專利名稱：合成氣熱交換系統(tǒng)的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進的通過熱交換來冷卻含氫合成氣的方法，并且特別涉及一種更有效率的用于含氫合成氣冷卻的換熱器設(shè)計。
背景技術(shù)：
含氫合成氣流一般從蒸汽/碳氫化合物重整(通常是蒸汽/甲烷重整)、煤的氣化和部分氧化過程中產(chǎn)生，參見例如US4,113,441(碳氫化合物的蒸汽重整)、US4,352,675(煤的部分氧化)、US4,566,880(煤的部分氧化)、US4,999,029(液體和/或固體燃料的部分氧化)、US5,856,585(天然氣的部分氧化)、US6,730,285(碳氫化合物原料的部分氧化)和US6,749,829(天然氣的蒸汽重整)。
傳統(tǒng)上，從這些過程中得到的含氫合成氣產(chǎn)品流，已經(jīng)在管殼式換熱器中被冷卻。參見例如Fix等人在US5,246,063中，公開了一種冷卻煤-氣化廠產(chǎn)生的合成氣的換熱器。該換熱器包括多根由套管包圍的換熱管。這些管通過氣體吸入室在一端相通，并通過氣體排出室在另一端相通。來自煤-氣化廠的合成氣進入氣體吸入室，經(jīng)過這些管，然后進入氣體排出室。當經(jīng)過這些管時，合成氣被引入到套管的水冷卻。水蒸發(fā)成蒸汽，然后排出套管。
Koog等人在US4,377,132中公開了另一種冷卻合成氣的管殼式換熱器。這種合成氣冷卻器在外部殼體中具有兩個同心的、所謂的“水墻”。每個水墻由多根平行管形成，這些管通過連接翅片結(jié)合在一起，以形成氣密墻。水在管內(nèi)流動，并且蒸發(fā)為蒸汽。合成氣在管外側(cè)上流動，首先軸向流動，并且接著通過在兩個同心水墻之間形成的環(huán)形區(qū)域。
Decke等人在US6,051,195中公開了一種更復(fù)雜的合成氣冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個輻射合成氣冷卻器，和兩個都包括水冷結(jié)構(gòu)的對流合成氣冷卻器，該水冷結(jié)構(gòu)通過冷卻逆流流動的水以提供熱交換。
螺旋盤繞或外帶翅片的板翅式換熱器和列管式換熱器，已用于回收過程熱。這些換熱器經(jīng)常用于加熱或冷卻位于外部(通常具有翅片)側(cè)面的低密度氣體流，而在板中或管中為具有較高傳熱系數(shù)的較高密度的氣流。帶有翅片的外部通道的延伸表面允許(1)比光的管或板具有更大的傳熱表面，以及(2)比光的管或板在相對小的壓降下提供更多的傳熱。
通過分隔管路進行不只一種流體循環(huán)的換熱器已經(jīng)為人所知。公開的美國申請2005/0092472(Lewis)公開了一種板翅式和管式或翅管式換熱器，其中使第一工作流體在翅管外部流動，并使二種或更多種其它工作流體在換熱器內(nèi)的分隔管回路中流動。在一個例子中，US’472描述了一個具體實施例，其中第一工作流體在帶有翅片的外側(cè)流動，同時三種其它的工作流體在換熱器內(nèi)的分隔管回路中流動。第一工作流體是N2和H2O的混合物。第二工作流體例如是天然氣。第三工作流體是水，和第四工作流體也是水。
此外參見Misage等人(US 4,781,241)，描述了一種用于燃料電池發(fā)電廠的換熱器。在該換熱器中，重整廢水流過管的外部。后者為三種不同流體，也就是水、蒸汽和碳氫化合物燃料的循環(huán)提供預(yù)熱。還參見US 3,277,958(Taylor等人)、US 3,294,161(Wood)、US4,546,818(Nussbaum)、US 4,344,482(Dietzsch)和US 5,419,392(Maruyama)。
現(xiàn)有技術(shù)中，冷卻含氫合成氣流的方法是經(jīng)過分隔的、單獨的換熱器進行熱交換。在這些分隔的換熱器的每個換熱器中，合成氣通過與單一工業(yè)生產(chǎn)流例如碳氫化合物進料流、鍋爐給水、軟化水、環(huán)境空氣和/或冷卻水進行熱交換，被冷卻到希望的出口溫度。在一個或多個管殼式換熱器中，每個換熱器使用單一的冷卻介質(zhì)，冷卻含氫合成氣的實踐的效率相對地很低。最近供給原料成本的改變，以及不斷增加的經(jīng)濟壓力，已經(jīng)產(chǎn)生了對更有效且價格更低的完成合成氣生產(chǎn)的方法和設(shè)備的需求，包括對更有效且價格更低的通過熱交換冷卻合成氣的過程的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種提高含氫合成氣的冷卻效率的方法和設(shè)備。本發(fā)明還提供通過使用這樣的冷卻比現(xiàn)有技術(shù)更低的能耗。
本發(fā)明試圖通過將多路工業(yè)生產(chǎn)液流結(jié)合到一個或多個換熱器的同一側(cè)，以及結(jié)合多路流體的傳熱區(qū)從而得到更高的傳熱效率，來完成含氫合成氣的冷卻。
因此，一般地，本發(fā)明提供一種用于冷卻氣流、優(yōu)選為含氫合成氣流的例如，板翅式、板翅管式或翅管換熱器中的傳熱效率更高的系統(tǒng)。在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明進一步提供從含氫合成氣流冷卻過程中凝結(jié)出的液相中分離合成氣氣相。
依據(jù)本發(fā)明，提供一種從含氫合成氣流中回收能量的方法，包括a.提供具有至少四個分隔的流體回路的第一換熱器；b.向所述第一換熱器的第一流體回路提供第一熱的含氫合成氣流(例如，從蒸汽/碳氫化合物的重整過程、煤的氣化過程或部分氧化過程中得到)；c.向所述第一換熱器的第二流體回路提供第一冷的熱交換介質(zhì)(例如碳氫化合物原料)，由此通過與所述第一冷的熱交換介質(zhì)的間接熱交換，冷卻所述熱的含氫合成氣流；d.向所述第一換熱器的第三流體回路供給第二冷的熱交換介質(zhì)(例如鍋爐水)，由此通過與所述第二冷的熱交換介質(zhì)的間接熱交換，冷卻所述熱的含氫合成氣流；e.向所述第一換熱器的第四流體回路供給第三冷的熱交換介質(zhì)(例如軟化水)，由此通過與所述第三冷的熱交換介質(zhì)的間接熱交換，冷卻所述熱的含氫合成氣流；f.從所述換熱器中排出被冷卻的含氫合成氣流。
依據(jù)本發(fā)明進一步的方面，該過程進一步包括向所述第一換熱器的第五流體回路供給第四冷的熱交換介質(zhì)(例如冷卻水)，由此通過與所述第四冷的熱交換介質(zhì)的間接熱交換，冷卻所述熱的含氫合成氣流。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備方面，提供一種冷卻含氫合成氣的換熱設(shè)備(例如螺旋盤管換熱器、板翅式換熱器或管殼式換熱器)，所述換熱器包括a.在所述換熱器中限定至少四個分隔的流體回路的裝置，由此第一流體回路與第二流體回路、第三流體回路和第四流體回路進行間接熱交換；b.第一入口，用于將熱的含氫合成氣引入到限定所述換熱器的所述第一回路的裝置中，以及第一出口，用于將冷卻的含氫合成氣從限定所述換熱器的所述第一回路的所述裝置中排出；c.與所述第一入口流體連接的熱的含氫合成氣源；d.第二入口，用于將冷的第一熱交換介質(zhì)引入到限定所述換熱器的所述第二回路的裝置中，以及第二出口，用于將所述第一熱交換介質(zhì)從限定所述換熱器的所述第二回路的所述裝置中排出；e.與所述第二入口流體連接的冷的第一熱交換介質(zhì)源(例如，使用如天然氣的碳氫化合物流作為熱的含氫合成氣源，例如蒸汽重整裝置)；f.第三入口，用于將冷的第二熱交換介質(zhì)引入到限定所述換熱器的所述第三回路的裝置中，以及第三出口，用于將所述冷的第二熱交換介質(zhì)從限定所述換熱器的所述第三回路的所述裝置中排出；g.與所述第三入口流體連接的冷的第二熱交換介質(zhì)源(例如鍋爐給水)；h.第四入口，用于將冷的第三熱交換介質(zhì)引入到限定所述換熱器的所述第四回路的裝置中，以及第四出口，用于將所述冷的第三熱交換介質(zhì)從限定所述換熱器的所述第四回路的所述裝置中排出；i.與所述第四入口流體連接的冷的第三熱交換介質(zhì)源(例如軟化水)。
依據(jù)本發(fā)明進一步的方面，該設(shè)備進一步包括在所述換熱器中限定第五分隔的流體回路的裝置，由此第一流體回路與第五流體回路進行間接熱交換；第五入口，用于將冷的第四熱交換介質(zhì)引入到限定所述換熱器的所述第五回路的裝置中，以及第五出口，用于將所述冷的第四熱交換介質(zhì)從限定所述換熱器的所述第五回路的所述裝置中排出；與所述第五入口流體連接的冷的第四熱交換介質(zhì)源。
除了上面描述的主換熱器外，依據(jù)本發(fā)明，熱回收過程和換熱設(shè)備可以進一步包括第二換熱器。例如，熱的含氫合成氣的至少一部分可以從第一換熱器中排出，并在第二換熱器中進行熱交換(例如，與環(huán)境空氣熱交換)。然后，得到的冷卻的含氫合成氣的至少一部分可以返回到第一換熱器通過間接熱交換進行進一步冷卻。
如上所述，典型地，用于整體冷卻系統(tǒng)的主換熱器可以是螺旋盤管換熱器、板翅式換熱器或管殼式換熱器。但是，主換熱器可以是任何換熱器，其在至少一路被冷卻的流體和多路均被加熱的分隔的流體之間提供間接熱交換。優(yōu)選的，主換熱器是管殼式換熱器，其中管是互相盤繞的直管(例如，螺旋盤繞管殼式換熱器)。限定每條回路的裝置可以是例如通道(像由外部殼體限定的通道，該外部殼體包圍著限定其他回路的多個板，或者像管殼式換熱器的殼程)、單根管或者多根管。
被冷卻的流體，例如，熱的含氫合成氣，能夠同時與多于一種的熱交換介質(zhì)進行間接熱交換。例如，在第一回路中流動的熱的含氫合成氣能夠在與第二回路中流動的軟化水進行間接熱交換的同時，與在分隔的回路，例如第三回路中流動的碳氫化合物進料流進行間接熱交換。通過這個步驟，能夠?qū)⒍鄠€回路結(jié)合，從而更有效地將多個冷卻流的復(fù)合加熱曲線，用熱的方法接近熱工作流的冷卻曲線。這個步驟通過允許被冷卻的含氫合成氣和被加熱的多種冷卻流之間更接近的溫度逼近，允許更有效的熱交換。
根據(jù)本發(fā)明進一步的方面，第一或主換熱器至少被分成第一區(qū)段和第二區(qū)段。例如，在第一區(qū)段中，在熱的含氫合成氣流和第二冷的熱交換介質(zhì)之間，以及在熱的含氫合成氣流和第三冷的熱交換介質(zhì)之間進行間接熱交換。但是，熱的含氫合成氣流和第一冷的熱交換介質(zhì)之間的間接熱交換，例如，不但在第一區(qū)段也在第二區(qū)段中進行。另外，熱的含氫合成氣流和第四冷的熱交換介質(zhì)之間的熱交換也可以在第二區(qū)段中進行，參見例如圖2和4。
依據(jù)進一步的選擇，所有或一部分的含氫合成氣流從第一換熱器的第一區(qū)段中排出，在第二換熱器(例如，外部空氣冷卻換熱器)中進行熱交換，并被引入氣/液分離器中。含氫合成氣流中未冷凝的部分隨后從氣/液分離器中排出，并被引入第一換熱器的第二區(qū)段。
如上所述，該過程可以進一步包括在熱的含氫合成氣流和第五冷的熱交換介質(zhì)之間進行間接熱交換。但是，該進一步的換熱不需要在同一換熱器中進行。因此，熱的含氫合成氣流和第五冷的熱交換介質(zhì)之間的間接熱交換可以在第二換熱器中進行?？蛇x擇地，熱的含氫合成氣流和第四冷的熱交換介質(zhì)之間的間接熱交換可以在第一換熱器的第二區(qū)段中進行。
依據(jù)本發(fā)明進一步的方面，從第一換熱器中排出的含氫合成氣流在外部空氣冷卻換熱器中進行熱交換，被引入進第一氣/液分離器，含氫合成氣流中未冷凝的部分從第一氣/液分離器中排出，并被引入第二換熱器，然后進入第二氣/液分離器，從其中含氫合成氣的冷卻的產(chǎn)物被排出。
如上所述，雖然能夠應(yīng)用于其他工業(yè)氣體的冷卻，本發(fā)明優(yōu)選用于冷卻含氫合成氣。含氫合成氣源包括像這樣的過程蒸汽/碳氫化合物的重整、煤的氣化和部分氧化過程。典型地，含氫合成氣包括，例如，35-75摩爾％的H2、0-2摩爾％的N2、2-45摩爾％的CO、12-40摩爾％的CO2、0-10摩爾％的H2S、以及少于3摩爾％的C2+碳氫化合物。不同來源的合成氣成分的例子列在下面的表中

一般地，上述的合成氣產(chǎn)生過程在溫度例如250-450℃下提供含氫合成氣。就回收氫或化學(xué)生產(chǎn)給料的進一步處理而言，希望通過本發(fā)明的方法/設(shè)備，將這個含氫合成氣流冷卻到溫度為例如30-50℃。
本發(fā)明使用的典型熱交換介質(zhì)包括產(chǎn)生含氫合成氣(例如碳氫化合物流)的過程中使用的原料流、鍋爐給水、軟化水、環(huán)境空氣和冷卻水。其他可能的熱交換介質(zhì)包括溶劑，例如除二氧化碳時需要的溶劑，以及提高方法總體效率所必須的其他可能的流。
上面和下面所引用的所有申請、專利和出版物的完整公開，在這里通過引入并入。


當結(jié)合附圖考慮時，本發(fā)明的各種其他特征和附帶的優(yōu)點將被更充分地顯示，同時被更好地理解，在全部幾個附圖中，同一引用特征表示相同或相似的部件，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)的示意性流程圖；圖2是描述本發(fā)明實施方式的過程的示意性流程圖；圖3、4和5是描述圖2所示實施方式的變化的示意性流程圖。
具體實施例方式
圖1是描述現(xiàn)有技術(shù)的換熱器結(jié)構(gòu)的方法的示意性流程圖。如圖1所示，含氫合成氣流1進入換熱器E-1，在此與流20(例如，天然氣)進行間接熱交換。含氫合成氣流1作為流2排出換熱器E-1，然后在換熱器E-2中與流30(例如鍋爐給水)進行間接熱交換。此后，含氫合成氣流2作為流3排出換熱器E-2，然后被引入到換熱器E-3中與流40(例如軟化水液體)進行間接熱交換。在從換熱器E-3排出時，冷卻的含氫合成氣流4被送入氣/液分離器V-1，從此處冷凝的氣體作為液流9被排出，并且冷卻的含氫合成氣流作為流5被排出。然后流5進入AC-1(例如空氣冷卻換熱器)，在那里該流與環(huán)境空氣進行間接熱交換。最后，在被引入到第二氣/液分離器V-2之前，來自AC-1的空氣冷卻流(流6)在E-4中與流50(例如液體冷卻水)進行間接熱交換。冷卻的含氫合成氣作為流8從系統(tǒng)中排出。
結(jié)合圖1流程圖顯示的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)，表1顯示了典型流的摩爾流量、溫度和壓力，以及空氣冷卻換熱器的電量消耗。
下面提供的例子描述了本發(fā)明，并且不局限于其中具體的實施例。在前述的和隨后的實施例中，除非另有說明，所有的溫度都是未校正的攝氏度；并且，除非另有說明，所有的組分和百分比都用摩爾表示。
實施例1-具有外部空氣冷卻和分離的分區(qū)容器如圖2所示，第一含氫合成氣流在753(401℃)、376psia下，作為流1進入換熱器E-10，并在98(37℃)、369psia下作為流8排出換熱器E-10。流1進入換熱器E-10的流速為23,170lbmol/hr，并且流8排出換熱器E-10的流速大約為17,057lbmol/hr。例如，換熱器E-10是多回路翅管式換熱器，所述換熱器整體地封裝在汽-液分離器中，并且含氫合成氣流在殼側(cè)流動。該設(shè)計可以是如圖所示水平的、垂直的或有一定角度，該角度為在換熱器殼側(cè)中冷凝的任何流體的排出提供最好的幫助。
在其穿過換熱器的通道中，含氫合成氣與像碳氫化合物流(例如天然氣)那樣的第二流20進行熱交換，所述第二流用于作為產(chǎn)生熱合成氣的設(shè)備(例如蒸汽重整器)的進料流。流20在120(49℃)，512psia下進入換熱器E-10，流過由翅片換熱管限定的回路，并在716(380℃)、502psia下作為流21排出換熱器E-10。另外，流1，該含氫合成氣，還與第三流30(例如鍋爐給水)進行熱交換，所述第三流30在227(108℃)、754psia下進入換熱器E-10，流過由翅片換熱管限定的回路，并在443(228℃)、724psia下作為流31排出。流1還與第四流40(例如軟化水液體)進行熱交換，所述第四流40在74(23℃)、61psia下進入換熱器E-10，流過由翅片換熱管限定的回路，并在284(140℃)、57psia下作為流41排出。最后，如圖2所示，第一流還與第五流50(例如液體冷卻水)進行熱交換，所述第五流50在92(33℃)、55psia下進入換熱器E-10，流過由翅片換熱管限定的回路，并在107(42℃)、52psia下作為流51排出。
流1同時與流40和20進行熱交換，然后與流40和30進行熱交換，最后與流40和50進行熱交換。與多個串聯(lián)布置的且回路沒有交錯的管程流體相比，這樣設(shè)計的好處是能夠得到更有效的傳熱。
如圖2所示的實施例，換熱器可以被分區(qū)。因此，流1與流20、30和40在換熱器的第一區(qū)段進行熱交換。來自第一區(qū)段，然后合成氣可以作為流5被送入空氣冷卻換熱器AC-1與環(huán)境空氣進行熱交換。此后，流5作為流5A從AC-1排出，并被引入到氣/液分離器V-1。然后，得到的氣流6從V-1中排出，被引回到換熱器E-10的第二區(qū)段，在那里它與流50和流40進行熱交換。然后得到的冷卻的含氫合成氣可以作為流8從E-10中排出。
在第一區(qū)段、第二區(qū)段和分離器V-1中形成的冷凝物可以分別作為流9、10和10a排出，接著匯合后從系統(tǒng)中排出。
表2列出了圖2所示實施例中流的代表性成分、摩爾流速、溫度、壓力、焓和熵。表2還列出了用于空氣冷卻換熱器AC-1的空氣冷卻器生產(chǎn)量(單位BTU/hr)和電量消耗(折合成空氣冷卻器風(fēng)機功率)。
對于結(jié)合熱交換設(shè)計的本發(fā)明，需要的總UA(UA是傳熱系數(shù)和所需傳熱面積的乘積)估計是3,506,060BTU/F-hr。在圖1所示的現(xiàn)有系統(tǒng)中，其中的第二、第三、第四和第五流串聯(lián)排列，沒有結(jié)合熱交換，用于冷卻排出的含氫合成氣流、完成同樣冷卻量(例如，從753(401℃)、376psia冷卻到98(37℃)、369psia)所需要的總UA估計是4,630,014BTU/F-hr。
在類似溫度、壓力和化學(xué)成分的條件下，對于類似的氣流操作，可以假設(shè)傳熱系數(shù)基本上是不變的。因此，本發(fā)明結(jié)合換熱器的設(shè)計能夠得到相同的所需要的含氫合成氣流的排出溫度，而傳熱面積減少24.3％。
實施例2-具有外部空氣冷卻和分離、以及外部第二冷卻和分離的未分區(qū)容器如圖3所示，第一含氫合成氣流在753(401℃)、383psia下，作為流1進入換熱器E-20，并在208(98℃)、382psia下作為流5排出換熱器E-20。流1進入換熱器E-20的流速為23,170lbmol/hr，流5排出換熱器E-20的流速大約為17,643lbmol/hr。例如，換熱器E-10是多回路翅管式換熱器，整體地封裝在汽-液分離器中，并且含氫合成氣流在殼側(cè)流動。該設(shè)計可以是如圖所示水平的、垂直的或有一定角度，所述角度為在換熱器殼側(cè)中冷凝的任何流體的排出提供最好的幫助。
在換熱器E-20中，流1與第二流20(例如天然氣)進行間接熱交換，所述流20在120(49℃)、512psia下進入換熱器E-20，流過由翅片換熱管限定的回路，并在716(380℃)、502psia下作為流21排出換熱器E-20。在第一流經(jīng)過換熱器E-20時，第一流還與第三流30(例如鍋爐給水)進行熱交換，所述第三流30在227(108℃)、754psia下進入換熱器E-20，流過由翅片換熱管限定的回路，并在443(228℃)、724psia下作為流31排出。在換熱器E-20中，第一流還與第四流40(例如軟化水液體)進行熱交換，所述第四流40在74(23℃)、61psia下進入換熱器，流過由翅片換熱管限定的回路，并在284(140℃)、57psia下作為流41排出。
如上所述，圖2所示的實施例中的換熱器是分區(qū)的。但是，在圖3所示的實施例中，換熱器沒有分區(qū)，但是合成氣仍然能夠在空氣冷卻換熱器中進行外部冷卻。如圖3所示，在與流20、30和40進行熱交換之后，且在與流50(例如液體冷卻水)熱交換之前，流1可以從換熱器E-20中作為流5排出，并在空氣冷卻換熱器中與環(huán)境空氣進行間接熱交換從而被冷卻。此后，流5作為流5A排出AC-1，并被引入到氣/液分離器V-1。
從V-1中排出的所得的氣流6，不需要被再引回到換熱器E-20中。取而代之的，流6可以被引入到第二換熱器E-4，在那里它可以與流50(例如冷卻水)進行熱交換。然后，冷卻的含氫合成氣作為流7從E-4中排出，并被送入第二氣/液分離器V-2。從流中分離出的液體冷凝物和得到的冷卻的含氫合成氣可以作為流8從V-2中排出。
表3列出了圖3所示實施例中流的代表性成分、摩爾流速、溫度、壓力、焓和熵。表3還列出了空氣冷卻換熱器AC-1的空氣冷卻器生產(chǎn)量(單位BTU/hr)和電量消耗(折合成空氣冷卻器風(fēng)機功率)。
對于結(jié)合熱交換設(shè)計的本發(fā)明，需要的總UA估計是2,667,704BTU/F-hr。在圖1所示的現(xiàn)有系統(tǒng)中，其中的第二、第三流串聯(lián)排列，沒有結(jié)合熱交換，用于冷卻排出的含氫合成氣流、完成同樣冷卻量(例如，從753(401℃)、383psia冷卻到208(98℃)、382psia)所需要的總UA估計是3,859,477BTU/F-hr，比上述結(jié)合設(shè)計多了45％。
實施例3-只有外部空冷和分離的分區(qū)容器圖4描述了具有分區(qū)換熱器的實施例，與圖2的實施例相似，除了含氫合成氣流沒有在換熱器的第二區(qū)段與第四流(與圖2的流50相比)進行熱交換之外。
如圖4所示，第一含氫合成氣流在753(401℃)、373psia下，作為流1進入換熱器E-30，并在98(37℃)、366psia下作為流8排出換熱器E-30。流1進入換熱器E-30的流速為23,170lbmol/hr，流8排出換熱器E-30的流速大約為17,058lbmol/hr。例如，換熱器E-10是多回路翅管式換熱器，整體地封裝在汽-液分離器中，且含氫合成氣流在殼側(cè)流動。該設(shè)計可以是如圖所示水平的、垂直的或有一定角度，所述角度為在換熱器殼側(cè)中冷凝的任何流體的排出提供最好的幫助。
在換熱器E-30的第一區(qū)段中，流1最初與第二流20(例如天然氣)進行間接熱交換，所述第二流20在120(49℃)、512psia下進入換熱器E-30，流過由翅片換熱管限定的回路，在716(380℃)、502psia下作為流21排出換熱器E-30。另外，第一流1還在換熱器E-30中與第三流30(例如鍋爐給水)進行熱交換，所述第三流30在227(108℃)、754psia下進入換熱器E-30，流過由翅片換熱管限定的回路，并在443(228℃)、724psia下作為流31排出換熱器E-30。進一步地，第一流還與第四流40(例如軟化水液體)進行熱交換，所述第四流40在74(23℃)、61psia下進入換熱器E-30，流過由翅片換熱管限定的回路，并在284(140℃)、56psia下作為流41排出。
如上所述，在圖4所示的實施例中，換熱器是分區(qū)的。因此，流1在與流20、30和40進行熱交換之后，且在與流40進行附加的熱交換之前，流1從換熱器E-30的第一區(qū)段中作為流5排出，并在空氣冷卻換熱器AC-1中與環(huán)境空氣進行間接熱交換從而被冷卻。此后，流5作為流5A排出AC-1，并被引入到氣/液分離器V-1中。然后，從V-1中排出的所得的氣流6被引回到換熱器E-30的第二區(qū)段，在那里與流40進行進一步熱交換。得到的冷卻的含氫合成氣作為流8排出E-30。
表4列出了圖4所示實施例中流的代表性成分、摩爾流速、溫度、壓力、焓和熵。表4還列出了空氣冷卻換熱器AC-1的空氣冷卻器生產(chǎn)量(單位BTU/hr)和電量消耗(折合成空氣冷卻器風(fēng)機功率)。
對于結(jié)合熱交換設(shè)計的本發(fā)明，需要的總UA估計是5,568,498BTU/F-hr。在圖1所示的現(xiàn)有系統(tǒng)中，其中的第二、第三、第四流串聯(lián)排列，沒有結(jié)合熱交換，用于冷卻排出的含氫合成氣流、完成同樣冷卻量(例如，從753(401℃)、383psia冷卻到208(98℃)、382psia)所需要的總UA估計是3,859,477BTU/F-hr。
在這個例子中，完全不需要冷卻水(流50)，因此降低了過程的動力消耗指標。
實施例4-沒有外部空氣冷卻和分離，只有冷卻水裝置的不分區(qū)容器在圖5所示實施例中，使用不分區(qū)換熱器。因此，該實施例與圖3所示實施例相似。但是，圖5的實施例不使用外部空氣冷卻換熱器AC-1或汽/液分離器V-1，也不使用與流50(例如液體冷卻水)熱交換的第二換熱器E-4。
在圖5中，第一含氫合成氣流在753(401℃)、373psia下，作為流1進入換熱器E-40，并在98(37℃)、366psia下作為流8排出換熱器E-40。流1進入換熱器E-40的流速為23,170lbmol/hr，流8排出換熱器E-40的流速大約為17056lbmol/hr。例如，換熱器E-40是多回路翅管式換熱器，整體地封裝在汽-液分離器中，且含氫合成氣流在殼側(cè)流動。該設(shè)計可以是如圖所示水平的、垂直的或有一定角度，所述角度為在換熱器殼側(cè)中冷凝的任何流體的排出提供最好的幫助。
在換熱器E-40中，第一流1與第二流20(例如天然氣)進行熱交換，所述第二流20在120(49℃)、512psia下進入換熱器E-40，流過由翅片換熱管限定的回路，在716(380℃)、502psia下排出換熱器E-40。第一流還與第三流30(例如鍋爐給水)進行熱交換，所述第三流30在227(108℃)、754psia下進入換熱器E-40，流過由翅片換熱管限定的回路，并在443(228℃)、724psia下作為流31排出換熱器E-40。另外，第一流還與第四流40(例如軟化水液體)進行熱交換，所述第四流40在107(42℃)、61psia下進入換熱器E-40，流過由翅片換熱管限定的回路，并在284(140℃)、57psia下作為流41排出換熱器E-40。最后，第一流還與第五流50(例如液體冷卻水)進行熱交換，所述第五流50在92(33℃)、55psia下被送入換熱器E-40，流過由翅片換熱管限定的回路，并在107(42℃)、52psia下作為流51排出換熱器E-40。
從E-40中排出的所得的氣流8并沒有進入外部空氣冷卻器AC-1或第二換熱器E-4，而是取而代之地，作為冷卻的含氫合成氣流8從換熱器E-40中排出。
表5列出了圖5所示實施例中流的成分、摩爾流速、溫度、壓力、焓和熵。
對于結(jié)合熱交換設(shè)計的本發(fā)明，需要的總UA估計是3,506,060BTU/F-hr。在圖1所示的現(xiàn)有系統(tǒng)中，其中的第二、第三、第四流串聯(lián)排列，沒有結(jié)合熱交換，用于冷卻排出的含氫合成氣流、完成同樣冷卻量(例如，從753(401℃)、373psia冷卻到98(37℃)、366psia)所需要的總UA估計是3,859,477BTU/F-hr。本發(fā)明結(jié)合換熱器的這種設(shè)計使用結(jié)合的傳熱區(qū)，得到相同的所需要的含氫合成氣排出口溫度，傳熱面積能減少9.2％。
另外，在這個例子中，可以從設(shè)備中除去空氣冷卻換熱器的總安裝費用。
下面的表列出了圖2-5所示實施例進行熱交換的流的典型溫度范圍。
熱的和冷的熱交換流的典型溫度范圍

雖然本發(fā)明使用某種程度的特征進行描述，但是顯然地，在不違反本公開內(nèi)容的精神和范圍的前提下，在結(jié)構(gòu)的細節(jié)和組件的設(shè)計上，可以有很多變化?？梢岳斫獾氖潜景l(fā)明并不局限于這里用于示例的目的提出的實施例，而是僅僅限制在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，包括與這里命名的每個特征同等意義的所有范圍。
通過替換那些在前述實施例中使用的、本發(fā)明的一般或特別描述的反應(yīng)物和/或操作環(huán)境，前述的實施例能夠被成功地重復(fù)。
從前面的描述中，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠很容易地確定本發(fā)明的主要技術(shù)特征，并且在不偏離其精神和范圍的情況下，能夠?qū)Ρ景l(fā)明進行各種改變和修改，使之適合各種用途和情況。
表1-圖1所示現(xiàn)有技術(shù)的實施例的能量消耗物料平衡表

表2-分區(qū)容器的能量消耗物料平衡表

表3-使用外部冷卻和分離的可選擇實施例的能量消耗物料平衡表

表4-僅使用外部冷卻裝置的可選擇實施例的能量消耗物料平衡表

表5-僅使用冷卻水裝置的可選擇實施例的能量消耗物料平衡表

權(quán)利要求
1.一種從含氫合成氣流中回收能量的方法，包括a.提供具有至少四個分隔的流體回路的第一換熱器；b.向所述第一換熱器的第一流體回路提供第一熱的含氫合成氣流；c.向所述第一換熱器的第二流體回路提供第一冷的熱交換介質(zhì)，由此通過與所述第一冷的熱交換介質(zhì)進行間接熱交換，所述熱的含氫合成氣流被冷卻；d.向所述第一換熱器的第三流體回路供給第二冷的熱交換介質(zhì)，由此通過與所述第二冷的熱交換介質(zhì)進行間接熱交換，所述熱的含氫合成氣流被冷卻；e.向所述第一換熱器的第四流體回路供給第三冷的熱交換介質(zhì)，由此通過與所述第三冷的熱交換介質(zhì)進行間接熱交換，所述熱的含氫合成氣流被冷卻；f.從所述換熱器中排出冷卻的含氫合成氣流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過蒸汽/碳氫化合物的重整過程、煤的氣化過程或部分氧化過程，獲得所述第一熱的含氫合成氣流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述第一冷的熱交換介質(zhì)是所述蒸汽/碳氫化合物重整過程或部分氧化過程中的碳氫化合物進料流。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述第一冷的熱交換介質(zhì)是碳氫化合物進料流，所述第二冷的熱交換介質(zhì)是鍋爐水流，并且所述第三冷的熱交換介質(zhì)是軟化水流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進一步包括向所述第一換熱器的第五流體回路供給第四冷的熱交換介質(zhì)，由此通過與所述第四冷的熱交換介質(zhì)進行間接熱交換，所述熱的含氫合成氣流被冷卻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進一步包括將所述熱的含氫合成氣的至少一部分從所述換熱器中排出，從所述換熱器中排出的所述熱的含氫合成氣在第二換熱器中進行熱交換，并且將得到的冷卻的含氫合成氣的至少一部分返回到第一換熱器，通過間接熱交換進一步冷卻。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的換熱器是螺旋盤管換熱器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的換熱器是板翅式換熱器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的換熱器是管殼式換熱器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的熱的含氫合成氣可以同時與不只一種熱交換介質(zhì)進行間接熱交換。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的換熱器被分為至少第一區(qū)段和第二區(qū)段。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，在所述第一區(qū)段中，所述熱的含氫合成氣流和第二冷的熱交換介質(zhì)之間，以及所述熱的含氫合成氣流和第三冷的熱交換介質(zhì)之間進行間接熱交換。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述熱的含氫合成氣流和第一冷的熱交換介質(zhì)之間的間接熱交換在第一區(qū)段和第二區(qū)段中進行。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述熱的含氫合成氣流和第一冷的熱交換介質(zhì)之間的間接熱交換在第一區(qū)段和第二區(qū)段中進行。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述熱的含氫合成氣流和第四冷的熱交換介質(zhì)之間的熱交換在第二區(qū)段中進行。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述熱的含氫合成氣流和第四冷的熱交換介質(zhì)之間的熱交換在第二區(qū)段中進行。
17.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，進一步包括將所有或一部分所述含氫合成氣流從所述換熱器的第一區(qū)段中排出，使從第一區(qū)段排出的所述含氫合成氣在第二換熱器中進行熱交換，將所述含氫合成氣從所述第二換熱器中排出，并將其引入氣/液分離器中，并且將未冷凝的所述含氫合成氣流從所述氣/液分離器中排出，并將其引入所述換熱器的第二區(qū)段。
18.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，進一步包括將所有或一部分所述含氫合成氣流從所述換熱器的第一區(qū)段中排出，使從第一區(qū)段排出的所述含氫合成氣在第二換熱器中進行熱交換，將所述含氫合成氣從所述第二換熱器中排出，并將其引入氣/液分離器中，并且將未冷凝的所述含氫合成氣流從所述氣/液分離器中排出，并將其引入第三換熱器，將所述含氫合成氣從所述第三換熱器中排出，并將其引入第二氣/液分離器中，所述含氫合成氣的冷卻的產(chǎn)物從所述第二氣/液分離器中排出。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的含氫合成氣包括35-75摩爾％的H2、0-2摩爾％的N2、2-45摩爾％的CO、12-40摩爾％的CO2、0-10摩爾％的H2S、以及少于3摩爾％的C2+碳氫化合物。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的含氫合成氣包括最高為11摩爾％的甲烷。
21.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的含氫合成氣包括最高為10摩爾％的硫化氫。
22.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的含氫合成氣從250℃到450℃的溫度被冷卻到30℃到50℃的溫度。
23.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述的第一冷的熱交換介質(zhì)是在溫度從10℃到49℃被加熱的碳氫化合物進料流，所述鍋爐水流是在溫度10℃被引入，且所述軟化水流在溫度從10℃到60℃被加熱。
24.一種換熱器設(shè)備，包括a.在所述換熱器中限定至少四個分隔的流體回路的裝置，由此第一流體回路與第二流體回路、第三流體回路和第四流體回路進行間接熱交換；b.第一入口，用于將熱的含氫合成氣引入到限定所述換熱器的所述第一回路的裝置中，以及第一出口，用于將冷卻的含氫合成氣從限定所述換熱器的所述第一回路的所述裝置中排出；c.與所述第一入口流體連接的熱的含氫合成氣源；d.第二入口，用于將冷的第一熱交換介質(zhì)引入到限定所述換熱器的所述第二回路的裝置中，以及第二出口，用于將所述第一熱交換介質(zhì)從限定所述換熱器的所述第二回路的所述裝置中排出；e.與所述第二入口流體連接的冷的第一熱交換介質(zhì)源；f.第三入口，用于將冷的第二熱交換介質(zhì)引入到限定所述換熱器的所述第三回路的裝置中，以及第三出口，用于將所述冷的第二熱交換介質(zhì)從限定所述換熱器的所述第三回路的所述裝置中排出；g.與所述第三入口流體連接的冷的第二熱交換介質(zhì)源；h.第四入口，用于將冷的第三熱交換介質(zhì)引入到限定所述換熱器的所述第四回路的裝置中，以及第四出口，用于將所述冷的第三熱交換介質(zhì)從限定所述換熱器的所述第四回路的所述裝置中排出；以及i.與所述第四入口流體連接的冷的第三熱交換介質(zhì)源。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的換熱器設(shè)備，進一步包括在所述換熱器中限定第五分隔的流體回路的裝置，由此第一流體回路與第五流體回路進行間接熱交換；第五入口，用于將冷的第四熱交換介質(zhì)引入到限定所述換熱器的所述第五回路的裝置中，以及第五出口，用于將所述冷的第四熱交換介質(zhì)從限定所述換熱器的所述第五回路的所述裝置中排出；以及與所述第五入口流體連接的冷的第四熱交換介質(zhì)源。
全文摘要
本發(fā)明提供一種改進的方法和設(shè)備，所述方法和設(shè)備用于結(jié)合螺旋盤管、板翅式、列管式和翅管換熱器的換熱區(qū)，從而提高方法的總體效率。
文檔編號C01B3/00GK101059317SQ20071008790
公開日2007年10月24日 申請日期2007年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月31日
發(fā)明者羅納德·迪安·基, 馬克蘇德爾·拉赫曼·汗 申請人:林德Boc加工工廠有限公司