СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИСТЕМЫ ТЕПЛООБМЕНА С СИНТЕЗ-ГАЗОМ Российский патент 2011 года по МПК F28D21/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к усовершенствованному способу охлаждения водородсодержащего синтез-газа посредством теплообмена и, в частности, к более эффективной конструкции теплообменников для охлаждения водородсодержащего синтез-газа.

Уровень техники

Потоки водородсодержащего синтез-газа обычно получают из процессов реформинга углеводородов с водяным паром (который часто называют реформингом метана с водяным паром), газификации угля и неполного окисления. Подобные процессы описаны, например, в патенте US 4113441 (реформинг углеводородов с водяным паром), US 4566880 (неполное окисление угля), US 4999029 (неполное окисление жидкого и/или твердого топлива), US 5856585 (неполное окисление природного газа), US 6730285 (неполное окисление углеводородного сырья) и US 6749829 (реформинг природного газа с водяным паром).

По традиции, потоки продукта - водородсодержащего синтез-газа, получаемые из этих процессов, охлаждают в кожухотрубных теплообменниках. Например, в патенте US 5246063 (Fix и др.) раскрывается теплообменник для охлаждения синтез-газа, образующегося на установке для газификации угля. В теплообменнике имеется множество труб для теплообмена, которые окружены кожухом (рубашкой). На одном конце эти трубы сообщаются с камерой для забора газа, а на другом конце - с камерой для выпуска газа. Синтез-газ с установки для газификации угля поступает в камеру для забора газа, проходит по трубам, а затем поступает в камеру для выпуска газа. Проходя по трубам, синтез-газ охлаждается водой, которая вводится в кожух. Вода испаряется, образуя водяной пар, который затем удаляется из кожуха.

В патенте US 4377132 (Koog и др.) раскрывается другой тип кожухотрубного теплообменника для охлаждения синтез-газа. Этот охладитель для синтез-газа имеет в наружном кожухе два так называемых концентрических "водяных экрана". Каждый из водяных экранов образован из множества параллельных труб, соединенных с помощью соединительных ребер, с образованием газонепроницаемого экрана. Вода протекает в трубах и испаряется, образуя водяной пар. Синтез-газ проходит на наружной стороне труб сначала вдоль оси, а затем через кольцеобразное пространство, образовавшееся между двумя концентрическими водяными экранами.

В патенте US 6051195 (Decke и др.) раскрывается более сложная система охлаждения синтез-газа, состоящая из охладителя для радиационного охлаждения синтез-газа и двух охладителей для конвективного охлаждения синтез-газа, каждый из которых имеет систему водяного охлаждения для обеспечения теплообмена с помощью охлаждающей воды, проходящей в противотоке.

Ребристые пластинчатые теплообменники и трубчатые теплообменники, спиральные или с наружным оребрением давно применяются для рекуперации теплоты процесса. Эти теплообменники часто используются для нагрева или охлаждения потока газа низкой плотности, находящегося на внешней (часто оребренной) стороне по отношению к потоку более высокой плотности с более высоким коэффициентом теплопередачи в пластинах или трубах. Увеличение поверхности оребренного наружного прохода, во первых, позволяет в большей степени увеличить поверхность теплопередачи, нежели труба или пластина без оребрения, и во вторых, обеспечивает увеличение теплопередачи при соответственно более низком перепаде давления, чем при использовании труб или пластин без оребрения.

Известны теплообменники, в которых по отдельным трубам циркулируют две или более текучие среды. В публикации заявки US 2005/0092472 (Lewis) раскрываются ребристые пластинчатые теплообменники и трубчатые теплообменники, или теплообменники из оребренных труб, в которых первая рабочая среда проходит с наружной стороны оребренных труб, а две или более дополнительные рабочие среды проходят в контурах отдельных труб в теплообменнике. В одном из примеров этой публикации приведено описание варианта осуществления изобретения, в котором первая рабочая среда проходит на оребренной наружной стороне, а три дополнительные рабочие среды проходят в контурах отдельных труб в теплообменнике. Первая рабочая среда представляет собой смесь N₂ и Н₂О. Второй рабочей средой является, например, природный газ. Третья рабочая среда - вода, и четвертая рабочая среда - тоже вода.

В патенте US 4781241 (Misage и др.) приведено описание теплообменника, предназначенного для использования с энергетической установкой с топливным элементом. В теплообменнике поток, вытекающий с реформинг-установки, проходит на внешней стороне труб. В этом теплообменнике предусмотрена циркуляция трех разных сред, а именно воды, водяного пара и углеводородного топлива для предварительного нагрева. См. также патенты US 3277958 (Taylor и др.), US 3294161 (Wood), US 4546818 (Nussbaum), US 4344482 (Dietzsch) и US 5419392 (Maruyama).

Известно охлаждение потока водородсодержащего синтез-газа посредством отдельных различных теплообменников. В каждом из этих отдельных теплообменников синтез-газ охлаждается до требуемой на выходе температуры посредством теплообмена с одним технологическим потоком, например потоком углеводородного сырья, котловой воды, деминерализованной воды, окружающего воздуха и/или охлаждающей воды. Этот способ охлаждения водородсодержащего синтез-газа в одном или нескольких кожухотрубных теплообменниках, в каждом из которых используется одна охлаждающая среда, является сравнительно неэффективным. Недавние изменения стоимости исходного материала в сочетании со все возрастающими экономическими трудностями вызвали потребность в разработке более эффективного и менее затратного способа и устройства для обеспечения получения синтез-газа, включая более эффективные и менее затратные способы охлаждения синтез-газа путем теплообмена.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для повышения эффективности охлаждения водородсодержащего синтез-газа. Кроме того, благодаря применению такого способа охлаждения настоящее изобретение обеспечивает снижение энергопотребления по сравнению с уровнем техники.

Настоящее изобретение направлено на обеспечение охлаждения водородсодержащего синтез-газа посредством объединения нескольких технологических сред в одной зоне одного или нескольких теплообменников и объединения зон теплопередачи нескольких сред для обеспечения более эффективной теплопередачи.

Таким образом, в общем смысле, настоящее изобретение направлено на создание системы для более эффективной теплопередачи, например, в ребристых пластинчатых и трубчатых теплообменниках или теплообменниках из оребренных труб для охлаждения потока газа, предпочтительно потока водородсодержащего синтез-газа. Кроме того, в предпочтительном примере осуществления данное изобретение предусматривает отделение газообразной фазы синтез-газа от жидкой фазы, конденсированной в процессе охлаждения потока водородсодержащего синтез-газа.

В соответствии с изобретением предлагается способ рекуперации энергии из потока водородсодержащего синтез-газа, в котором

а) обеспечивают первый теплообменник, имеющий по меньшей мере четыре отдельных контура для потоков;

б) подают первый поток горячего водородсодержащего синтез-газа (полученный, например, из процесса реформинга углеводородов с водяным паром, процесса газификации угля или процесса неполного окисления) в первый контур первого теплообменника;

в) подают первую холодную теплообменную среду (например, углеводородное сырье) во второй контур первого теплообменника, посредством чего охлаждают указанный поток горячего водородсодержащего синтез-газа путем косвенного теплообмена (теплообмена через стенку) с первой холодной теплообменной средой;

г) подают вторую холодную теплообменную среду (например, котловую воду) в третий контур первого теплообменника, посредством чего охлаждают указанный поток горячего водородсодержащего синтез-газа путем косвенного теплообмена со второй холодной теплообменной средой;

д) подают третью холодную теплообменную среду (например, деминерализованную воду) в четвертый контур первого теплообменника, посредством чего охлаждают указанный поток горячего водородсодержащего синтез-газа путем косвенного теплообмена с третьей холодной теплообменной средой; и

е) выводят поток охлажденного водородсодержащего синтез-газа из теплообменника.

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения данный способ, кроме того, включает подачу четвертой холодной теплообменной среды (например, охлаждающей воды) в пятый контур первого теплообменника, в результате чего поток горячего водородсодержащего синтез-газа охлаждается путем косвенного теплообмена с этой четвертой холодной теплообменной средой.

В изобретении также предлагается теплообменное устройство (например, спиральный трубчатый теплообменник, ребристый пластинчатый теплообменник или кожухотрубный теплообменник) для охлаждения водородсодержащего синтез-газа, содержащий

а) средства для формирования по меньшей мере четырех отдельных контуров для потоков внутри теплообменника, позволяющих осуществлять косвенный теплообмен между первым контуром и вторым контуром, третьим контуром и четвертым контуром;

б) первое впускное средство для ввода горячего водородсодержащего синтез-газа в средства формирования первого контура теплообменника и первое выпускное средство для отвода охлажденного водородсодержащего синтез-газа из средств формирования первого контура теплообменника;

в) источник горячего водородсодержащего синтез-газа, сообщающийся с первым впускным средством;

г) второе впускное средство для ввода первой холодной теплообменной среды в средства формирования второго контура теплообменника и второе выпускное средство для отвода первой теплообменной среды из средств формирования второго контура теплообменника;

д) источник первой холодной теплообменной среды (например, потока углеводородов, например, природного газа, используемого в качестве сырья для источника горячего водородсодержащего синтез-газа, например установки для конверсии с водяным паром), сообщающийся со вторым впускным средством;

е) третье впускное средство для ввода второй холодной теплообменной среды в средства формирования третьего контура теплообменника и третье выпускное средство для отвода второй холодной теплообменной среды из средств формирования третьего контура теплообменника;

ж) источник второй холодной теплообменной среды (например, котловой воды), сообщающийся с третьим впускным средством;

з) четвертое впускное средство для ввода третьей холодной теплообменной среды в средства формирования четвертого контура теплообменника и четвертое выпускное средство для отвода третьей холодной теплообменной среды из средств формирования четвертого контура теплообменника; и

и) источник третьей холодной теплообменной среды (например, деминерализованной воды), сообщающийся с четвертым впускным средством.

В соответствии с дополнительным вариантом данное устройство включает также:

средства формирования отдельного пятого контура в теплообменнике с возможностью осуществления косвенного теплообмена между ним первым контуром;

пятое впускное средство для ввода четвертой холодной теплообменной среды в средства формирования пятого контура теплообменника и пятое выпускное средство для отвода четвертой холодной теплообменной среды из средств формирования пятого контура теплообменника; источник четвертой холодной теплообменной среды, сообщающийся с пятым впускным средством.

В дополнение к вышеописанному основному теплообменнику способ регенерации тепла и теплообменное устройство в соответствии с изобретением могут дополнительно включать второй теплообменник. Например, по меньшей мере часть горячего водородсодержащего синтез-газа может быть выведена из первого теплообменника и подвергнута теплообмену (например, теплообмену с окружающей средой) во втором теплообменнике. Затем по меньшей мере часть полученного охлажденного водородсодержащего синтез-газа может быть возвращена в первый теплообменник для дальнейшего охлаждения путем косвенного теплообмена.

Как было отмечено выше, обычно основным теплообменником, используемым в общей системе охлаждения, может быть спиральный трубчатый теплообменник, ребристый пластинчатый теплообменник или кожухотрубный теплообменник. Однако основным теплообменником может быть любой теплообменник, в котором предусмотрен косвенный теплообмен между по меньшей мере одной охлаждаемой текучей средой и несколькими отдельными текучими средами, каждую из которых следует нагреть. Основным теплообменником предпочтительно является кожухотрубный теплообменник, в котором трубы - прямые или закрученные (например, спиральный кожухотрубный теплообменник). Средствами формирования контуров могут быть, например, проходы (например, проход, образованный внешним кожухом, расположенным вокруг нескольких пластин, образующих другие контуры, или межтрубная тепловая зона кожухотрубного теплообменника), одна труба или множество труб.

Охлаждаемая среда, например горячий водородсодержащий синтез-газ, может подвергаться косвенному теплообмену с несколькими средами одновременно. Например, горячий водородсодержащий синтез-газ, проходящий в первом контуре, может подвергаться косвенному теплообмену с деминерализованной водой, протекающей во втором контуре, одновременно подвергаясь косвенному теплообмену с потоком углеводородного сырья, протекающим в отдельном контуре, например в третьем контуре. При применении такого способа несколько контуров можно объединить таким образом, чтобы более эффективно обеспечить температурное приближение суммарной кривой нагрева нескольких охлаждающих потоков к кривой охлаждения горячего рабочего потока. Такой способ обеспечивает более эффективную теплопередачу, делая возможным более точное приближение температуры охлаждаемого водородсодержащего синтез-газа к температуре нескольких нагреваемых охлаждающих потоков.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения первый или основной теплообменник может быть разделен по меньшей мере на первую секцию и вторую секции. Например, в первой секции косвенный теплообмен осуществляется между потоком горячего водородсодержащего синтез-газа и второй холодной теплообменной средой, а также между потоком горячего водородсодержащего синтез-газа и третьей холодной теплообменной средой. Однако косвенный теплообмен между потоком горячего водородсодержащего синтез-газа и первой холодной теплообменной средой происходит, например, как в первой секции, так и во второй секции. Кроме того, во второй секции может также осуществляться теплообмен между потоком горячего водородсодержащего синтез-газа и четвертой холодной теплообменной средой, как, например, на фиг.2 и 4.

В соответствии с другим вариантом весь поток или часть потока водородсодержащего синтез-газа выводят из первой секции первого теплообменника, подвергают теплообмену во втором теплообменнике (например, поверхностном (выносном) теплообменнике с воздушным охлаждением) и далее вводят в сепаратор для отделения газа от жидкости. Затем не конденсированную часть потока водородсодержащего синтез-газа удаляют из сепаратора газа и жидкости и вводят во вторую секцию первого теплообменника.

Как было отмечено выше, данный способ может еще включать осуществление косвенного теплообмена между потоком горячего водородсодержащего синтез-газа и пятой холодной теплообменной средой. Однако нет необходимости в осуществлении этого дальнейшего теплообмена в том же теплообменнике. Так, косвенный теплообмен между потоком горячего водородсодержащего синтез-газа и пятой холодной теплообменной средой может происходить во втором теплообменнике. Или же косвенный теплообмен может осуществляться между потоком горячего водородсодержащего синтез-газа и четвертой холодной теплообменной средой во второй секции первого теплообменника.

В соответствии с другим вариантом изобретения поток водородсодержащего синтез-газа удаляют из первого теплообменника, подвергают теплообмену в поверхностном теплообменнике с воздушным охлаждением, вводят в первый сепаратор газа и жидкости, причем не конденсированную часть потока водородсодержащего синтез-газа удаляют из первого сепаратора газа и жидкости и вводят во второй теплообменник, а затем подают во второй сепаратор газа и жидкости, из которого удаляют охлажденный продуктовый водородсодержащий синтез-газ.

Хотя данное изобретение, как упоминалось выше, может применяться для охлаждения других технологических газов, оно предпочтительно предназначено для охлаждения водородсодержащего синтез-газа. К источникам водородсодержащего синтез-газа относятся такие процессы, как реформинг углеводородов с водяным паром, газификация угля и процессы неполного окисления. Водородсодержащий синтез-газ обычно содержит, например, 35-75 мол.% Н₂, 0-2 мол.% N₂, 2-45 мол.% СО, 12-40 мол.% СО₂, 0-10 мол.% H₂S и менее 3 мол.% углеводородов С₂₊. Примеры состава синтез-газа из разных источников представлены в следующей ниже таблице:

Типичный состав синтез-газа из разных источников Компонент Конверсия метана с водяным паром, мол.% Газификация угля и тяжелые углеводороды, мол.% Водород 54-5 35-45 Азот 0-2 0-1 Аргон 0-0,1 0-0,6 Оксид углерода 2-4 15-45 Диоксид углерода 12-16 15-40 (например, 15-32) Вода Насыщенная Насыщенная Метан 4-7 0-11 Сероводород 0 0-10 (например, 0-5)

Обычно вышеупомянутые способы получения синтез-газа обеспечивают получение водородсодержащего синтез-газа, имеющего температуру, например, 250-450°С. С целью улавливания водорода или дальнейшей переработки в сырье для химической промышленности желательно охладить этот поток водородсодержащего синтез-газа с помощью способа и устройства согласно данному изобретению до температуры, например, 30-50°С.

Среды для теплообмена, обычно используемые согласно изобретению, включают поток сырья, используемый в процессе, в котором образуется водородсодержащий синтез-газ (например, поток углеводородов), котловую воду, деминерализованную воду, окружающую среду и охлаждающую воду. Другие возможные вещества для теплообмена включают растворители, например в тех случаях, когда требуется удаление диоксида углерода, и другие возможные потоки при необходимости повысить общий кпд процесса.

Следует понимать, что полное раскрытие содержания всех упомянутых в данном описании документов включено в него посредством ссылок.

Краткое описание чертежей

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут более понятными при рассмотрении прилагаемых чертежей, на которых одинаковыми номерами обозначены такие же или аналогичные элементы, на которых:

фиг.1 - принципиальная технологическая схема (блок-схема) известной конструкции;

фиг.2 - принципиальная технологическая схема, иллюстрирующая способ применения на практике варианта осуществления изобретения с использованием секционированного (две секции) аппарата;

фиг.3, 4 и 5 - принципиальные технологические схемы, иллюстрирующие модификации варианта осуществления изобретения, показанного на фиг.2;

фиг.3 - альтернативный вариант с использованием наружного вторичного охлаждения и разделения;

фиг.4 - альтернативный вариант с использованием только системы наружного воздушного охлаждения;

фиг.5 - альтернативный вариант с использованием только системы охлаждающей воды.

Подробное описание

На фиг.1 представлена принципиальная технологическая схема, иллюстрирующая конфигурации теплообменников в известном процессе. Как показано на фиг.1, поток водородсодержащего синтез-газа 1 поступает в теплообменник Е-1, где он подвергается косвенному (через стенку) теплообмену с потоком 20 (например, природного газа). Поток водородсодержащего синтез-газа 1 выходит из теплообменника Е-1 как поток 2, который затем подвергается косвенному теплообмену с потоком 30 (например, котловой воды) в теплообменнике Е-2. После этого поток водородсодержащего синтез-газа 2 выходит из теплообменника Е-2 как поток 3 и вводится в теплообменник Е-3, где он подвергается косвенному теплообмену с потоком 40 (например, жидкой среды - деминерализованной воды). После отвода из теплообменника Е-3 охлажденный поток водородсодержащего синтез-газа 4 подают в сепаратор газа и жидкости V-1, из которого сжиженные газы отводят в виде потока жидкости 9, а охлажденный водородсодержащий синтез-газ отводят как поток 5. Затем поток 5 поступает в АС-1 (например, теплообменник с воздушным охлаждением), где этот поток подвергается косвенному теплообмену с окружающей средой. И, наконец, охлажденный воздухом поток (поток 6) из АС-1 перед вводом во второй сепаратор газа и жидкости V-2 подвергается косвенному теплообмену с потоком 50 (например, жидкой среды - охлаждающей воды) в Е-4. Охлажденный водородсодержащий синтез-газ отводят из системы как поток 8.

В таблице 1 показаны молярные расходы, температуры и давления типичных потоков в известной системе, схематично представленной на фиг.1, а также потребление электроэнергии теплообменником с воздушным охлаждением.

Следующие ниже примеры представлены для иллюстрации данного изобретения без его ограничения этими конкретными вариантами. В предшествующих и в последующих примерах все значения температуры, если нет особых указаний, представлены без корректировки в градусах Цельсия; и, если не указано особо, то все компоненты и процентное содержание даны в молях.

Пример 1. Секционированный аппарат, объединенный с наружным воздушным охлаждением и разделением

Как показано на фиг.2, первый поток водородсодержащего синтез-газа поступает в теплообменник Е-10 как поток 1 при температуре 753°F (401°C), давлении 376 фунт/кв. дюйм абс. (psia), и выходит из теплообменника Е-10 как поток 8 при температуре 98°F (37°С), давлении 369 фунт/кв. дюйм абс. Скорость потока 1 в теплообменник Е-10 составляет 23170 фунт-моль/ч, а скорость потока 8 из теплообменника Е-10 - приблизительно 17057 фунт-моль/ч. Теплообменник Е-10 представляет собой, например, многоконтурный трубчатый теплообменник из оребренных труб, полностью установленный в корпус сепаратора для разделения пара и жидкости, и водородсодержащий синтез-газ проходит в межтрубной тепловой зоне теплообменника. Расположение может быть горизонтальным, как показано на чертеже, вертикальным или под углом для оптимального удаления любой жидкости, конденсированной в межтрубной зоне теплообменника.

Во время прохода через теплообменник водородсодержащий синтез-газ подвергается теплообмену со вторым потоком 20, например потоком углеводородов (например, природного газа), используемым в качестве потока сырья на установку (например, установку для реформинга с водяным паром), на которой образуется горячий синтез-газ. Поток 20 поступает в теплообменник Е-10 при 120°F (49°C), 512 фунт/кв. дюйм абс., проходит через контур, образованный ребристыми теплообменными трубами, и выходит из теплообменника Е-10 как поток 21 при 716°F (380°C), 502 фунт/кв. дюйм абс. Кроме того, поток 1, водородсодержащий синтез-газ, также подвергается теплообмену с третьим потоком 30 (например, котловой воды), который поступает в теплообменник Е-10 при 227°F (108°С), 754 фунт/кв. дюйм абс., проходит через контур, образованный ребристыми теплообменными трубами, и выходит как поток 31 при 443°F (228°C), 724 фунт/кв. дюйм абс. Поток 1 также подвергается теплообмену с четвертым потоком 40 (например, жидкой среды - деминерализованной воды), который поступает в теплообменник Е-10 при 74°F (23°С), 61 фунт/кв. дюйм абс., проходит через контур, образованный ребристыми теплообменными трубами, и выходит как поток 41 при 284°F (140°C), 57 фунт/кв. дюйм абс. И наконец, как показано на фиг.2, первый поток участвует также в теплообмене с пятым потоком 50 (например, жидкой среды - охлаждающей воды), который поступает в теплообменник Е-10 при 92°F (33°C), 55 фунт/кв. дюйм абс., проходит через контур, образованный ребристыми теплообменными трубами, и выходит как поток 51 при 107°F (42°C), 52 фунт/кв. дюйм абс.

Поток 1 участвует в теплообмене одновременно с потоками 40 и 20, затем с потоками 40 и 30 и, наконец, с потоками 40 и 50. Преимущество такой конфигурации состоит в том, что она обеспечивает более эффективную теплопередачу, чем при нескольких потоках сред в трубах, расположенных последовательно, без чередования их схем.

Как показано в примере осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг.2, теплообменник может быть разделен на секции. Поэтому поток 1 подвергается теплообмену с потоками 20, 30 и 40 в первой секции теплообменника. Затем синтез-газ из первой секции можно подавать как поток 5 в теплообменник с воздушным охлаждением АС-1 для теплообмена с окружающей средой. После этого поток 5 можно вывести из АС-1 как поток 5А и ввести в сепаратор для разделения газа и жидкости V-1. Затем полученный поток газа 6 можно вывести из V-1, снова ввести во вторую секцию теплообменника Е-10, где он может участвовать в теплообмене с потоком 50 и потоком 40. После этого полученный охлажденный водородсодержащий синтез-газ может быть выведен из Е-10 как поток 8.

Конденсат, образовавшийся в первой секции, второй секции и сепараторе V-1, можно выводить как потоки 9, 10 и 10а соответственно, объединить их и затем слить из системы.

В таблице 2 приведены примерные составы, молярные расходы, температуры, давления, энтальпия и энтропия для потоков в примере осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг.2. В таблице 2 приведены также мощность воздушного холодильника (в БТЕ/ч) и потребление электроэнергии (в значениях мощности вентилятора воздушного холодильника) для теплообменника с воздушным охлаждением АС-1.

При объединенной схеме теплообмена согласно изобретению требуемое общее значение UA (UA - произведение коэффициента теплопередачи и требуемой площади поверхности теплообмена) по оценкам составляет 3506060 БTE/F-ч (BTU/F-hr.). В известной системе, проиллюстрированной на фиг.1, где второй, третий, четвертый и пятый потоки расположены последовательно без объединения схемы теплообмена, общее значение UA, необходимое для того, чтобы обеспечить ту же степень охлаждения отводимого потока водородсодержащего синтез-газа (т.е. охлаждения с 753°F (401°C), 376 фунт/кв. дюйм абс., до 98°F (37°C), 369 фунт/кв. дюйм абс.), по оценкам составляет 4630014 БТЕ/F-ч.

Можно предположить, что для одинаковых потоков, используемых в одинаковых условиях по температуре, давлению и химическому составу, коэффициент теплопередачи в основном постоянный. Следовательно, объединенная схема теплообменников согласно изобретению может обеспечить такую же необходимую температуру потока водородсодержащего синтез-газа на выходе при поверхности теплообмена, которая на 24,3% меньше.

Пример 2. Не секционированный аппарат, объединенный с наружным воздушным охлаждением и разделением, а также вторичным наружным охлаждением и разделением.

Как показано на фиг.3, первый поток водородсодержащего синтез-газа поступает в теплообменник Е-20 как поток 1 при температуре 753°F (401°C), давлении 383 фунт/кв. дюйм абс., и выходит из теплообменника Е-20 как поток 5 при 208°F (98°С), 382 фунт/кв. дюйм абс. Скорость потока 1 в теплообменник Е-20 составляет 23170 фунт-моль/ч, а скорость потока 5 из теплообменника Е-20 - приблизительно 17643 фунт-моль/ч. Теплообменник Е-10 представляет собой, например, многоконтурный трубчатый теплообменник из ребристых труб, полностью помещенный в сепаратор для разделения пара и жидкости, и водородсодержащий синтез-газ проходит в межтрубной тепловой зоне теплообменника. Расположение может быть горизонтальным, как показано на чертеже, вертикальным или под углом для оптимального удаления любой жидкости, конденсированной в межтрубной зоне теплообменника.

В теплообменнике Е-20 поток 1 подвергается косвенному теплообмену со вторым потоком 20 (например, природного газа), который вводится в теплообменник Е-20 при 120°F (49°C), 512 фунт/кв. дюйм абс., проходит через контур, образованный ребристыми теплообменными трубами, и отводится из теплообменника Е-20 как поток 21 при 716°F (380°C), 502 фунт/кв. дюйм абс. Во время прохода через теплообменник Е-20 первый поток участвует также в теплообмене с третьим потоком 30 (например, котловой воды), который входит в теплообменник Е-20 при 227°F (108°C), 754 фунт/кв. дюйм абс., проходит через контур, образованный ребристыми теплообменными трубами, и выходит как поток 31 при 443°F (228°C), 724 фунт/кв. дюйм абс. В теплообменнике Е-20 первый поток участвует также в теплообмене с четвертым потоком 40 (например, жидкой среды - деминерализованной воды), который вводится в теплообменник при 74°F (23°C), 61 фунт/кв. дюйм абс., проходит через контур, образованный ребристыми трубами для теплообмена, и выходит как поток 41 при 284°F (140°C), 57 фунт/кв. дюйм абс.

Как было отмечено выше, в примере осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг.2, показан секционированный теплообменник. Однако в примере осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг.3, теплообменник не разделен на секции, но синтез-газ все же может подвергаться наружному охлаждению в теплообменнике с воздушным охлаждением. Как показано на фиг.3, после теплообмена с потоками 20, 30 и 40 и до теплообмена с потоком 50 (например, жидкой среды - охлаждающей воды) поток 1 может быть выведен из теплообменника Е-20 как поток 5 и подвергнут охлаждению путем косвенного теплообмена с окружающим воздухом в теплообменнике с воздушным охлаждением. После этого поток 5 можно удалить из АС-1 как поток 5А и ввести его в сепаратор для разделения газа и жидкости V-1.

Полученный поток газа 6, выведенный из V-1, не нужно повторно подавать в теплообменник Е-20. Вместо этого поток 6 можно ввести во второй теплообменник Е-4, где он может участвовать в теплообмене с потоком 50 (например, охлаждающей воды). Затем охлажденный водородсодержащий синтез-газ можно вывести из Е-4 как поток 7 и подавать во второй сепаратор для разделения газа и жидкости V-2. Жидкий конденсат выделяется из потока, а полученный охлажденный водородсодержащий синтез-газ можно отводить из V-2 как поток 8.

В таблице 3 приведены примерные составы, молярные расходы, температуры, давления, энтальпия и энтропия для потоков в примере осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг.3. В таблице 3 приведены также мощность воздушного холодильника (в БТЕ/ч) и потребление электроэнергии (в значениях мощности вентилятора воздушного холодильника) для теплообменника с воздушным охлаждением АС-1.

При объединенной схеме теплообмена согласно изобретению требуемое общее значение UA по оценкам составляет 2667704 БТЕ/F-ч. В известной системе, проиллюстрированной на фиг.1, где второй и третий потоки расположены последовательно без объединения схемы теплообмена, общее значение UA, необходимое для того, чтобы обеспечить ту же степень охлаждения отводимого потока водородсодержащего синтез-газа (т.е. охлаждения с 753°F (401°С), 383 фунт/кв. дюйм абс., до 208°F (98°C), 382 фунт/кв. дюйм абс.), по оценкам составляет 3859477 БТЕ/F-ч, что на 45% больше, чем при вышеприведенной объединенной схеме.

Пример 3. Секционированный аппарат только с наружным воздушным охлаждением и разделением

На фиг.4 проиллюстрирован пример осуществления изобретения с секционированным теплообменником, аналогичный примеру осуществления изобретения на фиг.2, за исключением того, что поток водородсодержащего синтез-газа не подвергается теплообмену с четвертым потоком (поток 50 на фиг.2) во второй секции теплообменника.

Как показано на фиг.4, первый поток водородсодержащего синтез-газа входит в теплообменник Е-30 как поток 1 при 753°F (401°С), 373 фунт/кв. дюйм абс., и выходит из теплообменника Е-30 как поток 8 при 98°F (37°C), 366 фунт/кв. дюйм абс. Скорость потока 1 на входе в теплообменник Е-30 равна 23170 фунт-моль/ч, а скорость потока 8 на выходе из теплообменника Е-30 - приблизительно 17058 фунт-моль/ч. Теплообменник Е-10 представляет собой, например, многоконтурный теплообменник из ребристых труб, полностью помещенный в сепаратор для разделения пара и жидкости, и водородсодержащий синтез-газ проходит через межтрубную тепловую зону теплообменника. Расположение может быть горизонтальным, как показано на чертеже, вертикальным или под углом для оптимального удаления любой жидкости, конденсированной в межтрубной зоне теплообменника.

В первой секции теплообменника Е-30 поток 1 вначале подвергается косвенному теплообмену со вторым потоком 20 (например, природного газа), который входит в теплообменник Е-30 при 120°F (49°C), 512 фунт/кв. дюйм абс., проходит через контур, образованный ребристыми теплообменными трубами, и выходит из теплообменника Е-30 как поток 21 при 716°F (380°C), 502 фунт/кв. дюйм абс. Кроме того, первый поток 1 участвует также в теплообмене в теплообменнике Е-30 с третьим потоком 30 (например, котловой воды), который вводится в теплообменник Е-30 при 227°F (108°С), 754 фунт/кв. дюйм абс., проходит через контур, образованный ребристыми трубами для теплообмена, и отводится из теплообменника Е-30 как поток 31 при 443°F (228°C), 724 фунт/кв. дюйм абс. Кроме того, первый поток участвует также в теплообмене с четвертым потоком 40 (например, деминерализованной воды), которая подается в теплообменник Е-30 при 74°F (23°C), 61фунт/кв. дюйм абс. на входе, проходит через контур, образованный ребристыми трубами для теплообмена, и выходит как поток 41 при 284°F (140°C), 56 фунт/кв. дюйм абс.

Как упоминалось выше, в примере осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг.4, теплообменник разделен на секции. Поэтому после теплообмена с потоками 20, 30 и 40 и перед дополнительным теплообменом с потоком 40 поток 1 выводят из первой секции теплообменника Е-30 как поток 5 и охлаждают путем косвенного теплообмена с окружающим воздухом в теплообменнике с воздушным охлаждением АС-1. После этого поток 5 выводят из АС-1 как поток 5А и вводят в сепаратор для разделения газа и жидкости V-1. Затем полученный поток газа 6, удаленный из V-1, снова вводят во вторую секцию теплообменника Е-30, где подвергают дальнейшему теплообмену с потоком 40. Полученный охлажденный водородсодержащий синтез-газ удаляют из Е-30 как поток 8.

В таблице 4 приведены примерные составы, молярные расходы, температуры, давления, энтальпия и энтропия для потоков в примере осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг.4. В таблице 4 приведены также мощность воздушного холодильника (в БТЕ/ч) и потребление электроэнергии (в значениях мощности вентилятора воздушного холодильника) для теплообменника с воздушным охлаждением АС-1.

При объединенной схеме теплообмена согласно изобретению требуемое общее значение UA по оценкам составляет 5568498 БТЕ/F-ч. В известной системе, проиллюстрированной на фиг.1, где второй, третий и четвертый потоки расположены последовательно без объединения схемы теплообмена, общее значение UA, необходимое для того, чтобы обеспечить ту же степень охлаждения отводимого потока водородсодержащего синтез-газа (т.е. охлаждения с 753°F (401°С), 383 фунт/кв. дюйм абс., до 208°F (98°C), 382 фунт/кв. дюйм абс.), по оценкам составляет 3859477 БТЕ/F-ч.

В этом примере потребность в охлаждающей воде (поток 50) полностью исключена, что уменьшает расходы на водоснабжение для этого способа.

Пример 4 - Не секционированный аппарат без наружного воздушного охлаждения и разделения, а только с системой охлаждающей воды.

В примере осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг.5, используется теплообменник, не разделенный на секции. Таким образом, этот пример осуществления изобретения аналогичен примеру осуществления изобретения, проиллюстрированному на фиг.3. Однако в примере осуществления изобретения на фиг.5 не применяется поверхностный теплообменник с воздушным охлаждением АС-1 и сепаратор для разделения газа и жидкости V-1, а также не используется второй теплообменник Е-4 для теплообмена с потоком 50 (например, жидкой среды - охлаждающей воды).

На фиг.5 первый поток водородсодержащего синтез-газа входит в теплообменник Е-40 как поток 1 при 753°F (401°C), 373 фунт/кв. дюйм абс. и выходит из теплообменника Е-40 как поток 8 при 98°F (37°C), 366 фунт/кв. дюйм абс. Скорость потока 1 на входе в теплообменник Е-40 составляет 23170 фунт-моль/ч, а скорость потока 8 на выходе из теплообменника Е-40 - приблизительно 17056 фунт-моль/ч. Теплообменник Е-10 представляет собой, например, многоконтурный теплообменник из ребристых труб, полностью помещенный в сепаратор для разделения пара и жидкости, а водородсодержащий синтез-газ проходит через межтрубную тепловую зону теплообменника. Расположение может быть горизонтальным, как показано на чертеже, вертикальным или под углом для оптимального удаления любой жидкости, конденсированной в межтрубной зоне теплообменника.

В теплообменнике Е-40 первый поток 1 участвует в теплообмене со вторым потоком 20 (например, природного газа), который вводится в теплообменник Е-40 при 120°F (49°C), 512 фунт/кв. дюйм абс., проходит через контур, образованный ребристыми трубами для теплообмена, и отводится из теплообменника Е-40 как поток 21 при 716°F (380°C), 502 фунт/кв. дюйм абс. Первый поток подвергается также теплообмену с третьим потоком 30 (например, котловой воды), которая поступает в теплообменник Е-40 при 227°F (108°C), 754 фунт/кв. дюйм абс., проходит через контур, образованный ребристыми трубами для теплообмена, и выходит из теплообменника Е-40 как поток 31 при 443°F (228°С), 724 фунт/кв. дюйм абс. Кроме того, первый поток участвует также в теплообмене с четвертым потоком 40 (например, жидкой среды - деминерализованной воды), который вводится в теплообменник Е-40 при 107°F (42°С), 61 фунт/кв. дюйм абс., проходит через контур, образованный ребристыми трубами для теплообмена, и отводится из теплообменника Е-40 как поток 41 при 284°F (140°C), 57 фунт/кв. дюйм абс. И, наконец, первый поток участвует также в теплообмене с пятым потоком 50 (например, жидкой среды - охлаждающей воды), который подается в теплообменник Е-40 при 92°F (33°C), 55 фунт/кв. дюйм абс., проходит через контур, образованный ребристыми трубами для теплообмена, и выводится из теплообменника Е-40 как поток 51 при 107°F (42°С), 52 фунт/кв. дюйм абс.

Полученный поток газа 8, удаленный из Е-40, не вводят в поверхностный теплообменник с воздушным охлаждением АС-1 и во второй теплообменник Е-4, а вместо этого отводят из теплообменника Е-40 как поток охлажденного водородсодержащего синтез-газа 8.

В таблице 5 указаны составы, молярные расходы, температуры, давления, энтальпия и энтропия для потоков в примере осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг.5.

При объединенной схеме теплообмена согласно изобретению требуемое общее значение UA по оценкам составляет 3506060 БТЕ/F-ч. В известной системе, проиллюстрированной на фиг.1, где второй, третий и четвертый потоки расположены последовательно без объединенной схемы теплообмена, общее значение UA, необходимое для того, чтобы обеспечить ту же степень охлаждения отводимого потока водородсодержащего синтез-газа (т.е. охлаждения с 753°F (401°С), 373 фунт/кв. дюйм абс., до 98°F (37°C), 366 фунт/кв. дюйм абс.), по оценкам составляет 3859477 БТЕ/F-ч. Такая конфигурация объединенной схемы теплообменников согласно изобретению, использующая объединенные зоны теплопередачи, может обеспечить такую же требуемую температуру потока водородсодержащего синтез-газа на выходе при поверхности теплообмена, которая на 9,2% меньше.

Кроме того, в этом примере из затрат на устройства исключена общая стоимость монтажа теплообменника с воздушным охлаждением.

В следующей ниже таблице указаны типичные пределы температур для потоков, подвергаемых теплообмену в примерах осуществления изобретения, проиллюстрированных на фиг.2-5.

Типичные пределы температуры горячих и холодных потоков для теплообмена

Поток Относит. температура Максимум, °F Минимум, °F Максимум, °С Минимум °С Горячий синтез-газ Горячий 780 550 416 286 Углеводородное сырье Холодный 120 50 49 10 Котловая вода Холодный Точка начала кипения под давлением 50 Точка начала кипения под давлением 10 Деминерализов. вода Холодный 140 50 60 10 Охлаждающая вода Холодный 120 50 49 10 Окружающий воздух Холодный 125 -40 52 -40

Выше приведено до определенной степени подробное описание вариантов изобретения, в элементы конструкции и схему расположения элементов которых может быть внесено много изменений, не выходящих за пределы объема данного изобретения. Следует понимать, что данное изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления изобретения, а ограничивается только объемом прилагаемой формулы изобретения, включая эквивалентные признаки.

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к способу и устройству для системы теплообмена с синтез-газом. Теплообменное устройство, содержащее средства для формирования по меньшей мере четырех отдельных контуров для потоков внутри теплообменника, позволяющих осуществлять косвенный теплообмен между первым контуром и вторым контуром, третьим контуром и четвертым контуром; при этом устройство может содержать средства формирования отдельного пятого контура в теплообменнике с возможностью осуществления косвенного теплообмена между ним и первым контуром. Технический результат - усовершенствование способа и устройства для объединения зон теплопередачи спирального, ребристого пластинчатого, трубчатого теплообменников и теплообменника из оребренных труб, обеспечивающее повышение общей эффективности процесса. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ рекуперации энергии из потока водородсодержащего синтез-газа, в котором
обеспечивают первый теплообменник, имеющий по меньшей мере четыре отдельных контура для потоков;
подают первый поток горячего водородсодержащего синтез-газа в первый контур первого теплообменника;
подают первую холодную теплообменную среду во второй контур первого теплообменника, посредством чего охлаждают указанный поток горячего водородсодержащего синтез-газа путем косвенного теплообмена с первой холодной теплообменной средой;
подают вторую холодную теплообменную среду в третий контур первого теплообменника, посредством чего охлаждают указанный поток горячего водородсодержащего синтез-газа путем косвенного теплообмена со второй холодной теплообменной средой;
подают третью холодную теплообменную среду в четвертый контур первого теплообменника, посредством чего охлаждают указанный поток горячего водородсодержащего синтез-газа путем косвенного теплообмена с третьей холодной теплообменной средой; и
выводят поток охлажденного водородсодержащего синтез-газа из теплообменника.

2. Способ по п.1, в котором первый поток горячего водородсодержащего синтез-газа получают из процесса реформинга углеводородов с водяным паром, процесса газификации угля или процесса неполного окисления.

3. Способ по п.2, в котором первой холодной теплообменной средой является поток углеводородного сырья для вышеуказанного процесса реформинга углеводородов с водяным паром или процесса неполного окисления.

4. Способ по п.1, в котором первой холодной теплообменной средой является поток углеводородного сырья, второй холодной теплообменной средой является поток котловой воды, а третьей холодной теплообменной средой является поток деминерализованной воды.

5. Способ по п.1, в котором дополнительно подают четвертую холодную теплообменную среду в пятый контур первого теплообменника, посредством чего охлаждают указанный поток горячего водородсодержащего синтез-газа путем косвенного теплообмена с четвертой холодной теплообменной средой.

6. Способ по п.1, в котором дополнительно
выводят из теплообменника по меньшей мере часть горячего водородсодержащего синтез-газа,
выведенный из теплообменника горячий водородсодержащий синтез-газ подвергают теплообмену во втором теплообменнике и
возвращают по меньшей мере часть полученного охлажденного водородсодержащего синтез-газа в первый теплообменник для дальнейшего охлаждения путем косвенного теплообмена.

7. Способ по п.1, в котором теплообменник представляет собой спиральный трубчатый теплообменник.

8. Способ по п.1, в котором теплообменник представляет собой ребристый пластинчатый теплообменник.

9. Способ по п.1, в котором теплообменник представляет собой кожухотрубный теплообменник.

10. Способ по п.1, в котором горячий водородсодержащий синтез-газ может одновременно участвовать в косвенном теплообмене с более чем одной теплообменной средой.

11. Способ по п.1, в котором теплообменник разделен по меньшей мере на первую секцию и вторую секцию.

12. Способ по п.11, в котором в первой секции косвенный теплообмен осуществляют между потоком горячего водородсодержащего синтез-газа и второй холодной теплообменной средой, и между потоком горячего водородсодержащего синтез-газа и третьей холодной теплообменной средой.

13. Способ по п.11, в котором косвенный теплообмен между потоком горячего водородсодержащего синтез-газа и первой холодной теплообменной средой осуществляют как в первой, так и во второй секциях.

14. Способ по п.12, в котором косвенный теплообмен между потоком горячего водородсодержащего синтез-газа и первой холодной теплообменной средой осуществляют как в первой, так и во второй секциях.

15. Способ по п.13, в котором теплообмен между потоком горячего водородсодержащего синтез-газа и четвертой холодной теплообменной средой осуществляют во второй секции.

16. Способ по п.14, в котором теплообмен между потоком горячего водородсодержащего синтез-газа и четвертой холодной теплообменной средой осуществляют во второй секции.

17. Способ по п.11, в котором
весь или часть потока водородсодержащего синтез-газа выводят из первой секции теплообменника,
удаленный из первой секции водородсодержащий синтез-газ подвергают теплообмену во втором теплообменнике,
выводят водородсодержащий синтез-газ из второго теплообменника и вводят его в сепаратор для разделения газа и жидкости, и выводят несконденсированный поток водородсодержащего синтез-газа из сепаратора для разделения газа и жидкости и вводят его во вторую секцию теплообменника.

18. Способ по п.11, в котором весь или часть потока водородсодержащего синтез-газа выводят из первой секции теплообменника,
удаленный из первой секции водородсодержащий синтез-газ подвергают теплообмену во втором теплообменнике,
выводят водородсодержащий синтез-газ из второго теплообменника и вводят его в сепаратор для разделения газа и жидкости, и
выводят несконденсированный поток водородсодержащего синтез-газа из сепаратора для разделения газа и жидкости и вводят его в третий теплообменник,
выводят водородсодержащий синтез-газ из третьего теплообменника и вводят во второй сепаратор для разделения газа и жидкости, из которого удаляют охлажденный продуктовый водородсодержащий синтез-газ.

19. Способ по п.1, в котором водородсодержащий синтез-газ содержит 35-75 мол.% Н₂, 0-2 мол.% N₂, 2-45 мол.% СО, 12-40 мол.% CO₂, 0-10 мол.% H₂S и менее 3 мол.% углеводородов С₂₊.

20. Способ по п.1, в котором водородсодержащий синтез-газ содержит до 11 мол.% метана.

21. Способ по п.1, в котором водородсодержащий синтез-газ содержит до 10 мол.% сероводорода.

22. Способ по п.1, в котором температура водородсодержащего синтез-газа в результате охлаждения снижается с 250-450°С до 30-50°С.

23. Способ по п.4, в котором в качестве первой холодной теплообменной среды используют поток углеводородного сырья, нагреваемый с 10 до 49°С, поток котловой воды вводят при температуре 10°С, а поток деминерализованной воды нагревают с 10 до 60°С.

24. Теплообменное устройство, содержащее средства для формирования по меньшей мере четырех отдельных контуров для потоков внутри теплообменника, позволяющих осуществлять косвенный теплообмен между первым контуром и вторым контуром, третьим контуром и четвертым контуром;
первое впускное средство для ввода горячего водородсодержащего синтез-газа в средства формирования первого контура теплообменника и первое выпускное средство для отвода охлажденного водородсодержащего синтез-газа из средств формирования первого контура теплообменника;
источник горячего водородсодержащего синтез-газа, сообщающийся с первым впускным средством;
второе впускное средство для ввода первой холодной теплообменной среды в средства формирования второго контура теплообменника, и второе выпускное средство для отвода первой теплообменной среды из средств формирования второго контура теплообменника;
источник первой холодной теплообменной среды, сообщающийся со вторым впускным средством;
третье впускное средство для ввода второй холодной теплообменной среды в средства формирования третьего контура теплообменника, и третье выпускное средство для отвода второй холодной теплообменной среды из средств формирования третьего контура теплообменника;
источник второй холодной теплообменной среды, сообщающийся с третьим впускным средством;
четвертое впускное средство для ввода третьей холодной теплообменной среды в средства формирования четвертого контура теплообменника, и четвертое выпускное средство для отвода третьей холодной теплообменной среды из средств формирования четвертого контура теплообменника; и
источник третьей холодной теплообменной среды, сообщающийся с четвертым впускным средством.

25. Устройство по п.24, дополнительно содержащее
средства формирования отдельного пятого контура в теплообменнике с возможностью осуществления косвенного теплообмена между ним первым контуром;
пятое впускное средство для ввода четвертой холодной теплообменной среды в средства формирования пятого контура теплообменника, и пятое выпускное средство для отвода четвертой холодной теплообменной среды из средств формирования пятого контура теплообменника; и
источник четвертой холодной теплообменной среды, сообщающийся с пятым впускным средством.