ITMI20130857A1 - APPARATUS FOR RECOVERING THE ENTHALPY OF REACTION - Google Patents
APPARATUS FOR RECOVERING THE ENTHALPY OF REACTIONInfo
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Description
“APPARATO PER RECUPERARE L’ENTALPIA DI REAZIONE†"EQUIPMENT TO RECOVER THE ENTHALPY OF REACTION"
La presente invenzione riguarda un apparato per recuperare l’entalpia di reazione, in particolare l’entalpia di reazione disponibile nei processi di produzione di resine polimeriche. Nella presente domanda di brevetto, tutte le condizioni operative riportate nel testo devono intendersi come condizioni preferite anche se non espressamente dichiarato. Ai fini della presente trattazione il termine “comprendere†o “includere†comprende anche il termine “consistere in†o “consistente essenzialmente di†. The present invention relates to an apparatus for recovering the reaction enthalpy, in particular the reaction enthalpy available in the production processes of polymeric resins. In the present patent application, all the operating conditions indicated in the text must be understood as preferred conditions even if not expressly stated. For the purposes of this discussion, the term â € œunderstandâ € or â € œincludeâ € also includes the term â € œconsist inâ € or â € œconsist essentially ofâ €.
Ai fini della presente trattazione le definizioni degli intervalli comprendono sempre gli estremi a meno di diversa specificazione. For the purposes of this discussion, the definitions of the intervals always include the extremes unless otherwise specified.
Una fase comune a tutti i processi di produzione di resine polimeriche à ̈ quella della preparazione dei reagenti da alimentare alla zona di reazione. In detta zona ai monomeri che costituiscono i reagenti di base del processo, sono aggiunti ad esempio additivi quali iniziatori e/o catalizzatori di reazione, trasferitori di catena, coloranti. Una volta che la miscela reagente à ̈ stata preparata à ̈ necessario riscaldarla fino alla temperatura d’innesco, vale a dire quella temperatura alla quale l’eventuale iniziatore e/o catalizzatore à ̈ attivato oppure quella temperatura alla quale si avvia la polimerizzazione termica dei monomeri. Per riscaldare la miscela di reazione fino alla temperatura d’innesco à ̈ noto alimentare detta miscela ad uno scambiatore di calore. Questo scambiatore normalmente può essere riscaldato o con vapore o con olio diatermico preriscaldato in forno. A phase common to all the production processes of polymeric resins is that of the preparation of the reagents to be fed to the reaction zone. In said zone, additives such as reaction initiators and / or catalysts, chain transfer agents, dyes are added to the monomers which constitute the basic reactants of the process. Once the reagent mixture has been prepared it is necessary to heat it up to the ignition temperature, that is to say the temperature at which the possible initiator and / or catalyst is activated or the temperature at which the polymerization starts. thermal of monomers. To heat the reaction mixture up to the ignition temperature it is known to feed said mixture to a heat exchanger. This exchanger can normally be heated either with steam or with diathermic oil preheated in the oven.
L’uso di vapore o di olio diatermico preriscaldato in un forno esclude ogni possibile forma di integrazione termica con le altre sezioni d’impianto. The use of steam or preheated diathermic oil in an oven excludes any possible form of thermal integration with the other sections of the system.
Se si usa vapore per svolgere il servizio di riscaldamento si fornisce al sistema l’energia usata per generare il vapore stesso Outside Boundary Limits (OSBL). Solitamente il vapore à ̈ generato bruciando gas naturale o altri combustibili fossili. Se invece si utilizza olio diatermico proveniente da forno, alla corrente di processo viene ceduta l’energia di combustione del metano o dell’eventuale altro combustibile alimentato al forno. If steam is used to perform the heating service, the energy used to generate the steam is supplied to the system Outside Boundary Limits (OSBL). Steam is usually generated by burning natural gas or other fossil fuels. If, on the other hand, diathermic oil from an oven is used, the combustion energy of methane or any other fuel fed to the oven is transferred to the process stream.
Queste due soluzioni fanno in modo che la sezione di riscaldamento della miscela reagente rimanga isolata e non si integri termicamente con il resto del processo perché l’utility usata per il riscaldamento proviene o da OSBL o da una facility. In qualunque di queste due opzioni il recupero termico non à ̈ possibile. These two solutions ensure that the heating section of the reagent mixture remains isolated and does not thermally integrate with the rest of the process because the utility used for heating comes either from OSBL or from a facility. In any of these two options, heat recovery is not possible.
In linea di principio si potrebbe recuperare l’entalpia di reazione nel caso in cui si alimentasse allo scambiatore dedicato al riscaldamento della miscela reagente lo stesso fluido di servizio (solitamente acqua demineralizzata od olio diatermico) che à ̈ utilizzato per il controllo della temperatura nella sezione di reazione. In principle, the enthalpy of reaction could be recovered if the same service fluid (usually demineralized water or diathermic oil) which is used for temperature control in the reaction section.
Questa operazione però non à ̈ possibile a causa delle perdite di carico che si generano nel circuito di distribuzione del fluido di servizio. However, this operation is not possible due to the pressure drops generated in the service fluid distribution circuit.
Tradizionalmente sia nel caso in cui si utilizzi olio diatermico come fluido di servizio sia nel caso si utilizzi acqua demineralizzata come fluido di servizio, i circuiti per il controllo della temperatura all’interno dei reattori (sia riscaldamento che raffreddamento) sono completamente indipendenti dal circuito per il riscaldamento della miscela reagente. Questa configurazione ha lo svantaggio di non permettere l’utilizzo dell’entalpia di reazione (esotermica) per riscaldare i reagenti. Durante la normale conduzione di un impianto di polimerizzazione il fluido di servizio per il controllo termico assorbe l’energia di reazione durante il suo passaggio attraverso il reattore. Questo potenziale di energia potrebbe essere recuperato per svolgere un servizio di riscaldamento a livelli termici inferiori a quelli della reazione, ma questo non à ̈ possibile a causa della configurazione del circuito del fluido di servizio. Traditionally, both in the case in which diathermic oil is used as the service fluid and in the case in which demineralized water is used as the service fluid, the temperature control circuits inside the reactors (both heating and cooling) are completely independent from the circuit for heating the reagent mixture. This configuration has the disadvantage of not allowing the use of the reaction enthalpy (exothermic) to heat the reagents. During the normal operation of a polymerization plant, the service fluid for the thermal control absorbs the reaction energy as it passes through the reactor. This energy potential could be recovered to perform a heating service at thermal levels below those of the reaction, but this is not possible due to the configuration of the service fluid circuit.
La Richiedente propone invece una nuova configurazione che ha il vantaggio di permettere il recupero dell’energia di reazione, migliorando così sensibilmente l’efficienza energetica del processo. The Applicant, on the other hand, proposes a new configuration which has the advantage of allowing the recovery of the reaction energy, thus significantly improving the energy efficiency of the process.
In detta configurazione i circuiti per il controllo della temperatura all’interno dei reattori sono collegati con il circuito per il riscaldamento della miscela reagente. Ciò non comporta alcun limite operativo o di sicurezza o complicazione all’esercizio dell’impianto, in quanto à ̈ sempre garantita la massima affidabilità di controllo della temperatura all’interno dei rettori e la lineare operabilità del sistema. La richiedente ha quindi individuato un nuovo apparato caratterizzato da una specifica configurazione del circuito di distribuzione di un fluido di servizio. In this configuration, the circuits for controlling the temperature inside the reactors are connected to the circuit for heating the reagent mixture. This does not entail any operational or safety limits or complications in the operation of the system, as the maximum reliability of temperature control inside the rectors and the linear operability of the system are always guaranteed. The Applicant has therefore identified a new apparatus characterized by a specific configuration of the distribution circuit of a service fluid.
Detto apparato comprende: This apparatus includes:
- almeno una sezione di reazione che include almeno un circuito di distribuzione primario per un fluido di servizio, - at least one reaction section including at least one primary distribution circuit for a service fluid,
- almeno un dispositivo di scambio termico che include almeno un circuito di distribuzione secondario per un fluido di servizio, - at least one heat exchange device which includes at least one secondary distribution circuit for a service fluid,
- almeno un collettore di raccolta di detto fluido di servizio; - at least one collector for collecting said service fluid;
detto apparato caratterizzato dal fatto che ogni circuito di distribuzione primario sia collegato con almeno un circuito di distribuzione secondario mediante mezzi di collegamento, e caratterizzato dal fatto che su ogni circuito di distribuzione secondario sia installato almeno un dispositivo di regolazione di flusso avente un ingresso e due uscite. said apparatus characterized in that each primary distribution circuit is connected to at least one secondary distribution circuit by means of connection, and characterized in that at least one flow regulating device having one inlet and two exits.
L’apparato così descritto consente di risparmiare energia nella generazione delle utility che si utilizzano nell’industria di processo (vapore e olio diatermico caldo). In particolare nella produzione di resine polimeriche a base di stirene e stirene più gomma (come ad esempio GPPS, HIPS ed ABS) il risparmio energetico raggiungibile adottando questo sistema di integrazione termica à ̈ del 155% rispetto al totale (risultato ottenuto nell’impianto HIPS di Dunastyr). The apparatus described in this way saves energy in the generation of utilities used in the process industry (steam and hot diathermic oil). In particular in the production of polymeric resins based on styrene and styrene plus rubber (such as GPPS, HIPS and ABS) the energy saving that can be achieved by adopting this thermal integration system is 155% of the total (result obtained in the plant Dunastyr HIPS).
Ulteriori obiettivi e vantaggi della presente invenzione saranno più evidenti dalla seguente descrizione e dai disegni allegati, forniti a puro titolo illustrativo e non limitativo. Figura 1 illustra una forma di realizzazione della presente invenzione in cui sono presenti una zona di reazione (A) ed uno scambiatore (B), una valvola a tre vie (C), un circuito di distribuzione primario (D), un circuito di distribuzione secondario (E), un collettore di raccolta (F), un condotto di collegamento (G), un condotto di uscita che collega la valvola a tre vie con il collettore di raccolta (H), un condotto di collegamento (I) tra il circuito di distribuzione primario ed il condotto (F), un condotto di alimentazione dei reagenti (L), un condotto di uscita dei prodotti (M). Further objectives and advantages of the present invention will become more evident from the following description and the attached drawings, provided purely for illustrative and non-limiting purposes. Figure 1 illustrates an embodiment of the present invention in which there are a reaction zone (A) and an exchanger (B), a three-way valve (C), a primary distribution circuit (D), a distribution circuit (E), a collection manifold (F), a connection duct (G), an outlet duct that connects the three-way valve with the collection manifold (H), a connection duct (I) between the primary distribution circuit and the duct (F), a reagent supply duct (L), a product outlet duct (M).
Descrizione dettagliata. Detailed description.
Costituisce oggetto della presente invenzione un apparato per recuperare l’entalpia di reazione che comprende: The object of the present invention is an apparatus for recovering the enthalpy of reaction which includes:
- almeno una sezione di reazione che include almeno un circuito di distribuzione primario per un fluido di servizio, - at least one reaction section including at least one primary distribution circuit for a service fluid,
- almeno un dispositivo di scambio termico che include almeno un circuito di distribuzione secondario per un fluido di servizio, - at least one heat exchange device which includes at least one secondary distribution circuit for a service fluid,
- almeno un collettore di raccolta di detto fluido di servizio; - at least one collector for collecting said service fluid;
detto apparato caratterizzato dal fatto che ogni circuito di distribuzione primario sia collegato con almeno un circuito di distribuzione secondario mediante mezzi di collegamento, e caratterizzato dal fatto che su ogni circuito di distribuzione secondario sia installato almeno un dispositivo di regolazione di flusso avente un ingresso e due uscite. said apparatus characterized in that each primary distribution circuit is connected to at least one secondary distribution circuit by means of connection, and characterized in that at least one flow regulating device having one inlet and two exits.
Costituisce un’ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione un metodo per recuperare entalpia di reazione che comprende le seguenti fasi: A further embodiment of the present invention is a method for recovering reaction enthalpy which comprises the following steps:
- trasferire entalpia di reazione ad un fluido di servizio che circola in un circuito di distribuzione primario regolandone la temperatura dei prodotti di reazione, e generando un fluido di servizio riscaldato, - transferring reaction enthalpy to a service fluid that circulates in a primary distribution circuit by regulating the temperature of the reaction products, and generating a heated service fluid,
- trasferire almeno una parte di detto fluido di servizio riscaldato ad almeno un circuito di distribuzione secondario che riscalda i reagenti generando un fluido di servizio raffreddato, - transferring at least a part of said heated service fluid to at least one secondary distribution circuit which heats the reactants generating a cooled service fluid,
- regolare la portata in uscita di detto fluido di servizio raffreddato mediante un dispositivo di regolazione avente un ingresso e due uscite. - regulating the outlet flow rate of said cooled service fluid by means of a regulating device having an inlet and two outlets.
La portata di detto fluido di servizio in uscita da un circuito di distribuzione secondario può essere uguale alla portata di fluido di servizio in ingresso a detto circuito secondario. The flow rate of said service fluid leaving a secondary distribution circuit can be equal to the flow rate of service fluid entering said secondary circuit.
Si definisce collettore di raccolta un condotto che porta il fluido di servizio dalle utenze che ha riscaldato o raffreddato al serbatoio d’accumulo dal quale era stato prelevato per essere inviato alle varie utenze. A collection manifold is defined as a conduit that carries the service fluid from the users that it has heated or cooled to the storage tank from which it was taken to be sent to the various users.
Ogni circuito primario può essere collegato con uno o più circuiti secondari. L’energia che il fluido di servizio presente all’interno del circuito primario può cedere quando entra nei circuiti secondari non à ̈ necessario sia sufficiente a garantire il completamento contemporaneo dei servizi di riscaldamento. Detti circuiti secondari possono essere eserciti alternativamente oppure un ulteriore fluido di servizio (di natura uguale a quelli già impiegati) proveniente da altre sezioni d’impianto o da OSBL può essere alimentato a detti circuiti secondari assieme al fluido di servizio proveniente dal circuito primario. Questo ulteriore fluido di servizio potrebbe avere la funzione di fornire un eventuale make-up di energia necessario per completare i servizi di riscaldamento. Each primary circuit can be connected to one or more secondary circuits. The energy that the service fluid present inside the primary circuit can release when it enters the secondary circuits is not necessary to be sufficient to ensure the simultaneous completion of the heating services. Said secondary circuits can be exerted alternatively or an additional service fluid (of a similar nature to those already used) coming from other sections of the system or from OSBL can be fed to said secondary circuits together with the service fluid coming from the primary circuit. This additional service fluid could have the function of providing any energy make-up necessary to complete the heating services.
Preferibilmente il fluido di servizio dai circuiti secondari può essere convogliato, dopo aver svolto i dedicati servizi di riscaldamento, ad un ulteriore circuito per ottimizzare il recupero energetico. A tale scopo à ̈ utilizzato il collettore di raccolta dei fluidi di servizio. Preferably the service fluid from the secondary circuits can be conveyed, after having performed the dedicated heating services, to a further circuit to optimize energy recovery. The service fluid collection manifold is used for this purpose.
Dal collettore di raccolta il fluido di servizio può essere prelevato per alimentare i circuiti secondari. The service fluid can be withdrawn from the collection manifold to feed the secondary circuits.
In questo caso à ̈ assolutamente necessario che l’uscita del fluido di servizio dal circuito secondario sia a valle dell’ingresso nel medesimo circuito, altrimenti sarebbe compromessa l’esecuzione del recupero termico. In this case it is absolutely necessary that the outlet of the service fluid from the secondary circuit is downstream of the inlet in the same circuit, otherwise the execution of the heat recovery would be compromised.
La circolazione del fluido di servizio nei circuiti di distribuzione secondari à ̈ assicurata da una pompa, preferibilmente centrifuga. È previsto che il dispositivo di regolazione avente un ingresso e due uscite sia installato sui circuiti secondari in aspirazione alla pompa ed a valle del dispositivo di scambio termico. The circulation of the service fluid in the secondary distribution circuits is ensured by a pump, preferably centrifugal. The regulation device having one inlet and two outlets is envisaged to be installed on the secondary circuits at the pump suction and downstream of the heat exchange device.
Il fluido di servizio a valle della sezione di reazione, quindi circolante nel circuito primario, può non avere sufficiente pressione per vincere le perdite di carico necessarie per entrare nei circuiti di distribuzione secondari. The service fluid downstream of the reaction section, therefore circulating in the primary circuit, may not have sufficient pressure to overcome the pressure drops necessary to enter the secondary distribution circuits.
Complessivamente le pressioni assolute che si stabiliscono nei circuiti di distribuzione dei fluidi di servizio non influenzano il funzionamento dell’apparato oggetto della presente invenzione. Overall, the absolute pressures that are established in the distribution circuits of the service fluids do not affect the operation of the apparatus object of the present invention.
A governare, infatti, l’ingresso oppure no dei fluidi di servizio in almeno un secondo circuito di distribuzione à ̈ la differenza di pressione che si instaura tra il circuito secondario ed il collettore di raccolta dei fluidi di servizio. Nel caso in cui non si adotti l’apparato oggetto della presente invenzione, l’integrazione termica e quindi il recupero di entalpia di reazione à ̈ impossibile da attuare perché la pompa presente nei circuiti di distribuzione secondari porta il circuito stesso ad una pressione maggiore rispetto a quella del collettore di raccolta, impedendo così al primo fluido di servizio, che si trova ad una pressione inferiore ma a temperatura maggiore, di entrare nel circuito secondario. In fact, the inlet or not of the service fluids in at least a second distribution circuit is governed by the pressure difference that is established between the secondary circuit and the service fluid collection manifold. In the event that the apparatus object of the present invention is not adopted, the thermal integration and therefore the recovery of the reaction enthalpy is impossible to implement because the pump present in the secondary distribution circuits brings the circuit itself to a pressure higher than that of the collection manifold, thus preventing the first service fluid, which is at a lower pressure but at a higher temperature, from entering the secondary circuit.
In normali condizioni di marcia un fluido di servizio che arriva dalla zona di reazione si trova ad una pressione P2, mentre il fluido di servizio all’uscita dello scambiatore che riscalda i reagenti si trova alla pressione P1, che diminuisce andando verso l’aspirazione della pompa. In funzione di com’à ̈ stato progettato il circuito generale di distribuzione del fluido di servizio si possono creare le seguenti situazioni: P1>P2, P1=P2 e P1<P2. Under normal running conditions, a service fluid arriving from the reaction zone is at a pressure P2, while the service fluid at the outlet of the exchanger that heats the reagents is at pressure P1, which decreases as it moves towards the pump suction. Depending on how the general service fluid distribution circuit has been designed, the following situations can be created: P1> P2, P1 = P2 and P1 <P2.
Se P1>P2 il fluido di servizio nel collettore (che arriva dalla zona di reazione) non riuscirà mai ad entrare nel circuito secondario che alimenta il fluido di servizio allo scambiatore. If P1> P2 the service fluid in the manifold (which arrives from the reaction zone) will never be able to enter the secondary circuit which supplies the service fluid to the exchanger.
Se P1=P2 e P1<P2 le perdite di carico che il fluido di servizio deve vincere per essere alimentato allo scambiatore fanno in modo che non ci sia passaggio di liquido (P2 non à ̈ abbastanza maggiore di P1 da vincere le perdite di carico). L’apparato oggetto della presente invenzione indirizza i flussi dei fluidi di servizio nelle direzioni desiderate. Infatti, il dispositivo di regolazione presente sui circuiti secondari devia il flusso uscente dallo scambiatore verso il collettore di raccolta, mentre il condotto di collegamento libero da dispositivi di regolazione del flusso permette al fluido di servizio di arrivare in aspirazione alla pompa di circolazione del fluido nel circuito secondario. If P1 = P2 and P1 <P2 the pressure drops that the service fluid must overcome in order to be fed to the exchanger ensure that there is no liquid passage (P2 is not greater enough than P1 to overcome the pressure drops) . The apparatus object of the present invention directs the flows of the service fluids in the desired directions. In fact, the regulation device present on the secondary circuits diverts the flow outgoing from the exchanger towards the collection manifold, while the connection duct free from flow regulation devices allows the service fluid to reach the suction pump for the circulation of the fluid in the secondary circuit.
Nel caso in cui si pensi di rimuovere la stessa pompa per abbassare la pressione dei circuiti secondari, viene a mancare la circolazione di fluido verso il dispositivo di scambio termico. L’installazione di una valvola di regolazione, avente un ingresso ed due uscite, direziona perciò il fluido di servizio in modo univoco o verso la pompa oppure verso il collettore di raccolta, assicurando, quando richiesto, il desiderato reintegro del fluido di servizio proveniente dal circuito primario. In the event that the same pump is to be removed to lower the pressure of the secondary circuits, there is no fluid circulation towards the heat exchange device. The installation of a regulating valve, having one inlet and two outlets, therefore directs the service fluid univocally either towards the pump or towards the collection manifold, ensuring, when required, the desired replenishment of the service fluid coming from the primary circuit.
Il dispositivo di regolazione di flusso avente un ingresso e due uscite à ̈ preferibilmente una valvola a tre vie, più preferibilmente à ̈ una valvola a tre vie del tipo “trans-flow†. Come già spiegato, detto dispositivo di regolazione consente di direzionare con precisione il fluido di servizio proveniente dal circuito di distribuzione primario ad un circuito di distribuzione secondario, e di estrarre una parte di portata dal circuito di distribuzione secondario per inviarla ad un collettore di raccolta dei fluidi di servizio. The flow regulator having one inlet and two outlets is preferably a three-way valve, more preferably a three-way valve of the â € œtrans-flowâ € type. As already explained, said regulating device allows to precisely direct the service fluid coming from the primary distribution circuit to a secondary distribution circuit, and to extract a part of the flow rate from the secondary distribution circuit to send it to a collector for collecting the service fluids.
La portata in uscita dal circuito di distribuzione secondario può essere sostituita da un’uguale portata volumetrica di fluido di servizio proveniente dal circuito di distribuzione primario. Tale porzione può essere prelevata anche dal collettore stesso. The output flow rate from the secondary distribution circuit can be replaced by an equal volumetric flow rate of service fluid coming from the primary distribution circuit. This portion can also be taken from the collector itself.
La sezione di reazione opera preferibilmente con un profilo di temperatura crescente nell’intervallo tra 80°C e 160°C. Il dispositivo di scambio termico preferibilmente porta la miscela di reagenti da una temperatura di stoccaggio che varia da 20°C a 30°C ad una temperatura di attivazione della reazione di polimerizzazione che varia da 70°C a 90°C. The reaction section preferably operates with an increasing temperature profile in the range between 80 ° C and 160 ° C. The heat exchange device preferably brings the reagent mixture from a storage temperature ranging from 20 ° C to 30 ° C to an activation temperature of the polymerization reaction ranging from 70 ° C to 90 ° C.
L’implementazione dell’apparato oggetto della presente invenzione può portare ad un risparmio di circa il 10% della totale energia richiesta in un impianto di produzione di resine polimeriche. The implementation of the apparatus object of the present invention can lead to a saving of about 10% of the total energy required in a polymeric resin production plant.
Claims (8)
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Patent Citations (4)
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