專利名稱：一種用于燃料燃燒和加熱工藝流體的傳熱系統(tǒng)以及使用該系統(tǒng)的工藝的制作方法
一種用于燃料燃燒和加熱工藝流體的傳熱系統(tǒng) 以及使用該系統(tǒng)的工藝背景技術(shù)本發(fā)明要求于2005年3月10日提交的編號(hào)為美國臨時(shí)專利申請 60/660,446的利益，該申請?jiān)诖俗鳛閰⒖急灰?。本發(fā)明涉及一種用于燃料燃燒和加熱工藝流體的傳熱系統(tǒng)。另一 方面，本發(fā)明涉及使用 一種燃料無火焰燃燒的傳熱系統(tǒng)來直接加熱一 種將被用于工藝中的工藝流體。編號(hào)為4，692，306的美國專利公開了一種同心管催化反應(yīng)裝置，該 裝置包括一環(huán)形反應(yīng)腔，該反應(yīng)腔包圍著一個(gè)對流腔，該對流腔包圍 著一個(gè)燃燒室。在燃燒室內(nèi)有一個(gè)燃燒器組件，提供一輻射熱源，用 于釋放熱量，該熱量被傳遞到反應(yīng)腔。EP 0 450 872 Bl公開了幾種類型的反應(yīng)裝置，其中之一 包括一個(gè) 燃燒管，該燃燒管包圍著一個(gè)燃料管，該燃料管具有沿其長度以一定 間距彼此隔開的孔。燃料經(jīng)由該燃料管及其孔供給到燃料管與燃燒管 之間的環(huán)形空間中，燃料與空氣在該環(huán)形空間中混合并點(diǎn)燃，以便釋 放出用于加熱催化劑床的熱量，該催化劑床包圍著燃燒管。編號(hào)為5，255，742的美國專利公開了 一種利用無火焰燃燒裝置加 熱地層的方法。該裝置包括一個(gè)擁有多孔口的燃?xì)夤堋Ｔ撊細(xì)夤芫又?地位于一個(gè)助燃空氣管之內(nèi)，以便形成介于燃?xì)夤芘c助燃空氣管之間 的第 一環(huán)形空間。這些孔口在該燃?xì)夤芘c該第 一環(huán)形空間之間提供流 體連通。該助燃空氣管居中地位于一個(gè)井眼套筒之內(nèi)，以便形成介于 該助燃空氣管與該井眼套筒之間的第二環(huán)形空間。燃?xì)饨?jīng)由燃?xì)夤艿?孔口被引入到該第一環(huán)形空間中，以便與空氣混合并在該第 一環(huán)形空 間中燃燒。由助燃空氣管形成的第一環(huán)形空間與介于助燃空氣管和井 眼套筒之間的第二環(huán)形空間流體連通。該流體連通提供了 一個(gè)流動(dòng)通
道，以便燃燒氣體可被引入到該第二環(huán)形空間中，并向上穿過第二環(huán) 形空間到達(dá)表面，從而提供了被傳遞到某一地層的熱量。美國公開號(hào)2003/0182858描述了一種利用無火焰分布式燃燒裝置 向工藝流體提供受控加熱的方法。該裝置包括一燃料管，該燃料管擁 有沿其長度分布的多個(gè)燃料噴嘴以及周圍的氧化腔。 一個(gè)包圍該燃料 管的管道形成該氧化腔。該裝置還包括一個(gè)圍繞該氧化腔的工藝腔。 該燃料噴嘴提供從燃料管內(nèi)到氧化腔的連通，其中氧化劑和燃料在該 氧化腔中混合且燃料燃燒。由燃燒釋放的熱量被傳遞到工藝腔。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供燃料的燃燒，并將由此釋放的熱量直接傳遞 到工藝流體。相應(yīng)地，提供一種包括燃料管、氧化劑管和工藝管的工藝系統(tǒng)。該燃料管具有一長度和一管壁，該長度和管壁確定了 一個(gè)燃料引進(jìn)區(qū)， 其中沿著所述長度并在所述燃料引進(jìn)區(qū)之內(nèi)包括一燃料預(yù)熱區(qū)和一燃燒區(qū)，其中所述燃料預(yù)熱區(qū)包括一個(gè)用于將所述燃料引入到所述燃料 預(yù)熱區(qū)的燃料入口，以及一個(gè)用于將已預(yù)熱的燃料從所述燃料預(yù)熱區(qū) 引入到所述燃燒區(qū)的燃料出口，并且其中沿著所述燃燒區(qū)且貫穿所述 管壁具有多個(gè)孔。氧化劑管位于所述燃料管之外并圍繞著所述燃料管， 從而沿著所述燃料管的所迷長度確定一個(gè)氧化劑引進(jìn)區(qū)，其中所述氧 化劑引進(jìn)區(qū)包括一氧化劑預(yù)熱區(qū)和一燃料燃燒區(qū)，其中所述氧化劑預(yù) 熱區(qū)包括一個(gè)用于將氧化劑引入到所述氧化劑預(yù)熱區(qū)中的氧化劑入 口，以及一個(gè)用于將已預(yù)熱的氧化劑從所述氧化劑預(yù)熱區(qū)引入到所述 燃料燃燒區(qū)的氧化劑出口 ，且其中所述多個(gè)孔提供所述燃燒區(qū)與所述 燃料燃燒區(qū)之間的流體連通。該工藝管位于所述氧化劑管之外并包圍 著所述氧化劑管，從而沿著所述氧化劑管確定一工藝流體引進(jìn)區(qū)，其 中所述工藝流體引進(jìn)區(qū)包括一工藝流體加熱區(qū)和 一 氧化劑/燃料加熱 區(qū)，其中所述工藝流體加熱區(qū)與所述燃料燃燒區(qū)處于換熱關(guān)系，并包 括一個(gè)用于將所述工藝流體引入到所述工藝流體加熱區(qū)中的工藝流體、入口，以及一個(gè)用于將已加熱的工藝流體從所述工藝流體加熱區(qū)引入 到所迷氧化劑/燃料加熱區(qū)中的工藝流體出口 ，并且其中所述氧化劑/ 燃料加熱區(qū)所述與所述氧化劑預(yù)熱區(qū)和所述燃料預(yù)熱區(qū)均處于換熱關(guān) 系，并包括一個(gè)用于將所述已加熱的工藝流體從所述氧化劑/燃料加熱 區(qū)排出的排泄出口。此外，提供一種通過燃料的無火焰燃燒來直接加熱工藝流體的工 藝。燃料被引入到一燃料管，該燃料管具有一長度和一管壁，該長度 和管壁確定了 一個(gè)燃料引進(jìn)區(qū)，其中沿著所述長度并在所述燃料引進(jìn) 區(qū)之內(nèi)包括一燃料預(yù)熱區(qū)和一燃燒區(qū)，其中所述燃料預(yù)熱區(qū)包括一個(gè) 用于將所述燃料引入到所述燃料預(yù)熱區(qū)的燃料入口 ，以及一個(gè)用于將 已預(yù)熱的燃料從所述燃料預(yù)熱區(qū)引入到所述燃燒區(qū)的燃料出口，并且 其中沿著所述燃燒區(qū)且貫穿所述管壁具有多個(gè)孔。氧化劑被引入到一 氧化劑管，該氧化劑管位于所述燃料管之外并圍繞著所述燃料管，從 而沿著所述燃料管的所述長度提供一個(gè)氧化劑引進(jìn)區(qū)，其中所述氧化 劑引進(jìn)區(qū)包括一氧化劑預(yù)熱區(qū)和一燃料燃燒區(qū)，其中所述氧化劑預(yù)熱 區(qū)包括一個(gè)用于將所述氧化劑引入到所述氧化劑預(yù)熱區(qū)中的氧化劑入 口，以及一個(gè)用于將已預(yù)熱的氧化劑從所述氧化劑預(yù)熱區(qū)引入到所述 燃料燃燒區(qū)的氧化劑出口 ，且其中所述多個(gè)孔提供所述燃燒區(qū)與所述 燃料燃燒區(qū)之間的流體連通。工藝流體被引入到一工藝管，該工藝管 位于所述氧化劑管之外并包圍著所述氧化劑管，從而沿著所述氧化劑 管提供一工藝流體引進(jìn)區(qū)，其中所述工藝流體引進(jìn)區(qū)包括一工藝流體 加熱區(qū)和一氧化劑/燃料加熱區(qū)，其中所述工藝流體加熱區(qū)與所述燃料 燃燒區(qū)處于換熱關(guān)系，并包括一個(gè)用于將所述工藝流體引入到所述工 藝流體加熱區(qū)中的工藝流體入口 ，以及一個(gè)用于將已加熱的工藝流體 從所述工藝流體加熱區(qū)引入到所述氧化劑/燃料加熱區(qū)中的工藝流體 出口，并且其中所述氧化劑/燃料加熱區(qū)與所述氧化劑預(yù)熱區(qū)和所述燃 料預(yù)熱區(qū)均處于換熱關(guān)系，并包括一個(gè)用于將所述已加熱的工藝流體 從所述氧化劑/燃料加熱區(qū)排出的排泄出口。已加熱的工藝流體從所述 氧化劑/燃料加熱區(qū)排出，且燃燒廢氣從所述燃料燃燒區(qū)排出。


圖1為傳熱系統(tǒng)部件的剖視圖，該傳熱系統(tǒng)用于燃料的燃燒并用 于工藝流體的加熱。圖2為被并入歧管換熱系統(tǒng)中的傳熱系統(tǒng)的剖視圖。圖3為顯示在催化工藝中使用該傳熱系統(tǒng)的簡化工藝流程圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供一種傳熱系統(tǒng)或裝置，該傳熱系統(tǒng)或裝置可用于將由 燃料燃燒(優(yōu)選地由無火焰燃燒)所釋放的熱能直接傳遞到工藝流體。 該傳熱系統(tǒng)具有許多可能的用途和應(yīng)用，但是，特別地，直接加熱系 統(tǒng)(比如本說明書中詳細(xì)描述的直接加熱系統(tǒng))的使用，可能在諸如 用于生產(chǎn)苯乙烯產(chǎn)品的乙苯脫氫工藝等吸熱脫氫工藝中特別有利。其 它可高效地或適宜地利用該傳熱系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的工藝可包括蒸汽轉(zhuǎn)化和烯 烴裂化。例如，本發(fā)明的直接加熱系統(tǒng)可按某種方式通過燃料管向燃燒區(qū) 提供受控的燃料引進(jìn)速率，從而沿著該燃料管提供均勻的燃料燃燒。 這種均勻的燃燒可沿燃料管提供均勻的溫度分布。這種燃燒可在燃燒 區(qū)中提供受控的溫度分布?？赡軐?shí)現(xiàn)的一些益處包括但不局限于減少 蒸汽用量、以更高的生產(chǎn)能力工作、增加產(chǎn)量和可選擇性、減少焦炭 生成以及提高工作壓力。直接加熱系統(tǒng)還可提供燃料的無火焰燃燒，其釋放的熱量被傳遞 到工藝流體。與燃料的無火焰燃燒相關(guān)聯(lián)，由于不存在火焰，與常規(guī) 燃燒和傳熱裝置中所觀察到的火焰溫度(比如常規(guī)點(diǎn)火加熱器中所發(fā) 生的那樣)相比，氧化反應(yīng)(即無火焰燃燒)在較低溫度下發(fā)生。盡 管燃料的無火焰氧化的溫度可能依據(jù)所燃燒的燃料而變化，該溫度可 典型地處于從大約600r至大約IIOO"C或從大約750匸至大約1050"C 的范圍，不同于燃料常規(guī)燃燒中所觀察到通常超過1650。C的火焰溫 度。本發(fā)明的直接加熱系統(tǒng)還能以某種方式向 一待加熱的工藝物料流 提供傳熱，從而提供超過常規(guī)加熱系統(tǒng)傳熱效率的傳熱效率。本發(fā)明 的特征之一是它提供對工藝物料流的直接加熱，因?yàn)楣に嚵黧w與燃燒 管的外表面接觸，燃料的燃燒發(fā)生在該燃燒管中。工藝物料流由圍繞 該燃燒管的工藝套筒或?qū)Ч芑蚬艿廊菁{，以便提供一個(gè)工藝區(qū)，該工 藝區(qū)可能是由圍繞該燃燒管的工藝管道所形成的工藝環(huán)形通道。通過 同時(shí)提供對流和輻射傳熱而使朝向工藝流體的傳熱最大化，其中該工 藝套筒提供了朝向燃燒管表面的第二熱輻射表面。現(xiàn)參照圖1，所展示的是傳熱系統(tǒng)10的各部件的剖視圖。傳熱系 統(tǒng)10包括一個(gè)燃料管12、 一個(gè)氧化劑管14和一個(gè)工藝管16。燃料管 12、氧化劑管14和工藝管16可具有能夠提供導(dǎo)管的任意合適的幾何 形狀。在典型的實(shí)施例中，管道可由任意合適的可從市場上購得的管 材或正方形或矩形的管材來制成。例如，管道可為依據(jù)ANSI/ASME B36.10M標(biāo)準(zhǔn)、歐洲D(zhuǎn)IN 2448標(biāo)準(zhǔn)或任何其它標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)管道。這 種合適的標(biāo)準(zhǔn)管道的非限制性的例子包4舌由ANSI/ASME B36.iOM 標(biāo)準(zhǔn)所確定的3/4英寸40號(hào)(schedule)管子(由DIN 2448標(biāo)準(zhǔn)確定 的DN20)，該管子可用作燃料管12;由ANSI/ASME B36.10M標(biāo)準(zhǔn)所 確定的3英寸40號(hào)管子(由DIN 2448標(biāo)準(zhǔn)確定的DN80 )，該管子可 用作氧化劑管14;由ANSI/ASME B36.10M標(biāo)準(zhǔn)所確定的5英寸40 號(hào)管子(由DIN 2448標(biāo)準(zhǔn)確定的DN125)，該管子可用作工藝管16。 盡管以上列舉的標(biāo)準(zhǔn)管子作為例子而提出，然而任何合適的管子可用 作傳熱系統(tǒng)10的管道，包括80號(hào)和更高或更低的管子號(hào)?？蛇m于使 用的管子尺寸可處于從13mm (1/2英寸)變化至250mm ( 10英寸) 或甚至更大。燃料管12具有長度18和管壁20，該長度18和管壁20確定了一 個(gè)燃料引進(jìn)區(qū)22。燃料引進(jìn)區(qū)22貫穿燃料管12的長度18而延伸。 包括在燃料引進(jìn)區(qū)22之內(nèi)的是燃料預(yù)熱區(qū)24和燃燒區(qū)26。在典型的 實(shí)施例中，燃料預(yù)熱區(qū)和燃燒區(qū)位于燃料引進(jìn)區(qū)的兩端。燃料預(yù)熱區(qū) 24從燃料入口 28延伸到燃料出口 30。燃料出口 30提供燃料預(yù)熱區(qū) 24與燃燒區(qū)26之間的流體連通，且它可為燃料管12內(nèi)從一個(gè)區(qū)到另 一個(gè)區(qū)的假想過渡區(qū)域。燃料預(yù)熱區(qū)24還從燃料入口 28貫穿燃料管 12的長度18的足夠部分而延伸，以便在它與氧化劑混合之前提供對 穿過燃料管12的燃料的預(yù)熱。燃料入口 28將燃料引進(jìn)到燃料預(yù)熱區(qū)24中，且當(dāng)燃料穿過燃料 預(yù)熱區(qū)24時(shí)，熱能被傳遞到燃料中。燃料出口 30將來自燃料預(yù)熱區(qū) 24的已預(yù)熱的燃料引進(jìn)到燃燒區(qū)26中。在傳熱系統(tǒng)10的工作中，可 使用任意在氧化劑存在的情況下能夠燃燒的合適的流體，該氧化劑比 如為氧氣或空氣。這種流體的例子包括氫和碳?xì)浠衔??？捎米魅剂?的碳?xì)浠衔锇切┚哂袕囊粋€(gè)到六個(gè)碳原子的碳?xì)浠衔铮?甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丙炔、丁烷、丁烯和丁炔。優(yōu)選的 燃料包括氫、曱烷、乙烷及其混合物?？上蛉剂现屑尤胝羝苑乐够?抑制焦炭的形成。氧化劑管14位于燃料管12之外并以某種方式圍繞著燃料管12， 從而沿著燃料管12的長度18確定一個(gè)氧化劑引進(jìn)區(qū)34。該氧化劑引 進(jìn)區(qū)34提供一導(dǎo)管，氧化劑流體可穿過該導(dǎo)管，該氧化劑流體比如為 包括氧氣或空氣的流體。包括在該氧化劑引進(jìn)區(qū)34之內(nèi)的是一個(gè)氧化 劑預(yù)熱區(qū)36和一燃料燃燒區(qū)38。在典型的實(shí)施例中，氧化劑預(yù)熱區(qū) 和燃料燃燒區(qū)位于氧化劑引進(jìn)區(qū)的兩端。氧化劑預(yù)熱區(qū)36從氧化劑入 口 40延伸到氧化劑出口 42。氧化劑出口 42提供氧化劑預(yù)熱區(qū)36與 燃料燃燒區(qū)38之間的流體連通，且它可為氧化劑管14內(nèi)從一個(gè)區(qū)到 另一個(gè)區(qū)的假想過渡區(qū)域。氧化劑預(yù)熱區(qū)36還從氧化劑入口 40沿著 燃料管12的長度18的一部分，并貫穿氧化劑引進(jìn)區(qū)34的足夠長度或 部分而延伸，從而提供對穿過氧化劑引進(jìn)區(qū)34流向氧化劑出口 42的 氧化劑所期望的預(yù)熱。氧化劑入口 40將氧化劑流體引進(jìn)到氧化劑預(yù)熱 區(qū)36中，且當(dāng)氧化劑穿過氧化劑預(yù)熱區(qū)36時(shí)，熱能被傳遞到氧化劑 中，以便提供預(yù)熱的氧化劑。氧化劑出口 42還將來自氧化劑預(yù)熱區(qū) 36的已預(yù)熱的氧化劑引進(jìn)到燃料燃燒區(qū)38中。貫穿燃料管12的燃燒區(qū)26的管壁20配置有多個(gè)孔32。孔32沿 燃料管12的長度18的一部分彼此隔開，并提供燃燒區(qū)26與燃料燃燒 區(qū)38之間的流體連通。箭頭44示出了已預(yù)熱的燃料的流動(dòng)方向，它 從燃燒區(qū)26內(nèi)部穿過孔32并進(jìn)入燃料燃燒區(qū)38。已預(yù)熱的燃料和已 預(yù)熱的氧化劑在燃料燃燒區(qū)38中混合，以形成燃燒混合物，并在燃料 燃燒區(qū)38中發(fā)生燃燒。箭頭46示出了進(jìn)入燃料燃燒區(qū)38中的已預(yù)熱 的氧化劑的流動(dòng)方向。這些孔的間隔、朝向和尺寸應(yīng)當(dāng)使以一定的量將已預(yù)熱的燃料的 增量引進(jìn)到燃料燃燒區(qū)38中，且其引進(jìn)速率應(yīng)為已預(yù)熱的燃料與已預(yù) 熱的氧化劑提供快速和完全的混合。由于這種快速和完全的混合，已 預(yù)熱的氧化劑與已預(yù)熱的燃料之間的氧化反應(yīng)不受混合的限制。因而， 一般來說，正是燃料引進(jìn)區(qū)的幾何形狀和氧化劑引進(jìn)區(qū)的幾何形狀的 結(jié)合，提供了已預(yù)熱燃料的速度(見箭頭44)和已預(yù)熱氧化劑的速度 (見箭頭46)，該燃料引進(jìn)區(qū)的幾何形狀是由燃料管12在其燃燒區(qū)26 處的結(jié)構(gòu)所確定的，該氧化劑引進(jìn)區(qū)的幾何形狀是由形成燃料燃燒區(qū) 38的氧化劑管14所確定的，上述兩速度適于兩種流體所需的快速和 完全混合。這些孔32沿燃料管12的軸向彼此間隔開來，并且它們可沿燃料 管12的長度定位在各個(gè)處于不同方位的徑向平面上。例如，這些孔 32的位置可沿燃料管12的長度在徑向平面中交替180度，或者它們 可交替120度，或者90度，等等。因此，燃料管12中的這些孔的位 置可使它們在徑向平面中的方位沿著燃料管12的長度交替布置，其中 它們的方位從O度到360度或從30度到180度變動(dòng)。然而，優(yōu)選地應(yīng) 使孔的方位沿燃料管12的長度從大約60度到大約120度交替布置。本發(fā)明的一個(gè)特征是使傳熱系統(tǒng)10的結(jié)構(gòu)提供預(yù)熱的氧化劑溫 度和預(yù)熱的燃料溫度，以致當(dāng)燃燒混合物形成時(shí)，燃燒混合物的溫度 超過燃燒混合物的自燃溫度。如果穿過燃料燃燒區(qū)38的已預(yù)熱的氧化 劑的速度足夠大，則小增量的已預(yù)熱的燃料與已預(yù)熱的氧化劑在超過 所形成的燃燒混合物自燃溫度的溫度下混合，將導(dǎo)致無火焰形成的燃 料氧化或燃燒。與發(fā)生有火焰燃燒時(shí)的溫度相比，這種無火焰燃燒在
顯著更低的溫度下發(fā)生。工藝管16位于氧化劑管14的外部并以某種方式圍繞著氧化劑管 14，從而沿氧化劑管14的外側(cè)確定一個(gè)工藝流體引進(jìn)區(qū)50。該工藝 流體引進(jìn)區(qū)50提供一個(gè)可供工藝流體穿過的導(dǎo)管。包括在該工藝流體 引進(jìn)區(qū)50之內(nèi)的是一個(gè)工藝流體加熱區(qū)52和一個(gè)氧化劑/燃料加熱區(qū) 54。在典型的實(shí)施例中，該工藝流體加熱區(qū)和氧化劑/燃料加熱區(qū)位于 工藝流體引進(jìn)區(qū)的兩端。工藝流體加熱區(qū)52從工藝流體入口 56延伸 到工藝流體出口 58。工藝流體出口 58提供工藝流體加熱區(qū)52與氧化 劑/燃料加熱區(qū)54之間的流體連通，且它可在導(dǎo)管內(nèi)成為從一個(gè)區(qū)到 另一個(gè)區(qū)的假想過渡區(qū)域，該導(dǎo)管由圍繞氧化劑管14的工藝管16形 成。氧化劑/燃料加熱區(qū)54從工藝流體出口 58延伸到工藝管16的工 藝管排泄出口 60。工藝流體入口 56將工藝流體引進(jìn)到工藝流體加熱 區(qū)52中，且工藝流體出口 58將來自工藝流體加熱區(qū)52的已加熱的工 藝流體引進(jìn)到氧化劑/燃料加熱區(qū)54。傳熱系統(tǒng)10的一個(gè)特征是工藝流體加熱區(qū)52圍繞著氧化劑管 14并沿燃料燃燒區(qū)38延伸，從而該布局提供了燃料燃燒區(qū)38與工藝 流體加熱區(qū)52之間的換熱關(guān)系。燃燒混合物在燃料燃燒區(qū)38中的燃 燒導(dǎo)致熱能的釋放，該熱能被傳遞到流經(jīng)工藝流體加熱區(qū)52的工藝流 體。彎曲箭頭62指示了從燃料燃燒區(qū)38到工藝流體的熱能流動(dòng)，該 工藝流體穿過工藝流體加熱區(qū)52。工藝流體經(jīng)由工藝流體入口 56被 引入到工藝流體加熱區(qū)52中，且當(dāng)它穿過工藝流體加熱區(qū)52時(shí)它獲 得熱量。傳熱系統(tǒng)10的另一個(gè)特征是氧化劑/燃料加熱區(qū)54圍繞著氧化 劑管14并沿氧化劑預(yù)熱區(qū)36延伸，從而該布局提供了氧化劑/燃料加 熱區(qū)54與氧化劑預(yù)熱區(qū)36之間的換熱關(guān)系。該布局的一個(gè)附加特征 是氧化劑/燃料加熱區(qū)54與燃料預(yù)熱區(qū)24之間處于換熱關(guān)系。來自 工藝流體加熱區(qū)52、進(jìn)入并然后穿過氧化劑/燃料加熱區(qū)54的已被加 熱的工藝流體提供了熱能，該熱能用于在燃料和氧化劑被引入到燃料 燃燒區(qū)38之前預(yù)熱該燃料和氧化劑。彎曲箭頭64所指示的是從已被 加熱的工藝流體到氧化劑流體以及到燃料的熱能流動(dòng)，該工藝流體流經(jīng)氧化劑/燃料加熱區(qū)54，該氧化劑流體流經(jīng)氧化劑預(yù)熱區(qū)36，該燃 料流經(jīng)燃料預(yù)熱區(qū)24。通過在傳熱系統(tǒng)10中預(yù)熱氧化劑和/或燃料， 可削減投資?？赡苄枰o助換熱器來回收來自一股或更多股流體的熱 量，或向傳熱系統(tǒng)IO外部的一股或更多股流體提供熱量，可有所差異 地設(shè)計(jì)該輔助換熱器，包括使用更低成本的材料，或者可能不需要該 輔助換熱器。本發(fā)明的另一方面是氧化劑/燃料加熱區(qū)54、氧化劑預(yù)熱區(qū)36 和燃料預(yù)熱區(qū)24的布局應(yīng)當(dāng)如此，以使燃料和氧化劑被充分加熱，從 而提供預(yù)熱的燃料和預(yù)熱的氧化劑，兩者分別具有預(yù)熱的燃料溫度和 預(yù)熱的氧化劑溫度，以致當(dāng)已預(yù)熱的燃料和已預(yù)熱的氧化劑被混合， 以便在燃料燃燒區(qū)38中形成燃燒混合物時(shí)，燃燒混合物的溫度超過該 燃燒混合物的自燃溫度。因而，該傳熱系統(tǒng)10的預(yù)熱段66可具有一 種包括預(yù)熱段長度68的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提供前述從已被加熱的工藝流體 到燃料和氧化劑的傳熱。典型地，選擇一種燃料，用于傳熱系統(tǒng)10的工作，其中包括燃料 的燃燒混合物的自燃溫度處于從400C ( 752下)到1500"C ( 2732T ), 或從500。C(932下)到1400C(2552下)的范圍，優(yōu)選地從600。C (1112 T )到1350°C (2462T ),且最優(yōu)選地從700X3 ( 1292°F )到1300匸 (2372T )。氧化劑和燃料被引入到傳熱系統(tǒng)10時(shí)的溫度可處于很寬的溫度 范圍內(nèi)，包括接近環(huán)境溫度的溫度。氧化劑和燃料也可在它們被引入 到該傳熱系統(tǒng)之前被加熱到高于環(huán)境溫度。因而，經(jīng)由氧化劑入口 40 待被引入到傳熱系統(tǒng)10的氧化劑的溫度可處于從大約-30X: (-22下) 到大約2000匸(3632T )的范圍，或從大約-10。C (14"F )到大約1200 匸(2192T )的范圍，或從大約-10。C (14下)到大約400"C ( 752下) 的范圍。被引入傳熱系統(tǒng)10的氧化劑的溫度可為高于-30X:、高于-20 匸、高于-10C或高于0"C的溫度。被引入傳熱系統(tǒng)的氧化劑的溫度可至多為3ooor、至多為2ooot:、至多為1200x:或至多為iooox:。在
某些實(shí)施例中，氧化劑可在其引入到傳熱系統(tǒng)10的氧化劑預(yù)熱區(qū)36 之前被預(yù)熱。盡管氧化劑和燃料被引入到傳熱系統(tǒng)時(shí)的溫度將影響到預(yù)熱段 66的設(shè)計(jì)和幾何形狀，但預(yù)熱段長度68 —般地將小于燃料燃燒段72 的工藝加熱長度70。預(yù)熱段長度68與工藝加熱長度70之間的相對長但是， 一般地，工藝加熱長度70與預(yù)熱段長度68的比例將超過l:l， 并且，更典型地，將超過2:1，且最典型地，將超過3:1。在另一些實(shí) 施例中，工藝加熱長度70與預(yù)熱段長度68的比例將超過0.01:1、0.05:1 或0.5:1。在更多的實(shí)施例中，工藝加熱長度70與預(yù)熱段長度68的比 ,j將超過1:0.5、 1:0.05、 1:0.01。要利用傳熱系統(tǒng)10來加熱的工藝流體可為用于任何目的的任意 待加熱的工藝流體。然而，該傳熱系統(tǒng)在用于加熱作為化學(xué)反應(yīng)原料 的工藝流體時(shí)，具有特別優(yōu)越的應(yīng)用。并且，特別地，本發(fā)明的傳熱 系統(tǒng)在脫氫工藝中具有特別的應(yīng)用，該脫氫工藝比如為用于生產(chǎn)苯乙 烯的乙苯脫氫工藝。在這樣的應(yīng)用中，要利用傳熱系統(tǒng)IO來加熱的工藝流體包括乙苯。該工藝流體還可包括蒸汽，并且它還可包括苯乙烯 和其它脫氫反應(yīng)器原料的典型成分。對于脫氫應(yīng)用，經(jīng)由工藝流體入口 56引入到傳熱系統(tǒng)10的工藝流體加熱區(qū)52中的工藝流體典型地具 有處于從260X: (500下)到704'C ( 1300°F )范圍內(nèi)的溫度，更典型 地，具有從315X: (600下)到677C U250下)范圍內(nèi)的溫度，并且 最典型地，具有從427C ( 800下)到649C ( 1200T )范圍內(nèi)的溫度。 利用傳熱系統(tǒng)10來加熱的工藝流體的典型溫升可處于從10。C到500。c的范圍，但是更典型地，溫升處于從50C到30or;的范圍，且最典型地，處于從IOO"C到250X:的范圍。氧化劑引進(jìn)區(qū)位于燃料引進(jìn)區(qū)之外，且工藝流體引進(jìn)區(qū)位于氧化 劑引進(jìn)區(qū)之外?，F(xiàn)參見圖2，其中展示了上述傳熱系統(tǒng)的剖視圖，該傳熱系統(tǒng)被 包括在換熱系統(tǒng)100中。為說明起見，示出了包括三根管道的單個(gè)傳 熱系統(tǒng)102，該三根管道呈同心關(guān)系，并利用管板結(jié)合在一起。然而， 應(yīng)當(dāng)理解，換熱系統(tǒng)IOO可為一換熱器，并通常將包括許多三管傳熱 系統(tǒng)102，這些傳熱系統(tǒng)102束縛在一起，以形成管束。傳熱系統(tǒng)102包括三根管道，包括一燃料管104、 一氧化劑或空 氣管106和一工藝管108。燃料管104穿過燃料管板110，并牢固地聯(lián) 結(jié)在燃料管板110上。空氣管106同心地布置在燃料管104的周圍， 該燃料管104從燃料管板110延伸出來，從而形成第一環(huán)形通道112。 空氣管106的入口端穿過入口空氣管板114，并牢固地聯(lián)結(jié)于其上， 且空氣管106的出口端穿過出口空氣管板116，并牢固地聯(lián)結(jié)于其上。 工藝管108同心地布置在空氣管106的周圍，以形成第二環(huán)形通道 118。工藝管108的入口端穿過入口工藝管板120，并牢固地聯(lián)結(jié)于其 上，且工藝管108的出口端穿過出口工藝管板121,并牢固地聯(lián)結(jié)于 其上。管板IIO、 114、 116、 120和121連接在一起，以提供穿過該換熱 器100的燃料、空氣和工藝流體的所需流動(dòng)。端蓋122密封地連接到 燃料管板110上，以提供一個(gè)燃料歧管126，用于將燃料引入到燃料 管104中，該端蓋122具有用于引進(jìn)燃料的燃料入口噴嘴124。通過 隔板128與燃料管板110隔開的是入口空氣管板114,該燃料管板110 與入口空氣管板114共同提供了一個(gè)空氣歧管130,用于將空氣引入 到空氣管106中?？諝馊肟趪娮?32將空氣引入到空氣歧管130中。 通過隔板134與入口空氣管板114隔開的是出口工藝管板121，該入 口空氣管板114與出口工藝管板121 —起提供了一個(gè)已加熱工藝流體 歧管136。工藝流體出口噴嘴138將已被加熱的工藝流體從該已加熱 工藝流體歧管136排出。端蓋142密封地連接到出口空氣管板116上，以提供一個(gè)排氣歧 管146,用于收集傳熱系統(tǒng)102中由燃料和空氣燃燒產(chǎn)生的燃燒廢氣， 該端蓋142具有用于排出燃燒廢氣的排氣噴嘴144。通過隔板148與 出口空氣管板116隔開的是入口工藝管板120，該出口空氣管板116 與入口工藝管板120共同提供了一個(gè)工藝流體歧管150。工藝流體供
給噴嘴152將工藝流體進(jìn)料引入到工藝流體歧管150中。圖3中展示的是一個(gè)工藝系統(tǒng)200的簡化工藝流程圖，它包括上 述傳熱系統(tǒng)的使用。該工藝系統(tǒng)200可為任意能夠高效地或適宜地利 用所述傳熱系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的工藝。 一個(gè)這樣的工藝是催化脫氫工藝，用于 乙苯的脫氫，以生產(chǎn)苯乙烯。如前所述的其它工藝可包括蒸汽重整 (steam reforming)和烯經(jīng)裂化。在圖3所示的工藝中， 一種含有蒸汽和乙苯的工藝原料經(jīng)由導(dǎo)管 202 4皮充入到脫氬反應(yīng)器204中。脫氫反應(yīng)器204確定了一個(gè)包含合 適的脫氫催化劑的脫氬反應(yīng)區(qū)，該脫氫催化劑比如為任意眾所周知的 基于氧化鐵的脫氫催化劑，且該脫氫反應(yīng)器204提供了使工藝原料與 脫氫催化劑在合適的脫氫反應(yīng)條件下相接觸的裝置。脫氫反應(yīng)器流出 物經(jīng)由導(dǎo)管206從脫氫反應(yīng)器204排出，并經(jīng)由其工藝流體入口 210 被引入到傳熱系統(tǒng)208中。由于脫氫反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，因而脫氫反應(yīng)器流出物將具有比充入 脫氫反應(yīng)器204的工藝原料溫度更低的溫度。傳熱系統(tǒng)208用于向脫 氫反應(yīng)器流出物加入熱能，以便在將該脫氫反應(yīng)器流出物引入到第二 級(jí)脫氫反應(yīng)器212之前提高其溫度。已被加熱的工藝流體或已被再加 熱的脫氫反應(yīng)器流出物來自傳熱系統(tǒng)208，穿過其排泄出口 214和導(dǎo) 管216，然后作為進(jìn)料被引入到第二級(jí)脫氫反應(yīng)器212中。該第二級(jí) 脫氫反應(yīng)器212確定了 一個(gè)包含合適的脫氫催化劑的脫氫反應(yīng)區(qū)，該 脫氫催化劑比如為任意眾所周知的基于氧化鐵的脫氫催化劑，且該脫 氫反應(yīng)器212提供了使已被再熱的脫氫反應(yīng)器流出物與脫氫催化劑在 合適的脫氫反應(yīng)條件下相接觸的裝置。脫氫反應(yīng)器流出物經(jīng)由導(dǎo)管 218從第二級(jí)脫氬反應(yīng)器212排出。燃料經(jīng)由導(dǎo)管220并通過燃料入口 222被引入到傳熱系統(tǒng)208中。 空氣經(jīng)由導(dǎo)管224并通過氧化劑入口 226被引入到傳熱系統(tǒng)208中。 來自傳熱系統(tǒng)208的燃燒區(qū)(未示出)的燃燒廢氣經(jīng)由導(dǎo)管228排出。應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明的傳熱系統(tǒng)可被并入到需要將熱能引入到工藝 流體中的任意類型的工藝系統(tǒng)中。圖3的催化工藝系統(tǒng)200僅示出了
插入兩個(gè)反應(yīng)器級(jí)之間的單個(gè)傳熱系統(tǒng)單元，然而應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，任意 數(shù)量的傳熱系統(tǒng)單元可與任意數(shù)量的反應(yīng)器級(jí)以任意合適的布局來組 合。
權(quán)利要求
1、一種工藝系統(tǒng)，包括第一傳熱系統(tǒng)，用于燃燒燃料，并用于加熱工藝流體，其中所述傳熱系統(tǒng)包括一燃料管，所述燃料管具有一長度和一管壁，所述長度和管壁確定了一個(gè)燃料引進(jìn)區(qū)，其中沿著所述長度并在所述燃料引進(jìn)區(qū)之內(nèi)包括一燃料預(yù)熱區(qū)和一燃燒區(qū)，其中所述燃料預(yù)熱區(qū)包括一個(gè)用于將所述燃料引入到所述燃料預(yù)熱區(qū)的燃料入口，以及一個(gè)用于將已預(yù)熱的燃料從所述燃料預(yù)熱區(qū)引入到所述燃燒區(qū)的燃料出口，并且其中沿著所述燃燒區(qū)且貫穿所述管壁具有多個(gè)孔；一氧化劑管，所述氧化劑管位于所述燃料管之外并圍繞著所述燃料管，從而沿著所述燃料管的所述長度確定一個(gè)氧化劑引進(jìn)區(qū)，其中所述氧化劑引進(jìn)區(qū)包括一氧化劑預(yù)熱區(qū)和一燃料燃燒區(qū)，其中所述氧化劑預(yù)熱區(qū)包括一個(gè)用于將氧化劑引入到所述氧化劑預(yù)熱區(qū)中的氧化劑入口，以及一個(gè)用于將已預(yù)熱的氧化劑從所述氧化劑預(yù)熱區(qū)引入到所述燃料燃燒區(qū)的氧化劑出口，且其中所述多個(gè)孔提供所述燃燒區(qū)與所述燃料燃燒區(qū)之間的流體連通；以及一工藝管，所述工藝管位于所述氧化劑管之外并包圍著所述氧化劑管，從而沿著所述氧化劑管確定一工藝流體引進(jìn)區(qū)，其中所述工藝流體引進(jìn)區(qū)包括一工藝流體加熱區(qū)和一氧化劑/燃料加熱區(qū)，其中所述工藝流體加熱區(qū)與所述燃料燃燒區(qū)處于換熱關(guān)系，并包括一個(gè)用于將所述工藝流體引入到所述工藝流體加熱區(qū)中的工藝流體入口，以及一個(gè)用于將已加熱的工藝流體從所述工藝流體加熱區(qū)引入到所述氧化劑/燃料加熱區(qū)中的工藝流體出口，并且其中所述氧化劑/燃料加熱區(qū)與所述氧化劑預(yù)熱區(qū)和所述燃料預(yù)熱區(qū)均處于換熱關(guān)系，并包括一個(gè)用于將所述已加熱的工藝流體從所述氧化劑/燃料加熱區(qū)排出的排泄出口。
2、 如權(quán)利要求l所述的工藝系統(tǒng)，其中所述多個(gè)孔中的所述孔沿著所述燃料管的所述長度的所述燃燒區(qū)彼此間隔，并確定尺寸，從而 將所述已預(yù)熱的燃料的增量引入到所述燃料燃燒區(qū)中，以致當(dāng)所述已 預(yù)熱燃料的所述增量與所述已預(yù)熱的氧化劑混合時(shí)，形成燃燒混合物， 并發(fā)生燃燒，該燃燒無火焰地釋放出熱量。
3、 如權(quán)利要求l-2任意一項(xiàng)所述的工藝系統(tǒng)，其中所述工藝流體 加熱區(qū)與所述燃料燃燒區(qū)之間的換熱關(guān)系為所述工藝流體提供加熱， 以便利用由所述燃燒所釋放的熱量來產(chǎn)生所述已被加熱的工藝流體。
4、 如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的工藝系統(tǒng)，其中所述氧化劑/ 燃料加熱區(qū)與所述氧化劑預(yù)熱區(qū)和所述燃料預(yù)熱區(qū)之間的換熱關(guān)系利 用來自所述已加熱的工藝流體的傳熱來為所述燃料提供加熱，以產(chǎn)生 所述已預(yù)熱的燃料，并用于加熱所述氧化劑，以便產(chǎn)生所迷已預(yù)熱的 氧化劑。
5、 如權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的工藝系統(tǒng)，其中所述氧化劑/ 燃料加熱區(qū)與所述氧化劑預(yù)熱區(qū)和所述燃料預(yù)熱區(qū)之間的換熱關(guān)系還 為所述已預(yù)熱的氧化劑提供已預(yù)熱的氧化劑溫度，并為所述已預(yù)熱的 燃料提供已預(yù)熱的燃料溫度，以使所述燃燒混合物具有超過所述燃燒 混合物自燃溫度的燃燒混合物溫度。
6、 如權(quán)利要求l-5任意一項(xiàng)所述的工藝系統(tǒng)，其中所述燃料引進(jìn) 區(qū)的特征還在于一個(gè)燃料引進(jìn)區(qū)幾何形狀，其中所述氧化劑引進(jìn)區(qū)的 特征還在于一個(gè)氧化劑引進(jìn)區(qū)幾何形狀，其中所述燃料引進(jìn)區(qū)幾何形 狀和所述氧化劑引進(jìn)區(qū)幾何形狀應(yīng)當(dāng)是這樣的，即提供已預(yù)熱燃料的 速度和已預(yù)熱氧化劑的速度，所述兩速度防止了所述火焰的形成。
7、 如權(quán)利要求l-6任意一項(xiàng)所述的工藝系統(tǒng)，還包括第 一反應(yīng)器裝置，用于使所述已被加熱的工藝流體與催化劑在反 應(yīng)條件下相接觸，其中所述第一反應(yīng)器裝置包括第一反應(yīng)器入口和第 一反應(yīng)器出口，所述第一反應(yīng)器入口用于接收作為第一反應(yīng)器進(jìn)料的 所述已被加熱的工藝流體，所述第一反應(yīng)器出口用于排出第一反應(yīng)器 流出物，其中所述反應(yīng)器入口與所述排泄出口由流體連通。
8、 一種通過燃料的無火焰燃燒來直接加熱工藝流體的工藝，所述 工藝包括將所述燃料引入到一燃料管中，所述燃料管具有一長度和一管壁， 所述長度和管壁確定了一個(gè)燃料引進(jìn)區(qū)，其中沿著所述長度并在所述 燃料引進(jìn)區(qū)之內(nèi)包括一燃料預(yù)熱區(qū)和一燃燒區(qū)，其中所述燃料預(yù)熱區(qū) 包括一個(gè)用于將所述燃料引入到所述燃料預(yù)熱區(qū)的燃料入口 ，以及一口，并且其中S著S述燃燒區(qū)i貫穿;斤述管壁具有多^孔；、<;將一氧化劑引入到一氧化劑管中，所述氧化劑管位于所述燃料管 之外并圍繞著所述燃料管，從而沿著所述燃料管的所述長度提供一個(gè) 氧化劑引進(jìn)區(qū)，其中所述氧化劑引進(jìn)區(qū)包括一氧化劑預(yù)熱區(qū)和一燃料 燃燒區(qū)，其中所述氧化劑預(yù)熱區(qū)包括一個(gè)用于將所述氧化劑引入到所 述氧化劑預(yù)熱區(qū)中的氧化劑入口 ，以及一個(gè)用于將已預(yù)熱的氧化劑從 所述氧化劑預(yù)熱區(qū)引入到所述燃料燃燒區(qū)的氧化劑出口 ，且其中所述 多個(gè)孔提供所述燃燒區(qū)與所述燃料燃燒區(qū)之間的流體連通；將工藝流體引入到一工藝管中，所述工藝管位于所述氧化劑管之 外并包圍著所述氧化劑管，從而沿著所述氧化劑管提供一工藝流體引 進(jìn)區(qū)，其中所述工藝流體引進(jìn)區(qū)包括一工藝流體加熱區(qū)和一氧化劑/ 燃料加熱區(qū)，其中所述工藝流體加熱區(qū)與所述燃料燃燒區(qū)處于換熱關(guān) 系，并包括一個(gè)用于將所述工藝流體引入到所述工藝流體加熱區(qū)中的 工藝流體入口 ，以及一個(gè)用于將已加熱的工藝流體從所述工藝流體加 熱區(qū)引入到所述氧化劑/燃料加熱區(qū)中的工藝流體出口，并且其中所述 氧化劑/燃料加熱區(qū)與所述氧化劑預(yù)熱區(qū)和所述燃料預(yù)熱區(qū)均處于換 熱關(guān)系，并包括一個(gè)用于將所述已加熱的工藝流體從所述氧化劑/燃料 加熱區(qū)排出的排泄出口；將所述已加熱的工藝流體從所述氧化劑/燃料加熱區(qū)排出；以及將所述燃燒廢氣從所述燃料燃燒區(qū)排出。
9、如權(quán)利要求8所述的工藝，還包括將所述已預(yù)熱燃料的增量引入到所述燃料燃燒區(qū)中，從而形成一 燃燒混合物，并發(fā)生燃燒，該燃燒無火焰地釋放出熱量。
全文摘要
一種傳熱系統(tǒng)(10)及其使用。該傳熱系統(tǒng)提供燃料的燃燒，并利用該燃燒所釋放的熱能來加熱工藝流體，并在燃料和氧化劑燃燒之前預(yù)熱燃料和氧化劑。該傳熱系統(tǒng)包括三根管道，其中一燃料引進(jìn)管(12)被一氧化劑引進(jìn)管(14)包圍，而該氧化劑引進(jìn)管(14)被一工藝管(16)包圍。具有恰當(dāng)幾何形狀的傳熱系統(tǒng)可提供燃料的無火焰燃燒。該傳熱系統(tǒng)還可被合并到諸如換熱器和催化工藝系統(tǒng)的其它系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)F23C99/00GK101163918SQ200680013693
公開日2008年4月16日 申請日期2006年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月10日
發(fā)明者彼得·維恩斯特拉 申請人:國際殼牌研究有限公司