CN114040904A - 间歇性能源在化学品生产中的用途 - Google Patents

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斯科特·史蒂文森
安德鲁·马克·沃德
肯尼思·弗朗西斯·劳森
约瑟夫·威廉·施罗尔
迈克尔·爱德华·哈克曼
赵准
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Abstract

一种化学合成设备，其包括：一个或多于一个反应器，其被配置成用于由一种或多于一种反应物生产包含至少一种化学产物的工艺流；进料制备系统，其被配置成用于制备一个或多于一个进料流，所述一个或多于一个进料流包含用于引入所述反应器中的所述一种或多于一种反应物中的一种或多于一种；和/或产物纯化系统，其被配置成用于将至少一种化学产物与所述工艺流内的反应副产物、未反应的反应物、或其组合分离，其中所述化学合成设备被配置成使得通过所述一个或多于一个反应器、所述进料制备系统、所述产物纯化系统、或其组合使用的加热、冷却、压缩、或其组合所需的大多数(例如，大于50％、60％、70％、80％、90％、或100％)净能量由间歇性能源(IES)提供。

Description

间歇性能源在化学品生产中的用途
技术领域
本公开涉及间歇性能源IES(其可以是非碳基能源和/或可再生能源)在化学品生产中的用途；更具体地，本公开涉及利用来自IES的电力的化学合成设备的电气化；更具体地，本公开涉及用IES使化学合成设备运转的系统和方法。
背景技术
化学合成设备用来提供各种化学品。通常，燃烧专用燃料以提供化学合成反应热、加热一个或多于一个工艺流的能量、使液体蒸发的能量(例如，用作稀释剂的沸水)、做功的能量(例如，驱动压缩机或泵)或用于整个化学合成设备中其他工艺操作的能量。燃料的这种燃烧导致产生可能对环境有害的烟气，并且还导致工艺的能量效率损失。同样地，在化学合成设备中，蒸汽通常常规地被用作整个设备的热量和/或能量传递流体。用于热量和/或能量传递的蒸汽通常通过燃料的燃烧产生，这导致在化学合成期间额外烟气的产生和另外的能量效率损失。此外，可以另外用作反应物以作为燃料燃烧的材料的使用还减少了在化学合成设备中由给定量的该材料产生的所需化学产物的量。因而，需要化学合成的强化系统和方法，从而减少或消除为提供能量而燃烧的燃料，尤其是化石燃料的量。期望的是，此类系统和方法还通过化学合成设备导致能量效率的提高和/或排放(如温室气体(GHG)的排放)的减少。
发明内容
本文所公开的是一种化学合成设备，所述化学合成设备包括：一个或多于一个反应器，其被配置成用于由一种或多于一种反应物生产包含至少一种化学产物的工艺流；进料制备系统，其被配置成用于制备一个或多于一个进料流，所述一个或多于一个进料流包含用于引入所述反应器中的所述一种或多于一种反应物中的一种或多于一种；和/或产物纯化系统，其被配置成用于将至少一种化学产物与所述工艺流内的反应副产物、未反应的反应物、或其组合分离，其中所述化学合成设备被配置成使得通过所述一个或多于一个反应器、所述进料制备系统、所述产物纯化系统、或其组合使用的加热、冷却、压缩、或其组合所需的大多数(例如，大于50％、60％、70％、80％、90％、或100％)净能量由间歇性能源(IES)提供。
本文还公开了一种化学合成设备，其被配置成用于利用来自可再生间歇能源(IES)的电力来提供加热、冷却、压缩、或其组合所需的大多数(例如，大于50％、60％、70％、80％、90％、或100％)净能量的操作。
附图说明
为了更全面地理解本公开及其优势，现结合附图和详细描述参考以下简要描述，其中相同的附图标记代表相同的部分。
图1示出了典型的现有技术化学工艺的概念图；
图2示出了根据本公开的实施方案可以由可再生间歇性能量供能的化学工艺的概念图；
图3示出了根据本公开的实施方案可以由可再生间歇性能源(IES)供能的一般化学合成设备I的方框流程图；
图4示出了根据本公开的实施方案可以由可再生间歇性能源(IES)供能的化学合成设备II的示意图；
图5A是根据本公开的实施方案用于通过压缩来储存能量的系统IIIA的示意图；
图5B是根据本公开的实施方案用于通过冷却来储存能量的系统IIIB的示意图；
图5C是根据本公开的实施方案用于通过氢气来储存能量的系统IIIC的示意图；和
图5D是根据本公开的实施方案用于通过加热来储存能量的系统IIID的示意图。
图6示出了根据本公开实施方案进行电气化并且在实施例1和2中显示的用于烯烃合成工艺VII的操作参数。
图7示出了根据本公开实施方案进行电气化并且在实施例3和4中显示的用于氨合成工艺XII的操作参数。
图8示出了根据本公开实施方案进行电气化并且在实施例5和6中显示的用于甲醇合成工艺X/XI的操作参数。
具体实施方式
首先应理解，尽管下文提供了一个或多于一个实施方案的说明性实施方式，但是所公开的组合物、方法和/或产物可以使用许多技术来实施，无论这些技术是当前已知的还是尚不存在的。本公开不应以任何方式受限于下文所示的说明性实施方式、附图和技术，包括本文所示和描述的示例性设计和实施方式，而是可以在所附权利要求书的范围内以及其等效物的全部范围内进行修改。
虽然以下术语被认为是本领域普通技术人员很好地理解的，但是阐述以下定义以促进对当前所公开主题的解释。除非另外定义，否则本文所用的所有技术和科学术语都具有与当前所公开的主题所属领域普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。
如本文所使用的，‘间歇能源’或‘IES’是由于所使用的能量不能被储存或在经济上不可取而不是连续地可用于转化为电力和外部直接控制的任何能源。间歇性能源的可用性可以是可预测的或不可预测的。如本文所定义的，可再生间歇性能源是也是可再生能源的间歇性能源。‘间歇性电力’是指由IES产生的电力。
如本文所使用的，‘可再生能量’和‘非化石基能量(ENF)’包括来源于可持续能源的能量，该能量将很快被天然、持续的过程和核能所取代。因而，术语‘可再生能量’和‘非化石基能量(ENF)’是指来源于非化石燃料基能源的能量(例如，不是通过燃烧化石燃料如煤或天然气所产生的能量)，而‘不可再生’或‘化石基能量(EF)’是来源于化石燃料基能源的能量(例如，通过燃烧化石燃料所产生的能量)。化石燃料是在过去的地质时期由生物体的遗骸形成的天然燃料，如煤或天然气。因而，如本文所使用的，‘可再生’和‘非化石基能量(ENF)’包括但不限于风能、太阳能、水流/运动或生物质能，这些能量在使用时不会耗尽，与在使用时会耗尽的来自如化石燃料的来源的‘不可再生’能量相反。因此可再生能量不包括化石燃料基能量(EF)并且包括生物燃料。
如本文所使用的，‘非碳基能量(ENC)’是来自非碳基能源的能量(例如，不是通过燃烧碳基燃料如烃产生的能量)，而碳基能量(EC)是来自碳基能源的能量(例如，通过燃烧碳基燃料如烃所产生的能量)。核能在本文中被认为是可再生的非化石基能量(ENF)和非碳基能量(ENC)。因此碳基能量(EC)可以是可再生(例如，非化石燃料基)或不可再生的(例如，化石燃料基)。例如，各种碳基生物燃料在本文中被认为是可再生的碳基能源。
如本文所使用的，‘可再生电力’表示由可再生能源产生的电力，而‘不可再生电力’是由不可再生能源产生的电力。如本文所使用的‘非碳基电力’指由非碳基能源产生的电力，而‘碳基电力’是由碳基能源产生的电力。
例如，在实施方案中，通过燃烧来自可再生(例如，生物)来源的可再生烃，可在整个本文公开的化学合成设备中提供可再生电力和/或热量。例如，在实施方案中，可再生电力可以通过燃烧包含在用农业废弃物进料的消化器中产生的甲烷的ENF/EC能源来产生。同样，在实施方案中，包含使用短周期碳废弃材料产生的合成气的ENF/EC能源可以被用作燃料(例如，被燃烧以产生可再生电力和/或热量)。期望的是，通过这种燃烧产生的二氧化碳被重新捕获(例如，通过新作物的生长)。
如本文所使用的，‘外部’燃烧燃料是指(例如在炉中)燃烧反应器外的燃料。作为主反应一部分的燃烧(例如，自热重整(ATR)中伴随重整发生的燃烧)不被视为“外部”燃烧。如本文所使用的，‘专用’燃料是仅为提供燃料值(例如，燃烧热)并且不被转化为产物而引入的燃料或部分进料流。
如本文所使用的，传热蒸汽(SHT)表示仅仅或主要作为能量或热量传递介质产生的蒸汽(例如，未用作稀释剂和/或反应物的蒸汽)。
如本文所使用的，‘净’热量输入或去除是指导致一次能源消耗的热量输入或去除，例如，未从设备的另一段或流提供的热量输入或去除，例如，未通过与另一工艺流的热交换提供的热量输入或去除。类似地，‘净’能量是指导致一次能源消耗的能量，例如，未从设备的另一段或流提供的能量，例如，未通过与另一工艺流的热交换提供的热能。
如本文所使用的，‘供能’表示供应机械能和/或电能。
如本文所使用的，‘加热’表示供应热能。如本文所使用的，‘冷却’表示从中去除热能。如本文所使用的，‘直接’加热或冷却是指不使用传热介质/流体而加热或冷却；‘间接’加热或冷却是指通过传热介质/流体进行加热或冷却。
如本文所使用的，‘大部分’或‘大多数’表示超过50％或超过一半。
如本文所使用的，‘希望的’参数(例如，希望的温度)可以指参数的预期值或目标值，例如预定值，如用于过程控制的设定点的值。
耗电量：对电力消耗的提及可以指如在特定位置测量的电力使用率(例如，以MW计)。例如，可以在每个电气化炉的边界处或在整个烯烃合成设备边界处计算率。此计算可考虑在该位置内使用的所有电力。
烟气：在发电站和/或工业厂房中，通过燃烧燃料或其他材料可以产生的气体混合物，其中该气体混合物可通过管道提取。
烟气热回收：烟气热回收可以是指从热烟气中提取有用热能，例如通过将所述热烟气通过一个或多于一个热交换器以提高较冷工艺流体的温度和/或改变所述流体的相(例如，使水沸腾以增加蒸汽)。在任何烟气热回收后，烟气中剩余的任何能量可称为烟气(能量)损失。烟气热回收段可以是用来回收烟气热的设备以及所述设备对应的位置。缺乏烟气热回收段可能意指没有从热烟气中回收热量的设备或区域。
对流段：对流段可以是炉(例如，蒸汽裂解炉或重整炉)的一部分，在其中通过对流传热从热烟气中回收热量。缺乏对流段可能意指没有通过对流传热从热烟气中回收热量的设备或区域。
“无蒸汽”或“基本无蒸汽”：“无蒸汽”可以指不使用蒸汽将能量从一个工艺操作传递到另一个工艺操作的过程，或从外部将能量引入工艺中的过程。“基本无蒸汽”意指已将使用蒸汽来将能量从一个工艺操作传递到另一个工艺操作或从外部将能量引入工艺中的过程最小化，这样使得使用蒸汽的所有能量传递的总和总计小于所提供的净能量的约10％、约20％或约30％。用作反应物、稀释剂、作为产物获得或直接与工艺流混合的蒸汽可称为“工艺蒸汽”，并且不包括在本定义中。
一次能量传递介质：一次能量传递介质可以是用于将热能形式的能量从一个工艺操作移动到另一个工艺操作、或将能量引入工艺中的物质。应注意，物质在工艺中可能有不止一种用途，如充当反应物或反应稀释剂，同时还充当将热量从一个工艺操作热递到另一个工艺操作的介质。在此类情况下，使用蒸汽作为反应物或稀释剂可被认为是主要的，并且传热的影响也可被认为是次要的。
电阻加热：电阻加热可以是通过使电流通过电阻单元来加热。
感应加热：感应加热可以是通过电磁感应加热导电物体(通常是金属)的过程。
辐射加热：辐射加热可以是通过来自一个或多于一个较热物体的辐射来加热物体的过程。
外部燃烧：外部燃烧可以意指燃烧燃料以产生热量，并穿过表面(例如管壁)将该热量传递给工艺流体，使得燃烧产物不与工艺流体混合。
热电装置：热电装置可以是穿过热电偶将温差直接转换为电压(或相反)的装置。
等温操作：等温操作可以是恒定温度下的操作。等温操作可使温度保持在预定操作温度偏差的0.5％、1％、2％、3％、4％、5％直至10％内。
对流传热：对流传热可以是通过流体的运动将热量从一个地方移动到另一个地方。
尽管上述定义中的大多数基本上如本领域技术人员所理解，但是由于当前所公开主题在本文中的特定描述，上述定义中的一个或多于一个可能在上文中以不同于本领域技术人员通常理解的含义的方式来定义。
如本文所使用的，提及当IES‘可用’时包括当可以获得IES时和/或当可以以经济的价格获得IES时。也就是说，为简洁起见，‘当IES可用时’旨在包括‘当IES可用时和/或经济上可取时’。
图1示出了典型的传统化学工艺的概念图。该工艺的目标是将原料A转化为产物B，尽管通常也会产生一些副产物(表示为流C)。
用于产生这种转化的单元操作需要大量的能量。常规地，该能量主要通过燃烧燃料(通常是天然气)供应以产生热量，在图1中表示为ΔHc(例如，燃烧热)。这导致不希望的二氧化碳(CO2)的产生和排放。如果反应是放热的，则额外的能量可由反应热ΔHr供应；如果反应是吸热的，则需要添加等于ΔHr的额外量的能量。如果燃烧一些副产物以产生能量其表示为ΔHbp，则总能量平衡也可能受到影响。然而，许多化学工艺、甚至涉及放热反应的那些，都是净能量消耗者，并且因此需要外部能源(典型地由烃燃料提供)来提供净过程能量。
电力通常只是进入大多数化工生产工艺的少型外部输入。内部电气要求，如用于照明或控制，通常小到可忽略不计，并且在那些需要大量电力的少数工艺中，例如电化学反应器(例如，制造氯气(Cl2)和氢氧化钠(NaOH)的氯碱工艺)，这种电力通常是在设备边界内通过烃的燃烧产生的，并且即使当不在设备边界内产生时，如果电力是通过烃的燃烧获得而非可再生地获得的，则在能量效率和CO2排放方面，这种电力的使用相当于通过烃燃烧现场发电。
在大多数化工生产过程中，可以将能量消耗方便地划分为三大类。在第一个这样的大类中，本文中称为第一类C1，通过在炉中燃烧燃料(例如，天然气/化石燃料)直接作为热能供应热量。(如在此使用的“直接”表示不存在中间传热介质，如蒸汽。)这些炉通常在高温下运行，并且需要大的热通量。此类炉的能量效率受到炉烟气的热量损失的限制。即使在通过冷却烟气以回收能量(例如产生蒸汽或提供工艺加热)将这些热量损失最小化的情况下，燃料中所含化学能成为可用热能的转化率通常也不超过85％至90％，甚至伴随大量的投资以及设计和操作灵活性的损失。
化学工艺中能量消耗的第二大类(本文中称为第二类C2)包括各种化学流的加热，主要是为了将其温度升高到所需的反应温度或为分离(最常见的是蒸馏)提供能量。尽管此热量中的一部分可通过与其他化学流交换获得，但最典型的是通过烃燃料(例如，天然气/化石燃料)燃烧直接产生的蒸汽或来自高温炉(例如，来自C1类)的烟气的热传递提供。大多数现代化学工艺包括相对复杂的蒸汽系统(或其他传热流体系统，为了简单起见，在本文中一般称之为蒸汽传热系统)，以将能量从其过剩的地方移动到需要其的地方。该蒸汽系统可以包括在不同温度下提供热量的多个压力水平的蒸汽，以及蒸汽和冷凝水回收系统，并且经受腐蚀、积垢和其他操作困难，包括水处理和受污染的冷凝水处理。由于对传热、蒸汽冷凝和锅炉水循环的实际限制，蒸汽中含有的可用于加热工艺流的能量分数通常限制在90％至95％。如果蒸汽是由专门的外部锅炉产生的，那么燃料中含有的最多80％至85％的化学能将被化学工艺用作热量，因为在第一类C1中，额外的10％至15％或更多的化学能将损失到烟气中。
化学工艺中能量使用的第三大类(本文中称为第三类C3)是用于做机械功的能量。这种功主要用于对流体加压和将流体从一个地方移动到另一个地方，并用于驱动旋转设备，如泵、压缩机和风扇。这种第三类C3还包括制冷设备，因为它主要由压缩供能。在大多数化工设施中，用于这种功的能量由蒸汽提供，该蒸汽通过热工艺流的传热获得、通过在C1类中从炉(例如，对流段中)的部分冷却的烟气流的传热获得、或直接在专门的外部锅炉中从烃(例如，天然气/化石燃料)的燃烧获得。由于热能转化为机械功的限制，相对于用作燃料的烃所含化学能而言，这些用途的能量效率低，典型地只有25％至40％。
已经出乎意料地发现，使用电力(例如，可再生和/或不可再生的电)来替代化学工艺中从烃燃料获得的能量，可以通过提高整个能量效率、同时减少二氧化碳排放来改进该过程。在某些情况下，使用电力(例如，可再生和/或不可再生电力)来替代从化学工艺中的烃燃料获得的能量还可以提高可靠性和可操作性，减少例如NOx、SOx、CO和/或挥发性有机化合物的排放，和/或降低生产成本(例如，如果低成本的电力可用)。
根据本公开的实施方案，通过在炉中燃烧燃料(例如，天然气/化石燃料)和/或第一类C1中的其他加热而常规地作为热能供应的热量被电加热所替代。电热、电加热、电发热、电加热装置等是指将电力转化成可用于施加到流体上的热能。这种电加热包括但不限于通过阻抗加热(例如，在电力流过带有待加热流体的导管的情况下)，通过欧姆加热、等离子体、电弧、射频(RF)、红外(IR)、UV和/或微波加热，通过电阻加热元件加热，通过来自电加热元件的辐射加热、通过感应加热(例如，振荡磁场)、通过由电力驱动的机械手段(例如，压缩)加热、通过热泵加热、通过使相对热的惰性气体或另一种介质通过含有待加热流体的管进行加热(其中热惰性气体或另一介质被电加热)，或通过这些或类似的一些组合进行加热。
根据本公开的实施方案，消除如第二类C2中的蒸汽(或另一种传热流体)的使用和/或电产生或加热(例如，通过水的电加热)仅用作中间传热介质的任何蒸汽(或其他流体)。
根据本公开的实施方案，在第三类C3中使用的常规旋转设备(例如，蒸汽涡轮机)被电驱动的装置所替代。根据本公开的实施方案，第三类C3中的热量去除被电动热量去除所替代，例如冷却和/或制冷。电冷却、电冷却器、电除热、电冷却或制冷装置等是指从流体中去除热能。这种电冷却包括但不限于通过电动装置进行冷却。例如，并且不受限地，电冷却可以通过用电力为制冷循环供能来提供，其中制冷剂通过电动压缩机进行压缩。作为另一实施例，电冷却可以通过吹气的冷却风扇供能来提供，其中该空气冷却工艺流体或元件。在实施方案中，电加热和冷却可以通过任何电源实现。
图2是根据本公开实施方案的由可再生能量供能的化学工艺的示意图。如图2所示，在实施方案中，由可再生能量驱动的过程可以显得类似于常规化学工艺。然而，由燃料供应的一部分、大多数或在一些情况下基本上全部的能量输入可以被可再生能量和/或可再生电力所替代。在实施方案中，非碳基能量、可再生能量和/或可再生电力对燃料输入的这种替代将允许CO2排放的显著减少。在实施方案中，可以采用任何可用形式的可再生能量。然而，如果使用可再生电力，收益可以最大。可再生能量可以从例如并且不限于太阳能、风能或水力发电能来获得。根据本公开的实施方案，其他类型的可再生能量也可应用于化学设备。例如，在实施方案中，集中式太阳能、地热能和/或直接太阳能加热的使用可用于提供热能并且减少CO2排放。
通过(例如，可再生)电力供应所需能量的主要优势之一可以是该工艺的能量效率将提高。表1示出了单元操作的能量效率，其例示上述C1、C2和C3的化学设备的三类能量用途。从表1可以看出，在使用电力时，三类能量消耗中每一种的效率都比较高。根据本公开的实施方案，当用电动机(如上文讨论的第三类C3中)替代用于旋转设备的蒸汽驱动时，收益可以最大，所述电动机可以以多达蒸汽驱动能量效率的三倍运行。这些收益只有在电力来源于非碳基可再生来源时才能实现，因为来自碳基燃料的燃烧发电只有30％至45％的能量效率。当使用可再生电力用于加热应用(如上文讨论的第一类C1和第二类C2中)时，能量效率收益较小，但仍然显著。最终结果是，如果使用可再生能量代替碳基燃料(例如，天然气或其他烃)，则将使用更少的总能量。
Figure BDA0003262000370000091
根据本公开，可以利用非碳基能量、可再生能量、和/或电力(例如，来自可再生和/或不可再生来源)，而不是上文所述的C1、C2和/或C3类的常规能源。在实施方案中，电气化用于大多数或基本上全部设施。在实施方案中，电气化用于大多数或基本上全部单元操作。在实施方案中，电气化用于大多数或基本上全部设施和单元操作。在实施方案中，电气化用于大多数或基本上全部工艺应用、发动机、冷却和/或加热(例如，电驱动热泵、制冷、电加热)、辐射、储存系统或其组合。
在实施方案中，非碳基和/或可再生能源包含风能、太阳能、地热能、水力发电能、核能、潮汐能、波浪能、海洋热梯度能、压力阻尼渗透或其组合。在实施方案中，非碳基能源包含氢气。在实施方案中，如本文所述的用于电气化的电力由这种可再生和/或非碳基能源产生。在实施方案中，部分或全部电力来自不可再生和/或碳基的来源，例如但不限于烃(例如，可再生或不可再生烃)、煤、或来源于烃(例如，可再生或不可再生烃)的氢气的燃烧。
从大多数化学设备排放的大多数CO2是燃烧化石燃料以为设备提供能量的结果。根据本公开实施方案在化学合成中使用可再生能量的另一个益处是，相对于在其中可以燃烧烃和/或化石燃料的等效常规化学合成设备或方法，所排放的温室气体量将显著地减少(例如，减少大于或等于至少5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、或100％)。产生能量的烃(例如，天然气、甲烷)的燃烧导致二氧化碳(CO2)的产生；根据本公开的实施方案，可以通过使用可再生能量来减少或避免这种产生。在本公开的实施方案中，将每吨所生产的产物所产生的CO2量降低至每吨化学产物小于或等于约1.6、1.5、1.4、1.3、1.2、1.1、1.0、0.75、0.5、0.30、0.25、0.2、0.1、0.05或0吨CO2。此外，在本公开的实施方案中，使用可再生能量释放了这些烃(例如，天然气、甲烷)，所述烃典型地被燃烧以用作化学原料(例如，制甲醇)的燃料，这是较高价值用途。
在化学品生产中使用可再生电力也可以带来操作优势。例如，在实施方案中，电力可用于提供更精确且可调谐的热量输入，例如用于控制沿反应器的温度曲线或改变蒸馏塔中特定托盘的温度。在实施方案中，在反应段(例如，在热解反应段)中使用电加热导致更好的受控除焦和/或更快的除焦。不限于此，其他的实施例包括使用电动制冷装置来提高分离效率，并且用快速按需电加热器和蒸汽发生器替代低效的备用燃气锅炉并用于其他设施使用。在启动或关闭期间，电力的使用也可能带来显著的操作优势，或对过程的可变性作出反应。总体上，作为能源，电力可以在特定的位置中并且以精确且可调谐的量施加，伴随着对过程变化作出快速反应，从而导致相比于热能/燃烧能的使用具有多种优势。
根据本公开实施方案的可再生电力的使用还可以提高向多于一个化学设备(例如，烯烃合成设备和附近的氨合成设备或烯烃合成设备和附近的甲醇合成设备)供应能量的设施的能量效率。例如，如果用可再生电力为几个不同的生产设施提供氧气和氮气的空气分离单元中的压缩机供能，则相对于用来源于天然气燃烧的蒸汽供应这种电力，可以实现显著的能量收益。
在实施方案中，可通过高温热泵或蒸汽再压缩来提供能量回收。该设备还可包括热和/或能量储存，例如，当利用间歇性能源(IES)时使用。在实施方案中，可以通过电驱动热泵将废热提升到可用温度水平。在其他实施方案中，当通过使用发电涡轮机而非控制阀来降低工艺流压力时，可以将能量回收为电力。在其他实施方案中，可以使用热电装置将能量回收为电力。
根据本公开的实施方案，使用可再生电力替代天然气或其他烃作为能源，可以作为现有化学工艺(例如，现有甲醇、氨、或烯烃合成设备)改造的一部分，或作为新的化学设备(例如，新的甲醇、氨或烯烃合成设备)设计的整体部件。在改造中，使用可再生能量的机会可以取决于现有设计的元件，如蒸汽系统；在改造中，需要对整个能量平衡和蒸汽系统进行仔细检查，因为不考虑这些因素使单个设备电气化可能会导致能量效率低。在实施方案中，如表1所示，通过用电动机替代用于旋转设备(例如，在第三类C3中)的蒸汽驱动来实现最高效率收益。然而，不同的目标可能导致部分电气化的不同选择；在实施方案中，在一些情况下，有时可以通过首先更换烃燃烧炉(例如，在第一类C1中)来实现以较小的能量效率增加为代价的更大的CO2减少。在实施方案中，如果从多于一个烃源获得热能和/或蒸汽，则可通过首先消除最贵的和/或污染的燃料源来实现最有利的操作。可包括多少可再生能量以及可将现有燃料消耗和二氧化碳(CO2)排放减小到多大程度可根据应用而变化，并且在阅读本公开时将在本领域技术人员的技术范围内。
在实施方案中，在基础化学设施(例如，基础甲醇、氨或烯烃合成设备)的设计中规划可再生能量的使用可允许更显著的机会来获得更好的能量效率和更低的CO2排放。在实施方案中，利用电力为所有旋转设备(例如，在第三类C3中)供能以实现能量效率的大收益。在实施方案中，基本上全部(或大多数，或大于40％、50％、60％、70％、80％或90％)电加热(例如，在第一类C1和/或第二类C2中)被利用，并且由于烟道气中的热量损失而导致的低效被大幅降低或者甚至避免。在实施方案中，可最小化或完全避免通过化石燃料的燃烧(例如，在第二类C2中)产生的蒸汽的使用。在实施方案中，利用催化剂的变化和/或反应器操作条件的改变来允许反应器中产生更少的热量和/或产生更少的燃烧副产物。在实施方案中，基于使用可再生电力的设备(例如，甲醇、氨或烯烃合成设备)设计允许增强分离操作的优化，因为根据本公开，压缩和制冷的相对成本通过使用可再生电力而变化。在实施方案中，这种增强的分离还可以允许从排气流进一步捕获次级产物，释放这些次级产物以进一步用作原料或产物。此外，根据本公开的实施方案，使用低成本电力可以允许引入新技术，例如但不限于混合气体和电加热器、变速压缩机驱动、分布式制冷、热泵、改进的蒸馏塔、流体的被动太阳能加热、反应器温度曲线的精确控制、新构造材料以及使用电冷冻稀释剂的淬火或冷却。如果电力的成本足够低，则如本文所教导的这种电力的利用可以有利于引入新的电化学工艺。对于新构造，由于例如缺乏(例如，整个设备的)蒸汽分配系统，电驱动过程的资本密集性可能较低。
根据本公开的实施方案，非碳基能量、可再生能量和/或电力(可再生、不可再生、碳基和/或非碳基电力)可用于生产几乎每种化学品，包括但不限于甲醇、氨、烯烃(例如乙烯、丙烯)、芳烃、和聚合物。在实施方案中，非碳基能量、可再生能量和/或电力还可用于制备化学品和燃料生产的原料，如在MTBE合成、裂解、异构化和重整中。在此类实施方案中，如上文所述，一些(例如，至少约10％、20％、30％、40％或50％)、大多数(例如，至少约50％、60％、70％、80％、90％或95％)或全部(例如，约100％)的整个设备/工艺或其一段的加热可通过电加热提供，和/或一些(例如，至少约10％、20％、30％、40％或50％)、大多数(例如，至少约50％、60％、70％、80％、90％或95％)或全部(例如，约100％)的整个设备/工艺或其一段的冷却可通过电冷却提供。
现在将参考图3来描述根据本公开实施方案用IES操作的一般化学合成设备，该图是根据本公开实施方案的用于生产至少一种化学产物35的化学合成设备I的示意图。不限于此，在具体实施方案中，该至少一种化学产物包含例如标题为Use of Renewable Energyin the Production of Chemicals的美国临时专利申请号62/792631、62/792632、62/792633、62/792634、和62/792635中所述的所生产的化学品，或于2019年1月15日提交的标题为Use of Intermittent Energy in the Production of Chemicals的美国临时专利申请号62/792636和62/792637中所述的所生产的化学品，出于不违背本公开的目的，特此将这些文献中每一项的公开内容并入本文。不限于此，在具体实施方案中，该至少一种化学产物包含例如通过在一个或多于一个裂解反应器中裂解(例如，通过烯烃合成)而生产的乙烯，如于2019年1月15日提交的标题为Use of Renewable Energy in Olefin Synthesis的美国临时专利申请号62/792612和62/792615所述，出于不违背本公开的目的，特此将这些文献中每一项的公开内容并入本文)；例如在一个或多于一个氨合成反应器中(例如，通过氨合成，如于2019年1月15日提交的标题为Use of Renewable Energy in AmmoniaSynthesis的美国临时专利申请号62/792617和62/792619所述，出于不违背本公开的目的，特此将这些文献中每一项的公开内容并入本文)生产的氨；例如在一个或多于一个甲醇合成反应器中(例如，通过甲醇合成，如于2019年1月15日提交的标题为Use of RenewableEnergy in Methanol Synthesis的美国临时专利申请号62/792622和62/792627所述，出于不违背本公开的目的，特此将这些文献中每一项的公开内容并入本文)生产的甲醇；例如，通过裂解生产的丙烯；例如，通过乙烯氧化而生产的环氧乙烷；例如，通过环氧乙烷水合而生产的单乙二醇；例如，通过乙烯氯化而生产的二氯乙烯；例如，由二氯乙烯生产的氯乙烯；例如，通过低聚生产的α-烯烃；例如，通过链烷烃脱氢生产的烯烃；例如，通过正链烷烃异构化生产的异链烷烃(例如，由正丁烷生产的异丁烷)；例如，通过环化和/或脱氢从链烷烃和/或环烷烃生产的芳族化合物(BTX)；例如，通过环化和/或脱氢由石脑油生产的芳香族化合物；例如，通过用乙烯将苯进行烷基化所生产的乙苯；例如，通过乙苯脱氢生产的苯乙烯；例如，通过用丙烯将苯进行烷基化所生产的枯烯；例如，通过枯烯氧化而生产的苯酚；例如，通过对二甲苯氧化而生产的对苯二甲酸；例如，通过从空气中分离而生产的氧气；例如，通过从空气中分离而生产的氮气；例如，通过将异丁烯醚化而生产的MTBE；例如，通过聚合生产的聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯和/或聚对苯二甲酸乙二酯(PE、PP、PVC、PS、PC、PET)。不限于此，在其他具体实施方案中，该至少一种化学产物包含例如通过甲醇羰基化生产的乙酸；例如，通过乙酸与乙烯的反应而生产的乙酸乙烯酯；例如，通过甲醇低聚(通常称为甲醇制烯烃工艺)而生产的丙烯；例如，通过丙烯氧化而生产的丙烯酸；例如，通过异丁烯氧化而生产的甲基丙烯醛；例如，通过甲基丙烯醛氧化而生产的甲基丙烯酸甲酯；例如，通过丙烯氨氧化而生产的丙烯腈；例如，通过硫氧化而生产的硫酸；例如，通过氨的氧化而生产的硝酸；例如，通过丙烯水合而生产的丙二醇；一种或多于一种选自己二酸、己内酰胺、环己酮、1,6-二氨基己烷或其组合的尼龙前体；或聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、尼龙。
本公开描述了一种用于生产化学产物的化学合成设备，其中该化学合成设备被配置成以下这样/是可操作的，使得该化学合成设备的一个或多于一个段、单元、或相同单元组或单元操作所需的大多数净能量由间歇性能源提供(例如，包含来自非碳基能源(例如，不是通过碳基燃料如烃的燃烧产生的)、可再生能量(例如，来自非化石燃料来源的(ENF))或来自电力和/或来自可再生电力的非碳基能量(ENC)的间歇性能量)。在实施方案中，ENC或ENF源可以包括、主要包括、基本上主要组成为电力或组成为电力。在实施方案中，ENC或ENF源可以包括、主要包括、基本上主要组成为或组成为可再生电力。在实施方案中，整个化学合成设备、该设备的一段(例如，进料预处理段、反应段、和/或产物纯化段)、该设备的类似单元组(例如，压缩机、供能装置、加热装置、再沸器、冷却装置、制冷装置、分离器、反应器、蒸馏/分馏塔)、或单元操作(例如，压缩、供能、加热操作、冷却操作、反应、分离)、或其组合所需要的净能量的一部分(例如，大于或等于约5％、10％、20％、30％、40％、50％)、大多数(例如，大于或等于约50％、60％、70％、80％、90％或95％)或全部(例如，约100％)由电力、可再生能量(例如，来自非化石燃料来源的能量(ENF))和/或非碳基能量(ENC)提供。在实施方案中，电力由可再生间歇性能源提供，例如但不限于风能(例如，通过风力涡轮机)或太阳能(例如，通过光伏(PV)板的太阳能)。在实施方案中，提供整个化学合成设备、该设备的一段(例如，进料预处理段、反应段、和/或产物纯化段)、该化学合成设备的单元或类似单元组(例如，压缩机、供能装置、加热装置、再沸器、冷却装置、制冷装置、反应器、分离器、蒸馏/分馏塔)、或单元操作(例如，压缩、供能、分离、加热、冷却、反应)、或其组合所需要的并且常规地在类似化学合成设备中通过燃烧燃料、碳基燃料、和/或化石燃料和/或使用蒸汽(例如，通过燃烧这种燃料产生其自身的蒸汽)作为中间热量(和/或能量)传递流体而提供的电力、可再生能量(例如，来自非化石燃料来源的(ENF))和/或非碳基能量(ENC)的一部分(例如，大于或等于约5％、10％、20％、30％、40％、50％)、大多数(例如，大于或等于约50％、60％、70％、80％、90％或95％)或全部(例如，约100％)，而无需燃烧燃料、碳基燃料、和/或化石燃料和/或无需使用通过燃烧这种燃料所产生的蒸汽作为中间热量(和/或能量)传递流体。在实施方案中，整个设备或该设备的一段或多于一段、单元或类似单元的组的净能量由来自可再生间歇性能源的电力提供。在实施方案中，当可再生IES可用(例如，在线或储存)或低于门槛价格时，能量由来自间歇性可再生能源的电力提供。例如，在实施方案中，通过电阻加热提供电加热，其中当电力可用或低于门槛价格时，电力主要从IES获得。可用的间歇性能量可包括直接通过IES(例如，通过太阳能电池)提供的‘在线’能量、以及在线时从IES获得并随后在设备内利用的储存能量。
在实施方案中，本公开的化学合成设备被配置成使得通过进料预处理系统、一个或多于一个反应器、产物纯化系统、或其组合使用的供能、加热、冷却、压缩、分离或其组合所需要的净能量的大多数(例如，大于50％、60％、70％、80％或90％)是由电力提供的。在实施方案中，当IES可用或低于门槛价格时，电力由IES提供。
在实施方案中，根据本公开实施方案的化学合成设备是具有大于或等于约10000吨/年、100000吨/年、250000吨/年、500000吨/年、或10000000吨/年的所希望的化学产物生产能力的大型设备。在本公开中预期的尺寸下，由IES提供的能量的量将相应地变大。在实施方案中，根据本公开方法的部分或完全电气化设备将消耗至少(即，大于或等于)约10、15、20、25、50、100、150、200、300、400、500、750或1000MW来自IES的电力。
尽管化学合成设备的具体实施方案将被用于描述如本文所公开的具有IES的化学合成设备的电气化，但是应理解，如本领域技术人员在阅读本文的描述时显而易见的，可以根据本公开将单元的许多布置和各种化学合成技术电气化。
参考图3(其是一般的化学合成设备I的概述)，化学合成设备可被认为包括用于将包含一种或多于一种反应物的进料流5转化为化学产物流35(以及任选地一个或多于一个副产物流31)的以下一个或多于一个工艺段：进料预处理段10、反应(或初级反应)段20、产物纯化段30或其组合。其他段，如循环段、能量(例如，电力)生产和/或能量储存(例如，氢气储存)段也在本公开的范围内。这些段将在接下来的几个段落中简要描述，并在下文中进行更详细地描述。
如图3的化学合成图所示，化学合成设备的进料预处理段10是可操作的，以制备(例如，从进料中去除不希望的组分(例如，硫)、调节进料的温度和/或压力)用于反应的反应物进料5，从而提供预处理的进料15。在应用中，本公开的化学合成设备不包含进料预处理段。反应或“化学合成”段20是可操作的，以从预处理的进料15生产所希望的化学产物，并且从而提供粗化学产物流25。产物纯化段30是可操作的，以从粗化学产物流25中分离纯化的化学产物35。在应用中，本公开的化学合成设备不包含产物纯化段。
如图3所示和上文所述，输入到化学合成设备或在化学合成设备或其一个或多于一个单元段或单元组、类似单元、或单元操作内的能量(E)(其常规地可通过来自碳基能源的碳基能量(EC)2A、来自化石燃料基能源的化石燃料来源的能量(EF)3A提供，或通过使用单独或主要作为热量或能量传递介质(SHT)1的蒸汽(例如，为此目的使用来源于碳或化石燃料基能源的能量所产生的蒸汽)提供)可以被来自非碳基能源的非碳基能量(ENC)2B、来自可再生间歇性能源的可再生/非化石燃料基能量(ENF)3B和/或电力(例如，间歇性电力和/或可再生间歇性电力)部分或完全替代。碳基能量(EC)2A、化石燃料来源的能量(EF)3A、或两者都可以被电力部分或完全替代。在实施方案中，电力可来源于非碳基燃料、可再生燃料、可再生能源、或其组合。通过本文公开的系统和方法获得的益处可以是减少来自化学合成设备或工艺的温室气体(GHG)排放4。在实施方案中，上述蒸汽系统的消除或减少也可导致更低的资本和操作成本。
如上所述和图3所示，输入到化学合成设备或在化学合成设备或其一个或多于一个单元段或单元组、类似单元、或单元操作内的能量(E)(其常规地可通过碳基能(EC)源、不可再生能源、非电能源提供，或通过使用单独或主要作为热量或能量传递介质(SHT)和/或通过燃烧不可再生燃料所产生的蒸汽提供)可以被来自非碳基能(ENC)源、可再生能源如间歇性可再生电力、电力(来自任何来源)的能量部分或完全替代，而不使用单独或主要作为热量或能量传递介质(SHT)和/或通过燃烧燃料产生的蒸汽。通过本文公开的系统和方法获得的益处可以是减少来自化学合成设备或工艺的温室气体(GHG)排放4。
尽管不旨在受到本文提供的实施例的限制，但是现在将参考图3的示例性化学合成设备I来提供根据本公开的实施方案的化学合成设备可用IES进行电气化的一些方式的描述。在各种实施方案中，所描述的步骤、段、单元组或单元操作可以以任何合适的顺序存在或操作，所述步骤、段、单元或单元操作中的一个或多于一个可以不存在、重复、被不同的步骤、段、单元或单元操作以及本文中没有描述的另外的步骤、段、单元或单元操作替代。此外，尽管步骤被认为是在特定段中，但该步骤也可以被认为是另一段的一部分。
如上所述，在实施方案中，本公开的化学合成设备包含进料预处理段10。这种进料预处理段10可以是可操作的，以从一种进料(或多种进料)中去除一种或多于一种组分，例如但不限于催化剂毒物，在下游(例如，反应)段20内将该一种或多种进料的压力调节到所需的操作压力，将该一种或多种进料的温度调节到所需的操作温度，和/或以其他方式在下游(例如，反应)段20之前改变一种或多种进料。
如上所述，在实施方案中，本公开的化学合成设备包括化学合成段20。这种化学合成段20可以是可操作的，以由进料5或预处理的进料15生产所希望的化学品(或多于一种所希望的化学品)。生产所希望的化学品可以包括将一个或多于一个反应器保持在所需的温度/温度曲线和/或压力下，在所需的组成、温度和/或压力下向一个或多于一个反应器提供附加组分(例如稀释剂、催化剂)，从一个或多于一个反应器中提取化学产物等，以提供粗化学产物25。一个或多于一个反应器可以被配置成用于串联或并联操作，并且一个或多于一个化学反应可以串联或并联发生。所发生的反应可以在本质上是吸热、放热或热中性的，并且全部所发生的反应的网络在本质上可以是吸热、放热或热中性的。
如上所述，在实施方案中，本公开的化学合成设备任选地包括产物纯化段30。此产物纯化段30可以是可操作的，以多种方式将一种化学产物或多种产物和副产物从粗化学产物中分离出来。例如，可以通过一个或多于一个蒸馏塔和相关联的再沸器、闪蒸分离器、溶剂萃取器、萃取蒸馏单元、结晶器、蒸发器、相分离器(例如，倾析器、旋风分离器等)、吸收器、吸附器、膜等来实现分离，来提供化学产物流35。
如图3所示，在实施方案中，在化学合成设备或其一个或多于一个段内[或如下文所讨论的，一个或多于一个单元或单元组(例如压缩机、分离器、蒸馏塔)内或单元操作(例如，压缩、供能、分离、加热、冷却)内]所需要的净能量(例如，进料预处理段10内所需要的能量E1、反应段20内所需要的能量E2、和/或产物纯化段30内所需要的能量E3)的大多数(大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、或90％)或基本上全部由非碳基能源提供，由可再生能源如可再生电力提供，或由电力(来自任何来源，可再生和/或不可再生)提供。在实施方案中，提供在化学合成设备或其一个或多于一个段内[或如下文所讨论的，一个或多于一个单元或单元组(例如压缩机、分离器、蒸馏塔)内或单元操作(例如，压缩、供能、分离、加热、冷却)内]所需要的净能量(例如，E＝E1+E2+E3)(例如，进料预处理段10内所需要的能量E1、反应段20内所需要的能量E2、和/或产物纯化段30内所需要的能量E3)的大多数(大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％)或基本上全部，而无需燃烧燃料和/或无需产生仅或完全作为热量(和/或能量)传递介质的蒸汽。
在实施方案中，一个或多于一个单元或单元组或单元操作所需要的大多数(大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、或90％)或基本上全部净能量由非碳基能源、由可再生能源(如可再生电力)和/或由电力(来自任何来源，可再生和/或不可再生)提供。例如，但不限于此，在实施方案中，此类单元包括压缩机(例如，进料压缩机和/或制冷压缩机)、泵、分离器(例如，蒸馏塔、吸收装置和/或汽提塔)、萃取器(例如，用于液-液萃取和/或萃取蒸馏)、用于特定反应的反应器(例如，单个反应器或串联和/或并联的多个反应器)、加热器(例如，热交换器和/或再沸器)、冷却器(例如，制冷装置和/或冷冻装置、鼓风机、冷却水系统)、用于再生的设备(例如，用于催化剂、吸附剂或汽提溶液的再生)、或其组合。
在实施方案中，一组操作(例如，压缩、泵送、供能、混合、分离、加热、冷却、反应、循环、能量储存和/或能量生产)所需要的大多数(大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、或90％)或基本上全部净能量由非碳基能源、由可再生能源(如可再生电力)、或由电力(来自任何来源，可再生和/或不可再生)提供。
化学设备中所使用的能量(E)的很大一部分用于加热和冷却(Q)；由于其重要性，作为加热和冷却传递的所有净能量的部分可以单独考虑。如上所述，在实施方案中，加热和/或冷却所需要的大多数(大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、或90％)或基本上全部净能量由非碳基能源、由可再生能源(如可再生电力)和/或由电力(来自任何来源，可再生和/或不可再生)提供。例如，在实施方案中，在化学合成设备或其一个或多于一个段内所需要的(例如，进料预处理段10内所需要的热量输入或去除Q1、反应段20内所需要的热量输入或去除Q2、和/或产物纯化段30内所需要的热量输入或去除Q3)并且由一个或多于一个单元或单元组(例如，制冷装置、热交换器)所提供的净热量输入或去除的大多数(大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、或90％)或基本上全部由非碳基能源、由可再生能源如可再生电力、和/或由电力(来自任何来源，可再生和/或不可再生)提供。根据本公开，当冷却工艺流时，应使用尽可能多的热量来加热其他工艺流。然而，低于一定温度，进一步的热传递不再有效或有用，并且使用鼓风机、冷却水和/或制冷(其需要能量输入以去除热量)。在实施方案中，例如，用于改变工艺流温度的热交换器、制冷装置或其组合可以是电动的。在实施方案中，制冷装置含有一个或多于一个电动压缩机。在实施方案中，蒸汽不单独用作中间热量和/或能量传递流，并且其设备或段不包括如常规地用于能量传递的精细的蒸汽系统。在实施方案中，蒸汽被用作传热流体，并且不被用于做机械功，例如驱动泵或压缩机。在实施方案中，通过电阻加热提供加热。在实施方案中，通过感应加热提供加热。在实施方案中，向辐射板提供电加热，这些辐射板随后通过辐射将热量传递到工艺。
根据本公开的实施方案，可以加热反应段20或其他地方的反应器，而无需燃烧燃料(并且因此，不伴随产生相应的烟气)，所述反应器在实施方案中可以通过燃烧燃料进行常规加热。例如，在实施方案中，可以电加热一个或多于一个反应器。以这种方式，可以减少来自设备的温室气体排放，并且在一些情况下，在反应段20(或其他地方)内常规地作为燃料燃烧的烃可以在该设备内或在不同的化学品生产设备中用于生产另外的化学产物。在实施方案中，由于消除了烟道气中含有的热量到大气中的损失，因此通过消除烟道气提高了能量效率。在实施方案中，利用反应器的电加热可提供沿反应区或反应器的增强的温度分布。例如，可沿反应器的长度提供所需热通量，从而为反应提供增强的温度控制、转移平衡和/或最小化结焦和/或催化剂失活。
在实施方案中，一个或多于一个反应器、进料制备系统、产物纯化系统或其组合产生光流(例如，烟气、吹扫气体、或尾气)，其中所述光流、一个或多于一个反应器中使用的反应物或其组合包含选自氢气、一氧化碳、一种或多于一种轻质烃(例如，C1烃、C2烃、C3烃和/或C4烃)或其组合的组分，并且本公开的化学合成设备没有被配置成用于燃烧作为燃料的光流、组分或两者。在实施方案中，这种燃烧的能量被电力替代。
在实施方案中，电力可用于产生比常规更冷的冷却水(例如，更冷2℃、5℃、10℃或15℃)，从而增强下游操作。在实施方案中，电力可用于例如通过去除污染物来改进用于冷却水的水质的操作中。在实施方案中，电力可用于加热用于再生催化剂、吸附剂或吸收溶液的气体或液体流，例如对吸附剂进行汽提以使其再生的蒸汽。在实施方案中，电力用于使胺吸收溶液再生。在实施方案中，电力可用于预热在反应中使用的气体。在实施方案中，电力可用于蒸发进料和/或稀释剂，例如但不限于蒸汽或石脑油。在实施方案中，当气体和/或液体以其他方式冷却时，电力可用于加热跟踪线或容器，并在储存和/或转移期间将这些气体和/或液体保持在所需温度。在实施方案中，可以使用电力来为热电装置和/或热泵供能以使得能够同时加热和冷却。在实施方案中，可使用电力来提供“微调加热”，其中先前通过来自热反应产物流(经由进料/产物交换器)的热传递加热的气体或液体流在将所述流供给反应器或其他下游装置之前被进一步加热。在实施方案中，电力可用于向工艺提供“启动”加热，其中电动加热器可用于在设备启动时预热反应物或其他工艺流，但当设备在线时不再使用，因为其他热源(例如但不限于热反应器产物流)变得可用。
如上所述，在实施方案中，在化学合成设备或其一个或多于一个段(例如，进料预处理段10、反应段20、和/或产物纯化段30)内压缩所需要的大多数(大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、或90％)或基本上全部净能量由非碳基能源、由可再生能源(如可再生电力)和/或由电力(来自任何来源，可再生和/或不可再生)提供。例如，可以利用这种压缩来提高预处理段10中的进料5的压力、提高反应段20内的流的压力、提高产物纯化段30内的流的压力、和/或提高循环流的压力。
例如，根据本公开的实施方案，压缩可以通过电动机驱动的压缩机来实现，而不是通过由燃烧气体/燃料驱动的涡轮机或者通过由燃烧烃产生的蒸汽供能的涡轮机来实现。在实施方案中，压缩机与用电加热产生的蒸汽驱动的涡轮机一起运行。例如，由电力产生的蒸汽驱动的电动机和/或涡轮机可用于在整个化学合成设备或其一个或多于一个段中提供压缩，或用于一个或多于一个操作(例如制冷)。在实施方案中，在化学设备的一个或多于一个段或类似单元的组(例如制冷装置)或操作(例如，流加压、冷却、制冷)内的大多数(大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％)或基本上全部的压缩机利用电动机驱动的压缩机和/或由电产生的蒸汽驱动的涡轮机。
在实施方案中，利用设备内的高压流来产生电力以在化学合成设备的一个或多于一个段内使用。例如，在实施方案中，化学合成设备或其一个或多于一个段内的减压步骤可以通过涡轮机而非控制阀来实现。
在实施方案中，在本公开的化学合成设备和方法中(例如，在预处理段10、反应段20和/或产物纯化段30中)，不使用由燃料燃烧产生或仅为热量和/或能量传递而产生的蒸汽。以这种方式，在实施方案中，根据本公开的化学合成设备可以在没有精细的蒸汽热量和/或能量传递系统(其可以在化学设备中常规地使用该系统来生产相同的化学品)的情况下运行。在一些应用中，例如，在反应器内使用蒸汽作为进料组分和/或稀释剂的情况下，此蒸汽可通过与化学合成设备内的工艺流进行热传递而产生和/或可通过电力产生。在实施方案中，通过与工艺流的热传递产生的蒸汽可以使用电力来过热化。在实施方案中，低温蒸汽的电过热允许热量和能量回收有所改进。在实施方案中，蒸汽不作为商品或设施在整个化学合成设备中使用。在实施方案中，本公开的化学合成设备基本上不含蒸汽，或使用比用于生产相同化学品的常规设备少很多的蒸汽(例如，使用至少少10、20、30、40、50、60、70、80、90或100体积百分比(体积％)的蒸汽)。例如，用于生产相同化学品的常规设备可以利用用于进料预处理段10和/或产物纯化段30的蒸馏塔的再沸器的蒸汽生产，可以利用用于驱动蒸汽涡轮机以压缩工艺和/或循环流的蒸汽生产，或者可以利用用于驱动蒸汽涡轮机以制冷的蒸汽生产。在实施方案中，根据本公开，在化学设备中不产生用于这些操作的蒸汽，或者产生的蒸汽很少(例如，至少少10、20、30、40、50、60、70、80、90或100体积百分比(体积％)的蒸汽)。在实施方案中，蒸汽被用作传热流体，但不用于做机械功(例如，驱动压缩机或泵)。在实施方案中，为了这些操作产生的蒸汽根本上是(例如，在所利用的总蒸汽中，最大百分比是电产生的)、主要是(例如，大于50％的蒸汽是电产生的)或基本上全部是电产生的。在实施方案中，用作反应物或稀释剂的蒸汽根本上是(例如，在所利用的总蒸汽中，最大百分比是电产生的)、主要是(例如，大于50％的蒸汽是电产生的)或基本上全部是电产生的。在实施方案中，使用电阻加热产生用作反应物和/或稀释剂的蒸汽。在实施方案中，使用电极锅炉或浸入式电加热器产生用作反应物和/或稀释剂的蒸汽。在实施方案中，蒸汽使用电进行过热化。
在实施方案中，在本公开的化学合成设备或工艺中，更多的能量直接“原样”利用，例如，利用来自热产物排出流的热量来加热进料流，而不是将能量转化，例如，通过蒸汽的产生和通过蒸汽涡轮机将热能转化为机械能。根据本公开的实施方案，能量的使用可以直接提高化学合成设备的能量效率，例如通过减少当热量转化为机械能和/或通过烟气时发生的能量效率损失。
在实施方案中，电力可用于为流体提供动力。例如，电力可用于为泵供能以将液体移动和/或加压，和/或为鼓风机和/或风扇供能。在实施方案中，将化学合成设备中使用的一部分、大多数或全部(例如，20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％)数量的泵进行电气化。
如上所述，在实施方案中，分离所需要的大多数(大于20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、或90％)或基本上全部净能量由非碳基能源、由可再生能源(如可再生电力)、或由电力(来自任何来源，可再生和/或不可再生)提供。根据本公开的实施方案，可以用电力实现各种分离。基于温度和/或压力变化的分离可以包括如上所述的加热/冷却和/或电压缩。例如，蒸馏、气体/固体分离、吸收、汽提、溶剂萃取、萃取蒸馏、变压吸附、变温吸附、闪蒸分离、结晶或其组合可在本公开的实施方案中进行电气化。作为非限制性实施例，在实施方案中，设备的一个或多于一个段的蒸馏塔可以进行电加热。在实施方案中，与蒸馏塔相关联的再沸器被电加热和/或通过电产生的蒸汽(或另一种流体)被加热。在实施方案中，与蒸馏塔相关联的再沸器用浸入式电加热器加热。在实施方案中，电力用于为热电装置或热泵供能，以在蒸馏塔中提供加热(至再沸器)和冷却(至冷凝器)。在实施方案中，用于汽提的蒸汽是电产生的。
如上所述，根据本公开的实施方案，当利用来自具有潜在或已知间歇性供应的可再生来源(例如，间歇性能源或IES)的电力时，可以采取各种步骤来维持化学合成设备的运行。
参考图4，它是根据本公开实施方案的化学合成设备II的示意图，当间歇性能源(例如，太阳)可用时，本公开的整个化学合成设备II所需的净能量E净(例如，用于供能101、泵送102、加热103、冷却104、压缩105和/或分离106等)，可由间歇性能量EI(例如，由可再生IES的电力)提供，并且当间歇性能源不可用时，可由储存的间歇性能量(ESI)和/或非间歇性能源ENI(例如，来自非间歇来源的电力，其可以是在线或储存的)提供。
如图4的实施方案所示，各种能量储存装置50可用于储存能量，例如，可用间歇能量EI的一部分，以在EI不可用时使用。通过利用本公开的化学合成设备和方法，可以提供基本上连续的化学合成操作，同时主要利用来自IES(其可以是可再生IES)的能量。
现在将参考图5A-5D来描述根据本公开用于用IES操作的化学合成设备II中的各种能量储存系统和方法。
在实施方案中，压缩可用于储存用于间歇性的电力供应的能量。图5A是根据本公开的实施方案用于通过压缩储存能量的系统IIIA的示意图。在实施方案中，包含一种或多于一种气态进料的储存用流40A在压缩机C1中被压缩，并且所产生的压缩流41A被储存在储存容器50A中，用于能量(例如电能)供应的间歇性。储存用流40A可以包含一个或多于一个进料流、一种或多于一种化学产物、或由化学合成工艺产生的一种或多于一种中间体。所储存的压缩材料的至少一部分42A可作为工艺流后续储存返回化学合成工艺(例如，当用于使提供压缩材料所用的压缩机运行的间歇性电力不可用时)。在实施方案中，气态进料在一个或多于一个压缩机C1中压缩，并以大于工艺操作压力的压力储存在储存容器50A中。例如，在实施方案中，一种或多于一种气态进料可以被压缩至和/或储存在大于或等于约1MPa、10MPa或100MPa的‘高’压下。在实施方案中，当所储存的压缩流的压力降低时，可以产生电力和/或可以做机械功。
在实施方案中，当间歇电力易于获得和/或经济时，气态进料被压缩和液化，并且当间歇性电力不易获得和/或不经济时，气态进料被蒸发和膨胀以发电和/或在化学合成设备I内某处提供进料。例如，如图5A的实施方案中所示，能量储存系统IIIA可包括膨胀机45，其可操作以使压缩的储存流的至少一部分43A膨胀以提供功W。在实施方案中，膨胀机45可以是涡轮膨胀机。在实施方案中，可以利用功来产生能量以在整个系统的其他地方使用。例如，可以使用膨胀机45来分别驱动压缩机或发电机46，并且由此提供压缩或电力。在膨胀机45中膨胀后，可将减压流43A'返回化学合成工艺(例如，通过流42')，例如，作为其中的进料流和/或送去储存或出售，或者当IES再次可用时，可在压缩机C1中重新压缩并储存在储存容器50A中。
在实施方案中，在压力下(例如，在储存容器50A中)储存包含在空气分离设备(例如，可以是可操作以向化学合成提供氧气或氮气的电驱动ASU)中生成的氧气或氮气的储存用流，用于随后使用，其中可能通过膨胀机45中的膨胀发电。在实施方案中，储存用流40A包含氢气。在实施方案中，储存用流40A包含甲烷。在实施方案中，储存用流40A包含乙烷。在实施方案中，储存用流40A包含丙烷。
或者或者另外地，可以储存一种或多于一种冷却液或低温液体，以用于间歇性的电力供应。图5B是根据本公开的实施方案用于通过冷却储存能量的系统IIIB的示意图。在实施方案中，包含在化学合成设备内使用或产生的流体(例如，一个或多于一个进料流、一种或多于一种化学产物、一种或多于一种由化学合成工艺产生的中间体，或者已经在使用中的制冷剂)的储存用流40B在冷却或制冷装置60中进行冷却，并且所产生的冷却流41B储存在储存容器50B中以用于间歇性的能量(例如，电能)供应。在实施方案中，进料、中间体或产物/副产物被冷却并储存以用作间歇性电力供应的制冷剂。在实施方案中，氮气被冷却并储存以用作间歇性电力供应的制冷剂。所储存的冷却材料的至少一部分42B可作为工艺流后续储存返回化学合成工艺(例如，当用于使提供冷却材料所用的冷却装置运行的间歇性电力不可用时)。在实施方案中，可以将化学合成设备的冷却储存流的至少一部分43B和工艺流71引入热交换器70中，从而工艺流71与储存冷却材料的至少一部分43B之间的热交换产生冷却工艺流71A和包含目前较热的材料(例如，气体或液体)的加热流43B'。在实施方案中，当间歇性电力易于获得时，通过储存系统和方法，在化学合成工艺中产生的材料(例如，丙烷或氨)可以被冷却(例如，通过经由储存用流40B引入冷却装置60中)，并且当电力不可用时，被用于热交换器70中，以冷却整个化学合成设备的流(例如，工艺流71)；然后所产生的较热液体或气体(例如，在加热流43B'中)可以被用作进料和/或作为产物被取出。在实施方案中，当所储存的、冷却的材料被加热时，压力增加，并且气体通过膨胀机膨胀以提供功。在实施方案中，膨胀机可以是涡轮膨胀机。在实施方案中，可以利用功来产生能量以在整个系统的其他地方使用。例如，可以使用膨胀机来分别驱动压缩机或发电机并且由此提供压缩或电力。在膨胀后，可使减压流返回到化学合成工艺，例如，作为其中的进料流和/或送去储存或出售，或者当IES再次可用时，可重新压缩并储存。即，在实施方案中，储存压力能和制冷二者；由于加热制冷剂提供压力，所以该压力也可用于在整个设备中提供能量。
或者或者另外地，将氢气(例如压缩氢气)储存和/或通过燃料电池用于间歇性电力供应。在实施方案中，储存包含氢气的储存用流并随后通过燃料电池来发电，以处理间歇性的电力供应。图5C是根据本公开的实施方案用于通过氢气来储存能量的系统IIIC的示意图。在实施方案中，将包含氢气的储存用流40C储存在储存容器50C中，用于间歇性能量(例如，电能)供应。在实施方案中，系统IIIC包含压缩机C1，并且储存用流40C中的储存用氢气在压缩机C1中压缩，并且压缩氢气在储存容器50C中储存的压缩氢气流41C中。在实施方案中，可以将包含氢气的储存用流40C、压缩的储存用流41C、和/或氢气储存流43C(在实施方案中，其可包含压缩或非压缩氢气)引入系统IIIC的燃料电池80中。燃料电池80可以包含任何可操作以有氢气产生电力的燃料电池(或液流电池)。例如，燃料电池80可包含质子交换膜(PEM)燃料电池(PEMFC)(也称为聚合物电解质膜燃料电池)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等。如84处所示，通过引入氢气，燃料电池80是可操作的，以产生电力(和水，如83处所示)；以及通过储存用流40C和/或储存氢气流43C向其引入空气；以及分别地，81。排放物可在82处去除。所产生的热量(85处所示)可以是‘废’热，或者在实施方案中，可以在化学合成设备的其他地方使用(例如，用于热电联产或过程加热)。
或者或者另外地，储存和/或燃烧氢气(例如，压缩氢气)用于间歇性电力供应。在实施方案中，储存包含氢气的储存用流，并且随后进行燃烧以产生蒸汽和热量。在实施方案中，将热蒸汽用作反应物或工艺稀释剂。在实施方案中，热蒸汽的温度高于添加该热蒸汽的工艺流的温度，从而使工艺流的温度升高。在实施方案中，燃烧用于发电(例如，在涡轮机中)。
或者或者另外地，可以储存热量用于间歇性电力供应。在实施方案中，当电加热不可用时，储存热量(例如，作为加热流体或过热流体)用于加热一个或多于一个工艺流。图5D是根据本公开的实施方案用于通过加热储存能量的系统IIID的示意图。在实施方案中，包含工艺流(例如，一个或多于一个进料流、一种或多于一种化学产物、或通过化学合成工艺产生的一种或多于一种中间体)的储存用流40D在加热装置90(在实施方案中，其可以是电加热装置)中被加热，并储存在储存容器50D中，用于间歇性能量(例如，电能)供应。加热装置90被配置成用于加热通过储存用流40D引入其中的储存用流。加热装置90可以是本领域技术人员已知的任何加热装置。在实施方案中，加热装置90包括电加热的加热装置。将加热流41D引入储存容器50D中以进行储存。可以将所储存的加热流引入热交换装置91中，以将来自所储存的加热流43D的热量传递到化学合成工艺的工艺流71。加热工艺流71A和随后与其热交换的包含所储存的加热流的冷却的热交换器流体43D可从热交换装置91中去除。热交换装置可以是本领域技术人员已知的任何热交换装置。在实施方案中，加热工艺流71B、冷却的热交换流体中被冷却的热交换流43D或两者均可返回化学合成工艺。
或者或者另外地，在实施方案中，可以通过加热固体或液体热量储存材料来储存热能。该材料可通过工艺流加热或直接通过专用加热装置加热。在实施方案中，专用加热装置由电力供能。之后，可通过与待加热的工艺流进行热交换来回收热量。在实施方案中，固体或液体热量储存材料为熔盐。
或者或者另外地，可使用一种或多于一种相变材料来储存热能，其中通过熔化材料来捕获作为液化潜热的热能(例如，来自工艺流或IES)。可通过使工艺流与相变材料直接或间接热接触并允许材料固化来回收能量。通过适当选择相变材料，可以在任何所希望的温度下储存热能。在实施方案中，相变材料可在与相变相同的温度下提供工艺加热。例如，具有约271℃熔点的亚硝酸钠可用作相变材料，以在该温度或其附近储存和释放热能。或者，具有约450℃的熔点的氧化硼可用作相变材料，以在该较高温度或其附近储存和释放热能，该较高温度例如适合于将包含N2和H2的气体流预热至氨合成的适当温度。在实施方案中，每当IES可用时，可使用电加热器或通过提取工艺流中存在的一些热量来熔化相变材料。
或者或者另外地，在实施方案中，可以将能量储存为重力势能。当可再生能源可用时，可以升高物体(例如，液体或固体)。之后，可以降低所升高的物体，使得能量被回收用以发电和/或做机械功。在实施方案中，该物体是产物或进料。在实施方案中，该物体是水。
或者或者另外，图4中的能量储存装置50包括为间歇性电力供应而保持的蓄电池。
应理解，间歇性可以在不同的时间尺度上发生，范围为小于一秒(例如，非常短期的电力供应中断)至几个月(例如，由于风力的季节性波动)。在实施方案中，本文中的系统和方法涉及日间间歇性，即，由于例如太阳能或风能的变化而导致的IES可用性的每日波动。上文所述的系统和方法可应用于任何时间尺度的间歇性。对于较短时间尺度上的间歇性(例如，秒、分钟或数小时)，可使用如下文所述的另外方法和系统。
在实施方案中，一个或多于一个反应器用耐火材料作内衬或者是隔热的，使得短暂的电力损失不会导致一个或多于一个耐火内衬或隔热反应器的温度显著下降。在实施方案中，温度损失是至少2分钟小于10℃，或至少2分钟小于5℃，或至少5分钟小于10℃，或至少10分钟小于10℃，或至少30分钟小于20℃。
在实施方案中，一个或多于一个反应器与具有大的热质量的主体建立热连接，使得主体在正常操作期间被加热，但是在短暂的电力损失期间，主体可以向反应器供应热量，这样使得反应器的温度不会显著下降。在实施方案中，温度损失是至少2分钟小于5℃，或至少2分钟小于2℃，或至少5分钟小于5℃，或至少15分钟小于10℃，或至少45分钟小于20℃。
在实施方案中，一个或多于一个反应器与所选择的相变材料热连接，使得其熔点接近反应器的所需温度。当IES可用时，这种相变材料保持液态。当IES不可用时，相变材料的冷却和固化可向反应器供应热量，使得不会使反应器温度显著下降。在实施方案中，温度损失是至少2分钟小于4℃，或至少5分钟小于5℃，或至少10分钟小于5℃，或至少30分钟小于10℃，或至少90分钟小于20℃。
或者或者另外地，能量储存装置50包含用于关键部件(例如，保持一种或多用于种化学产物的生产所需的反应器或维持气体安全流动的压缩机的部件)的备用电源。例如，在实施方案中，该能量储存装置包括飞轮。在实施方案中，该能量储存装置包括一个或多于一个电容器。在实施方案中，该能量储存装置包括用于储存电力的化学电池。在实施方案中，该能量储存装置包括利用超导体或超级电容器的系统。在实施方案中，该能量储存装置包括热电池。在实施方案中，该能量储存装置包括压缩空气或其他气体。在实施方案中，该能量储存装置包括适当的储存燃料和燃料电池。在实施方案中，该能量储存装置包括适当的储存燃料和燃烧室，例如，炉。在实施方案中，储存的燃料来自可再生或非化石燃料基来源。
或者或者另外地，化学合成设备被设计成使得当不可能提供足够的储存能量来处理IES并且仍然运行整个设备时，储存足够的能量来处理一些能量需求，并且设备的其他部分可以闲置，直到来自IES的额外能量是可用的。在实施方案中，当IES不可用时，在进入图3的全部或部分产物纯化段30之前储存中间产物；当IES再次可用时，重新开始产物纯化。在实施方案中，例如干燥器、吸附器和/或催化剂床的再生延迟到当IES可用时。在实施方案中，仅当IES可用时才将产物泵送至场外储存或销售。在实施方案中，当IES不可用时，固体处理操作例如挤压或装袋被闲置。在实施方案中，化学合成设备以较低的吞吐量(即，处理更少的进料和生产更少的产物)运行，直到更多的能量可用。
或者或者另外地，可能无法提供足够的储存能量来处理长时间没有IES或IES意外损失的情况。在实施方案中，提供足够的能量储存(例如，在能量储存装置50中)以允许设备的安全停机。安全停机可包括保护设备工人的安全，保护所有设备部件的物理和机械完整性，防止潜在有害或受管制物质的排放，避免催化剂、溶液或设备的污染或中毒，允许在IES可用时有序重启，和/或防止有价值的进料、产物或中间体的浪费。
在实施方案中，可以利用重复的装置或能够使用多种能源的装置来处理IES。例如，本公开的化学合成设备可以包含由蒸汽或燃气轮机驱动的压缩机，作为电动机驱动的压缩机的备用。在实施方案中，当IES不可用或不经济时，可将不可再生电力用作间歇性可再生电力的备用，以例如为电动机驱动的压缩机供能。
在实施方案中，设备的部分或全部控制系统与IES和其他能源的实际和/或预测成本数据集成。在实施方案中，优化设备的操作、能量供应的选择和/或所储存的能量的量，以提高可操作性、收益性和安全性。在实施方案中，可以实时进行该集成和/或优化。
本公开的化学合成设备的电气化可通过可以是高压或低压电力供应提供。电气装置可以在交流电(单相或多相)或直流电下可操作或运行。
由于能量消耗(例如，保持所需的温度和压力)占传统化学合成设备运行成本的大部分，因此根据本公开提高能量效率(例如，通过电气化)和/或利用常规燃烧以提供热量和/或燃烧以用于压缩从而产生额外的化学产物的一个或多于一个部件(例如，在反应器中燃烧以保持所需的运行温度，燃烧以产生用于蒸汽涡轮机的蒸汽，和/或燃烧以用于燃气涡轮机)可以提供优于常规化学合成设备的经济优势。在实施方案中，本公开的方面(例如，消除昂贵的蒸汽系统)可用于降低建造新化学设施所需的大量投资成本。同时，相对于在其中烃作为燃料燃烧的常规化学合成设备，通过本公开成为可能的作为燃料的化石燃料(例如，天然气、甲烷)燃烧的减少使温室气体(GHG)排放减少。在实施方案中，相对于在其中烃作为燃料燃烧的常规化学合成设备，GHG排放(例如，二氧化碳排放)减少了至少5％、10％、20％、25％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％、98％或100％。在实施方案中，本公开的多个方面可导致工艺的碳效率的提高，即在工艺中消耗的碳的一部分重新出现为有用产物，和/或降低比能耗(例如，用于合成一定量的化学产物的能量)。在实施方案中，比能耗(供应到工艺中的净外部能量除以所生产的产物量；也称为净比能耗)与其他类似的常规工艺相比减少了大于或等于约5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％、98％或100％。
常规地，化学工艺中单元操作所需的能量通常由化石燃料，尤其是天然气的燃烧提供。本文公开了该能量输入可以被非碳基能量、可再生能量(如可再生电力)和/或来自任何来源(例如可再生和/或不可再生)的电力减少或替代的系统和方法，使得能量效率提高(例如，减少能量损失)。本文所公开的在化学品生产中使用非碳基能量、可再生能量和/或电力可以提高化学合成工艺的能量效率并减少来自其的二氧化碳排放和其中的化石能源消耗，并且可以通过减少或消除作为燃料的进料组分的燃烧来提供额外的进料。
通过本文所公开的用于通过IES提供化学合成的系统和方法，在将IES用于化学合成所需的至少一部分、部分或基本上全部净能量的同时，可以基本上连续地保持化学合成。根据本公开，本文提供的各种能量储存系统可被并入以经由IES生产化学品，从而使合成所需的部分或基本上全部净能量可由IES提供，即使在IES不可用的时候。
实施例
在已经大致描述的实施方案中，以下实施例作为本公开的具体实施方案给出，并展示其实践和优势。应理解，实施例是通过说明的方式给出的，并不旨在以任何方式限制说明书或权利要求。
实施例1：电气化的烯烃合成(例如，裂解)加PSA
图6示出了根据本公开一项实施方案进行电气化并且在实施例1和2中呈现的用于烯烃合成工艺VII的操作参数。工艺VII包含气体分离装置260，并且气体分离单元260可包含变压吸附(PSA)单元。气体分离单元260被配置为用于纯化含氢和甲烷的流244。流244的流速为30.1t/hr，并且包含48重量％(88摩尔％)的氢气和52重量％(12摩尔％)的甲烷。气体分离单元260(例如，PSA气体分离单元260)消耗3MW的电力，并产生两个产物流：基本上由纯甲烷组成的甲烷流247和基本上由纯氢气组成的氢气流248。通过该工艺VII，PSA 260中产生的量为14.3t/hr的纯化氢气可供给燃料电池270，在该燃料电池中，氢气被转化为水流249中的水和电力E，其中电效率为45％，从而连续产生253MW的电力。将净电力(250MW)用于供应工艺VII所需603MW电力的41％。
实施例2：电气化的烯烃合成(例如，裂解)加PSA和H2压缩/储存
在实施方案中，如实施例1中所述的工艺VII还包含氢气压缩和储存装置280，其包含至少一个压缩机和储存容器并且被配置成用于压缩并储存所得14.3t/hr的纯化氢气(可将其通过线路248A引入其中)，以在可再生电力可用性较低或当其更昂贵时使用。当需要时，可将压缩并储存的氢气(例如，通过管线248B)与在那时通过工艺VII生产的氢气(例如，管线248中的氢气)合并，并可使用燃料电池270将两者转化为电力。本领域技术人员可根据各种因素确定何时将所储存的氢气用于发电。作为一种可能性，如果一些可再生电力是每日可用的，那么可以在12小时期间收集并储存172吨氢气。当在接下来的12小时内释放并与通过该工艺仍在生产的14.3t/hr氢气合并时，这将产生在12小时内连续可用的约503MW的电力。这可以供应工艺运行所需的603MW电力的80％。
实施例3：电气化氨合成-电气化初级(SMR)重整加PSA
图7示出了根据本公开实施方案进行电气化并且在实施例3和4中呈现的用于氨合成工艺XII的操作参数。工艺XII包含电动压缩机、电动重整器和电动再沸器。如图7中虚线所示，进一步添加变压吸附(PSA)气体分离装置267以纯化吹扫气体流205’。流速为16.7t/hr的吹扫气流205’含有11重量％的氢气。气体分离装置267消耗2MW的电力，并产生基本上纯的氢气的产物流268。将所得1.84t/hr纯化氢气供给到燃料电池270，在该燃料电池中，氢气被转化为水271和电力272，其中电效率为45％，从而连续产生33MW的电力。净电力(31MW)用于供应工艺XII所需的375MW电力的8.3％。
实施例4：电气化的氨合成-电气化初级(SMR)重整加PSA和H2压缩/储存
对于实施例3中描述的工艺XII，我们进一步添加变压吸附(PSA)气体分离装置267以纯化吹扫气体流205’。流速为16.7t/hr的吹扫气流205'含有11重量％的氢气。气体分离装置267消耗2MW的电力，并产生基本上纯的氢气的产物流268。通过压缩机C4压缩所得的1.84t/hr纯化氢气，并储存在储存容器280中，以在可再生电力可用性较低或当其更昂贵时使用。当需要时，储存容器280中的储存氢气与在那时通过该工艺正在生产的268中的氢气合并，并使用燃料电池270将两者转化为电力272。将通过各种因素确定何时将所储存的氢气用于发电。作为一种可能性，如果一些可再生电力是每日可用的，那么可以在12小时期间收集并储存22.1吨氢气。当在接下来的12小时内释放并与通过该工艺仍在管线268中生产的1.84t/hr氢气合并时，这将产生在12小时内连续可用的约64MW的电力272。这可以供应工艺XII运行所需的375MW电力的17％。
实施例5：电气化甲醇合成加PSA
图8示出了根据本公开实施方案进行电气化并且在实施例5和6中呈现的用于甲醇合成工艺X/XI的操作参数。工艺X包含变压吸附(PSA)气体分离装置295和燃料电池296。PSA295是可操作的，以纯化吹扫气体流205’，并回收80％的3.37t/h的可用氢气。所得2.7t/h的纯化氢气293供给到燃料电池296，在该燃料电池中，氢气被转化为水291和电力296，其中电效率为45％，从而连续产生48MW的电力。该电力用于供应工艺X所需的180MW电力的约27％。
实施例6：电气化的甲醇合成加PSA和H2压缩/储存
如图8中虚线所示，根据本公开的工艺XI包括压缩机C4和储存容器297。变压吸附(PSA)气体分离装置295是可操作的，以纯化吹扫气体流205’，并回收80％的3.37t/h可用氢气。在C4压缩所得2.7t/h纯化氢气293，并储存在储存容器297中，以在可再生电力可用性较低或当其更昂贵时使用。当需要时，储存的氢气293A与在那时通过工艺XI正在生产的的氢气293合并，并使用燃料电池296将两者转化为电力。如将被本领域技术人员所理解的，将通过各种因素确定何时将所储存的氢气用于发电。作为一种可能性，如果一些可再生电力是每日可用的，那么可以在12小时期间在C4处收集、压缩并在297处储存32.4吨氢气。当在接下来的12小时内释放并与通过储存的氢气流293A与通过工艺IX仍在生产的2.7t/h氢气293合并时，约96MW的电力可在12小时内连续可用。这种电力将供应工艺XI运行所需的180MW电力的约53％。
虽然已经示出并描述了各种实施方案，但是本领域技术人员可以在不脱离本公开的精神和教导的情况下对其进行修改。本文描述的实施方案仅为示例性的，并不旨在限制。本文公开的主题的许多变化和修改是可能的，并且在本公开的范围内。在明确规定数值范围或限制的情况下，此类明确范围或限制应理解为包括落在明确规定范围或限制内的相同量级的重复范围或限制(例如，约1至约10包括，2、3、4等；大于0.10包括0.11、0.12、0.13等)。例如，每当公开具有下限RL和上限RU的数值范围时，具体地公开落在该范围内的任何数字。特别地，具体公开了该范围内的以下数字：R＝RL+k*(RU-RL)，其中k是1％到100％的变量，增量为1％，即，k是1％、2％、3％、4％、5％、...50％、51％、52％、...、95％、96％、97％、98％、99％或100％。此外，还具体公开了由如以上定义的两个R数字定义的任何数值范围。对权利要求的任何要素使用术语“可选”旨在意指要求主题要素，或者可替代地不要求主体要素。这两种替代选择均旨在落入权利要求的范围内。更广义的术语如包含、包括、具有等的使用应理解是为更狭义的术语如由...组成、基本上由...组成、基本上包含等提供支持。
因而，保护范围不受上述描述的限制，而仅受以下权利要求的限制，该范围包括权利要求书的主题的所有等效物。作为本公开的实施方案，每项权利要求都被并入说明书中。因此，权利要求是对本公开实施方案的进一步描述和补充。对参考文献的讨论并不是承认其是本公开的现有技术，尤其是可能具有本申请优先权日之后的公开日的任何参考文献。本文引用的所有专利、专利申请和出版物的公开在此通过引用并入本文，并入到它们为本文所述那些内容提供示例性、程序性或其他细节补充的程度。
附加公开部分I
以上所公开的具体实施方案仅是说明性的，因为本公开可以以不同但等效的方式进行修改和实践，所述方式对于受益于本文教导的本领域技术人员来说是显而易见的。此外，除如以下权利要求书所述之外，本文所示的构造或设计细节旨在不受限制。因此，显然的是，可以改变或修改以上公开的具体说明性实施方案，并且在本公开的范围和精神内考虑所有这些变化。由组合、整合和/或省略实施方案的特征而产生的替代实施方案也在本公开的范围内。虽然以“具有”、“包含”、“含有”或“包括”各种组分或步骤的更广义的术语描述组合物和方法，但组合物和方法也可以“基本上由”各种组分和步骤“组成”或“由其组成”。对权利要求的任何要素使用术语“可选”意指该要素是必需的，或者可替代地，该要素不是必需的，这两种替代选择都在该权利要求的范围内。
以上所公开的数量和范围可能有些不同。每当公开具有下限和上限的数值范围时，明确地公开落在该范围内的任何数字和任何包括的范围。特别地，本文公开的每个值的范围(形式为“约a至约b”或等效地“约a至b”或等效地“约a-b”)应理解为阐述了在更广泛的值范围内包含的每个数字和范围。此外，除非专利权所有人另有明确且清楚的定义，否则权利要求的术语具有其简单、普通的含义。此外，如权利要求中所使用的不定冠词“一个/一种”在本文中被定义为意指其引入的一个或多于一个要素。如果本说明书和一项或多于一项专利或其他文件中的词或术语的使用存在任何冲突，则应采用与本说明书一致的定义。
本文公开的实施方案包括：
A：一种化学合成设备，其包括：一个或多于一个反应器，其被配置成用于由一种或多于一种反应物生产包含至少一种化学产物的工艺流；进料制备系统，其被配置成用于制备一个或多于一个进料流，所述一个或多于一个进料流包含用于引入所述反应器中的所述一种或多于一种反应物中的一种或多于一种；和/或产物纯化系统，其被配置成用于将至少一种化学产物与所述工艺流内的反应副产物、未反应的反应物、或其组合分离，其中所述化学合成设备被配置成使得通过所述一个或多于一个反应器、所述进料制备系统、所述产物纯化系统、或其组合使用的加热、冷却、压缩、或其组合所需的大多数(例如，大于50％、60％、70％、80％、90％、或100％)净能量由间歇性能源(IES)提供。
B：一种化学合成设备，其被配置成用于利用来自可再生间歇性能源(IES)的电力来提供加热、冷却、压缩、或其组合所需的大多数(例如，大于50％、60％、70％、80％、90％、或100％)净能量的操作。
实施方案A和B中的每个可以具有以下附加要素中的一个或多于一个：要素1：还包括一个或多于一个压缩机，其被配置成用于压缩至少一个流，所述至少一个流包含一种或多用于种反应物、至少一种化学产物、或通过方法产生的至少一种中间体，以及储存装置，其被配置成用于储存至少一个用于随后使用的压缩流。要素2：还包含用于使至少一个储存的压缩流膨胀以发电和/或做机械功的装置。要素3：还包含冷却装置，其被配置成用于冷却至少一个选自以下项的流：一种或多用于种反应物、至少一种化学产物、或通过方法产生的至少一种中间体；以及储存装置，其被配置成用于储存至少一个用于随后使用的冷却流。要素4：其中至少一个冷却流包含低温液体。要素5：其中一个或多于一个反应器、进料制备系统、产物纯化系统、或其组合被配置成用于生产氢气，并且其中化学合成设备还包括燃料电池，其用于将至少一部分所产生的氢气转化为电力。要素6：还包括氢气储存装置，其用于当间歇性电力来源不可用时，在使用燃料电池将至少一部分所产生的氢气转化为电力之前储存至少一部分所产生的氢气。要素7：还包括压缩机，其在氢气储存装置上游且被配置成用于在储存氢气之前将其压缩。要素8：其中一个或多于一个反应器、进料制备系统、产物纯化系统、或其组合被配置成用于生产氢气，并且其中化学合成设备还包括氢气储存装置和压缩机，所述压缩机在所述氢气储存装置上游并且被配置成用于在储存之前压缩至少一部分所生产的氢气，并且其中化学合成设备还包括燃烧装置，所述燃烧装置用于在间歇性电源不可用时燃烧一部分所储存的氢气以产生蒸汽和/或热量，并且其中任选地可以将所述蒸汽用作反应物或稀释剂。要素9：还包括用于在间歇性电源可用时通过升高物体的高度来储存能量的装置。要素10：其中物体包含一种或多于一种进料、一种或多于一种产物、或水。要素11：其中一个或多于一个反应器用耐火材料作内衬，使得短暂的电力损失不会导致一个或多于一个耐火内衬反应器在2分钟内大于约10℃的温度下降。要素12：其中一个或多于一个反应器被热连接到热物体上，使得短暂的电力损失不会导致一个或多于一个耐火内衬反应器在2分钟内大于约5℃的显著温度下降。要素13：其中一个或多于一个反应器被热连接到相变材料上，使得短暂的电力损失不会导致一个或多于一个耐火内衬反应器在2分钟内大于约4℃的温度下降。要素14：还包含可操作的用于在IES不可用时储存热量(例如，加热流体或过热流体)以加热一个或多于一个工艺流的装置。要素15：还包含被配置成用于利用相变材料的液化来储存能量的装置。要素16：还包含现场用于处理间歇性电力供应的电池。要素17：还包含备用电源装置，其被配置成用于为化学合成设备的至少一个装置提供备用电源。要素18：其中选择所述备用电源装置，以提供充足的能量，从而保证所述设备的安全停机。要素19：其中所述备用电源装置包括由压缩气体、电容器、超导体、热电池和/或飞轮驱动的装置。要素20：其中设备的至少一部分仅当IES可用时运行。要素21：被配置成用于当IES不可用或IES可用量减少时以较低生产率运行。要素22：进一步包含用于接受关于能量价格和可用性的信息的系统，从而可以利用此信息来优化能量使用、能量储存和设备的运转。要素23：进一步包括：一个或多于一个压缩机，当IES可用和/或低于门槛价格时其是可操作的，以压缩一个或多于一个气态进料流来进行储存，使得当IES不可用和/或高于门槛价格时，可以使用压缩的一个或多于一个进料流的至少一部分作为进料流和/或提供电力和/或机械功。要素24：其中一个或多于一个压缩机是用来当来自IES的电力可用和/或低于门槛价格时将所述一个或多于一个气态进料流压缩并液化，并且其中所述系统进一步包括可操作的装置，以当IES不易于获得和/或高于门槛价格时，将液化的一个或多于一个气态进料流蒸发并膨胀、做机械功和/或提供进料。要素25：还包含一个或多于一个冷却器，其被配置成用于冷却一个或多于一个进料流、产物流、和/或另一种流体；和储存装置，其被配置成用于当IES不可用和/或高于门槛价格时储存用作制冷剂的冷却的一个或多于一个进料流、产物流和/或另一种流体。要素26：其中，所述制冷剂包含甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、乙烯、丙烯、氨、氮气、或其组合。要素27：还包括燃料电池和用于储存氢气的装置，从而氢气可以被储存在所述储存装置中，并且将所储存的氢气引入燃料电池以发电，从而处理来自IES的间歇性电力供应。要素28：还包括被配置成用于产生氧气和氮气的空气分离装置(ASU)、被配置成用于在压力下储存至少一部分所产生的氧气和/或氮气的储存装置、以及膨胀机，使得在IES不可用和/或高于门槛价格时，加压储存的氧气和/或氮气可以用作反应物和/或用于通过在膨胀机中膨胀来发电。要素29：还包含一个或多于一个重复的装置，其是可操作的以处理IES的可用性。要素30：其中一个或多于一个重复的装置包括一个或多于一个由蒸汽或燃气涡轮机驱动的压缩机，其被用作一个或多于一个电动机驱动的压缩机的备用。要素31：其中所述设备平均每天消耗至少25MW的量用于加热、冷却、压缩或其组合。要素32：其中所排放的CO2量是比被配置成用于在不使用来自IES的电力的情况下运行的类似设备少至少10％。要素33：其中比能耗是比被配置成用于在不使用来自IES的电力的情况下运行的类似设备少至少10％。
附加公开部分II
以下是根据本公开的非限制性的具体实施方案：
第一实施方案，其是一种化学合成设备，所述化学合成设备包括：一个或多于一个反应器，其被配置成用于由一种或多于一种反应物生产包含至少一种化学产物的工艺流；进料制备系统，其被配置成用于制备一个或多于一个进料流，其包含一种或多于一种用于引入反应器内的反应物中一种或多于一种；和/或产物纯化系统，其被配置成用于将至少一种化学产物与所述工艺流内的反应副产物、未反应的反应物、或其组合分离，其中所述化学合成设备被配置成使得通过一个或多于一个反应器、进料制备系统、产物纯化系统、或其组合使用的加热、冷却、压缩、或其组合所需的大多数(例如，大于50％、60％、70％、80％、90％、或100％)净能量由间歇性能源(IES)提供。
第二实施方案，其是第一实施方案的化学合成设备，其还包含一个或多于一个压缩机，其被配置成用于压缩至少一个流，所述至少一个流包含一种或多于一种反应物、至少一种化学产物、或通过方法产生的至少一种中间体；以及储存装置，其被配置成用于储存至少一个用于随后使用的压缩流。
第三实施方案，其是第二实施方案的化学合成设备，其还包括用于使至少一个储存的压缩流膨胀以发电和/或做机械功的装置。
第四实施方案，其是第一实施方案的化学合成设备，其还包括冷却装置，其被配置成用于冷却选自以下项的至少一个流：一种或多于一种反应物、至少一种化学产物、或通过方法产生的至少一种中间体；以及储存装置，其被配置成用于储存至少一个用于随后使用的冷却流。
第五实施方案，其是第四实施方案的化学合成设备，其中，至少一个冷却流包含低温液体。
第六实施方案，其是第一实施方案的化学合成设备，其中，一个或多个反应器、进料制备系统、产物纯化系统、或其组合被配置成用于生产氢气，并且其中所述化学合成设备还包含燃料电池，其用于将至少一部分所产生的氢气转化为电力。
第七实施方案，其是第六实施方案的化学合成设备，其还包括氢气储存装置，其被配置成用于当间歇性电源不可用时，在使用燃料电池将至少一部分所产生的氢气转化为电力之前储存至少一部分所产生的氢气。
第八实施方案，其是第七实施方案的化学合成设备，其还包括压缩机，其在所述氢气储存装置上游且被配置成用于在储存氢气之前将其压缩。
第九实施方案，其是第一实施方案的化学合成设备，其中，一个或多个反应器、进料制备系统、产物纯化系统、或其组合被配置成用于生产氢气，并且其中所述化学合成设备还包括氢气储存装置和压缩机，所述压缩机在所述氢气储存装置上游并且被配置成用于在储存之前压缩至少一部分所生产的氢气，并且其中所述化学合成设备还包括燃烧装置，所述燃烧装置用于在间歇性电源不可用时燃烧一部分所储存的氢气以产生蒸汽和/或热量，并且其中任选地可以将所述蒸汽用作反应物或稀释剂。
第十实施方案，其是第一实施方案的化学合成设备，其还包含用于在间歇性电源可用时通过升高物体的高度来储存能量的装置。
第十一实施方案，其是第十实施方案的化学合成设备，其中，所述物体包含一种或多于一种进料、一种或多于一种产物、或水。
第十二实施方案，其是第一实施方案的化学合成设备，其中，一个或多于一个反应器用耐火材料作内衬，使得短暂的电力损失不会导致所述一个或多于一个耐火内衬反应器在2分钟内大于约10℃的温度下降。
第十三实施方案，其是第一实施方案的化学合成设备，其中，一个或多于一个反应器被热连接到热物体上，使得短暂的电力损失不会导致一个或多个耐火内衬反应器在2分钟内大于约5℃的显著温度下降。
第十四实施方案，其是第一实施方案的化学合成设备，其中，一个或多于一个反应器被热连接到相变材料上，使得短暂的电力损失不会导致所述一个或多个耐火内衬反应器在2分钟内大于约4℃的温度下降。
第十五实施方案，其是第一实施方案的化学合成设备，还包括可操作的用于在IES不可用时储存热量(例如，加热流体或过热流体)以加热一个或多于一个工艺流的装置。
第十六实施方案，其是第一实施方案的化学合成设备，还包括被配置成用于利用相变材料的液化来储存能量的装置。
第十七实施方案，其是第一实施方案的化学合成设备，还包括现场用于处理间歇性电力供应的电池。
第十八实施方案，其是第一实施方案的化学合成设备，还包括备用电源装置，其被配置成用于为所述化学合成设备的至少一个装置提供备用电源。
第十九实施方案，其是第十八实施方案的化学合成设备，其中，选择备用电源装置，以提供充足的能量，从而保证设备的安全停机。
第二十实施方案，其是第十八实施方案的化学合成设备，其中，所述备用电源装置包括由压缩气体、电容器、超导体、热电池和/或飞轮驱动的装置。
第二十一实施方案，其是第一实施方案的化学合成设备，其中，所述设备的至少一部分仅当所述IES可用时运行。
第二十二实施方案，其是第一实施方案的化学合成设备，其被配置成用于当IES不可用或IES可用量减少时以较低生产率运行。
第二十三实施方案，其是第一实施方案的化学合成设备，其还包括用于接受关于能量价格和可用性的信息的系统，从而可以利用此信息来优化能量使用、能量储存和所述设备的运转。
第二十四实施方案，其是一种化学合成设备，其被配置成用于利用来自可再生间歇能源(IES)的电力来提供加热、冷却、压缩、或其组合所需的大多数(例如，大于50％、60％、70％、80％、90％、或100％)净能量的操作。
第二十五实施方案，其是第二十四实施方案的化学合成设备，其还包亏一个或多于一个压缩机，当IES可用和/或低于门槛价格时其是可操作的以压缩一个或多于一个气态进料流以储存，使得当IES不可用和/或高于门槛价格时，可以使用压缩的一个或多于一个进料流的至少一部分作为进料流和/或提供电力和/或机械功。
第二十六实施方案，其是第二十五实施方案的化学合成设备，其中，所述一个或多于一个压缩机是用来当来自IES的电力可用和/或低于门槛价格时将所述一个或多个气态进料流压缩并液化，并且其中所述系统还包含可操作的装置，以当IES不易于获得和/或高于门槛价格时，将液化的一个或于一多个气态进料流蒸发并膨胀，做机械功，和/或提供进料。
第二十七实施方案，其是第二十四实施方案的化学合成设备，其还包括一个或多于一个冷却器，其被配置成用于冷却一个或多于一个进料流、产物流、和/或另一种流体；和储存装置，其被配置成用于储存当IES不可用和/或高于门槛价格时用作制冷剂的冷却的一个或多个进料流、产物流和/或另一种流体。
第二十八实施方案，其是第二十七实施方案的化学合成设备，其中，所述制冷剂包含甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、乙烯、丙烯、氨、氮气、或其组合。
第二十九实施方案，其是第二十四实施方案的化学合成设备，其还包括燃料电池和用于储存氢气的装置，从而氢气可以被储存在所述储存装置中，并且将所储存的氢气引入燃料电池以发电，从而处理来自IES的间歇性电力供应。
第三十实施方案，其是第二十四实施方案的化学合成设备，其还包括被配置成用于产生氧气和氮气的空气分离装置(ASU)、被配置成用于在压力下储存至少一部分所产生的氧气和/或氮气的储存装置、以及膨胀机，使得在IES不可用和/或高于门槛价格时，加压储存的氧气和/或氮气可以用作反应物和/或用于通过在膨胀机中膨胀来发电。
第三十一实施方案，其是第二十四实施方案的化学合成设备，其还包括一个或多于一个重复的装置，其是可操作的以处理IES的可用性。
第三十二实施方案，其是第三十一实施方案的化学合成设备，其中，所述一个或多于一个重复的装置包括一个或多于一个由蒸汽或燃气涡轮机驱动的压缩机，其被用作一个或多于一个电动机驱动的压缩机的备用。
第三十三实施方案，其是第二十四实施方案的化学合成设备，其中，所述设备平均每天消耗至少25MW的量用于加热、冷却、压缩或其组合。
第三十四实施方案，其是第二十四实施方案的化学合成设备，其中，所排放的CO2量是比被配置成用于在不使用来自IES的电力的情况下运行的类似设备少至少10％。
第三十五实施方案，其是第二十四实施方案的化学合成设备，其中，比能耗是比被配置成用于在不使用来自IES的电力的情况下运行的类似设备少至少10％。
第三十六实施方案，其是一种用如本文所述的间歇性能量供应(IES)可操作的化学合成设备。
附加公开部分III
以下是根据本公开的非限制性的具体实施方案：
本文公开的实施方案包括：
A：一种生产一种或多于一种化学产物的方法，所述方法包括：制备一个或多于一个进料流，所述一个或多于一个进料流包含用于引入反应器中的一种或多于一种反应物；使所述一种或多于一种反应物在所述反应器中反应，以产生包含所述一种或多于一种化学产物的产物流；将所述一种或多于一种化学产物与所述产物流内的反应副产物、未反应的反应物、或其组合分离；和/或将所述未反应的反应物和/或反应副产物中的一种或多于一种循环；并且在可再生间歇性能源(IES)可用时，通过由所述可再生间歇能源(IES)产生的电力提供制备、反应、分离、循环、或其组合中一种或多于一种所使用的供能、泵送、加热、冷却、压缩、分离、或其组合所需的大多数(例如，大于50％、60％、70％、80％、或90％)净能量。
B：一种操作、设计和/或改造化学合成设备的方法，所述方法包括：当可再生IES可用和/或低于门槛价格时利用来自可再生间歇能源(IES)的电力来提供加热、冷却、压缩、或其组合所需的大多数(例如，大于50％、60％、70％、80％、90％、或100％)净能量。
实施方案A和B中的每个可以具有以下附加要素中的一个或多于一个：要素1：还包括压缩至少一个选自以下项的流：一个或多于一个进料流、一种或多于一种化学产物、或通过方法产生的至少一种中间体，并且将至少一个压缩流储存以用于随后使用。要素2：还包括使至少一个储存的压缩流膨胀以发电或做机械功。要素3：还包括冷却至少一个选自以下项的流：一个或多于一个进料流、一种或多于一种化学产物、或通过方法产生的至少一种中间体，并且将至少一个冷却流储存以用于随后使用。要素4：其中至少一个冷却流包含低温液体。要素5：其中随后使用包括用作制冷剂。要素6：其中制备、反应、分离、或其组合产生氢气，并且其中所述方法进一步包括使用燃料电池将至少一部分所产生的氢气转化为电力。要素7：还包括当间歇性电源不可用时，在使用燃料电池将至少一部分所产生的氢气转化为电力之前储存至少一部分所产生的氢气。要素8：还包括在储存所述氢气之前将其压缩。要素9：还包括在间歇性电源不可用时，燃烧至少一部分所储存的氢气，以产生蒸汽和热量，并且任选地使用所述蒸汽作为反应物或稀释剂。要素10：还包括在间歇性电源可用时通过升高物体的高度来储存能量。要素11：其中物体包含一种或多于一种进料、一种或多于一种产物、或水。要素12：其中一个或多于一个反应器用耐火材料作内衬，使得短暂的电力损失不会导致一个或多于一个耐火内衬反应器在2分钟内大于10℃的温度下降。要素13：还包括伴随电力的产生调节一个或多于一个进料流中至少一个的入口压力。要素14：还包括将一个或多于一个反应器热连接到热物体上，使得短暂的电力损失不会导致一个或多个耐火内衬反应器在2分钟内大于约5℃的温度下降。要素15：还包括将一个或多于一个反应器热连接到相变材料上，使得短暂的电力损失不会导致一个或多个耐火内衬反应器在2分钟内大于约4℃的温度下降。要素16：还包括在用来自IES的电力的电加热不可用时储存热量(例如，加热流体或过热流体)以加热一个或多个工艺流。要素17：还包括利用相变材料的液化来储存能量。要素18：还包括现场储存电池以用于来自IES的间歇性电力供应。要素19：还包括为至少一个装置提供备用电源。要素20：其中，选择所述备用电源装置，以提供充足的能量，从而保证所述设备的安全停机。要素21：包括通过由压缩气体、电容器、超导体、热电池和/或飞轮驱动的装置提供备用电源。要素22：还包括仅当IES可用时运行所述设备的至少一部分。要素23：还包括当IES不可用或IES可用量减少时以较低生产率运行。要素24：还接收关于能量价格和可用性的信息，并且利用所述信息来优化能量使用、能量储存、和/或一种或多于一种化学产物的生产。要素25：还包括：当可再生IES可用和/或低于门槛价格时，压缩一个或多于一个气态进料流以储存，并且当可再生IES不可用和/或高于门槛价格时，使用压缩的一个或多于一个进料流的至少一部分作为进料流和/或提供电力和/或机械功。要素26：其中在大于工艺操作压力的压力下压缩并储存一种或多于一种气态工艺流，并且还包括通过从大于工艺操作压力的压力降至操作压力的压降来发电。要素27：其中当来自可再生IES的电力可用和/或低于门槛价格时，将一个或多于一个气态工艺流压缩并液化，并且当来自可再生IES的电力不易于获得和/或高于门槛价格时，蒸发并膨胀以发电、做机械功、和/或提供进料。要素28：还包括冷却并储存产物流和/或一个或多于一个工艺流，以用作来自可再生IES的间歇性电力供应的制冷剂。要素29：其中产物流和/或一个或多个工艺流包含甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、氨、或其组合。要素30：其中当来自可再生IES的电力易于获得和/或低于门槛价格时，将产物流和/或一个或多个工艺流冷却并储存，并且当来自可再生IES的电力不可用和/或高于门槛价格时，用来冷却一个或多于一个其他工艺流，从而产生一个或多于一个较热的液体和/或气体流。要素31：还包括使用通过冷却产物流和/或一个或多于一个其他工艺流所获得的一个或多于一个较热的液体和/或气体流作为进料和/或将其作为产物取出。要素32：还包括储存氢气，并将所储存的氢气通过燃料电池以发电，从而处理来自可再生IES的间歇性电力供应。要素33：还包括在空气分离设备中产生氧气和氮气，在压力下储存至少一部分所产生的氧气和/或氮气，并且在可再生IES不可用和/或高于门槛价格时，将加压储存的氧气和/或氮气用作反应物和/或用于通过膨胀来发电。要素34：还包括使用一个或多于一个重复的装置来处理来自可再生IES的电力的可用性。要素35：其中所述重复的装置包括一个或多于一个由蒸汽或燃气涡轮机驱动的压缩机，其被用作一个或多于一个电动机驱动的压缩机的备用。要素36：还包括当可再生IES不可用和/或高于门槛价格时，使用不可再生电力作为来自可再生IES的电力的备用。要素37：还包括当来自可再生IES的电力可用或低于门槛价格时，使其为电动机驱动的压缩机供能，并且当可再生IES不可用和/或高于门槛价格时，用不可再生电力为电动机驱动的压缩机供能。要素38：还包括平均每天消耗至少25MW的量用于加热、冷却、压缩或其组合。
附加公开部分IV
以下是根据本公开的非限制性的具体实施方案：
第一实施方案，其是生产一种或多于一种化学产物的方法，所述方法包括制备一个或多于一个进料流，其包含一种或多于一种用于引入反应器中的反应物；将一种或多于一种反应物在所述反应器中反应，以产生包含一种或多于一种化学产物的产物流；将一种或多于一种化学产物与所述产物流内的反应副产物、未反应的反应物、或其组合分离；和/或将未反应的反应物和/或反应副产物中的一种或多于一种循环；并且在可再生间歇性能源(IES)可用时，通过由可再生间歇能源(IES)产生的电力提供制备、反应、分离、循环、或其组合中一种或多于一种所使用的供能、泵送、加热、冷却、压缩、分离、或其组合所需的大多数(例如，大于50％、60％、70％、80％、或90％)净能量。
第二实施方案，其是第一实施方案的方法，其还包括压缩至少一个选自以下项的流：一个或多个进料流、一种或多种化学产物、或通过方法产生的至少一种中间体，并且将至少一个压缩流储存以用于随后使用。
第三实施方案，其是第二实施方案的方法，其还包括使至少一个储存的压缩流膨胀以发电或做机械功。
第四实施方案，其是第一实施方案的方法，其还包括冷却至少一个选自以下项的流：一个或多个进料流、一种或多种化学产物、或通过方法产生的至少一种中间体，并且将至少一个冷却流储存以用于随后使用。
第五实施方案，其是第四实施方案的方法，其中，所述至少一个冷却流包含低温液体。
第六实施方案，其是第四实施方案的方法，其中，所述随后使用包含用作制冷剂。
第七实施方案，其是第一实施方案的方法，其中，制备、反应、分离、或其组合产生氢气，并且其中所述方法进一步包括使用燃料电池将至少一部分所产生的氢气转化为电力。
第八实施方案，其是第七实施方案的方法，其还包括当间歇性电源不可用时，在使用燃料电池将至少一部分所产生的氢气转化为电力之前储存至少一部分所产生的氢气。
第九实施方案，其是第七实施方案的方法，还包括在储存氢气之前将其压缩。
第十实施方案，其是第七实施方案的方法，还包括在间歇性电源不可用时，燃烧至少一部分所储存的氢气，以产生蒸汽和热量，并且任选地使用所述蒸汽作为反应物或稀释剂。
第十一实施方案，其是第一实施方案的方法，还包括在间歇性电源可用时通过升高物体的高度来储存能量。
第十二实施方案，其是第十一实施方案的方法，其中，所述物体包含一种或多于一种进料、一种或多于一种产物、或水。
第十三实施方案，其是第一实施方案的方法，其中，一个或多于一个反应器用耐火材料作内衬，这样使得短暂的电力损失不会导致一个或多个耐火内衬反应器在2分钟内大于10℃的温度下降。
第十四实施方案，其是第一实施方案的方法，还包括伴随电力的产生调节一个或多于一个进料流中至少一个的入口压力。
第十五实施方案，其是第一实施方案的方法，还包括将一个或多于一个反应器热连接到热物体上，使得短暂的电力损失不会导致一个或多个耐火内衬反应器在2分钟内大于约5℃的温度下降。
第十六实施方案，其是第一实施方案的方法，还包括将一个或多于一个反应器热连接到相变材料，使得短暂的电力损失不会导致一个或多于一个耐火内衬反应器在2分钟内大于约4℃的温度下降。
第十七实施方案，其是第一实施方案的方法，还包括在使用来自IES的电力进行的电加热不可用时储存热量(例如，加热流体或过热流体)以加热一个或多于一个工艺流。
第十八实施方案，其是第一实施方案的方法，还包括利用相变材料的液化来储存能量。
第十九实施方案，其是第一实施方案的方法，还包括现场储存电池以用于来自IES的间歇性电力供应。
第二十实施方案，其是第一实施方案的方法，还包括为至少一个装置提供备用电源。
第二十一实施方案，其是第二十实施方案的方法，其中，选择所述备用电源装置，以提供充足的能量，从而保证设备的安全停机。
第二十二实施方案，其是第二十实施方案的方法，包括通过由压缩气体、电容器、超导体、热电池和/或飞轮驱动的装置提供备用电源。
第二十三实施方案，其是第一实施方案的方法，还包括仅当IES可用时运行设备的至少一部分。
第二十四实施方案，其是第一实施方案的方法，还包括当IES不可用或IES可用量减少时以较低生产率运行。
第二十五实施方案，其是第一实施方案的方法，还包括接收关于能量价格和可用性的信息，并且利用所述信息来优化能量使用、能量储存、和/或一种或多于一种化学产物的生产。
第二十六实施方案，其是操作、设计、和/或改造化学合成设备的方法，所述方法包括当可再生IES可用和/或低于门槛价格时利用来自可再生间歇性能源(IES)的电力来提供加热、冷却、压缩、或其组合所需的大多数(例如，大于50％、60％、70％、80％、90％、或100％)净能量。
第二十七实施方案，其是第二十六实施方案的方法，还包括当可再生IES可用和/或低于门槛价格时，压缩一个或多于一个气态进料流以储存，并且当可再生IES不可用和/或高于门槛价格时，使用压缩的一个或多于一个进料流的至少一部分作为进料流和/或提供电力和/或机械功。
第二十八实施方案，其是第二十七实施方案的方法，其中在大于工艺操作压力的压力下压缩并储存一种或多种气态工艺流，并且还包括由从大于工艺操作压力的压力降至操作压力的压降来发电。
第二十九实施方案，其是第二十七实施方案的方法，其中当来自可再生IES的电力可用和/或低于门槛价格时，将一个或多个气态工艺流压缩并液化，并且当来自可再生IES的电力不易于获得和/或高于门槛价格时，蒸发并膨胀以发电、做机械功、和/或提供进料。
第三十实施方案，其是第二十六实施方案的方法，还包括冷却并储存产物流和/或一个或多个工艺流，以用作来自可再生IES的间歇性电力供应的制冷剂。
第三十一实施方案，其是第三十实施方案的方法，其中，产物流和/或一个或多于一个工艺流包含甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、氨、或其组合。
第三十二实施方案，其是第三十实施方案的方法，其中，当来自可再生IES的电力易于获得和/或低于门槛价格时，将产物流和/或一个或多于一个工艺流冷却并储存，并且当来自可再生IES的电力不可用和/或高于门槛价格时，用来冷却一个或多于一个其他工艺流，由此产生一个或多于一个较热的液体和/或气体流。
第三十三实施方案，其是第三十二实施方案的方法，还包括使用通过冷却产物流和/或一个或多个其他工艺流所获得的一个或多于一个较热的液体和/或气体流作为进料和/或将其作为产物取出。
第三十四实施方案，其是第二十六实施方案的方法，还包括储存氢气，并将所储存的氢气通过燃料电池以发电，从而处理来自可再生IES的间歇性电力供应。
第三十五实施方案，其是第二十六实施方案的方法，还包括在空气分离设备中产生氧气和氮气，在压力下储存至少一部分所产生的氧气和/或氮气，并且在可再生IES不可用和/或高于门槛价格时，将加压储存的氧气和/或氮气用作反应物和/或用于通过膨胀来发电。
第三十六实施方案，其是第二十六实施方案的方法，还包括使用一个或多于一个重复的装置来处理来自可再生IES的电力的可用性。
第三十七实施方案，其是第三十六实施方案的方法，其中所述重复的装置包含一个或多于一个由蒸汽或燃气涡轮机驱动的压缩机，其被用作一个或多于一个电动机驱动的压缩机的备用。
第三十八实施方案，其是第二十六实施方案的方法，还包括当可再生IES不可用和/或高于门槛价格时，使用不可再生电力作为来自可再生IES的电力的备用。
第三十九实施方案，其是第三十八实施方案的方法，还包括当来自可再生IES的电力可用或低于门槛价格时，用其为电动机驱动的压缩机供能，并且当可再生IES不可用和/或高于门槛价格时，用不可再生电力为电动机驱动的压缩机供能。
第四十实施方案，其是第二十六实施方案的方法，还包括平均每天消耗至少25MW的量用于加热、冷却、压缩或其组合。
第四十一实施方案，其是一种操作如本文所述的化学工艺的方法。
附加公开部分V
以下是根据本公开的非限制性的具体实施方案：
第一实施方案，其是一种化学合成设备，所述化学合成设备包括：一个或多于一个反应器，其被配置成用于由一种或多于一种反应物生产包含至少一种化学产物的工艺流；进料制备系统，其被配置成用于制备一个或多于一个进料流，所述进料流包含一种或多于一种用于引入反应器内的反应物中一种或多用于种；和产物纯化系统，其被配置成用于将至少一种化学产物与所述工艺流内的反应副产物、未反应的反应物、或其组合分离，其中所述化学合成设备被配置成使得通过一个或多于一个反应器、进料制备系统、产物纯化系统、或其组合使用的加热、冷却、压缩、或其组合所需的至少50％净能量由间歇性能源(IES)提供，并且其中设备平均每天消耗至少25MW的电量用于加热、冷却、压缩或其组合。
第二实施方案，其是根据第一实施方案所述的化学合成设备，其中，所述化学合成设备不包含烟气热回收段。
第三实施方案，其是根据第一实施方案的化学合成设备，其还包括一个或多于一个压缩机，所述一个或多于一个压缩机被配置成用于压缩至少一个流，所述至少一个流包含一种或多于一种反应物、至少一种化学产物、或通过方法产生的至少一种中间体；储存装置，其被配置成用于储存至少一个用于随后使用的压缩流，并且还包含用于使至少一个储存的压缩流膨胀以发电或做机械功的装置。
第四实施方案，其是根据第一实施方案的化学合成设备，其还包括冷却装置，所述冷却装置被配置成用于冷却选自以下项的至少一个流：一种或多于一种反应物、至少一种化学产物、或通过方法产生的至少一种中间体；以及储存装置，其被配置成用于储存至少一个用于随后使用的冷却流，并且其中至少一个冷却流包含低温液体。
第五实施方案，其是根据第一实施方案的化学合成设备，其中一个或多个反应器、进料制备系统、产物纯化系统、或其组合被配置成用于生产氢气，并且其所述化学合成设备还包括用于将至少一部分所生产的氢气转化为电力的燃料电池，所述化学合成设备还包括氢气储存装置，储存装置用于在间歇性电源不可用时，在使用所述燃料电池将至少一部分所生产的氢气转化为电力之前储存至少一部分所生产的氢气，并且还包括压缩机，所述压缩机在所述氢气储存装置上游并且被配置成用于在储存氢气之前压缩氢气。
第六实施方案，其是根据第一实施方案的化学合成设备，其中，所述一个或多个反应器、所述进料制备系统、所述产物纯化系统、或其组合被配置成用于生产氢气，并且其中，所述化学合成设备还包含氢气储存装置和压缩机，所述压缩机在所述氢气储存装置上游并且被配置成用于在储存之前压缩至少一部分所生产的氢气，并且其中，所述化学合成设备还包含燃烧装置，所述燃烧装置用于在间歇性电源不可用时燃烧一部分所储存的氢气以产生蒸汽或热量，并且其中，将所述蒸汽用作反应物或稀释剂。
第七实施方案，其是根据第一实施方案的化学合成设备，其还包含用于在间歇性电源可用时，通过升高物体的高度来储存能量的装置，其中所述物体包含一种或多种进料、一种或多种产物或水。
第八实施方案，其是根据第一实施方案的化学合成设备，其中一个或多于一个反应器用耐火材料作内衬，使得短暂的电力损失不会导致一个或多于一个耐火内衬反应器在2分钟内大于约10℃的温度下降。
第九实施方案，其是根据第一实施方案的化学合成设备，其中一个或多于一个反应器被热连接到热物体上，使得短暂的电力损失不会导致一个或多于一个耐火内衬反应器在2分钟内大于约5℃的显著温度下降。
第十实施方案，其是根据第一实施方案的化学合成设备，其中，一个或多于一个反应器被热连接到相变材料上，使得短暂的电力损失不会导致一个或多于一个耐火内衬反应器在2分钟内大于约4℃的温度下降。
第十一实施方案，其是根据第一实施方案的化学合成设备，还包括可操作以用于在IES不可用时将热量储存为加热流体或过热流体以加热一个或多于一个工艺流的装置。
第十二实施方案，其是根据第一实施方案的化学合成设备，还包括被配置成用于利用相变材料的液化来储存能量的装置。
第十三实施方案，其是根据第一实施方案的化学合成设备，还包括备用电源装置，其被配置成用于为所述化学合成设备中的至少一个装置提供备用电源，其中选择备用电源装置以提供充足的能量，从而保证设备的安全停机，并且其中所述备用电源装置包括由压缩气体驱动的装置、电容器、超导体、热电池和/或飞轮。
第十四实施方案，其是根据第一实施方案的化学合成设备，其进一步包括用于接受关于能量价格和可用性的信息的系统，从而可以利用此信息来优化能量使用、能量储存和设备的运转。
第十五实施方案，其是根据第一实施方案的化学合成设备，其还包括被配置成用于产生氧气和氮气的空气分离装置(ASU)、被配置成用于在压力下储存至少一部分所产生的氧气和/或氮气的储存装置、以及膨胀机，使得在IES不可用和/或高于门槛价格时，加压储存的氧气和/或氮气可以用作反应物和/或用于通过在膨胀机中膨胀来发电。
第十六实施方案，其是生产一种或多于一种化学产物的方法，所述方法包括：制备一个或多于一个进料流，其包含一种或多于一种用于引入反应器中的反应物；将一种或多种反应物在反应器中反应，以产生包含一种或多于一种化学产物的产物流；将一种或多种化学产物与产物流内的反应副产物、未反应的反应物、或其组合分离；将未反应的反应物和/或反应副产物中的一种或多于一种循环；并且在可再生间歇性能源(IES)可用时，由从可再生间歇性能源(IES)产生的电力提供制备、反应、分离、循环、或其组合中一种或多于一种所使用的供能、泵送、加热、冷却、压缩、分离、或其组合所需的至少50％的净能量，并且其中，设备平均每天消耗至少25MW的电量用于加热、冷却、压缩或其组合。
虽然已经示出并描述了本发明的优选实施方案，但是本领域技术人员可以在不脱离本公开的教导的情况下对其进行修改。本文描述的实施方案仅为示例性的，并不旨在限制。本文公开的发明的许多变化和修改是可能的，并且在本发明的范围内。
一旦以上公开被完全理解，则许多其他修改、等效物、和替代物对本领域技术人员而言将变得显而易见。在适用的情况下，以下权利要求旨在被解释为包含所有此类修改、等效物和替代物。因而，保护范围不受上述描述的限制，而仅受以下权利要求的限制，该范围包括权利要求中的主题的所有等效物。作为本发明的实施方案，每项权利要求都被并入说明书中。因此，权利要求是对本发明的详细描述的进一步描述和补充。本文所引用的全部专利、专利申请、和出版物的公开内容在此通过引用并入。

Claims (16)

1.一种化学合成设备，其包括：
一个或多于一个反应器，其被配置成用于由一种或多于一种反应物生产包含至少一种化学产物的工艺流；
进料制备系统，其被配置成用于制备一个或多于一个进料流，所述一个或多于一个进料流包含用于引入所述反应器中的所述一种或多于一种反应物中的一种或多于一种；和
产物纯化系统，其被配置成用于将至少一种化学产物与所述工艺流内的反应副产物、未反应的反应物、或其组合分离，
其中，所述化学合成设备被配置成使得至少50％的通过所述一个或多于一个反应器、所述进料制备系统、所述产物纯化系统、或其组合使用的加热、冷却、压缩、或其组合所需的净能量由间歇性能源(IES)提供，并且
其中，所述设备平均每天消耗至少25MW的电量用于加热、冷却、压缩或其组合。
2.根据权利要求1所述的化学合成设备，其中所述化学合成设备不包括烟气热回收段。
3.根据权利要求1所述的化学合成设备，其还包括：
一个或多于一个压缩机，其被配置成用于压缩至少一个流，所述至少一个流包含所述一种或多于一种反应物、所述至少一种化学产物、或通过方法产生的至少一种中间体；
储存装置，其被配置成用于储存随后使用的至少一个压缩流；并且
还包括用于使至少一个储存的压缩流膨胀以发电或做机械功的装置。
4.根据权利要求1所述的化学合成设备，其还包括：
冷却装置，其被配置成用于冷却至少一个流，所述流选自所述一种或多于一种反应物、所述至少一种化学产物、或通过方法产生的至少一种中间体；和
储存装置，其被配置成用于储存随后使用的至少一个冷却流，并且
其中，所述至少一个冷却流包含低温液体。
5.根据权利要求1所述的化学合成设备，其中所述一个或多于一个反应器、所述进料制备系统、所述产物纯化系统、或其组合被配置成用于生产氢气，并且其中所述化学合成设备还包含用于将至少一部分所生产的氢气转化为电力的燃料电池，所述化学合成设备还包括氢气储存装置，所述氢气储存装置用于在间歇性电源不可用时，在使用所述燃料电池将至少一部分所生产的氢气转化为电力之前储存至少一部分所生产的氢气，并且还包括压缩机，所述压缩机在所述氢气储存装置上游并且被配置成用于在储存所述氢气之前压缩所述氢气。
6.根据权利要求1所述的化学合成设备，其中所述一个或多于一个反应器、所述进料制备系统、所述产物纯化系统、或其组合被配置成用于生产氢气，并且其中所述化学合成设备还包括氢气储存装置和压缩机，所述压缩机在所述氢气储存装置上游并且被配置成用于在储存之前压缩至少一部分所生产的氢气，并且其中所述化学合成设备还包括燃烧装置，所述燃烧装置用于在间歇性电源不可用时燃烧一部分所储存的氢气以产生蒸汽或热量，并且其中将所述蒸汽用作反应物或稀释剂。
7.根据权利要求1所述的化学合成设备，其还包括用于在间歇性电源可用时，通过升高物体的高度来储存能量的装置，其中所述物体包含一种或多于一种进料、一种或多于一种产物或水。
8.根据权利要求1所述的化学合成设备，其中一个或多于一个反应器用耐火材料作内衬，这样使得短暂的电力损失不会导致一个或多于一个耐火内衬反应器在2分钟内大于约10℃的温度下降。
9.根据权利要求1所述的化学合成设备，其中一个或多于一个反应器被热连接到热物体上，这样使得短暂的电力损失不会导致一个或多于一个耐火内衬反应器在2分钟内大于约5℃的显著的温度下降。
10.根据权利要求1所述的化学合成设备，其中一个或多于一个反应器被热连接到相变材料上，这样使得短暂的电力损失不会导致一个或多于一个耐火内衬反应器在2分钟内大于约4℃的温度下降。
11.根据权利要求1所述的化学合成设备，其还包括可操作的用于在IES不可用时将热量储存为加热流体或过热流体以加热一个或多于一个工艺流的装置。
12.根据权利要求1所述的化学合成设备，其还包括被配置成用于利用相变材料的液化来储存能量的装置。
13.根据权利要求1所述的化学合成设备，其还包括备用电源装置，其被配置成用于为所述化学合成设备中的至少一个装置提供备用电源，其中选择所述备用电源装置以提供充足的能量，从而保证所述设备的安全停机，并且其中所述备用电源装置包括由压缩气体驱动的装置、电容器、超导体、热电池和/或飞轮。
14.根据权利要求1所述的化学合成设备，其还包括用于接受关于能量价格和可用性的信息的系统，从而能够利用此信息来优化能量使用、能量储存和设备的运转。
15.根据权利要求1所述的化学合成设备，其还包括被配置成用于产生氧气和氮气的空气分离单元(ASU)、被配置成用于在压力下储存至少一部分所产生的氧气和/或氮气的储存装置、以及膨胀机，这样使得在IES不可用和/或高于门槛价格时，加压储存的氧气和/或氮气能够用作反应物和/或用于通过在膨胀机中膨胀来发电。
16.一种生产一种或多于一种化学产物的方法，所述方法包括：
制备一个或多于一个进料流，所述一个或多于一个进料流包含用于引入反应器中的一种或多于一种反应物；
使所述一种或多于一种反应物在所述反应器中反应，以产生包含所述一种或多于一种化学产物的产物流；
将所述一种或多于一种化学产物与所述产物流内的反应副产物、未反应的反应物、或其组合分离；
将所述未反应的反应物和/或反应副产物中的一种或多于一种循环；并且
在可再生间歇性能源(IES)可用时，由从所述可再生间歇能源(IES)产生的电力提供至少50％的制备、反应、分离、循环、或其组合中一种或多于一种所使用的供能、泵送、加热、冷却、压缩、分离、或其组合所需的净能量，并且
其中设备平均每天消耗至少25MW的电量用于加热、冷却、压缩或其组合。
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