ТЕПЛООБМЕННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2016 года по МПК F28D15/00 F28D1/06 

Настоящее изобретение касается теплообменной системы, которая позволяет извлекать тепло, связанное с потоками вещества, циркулирующими в процессе получения водорода и/или синтез-газа. Настоящее изобретение также касается избыточного тепла, преобразующегося в паровую фазу, в частности в пар. Более конкретно, настоящее изобретение позволяет извлекать тепло, преобразованное в процессах каталитического парциального окисления, в частности тепло, образующееся во время реакции получения синтез-газа и, возможно, во время реакции сдвига водяного газа.

Способы получения водорода и/или синтез-газа из углеводородов и органических соединений отличаются последовательностью этапов, которые выделяют тепло (экзотермические этапы) или поглощают тепло (эндотермические этапы). Различные этапы часто выполняют при разных уровнях температуры от комнатной температуры у процессов газоочистки до 1100°С у процессов каталитического парциального окисления при малом времени контакта (SCT-СРО). Более конкретно, температуры колеблются от комнатной температуры у процессов газоочистки до 600°С-1000°С у SCT-СРО процессов. Промежуточные фазы SCT-СРО процесса предполагают дополнительные теплообменные переносы с нагревающими и охлаждающими этапами, такими как обессеривание (350°С-400°С), сдвиг водяного газа (280°С-390°С), сжигание отходящего газа (600°С-800°С). Чтобы достигать подходящих температур для различных этапов процесса, разные потоки вещества необходимо нагревать и охлаждать в разное время, по этой причине оптимизация теплообмена является фундаментальным аспектом и даже больше во всех способах получения водорода и синтез-газа.

Теплообмен представляет ключевой момент и сложность установки в каждом способе, а также оказывает сильное влияние на расходы в виде, например, теплообменного оборудования, труб, регулирующих клапанов, системы автоматизации и контроля.

Известные технические решения применяют, например, охлаждение горячих газов процесса для генерации насыщенного пара и/или перегретого пара с использованием одного или более теплообменных устройств.

Патент US 4488513 раскрывает теплообменник для охлаждения горячего газа, в частности синтез-газа, приходящего из процессов парциального окисления, с извлечением избыточного тепла и одновременным получением перегретого пара. Данный теплообменник содержит две наложенные отдельные и четко отделенные области, соединенные друг с другом с помощью ряда проточных линий горячих газов, надлежащим образом зачехленных. Верхняя часть содержит вертикальный, цилиндрический и герметично закрытый резервуар в форме вазы, имеющий выход в верхней части для перегретого пара. Эта ваза частично заполнена кипящей водой, которая образует первую область охлаждения горячих газов, тогда как верхняя часть свободна и насыщена перегретым паром, который образует вторую область охлаждения. Пучки спиральных труб равномерно расположены радиально вокруг центральной оси, где одна спираль является восходящей, а другая нисходящей. Ванна кипящей воды наполняет вазу, поскольку дно вазы соединяется с подачей воды. Нижняя часть покрыта жаростойким материалом и представляет собой область подачи горячего газа. В этой области горячий газ делится на ряд закрытых кожухами проточных труб, соединенных со спиральными пучками труб верхней области. Кожух проточных труб имеет задачей предотвращение повреждения из-за высоких температур.

Патент US 4462339 раскрывает теплообменник для охлаждения горячих газов с помощью воды, таких как газы, приходящие из парциального окисления, с извлечением избыточного тепла и одновременным получением насыщенного пара и/или перегретого пара. Теплообменник содержит две отделенные и раздельные части, соединенные друг с другом с помощью зачехленных кольцевых протоков, в которых циркулирует вода. Нижняя часть покрыта жаростойким материалом и образует камеру подачи горячего газа. Верхняя часть представляет собой вертикальный, цилиндрический, герметично закрытый резервуар в форме вазы, содержащий центральную цилиндрическую камеру, закрытую снизу и открытую сверху, содержащую, по меньшей мере, один пучок спиральных труб, центральный выход вверху для насыщенного газа, различные пучки спиральных труб, которые проходят в кольцевую область между центральной камерой и стенкой вазы. Выход спиральных труб кольцевой области соединен с входом спиральных труб центральной камеры. Вода циркулирует в кольцевой области, испаряясь и производя насыщенный пар. Насыщенный пар может выпускаться или перегреваться в центральной камере посредством выпускного выхода, расположенного на дне камеры. Область, в которой присутствует вода, представляет собой нижнюю часть верхней вертикальной вазы и делится на две части горизонтальной перегородкой: область между дном вазы и перегородкой, вдоль которой проходят зачехленные проточные трубы, и область под центральной камерой и над перегородкой, в которой циркулирует кипящая вода. Трубы зачехлены, чтобы предотвращать повреждение из-за высоких температур входящих газов.

US 2009/194257 А1 касается термоаккумулирующей системы, содержащей микроинкапсулированные материалы с фазовым переходом, так называемые МРСМ. МСРМ суспензии демонстрируют неньютоновское поведение, когда объемные доли частиц выше чем приблизительно 30%. Низкая концентрация МСРМ частиц соответствует меньшей термоаккумулирующей емкости для заданного объема аккумулирующего резервуара. Кроме того, разрушение частиц, которое может происходить от столкновения с насосом, может приводить к более высокому потреблению энергии насоса из-за агломерации материала.

Поэтому заявитель обнаружил новое техническое решение для эффективного и оптимизированного извлечения (возврата) тепла, генерированного и передаваемого с потоками горячего и холодного вещества, циркулирующими в способах получения водорода и/или синтез-газа. Упомянутое решение, цель настоящего изобретения, касается теплообменной системы, в которой различные потоки вещества, приходящие от разных фаз способа получения водорода и/или синтез-газа, с которыми связаны соответствующие термические потоки, обменивают тепло с помощью единственной центральной системы, которая объединяет функции предварительного нагрева или нагрева реагентов, охлаждения продуктов и генерации пара в одном устройстве. Упомянутая система содержит одну или более теплообменных поверхностей, полностью погруженных в ванну с текучей средой, предпочтительно с водой, которая имеет функцию и охлаждения, и нагрева. Таким образом, сильная естественная циркуляция создается в ванне с текучей средой, которая позволяет теплообмен и уравновешивание, преобразуя избыточную тепловую энергию в паровую фазу, предпочтительно пар, причем упомянутый пар собирается и отделяется в верхней части устройства, включенного в теплообменную систему.

Целью настоящего изобретения является упростить сложность технологических решений, связанных с явлением теплообмена, и улучшить энергетическую эффективность и безопасность операций получения водорода и синтез-газа.

Настоящее изобретение касается теплообменной системы, содержащей:

- единое устройство, имеющее область, погруженную в ванну с текучей средой, и свободное пространство вверху, в котором накапливается паровая фаза,

- по меньшей мере, одну внутреннюю область, открытую с обоих концов, расположенную внутри упомянутого устройства и полностью погруженную в ванну с текучей средой,

- одну или более теплообменных поверхностей,

- по меньшей мере, один вход для одного или более потоков холодного вещества, приходящих из внешнего холодного источника, и, по меньшей мере, один вход для одного или более потоков горячего вещества, приходящих из внешнего горячего источника,

- по меньшей мере, один выход для, по меньшей мере, одного потока охлажденного материала, и, по меньшей мере, один выход для, по меньшей мере, одного потока нагретого материала с помощью упомянутых теплообменных поверхностей,

упомянутая система отличается тем, что:

- упомянутая система содержит все теплообменные поверхности в едином устройстве,

- упомянутые теплообменные поверхности полностью погружены в ванну с текучей средой и соединены по текучей среде с горячим и холодным источниками, внешними к упомянутой системе, посредством потоков вещества.

Настоящее изобретение также касается упомянутой теплообменной системы, в которой теплообменные поверхности находятся внутри внутренней области и, по меньшей мере, одна другая поверхность находится в пространстве между упомянутой внутренней областью и стенками данного устройства. Теплообменные поверхности внутри внутренней области передают тепло потокам холодного вещества, нагревая их, и данные теплообменные поверхности находятся между внутренней областью и стенками резервуара, поглощающего тепло из потоков горячего вещества, охлаждая их.

Данное изобретение преимущественно позволяет извлекать (возвращать) тепло, производимое различными экзотермическими этапами способа получения водорода и/или синтез-газа. Избыточное тепло переносится посредством ванны с текучей средой в потоки вещества, вовлеченные в эндотермические этапы способа, способствуя таким образом оптимизации энергии способа и снижению энергетических затрат. В процессах каталитического парциального окисления, например, данная система может преимущественно извлекать тепло от экзотермических стадий обычно с помощью продуктов реакции и продуктов реакции сдвига водяного газа и подавать тепло, которое работает в эндотермических этапах, таких как обессеривание. Эта система может преимущественно способствовать охлаждению потоков вещества до желаемой температуры.

Избыточное тепло преимущественно превращается в пар, который вследствие этого может повторно использоваться для задач внутри данного способа или для внешнего применения. Настоящее изобретение преимущественно позволяет снижать необходимые затруднения, затраты на оборудование и способствует возможности построения системы для получения синтез-газа, охлаждения и получения пара.

Наконец, настоящее изобретение позволяет получать предварительно собранные блоки, которые можно транспортировать и устанавливать в местах применения, с сильно сниженными затратами и мешающими рисками.

Дополнительные цели и преимущества настоящего изобретения будут видны более явно из последующего описания и приложенных чертежей, обеспеченных только для иллюстративных и неограничивающих целей.

Фигура 1 изображает теплообменную систему для извлечения тепла, переносимого с потоками вещества, применяемыми в способе каталитического парциального окисления, в котором пар, генерируемый избыточным теплом, используется для получения электрической энергии. На фигуре 1 можно наблюдать следующие потоки и элементы:

- А представляет собой этап обессеривания,

- В представляет собой этап каталитического парциального окисления,

- С представляет собой этап сдвига водяного газа,

- D представляет собой этап очистки и/или отделения водорода,

- Е представляет собой этап сжигания выпускных газов или дымового газа,

- F представляет собой паровую турбину, соединенную с электрическим генератором G,

- L представляет собой конденсатор,

- М представляет собой насос реинтеграции,

- N представляет собой единое теплообменное устройство,

- 1а представляет собой холодный поток реагентов,

- 1b представляет собой холодный окислительный поток,

- 1с представляет собой холодный инертный поток,

- 2 представляет собой горячий поток продуктов реакции,

- 3 представляет собой горячий поток, содержащий водород и диоксид углерода,

- 4 представляет собой горячий поток, содержащий газ продуктов сгорания,

- 5 представляет собой образованную паровую фазу, предпочтительно пар,

- 12 представляет собой генерируемое электричество,

- 13 представляет собой холодный поток выхлопных газов.

Устройство N содержит внутреннюю область Р, ванну N2 с текучей средой (предпочтительно с водой) и пространство для сбора генерированной паровой фазы N1 (предпочтительно пар), одну или более теплообменных поверхностей 6, 7, 8, 9, 10 и 11, имеющих спиральную форму.

Подробное описание

Теплообменная система, цель настоящего изобретения, имеет целью извлечение (возврат) избыточного тепла из потоков вещества, связанных с тепловыми потоками, приходящими из горячих источников и/или холодных источников процесса. Упомянутые потоки предпочтительно представляют собой продукты и/или реагенты, приходящие из различных этапов способа получения водорода и/или синтез-газа и еще более предпочтительно из различных этапов способа каталитического парциального окисления. Извлеченное таким образом избыточное тепло может быть использовано для эндотермических этапов упомянутых способов и потоки вещества могут охлаждаться до желаемой температуры с помощью определенного этапа способа.

Основным отличием этой системы является то, что теплообмен происходит в единой центральной системе, содержащей единственное устройство, разделенное на две области: область, погруженная в ванну с текучей средой, и свободное пространство сверху данной ванны, в котором накапливается паровая фаза. Ванна с текучей средой может действовать как средство охлаждения (охлаждающая текучая среда) или как средство нагрева (нагревающая текучая среда). Текучая среда предпочтительно является водой, а паровая фаза предпочтительно является водяным паром. Упомянутая теплообменная система может содержать один или более входов для одного или более потоков холодного вещества, приходящего из внешнего холодного источника, предпочтительно, по меньшей мере, три входа, и один или более входов для одного или более потоков горячего вещества, приходящего из горячего источника, предпочтительно, по меньшей мере, три.

По меньшей мере, одна внутренняя область, предпочтительно цилиндрическая, открытая на обоих концах, находится внутри данного резервуара, причем упомянутая внутренняя область полностью погружена в ванну с текучей средой. Отличительным элементом данной теплообменной системы, цели настоящего изобретения, является то, что она содержит все теплообменные поверхности в единственном устройстве, что все упомянутые поверхности полностью погружены в ванну с текучей средой и что каждая поверхность соединяется по текучей среде с источником потока горячего или холодного вещества снаружи данной системы.

Предпочтительно, одна или более теплообменных поверхностей могут находиться внутри внутренней области, тогда как одна или более теплообменных поверхностей могут находиться в пространстве между внутренней областью и стенками резервуара. Теплообменные поверхности, находящиеся внутри внутренней области, предпочтительно могут выделять тепло в потоки холодного вещества, нагревая их, тогда как теплообменные поверхности, находящиеся между внутренней областью и стенками резервуара, предпочтительно могут поглощать тепло из потоков вещества, охлаждая их.

Предпочтительно, существует, по меньшей мере, шесть теплообменных поверхностей. Теплообменные поверхности предпочтительно могут быть спиральными элементами, в которых текут потоки горячего или холодного вещества. Спиральных элементов предпочтительно может быть, по меньшей мере, шесть.

Теплообменная система, цель настоящего изобретения, наконец, содержит один или более выходов для потоков нагретого и охлажденного вещества. Упомянутая система может также содержать, по меньшей мере, одну паровую турбину, соединенную с, по меньшей мере, одним парогенератором.

Тот факт, что все теплообменные поверхности полностью погружены в ванну с текучей средой внутри одного устройства, создает сильную естественную циркуляцию в ванне с текучей средой, которая является такой, что позволяет теплообмен и уравновешивание, и передачу избыточной тепловой энергии в паровую фазу, предпочтительно пар. Паровая фаза собирается и отделяется в верхней части данного устройства. Во время теплообмена между теплообменными поверхностями и ванной с текучей средой внутри внутренней области образуется двухфазная область, тогда как снаружи возникает однофазная область. Разность плотностей, которая может возникать между внутренней областью внутреннего пространства и внешней областью, может вызывать сильную внутреннюю циркуляцию в ванне с текучей средой и способствовать теплообмену. Ванна с циркулирующей текучей средой представляет собой прекрасную теплообменную текучую среду между "поставляющими" поверхностями и "потребляющими" поверхностями с очень высоким коэффициентом теплообмена.

Избыточное тепло, присутствующее в данной системе, цели настоящего изобретения, вычисляемое как разница между подаваемым теплом и потребляемым теплом, может трансформироваться в пар и собираться в свободном пространстве вверху устройства выше ванны с текучей средой. Когда избыточная паровая фаза представляет собой пар, она может использоваться в ранее существующей системе снабжения паром или для генерации электрической энергии посредством паровой турбины с электрическим генератором. Пар конденсируется и извлекается в центральную теплообменную систему через насос реинтеграции, который повторно впрыскивает конденсированную воду в пространство между герметизированным резервуаром и внутренней областью.

Теплообменная система, цель настоящего изобретения, преимущественно может использоваться в процессах получения водорода и/или синтез-газа и, предпочтительно, в процессах каталитического парциального окисления, которые являются сильно экзотермическими и поэтому обычно производят избыточное тепло, позволяя генерацию пара. Настоящее изобретение также касается способа обмена и извлечения тепла, который использует теплообменную систему, описанную и заявленную в настоящем тексте, содержащего следующие фазы:

- охлаждение потока вещества, приходящего из внешнего горячего источника, в упомянутой системе посредством воды,

- нагрев потока вещества, приходящего из внешнего холодного источника, в упомянутой системе посредством пара,

- преобразование избыточного тепла, присутствующего в данной системе, в пар.

Когда данный способ обмена и извлечения тепла соединяют с тем же способом каталитического парциального окисления, потоки нагретого вещества поступают на этапы реакций обессеривания и/или каталитического парциального окисления, тогда как потоки холодного вещества поступают на этап сдвига водяного газа, этап отделения и/или очистки водорода.

Наконец, пар, образованный во время вышеописанного способа, предпочтительно подают в систему подачи пара или используют для генерации электрической энергии.

Теперь иллюстрируется конкретный вариант осуществления, который относится к фигуре 1. Теплообменная система, цель настоящего изобретения, придается к способу каталитического парциального окисления. Потоки холодного вещества, содержащие реагенты (1а), окислители (1b) и инертные продукты (1с), нагреваются с помощью спиральных элементов 9, 10 и 11, находящихся в пространстве между цилиндрической внутренней областью Р и резервуаром N. Потоки горячего вещества, приходящие из реакционного этапа В (2), этапа С сдвига водяного газа (3) и этапа Е сгорания (4), охлаждаются с помощью спиральных элементов 6, 7 и 8, находящихся внутри внутренней области Р. После нагрева потоки вещества циркулируют на этап А обессеривания и реакционный этап В, тогда как потоки вещества после охлаждения направляются на этап С сдвига водяного газа, этап D очистки и/или отделения водорода. Выхлопные газы 12 идут в горелку. Образованный пар 5 входит в систему, состоящую из паровой турбины F, соединенной с электрическим генератором G для получения электрического тока 12. Выходящие пары затем конденсируются (L) и повторно впрыскиваются насосом реинтеграции М в данную теплообменную систему.

Что касается способа генерации горячих газов, теплообменная система, цель настоящего изобретения, имеет три основные функции:

1. Нагрев холодных реагентов, выступающий в качестве этапа предварительного нагрева,

2. Охлаждение полученных горячих газов, выступающее в качестве охлаждающего теплообмена, в частности в случае синтез-газа,

3. Направление избыточного полученного пара на питание системы подачи пара или преобразование в электрическую энергию.

Таким образом, энергетическая эффективность способов, которые генерируют горячие газы, таких как способы получения синтез-газа и водорода, увеличивается. Данное изобретение также позволяет снижать препятствия, неизбежные для операций теплообмена, что может влиять на весь процесс теплообмена в едином устройстве. Кроме того, оно способствует проектированию системы для получения синтез-газа, охлаждению и производству пара в очень ограниченных объемах, позволяя создавать предварительно собранные устройства, которые могут переноситься и устанавливаться на местах применения с заметно сниженными затратами и опасностями повреждения.

Изобретение относится к энергетике. Теплообменная система, содержащая единое устройство, имеющее область, погруженную в ванну с текучей средой, и свободное пространство вверху, в котором накапливается паровая фаза, одну внутреннюю область, открытую с обоих концов, расположенную внутри упомянутого устройства и полностью погруженную в ванну с текучей средой, теплообменные поверхности, причём, по меньшей мере, одна из теплообменных поверхностей находится внутри данной внутренней области и, по меньшей мере, одна другая поверхность находится в пространстве между упомянутой внутренней областью и стенками данного устройства. Также представлен способ обмена и извлечения тепла, использующий теплообменную систему согласно изобретению. Изобретение позволяет упростить конструкцию, а также улучшить энергетическую эффективность и безопасность операций получения водорода и синтез-газа. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Теплообменная система, содержащая:
- единое устройство, имеющее область, погруженную в ванну с текучей средой, и свободное пространство вверху, в котором накапливается паровая фаза,
по меньшей мере, одну внутреннюю область, открытую с обоих концов, расположенную внутри упомянутого устройства и полностью погруженную в ванну с текучей средой,
- одну или более теплообменных поверхностей,
- по меньшей мере, один вход для одного или более потоков холодного материала, приходящих из внешнего холодного источника, и, по меньшей мере, один вход для одного или более потоков горячего материала, приходящих из внешнего горячего источника,
- по меньшей мере, один выход для, по меньшей мере, одного потока охлажденного материала, и, по меньшей мере, один выход для, по меньшей мере, одного потока нагретого материала с помощью упомянутых теплообменных поверхностей,
отличающаяся тем, что:
- упомянутая система содержит все теплообменные поверхности в едином устройстве,
- упомянутые теплообменные поверхности полностью погружены в ванну с текучей средой и соединены по текучей среде с горячим и холодным источниками, внешними к упомянутой системе, посредством потоков материала, и
- упомянутые теплообменные поверхности находятся внутри данной внутренней области, и, по меньшей мере, другая поверхность находится в пространстве между упомянутой внутренней областью и стенками данного устройства.

2. Теплообменная система по п. 1, которая также содержит, по меньшей мере, одну паровую турбину, соединенную с, по меньшей мере, одним электрическим генератором.

3. Теплообменная система по, по меньшей мере, одному из пп. 1, 2, в которой данные теплообменные поверхности находятся в форме спиральных элементов, в которых текут потоки материала.

4. Теплообменная система по, по меньшей мере, одному из пп. 1, 2, в которой данная внутренняя область имеет цилиндрическую форму.

5. Теплообменная система по, по меньшей мере, одному из пп. 1, 2, в которой данная текучая среда является водой, а паровая фаза является водяным паром.

6. Теплообменная система по, по меньшей мере, одному из пп. 1, 2, в которой внешние горячие источники и холодные источники представляют этапы способов получения водорода и/или синтез-газа.

7. Теплообменная система по, по меньшей мере, одному из пп. 1, 2, в которой существует, по меньшей мере, три входа для потоков холодного материала и, по меньшей мере, три входа для потоков горячего материала.

8. Теплообменная система по, по меньшей мере, одному из пп. 1, 2, в которой существует, по меньшей мере, шесть теплообменных поверхностей.

9. Теплообменная система по п. 3, в которой существует, по меньшей мере, шесть спиральных элементов.

10. Теплообменная система по, по меньшей мере, одному из пп. 1, 2, в которой потоки холодного материала представляют собой реагенты, окислители и/или инертные продукты, приходящие из того же способа каталитического парциального окисления.

11. Теплообменная система по, по меньшей мере, одному из пп. 1, 2, в которой потоки горячего материала представляют собой продукты, приходящие из, по меньшей мере, этапа каталитического парциального окисления, этапа сдвига водяного газа и/или этапа сгорания того же способа каталитического парциального окисления.

12. Способ обмена и извлечения тепла, отличающийся тем, что он использует теплообменную систему по, по меньшей мере, одному из пп. 1-11, содержащую следующие фазы, где:
охлаждают поток материала, приходящий из внешнего горячего источника, в упомянутой теплообменной системе с помощью водяного пара,
нагревают поток материала, приходящий из внешнего холодного источника, в упомянутой теплообменной системе с помощью водяного пара,
- преобразуют избыточное тепло, присутствующее в упомянутой теплообменной системе, в водяной пар.

13. Способ обмена и извлечения тепла по п. 12, в котором теплообменные поверхности внутри внутренней области, включенной в данную теплообменную систему, переносят тепло к потокам холодного материала, нагревая их, а теплообменные поверхности между внутренней областью и стенками данного устройства поглощают тепло из данных потоков горячего материала, охлаждая их.

14. Способ обмена и извлечения тепла по п. 13, в котором образованный водяной пар подают в систему снабжения паром или используют для генерации электрической энергии.

15. Способ обмена и извлечения тепла по п. 13, в котором потоки нагретого материала поступают на этапы реакций обессеривания и/или каталитического парциального окисления того же способа каталитического парциального окисления.

16. Способ обмена и извлечения тепла по п. 13, в котором потоки охлажденного материала поступают на этап сдвига водяного газа, этап отделения и/или очистки водорода того же способа каталитического парциального окисления.