CN115406295A - 一种高温熔盐串联换热的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温熔盐串联换热的系统和方法，包括一熔盐罐；还包括依次连接的首位反应器、首位换热器、末位反应器及末位换热器；首位反应器熔盐入口还通过一熔盐泵连接至熔盐罐；首位换热器熔盐入口与首位反应器熔盐出口相连，首位换热器熔盐出口与末位反应器熔盐入口相连；末位换热器熔盐入口与末位反应器熔盐出口相连；首位换热器熔盐出口及末位换热器熔盐出口还与熔盐罐连接；还包括熔盐旁路，首位反应器熔盐入口还通过首位熔盐旁路连通末位反应器熔盐入口，末位反应器熔盐入口还通过末位熔盐旁路连通熔盐罐。本发明通过减少熔盐泵的数量，减少投资费用，降低故障率，提高稳定运行周期，同时可以使多个反应器的温度调节更加灵活和精确。

Description

一种高温熔盐串联换热的系统和方法

技术领域

本发明属于熔盐换热领域，涉及一种熔盐高温串联换热的系统和方法。

背景技术

熔盐是一种常见的换热介质。相比与水或者导热油，熔盐的使用温度更高，基本都在300℃以上，为此特别适用于高温换热。但是，由于熔盐的换热温度较高，这也就使得熔盐换热系统的造价较高，特别是熔盐泵。

对于一些化工过程涉及的催化反应过程，要求换热介质熔盐的进出口温度不能太大，这主要是由于当进出口温差较大时，可能会使得催化剂反应管内的催化剂在靠近壁面和管中心温度梯度过大，从而影响催化反应性能和反应稳定性。在换热量一定的条件下，温差不能太大，这就意味着需要的熔盐量很大。对于一些使用流量大、连续运行周期长的熔盐泵，其造价更高。为此，如果在使用过程中，降低熔盐泵的数量是降低熔盐系统投资的关键。

其次，对于一些催化反应过程，通常是多个反应器并联反应，如果每个反应器单独一套熔盐换热系统，那熔盐泵的数量就大幅度增加；如果采用将一个熔盐泵出口的熔盐分为给多个反应器，则需要多个熔盐流量调节阀，而高温流量调节阀的造价也较高。

因此，如何在多个反应器的条件下，降低熔盐泵和熔盐流量调节阀的数量就变得很关键。

发明内容

本发明旨在针对上述问题，提出一种高温熔盐串联换热的系统和方法。

本发明的技术方案在于：

本发明提出一种高温熔盐串联换热的系统。

一种高温熔盐串联换热的系统，包括一熔盐罐；还包括依次连接的首位反应器、首位换热器、末位反应器及末位换热器；首位反应器熔盐入口还通过一熔盐泵连接至熔盐罐；首位换热器熔盐入口与首位反应器熔盐出口相连，首位换热器熔盐出口与末位反应器熔盐入口相连；末位换热器熔盐入口与末位反应器熔盐出口相连；首位换热器熔盐出口及末位换热器熔盐出口还与熔盐罐连接；还包括熔盐旁路，首位反应器熔盐入口还通过首位熔盐旁路连通末位反应器熔盐入口，末位反应器熔盐入口还通过末位熔盐旁路连通熔盐罐。

所述熔盐罐还包括一平衡熔盐罐；熔盐罐与平衡熔盐罐之间设有液位平衡阀及平衡熔盐泵；所述熔盐罐为高温熔盐罐时，平衡熔盐罐为低温熔盐罐；所述熔盐罐为低温熔盐罐时，平衡熔盐罐为高温熔盐罐。

所述首位换热器和末位反应器之间还设有中间反应系统，中间反应系统的数目≥0；每一组中间反应系统包括依次连接的一个中间反应器、一个中间换热器及一个中间熔盐旁路；中间反应器熔盐入口连接至首位换热器熔盐出口或者上一组中间换热器熔盐出口，中间换热器熔盐出口一端连接至末位反应器熔盐入口或者下一组中间反应器熔盐入口，另一端连接至熔盐罐；中间反应器熔盐入口还通过中间熔盐旁路连通下一组中间反应器熔盐入口或者末位反应器熔盐入口。

所述熔盐旁路上均设有阀门，所述阀门为调节阀；首位熔盐旁路设有首位调节阀，中间熔盐旁路设有中间调节阀，末位熔盐旁路上设有末位调节阀。

所述熔盐罐、平衡熔盐罐、首位换热器熔盐入口、首位换热器熔盐出口、中间换热器熔盐入口、中间换热器熔盐出口、末位换热器熔盐入口及末位换热器熔盐出口均设有温度检测器；当换热器为加热器时，位于下一顺位的反应器熔盐入口温度高于上一顺位的反应器熔盐出口温度；当换热器为冷却器时，位于下一顺位的反应器熔盐入口温度低于上一顺位的反应器熔盐出口温度。

所述熔盐罐和平衡熔盐罐内均设有电加热器。

本发明提出一种高温熔盐串联换热的方法。

一种高温熔盐串联换热的方法，利用如上任意一项高温熔盐串联换热的系统，熔盐罐内的熔盐通过一个熔盐泵输送至首位反应器，在首位反应器内，熔盐吸收或提供热量，确保在首位反应器所需的实验温度下进行，离开首位反应器的熔盐进入首位换热器换热，以达到进入下一反应器所需的实验温度要求。

还包括：进入每个反应器的熔盐量通过熔盐旁路微调，进入首位反应器及整个高温熔盐串联换热的系统的熔盐温度通过平衡熔盐罐调节。

本发明的技术效果在于：

（1）本发明熔盐罐中的熔盐经熔盐泵进入首位反应器，在首位反应器内进行热交换，进而达到控制首位反应器温度的目的；出首位反应器的熔盐进入首位换热器进入热交换，使熔盐的温度恢复到熔盐罐的出口温度，从而保证进入每一个反应器的熔盐温度和流量都一致；

（2）优选地，每一个反应器还设有熔盐旁路，用以在反应器检修不需要熔盐进入时，将熔盐通过熔盐旁路流过；同时，熔盐旁路也可以起到一定的调节熔盐温度的作用；

（3）优选地，还设有平衡熔盐罐，用以对熔盐温度进行补充调节。此设计可以大幅度降低熔盐泵的数量。由于熔盐泵属于高温动设备，再加上必须有备用泵，所以投资费用较高；另外，熔盐泵作为动设备，故障率也相对较高。为此，熔盐泵数量的降低能大幅度的降低整个装置的投资费用和运行成本，也可以降低故障率，提高稳定运行周期。

附图说明

图1为本发明具体实验例1的结构示意图。

图2为本发明对比例1的结构示意图。

图3为本发明对比例2的结构示意图。

附图标记：1、熔盐罐；2、熔盐泵；6-1、首位反应器；6-2、中间反应器；6-3、末位反应器；7-1、首位换热器；7-2、中间换热器；7-3、末位换热器；8、平衡熔盐罐；9、平衡熔盐泵；10、电加热器；1-1、第一阀门；1-2、第二阀门；1-3、第三阀门；1-4、第四阀门；1-5、第五阀门，T、温度检测器。

具体实施方式

实施例1

一种高温熔盐串联换热的系统，包括一熔盐罐1；还包括依次连接的首位反应器6-1、首位换热器7-1、末位反应器6-3及末位换热器7-3；首位反应器6-1熔盐入口还通过一熔盐泵2连接至熔盐罐1；首位换热器7-1熔盐入口与首位反应器6-1熔盐出口相连，首位换热器7-1熔盐出口与末位反应器6-3熔盐入口相连；末位换热器7-3熔盐入口与末位反应器6-3熔盐出口相连；首位换热器7-1熔盐出口及末位换热器7-3熔盐出口还与熔盐罐1连接；还包括熔盐旁路，首位反应器6-1熔盐入口还通过首位熔盐旁路连通末位反应器6-3熔盐入口，末位反应器6-3熔盐入口还通过末位熔盐旁路连通熔盐罐1。

本实施例的具体实施过程为：

熔盐罐1内的熔盐通过一个熔盐泵2输送至首位反应器6-1，在首位反应器6-1内，熔盐吸收或提供热量，确保在首位反应器6-1所需的实验温度下进行，离开首位反应器6-1的熔盐进入首位换热器7-1换热，以达到进入下一反应器所需的实验温度要求。

实施例2

在实施例1的基础上，还包括：

所述熔盐罐1还包括一平衡熔盐罐8；熔盐罐1与平衡熔盐罐8之间设有液位平衡阀及平衡熔盐泵9；所述熔盐罐1为高温熔盐罐1时，平衡熔盐罐8为低温熔盐罐1；为了防止高温熔盐罐1的温度过高造成反应温度过高，将低温熔盐罐1的低温熔盐大量送入高温熔盐罐1内，从而降低高温熔盐罐1的温度。所述熔盐罐1为低温熔盐罐1时，平衡熔盐罐8为高温熔盐罐1。

实施例3

在实施例2的基础上，还包括：

所述首位换热器7-1和末位反应器6-3之间还设有中间反应系统，中间反应系统的数目≥0；每一组中间反应系统包括依次连接的一个中间反应器6-2、一个中间换热器7-2及一个中间熔盐旁路；中间反应器6-2熔盐入口连接至首位换热器7-1熔盐出口或者上一组中间换热器7-2熔盐出口，中间换热器7-2熔盐出口一端连接至末位反应器6-3熔盐入口或者下一组中间反应器6-2熔盐入口，另一端连接至熔盐罐1；中间反应器6-2熔盐入口还通过中间熔盐旁路连通下一组中间反应器6-2熔盐入口或者末位反应器6-3熔盐入口。

实施例4

在实施例3的基础上，还包括：

所述熔盐罐1、平衡熔盐罐8、首位换热器7-1熔盐入口、首位换热器7-1熔盐出口、中间换热器7-2熔盐入口、中间换热器7-2熔盐出口、末位换热器7-3熔盐入口及末位换热器7-3熔盐出口均设有温度检测器T；当换热器为加热器时，位于下一顺位的反应器熔盐入口温度高于上一顺位的反应器熔盐出口温度；当换热器为冷却器时，位于下一顺位的反应器熔盐入口温度低于上一顺位的反应器熔盐出口温度。

实施例5

在实施例4的基础上，还包括：

所述熔盐旁路上均设有阀门，所述阀门为调节阀；首位熔盐旁路设有首位调节阀，中间熔盐旁路设有中间调节阀，末位熔盐旁路上设有末位调节阀。所述熔盐罐1和平衡熔盐罐8内均设有电加热器10。

具体实验例—以放热反应为例，具有首位反应器6-1、中间反应器6-2及末位反应器6-3的3个反应器，熔盐泵2为高温熔盐泵2，平衡熔盐泵9为低温熔盐泵2；

3个反应器所需实验温度相同时，

高温熔盐罐1中的熔盐通过熔盐泵2送入首位反应器6-1内；吸收放热反应产生的热量，熔盐温度升高，将反应温度控制在一定范围内。为了反应的稳定性，首位反应器6-1熔盐入口及首位反应器6-1熔盐出口的温差不宜超过50℃。温差过高，则可能意味着首位反应器6-1的温度梯度过高，影响反应性能和反应稳定性。由于温差不大，而且熔盐的换热没有相变过程（与水变为水蒸气相比），为此热容相对较小，这就需要很大的熔盐流量，即需要很大流量的熔盐泵2。出首位反应器6-1熔盐出口的熔盐经过首位换热器7-1换热之后，温度降低，同时产生一定量的过热蒸汽（可采用水进行冷却换热，产生一定的高温蒸汽）。换热之后的熔盐温度恢复到进入首位反应器6-1之前的温度，即和高温熔盐罐1的温度一致。换热之后的熔盐进入再顺序进入中间反应器6-2及末位反应器6-3;

首位反应器6-1、中间反应器6-2及末位反应器6-3均设有五个阀门；以首位反应器6-1为例，设有第一阀门1-1、第二阀门1-2、第三阀门1-3、第四阀门1-4及第五阀门共五个阀门。在正常运行过程中，第一阀门1-1和第二阀门1-2开启，其余阀门关闭。当首位反应器6-1需要检修或者停运时，熔盐不得进入首位反应器6-1，但熔盐仍需要进入中间反应器6-2，此时打开第三阀门1-3和第四阀门1-4，关闭第一阀门1-1和第二阀门1-2。同时，打开第五阀门，将首位反应器6-1内的熔盐全部排放干净，防止首位反应器6-1温度降低熔盐凝固。

3个反应器所需实验温度不同时，

通过各个换热器和熔盐旁路来共同调节。例如，当只有首位反应器6-1的温度要求低于设定值时，可通过第三阀门1-3和第四阀门1-4，使一部分熔盐不进入首位反应器6-1内；当只有首位反应器6-1的温度要求高于设定值时，则需要提高熔盐罐1的温度或熔盐泵2的流量。再例如，当只有中间反应器6-2的温度要求低于设定值时，通过第三阀门1-3和第四阀门1-4，使一部分熔盐不进入中间反应器6-2内，也可以增大首位换热器7-1的换热量，从而降低进入中间反应器6-2的熔盐温度；当只有中间反应器6-2的温度要求高于设定值时，则需要通过首位换热器7-1来减少换热量，提高进入中间反应器6-2的熔盐温度。

另外，由于反应为放热反应，最担心的情况是超温。此时需要迅速降低熔盐温度。为此，还设有平衡熔盐罐8，此时平衡熔盐罐8为低温熔盐罐1。当温度过高时，可以将低温熔盐快速补充进入高温熔盐罐1内，也可以更为直接的补充到熔盐泵2的出口。高温熔盐罐1与低温熔盐罐1之间设有液位平衡阀。当高温熔盐罐1的液位较高时，可以打开液位平衡阀，将高温熔盐导入低温熔盐罐1内。

由此可以看出，当以三个反应器为例时，共需要一台流量为Q的熔盐泵2，15台阀门（3台流量调节阀和12台切断阀）。 对比例1--具有首位反应器6-1、中间反应器6-2及末位反应器6-3的3个反应器，每个反应器均配置一个熔盐泵2；

共需要3台流量为Q的熔盐泵2，取消每个反应器配置的5个阀门；

参考如下的价格体系：

设备	切断阀	流量调节阀	流量为Q的熔盐泵	流量为3Q的熔盐泵
					价格	1M	2-5M	20-50M	50-100M

对比可以看出，对于3个反应器，对比例1增加了2台高温熔盐泵2，但减少了15个阀门。由于熔盐泵2的价格远高于流量调节阀。当切断阀的价格为1M，流量调节阀的价格为2M，熔盐泵2的流量为20M时，在不考虑其他因素的条件下，具体实验例的投资为38M,而对比例1的投资为60M，投资增加了58%。另外对比例1中，3台熔盐泵2的运行电耗也会增加，而具体实验例只有一台第一熔盐泵2。

对比例2--具有首位反应器6-1、中间反应器6-2及末位反应器6-3的3个反应器，仅需一个大流量熔盐泵2，每个反应器入口配置1个流量调节阀；

共需要1台流量为3Q的熔盐泵2和3个流量调节阀，取消12个切断阀；

当切断阀的价格为1M，流量调节阀的价格为2M，流量为Q的熔盐泵2的流量为20M，流量为3Q的熔盐泵2的流量为50M，在不考虑其他因素的条件下，具体实验例的投资为38M，对比例2的投资为56M，投资增加了47%。另外，由于熔盐泵2的流量增加，其运行电耗也会增加。

通过具体实验例与对比例1及对比例2的对比，本发明提供的方法可有效的降低熔盐泵2的数量，同时减小熔盐泵2的流量要求，能够有效的降低系统投资费用。

另外，对比例1和对比例2中，由于每一个反应器的熔盐均直接来自熔盐罐1，因此进入每一个反应器的熔盐温度都是一样的，反应器的温度只能通过熔盐的量来进行调节。而本发明中，通过流量调节阀和换热器的双重调节，能够调节进入反应器的熔盐量和温度，从而实现反应器温度的精准控制。

Claims (8)

1.一种高温熔盐串联换热的系统，包括一熔盐罐(1)；其特征在于：还包括依次连接的首位反应器(6-1)、首位换热器(7-1)、末位反应器(6-3)及末位换热器(7-3)；首位反应器(6-1)熔盐入口还通过一熔盐泵(2)连接至熔盐罐(1)；首位换热器(7-1)熔盐入口与首位反应器(6-1)熔盐出口相连，首位换热器(7-1)熔盐出口与末位反应器(6-3)熔盐入口相连；末位换热器(7-3)熔盐入口与末位反应器(6-3)熔盐出口相连；首位换热器(7-1)熔盐出口及末位换热器(7-3)熔盐出口还与熔盐罐(1)连接；还包括熔盐旁路，首位反应器(6-1)熔盐入口还通过首位熔盐旁路连通末位反应器(6-3)熔盐入口，末位反应器(6-3)熔盐入口还通过末位熔盐旁路连通熔盐罐(1)。

2.根据权利要求1所述高温熔盐串联换热的系统，其特征在于：所述熔盐罐(1)还包括一平衡熔盐罐(8)；熔盐罐(1)与平衡熔盐罐(8)之间设有液位平衡阀及平衡熔盐泵(9)；所述熔盐罐(1)为高温熔盐罐(1)时，平衡熔盐罐(8)为低温熔盐罐(1)；所述熔盐罐(1)为低温熔盐罐(1)时，平衡熔盐罐(8)为高温熔盐罐(1)。

3.根据权利要求2所述高温熔盐串联换热的系统，其特征在于：所述首位换热器(7-1)和末位反应器(6-3)之间还设有中间反应系统，中间反应系统的数目≥0；每一组中间反应系统包括依次连接的一个中间反应器(6-2)、一个中间换热器(7-2)及一个中间熔盐旁路；中间反应器(6-2)熔盐入口连接至首位换热器(7-1)熔盐出口或者上一组中间换热器(7-2)熔盐出口，中间换热器(7-2)熔盐出口一端连接至末位反应器(6-3)熔盐入口或者下一组中间反应器(6-2)熔盐入口，另一端连接至熔盐罐(1)；中间反应器(6-2)熔盐入口还通过中间熔盐旁路连通下一组中间反应器(6-2)熔盐入口或者末位反应器(6-3)熔盐入口 。

4.根据权利要求3所述高温熔盐串联换热的系统，其特征在于：所述熔盐旁路上均设有阀门，所述阀门为调节阀；首位熔盐旁路设有首位调节阀，中间熔盐旁路设有中间调节阀，末位熔盐旁路上设有末位调节阀。

5.根据权利要求4所述高温熔盐串联换热的系统，其特征在于：所述熔盐罐(1)、平衡熔盐罐(8)、首位换热器(7-1)熔盐入口、首位换热器(7-1)熔盐出口、中间换热器(7-2)熔盐入口、中间换热器(7-2)熔盐出口、末位换热器(7-3)熔盐入口及末位换热器(7-3)熔盐出口均设有温度检测器(T)；当换热器为加热器时，位于下一顺位的反应器熔盐入口温度高于上一顺位的反应器熔盐出口温度；当换热器为冷却器时，位于下一顺位的反应器熔盐入口温度低于上一顺位的反应器熔盐出口温度。

6.根据权利要求5所述高温熔盐串联换热的系统，其特征在于：所述熔盐罐(1)和平衡熔盐罐(8)内均设有电加热器(10)。

7.一种高温熔盐串联换热的方法，利用如上权利要求1-6任意一项高温熔盐串联换热的系统，熔盐罐(1)内的熔盐通过一个熔盐泵(2)输送至首位反应器(6-1)，在首位反应器(6-1)内，熔盐吸收或提供热量，确保在首位反应器(6-1)所需的实验温度下进行，离开首位反应器(6-1)的熔盐进入首位换热器(7-1)换热，以达到进入下一反应器所需的实验温度要求。

8.根据权利要求7所述高温熔盐串联换热的方法，其特征在于：还包括：进入每个反应器的熔盐量通过熔盐旁路微调，进入首位反应器(6-1)及整个高温熔盐串联换热的系统的熔盐温度通过平衡熔盐罐(8)调节。

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