[发明专利]PSA缓冲罐内的尾气加热

说明书

本公开涉及一种用于操作氢气生成系统的方法，该方法包括：在具有燃烧区的蒸汽重整器中产生合成气流；将所述合成气流的至少一部分引入水煤气变换反应器；冷却所述变换的合成气流以产生冷却的变换合成气流；将所述冷却的变换合成气流引入变压吸附单元中，从而产生主要为氢气的流和主要包含副产物的尾气；将所述尾气引导至其中设置有热交换装置的一个或多个缓冲罐，并且通过使所述尾气经过所述热交换装置的热流体在其内部冷却的表面来间接加热所述尾气，从而获得加热的尾气；以及将所述加热的尾气引导至重整器的燃烧区。

技术领域

本发明涉及一种通过引入用于加热PSA缓冲罐内的PSA尾气的装置来改善集成氢气生成系统的效率的方法。

背景技术

蒸汽甲烷重整(SMR)工艺广泛地用于工业中，以通过经历一系列净吸热反应将原料(例如，天然气)转化成主要含有氢气和一氧化碳的合成气流。由于重整反应是吸热的，因此通过燃烧器将热量供应给位于蒸汽甲烷重整器的燃烧区段中的催化剂填充管。燃烧器的燃料以吹扫气体的形式来自诸如变压吸附(PSA)单元的来源，也称为尾气。一些补充燃料诸如天然气也被供应给燃烧器。在催化剂装填的管内部发生以下反应：

C_nH_m+nH₂O＝(n+0.5m)H₂+nCO

CO+H₂O＝CO₂+H₂

将来自重整器的粗合成气产物(即，合成气)(其主要含有氢气、一氧化碳、二氧化碳和水)在下游单元操作(诸如变换反应器和PSA单元)中进一步加工。蒸汽甲烷重整器操作的示例公开于Drnevich等人(美国专利号7,037,485)中，并且全文以引用方式并入本文。

通常，在高温处由重整器产生的合成气必须被冷却到接近环境温度以在下游PSA单元中纯化，该下游PSA单元将料流分离成几乎纯的氢气产物和尾气。正是来自PSA的该尾气流被再循环至重整器燃烧器。燃烧器燃烧的产物(烟气)也被冷却以回收它们的热量。这些冷却需求部分地通过预热工艺料流和蒸汽生成来实现。

待回收的热量的量超过操作该工艺所需的热量的量，并且并非所有剩余的热量都可经由蒸汽生成而被有效地回收。该浪费的热量降低了总体工厂效率。由于与常规独立尾气预加热器相关联的高资本成本和压降，常常不被加热的一个大的料流是PSA尾气。如果该料流可成本有效地被加热而无需附加的压降，则工艺的总体效率将由于所需补充燃料的对应减少而增加。

加热PSA尾气已在现有技术中公开。见例如美国专利申请公布2009/0230359 A1、2005/0178063 A1、2006/0231463 A1、2007/0051042 A1、2009/0232729 A1和美国专利4,149,940。然而，这些独立的壳管型或板型热交换器通常很大并且昂贵。在PSA中的氢气回收受到影响之前，低压PSA尾气流中仅可容许最小的压力，从而降低总体工厂效率。在相关领域中，诸如例如授予Grover的美国专利8,187,363解决了在将尾气流引入SMR的燃烧区中之前通过使用板型交换器来加热尾气流的可能性。此类交换器将仍然引入不期望的压降，并且需要大量的资本成本。因此，期望以其最小的压力降低来加热PSA尾气流，同时使所需的附加资本最小化。

关于PSA尾气缓冲罐，相关领域一直聚焦于在缓冲罐容器内增加混合，如美国专利6,607,006 B2和6,719,007 B2中所示。‘006专利的焦点是“流体流的时变特性的振幅衰减”，其为将时变流引入封闭体积中以控制停留时间分布，其中公式控制如文档中所示的“平坦度约束”。‘007专利也讨论了“使振幅衰减”，其中聚焦于含有入口和用于三个或更多个单独流体部分的三个或更多个出口的混合区。未提及在缓冲罐容器内加热。

为了克服相关领域的缺点，本发明的目的之一是提供一种通过在PSA尾气缓冲罐内结合热交换表面来增加PSA尾气温度的方法。这允许在PSA尾气缓冲罐和SMR燃烧区之间没有引入附加压降的附加热交换器的情况下加热PSA尾气。