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日提交的編號為美國臨時專利申請 60/660,446的利益，該申請在此作為參考被引入。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)腔包圍著一個對流腔，該對流腔包圍 著一個燃燒室。在燃燒室內(nèi)有一個燃燒器組件，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 燃燒管，該燃燒管包圍著一個燃料管，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。該裝置包括一個擁有多孔口的燃?xì)夤堋Ｔ撊細(xì)夤芫又?地位于一個助燃空氣管之內(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 一個流動通
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燃料噴嘴以及周圍的氧化腔。 一個包圍該燃料 管的管道形成該氧化腔。該裝置還包括一個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 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?？赡軐崿F(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，因為工藝流體與燃燒 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包括一個燃料管12、 一個氧化劑管14和一個工藝管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(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號和更高或更低的管子號。可適于使 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)從一個區(qū)到另 一個區(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，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衔铩？捎米魅剂?的碳?xì)浠衔锇切┚哂袕囊粋€到六個碳原子的碳?xì)浠衔?，包?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。可向燃料中加入蒸汽以防止或 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)的是一個氧化 劑預(yù)熱區(qū)36和一燃料燃燒區(qū)38。在典型的實施例中，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)從一個區(qū)到 另一個區(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，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。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，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)的是一個工藝流體加熱區(qū)52和一個氧化劑/燃料加熱區(qū) 54。在典型的實施例中，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)成為從一個區(qū)到 另一個區(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，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時它獲 得熱量。傳熱系統(tǒng)10的另一個特征是氧化劑/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，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，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)時的溫度將影響到預(yù)熱段 66的設(shè)計和幾何形狀，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 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，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?？諝夤?06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。端蓋122密封地連接到 燃料管板110上，以提供一個燃料歧管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)點的工藝。 一個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)料被引入到第二級脫氫反應(yīng)器212中。該第二級 脫氫反應(yīng)器212確定了 一個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
插入兩個反應(yīng)器級之間的單個傳熱系統(tǒng)單元，然而應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，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，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 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