KR20210117284A - 올레핀 합성에서 재생 에너지의 사용 - Google Patents

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KR20210117284A
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heat
cracked gas
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앤드류 마크 워드
스콧 스티븐슨
알노 오프린스
준 자오
팀 아보트
케니스 프랜시스 러슨
조셉 윌리엄 슈로얼
마이클 에드워드 후크맨
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사빅 글로벌 테크놀러지스 비.브이.
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Abstract

상기 올레핀 합성 플랜트는: 공급물 스트림을 전-처리하도록 구성되는 공급물 전-처리 섹션(feed pretreatment section); 희석제의 존재 하에 상기 공급물 스트림 내의 탄화수소들을 분해하여, 분해된 가스 스트림을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 열분해 반응기들을 포함하는 열분해 섹션(pyrolysis section); 상기 분해된 가스 스트림으로부터 열 회수 및 켄칭을 제공하고, 상기 분해된 가스 스트림으로부터 연료유, 황화수소, 이산화탄소, 물, 열분해 가솔린, 또는 이들의 조합을 제거하고; 상기 분해된 가스 스트림을 압축하여, 압축된, 분해된 가스 스트림을 제공하도록 구성되는 일차 분별 및 압축 섹션(primary fractionation and compression section); 및/또는 상기 압축된, 분해된 가스 스트림으로부터 생성물 올레핀 스트림을 분리하도록 구성되는 생성물 분리 섹션(product separation section);을 포함하되, 상기 올레핀 합성 플랜트는 통상적인 올레핀 합성 플랜트에 비해, 상기 올레핀 합성 플랜트, 및/또는 그 하나 이상의 섹션들에 필요한 에너지 및/또는 순 에너지의 더 많은 양을 비-탄소-기반 및/또는 재생 에너지 공급원 및/또는 전기에 의해 제공되도록 구성된다.

Description

올레핀 합성에서 재생 에너지의 사용
본 발명은 올레핀들(olefins)의 합성에서 재생 에너지(renewable energy)의 사용에 관한 것이고; 보다 구체적으로, 본 발명은 올레핀 합성 플랜트의 전기화(electrification)에 관한 것이고; 보다 더 구체적으로, 본 발명은 올레핀 합성 플랜트에서 연료를 위한 탄화수소들(예를 들어, 천연 가스/화석 연료)의 연소(combustion)를 감소시킴으로써 이산화탄소와 같은 환경 배출물들의 감소에 관한 것이다.
화학 합성 플랜트(chemical synthesis plant)는 다양한 화학 물질들을 제공하는 데 이용된다. 종종, 전용 연료는 화학 합성을 위한 반응 열, 하나 이상의 공정 스트림들을 가열하기 위한 에너지, 액체들을 기화시키는 에너지(예컨대, 희석제로 사용되는 물 끓이기), 작업을 수행하기 위한 에너지(예컨대, 압축기 또는 펌프 구동), 또는 상기 화학 합성 플랜트 전체에 걸쳐 다른 공정 작업들을 위한 에너지를 제공하기 위해, 열처리(burned)되거나 '연소(combusted)'된다. 이러한 연료들의 열처리 또는 연소는 환경에 해로울 수 있는 연도 가스들(flue gases)의 생성을 초래하고, 상기 공정의 에너지 효율의 손실로 귀결된다. 마찬가지로, 증기(steam)는 종종 화학 합성 플랜트들 내에서 플랜트-전반의 열 및/또는 에너지 전달 유체(heat and/or energy transfer fluid)로 통상적으로 이용된다. 상기 열 및/또는 에너지 전달에 이용되는 상기 증기는 종종 연료의 연소를 통해 생성되며, 그 결과 화학 합성 중에 추가적인 연도 가스의 생성 및 추가로 에너지 효율 손실을 초래한다. 추가적으로, 연료로서 연소를 위한 반응물로 달리 이용될 수 있는 재료의 사용은 또한 주어진 양의 재료로부터 상기 화학 합성 플랜트에서 생성되는 원하는 화학 생성물의 양을 감소시킨다. 따라서, 에너지를 제공하기 위해 연소되는 연료(특히, 화석 연료)의 양이 감소되거나 제거되는 화학 합성의 개선된 시스템들 및 방법들에 대한 필요성이 존재한다. 바람직하게는, 이러한 시스템들 및 방법들은 또한 에너지 효율의 증가 및/또는 상기 화학 합성 플랜트에 의한 온실 가스(GHG)의 배출들과 같은, 배출의 감소를 제공한다.
본 명세서에는 경질 올레핀들의 제조를 위한 올레핀 합성 플랜트가 개시되어 있으며, 올레핀 합성 플랜트는: 공급물 스트림을 전-처리하도록 구성되는 공급물 전-처리 섹션(feed pretreatment section); 희석제의 존재 하에 상기 공급물 스트림 내의 탄화수소들을 분해하여, 분해된 가스 스트림을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 열분해 반응기들을 포함하는 열분해 섹션(pyrolysis section); 하나 이상의 로들(furnaces) - 상기 하나 이상의 로들 중 적어도 하나는 전기로(electrified furnace)가 되도록 구성되고, 각각의 전기로는 희석제의 존재 하에 상기 공급물 스트림에서 탄화수소들을 분해하여, 분해된 가스 스트림을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 열분해 반응기들을 포함하는 열분해 섹션을 추가로 포함함 -; 상기 분해된 가스 스트림으로부터 열 회수 및 켄칭을 제공하고; 상기 분해된 가스 스트림에서 연료유, 황화수소, 이산화탄소, 물, 열분해 가솔린 또는 이들의 조합을 제거하고; 상기 분해된 가스 스트림을 압축하여, 압축된, 분해된 가스 스트림을 제공하도록 구성되는 일차 분별 및 압축 섹션(primary fractionation and compression section); 및/또는 상기 압축된, 분해된 가스 스트림으로부터 생성물 올레핀 스트림을 분리하도록 구성되는 생성물 분리 섹션(product separation section);을 포함하되, 상기 올레핀 합성 플랜트는 통상적인 올레핀 합성 플랜트에 비해, 상기 올레핀 합성 플랜트, 상기 공급물 전-처리 섹션, 상기 열분해 섹션, 상기 일차 분별 및 압축 섹션, 상기 생성물 분리 섹션 또는 이들의 조합에 필요한 에너지 및/또는 순 에너지의 더 많은 양을 비-탄소-기반 에너지 공급원, 재생 에너지 공급원 및/또는 전기에 의해 제공되도록 구성된다.
또한 본 명세서에서는 경질 올레핀들의 제조를 위한 올레핀 합성 플랜트가 본 명세서에 개시되어 있으며, 상기 올레핀 합성 플랜트는: 공급물 스트림을 전-처리하도록 구성된 공급물 전-처리 섹션; 분해된 가스 스트림을 생성하기 위해 희석제의 존재 하에 상기 공급물 스트림 내의 탄화수소들을 분해하도록 구성되는 하나 이상의 열분해 반응기들을 포함하는 열분해 섹션; 상기 분해된 가스 스트림으로부터 열 회수 및 켄칭을 제공하도록 구성되는 일차 분별 및 압축 섹션; 상기 분해된 가스 스트림으로부터 연료유, 황화수소, 이산화탄소, 물, 열분해 가솔린, 또는 이들의 조합을 제거하고; 상기 분해된 가스 스트림을 압축하여 압축된, 분해된 가스 스트림을 제공하고; 및/또는 상기 압축된, 분해된 가스 스트림으로부터 생성물 올레핀 스트림을 분리하도록 구성되는 생성물 분리 섹션을 포함하되, 상기 올레핀 합성 플랜트는 상기 올레핀 합성 플랜트, 상기 공급물 전-처리 섹션, 상기 열분해 섹션, 상기 일차 분별 섹션, 상기 생성물 분리 섹션, 또는 이들의 조합에 의해 요구되는 상기 공정 에너지 및/또는 순 공정 에너지의 대부분이 전기에 의해 제공되도록 구성된다.
본 발명 및 그의 이점의 보다 완전한 이해를 위해, 이제 첨부 도면 및 상세한 설명과 관련하여 취해진 다음의 간단한 설명을 참조하며, 여기서 유사한 참조 번호는 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 전형적인 선행 기술 화학 공정의 개념도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 구현예들에 따라, 재생 에너지에 의해 구동되는 화학 공정의 개념도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 구현예들에 따라, 일반화된 증기 분해 플랜트 또는 공정(I)의 블록 흐름도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 구현예들에 따라, 예시적인 증기 분해 플랜트 또는 공정(II)의 블록 흐름도를 도시한다.
도 5는 비교 실시예 1에서 이용되는, 통상적으로 작동되는 올레핀 합성 플랜트(III)에 대한 작동 파라미터들을 도시한다.
도 6은 본 발명의 구현예들에 따라 전기화되고, 실시예 1에 제시된 올레핀 합성 플랜트(IV)에 대한 작동 파라미터들을 도시한다.
도 7은 본 발명의 구현예들에 따라 전기화되고, 실시예 2에 제시된 올레핀 합성 플랜트(V)에 대한 작동 파라미터들을 도시한다.
도 8은 본 발명의 구현예들에 따라 전기화되고, 실시예 3에 제시된 올레핀 합성 플랜트(VI)에 대한 작동 파라미터들을 도시한다.
도 9는 본 발명의 구현예들에 따라 전기화되고, 실시예 4 및 5에 제시된 올레핀 합성 플랜트(VII)에 대한 작동 파라미터들을 도시한다.
하나 이상의 구현예들의 예시적인 구현이 아래에 제공되지만, 개시된 조성물들, 방법들 및/또는 생성물들은 현재 알려져 있든 아직 존재하지 않든, 임의의 수의 기술을 사용하여 구현될 수 있음을 처음부터 이해해야 한다. 본 발명은 본 명세서에 예시되고 설명된 모범적인 설계 및 구현을 포함하여, 이하에 설명된 예시적인 구현들, 도면들 및 기술들에 결코 제한되어서는 안 되며, 등가물의 전체 범위와 함께 첨부된 청구범위의 범위 내에서 수정될 수 있다.
다음 용어들은 당업자에 의해 잘 이해되는 것으로 믿어지지만, 다음 정의들은 현재 개시된 주제의 설명을 용이하게 하기 위해 제시된다. 달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술 및 과학 용어들은 현재 개시된 주제가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서에서 이용되는 '간헐적 에너지 공급원(intermittent energy source)' 또는 'IES'는 사용된 에너지를 저장할 수 없거나 경제적으로 바람직하지 않기 때문에, 전기로의 변환 및 외부 직접 제어에 지속적으로 사용할 수 없는 모든 에너지 공급원이다. 상기 간헐적 에너지 공급원의 가용성은 예측 가능하거나 예측 불가능할 수 있다. 재생 간헐적 에너지 공급원은 이하에서 정의되는 재생 에너지 공급원이기도 한 간헐적 에너지 공급원이다. '간헐적 전기(intermittent electricity)'는 IES에서 생산되는 전기를 말한다.
본 명세서에서 이용되는 '재생 에너지(renewable energy)' 및 '비-화석 기반 에너지(non-fossil based energy)(ENF)'는 자연적이고 지속적인 공정으로 빠르게 대체되는 지속 가능한 에너지 공급원에서 파생된 에너지 및 원자력을 포함한다. 따라서 '재생 에너지(renewable energy)'와 '비-화석 기반 에너지(non-fossil based energy, ENF)'는 비-화석 연료 기반 에너지 공급원(가령, 석탄이나 천연 가스와 같은 화석 연료의 연소를 통해 생산되지 않는 에너지)에서 파생되는 에너지를 말하며, 반면 '재생 불가능한' 또는 '화석 기반 에너지(EF)'는 화석 연료-기반 에너지 공급원(가령, 화석 연료의 연소를 통해 생성된 에너지)에서 파생된 에너지이다. 화석 연료들은 지질학적 과거에 살아 있던 유기체의 잔해에서 형성된 석탄이나 가스와 같은 천연 연료이다. 따라서, 본 명세서에서 이용되는 '재생(renewable)' 및 '비-화석 기반 에너지(non-fossil based energy, ENF)'는, 풍력, 태양열 발전, 물의 흐름/이동 또는 사용 시 고갈되지 않는 바이오매스가 포함되지만 이에 국한되지는 않는다. 따라서 재생 에너지는 화석 연료 기반 에너지(EF)를 제외하며, 바이오 연료들을 포함한다.
본 명세서에서 이용되는 '비-탄소 기반 에너지(non-carbon based energy, ENC)'는 비-탄소 기반 에너지 공급원(가령, 탄화수소와 같은 탄소-기반 연료의 연소를 통해 생성되지 않는 에너지)으로부터의 에너지인 반면, 탄소-기반 에너지(EC)는 탄소-기반 에너지 공급원(가령, 탄화수소와 같은 탄소-기반 연료의 연소를 통해 생성된 에너지)의 에너지이다. 원자력은 본 명세서에서 재생 비-화석(ENF) 기반 에너지와 비-탄소 기반 에너지(ENC)로 간주된다. 따라서 탄소-기반 에너지(EC)는 재생(가령, 비-화석 연료 기반) 또는 재생 불가능(가령, 화석 연료 기반)일 수 있다. 예를 들어, 다양한 탄소-기반 바이오 연료들은 본 명세서에서 재생 탄소 기반 에너지 공급원으로 간주된다.
본 명세서에서 이용되는 '재생 전기(renewable electricity)'는 재생 에너지 공급원에서 생산된 전기를 의미하고, '재생 불가능한 전기'는 재생 불가능한 에너지 공급원에서 생산되는 전기를 의미한다. 본 명세서에서 이용되는 '비-탄소 기반 전기(non-carbon based electricity)'는 비-탄소 기반 에너지 공급원에서 생산된 전기를 의미하고, '탄소-기반 전기'는 탄소 기반 에너지 공급원에서 생산되는 전기를 의미한다.
예를 들어, 구현예들에서, 본 명세서에 개시된 올레핀 합성 플랜트 전체에 걸친 재생 전기 및/또는 열은 재생(예를 들어, 생물학적) 공급원들로부터 오는 재생 탄화수소들의 연소에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 재생 전기는 구현예들에서 농업 폐기물들이 공급되는 소화기에서 생성된 메탄을 포함하는 ENF/EC 에너지 공급원의 연소를 통해 생성될 수 있다. 마찬가지로, 구현예들에서, 단주기 탄소 폐기물을 사용하여 생성된 합성 가스를 포함하는 ENF/EC 에너지 공급원은 연료로서 이용될 수 있다(예를 들어, 재생 전기 및/또는 열을 생성하기 위해 연소됨). 바람직하게는, 그러한 연소에 의해 생성된 이산화탄소는 (예를 들어, 새로운 작물의 성장에 의해) 회수된다.
본 명세서에서 이용되는, 연료를 '외부적으로(externally)' 연소시키는 것은 반응기의 외부, 예를 들어 로에서 연료를 연소시키는 것을 지칭한다. 일차 반응의 일부인 연소(예컨대, 자열 개질(autothermal reforming, ATR)에서 개질과 함께 발생하는 연소)는 '외부' 연소로 간주되지 않는다. 본 명세서에서 이용되는 '전용(dedicated)' 연료는 연료 값(가령, 연소 열)을 제공하기 위해서만 도입되고 생성물로 전환되지 않는 연료 또는 공급물 스트림의 일부이다.
본 명세서에서 이용되는 '열 전달 증기(heat transfer steam, SHT)'는 단독으로 또는 주로 에너지 또는 열 전달 매체로서 생성된 증기(예를 들어, 증기는 희석제 및/또는 반응물로 사용되지 않음)를 나타낸다.
본 명세서에서 이용되는 '순(net)' 열 입력 또는 제거는 열 입력 또는 제거를 말하며, 예를 들어 다른 공정 스트림과의 열 교환을 통해 제공되지 않는 다른 섹션 또는 스트림에서 제공되지 않는 열 입력 또는 제거와 같은 일차 에너지 소비를 초래한다. 마찬가지로, '순' 에너지는 일차 에너지 소비, 예를 들어 다른 공정 스트림과의 열 교환을 통해 제공되지 않는 열 에너지와 같은 플랜트의 다른 섹션이나 스트림에서 제공되지 않는 에너지를 초래하는 에너지를 말한다.
본 명세서에서 이용되는 '전원 공급(powering)'은 기계적 및/또는 전기적 에너지를 공급하는 것을 나타낸다.
본 명세서에서 이용되는 '가열(heating)'은 열 에너지를 공급하는 것을 나타낸다. 본 명세서에서 이용되는 '냉각(cooling)'은 그로부터 열 에너지의 제거를 나타낸다. 본 명세서에서 이용되는, '직접(direct)' 가열 또는 냉각은 열 전달 매체/유체를 사용하지 않고 가열 또는 냉각하는 것을 의미하며; '간접(indirect)' 가열 또는 냉각은 열 전달 매체/유체를 통한 가열 또는 냉각을 의미한다.
본 명세서에서 이용되는 '대다수(most)' 또는 '대부분(a majority)'은 50% 이상 또는 절반 이상을 나타낸다.
본 명세서에서 이용되는, '원하는(desired)' 파라미터(예를 들어, 원하는 온도)는 파라미터에 대한 의도된 또는 목표 값, 예를 들어 공정 제어에 사용되는 설정 값과 같은 미리 결정된 값을 나타낼 수 있다.
소비된 전력량(amount of electricity consumed): 전기 소비량은 특정 위치에서 측정된 전기 사용량(가령, MW)을 의미할 수 있다. 예를 들어, 각각의 전기로의 경계 또는 전체 올레핀 합성 플랜트 경계에서 비율을 계산할 수 있다. 이러한 계산은 해당 위치 내에서 사용된 모든 전기를 고려할 수 있다.
연도 가스(flue gas): 가스 혼합물이 덕트를 통해 추출될 수 있는 발전소 및/또는 산업 플랜트에서 연료 또는 기타 재료의 연소에 의해 생성될 수 있는 가스 혼합물.
연도 가스 열 회수(flue gas heat recovery): 연도 가스 열 회수는 예를 들어, 고온의 연도 가스를 하나 이상의 열 환기들에 통과시켜 냉각 처리된 유체의 온도를 상승시키고 및/또는 상기 유체의 상을 변화시킴으로써(예를 들어, 증기를 상승시키기 위해 물을 끓임) 고온의 연도 가스로부터 유용한 열 에너지를 추출하는 것을 의미한다. 연도 가스 열 회수 후 상기 연도 가스에 남아 있는 모든 에너지를 연도 가스(에너지) 손실이라고 할 수 있다. 연도 가스 열 회수 섹션은 연도 가스 열을 회수하는 데 사용되는 장비 및 해당 장비의 위치일 수 있다. 연도 가스 열 회수 섹션이 없다는 것은 고온의 연도 가스에서 열을 회수할 장비나 구역이 없음을 의미할 수 있다.
대류 섹션(convection section): 대류 섹션은 대류 열 전달에 의해 고온의 연도 가스에서 열이 회수되는 로(예컨대, 증기 분해로 또는 개질로)의 일부일 수 있다. 대류 섹션이 없다는 것은 고온의 연도 가스로부터의 대류 열 전달에 의해 열을 회수하는 장비나 영역이 없음을 의미할 수 있다.
"무-증기" 또는 "실질적으로 무-증기": "무-증기"는 한 공정 작업에서 다른 공정 작업으로 에너지를 전달하거나 외부에서 공정으로 에너지를 가져오는 데 증기가 사용되지 않는 공정을 의미할 수 있다. "실질적으로 무-증기"는, 한 공정 작업에서 다른 공정 작업으로 에너지를 전달하거나 외부에서 공정으로 에너지를 가져오기 위해 증기를 사용하는 것은 증기를 사용하는 모든 에너지 전달의 합이 제공된 순 에너지의 약 10%, 약 20% 또는 약 30% 미만이 되도록 최소화되었다는 것을 의미할 수 있다. 반응물, 희석제로 사용되거나, 생성물로 얻거나 또는 공정 스트림과 직접 혼합되는 증기는 "공정 증기"라고 부를 수 있으며, 본 정의에 포함되지 않는다.
일차 에너지 전달 매체(primary energy transfer medium): 일차 에너지 전달 매체는 열 에너지 형태의 에너지를 한 공정 작업에서 다른 공정으로 이동하거나 에너지를 공정으로 가져오는 데 사용되는 물질일 수 있다. 물질은 하나의 공정 작업에서 다른 공정 작업으로 열을 전달하는 매체로도 작용하면서 반응물 또는 반응 희석제로 작용하는 것과 같은 공정에서 하나 이상의 목적을 수행할 수 있다. 이러한 경우, 반응물 또는 희석제로 증기를 사용하는 것이 1차적인 것으로 간주될 수 있고, 열 전달 효과도 2차적으로 고려될 수 있다.
저항 가열(resistive heating): 저항 가열은 저항 유닛들을 통해 전류를 통과시켜 가열할 수 있다.
유도 가열(inductive heating): 유도 가열은 전자기 유도에 의해 전기 전도성 물체(일반적으로 금속)를 가열하는 과정일 수 있다.
복사 가열(radiant heating): 복사 가열은 하나 이상의 보다 고온의 물체의 복사를 통해 물체를 가열하는 과정일 수 있다.
외부 연소(externally combusting): 외부 연소는 연료를 연소하여 열을 생성하고 이 열을 표면(가령, 튜브 벽)을 가로질러 공정 유체로 전달하여 연소 생성물이 공정 유체와 혼합되지 않도록 하는 것을 의미할 수 있다.
열전 장치(thermoelectric device): 열전 장치는 열전대에서 온도 차이를 전압으로(또는 그 반대로) 직접 변환하는 장치일 수 있다.
등온 동작(isothermal operation): 등온 동작은 일정한 온도에서 작동할 수 있다. 등온 동작은 미리 결정된 동작 온도의 0.5%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%에서 최대 10%까지 온도를 유지할 수 있다.
대류 열 전달(convective heat transfer): 대류 열 전달은 유체 또는 유체의 이동에 의해 한 위치에서 다른 위치로 열이 이동하는 것일 수 있다.
상기 정의의 대부분은 실질적으로 당업자에 의해 이해되는 바와 같지만, 하나 이상의 상기 정의는 현재 개시된 주제에 대한 본 명세서의 특정 설명으로 인해 당업자에 의해 통상적으로 이해되는 의미와 상이한 방식으로 상기에서 정의될 수 있다.
도 1은 전형적인 전통적인 화학 공정의 개념도를 보여준다. 이러한 공정의 목표는 종종 일부 부산물(스트림(C)로 표시됨)도 생성되지만 공급물(A)을 생성물(B)로 전환하는 것이다.
이러한 변환을 수행하는 데 사용되는 유닛 동작에는 상당한 양의 에너지가 필요하다. 일반적으로 이러한 에너지는 주로 천연 가스인 연료를 연소하여 열을 발생시켜 공급되며, 도 1에 ΔHc(예컨대, 연소 열)로 표시된다. 이로 인해 바람직하지 않은 이산화탄소(CO2) 생산 및 배출이 발생한다. 상기 반응이 발열성(exothermic)인 경우 반응 열(ΔHr)에 의해 추가 에너지가 공급될 수 있다; 상기 반응이 흡열성(endothermic)인 경우 ΔHr과 동일한 추가 에너지가 추가되어야 한다. ΔHbp로 표시되는 일부 부산물들이 연소되어 에너지를 생산하는 경우, 총 에너지 균형도 영향을 받을 수 있다. 그러나 발열 반응들을 포함하는 많은 화학 공정들은 순 에너지 소비자들이므로 순 공정 에너지를 제공하기 위해 외부 에너지 공급원(일반적으로 탄화수소 연료(들)에 의해 제공됨)가 필요한다.
전기는 일반적으로 대다수의 화학 생산 공정에 대한 작은 외부 입력에 불과하다. 조명 또는 제어와 같은 내부 전기 요구 사항은 일반적으로 무시할 수 있을 정도로 작고, 많은 양의 전기를 필요로 하는 소수의 공정들(예컨대, 전기화학 반응기들(즉, 염소(Cl2)와 수산화나트륨(NaOH)을 만드는 염소-알칼리 공정))에서 이러한 전기는 일반적으로 탄화수소들의 연소에 의해 플랜트 경계 내에서 생성되고, 플랜트 경계 내에서 생성되지 않는 경우에도 재생 가능하게 하기 보다는 탄화수소 연소로 전기를 얻는 경우 이러한 전기 사용은 에너지 효율성 및 CO2 배출량 측면에서 탄화수소 연소를 통한 전기의 현장 생산과 동일한다.
대다수의 화학 생산 공정 내에서 에너지 소비는 세 가지 주요 범주로 편리하게 나눌 수 있다. 이러한 첫 번째 광범위한 범주(본 명세서에서 제1범주(C1)라 함)에서 열은 로에서 연료(예컨대, 천연 가스/화석 연료)의 연소에 의해 열 에너지로 직접 공급된다. (본 명세서에서 이용되는 '직접'은 증기와 같은 중간 열 전달 매체가 없음을 나타낸다.) 이러한 로들은 종종 고온에서 작동되며 큰 열 유속이 필요하다. 이러한 로들의 에너지 효율은 상기 로 연도 가스의 열 손실에 의해 제한된다. 이러한 열 손실들이 예를 들어 증기를 생성하거나 공정 가열을 제공하기 위해 에너지를 회수하기 위해 연도 가스를 냉각함으로써 최소화되는 경우에도, 연료에 포함된 화학 에너지를 사용 가능한 열 에너지로 변환하는 것은 상당한 투자와 설계 및 운영 유연성의 손실에도 불구하고 일반적으로 85~90%를 초과하지 않는다.
화학 공정에서 에너지 소비의 두 번째 광범위한 범주(본 명세서에서 제2범주(C2)라 함)는 주로 온도를 미리 결정된 반응 온도로 올리거나 분리, 가장 일반적으로 증류(distillation)를 위한 에너지를 제공하기 위해 다양한 화학 스트림의 가열을 포함한다. 이것은 열의 일부는 다른 화학 스트림들과 교환하여 얻을 수 있지만, 이는 가장 전형적으로는 탄화수소 연료들(가령, 천연 가스/화석 연료)의 연소에 의해 직접 생성된 증기 또는 고온 로들(가령, 범주(C1))의 연도 가스에서 열 전달에 의해 제공된다. 대다수의 현대 화학 공정은 에너지가 초과된 곳에서 필요한 곳으로 에너지를 이동시키기 위해 비교적 복잡한 증기 시스템(또는 본 명세서에서 간략하게 증기 열 전달 시스템이라고 하는 다른 열 전달 유체 시스템)을 포함한다. 이러한 증기 시스템에는 다양한 온도에서 열을 제공하기 위한 증기의 여러 압력 수준과, 증기 및 응축수 회수 시스템이 포함될 수 있으며, 수처리 및 오염된 응축수 처리를 포함한 부식, 파울링 및 기타 작동 상의 어려움을 겪는다. 공정 스트림들을 가열하는 데 사용할 수 있는 증기에 포함된 에너지의 비율은 일반적으로 열 전달, 증기 응축 및 보일러 물 재순환에 대한 실질적인 제약으로 인해 90~95%로 제한된다. 상기 증기가 목적 기반 외부 보일러에 의해 생성된 경우, 제1범주(C1)에서와 같이 추가로 10~15% 이상이 연도 가스로 손실되기 때문에, 상기 연료에 포함된 화학 에너지의 최대 80~85%가 화학 공정에 의해 열로 사용될 것이다.
화학 공정에서 에너지 사용의 세 번째 주요 범주(본 명세서에서 제3범주(C3)라 함)는 기계적 작업을 수행하는 데 사용되는 에너지이다. 이러한 작업은 주로 한 곳에서 다른 곳으로 유체를 가압하고 이동시키는 데 사용되며, 펌프들, 압축기들 및 팬들과 같은 회전 장비를 구동하는 데 사용된다. 이러한 제3범주(C3)에는 주로 압축에 의해 구동되기 때문에 냉동 장비도 포함된다. 대다수의 화학 시설에서, 이러한 작업을 위한 에너지는 증기에 의해 제공되는데, 이러한 증기는 고온의 공정 스트림을 통한 열 전달, 범주(C1)의 로(예컨대, 상기 대류 섹션에서)에서 부분적으로 냉각된 연도 가스 스트림들을 통한 열 전달, 또는 목적 기반 외부 보일러에서 탄화수소들(예컨대, 천연 가스/화석 연료)의 연소로부터 얻어진다. 열 에너지를 기계적 작업으로 변환하는 데 제한이 있기 때문에, 연료로 사용되는 상기 탄화수소들의 함유된 화학 에너지에 대한 이러한 용도의 에너지 효율은 일반적으로 25~40%로 낮다.
화학 공정에서 탄화수소 연료로부터 얻은 에너지를 대체하기 위해 전기(예컨대, 재생 가능 및/또는 재생 불가능한 전기)를 사용하면, 이산화탄소 배출을 감소시키면서 전체 에너지 효율을 증가시켜 공정을 개선할 수 있다는 것이 예기치 않게 발견되었다. 경우에 따라, 화학 공정에서 탄화수소 연료에서 얻은 에너지를 대체하기 위해 전기(예컨대, 재생 가능 및/또는 재생 불가능한 전기)를 사용하는 것도 신뢰성 및 작동성을 개선하고, 예를 들어 NOx, SOx, CO 및/또는 휘발성 유기 화합물의 배출을 감소시키고 및/또는 생산 비용을 감소(예컨대, 저렴한 전기를 사용할 수 있는 경우)시킬 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 제1범주(C1)에서 로에서 연료(예컨대, 천연 가스/화석 연료)의 연소 및/또는 기타 가열에 의해 열 에너지로 일반적으로 공급되는 열은 전기 가열로 대체된다. 전기 열, 전기 가열, 전기적 열 발생, 전기 히터 장치 등은 전기를 유체에 인가할 수 있는 열 에너지로 변환하는 것을 말한다. 이러한 전기 가열에는 임피던스에 의한 가열(예를 들어, 전기가 상기 유체를 운반하는 도관을 통해 흐르는 경우), 저항 가열, 플라즈마, 전기 아크, 무선 주파수(RF), 적외선(IR), UV 및/또는 마이크로파를 통한 가열, 저항성 가열 요소를 통과하여 가열, 전기 가열 요소로부터 복사에 의한 가열, 유도에 의한 가열(예컨대, 진동 자기장), 전기로 구동되는 기계적 수단(예컨대, 압축)에 의한 가열, 히트 펌프를 통한 가열, 가열될 유체를 포함하는 튜브들 위로 비교적 고온의 불활성 가스 또는 다른 매체를 통과시킨 가열을 포함하되, 여기서, 뜨거운 불활성 가스 또는 다른 매체는 전기적으로 가열되거나 이들의 일부 조합에 의해 가열되나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 제2범주(C2)에서와 같은 증기(또는 다른 열 전달 유체)의 사용이 제거되고 및/또는 중간 열 전달 매체로만 사용되는 모든 증기(또는 기타 유체)가 전기적으로 생성되거나 가열된다(예컨대, 물의 전기 가열을 통해).
본 발명의 구현예들에 따르면, 제3범주(C3)에서 사용되는 종래의 회전 장비(예를 들어, 증기 터빈들)는 전기 구동 장치로 대체된다. 본 발명의 구현예들에 따르면, 제3범주(C3)의 열 제거는 전기-동력 열 제거, 예를 들어 냉각 및/또는 냉각으로 대체된다. 전기 냉각, 전기 냉각기들, 전기적 열 제거, 전기 냉각 또는 냉동 장치 등은 유체에서 열 에너지를 제거하는 것을 말한다. 그러한 전기 냉각은 전기 동력 장치에 의한 냉각을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 전기 냉각은 전기로 냉각 사이클에 전력을 공급함으로써 제공될 수 있으며, 여기서 냉매는 전동식 압축기에 의해 압축되나, 이에 제한되지 않는다. 다른 예로서, 전기 냉각은 공기를 송풍하는 냉각 팬에 동력을 공급함으로써 제공될 수 있으며, 여기서 공기는 공정 유체 또는 요소를 냉각시킨다. 구현예들에서, 전기 가열 및 냉각은 임의의 전기 소스에 의해 영향을 받을 수 있다.
도 2는 본 발명의 구현예에 따른 재생 에너지에 의해 구동되는 화학 공정의 개략도이다. 도 2를 참조하면, 재생 에너지에 의해 구동되는 공정은 구현예들에서 기존의 화학 공정과 유사하게 보일 수 있다. 그러나 연료에 의해 공급되는 에너지 입력의 부분, 대부분 또는 일부 경우에 실질적으로 전부는 재생 에너지 및/또는 재생 전기로 대체될 수 있다. 비-탄소 기반 에너지, 재생 에너지, 및/또는 재생 전기에 의한 연료 입력의 이러한 대체는 구현예들에서 CO2 배출량의 상당한 감소를 허용할 것이다. 구현예들에서, 재생 에너지의 임의의 이용 가능한 형태가 사용될 수 있다. 그러나 재생 전기를 이용하는 경우 이득이 가장 클 수 있다. 상기 재생 에너지는 예를 들어, 태양광 발전, 풍력 또는 수력 발전으로부터 얻을 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 다른 유형의 재생 에너지가 또한 본 발명의 구현예들에 따른 화학 플랜트에 적용될 수 있다. 예를 들어, 구현예들에서, 집중된 태양열 발전, 지열 에너지, 및/또는 직접적인 태양열 가열의 사용은 열 에너지를 제공하고, CO2 방출을 감소시키기 위해 사용될 수 있다.
(가령, 재생) 전기를 통해 필요한 에너지를 공급하는 주요 이점 중 하나는 상기 공정의 에너지 효율성이 증가할 수 있다는 것이다. 표 1은 위에서 설명한 C1, C2, C3으로 설명된 화학 플랜트의 세 가지 에너지 사용 범주를 예시한 유닛 작업들의 에너지 효율을 보여준다. 표 1에서 세 가지 에너지 소비 범주 각각의 효율은 전력을 사용할 때 더 크다는 것을 알 수 있다. 본 발명의 구현예들에 따라, 상기 이득은 회전 장비 용 증기 구동들이 증기 구동들의 에너지 효율의 3배만큼 작동할 수 있는 전기 모터(위에서 논의된 제3범주(C3)에서와 같이)로 교체될 때 가장 클 수 있다. 탄소-기반 연료 연소를 통한 전기 생성은 에너지 효율이 30~45%에 불과하기 때문에 이러한 이득은 전기가 비-탄소 기반 재생 공급원에서 파생된 경우에만 실현된다. 가열 어플리케이션들에 재생 전기를 사용할 때의 에너지 효율 이득(위에서 논의된 제1범주(C1) 및 제2범주(C2)에서와 같이)은 작지만 여전히 중요하다. 상기 순(net) 결과는 재생 에너지가 탄소-기반 연료(예컨대, 천연 가스 또는 기타 탄화수소들) 대신 사용되는 경우 총 에너지가 덜 사용될 것이라는 것이다.
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본 발명에 따르면, 비-탄소 기반 에너지, 재생 에너지 및/또는 전기(예컨대, 재생 가능 및/또는 재생 불가능한 공급원으로부터)는 위에 설명된 범주들(C1, C2 및/또는 C3)의 기존 에너지 공급원보다 이용될 수 있다. 구현예들에서, 전기화(electrification)는 대부분의 또는 실질적으로 모든 유틸리티에 이용된다. 구현예들에서, 전기화는 대부분의 또는 실질적으로 모든 유닛 작업들에 대해 이용된다. 구현예들에서, 전기화는 대부분의 또는 실질적으로 모든 유틸리티 및 유닛 작업들에 사용된다. 구현예들에서, 전기화는 대부분의 또는 실질적으로 모든 공정 어플리케이션들, 엔진들, 냉각 및/또는 가열(예를 들어, 전기 구동 열 펌프들, 냉동, 전기 가열), 복사, 저장 시스템, 또는 이들의 조합에 대해 이용된다.
구현예들에서, 상기 비-탄소 기반 및/또는 재생 에너지 공급원은 풍력, 태양열, 지열, 수력, 원자력, 조력, 파력, 해양 열 구배 동력, 압력-지연 삼투(pressure-retarded osmosis), 또는 이들의 조합을 포함한다. 구현예들에서, 상기 비-탄소 기반 에너지 공급원은 수소를 포함한다. 구현예들에서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 전기화를 위한 전기는 이러한 재생 및/또는 비-탄소 기반 에너지 공급원으로부터 생성된다. 구현예들에서, 전기화의 일부 또는 전부는, 탄화수소들(예컨대, 재생 가능 또는 재생 불가능한 탄화수소들), 석탄 또는 탄화수소들(예컨대, 재생 가능 또는 재생 불가능한 탄화수소들)에서 파생된 수소의 연소와 같은 재생 불가능 및/또는 탄소-기반 공급원에서 얻어지나, 이에 제한되지 않는다.
대다수의 화학 플랜트에서 배출되는 대부분의 CO2는 상기 플랜트에 에너지를 제공하기 위한 화석 연료 연소의 결과이다. 본 발명의 구현예들에 따라, 화학 합성에서 재생 에너지를 사용하는 추가 이점은, 배출되는 온실 가스의 양이 탄화수소 및/또는 화석 연료가 연소될 수 있는 동등한 재래식 화학 합성 플랜트 또는 방법에 비해 상당히 감소될 것이다(예를 들어, 적어도 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 100% 이상). 탄화수소들(예컨대, 천연 가스, 메탄)을 연소하여 에너지를 생성하면 이산화탄소(CO2)가 생성된다; 이러한 생산은 본 발명의 구현예들에 따른 재생 에너지의 사용에 의해 감소되거나 회피될 수 있다. 본 발명의 구현예들에서, 생산된 생성물 톤당 생산된 CO2의 양이 화학 생성물(가령, 올레핀(들)) 톤당 약 1.6, 1.5, 1.4, 1.3, 1.2, 1.1, 1.0, 0.75, 0.5, 0.3, 0.25, 0.2, 0.1, 0.05, 또는 0톤 CO2 이하로 감소된다. 또한, 본 발명의 구현예들에서, 재생 에너지를 사용하면 일반적으로 화학 공급원료(예컨대, 메탄올 제조용)로 사용하기 위해 연료로 연소되는 이러한 탄화수소들(예컨대, 천연 가스, 메탄)이 제거되며, 이는 더 높은 가치의 사용이다.
화학 물질 생산에 재생 전기를 사용하면 운영상의 이점도 얻을 수 있다. 예를 들어, 구현예들에서, 전력은 예를 들어 반응기를 따라 온도 프로파일을 제어하거나 증류 컬럼에서 특정 트레이들의 온도를 변경하기 위해 더 정확하고 조정 가능한 열 입력을 제공하는 데 사용될 수 있다. 구현예들에서, 반응 섹션(예를 들어, 열분해 반응 섹션)에서 전기 가열의 사용은 더 잘 제어된 탈코크스화 및/또는 더 빠른 탈코크스화를 유도한다. 다른 실시예들로서, 분리 효율성을 높이기 위한 전력 냉각 유닛들의 사용, 비효율적인 대기 가스 연소 보일러를 신속하게 작동하는 주문형 전기 히터들 및 증기 발생기들로 교체하고, 기타 유틸리티 용도로 사용하는 것이 포함되나, 이에 제한되는 것은 아니다. 전기를 사용하면 시작 또는 종료하는 동안 또는 공정 변동에 대응하는 동안 상당한 운영상의 이점을 얻을 수 있다. 일반적으로 에너지 공급원인 전기는 공정 변화에 신속하게 반응하여 특정 위치에 정확하고 조정 가능한 양으로 적용할 수 있으므로 열/연소 에너지 사용에 비해 다양한 이점이 있다.
본 발명의 구현예들에 따른 재생 전기의 사용은 또한 하나 이상의 화학 플랜트(예컨대, 올레핀 합성 플랜트 및 인근 암모니아 합성 플랜트 또는 올레핀 합성 플랜트 및 인근 메탄올 합성 플랜트)에 에너지를 공급하는 유틸리티의 에너지 효율을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 여러 다른 생산 시설들에 산소와 질소를 공급하는 공기 분리 유닛의 상기 압축기들이 재생 전기로 구동되는 경우, 천연 가스 연소에서 파생된 증기로 이러한 전력을 공급하는 것과 비교하여 상당한 에너지 이득을 얻을 수 있다.
에너지 회수는 구현예들에서 고온 열 펌프들 또는 증기 재압축을 통해 제공될 수 있다. 상기 플랜트는 예를 들어 간헐적 에너지 공급원(IES)이 사용될 때 사용하기 위한 열 및/또는 에너지 저장을 추가로 포함할 수 있다. 구현예들에서, 폐열은 전기 구동 열 펌프를 통해 사용 가능한 온도 수준으로 업그레이드될 수 있다. 다른 구현예들에서, 제어 밸브 대신에 발전 터빈을 사용함으로써 공정 스트림 압력이 감소될 때 에너지가 전기로서 회수될 수 있다. 다른 구현예들에서, 에너지는 열전 장치들을 사용하여 전기로서 회수될 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 에너지 공급원으로서 천연 가스 또는 기타 탄화수소들을 대체하기 위한 재생 전기의 사용은, 기존 화학 공정(예컨대, 기존 올레핀 합성 플랜트)의 개조의 일부로 또는 새로운 화학 플랜트(예컨대, 새로운 올레핀 합성 플랜트) 설계의 필수 구성 요소로 수행할 수 있다. 개량에서, 재생 에너지 사용 기회는 증기 시스템과 같은 기존 설계 요소에 따라 달라질 수 있다; 이러한 고려 사항을 고려하지 않고 개별 장비에 전기를 공급하면 에너지 비효율이 발생할 수 있기 때문에, 개조에서, 전체 에너지 균형과 증기 시스템에 대한 세심한 검토가 필요하다. 구현예들에서, 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 회전 장비(예컨대, 제3범주(C3)에서)용 증기 구동 장치를 전기 모터로 교체하면 가장 높은 효율을 얻을 수 있다. 그러나 다른 목표는 부분 전기화에서 다른 선택으로 이어질 수 있다; 구현예들에서, 경우에 따라 에너지 효율의 더 작은 증가를 희생시키면서 더 큰 CO2 감소가 때때로 탄화수소 가열로(예컨대, 제1범주(C1)에서)를 먼저 교체함으로써 실현될 수 있다. 구현예들에서, 열 에너지 및/또는 증기가 하나 이상의 탄화수소 공급원으로부터 얻어지는 경우, 가장 유리한 작동은 가장 비싸거나 오염된 연료 소스를 먼저 제거함으로써 달성될 수 있다. 얼마나 많은 재생 에너지를 포함할 수 있으며, 기존 연료 소비와 이산화탄소(CO2) 배출량을 어느 정도 줄일 수 있는지는 어플리케이션들에 따라 다를 수 있으며, 본 발명을 읽을 때 당업자의 기술 범위 내에 있을 것이다.
구현예들에서, 기초 화학 시설(예: 기초 올레핀 합성 플랜트(grass-roots olefin synthesis plant)) 설계에 재생 에너지 사용을 계획하면 더 나은 에너지 효율성과 낮은 CO2 배출량을 위한 더 중요한 기회를 얻을 수 있다. 구현예들에서, 에너지 효율의 큰 이득을 실현하기 위해 전기로 모든 회전 장비(예를 들어, 제3범주(C3)에서)에 전력을 공급하는 것이 이용된다. 구현예들에서, 실질적으로 모든 (또는 대부분, 또는 40, 50, 60, 70, 80 또는 90% 초과) 전기 가열(예컨대, 제1범주(C1) 및/또는 제2범주(C2))이 사용되며, 손실로 인한 비효율 연도 가스의 열이 실질적으로 감소되거나 심지어 방지된다. 구현예들에서, 화석 연료(예를 들어, 제2범주(C2)에서)의 연소를 통해 생성된 증기의 사용은 최소화되거나 완전히 회피할 수 있다. 구현예들에서, 촉매의 변화 및/또는 반응기 작동 조건들의 수정은 반응기에서 더 적은 열 발생 및/또는 연소되는 더 적은 부산물의 생성을 허용하기 위해 활용된다. 구현예들에서, 재생 전기의 사용을 기반으로 하는 플랜트(예컨대, 올레핀 합성 플랜트) 설계는 압축 및 냉각의 상대적 비용은 본 발명에 따라 재생 전기의 활용을 통해 변경되기 때문에 분리 작업들의 향상된 최적화를 허용한다. 이러한 강화된 분리들은 또한 구현예들에서 배출 스트림으로부터 소량 부산물들의 추가 포획을 허용하여, 이러한 소량 생성물을 공급원료 또는 생성물로서 추가 사용을 위해 자유롭게 할 수 있다. 또한, 본 발명의 구현예들에 따르면, 저비용 전기의 사용은 새로운 기술의 도입(가령, 하이브리드 가스 및 전기 히터들, 가변 속도 압축기 구동들, 분산 냉각, 열 펌프들, 개선된 증류 컬럼들, 유체의 수동 태양열 가열, 반응기 온도 프로파일들의 정밀한 제어, 새로운 구성 재료들, 전기 냉각 희석제들을 사용한 급랭 또는 냉각 등이나 이에 제한되지 않음)을 가능하게 할 수 있다. 전기 비용이 충분히 낮으면 본 명세서에서 교시된 전기의 활용이 새로운 전기화학적 공정의 도입에 유리할 수 있다. 새로운 건설의 경우, 예를 들어 (가령, 플랜트-전반) 증기 분배 시스템이 부족하기 때문에 공정을 전기적으로 구동하는 것이 자본 집약적일 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 비-탄소 기반 에너지, 재생 에너지 및/또는 전기(재생, 재생 불가능한, 탄소-기반 및/또는 비-탄소 기반 전기)는 메탄올, 암모니아, 올레핀들(예컨대, 에틸렌, 프로필렌), 방향족들, 글리콜들 및 중합체를 포함하지만 이에 국한되지 않는 거의 모든 화학 물질의 생산에 사용될 수 있다. 비-탄소 기반 에너지, 재생 에너지 및/또는 전기는, 구현예들에서 메틸 3차-부틸 에테르(methyl tert-butyl ether, MTBE) 합성, 분해, 이성질체화 및 개질과 같은 연료 생산 및 화학 물질을 위한 공급원료의 제조에 사용될 수도 있다. 그러한 구현예들에서, 플랜트/공정 또는 그 섹션 전체에 걸친 가열의 일부, 대부분 또는 전부가 전기 가열에 의해 제공될 수 있고, 및/또는 상기 플랜트/공정 또는 그 섹션 전체에 걸친 냉각의 일부, 대부분 또는 전부가 전기 냉각에 의해 제공될 수 있다. 올레핀 합성(예를 들어, 증기 분해) 응용 분야에서 재생 에너지, 비-탄소 기반 에너지 및/또는 전기의 사용이 하기에 개시되어 있다.
2019년 1월 15일에 제출된 "Use of Renewable Energy in Olefin Synthesis(올레핀 합성에서 재생 에너지의 사용)"이라는 명칭의 미국 임시 특허출원 제62/792,612호 및 제62/792,615호, 미국 임시 특허출원 제62/792,617호 및 "Use of Renewable Energy in Ammonia Synthesis(암모니아 합성에서 재생 에너지 사용)"라는 명칭의 미국 임시 특허출원 제62/792,617호 및 제62/792,619호, "Use of Renewable Energy in Methanol Synthesis(메탄올 합성에서 재생 에너지 사용)"라는 명칭의 미국 임시 특허출원 제62/792,622호 및 제62/792,627호, 및 "Use of Renewable Energy in the Production of Chemicals(화학 물질 생산에 재생 에너지 사용)"라는 명칭의 미국 임시 특허출원 제62/792,631호, 제62/792,632호, 제62/792,633호, 제62/792,634호, 및 제62/792,635호의 개시는 본 발명에 반하지 않는 목적으로 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 상기 올레핀 합성 플랜트의 하나 이상의 섹션들, 유닛들 또는 유닛들 또는 유닛들의 그룹들에 의해 요구되는 순 에너지의 대부분이 비-탄소 기반 에너지 공급원(예컨대, 탄화수소와 같은 탄소-기반 연료의 연소를 통해 생성되지 않음)으로부터, 재생 에너지(예컨대, 비-화석 연료 파생 에너지(ENF)) 및/또는 전기의 비-탄소 기반 에너지(ENC)에 의하여 제공되도록 구성되는 경질 올레핀들(예컨대, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 부타디엔)을 제조하기 위한 올레핀 합성 플랜트를 기술한다. 상기 ENC 또는 ENF 공급원은 구현예들에서 전기를 포함하거나, 주로 포함하거나, 본질적으로 구성되거나, 또는 구성될 수 있다. 상기 ENC 또는 ENF 공급원은 구현예들에서 재생 전기를 포함하거나, 주로 포함하거나, 본질적으로 구성되거나, 구성될 수 있다. 구현예들에서, 전체 올레핀 합성 플랜트, 상기 플랜트의 섹션(예컨대, 공급물 전-처리 섹션, 열분해 반응 섹션, 일차 분별 및 압축 섹션, 및/또는 생성물 분별 섹션), 이와 유사한 유닛들의 그룹(예컨대, 압축기, 전원 공급 유닛들, 가열 유닛들, 리보일러들, 냉각 유닛들, 냉동 유닛들, 분리기들, 증류/분별 컬럼들, 로들/열분해 반응기들, 리보일러들) 또는 상기 플랜트의 유닛 동작들(예컨대, 압축, 전원 공급, 분해 작업들, 분리, 가열 작업들, 냉각 작업들)에 의해 필요한 순 에너지의 일부(예컨대, 약 5, 10, 20, 30, 40, 50 이상), 대부분(예컨대, 약 50, 60, 70, 80, 90, 또는 95% 이상) 또는 전부(예컨대, 약 100%)가 전기, 재생 에너지(예컨대, 비-화석 연료 파생 에너지(ENF)) 및/또는 비-탄소 기반 에너지(ENC)에 의해 제공된다. 구현예들에서, 전기는 풍력(예컨대, 풍력 터빈들을 통해), 태양(예컨대, 광전지(PV) 패널들 또는 태양열), 수력, 파력, 지열, 원자력, 조력, 대체 작물에서 CO2 포집과 관련된 바이오매스 연소 또는 이들의 조합과 같은 재생 에너지 공급원으로부터 제공되나, 이에 제한되지는 않는다. 일부 구현예들에서, 전체 올레핀 합성 플랜트, 상기 플랜트의 섹션(예컨대, 공급물 전-처리 섹션, 열분해 반응 섹션, 일차 분별 및 압축 섹션, 및/또는 생성물 분별 섹션), 상기 올레핀 합성의 유닛 또는 이와 유사한 유닛들(예컨대, 압축기, 전원 공급 유닛들, 가열 유닛들, 리보일러들, 냉각 유닛들/냉동 유닛들, 분리기들, 증류/분별 컬럼들, 로들/열분해 반응기들, 리보일러들)의 그룹들 또는 유닛 작업들(예컨대, 압축, 전원 공급, 분해 작업들, 분리들, 가열 작업들, 냉각 작업들) 또는 이들의 조합에 필요하고, 연료, 탄소-기반 연료 및/또는 화석 연료의 연소 및/또는 중간 열(및/또는 에너지) 전달 유체로서의 증기(예컨대, 그러한 연료의 연소를 통해 자체적으로 생성됨)의 사용을 통해 유사한 올레핀 합성 플랜트에서 통상적으로 제공되는 상기 전기, 재생 에너지(예컨대, 비-화석 연료 파생 에너지(ENF)) 또는 비-탄소 기반 에너지(ENC)의 일부(예컨대, 약 5, 10, 20, 30, 40, 50 이상), 대부분(예컨대, 약 50, 60, 70, 80, 90, 또는 95% 이상) 또는 전부(예컨대, 약 100%)는, 연료, 탄소 기반 연료 및/또는 화석 연료를 연소하지 않고 및/또는 중간 열(및/또는 에너지) 전달 유체와 같은 연료의 연소에 의해 생성된 증기를 사용하지 않는다. 구현예들에서, 전체 플랜트 또는 상기 플랜트의 하나 이상의 섹션들, 유닛들 또는 이와 유사한 유닛들의 그룹의 순 에너지는 재생 에너지 공급원의 전기에 의해 제공된다. 예를 들어, 구현예들에서, 가열은 저항 가열을 통해 전기적으로 제공되거나 그렇지 않으면 전기 에너지를 열 및/또는 기계적 에너지로 변환한다.
구현예들에서, 본 발명의 올레핀 합성 플랜트는 하나 이상의 열분해 반응기들, 상기 공급물 준비 시스템, 상기 생성물 정제 시스템 또는 이들의 조합을 통해 이용되는 전력 공급, 가열, 냉각, 압축 또는 이들의 조합에 필요한 순 에너지의 대부분(예를 들어, 50, 60, 70, 80, 또는 90% 초과)이 전기에 의해 제공되도록 구성된다.
구현예들에서, 본 발명의 구현예들에 따른 올레핀 합성 플랜트는 연간 약 10,000톤, 연간 500,000톤, 연간 1,000,000톤, 연간 3,000,000톤 또는 연간 10,000,000톤 이상의 에틸렌 생산 능력을 가지는 대형 플랜트이다. 본 발명에서 예상되는 더 큰 크기들에서, 비-탄소 기반 에너지 소스, 재생 에너지 소스 및/또는 전기에 의해 제공되는 에너지의 양은 이에 상응하게 클 것이다. 구현예들에서, 본 발명의 방법에 따른 부분적으로 또는 완전히 전기화된 플랜트는 50, 100, 150, 200, 250, 500, 또는 750MW 이상의 전기를 소비할 것이다.
석유화학 제품의 주요 구성 요소인 올레핀을 생산하기 위한 탄화수소들의 상기 증기 분해는 에너지 집약적 공정이다. 증기 분해를 통해 생산되는 상기 올레핀들에는 에틸렌, 프로필렌, 부텐, 부타디엔 등과 같은 경질 올레핀들이 포함된다. 이러한 올레핀들은 예를 들어, 중합체, 화학 중간체 및 합성 고무의 제조에 사용될 수 있다. n-부텐, 이소부틸렌, 부타디엔, 이소프렌 및 열분해 가솔린과 같은 부산물들도 생성된다. 상기 공급물 스트림은, 나프타, 에탄, 프로판, 부탄, LPG, 응축물, 가스 오일, 미전환 하이드로 왁스(하이드로 크래커 바텀들), 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 왁스, 수소 처리된 원유 및 원유 유도체, 재순환 플라스틱들, 바이오 오일들, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 바와 같이, 올레핀 합성 플랜트의 상기 전기화를 설명하기 위해 올레핀 합성 플랜트의 특정 구현예들이 이용될 것이지만, 유닛들의 수많은 배열 및 다양한 증기 분해 또는 기타 올레핀 합성 기술들이 본 발명에 따라 전기화될 수 있는 것으로 이해되어야 하며, 이는 본 명세서의 설명을 읽을 때 당업자에게 명백할 것이다. 또한, 특정 올레핀 합성 플랜트 및 방법(예컨대, 증기 분해 플랜트 및 방법)을 참조하여 설명되었지만, 본 명세서에 기재된 바와 같은 전기화는 증기 분해(예컨대, 석탄 또는 석유 코크스 가스화) 이외의 기술들을 이용하는 올레핀 합성 플랜트에서 이용될 수 있고, 이러한 구현예들은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다는 것이 이해되어야 한다.
일반화된 증기 분해 플랜트 또는 공정(I)의 블록 흐름도인 도 3을 참조하면, 증기 분해 플랜트(steam cracking plant)는 공급물 스트림(feed stream)(5)을 소정의 올레핀 생성물 스트림(olefin product stream)(50)으로 전환하기 위한 다음 공정 섹션 중 하나 이상을 포함하는 것으로 간주될 수 있다: 공급물 전-처리 섹션(feed pretreatment section)(10), 열분해 반응 섹션(pyrolysis reaction section)(20), 일차 분별 및 압축 섹션(primary fractionation and compression section)(30), 생성물 분별 또는 '분리' 및 압축 섹션(product fractionation or 'separation' and compression section)(40), 또는 이들의 조합. 이러한 섹션들은 다음 몇 단락에서 간략하게 설명하고, 아래에서 더 자세히 설명한다.
도 3의 상기 증기 분해 블록 흐름도에 표시된 바와 같이, 증기 분해 플랜트(I)의 공급물 전-처리 섹션(10)은 공급물로부터 바람직하지 않은 성분들(예를 들어, 이산화탄소(CO2), 수은, 물)을 제거하고, 유입된 공급물을 저장된 공급물과 결합하여 상기 열분해 반응 섹션(20)으로의 상기 공급물의 변화를 최소화하고, 및/또는 상기 공급물(5)을 예열하여 전-처리된 공급물 스트림(pretreated feed stream)(15)를 제공하도록 구성될 수 있다.
상기 열분해 반응 섹션(20)은 증기의 존재 하에 탄화수소를 분해하여 분해된 가스 스트림을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 증기 분해기(steam cracker) 또는 '열분해' 로(‘pyrolysis' furnace), 및 상기 분해된 가스 스트림으로부터 열을 회수하여 냉각된 분해된 스트림(cooled cracked stream)(25)을 제공하기 위한 전달 라인 교환기(transfer line exchanger)(TLE) 또는 일부 다른 열 전달 장치를 포함할 수 있다. 일반적으로 증기 분해 플랜트의 로들은 메탄 및 수소와 같은 연료들의 연소에 의해 고온 환경을 조성한다. 이러한 공정은 기존의 증기 분해 플랜트/공정에서 배출되는 이산화탄소의 주요 원인이다. 상기 로들은 일반적으로 상기 반응기 튜브들이 상기 분해 반응들이 일어나는 온도로 가열되는 복사 섹션(radiant section), 및 공급 원료가 상기 반응기 튜브에 도입되기 전에 예열되고 희석제 증기와 혼합되는 대류 섹션(convection section)으로 구성된다. 상기 로의 상기 대류 섹션은 일반적으로 열을 회수하고 증기를 발생시키는 데 이용되며, 이는 일반적으로 하류 압축기를 구동하고 가열 목적으로 이용된다. 아래에 설명된 상기 열분해 섹션의 하나 이상의 수정에 의해 이산화탄소 배출이 감소될 수 있으며, 일반적으로 연료로 연소되는 탄화수소(예컨대, 메탄, 에탄)는 화학 물질 생산을 위한 추가 공급 원료로 활용될 수 있으며, 여분의 증기 생산(예컨대, 열분해 반응 섹션(20)의 상기 로(들)에서 희석제로 사용되는 것 외에)은 감소되거나 제거될 수 있고/있거나 상기 로들의 에너지 효율이 증가될 수 있다.
상기 일차 분별 및 압축 섹션(30)은 상기 냉각된, 분해된 가스 스트림(25)으로부터 추가 열 회수 및 켄칭을 제공하도록 구성될 수 있으며, 상기 분해된 가스 스트림(25)으로부터 하나 이상의 성분들(예를 들어, 연료유(fuel oil), 황화수소(hydrogen sulfide), 이산화탄소(carbon dioxide), 물(water), 또는 이들의 조합)을 제거하고, 및/또는 상기 분해된 가스 스트림(25)을 압축하여, 압축된, 분해된 가스 스트림(compressed cracked gas stream)(38)을 제공한다.
상기 생성물 분별 또는 분리 섹션(40)은 상기 압축된, 분해된 가스 스트림(38)을 분별하고, 상기 분별 동안 생성된 하나 이상의 스트림을 선택적으로 수소화하고, 하나 이상의 올레핀(예를 들어, 에틸렌, 프로필렌) 생성물 스트림(50)을 제공한다. 상기 생성물 분별 또는 분리 섹션(40)은, C1 스트림, C2 포화 스트림, C3 포화 스트림, C4 포화 스트림, 아세틸렌 스트림, 부타디엔 스트림, 1-부텐 스트림, 이소부틸렌 스트림, 방향족 스트림, 수소 스트림, 열분해 가솔린 스트림, 및/또는 연료유 스트림, 또는 이들 성분들의 조합을 포함하는 스트림들과 같은 하나 이상의 부산물 스트림들(60)을 제공할 수 있으나, 또한 이에 제한되지는 않는다. 이들 스트림 중 일부는 상기 증기 분해 플랜트 I의 하나 이상의 섹션으로 재활용될 수 있다. 예를 들어, 상기 C2, C3, 및/또는 C4 포화물 스트림들은 상기 열분해 반응 섹션(20)의 상기 열분해 로들 중 하나 이상으로 재순환될 수 있고, 수소는 정제되어(가령, 압력 스윙 흡착(pressure swing adsorption, PSA) 유닛 및 메탄화 반응기(methanation reactor)를 통해 CO를 제거함) 수소화 반응기로 재순환될 수 있고(가령, C2, C3, 아세틸렌 또는 디올레핀 수소화기), 및/또는 연료 공급원(가령, 연료 전지를 통해)으로 이용될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 C1 스트림은 또한 연료로 사용하기 위해(예를 들어, 이로부터 수소를 생산하기 위해) 재순환될 수 있다.
도 3에 도시되고 위에서 언급한 바와 같이, 상기 증기 분해 플랜트 또는 단위와 같은 단위의 하나 이상의 섹션 또는 그룹 또는 그 단위 작업에 또는 내부에 에너지 입력은(그것은 통상적으로 탄소 기반 에너지 공급원으로부터 탄소 기반 에너지(EC)(2A), 화석 연료-기반 에너지 공급원으로부터 화석 연료 파생 에너지(EF)(3A) 또는 열 또는 에너지 전달 매체(SHT)(1)로서 단독으로 또는 주로 증기(예컨대: 탄소 또는 화석 연료 기반 에너지 공급원에서 파생된 에너지를 사용하여 이러한 목적으로 생성된 증기)의 사용을 통해 제공될 수 있다.), 비-탄소 기반 에너지 공급원의 비-탄소 기반 에너지(ENC)(2B), 재생 에너지 공급원의 재생/비-화석 연료 기반 에너지(ENF)(3B) 및/또는 전기(가령, 전기 및/또는 재생 전기)로 부분적으로 또는 완전히 대체될 수 있다. 상기 탄소 기반 에너지(EC)(2A), 상기 화석 연료 파생 에너지(EF)(3A), 또는 둘 다 전기로 부분적으로 또는 완전히 대체될 수 있다. 구현예들에서 상기 전기는 비-탄소 기반 연료, 재생 연료, 또는 이들의 조합으로부터 유도될 수 있다. 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법을 통해 도출되는 이점은 상기 증기 분해 플랜트 또는 공정으로부터의 상기 온실 가스(GHG) 배출들(4)의 감소일 수 있다. 전술한 증기 시스템의 제거 또는 감소는 또한 구현예들에서 자본 및 운영 비용들을 낮출 수 있다.
본 발명에 따르면, 공정 스트림들을 냉각할 때, 다른 공정 스트림들을 가열하기 위해 가능한 한 많은 열이 사용되어야 한다. 그러나 특정 온도 이하에서는 더 이상 열 전달이 더 이상 효과적이지 않거나 유용하지 않으며 송풍기, 냉각수 및/또는 냉각 장치(열 제거를 위해 에너지 입력이 필요함)가 사용된다. 이러한 구현예들에서, 예를 들어, 공정 스트림들의 온도를 변경하기 위한 열 교환기, 냉각 유닛, 또는 이들의 조합은 전기적으로 전력을 공급받을 수 있다. 구현예들에서, 증기는 중간 열 및/또는 에너지 전달 스트림으로서만 이용되지 않으며, 그 플랜트 또는 섹션(들)은 에너지 전달을 위해 통상적으로 적용되는 것과 같은 정교한 증기 시스템을 포함하지 않는다. 구현예들에서, 증기는 열 전달 유체로 사용되며, 예를 들어 펌프 또는 압축기를 구동하기 위한 기계적 작업을 수행하는 데 사용되지 않는다. 구현예들에서, 가열은 저항 가열(resistive heating)을 통해 제공된다. 구현예들에서, 가열은 유도 가열(inductive heating)을 통해 제공된다.
본 명세서에 제공된 예들에 의해 제한되는 것은 아니지만, 본 발명의 구현예에 따라 증기 분해 플랜트가 전기화될 수 있는 방법의 일부에 대한 설명이 이제 도 4의 예시적인 증기 분해 플랜트(II)를 참조하여 제공될 것이다. 설명된 상기 단계들, 섹션들, 유닛들 또는 유닛 동작들은 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있으며, 하나 이상의 상기 단계들, 섹션들, 유닛들 또는 유닛 동작들은 상이한 단계, 섹션, 유닛 또는 유닛 동작에 의해 부재, 복제, 대체될 수 있으며, 다양한 구현예들에서 본 명세서에 설명되지 않은 추가 단계들, 섹션들, 유닛들 또는 유닛 동작들이 채용될 수 있다.
도 3의 상기 구현예를 참조하여 위에서 언급한 바와 같이, 구현예들에서, 본 발명의 증기 분해 플랜트는 공급물 전-처리 섹션(10/110)을 포함한다. 공급물은 공급물 스트림(105)을 통해 증기 분해 플랜트(II)로 도입된다. 상기 공급물은 공급물 전-처리 장치(110)에서 전-처리되어, 전-처리된 공급물(115)을 생성한다. 공급물 전-처리는 상기 공급물의 압력을 조정하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 팽창기(expander)는 공급물 라인 압력(예컨대: 500psig)을 유닛 압력(예컨대: 약 50psig)으로 변환하는 데 이용될 수 있다. 본 발명의 구현예들에서, 이러한 팽창 동안 생성된 에너지는 예를 들어, 발전기를 구동함으로써 전기로서 포획될 수 있다. 상기 공급물(105)이 바람직하지 않게 높은 수준의 이산화탄소(CO2)를 포함하는 구현예들에서, 전기 구동 유닛은 CO2를 제거하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 구현예들에서, 아민 흡수 공정이 채택될 수 있고, 재생 동안에 상기 리치 아민으로부터 흡수된 CO2를 제거하기 위해 전기 열이 이용될 수 있다. 이것은 예를 들어, 증기 스트리핑 대신에 사용될 수 있으며, 잠재적으로 상기 CO2 제거 유닛, 상기 증기 분해 플랜트의 상기 전-처리 섹션(10/110) 및 전체 증기 분해 플랜트에 필요한 증기의 양을 줄일 수 있다.
상기 공급물이 바람직하지 않은 수준의 수은을 포함하는 구현예들에서, 공급물 전-처리는 수은 제거(mercury removal)를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 구현예들에서, 공급물 스트림(105)으로부터 수은을 제거하기 위해 수은 트랩(mercury trap)이 이용된다. 그러한 구현예들에서, 상기 수은 트랩의 재생은 전기적으로(예를 들어, 전기 가열에 의해 얻어진 고온 가스로) 수행될 수 있다.
공급물 조성의 실질적인 변동이 우려되는 구현예들에서, 일부 공급물은 상기 공급물 내의 파이프라인 변동의 영향을 최소화하기 위해 액체로 저장될 수 있다. 상기 공급물이 에탄(ethane) 및/또는 프로판(propane)인 구현예들에서, 냉각(refrigeration)은 전기 압축기(electric compressor) 및/또는 열전 장치(thermoelectric device)(들)에 의해 수행될 수 있다. 이러한 구현예들에서, 상기 저장된 냉각된 에탄 및/또는 프로판은 공급물로 사용되기 전에 냉매로 사용될 수 있다. 예를 들어, 상대적으로 따뜻한 에탄 및/또는 프로판을 열분해 반응 섹션(20/120)에 도입하기 전에 다른 공정 스트림을 냉각하는 데 사용할 수 있다.
공급물 전-처리(10/110)는 공급물 예열(110')을 추가 포함할 수 있다(도 4 참조). 구현예들에서, 공급물 예열은 열분해 생성물 가스들과의 열 전달(및 냉각)을 통해 가능한 정도까지 수행된다. 공급물 예열(110')은 열분해 반응기(들) 내의 및/또는 생성물과의 열 교환에 의해 수행될 수 있으므로, 도 4에 열분해 반응 섹션(120)으로 표시되어 있다. 상기 열 전달은 하나 이상의 공급/배출 열 교환기들에 의해 직접 및/또는 열 전달제(예를 들어, 다우섬(Dowtherm) 또는 증기)를 사용하여 간접적으로 수행될 수 있다. 증기('희석 증기(111'))가 희석제로서 탄화수소 공급물에 도입됨에 따라, 열분해 생성물과의 열 전달 또는 전기 가열을 통해 증기를 생성하는 것이 바람직할 수 있으며, 상대적으로 보다 뜨거운 증기와 상대적으로 보다 차가운 공급물을 결합하여 상기 공급물을 예열하기 위해 증기를 사용하고, 이러한 증기는 이러한 경우 중간 열 또는 에너지 전달 매체로만 사용하기 위해 생성되지 않고 상기 열분해 반응기에서 희석제로 이용된다. 구현예들에서, 상기 공급물을 예열하기 위해 이용되는 열 교환기는 빌트-인 가열 요소들(built-in heating elements)을 포함한다. 구현예들에서, 상기 공급물은 상기 열분해 반응기(들)의 상기 생성물들을 냉각시키는 데 이용 가능한 더 많은 열이 이용될 수 있도록, 통상적인 증기 분해에서 전형적으로 사용되는 것보다 더 높은 온도(예컨대, 에탄의 경우 600~675℃보다 높은 온도)로 예열될 수 있다. 구현예들에서, 상기 공급물은 저항 가열에 의해(예를 들어, 열적이지만 상기 공급물을 운반하는 파이프와 반드시 전기적 접촉은 아닌 전선을 통해 흐르는 전기에 의해) 소정의 온도로 가열된다. 구현예들에서, 열분해 반응기의 복사 섹션에서의 열은 상기 공급물을 예열하는데 이용되고, 그 내부의 상기 열은 상기 공급물을 예열하기 위해 이용 가능한 열 에너지로 전기를 변환시키는 어떠한 적절한 방법을 통해 전기적으로 생성된다. 구현예들에서, 주입 전에 희석 증기(111)를 과열시켜 상기 공급물을 예열하고, 상기 희석 증기는 위에서 언급한 것과 같은 다양한 전기 가열 방법에 의해 가열된다. 구현예들에서, 상기 증기는 상기 혼합된 스트림의 온도를 빠르게 증가시키기 위해, 상기 혼합 지점에서 보다 차가운 공급물 스트림의 온도 이상으로 전기적으로 가열된다. 구현예들에서, 상기 증기는 상기 열분해 반응기(들)의 온도 이상으로 전기적으로 가열되고 상기 열분해 반응기(들)에 들어가기 직전에 상기 보다 차가운 공급물에 주입되고, 반응 온도까지 상기 공급물의 최종 가열이 원하지 않는 반응을 방지하기에 충분히 신속하게 발생하도록 한다. 구현예들에서, 상기 열분해 반응기에서 상기 에너지 입력을 부분적으로 또는 완전히 감소시키는 단열 분해(adiabatic cracking)를 개시하기 위해 상기 고온 증기가 주입된다. 구현예들에서, 상기 증기 또는 다른 희석제의 압력은 재생 에너지에 의해 구동되는 장치들에 의해 요구되는 공정 압력으로 상승된다. 이러한 장치들은 전기적으로 가열되거나 재생 에너지 공급원들의 열에 의해 공급되는 증기 압축기들, 펌프들 또는 밀폐된 용기들을 포함할 수 있지만 이에 국한되지 않는다. 구현예들에서, 상기 공급물은 임피던스에 의해 예열된다(예를 들어, 전기가 상기 공급물을 운반하는 도관을 통해 흐르는 경우). 구현예들에서, 상기 공급물은 저항 가열, 플라즈마, 전기 아크, 무선 주파수(RF), 적외선(IR), UV, 및/또는 마이크로파에 의해 직접 가열될 수 있다. 구현예들에서, 상기 공급물은 저항성 가열 요소를 통과하여 예열될 수 있다. 구현예들에서, 상기 공급물은 유도(예를 들어, 진동 자기장)에 의해 예열될 수 있다. 구현예들에서, 상기 공급물은 전기에 의해 구동되는 기계적 수단에 의해 가열될 수 있다. 구현예들에서, 상기 공급물은 열 펌프에 의해 예열될 수 있다. 구현예들에서, 상기 공급물은 상기 튜브들 위로 뜨거운 불활성 가스 또는 다른 매체를 통과시켜 예열되고, 상기 뜨거운 불활성 가스 또는 다른 매체는 (예를 들어, 이전 방법들 중 임의의 것을 통해) 전기적으로 가열된다. 구현예들에서, 상기 공급물은 전기적으로 가열되는 복사 패널들에 의해 (예를 들어, 이전 방법들 중 임의의 것을 통해) 예열된다. 구현예들에서, 상기 미리 결정된 온도로의 가열은 상기의 조합에 의해 수행될 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 구현예들에서, 가능한 범위 내에서, 연료는 연도 가스의 부수적인 생성과 함께 연소되지 않고 및/또는 본 발명의 구현예에 따라 증기의 생성(또는 일반 증기 시스템을 통한 과잉 증기)이 최소화된다. 구현예들에서, 대기로의 연도 가스에 포함된 열의 손실이 제거되기 때문에, 연도 가스의 제거에 의해 에너지 효율이 증가된다. 따라서, 본 명세서에 개시된 증기 분해 시스템 및 방법은 구현예들에서 자본 비용, 환경 허용 및 모니터링, 작동 용이성, 및/또는 코크스 형성을 최소화하도록 설계된 가열의 이점을 제공할 수 있다.
도 3 및 도 4의 구현예들을 참조하여 위에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 증기 분해 플랜트는 열분해 반응 섹션(20/120)을 포함한다. 상기 열분해 반응 섹션(20/120)은 하나 이상의 열분해 반응기들 또는 로들, 하나 이상의 전달 라인 교환기들(TLE), 또는 둘 다를 포함할 수 있다. 상기 반응 섹션(20/120)의 열분해 반응기(들)는 도 4의 구현예들에서 박스(120)를 통해 표시된 바와 같이 공급물 예열과 분리 및/또는 통합될 수 있다. 예를 들어, 구현예들에서, 상기 열분해 반응기(들)는 공급물 예열을 위해 위에서 언급된 가열 요소들과 조합될 수 있다(예를 들어, 그 안에 포함할 수 있음). 구현예들에서, 전기 가열 로들이 사용된다. 구현예들에서, 전기 가열만이 사용되며, 대류 섹션, 연도 가스 열 회수 및/또는 연도 가스가 없다. 구현예들에서, 열은 복사에 의해 열분해 반응기(들)로 열을 전달하는 복사 패널에 전기적으로 공급된다. 구현예들에서, 상기 열분해 로(들)는 전기 가열 및 연료 가스 연소 모두를 통해 작동 가능한 하이브리드 로들이다. 전기에 의해 상기 증기 분해의 다른 부분에 에너지가 공급되지만 상기 열분해 섹션이 연소에 의해 가열되는 구현예들에서, 상기 로의 설계 및/또는 작동이 변경되어 (예컨대, 물리적 설계, 공기/연료 비율, 연료 공급 속도 및/또는 기타 변수들이 변경되어) 상기 가열 연소 가스들이 상기 복사 섹션을 빠져나가는 온도가 감소하고, 상기 대류 섹션에서 회수되어야 하는 에너지 양이 최소화된다. 구현예들에서, 열은 연료의 연소(및 수반되는 연도 가스의 생성)를 통해 가열되는 열분해 반응기에 비해 결과적인 온도 프로파일을 향상 또는 최적화하기 위해 상기 열분해 반응 섹션에서 전기 가열을 통해 가해질 수 있다. 구현예들에서, 상기 열분해 반응 섹션의 전기 가열은 상기 대류 뱅크들에서 공유 연도 가스 흐름을 통해 전통적으로 서로 연결되었던 히터들의 독립적인 작동을 허용한다. 구현예들에서, 상기 열분해 섹션에서 열을 보다 정밀하게 제어하면 보다 높은 평균 열분해 반응기 온도들을 사용할 수 있다. 구현예들에서, 전기는 상기 열분해 반응을 개시하기 위해 (직접적으로 또는 간접적으로) 자유 라디칼들을 생성하는데 이용된다. 이러한 자유 라디칼들은, 예를 들어, 상기 공급물 탄화수소들을 일부가 분해되어 라디칼을 생성하도록 하는 온도로 상기 공급물 탄화수소들을 가열함으로써 간접적으로, 또는 유전 장벽 방전, 저온 플라즈마, 코로나 방전, 글로우 방전, 글라이딩 아크, 스파크 방전 및/또는 마이크로파 플라즈마와 같은 하나 이상의 플라즈마 소스들에 의해 직접적으로 생성될 수 있다. 상기 하나 이상의 플라즈마 소스들은 상기 열분해 반응기 내에 배치될 수 있고, 상기 열분해 반응기 내에 존재하는 상기 반응물들을 제어하는 플라즈마를 생성할 수 있다. 상기 자유 라디칼들은 구현예들에서 인 시투(in situ) 또는 엑 시투(ex situ)(예를 들어, 상기 반응기 내부 또는 반응기 외부)에서 생성될 수 있다. 상기 자유 라디칼들은 구현예들에서 초음속 고온 가스 스트림에 의해 생성될 수 있다. 구현예들에서, 상기 자유 라디칼들은 인 시투 또는 엑 시투에서 자외선 광자들, 진공-자외선(VUV) 광자들 등에 의한 조사와 같이 자외선(UV) 또는 가시광선 조사 하에 광-해리(photo-dissociation)에 의해 생성될 수 있다. 구현예들에서, 인 시투 라디칼 생성은 상기 공급물이 열분해 온도에 도달하기 직전에 발생한다. 구현예들에서, 엑 시투 생성은 캐리어 가스의 존재 하에 발생한다. 구현예들에서, 이러한 캐리어 가스는 에탄, 프로판, 또는 질소를 포함한다. 구현예들에서, 상기 엑 시투에서 생성된 라디칼들은 상기 공급물이 열분해 온도에 도달하기 직전에 상기 공급물 스트림으로 주입된다. 구현예들에서, 상기 라디칼들은 하나 이상의 열분해 반응기들의 길이를 따라 여러 지점에서 주입된다.
구현예들에서, 희석 증기(111)는 대체 희석제(alternative diluent)로 대체되거나 적어도 부분적으로 제공된다(여기서 '증기 분해'에 대한 언급은 이러한 구현예들을 포괄하는 것으로 의도된다). 예를 들어, 구현예들에서, 상기 희석제는 질소, 메탄, 수소 또는 테일 가스(가령, 생성물 분별 섹션(40/140)의 탈메탄화기에서 주로 메탄(C1)과 수소(H2)를 포함하는 탈메탄화기 테일 가스)를 포함한다. 구현예들에서, 상기 열분해 반응 섹션(20/120)의 열분해 반응기를 가열하기 위한 전기 사용은 상기 열분해 반응기들 내에서 상기 공정 튜브들(예컨대, 상기 공급물 및 열분해 생성물이 통과하는 튜브들)의 구성을 위해 다양한 재료의 사용을 가능하게 한다.
본 명세서에 개시된 증기 분해 플랜트 및 증기 분해 방법을 통해 탈코크스(decoking)가 감소될 수 있다. 그러나, 탈코크스는 구현예들에서 열분해 반응기 튜브들 내로 고온 공기, 증기, 또는 다른 가스들의 도입을 통해 수행될 수 있다. 구현예들에서, 상기 탈코크스 가스들은 전기적으로 가열되고, 및/또는 전기 가열이 상기 탈코크스 공정들을 제어하기 위해 이용된다. 구현예들에서, 본 명세서에 개시된 증기 분해 플랜트는 통상적인 증기 분해 플랜트(예컨대, 상기 열분해 반응기들을 가열하기 위해 연료 연소를 이용함)보다 천천히 코크스를 하거나, 보다 빨리 코크스를 제거하거나, 또는 둘 모두를 수행한다. 구현예들에서, 탈코크스에 사용되는 상기 증기는 전기 히터 또는 전극 보일러에 의해 생성된다.
본 명세서에 개시된 증기 분해 플랜트는 상기 반응을 중지하고(예를 들어, 상기 분해된 가스 생성물 스트림(122)에서 상기 분해된 가스 생성물의 온도를 약 350 내지 600℃로 빠르게 감소시키기 위해), TLE 켄칭된, 분해된 가스 스트림(125)을 생성하는 제1단계, 급속 냉각(또는 1차 켄칭)을 제공하도록 작동 가능한 TLE(123)를 포함할 수 있다. 구현예들에서, 상기 초기 TLE 켄칭은 원치 않는 반응들이 발생하는 것을 막는 데 필요한 최대 온도까지만 온도를 낮추고, 나머지 열은 후속 열 교환기들에서 제거된다. TLE 켄칭은 가스-가스 열 교환을 통해 열을 되돌려 상기 공급물로 예열할 수 있다. 구현예들에서, TLE(123)는 열 전달 매체(예컨대, 다우섬(Dowtherm) 또는 증기)를 사용하여 간접적으로 열을 이동할 수 있다. 구현예들에서, TLE는 하나 이상의 섹션을 포함할 수 있으며, 이에 의해 열 전달은 하나 이상의 온도에서 수행될 수 있고, 따라서 단일 섹션 TLE보다 더 많은 열을 포획할 수 있다. 구현예들에서, TLE를 통하기 보다는 상기 열분해 반응은 차가운 유체의 주입을 통해 켄칭된다. 본 발명의 구현예들에 따르면, 이러한 차가운 유체는 전기적으로 냉각/생성될 수 있다. 구현예들에서, 희석 증기(111)는 상기 TLE 켄칭(123)에서 상기 TLE와의 열 교환에 의해 생성될 수 있다.
도 3 및 도 4의 구현예들을 참조하여 위에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 증기 분해 플랜트는 일차 분별 및 압축 섹션(30/130)을 포함한다. 상기 일차 분별 및 압축 섹션(30/130)은 상기 냉각된, 분해된 가스 스트림(25/125)으로부터 추가 열 회수 및 켄칭을 제공하고, 상기 분해된 가스 스트림(25/125)에서 하나 이상의 성분들(가령, 연료유, 열분해 가솔린, 열분해 오일, 황화수소, 이산화탄소, 물 또는 이들의 조합)을 제거하고, 및/또는 상기 분해된 가스 스트림(25/125)을 압축하여, 압축된, 분해된 가스 스트림(38/138)을 제공하도록 구성될 수 있다. 구현예들에서, 상기 1차 분별 및 압축 섹션(30/130)은 분해된 가스 냉각기, 오일 및/또는 물 켄칭 및/또는 오일 및/또는 물 분리(131)(간결함을 위해 본 명세서에서 '켄칭 및 공정 용수 시스템'(131)이라고도 함), 분해된 가스 압축(133), 산성 가스 제거(135), 물 제거(137), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 증기 분해 플랜트는 TLE 켄칭된, 분해된 가스 스트림(125)으로부터 추가적인 열을 추출하도록 작동 가능한 분해 가스 냉각기를 포함할 수 있다. 이러한 분해된 가스 냉각기는 상기 공급물 스트림(105)을 예열하기 위해 직접적인 가스-가스 열 교환을 통해 작동할 수 있으며, 희석 증기를 생성하는 데 이용할 수 있고, 상기 플랜트의 다른 곳에서 열 통합을 위해 사용되는 열을 회수하는 데 이용될 수 있으며(예를 들어, 공급물 스트림(105) 예열 이외의 또는 이에 추가하여), 및/또는 (예를 들어, 열전 장치를 통해) 상기 가스를 냉각하는 동안 전기를 생성하는 데 사용될 수 있다.
구현예들에서, 본 명세서에 개시된 증기 분해 플랜트는 물 및 생성된 고분자량 탄화수소를 응축시키도록 작동 가능한 도 4의 구현예의 급냉 및 수처리 시스템(131)과 같은 급냉(예를 들어, 2차 켄칭) 및 공정수 시스템을 포함할 수 있거나, 또는 이러한 급냉수 시스템은 아래에서 설명되는 바와 같이 대체될 수 있다. 상기 켄칭 및 수처리 시스템(131)에서 제거된 열은 열 통합을 위해 이용될 수 있다. 구현예들에서, 상기 열은 상기 공급물 스트림(105)을 예열하기 위해 이용될 수 있다. 구현예들에서, 열전 장치는 상기 공정 스트림을 직접 냉각하거나 물 켄칭 스트림(126)을 냉각하기 위해 이용될 수 있으며, 일부 구현예들에서는 또한 전기를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 구현예들에서, 전기 냉각을 사용하는 종래보다 보다 낮은 온도로 공정 스트림 또는 급냉각수 스트림(126)을 냉각하기 위해 흡수 냉각기(absorption chiller)가 사용된다. 구현예들에서, 열 펌프가 이용된다. 구현예들에서, 급냉수로부터 오일을 분리하기 위해 전기가 사용된다.
구현예들에서, 본 명세서에 개시된 증기 분해 플랜트는 상기 공정수 용 스트리퍼 리보일러를 포함할 수 있다. 그러한 구현예들에서, 전기 히터는 공정수 스트리퍼 리보일러를 가열하기 위해 이용될 수 있다. 구현예들에서, 전극 보일러(예를 들어, 상기 물을 통해 전류를 인가함으로써 옴 저항 가열을 통해 작동됨)는 재생 공정수를 기화시키기 위해(예를 들어, 희석 증기(111)의 생성을 위해) 이용된다. 구현예들에서, 수중 히터(immersion heater)는 공정 물을 기화시키는 데 사용된다. 상기 공급물 예열 섹션(110')에서 전술한 바와 같이, 구현예들에서, 상기 증기가 전통적인 설계보다 더 높은 온도로 과열될 수 있도록 전기 히터(electric heater)가 희석 증기 과열을 위해 사용된다. 구현예들에서, 전기 히터는 온도 제어 및 온도 구동력 제한을 극복하기 위해 선택된 급랭수 냉각 어플리케이션에 이용된다. 구현예들에서, 열전 장치는 두 어플리케이션에서 더 나은 온도 구동력을 위해 상기 급냉수 열 회수에서 가열 어플이케이션을 위해 상기 물을 가열하면서, 상기 급냉수 컬럼으로 환류하는 물을 추가로 냉각하기 위해 상기 급랭수 온도를 수정하는 데 사용될 수 있다.
유사한 전기화가 분해된 가스 냉각기의 오일 켄칭 및/또는 오일 분리, 오일 및/또는 물 켄칭 및/또는 나프타 또는 경유 분해기의 오일 및/또는 물 분리(131)에 이용될 수 있다.
구현예들에서, 본 명세서에 개시된 증기 분해 플랜트는, 상기 압축된, 분해된 가스 스트림(134)을 생성하기 위해 스트림(132)에서 상기 켄칭된, 분해된 가스를 압축하기 위한 하나 이상의 단계들(가령, 1, 2, 3, 4 또는 5개의 일차 압축 단계들)을 포함하는 분해된 가스 압축 섹션(또는 '일차 압축 섹션')(133)을 포함하고, 각각의 압축 단계는 하나 또는 복수의 압축기들을 포함한다. 구현예들에서, 종래의 증기 분해 플랜트(일차 압축 섹션 내 또는 상기 증기 분해 플랜트의 다른 곳(예를 들어, 하나 또는 두 개의 압축 단계들을 포함하는 이차 압축 섹션, 각 압축 단계는 하나 또는 복수의 압축기들을 포함함), 프로필렌 냉동 압축기 또는 압축 섹션 및/또는 에틸렌 냉동 압축기 또는 압축 섹션)의 증기 터빈(steam turbine)은 전기 모터(electric motor)로 대체된다. 전기 모터(가령, 전기 구동 압축기)는 다단 압축 섹션의 각 단계에 이용되거나 특정 모터들은 그룹-특정 압축 단계들에 사용될 수 있다. 이렇게 하면 최적화가 가능할 수 있다. 구현예들에서, 사용되는 하나 이상의 모터들은 가변 속도 모터들(variable speed motors)이다. 구현예들에서, 하나 이상의 전기-구동 압축기들(electric-drive compressors)을 이용하여, 하류 생성물 분리 섹션(40/140)의 압력이 증가될 수 있으며, 따라서 냉각에 대한 필요성을 감소시킬 수 있다. 그러한 구현예들에서, 상기 공정은 추가적인 압축기 듀티를 수반할 수 있지만 덜 유틸리티 듀티를 수반할 수 있다. 대안적인 구현예들에서, 상기 압력이 감소될 수 있고, 결과적으로 증가된 냉각이 필요하게 된다. 그러한 구현예들에서, 상기 공정은 더 적은 압축기 듀티를 수반하지만 더 많은 유틸리티 듀티를 수반할 수 있다. 이러한 증가 및 감소된 압력 구현예들은 비-통상적인 압력 최적화를 가능하게 한다. 전술한 바와 같은 상기 분해 가스 압축기(들)의 전기화는 상기 증기 공급의 변동을 처리하기 위해 증기 분해 플랜트들에 통상적으로 통합된 탄화수소-소성 대기 보일러(hydrocarbon-fired stand-by boiler)의 제거를 허용할 수 있다. 따라서, 구현예들에서, 본 발명의 증기 분해 플랜트는 탄화수소-소성 보일러를 포함하지 않는다. 구현예들에서, 신뢰성을 향상시키기 위해, 분해된 가스 압축(133)의 하나 또는 각각의 압축 단계의 상류에서 상기 증기/액체 분리기들에 통합된 열전 장치가 사용된다. 이러한 열전 장치는 초기에 상기 가스를 냉각하고, 더 많은 응축을 제공하지만, 동반될 수 있는 액체 방울을 제거하는 데 도움이 되도록 가스를 재가열하며, 이로써 액체 방울 충돌에 의한 침식으로부터 상기 압축기 블레이드를 보호한다. 구현예들에서, 하나 이상의 압축기들은 전기 모터 구동기, 증기 터빈 구동기 및/또는 가스 터빈 구동기를 포함하는 다중-구동기 시스템에 의해 구동된다. 구현예들에서, 전극 보일러는 상기 압축기 터빈을 위한 증기를 생성하는 데 사용된다. 일부 구현예들에서, 상기 압축기 터빈 용 증기는 연속적으로 생성된다. 다른 구현예들에서, 상기 전극 보일러로부터의 증기는 간헐적 작동 상황을 처리하기 위해 짧은 시간 동안만 필요하다.
기존의 증기 분해 플랜트에서는, 에틸렌 생산의 에너지 집약적 특성으로 인해, 상기 분해된 가스에서 회수된 대부분의 에너지가 고압(가령, 1800psi) 증기를 만드는 데 사용된다. 이러한 증기는 분해 가스 압축 용 터빈들, 프로필렌 냉동 압축기, 에틸렌 냉동 압축기, 펌프 등을 구동하는 데 사용된다. 본 발명의 구현예에 따르면, 증기는 기계적 작업을 제공하기 위해, 예를 들어, 분해된 가스(가령, 일차 및/또는 이차 분해 가스 압축 섹션들, 단계들 또는 압축기들에서), 프로필렌 냉동 압축기, 에틸렌 냉동 압축기, 또는 이들의 조합을 압축하기 위한 터빈들을 구동하기 위해 이용되지 않는다
본 명세서에 개시된 증기 분해 플랜트는 상기 압축된 가스 스트림(134)으로부터 산성 가스(예를 들어, 황화수소, 이산화탄소)를 제거하여 산성 가스 감소 스트림(acid gas-reduced stream)(136)을 생성하기 위한 산성 가스 제거 시스템(acid-gas removal system)(135)을 포함할 수 있다. (이것은 상기 공급물 전-처리 섹션(10/110)에 설명된 상기 아민 흡수 시스템과 동일하거나 다른 시스템일 수 있다.) 통상적인 산성 가스 제거 시스템들은 가성 스크러버들(caustic scrubbers)이다. 구현예들에서, 이러한 시스템들은 전기화된 아민 시스템으로 대체되며, 이에 의해 사용 후 가성 스트림(spent caustic stream)이 생성되지 않는다. 상기 아민 시스템은 전기 히터로 상기 아민 스트림을 재생하기 위해 사용되는 스트리퍼를 가열함으로써 본 발명의 구현예들에 따라 전기화될 수 있다. 구현예들에서, 이러한 전기 히터는 수중 히터이다.
구현예들에서, 본 명세서에 개시된 증기 분해 플랜트는, 산성 가스-환원된 스트림(136)으로부터 물을 제거하고 건조된, 분해된 가스 스트림(138)을 생성하도록 구성되는 물 제거 장치(137)와 같이, 수분을 제거하도록 구성된 수분 제거 장치 또는 건조기를 포함할 수 있다. 구현예들에서, 상기 건조기의 재생은 전기적으로 가열된 가스로 수행된다. 구현예들에서, 용기는 전기적으로 가열되어 재생 공정을 가속화한다. 구현예들에서, 폐쇄-루프 시스템은 재생 가스로부터 물을 응축시키기 위해 이용된다.
도 3 및 도 4의 구현예를 참조하여 전술한 바와 같이, 본 발명의 증기 분해 플랜트는 생성물 분별 섹션(product fractionation section)(40/140)을 포함한다. 상기 생성물 분별 또는 분리 섹션(40/140)은 상기 압축된, 분해된 가스 스트림을 분별하고, 상기 분별 동안 생성된 하나 이상의 스트림들에 존재하는 하나 이상의 성분들을 선택적으로 수소화하도록 구성될 수 있으며, 하나 이상의 올레핀(가령, 에틸렌, 프로필렌) 생성물 스트림들(50/150)을 제공한다. 구현예들에서, 상기 생성물 분별 또는 분리 섹션(40/140)은 증류(예를 들어, 극저온 증류(cryogenic distillation))(146), 극저온 냉동(cryogenic refrigeration)(143), 디-올레핀 및/또는 알킨 수소화(di-olefin and/or alkyne hydrogenation)(139), 수소 정제(hydrogen purification), 추출(extraction), 성분(가령, 에탄) 재순환(recycle)(142), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
명세서에 개시된 증기 분해 플랜트는 하나 이상의 냉동 또는 극저온 냉동 섹션들(143)(예컨대, 에틸렌 냉각, 프로필렌 냉각, 극저온 증류)의 하나 이상의 냉동 압축기들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 냉동 압축기들은 본 발명의 구현예들에 따라 전기화될 수 있다. 구현예들에서, 추가적인 압축기들 및/또는 단계들은 상기 개별 용도에 대한 각 냉동 루프의 맞춤을 가능하게 하기 위해 활용된다. 구현예들에서, 예를 들어 질소(N2), 이산화탄소(CO2), 또는 냉매들의 혼합물과 같은 다른 작동 유체가 기존의 에틸렌 및 프로필렌보다 이용된다. 구현예들에서, 공급물 에탄 또는 프로판은 전기(예를 들어, IES로부터)가 이용 가능하거나 저렴할 때 냉각되고 저장될 수 있고, 전기가 이용 가능하지 않거나 비쌀 때 냉매 및 공급물로 사용될 수 있다. 구현예들에서, 생성물 에틸렌 및/또는 생성물 프로필렌은 냉각되고, 전기(예컨대, IES로부터)가 이용 가능하거나 저렴할 때, 저장될 수 있고, 그리고 전기를 이용할 수 없거나 비쌀 때 냉매로 사용될 수 있다.
구현예들에서, 냉매(단열 및 등엔트로피가 아님)의 각 압력 강하 단계에서 손실된 에너지는 제어 밸브들보다 발전 터빈을 사용하여 (전기로) 회수될 수 있다. 구현예들에서, 증기 압축을 포함하는 종래의 냉각을 이용하기 보다는, 냉각의 일부 또는 전부를 위해 (예를 들어, 열전 장치들을 통해) 직접 전기 냉각이 사용된다.
본 명세서에 개시된 증기 분해 플랜트는, 분해된 가스 증류 공급물 스트림(141)을 통해 도입된 상기 분해된 가스를 분별하도록 구성되는 극저온 증류 섹션(146)과 함께 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 분해된 가스 스트림의 생성물 분별을 수행하도록 구성되는 증류 섹션의 하나 이상의 증류 또는 극저온 증류 컬럼들을 포함할 수 있다. 도 4의 구현예들에서, 증류 섹션(146)은 에틸렌 생성물 스트림(ethylene product stream)(150), C3+ 스트림(161), 수소 및 메탄 함유 스트림(hydrogen- and methane-containing stream)(144), 및 상기 열분해 반응 섹션(120)으로 복귀될 수 있는 에탄 재순환 스트림(ethane recycle stream)(142)을 생성하도록 구성된다.
상기 분별 시스템은 탈메탄화기, 탈에탄화기, C2 스플리터, 탈프로판화기, C3 스플리터, 탈탄화기, 아세틸렌 수소화기, C3 수소화기, 또는 이들의 임의의 적합한 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있고; 이들 단계의 순서는 본 발명의 사상 및 교시를 벗어나지 않고 당업자에 의해 그에 따라 변경될 수 있다. 상기 증기 분해 플랜트는, 에탄, 프로판, 또는 다른 탄화수소 분별을 개별적으로 또는 공동으로 열분해 섹션(20/120)으로 되돌리도록 구성된 하나 이상의 재순환 라인들(recycle lines)을 추가로 포함할 수 있다. 상기 분해 플랜트는 탈탄화기의 하류에 있고 부타디엔을 분리하도록 구성되는 부타디엔 추출 장치(butadiene extraction apparatus); C2 스플리터의 상류 또는 하류에 있고 아세틸렌을 수소화하도록 구성되는 아세틸렌 수소화 장치(acetylene hydrogenation apparatus); 아세틸렌 분리기(acetylene separator); C3 스플리터의 상류에 있고 메틸아세틸렌 및/또는 프로파디엔(알렌)을 수소화하도록 구성되는 메틸아세틸렌 및 프로파디엔(MAPD) 수소화기(methylacetylene and propadiene (MAPD) hydrogenator); 또는 이들의 조합을 추가로 포함할 수 있다.
구현예들에서, 상기 이 공급 및/또는 전기적으로 제거되는 하나 이상의 증류 컬럼들이 상기 증류 섹션(146)에 채택된다. 구현예들에서, 하나 이상의 증류 컬럼들은 전기적으로 제어되는 온도 프로파일을 가지며, 이는 내부의 미리 결정된 온도 프로파일을 보다 정밀하게 제어할 수 있다. 구현예들에서, 상기 증류 컬럼들 중 하나 이상은 하나 이상의 전기 구동 리보일러들과 함께 작동하도록 구성된다.
구현예들에서, 열 펌프 장치들은 타워들(본 명세서에서 증류 컬럼이라고도 함)을 전기적으로 가열 및 냉각하는 데 사용된다. 상기 열 펌프들은 상기 냉각 시스템(143)과 통합될 수 있다. 히트 펌프들, 냉동 시스템 및/또는 전기 가열식 리보일러들 간의 최적화가 수행될 수 있다.
구현예들에서, 상기 극저온 증류 섹션(146)의 상기 증류 타워들 중 하나 이상으로부터의 배출 가스(예를 들어, 탈에탄기로부터의 배출)는, 일부 구현예들에서는 전기를 생산하기 위해 하나 이상의 열전 냉각기들을 사용하여 냉각될 수 있다.
구현예들에서, 상기 극저온 증류 시스템의 전체 또는 일부를 용매 시스템(solvent system) 또는 흡착 시스템(adsorbent system)으로 대체하고, 전기 가열에 의해 상기 에너지를 공급한다. 구현예들에서, 전기 히터들, 냉각기들 및/또는 열 펌프들이 반응성 증류 시스템과 함께 사용된다.
구현예들에서, 본 명세서에 개시된 증기 분해 플랜트는 수소, 메탄, 또는 둘 다를 포함하는 하나 이상의 스트림들(144)을 생성하고, 상기 분해 플랜트는 추가로 압력 스윙 흡착기(pressure swing adsorber, PSA), 가스 투과성 막(gas-permeable membrane), 극저온 증류 장치(cryogenic distillation apparatus), 또는 수소를 회수하기 위한 기타 수소 정제 장치(hydrogen purification apparatus)(145)를 포함한다. 구현예들에서, 상기 PSA의 가압은 전기화될 수 있다. 구현예들에서, 상기 극저온 증류를 위한 냉각이 전기화될 수 있다. 상기 회수된 수소는 C2, C3, 디-올레핀 및/또는 아세틸렌 수소화와 같은 증기 분해 플랜트 내에서 사용될 수 있다. 구현예들에서, 수소는 열을 만들기 위해 연소되지 않고 추가적인 화학적 사용을 위해(예컨대, 암모니아 플랜트, 메탄올 플랜트 또는 정제소로) 수출된다. 회수된 메탄은, 예를 들어, 암모니아 합성 플랜트 또는 메탄올 합성 플랜트와 같은 다른 설비의 공급물로서 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 구현예들에서, 메탄은 열을 만들기 위해 태워 지기보다는 메탄올 합성 플랜트로 수출된다. 구현예들에서, 메탄과 H2의 혼합물을 포함하는 기체는 정제되지 않고, 다른 오프사이트 또는 온사이트 유닛들로(예컨대, 메탄올 또는 암모니아 합성용) 전송될 수 있다. 암모니아 합성 플랜트 및/또는 메탄올 합성 플랜트는 또한 본 명세서에 기술된 방식과 유사하게 전기화될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
구현예들에서, 수소, 메탄, 또는 둘 다를 포함하는 하나 이상의 스트림들(144)은 메탄을 정화하고 전기를 생산하기 위해 연료 전지에 공급될 수 있다. 구현예들에서, 수소 정제 장치(145)로부터 얻은 정제된 수소는 전기를 생산하기 위해 연료 전지에 공급될 수 있다. 구현예들에서, 압축된 또는 흡착된 수소는 재생 전기(예컨대, 재생 IES로부터)를 사용할 수 있을 때 저장되고 상기 IES를 사용할 수 없거나 값이 비쌀 때 연료 전지(들)를 통해 전기를 만드는 데 사용된다. 예를 들어 태양열과 같은 재생 공급원의 전기를 낮에는 사용할 수 있지만 밤에는 사용할 수 없는 경우이다. 구현예들에서, 기체 또는 액체 에탄 또는 프로판이 저장되고, 액체 에탄 또는 프로판은 나중에(예를 들어, 밤에) 냉매로 활용된다. 예를 들어 태양열과 같은 재생 공급원의 전기를 낮에는 사용할 수 있지만 밤에는 사용할 수 없는 경우이다. 구현예들에서, 액체 에틸렌 또는 프로필렌은 저장되어 나중에(가령, 밤에) 냉매로 사용된다. 예를 들어 태양 에너지와 같은 재생 공급원의 전기를 낮에는 사용할 수 있지만 밤에는 사용할 수 없는 경우이다.
구현예들에서, 본 명세서에 개시된 증기 분해 플랜트는, 아세틸렌 수소화 장치, 메틸아세틸렌 및 프로파디엔(MAPD) 수소화 장치, 및/또는 기타 수소화 장치와 같은 하나 이상의 수소화 장치를 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 이러한 수소화 장치는 도 2의 박스(139)에 표시되어 있다. 구현예들에서, 본 명세서에 개시된 증기 분해 플랜트는, 극저온 증류(146)의 증류 컬럼들 사이에서 수소화가 수행될 수 있지만, 박스(139)에 아세틸렌 또는 디-올레핀 수소화 장치를 포함한다. (예를 들어, 스트림(138)을 통해) 이러한 수소화 장치에 도입된 건조된, 분해된 가스는 본 발명의 구현예들에 따라 전기를 사용하여 예열될 수 있다. 구현예들에서, 인터쿨러들이 있는 경우 열 펌프 또는 전기 냉각을 통해 작동될 수 있다.
구현예들에서, 상기 증기 분해 플랜트 내에서 필요한 순 열 입력 또는 제거의 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 또는 90% 이상의 다수, 또는 실질적으로 전부는, 비-탄소 기반 에너지 공급원, 재생 전기와 같은 재생 에너지 공급원, 전기(예컨대, 재생 및/또는 비-재생 소스의 전기), 또는 이들의 조합으로부터 제공된다.
구현예들에서, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 또는 90% 이상의 대다수, 또는 증기 분해 플랜트 내의 분해된 가스(예컨대, 일차 분해된 가스 압축(133) 및/또는 이차 분해된 가스 압축 섹션들, 단계들 또는 압축기들), 냉각(예컨대, 프로필렌 냉동 압축기, 에틸렌 냉동 압축기 또는 이들의 조합) 및/또는 다른 곳의 압축에 필요한 순 에너지의 실질적으로 전부는, 비-탄소 기반 에너지 공급원, 재생 전기와 같은 재생 에너지 공급원(예컨대, ENF 에너지 공급원), 전기(예컨대, 재생 가능 및/또는 재생 불가능 공급원의 전기), 또는 이들의 조합으로부터 제공된다. 예를 들어, 전기 모터, 전기-구동 터빈 및/또는 전기적으로 생성된 증기로 구동되는 터빈은, 상기 증기 분해 플랜트 또는 그 하나 이상의 섹션 전체에 압축을 제공하는 데 사용될 수 있다. 구현예들에서, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 또는 90% 이상의 대다수, 또는 실질적으로 모든 압축기들이, 전기 모터, 전기 구동 터빈 및/또는 전기적으로 생성된 증기로 구동되는 터빈으로 대체되거나 이를 이용한다. 구현예들에서, 유체에 대한 원동력을 제공하기 위해 전기가 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기는 펌프들에 전력을 공급하여 액체들을 이동 및/또는 가압하고 및/또는 송풍기들 및/또는 팬들에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 구현예들에서, 상기 올레핀 합성 플랜트에서 이용되는 다수의 펌프들의 분별, 대다수(예를 들어, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 100%), 또는 실질적으로 전부가 전기화된다.
구현예들에서, 전기는 본 명세서에 개시된 올레핀 합성 플랜트의 하나 이상의 섹션 내에서 냉각을 위해 기존의 냉각수보다 약간 더 차가운(예를 들어, 2, 5, 10 또는 15℃ 더 차가운) 생산에 이용된다. 구현예들에서, 질소, 메탄, 또는 CO2는 일차 켄칭을 위한 열분해 반응 섹션(20/120)의 상기 분해기에서 이용될 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 간헐적 공급이 잠재적으로 또는 알려진 재생 공급원(예컨대, 간헐적 에너지 공급원 또는 IES)의 전기를 사용할 때, 본 발명의 구현예들에 따라, 상기 증기 분해 플랜트의 작동을 유지하기 위해 다양한 단계가 취해질 수 있다. IES의 이러한 처리는 미국 임시 특허 출원 제62/792,636호 및 제62/792,637호(화학물질 생산에서 간헐 에너지 사용이라는 제목이고, 이는 2019년 1월 15일에 출원되었으며, 각각의 발명 내용은 본 발명에 반하지 않는 목적으로 본 명세서에 포함된다)에 기술된 바와 같을 수 있다. 예를 들어, 구현예들에서, 전기 공급의 간헐성을 위해 압축 수소가 저장된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 전기 공급의 간헐성을 위해 하나 이상의 극저온 액체들이 저장될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 전기 공급의 간헐성을 위해 열을 저장할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 배터리는 간헐적인 전기 공급을 위해 보관될 수 있다. 주요 성분들에 대한 백업 전원이 제공될 수 있다; 재생 불가능한 전기는 간헐적인 재생 전기의 백업으로 활용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 백업 전력은 압축된 가스 또는 플라이휠에 의해 구동되는 장치를 통해 생성될 수 있다.
본 발명의 증기 분해 플랜트의 전기화는 고 전압 또는 저 전압일 수 있는 전기 공급을 통해 제공될 수 있다. 상기 전기 장치들은 작동 가능하거나 교류(단상 또는 다상) 또는 직류로 작동될 수 있다.
구현예들에서, 연료들의 연소에 의해 생성되거나 열 및/또는 에너지 전달만을 위해 생성된 증기는 본 발명의 증기 분해 시스템 및 방법(예컨대, 상기 공급물 전-처리 섹션(10/110), 상기 열분해 반응 섹션(20/120), 일차 분별 및 압축 섹션(30/130), 및/또는 생성물 분별 섹션(40/140)에서 이용되지 않는다. 이러한 방식으로, 본 발명에 따른 올레핀 합성 플랜트는 구현예들에서 정교한 증기 열 및/또는 에너지 전달 시스템(이는 올레핀 합성 플랜트에서 통상적으로 이용될 수 있음) 없이 작동될 수 있다. 일부 어플리케이션에서, 예를 들어 증기가 반응기 내에서 공급물 성분 및/또는 희석제로 이용되는 경우, 이러한 증기는 화학 합성 플랜트 내에서 공정 스트림을 통한 열 전달을 통해 생성될 수 있고, 및/또는 전기적으로 생성될 수 있다. 구현예들에서, 공정 스트림과의 열 전달을 통해 생성된 증기는 전기를 사용하여 과열될 수 있다. 구현예들에서, 증기는 올레핀 합성 플랜트 전체에서 상품 또는 유틸리티로 활용되지 않는다. 구현예들에서, 본 발명의 올레핀 합성 플랜트는 본질적으로 무 증기(steam-free)이거나 통상적인 올레핀 합성 플랜트보다 실질적으로 더 적은 증기를 사용한다(예컨대, 적어도 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 100부피%(vol%) 더 적은 증기를 사용한다). 예를 들어, 올레핀들을 생산하기 위한 기존 플랜트는 상기 공급물 전-처리 섹션(10/110) 및/또는 상기 생성물 정화 섹션(40/140)의 증류 컬럼들의 리보일러용 증기 생산을 이용할 수 있고, 압축 공정 및/또는 재순환 스트림들을 위한 증기 터빈들을 구동하기 위해 증기 생산을 이용할 수 있거나 냉각을 위해 증기 터빈들을 구동하기 위해 증기 생산을 이용할 수 있다. 구현예들에서, 본 발명에 따른 화학 플랜트에서의 이러한 작업들을 위해 증기가 생성되지 않거나 실질적으로 더 적은 증기가 생성된다(예를 들어, 상기 공정들은 적어도 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100 부피 퍼센트(vol%) 더 적은 증기를 사용한다). 구현예들에서, 증기는 열 전달 유체로 사용되지만, 기계적 작업(예컨대, 압축기 또는 펌프 구동)에는 사용되지 않는다. 구현예들에서, 이러한 작업들을 위해 생성된 상기 증기는 주로(예컨대, 사용된 총 증기 중 가장 큰 비율이 전기적으로 생성됨), 주로(예컨대, 상기 증기의 50% 이상이 전기적으로 생성됨) 또는 실질적으로 모두 전기적으로 생성된다. 구현예들에서, 반응물 또는 희석제로 사용되는 상기 증기는 주로(예컨대, 사용된 총 증기 중 가장 큰 비율이 전기적으로 생성됨), 주로(예컨대, 증기의 50% 이상이 전기적으로 생성됨) 또는 실질적으로 모두 전기적으로 생성된다.
구현예들에서, 본 발명의 올레핀 합성 플랜트 또는 공정에서, 더 많은 에너지가 '있는 그대로' 직접 이용되며, 예를 들어, 증기의 생성 및 증기 터빈을 통한 열 에너지의 기계적 에너지로의 전환을 통해 변환되기 보다는 공급물 스트림을 가열하기 위해 고온 생성물 배출 스트림의 열을 이용한다. 본 발명의 구현예들에 따르면, 에너지를 직접 사용하면 예를 들어, 열이 기계적 에너지로 변환될 때 발생하는 에너지 효율 손실을 줄임으로써 올레핀 합성 플랜트의 에너지 효율을 높일 수 있다.
에너지 소비는 전통적인 올레핀 합성 플랜트의 운영 비용에서 많은 부분을 차지하므로, 본 발명에 따라 에너지 효율을 증가시키고(예를 들어, 전기화를 통해) 및/또는 개질을 위한 열을 제공하기 위해 통상적으로 연소되고 및/또는 추가 생성물(예컨대, 메탄의 메탄올 및/또는 수소의 암모니아)을 생성하기 위해 압축(예컨대, 증기 터빈 용 증기 생산을 위해 연소되거나 가스 터빈 용 연소)을 위해 연소된 메탄 또는 수소를 이용하는 것은 통상적인 올레핀 합성 플랜트에 비해 경제적 이점을 제공할 수 있다. 이와 동시에, 본 공개를 통해 가능해진 연료로서의 화석 연료(예컨대, 천연 가스, 메탄)의 연소를 감소시키는 것은 탄화수소들이 연료로 연소되는 기존의 올레핀 합성 플랜트에 비해 온실 가스(GHG) 배출량이 감소하는 것을 제공한다. 구현예들에서, GHG 배출들(예컨대, 이산화탄소 배출들)은, 탄화수소들이 연료로 연소되는 기존 올레핀 합성 플랜트에 비해 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100% 이상 감소한다. 구현예들에서, CO2 생산은 생산된 화학 제품(예를 들어, 올레핀(들), 가령, 에틸렌이나 이에 제한되지 않음)) 톤당 CO2 약 1.5, 1.2, 1.0, 0.75, 0.5, 0.2 또는 0톤 이하로 감소된다. 구현예들에서, 본 발명은 공정의 탄소 효율(즉, 유용한 제품으로 다시 나타나는 과정에서 소비되는 탄소 비율의 증가)의 증가 및/또는 감소된 특정 에너지 소비(예를 들어, 일정량의 화학 제품(50)을 합성하는 데 사용되는 에너지)로 이어질 수 있다.
일반적으로 화학 공정의 유닛 작업들에 필요한 에너지는 일반적으로 화석 연료들, 특히 천연 가스의 연소로 제공된다. 구현예들에서, 이러한 에너지 입력은 에너지 효율성이 향상되도록(예컨대, 에너지 손실이 감소됨) 비-탄소 기반 에너지(ENC), 재생 전기와 같은 재생 에너지(ENF), 및/또는 임의의 공급원(예컨대, 재생 가능 및/또는 재생 불가능)으로부터의 전기로 감소되거나 대체될 수 있는 시스템 및 방법이 개시되어 있다. 비-탄소 기반 에너지(ENC), 재생 에너지(ENF), 및/또는 분해를 통한 올레핀 생산과 같은 화학 물질 생산에서의 전기의 본 명세서에 개시된 사용은, 상기 올레핀 합성 공정 내에서 이산화탄소 배출 및 화석 연료 소비의 에너지 효율을 증가 및/또는 감소 및/또는 제거한다. 구현예들에서, 특정 에너지 소비(연료와 전기를 포함한 총 순 에너지 투입량을 생산 속도로 나눈 값)가 생산된 에틸렌의 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11, 10, 9, 또는 8 GJ/톤 이하가 되도록 공정의 에너지 효율이 감소되고, 여기서 연료가 소비되면 연료의 더 높은 발열량을 사용하여 특정 에너지 소비가 계산된다.
실시예들
일반적으로 설명된 구현예들에서, 다음의 실시예들은 본 발명의 특정 구현예로서 제공되며, 그리고 그 실시 및 이점을 입증한다. 상기 실시예들은 예시로서 제공되며, 어떠한 방식으로 든 명세서 또는 청구범위를 제한하도록 의도되지 않는 것으로 이해된다.
상기 실시예들과 관련된 도 5 내지 도 9에서, 번개 기호는 전기, 특히 재생 전기를 나타내는 데 사용되는 반면, 세 개의 긴 'S' 기호는 증기 사용을 나타내는 데 사용된다. 도 5 내지 도 9 및 아래의 실시예들에 대한 설명에서, 펌프들 및 기타 에너지 싱크들은 217로 표시된다.
비교 실시예 1
에탄의 증기 분해에 의한 에틸렌 생산을 위한 일반적인 공정 III에 대한 열 및 질량 흐름을 결정하기 위해 공정 시뮬레이션이 수행되었다. 이러한 비교 실시예 1에 사용된 공정 시뮬레이션은 Aspen Plus®를 사용하여 만들어졌습니다. 이것은 특정 운영 플랜트를 나타내지 않지만, 도 5를 참조하여 아래에 설명된 바와 같이 일반적인 플랜트를 나타낸다. 설계 파라미터들은 특정 플랜트들에 대한 지식과 일반적인 공정 작업들에 대한 문헌 정보에서 가져왔다. 변형은 당업자에게 명백할 것이지만, 이러한 비교 실시예 1은 본 발명의 구현예들에 따른 전기화 변형들의 효과들을 비교하기 위한 기초로서 사용될 수 있는 전형적인 공정을 나타낸다.
비교 실시예 1의 공정은 시간당 187.5미터 톤의 에틸렌을 생산하도록 구성된다. 1년에 일반적인 8000시간 동안 작동하면 150만 톤의 에틸렌이 생산되지만, 업-셋 및 유지 보수로 인한 다운타임의 변화는 이러한 생산량을 늘리거나 줄일 수 있다. 이러한 크기는 오늘날 건설되고 있는 가장 큰 에탄 분해기들(ethane crackers)의 전형이다. 이러한 규모에서는 일반적으로 8~12개의 개별 분해로들이 사용되며, 각 분해로는 여러 반응기 튜브들을 포함한다. 상기 튜브들에 코크스와 기타 침전물이 쌓이기 때문에 개별 분해로는 재생을 위해 주기적으로 오프라인 상태가 되어야 한다; 상기 플랜트는 일반적으로 한 번에 6~12개의 분해로들로 작동할 수 있다.
도 5를 참조하면(본 비교 실시예 1의 공정의 본질적인 특징들만을 나타내기 위해 간략화 함), 시간당 236미터 톤(t/hr)의 에탄 공급물(205)이 상기 공정에 공급되고, 공급물 전-처리 섹션(210)에서 에탄 재순환 스트림(242)의 재순환 에탄 및 희석 증기 스트림(211)의 희석 증기가 혼합기에서 결합되고; 상기 결합된 공급물 스트림(215)은 공급물 예열 섹션(210')의 상기 로들의 대류 섹션들에서 650℃로 가열되며, 그런 다음 열분해 섹션(220)의 상기 로들의 상기 복사 섹션들 내에 포함된 반응기 튜브들에서 840℃의 반응 온도로 가열된다. 이러한 복사 섹션들은 또한 흡열성(endothermic)인 상기 에탄 분해에 대한 반응열을 공급한다. 탈기기(deaerator)(216)는 도 5에 나타낸 바와 같이 공급물 예열 섹션(210')의 상기 로들의 상기 대류 섹션들에 들어가기 전에 산소 및 다른 용해된 가스를 제거하기 위해 상기 보일러 공급수에 주입되는 탈기된 증기를 제공할 수 있다. 상기 분해된 가스 생성물 스트림(222)의 출구 공정 가스는 전달 라인 교환기(TLE)(223)에서 400℃로 냉각되고, 라인들(212, 226) 내의 상기 물을 기화시키는 열교환기(HX1)에서 TLE 켄칭된, 분해된 가스 스트림(225)에서 상기 생성물의 교환에 의해 추가로 냉각된다. 상기 희석된 물은 그 다음 물 켄칭(231)에서 급냉함으로써 회수된다; 물 라인(226)에서 상기 회수된 물은 상기 열분해 반응 섹션(220)에서 희석제로서 재사용을 위해 반환된다. 물 켄칭(231)은 도 5의 구현예들에서 물 스트리퍼 증기를 채용할 수 있는 물 켄칭 타워 및 물 스트리퍼를 포함할 수 있다. 켄칭된, 분해된 가스 스트림(232)의 상기 생성물들은 분해된 가스 압축(233)에서 압축되고, 상기 압축된, 분해된 가스 스트림(234)은 건조되고, 산성 가스 불순물들은 산성 가스 제거/물 제거(235/237)에서 제거되어 건조된, 분해된 가스 스트림(238)을 생성한다. 건조된, 분해된 가스 스트림(238)은 극저온 분별(246) 및 관련 극저온 냉각(243)을 통해 생성물 분별(240)을 거치며, 이는 상기 생성물들 및 부산물들을 분리하도록 작동된다. 재순환 에탄 스트림(242) 내의 상기 재순환 에탄과 함께, 상기 생성물들 및 부산물들은 에틸렌 생성물 스트림(250)에 에틸렌 187.5t/hr, 수소- 및 메탄-함유 스트림(244)에 수소와 메탄의 혼합물을 포함하는 30t/hr, 및 주로 프로필렌 및 부타디엔을 포함하는 C3+ 스트림(261)에서 C3+ 생성물13 t/hr을 포함한다.
이러한 비교 실시예 1의 기존 공정 III에는 다수의 소규모 사용처들 외에도 5개의 주요 에너지 소비처들이 있다(아래에서 더 논의되는 표 2 참조): (1) 희석 증기를 생성하기 위한 상기 재순환수 및 보충수의 기화(예컨대, 열교환기(HX1)에서), (2) 상기 로들의 (예컨대, 공급물 예열 섹션(210')의) 대류 섹션에서 거의 반응 온도로 상기 공급물 가스들을 가열, (3) 상기 공급물 가스들의 최종 온도 상승을 상기 분해로의 상기 복사 섹션들에서 반응 온도 및 반응 열에 공급하기 위해 상기 분해로들 및 반응기들(예컨대, 열분해 반응 섹션(220)의)을 가열, (4) 상기 분해된 가스 압축기(예컨대, 분해된 가스 압축(233)의)를 구동하기 위한 에너지, 및 (5) 상기 극저온 분별(예컨대, 생성물 분별 섹션(240)의 극저온 분별(246))를 구동하기 위한 에너지. 보다 적은 양의 에너지가 다양한 다른 목적에 사용된다. 일반적인 관행과 마찬가지로, 비교 실시예 1에서는 주로 217에서 일부 보다 작은 펌프에 대해 매우 적은 전기가 소비된다. 일부 전기는 발전 터빈에 의한 탈메탄화기의 가스 팽창으로 현장에서 발생되며 1.6MW에 불과하다. 상기 사용된 에너지의 일부는 냉각될 때 상기 생성물 스트림과의 열 교환을 통해 얻을 수 있지만, 나머지는 일반적으로 연료를 연소하여 생성된다. 비교 실시예 1에서는 외부 에너지 공급원들을 이용하는 두 곳이 있다. 첫 번째는 920MW의 화학 에너지(고-열 값 또는 HHV)가 함유된 천연 가스 60t/hr를 소비하는 상기 분해로들에 있다. 나머지 에너지는 369MW의 화학 에너지가 함유된 천연 가스 24.1t/hr을 고압(HP) 증기로 변환하는 보조 보일러(221)에 의해 공급된다. 이러한 에너지를 가장 효율적으로 상기 공정에서 다양한 에너지 소비처들에게 가장 효율적으로 할당하는 방법은, 모든 화학 플랜트에 공통적인 엔지니어링 문제이며, 온도, 에너지 유형 및 에너지 함량의 신중한 일치가 필요하다 일부 에너지는 열 교환을 통해 직접 전달될 수 있지만, 일부는 일반적으로 열 교환에 사용하거나 압축기 구동과 같은 기계적 작업을 수행하는 데 사용할 수 있는 증기로 일반적으로 변환된다. 비교 실시예 1에서, 열 입력들 및 출력들을 일치시키기 위한 전형적인 전략이 채택되었지만, 당업자에게 자명한 바와 같이 다른 배열도 가능하다. 상기 공정에 필요한 상기 외부 에너지 입력을 공급하기 위해 연소로들을 사용하면 수반되는 단점이 있다. 이러한 로들의 스택 또는 연도 가스에는 저온으로 인해 유용하게 회수할 수 없는 에너지가 포함되어 있다. 예를 들어, 비교 실시예 1의 상기 공정에서 이러한 미회수 에너지(때로는 스택 손실이라고도 함)는 174MW에 달한다. 에너지는 또한 물 켄칭(231)과 같은 여러 공정 단계들에서 손실된다.
표 2는 비교 실시예 1의 상기 공정에 대한 에너지 균형을 나타낸다. 표 2를 참조하면, 열분해 반응 섹션(220) 및 상기 보조 보일러(221)의 상기 분해로들에서 천연 가스의 연소를 통해 1289MW의 화학 에너지가 공급되고; 이는 예를 들어 상기 분해 튜브들로부터 상기 생성물 가스들을 냉각하는 경우와 같이 추가로 310MW가 내부적으로 전달되지만, 이는 상기 공정에 대한 총 순 에너지 입력을 나타낸다. 사용된 총 에너지의 약 절반인 759MW가 상기 증기 시스템으로 전달되며, 주로 상기 분해된 가스 압축(233)의 상기 분해된 가스 압축기를 구동하고 243에서 극저온 냉동을 위한 에너지를 공급하는 데 사용된다. 그러나 증기 형태의 에너지는 비효율적으로 기계적 작업으로 변환되기 때문에, 분해된 가스 압축(233)의 상기 분해 가스 압축기 및 243의 극저온 냉동에서 실제로 사용되는 에너지의 양은 표 2에 표시된 것처럼 증기로 적용되는 상기 에너지보다 훨씬 적다. 또한 위에서 언급한 바와 같이, 공급된 순 외부 에너지의 13.5%인 174MW는, 상기 분해로들 및 보조 보일러로부터의 스택 손실들과 예를 들어 상기 켄칭 시스템(231)에서의 다양한 공정 손실들로, 상기 연도 가스에서 손실된다.
표 3은 비교 실시예 1의 상기 공정들에 대한 관련 에너지 사용 통계를 제공한다. 표 3의 상기 데이터에서 볼 수 있듯이, 연간 총 연료 가스 소비량은 673,000톤이다. 이러한 연료의 연소는 231t/hr의 CO2 또는 연간 185만 톤의 CO2를 대기 중으로 배출한다. 특정 에너지 소비(상기 연료의 높은 가열 값을 사용하여 계산)는 생산된 에틸렌 톤당 24.7GJ이다; 이러한 에너지의 64%는 상기 배출 가스, 상기 물 켄칭(231) 및 기타 공정 단계들에서 손실되며, 증기를 기계적 작업으로 변환하는 비효율성(예컨대, 233에서 분해된 가스 압축 및 243에서 극저온 냉동)이다.
실시예 1
실시예 1은 비교 실시예 1에 기재된 상기 증기 분해 공정의 본 발명의 구현예들에 따른 부분 전기화이다. 실시예 1에서, 상기 보조 보일러가 제거되고, 천연 가스의 상기 연소에 의해 보일러에 공급되었던 상기 에너지가 보다 적은 양의 재생 전기로 대체된다. 이러한 외부 에너지의 대체는 공정들의 상기 에너지 통합을 재구성해야 한다; 실시예 1에서, 가장 중요한 차이점들은 (1) 상기 극저온 냉동 시스템과 일부 펌프들이 이제 전기 모터들로 구동되는 점, (2) 희석 증기를 만들기 위해 상기 재순환수의 상기 기화에 필요한 상기 에너지의 일부는 전기 가열에 의해 제공되는 점, (3) 상기 TLE는 열 교환기 시스템으로 대체되어 고온 생성물 가스들의 냉각으로부터 회수된 상기 열의 대부분이 상기 공급물 가스들을 예열하는 데 사용되는 점이다.
실시예 1의 이러한 전기화된 플랜트 IV의 핵심 요소들은 도 6에 도시된다. 비교 실시예 1에서와 같이, 236 t/hr의 에탄 공급물(205)이 에탄 재순환 스트림(242)의 재순환 가스들 및 희석 증기(211)의 희석제 증기 스트림과 결합되고; 상기 결합된 공급물 스트림(215)은 예열 섹션(210')의 열교환기 시스템(HX2)에서 냉각 생성물 가스들과의 열 교환에 의해 730℃로 가열된다. 이러한 열교환은 상기 증기의 상기 에너지가 상기 공급물 스트림으로 전달되는 공급물 열 교환기들과 결합된 상기 열을 받기 위해 증기를 사용하는 하나 이상의 생성물 열 교환기와 함께, 예를 들어 하나의 공급/배출 열 교환기, 일련의 공급/배출 열 교환기, 또는 하나 이상의 공급/배출 열 교환기의 다양한 방법으로 달성될 수 있다. 이러한 실시예의 목적을 위해, 하나의 공급/배출 열 교환기가 사용되었다; 그러나 상기 열 교환기 시스템(HX2)의 특정 설계는 상기 생성물 가스 냉각을 통해 가능한 한 많은 열을 추출하고, 상기 공급물 가스들을 예열하기 위해 상기 열 에너지를 이용하도록 구성/이용되는 한 다양할 수 있다. 그 다음, 상기 공급물 스트림은 천연 가스에 의해 연소되는 열분해 반응 섹션(220)의 상기 복사로들에서 840℃에서 분해되고; 그러나, 비교 실시예 1에서 생성된 것과 같이 종래보다 더 적은 증기를 생성하는 것이 목표이기 때문에, 열분해 섹션(220)의 상기 복사 섹션의 상기 출구 온도는 공급물 예열 섹션(210')의 상기 대류 섹션에서 회수되어야 하는 상기 열을 감소시키기 위해 로 설계 및 작동의 변화에 의해 낮아졌다. 분해된 가스 생성물 스트림(222) 내의 상기 생성물 가스들은 전술한 바와 같이 열 교환기 시스템(HX2)의 공급/배출 열 교환기에서 냉각되고, 라인들(212, 226)의 상기 재순환수 및 보충수와 함께 스트림(225)의 상기 공급/배출 열 교환 생성물의 열 교환기(HX1)에서의 열 교환에 의해 추가로 냉각된다. 희석수는 그 다음 물 켄칭(231)에서 급냉함으로써 회수된다; 물 라인(226)의 상기 회수된 물은 상기 열분해 반응 섹션(220)에서 희석제로 사용하기 위해 반환된다. 급냉된, 분해된 가스 스트림(232)의 상기 생성물들은 분해된 가스 압축(233)에서 압축되고, 상기 압축된, 분해된 가스 스트림(234)은 건조되며, 산성 가스들은 산성 가스 제거/수분 제거(235/237)에서 제거되어, 건조된, 분해된 가스 스트림(238)을 생성한다. 실시예 1에서, 비교 실시예 1에 기재된 종래의 플랜트와 달리, 상기 분해된 가스 건조기 흡수재의 재생을 위한 열이 전기적으로 제공된다. 건조된, 분해된 가스 스트림(238)은 극저온 분별(246) 및 관련 극저온 냉각(243)을 통해 생성물 분별(240)을 거치며, 이는 상기 생성물들 및 부산물들을 분리하도록 작동된다. 재순환 에탄 스트림(242) 내의 상기 재순환 에탄과 함께, 상기 생성물들 및 부산물들은 에틸렌 생성물 스트림(250)에 에틸렌 187.5t/hr, 수소- 및 메탄-함유 스트림(244)에 수소와 메탄 혼합물을 포함하는 30t/hr, 및 주로 프로필렌과 부타디엔을 포함하는C3+ 스트림(261)에 C3+ 생성물13t/hr을 포함한다.
다수의 소규모 사용처들 외에도, 실시예 1의 부분적으로 전기화된 공정 IV에는 5개의 주요 에너지 소비처들이 있다(표 2 참조): (1) 희석 증기를 생성하기 위한 상기 재순환수 및 보충수의 기화(예컨대, 열교환기(HX1)에서), (2) 상기 공급물 가스들을 거의 반응 온도로 가열(예를 들어, 열 교환기 시스템(HX2)을 통해) (3) 최종 온도 상승을 반응 온도 및 반응 열에 공급하기 위해 분해 반응기들(예컨대, 열분해 반응 섹션(220)의)를 가열, (4) 상기 분해된 가스 압축기(예컨대, 분해된 가스 압축(233)의)를 구동하기 위한 에너지, 및 (5) 상기 극저온 분별(예컨대, 생성물 분별 섹션(240)의 극저온 분별(246))을 구동하기 위한 에너지. 보다 적은 양의 에너지가 다양한 다른 목적에 사용된다. 이러한 에너지의 일부는 냉각될 때 상기 생성물 스트림과의 열 교환을 통해 얻을 수 있지만 나머지는 외부에서 공급해야 한다. 실시예 1에는 외부 에너지 공급원들을 이용하는 두 위치가 있다. 첫 번째는 열분해 반응 섹션(220)의 상기 분해로들에 있으며, 이러한 반응 섹션은 737 MW의 화학 에너지가 함유된 48 t/hr의 천연 가스를 함께 소비한다. 나머지 에너지는 135MW의 재생 전기로 공급된다. 비교 실시예 1과 대조적으로, 실시예 1의 상기 플랜트는 보조 보일러를 포함하지 않는다는 점에 유의한다. 이러한 에너지는 온도들, 에너지 유형들 및 에너지 함량의 신중한 일치를 통해 상기 공정에서 다양한 에너지 소비처들에게 가장 효율적으로 할당될 수 있다. 일부 에너지는 열 교환을 통해 직접 전달될 수 있지만, 일부 열은 열 교환에 사용되거나 압축기 구동과 같은 기계적 작업에 사용할 수 있는 증기로 변환된다; 전기는 가열이나 기계적 작업에 사용할 수 있다. 실시예 1에서, 열 입력들 및 출력들을 일치시키기 위해 논리적 전략이 채택되었지만, 다른 배치들이 가능하고 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 이러한 실시예 1에서, 109MW의 재생 전기가 상기 극저온 분별 시스템(240)에 에너지를 공급하는 데 사용된다. 이러한 에너지는 고효율로 적용될 수 있기 때문에(여기서는 95%로 가정), 이러한 전기 에너지는 비교 실시예 1에서 증기로 공급되는 398MW의 에너지를 대체할 수 있다. 추가적인 14MW의 전기는 비교 실시예 1에서 증기로 구동되는 217에서 물 펌프들에 전력을 공급하는 데 사용되며, 다시 훨씬 보다 높은 효율로 작동한다. 재생 전기는 재활용수 및 희석수 기화에 필요한 일부 열의 11.5MW를 공급하는 데도 사용된다. 비교 실시예 1에서와 같이, 상기 물 켄칭(231) 및 다른 공정 단계들에서 일부 에너지가 손실된다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예 1은 연소로부터 훨씬 보다 적은 양의 연도 가스를 생성하여, 이러한 연도 가스에서 손실되는 에너지의 양(즉, 상기 배출 손실)은 비례하여 더 작아지며, 여기서는 99MW에 불과한다.
표 2는 실시예 1의 부분 전기화 공정에 대한 에너지 균형을 나타낸다. 천연 가스의 연소를 통해 737MW의 화학 에너지가 공급되고, 135MW의 재생 전기가 공급된다; 이것은 872MW의 공정에 대한 총 순 에너지 입력을 나타내며, 이는 비교 실시예 1에서보다 32% 더 적다. 추가적으로, 297MW는 예를 들어 상기 생성물 가스들의 상기 냉각 동안 실시예 1에 따라 본 발명에 따라 내부적으로 전달된다. 비교 실시예 1에서 요구되는 양의 절반 미만인 323MW의 양이 실시예 1에서 증기 시스템으로 전달된다. 실시예 1에서, 이러한 에너지의 대부분은 분해된 가스 압축(233)의 상기 분해 가스 압축기를 구동하는 데 사용된다. 상기 연도 가스로 인한 상기 시스템의 총 손실들, 증기 및 전기 사용의 비효율성, 및 상기 켄칭 시스템과 기타 공정 단계들에서의 손실들은 비교 실시예 1보다 50% 적다.
표 3은 본 발명에 따른 실시예 1에 대한 관련 에너지 사용 통계들을 제공한다. 실시예 1에서, 총 천연 가스 소비량은 연간 385,000톤이다. 이러한 연료의 연소는 CO2의 132 t/hr, 또는 연간 106만 톤의 CO2의 대기 배출을 초래한다. 이것은 비교 실시예 1에 비해 45% 감소를 나타낸다. 절약되는 연간 288,000톤의 천연 가스는 메탄올 또는 암모니아 합성 공정을 위한 원료로 다른 곳에서 사용될 수 있다. 특정 에너지 소비량은 생산된 에틸렌 톤당 16.7GJ로 비교 실시예 1의 상기 공정보다 32% 적은 양이다. 공급된 순 외부 에너지의 47% 감소된 양은 상기 배출 가스, 상기 물 켄칭(231) 및 기타 공정 단계들에서 손실되고, 증기 또는 전기를 샤프트 작업으로 변환하는 비효율성들(예컨대, 233에서 분해된 가스 압축 및 243에서 극저온 냉동에 대해)이 비교 실시예 1에 비해 크게 개선되었다.
실시예 2
실시예 2는 비교 실시예 1에 기재된 상기 증기 분해 공정의 본 발명의 구현예들에 따른 완전한 전기화이다. 실시예 2에서, 비교 실시예 1에서 상기 천연 가스-연소 보조 보일러 및 분해로들에서 공급되던 에너지를 재생 에너지로 대체하고, 상기 에너지는 모든 압축기들과 펌프들에 전원들을 공급하고, 크래킹에 필요한 에너지를 공급하며, 재활용수 및 보충수의 기화를 위한 열을 제공한다. 또한, 비교 실시예 1의 상기 TLE는 열 교환기 시스템으로 대체되어, 상기 고온 생성물 가스들의 냉각에서 회수된 상기 열의 대부분이 상기 공급물 가스들을 예열하는 데 사용된다. 이러한 변경들을 통해 상기 공정 증기 시스템을 제거하고, 연도 가스 손실들을 완전히 방지할 수 있다.
실시예 2의 이러한 전기화된 플랜트(V)의 핵심 요소들은 도 7에 도시된다. 236 t/hr의 에탄 공급물(205)은 에탄 재순환 스트림(242)의 재순환 가스들 및 희석 증기(211)의 희석제 증기와 결합되며; 상기 결합된 공급물 스트림(215)은 열 교환기 시스템(HX2)에서 냉각 생성물 가스들과의 열 교환에 의해 730℃로 가열된다. 이러한 열교환은 상기 증기의 상기 에너지가 상기 공급물 스트림으로 전달되는 공급물 열 교환기들과 결합된 상기 열을 받기 위해 증기를 사용하는 하나 이상의 생성물 열 교환기와 함께, 예를 들어 반응기당 하나의 공급/배출 열 교환기, 일련의 공급/배출 열 교환기, 또는 하나 이상의 공급/배출 열 교환기의 다양한 방법으로 달성될 수 있다. 이러한 실시예의 목적을 위해, 반응기당 하나의 공급/배출 열 교환기가 사용되었다; 그러나 상기 열 교환기 시스템(HX2)의 특정 설계는 상기 생성물 가스 냉각을 통해 가능한 한 많은 열을 추출하고, 상기 공급물 가스들을 예열하기 위해 반환하도록 다양할 수 있다. 그 다음, 상기 공급물 스트림은 재생 전기에 의해 가열된 열분해 반응 섹션(220)의 상기 로들에서 840℃에서 분해된다. 분해된 가스 생성물 스트림(222) 내의 상기 생성물 가스들은 전술한 바와 같이 열 교환기 시스템(HX2)의 공급/배출 열 교환기에서 냉각되고, 라인들(212, 226)의 재순환수 및 보충수와 함께 스트림(225)의 공급/배출 열 교환 생성물의 열 교환기(HX1)에서의 열 교환에 의해 추가로 냉각된다. 희석수는 그 다음 물 켄칭(231)에서 급냉함으로써 회수된다; 물 라인(226)의 상기 회수된 물은 상기 열분해 반응 섹션(220)에서 희석제로 사용하기 위해 반환된다. 이러한 구현예들에서, 도 7을 참조하면, 물 켄칭(231)은 증기가 아닌 전기로 작동하도록 구성된 물 켄칭 타워 및 물 스트리퍼를 포함할 수 있다. 급냉된, 분해된 가스 스트림(232)의 상기 생성물들은 분해된 가스 압축(233)에서 압축되고, 상기 압축된, 분해된 가스 스트림(234)은 건조되며, 산성 가스는 산성 가스 제거/물 제거(235/237)에서 제거되어 건조된, 분해된 가스 스트림(238)을 생성한다. 실시예 1에서는, 비교 실시예 1에 기재된 종래의 플랜트와 달리, 분해된 가스 건조기 흡수재의 상기 재생을 위한 열이 전기적으로 제공된다. 건조된, 분해된 가스 스트림(238)은 극저온 분별(246) 및 관련 극저온 냉각(243)을 통해 생성물 분별(240)을 거치며, 이는 상기 생성물들 및 부산물들을 분리하도록 작동된다. 재순환 에탄 스트림(242) 내의 상기 재순환 에탄과 함께, 상기 생성물들 및 부산물들은 에틸렌 생성물 스트림(250)에 에틸렌 187.5t/hr, 수소- 및 메탄-함유 스트림(244)에 수소와 메탄 혼합물을 포함하는 30t/hr, 및 주로 프로필렌과 부타디엔을 포함하는C3+ 스트림(261)에 C3+ 생성물13t/hr을 포함한다.
다수의 소규모 사용처들 외에도 실시예 2의 상기 전기화된 공정(V)에는 5개의 주요 에너지 소비처들이 있다(표 2 참조): (1) 희석 증기를 생성하기 위한 재순환수 및 보충수의 기화(예컨대, 열 교환기(HX1)에서), (2) 상기 공급물 가스들을 거의 반응 온도로 가열(예컨대, 열 교환기 시스템(HX2)을 통해), (3) 상기 최종 온도 상승을 반응 온도 및 상기 반응 열로 공급하기 위해 상기 분해 반응기를 가열(예컨대, 열분해 반응 섹션(220)의 전기 반응기 가열), (4) 상기 분해된 가스 압축기(예컨대, 분해된 가스 압축(233)의)를 구동하기 위한 에너지, 및 (5) 상기 극저온 분별(예컨대, 생성물 분별 섹션(240)의 극저온 분별(246))를 구동하기 위한 에너지. 보다 적은 양의 에너지가 다양한 다른 목적에 사용된다. 이러한 에너지의 일부는 냉각될 때 상기 생성물 스트림과의 열 교환을 통해 얻을 수 있지만 나머지는 외부에서 공급해야 한다. 실시예 2에서, 유일한 외부 에너지 공급원은 재생 전기이다. 이러한 에너지는 온도들, 에너지 유형들 및 에너지 함량의 신중한 일치를 통해 가장 고효율로 상기 공정에서 다양한 에너지 소비처들에 할당될 수 있다. 상기 에너지의 일부는 열 교환을 통해 직접 전달할 수 있다. 비교 실시예 1 및 실시예 1과 대조적으로, 이러한 실시예 2의 상기 공정에서는 열 교환에 사용되거나 압축기 구동과 같은 기계적 작업을 수행하는 데 사용되는 증기로 에너지가 변환되지 않는다. 실시예 2에서, 열 입력들 및 출력들을 일치시키기 위해 논리적 전략이 채택되었지만, 다른 배치들이 가능하고 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 본 실시예 2에서, 109MW의 재생 전기가 상기 극저온 분별 시스템(240)에 에너지를 공급하는 데 사용된다. 이러한 에너지는 고효율(여기서는 95%로 가정)로 적용될 수 있기 때문에, 이러한 109MW의 전기 에너지는 비교 실시예 1에서 증기로 공급되는 398MW의 에너지를 대체할 수 있다. 추가적인 10MW의 전기 에너지는 비교 실시예 1에서 증기로 구동되는 217의 여러 물 펌프들에 에너지를 공급하는 데 사용되며, 다시 훨씬 더 고효율로 사용된다. 57MW의 재생 전기는 희석수 증발에 필요한 열의 일부를 공급하는 데도 사용된다. 비교 실시예 1에서와 같이, 상기 물 켄칭(231) 및 다른 공정 단계들에서 일부 에너지가 손실된다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예 2는 연소로부터 연도 가스를 생성하지 않으며, 이를 에너지 손실 또는 CO2 배출의 공급원으로서 완전히 제거한다.
표 2는 실시예 2의 완전 전기화된 공정(V)에 대한 에너지 균형을 나타낸다. 603MW의 재생 전기가 공정에 공급된다; 이러한 비교 실시예 1에서보다 약 53% 적은 공정에 대한 총 순 에너지 입력을 나타낸다. 추가적으로, 270MW는 본 발명에 따라 전기화되는 실시예 2의 공정(V)의 상기 생성물 가스들의 상기 냉각 동안 내부적으로 전달된다. 비교 실시예 1과 달리, 실시예 2에서는 상기 공급물에서 희석제로 사용된 증기 외에는 증기 시스템이 없다. 전기 사용의 비효율성들로 인한 시스템의 총 손실과 상기 켄칭 시스템 및 기타 공정 단계들의 손실은 비교 실시예 1보다 82% 적다.
표 3은 본 발명에 따른 실시예 2에 대한 관련 에너지 사용 통계들을 제공한다. 실시예 2에서, 천연 가스가 소비되지 않고, CO2가 생성되지 않는다. 절약된 연간 673,000톤의 천연 가스는 예를 들어, 메탄올 또는 암모니아 합성 공정을 위한 공급물로 다른 곳에서 사용될 수 있다. 특정 에너지 소비량은 생산된 에틸렌 톤당 11.6GJ로 비교 실시예 1의 공정보다 53% 적다. 공급된 순 외부 에너지의 24%만이 상기 물 켄칭(231) 및 기타 공정 단계들에서 손실되고, 전기를 샤프트 작업으로 변환하는 비효율성들은(예컨대, 233에서 분해된 가스 압축 및 243에서 극저온 냉동) 비교 실시예 1에 비해 상당히 개선되었다.
실시예 3
실시예 3은 비교 실시예 1에 기재된 상기 증기 분해 공정의 본 발명의 구현예들에 따른 완전한 전기화이다. 본 실시예에서, 실시예 1과 달리 상기 전달 라인 교환기(223)가 유지되고, 이에 의해 포획된 에너지가 증기로 변환되어 다양한 목적으로 사용되는 반면, 공급물 예열, 상기 열분해 반응 섹션(220)의 상기 열분해 반응기 및 상기 분해된 가스 압축기(233)를 포함하는 상기 공정의 다른 부분이 전기화된다.
이러한 전기화된 플랜트(VI)의 핵심 요소들은 도 8에 도시된다. 시간당 236미터 톤(t/hr)의 에탄 공급물(205)이 상기 공정에 공급되고, 공급물 전-처리 섹션(210)의 혼합기에서 에탄 재순환 스트림(242)의 재순환 에탄 및 희석 증기(211)의 희석제 증기와 결합되고; 상기 결합된 공급물 스트림(215)은 예열 섹션(210')의 상기 전기 예열기에서 650℃로 가열된 다음 재생 전기에 의해 가열된 열분해 반응 섹션(220)의 상기 로들에서 840℃의 반응 온도로 가열된다. 이러한 반응 섹션(220)은 또한 흡열성인 상기 에탄 분해를 위한 반응 열을 공급한다. 상기 분해된 가스 생성물 스트림(222)의 출구 공정 가스는 전달 라인 교환기(TLE)(223)에서 400℃로 냉각되고, 라인들(212 및 226)에서 상기 재순환수 및 보충수를 기화시키는 열 교환기(HX1)에서 TLE 급냉된, 분해된 가스 스트림(225)에서 상기 생성물을 교환함으로써 추가로 냉각된다. 상기 희석수는 그 다음, 물 켄칭(231)에서 급냉함으로써 회수된다; 물 라인(226)의 상기 회수된 물은 상기 열분해 반응 섹션(220)에서 희석제로 사용하기 위해 반환된다. 급냉된, 분해된 가스 스트림(232) 내의 상기 생성물들은 분해된 가스 압축(233)에서 압축되고, 상기 압축된 분해 가스 스트림(234)은 산성 가스 제거/물 제거(235/237)에서 건조되어 건조된, 분해된 가스 스트림(238)을 생성한다. 건조된, 분해된 가스 스트림(238)은 극저온 분별(246) 및 관련 극저온 냉각(243)을 통해 생성물 분별(240)을 거치며, 이는 상기 생성물들 및 부산물들을 분리하도록 작동된다. 재순환 에탄 스트림(242) 내의 상기 재순환 에탄과 함께, 상기 생성물들 및 부산물들은 에틸렌 생성물 스트림(250)에 에틸렌 187.5t/hr, 수소- 및 메탄-함유 스트림(244)에 수소와 메탄 혼합물을 포함하는 30t/hr, 및 주로 프로필렌과 부타디엔을 포함하는C3+ 스트림(261)에 C3+ 생성물13t/hr을 포함한다.
다수의 소규모 사용처들 외에도 실시예 3의 상기 전기화된 공정(VI)에는 6개의 주요 에너지 소비처들이 있다(표 2 참조): (1) 증기를 생성하기 위한 상기 재순환수 및 보충수의 기화(예컨대, 열교환기(HX1)에서), (2) (예컨대, 공급물 예열 섹션(210')의 전기 예열기를 통해) 거의 반응 온도로 상기 공급물 가스들을 가열, (3) 상기 최종 온도 상승을 반응 온도 및 반응 열로 공급하기 위해 상기 분해 반응기들을 가열(예컨대, 열분해 반응 섹션(220)의 전기 반응기의 가열), (4) 상기 분해된 가스 압축기(예컨대, 분해된 가스 압축(233)의)를 구동하기 위한 전력, (5) 상기 극저온 분별(예컨대, 생성물 분별 섹션(240)의 극저온 분별(246))를 구동하기 위한 에너지 및 (6) 전기 과열기(227)에서 증기의 과열. 보다 적은 양의 에너지가 다양한 다른 목적에 사용된다. 이러한 에너지의 일부는 냉각될 때 상기 생성물 스트림과의 열 교환을 통해 얻을 수 있지만 나머지는 외부에서 공급해야 한다. 실시예 3에서, 유일한 외부 에너지 공급원은 재생 전기이다. 이러한 에너지는 온도들, 에너지 유형들 및 에너지 함량의 신중한 일치를 통해 가장 고효율로 상기 공정에서 다양한 에너지 소비처들에게 할당될 수 있다. 에너지의 일부는 열 교환을 통해 직접 전달할 수 있다. 실시예 3에서, 열 입력들 및 출력들을 일치시키기 위해 논리적 전략이 채택되었지만, 다른 배치들이 가능하고 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 본 실시예 3에서, 69MW의 재생 전기가 상기 분해된 가스 압축 섹션(233)에 에너지를 공급하는 데 사용된다. 이러한 에너지는 고효율로 적용될 수 있기 때문에(여기서는 95%로 가정), 이러한 69MW의 전기 에너지는 비교 실시예 1에서 증기로 공급되는 252MW의 에너지를 대체할 수 있다. 추가적으로 14MW의 전기 에너지가 비교 실시예 1에서 증기로 구동되는 217의 여러 물 펌프에 훨씬 보다 높은 효율로 에너지를 공급하는 데 사용된다. 355MW의 재생 전기는 전기 예열 섹션(210')의 상기 보일러 공급수 뿐만 아니라 상기 공급물 예열에 필요한 열을 공급하는 데 사용된다. 공급물을 반응 온도로 가열하고 열분해 반응기 섹션(220)의 전기 반응기에서 반응 열에 필요한 열을 공급하는 데, 392MW의 재생 전기가 사용된다. 전기-과열기(227)에서 고압 증기를 과열시키기 위한 열을 공급하는 데, 91MW의 재생 전기가 사용된다. 비교 실시예 1에서와 같이, 상기 물 켄칭(231) 및 다른 공정 단계들에서 일부 에너지가 손실된다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예 3은 연소로부터 연도 가스를 생성하지 않으며, 이를 에너지 손실 또는 CO2 배출의 공급원으로서 제거한다.
표 2는 실시예 3의 완전 전기화된 공정(VI)에 대한 에너지 균형을 도시한다. 921MW의 재생 전력이 상기 공정에 공급된다; 이것은 비교 실시예 1에서보다 29% 적은 공정에 대한 총 순 에너지 입력을 나타낸다. 추가적으로, 310MW의 열 에너지는 주로 상기 생성물 가스의 냉각으로부터, 본 발명에 따른 실시예 3에 따라 내부적으로 전달된다. 실시예 3의 상기 증기 시스템에 공급되는 총 에너지는 440MW로, 비교 실시예 1에 비해 42% 적은 양이다. 실시예 3에서, 상기 증기 에너지의 대부분은 상기 극저온 냉동 섹션(243)의 상기 압축기들을 구동하는 데 사용된다. 전기 사용의 비효율성들 및 샤프트 작업을 수행하기 위한 증기 사용의 비효율성들로 인한 실시예 3에 기재된 상기 공정의 총 손실, 그리고 상기 켄칭 시스템 및 기타 공정 단계들의 손실은, 비교 실시예 1보다 44% 적다.
표 3은 본 발명에 따른 실시예 3에 대한 관련 에너지 사용 통계들을 제공한다. 실시예 3에서는 천연 가스가 소비되지 않고, CO2가 생성되지 않는다. 절약된 연간 673,000톤의 천연 가스는 예를 들어, 메탄올 합성 공정의 공급물로 다른 곳에서 사용될 수 있다. 특정 에너지 소비량은 생산된 에틸렌 톤당 17.7GJ로, 비교 실시예 1의 공정보다 28% 적은 양이다. 본 실시예 3에서, 공급된 순 외부 에너지의 50%는 상기 물 켄칭(231) 및 기타 공정 단계들에서 손실되고, 증기 또는 전기를 샤프트 작업으로 변환하는 비효율성들(예컨대, 243에서의 극저온 냉동)로 비교 실시예 1에 비해 상당히 개선되었다.
실시예 1, 2 및 3을 비교하면, 전기화를 고려할 때 발생하는 몇 가지 절충 사항을 알 수 있다. 기존 플랜트의 특정 구성에 따라 특정 수정을 구현하는 것이 더 쉽거나 더 어려울 수 있으며 특정 유형의 전기화를 선호할 수 있다. 선택된 변형들의 최상의 조합은 본 발명의 교시에 따라 당업자에 의해 결정될 수 있고, 이러한 조합은 본 발명의 범위 내에 있다.
실시예 1, 2 및 3에 대한 에너지 사용 통계들의 비교는 부분 전기화에 대한 수정을 선택할 때 절충점을 보여준다. 실시예 1 및 2의 상기 에너지 효율은 실시예 3에 비해 높고, 총 에너지 사용량은 보다 적다. 그러나 천연 가스 소비 및 CO2 배출량은 실시예 3보다 실시예 1에서 보다 높다. 이것은 추가된 재생 에너지가 사용되는 방식의 결과이다; 실시예 1에서, 전기는 주로 기계적 작업을 수행하는 데 사용되며, 이는 효율성 향상을 나타내는 반면, 실시예 3에서, 전기의 일부가 상기 분해로들에 공급되는 연료를 교체하는 데 사용되어 연료 소비와 CO2 배출을 낮춘다. 어떤 옵션이 바람직한 지는 수정되거나 설계되는 플랜트의 요구 사항과 제한 사항에 따라 다르다. 부분 전기화에서, 변형의 최상의 조합은 본 발명의 교시에 따라 당업자에 의해 결정될 수 있고, 그러한 조합은 본 발명의 범위 내에 있다.
실시예 4
일 구현예에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 공정(VII)은 실시예 2에 기술된 상기 공정(V)에 추가된 가스 분리 유닛(gas separation unit)(260)을 포함한다. 상기 가스 분리 유닛(260)은 압력 스윙 흡착(PSA) 유닛을 포함할 수 있다. 상기 가스 분리 유닛(260)은 수소- 및 메탄-함유 스트림(244)을 정화하도록 구성된다. 본 명세서에 기재된 실시예 2와 같이, 스트림(244)은 30.1 t/hr의 유속을 가지고, 48 중량%(88 mol %) 수소 및 52 중량%(12 mol %) 메탄을 포함한다. 상기 가스 분리 유닛(260)(예를 들어, PSA 가스 분리 유닛(260))은 3MW의 전기를 소비하고, 본질적으로 순수한 메탄으로 구성된 메탄 스트림(247) 및 본질적으로 순수한 수소로 구성된 수소 스트림(248)의 2개의 생성물 스트림들을 생성한다. 이러한 공정(VII)을 통해, PSA(260)에서 생성된 14.3 t/hr의 정제된 수소가 연료 전지(270)에 공급될 수 있고, 여기서 상기 수소는 물 스트림(249)에서 물로 변환되고, 전기 효율이 45%인 전기(E)로 변환되어, 253MW의 전기를 지속적으로 생산한다. 순 전기(250MW)는 상기 공정에 필요한 전기 603MW의 41%를 공급하는 데 사용된다(실시예 2의 공정(V)에 대해 위에서 설명됨; 표 2 참조).
실시예 5
구현예들에서, 실시예 4에 기재된 바와 같은 공정(VII)은 적어도 하나의 압축기 및 저장 용기를 포함하고, 재생 전기의 가용성이 낮거나 더 비쌀 때 사용하기 위해 생성된 14.3 t/hr의 정제된 수소(라인(248A)을 통해 거기에 도입될 수 있음)를 압축 및 저장하도록 구성되는 수소 압축 및 저장 장치(hydrogen compression and storage apparatus)(280)를 추가로 포함한다. 필요할 때, 상기 압축 및 저장된 수소는 상기 공정(VII)에 의해 그 시간에 생성되는 상기 수소(예를 들어, 라인(248)의 상기 수소)와 (예를 들어, 라인(248B)을 통해) 결합될 수 있고, 둘 다 상기 연료 전지(270)를 사용하여 전기로 변환될 수 있다. 상기 저장된 수소를 전기 생산에 사용하는 시기는 다양한 요인들에 따라 당업자에 의해 결정될 수 있다. 일례로, 일부 재생 전기를 일일 기준으로 사용할 수 있다면, 12시간 동안 172톤의 수소를 수집하고 저장할 수 있다. 다음 12시간 동안 방출되고, 14.3t/hr 수소와 결합하면, 상기 공정에서 여전히 생산되는 것으로 인해 12시간 동안 지속적으로 사용할 수 있는 약 503MW의 전기가 생성된다. 이것은 상기 공정 운영에 필요한 603MW 전력의 80%를 공급할 수 있다.
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
다양한 구현예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 사상 및 교시를 벗어나지 않고 당업자에 의해 그의 변형이 이루어질 수 있다. 본 명세서에 기술된 상기 구현예들은 예시일 뿐이며, 제한하려는 의도가 아니다. 본 명세서에 개시된 주제의 많은 변형 및 수정이 가능하고, 본 발명의 범위 내에 있다. 수치 범위 또는 제한이 명시적으로 언급된 경우, 그러한 명시 범위 또는 제한은 반복 범위 또는 명시적으로 언급된 범위 또는 제한 내에 속하는 유사한 크기의 제한을 포함하는 것으로 이해되어야 한다(예를 들어, 약 1 내지 약 10은 2, 3, 4 등을 포함하고, 0.10 초과는 0.11, 0.12, 0.13 등을 포함한다). 예를 들어, 하한값(RL) 및 상한값(RU)을 가지는 수치 범위가 개시될 때마다, 그 범위 내에 속하는 임의의 숫자가 구체적으로 개시된다. 특히, 범위 내의 다음 숫자가 구체적으로 개시된다　: R=RL+k*(RU-RL), 여기서 k는 1% 증분으로 1%에서 100% 범위의 변수이고, 즉, k는 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, ... 50%, 51%, 52%, ..., 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 또는 100%이다. 또한, 상기 정의된 바와 같은 2개의 R 번호들에 의해 정의된 임의의 수치 범위도 구체적으로 개시된다. 청구항의 임의의 요소와 관련하여 "선택적으로"라는 용어의 사용은 주제 요소가 필요하거나 대안적으로 필요하지 않음을 의미하기 위한 것이다. 두 대안 모두 청구항의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 포함하는, 구비하는, 가지는 등과 같은 더 넓은 용어들의 사용은 구성되는, 본질적으로 구성되는, 실질적으로 구성되는 등과 같은 더 좁은 용어에 대한 지원을 제공하는 것으로 이해되어야 한다.
따라서, 보호 범위는 위에 설명된 설명에 의해 제한되지 않고, 다음 청구범위에 의해서만 제한되며, 그 범위는 청구범위 주제의 모든 등가물을 포함한다. 각각의 모든 청구항은 본 발명의 구현예로서 명세서에 통합된다. 따라서, 청구범위는 추가적인 설명이며, 본 발명의 구현예들에 대한 추가이다. 참고 문헌에 대한 논의는 본 발명에 대한 선행 기술, 특히 본 출원의 우선일 이후에 공개 날짜를 가질 수 있는 모든 참고 문헌에 대한 인정이 아니다. 본 명세서에 인용된 모든 특허, 특허 출원 및 간행물의 개시 내용은 본 명세서에 기재된 것을 보완하는 예시적, 절차적 또는 기타 세부 사항을 제공하는 한도에서 참조로 포함된다.
추가 발명 파트 I
위에 개시된 특정 구현예들은 단지 예시일 뿐이며, 본 발명은 본 명세서에서의 교시의 이점을 가지는 당업자에 대해 명백하게 상이한, 동등하지만 상이한 방식으로 수정되고 실행될 수 있다. 또한, 아래의 청구범위에 기술된 것 외에는 본 명세서에 도시된 구성 또는 설계의 세부사항에 제한을 두지 않는다. 따라서, 위에 개시된 특정 예시적인 구현예는 변경 또는 수정될 수 있고 이러한 모든 변형은 본 발명의 범위 및 사상 내에서 고려된다는 것이 명백하다. 구현예(들)의 특징을 결합, 통합 및/또는 생략함으로써 생기는 대안적인 구현예도 본 발명의 범위 내에 있다. 조성물들 및 방법들은 다양한 구성요소들 또는 단계들을 "가지는", "포함하는", "함유하는" 또는 "구비하는"의 더 넓은 용어로 설명되지만, 상기 조성물들 및 방법들은 또한 다양한 구성요소들 및 단계들로 "본질적으로 구성"되거나 "구성"될 수 있다. 청구항의 임의의 요소와 관련하여 "선택적으로"라는 용어의 사용은 요소가 필요하거나 대안적으로 요소가 필요하지 않음을 의미하며, 두 대안은 모두 청구항의 범위 내에 있다.
위에서 개시된 수치와 범위는 다소 다를 수 있다. 하한 및 상한을 가지는 수치 범위가 개시될 때마다, 그 범위 내에 속하는 임의의 수 및 임의의 포함된 범위가 구체적으로 개시된다. 특히, 본 명세서에 개시된 값들("약 a에서 약 b로" 또는 동등하게 "대략 a에서 b로" 또는 동등하게 "대략 a-b에서")의 모든 범위는 보다 넓은 범위의 값 내에 포함되는 모든 수 및 범위를 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 또한 특허청구범위의 용어는 특허권자가 달리 명시적으로 명확하게 정의하지 않는 한 명확하고 일반적인 의미를 가진다. 더욱이, 청구범위에 사용된 부정관사 "a" 또는 "an"은 그것이 도입하는 하나 이상의 요소를 의미하는 것으로 본 명세서에서 정의된다. 본 명세서와 하나 이상의 특허 또는 기타 문서에서 단어 또는 용어의 사용에 충돌이 있는 경우, 본 명세서와 일치하는 정의가 채택되어야 한다.
본 명세서에 개시된 구현예들은 다음을 포함한다:
A: 경질 올레핀들의 제조를 위한 올레핀 합성 플랜트로서, 상기 올레핀 합성 플랜트는: 공급물 스트림을 전-처리하도록 구성되는 공급물 전-처리 섹션(feed pretreatment section); 희석제의 존재 하에 상기 공급물 스트림 내의 탄화수소들을 분해하여, 분해된 가스 스트림을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 열분해 반응기들을 포함하는 열분해 섹션(pyrolysis section); 상기 분해된 가스 스트림으로부터 열 회수 및 켄칭을 제공하도록 구성되는 일차 분별 및 압축 섹션; 상기 분해된 가스 스트림으로부터 연료유, 황화수소, 이산화탄소, 물, 열분해 가솔린, 또는 이들의 조합을 제거하고; 상기 분해된 가스 스트림을 압축하여, 압축된, 분해된 가스 스트림을 제공하도록 구성되는 일차 분별 및 압축 섹션(primary fractionation and compression section); 및/또는 상기 압축된, 분해된 가스 스트림으로부터 생성물 올레핀 스트림을 분리하도록 구성되는 생성물 분리 섹션(product separation section);을 포함하되, 상기 올레핀 합성 플랜트는 통상적인 올레핀 합성 플랜트에 비해, 상기 올레핀 합성 플랜트, 상기 공급물 전-처리 섹션, 상기 열분해 섹션, 상기 일차 분별 및 압축 섹션, 상기 생성물 분리 섹션 또는 이들의 조합에 필요한 에너지 및/또는 순 에너지의 더 많은 양을 비-탄소-기반 에너지 공급원, 재생 에너지 공급원 및/또는 전기에 의해 제공되도록 구성된다.
B: 경질 올레핀의 제조를 위한 올레핀 합성 플랜트로서, 상기 올레핀 합성 플랜트는: 공급물 스트림을 전-처리하도록 구성된 공급물 전-처리 섹션; 분해된 가스 스트림을 생성하기 위해 희석제의 존재 하에 상기 공급물 스트림 내의 탄화수소들을 분해하도록 구성되는 하나 이상의 열분해 반응기들을 포함하는 열분해 섹션; 상기 분해된 가스 스트림으로부터 열 회수 및 켄칭을 제공하도록 구성되는 일차 분별 및 압축 섹션; 상기 분해된 가스 스트림으로부터 연료유, 황화수소, 이산화탄소, 물, 열분해 가솔린, 또는 이들의 조합을 제거하고; 상기 분해된 가스 스트림을 압축하여 압축된, 분해된 가스 스트림을 제공하고; 및/또는 상기 압축된, 분해된 가스 스트림으로부터 생성물 올레핀 스트림을 분리하도록 구성되는 생성물 분리 섹션을 포함하되, 상기 올레핀 합성 플랜트는 상기 올레핀 합성 플랜트, 상기 공급물 전-처리 섹션, 상기 열분해 섹션, 상기 일차 분별 섹션, 상기 생성물 분리 섹션, 또는 이들의 조합에 의해 요구되는 상기 공정 에너지 및/또는 순 공정 에너지의 대부분이 전기에 의해 제공되도록 구성된다.
C: 본 발명에 기술된 임의의 구현예들에서와 같은 방법을 수행하기 위해 본 명세서에 기술된 장치.
구현예 A, B 및 C 각각은 다음의 추가 요소들 중 하나 이상을 가질 수 있다. 요소 1: 비-탄소 기반 에너지 공급원은 전기를 포함한다. 요소 2: 상기 전기가 재생 에너지 공급원으로부터 생성되고, 및/또는 상기 재생 에너지 공급원이 풍력, 태양열, 지열, 수력, 원자력, 조력, 파력, 또는 이들의 조합을 포함한다. 요소 3: 상기 하나 이상의 열분해 반응기 내에서 미리 결정된 분해 온도는 연료, 탄소 기반 연료 및/또는 화석 연료를 연소시키지 않고 달성된다. 요소 4: 상기 올레핀 합성 플랜트 내에서 연료, 탄소-기반 연료 또는 화석 연료가 연소되지 않는다. 요소 5: 상기 생산된 에틸렌 톤당 생산된 CO2의 양이 에틸렌 톤당 CO2 1.2톤 미만으로 감소된다. 요소 6: 순 에너지 입력들에서 계산된 상기 특정 에너지 소비는 17GJ/톤 미만이다. 요소 7: 소비된 전기량이 50MW 이상이다. 요소 8: 상기 하나 이상의 열분해 반응기들은 저항 및/또는 유도 가열을 통해 미리 결정된 분해 온도로 가열된다. 요소 9: 상기 하나 이상의 열분해 반응기들은, 전기적으로 생성된 열이 복사에 의해 상기 하나 이상의 열분해 반응기들에 열을 전달하는 복사 패널들을 가열하는데 사용되는 복사 섹션(radiant section)을 통해 미리 결정된 분해 온도로 가열된다. 요소 10: 상기 희석제는 증기를 포함한다. 요소 11: 상기 하나 이상의 열분해 반응기들에서 상기 희석제로 사용하기 위한 증기 생산 및/또는 상기 분해된 가스 스트림과의 열 전달을 용이하게 하기 위한 것 외에, 증기는 1차 에너지 전달 매체로 사용하기 위해 생산되지 않는다. 요소 12: 여기서: 상기 하나 이상의 열분해 반응기들에서 상기 희석제로 사용되는 상기 증기의 다수, 일부 또는 전부, 상기 플랜트의 증기 터빈들의 하나 이상, 다수, 또는 전부는 전기적으로 생성된다. 요소 13: 상기 일차 분별 및 압축 섹션, 상기 생성물 분리 섹션, 또는 둘 모두는 하나 이상의 압축기들을 포함하고, 상기 하나 이상의 압축기들의 적어도 절반 또는 다수는 비-가스 구동 또는 비-증기 구동 동작(non- gas-driven or non-steam driven operation)을 위해 구성된다. 요소 14: 상기 일차 분별 및 압축 섹션, 상기 생성물 분리 섹션, 또는 둘 모두는 하나 이상의 압축기들을 포함하고, 상기 하나 이상의 압축기들 중 적어도 하나는 전기 모터-구동 및 가스-구동 또는 전기 모터-구동 및 증기 구동 작동 모두를 통한 이중 기능 작동을 위해 구성된다. 요소 15: 상기 일차 분별 및 압축 섹션, 상기 생성물 분리 섹션, 또는 둘 모두는 하나 이상의 압축기들을 포함하고, 상기 일차 분별 및 압축 섹션, 상기 생성물 분리 섹션, 또는 둘 모두의 하나 이상의 압축 단계를 위한 이중 구동 압축기들을 추가로 포함하고, 상기 압축 단계는 상기 이중 구동 중 2차 구동이 오프라인일 때 온라인 상태인 이중 구동 중 1차 구동을 통해 수행될 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이며, 상기 이중 구동 중 1차 구동은 전기 모터 구동이고, 이중 구동 중 2차 구동은 증기 구동 또는 연소 구동이다. 요소 16: 상기 플랜트의 구성은 재생 전기를 통해 하나 이상의 압축기들의 작동을 가능하게 하고, 재생 전기를 사용할 수 없는 경우 연소-생성된 증기 또는 가스 연소를 통한 작동을 가능하게 한다. 요소 17: 상기 재생 전기는 풍력, 태양열, 지열, 수력, 원자력, 조력, 파력, 또는 이들의 조합에 의해 제공된다. 요소 18: 상기 일차 분별 및 압축 섹션, 상기 생성물 분리 섹션, 또는 둘 모두는 하나 이상의 증류 컬럼들 및 관련 리보일러들을 포함하고, 하나 이상의 증류 컬럼들에 대한 에너지의 적어도 일부가 전기적으로 공급 및/또는 제거된다. 요소 19: 압축된 수소, 상기 공급물의 압축된 탄화수소(들), 상기 생성물들의 압축된 탄화수소(들), 극저온 액체들, 열 배터리들, 전기 배터리들, 또는 이들의 조합의 형태로 에너지를 저장하는 것을 추가로 포함하여, 재생 전기를 사용할 수 없을 때, 상기 압축된 수소, 상기 공급물의 상기 압축된 탄화수소(들), 상기 생성물들의 압축된 탄화수소(들), 극저온 액체들, 상기 열 배터리들, 상기 전기 배터리들 또는 이들의 조합으로부터의 상기 저장된 에너지를 활용할 수 있다. 요소 20: (a) 고압에서 압축된 에탄 또는 LPG 공급물을 위한 저장 - 상기 저장된, 압축된 에탄 또는 LPG 공급물은 나중에 전기를 생성하기 위해 팽창될 수 있고, 후속적으로 공급물로 사용될 수 있음 -; (b) 저온에서 압축된 에탄 또는 프로판 공급물을 위한 저장 - 상기 저장된, 압축된 에탄 또는 LPG 공급물은 나중에 냉매로 사용될 수 있고, 후속적으로 공급물로 이용될 수 있음 -; 또는 (c) 이들의 조합;을 포함한다. 요소 21: 상기 올레핀 합성 플랜트 내의 압력 또는 열로부터 전기를 생성하도록 구성되는 전기 생산 장치를 추가 포함한다. 요소 22: 상기 전기 생산 장치는 팽창기, 열전 장치 또는 이들의 조합을 포함한다. 요소 23: 상기 하나 이상의 열분해 반응기들은 나프타, 에탄, 프로판, 부탄, LPG, 응축수, 가스 오일, 미전환 하이드로 왁스(하이드로 크래커 바텀들), 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 왁스, 수소 처리된 원유 및 원유 유도체들, 재순환 플라스틱들의 열분해 오일, 바이오 오일들, 바이오 디젤, 바이오 나프타 또는 이들의 조합을 포함하는 기체 또는 액체 탄화수소 공급물을 분해하도록 구성된다. 요소 24: 상기 올레핀 합성 플랜트 내에서 기계적 작업을 수행하는 데 증기가 사용되지 않도록 구성된다. 요소 25: 연소되지 않은 연도 가스의 생산을 위해 구성된다. 요소 26: 상기 올레핀 합성 플랜트 내에서 생성된 수소로부터 전기를 생성하도록 작동 가능한 하나 이상의 연료 전지들을 추가로 포함한다. 요소 27: 상기 올레핀 합성 플랜트 내에서 생성된 수소를 암모니아 합성 플랜트로 수출하고 및/또는 상기 올레핀 합성 플랜트 내에서 생성된 상기 수소를 질소와의 반응을 통해 암모니아로 전환하도록 구성된다. 요소 28: 상기 올레핀 합성 플랜트 내에서 생산된 메탄을 메탄올 합성 플랜트로 수출하고 및/또는 상기 올레핀 합성 플랜트 내에서 생산된 메탄을 메탄올로 전환하도록 구성된다.
추가 발명 파트 II
다음은 본 발명에 따른 비제한적인 특정 구현예들이다:
경질 올레핀의 제조를 위한 올레핀 합성 플랜트인 제1구현예로서, 상기 올레핀 합성 플랜트는: 공급물 스트림을 전-처리하도록 구성되는 공급물 전-처리 섹션(feed pretreatment section); 희석제의 존재 하에 상기 공급물 스트림 내의 탄화수소들을 분해하여, 분해된 가스 스트림을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 열분해 반응기들을 포함하는 열분해 섹션(pyrolysis section); 상기 분해된 가스 스트림으로부터 열 회수 및 켄칭을 제공하고; 상기 분해된 가스 스트림에서 연료유, 황화수소, 이산화탄소, 물, 열분해 가솔린 또는 이들의 조합을 제거하고; 상기 분해된 가스 스트림을 압축하여, 압축된, 분해된 가스 스트림을 제공하도록 구성되는 일차 분별 및 압축 섹션(primary fractionation and compression section); 및/또는 상기 압축된, 분해된 가스 스트림으로부터 생성물 올레핀 스트림을 분리하도록 구성되는 생성물 분리 섹션(product separation section);을 포함하되, 상기 올레핀 합성 플랜트는 통상적인 올레핀 합성 플랜트에 비해, 상기 올레핀 합성 플랜트, 상기 공급물 전-처리 섹션, 상기 열분해 섹션, 상기 일차 분별 및 압축 섹션, 상기 생성물 분리 섹션 또는 이들의 조합에 필요한 에너지 및/또는 순 에너지의 더 많은 양을 비-탄소-기반 에너지 공급원, 재생 에너지 공급원 및/또는 전기에 의해 제공되도록 구성된다.
제1구현예의 올레핀 합성 플랜트인 제2 구현예로서, 상기 비-탄소 기반 에너지 공급원이 전기를 포함한다.
경질 올레핀의 제조를 위한 올레핀 합성 플랜트인 제3 구현예로서, 상기 올레핀 합성 플랜트는: 공급물 스트림을 전-처리하도록 구성되는 공급물 전-처리 섹션(feed pretreatment section); 희석제의 존재 하에 상기 공급물 스트림 내의 탄화수소들을 분해하여, 분해된 가스 스트림을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 열분해 반응기들을 포함하는 열분해 섹션(pyrolysis section); 상기 분해된 가스 스트림으로부터 열 회수 및 켄칭을 제공하고; 상기 분해된 가스 스트림에서 연료유, 황화수소, 이산화탄소, 물, 열분해 가솔린 또는 이들의 조합을 제거하고; 상기 분해된 가스 스트림을 압축하여, 압축된, 분해된 가스 스트림을 제공하도록 구성되는 일차 분별 및 압축 섹션(primary fractionation and compression section); 및/또는 상기 압축된, 분해된 가스 스트림으로부터 생성물 올레핀 스트림을 분리하도록 구성되는 생성물 분리 섹션(product separation section);을 포함하되, 상기 올레핀 합성 플랜트는 올레핀 합성 플랜트, 상기 공급물 전-처리 섹션, 상기 열분해 섹션, 상기 일차 분별 섹션, 상기 생성물 분리 섹션, 또는 이들의 조합에 의해 요구되는 공정 에너지 및/또는 순 공정 에너지의 대부분이 전기에 의해 제공되도록 구성된다.
제2 또는 제3구현예의 올레핀 합성 플랜트인 제4구현예로서, 상기 전기는 재생 에너지 공급원으로부터 생산되고, 및/또는 상기 재생 에너지 공급원은 풍력, 태양열, 지열, 수력, 원자력, 조력, 파력, 또는 이들의 조합을 포함한다.
제1, 제2, 또는 제3구현예의 올레핀 합성 플랜트인 제5구현예로서, 상기 하나 이상의 열분해 반응기 내에서 미리 결정된 분해 온도는 연료, 탄소-기반 연료 및/또는 화석 연료를 연소시키지 않고 달성된다.
제1, 제2 또는 제3구현예들의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제6구현예로서, 연료, 탄소-기반 연료 또는 화석 연료가 상기 올레핀 합성 플랜트 내에서 연소되지 않는다.
제1, 제2, 또는 제3구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제7구현예로서, 상기 생성된 에틸렌 톤당 생성된 CO2의 양이 에틸렌 톤당 CO2 1.2톤 미만으로 감소된다.
제1, 제2, 또는 제3구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제8구현예로서, 상기 순 에너지 입력들로부터 계산된 상기 특정 에너지 소비는 17 GJ/톤 미만이다.
제1, 제2 또는 제3구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제9구현예로서, 상기 소비된 전기량은 50MW 이상이다.
제1, 제2 또는 제3구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제10구현예로서, 상기 하나 이상의 열분해 반응기들은 저항 및/또는 유도 가열을 통해 미리 결정된 분해 온도로 가열된다.
제1, 제2 또는 제3구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제11구현예로서, 상기 하나 이상의 열분해 반응기들은, 전기적으로 생성된 열이 복사에 의해 상기 하나 이상의 열분해 반응기들에 열을 전달하는 복사 패널들을 가열하는데 사용되는 복사 섹션(radiant section)을 통해 미리 결정된 분해 온도로 가열된다.
제1, 제2 또는 제3구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제12구현예로서, 상기 희석제는 증기를 포함한다.
제12구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제13구현예로서, 상기 하나 이상의 열분해 반응기들에서 희석제로서 사용하기 위한 및/또는 분해된 가스 스트림과의 열 전달을 촉진하기 위한 증기의 생성 외에, 증기는 1차 에너지 전달 매체로서의 사용을 위해 생성되지 않는다.
제12구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제14구현예들로서, 상기 하나 이상의 열분해 반응기들에서 상기 희석제로 사용되는 상기 증기의 다수, 일부 또는 전부, 상기 플랜트의 증기 터빈들의 하나 이상, 다수, 또는 전부는 전기적으로 생성된다.
제1, 제2 또는 제3구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제15구현예로서, 상기 일차 분별 및 압축 섹션, 상기 생성물 분리 섹션, 또는 둘 모두는 하나 이상의 압축기들을 포함하고, 상기 하나 이상의 압축기들의 적어도 절반 또는 대부분은 비-가스-구동 또는 비-증기-구동 동작을 위해 구성된다.
제1, 제2 또는 제3구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제16구현예로서, 상기 일차 분별 및 압축 섹션, 상기 생성물 분리 섹션, 또는 둘 모두는 하나 이상의 압축기를 포함하고, 상기 하나 이상의 압축기들 중 적어도 하나는 전기 모터-구동 및 가스-구동 또는 전기 모터-구동 및 증기 구동 동작 모두를 통해 이중 기능 동작을 위해 구성된다.
제1, 제2 또는 제3구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제17구현예로서, 상기 일차 분별 및 압축 섹션, 상기 생성물 분리 섹션, 또는 둘 모두는 하나 이상의 압축기들을 포함하고, 상기 일차 분별 및 압축 섹션, 상기 생성물 분리 섹션, 또는 둘 모두의 하나 이상의 압축 단계를 위한 이중 구동 압축기들을 추가로 포함하고, 상기 압축 단계는 상기 이중 구동 중 2차 구동이 오프라인일 때 온라인 상태인 이중 구동 중 1차 구동을 통해 수행될 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이며, 상기 이중 구동 중 1차 구동은 전기 모터 구동이고, 이중 구동 중 2차 구동은 증기 구동 또는 연소 구동이다.
제15, 제16, 또는 제17구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제18구현예로서, 상기 플랜트의 구성은 재생 전기를 통해 하나 이상의 압축기들의 작동을 가능하게 하고, 재생 전기를 사용할 수 없는 경우 연소-생성된 증기 또는 가스 연소를 통한 동작을 가능하게 한다.
제15 내지 제18구현예들 중 어느 하나의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제19구현예로서, 상기 재생 전기는 풍력, 태양열, 지열, 수력, 원자력, 조력, 파력, 또는 이들의 조합에 의해 제공된다.
제1, 제2 또는 제3구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제20구현예로서, 상기 일차 분별 및 압축 섹션, 상기 생성물 분리 섹션, 또는 둘 모두는 하나 이상의 증류 컬럼들 및 관련 리보일러들을 포함하고, 상기 하나 이상의 증류 컬럼들에 대한 에너지의 적어도 일부는 전기적으로 공급 및/또는 제거된다.
제1, 제2 또는 제3구현예에 따른 올레핀 합성 플랜트인 제21구현예로서, 압축된 수소, 상기 공급물의 압축된 탄화수소(들), 상기 생성물들의 압축된 탄화수소(들), 극저온 액체들, 열 배터리들, 전기 배터리들, 또는 이들의 조합의 형태로 에너지를 저장하는 것을 추가로 포함하여, 재생 전기를 사용할 수 없을 때, 상기 압축된 수소, 상기 공급물의 상기 압축된 탄화수소(들), 상기 생성물들의 압축된 탄화수소(들), 극저온 액체들, 상기 열 배터리들, 상기 전기 배터리들 또는 이들의 조합으로부터의 상기 저장된 에너지를 활용할 수 있다.
제21구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제22구현예로서, (a) 고압에서 압축된 에탄 또는 LPG 공급물을 위한 저장 - 상기 저장된, 압축된 에탄 또는 LPG 공급물은 나중에 전기를 생성하기 위해 팽창될 수 있고, 후속적으로 공급물로 사용될 수 있음 -; (b) 저온에서 압축된 에탄 또는 프로판 공급물을 위한 저장 - 상기 저장된, 압축된 에탄 또는 LPG 공급물은 나중에 냉매로 사용될 수 있고, 후속적으로 공급물로 이용될 수 있음 -; 또는 (c) 이들의 조합;을 포함한다.
제1, 제2 또는 제3구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제23구현예로서, 상기 올레핀 합성 플랜트 내의 압력 또는 열로부터 전기를 생성하도록 구성되는 전기 생산 장치를 추가로 포함한다.
제23구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제24구현예로서, 상기 전기 생산 장치는 팽창기, 열전 장치, 또는 이들의 조합을 포함한다.
제1, 제2, 또는 제3구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제25구현예로서, 상기 하나 이상의 열분해 반응기들은 나프타, 에탄, 프로판, 부탄, LPG, 응축물, 가스 오일, 미전환 하이드로 왁스(하이드로 크래커 바텀들), 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 왁스, 수소 처리된 원유 및 원유 유도체들, 재순환 플라스틱들의 열분해 오일, 바이오 오일들, 바이오 디젤, 바이오 나프타 또는 이들의 조합을 포함하는 기체 또는 액체 탄화수소 공급물을 분해하도록 구성된다.
제1, 제2 또는 제3구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제26구현예로서, 상기 올레핀 합성 플랜트 내에서 기계적 작업을 수행하기 위해 증기가 사용되지 않도록 구성된다.
제1, 제2 또는 제3구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제27구현예로서, 연소되지 않는 연도 가스의 생성을 위해 구성된다.
제1, 제2 또는 제3구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 28 구현예로서, 상기 올레핀 합성 플랜트 내에서 생성된 수소로부터 전기를 발생시키도록 동작 가능한 하나 이상의 연료 전지를 추가 포함한다.
제1, 제2, 또는 제3구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제29구현예로서, 상기 올레핀 합성 플랜트 내에서 생산된 수소를 암모니아 합성 플랜트로 수출하고 및/또는 상기 올레핀 합성 플랜트에서 생산된 수소를 질소와의 반응을 통해 암모니아로 전환하도록 구성된다.
제1, 제2, 또는 제3구현예의 상기 올레핀 합성 플랜트인 제30구현예로서, 상기 올레핀 합성 플랜트 내에서 생산된 메탄을 메탄올 합성 플랜트로 수출하고 및/또는 상기 올레핀 합성 플랜트 내에서 생산된 메탄을 메탄올로 전환하도록 구성된다.
제31구현예는, 본 발명에 설명된 구현예 중 임의의 구현예들에서와 같은 상기 방법을 수행하기 위한 장치이다.
추가 발명 파트 III
다음은 본 발명에 따른 비제한적인 특정 구현예들이다:
본 명세서에 개시된 구현예는 다음과 같다.
A: 올레핀의 제조 방법으로서, 상기 방법은: (a) 탄화수소들(hydrocarbons)을 포함하는 공급물 스트림(feed stream)을 분해하여 올레핀들(olefins)을 포함하는 분해된 가스(cracked gas)를 생성하는 단계 - 상기 공급물 스트림을 분해하는 단계는 상기 공급물 스트림의 온도를 분해 온도로 증가시키는 것을 포함함 -; (b) 상기 올레핀들을 포함하는 분해된 가스로부터 열을 회수하는 단계; (c) 상기 분해된 가스를 압축하여, 압축된, 분해된 가스(compressed, cracked gas)를 제공하는 단계; (d) 상기 압축된, 분해된 가스로부터 산성 가스(acid gas)를 제거하는 단계; (e) 상기 산성 가스-환원된, 분해된 가스를 건조하여, 건조된, 분해된 가스(dried, cracked gas)를 생성하는 단계; (f) 상기 건조된, 분해된 가스를 냉각하여, 냉각된, 분해된 가스(cooled, cracked gas)를 제공하는 단계; 및 (g) 상기 냉각된, 분해된 가스로부터 하나 이상의 올레핀들을 분리하는 단계; 또는 (h) 이들의 조합;을 포함하되, 증기 분해를 통해 올레핀들을 생성하는 통상적인 방법에 비해, (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g) 또는 (h)에 필요한 에너지 및/또는 순 에너지의 더 많은 부분이 비-탄소 기반 에너지 공급원, 재생 에너지 공급원 및/또는 전기에 의해 제공된다.
B: 올레핀의 제조 방법으로서, 상기 방법은: (a) 탄화수소들을 포함하는 공급물 스트림을 분해하여 올레핀들을 포함하는 분해된 가스를 생성하는 단계 - 상기 공급물 스트림을 분해하는 단계는 상기 공급물 스트림의 온도를 분해 온도로 증가시키는 것을 포함함 -; (b) 상기 분해된 가스로부터 열을 회수하는 단계; (c) 상기 분해된 가스를 압축하여, 압축된, 분해된 가스를 제공하는 단계; (d) 상기 압축된, 분해된 가스로부터 산성 가스를 제거하는 단계; (e) 상기 산성 가스-환원된, 분해된 가스를 건조하여, 건조된, 분해된 가스를 생성하는 단계; (f) 분해된 가스를 냉각하여 냉각된, 분해된 가스를 제공하는 단계; (g) 상기 냉각된, 분해된 가스로부터 하나 이상의 올레핀들을 분리하는 단계; 또는 (h) 이들의 조합;을 포함하되, (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g) 또는 (h)에 필요한 에너지 및/또는 순 에너지의 대부분이 전기에 의해 제공된다.
구현예 A 및 B 각각은 다음 추가 요소들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 요소 1: 비-탄소 기반 에너지 소스는 전기를 포함한다. 요소 2: 상기 전기가 재생 에너지 공급원으로부터 생성되고, 및/또는 재생 에너지 공급원이 풍력, 태양열, 지열, 수력, 원자력, 조력, 파력, 또는 이들의 조합을 포함한다. 요소 3: 상기 공급물 스트림의 상기 온도를 상기 분해 온도까지 상승시키는 것은 연료, 탄소-기반 연료, 및/또는 화석 연료를 연소시키지 않고 수행된다. 요소 4: 연료, 탄소-기반 연료 및/또는 화석 연료의 연소가 가열에 이용되지 않는다. 요소 5: 상기 비-탄소 기반 에너지 공급원이 간헐적 에너지 공급원(IES)을 포함하거나 전기가 IES를 통해 생성되고, 단계 (a) 내지 (h) 중 임의의 것 또는 이들의 조합은 상기 IES가 이용 가능할 때 연료, 탄소-기반 연료 및/또는 화석 연료를 연소시키지 않고 수행되고, 상기 IES로부터 에너지의 저장된 공급을 통해 및/또는 상기 IES를 사용할 수 없을 때 연료, 탄소-기반 연료 및/또는 화석 연료를 연소함으로써 수행된다. 요소 6: (a)는 전기 가열을 통해 원하는 분해 온도로 가열되는 하나 이상의 열분해 반응기들에서 수행된다. 요소 7: 상기 전기 가열은 저항 및/또는 유도 가열을 포함한다. 요소 8: (b) 상기 분해된 가스로부터 열을 회수하는 단계는 증기를 생성하는 단계를 포함하고, (b)에서 상기 증기를 생성하는 것 외에 증기는 일차 에너지 전달 매체로 이용되지 않는다. 요소 9: (i) 증기가 생성되지 않거나; (ii) 증기는 (a)의 희석제 외에는 생성 및 이용되지 않거나, 또는 (iii) (b) 상기 분해된 가스로부터 열을 회수하는 단계는 상기 공급물 스트림을 예열하기 위해서만 이용되는 증기를 생성하는 단계를 포함한다. 요소 10: (a)는, 복사 섹션에서 상기 공급물 스트림을 전기적으로 가열함으로써 상기 공급물 스트림의 상기 온도를 상기 분해 온도로 상승시키는 단계; 증기 또는 과열 증기를 분해 반응기에 주입하는 단계 - 상기 증기 또는 과열 증기는 전기적으로 생성됨 -; 임피던스에 의해 상기 공급물 스트림을 가열하는 단계; 유도 가열하는 단계; 열 펌프를 통한 가열 단계; 저항 가열된 요소를 통과함으로써 상기 공급물 스트림을 가열하는 단계; 고온의 불활성 가스 또는 다른 고온의 매체를 분해 반응기의 튜브들 위로 통과시켜 가열하는 단계 - 상기 고온의 가스 또는 가열된 매체는 전기적으로 가열됨 -; 전기 가열 요소들을 포함하는 열 교환기로 상기 공급물 스트림을 가열하는 단계; 저항 가열을 통해 상기 공급물 스트림을 가열하는 단계; 옴 가열, 플라즈마, 전기 아크, RF, IR, UV, 마이크로파 또는 이들의 조합에 의해 상기 공급물 스트림을 직접 가열하는 단계; 열전 장치에 의해 상기 공급물 스트림을 가열하는 단계; 전기적으로 구동되는 기계적 수단을 통해 상기 공급물 스트림을 가열하는 단계; 또는 이들의 조합을 포함한다. 요소 11: (b) 상기 분해된 가스로부터 열을 회수하는 단계는 증기의 생성을 포함하지 않는다. 요소 12: (b) 상기 분해된 가스로부터 열을 회수하는 단계는: 상기 분해된 가스와 상기 공급물 스트림 사이의 직접 열 교환; 하나 이상의 온도에서 하나 이상의 열 교환들을 통해 상기 분해된 가스와 상기 공급물 스트림 사이의 간접 열 교환 - 여기서, 열-전달 유체는 상기 분해된 가스로부터 상기 공급물 스트림으로 상기 열을 이동시키기는 데만 사용됨 -; 전기 발생을 위한 열전 장치와 결합되는, 분해된 가스 냉각기를 통해 열을 추출하는 단계; 또는 이들의 조합;을 포함한다. 요소 13: (b)는, 냉각된 유체의 활용; 및 급냉수 동안 상기 냉각된 유체에 도입된 열은 상기 공급물 스트림을 상기 분해 온도로 가열하는 데 사용되며; 상기 냉각된 유체는 전기를 생성하기 위해 열전 장치와 결합되고; 흡수 냉각기는 상기 분해된 가스가 통상적인 온도보다 낮은 온도로 전기적으로 냉각되도록 상기 냉각된 유체를 냉각시키는 데 이용되며; 상기 냉각된 유체는 열 펌프에 결합되고; 열전 장치는 상기 냉각된 유체의 온도를 수정하는 데 이용되며; 전기 히터는 상기 냉각된 유체의 온도를 수정하는 데 사용되며; 또는 이들의 조합을 포함한다. 요소 14: 공정수 스트리퍼 리보일러를 가열하기 위해 전기 히터가 이용되고; 전극 보일러는 (a)에서 희석제로 사용되는 증기를 생성하기 위해 재순환된 공정수를 기화시키는데 사용되고; 전기 히터는 증기 또는 과열 증기를 생성하는 데 이용되고; 또는 이들의 조합이다. 요소 15: (c) 상기 분해된 가스를 압축하여 압축된, 분해된, 가스를 제공하는 단계는 다단계 일차 분해된 가스 압축의 적어도 하나의 압축 단계에서 증기 터빈이 아닌 전기 모터로 구동되는 압축기; 전기 구동 압축기로 압축하는 단계; 기존의 방법에 비해 상기 압축된, 분해된 가스의 압력을 증가 또는 감소시키는 단계; 적어도 하나의 압축 단계의 상류에서 하나 이상의 증기/액체 분리기들에 통합된 열전 장치를 이용하는 단계; 또는 이들의 조합을 포함한다. 요소 16: (d) 압축된 분해 가스로부터 산성 가스를 제거하는 단계는 아민 시스템을 포함하고, 여기서 스트리퍼는 전기 히터로 가열된다. 요소 17: (e) 상기 산성 가스-환원된, 분해된 가스를 건조하여 건조된, 분해된 가스를 생성하는 단계는, 상기 산성 가스-환원된, 분해된 가스를 고체 수분 흡착제와 접촉시키는 단계, 및 상기 고체 수분 흡착제를 전기로 가열되는 건조 가스와 주기적으로 재생하는 단계; 상기 건조에 이용되는 건조 용기를 전기적으로 가열하는 단계; 재생 가스로부터 건조 및 응축수를 위해 폐쇄된-루프 시스템을 이용하는 단계; 또는 이들의 조합을 포함한다. 요소 18: (f)는, 상기 건조된, 분해된 가스를 극저온으로 냉각하여 다음과 같이 냉각된, 분해된 가스를 제공하는 단계를 포함한다: 하나 이상의 냉동 압축기들을 통한 냉각 단계 - 상기 냉동 압축기의 대부분 또는 전부가 전기화됨 -; 종래보다 더 많은 수의 냉각 압축기들 및/또는 압축 단계들을 이용하고, 상기 하나 이상의 냉각 압축기들 및/또는 압축 단계들 각각을 조정하는 단계; 비-통상적인 작동 유체(예컨대, 질소 또는 이산화탄소)를 이용하는 단계; 하나 이상의 압력 강하 단계들에서 통상적으로 손실된 에너지를 전기로 회수하는 단계; 종래의 냉각 대신 직접 전기 냉각(예컨대, 열전 장치(들))을 이용하는 단계; 또는 이들의 조합. 요소 19: 상기 방법은 주로 메탄 및 수소를 포함하는 스트림을 생성하고, 상기 방법은: 주로 메탄 및 수소를 포함하는 상기 스트림의 적어도 일부를 메탄올 또는 암모니아의 생산 공정에 도입하는 단계; 또는 (i) 주로 메탄 및 수소를 포함하는 상기 스트림으로부터 수소를 분리하는 단계를 추가로 포함하고, (i) 주로 메탄 및 수소를 포함하는 상기 스트림으로부터 수소를 분리하는 단계는: 선택적으로 주로 메탄 및 수소를 포함하는 상기 스트림을 전기 압축기를 통해 압축하여 메탄 및 수소를 포함하는 압축된 스트림을 제공하고, 메탄 및 수소를 포함하는 상기 압축된 스트림을 메탄을 포함하는 스트림 및 수소를 포함하는 스트림으로 분리하는 단계; 및 IES 공급원이 이용 가능할 때(예를 들어, 낮 동안) 수소를 포함하는 상기 스트림을 저장하고, IES 공급원을 이용할 수 없을 때(예를 들어, 밤 동안) 수소를 포함하는 상기 저장된 스트림으로부터 전기를 생산하기 위해 연료 전지를 이용하는 단계; 및/또는 수소를 포함하는 상기 스트림을 (예를 들어, 암모니아 플랜트 또는 메탄올 플랜트로) 수출하는 단계를 포함한다. 요소 20: (a)에 필요한 상기 에너지는 상기 분해된 가스 및 전기와의 열 교환에서만 얻어진다. 요소 21: (a)에서 이용되는 희석 증기가 생성되고 전기적으로 가열된다. 요소 22: (a)에 필요한 상기 에너지의 일부는 희석제 스트림을 (a)의 온도 이상으로 과열하여, 과열된 희석제 스트림을 제공하고, 상기 과열된 희석제 스트림을 상기 공급물 스트림과 결합함으로써 얻어진다. 요소 23: 전기 가열이 (a)에서 이용되는 하나 이상의 분해 반응기들에 온도 프로파일을 부과하는 데 사용된다.
추가 발명 파트 IV
다음은 본 발명에 따른 비제한적인 특정 구현예들이다:
올레핀의 제조 방법인 제1구현예로서, 상기 방법은: 탄화수소들(hydrocarbons)을 포함하는 공급물 스트림(feed stream)을 분해하여 올레핀들(olefins)을 포함하는 분해된 가스(cracked gas)를 생성하는 단계 - 상기 공급물 스트림을 분해하는 단계는 상기 공급물 스트림의 온도를 분해 온도로 증가시키는 것을 포함함 -; 상기 올레핀들을 포함하는 분해된 가스로부터 열을 회수하는 단계; 상기 분해된 가스를 압축하여, 압축된, 분해된 가스(compressed, cracked gas)를 제공하는 단계; 상기 압축된, 분해된 가스로부터 산성 가스(acid gas)를 제거하는 단계; (e) 상기 산성 가스-환원된, 분해된 가스를 건조하여, 건조된, 분해된 가스(dried, cracked gas)를 생성하는 단계; (f) 상기 건조된, 분해된 가스를 냉각하여, 냉각된, 분해된 가스(cooled, cracked gas)를 제공하는 단계; 및 (g) 상기 냉각된, 분해된 가스로부터 적어도 에틸렌을 포함하는 하나 이상의 올레핀들을 분리하는 단계; 또는 (h) 이들의 조합;을 포함하되, 증기 분해를 통해 올레핀들을 생성하는 통상적인 방법에 비해, (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g) 또는 (h)에 필요한 에너지 및/또는 순 에너지의 더 많은 부분이 비-탄소 기반 에너지 공급원, 재생 에너지 공급원 및/또는 전기에 의해 제공된다.
제1구현예의 방법인 제2구현예로서, 비-탄소 기반 에너지 공급원이 전기를 포함한다.
올레핀의 제조 방법인 제3구현예로서, 상기 방법은: 탄화수소들을 포함하는 공급물 스트림을 분해하여 올레핀들을 포함하는 분해된 가스를 생성하는 단계 - 상기 공급물 스트림을 분해하는 단계는 상기 공급물 스트림의 온도를 분해 온도로 증가시키는 것을 포함함 -; 상기 분해된 가스로부터 열을 회수하는 단계; 상기 분해된 가스를 압축하여, 압축된, 분해된 가스를 제공하는 단계; 상기 압축된, 분해된 가스로부터 산성 가스를 제거하는 단계; (e) 상기 산성 가스-환원된, 분해된 가스를 건조하여, 건조된, 분해된 가스를 생성하는 단계; (f) 상기 분해된 가스를 냉각하여, 냉각된, 분해된 가스를 제공하는 단계; 및 (g) 상기 냉각된, 분해된 가스로부터 적어도 에틸렌을 포함하는 하나 이상의 올레핀들을 분리하는 단계; 또는 (h) 이들의 조합;을 포함하되, (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g) 또는 (h)에 필요한 에너지 및/또는 순 에너지의 대부분은 전기에 의해 제공된다.
제2 또는 제3구현예의 상기 방법인 제4구현예로서, 상기 전기가 재생 에너지 공급원으로부터 생성되고 및/또는 상기 재생 에너지 공급원은 풍력, 태양열, 지열, 수력, 원자력, 조력, 파력, 또는 이들의 조합을 포함한다.
제2 또는 제3구현예의 상기 방법인 제5구현예로서, 상기 공급물 스트림의 온도를 상기 분해 온도로 상승시키는 단계는, 연료, 탄소-기반 연료 및/또는 화석 연료를 연소시키지 않고 수행된다.
제2 또는 제3구현예의 상기 방법인 제6구현예로서, 연료, 탄소-기반 연료 및/또는 화석 연료의 연소가 가열에 이용되지 않는다.
제2 또는 제3구현예의 상기 방법인 제7 구현예로서, 상기 비-탄소 기반 에너지 공급원이 간헐적 에너지 공급원(IES)을 포함하거나 전기가 IES를 통해 생성되고, 단계 (a) 내지 (h) 중 임의의 것 또는 이들의 조합은 상기 IES가 이용 가능할 때 연료, 탄소-기반 연료 및/또는 화석 연료를 연소시키지 않고 수행되고, 상기 IES로부터 에너지의 저장된 공급을 통해 및/또는 상기 IES를 사용할 수 없을 때 연료, 탄소-기반 연료 및/또는 화석 연료를 연소함으로써 수행된다.
제2 또는 제3구현예의 상기 방법인 제8구현예로서, (a)는 전기 가열을 통해 소정의 분해 온도로 가열되는 하나 이상의 열분해 반응기들에서 수행된다.
제8구현예의 상기 방법인 제9구현예로서, 상기 전기 가열이 저항 및/또는 유도 가열을 포함한다.
제1, 제2 또는 제3구현예의 상기 방법인 제10구현예로서, (b) 상기 분해된 가스로부터 열을 회수하는 단계는 증기를 생성하는 단계를 포함하고, (b)에서 증기를 생성하는 단계 이외에, 증기는 1차 에너지 전달 매체로 활용되지 않는다.
제1, 제2 또는 제3구현예의 상기 방법인 제11구현예로서, (i) 증기가 생성되지 않으며, (ii) 증기가 (a)에서 희석제 외에 생성 및 사용되지 않으며, 또는 (iii) (b) 상기 분해된 가스로부터 열을 회수하는 단계는 상기 공급물 스트림을 예열하기 위해서만 이용되는 증기를 생성하는 단계를 포함한다.
제2 또는 제3구현예의 상기 방법인 제12구현예로서, (a)는, 복사 섹션에서 상기 공급물 스트림을 전기적으로 가열함으로써 상기 공급물 스트림의 상기 온도를 상기 분해 온도로 상승시키는 단계; 증기 또는 과열 증기를 분해 반응기에 주입하는 단계 - 상기 증기 또는 과열 증기는 전기적으로 생성됨 -; 임피던스에 의해 상기 공급물 스트림을 가열하는 단계; 유도 가열하는 단계; 열 펌프를 통한 가열 단계; 저항 가열된 요소를 통과함으로써 상기 공급물 스트림을 가열하는 단계; 고온의 불활성 가스 또는 다른 고온의 매체를 분해 반응기의 튜브들 위로 통과시켜 가열하는 단계 - 상기 고온의 가스 또는 가열된 매체는 전기적으로 가열됨 -; 전기 가열 요소들을 포함하는 열 교환기로 상기 공급물 스트림을 가열하는 단계; 저항 가열을 통해 상기 공급물 스트림을 가열하는 단계; 옴 가열, 플라즈마, 전기 아크, RF, IR, UV, 마이크로파 또는 이들의 조합에 의해 상기 공급물 스트림을 직접 가열하는 단계; 열전 장치에 의해 상기 공급물 스트림을 가열하는 단계; 전기적으로 구동되는 기계적 수단을 통해 상기 공급물 스트림을 가열하는 단계; 또는 이들의 조합을 포함한다.
제1, 제2 또는 제3구현예의 상기 방법인 제13구현예로서, (b) 상기 분해된 가스로부터 열을 회수하는 단계가 증기의 생성을 포함하지 않는다.
제1, 제2 또는 제3구현예의 상기 방법인 제14구현예로서, (b) 상기 분해된 가스로부터 열을 회수하는 단계는: 상기 분해된 가스와 상기 공급물 스트림 사이의 직접 열 교환; 하나 이상의 온도에서 하나 이상의 열 교환들을 통해 상기 분해된 가스와 상기 공급물 스트림 사이의 간접 열 교환 - 여기서, 열-전달 유체는 상기 분해된 가스로부터 상기 공급물 스트림으로 상기 열을 이동시키기는 데만 사용됨 -; 전기 발생을 위한 열전 장치와 결합되는, 분해된 가스 냉각기를 통해 열을 추출하는 단계; 또는 이들의 조합;을 포함한다.
제2 또는 제3구현예의 상기 방법인 제15구현예로서, (b)는, 냉각된 유체의 활용; 및 급냉수 동안 상기 냉각된 유체에 도입된 열은 상기 공급물 스트림을 상기 분해 온도로 가열하는 데 사용되며; 상기 냉각된 유체는 전기를 생성하기 위해 열전 장치와 결합되고; 흡수 냉각기는 상기 분해된 가스가 통상적인 온도보다 낮은 온도로 전기적으로 냉각되도록 상기 냉각된 유체를 냉각시키는 데 이용되며; 상기 냉각된 유체는 열 펌프에 결합되고; 열전 장치는 상기 냉각된 유체의 온도를 수정하는 데 이용되며; 전기 히터는 상기 냉각된 유체의 온도를 수정하는 데 사용되며; 또는 이들의 조합을 포함한다.
제2 또는 제3구현예의 상기 방법인 제16구현예로서, 공정수 스트리퍼 리보일러를 가열하기 위해 전기 히터가 이용되고; 전극 보일러는 (a)에서 희석제로 사용되는 증기를 생성하기 위해 재순환된 공정수를 기화시키는데 사용되고; 전기 히터는 증기 또는 과열 증기를 생성하는 데 이용되고; 또는 이들의 조합이다.
제2 또는 제3구현예의 상기 방법인 제17구현예로서, 요소 15: (c) 상기 분해된 가스를 압축하여 압축된, 분해된, 가스를 제공하는 단계는 다단계 일차 분해된 가스 압축의 적어도 하나의 압축 단계에서 증기 터빈이 아닌 전기 모터로 구동되는 압축기; 전기 구동 압축기로 압축하는 단계; 기존의 방법에 비해 상기 압축된, 분해된 가스의 압력을 증가 또는 감소시키는 단계; 적어도 하나의 압축 단계의 상류에서 하나 이상의 증기/액체 분리기들에 통합된 열전 장치를 이용하는 단계; 또는 이들의 조합을 포함한다.
제2 또는 제3구현예의 상기 방법인 제18구현예로서, (d) 상기 압축된, 분해된 가스로부터 산성 가스를 제거하는 단계는 아민 시스템을 포함하고, 스트리퍼는 전기 히터로 가열된다.
제2 또는 제3구현예의 상기 방법인 제19구현예로서, (e) 상기 산성 가스-환원된, 분해된 가스를 건조하여 건조된, 분해된 가스를 생성하는 단계는, 상기 산성 가스-환원된, 분해된 가스를 고체 수분 흡착제와 접촉시키는 단계, 및 상기 고체 수분 흡착제를 전기로 가열되는 건조 가스와 주기적으로 재생하는 단계; 상기 건조에 이용되는 건조 용기를 전기적으로 가열하는 단계; 재생 가스로부터 건조 및 응축수를 위해 폐쇄된-루프 시스템을 이용하는 단계; 또는 이들의 조합을 포함한다.
제2 또는 제3구현예의 상기 방법인 제20구현예로서, (f)는, 상기 건조된, 분해된 가스를 극저온으로 냉각하여 다음과 같이 냉각된, 분해된 가스를 제공하는 단계를 포함한다: 하나 이상의 냉동 압축기들을 통한 냉각 단계 - 상기 냉동 압축기의 대부분 또는 전부가 전기화됨 -; 종래보다 더 많은 수의 냉각 압축기들 및/또는 압축 단계들을 이용하고, 상기 하나 이상의 냉각 압축기들 및/또는 압축 단계들 각각을 조정하는 단계; 비-전통적인 작동 유체(예컨대, 질소 또는 이산화탄소)를 이용하는 단계; 하나 이상의 압력 강하 단계들에서 통상적으로 손실된 에너지를 전기로 회수하는 단계; 종래의 냉각 대신 직접 전기 냉각(예컨대, 열전 장치(들))을 이용하는 단계; 또는 이들의 조합.
제2 또는 제3구현예의 상기 방법인 제21구현예로서, 상기 방법은 주로 메탄 및 수소를 포함하는 스트림을 생성하고, 상기 방법은: 주로 메탄 및 수소를 포함하는 상기 스트림의 적어도 일부를 메탄올 또는 암모니아의 생산 공정에 도입하는 단계; 또는 (i) 주로 메탄 및 수소를 포함하는 상기 스트림으로부터 수소를 분리하는 단계를 추가로 포함하고, (i) 주로 메탄 및 수소를 포함하는 상기 스트림으로부터 수소를 분리하는 단계는: 선택적으로 주로 메탄 및 수소를 포함하는 상기 스트림을 전기 압축기를 통해 압축하여 메탄 및 수소를 포함하는 압축된 스트림을 제공하고, 메탄 및 수소를 포함하는 상기 압축된 스트림을 메탄을 포함하는 스트림 및 수소를 포함하는 스트림으로 분리하는 단계; 및 IES 공급원이 이용 가능할 때(예를 들어, 낮 동안) 수소를 포함하는 상기 스트림을 저장하고, IES 공급원을 이용할 수 없을 때(예를 들어, 밤 동안) 수소를 포함하는 상기 저장된 스트림으로부터 전기를 생산하기 위해 연료 전지를 이용하는 단계; 및/또는 수소를 포함하는 상기 스트림을 (예를 들어, 암모니아 플랜트 또는 메탄올 플랜트로) 수출하는 단계를 포함한다.
제22구현예로서, (a)에 필요한 상기 에너지는 상기 분해된 가스 및 전기와의 열 교환만으로 얻어진다.
제 23구현예로서, (a)에서 이용되는 희석 증기가 발생되고, 전기적으로 가열된다.
제2 또는 제3구현예의 상기 방법인 제24구현예로서, (a)에 필요한 상기 에너지의 일부는 희석제 스트림을 (a)의 온도 이상으로 과열하여, 과열된 희석제 스트림을 제공하고, 상기 과열된 희석제 스트림을 상기 공급물 스트림과 조합함으로써 얻어진다.
제2 또는 제3구현예의 상기 방법인 제25구현예로서, (a)에서 이용되는 하나 이상의 분해 반응기들에 온도 프로파일을 부여하기 위해 전기 가열이 사용된다.
추가 발명 파트 V
다음은 본 발명에 따른 비제한적인 특정 구현예들이다:
경질 올레핀의 제조를 위한 올레핀 합성 플랜트인 제1 구현예로서, 상기 올레핀 합성 플랜트는: 공급물 스트림을 전-처리하도록 구성되는 공급물 전-처리 섹션(feed pretreatment section); 하나 이상의 로들(furnaces) - 상기 하나 이상의 로들 중 적어도 하나는 전기로(electrified furnace)가 되도록 구성되고, 각각의 전기로는 희석제의 존재 하에 상기 공급물 스트림 내의 탄화수소들을 분해하여, 분해된 가스 스트림을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 열분해 반응기들을 포함하는 열분해 섹션(pyrolysis section)을 추가 포함함 -; (a) 상기 분해된 가스 스트림으로부터 열 회수 및 켄칭을 제공하고; (b) 상기 분해된 가스 스트림에서 연료유, 황화수소, 이산화탄소, 물, 열분해 가솔린 또는 이들의 조합을 제거하고; (c) 상기 분해된 가스 스트림을 압축하여, 압축된, 분해된 가스 스트림을 제공하도록 구성되는 일차 분별 및 압축 섹션(primary fractionation and compression section); 및 상기 압축된, 분해된 가스 스트림으로부터 적어도 에틸렌을 포함하는 생성물 올레핀 스트림을 분리하도록 구성되는 생성물 분리 섹션(product separation section);을 포함하되, 각각의 전기로는 연료, 탄소 기반 연료, 화석 연료 또는 이들의 조합을 연소시키지 않고 각각의 전기로 전체의 가열의 최소 90%가 생성되도록 구성되고, 올레핀 합성 플랜트는 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 100MW 이상의 전력을 소비하도록 구성된다. 일 측면에서, 제1구현예의 하나 이상의 로들 중 하나, 복수 또는 모두는 전기로들일 수 있다. 다른 측면에서, 전기로들인 제1구현예의 상기 하나 이상의 로들은, (i) 로당 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100MW 이상의 전력을 소비하고, (ii) 총 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100MW 이상의 전력을 소비하며(예컨대, 모든 전기로를 결합하여), 또는 (iii) (i) 및 (ii) 모두이다.
제1구현예에 따른 상기 올레핀 합성 플랜트인 제2구현예로서, 각각의 전기로에는 연도 가스 열 회수 섹션이 없다.
제1 또는 제2구현예에 따른 상기 올레핀 합성 플랜트인 제3구현예로서, 상기 올레핀 합성 플랜트에서 상기 기계적 작업의 적어도 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 95, 99, 또는 100%는 증기를 사용하지 않고 생성된다.
제1 내지 제3구현예들 중 어느 하나에 따른 상기 올레핀 합성 플랜트인 제4구현예로서, 생성된 에틸렌 톤당 생성된 CO2의 양이 상기 올레핀 합성 플랜트에서 생성되는 에틸렌 톤당 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.7 1.8, 1.9, 또는 2.0톤 CO2미만으로 감소된다.
제1 내지 제4구현예들 중 어느 하나에 따른 상기 올레핀 합성 플랜트인 제5구현예로서, 각각의 전기로의 순 에너지 입력들로부터 계산된 특정 에너지 소비는 17 GJ/톤 미만이다.
제1 내지 제5구현예들 중 어느 하나에 따른 상기 올레핀 합성 플랜트인 제6구현예로서, 상기 하나 이상의 열분해 반응기들은 저항 가열을 통해 미리 결정된 분해 온도로 가열된다.
제1 내지 제6구현예들 중 어느 하나에 따른 상기 올레핀 합성 플랜트인 제7구현예로서, 상기 하나 이상의 열분해 반응기들은 유도 가열을 통해 미리 결정된 분해 온도로 가열된다.
제1 내지 제7구현예들 중 어느 하나에 따른 상기 올레핀 합성 플랜트인 제8 구현예들로서, 상기 하나 이상의 열분해 반응기들은, 전기적으로 생성된 열이 복사에 의해 하나 이상의 열분해 반응기들에 직접 열을 전달하거나, 혹은 복사 또는 이들 방법의 조합에 의해 상기 하나 이상의 열분해 반응기들에 열을 전달하는 복사 패널들을 가열하는데 사용되는 복사 섹션(radiant section)을 통해 미리 결정된 분해 온도로 가열된다.
제1 내지 제8구현예들 중 어느 하나에 따른 상기 올레핀 합성 플랜트인 제9구현예로서, 상기 하나 이상의 열분해 반응기들에서 상기 희석제로서 사용하거나 상기 분해된 가스 스트림과의 열 전달을 촉진하기 위한 증기의 생산 이외에, 증기는 1차 에너지 전달 매체로서 이용을 위해 생산되지 않는다.
제1 내지 제9구현예들 중 어느 하나에 따른 상기 올레핀 합성 플랜트인 제10구현예로서, 압축된 수소, 상기 공급물의 압축된 탄화수소(들), 상기 생성물들의 압축된 탄화수소(들), 극저온 액체들, 열 배터리들, 전기 배터리들, 또는 이들의 조합의 형태로 에너지를 저장하는 것을 추가로 포함하여, 재생 전기를 사용할 수 없을 때, 상기 저장된 에너지를 활용할 수 있다.
제9 구현예들에 따른 상기 올레핀 합성 플랜트인 제11 구현예로서, (a) 고압에서 압축된 에탄 또는 LPG 공급물을 위한 저장 - 상기 저장된, 압축된 에탄 또는 LPG 공급물은 나중에 전기를 생성하기 위해 팽창될 수 있고, 후속적으로 공급물로 사용될 수 있음 -; (b) 저온에서 압축된 에탄 또는 프로판 공급물을 위한 저장 - 상기 저장된, 압축된 에탄 또는 LPG 공급물은 나중에 냉매로 사용될 수 있고, 후속적으로 공급물로 이용될 수 있음 -; 또는 (c) 이들의 조합;을 포함한다.
제9구현예들에 따른 상기 올레핀 합성 플랜트인 제12구현예로서, (a) 고압에서 압축된 에텐 및/또는 프로펜 또는 이들의 조합 중간 생성물을 위한 저장 - 상기 저장된, 압축된 에텐 및/또는 프로펜 중간 생성물은 나중에 전기를 생성하기 위해 팽창될 수 있고, 후속적으로 최종 생성물로 사용될 수 있음 -; (b) 저온에서 압축된 에텐 또는 프로펜 중간 생성물을 위한 저장 - 상기 저장된, 압축된 에텐 및/또는 프로펜 중간 생성물은 나중에 냉매로 사용될 수 있고, 후속적으로 최종 생성물로 이용될 수 있음 -; 또는 (c) 이들의 조합;을 포함한다.
올레핀의 제조 방법인 제13구현예로서, 상기 방법은: (a) 탄화수소들(hydrocarbons)을 포함하는 공급물 스트림(feed stream)을 분해하여 올레핀들(olefins)을 포함하는 분해된 가스(cracked gas)를 생성하는 단계 - 상기 공급물 스트림을 분해하는 단계는 상기 공급물 스트림의 온도를 분해 온도로 증가시키는 것을 포함함 -; (b) 상기 올레핀들을 포함하는 분해된 가스로부터 열을 회수하는 단계; (c) 상기 분해된 가스를 압축하여, 압축된, 분해된 가스(compressed, cracked gas)를 제공하는 단계; (d) 상기 압축된, 분해된 가스로부터 산성 가스(acid gas)를 제거하는 단계; (e) 상기 산성 가스-환원된, 분해된 가스를 건조하여, 건조된, 분해된 가스(dried, cracked gas)를 생성하는 단계; (f) 상기 건조된, 분해된 가스를 냉각하여, 냉각된, 분해된 가스(cooled, cracked gas)를 제공하는 단계; 및 (g) 상기 냉각된, 분해된 가스로부터 적어도 에틸렌을 포함하는 하나 이상의 올레핀들을 분리하는 단계;를 포함하되, 생성된 에틸렌 톤당 생성된 CO2의 양이 에틸렌 톤당 CO2 0.5톤 미만으로 감소되고, 상기 방법 동안 최소 50%의 가열은 연료, 탄소-기반 연료, 화석 연료 또는 이들의 조합을 연소시키지 않고 생성되고, 상기 방법은 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 또는 100MW 이상의 전력을 소비한다.
제13구현예에 따른 상기 방법인 제14구현예로서, 상기 공급물 스트림의 온도를 상기 분해 온도로 증가시키기 위한 열 요구량의 적어도 90%는 연료, 탄소-기반 연료, 화석 연료, 또는 이들의 조합을 연소시키지 않고 수행된다.
제13 또는 제14구현예에 따른 상기 방법인 제15구현예로서, 상기 방법 동안 가열의 최소 90%는 연료, 탄소-기반 연료, 화석 연료, 또는 이들의 조합의 연소 없이 달성된다.
제13 내지 제15구현예들 중 어느 하나에 따른 상기 방법인 제16구현예로서, (b) 상기 분해된 가스로부터 열을 회수하는 단계는 증기를 생성하는 단계를 포함하고, (b)에서 증기를 생성하는 단계 이외에, 증기는 1차 에너지 전달 매체로 활용되지 않는다.
제13 내지 제16구현예들 중 어느 하나에 따른 상기 방법인 제17구현예로서, (i) 증기가 생성되지 않거나, (ii) 증기가 (a)에서 희석제 이외의 다른 용도로 사용 및 생성되지 않거나, 또는 (iii) (b) 상기 분해된 가스로부터 열을 회수하는 단계가 증기를 생성하는 단계를 포함하고, 이는 상기 공급물 스트림을 예열하는 데만 사용되지만 (a)에서 희석제로 사용되는 것 외에는 다른 증기가 생성 및 이용되지 않는다.
제13 내지 제17 구현예들 중 어느 하나의 방법인 제18구현예로서, (b) 상기 분해된 가스로부터 열을 회수하는 단계는: 상기 분해된 가스와 상기 공급물 스트림 사이의 직접 열 교환; 하나 이상의 온도에서 하나 이상의 열 교환들을 통해 상기 분해된 가스와 상기 공급물 스트림 사이의 간접 열 교환 - 여기서, 열-전달 유체는 상기 분해된 가스로부터 상기 공급물 스트림으로 상기 열을 이동시키기는 데만 사용됨 -; 전기 발생을 위한 열전 장치와 결합되는, 분해된 가스 냉각기를 통해 열을 추출하는 단계; 또는 이들의 조합;을 포함한다.
제13 내지 제18구현예들 중 어느 하나의 방법인 제19구현예로서, 공정수 스트리퍼 리보일러를 가열하기 위해 전기 히터가 이용되고; 전극 보일러는 (a)에서 희석제로 사용되는 증기를 생성하기 위해 재순환된 공정수를 기화시키는데 사용되고; 전기 히터는 증기 또는 과열 증기를 생성하는 데 이용되고; 또는 이들의 조합이다.
제13 내지 제19구현예들 중 어느 하나에 따른 상기 방법인 제20구현예로서, (a)에서 이용되는 희석 증기가 발생되고, 전기적으로 가열되다.
제13 내지 제20구현예들 중 어느 하나에 따른 상기 방법인 제21구현예로서, (a)에 필요한 상기 에너지의 일부는 희석제 스트림을 (a)의 온도 이상으로 과열하여 과열된 희석제 스트림을 제공하고, 상기 과열된 희석제 스트림을 상기 공급물 스트림과 조합함으로써 얻어진다.
제13 내지 제21구현예들 중 어느 하나에 따른 상기 방법인 제22구현예로서, (a)에서 사용되는 하나 이상의 분해 반응기들에 온도 프로파일을 부과하기 위해 전기 가열이 이용된다.
본 발명의 바람직한 구현예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 교시를 벗어나지 않고 당업자에 의해 그의 변형이 이루어질 수 있다. 본 명세서에 기술된 구현예들은 예시일 뿐이며 제한하려는 의도가 아니다. 본 명세서에 개시된 본 발명의 많은 변형 및 수정이 가능하고 본 발명의 범위 내에 있다.
다수의 다른 수정, 등가물 및 대체물은 일단 위의 개시가 완전히 이해되면 당업자에게 명백해질 것이다. 다음 청구 범위는 적용 가능한 경우 이러한 모든 수정, 등가물 및 대체물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 따라서, 보호 범위는 위에 설명된 설명에 의해 제한되지 않고 다음 청구범위에 의해서만 제한되며, 그 범위는 청구범위 주제의 모든 등가물을 포함한다. 각각의 모든 청구항은 본 발명의 구현예로서 명세서에 포함된다. 따라서, 청구범위는 추가 설명이며 본 발명의 상세한 설명에 추가된다. 본 명세서에 인용된 모든 특허, 특허 출원 및 간행물의 개시 내용은 참고로 본 명세서에 포함된다.

Claims (22)

  1. 경질 올레핀(light olefins)의 제조를 위한 올레핀 합성 플랜트(olefin synthesis plant)로서,
    공급물 스트림(feed stream)을 전-처리하도록 구성되는 공급물 전-처리 섹션(feed pretreatment section);
    하나 이상의 로들(furnaces) - 상기 하나 이상의 로들 중 적어도 하나는 전기로(electrified furnace)가 되도록 구성되고, 각각의 전기로는 희석제(diluent)의 존재 하에 상기 공급물 스트림 내의 탄화수소들(hydrocarbons)을 분해하여, 분해된 가스 스트림(cracked gas stream)을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 열분해 반응기들(pyrolysis reactors)을 포함하는 열분해 섹션(pyrolysis section)을 추가 포함함 -;
    (a) 상기 분해된 가스 스트림으로부터 열 회수(heat recovery) 및 켄칭(quenching)을 제공하고; (b) 상기 분해된 가스 스트림에서 연료유(fuel oil), 황화수소(hydrogen sulfide), 이산화탄소(carbon dioxide), 물(water), 열분해 가솔린(pyrolysis gasoline) 또는 이들의 조합을 제거하고; (c) 상기 분해된 가스 스트림을 압축하여, 압축된 분해된 가스 스트림(compressed cracked gas stream)을 제공하도록 구성되는 일차 분별 및 압축 섹션(primary fractionation and compression section); 및
    상기 압축된, 분해된 가스 스트림으로부터 적어도 에틸렌(ethylene)을 포함하는 생성물 올레핀 스트림(product olefin stream)을 분리하도록 구성되는 생성물 분리 섹션(product separation section);
    을 포함하되,
    각각의 전기로는 연료(fuel), 탄소-기반 연료(carbon-based fuel), 화석 연료(fossil fuel) 또는 이들의 조합을 연소시키지 않고, 각각의 전기로 전체의 최소 90%의 가열이 생성되도록 구성되고,
    올레핀 합성 플랜트는 10MW 이상의 전력을 소비하도록 구성되는,
    올레핀 합성 플랜트.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 전기로에는 연도 가스 열 회수 섹션(flue gas heat recovery section)이 없는,
    올레핀 합성 플랜트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 올레핀 합성 플랜트에서 상기 기계적 작업의 최소 10%가 증기를 사용하지 않고 발생되는,
    올레핀 합성 플랜트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 생성된 에틸렌 톤당 생성된 CO2의 양은, 상기 올레핀 합성 플랜트에서 생성된 에틸렌 톤당 0.5톤 CO2 미만으로 감소되는,
    올레핀 합성 플랜트.
  5. 제1항에 있어서,
    각각의 전기로의 순 에너지 입력들로부터 계산된 특정 에너지 소비(specific energy consumption)는 17 GJ/톤 미만인,
    올레핀 합성 플랜트.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 열분해 반응기들은 저항 가열(resistive heating)을 통해 미리 결정된 분해 온도로 가열되는,
    올레핀 합성 플랜트.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 열분해 반응기들은 유도 가열(inductive heating)을 통해 미리 결정된 분해 온도로 가열되는,
    올레핀 합성 플랜트.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 열분해 반응기들은 복사 섹션(radiant section)을 통해 미리 결정된 분해 온도로 가열되며, 여기서 전기적으로 생성된 열은, 복사에 의해 하나 이상의 열분해 반응기들에 직접 열을 전달하거나 혹은 복사 또는 이들 방법의 조합에 의해 상기 하나 이상의 열분해 반응기들에 열을 전달하는 복사 패널들을 가열하는데 사용되는 ,
    올레핀 합성 플랜트.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 열분해 반응기들에서 상기 희석제로서 사용하거나 상기 분해된 가스 스트림과의 열 전달을 용이하게 하기 위해 증기를 생산하는 것 외에, 증기는 일차 에너지 전달 매체(primary energy transfer medium)로서 사용하기 위해 생산되지 않는,
    올레핀 합성 플랜트.
  10. 제1항에 있어서,
    압축된 수소(compressed hydrogen), 상기 공급물의 압축된 탄화수소(compressed hydrocarbon)(들), 상기 생성물들의 압축된 탄화수소(들), 극저온 액체들(cryogenic liquids), 열 배터리들(thermal batteries), 전기 배터리들(electric batteries), 또는 이들의 조합의 형태로 에너지를 저장하는 것을 추가로 포함하여, 재생 전기를 사용할 수 없을 때 상기 저장된 에너지를 활용할 수 있는,
    올레핀 합성 플랜트.
  11. 제9항에 있어서,
    (a) 고압에서 압축된 에탄 또는 LPG 공급물을 위한 저장고 - 상기 저장된, 압축된 에탄 또는 LPG 공급물은 나중에 전기를 생성하기 위해 팽창될 수 있고, 후속적으로 공급물로 사용될 수 있음 -;
    (b) 저온에서 압축된 에탄 또는 프로판 공급물을 위한 저장고 - 상기 저장된, 압축된 에탄 또는 LPG 공급물은 나중에 냉매로 사용될 수 있고, 후속적으로 공급물로 이용될 수 있음 -; 또는
    (c) 이들의 조합;
    을 포함하는,
    올레핀 합성 플랜트.
  12. 제9항에 있어서,
    (a) 고압에서 압축된 에텐 및/또는 프로펜 또는 이들의 조합 중간 생성물을 위한 저장고 - 상기 저장된, 압축된 에텐 및/또는 프로펜 중간 생성물은 나중에 전기를 생성하기 위해 팽창될 수 있고, 후속적으로 최종 생성물로 사용될 수 있음 -;
    (b) 저온에서 압축된 에텐 또는 프로펜 중간 생성물을 위한 저장고 - 상기 저장된, 압축된 에텐 및/또는 프로펜 중간 생성물은 나중에 냉매로 사용될 수 있고, 후속적으로 최종 생성물로 이용될 수 있음 -; 또는
    (c) 이들의 조합;
    을 포함하는,
    올레핀 합성 플랜트.
  13. 올레핀 제조 방법으로서,
    (a) 탄화수소들(hydrocarbons)을 포함하는 공급물 스트림(feed stream)을 분해하여 올레핀들(olefins)을 포함하는 분해된 가스(cracked gas)를 생성하는 단계 - 상기 공급물 스트림을 분해하는 단계는 상기 공급물 스트림의 온도를 분해 온도로 증가시키는 것을 포함함 -;
    (b) 상기 올레핀들을 포함하는 분해된 가스로부터 열을 회수하는 단계;
    (c) 상기 분해된 가스를 압축하여, 압축된, 분해된 가스(compressed, cracked gas)를 제공하는 단계;
    (d) 상기 압축된, 분해된 가스로부터 산성 가스(acid gas)를 제거하는 단계;
    (e) 상기 산성 가스-환원된, 분해된 가스를 건조하여, 건조된, 분해된 가스(dried, cracked gas)를 생성하는 단계;
    (f) 상기 건조된, 분해된 가스를 냉각하여, 냉각된, 분해된 가스(cooled, cracked gas)를 제공하는 단계; 및
    (g) 상기 냉각된, 분해된 가스로부터 적어도 에틸렌을 포함하는 하나 이상의 올레핀들을 분리하는 단계;
    를 포함하되,
    상기 생성된 에틸렌 톤당 생성된 CO2의 양은, 생성된 에틸렌 톤당 0.5톤 CO2 미만으로 감소되는,
    상기 방법 동안 최소 50%의 가열은 연료(fuel), 탄소-기반 연료(carbon-based fuel), 화석 연료(fossil fuel) 또는 이들의 조합을 연소시키지 않고도 생성되고,
    상기 방법은 10MW 이상의 전력을 소비하는,
    올레핀 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 공급물 스트림의 온도를 상기 분해 온도로 증가시키기 위한 열 요구량의 최소 90%는 연료, 탄소-기반 연료, 화석 연료, 또는 이들의 조합을 연소시키지 않고 수행되는,
    올레핀 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 방법 동안 최소 90%의 가열은 연료, 탄소-기반 연료, 화석 연료, 또는 이들의 조합의 연소 없이 달성되는,
    올레핀 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    (b) 상기 분해된 가스로부터 열을 회수하는 단계는 증기를 생성하는 단계를 포함하고, (b)에서 증기를 생성하는 것 외에, 증기는 일차 에너지 전달 매체로 이용되지 않는,
    올레핀 제조 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    (i) 증기는 생성되지 않으며;
    (ii) 증기는 (a)에서 희석제로서 외에, 생성 및 이용되지 않으며; 또는
    (iii) (b) 상기 분해된 가스로부터 열을 회수하는 단계는 상기 공급물 스트림을 예열하기 위해서만 이용되는 증기를 생성하는 단계를 포함하지만, (a)에서 희석제로서 외의 다른 증기는 생성 및 이용되지 않는,
    올레핀 제조 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    (b) 상기 분해된 가스로부터 열을 회수하는 단계는:
    상기 분해된 가스와 상기 공급물 스트림 사이의 직접 열 교환(direct heat exchange);
    하나 이상의 온도에서 하나 이상의 열 교환들을 통해 상기 분해된 가스와 상기 공급물 스트림 사이의 간접 열 교환(indirect heat exchange) - 여기서, 열-전달 유체(heat-transfer fluid)는 상기 분해된 가스로부터 상기 공급물 스트림으로 상기 열을 이동시키기는 데만 사용됨 -;
    전기 생성을 위한 열전 장치(thermoelectric device)와 결합되는, 분해된 가스 냉각기(cracked gas cooler)를 통해 열을 추출하는 단계; 또는
    이들의 조합;
    을 포함하는,
    올레핀 제조 방법.
  19. 제13항에 있어서,
    전기 히터는 공정 물 스트리퍼 리보일러(water stripper reboiler)를 가열하는 데 이용되며;
    전기 보일러는 재순환된 공정수(recycled process water)를 기화시켜, (a)에서 희석제로 이용되는 증기를 생성하는 데 이용되며;
    전기 히터는 증기 또는 과열 증기(superheated steam)를 생성하는 데 이용되며; 또는
    이들의 조합인,
    올레핀 제조 방법.
  20. 제13항에 있어서,
    (a) 에서 이용되는 희석제 증기가 생성되고, 전기적으로 가열되는,
    올레핀 제조 방법.
  21. 제13항에 있어서,
    (a)에 필요한 상기 에너지의 일부는 (a)의 온도 이상으로 희석제 스트림을 과열시켜, 과열된 희석제 스트림을 제공하고, 상기 과열된 희석제 스트림을 공급물 스트림과 결합함으로써 얻어지는,
    올레핀 제조 방법.
  22. 제13항에 있어서,
    전기 가열은 (a)에서 이용되는 하나 이상의 분해 반응기들에 온도 프로파일을 부여하는 데 사용되는,
    올레핀 제조 방법.
KR1020217024976A 2019-01-15 2020-01-14 올레핀 합성에서 재생 에너지의 사용 KR20210117284A (ko)

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