CN109916195A - 一种合成放热反应的热量回收换热设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及煤化工、石油化工以及其他新型材料等行业领域，特别是涉及一种合成放热反应的热量回收换热设备及方法，其可以降低能耗，并且可以方便对合成气体中的热量进行回收利用；包括左固定外壳、右固定外壳、多组固定螺栓、多组固定螺母、固定板、多组换热管和分隔板，左固定外壳顶部和底部中央区域分别连通设置有合成气体进料管和合成气体出料管，右固定外壳顶部和底部分别连通设置有甲醇气体出料管和两组甲醇液体进液管，两组甲醇液体进液管上分别设置有两组进料控制阀，其换热方法包括以下步骤：检查；向壳程内导入冷流体；将热流体通入管程中；热交换；冷流体闪蒸并开始气化；热流体冷凝并进入回流槽内。

Description

一种合成放热反应的热量回收换热设备及方法
技术领域
本发明涉及煤化工、石油化工以及其他新型材料等行业领域，特别是涉及一种合成放热反应的热量回收换热设备及方法。
背景技术
氯甲烷是甲烷分子中的氢原子被氯原子取代的产物，可以用于生产甲基氯硅烷、四甲基铅和甲基纤维素等，并且其可以作为有机合成的中药原料，并且可以用作有机硅的原料，也可作溶剂和冷冻及等，并且氯甲烷可以继续卤化得到二氯甲烷、三氯甲烷(氯仿)和四氯甲烷，其中应用最广泛的为氯仿和四氯甲烷，氯仿是一种不燃的优良溶剂，还广泛应用于有机化工生产的原料，四氯化碳受热蒸发时，其蒸汽可以吧燃烧物覆盖，隔绝空气而灭火，是常用的灭火剂，四氯化碳主要用作溶剂，有机氯化剂、纤维脱脂剂、谷物熏蒸消毒机、药物萃取剂等，并用于制造氟利昂和织物干洗机，医药上用作杀钩虫剂。
氯甲烷的生产在石油化工行业内是非常常见的反应操作，在氯甲烷生产时，需要将其原料甲醇进行升温加热，使原料甲醇闪蒸成甲醇气体，再导入至氯甲烷合成反应器中与盐酸在氯化锌水溶液中进行反应生成氯甲烷合成气体，并且生成的氯甲烷合成气体由氯甲烷合成反应器中出来后需要经过冷凝和分离，得到氯甲烷。
但是在整个操作过程中，甲醇液体的闪蒸气化需要消耗大量的能量，并且氯甲烷合成气体中的大量热量得不到有效的利用，造成了热能的浪费，如何在降低能耗的同时氯甲烷合成气体中的热量进行回收利用成为了亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种可以降低能耗，并且可以方便对合成气体中的热量进行回收利用，节约能源的合成放热反应的热量回收换热设备及方法。
本发明的一种合成放热反应的热量回收换热设备，包括左固定外壳、右固定外壳、多组固定螺栓、多组固定螺母、固定板、多组换热管和分隔板，固定板夹装于左固定外壳和右固定外壳之间，左固定外壳和右固定外壳通过多组固定螺栓和多组固定螺母连接，固定板上分别设置有多组固定孔，多组换热管均位于右固定外壳内，并且多组换热管两端分别固定安装在多组固定孔处，分隔板横向安装在左固定外壳内部中央区域，并且分隔板右端与固定板左侧壁中央区域连接，左固定外壳顶部和底部中央区域分别连通设置有热流体进料管和热流体出料管，右固定外壳顶部和底部分别连通设置有冷流体出料管和两组冷流体进液管，两组冷流体进液管上分别设置有两组进料控制阀。
本发明的一种合成放热反应的热量回收换热设备，换热管的长度为1000-6000mm。
本发明的一种合成放热反应的热量回收换热设备，换热管的进出口处设置有流量和温度的DSC系统。
本发明的一种合成放热反应的热量回收换热设备，其操作温度为30-300℃，操作压力为0.01-3.2MpaG。
本发明的一种合成放热反应的热量回收换热方法，包括以下步骤：
(1)检查全部设备和管路系统，确保所有阀门、仪表和联锁调试完成并能正常运行；
(2)打开两组进料控制阀，向壳程内导入冷流体，使冷流体的液位在冷流体标准液位范围内，并关闭两组进料控制阀；
(3)将氯甲烷合成反应器中生成的热流体通入管程中，使换热设备中的热量逐渐上升至50-300℃，此时压力约为0.1bar左右；
(4)管程中的热流体通过换热管与壳程内部的冷流体进行热交换，使氯热流体温度降温，并使冷流体的温度上升；
(5)冷流体温度上升至约95℃后达到闪蒸温度并开始气化，气化后的冷流体通入氯甲烷合成反应器中进行反应；
(6)热流体中的高温氯甲烷和水降温后冷凝或部分冷凝为饱和液体，进入回流槽内。
本发明的一种合成放热反应的热量回收换热方法，所述冷流体标准液位范围为20～85％。
本发明的一种合成放热反应的热量回收换热方法，所述热流体的组分为(wt％)：
氯甲烷：5～40；
水：5～60；
HCl：1～10；
二甲醚：0.01～10。
本发明的一种合成放热反应的热量回收换热方法，所述热流体的温度为300℃，压力3.2MpaG。
本发明的一种合成放热反应的热量回收换热方法，其处理流量为500-5000kg/h，冷流体的流量为200-2500kg/h。
与现有技术相比本发明的有益效果为：本发明的一种合成放热反应的热量回收换热设备采用釜式结构，可以布置在地面或底层框架上及卧式形式，并且采用自身工艺物料的相变互换热模式来换热，而不是消耗外部的冷量来冷却冷凝，通过氯甲烷合成反应器顶部出来的热流体的温度来加热冷流体，使冷流体升温并闪蒸气化，通过对氯甲烷合成系统工艺流程的优化、关键设备的型式、工艺参数及布置的优化调整，不仅降低了加热冷流体产生的能耗，同时可以减少冷却热流体的温度的产生的能耗，并且可以对热流体中的热量进行充分的回收利用，从多方面都节省了能量，热流体不需要另外使用新的冷却冷凝媒介，冷流体不需要使用蒸汽来加热，工程消耗几乎为零，节能效果极其明显，其具有以下的优点：
1、热流体冷却和冷凝流程更加优化、简洁、通过使用相变换热的潜热的利用，使得冷却冷凝合二为一，节省了设备；
2、优化了工艺流程，原来使用冷冻水或两级冷却、冷凝的流程，流程长，压降大，不利于工艺地稳定操作和运行；
3、优化了布置，使得原来必须在框架顶层布置的立式较大设备可以改为卧式或平台上即可，减少了甲醇汽化器的设备布置，工艺上更加合理并且很大程度上优化了布置设计，节省了空间和土建施工量；
4、本发明设计了一种新型的换热设备，从原来需要消耗大量的蒸汽和冷却水变为外界消耗的能量几乎为零，节省了大量的冷却水和蒸汽；
5、一次性投资、运行费用都有很大节约，特别是运行费用；
6、减少了冷流体汽化器的的设备投资费用，回收了能源，节能效果明显。
附图说明
图1是本发明的换热设备的结构示意图；
附图中标记：1、左固定外壳；2、右固定外壳；3、固定螺栓；4、固定螺母；5、固定板；6、换热管；7、分隔板；8、热流体进料管；9、热流体出料管；10、冷流体出料管；11、冷流体进液管；12、进料控制阀。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明的一种合成放热反应的热量回收换热设备，包括左固定外壳1、右固定外壳2、多组固定螺栓3、多组固定螺母4、固定板5、多组换热管6和分隔板7，固定板5夹装于左固定外壳1和右固定外壳2之间，左固定外壳1和右固定外壳2通过多组固定螺栓3和多组固定螺母4连接，固定板5上分别设置有多组固定孔，多组换热管6均位于右固定外壳2内，并且多组换热管6两端分别固定安装在多组固定孔处，分隔板7横向安装在左固定外壳1内部中央区域，并且分隔板7右端与固定板5左侧壁中央区域连接，左固定外壳1顶部和底部中央区域分别连通设置有热流体进料管8和热流体出料管9，右固定外壳2顶部和底部分别连通设置有冷流体出料管10和两组冷流体进液管11，两组冷流体进液管11上分别设置有两组进料控制阀12。
本发明的一种合成放热反应的热量回收换热设备，换热管6的长度为1000-6000mm。
本发明的一种合成放热反应的热量回收换热设备，换热管6的进出口处设置有流量和温度的DSC系统。
本发明的一种合成放热反应的热量回收换热设备，其操作温度为30-300℃，操作压力为0.01-3.2MpaG。
本发明的一种合成放热反应的热量回收换热方法，包括以下步骤：
检查全部设备和管路系统，确保所有阀门、仪表和联锁调试完成并能正常运行，打开两组进料控制阀，通过两组甲醇液体进液管向壳程内导入甲醇液体，使甲醇液体的液位在50-85％内，并关闭两组进料控制阀，将氯甲烷合成反应器中生成的氯甲烷合成气体通过合成气体进料管通入左固定外壳中，通过流量和温度的DSC系统调节其温度为50-300℃，其压力为0.01-3.2MpaG，使换热设备中的热量逐渐上升至50-100℃，此时压力约为0.1bar左右，换热设备中的压力、温度和液位均由DSC系统自动调节，合成气体进入多组换热管中，并且管程中的氯甲烷合成气体通过换热管与壳程内部的甲醇溶液进行热交换，使氯甲烷合成气体降温，并使甲醇液体的温度上升，甲醇液体温度上升至95℃后达到闪蒸温度并开始气化，气化后的甲醇气体通过甲醇气体出料管排出并通入氯甲烷合成反应器中进行反应，氯甲烷合成气体中的高温氯甲烷和水降温后冷凝或部分冷凝为饱和液体，进入回流槽内。
其中氯甲烷合成气体的组分为(wt％)：
氯甲烷：5～40；
水：5～60；
HCl：1～10；
二甲醚：0.01～10。
本发明的处理流量为500-5000kg/h，甲醇液体的流量为200-2500kg/h。
另外，本发明的换热设备还配备有：安全泄放装置(PSV)、液位和压力联锁系统(interlock)和紧急排放系统(ESD)。启动相变再沸器，当工艺参数达到设定值后，启动自控状态，冷凝器开始处于冷凝分离状态，大约5～10％的蒸汽通过冷凝器后进入回流槽。
氯甲烷气体传输到换热设备之前，应先把相应的合成器相关的阀门和流量计调为手动控制，然后使用HV阀门逐渐增加气体流量进入相变换热器，此时合成反应的压力约为80KPa左右，温度为150℃，合成器的压力采用后部系统气相管线上的压力调节阀来控制，保证其数值在正常工作范围内。
分别在管壳程的出口管线上布置有取样系统，分析得出实验报告。
从分析报告结果可以得出：管壳程分别的气化率为：15～50％和50～100％，然后再调整管程进气量，逐渐增加直到在管程气化率在约100％左右即可，此时要保证壳程气化率在100％。另外壳程的液位也需要控制在50～85％左右，以保证气化器的安全稳定运行。
本发明的一种合成放热反应的热量回收换热设备，使用自身待加热的低温的工艺原料(甲醇)来给高温的氯甲烷合成气来换热。原料液体甲醇需要闪蒸成甲醇气体去合成反应器参与反应。另外氯甲烷合成气从反应器出来，需要冷凝、分离。通过模拟计算分析其各自工艺参数。从而设计了一个全新的换热设备，一方面可以把甲醇通过吸收高温氯甲烷的液化的冷凝相变热，给甲醇液体加热，从而使得甲醇发生相变闪蒸，换热设备的双程均发生相变，相互以潜热的方式进行热交换，并设计新型的釜式换热设备的结构，从而达到高效地换热相变效应。
所述的双相变换热过程为：氯甲烷合成塔出来的压力为0.08MPaG，温度为155℃的氯甲烷、水等蒸汽通入到双相变换热设备的管程。另外来自界外常温的原料液体甲醇，通入到蒸发器的壳程，两种介质相互吸收热量进行换热相变。最终甲醇被加热到约95℃并达到闪蒸温度开始气化，特殊的釜式结构，使得闪蒸过程更节能，相变阻力小，并随着甲醇的不断的闪蒸，最终甲醇气体被送进到合成反应器参与反应。同时，管程的高温氯甲烷、水等气体由于被甲醇的相变潜热带走了自身的热能，最终冷凝或部分冷凝为饱和液体，这时该两相流体再进入上部的过冷段中，并进一步的把低沸点物质蒸汽冷凝下来，然后回流到回流罐。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种合成放热反应的热量回收换热设备，其特征在于，包括左固定外壳(1)、右固定外壳(2)、多组固定螺栓(3)、多组固定螺母(4)、固定板(5)、多组换热管(6)和分隔板(7)，固定板(5)夹装于左固定外壳(1)和右固定外壳(2)之间，左固定外壳(1)和右固定外壳(2)通过多组固定螺栓(3)和多组固定螺母(4)连接，固定板(5)上分别设置有多组固定孔，多组换热管(6)均位于右固定外壳(2)内，并且多组换热管(6)两端分别固定安装在多组固定孔处，分隔板(7)横向安装在左固定外壳(1)内部中央区域，并且分隔板(7)右端与固定板(5)左侧壁中央区域连接，左固定外壳(1)顶部和底部中央区域分别连通设置有热流体进料管(8)和热流体出料管(9)，右固定外壳(2)顶部和底部分别连通设置有冷流体出料管(10)和两组冷流体进液管(11)，两组冷流体进液管(11)上分别设置有两组进料控制阀(12)。
2.如权利要求1所述的一种合成放热反应的热量回收换热设备，其特征在于，换热管(6)的长度为1000-6000mm。
3.如权利要求1所述的一种合成放热反应的热量回收换热设备，其特征在于，换热管(6)的进出口处设置有流量和温度的DSC系统。
4.如权利要求1所述的一种合成放热反应的热量回收换热设备，其特征在于，其操作温度为30-300℃，操作压力为0.01-3.2MpaG。
5.一种合成放热反应的热量回收换热方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)检查全部设备和管路系统，确保所有阀门、仪表和联锁调试完成并能正常运行；
(2)打开两组进料控制阀，向壳程内导入冷流体，使冷流体的液位在冷流体标准液位范围内，并关闭两组进料控制阀；
(3)将氯甲烷合成反应器中生成的热流体通入管程中，使换热设备中的热量逐渐上升至50-300℃，此时压力约为0.1bar左右；
(4)管程中的热流体通过换热管与壳程内部的冷流体进行热交换，使氯热流体温度降温，并使冷流体的温度上升；
(5)冷流体温度上升至约95℃后达到闪蒸温度并开始气化，气化后的冷流体通入氯甲烷合成反应器中进行反应；
(6)热流体中的高温氯甲烷和水降温后冷凝或部分冷凝为饱和液体，进入回流槽内。
6.如权利要求5所述的一种合成放热反应的热量回收换热方法，其特征在于，所述冷流体标准液位范围为20～85％。
7.如权利要求5所述的一种合成放热反应的热量回收换热方法，其特征在于，所述热流体的组分为(wt％)：
氯甲烷：5～40；
水：5～60；
HCl：1～10；
二甲醚：0.01～10。
8.如权利要求5所述的一种合成放热反应的热量回收换热方法，其特征在于，所述热流体的温度为300℃，压力3.2MpaG。
9.如权利要求5所述的一种合成放热反应的热量回收换热方法，其特征在于，其处理流量为500-5000kg/h，冷流体的流量为200-2500kg/h。
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