(57)【要約】  本出願は熱回収装置および方法に関するもので、本出願に係る熱回収装置によれば、回分式反応器で非連続的に発生する熱を回収することができ、また、熱交換された熱交換媒体を蓄熱装置に供給することによって、必要に応じて多様な種類および多量のスチームを生成することができ、生成された前記スチームを多様な産業分野に適用することができる。
2016534318.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
飽和水が貯蔵されている断熱タンク、反応器および熱交換器を含み、前記断熱タンク、反応器および熱交換器はそれぞれ流入ラインおよび流出ラインを含み、
前記反応器から流出される流れは反応器流出ラインに沿って前記熱交換器に流入し、前記飽和水または前記熱交換器に流入する熱交換媒体と熱交換された後、反応器流入ラインに沿って前記反応器に流入する、熱回収装置。
【請求項２】
反応器は回分式反応器である、請求項１に記載の熱回収装置。
【請求項３】
熱交換媒体は凝縮水である、請求項１に記載の熱回収装置。
【請求項４】
熱交換器は断熱タンクの内部または外部に設置されている、請求項１に記載の熱回収装置。
【請求項５】
熱交換器は断熱タンクの外部に設置されており、前記反応器から流出される流れは反応器流出ラインに沿って前記熱交換器に流入し、熱交換器流入ラインに沿って前記熱交換器に流入した熱交換媒体と熱交換された後、反応器流入ラインに沿って前記反応器に流入し、熱交換された前記熱交換媒体は断熱タンク流入ラインに沿って前記断熱タンクに流入する、請求項４に記載の熱回収装置。
【請求項６】
熱交換器は飽和水が貯蔵された断熱タンクの内部に設置されており、前記反応器から流出される流れは反応器流出ラインに沿って前記熱交換器に流入し、前記断熱タンクに貯蔵された飽和水と熱交換された後、反応器流入ラインに沿って前記反応器に再流入される、請求項４に記載の熱回収装置。
【請求項７】
反応器に流入する流れの温度と断熱タンクに貯蔵された飽和水の温度が下記の数式（１）を満足する、請求項５または請求項６に記載の熱回収装置。
５℃≦TRin-TSW≦７０℃
前記数式（１）で、TRinは反応器に流入する流れの温度を表し、TSWは断熱タンクに貯蔵された飽和水の温度を表す。
【請求項８】
熱交換器に流入する熱交換媒体の流れの温度は１１０〜２００℃である、請求項７に記載の熱回収装置。
【請求項９】
断熱タンクに貯蔵された飽和水の温度は１２０〜２４０℃である、請求項７に記載の熱回収装置。
【請求項１０】
反応器から流出される流れの温度は１２０〜２８０℃である、請求項７に記載の熱回収装置。
【請求項１１】
反応器に流入する流れは凝縮された反応物の流れである、請求項７に記載の熱回収装置。
【請求項１２】
反応器に流入する流れの温度は６０〜２４０℃である、請求項７に記載の熱回収装置。
【請求項１３】
断熱タンクに流入する熱交換媒体の流れの温度は１２０〜２４０℃である、請求項５に記載の熱回収装置。
【請求項１４】
凝縮水が断熱タンク流入ラインに沿って前記断熱タンクに流入する、請求項６に記載の熱回収装置。
【請求項１５】
断熱タンク流入ラインに沿って断熱タンクに流入する凝縮水の温度は１２０〜２４０℃である、請求項１４に記載の熱回収装置。
【請求項１６】
反応器から流出される流れは気相の反応物の流れである、請求項１に記載の熱回収装置。
【請求項１７】
熱交換された熱交換媒体は液相の凝縮水の流れであり、断熱タンク下部から熱交換器流入ラインに連結されている循環ラインをさらに含み、前記断熱タンク下部から流出する飽和水が前記循環ラインに沿って前記熱交換器流入ラインに流入する、請求項５に記載の熱回収装置。
【請求項１８】
断熱タンクはスチーム流出ラインをさらに含む、請求項５または請求項１４に記載の熱回収装置。
【請求項１９】
スチーム流出ラインに沿って流れる流れの温度と断熱タンク流入ラインに沿って断熱タンクに流入する流れの温度が下記の数式（２）を満足する、請求項１８に記載の熱回収装置。
１０℃≦TSout-TTin≦２００℃
前記数式（２）で、TSoutはスチーム流出ラインに沿って流れる流れの温度を表し、TTinは断熱タンク流入ラインに沿って断熱タンクに流入する流れの温度を表す。
【請求項２０】
スチームの温度は１１０〜２３０℃である、請求項１８に記載の熱回収装置。
【請求項２１】
スチームの圧力は１.５〜３０kgf/cm２である、請求項１８に記載の熱回収装置。
【請求項２２】
スチームの圧力および/または生産量を制御する制御部をさらに含む、請求項１８に記載の熱回収装置。
【請求項２３】
回分式反応器から流出される流れを熱交換器に流入し、断熱タンク内部に貯蔵された飽和水または前記熱交換器に流入する熱交換媒体と熱交換させる段階；および
前記回分式反応器から流出され、前記飽和水または熱交換媒体と熱交換された流れを前記回分式反応器に再流入させる段階を含む、熱回収方法。
【請求項２４】
熱交換媒体は凝縮水である、請求項２３に記載の熱回収方法。
【請求項２５】
凝縮水または熱交換された熱交換媒体を断熱タンクに流入させる段階をさらに含む、請求項２３に記載の熱回収方法。
【請求項２６】
反応器に流入する流れの温度と断熱タンクに貯蔵された飽和水の温度が下記の数式（１）を満足するように調節することを含む、請求項２５に記載の熱回収方法。
５℃≦TRin-TSW≦７０℃
前記数式（１）で、TRinは反応器に流入する流れの温度を表し、TSWは断熱タンクに貯蔵された飽和水の温度を表す。
【請求項２７】
前記断熱タンクの上部からスチームを流出させる段階をさらに含む、請求項２５に記載の熱回収方法。
【請求項２８】
断熱タンク上部から流出するスチームの温度と断熱タンクに流入する凝縮水または熱交換された熱交換媒体の温度が下記の数式（２）を満足する、請求項２７に記載の熱回収方法。
１０℃≦TSout-TTin≦２００℃
前記数式（２）で、TSoutは断熱タンク上部から流出するスチームの温度を表し、TTinは断熱タンクに流入する凝縮水または熱交換された熱交換媒体の温度を表す。
【請求項２９】
スチームの圧力および/または生産量を制御する段階をさらに含む、請求項２７に記載の熱回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は熱回収装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回分式反応器(batch reactor)は反応が起きる系の体積が一定の反応器であって、装置費用が安価で操作が容易であり、多様な種類の生成物を少量生産する反応に好適に利用されている。
【０００３】
回分式反応器では、反応過程で発生する反応熱によって、反応器内部の温度が上昇し続けられ、これに伴い、安全性を確保し適切な反応条件を維持するために、例えば、加熱した気相の反応物(vaporized reactant)を取り出して冷却水(cooling water)で冷却させた後、前記回分式反応器に循環させて再使用することによって、発生する反応熱分だけの熱を回分式反応器から抜き取る。この場合、前記気相の反応物が有している熱源は十分に回収可能なエネルギーであるにも関わらず、ほとんどが回収されずに捨てられている。
【０００４】
図１は時間による回分式反応器内のエネルギー消耗量を模式的に示したグラフである。一般的に、回分式反応器の場合、図１のように、反応初期に爆発的なエネルギー消費があって(１)、反応終了まで次第に減少し(２)、反応終了後には次回の運転まで中断される時間(３)が存在する。したがって、前記反応熱は、前記反応終了後、次回の運転まで中断される時間(３)には発生しないので、前記熱源は非連続的に発生する熱源であり、したがって回収しても使用が容易でない問題が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本出願は回分式反応器で非連続的に発生する廃熱を回収できる熱回収装置および方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本出願の一具現例は熱回収装置を提供する。例示的な熱回収装置は、回分式反応器から流出される流れを熱交換器を通じて熱交換媒体、例えば、凝縮水(condensate)と熱交換させることによって、前記回分式反応器で非連続的に発生する熱を回収することができ、また、前記熱交換された熱交換媒体を蓄熱装置に供給することによって、必要に応じて多様な種類および多量のスチームを生成することができ、生成された前記スチームを多様な産業分野に適用することができる。前記において、凝縮水とは、水蒸気が凝縮されて生成した液体を意味し、例えば、水蒸気が熱を失って相変化が起きながら生成される水を意味する。前記凝縮水は一般的に、水蒸気と同じであるか類似の水準の温度を有することができる。
【０００７】
例えば、産業分野においては、多様な形態の蒸気蓄熱器(steam accumulator)が知られており、このような蒸気蓄熱器はボイラーで生成されるスチームを不規則的な需要先に安定的に供給するために設置され得る。例えば、プラン卜のスチーム負荷量が少ない場合、または必要なスチームの量より前記ボイラーのスチーム発生量が多い場合、余剰のスチームを加圧状態の水に噴射して一定の時間が経過すると、貯蔵された水は結局その圧力による飽和温度に達することになる。この時、飽和温度状態にある水の圧力を低くすることで得られるエネルギーの余裕分で水を蒸発させて再蒸発蒸気を得ることができ、前記加圧状態の水を貯蔵する装置を蒸気蓄熱器(steam accumulator)という。本出願の熱回収装置によれば、前述した蒸気蓄熱器のように需要先の不規則的または非連続的な需要を満足させるために、連続的に生成されたスチームを蒸気蓄熱器を通じて貯蔵し、必要に応じて前記需要先にスチームを供給するのではなく、回分式反応器などを利用した化学工程で非連続的に発生する熱源を利用して、連続的にスチームを生成することによって、回分式反応器で発生する廃熱を活用することによって、回分式反応器内部の温度条件を適切に維持し、ひいては、非連続的な熱源を使用するにも関わらず、連続的にスチームを生産できる装置またはシステムを提供することができる。
【０００８】
以下、添付された図面を参照して本出願に係る熱回収装置を説明するが、図面は例示的なものであり、本出願の熱回収装置は添付された図面によって制限されるものではない。
【０００９】
図２は本出願の熱回収装置１０の一具現例を例示的に示した図面である。
【００１０】
本出願の熱回収装置１０の一具現例において、図２のように、前記熱回収装置１０は断熱タンク３００、反応器１００および熱交換器２００を含む。前記断熱タンク３００、反応器１００および熱交換器２００はそれぞれ流体が流れるように、流体連結(fluidically connected)されており、それぞれ独立的に前記流体が流れることができる流入ラインおよび流出ラインを含む。例えば、前記反応器１００は、反応器１００から流出される流れ(stream)が通過する反応器流出ライン１１０および反応器１００に流入する流れが通過する反応器流入ライン１２０を含むことができ、前記熱交換器２００は前記熱交換器２００に流入する流れが通過する熱交換器流入ライン２１０および前記熱交換器２００から流出される流れが通過する熱交換器流出ライン２２０を含むことができ、前記断熱タンク３００は前記断熱タンク３００に流入する流れが通過する断熱タンク流入ライン３３０および前記断熱タンク３００から流出される流れが通過する断熱タンク流出ライン３１０を含むことができる。
【００１１】
一つの例示において、前記反応器１００は反応熱を回収できる反応器であれば、特に制限されるものではない。例えば、回分式反応器または半回分式反応器を用いることができ、好ましくは回分式反応器を用いることができる。回分式反応器の場合、閉じた系の特性上、反応温度が非常に高く維持され得、したがって、回分式反応器を用いる場合、後述する熱交換器２００および断熱タンク３００を利用してスチームを生成するのに十分な熱源を確保することができる。
【００１２】
前記反応器１００内で反応され得る反応物および生成物は発熱反応を起こすことができる反応物であれば特に制限されるものではない。例えば、GLの反応による２-エチルヘキサノールなどのオクタノールの製造工程またはジメチルテレフタレートおよび２-エチルヘキサノールの反応によるDOTPの製造工程などに本出願の熱回収装置１０を利用することができる。
【００１３】
一つの例示において、前記反応器１００から流出される流れは前記反応器流出ライン１１０に沿って前記熱交換器２００に流入する。前記反応器１００から流出されて反応器流出ライン１１０に沿って流れる流れは気相の反応物(vaporized reactant)を含む流れ(以下、気相の反応物の流れ)であることもあり、前記気相の反応物の流れは前記熱交換器２００で熱交換され得る。例えば、前記気相の反応物の流れは、断熱タンク３００内部に貯蔵されている飽和水３０１と熱交換されるか、熱交換器流入ライン２１０に沿って流れる熱交換媒体、例えば、凝縮水と前記熱交換器２００で熱交換され得る。前記のように反応器１００から流出されて反応器流出ライン１１０に沿って熱交換器２００に流入した流れは、断熱タンク３００内部に貯蔵されている飽和水３０１または前記熱交換器流入ライン２１０に沿って流れる熱交換媒体と熱交換された後、反応器流入ライン１２０に沿って前記反応器１００に再流入され得る。これによって、前記熱交換媒体に熱を伝達した気相の反応物は凝縮され、前記凝縮された反応物(condensate reactant)は前記反応器流入ライン１２０に沿って反応器１００に再流入されて、反応に再び参加することができる。
【００１４】
前記熱交換器２００は、技術分野で公知された多様な熱交換器を本出願の熱回収装置１０で利用することができ、例えば、シェルアンドチューブ(shell and tube)熱交換器、螺旋形(spiral type)熱交換器またはプレート型(plate type)熱交換器などが挙げられる。一つの例示において、反応器流出ライン１１０に沿って回分式反応器１００から流出される反応物の流れに固形分がある場合、前記ライン内部で滞積されて詰まる恐れがあるので、シェルアンドチューブ(shell and tube)熱交換器または螺旋形(spiral type)熱交換器が用いられ、固形分がない場合にはプレート型(plate type)熱交換器が用いられ得る。
【００１５】
前記熱交換媒体は前記反応器１００から流出される流れと熱交換され得るほどの温度差を有するものであれば特に制限されない。例えば、技術分野で公知された多様な熱交換媒体を本出願の熱回収装置１０で用いることができ、好ましくは、後述する貯蔵タンクに流入してスチームを生成することができるように凝縮された水(以下、凝縮水)を利用することができる。
【００１６】
前記熱交換器２００は断熱タンク３００の内部または外部に設置することもできる。
【００１７】
本出願の一具現例において、前記熱交換器２００は断熱タンク３００の外部に設置することもあり、この場合、前記反応器１００から流出される流れは前記熱交換器２００に流入する熱交換媒体と前記熱交換器２００で熱交換され得る。例えば、前記反応器１００から流出される流れは反応器流出ライン１１０に沿って前記熱交換器２００に流入することができ、前記反応器１００から熱交換器２００に流入した流れは熱交換器流入ライン２１０に沿って前記熱交換器２００に流入した熱交換媒体、例えば、凝縮水と熱交換され得る。前記のように熱交換された後、前記反応器１００から流出された流れは反応器流入ライン１２０に沿って前記反応器１００に再流入され得る。また、前記のように熱交換された熱交換媒体は熱交換器２００から流出されて断熱タンク流入ライン３３０に沿って前記断熱タンク３００に流入することができる。この場合、前記反応器流出ライン１１０と熱交換器流入ライン２１０は互いに異なる流体が流れる独立的なラインであり、熱交換器流出ライン２２０と断熱タンク流入ライン３３０は同じラインで形成され得る。すなわち、前記反応器流入ライン１２０および反応器流出ライン１１０、すなわち、反応器ライン１１０、１２０は、反応器１００から流出された流れ(stream)が前記反応器流入ライン１２０および反応器流出ライン１１０を通過して反応器１００に再流入されるように連結された一つのルート(route)または経路(path)として考えることができ、前記熱交換器流入ライン２１０および熱交換器流出ライン２２０、すなわち、熱交換器ライン２１０、２２０は、前記熱交換器流入ライン２１０に沿って熱交換器２００に流入した流れ(stream)が前記熱交換器流出ライン２２０を通じて熱交換器２００から流出されるように連結された一つのルート(route)または経路(path)として考えることができる。したがって、前記反応器ライン１１０、１２０および熱交換器ライン２１０、２２０は、前記反応器ライン１１０、１２０と熱交換器ライン２１０、２２０を流れるそれぞれの流体が互いに混合されないように独立的に設置されていることもある。また、図示されてはいないが、前記反応器ライン１１０、１２０、熱交換器ライン２１０、２２０はそれぞれ、前記ラインに沿って流体が円滑に流れるようにポンプをさらに含むことができる。
【００１８】
一つの例示において、熱交換器流出ライン２２０または断熱タンク流入ライン３３０に沿って流れる熱交換された熱交換媒体は気相または液相の流れであり得る。
【００１９】
一具現例において、前記熱交換媒体が気相の流れの場合、例えば、気相のスチームである場合、前記スチームが断熱タンク３００内部に流入すると、気体は潜熱を断熱タンク３００内部の液体に伝達することになり、これによって、スチームは凝縮されて断熱タンク３００内部で飽和水３０１の状態で存在することになる。
【００２０】
さらに他の具現例において、熱交換器流出ライン２２０に沿って流れる熱交換された熱交換媒体は液相の流れ、例えば、液相の凝縮水であり得る。この場合、前記熱回収装置１０は、図３のように、断熱タンク３００下部から熱交換器流入ライン２１０に連結されている循環ライン３２０をさらに含むことができる。図３は本出願の熱回収装置１０の他の具現例を例示的に示した図面である。
【００２１】
一つの例示において、前記断熱タンク３００下部から流出する飽和水３０１は前記循環ライン３２０に沿って熱交換器流入ライン２１０に流入することができ、これに伴い、熱交換器２００に流れる流体の流速を増加させて前記熱交換器２００での熱交換がよくできるようにすることができる。前記反応器１００から流出される流れと前記熱交換器２００で熱交換された熱交換媒体は前記断熱タンク流入ライン３３０に沿って断熱タンク３００に流入することができ、前記熱交換された熱交換媒体は気相の反応物から伝達された熱を断熱タンク３００に貯蔵された飽和水(saturated water)３０１に伝達することによって、スチームを生成することができる。
【００２２】
本出願の他の具現例において、前記熱交換器２００は断熱タンク３００内部に設置することもでき、この場合、前記反応器１００から流出される流れは前記断熱タンク３００内部に貯蔵されている飽和水３０１と熱交換され得る。図４は本出願の熱回収装置１０のさらに他の具現例を例示的に示した図面である。
【００２３】
例えば、図４のように、前記反応器１００から流出される流れは反応器流出ライン１１０に沿って前記断熱タンク３００内部に流入することができ、前記断熱タンク３００内部に設置されている熱交換器２００で前記断熱タンク３００に貯蔵された飽和水３０１と熱交換され得る。この場合、前記反応器流出ライン１１０は、前記飽和水３０１と直接接触するように前記断熱タンク３００内部に設置することができ、前記反応器流出ライン１１０が飽和水３０１と直接接触する場合には、反応器流出ライン１１０はそれ自体で熱交換器２００として機能することができる。または前記反応器流出ライン１１０と前記飽和水３０１が接触する位置に別途の熱交換器２００が存在することもあり得る。一方、前記反応器１００から流出される流れは熱交換後、反応器流入ライン１２０に沿って前記反応器１００に再流入され得る。
【００２４】
前記のように、熱交換器２００が前記断熱タンク３００内部に設置されていたり、前記反応器１００から流出される流れが断熱タンク３００内部の飽和水３０１と直接接触して熱交換される場合、前記断熱タンク３００は外部から凝縮水の供給を受けることができる断熱タンク流入ライン３３０を含むことができる。後述するように、前記断熱タンク３００は、スチーム流出ライン３１０または断熱タンク流出ライン３１０をさらに含むことができ、前記スチーム流出ライン３１０または断熱タンク流出ライン３１０を通じて、断熱タンク３００内部の飽和水３０１はスチームとして排出され得る。したがって、連続的なスチームの製造ができるように、前記断熱タンク３００には断熱タンク流入ライン３３０を通じて凝縮水が供給され得る。前記反応器流出ライン１１０と断熱タンク流入ライン３３０は、互いに異なる流体が流れる独立的なラインであり、反応器ライン１１０、１２０および熱交換器ライン２１０、２２０は同じラインで形成されるか、前記反応器ライン１１０、１２０が直接熱交換器として機能することもできる。すなわち、前記反応器流入ライン１２０および反応器流出ライン、すなわち、反応器ライン１１０、１２０は、反応器１００から流出された流れが前記反応器流入ライン１２０および反応器流出ライン１１０を通過して反応器１００に再流入されるように連結された一つのルート(route)または流れ(stream)として考えることができ、前記断熱タンク流入ライン３３０は、前記断熱タンク流入ライン３３０に沿って凝縮水が前記断熱タンク３００に流入するように連結されたルート(route)または流れ(stream)として考えることができる。したがって、前記反応器ライン１１０、１２０および断熱タンク流入ライン３３０は、前記反応器ライン１１０、１２０と断熱タンク流入ライン３３０を流れるそれぞれの流体が互いに混合されないように独立的に設置されていることもある。
【００２５】
一つの例示において、前記断熱タンク流入ライン３３０を通過して断熱タンク３００に流入する凝縮水の温度は、断熱タンク３００内部に貯蔵された飽和水３０１の温度によって多様な範囲に調節することができ、例えば、１２０℃〜２４０℃、１２０℃〜１８０℃または１６０℃〜２４０℃であり得るが、これに制限されるものではない。
【００２６】
一つの例示において、本出願の具現例に係る熱回収装置では、前記熱交換がよく起きるようにするために、反応器流入ライン１２０に沿って反応器１００に流入する流れの温度と前記断熱タンク３００に貯蔵された飽和水３０１の温度は下記の数式１を満足することができる。
【００２７】
[数式１]
５℃≦TRin-TSW≦７０℃
前記数式１で、TRinは反応器１００に流入する流れの温度を表し、TSWは断熱タンク３００に貯蔵された飽和水３０１の温度を表す。
【００２８】
前記反応器１００に流入する流れの温度と前記断熱タンク３００に貯蔵された飽和水３０１の温度の差TRin-TSWは、５℃〜７０℃、例えば、１０℃〜４０℃、２０℃〜４０℃または３０℃〜３５℃であることもあり、前記TRin-TSWが前述した範囲内で調節される場合、前記反応器１００から流出されて断熱タンク３００内部に流入する流れが前記断熱タンク３００内部の飽和水３０１と熱交換されて十分な量のスチームを生成することができる程の熱量を保有することができる。例えば、TRin-TSWが５℃未満の場合、熱交換が起きないこともあり、７０℃を超過する場合、十分な量の熱交換がなされず、廃熱回収の側面で不利となり得る。
【００２９】
前記反応器流入ライン１２０に沿って反応器１００に流入する流れの温度および断熱タンク３００に貯蔵された飽和水３０１の温度は、前記数式１を満足するのであれば特に制限されず、反応器１００内の反応物の種類および前記反応器１００で発生する反応熱、生成しようとするスチームの圧力またはスチームの量など、多様な変数により調節され得る。一つの例示において、前記反応器流入ライン１２０に沿って反応器１００に流入する流れの温度は、６０℃〜２４０℃、例えば、１００℃〜２２０℃、１２０℃〜２００℃、１４０℃〜１８０℃または１５０℃〜１７０℃であることもあり、断熱タンク３００に貯蔵された飽和水３０１の温度は１２０℃〜２４０℃、例えば、１２０℃〜２００℃、１２０℃〜１８０℃、１２０℃〜１６０℃、１６０℃〜２４０℃または１２０℃〜１４０℃であり得る。
【００３０】
前記熱交換器流入ライン２１０に沿って前記熱交換器２００に流入する熱交換媒体の流れの温度は、前記反応器流入ライン１２０に沿って反応器１００に流入する流れの温度によって調節することができ、特に制限されるものではない。例えば、前記熱交換器２００に流入する熱交換媒体の流れの温度は、１１０℃〜２００℃、例えば、１１０℃〜１５０℃、１３０℃〜１９０℃、１５０℃〜２００℃または１２０℃〜２００℃であり得る。
【００３１】
前記反応器１００から流出される流れの温度は、反応器１００に流入する流れの温度および断熱タンク３００に貯蔵された飽和水３０１の温度が前記数式１を満足するようにするために、適切に調節することができ、例えば、１２０℃〜２８０℃、１４０℃〜２００℃または１５０℃〜１８０℃であることもあるが、これに制限されるものではない。
【００３２】
また、熱交換器２００が前記断熱タンク３００の外部に設置されている場合、前記断熱タンク３００に流入する熱交換された熱交換媒体の流れの温度は、前述した反応器１００に流入する流れの温度および前記断熱タンク３００に貯蔵された飽和水３０１の温度によって多様な範囲で調節することができ、例えば、１２０℃〜２４０℃、１４０℃〜２００℃または１５０℃〜１８０℃であることもあるが、これに制限されるものではない。
【００３３】
本出願の一具現例において、凝縮水または前記熱交換された熱交換媒体は断熱タンク流入ライン３３０に沿って断熱タンク３００に流入することができる。
【００３４】
前記断熱タンク(insulated tank)３００は飽和水３０１が貯蔵されており、断熱処理された水槽またはタンクを意味する。例えば、前記断熱タンクで熱交換された熱交換媒体が流入すると、前記断熱タンク内に貯蔵された水にエネルギーを供給するようになる。この場合、前記タンクが断熱状態であり、タンクの体積が変化することができないので、前記タンク内部の温度および圧力は次第に増加し、これに伴い、タンク内部の水は１００℃以上の温度においても沸かない状態に到達する。また、タンク内部の水は飽和状態に到達し、これに伴い、飽和水(saturated water)３０１の状態で維持される。
【００３５】
一つの例示において、前記飽和水３０１の温度は、前述した断熱タンク流入ライン３３０に沿って流入する凝縮水または熱交換された熱交換媒体の温度により多様な範囲で調節することができ、例えば、１２０℃〜２４０℃、１２０℃〜２００℃、１２０℃〜１８０℃、１６０℃〜２４０℃、１２０℃〜１６０℃または１２０℃〜１４０℃であることもあるが、これに制限されるものではない。
【００３６】
一具現例において、前記断熱タンク３００はスチーム流出ライン３１０または断熱タンク流出ライン３１０をさらに含む。前記断熱タンク３００のスチーム流出ライン３１０はタンクから生成されるスチームが流出される経路として、一つの例示において、前記スチーム流出ライン３１０は圧力降下装置３１１、例えば、圧力降下バルブ３１１が備えられていることもある。前記圧力降下バルブ３１１を通じて前記タンク内部の圧力を調節することができる。例えば、前記圧力降下バルブ３１１を調節してタンク内部の圧力が低くなる場合、１００℃以上の温度においても凝縮された状態の水で存在した飽和水３０１は蒸発し、このような再蒸発(flash)現象により生成されたスチームは前記スチーム流出ライン３１０に沿って流出され得る。前記スチームは、水の顕熱(sensible heat)状態で貯蔵されていた熱量が圧力降下により潜熱に変換されて断熱タンク３００内部で発生するものであり、したがって、前記タンクに流入するラインの温度と前記スチーム流出ライン３１０の温度差が大きいほど多量のスチームを発生させて貯蔵することができる。前記において、「顕熱」とは、水の状態変化を起こさず、単に内部エネルギーだけを変化させる熱を意味し、前記「潜熱」とは、水の状態変化に使われるエネルギーを意味する。
【００３７】
一つの例示において、前記スチーム流出ライン３１０に沿って通過する流れ(stream)の温度と断熱タンク流入ライン３３０に沿って前記断熱タンク３００に流入する流れの温度が下記の数式２を満足することができる。
【００３８】
[数式２]
１０℃≦TSout-TTin≦２００℃
前記数式２で、TSoutはスチーム流出ライン３１０に沿って流れる流れの温度を表し、TTinは断熱タンク流入ライン３３０に沿って断熱タンク３００に流入する流れの温度を表す。
【００３９】
前記スチーム流出ライン３１０に沿って通過する流れ(stream)の温度と断熱タンク流入ライン３３０に沿って前記断熱タンク３００に流入する流れの温度の差TSout-TTinは、１０℃以上、例えば、２０℃以上、３０℃以上または４０℃以上であることもあり、前記TSout-TTinが１０℃以上に調節される場合、スチームを生成するのに十分な熱量をタンク内部の水に伝達することができる。前記スチーム流出ライン３１０に沿って通過する流れ(stream)の温度と断熱タンク流入ライン３３０に沿って前記断熱タンク３００に流入する流れの温度の差が大きいほど多量のスチームを生成することができるので、前記TSout-TTinの上限は特に制限されるものではないか、工程経済上２００℃以下に調節され得る。
【００４０】
前記断熱タンク流入ライン３３０に沿って前記断熱タンク３００に流入する流れは、前述した通り、凝縮水または熱交換された熱交換媒体の流れであり得る。例えば、前記熱交換器２００が断熱タンク３００内部に設置されている場合、断熱タンク３００に流入する流れは凝縮水の流れであることもあり、前記熱交換器２００が断熱タンク３００外部に設置されている場合、断熱タンク３００に流入する流れは前記熱交換器２００で熱交換された後、流出する熱交換媒体または熱交換された凝縮水の流れであり得る。
【００４１】
一つの例示において、前記スチーム流出ライン３１０に沿って流出するスチームの温度は前記数式２を満足するのであれば、特に制限されず、例えば、１１０℃〜２３０℃、１１０℃〜２００℃または１１０℃〜１５０℃であり得る。また、前記スチーム流出ライン３１０に沿って流出するスチームの圧力は、前記数式２の条件を満足させるためのスチーム流出ライン３１０の温度を調節するために多様な範囲で調節することができ、例えば、１.５〜３０.０kgf/cm２、０.５〜５.０kgf/cm２、２.０〜６.０kgf/cm２、５.０〜１５.０kgf/cm２または１０.０〜２０.０kgf/cm２であることもあるが、これに制限されるものではない。
【００４２】
一具現例において、前記熱回収装置１０はスチームの圧力および/または生産量を制御する制御部をさらに含むことができる。前記制御部はスチーム流出ライン３１０の油圧を測定する測定部を含むことができ、前記測定部で測定された油圧によりバルブの開閉程度を適切に調節する調節部を含むことができる。これによって、流出するスチームの圧力および生産量をスチームの需要先で要求する程度に応じて適切に調節することができる。前記制御部により、スチームを回分式反応器１００で非連続的に発生する廃熱から連続的にスチームを生産することができる。
【００４３】
また、図示されてはいないが、前記熱回収装置１０はスチーム流出ライン３１０に連結されたスチーム貯蔵タンクをさらに含むことができる。
【００４４】
一つの例示において、前記断熱タンク３００内に貯蔵されるエネルギー、すなわち、スチーム流出ライン３１０から発生され得るスチーム貯蔵量は下記の数式３で計算される。
【００４５】
[数式３]
貯蔵された水１kg当たりスチーム発生量=(HW１-HW２)/Hv
前記数式３で、HW１は断熱タンク流入ライン３３０に流入する凝縮水のエンタルピー(kJ/kg)を表し、HW２はスチーム流出ライン３１０から流出されるスチームのエンタルピー(kJ/kg)を表し、Hvはスチームの蒸発熱(kJ/kg)を表す。
【００４６】
例えば、断熱タンク流入ライン３３０の温度が１９０℃で、スチーム流出ライン３１０の温度が１３０℃であれば、スチームの発生量は次のように計算され得る。
【００４７】
[計算式]
[(１９０℃-１３０℃)×４.２(Kcal/KJ)]/２１７３.７(KJ/Kg steam)=０.１１６(kg)
【００４８】
すなわち、水１kg当りスチームを０.１１６kg貯蔵することができ、断熱タンク１００m３に１１.６tonのスチームを貯蔵することができ、貯蔵されたスチームを熱源が必要な設備に供給することができる。
【００４９】
本出願はまた、前記熱回収装置１０を利用した熱回収方法を提供する。本出願の熱回収方法によれば、前述した通り、回分式反応器１００などのような化学工程設備に捨てられる非連続的熱源を連続的に断熱タンク３００内に貯蔵した後、熱源が必要なところには連続的にまたは非連続的に安定的に供給することができ、従来捨てられる熱源のリサイクルが可能である。また、前記捨てられる熱源を多様な化学工程設備に適用することによって、エネルギーの節減効果を得ることができる。
【００５０】
前記熱回収方法は熱交換させる段階および再流入段階を含む。前記熱交換させる段階では、反応器１００から流出されて反応器流出ライン１１０に沿って熱交換器２００に流入した流れが、断熱タンク３００内部に貯蔵されている飽和水３０１または前記熱交換器流入ライン２１０に沿って流れる熱交換媒体、例えば、凝縮水と熱交換され得る。前記回分式反応器１００、熱交換器２００および熱交換媒体に対する詳しい説明は前述した熱回収装置１０で説明した内容と同一であるので、省略することにする。
【００５１】
前記再流入段階は、前記回分式反応器１００から流出され、前記飽和水３０１または熱交換媒体と熱交換された流れを前記回分式反応器１００に再流入させる段階であり、前記熱交換された流れは反応器流入ライン１２０に沿って前記反応器１００に再流入され得る。これによって、前記熱交換媒体に熱を伝達した気相の反応物は凝縮され、前記凝縮された反応物(condensate reactant)は前記反応器流入ライン１２０に沿って反応器１００に再流入されて反応に再び参加することができる。
【００５２】
一つの例示において、前記方法は前記熱交換された熱交換媒体を断熱タンク３００に流入させる段階をさらに含むことができる。前記熱交換された熱交換媒体は気相の反応物から伝達された熱を断熱タンク３００に貯蔵された飽和水(saturated water)３０１に伝達することによって、スチームを生成することができる
【００５３】
一つの例示において、前記熱交換器２００を通じて熱交換がよく起きるようにするために、前記方法は、反応器１００に流入する流れの温度と断熱タンク３００に貯蔵された飽和水３０１の温度が下記の数式１を満足するように調節することを含むことができる。
【００５４】
[数式１]
５℃≦TRin-TSW≦７０℃
前記数式１で、TRinは反応器１００に流入する流れの温度を表し、TSWは断熱タンク３００に貯蔵された飽和水３０１の温度を表す。
【００５５】
前記反応器１００に流入する流れの温度と前記断熱タンク３００に貯蔵された飽和水３０１の温度の差TRin-TSWは５℃〜７０℃、例えば、１０℃〜４０℃、２０℃〜４０℃または３０℃〜３５℃であることもあり、前記TRin-TSWが前述した範囲内に調節される場合、前記反応器１００から流出されて断熱タンク３００内部に流入する流れが前記断熱タンク３００内部の飽和水３０１と熱交換されて十分な量のスチームを生成できるだけの熱量を保有することができる。
【００５６】
反応器１００から流出される流れの温度と断熱タンク３００内部に貯蔵された飽和水３０１または断熱タンク３００に流入する熱交換された熱交換媒体の温度に関する具体的な内容は前述した熱回収装置１０で説明した内容と同一であるので、省略することにする。
【００５７】
前記方法はまた、前記断熱タンク３００上部からスチームを流出させる段階をさらに含むことができる。
【００５８】
この場合、前記断熱タンク３００上部から流出するスチームの温度と断熱タンク３００に流入する凝縮水または熱交換された熱交換媒体の温度が下記の数式２を満足することができる。
【００５９】
[数式２]
１０℃≦TSout-TTin≦２００℃
前記数式２で、TSoutは断熱タンク３００上部から流出するスチームの温度を表し、TTinは断熱タンク３００に流入する凝縮水または熱交換された熱交換媒体の温度を表す。
【００６０】
前記断熱タンク３００上部から流出するスチームの温度と前記断熱タンク３００に流入する凝縮水または熱交換された熱交換媒体の温度の差TSout-TTinは１０℃以上、例えば、２０℃以上、３０℃以上または４０℃以上であることもあり、前記TSout-TTinが１０℃以上に調節される場合、スチームを生成するに十分な熱量をタンク内部の水に伝達することができる。
【００６１】
断熱タンク３００上部から流出するスチームの温度と断熱タンク３００に流入する凝縮水または熱交換された熱交換媒体の温度に関する具体的な内容は前述した熱回収装置１０で説明した内容と同一であるので、省略することにする。
【００６２】
一つの例示において、前記方法は、スチームの圧力および/または生産量を制御する段階をさらに含むことができ、これにより、流出するスチームの圧力および生産量をスチームの需要先で要求される程度に応じて適切に調節することができる。前記制御部により、スチームを回分式反応器１００で非連続的に発生する廃熱から連続的にスチームを生産することができる。
【発明の効果】
【００６３】
本出願に係る熱回収装置によれば、回分式反応器で非連続的に発生する熱を回収することができ、また、熱交換された熱交換媒体を蓄熱装置に供給することによって、必要に応じて多様な種類および多量のスチームを生成することができ、生成された前記スチームを多様な産業分野に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】時間による回分式反応器内のエネルギー消耗量を模式的に示したグラフ。
【図２】本出願の熱回収装置の一具現例を例示的に示した図面。
【図３】本出願の熱回収装置の他の具現例を例示的に示した図面。
【図４】本出願の熱回収装置のさらに他の具現例を例示的に示した図面。
【図５】本出願の比較例に係る装置を例示的に示した図面。
【図６】本出願の実施例の熱回収工程を模写したダイアグラム。
【図７】本出願の実施例において、熱回収工程時間および回分式反応器から流出される気相の反応物の流れの流量によるバルブの開閉程度、タンク内の飽和水の量、タンク内部の温度、タンク内部の圧力およびスチームの流量変化を示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００６５】
以下、実施例および比較例を通じて前記装置および方法を詳細に説明するが、前記装置および方法の範囲は下記の実施例によって制限されるものではない。
【００６６】
実施例１
図３のように断熱タンク外部に熱交換器が設置された熱回収装置を用いて熱を回収した。具体的に、回分式反応器から流出される１６５℃の気相の反応物の流れを熱交換器に流入させ、これとは別途の流入ラインを通じて、１１５℃および４.８kgf/cm２の凝縮水を前記熱交換器に流入させ、前記熱交換器で、前記熱交換器に流入した気相の反応物の流れと凝縮水を熱交換させた。前記熱交換された反応物の流れは凝縮されて１６３℃の温度で前記回分式反応器に再流入させた。一方、熱交換された前記凝縮水を１６０℃および４.８kgf/cm２の状態で約１３０℃の飽和された水が貯蔵されている断熱タンクに流入させ、前記断熱タンクのスチーム流出ラインのバルブを開いて前記断熱タンクを減圧させることによって約１２０℃および２kg/cm２のスチームを流出させた。また、前記断熱タンク下部で、約１３０℃および５kg/cm２の飽和水を流出させ、前記熱交換器に流入する１１５℃および４.８kgf/cm２の凝縮水と合流させた後、前記熱交換器に流入させた。
【００６７】
実施例２
図４のように、反応器から流出される流れを断熱タンク内部の飽和水と直接熱交換させるように構成された熱回収装置を利用して熱を回収した。具体的に、回分式反応器から流出される１６５℃の気相の反応物の流れを約１３０℃の飽和された水が貯蔵されている断熱タンク内部に設置された熱交換器に流入させ、前記気相の反応物の流れが通過する配管が前記熱交換器を通じて前記飽和された水に直接接触するようにして熱交換させた。前記熱交換された反応物の流れは凝縮され、１６３℃の温度で前記回分式反応器に再流入させ、前記断熱タンクのスチーム流出ラインのバルブを開いて前記断熱タンクを減圧させることによって約１２０℃および２kg/cm２のスチームを流出させた。
【００６８】
比較例
図５のように、回分式反応器から流出される１８０℃の気相の反応物の流れを約３５℃の冷却水で冷却させた後、約１７８℃の温度で凝縮させて前記回分式反応器に再流入させた。
【００６９】
実験例-模写実験の進行
前記実施例の工程時間および回分式反応器から流出される気相の反応物の流れの流量によるバルブの開閉程度、タンク内の飽和水の量、タンク内部の温度、タンク内部の圧力およびスチームの流量をより正確に知るために、ダイナミック条件でアスペンハイシス(Aspen HYSYS)を利用して、図６のような工程模写実験を進め、その結果を下記の図７に示した。
【００７０】
図７に示したように、回分式反応器から流出される気相の反応物の流れの流量が爆発的に増加する約１６７.７時間から１６９.８時間の間ではタンク内の飽和水の量とタンク内部の温度および圧力が増加し、約１７０時間から１７３.８時間の間では、反応終了まで反応物の流れの量が次第に減少され、タンク内の飽和水の量とタンク内部の温度および圧力も次第に減少することが確認できる。ただし、反応終了後、次回の運転まで中断される時点である約１７４時間から１７５.８時間の間では気相の反応物の流れの流量がなくなり、廃熱が非連続的に発生することを確認することができる。この場合、タンク内の飽和水の量とタンク内部の温度および圧力が急激に減少するが、発生するスチームの量は継続的に発生していることを確認することができ、非連続的に発生する廃熱を利用して連続的なスチームの生成が可能であることを確認することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１０  熱回収装置
１００  回分式反応器（反応器）
１１０  反応器ライン（反応器流出ライン）
１２０  反応器ライン（反応器流入ライン）
２００  熱交換器
２１０  熱交換器ライン（熱交換器流入ライン）
２２０  熱交換器ライン（熱交換器流出ライン）
３００  断熱タンク
３０１  飽和水
３１０  スチーム流出ライン（断熱タンク流出ライン）
３１１  圧力降下装置（圧力降下バルブ）
３２０  循環ライン
３３０  断熱タンク流入ライン
【図１】
2016534318.tif 000003
【図２】
2016534318.tif 000004
【図３】
2016534318.tif 000005
【図４】
2016534318.tif 000006
【図５】
2016534318.tif 000007
【図６】
2016534318.tif 000008
【図７】
2016534318.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成28年5月9日(2016.5.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
飽和水が貯蔵されている断熱タンク、反応器および熱交換器を含み、前記断熱タンク、反応器および熱交換器はそれぞれ流入ラインおよび流出ラインを含み、
前記反応器から流出される流れは反応器流出ラインに沿って前記熱交換器に流入し、前記飽和水または前記熱交換器に流入する熱交換媒体と熱交換された後、反応器流入ラインに沿って前記反応器に流入する、熱回収装置。
【請求項２】
反応器は回分式反応器である、請求項１に記載の熱回収装置。
【請求項３】
熱交換媒体は凝縮水である、請求項１に記載の熱回収装置。
【請求項４】
熱交換器は断熱タンクの内部または外部に設置されている、請求項１に記載の熱回収装置。
【請求項５】
熱交換器は断熱タンクの外部に設置されており、前記反応器から流出される流れは反応器流出ラインに沿って前記熱交換器に流入し、熱交換器流入ラインに沿って前記熱交換器に流入した熱交換媒体と熱交換された後、反応器流入ラインに沿って前記反応器に流入し、熱交換された前記熱交換媒体は断熱タンク流入ラインに沿って前記断熱タンクに流入する、請求項４に記載の熱回収装置。
【請求項６】
熱交換器は飽和水が貯蔵された断熱タンクの内部に設置されており、前記反応器から流出される流れは反応器流出ラインに沿って前記熱交換器に流入し、前記断熱タンクに貯蔵された飽和水と熱交換された後、反応器流入ラインに沿って前記反応器に再流入される、請求項４に記載の熱回収装置。
【請求項７】
反応器に流入する流れの温度と断熱タンクに貯蔵された飽和水の温度が下記の数式（１）を満足する、請求項５または請求項６に記載の熱回収装置。
５℃≦TRin-TSW≦７０℃・・・（１）
前記数式（１）で、TRinは反応器に流入する流れの温度を表し、TSWは断熱タンクに貯蔵された飽和水の温度を表す。
【請求項８】
反応器に流入する流れは凝縮された反応物の流れである、請求項７に記載の熱回収装置。
【請求項９】
凝縮水が断熱タンク流入ラインに沿って前記断熱タンクに流入する、請求項６に記載の熱回収装置。
【請求項１０】
反応器から流出される流れは気相の反応物の流れである、請求項１に記載の熱回収装置。
【請求項１１】
熱交換された熱交換媒体は液相の凝縮水の流れであり、断熱タンク下部から熱交換器流入ラインに連結されている循環ラインをさらに含み、前記断熱タンク下部から流出する飽和水が前記循環ラインに沿って前記熱交換器流入ラインに流入する、請求項５に記載の熱回収装置。
【請求項１２】
断熱タンクはスチーム流出ラインをさらに含む、請求項５または請求項９に記載の熱回収装置。
【請求項１３】
スチーム流出ラインに沿って流れる流れの温度と断熱タンク流入ラインに沿って断熱タンクに流入する流れの温度が下記の数式（２）を満足する、請求項１２に記載の熱回収装置。
１０℃≦TSout-TTin≦２００℃・・・（２）
前記数式（２）で、TSoutはスチーム流出ラインに沿って流れる流れの温度を表し、TTinは断熱タンク流入ラインに沿って断熱タンクに流入する流れの温度を表す。
【請求項１４】
スチームの圧力および/または生産量を制御する制御部をさらに含む、請求項１２に記載の熱回収装置。
【請求項１５】
回分式反応器から流出される流れを熱交換器に流入し、断熱タンク内部に貯蔵された飽和水または前記熱交換器に流入する熱交換媒体と熱交換させる段階；および
前記回分式反応器から流出され、前記飽和水または熱交換媒体と熱交換された流れを前記回分式反応器に再流入させる段階を含む、熱回収方法。
【請求項１６】
熱交換媒体は凝縮水である、請求項１５に記載の熱回収方法。
【請求項１７】
凝縮水または熱交換された熱交換媒体を断熱タンクに流入させる段階をさらに含む、請求項１５に記載の熱回収方法。
【請求項１８】
反応器に流入する流れの温度と断熱タンクに貯蔵された飽和水の温度が下記の数式（１）を満足するように調節することを含む、請求項１７に記載の熱回収方法。
５℃≦TRin-TSW≦７０℃・・・（１）
前記数式（１）で、TRinは反応器に流入する流れの温度を表し、TSWは断熱タンクに貯蔵された飽和水の温度を表す。
【請求項１９】
前記断熱タンクの上部からスチームを流出させる段階をさらに含む、請求項１７に記載の熱回収方法。
【請求項２０】
断熱タンク上部から流出するスチームの温度と断熱タンクに流入する凝縮水または熱交換された熱交換媒体の温度が下記の数式（２）を満足する、請求項１９に記載の熱回収方法。
１０℃≦TSout-TTin≦２００℃・・・（２）
前記数式（２）で、TSoutは断熱タンク上部から流出するスチームの温度を表し、TTinは断熱タンクに流入する凝縮水または熱交換された熱交換媒体の温度を表す。
【国際調査報告】
2016534318.tif 000010
2016534318.tif 000011
2016534318.tif 000012
2016534318.tif 000013