CN216997669U - 一种水合物法氢气提浓装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种水合物法氢气提浓装置，包括由氢气换热器、文丘里喷射混合器、延时反应器、水合物分离器、低温循环泵组成的水合物生成部，以及由解吸换热器、解吸加热器、高压循环泵组成的水合物分解部；水合物分离器顶部的出口连通至氢气换热器的壳程入口，氢气换热器的壳程出口用于排出提纯后的氢气；水合物分离器内部设置有用于收集水合物的水合物收集装置，水合物收集装置连通至解吸换热器，解吸换热器连通至解吸加热器，解吸加热器的壳程顶部出口用于排出解吸轻烃气体。本实用新型提供的技术方案氢气压降低，对于低浓度氢气提浓具有较好的技术经济指标。

Description

一种水合物法氢气提浓装置

技术领域

本实用新型涉及能源化工技术领域，具体而言，尤其涉及一种水合物法氢气提浓装置。

背景技术

氢气作为一种重要化工原料及能源，广泛应用于化工、合成氨、新能源等各个领域，同时氢气被认为是理想的清洁，高能燃料。作为高能燃料，液氢已应用于航天等领域；作为化学电源，氢氧燃料电池已经被应用，如用作汽车的驱动能源等。

针对含氢气体分离的技术主要包括PSA变压吸附、膜分离等，水合物法提纯氢气为一种新兴技术，各种技术说明比较如下。

变压吸附工艺(PSA)广泛应用于各种气体分离场合，该技术是基于在高压条件下吸附杂质气体，未被吸附的气体则被提浓，然后通过降压让吸附剂在低压环境下进行脱附再生。由于氢气不易被吸附而能够直接穿过，而烷烃等杂质气体分子易被吸附，从而提高氢气纯度，石油炼制、化肥等行业主要采用的都是变压吸附技术提纯氢气。

变压吸附工艺的优点首先在于其分离效果提浓效果极好，一般PSA分离后氢气的纯度可达99％～99.99％。其次工艺系统成熟、吸附剂可以循环使用，对不同杂质含量的待分离气体都有较好的适应能力，除非影响吸附过程的杂质气体含量特别高，否则不需要进行预处理。当氢气的含量较低时，PSA的吸附分离效果越明显。同时PSA工艺操作成本远低于其他氢气分离提浓方法，适用大中型石化企业使用。

变压吸附的缺点在以下几个方面，第一点设备的一次投资成本过高，变压吸附过程需要多个塔器来联合完成分离过程，原料气的处理规模较小时经济性较低；第二点氢气的总回收率低，一般只有60％～80％。第三点是变压吸附吸附剂易失活，需要对原料气进行预处理，将对吸附剂有害的组分脱除，吸附剂一旦失活，更换非常耗时。第四点是变压吸附过程中阀组频繁开启和关闭，阀门故障率高，影响产品质量和生产安全。

膜分离法是利用选择性半透膜对特定气体组分具有选择性渗透、扩散的特性。该方法分离的推动力为膜两侧存在的压力差，原料侧组分选择性地透过半透膜，达到分离和提纯某关键组分的目的。由于半透膜膜结构的特殊性，不同组分传递速率有差别，传递速率快的气体组分通过分离膜，而速率较慢的气体组分只能被滞留在分离膜的另一侧。其中氢气由于分子小，具有更快的传递速率而优先通过半透膜，从而从混合气中分离出来。

膜分离技术的优点在于该工艺操作简单可行、流程复杂程度低，装置投资和能耗成本易于控制，因而也成为研究领域和应用的热点。但膜分离法本身也存在着不可避免的缺点：

(1)分离膜对原料气的要求较高，易被杂质气体破坏失活。因此膜分离之前需对原料气预处理以去除对膜有损坏的杂质气体，并定期对分离膜进行清理、检查、替换，导致后期操作成本较高。

(2)分离膜的处理能力较低，分离膜本身在渗透通量和渗透选择性两方面对立矛盾，直接导致了氢气产率和浓度之间的矛盾，即多孔膜渗透通量增加，渗透选择性必然下降，导致分离后H2浓度下降。在不降低H2回收浓度的前提下只有通过增加分离膜的面积追加投资，来增加气体的处理量。

水合物法是在一定压力温度条件下气体小分子与水形成笼状水合晶格，气体小分子作为客体分子吸附进入笼状水合晶格中，当客体气体小分子填充晶格后趋于稳定。不同的气体分子由于其结构和大小不同，会和水形成不同结构的笼状晶格，所以不同气体形成水合物的难易程度不一样。易生成水合物的气体会优先生成进入水合物相，从而实现气体混合气的分离。由于H₂分子太小，一般条件下很难形成稳定的水合物，而烷烃、烯烃等气体分子和硫化氢等杂质气体可以被笼形结构包络形成稳定的水合物，所以水合物分离法特别适用于氢气与其他杂质气体的分离。

相比与传统混合气分离方法，水合物分离气体具有流程复杂程度低、操作条件相对温和且适用范围广泛等诸多优点。水合物分离技术不需要对原料进行预处理，尾气中的重组分对于水合物生成具有促进作用。特别是硫化氢组分对于水合物来说是极好的热力学促进剂。此外分离过程中的工作液主要是水，一般物质对水不具备毒害作用，该工作液也就不存在失效的问题。最后，由于水合反应是在高压下反应提浓，提浓后氢气压降小，几乎可以忽略不计。

氢气在未来的新能源结构中占有越来越重要的地位，水合物法作为新兴氢气提纯技术，必然得到越来越多的应用。

实用新型内容

根据上述提出氢气提浓装置投资高、占地面积大、工艺流程复杂等问题，而提供一种水合物法氢气提浓装置。

本实用新型采用的技术手段如下：

一种水合物法氢气提浓装置，包括由氢气换热器、文丘里喷射混合器、延时反应器、水合物分离器、低温循环泵组成的水合物生成部，以及由解吸换热器、解吸加热器、高压循环泵组成的水合物分解部；

所述延时反应器为多管程换热器，所述延时反应器的管程用于流通氢气水混合物，所述延时反应器的壳程用于流通冷冻液；所述水合物分离器内设置有增效喷头；所述氢气换热器的管程与所述文丘里喷射混合器的旁通入口相连通，所述文丘里喷射混合器的直通入口连通至所述低温循环泵的出口，所述文丘里喷射混合器的直通出口连通至所述延时反应器的管程入口，所述延时反应器的管程出口连通至所述增效喷头；所述水合物分离器顶部的出口连通至所述氢气换热器的壳程入口，所述氢气换热器的壳程出口用于排出提纯后的氢气；所述水合物分离器底部的出口连通至所述低温循环泵的入口；

所述水合物分离器内部设置有用于收集水合物的水合物收集装置，所述水合物收集装置连通至所述解吸换热器的壳程底部入口，所述解吸换热器的壳程顶部两个出口连通至所述解吸加热器的壳程，所述解吸加热器的壳程顶部出口用于排出解吸轻烃气体，所述解吸加热器的壳程底部出口连通至所述解吸换热器的管程入口，所述解吸换热器的管程出口经过滤器连接至所述高压循环泵的入口，所述高压循环泵的出口连通至所述文丘里喷射混合器的直通入口。

进一步地，所述文丘里喷射混合器为液带气型混合器。

进一步地，所述延时反应器为4～6管程的U型管换热器。

进一步地，所述水合物收集装置包括齿堰结构。

进一步地，所述解吸换热器为带液包的U型管换热器。

进一步地，所述解吸加热器为釜式内设隔板的U型管换热器，所述解吸加热器顶部设置气包，所述气包内设置除沫网。

较现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型提供的采用低温、高压条件下，轻烃与水生成水合物，高温、低压条件下水合物分解的氢气提浓装置，具有以下有益效果：

(1)投资低，占地面积小，氢气压降低；

(2)具备脱除轻烃、硫化氢等多种杂质能力；

(3)适应各种原料，不需要原料预处理。

基于上述理由本实用新型可在能源化工领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型所述水合物法氢气提浓装置示意图。

图中：1、氢气换热器；2、文丘里喷射混合器；3、延时反应器；4、水合物分离器；5、增效喷头；6、水合物收集装置；7、低温循环泵；8、解吸换热器；9、解吸加热器；11、壳程顶出口；12、过滤器；13、高压循环泵。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

实施例1

如图1所示，本实用新型提供了一种水合物法氢气提浓装置，包括由氢气换热器1、文丘里喷射混合器2、延时反应器3、水合物分离器4、低温循环泵7组成的水合物生成部，以及由解吸换热器8、解吸加热器9、高压循环泵13组成的水合物分解部；

所述延时反应器3为多管程换热器，所述延时反应器3的管程用于流通氢气水混合物，所述延时反应器3的壳程用于流通冷冻液；所述水合物分离器4内设置有增效喷头5；所述氢气换热器1的管程与所述文丘里喷射混合器2的旁通入口相连通，所述文丘里喷射混合器2的直通入口连通至所述低温循环泵7的出口，所述文丘里喷射混合器2的直通出口连通至所述延时反应器3的管程入口，所述延时反应器3的管程出口连通至所述增效喷头5；所述水合物分离器4顶部的出口连通至所述氢气换热器1的壳程入口，所述氢气换热器1的壳程出口用于排出提纯后的氢气；所述水合物分离器4底部的出口连通至所述低温循环泵7的入口；

所述水合物分离器4内部设置有用于收集水合物的水合物收集装置6，所述水合物收集装置6连通至所述解吸换热器8的壳程底部入口，所述解吸换热器8的壳程顶部两个出口连通至所述解吸加热器9的壳程，所述解吸加热器9的壳程顶部出口用于排出解吸轻烃气体，所述解吸加热器9的壳程底部出口连通至所述解吸换热器8的管程入口，所述解吸换热器8的管程出口经过滤器12连接至所述高压循环泵13的入口，所述高压循环泵13的出口连通至所述文丘里喷射混合器2的直通入口。

进一步地，所述文丘里喷射混合器2为液带气型混合器；所述延时反应器3为4～6管程的U型管换热器。

进一步地，所述水合物收集装置6包括齿堰结构。

进一步地，所述解吸换热器8为带液包的U型管换热器；所述解吸加热器9为釜式内设隔板的U型管换热器，所述解吸加热器9顶部设置气包，所述气包内设置除沫网。

所述水合物法氢气提浓装置，采用低温、高压条件下，轻烃与水生成水合物，高温、低压条件下水合物分解的原理实现轻烃与氢气分离，具体工作过程如下：

步骤1)：工作液配制：向工厂软化水添加溶剂T及活性剂S，溶剂T浓度为20～30％wt，活性剂S浓度为100-1000mg/L，将配制好的工作液通入文丘里喷射混合器2；

步骤2)：冷冻系统运行：启动冷冻机组对延时反应器3壳程进行冷冻降温，用于在延时反应器3内发生水合反应时移走反应热，冷冻液CWS为氨冷或冷冻盐水；

步骤3)：水合物生成：含有轻烃等杂质的氢气经氢气换热器1的管程通文丘里喷射混合器2，与工作液混合后一起通入延时反应器3的管程进行水合反应，然后通过增效喷头5通入水合物分离器4，在水合物分离器4内，轻烃与工作液结合生成水合物，水合物比工作液略轻，漂浮于水面的水合物通过水合物收集器6收集，然后进入水合物分解部的解吸换热器8的壳程，工作液通过水合物分离器底部的出口通入低温循环泵7返回文丘里喷射混合器2进入下一轮循环，氢气经水合物分离器4顶部的出口进入氢气换热器1，由氢气换热器1的壳程出口排出装置；

步骤4)：水合物分解：水合物经过解吸换热器8壳程进入解吸加热器9的壳程，在低压条件下加热分解，释放轻烃气体，轻烃由解吸加热器9的壳程顶部出口排出装置，工作液通过解吸加热器9的壳程底部出口返回解吸换热器8的管程，由解吸换热器8的管程出口流出然后依次经过过滤器12和高压循环泵13返回文丘里喷射混合器2进入下一轮循环。

进一步地，步骤1)中，工作液温度维持在40℃～60℃，悬浮物小于20mg/L。

进一步地，所述文丘里喷射混合器2用于实现氢气与工作液的均匀混合，并对氢气增压0.5kPa～5kPa，使氢气压力达到2.0MPaG～20.0MPaG。

进一步地，所述延时反应器3的反应时间为20s～300s，反应温度为3-10℃，冷冻液温度为0～5℃；所述低温循环泵7扬程为15m～50m，循环液气比为1:50～200；所述解吸加热器9的管程采用35～40℃循环热水加热；所述解吸加热器9的壳程压力控制在0.3MPag～2.2MPag，温度控制在15-22℃；所述高压循环泵13的扬程为150m～2000m，循环液气比为1:50～200。

以5000Nm³/h氢气提浓装置为例，分别采用本实用新型所述装置与采用PSA技术进行氢气提纯，两种技术的技术经济指标对比如表1所示。

表1本实用新型与PSA技术经济指标对比

由表1可见，本实用新型提供的装置具有投资低，占地面积小，氢气压降低，对于低浓度氢气提浓具有较好的技术经济指标。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种水合物法氢气提浓装置，其特征在于，包括由氢气换热器、文丘里喷射混合器、延时反应器、水合物分离器、低温循环泵组成的水合物生成部，以及由解吸换热器、解吸加热器、高压循环泵组成的水合物分解部；

所述延时反应器为多管程换热器，所述延时反应器的管程用于流通氢气水混合物，所述延时反应器的壳程用于流通冷冻液；所述水合物分离器内设置有增效喷头；所述氢气换热器的管程与所述文丘里喷射混合器的旁通入口相连通，所述文丘里喷射混合器的直通入口连通至所述低温循环泵的出口，所述文丘里喷射混合器的直通出口连通至所述延时反应器的管程入口，所述延时反应器的管程出口连通至所述增效喷头；所述水合物分离器顶部的出口连通至所述氢气换热器的壳程入口，所述氢气换热器的壳程出口用于排出提纯后的氢气；所述水合物分离器底部的出口连通至所述低温循环泵的入口；

所述水合物分离器内部设置有用于收集水合物的水合物收集装置，所述水合物收集装置连通至所述解吸换热器的壳程底部入口，所述解吸换热器的壳程顶部两个出口连通至所述解吸加热器的壳程，所述解吸加热器的壳程顶部出口用于排出解吸轻烃气体，所述解吸加热器的壳程底部出口连通至所述解吸换热器的管程入口，所述解吸换热器的管程出口经过滤器连接至所述高压循环泵的入口，所述高压循环泵的出口连通至所述文丘里喷射混合器的直通入口。

2.根据权利要求1所述的水合物法氢气提浓装置，其特征在于，所述文丘里喷射混合器为液带气型混合器。

3.根据权利要求1所述的水合物法氢气提浓装置，其特征在于，所述延时反应器为4～6管程的U型管换热器。

4.根据权利要求1所述的水合物法氢气提浓装置，其特征在于，所述水合物收集装置包括齿堰结构。

5.根据权利要求1所述的水合物法氢气提浓装置，其特征在于，所述解吸换热器为带液包的U型管换热器。

6.根据权利要求1所述的水合物法氢气提浓装置，其特征在于，所述解吸加热器为釜式内设隔板的U型管换热器，所述解吸加热器顶部设置气包，所述气包内设置除沫网。

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