[发明专利]换热器

说明书

技术领域

本发明涉及换热器。

本发明尤其涉及快速冷却高温气体的换热器。

本发明更尤其涉及冷却来自轻质烃催化部分氧化的合成气体(合成气)的换热器，轻质烃例如是甲烷，轻质烃催化部分氧化被称为催化部分氧化(CPO)。

背景技术

已知的是合成气(包含不同比例的H₂和CO的气态混合物)的制备能够由来自精炼厂或石化设备的天然气(甲烷或气态/液态烃混合物)在固定床管状反应器中的催化部分氧化来完成，根据所用的催化剂，固定床管状反应器能够在1-150atm的压力下和高于500℃的温度下操作，在某些情况下，温度可达到和超过1000℃。

在反应单元的出口处进行合成气的快速冷却是不可忽略的必要处理，这是由于如果该气体保持在那些温度下，即便是在短时期内，也会产生不希望出现的副产品，例如乙醇或烯烃(大致为乙烯和丙稀)，或者甚至再生起始甲烷(starting methane)。在例如专利US2,896,927和US4,377,132或者ALSTOM小册子“Syngas Cooler Systems forGasification Plants(气化车间的合成气冷却器系统)”的文献中提到了快速冷却处在高温下的气体的系统。一些方法和相关设备包括利用水(淬火)直接冷却气体。但是这种方案存在必须从形成的水汽中分离冷却的合成气的缺陷。

其它工业系统由用于生产高压蒸汽的间接冷却的设备组成，其允许回收包含在合成气中的热量。

发明内容

本发明的目标涉及有效且快速间接冷却应用中的合成气的装置，在该应用中出于工程简易性或经济性原因，不需要进行气体显热的热回收。例如在中小规模系统中的氢生产中。

申请人因而提供了一种换热器，其特别适于在高于500℃的温度下的气体的快速冷却，例如温度在750℃和1100℃之间，该换热器使得能够避免热气体和通常是水的冷却液体之间的任何接触。

因此本发明的目标涉及用于离开反应单元/装置的高温气体快速冷却的换热器，其包括联结到反应单元/装置的联结元件、气体冷却与输送管以及覆盖壳体，其中：

a)大体为圆筒形的联结元件位于反应单元和换热器壳体之间，它借助通常是水的冷却流体在内部冷却，并且借助通过管与来自反应单元的热气体的供送线路轴向连接；

b)热气体的输送与冷却管固定到联结元件的基座上，联结元件的基座在通过管处与反应单元连接，所述热气体输送与冷却管由两段组成：

-大体为直线形的第一段在同轴位置插入覆盖该第一段的、具有较大直径的第二管中，从而形成环形中空空间，通常是水的冷却流体在其中流动，所述第一段的一端形成联结元件的通过管；

-以连续的方式固定到第一段另一端的第二段大体是半圆曲线形的，该第二段在不与其接触的情况下螺旋包围至少部分被包套的所述第一段；

c)覆盖壳体大体是圆筒形的，一端封闭而另一端敞开，它与所述联结元件连接，并且至少包括用于排放冷却液体的开口和被冷却气体的开口。

根据本发明，联结元件由通过管轴向穿过，与反应装置连接，例如用于生产500-1100℃温度下的合成气的CPO反应器。

覆盖热气体输送管第一段的外管在一端与一个或多个专用的冷却液体供送管连接，所述供送管穿过联结元件。而且，联结元件由在其轴线方向上供送冷却液体的管单独冷却。所述流体在从内向外经过螺旋路径之后，通过与该元件自身侧表面连接的开口从该元件排放出。

在本发明的替代实施方式中，在联结元件内部流通的冷却流体(用于单独冷却)能够排放到容纳在换热器壳体中的容积内。

覆盖第一段的第二管的另一端是自由的并以大体成半圆形的弯曲段结束，从而冷却液体能够在流入两根管之间的夹套之后在相反的方向自由流出进入壳体的封闭空间。

壳体容积内液体的路径由与轴线正交的挡板导向，挡板还用于两段气体输送管的支撑。

输送与冷却管的第二段在没有间断的情况下基本连续到第一段并以螺旋状延伸。为了节省空间，该螺旋管优选在不与其接触的情况下包围被覆盖管的第一段。但是该螺旋管也可以在第一段的下游延伸。

输送管的另一端，也即螺旋段的端部连接至存在于壳体上的开口，该开口将被冷却气体排出作为本发明目标的换热器。