CN118076431A - 利用旋转产生的热能在与精炼和石化工业相关的过程中加热流体的方法和设备 - Google Patents

利用旋转产生的热能在与精炼和石化工业相关的过程中加热流体的方法和设备 Download PDF

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T·欧尼
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Abstract

提供了一种在与炼油和/或石化工业相关的一个或多个过程中通过至少一个旋转设备将热能输入流体介质的方法，所述至少一个旋转设备包括：具有至少一个入口和至少一个出口的外壳；转子，所述转子包括布置在转子轮毂的圆周上的至少一排转子叶片，所述转子轮毂安装在转子轴上；以及定子，所述定子被配置为布置在至少一排转子叶片的至少上游的固定叶组件。在所述方法中，通过当所述流体介质流分别穿过所述旋转设备的固定和旋转部件时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予沿着在外壳内部在入口和出口之间形成的流动路径引导的流体介质流。所述方法还包括：将所述至少一个旋转设备集成到热消耗过程设施中，所述热消耗过程设施被配置为精炼和/或石化设施，并且还被配置为在基本上等于或超过500摄氏度(℃)的温度下执行与炼油和/或生产石化产品相关的一个或多个热消耗过程，并且将一定量的输入能量传导到集成到热消耗过程设施中的至少一个旋转设备中，所述输入能量包括电能。还提供了一种旋转设备和相关用途。

Description

利用旋转产生的热能在与精炼和石化工业相关的过程中加热 流体的方法和设备
技术领域
本发明总体上涉及用于将热能(热)输入流体的系统和方法。特别地，本发明涉及在高温和极高温下进行的与炼油和/或石化工业相关的热消耗工业过程中用于优化能量效率和减少温室气体和颗粒排放的工具和工艺。
背景技术
业界和政府一直在努力寻找大幅减少温室气体(GHG)排放的技术。将原油和天然气转化为目标产品或中间体的精炼和石化操作传统上代表排放密集型行业，因此在实现公司、政府和国际组织设定的低排放目标方面发挥着关键作用。
燃烧加热器通常被称为熔炉，广泛用于石油和石化精炼中，用于加热气体和液体以及蒸发液体流。燃烧加热器通常用于高热负荷和高温过程。这种加热器的一个实例是直燃式过程加热器(熔炉)，用于加热和汽化原油常减压蒸馏原料(400-450℃)。利用燃烧加热器的典型炼油厂和/或石化操作包括但不限于气体再生、润滑油生产、延迟焦化、催化重整、用于烯烃生产的烃原料的热解(蒸汽裂解)以及相关流体(例如蒸汽)的产生和/或过热的过程。
传统的燃烧加热器或熔炉101如图4A所示。传统的燃烧加热器通常具有耐火材料衬里的空间，在空间的墙壁或地板上放置多个燃烧器，以便根据加热应用优化空间的各个部分的温度。天然气或其他燃料被送入燃烧器，在那里与鼓风机提供的空气一起燃烧。焚烧后的燃料加热安装在熔炉(燃烧室)辐射段中的管(称为加热盘管)的表面，因此在管内流动的流体通过(辐射)热传递被加热。大多数熔炉设计还包括放置在燃烧室上方的对流段(未示出)，在那里通过对流进行附加的热传递。燃料焚烧产生的烟道气通过通常位于熔炉顶部的烟道气烟囱离开熔炉。通常需要复杂的热回收系统来回收储存在热烟道气中的热量，并且由于存在酸性化合物如二氧化碳(CO2)会降低水的pH值并导致材料腐蚀问题，因此热回收通常受到水的冷凝温度的限制。排放到大气中的烟道气富含CO2，还含有其他对环境有害的化合物，如氮氧化物、硫氧化物和颗粒物。
历史上，类似的熔炉设计也被用于烯烃裂解技术。在传统的裂解炉中，对流段是炉的一部分，烃进料在其中经历预热、与稀释蒸汽混合和其他操作，从而为裂解(热解)准备进料。后者发生在下游辐射段，通常由一堆反应器管(盘管)表示。对流段所需的热量主要从热解过程中排出的烟道气中回收。尽管自20世纪50年代初以来，通常被称为烯烃裂解炉的管式燃料燃烧反应器经历了重大发展，但这些熔炉仍然受到高能量需求、低热效率(高燃料气体消耗)和产品产量限制的影响。所有这些原因促使工厂所有者寻找利用可再生能源技术的解决方案。
电气化通常被认为是减少排放的解决方案；然而，在大多数工业过程中使用电气化的障碍之一是电气化加热器不能达到这些过程所需的高温。举例来说，将烃裂解成散装化学品的核心工艺需要非常高的温度，例如在大约850至1600摄氏度(℃)的范围内。这对能源和利用的技术提出了严格的要求。虽然被认为是减少GHG排放的合适解决方案，但工业过程的电气化仍然受到阻碍，因为目前的技术和现有的设施基础建设无法满足实现足够高温度的需求。
已经提出了许多用于加热目的的旋转解决方案。因此，US11,098,725B2(Sanger等人)公开了一种可用于选择性地产生加热流体和/或加压流体流的流体动力加热器泵装置。上述流体动力加热器泵被设计成结合在汽车冷却系统中，以提供用于加热车辆乘客舱的热量，并提供其他功能，例如车窗除冰和发动机冷却。所公开的装置还可以提供用于冷却发动机的加压流体流。所公开的技术基于摩擦；并且，由于待加热的流体是液体，所提出的设计不适用于涉及气体空气动力学的极端湍流的条件。
US 7,614,367 B1(Frick)公开了一种通过将旋转动能转化为热量来无焰加热、浓缩或蒸发流体的系统和方法。配置用于流体加热，所述系统可以包括旋转动能发生器、旋转加热装置和主热交换器，所有这些都在闭环流体连通中。旋转加热装置可以是水制动测功机。该文件公开了所述系统在海上钻井或生产平台中用于加热水的用途。然而，所提出的系统不适用于加热气态介质，也不适用于高温和极高温(由于液体稳定性、蒸汽压等)。
此外，已知一些旋转涡轮机型装置实施烃(蒸汽)裂解过程，并旨在最大化目标产品如乙烯和丙烯的产量。
在这方面，为了以高效和环境友好的方式应对与提高流体物质温度相关的挑战，仍然需要与高效加热系统的设计和制造相关的技术领域的更新，特别是那些适用于炼油和高温及极高温下的石化应用的技术。
发明内容
本发明的目的是解决或至少减轻由相关技术的局限性和缺点引起的至少一些问题。通过本文描述的用于产生加热的流体介质的方法、旋转设备和本文定义的相关用途的各种实施方案来实现一个或多个目标。
在一个方面，提供了一种用于将热能输入到精炼和/或石化设施中与炼油和/或石化工业相关的一个或多个过程中的方法。
在实施方案中，所述方法包括通过集成到所述精炼和/或石化设施中的至少一个旋转设备产生加热的流体介质，所述至少一个旋转设备包括：具有至少一个入口和至少一个出口的外壳；转子，所述转子包括布置在转子轮毂的圆周上的至少一排转子叶片，所述转子轮毂安装在转子轴上；以及在所述至少一排转子叶片的至少上游布置成组件的多个固定叶(stationary vane)。所述方法还包括：将所述至少一个旋转设备集成到所述精炼和/或石化设施中，所述精炼和/或石化设施被配置为在基本上等于或超过约500摄氏度(℃)的温度下执行与炼油和/或生产石化产品相关的一个或多个热消耗过程；将一定量的输入能量传导到集成到所述精炼和/或石化设施中的所述至少一个旋转设备中，所述输入能量包括电能；以及操作集成到所述精炼和/或石化设施中的所述至少一个旋转设备，使得通过当所述流体介质流分别穿过所述固定叶和所述至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予沿着在所述外壳内部在所述入口和所述出口之间形成的流动路径引导的流体介质流，由此产生加热的流体介质流。
在实施方案中，所述方法包括在所述精炼和/或石化设施中，将所述至少一个旋转设备连接到至少一个热消耗单元，所述至少一个热消耗单元被配置为反应器或熔炉，并且适于在所述精炼和/或石化设施中执行与炼油和/或生产石化产品相关的一个或多个热消耗过程。在实施方案中，所述热消耗单元还被配置为以下任何一种：加热器、燃烧器、焚烧炉、锅炉、干燥器、输送装置或其组合。
在实施方案中，所述方法包括通过至少一个旋转设备产生加热到基本上等于或超过约500摄氏度(℃)的温度，或基本上等于或超过约1200℃的温度，或基本上等于或超过约1700℃的温度的所述流体介质。
在实施方案中，所述方法包括调节通过所述旋转设备传播的所述流体介质流的速度和/或压力，以得到产生所述加热的流体介质流的条件。
在实施方案中，在所述方法中，所述加热的流体介质由至少一个旋转设备产生，所述至少一个旋转设备包括沿所述转子轴按顺序布置的两排或更多排转子叶片。
在一个实施方案中，在所述方法中，所述加热的流体介质由至少一个旋转设备产生，所述至少一个旋转设备还包括布置在所述至少一排转子叶片下游的扩散器区域，所述方法还包括操作集成到所述精炼和/或石化设施中的所述至少一个旋转设备，使得通过当所述流体介质流分别连续穿过所述固定导向叶、所述至少一排转子叶片和所述扩散器区域时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予沿着在所述外壳内部在所述入口和所述出口之间形成的流动路径引导的流体介质流，由此产生加热的流体介质流。扩散器区域可以配置有或没有固定叶。
在实施方案中，在所述方法中，通过调节传导到集成到所述热消耗过程设施中的所述至少一个旋转设备中的输入能量的量来控制添加到通过所述旋转设备传播的所述流体介质流中的热能的量。
在实施方案中，所述方法还包括在所述至少一个旋转设备的下游布置附加加热设备，并将反应性化合物或反应性化合物的混合物引入到通过所述附加加热设备传播的所述流体介质流中，由此通过放热反应将所述量的热能添加到所述流体介质流中。在实施方案中，将所述反应性化合物或反应性化合物的混合物引入预热到预定温度的所述流体介质流中。在实施方案中，将所述反应性化合物或化合物的混合物引入预热到基本上等于或超过约1700℃的温度的所述流体介质流中。在实施方案中，所述流体介质流预热到所述预定温度在所述旋转设备中实现。
在实施方案中，所述方法包括将至少两个旋转设备集成到所述精炼和/或石化设施中，所述旋转设备并联或串联连接。在实施方案中，所述方法包括通过至少两个按顺序连接的旋转设备产生所述加热的流体介质，其中所述流体介质流在序列中的至少第一旋转设备中被预热到预定温度，并且其中通过将附加量的热能输入到通过所述第二旋转设备传播的预热的流体介质流，所述流体介质流在所述序列中的至少第二旋转设备中被进一步加热。在实施方案中，在所述方法中，在所述序列中的至少所述第一旋转设备中，所述流体介质流被预热到基本上等于或超过约1700℃的温度。在实施方案中，在所述方法中，通过将所述反应性化合物或反应性化合物的混合物引入所述流中，将所述附加量的热能添加到通过所述序列中的所述至少第二旋转设备传播的所述流体介质流中。
在实施方案中，所述方法包括将所述反应性化合物或化合物混合物引入到与炼油和/或生产石化产品相关的一个或多个热消耗过程中。
在实施方案中，在所述方法中，由所述至少一个旋转设备产生的所述加热的流体介质选自由进料气体、再循环气体、补充气体和工艺流体组成的组。
在实施方案中，在所述方法中，进入所述旋转设备的所述流体介质基本上是气态介质。
在实施方案中，所述方法包括在所述旋转设备中产生所述加热的流体介质。在实施方案中，在所述旋转设备中产生的所述加热的流体介质是含烃气体。在实施方案中，在所述旋转设备中产生的所述加热的流体介质是除所述含烃气体以外的气态介质，例如空气、蒸汽(H2O)、氮气(N2)、氢气(H2)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氨气(NH3)或其任何组合。在实施方案中，在所述旋转设备中产生的所述加热的流体介质是从在精炼和/或石化设施中与炼油和/或石化工业相关的过程期间产生的废气中再循环的再循环气体。在实施方案中，所述方法还包括通过在所述旋转设备中产生的所述加热的流体介质和绕过所述旋转设备的流体介质流之间的热传递过程，在所述旋转设备外部产生所述加热的流体介质。
在实施方案中，所述方法还包括增加通过所述旋转设备传播的所述流体介质流中的压力。
在实施方案中，在所述方法中，作为所述输入能量传导到集成在所述热消耗过程设施中的所述至少一个旋转设备中的电能的量在大约5％至100％的范围内。
在实施方案中，在所述方法中，作为输入能量传导到集成在热消耗过程设施中的至少一个旋转设备中的电能量可从可再生能源或不同能源的组合(可选地，可再生能源)获得。
在实施方案中，在所述方法中，通过与至少一个非电能可操作加热器装置一起集成到所述精炼和/或石化设施中，利用所述至少一个旋转设备来平衡电能(例如通过供应和/或生产获得)、可选地可再生电能的量的变化，例如供过于求和短缺。
根据一个实施方案，将热能输入到与炼油和/或石化工业相关的一个或多个过程中的方法提高了能量效率或减少了温室气体和颗粒排放，或两者兼而有之，所述方法包括通过集成到炼油和/或石化设施中的至少一个旋转设备产生加热的流体介质。
在另一方面，根据本公开提供了一种精炼和/或石化设施。
在一个实施方案中，所述精炼和/或石化设施包括至少一个反应器或熔炉，所述至少一个反应器或熔炉被配置成在基本上等于或超过约500摄氏度(℃)的温度下执行与炼油和/或石化工业相关的一个或多个过程，以及至少一个旋转设备，所述至少一个旋转设备被配置成产生加热的流体介质以将热能输入到所述至少一个反应器或熔炉中，所述至少一个旋转设备包括：具有至少一个入口和至少一个出口的外壳；转子，所述转子包括布置在转子轮毂的圆周上的至少一排转子叶片，所述转子轮毂安装在转子轴上；以及在所述至少一排转子叶片的至少上游布置成组件的多个固定叶，其中所述至少一个旋转设备被配置为接收一定量的输入能量，所述输入能量包括电能，以及其中所述至少一个旋转设备还被配置成这样操作，使得通过当所述流体介质流分别穿过所述固定导向叶和所述至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予沿着在所述外壳内部在所述入口和所述出口之间形成的流动路径引导的流体介质流，由此产生加热的流体介质流。
在一些配置中，在所述精炼和/或石化设施内，所述至少一个旋转设备还被配置成将加热的流体介质供应到至少一个热消耗单元中，所述热消耗单元被配置为以下任一种：加热器、燃烧器、烘箱、焚烧炉、干燥器、锅炉、输送装置或其组合，并且所述至少一个旋转设备连接到所述精炼和/或石化设施内的这些热消耗单元中的任何一个或其任何组合。
在实施方案中，在所述精炼和/或石化设施中，所述至少一个旋转设备包括沿所述转子轴按顺序布置的两排或更多排转子叶片。在一个实施方案中，在所述至少一排转子叶片的上游布置成所述组件的固定叶被配置为固定导向叶。在一个实施方案中，所述至少一个旋转设备还包括布置在所述至少一排转子叶片下游的扩散器区域。扩散器区域可以配置有或没有固定的扩散器叶片。在一些配置中，有叶扩散器可以被实现为在所述至少一排转子叶片的下游布置成组件的多个固定叶。
在一个实施方案中，设置在所述精炼和/或石化设施内的所述至少一个旋转设备还被配置成增加通过其传播的所述流体流中的压力。
在一些配置中，设置在所述精炼和/或石化设施内的所述至少一个旋转设备被配置成在所述入口和所述出口之间，沿着根据以下任一项建立的流动路径实现流体流动：在基本上环形的外壳内形成的基本上螺旋的轨迹；在基本上管状的外壳内形成的基本上螺旋的轨迹；基本上径向的轨迹，并且沿着由流体介质流形成的流动路径，采取卷成左右方向的涡流环的两个螺旋的形式。
在实施方案中，所述精炼和石化设施被配置用于烃的热或热化学热解，可选地，通过蒸汽裂解过程。
在另一方面，提供了一种组件，所述组件包括根据先前某个方面的至少两个旋转设备，所述旋转设备并联或串联连接。
在另一方面，提供了一种布置，所述布置包括根据先前某个方面的至少一个旋转设备，所述至少一个旋转设备连接到至少一个反应器或熔炉。
在另一个方面，提供了一种精炼和石化设施，所述精炼和石化设施被配置成通过根据一些先前定义的方面和实施方案的方法来实施与炼油和/或生产石化产品相关的一个或多个过程；并且所述精炼和石化设施包括至少一个如本文所定义的旋转设备。
在一个方面，提供了一种用于炼油和/或生产石化产品的方法，所述方法包括通过集成到炼油和石化设施中的至少一个旋转设备产生加热的流体介质，所述至少一个旋转设备包括：具有至少一个入口和至少一个出口的外壳；转子，所述转子包括布置在转子轮毂的圆周上的至少一排转子叶片，所述转子轮毂安装在转子轴上；以及在所述至少一排转子叶片的至少上游布置成组件的多个固定叶，其中，通过当所述流体介质流分别穿过所述固定叶和所述至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予沿着在所述外壳内部在所述入口和所述出口之间形成的流动路径引导的流体介质流，由此产生加热的流体介质流，所述方法还包括：将一定量的输入能量传导到集成到所述精炼和/或石化设施中的所述至少一个旋转设备中，所述输入能量包括电能；将由所述至少一个旋转设备产生的所述加热的流体介质流供应到所述精炼和石化设施中；以及操作所述至少一个旋转设备和所述精炼和石化设施以在基本上等于或超过约500摄氏度(℃)的温度下执行与炼油和/或生产石化产品相关的一个或多个过程。
取决于本发明的每个特定实施方案，本发明的实用性源于多种原因。
总的来说，本发明的实施方案提供了一种电气化旋转流体加热器，以产生高温流体，例如气体或液体，其可进一步用于与原油精炼和/或石化产品制造相关的各种热消耗过程中。举例来说，通过蒸汽裂解生产烯烃(最常见的石化产品之一)的方法通常采用燃料燃烧加热器将流体加热到烃进料热解转化为目标化合物所需的温度。本文提出的本发明能够用旋转设备代替传统的燃料燃烧加热器。所提出的方法还能够将热能输入到适于容纳与石化生产和/或炼油相关的反应并且在高温和极高温(例如通常超过500℃的温度)下操作的热消耗设施，诸如反应器和/或熔炉。这些反应器和/或熔炉对热能有很高的需求，因此对热量消耗也有很高的需求。本发明提供了用于将流体物质加热到约500℃至约2000℃的范围内的温度(即用于精炼和石化工业的温度)的设备和方法。
在所述方法中，伴随着用旋转设备代替燃烧加热器的优点至少包括：
-支持电气化加热；
-消除或至少显著减少温室气体(例如NO、CO2、CO、NOX)、源自燃料的其他有害成分(例如HCl、H2S、SO2和重金属)、颗粒排放和烟尘排放；
-加热器体积减小：与传统加工加热器或热交换器的体积相比，旋转设备的体积至少小一个数量级；
-降低投资成本；
-在使用易燃、危险流体/气体的情况下提高安全性；
-处理大量气体的可行性；
-没有压降；
-使用旋转(加热器)设备另外进行气体压缩的可能性(鼓风机功能)；
-不依赖于气体直接加热中的温差(与传统加热器/熔炉相比)；旋转设备中的温升可以在大约10到1700℃或更高的范围内；
-通过优化热交换器中的温差，可选地在流体的间接加热中使用所述旋转设备的可能性；
-热工艺气体至少部分再循环的可能性，从而改善和简化热回收并提高能量效率；
-通过添加反应性化学品进一步提高待加热气体的温度的可能性，所述反应性化学品通过放热反应进一步将气体温度提高到例如2000℃或更高。
在实施方案中，旋转设备可用于在与精炼和石化工业相关的各种过程和应用中替代用于直接或间接加热的传统燃烧加热器或工艺炉。传统上，这种热量主要是通过燃烧化石燃料产生的，导致大量CO2排放。用木材或其他生物基材料替代化石燃料具有严重的资源限制和其他重大的环境影响，例如与可持续土地利用相关的环境影响。随着可再生电力的成本效益的提高，例如风能和太阳能的快速发展，有可能用由可再生电力驱动的旋转设备取代化石燃料燃烧，这反过来将显著减少温室气体排放。旋转设备允许将流体电气化加热至1700℃和更高的温度。目前的电加热应用很难或不可能达到这样的温度。
因此，本发明能够减少温室气体(CO、CO2、NOx)和颗粒排放。通过使用旋转设备，还可以为精炼和石化过程建立封闭或半封闭的加热回路，并通过再循环烟道气来减少热量损失，从而进一步提高这些过程的能量效率。相反，在传统加热器中，烟道气只能部分再循环。可以建立完全电气化和零排放的石化工厂解决方案。
旋转设备可用于直接加热工艺气体、惰性气体、空气或任何其他气体，或间接加热工艺流体(液体、蒸汽、气体、蒸气/液体混合物等)。)。例如，旋转设备可用于直接加热从烯烃生产中涉及的蒸汽裂解过程期间产生的废气中再循环的再循环气体。
在所述旋转设备中产生的经加热流体可以进一步用于加热气体、蒸气、液体和固体材料中的任何一种。因此，在旋转设备中产生的热气体可用于加热固体材料，或者它们可用于在适合于催化和热过程中的任何一种的填充反应器中加热进料。本文提供的方法还允许在热交换器中使用热气体作为加热介质，以便间接加热工艺气体或液体。不排除其他用途，例如蒸发器。
旋转设备可以至少部分地替代传统上用固态、液态或气态化石燃料或在某些情况下用生物基燃料燃烧或加热的多种类型的熔炉、加热器、气化器和反应器或者可以与它们组合(例如作为预热器)，所述熔炉、加热器、气化器和反应器包括用于制造主要石化产品(例如烯烃、芳烃和合成气)的反应器和熔炉。这些器具可以包括但不限于：熔炉、烘箱、加热器、燃烧器、焚烧炉、锅炉、干燥器、输送装置、反应器及其组合。一些具体的实例包括但不限于：加热炉、再生炉、真空塔、蒸汽锅炉、催化反应器、流化床反应器等。加热的气体可以是易燃的、反应性的或惰性的，并且可以再循环回旋转设备。除了其加热功能之外，旋转设备还可以充当鼓风机(加热器-鼓风机组合功能)，从而允许在各种应用中增加压力和再循环气体，例如在炼油工业中使用的催化流化床裂解器中。
在本文提供的方法中，旋转设备可用于在几乎完全没有CO2排放的情况下将含烃进料加热到所需的工作温度(当旋转设备使用可再生电力时，几乎完全没有CO2排放是可能的)。在旋转设备中的停留时间极短，这提高了选择性并减少了反应副产物的形成。短暂的停留时间也最大限度地减少了焦炭的形成，并延长了预定脱焦程序之间的操作周期。在根据本公开的方法中，用于热消耗过程的反应器(例如蒸汽裂解器)和用作加热器的旋转设备是分离的，这允许在操作中具有额外的灵活性。根据实施方案，用于精炼石油或石化产品的反应器或熔炉可以并联或串联连接到旋转设备，这进一步允许在同一生产过程中在用于除碳的热反应器和用于除焦和清洁的催化反应器之间切换。
此外，本解决方案能够改进间接加热中热交换器中温差的优化。
本发明还提供了对电能的灵活使用，例如可从可再生来源获得的电能。可再生能源的产量每天甚至每小时都在变化。本发明允许通过将本文公开的旋转设备与传统的燃料操作(燃料燃烧)加热器集成来平衡可再生电力生产，以向炼油和石化产品制造中涉及的各种过程提供热量。
本发明能够以节省劳动力和成本的方式实现蒸汽裂解过程的电气化。
与传统的化石燃料燃烧炉相比，本发明还能够降低现场投资成本。
词语“许多”在此是指从一(1)开始的任何正整数，例如一、二或三。词语“多个”在此是指从二(2)开始的任何正整数，例如二、三或四。术语“第一”和“第二”在此仅用于区分一个元素和另一个元素，而不指示任何特定的顺序或重要性，除非另有明确说明。
术语“气化”在此用来表示物质通过任何可能的方式转化为气态形式。
通过考虑详细描述和附图，本发明的不同实施方案将变得显而易见。
附图说明
图1是表示在1000处的炼油设施和/或石化生产设施的布局的框图，所述炼油设施和/或石化生产设施被配置成实施根据实施方案的方法。
图2A-2E是根据实施方案的在炼油设施和/或石化生产设施内布置旋转设备100的示例性布局。
图3A-3C示意性地示出了旋转设备100集成到配置成实施热消耗过程101的设施中。
图4A示出了传统的工业加热器或熔炉101。图4B示出了根据实施方案的包括熔炉101和旋转设备100的布置。图4C是根据实施方案的烯烃生产设施的示意图。
图5A和5B示意性地示出了旋转设备100或多个旋转设备集成到配置成实施热消耗过程101或多个热消耗过程101的设施1000中。
具体实施方式
本文参照附图公开了本发明的详细实施方案。
图1是表示在1000处的高温热消耗过程设施的布局的框图，所述高温热消耗过程设施被配置为实施根据实施方案的方法。图2A-E、图3A-3C以及图4B、4C、5A和5B描述了根据实施方案的设备和方法。呈现的附图和相关实施例用于说明性目的，并且不旨在将本发明概念的适用性限制于本公开中明确呈现的布局。在某些配置中，虚线显示的框图部分可能是任选的。
在实施方案中，热消耗设施1000用工业厂房、工厂或任何工业系统来表示，所述工业系统包括被设计成执行旨在从基本原材料或原始能源生产商品的工业过程或一系列工业过程的设备。在本公开中，词语“生产商品”包括但不限于关于材料(例如在本文中的烃衍生化合物)和/或动力的制造、提取和/或精炼。作为示例而非限制，设施1000可以被配置为任何现有设计的石油/原油精炼厂，因此可容纳旨在将原始烃转化为各种产品(例如液化石油气(LPG)、石脑油馏分、各种燃料和燃料油)的许多工艺和相关过程单元。精炼设施包括例如原油和/或真空蒸馏装置、分离装置、加氢处理装置、气化装置等。在实施方案中，热消耗设施1000被配置为执行旨在精炼原油和其他原料(例如生物基原料和回收原料(例如回收塑料、油等))和/或从合适的原料(例如石脑油、液化石油气(LPG)或乙烷)制造石化产品(例如烯烃、芳烃和合成气体)的一个或多个过程。石化生产依赖于石油和相关石油气的多级加工。因此，炼油中获得的产品(如石脑油、LPG)可进一步用于石化产品的生产。因此，将原油转化为石化产品的过程可以集成到同一设施1000中。在附加或替代实施方案中，设施1000可进一步适于生产燃料。在本文中，术语“燃料”涉及用作能量载体的产品，包括但不限于石油衍生的烃，并且术语“石化产品”涉及不用作燃料的任何其他产品。
热消耗过程和相关操作单元由附图标记101总体标记，所述相关操作单元被配置成在设施1000内执行与炼油和/或石化产品的生产相关的热消耗过程并被称为热消耗过程单元/设施。设施1000可以包括被配置为执行相同或不同的热消耗过程的多个操作单元101。在实施方案中，操作单元101包括或由至少一个被配置成执行热消耗过程的热消耗装置组成。在实施方案中，操作单元101被配置为反应器装置，所述反应器装置被配置为进行旨在通过热和/或催化过程从合适的原料生产预定有机烃化合物(通常称为“石化产品”)的反应或一系列反应。石化产物(“石化产品”)通常是指从原油中提取的不用作燃料的有机烃。典型的石化产品包括烯烃(例如乙烯、丙烯、丁烯)和芳烃(例如苯、甲苯、二甲苯及其混合物)，它们在现代工业化学中用作基本中间体。
热消耗过程设施1000被配置成在基本上等于或超过500摄氏度(℃)的温度下进行一个或多个热消耗工业过程101。在本公开中，热消耗工业过程是那些涉及精炼石油/原油和从含烃原料制造石化和化学产品(例如通过蒸汽裂解过程)的过程。在实施方案中，设施1000被配置成在基本上等于或超过1200℃的温度下进行热消耗工业过程。在实施方案中，所述设施被配置成在基本上等于或超过1700℃的温度下进行热消耗工业过程。在一些实施方案中，所述设施可以被配置成在超过1700℃的温度下进行工业过程，例如在2000℃或更高的温度下，例如在大约1700℃到大约2500℃的范围内。所述设施可以被配置成在大约1700℃、大约1800℃、大约1900℃、大约2000℃、大约2100℃、大约2200℃、大约2300℃、大约2400℃、大约2500℃以及落在上述温度点之间的任何温度值下进行工业过程。应该指出的是，设施1000不被排除在低于500℃的温度下进行至少一部分工业过程之外。
石化产品生产中涉及的炼油厂操作和工艺阶段通常与高热(热量)能需求和消耗相关，并且在传统解决方案中，向大气中产生大量工业排放物，例如二氧化碳、其他气体和气溶胶。本公开提供了用于将热能输入到具有高热能需求的精炼和石化工业过程101中的方法和设备，由此可以显著提高所述过程中的能量效率和/或减少释放到大气中的空气污染物的量。布局1000(图1)示意性地概述了这些改进的设施和方法。
在实施方案中，所述方法包括通过旋转加热器单元100产生加热的流体介质，所述旋转加热器单元包括或由至少一个旋转设备组成，以下称为设备100。为了清楚起见，旋转加热器单元在本公开中用与旋转设备相同的附图标记100来表示。旋转加热器单元优选地集成到过程设施1000中。在一个实施方案中，加热的流体介质由至少一个旋转设备产生；然而，多个旋转设备可以串联或并联使用。
旋转设备100可以作为独立装置或作为串联(按顺序)或并联布置的多个装置提供。一个或多个设备可以连接到公共热消耗单元101。连接可以是直接的，也可以通过多个热交换器。在一些配置中，热交换器装置或多个热交换器装置可以代表热消耗单元/过程101。
热消耗单元101被设置成一个或多个反应器和/或熔炉，适于实施旨在精炼操作和石化产品制造的反应。反应器装置可以在有和/或没有催化剂的情况下操作，以分别实施催化和/或热过程。反应器可以是例如用于蒸汽裂解的管状盘管反应器或任何其他适当类型的反应器装置。在一些配置中，在100中加热的流体(例如气体)的热能直接用于在单元101中运行吸热反应。在这种情况下，以100加热的流体至少部分地形成101的工艺流体。在一些其他配置中，在100中加热的流体将其热能传递给在热消耗单元/过程101中使用的工艺流体，以间接向所述过程提供反应热。在间接加热的情况下，在100中加热的流体可以与在热消耗单元/过程101中使用的工艺流体相同或不同；然而，通常它是不同的。在涉及所述间接加热的配置中，通过使用所谓的“热交换器”型配置将添加到旋转设备100中的流体中的热能传递到热消耗单元/过程101，在本文中，所述“热交换器”型配置用任何现有的燃烧加热器、反应器或熔炉或任何传统的热交换器装置来表示，其中所有这些装置都被视为热消耗单元101。在其他配置中，在旋转设备100中加热的流体(例如气体)不一定将其热能传递给热消耗单元101，但是热量用于在相同或随后的旋转设备单元100内进行吸热反应。
在一些配置中，多个旋转设备100可以连接到几个热消耗单元101(例如，用于制氢的反应器或催化重整反应器)。可以设想不同的配置，例如连接到n个单元101的n+x个旋转设备，其中n等于或大于零(0)，x等于或大于一(1)。因此，在一些配置中，设施1000可以包括连接到公共热消耗单元101的一个、两个、三个或四个平行旋转设备100；不排除超过四(4)个旋转设备的数量。
在实施方案中，一定量的输入能量E1被传导到作为(旋转)加热器单元集成到热消耗过程设施1000中的至少一个旋转设备100中。输入能量E1优选地包括电能。在实施方案中，作为输入能量传导到集成在热消耗过程设施中的至少一个旋转设备中的电能的量在约5％至约100％的范围内提供，优选在约50％至约100％的范围内提供。因此，作为输入能量传导到集成在热消耗过程设施中的至少一个旋转设备中的电能的量可以构成以下任何一种：5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95和100％(来自总能量输入)，或者落在上述点之间的任何中间值。
电能可以由外部或内部来源提供。在实践中，供应到设备中的电输入能量E1可以用电功率来定义，后者被定义为每单位时间的能量转移速率(以瓦特计)。
如在图1的设施布局中实现的，本发明的一些实施方案的细节按照以下方式描述。以下名称用于成员。
流：1.进料流体；2.预热的进料或进料混合物；3.通过旋转设备100加热的进料；4.在被配置成例如通过(放热)化学反应来升高/提高温度的附加的(辅助)加热器单元中进一步加热的进料流体；5.离开热消耗过程101的热流体介质；6.引导到纯化的流体介质；7.产品流和/或废气；8.用于在附加加热器单元103中增加流体/气体温度的反应性化合物或化合物混合物，例如反应性化学品或支持燃料；9.在热消耗过程101中由热流体介质加热的工艺流(固体、液体、气体、蒸汽或其混合物)(间接加热器应用)；10.送去进一步处理和/或储存的加热工艺流(固体、液体、气体、蒸汽或其混合物)(间接加热器应用)；11.从纯化中排出的再循环流；12.通往热量回收的进料流；13.来自热回收的热流体流。段(单元)：100.旋转加热器单元(旋转设备)；101.热消耗操作(过程)单元；102.预热器单元；103.附加加热装置(辅助加热器)；104.热回收单元；105.纯化单元。
旋转设备100被配置成接收进料流1，此后称为进料1。总的来说，进料1可以包括以纯组分或组分混合物的形式提供的任何合适的流体或由以纯组分或组分混合物的形式提供的任何合适的流体组成，例如液体或气体或其组合。进料可以是原料液体或气体，例如石脑油、LPG、甲烷、乙烷、天然气或任何其他合适的烃基原料、工艺气体/工作气体、补充气体(所谓的替代/补充气体)、再循环气体等。气态进料可以包括惰性气体(蒸汽、空气、氮气等)或反应性气体(例如氧气)、可燃气体(例如烃)或任何其他气体。进料的选择取决于过程；也就是说，热消耗过程101的性质以及实际上所述热消耗过程101所分配的特定行业/工业领域意味着对进料物质的选择的某些要求和/或限制。另外地或替代地，进料1可以包括以下任何一种：(水)蒸汽、氮气(N2)、氢气(H2)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和氨气(NH3)。
优选的是，进料1基本上以气体形式进入设备100。进料的预热或液体和基本上是液体的进料转化为气体形式可以在可选的预热器单元102中进行，该预热器单元102被配置为(预)加热器设备或一组设备。在预热器单元102中，最初以气体形式提供的进料流(例如，一种或多种工艺气体)可以被进一步加热(例如，被过热)。在预热器单元102中，如果进料1还不是气体形式，则进料1可以被汽化，并且可选地被过热。
预热器单元102可以是被配置成向流体物质提供热量的任何常规装置/系统。在一些配置中，预热器单元102可以是燃烧加热器(即，使用热燃烧气体(烟道气)来升高流经布置在加热器内部的盘管的流体进料(例如工艺流体)的温度的直燃式热交换器)。附加地或替代地，预热器单元102可以被配置成利用由热消耗设施中的其他单元提供的能量(例如通过从来自热回收的热流13中提取热能)。预热器单元102因此可被配置为利用蒸汽、电和/或例如废热流(未示出)。
取决于热消耗过程和相关设备，用于通过旋转加热器单元(设备100)产生加热的流体介质的进料流1可以包括原始进料(新鲜进料)和/或再循环流。因此，进料1可以由新鲜进料、再循环(流体)流及其混合物中的任何一种组成。除了进料1之外，代表(预)加热进料的流2可以包括所有再循环流，例如来自纯化段105和/或热回收段104的再循环流。
在旋转加热器单元/旋转设备100中，温度被升高到热消耗过程101所需的水平或旋转设备所达到的最大水平。在由旋转设备100实现的温度升高不足以用于热消耗过程的情况下和/或如果例如流体的温度在流体已经将其热量传递到热消耗过程之后需要再次升高，通过在旋转加热器单元100(100A)的下游设置附加的加热器单元(100B，103)(进一步被称为“辅助”加热器)可以实现进一步的温度升高；参考对图2B的描述。每个附加的加热器单元包括或由根据下面的描述实现的附加的加热设备组成。
在与多级石化生产相关的热消耗过程中，热消耗的主要来源是工作流体和/或相关设备的加热以及吸热反应(需要外部能量才能进行的反应)。在一些应用中，从热消耗过程101回收热量是可行的。热回收段在图1中以附图标记104表示。回收的热量可以进一步用于加热进料流1和/或再循环流(单独的再循环流在图1中用附图标记11表示)。
热回收可以通过以下来布置：收集离开过程单元101的气体并将这些气体再循环到预热器单元102和/或旋转设备100。热回收装置104可以用至少一个热交换器装置(未示出)来表示。可以利用基于任何适当技术的热交换器。如果热量被其他地方消耗，或者由于安全原因或任何其他原因无法回收热量，则热回收对于加热进料气体可能是任选的。
在设施布局1000中，热回收单元104可以布置在预热器102之前和/或之后。在后一种配置中，热回收单元104被布置成回收从热消耗过程101流出的热流体介质(流5)的热量，所述热量可以进一步用于加热进料流1和再循环流11。另一方面，当热回收单元104布置在预热器102之前时，进料1首先被引导到单元104(作为流12)，然后作为流13返回到预热器102。在这种情况下，单元104充当第一预热器。
在某些情况下，气体需要纯化，例如从灰尘和细小颗粒中纯化，然后才能被引导到热回收。纯化可以通过例如布置在热回收段104之前的一系列过滤器(未示出)来完成。另外地或替代地，离开过程单元101的气体可以被引导到纯化单元105(绕过热回收104)，并且在纯化之后，返回到热回收(未示出)。
除了有价值的产品之外，工艺气体还可能含有不需要的杂质和副产物，它们可能积聚和/或对加热器设备100、103和/或过程单元101有害，导致腐蚀和催化床中毒。在纯化单元105中执行从热消耗过程101排出的流的纯化和分离。单元105可以包括适于机械地去除灰尘和固体颗粒的许多器具，例如过滤器、旋风分离器等。可以使用任何常规的纯化/分离方法和装置。示例性的纯化/分离方法包括但不限于：低温分离方法、膜工艺、变压吸附(PSA)、蒸馏、吸收以及这些方法的任何组合。单元105还可以包括被配置成例如通过压缩来增加气体压力的装置。典型地，纯化单元105在比过程单元101更低的温度下操作；因此，在进入纯化单元之前，产品气流被冷却(例如在热回收104中)。为了最小化101中反应器床的劣化程度，控制再循环气体11的组成也是重要的。
纯化单元105可以进一步适于纯化废气，例如二氧化碳，以用于进一步的碳捕获。因此，作为流7(图1)从精炼和/或石化设施排放的废气可以进一步被引导至碳捕获(未示出)。纯化废气的合适方法包括例如PSA、蒸馏、吸收等。
通过至少一个旋转设备100产生执行热消耗过程101所需的加热的流体介质。
在一个实施方案中，加热的流体介质在旋转设备100中产生，其中一定量的热能被直接添加到通过所述设备传播的流体介质中。在这种情况下，在旋转设备中产生的加热的流体介质可以是例如工艺气体，例如含烃气体(例如，含甲烷的进料气体)、天然气、其混合物或另一种进料(参见图1，流1-4，特别是流2)，而离开热消耗单元101的热流体介质5代表含产物的流(例如，裂解气体)。在直接加热中，流1-5与工作流体或工艺流体有关。
在旋转设备中产生的加热的流体介质可以进一步用作载体，以将热能传递到热消耗过程101，所述热消耗过程被配置成实现或调节含甲烷进料向氢气的转化。例如，诸如空气、氮气或蒸汽(H2O)的惰性气体可以在旋转设备100中被加热，并进一步用于将由旋转设备产生的热量输送到适于执行制氢过程101的反应器或熔炉。因而，可以通过在旋转设备中产生的加热的流体介质和由过程101利用的合适介质之间的热传递过程在旋转设备外部执行加热的介质(例如，由过程101利用的流体流)的产生，从而绕过旋转设备。在例如与烯烃生产相关的一个或多个过程中，旋转设备外部的加热的含烃进料气体的产生是通过除旋转设备中产生的含烃进料气体之外的加热的流体介质(例如蒸汽、空气、氮气等)和绕过旋转设备的含烃进料气体流之间的热传递过程来实现的。因此，图1示出了绕过旋转设备100并在本文中表示含烃进料/工艺流的流9(工艺流)，而经由旋转加热器100到达过程单元101的流1-流4表示被引导至过程单元101以用于加热“冷”工艺流9的流体介质(例如蒸汽或其他惰性加热介质)。当待加热的工艺流体处于高压或真空下时，在间接加热应用中使用惰性热气体作为加热介质是优选的。流10分别表示“热”工艺流。在单元101是蒸汽裂解单元的情况下，流10代表含产物(烯烃)的流，而流5依次代表离开单元/过程101的惰性流体介质流(与流1-流4相同)。在间接加热中，流9和10涉及工作流体或工艺流体，而流1-流5代表传热介质。因此，在间接加热中，单元101充当“热交换器”类型的装置，其能够在流经其中的两种流体之间传递热能，而所述流体之间没有任何直接接触。
根据实施方案，被配置用于产生将被供应到精炼和/或石化设施中的加热的流体介质的旋转设备100包括转子，所述转子包括多个转子叶片，所述多个转子叶片在安装到转子轴上的转子轮毂或转子盘的圆周上布置成至少一排，以及具有至少一个入口和至少一个出口的外壳，所述转子被封闭在外壳内。在设备100中，是通过当所述流体介质流在所述旋转设备的所述外壳内部在所述入口和所述出口之间穿过所述至少一排转子叶片传播时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予沿着在所述外壳内部在所述入口和所述出口之间形成的流动路径引导的流体介质流，由此产生加热的流体介质流。
旋转设备100的实施通常可以遵循根据美国专利第7,232,937号(Bushuev)、第9,494,038号(Bushuev)和第9,234,140号(等人)的旋转反应器设备和根据美国专利第10,744,480号(Xu&Rosic)的径向反应器设备的公开内容，其全部内容通过引用并入本文。可以利用可以被配置成采用根据实施方案的方法的任何其他实施方式。
在上面引用的专利文献中，旋转涡轮机型设备被设计为用于处理烃，特别是用于蒸汽裂解的反应器。这些应用的一般要求是：气体快速加热、高温、短停留时间和塞流(一种意味着没有轴向混合的流动模型)。这些要求导致了涡轮机型反应器具有容纳在相对小体积中的几个加热阶段的设计。
本公开基于这样的观察，即旋转设备(包括但不限于上面引用的旋转设备)可以被电气化并用作加热器，以产生在热消耗过程101(例如与炼油和生产石化产品相关的一个或多个过程)中进一步供应的加热的流体介质。通过将旋转设备加热器单元集成到一个或多个热消耗过程中，可以实现温室气体排放和颗粒排放的显著减少。举例来说，旋转设备可以在下文描述的蒸汽甲烷重整过程中代替燃料燃烧加热器。温度范围可以从约1000℃(通常用上述参考的反应器装置可以实现)扩展到至少约1700℃，并进一步扩展到2500℃。由于没有空气动力学障碍，能够实现这些高温的旋转设备的构造是可能的。
因此，集成到根据实施方案的精炼和/或石化设施中并被配置成为根据实施方案的方法产生加热的流体介质的旋转设备100包括沿着水平(纵向)轴定位的转子轴，至少一个转子单元安装在转子轴上。转子单元包括多个转子(工作)叶片，这些转子(工作)叶片布置在转子轮毂或转子盘的圆周上并且一起形成转子叶片级联。因此，旋转设备100包括多个转子(工作)叶片，这些转子(工作)叶片在安装到转子轴上的转子轮毂或转子盘的圆周上布置成至少一排，并形成基本上环形的转子叶片组件或转子叶片级联。
在实施方案中，所述设备还包括布置成组件的多个固定叶，所述组件设置在至少一排转子叶片的上游。在这种配置中，所述旋转设备这样操作，使得通过当所述流体介质流分别穿过所述固定叶和所述至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予沿着在所述外壳内部在所述入口和所述出口之间形成的流动路径引导的流体介质流，由此产生加热的流体介质流。
在一些实施方案中，多个固定叶可以布置成固定叶级联(定子)，作为至少一排转子叶片上游的基本环形组件提供。布置成设置在至少一排转子叶片上游的组件的固定叶可以作为固定导向叶提供，例如(入口)导向叶(IGV)，并且根据其轮廓、尺寸和围绕中心轴的布置被配置成将流体流以预定方向引导到转子中，从而控制并且在一些情况下最大化转子特定的功输入能力。
旋转设备可以配置有按顺序布置在转子轴上/沿转子轴布置的两排或更多排基本上环形的转子叶片(转子叶片级联)。在这种情况下，固定导向叶可以安装在第一排转子叶片的上游，顺序安装在每排转子叶片的上游，或顺序安装在任何选定的一排转子叶片的上游。
在实施方案中，旋转设备100还包括布置在至少一排转子叶片(转子叶片级联)下游的扩散器区域。在这种配置中，所述旋转设备这样操作，使得通过当所述流体介质流分别连续穿过所述固定导向叶、所述至少一排转子叶片和所述扩散器区域时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予沿着在所述外壳内部在所述入口和所述出口之间形成的流动路径引导的流体介质流，由此产生加热的流体介质流。扩散器区域可以配置有或没有固定的扩散器叶片。在一些配置中，在所述扩散器区域中，至少一个转子叶片级联的下游布置有叶片或无叶片扩散器。在一些配置中，扩散器可以实现为布置成扩散器叶片级联的多个固定(定子)叶，作为转子下游的基本环形组件提供。
转子、固定导向叶和扩散器区域被封闭在形成在外壳中的内部通道(管道)内。
在一些配置中，例如在授予Xu和Rosic的US10,744,480中描述的，可以省略扩散器(装置)的提供，并且扩散器区域可以用位于转子下游的管道的基本无叶片部分(所谓的无叶片空间)来表示，并且根据其几何形状和/或尺寸参数被配置成扩散来自转子的高速流体流。
提供管道的无叶片部分对于上述旋转设备100的所有配置是通用的。根据配置，无叶片部分(无叶片空间)布置在转子叶片的下游(参考授予Xu和Rosic的US10,744,480)或扩散器叶片级联的下游(参考授予Bushuev的U.S.9,494,038和授予等人的U.S.9,234,140)。在例如由/>等人描述的一些配置中，在外壳内的内部通道中的旋转叶片排和固定叶片排的布置使得在设置在转子叶片下游的固定的扩散器叶片的出口和设置在后续转子叶片级联单元的转子叶片上游的固定导向叶片的入口之间产生无叶片部分。
术语“上游”和“下游”在此是指结构零件或部件相对于预定零件或部件(在此为转子)在整个设备的流体流方向上(从入口到出口)的空间和/或功能布置。
总的来说，具有工作叶片级联的转子可以位于在工作叶片排的一侧或两侧布置成基本上环形组件(称为级联)的多排固定(定子)叶之间。包括在转子轴上/沿着转子轴串联(按顺序)布置的两排或更多排转子叶片/转子叶片级联的配置可以被设想为中间有或没有固定叶片。在转子叶片排之间没有固定叶的情况下，流体介质通过管道传播的速度在随后的每一排中增加。在这种情况下，多个固定叶可以按所述按顺序布置成第一转子叶片级联上游(作为固定导向叶)和最后一个转子叶片级联下游(作为固定的扩散器叶片)的组件。
转子叶片排(转子叶片级联)和所述转子叶片下游的管道的一部分被封闭在外壳内，可选地设置有固定的扩散器叶片组件(扩散器区域)，可被视为最小工艺阶段(以下称为阶段)，其被配置为调节完整的能量转换循环。因此，当流体介质流离开转子叶片并在管道中朝着随后的一排转子叶片传播，或者沿着形成在基本上环形外壳内的基本上螺旋轨迹进入同一排转子叶片时，由至少一排旋转叶片添加到所述流体介质流中的动能的量足以将流体介质的温度升高到预定值。管道(其包围转子的外围)优选地成形为使得当流体流在管道中传播时，流体流减速并将动能耗散成流体介质的内能，并且一定量的热能被添加到流体介质流中。
设置在至少一排转子叶片上游的固定导向叶片排在能量转换循环期间在旋转叶片排(级联)的入口处准备所需的流动条件。
在一些配置中，工艺阶段通过固定导向叶(转子叶片的上游)、转子叶片排和布置在所述转子叶片下游的扩散器区域的组装来建立，所述扩散器区域作为可选地供应有扩散器叶片的管道的基本无叶片部分提供。在能量转换循环期间，随着流体介质流以受控方式分别通过固定导向叶、至少一排转子叶片和扩散器区域的连续传播，转子轴的机械能被转换成动能，并进一步转换成流体的内能，随后流体温度升高。当流体介质流离开转子叶片并在管道内穿过扩散器区域，由此流体介质流减速并将动能耗散成流体介质的内能，并且一定量的热能被添加到流体介质流中时，通过转子的旋转叶片添加到所述流体介质流中的动能的量足以将流体介质的温度升高到预定值。在转子叶片排中，流动加速，并且轴和旋转叶片的机械能被传递给流体流。在每个转子叶片排的至少一部分中，流动可以达到超音速流动状态。在扩散器区域中，来自转子的高速流体流随着显著的熵增加被扩散，由此流动将动能耗散成流体物质的内能，从而向流体提供热能。如果扩散器上游的流动是超音速的，则流体流的动能通过多次冲击和粘性混合及耗散的系统转化为流体的内能。流体内能的增加导致流体温度的升高。例如，能量转换功能可以由位于转子叶片下游的管道的无叶片部分(参考授予Xu和Rosic的U.S.10,744,480)和/或由扩散叶的组件(参考授予等人的U.S.9,234,140)执行。
旋转设备100可以配置为多级或单级解决方案。可以设想多级配置，包括与公共扩散器区域(无叶片或有叶片)交替的多个转子单元(例如，在转子轴上/沿着转子轴按顺序布置的1-5排转子叶片)。
在授予等人的U.S.9,234,140中概述的示例性配置中，旋转设备100可以基本上以环形环面(torus)的形状实现，其中子午线平面中的管道的横截面形成环形轮廓。所述设备包括设置在固定导向叶(喷嘴叶)和固定扩散叶之间的转子单元。这些级由成排的固定喷嘴叶、转子叶片和扩散叶形成，流体流通过它们以连续的方式沿着根据基本上螺旋轨迹建立的流动路径传播。在这种配置中，流体流循环通过旋转的转子叶片级联多次，同时在入口和出口之间在设备内部传播。类似的环形配置在授予Bushuev的U.S.9,494,038中有所描述。
在授予等人的U.S.9,234,140中概述的另一示例性配置中，旋转设备100可以被配置为基本上管状的轴向型涡轮机。在这种配置中，所述设备包括延伸的(细长的)转子轮毂，多个转子叶片沿着所述转子轮毂排列成多个连续排。转子被封闭在外壳内，外壳的内表面设置有固定(定子)叶和扩散器叶片，布置成使得定子、转子和扩散器级联的叶片/叶在纵向上(沿着转子轴的长度，从入口到出口)沿着转子轮毂交替。转子级联的叶片沿着转子在纵向上的特定位置形成级，所述级分别具有相邻的多对固定导向(喷嘴)叶和扩散叶。
在所描述的配置中，后续级之间具有无叶片/无叶的空间。
在授予Xu和Rosic的US10,744,480中概述的另一示例性配置中，旋转设备100可以被配置为径向涡轮机，其通常遵循离心压缩机或离心泵的设计。术语“离心”意味着装置内的流体流动是径向的；因此，在本公开中，所述设备可以被称为“径向流动设备”。所述设备包括多个安装在细长轴上的转子单元，其中每个转子单元前面都有固定导向叶。以能够进行能量转换的方式成形的管道的无叶片部分(例如U形弯曲或S形弯曲)位于转子单元之后。此外，配置可以包括设置在转子下游的单独的扩散器装置(有叶片的或无叶片的)。
在上述所有配置中，旋转设备100在本文公开的方法中以类似的方式发挥功能。在操作中，传导到集成到热消耗过程设施中的至少一个旋转设备中的输入能量的量被转换成转子的机械能。调节旋转设备中的条件以产生流速条件，在所述流速条件下，当根据以上描述，所述流体介质流离开至少一排转子叶片并穿过管道和/或穿过扩散器区域以进入下一排转子叶片或同一排转子叶片时，通过旋转转子的叶片添加到流体介质流中的动能的量足以将流体介质的温度升高到预定值。多排转子叶片可以在固定导向叶之前。因此，可调节条件包括调节至少在入口和出口之间在旋转设备的外壳内传播的流体介质流。调节流动可以包括调节与设备操作相关的参数，如温度、质量流速、压力等。另外地或替代地，可以通过改变形成在外壳内部的管道的形状来调节流动条件。
在一些示例性配置中，旋转设备可被配置成沿着根据以下任一项建立的流动路径在其入口和出口之间实现流体流动：在基本上环形的外壳内形成的基本上螺旋的轨迹，如在授予Bushuev的专利文献U.S.9,494,038和授予等人的U.S.9,234,140中的任何一项中所讨论的；在基本上管状的外壳内形成的基本上螺旋的轨迹，如授予/>等人的专利文献U.S.9,234,140中所讨论的；基本上径向的轨迹，如在授予Xu和Rosic的专利文献U.S.10,744,480中所讨论的；和沿着由流体介质流形成的流动路径，采取卷成左右方向的涡流环的两个螺旋的形式，如在授予Bushuev的专利文献U.S.7,232,937中所讨论的。旋转设备的空气动力学设计可以变化。
旋转设备利用驱动发动机。在优选实施方案中，所述设备利用电能作为输入能量，因此由电动机驱动。出于本公开的目的，可以利用任何适当类型的电动机(即，能够将能量从电源转移到机械负载的装置)。本文没有描述布置在电机驱动轴和转子轴之间的合适的联轴器以及各种器具，例如功率转换器、控制器等。此外，所述设备可以由例如燃气或蒸汽涡轮机或任何其他适当的驱动装置直接驱动。在涉及多个旋转设备100并联连接到公共热消耗单元101的布局中，一个或多个所述设备可以利用不同类型的驱动发动机，例如，电动机驱动的设备可以与由蒸汽涡轮机、燃气涡轮机和/或燃气发动机驱动的设备组合。
电力(定义为单位时间内能量转移的速率)可以通过向用于推动设备旋转轴的电动机提供电流而被供应到旋转设备中。向旋转设备供应电力可以从一个或多个外部源(与旋转加热器单元/设备100和/或热消耗过程设施1000相关)实现。另外地或替代地，电能可以在设施1000内部产生。
一个或多个外部源包括为可持续能源生产提供的各种支持设施。因此，可以从利用至少一种可再生能源的发电系统或利用不同可再生能源的发电系统的组合来提供电力。可再生能源的外部来源可以作为太阳能、风能和/或水力发电提供。因此，电力可以从以下单元中的至少一个接收到该过程中：光伏发电系统、风力发电系统和水力发电系统。在一些示例性情况中，可以提供核电厂作为外部电源。核电站通常被认为是零排放的。术语“核电厂”应解释为使用传统核电，并且另外地或替代地使用聚变动力。
电力可以由利用涡轮机作为动能源来驱动发电机的发电厂提供。在一些情况下，例如，驱动至少一个设备100的电力可以由作为单独装置提供或在热电联产设施和/或联合循环发电设施内提供的至少一个燃气涡轮机(GT)提供。因此，电力可以由以下单元中的至少一个提供：联合循环发电设施，例如联合循环燃气涡轮机厂(CCGT)，和/或热电联产设施，所述热电联产设施被配置用于例如通过热电联产(CHP)与热回收和利用相结合的电力生产。在一些实例中，CHP工厂可以是生物质燃烧工厂，以增加所述过程中可再生能源的份额。另外地或替代地，电力供应可以从火花点火发动机实现，例如燃气发动机，和/或压缩发动机，例如柴油发动机，可选地作为发动机动力装置的一部分提供。此外，任何被配置成从化石原料(例如煤、油、天然气、汽油等)产生电能的传统发电厂可以用于产生电能作为旋转设备100的输入能量，所述发电厂通常通过使用蒸汽涡轮机来调节。氢也可以用作可再生能源，例如使用燃料电池再转化为电能。
可以设想上述电源来源的任何组合，实现为外部和内部来源。从替代(外部)来源输入低排放电力提高了热消耗过程设施的能源效率。
将包括电能在内的输入能量传导到旋转设备的驱动发动机中可以进一步伴随着从动力涡轮机向其传导机械轴功率，例如，可选地利用在设施1000中的其他地方或所述设施外部产生的热能。轴功率定义为从一个旋转元件传递到另一个旋转元件的机械功率，并计算为轴的扭矩和转速之和。机械功率又被定义为单位时间内的功或能量的量(以瓦特为单位)。实际上，例如，来自电动机和动力涡轮机的轴功率可以被分割，使得其中任何一个都可以提供全部轴功率或其中的一部分。
图2A-2D示出了旋转设备100的示例性布局，所述旋转设备100表示设施1000内关于预热器单元102、温度升高段(temperature booster section)103和热回收单元104的一个或多个旋转加热器单元。对于构件使用以下引用：100、100A、100B–旋转加热器单元(旋转设备)；101-热消耗单元/过程；102-预热器单元；103-附加的加热设备(辅助加热器)。
图2A示意性地示出了旋转设备100的基本实施方式，所述旋转设备100被配置成将热量输入到引导通过其中的流体介质流(进料流1)中。离开设备100的加热流分别用附图标记2标记。在基本实施方式中，旋转设备100的转子系统被空气动力学地配置成使得一定量的流体被加热到预定温度，同时沿着形成在设备100的外壳中的流动路径在入口和出口之间传播(所谓的“单程”实施方式)。设备100在一个阶段中实现在约10℃至约120℃的范围内，在一些配置中高达约500℃的温度升高(delta T，ΔT)。因此，在多级实施方式的情况下，流体可以在“单程”实施方式中被加热到1000℃(在10级设备中每级升温100℃)。由于流体介质穿过设备级所花费的停留时间以几分之一秒为单位，例如大约0.01-1.0毫秒，因此在基本配置中已经可以实现快速和有效的加热。温度升高可以根据需要进行优化。
图2B示出了涉及所谓的辅助加热(booster heating)的基本概念。辅助加热是加热流体介质(例如工艺气体)的任选方法，例如，超出了独立加热器设备100的能力。
温度提升可以被视为热的、化学的或两者兼而有之。在也称为“热升温(thermalboost)”的第一配置(a)中，附加的旋转加热器设备(在图2B、图2C和图2D中标记为100B)布置在“主要”旋转加热器设备(在图2B、图2C和图2D中标记为100A)的下游。在本公开中，设备100A、100B通常被认为是旋转加热器单元100。因此，加热的流体介质的产生可以通过提供至少两个按顺序连接的旋转设备100A、100B来实现，其中流体介质流(参考进料流1)在序列中的至少第一旋转设备(100A)(这里称为主加热器)中被加热到预定温度，并且其中所述流体介质流(参考流2)通过将附加量的热能输入到在第一旋转设备100A中“预热”并通过第二旋转设备100B传播的流体介质流(参考流3)中，在所述序列中的至少第二旋转设备(100B)中被进一步加热。因此，设备100B被称为辅助加热器。设备100A、100B可以是相同的，并且在尺寸或内部设计方面不同。诸如100B的两个或更多个辅助设备的序列可以布置在主加热器100A之后。辅助设备可以并联或串联布置，或者以允许优化其旋转速度和空气动力学的任何组合布置。
在第二附加或替代配置(进一步称为“化学升温(chemical boost)”)中，被标记为103(图1、图2B)的附加加热设备适于在将所述流体介质流引导到石化产品的精炼和/或生产的热消耗过程101之前，将反应性组分5(例如可燃燃料)接收到通过所述附加加热设备传播的流体介质流中，以通过放热反应提供热量。在这种配置中，通过将一种或多种反应性化学品5引入(例如通过注入)到引导通过附加加热器单元/加热设备103的流体介质流中，可以实现温度提升。注意，图2B的流5对应于图1所示的流8。
基于反应性化学品的辅助加热器单元103可以位于热辅助加热器单元100、100B之后(图2B)或者直接位于主加热器100、100A之后(图1)。反应性化学品(反应物)5可以包括燃烧气体，例如氢气、烃、氨、氧、空气、其他气体和/或任何其他合适的反应性化合物，可选地为催化剂。在单元103中，通过放热反应，流体流可以被加热到一定水平，这通常不可能通过不涉及化学介导的加热的单个旋转设备来实现(参考流4)。例如，可以将诸如氢气的燃料气体引入诸如空气的含氧工艺气体中。在高温下，氢气和氧气进入放热反应产生水分子(氢燃烧)。
燃料气体可以通过燃烧器与空气(或富氧)一起被注入到辅助加热器单元103中，以升高气体的温度。如果加热的气体含有可燃气体，并且有可能消耗这些气体来加热，则只能添加空气/或氧气。工艺气体可能含有H2、NH3、CO、燃料气体(甲烷、丙烷等)，它们可以燃烧以产生热量。如果可行，可以注入其他反应性气体来产生热量。
适于化学升温的附加加热器103可以被配置为一段管道或发生放热反应的腔室，和/或它可以包括至少一个旋转设备100，所述旋转设备被布置成接收反应性化合物以容纳放热反应以产生附加热能。升温段(booster section)103因此可以包括至少一个旋转设备100。可选地，反应性化学品可以直接注入到热消耗过程101(未示出)。另外地或替代地，反应性化学品介导的升温可以在相应修改的单个设备100、103中实现。
在包括辅助加热的布置中，在第一旋转设备(100A)中被预热到预定温度的流体介质流的温度可以在随后的加热器单元(100B、103)中进一步升高到最大极限。举例来说，在主加热器(100A)中预热到约1700℃的流体介质流的温度可以在随后的加热器单元(100B、103)中进一步升高到2500℃及更高。
所述概念可以单独使用或组合使用，使得反应性化学品5可以被引入并联或串联(按顺序)连接的设备100中的任何一个中。辅助加热器的提供是任选的。
在附加或替代配置中，预热和附加加热可以在相同的设备100(未示出)中实现。这可以在多级配置中实现，包括与公共扩散器区域(无叶片或有叶片)交替的多个转子单元(例如，在转子轴上/沿着转子轴按顺序布置的1-5排转子叶片)。
另外地或可替代地，例如当一旦在旋转设备100中被加热的流体的温度在将其热量传递到热消耗过程101之后需要再次升高时，可以使用辅助加热。图2E示出了包括与热消耗单元101交替的多个旋转加热器设备100(100A、100B和/或可选地103)的示例性配置。这种配置可用于例如一系列连续的催化吸热反应器，例如在催化重整过程中，其中温度沿反应器方向下降，并且需要在反应器之间再次升高(也参见图5A的描述)。
在并联或串联连接至少两个旋转设备，例如100A、100B和可选地103(在103被实现为旋转设备100的情况下)时，可以建立旋转设备组件(例如参见图2B-2D)。实现为“主”加热器100A或“辅助”加热器100B、103的旋转设备100之间的连接可以是机械的和/或功能性的。功能性(例如，就可实现的热输入而言)连接可以在至少两个单独的、物理集成的或非集成的单独设备单元之间的关联上建立。在后一种情况下，至少两个旋转设备之间的关联可以通过多个辅助装置(未示出)来建立。在一些配置中，组件包括以相互镜像的方式连接的至少两个设备，由此所述至少两个设备通过它们的中心(转子)轴至少在功能上连接。这种镜像配置可以进一步定义为具有至少两个机械地串联(按顺序)连接的旋转设备100，而功能性连接可以被视为并联(按阵列)连接。在一些情况下，前述“镜像”布置可以进一步修改，以包括至少两个入口和基本上位于布置中心的公共排气(排放)模块。
旋转设备(100A、100B、103，参考图2B)可以装配在同一(转子)轴上。每个旋转设备可以可选地配备有独立的驱动器(马达)，这允许设备的独立优化。当使用两个或更多个独立的旋转设备时，可以根据操作温度和压力优化建造成本(材料等)。
另外地或替代地，组件内的至少一个旋转设备可以被设计成增加流体流的压力。因此，组件中的至少一个旋转设备可以被分配有组合的加热器和鼓风机功能。
另外地或替代地，含有反应性气体或惰性气体的流可以被供给到旋转设备100(未示出)或所述设备下游的任何设备(例如，在热消耗过程段101中)。因此，如果热消耗过程单元101被配置为热消耗单元，例如反应器，则反应性气体也可以被直接注入到热消耗过程单元101。在许多应用中，支持燃料可以直接注入到过程单元101以产生热量和/或参与反应。
图2C示出了具有间接过程加热的旋转加热器设备100A、100B(任选的)的使用(也参见图3A-3C的描述)。旋转设备100(100A、100B)可用于间接加热热消耗单元101中的流体，其中热量在两个非混合流体之间传递，如在热交换器型配置中一样。因此，诸如气体或液体的流体可以在可行的热交换器布置101中用在旋转设备100中加热的流体蒸发(汽化)或过热。被配置成容纳热消耗过程的热消耗单元101可以用任何(现有的)燃烧加热器、反应器或熔炉，或者任何传统的热交换器装置来表示。所述“热交换器”配置(101)的类型可以根据最佳热传递的需要来选择。可以选择在加热和安全性方面最适合的加热气体(参见流1-3)(例如：蒸汽、N2、空气)。在旋转设备100A、100B中加热的气体可以接近大气压力，或者可以提高压力以改善热传递。在设备100中加热的传热介质3(参考离开100B的流3)被引导到热消耗过程101，在那里热量从流3传递到“冷”工艺流6，以产生“热”工艺流7。流4分别表示(惰性)传热介质流出。在单元101是用于烯烃生产的蒸汽裂解器的情况下，流6将表示含烃进料流(例如石脑油、乙烷等)并且流7将表示裂解产物流。
因此，图2C的工艺流6和7分别对应于图1的流9和10(间接加热配置)；而图2C的传热介质流3和4分别对应于流3(可选地4)和流5(间接加热配置)。
使用旋转设备100允许优化热交换器配置(这里由热消耗单元101表示)中的温差，由此可以最小化单元101(配置为热交换器、反应器、熔炉、加热器等)的尺寸以及由于过高的表面温度而在其表面上发生的可能的不希望的反应(结垢、结焦)。高表面温度可能会导致过程加热器过度结垢。间接加热可用于例如在与石化产品的精炼和/或生产相关的各种应用中替代过程加热器，例如在用于蒸发重流的炼油中，其中操作压力通常较低。
图2D示出了具有预热器102和从热消耗过程(未示出)再循环的再循环工艺流体(流4)的旋转加热器设备100A。预热器可以是电动式、燃烧式、内燃机、燃气涡轮机等，也可以是热交换器，用于从过程中的任何高温流中回收多余的热量。预热器102的提供是任选的。该概念还可以包括设备100A下游的任选辅助加热器100B。流1’表示输送到预热器102的(进料)流体。所述流体进一步通过旋转设备100A、100B传播，在那里进料被加热并在流3处被送到热消耗过程。
旋转设备100A、100B中的任何一个都可以配备有流体再循环布置(参见图2D的流4)。可以设想旋转设备和流体再循环布置的任何组合。通过至少一个旋转设备使流体介质流再循环而使再循环成为可能。
在一些配置中，旋转设备100可以利用从传统的燃烧加热器排出的具有低氧含量的烟道气。在这种情况下，从燃烧加热器排出的热烟道气与再循环气体(流4，图2D)混合，以用于在旋转加热器100、100A中加热。在所述情况下使用的烟道气中的氧含量优选低于可燃性极限，以提供安全加热。
图3A-3C示出了通过精炼和/或石化设施中的至少一个旋转设备100向热消耗过程101供应的间接加热的其他实例。图3A示出了一种布局，其中旋转设备100集成到热消耗过程中，作为适于对高压蒸汽进行过热的(超级)加热器；并且图3B和图3C示出了布局，其中旋转设备100集成到热消耗过程中，作为适于产生高压蒸汽并对其进行过热的高压蒸汽发生器和(超级)加热器。
高压蒸汽的过热是间接加热的示例性过程。高压蒸汽(HPS)是指高压下的蒸汽，通常比大气压高1巴(0.1MPa)。过热蒸汽是温度高于其汽化温度的蒸汽。过热高压蒸汽例如在过程工业中用于为压缩机和其他旋转设备提供动力。过热高压蒸汽通常在燃烧炉中产生(参考图4A)，例如，其中蒸汽在暴露于热烟道气或天然气燃烧的管中过热。
例如蒸汽的工艺流体的过热通常可以在旋转设备100(未示出)中实现。然而，当待加热的工艺流体的压力升高到例如10巴(1MPa)以上时，旋转设备必须被设计成在高压下操作，这将增加其材料要求并使其技术解决方案复杂化，例如密封，并因此增加设备的总成本。因此，为了在超过约10巴的压力下有效地加热工艺流体，应用由图3A示意性可视化的间接加热的概念是有益的。在图3A的布局中，在相对低的压力下提供的传热介质(惰性气体，如空气、氮气、蒸汽、二氧化碳或任何其他合适的气体)在旋转设备100中被加热，并且进一步用于将其热能传递到流过设置在热交换器配置(HEX)中的热消耗单元101的工艺流体(高压蒸汽)(参考图2C)，由此所述高压蒸汽变得过热。这样，加热系统的总成本将显著降低。
在图3A的布局中，旋转设备100用于在相对低的压力(例如低于10巴(1MPa))下加热诸如空气、蒸汽、二氧化碳或氮气的流体。进入设备100的流入流温度(“冷传热介质”)约为350-600℃；离开100的流出流温度(“热传热介质”)约为400-700℃。作为饱和高压蒸汽提供的“冷”工艺流体在约180-350℃(压力为10-150巴(1-15MPa))下进入热交换器(HEX)配置的热消耗单元101，以被过热至约300-600℃，由此产生过热高压蒸汽(“热工艺流体”；温度约300-600℃)。注意，温度和压力范围可能根据热消耗过程和系统布局而变化。举例来说，为了达到过热温度，60巴(6MPa)的HPS应该被加热到约450-470℃；100巴(10MPa)的HPS应该被加热到约510-540℃，通常为530℃；并且120巴(12MPa)的HPS应该被加热到约530-550℃。为了允许流体之间的热传递，从旋转设备100排出的加热惰性气体的温度必须超过(过热的)工艺流体的目标温度。
从旋转设备100排出的惰性气体被引导到热消耗单元101中，所述热消耗单元101在图3A的布局中被设置为热交换器，所述热交换器允许热能从传热介质(在100中加热的惰性流体/气体)通过传热表面传递到工艺流体(HPS)。以饱和温度或略高于饱和温度的温度引入热交换器101的HPS从传热介质接收热能并变得过热。另一方面，传热介质在将其热量传递给工艺流(HPS)时冷却下来。冷却的传热介质可以被重新引入到旋转设备100中，以提高系统的热效率。
图3A的布局预先假定(饱和)高压蒸汽容易获得，例如在汽包中产生(汽包未在图3A中示出)。在只有水可用的情况下，除了HPS过热之外，旋转设备100还可以用于通过间接加热的概念产生高压蒸汽。
图3B和3C分别示意性地可视化用于使用旋转设备100的高压蒸汽产生和过热的顺流和逆流概念。在图3B和图3C的布局中，旋转设备100适于加热为热消耗设施(1000，未示出)内的一个以上热交换器提供热能的流体。每个热交换器(HEX1、HEX2)可以被认为代表热消耗单元(在图2C中用101表示)。
在图3B和图3C的布局中，其中一个热交换器(图3B中的HEX1和图3C中的HEX2)作为热虹吸管运行，并用旋转设备100中加热的流体部分汽化水(锅炉给水)。以饱和温度和与目标高压蒸汽(参考流“饱和锅炉给水”)相同或略高的压力提供水。部分汽化/蒸发的水(或水-蒸汽混合物)被带到汽包中，在汽包中汽化的高压蒸汽与未汽化的液相如水分离。这些水回流到热交换器。补充水流通常被引入汽包以补偿其中产生的高压。
另一个热交换器(图3B中的HEX2和图3C中的HEX1)被配置成以图3A描述的方式用旋转设备100中加热的流体对从汽包到达的(饱和)高压蒸汽进行过热。必须选择热交换器的入口和出口温度，以便能够将热量从传热介质(在100中加热的惰性流体)传递到锅炉给水(在水蒸发/高压蒸汽产生的过程中)或高压蒸汽(在HPS过热的过程中)，但不能反过来，即传热介质的温度必须超过待加热的工艺流体的目标温度。这在图3B中可视化，其中传热介质的温度(在HEX1入口处为600-1000℃，在HEX2入口处为400-700℃)被调节以超过在HEX1/汽包中产生并被送到HEX2的饱和HPS(180-350℃)和在HEX2中产生的过热(饱和)HPS(200-600℃)的温度。图3C依次示出传热介质的温度(在HEX1入口处为600-1000℃，在HEX2入口处为500-900℃)超过在HEX2/汽包中产生并送到HEX1的饱和HPS(180-350℃)和在HEX1中产生的过热(饱和)HPS(200-600℃)的温度。
以与图3A所述相同的方式，当传热介质为蒸发和过热过程提供其热能时，传热介质冷却下来，因此冷却的传热介质可以被重新引入到旋转设备100中，以提高系统的热效率。
根据实施方案的方法完全或部分地适用于精炼和石化工业中采用的各种热消耗过程101，这将在下面基于许多非限制性实例来阐明。
以下描述示出了本发明关于石油和石化工业中的燃烧加热炉101的实施方案(参考图4A示出了常规炉)。在这种炉中加热的流体可以是气体或液体或气体和液体的混合物。典型地，应用包括在炉中加热以便：
-在流体中引发热反应(例如，在蒸汽裂解中)；
-将流体预热到反应温度(例如，在汽油的催化重整中)；
-预热流体用于闪蒸(例如，在原油蒸馏中预热中)；
-加热导热油以进一步(外部)用作传热介质(例如，在蒸馏再沸器中)。
根据实施方案，旋转设备100可以代替燃烧加热器或熔炉，用作气体的直接加热器或液体或蒸发的间接加热器。
图4B示出了配备有旋转设备100而不是燃烧加热的工业炉101的布局。图4B示意性地示出了一种布置，其包括至少一个反应器或熔炉101，所述反应器或熔炉101被配置成在基本上等于或超过约500摄氏度(℃)的温度下执行与炼油和/或石化工业相关的一个或多个过程，以及至少一个旋转设备100，所述旋转设备100被配置成产生加热的流体介质，用于将热能输入到所述至少一个反应器或熔炉中。
在图4B的布局中，至少一个旋转设备100用于全部或部分地替换燃料燃烧式辐射加热器燃烧器。在该实施方案中，旋转设备100用于将惰性气体(例如蒸汽、空气或氮气)加热到高达1700℃的温度。在设备100中加热的气体被供给到熔炉101的耐火空间中，类似于燃烧加热器中的燃料。来自旋转设备的热气体将为熔炉内的管(在图4B中标记为“加热盘管”)提供加热。由此，由设备100加热的惰性气体用作加热介质/传热介质，用于通过熔炉101内的管/盘管传播的流体。在一些情况下，支持燃烧器可以保留在系统中，用于提高(增加)再循环气体的温度和/或用于启动或用于平衡电力供应的变化。
在图4B的配置中，从熔炉中排出的烟道气进一步用作旋转设备的输入流以进行再加热(参见图4B的烟道气再循环管线)。
由图5B可视化的布局类似于图4B所示的布局，不同之处在于工业炉101被配置为进行热或热化学反应，例如烃原料的裂解以产生烯烃。图5B示意性地示出了一种布置，其包括至少一个熔炉101，所述熔炉101被配置成在基本上等于或超过约500摄氏度(℃)的温度下执行与炼油和/或石化工业相关的一个或多个过程，以及至少一个旋转设备100，所述旋转设备100被配置成产生加热的流体介质，用于将热能输入到所述至少一个熔炉中。旋转设备100用作间接加热器来加热惰性气体，例如蒸汽、空气或氮气，所述惰性气体被送入熔炉101的空间，从而向熔炉内部提供热能。在大多数情况下，反应是吸热反应。通过反应器管传播并用由设备100产生的惰性传热介质间接加热的工艺流体可以是气体(例如，含烃气体)、液体、气-液混合物或气体-蒸气/气体-蒸汽混合物。
在图4B和图5B的配置中，现有的工业炉101可以被改装成具有旋转设备100。
此外，在图5B的配置中，从熔炉排出的烟道气(例如N2、CO2、H2O、NOx、SOx、颗粒物)可以进一步用作旋转设备的输入流，用于再加热(参见图5B的烟道气再循环管线)。
在间接加热布置(图4B、5B)中，传热介质的再循环可以以例如图2D所示的方式实现。作为所述传热介质和工艺流体(含烃进料气体)之间的传热的结果，在熔炉/反应器单元101中冷却的传热介质可以被送去用于再加热(如图2D所示的流9)。这样，热损失可以最小化。因此，一部分未反应的原料气体可以被再循环。
如图4B和图5B所示集成的旋转设备100的附加优点是，它充当鼓风机，为流体循环提供必要的压力增加。因此，这种布局消除了对单独鼓风机的需要(如在传统的燃烧炉中)。
使用旋转设备作为再循环加热器允许从烟道气中进行最佳的热回收，并进行最佳的温度控制和管理，此外还确保热损失最小化。在这种配置中，可以避免或至少最小化有害环境排放物的形成，例如二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物和颗粒物，以及它们进一步释放到大气中。
在旋转设备100中循环惰性气体(例如蒸汽或氮气)是有利的，特别是在待加热的流体处于高压和/或易燃的情况下。这将在熔炉内提供惰性气氛，以提高工艺安全性。
图4C是精炼和石化设施1000的示意图。在一个实施方案中，设施1000被配置用于烃的热或热化学热解。在实施方案中，设施1000被配置用于普通烃进料(如乙烷、LPG或石脑油)的蒸汽裂解，以生产轻质烯烃，如乙烯和丙烯。
所述设施可以包括传统的燃料燃烧式裂解炉。传统的裂解炉包括对流段，其中烃进料被预热、汽化、与稀释蒸汽混合并过热至略低于发生裂解反应的温度的温度水平，和辐射段或反应器段，其中烃进料在流经反应器管(盘管)时经历热解反应。典型的裂解反应发生在超过750-850℃的温度下。在传统的燃料燃烧式裂解炉中，只有高达约50％的燃料燃烧产生的热量被辐射段吸收。剩下的一半可以在对流段回收。
在一个实施方案中，对裂解炉101(图4C)进行修改，以便形成具有至少一个旋转设备100的布置，所述旋转设备100被配置为在对流段中为烃进料提供热输入。因此，设备100被配置为在对流管组中为与预热、蒸发和过热烃进料相关的操作提供热能。设备100还被配置为从再循环的出口气体(例如，烟道气或惰性气体/空气，取决于操作模式，如下所述)提取热能。
灵活的系统设计允许集成旋转设备100作为对现有蒸汽裂解炉的改造，以保持通常由对流段执行的所有加热功能。这包括例如加热锅炉水、过热蒸汽、烃进料的汽化、过热稀释蒸汽和过热烃/稀释蒸汽混合物。
图4C的布局可以可选地与关于图4B描述的配置相结合，其中至少一个旋转设备100用于替换辐射段中的燃料燃烧式燃烧器(未示出)。来自旋转设备100的热气体将加热辐射段中的反应器管盘管，从而为反应提供热能。在这种情况下，待加热的流体(反应流体)可以是气体、液体或气-液混合物中的任何一种。在这种配置中，至少一个设备100可以连接到辐射段，以提供补充热量或过程所需的所有热量(部分或全部替换辐射段中的燃料燃烧式燃烧器)。可以对现有熔炉进行改造。旋转设备100可以配置有多个管道燃烧器，以向流向熔炉101的常规段和/或辐射段的流体(气体)提供热量。
在一些实施方案中，图4C所示的设施还包括至少一个旋转设备100，所述旋转设备100适于以旋转反应器模式工作，因此被称为旋转反应器100R。反应器100R替代熔炉101/设施1000中的燃料燃烧辐射段(热解反应器)。反应器100R可以根据例如在美国专利第7,232,937号(Bushuev)、第9,494,038号(Bushuev)、第9,234,140号(等人)和第10,744,480号(Rosic&Xu)中提供的指导来构造。在将至少一个旋转设备100与至少一个旋转设备100R相结合的配置中，由此产生的装置可以取代传统的蒸汽裂解炉，所述旋转设备100用作加热器/进料预调节器，所述旋转设备100R被配置成用于运行热解反应的反应器，其中含烃进料在反应器100R内经历裂解。
下面的实例提供了关于用旋转设备技术升级熔炉101的更详细的见解。待升级的熔炉101可以是任何低容量的熔炉，可选地是所谓的“摇摆炉”类型(能够吸入液体和气体进料)。然而，熔炉101可以是蒸汽裂解中常规使用的任何类型的熔炉。优选的是，旋转装置100、100R或两者中的任何一个至少部分电气化(即，使用电能作为输入能量)。进一步优选的是，旋转装置100、100R或两者中的任何一个被配置成支持电力驱动模式和燃料驱动模式，并在其他类型的能量完全或部分不可用的情况下在这些模式之间切换。除了可再生电力(对于电力驱动模式)之外，燃料气体(对于燃料驱动模式)也可以是可再生的(例如沼气、氢气等)。
就一般功能而言，通过将旋转装置100、100R连接到其上而升级的熔炉101因此被配置成在所谓的“旋转反应器介导”操作模式和“燃料燃烧”操作模式下操作，并在这些模式之间切换。旋转反应器介导模式采用旋转加热器100和旋转反应器100R的组合，并且具有关闭熔炉的燃料燃烧式辐射段(即，暂时设置为非操作模式)。在这种配置中，熔炉可以完全电气化，因此是零排放的。另一方面，燃料燃烧操作模式采用旋转加热器100和熔炉的辐射段的组合来进行热解反应。启用部分电气化。
为了实现包括旋转装置100、100R的解决方案，裂解炉101和设施1000被修改以并入以下特征(参见图4C)。
炉桥壁(分隔辐射段和对流段的部分)包括隔板“A”，所述隔板被配置为风门或滑板，例如用于桥壁开口。当熔炉101与传统的燃料燃烧式辐射段一起操作时，隔板“A”处于打开位置，这使得对流和辐射段之间能够进行流体连通。当反应器100R用于替换辐射段时，桥壁开口被关闭。在后一种情况下，对流段和反应器100R之间的流体连通通过布置在交叉管线“B”(对流段出口和辐射段入口之间的管道)上的带阀连接管线“C”来实现。交叉管线“B”可以进一步配备有单独的阀“D”，所述阀被配置成调节流向辐射段的流体流。
图4C的布局包括被配置为传输线交换器(TLE)的多个热交换器装置。TLE是蒸汽裂解炉中常见的淬火装置。TLE用锅炉给水冷却裂解的流出物，并以高压蒸汽的形式回收热量。现代裂解炉包括例如串联布置的两个TLE，其中流出物首先在初级TLE(TLE1)中瞬间冷却至550-650℃(出口温度)以防止裂解产物降解，随后在次级TLE(TLE2)中进一步冷却至约300-450℃(出口温度)以改善热回收。两个交换器通常连接到同一个汽包(图4C中未示出)。
因此，反应器100R设置有与TLE单元的阀连接(“E”和“F”)。管线“E”将反应器100R连接到标记为TLE2的现有(在设施1000中)TLE单元。在这种配置中，“TLE2”单元作为设施布局中唯一的传输线交换器提供。或者，反应器100R可以耦合(管线“F”)到其自身的TLE装置(即，不在熔炉101/设施1000内部/不存在于熔炉101/设施1000中)。在这种配置中，通过管线“F”耦合到反应器100R的转移线交换器充当初级TLE(TLE1，图4C)，而现有的转移线交换器(管线“E”)充当次级TLE(TLE2)。TLE1可以暂时关闭(参见布置在连接线“F”和离开TLE1的管线上的阀)，并且流体可以通过管线“E”引导到现有的TLE单元中。
元件“G”表示设置在连接熔炉的辐射段和现有TLE装置(“TLE2”)的管线上的阀，无论现有TLE装置是用作辅助TLE还是唯一TLE。当不使用反应器100R时，阀“G”使得流体从辐射段流向TLE。当反应器100R用于裂解反应时，阀“G”关闭。
在某些配置中，任何一个TLE单元都可以用来产生高压蒸汽或加热或过热工艺流。
烟道气烟囱还可以设置有附加的风门“H”，以便能够再循环气体以进行热回收。关闭风门“H”后，烟道气不会排放到大气中，而是在设施内再循环。特别地，热烟道气可用于加热旋转设备100中的流体(参见连接线“I”)。
上述修改提供了裂解炉101在“燃料燃烧”操作模式和“旋转反应器100R介导”操作模式下的操作之间切换的灵活性。这允许在熔炉101/设施1000中执行维护操作，而无需关闭整个设施。只要隔离/分离阀和盲板设计得当以满足安全要求，烃流就可以在单独的块和炉段之间灵活地改道。
进一步强调的是，当熔炉在旋转反应器介导操作模式下操作时，熔炉的对流段被惰性气体例如热空气加热。在旋转设备100中产生热空气。因为在这种情况下没有形成湿烟道气，所以离开对流段的空气流可以通过吸入管线“I”再循环。现有的引风机可用于促进再循环空气流动。
使熔炉101在旋转反应器介导操作模式下操作允许最小化或完全消除向大气中的烟道气排放。当旋转装置100、100R是电力驱动的并且输入电能由可再生能源产生时，后一种选择被启用。
此外，使熔炉101在旋转反应器介导操作模式中操作允许使熔炉的热效率接近100％。在常规熔炉中，由于烟道气中存在水冷凝的风险，离开熔炉的烟道气的温度不应低于120-130℃。根据燃料气体的低热值(LHV)计算，这将常规熔炉的热效率限制在91-94％。在传统熔炉的类似计算中使用高热值(HHV)会导致较低的效率。当熔炉以旋转反应器介导操作模式使用时，由于空气再循环，本发明允许将熔炉的热效率增加至少5-6％。通过引导空气或其他热气体(也是烟道气)对进入设备100的流体进行(预)加热，再循环离开对流段的空气或其他热气体(也是烟道气)可以提高熔炉的热效率，并且还可以降低旋转设备100的功耗。因此，可以提高整个设施1000的能量效率，并相应地减少温室气体和颗粒排放。
参考图5A和图5B，它们可以进一步被视为提供了将一个或多个旋转设备100集成到包括适于吸热反应的一个反应器或多个反应器的设施1000布局中的概述。化学工业的大部分排放来自为高温吸热催化反应提供热量的燃料燃烧加热器和熔炉。除蒸汽裂解外，许多其他关键的碱化学形成反应都是吸热的，如丙烷和丁烷脱氢、汽油重整和甲烷蒸汽重整。通常，这些反应需要催化剂来实现工业应用所需的反应速率和选择性。旋转设备100可用于通过加热催化反应器101的进料并将热进料引入具有上升温度曲线的催化床来为这些催化反应提供热能。为了保持反应速率并使反应完成，旋转设备可以作为所述催化床之间的再热器(参考图2E、5A)。
总的来说，图5A提供了图2E所示配置的更详细视图。图5A示出了多个旋转设备100与反应器101交替的设施配置。每对100-101都用罗马数字i-iii表示。反应器101可以被配置为气相反应器101，适于执行与例如烃的转化相关的热或催化过程。旋转设备100用作气态进料和其他反应物的直接加热器。因此，气态进料被加热到最大允许温度(通常由催化剂温度容限和不希望的副反应的速率设定)，并根据图5A供给到第一催化反应器101中。因此，反应物在进入反应器101之前被加热。在101中，允许反应发生，随后绝热温度降低，此后流出物在下一个旋转设备100中被再加热，以在未实现期望转化的情况下被供给到下一个反应器101中。
图5A和5B示出了旋转设备100集成到将反应热供应到吸热的固体催化反应过程中的最常见路线中，如下所示：1)将含有催化剂的管暴露于外部加热，用于沿着催化剂床的长度通过反应器管连续地将热量引入催化剂床和反应物(图5B，间接加热)；和2)在反应物进入反应器之前将反应物加热到高温，允许反应发生，随后绝热温度降低，然后在未实现期望转化的情况下再加热反应物用于下一个反应器(图5A，直接加热)。虽然图5B的概念特别适合于改造现有的熔炉，但是图5A的概念(包括将在旋转设备中加热的流体/气体直接送到热消耗过程)对于新的所谓的“绿地”装置可能是有益的。然而，图5A的布局可以集成到现有的过程中，例如集成到通常在炼油厂的半再生催化重整器单元中进行的催化汽油重整过程中。旋转设备100可以通过替换燃料燃烧加热器直接安装到过程中，如本公开别处所述。
本领域技术人员清楚，随着技术的进步，本发明的基本思想可以以各种方式实现和组合。因此，本发明及其实施方案不限于上文描述的实例，相反，它们通常可以在所附权利要求的范围内变化。

Claims (39)

1.一种用于将热能输入到精炼和/或石化设施中与炼油和/或石化工业相关的一个或多个过程中的方法，所述方法包括通过集成到所述精炼和/或石化设施中的至少一个旋转设备产生加热的流体介质，所述至少一个旋转设备包括：
具有至少一个入口和至少一个出口的外壳，
转子，所述转子包括布置在转子轮毂的圆周上的至少一排转子叶片，所述转子轮毂安装在转子轴上，以及
在所述至少一排转子叶片的至少上游布置成组件的多个固定叶，所述方法还包括：
-将所述至少一个旋转设备集成到所述精炼和/或石化设施中，所述精炼和/或石化设施被配置为在基本上等于或超过约500摄氏度(℃)的温度下执行与炼油和/或生产石化产品相关的一个或多个热消耗过程，
-将一定量的输入能量传导到集成到所述精炼和/或石化设施中的所述至少一个旋转设备中，所述输入能量包括电能，以及
-操作集成到所述精炼和/或石化设施中的所述至少一个旋转设备，使得通过当所述流体介质流分别穿过所述固定叶和所述至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予沿着在所述外壳内部在所述入口和所述出口之间形成的流动路径引导的流体介质流，由此产生加热的流体介质流。
2.根据权利要求1所述的方法，包括在所述精炼和/或石化设施中，将所述至少一个旋转设备连接到至少一个热消耗单元，所述至少一个热消耗单元被配置为反应器或熔炉，并且适于在所述精炼和/或石化设施中执行与炼油和/或生产石化产品相关的一个或多个热消耗过程。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热消耗单元还被配置为以下任何一种：加热器、燃烧器、焚烧炉、锅炉、干燥器、输送装置或其组合。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括产生加热到以下温度的所述流体介质：基本上等于或超过约500摄氏度(℃)的温度，优选基本上等于或超过约1200℃的温度，仍然优选基本上等于或超过约1700℃的温度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括调节通过所述旋转设备传播的所述流体介质流的速度和/或压力，以得到产生所述加热的流体介质流的条件。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述加热的流体介质由至少一个旋转设备产生，所述至少一个旋转设备包括沿所述转子轴按顺序布置的两排或更多排转子叶片。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述加热的流体介质由至少一个旋转设备产生，所述至少一个旋转设备还包括布置在所述至少一排转子叶片下游的扩散器区域，所述方法包括操作集成到所述精炼和/或石化设施中的所述至少一个旋转设备，使得通过当所述流体介质流分别连续穿过所述固定叶、所述转子叶片和所述扩散器区域时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予沿着在所述外壳内部在所述入口和所述出口之间形成的流动路径引导的流体介质流，由此产生加热的流体介质流。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述旋转设备中，所述扩散器区域配置有固定的扩散器叶片或者没有配置固定的扩散器叶片。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过调节传导到集成到所述精炼和/或石化设施中的所述至少一个旋转设备中的输入能量的量来控制添加到通过所述旋转设备传播的所述流体介质流中的热能的量。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在所述至少一个旋转设备的下游布置附加加热设备，并将反应性化合物或反应性化合物的混合物引入到通过所述附加加热设备传播的所述流体介质流中，由此通过放热反应将所述量的热能添加到所述流体介质流中。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述反应性化合物或反应性化合物的混合物引入预热到预定温度的所述流体介质流中。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述反应性化合物或反应性化合物的混合物引入预热到基本上等于或超过约1700℃的温度的所述流体介质流中。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，所述流体介质流预热到预定温度是在所述旋转设备中实现。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括通过集成到所述精炼和/或石化设施中的至少两个旋转设备产生所述加热的流体介质，其中，所述至少两个旋转设备并联或串联连接。
15.根据权利要求14所述的方法，包括通过至少两个按顺序连接的旋转设备产生所述加热的流体介质，其中，所述流体介质流在序列中的至少第一旋转设备中被预热到预定温度，并且其中，通过将附加量的热能输入到通过所述序列中的至少第二旋转设备传播的预热的流体介质流，所述流体介质流在所述第二旋转设备中被进一步加热。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，在所述序列中的至少所述第一旋转设备中，所述流体介质流被预热到基本上等于或超过约1700℃的温度。
17.根据权利要求15或16中任一项所述的方法，其中，通过将反应性化合物或化合物混合物引入所述流中，将所述附加量的热能添加到通过所述序列中的所述至少第二旋转设备传播的所述流体介质流中。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括将反应性化合物或反应性化合物的混合物引入到与炼油和/或生产石化产品相关的一个或多个热消耗过程中。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，由所述至少一个旋转设备产生的所述加热的流体介质选自由进料气体、再循环气体、补充气体和工艺流体组成的组。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，进入所述旋转设备的所述流体介质基本上是气态介质。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括在所述旋转设备中产生所述加热的流体介质。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，在所述旋转设备中产生的所述加热的流体介质是含烃气体。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，在所述旋转设备中产生的所述加热的流体介质是除所述含烃气体以外的气态介质，例如空气、蒸汽(H2O)、氮气(N2)、氢气(H2)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氨气(NH3)或其任何组合。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，在所述旋转设备中产生的所述加热的流体介质是从在所述精炼和/或石化设施中与炼油和/或石化工业相关的过程期间产生的废气中再循环的再循环气体。
25.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括通过在所述旋转设备中产生的所述加热的流体介质和绕过所述旋转设备的流体介质流之间的热传递过程，在所述旋转设备外部产生所述加热的流体介质。
26.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括增加通过所述旋转设备传播的所述流体介质流中的压力。
27.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，作为所述输入能量传导到集成在所述精炼和/或石化设施中的所述至少一个旋转设备中的电能的量在大约5％至100％的范围内。
28.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，作为所述输入能量传导到集成在所述精炼和/或石化设施中的所述至少一个旋转设备中的电能的量可从以下获得：可再生能源或不同能源的组合，可选地可再生能源。
29.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过将所述至少一个旋转设备与至少一个非电能可操作加热器装置一起集成到所述精炼和/或石化设施中，利用所述至少一个旋转设备来平衡电能的量的变化，所述变化例如是供过于求和短缺，所述电能可选地是可再生电能。
30.一种精炼和/或石化设施，包括至少一个反应器或熔炉以及至少一个旋转设备，所述至少一个反应器或熔炉被配置成在基本上等于或超过约500摄氏度(℃)的温度下执行与炼油和/或石化工业相关的一个或多个过程，所述至少一个旋转设备被配置成产生加热的流体介质以将热能输入到所述至少一个反应器或熔炉中，所述至少一个旋转设备包括：
具有至少一个入口和至少一个出口的外壳，
转子，所述转子包括布置在转子轮毂的圆周上的至少一排转子叶片，所述转子轮毂安装在转子轴上，以及
在所述至少一排转子叶片的至少上游布置成组件的多个固定叶，
其中所述至少一个旋转设备被配置为接收一定量的输入能量，所述输入能量包括电能，以及
其中所述至少一个旋转设备还被配置成这样操作：使得通过当所述流体介质流分别穿过所述固定导向叶和所述至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予沿着在所述外壳内部在所述入口和所述出口之间形成的流动路径引导的流体介质流，由此产生加热的流体介质流。
31.根据权利要求30所述的精炼和/或石化设施，其中，所述至少一个旋转设备包括沿所述转子轴按顺序布置的两排或更多排转子叶片。
32.根据权利要求30所述的精炼和/或石化设施，其中，所述至少一个旋转设备还包括布置在所述至少一排转子叶片下游的扩散器区域。
33.根据权利要求30所述的精炼和/或石化设施，其中，所述旋转设备包括配置有固定的扩散器叶片或者没有配置固定的扩散器叶片的所述扩散器区域。
34.根据权利要求30所述的精炼和/或石化设施，其中，所述至少一个旋转设备还被配置成增加通过其传播的所述流体流中的压力。
35.根据前述权利要求30至34中任一项所述的精炼和/或石化设施，其中，至少两个旋转设备布置成组件并且并联或串联连接。
36.根据前述权利要求30至35中任一项所述的精炼和石化设施，其被配置用于烃的热或热化学热解，可选地通过蒸汽裂解过程。
37.一种精炼和石化设施，其被配置成通过权利要求1至29中任一项所定义的方法实施与炼油和/或生产石化产品相关的一个或多个过程。
38.根据权利要求1至29中任一项所述的方法的用途，用于提高精炼和/或石化设施的能源效率和/或减少所述设施中的温室气体和颗粒排放。
39.一种用于炼油和/或生产石化产品的方法，所述方法包括通过集成到精炼和石化设施中的至少一个旋转设备产生加热的流体介质，所述至少一个旋转设备包括：
具有至少一个入口和至少一个出口的外壳，
转子，所述转子包括布置在转子轮毂的圆周上的至少一排转子叶片，所述转子轮毂安装在转子轴上，以及
在所述至少一排转子叶片的至少上游布置成组件的多个固定叶，
其中，通过当所述流体介质流分别穿过所述固定叶和所述至少一排转子叶片时发生的一系列能量转换，将一定量的热能赋予沿着在所述外壳内部在所述入口和所述出口之间形成的流动路径引导的流体介质流，这是，由此产生加热的流体介质流，所述方法还包括：
-将一定量的输入能量传导到集成到所述精炼和/或石化设施中的所述至少一个旋转设备中，所述输入能量包括电能，
-将由所述至少一个旋转设备产生的所述加热的流体介质流供应到所述精炼和石化设施中，以及
-操作所述至少一个旋转设备和所述精炼和石化设施，以在基本上等于或超过约500摄氏度(℃)的温度下执行与炼油和/或生产石化产品相关的一个或多个过程。
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CN202280066593.4A Pending CN118043134A (zh) 2021-10-13 2022-10-13 使用旋转生成的热能用于热能储存的方法和装置
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