JP6310927B2 - エネルギー回収システム及び方法、並びにこのような回収システムを有する重合化プラント - Google Patents

Description

本発明は、プラントにおいてエネルギーを回収してエネルギー効率を改善できるようにするシステム及び方法に関する。より具体的には、このシステム及び方法によれば、連続的に動作する発熱ユニットによって生ずるエネルギーを不連続的に（バッチ様式で）動作する吸熱ユニットに伝達することができる。本発明の可能な用途の１つは、重合プロセス、とくに、ゴム含有ポリマー（高分子）樹脂の生産プロセスである。

熱可塑性ポリマーの生産プラントにおいて、例えば、反応器内の温度制御のために、発生するエネルギーを吸収し、またこのエネルギーを周囲に伝達してから反応器に再送する「熱キャリヤ」として作用する流体を使用する。プラントのエネルギー効率を高めるためには、反応熱を使用して反応温度よりも低い温度にある吸熱動作ユニットを加熱することができる。

ゴム含有ポリマー樹脂（例えば、ＡＢＳ及びＨＩＰＳのような）を大量連続技術で生産するには、ゴムを反応領域に供給する前にゴムを溶媒に溶解させる必要がある。通常使用される溶媒は、生産されるポリマー樹脂の出発モノマーとするが、反応領域に供給された後に反応速度を効果的に制御して最終製品が得られる他の液体とすることもできる。ゴムの溶解フェーズは、原材料の準備プロセスにおける重要なステップであり、これによりポリマーを所望特性で得ることができる。

このフェーズはバッチ様式で行い、また特別な手順が続き、この手順としては、溶媒を溶解容器に投入する投入フェーズ、溶媒を所要の溶解温度にする加熱フェーズ、ゴムを粉砕するフェーズ、溶媒を投入した容器内に粉砕したゴムを投入するフェーズがある。ゴムを投入した後、システムはゴムが溶媒内で溶解するのに必要な時間放置する。ゴムの溶解ステップにおける溶媒の加熱フェーズ中、反応によって連続的に発生するよりも一層多いエネルギーを必要とする。溶解溶媒を加熱するに使用される現行の技術は、この溶媒を２つの異なる方法で加熱し得ることが予想される。第１の方法は、溶解容器に送る前に溶媒を熱交換に通過させるやり方で、第２の方法は、溶解容器の表面を通して溶媒及びゴムの混合物を加熱するやり方である。どちらの場合でも、熱キャリヤ流体として低圧スチームを使用する。

低圧スチームは重合化プラントの敷地境界（バッテリリミット）外で発生させ、プラント自体の外部のエネルギーを使用する。重合化プラントにおいて、冷却用に使用されるサービス流体は、低圧スチームにおける典型的な温度には決して達しない。したがって、現状では、重合化プロセスの反応熱は、低圧スチームを発生し、またこれにより溶媒を加熱するのに活用できない。

さらに、溶解のサイクルタイムを短縮し、またこの溶解セクションにおける設備の容積を減縮できるようにするには、溶媒の加熱時間を最小に減少しなければならない。溶媒加熱は、さらに、ゴムの溶解フェーズを加速する。溶媒加熱によれば、ゴムの溶解セクションを短時間で加熱するのに必要な熱は反応領域で連続的に発生するよりも確実に多くなる。

重合中に生ずるエネルギーは、ゴムの溶解溶媒の加熱に特別に有効利用できる。しかし、溶解領域と反応領域との間の熱的統合化には、バッチ的吸熱動作（すなわち、ゴム溶解）を連続発熱動作（重合反応）に結びつける必要がある。上述した理由から、連続的に動作する反応セクションを、バッチ的に動作するゴムの溶解セクションと結びつけるのは困難であり、エネルギー回収の可能性には限界がある。

したがって、バッチ的吸熱動作を連続的発熱動作に組合せ、関与するプラントのエネルギー効率を改善する必要性がある。

上述の厳密な局面を克服するため、本件出願人は、熱を必要な時に引出すことができる発熱ユニットによって生じたエネルギーを貯蔵するのに専用化すべきプラントのセクション（「熱保存エリア」）を、発熱ユニットの温度より低い温度に加熱することを行うものとして定義した。このセクションは、連続発熱動作とバッチ吸熱動作との間に挿入する蓄積デバイスを有する。発熱ユニットにおいて生ずるエネルギー、好適には熱をサービス流体によって蓄積デバイスに伝達し、このサービス流体が発熱ユニットとして作用する。このサービス流体を蓄積デバイスに保存し、蓄積デバイス内でエネルギー生成時に加熱される。したがって、サービス流体の一部は加熱を行うために取出される。

このようにして、プラントの、とくに、重合化プラントのエネルギー効率は改善され、したがって、バッチ吸熱動作を連続発熱動作に統合することができる。

本発明の他の目的及び利点は、単なる説明目的で非限定的な目的のための以下の説明及び添付図面から明らかになるであろう。

本発明のシステムを示し、１はエネルギー蓄積デバイス、２は冷却デバイス、３は連続的に動作する発熱デバイス、４はバッチ的に動作する吸熱デバイス、Ａ，Ｂ及びＣは熱サービス流体、Ｄ及びＥは冷サービス流体である。 例として説明する本発明の特定用途を示し、その参照符号は図１と同一である。 透熱オイル、脱塩水及び本発明の実施例による溶解装置におけるプロセス流体の温度に関するシミュレーション結果を示し、・Ｔバルク溶解装置：溶解装置におけるプロセス流体の温度、・Ｔジャケット入口：溶解装置のジャケット入口における脱塩水温度は、透熱オイルによって加熱された後の温度であり、・Ｔジャケット出口：溶解装置のジャケット出口における脱塩水温度は、透熱オイル交換器の入口における温度であり、・Ｔタンク内オイル：タンク内における透熱オイルの温度（上述の手法では、この流れがタンクからのオイルを取込むときの流れ「Ｃ」である。）、・Ｔ帰還オイル：脱塩水を加熱した後の透熱オイルの温度（上述の手法では、流れ「Ｅ」である。） 本発明の実施例によるゴム溶解セクションの加熱を実施するよう交換器に送るべきオイルの流率を示す。

本発明の目的は、したがって、とくに、バッチ的な吸熱ユニットを連続的に動作する発熱ユニットに結び付けてエネルギーを回収する特別なシステムに関する。このシステムは、
a. 連続的に動作する発熱デバイス（３）と、
b. 発熱デバイスに流体連通する冷却デバイス（２）と、
c. 不連続的に（バッチ的に）動作する吸熱デバイス（４）と
を備え、このシステムは、バッチ的な吸熱デバイスに流体連通して発熱デバイスによって発生したエネルギーを蓄積する（「熱保存エリア」）蓄積デバイス（１）を備え、発熱デバイスは連続的に動作し、また冷却デバイスはサービス流体を使用する。

本発明を説明するために、用語「備える（comprise）」又は「有する（include）」は、「ほぼ〜により構成する（essentially consisting of）」又は「〜にのみ存在する（only consisting in）」をも包含する。

発熱デバイスは、好適には、８０℃〜１６０℃の範囲内で変化する温度プロファイル（変化曲線）を有する。

蓄積デバイス内のサービス流体、好適には、８０℃よりも高い又は等しい温度である。

連続的に動作する発熱デバイスは、より低い温度レベルでのみ使用できる熱エネルギーを発生し、連続的に動作するユニットの冷却流体によって吸収されるその熱エネルギーは、第２流体をサービス流体の温度よりも低い温度に加熱するのに使用することができる。

サービス流体は、エネルギー蓄積デバイスから取出し、またプラントにおける加熱すべき種々のセクションに、他のデバイスを撹乱することなく連続的又はバッチ的に送ることができる。

バッチ動作が熱エネルギーを必要としないとき、エネルギーは蓄積デバイス内で蓄積し、好適には、重合化プロセスの反応熱がデバイス内に含まれるサービス流体の温度を上昇させ、そのデバイスは発熱デバイスに対して常に連続的に流体連通する。サービス流体がプラントの種々のセクションに分配されるとき、蓄積デバイス内の温度は減少する。

エネルギー蓄積デバイスの温度は、発熱デバイスの温度又は温度プロファイル（例えば、重合化温度）、プロセスにおいて熱を必要とする設備の数及びタイプ、及び挿入されるプラントの構成に左右される。

蓄積デバイスを寸法決めするのに実施するシミュレーションによればサービス流体の温度をデバイス内で決定することができる。好適には、ゴム含有ポリマー樹脂、より好適にはＡＢＳ又はＨＩＰＳを生産するためのプロセスにおいて、熱交換の理由から、蓄積デバイス内のサービス流体の温度は８０℃よりも低くすべきではない。これら特別な用途において、蓄積デバイスに対して流出又は帰還する流体流は、温度が確実に８０℃よりも低下しないようにしなければならない。

熱保存エリア内の温度が８０℃よりも低く低下する場合、加熱サービスを有効化するのに利用できる温度差が低下し、同一の加熱サービスを実施するのに必要な時間を増加させ、又は加熱サービスを不能にさえする。

本発明のシステム、対象物は、ゴム含有樹脂生産のための重合化プロセスに使用すると好適であり、また反応エンタルピー（反応熱）を回収する目的を有し、この反応エンタルピーは、ゴムの溶解溶媒を加熱するのに利用する。

発熱デバイスは、好適には重合化プロセス、より好適にはゴム含有ポリマー樹脂を生産するための重合化プロセスの反応セクションとする。吸熱デバイスは、好適には、ゴム含有樹脂を生産する重合化プロセスにおけるゴムの溶媒溶解セクションとする。

本発明は、ゴム含有樹脂を生産する重合化プラントにおける熱回収システムに関し、
・連続的に動作して、好適には、８０℃〜１６０℃の範囲内で増加する温度プロファイルを有する発熱性の反応セクションと、
・反応セクションに流体連通する冷却セクションと、
・バッチ的に動作してゴム溶媒溶解セクションと
を備え、該システムは、反応セクションによって生じたエネルギーの蓄積デバイスを備え、サービス流体は、８０℃よりも高い又は等しい温度にし、前記蓄積デバイスは、ゴム溶解セクション、反応セクション及びサービス流体を使用する冷却デバイスに流体連通する。

本発明の他の目的は、本明細書に記載の、また特許請求するシステムの発熱デバイスであって、連続的に動作する発熱デバイスにおいて発生したエネルギーを回収する方法に関する。この方法は、以下のフェーズ、すなわち、
i) 連続的に動作する発熱ユニット（３）で発生したエネルギーを利用することによって第１サービス流体を加熱し、したがって、第１熱サービス流体（Ｂ）を形成するフェーズと、
ii) 第１サービス流体（Ｂ）をエネルギー蓄積デバイス（１）に送るフェーズと、
iii) エネルギー蓄積デバイスから少なくとも第２熱サービス流体（Ａ）及び（Ｃ）を抽出して、冷却セクション（２）に連続的に送る、又はバッチ的動作をする吸熱デバイス（４）にバッチ的に送るフェーズと
を有する。

本発明は、好適には、本明細書に記載の、また特許請求するシステムによりゴム含有樹脂を生産する重合化反応中に発生する反応エンタルピーを回収する方法に関する。この方法は、以下のフェーズ、すなわち、
・重合化反応中に発生する反応エンタルピーを利用することによって第１サービス流体を加熱するフェーズと、
・第１熱サービス流体をエンタルピー蓄積デバイスに送るフェーズと、
・エネルギー蓄積デバイスから少なくとも第２熱サービス流体を抽出して、冷却セクションに連続的に送る、又は溶媒を有するゴム溶解セクションにバッチ的に送るフェーズと
を有する。

他のステップとしては、吸熱デバイスから少なくとも第３冷却流体を抽出し、この第３冷却流体をレベル統一化のために蓄積デバイスに送る可能性を含む。

第１サービス流体は、蓄積デバイス及び発熱デバイスに流体連通する冷却セクションから到来する。

ゴム含有樹脂を生産する重合化プロセスにおいて、発熱反応セクションに供する第１サービス流体は、初期的には６０℃〜７５℃の範囲にわたる温度であり、また発生するエネルギーにより少なくとも９０℃に加熱される。

本発明により得られる利点は、
・ゴム溶解のようなバッチ動作を重合化反応のような連続動作に結び付ける点、
・反応エンタルピーを回収し、また重合化プロセス全体のエネルギー効率を向上させる点である。

このエネルギー回収システムを適用することによって、プロセスが必要とする総熱量の約５％が節約することができる。

本明細書に記載し、また特許請求する方法の特別な用途は、安全上の理由からスチレン若しくはエチルベンゼンから、又はスチレン、エチルベンゼン及びアクリロニトリルの混合物から出発する重合化プロセスである。

本発明の目的に使用されるすべてのサービス流体は熱キャリヤとして作用する。好適なサービス流体は、透熱性オイル及び脱塩水から選択する。本発明に使用できないサービス流体は、動作条件の下に蒸発するすべての流体である。

熱エネルギーの蓄積デバイスは、好適には、正確な寸法決めをすることにより本発明の目的が達成できるタンクである。

タンクの寸法決めは、サービス流体を使用する設備、熱分散、プラントレイアウト、及びプロセスの安全性を考慮して行わなければならない。

実施例
シミュレーションは、ゴム含有ポリマー樹脂を生産する重合化プロセスにおけるゴム溶解セクションを加熱するために透熱オイルから取出される熱が、冷オイルタンク内の温度を８０℃の限界よりも低下させるか否かを見るために行った。基準プロセス手法を図２に示す。

図２において、参照符号Ａ，Ｂ及びＣは熱サービス流体に対応し、Ｄ及びＥは冷サービス流体であり、溶解装置はバッチ的に動作する吸熱デバイスに対応し、オイルタンクは蓄熱デバイスに対応し、最後に熱交換器は冷却デバイスである。

溶解装置内の温度は２時間かけて１５℃〜５０℃にしなければならない。このことを可能にするには、脱塩水を溶解装置のジャケット内で循環させる。脱塩水は、透熱オイルによって加熱し、次いで熱を溶解装置内のプロセス流体に伝達しなければならない。

このシミュレーションのために、ゴム溶解の加熱サイクルの開始時にタンク内のオイル温度が９０℃（それより高いと有利）であるという注意状況を考慮する。

タンク内に存在するオイルの質量は６，０００ｋｇであると見なされる。オイルの循環ポンプが連続的に透熱オイルを反応セクション及び溶解セクションに送るとき、タンク内のレベルを常に一定に維持する。透熱オイルは、溶解装置の加熱フェーズ中のみ溶解セクション内で冷却され、そうでないとき、熱交換器には送られない（熱交換器は三方弁により常にバイパスされる）。

反応エリアから到来するオイルの流れが同一タンクに達する（この手法では頂部における流れ「Ｂ」）。この流れの流率は１２０，０００ｋｇ／ｈであり、その温度は９０℃である（これは、ゴム溶解フェーズにおける加熱サイクルの開始時にオイルタンク内の温度を確実に９０℃にする流れである）。

溶解装置内の流体の規則的な加熱を行い、したがって、ゴム溶解加熱を行う２時間にわたり透熱オイルによってゴム溶解システムに伝達すべき熱を一定に維持することが結論付けられた。

交換すべき熱に対して関与する及び割当てることができる変数は、熱交換器へのオイルの流率である。水とオイルとの間における熱交換の駆動力は、これら２つの流体間の温度差である。この温度差が、加熱フェーズの終了時よりも開始時の方で大きいとき、常に同一エネルギーをゴム溶解システムに伝達するためには、熱交換器に送られるオイルの流率を変化させる。

脱塩水と溶解装置との間の熱交換に関する限り、他方で脱塩水の流率が一定であるとき、溶解装置の加熱率は、脱塩水と溶解装置内のプロセス流体との間における適正な温度差を課して選択する。この温度差に対する関与は、透熱オイルによる加熱により脱塩水をより多く又はより少なく加熱することで可能になる。

図３は、透熱オイル、脱塩水及び溶解装置内におけるプロセス流体の流れの温度をシミュレーションした結果を示す。

図３のグラフから分かるように、「Ｔバルク溶解装置」と、「Ｔジャケット入口」と、「Ｔジャケット出口」との間における一定温度差は、ゴム溶解セクションでの加熱が規則的に行われていることを示す。

他方で、「Ｔ帰還オイル」は、開始時に透熱オイルが低い流率で熱交換器に供給され、大きく冷却され、次いで脱塩水と透熱オイルとの間の温度差に減少が見られるときにおかしな動向を有し、熱交換器へのオイル流率は、同一エネルギーを伝達するために増大させなければならない。オイル流率の増大により冷却を確実に少なくする（伝達される熱は一定であるが、流率が増加するときオイルの冷却は少なくなる）。

他方で、タンク内のオイル温度に関して、開始時では９０℃（初期値）から約８２℃への減少が観測される。この温度減少は約０.２５時間にわたり生ずる。タンク内の透熱オイルの温度は、８２℃でほぼ一定に留まる。この温度減少は、２つの流れ、すなわち、流れ「Ｂ」及びゴム溶解セクションから到来する流れ（「Ｅ」と熱交換器をバイパスする流れの合計）がタンク内で混合されるということに起因する。溶解サイクルの開始前では、この第２の流れは熱を伝達せず、したがって、９０℃の初期温度でタンクに帰還する。しかし、ゴム溶解のための加熱がスタートするとき、この流れは冷却され、これによりタンク内に存在するオイルを冷却する。あるポイントでゴム溶解セクションにおける加熱率が一定になるとき（ほぼ即座に）、新たな定常状態に達する。

ゴム溶解加熱を規則的に行う主な理由は以下の通りである。すなわち、オイルの熱交換器への最大流率が常に熱交換器に供給される場合、加熱フェーズの開始時には交換される熱が極めて高く（オイルと脱塩水との間の高い温度差に起因して）、したがって、タンク内のオイルに相応の大きな温度減少を生ずるからである。このことは、重合化セクションを撹乱するという問題を提示する。

図４は、ゴム溶解セクションにおける加熱を規則的に行うために熱交換器に送るべきオイルの流率を示す。

１００，０００ｋｇ／ｈの流率で常にオイルをゴム溶解セクションに送るが、加熱サイクル中に熱交換器を通過する流率は図４に示すようになる。

Claims (6)

1. ゴム含有樹脂を生産する重合化プラントにおけるエネルギーを回収するシステムであって、
   a. ８０℃〜１６０℃の範囲内で増加する温度プロファイルを有して、連続的に動作する発熱性の反応セクションと、
   b. 前記反応セクションに流体連通する冷却セクションと、
   c. 不連続的に動作して溶媒によりゴムを溶解するゴム溶解セクションと
   を備える、該システムにおいて、前記システムは、反応セクションによって生ずるエネルギーを蓄積するための蓄積デバイスであり、前記蓄積デバイス内のサービス流体が８０℃よりも高い又は等しい温度である、該蓄積デバイスを備え、前記蓄積デバイスは、前記ゴム溶解セクション、前記反応セクション、及びサービス流体を使用する前記冷却デバイスと流体連通する、システム。
2. 連続的に動作する少なくとも１つの発熱性の重合化反応器で生じたエネルギーを回収する方法であって、以下のステップ、すなわち、
   i) 連続的に動作する、ゴムを含有する樹脂を生産するための重合化プロセスにおける発熱性の重合化セクション（３）で発生したエネルギーを利用することによって第１サービス流体を加熱し、したがって、第１熱サービス流体を形成するステップと、
   ii) 前記第１サービス流体をエネルギー蓄積デバイス（１）に送るステップと、
   iii) 前記エネルギー蓄積デバイスから少なくとも第２熱サービス流体を抽出して、冷却セクション（２）に連続的に送る、又は不連続的に動作する前記ゴムの溶解セクションに不連続的に送るステップと
   を有する、方法。
3. 請求項２記載の方法において、前記発熱性の重合化セクション（３）は、８０℃〜１６０℃の範囲内で変化する温度プロファイルを有する、方法。
4. 請求項２又は３記載の方法において、前記エネルギー蓄積デバイス内の前記サービス流体は、８０℃よりも高い又は等しい温度である、方法。
5. 請求項２〜４のうちいずれか一項記載の方法において、前記ゴムの溶解セクションから抽出された第３冷却流体が、前記エネルギー蓄積デバイス（１）に送られる、方法。
6. 請求項２〜５のうちいずれか一項記載の方法において、前記重合化プロセスは、スチレン、エチルベンゼン、又はスチレン、エチルベンゼン及びアクリロニトリルの混合物から出発する、方法。

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