[发明专利]用于低温冷凝的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于从气体去除诸如水蒸汽的可冷凝蒸汽的方法和系统，并且更具体地涉及低温冷凝器。

背景技术

用于从气体去除可冷凝蒸汽的低温冷凝器系统在本领域中被普遍熟知，例如美国专利6,505,472中描述的那些。在一些应用中，特别在使用基于乙醇配方的冷冻干燥应用中，需要非常低的冷凝温度（即冷于-100℃并且低于大多热传递流体的凝固点）。

冷冻干燥是升华过程，其以冰的形式从产品去除水。冷冻干燥在制药行业中以从生物产品去除水尤其有用，是因为其保存了生物产品的完整性。在冷冻干燥中，含水或含乙醇的产品被冰冻，并且在真空下，随水蒸汽的局部压力降低至水的三相点以下，冰冻的水升华并且升华的冰从干燥器被去除。

因此所需要的是改进的低温冷凝系统和方法，该系统和方法用于有效地从气体流去除诸如水蒸汽的可冷凝蒸汽，并且其可高效地且有效地在非常低的或低温温度下运行，这些温度在冷冻干燥循环期间是常见的。理论上，低温冷凝系统应该能够处理冷冻干燥过程中的大的热循环而没有由热膨胀和热收缩引起的应力裂纹。

发明内容

本发明的多个方面涉及用于冷凝或以别的方式从气体流去除可冷凝蒸汽的系统和方法，气体流为例如用于实施冷冻干燥过程的气体流。在一个实施例中，气体流（诸如包含可冷凝水蒸汽的氮气体流）被提供至包括携带诸如液态氮或其他相近物料(material)的制冷剂的两个或更多盘管(coil)的低温冷凝器。通过使气体流穿过/接近盘管，盘管可从气体流去除热量，导致气体流中的可冷凝蒸汽冷凝成液体和/或固体形式。此后，冷凝的蒸汽可从冷凝器去除，而现在具有降低的可冷凝蒸汽数量的气体被排出。

在一个实施例中，冷凝器的两个或更多盘管从入口至出口可具有基本相等的长度。此特征可允许盘管在去除可冷凝蒸汽中以更均匀的方式运行，例如，盘管可在产生冷凝物中以相同或相近的速率运行，可携带相近数量的制冷剂，和/或具有允许冷凝器更高效地运行的其他相近的运行特性。

在另一个实施例中，盘管可具有相对于彼此位于基本相等的高度的最高部分。此布置可允许盘管经受在盘管中携带的制冷剂的相同的流体压力，例如在盘管中由于重力导致的流体压力，并且因此盘管可具有相同或相近的制冷剂流速。就冷凝物产出而言这可帮助盘管以相同或基本相同的方式运行。

在又一个实施例中，盘管中的制冷剂流动可为独立可控的。如此的布置可允许冷凝器持续运行，即使一个盘管出现故障或以别的方式停止正常运行。例如，如果第一盘管开始泄漏制冷剂，那么第一盘管可关闭（例如通过停止供给至盘管的制冷剂），同时第二盘管继续运行。

在一个实施例中，低温冷凝器包括限定内部空间的壳体，该壳体具有用于将带有可冷凝蒸汽的气体引入内部空间的气体入口和用于排出气体的气体出口。第一盘管组和第二盘管组可位于内部空间中，其中每个盘管组都包括至少一个盘管，该至少一个盘管具有入口和出口并且布置成将制冷剂从入口引导至出口。因此，盘管可布置成在内部空间中冷却可冷凝蒸汽以将蒸汽冷凝成液体或固体形式。包括至少一个阀的制冷剂供给部(cryogen supply)可布置成独立地控制在每个盘管和/或盘管组中制冷剂的流动。第一组和第二组的盘管（或在至少一个组内的盘管）从入口至出口可具有基本相等的长度，和/或可具有相对于彼此位于基本相等的高度的最高部分。 

在一个实施例中，冷凝器壳体可限定具有顶部和底部的圆柱形空间，并且在内部空间中，第一盘管组可位于第二盘管组之上。备选地，盘管可嵌套或并排布置。壳体可具有布置在圆柱形空间的侧部处的气体入口和布置在圆柱形空间的顶部处的气体出口。入口挡板可布置在气体入口处以向圆柱形形状的底部导引气体，和/或可例如在圆柱形空间的顶部或底部提供其他挡板，以在内部空间中沿竖直方向导引气体流动。

在一个实施例中，每个盘管组都包括具有基本相等的长度的至少四个盘管并且其被布置成嵌套形式。可从公共导管给各个组的盘管提供制冷剂。从盘管的出口排出的制冷剂可通过公共制冷剂出口从冷凝器去除。