[发明专利]升华系统和相关方法

说明书

相关申请案

本申请要求于2010年11月3日提交的标题为“SUBLIMATION SYSTEMS AND ASSOCIATED METHODS”的美国正式(Non-provisional)专利申请序列号12/938,967的权益和优先权，该申请以其全部内容通过引用的方式并入本文。

本申请涉及于2007年9月13日提交的标题为“HEAT EXCHANGER AND ASSOCIATED METHODS”的共同未决的美国专利申请11/855,071、于2010年11月3日提交的标题为“VAPORIZATION CHAMBERS AND ASSOCIATED METHODS”的美国专利申请12/938,761，以及于2010年11月3日提交的标题为“HEAT EXCHANGER AND RELATED METHODS”的共同未决的美国专利申请12/938,826。每个前述申请的公开内容以其整体通过引用的方式并入本文。

发明的合约起源

本发明是在美国能源部授予的合同号DE-AC07-05ID14517下通过政府支持来制定的。政府对本发明享有一定的权利。

发明领域

本发明一般涉及用于蒸发和升华的系统和与其使用相关的方法。更具体地，本发明的实施方案涉及被构造来蒸发其中包括固体颗粒的流体的第一热交换器和被构造来升华固体颗粒的第二热交换器。此外，本发明的实施方案涉及在流体之间传递热量的方法、升华流体中的固体颗粒的方法和输送流体的方法。

背景

液化天然气的生产是将主要的甲烷(CH₄)气体还原为液态的制冷过程。然而，天然气由除了甲烷之外的多种气体组成。天然气中包含的气体中的一种是二氧化碳(CO₂)。在美国发现的大部分天然气基础设施中发现有约1％数量的二氧化碳，且在全世界的许多地方，碳含量非常高。

二氧化碳在天然气液化的过程中可能会造成问题，因为二氧化碳的冷冻温度高于甲烷的液化温度。二氧化碳相对于甲烷的高冷冻温度将会随着天然气冷却而导致固体二氧化碳晶体形成。这个问题使在传统设备中进行液化过程之前从天然气中去除二氧化碳成为必要。在液化过程之前从天然气中分离二氧化碳的过滤设备可能会很大，可能需要大量的能量来操作，并且可能会非常昂贵。

小规模液化系统已被开发，并变得非常流行。在多数情况下，这些小设备都仅使用缩小版的现有液化和二氧化碳分离过程。爱达荷国家实验室(Idaho National Laboratory)已经开发了一种创新的小规模液化设备，其无需昂贵、设备密集、前期清理二氧化碳。用天然气流来处理二氧化碳，并在液化步骤期间，二氧化碳被转换为结晶固体。然后将液体/固体浆料传输至分离装置，该装置将干净液体从上溢中引导出，并将二氧化碳浓缩浆料从下溢中引导出。

然后通过热交换器来处理下溢浆料，以将二氧化碳升华回气体。理论上，这是一个非常简单的步骤。然而，固体二氧化碳和液体天然气之间的相互作用会产生用标准热交换器非常难以解决的条件。在液体浆料中，二氧化碳处于纯的或几乎纯的过冷却状态，且不溶于液体。二氧化碳须足够重以迅速沉降到大部分流动区域的底部。由于沉降发生，热交换器的管道和端口可随着二氧化碳量的堆积而被堵塞。除了集中在不希望的位置上之外，二氧化碳也有聚集在一起的倾向，使得更难以冲过系统。

使二氧化碳升华回气体的能力可依以下条件而定：使固体变为气体的液相并进入装置的较暖部分，而不会集中和聚集到塞子中。当液体天然气被加热时，它会保持在约-230°F的大致恒定温度(于50psig)下，直到所有的液体已经从两相气体变为单相气体。固体二氧化碳不会开始升华回气体，直到周围的气体温度已达到近似-80°F。虽然固体二氧化碳很容易在液体甲烷中被运输，但是将固体二氧化碳晶体运输至热交换器的较暖部分的能力基本上会随液体天然气蒸发而减少。在移动时的温度下，蒸发的天然气是运输固体二氧化碳晶体的唯一方法，由于彼此翻滚的相互作用，晶体可开始聚集在一起，从而导致上述的堵塞。

除了聚集之外，当晶体到达热交换器的较暖区域时，它们开始熔化或升华。如果熔化发生，则结晶的表面变粘，导致晶体有粘到热交换器的壁的趋势，降低热交换器的效力并产生局部结垢。局部结垢区域可能会导致热交换器被堵塞，且如果流体速度不能赶走污垢则会最终堵塞。