CN116459639A - 一种换热再生气体纯化装置和方法 - Google Patents

一种换热再生气体纯化装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种换热再生气体纯化装置和方法，通过在传统装置中增加脱氧换热器和再生换热器，并利用脱氧器中氢气和氧气反应放出的热量，为即将进入脱氧器的原料气和进入处于再生状态干燥器的再生气加热，实现系统内部的热量平衡，不需要外界再提供热量，反应体系只在系统启动时需要外部供热，稳定运行过程中可以实现自身能量平衡。同时，经过脱氧器升温后的脱氧氢气在进入原料常温冷却器前，先与原料气和再生气换热降温，降低了原料常温冷却器入口处的气体温度，在出口温度不变的前提下，减少原料常温冷却器的冷却水用量。本发明解决了传统设备运行过程中需要耗费较高的电能和较多冷却水的问题。

Description

一种换热再生气体纯化装置和方法
技术领域
本发明属于气体纯化技术领域，具体涉及一种换热再生气体纯化装置和方法。
背景技术
常用的氢气纯化装置，如图1所示，包括氢气进气缓冲罐(101)、两个加热器(102、135)，三个干燥器(112、113、114)，一个脱氧器(103)，四个冷却器(104、106、108、110)，四个气水分离器(105、107、109、111)，一个过滤器(115)、一个积液罐(116)和18个自动阀(117-134)。原料气首先经过缓冲罐101脱除液态水，然后在原料加热器102内升温，再进入脱氧器103，在脱氧剂的作用下氢气与氧气发生反应。为保证反应效果，脱氧器103在加温模式下运行，经脱氧处理后的脱氧氢气中氧含量≤1ppm。脱氧氢气在原料常温冷却器104中降温，然后进入第一气水分离器105脱除液态冷凝水。含饱和水蒸汽的脱氧氢气在原料低温冷却器106进一步降温，脱氧氢气中部分水蒸气被冷凝，随脱氧氢气进入第二气水分离器107除去液态水。液态水在第一和第二气水分离器105、107中留存，定时排入积液罐116。
流程中设置3个干燥器，一个切换周期中，每台干燥器依次经历工作、吸附、再生三个状态。以第一干燥器112工作、第二干燥器113再生、第三干燥器114吸附状态为例，从气水分离器107出来的脱氧氢气经过自动阀117进入第一干燥器112，脱氧氢气中含有的饱和水蒸气被干燥剂吸附。干燥后的氢气经过自动阀126分为两路，一路作为产品气，另一路作为再生气进入再生加热器135加热升温，升温后的再生气经过自动阀130进入第二干燥器113，干燥剂上吸附的水分被加热，从干燥剂上脱附，随再生气经过自动阀121一同流出第二干燥器113。流出的再生气进入再生常温冷却器108，部分水蒸气被冷凝，随氢气一起进入第三气水分离器109分离出液态水。气体进入再生低温冷却器110进一步降温，经过冷凝产生的液态水随再生气一起进入第四气水分离器111。再生气流出第四气水分离器111经过自动阀125进入第三干燥器114，再生气中的水分被干燥剂吸附，干燥的再生气经过自动阀134流出第三干燥器114，与从第一干燥器112流出的产品气汇合，经过过滤器115除去粉尘后排出。
当第一干燥器112工作时间达到设定的时长后，由第二气水分离器107过来的脱氧氢气改为先进入第二干燥器113，此时第二干燥器113处于工作状态，第三干燥器114处于再生状态，第一干燥器112处于吸附状态。
该过程中，脱氧器103前的原料气需要加热，出口的脱氧氢气需要冷却，系统内对脱氧氢气中蕴含的能量没有得到合理的利用，导致在设备运行过程中需要耗费较高的电能和较多的冷却水以达到温度设定值，造成能量的浪费。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种换热再生气体纯化装置和方法，利用脱氧器中氢气和氧气反应放出的热量，为即将进入脱氧器的原料气和进入处于再生状态干燥器的再生气加热，经过脱氧器升温后的脱氧氢气在进入原料常温冷却器前，先与原料气和再生气换热降温，以此实现整个系统热量的高度集成，明显降低系统能耗和冷却水用量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种换热再生气体纯化装置，包括氢气进气缓冲罐、原料加热器、第一干燥器、第二干燥器、第三干燥器、脱氧器、原料常温冷却器、原料低温冷却器、再生常温冷却器、再生低温冷却器、第一气水分离器、第二气水分离器、第三气水分离器、第四气水分离器、过滤器、积液罐和18个自动阀。
换热再生气体纯化装置还包括脱氧换热器和再生换热器。
其中，脱氧换热器壳程入口与氢气进气缓冲罐的出口连接，脱氧换热器壳程出口与原料加热器的入口连接，脱氧器出口分成两路，一路连接脱氧换热器的管程入口，另一路连接再生换热器的管程入口。
脱氧换热器的管程出口与再生换热器的管程出口汇成一路，共同与原料常温冷却器的管程入口连接。
再生换热器的壳程入口和出口分别与第一干燥器、第二干燥器和第三干燥器的下部接口连接。
本发明除了提供一种换热再生气体纯化装置外，还进一步提供一种使用上述换热再生气体纯化装置进行换热再生气体纯化的方法，具体步骤如下：
通过控制系统启动换热再生气体纯化装置，原料气先经过氢气进气缓冲罐，在氢气进气缓冲罐内脱除液态水后进入脱氧换热器；在脱氧换热器中，原料气与从脱氧器中流出的脱氧氢气换热，原料气升至一定温度后流入原料加热器，将原料气进一步升温至反应所需温度，然后进入脱氧器内脱除原料气中的氧气杂质；流出脱氧器的脱氧氢气分成两路，一路进入再生换热器加热再生气，另一路进入脱氧换热器为原料气加热。流出再生换热器的脱氧氢气与来自脱氧换热器的脱氧氢气汇合后一同流入原料常温冷却器冷却，然后进入第一气水分离器中脱除液态冷凝水，冷凝水留在第一气水分离器中，含饱和水蒸气的脱氧氢气进入原料低温冷却器进一步降温，脱氧氢气中部分水蒸气被冷凝，随脱氧氢气进入第二气水分离器除去液态水。液态水在第一气水分离器和第二气水分离器中留存，定时排入积液罐。
同一时间内的三台干燥器，一台处于工作状态，一台处于再生状态，另一台处于吸附状态，来自第二气水分离器的脱氧氢气首先经过自动阀进入处于工作状态的干燥器，经过干燥的气体流出处于工作状态的干燥器后分成两路，一路作为产品气经过自动阀进入过滤器流出系统，另一路作为再生气进入再生换热器，与脱氧氢气换热后经过自动阀进入处于再生状态的干燥器。处于再生状态的干燥器中干燥剂床层中的水分被再生气带出，经过自动阀进入再生常温冷却器冷却，部分水蒸气被冷凝，随再生气进入第三气水分离器脱出液态水；然后再进入再生低温冷却器进一步降温，经过冷凝产生的液态水随再生气一起进入第四气水分离器；再生气经过自动阀流入处于吸附状态的干燥器，其中的水蒸气被干燥剂吸附，干燥的再生气经过自动阀流出处于吸附状态的干燥器，与从处于工作状态的干燥器流出的产品氢气汇合，经过滤器后送出装置。
与现有技术相比，本发明具备以下优点：
本发明提供的一种换热再生气体纯化装置和方法，利用再生气、原料气和脱氧器出口脱氧氢气的温度差异，在得到高纯度氢气的同时，减少了系统能耗，在系统稳定运行阶段，系统中除控制仪表外，没有其他设备耗电，较传统工艺节约100％的电功率。原料常温冷却器较传统工艺节约83％的冷却水消耗。
附图说明
图1为现有技术中换热再生气体纯化装置连接关系示意图；
图2为本发明实施例中换热再生气体纯化装置连接关系示意图。
图1中，101为氢气进气缓冲罐；102为原料加热器；103为脱氧器；104为原料常温冷却器；105为第一气水分离器；106为原料低温冷却器；107为第二气水分离器；108为再生常温冷却器；109为第三气水分离器；110为再生低温冷却器；111为第四气水分离器；112为第一干燥器；113为第二干燥器；114为第三干燥器；115为过滤器；116为积液罐；117-134为自动阀；135为再生加热器。
图2中，1为氢气进气缓冲罐；2为原料加热器；3为脱氧器；4为原料常温冷却器；5为第一气水分离器；6为原料低温冷却器；7为第二气水分离器；8为再生常温冷却器；9为第三气水分离器；10为再生低温冷却器；11为第四气水分离器；12为第一干燥器；13为第二干燥器；14为第三干燥器；15为过滤器；16为积液罐；17-34为自动阀；35为脱氧换热器；36为再生换热器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
如图2所示，本发明的技术方案中提供一种换热再生气体纯化装置，包括氢气进气缓冲罐1、原料加热器2、第一干燥器12、第二干燥器13、第三干燥器14、脱氧器3、原料常温冷却器4、原料低温冷却器6、再生常温冷却器8、再生低温冷却器10、第一气水分离器5、第二气水分离器7、第三气水分离器9、第四气水分离器11、过滤器15、积液罐16和18个自动阀，上述各装置的连接关系、控制系统的控制方法与现有装置相同，在此不做赘述，本发明技术方案中提供的换热器再生气体纯化装置相较于现有装置，省去了再生加热器135。
本发明技术方案中提供的气体纯化装置还包括脱氧换热器35和再生换热器36。
其中，脱氧换热器35壳程入口与氢气进气缓冲罐1的出口连接，脱氧换热器35壳程出口与原料加热器2的入口连接，脱氧器3出口分成两路，一路连接脱氧换热器35的管程入口，另一路连接再生换热器36的管程入口。
脱氧换热器35的管程出口与再生换热器36的管程出口汇成一路，共同与原料常温冷却器4的管程入口连接。
再生换热器36的壳程入口和出口分别与第一干燥器12、第二干燥器13和第三干燥器14的下部接口连接。
本发明的技术方案中除了提供一种换热再生气体纯化装置外，还进一步提供一种使用上述换热再生气体纯化装置进行换热再生气体纯化的方法，具体步骤如下：
通过控制系统启动换热再生气体纯化装置，原料气先经过氢气进气缓冲罐1，在氢气进气缓冲罐1内脱除液态水后进入脱氧换热器35；在脱氧换热器35中，原料气与从脱氧器3中流出的脱氧氢气换热，原料气升至一定温度后流入原料加热器2，将原料气进一步升温至反应所需温度，然后进入脱氧器3内脱除原料气中的氧气杂质；流出脱氧器3的脱氧氢气分成两路，一路进入再生换热器36加热再生气，另一路进入脱氧换热器35为原料气加热；流出再生换热器36的脱氧氢气与来自脱氧换热器35的脱氧氢气汇合后一同流入原料常温冷却器4冷却，然后进入第一气水分离器5中脱除液态冷凝水，冷凝水留在第一气水分离器5中，含饱和水蒸气的脱氧氢气进入原料低温冷却器6进一步降温，脱氧氢气中部分水蒸气被冷凝，随脱氧氢气进入第二气水分离器7除去液态水；液态水在第一气水分离器5和第二气水分离器7中留存，定时排入积液罐16；
同一时间内的三台干燥器，一台处于工作状态，一台处于再生状态，另一台处于吸附状态，以第一干燥器12处于工作状态，第二干燥器13处于再生状态，第三干燥器14处于吸附状态为例：来自第二气水分离器7的脱氧氢气首先经过自动阀17进入第一干燥器12，经过干燥的气体流出第一干燥器12后分成两路，一路作为产品气经过自动阀26进入过滤器15流出系统，另一路作为再生气进入再生换热器36，与脱氧氢气换热后经过自动阀30进入第二干燥器13；第二干燥器13中干燥剂床层中的水分被再生气带出，经过自动阀21进入再生常温冷却器8冷却，部分水蒸气被冷凝，随再生气进入第三气水分离器9脱出液态水；然后再进入再生低温冷却器10进一步降温，经过冷凝产生的液态水随再生气一起进入第四气水分离器11；再生气经过自动阀25流入第三干燥器14，其中的水蒸气被干燥剂吸附，干燥的再生气经过自动阀34流出第三干燥器14，与第一干燥器12流出的产品氢气汇合，经过滤器15后送出装置。
当第一干燥器12工作时间达到设定的时长后，由第二气水分离器7过来的脱氧氢气改为先进入第二干燥器13，此时第二干燥器13处于工作状态，第三干燥器14处于再生状态，第一干燥器12处于吸附状态，以此循环。
上述方法利用从脱氧器出口高温的脱氧氢气需要降温，而低温的原料气和再生气需要升温的工艺需求，在传统工艺的基础上增加了脱氧换热器35和再生换热器36，在这两个设备中，分别使脱氧氢气与原料气和再生气换热，以达到节能的目的。
本发明技术方案中提供的换热再生气体纯化装置通过电控系统实现自动控制，电控系统对整个装置的温度变化进行实时监控，并通过调节流量维持系统温度的稳定。
在系统启动阶段，如果需要快速达到反应温度，可以启动原料加热器2中的电加热装置，如果对于开车启动速度没有要求，也可以不启动原料加热器2中的电加热装置。原料气经脱氧换热器35进入原料加热器2，再进入脱氧器3发生反应。电解水生成的产品氢气中氧气含量约为0.2％，氢气与氧气反应的过程中，每消耗1mol氢气，可以放出242KJ的热量。故，每次氢氧反应都会使脱氧氢气升温。出脱氧器3的脱氧氢气分成两路，一路进入脱氧换热器35为原料气加热，另一路进入再生换热器36为再生气加热。通过监测系统温度来自动控制脱氧氢气分配比例，以达到热量平衡，不需要外部再额外提供热量。
通过氢氧反应放热对脱氧氢气进行升温，能够实现系统的热量平衡，不需要外部再提供加热，当氧气含量为0.2％且装置正常运行时，原料加热器不消耗功率，此时整个系统只有控制系统需要消耗电能，其他设备的总功率消耗为0，相较于传统工艺，节约了传统工艺过程中，需要维持脱氧器温度和用于干燥器再生过程升温所用的电加热功耗。
传统工艺中，原料气经脱氧器升温后直接进入原料常温冷却器降温至40℃，需要耗费较多的冷却水。经计算，本发明中，从脱氧器出来的脱氧氢气分别与原料气和再生气换热，经过换热的两股物流混合后再进入原料常温冷却器。
根据公式qm,氢cp,氢Δt氢＝qm,水cp,水Δt水，保持氢气流量qm,氢和冷却水出入口温度Δt水不变，冷却水用量qm,水与氢气进出原料常温冷却器的温差Δt氢成正比。
在原料常温冷却器出口温度为40℃的情况下，由于经过了换热，本发明中脱氧氢气进入原料常温冷却器的温度小于传统工艺，即Δt氢值较小，所以冷却水用量更小。
需要说明，本发明中所有进行方向性和位置性指示的术语，诸如：“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”、“低”、“尾端”、“首端”、“中心”等，仅用于解释在某一特定状态下各部件之间的相对位置关系、连接情况等，仅为了便于描述本发明，而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种换热再生气体纯化装置，包括氢气进气缓冲罐(1)、原料加热器(2)、第一干燥器(12)、第二干燥器(13)、第三干燥器(14)、脱氧器(3)、原料常温冷却器(4)、原料低温冷却器(6)、再生常温冷却器(8)、再生低温冷却器(10)、第一气水分离器(5)、第二气水分离器(7)、第三气水分离器(9)、第四气水分离器(11)、过滤器(15)、积液罐(16)和18个自动阀，其特征在于：所述气体纯化装置还包括脱氧换热器(35)和再生换热器(36)；
其中，所述脱氧换热器(35)壳程入口与所述氢气进气缓冲罐(1)的出口连接，所述脱氧换热器(35)壳程出口与所述原料加热器(2)的入口连接，所述脱氧器(3)出口分成两路，一路连接所述脱氧换热器(35)的管程入口，另一路连接所述再生换热器(36)的管程入口；
所述脱氧换热器(35)的管程出口与所述再生换热器(36)的管程出口汇成一路，共同与所述原料常温冷却器(4)的管程入口连接；
所述再生换热器(36)的壳程入口和出口分别与所述第一干燥器(12)、第二干燥器(13)和第三干燥器(14)的下部接口连接。
2.一种换热再生气体纯化方法，其特征在于：使用权利要求1所述的换热再生气体纯化装置进行换热再生气体纯化，具体方法如下：
通过控制系统启动所述换热再生气体纯化装置，原料气先经过所述氢气进气缓冲罐(1)，在所述氢气进气缓冲罐(1)内脱除液态水后进入所述脱氧换热器(35)；在所述脱氧换热器(35)中，原料气与从所述脱氧器(3)中流出的脱氧氢气换热，原料气升至一定温度后流入所述原料加热器(2)，将原料气进一步升温至反应所需温度，然后进入所述脱氧器(3)内脱除原料气中的氧气杂质；流出所述脱氧器(3)的脱氧氢气分成两路，一路进入所述再生换热器(36)加热再生气，另一路进入所述脱氧换热器(35)为原料气加热；流出所述再生换热器(36)的脱氧氢气与来自所述脱氧换热器(35)的脱氧氢气汇合后一同流入所述原料常温冷却器(4)冷却，然后进入所述第一气水分离器(5)中脱除液态冷凝水，冷凝水留在所述第一气水分离器(5)中，含饱和水蒸气的脱氧氢气进入所述原料低温冷却器(6)进一步降温，脱氧氢气中部分水蒸气被冷凝，随脱氧氢气进入所述第二气水分离器(7)除去液态水；液态水在所述第一气水分离器(5)和第二气水分离器(7)中留存，定时排入所述积液罐(16)；
同一时间内的三台干燥器，一台处于工作状态，一台处于再生状态，另一台处于吸附状态，来自所述第二气水分离器(7)的脱氧氢气首先经过所述自动阀进入处于工作状态的干燥器，经过干燥的气体流出处于工作状态的干燥器后分成两路，一路作为产品气经过所述自动阀进入所述过滤器(15)流出系统，另一路作为再生气进入所述再生换热器(36)，与脱氧氢气换热后经过所述自动阀进入处于再生状态的干燥器；处于再生状态的干燥器中干燥剂床层中的水分被再生气带出，经过所述自动阀进入所述再生常温冷却器(8)冷却，部分水蒸气被冷凝，随再生气进入所述第三气水分离器(9)脱出液态水；然后再进入所述再生低温冷却器(10)进一步降温，经过冷凝产生的液态水随再生气一起进入所述第四气水分离器(11)；再生气经过所述自动阀流入处于吸附状态的干燥器，其中的水蒸气被干燥剂吸附，干燥的再生气经过所述自动阀流出处于吸附状态的干燥器，与从处于工作状态的干燥器流出的产品氢气汇合，经过所述滤器(15)后送出装置。
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