熱交換系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種熱交換系統(tǒng)，包括：-單一設(shè)備(N)，設(shè)備(N)具有浸沒在流體槽(N1)中的區(qū)域以及位于頂部且氣相被聚集的自由空間(N2)；-至少一個間隔件(P)，間隔件(P)兩端敞開，位于設(shè)備內(nèi)部且完全浸沒在流體槽中；-一個或多個熱交換表面(6、7、8、9、10、11)，該系統(tǒng)的特征在于：該系統(tǒng)包括在單一設(shè)備中的所有的熱交換表面；熱交換表面完全浸沒在流體槽中且通過物質(zhì)流與該系統(tǒng)外部的熱源和冷源流體連接。熱交換表面(6、7、8)的至少一個位于間隔件內(nèi)部且至少另一表面(9、10、11)位于間隔件和設(shè)備的壁之間的空間中。
【專利說明】熱交換系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熱交換系統(tǒng)，該熱交換系統(tǒng)允許回收與在制備氫氣和/或合成氣的過程中循環(huán)的物質(zhì)流相關(guān)聯(lián)的熱。本發(fā)明也允許將多余的熱轉(zhuǎn)化為氣相，尤其是蒸汽。更具體地，本發(fā)明允許回收在催化部分氧化過程中被傳遞的熱，尤其是在合成氣的制備反應(yīng)中產(chǎn)生的以及在水煤氣變換反應(yīng)中可能產(chǎn)生的熱。
【背景技術(shù)】 [0002]由烴類和有機化合物制備氫氣和/或合成氣的方法的特征在于生成熱(放熱步驟)或吸收熱(吸熱步驟)的一系列步驟。通常，不同步驟在不同的溫度水平進行，從氣體凈化過程的室溫到低接觸時間催化部分氧化(SCT-CPO)過程的1100°C。更具體地，溫度從氣體凈化過程的室溫波動到SCT-CPO過程的600°C -1000°c。SCT-CPO過程的中間階段進一步設(shè)想具有加熱和冷卻步驟的熱交換通道，例如脫硫(350°c -400°C )、水煤氣交換(280V -390V )和廢氣燃燒^(KTC -8000C )。為了達到不同工藝步驟所需的合適溫度，不同的物質(zhì)流必須被加熱和冷卻多次，因此，熱交換的優(yōu)化是根本性的方面，在所有氫氣和合成氣的制備過程中更是如此。
[0003]熱交換代表在每個過程中的關(guān)鍵點和設(shè)備復雜性，熱交換對成本也有很大的影響，例如，在熱交換設(shè)備、管道、調(diào)節(jié)閥、自動化和控制系統(tǒng)方面。
[0004]例如，已知技術(shù)方案開發(fā)了使用一個或多個熱交換裝置冷卻生成飽和蒸汽和/或過熱蒸汽的過程的熱氣體。
[0005]專利US4，488，513公開了一種用于冷卻熱氣體(尤其是來自部分氧化過程的合成氣)的交換器，從而回收了顯熱并同時產(chǎn)生過熱蒸汽。該交換器包括兩個疊置的分開的不同的區(qū)域，這兩個區(qū)域通過一系列有適當夾套的熱氣體通道管線而相互連接。上部包括豎直的、圓柱形的且密閉的加壓瓶，該瓶上部具有用于過熱蒸汽的出口。該瓶部分填充沸水，它形成了熱氣體的第一冷卻區(qū)域，而上部是自由的并充滿過熱蒸汽，上部形成了第二冷卻區(qū)域。螺旋形管束繞中心軸均勻地且沿徑向地定位，其中一個螺旋上升，一個螺旋下降。沸水槽填充瓶直到瓶底部，并與水進給相連接。下部涂覆有耐火材料且為熱氣體進給區(qū)域。在這個區(qū)域，熱氣被分入與上部區(qū)域的螺旋形管束相連接的一系列有夾套的通道管。通道管的夾套具有防止高溫損壞的功能。
[0006]專利US4，462，339公開了一種通過水冷卻熱氣體(例如那些來自部分氧化的熱氣體)的交換器，從而回收了顯熱并同時產(chǎn)生了飽和蒸汽和/或過熱蒸汽。該交換器包括兩個不同的分開的部分，這兩部分彼此通過有夾套的環(huán)形通道相互連接，水在有夾套的環(huán)形通道中循環(huán)。下部涂覆有耐火材料并形成了熱氣體的進給腔。上部為密閉的、豎直的、圓柱形的加壓瓶，該瓶底部包括中心密閉圓柱形腔，瓶頂部敞開，包括至少一束螺旋形管、位于頂部的用于飽和氣體的中心出口、延伸進入中心腔和瓶壁之間的環(huán)形區(qū)域的不同螺旋形管束。環(huán)形區(qū)域的螺旋形管的出口與中心腔的螺旋形管的入口連接。水在環(huán)形區(qū)域中循環(huán)，蒸發(fā)并產(chǎn)生飽和蒸汽。在中心腔中，飽和蒸汽可通過位于腔底部的排出口排出或變得過熱。水存在的區(qū)域是上方豎直瓶的下部，且被水平隔膜分為兩個區(qū)域:位于瓶底部和隔膜之間的區(qū)域(氣體的夾套通道管沿著該區(qū)域延伸)，以及位于中心腔下方和隔膜上方的區(qū)域(沸水在該區(qū)域中循環(huán))。管有夾套以防止進入氣體的高溫所造成的損壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]因此， 申請人:發(fā)現(xiàn)了用于實現(xiàn)和優(yōu)化在氫氣和/或合成氣的制備過程中循環(huán)的熱物質(zhì)流和冷物質(zhì)流所生成和傳遞的熱的回收的創(chuàng)新的技術(shù)方案。該方案，也就是本發(fā)明的目的涉及一種熱交換系統(tǒng)，其中來自氫氣和/或合成氣制備過程的不同階段的各種物質(zhì)流(相應(yīng)的熱流與之相關(guān)聯(lián))，通過單一中心系統(tǒng)進行熱交換，該單一中心系統(tǒng)結(jié)合了在單一設(shè)備中對試劑進行預熱或加熱、冷卻產(chǎn)物和產(chǎn)生蒸汽的功能。該系統(tǒng)包括完全浸沒在流體槽(優(yōu)選為水)中的一個或多個熱交換表面，它具有冷卻和加熱功能。這樣，在流體槽中就建立了一個強大的自然循環(huán)，允許熱交換和平衡，并將多余的熱能轉(zhuǎn)化成氣相，優(yōu)選為蒸汽，在熱交換系統(tǒng)所包括的設(shè)備的上部，該蒸汽被收集和分離。
[0008]本發(fā)明的目的是簡化與熱交換現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)的設(shè)備方案的復雜性，并提高氫氣和合成氣制備操作的能量效率和安全性。[0009]本發(fā)明涉及一種熱交換系統(tǒng)，包括:
[0010]?單一設(shè)備，所述單一設(shè)備具有浸沒在流體槽中的區(qū)域以及位于頂部且氣相被聚集的自由空間；
[0011]?至少一個間隔件(interspace)，所述間隔件兩端敞開，位于所述設(shè)備內(nèi)部且完全浸沒在所述流體槽中；
[0012]?一個或多個熱交換表面；
[0013]?用于來自外部冷卻源的一個或多個冷物質(zhì)流的至少一個入口門以及用于來自外部熱源的一個或多個熱物質(zhì)流的至少一個入口門；
[0014]?通過所述熱交換表面的用于至少一個冷卻后的物質(zhì)流的至少一個出口門和用于至少一個加熱后的物質(zhì)流的至少一個出口，
[0015]所述系統(tǒng)的特征在于:
[0016]?所述系統(tǒng)包括在單一設(shè)備中的所有的所述熱交換表面；
[0017]?所述熱交換表面完全浸沒在所述流體槽中且通過物質(zhì)流與所述系統(tǒng)外部的所述熱源和所述冷源流體連接。
[0018]本發(fā)明也涉及所述熱交換系統(tǒng)，其中熱交換表面位于間隔件的內(nèi)部且至少另一表面位于所述間隔件和所述設(shè)備的壁之間的空間中。間隔件內(nèi)部的熱交換表面產(chǎn)生熱給冷物質(zhì)流并加熱冷物質(zhì)流，位于間隔件和罐壁之間的熱交換表面吸收來自熱物質(zhì)流的熱并冷卻熱物質(zhì)流。
[0019]本發(fā)明有利地允許回收氫氣和/或合成氣制備過程的不同的放熱步驟所產(chǎn)生的熱。通過流體槽，顯熱被傳遞到吸熱工藝步驟所涉及的物質(zhì)流，從而促進了過程的能量優(yōu)化并減少了能耗。在催化部分氧化過程中，例如，該系統(tǒng)可以典型地通過反應(yīng)產(chǎn)物和水煤氣交換反應(yīng)的產(chǎn)物有利地回收來自放熱步驟的熱能，并將熱能提供給在吸熱步驟(例如脫硫步驟)中操作的流。本系統(tǒng)可以有利地促進將物質(zhì)流冷卻到所需溫度。
[0020]多余的熱被有利地轉(zhuǎn)化為蒸汽，因此蒸汽可以被再用于過程中的其他目的或用于外部用途。本發(fā)明有利地允許降低必要的負擔、設(shè)備的成本，并提高設(shè)計用于合成氣制備、冷卻及蒸汽制備的系統(tǒng)的可能性。
[0021]最后，本發(fā)明允許生產(chǎn)預組裝單元，預組裝單元可被運輸和安裝在使用場所，并極大地減少了成本和干擾風險。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]本發(fā)明的其他目的與優(yōu)點將會在下面的描述與附圖(僅為說明性而非限制性目的提供的)中顯得更為明顯。
[0023]圖1示出了用于回收應(yīng)用到催化部分氧化過程的物質(zhì)流所傳遞的熱的熱交換系統(tǒng)，其中多余的熱所產(chǎn)生的蒸汽被用于產(chǎn)生電能。圖1中，可以觀察到下述流和元件:
[0024]-A為脫硫步驟；
[0025]-B為催化部分氧化步驟；
[0026]-C為水煤氣交換步驟；
[0027]-D為氫氣純化和/或分離步驟；
[0028]-E為排出氣體或廢氣的燃燒步驟；
[0029]-F為與G發(fā)電機聯(lián)接的蒸汽渦輪機；
[0030]-L為冷凝器；
[0031]-M為重整泵；
[0032]-N為單一熱交換設(shè)備；
[0033]-1a為冷試劑流；
[0034]-1b為冷氧化流；
[0035]-1c為冷惰性流；
[0036]-2為反應(yīng)產(chǎn)物熱流；
[0037]-3為包括氫氣和二氧化碳的熱流；
[0038]-4為包括燃燒氣體的熱流；
[0039]-5為產(chǎn)生的氣相，優(yōu)選是蒸汽；
[0040]-12為產(chǎn)生的電；
[0041]-13為冷廢氣流。
[0042]設(shè)備N包括間隔件P、流體槽N2 (優(yōu)選是水)、所產(chǎn)生的氣相(優(yōu)選是蒸汽)的收集空間N1、一個或多個具有螺旋形狀的熱交換表面6、7、8、9、10和11。
【具體實施方式】
[0043]本發(fā)明的目的的熱交換系統(tǒng)的目的是回收與來自過程的熱源和/或冷源的熱流相關(guān)聯(lián)的物質(zhì)流的顯熱。該流優(yōu)選為來自氫氣和/或合成氣制備過程的各步驟(甚至更優(yōu)選地是來自催化部分氧化過程的各步驟)的產(chǎn)物和/或試劑。這樣回收的顯熱可以用于所述過程的吸熱步驟，且通過某工藝步驟，物質(zhì)流可以被冷卻到所需溫度。
[0044]本系統(tǒng)的主要特點是熱交換發(fā)生在單一中心系統(tǒng)中，該單一中心系統(tǒng)包括單一設(shè)備，該單一設(shè)備被分為兩個區(qū)域:浸沒在流體槽中的區(qū)域以及在槽頂部的自由空間，氣相聚集在自由空間中。流體槽既作為冷卻裝置(冷卻流體)使用，又作為加熱裝置(加熱流體)使用。該流體優(yōu)選為水，氣相優(yōu)選為蒸汽。該熱交換系統(tǒng)可以包括用于來自外部冷源的一個或多個冷物質(zhì)流的一個或多個入口門(優(yōu)選為至少三個入口門)和用于來自熱源的一個或多個熱物質(zhì)流的一個或多個入口門(優(yōu)選為至少三個)。
[0045]至少一個間隔件(優(yōu)選為圓柱形)兩端敞開，位于罐內(nèi)部，該間隔件完全浸沒在流體槽中。本發(fā)明的目的的熱交換系統(tǒng)的特征元素是熱交換系統(tǒng)包括在單一設(shè)備中的所有交換表面，這些表面均完全浸沒在流體槽中，且每個表面與系統(tǒng)外的熱物質(zhì)流源或冷物質(zhì)流源流體連接。
[0046]優(yōu)選地，一個或多個熱交換表面可以位于間隔件的內(nèi)部，但是一個或多個熱交換表面可以位于間隔件和罐壁之間的空間中。位于間隔件內(nèi)部的熱交換表面優(yōu)選地可以將熱釋放給冷物質(zhì)流，加熱冷物質(zhì)流，而位于間隔件和罐壁之間的熱交換表面優(yōu)選地可以吸收來自物質(zhì)流的熱，冷卻該物質(zhì)流。
[0047]優(yōu)選有至少六個熱交換表面。優(yōu)選地，熱交換表面可以為螺旋形元件，熱物質(zhì)流或冷物質(zhì)流在螺旋形元件中流動。螺旋形元件可以優(yōu)選為至少六個。
[0048]本發(fā)明的目的的熱交換系統(tǒng)最后包括用于加熱后的物質(zhì)流和冷卻后的物質(zhì)流的一個或多個出口門。該系統(tǒng)也可以包括與至少一個蒸汽發(fā)生器聯(lián)接的至少一個蒸汽渦輪機。[0049]在相同的設(shè)備中，所有的熱交換表面都完全浸沒在流體槽中，這在流體槽中建立了一個強大的自然循環(huán)，流體槽構(gòu)造為允許熱交換和平衡，并將多余的熱能轉(zhuǎn)化為氣相，優(yōu)選是蒸汽。氣相在設(shè)備的上部被收集和分離。在熱交換表面和流體槽之間的熱傳遞過程中，在間隔件內(nèi)部形成了雙相區(qū)域，而間隔件外部形成了單相區(qū)域。在間隔件的內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域之間所產(chǎn)生的密度差可以在流體槽中產(chǎn)生強大的內(nèi)部循環(huán)，且促進了熱交換。循環(huán)的流體槽代表在熱“供給”表面和熱“消耗”表面之間的優(yōu)良的熱交換流體，具有極高的交換系數(shù)。
[0050]本發(fā)明的目的的系統(tǒng)中存在的、根據(jù)供給的熱與消耗的熱之間的差計算的多余的熱，可以被轉(zhuǎn)化成蒸汽并被收集在設(shè)備頂部(流體槽上方)的自由空間中。當多余的氣相具體為蒸汽時，該蒸汽可以被用于預先存在的蒸汽供給系統(tǒng)或用于通過與發(fā)電機聯(lián)接的蒸汽渦輪機產(chǎn)生電能。通過將冷凝水再次注入到加壓罐和間隔件之間的區(qū)域的重整泵，蒸汽被冷凝并重整到中心熱交換系統(tǒng)中。
[0051]本發(fā)明的目的的熱交換系統(tǒng)可以有利地用于氫氣和/或合成氣的制備過程，優(yōu)選是催化部分氧化過程，這些過程都是強放熱過程，因此通常會產(chǎn)生多余的熱量，允許產(chǎn)生蒸汽。本發(fā)明也涉及使用本文所描述和要求的熱交換系統(tǒng)的熱交換和回收方法，包括以下階段:
[0052]?在系統(tǒng)中通過水冷卻來自外部熱源的物質(zhì)流；
[0053]?在系統(tǒng)中通過蒸汽加熱來自外部冷源的物質(zhì)流；
[0054]?將系統(tǒng)中存在的多余的熱轉(zhuǎn)化為蒸汽。
[0055]當熱交換和回收方法伴隨相同的催化部分氧化反應(yīng)過程時，加熱后的物質(zhì)流進入脫硫步驟和/或催化部分氧化反應(yīng)步驟，而冷物質(zhì)流進入水煤氣交換步驟、氫氣分離和/或純化步驟。
[0056]最后在前面所描述的過程中所產(chǎn)生的蒸汽優(yōu)選地被進給到蒸汽供給系統(tǒng)或被用于產(chǎn)生電能。
[0057]現(xiàn)在示出特定的實施例，參見圖1。本發(fā)明的目的的熱交換系統(tǒng)被應(yīng)用到催化部分氧化過程。包括試劑(la)、氧化劑(Ib)和惰性產(chǎn)物(Ic)的冷物質(zhì)流通過位于圓柱形間隔件P和罐N之間的空間中的螺旋形元件9、10和11被加熱。來自反應(yīng)步驟B的熱物質(zhì)流
(2)、來自水煤氣交換步驟C的熱物質(zhì)流(3)和來自燃燒步驟E的熱物質(zhì)流(4)通過位于間隔件P內(nèi)部的螺旋形元件6、7、8被冷卻。加熱后，物質(zhì)流循環(huán)進入脫硫步驟A和反應(yīng)步驟B,而冷卻后，物質(zhì)流繼續(xù)進入水煤氣交換步驟C和氫氣純化和/或分離步驟D。廢氣13到達點火器處。產(chǎn)生的蒸汽5進入由與發(fā)電機G聯(lián)接的蒸汽渦輪機F組成的系統(tǒng)用于產(chǎn)生電流12。之后，廢蒸汽被冷凝(L)并被重整泵M再次注入到熱交換系統(tǒng)。
[0058]參考用于產(chǎn)生熱氣體的過程，本發(fā)明的目的的熱交換系統(tǒng)具有三個主要功能:
[0059]1、作為預熱步驟，加熱冷試劑；
[0060]2、作為冷卻交換器，冷卻產(chǎn)生的熱氣體，尤其是合成氣；
[0061]3、將進料中產(chǎn)生的多余蒸汽輸送到蒸汽供給系統(tǒng)或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為電能。
[0062]這樣，提高了產(chǎn)生熱氣體的過程(例如產(chǎn)生合成氣和氫氣的過程)的能效。本發(fā)明還允許減少對于熱交換操作來說必要的負擔，因為本發(fā)明可以在單一設(shè)備中實現(xiàn)整個熱傳遞過程。此外，本發(fā)明有助于設(shè)計用于在極度有限體積內(nèi)合成氣制備、冷卻和蒸汽產(chǎn)生的系統(tǒng)，從而允許生產(chǎn)預組裝單元，預組裝單元可以被運輸和安裝在使用場所，并大大減少了成本和干擾風險。
【權(quán)利要求】
1.一種熱交換系統(tǒng)，包括: -單一設(shè)備，所述單一設(shè)備具有浸沒在流體槽中的區(qū)域以及位于頂部且氣相被聚集的自由空間； -至少一個間隔件，所述間隔件兩端敞開，位于所述設(shè)備內(nèi)部且完全浸沒在所述流體槽中； -一個或多個熱交換表面； -用于來自外部冷卻源的一個或多個冷物質(zhì)流的至少一個入口門以及用于來自外部熱源的一個或多個熱物質(zhì)流的至少一個入口門； -通過所述熱交換表面的用于至少一個冷卻后的物質(zhì)流的至少一個出口門和用于至少一個加熱后的物質(zhì)流的至少一個出口， 所述系統(tǒng)的特征在于: -所述系統(tǒng)包括在單一設(shè)備中的所有的所述熱交換表面； -所述熱交換表面完全浸沒在所述流體槽中且通過物質(zhì)流與所述系統(tǒng)外部的所述熱源和所述冷源流體連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換系統(tǒng)，其中所述熱交換表面位于所述間隔件的內(nèi)部且至少另一表面位于所述間隔件與所述設(shè)備的所述壁之間的空間內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2中的至少一項所述的熱交換系統(tǒng)，也包括與至少一個發(fā)電機聯(lián)接的至少一個蒸汽渦輪機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的至少一項所述的熱交換系統(tǒng)，其中所述熱交換表面為螺旋形元件的形式，所述物質(zhì)流在所述螺旋形元件中流動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中的至少一項所述的熱交換系統(tǒng)，其中所述間隔件為圓柱形的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中的至少一項所述的熱交換系統(tǒng)，其中所述流體為水，所述氣相為蒸汽。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中的至少一項所述的熱交換系統(tǒng)，其中所述外部熱源和所述冷源代表氫氣和/或合成氣的所述制備過程的所述步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中的至少一項所述的熱交換系統(tǒng)，其中有用于所述冷物質(zhì)流的至少三個入口門以及用于所述熱物質(zhì)流的至少三個入口門。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中的至少一項所述的熱交換系統(tǒng)，其中有至少六個熱交換表面。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱交換系統(tǒng)，其中有至少六個螺旋形元件。
11.根據(jù)權(quán)利要求ι-?ο中的至少一項所述的熱交換系統(tǒng)，其中所述冷物質(zhì)流為試劑、氧化劑和/或來自相同的催化部分氧化過程的惰性產(chǎn)物。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-10中的至少一項所述的熱交換系統(tǒng)，其中所述熱物質(zhì)流為來自所述相同催化部分氧化過程的至少催化部分氧化反應(yīng)步驟、水煤氣變換步驟和/或燃燒步驟的產(chǎn)物。
13.一種熱交換和回收方法，其特征在于，所述熱交換和回收方法使用根據(jù)權(quán)利要求1-12中的至少一項所述的熱交換系統(tǒng)，包括以下階段: ?在所述熱交換系統(tǒng)中利用水來冷卻來自外部熱源的物質(zhì)流； ?在所述熱交換系統(tǒng)中利用蒸汽來加熱來自外部冷源的物質(zhì)流； ?將所述熱交換系統(tǒng)中存在的多余的熱轉(zhuǎn)化為蒸汽。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的熱交換和回收方法，其中在所述熱交換系統(tǒng)所包括的所述間隔件內(nèi)部的所述熱交換表面將熱傳遞至所述冷物質(zhì)流，加熱所述冷物質(zhì)流，且在所述間隔件和所述設(shè)備的壁之間的所述熱交換表面吸收來自所述熱物質(zhì)流的熱，冷卻所述熱物質(zhì)流。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的所述熱交換和回收方法，其中生成的所述蒸汽被進給到蒸汽供給系統(tǒng)或被用于產(chǎn)生電能。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的所述熱交換和回收方法，其中所述加熱后的物質(zhì)流進入所述相同的催化部分氧化過程的脫硫步驟和/或催化部分氧化反應(yīng)步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的所述熱交換和回收方法，其中所述冷卻后的物質(zhì)流進入所述相同的催化部分氧化過程的水煤氣變換步驟、氫氣分離和/或純化步驟。
【文檔編號】C01B3/48GK103649665SQ201280018837
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月11日
【發(fā)明者】盧卡·伊吉尼奧·巴斯尼, 阿爾弗萊德·喬希姆·威爾赫爾姆 申請人:艾尼股份公司