CN112041049B - 混合式冷却器/干燥器及其方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

混合式冷却器/干燥器及其方法

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

本发明提出了一种调节样品气体的方法和设备，降低了现有技术的成本且克服了现有技术的部分缺点。

特别地，发明人试图提出了一种具有以下特点的调节系统：

选择性去除水分；

最少的维护量；和

低成本。

另外，发明人试图提出了一种仅包括被动装置的系统，即不含电力驱动。这具有的好处在于，在爆炸性环境中，电力驱动装置的使用会受到限制。因此，发明人未使用风扇来实现冷却；取而代之的是，在这种受限环境中，本系统仅采用了被动冷却的方式。

另外，发明人认识到二氧化硫的溶解度随温度的降低而增加(这与通常的溶解行为相反)，因此，在较高温度下工作的调节系统能更准确地评价被采样工艺流程中的二氧化硫。也就是说，在较高的工作温度下，(a)较少的冷凝物产生，并且(b)基于上述溶解度关系，冷凝物中存在较少的二氧化硫。

根据本发明的教导，混合式冷却器/干燥器包括设置/装置，该设置/装置用于实现：被动热交换、可选的被动冷却、冷凝物和微粒去除，以及膜干燥。在一些情况中，混合式冷却器/干燥器永久性地安装在石化厂或炼油厂之类的设施中，位于采样位置和用于分析样品的气体分析仪之间。

在操作时，从采样位置(例如，烟囱等)抽出处理气体的样品(“样品气体”)，然后将其稍微冷却。冷却是以被动的方式进行，如下文将要进一步讨论的，样品气体与系统中其他位置处较冷的工艺物料流进行热交换，和/或使样品气体流经暴露于(较冷的)周边(设施)环境的延伸管道。

冷却样品气体会导致水分凝聚，这(主要)发生在冷凝物去除装置中，例如，但不限于，聚结过滤器或冲击器。冷凝物去除装置用于排出冷凝物，还可以用于从样品气体中去除其他较大微粒。在一些实施例中，冷凝物去除装置自身也被冷却，例如，通过空气放大器和散热器。

样品气体从冷凝物去除装置流向膜干燥器。在一些实施例中，过滤器和/或氨洗涤器位于冷凝物去除装置的下游，且位于干燥器的上游。

为了防止样品气体流向干燥器时发生冷凝，在样品气体离开冷凝物去除装置后，将其略微加热(即几摄氏度)。这样，可防止在从冷凝物去除装置通向干燥器的管道中或在干燥器自身中发生冷凝。在一些实施例中，如上所述，加热是通过与进入的样品气体进行热交换。也就是说，进入混合式冷却器/干燥器的热样品气体会损失部分热量给离开冷凝物去除装置的较冷样品气体。

然后，样品气体进入膜干燥器。在一些实施例中，膜干燥器包括Nafion^TM管道，其为磺化的基于四氟乙烯的含氟聚合物-共聚物。Nafion^TM对于在其表面转移水分具有极高选择性，例如从一种流动的气流(通常在Nafion^TM管道的内部)转移到另一种流动的气流(在管道的外部)。Nafion^TM可从新泽西州莱克伍德的博纯有限责任公司(Perma Pure,LLC)购得。尽管优选使用Nafion^TM，但也可以使用能够选择性传输水分的其他类型的膜。

在一些实施例中，膜干燥器为位于外壳内的多根Nafion^TM管。样品气体流经Nafion^TM管。较干燥的吹扫气体，该吹扫气体在示例性实施例中为干燥的仪表空气，相对于样品气体逆向流过Nafion^TM管的外部。由于Nafion^TM具备从气体中选择性去除水分的特性，混合式冷却器/干燥器能够将样品的露点降低至4℃，或更低。

根据被提取样品的类型和在设施中提取的位置的不同，样品进入混合式冷却器/干燥器的温度在20℃至120℃的范围内。根据设施位置的不同，环境温度在约0℃至50℃的范围内。本领域技术人员可理解的是，更为极端的环境可能需要额外的隔热。

如前所述，本发明的实施例提供了一种无电子设备的被动系统，从而能在爆炸性环境中使用。另外，由于本混合式冷却器/干燥器的工作温度比珀耳帖/热电冷却器的工作温度高，所以，与冷凝式冷却器相比，本系统样品气体中残留的二氧化硫相对较多。因此，相较于现有系统，本发明的实施例可在实际工艺流程中更精确地测定二氧化硫含量。

附图说明

图1描绘了根据本发明教导的混合式冷却器/干燥器。

图2描绘了根据本发明示例性实施例的调节样品气体的方法。

图3描绘了根据图1的混合式冷却器/干燥器的第一实施例。

图4描绘了图3的混合式冷却器/干燥器的侧视图，示出了为冲击器提供冷却的概念性设置。

图5A描绘了根据图1的混合式冷却器/干燥器的第二实施例。

图5B描绘了在混合式冷却器/干燥器的第二个实施例中，用于干燥器的吹扫气体的流动。

图5C描绘了在混合式冷却器/干燥器的第二个实施例中，样品气体向上直到离开冷凝物去除装置的流动。

图5D描绘了在混合式冷却器/干燥器的第二个实施例中，样品气体从离开冷凝物去除装置开始到经过干燥器的干燥以提供调节后的样品气体的流动。

图6描绘了根据图1的混合式冷却器/干燥器的第三实施例。

图7描绘了图6所示混合式冷却器/干燥器的替代实施例。

图8描绘了根据图1的混合式冷却器/干燥器的第四实施例。

具体实施方式

为以下术语提供明确定义，以便在本发明和所附权利要求书中使用：

术语膜干燥器的“壳侧”指干燥膜(例如，PFSA等)管的外部和容纳干燥膜管的外管的内部的区域。

术语膜干燥器的“管侧”指干燥膜(例如，PFSA等)管内的区域。

术语“吹扫气体”指被引入到膜干燥器的壳侧的气体，其被吹扫到管的外部，以便于从在管内流动的气体中去除水分。

术语“实质上”和“大约”指标称值的+/-15％之内。

术语“气体”指一种或多种气体(在室温下具有单一定义的热力学状态的物质)和/或一种或多种蒸汽(气相和液相可以共存的物质)。例如，“烟道气”通常包括气体和蒸汽两类，且每类包括不止一种气体。

本发明的实施方案用于调节气相样品，例如从石化设施、石油精炼厂等获得的气相样品，从而使得样品在进行冷凝物去除、微粒去除以及干燥后，再进入气体分析仪进行分析。

图1描绘了根据本发明教导的混合式冷却器/干燥器100的主要单元操作。这些操作包括：热交换102、冷凝物去除104以及干燥108。在一些实施例中，混合式冷却器/干燥器还包括冷却操作106。

在一些实施例中，通过将较热流体流经的第一导管靠着较冷流体流经的第二导管放置来实现热交换102。例如，在一些实施例中，第一导管的一段和第二导管的一段在物理上彼此邻近，使得流经第一导管的较热流体能将部分热量传递给流经第二导管的较冷流体。这样，较热流体被稍微冷却，而较冷流体被稍微加热。通过这种热交换，流体的温度可以只变化几度。

因此，在图1中，当样品气体进入混合式冷却器/干燥器100时具有第一状态S1，其中S1为温度和成分的函数；在热交换102之后，其被冷却到第二状态S2。完成冷凝物去除104的样品气体具有第三状态S3(与第二状态S2的区别为成分不同，以及在一些实施例中为温度不同)；然后，通过热交换102被加热后，其转换到第四状态S4。

在另一些实施例中，热交换102通过合适的热交换器进行，如管壳式热交换器。由于混合式冷却器/干燥器100较小(例如，通常安装在约600毫米×250毫米×120毫米的外壳内)，且气体流量较低，因此管壳式换热器也非常小，通常为大管内的单管。管道直径通常在2毫米至8毫米的内径范围内。

在一些实施例中，冷凝物去除104利用分离/冷凝物冲击器来实现，其还能去除10微米或更大尺寸的微粒以及酸雾。在另一些实施例中，可利用聚结过滤器实现相同功能。

在一些实施例中，在冷凝物去除104处，还设置有可选的被动冷却106(除通过热交换102进行的冷却之外)。尽管已知的冷却方式有多种，但还是希望避免在混合式冷却器/干燥器100中/附近使用电源。这是为了遵守设施关于使用混合式冷却器/干燥器的规定。在这些实施例中，冷却106通过空气放大器实现，其中该空气放大器将空气吹过与冷凝物去除装置热耦合的散热器。

样品气体在干燥操作108中被干燥，由状态S4转换到状态S5。在一些实施方案中，干燥是利用膜干燥器来实现。在一些实施例中，膜干燥器包括PFSA管，如Nafion^TM。在这些实施例中，气体样品通常被抽吸流经Nafion^TM管，而吹扫气体流经管道的外部。Nafion^TM管两端的水分压差用于提供干燥的驱动力。在一些实施例中，吹扫气体是仪表空气或其他干燥空气。空气越干燥，干燥器干燥样品气体的效果就越好。在一些实施例中，吹扫气体保持在真空下，以增强干燥效果。在一些实施例中，吹扫气体相对于样品气体逆向流动。

在一些实施例中，热交换102和冷凝物去除104由单个集成装置实现。在一些实施例中，热交换102、冷凝物去除104、以及干燥108由单个集成装置执行。

图2描绘了冷却/干燥气流的方法200。根据任务T202A，样品气体被冷却，例如通过与另一种较冷气流进行热交换。上述过程在图1中示出，样品气体由状态S1冷却到状态S2。在任务T204中，从样品气体中去除/分离在任务T202A中由冷却产生的冷凝物以及在任务T206中产生的所有冷却物。在一些实施例中，还从样品气体中去除大于约2微米的微粒。结合图1的讨论，冷凝物去除可以利用分离/冷凝物冲击器、聚结过滤器等，当然也不限于此。

在去除冷凝物之后，根据任务T202B，将不含冷凝物的样品气体从状态S3加热到状态S4(图1)。该加热使样品气体的温度升高到足以防止进一步冷凝的程度。根据样品条件、环境条件等的不同，加热量在约1℃至约30℃的范围内。研究表明，当加热量较低时，例如在约1℃到约3℃的范围内时，Nafion^TM干燥器在高环境温度下的性能得到改善。另外，即使少量的冷凝物进入干燥器，也会造成干燥器的性能急剧下降。

根据任务T208，将样品气体进行干燥。在此任务中，样品气体中的大部分水分被去除，使得离开干燥器后的样品气体露点低于4℃。此时，对样品气体进行适当调节，以便引入气体分析仪。在一些实施例中，干燥器分为两部分，包括用于去除大部分水分的主要干燥器，以及位于分析仪前的抛光机(辅助干燥器)，以确保样品气体的露点低于4℃。

图3描绘了根据本发明教导的混合式冷却器/干燥器300，其为图1中混合式冷却器/干燥器100的第一示例性实施例。

混合式冷却器/干燥器300主要包括热交换器302、分离冲击器304和干燥器308。分离冲击器与干燥器彼此流体耦合。混合式冷却器/干燥器300可将分离冲击器304进行冷却，此功能由空气放大器306A和散热器306B来实现。箭头示出了样品气体通过系统的路径。

本领域技术人员已知的是，分离冲击器304为可在市面上购得的装置。冲击器具有多种用途。在本方案中，冲击器用于从样品气体中去除冷凝物、微粒以及酸雾。

干燥器308是膜干燥器，在图3所示的实施例中，使用的是Nafion^TM管。Nafion^TM是基于磺化四氟乙烯的含氟聚合物-共聚物，是PFSA膜的一种。如前所述，Nafion^TM对在其表面转移水分具有极高选择性，例如从一种流动的气流(通常在Nafion^TM管的内部)转移到另一种流动的气流(在管道的外部)。在一些实施例中，干燥器308为从新泽西州莱克伍德的博纯有限责任公司购买的型号为PD-200T-24的产品。这种干燥器的长度为24英寸，在壳体内包含200个直径0.030英寸的平行Nafion^TM管。显然，在其他实施例中，干燥器308也可使用能从气流中去除水分的其他膜。

图4进一步描绘了对分离冲击器304进行冷却的细节，如前所述，包括空气放大器306A和散热器306B。空气放大器306A为利用少量压缩空气，以产生大量、高速气流的常规装置。与分离冲击器304热耦合的散热器306B是被动热交换元件。在示例性实施例中，散热器306B为多个直翅片。

继续参考图3和图4，在操作时，样品气体进入管道322，流向冲击器304的入口304A。在到达入口之前，通过热交换设置302的作用，样品气体冷却至少几度(约1摄氏度至3摄氏度)。

在该实施例中，热交换设置302是通过将输送被采样的样品气体(最高温度)的管道322抵靠着输送离开冲击器后的样品气体(更低温度)的管道324放置来实现的。因此，部分热量从管道322中的热样品气体传递到管道324中流向干燥器308的样品气体。这样，流向冲击器的样品气体被稍微冷却，而流向干燥器的样品气体被稍微加热。

因此，流到冲击器304入口304A的样品气体比刚获得的样品气体的温度稍低。通过空气放大器306A和散热器306B的作用，样品气体在冲击器304中进一步冷却。特别地，引入空气放大器306A的压缩空气407会引起其内空气405A的流动，从而产生被引导至散热器306B(已连接到冲击器)上方的大流量气流405B。这样，当样品气体流经冲击器304时，可进一步冷却。样品气体在最初进入时的温度约为80℃。当然，该温度可低至约20℃或高至约120℃，具体取决于样品气体在发电厂或石化/精炼设施中的来源。

经过热交换设置302以及空气放大器306A和散热器306B的冷却作用，水从样品气体中冷凝。利用冲击器304从样品气体中去除冷凝物。在一些实施例中，利用蠕动泵(未示出)从冲击器304中去除冷凝物。在另一些实施例中，利用喷射器(未示出)从冲击器304中去除冷凝物。此外，在冲击器304中还可去除样品气体中存在的大尺寸微粒和酸雾。

样品气体从出口304B离开冲击器304，并通过管道324流向干燥器308的管侧入口308A。如前所述，在到达干燥器之前，通过热交换设置302将样品气体加热几度。这种较小量的加热可防止样品气体在管道324中发生冷凝。保持较小加热量可以改善Nafion^TM管在高温环境下的干燥性能。发明人发现，相比自己提出的较复杂的电控加热Nafion^TM调节系统，这种简单且被动的系统在高环境温度(50℃)下具有更好的干燥性能。

样品气体进入干燥器308，并流经Nafion^TM管(未示出)到达管侧出口308B。吹扫气体从干燥器308的壳侧入口308C流入。吹扫气体，在示例性实施例中为“仪表空气”，被抽吸穿过Nafion^TM管的“外部”。吹扫气体相对于样品气体逆向流动。吹扫气体从壳侧出口308D离开干燥器308。样品气体和吹扫气体之间的水蒸汽压差以高选择性的方式驱动水分从样品气体进入吹扫气体。在一些实施例中，吹扫气体由加压的仪表空气推动流过。在一些实施例中，在0.1巴至0.8巴的绝对真空下抽吸吹扫气体。调节后的样品气体从管侧出口308B离开干燥器308，流向气体分析仪(未示出)。

由于本系统不包含任何电加热和温度控制，因此系统内样品气体的温度会受到环境温度的影响。在一些实施例中，在环境温度为25℃和进入的样品气体温度为100℃的情况下，样品气体以约78℃的温度进入分离冲击器304，然后以约60℃的温度离开。接着，在冲击器304的出口304B和干燥器308的入口308A之间，离开分离冲击器的样品气体被加热约2℃至3℃。调节后的样品气体以约30℃的温度离开干燥器，且具有小于0℃的露点温度。在环境温度接近5℃的情况下，样品气体离开冲击器时的温度可能低至20℃。在环境温度接近50℃的情况下，样品气体离开冲击器时的温度可能高达75℃。

本领域技术人员可以理解的是，混合式冷却器/干燥器300包括图3中未示出的各种辅助元件。例如，混合式冷却器/干燥器300可以使用泵、喷射器等，用于从冲击器304中去除冷凝物；以及使用喷射器/真空泵等，用于通过干燥器308抽出吹扫气体。

图5A描绘了根据本发明教导的混合式冷却器/干燥器500，其为图1的混合式冷却器/干燥器100的第二示例性实施例。

混合式冷却器/干燥器500主要包括热交换器502、聚结过滤器504和干燥器508。为清楚起见，图5A中未示出用于将混合式冷却器/干燥器中不同元件之间进行流体耦合的管道。这种管道被理解为存在且合适地连接各个端口，用于输送流体在整个混合式冷却器/干燥器中进行流动，参见图5B至5D中的虚线所示。

接头501通过端口501A流体耦合至将样品气体输送到混合式冷却器/干燥器500的采样线(未示出)。接头501通过端口501B流体耦合至热交换器502的第一端。热交换器502包括两根管，内管502₁和外管502₂。接头503通过端口503A流体耦合至热交换器502的另一端。

结合图5C所讨论的，聚结过滤器504用于接收在热交换器502中进行了冷却，或可选地还在其他管道中进行了冷却的样品气体。由冷却产生的所有冷凝物均会在聚结过滤器504中从样品气体中去除，冷凝物会以水滴的形式出现在聚结过滤器504中的过滤材料上。在一些实施例中，过滤材料是直径0.01微米的玻璃纤维；当然也可以使用其他合适的过滤材料。过滤器还可去除样品气体中携带的大于2微米左右的微粒以及酸雾。可以使用大头螺丝504D伸入聚结过滤器504的内部，以便定期更换和/或再生其中的过滤材料。聚结过滤器504包括入口504A、出口504B和冷凝物排放口504C。

在离开聚结过滤器504以及在热交换器502中对进入的较热样品气体加热之后，样品气体进入膜干燥器508。膜干燥器508包括样品气体入口508A、样品气体出口508B、吹扫气体入口508C和吹扫气体出口508D。与混合式冷却器/干燥器300的干燥器308一样，膜干燥器508也使用Nafion^TM管。在一些实施例中，可从新泽西州莱克伍德市的博纯有限责任公司购买型号PD-200T-20的干燥器用于此目的。该干燥器的长度为20英寸，壳内容纳有200个直径0.030英寸的平行Nafion^TM管。当然，在其他实施例中，可以使用具有能从气流中去除水分的其他类型的膜的膜干燥器。

图5A中还描绘了喷射器510，其包括端口510A、510B和510C。喷射器510用于产生从聚结过滤器504吸出冷凝物的抽吸流。

包括端口512A、512B、512C、512D和512E的喷射器/空气分配器512具有多种功能。其接收压缩空气以驱动喷射器510，从而在吹扫气体上建立真空，并将吹扫气体输送入干燥器508。流量计514接收作为干燥器508的吹扫气体的压缩空气。流量控制旋钮514A用于调节吹扫气体进入干燥器508的流量。

现结合图5B至5D讨论混合式冷却器/干燥器500的操作。带有箭头的虚线指示流体在端口间的指示方向上的流动。可以理解的是，虽然为清楚起见未示出，但是在各端口之间存在用于输送所指示的流体流动的管道。

图5B描绘了经过混合式冷却器/干燥器500的吹扫气体的流动。压缩空气从端口512A进入喷射器/空气分配器512，并从端口514B流入流量计514。旋钮514A控制空气(吹扫气体)由出口514C流向位于干燥器508底部附近的吹扫气体入口508C。进入喷射器/空气分配器512的压缩空气也流经端口512B。从端口508D流出干燥器508的吹扫气体流向喷射器/空气分配器512的端口512C。这种设置将吹扫气体置于真空中，由通过端口512B的空气流进行控制。真空计516用于指示真空度。空气和吹扫气体通过吹扫气体出口519从系统中排出。

图5C描绘了样品气体向聚结过滤器504的流动。样品气体从入口501A进入混合式冷却器/干燥器500，从端口501B流入热交换器502。在示例性实施例中，热样品气体流经内管502₁(图5A)。当然，在其他实施例中，从端口501A进入的热样品气体从内管502₁的外部与外管502₂的内部之间的环形区域进入热交换器502。

样品气体从端口503A流出热交换器502，并从端口503B流出接头503。在示例性实施例中，在流出端口503B后，当前已冷却几度的样品气体先进入被动冷却器，再进入聚结过滤器504。

在示例性实施例中，被动冷却器为被动冷却回路522，其为管路的延伸部分。流经被动冷却回路并暴露于壳520内的环境温度下后，样品气体进一步冷却，其中，该环境温度通常比离开热交换器502的、冷却后的样品气体温度低至少20℃。假设环境温度高达约50℃，则样品气体在进入聚结过滤器前将冷却至约60℃。在其他实施例中，可使用其他适宜的被动冷却装置。

样品气体从入口504A进入聚结过滤器，穿过其内的过滤材料。样品气体中的水分因凝结而聚积在聚结过滤器504中，并在喷射器510的作用下从端口504C排出。具体地，来自喷射器/空气分配器512的压缩空气，从端口512D离开，然后从端口510A进入喷射器510。流经喷射器并从喷射器出口510C流出的压缩空气将冷凝物从端口504C吸入喷射器的端口510B。然后，冷凝物与动力空气一起从出口510C排出系统。

图5D描绘了样品气体从聚结过滤器504流出并流经干燥器508的流动。

不含冷凝物的样品气体从出口504B离开聚结过滤器，从接头503的端口503C进入热交换器的内管502₁(图1)。内管502₁继续通过端口503A进入热交换器502。相对于流经内管502₁的外部与外管502₂的内部之间环形区域的热样品气体的流动方向，不含冷凝物的样品气体逆向流动。

内管502₁穿过端口501B，不含冷凝物的样品气体从端口501C离开热交换器的接头501，然后流向干燥器508。流过热交换器502的不含冷凝物的样品气体被加热约1至3℃。如果样品气体直接从聚结过滤器504流向干燥器508，则样品气体可能会因稍微的冷却而产生凝结水，这对于干燥器508而言是不利的。

因此，样品气体从端口501C流向干燥器入口508A。样品气体穿过干燥器508内的管状干燥膜(未示出)，然后从干燥器出口508B离开干燥器。如前所述，在示例性实施例中，干燥膜是Nafion^TM管。流过Nafion^TM管外部的干燥吹扫气体为除湿提供驱动力。当前调节的样品气体穿过出口508B，流向样品气体出口519并从样品气体出口519流出。然后，调节后(如，干燥等)的气体流向气体分析仪(未示出)。

图6描绘了根据本发明教导的混合式冷却器/干燥器600，其为图1的混合式冷却器/干燥器100的第三示例性实施例。

混合式冷却器/干燥器600主要包括热交换器602、聚结过滤器604和干燥器608。这些元件至少部分地容纳在壳620中。为简洁起见，图6中未示出用于输送加压空气例如用作干燥器608的吹扫气体的管道，以及用于将冷凝物输送出聚结过滤器的管道。这些管道被理解为存在且合适地连接到各端口，以输送吹扫气体和冷凝物。

接头601流体耦合至用于将样品气体输送至被动冷却导管622的采样线(未示出)。为了在壳620中相对狭窄空间里增加被动冷却导管622的长度，导管的一部分设置为盘旋结构，如螺旋形等。被动冷却导管622的盘旋结构所增加的导管长度使得导管内的热样品气体更容易将热量传递到周围环境(周围环境通常低30至40℃)。此外，尽管被动冷却导管622并未物理接触由聚结过滤器604的出口604B到干燥器608的入口608A的导管624，但这两根导管的邻近也会导致部分热量交换。当混合式冷却器/干燥器600的元件容纳在壳620中时，尤为如此。

冷却后的样品气体从入口604A从被动冷却导管622流入聚结过滤器604。由冷却产生的所有冷凝物都会在聚结过滤器604中从样品气体中去除，冷凝物会以水滴的形式出现在聚结过滤器604中的过滤材料上。在一些实施例中，过滤材料是直径0.01微米的玻璃纤维。当然，也可以使用其他合适的过滤材料。过滤器还可以去除样品气体中尺寸大于2微米左右的微粒以及酸雾。聚结过滤器中的过滤材料会定期进行更换和/或再生。冷凝物通过排放口604C从聚结过滤器604中去除。然后，冷凝物通过端口610从系统中去除。

在离开聚结过滤器604以及当穿过导管624时被加热后，样品气体从入口608A进入膜干燥器608。与之前讨论的干燥器308和508一样，膜干燥器608包括样品气体入口608A、样品气体出口608B、吹扫气体入口608C和吹扫气体出口608D。如上所述干燥器，膜干燥器508也使用Nafion^TM管。当然，在其他实施例中，也可以使用具有能从气流中去除水分的其他类型的膜的膜干燥器。

与先前讨论的实施例不同，样品气体“向上流动”穿过干燥器608。吹扫气体相对于样品气体逆向流动，因此，其从吹扫气体入口608C进入，并从吹扫气体出口608D离开。值得注意的是，干燥器608的一部分延伸出壳620的外部。这是因为干燥器608的上部不需要与壳520内的热交换器热耦合。

压缩空气入口512接收输送到吹扫气体流量计614的端口614A处的压缩空气。吹扫气体从流量计的出口614B流向吹扫气体进口608C。

图7描绘了混合式冷却器/干燥器600的替代实施例；其中，导管624(从聚结出口到干燥器入口)穿过由被动冷却导管622的盘旋部分形成的开口，以此形成热交换器702。

图8描绘了根据本发明教导的混合式冷却器/干燥器800，其为图1的混合式冷却器/干燥器100的第四示例性实施例。

在该实施例中，混合式冷却器/干燥器的主要单元操作(即，参见图1：热交换、冷凝物去除和干燥)是通过单个集成装置执行的。也就是说，混合式冷却器/干燥器800包括组合式热交换器和冷凝物去除装置(HECRD)804。

HECRD 804包括下部830，其中下部830包含过滤器壳832和设置在其内的过滤器834。在壳832的内部和过滤器834的外表面之间形成的环形区域836积聚了从样品气体中去除的冷凝物。冷凝物经由出口804C从环形区域836中去除。

HECRD包括由壳842形成的上部840，热交换在其内部进行。特别地，被动冷却导管822靠近导管824，其中导管824从环形区域836输送较冷的不含冷凝物的样品气体。干燥器808的下部延伸进入HECRD 804的上部840。因此，不含冷凝物的样品气体进入区域840内的干燥器808。气体向上流动通过干燥器808。

干燥器808的类型可以与其他实施例中公开的类型相同。也就是说，干燥膜是Nafion^TM管的膜干燥器；当然，也可以使用其他类型的膜。干燥的吹扫气体被引入干燥器，并流过Nafion^TM管的外部，以提供去除水分的驱动力。为简洁起见，未示出输送用于吹扫气体的压缩空气的导管和吹扫气体流量计等。

在一些实施例中，离开干燥器的调节后的样品气体流向气体分析仪(未示出)。在其他实施方案中，样品气体流向“抛光器”，此为在进入气体分析仪之前膜干燥的另一阶段。

混合式冷却器/干燥器800可以设置在壳(未示出)中，也可以连接到板上。

在其他实施例中，如图8的实施例所示，干燥器808与HECRD 804并未集成在一起。更具体地，干燥器808的任意部分都未延伸入壳842中。在其他实施例中，可以在HECRD 804的上部840中形成第一和第二通道，而不是离散的管或导管。

可以理解的是，本发明仅教导多个示例性实施例中的一个示例，本领域技术人员在阅读本发明之后可以容易地设计出本发明的许多变型，并且本发明的范围将由如下权利要求确定。

Claims (28)

1.一种用于调节样品气体的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述混合式冷却器/干燥器包括：

气-气热交换器；

气冷冷凝物去除装置；和

位于所述冷凝物去除装置下游的膜干燥器，其中：

(a)所述热交换器用于在所述样品气体进入所述冷凝物去除装置前，对所述样品气体进行物理冷却；

(b)所述冷凝物去除装置用于从所述样品气体中物理去除冷凝物；

(c)所述热交换器用于物理加热离开所述冷凝物去除装置、但还未进入所述膜干燥器的不含冷凝物的样品气体；和

(d)所述膜干燥器用于将所述不含冷凝物的样品气体的露点物理降至低于4℃，以提供调节后的样品气体。

2.根据权利要求1所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述热交换器包括：

第一管道，用于输送未进入所述冷凝物去除装置的样品气体；和

第二管道，用于输送离开所述冷凝物去除装置的样品气体；

其中，所述第一管道和所述第二管道被物理设置为使热量能够从所述第一管中的样品气体传递到所述第二管中的样品气体。

3.根据权利要求2所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，至少所述第一管道的一部分与所述第二管道的一部分彼此邻接。

4.根据权利要求2所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述第一管道和所述第二管道同心地放置，使得所述第一管道在所述第二管道内，或者所述第二管道在所述第一管道内。

5.根据权利要求2所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述第一管道中的所述样品气体的冷却量在约1摄氏度至约20摄氏度的范围内。

6.根据权利要求2所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述第二管道中的所述样品气体的加热量在约1摄氏度至约20摄氏度的范围内。

7.根据权利要求2所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述第二管道中的所述样品气体的加热量在约1摄氏度至约3摄氏度的范围内。

8.根据权利要求1所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，不利用电力给所述混合式冷却器/干燥器的任何元件供电。

9.根据权利要求1所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，在离开所述热交换器之后和在被去除冷凝物之前，所述样品气体通过被动冷却器进一步冷却。

10.根据权利要求9所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，

所述被动冷却器包括形成被动冷却回路的第三管道；其中，所述第三管道的长度比所述第一管道的长度长。

11.根据权利要求10所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述第三管道的长度至少比所述第一管道的长度长约10倍。

12.根据权利要求1所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述调节后的样品气体的温度在约5摄氏度至约50摄氏度的范围内。

13.根据权利要求1所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述样品气体在所述混合式冷却器/干燥器的入口温度在约50摄氏度至约120摄氏度的范围。

14.根据权利要求1所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述膜干燥器包括至少一个管，所述管包括全氟磺酸(PFSA)膜。

15.根据权利要求1所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述混合式冷却器/干燥器还包括壳；其中所述壳容纳有所述热交换器、所述冷凝物去除装置和所述干燥器；

其中，所述壳的长度小于约四分之三米，所述壳的宽度约为四分之一米，所述壳的厚度或深度约为八分之一米。

16.一种用于调节样品气体的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，包括：

气-气热交换器，由第一管道和第二管道组成；

被动冷却器；

聚结过滤器，用于从样品气体中去除冷凝物；

和

膜干燥器，用于干燥所述样品气体，将所述样品气体的露点降低至小于4℃；

进一步地，其中：

(a)所述第一管道流体耦合至所述被动冷却器，所述被动冷却器流体耦合至所述聚结过滤器的入口；

和

(b)所述第二管道流体耦合至所述聚结过滤器的出口和所述膜干燥器的入口。

17.根据权利要求16所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述被动冷却器为形成被动冷却回路的第三管道；其中，所述第三管道的长度比所述第一管道的长度长。

18.根据权利要求16所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述膜干燥器包括至少一个管，所述管包括全氟磺酸(PFSA)膜。

19.根据权利要求16所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述混合式冷却器/干燥器还包括第一喷射器；其中，所述第一喷射器用于从所述聚结过滤器抽吸所述冷凝物。

20.根据权利要求16所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述混合式冷却器/干燥器还包括第二喷射器；其中，所述第二喷射器用于将引入所述膜干燥器的吹扫气体置于真空中。

21.根据权利要求16所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述第二管道中的所述样品气体的加热量在约1摄氏度至约3摄氏度的范围内。

22.一种用于调节样品气体的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，包括：

组合式热交换器和冷凝物去除装置(HECRD)，和

膜干燥器；

其中，所述组合式热交换器和冷凝物去除装置用于从物理上：

(a)冷却样品气体；

(b)从所述样品气体中去除冷凝物，从而产生不含冷凝物的气体样品；和

(c)在所述不含冷凝物的样品气体进入所述膜干燥器之前，对所述不含冷凝物的样品气体进行加热；

进一步地，其中，所述膜干燥器用于将所述不含冷凝物的样品气体的露点物理降低至小于4℃，以提供调节后的样品气体。

23.根据权利要求22所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述组合式热交换器和冷凝物去除装置的上部包括内部通道，用于将较热的样品气体与所述不含冷凝物的样品气体进行热交换，从而冷却进入所述组合式热交换器和冷凝物去除装置的所述样品气体，以及加热离开所述组合式热交换器和冷凝物去除装置的所述不含冷凝物的样品气体。

24.根据权利要求22所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述膜干燥器包括至少一个管，所述管包括全氟磺酸(PFSA)膜。

25.根据权利要求22所述的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，不含冷凝物的所述样品气体的加热量在约1摄氏度至约3摄氏度的范围内。

26.一种用于调节样品气体的混合式冷却器/干燥器，其特征在于，所述混合式冷却器/干燥器由如下部分构成：

膜干燥器；以及

组合式热交换器和冷凝物去除装置(HECRD)，所述HECRD包括

(1)下部，包含

(a)过滤器壳和设置在其内的过滤器，

(b)在所述过滤器壳的内部和所述过滤器的外表面之间形成的环形区域，所述环形区域积聚从样品气体中去除的冷凝物；

(2)上部，热交换在所述上部内部进行，所述上部包括：

(a)壳，

(b)位于所述壳内的被动冷却导管，所述被动冷却导管接收所述样品气体，并且与所述过滤器流体连通；

(c)位于所述壳内的第一导管，所述第一导管输送不含冷凝物的样品气体，其中所述第一导管的第一端与所述环形区域流体连通，所述第一导管的第二端与所述膜干燥器的入口流体连通，其中所述被动冷却导管足够接近所述第一导管，从而在被动冷却导管和所述第一导管之间发生热交换，以及

其中，所述膜干燥器包括所述入口的下部位于所述HECRD的上部内。

27.一种调节样品气体的方法，其特征在于，所述方法包括：

接收样品气体；

在冷凝物去除装置中去除样品气体中的冷凝物，以形成不含冷凝物的样品气体；在将所述样品气体引入冷凝物去除装置之前，先通过与所述不含冷凝物的样品气体热交换冷却所述样品气体；

通过与所述样品气体热交换加热所述不含冷凝物的样品气体；和

在膜干燥器中干燥所述不含冷凝物的气体样品。

28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述冷却所述样品气体还包括：

在与所述不含冷凝物的样品气体热交换之后，使所述样品气体流过包括一段管路的被动冷却回路，使所述样品气体暴露在环境温度下。

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