專利名稱：熱交換器和相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施方案一般涉及熱交換器和與其使用相關(guān)聯(lián)的方法。更具體來說，本發(fā)明的實施方案涉及包括外殼和加熱構(gòu)件的熱交換器，其被配置成將流體供應(yīng)到與另一流體的連通中。本發(fā)明的實施方案另外涉及在流體之間傳熱、在流體內(nèi)的固體顆粒的升華和流體輸送的方法。
背景技術(shù)：
液化天然氣的生產(chǎn)為將大部分甲烷(CH4)氣體變?yōu)橐簯B(tài)的制冷過程。然而，除有甲烷之外，天然氣由各種氣體組成。天然氣中含有的一種氣體為二氧化碳(CO2)。二氧化碳以約1%的數(shù)量存在于在美國可見的大部分天然氣基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，并且在世界各地的許多地方二氧化碳含量高的多。二氧化碳可能在天然氣液化的過程中引起問題，這是因為二氧化碳具有比甲烷的液化溫度高的凍結(jié)溫度。二氧化碳比甲烷高的凍結(jié)溫度將在天然氣冷卻時導(dǎo)致固體二氧化碳晶體形成。這個問題使得必須在傳統(tǒng)設(shè)備中進行液化過程之前從天然氣中除去二氧化碳。在液化過程之前使二氧化碳與天然氣分離的過濾設(shè)備可能是大型的、可能需要大量的能源來操作和可能是非常昂貴的。小型液化系統(tǒng)已被開發(fā)和正變得很受歡迎。在大多數(shù)情況下，這些小型設(shè)備簡單地使用現(xiàn)有液化和二氧化碳分離過程的縮尺表示。愛達荷州國家實驗室已開發(fā)創(chuàng)新的小型液化設(shè)備，其消除了需要二氧化碳的昂貴的、設(shè)備密集型預(yù)清洗。用天然氣流處理二氧化碳，并且在液化步驟期間將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)橐夯烊粴夤I(yè)生產(chǎn)液流內(nèi)的結(jié)晶固體。然后，將液體/固體漿料轉(zhuǎn)移到分離器件，其引導(dǎo)溢流的清潔的天然氣液體出口和底流的二氧化碳濃縮漿料出口。然后，通過熱交換器處理底流漿料以使二氧化碳升華變回氣體。在理論上這是非常簡單的步驟。然而，固體二氧化碳與液化天然氣之間的相互作用產(chǎn)生很難用常規(guī)熱交換器解決的情況。在液體漿料中，二氧化碳處于純的或幾乎純的過冷狀態(tài)和不可溶于液體的。相對于載液的密度而言，二氧化碳是足夠重的，以迅速地沉淀到大部分流態(tài)的底部。當(dāng)發(fā)生沉淀時，熱交換器的管道和端口可能隨著二氧化碳的數(shù)量增加而變得塞緊的。除在不良位置收集之外，二氧化碳傾向于聚集在一起，從而使得涌過系統(tǒng)變得更加困難。使二氧化碳升華變回氣體的能力取決于使固體通過氣體的液相而無需收集和聚集到插塞中。當(dāng)加熱液化天然氣時，液化天然氣將保持在約_145°C的近似恒溫(在50psig(約446kPa)下)直到所有液體已從兩相氣體傳遞到單相氣體。固體二氧化碳將不能升華變回氣體直到周圍的氣體溫度已達到約_60°C。在液態(tài)甲烷中容易地運輸固體二氧化碳時，在使液化天然氣汽化時，基本上減少了將固體二氧化碳晶體運輸?shù)綗峤粨Q器的較溫暖的部分的能力。在移動的汽化天然氣是運輸固體二氧化碳晶體的唯一方法時的溫度下，晶體可能由于彼此的滾轉(zhuǎn)相互作用而開始聚集在一起，從而導(dǎo)致上述堵塞。除聚集之外，當(dāng)晶體到達熱交換器的較溫暖的區(qū)域時，晶體開始熔化或升華。如果發(fā)生熔化，晶體的表面變得粘性的，從而使晶體傾向于粘住熱交換器的壁、降低熱交換器的效率和產(chǎn)生局部污垢。在流體速度不足以驅(qū)逐污垢時，局部污垢區(qū)域可能使熱交換器變得封閉并且最后被塞住。
發(fā)明概要根據(jù)本發(fā)明的一些實施方案，一種熱交換器包括具有至少一個進口和至少一個出口的外殼。外殼形成熱交換器內(nèi)的過渡室的一部分。至少一個進口和至少一個出口與過渡室連通，并且至少一個出口位于外殼的上部部分處。熱交換器可以進一步包括加熱構(gòu)件，其安置在外殼內(nèi)和形成過渡室的另一部分。加熱構(gòu)件包括具有形成在其中的第一開口的第一端，第一開口與至少一種流體的供給連通；以及具有形成在其中的第二開口的第二端，第二開口大于第一開口并且第二開口與熱交換器的過渡室連通。在額外的實施方案中，一種輸送流體的方法包括通過形成在熱交換器中的進口將包含至少一種材料的第一流體供應(yīng)到熱交換器的過渡室中；通過形成在錐形加熱構(gòu)件的頂點中的開口供應(yīng)第二流體并將其供應(yīng)到形成過渡室的一部分的錐形加熱構(gòu)件的內(nèi)部部分中；用第二流體改變第一流體的至少一種材料的狀態(tài)；以及通過位于熱交換器的上部部分中的熱交換器的出口，將第一流體的具有改變狀態(tài)的至少一種材料輸送出熱交換器。在其他額外的實施方案中，一種使固體顆粒升華的方法包括將包含呈固態(tài)的至少一種材料的第一流體輸送到熱交換器的過渡室中；將第一流體內(nèi)的至少一種材料加熱到氣態(tài)，這個步驟包括通過錐形加熱構(gòu)件在比第一流體的溫度高的溫度下將第二流體引導(dǎo)到過渡室中以及混合第一流體與第二流體；以及用第一流體將第一流體內(nèi)的至少一種材料呈氣態(tài)輸送出過渡室。
附圖簡述

圖1為根據(jù)本發(fā)明的實施方案的熱交換器的等距視圖。圖2為圖1中所示的熱交換器的縱向截面圖。圖3為圖1和圖2中所示的熱交換器的放大局部縱向截面圖。圖4A和圖4B分別為可以用于根據(jù)本發(fā)明的實施方案的熱交換器的噴嘴組件中的噴嘴的側(cè)視圖和截面圖。圖5為曲線圖，其描繪在將顆粒安置在根據(jù)本發(fā)明的實施方案的熱交換器內(nèi)時，基于顆粒尺寸的此類顆粒(例如，CO2顆粒)的預(yù)計的升華時間。
具體實施例方式本文提供的圖解并非意欲是任何特定材料、裝置、系統(tǒng)或方法的實際視圖，而僅僅是用于描述本發(fā)明的實施方案的理想化的表示。另外，為了方便和清晰起見，在圖式之間共用的元件可以保留相同的數(shù)字指定。圖1為熱交換器的等距視圖。應(yīng)注意，盡管可以在處理天然氣時用二氧化碳的升華描述本發(fā)明的實施方案的操作，但是如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將了解和理解，本發(fā)明可以用于其他流體的升華、加熱、冷卻和混合以及用于其他過程。本文所用的術(shù)語“流體”指的是可以使流過管道(例如，噴嘴、管、室、進口、出口等)并且包括(但不限于)氣體、兩相氣體、液體、凝膠、等離子體、漿料、固體顆粒和上述任何組合的任何物質(zhì)。如圖1中所示，熱交換器110可以包括外殼112 (例如，具有支腳113的槽)，其包括具有進口 116和出口 118的室(例如，在圖2中更詳細(xì)地所示的過渡室114)。應(yīng)注意，盡管圖1的實施方案圖不熱交換器110的具有包括圓形截面的大體圓形的外殼112,但是可以用任何適合的形狀形成外殼112，例如，正方形、長方形、橢圓形、不規(guī)則形狀或上述組合。舉例而言(但并非限制)，熱交換器110可以包括形狀為圓柱形的外殼112，其具有約24英寸(約0.61米)的外徑和79英寸(約2.01米)的總高度(包括支腳113和出口 118)。在一些實施方案中，可以包括視察窗115以在視覺上觀察熱交換器110的操作。視察窗115可以用于觀察熱交換器110內(nèi)的材料。例如，如下文所述，視察窗115可以用于觀察懸浮在過渡室114中的固體材料的位置、檢查可能在過濾器166(圖2)中收集的固體材料等。圖2為圖1中所示的熱交換器的縱向截面圖。如圖2中所示，熱交換器110可以包括安置在熱交換器110內(nèi)的加熱構(gòu)件120。加熱構(gòu)件120可以包括具有形成在其中的第一開口 124的第一端122。加熱構(gòu)件120可以包括具有形成在其中的第二開口 128的第二端126。在一些實施方案中，加熱構(gòu)件120可以由第一開口 124比第二開口 128相對較小的結(jié)構(gòu)形成。換句話說，第一開口 124的截面面積小于第二開口 128的截面面積。例如，加熱構(gòu)件120可以包括基本上錐形構(gòu)件(例如，具有底座(例如，圓形底座、多邊形底座等)的錐體)。在此類實施方案中，第一開口 124可以形成在加熱構(gòu)件120的頂點中，并且第二開口 128可以形成在加熱構(gòu)件120的底座附近。此外，加熱構(gòu)件120的內(nèi)部部分可以包括在第一開口 124與第二開口 128之間延伸的基本上斜側(cè)表面。在一些實施方案中并且如圖2中所示，第二開口 128可以基本上大于第一開口124。例如，加熱構(gòu)件120的第一開口 124可以安置在熱交換器110的外殼112的下部部分130中。用在本文中的術(shù)語“下部”和“上部”指的是在圖1和圖2中定向的熱交換器110。例如，熱交換器110的外殼112的“上部”部分可以位于相對更遠(yuǎn)離安置熱交換器110所在的結(jié)構(gòu)(例如，地板)處，并且“下部”部分相對更接近于安置熱交換器110所在的結(jié)構(gòu)。第二開口 128可以安置在熱交換器110的外殼112的下部部分130與上部部分132之間。第二開口 128可以被設(shè)定尺寸以形成過渡室114的一部分。例如，加熱構(gòu)件120的內(nèi)部部分可以形成過渡室114的下部部分。在一些實施方案中，加熱構(gòu)件120的底座可以附接到外殼112的一部分(例如，外殼112的內(nèi)表面134)。在一些實施方案中，第二開口 128的橫向的截面面積可以與外殼112的一部分的橫向的截面面積基本上相同。應(yīng)注意，盡管參照圖2將加熱構(gòu)件120示出和描述為具有錐形，但是可以用任何適合的形狀形成加熱構(gòu)件120，例如，管狀、直線、多邊形、心形線、曲線或上述組合。仍參看圖2，熱交換器110的出口 118可以包括具有凸緣138的出口噴嘴136。在一些實施方案中，出口噴嘴136可以位于熱交換器110的外殼112的上部部分132上。例如，如圖2中所示，出口噴嘴136可以位于熱交換器110的外殼112的最上的部分上。在一些實施方案中，出口噴嘴136在外殼112的上部部分132的方位可以使過渡室114內(nèi)的氣態(tài)材料(即，呈氣態(tài)的材料)能夠退出過渡室114，同時將過渡室114內(nèi)的材料保持在非氣態(tài)(例如，液體、固體等)。在一些實施方案中，出口噴嘴136可以被配置成與一個或多個下游部件連通(例如，流體連通)，并且可以通過凸緣138連接到下游部件。例如，出口噴嘴136可以被設(shè)定尺寸以將互連提供到下游部件(例如，氣體出口、另一熱交換器、大氣出口等)，以及在可接受或理想的速度下將氣態(tài)材料提供到下游部件。在一些實施方案中，下游部件可以包括液化天然氣(LNG)系統(tǒng)的一個或多個部件，例如，在2009年10月22日提交的標(biāo)題為 “Natural Gas Liquefaction Core Modules, Plants Including Same andRelated Methods”的美國專利申請序號12/604，139、2009年10月22日提交的標(biāo)題為“Complete Liquefaction Methods and Apparatus”的美國專利申請序號 12/603，948,以及2009 年 10 月 22 日提交的標(biāo)題為 “Methods of Natural Gas Liquefaction and NaturalGas Liquefaction Plants Utilizing Multiple and Varying Gas Streams，，的美國專利申請序號12/604，194中公開的部件。在這段中提及的上述申請中的每個的公開內(nèi)容以引用的方式整體并入本文。在一些實施方案中，出口噴嘴136可以包括端口(例如，螺紋端口 140)，其使能夠連接傳感器(例如，熱電偶、電阻溫度檢測器(RTD)、速度傳感器等)以便監(jiān)測退出過渡室114的氣體的性質(zhì)。在一些實施方案中，熱交換器110可以包括位于外殼112中的各種位置(例如，鄰近過渡室114、受熱流體室146等)的一個或多個端口，從而使能夠監(jiān)測在熱交換器110中含有的材料的性質(zhì)。熱交換器110的進口 116可以包括具有凸緣144的進口噴嘴142。在一些實施方案中，進口噴嘴142可以位于熱交換器110的外殼112的中間部分(例如，外殼112的下部部分130與上部部分132之間)。例如，進口噴嘴142可以在加熱構(gòu)件120的第二端126位于鄰近于第二開口 128。進口噴嘴142的此方位可以使能夠在加熱構(gòu)件120的第二端126在第二開口 128將流體供應(yīng)到熱交換器110。例如，可以將包括呈非氣態(tài)(例如，流體、蒸汽、固體等)的材料的流體(例如，氣態(tài)材料)供應(yīng)到熱交換器110的外殼112，以使得在朝著第一開口 124的方向上在加熱構(gòu)件120的第一端122將呈非氣態(tài)的流體的部分移動(例如，在重力下)到加熱構(gòu)件120的內(nèi)部部分中。進口噴嘴142可以與一個或多個上游部件連通(例如，流體連通)，并且可以通過凸緣144連接到上游部件。例如，進口噴嘴142可以被設(shè)定尺寸以將互連提供到上游部件(例如，汽化室、另一熱交換器、被配置成分離材料或材料的不同狀態(tài)的器件(例如，旋液分離器)等)，以及在可接受或理想的速度下將氣態(tài)材料提供到上游部件。在一些實施方案中，上游部件可以包括例如在上文引用的和以引用方式并入的美國專利申請序號12/604，139、12/603，948和12/604，194中公開的部件中的一個或多個。此外，在一些實施方案中，一個或多個上游部件可以包括例如在2010年11月3日提交的標(biāo)題為“Vaporization Chambers and Associated” 的美國專利申請序號 12/938,671 中公開的部件中的一個或多個，所述專利的公開內(nèi)容以引用的方式整體并入本文。例如，進口噴嘴142可以連接到在2010年11月3日提交的標(biāo)題為“Sublimation Systems and AssociatedMethods”的上文引用的和以引用方式并入的美國專利申請序號12/938,967中公開的汽化室。在此類實施方案中，進口噴嘴142可以將含有例如微粒(例如，固體或液體微粒)的材料的流體(例如，流體載體(例如，氣體或液體))從汽化室供應(yīng)到熱交換器110。加熱構(gòu)件120可以包括安置在加熱構(gòu)件120的第一端122的噴嘴組件146。噴嘴組件146可以至少部分地形成加熱構(gòu)件120的第一開口 124。噴嘴組件146可以將流體供應(yīng)到熱交換器110的一部分(例如，供應(yīng)到過渡室114)。在一些實施方案中，噴嘴組件146可以與流體(例如，在比通過進口噴嘴142供應(yīng)到熱交換器110的流體高的溫度下的流體)的體積連通。例如，噴嘴組件146可以與受熱流體室148中的流體的體積連通。受熱流體室148可以在外殼112的下部部分130形成在熱交換器110中。在一些實施方案中，夕卜殼112的一部分和連接到外殼112的加熱構(gòu)件120的一部分可以形成受熱流體室148?？梢酝ㄟ^進口 150將流體供應(yīng)到受熱流體室148，進口 150具有進口噴嘴152和用于連接到流體源的凸緣154。應(yīng)注意，為了清晰起見，將進口 150描繪成位于與進口 116基本上相同的平面中。然而，在一些實施方案中，進口 150可偏離圖1中所示的進口 116。在其他實施方案中，流體的供給(例如，外部室、壓力容器等)可以直接連接到噴嘴組件146。應(yīng)進一步注意，盡管參照圖2示出和描述的加熱構(gòu)件120包括噴嘴組件146，但是在一些實施方案中，可以形成不具有噴嘴組件的加熱構(gòu)件 120。圖3為圖1和圖2中所示的熱交換器的放大局部縱向截面圖。如圖3中所示，噴嘴組件146可以包括連接到噴嘴組件146的一部分的噴嘴156。如圖4A和圖4B中更詳細(xì)地所示，噴嘴156包括具有形成在其中的孔口 158的噴嘴主體157。形成在噴嘴156的主體157中的孔口 158可以被設(shè)定尺寸以在所需的速度下將流體的所需流量從受熱流體室148提供到加熱構(gòu)件120和過渡室114的內(nèi)部部分中。例如，形成在噴嘴156的主體157中的孔口 158可以具有約0.625 (5/8)英寸(約1.559cm)的直徑。在一些實施方案中，噴嘴156可以由被改進以具有延伸過其中的孔口的改進的管塞(例如，可商購自SWAGLiLOK^Company of Solon, OH的SWAGEL0K 管塞)形成。在一些實施方案中，噴嘴156的主體157可以包括附接部分159 (例如，六邊形部分)，其用于促進將噴嘴156連接到熱交換器110的一部分(例如，噴嘴組件146或加熱構(gòu)件120)。仍參看圖3，噴嘴156可以容納在噴嘴組件146中。噴嘴組件146可以連接到鄰近加熱構(gòu)件120的第一端122和第一開口 124的加熱構(gòu)件120的一部分(例如，通過型鍛、粘附、焊接、銅焊等)。噴嘴156可以連接到噴嘴組件146 (例如，通過型鍛、粘附、焊接、銅焊等)。在一些實施方案中，噴嘴156可以可拆卸地連接到噴嘴組件146。例如，噴嘴156可以通過螺紋旋進噴嘴組件146的一部分中。此可拆卸噴嘴156可以使不同的噴嘴尺寸能夠可交換地用于熱交換器110。在一些實施方案中，可以通過外殼112的可拆卸部分160在熱交換器110中使用噴嘴156 (例如，以調(diào)整噴嘴156、改變噴嘴尺寸等)，可拆卸部分160可以可拆卸地固定(例如，通過螺紋旋進)到外殼112的一部分(例如，保留部分161)。回頭參看圖2，在一些實施方案中，噴嘴組件146或其部分可以可調(diào)整(例如，手動或自動可調(diào)整)以調(diào)整流體在加熱構(gòu)件120的第一端122流過噴嘴組件146和流入過渡室114的流率和速度。在一些實施方案中，可以調(diào)整受熱流體室148中的流體的壓力以通過噴嘴組件146將所需的流體流動和流體速度提供到過渡室114中。應(yīng)注意，盡管圖2的實施方案圖示包括噴嘴組件146的熱交換器110，但是在一些實施方案中，在熱交換器110的過渡室114中的流體流動和流體速度可以由其他裝置控制，例如，一個或多個閥、加熱構(gòu)件120本身、一個或多個流量調(diào)節(jié)器等。在一些實施方案中，熱交換器110可以包括位于熱交換器110的外殼112的上部部分132中的顆粒屏障。例如，偏轉(zhuǎn)板162可以位于外殼112的上部部分132中。在一些實施方案中，偏轉(zhuǎn)板162可以具有在朝著加熱構(gòu)件120的方向上定向的基本上凹面(即，偏轉(zhuǎn)板162的凹面可以面向加熱構(gòu)件120)。在一些實施方案中，偏轉(zhuǎn)板162可以具有小于熱交換器110的外殼112的內(nèi)部的尺寸。例如，偏轉(zhuǎn)板162的直徑可以小于外殼112的內(nèi)徑?？梢酝ㄟ^支架164將偏轉(zhuǎn)板162懸掛在外殼112內(nèi)。支架164可以連接到偏轉(zhuǎn)板162、可以延伸到外殼112的內(nèi)表面134和可以連接到外殼112的內(nèi)表面134。支架164和偏轉(zhuǎn)板162可以在外殼112中被設(shè)定尺寸以提供鄰近外殼112的內(nèi)表面134的在偏轉(zhuǎn)板162周圍的通道，從而使流體能夠從偏轉(zhuǎn)板162周圍的過渡室114傳遞并傳遞到熱交換器110的出口 118。應(yīng)注意，盡管圖2的實施方案圖示具有凹形的偏轉(zhuǎn)板162，但是可以用任何適合的形狀(例如，平面、V形等)形成偏轉(zhuǎn)板162。在一些實施方案中，熱交換器110的顆粒屏障可以包括安置在熱交換器110的外殼112中的過濾器166。例如，過濾器166可以位于在熱交換器110的偏轉(zhuǎn)板162與出口118之間的外殼112的上部部分132中。過濾器166可以由能夠至少部分地限制固體或液體的流動和至少部分地使流體(例如,氣體)能夠流過其中的任何材料形成。例如,過濾器166可以由不銹鋼除霧器、金屬篩網(wǎng)、纖維網(wǎng)等形成。在一些實施方案中，可以通過偏轉(zhuǎn)板162、支架164或偏轉(zhuǎn)板162和支架164將過濾器166支撐在熱交換器110中。在一些實施方案中，過濾器166可以附接到外殼112的一部分。在一些實施方案中，過濾器166可以基本上填充熱交換器110的一部分，從而在熱交換器110的偏轉(zhuǎn)板162與出口 118之間延伸。在一些實施方案中，流體旁通170(例如，氣體旁通閥)可以安置在受熱流體室148與過渡室114之間。例如，流體旁通170可以位于鄰近加熱構(gòu)件120的第二端126。流體旁通170可以通過將受熱流體室148中的流體的一部分直接排放到旁通噴嘴156的過渡室114中，使流體的流率和速度能夠通過噴嘴156得以減少。換句話說，流體旁通170可以將受熱流體室148內(nèi)的流體的一部分排放到過渡室114中，由此減少受熱流體室148內(nèi)的流體的壓力。繼續(xù)參照圖2，在操作中，進口 116的進口噴嘴142可以將第一流體，例如，含有例如微粒(例如，固體或液體微粒)的材料的顆粒的流體載體(例如，氣體或液體)供應(yīng)到熱交換器110。例如，第一流體可以包括呈基本上氣態(tài)(例如，載氣)的流體載體(例如，天然氣)，第一流體包括非氣態(tài)材料(例如，微粒，例如，CO2顆粒)。在一些實施方案中,在低于微粒的升華溫度的溫度下，進口噴嘴142可以供應(yīng)包括載氣和微粒的第一流體以便將第一流體提供到具有呈固態(tài)的微粒的熱交換器110的過渡室114中。
當(dāng)將第一流體供應(yīng)到熱交換器110的外殼112中的過渡室114時，第一流體或其部分的溫度可由第二流體(例如，加熱流體)增加。例如，可以通過進口 150的進口噴嘴152供應(yīng)第二流體(例如，甲烷氣體，例如，在從其中基本上除去CO2顆粒的系統(tǒng)中先前處理的LNG系統(tǒng)所提供的甲烷氣體)。在一些實施方案中，可以在大于過渡室114中的溫度的溫度下將第二流體供應(yīng)到熱交換器110。例如，在大于過渡室114中的一種或多種流體(例如，第一流體的一部分)的溫度的溫度下將第二流體供應(yīng)到熱交換器110。通過進一步的實例，第一流體可以包含甲烷載體中的CO2顆粒，并且在大于CO2顆粒的升華溫度的溫度(例如，約-80°C至_60°C (這個溫度可以取決于流體環(huán)境的壓力而變化))下可以將第二流體供應(yīng)到熱交換器110 (例如，供應(yīng)到受熱流體室148中)。在一些實施方案中，可以在熱交換器110的受熱流體室148中加熱第二流體以呈現(xiàn)大于過渡室114中的溫度的溫度。第二流體可以通過進口噴嘴152進入熱交換器110和進入受熱流體室148中。在一些實施方案中，可以在受熱流體室148中加壓第二流體(例如，在大于從受熱流體室148取出第二流體的速率的速率下，通過進口噴嘴152將第二流體供應(yīng)到過渡室114中)。在一些實施方案中，過渡室114中的第二流體可以用于加熱形成過渡室114的表面。例如，如上文所述，受熱流體室148內(nèi)的第二流體可以加熱形成過渡室114的一部分的加熱構(gòu)件120的表面。加熱所述加熱構(gòu)件120的表面可以用于增加加熱構(gòu)件120的溫度和至少部分地防止顆粒附接到或粘住加熱構(gòu)件120的表面。噴嘴組件146，特別是噴嘴156的孔口 158可以用于通過第一開口 124在加熱構(gòu)件120的第一端122將第二流體供應(yīng)到過渡室114中。噴嘴156可以被設(shè)定尺寸以提供第二流體168的噴射(例如，相對高速、高壓噴射)，第二流體168可以在朝著外殼112的上部部分132的方向上通過噴嘴156移動到過渡室114中。應(yīng)注意，為了描述本公開的示例性實施方案和并非限制的目的，在圖2中使用兩條線圖示第二流體168的噴射。當(dāng)?shù)诙黧w進入加熱構(gòu)件120和向外殼112的上部部分132向上前進時，可以改變第二流體168的噴射的速度剖面。例如，隨著加熱構(gòu)件120的直徑增加，在第二流體168的噴射在加熱構(gòu)件120的第二端126從第二開口 128朝外殼112的上部部分132移動時，將減少第二流體168的噴射的速度。第二流體168的噴射可以形成氣柱，其將第一流體(包括其中的任何微粒)從鄰近加熱構(gòu)件120的外殼112的下部部分130朝外殼112的上部部分132提升。當(dāng)?shù)诙黧w168的噴射提升第一流體(包括其中的任何微粒)時，第二流體168的噴射可以用于加熱第二流體。過渡室114可以使第一流體和第二流體能夠混合和使在第二流體中含有的能量(例如，熱)能夠轉(zhuǎn)移到第一流體，由此改變第一流體的至少一部分的狀態(tài)(例如，相)。例如，第一流體可以在進口 116進入熱交換器110，進口 116位于與在加熱構(gòu)件120的第一端122鄰近從噴嘴156延伸的第二流體168的噴射的外殼112中的區(qū)域相比相對較低速度的區(qū)域。一旦在外殼112中，在第一流體中含有的氣體或液體(例如，氣態(tài)或液態(tài)甲烷)的一部分可以被掃向熱交換器110的出口 118 (例如，當(dāng)氣體或液體傾向于流向鄰近具有相對較低的壓力的出口 118的外殼112的區(qū)域時)。在一些實施方案中，一旦在過渡室114中，在第一流體中含有的氣體或液體的一部分可以被加熱并可以(例如，通過第二流體168的噴射的力)被掃到熱交換器110的出口 118和從熱交換器110中被取出。例如，第一流體中的呈氣態(tài)的材料可以通過進口 116進入外殼112，并且通過第二流體168的噴射提供的過渡室114中的相對較高的溫度可以用于加熱呈氣態(tài)的材料和將呈氣態(tài)的材料引導(dǎo)到熱交換器110的出口 118。類似地，第一流體中的呈液態(tài)的材料可以通過進口 116進入外殼112。呈液態(tài)的材料可以在重力下向鄰近加熱構(gòu)件120的外殼112的下部部分130移動。通過第二流體168的噴射提供的過渡室114中的相對較高的溫度可以用于加熱呈液態(tài)的材料和使呈液態(tài)的材料汽化。在汽化后，可以進一步加熱現(xiàn)在呈氣態(tài)的材料和將呈氣態(tài)的材料引導(dǎo)到熱交換器110的出口 118。第一流體(例如，CO2顆粒)中的顆粒(例如，微粒、固體、液體等)可以在加熱構(gòu)件120的第一端122在朝著第二流體168的噴射的方向上受到重力影響下降。錐形加熱構(gòu)件120可以用于朝第二流體168的噴射引導(dǎo)顆粒。換句話說，錐形加熱構(gòu)件120可以沿著加熱構(gòu)件120的斜側(cè)通過加熱構(gòu)件120的內(nèi)部部分將顆粒向下朝加熱構(gòu)件120的相對較小的第一開口 124引導(dǎo)。此外，當(dāng)顆粒通過加熱構(gòu)件120向下朝從噴嘴156延伸的第二流體168的噴射移動時，由在受熱流體室148中含有的第二流體加熱的加熱構(gòu)件120的表面可以用于加熱顆粒。當(dāng)顆粒朝第二流體168的噴射移動時，顆?？稍诘诙黧w168的噴射中被掃除和在朝著外殼112的上部部分132的方向上被提升。例如，第二流體168的噴射可以創(chuàng)建顆粒的流化床。當(dāng)顆粒位于第二流體168的噴射時，第二流體168的噴射的速度可以用于提升顆粒和使顆粒旋轉(zhuǎn)，從而使能夠在顆粒的外表面區(qū)域的大部分上加熱顆粒。在一些實施方案中，可以選擇噴嘴156和第二流體168 (例如，受熱流體室148中的第二流體的壓力、噴嘴156的尺寸和形狀，或上述組合)以在加熱構(gòu)件120的第一端122與第二端126之間的中部提供可以懸浮平均尺寸的顆粒的第二流體168的噴射。加熱構(gòu)件120中的從第一開口 124朝第二開口 128延伸的第二流體168的噴射的速度方差可以用于基于每個顆粒的尺寸和重量將顆粒懸浮在加熱構(gòu)件120中。例如，可以選擇噴嘴156和第二流體168以在加熱構(gòu)件120的第一端122提供鄰近噴嘴156的具有約120英尺每秒(ft/sec)(約36.6米每秒(m/s))的速度的第二流體168的噴射。此外，加熱構(gòu)件120和外殼112可以被設(shè)定尺寸以提供鄰近加熱構(gòu)件的第二端126的具有約0.13英尺每秒(ft/sec)(約0.04米每秒(m/s))的第二流體168的噴射的速度。當(dāng)顆粒漂浮在通過第二流體168的噴射提供的相對較溫暖的氣流中時，可以加熱顆粒并且可以將顆粒的狀態(tài)改變?yōu)闅鈶B(tài)。當(dāng)將每個顆粒的部分轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)時，顆粒的尺寸和重量將減少，從而使顆粒能夠在過渡室114中更高地漂浮，直到將顆?；旧贤耆淖?yōu)闅鈶B(tài)(例如，升華了的)。在一些實施方案中，可以將顆粒提升至位于熱交換器110的上部部分132的偏轉(zhuǎn)板162。偏轉(zhuǎn)板162可以用于朝鄰近外殼112的外部部分(例如,鄰近外殼112的內(nèi)表面134)和遠(yuǎn)離具有延伸過其中的第二流體168的噴射的外殼112的中心部分的相對較低速度的區(qū)域引導(dǎo)顆粒。在一些實施方案中，偏轉(zhuǎn)板162也可以用于將第二流體168的噴射朝外殼112的外部部分重新引導(dǎo)和可以用于將顆粒向下朝加熱構(gòu)件120推動。在一些實施方案中，當(dāng)在第二流體168接近外殼122的上部部分132時第二流體168的噴射的速度減少時，顆?？梢赃h(yuǎn)離外殼112的中心部分移動，并且第二流體168的噴射的路徑可以朝加熱構(gòu)件120后退。如前所述，一旦顆粒位于位于與在加熱構(gòu)件120的第一端122鄰近從噴嘴156延伸的第二流體168的噴射的外殼112中的區(qū)域相比相對較低速度的區(qū)域，顆粒可在加熱構(gòu)件120的第一端122在朝著第二流體168的噴射的方向上受到重力影響下降。可以重復(fù)加熱和提升顆粒的過程直到已將顆粒的溫度增加到將顆粒充分地轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌奈飸B(tài)(例如，轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài))。例如，在低于CO2的升華溫度的溫度(例如，-60°c (這個溫度可以取決于流體環(huán)境的壓力而變化))下，可以通過進口 116將CO2顆粒(例如，CO2的固體晶體)供應(yīng)到熱交換器110。如上文所述，CO2顆?？墒苤亓τ绊懴陆岛屯ㄟ^第二流體168的噴射得以提升，直到將CO2顆粒的溫度增加到高于CO2的升華溫度。CO2顆?？砷_始升華成氣態(tài)和可朝熱交換器110的出口 118移動(例如，通過第二流體168的噴射被引導(dǎo))。安置在熱交換器110的上部部分132中的過濾器166也可以用于限制顆粒朝出口118移動的流動和使顆粒陷入其中。在一些實施方案中，陷入過濾器中的顆粒的逐漸加熱可以將顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，然后顆粒可通過過濾器166移動到熱交換器110的出口 118。圖5為曲線圖，其描繪在將顆粒安置在根據(jù)本發(fā)明的實施方案的熱交換器(例如，熱交換器110(圖2))內(nèi)時，基于顆粒尺寸的此類顆粒(例如，CO2顆粒)的預(yù)計的升華時間。在曲線圖中，CO2顆粒被認(rèn)為是懸浮在移動氣流(例如，第二流體168的噴射(圖2))中的球體。如圖5中所示，在X軸上示出CO2顆粒的在O微米與1200微米之間的范圍的直徑大小。在y軸上示出所得的升華時間(以秒為單位)。此外，示出兩組數(shù)據(jù)點，一組表示具有96°C的溫度和6.9英尺每秒(ft/sec)(約2.1米每秒(m/s))的速度的氣體蒸汽(例如，從噴嘴156延伸的第二流體168的噴射(圖2))，并且另一組表示具有96°C的溫度和
13.7ft/sec (約4.2m/s)的速度的氣體蒸汽。如從圖5中可以看到,CO2顆粒的升華時間可以取決于顆粒的尺寸和加熱流體的噴射的速度和溫度而變化。平均起來，具有約600微米至800微米的直徑的CO2顆粒在被升華成氣態(tài)CO2之前可以呈固態(tài)形式存在于熱交換器中達約5秒至12秒。鑒于以上內(nèi)容，本發(fā)明的實施方案可以特別可用于提供使流體內(nèi)的固體顆粒能夠有效和高效的輸送和升華的裝置和方法。本發(fā)明的實施方案可以進一步可用于不同于所提供的具體實例的各種應(yīng)用。例如，所述裝置和方法可以可用于含有粘性、腐蝕性和/或反應(yīng)性化學(xué)品的流體的有效和高效的混合、加熱、冷卻和/或輸送。盡管本發(fā)明可能容易受到各種修改和替代形式，本發(fā)明的具體實施方案已通過實例在附圖中被示出和已在本文中被詳細(xì)地描述，但是應(yīng)理解本發(fā)明不意圖限于公開的特定形式。實情為，本發(fā)明包括屬于由以下附加權(quán)利要求書和其合法等效物定義的本發(fā)明的范圍的所有修改、等效物和替代物。
權(quán)利要求
1.一種熱交換器，其包括: 具有至少一個進口和至少一個出口的外殼，所述外殼形成所述熱交換器內(nèi)的過渡室的一部分，所述至少一個進口和所述至少一個出口與所述過渡室連通和位于所述外殼的上部部分處；以及 加熱構(gòu)件，其安置在所述外殼內(nèi)和形成所述過渡室的另一部分，所述加熱構(gòu)件包括: 第一端，其具有形成在其中并與至少一種流體的供給連通的第一開口 ；以及 第二端，其具有形成在其中的第二開口，所述第二開口大于所述第一開口并與所述熱交換器的所述過渡室連通。
2.如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中所述外殼進一步包括安置在所述外殼的下部部分內(nèi)的受熱流體室，所述加熱構(gòu)件安置在所述過渡室與所述受熱流體室之間和分離所述過渡室與所述受熱流體室，并且其中所述加熱構(gòu)件的所述第一開口與所述熱交換器的所述受熱流體室連通。
3.如權(quán)利要求2所述的熱交換器，其進一步包括加熱流體進口，所述加熱流體進口被配置成在大于所述過渡室內(nèi)的流體的溫度的溫度下，將流體的體積供應(yīng)到所述受熱流體室。
4.如權(quán)利要求2所述的熱交換器，其進一步包括安置在所述加熱構(gòu)件的所述第一端的噴嘴組件，所述噴嘴組件被配置成在所述至少一種流體通過所述噴嘴組件從所述受熱流體室進入到所述過渡室中時，限制所述至少一種流體的流動。
5.如權(quán)利要求4所述的熱交換器，其中所述噴嘴組件包括至少一個可拆卸噴嘴，并且其中所述外殼包括鄰近所述噴嘴組件的能夠到達所述至少一個可拆卸噴嘴的可拆卸部分。
6.如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中所述加熱構(gòu)件為基本上錐形的。
7.如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中形成所述第二開口的所述加熱構(gòu)件的一部分連接到所述外殼的內(nèi)表面，并且其中所述加熱構(gòu)件的所述第二開口包括具有與所述外殼的橫向的截面面積基本上相同的尺寸的橫向的截面面積。
8.如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其進一步包括安置在所述加熱構(gòu)件的所述第二端與所述至少一個出口之間的所述外殼的所述上部部分中的偏轉(zhuǎn)板，所述偏轉(zhuǎn)板具有與所述加熱構(gòu)件的所述第二端相反定向的至少一個表面。
9.如權(quán)利要求8所述的熱交換器，其進一步包括安置在所述偏轉(zhuǎn)板與所述至少一個出口之間的所述外殼內(nèi)的過濾器。
10.如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中: 所述至少一個進口被配置成為所述過渡室供應(yīng)呈第一狀態(tài)的至少一種材料，并且所述至少一個出口被配置成取出呈第二不同狀態(tài)的所述至少一種材料； 所述加熱構(gòu)件被配置成通過所述第一開口供應(yīng)所述至少一種流體的一部分和成為與呈所述第一狀態(tài)的所述至少一種材料連通；以及 所述過渡室被配置成使所述至少一種流體的一部分能夠?qū)⒊仕龅谝粻顟B(tài)的所述至少一種材料轉(zhuǎn)變?yōu)槌仕龅诙煌瑺顟B(tài)的所述至少一種材料。
11.一種輸送流體的方法，所述方法包括: 通過進口將包含至少一種材料的第一流體供應(yīng)到熱交換器的過渡室中； 通過形成在錐形加熱構(gòu)件的頂點中的開口供應(yīng)第二流體并將其供應(yīng)到形成所述過渡室的一部分的所述錐形加熱構(gòu)件的內(nèi)部部分中； 用所述第二流體改變所述第一流體的所述至少一種材料的狀態(tài)；以及通過位于所述熱交換器的上部部分中的所述熱交換器的出口，將所述第一流體的具有所述改變狀態(tài)的所述至少一種材料輸送出所述熱交換器。
12.如權(quán)利要求11所述的輸送流體的方法,其中將包含至少一種材料的第一流體供應(yīng)到熱交換器的過渡室中包括將包含至少一種氣態(tài)材料和至少一種固體材料的第一流體供應(yīng)到所述熱交換器的所述過渡室中，并且其中用所述第二流體改變所述第一流體的所述至少一種材料的狀態(tài)包括用所述第二流體將所述至少一種固體材料轉(zhuǎn)變?yōu)橹辽倭硪粴鈶B(tài)材料。
13.如權(quán)利要求12所述的輸送流體的方法，其中輸送所述第一流體的所述至少一種材料包括通過所述出口輸送所述至少一種氣態(tài)材料和至少一種固體材料。
14.如權(quán)利要求11所述的輸送流體的方法，其中通過錐形加熱構(gòu)件的頂點供應(yīng)第二流體包括通過形成在所述熱交換器中的另一進口供應(yīng)所述第二流體和將其供應(yīng)到與形成在所述錐形加熱構(gòu)件的所述頂點中的所述開口連通的受熱流體室中。
15.如權(quán)利要求14所述的輸送流體的方法，其進一步包括用所述受熱流體室中的所述第二流體加熱所述錐形加熱構(gòu)件的表面。
16.如權(quán)利要求11所述的輸送流體的方法，其進一步包括: 在第一溫度下 將所述第一流體供應(yīng)到所述過渡室中； 在大于所述第一溫度的第二溫度下，供應(yīng)所述第二流體；以及 在不同于所述第一溫度和所述第二溫度中的每個的第三溫度下，通過所述出口將所述第一流體和所述第二流體輸送出所述過渡室。
17.如權(quán)利要求16所述的輸送流體的方法，其進一步包括: 將所述第一流體的至少一種材料呈固態(tài)供應(yīng)到所述過渡室中；以及 將所述第一流體的所述至少一種材料呈氣態(tài)輸送出所述過渡室。
18.如權(quán)利要求11所述的輸送流體的方法，其進一步包括: 將所述第一流體的至少一種材料呈固態(tài)供應(yīng)到所述過渡室中；以及通過所述第二流體強迫所述第一流體的所述至少一種材料呈所述固態(tài)遠(yuǎn)離所述錐形加熱構(gòu)件的所述頂點。
19.一種使固體顆粒升華的方法，所述方法包括: 將包含至少一種材料的第一流體呈固態(tài)輸送到熱交換器的過渡室中； 將所述第一流體內(nèi)的所述至少一種材料加熱到氣態(tài)，其包括: 通過錐形加熱構(gòu)件在比所述第一流體的溫度高的溫度下將第二流體引到到所述過渡室中；以及 混合所述第一流體與所述第二流體；以及 用所述第一流體將所述第一流體內(nèi)的所述至少一種材料呈所述氣態(tài)輸送出所述過渡室。
20.如權(quán)利要求19所述的輸送流體的方法，其中: 輸送包含至少一種材料的第一流體包括輸送固體二氧化碳以及液態(tài)甲烷和氣態(tài)甲烷中的至少一種；以及用所述第一流體和所述第二流體將所述第一流體內(nèi)的所述至少一種材料呈所述氣態(tài)輸送出所述過渡室包括將氣態(tài)甲烷`和氣態(tài)二氧化碳輸送出所述過渡室。
全文摘要
熱交換器包括具有進口和出口以及形成過渡室的一部分的外殼。加熱構(gòu)件可以形成過渡室的另一部分。加熱構(gòu)件包括具有第一開口的第一端和具有大于第一開口的第二開口的第二端。輸送流體的方法包括將第一流體供應(yīng)到熱交換器的過渡室中、將第二流體供應(yīng)到過渡室中，以及改變第一流體和第二流體的一部分的狀態(tài)。使固體顆粒升華的方法包括將包含固態(tài)材料的第一流體輸送到過渡室中、通過將第二流體引導(dǎo)通過加熱構(gòu)件將材料加熱到氣態(tài)和混合第一流體與第二流體。
文檔編號F25J3/08GK103189701SQ201180051623
公開日2013年7月3日 申請日期2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月3日
發(fā)明者T·D·特納, M·G·麥克凱拉 申請人:巴特勒能源同盟有限公司