CN110998199A - 在芳烃联合装置中使用废热流的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在芳烃联合装置中使用废热流的方法和装置。更具体地，本发明涉及一种使用废热来驱动芳烃联合装置内的多压缩机服务以实现节能并提供原本被浪费的低级热量的方法和装置。

Description

在芳烃联合装置中使用废热流的方法和装置

优先权声明

本专利申请要求于2017年6月30日提交的美国临时申请号62/527,710的优先权，该引用申请的内容以引用方式全文并入本文。

技术领域

本发明涉及在芳烃联合装置中使用废热流的方法和装置。更具体地，本发明涉及一种使用废热来驱动芳烃联合装置内的多压缩机服务以实现节能并利用原本被浪费的低级热量的方法和装置。

背景技术

在有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle(ORC))系统中，原本在空气冷却器和水冷却器中传输的工艺废热可用于在中等的温度和压力下蒸发低沸点制冷剂工作流体，并且可回收来自蒸汽的能量。典型的有机朗肯循环(ORC)使用该工作流体来驱动与发电机相连的涡轮膨胀机，该发电机将电力输送至电网。ORC在炼油厂中回收废热的应用通常是具有高资本成本的相对低效率的系统，该资本成本的50％与涡轮膨胀机和发电机相关。

朗肯循环可用于从低温或中温热源产生电力。在与源换热后将工作流体例如在蒸发器或锅炉中进行蒸发，然后在驱动发电机或其他负载的涡轮膨胀机中使用蒸发的流体。将来自涡轮膨胀机的排放蒸汽冷凝，并且可将所得流体再循环以用于热交换。ORC使用有机流体作为工作流体。ORC系统的已知应用包括从地热源产生电力，如在美国专利号5,497,624和美国专利号6,539,718中所述。在US 2006/0010872、WO 2006/104490和WO 2006/014609中描述了将ORC与燃料电池产物和其他形式的废热组合的使用。在CN11055121、JP2003227315A2、《国际能源研究杂志(INTERNATIONAL JOURNAL OF ENERGY RESEARCH)》28(11):1003-1021(2004)和《能源(ENERGY)》32(4):371-377(2007)中描述了涉及太阳能和生物质的ORC的应用。美国专利号7,049,465还教导了使用ORC来改善从放热反应，尤其是对二甲苯到对苯二甲酸的液相氧化的能量回收。

本领域持续需要用于从提供原本被浪费的低级热源，特别是由炼油厂和石化工厂操作所得的那些来源回收诸如电等能量的方法。鉴于在这些操作中所产生的大量低级热量，以及回收甚至一小部分这种热量而可能实现的高能量和成本节约，该需要尤其重要。净发电对炼油商和石化生产商有显著益处，这是由于来自电厂中用作原材料的材料(例如，煤)的燃烧产物CO₂的排放减少。

发明内容

所提出的发明将通过以下方式来显著改善经济性：通过用直接压缩机驱动器系统替代涡轮膨胀机和发电机系统来大幅降低与涡轮膨胀机和发电机系统相关联的资本成本。在炼油厂工艺单元中压缩机是相对较高的电力消耗者，并且它们通常由蒸汽涡轮膨胀机或电动马达驱动。所提出的发明寻求用由有机工作流体供应的电力替代压缩机电源。压缩机驱动器是针对涡轮膨胀机和发电机的低成本替代。在压缩机操作中所节省的电力等于或大于原本应供应给电网的电力。

甚至是节能的芳烃联合装置也可具有显著量的低级废热，可使用有机朗肯循环回收该低级废热以用于发电。本发明寻求显著改善资本成本和回报。此类能量回收系统可应用于若干不同的塔柱，该塔柱产生用于驱动两个再循环气体压缩机的塔顶能量。

附图说明

图1示出了使用废热来驱动芳烃联合装置内的多压缩机服务的方法和装置。

具体实施方式

以下具体实施方式本质上仅为示例性的，并且不旨在限制所描述的实施方案的应用和使用。另外，不意图受前述背景技术或以下具体实施方式中呈现的任何理论的束缚。

参照图1提出了对本发明的方法的进一步描述。图1为本发明的优选实施方案的简化流程图，并且不旨在对本文所提供的说明书和所附的权利要求的一般广泛范围作出不当限制。已省略了某些硬件，诸如阀门、泵、压缩机、换热器、仪器和控件，因为该硬件对于清楚地理解本发明不是必需的。该硬件的使用和应用完全在本领域的技术范围内。

本发明与用于通过使用有机朗肯循环(ORC)从低级热源，尤其是炼油和石化工艺流来产生电力的方法相关联。低级热源可包括任何期望以电的形式回收其热含量的至少一部分的工艺流。通常用空气和/或水常规地冷却这些流，因为它们的温度不足以进行经济上有用的热集成应用(例如，预热，低压、中压或高压蒸汽产生或蒸馏塔再沸腾)。这些低级热源的温度一般为75℃至180℃，并且经常为50℃至120℃。作为低级热源的代表性流包括来自蒸汽-液体接触装置(诸如如上所述的蒸馏塔和其他塔柱(例如，吸收器、汽提塔、骤冷塔、洗涤塔等))的具有在这些范围内的温度的炼油和石化工艺流，其中特定示例为塔顶蒸汽，并且更一般地为塔顶产物。其他良好示例是产物馏出冷却器(run-down cooler)，例如芳烃联合装置内的，特别是用于预热器服务的解吸剂冷却器。低温热源的其他示例是在工艺交换之后，在典型的空气冷却产物冷凝器之前的反应器流出物流。

蒸馏塔是指基于不纯混合物中存在的组分的相对挥发性差异而在分离工艺中使用的那些蒸馏塔。蒸馏涉及通过沿着竖直塔柱的长度实现蒸汽-液体平衡的多个理论塔板来纯化具有不同相对挥发性的组分。上升的蒸汽与下降的液体接触，该上升的蒸汽相对于其蒸发自的处于塔柱中较低塔板中的液体富含较低沸点的组分，该下降的液体相对于其冷凝自的处于塔柱中较高塔板中的蒸汽富含较高沸点的组分。

蒸馏塔被广泛用于例如分离反应区的流出物，该蒸馏塔还包括提供多种产物馏分的分馏塔，每种馏分具有在某些沸点范围内的组分。反应区一般包括用于将原料(例如，催化地)转化成更有价值的反应器流出物的一个或多个反应器，该反应器流出物包含随后通过分馏而分解的产物馏分。因此，可选地在初始处理或分离(例如，在单塔板高压、中压和/或低压分离器中以移除氢气和/或诸如甲烷等轻质烃)之后，到诸如蒸馏塔的蒸汽-液体接触装置的含烃进料包括反应器流出物或包括反应器流出物的至少一部分的升级烃类产物。这些含烃进料一般包括至少80重量％的烃，并且通常包括至少90重量％的烃。

受权利要求书保护的本发明是一种使用废热来驱动芳烃联合装置内的多压缩机服务的方法。存在若干位于具有联合装置的电力消耗者附近的热源。有两种潜在的废热源，即塔顶冷凝器和工艺冷却器所位于的位置。可使用甲苯塔上方的位置，并且可使用对二甲苯萃取区上方的位置。然而，预期也可使用其他位置。再循环气体压缩机可位于甲苯萃取区外部的位置和异构化区外部的位置。然而，预期也可使用其他位置。

图1示出了根据本发明的代表性实施方案的使用废热来驱动芳烃联合装置内的多压缩机服务的方法。如图所示，分馏塔100分馏烃进料5，该烃进料可例如为来自石化工艺的反应区的升级烃产物。如上所讨论，可完全或基本上为汽相的塔顶产物10一般在使其成为适用于根据本文所述方法发电的低级热源的温度下被从分馏塔100中移除。塔顶产物10也可在离开分馏塔100之后在一定程度上被冷却至适用于该应用的温度。塔顶产物10可以是从分馏塔100中抽出的净塔顶物的全部或部分。

根据图1所示的实施方案，塔顶产物10被传递至蒸发器200以与有机流体18进行间接热交换，该有机流体的沸点一般比塔顶产物10的温度低5℃至14℃。可调节ORC系统的所有操作压力以使制冷剂性质与热源温度匹配。适合的有机流体包括商业上可用作制冷剂的碳氟化合物和氯氟烃(CFC)。代表性的碳氟化合物包括1,1,1,3,3-五氟丙烷(HFC-245fa)、1,1,1,2-四氟乙烷(HFC-134a)、1,1,2,2-四氟乙烷(HFC-134)、1,1,1,3,3-五氟丁烷(HFC-365mfc)、1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷(HFC-227ea)、以及它们的混合物。代表性的CFC包括CFC-113(1,1,2-三氯-1,2,2-三氟乙烷)、CFC-11(三氯氟甲烷)、CFC-12(二氯二氟甲烷)、CFC-22(氯二氟甲烷)、以及它们的混合物。碳氟化合物和氯氟烃的混合物也可用于有机流体中。

在蒸发器200中，塔顶产物10与有机流体18之间的间接热交换提供冷却的塔顶产物20，该塔顶产物的温度一般比恰好在热交换之前的塔顶产物10的温度低10℃至75℃。在代表性的实施方案中，恰好在热交换之后的冷却的塔顶产物20的温度一般为50℃至125℃，并且通常为65℃至100℃。由于间接热交换而从塔顶产物20移除的热量中的一些或全部可以是引起冷却的塔顶产物20的至少一部分(以及该产物的总体增加的液体馏分)冷凝的潜热，而不是引起该产物的温度降低的显热。

此外，由于间接热交换，离开蒸发器200的是具有相对于有机流体18增加的蒸汽馏分的富含蒸汽的流体22。优选地，富含蒸汽的流体22在离开蒸发器200之后完全为汽相。然后在涡轮膨胀机轮300中利用富含蒸汽的流体22以驱动发电机(用于发电)或其他类型的负载。涡轮膨胀机300与发电机320以及一个或多个压缩机340、350直接连接。经由内部齿轮或外部齿轮(诸如具有多个小齿轮的大齿轮)将由制冷剂供应给涡轮膨胀机的电力直接传输至压缩机服务。发电机可用作最初使用从电网供应的电力来启动压缩机服务的马达，然后当ORC系统操作开始以从低温热回收供电时转换成向电网供电的发电机。

为了加强芳烃联合装置相关的压缩设备，使用从不同单元进入到单个安装的涡轮机组资产中的再循环气体流340和再循环气体流350。在一个示例中，再循环气体流340源自甲苯单元，并且再循环气体流350源自异构化单元。应当认识到，与安装3个分离的专用资产(例如甲苯单元再循环气体压缩机340、异构化单元再循环气体压缩机350以及ORC涡轮膨胀机300和发电机组320)相比，安装单个多服务压缩机和涡轮膨胀机资产提供了显著的初始资本成本和安装成本优势。

所述机器类型的应用保持独立压缩再循环气体流的能力，而不会交叉污染工艺流(340/350/ORC制冷剂)或对关键工艺性能有任何损害。如图1所示，存在工艺边界342和工艺边界344。应当认识到，甲苯单元反应器回路和异构化单元反应器回路在不同的操作压力和温度下具有最佳性能。存在使用入口导向叶片以最大化每种服务(340、350、300)的操作灵活性同时以最低的初始成本最小化压缩机电力需求的机会。

为了建立完整的ORC，可例如使用空气冷却交换器400来冷凝来自涡轮膨胀机300的涡轮膨胀机排放物24，以使一般完全为液相的有机流体18再生。图1所示的示例使用优选的湿表面空气冷却器(WSAC)以最小化制冷剂的温度、最小化空气冷却器的大小并获得最佳ORC能量。然后可经由泵500泵送有机流体18以在蒸发器200中进行如上所述的间接热交换。

通常，使用蒸发器200对塔顶产物10进行冷却替代了使用常规的空气和/或水间接换热器进行冷却以将低级热量排放到环境中的至少一部分。在一些情况下取决于冷却的塔顶产物20的温度，该冷却的塔顶产物20可在传递至塔顶接收器700之前进一步冷却，诸如用水冷式交换器或调整冷凝器进行冷却。

交换器600用于预热制冷剂流18。在图1所示的示例中，使用两个交换器600来完成预热。然而，预期在其他实施方案中，预热可使用附加的工艺交换器。可串联或并联布置预热器以匹配芳烃联合装置的可用低温热量。在另一个实施方案中，涡轮膨胀机排放流24与冷凝器400之间也可存在交换器，该交换器在蒸发器服务200之前与所泵送的制冷剂交换热量。

具有所提出的先进冷却技术的冷凝器400为湿表面空气冷却器(WSAC)。在该技术中，在空气冷却器的管上喷水，同时将空气在管束上向下引导。然后使空气从水脱离，并且将水再循环。水显著改善热传递系数，并且蒸发将热量从水直接传递至空气。该系统设计相对于典型的冷却水系统更为紧凑和模块化，因为其最小化冷却塔、换热器、泵和相关联的管道。一些关键的WSAC优势包括：使出口温度尽可能低、由于允许的杂质浓度较高而节约水、紧凑的占地面积、比传统水冷却更低的寄生能量，以及有竞争力的成本和维护。

可串联或并联这些预热器以匹配芳烃联合装置的可用低温热量。在塔顶接收器700中，汽相作为净塔柱塔顶物26被移除，并且液相作为回流28返回到分馏器100。

总体上，本发明的各方面涉及从来自炼油和石化工艺的低级热源产生电力的方法，该低级热源包括塔顶产物，诸如来自蒸汽-液体接触装置的塔顶蒸汽，该蒸汽-液体接触装置包括蒸馏塔、吸收器、汽提塔、骤冷塔、洗涤塔等。不是将包含在这些蒸汽中的低温热量排放到冷却空气和/或冷却水中，而是将该蒸汽可替代地用于蒸发有机工作流体。然后可将工作流体的蒸汽发送至涡轮膨胀机以驱动发电机或其他负载，从而降低总体的实用性需求和原本在发电中所产生的诸如CO₂的排放物。

鉴于本公开，应当看出，可实现若干优势并且可获得其他有利结果。本领域技术人员应认识到，本文所公开的方法对多种炼油工艺、石化工艺和其他工艺中的任一种的适用性。通过从本公开所获得的知识，本领域技术人员应认识到，可对上述工艺做出各种改变而不脱离本公开的范围。用于解释理论的或观察到的现象或结果的机制应被解释为仅是示例性的，并且不以任何方式限制所附权利要求的范围。

虽然用目前被认为是优选的实施方案描述了本发明，但是应当理解的是，本发明不限于所公开的实施方案，而是旨在涵盖所附权利要求的范围内所包括的各种修改和等效布置。

具体的实施方案

虽然结合具体的实施方案描述了以下内容，但应当理解，该描述旨在说明而不是限制前述描述和所附权利要求书的范围。

本发明的第一实施方案是一种使用废热的方法，该方法包括将塔柱废热流从塔柱传递至膨胀区以产生压缩流，其中该膨胀区在单个安装的机器中包括具有涡轮膨胀机轮的涡轮膨胀机、一个或多个压缩机服务、以及发电机；将该压缩流传递至冷凝区以产生冷凝流；将该冷凝流传递至预热区以产生预热流；将该预热流传递至蒸发区以产生蒸发流；以及将该蒸发流传递回塔柱。本发明的一个实施方案是本段中的一个、任一个或所有先前实施方案直到本段中的第一实施方案，其中该塔柱废热流可源自芳烃联合装置中的多个废热源。本发明的一个实施方案是本段中的一个、任一个或所有先前实施方案直到本段中的第一实施方案，其中该废热流的温度为100℃至140℃。本发明的一个实施方案是本段中的一个、任一个或所有先前实施方案直到本段中的第一实施方案，其中该塔柱可以是芳烃联合装置内的任何塔柱。本发明的一个实施方案是本段中的一个、任一个或所有先前实施方案直到本段中的第一实施方案，其中该塔柱是萃取塔。本发明的一个实施方案是本段中的一个、任一个或所有先前实施方案直到本段中的第一实施方案，其中该塔柱是重整产品分离器。本发明的一个实施方案是本段中的一个、任一个或所有先前实施方案直到本段中的第一实施方案，其中该塔柱是A₈汽提塔。本发明的一个实施方案是本段中的一个、任一个或所有先前实施方案直到本段中的第一实施方案，其中该预热区包括多个预热器。本发明的一个实施方案是本段中的一个、任一个或所有先前实施方案直到本段中的第一实施方案，其中该蒸发区包括多个蒸发器。

本发明的第二实施方案是一种使用废热的装置，该装置包括与具有塔顶管线的塔柱直接连通的入口；该塔顶管线与蒸发区直接连通，该蒸发区具有与膨胀区直接连通的塔顶管线和与塔顶接收器直接连通的出口管线；该膨胀区具有与具有压缩区出口管线的冷凝区直接连通的膨胀区出口管线，其中该膨胀区在单个安装的机器中包括具有涡轮膨胀机轮的涡轮膨胀机、一个或多个压缩机服务和发电机；该冷凝区出口管线与预热区直接连通，该预热区具有预热区出口管线；并且该预热区出口管线与该蒸发区直接连通。本发明的一个实施方案是本段中的一个、任一个或所有先前实施方案直到本段中的第二实施方案，其中该废热流为富含蒸汽的流体。本发明的一个实施方案是本段中的一个、任一个或所有先前实施方案直到本段中的第二实施方案，其中该废热流的温度为100℃至140℃。本发明的一个实施方案是本段中的一个、任一个或所有先前实施方案直到本段中的第二实施方案，其中该塔柱可以是芳烃联合装置内的任何塔柱。本发明的一个实施方案是本段中的一个、任一个或所有先前实施方案直到本段中的第二实施方案，其中该塔柱是萃取塔。本发明的一个实施方案是本段中的一个、任一个或所有先前实施方案直到本段中的第二实施方案，其中该塔柱是重整产品分离器。本发明的一个实施方案是本段中的一个、任一个或所有先前实施方案直到本段中的第二实施方案，其中该塔柱是A₈汽提塔。本发明的一个实施方案是本段中的一个、任一个或所有先前实施方案直到本段中的第二实施方案，其中该预热区包括多个预热器。本发明的一个实施方案是本段中的一个、任一个或所有先前实施方案直到本段中的第二实施方案，其中该蒸发区包括多个蒸发器。

尽管没有进一步的详细说明，但据信，本领域的技术人员通过使用前面的描述可最大程度利用本发明并且可容易地确定本发明的基本特征而不脱离本发明的实质和范围以作出本发明的各种变化和修改，并且使其适合各种使用和状况。因此，前述优选的具体实施方案应理解为仅例示性的，而不以任何方式限制本公开的其余部分，并且旨在涵盖包括在所附权利要求书的范围内的各种修改和等效布置。

在前述内容中，所有温度均以摄氏度示出，并且所有份数和百分比均按重量计，除非另外指明。

Claims (10)

1.一种使用废热的方法，所述方法包括：

将塔柱废热流从塔柱传递至膨胀区以产生压缩流，其中所述膨胀区在单个安装的机器中包括具有涡轮膨胀机轮的涡轮膨胀机、一个或多个压缩机服务和发电机；

将所述压缩流传递至冷凝区以产生冷凝流；

将所述冷凝流传递至预热区以产生预热流；

将所述预热流传递至蒸发区以产生蒸发流；以及

将所述蒸发流传递回所述塔柱。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述塔柱废热流可源自芳烃联合装置中的多个废热源。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述废热流的温度为100℃至140℃。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述塔柱可以是芳烃联合装置内的任何塔柱。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述塔柱为萃取塔。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述塔柱为重整产品分离器。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述塔柱为A₈汽提塔。

8.一种使用废热的装置，所述装置包括：

入口，所述入口与具有塔顶管线的塔柱直接连通；

所述塔顶管线与蒸发区直接连通，所述蒸发区具有与膨胀区直接连通的塔顶管线和与塔顶接收器直接连通的出口管线；

所述膨胀区具有与具有压缩区出口管线的冷凝区直接连通的膨胀区出口管线，其中所述膨胀区在单个安装的机器中包括具有涡轮膨胀机轮的涡轮膨胀机、一个或多个压缩机服务和发电机；

所述冷凝区出口管线与预热区直接连通，所述预热区具有预热区出口管线；并且

所述预热区出口管线与所述蒸发区直接连通。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述废热流为富含蒸汽的流体。

10.根据权利要求8所述的装置，其中所述废热流的温度为100℃至140℃。

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