专利名称：高压CO<sub>2</sub>节能脱H<sub>2</sub>方法及双高压CO<sub>2</sub>换热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种尿素工业生产安全和节能方法，具体的说是一种尿素生产过程中的高压C02节能脱H2方法，本发明还涉及用于高压C02 节能脱H2方法中的双高压C02换热器。
背景技术：
工业化尿素生产是以C02气体和液冊3为原料，经过高压圈和中压 或/和低压分解回收以及浓缩工序加工成固体尿素产品。来自冊3厂脱碳系统的原料C02气体含有H2、 CO、 CH4和脱碳剂例 如CH3OH等可燃性气体组分，其中H2的占比最大。为减緩工艺物料对高压不锈钢设备的腐蚀，需向原料C02或液冊3中添加一定数量的02或空气。在生产过程中02和上述可燃性气体形成燃爆性气体混合物存 在于高压、中压、低压工序相关尾气设备的气相空间， 一旦燃爆，人 身和设备将受到严重危害，国内外尿素厂均有爆炸事故发生，中国 1995年和2005年两次尿素合成塔爆炸共死亡14人。多年来中低压 设备尾气爆炸时有发生。为防止尾气的爆炸，新近公认的方法仍然是催化脱H2方法，通过脱H"使得原料C02中H2含量大幅下降，减少爆炸的危险。有代表性的是荷兰斯太米卡邦(Stamicarbon)公司的高压脱&流程和中压脱H2流程，它可使C02气体中H2体积分数由0. 5%降到0. 005%以下。近来，日本东洋工程公司(TEC) ACES工艺中也采用了原料C02气体脱H2方法。高压下原料中H2、 C0、 CH4、 CH30H在脱IU崔化剂的作用下与02 发生燃烧反应H2 (C0、 CH4、 CH30H) +X02 - H20 (+C02) +反应热参照图1,具体方法为来自压缩机(离心式或往复式)末级出 口的含&的C0i气体进入高压C02加热器(1)的管程，壳程用2. 3MPa (G), 315T新鲜蒸汽加热到脱氢反应初始温度，然后进入脱H2反应 器(2)进行脱&反应，脱H2反应后的高压C02气体温度因为催化剂 反应进一步而升温，为适应下游工序的温度要求，反应后的高温气体 需经高压0)2冷却器(3)的冷却水降温后再送入COr汽提^^。为了催化脱H2反应顺利进行，需将原料C02气体(即含H2的高压 C02气体)温度由初温加热到反应初始温度t，为此需要消耗高品位加 热蒸汽。而为了适应下游工序要求又需将催化脱氢反应后的高温高压 C02气体再进行降温，为此又需大量冷却水。例如，年产60万吨尿素， 用于高压C02加热用2. 3MPa(G)， 315。C的新鲜蒸汽，年耗量高达1. 86 万吨，当量冷却水(温升10度计)93万吨，能耗(费用)较大，大 大提高了尿素生产成本。发明内容本发明的目的是为了解决上述技术问题，克服现有的高压脱H2 方法存在的能耗大，成本高的问题，提供一种能大幅减少蒸汽及冷却 水的消耗量，有效降低生产成本的高压0)2节能脱H2方法。本发明的另 一 目的是提供一种在高压C02节能脱H2方法中使用的双高压C02换热器。本发明的高压C02节能脱H2方法包括将含H2的高压C02气体升温至脱氢反应初始温度，再送入脱H2反应器内进行脱&反应，然后将 脱H2反应后的高温C02气体降温，再进入下游工序，其中，所述含H2 的高压C02气体送入双高压C02换热器的管程或壳程升温；所述脱氢 反应后的高温高压0)2气体送入双高压C02换热器的壳程或管程降温。 所述含&的高压C02气体在开工初始时的升温是通过C02开工加200710052918.0说明书第3/6页热器用蒸汽进行加热，所述C02开工加热器与双高压C02换热器串联； 在脱H2反应后的高温高压C02气体进入双高压0)2换热器内与含H2的 高压0)2气体开始进行换热后，C02开工加热器停止蒸气加热。所述脱H2反应后的高温高压C02气体送入双高压C02换热器的壳程或管程降温后再送入高压C02冷却器用冷却水进一步降温。所述含H2的高压C02气体压力13. 0~25. OMPa (G)，温度100~ 130°C。本发明中，发明人发现，由于含H2的高压C02气体需要加温至脱氢反应的初始温度后才能在脱氬反应器内发生脱氢反应，而该催化反 应会使C02气体进一步升温，为了达到节约能源的目的，发明人认为可以利用脱氢反应后的高温高压C02气体与脱氢反应前含H2的高压C02气体进行热交换。在双高压C02换热器内， 一方面反应后高温高压 C02气体可代替原有的蒸气使含H2的高压0)2气体升温至反应初始温 度；另 一方面反应前含H2的高压C02气体也^f、替冷却水帮助反应后的 高温高压C02气体降温。只要脱氢反应持续存在，双高压C02换热器 内的热交换也能一直进行，通过利用脱氢反应前后的气体温差进行换 热，是有效节能的新方法，发明人是基于上述考虑作出本发明的。作为C02脱氢反应的催化剂，市场上有多种，如美国ENGELHARD 公司生产的CN-lOl、中科院兰州化学物理研究所研制的DH-2脱氢催 化剂、湖北化学研究所研制的TH-2脱氢催化剂等等，由于脱氢催化 剂不同，其催化反应的初始温度也不尽相同， 一般在140~180°C, 脱氢反应后C02气体一般可持续升温45 5(TC。操作时，可根据选择 的脱氢催化剂和0)2气体组分来调节进入C02开工加热器壳程的蒸汽 流量，使加热后的气体温度达到催化反应的初始温度。在开工初始时，为使含H2的高压C02气体升温至脱氢反应的初始温度，可通过串连在双高压C02换热器前或后的0)2开工加热器用蒸 汽对其进行加热，直至脱H2反应器内开始发生脱氢反应，且反应后的
高温高压C02气体进入双高压C0z换热器内与含H2的高压C02气体开始 进行换热后，C02开工加热器就可停止输送蒸汽，不再对含H2的高压 C02气体供热。当高温高压COz气体进入双高压C02换热器内进行热交换后，如果其温度仍达不到下游工序要求的温度时，可送入高压C02冷却器内用冷却水进一步降温。本发明的双高压0)2换热器是为应用于高压COz节能脱H2方法而 特别设计的，不需消库4中、低压蒸气，而是利用脱氢反应后的高温高 压C02气体对反应前的含H2的高压C02气体进行升温。由于换热器的 管程和壳程通入的均为高压气体，因此对换热器结构设计及密封性能 的要求更为严格，且作为大型设备，还有拆卸方便、便于检修的要求。本发明的双高压C02换热器包括壳体、换热管、管程进口、管程 出口、壳程进口和壳程出口，所述换热管为U型换热管，两端经管板 及管箱分別与管程进口和管程出口相通。所述管板与管箱连接处设有密封焊接的堆焊镍基合金材料。本发明的双高压C(M灸热器的U型换热管内側可与管程进、出口 相通，为管程；壳程进、出口与U型换热管外侧相通，为壳程。反应 前的含H2的高压C02气体走管程或壳程；相应的，反应后的高温高压 C02气体走壳程或管程。管板采用压差法进行设计，管板与管箱进行 密封焊接，作为特别选取的焊接材料，采用镍基合金材料(即因科镍 材料，英文名为Inconel)，该材料可以反复施焊或拆卸，不影响壳 体和管板材料性能，施焊后也勿需进行焊后热处理，密封性好且便于 管板的拆卸，减少了工作量，降低了设备设资，安全可靠，不易泄漏。本发明方法可有效地利用催化反应前后气体温差进行热交换，从 而几乎不消库C新鲜蒸汽，也大幅降低了冷却水的使用量，在节能方面 有着极其突出的优势。本发明的双高压C(h换热器解决了目前市场上 的普通换热器多为单程固定管板式、难以拆卸、 一旦出现故障检修困难、设备甚至因此报废的问题，其制造成本低、结构简单、操作简便、 易拆卸检修，管程和壳程均适应高压气体通入，密封性好，不易发生 泄漏。
图1是斯太米卡邦的高压脱H2工艺流程图；图2是本发明高压C02节能脱H2方法的工艺流程图；图3是本发明双高压C02换热器的结构示意图。图中1一高压C02加热器；2—脱比反应器；3—高压0)2冷却器； 4—双高压C02换热器；5—C02开工加热器；S—蒸汽；Sc—蒸汽冷凝 液；W—冷却水；6—壳体；7—U型换热管；8—底座；9—管程出口； IO—管程进口； ll一管板；12—镍基合金材料；13 —壳程进口； 14 —壳程出口； 15—管箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步解释说明参照图3,双高压C02换热器包括壳体6、底座8，所述壳体6内 设有U型换热管7， U型换热管7两端端面设有管板11，管板ll上 面设管箱15,管箱15被分隔成两区， 一区与管程出口 9及U型换热 管7的一端相通，另一区与管程进口 IO及U型换热管7的另一端相 通。壳程进口 13及壳程出口 14与U型换热管7外側相通。所述管板 11与管箱15连接处通过镍基合金材料12密封焊接，密封性能好， 能适应管程和壳程的双高压环境，不会泄漏，保证装置安全运行。需 要检修时，可以伊除管板与管箱连接处的镍基合金材料12，方便管 板11及U型换热管7的拆卸，提高了设备的使用寿命。实施例1:参照图1,开工时，含H2的高压C02气体压力13. 0~ 25.0MPa(G),温度100 130。C,经过双高压(:02换热器4的管程进 入0)2开工加热器5,在C02开工加热器5的壳程用1.2~2. 5MPa (G) 蒸汽加热，使含&的高压C02气体温度升至160。C的反应初始温度后，
送入脱H2反应器2，在DH-2脱氬催化剂床进行脱氬反应，脱氬反应 热使反应后的高温高压C02气体升温到21(TC,然后再送入双高压C02 换热器4的壳程，与管程里的100 130。C反应前的含H2的高压C02 气体进行换热，使之升温至16(TC反应初始温度，同时反应后的高温 高压C02气体温度从21(TC降至热平衡温度，再送入高压0)2冷却器3 用冷却水冷却到100 - 130。C后送入C02汽提塔或尿素合成塔。当双高 压C(U灸热器4进行换热后，则停止向C02开工加热器5送新鲜蒸汽， 进入正常运行状态。整个工艺流程操作压力为1. 2~2. 5MPa(G),操 作温度为100~ 300°C。实施例2:开工时，含比的高压C02气体先经(U开工加热器5 加热至反应初始温度，再经双高压0)2换热器4的壳程进入脱H2反应 器2,脱氬反应后的高温高压C02气体送入双高压C02换热器4的管程， 与壳程里反应前的含&的高压C02气体进行换热，当双高压C(U灸热 器4进行换热后，则停止向C02开工加热器5送新鲜蒸汽，进入正常 运行状态。其余才喿作同实施例l。
权利要求
1、 一种高压C02节能脱H2方法，其特征是包括将含H2的高压 C02气体升温至脱氢反应的初始温度，再送入脱H2反应器内进行脱H2 反应，然后将脱H2反应后的高温C02气体降温，再进入下游工序，其 中，所述含&的高压C02气体送入双高压C02换热器的管程或壳程升 温；所述脱H2反应后的高温高压C02气体送入双高压C02换热器的壳 程或管程降温。
2、 如权利要求1所述的高压C02节能脱H2方法，其特征是所 述含^的高压C02气体在开工初始时的升温是通过0)2开工加热器用 蒸汽进行加热，所述C02开工加热器与双高压C02换热器串联；当反应 后的高温高压C02气体进入双高压C02换热器内与含H2的高压C02气体 开始进4于^:热后，0)2开工加热器停止蒸气加热。
3、 如权利要求1或2所述的高压C02节能脱H2方法，其特征是 所述脱&反应后的高温高压0)2气体送入双高压0)2换热器的壳程或 管程降温后再送入高压C02冷却器用冷却水进一步降温。
4、 如权利要求1或2所述的高压C02节能脱H2方法，其特征是 所述含H2的高压C02气体压力13. 0 ~ 25. OMPa ( G ),温度100 ~ 130°C 。
5、 一种双高压C02换热器，包括壳体、换热管、管程进口、管程 出口、壳程进口和壳程出口，其特征是所述换热管为U型换热管， 两端经管板及管箱分别与管程进口和管程出口相通。
6、 如权利要求5所述的双高压C02换热器，其特征是所述管板 与管箱连接处设有密封焊接的堆焊镍基合金材料。
全文摘要
本发明公开了一种高压CO<sub>2</sub>节能脱H<sub>2</sub>方法及双高压CO<sub>2</sub>换热器，它解决了工业化尿素生产中CO<sub>2</sub>脱H<sub>2</sub>方法能耗大，成本高的问题。本方法发明包括将含H<sub>2</sub>的高压CO<sub>2</sub>气体升温，再送入脱H<sub>2</sub>反应器内脱H<sub>2</sub>，将脱H<sub>2</sub>后的高温CO<sub>2</sub>气体降温再进入下游工序，含H<sub>2</sub>的高压CO<sub>2</sub>气体送入双高压CO<sub>2</sub>换热器的管程或壳程升温；脱H<sub>2</sub>反应后的高温高压CO<sub>2</sub>气体送入双高压CO<sub>2</sub>换热器的壳程或管程降温。本发明中的双高压CO<sub>2</sub>换热器包括壳体、换热管、管程进口、管程出口、壳程进口和壳程出口，所述换热管为U型换热管，两端经管板及管箱分别与管程进口和管程出口相通。本发明具有节能、降耗、降低生产成本的优点。
文档编号F25J3/08GK101144675SQ200710052918
公开日2008年3月19日 申请日期2007年8月9日 优先权日2007年8月9日
发明者任春芳, 刘佑义, 吴振飞, 王荣贵, 程忠振 申请人:五环科技股份有限公司