混合式冷却器/干燥器及其方法技术

一种调节样品气体的混合式冷却器/干燥器，包括热交换器、冷凝物去除装置和膜干燥器。在一些实施例中，混合式冷却器/干燥器还包括被动冷却，如利用空气放大器和散热器来实现，或是利用将样品气体暴露于环境温度的一段管路。所述混合式冷却器/干燥器不需要电源。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】混合式冷却器/干燥器及其方法相关申请本专利技术要求于2018年3月30日提交的申请号为62/650,482的美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
本专利技术涉及在分析之前对气体样品进行预处理。
技术介绍
对工艺流进行定期和准确的分析有利于电厂、石化厂或炼油厂的有效运行。不管处理方式如何，流过管道的气态过程或排放流通常包含污染物(例如，氮和硫的氧化物等)、微粒、湿气以及其他蒸汽。当管道中温度降低时，样品中的水分和其他蒸汽可能会凝聚，导致部分控制系统和冷凝蒸汽聚结。从此类流中提取样品的连续过程分析仪可能会暴露在冷凝物中，从而导致仪器失效。在抽取热样品(约80℃)时，可冷凝水蒸汽的存在尤其成为问题。具体地，某些感兴趣的组分(如二氧化硫)易于溶解在液态水中。样品在流经连接到过程分析仪的管道的过程中会冷却。当发生这种情况时，样品中的部分水蒸汽会冷凝，并从样品气体中吸收部分二氧化硫，从而导致样品流中二氧化硫的读数不准确(偏低)。此外，溶解的二氧化硫与水反应会生成对设备有腐蚀性的硫酸。因此，在样品气体进入过程分析仪之前，通过去除至少部分水分和微粒来调节样品是非常重要的。从样品气流中去除水分的方式有几种。其中一种是使用集水器，其为一种与流向分析仪的气流呈直线分布的廉价设备。当气体向周围环境传递热量逐渐冷却时，集水器从气流中去除冷凝物，但不会进一步干燥气体。集水器为非特定性的，除了去除在当前温度下冷凝的所有气体，还可去除溶解在冷凝物中的所有蒸汽/气体，如二氧化硫。但是，这会影响对下游气体分析的准确性，并还可能导致上述腐蚀问题。另一种方式是使用干燥剂干燥器，通过将水结合到吸收剂上来实现。吸收剂可以是固体(例如硅胶)，也可以是液体(例如硫酸)，将水结合到其化学结构上形成化合水。干燥剂的操作非常简单，与集水器一样，它们也是非特定性的，因此可以去除水以外的其他许多化合物。但是，与集水器不同的是，不能通过简单的排水将水从干燥剂中去除。因此，干燥剂在逐渐吸满水后，需要定期再生。对于大多数分析仪在应用时，需要定期更换干燥剂，从而导致在分析仪的使用期限内既费时又昂贵。可能最常用的除湿设备是珀耳帖(Peltier)或热电冷凝冷却器。这些设备冷却气流，直到水和其他液体冷凝，然后收集和排出冷凝物。与集水器一样，它们也为非特定性，可以去除所有冷凝物以及其中溶解的所有气体。这些冷却器价格高昂，与其他方式相比，使用冷却器的方式相对昂贵。因为冷却器的成本较高，而且还需要定期维修或更换。冷凝冷却器通常干燥至约4℃的露点。膜干燥系统，包括利用基于磺化四氟乙烯的含氟聚合物共聚物的膜干燥系统，例如全氟磺酸(PFSA)，尤其是NafionTM管，为从气流中去除水分提供了非常有选择性的选择。在操作中，有时在真空下，由相对干燥的环境空气或仪表空气组成的“吹扫气体”被抽吸经过NafionTM管的外部，而相对湿润的气体样品流经管内。将干燥器入口处的温度控制在高于气体样品预期露点的温度。气体样品和吹扫气体之间的水蒸汽压差会驱使水分从样品进入吹扫气体，但不会驱使其他分析物进入吹扫气体。虽然现有的基于NafionTM的干燥系统对除湿具有极高的选择性，但实施相对复杂。例如，部分这类系统包括具有多个加热器、多个微粒过滤器和较复杂的控制系统的单独的温度控制区。综上所述，有必要对调节气体样品的系统和方法进行改进。
技术实现思路
本专利技术提出了一种调节样品气体的方法和设备，降低了现有技术的成本且克服了现有技术的部分缺点。特别地，专利技术人试图提出了一种具有以下特点的调节系统：选择性去除水分；最少的维护量；和低成本。另外，专利技术人试图提出了一种仅包括被动装置的系统，即不含电力驱动。这具有的好处在于，在爆炸性环境中，电力驱动装置的使用会受到限制。因此，专利技术人未使用风扇来实现冷却；取而代之的是，在这种受限环境中，本系统仅采用了被动冷却的方式。另外，专利技术人认识到二氧化硫的溶解度随温度的降低而增加(这与通常的溶解行为相反)，因此，在较高温度下工作的调节系统能更准确地评价被采样工艺流程中的二氧化硫。也就是说，在较高的工作温度下，(a)较少的冷凝物产生，并且(b)基于上述溶解度关系，冷凝物中存在较少的二氧化硫。根据本专利技术的教导，混合式冷却器/干燥器包括设置/装置，该设置/装置用于实现：被动热交换、可选的被动冷却、冷凝物和微粒去除，以及膜干燥。在一些情况中，混合式冷却器/干燥器永久性地安装在石化厂或炼油厂之类的设施中，位于采样位置和用于分析样品的气体分析仪之间。在操作时，从采样位置(例如，烟囱等)抽出处理气体的样品(“样品气体”)，然后将其稍微冷却。冷却是以被动的方式进行，如下文将要进一步讨论的，样品气体与系统中其他位置处较冷的工艺物料流进行热交换，和/或使样品气体流经暴露于(较冷的)周边(设施)环境的延伸管道。冷却样品气体会导致水分凝聚，这(主要)发生在冷凝物去除装置中，例如，但不限于，聚结过滤器或冲击器。冷凝物去除装置用于排出冷凝物，还可以用于从样品气体中去除其他较大微粒。在一些实施例中，冷凝物去除装置自身也被冷却，例如，通过空气放大器和散热器。样品气体从冷凝物去除装置流向膜干燥器。在一些实施例中，过滤器和/或氨洗涤器位于冷凝物去除装置的下游，且位于干燥器的上游。为了防止样品气体流向干燥器时发生冷凝，在样品气体离开冷凝物去除装置后，将其略微加热(即几摄氏度)。这样，可防止在从冷凝物去除装置通向干燥器的管道中或在干燥器自身中发生冷凝。在一些实施例中，如上所述，加热是通过与进入的样品气体进行热交换。也就是说，进入混合式冷却器/干燥器的热样品气体会损失部分热量给离开冷凝物去除装置的较冷样品气体。然后，样品气体进入膜干燥器。在一些实施例中，膜干燥器包括NafionTM管道，其为磺化的基于四氟乙烯的含氟聚合物-共聚物。NafionTM对于在其表面转移水分具有极高选择性，例如从一种流动的气流(通常在NafionTM管道的内部)转移到另一种流动的气流(在管道的外部)。NafionTM可从新泽西州莱克伍德的博纯有限责任公司(PermaPure,LLC)购得。尽管优选使用NafionTM，但也可以使用能够选择性传输水分的其他类型的膜。在一些实施例中，膜干燥器为位于外壳内的多根NafionTM管。样品气体流经NafionTM管。较干燥的吹扫气体，该吹扫气体在示例性实施例中为干燥的仪表空气，相对于样品气体逆向流过NafionTM管的外部。由于NafionTM具备从气体中选择性去除水分的特性，混合式冷却器/干燥器能够将样品的露点降低至4℃，或更低。根据被提取样品的类型和在设施中提取的位置的不同，样品进入混合式冷却器/干燥器的温度在20℃至120℃的范围内。根据设施位置的不同，环境温度在约0℃至50℃的范围内。本领域技术人员可理解的是，更为极端的环境可能需要额外的隔热。如前所述，本专利技术的实施例提供了一种无电子设备的被动系统，从而能在爆炸性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于调节样品气体的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述混合式冷却器/干燥器包括：/n热交换器；/n冷凝物去除装置；和/n膜干燥器，其中：/n(a)所述热交换器用于在所述样品气体进入所述冷凝物去除装置前，对所述样品气体进行物理冷却；/n(b)所述冷凝物去除装置用于从所述样品气体中物理去除冷凝物；/n(c)所述热交换器用于物理加热离开所述冷凝物去除装置、但还未进入所述膜干燥器的不含冷凝物的样品气体；和/n(d)所述膜干燥器用于将所述不含冷凝物的样品气体的露点物理降至低于4℃，以提供调节后的样品气体。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180330 US 62/650,4821.一种用于调节样品气体的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述混合式冷却器/干燥器包括：
热交换器；
冷凝物去除装置；和
膜干燥器，其中：
(a)所述热交换器用于在所述样品气体进入所述冷凝物去除装置前，对所述样品气体进行物理冷却；
(b)所述冷凝物去除装置用于从所述样品气体中物理去除冷凝物；
(c)所述热交换器用于物理加热离开所述冷凝物去除装置、但还未进入所述膜干燥器的不含冷凝物的样品气体；和
(d)所述膜干燥器用于将所述不含冷凝物的样品气体的露点物理降至低于4℃，以提供调节后的样品气体。


2.根据权利要求1所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述热交换器包括：
第一管道，用于输送未进入所述冷凝物去除装置的样品气体；和
第二管道，用于输送离开所述冷凝物去除装置的样品气体；
其中，所述第一管道和所述第二管道被物理设置为使热量能够从所述第一管中的样品气体传递到所述第二管中的样品气体。


3.根据权利要求2所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，至少所述第一管道的一部分与所述第二管道的一部分彼此邻接。


4.根据权利要求2所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述第一管道和所述第二管道同心地放置，使得所述第一管道在所述第二管道内，或者所述第二管道在所述第一管道内。


5.根据权利要求2所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述第一管道中的所述样品气体的冷却量在约1摄氏度至约20摄氏度的范围内。


6.根据权利要求2所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述第二管道中的所述样品气体的加热量在约1摄氏度至约20摄氏度的范围内。


7.根据权利要求2所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述第二管道中的所述样品气体的加热量在约1摄氏度至约3摄氏度的范围内。


8.根据权利要求1所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，不利用电力给所述混合式冷却器/干燥器的任何元件供电。


9.根据权利要求1所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，在离开所述热交换器之后和在被去除冷凝物之前，所述样品气体通过被动冷却器进一步冷却。


10.根据权利要求9所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述被动冷却器包括形成被动冷却回路的第三管道；其中，所述第三管道的长度比所述第一管道的长度长。


11.根据权利要求10所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述第三管道的长度至少比所述第一管道的长度长约10倍。


12.根据权利要求1所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述调节后的样品气体的温度在约5摄氏度至约50摄氏度的范围内。


13.根据权利要求1所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述样品气体在所述混合式冷却器/干燥器的入口温度在约50摄氏度至约120摄氏度的范围。


14.根据权利要求1所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述膜干燥器包括至少一个管，所述管包括全氟磺酸(PFSA)膜。


15.根据权利要求1所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述混合式冷却器/干燥器还包括壳；其中所述壳容纳有所述热交换器、所述冷凝物去除装置和所述干燥器；
其中，所述壳的长度小于约四分之三米，所述壳的宽度约为四分之一米，所述壳的厚度或深度约为八分之一米。


16.一种用于调节样品气体的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，包括：
热交换器，由第一管道和第二管道组成；
被动冷却器；
聚结过滤器，用于从样品气体中去除冷凝物；和
膜干燥器，用于干燥所述样品气体，将所述样品气体的露点降低至小于4℃；
进一步地，其中：
(a)所述第一管道流体耦合至所述被动冷却器，所述被动冷却器流体耦合至所述聚结过滤器的入口；和
(b)所述第二管道流体耦合至所述聚结过滤器的出口和所述膜干燥器的入口。


17.根据权利要求16所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述被动冷却器为形成被动冷却回路的第三管道；其中，所述第三管道的长度比所述第一管道的长度长。


18.根据权利要求16所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述膜干燥器包括至少一个管，所述管包括全氟磺酸(PFSA)膜。


19.根据权利要求16所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述混合式冷却器/干燥器还包括第一喷射器；其中，所述第一喷射器用于从所述聚结过滤器抽吸所述冷凝物。


20.根据权利要求16所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述混合式冷却器/干燥器还包括第二喷射器；其中，所述第二喷射器用于将引入所述膜干燥器的吹扫气体置于真空中。


21.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：C苏纳达，军崔，林源，R莱姆勒，
申请(专利权)人：博纯有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US