[发明专利]具有增强的制冷回收的用于过程流的低温冷却的系统和方法

说明书

技术领域

本发明的系统和方法涉及过程气体的改善的低温冷却，并且更具体地，本发明涉及具有同时进行的消耗的制冷剂和冷的过程流的制冷回收的用于过程流的低温冷却的系统和方法。

背景技术

诸如液氮之类的制冷剂通常用来在很多制造过程中将过程气流冷却到非常低的温度。在制造过程中使用低温冷却系统的示例包括：冷却放热反应的反应器；需要低温以改善产品选择性的化学过程；从气态流中回收可凝缩的产品；以及用来从溶解的固体的混合物中净化产品的溶液结晶。

在很多制造过程中使用低温液氮进行冷却的经济性严重地依赖于从消耗的（spent）氮以及从冷却的过程气流中回收制冷的能力。理想地，消耗的氮和过程气流的温度应当被加热到大约室温或者最终的理想下游工作温度而不需要外部加热或温度调节。常规地，消耗的氮是被引导至节热器（economizer）的氮气流，并在节热器中用来冷却进入的过程流。

图1示出了常规的蒸汽相产品回收过程的示例。在图1中能够看到，热的过程流12首先在被冷的氮气流26冷却的节热器13中被预冷却。被部分冷却的过程流14然后被引导至初级热交换器15，在初级热交换器15中，液体氮24发生蒸发并且使过程流14冷却至其最终温度。产生的过程流16然后被引导至分相器17，而蒸发的冷的氮气26回到节热器13以冷却进入的热的过程流12。最终的产品20在分相器17中冷凝并且作为具有残余的冷的过程气流30但不具有冷凝产品的液体被回收，被排出或者被丢弃或者在工厂内循环。冷的过程气流中的制冷容量的大部分（如果不是全部的话）被丢失。

在其他现有技术系统中，来自冷的气体过程流中的制冷容量被回收，但是来自离开初级热交换器的冷的氮气流的制冷容量被丢失。图2是这种替代布置的示意图，用于从用来产生可凝缩的产品的低温气流回收一部分制冷。在图2中能够看到，热的过程流12首先在被离开分相器17的冷的过程气流30冷却的节热器13中预先冷却。被部分冷却或预先制冷的过程流14然后被引导至初级热交换器15，液氮24在初级热交换器15中蒸发并且将过程流14冷却至其最终温度。产生的冷却的过程流16然后被引导至分相器17，而蒸发的冷的氮气26被排出。期望的产品20在分相器17中冷凝并作为具有残余的冷过程气流30但不具有冷凝产品的液体被回收，被循环回到节热器13以对进入的热的过程气体12进行预先制冷，然后被排出或被丢弃。

使用这些常规的低温冷却过程，不能够回收大量的制冷容量。如果消耗的氮气流或冷的过程流（不具有冷凝产品）被用来对热的过程气流进行预先制冷，那么其他的冷流将几乎没有热动力驱动力来向预先制冷的过程流转移附加的制冷值。如果涉及到制冷剂或过程流的任何相变，那么制冷容量回收将更加困难。在大多数工业应用中，估计大约一半的制冷容量不能够被上述常规方法回收，因为液氮的制冷容量以潜热的形式消散。

因此，需要一种低温冷却系统，其使制冷剂的使用最小化，并且还能够使冷却和净化过程中的可用制冷容量的回收最大化。

发明内容

本发明的特征可以在于一种用于过程流的低温冷却的方法，所述方法包括以下步骤：（a）在节热器中预先制冷热过程气体的入流；（b）通过低温热交换器中的制冷剂将预先制冷的过程气体冷却到预定最终温度；（c）将处于预定最终温度的被冷却的过程气体分离成可凝缩产品和冷的消耗过程气体；（d）使冷的消耗过程气体循环到节热器，以预先制冷热过程气体的入流；（e）将循环到节热器的使用过的过程气体的一部分强制引导至辅助热交换器；以及（f）将消耗的制冷剂从低温热交换器引导至辅助热交换器，以重新冷却使用过的过程气体。使用这种方法，冷的消耗过程气体的过剩的制冷容量被直接转移到流经节热器的流入热过程气体，而消耗的制冷剂的过剩的制冷容量被间接转移到流经节热器的流入热过程气体。这继而使将低温热交换器中的预先制冷的过程气体冷却到预定最终温度所需的制冷剂的量最小化。