CN102650501B - 合成气热交换系统的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种改进的方法和设备，所述方法和设备用于结合螺旋盘管、板翅式、列管式和翅管换热器的换热区，从而提高方法的总体效率。

Description

合成气热交换系统的方法和设备
本申请是申请号为200710087903.8中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种改进的通过热交换来冷却含氢合成气的方法，并且特别涉及一种更有效率的用于含氢合成气冷却的换热器设计。
背景技术
含氢合成气流一般从蒸汽/碳氢化合物重整(通常是蒸汽/甲烷重整)、煤的气化和部分氧化过程中产生，参见例如US4,113,441(碳氢化合物的蒸汽重整)、US4,352,675(煤的部分氧化)、US4,566,880(煤的部分氧化)、US4,999,029(液体和/或固体燃料的部分氧化)、US5,856,585(天然气的部分氧化)、US6,730,285(碳氢化合物原料的部分氧化)和US6,749,829(天然气的蒸汽重整)。
传统上，从这些过程中得到的含氢合成气产品流，已经在管壳式换热器中被冷却。参见例如Fix等人在US5,246,063中，公开了一种冷却煤-气化厂产生的合成气的换热器。该换热器包括多根由套管包围的换热管。这些管通过气体吸入室在一端相通，并通过气体排出室在另一端相通。来自煤-气化厂的合成气进入气体吸入室，经过这些管，然后进入气体排出室。当经过这些管时，合成气被引入到套管的水冷却。水蒸发成蒸汽，然后排出套管。
Koog等人在US4,377,132中公开了另一种冷却合成气的管壳式换热器。这种合成气冷却器在外部壳体中具有两个同心的、所谓的“水墙”。每个水墙由多根平行管形成，这些管通过连接翅片结合在一起，以形成气密墙。水在管内流动，并且蒸发为蒸汽。合成气在管外侧上流动，首先轴向流动，并且接着通过在两个同心水墙之间形成的环形区域。
Decke等人在US6,051,195中公开了一种更复杂的合成气冷却系统，该系统包括一个辐射合成气冷却器，和两个都包括水冷结构的对流合成气冷却器，该水冷结构通过冷却逆流流动的水以提供热交换。
螺旋盘绕或外带翅片的板翅式换热器和列管式换热器，已用于回收过程热。这些换热器经常用于加热或冷却位于外部(通常具有翅片)侧面的低密度气体流，而在板中或管中为具有较高传热系数的较高密度的气流。带有翅片的外部通道的延伸表面允许(1)比光的管或板具有更大的传热表面，以及(2)比光的管或板在相对小的压降下提供更多的传热。
通过分隔管路进行不只一种流体循环的换热器已经为人所知。公开的美国申请2005/0092472(Lewis)公开了一种板翅式和管式或翅管式换热器，其中使第一工作流体在翅管外部流动，并使二种或更多种其它工作流体在换热器内的分隔管回路中流动。在一个例子中，US’472描述了一个具体实施例，其中第一工作流体在带有翅片的外侧流动，同时三种其它的工作流体在换热器内的分隔管回路中流动。第一工作流体是N2和H2O的混合物。第二工作流体例如是天然气。第三工作流体是水，和第四工作流体也是水。
此外参见Misage等人(US4,781,241)，描述了一种用于燃料电池发电厂的换热器。在该换热器中，重整废水流过管的外部。后者为三种不同流体，也就是水、蒸汽和碳氢化合物燃料的循环提供预热。还参见US3,277,958(Taylor等人)、US3,294,161(Wood)、US4,546,818(Nussbaum)、US4,344,482(Dietzsch)和US5,419,392(Maruyama)。
现有技术中，冷却含氢合成气流的方法是经过分隔的、单独的换热器进行热交换。在这些分隔的换热器的每个换热器中，合成气通过与单一工业生产流例如碳氢化合物进料流、锅炉给水、软化水、环境空气和/或冷却水进行热交换，被冷却到希望的出口温度。在一个或多个管壳式换热器中，每个换热器使用单一的冷却介质，冷却含氢合成气的实践的效率相对地很低。最近供给原料成本的改变，以及不断增加的经济压力，已经产生了对更有效且价格更低的完成合成气生产的方法和设备的需求，包括对更有效且价格更低的通过热交换冷却合成气的过程的需求。
发明内容
本发明提供一种提高含氢合成气的冷却效率的方法和设备。本发明还提供通过使用这样的冷却比现有技术更低的能耗。
本发明试图通过将多路工业生产液流结合到一个或多个换热器的同一侧，以及结合多路流体的传热区从而得到更高的传热效率，来完成含氢合成气的冷却。
因此，一般地，本发明提供一种用于冷却气流、优选为含氢合成气流的例如，板翅式、板翅管式或翅管换热器中的传热效率更高的系统。在优选实施例中，本发明进一步提供从含氢合成气流冷却过程中凝结出的液相中分离合成气气相。
依据本发明，提供一种从含氢合成气流中回收能量的方法，包括：
a.提供具有至少四个分隔的流体回路的第一换热器；
b.向所述第一换热器的第一流体回路提供第一热的含氢合成气流(例如，从蒸汽/碳氢化合物的重整过程、煤的气化过程或部分氧化过程中得到)；
c.向所述第一换热器的第二流体回路提供第一冷的热交换介质(例如碳氢化合物原料)，由此通过与所述第一冷的热交换介质的间接热交换，冷却所述热的含氢合成气流；
d.向所述第一换热器的第三流体回路供给第二冷的热交换介质(例如锅炉水)，由此通过与所述第二冷的热交换介质的间接热交换，冷却所述热的含氢合成气流；
e.向所述第一换热器的第四流体回路供给第三冷的热交换介质(例如软化水)，由此通过与所述第三冷的热交换介质的间接热交换，冷却所述热的含氢合成气流；
f.从所述换热器中排出被冷却的含氢合成气流。
依据本发明进一步的方面，该过程进一步包括：向所述第一换热器的第五流体回路供给第四冷的热交换介质(例如冷却水)，由此通过与所述第四冷的热交换介质的间接热交换，冷却所述热的含氢合成气流。
根据本发明的设备方面，提供一种冷却含氢合成气的换热设备(例如螺旋盘管换热器、板翅式换热器或管壳式换热器)，所述换热器包括：
a.在所述换热器中限定至少四个分隔的流体回路的装置，由此第一流体回路与第二流体回路、第三流体回路和第四流体回路进行间接热交换；
b.第一入口，用于将热的含氢合成气引入到限定所述换热器的所述第一回路的装置中，以及第一出口，用于将冷却的含氢合成气从限定所述换热器的所述第一回路的所述装置中排出；
c.与所述第一入口流体连接的热的含氢合成气源；
d.第二入口，用于将冷的第一热交换介质引入到限定所述换热器的所述第二回路的装置中，以及第二出口，用于将所述第一热交换介质从限定所述换热器的所述第二回路的所述装置中排出；
e.与所述第二入口流体连接的冷的第一热交换介质源(例如，使用如天然气的碳氢化合物流作为热的含氢合成气源，例如蒸汽重整装置)；
f.第三入口，用于将冷的第二热交换介质引入到限定所述换热器的所述第三回路的装置中，以及第三出口，用于将所述冷的第二热交换介质从限定所述换热器的所述第三回路的所述装置中排出；
g.与所述第三入口流体连接的冷的第二热交换介质源(例如锅炉给水)；
h.第四入口，用于将冷的第三热交换介质引入到限定所述换热器的所述第四回路的装置中，以及第四出口，用于将所述冷的第三热交换介质从限定所述换热器的所述第四回路的所述装置中排出；
i.与所述第四入口流体连接的冷的第三热交换介质源(例如软化水)。
依据本发明进一步的方面，该设备进一步包括：
在所述换热器中限定第五分隔的流体回路的装置，由此第一流体回路与第五流体回路进行间接热交换；
第五入口，用于将冷的第四热交换介质引入到限定所述换热器的所述第五回路的装置中，以及第五出口，用于将所述冷的第四热交换介质从限定所述换热器的所述第五回路的所述装置中排出；
与所述第五入口流体连接的冷的第四热交换介质源。
除了上面描述的主换热器外，依据本发明，热回收过程和换热设备可以进一步包括第二换热器。例如，热的含氢合成气的至少一部分可以从第一换热器中排出，并在第二换热器中进行热交换(例如，与环境空气热交换)。然后，得到的冷却的含氢合成气的至少一部分可以返回到第一换热器通过间接热交换进行进一步冷却。
如上所述，典型地，用于整体冷却系统的主换热器可以是螺旋盘管换热器、板翅式换热器或管壳式换热器。但是，主换热器可以是任何换热器，其在至少一路被冷却的流体和多路均被加热的分隔的流体之间提供间接热交换。优选的，主换热器是管壳式换热器，其中管是互相盘绕的直管(例如，螺旋盘绕管壳式换热器)。限定每条回路的装置可以是例如通道(像由外部壳体限定的通道，该外部壳体包围着限定其他回路的多个板，或者像管壳式换热器的壳程)、单根管或者多根管。
被冷却的流体，例如，热的含氢合成气，能够同时与多于一种的热交换介质进行间接热交换。例如，在第一回路中流动的热的含氢合成气能够在与第二回路中流动的软化水进行间接热交换的同时，与在分隔的回路，例如第三回路中流动的碳氢化合物进料流进行间接热交换。通过这个步骤，能够将多个回路结合，从而更有效地将多个冷却流的复合加热曲线，用热的方法接近热工作流的冷却曲线。这个步骤通过允许被冷却的含氢合成气和被加热的多种冷却流之间更接近的温度逼近，允许更有效的热交换。
根据本发明进一步的方面，第一或主换热器至少被分成第一区段和第二区段。例如，在第一区段中，在热的含氢合成气流和第二冷的热交换介质之间，以及在热的含氢合成气流和第三冷的热交换介质之间进行间接热交换。但是，热的含氢合成气流和第一冷的热交换介质之间的间接热交换，例如，不但在第一区段也在第二区段中进行。另外，热的含氢合成气流和第四冷的热交换介质之间的热交换也可以在第二区段中进行，参见例如图2和4。
依据进一步的选择，所有或一部分的含氢合成气流从第一换热器的第一区段中排出，在第二换热器(例如，外部空气冷却换热器)中进行热交换，并被引入气/液分离器中。含氢合成气流中未冷凝的部分随后从气/液分离器中排出，并被引入第一换热器的第二区段。
如上所述，该过程可以进一步包括在热的含氢合成气流和第五冷的热交换介质之间进行间接热交换。但是，该进一步的换热不需要在同一换热器中进行。因此，热的含氢合成气流和第五冷的热交换介质之间的间接热交换可以在第二换热器中进行。可选择地，热的含氢合成气流和第五冷的热交换介质之间的间接热交换可以在第一换热器的第二区段中进行。
依据本发明进一步的方面，从第一换热器中排出的含氢合成气流在外部空气冷却换热器中进行热交换，被引入进第一气/液分离器，含氢合成气流中未冷凝的部分从第一气/液分离器中排出，并被引入第二换热器，然后进入第二气/液分离器，从其中含氢合成气的冷却的产物被排出。
如上所述，虽然能够应用于其他工业气体的冷却，本发明优选用于冷却含氢合成气。含氢合成气源包括像这样的过程：蒸汽/碳氢化合物的重整、煤的气化和部分氧化过程。典型地，含氢合成气包括，例如，35-75摩尔％的H2、0-2摩尔％的N2、2-45摩尔％的CO、12-40摩尔％的CO2、0-10摩尔％的H2S、以及少于3摩尔％的C2+碳氢化合物。不同来源的合成气成分的例子列在下面的表中：
一般地，上述的合成气产生过程在温度例如250-450℃下提供含氢合成气。就回收氢或化学生产给料的进一步处理而言，希望通过本发明的方法/设备，将这个含氢合成气流冷却到温度为例如30-50℃。
本发明使用的典型热交换介质包括产生含氢合成气(例如碳氢化合物流)的过程中使用的原料流、锅炉给水、软化水、环境空气和冷却水。其他可能的热交换介质包括溶剂，例如除二氧化碳时需要的溶剂，以及提高方法总体效率所必须的其他可能的流。
上面和下面所引用的所有申请、专利和出版物的完整公开，在这里通过引入并入。
附图说明
当结合附图考虑时，本发明的各种其他特征和附带的优点将被更充分地显示，同时被更好地理解，在全部几个附图中，同一引用特征表示相同或相似的部件，其中：
图1是现有技术的示意性流程图；
图2是描述本发明实施方式的过程的示意性流程图；
图3、4和5是描述图2所示实施方式的变化的示意性流程图。
具体实施方式
图1是描述现有技术的换热器结构的方法的示意性流程图。如图1所示，含氢合成气流1进入换热器E-1，在此与流20(例如，天然气)进行间接热交换。含氢合成气流1作为流2排出换热器E-1，然后在换热器E-2中与流30(例如锅炉给水)进行间接热交换。此后，含氢合成气流2作为流3排出换热器E-2，然后被引入到换热器E-3中与流40(例如软化水液体)进行间接热交换。在从换热器E-3排出时，冷却的含氢合成气流4被送入气/液分离器V-1，从此处冷凝的气体作为液流9被排出，并且冷却的含氢合成气流作为流5被排出。然后流5进入AC-1(例如空气冷却换热器)，在那里该流与环境空气进行间接热交换。最后，在被引入到第二气/液分离器V-2之前，来自AC-1的空气冷却流(流6)在E-4中与流50(例如液体冷却水)进行间接热交换。冷却的含氢合成气作为流8从系统中排出。
结合图1流程图显示的现有技术系统，表1显示了典型流的摩尔流量、温度和压力，以及空气冷却换热器的电量消耗。
下面提供的例子描述了本发明，并且不局限于其中具体的实施例。在前述的和随后的实施例中，除非另有说明，所有的温度都是未校正的摄氏度；并且，除非另有说明，所有的组分和百分比都用摩尔表示。
实施例1-具有外部空气冷却和分离的分区容器
如图2所示，第一含氢合成气流在753°F(401℃)、376psia下，作为流1进入换热器E-10，并在98°F(37℃)、369psia下作为流8排出换热器E-10。流1进入换热器E-10的流速为23,170lb mol/hr，并且流8排出换热器E-10的流速大约为17,057lb mol/hr。例如，换热器E-10是多回路翅管式换热器，所述换热器整体地封装在汽-液分离器中，并且含氢合成气流在壳侧流动。该设计可以是如图所示水平的、垂直的或有一定角度，该角度为在换热器壳侧中冷凝的任何流体的排出提供最好的帮助。
在其穿过换热器的通道中，含氢合成气与像碳氢化合物流(例如天然气)那样的第二流20进行热交换，所述第二流用于作为产生热合成气的设备(例如蒸汽重整器)的进料流。流20在120°F(49℃)，512psia下进入换热器E-10，流过由翅片换热管限定的回路，并在716°F(380℃)、502psia下作为流21排出换热器E-10。另外，流1，该含氢合成气，还与第三流30(例如锅炉给水)进行热交换，所述第三流30在227°F(108℃)、754psia下进入换热器E-10，流过由翅片换热管限定的回路，并在443°F(228℃)、724psia下作为流31排出。流1还与第四流40(例如软化水液体)进行热交换，所述第四流40在74°F(23℃)、61psia下进入换热器E-10，流过由翅片换热管限定的回路，并在284°F(140℃)、57psia下作为流41排出。最后，如图2所示，第一流还与第五流50(例如液体冷却水)进行热交换，所述第五流50在92°F(33℃)、55psia下进入换热器E-10，流过由翅片换热管限定的回路，并在107°F(42℃)、52psia下作为流51排出。
流1同时与流40和20进行热交换，然后与流40和30进行热交换，最后与流40和50进行热交换。与多个串联布置的且回路没有交错的管程流体相比，这样设计的好处是能够得到更有效的传热。
如图2所示的实施例，换热器可以被分区。因此，流1与流20、30和40在换热器的第一区段进行热交换。来自第一区段，然后合成气可以作为流5被送入空气冷却换热器AC-1与环境空气进行热交换。此后，流5作为流5A从AC-1排出，并被引入到气/液分离器V-1。然后，得到的气流6从V-1中排出，被引回到换热器E-10的第二区段，在那里它与流50和流40进行热交换。然后得到的冷却的含氢合成气可以作为流8从E-10中排出。
在第一区段、第二区段和分离器V-1中形成的冷凝物可以分别作为流9、10和10a排出，接着汇合后从系统中排出。
表2列出了图2所示实施例中流的代表性成分、摩尔流速、温度、压力、焓和熵。表2还列出了用于空气冷却换热器AC-1的空气冷却器生产量(单位BTU/hr)和电量消耗(折合成空气冷却器风机功率)。
对于结合热交换设计的本发明，需要的总UA(UA是传热系数和所需传热面积的乘积)估计是3,506,060BTU/F-hr。在图1所示的现有系统中，其中的第二、第三、第四和第五流串联排列，没有结合热交换，用于冷却排出的含氢合成气流、完成同样冷却量(例如，从753°F(401℃)、376psia冷却到98°F(37℃)、369psia)所需要的总UA估计是4,630,014BTU/F-hr。
在类似温度、压力和化学成分的条件下，对于类似的气流操作，可以假设传热系数基本上是不变的。因此，本发明结合换热器的设计能够得到相同的所需要的含氢合成气流的排出温度，而传热面积减少24.3％。
实施例2-具有外部空气冷却和分离、以及外部第二冷却和分离的未分区容器
如图3所示，第一含氢合成气流在753°F(401℃)、383psia下，作为流1进入换热器E-20，并在208°F(98℃)、382psia下作为流5排出换热器E-20。流1进入换热器E-20的流速为23,170lb mol/hr，流5排出换热器E-20的流速大约为17,643lb mol/hr。例如，换热器E-10是多回路翅管式换热器，整体地封装在汽-液分离器中，并且含氢合成气流在壳侧流动。该设计可以是如图所示水平的、垂直的或有一定角度，所述角度为在换热器壳侧中冷凝的任何流体的排出提供最好的帮助。
在换热器E-20中，流1与第二流20(例如天然气)进行间接热交换，所述流20在120°F(49℃)、512psia下进入换热器E-20，流过由翅片换热管限定的回路，并在716°F(380℃)、502psia下作为流21排出换热器E-20。在第一流经过换热器E-20时，第一流还与第三流30(例如锅炉给水)进行热交换，所述第三流30在227°F(108℃)、754psia下进入换热器E-20，流过由翅片换热管限定的回路，并在443°F(228℃)、724psia下作为流31排出。在换热器E-20中，第一流还与第四流40(例如软化水液体)进行热交换，所述第四流40在74°F(23℃)、61psia下进入换热器，流过由翅片换热管限定的回路，并在284°F(140℃)、57psia下作为流41排出。
如上所述，图2所示的实施例中的换热器是分区的。但是，在图3所示的实施例中，换热器没有分区，但是合成气仍然能够在空气冷却换热器中进行外部冷却。如图3所示，在与流20、30和40进行热交换之后，且在与流50(例如液体冷却水)热交换之前，流1可以从换热器E-20中作为流5排出，并在空气冷却换热器中与环境空气进行间接热交换从而被冷却。此后，流5作为流5A排出AC-1，并被引入到气/液分离器V-1。
从V-1中排出的所得的气流6，不需要被再引回到换热器E-20中。取而代之的，流6可以被引入到第二换热器E-4，在那里它可以与流50(例如冷却水)进行热交换。然后，冷却的含氢合成气作为流7从E-4中排出，并被送入第二气/液分离器V-2。从流中分离出的液体冷凝物和得到的冷却的含氢合成气可以作为流8从V-2中排出。
表3列出了图3所示实施例中流的代表性成分、摩尔流速、温度、压力、焓和熵。表3还列出了空气冷却换热器AC-1的空气冷却器生产量(单位BTU/hr)和电量消耗(折合成空气冷却器风机功率)。
对于结合热交换设计的本发明，需要的总UA估计是2,667,704BTU/F-hr。在图1所示的现有系统中，其中的第二、第三流串联排列，没有结合热交换，用于冷却排出的含氢合成气流、完成同样冷却量(例如，从753°F(401℃)、383psia冷却到208°F(98℃)、382psia)所需要的总UA估计是3,859,477BTU/F-hr，比上述结合设计多了45％。
实施例3-只有外部空冷和分离的分区容器
图4描述了具有分区换热器的实施例，与图2的实施例相似，除了含氢合成气流没有在换热器的第二区段与第四流(与图2的流50相比)进行热交换之外。
如图4所示，第一含氢合成气流在753°F(401℃)、373psia下，作为流1进入换热器E-30，并在98°F(37℃)、366psia下作为流8排出换热器E-30。流1进入换热器E-30的流速为23,170lb mol/hr，流8排出换热器E-30的流速大约为17,058lb mol/hr。例如，换热器E-10是多回路翅管式换热器，整体地封装在汽-液分离器中，且含氢合成气流在壳侧流动。该设计可以是如图所示水平的、垂直的或有一定角度，所述角度为在换热器壳侧中冷凝的任何流体的排出提供最好的帮助。
在换热器E-30的第一区段中，流1最初与第二流20(例如天然气)进行间接热交换，所述第二流20在120°F(49℃)、512psia下进入换热器E-30，流过由翅片换热管限定的回路，在716°F(380℃)、502psia下作为流21排出换热器E-30。另外，第一流1还在换热器E-30中与第三流30(例如锅炉给水)进行热交换，所述第三流30在227°F(108℃)、754psia下进入换热器E-30，流过由翅片换热管限定的回路，并在443°F(228℃)、724psia下作为流31排出换热器E-30。进一步地，第一流还与第四流40(例如软化水液体)进行热交换，所述第四流40在74°F(23℃)、61psia下进入换热器E-30，流过由翅片换热管限定的回路，并在284°F(140℃)、56psia下作为流41排出。
如上所述，在图4所示的实施例中，换热器是分区的。因此，流1在与流20、30和40进行热交换之后，且在与流40进行附加的热交换之前，流1从换热器E-30的第一区段中作为流5排出，并在空气冷却换热器AC-1中与环境空气进行间接热交换从而被冷却。此后，流5作为流5A排出AC-1，并被引入到气/液分离器V-1中。然后，从V-1中排出的所得的气流6被引回到换热器E-30的第二区段，在那里与流40进行进一步热交换。得到的冷却的含氢合成气作为流8排出E-30。
表4列出了图4所示实施例中流的代表性成分、摩尔流速、温度、压力、焓和熵。表4还列出了空气冷却换热器AC-1的空气冷却器生产量(单位BTU/hr)和电量消耗(折合成空气冷却器风机功率)。
对于结合热交换设计的本发明，需要的总UA估计是5,568,498BTU/F-hr。在图1所示的现有系统中，其中的第二、第三、第四流串联排列，没有结合热交换，用于冷却排出的含氢合成气流、完成同样冷却量(例如，从753°F(401℃)、383psia冷却到208°F(98℃)、382psia)所需要的总UA估计是3,859,477BTU/F-hr。
在这个例子中，完全不需要冷却水(流50)，因此降低了过程的动力消耗指标。
实施例4-没有外部空气冷却和分离，只有冷却水装置的不分区容器
在图5所示实施例中，使用不分区换热器。因此，该实施例与图3所示实施例相似。但是，图5的实施例不使用外部空气冷却换热器AC-1或汽/液分离器V-1，也不使用与流50(例如液体冷却水)热交换的第二换热器E-4。
在图5中，第一含氢合成气流在753°F(401℃)、373psia下，作为流1进入换热器E-40，并在98°F(37℃)、366psia下作为流8排出换热器E-40。流1进入换热器E-40的流速为23,170lb mol/hr，流8排出换热器E-40的流速大约为17056lb mol/hr。例如，换热器E-40是多回路翅管式换热器，整体地封装在汽-液分离器中，且含氢合成气流在壳侧流动。该设计可以是如图所示水平的、垂直的或有一定角度，所述角度为在换热器壳侧中冷凝的任何流体的排出提供最好的帮助。
在换热器E-40中，第一流1与第二流20(例如天然气)进行热交换，所述第二流20在120°F(49℃)、512psia下进入换热器E-40，流过由翅片换热管限定的回路，在716°F(380℃)、502psia下排出换热器E-40。第一流还与第三流30(例如锅炉给水)进行热交换，所述第三流30在227°F(108℃)、754psia下进入换热器E-40，流过由翅片换热管限定的回路，并在443°F(228℃)、724psia下作为流31排出换热器E-40。另外，第一流还与第四流40(例如软化水液体)进行热交换，所述第四流40在107°F(42℃)、61psia下进入换热器E-40，流过由翅片换热管限定的回路，并在284°F(140℃)、57psia下作为流41排出换热器E-40。最后，第一流还与第五流50(例如液体冷却水)进行热交换，所述第五流50在92°F(33℃)、55psia下被送入换热器E-40，流过由翅片换热管限定的回路，并在107°F(42℃)、52psia下作为流51排出换热器E-40。
从E-40中排出的所得的气流8并没有进入外部空气冷却器AC-1或第二换热器E-4，而是取而代之地，作为冷却的含氢合成气流8从换热器E-40中排出。
表5列出了图5所示实施例中流的成分、摩尔流速、温度、压力、焓和熵。
对于结合热交换设计的本发明，需要的总UA估计是3,506,060BTU/F-hr。在图1所示的现有系统中，其中的第二、第三、第四流串联排列，没有结合热交换，用于冷却排出的含氢合成气流、完成同样冷却量(例如，从753°F(401℃)、373psia冷却到98°F(37℃)、366psia)所需要的总UA估计是3,859,477BTU/F-hr。本发明结合换热器的这种设计使用结合的传热区，得到相同的所需要的含氢合成气排出口温度，传热面积能减少9.2％。
另外，在这个例子中，可以从设备中除去空气冷却换热器的总安装费用。
下面的表列出了图2-5所示实施例进行热交换的流的典型温度范围。
热的和冷的热交换流的典型温度范围
虽然本发明使用某种程度的特征进行描述，但是显然地，在不违反本公开内容的精神和范围的前提下，在结构的细节和组件的设计上，可以有很多变化。可以理解的是本发明并不局限于这里用于示例的目的提出的实施例，而是仅仅限制在所附权利要求的范围内，包括与这里命名的每个特征同等意义的所有范围。
通过替换那些在前述实施例中使用的、本发明的一般或特别描述的反应物和/或操作环境，前述的实施例能够被成功地重复。
从前面的描述中，本领域技术人员能够很容易地确定本发明的主要技术特征，并且在不偏离其精神和范围的情况下，能够对本发明进行各种改变和修改，使之适合各种用途和情况。

Claims (15)

1.一种从含氢合成气流中回收能量的方法，包括：
a.提供具有至少四个分隔的流体回路的第一换热器，其中所述第一换热器通过分区被分为至少第一区段和第二区段；
b.向所述第一换热器的第一流体回路提供第一热的含氢合成气流；
c.向所述第一换热器的第二流体回路提供第一冷的热交换介质，由此通过在所述第一换热器中的所述第一区段或所述第一区段和所述第二区段中与所述第一冷的热交换介质进行间接热交换，所述热的含氢合成气流被冷却；
d.向所述第一换热器的第三流体回路供给第二冷的热交换介质，由此通过在所述第一换热器中的所述第一区段中与所述第二冷的热交换介质进行间接热交换，所述热的含氢合成气流被冷却；
e.向所述第一换热器的第四流体回路供给第三冷的热交换介质，由此通过在所述第一换热器中的所述第一区段或所述第一区段和所述第二区段中与所述第三冷的热交换介质进行间接热交换，所述热的含氢合成气流被冷却；
f.向所述第一换热器的第五流体回路供给第四冷的热交换介质，由此通过与所述第四冷的热交换介质的间接热交换，所述热的含氢合成气流被冷却，并且其中所述热的含氢合成气流与所述第四冷的热交换介质之间的间接热交换在所述第一换热器的第二区段中进行；
g.从所述第一换热器中排出冷却的含氢合成气流；
其中所述含氢合成气流水平流过所述第一换热器的第一流体回路，并且如果在所述合成气冷却期间形成冷凝物，所述冷凝物流至所述第一换热器的底部，并且所述冷凝物与排出所述冷却的含氢合成气流相独立地，在所述第一换热器的底部排出。
2.一种从含氢合成气流中回收能量的方法，包括：
a.提供具有至少四个分隔的流体回路的第一换热器，其中所述第一换热器通过分区被分为至少第一区段和第二区段；
b.向所述第一换热器的第一流体回路提供第一热的含氢合成气流；
c.向所述第一换热器的第二流体回路提供第一冷的热交换介质，由此通过在所述第一换热器中的所述第一区段或所述第一区段和所述第二区段中与所述第一冷的热交换介质进行间接热交换，所述热的含氢合成气流被冷却；
d.向所述第一换热器的第三流体回路供给第二冷的热交换介质，由此通过在所述第一换热器中的所述第一区段中与所述第二冷的热交换介质进行间接热交换，所述热的含氢合成气流被冷却；
e.向所述第一换热器的第四流体回路供给第三冷的热交换介质，由此通过在所述第一换热器中的所述第一区段或所述第一区段和所述第二区段中与所述第三冷的热交换介质进行间接热交换，所述热的含氢合成气流被冷却；
f.将所述热的含氢合成气流的至少一部分从所述第一换热器的第一区段排出；
g.从所述第一换热器中排出的所述热的含氢合成气流在第二换热器中进行热交换；和
h.将得到的冷却的含氢合成气流的至少一部分从所述第二换热器返回到所述第一换热器的第二区段，通过与所述第三冷的热交换介质的间接热交换进一步冷却；
i.从所述第一换热器中排出冷却的含氢合成气流；
其中所述含氢合成气流水平流过所述第一换热器的第一流体回路，并且如果在所述合成气冷却期间形成冷凝物，所述冷凝物流至所述第一换热器的底部，并且所述冷凝物与排出所述冷却的含氢合成气流相独立地，在所述第一换热器的底部排出。
3.根据权利要求1的方法，其中所述热的含氢合成气流与所述第一冷的热交换介质之间的间接热交换仅在所述第一换热器中的所述第一区段中进行。
4.根据权利要求3的方法，其中所述热的含氢合成气流与所述第三冷的热交换介质之间的间接热交换在所述第一换热器中的所述第一区段和第二区段中进行。
5.根据权利要求2的方法，其中所述热的含氢合成气流与所述第一冷的热交换介质之间的间接热交换仅在所述第一换热器的第一区段中进行。
6.根据权利要求5的方法，其中所述热的含氢合成气流和所述第三冷的交换介质之间的间接热交换在所述第一换热器的所述第一区段和第二区段中进行。
7.一种从含氢合成气流中回收能量的方法，包括：
a.提供具有至少四个分隔的流体回路的第一换热器，其中所述第一换热器通过分区被分为至少第一区段和第二区段；
b.向所述第一换热器的第一流体回路提供第一热的含氢合成气流；
c.向所述第一换热器的第二流体回路提供第一冷的热交换介质，由此通过在所述第一换热器中的所述第一区段或所述第一区段和所述第二区段中与所述第一冷的热交换介质进行间接热交换，所述热的含氢合成气流被冷却；
d.向所述第一换热器的第三流体回路供给第二冷的热交换介质，由此通过在所述第一换热器中的所述第一区段中与所述第二冷的热交换介质进行间接热交换，所述热的含氢合成气流被冷却；
e.向所述第一换热器的第四流体回路供给第三冷的热交换介质，由此通过在所述第一换热器中的所述第一区段或所述第一区段和所述第二区段中与所述第三冷的热交换介质进行间接热交换，所述热的含氢合成气流被冷却；
f.从所述第一换热器中排出冷却的含氢合成气流；
g.从所述第一区段和第二区段排出在冷却所述第一热的含氢合成气流期间形成的冷凝物，其中所述冷凝物与所述含氢合成气流的排出相独立地，从所述第一区段和所述第二区段排出；
其中所述含氢合成气流水平流过所述第一换热器的第一流体回路，并且如果在所述合成气冷却期间形成冷凝物，所述冷凝物流至所述第一换热器的底部，并且所述冷凝物与排出所述冷却的含氢合成气流相独立地，在所述第一换热器的底部排出。
8.根据权利要求7的方法，在步骤e和f之间，进一步包括：
将所述热的含氢合成气流的至少一部分从所述第一换热器的第一区段排出，
从所述第一换热器的第一区段中排出的所述热的含氢合成气流在第二换热器中进行热交换，
将得到的冷却的含氢合成气流的至少一部分返回到所述第一换热器的第二区段，通过间接热交换进一步冷却，和
将在所述第二换热器中冷却所述热的含氢合成气流期间形成的冷凝物从所述第二换热器排出。
9.根据权利要求7的方法，其中在所述热的含氢合成气流和第一冷的热交换介质之间的间接热交换仅在所述第一换热器中的所述第一区段中进行。
10.根据权利要求7的方法，其中在所述热的含氢合成气流和所述第三冷的热交换介质之间的间接热交换在所述第一换热器的第一区段和第二区段中进行。
11.一种从含氢合成气流中回收能量的方法，包括：
a.提供具有至少四个分隔的流体回路的第一换热器；
b.向所述第一换热器的第一流体回路提供第一热的含氢合成气流；
c.向所述第一换热器的第二流体回路提供第一冷的热交换介质，由此通过与所述第一冷的热交换介质进行间接热交换，所述热的含氢合成气流被冷却；
d.向所述第一换热器的第三流体回路供给第二冷的热交换介质，由此通过与所述第二冷的热交换介质进行间接热交换，所述热的含氢合成气流被冷却；
e.向所述第一换热器的第四流体回路供给第三冷的热交换介质，由此通过与所述第三冷的热交换介质进行间接热交换，所述热的含氢合成气流被冷却；
f.从所述第一换热器中排出冷却的含氢合成气流；
其中所述含氢合成气流水平流过所述第一换热器的第一流体回路，并且如果在所述合成气冷却期间形成冷凝物，所述冷凝物流至所述第一换热器的底部，并且所述冷凝物与排出所述冷却的含氢合成气流相独立地，在所述第一换热器的底部排出，并且所述合成气流和所述第一冷的热交换介质之间的间接热交换在所述合成气流和所述第二冷的热交换介质之间的间接热交换的上游发生。
12.一种从含氢合成气流中回收能量的方法，包括：
a.提供具有至少四个分隔的流体回路的第一换热器；
b.向所述第一换热器的第一流体回路提供第一热的含氢合成气流；
c.向所述第一换热器的第二流体回路提供第一冷的热交换介质，由此通过与所述第一冷的热交换介质进行间接热交换，所述热的含氢合成气流被冷却；
d.向所述第一换热器的第三流体回路供给第二冷的热交换介质，由此通过与所述第二冷的热交换介质进行间接热交换，所述热的含氢合成气流被冷却；
e.向所述第一换热器的第四流体回路供给第三冷的热交换介质，由此通过与所述第三冷的热交换介质进行间接热交换，所述热的含氢合成气流被冷却；
f.从所述第一换热器中排出冷却的含氢合成气流；
其中所述含氢合成气流水平流过所述第一换热器的第一流体回路，并且如果在所述合成气冷却期间形成冷凝物，所述冷凝物流至所述第一换热器的底部，并且所述冷凝物与排出所述冷却的含氢合成气流相独立地，在所述第一换热器的底部排出，并且
其中所述热的含氢合成气流同时与第一冷的热交换介质和第三冷的热交换介质进行间接热交换，所述热的含氢合成气流同时与第二冷的热交换介质和第三冷的热交换介质进行间接热交换，并且所述热的含氢合成气流不与第一冷的热交换介质和第二冷的热交换介质同时进行间接热交换。
13.根据权利要求11的方法，其中所述第一换热器是管壳式换热器，所述第一流体回路由所述管壳式换热器的壳限定；所述第二流体回路由第一组翅片换热器管限定；所述第三流体回路由第二组翅片换热器管限定；和所述第四流体回路由第三组翅片换热器管限定。
14.一种从含氢合成气流中回收能量的方法，包括：
a.提供具有至少四个分隔的流体回路的第一换热器；
b.向所述第一换热器的第一流体回路提供第一热的含氢合成气流；
c.向所述第一换热器的第二流体回路提供第一冷的热交换介质，由此通过与所述第一冷的热交换介质进行间接热交换，所述热的含氢合成气流被冷却；
d.向所述第一换热器的第三流体回路供给第二冷的热交换介质，由此通过与所述第二冷的热交换介质进行间接热交换，所述热的含氢合成气流被冷却；
e.向所述第一换热器的第四流体回路供给第三冷的热交换介质，由此通过与所述第三冷的热交换介质进行间接热交换，所述热的含氢合成气流被冷却；
f.从所述第一换热器中排出冷却的含氢合成气流；
其中所述含氢合成气流水平流过所述第一换热器的第一流体回路，并且如果在所述合成气冷却期间形成冷凝物，所述冷凝物流至所述第一换热器的底部，并且所述冷凝物与排出所述冷却的含氢合成气流相独立地，在所述第一换热器的底部排出，并且所述第一冷的热交换介质是碳氢化合物进料流，所述第二冷的热交换介质是水，所述第三冷的热交换介质是水。
15.一种换热器设备，包括：
a.在所述换热器设备中限定至少四个分隔的流体回路的装置，由此第一流体回路与第二流体回路、第三流体回路和第四流体回路进行间接热交换；
b.第一入口，用于将热的含氢合成气引入到限定所述换热器设备的所述第一流体回路的装置中，以及第一出口，用于将冷却的含氢合成气从限定所述换热器设备的所述第一流体回路的所述装置中排出，所述第一入口和第一出口的设计使热的含氢合成气水平流过所述换热器设备；
c.与所述第一入口流体连接的热的含氢合成气源；
d.第二入口，用于将冷的第一热交换介质引入到限定所述换热器设备的所述第二流体回路的装置中，以及第二出口，用于将所述第一热交换介质从限定所述换热器设备的所述第二流体回路的所述装置中排出；
e.与所述第二入口流体连接的冷的第一热交换介质源；
f.第三入口，用于将冷的第二热交换介质引入到限定所述换热器设备的所述第三流体回路的装置中，以及第三出口，用于将所述冷的第二热交换介质从限定所述换热器设备的所述第三流体回路的所述装置中排出；
g.与所述第三入口流体连接的冷的第二热交换介质源；
h.第四入口，用于将冷的第三热交换介质引入到限定所述换热器设备的所述第四流体回路的装置中，以及第四出口，用于将所述冷的第三热交换介质从限定所述换热器设备的所述第四流体回路的所述装置中排出；
i.与所述第四入口流体连接的冷的第三热交换介质源；以及
j.独立于所述第一出口、用于将在间接热交换期间形成的冷凝物从换热器排出的装置；
其中所述第一入口、所述第一出口、所述限定第一流体回路的装置、所述限定第二流体回路的装置、所述限定第三流体回路的装置、所述限定第四流体回路的装置、和所述用于排出冷凝物的装置的设计使得在所述热的含氢合成气冷却期间形成的冷凝物流至所述换热器设备的底部，并且在所述换热器设备的底部通过从所述用于排出冷凝物的装置排出；
并且所述第一入口、所述第一出口、所述第一流体回路、所述第二流体回路、所述第三流体回路和所述第四流体回路的设计使得所述热的含氢合成气流与所述第一冷的热交换介质和所述第三热交换介质同时进行间接热交换，所述热的含氢合成气流与所述第二冷的热交换介质和所述第三热交换介质同时进行间接热交换。
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