專利名稱:高壓CO<sub>2</sub>節能脫H<sub>2</sub>方法及雙高壓CO<sub>2</sub>換熱器的制作方法
技術領域:
本發明涉及一種尿素工業生產安全和節能方法,具體的說是一種尿素生產過程中的高壓C02節能脫H2方法,本發明還涉及用于高壓C02 節能脫H2方法中的雙高壓C02換熱器。
背景技術:
工業化尿素生產是以C02氣體和液冊3為原料,經過高壓圈和中壓 或/和低壓分解回收以及濃縮工序加工成固體尿素產品。來自冊3廠脫碳系統的原料C02氣體含有H2、 CO、 CH4和脫碳劑例 如CH3OH等可燃性氣體組分,其中H2的占比最大。為減緩工藝物料對高壓不銹鋼設備的腐蝕,需向原料C02或液冊3中添加一定數量的02或空氣。在生產過程中02和上述可燃性氣體形成燃爆性氣體混合物存 在于高壓、中壓、低壓工序相關尾氣設備的氣相空間, 一旦燃爆,人 身和設備將受到嚴重危害,國內外尿素廠均有爆炸事故發生,中國 1995年和2005年兩次尿素合成塔爆炸共死亡14人。多年來中低壓 設備尾氣爆炸時有發生。為防止尾氣的爆炸,新近公認的方法仍然是催化脫H2方法,通過脫H"使得原料C02中H2含量大幅下降,減少爆炸的危險。有代表性的是荷蘭斯太米卡邦(Stamicarbon)公司的高壓脫&流程和中壓脫H2流程,它可使C02氣體中H2體積分數由0. 5%降到0. 005%以下。近來,日本東洋工程公司(TEC) ACES工藝中也采用了原料C02氣體脫H2方法。高壓下原料中H2、 C0、 CH4、 CH30H在脫IU崔化劑的作用下與02 發生燃燒反應H2 (C0、 CH4、 CH30H) +X02 - H20 (+C02) +反應熱參照圖1,具體方法為來自壓縮機(離心式或往復式)末級出 口的含&的C0i氣體進入高壓C02加熱器(1)的管程,殼程用2. 3MPa (G), 315T新鮮蒸汽加熱到脫氫反應初始溫度,然后進入脫H2反應 器(2)進行脫&反應,脫H2反應后的高壓C02氣體溫度因為催化劑 反應進一步而升溫,為適應下游工序的溫度要求,反應后的高溫氣體 需經高壓0)2冷卻器(3)的冷卻水降溫后再送入COr汽提^^。為了催化脫H2反應順利進行,需將原料C02氣體(即含H2的高壓 C02氣體)溫度由初溫加熱到反應初始溫度t,為此需要消耗高品位加 熱蒸汽。而為了適應下游工序要求又需將催化脫氫反應后的高溫高壓 C02氣體再進行降溫,為此又需大量冷卻水。例如,年產60萬噸尿素, 用于高壓C02加熱用2. 3MPa(G), 315。C的新鮮蒸汽,年耗量高達1. 86 萬噸,當量冷卻水(溫升10度計)93萬噸,能耗(費用)較大,大 大提高了尿素生產成本。發明內容本發明的目的是為了解決上述技術問題,克服現有的高壓脫H2 方法存在的能耗大,成本高的問題,提供一種能大幅減少蒸汽及冷卻 水的消耗量,有效降低生產成本的高壓0)2節能脫H2方法。本發明的另 一 目的是提供一種在高壓C02節能脫H2方法中使用的雙高壓C02換熱器。本發明的高壓C02節能脫H2方法包括將含H2的高壓C02氣體升溫至脫氫反應初始溫度,再送入脫H2反應器內進行脫&反應,然后將 脫H2反應后的高溫C02氣體降溫,再進入下游工序,其中,所述含H2 的高壓C02氣體送入雙高壓C02換熱器的管程或殼程升溫;所述脫氫 反應后的高溫高壓0)2氣體送入雙高壓C02換熱器的殼程或管程降溫。 所述含&的高壓C02氣體在開工初始時的升溫是通過C02開工加200710052918.0說明書第3/6頁熱器用蒸汽進行加熱,所述C02開工加熱器與雙高壓C02換熱器串聯; 在脫H2反應后的高溫高壓C02氣體進入雙高壓0)2換熱器內與含H2的 高壓0)2氣體開始進行換熱后,C02開工加熱器停止蒸氣加熱。所述脫H2反應后的高溫高壓C02氣體送入雙高壓C02換熱器的殼程或管程降溫后再送入高壓C02冷卻器用冷卻水進一步降溫。所述含H2的高壓C02氣體壓力13. 0~25. OMPa (G),溫度100~ 130°C。本發明中,發明人發現,由于含H2的高壓C02氣體需要加溫至脫氫反應的初始溫度后才能在脫氬反應器內發生脫氫反應,而該催化反 應會使C02氣體進一步升溫,為了達到節約能源的目的,發明人認為可以利用脫氫反應后的高溫高壓C02氣體與脫氫反應前含H2的高壓C02氣體進行熱交換。在雙高壓C02換熱器內, 一方面反應后高溫高壓 C02氣體可代替原有的蒸氣使含H2的高壓0)2氣體升溫至反應初始溫 度;另 一方面反應前含H2的高壓C02氣體也^f、替冷卻水幫助反應后的 高溫高壓C02氣體降溫。只要脫氫反應持續存在,雙高壓C02換熱器 內的熱交換也能一直進行,通過利用脫氫反應前后的氣體溫差進行換 熱,是有效節能的新方法,發明人是基于上述考慮作出本發明的。作為C02脫氫反應的催化劑,市場上有多種,如美國ENGELHARD 公司生產的CN-lOl、中科院蘭州化學物理研究所研制的DH-2脫氫催 化劑、湖北化學研究所研制的TH-2脫氫催化劑等等,由于脫氫催化 劑不同,其催化反應的初始溫度也不盡相同, 一般在140~180°C, 脫氫反應后C02氣體一般可持續升溫45 5(TC。操作時,可根據選擇 的脫氫催化劑和0)2氣體組分來調節進入C02開工加熱器殼程的蒸汽 流量,使加熱后的氣體溫度達到催化反應的初始溫度。在開工初始時,為使含H2的高壓C02氣體升溫至脫氫反應的初始溫度,可通過串連在雙高壓C02換熱器前或后的0)2開工加熱器用蒸 汽對其進行加熱,直至脫H2反應器內開始發生脫氫反應,且反應后的
高溫高壓C02氣體進入雙高壓C0z換熱器內與含H2的高壓C02氣體開始 進行換熱后,C02開工加熱器就可停止輸送蒸汽,不再對含H2的高壓 C02氣體供熱。當高溫高壓COz氣體進入雙高壓C02換熱器內進行熱交換后,如果其溫度仍達不到下游工序要求的溫度時,可送入高壓C02冷卻器內用冷卻水進一步降溫。本發明的雙高壓0)2換熱器是為應用于高壓COz節能脫H2方法而 特別設計的,不需消庫4中、低壓蒸氣,而是利用脫氫反應后的高溫高 壓C02氣體對反應前的含H2的高壓C02氣體進行升溫。由于換熱器的 管程和殼程通入的均為高壓氣體,因此對換熱器結構設計及密封性能 的要求更為嚴格,且作為大型設備,還有拆卸方便、便于檢修的要求。本發明的雙高壓C02換熱器包括殼體、換熱管、管程進口、管程 出口、殼程進口和殼程出口,所述換熱管為U型換熱管,兩端經管板 及管箱分別與管程進口和管程出口相通。所述管板與管箱連接處設有密封焊接的堆焊鎳基合金材料。本發明的雙高壓C(M灸熱器的U型換熱管內側可與管程進、出口 相通,為管程;殼程進、出口與U型換熱管外側相通,為殼程。反應 前的含H2的高壓C02氣體走管程或殼程;相應的,反應后的高溫高壓 C02氣體走殼程或管程。管板采用壓差法進行設計,管板與管箱進行 密封焊接,作為特別選取的焊接材料,采用鎳基合金材料(即因科鎳 材料,英文名為Inconel),該材料可以反復施焊或拆卸,不影響殼 體和管板材料性能,施焊后也勿需進行焊后熱處理,密封性好且便于 管板的拆卸,減少了工作量,降低了設備設資,安全可靠,不易泄漏。本發明方法可有效地利用催化反應前后氣體溫差進行熱交換,從 而幾乎不消庫C新鮮蒸汽,也大幅降低了冷卻水的使用量,在節能方面 有著極其突出的優勢。本發明的雙高壓C(h換熱器解決了目前市場上 的普通換熱器多為單程固定管板式、難以拆卸、 一旦出現故障檢修困難、設備甚至因此報廢的問題,其制造成本低、結構簡單、操作簡便、 易拆卸檢修,管程和殼程均適應高壓氣體通入,密封性好,不易發生 泄漏。
圖1是斯太米卡邦的高壓脫H2工藝流程圖;圖2是本發明高壓C02節能脫H2方法的工藝流程圖;圖3是本發明雙高壓C02換熱器的結構示意圖。圖中1一高壓C02加熱器;2—脫比反應器;3—高壓0)2冷卻器; 4—雙高壓C02換熱器;5—C02開工加熱器;S—蒸汽;Sc—蒸汽冷凝 液;W—冷卻水;6—殼體;7—U型換熱管;8—底座;9—管程出口; IO—管程進口; ll一管板;12—鎳基合金材料;13 —殼程進口; 14 —殼程出口; 15—管箱。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步解釋說明參照圖3,雙高壓C02換熱器包括殼體6、底座8,所述殼體6內 設有U型換熱管7, U型換熱管7兩端端面設有管板11,管板ll上 面設管箱15,管箱15被分隔成兩區, 一區與管程出口 9及U型換熱 管7的一端相通,另一區與管程進口 IO及U型換熱管7的另一端相 通。殼程進口 13及殼程出口 14與U型換熱管7外側相通。所述管板 11與管箱15連接處通過鎳基合金材料12密封焊接,密封性能好, 能適應管程和殼程的雙高壓環境,不會泄漏,保證裝置安全運行。需 要檢修時,可以伊除管板與管箱連接處的鎳基合金材料12,方便管 板11及U型換熱管7的拆卸,提高了設備的使用壽命。實施例1:參照圖1,開工時,含H2的高壓C02氣體壓力13. 0~ 25.0MPa(G),溫度100 130。C,經過雙高壓(:02換熱器4的管程進 入0)2開工加熱器5,在C02開工加熱器5的殼程用1.2~2. 5MPa (G) 蒸汽加熱,使含&的高壓C02氣體溫度升至160。C的反應初始溫度后,
送入脫H2反應器2,在DH-2脫氬催化劑床進行脫氬反應,脫氬反應 熱使反應后的高溫高壓C02氣體升溫到21(TC,然后再送入雙高壓C02 換熱器4的殼程,與管程里的100 130。C反應前的含H2的高壓C02 氣體進行換熱,使之升溫至16(TC反應初始溫度,同時反應后的高溫 高壓C02氣體溫度從21(TC降至熱平衡溫度,再送入高壓0)2冷卻器3 用冷卻水冷卻到100 - 130。C后送入C02汽提塔或尿素合成塔。當雙高 壓C(U灸熱器4進行換熱后,則停止向C02開工加熱器5送新鮮蒸汽, 進入正常運行狀態。整個工藝流程操作壓力為1. 2~2. 5MPa(G),操 作溫度為100~ 300°C。實施例2:開工時,含比的高壓C02氣體先經(U開工加熱器5 加熱至反應初始溫度,再經雙高壓0)2換熱器4的殼程進入脫H2反應 器2,脫氬反應后的高溫高壓C02氣體送入雙高壓C02換熱器4的管程, 與殼程里反應前的含&的高壓C02氣體進行換熱,當雙高壓C(U灸熱 器4進行換熱后,則停止向C02開工加熱器5送新鮮蒸汽,進入正常 運行狀態。其余才喿作同實施例l。
權利要求
1、 一種高壓C02節能脫H2方法,其特征是包括將含H2的高壓 C02氣體升溫至脫氫反應的初始溫度,再送入脫H2反應器內進行脫H2 反應,然后將脫H2反應后的高溫C02氣體降溫,再進入下游工序,其 中,所述含&的高壓C02氣體送入雙高壓C02換熱器的管程或殼程升 溫;所述脫H2反應后的高溫高壓C02氣體送入雙高壓C02換熱器的殼 程或管程降溫。
2、 如權利要求1所述的高壓C02節能脫H2方法,其特征是所 述含^的高壓C02氣體在開工初始時的升溫是通過0)2開工加熱器用 蒸汽進行加熱,所述C02開工加熱器與雙高壓C02換熱器串聯;當反應 后的高溫高壓C02氣體進入雙高壓C02換熱器內與含H2的高壓C02氣體 開始進4于^:熱后,0)2開工加熱器停止蒸氣加熱。
3、 如權利要求1或2所述的高壓C02節能脫H2方法,其特征是 所述脫&反應后的高溫高壓0)2氣體送入雙高壓0)2換熱器的殼程或 管程降溫后再送入高壓C02冷卻器用冷卻水進一步降溫。
4、 如權利要求1或2所述的高壓C02節能脫H2方法,其特征是 所述含H2的高壓C02氣體壓力13. 0 ~ 25. OMPa ( G ),溫度100 ~ 130°C 。
5、 一種雙高壓C02換熱器,包括殼體、換熱管、管程進口、管程 出口、殼程進口和殼程出口,其特征是所述換熱管為U型換熱管, 兩端經管板及管箱分別與管程進口和管程出口相通。
6、 如權利要求5所述的雙高壓C02換熱器,其特征是所述管板 與管箱連接處設有密封焊接的堆焊鎳基合金材料。
全文摘要
本發明公開了一種高壓CO<sub>2</sub>節能脫H<sub>2</sub>方法及雙高壓CO<sub>2</sub>換熱器,它解決了工業化尿素生產中CO<sub>2</sub>脫H<sub>2</sub>方法能耗大,成本高的問題。本方法發明包括將含H<sub>2</sub>的高壓CO<sub>2</sub>氣體升溫,再送入脫H<sub>2</sub>反應器內脫H<sub>2</sub>,將脫H<sub>2</sub>后的高溫CO<sub>2</sub>氣體降溫再進入下游工序,含H<sub>2</sub>的高壓CO<sub>2</sub>氣體送入雙高壓CO<sub>2</sub>換熱器的管程或殼程升溫;脫H<sub>2</sub>反應后的高溫高壓CO<sub>2</sub>氣體送入雙高壓CO<sub>2</sub>換熱器的殼程或管程降溫。本發明中的雙高壓CO<sub>2</sub>換熱器包括殼體、換熱管、管程進口、管程出口、殼程進口和殼程出口,所述換熱管為U型換熱管,兩端經管板及管箱分別與管程進口和管程出口相通。本發明具有節能、降耗、降低生產成本的優點。
文檔編號F25J3/08GK101144675SQ200710052918
公開日2008年3月19日 申請日期2007年8月9日 優先權日2007年8月9日
發明者任春芳, 劉佑義, 吳振飛, 王榮貴, 程忠振 申請人:五環科技股份有限公司