)的方法/手段。在這種情況下，各種分離的流 體在被加熱后重新組合，重新壓縮并再次噴射至熱交換管路。這從而稱為制冷循環(huán)。這些應(yīng)用已導(dǎo)致在工藝和技術(shù)上的許多改進(jìn)。特別地，熱交換器可以是卷繞類型 的，例如管/殼式熱交換器，或優(yōu)選地可以是板式熱交換器類型。在后一種情況下，已經(jīng)在 熱交換波紋和將流體特別是兩相流體噴射至這些熱交換器方面進(jìn)行了許多改進(jìn)以便使得 熱傳導(dǎo)最佳。下文中提及的所有百分?jǐn)?shù)是摩爾百分?jǐn)?shù)。下面結(jié)合

圖1描述這些單元的一個(gè)示例。此示例涉及從包含約70%的氫、18%的 甲烷和12%的重?zé)N的加壓氣體混合物中生產(chǎn)純度為95%的加壓氫。待分離的混合物1以環(huán)境溫度和40bar的絕對(duì)壓力噴射至板式熱交換器10中以 便通過熱交換通道11在板式熱交換器中冷卻。在取決于最重的烴的成分和取決于壓力的第一溫度水平(通常在-40°C和_120°C之間)下，將流體1——此時(shí)為兩相流體——從該熱 交換器中提取出，且在液體/氣體分離器30中分離成其蒸汽部分2和其液體部分3。液體 部分3通過膨脹閥50膨脹至低壓，并通過熱交換通道13在熱交換管路中再蒸發(fā)。富含氫和甲烷的蒸氣相2通過通道22在熱交換器20中再次冷卻，部分地冷凝且 在約-160°C下被提取出。來自分離器40的蒸汽部分4形成氫含量為95mol%的產(chǎn)物。然 后該產(chǎn)物在熱交換器20的通道M中然后在熱交換器10的通道14中被加熱。主要包括甲烷的液體部分5在閥60中膨脹至低壓，在熱交換器20 (通道24)中再 次蒸發(fā)，并在熱交換器10(通道14)中被加熱。分別和熱交換器20和10相關(guān)聯(lián)的流體6和7可選地用作補(bǔ)充制冷。該流體可以 是外部流體，例如來自儲(chǔ)罐或相鄰的空氣分離單元的液氮，或者是該方法內(nèi)部的流體，例如 產(chǎn)生的一部分氫，該氫被部分加熱，然后在膨脹渦輪機(jī)中膨脹并再次噴射進(jìn)熱交換器20的 冷端。也可以通過注入小部分氫產(chǎn)品而促進(jìn)甲烷5的蒸發(fā)。這由包括膨脹閥70的可選 的回路表示。應(yīng)當(dāng)注意膨脹閥50和60用于使液體從高壓(在此為40bar abs)膨脹至低壓。因 此它們是小型閥。當(dāng)提到閥的尺寸時(shí)通常使用HP(馬力)的概念。許多研究或文獻(xiàn)一方面給出計(jì)算 方法，另一方面給出商業(yè)上可獲得的閥的HP。在后一種情況下，通常表示處于完全打開位置 的HP，這使得能夠確定在給定的操作條件下能夠通過閥的流體的最大流率。作為舉例，但不 希望進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于量級(jí)為10000Nm3/h的氣體供給流率，這些閥的HP將小于1。這同樣適用于使得所產(chǎn)生的氫的很小一部分(至多幾個(gè)百分?jǐn)?shù))膨脹的可選的閥 70。通常，這種分離單元通過待處理的氣體的自由膨脹或更一般地使用外部補(bǔ)充制冷 而冷卻。此處所說的熱交換管路的冷卻是用于獲得正常操作條件(這里是指熱交換器10 和20之間的第一截止溫度(temp6rature de coupure)，例如-80°C，以及_160°C的冷端處 的溫度)的過程，以便在熱交換管路沒有時(shí)間達(dá)到環(huán)境溫度時(shí)從在低溫/低于室溫的環(huán)境 中運(yùn)行的設(shè)備中獲得期望的純度。僅使用待處理氣體在膨脹閥50、60和可選的70中的自由膨脹來冷卻的問題是總 的膨脹流量非常小且因此獲得的制冷功率本身非常低。但是，此制冷功率用于冷卻熱交換 管路和輔助設(shè)備，例如分離器，以及用于補(bǔ)償熱損失，例如與外部介質(zhì)的熱交換。這種冷卻 過程可花費(fèi)數(shù)十小時(shí)且可能甚至達(dá)不到期望的操作點(diǎn)/操作溫度。特別在冷端處達(dá)到的某一溫度水平下，如果熱損失等于自由膨脹產(chǎn)生的制冷功率 時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況。在這一點(diǎn)處，冷卻停止且不能夠進(jìn)一步冷卻。為此，通常使用例如補(bǔ)充制冷回路6和7以便加速冷卻。通道沈和17可持久使 用或僅在冷卻階段期間臨時(shí)使用。如上所述，常規(guī)使用低壓或優(yōu)選地中壓液氮加速該過程 以用于獲得需要的溫度水平。但是，明顯的是在工藝膨脹閥(在這里是50、60以及可能為70)中僅有簡(jiǎn)單的自 由膨脹，使用外部制冷補(bǔ)充不是令人滿意的方案。
這是因?yàn)檫M(jìn)入仍然較熱且其中特別是很少的流體在通常大量使用的通道，即液體 再蒸發(fā)通道(在此特別是通道13和25)中流動(dòng)的熱交換管路的制冷補(bǔ)充，導(dǎo)致熱交換通道 之間和進(jìn)口/出口箱中的熱沖擊和高應(yīng)力。這些沖擊和應(yīng)力易于在熱交換器的構(gòu)成部件之 間的釬焊或焊接連接處迅速弓I發(fā)機(jī)械問題。這對(duì)于釬焊鋁板式熱交換器來說尤其是這樣——目前用于低溫分離或氣體液化 單元的大多數(shù)熱交換管路都使用這種技術(shù)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于通過熱交換管路進(jìn)行流體的低溫分離、制 冷或液化的方法，該方法包括·從所述熱交換管路提取至少一種兩相流體；·在分相器/相分離器中將所述兩相流體分離成至少一蒸汽部分和一液體部分；·通過第一膨脹裝置使所述液體部分的至少一份膨脹；和 將所述膨脹的液體部分再次注入所述熱交換管路并使其在該熱交換管路中被加 熱和至少部分蒸發(fā)，其特征在于·第一膨脹裝置是閥；·當(dāng)所述熱交換管路被冷卻時(shí)，從所述熱交換管路和/或從所述分相器中提取出 的流體的至少一部分在與第一膨脹裝置并行的第二膨脹裝置中膨脹；且·在正常操作中，第二膨脹裝置基本被關(guān)閉?？蛇x地-第一和第二膨脹裝置中的至少一個(gè)是閥；-第一和第二膨脹裝置并行安裝；-將蒸汽從所述分相器輸送至第三膨脹裝置，且當(dāng)所述熱交換管路被冷卻時(shí)，該蒸 汽的至少一份在與第三膨脹裝置并行的第二膨脹裝置中膨脹；-將來自第三膨脹裝置的蒸汽輸送至來自所述分相器的液體中；-第二膨脹裝置的HP等于第一膨脹裝置的HP的三倍，優(yōu)選為五倍；-第二膨脹裝置的HP等于第三膨脹裝置的HP的三倍，優(yōu)選為五倍；-在冷卻期間，手動(dòng)控制第二膨脹裝置或調(diào)節(jié)原料氣體的壓力；-所述低溫分離是用于烴的分離或用于生產(chǎn)純度優(yōu)選在90%至98%的氫，或用于 生產(chǎn)純度優(yōu)選大于95%，且甚至更優(yōu)選地大于98%的(X)2的工藝，或者是用于從較重的餾 分中去除氮或氬的工藝，或者所述液化是天然氣的液化。下面參考圖2描述本發(fā)明提出的技術(shù)方案。此附圖示出對(duì)上述熱交換管路的冷端所作的修改。也可在第一分離器罐30且更 一般地在液體部分的各個(gè)膨脹點(diǎn)處進(jìn)行這些修改。本發(fā)明在于向?qū)?yīng)于正常穩(wěn)定狀態(tài)操作的方案添加膨脹閥——在此稱為冷卻膨 脹閥，該冷卻膨脹閥僅(或主要)在單元啟動(dòng)時(shí)使用。此閥的目的是雙重的。首先，該閥允許大的氣體流量膨脹，從而顯著增加單元自身 產(chǎn)生的制冷功率，即能夠使冷卻時(shí)間縮短且通常使得自身能夠達(dá)到期望的溫度水平。其次，在利用外部制冷功率補(bǔ)充例如使用液氮非?？焖俚貑?dòng)的情況下，此閥首 先允許設(shè)備被部分冷卻且相應(yīng)地限制熱沖擊，但是特別地通過使大量流體通過再蒸發(fā)通道25和13而使得熱交換管路再平衡。因此，這種新型閥必須允許高壓氣體(此處是流體幻的一大部分膨脹且使得此膨 脹流體被引入通道25，該通道25通常保留用于液體部分5。此閥優(yōu)選地安裝成用于膨脹閥60的旁路且因此約10倍大——這在圖2中示出為 閥61。作為替代，還可以在流體2 (即熱交換器的出口和分離器罐40之間)與通道25的 入口之間添加閥——此處為閥81。流的部分4也可通過閥71膨脹。在所有情況下，附加的膨脹閥61、71或81可通過量級(jí)比可在閥60或70中膨脹的
流量至少大10倍的流量。當(dāng)進(jìn)一步冷卻時(shí)，特別是在交換器出口處出現(xiàn)液體時(shí)，此附加的閥將逐漸關(guān)閉?？赏浦谡＿\(yùn)行下所述閥將完全關(guān)閉。通?？墒謩?dòng)控制(HIC)該閥，但是也可通過維持高壓(PIC)控制該閥。在所有這些情況下，附加的閥(61、71或81)因此是和膨脹閥60并行的。在此方面應(yīng)當(dāng)注意的是，大多數(shù)商業(yè)上可購(gòu)得的閥不能夠既用于通過大氣體流量 (即，在完全打開時(shí)具有10或更大的HP)，又然后能調(diào)節(jié)到對(duì)應(yīng)于HP約為0. 3的開度。常 規(guī)情況下使用(開度)系數(shù)為5，優(yōu)選為3的開度范圍內(nèi)的閥，即，例如HP為0. 1至0. 5或 0. 1至0. 3，但不超過此范圍。(開度)系數(shù)為5(或3)通常使得能夠執(zhí)行額定操作或低流 率操作(marches r6duite)(具有減小的流率)而沒有任何特殊的調(diào)節(jié)問題。在處于正常 操作的圖1或圖2所示示例的情況下，膨脹閥60能夠維持分離器罐40中的液位。因此，膨 脹閥60控制在熱交換管路中已膨脹和再蒸發(fā)的液體的流量。由于此流是用于熱交換器20 的主要制冷原料，應(yīng)當(dāng)理解其調(diào)節(jié)是關(guān)鍵的。完全不能夠利用尺寸過大的閥，更不必說比所 需(尺寸)大10倍的閥。如上所述，待處理的大流量氣體的附加膨脹因此必須通過輔助裝置來進(jìn)行，該輔 助裝置在正常運(yùn)行中不再使用或?qū)⒅辽俨糠值仃P(guān)閉，從而使得所述單元令人滿意地運(yùn)行。最后，應(yīng)當(dāng)注意，從原料氣體的較大一部分經(jīng)由回路25中附加的閥膨脹的時(shí)刻開 始，還可以向此回路中注入制冷補(bǔ)充流，例如液氮流，而不產(chǎn)生過大的應(yīng)力。根據(jù)具體情況， 在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，此補(bǔ)充流可至少部分地被消除或被維持，而附加膨脹閥將被關(guān)閉或基 本關(guān)閉。
權(quán)利要求
1.一種借助于熱交換管路進(jìn)行流體的低溫分離、制冷或液化的方法，該方法包括 從所述熱交換管路提取至少一種兩相流體； 在分相器00)中將所述兩相流體分離成至少蒸汽部分(4)和液體部分(5)； 通過第一膨脹裝置(60，90)使所述液體部分(5)的至少一份膨脹；和 將所述膨脹的液體部分再次注入所述熱交換管路并使其在該熱交換管路中被加熱和 至少部分蒸發(fā)，其特征在于 所述第一膨脹裝置是閥； 當(dāng)所述熱交換管路被冷卻時(shí)，從所述熱交換管路和/或從所述分相器GO)中提取出 的流體的至少一部分0，4或5)在與所述第一膨脹裝置(60)并行的第二膨脹裝置(61，71， 81,91)中膨脹；且 在正常操作中，所述第二膨脹裝置基本被關(guān)閉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二膨脹裝置(60，61，71，81， 90，91)中的至少一個(gè)是閥。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一和第二膨脹裝置(60，61， 71,81,90,91)并行安裝。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將蒸汽(4)從所述分相 器GO)輸送至第三膨脹裝置(70)，且當(dāng)所述熱交換管路被冷卻時(shí)，該蒸汽的至少一份在與 該第三膨脹裝置(70)并行的第二膨脹裝置(71)中膨脹。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，將來自所述第三膨脹裝置(70)的蒸汽輸 送至來自所述分相器GO)的液體(5)中。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第二膨脹裝置(61， 71,81,91)的HP等于所述第一膨脹裝置(60，90)的HP的三倍，優(yōu)選為五倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二膨脹裝置(71)的HP等于所述第 三膨脹裝置(70)的HP的三倍，優(yōu)選為五倍。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在冷卻期間，手動(dòng)控制所 述第二膨脹裝置(61，71，81，91)或調(diào)節(jié)原料氣體的壓力。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述低溫分離是用于烴 的分離或用于生產(chǎn)純度優(yōu)選在90 %至98 %的氫，或用于生產(chǎn)純度優(yōu)選大于95 %，且甚至更 優(yōu)選地大于98%的(X)2的工藝，或者是用于從較重的餾分中去除氮或氬的工藝，或者所述液 化是天然氣的液化。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于使用熱交換管路進(jìn)行流體的低溫分離、制冷或液化的方法，該方法包括從所述熱交換管路提取至少一種兩相流體(11)，在分相器(40)中將所述兩相流體分離成至少一個(gè)蒸汽部分(4)和一個(gè)液體部分(5)，通過第一膨脹裝置(60，90)使所述液體部分(5)的至少一份膨脹，將所述膨脹的液體部分再次注入所述熱交換管路并使其在該熱交換管路中被再加熱和至少部分蒸發(fā)，所述第一膨脹裝置是閥，其中在所述熱交換管路冷卻期間，從所述熱交換管路和/或從分相器(40)中提取出的流體的至少一部分(2，4或5)在與第一膨脹裝置(60)并行的第二膨脹裝置(61，71，81，91)中膨脹，而在正常操作期間，第二膨脹裝置基本被關(guān)閉。
文檔編號(hào)F25J3/02GK102099647SQ200880015948
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2008年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月13日
發(fā)明者A·埃爾南德斯, C·莫內(nèi)羅, P·科特 申請(qǐng)人:喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司