TWI388541B - 熱整合 - Google Patents

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TWI388541B
TWI388541B TW096102513A TW96102513A TWI388541B TW I388541 B TWI388541 B TW I388541B TW 096102513 A TW096102513 A TW 096102513A TW 96102513 A TW96102513 A TW 96102513A TW I388541 B TWI388541 B TW I388541B
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absorption refrigeration
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TW096102513A
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Geel Cees Van
Elin Margit Kristina Josefsson
Gerrit Konijn
Hugo Gerardus Polderman
Arthur Willibrordus Titus Rots
Anton Pieter Westerink
Original Assignee
Shell Int Research
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Description

熱整合
本發明係關於：一種自環氧乙烷(EO)產生碳酸乙二酯(EC)以轉化成單乙二醇(MEG)之製程中之熱整合系統；用於該熱整合系統中之控制系統；用於該製程及該熱整合系統中之兩相分離器；其相應方法；及該系統及分離器在EO/乙二醇(EG)單元中之用途。
EG由EO之反應產生，生成MEG作為主要產物。MEG主要用於製造聚酯纖維、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)且較小程度上用於機動車冷卻系統，在該系統中其用作防凍劑。
在提供極有效熱整合之組合EO/EG製程中產生EG。整合製程通常分為4個部分：EO反應及CO2 移除加上EO回收；輕餾分(LE)移除及EO純化；EC/MEG反應及MEG回收；及MEG純化。
在EO反應部分中，藉由使氣態乙烯與氧在催化劑上在高溫(200－300℃)及高壓(15－20巴)下反應產生EO。催化劑上之反應產生相當大之熱，藉由在反應器之殼側產生蒸汽而移除該熱。所產生之蒸汽在設備中用作熱媒介。
在EC/MEG反應部分，使EO與CO2 反應生成EC。在一系統中，反應在串聯排列之兩反應器EC－1及EC－2中進行，且大部分EO在其中轉化。若需要，則可在管狀反應器，即EC加工反應器(finishing reactor)，中轉化殘留EO。EC－1反應器在約100℃之溫度下產生約24千卡/克莫耳(100千焦/克莫耳)之反應熱。必須經由側取口自反應器移除此熱且冷卻並再循環至反應器。此狀況於US－6,080,897中論述。
在US 6,080,897之系統中，EC部分中所產生之熱為不可成為有用能量(例如用於產生蒸汽)之低溫熱。現已發現可能將EC－1反應器與設備中其他別處單元之間的熱整合，同時經由在液體再循環中冷卻及冷卻液體產生而仍達到所需EC－1反應器溫度。
因此，在本發明最廣泛態樣中，提供一種熱整合系統，其在自EO產生EC以轉化成MEG之催化製程中用於自EC－1反應器移除反應熱且產生由一或多個用戶單元所使用之冷卻液體，其中該系統包含適於自EC－1反應器移除熱之EC－1反應器冷卻器、與EC－1反應器冷卻器相通且與吸收致冷單元相通且適於在其間傳導中間液體之中間迴路，該吸收致冷單元適於產生冷卻液體，及適於傳導在吸收致冷單元中產生的由一或多個用戶單元所使用之冷卻液體之冷卻液體迴路，該系統使得吸收致冷單元使用EC－1反應器中所產生之熱以產生用於冷卻液體迴路及用戶單元之冷卻液體，其中該系統額外包含具有獨立冷卻源、作為替代或除吸收致冷單元之外的適用於自EC－1反應器移除熱之停機冷卻器，且其中該系統額外包含獨立備用冷卻液體源，其作為替代或除吸收致冷單元之外適用於產生冷卻液體以供應一或多個用戶單元。
中間迴路適於為封閉迴路。較佳停機冷卻器在中間迴路之旁路中，中間液體藉此可轉向該旁路由停機冷卻器移除熱或可保持在中間迴路中。
中間迴路較佳包括吸收致冷單元之旁路，中間冷卻液體可藉此傳導至吸收致冷單元移除熱量或可繞過吸收致冷單元。
獨立備用冷卻液體源較佳包含獨立備用吸收致冷單元。本文提及之備用冷卻液體源及備用吸收致冷單元係指當吸收致冷單元不(完全)工作時可用作備用操作且若需要則可永久使用或操作之額外、獨立源及單元。
EC－1反應器冷卻器可位於EC－1反應器之內部或外部。EC－1反應器冷卻器較佳在外部。EC－1反應器冷卻器較佳位於EC－1反應器液體再循環中，該液體再循環包含EC－1反應器之一側取口及來自EC－1反應器之液體再循環。來自EC－1反應器之再循環較佳包含50至99%、更佳80至95%之總反應器饋入流。再循環藉此移除反應熱且控制反應器溫度。
本發明之系統較佳包含複數個控制器、複數個控制閥及一或多個控制單元，其中該等控制器向控制器或控制單元或其組合及/或調節停機冷卻器及吸收致冷單元操作之控制閥提供關於EC－1反應器負載及用戶單元需求之訊號。
控制器較佳位於：EC－1反應器上；EC－1反應器液體再循環中，較佳在EC－1反應器冷卻器下游介於EC－1反應器冷卻器與EC－1反應器之間；在中間迴路上，較佳介於吸收致冷單元與EC－1反應器冷卻器之間在EC－1反應器冷卻器上游；及/或在冷卻液體迴路上，較佳在吸收致冷單元之下游及用戶單元之上游。控制閥位於停機冷卻器旁路中且位於與停機冷卻器旁路平行之中間迴路中以調節中間液體流向停機冷卻器；及/或在EC－1反應器冷卻器上游之EC－1反應器液體再循環中；及/或在吸收致冷單元之旁路中。
控制器較佳各經程式化以量測關於計劃負載及EC－1反應器之反應器轉化率之值、中間迴路之溫度或流量、EC－1反應器液體再循環之流量或冷卻液體迴路之溫度，與各自設定點相比及向控制器、控制單元及/或向控制閥發送輸出訊號以調節停機冷卻器之負載、中間迴路旁路之流量、EC－1反應器液體再循環之流量及/或吸收致冷單元之操作。
關於計劃負載及EC－1反應器轉化率之量測值較佳係選自溫度、轉化率及流動速率且更佳為溫度。因此控制器較佳為溫度控制器或流量控制器或其組合，用於EC－1反應器及冷卻液體迴路之控制器更佳為溫度控制器且中間迴路之控制器為溫度控制器與流量控制器之組合。
本發明之系統提供中間液體之中間迴路以自EC－1反應器移除熱以便用中間液體之返回驅動吸收致冷單元以進一步自EC－1反應器移除熱，且將中間迴路用於與在中間迴路之旁路中之獨立停機冷卻器相連以移除EC－1反應器熱以防吸收致冷單元不能向中間液體提供移除EC－1反應之全部熱的充分冷卻。因此，可將EC－1反應器之熱用於產生冷卻液體，該液體可用於其他系統中之用戶單元中之任何處而不損害或危及EC－1反應器或用戶單元之操作。
下文所提及之公用設施(utility)或冷卻水(CW)可為任何外部水且可為(例如)海水或其類似水。中間液體及冷卻液體適於為任何惰性、改良性液體，諸如脫礦質水或其類似液體。CW適當地在位點處處於環境溫度。中間液體適當地充當熱交換液體且介於低於EC－1反應器內容物之溫度之低溫與得自與EC－1反應器內容物熱交換之高溫之間變化。高溫較佳足夠高以驅動吸收致冷單元。冷卻液體適當地充當熱交換液體且介於低於位點處環境溫度之低溫與得自與用戶單元熱交換之高溫之間變化。
在本發明之熱整合系統之一實施例中，來自控制器或控制單元之訊號調節停機冷卻器之控制閥及與停機冷卻器平行之控制閥之操作，且可視情況向停機冷卻器之CW源裝置之控制單元及控制閥啟動訊號。一或多個控制單元較佳向控制閥發送訊號以控制中間液體轉向停機冷卻器之量及中間液體經由中間迴路之正常路徑繞過停機冷卻器之量。因此控制單元較佳偵測由控制器所量測之值偏離設定點之程度且調節停機冷卻器之控制閥及視情況停機冷卻器之CW源裝置之控制閥之開放或閉合程度。
該系統較佳額外包含用於調節EC－1反應器溫度之EC－1反應器調溫冷卻器。調溫冷卻器適當地包含於EC－1反應器液體再循環中。較佳調溫冷卻器在EC－1反應器液體再循環中位於EC－1反應器冷卻器之下游及EC－1反應器之上游。較佳EC－1反應器液體再循環控制器在EC－1反應器液體再循環中位於調溫冷卻器之下游其出口處。
在一實施例中，調溫冷卻器在EC－1反應器液體再循環控制器(其又接收來自EC－1反應器控制器之訊號)之控制下且向調溫冷卻器CW源之控制閥發送訊號以將EC－1反應器液體再循環溫度微調(fine tune)或控制在較佳再循環溫度範圍內。此狀況使系統維持所要冷卻負載，該負載限制EC－1反應器溫度升高超過設定點或降低低於設定點。當將系統安裝在環境溫度低且CW溫度低(例如約15℃)之位點時，由於調溫冷卻器之冷卻負載可小心地控制，因此此實施例尤其較佳。EC－1反應器液體再循環控制器較佳亦向調節停機冷卻器之中間迴路控制器發送訊號。
在此實施例之特定優點中，調溫冷卻器由於其對其他單元之獨立性而能精確調整EC－1反應器溫度，而EC－1反應器冷卻器能執行更大之冷卻負載但由於其之冷卻對中間迴路之依賴性則精確度較低。較佳以實質上高達或接近最大CW流量操作調溫冷卻器，在調溫冷卻器下游之EC－1反應器液體再循環之點上之控制器指示進一步冷卻要求，導致停機冷卻器之操作或增加之負載。反之若控制器指示較低冷卻要求，則將停機冷卻器關小，或若完全關閉，則繞過停機冷卻器且用調溫冷卻器繼續冷卻負載。
在一替代實施例中，調溫冷卻器周圍存在旁路且控制閥在分出旁路之後位於該旁路中。額外控制閥位於調溫冷卻器之入口。調溫冷卻器旁路中之控制閥由EC－1反應器冷卻器上游之流量控制器控制。調溫冷卻器入口處之控制閥由位於調溫冷卻器下游(旁路與EC－1反應器液體再循環液流匯合之點的下游)之溫度控制器控制。在此實施例中，不要求調溫冷卻器CW源之控制閥控制EC－1反應器液體再循環溫度。對於調溫冷卻器之冷卻負載低(例如，調溫冷卻器之負載為10%且EC－1反應器冷卻器之負載為90%)之系統，此實施例尤其較佳。此狀況係由於即使要求較少冷卻仍可維持調溫冷卻器CW之相對高流量(由於EC－1反應器液體再循環液流可沿旁路轉移)，且此狀況避免當調溫冷卻器CW之流量低時，由於氯化物聚積可產生之腐蝕。若無調溫冷卻器CW源之控制閥，則調溫冷卻器入口處之控制閥較佳具有最低閥門開放度以避免極低溫度及在低環境溫度之情況下在EC－1反應器液體再循環液流中之EC在調溫冷卻器出口處可能之結晶。
控制器及控制單元較佳連續監控量測值且發送經計算使量測值回復為設定點之訊號。
如上文所定義之控制單元較佳包含處理器及在該處理器控制下之記憶體；以軟體程式化之該記憶體經設計以使處理器能進行下列步驟：比較量測值(諸如溫度或流量訊號)與設定點值(諸如溫度或流量)及視情況額外量化設定點值之上或之下的任何差異，及發送訊號以直接或間接調節控制閥(例如)以啟動或繞過停機冷卻器或啟動如上文所定義視情況額外調節其操作水平之調溫冷卻器。
在一實施例中，本發明之熱整合系統偵測要求中間迴路中之額外冷卻的EC－1反應器中之過度溫度，或在第二實施例中偵測要求繞過吸收致冷單元之中間液體的用戶單元對冷卻液體需求之干擾或中斷，或在第三實施例中偵測要求操作用戶單元之冷卻液體之備用源的EC－1反應器中產生冷卻液體所產生之熱量不足(例如在啟動、停機或在關小操作中)。
在第一較佳實施例中，位於EC－1反應器冷卻器入口處之中間迴路控制器向中間迴路控制單元發送數值訊號，指示量測值正常或不正常(亦即對應於設定點或偏離設定點，例如展示相應或過度溫度)，同時停機冷卻器旁路上游之中間迴路上之控制器亦向中間迴路控制單元發送數值訊號，指示正常或不正常之量測值(例如正常中間液體流量或零流量)，控制單元接收正常訊號且不給出其他訊號或給出恆定訊號，或控制單元接收不正常訊號且向繞過停機冷卻器之中間迴路中之控制閥給出合成訊號以減少流量，且亦向停機冷卻器控制單元給出合成訊號，該控制單元計算包含不正常訊號與合成訊號之函數之訊號且將經計算之訊號發送至停機冷卻器旁路中之控制閥以調節流向停機冷卻器之中間液體且在中間迴路中維持恆定流量。
在一特定優點中，在此實施例中之本發明之系統連續自EC－1反應器移除熱量且另外經由3個冷卻器提供對EC－1反應器之平穩溫度控制。停機冷卻器存在於來自中間迴路之停機冷卻器旁路中，控制閥位於停機冷卻器之旁路中且在中間迴路中。當經由吸收致冷單元及調溫冷卻器提供不足之冷卻，停機冷卻器將經由EC－1反應器液體再循環中控制器之作用(例如偵測溫度)而自動接管。組合控制器及控制單元之作用將使在EC－1反應器液體再循環及中間迴路中之總中間液體循環保持恆定且將向停機冷卻器供應更多CW。
在第二實施例中，冷卻液體迴路中自吸收致冷單元至用戶單元之控制器監控關於吸收致冷單元下游冷卻液體迴路溫度之量測值且偵測量測值正常或不正常(亦即對應於設定點或偏離設定點，例如相應或降低指示用戶單元消耗冷卻液體之正常或不正常的溫度)，且向控制閥發送訊號以維持向吸收致冷單元流動或繞過吸收致冷單元。繞過吸收致冷單元又偵測為中間迴路溫度之升高且導致如上文所定義之停機冷卻器之操作。在一特定優點中，在用戶單元需求降低或停止之情況下繞過吸收致冷單元避免導致致冷單元吸收劑之不良沉澱之吸收致冷單元中之過度冷卻。
在第三實施例中，由獨立能量源驅動之備用吸收致冷單元連同備用吸收致冷單元下游之控制器位於平行於吸收致冷單元之冷卻液體迴路中且與獨立能量源之控制閥相通。控制器偵測不正常量測值(諸如指示冷卻液體冷卻不足之高於設定點之溫度)且向獨立能量源之控制閥發送訊號以操作備用吸收致冷單元冷卻在冷卻液體迴路中流動之液體以供用戶單元使用。在一特定優點中，當不可自EC－1反應器得到反應熱時或當所得熱量不足以提供滿足用戶單元需求之冷卻液體時，此設置提供冷卻液體。
藉由在單一冷卻系統中提供吸收致冷單元及備用吸收致冷單元，冷卻液體源可在熱整合系統控制下不依賴EC－1反應器操作。較佳備用吸收致冷單元由低壓蒸汽驅動。
因此本發明提供一種提供對EC－1反應器溫度之獨立控制、對冷卻液體溫度之獨立控制及在低產量時(例如在啟動、停機或在關小操作期間，亦即EC－1反應器操作小於50%之任何情況下)將兩系統去耦合之冷卻系統。更特定言之，本發明提供整合熱移除作為熱整合系統之部分且包含兩種不同致冷單元，一種由廢熱加熱之吸收致冷單元耦合於一種由蒸汽加熱之獨立備用吸收致冷單元。當設備啟動、停機或關小且不可自EC－1反應器得到廢熱時後者以單獨模式操作，且當可自EC－1反應器得到廢熱時前者亦操作。
在本發明之一特定優點中，備用致冷單元能執行冷卻系統高達約50%之容量(例如在40至60%容量之範圍內)。當EC－1反應器在大於約50%負載下運轉時吸收致冷單元較佳單獨或連同備用致冷單元操作，且至少當EC－1反應器在小於約50%負載下運轉時備用致冷單元操作。在此情況下，對於任何顯著熱移除要求，停機冷卻器操作。除在停機冷卻同時操作之情況下，可由操作員手動關小備用致冷單元而將能量合理化，避免不當消耗用於冷卻負載之獨立能量源。因此至少對於在高達設計能力50%之產量下之熱整合，可能保持EC與用戶單元去耦合。
隨著EC－1反應器產量增加且接近50%，其餘設備之產量同樣增加且接近50%，且備用吸收致冷單元不再可滿足需求，藉此吸收致冷單元下游之冷卻迴路控制器指示冷卻迴路溫度之升高且吸收致冷單元由吸收致冷單元上游中間迴路之控制閥之操作開始操作。因此，如上文所定義之停機冷卻器控制系統逐漸減少停機冷卻器負載。
高達50%產量時，較佳操作員手動將吸收致冷單元下游之冷卻液體迴路控制器之設定點設定得高於備用吸收致冷單元下游控制器之設定點以使得冷卻液體負載由備用吸收致冷單元承擔。在50%產量下，對設定點之手動校正減少備用吸收致冷單元貢獻之增長率。
一旦EC－1反應器產量超過50%且對冷卻液體增加之需求導致系統啟動吸收致冷單元，由逐漸降低吸收致冷單元下游冷卻液體迴路控制器之設定點完成停機冷卻器與吸收致冷單元之間的轉變及最終之交換。
本發明之系統可用於自EO製得EC以轉化成MEG之任何催化製程。該系統較佳用於一種製得MEG之催化製程，該製程包含使EO與CO2 在催化劑存在下反應之步驟(藉此實現形成含有EC之反應溶液)、藉由水解反應溶液中之EC而將反應溶液轉化成MEG水溶液之水解步驟及藉由蒸餾自MEG水溶液獲得純化MEG及含有催化劑之催化劑溶液的蒸餾步驟。催化劑較佳連同EO、CO2 、水及MEG存在於氣泡柱反應器中。系統較佳以50－200℃、較佳70－170℃、更佳90－150℃、最佳100－127℃範圍中之處理側溫度操作。
較佳EC－1反應器以70－110℃範圍中之入口溫度操作。較佳自提供所需流動速率之泵向EC－1反應器供應純EO或EO混合物水溶液，自再循環CO2 壓縮機向其供應CO2 ，自提供所需流動速率之泵向其供應催化劑溶液及亦自提供所需流動速率之泵向其供應EC－1反應器液體再循環(來自中間冷卻迴路及調溫冷卻器之熱交換)。合適的是，EC－1反應器液體再循環流量包含50至95%(例如80－92%)之總反應器饋入流量，藉此能向放熱EC反應提供反應器冷卻及溫度控制。較佳調溫冷卻器如上文所定義調節EC－1反應器溫度升高，提供高MEG選擇性。反應器停機冷卻器及調溫冷卻器較佳能一起移除EC－1反應器至少50%之負載。
在一特定優點中，熱整合系統可作為閉合迴路系統操作，該迴路系統包括EC－1反應器冷卻器、中間冷卻迴路及吸收致冷單元。然而必須確保EC－1反應器或冷卻液體用戶可獨立操作，此要求使得不同冷卻器及致冷單元必須作為閉合整合系統使用如上文所定義之熱整合系統中之兩種吸收致冷單元操作。本發明之熱整合系統藉由使EO部分與MEG部分去耦合而提供EC－1反應器之啟動或停機之操作靈活性。
吾人已發現本發明之系統第一次提供如上文所定義之3種不同操作模式加上包括熱整合其自身之全面靈活性。在一特定優點中，施用閉合中間迴路提供平穩熱整合。平穩熱整合對於保持總蒸汽消耗競爭性尤為重要。
本發明之熱整合系統可以如此項技術中所知之任何合適吸收致冷單元操作，該吸收致冷單元以在低壓下蒸發冷卻流體及在吸收劑中吸收流體之原則操作。較佳冷卻流體為水且吸收劑為水之強吸收劑溴化鋰溶液。各吸收致冷單元包含安裝於不同高度之兩個外殼。較低之外殼分成吸收器部分及蒸發器部分，而較高之外殼由產生器及冷凝器構成。用於本發明系統中之致冷單元較佳僅包含單一解吸收器而不是多重(例如兩級)解吸收器。由待冷卻之流體供應蒸發冷卻流體之熱量。藉由吸收達到壓力梯度。自EC－1反應器移除之熱量及/或外部能量用於驅動致冷單元產生器。
較佳熱整合系統與兩相分離器聯合使用，用於將來自EC－1反應器之一側取口的兩相流動物分離進入向EC－1提供液體再循環之一第一室中及進入向一第二EC反應器EC－2提供兩相流動物之一第二室中，以使得流向EC－2反應器之兩相流動物穩定。分離器較佳在第二室中無驅動該兩相流動物流向EC－2反應器之液位而操作，藉此避免液位升高且淹沒分離容器且擾亂自液體再循環移除氣體之危險。自液體再循環之蒸汽釋放對避免存在於EC－1反應器液體再循環中之反應器循環泵中之空蝕尤為重要。
較佳兩相分離器位於EC－1反應器之側取口且包含將來自EC－1反應器之側取口出口之氣液兩相分離之裝置，該裝置將氣液兩相分離成用於冷卻且再循環至EC－1反應器之第一液體相組份、作為進一步在EC－2中反應之饋料之第二氣液兩相液流及作為進一步在EC－1或EC－2中反應之饋料之氣相組份。相似之分離器適當地存在於EC－2反應器之側取口。
較佳兩相分離器包含界定液體空間及液體空間上之氣體空間之正常水平容器，其中該容器具有具備饋料入口之入口端空間及具備液相、氣液相及氣相組份分別之出口之出口端空間，其中該容器進一步包含入口裝置，該裝置包含置於氣體空間中之主要氣液分離器及置於氣體空間中在主要分離器下方之傾斜返回槽，該返回槽具有位於饋入液體之容器之入口端壁附近的較低端使得通道界定於較低端與入口端壁之間，該容器另外包含在液體空間中之分佈穩定隔板。該分佈穩定隔板用於分離自入口裝置隨液體進入之任何氣體，藉此自液相出口排出之液體無氣體。較佳出口端空間中之溢流堰確保無高於氣液相出口之液位，藉此氣體連同液體(例如)經由漩渦效應(可經由特定塑形之出口噴嘴(諸如圓錐形噴嘴)達到)作為氣液兩相流體排出。兩相分離器可包含在液相出口中渦旋阻斷器。
兩相分離器可如US－B1－6,537,458中所定義，該專利案揭示以相似原則操作之3相分離器，其內容以引用的方式併入本文中。較佳分離器包含水平氣液分離器，該水平氣液分離器包含給出自兩相流體混合物移除液體之流型之複數個隔板及複數個穩定部分。
較佳在關小EC－1反應器之操作期間減少CO2 再循環流量以確保分離器中之良好氣體分離。
在本發明另一態樣中，提供一種新穎分離器將來自EC－1反應器之一側取口的兩相流動物分離進入向EC－1提供液體再循環之一第一室中及進入向一第二EC反應器EC－2提供兩相流動物之一第二室中，以使得如上文所定義流向EC－2反應器之兩相流動物穩定。
在本發明另一態樣中，提供一種如上文所定義控制熱整合系統之控制系統，其包含複數個控制器、控制單元及控制閥，其中該等控制器向控制器或控制單元或其組合及/或調節停機冷卻器及吸收致冷單元操作之控制閥提供關於EC－1反應器負載及用戶單元需求之訊號。較佳控制器如上文所定義定位。
控制系統之其他優點及特徵對應於如上文所定義之熱整合系統之內容中提及之相應組件的優點及特徵。
在本發明之其他態樣中，提供一種熱整合方法及一種對應於如上文所定義之熱整合系統及控制系統之控制方法。
在本發明之其他態樣中，提供一種適用於使熱整合系統及控制系統或其任何組件能進行如上文所定義之步驟之電腦程式。
在本發明之其他態樣中，提供如上文所定義之熱整合系統、分離器、控制系統或程式在自EO產生EC以轉化成MEG之製程中的用途。
附圖及流程之詳細描述
圖1中EC－1反應器(1)具有CO2 (2a)及EO(2b)水溶液之入口及通向分離器(6)之出口(3)，產物EC及未反應氣體及液體通過分離器(6)，分離器(6)將產物流體及未反應流體饋入進料管線進入EC－2反應器(4)且將反應液體作為液體再循環(5)以泵(7)經由熱交換器(8)再循環以在返回EC－1反應器(1)之前移除熱量。在EC－2反應器(4)展示相似向上管線，但在此情況下加熱再循環。
圖2中由分離器(6)分離之EC－1反應器液體再循環(5)通向EC－1反應器冷卻器(8a)。EC－1反應器冷卻器(8a)與中間迴路(9)熱交換，又與吸收致冷單元(10)熱交換。作為中間迴路(9)之旁路位於停機冷卻器旁路(11)中之停機冷卻器(8b)供應以獨立之CW。EC－1反應器調溫冷卻器(12)在EC－1反應器液體再循環(5)中位於EC－1反應器冷卻器(8a)之下游。
溫度控制器TC－1位於EC－1反應器(1)上，TC－2位於調溫冷卻器(12)下游之EC－1反應器液體再循環(5)上，且TC－3位於EC－1反應器冷卻器(8a)上游之中間迴路(9)上。
控制閥CV－1位於CW源上用於EC－1反應器調溫冷卻器(12)，CV－2位於平行於通向停機冷卻器(8b)之旁路的中間迴路(9)上，CV－3位於停機冷卻器旁路(11)中，CV－4位於通向停機冷卻器(8b)之CW入口處且CV－5位於反應器冷卻器8a上游之EC－1反應器液體再循環(5)上。
流量控制器FC－1位於通向停機冷卻器(8b)之旁路之上游的中間迴路(9)上且FC－2位於反應器冷卻器8a之上游的EC－1反應器液體再循環(5)上。
TC－1與EC－1反應器相通且向TC－2發送訊號。TC－2與EC－1反應器液體再循環及TC－1相通且向TC－3及CV－1發送訊號。TC－3與中間迴路(9)相通且向3個控制單元Y－1、Y－2及Y－3發送訊號。控制單元Y－1與FC－1及TC－3相通且向CV－2傳送訊號，Y－2與FC－1及TC－3經由Y－1相通且向CV－3傳送訊號，且Y－3與TC－3相通且向CV－4傳送訊號。FC－2與EC－1反應器液體再循環(5)相通且向CV－5發送訊號。
在熱整合系統中，通常調節EC－1反應器溫度。當TC－1偵測溫度高於設定點(通常在啟動時)時，其操作調溫冷卻器(12)將控制閥CV－1開放至所需程度直至約90%之孔徑，反應器冷卻器(8a)及停機冷卻器(8b)將由開放或閉合控制閥CV－2、CV－3及CV－4操作以承擔部分冷卻負載。
控制單元Y－1、Y－2及Y－3藉由程式化演算法之裝置確保中間迴路(9)中之流量保持恆定，藉此若控制器TC－3及FC－1接收訊號且確定為正常，則其發送訊號以部分開放CV－2，且若FC－1接收訊號且確定為過高，則其發送訊號以部分閉合CV－2。舉例而言，Y－1計算來自FC－1之0、小數或1訊號(a)及來自TC－3之0、小數或1訊號(b)之乘積以確定傳向CV－2之0、小數或1訊號(a.b)，且Y－2接收相同訊號且計算其因子(1－a(1－k.b))以確定傳向CV－3之0、小數或1訊號，以調節CV－3之開放。
流量控制器FC－2確保EC－1反應器再循環中之流量保持恆定。若FC－2接收訊號且確定流量過高，其發送訊號以部分閉合CV－5；反之若訊號為流量過低，其發送訊號以部分開放CV－5。
流程1展示本發明之熱整合系統在控制EC－1反應器溫度中之操作。TC－1自EC－1反應器接收溫度輸入且與EC－1反應器溫度設定點相比，向TC－2產生訊號。TC－2自EC－1反應器液體再循環接收溫度輸入及自TC－1接收訊號且向TC－3及向CV－1產生訊號，開放CW流動以防訊號要求經由調溫冷卻器(12)之冷卻。TC－3自中間迴路(9)接收溫度輸入及自TC－2接收訊號且向CV－3產生訊號，將中間迴路控制閥CV－3向停機冷卻器(8b)旁路開放且亦向CV－4產生訊號將CW向停機冷卻器開放。同時TC－3向CV－2發送訊號，調節平行於停機冷卻器旁路之中間迴路中之流量，且FC－1接收中間迴路流動速率輸入且與設定點相比且向CV－3發送訊號，藉此使中間迴路流量維持恆定。FC－2接收再循環迴路流動速率輸入且與設定點相比且向CV－5發送訊號，藉此使再循環迴路流量維持恆定。
在圖3中展示吸收致冷單元(10)，其供應以CW(20)用於自在中間迴路(9)中流動之中間液體移除反應熱。由吸收致冷單元(10)產生之冷卻液體由冷卻液體迴路(21)通向用戶單元26(a)。冷卻液體迴路(21)上之溫度控制器(TC－4)將訊號傳送至吸收致冷單元(10)上游之中間迴路(9)上且在吸收致冷單元(10)之旁路(22)處之3通控制閥(CV－6)。備用吸收致冷單元(23)由獨立蒸汽(24)驅動且供應以CW(25)。溫度控制器TC－5位於備用吸收致冷單元(23)之下游的冷卻液體迴路(21)上且與獨立蒸汽(24)入口上之控制閥CV－7相通。備用吸收致冷單元(23)由蒸汽(24)驅動且產生用於冷卻液體迴路(21)之冷卻液體。
位於用戶單元(26a)之處理側之出口上之溫度控制器TC－6向位於用戶單元(26a)下游之冷卻液體迴路(21)上之控制閥CV－8發送訊號。一個以上之用戶單元(26b等)可與冷卻液體迴路(21)上之用戶單元(26a)平行。其他用戶單元與相應溫度控制器及控制閥相連。
吸收致冷單元(10、23)之冷卻負載極高使得各者可包含多個作為單一單元共同作用之獨立亞單元(例如任何數目之機器)以達成更大之用戶單元負載。
在啟動、關小操作或停機時，備用致冷單元(23)處於操作中且停機冷卻器(8b，圖2)處於部分或完全操作中。
在大於約50% EC－1反應器負載下，吸收致冷單元(10)處於操作中且反應器冷卻器(8a，圖2)及調溫冷卻器(12，圖2)處於組合操作中。
流程2展示本發明之熱整合系統在控制吸收致冷單元(10)溫度中之操作。TC－6自用戶單元(26a)之處理側之出口接收溫度輸入且與用戶單元處理溫度出口設定點相比，且向CV－7發送訊號以操作或調節冷卻液體流向用戶單元(26a)。CV－7可位於用戶單元(26a)之前或之後。
TC－4自吸收致冷單元(10)之出口接收溫度輸入且與設定點吸收致冷單元出口溫度相比，且向CV－5發送訊號以將3通控制閥向吸收致冷單元(10)開放或若TC－4展示分別大於或小於設定點之溫度，則將3通控制閥(CV－5)向旁路(22)開放。
圖4中由分離器(6)分離之EC－1反應器液體再循環(5)通向EC－1反應器冷卻器(8a)。EC－1反應器冷卻器(8a)與中間迴路(9)熱交換，又與吸收致冷單元(10)熱交換。停機冷卻器(8b)作為中間迴路(9)之旁路位於停機冷卻器旁路(11)中，供應以獨立之CW。EC－1反應器調溫冷卻器(12)在EC－1反應器液體再循環(5)中位於EC－1反應器冷卻器(8a)之下游。
溫度控制器TC－10位於EC－1反應器(1)上，TC－20位於調溫冷卻器(12)下游之EC－1反應器液體再循環(5)上，且TC－30位於EC－1反應器冷卻器(8a)上游之中間迴路(9)上。
控制閥CV－10位於調溫冷卻器(12)周圍之旁路上，CV－20位於平行於通向停機冷卻器(8b)之旁路的中間迴路(9)上，CV－30位於停機冷卻器旁路上通向反應器停機冷卻器(11)之入口處，且CV－40位於EC－1反應器液體再循環(5)上介於反應器冷卻器(8A)與調溫冷卻器(12)之間(在調溫冷卻器入口處岔開之旁路之下游)。
流量控制器FC－10位於通向停機冷卻器(8b)之旁路之上游的中間迴路(9)上且FC－20位於反應器冷卻器8a之上游的EC－1反應器液體再循環(5)上。
TC－10與EC－1反應器相通且向TC－20發送訊號。TC－20與EC－1反應器液體再循環(5)及TC－10相通且向CV－40及閥位控制器XC發送訊號。TC－30與中間迴路(9)及XC相通且向CV－3發送訊號。FC－10與中間迴路(9)相通且向CV－20發送訊號。FC－20與EC－1反應器液體再循環(5)相通且向CV－10發送訊號。
在熱整合系統中，通常調節EC－1反應器溫度。當TC－10偵測出溫度高於設定點時，其與對閥CV－40起作用之TC－20相通，增大經由調溫冷卻器(12)之流量。當FC－20偵測出流量高於設定點時，其發送訊號以開放CV－10，增大經由調溫冷卻器旁路之流量(減少經由調溫冷卻器之流量)。
通常調節中間迴路(9)中之流量。當FC－10偵測出流量高於設定點時，其發送訊號以部分閉合CV－20。
調節中間迴路(9)中之溫度。當TC－30偵測出溫度高於設定點時，其發送訊號以部分開放CV－30，增大經由反應器停機冷卻器(8b)之流量。
為確保TC－20保持在控制之下，藉由閥位控制器XC調整TC－30之設定點。將對TC－20及TC－30輸出之限制用於保持該等控制器在正常範圍中。
流程3展示本發明之熱整合系統在控制EC－1反應器溫度中之操作。TC－10自EC－1反應器接收溫度輸入且與EC－1反應器溫度設定點相比，向TC－20產生訊號。TC－20自EC－1反應器液體再循環接收溫度輸入及自TC－10接收訊號且向CV－40產生訊號，開放該閥以防訊號要求經由調溫冷卻器(12)之冷卻增加。TC－30自中間迴路(9)接收溫度輸入且向CV－30產生訊號，使中間迴路控制閥CV－30向停機冷卻器(8b)旁路開放。FC－10接收中間迴路流動速率輸入並與設定點相比且向CV－20發送訊號，藉此使中間迴路流量維持恆定。FC－20接收再循環迴路流動速率輸入並與設定點相比且向CV－10發送訊號，藉此使再循環迴路流量維持恆定。
在圖5中展示吸收致冷單元(10)，其供應以CW(20)用於自中間迴路(9)中流動之中間液體移除反應熱。由吸收致冷單元(10)產生之冷卻液體由冷卻液體迴路(21)通向用戶單元26(a)。吸收致冷單元(10)下游之中間迴路(9)上之溫度控制器(TC－40)將訊號傳送至吸收致冷單元(10)上游之中間迴路(9)上之控制閥(CV－50)。由控制單元(Y)將差異壓力控制施加於吸收致冷單元(10)之旁路(22)以維持恆定流量以防致冷單元中任一者出現故障。
備用吸收致冷單元(23)由獨立蒸汽(24)驅動且供應以CW(25)。溫度控制器TC－50位於備用吸收致冷單元(23)之下游冷卻液體迴路(21)上且與獨立蒸汽(24)入口上之控制閥CV－7相通。備用吸收致冷單元(23)由蒸汽(24)驅動且產生用於冷卻液體迴路(21)之冷卻液體。
位於用戶單元(26a)之處理側之出口上之溫度控制器TC－60向位於用戶單元(26a)下游之冷卻液體迴路(21)上之控制閥CV－70發送訊號。一個以上之用戶單元(26b等)可與冷卻液體迴路(21)上之用戶單元(26a)平行。其他用戶單元與相應溫度控制器及控制閥相連。
吸收致冷單元(10、23)之冷卻負載很高使得各者可包含多個作為單一單元共同作用之獨立亞單元(例如任何數目之機器)以達成更大之用戶單元負載。施加於旁路之差異壓力控制確保平穩操作及自其穿過流向吸收致冷單元(10)亞單元之恆定流量。
在啟動、關小操作或停機時，備用致冷單元(23)處於操作中且停機冷卻器(8b，圖4)處於部分或完全操作中。
在大於約50% EC－1反應器負載下，吸收致冷單元(10)處於操作中且反應器冷卻器(8a，圖4)及調溫冷卻器(12，圖4)處於組合操作中。
流程4展示本發明之熱整合系統在控制吸收致冷單元(10)溫度中之操作。TC－60自用戶單元(26a)之處理側之出口接收溫度輸入並與用戶單元處理溫度出口設定點相比，且向CV－70發送訊號以操作或調節冷卻液體流向用戶單元(26a)。CV－70可位於用戶單元(26a)之前或之後。
TC－40自致冷單元(10)上游之中間迴路(9)接收溫度輸入並與中間迴路溫度設定點相比，且若TC－40展示高於設定點之溫度，則向CV－50發送訊號以將控制閥向吸收致冷單元(10)開放。
在圖6中展示一種兩相分離器(30)，其包含EC－1反應器側取口氣/液入口(31)、氣液入口裝置(32)、液體空間(33)、氣體空間(34)、EC－1反應器液體再循環出口(35)、連接EC－2反應器(未圖示)之重建兩相流動物出口(36)、溢流堰(37)及穩定隔板(38)。排氣孔(39)防止停滯氣體聚積。來自入口(31)之大部分氣體在入口裝置(32)中分離且直接經由出口(36)排出。許多氣體自入口裝置(32)隨液體呈泡沫狀進入且通過穩定隔板(38)進入液體空間(33)，氣體在液體空間(33)中上升且脫離液體且進入氣體空間(34)。因此排出出口(35)之液體無氣體且作為實質上單一相液流排出。溢流堰(37)確保無高於出口(36)之液位，藉此氣體連同液體作為兩相氣液流體(例如)經由漩渦效應排出。此狀況可經由特定塑形(例如圓錐形)之出口噴嘴達到。高於出口(36)之液位將阻止氣體向出口(36)移動。
實例 實例1－能效
EC－1反應器冷卻器之負載為轉化成冷卻液體，否則此能量將浪費。本發明之熱整合系統代表等於EC－1反應器冷卻器之負載之儲存。對於世界規模之設備而言，此設備屬於12MW類。
實例2－安全性
本發明允許在特定環境下EC－1反應器及用戶單元之去耦合獨立操作。藉此EC－1反應器不可能由於來自用戶單元之冷卻水需求不足而失控，且亦不可能存在由於在EC－1反應器啟動、關小操作或停機時不可獲得足夠之冷卻水之用戶問題。
實例3－分離器
圖1之先前技術分離器(6)為標準氣液分離器，其以位於分離器底部之液位操作，在分離器頂部具有分離表面區及其上之兩相氣液區。因此該分離器要求足夠之高度以用於分離且需要分離器底部之低表觀速度。EC－1反應器液體再循環入口(31)需要增大以達到必需之容量。容器之設計要求為確保在分離器底部之蒸汽釋放之某一最大滯留時間及某一最大表觀液體速度。該等設計要求之應用將導致具有極高渦旋度之極平之扁平形容器，該容器將導致在分離器底部之極低蒸汽釋放。
圖6之分離器(6)滿足液相中所要之滯留時間且達到所要之自入口裝置(32)中之入口(31)的氣體移除，經分離之氣體直接經由出口(36)排出。因此排出出口(35)之液體實質上無氣體且作為單一相液流排出，確保EC－1反應器液體再循環泵可在無空蝕下操作。實質上100%氣體連同液體作為兩相氣液經由出口(36)排出。
1．．．EC－1反應器
2a．．．CO2
2b．．．EO
3．．．分離器6之出口
4．．．EC－2反應器
5．．．液體再循環
6．．．分離器
7．．．泵
8．．．熱交換器
8A．．．EC－1反應器冷卻器
8B．．．反應器停機冷卻器
8b．．．停機冷卻器
9．．．中間迴路
10．．．吸收致冷單元
11．．．停機冷卻器旁路
12．．．EC－1反應器調溫冷卻器
20．．．CW(冷水)
21．．．冷卻液體迴路
22．．．旁路
23．．．備用吸收致冷單元
24．．．蒸汽
25．．．CW
26a．．．用戶單元
30．．．兩相分離器
31．．．EC－1反應器側取口氣/液入口，EC－1反應器液體再循環入口
32．．．氣液入口裝置，入口裝置
33．．．液體空間
34．．．氣體空間
35．．．EC－1反應器液體再循環出口，排出出口
36．．．兩相流動物出口，出口
37．．．溢流堰
38．．．穩定隔板
39．．．排氣孔
CV－1．．．控制閥
CV－2．．．控制閥
CV－3．．．控制閥
CV－4．．．控制閥
CV－6．．．控制閥
CV－7．．．控制閥
CV－8．．．控制閥
CV－10．．．控制閥
CV－20．．．控制閥
CV－30．．．控制閥
CV－40．．．控制閥
CV－50．．．控制閥
CV－60．．．控制閥
CV－70．．．控制閥
CV－80．．．控制閥
CW．．．冷水
FC－1．．．流量控制器
FC－2．．．流量控制器
FC－10．．．流量控制器
FC－20．．．流量控制器
TC－1．．．溫度控制器
TC－2．．．溫度控制器
TC－3．．．溫度控制器
TC－4．．．溫度控制器
TC－5．．．溫度控制器
TC－6．．．溫度控制器
TC－10．．．溫度控制器
TC－20．．．溫度控制器
TC－30．．．溫度控制器
TC－40．．．溫度控制器
TC－50．．．溫度控制器
TC－60．．．溫度控制器
XC．．．閥位控制器
Y．．．控制單元
Y－1．．．控制單元
Y－2．．．控制單元
Y－3．．．控制單元
圖1說明先前技術EC/MEG單元。
圖2至圖5及流程1至流程4說明本發明之熱整合系統及控制系統之實施例。
圖6說明用於本發明之系統中之分離器。
1．．．EC－1反應器
5．．．液體再循環
6．．．分離器
8．．．AEC－1反應器冷卻器
8B．．．停機冷卻器
9．．．中間迴路
10．．．吸收致冷單元
11．．．停機冷卻器旁路
12．．．EC－1反應器調溫冷卻器
CV－1．．．控制閥
CV－2．．．控制閥
CV－3．．．控制閥
CV－4．．．控制閥
CW．．．冷水
FC－1．．．流量控制器
FC－2．．．流量控制器
TC－1．．．溫度控制器
TC－2．．．溫度控制器
TC－3．．．溫度控制器
Y－1．．．控制單元
Y－2．．．控制單元
Y－3．．．控制單元

Claims (10)

  1. 一種熱整合系統，其在自環氧乙烷(EO)產生碳酸乙二酯(EC)以轉化成單乙二醇(MEG)之催化製程中用於自一EC-1反應器移除反應熱且產生由一或多個用戶單元所用之冷卻液體，其中該系統包含一適於自一EC-1反應器移除熱之EC-1反應器冷卻器、一與該反應器冷卻器相通且與一吸收致冷單元相通且適於在其間傳導中間液體之中間迴路，該吸收致冷單元適於產生冷卻液體，及一適於傳導在該吸收致冷單元中產生的由一或多個用戶單元所用之冷卻液體之冷卻液體迴路，該系統使得該吸收致冷單元使用在該EC-1反應器中所產生之熱以產生用於該冷卻液體迴路及用戶單元之冷卻液體，其中該系統額外包含一具有一獨立冷卻源、作為替代或除該吸收致冷單元之外適於自該EC-1反應器移除熱之停機冷卻器，且其中該系統額外包含一獨立備用冷卻液體源，其作為替代或除該吸收致冷單元之外適於產生冷卻液體以供應該或該等用戶單元。
  2. 如請求項1之熱整合系統，其中該中間迴路包括該吸收致冷單元之一旁路，藉此中間冷卻液體可傳導至該吸收致冷單元，以用於移除熱量或可繞過該吸收致冷單元。
  3. 如請求項1或請求項2之熱整合系統，其中該EC-1反應器冷卻器位於一EC-1反應器液體再循環中，該液體再循環 包含該EC-1反應器之一側取口及來自該EC-1反應器之液體再循環。
  4. 如請求項1或請求項2之熱整合系統，其包含複數個控制器、複數個控制閥及一或多個控制單元，其中該等控制器向控制器或控制單元或其組合及/或向調節該停機冷卻器及該吸收致冷單元操作之控制閥提供關於EC-1反應器負載及用戶單元需求之訊號。
  5. 如請求項1或請求項2之熱整合系統，其額外包含一用於調節該EC-1反應器之溫度之EC-1反應器調溫冷卻器，其在該EC-1反應器液體再循環中位於該EC-1反應器冷卻器之下游及該EC-1反應器之上游。
  6. 如請求項5之熱整合系統，其中該調溫冷卻器在一EC-1反應器液體再循環控制器之控制下接收來自一EC-1反應器控制器之訊號，且向該調溫冷卻器冷水源之一控制閥發送訊號，以將EC-1反應器液體再循環溫度控制在較佳再循環溫度範圍內。
  7. 如請求項5之熱整合系統，其中該調溫冷卻器周圍存在一旁路且一控制閥位於該旁路中，其中位於該旁路中之該控制閥由該EC-1反應器冷卻器上游之一流量控制器控制；及一控制閥位於該調溫冷卻器之入口處且該調溫冷卻器入口處之該控制閥由一位於該調溫冷卻器下游及該旁路與該EC-1反應器液體再循環液流匯合之點的下游之溫度控制器控制。
  8. 如請求項1或請求項2之熱整合系統，其額外包含一兩相 分離器，該分離器用於將來自該EC-1反應器之一側取口的兩相流動物分離進入向EC-1提供液體再循環之一第一室中，及進入向一第二EC反應器EC-2提供兩相流動物之一第二室中，以使得流至EC-2反應器之該兩相流動物穩定；其中該分離器較佳在該第二室中無驅動該兩相流動物流向EC-2反應器之液位而操作，藉此避免液位升高且淹沒分離容器及擾亂自該液體再循環移除氣體之危險。
  9. 一種控制系統，其用於控制如上文在請求項1至8中任一項中所定義之熱整合系統，其包含複數個控制器、控制單元及/或控制閥，其中該等控制器向控制器或控制單元或其組合及/或向調節該停機冷卻器及該吸收致冷單元操作之控制閥提供關於EC-1反應器負載及用戶單元需求之訊號。
  10. 一種如請求項1至8中任一項之熱整合系統或請求項9之控制系統之用途，其用於自環氧乙烷(EO)產生碳酸乙二酯(EC)之製程或自EO經由EC產生單乙二醇(MEG)之製程中。
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