专利名称：合成气热交换系统的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种改进的通过热交换来冷却含氢合成气的方法，并且特别涉及一种更有效率的用于含氢合成气冷却的换热器设计。
背景技术：
含氢合成气流一般从蒸汽/碳氢化合物重整(通常是蒸汽/甲烷重整)、煤的气化和部分氧化过程中产生，参见例如US4, 113,441(碳氢化合物的蒸汽重整)、US4, 352，675 (煤的部分氧化)、US4, 566，880 (煤的部分氧化)、US4, 999，029 (液体和/或固体燃料的部分氧化)、US5，856，585 (天然气的部分氧化)、US6，730，285 (碳氢化合物原料的部分氧化)和US6，749，829 (天然气的蒸汽重整)。传统上，从这些过程中得到的含氢合成气产品流，已经在管壳式换热器中被冷却。参见例如Fix等人在US5，246，063中，公开了一种冷却煤-气化厂产生的合成气的换热器。该换热器包括多根由套管包围的换热管。这些管通过气体吸入室在一端相通，并通过气体排出室在另一端相通。来自煤-气化厂的合成气进入气体吸入室，经过这些管，然后进入气体排出室。当经过这些管时，合成气被引入到套管的水冷却。水蒸发成蒸汽，然后排出套管。Koog等人在US4，377，132中公开了另一种冷却合成气的管壳式换热器。这种合成气冷却器在外部壳体中具有两个同心的、所谓的“水墙”。每个水墙由多根平行管形成，这些管通过连接翅片结合在一起，以形成气密墙。水在管内流动，并且蒸发为蒸汽。合成气在管外侧上流动，首先轴向流动，并且接着通过在两个同心水墙之间形成的环形区域。Decke等人在US6，051，195中公开了一种更复杂的合成气冷却系统，该系统包括一个辐射合成气冷却器，和两个都包括水冷结构的对流合成气冷却器，该水冷结构通过冷却逆流流动的水以提供热交换。螺旋盘绕或外带翅片的板翅式换热器和列管式换热器，已用于回收过程热。这些换热器经常用于加热或冷却位于外部(通常具有翅片)侧面的低密度气体流，而在板中或管中为具有较高传热系数的较高密度的气流。带有翅片的外部通道的延伸表面允许(I)比光的管或板具有更大的传热表面，以及(2)比光的管或板在相对小的压降下提供更多的传热。通过分隔管路进行不只一种流体循环的换热器已经为人所知。公开的美国申请2005/0092472 (Lewis)公开了一种板翅式和管式或翅管式换热器，其中使第一工作流体在翅管外部流动，并使二种或更多种其它工作流体在换热器内的分隔管回路中流动。在一个例子中，US’472描述了一个具体实施例，其中第一工作流体在带有翅片的外侧流动，同时三 种其它的工作流体在换热器内的分隔管回路中流动。第一工作流体是N2和H2O的混合物。第二工作流体例如是天然气。第三工作流体是水，和第四工作流体也是水。此外参见Misage等人(US4，781，241)，描述了一种用于燃料电池发电厂的换热器。在该换热器中，重整废水流过管的外部。后者为三种不同流体，也就是水、蒸汽和碳氢化合物燃料的循环提供预热。还參见US3, 277，958 (Taylor等人)、US3, 294，161 (Wood)、US4, 546，818(Nussbaum)、US4,344，482 (Dietzsch)和 US5, 419，392(Maruyama)。
现有技术中，冷却含氢合成气流的方法是经过分隔的、単独的换热器进行热交換。在这些分隔的换热器的每个换热器中，合成气通过与单ーエ业生产流例如碳氢化合物进料流、锅炉给水、软化水、环境空气和/或冷却水进行热交換，被冷却到希望的出ロ温度。在一个或多个管壳式换热器中，每个换热器使用単一的冷却介质，冷却含氢合成气的实践的效率相对地很低。最近供给原料成本的改变，以及不断増加的经济压力，已经产生了对更有效且价格更低的完成合成气生产的方法和设备的需求，包括对更有效且价格更低的通过热交换冷却合成气的过程的需求。
发明内容
本发明提供ー种提高含氢合成气的冷却效率的方法和设备。本发明还提供通过使用这样的冷却比现有技术更低的能耗。本发明试图通过将多路エ业生产液流结合到一个或多个换热器的同一侧，以及结合多路流体的传热区从而得到更高的传热效率，来完成含氢合成气的冷却。因此，一般地，本发明提供一种用于冷却气流、优选为含氢合成气流的例如，板翅式、板翅管式或翅管换热器中的传热效率更高的系统。在优选实施例中，本发明进一歩提供从含氢合成气流冷却过程中凝结出的液相中分离合成气气相。依据本发明，提供ー种从含氢合成气流中回收能量的方法，包括a.提供具有至少四个分隔的流体回路的第一换热器；b.向所述第一换热器的第一流体回路提供第一热的含氢合成气流(例如，从蒸汽/碳氢化合物的重整过程、煤的气化过程或部分氧化过程中得到)；c.向所述第一换热器的第二流体回路提供第一冷的热交换介质(例如碳氢化合物原料)，由此通过与所述第一冷的热交换介质的间接热交换，冷却所述热的含氢合成气流；d.向所述第一换热器的第三流体回路供给第二冷的热交换介质(例如锅炉水)，由此通过与所述第二冷的热交换介质的间接热交换，冷却所述热的含氢合成气流；e.向所述第一换热器的第四流体回路供给第三冷的热交换介质(例如软化水)，由此通过与所述第三冷的热交换介质的间接热交换，冷却所述热的含氢合成气流；f.从所述换热器中排出被冷却的含氢合成气流。依据本发明进ー步的方面，该过程进ー步包括向所述第一换热器的第五流体回路供给第四冷的热交换介质(例如冷却水)，由此通过与所述第四冷的热交换介质的间接热交换，冷却所述热的含氢合成气流。根据本发明的设备方面，提供ー种冷却含氢合成气的换热设备(例如螺旋盘管换热器、板翅式换热器或管壳式换热器)，所述换热器包括a.在所述换热器中限定至少四个分隔的流体回路的装置，由此第一流体回路与第二流体回路、第三流体回路和第四流体回路进行间接热交换；b.第一入口，用于将热的含氢合成气引入到限定所述换热器的所述第一回路的装置中，以及第一出口，用于将冷却的含氢合成气从限定所述换热器的所述第一回路的所述装置中排出；c.与所述第一入口流体连接的热的含氢合成气源；d.第二入口，用于将冷的第一热交换介质引入到限定所述换热器的所述第二回路的装置中，以及第二出口，用于将所述第一热交换介质从限定所述换热器的所述第二回路的所述装置中排出；e.与所述第二入口流体连接的 冷的第一热交换介质源(例如,使用如天然气的碳氢化合物流作为热的含氢合成气源，例如蒸汽重整装置)；f.第三入口，用于将冷的第二热交换介质引入到限定所述换热器的所述第三回路的装置中，以及第三出口，用于将所述冷的第二热交换介质从限定所述换热器的所述第三回路的所述装置中排出；g.与所述第三入口流体连接的冷的第二热交换介质源(例如锅炉给水)；h.第四入口，用于将冷的第三热交换介质引入到限定所述换热器的所述第四回路的装置中，以及第四出口，用于将所述冷的第三热交换介质从限定所述换热器的所述第四回路的所述装置中排出；i.与所述第四入口流体连接的冷的第三热交换介质源(例如软化水)。依据本发明进一步的方面，该设备进一步包括在所述换热器中限定第五分隔的流体回路的装置，由此第一流体回路与第五流体回路进行间接热交换；第五入口，用于将冷的第四热交换介质引入到限定所述换热器的所述第五回路的装置中，以及第五出口，用于将所述冷的第四热交换介质从限定所述换热器的所述第五回路的所述装置中排出；与所述第五入口流体连接的冷的第四热交换介质源。除了上面描述的主换热器外，依据本发明，热回收过程和换热设备可以进一步包括第二换热器。例如，热的含氢合成气的至少一部分可以从第一换热器中排出，并在第二换热器中进行热交换(例如，与环境空气热交换)。然后，得到的冷却的含氢合成气的至少一部分可以返回到第一换热器通过间接热交换进行进一步冷却。如上所述，典型地，用于整体冷却系统的主换热器可以是螺旋盘管换热器、板翅式换热器或管壳式换热器。但是，主换热器可以是任何换热器，其在至少一路被冷却的流体和多路均被加热的分隔的流体之间提供间接热交换。优选的，主换热器是管壳式换热器，其中管是互相盘绕的直管(例如，螺旋盘绕管壳式换热器)。限定每条回路的装置可以是例如通道(像由外部壳体限定的通道，该外部壳体包围着限定其他回路的多个板，或者像管壳式换热器的壳程)、单根管或者多根管。被冷却的流体，例如，热的含氢合成气，能够同时与多于一种的热交换介质进行间接热交换。例如，在第一回路中流动的热的含氢合成气能够在与第二回路中流动的软化水进行间接热交换的同时，与在分隔的回路，例如第三回路中流动的碳氢化合物进料流进行间接热交换。通过这个步骤，能够将多个回路结合，从而更有效地将多个冷却流的复合加热曲线，用热的方法接近热工作流的冷却曲线。这个步骤通过允许被冷却的含氢合成气和被加热的多种冷却流之间更接近的温度逼近，允许更有效的热交换。
根据本发明进ー步的方面，第一或主换热器至少被分成第一区段和第二区段。例如，在第一区段中，在热的含氢合成气流和第二冷的热交换介质之间，以及在热的含氢合成气流和第三冷的热交换介质之间进行间接热交換。但是，热的含氢合成气流和第一冷的热交換介质之间的间接热交換，例如，不但在第一区段也在第二区段中进行。另外，热的含氢合成气流和第四冷的热交换介质之间的热交换也可以在第二区段中进行，參见例如图2和4。依据进一歩的选择，所有或一部分的含氢合成气流从第一换热器的第一区段中排出，在第二换热器(例如，外部空气冷却换热器)中进行热交換，并被引入气/液分离器中。含氢合成气流中未冷凝的部分随后从气/液分离器中排出，并被引入第一换热器的第二区段。如上所述，该过程可以进一歩包括在热的含氢合成气流和第五冷的热交换介质之间进行间接热交換。但是，该进一歩的换热不需要在同一换热器中进行。因此，热的含氢合成气流和第五冷的热交换介质之间的间接热交换可以在第二换热器中进行。可选择地，热的含氢合成气流和第五冷的热交换介质之间的间接热交换可以在第一换热器的第二区段中进行。依据本发明进ー步的方面，从第一换热器中排出的含氢合成气流在外部空气冷却换热器中进行热交換，被引入进第一气/液分离器，含氢合成气流中未冷凝的部分从第一气/液分离器中排出，并被引入第二换热器，然后进入第二气/液分离器，从其中含氢合成气的冷却的产物被排出。如上所述，虽然能够应用于其他エ业气体的冷却，本发明优选用于冷却含氢合成 气。含氢合成气源包括像这样的过程蒸汽/碳氢化合物的重整、煤的气化和部分氧化过程。典型地，含氢合成气包括，例如，35-75摩尔％的H2、0-2摩尔％的N2、2-45摩尔％的CO、12-40摩尔％的C02、0-10摩尔％的H2S、以及少于3摩尔％的C2+碳氢化合物。不同来源的合成气成分的例子列在下面的表中
权利要求
1.ー种从含氢合成气流中回收能量的方法，包括 a.提供具有至少四个分隔的流体回路的第一换热器； b.向所述第一换热器的第一流体回路提供第一热的含氢合成气流； c.向所述第一换热器的第二流体回路提供第一冷的热交换介质，由此通过与所述第一冷的热交换介质进行间接热交換，所述热的含氢合成气流被冷却； d.向所述第一换热器的第三流体回路供给第二冷的热交换介质，由此通过与所述第二冷的热交换介质进行间接热交換，所述热的含氢合成气流被冷却； e.向所述第一换热器的第四流体回路供给第三冷的热交换介质，由此通过与所述第三冷的热交换介质进行间接热交換，所述热的含氢合成气流被冷却； f.从所述第一换热器中排出冷却的含氢合成气流； g.向所述第一换热器的第五流体回路供给第四冷的热交换介质，由此通过与所述第四冷的热交换介质的间接热交换，所述热的含氢合成气流被冷却，并且其中所述热的含氢合成气流与所述第四冷的热交换介质之间的间接热交換在所述第一换热器的第二区段中进行； 其中所述含氢合成气流水平流过所述第一换热器的第一流体回路，并且如果在所述合成气冷却期间形成冷凝物，所述冷凝物在重力作用下流至所述第一换热器的底部，并且所述冷凝物与排出所述冷却的含氢合成气流相独立地，在所述第一换热器的底部排出，并且所述第一换热器被分为至少第一区段和第二区段。
2.ー种从含氢合成气流中回收能量的方法，包括 a.提供具有至少四个分隔的流体回路的第一换热器； b.向所述第一换热器的第一流体回路提供第一热的含氢合成气流； c.向所述第一换热器的第二流体回路提供第一冷的热交换介质，由此通过与所述第一冷的热交换介质进行间接热交換，所述热的含氢合成气流被冷却； d.向所述第一换热器的第三流体回路供给第二冷的热交换介质，由此通过与所述第二冷的热交换介质进行间接热交換，所述热的含氢合成气流被冷却； e.向所述第一换热器的第四流体回路供给第三冷的热交换介质，由此通过与所述第三冷的热交换介质进行间接热交換，所述热的含氢合成气流被冷却； f.从所述第一换热器中排出冷却的含氢合成气流； g.将所述热的含氢合成气流的至少一部分从所述第一换热器的第一区段排出； h.从所述第一换热器中排出的所述热的含氢合成气流在第二换热器中进行热交換；和 i.将得到的冷却的含氢合成气流的至少一部分返回到所述第一换热器的第二区段，通过与所述第三冷的热交换介质的间接热交换进ー步冷却； 其中所述含氢合成气流水平流过所述第一换热器的第一流体回路，并且如果在所述合成气冷却期间形成冷凝物，所述冷凝物在重力作用下流至所述第一换热器的底部，并且所述冷凝物与排出所述冷却的含氢合成气流相独立地，在所述第一换热器的底部排出，并且所述第一换热器被分为至少第一区段和第二区段。
3.根据权利要求2的方法，其中所述热的含氢合成气流与所述第一冷的热交换介质之间的间接热交换仅在所述第一换热器的第一区段中进行，而且所述热的含氢合成气流与所述第二冷的热交换介质之间的间接热交换仅在所述第一换热器的第一区段中进行。
4.根据权利要求3的方法，其中所述热的含氢合成气流和所述第三冷的交换介质之间的间接热交換在所述第一换热器的所述第一区段和第二区段中进行。
5.ー种从含氢合成气流中回收能量的方法，包括 a.提供具有至少四个分隔的流体回路的第一换热器； b.向所述第一换热器的第一流体回路提供第一热的含氢合成气流； c.向所述第一换热器的第二流体回路提供第一冷的热交换介质，由此通过与所述第一冷的热交换介质进行间接热交換，所述热的含氢合成气流被冷却； d.向所述第一换热器的第三流体回路供给第二冷的热交换介质，由此通过与所述第二冷的热交换介质进行间接热交換，所述热的含氢合成气流被冷却； e.向所述第一换热器的第四流体回路供给第三冷的热交换介质，由此通过与所述第三冷的热交换介质进行间接热交換，所述热的含氢合成气流被冷却； f.从所述第一换热器中排出冷却的含氢合成气流； g.从所述第一区段和第二区段排出在冷却所述第一热的含氢合成气流期间形成的冷凝物，其中所述冷凝物与所述含氢合成气流的排出相独立地，从所述第一区段和所述第二区段排出； 其中所述含氢合成气流水平流过所述第一换热器的第一流体回路，并且如果在所述合成气冷却期间形成冷凝物，所述冷凝物在重力作用下流至所述第一换热器的底部，并且所述冷凝物与排出所述冷却的含氢合成气流相独立地，在所述第一换热器的底部排出，并且所述第一换热器被分为至少第一区段和第二区段。
6.根据权利要求5的方法，进ー步包括 将所述热的含氢合成气流的至少一部分从所述第一换热器排出， 从所述第一换热器中排出的所述热的含氢合成气流在第二换热器中进行热交換， 将得到的冷却的含氢合成气流的至少一部分返回到所述第一换热器，通过间接热交换进ー步冷却，和 将在所述第二换热器中冷却所述热的含氢合成气流期间形成的冷凝物从所述第二换热器排出。
7.根据权利要求5的方法,其中在所述第一换热器的第一区段中，在所述热的含氢合成气流和第一冷的热交换介质之间、以及在所述热的含氢合成气流和所述第二冷的热交换介质之间进行间接热交換。
8.根据权利要求5的方法，其中在所述热的含氢合成气流和所述第三冷的热交换介质之间的间接热交换在所述第一换热器的第一区段和第二区段中进行。
9.ー种从含氢合成气流中回收能量的方法，包括 a.提供具有至少四个分隔的流体回路的第一换热器； b.向所述第一换热器的第一流体回路提供第一热的含氢合成气流； c.向所述第一换热器的第二流体回路提供第一冷的热交换介质，由此通过与所述第一冷的热交换介质进行间接热交換，所述热的含氢合成气流被冷却； d.向所述第一换热器的第三流体回路供给第二冷的热交换介质，由此通过与所述第二冷的热交换介质进行间接热交換，所述热的含氢合成气流被冷却；e.向所述第一换热器的第四流体回路供给第三冷的热交换介质，由此通过与所述第三冷的热交换介质进行间接热交換，所述热的含氢合成气流被冷却； f.从所述第一换热器中排出冷却的含氢合成气流； 其中所述含氢合成气流水平流过所述第一换热器的第一流体回路，并且如果在所述合成气冷却期间形成冷凝物，所述冷凝物在重力作用下流至所述第一换热器的底部，并且所述冷凝物与排出所述冷却的含氢合成气流相独立地，在所述第一换热器的底部排出，并且所述合成气流和所述第一冷的热交换介质之间的间接热交換在所述合成气流和所述第二冷的热交换介质之间的间接热交換的上游发生。
10.ー种从含氢合成气流中回收能量的方法，包括 a.提供具有至少四个分隔的流体回路的第一换热器； b.向所述第一换热器的第一流体回路提供第一热的含氢合成气流； c.向所述第一换热器的第二流体回路提供第一冷的热交换介质，由此通过与所述第一冷的热交换介质进行间接热交換，所述热的含氢合成气流被冷却； d.向所述第一换热器的第三流体回路供给第二冷的热交换介质，由此通过与所述第二冷的热交换介质进行间接热交換，所述热的含氢合成气流被冷却； e.向所述第一换热器的第四流体回路供给第三冷的热交换介质，由此通过与所述第三冷的热交换介质进行间接热交換，所述热的含氢合成气流被冷却； f.从所述第一换热器中排出冷却的含氢合成气流； 其中所述含氢合成气流水平流过所述第一换热器的第一流体回路，并且如果在所述合成气冷却期间形成冷凝物，所述冷凝物在重力作用下流至所述第一换热器的底部，并且所述冷凝物与排出所述冷却的含氢合成气流相独立地，在所述第一换热器的底部排出，并且所述热的含氢合成气流同时与第一冷的热交换介质和第三热交换介质进行间接热交換，并且所述热的含氢合成气流同时与第二冷的热交换介质和第三热交换介质进行间接热交換。
11.ー种从含氢合成气流中回收能量的方法，包括 a.提供具有至少四个分隔的流体回路的第一换热器； b.向所述第一换热器的第一流体回路提供第一热的含氢合成气流； c.向所述第一换热器的第二流体回路提供第一冷的热交换介质，由此通过与所述第一冷的热交换介质进行间接热交換，所述热的含氢合成气流被冷却； d.向所述第一换热器的第三流体回路供给第二冷的热交换介质，由此通过与所述第二冷的热交换介质进行间接热交換，所述热的含氢合成气流被冷却； e.向所述第一换热器的第四流体回路供给第三冷的热交换介质，由此通过与所述第三冷的热交换介质进行间接热交換，所述热的含氢合成气流被冷却； f.从所述第一换热器中排出冷却的含氢合成气流； 其中所述含氢合成气流水平流过所述第一换热器的第一流体回路，并且如果在所述合成气冷却期间形成冷凝物，所述冷凝物在重力作用下流至所述第一换热器的底部，并且所述冷凝物与排出所述冷却的含氢合成气流相独立地，在所述第一换热器的底部排出，并且所述第一换热器是管壳式换热器，所述第一流体回路由所述管壳式换热器的壳限定；所述第二流体回路由第一组翅片换热器管限定；所述第三流体回路由第二组翅片换热器管限定；和所述第四流体回路由第三组翅片换热器管限定。
12.—种从含氢合成气流中回收能量的方法，包括 a.提供具有至少四个分隔的流体回路的第一换热器； b.向所述第一换热器的第一流体回路提供第一热的含氢合成气流； c.向所述第一换热器的第二流体回路提供第一冷的热交换介质，由此通过与所述第一冷的热交换介质进行间接热交換，所述热的含氢合成气流被冷却； d.向所述第一换热器的第三流体回路供给第二冷的热交换介质，由此通过与所述第二冷的热交换介质进行间接热交換，所述热的含氢合成气流被冷却； e.向所述第一换热器的第四流体回路供给第三冷的热交换介质，由此通过与所述第三冷的热交换介质进行间接热交換，所述热的含氢合成气流被冷却； f.从所述第一换热器中排出冷却的含氢合成气流； 其中所述含氢合成气流水平流过所述第一换热器的第一流体回路，并且如果在所述合成气冷却期间形成冷凝物，所述冷凝物在重力作用下流至所述第一换热器的底部，并且所述冷凝物与排出所述冷却的含氢合成气流相独立地，在所述第一换热器的底部排出，并且所述第一冷的热交换介质是碳氢化合物进料流，所述第二冷的热交换介质是水，所述第三冷的热交换介质是水。
13.—种换热器设备,包括 a.在所述换热器设备中限定至少四个分隔的流体回路的装置，由此第一流体回路与第二流体回路、第三流体回路和第四流体回路进行间接热交换； b.第一入口，用于将热的含氢合成气引入到限定所述换热器设备的所述第一流体回路的装置中，以及第一出口，用于将冷却的含氢合成气从限定所述换热器设备的所述第一流体回路的所述装置中排出，所述第一入口和第一出口的设计使热的含氢合成气水平流过所述换热器设备； c.与所述第一入口流体连接的热的含氢合成气源； d.第二入口，用于将冷的第一热交换介质引入到限定所述换热器设备的所述第二流体回路的装置中，以及第二出口，用于将所述第一热交换介质从限定所述换热器设备的所述第二流体回路的所述装置中排出； e.与所述第二入口流体连接的冷的第一热交换介质源； f.第三入口，用于将冷的第二热交换介质引入到限定所述换热器设备的所述第三流体回路的装置中，以及第三出口，用于将所述冷的第二热交换介质从限定所述换热器设备的所述第三流体回路的所述装置中排出； g.与所述第三入口流体连接的冷的第二热交换介质源； h.第四入口，用于将冷的第三热交换介质引入到限定所述换热器设备的所述第四流体回路的装置中，以及第四出口，用于将所述冷的第三热交换介质从限定所述换热器设备的所述第四流体回路的所述装置中排出； i.与所述第四入口流体连接的冷的第三热交换介质源；以及 j.独立于所述第一出口、用于将在间接热交换期间形成的冷凝物从换热器排出的装置； 其中所述第一入ロ、所述第一出ロ、所述限定第一流体回路的装置、所述限定第二流体回路的装置、所述限定第三流体回路的装置、所述限定第四流体回路的装置、和所述用于排出冷凝物的装置的设计使得在所述热的含氢合成气冷却期间形成的冷凝物在重力作用下流至所述换热器设备的底部，并且在所述换热器设备的底部通过从所述用于排出冷凝物的装置排出；并且所述第一入ロ、所述第一出ロ、所述第一流体回路、所述第二流体回路、所述 第三流体回路和所述第四流体回路的设计使得所述热的含氢合成气流与所述第一冷的热交换介质和所述第三热交换介质同时进行间接热交换，所述热的含氢合成气流与所述第二冷的热交换介质和所述第三热交换介质同时进行间接热交換。
全文摘要
本发明提供一种改进的方法和设备，所述方法和设备用于结合螺旋盘管、板翅式、列管式和翅管换热器的换热区，从而提高方法的总体效率。
文档编号C01B3/02GK102650501SQ20121015352
公开日2012年8月29日 申请日期2007年1月31日 优先权日2006年1月31日
发明者罗纳德·迪安·基, 马克苏德尔·拉赫曼·汗 申请人:林德加工工厂有限公司