专利名称：热交换器和相关方法
技术领域：
本发明的实施方案一般涉及热交换器和与其使用相关联的方法。更具体来说，本发明的实施方案涉及包括外壳和加热构件的热交换器，其被配置成将流体供应到与另一流体的连通中。本发明的实施方案另外涉及在流体之间传热、在流体内的固体颗粒的升华和流体输送的方法。
背景技术：
液化天然气的生产为将大部分甲烷(CH4)气体变为液态的制冷过程。然而，除有甲烷之外，天然气由各种气体组成。天然气中含有的一种气体为二氧化碳(CO2)。二氧化碳以约1%的数量存在于在美国可见的大部分天然气基础结构中，并且在世界各地的许多地方二氧化碳含量高的多。二氧化碳可能在天然气液化的过程中引起问题，这是因为二氧化碳具有比甲烷的液化温度高的冻结温度。二氧化碳比甲烷高的冻结温度将在天然气冷却时导致固体二氧化碳晶体形成。这个问题使得必须在传统设备中进行液化过程之前从天然气中除去二氧化碳。在液化过程之前使二氧化碳与天然气分离的过滤设备可能是大型的、可能需要大量的能源来操作和可能是非常昂贵的。小型液化系统已被开发和正变得很受欢迎。在大多数情况下，这些小型设备简单地使用现有液化和二氧化碳分离过程的缩尺表示。爱达荷州国家实验室已开发创新的小型液化设备，其消除了需要二氧化碳的昂贵的、设备密集型预清洗。用天然气流处理二氧化碳，并且在液化步骤期间将二氧化碳转变为液化天然气工业生产液流内的结晶固体。然后，将液体/固体浆料转移到分离器件，其引导溢流的清洁的天然气液体出口和底流的二氧化碳浓缩浆料出口。然后，通过热交换器处理底流浆料以使二氧化碳升华变回气体。在理论上这是非常简单的步骤。然而，固体二氧化碳与液化天然气之间的相互作用产生很难用常规热交换器解决的情况。在液体浆料中，二氧化碳处于纯的或几乎纯的过冷状态和不可溶于液体的。相对于载液的密度而言，二氧化碳是足够重的，以迅速地沉淀到大部分流态的底部。当发生沉淀时，热交换器的管道和端口可能随着二氧化碳的数量增加而变得塞紧的。除在不良位置收集之外，二氧化碳倾向于聚集在一起，从而使得涌过系统变得更加困难。使二氧化碳升华变回气体的能力取决于使固体通过气体的液相而无需收集和聚集到插塞中。当加热液化天然气时，液化天然气将保持在约_145°C的近似恒温(在50psig(约446kPa)下)直到所有液体已从两相气体传递到单相气体。固体二氧化碳将不能升华变回气体直到周围的气体温度已达到约_60°C。在液态甲烷中容易地运输固体二氧化碳时，在使液化天然气汽化时，基本上减少了将固体二氧化碳晶体运输到热交换器的较温暖的部分的能力。在移动的汽化天然气是运输固体二氧化碳晶体的唯一方法时的温度下，晶体可能由于彼此的滚转相互作用而开始聚集在一起，从而导致上述堵塞。除聚集之外，当晶体到达热交换器的较温暖的区域时，晶体开始熔化或升华。如果发生熔化，晶体的表面变得粘性的，从而使晶体倾向于粘住热交换器的壁、降低热交换器的效率和产生局部污垢。在流体速度不足以驱逐污垢时，局部污垢区域可能使热交换器变得封闭并且最后被塞住。
发明概要根据本发明的一些实施方案，一种热交换器包括具有至少一个进口和至少一个出口的外壳。外壳形成热交换器内的过渡室的一部分。至少一个进口和至少一个出口与过渡室连通，并且至少一个出口位于外壳的上部部分处。热交换器可以进一步包括加热构件，其安置在外壳内和形成过渡室的另一部分。加热构件包括具有形成在其中的第一开口的第一端，第一开口与至少一种流体的供给连通；以及具有形成在其中的第二开口的第二端，第二开口大于第一开口并且第二开口与热交换器的过渡室连通。在额外的实施方案中，一种输送流体的方法包括通过形成在热交换器中的进口将包含至少一种材料的第一流体供应到热交换器的过渡室中；通过形成在锥形加热构件的顶点中的开口供应第二流体并将其供应到形成过渡室的一部分的锥形加热构件的内部部分中；用第二流体改变第一流体的至少一种材料的状态；以及通过位于热交换器的上部部分中的热交换器的出口，将第一流体的具有改变状态的至少一种材料输送出热交换器。在其他额外的实施方案中，一种使固体颗粒升华的方法包括将包含呈固态的至少一种材料的第一流体输送到热交换器的过渡室中；将第一流体内的至少一种材料加热到气态，这个步骤包括通过锥形加热构件在比第一流体的温度高的温度下将第二流体引导到过渡室中以及混合第一流体与第二流体；以及用第一流体将第一流体内的至少一种材料呈气态输送出过渡室。
附图简述
图1为根据本发明的实施方案的热交换器的等距视图。图2为图1中所示的热交换器的纵向截面图。图3为图1和图2中所示的热交换器的放大局部纵向截面图。图4A和图4B分别为可以用于根据本发明的实施方案的热交换器的喷嘴组件中的喷嘴的侧视图和截面图。图5为曲线图，其描绘在将颗粒安置在根据本发明的实施方案的热交换器内时，基于颗粒尺寸的此类颗粒(例如，CO2颗粒)的预计的升华时间。
具体实施例方式本文提供的图解并非意欲是任何特定材料、装置、系统或方法的实际视图，而仅仅是用于描述本发明的实施方案的理想化的表示。另外，为了方便和清晰起见，在图式之间共用的元件可以保留相同的数字指定。图1为热交换器的等距视图。应注意，尽管可以在处理天然气时用二氧化碳的升华描述本发明的实施方案的操作，但是如本领域普通技术人员将了解和理解，本发明可以用于其他流体的升华、加热、冷却和混合以及用于其他过程。本文所用的术语“流体”指的是可以使流过管道(例如，喷嘴、管、室、进口、出口等)并且包括(但不限于)气体、两相气体、液体、凝胶、等离子体、浆料、固体颗粒和上述任何组合的任何物质。如图1中所示，热交换器110可以包括外壳112 (例如，具有支脚113的槽)，其包括具有进口 116和出口 118的室(例如，在图2中更详细地所示的过渡室114)。应注意，尽管图1的实施方案图不热交换器110的具有包括圆形截面的大体圆形的外壳112,但是可以用任何适合的形状形成外壳112，例如，正方形、长方形、椭圆形、不规则形状或上述组合。举例而言(但并非限制)，热交换器110可以包括形状为圆柱形的外壳112，其具有约24英寸(约0.61米)的外径和79英寸(约2.01米)的总高度(包括支脚113和出口 118)。在一些实施方案中，可以包括视察窗115以在视觉上观察热交换器110的操作。视察窗115可以用于观察热交换器110内的材料。例如，如下文所述，视察窗115可以用于观察悬浮在过渡室114中的固体材料的位置、检查可能在过滤器166(图2)中收集的固体材料等。图2为图1中所示的热交换器的纵向截面图。如图2中所示，热交换器110可以包括安置在热交换器110内的加热构件120。加热构件120可以包括具有形成在其中的第一开口 124的第一端122。加热构件120可以包括具有形成在其中的第二开口 128的第二端126。在一些实施方案中，加热构件120可以由第一开口 124比第二开口 128相对较小的结构形成。换句话说，第一开口 124的截面面积小于第二开口 128的截面面积。例如，加热构件120可以包括基本上锥形构件(例如，具有底座(例如，圆形底座、多边形底座等)的锥体)。在此类实施方案中，第一开口 124可以形成在加热构件120的顶点中，并且第二开口 128可以形成在加热构件120的底座附近。此外，加热构件120的内部部分可以包括在第一开口 124与第二开口 128之间延伸的基本上斜侧表面。在一些实施方案中并且如图2中所示，第二开口 128可以基本上大于第一开口124。例如，加热构件120的第一开口 124可以安置在热交换器110的外壳112的下部部分130中。用在本文中的术语“下部”和“上部”指的是在图1和图2中定向的热交换器110。例如，热交换器110的外壳112的“上部”部分可以位于相对更远离安置热交换器110所在的结构(例如，地板)处，并且“下部”部分相对更接近于安置热交换器110所在的结构。第二开口 128可以安置在热交换器110的外壳112的下部部分130与上部部分132之间。第二开口 128可以被设定尺寸以形成过渡室114的一部分。例如，加热构件120的内部部分可以形成过渡室114的下部部分。在一些实施方案中，加热构件120的底座可以附接到外壳112的一部分(例如，外壳112的内表面134)。在一些实施方案中，第二开口 128的横向的截面面积可以与外壳112的一部分的横向的截面面积基本上相同。应注意，尽管参照图2将加热构件120示出和描述为具有锥形，但是可以用任何适合的形状形成加热构件120，例如，管状、直线、多边形、心形线、曲线或上述组合。仍参看图2，热交换器110的出口 118可以包括具有凸缘138的出口喷嘴136。在一些实施方案中，出口喷嘴136可以位于热交换器110的外壳112的上部部分132上。例如，如图2中所示，出口喷嘴136可以位于热交换器110的外壳112的最上的部分上。在一些实施方案中，出口喷嘴136在外壳112的上部部分132的方位可以使过渡室114内的气态材料(即，呈气态的材料)能够退出过渡室114，同时将过渡室114内的材料保持在非气态(例如，液体、固体等)。在一些实施方案中，出口喷嘴136可以被配置成与一个或多个下游部件连通(例如，流体连通)，并且可以通过凸缘138连接到下游部件。例如，出口喷嘴136可以被设定尺寸以将互连提供到下游部件(例如，气体出口、另一热交换器、大气出口等)，以及在可接受或理想的速度下将气态材料提供到下游部件。在一些实施方案中，下游部件可以包括液化天然气(LNG)系统的一个或多个部件，例如，在2009年10月22日提交的标题为 “Natural Gas Liquefaction Core Modules, Plants Including Same andRelated Methods”的美国专利申请序号12/604，139、2009年10月22日提交的标题为“Complete Liquefaction Methods and Apparatus”的美国专利申请序号 12/603，948,以及2009 年 10 月 22 日提交的标题为 “Methods of Natural Gas Liquefaction and NaturalGas Liquefaction Plants Utilizing Multiple and Varying Gas Streams，，的美国专利申请序号12/604，194中公开的部件。在这段中提及的上述申请中的每个的公开内容以引用的方式整体并入本文。在一些实施方案中，出口喷嘴136可以包括端口(例如，螺纹端口 140)，其使能够连接传感器(例如，热电偶、电阻温度检测器(RTD)、速度传感器等)以便监测退出过渡室114的气体的性质。在一些实施方案中，热交换器110可以包括位于外壳112中的各种位置(例如，邻近过渡室114、受热流体室146等)的一个或多个端口，从而使能够监测在热交换器110中含有的材料的性质。热交换器110的进口 116可以包括具有凸缘144的进口喷嘴142。在一些实施方案中，进口喷嘴142可以位于热交换器110的外壳112的中间部分(例如，外壳112的下部部分130与上部部分132之间)。例如，进口喷嘴142可以在加热构件120的第二端126位于邻近于第二开口 128。进口喷嘴142的此方位可以使能够在加热构件120的第二端126在第二开口 128将流体供应到热交换器110。例如，可以将包括呈非气态(例如，流体、蒸汽、固体等)的材料的流体(例如，气态材料)供应到热交换器110的外壳112，以使得在朝着第一开口 124的方向上在加热构件120的第一端122将呈非气态的流体的部分移动(例如，在重力下)到加热构件120的内部部分中。进口喷嘴142可以与一个或多个上游部件连通(例如，流体连通)，并且可以通过凸缘144连接到上游部件。例如，进口喷嘴142可以被设定尺寸以将互连提供到上游部件(例如，汽化室、另一热交换器、被配置成分离材料或材料的不同状态的器件(例如，旋液分离器)等)，以及在可接受或理想的速度下将气态材料提供到上游部件。在一些实施方案中，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国专利申请序号12/604，139、12/603，948和12/604，194中公开的部件中的一个或多个。此外，在一些实施方案中，一个或多个上游部件可以包括例如在2010年11月3日提交的标题为“Vaporization Chambers and Associated” 的美国专利申请序号 12/938,671 中公开的部件中的一个或多个，所述专利的公开内容以引用的方式整体并入本文。例如，进口喷嘴142可以连接到在2010年11月3日提交的标题为“Sublimation Systems and AssociatedMethods”的上文引用的和以引用方式并入的美国专利申请序号12/938,967中公开的汽化室。在此类实施方案中，进口喷嘴142可以将含有例如微粒(例如，固体或液体微粒)的材料的流体(例如，流体载体(例如，气体或液体))从汽化室供应到热交换器110。加热构件120可以包括安置在加热构件120的第一端122的喷嘴组件146。喷嘴组件146可以至少部分地形成加热构件120的第一开口 124。喷嘴组件146可以将流体供应到热交换器110的一部分(例如，供应到过渡室114)。在一些实施方案中，喷嘴组件146可以与流体(例如，在比通过进口喷嘴142供应到热交换器110的流体高的温度下的流体)的体积连通。例如，喷嘴组件146可以与受热流体室148中的流体的体积连通。受热流体室148可以在外壳112的下部部分130形成在热交换器110中。在一些实施方案中，夕卜壳112的一部分和连接到外壳112的加热构件120的一部分可以形成受热流体室148。可以通过进口 150将流体供应到受热流体室148，进口 150具有进口喷嘴152和用于连接到流体源的凸缘154。应注意，为了清晰起见，将进口 150描绘成位于与进口 116基本上相同的平面中。然而，在一些实施方案中，进口 150可偏离图1中所示的进口 116。在其他实施方案中，流体的供给(例如，外部室、压力容器等)可以直接连接到喷嘴组件146。应进一步注意，尽管参照图2示出和描述的加热构件120包括喷嘴组件146，但是在一些实施方案中，可以形成不具有喷嘴组件的加热构件 120。图3为图1和图2中所示的热交换器的放大局部纵向截面图。如图3中所示，喷嘴组件146可以包括连接到喷嘴组件146的一部分的喷嘴156。如图4A和图4B中更详细地所示，喷嘴156包括具有形成在其中的孔口 158的喷嘴主体157。形成在喷嘴156的主体157中的孔口 158可以被设定尺寸以在所需的速度下将流体的所需流量从受热流体室148提供到加热构件120和过渡室114的内部部分中。例如，形成在喷嘴156的主体157中的孔口 158可以具有约0.625 (5/8)英寸(约1.559cm)的直径。在一些实施方案中，喷嘴156可以由被改进以具有延伸过其中的孔口的改进的管塞(例如，可商购自SWAGLiLOK^Company of Solon, OH的SWAGEL0K 管塞)形成。在一些实施方案中，喷嘴156的主体157可以包括附接部分159 (例如，六边形部分)，其用于促进将喷嘴156连接到热交换器110的一部分(例如，喷嘴组件146或加热构件120)。仍参看图3，喷嘴156可以容纳在喷嘴组件146中。喷嘴组件146可以连接到邻近加热构件120的第一端122和第一开口 124的加热构件120的一部分(例如，通过型锻、粘附、焊接、铜焊等)。喷嘴156可以连接到喷嘴组件146 (例如，通过型锻、粘附、焊接、铜焊等)。在一些实施方案中，喷嘴156可以可拆卸地连接到喷嘴组件146。例如，喷嘴156可以通过螺纹旋进喷嘴组件146的一部分中。此可拆卸喷嘴156可以使不同的喷嘴尺寸能够可交换地用于热交换器110。在一些实施方案中，可以通过外壳112的可拆卸部分160在热交换器110中使用喷嘴156 (例如，以调整喷嘴156、改变喷嘴尺寸等)，可拆卸部分160可以可拆卸地固定(例如，通过螺纹旋进)到外壳112的一部分(例如，保留部分161)。回头参看图2，在一些实施方案中，喷嘴组件146或其部分可以可调整(例如，手动或自动可调整)以调整流体在加热构件120的第一端122流过喷嘴组件146和流入过渡室114的流率和速度。在一些实施方案中，可以调整受热流体室148中的流体的压力以通过喷嘴组件146将所需的流体流动和流体速度提供到过渡室114中。应注意，尽管图2的实施方案图示包括喷嘴组件146的热交换器110，但是在一些实施方案中，在热交换器110的过渡室114中的流体流动和流体速度可以由其他装置控制，例如，一个或多个阀、加热构件120本身、一个或多个流量调节器等。在一些实施方案中，热交换器110可以包括位于热交换器110的外壳112的上部部分132中的颗粒屏障。例如，偏转板162可以位于外壳112的上部部分132中。在一些实施方案中，偏转板162可以具有在朝着加热构件120的方向上定向的基本上凹面(即，偏转板162的凹面可以面向加热构件120)。在一些实施方案中，偏转板162可以具有小于热交换器110的外壳112的内部的尺寸。例如，偏转板162的直径可以小于外壳112的内径。可以通过支架164将偏转板162悬挂在外壳112内。支架164可以连接到偏转板162、可以延伸到外壳112的内表面134和可以连接到外壳112的内表面134。支架164和偏转板162可以在外壳112中被设定尺寸以提供邻近外壳112的内表面134的在偏转板162周围的通道，从而使流体能够从偏转板162周围的过渡室114传递并传递到热交换器110的出口 118。应注意，尽管图2的实施方案图示具有凹形的偏转板162，但是可以用任何适合的形状(例如，平面、V形等)形成偏转板162。在一些实施方案中，热交换器110的颗粒屏障可以包括安置在热交换器110的外壳112中的过滤器166。例如，过滤器166可以位于在热交换器110的偏转板162与出口118之间的外壳112的上部部分132中。过滤器166可以由能够至少部分地限制固体或液体的流动和至少部分地使流体(例如,气体)能够流过其中的任何材料形成。例如,过滤器166可以由不锈钢除雾器、金属筛网、纤维网等形成。在一些实施方案中，可以通过偏转板162、支架164或偏转板162和支架164将过滤器166支撑在热交换器110中。在一些实施方案中，过滤器166可以附接到外壳112的一部分。在一些实施方案中，过滤器166可以基本上填充热交换器110的一部分，从而在热交换器110的偏转板162与出口 118之间延伸。在一些实施方案中，流体旁通170(例如，气体旁通阀)可以安置在受热流体室148与过渡室114之间。例如，流体旁通170可以位于邻近加热构件120的第二端126。流体旁通170可以通过将受热流体室148中的流体的一部分直接排放到旁通喷嘴156的过渡室114中，使流体的流率和速度能够通过喷嘴156得以减少。换句话说，流体旁通170可以将受热流体室148内的流体的一部分排放到过渡室114中，由此减少受热流体室148内的流体的压力。继续参照图2，在操作中，进口 116的进口喷嘴142可以将第一流体，例如，含有例如微粒(例如，固体或液体微粒)的材料的颗粒的流体载体(例如，气体或液体)供应到热交换器110。例如，第一流体可以包括呈基本上气态(例如，载气)的流体载体(例如，天然气)，第一流体包括非气态材料(例如，微粒，例如，CO2颗粒)。在一些实施方案中,在低于微粒的升华温度的温度下，进口喷嘴142可以供应包括载气和微粒的第一流体以便将第一流体提供到具有呈固态的微粒的热交换器110的过渡室114中。
当将第一流体供应到热交换器110的外壳112中的过渡室114时，第一流体或其部分的温度可由第二流体(例如，加热流体)增加。例如，可以通过进口 150的进口喷嘴152供应第二流体(例如，甲烷气体，例如，在从其中基本上除去CO2颗粒的系统中先前处理的LNG系统所提供的甲烷气体)。在一些实施方案中，可以在大于过渡室114中的温度的温度下将第二流体供应到热交换器110。例如，在大于过渡室114中的一种或多种流体(例如，第一流体的一部分)的温度的温度下将第二流体供应到热交换器110。通过进一步的实例，第一流体可以包含甲烷载体中的CO2颗粒，并且在大于CO2颗粒的升华温度的温度(例如，约-80°C至_60°C (这个温度可以取决于流体环境的压力而变化))下可以将第二流体供应到热交换器110 (例如，供应到受热流体室148中)。在一些实施方案中，可以在热交换器110的受热流体室148中加热第二流体以呈现大于过渡室114中的温度的温度。第二流体可以通过进口喷嘴152进入热交换器110和进入受热流体室148中。在一些实施方案中，可以在受热流体室148中加压第二流体(例如，在大于从受热流体室148取出第二流体的速率的速率下，通过进口喷嘴152将第二流体供应到过渡室114中)。在一些实施方案中，过渡室114中的第二流体可以用于加热形成过渡室114的表面。例如，如上文所述，受热流体室148内的第二流体可以加热形成过渡室114的一部分的加热构件120的表面。加热所述加热构件120的表面可以用于增加加热构件120的温度和至少部分地防止颗粒附接到或粘住加热构件120的表面。喷嘴组件146，特别是喷嘴156的孔口 158可以用于通过第一开口 124在加热构件120的第一端122将第二流体供应到过渡室114中。喷嘴156可以被设定尺寸以提供第二流体168的喷射(例如，相对高速、高压喷射)，第二流体168可以在朝着外壳112的上部部分132的方向上通过喷嘴156移动到过渡室114中。应注意，为了描述本公开的示例性实施方案和并非限制的目的，在图2中使用两条线图示第二流体168的喷射。当第二流体进入加热构件120和向外壳112的上部部分132向上前进时，可以改变第二流体168的喷射的速度剖面。例如，随着加热构件120的直径增加，在第二流体168的喷射在加热构件120的第二端126从第二开口 128朝外壳112的上部部分132移动时，将减少第二流体168的喷射的速度。第二流体168的喷射可以形成气柱，其将第一流体(包括其中的任何微粒)从邻近加热构件120的外壳112的下部部分130朝外壳112的上部部分132提升。当第二流体168的喷射提升第一流体(包括其中的任何微粒)时，第二流体168的喷射可以用于加热第二流体。过渡室114可以使第一流体和第二流体能够混合和使在第二流体中含有的能量(例如，热)能够转移到第一流体，由此改变第一流体的至少一部分的状态(例如，相)。例如，第一流体可以在进口 116进入热交换器110，进口 116位于与在加热构件120的第一端122邻近从喷嘴156延伸的第二流体168的喷射的外壳112中的区域相比相对较低速度的区域。一旦在外壳112中，在第一流体中含有的气体或液体(例如，气态或液态甲烷)的一部分可以被扫向热交换器110的出口 118 (例如，当气体或液体倾向于流向邻近具有相对较低的压力的出口 118的外壳112的区域时)。在一些实施方案中，一旦在过渡室114中，在第一流体中含有的气体或液体的一部分可以被加热并可以(例如，通过第二流体168的喷射的力)被扫到热交换器110的出口 118和从热交换器110中被取出。例如，第一流体中的呈气态的材料可以通过进口 116进入外壳112，并且通过第二流体168的喷射提供的过渡室114中的相对较高的温度可以用于加热呈气态的材料和将呈气态的材料引导到热交换器110的出口 118。类似地，第一流体中的呈液态的材料可以通过进口 116进入外壳112。呈液态的材料可以在重力下向邻近加热构件120的外壳112的下部部分130移动。通过第二流体168的喷射提供的过渡室114中的相对较高的温度可以用于加热呈液态的材料和使呈液态的材料汽化。在汽化后，可以进一步加热现在呈气态的材料和将呈气态的材料引导到热交换器110的出口 118。第一流体(例如，CO2颗粒)中的颗粒(例如，微粒、固体、液体等)可以在加热构件120的第一端122在朝着第二流体168的喷射的方向上受到重力影响下降。锥形加热构件120可以用于朝第二流体168的喷射引导颗粒。换句话说，锥形加热构件120可以沿着加热构件120的斜侧通过加热构件120的内部部分将颗粒向下朝加热构件120的相对较小的第一开口 124引导。此外，当颗粒通过加热构件120向下朝从喷嘴156延伸的第二流体168的喷射移动时，由在受热流体室148中含有的第二流体加热的加热构件120的表面可以用于加热颗粒。当颗粒朝第二流体168的喷射移动时，颗粒可在第二流体168的喷射中被扫除和在朝着外壳112的上部部分132的方向上被提升。例如，第二流体168的喷射可以创建颗粒的流化床。当颗粒位于第二流体168的喷射时，第二流体168的喷射的速度可以用于提升颗粒和使颗粒旋转，从而使能够在颗粒的外表面区域的大部分上加热颗粒。在一些实施方案中，可以选择喷嘴156和第二流体168 (例如，受热流体室148中的第二流体的压力、喷嘴156的尺寸和形状，或上述组合)以在加热构件120的第一端122与第二端126之间的中部提供可以悬浮平均尺寸的颗粒的第二流体168的喷射。加热构件120中的从第一开口 124朝第二开口 128延伸的第二流体168的喷射的速度方差可以用于基于每个颗粒的尺寸和重量将颗粒悬浮在加热构件120中。例如，可以选择喷嘴156和第二流体168以在加热构件120的第一端122提供邻近喷嘴156的具有约120英尺每秒(ft/sec)(约36.6米每秒(m/s))的速度的第二流体168的喷射。此外，加热构件120和外壳112可以被设定尺寸以提供邻近加热构件的第二端126的具有约0.13英尺每秒(ft/sec)(约0.04米每秒(m/s))的第二流体168的喷射的速度。当颗粒漂浮在通过第二流体168的喷射提供的相对较温暖的气流中时，可以加热颗粒并且可以将颗粒的状态改变为气态。当将每个颗粒的部分转变为气态时，颗粒的尺寸和重量将减少，从而使颗粒能够在过渡室114中更高地漂浮，直到将颗粒基本上完全改变为气态(例如，升华了的)。在一些实施方案中，可以将颗粒提升至位于热交换器110的上部部分132的偏转板162。偏转板162可以用于朝邻近外壳112的外部部分(例如,邻近外壳112的内表面134)和远离具有延伸过其中的第二流体168的喷射的外壳112的中心部分的相对较低速度的区域引导颗粒。在一些实施方案中，偏转板162也可以用于将第二流体168的喷射朝外壳112的外部部分重新引导和可以用于将颗粒向下朝加热构件120推动。在一些实施方案中，当在第二流体168接近外壳122的上部部分132时第二流体168的喷射的速度减少时，颗粒可以远离外壳112的中心部分移动，并且第二流体168的喷射的路径可以朝加热构件120后退。如前所述，一旦颗粒位于位于与在加热构件120的第一端122邻近从喷嘴156延伸的第二流体168的喷射的外壳112中的区域相比相对较低速度的区域，颗粒可在加热构件120的第一端122在朝着第二流体168的喷射的方向上受到重力影响下降。可以重复加热和提升颗粒的过程直到已将颗粒的温度增加到将颗粒充分地转变为不同的物态(例如，转变为气态)。例如，在低于CO2的升华温度的温度(例如，-60°c (这个温度可以取决于流体环境的压力而变化))下，可以通过进口 116将CO2颗粒(例如，CO2的固体晶体)供应到热交换器110。如上文所述，CO2颗粒可受重力影响下降和通过第二流体168的喷射得以提升，直到将CO2颗粒的温度增加到高于CO2的升华温度。CO2颗粒可开始升华成气态和可朝热交换器110的出口 118移动(例如，通过第二流体168的喷射被引导)。安置在热交换器110的上部部分132中的过滤器166也可以用于限制颗粒朝出口118移动的流动和使颗粒陷入其中。在一些实施方案中，陷入过滤器中的颗粒的逐渐加热可以将颗粒转变为气态，然后颗粒可通过过滤器166移动到热交换器110的出口 118。图5为曲线图，其描绘在将颗粒安置在根据本发明的实施方案的热交换器(例如，热交换器110(图2))内时，基于颗粒尺寸的此类颗粒(例如，CO2颗粒)的预计的升华时间。在曲线图中，CO2颗粒被认为是悬浮在移动气流(例如，第二流体168的喷射(图2))中的球体。如图5中所示，在X轴上示出CO2颗粒的在O微米与1200微米之间的范围的直径大小。在y轴上示出所得的升华时间(以秒为单位)。此外，示出两组数据点，一组表示具有96°C的温度和6.9英尺每秒(ft/sec)(约2.1米每秒(m/s))的速度的气体蒸汽(例如，从喷嘴156延伸的第二流体168的喷射(图2))，并且另一组表示具有96°C的温度和
13.7ft/sec (约4.2m/s)的速度的气体蒸汽。如从图5中可以看到,CO2颗粒的升华时间可以取决于颗粒的尺寸和加热流体的喷射的速度和温度而变化。平均起来，具有约600微米至800微米的直径的CO2颗粒在被升华成气态CO2之前可以呈固态形式存在于热交换器中达约5秒至12秒。鉴于以上内容，本发明的实施方案可以特别可用于提供使流体内的固体颗粒能够有效和高效的输送和升华的装置和方法。本发明的实施方案可以进一步可用于不同于所提供的具体实例的各种应用。例如，所述装置和方法可以可用于含有粘性、腐蚀性和/或反应性化学品的流体的有效和高效的混合、加热、冷却和/或输送。尽管本发明可能容易受到各种修改和替代形式，本发明的具体实施方案已通过实例在附图中被示出和已在本文中被详细地描述，但是应理解本发明不意图限于公开的特定形式。实情为，本发明包括属于由以下附加权利要求书和其合法等效物定义的本发明的范围的所有修改、等效物和替代物。
权利要求
1.一种热交换器，其包括: 具有至少一个进口和至少一个出口的外壳，所述外壳形成所述热交换器内的过渡室的一部分，所述至少一个进口和所述至少一个出口与所述过渡室连通和位于所述外壳的上部部分处；以及 加热构件，其安置在所述外壳内和形成所述过渡室的另一部分，所述加热构件包括: 第一端，其具有形成在其中并与至少一种流体的供给连通的第一开口 ；以及 第二端，其具有形成在其中的第二开口，所述第二开口大于所述第一开口并与所述热交换器的所述过渡室连通。
2.如权利要求1所述的热交换器，其中所述外壳进一步包括安置在所述外壳的下部部分内的受热流体室，所述加热构件安置在所述过渡室与所述受热流体室之间和分离所述过渡室与所述受热流体室，并且其中所述加热构件的所述第一开口与所述热交换器的所述受热流体室连通。
3.如权利要求2所述的热交换器，其进一步包括加热流体进口，所述加热流体进口被配置成在大于所述过渡室内的流体的温度的温度下，将流体的体积供应到所述受热流体室。
4.如权利要求2所述的热交换器，其进一步包括安置在所述加热构件的所述第一端的喷嘴组件，所述喷嘴组件被配置成在所述至少一种流体通过所述喷嘴组件从所述受热流体室进入到所述过渡室中时，限制所述至少一种流体的流动。
5.如权利要求4所述的热交换器，其中所述喷嘴组件包括至少一个可拆卸喷嘴，并且其中所述外壳包括邻近所述喷嘴组件的能够到达所述至少一个可拆卸喷嘴的可拆卸部分。
6.如权利要求1所述的热交换器，其中所述加热构件为基本上锥形的。
7.如权利要求1所述的热交换器，其中形成所述第二开口的所述加热构件的一部分连接到所述外壳的内表面，并且其中所述加热构件的所述第二开口包括具有与所述外壳的横向的截面面积基本上相同的尺寸的横向的截面面积。
8.如权利要求1所述的热交换器，其进一步包括安置在所述加热构件的所述第二端与所述至少一个出口之间的所述外壳的所述上部部分中的偏转板，所述偏转板具有与所述加热构件的所述第二端相反定向的至少一个表面。
9.如权利要求8所述的热交换器，其进一步包括安置在所述偏转板与所述至少一个出口之间的所述外壳内的过滤器。
10.如权利要求1所述的热交换器，其中: 所述至少一个进口被配置成为所述过渡室供应呈第一状态的至少一种材料，并且所述至少一个出口被配置成取出呈第二不同状态的所述至少一种材料； 所述加热构件被配置成通过所述第一开口供应所述至少一种流体的一部分和成为与呈所述第一状态的所述至少一种材料连通；以及 所述过渡室被配置成使所述至少一种流体的一部分能够将呈所述第一状态的所述至少一种材料转变为呈所述第二不同状态的所述至少一种材料。
11.一种输送流体的方法，所述方法包括: 通过进口将包含至少一种材料的第一流体供应到热交换器的过渡室中； 通过形成在锥形加热构件的顶点中的开口供应第二流体并将其供应到形成所述过渡室的一部分的所述锥形加热构件的内部部分中； 用所述第二流体改变所述第一流体的所述至少一种材料的状态；以及通过位于所述热交换器的上部部分中的所述热交换器的出口，将所述第一流体的具有所述改变状态的所述至少一种材料输送出所述热交换器。
12.如权利要求11所述的输送流体的方法,其中将包含至少一种材料的第一流体供应到热交换器的过渡室中包括将包含至少一种气态材料和至少一种固体材料的第一流体供应到所述热交换器的所述过渡室中，并且其中用所述第二流体改变所述第一流体的所述至少一种材料的状态包括用所述第二流体将所述至少一种固体材料转变为至少另一气态材料。
13.如权利要求12所述的输送流体的方法，其中输送所述第一流体的所述至少一种材料包括通过所述出口输送所述至少一种气态材料和至少一种固体材料。
14.如权利要求11所述的输送流体的方法，其中通过锥形加热构件的顶点供应第二流体包括通过形成在所述热交换器中的另一进口供应所述第二流体和将其供应到与形成在所述锥形加热构件的所述顶点中的所述开口连通的受热流体室中。
15.如权利要求14所述的输送流体的方法，其进一步包括用所述受热流体室中的所述第二流体加热所述锥形加热构件的表面。
16.如权利要求11所述的输送流体的方法，其进一步包括: 在第一温度下 将所述第一流体供应到所述过渡室中； 在大于所述第一温度的第二温度下，供应所述第二流体；以及 在不同于所述第一温度和所述第二温度中的每个的第三温度下，通过所述出口将所述第一流体和所述第二流体输送出所述过渡室。
17.如权利要求16所述的输送流体的方法，其进一步包括: 将所述第一流体的至少一种材料呈固态供应到所述过渡室中；以及 将所述第一流体的所述至少一种材料呈气态输送出所述过渡室。
18.如权利要求11所述的输送流体的方法，其进一步包括: 将所述第一流体的至少一种材料呈固态供应到所述过渡室中；以及通过所述第二流体强迫所述第一流体的所述至少一种材料呈所述固态远离所述锥形加热构件的所述顶点。
19.一种使固体颗粒升华的方法，所述方法包括: 将包含至少一种材料的第一流体呈固态输送到热交换器的过渡室中； 将所述第一流体内的所述至少一种材料加热到气态，其包括: 通过锥形加热构件在比所述第一流体的温度高的温度下将第二流体引到到所述过渡室中；以及 混合所述第一流体与所述第二流体；以及 用所述第一流体将所述第一流体内的所述至少一种材料呈所述气态输送出所述过渡室。
20.如权利要求19所述的输送流体的方法，其中: 输送包含至少一种材料的第一流体包括输送固体二氧化碳以及液态甲烷和气态甲烷中的至少一种；以及用所述第一流体和所述第二流体将所述第一流体内的所述至少一种材料呈所述气态输送出所述过渡室包括将气态甲烷`和气态二氧化碳输送出所述过渡室。
全文摘要
热交换器包括具有进口和出口以及形成过渡室的一部分的外壳。加热构件可以形成过渡室的另一部分。加热构件包括具有第一开口的第一端和具有大于第一开口的第二开口的第二端。输送流体的方法包括将第一流体供应到热交换器的过渡室中、将第二流体供应到过渡室中，以及改变第一流体和第二流体的一部分的状态。使固体颗粒升华的方法包括将包含固态材料的第一流体输送到过渡室中、通过将第二流体引导通过加热构件将材料加热到气态和混合第一流体与第二流体。
文档编号F25J3/08GK103189701SQ201180051623
公开日2013年7月3日 申请日期2011年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者T·D·特纳, M·G·麦克凯拉 申请人:巴特勒能源同盟有限公司