JP6784456B2 - 統合型水素化分解およびディーゼル水素化施設における廃熱からの発電 - Google Patents

Description

本出願は、２０１６年３月３１日に出願された米国特許出願番号１５／０８７，３２９、２０１５年８月２４日に出願された米国仮特許出願番号６２／２０９，２１７、２０１５年８月２４日に出願された米国仮特許出願番号６２／２０９，１４７、２０１５年８月２４日に出願された米国仮特許出願願号６２／２０９，１８８、及び、２０１５年８月２４日に出願された米国仮特許出願番号６２／２０９，２２３に基づく優先権を主張するものである。各先行出願の内容全体を参照してその全体を本明細書に組み入れる。

本明細書は、産業施設における発電に関する。

石油精製プロセスは、原油を製品に、例えば、液化石油ガス（ＬＰＧ）、ガソリン、灯油、ジェット燃料、軽油、燃料油、及びその他の製品に変換するために石油精製所で使用される化学工学プロセス及び他の設備である。石油精製所は、多くの異なる処理ユニットおよび付属設備、例えば、ユーティリティユニット、貯蔵タンク、および他の補助設備を含む大型の工業コンプレックス（複合施設）である。各製油所は、それ自体の独自の配置と精製プロセスの組合せとを有することができ、それらは、例えば、精油所の場所、所望の製品、経済的考慮事項、または他の要因によって決定することができる。原油を先に挙げた製品に変換するために実施される石油精製プロセスは、熱と副産物を発生させることができる。その熱は、再利用されない可能性がある。副産物、例えば、温室効果ガス（ＧＨＧ）は大気を汚染する可能性がある。世界の環境は、地球温暖化によって負の影響を受けていると考えられ、その一部は、雰囲気中への（ＧＨＧ）の放出のためであると考えられている。

本明細書は、産業施設において廃エネルギーから発電を行うことに関する技術を記載する。本願による開示は、以下の表１に示すように、対応する省略形を有する以下の測定単位の１つ以上を含む。

本明細書に記載された主題の１つ以上の実施形態の詳細は、添付の図面および以下の説明に記載されている。本発明の他の特徴、態様、および利点は、本願の明細書の記載、図面および特許請求の範囲から明らかであろう。

図１Ａは、１０個の熱源から廃熱を回収する例示的なシステムの概略図である。

図１Ｂは、水素化分解プラントにおける７個の熱源の模式図である。 図１Ｃは、水素化分解プラントにおける７個の熱源の模式図である。 図１ＤＡは、水素化分解プラントにおける７個の熱源の模式図である。 図１ＤＢは、水素化分解プラントにおける７個の熱源の模式図である。

図１Ｅは、ディーゼル水素処理プラントにおける３個の熱源の概略図である。 図１Ｆは、ディーゼル水素処理プラントにおける３個の熱源の概略図である。

図１Ｇは、図１Ａの例示的なネットワークの実施形態の概略図である。

図１Ｈは、図１Ａを参照して説明したシステムの動作中の凝縮器における管側流体温度及びシェル側流体温度のグラフを示す図である。

図１Ｉ図は、図１Ａを参照して説明したシステムの動作中の蒸発器内の管側流体温度及びシェル側流体温度のグラフを示す図である。

産業廃熱は、多くの産業施設、例えば、原油製油所、石油化学及び化学複合施設、及び他の産業設備において、潜在的な炭素フリー発電のための供給源である。例えば、４，０００ＭＭＢｔｕ／ｈまでの芳香族施設を備えた中サイズの統合型原油精製は、原油及び芳香族サイトに沿って延びる空気冷却器のネットワークに対して無駄になる可能性がある。廃熱の一部は、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）に動力を供給するために使用することができる。該サイクルは、水の代わりに有機流体、例えば、冷媒又は炭化水素又は両方を使用して電力を生成する。ＯＲＣ機械は、低温熱源（例えば、約２３２°又はそれ以下）と組み合わせて、発電システムとして実現されている。ＯＲＣ機械の最適化、例えば、発電サイクル（すなわち、ランキンサイクル）の最適化又はＯＲＣ機械によって実施される有機流体の最適化、又は、その両者によって、回収された廃熱からの発電を改善することができる。

石油製油所のような産業施設は、いくつかの廃熱源を含む。１個または複数のＯＲＣ機械は、そのような廃熱源の１個または複数または全てから廃熱を受け取ることができる。いくつかの実施態様では、各熱源からの熱を共通の中間熱伝達媒体（例えば、水または他の流体）に伝達することにより、２以上の低品位の熱源を統合化することができる。更に、中間伝熱媒体を使用して、ＯＲＣ機械の作動流体を蒸発させて電力を生成することができる、例えば、タービン又は他の発電機を作動させる。このような低品位の熱源の統合化によって、ＯＲＣ機械をより大きな効率とスケールの経済性を実現することができるサイズにすることを可能にすることができる。さらに、各熱源は発電機に近接している必要はないから、このような統合運転によって、石油精製設計およびプロットスペース計画における柔軟性を改善することができる。提案した熱源の統合化は特に、芳香族コンプレックスを含み、エコ産業パークの寸法であるサイトワイド（広い）原油精製所のようなメガサイト（巨大現場）において、廃熱を回収して発電する工程を改善するという課題の過度の単純化を表すことができる。

本願の開示は、廃熱から、例えば、１６０℃又はそれ以下の温度である低品位の熱から、大型産業施設（例えば、数個の、時には５０個を超えるホットソース（温熱源）流を備えた石油精製所または他の大型の産業用製油所）において、部分的に、例えば、資本コスト、運転の容易さ、発電のスケール経済性、運転するＯＲＣ機械の数、各ＯＲＣ機械の運転条件、それらの組合せ、または他の考慮事項に基づいて選択された全ての利用可能なホットソース流のサブセット（下位の副セット、下位の一群の設備又は流れ）を利用することにより、発電を最適化することを記載している。大石油精製所の利用可能なホットソースの中から、ホットソースのいくつかのサブセットを特定することができることを認識することにより、本願の開示は、発電のための１個または複数のＯＲＣ機械に廃熱を提供するように最適化されたホットソースのサブセットを選択することを記述する。さらに、石油精製及び芳香族コンプレックスのようなメガサイトの全ての利用可能なホットソースからの廃熱の利用が必ずしも又は常に最良のオプション（選択肢）ではないことを認識することにより、本願による開示は、１つ以上のＯＲＣ機械に動力を供給するために廃熱を統合することができる石油精製所におけるホットソースユニットを特定する。

本願による開示はまた、現在の設計と比較してエネルギー効率を向上させるために、中品位原油精製半転化設備と統合型中品位原油精製半転化及び芳香族施設プラント設計を修正することを記載する。これを行うために、新たな設備を設計し、または既存の設備を再設計（例えば、機器をレトロフィット）することにより、熱源から廃熱、例えば、低品位廃熱を回収し、ＯＲＣ機へ動力を供給する。特に、プラントの既存の設計は、ここで説明される発電技術に対応するように大幅に変更される必要はない。生成された電力は、部分的に、設備に供給されて使用されるか、または電力グリッドに輸送されて他の場所に配電されるか、又は、その両方である。

産業施設における１個又は複数のプロセスまたは設備またはその両方によって生成される廃熱の全部または一部を回収し、回収した廃熱を電力に変換することにより、炭素フリーパワー（例えば、電力の形態）が生成され、コミュニティにより使用される。廃熱回収プロセスで使用される最小の接近温度は、３℃と低くすることができ、生成される電力は、８０ＭＷのように高くすることができる。いくつかの実施態様では、初期段階で、より少ない廃熱／エネルギー回収費用により、より高い最小の接近温度を使用することができると同時に、後続段階で、特定のホットソースの使用に対して最小の接近温度を使用することにより、比較的良好な発電（例えば、スケール設計の経済性及び効率に関して）が実現される。このような状況では、次の段階で、初期段階の設計トポロジ、又は、初期段階で使用した低品位廃熱ホットソースのサブセット、又は、その両者を変更する必要なしに、より多くの発電を実現することができる。

発電に伴う汚染のみならず、コストを低減することができる。更に、カスタム化されたホットソースのグループから廃熱を回収して１個又はそれ以上のＯＲＣ機械に動力を供給することにより、全ての利用可能なホットソースから廃熱を回収するよりも最適である。ＯＲＣ機械を最適化する代わりに、またはそれに加えて、カスタム化されたグループ内のホットソースを選択することにより、回収した廃熱から発電する処理を改善することができ、又は、最適化することができ、又は、その両方である。少数のホットソースが発電に使用される場合、ホットソースは、流体、例えば、温油又は高圧温水システム、又はこれらの混合物を使用する、幾つかの、例えば、１または２個のバッファー流（緩衝流、介在する媒体の流れ）に統合されることができる。

要約すると、本願による開示は、特定の条件下で動作する基本ＯＲＣ機械を用いた効率的な発電のための、いくつかの石油精製、広範囲の分離／蒸留ネットワーク、構成および処理スキーム（処理案）を提供する。発電は、廃熱、例えば、複数の散在した低品位のエネルギー品質プロセス流によって搬送される低品位の廃熱の全部又は一部を得ることにより、促進される。いくつかの実施態様では、ＯＲＣ機械は、別の有機原料を使用して、熱交換器および蒸発器を予熱し、他の有機流体、例えば、イソブタンを、特定の運転状態で使用する。

石油精製プラントの例

産業廃熱は、多くの産業施設、例えば、原油製油所、石油化学及び化学複合体、及び他の産業設備において、潜在的な炭素フリー発電のための供給源である。例えば、４，０００ＭＭＢｔｕ／ｈまでの芳香族施設を備えた中サイズの統合型原油精製は、原油及び芳香族サイトに沿って延びる空気冷却器のネットワークに浪費される可能性がある。廃熱の一部は、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）に動力を供給するために使用することができる。該サイクルは、水の代わりに有機流体、例えば、冷媒又は炭化水素又は両方を使用して電力を生成する。ＯＲＣ機械は、低温熱源（例えば、約２３２°又はそれ以下）と組み合わせて、発電システムとして実現されている。ＯＲＣ機械の最適化、例えば、発電サイクル（すなわち、ランキンサイクル）の最適化又はＯＲＣ機械によって実施される有機流体の最適化、又は、その両者によって、回収された廃熱からの発電を改善することができる。

石油製油所のような産業施設は、いくつかの廃熱源を含む。１個または複数のＯＲＣ機械は、そのような廃熱源の１個または複数または全てから廃熱を受け取ることができる。いくつかの実施態様では、各熱源からの熱を共通の中間熱伝達媒体（例えば、水または他の流体）に伝達することにより、２以上の低品位の熱源を統合化することができる。更に、中間伝熱媒体を使用して、ＯＲＣ機械の作動流体を蒸発させて電力を生成することができる、例えば、タービン又は他の発電機を作動させる。このような低品位の熱源の統合化によって、ＯＲＣ機械をより大きな効率とスケールの経済性を実現することができるサイズにすることを可能にすることができる。さらに、各熱源は発電機に近接している必要はないから、このような統合運転によって、石油精製設計およびプロットスペース計画における柔軟性を改善することができる。提案した熱源の統合化は特に、芳香族コンプレックスを含み、エコ産業パークの寸法であるサイトワイド原油精製所のようなメガサイトにおいて、廃熱を回収して発電する工程を改善するという課題の過度の単純化を表すことができる。

本願の開示は、廃熱から、例えば、１６０℃又はそれ以下の温度である低品位の熱から、大型産業施設（例えば、数個の、時には５０個を超えるホットソース流を備えた石油精製所または他の大型の産業用製油所）において、部分的に、例えば、資本コスト、運転の容易さ、発電のスケール経済性、運転するＯＲＣ機械の数、各ＯＲＣ機械の運転条件、それらの組合せ、または他の考慮事項に基づいて選択された全ての利用可能なホットソース流のサブセットを利用することにより、発電を最適化することを記載している。大石油精製所の利用可能なホットソースの中から、ホットソースのいくつかのサブセットを特定することができることを認識することにより、本願の開示は、発電のための１個または複数のＯＲＣ機械に廃熱を提供するように最適化されたホットソースのサブセットを選択することを記述する。さらに、石油精製及び芳香族コンプレックスのようなメガサイトの全ての利用可能なホットソースからの廃熱の利用が必ずしも又は常に最良のオプションではないことを認識することにより、本願による開示は、１つ以上のＯＲＣ機械に動力を供給するために廃熱を統合することができる石油精製所におけるホットソースユニットを特定する。

本願による開示はまた、現在の設計と比較してエネルギー効率を向上させるために、中品位原油精製半転化設備と統合型中品位原油精製半転化及び芳香族施設プラント設計を修正することを記載する。これを行うために、新たな設備を設計し、または既存の設備を再設計（例えば、機器をレトロフィット）することにより、熱源から廃熱、例えば、低品位廃熱を回収し、ＯＲＣ機へ動力を供給する。特に、プラントの既存の設計は、ここで説明される発電技術に対応するように大幅に変更される必要はない。生成された電力は、部分的に、設備に供給されて使用されるか、または電力グリッドに輸送されて他の場所に配電されるか、又は、その両方である。

産業施設における１個又は複数のプロセスまたは設備またはその両方によって生成される廃熱の全部または一部を回収し、回収した廃熱を電力に変換することにより、炭素フリーパワー（例えば、電力の形態）が生成され、コミュニティにより使用される。廃熱回収プロセスで使用される最小の接近温度は、３℃と低くすることができ、生成される電力は、８０ＭＷのように高くすることができる。いくつかの実施態様では、初期段階で、より少ない廃熱／エネルギー回収費用により、より高い最小の接近温度を使用することができると同時に、後続段階で、特定のホットソースの使用に対して最小の接近温度を使用することにより、比較的良好な発電（例えば、スケール設計の経済性及び効率に関して）が実現される。このような状況では、次の段階で、初期段階の設計トポロジ（設計理論）、又は、初期段階で使用した低品位廃熱ホットソースのサブセット、又は、その両者を変更する必要なしに、より多くの発電を実現することができる。

発電に伴う汚染のみならず、コストを低減することができる。更に、カスタム化されたホットソースのグループから廃熱を回収して１個又はそれ以上のＯＲＣ機械に動力を供給することにより、全ての利用可能なホットソースから廃熱を回収するよりも最適である。ＯＲＣ機械を最適化する代わりに、またはそれに加えて、カスタム化されたグループ内のホットソースを選択することにより、回収した廃熱から発電する処理を改善することができ、又は、最適化することができ、又は、その両方である。少数のホットソースが発電に使用される場合、ホットソースは、流体、例えば、温油又は高圧温水システム、又はこれらの混合物を使用する、幾つかの、例えば、１または２個のバッファー流に統合されることができる。

要約すると、本願による開示は、特定の条件下で動作する基本ＯＲＣ機械を用いた効率的な発電のための、いくつかの石油精製、広範囲の分離／蒸留ネットワーク、構成および処理スキームを提供する。発電は、廃熱、例えば、複数の散在した低品位のエネルギー品質プロセス流によって搬送される低品位の廃熱の全部又は一部を得ることにより、促進される。いくつかの実施態様では、ＯＲＣ機械は、別の有機原料を使用して、熱交換器および蒸発器を予熱し、他の有機流体、例えば、イソ−ブタンを、特定の運転条件で使用する。

石油精製プラントの例

１． 水素化分解プラント

水素化分解は、接触分解と水素化とを組み合わせた２段階プロセスである。このプロセスでは、重質原料は水素の存在下で分解され、より望ましい生成物が生成される。この方法は、高圧、高温、触媒、および水素を使用する。水素化分解は、接触分解または改質のいずれかによって処理することが困難な原料に使用される、これらの原料は、通常、高多環式芳香族含量または高濃度の２種の主触媒毒、硫黄及び窒素化合物又は両方によって特徴付けられる。

水素化分解プロセスは、原料の性質および２つの競合反応、即ち、水素化および分解の相対速度に依存する。重質芳香族原料は、水素および特別の触媒の存在下で、広範囲の高圧および高温下でより軽質の生成物に変換される。原料が高いパラフィン含有量を有する場合、水素は多環式芳香族化合物の形成を防止する。水素は、また、タール形成を低減し、触媒上のコークスの蓄積を防止する。水素化は、更に、原料中に存在する硫黄および窒素化合物を硫化水素およびアンモニアに変換する。水素化分解は、アルキル化原料に対してはイソブタンを製造し、また、流動点制御及び煙点制御のための異性化も行う、両方とも高品質のジェット燃料で重要である

２． ディーゼル水素処理プラント

水素処理は、セタン価、密度及び煙点を向上させながら、硫黄、窒素及び芳香族を還元するための精製プロセスである。水素処理は、厳しいクリーンな燃料仕様のための地球的な傾向を満たすべく精製産業の努力、輸送用燃料の増大する需要及びディーゼルへの移行を助ける。このプロセスでは、新鮮な供給物が加熱され、水素と混合される。反応器流出物は、組み合わされた供給物と熱交換し、リサイクルガスおよびストリッパーチャージを加熱する。次いで、硫化物（例えば、硫化アンモニウムおよび硫化水素）を供給物から除去する。

３． 芳香族コンプレックス

典型的な芳香族コンプレックスは、連続触媒再生（ＣＣＲ）技術を用いるナフサの接触改質を用いるベンゼン、トルエンおよびキシレン（ＢＴＸ）の塩基性石油化学中間体の製造のためのプロセスユニットの組合せを含む。

４． ナフサ水素処理プラントおよび連続触媒改質プラント

ナフサ水素処理装置（ＮＨＴ）は、ガソリンプール中の配合原料として、最大０．２８ｋｇｆ/ｃｍ^２（４．０ｐｓｉ）のレイド蒸気圧（ＲＶＰ）を有する１０１リサーチオクタン価（ＲＯＮ）の改質油を生成する。通常、原油ユニット、ガス凝縮器スプリッタ、水素化分解装置、軽質直動ナフサ（ＬＳＲＮ）及びビスブレーカープラントからのナフサのブレンドを処理する柔軟性を有する。ナフサ水素処理装置（ＮＨＴ）はナフサを処理して、連続触媒再生（ＣＣＲ）プラットフォーマー及びガソリンブレンドのために脱硫された供給物を生成する。

５． 原油蒸留プラント

通常、２段蒸留プラントは、異なる生成物に分画された種々の原油を処理し、これは下流設備でさらに処理されて液化石油ガス（ＬＰＧ）、ナフサ、モータガソリン、灯油、ジェット燃料、ディーゼル、燃料油及びアスファルトを生成する。原油蒸留プラントは、典型的には大量の原油、例えば、１日当たり、数百万のバレルの原油を処理することができる。夏季の間、最適な処理能力は減少することがある。プラントは、原油の混合物を処理することができる。また、プラントは、アスファルト製造設備を有することもできる。原油蒸留プラントからの生成物はＬＰＧ、安定化された全ナフサ、灯油、ディーゼル、重質ディーゼル及び真空残油である。大気塔は、原油チャージを受け取り、それを塔頂生成物、灯油、ディーゼル、及び還元された原油に分離する。ナフサスタビライザは、大気塔頂流を受け、それをＬＰＧと安定化ナフサとに分離する。還元された原油は真空塔に充填され、そこでさらに重質ディーゼル、真空ガス油および真空残油に分離される。

６． サワー水ストリッピングユーティリティプラント（ＳＷＳＵＰ）

ＳＷＳＵＰは、酸性ガス除去、硫黄回収及びフレヤ装置からサワー水流を受け取りサワーガスを除去し、煤水フラッシュ容器から放出される。ＳＷＳＵＰは、サワー水流から、主に二酸化炭素（ＣＯ_２）、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）及びアンモニア（ＮＨ_３）を含むサワー成分をストリップ（除去）する（取り除く）。

先に記載した製油プラントの一つ以上は、例えば、低品位の廃熱の形態で熱を、合理的なスケール経済性にて、例えば数十メガワットの動力で、ＯＲＣ機械に供給することができる。研究によると、特定の精製プラント、例えば、水素化分解プラントが、電力を生成するための良好な廃熱源として機能することを示している。しかし、ナフサ水素処理（ＮＨＴ）プラントからのホットソース（熱源）のみを使用する研究では、例えば、約１１１℃で約２７．６ＭＷの利用可能な廃熱から、約６．２％の低効率で１．７ＭＷの電力が生成された。この低効率は、高資本及びスケール経済性に起因する廃熱の発生のため、ＮＨＴプラント単独からのホットソースは推奨されないことを示唆している。原油蒸留プラントから約９７℃の１つの低品位ホットソースを使用する他の研究では、約６４．４ＭＷの利用可能な廃熱から３．５ＭＷの電力を、５．３％の低効率で製造した。サワー水ストリッピング（除去）プラントから約１２０℃の低品位のホットソースを使用する別の研究では、２．２ＭＷの電力が約３２．７ＭＷの利用可能な廃熱から６．７％の低い効率で製造された。これらの研究から、電力を生成するために特定の製油所プラントからの廃熱回収が有益であると判定されたとしても、どの精製プラントからの廃熱回収も有益であるとは限らないことが分かる。

別の研究では、芳香族コンプレックス内の全てのホットソース（合計１１個のホットソース流）から利用可能な全ての廃熱を収集して、約２４１ＭＷの利用可能な廃熱から約１３ＭＷの電力を発生させた。この研究は、全ての利用可能なホットソースを使用することは、理論的には効率的であっても、実際には、必ずしも、利用可能な廃熱から効率的な発電に変換することではない、ことを示す。更に、全ての利用可能なホットソースを使用することができる発電プラントを組み合わせることは、（他の構成要素および相互接続網の中でも）関連する熱交換器、ポンプ、および有機ベースのタービンの量を考慮して非常に困難である可能性がある。このような発電プラントを収容するために既存の製油所を改造することは困難であるばかりでなく、このような発電プラントを草の根段階から構築することも困難であろう。以下のセクションでは、本願による開示は、異なる精製プラントから選択されたホットソースの組み合わせによって、利用可能な廃熱から電力を生成する際に高い効率をもたらすことができることを説明する。

メガサイズのサイト（現場）の発電に使用する特定のホットソースを特定した後であっても、特定の条件下で動作する特定のＯＲＣ機械を使用して最適な発電のために統合することができるホットソースのいくつかの組合せがあり得る。以下のセクションの各々は、ホットソースの特定の組み合わせと、該特定の組み合わせによって、必要最小限の資本の利用にて、廃熱から最適に電力を生成するために、実施することができるバッファシステムの構成とを記述する。また、以下のセクションは、廃熱回収のための１バッファ方式が適用不可能の場合に、低品位の廃熱回収用２つのバッファシステムを説明する。各セクションは、ホットソースの特定の組合せを構成する異なるプラント間の相互接続および関連する処理スキームを記述し、その構成は、廃熱回収及び発電を最適化するために、特定のプラントに、特定の場所に、プロセスの特定のストリーム（流れ）に付加された熱交換器のような構成要素を含む。後述するように、現在のレイアウト又は異なるプラントによって実現されるプロセスを変更することなく、異なる構成を実施することができる。以下のセクションに記載された新しい構成によると、廃熱から約３４ＭＷから約８０ＭＷの電力を生成することが可能であり、それによって、石油精製所におけるＧＨＧ排出量の比例的な減少を可能にする。以下のセクションに記載された構成は、バッファシステムを使用して所望のエネルギー回収を達成するための１つ以上の方法を実証する。これらの構成は、関連する処理スキームに影響を与えず、将来の潜在的なインプラント（プラント内）エネルギー節約の取り組み、例えば、低圧蒸気発生と統合化することができる。構成および処理スキームは、低品位廃熱からＯＲＣ機械への発電について１０％より多くの第１の法則効率を提供することができる。

熱交換器

本願による開示に記載の構成において、熱交換器は、１個の媒体（原油精製設備内のプラントを通って流れる流れ、バッファ流体または他の媒体）から別の媒体（例えば、原油設備内のプラントを流れるバッファ流体又は異なる流れ）に熱を移送する。熱交換器は、典型的には、比較的高温の流体流から比較的低温の流体流に熱を伝達（交換）する装置である。熱交換器は、例えば冷蔵庫、空調機又は他の冷却装置のように、加熱及び冷却用途に使用することができる。熱交換器は、液体が流れる方向に基づいて互いに区別することができる。例えば、熱交換器には、並列流、クロス流又は対向流式が可能である。並列流式熱交換器では、両方の流体が同一方向に移動する、即ち、熱交換器に横並びに入り且つ出る。クロス流式熱交換器では、流体通路は互いに垂直に走る。対向流型熱交換器では、流体経路は反対方向に流れる、即ち、一方の流体が流出するなら他方の流体は流入する。対向流式熱交換器は、他のタイプの熱交換器よりも効果的であることがある。

流体方向に基づいて熱交換器を分類することに加えて、熱交換器をそれらの構造に基づいて分類することもできる。ある熱交換器は複数の管から構成される。ある熱交換器は、複数のプレートを含み、それらの間に流体が流れるための空間がある。ある熱交換器は、液体から液体への熱交換を可能にし、一方、幾つかの熱交換器は、他の媒体を使用して熱交換を可能にする。

原油精製及び石油化学施設における熱交換器は、液体が流れる複数の管を含むシェル（缶胴）及び管（シェルアンドチューブ）型熱交換器であることが多い。管は２個のセットに分割され、第１のセットは、加熱または冷却される液体を含み、第２のセットは、熱交換をトリガする（引き起こす）役割を果たす液体を含む、換言すれば、熱を吸収して搬送することによって第１のセットの管から熱を除去するか、又は、またはそれ自身の熱を内部の液体に伝達することによって第１のセットを暖める流体を含む。この種の交換器を設計する際に、最適な熱交換を可能にするために、管の直径だけでなく、正しい管壁厚さを決定する際に注意を払わなければならない。流れに関して、シェルアンドチューブ型熱交換器は、３つの流路パターンのいずれかを想定することができる。

原油精製及び石油化学施設における熱交換器は、プレート及びフレーム型熱交換器であってもよい。プレート型熱交換器は、結合された複数の薄板を含み、薄板間に少量の空間が形成され、多くの場合、薄板はゴムガスケットによって維持される。表面積が大きく、各矩形板の角部は、流体がプレート間で流れることができる開口を形成し、流体が流れるとプレートから熱を抽出する。流体チャネル自体は、熱い液体と冷たい液体を交互に変更する、これは、熱交換器が流体を効果的に冷却すると同時に加熱できることを意味する。プレート式熱交換器は大きな表面積を有するので、シェルアンドチューブ型熱交換器よりも効率的であることがある。

他の種類の熱交換器は、再生熱交換器及び断熱ホイール（回転盤）熱交換器を含むことができる。再生式熱交換器では、同じ流体が熱交換器の両側に沿って通過する。この熱交換器は、プレート式熱交換器またはシェルアンドチューブ型熱交換器のいずれであってもよい。流体は非常に高温になり得るので、流出する流体は、流入する流体を暖めるために使用され、そのためほぼ一定の温度を維持する。再生式熱交換器では、プロセスが周期的であり、殆ど全ての相対熱が流出流体から流入流体に移送されるため、エネルギーが保存される。一定の温度を維持するために、全体の流体温度を上昇及び下降させるために少量の余分なエネルギーが必要とされる。断熱ホイール式熱交換器では、熱を蓄える中間液体が用いられ、これは熱交換器の反対側に移送される。断熱ホイール式熱交換器は、トレッド（溝）を有する大型のホイールから構成され、これは液体−熱い流体と冷たい流体−を通って回転し、熱を抽出または移送する。本願による開示に記載された熱交換器は、前述した熱交換器のいずれかを含むことができるが、他の熱交換器、又はそれらの組み合わせを含むことができる。

各構成における各熱交換器は、それぞれの熱デューティ（又はヒートデューティ）に関連付けることができる。熱交換器の熱デューティは、熱交換器によって高温の流れから低温の流れに伝達されることができる熱量として定義することができる。熱量は、高温および低温の両方の流れの条件および熱特性から計算することができる。熱流の観点から、熱交換器の熱デューティは、高温流の流量と、高温流比熱と、熱交換器への高温流入口温度と熱交換器からの高温流出口温度との間の温度差の積である。冷流の観点から、熱交換器の熱デューティは、低温流の流量と、冷温流比熱と、熱交換器への冷温流入口温度と熱交換器からの冷温流出口温度との間の温度差の積である。いくつかの用途では、装置が良好に断熱され、装置から周囲への熱損失がないと仮定して、２個の量を均しいと考えることができる。熱交換器の熱デューティはワット（Ｗ）、メガワット（ＭＷ）、１時間当たり百万英国熱単位（Ｂｔｕ／ｈｒ）、又は１時間当たり百万のキロカロリー（Ｋｃａｌ／ｈ）で測ることができる。ここで説明される構成では、熱交換器の熱デューティは、「約ＸＭＷ」として提供される。ただし、「Ｘ」は数値熱デューティ値を表す。数値熱デューティ値は絶対的ではない。すなわち、熱交換器の実際の熱デューティは、Ｘにほぼ等しいか、Ｘよりも大きいか、又は、Ｘよりも小さいことがあり得る。

流量制御システム

後に説明する構成の各々において、プロセス流（「ストリーム」とも呼ばれる）は、原油精製設備内の各プラント内で、及び、原油精製設備内のプラント間で流動させられる。プロセス流は、原油精製設備全体にわたって実施される１つ以上の流量制御システムを使用して流すことができる。流量制御システムは、プロセス流をポンプ移送するための１個又は複数の流量ポンプ、プロセス流が流れる１個又は複数の管、及び、管を通る流れの流量を調節するための１個又は複数の弁とを含む。

いくつかの実施形態では、流量制御システムを手動で操作することができる。例えば、オペレータは、各ポンプの流量を設定し、弁を開位置又は閉位置に設定することにより、流量制御システムの管を通るプロセス流の流れを調節することができる。一旦、オペレータが、原油精製設備に渡って分散された全ての流量制御システムの流量及び弁開度又は閉位置を設定すると、流量制御システムは、一定の流れ条件下で、例えば、一定の体積流量または他の流れ条件下で、プラント内又はプラント間にストリームを流すことができる。流量条件を変更するために、オペレータは手動で流量制御システムを操作することができる、例えば、ポンプ流量又は弁開閉位置を変更する。

いくつかの実施形態では、流量制御システムを自動的に作動させることができる。例えば、流量制御システムは、流量制御システムを作動させるためにコンピュータシステムに接続され得る。コンピュータシステムは、（流量制御操作のような）操作を実行するために１個又は複数のプロセッサによって実行可能な（流量制御命令および他の命令のような）命令を格納するコンピュータ可読媒体を含むことができる。オペレータは、コンピュータシステムを使用して、原油精製設備に分散された全ての流量制御システムの流量及び弁開閉位置を設定することができる。そのような実施形態では、オペレータは、コンピュータシステムを介して入力を提供することによって、流量条件を手動で変更することができる。また、このような実施形態では、コンピュータシステムは自動的に（すなわち手動の介入なしに）、例えば、コンピュータシステムに接続され１個又は複数のプラントで実施されるフィードバックシステムを使用することにより、１個又は複数の流量制御システムを制御する。例えば、センサ（圧力センサ、温度センサ、または他のセンサなど）を、プロセス流が流れる管に接続することができる。センサは、プロセス流の流量条件（圧力、温度、または他の流れ状態など）を監視し、コンピュータシステムに供給することができる。流量条件が閾値（例えば、閾値圧力値、閾値温度値、または他の閾値）を超えるとそれに応答して、コンピュータシステムは、自動的に動作を行うことができる。例えば、管内の圧力又は温度が、それぞれ、閾値圧力値又は閾値温度値を超える場合には、コンピュータシステムは、流量を減少させるためにポンプに信号を提供し、圧力を軽減するために弁を開くための信号、プロセス流の流れを停止するための信号、または他の信号を提供する。

本願による開示は、石油化学精製システムの水素化分解プラントサブユニット（下位の副ユニット、全体設備中の下位の設備）及び水素処理プラントサブユニットから熱を回収するために実施することができる廃熱回収ネットワークを記載する。後述するように、廃熱回収ネットワークから回収された熱を使用して約４５ＭＷの電力を生成し、それによって、約１１．８％の第１法則熱効率で、廃熱から電力を生成することができる。ここに記載された廃熱回収ネットワークは、その全体または段階のいずれかで実施することができる。各段階は、以前に実施された段階又は将来の段階を妨げることなく、別個に実施することができる。本明細書に記載の廃熱回収ネットワークで使用される最小接近温度は、３℃程度に低くすることができる。逆に、開始時により高い最小の接近温度を使用することより、低い廃熱回収を達成することができる。最小接近温度を経時的に減少させることにより、スケールの合理的な発電経済性を利用することができ、最小接近温度を低下させることができ、より高い発電効率を実現することができる。ネットワークで使用される廃熱ストリームのサブセットを使用することにより、効率を高めることもできる。廃熱回収ネットワークは、既存の石油化学精製システムレイアウトの改造に供することができ、それによって石油化学精製システムの既存の設計形態を変更するのに必要な作業量を減少させる。

廃熱回収ネットワークは、水素化分解プラントと水素処理プラントからの複数の熱源、例えば、１０個の熱源に熱的に結合された加熱流体回路を含む。廃熱回収ネットワークを用いて回収された熱は、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を含む発電システムに提供することができる。廃熱回収ネットワークの設計構成及び廃熱回収ネットワークを用いて実現されるプロセスは、エネルギー効率を高めるために個々のプラント内の将来の努力を伴う変更の必要がない。設計構成およびプロセスはまた、石油化学精製システムにおける廃熱回収に対する他の改善に応答して変更される必要はない。廃熱回収ネットワークは、低品位廃熱、すなわち約１６０℃未満の廃熱を使用する。

図１Ａは、１０個の熱源から廃熱を回収するための例示的なシステム１００の概略図である。図１Ｂ〜図１Ｄは、水素化分解プラントにおける７個の熱源の概略図である。図１Ｅおよび図１Ｆは、ディーゼル水素処理プラントにおける３個の熱源の概略図である。図１Ｇは図１Ａの例示的なネットワークの実施形態の概略図である。

図１Ａは、１０個の熱源から廃熱を回収するための例示的なシステム１００の概略図である。いくつかの実施形態では、システム１００は、複数の熱源に熱的に結合された加熱流体回路１０２を含むことができる。例えば、複数の熱源は、石油化学精製システムの水素化分解プラントに結合された７個の熱交換器（第１の熱交換器１０２ａ、第２の熱交換器１０２ｂ、第３の熱交換器１０２ｃ、第４の熱交換器１０２ｄ、第５の熱交換器１０２ｅ、第６の熱交換器１０２ｆ、及び第７の熱交換器１０２ｇ）を含むことができる。複数の熱源は、石油化学精製システムのディーゼル水素処理プラントに結合された３個の熱交換器（第８の熱交換器１０２ｈ、第９の熱交換器１０２ｉ、及び、第１０の熱交換器１０２ｊ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、１０個の熱源を並列に接続することができる。

例示的なシステム１００は、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を含む発電システム１０４を含むことができる。ＯＲＣは、作動流体を加熱するために加熱流体回路１０２に熱的に結合された作動流体を含むことができる。いくつかの実施態様では、作動流体はイソブタンであってもよい。ＯＲＣはまた、加熱された作動流体から電力を発生するように構成されたガス膨張機１１２を含むことができる。図１Ａに示すように、ＯＲＣは、さらに蒸発器１０６、ポンプ１０８および凝縮器１１０を含むことができる。いくつかの実施形態では、作動流体は、蒸発器１０６において加熱流体回路１０２に熱的に結合されることができる。

運転時には、加熱流体（例えば、水、油又は他の流体）は、１０個の熱交換器を介して循環させられる。１０個の熱源の各々の入口に循環される加熱流体の入口温度は、加熱流体がそれぞれの入口を通って流れるときに温度変化があっても同一又は実質的に同一である。各熱交換器は、加熱流体を入口温度よりも高い温度にそれぞれ加熱する。１０個の熱交換器からの加熱された加熱流体は結合され、ＯＲＣの蒸発器１０６を通って流れる。加熱された加熱流体からの熱は、ＯＲＣの作動流体を加熱し、それによって作動流体の温度を上昇させ、作動流体を蒸発させる。作動流体との熱交換により、加熱流体の温度が低下する。次いで、加熱流体は、加熱流体タンク１１６に集められ、ポンプにより返送されて１０個の熱交換器を経由し、廃熱回収サイクルを再開することができる。いくつかの実施形態では、蒸発器１０６を出る加熱流体は、加熱流体タンク１１６に回収される前に、空気冷却器１１４内を流れることによって更に冷却される。

加熱流体を１０個の熱交換器を通して流すための加熱流体回路は、手動又は自動で操作可能な複数の弁を含むことができる。例えば、水素化分解プラント及びディーゼル水素処理プラントは、加熱流体流管及び弁を備えることができる。オペレータは、回路内の各弁を手動で開いて、加熱流体が回路を通って流れるようにすることができる。オペレータは、例えば、修理やメンテナンスを行うか、その他の理由で廃熱回収を停止するとき、回路内の各弁を手動で閉じることができる。あるいは、制御システム、例えば、コンピュータ制御された制御システムを、回路内の各弁に接続することができる。制御システムは、例えば、回路内の異なる位置に設置されたセンサ（例えば、温度センサ、圧力センサ、または他のセンサ）からのフィードバックに基づいて、弁を自動的に制御することができる。制御システムはまた、オペレータによって操作されることができる。

上述のように、加熱流体を１０個の熱交換器を介してループ（閉回路化）させることにより、水素化分解及びディーゼル水素処理プラントにおいて、そうでなければ廃棄されるはずの熱を回収し、回収された廃熱を利用して発電システムを運転させることができる。これにより、発電システムの運転に必要なエネルギー量を低減することができると同時に、発電システムから同一又は実質的に同様な電力出力を得ることができる。例えば、廃熱回収ネットワークを実施する発電システムからの電力出力を、廃熱回収ネットワークを実施しない発電システムからの電力出力よりも高くすることも低くすることもできる。該電力出力がより低い場合、差は統計的に有意でないかもしれない。結果として、石油化学精製システムの発電効率を高めることができる。

図１Ｂから図１Ｄは、水素化分解プラントにおける７個の熱源の模式図である。図１Ｂは、石油化学精製システムの水素化分解プラントにおける第１の熱交換器１０２ａを示す。第２段の反応区画、第２段のホット高圧分離器からの供給流と加熱流体は第１の熱交換器１０２ａを同時に流れる。第１の熱交換器１０２ａは供給流をより高い温度、例えば、約１５７℃からより低い温度、例えば、約６０℃まで冷却し、加熱流体の温度を、より低い温度、例えば、約５０℃からより高い温度、例えば、約１５２℃まで加熱することができる。加熱流体の温度は異なることがあり、例えば、凝縮器内の利用可能な冷媒温度に依存して（例えば、寒冷気候国）、５０℃未満の場合もあるし、ＯＲＣ内の作動流体を加熱し気化させた後に、加熱流体の流れ内の利用可能な余剰の熱を提供するＯＲＣシステムの設計効率または非効率性に依存して、５０℃を超える場合もある。いくつかの実施形態では、約５０℃の加熱流体温度は、廃熱の電力変換効率を高めることができる。熱交換を実施する第１の熱交換器１０２ａの熱デューティは約２６．２５ＭＷである。第１の熱交換器１０２ａから出る１５２℃の加熱流体は、メインヘッダに循環され、他の９個の熱交換器から加熱された加熱流体と混合される。

図１Ｃは、石油化学精製システムの水素化分解プラントにおける第２の熱交換器１０２ｂを示す。第１段の反応区画、第１段の冷高圧分離器からの供給流と加熱流体は第２の熱交換器１０２ｂを同時に流れる。第２の熱交換器１０２ｂは供給流をより高い温度、例えば、約１５９℃からより低い温度、例えば、約６０℃まで冷却し、加熱流体の温度を、より低い温度、例えば、約５０℃からより高い温度、例えば、約１５２℃まで加熱することができる。
熱交換を実施する第２の熱交換器１０２ｂの熱デューティは約８１．５１ＭＷである。第２の熱交換器１０２ｂから出る１５４℃の加熱流体は、メインヘッダに循環され、他の９個の熱交換器から加熱された加熱流体と混合される。

図１Ｄは、石油化学精製システムの水素化分解プラントにおける第３の熱交換器１０２ｃ、第４の熱交換器１０２ｄ、第５の熱交換器１０２ｅ、第６の熱交換器１０２ｆ及び第７の熱交換器１０２ｇを示す。生成物ストリッパー（分離器）塔頂からの供給流と加熱流体は第３の熱交換器１０２ｃを同時に流れる。第３の熱交換器１０２ｃは供給流をより高い温度、例えば、約１６９℃からより低い温度、例えば、約６０℃まで冷却し、加熱流体の温度を、より低い温度、例えば、約５０℃からより高い温度、例えば、約１６４℃まで加熱することができる。熱交換を実施する第３の熱交換器１０２ｃの熱デューティは約３６．８ＭＷである。第３の熱交換器１０２ｃから出る１６４℃の加熱流体は、メインヘッダに循環され、他の９個の熱交換器から加熱された加熱流体と混合される。

主分留塔頂からの供給流と加熱流体は第４の熱交換器１０２ｄを同時に流れる。第４の熱交換器１０２ｄは供給流をより高い温度、例えば、約１３６℃からより低い温度、例えば、約６０℃まで冷却し、加熱流体の温度を、より低い温度、例えば、約５０℃からより高い温度、例えば、約１３１℃まで加熱することができる。熱交換を実施する第４の熱交換器１０２ｄの熱デューティは約８９ＭＷである。第４の熱交換器１０２ｄから出る１３１℃の加熱流体は、メインヘッダに循環され、他の９個の熱交換器から加熱された加熱流体と混合される。

灯油生成物流と加熱流体は第５の熱交換器１０２ｅを同時に流れる。第５の熱交換器１０２ｅは供給流をより高い温度、例えば、約１６０℃からより低い温度、例えば、約６０℃まで冷却し、加熱流体の温度を、より低い温度、例えば、約５０℃からより高い温度、例えば、約１５５℃まで加熱することができる。熱交換を実施する第５の熱交換器１０２ｅの熱デューティは約１９．５ＭＷである。第５の熱交換器１０２ｅから出る１５５℃の加熱流体は、メインヘッダに循環され、他の９個の熱交換器から加熱された加熱流体と混合される。

灯油ポンプ流と加熱流体は第６の熱交換器１０２ｆを同時に流れる。第６の熱交換器１０２ｆは供給流をより高い温度、例えば、約１６０℃からより低い温度、例えば、約６０℃まで冷却し、加熱流体の温度を、より低い温度、例えば、約５０℃からより高い温度、例えば、約１５５℃まで加熱することができる。熱交換を実施する第６の熱交換器１０２ｆの熱デューティは約４．６５ＭＷである。熱交換器の熱デューティは、熱交換器を流れるホット油流の熱容量流量に依存することができる。したがって、場合によっては、２個の熱交換器を流れる加熱流体の温度変化が同一であっても、２個の熱交換器の熱デューティが異なることがありうる。このような場合、２個の熱交換器の熱容量流量を異なり得る。第６の熱交換器１０２ｆから出る１５５℃の加熱流体は、メインヘッダに循環され、他の９個の熱交換器から加熱された加熱流体と混合される。

ディーゼル生成物流と加熱流体は第７の熱交換器１０２ｇを同時に流れる。第７の熱交換器１０２ｇは供給流をより高い温度、例えば、約１６０℃からより低い温度、例えば、約６０℃まで冷却し、加熱流体の温度を、より低い温度、例えば、約５０℃からより高い温度、例えば、約１５５℃まで加熱することができる。熱交換を実施する第７の熱交換器１０２ｇの熱デューティは約５．７４ＭＷである。第７の熱交換器１０２ｇから出る１５５℃の加熱流体は、メインヘッダに循環され、他の９個の熱交換器から加熱された加熱流体と混合される。

図１Ｅ及び図１Ｆは、水素化分解プラントにおける３個の熱源の模式図である。図１Ｅは、石油化学精製システムのディーゼル水素処理プラントにおける第８の熱交換器１０２ｈを示す。軽質流出物から冷分離器への流れと加熱流体は第８の熱交換器１０２ｈを同時に流れる。第８の熱交換器１０２ｈは供給流をより高い温度、例えば、約１２７℃からより低い温度、例えば、約６０℃まで冷却し、加熱流体の温度を、より低い温度、例えば、約５０℃からより高い温度、例えば、約１２２℃まで加熱することができる。熱交換を実施する第８の熱交換器１０２ｈの熱デューティは約２３．４ＭＷである。第８の熱交換器１０２ｈから出る１２２℃の加熱流体は、メインヘッダに循環され、他の９個の熱交換器から加熱された加熱流体と混合される。

図１Ｆは、石油化学精製システムのディーゼル水素処理プラントにおける第９の熱交換器１０２ｉを示す。ディーゼルストリッパー塔頂からの流れと加熱流体は第９の熱交換器１０２ｉを同時に流れる。第９の熱交換器１０２ｉは供給流をより高い温度、例えば、約１６０℃からより低い温度、例えば、約６０℃まで冷却し、加熱流体の温度を、より低い温度、例えば、約５０℃からより高い温度、例えば、約１５５℃まで加熱することができる。熱交換を実施する第９の熱交換器１０２ｉの熱デューティは約３３．６ＭＷである。第９の熱交換器１０２ｉから出る１５５℃の加熱流体は、メインヘッダに循環され、他の９個の熱交換器から加熱された加熱流体と混合される。

ディーゼルストリッパー生成物流と加熱流体は第１０の熱交換器１０２ｊを同時に流れる。第１０の熱交換器１０２ｊは供給流をより高い温度、例えば、約１６２℃からより低い温度、例えば、約６０℃まで冷却し、加熱流体の温度を、より低い温度、例えば、約５０℃からより高い温度、例えば、約１５７℃まで加熱することができる。熱交換を実施する第１０の熱交換器１０２ｊの熱デューティは約６０．７ＭＷである。第１０の熱交換器１０２ｊから出る１５５℃の加熱流体は、メインヘッダに循環され、他の９個の熱交換器から加熱された加熱流体と混合される。高圧温水システムの熱容量流量値は、水素化分解とディーゼル水素処理のプラントとの間で分割される。２個のプラントの流量値は、それぞれ２．５６ＭＷ／℃、１．１４ＭＷ／℃である。総熱油熱容量流量は３．７ＭＷ／℃である。この蒸気熱容量流量は２つの流れに分割される。第１の流れは、２．５６ＭＷ／℃に等しい熱容量流量にて水素化分解プラントに向けられ、第２の流れは、１．１４ＭＷ／℃に等しい熱容量流量にてディーゼル水素処理プラントに向けられる

図１Ｇは、図１Ａの例示的なシステムの実施形態の概略図である。１０個の熱交換器から受け取った加熱流体は、メインヘッダ内で混合され、約１５３℃の温度で加熱流体となる。加熱流体は、ＯＲＣの蒸発器１０６を経由して循環する。いくつかの実施形態では、蒸発器１０６は、作動流体（例えばイソブタンまたは他の作動流体）の温度を２０バールで約３１℃から２０バールで約９９℃まで、約３６２ＭＷの熱デューティで加熱する。ガス膨張機１１２は、高温高圧作動流体を膨張させ、例えばタービン効率８５％として、例えば約４５ＭＷの発電をする。作動流体の膨張は温度及び圧力を低下させる、例えば、約５２℃及び約４．３ｂａｒにする。作動流体は、凝縮器１１０を通って流れ、それによって、約３２１ＭＷの熱デューティにて作動流体の温度及び圧力はさらに低下する。例えば、冷却流体は、凝縮器１１０を、より低い温度で例えば２０℃で、流れ、作動流体と熱交換し、より高温で例えば、約３０℃で凝縮器１１０から出る。冷却された作動流体（例えばイソブタン液体）はポンプ１０８により、例えば約７５％の効率で、例えば約３．５ＭＷの入力電力でポンプ輸送される。ポンプ１０８は、作動流体の温度を約３１℃に上昇させ、作動流体を、約８９０ｋｇ／ｓの質量流量にて、蒸発器１０６にポンプ輸送し、それによって、ランキンサイクルを繰り返し電力を発生させる。

図１Ｈは、システム１００の運転中の凝縮器１１０における管側流体温度（例えば、冷却流体、すなわち、凝縮器流体の流れ）とシェル側流体温度（例えば、ＯＲＣ作動流体の流れ）を示すグラフである。このグラフは、ｘ軸上の流体間の熱流に対するｙ軸上の流体間の温度差を示す。例えば、図に示すように、流体間の温度差が減少すると、流体間の熱流を増大させることができる。いくつかの態様では、冷却媒体は、約２０℃またはそれ以上であってもよい。そのような場合には、ガス膨張機出口圧力（例えば、ガス膨張機を出るＯＲＣ作動流体の圧力）が、使用可能な冷却流体温度でＯＲＣ作動流体の凝縮を可能にするのに十分に高くてもよい。図１Ｈに示すように、（凝縮器１１０の管に入る）凝縮器の水（冷却水）は、約２０℃で入り、約３０℃で出る。（凝縮器のシェル側に入る）ＯＲＣ作動流体は、約５２℃で蒸気として入り、３０℃で凝縮し、３０℃の液体で凝縮器１１０を出る。

図１Ｉは、システム１００の運転中の蒸発器１０６における管側流体温度（例えば、加熱流）とシェル側流体温度（例えば、ＯＲＣ作動流体の流れ）を示すグラフである。このグラフは、ｘ軸上の流体間の熱流に対するｙ軸上の流体間の温度差を示す。例えば、図に示すように、流体間の温度差が減少すると、流体間の熱流を増大させることができる。例えば、図に示すように、流体間の温度差が減少すると、流体間の熱流を増大させることができる。このグラフは、ｘ軸上の流体間の熱流に対するｙ軸上の流体間の温度差を示す。例えば、図１Ｉに示すように、管側流体（例えば、加熱流体回路１０２内の熱油または熱水）が蒸発器１０６を循環すると、該流体からシェル側流体（例えばＯＲＣ作動流体）に熱が伝達される。こうして、管側流体は、約１５２℃で蒸発器１０６に入り、約５５℃で蒸発器１０６を出る。シェル側流体は、約３０℃で（例えば液体として）蒸発器１０６に入り、約９９℃で（例えば、いくらか過熱を伴う蒸気として）出る。

先に説明した石油化学精製システムによって生成された熱エネルギーを回収する技術は、２つの例示的なシナリオのうちの少なくとも１つ又は両方で実施することができる。第１のシナリオでは、この技術は、構築される予定の石油化学精製システムで実施することができる。例えば、石油化学精製システムの複数のサブユニットを配置するための地理的レイアウトを特定することができる。地理的レイアウトは、各サブユニットが配置されるべき複数のサブユニット位置を含むことができる。地理的レイアウトを特定することは、特定の技術データ、例えば、原油から出発し精製された石油を得るサブユニットを通る石油化学物質流、に基づいて、石油化学精製システムにおける各サブユニットの位置を積極的に決定または計算することを含むことができる。地理的レイアウトの特定は、代替的に又は追加的に、複数の予め生成された地理的レイアウトの中から１つのレイアウトを選択することを含むことができる。石油化学精製システムのサブユニットの第１のサブセットが特定されることができる。第１のサブセットは、電力を発生させるために熱エネルギーが回収可能な少なくとも２個（または２個を超える）の発熱サブユニットを含むことができる。地理的レイアウトでは、複数のサブユニット位置の第２のサブセットを特定することができる。第２のサブセットは少なくとも２個のサブユニット位置を含み、該サブユニット位置に第１のサブセット内の各サブユニットが配置される。第１のサブセット内のサブユニットから熱エネルギーを回収する発電システムが特定される。発電システムは、上述した発電システムと実質的に同様であることができる。地理的レイアウトでは、発電システムを配置するために、発電システムの位置を特定することができる。特定された発電システムの位置では、熱エネルギー回収効率は、地理的レイアウトの他の場所における熱エネルギー回収効率よりも大きい。石油化学精製システムのプランナー及び建築者は、モデリング又はコンピュータベースのシミュレーション実験を行い、又は及び、発電システムの最適な位置を特定し例えば、少なくとも２個の発熱サブユニットから回収された熱エネルギーを輸送するときに熱損失を最小限に抑えることにより、熱エネルギー回収効率を最大化することができる。石油化学精製システムは、地理的レイアウトに従って建設される。即ち、複数のサブユニットを複数のサブユニット位置に配置し、発電システムを発電システム位置に配置し、複数のサブユニットを互いに相互接続することにより該相互接続された複数のサブユニットが石油化学物質を精製するように構成され、発電システムを第１のサブセット内のサブユニットに相互接続することによって該発電システムが第１のサブセット内のサブユニットから熱エネルギーを回収し、該回収された熱エネルギーを発電システムに提供するように構成される。発電システムは、回収された熱エネルギーを用いて電力を生成するように構成されている。

第２のシナリオでは、この技術は、運転されている石油化学精製システムで実施することができる。換言すれば、先に説明した発電システムは、既に構築されて運用されている石油化学精製システムに改造することができる。

本明細書に記載の主題を実施することにより、石油化学精製システムのエネルギー出力を、その場での利用または送電系統への送り出しのために約４１．６ＭＷだけ増加させることができる。このようにして、プラントの炭素消費量及びＧＨＧ排出量を減少させることができる。

こうして、本発明の特定の実施態様を記載した。他の実施態様は、以下の請求項の範囲内である。

１００ 例示的なシステム
１０２ 加熱流体回路
１０２ａ〜１０２ｊ 第１の熱交換器〜第１０の熱交換器
１０４ 発電システム
１０６ 蒸発器
１０８ ポンプ
１１０ 凝縮器
１１２ ガス膨張機
１１４ 空気冷却器
１１６ 加熱流体タンク

Claims (17)

1. 発電システムであって、
   石油化学精製システムの複数のサブユニットから複数の熱源に熱的に結合された加熱流体回路であって、前記複数のサブユニットは水素化分解プラントおよびディーゼル水素処理プラントを含む、前記加熱流体回路を備え、
   前記複数の熱源の第１のサブセットは前記ディーゼル水素処理プラント内の流れに結合された複数のディーゼル水素処理プラント熱交換器を含み、
   前記複数の熱源の第２のサブセットは前記水素化分解プラント内の流れに結合された複数の水素化分解プラント熱交換器を含み、
   更に、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を含む第１の発電システムであって、前記有機ランキンサイクルは、（ｉ）作動流体を加熱するために前記加熱流体回路に熱的に結合された前記作動流体と、（ｉｉ）加熱された第１の前記作動流体から電力を発生するように構成された膨張機とを含む、前記第１の発電システムと；
   前記加熱流体回路を前記複数の熱源の少なくとも一部に選択的に熱的に結合するための１セットの制御弁を作動させるように構成されている制御システムと；を備え、
   前記水素化分解プラント熱交換器の各々は、前記水素化分解プラントを循環する各流れと、前記加熱流体の一部とを含み、
   第１の水素化分解プラント熱交換器は、第２段の反応区画、第２段の冷高圧分離器供給流れ、及び、前記加熱流体の一部との間で熱交換を行い、
   第２の水素化分解プラント熱交換器は、第１段の反応区画、第１段の冷高圧分離器供給流れ、及び、前記加熱流体の一部との間で熱交換を行い、
   第３の水素化分解プラント熱交換器は、生成物ストリッパー塔頂流と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行い、
   第４の水素化分解プラント熱交換器は、主分留塔頂流と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行い、
   第５の水素化分解プラント熱交換器は、灯油生成物流と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行い、
   第６の水素化分解プラント熱交換器は、灯油ポンプ流と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行い、
   第７の水素化分解プラント熱交換器は、ディーゼル生成物流と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行う、
   発電システム。
2. 前記作動流体は、前記ＯＲＣの蒸発器内の前記加熱流体回路に熱的に結合されている、
   請求項１に記載の発電システム。
3. 前記作動流体がイソブタンを含む、
   請求項２に記載の発電システム。
4. 前記加熱流体回路は、該加熱流体回路に流体的に結合された加熱流体タンクを含む、
   請求項１に記載の発電システム。
5. 前記複数の熱源は１０個の熱源を含み、前記第１のサブセットは３個のディーゼル水素処理プラント熱交換器を含み、前記第２のサブセットは７個の水素化分解プラント熱交換器を含む、
   請求項１に記載の発電システム。
6. 前記ディーゼル水素処理プラント熱交換器の各々は、前記ディーゼル水素処理プラントを循環する各流れと前記加熱流体の一部とを含む、
   請求項１に記載の発電システム。
7. 第１のディーゼル水素処理プラント熱交換器は、冷分離器流への軽質流出物と前記加熱流体の一部の間で熱交換を行い、
   第２のディーゼル水素処理プラント熱交換器は、ディーゼルストリッパー塔頂流と前記加熱流体の一部と間で熱交換を行い、
   第３のディーゼル水素処理プラント熱交換器は、ディーゼルストリッパー生成物流と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行う、
   請求項１に記載の発電システム。
8. 前記複数の熱源は、並列に流体結合される、
   請求項１に記載の発電システム。
9. 前記加熱流体回路が水または油を含む、
   請求項１に記載の発電システム。
10. 前記第１の発電システムは、前記石油化学精製システムにおいてオンサイトである、
    請求項１に記載の発電システム。
11. 前記第１の発電システムは、約４５ＭＷの電力を発生するように構成される、
    請求項１に記載の発電システム。
12. 石油化学精製システムによって生成された熱エネルギーを回収する方法であって、
    前記石油化学精製システムの複数のサブユニットを配置するために地理的レイアウトを特定するステップであって、該地理的レイアウトは、それぞれの前記複数のサブユニットが配置される複数のサブユニット位置を含み、前記複数のサブユニットは、水素化分解プラントおよびディーゼル水素処理プラントを含む、ステップと；
    前記石油化学精製システムの前記複数のサブユニットの第１のサブセットを特定するステップであって、該第１のサブセットはディーゼル水素処理プラントのストリームに結合された複数のディーゼル水素処理プラント熱交換器と、前記水素化分解プラント内のストリームに結合された複数の水素化分解プラント熱交換器とを含み、前記複数のサブユニットの第１のサブセットから電力を生成するために熱エネルギーが回収可能である、ステップと；
    前記地理的レイアウトにおいて、前記複数のサブユニット位置の第２のサブセットを特定するステップであって、該第２のサブセットは前記第１のサブセット内の各サブユニットが配置される複数のサブユニット位置を含む、ステップと；
    前記第１のサブセット内の前記サブユニットから熱エネルギーを回収するために発電システムを特定するステップと；を備え、
    該発電システムは、
    前記第１のサブセット内の前記サブユニットに流体的に接続された加熱流体回路と； 有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を含む第１の発電システムであって、該有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）は、（ｉ）作動流体を加熱するために該加熱流体回路に熱的に結合された前記作動流体と、（ｉｉ）加熱された前記作動流体から電力を発生するように構成された膨張機とを含む、前記第１の発電システムと；
    制御弁のセットを作動させて前記加熱流体回路を前記第１のサブセットに選択的に熱的に結合するように構成された制御システムと；を備え、
    更に、前記地理的レイアウトにおいて、発電システムを配置するための発電システム位置を特定するステップであって、該発電システム位置における熱エネルギー回収効率は、前記地理的レイアウトにおける他の位置における熱エネルギー回収効率よりも大きい、ステップを備え、更に、
    前記複数のサブユニットを前記複数のサブユニット位置に配置することにより前記地理的レイアウトに従って前記石油化学精製システムを構築するステップと；
    前記発電システムを前記発電システム位置に配置するステップと；
    複数のサブユニットを相互接続するステップであって、該相互接続された複数のサブユニットが石油化学物質を精製するように構成されている、ステップと；
    前記発電システムを前記第１のサブセット内の前記サブユニットと相互接続するステップであって、該発電システムが前記第１のサブセット内の前記サブユニットから熱エネルギーを回収し、前記回収された熱エネルギーを前記発電システムに提供するように構成され、該発電システムは回収された熱エネルギーを利用して発電するように構成された、ステップと；
    前記石油化学精製システムを作動させて石油化学物質を精製するステップと；
    前記発電システムを作動させて前記加熱流体回路を介して前記第１のサブセット内の前記サブユニットから熱エネルギーを回収し、前記回収された熱エネルギーを前記発電システムに供給し、前記回収された熱エネルギーを用いて発電する、ステップと；を備え、
    前記各水素化分解プラント熱交換器が、前記水素化分解プラントを循環するそれぞれの流れと、前記加熱流体の一部とを含み、
    前記石油化学精製システムを作動させて石油化学物質を精製するステップは、
    第１の水素化分解プラント熱交換器を作動させて、第２段の反応区画、第２段の冷高圧分離器供給流、及び前記加熱流体の一部の間で熱交換を行う、ステップと；
    第２の水素化分解プラント熱交換器を作動させて、第１段の反応区画、第１段の冷高圧分離器供給流、及び、前記加熱流体の一部の間で熱交換を行う、ステップと；
    第３の水素化分解プラント熱交換器を作動させて、生成物ストリッパー塔頂流と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行う、ステップと；
    第４の水素化分解プラント熱交換器を作動させて、主分留塔頂流と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行う、ステップと；
    第５の水素化分解プラント熱交換器を作動させて、灯油生成物流と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行う、ステップと；
    第６の水素化分解プラント熱交換器を作動させて、灯油ポンプ流と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行う、ステップと；
    第７の水素化分解プラント熱交換器を作動させて、ディーゼル生成物流と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行う、ステップと；を備える、
    方法。
13. 請求項１２に記載の方法であって、
    前記ＯＲＣの蒸発器内の前記加熱流体回路に前記作動流体を熱的に結合させるステップを更に備える、
    方法。
14. 請求項１２に記載の方法であって、
    前記各ディーゼル水素処理プラント熱交換器は、前記ディーゼル水素処理プラントを循環する各流れと、前記加熱流体の一部とを含み、
    前記石油化学精製システムを作動させて石油化学物質を精製するステップは、
    第１のディーゼル水素処理プラント熱交換器を作動させて、冷分離器流への軽質流出物と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行う、ステップと；
    第２のディーゼル水素処理プラント熱交換器を作動させて、ディーゼルストリッパー塔頂流と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行う、ステップと；
    第３のディーゼル水素処理プラント熱交換器を作動させて、ディーゼルストリッパー生成物流と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行う、ステップと；を備える、
    方法。
15. 前記発電システムを運転して約４５ＭＷの電力を生成するステップを更に備える、
    請求項１２に記載の方法。
16. 石油化学精製システムによって生成された熱エネルギーを再利用する方法であって、
    前記石油化学精製システムの複数のサブユニットの配置を含む地理的レイアウトを特定するステップであって、該地理的レイアウトは、それぞれの前記複数のサブユニットが配置される複数のサブユニット位置を含み、前記複数のサブユニットは、水素化分解プラントおよびディーゼル水素処理プラントを含む、ステップと；
    前記石油化学精製システムの前記複数のサブユニットの第１のサブセットを特定するステップであって、該第１のサブセットはディーゼル水素処理プラントのストリームに結合された複数のディーゼル水素処理プラント熱交換器と、前記水素化分解プラント内のストリームに結合された複数の水素化分解プラント熱交換器とを含み、前記複数のサブユニットの前記第１のサブセットから電力を生成するために熱エネルギーが回収可能である、ステップと；
    前記地理的レイアウトにおいて、前記複数のサブユニット位置の第２のサブセットを特定するステップであって、該第２のサブセットの位置は前記第１のサブセット内の前記各サブユニットが配置された複数のサブユニット位置である、ステップと；
    前記第１のサブセット内のサブユニットから熱エネルギーを回収するために発電システムを特定するステップと；を備え、
    該発電システムは、
    前記第１のサブセット内の前記サブユニットに流体的に接続された加熱流体回路と； 有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を含む第１の発電システムであって、該有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）は、（ｉ）作動流体を加熱するために該加熱流体回路に熱的に結合された前記作動流体と、（ｉｉ）加熱された前記作動流体から電力を発生するように構成された膨張機とを含む、前記第１の発電システムと；
    制御弁のセットを作動させて前記加熱流体回路を前記複数の熱源の少なくとも一部に選択的に熱的に結合するように構成された制御システムと；を備え、
    更に、前記発電システムを配置するための発電システム位置を作動可能な石油化学精製システム内に特定するステップであって、該発電システム位置における熱エネルギー回収効率は、前記作動可能な石油化学精製システムにおける他の位置における熱エネルギー回収効率よりも大きい、ステップを備え、更に、
    前記発電システムを前記第１のサブセット内の前記サブユニットと相互接続するステップであって、該発電システムが前記第１のサブセット内の前記サブユニットから熱エネルギーを回収し、前記回収された熱エネルギーを前記発電システムに提供するように構成され、該発電システムは回収された熱エネルギーを利用して発電するように構成された、ステップと；
    前記発電システムを作動させて、前記加熱流体回路を介して前記第１のサブセット内の前記サブユニットから熱エネルギーを回収し、前記回収された熱エネルギーを前記発電システムに供給し、前記回収された熱エネルギーを用いて発電する、ステップと；を備え、
    前記各水素化分解プラント熱交換器が、前記水素化分解プラントを循環するそれぞれの流れと、前記加熱流体の一部とを含み、
    第１の水素化分解プラント熱交換器を作動させて、第２段の反応区画、第２段の冷高圧分離器供給流、及び前記加熱流体の一部の間で熱交換を行う、ステップと；
    第２の水素化分解プラント熱交換器を作動させて、第１段の反応区画、第１段の冷高圧分離器供給流、及び、前記加熱流体の一部の間で熱交換を行う、ステップと；
    第３の水素化分解プラント熱交換器を作動させて、生成物ストリッパー塔頂流と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行う、ステップと；
    第４の水素化分解プラント熱交換器を作動させて、主分留塔頂流と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行う、ステップと；
    第５の水素化分解プラント熱交換器を作動させて、灯油生成物流と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行う、ステップと；
    第６の水素化分解プラント熱交換器を作動させて、灯油ポンプ流と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行う、ステップと；
    第７の水素化分解プラント熱交換器を作動させて、ディーゼル生成物流と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行う、ステップと；を備える、
    方法。
17. 請求項１６に記載の方法であって、
    前記各ディーゼル水素処理プラント熱交換器は、前記ディーゼル水素処理プラントを循環する各流れと、前記加熱流体の一部とを含み、
    第１のディーゼル水素処理プラント熱交換器を作動させて、冷分離器流への軽質流出物と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行う、ステップと；
    第２のディーゼル水素処理プラント熱交換器を作動させて、ディーゼルストリッパー塔頂流と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行う、ステップと；
    第３のディーゼル水素処理プラント熱交換器を作動させて、ディーゼルストリッパー生成物流と前記加熱流体の一部との間で熱交換を行う、ステップと；を更に備える、
    方法。
    

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