CN103649665B - 热交换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热交换系统，包括：‑单一设备(N)，设备(N)具有浸没在流体槽(N1)中的区域以及位于顶部且气相被聚集的自由空间(N2)；‑至少一个间隔件(P)，间隔件(P)两端敞开，位于设备内部且完全浸没在流体槽中；‑一个或多个热交换表面(6、7、8、9、10、11)，该系统的特征在于：该系统包括在单一设备中的所有的热交换表面；热交换表面完全浸没在流体槽中且通过物质流与该系统外部的热源和冷源流体连接。热交换表面(6、7、8)的至少一个位于间隔件内部且至少另一表面(9、10、11)位于间隔件和设备的壁之间的空间中。

Description

热交换系统
技术领域
本发明涉及一种热交换系统，该热交换系统允许回收与在制备氢气和／或合成气的过程中循环的物质流相关联的热。本发明也允许将多余的热转化为气相，尤其是蒸汽。更具体地，本发明允许回收在催化部分氧化过程中被传递的热，尤其是在合成气的制备反应中产生的以及在水煤气变换反应中可能产生的热。
背景技术
由烃类和有机化合物制备氢气和／或合成气的方法的特征在于生成热(放热步骤)或吸收热(吸热步骤)的一系列步骤。通常，不同步骤在不同的温度水平进行，从气体净化过程的室温到低接触时间催化部分氧化(SCT-CPO)过程的1100℃。更具体地，温度从气体净化过程的室温波动到SCT-CPO过程的600℃-1000℃。SCT-CPO过程的中间阶段进一步设想具有加热和冷却步骤的热交换通道，例如脱硫(350℃-400℃)、水煤气交换(280℃-390℃)和废气燃烧(600℃-800℃)。为了达到不同工艺步骤所需的合适温度，不同的物质流必须被加热和冷却多次，因此，热交换的优化是根本性的方面，在所有氢气和合成气的制备过程中更是如此。
热交换代表在每个过程中的关键点和设备复杂性，热交换对成本也有很大的影响，例如，在热交换设备、管道、调节阀、自动化和控制系统方面。
例如，已知技术方案开发了使用一个或多个热交换装置冷却生成饱和蒸汽和／或过热蒸汽的过程的热气体。
专利US4,488,513公开了一种用于冷却热气体(尤其是来自部分氧化过程的合成气)的交换器，从而回收了显热并同时产生过热蒸汽。该交换器包括两个叠置的分开的不同的区域，这两个区域通过一系列有适当夹套的热气体通道管线而相互连接。上部包括竖直的、圆柱形的且密闭的加压瓶，该瓶上部具有用于过热蒸汽的出口。该瓶部分填充沸水，它形成了热气体的第一冷却区域，而上部是自由的并充满过热蒸汽，上部形成了第二冷却区域。螺旋形管束绕中心轴均匀地且沿径向地定位，其中一个螺旋上升，一个螺旋下降。沸水槽填充瓶直到瓶底部，并与水进给相连接。下部涂覆有耐火材料且为热气体进给区域。在这个区域，热气 被分入与上部区域的螺旋形管束相连接的一系列有夹套的通道管。通道管的夹套具有防止高温损坏的功能。
专利US4,462,339公开了一种通过水冷却热气体(例如那些来自部分氧化的热气体)的交换器，从而回收了显热并同时产生了饱和蒸汽和／或过热蒸汽。该交换器包括两个不同的分开的部分，这两部分彼此通过有夹套的环形通道相互连接，水在有夹套的环形通道中循环。下部涂覆有耐火材料并形成了热气体的进给腔。上部为密闭的、竖直的、圆柱形的加压瓶，该瓶底部包括中心密闭圆柱形腔，瓶顶部敞开，包括至少一束螺旋形管、位于顶部的用于饱和气体的中心出口、延伸进入中心腔和瓶壁之间的环形区域的不同螺旋形管束。环形区域的螺旋形管的出口与中心腔的螺旋形管的入口连接。水在环形区域中循环，蒸发并产生饱和蒸汽。在中心腔中，饱和蒸汽可通过位于腔底部的排出口排出或变得过热。水存在的区域是上方竖直瓶的下部，且被水平隔膜分为两个区域：位于瓶底部和隔膜之间的区域(气体的夹套通道管沿着该区域延伸)，以及位于中心腔下方和隔膜上方的区域(沸水在该区域中循环)。管有夹套以防止进入气体的高温所造成的损坏。
专利US2009／194257A1涉及一种蓄热系统，该系统包括微封装相变物质(所谓的MPCM)。当颗粒体积分数大于约30％时，MPCM浆呈现出非牛顿性能。对于给定体积的储蓄罐，低MPCM颗粒浓度对应于较低的蓄热能力。此外，由于物质的团聚，泵的冲击所造成的颗粒破裂可能会导致较高的泵能耗。
发明内容
因此，申请人发现了用于实现和优化在氢气和／或合成气的制备过程中循环的热物质流和冷物质流所生成和传递的热的回收的创新的技术方案。该方案，也就是本发明的目的涉及一种热交换系统，其中来自氢气和／或合成气制备过程的不同阶段的各种物质流(相应的热流与之相关联)，通过单一中心系统进行热交换，该单一中心系统结合了在单一设备中对试剂进行预热或加热、冷却产物和产生蒸汽的功能。该系统包括完全浸没在流体槽(优选为水)中的一个或多个热交换表面，它具有冷却和加热功能。这样，在流体槽中就建立了一个强大的自然循环，允许热交换和平衡，并将多余的热能转化成气相，优选为蒸汽，在热交换系统所包括的设备的上部，该蒸汽被收集和分离。
本发明的目的是简化与热交换现象相关联的设备方案的复杂性，并提高氢气和合成气制备操作的能量效率和安全性。
本发明涉及一种热交换系统，包括：
●单一设备，所述单一设备具有浸没在流体槽中的区域以及位于顶部且气相被聚集的自由空间；
●至少一个间隔件(interspace)，所述间隔件两端敞开，位于所述设备内部且完全浸没在所述流体槽中；
●一个或多个热交换表面；
●用于来自外部冷却源的一个或多个冷物质流的至少一个入口门以及用于来自外部热源的一个或多个热物质流的至少一个入口门；
●通过所述热交换表面的用于至少一个冷却后的物质流的至少一个出口门和用于至少一个加热后的物质流的至少一个出口，
所述系统的特征在于：
●所述系统包括在单一设备中的所有的所述热交换表面；
●所述热交换表面完全浸没在所述流体槽中且通过物质流与所述系统外部的所述热源和所述冷源流体连接。
本发明也涉及所述热交换系统，其中热交换表面位于间隔件的内部且至少另一表面位于所述间隔件和所述设备的壁之间的空间中。间隔件内部的热交换表面产生热给冷物质流并加热冷物质流，位于间隔件和罐壁之间的热交换表面吸收来自热物质流的热并冷却热物质流。
本发明有利地允许回收氢气和／或合成气制备过程的不同的放热步骤所产生的热。通过流体槽，显热被传递到吸热工艺步骤所涉及的物质流，从而促进了过程的能量优化并减少了能耗。在催化部分氧化过程中，例如，该系统可以典型地通过反应产物和水煤气交换反应的产物有利地回收来自放热步骤的热能，并将热能提供给在吸热步骤(例如脱硫步骤)中操作的流。本系统可以有利地促进将物质流冷却到所需温度。
多余的热被有利地转化为蒸汽，因此蒸汽可以被再用于过程中的其他目的或用于外部用途。本发明有利地允许降低必要的负担、设备的成本，并提高设计用于合成气制备、冷却及蒸汽制备的系统的可能性。
最后，本发明允许生产预组装单元，预组装单元可被运输和安装在使用场所，并极大地减少了成本和干扰风险。
附图说明
本发明的其他目的与优点将会在下面的描述与附图(仅为说明性而非限制性目的提供的)中显得更为明显。
图1示出了用于回收应用到催化部分氧化过程的物质流所传递的热的热交换系统，其中多余的热所产生的蒸汽被用于产生电能。图1中，可以观察到下述流和元件：
-A为脱硫步骤；
-B为催化部分氧化步骤；
-C为水煤气交换步骤；
-D为氢气纯化和／或分离步骤；
-E为排出气体或废气的燃烧步骤；
-F为与G发电机联接的蒸汽涡轮机；
-L为冷凝器；
-M为重整泵；
-N为单一热交换设备；
-1a为冷试剂流；
-1b为冷氧化流；
-1c为冷惰性流；
-2为反应产物热流；
-3为包括氢气和二氧化碳的热流；
-4为包括燃烧气体的热流；
-5为产生的气相，优选是蒸汽；
-12为产生的电；
-13为冷废气流。
设备N包括间隔件P、流体槽N2(优选是水)、所产生的气相(优选是蒸汽)的收集空间N1、一个或多个具有螺旋形状的热交换表面6、7、8、9、10和11。
具体实施方式
本发明的目的的热交换系统的目的是回收与来自过程的热源和／或冷源的热流相关联的物质流的显热。该流优选为来自氢气和／或合成气制备过程的各步骤(甚至更优选地是来自催化部分氧化过程的各步骤)的产物和／或试剂。这样回收的显热可以用于所述过程的吸热步骤，且通过某工艺步骤，物质流可以被冷却到所需温度。
本系统的主要特点是热交换发生在单一中心系统中，该单一中心系统包括单一设备，该单一设备被分为两个区域：浸没在流体槽中的区域以及在槽顶部的自由空间，气相聚集在自由空间中。流体槽既作为冷却装置(冷却流体)使用，又作为加热装置(加热流体)使用。该流体优选为水，气相优选为蒸汽。该热交换系统可以包括用于来自外部冷源的一个或多个冷物质流的一个或多个入口门(优选为至少三个入口门)和用于来自热源的一个或多个热物质流的一个或多个入口门(优选为至少三个)。
至少一个间隔件(优选为圆柱形)两端敞开，位于罐内部，该间隔件完全浸没在流体槽中。本发明的目的的热交换系统的特征元素是热交换系统包括在单一设备中的所有交换表面，这些表面均完全浸没在流体槽中，且每个表面与系统外的热物质流源或冷物质流源流体连接。
优选地，一个或多个热交换表面可以位于间隔件的内部，但是一个或多个热交换表面可以位于间隔件和罐壁之间的空间中。位于间隔件内部的热交换表面优选地可以将热释放给冷物质流，加热冷物质流，而位于间隔件和罐壁之间的热交换表面优选地可以吸收来自物质流的热，冷却该物质流。
优选有至少六个热交换表面。优选地，热交换表面可以为螺旋形元件，热物质流或冷物质流在螺旋形元件中流动。螺旋形元件可以优选为至少六个。
本发明的目的的热交换系统最后包括用于加热后的物质流和冷却后的物质流的一个或多个出口门。该系统也可以包括与至少一个蒸汽发生器联接的至少一个蒸汽涡轮机。
在相同的设备中，所有的热交换表面都完全浸没在流体槽中，这在流体槽中建立了一个强大的自然循环，流体槽构造为允许热交换和平衡，并将多余的热能转化为气相，优选是蒸汽。气相在设备的上部被收集和分离。在热交换表面和流体槽之间的热传递过程中，在间隔件内部形成了双相区域，而间隔件外部形成了单相区域。在间隔件的内部区域和外部区域之间所产生的密度差可以在流体槽中产生强大的内部循环，且促进了热交换。循环的流体槽代表在热“供给”表面和热“消耗”表面之间的优良的热交换流体，具有极高的交换系数。
本发明的目的的系统中存在的、根据供给的热与消耗的热之间的差计算的多余的热，可以被转化成蒸汽并被收集在设备顶部(流体槽上方)的自由空间中。当多余的气相具体为蒸汽时，该蒸汽可以被用于预先存在的蒸汽供给系统或用于通过与发电机联接的蒸汽涡轮机产生电能。通过将冷凝水再次注入到加压罐和间隔件之间的区域的重整泵，蒸汽被冷凝并重整到中心热交换系统中。
本发明的目的的热交换系统可以有利地用于氢气和／或合成气的制备过程，优选是催化部分氧化过程，这些过程都是强放热过程，因此通常会产生多余的热量，允许产生蒸汽。本发明也涉及使用本文所描述和要求的热交换系统的热交换和回收方法，包括以下阶段：
●在系统中通过水冷却来自外部热源的物质流；
●在系统中通过蒸汽加热来自外部冷源的物质流；
●将系统中存在的多余的热转化为蒸汽。
当热交换和回收方法伴随相同的催化部分氧化反应过程时，加热后的物质流进入脱硫步 骤和／或催化部分氧化反应步骤，而冷物质流进入水煤气交换步骤、氢气分离和／或纯化步骤。
最后在前面所描述的过程中所产生的蒸汽优选地被进给到蒸汽供给系统或被用于产生电能。
现在示出特定的实施例，参见图1。本发明的目的的热交换系统被应用到催化部分氧化过程。包括试剂(1a)、氧化剂(1b)和惰性产物(1c)的冷物质流通过位于圆柱形间隔件P和罐N之间的空间中的螺旋形元件9、10和11被加热。来自反应步骤B的热物质流(2)、来自水煤气交换步骤C的热物质流(3)和来自燃烧步骤E的热物质流(4)通过位于间隔件P内部的螺旋形元件6、7、8被冷却。加热后，物质流循环进入脱硫步骤A和反应步骤B，而冷却后，物质流继续进入水煤气交换步骤C和氢气纯化和／或分离步骤D。废气13到达点火器处。产生的蒸汽5进入由与发电机G联接的蒸汽涡轮机F组成的系统用于产生电流12。之后，废蒸汽被冷凝(L)并被重整泵M再次注入到热交换系统。
参考用于产生热气体的过程，本发明的目的的热交换系统具有三个主要功能：
1、作为预热步骤，加热冷试剂；
2、作为冷却交换器，冷却产生的热气体，尤其是合成气；
3、将进料中产生的多余蒸汽输送到蒸汽供给系统或将其转化为电能。
这样，提高了产生热气体的过程(例如产生合成气和氢气的过程)的能效。本发明还允许减少对于热交换操作来说必要的负担，因为本发明可以在单一设备中实现整个热传递过程。此外，本发明有助于设计用于在极度有限体积内合成气制备、冷却和蒸汽产生的系统，从而允许生产预组装单元，预组装单元可以被运输和安装在使用场所，并大大减少了成本和干扰风险。

Claims (16)

1.一种热交换系统，包括：
-单一设备，所述单一设备具有浸没在流体槽中的区域以及位于顶部且气相被聚集的自由空间；
-至少两个间隔件，所述间隔件两端敞开，位于所述设备内部且完全浸没在所述流体槽中；
-多个热交换表面；
-用于来自外部冷却源的一个或多个冷物质流的至少一个入口门以及用于来自外部热源的一个或多个热物质流的至少一个入口门；
-通过所述热交换表面的用于至少一个冷却后的物质流的至少一个出口门和用于至少一个加热后的物质流的至少一个出口，
所述系统的特征在于：
-所述系统包括在单一设备中的所有的所述热交换表面；
-所述热交换表面完全浸没在所述流体槽中且通过物质流与所述系统外部的热源和冷源流体连接；以及
-所述热交换表面位于所述间隔件的内部且至少另一表面位于所述间隔件与所述设备的壁之间的空间内。
2.根据权利要求1所述的热交换系统，也包括与至少一个发电机联接的至少一个蒸汽涡轮机。
3.根据权利要求1或2所述的热交换系统，其中所述热交换表面为螺旋形元件的形式，所述物质流在所述螺旋形元件中流动。
4.根据权利要求1或2所述的热交换系统，其中所述间隔件为圆柱形的。
5.根据权利要求1或2所述的热交换系统，其中所述流体为水，所述气相为蒸汽。
6.根据权利要求1或2所述的热交换系统，其中所述外部热源和所述冷源来自氢气和/或合成气的制备过程的步骤。
7.根据权利要求1或2所述的热交换系统，其中有用于所述冷物质流的至少三个入口门以及用于所述热物质流的至少三个入口门。
8.根据权利要求1或2所述的热交换系统，其中有至少六个热交换表面。
9.根据权利要求3所述的热交换系统，其中有至少六个螺旋形元件。
10.根据权利要求1或2所述的热交换系统，其中所述冷物质流为来自相同的催化部分氧化过程的试剂、氧化剂和/或惰性产物。
11.根据权利要求1或2所述的热交换系统，其中所述热物质流为来自相同催化部分氧化过程的至少催化部分氧化反应步骤、水煤气变换步骤和/或燃烧步骤的产物。
12.一种热交换和回收方法，其特征在于，所述热交换和回收方法使用根据权利要求1-11中任一项所述的热交换系统，包括以下阶段：
·在所述热交换系统中利用水来冷却来自外部热源的物质流；
·在所述热交换系统中利用蒸汽来加热来自外部冷源的物质流；
·将所述热交换系统中存在的多余的热转化为蒸汽。
13.根据权利要求12所述的热交换和回收方法，其中在所述热交换系统所包括的所述间隔件内部的所述热交换表面将热传递至所述冷物质流，加热所述冷物质流，且在所述间隔件和所述设备的壁之间的所述热交换表面吸收来自所述热物质流的热，冷却所述热物质流。
14.根据权利要求13所述的热交换和回收方法，其中生成的所述蒸汽被进给到蒸汽供给系统或被用于产生电能。
15.根据权利要求13所述的热交换和回收方法，其中所述加热后的物质流进入相同的催化部分氧化过程的脱硫步骤和/或催化部分氧化反应步骤。
16.根据权利要求13所述的热交换和回收方法，其中所述冷却后的物质流进入相同的催化部分氧化过程的水煤气变换步骤、氢气分离和/或纯化步骤。
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