JP6249314B2 - 熱回収装置 - Google Patents

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Description

本出願は熱回収装置および方法に関するものである。

回分式反応器(batch reactor)は反応が起きる系の体積が一定の反応器であって、装置費用が安価で操作が容易であり、多様な種類の生成物を少量生産する反応に好適に利用されている。

回分式反応器では、反応過程で発生する反応熱によって、反応器内部の温度が上昇し続けられ、これに伴い、安全性を確保し適切な反応条件を維持するために、例えば、加熱した気相の反応物(vaporized reactant)を取り出して冷却水(cooling water)で冷却させた後、前記回分式反応器に循環させて再使用することによって、発生する反応熱分だけの熱を回分式反応器から抜き取る。この場合、前記気相の反応物が有している熱源は十分に回収可能なエネルギーであるにも関わらず、ほとんどが回収されずに捨てられている。

図1は時間による回分式反応器内のエネルギー消耗量を模式的に示したグラフである。一般的に、回分式反応器の場合、図1のように、反応初期に爆発的なエネルギー消費があって(1)、反応終了まで次第に減少し(2)、反応終了後には次回の運転まで中断される時間(3)が存在する。したがって、前記反応熱は、前記反応終了後、次回の運転まで中断される時間(3)には発生しないので、前記熱源は非連続的に発生する熱源であり、したがって回収しても使用が容易でない問題が存在する。

本出願は回分式反応器で非連続的に発生する廃熱を回収できる熱回収装置および方法を提供する。

本出願の一具現例は熱回収装置を提供する。例示的な熱回収装置は、回分式反応器から流出される流れを熱交換器を通じて熱交換媒体、例えば、凝縮水(condensate)と熱交換させることによって、前記回分式反応器で非連続的に発生する熱を回収することができ、また、前記熱交換された熱交換媒体を蓄熱装置に供給することによって、必要に応じて多様な種類および多量のスチームを生成することができ、生成された前記スチームを多様な産業分野に適用することができる。前記において、凝縮水とは、水蒸気が凝縮されて生成した液体を意味し、例えば、水蒸気が熱を失って相変化が起きながら生成される水を意味する。前記凝縮水は一般的に、水蒸気と同じであるか類似の水準の温度を有することができる。

例えば、産業分野においては、多様な形態の蒸気蓄熱器(steam accumulator)が知られており、このような蒸気蓄熱器はボイラーで生成されるスチームを不規則的な需要先に安定的に供給するために設置され得る。例えば、プラン卜のスチーム負荷量が少ない場合、または必要なスチームの量より前記ボイラーのスチーム発生量が多い場合、余剰のスチームを加圧状態の水に噴射して一定の時間が経過すると、貯蔵された水は結局その圧力による飽和温度に達することになる。この時、飽和温度状態にある水の圧力を低くすることで得られるエネルギーの余裕分で水を蒸発させて再蒸発蒸気を得ることができ、前記加圧状態の水を貯蔵する装置を蒸気蓄熱器(steam accumulator)という。本出願の熱回収装置によれば、前述した蒸気蓄熱器のように需要先の不規則的または非連続的な需要を満足させるために、連続的に生成されたスチームを蒸気蓄熱器を通じて貯蔵し、必要に応じて前記需要先にスチームを供給するのではなく、回分式反応器などを利用した化学工程で非連続的に発生する熱源を利用して、連続的にスチームを生成することによって、回分式反応器で発生する廃熱を活用することによって、回分式反応器内部の温度条件を適切に維持し、ひいては、非連続的な熱源を使用するにも関わらず、連続的にスチームを生産できる装置またはシステムを提供することができる。

以下、添付された図面を参照して本出願に係る熱回収装置を説明するが、図面は例示的なものであり、本出願の熱回収装置は添付された図面によって制限されるものではない。

図2は本出願の熱回収装置10の一具現例を例示的に示した図面である。

本出願の熱回収装置10の一具現例において、図2のように、前記熱回収装置10は断熱タンク300、反応器100および熱交換器200を含む。前記断熱タンク300、反応器100および熱交換器200はそれぞれ流体が流れるように、流体連結(fluidically connected)されており、それぞれ独立的に前記流体が流れることができる流入ラインおよび流出ラインを含む。例えば、前記反応器100は、反応器100から流出される流れ(stream)が通過する反応器流出ライン110および反応器100に流入する流れが通過する反応器流入ライン120を含むことができ、前記熱交換器200は前記熱交換器200に流入する流れが通過する熱交換器流入ライン210および前記熱交換器200から流出される流れが通過する熱交換器流出ライン220を含むことができ、前記断熱タンク300は前記断熱タンク300に流入する流れが通過する断熱タンク流入ライン330および前記断熱タンク300から流出される流れが通過する断熱タンク流出ライン310を含むことができる。

一つの例示において、前記反応器100は反応熱を回収できる反応器であれば、特に制限されるものではない。例えば、回分式反応器または半回分式反応器を用いることができ、好ましくは回分式反応器を用いることができる。回分式反応器の場合、閉じた系の特性上、反応温度が非常に高く維持され得、したがって、回分式反応器を用いる場合、後述する熱交換器200および断熱タンク300を利用してスチームを生成するのに十分な熱源を確保することができる。

前記反応器100内で反応され得る反応物および生成物は発熱反応を起こすことができる反応物であれば特に制限されるものではない。例えば、GLの反応による2-エチルヘキサノールなどのオクタノールの製造工程またはジメチルテレフタレートおよび2-エチルヘキサノールの反応によるDOTPの製造工程などに本出願の熱回収装置10を利用することができる。

一つの例示において、前記反応器100から流出される流れは前記反応器流出ライン110に沿って前記熱交換器200に流入する。前記反応器100から流出されて反応器流出ライン110に沿って流れる流れは気相の反応物(vaporized reactant)を含む流れ(以下、気相の反応物の流れ)であることもあり、前記気相の反応物の流れは前記熱交換器200で熱交換され得る。例えば、前記気相の反応物の流れは、断熱タンク300内部に貯蔵されている飽和水301と熱交換されるか、熱交換器流入ライン210に沿って流れる熱交換媒体、例えば、凝縮水と前記熱交換器200で熱交換され得る。前記のように反応器100から流出されて反応器流出ライン110に沿って熱交換器200に流入した流れは、断熱タンク300内部に貯蔵されている飽和水301または前記熱交換器流入ライン210に沿って流れる熱交換媒体と熱交換された後、反応器流入ライン120に沿って前記反応器100に再流入され得る。これによって、前記熱交換媒体に熱を伝達した気相の反応物は凝縮され、前記凝縮された反応物(condensate reactant)は前記反応器流入ライン120に沿って反応器100に再流入されて、反応に再び参加することができる。

前記熱交換器200は、技術分野で公知された多様な熱交換器を本出願の熱回収装置10で利用することができ、例えば、シェルアンドチューブ(shell and tube)熱交換器、螺旋形(spiral type)熱交換器またはプレート型(plate type)熱交換器などが挙げられる。一つの例示において、反応器流出ライン110に沿って回分式反応器100から流出される反応物の流れに固形分がある場合、前記ライン内部で滞積されて詰まる恐れがあるので、シェルアンドチューブ(shell and tube)熱交換器または螺旋形(spiral type)熱交換器が用いられ、固形分がない場合にはプレート型(plate type)熱交換器が用いられ得る。

前記熱交換媒体は前記反応器100から流出される流れと熱交換され得るほどの温度差を有するものであれば特に制限されない。例えば、技術分野で公知された多様な熱交換媒体を本出願の熱回収装置10で用いることができ、好ましくは、後述する貯蔵タンクに流入してスチームを生成することができるように凝縮された水(以下、凝縮水)を利用することができる。

前記熱交換器200は断熱タンク300の内部または外部に設置することもできる。

本出願の一具現例において、前記熱交換器200は断熱タンク300の外部に設置することもあり、この場合、前記反応器100から流出される流れは前記熱交換器200に流入する熱交換媒体と前記熱交換器200で熱交換され得る。例えば、前記反応器100から流出される流れは反応器流出ライン110に沿って前記熱交換器200に流入することができ、前記反応器100から熱交換器200に流入した流れは熱交換器流入ライン210に沿って前記熱交換器200に流入した熱交換媒体、例えば、凝縮水と熱交換され得る。前記のように熱交換された後、前記反応器100から流出された流れは反応器流入ライン120に沿って前記反応器100に再流入され得る。また、前記のように熱交換された熱交換媒体は熱交換器200から流出されて断熱タンク流入ライン330に沿って前記断熱タンク300に流入することができる。この場合、前記反応器流出ライン110と熱交換器流入ライン210は互いに異なる流体が流れる独立的なラインであり、熱交換器流出ライン220と断熱タンク流入ライン330は同じラインで形成され得る。すなわち、前記反応器流入ライン120および反応器流出ライン110、すなわち、反応器ライン110、120は、反応器100から流出された流れ(stream)が前記反応器流入ライン120および反応器流出ライン110を通過して反応器100に再流入されるように連結された一つのルート(route)または経路(path)として考えることができ、前記熱交換器流入ライン210および熱交換器流出ライン220、すなわち、熱交換器ライン210、220は、前記熱交換器流入ライン210に沿って熱交換器200に流入した流れ(stream)が前記熱交換器流出ライン220を通じて熱交換器200から流出されるように連結された一つのルート(route)または経路(path)として考えることができる。したがって、前記反応器ライン110、120および熱交換器ライン210、220は、前記反応器ライン110、120と熱交換器ライン210、220を流れるそれぞれの流体が互いに混合されないように独立的に設置されていることもある。また、図示されてはいないが、前記反応器ライン110、120、熱交換器ライン210、220はそれぞれ、前記ラインに沿って流体が円滑に流れるようにポンプをさらに含むことができる。

一つの例示において、熱交換器流出ライン220または断熱タンク流入ライン330に沿って流れる熱交換された熱交換媒体は気相または液相の流れであり得る。

一具現例において、前記熱交換媒体が気相の流れの場合、例えば、気相のスチームである場合、前記スチームが断熱タンク300内部に流入すると、気体は潜熱を断熱タンク300内部の液体に伝達することになり、これによって、スチームは凝縮されて断熱タンク300内部で飽和水301の状態で存在することになる。

さらに他の具現例において、熱交換器流出ライン220に沿って流れる熱交換された熱交換媒体は液相の流れ、例えば、液相の凝縮水であり得る。この場合、前記熱回収装置10は、図3のように、断熱タンク300下部から熱交換器流入ライン210に連結されている循環ライン320をさらに含むことができる。図3は本出願の熱回収装置10の他の具現例を例示的に示した図面である。

一つの例示において、前記断熱タンク300下部から流出する飽和水301は前記循環ライン320に沿って熱交換器流入ライン210に流入することができ、これに伴い、熱交換器200に流れる流体の流速を増加させて前記熱交換器200での熱交換がよくできるようにすることができる。前記反応器100から流出される流れと前記熱交換器200で熱交換された熱交換媒体は前記断熱タンク流入ライン330に沿って断熱タンク300に流入することができ、前記熱交換された熱交換媒体は気相の反応物から伝達された熱を断熱タンク300に貯蔵された飽和水(saturated water)301に伝達することによって、スチームを生成することができる。

本出願の他の具現例において、前記熱交換器200は断熱タンク300内部に設置することもでき、この場合、前記反応器100から流出される流れは前記断熱タンク300内部に貯蔵されている飽和水301と熱交換され得る。図4は本出願の熱回収装置10のさらに他の具現例を例示的に示した図面である。

例えば、図4のように、前記反応器100から流出される流れは反応器流出ライン110に沿って前記断熱タンク300内部に流入することができ、前記断熱タンク300内部に設置されている熱交換器200で前記断熱タンク300に貯蔵された飽和水301と熱交換され得る。この場合、前記反応器流出ライン110は、前記飽和水301と直接接触するように前記断熱タンク300内部に設置することができ、前記反応器流出ライン110が飽和水301と直接接触する場合には、反応器流出ライン110はそれ自体で熱交換器200として機能することができる。または前記反応器流出ライン110と前記飽和水301が接触する位置に別途の熱交換器200が存在することもあり得る。一方、前記反応器100から流出される流れは熱交換後、反応器流入ライン120に沿って前記反応器100に再流入され得る。

前記のように、熱交換器200が前記断熱タンク300内部に設置されていたり、前記反応器100から流出される流れが断熱タンク300内部の飽和水301と直接接触して熱交換される場合、前記断熱タンク300は外部から凝縮水の供給を受けることができる断熱タンク流入ライン330を含むことができる。後述するように、前記断熱タンク300は、スチーム流出ライン310または断熱タンク流出ライン310をさらに含むことができ、前記スチーム流出ライン310または断熱タンク流出ライン310を通じて、断熱タンク300内部の飽和水301はスチームとして排出され得る。したがって、連続的なスチームの製造ができるように、前記断熱タンク300には断熱タンク流入ライン330を通じて凝縮水が供給され得る。前記反応器流出ライン110と断熱タンク流入ライン330は、互いに異なる流体が流れる独立的なラインであり、反応器ライン110、120および熱交換器ライン210、220は同じラインで形成されるか、前記反応器ライン110、120が直接熱交換器として機能することもできる。すなわち、前記反応器流入ライン120および反応器流出ライン、すなわち、反応器ライン110、120は、反応器100から流出された流れが前記反応器流入ライン120および反応器流出ライン110を通過して反応器100に再流入されるように連結された一つのルート(route)または流れ(stream)として考えることができ、前記断熱タンク流入ライン330は、前記断熱タンク流入ライン330に沿って凝縮水が前記断熱タンク300に流入するように連結されたルート(route)または流れ(stream)として考えることができる。したがって、前記反応器ライン110、120および断熱タンク流入ライン330は、前記反応器ライン110、120と断熱タンク流入ライン330を流れるそれぞれの流体が互いに混合されないように独立的に設置されていることもある。

一つの例示において、前記断熱タンク流入ライン330を通過して断熱タンク300に流入する凝縮水の温度は、断熱タンク300内部に貯蔵された飽和水301の温度によって多様な範囲に調節することができ、例えば、120℃〜240℃、120℃〜180℃または160℃〜240℃であり得るが、これに制限されるものではない。

一つの例示において、本出願の具現例に係る熱回収装置では、前記熱交換がよく起きるようにするために、反応器流入ライン120に沿って反応器100に流入する流れの温度と前記断熱タンク300に貯蔵された飽和水301の温度は下記の数式1を満足することができる。

[数式1]
5℃≦TRin-TSW≦70℃
前記数式1で、TRinは反応器100に流入する流れの温度を表し、TSWは断熱タンク300に貯蔵された飽和水301の温度を表す。

前記反応器100に流入する流れの温度と前記断熱タンク300に貯蔵された飽和水301の温度の差TRin-TSWは、5℃〜70℃、例えば、10℃〜40℃、20℃〜40℃または30℃〜35℃であることもあり、前記TRin-TSWが前述した範囲内で調節される場合、前記反応器100から流出されて断熱タンク300内部に流入する流れが前記断熱タンク300内部の飽和水301と熱交換されて十分な量のスチームを生成することができる程の熱量を保有することができる。例えば、TRin-TSWが5℃未満の場合、熱交換が起きないこともあり、70℃を超過する場合、十分な量の熱交換がなされず、廃熱回収の側面で不利となり得る。

前記反応器流入ライン120に沿って反応器100に流入する流れの温度および断熱タンク300に貯蔵された飽和水301の温度は、前記数式1を満足するのであれば特に制限されず、反応器100内の反応物の種類および前記反応器100で発生する反応熱、生成しようとするスチームの圧力またはスチームの量など、多様な変数により調節され得る。一つの例示において、前記反応器流入ライン120に沿って反応器100に流入する流れの温度は、60℃〜240℃、例えば、100℃〜220℃、120℃〜200℃、140℃〜180℃または150℃〜170℃であることもあり、断熱タンク300に貯蔵された飽和水301の温度は120℃〜240℃、例えば、120℃〜200℃、120℃〜180℃、120℃〜160℃、160℃〜240℃または120℃〜140℃であり得る。

前記熱交換器流入ライン210に沿って前記熱交換器200に流入する熱交換媒体の流れの温度は、前記反応器流入ライン120に沿って反応器100に流入する流れの温度によって調節することができ、特に制限されるものではない。例えば、前記熱交換器200に流入する熱交換媒体の流れの温度は、110℃〜200℃、例えば、110℃〜150℃、130℃〜190℃、150℃〜200℃または120℃〜200℃であり得る。

前記反応器100から流出される流れの温度は、反応器100に流入する流れの温度および断熱タンク300に貯蔵された飽和水301の温度が前記数式1を満足するようにするために、適切に調節することができ、例えば、120℃〜280℃、140℃〜200℃または150℃〜180℃であることもあるが、これに制限されるものではない。

また、熱交換器200が前記断熱タンク300の外部に設置されている場合、前記断熱タンク300に流入する熱交換された熱交換媒体の流れの温度は、前述した反応器100に流入する流れの温度および前記断熱タンク300に貯蔵された飽和水301の温度によって多様な範囲で調節することができ、例えば、120℃〜240℃、140℃〜200℃または150℃〜180℃であることもあるが、これに制限されるものではない。

本出願の一具現例において、凝縮水または前記熱交換された熱交換媒体は断熱タンク流入ライン330に沿って断熱タンク300に流入することができる。

前記断熱タンク(insulated tank)300は飽和水301が貯蔵されており、断熱処理された水槽またはタンクを意味する。例えば、前記断熱タンクで熱交換された熱交換媒体が流入すると、前記断熱タンク内に貯蔵された水にエネルギーを供給するようになる。この場合、前記タンクが断熱状態であり、タンクの体積が変化することができないので、前記タンク内部の温度および圧力は次第に増加し、これに伴い、タンク内部の水は100℃以上の温度においても沸かない状態に到達する。また、タンク内部の水は飽和状態に到達し、これに伴い、飽和水(saturated water)301の状態で維持される。

一つの例示において、前記飽和水301の温度は、前述した断熱タンク流入ライン330に沿って流入する凝縮水または熱交換された熱交換媒体の温度により多様な範囲で調節することができ、例えば、120℃〜240℃、120℃〜200℃、120℃〜180℃、160℃〜240℃、120℃〜160℃または120℃〜140℃であることもあるが、これに制限されるものではない。

一具現例において、前記断熱タンク300はスチーム流出ライン310または断熱タンク流出ライン310をさらに含む。前記断熱タンク300のスチーム流出ライン310はタンクから生成されるスチームが流出される経路として、一つの例示において、前記スチーム流出ライン310は圧力降下装置311、例えば、圧力降下バルブ311が備えられていることもある。前記圧力降下バルブ311を通じて前記タンク内部の圧力を調節することができる。例えば、前記圧力降下バルブ311を調節してタンク内部の圧力が低くなる場合、100℃以上の温度においても凝縮された状態の水で存在した飽和水301は蒸発し、このような再蒸発(flash)現象により生成されたスチームは前記スチーム流出ライン310に沿って流出され得る。前記スチームは、水の顕熱(sensible heat)状態で貯蔵されていた熱量が圧力降下により潜熱に変換されて断熱タンク300内部で発生するものであり、したがって、前記タンクに流入するラインの温度と前記スチーム流出ライン310の温度差が大きいほど多量のスチームを発生させて貯蔵することができる。前記において、「顕熱」とは、水の状態変化を起こさず、単に内部エネルギーだけを変化させる熱を意味し、前記「潜熱」とは、水の状態変化に使われるエネルギーを意味する。

一つの例示において、前記スチーム流出ライン310に沿って通過する流れ(stream)の温度と断熱タンク流入ライン330に沿って前記断熱タンク300に流入する流れの温度が下記の数式2を満足することができる。

[数式2]
10℃≦TSout-TTin≦200℃
前記数式2で、TSoutはスチーム流出ライン310に沿って流れる流れの温度を表し、TTinは断熱タンク流入ライン330に沿って断熱タンク300に流入する流れの温度を表す。

前記スチーム流出ライン310に沿って通過する流れ(stream)の温度と断熱タンク流入ライン330に沿って前記断熱タンク300に流入する流れの温度の差TSout-TTinは、10℃以上、例えば、20℃以上、30℃以上または40℃以上であることもあり、前記TSout-TTinが10℃以上に調節される場合、スチームを生成するのに十分な熱量をタンク内部の水に伝達することができる。前記スチーム流出ライン310に沿って通過する流れ(stream)の温度と断熱タンク流入ライン330に沿って前記断熱タンク300に流入する流れの温度の差が大きいほど多量のスチームを生成することができるので、前記TSout-TTinの上限は特に制限されるものではないか、工程経済上200℃以下に調節され得る。

前記断熱タンク流入ライン330に沿って前記断熱タンク300に流入する流れは、前述した通り、凝縮水または熱交換された熱交換媒体の流れであり得る。例えば、前記熱交換器200が断熱タンク300内部に設置されている場合、断熱タンク300に流入する流れは凝縮水の流れであることもあり、前記熱交換器200が断熱タンク300外部に設置されている場合、断熱タンク300に流入する流れは前記熱交換器200で熱交換された後、流出する熱交換媒体または熱交換された凝縮水の流れであり得る。

一つの例示において、前記スチーム流出ライン310に沿って流出するスチームの温度は前記数式2を満足するのであれば、特に制限されず、例えば、110℃〜230℃、110℃〜200℃または110℃〜150℃であり得る。また、前記スチーム流出ライン310に沿って流出するスチームの圧力は、前記数式2の条件を満足させるためのスチーム流出ライン310の温度を調節するために多様な範囲で調節することができ、例えば、1.5〜30.0kgf/cm、0.5〜5.0kgf/cm、2.0〜6.0kgf/cm、5.0〜15.0kgf/cmまたは10.0〜20.0kgf/cmであることもあるが、これに制限されるものではない。

一具現例において、前記熱回収装置10はスチームの圧力および/または生産量を制御する制御部をさらに含むことができる。前記制御部はスチーム流出ライン310の油圧を測定する測定部を含むことができ、前記測定部で測定された油圧によりバルブの開閉程度を適切に調節する調節部を含むことができる。これによって、流出するスチームの圧力および生産量をスチームの需要先で要求する程度に応じて適切に調節することができる。前記制御部により、スチームを回分式反応器100で非連続的に発生する廃熱から連続的にスチームを生産することができる。

また、図示されてはいないが、前記熱回収装置10はスチーム流出ライン310に連結されたスチーム貯蔵タンクをさらに含むことができる。

一つの例示において、前記断熱タンク300内に貯蔵されるエネルギー、すなわち、スチーム流出ライン310から発生され得るスチーム貯蔵量は下記の数式3で計算される。

[数式3]
貯蔵された水1kg当たりスチーム発生量=(HW1-HW2)/Hv
前記数式3で、HW1は断熱タンク流入ライン330に流入する凝縮水のエンタルピー(kJ/kg)を表し、HW2はスチーム流出ライン310から流出されるスチームのエンタルピー(kJ/kg)を表し、Hvはスチームの蒸発熱(kJ/kg)を表す。

例えば、断熱タンク流入ライン330の温度が190℃で、スチーム流出ライン310の温度が130℃であれば、スチームの発生量は次のように計算され得る。

[計算式]
[(190℃-130℃)×4.2(Kcal/KJ)]/2173.7(KJ/Kg steam)=0.116(kg)

すなわち、水1kg当りスチームを0.116kg貯蔵することができ、断熱タンク100mに11.6tonのスチームを貯蔵することができ、貯蔵されたスチームを熱源が必要な設備に供給することができる。

本出願はまた、前記熱回収装置10を利用した熱回収方法を提供する。本出願の熱回収方法によれば、前述した通り、回分式反応器100などのような化学工程設備に捨てられる非連続的熱源を連続的に断熱タンク300内に貯蔵した後、熱源が必要なところには連続的にまたは非連続的に安定的に供給することができ、従来捨てられる熱源のリサイクルが可能である。また、前記捨てられる熱源を多様な化学工程設備に適用することによって、エネルギーの節減効果を得ることができる。

前記熱回収方法は熱交換させる段階および再流入段階を含む。前記熱交換させる段階では、反応器100から流出されて反応器流出ライン110に沿って熱交換器200に流入した流れが、断熱タンク300内部に貯蔵されている飽和水301または前記熱交換器流入ライン210に沿って流れる熱交換媒体、例えば、凝縮水と熱交換され得る。前記回分式反応器100、熱交換器200および熱交換媒体に対する詳しい説明は前述した熱回収装置10で説明した内容と同一であるので、省略することにする。

前記再流入段階は、前記回分式反応器100から流出され、前記飽和水301または熱交換媒体と熱交換された流れを前記回分式反応器100に再流入させる段階であり、前記熱交換された流れは反応器流入ライン120に沿って前記反応器100に再流入され得る。これによって、前記熱交換媒体に熱を伝達した気相の反応物は凝縮され、前記凝縮された反応物(condensate reactant)は前記反応器流入ライン120に沿って反応器100に再流入されて反応に再び参加することができる。

一つの例示において、前記方法は前記熱交換された熱交換媒体を断熱タンク300に流入させる段階をさらに含むことができる。前記熱交換された熱交換媒体は気相の反応物から伝達された熱を断熱タンク300に貯蔵された飽和水(saturated water)301に伝達することによって、スチームを生成することができる

一つの例示において、前記熱交換器200を通じて熱交換がよく起きるようにするために、前記方法は、反応器100に流入する流れの温度と断熱タンク300に貯蔵された飽和水301の温度が下記の数式1を満足するように調節することを含むことができる。

[数式1]
5℃≦TRin-TSW≦70℃
前記数式1で、TRinは反応器100に流入する流れの温度を表し、TSWは断熱タンク300に貯蔵された飽和水301の温度を表す。

前記反応器100に流入する流れの温度と前記断熱タンク300に貯蔵された飽和水301の温度の差TRin-TSWは5℃〜70℃、例えば、10℃〜40℃、20℃〜40℃または30℃〜35℃であることもあり、前記TRin-TSWが前述した範囲内に調節される場合、前記反応器100から流出されて断熱タンク300内部に流入する流れが前記断熱タンク300内部の飽和水301と熱交換されて十分な量のスチームを生成できるだけの熱量を保有することができる。

反応器100から流出される流れの温度と断熱タンク300内部に貯蔵された飽和水301または断熱タンク300に流入する熱交換された熱交換媒体の温度に関する具体的な内容は前述した熱回収装置10で説明した内容と同一であるので、省略することにする。

前記方法はまた、前記断熱タンク300上部からスチームを流出させる段階をさらに含むことができる。

この場合、前記断熱タンク300上部から流出するスチームの温度と断熱タンク300に流入する凝縮水または熱交換された熱交換媒体の温度が下記の数式2を満足することができる。

[数式2]
10℃≦TSout-TTin≦200℃
前記数式2で、TSoutは断熱タンク300上部から流出するスチームの温度を表し、TTinは断熱タンク300に流入する凝縮水または熱交換された熱交換媒体の温度を表す。

前記断熱タンク300上部から流出するスチームの温度と前記断熱タンク300に流入する凝縮水または熱交換された熱交換媒体の温度の差TSout-TTinは10℃以上、例えば、20℃以上、30℃以上または40℃以上であることもあり、前記TSout-TTinが10℃以上に調節される場合、スチームを生成するに十分な熱量をタンク内部の水に伝達することができる。

断熱タンク300上部から流出するスチームの温度と断熱タンク300に流入する凝縮水または熱交換された熱交換媒体の温度に関する具体的な内容は前述した熱回収装置10で説明した内容と同一であるので、省略することにする。

一つの例示において、前記方法は、スチームの圧力および/または生産量を制御する段階をさらに含むことができ、これにより、流出するスチームの圧力および生産量をスチームの需要先で要求される程度に応じて適切に調節することができる。前記制御部により、スチームを回分式反応器100で非連続的に発生する廃熱から連続的にスチームを生産することができる。

本出願に係る熱回収装置によれば、回分式反応器で非連続的に発生する熱を回収することができ、また、熱交換された熱交換媒体を蓄熱装置に供給することによって、必要に応じて多様な種類および多量のスチームを生成することができ、生成された前記スチームを多様な産業分野に適用することができる。

時間による回分式反応器内のエネルギー消耗量を模式的に示したグラフ。 本出願の熱回収装置の一具現例を例示的に示した図面。 本出願の熱回収装置の他の具現例を例示的に示した図面。 本出願の熱回収装置のさらに他の具現例を例示的に示した図面。 本出願の比較例に係る装置を例示的に示した図面。 本出願の実施例の熱回収工程を模写したダイアグラム。 本出願の実施例において、熱回収工程時間および回分式反応器から流出される気相の反応物の流れの流量によるバルブの開閉程度、タンク内の飽和水の量、タンク内部の温度、タンク内部の圧力およびスチームの流量変化を示したグラフ。

以下、実施例および比較例を通じて前記装置および方法を詳細に説明するが、前記装置および方法の範囲は下記の実施例によって制限されるものではない。

実施例1
図3のように断熱タンク外部に熱交換器が設置された熱回収装置を用いて熱を回収した。具体的に、回分式反応器から流出される165℃の気相の反応物の流れを熱交換器に流入させ、これとは別途の流入ラインを通じて、115℃および4.8kgf/cmの凝縮水を前記熱交換器に流入させ、前記熱交換器で、前記熱交換器に流入した気相の反応物の流れと凝縮水を熱交換させた。前記熱交換された反応物の流れは凝縮されて163℃の温度で前記回分式反応器に再流入させた。一方、熱交換された前記凝縮水を160℃および4.8kgf/cmの状態で約130℃の飽和された水が貯蔵されている断熱タンクに流入させ、前記断熱タンクのスチーム流出ラインのバルブを開いて前記断熱タンクを減圧させることによって約120℃および2kg/cmのスチームを流出させた。また、前記断熱タンク下部で、約130℃および5kg/cmの飽和水を流出させ、前記熱交換器に流入する115℃および4.8kgf/cmの凝縮水と合流させた後、前記熱交換器に流入させた。

実施例2
図4のように、反応器から流出される流れを断熱タンク内部の飽和水と直接熱交換させるように構成された熱回収装置を利用して熱を回収した。具体的に、回分式反応器から流出される165℃の気相の反応物の流れを約130℃の飽和された水が貯蔵されている断熱タンク内部に設置された熱交換器に流入させ、前記気相の反応物の流れが通過する配管が前記熱交換器を通じて前記飽和された水に直接接触するようにして熱交換させた。前記熱交換された反応物の流れは凝縮され、163℃の温度で前記回分式反応器に再流入させ、前記断熱タンクのスチーム流出ラインのバルブを開いて前記断熱タンクを減圧させることによって約120℃および2kg/cmのスチームを流出させた。

比較例
図5のように、回分式反応器から流出される180℃の気相の反応物の流れを約35℃の冷却水で冷却させた後、約178℃の温度で凝縮させて前記回分式反応器に再流入させた。

実験例-模写実験の進行
前記実施例の工程時間および回分式反応器から流出される気相の反応物の流れの流量によるバルブの開閉程度、タンク内の飽和水の量、タンク内部の温度、タンク内部の圧力およびスチームの流量をより正確に知るために、ダイナミック条件でアスペンハイシス(Aspen HYSYS)を利用して、図6のような工程模写実験を進め、その結果を下記の図7に示した。

図7に示したように、回分式反応器から流出される気相の反応物の流れの流量が爆発的に増加する約167.7時間から169.8時間の間ではタンク内の飽和水の量とタンク内部の温度および圧力が増加し、約170時間から173.8時間の間では、反応終了まで反応物の流れの量が次第に減少され、タンク内の飽和水の量とタンク内部の温度および圧力も次第に減少することが確認できる。ただし、反応終了後、次回の運転まで中断される時点である約174時間から175.8時間の間では気相の反応物の流れの流量がなくなり、廃熱が非連続的に発生することを確認することができる。この場合、タンク内の飽和水の量とタンク内部の温度および圧力が急激に減少するが、発生するスチームの量は継続的に発生していることを確認することができ、非連続的に発生する廃熱を利用して連続的なスチームの生成が可能であることを確認することができる。

10 熱回収装置
100 回分式反応器(反応器)
110 反応器ライン(反応器流出ライン)
120 反応器ライン(反応器流入ライン)
200 熱交換器
210 熱交換器ライン(熱交換器流入ライン)
220 熱交換器ライン(熱交換器流出ライン)
300 断熱タンク
301 飽和水
310 スチーム流出ライン(断熱タンク流出ライン)
311 圧力降下装置(圧力降下バルブ)
320 循環ライン
330 断熱タンク流入ライン

Claims (19)

  1. 飽和水が貯蔵されている断熱タンク、反応器および熱交換器を含み、前記断熱タンク、反応器および熱交換器はそれぞれ流入ラインおよび流出ラインを含み、
    前記反応器から流出される流れは反応器流出ラインに沿って前記熱交換器に流入し、前記飽和水または前記熱交換器に流入する熱交換媒体と熱交換された後、反応器流入ラインに沿って前記反応器に流入し、
    反応器から流出される流れは気相の反応物の流れである、熱回収装置。
  2. 反応器は回分式反応器である、請求項1に記載の熱回収装置。
  3. 熱交換媒体は凝縮水である、請求項1に記載の熱回収装置。
  4. 熱交換器は断熱タンクの内部または外部に設置されている、請求項1に記載の熱回収装置。
  5. 熱交換器は断熱タンクの外部に設置されており、前記反応器から流出される流れは反応器流出ラインに沿って前記熱交換器に流入し、熱交換器流入ラインに沿って前記熱交換器に流入した熱交換媒体と熱交換された後、反応器流入ラインに沿って前記反応器に流入し、熱交換された前記熱交換媒体は断熱タンク流入ラインに沿って前記断熱タンクに流入する、請求項4に記載の熱回収装置。
  6. 熱交換器は飽和水が貯蔵された断熱タンクの内部に設置されており、前記反応器から流出される流れは反応器流出ラインに沿って前記熱交換器に流入し、前記断熱タンクに貯蔵された飽和水と熱交換された後、反応器流入ラインに沿って前記反応器に再流入される、請求項4に記載の熱回収装置。
  7. 反応器に流入する流れの温度と断熱タンクに貯蔵された飽和水の温度が下記の数式(1)を満足する、請求項5または請求項6に記載の熱回収装置。
    5℃≦TRin−TSW≦70℃・・・(1)
    前記数式(1)で、TRinは反応器に流入する流れの温度を表し、TSWは断熱タンクに貯蔵された飽和水の温度を表す。
  8. 反応器に流入する流れは凝縮された反応物の流れである、請求項7に記載の熱回収装置。
  9. 凝縮水が断熱タンク流入ラインに沿って前記断熱タンクに流入する、請求項6に記載の熱回収装置。
  10. 熱交換された熱交換媒体は液相の凝縮水の流れであり、断熱タンク下部から熱交換器流入ラインに連結されている循環ラインをさらに含み、前記断熱タンク下部から流出する飽和水が前記循環ラインに沿って前記熱交換器流入ラインに流入する、請求項5に記載の熱回収装置。
  11. 断熱タンクはスチーム流出ラインをさらに含む、請求項5または請求項9に記載の熱回収装置。
  12. スチーム流出ラインに沿って流れる流れの温度と断熱タンク流入ラインに沿って断熱タンクに流入する流れの温度が下記の数式(2)を満足する、請求項11に記載の熱回収装置。
    10℃≦TSout−TTin≦200℃・・・(2)
    前記数式(2)で、TSoutはスチーム流出ラインに沿って流れる流れの温度を表し、TTinは断熱タンク流入ラインに沿って断熱タンクに流入する流れの温度を表す。
  13. スチームの圧力および/または生産量を制御する制御部をさらに含む、請求項11に記載の熱回収装置。
  14. 回分式反応器から流出される流れを熱交換器に流入し、断熱タンク内部に貯蔵された飽和水または前記熱交換器に流入する熱交換媒体と熱交換させる段階;および
    前記回分式反応器から流出され、前記飽和水または熱交換媒体と熱交換された流れを前記回分式反応器に再流入させる段階を含み、
    反応器から流出される流れは気相の反応物の流れである、熱回収方法。
  15. 熱交換媒体は凝縮水である、請求項14に記載の熱回収方法。
  16. 凝縮水または熱交換された熱交換媒体を断熱タンクに流入させる段階をさらに含む、請求項14に記載の熱回収方法。
  17. 反応器に流入する流れの温度と断熱タンクに貯蔵された飽和水の温度が下記の数式(1)を満足するように調節することを含む、請求項16に記載の熱回収方法。
    5℃≦TRin−TSW≦70℃・・・(1)
    前記数式(1)で、TRinは反応器に流入する流れの温度を表し、TSWは断熱タンクに貯蔵された飽和水の温度を表す。
  18. 前記断熱タンクの上部からスチームを流出させる段階をさらに含む、請求項16に記載の熱回収方法。
  19. 断熱タンク上部から流出するスチームの温度と断熱タンクに流入する凝縮水または熱交換された熱交換媒体の温度が下記の数式(2)を満足する、請求項18に記載の熱回収方法。
    10℃≦TSout−TTin≦200℃・・・(2)
    前記数式(2)で、TSoutは断熱タンク上部から流出するスチームの温度を表し、TTinは断熱タンクに流入する凝縮水または熱交換された熱交換媒体の温度を表す。
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