CN103201576B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于过程气体的改进的低温冷却的系统和方法。所公开的系统和方法通过同时进行的来自蒸发的氮的制冷容量回收和来自冷的氢气流的制冷容量的回收而提供了多晶硅制造期间的硅烷和氢气过程流的低温冷却。改进的低温冷却系统和方法减少了液氮的总的消耗而无损硅烷和氢气过程流的低温冷却的冷却性能。

Description

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

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。

本发明的特征还可以在于一种低温冷却系统，其包括：（i）过程流；（ii）制冷剂源；（iii）用于使用制冷剂冷却过程流的低温热交换器；（iv）适于将被冷却的过程流分离成可凝缩产品和冷的消耗过程气体的分相器；（v）用于通过冷的消耗过程气体预先制冷过程气流的节热器；（vi）第一循环导管，其将分相器的出口连接于节热器，以将冷的消耗过程气体从分相器引导至节热器，从而预先制冷过程流；（vii）第二热交换器，其连接于低温热交换器并且适于使用来自低温热交换器的消耗的制冷剂来冷却循环到节热器的使用过的过程气体的流；（viii）第二循环导管，其通过第二热交换器将节热器的出口连接于第一循环导管或连接于节热器的入口，以预先制冷过程流；（ix）送风机，其与第二循环导管操作性关联地设置，用于强制驱动来自节热器出口的使用过的过程气体经过第二热交换器到达第一循环导管或到达节热器的入口。来自低温热交换器的消耗的制冷剂的过剩的制冷容量被首先转移到流经第二热交换器的使用过的过程气体，并且随后被转移到流经节热器的流入过程流。类似地，离开分相器的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过程流。

更进一步地，本发明的特征可以在于一种改进的低温冷却系统，其包括：用于冷却流入过程流的低温热交换器；位于低温热交换器下游的分相器，其用于将被冷却的过程流分离成可凝缩产品和冷的消耗过程气体；以及节热器，其用于预先制冷位于低温热交换器上游的过程流，这种改进还包括：（i）连接于低温热交换器的第二热交换器；（ii）第一循环导管，其将分相器的出口连接于节热器，以将冷的消耗过程气体从分相器引导至节热器；（iii）第二循环导管，其通过第二热交换器将节热器的出口连接于第一循环导管或连接于节热器的入口；以及（iv）送风机，其与第二循环导管操作性关联地设置，用于强制驱动来自节热器出口的过程气体经过第二热交换器到达第一循环导管或到达节热器的入口。使用上述改进，来自低温热交换器的消耗的制冷剂的过剩的制冷容量被首先转移到流经第二热交换器的使用过的过程气体，并且随后被转移到流经节热器的流入过程流。类似地，离开分相器的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过程流。

附图说明

从下面结合附图给出的本发明的更详细的描述中，本发明的上述及其他方面、特征和优点将更加明显，图中：

图1是低温冷却系统的示意图，示出了使用节热器从消耗的制冷剂流回收制冷的常规过程；

图2是低温冷却系统的示意图，示出了使用节热器从冷的过程流回收制冷的常规过程；以及

图3是本发明的低温冷却系统的示意图，描绘了用于同时从冷的过程流和消耗的制冷剂流回收制冷的改进的系统和方法。

具体实施方式

转向图3，示出了本发明的低温冷却系统的示意图，其描绘了使用节热器同时从冷的过程流和消耗的制冷剂回收制冷的改进的系统和方法。如在本领域公知的，节热器是用来在过程期间减少能耗或者用来执行有用的功能（例如预先制冷过程气体）的机械装置。

本发明的系统和方法既有通过节热器进行的冷的消耗过程气体向流入的热过程气体的直接制冷回收，又有通过节热器进行的消耗的制冷剂向辅助热交换器中的循环过程气体以及随后向流入的热过程气体的间接制冷回收。这种双重制冷回收方法提高了节热器的性能，节热器性能的提高则减少了实现用于产品分离的期望或预定最终温度所需的制冷剂的量。

在图示的实施例中，流入的热过程流52利用上游节热器53和初级低温热交换器55在多步骤过程中被冷却。流入的热过程流52首先被冷却为处于预定中间温度的预先制冷的过程流54，然后被冷却为处于预定最终温度的完全冷却的过程流56。完全冷却的过程流56然后被引导至分相器57，过程流在分相器57中被分离成液体产品60和冷的消耗过程气体80。然而，应当注意，流入的热过程流52的这种冷却也可以利用多个节热器或热交换器在一系列的冷却步骤中完成。

在低温热交换器55中使用的制冷剂源优选为用来在预先制冷的过程气体分离前对其进行冷却的液氮64。获得预定最终温度所需的液氮的量和流量部分地取决于被冷却的过程流和节热器获得的中间温度。四散的气态形式的消耗的氮66然后被引导至第二或辅助热交换器59并在辅助热交换器59中对循环的、使用过的过程气体86进行冷却。离开辅助热交换器59的气态氮68随后被排出并且释放到大气中。低温氮的这种多步骤使用回收并利用了制冷剂的可用制冷容量的大部分。

完全冷却的过程流56分离成可凝缩产品和冷的消耗过程气体在最终预定温度下发生。冷的消耗过程气体80然后被再循环到节热器53，用于将流入的热过程流52冷却为中间过程流54。此时变热的使用过的过程气体84被分成两个流。热的使用过的过程气体的一部分85被排出或者被引导至工厂中的别处，而热的使用过的过程气体的第二部分86利用送风机87被循环到第二或辅助热交换器59。该热的使用过的过程气体86利用消耗的氮气66在第二热交换器59中被再次冷却。被再次冷却的使用过的过程气体88然后与来自分相器57的冷的消耗过程气体80组合。组合流82被引导至节热器以冷却流入的热过程流52。

通过首先将来自低温热交换器55的消耗氮66的过剩的制冷容量转移到流经第二热交换器59的循环的、使用过的过程气体86而将该制冷容量间接地转移到流入的热过程流52，第二热交换器59随后用来冷却流经节热器53的流入的热过程流52。另外，离开分相器57的冷的消耗过程气体80的过剩的制冷容量被直接转移到流经节热器53的流入的热过程流52。

通过使用直接制冷回收和间接制冷回收两者，流入的热过程气体被预先制冷到较低的温度。这继而减少了获得用于分离的期望或预定最终温度而在低温热交换器中需要的制冷剂的量。制冷剂使用的减少降低了与低温冷却系统和方法相关联的运行成本。

工业应用性

本发明的低温冷却系统和方法在很多工业应用中是有用的，这些应用例如包括使用Ethyl公司研发的流化床工艺制造多晶硅。在这种多晶硅生产应用中，流入的或供给的过程流52是氢气中的硅烷气态流，该硅烷气态流在多步骤过程中被冷却，并且产生的冷却的过程流56随后被分离成液体硅烷60和氢气80。流入的或供给的过程流52的冷却和分离利用第一节热器53、之后利用低温热交换器55、然后利用分相器57完成。然而，应当注意，流入的或供给的过程流的这种初始冷却能够利用一个或多个节热器或热交换器在一系列的步骤中完成。

在低温热交换器55中使用的制冷剂源优选是-179℃的液氮64，以在过程气体分离之前冷却过程气体。大约-164℃的气态形式的消耗氮66然后被引导至第二热交换器59并在第二热交换器59中冷却热的消耗过程气体86（即，氢气）。大约14℃的气态氮68随后被排出或者释放到大气中。低温氮的这种多步骤使用回收并利用了制冷剂的可用制冷容量的大部分。

被冷却的硅烷（SiH₄）和氢气（H₂）的过程流56的分离产生-173℃的液体硅烷和大约-172℃的氢气。冷却的氢气80然后被再循环到节热器53中，用于将25℃的流入的或供给的过程流52冷却为中间预先制冷过程流54。大约11℃的热的消耗氢气84被分成两个流。热的消耗氢气流的一部分85被排出或者在工厂中的别处使用，而热的、使用过的氢气的第二部分86利用辅助送风机87回收到第二热交换器59。该热的、使用过的氢气86利用冷的氮气66在第二热交换器59中被重新冷却到大约-147℃的温度。重新冷却的氢气88然后与来自分相器57的冷的消耗氢气80组合。组合氢气流82被引导至节热器53以冷却流入的或供给的过程流52。

根据上文，应当认识到，本发明因而提供了用于过程流的低温冷却的改进的方法和系统。尽管通过具体的实施例和相关的过程描述了此处公开的本发明，但本领域技术人员在不偏离本文阐述的本发明的范围的情况下或在无损所有本发明的重要优点的情况下能够对本发明进行多种修改和变型。

Claims (4)

1.一种用于过程流的低温冷却的方法，包括以下步骤：

在节热器中预先制冷热过程气体的入流；

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；

将处于所述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；

使所述冷的消耗过程气体循环到所述节热器，以预先制冷所述热过程气体的入流；

将循环到所述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

将消耗的制冷剂从所述低温热交换器引导至所述辅助热交换器，以重新冷却使用过的过程气体，

其中，所述冷的消耗过程气体的过剩的制冷容量被直接转移到流经所述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所述节热器的流入热过程气体；并且

其中，所述低温热交换器中的预先制冷的过程气体冷却到预定温度所需的制冷剂的量被最小化。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述低温冷却被应用于多晶硅制造过程，并且其中，所述热的过程气体是氢气中的硅烷的气态流，所述制冷剂是液态和气态两种形式的氮，所述可凝缩产品是温度低于大约-173℃的液体硅烷，并且所述冷的消耗过程气体是温度低于大约-172℃的氢气。

3.一种低温冷却系统，包括：

流入的过程流；

制冷剂源；

用于使用所述制冷剂冷却所述过程流的低温热交换器；

设置在所述低温热交换器下游的分相器，所述分相器适于将被冷却的过程流分离成可凝缩产品和冷的消耗过程气体；

用于通过所述冷的消耗过程气体预先制冷所述流入的过程流的节热器，所述节热器设置在所述低温热交换器上游；

第一循环导管，所述第一循环导管将所述分相器的出口连接于所述节热器，以将所述冷的消耗过程气体从所述分相器引导至所述节热器，从而预先制冷所述流入的过程流；

第二热交换器，所述第二热交换器连接于所述低温热交换器并且适于使用来自所述低温热交换器的消耗的制冷剂来冷却循环到所述节热器的使用过的过程气体的流；

第二循环导管，所述第二循环导管通过所述第二热交换器将所述节热器的出口连接于所述第一循环导管或连接于所述节热器的入口，以预先制冷所述流入的过程流；

送风机，所述送风机与所述第二循环导管操作性关联地设置，用于强制驱动来自所述节热器的出口的使用过的过程气体经过所述第二热交换器到达所述第一循环导管或到达所述节热器的入口，

其中，来自所述低温热交换器的消耗的制冷剂的过剩的制冷容量被首先转移到流经所述第二热交换器的使用过的过程气体，并且随后被转移到流经所述节热器的所述流入的过程流；并且

其中，离开所述分相器的冷的消耗过程气体的过剩的制冷容量被转移到流经所述节热器的所述流入的过程流。

4.根据权利要求3所述的低温冷却系统，其中，所述低温冷却系统结合在多晶硅制造过程中，并且其中，所述过程流是氢气中的硅烷的气态流，所述制冷剂是液态和气态两种形式的氮，来自所述分相器的所述可凝缩产品是液体硅烷，并且来自所述分相器的所述冷的消耗过程气体是氢气。