Procedimiento y aparato para sistema de intercambio de calor de gas de síntesis.

Un procedimiento para recuperar energía de una corriente de gas de síntesis portador de hidrógeno,

que comprende:

a. proporcionar un primer intercambiador de calor (E10, E20, E30, E40) que tiene al menos cuatro circuitos de flujo separados; b. suministrar una primera corriente caliente de gas de síntesis portador de hidrógeno (1) a un primer circuito de flujo de dicho primer intercambiador de calor;

c. suministrar un primer medio de intercambio de calor frío (20) a un segundo circuito de flujo de dicho primer intercambiador de calor, con lo que dicha corriente caliente de gas de síntesis 10 portador hidrógeno se enfría por intercambio indirecto de calor con dicho primer medio de intercambio de calor frío;

d. alimentar un segundo medio de intercambio de calor frío (30) a un tercer circuito de flujo de dicho primer intercambiador de calor, con lo que dicha corriente caliente de gas de síntesis portador de hidrógeno se enfría por intercambio indirecto de calor con dicho segundo medio de intercambio de calor frío;

e. alimentar un tercer medio de intercambio de calor frío (40) a un cuarto circuito de flujo de dicho primer intercambiador de calor, con lo que dicha corriente caliente de gas de síntesis portador de hidrógeno se enfría por intercambio indirecto de calor con dicho tercer medio de intercambio de calor frío; y

f. separar corriente de gas de síntesis portador de hidrógeno enfriada (8) de dicho intercambiador de calor, en el que la corriente caliente de gas de síntesis portador de hidrógeno (1), en una primera zona de transferencia de calor, intercambia primeramente calor de forma simultánea con corrientes de los primero y tercer medios (20, 40) calientes de intercambio de calor, e intercambia después, en una segunda zona de transferencia de calor a continuación de la primera zona de transferencia de calor, calor de forma simultánea con corrientes de los segundo y tercer medios (30, 40) fríos de intercambio de calor,

caracterizado por que dicho primer medio (20) de intercambio de calor frío es una corriente de alimentación de hidrocarburos, dicho segundo medio (30) de intercambio de calor frío es una corriente de agua de la caldera y dicho tercer medio (40) de intercambio de calor frío es una corriente de agua desmineralizada.

Procedimiento y aparato para sistema de intercambio de calor de gas de sïntesis.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIïN

Esta invenciïn se refiere a un procedimiento mejorado para la refrigeraciïn de gas de sïntesis portador de hidrïgeno a travïs de intercambio de calor y, especïficamente, a un diseïo mïs eficiente de los intercambiadores de calor para la refrigeraciïn de gas de sïntesis portador de hidrïgeno.

Corrientes de gas de sïntesis portador de hidrïgeno se producen generalmente a partir de procesos de reformado con vapor de agua/hidrocarburos (al que a menudo se denomina reformado con vapor de agua/metano) , de gasificaciïn de carbïn y de oxidaciïn parcial. Vïase, p. ej., el documento de EE.UU. 4.113.441 (reformado con vapor de agua de hidrocarburos) , el documento de EE.UU. 4.352.675 (oxidaciïn parcial de carbïn) , el documento de EE.UU. 4.566.880 (oxidaciïn parcial de carbïn) , el documento de EE.UU. 4.999.029 (oxidaciïn parcial de combustibles lïquidos y/o sïlidos) , el documento de EE.UU. 5.856.585 (oxidaciïn parcial de gas natural) , el documento de EE.UU. 6.730.285 (oxidaciïn parcial de alimentaciïn de hidrocarburos) y el documento de EE.UU.

6.749.829 (reformado con vapor de agua de gas natural) .

Tradicionalmente, las corrientes de producto de gas de sïntesis portador de hidrïgeno obtenidas a partir de estos procedimientos se han enfriado en intercambiadores de calor con carcasa y tubo. Vïase, por ejemplo, Fix et al., documento de EE.UU. 5.246.063, que describe un intercambiador de calor para la refrigeraciïn de gas de sïntesis generado a partir de una planta de gasificaciïn de carbïn. El intercambiador de calor contiene una pluralidad de tubos de intercambio de calor que estïn rodeados por una camisa. Los tubos se comunican en un extremo con una cïmara de admisiïn de gas, y en su otro extremo con una cïmara de extracciïn de gas. El gas de sïntesis procedente de una planta de gasificaciïn de carbïn entra en la cïmara de admisiïn de gas, pasa a travïs de las tuberïas y luego penetra en la cïmara de extracciïn de gas descarte. Mientras que pasa a travïs de las tuberïas, el gas de sïntesis se enfrïa por agua introducida en la camisa. El agua se vaporiza en vapor de agua que se retira entonces de la camisa.

Koog et al., documento de EE.UU. 4.377.132 describe otro tipo de intercambiador de calor con carcasa y tubos para la refrigeraciïn de gas de sïntesis. Este enfriador de gas de sïntesis tiene dos denominadas "paredes de agua" concïntricos dentro de una carcasa exterior. Cada una de las paredes de agua estï formada a partir de una pluralidad de tubos paralelos unidos entre sï mediante aletas de conexiïn para formar una pared estanca a los gases. El agua fluye dentro de los tubos y se vaporiza en vapor de agua. El gas de sïntesis fluye por el exterior de los tubos, primero axialmente y despuïs a travïs de la regiïn anular formada entre las dos paredes concïntricas de agua.

Decke et al., documento de EE.UU. 6.051.195, describe un sistema de refrigeraciïn de gas de sïntesis mïs complicado que comprende un refrigerador de gas de sïntesis radiante, y dos refrigeradores de gas de sïntesis por convecciïn, los cuales incluyen una estructura de refrigeraciïn por agua para proporcionar un intercambio de calor a travïs de la refrigeraciïn por agua que fluye en contracorriente.

Los intercambiadores de calor de placas y aletas y los intercambiadores de calor de tubos, enrollados en espiral o provistos externamente de aletas, se han empleado desde hace tiempo para recuperar el calor de proceso. Estos intercambiadores se emplean a menudo para calentar o enfriar una corriente de gas de baja densidad situada en el lado externo (a menudo con aletas) en contra de una corriente de densidad mïs alta con un mayor coeficiente de transferencia de calor dentro de las placas o tubos. La superficie ampliada del paso exterior con aletas permite (1) una mayor superficie de transferencia de calor que un tubo o placa desnudo y (2) proporciona una mayor transferencia de calor a una caïda de presiïn correspondientemente menor que la que se experimentarïa con tubos o placas desnudos.

Se conocen intercambiadores de calor que tienen mïs de un fluido circulando a travïs de pasos de tubo separados. La solicitud publicada de EE.UU. Nï 2005/0092472 (Lewis) describe un intercambiador de placas, aletas y tubos o de tubos con aletas, en el que un primer fluido de trabajo se hace fluir en el exterior de tubos con aletas, y dos o mïs fluidos de trabajo adicionales se hacen fluir en circuitos de tubos separados dentro del intercambiador de calor. En un ejemplo, el documento de EE.UU. '472 describe una realizaciïn en la que el primer fluido de trabajo fluye sobre la cara exterior con aletas y tres fluidos de trabajo adicionales fluyen dentro de circuitos de tubos separados dentro del intercambiador de calor. El primer fluido de trabajo es una mezcla de N2 y H2O. El segundo fluido de trabajo es, por ejemplo, gas natural. El tercer fluido de trabajo es agua, y el cuarto fluido de trabajo es tambiïn agua.

Vïase tambiïn Misage et al. (documento de EE.UU. 4.781.241) que describe un intercambiador de calor para uso con una planta de energïa de cïlula de combustible. En el intercambiador, efluente del reformador pasa sobre el exterior de los tubos. Estos ïltimos proporcionan la circulaciïn de tres fluidos diferentes, es decir, agua, vapor de agua y el combustible hidrocarbonado a ser precalentado. Vïanse, tambiïn, los documentos de EE.UU. 3.277.958 (Taylor et al.) , EE.UU. 3.294.161 (Wood) , EE.UU. 4.546.818 (Nussbaum) , EE.UU. 4.344.482 (Dietzsch) y EE.UU. 5.419.392 (Maruyama) .

El procedimiento de la tïcnica anterior de enfriar la corriente de gas de sïntesis portador de hidrïgeno es el intercambio de calor a travïs de intercambiadores de calor individuales separados. En cada uno de estos intercambiadores de calor separados, el gas de sïntesis se enfrïa a la temperatura de salida deseada por intercambio de calor con una sola corriente del proceso tal como la corriente de hidrocarburos de alimentaciïn, el agua de alimentaciïn de la caldera, agua desmineralizada, aire ambiente y/o agua de refrigeraciïn. Esta prïctica de refrigeraciïn de gas de sïntesis portador de hidrïgeno en uno o mïs intercambiadores de calor con carcasa y tubos, utilizando cada uno de los intercambiadores de calor un ïnico medio de refrigeraciïn, es relativamente ineficiente. Cambios recientes en el costo del material de alimentaciïn combinado con una presiïn econïmica cada vez mayor han creado una demanda de un procedimiento y aparato para conseguir la producciïn de gas de sïntesis, incluidos procesos mïs eficientes y menos costosos para enfriar gas de sïntesis por intercambio de calor.

En el documento GB 2.187.751, un compuesto orgïnico (metano) y una corriente con contenido en oxïgeno se introducen en una zona de oxidaciïn parcial 1 en donde el compuesto orgïnico sufre una oxidaciïn parcial. Ademïs, un compuesto orgïnico (metano) y vapor de agua se introducen en una primera zona de regenerador de calor/reformador 2, en donde el compuesto orgïnico se reforma con vapor de agua. Los gases de sïntesis resultantes de estas primeras dos zonas en envïan luego a la zona 3, es decir, un segundo regenerador de calor/reformador. Gas de sïntesis descargado del segundo regenerador de calor/reformador a travïs de la tuberïa 9 es enviado a un intercambiador de calor recuperativo 16. El gas de sïntesis fluye verticalmente hacia arriba a travïs del intercambiador de calor 16, con lo que sufre un intercambio de calor indirecto con tres corrientes que fluyen verticalmente hacia abajo a travïs del intercambiador de calor 16, es decir, la corriente de alimentaciïn del compuesto orgïnico (metano) , la corriente de alimentaciïn de la corriente con contenido en oxïgeno y el agua utilizada procedente del vapor de agua para introducciïn en la primera zona de regenerador de calor/reformador 2.

El documento EP 0 578 218 describe un procedimiento para la producciïn de gas de sïntesis, en el que el calor se recupera del gas de sïntesis producido y del gas de combustiïn que resulta de la combustiïn del combustible utilizado para calentar las reacciones de reforma endotïrmicas. Tal como se muestra en la Fig. 2, una corriente de gas de sïntesis 226 y una corriente de gas de combustiïn 236 se enfrïan en un intercambiador de calor de placas y aletas de mïltiples pasajes. Estas dos corrientes se enfrïan dentro del intercambiador de calor 202 mediante intercambio de calor indirecto con una corriente de gas natural 200, una corriente de agua 228 y una corriente 212 que contiene una mezcla de vapor de agua saturado y gas natural. El preïmbulo de la reivindicaciïn 1 se basa en este... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para recuperar energïa de una corriente de gas de sïntesis portador de hidrïgeno, que comprende:

a. proporcionar un primer intercambiador de calor (E10, E20, E30, E40) que tiene al menos cuatro circuitos de flujo separados;

b. suministrar una primera corriente caliente de gas de sïntesis portador de hidrïgeno (1) a un primer circuito de flujo de dicho primer intercambiador de calor;

c. suministrar un primer medio de intercambio de calor frïo (20) a un segundo circuito de flujo de dicho primer intercambiador de calor, con lo que dicha corriente caliente de gas de sïntesis portador hidrïgeno se enfrïa por intercambio indirecto de calor con dicho primer medio de intercambio de calor frïo;

d. alimentar un segundo medio de intercambio de calor frïo (30) a un tercer circuito de flujo de dicho primer intercambiador de calor, con lo que dicha corriente caliente de gas de sïntesis portador de hidrïgeno se enfrïa por intercambio indirecto de calor con dicho segundo medio de intercambio de calor frïo;

e. alimentar un tercer medio de intercambio de calor frïo (40) a un cuarto circuito de flujo de dicho primer intercambiador de calor, con lo que dicha corriente caliente de gas de sïntesis portador de hidrïgeno se enfrïa por intercambio indirecto de calor con dicho tercer medio de intercambio de calor frïo; y

f. separar corriente de gas de sïntesis portador de hidrïgeno enfriada (8) de dicho intercambiador de

calor, en el que la corriente caliente de gas de sïntesis portador de hidrïgeno (1) , en una primera zona de transferencia de calor, intercambia primeramente calor de forma simultïnea con corrientes de los primero y tercer medios (20, 40) calientes de intercambio de calor, e intercambia despuïs, en una segunda zona de transferencia de calor a continuaciïn de la primera zona de transferencia de calor, calor de forma simultïnea con corrientes de los segundo y tercer medios (30, 40) frïos de intercambio de calor, caracterizado por que dicho primer medio (20) de intercambio de calor frïo es una corriente de alimentaciïn de hidrocarburos, dicho segundo medio (30) de intercambio de calor frïo es una corriente de agua de la caldera y dicho tercer medio (40) de intercambio de calor frïo es una corriente de agua desmineralizada.

2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicaciïn 1, en el que dicha primera corriente caliente de gas de sïntesis portador de hidrïgeno se obtiene de un proceso de reformado con vapor de agua/hidrocarburos, un proceso de gasificaciïn con carbïn o un proceso de oxidaciïn parcial.

3. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicaciïn 2, en el que dicha corriente de alimentaciïn de hidrocarburos de dicho primer medio de intercambio de calor frïo es para dicho proceso de reformado con vapor de agua/hidrocarburos o un proceso de oxidaciïn parcial.

4. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicaciïn 1, que comprende, ademïs: alimentar un cuarto medio (50) de intercambio de calor frïo a un quinto circuito de flujo de dicho primer intercambiador de calor, con lo que dicha corriente caliente de gas de sïntesis portador de hidrïgeno se enfrïa mediante intercambio indirecto de calor con dicho cuarto medio de intercambio de calor frïo, en el que la corriente caliente de gas de sïntesis portador de hidrïgeno (1) intercambia finalmente, en una tercera zona de transferencia de calor a continuaciïn de la segunda zona de transferencia de calor, calor de forma simultïnea con corrientes de los tercer y cuarto medios (40, 50) de intercambio de calor frïos.

5. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicaciïn 1, que comprende, ademïs: separar al menos una parte (5) de la sïntesis caliente portadora de hidrïgeno del intercambiador de calor (E10, E20, E30) , someter la sïntesis caliente (5) portadora de hidrïgeno separada del intercambiador de calor para intercambiar calor con un segundo intercambiador de calor (AC-1) , y devolver al menos una parte de la sïntesis (6) portadora de hidrïgeno enfriada resultante al primer intercambiador de calor para enfriar adicionalmente mediante intercambio indirecto de calor.

6. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicaciïn 1, en el que dicho intercambiador de calor es un intercambiador de calor de tubos enrollados en espiral.

7. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicaciïn 1, en el que dicho intercambiador de calor es un intercambiador de calor de placas y aletas.

8. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicaciïn 1, en el que dicho intercambiador de calor es un intercambiador de calor de carcasa y tubos.

9. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicaciïn 1, en el que dicho intercambiador de calor estï dividido en al menos una primera secciïn y una segunda secciïn.

10. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicaciïn 9, en dicha primera secciïn, el intercambio indirecto de calor se realiza entre la corriente caliente de gas de sïntesis portador de hidrïgeno (1) y el segundo medio (30) de intercambio de calor frïo, y entre la corriente caliente de gas de sïntesis portador de hidrïgeno (1) y el tercer medio (40) de intercambio de calor.

11. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicaciïn 9, en el que el intercambio indirecto de calor entre la corriente caliente de gas de sïntesis portador de hidrïgeno (1) y el primer medio (20) de intercambio de calor frïo se realiza tanto en la primera secciïn como en la segunda secciïn.

12. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicaciïn 10, en el que el intercambio indirecto de calor entre la corriente caliente de gas de sïntesis portador de hidrïgeno y el primer medio (20) de intercambio de calor frïo se realiza tanto en la primera secciïn como en la segunda secciïn.

13. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicaciïn 11, en el que el intercambio de calor entre la corriente caliente de gas de sïntesis portador de hidrïgeno (1) y el cuarto medio (50) de intercambio de calor frïo se realiza en la segunda secciïn.

14. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicaciïn 12, en el que el intercambio de calor entre la corriente caliente de gas de sïntesis portador de hidrïgeno (1) y el cuarto medio (50) de intercambio de calor frïo se realiza en la segunda secciïn.

15. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicaciïn 9, que comprende, ademïs: separar toda o una parte de la corriente de gas de sïntesis portador de hidrïgeno de la primera secciïn del intercambiador de calor, someter el gas de sïntesis portador de hidrïgeno separado de la primera secciïn a intercambio de calor en un segundo intercambiador de calor (AC-1) , separar el gas de sïntesis portador de hidrïgeno procedente de dicho segundo intercambiador de calor e introducirlo en un separador de gas/lïquido (V1) , y separar la corriente de gas de sïntesis portador de hidrïgeno no condensada procedente del separador de gas/lïquido e introducirla en la segunda secciïn del intercambiador de calor.

16. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicaciïn 9, que comprende, ademïs: separar toda o una parte de la corriente de gas de sïntesis portador de hidrïgeno de la primera secciïn del intercambiador de calor, someter el gas de sïntesis portador de hidrïgeno separado de la primera secciïn a intercambio de calor en un segundo intercambiador de calor (AC-1) , separar el gas de sïntesis portador de hidrïgeno procedente de dicho segundo intercambiador de calor e introducirlo en un separador de gas/lïquido (V1) , y separar la corriente de gas de sïntesis portador de hidrïgeno no condensada procedente del separador de gas/lïquido e introducirla en un tercer intercambiador de calor, separar el gas de sïntesis portador de hidrïgeno de dicho tercer intercambiador de calor e introducirla en un segundo separador de gas/lïquido del que se separa gas de sïntesis portador de hidrïgeno producto enfriado.

17. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicaciïn 1, en el que dicho gas de sïntesis portador de hidrïgeno contien.

35. 75% en moles de H2, 0 -2% en moles de N2.

2. 45% en moles de CO.

12. 40% en moles de CO2, 0 – 10% en moles de H2S y menos de 3% en moles de hidrocarburos C2+.

18. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicaciïn 1, en el que dicho gas de sïntesis portador de hidrïgeno contiene hasta 11% en moles de metano.

19. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicaciïn 1, en el que dicho gas de sïntesis portador de hidrïgeno contiene hasta 10% en moles de sulfuro de hidrïgeno.

20. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicaciïn 1, en el que dicho gas de sïntesis portador de hidrïgeno se enfrïa desde una temperatura de 250 a 450ïC hasta una temperatura de 30 a 50ïC.

21. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicaciïn 4, en el que dicha corriente (20) de alimentaciïn de hidrocarburos se calienta desde una temperatura de 10 a 49ïC, dicha corriente (30) de agua de la caldera se introduce a una temperatura de 10ïC, y dicha corriente (40) de agua desmineralizada se calienta desde una temperatura de 10 a 60ïC.

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