能量回收系统和方法以及具有此类回收系统的聚合设备.pdf

本发明涉及用于能量回收的系统和具有此类系统的聚合设备，所述系统包括：a.连续操作的放热装置(放热装置被理解为能够产生热并将热传递到另一主体上的任何设备)，b.与所述放热装置流体连通的冷却装置，c.不连续操作的吸热装置(吸热装置被理解为能够从另一主体接收热即被加热的任何设备)；所述系统的特征在于其包括用于积聚由与不连续吸热装置流体连通的放热装置产生的能量的装置、连续操作的放热装置以及使用工作流体的冷却装置。

1.  一种用于能量的回收的系统，其中不连续吸热单元与连续操作的放热单元耦合，所述系统包括：
a.连续操作的放热装置，
b.与所述放热装置流体连通的冷却装置，
c.不连续操作的吸热装置，
所述系统的特征在于其包括用于积聚由与不连续吸热装置流体连通的所述放热装置产生的能量的装置、连续操作的所述放热装置以及使用工作流体的所述冷却装置。

2.  根据权利要求1所述的系统，其中所述放热装置具有在80℃至160℃范围内的温度分布。

3.  根据权利要求1或2所述的系统，其中在积聚装置内部的所述工作流体在高于或等于80℃的温度下。

4.  根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述放热装置是至少一个聚合反应器。

5.  一种在用于生产包含橡胶的树脂的聚合设备中用于能量的回收的系统，所述系统包括：
a.连续操作的放热反应部分，优选地具有在80℃-160℃的范围内的增加的温度分布，
b.与所述反应部分流体连通的冷却部分，
c.不连续操作的橡胶的溶剂溶解部分，
所述系统的特征在于其包括由所述反应部分产生的能量的积聚装置，其中所述工作流体在高于或等于80℃的温度下，其中所述积聚装置与橡胶的所述溶解部分、与所述反应部分以及与使用工作流体的所述冷却装置流体连通。

6.  一种用于能量的回收的方法，所述能量在连续操作的根据权利要求1至5中任一项所述的放热装置中产生，所述方法包括以下步骤：
i.通过利用由连续操作的放热单元产生的能量加热第一工作流体，因此形成第一热工作流体，
ii.将所述第一热工作流体传送到能量积聚装置，
iii.从所述能量积聚装置中提取至少第二热工作流体并且将其连续传送到冷却部分或不连续传送到不连续操作的吸热装置。

7.  根据权利要求6所述的方法，其中所述放热单元是用于生产包含橡胶的树脂的聚合工艺中的聚合部分。

8.  根据权利要求5或6所述的方法，其中不连续操作的所述吸热单元是用于生产包含橡胶的树脂的聚合工艺中的所述橡胶的所述溶解部分。

能量回收系统和方法以及具有此类回收系统的聚合设备
本发明涉及用于设备中的能量的回收以便改善设备的能量效率的系统和方法。更具体地，所述系统和所述方法允许由连续操作的放热单元产生的能量朝不连续(分批)操作的吸热单元传递。本发明的可能应用之一是在聚合工艺中，并且特别是在包含橡胶的聚合物树脂的生产工艺中。
在热塑性聚合物的生产设备中，为了控制反应器内部的温度，使用充当“载热体”的流体，该流体吸收所生成的能量并且将其传递到环境中，然后该流体被重新传送到反应器。为了增加设备的能量效率，反应热可用于对在低于反应温度的温度下的吸热操作单元提供加热。
具有质量连续技术的包含橡胶的聚合物树脂(诸如例如ABS和HIPS)的生产需要橡胶在供给到反应区域之前在溶剂中溶解。通常使用的溶剂是所生产的聚合物树脂的起始单体，而且还有一旦供给到反应区域就允许反应速率被有效控制以便获得最终产物的其他液体。橡胶的溶解阶段表示原材料的制备工艺中的重要步骤，以允许获得具有期望特性的聚合物。
此阶段分批进行并且按照特定程序，该特定程序包括将溶剂装入溶解容器中的阶段、将溶剂加热至期望的溶解温度的阶段、将橡胶研磨并且将其装入包含溶剂的容器中的阶段。一旦已装入橡胶，就将该系统静置持续允许橡胶在溶剂中溶解所需的时间。在对橡胶溶解步骤中的溶剂加热的阶段期间，所需要的能量比通过反应连续生成的能量多。当前用于加热溶解溶剂的技术设想到所述溶剂可以两种不同的方式加热。第一种方式是在溶剂供给到溶解容器之前穿过交换器；第二种方式是通过溶解容器的表面加热溶剂和橡胶的混合物。在两种情况下，低压蒸汽都用作载热体流体。
低压蒸汽在聚合设备中的界区外部产生，并且使用该设备本身外部的能量。在聚合设备中，用于冷却的工作流体(service fluid)从未达到低压蒸汽典型的温度。因此，在目前技术水平中不可能利用聚合工艺的反应热 以用于生成低压蒸汽并且因此加热溶剂。
此外，为了缩短溶解的循环时间以及减少此部分中装备的体积，溶剂的加热时间必须减少到最小值。加热溶剂进一步加速了橡胶的溶解阶段。这确保了在短时间内加热橡胶的溶解部分所需的热大于在反应区域中连续产生的热。
在聚合期间产生的能量可被特别用于对橡胶的溶解溶剂加热中。然而，溶解区域和反应区域之间的热整合需要分批吸热操作(即，橡胶的溶解)与连续放热操作(聚合反应)耦合(couple)。由于上述原因，难以将连续操作的反应部分与分批操作的橡胶的溶解部分耦合，因此限制了能量回收的可能性。
因此，出现了将分批吸热操作与连续放热操作结合，改善所涉及的设备的能量效率的需要。
为了克服上述关键方面，本申请人将设备的部分限定为专用于存储由放热单元产生的能量(“热存储区域”)，必要时从该放热单元可以吸取热用于实现加热至低于该放热单元的温度的温度。此部分包括插在连续放热操作和分批吸热操作之间的积聚装置。在放热单元中产生的能量(优选热)借助于服务于放热单元的工作流体传递到积聚装置。此工作流体被存储在积聚装置中并且在能量产生时在其中被加热。该工作流体的一部分因此被去除以提供热。
以这种方式，可以改善设备特别是聚合设备的能量效率，因此将分批吸热操作与连续放热操作整合。
通过以下仅为例证性和非限制性目的而提供的描述和附图，本发明的另外的目的和优点将变得更明显。
图1示出本发明的目的的系统，其中：1是能量积聚装置，2是冷却装置，3是连续操作的放热装置，4是分批操作的吸热装置；A、B和C是热工作流体；D和E是冷工作流体。
图2示出在实施例中描述的本发明的具体应用，但是其参考标号与图1相同。
图3示出根据实施例的关于传热油(diathermic oil)、软化水和溶解器内部的工艺流体的流的温度的模拟的结果。
在图3中：
●T主体溶解器(bulk dissolver)：溶解器内部的工艺流体的温度；
●T夹套入口：在溶解器的夹套的入口处的软化水的温度是在由传热油加热后的水的温度；
●T夹套出口：在溶解器的夹套的出口处的软化水的温度是在水-油交换器的入口处的水的温度；
●T箱中的油：箱内部的传热油的温度(在先前的方案中其是流“C”，这是因为此流从箱中取出该油)；
●T回油:在加热软化水之后的传热油的温度(在先前的方案中其是流“E”)。
图4示出根据实施例的待传送到交换器以对橡胶溶解部分进行加热的油的流量。
详细描述
本发明的目的因此涉及用于能量回收的特定的系统，其中分批吸热单元与连续操作的放热单元耦合。所述系统包括：
a.连续操作的放热装置(3)，
b.与所述放热装置流体连通的冷却装置(2)，
c.不连续(分批)操作的吸热装置(4)，
所述系统的特征在于其包括用于积聚由与分批吸热装置流体连通的放热装置(“热存储区域”)产生的能量的装置(1)、连续操作的放热装置以及使用工作流体的冷却装置。
为了本发明的目的，术语“包含”或“包括”也包括“基本上由…组成”或“仅由…组成”的情况。
放热装置优选地具有在80℃至160℃范围内变化的温度分布。
积聚装置内部的工作流体优选地在高于或等于80℃的温度下。
连续操作的放热装置产生仅可在较低热水平下使用的热能：由连续操作的单元的冷却流体吸收的能量仅可用于将第二流体加热最高至低于工作流体的温度的温度。
工作流体可从能量积聚装置中去除并且连续或分批传送到必须被加热的设备的各个部分而不干扰其他装置。
当分批操作不需要热能时，能量积聚在积聚装置内部，优选聚合工艺的反应热，增加了包含在其中的工作流体的温度，所述装置总是与放热装置连续流体连通。当工作流体被分布到设备的各个部分时，积聚装置中的温度降低。
能量积聚装置的温度取决于放热装置中的温度或温度分布(例如聚合温度)、需要工艺内的热的设施的数量和类型以及其所插入的设备的配置。
为了对积聚装置定出尺寸(dimensioning)而进行的模拟允许工作流体的温度在所述装置的内部被确定。优选地，在生产包含橡胶的聚合物树脂，更优选地ABS或HIPS的工艺中，由于热交换的原因，已确定所述装置内部的工作流体的温度不得低于80℃。在这些特定应用中，离开或返回到积聚装置的流体流必须确保温度不降到80℃之下。
如果热存储区域内的温度降到80℃之下，可用于实现加热工作的温度△(temperature delta)下降，因此增加实现相同加热工作所需的时间或甚至使它们不可能。
本发明的目的的系统可优选地用在用于生产包含橡胶的树脂的聚合工艺中并且具有回收反应焓(反应热)的目的，所述反应焓将用于加热橡胶的溶解溶剂。
放热装置优选地是聚合工艺的反应部分，更优选地是用于生产包含橡胶的聚合物树脂的聚合工艺。吸热装置优选地是在用于生产包含橡胶的树脂的聚合工艺中的橡胶的溶剂溶解部分。
本发明优选地涉及在用于生产包含橡胶的树脂的聚合设备中的能量回收系统，所述系统包括：
●连续操作的放热反应部分，优选地具有在80℃-160℃的范围内的增加的温度分布，
●与所述反应部分流体连通的冷却部分，
●分批操作的橡胶的溶剂溶解部分，
所述系统的特征在于其包括由反应部分产生的能量的积聚装置，其中工作流体在高于或等于80℃的温度下，其中所述积聚装置与橡胶的溶解部分、与反应部分以及与使用工作流体的冷却装置流体连通。
本发明的另外的目的涉及用于回收在本文中所述的和所要求保护的系统的放热装置中产生的能量的方法，该放热装置连续操作。所述方法包括以下阶段：
i)通过利用由连续操作的放热单元(3)产生的能量加热第一工作流体，因此形成第一热工作流体(B)，
ii)将所述第一热工作流体(B)传送到能量积聚装置(1)，
iii)从能量积聚装置中提取至少第二热工作流体(A和C)并且将其连续传送到冷却装置(2)或分批传送到分批操作的吸热装置(4)。
本发明优选地涉及用于通过在本文中所述的和所要求保护的系统回收在用于生产包含橡胶的树脂的聚合反应期间产生的反应焓的方法。所述方法包括以下阶段：
●通过利用在聚合反应期间产生的反应焓加热第一工作流体，
●将所述第一热工作流体传送到焓积聚装置，
●从焓积聚装置中提取至少第二热工作流体并且将其连续传送到冷却装置或分批传送到具有溶剂的橡胶溶解部分。
另外的步骤包括从吸热装置中提取至少第三冷流体的可能性，该第三冷流体将被传送到积聚装置用于整合其水平。
第一工作流体来自与积聚装置和与放热装置流体连通的冷却部分。
在用于生产包含橡胶的树脂的聚合工艺中，服务于放热反应部分的第一工作流体初始在60℃至75℃范围内的温度下并且由于所产生的能量而被加热到至少90℃。
由本发明获得的优点是：
●将分批操作诸如橡胶的溶解与连续操作诸如聚合反应结合，
●回收反应焓并且改善整个聚合工艺的能量效率。
通过应用此能量回收系统，可以节约该工艺所需的总热的大约5％。
所述的和所要求保护的方法的具体应用是从苯乙烯或乙苯，因安全原因，或苯乙烯、乙苯和丙烯腈的混合物开始的聚合工艺。
用于本发明的目的的所有工作流体充当载热体。优选的工作流体选自传热油和软化水。不可用在本发明中的工作流体是在操作条件下蒸发的所有流体。
热能的积聚装置优选是箱，该箱正确定出尺寸允许本发明的目的实现。
对箱定出尺寸必须考虑到使用工作流体的设施、热分散、设备布置和工艺的安全来实现。
实施例
进行模拟以查明用于加热在用于生产包含橡胶的聚合物树脂的聚合工艺中的橡胶溶解部分的、从传热油中减去的热是否使冷油箱内部的温度降到80℃的界限之下。参考工艺方案是图2。
在图2中，标志A、B和C对应于热工作流体；D和E是冷工作流体；溶解器对应于分批操作的吸热装置；油箱对应于热积聚装置；最后，热交换器是冷却装置。
溶解器内部的温度必须在2小时内从15℃升至50℃。为实现这一点，软化水在溶解器的夹套中循环。软化水必须由传热油加热并且然后继而将热传递到溶解器内部的工艺流体。
对于此模拟，考虑警示情况，其中在橡胶溶解的加热循环的开始时，箱内部的油的温度是90℃(如果该温度更高将是有利的)。
存在于箱内部的油的质量被认为是6,000kg。当油的循环泵连续地将传热油传送到反应部分和溶解部分时，箱内部的水平总是保持恒定。传热油只在溶解器的加热阶段期间在溶解部分中被冷却，因为在其他情况下传热油不被供给到热交换器(热交换器通常由于三通阀而被绕过)。
来自反应区域的油的流到达相同箱(在方案中在顶部的流“B”)。该流的流量是120,000kg/h并且其温度是90℃(这是确保在橡胶溶解阶段中的加热循环的开始时油箱内部的温度是90℃的流)。
决定实现对溶解器内部的流体的规则加热，因此在实现橡胶溶解的加热的2小时期间使得待由传热油传递到橡胶溶解系统的热保持恒定。
使用其可以干预和分配待交换的热的变量是油到热交换器的流量。水和油之间的热交换的驱动力是这两种流体之间的温差。因为此差异在加热阶段的开始大于该阶段的最后，所以为了总是将相同的能量传递到橡胶溶解系统，传送到交换器的油的流量是变化的。
另一方面，就软化水和溶解器之间的热交换而言，当水流量恒定时，选择溶解器的加热速率，以施加软化水和溶解器内部的工艺流体之间的足够的温差。通过借助于传热油或多或少地加热软化水可以干预此温差。
图3指示关于传热油、软化水和溶解器内部的工艺流体的流的温度的模拟的结果。
如从图3的图表中可以观察到，“T主体溶解器”、“T夹套入口”和“T夹套出口”之间的恒定温差指示橡胶溶解部分的加热规则发生。
另一方面，“T回油”具有异常趋势，因为在开始时，低流量的传热油被供给到热交换器，传热油被显著冷却，然后随着软化水和传热油之间的温差下降，油到交换器的流量必须被增加以传递相同的能量。油流量的增加确保其被较少冷却(所传递的热是恒定的，但是当流量增加时油被较少冷却)。
另一方面，关于箱中的油的温度，开始时观察到从90℃(初始值)下 降到大约82℃。此温度下降在大约0.25小时内发生。箱内部的传热油的温度随后在82℃处保持恒定。此温度下降是由于这样的事实：两种流在箱内混合，即流“B”和来自橡胶溶解部分的流(“E”和绕过交换器的流的总和)。在溶解循环开始之前，此第二流不传递热并且因此在90℃的初始温度下返回到箱。然而，当开始加热用于橡胶的溶解时，此流被冷却，随后也冷却存在于箱中的油。在某个点(几乎立即)，当橡胶溶解部分的加热速率恒定时，达到新的稳定状态。
用于实现橡胶溶解的规则加热的重要原因如下：如果到交换器的最大流量的油总是被供给到交换器，在加热阶段的开始时，所交换的热将极高(由于油和软化水之间的高温差)，因此引起箱内部的油的同等显著的温度下降。因为其将干扰聚合部分，所以这将出现问题。
图4示出待传送到交换器用于实现橡胶溶解部分的规则加热的油的流量。
虽然100,000kg/h的油总是被传送到橡胶溶解部分，但是在加热循环期间穿过交换器的流量是由上图所指示的。