СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ СИНГАЗА
METHOD OF PRODUCING SYNGAS AND A DEVICE FOR COOLING SYNGAS

Область техники
Изобретение относится к способу получения сингаза, содержащего водород и монооксид углерода, из предварительно нагретого метаносодержащего газа, и к охлаждающему устройству для охлаждения горячего неочищенного сингаза.
Уровень техники
В контексте данного документа выражение «сингаз» относится к синтетическому газу и является общеупотребительным термином, обозначающим газовые смеси, содержащие монооксид углерода и водород.
Способы получения сингаза из метаносодержащего сырьевого газа хорошо известны. Как правило, такой способ включает приведение метаносодержащего газа в реакцию с окислительным газом, в общем случае кислородом или кислородсодержащим газом, таким как воздух. Метан реагирует с кислородом с образованием монооксида углерода и водорода. Эта реакция частичного окисления является высокоэкзотермической, а образуемый неочищенный сингаз, соответственно, имеет высокую температуру и должен быть охлажден перед последующей обработкой.
Устройства для охлаждения горячего сингаза также хорошо известны в данной области техники и широко применяются в промышленности. Такие устройства, как правило, содержат емкость с размещенными в ней теплообменными трубами, по которым может течь охлаждающая среда, как правило, вода, чтобы поглощать тепло от горячего сингаза. Соответственно, при работе присутствует вода и течет через емкость по теплообменным трубам. Внешние стенки этих теплообменных труб находятся в прямом контакте с водой. Затем горячий сингаз, как правило, проходит через теплообменные трубы так, чтобы стенки трубы поглощали тепло от горячего сингаза и отдавали это тепло воде. Чтобы найти оптимальный баланс между размером емкости и теплообменной поверхностью, обеспечиваемой внешними стенками теплообменных труб, теплообменные трубы часто спирально закручены. Например, в бойлере воду, применяемую для поглощения тепла от горячего сингаза, используют для создания насыщенного пара или даже перегретого пара.
Охлаждающее устройство, в котором получают перегретый пар, описано в WO-A-2007/131975. Это охлаждающее устройство содержит поднимающиеся по спирали трубки, содержащие отделение испарения, расположенное в пространстве водяной бани, в нижнем конце вертикально ориентированной емкости; и отделение перегревателя, расположенное в верхнем конце той же емкости. Трубка отделения перегревателя окружена второй трубкой с образованием, таким образом, кольцевого зазора между указанным отделением перегревателя и указанной второй трубкой. Этот кольцевой зазор имеет вход и выход. При работе горячий сингаз протекает через поднимающуюся по спирали трубку, генерируя насыщенный пар в отделении испарения. Этот насыщенный пар может поступать в верхний конец емкости, где он проходит через вход вышеуказанного кольцевого зазора в отделении перегревателя. Все еще горячий сингаз, протекая через трубки отделения перегревателя, переносит тепло в насыщенный пар, протекающий через кольцевой зазор, генерируя, таким образом, перегретый пар. Насыщенный пар и горячий сингаз в отделении перегревателя могут течь как прямоточно, так и противоточно. В соответствии с WO-A-2007/131975, охлажденный сингаз, выходящий из охлаждающего устройства, может иметь температуру до 600°C, но обычно имеет подходящую температуру от 200 до 450°C.
При применении сингаза в качестве горячего газа температура охлажденного сингаза, выходящего из охлаждающего устройства, предпочтительно не должна превышать 450°C из-за коррозирующей природы неочищенного сингаза в отношении металла при повышенных температурах и высокого давления горячего сингаза в охлаждающем устройстве (как правило, от 3 до 7 МПа). Более высокие температуры могут представлять собой серьезную коррозионную опасность для транспортных линий для переноса находящегося под давлением сингаза от охлаждающего устройства к следующему устройству для охлаждения или обработки сингаза.
Охлажденный сингаз, выходящий из охлаждающего устройства, как описано в WO-A-2007/131975, и имеющий подходящую температуру до 450°C, все еще содержит регенерируемое тепло. Это тепло можно, например, использовать для предварительного нагрева сырьевого природного газа для любой реакции частичного окисления. Однако максимальная достижимая температура природного газа при предварительном нагреве посредством непрямого обмена теплом с таким охлажденным неочищенным сингазом будет ограничена значением около 400°C. Следовательно, для эффективного осуществления реакции частичного окисления будет требоваться дополнительный предварительный нагрев сырьевого природного газа, и поставка дополнительного кислорода в реактор частичного окисления. Однако поставка дополнительного кислорода приведет к образованию большего количества диоксида углерода и, следовательно, получению сингаза худшего качества, тогда как для дополнительного предварительного нагрева требуется больше энергии, поступающей из внешних источников.
Целью настоящего изобретения является обеспечение способа, в котором тепло, содержащееся в горячем неочищенном сингазе, может быть более эффективно регенерировано, и в котором сырьевой природный газ может быть эффективно предварительно нагрет до температур выше 400°C с помощью такого тепла.
Краткое описание сущности изобретения
Настоящее изобретение относится к способу получения сингаза, в котором предварительно нагретый метаносодержащий сырьевой газ приводят в реакцию с окислительным газом, и в котором горячий неочищенный сингаз, полученный таким образом, охлаждают в процессе охлаждения, который проводят в единственном охлаждающем устройстве и который включает по меньшей мере непрямой теплообмен с водой для получения насыщенного пара и непрямой теплообмен с метаносодержащим газом для получения предварительно нагретого метаносодержащего сырьевого газа, из которого получают горячий неочищенный сингаз. Таким образом, тепло, содержащееся в полученном горячем неочищенном сингазе, используют для эффективного предварительного нагрева метаносодержащего сырья до температуры от 400 до 650°C. В контексте данного документа термин «непрямой теплообмен» в общем случае относится к теплообмену между двумя средами путем переноса тепла от одной среды в другую за счет средства, разделяющего обе среды (например, стенки), которое способно переносить тепло из одной среды в другую.
Настоящее изобретение также относится к охлаждающему устройству для охлаждения горячего неочищенного сингаза, содержащему отделение испарения для непрямого теплообмена между горячим неочищенным сингазом и водой, и отделение теплообмена газа для непрямого теплообмена между горячим неочищенным сингазом и охлаждающим газом.
Важным преимуществом настоящего изобретения является то, что метаносодержащее сырье для проведения реакции с окислительным газом для получения неочищенного сингаза можно эффективно предварительно нагревать до температур вплоть до 650°C, получая при этом насыщенный пар. Дополнительное преимущество состоит в том, что способ и устройство согласно настоящему изобретению можно дополнительно расширить так, чтобы они включали отделение перегрева для получения перегретого пара, или дополнительное отделение испарения для получения более насыщенного пара. С применением способа и устройства в соответствии с настоящим изобретением тепло, генерируемое в реакции между метаносодержащим сырьем и окислительным газом, очень эффективно регенерируется.
Подробное описание сущности изобретения
Соответственно, настоящее изобретение относится к способу получения сингаза, содержащего водород и монооксид углерода, включающему следующие этапы:
(a) проведение реакции между предварительно нагретым метаносодержащим газом и окислительным газом для получения горячего неочищенного сингаза, содержащего монооксид углерода и водород;
(b) охлаждение горячего неочищенного сингаза, полученного на этапе (a), для получения сингаза, путем непрямого теплообмена с водой для получения насыщенного пара;
(c) дополнительное охлаждение неочищенного сингаза, полученного на этапе (b), путем непрямого теплообмена с метаносодержащим газом для получения охлажденного неочищенного сингаза и предварительно нагретого метаносодержащего газа для применения на этапе (a),
при этом:
(i) этапы (b) и (c) проходят в единственном охлаждающем устройстве для комбинированного непрямого теплообмена с водой и с метаносодержащим газом; и
(ii) предварительно нагретый метаносодержащий газ, полученный на этапе (c), имеет температуру от 400 до 650°C.
На этапе (a) представленного способа метаносодержащий газ приводят в реакцию с окислительным газом для получения горячего неочищенного сингаза. Этого можно, например, достичь посредством частичного окисления (ЧО) или автотермического риформинга (АТР) метаносодержащего сырья.
Примеры подходящего метаносодержащего сырья включают (угольный) метан, природный газ, нефтяной газ, нефтезаводской газ или смесь C1-C4 углеводородов. Метаносодержащее сырье содержит более 90 об./об.%, в частности, более 94%, C1-C4 углеводородов и по меньшей мере 60 об./об.% метана, предпочтительно по меньшей мере 75 об./об.%, более предпочтительно по меньшей мере 90 об./об.%. Наиболее предпочтительно используют природный газ или нефтяной газ.
Применяемым окислительным газом может быть кислород или кислородсодержащий газ. Подходящие газы включают воздух (содержащий около 21 процента кислорода) и обогащенный кислородом воздух, который может содержать по меньшей мере 60 объемных процентов кислорода, более предпочтительно по меньшей мере 80 объемных процентов и даже по меньшей мере 98 объемных процентов кислорода. Такой чистый кислород предпочтительно получают в процессе криогенного разделения воздуха или посредством так называемых мембранных процессов с переносом ионов. Окислительный газ также может быть паром или диоксидом углерода.
Процесс ЧО может проходить в присутствии подходящего катализатора риформинга или в отсутствие катализатора. Реакция ЧО является высокоэкзотермической и, следовательно, приводит к получению горячего неочищенного сингаза. Публикациями, описывающими примеры процессов ЧО, являются EP-A-291111, WO-A-97/22547, WO-A-96/39354 и WO-A-96/03345.
Процесс ЧО, как правило, проводят в реакторе частичного окисления. Он может представлять собой каталитический или некаталитический процесс ЧО. При реализации в отсутствие катализатора такой реактор частичного окисления, как правило, содержит форсунку, размещенную вверху реакционной емкости, с огнеупорной футеровкой. Реактанты вносят в верхнюю часть реактора. В реакторе поддерживается пламя из форсунки, в котором метаносодержащий сырьевой газ вступает в реакцию с кислородом или кислородсодержащим газом для образования сингаза. Реакторы для каталитических процессов ЧО, как правило, содержат форсунку вверху и один или более неподвижных слоев подходящего катализатора для приведения метана в сырье в реакцию с кислородом, добавляемым в верхней части реактора, для образования сингаза.
Процессы АТР хорошо известны. В таком процессе АТР метаносодержащий газ вступает в реакцию с окислительным газом с образованием сингаза. Процесс АТР проходит в автотермическом риформере, который, как правило, содержит форсунку, камеру сгорания и слой катализатора в емкости высокого давления с огнеупорной футеровкой. Форсунка размещена вверху емкости высокого давления и идет в камеру сгорания, которая расположена в верхнем отделении емкости высокого давления. Слой катализатора находится ниже камеры сгорания. Примеры процессов АТР и автотермических риформеров описаны, например, в WO-A-2004/041716, EP-A-1403216 и US-A-2007/0004809.
Подходящие катализаторы риформинга и схемы размещения таких катализаторов, которые можно применять в автотермическом риформере, известны в данной области техники. Такие катализаторы, как правило, включают каталитически активный металл, предпочтительно никель, на подложке из огнеупорного оксида, такой как керамические таблетки. Таблетки, кольца или другие формы материалов огнеупорных оксидов, таких как диоксид циркония, оксид алюминия или диоксид титана, также можно использовать в качестве материала подложки. Дополнительные примеры подходящих катализаторов риформинга описаны в US-A-2004/0181313 и US-A-2007/0004809.
В целях настоящего изобретения этап (а) может представлять собой процесс ЧО (предпочтительно некаталитический процесс ЧО) или процесс АТР, так как оба процесса обеспечивают максимальную регенерацию тепла и оптимальный предварительный нагрев метаносодержащего сырья на этапах (b) и (c). Некаталитические процессы ЧО хорошо известны. Неочищенный синтетический газ, получаемый в таком процессе, как правило, имеет температуру от 1100 до 1500°C, предпочтительно от 1200 до 1400°C. Давление, при котором получают сингазный продукт, может составлять от 3 до 10 МПа и предпочтительно от 5 до 7 МПа. В процессе АТР неочищенный сингаз, выходящий из автотермического риформера, как правило, имеет температуру в диапазоне от 950 до 1200°C, более предпочтительно от 970 до 1100°C. Рабочее давление в автотермическом риформере, как правило, составляет от 2 до 6 МПа, более предпочтительно от 2 до 5 МПа. Эти значения температуры и давления образуемого неочищенного сингаза также будут значениями температуры и давления, при которых неочищенный сингаз попадает в охлаждающее устройство на этапе (b). В дополнение к кислородсодержащему газу также можно добавлять пар.
На этапе (b) горячий неочищенный сингаз, полученный на этапе (a), сначала охлаждают путем непрямого теплообмена с водой для получения насыщенного пара с последующим охлаждением метаносодержащим газом на этапе (с) для получения охлажденного горячего неочищенного сингаза. В соответствии с настоящим изобретением эти этапы проходят в единственном охлаждающем устройстве. Было обнаружено, что это важно для оптимальной регенерации тепла от горячего неочищенного сингаза для того чтобы эффективно предварительно нагреть метаносодержащий газ до температуры от 400 до 650°C и в то же время эффективно охладить горячий неочищенный сингаз до температуры от 200 до 450°C. Непрямой теплообмен с водой на этапе (b) удобно проводить, пропуская горячий газ через (свернутую) трубу, погруженную в воду, тем самым получая насыщенный пар. Насыщенный пар, полученный на этапе (b), имеет температуру от 150 до 350°C, более предпочтительно от 220 до 310°C.
Температура неочищенного сингаза после этапа (b) должна быть достаточной высокой для предварительного нагрева метаносодержащего газа на этапе (с) до необходимой температуры от 400 до 650°C. Предпочтительная целевая температура метаносодержащего газа, полученного на этапе (с), составляет от 450 до 600°C. Следовательно, непрямой теплообмен с водой на этапе (b) будет спланирован так, чтобы температура неочищенного сингаза после этапа охлаждения (b) была достаточно высокой для предварительного нагрева метаносодержащего газа на этапе (с) до необходимой температуры от 400 до 650°C, предпочтительно от 450 до 600°C.
На этапе (с) охлажденный горячий неочищенный сингаз, полученный на этапе (b), дополнительно охлаждают путем непрямого теплообмена с метаносодержащим газом в том же охлаждающем устройстве. Метаносодержащий газ представляет собой тот же самый метаносодержащий газ, который после предварительного нагрева на этапе (с) будет использован в качестве предварительно нагретого метаносодержащего сырья на этапе (а) представленного способа. Этап (с) непрямого теплообмена спланирован так, чтобы происходил эффективный перенос тепла от горячего неочищенного сингаза в метаносодержащий газ. Такой однофазный теплообмен может быть достигнут средствами, известными в данной области техники, при условии, что его можно комбинировать с двухфазным теплообменом, происходящим на этапе (b).
Этап двухфазного теплообмена (b) и этап однофазного теплообмена (с) происходят в единственном охлаждающем устройстве. Следовательно, это охлаждающее устройство должно содержать по меньшей мере одно отделение двухфазного теплообмена и по меньшей мере одно отделение однофазного теплообмена, которые разделены, чтобы гарантировать то, что охлаждающие среды – вода и метаносодержащий газ – остаются эффективно разделенными и не могут смешиваться, тогда как в то же самое время горячий неочищенный сингаз может протекать через оба отделения, предназначенные для охлаждения посредством непрямого теплообмена с обеими охлаждающими средами. Конструкцию теплообменника с дымогарной трубой с горячим неочищенным сингазом со стороны трубы с соответствующим разделением между обоими отделениями можно использовать для обоих отделений.
Охлажденный неочищенный сингаз, выходящий из единственного охлаждающего устройства, имеет температуру от 200 до 600°C, предпочтительно от 250 и 450°C и, следовательно, содержит регенерируемое тепло. Такое регенерируемое тепло можно, например, использовать для предварительного нагрева метаносодержащего сырья перед тем, как оно поступает на этап (c). Соответственно, в предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения метаносодержащий газ, используемый в качестве охлаждающей среды и предварительно нагреваемый на этапе (с), сначала предварительно нагревают до температуры вплоть до 400°C путем непрямого теплообмена с охлажденным неочищенным сингазом, который выходит из единственного охлаждающего устройства, для получения дополнительно охлажденного неочищенного сингаза. Температура такого дополнительно охлажденного сингаза будет зависеть от температуры охлажденного сингаза, выходящего из единственного охлаждающего устройства, и температуры поставляемого метаносодержащего газа и, как правило, составляет от 150 до 350°C, более предпочтительно от 200 до 300°C.
Такой дополнительно охлажденный сингаз все еще может содержать регенерируемое тепло, которое можно, например, использовать для предварительного нагрева воды, применяемой в качестве охлаждающей среды на этапе (b), для дополнительной оптимизации тепловой интеграции. Следовательно, в предпочтительном варианте реализации изобретения воду, применяемую на этапе (b), сначала предварительно нагревают путем непрямого теплообмена с дополнительно охлажденным неочищенным сингазом. Сингаз, полученный на этом этапе теплообмена, как правило, будет иметь температуру ниже 200°C, предпочтительно от 100 до 180°C.
В одном варианте реализации настоящего изобретения охлажденный неочищенный сингаз, который выходит из единственного охлаждающего устройства, предпочтительно может представлять собой охлажденный неочищенный сингаз, полученный на этапе (c). При этом охлажденный неочищенный сингаз, полученный на этапе (c), также можно сначала подвергнуть одному или более дополнительным этапам регенерации тепла перед тем, как он выходит из единственного охлаждающего устройства, в котором происходят этапы (b) и (c). Соответственно, в другом варианте реализации настоящего изобретения за этапом (с) следует этап (d) следующим образом:
(d) дополнительное охлаждение охлажденного неочищенного сингаза, полученного на этапе (c), путем непрямого теплообмена с водой в единственном охлаждающем устройстве для получения дополнительно насыщенного пара и дополнительно охлажденного неочищенного сингаза. Этап (d) происходит в том же единственном охлаждающем устройстве, в котором происходят этапы (b) и (c). В этом варианте реализации изобретения охлажденный неочищенный сингаз, полученный на этапе (c), предпочтительно проходит обратно на этапе (d) в отделение в охлаждающем устройстве, где происходит непрямой теплообмен с водой, для получения дополнительно насыщенного пара перед тем, как он выйдет из единственного охлаждающего устройства.
В другом варианте реализации изобретения насыщенный пар, полученный на этапе (b) (и этапе (d) в случае наличия), перегревают путем непрямого теплообмена с охлажденным неочищенным сингазом, полученным на этапе (с), в отделении перегревателя, находящемся в единственном охлаждающем устройстве, для получения перегретого пара и охлажденного неочищенного сингаза на выходе из единственного охлаждающего устройства. Соответственно, в этом варианте реализации изобретения за этапом (c) следует этап (d’) следующим образом:
(d’) дополнительное охлаждение охлажденного неочищенного сингаза, полученного на этапе (c), путем непрямого теплообмена с насыщенным паром, полученным на этапе (b), в единственном охлаждающем устройстве для получения перегретого пара и дополнительно охлажденного сингаза. Подходящее отделение перегревателя, которое может быть включено в единственное охлаждающее устройство, описано, например, в WO-A-2007/131975. Такое отделение перегрева, как правило, включено в верхнюю часть единственного охлаждающего устройства или составляет одно целое с отделением однофазного теплообмена, где происходит этап (с).
Настоящее изобретение также относится к охлаждающему устройству для охлаждения горячего неочищенного сингаза, которое можно использовать в способе согласно настоящему изобретению, как описано выше. Соответственно, настоящее изобретение относится к охлаждающему устройству для охлаждения горячего неочищенного сингаза путем непрямого теплообмена с водой в отделении испарения I и с охлаждающим газом в отделении теплообмена газа II, при этом устройство содержит вертикально ориентированную емкость 1, содержащую по меньшей мере одну поднимающуюся по спирали трубку 2, вход 4 для горячего газа, находящийся в жидкостном соединении с верхним концом трубки 2, для прохождения горячего неочищенного сингаза вверх через поднимающуюся по спирали трубку 2, выход 5 для охлажденного неочищенного сингаза, находящийся в жидкостном соединении с нижним концом трубки 2, вход 6 для свежей воды и выход 7 для сухого пара, пространство водяной бани 8 в нижней части емкости 1, пространство для сбора насыщенного пара 9 над указанным пространством водяной бани 8 и пространство для сбора сухого пара 23 над указанным пространством для сбора насыщенного пара 9 в верхней части емкости 1, причем
(i) отделение испарения I расположено в нижней части емкости 1, а отделение теплообмена газа II расположено непосредственно над отделением испарения I в емкости 1,
(ii) указанная поднимающаяся по спирали трубка 2 содержит отделение испарения 10, расположенное в пространстве водяной бани 8 в отделении испарения I, а отделение предварительного нагрева 11 расположено в отделении теплообмена газа II,
(iii) трубка 2 отделения предварительного нагрева 11 окружена второй трубкой 12 с образованием кольцевого зазора 13 между указанной трубкой 2 и указанной второй трубкой 12,
(iv) кольцевой зазор 13 обеспечен входом 14 для охлаждающего газа, находящимся в жидкостном соединении с входом 15 для охлаждающего газа, и выход 16 для нагретого охлаждающего газа, расположенный в противоположном конце указанного кольцевого зазора 13, при этом выход 16 находится в жидкостном соединении с выходом 17 для нагретого охлаждающего газа,
(v) вход 14 и/или выход 16 расположен в пространстве водной бани 8 ниже уровня воды 21, и
(vi) средство разделения 25 размещено внутри емкости 1 между пространством для сбора пара 9 и пространством для сбора сухого пара 23.
Одна или более поднимающихся по спирали трубок 2 в емкости высокого давления 1 могут подниматься по спирали вокруг вертикальной оси 3 емкости высокого давления 1, но также могут быть расположены в виде других групп поднимающихся по спирали трубок 2, которые расположены вокруг центральной оси 3 емкости высокого давления 1. Обе конфигурации можно применять в охлаждающем устройстве согласно настоящему изобретению. При этом в предпочтительном варианте реализации изобретения трубки 2 поднимаются по спирали вокруг вертикальной оси 3 емкости высокого давления 1, и этот предпочтительный вариант реализации изобретения будет показан на графических материалах, иллюстрирующих изобретение.
Охлаждающее устройство согласно настоящему изобретению будет дополнительно описано со ссылкой на графические материалы.
Краткое описание графических материалов
На фиг. 1 приведено схематическое изображение охлаждающего устройства в соответствии с настоящим изобретением, подходящего для проведения непрямого теплообмена между неочищенным сингазом и метаносодержащим газом в прямоточном режиме.
На фиг. 2 приведено схематическое изображение охлаждающего устройства в соответствии с настоящим изобретением, подходящего для проведения непрямого теплообмена между неочищенным сингазом и метаносодержащим газом в противоточном режиме.
На фиг. 3 приведено схематическое изображение верхней части охлаждающего устройства в соответствии с настоящим изобретением с отделением перегревателя, размещенным над отделением теплообмена газа II.
Подробное описание графических материалов
На фиг. 1 вертикально ориентированная емкость высокого давления 1 разделена на отделение испарения I, отделение теплообмена газа II, расположенное непосредственно над отделением испарения I, и пространство для сбора сухого пара 23 в верхней части емкости 1. Эта емкость должна выдерживать высокие давления до 14 МПа и, следовательно, называется емкостью высокого давления. Емкость высокого давления 1 содержит трубки 2, которые поднимаются по спирали вокруг вертикальной оси 3 и находятся в жидкостном соединении с входом 4 для горячего неочищенного сингаза и выходом 5 для охлажденного неочищенного сингаза. Выход 5, как показано на фиг. 1, расположен в отделении испарения I, но также может, очевидно, быть расположен в отделении теплообмена газа II. Трубки 2 составляют отделение испарения 10, расположенное в пространстве водяной бани 8 в отделении испарения I, и отделение предварительного нагрева сырья 11, расположенное в отделении теплообмена газа II.
На фиг. 1 показаны только две трубки 2. Охлаждающее устройство может содержать одну единственную трубку 2, но предпочтительно использовать две или более трубок 2, которые предпочтительно используются параллельно. В общем случае в параллели может идти от 2 до 24 трубок 2. Трубки 2 предпочтительно размещены вокруг вертикальной оси 3 емкости 1 параллельно друг к другу в виде поднимающихся вверх спиралей. Такая спиральная конфигурация может состоять из одного вертикального цилиндра из 1-10, предпочтительно 2-8 спирально свернутых параллельных трубок 2. Конфигурация с двумя вертикальными цилиндрами – внешним цилиндром и внутренним цилиндром, каждый из которых состоит из 1-10, предпочтительно 2-8 спирально свернутых тепловых трубок, – также является подходящей конфигурацией. Аналогично, такую же конфигурацию из одного или двух вертикальных цилиндров из нескольких поднимающихся по спирали трубок 2 можно использовать в отделении теплообмена газа II. На фиг. 1 изображены пунктирные линии в отделении испарения I и отделении теплообмена газа II, чтобы показать, как каждая трубка 2 спирально проходит через емкость 1.
Также показан вход 6 для свежей воды. Этот вход предпочтительно расположен так, чтобы направление потока на входе в емкость 1 усиливало циркуляцию воды в нисходящем направлении через предпочтительную опускную трубу 18. Однако возможны альтернативные точки входа для свежей воды. Например, свежую воду также можно добавлять в точке входа для воды во входе для горячего неочищенного сингаза 4 (не показано). Опускная труба 18 предпочтительно представляет собой трубную деталь с открытым концом, расположенную в центре пространства водяной бани 8, как показано. В результате, восходящее направление воды через кольцевой зазор 24 между опускной трубой 18 и внутренней стенкой емкости 1 приводит к созданию циркуляции воды, как показано стрелками на фиг. 1. Эта циркуляция благоприятна для эффективного переноса тепла от горячего неочищенного сингаза в трубках 2 в воду. Трубки 2 расположены в пространстве водяной бани 8 вокруг такой опускной трубы 18 параллельно друг к другу в виде поднимающихся спиралей, как описано выше. В альтернативном варианте реализации изобретения две или более, предпочтительно от четырех до восьми, опускных труб 18 могут располагаться в пространстве водяной бани 8 вокруг центральной оси 3. В этом варианте реализации изобретения каждая опускная труба может быть окружена одной или более поднимающимися по спирали трубками 2.
Вода в пространстве водяной бани 8 имеет уровень воды 21, а влажный насыщенный пар, получаемый в результате испарения воды при поглощении тепла от горячего неочищенного сингаза, собирается в пространстве для сбора пара 9 выше уровня воды 21. Это пространство для сбора пара 9 отделено от пространства для сбора сухого пара 23 средством разделения 25. Было обнаружено, что является преимуществом расположение поднимающихся по спирали трубок 2 отделения предварительного нагрева 11 в пространстве для сбора сухого пара 23, поскольку, таким образом, предупреждается охлаждение (и, следовательно, потеря тепла) во внешней части второй трубки 12, окружающей такие трубки 2, посредством испарения капель воды, которые обычно присутствуют во влажном паре. Такое охлаждение происходило бы за счет эффективности предварительного нагрева метаносодержащего газа в отделении предварительного нагрева 11.
Средство разделения 25, как показано на фиг. 1, содержит опорную трубу 19, которая расположена по центру внутри поднимающейся по спирали трубки 2 в отделении теплообмена газа II и через которую влажный насыщенный пар поднимается вверх. В нижнем конце, опорная труба 19 соединена с кольцевой газонепроницаемой разделительной пластиной 20, которая расположена между пространством для сбора пара 9 и отделением теплообмена газа II, и прикреплена в нижнем конце к внутренней стенке емкости 1. В верхнем конце опорная труба 19 находится в жидкостном соединении с влагоуловителем 22. На фиг. 1 влагоуловитель 22 расположен в центральной части кольцевой опорной пластины 26, но эту опорную пластину 26 также можно заменить другими опорными средствами для закрепления влагоуловителя 22 в верхней части опорной трубы 19. Влагоуловитель 22, в свою очередь, находится в жидкостном соединении с пространством для сбора сухого пара 23 и расположен над отделением теплообмена газа II. Соответственно, сухой пар собирается в пространстве для сбора сухого пара 23 и выходит из емкости 1 через выход 7.
Влагоуловитель 22 может представлять собой любое средство для улавливания влаги, подходящее для удаления жидких капель воды из насыщенного пара, собранного в пространстве для сбора насыщенного пара 9 и поднимающегося по опорной трубе 19. Например, влагоуловитель 22 может представлять собой сетчатый влагоуловитель, лопастной блок или вихревую циклонную деку.
Каждая из трубок 2 отделения предварительного нагрева 11 окружена второй трубкой 12 с образованием кольцевого зазора 13 между трубкой 2 и второй трубкой 12. Этот кольцевой зазор 13 имеет вход 14 для охлаждающего газа, при этом вход 14 находится в жидкостном соединении с входом емкости 15 для охлаждающего газа. В нижнем конце кольцевой зазор 13 находится в жидкостном соединении с выходом 16 для нагретого охлаждающего газа. Этот выход 16 находится в жидкостном соединении с выходом емкости 17 для предварительно нагретого охлаждающего газа. При применении в способе согласно настоящему изобретению охлаждающим газом является метаносодержащий газ. На фиг. 1 показано охлаждающее устройство для прямоточного потока охлаждающего газа и горячего неочищенного сингаза в отделении теплообмена газа II.
В такой конфигурации важно, чтобы вход 14 был расположен в пространстве водяной бани 8 ниже уровня воды 21, чтобы обеспечить охлаждение несущей горячий неочищенный сингаз трубки 2. Таким образом, можно избежать перегрева стенок этой трубки 2 в месте, где метаносодержащий охлаждающий газ попадает в кольцевой зазор 13. В случае варианта реализации изобретения с противоточным потоком, изображенным на фиг. 2, выход 16 кольцевого зазора 13 должен быть ниже уровня воды 21, чтобы обеспечить охлаждение несущей горячий неочищенный сингаз трубки 2 в месте, где предварительно нагретый метаносодержащий газ выходит из кольцевого зазора 13.
В переходе из отделения испарения I в отделение теплообмена газа II некоторое количество поднимающихся по спирали трубок 2 предпочтительно идут в вертикальном направлении через общий коллектор или могут отдельно идти в отделение теплообмена газа II. При применении общего коллектора этот общий коллектор находится в жидкостном соединении с кольцевым зазором 13, окружающим трубки 2, через входные отверстия 14 (в прямоточном режиме, как показано на фиг. 1) или выходные отверстия 16 (в противоточном режиме, как показано на фиг. 2). В свою очередь, общий коллектор находится в жидкостном соединении с входом емкости 15 (прямоточный режим) или выходом емкости 17 (противоточный режим). Такой общий коллектор предпочтительно является кольцевым в горизонтальной плоскости, чтобы эффективно вмещать многочисленные трубки 2, которые могут использоваться параллельно в емкости 1. Пример подходящей конфигурации с общим коллектором описан в WO-A-2007/131975.

Трубки 2 могут быть выполнены из материалов, устойчивых к металлическому запыливанию. Вследствие коррозирующей природы сингаза такая устойчивость к металлическому запыливанию является важной. Подходящие материалы включают хромомолибденовую сталь и, наиболее предпочтительно, металлические сплавы на основе никеля. Примером подходящего металлического сплава на основе никеля является сплав Inconel 693, предоставляемый Special Metals Corporation, USA.
На фиг. 2 показано охлаждающее устройство, в котором метаносодержащий газ предварительно нагревается от горячего неочищенного сингаза в отделении теплообмена газа II в противоточном режиме. Разница с охлаждающим устройством, изображенным на фиг. 1, состоит в том, что вход емкости 15 и газовый вход 16 размещены в верхней части отделения теплообмена газа II, тогда как газовый выход 16 и выход емкости 17 размещены в отделении испарения I ниже уровня воды 21. При работе метаносодержащий газ теперь поступает в кольцевой зазор 13 через вход емкости 15 и вход 14 в верхней части отделения теплообмена газа II, и течет вниз через кольцевой зазор 13 в направлении, противоположном потоку текущего вверх горячего неочищенного сингаза через трубки 2.
Охлаждающее устройство согласно настоящему изобретению можно комбинировать с отделением перегревателя, располагаемым над отделением теплообмена газа II, для дополнительного нагрева насыщенного пара, получаемого в отделении испарения I, до перегретого пара. Этот вариант реализации дополнительно проиллюстрирован на фиг. 3.
На фиг. 3 показана верхняя часть охлаждающего устройства по фиг. 1 (прямоточный поток метаносодержащего газа и неочищенного сингаза в отделении теплообмена газа II) с отделением перегревателя III, расположенным между отделением теплообмена газа II и пространством для сбора сухого пара 23. Каждая поднимающаяся по спирали трубка 2, выходящая из отделения теплообмена газа II, дополнительно содержит отделение перегрева 30, расположенное в отделении перегревателя III и поднимающееся вокруг центральной оси 3. Каждая трубка 2 окружена в этом отделении перегрева 30 второй трубкой 31 с образованием кольцевого зазора 32 между указанной трубкой 2 и указанной второй трубкой 31, при этом указанный кольцевой зазор 32 имеет вход 34 для насыщенного пара, находящийся в жидкостном соединении с пространством для сбора насыщенного пара 9, и выход 35 для перегретого пара, расположенный в противоположном конце указанного кольцевого зазора 32 и находящийся в жидкостном соединении с выходом емкости 36 для перегретого пара в стенке емкости 1. Выход 5 для охлажденного неочищенного сингаза теперь расположен в отделении перегревателя III в верхней части емкости 1.
Чтобы гарантировать непрерывное охлаждение неочищенного сингаза, протекающего через трубку 2, вторую трубку 12, окружающую трубку 2 отделения предварительного нагрева 11, соединяют со второй трубкой 32, окружающей трубку 2 отделения перегрева 30. При этом они не находятся в жидкостном соединении: кольцевой зазор 13 отделен от кольцевого зазора 32 газонепроницаемой разделительной пластиной 37. Гарантируя такое непрерывное охлаждение горячего неочищенного сингаза, температуру стенок трубки 2 можно поддерживать достаточно низкой, чтобы избежать металлического запыливания.
Устройство, изображенное на фиг. 3, показывает противоточный поток насыщенного пара через кольцевой зазор 32 и неочищенного сингаза через трубку 2 в отделении перегрева 30. Отделение перегревателя III также может быть сконструировано так, чтобы насыщенный пар и неочищенный сингаз текли в одном направлении. Дополнительные подробности относительно предпочтительной конструкции отделения перегревателя описаны в WO-A-2007/131975.
Отделение перегревателя III также может быть неотъемлемой частью отделения теплообмена газа II. Например, спускающиеся по спирали трубки 2 со вторыми трубками 31, которые образуют отделение перегревателя III, могут быть расположены внутри группы (групп) поднимающихся по спирали трубок 2, окруженных вторыми трубками 12, которые образуют отделение теплообмена газа II. При работе сингаз течет вниз в отделение теплообмена газа II и вверх в отделении перегрева III.
Охлаждающее устройство также можно комбинировать с дополнительным отделением испарения, в котором неочищенный сингаз, выходящий из отделения теплообмена газа II, возвращается обратно в дополнительное отделение испарения, расположенное в пространстве водяной бани 8, для получения дополнительно насыщенного пара. Такое второе отделение испарения предпочтительно расположено внутри отделения испарения 10 поднимающейся по спирали трубки 2 в пространстве водной бани 8, при этом такое второе отделение испарения содержит по меньшей мере одну спускающуюся по спирали трубку, находящуюся в жидкостном соединении в верхнем конце с поднимающейся по спирали трубкой 2, выходящей из отделения теплообмена газа II, и в нижнем конце – с выходом емкости 5 для охлажденного газа. В альтернативном варианте второе отделение испарения содержит одну или более прямых труб для теплообмена, находящихся в жидкостном соединении в верхнем конце с поднимающейся по спирали трубкой 2, выходящей из отделения теплообмена газа II, и в нижнем конце – с выходом емкости 5 для охлажденного газа, при этом по меньшей мере одна из этих прямых труб окружена защитной трубой, содержащей закрывающие средства в верхнем конце и открытой в нижнем конце, как дополнительно описано в одновременно находящейся на рассмотрении заявке на Европейский патент № 14174590.1. Используя такие защитные трубы, можно варьировать мощность теплообмена теплообменной трубы.
Теплообменные трубы во втором отделении испарения также могут содержать комбинацию спускающихся по спирали трубок и прямых трубок с расположенными вокруг защитными трубами или могут содержать теплообменные трубы, состоящие из спускающегося по спирали отделения, находящегося в жидкостном соединении с прямым отделением, окруженным защитной трубой, как описано выше.
Примеры
Изобретение дополнительно проиллюстрировано следующими примерами. Примеры представляют собой расчетные примеры с применением интегральной расчетной модели, которая включает подробные алгоритмы теплопереноса и свойства газа.
Пример 1
Горячий неочищенный сингаз, имеющий температуру 1350°C и давление 6 МПа, поступает в охлаждающее устройство, содержащее отделение испарения и отделение теплообмена газа с противоточным потоком сингаза и метаносодержащего газа.
Температура охлажденного неочищенного сингаза, выходящего из охлаждающего устройства, составляет 400°C при давлении 5,4 МПа, тогда как предварительно нагретый метаносодержащий газ имеет температуру 525°C, при этом метаносодержащий газ поступает в охлаждающее устройство при температуре 273°C. В отделении испарения образуется насыщенный пар, имеющий температуру 293°C.
Пример 2
Повторяет Пример 1, за исключением того, что охлаждающее устройство теперь также содержит отделение перегревателя ниже отделения теплообмена газа, а отделение теплообмена газа характеризуется прямоточным потоком сингаза и метаносодержащего газа.
Насыщенный пар, образуемый в отделении испарения, проходит через отделение перегревателя с образованием перегретого пара с температурой 410°C. Температура охлажденного неочищенного сингаза, выходящего из охлаждающего устройства, составляет 400°C при давлении 5,2 МПа, тогда как предварительно нагретый метаносодержащий газ имеет температуру 525°C, при этом метаносодержащий газ поступает в охлаждающее устройство при температуре 385°C.
Пример 3
Повторяет Пример 1, за исключением того, что охлаждающее устройство теперь также содержит второе отделение испарения ниже отделения теплообмена газа, а отделение теплообмена газа характеризуется прямоточным потоком сингаза и метаносодержащего газа.
Температура охлажденного неочищенного сингаза, выходящего из охлаждающего устройства, составляет 400°C при давлении 5,8 МПа, тогда как предварительно нагретый метаносодержащий газ имеет температуру 480°C, при этом метаносодержащий газ поступает в охлаждающее устройство при температуре 385°C. Смешанный насыщенный пар из первого и второго отделений испарения имеет температуру 293°C.