CN110191754B - 使用用于冷却单元操作的喷射器控制循环气体流的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备气体冷却剂的方法，所述气体冷却剂用于在固定热负荷下将单元操作从其正常操作温度(例如，300℉及以上)直接冷却至较低温度(例如，低于100℉)，以便允许在所述单元操作中进行维护或其它非常规工作。

Description

使用用于冷却单元操作的喷射器控制循环气体流的方法
技术领域
本发明涉及一种制备气体冷却剂的方法，该气体冷却剂用于在固定热负荷下将单元操作从其正常操作温度(例如，300℉及以上)直接冷却至较低温度(例如，低于100℉)，以便允许在单元操作中进行维护或其它非常规工作。更具体地讲，单元操作用流体冷却，流体通过提供冷流体并且将冷流体与来自单元操作的一部分流出物气体混合来产生。冷流体用作非机械泵的动力，该非机械泵用于再循环来自单元操作的废气的一部分。将废气与冷流体组合以产生冷却流，该冷却流被递送到单元操作以使用直接接触热交换将其冷却。
相关技术描述
用于高温单元操作的设备，诸如化学和石化加工中所见的那些设备，进行常规维护，常规维护有时在冷却步骤之前进行，其中设备降至低于正常操作温度的温度。本领域的技术人员应当理解，如本文所用，单元操作是指涉及材料的物理或化学变化的单个步骤或多个步骤过程的任何部分。单元操作的示例包括分离，纯化，混合，反应，发电，热交换以及其它合成，储存和分析步骤。在该低温条件下的设备及其组分被认为是“不可操作的”或关闭的，因为该状态不利于正常操作。设备的冷却状态淬灭任何部件活动，并且允许安全的系统进入，部件的处理和更换，和/或其他维护活动。设备的冷却可以是使设备尽快恢复使用的关键步骤，因为它可以延迟任何后续维护。例如，用于炼油厂工艺如氢化处理，氢化裂解，重整和回收的催化剂由于催化剂床随时间失活而需要频繁改变。在更换催化剂之前，单元操作设备需要冷却至环境温度。由于精炼过程中通常使用的高操作温度(温度可在300℉至1000℉以上)，因此考虑到催化剂的量和设备的尺寸(和质量)，这通常可导致周转过程中的瓶颈。
具有现有冷却能力(即，除去热的能力)的客户可能能够在散热(即，单元操作温度降低的速率)变得更困难之前将温度降低到某个点。如本领域的技术人员将认识到的，辅助或加速冷却是向工艺气体流中加入冷惰性气体以驱动更快速冷却的过程。冷气通过増加可用的制冷和扩大冷却剂与单元操作设备之间的温差来改善热传递。改善的热传递减少了周转时间，并且使设备能够更快地恢复使用。用于辅助冷却的惰性气体可包括氮气，氩气，二氧化碳或氦气；但一般来讲，低成本使氮气成为优选的冷却气体。气体还有助于为可能与可燃物，氧气或其他反应性流体反应的组分提供惰性环境。
冷却气体的注入通过两种方式完成，这取决于单元操作中所用的现有设备。使用“一次通过”工艺是最常见的冷却方法，其中气体通过单元操作设备在目标温度(～-50°至300℉)下直接通过，其中在一次通过后将所有注入的气体排出系统。一次通过工艺利用起来最简单，但冷却剂使用处于最高水平，从而导致更大的成本和可能由于排放而受到的流量限制。对于燃烧它们的废物流的操作者而言，这些流量限制保持了火焰系统的燃烧效率，从而限制了能够排出单元操作并在任一点处排放到火焰的惰性气体的量。火焰系统只是最终气体排放的几个选项中的一个。废物流可被发送到蒸气回收单元，热氧化剂或其他环境控制单元，这将需要处理由于注入的冷却剂而产生的额外流量。
另选地，低温流体(在约-452℉至50℉的温度下的液体或气体)可与工艺气体混合以实现加速冷却。热系统流体与低温温度的组合允许工艺气体在进入单元操作(约-50℉至300℉)之前达到期望的目标温度。专用设备可用于在循环通过单元操作时将低温气体与过程气体流混合。气体回路连续冷却单元操作设备，并排放一些气体以抵消注入的气体。由于所需的气体注入速率降低(达到相同的所需目标温度)，该方法导致改善的冷却速率和降低的成本两者。
实践低温气体与现有工艺气体流的共混的能力取决于循环压缩机，一种用于使工艺气体循环通过单元操作的设备。在该方案中，循环压缩机被认为是正常工艺的要求，其中需要一般生产流体的循环。在一些情况下，专门用于冷却的辅助设备也可永久安装。因此，缺失或不能使用循环压缩机的过程无法应用该方法，并且只能利用一次通过辅助冷却。如果有能够利用的循环压缩机，则可启用这些系统来实施低温气体冷却。
Davis(美国专利4,430,865)公开了低温气体冷却方法。所述方法利用由单元操作操作者提供的预先存在的循环压缩机来再循环冷却剂气体流。对于石油和天然气提炼设施，电驱动往复式或离心式压缩机最常用于循环工艺流气体。如果在冷却期间没有专门安装这种必要的设备或类似单元以供使用，则炼油厂将无法实施该冷却方法。
为了克服相关技术的缺点，如Davis所述，本发明是对一次通过低温气体冷却方法的改进，作为不具有必要泵送设备的单元操作的启用装置。本发明的方法利用喷射器，这是一种使用动力流体(或赋予运动的流体)的压力能量的泵的类型，其被转换为速度能，这在喷射器的主体中产生抽吸区域。喷射器用于在将冷却气体注入到单元操作中的同时循环工艺流。Davis还可需要静态混合元件以促进低温流体和工艺气体流的良好混合，而本发明中的喷射器的应用提供位于主体中的高混合区，其中工艺气体流和低温流体被充分混合。
先前已使用弹出装置应用冷却，如Martinez(美国专利No.7,608,129)和Cheng等人(美国专利No.6,622,496)中所述。在这些文档中，施加弹出装置用于冷却连续热负荷，其中热量被连续添加到工艺流中。冷却系统被设计为基于添加到系统的热量来管理单元操作温度。与单元操作的内部(并暴露于工艺流)直接接触的流体需要“工艺相容”，这意味着流体对单元操作没有破坏性。不相容的流体是与加工产品反应，可停止反应性，或提供过多或不足的冷却。这种类型的热管理与所述发明形成对比，因为设备针对用于关闭和维护。单元操作被确定为具有预分配的或“固定的”热负荷，这意味着操作已完成，并且不将进一步的热量添加至系统。冷却流体也可与工艺条件不相容，并且可基于关闭需要进行选择，诸如形成惰性系统环境。因此，本发明以有利于关闭状态的方式执行和控制。
通过阅读本说明书、附图和所附权利要求，本发明的其他目的和方面对于本领域普通技术人员将变得显而易见。
发明内容
本发明描述了用于在固定热负荷下将单元操作从高温直接冷却至较低温度的方法和相关系统，其中单元操作用冷却流体冷却，冷却流体通过提供汽化流体，提供来自单元操作的流出物气体源，使用非机械泵组合汽化流体和单元操作流出物的一部分以产生冷却流；以及使冷却流通过单元操作以使用直接接触热交换将其冷却而产生。然后通过升高或降低离开汽化器的低温流体的温度并操控与低温流体混合的单元操作流出物气体的比率来控制组合流体的温度。汽化流体可通过汽化从罐中供应的低温液体或通过直接提供冷却蒸汽流诸如来自管道源的冷却汽蒸汽流来供应。
根据在本发明的一方面，一种在固定热负荷下将单元操作直接冷却至较低温度的方法，其中单元操作使用从非机械泵递送的冷却流来冷却，其中冷却流为汽化动力流体流与来自单元操作的流出物气体流的至少一部分的组合。该方法包括：
a.使用非机械泵使具有约50-500℉范围内的温度的单元操作流出物的一部分循环，其中汽化流体作为动力提供；
b.在约-452℉至约50℉范围内的温度下，将汽化动力流体流提供至非机械泵；
c.将单元操作流出物和非机械泵中的汽化动力流体组合，其中组合的流具有在约-50℉至约300℉范围内的温度；
d.调节单元操作流出物流的质量流速与在非机械泵中组合的汽化动力流体流的比率，其中比率由以下确定：
Figure BDA0002136259360000041
其中，
Recycle Ratiomass是流出物的质量流速与汽化动力流体的质量流速的比率；
CMot为汽化动力流体的比热；
CEff为进入非机械泵的单元操作流出物流的比热；
TC为组合流体的温度或离开非机械泵的气体流的目标温度；
TMot为汽化动力流体的温度，由操作者选择；
TEff为进入非机械泵的单元操作流出物流的温度。
在本发明的另一方面，一种用于在固定热负荷下将单元操作直接冷却至较低温度的方法，其中单元操作使用从非机械泵递送的冷却流来冷却，其中冷却流为汽化动力流体流与来自单元操作的流出物气体流的至少一部分的组合。该方法包括：
a.使用非机械泵使具有约50-500℉范围内的温度的单元操作流出物的一部分循环，其中汽化流体作为动力提供；
b.在约-452℉至约50℉范围内的温度下，将汽化动力流体流提供至非机械泵；
c.将单元操作流出物和非机械泵中的汽化动力流体组合，其中组合的流具有在约-50℉至约300℉范围内的温度；
d.调节将与非机械泵中的单元操作流出物流组合的汽化动力流的温度，其中温度由以下确定：
Figure BDA0002136259360000051
其中，
Recycle Ratiomass是流出物的质量流速与汽化动力流体的质量流速的比率，由操作者选择；
CMot为汽化动力流体的比热；
CEff为进入非机械泵的单元操作流出物流的比热；
TC为组合流体的温度或离开非机械泵的气体流的目标温度；
TMot为汽化动力流体的温度；
TEff为进入非机械泵的单元操作流出物流的温度。
在本发明的另一方面，提供了一种用于在固定热负荷下将单元操作直接冷却至较低温度的方法，其中单元操作使用从非机械泵递送的冷却流来冷却，其中冷却流为汽化流体流与来自单元操作的流出物气体流的至少一部分的组合。该方法包括：
a.借助非机械泵使具有约50-500℉范围内的温度的单元操作流出物的一部分循环，其中汽化流体流作为动力提供；
b.在约-452℉至约0℉范围内的温度下，将动力流体流提供至非机械泵；
c.将单元操作流出物和非机械泵中的动力流体组合，其中组合的流具有在约50℉至约300℉范围内的温度并且被引入管道系统；
d.提供温度范围为约-452℉到约0℉的工业气体液体并且将液体与喷气式压缩机上游的单元操作流出物或喷气式压缩机下游的单元操作流出物和动力流体的混合物组合；
e.调节单元操作流出物流的质量流速与在非机械中组合的汽化动力流体流的比率，其中比率由以下确定：
Figure BDA0002136259360000061
Figure BDA0002136259360000062
由单元操作流出物的质量流速
Figure BDA0002136259360000063
与汽化动力流体流的质量流速
Figure BDA0002136259360000064
的比率定义；
Figure BDA0002136259360000065
Figure BDA0002136259360000066
由单元操作流出物的质量流速
Figure BDA0002136259360000067
与旁路液体的质量流速
Figure BDA0002136259360000068
的比率定义，由操作者选择；
Figure BDA0002136259360000069
CMot为动力流体的比热；
CEff为进入非机械泵的单元操作流出物流的比热；
CBLiq为绕过汽化器和喷气式压缩机的液体的比热；
TC为组合流体的温度或离开非机械泵的气体流的目标温度；
TMot为动力流体的温度，由操作者选择；
TEff为进入非机械泵的单元操作流出物流的温度；
TBLiq为绕过汽化器和喷气式压缩机的液体的温度；
λBLiq为绕过汽化器和喷气式压缩机的液体的汽化比潜热。
在本发明的另一方面，提供了一种用于在固定热负荷下将单元操作直接冷却至较低温度的方法，其中单元操作使用从非机械泵递送的冷却流来冷却，其中冷却流为汽化流体流与来自单元操作的流出物气体流的至少一部分的组合。该方法包括：
a.借助非机械泵使具有约50-500℉范围内的温度的单元操作流出物的一部分循环，其中汽化流体流作为动力提供；
b.在约-452℉至约0℉范围内的温度下，将动力流体流提供至非机械泵；
c.将单元操作流出物和非机械泵中的动力流体组合，其中组合的流具有在约50℉至约300℉范围内的温度并且被引入管道系统；
d.提供温度范围为约-452℉到约0℉的工业气体液体并且将液体与喷气式压缩机上游的单元操作流出物或喷气式压缩机下游的单元操作流出物和动力流体的混合物组合；
e.调节将与非机械泵中的单元操作流出物流组合的汽化动力流的温度，其中温度由以下确定：
Figure BDA0002136259360000071
Figure BDA0002136259360000072
由单元操作流出物的质量流速
Figure BDA0002136259360000073
与汽化动力流体流的质量流速
Figure BDA0002136259360000074
的比率定义并且由操作者选择；
Figure BDA0002136259360000075
Figure BDA0002136259360000081
由旁路液体的质量流速
Figure BDA0002136259360000082
与汽化动力流体流的质量流速
Figure BDA0002136259360000083
的比率定义并且由操作者选择；
Figure BDA0002136259360000084
CMot为动力流体的比热；
CEff为进入非机械泵的单元操作流出物流的比热；
CBLiq为绕过汽化器和喷气式压缩机的液体的比热；
TC为组合流体的温度或离开非机械泵的气体流的目标温度；
TMot为动力流体的温度；
TEff为进入非机械泵的单元操作流出物流的温度；
TBLiq为绕过汽化器和喷气式压缩机的液体的温度；
λBLiq为绕过汽化器和喷气式压缩机的液体的汽化比潜热。
附图说明
根据本发明的优选实施方案的以下详细描述，并结合附图将更好地理解本发明的目的和优点，在附图中，类似的数字在整个说明书中指代相同的特征，并且其中：
图1为在冷却下应用的本发明的工艺示意图，其中使用低温泵送系统来提供与来自单元操作的流出物混合的冷气，以便冷却单元操作。
图2为其中图1中的系统用于通过循环总流量的50％来降低冷却气体消耗的工艺示例。
图3为其中图1中的系统用于通过将单元操作中的冷却剂的流速加倍而将单元操作的冷却时间减少50％的工艺示例。
图4为图1所示的本发明的工艺示意图的另一个实施方案，其中在将进料冷却剂与单元操作流出物混合之后，使用添加液体旁路来进一步冷却进料冷却剂。
图5为其中图4中的系统用于通过循环总流量的63％来降低冷却气体消耗的工艺示例。
具体实施方式
为了能够使用低温流体(以蒸汽或液体形式提供)并改善周转期间的冷却效率，本发明利用安装在针对用于以单元操作的时间方式冷却的单元操作系统上的循环工艺。这将包括并联或串联配置的冷却多单元操作，或者同时冷却同一单元操作的多个部分，其中流被递送到同一单元操作上的多个入口点。循环工艺包括喷气式压缩机以及相关的管道和阀门，以控制气体在单元内的流动。本领域的技术人员将认识到，如本文所用，喷气式压缩机可以是喷射装置，喷射泵，喷射器或另一种文丘里式泵。喷气式压缩机用于调节和混合具有冷(-452℉至50℉)气体的温单元操作流出物气体以达到目标气体温度和流速。
喷气式压缩机是一种使用高压气体射流(动力)夹带较低压气体流(吸入)的喷射器。将两个流混合并在中间压力下排放。当气体穿过喷气式压缩机的汇流喷嘴时，势能被转换为动能，从而导致高速喷射流。能量的这种变化导致静态压力的局部降低，从而在喷气式压缩机的主体中产生抽吸。抽吸允许气体被吸入到喷气式压缩机中并且被动力流体夹带。喷气式压缩机具有双重用途：将流体在主体内混合以及将材料拉伸到流体中以确保紧密混合。最终气温的控制很大程度上依赖于动力流(即，喷气式压缩机的传入高压气体流)与所夹带的吸入气体流(即，单元操作流出物气体)之间的关系。专门的高压，高流量气泵充当喷气式压缩机的势能和进料或动力流两者的来源。
图1所示的系统1包括用于调节喷气式压缩机中的流量的各种管道，阀门和仪器。系统1用于制备和注入气体冷却剂，用于将单元操作系统300及其组分(例如催化剂，容器和管道)从高温(约300℉至500℉)冷却至环境温度(低于100℉)。在该方案中，操作者首先利用预先存在的冷却设备(例如，冷却器或热交换器，图1中未示出)将单元操作系统300从操作温度(例如，1000℉至400℉)冷却至其冷却速率开始下降或逐渐下降(例如，低于约300℉)的点。系统1将提供冷却以保持或改善冷却速率(例如低于300℉)。一般来讲，进入单元操作302的流体温度被调节至单元操作的302电流温度的一些变化或至约-50℉至65℉的最小工作温度。更具体地讲，系统1包括三个流体连通部分：低温气泵100，注入和循环滑道200，以及包括单元操作302的目标单元操作系统300。
低温气泵100以(约-452℉至50℉，在14.7到2,000psi)(或-452至50℉的液体)冷气形式以约1,000到5,000,000sch/小时的速率提供冷却剂，并且充当注入和循环滑道200(有时也称为“IAR滑道”)的主要压力，流量和动力源。低温储存容器101向进料到汽化液体的加热器/热交换器103中的泵102提供液体流动。在该示例性实施方案中，泵102为低温液体泵，但也可采用其他类似的泵。一旦汽化，就经由管线104和201将气态流体引导至注入和循环系统200。进入注入和循环滑道200的气体流的温度由调节输入到汽化器103的热量的板载控制系统(未示出)控制。
注入和循环滑道200由用于调节流入喷气式压缩机或多个喷气式压缩机206和下游单元操作系统300的各种管道，阀门和仪器组成。来自泵102的冷气(从约-452℉至50℉，在14.7到2,000psi)进入IAR滑道201，并且发送通过喷气式压缩机206，在此处冷气由来自单元操作302或围绕喷气式压缩机绕道作为流204的热流出物流306(从50℉到500℉，在14.7到1,000psi)进行回火(至约-50℉至100℉或单元操作温度-ΔT，在14.7至1,000psi)，以在系统1被吹扫或惰化的情况下为单元操作提供“清洁”冷却剂。将热流出物流306以约1,000至5,000,000sch/小时的速率泵送到喷气式压缩机中。到喷气式压缩机中或周围的注入由上游动力和/或旁路控制阀202/203控制。
在一个另选实施方案中，可采用循环压缩机，再循环压缩机在单元操作301的上游和下游306之间循环流动。在该方案下，如果循环压缩机没有足够大的流动容量用于冷却，则可利用IAR滑道200，并且可与未指定用于冷却的其它工艺流共享连接，或可能在泵送冷却剂流时遇到困难。IAR滑道200将用于向单元操作系统300提供过量或完全替代的再循环能力。
流210随后经由管线301递送到单元操作系统300，在该管线中冷却单元操作过程设备302。暖流303离开单元操作，并且经由排放管线305被发送到废物系统诸如烧瓶堆，或作为热流出物流306循环回至喷气式压缩机206，在此处它被用于对冷气体流205回火。
发送到单元操作的冷却剂流体的最终温度在系统1中通过两个变量来控制，即由汽化器103或通过热流出物流306至动力流205的吸入流的比率控制进入喷气式压缩机206的动力流205的温度。该比率由吸入侧208和动力侧205上的流量控制阀以及液体泵102来控制。例如，在氮气的情况下，循环比率不太可能超过3的值，因为在该条件下操作所需的动力温度将足以使流体处于液相而不是气体。进入喷气式压缩机的液体可能导致泵送性能差或潜在地损坏泵。
如前所述，单元操作系统可包括用于在正常操作中冷却工艺流的预先存在的制冷设备。该设备可实际用于辅助单元操作302的冷却操作。如果冷却设备位于单元操作302的上游301或下游306中且与冷却流路径一致，则可利用冷却设备。
设置在单元操作302下游306的涤气器也可用于除去从单元操作(水或烃)中逸出的任何冷凝物/液体，由于单元操作内材料的分解而形成的颗粒，或各种恶劣/有毒/易燃气体组分诸如硫化氢，SOX，NOX，一氧化碳等的移除。
根据本发明的该示例性实施方案，利用抽吸流与动力流的比率，工艺流的温度，动力流的温度，以及组合或目标温度之间的关系来确定在单元操作流出物流306的质量流速与喷气式压缩机206中组合的低温蒸气/动力流205的比率。关系如下所示：
Figure BDA0002136259360000111
Figure BDA0002136259360000112
由单元操作流出物的质量流速
Figure BDA0002136259360000113
与动力流体的质量流速
Figure BDA0002136259360000114
的比率定义；
Figure BDA0002136259360000115
CMot为低温或动力流体的比热。
CEff为进入非机械泵/喷气式压缩机的单元操作流出物流的比热。
TC为组合流体的温度或离开非机械泵的气体流的目标温度。
TMot为低温或动力流体的温度。
TEff为进入非机械泵的单元操作流出物流的温度。
组合流体的温度TC选择由许多因素确定，包括单元操作TCMAX的任一点处的最大温度TCMAX，单元操作中任意两点之间的最大可允许温度差(通常为组合流体的温度和单元操作的最大温度之间)ΔTC，和最小工作温度TCMIN(组合流体的最低可接受温度，通常可在恰好高于水的冰点的温度)。ΔTC通常为限制单元操作系统内热收缩程度的预定温差值。此梯度保护管道，容器等不会经历因冷却系统而产生的太多热应力，并且可能会损坏设备。用于描述关系的逻辑如下所示：
1)如果TCMAX-TCMIN>ΔTC，则TC＝TCMAX-ΔTC
2)如果TCMAX-TCMIN<ΔTC，则TC＝TCMIN
例如，如果在单元操作的任一点处的最大温度TCMAX为300℉，单元操作中任意两点之间的最大可允许温差ΔTC为200℉，并且最小工作温度TCMIN为30℉，随后可确定以下内容：
1)300℉-30℉＝270℉，其大于200℉的ΔTC，因此TC＝300℉-200℉＝100℉
在该方案中，操作者确定并控制循环比率
Figure BDA0002136259360000121
该操作者输入动力温度TMot并求解
Figure BDA0002136259360000122
的比率。这里，单元操作流出物温度TEff使用温度元件测量，动力流体CMot和单元操作流出物CEff两者的比热通过属性数据库由相应流体的温度和压力确定，组合流体的温度由类似于上述的关系确定：
同样，操作者可优选地通过输入设定的循环比率
Figure BDA0002136259360000123
确定和控制动力温度TMot。在这里，操作者将通过以下关系确定动力温度TMot：
Figure BDA0002136259360000124
所述方法可以是由所述服务供应商带来的移动滑道，永久性安装夹具，或两者的混合(例如，永久安装的具有引入现场的喷气式压缩机的硬线管道)。
如果操作者能够再循环单元操作系统内的气体并实施本发明中所要求的低温气体冷却，则其允许两种可能的有益效果：1)提高单元操作内的气体流速，同时保持或改善排放，或2)降低实现冷却所需的冷却剂气体消耗。下图显示用于示出两种有益效果的示例性反应器。数据是经验性的，并且附图示出模拟冷却。
单元操作基于以下假设来设计：单元操作是保持催化剂材料的反应器。仅考虑催化剂材料和反应器质量的冷却，而不考虑相关的管道，阀等。反应器系统首先经历吹扫循环，其中整个反应器体积被氮气取代。该吹扫阶段在操作上类似于上文所述的关于相关领域的“一次通过”冷却。
Figure BDA0002136259360000131
图2示出了一种方案，其中在吹扫阶段完成后，通过再循环现有反应器气体来减少约50％的氮消耗。此处，将注入的气体的流速减半，以考虑再循环的气体，从而保持通过反应器的230,000scf/小时的总流速。注入的低温氮气与再循环的工艺物流混合以获得适当的出口温度。喷气式压缩机以约1.0的抽吸/动力循环比率操作。此处显示的优点是减少氮气使用，同时保持通过反应器的相同流速，并且因此保持达到冷却的相同时间。由于一些气体被再循环而不是排空，因此排到火焰中的惰性气体减少，潜在地释放了用于其它吹扫活动的火焰容量。
图3示出了另选方法，其中保持气体注入流速(230,000scf/小时)，一旦再循环开始(即，总流量为460,000scfh/小时)，使反应器中气体的总流速倍増。这里的明显优点是节省时间。再循环开始后，通过反应器的加倍流速将冷却时间缩短一半。另一个有益效果是在从吹扫切换到再循环阶段时保持前往火焰的气体的BTU值。
已估计本发明将氮消耗降低至多2/3(取决于喷气式压缩机性能)，使得该方法既更经济又更好地用于具有燃烧的排放。如上所述，本发明是用于低温氮辅助冷却的启用装置。本发明是第一种类型，用于扩展低温气体冷却的有资格的单元操作。
图4示出了另选的示例性实施方案。系统2包括液体旁路405，旁路递送从汽化器403上游供给的液体以向工艺流512添加附加的冷却容量。虽然图4示出了通向汽化器403的液体的旁路部分，但另选地，可使用单独的液体储存容器(和泵)。以与图1的系统1的类似方式，采用系统2来制备和注入气体冷却剂，用于将单元操作602及其组分(例如催化剂，容器和管道)从高温(300℉至500℉)冷却至环境温度(低于100℉)。进入单元操作600的流体温度被调节至单元操作的600的工作温度的一些变化或至约-50℉至50℉的最小工作温度。系统2包括三个流体连通部分：低温气泵400，注入和循环滑道500，以及目标单元操作600系统(包括单元操作602)。
低温气泵400以(约-452℉至50℉，在14.7到2,000psi)(或-452至50℉的液体)冷气形式以约1,000到5,000,000sch/小时的速率提供冷却剂，并且充当注入和循环滑道(即，“IAR滑道”)500的主要压力，流量和动力源。低温储存容器401向进料到汽化液体的加热器/热交换器403中的泵402提供液体流动。蒸气经由管线404和501递送到注入和循环系统500。进入注入和循环滑道501的气体流的温度由调节输入到汽化器403的热量的板载控制系统(未示出)控制。旁路管线在汽化器403的上游开始并以约1,000至5,000,000sch/小时的速率将液体递送到喷气式压缩机508的下游以提供附加的冷却。液体经由管线405递送，其中其流量由控制阀502调节。然后，液体流过管线503与注入点512处的工艺物流组合。应当指出的是，液体的注入可发生在喷气式压缩机508的下游(在点512处)和点511处的吸入侧上游。
注入和循环滑道500由用于调节流体流入喷射式压缩机或多个喷射式压缩机508和下游单元操作600的各种管道，阀门和仪器组成。来自泵402的冷气(从-452℉至50℉，在14.7到2,000psi)递送到IAR滑道500，并且发送通过喷气式压缩机508，在此处冷气由来自单元操作系统600或围绕喷气式压缩机505绕道的热流出物流511(从50℉到500℉，在14.7到1,000psi)进行回火(至约-50℉至100℉或单元操作温度-ΔT，在14.7至1,000psi)，以在系统2被吹扫或惰化的情况下为单元操作提供“清洁”冷却剂。将热流出物流511以约1,000至5,000,000sch/小时的速率泵送到喷气式压缩机中。到喷气式压缩机中或周围的注入由上游阀505控制。
该流随后经由管线601进入单元操作系统600，在该管线中它与单元操作过程设备602及其冷却它们的组分相互作用。暖流603离开单元操作，并且经由排放管线605被递送至废物系统诸如烧瓶堆，或作为流606循环回至喷气式压缩机508，在此处它被用于对冷气体流507和503回火。
发送到单元操作的冷却剂流体的最终温度可在系统2中通过三个变量来控制，即进入喷气式压缩机508(由汽化器404控制)的动力流507的温度，吸入流511与动力流507的比率，或吸入流511与绕过液体流503的比率。质量流量的比率由吸入侧510和动力侧506，液体旁路侧502和液体泵402上的流量控制阀控制。
虽然图4的实施方案描绘了被添加到循环系统下游部分中的液体，但在管线512中，也可将其添加到进入喷气式压缩机508的流出物的上游部分中。
液体源可来自相同泵送单元400的旁路管线或另一种液体氮源，该另一种液体氮源可由贮存压力而不是泵(即泵402)驱动。与使用泵402相比，这可能是有利的，因为操作者不受泵的限制(低流量限制)，并且不需要在两个方向上平衡流量。
与图1的实施方案中所示的系统1相似，在抽吸流与动力流的比率，吸入流与旁路液体流的比率，工艺流的温度，动力流的温度以及组合或目标温度之间存在已建立的关系。关系如下所示：
Figure BDA0002136259360000151
Figure BDA0002136259360000152
由单元操作流出物的质量流速
Figure BDA0002136259360000153
与动力流体的质量流速
Figure BDA0002136259360000154
的比率定义；
Figure BDA0002136259360000155
Figure BDA0002136259360000161
由单元操作流出物的质量流速
Figure BDA0002136259360000162
与旁路液体的质量流速
Figure BDA0002136259360000163
的比率定义。
Figure BDA0002136259360000164
CMot为动力流体的比热。
CEff为进入非机械泵的单元操作流出物流的比热。
CBLiq为绕过汽化器和喷气式压缩机的液体的比热；
TC为组合流体的温度或离开非机械泵的气体流的目标温度。
TMot为动力流体的温度。
TEff为进入非机械泵的单元操作流出物流的温度。
TBLiq为绕过汽化器和喷气式压缩机的液体的温度；
λBLiq为绕过汽化器和喷气式压缩机的液体的汽化比潜热。
它还可以使用上述公式
Figure BDA0002136259360000165
识别并且TMot可由操作者选择以及求解
Figure BDA0002136259360000166
同样，操作者可优选地通过输入设定的循环比率
Figure BDA0002136259360000167
和
Figure BDA0002136259360000168
确定和控制动力温度TMot。在这里，操作者将通过以下关系确定动力温度TMot：
Figure BDA0002136259360000169
类似地，TMot也可以由以下表示：
Figure BDA00021362593600001610
Figure BDA0002136259360000171
由旁路液体的质量流速
Figure BDA0002136259360000172
与动力流体的质量流速
Figure BDA0002136259360000173
的比率限定。
Figure BDA0002136259360000174
以下示例用于说明这种包含液体旁路如何允许在单元操作系统内引入附加的制冷并进一步降低实现冷却所需的冷却剂气体消耗。添加液体注入允许通过喷气式压缩机实现更大的再循环速率，而不会有向喷气式压缩机发送液体冷却剂的风险。进入喷气式压缩机的液体将极大地影响设备的性能，因为液体向喷嘴下游气体的膨胀将显著降低抽吸容量。除此之外，通过喷嘴的液体可能是磨蚀的，并且由于喷嘴内经历的高速度而损坏泵。下图显示了根据图4中使用的示例性反应器的益处。数据是经验性的，并且附图示出模拟冷却。单元操作被设计成基于先前陈述的假设。
图5示出了一种示例，其中在吹扫阶段完成后，通过再循环现有反应器气体来减少约63％的氮消耗。此处，将注入的气体的流速减小大约2/3，以考虑再循环的气体，从而保持通过反应器的230,000scf/小时的总流速。将注入的汽化的氮气和低温氮液体与再循环的工艺物流混合以获得适当的出口温度。喷气式压缩机以约2.0的抽吸/动力循环率操作，液体/气体动力注入速率为约0.18。此处显示的优点是减少氮气使用，同时保持通过反应器的相同流速，并且因此保持达到冷却的相同时间。由于一些气体是再循环的而不是排空的，因此改善向火焰方向的气体的BTU值，从而潜在地释放用于其它吹扫活动的火焰容量。虽然已经参考本发明的具体实施方案详细描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可进行各种改变和修改，并且可采用等同物。

Claims (21)

1.一种用于在固定热负荷下将单元操作直接冷却至较低温度的方法，其中所述单元操作使用从非机械泵递送的冷却流来冷却，其中所述冷却流是汽化动力流体流与来自所述单元操作的流出物气体流的至少一部分的组合，其中所述方法包括：
a.使用非机械泵使具有50-500℉范围内的温度的所述来自所述单元操作的流出物气体流的一部分循环，其中所述汽化动力流体流作为动力提供；
b.在-452℉至50℉范围内的温度下，将所述汽化动力流体流提供至所述非机械泵；
c.将所述来自所述单元操作的流出物气体流和所述非机械泵中的所述汽化动力流体流组合，其中所组合的所述来自所述单元操作的流出物气体流和所述非机械泵中的所述汽化动力流体流具有在-50℉至300℉范围内的温度；
d.调节所述来自所述单元操作的流出物气体流的质量流速与在所述非机械泵中组合的所述汽化动力流体流的质量流速的比率，其中所述比率由以下确定：
Figure 226707DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 109212DEST_PATH_IMAGE002
是所述来自所述单元操作的流出物气体流的质量流速与所述汽化动力流体流的质量流速的比率；
CMot为所述汽化动力流体流的比热；
CEff为进入所述非机械泵的所述来自所述单元操作的流出物气体流的比热；
TC为所述组合的所述来自所述单元操作的流出物气体流和所述非机械泵中的所述汽化动力流体流的温度或离开所述非机械泵的流出物气体流的目标温度；
TMot为所述汽化动力流体流的温度，并且由操作者选择；
TEff为进入所述非机械泵的所述来自所述单元操作的流出物气体流的温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中如果TCMAX - TCMIN > ΔTC，则TC = TCMAX - ΔTC，其中TCMAX为所述单元操作的任一点处的最大温度，TCMIN为所述组合的所述来自所述单元操作的流出物气体流和所述非机械泵中的所述汽化动力流体流的最小温度，并且ΔTC为所述单元操作的任意两点之间的最大可允许的温差的预先确定的值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中如果TCMAX - TCMIN < ΔTC，则TC = TCMIN，其中TCMAX为所述单元操作的任一点处的最大温度，TCMIN为所述组合的所述来自所述单元操作的流出物气体流和所述非机械泵中的所述汽化动力流体流的最小温度，并且ΔTC为所述单元操作的任意两点之间的最大可允许的温差的预先确定的值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述汽化动力流体流的流速在1,000scf/小时至5,000,000scf/小时的范围内。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述来自所述单元操作的流出物气体流的所述至少一部分的流速在1,000scf/小时至5,000,000scf/小时的范围内。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述单元操作的压力范围在0psig至1,000psig的范围内。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述单元操作中的任何两个点之间的温差不大于300℉。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述组合的所述来自所述单元操作的流出物气体流和所述非机械泵中的所述汽化动力流体流的温度低于所述单元操作的温度。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述汽化动力流体流中的流体选自由以下项组成的组：氮气，二氧化碳，氩气和氦气。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述单元操作选自由以下项组成的组：反应器，储存容器，剥离器，换热器，气体涡轮，工艺加热器和炉，所述反应器包括蒸馏塔和精馏塔，所述炉包括锅炉。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述来自所述单元操作的流出物气体流首先被安装在所述单元操作下游的预先存在的冷却器冷却。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法使用以下系统，所述系统包括多个非机械泵。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法使用以下系统，所述系统用于冷却相同单元操作的多个部分。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法使用以下系统，所述系统与现有压缩机结合使用并帮助，补充或替代由所述压缩机提供的流量。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法使用以下系统，所述系统利用涤气器从所述来自所述单元操作的流出物气体流中去除水，烃冷凝物，颗粒和硫化氢。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法使用以下系统，所述系统用于以并联，串联或两者的组合配置的多个单元操作的冷却。
17.一种用于在固定热负荷下将单元操作直接冷却至较低温度的方法，其中所述单元操作使用从非机械泵递送的冷却流来冷却，其中所述冷却流是汽化动力流体流与来自所述单元操作的流出物气体流的至少一部分的组合，其中所述方法包括：
a.使用非机械泵使具有50-500℉范围内的温度的所述来自所述单元操作的流出物气体流的一部分循环，其中所述汽化动力流体流作为动力提供；
b.在-452℉至50℉范围内的温度下，将所述汽化动力流体流提供至所述非机械泵；
c.将所述来自所述单元操作的流出物气体流和所述非机械泵中的所述汽化动力流体流组合，其中所组合的所述来自所述单元操作的流出物气体流和所述非机械泵中的所述汽化动力流体流具有在-50℉至300℉范围内的温度；
d.调节将与所述非机械泵中的所述来自所述单元操作的流出物气体流组合的所述汽化动力流体流的温度，其中所述温度由以下确定：
Figure 399379DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 341928DEST_PATH_IMAGE002
是所述来自所述单元操作的流出物气体流的质量流速与所述汽化动力流体流的质量流速的比率并且由操作者选择；
CMot为所述汽化动力流体流的比热；
CEff为进入所述非机械泵的所述来自所述单元操作的流出物气体流的比热；
TC为所述组合的所述来自所述单元操作的流出物气体流和所述非机械泵中的所述汽化动力流体流的温度或离开所述非机械泵的流出物气体流的目标温度；
TMot为所述汽化动力流体流的温度；
TEff为进入所述非机械泵的所述来自所述单元操作的流出物气体流的温度。
18.一种用于在固定热负荷下将单元操作直接冷却至较低温度的方法，其中所述单元操作使用从非机械泵递送的冷却流来冷却，其中所述冷却流是汽化动力流体流与来自所述单元操作的流出物气体流的至少一部分的组合，其中所述方法包括：
a.借助非机械泵使具有50-500℉范围内的温度的所述来自所述单元操作的流出物气体流的一部分循环，其中所述汽化动力流体流作为动力提供；
b.在-452℉至0℉范围内的温度下，将所述汽化动力流体流提供至所述非机械泵；
c.将所述来自所述单元操作的流出物气体流和所述非机械泵中的所述汽化动力流体流组合，其中所组合的所述来自所述单元操作的流出物气体流和所述非机械泵中的所述汽化动力流体流具有在50℉至300℉范围内的温度并且被引入管道系统；
d.提供温度范围为-452℉到0℉的工业液体并且将所述液体与所述非机械泵上游的所述来自所述单元操作的流出物气体流或所述非机械泵下游的所述来自所述单元操作的流出物气体流和所述非机械泵中的所述汽化动力流体流的混合物组合；
e.调节所述来自所述单元操作的流出物气体流的质量流速与在所述非机械泵中组合的所述汽化动力流体流的质量流速的比率，其中所述比率由以下确定：
Figure 779862DEST_PATH_IMAGE004
Figure 135233DEST_PATH_IMAGE005
由所述来自所述单元操作的流出物气体流的质量流速
Figure 607802DEST_PATH_IMAGE006
与所述汽化动力流体流的质量流速
Figure 658935DEST_PATH_IMAGE007
的比率定义；
Figure 584166DEST_PATH_IMAGE008
Figure 808474DEST_PATH_IMAGE009
由所述来自所述单元操作的流出物气体流的质量流速
Figure 807654DEST_PATH_IMAGE006
与旁路液体的质量流速
Figure 92004DEST_PATH_IMAGE010
的比率定义并且由操作者选择；
Figure 442214DEST_PATH_IMAGE011
CMot为所述汽化动力流体流的比热；
CEff为进入所述非机械泵的所述来自所述单元操作的流出物气体流的比热；
CBLiq为绕过汽化器和所述非机械泵的液体的比热；
TC为所组合的所述来自所述单元操作的流出物气体流和所述非机械泵中的所述汽化动力流体流的温度或离开所述非机械泵的流出物气体流的目标温度；
TMot为所述汽化动力流体流的温度，并且由所述操作者选择；
TEff为进入所述非机械泵的所述来自所述单元操作的流出物气体流的温度；
TBLiq为绕过所述汽化器和所述非机械泵的所述液体的温度；
λBLiq为绕过所述汽化器和所述非机械泵的所述液体的汽化比潜热。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述非机械泵是喷气式压缩机。
20.一种用于在固定热负荷下将单元操作直接冷却至较低温度的方法，其中所述单元操作使用从非机械泵递送的冷却流来冷却，其中所述冷却流是汽化动力流体流与来自所述单元操作的流出物气体流的至少一部分的组合，其中所述方法包括：
a.使用非机械泵使具有50-500℉范围内的温度的所述来自所述单元操作的流出物气体流的一部分循环，其中所述汽化动力流体流作为动力提供；
b.在-452℉至50℉范围内的温度下，将所述汽化动力流体流提供至所述非机械泵；
c.将所述来自所述单元操作的流出物气体流和所述非机械泵中的所述汽化动力流体流组合，其中所组合的所述来自所述单元操作的流出物气体流和所述非机械泵中的所述汽化动力流体流具有在-50℉至300℉范围内的温度；
d.提供温度范围为-452℉到0℉的工业液体并且将所述液体与所述非机械泵上游的所述来自所述单元操作的流出物气体流或所述非机械泵下游的所述来自所述单元操作的所述来自所述单元操作的流出物气体流和所述非机械泵中的所述汽化动力流体流的混合物组合；
e.调节将与所述非机械泵中的所述来自所述单元操作的流出物气体流组合的所述汽化动力流体流的温度，其中所述温度由以下确定：
Figure 470213DEST_PATH_IMAGE012
Figure 589479DEST_PATH_IMAGE013
由所述来自所述单元操作的流出物气体流的质量流速
Figure 779152DEST_PATH_IMAGE006
与所述汽化动力流体流的质量流速
Figure 678975DEST_PATH_IMAGE007
的比率定义并且由操作者选择；
Figure 182768DEST_PATH_IMAGE014
Figure 484437DEST_PATH_IMAGE015
由旁路液体的质量流速
Figure 782694DEST_PATH_IMAGE016
与所述汽化动力流体流的质量流速
Figure 169813DEST_PATH_IMAGE007
的比率定义并且由所述操作者选择；
Figure 539614DEST_PATH_IMAGE017
CMot为所述汽化动力流体流的比热；
CEff为进入所述非机械泵的所述来自所述单元操作的流出物气体流的比热；
CBLiq为绕过汽化器和所述非机械泵的液体的比热；
TC为所述组合的所述来自所述单元操作的流出物气体流和所述非机械泵中的所述汽化动力流体流的温度或离开所述非机械泵的流出物气体流的目标温度；
TMot为所述汽化动力流体流的温度；
TEff为进入所述非机械泵的所述来自所述单元操作的流出物气体流的温度；
TBLiq为绕过所述汽化器和所述非机械泵的所述液体的温度；
λBLiq为绕过所述汽化器和所述非机械泵的所述液体的汽化比潜热。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述非机械泵是喷气式压缩机。
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