[发明专利]混合式冷却器/干燥器及其方法

说明书

一种调节样品气体的混合式冷却器/干燥器，包括热交换器、冷凝物去除装置和膜干燥器。在一些实施例中，混合式冷却器/干燥器还包括被动冷却，如利用空气放大器和散热器来实现，或是利用将样品气体暴露于环境温度的一段管路。所述混合式冷却器/干燥器不需要电源。

相关申请

本发明要求于2018年3月30日提交的申请号为62/650,482的美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及在分析之前对气体样品进行预处理。

背景技术

对工艺流进行定期和准确的分析有利于电厂、石化厂或炼油厂的有效运行。不管处理方式如何，流过管道的气态过程或排放流通常包含污染物(例如，氮和硫的氧化物等)、微粒、湿气以及其他蒸汽。

当管道中温度降低时，样品中的水分和其他蒸汽可能会凝聚，导致部分控制系统和冷凝蒸汽聚结。从此类流中提取样品的连续过程分析仪可能会暴露在冷凝物中，从而导致仪器失效。

在抽取热样品(约80℃)时，可冷凝水蒸汽的存在尤其成为问题。具体地，某些感兴趣的组分(如二氧化硫)易于溶解在液态水中。样品在流经连接到过程分析仪的管道的过程中会冷却。当发生这种情况时，样品中的部分水蒸汽会冷凝，并从样品气体中吸收部分二氧化硫，从而导致样品流中二氧化硫的读数不准确(偏低)。此外，溶解的二氧化硫与水反应会生成对设备有腐蚀性的硫酸。因此，在样品气体进入过程分析仪之前，通过去除至少部分水分和微粒来调节样品是非常重要的。

从样品气流中去除水分的方式有几种。其中一种是使用集水器，其为一种与流向分析仪的气流呈直线分布的廉价设备。当气体向周围环境传递热量逐渐冷却时，集水器从气流中去除冷凝物，但不会进一步干燥气体。集水器为非特定性的，除了去除在当前温度下冷凝的所有气体，还可去除溶解在冷凝物中的所有蒸汽/气体，如二氧化硫。但是，这会影响对下游气体分析的准确性，并还可能导致上述腐蚀问题。

另一种方式是使用干燥剂干燥器，通过将水结合到吸收剂上来实现。吸收剂可以是固体(例如硅胶)，也可以是液体(例如硫酸)，将水结合到其化学结构上形成化合水。干燥剂的操作非常简单，与集水器一样，它们也是非特定性的，因此可以去除水以外的其他许多化合物。但是，与集水器不同的是，不能通过简单的排水将水从干燥剂中去除。因此，干燥剂在逐渐吸满水后，需要定期再生。对于大多数分析仪在应用时，需要定期更换干燥剂，从而导致在分析仪的使用期限内既费时又昂贵。

可能最常用的除湿设备是珀耳帖(Peltier)或热电冷凝冷却器。这些设备冷却气流，直到水和其他液体冷凝，然后收集和排出冷凝物。与集水器一样，它们也为非特定性，可以去除所有冷凝物以及其中溶解的所有气体。这些冷却器价格高昂，与其他方式相比，使用冷却器的方式相对昂贵。因为冷却器的成本较高，而且还需要定期维修或更换。冷凝冷却器通常干燥至约4℃的露点。

膜干燥系统，包括利用基于磺化四氟乙烯的含氟聚合物共聚物的膜干燥系统，例如全氟磺酸(PFSA)，尤其是Nafion^TM管，为从气流中去除水分提供了非常有选择性的选择。

在操作中，有时在真空下，由相对干燥的环境空气或仪表空气组成的“吹扫气体”被抽吸经过Nafion^TM管的外部，而相对湿润的气体样品流经管内。将干燥器入口处的温度控制在高于气体样品预期露点的温度。气体样品和吹扫气体之间的水蒸汽压差会驱使水分从样品进入吹扫气体，但不会驱使其他分析物进入吹扫气体。

虽然现有的基于Nafion^TM的干燥系统对除湿具有极高的选择性，但实施相对复杂。例如，部分这类系统包括具有多个加热器、多个微粒过滤器和较复杂的控制系统的单独的温度控制区。

综上所述，有必要对调节气体样品的系统和方法进行改进。

发明内容