專利名稱：間壁換熱式飽和塔回收變換反應(yīng)熱的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于合成氨、甲醇生產(chǎn)領(lǐng)域，涉及一種一氧化碳變換過程中回收變換反應(yīng)熱的方法和裝置。
在生產(chǎn)合成氨、甲醇的原料氣中含有大量的一氧化碳(15～40％)，工業(yè)上采用變換的方法將其轉(zhuǎn)化為所需的氫氣，其反應(yīng)式為
該放熱反應(yīng)在催化條件下進(jìn)行。70年代以前，催化劑主要以Fe2O3為主體，反應(yīng)溫度為350℃～550℃，稱為中溫變換，60年代以后開始使用活性較高的Co、Mo耐硫催化劑，反應(yīng)溫度為160℃～400℃，稱為低溫變換，它們都存在著如何合理回收變換反應(yīng)熱的問題。
目前，對(duì)于上述兩種變換工藝，工業(yè)上回收變換反應(yīng)熱的任務(wù)主要通過熱水飽和塔來完成，這是一種氣液直接接觸的增、減濕設(shè)備，它由熱水塔和飽和塔兩部分組成。在熱水塔中，水與變換反應(yīng)后的高溫氣體直接接觸，使氣體減濕和降溫，而水的溫度隨之升高；在飽和塔中，將升高了溫度的水與粗原料氣直接接觸，使水在粗原料氣中蒸發(fā)，轉(zhuǎn)變?yōu)樽儞Q反應(yīng)所需的水蒸汽，從而達(dá)到回收變換反應(yīng)熱的目的。目前工業(yè)上采用的這種回收變換反應(yīng)熱的方法和裝置，存在著熱量回收很不完全的缺點(diǎn)在熱水塔的熱、質(zhì)傳遞過程中，變換反應(yīng)后的高溫氣體與水直接接觸，由于平衡線是曲線，操作線是直線，在操作線的上下兩端與平衡線十分靠近，因此，在塔底部由于受平衡的限制(達(dá)到濕球溫度)，很難使水溫有更多的提高；在塔頂部，由于變換氣的溫度已靠近平衡線，變換氣的溫度難以進(jìn)一步的降低；在飽和塔中，由于受熱水塔加熱熱水溫度的限制，則會(huì)出現(xiàn)操作線在平衡線中部某處相互十分靠近的情況，為了避免操作線與平衡線在此相交，只能使離開飽和塔的熱水保持較高的溫度，不能使熱量全部有效地轉(zhuǎn)化為反應(yīng)所需的水蒸汽，從而造成飽和塔的熱量回收也很不完全。
對(duì)于中溫變換，反應(yīng)溫度較高，為了確保一氧化碳的變換率，反應(yīng)必須在較高的汽氣比(水蒸汽/原料氣)(摩爾分率)的條件下進(jìn)行，由于飽和塔提供的蒸汽不足，必須外加較多蒸汽，從而增加了熱能的消耗，同時(shí)，反應(yīng)后又有大量剩余的水蒸汽滯留在飽和塔出口氣中而被帶出，致使高品位的熱量的貶值；對(duì)于低溫變換，反應(yīng)溫度較低，變換反應(yīng)的汽氣比接近化學(xué)計(jì)量，反應(yīng)后滯留在變換氣中的水蒸汽已經(jīng)很低，汽氣比僅為0.05左右，此時(shí)若再將變換氣送入氣液直接接觸的熱水塔，必將造成水的大量蒸發(fā)而被變換氣帶出變換系統(tǒng)，也將造成高品位的熱量的貶值，為此，產(chǎn)業(yè)部門希望有關(guān)科技人員盡快開發(fā)研究一種新的回收變換反應(yīng)熱的方法，以提高熱能的利用效率。
本發(fā)明的目的在于1.提出一種間壁換熱飽和式回收變換反應(yīng)熱的方法，2.提出一種間壁換熱式飽和塔，以期克服現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)，提高熱能的利用效率，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)技術(shù)水平。
本發(fā)明的構(gòu)思是這樣的在原料氣中加入飽和所需的工藝軟水，原料氣和工藝軟水一并流過間壁換熱式飽和塔換熱段的一側(cè)，變換氣或由變換氣加熱的熱水作為加熱介質(zhì)流過間壁換熱式飽和塔換熱段的另一側(cè)進(jìn)行逆流換熱，原料氣被加熱的同時(shí)工藝軟水被蒸發(fā)轉(zhuǎn)化為反應(yīng)所需的蒸汽，原料氣被飽和。本構(gòu)思的主要特點(diǎn)是采用間壁換熱飽和法，避免了直接接觸時(shí)平衡線的限制，可以使熱能得到充分的回收。間壁換熱式飽和塔由一段或多段組成，其中換熱部分的結(jié)構(gòu)可以是列管式，繞管式，套管式，螺旋板式和板式等，一般而言，列管式最為簡(jiǎn)便。為了提高熱量的回收效率，反應(yīng)后出口氣體余熱回收段設(shè)置在最上面，變換爐層間余熱按其溫度高低自下而上排序。
依據(jù)上述構(gòu)思，發(fā)明人設(shè)計(jì)了一種采用間壁換熱的方法回收變換反應(yīng)熱的工藝流程，研制了一種間壁換熱式飽和塔，使變換反應(yīng)層間高溫氣體和反應(yīng)后的出口氣體直接或間接地與原料氣和工藝軟水間壁換熱，回收反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的熱量，下面將通過工藝流程附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)的闡述。

圖1.為以循環(huán)熱水為加熱介質(zhì)進(jìn)行層間換熱的全低溫變換過程的流程圖，圖2.為以變換反應(yīng)后的高溫氣體直接作為加熱介質(zhì)進(jìn)行間壁換熱的全低溫變換過程的流程圖，圖3.為以循環(huán)熱水為加熱介質(zhì)進(jìn)行層間換熱的中溫變換過程的流程圖。
圖中1----間壁換熱式飽和塔2----水泵3----水分離器4----氣氣熱交換器5----第一變換爐 6----層間換熱器7----第二變換爐圖1的變換反應(yīng)部分為典型的全低溫變換流程，熱量回收部分采用的為本發(fā)明所說的間壁換熱飽和式。間壁換熱式飽和塔1由上、下兩段組成，由前工段來的原料氣和工藝軟水同時(shí)進(jìn)入間壁換熱式飽和塔1上部換熱段的一側(cè)，自上而下流動(dòng)，工藝軟水加入量為0.2～0.4噸/1000Nm3(原料氣)；換熱段的另一側(cè)為由第二變換爐7來的出口變換氣，出口變換氣與原料氣和工藝軟水逆流間壁換熱，出口變換氣的溫度由180℃降至35～60℃，降溫后的變換氣送入后續(xù)工段；原料氣和工藝軟水在升溫過程中，工藝軟水被蒸發(fā)，原料氣達(dá)到飽和，然后與塔1底部排出的少量多余的循環(huán)軟水匯合，并流流入下一換熱段的一側(cè)；第一變換爐5的催化層間反應(yīng)熱在層間換熱器6中將循環(huán)熱水加熱至200℃左右，由水泵2送入間壁換熱式飽和塔1下部換熱段的另一側(cè)，與原料氣和工藝軟水逆流間接換熱，進(jìn)一步提高原料氣的飽和溫度，飽和后的原料氣經(jīng)水分離器3、氣氣熱交換器4后進(jìn)入第一變換爐5，少量多余的循環(huán)軟水由間壁換熱式飽和塔1的下部排出，由循環(huán)水泵2送入塔1的中部循環(huán)使用。
圖2的變換反應(yīng)部分亦為典型的全低溫變換流程，熱量回收部分采用的為本發(fā)明所說的間壁換熱飽和式。間壁換熱式飽和塔1由上、中、下三段組成，由前工段來的原料氣和工藝軟水同時(shí)進(jìn)入間壁換熱式飽和塔1上部換熱段的一側(cè)，自上而下流動(dòng)，工藝軟水加入量為0.2～0.4噸/1000Nm3(原料氣)；換熱段的另一側(cè)為由第二變換爐7來的出口變換氣，出口變換氣與原料氣和軟水逆流間壁換熱，出口變換氣的溫度由180℃降至30～60℃，降溫后的變換氣送入后續(xù)工段，原料氣和工藝軟水在升溫過程中，工藝軟水被蒸發(fā)，原料氣達(dá)到飽和，然后與塔1底部排出的少量多余的循環(huán)軟水匯合，并流流入中部換熱段的一側(cè)，另一側(cè)為第一變換爐5的第二層間高溫催化反應(yīng)氣，進(jìn)一步提高了飽和溫度后的原料氣，再與塔1底部排出的少量多余的循環(huán)軟水匯合，并流流入下部換熱段的一側(cè)，另一側(cè)為第一變換爐5的第一層間高溫催化反應(yīng)氣，第一層高溫反應(yīng)氣的溫度由370℃降至210℃左右，飽和水蒸汽后的原料氣經(jīng)水分離器3、氣氣熱交換器4后進(jìn)入第一變換爐5，少量多余的循環(huán)軟水由間壁換熱式飽和塔1的下部排出送往塔1的中部循環(huán)使用。
圖3為中溫變換流程，其熱量回收亦采用了本發(fā)明所說的間壁換熱飽和式。間壁換熱式飽和塔1由上下兩段組成，由前工段來的原料氣與工藝軟水進(jìn)入間壁換熱式飽和塔1上部換熱段的一側(cè)，自上而下流動(dòng)，工藝軟水加入量為0.4～0.8噸/1000Nm3(原料氣)；另一側(cè)為由變換爐5來的經(jīng)氣氣熱交換器4換熱后的出口變換氣，出口變換氣與原料氣和工藝軟水逆流間壁換熱，出口變換氣的溫度由205℃降至60～80℃，降溫后的變換氣送入后續(xù)工段，原料氣和工藝軟水在升溫過程中，工藝軟水被蒸發(fā)，原料氣達(dá)到飽和，然后與塔1底部排出的少量多余的循環(huán)軟水匯合，并流流入下一換熱段的一側(cè)；變換爐5的層間高溫催化反應(yīng)氣在層間換熱器6中將循環(huán)熱水加熱至260℃左右，由水泵2送入間壁換熱式飽和塔1下部換熱段的另一側(cè)，與原料氣和工藝軟水逆流間壁換熱，進(jìn)一步提高原料氣的飽和溫度，飽和后的原料氣經(jīng)水分離器3、氣氣熱交換器4后進(jìn)入變換爐5，少量多余的循環(huán)軟水由間壁換熱式飽和塔1的下部排出送往塔1的中部循環(huán)使用；根據(jù)工藝要求，可在水分離器3之前補(bǔ)充一定量的外供蒸汽。
本發(fā)明所述的間壁換熱飽和的方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯著的優(yōu)點(diǎn)1.由于采用間壁換熱飽和的方法，出間壁換熱式飽和塔1的原料氣可以超越濕球溫度的限制，原料氣的汽氣比得到明顯的提高，對(duì)低變工藝，汽氣比可達(dá)0.3～0.5，對(duì)中變工藝，汽氣比可達(dá)0.65～0.80，對(duì)于低溫變換工藝，一般不再需要提供外加蒸汽，降低了能耗；
2.離開變換系統(tǒng)的低變變換氣的溫度可以降至30～60℃，中變變換氣的溫度可以降至60～80℃，而現(xiàn)有的工藝分別為80～90℃和100～110℃，使熱量得到充分的回收，同時(shí)不必再設(shè)置現(xiàn)有的工藝中所需的鍋爐給水加熱器，簡(jiǎn)化了設(shè)備；3.傳統(tǒng)工藝的熱水飽和塔的循環(huán)水量較大，一般為3.5～7.0噸/1000Nm3(原料氣)，本發(fā)明大大地降低了循環(huán)水的用量，對(duì)于低溫變換工藝，軟水量一般僅為0.20～0.40噸/1000Nm3(原料氣)，對(duì)于中溫變換工藝，一般為0.4～0.8噸/1000Nm3(原料氣)，降低了能耗。
本發(fā)明所說的間壁換熱飽和式回收變換反應(yīng)熱的方法，是藉助一種間壁換熱式飽和塔進(jìn)行的，圖4為一種兩段間壁換熱式飽和塔的整體結(jié)構(gòu)圖，圖中8----氣液分離件 9----加熱介質(zhì)入口10---工藝軟水入口11---布液器12---殼體13---原料氣入口14---液體分配管 15---管板16---加熱介質(zhì)出口17---列管18---擋板19---原料氣出口20---工藝軟水出口所說的間壁換熱式飽和塔主要由殼體12、布液器11、管板15、列管17、擋板18、液體分配管14、氣液分離件8諸部件所構(gòu)成，布液器11、管板15、列管17、擋板18組成一個(gè)換熱段，列管17的管徑一般為10～50mm，為了加強(qiáng)傳熱效果，可以在管外設(shè)置翅片等構(gòu)件或采用異形管，根據(jù)工藝要求，所說的間壁換熱式飽和塔可由一個(gè)或一個(gè)以上的換熱段所組成，每個(gè)換熱段的管外上部設(shè)置一個(gè)加熱介質(zhì)出口16，下部設(shè)置一個(gè)加熱介質(zhì)入口9，在間壁換熱式飽和塔的上方設(shè)置了一個(gè)液體分配管14，液體分配管14可為枝管狀或環(huán)狀，下平面設(shè)有直徑為2～10mm的多個(gè)布液孔，在管板15上的列管17的上方設(shè)置了布液器11，圖5為一種布液器11的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中
21-----液流小孔，22-----布液管布液管22固接于列管17的上方，上有一個(gè)或一個(gè)以上直徑為1～10mm的液流小孔21；在間壁換熱式飽和塔的下方設(shè)置一個(gè)氣液分離件8，原料氣入口13位于間壁換熱式飽和塔的頂部，原料氣出口20位于間壁換熱式飽和塔的下方，循環(huán)軟水入口1與工藝軟水入口10設(shè)置于塔的上方，循環(huán)軟水入口10設(shè)置于兩個(gè)換熱段之間，循環(huán)軟水入口和工藝軟水入口10與液體分配管14相連接，軟水出口20在塔的底部；列管間壁換熱式飽和塔可以垂直、水平和斜向安置，水平和斜向安置時(shí)須藉助壓力差將工藝軟水均勻分配至各列管。
本發(fā)明所說的換熱方法是這樣實(shí)現(xiàn)的原料氣由原料氣入口13進(jìn)入塔內(nèi)，工藝軟水由塔上方的入水口10進(jìn)入液體分配管14后通過布液孔使進(jìn)塔軟水作均勻的初次分配，然后通過管板15上列管17上方的布液器11均勻分配后與原料氣一并進(jìn)入列管17，管外為加熱介質(zhì)，逆流間壁換熱，原料氣和工藝軟水在管內(nèi)升高溫度，工藝軟水被汽化，原料氣被飽和，然后與塔1底部排出的少量多余的循環(huán)軟水匯合，流入下一換熱段的管內(nèi)，以進(jìn)一步提高原料氣的飽和溫度，被飽和的原料氣通過氣液分離件8分離出原料氣中夾帶的水分后由原料氣出口19出塔，從而達(dá)到了熱量回收的目的。
下面將通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的論述實(shí)施例1本實(shí)施例采用了圖1所示的低變流程，原料氣量為11800Nm3/h，變換壓力為0.75MPa，原料氣溫度為35℃，原料氣中CO2含量為28％，變換后變換氣中CO2含量為0.5％，工藝軟水量為0.25噸/1000Nm3(原料氣)，采用兩段式間壁換熱式飽和塔，上段換熱面積為350m2，下段換熱面積為260m2，塔直徑為1.2m。實(shí)施結(jié)果如下離開飽和塔變換氣溫度 50℃飽和塔出口原料氣的汽氣比 0.3補(bǔ)充蒸汽量 0
飽和塔循環(huán)水量 0.3t/1000Nm3實(shí)施例2本實(shí)施例采用了圖2所示的低變流程，原料氣量為11800Nm3/h，變換壓力為0.75MPa，原料氣溫度為35℃，原料氣中CO2含量為28％，變換后變換氣中CO2含量為0.5％，工藝軟水量為0.25噸/1000Nm3(原料氣)，采用三段式間壁換熱式飽和塔，上段換熱面積為350m2，中段換熱面積為70m2，下段換熱面積為120m2，塔直徑為1.2m。結(jié)果如下離開飽和塔變換氣溫度50℃飽和塔出口原料氣的汽氣比0.3補(bǔ)充蒸汽量 0飽和塔循環(huán)水量 0.3t/1000Nm3實(shí)施例3本實(shí)施例采用了圖3所示的中變流程，原料氣量為11800Nm3/h，變換壓力為0.75MPa，原料氣溫度為35℃，原料氣中CO2含量為28％，變換后變換氣中CO2含量為2.8％，工藝軟水量為0.6噸/1000Nm3(原料氣)，采用兩段式間壁換熱式飽和塔，上段換熱面積為300m2，下段換熱面積為260m2，塔直徑為1.2m。實(shí)施結(jié)果如下離開飽和塔變換氣溫度 80℃飽和塔出口原料氣的汽氣比0.7補(bǔ)充蒸汽量80kg/1000Nm3飽和塔循環(huán)水量0.6t/1000Nm3對(duì)比例1本對(duì)比例采用傳統(tǒng)的低變流程，原料氣量為11800 Nm3/h，變換壓力為0.75MPa，粗原料氣溫度為35℃，原料氣中CO2含量為28％，變換后變換氣中CO2含量為0.5％，采用傳統(tǒng)的熱水飽和塔，結(jié)果如下離開飽和塔變換氣溫度80℃飽和塔出口原料氣的汽氣比0.3補(bǔ)充蒸汽量 48～58kg/1000Nm3
飽和塔循環(huán)水量6噸/1000Nm3對(duì)比例2本對(duì)比例采用傳統(tǒng)的中變流程，原料氣量為11800Nm3/h，變換壓力為0.75MPa，粗原料氣溫度為35℃，粗原料氣中CO2含量為28％，變換后變換氣中CO2含量為2.8％，采用傳統(tǒng)的熱水飽和塔，結(jié)果如下離開飽和塔變換氣溫度110℃飽和塔出口原料氣的汽氣比0.7補(bǔ)充蒸汽量 200kg/1000Nm3飽和塔循環(huán)水量 6噸/1000Nm3由本發(fā)明公開的技術(shù)方案、實(shí)施例和對(duì)比例可見，在進(jìn)入變換爐原料氣的汽氣比相同的工藝條件下，采用本發(fā)明所說的間壁換熱飽和的方法和裝置后，離開系統(tǒng)的變換氣的溫度大大降低，對(duì)于低溫變換，已不需補(bǔ)充蒸汽，對(duì)于中溫變換，水蒸氣添加量大為降低，飽和塔循環(huán)水量亦大為降低，而設(shè)備卻十分緊湊簡(jiǎn)化，因此，將大為降低能耗和設(shè)備投資。
權(quán)利要求
1.一種間壁換熱式飽和塔回收變換反應(yīng)熱的方法，其特征在于(1)在原料氣中加入飽和所需的工藝軟水，原料氣和工藝軟水一并流過間壁換熱式飽和塔換熱段的一側(cè)，變換反應(yīng)后的出口氣體和變換反應(yīng)層間反應(yīng)氣體或由變換反應(yīng)層間氣體加熱的熱水作為加熱介質(zhì)流過間壁換熱式飽和塔換熱段的另一側(cè)進(jìn)行逆流換熱，原料氣被加熱的同時(shí)工藝軟水被蒸發(fā)轉(zhuǎn)化為反應(yīng)所需的蒸汽，原料氣被飽和；(2)所說的間壁換熱式飽和塔的換熱部分的結(jié)構(gòu)可為列管式、繞管式、套管式、螺旋板式或板式中的一種。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于變換反應(yīng)層間的高溫氣體直接進(jìn)入間壁換熱式飽和塔(1)的下部換熱段的一側(cè)，反應(yīng)后的出口氣體直接進(jìn)入間壁換熱式飽和塔(1)的上部換熱段的一側(cè)。
3.據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于變換反應(yīng)層間的高溫氣體先加熱循環(huán)熱水，以循環(huán)熱水為加熱介質(zhì)，進(jìn)入間壁換熱式飽和塔(1)的下部換熱段的一側(cè)，反應(yīng)后的出口氣體直接進(jìn)入間壁換熱式飽和塔(1)的上部換熱段的一側(cè)。
4.據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于加入的工藝軟水量為0.2～0.6噸/1000Nm3(原料氣)。
5.一種間壁換熱式飽和塔回收變換反應(yīng)熱的裝置，其特征在于所說的間壁換熱式飽和塔(1)主要由殼體(12)、布液器(11)、氣液分離件(8)和一段或一段以上的換熱段所組成；所說的換熱段主要由管板(15)、列管(17)、擋板(18)通過機(jī)械配合組合而成，每個(gè)換熱段均設(shè)有加熱介質(zhì)的進(jìn)口(9)和出口(16)；氣液分離件(8)設(shè)置于塔的下方。
全文摘要
本發(fā)明屬于合成氨、甲醇生產(chǎn)領(lǐng)域,公開了一種間壁換熱式飽和塔回收變換反應(yīng)熱的方法和裝置。本發(fā)明將原料氣和工藝軟水一并進(jìn)入間壁換熱式飽和塔換熱段的一側(cè),與另一側(cè)的變換氣、變換層間催化反應(yīng)氣或由變換層間催化反應(yīng)氣加熱的熱水間壁換熱,避免了直接換熱時(shí)平衡線的限制,原料氣的汽氣比得到明顯的提高,對(duì)低變工藝,汽氣比可達(dá)0.3～0.5,對(duì)中變工藝,汽氣比可達(dá)0.65～0.80,對(duì)于低溫變換工藝,一般不再需要提供外加蒸汽,降低了能耗,減少了設(shè)備投資。
文檔編號(hào)C10J3/80GK1188137SQ9710675
公開日1998年7月22日 申請(qǐng)日期1997年12月2日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月2日
發(fā)明者張成芳, 劉時(shí)賢, 朱子彬 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)