專利名稱：用于燃料的燃燒和工藝流體的加熱的多管換熱系統(tǒng)及其使用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于燃料燃燒并用于工藝流體加熱的傳熱系統(tǒng)。 另一方面，本發(fā)明涉及一種傳熱系統(tǒng)的使用，該傳熱系統(tǒng)用于燃料的 無火焰燃燒，以便直接加熱一種將被用在工藝中的工藝流體。
背景技術(shù)：
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。該裝置包括一個包含多個孔口的燃氣管。該燃氣管居 中地位于一個助燃空氣管之內(nèi)，以便形成介于燃氣管與助燃空氣管之 間的第 一環(huán)形空間。這些孔口在該燃氣管與該第 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筒套管之內(nèi)，以便形成介 于該助燃空氣管與該井筒套管之間的第二環(huán)形空間。燃氣經(jīng)由燃氣管 的孔口被引入到該第 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 井筒套管之間的第二環(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)形空間到達地表，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，該燃料管包 含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。由該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，提供一種工藝系統(tǒng)，該工藝系統(tǒng)包括呈同心關(guān)系的燃料 引進區(qū)、燃燒區(qū)、氧化劑引進區(qū)以及一工藝流體區(qū)，其中所述燃料引 進區(qū)由燃料引進裝置來限定，該燃料引進裝置用于將燃料引進到所述 燃燒區(qū)中，所述燃燒區(qū)由一反應(yīng)管來限定，該反應(yīng)管位于所述燃料引 進裝置之外并圍繞著所述燃料引進裝置，且其中所述氧化劑引進區(qū)由 一氧化劑管限定，該氧化劑管位于所述反應(yīng)管之外并圍繞著所述反應(yīng) 管，且其中所述工藝流體區(qū)由一工藝管來限定，該工藝管位于所述氧 化劑管之外并圍繞著所述氧化劑管。本發(fā)明的另 一實施例包括一工藝系統(tǒng)，該工藝系統(tǒng)包括一燃料管、 一反應(yīng)管、 一氧化劑引進管以及一工藝管，所述燃料管具有一燃料管 長度和一燃料管管壁，該長度和管壁限定了一個燃料引進區(qū)，其中所 述燃料管包括一遠端和一燃料入口端，該燃料入口端用于將燃料引入 到所述燃料引進區(qū)中，且其中沿著所述燃料管長度并貫穿所述管壁有 多個彼此隔開的孔；所述反應(yīng)管具有一反應(yīng)管長度，且位于所述燃料 管之外并圍繞著所述燃料管，從而沿所述燃料管長度限定一燃燒區(qū)，
其中所述反應(yīng)管具有用于將已預(yù)熱的氧化劑接收到所述燃燒區(qū)中的反 應(yīng)管入口端和用于將燃燒廢氣從所述燃燒區(qū)排出的排泄端，且其中所連通；所述:化劑引進管具有二^化劑引進;長度，'且位于所述:應(yīng) 管之外并圍繞著所述反應(yīng)管，從而沿所述反應(yīng)管長度限定一氧化劑引 進區(qū)，其中所述氧化劑引進管具有氧化劑引進管入口端和氧化劑引進 管出口端，該氧化劑引進管入口端用于將氧化劑引進到所述氧化劑引 進區(qū)中，該氧化劑引進管出口端用于將所述已預(yù)熱的氧化劑從所述氧 化劑引進區(qū)經(jīng)由所述氧化劑引進管出口端排出到所述燃燒區(qū)，該氧化 劑引進管出口端與所述反應(yīng)管入口端流體連通，且其中所述氧化劑引 進區(qū)與所述燃燒區(qū)處于換熱關(guān)系；所述工藝管位于所述氧化劑引進管 之外并圍繞著所述氧化劑引進管，從而沿所述氧化劑引進管限定一工 藝流體區(qū)，其中所述工藝管具有用于將工藝流體引進到所述工藝流體 區(qū)中的工藝流體入口端和用于將已被加熱的工藝流體從所述工藝流體 區(qū)排出的工藝流體出口端，且其中所述工藝流體區(qū)與所述燃燒區(qū)處于 換熱關(guān)系。本發(fā)明的另一實施例包括一種方法，該方法包括以下步驟將燃 料引進到一燃料管中，所述燃料管具有一燃料管長度和一燃料管管壁， 該長度和管壁限定一燃料引進區(qū)，其中所述燃料管包括一遠端和一燃 料入口端，該燃料入口端用于將所述燃料引入到所述燃料引進區(qū)中， 且其中沿著所述燃料管長度并貫穿所述管壁有多個彼此隔開的孔；將 已預(yù)熱的氧化劑引入到 一反應(yīng)管中，所述反應(yīng)管具有 一反應(yīng)管長度， 且位于所述燃料管之外并圍繞著所述燃料管，從而沿所述燃料管長度 限定一燃燒區(qū)，其中所述反應(yīng)管具有用于將所述已預(yù)熱的氧化劑接收 到所述燃燒區(qū)中的反應(yīng)管入口和用于將燃燒廢氣從所述燃燒區(qū)排出的 排泄端，且其中所述多個彼此隔開的孔提供了所述燃料引進區(qū)與所述 燃燒區(qū)之間的流體連通；將氧化劑引進到一氧化劑引進管中，所述氧 化劑引進管具有一氧化劑引進管長度，且位于所述反應(yīng)管之外并圍繞 著所述反應(yīng)管，從而沿所述反應(yīng)管長度限定一氧化劑引進區(qū)，其中所
述氧化劑引進管具有氧化劑引進管入口端和氧化劑引進管出口端，該 氧化劑引進管入口端用于將氧化劑引進到所述氧化劑引進區(qū)中，該氧 化劑引進管出口端用于將所述已預(yù)熱的氧化劑從所述氧化劑引進區(qū)經(jīng) 由所述氧化劑引進管出口端排出到所述燃燒區(qū)，該氧化劑引進管出口 端與所述反應(yīng)管入口端流體連通，且其中所述氧化劑引進區(qū)與所述燃燒區(qū)處于換熱關(guān)系；將工藝流體引進到一工藝管中，所述工藝管位于 所述氧化劑引進管之外并圍繞著所述氧化劑引進管，從而沿所述氧化 劑引進管限定一工藝流體區(qū)，其中所述工藝管具有用于將工藝流體引 進到所述工藝流體區(qū)中的工藝流體入口端和用于將已被加熱的工藝流 體從所述工藝流體區(qū)排出的工藝流體出口端，且其中所述工藝流體區(qū) 與所述燃燒區(qū)處于換熱關(guān)系；從所述工藝流體區(qū)排出所述已被加熱的 工藝流體；并從所述燃燒區(qū)排出所述燃燒廢氣。


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為傳熱系統(tǒng)的一個實施例的剖視圖，該傳熱系統(tǒng)用于燃料的 燃燒并用于工藝流體的加熱。
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描述的直接加熱系統(tǒng))的使用可能在吸熱脫 氫工藝(諸如用于生產(chǎn)苯乙烯產(chǎn)品的乙苯脫氫工藝)中特別有利。例 如，本發(fā)明的直接加熱系統(tǒng)可按某種方式提供受控的通過燃料管向燃 燒區(qū)引進燃料的速率，以致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)的其它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)還可提供所謂的燃料無火焰燃燒，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600。C至大約IIOO'C或從大約750。C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，因為工藝流體與反應(yīng) 管的外表面有緊密關(guān)系，燃料的燃燒發(fā)生在該反應(yīng)管中。工藝物料流 由圍繞著氧化劑引進管的工藝套筒或?qū)Ч芑蚬艿廊菁{，以便提供一個 工藝流體區(qū)，該氧化劑引進管圍繞著所述反應(yīng)管。該工藝流體區(qū)可能 是由圍繞該氧化劑引進管的工藝管所形成的工藝環(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 筒提供了朝向反應(yīng)管表面或氧化劑引進管表面的第二熱輻射表面?，F(xiàn)參照圖1，所展示的是傳熱系統(tǒng)IO部件的一個剖視圖。傳熱系 統(tǒng)IO是一個四管系統(tǒng)，其包括一個燃料管或燃料引進管12、 一個反 應(yīng)管14、 一個氧化劑管或氧化劑引進管16以及一個工藝管18，該反 應(yīng)管14位于該燃料管12之外并圍繞著該燃料管12，該氧化劑管或氧 化劑引進管16位于該反應(yīng)管14之外并圍繞著該反應(yīng)管14,該工藝管 18位于該氧化劑管16之外并圍繞著該氧化劑管16。該四管系統(tǒng)的各 管可具有能夠提供一導(dǎo)管的任意合適的幾何形狀。在典型的實施例中， 傳熱系統(tǒng)10的各管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/ASMEB36.10M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括由ANSI/ASME B36.10M標(biāo)準(zhǔn)(由DIN 2448標(biāo)準(zhǔn)確定的DN20)所確定的3/4英寸40號(schedule)管子， 該管子可用作燃料管12;由ANSI/ASME B36.10M標(biāo)準(zhǔn)(由DIN 2448 標(biāo)準(zhǔn)確定的DN90)所確定的3.5英寸40號管子，該管子可用作反應(yīng) 管14;由ANSI/ASME B36.10M標(biāo)準(zhǔn)(由DIN 2448標(biāo)準(zhǔn)確定的DN125 ) 所確定的5英寸40號管子，該管子可用作氧化劑管16。工藝管18可 為充當(dāng)工藝套筒的管道，該工藝套筒圍繞著氧化劑管16，或可使用一 個殼體(未示出)，該殼體包圍著多個三管組合的組件或管束，該三 管組合由燃料管12、反應(yīng)管14和氧化劑管16組成。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300mm (12英 寸)的范圍，而在管束的情況下，該工藝殼體可具有高達305cm (10 英尺)、460cm ( 15英尺)或610cm ( 20英尺)或更大尺寸的直徑。燃料管12具有從其燃料入口端20延伸到其遠端22的燃料管長 度，且燃料管12還具有燃料管壁24。燃料管壁24和燃料管長度共同 限定一燃料引進區(qū)26,該燃料引進區(qū)26貫穿燃料管12的燃料管長度 的至少一部分而延伸。燃料管12還提供了用于將燃料引入到燃燒區(qū) 30中的裝置。燃料經(jīng)由燃料入口端20被引進到燃料引進區(qū)26中，該 燃料入口端20提供了用于將燃料引進到燃料引進區(qū)26中的裝置。該 燃燒區(qū)30是形成在燃料管12與反應(yīng)管14之間的一個導(dǎo)管，由反應(yīng)管 14限定，該反應(yīng)管14位于燃料管12之外并圍繞著該燃料管12。燃料 管12還可包括多個由燃料管壁24限定的孔32。孔32在燃料管12長度的一部分上沿軸向彼此隔開，并提供燃料 引進區(qū)26與燃燒區(qū)30之間的流體連通。當(dāng)傳熱系統(tǒng)10處于使用狀態(tài) 時，孔32通過提供一個導(dǎo)管來發(fā)揮功能，該導(dǎo)管用于使燃料從燃料引 進區(qū)26內(nèi)部引進到正穿過燃燒區(qū)30的已預(yù)熱的氧化劑中。這些孔的間隔、朝向和尺寸應(yīng)當(dāng)如此，以便將來自燃料引進區(qū)26 的燃料的增量以一定量引進到燃燒區(qū)30中，且其引進速率應(yīng)為已預(yù)熱
的氧化劑和燃料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)熱的氧化劑與燃料之間的氧化反應(yīng)不受混合速率的限制。因而，一般來說，正是燃料引進區(qū)26幾何形狀與燃燒區(qū)30幾何形狀的組合， 提供了燃料速度和已預(yù)熱氧化劑的速度，所述兩速度導(dǎo)致兩種流體所 需的快速和完全混合，該燃料引進區(qū)26的幾何形狀由燃料管12確定， 該燃燒區(qū)30的幾何形狀由反應(yīng)管14確定。燃料管引進區(qū)26的幾何形 狀包括燃料管長度、燃料管直徑、燃料管12孔的數(shù)量、間隔、方位和 尺寸等特征。燃燒區(qū)30的幾何形狀包括其反應(yīng)管直徑和長度等特征。如上所述，這些孔32沿燃料管12的長度在軸向方向上彼此間隔 開，并且這些孔32可沿燃料管12的長度以不同的方位定位在它們各 自的徑向平面中。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。反應(yīng)管14具有一反應(yīng)管長度，且如上所述，位于燃料管12之外 并圍繞著燃料管12，從而限定了沿燃料管12長度延伸的燃燒區(qū)30。 反應(yīng)管14的反應(yīng)管長度從反應(yīng)管入口端34延伸到排泄端36。氧化劑 管16具有一氧化劑管長度，且以某種方式位于反應(yīng)管14之外并圍繞 著該反應(yīng)管14，從而沿反應(yīng)管14的長度限定一氧化劑引進區(qū)40。該 氧化劑引進區(qū)40是形成在反應(yīng)管14與氧化劑管16之間的一個導(dǎo)管， 由氧化劑管16確定，該氧化劑管16如上所述位于反應(yīng)管14之外并圍 繞著該反應(yīng)管14。氧化劑管的長度從氧化劑引進管入口端42延伸到 氧化劑引進管出口端44。傳熱系統(tǒng)10的一個特征是氧化劑引進區(qū)40被如此布置，從 而提供了氧化劑引進區(qū)40與燃燒區(qū)30之間的換熱關(guān)系。在傳熱系統(tǒng) 10的工作中，氧化劑經(jīng)由氧化劑引進管入口端42被引進到氧化劑引 進區(qū)40中，該氧化劑引進管入口端42提供了用于將氧化劑引進到氧
化劑引進區(qū)40中的裝置。氧化劑穿過氧化劑引進區(qū)40并吸收來自燃 燒區(qū)30傳熱的熱能，從而提供預(yù)熱的氧化劑。彎曲箭頭46指示了熱 能從燃燒區(qū)30向氧化劑中的傳遞，該氧化劑穿過氧化劑引進區(qū)40。 已預(yù)熱的氧化劑經(jīng)由氧化劑引進管出口端44從氧化劑引進區(qū)40被排 出，并經(jīng)由反應(yīng)管入口端34被引進到燃燒區(qū)30中。氧化劑引進管出 口端44提供了用于將已預(yù)熱的氧化劑從氧化劑引進區(qū)40經(jīng)由氧化劑 引進管出口端44排出到燃燒區(qū)30中的裝置，該氧化劑引進管出口端 44與反應(yīng)管入口端34流體連通。該反應(yīng)管入口端34提供了用于將已 預(yù)熱的氧化劑接收到燃燒區(qū)30中的裝置。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)10外部的一股或更多股流體提供 熱量，所述輔助換熱器可被有所差異地設(shè)計，包括使用更低成本的材 料，或者可能不需要所述輔助換熱器。通過孔32被引入到燃燒區(qū)30中的燃料的增量與已預(yù)熱的氧化劑 在燃燒區(qū)30中被充分混合，以便形成燃燒混合物。并且，在燃燒區(qū) 30中發(fā)生燃燒混合物的燃燒，從而釋放出熱量。燃料在燃燒區(qū)30中 的無火焰燃燒部分地通過與已預(yù)熱的氧化劑混合來實現(xiàn)，以形成具有 一燃燒混合物溫度的燃燒混合物，該燃燒混合物溫度超過燃燒混合物 的自燃溫度。因而，傳熱系統(tǒng)10被配置成使燃燒區(qū)30與氧化劑引進 區(qū)40之間的換熱關(guān)系提供預(yù)熱的氧化劑，該預(yù)熱的氧化劑具有足夠高 的預(yù)熱氧化劑溫度，以便提供前述燃燒混合物溫度，該燃燒混合物溫 度超過該燃燒混合物的自燃溫度。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400°C ( 752下)到1500。C ( 2732°F ), 或從500。C ( 932T )到1400°C ( 2552T )的范圍，但更典型地從600。C (1112°F )到1350°C (2462T )，且最典型地從700。C ( 1292°F )到 1300。C (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)由氧化劑引進管入口端42待被引入到傳熱系統(tǒng)10的氧化劑的溫度可處于從大約-30。C (-22下)到大約2000。C (3632T)的范圍，或從大約-10。C (14T )到 大約1200。C (2192T)的范圍，或從大約-10。C (14T )到大約400。C (752T)的范圍。被引入傳熱系統(tǒng)的氧化劑的溫度可為至少-30'C、至 少-20。C、至少-10'C或至少O-C的溫度。被引入傳熱系統(tǒng)的氧化劑的溫 度可至多為3000°C、至多為2000°C、至多為1200。C或至多為1000。C。 在某些實施例中，氧化劑可在其引入到傳熱系統(tǒng)10的氧化劑引進區(qū)端 部40之前被預(yù)熱。氧化劑引進區(qū)40和燃料引進區(qū)26的幾何形狀應(yīng)當(dāng)如此，以便提 供進入并穿過燃燒區(qū)30的預(yù)熱氧化劑速度和燃料速度，從而防止在燃 燒混合物的燃燒過程中火焰的形成。燃燒廢氣來自燃燒區(qū)30，并穿過 廢氣端36，該廢氣端36提供了用于從燃燒區(qū)30排出燃燒廢氣的裝置。工藝管18位于氧化劑管16之外并圍繞著氧化劑管16,從而沿氧 化劑引進管16長度的至少一部分限定一工藝流體引進區(qū)50。該工藝 管18具有一長度，該長度從工藝流體入口端52延伸到工藝流體出口 端54。工藝流體入口端52提供了用于將工藝流體引進到工藝流體區(qū) 50中的裝置，且工藝流體出口端54提供了用于將已被加熱的工藝流 體從工藝流體區(qū)50排出的裝置。本發(fā)明傳熱系統(tǒng)10的一個特征是工藝流體區(qū)50被配置成使它 與燃燒區(qū)30之間處于換熱關(guān)系，或者工藝流體區(qū)50與氧化劑引進區(qū) 40之間處于換熱關(guān)系，而該氧化劑引進區(qū)40又與燃燒區(qū)30之間處于 換熱關(guān)系。這種換熱關(guān)系提供了熱能向工藝流體區(qū)50的傳遞，從而加 熱了流經(jīng)工藝流體區(qū)50的工藝流體。彎曲箭頭46所指示的是從燃燒 區(qū)30、或從氧化劑引進區(qū)40、或從燃燒區(qū)30和氧化劑引進區(qū)40兩者 到流經(jīng)工藝流體區(qū)50的工藝流體的熱能流動。設(shè)置在氧化劑引進管出口端44處的是一個蓋板56，該蓋板56提 供了將工藝流體區(qū)50與氧化劑引進區(qū)40、燃燒區(qū)30以及燃料引進區(qū) 26的流體隔離。如圖l中所示，燃料管12的遠端22延伸到蓋板56，
并在該處牢固地連接到該蓋板56上；然而，這是該傳熱系統(tǒng)的一個可 選特征。燃料管12的遠端22可延伸到從燃燒區(qū)30內(nèi)到蓋板56之間 的任一點并在該點處終止，該燃燒區(qū)30由反應(yīng)管14限定。反應(yīng)管入 口端34在遠離蓋板56的一點處終止，從而提供氧化劑引進管出口端 44與反應(yīng)管入口端34之間的流體連通。圖2示出了傳熱系統(tǒng)10的一個實施例，其中燃料管12的遠端22 并不延伸到蓋板56。在圖2中，燃料管12的遠端22延伸到氧化劑引 進區(qū)40內(nèi)的一點并在該點處終止。 一個未固定到蓋板56上的燃料管 將能夠由于熱膨脹而膨脹和/或收縮，而不會對任何其它管造成有害的 機械作用。此外，氧化劑引進管16將能夠由于熱膨脹而膨脹和/或收 縮，而不會對燃料管造成有害的機械作用。該傳熱系統(tǒng)10可設(shè)計成用于任何能夠利用直接加熱工藝流體優(yōu) 越性的場合，這種利用是通過使用本文中詳述的四管加熱裝置而實現(xiàn) 的。 一種這樣的應(yīng)用是脫氫工藝中對工藝流體的加熱，其中被加熱的 工藝流體在脫氬工藝條件下與脫氫催化劑相接觸，以生產(chǎn)脫氫產(chǎn)品。 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重整 (steam reforming )和埽烴裂化。大量因素可影響到傳熱系統(tǒng)10的設(shè)計；包括，例如，被引進到氧 化劑引進區(qū)40中的氧化劑的溫度、被引進到工藝流體區(qū)50中的工藝 流體的溫度、已被加熱的工藝流體的所需溫度以及被引進到燃料引進 區(qū)26中的燃料的成分。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。這種燃料的例子包 括氫和碳氫化合物。可用作燃料的碳氫化合物包括那些具有從一個到 六個碳原子的碳氫化合物，包括甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丙 炔、丁烷、丁烯和丁炔。優(yōu)選的燃料包括從由氫、甲烷、乙烷及其混 合物組成的群中選出的那些燃料?？上蛉剂现屑尤胝羝苑乐够蛞种?焦炭的形成。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)在用于加熱有化學(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)由工藝流體入口端52引入到工藝流體區(qū)50中的工藝流體典型地具有處于從260。C (500T)到704。C ( 1300下)范圍內(nèi)的溫度，更典型地，具有從315。C (600T)到677。C ( 1250T)范圍內(nèi)的溫度，并且最典型地，具有從 427。C (800T)到649。C ( 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5(TC到400。C的范圍，且最 典型地，處于從100。C到350。C的范圍。傳熱系統(tǒng)10的一個應(yīng)用實例是其用于加熱包括乙苯的脫氫工藝 原料。在這樣的應(yīng)用中，可將多個單獨的傳熱系統(tǒng)10單元束縛在一起， 以形成管束。管束中的每個傳熱系統(tǒng)IO單元可被設(shè)計成用于處理從大 約800千克/小時(1800磅/小時)至大約1450千克/小時(3200磅/小 時)范圍內(nèi)的原料流率，其中被引進的原料的溫度處于從大約500°C 到600。C的范圍，而由傳熱系統(tǒng)IO提供的原料的溫升處于從大約50。C 到大約15(TC的范圍。對于這種設(shè)計，燃料管12具有處于從大約4.5m (15英尺)至大約12.2m ( 40英尺)范圍內(nèi)的燃料管長度。孔32沿燃 料管12的整個長度以從大約15cm ( 0.5英尺)至大約61cm ( 2英尺) 范圍內(nèi)的間距彼此隔開，從而沿燃料管的長度提供少至7或8個孔， 多至80個或更多個孔。這些孔在各個徑向平面中的方位還可為0。、 120°和240。。孑L 32的直徑可處于從大約0.7mm (0.03英寸)至大約 5.1mm (0.2英寸)的范圍。優(yōu)選的燃料包括從由氫、曱烷、乙烷、丙 烷及其混合物組成的群中選出的那些燃料。燃料以處于從大約0.14m3/ 分鐘[5scfm (標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/分鐘)]至大約1.1m"分鐘(40scfm ) 范圍內(nèi)的燃料流率經(jīng)由燃料入口端20被引進到燃料引進區(qū)26中。一
種優(yōu)選的氧化劑為空氣，空氣以從大約04m"分鐘(lSscfm)至大約 4.2m"分鐘(150scfm)范圍內(nèi)的流率經(jīng)由氧化劑引進管入口端42被 引進到氧化劑引進區(qū)40中。
權(quán)利要求
1、一種工藝系統(tǒng)，包括一燃料管，所述燃料管具有一燃料管長度和一燃料管管壁，所述長度和管壁限定一燃料引進區(qū)，其中所述燃料管包括一遠端和一燃料入口端，所述燃料入口端用于將燃料引入到所述燃料引進區(qū)中，且其中沿著所述燃料管長度并貫穿所述管壁有多個彼此隔開的孔；一反應(yīng)管，所述反應(yīng)管具有一反應(yīng)管長度，且位于所述燃料管之外并圍繞著所述燃料管，從而沿所述燃料管長度限定一燃燒區(qū)，其中所述反應(yīng)管具有用于將已預(yù)熱的氧化劑接收到所述燃燒區(qū)中的反應(yīng)管入口端和用于將燃燒廢氣從所述燃燒區(qū)排出的排泄端，且其中所述多個彼此隔開的孔提供了所述燃料引進區(qū)與所述燃燒區(qū)之間的流體連通；一氧化劑引進管，所述氧化劑引進管具有一氧化劑引進管長度，且位于所述反應(yīng)管之外并圍繞著所述反應(yīng)管，從而沿所述反應(yīng)管長度限定一氧化劑引進區(qū)，其中所述氧化劑引進管具有氧化劑引進管入口端和氧化劑引進管出口端，所述氧化劑引進管入口端用于將氧化劑引進到所述氧化劑引進區(qū)中，所述氧化劑引進管出口端用于將所述已預(yù)熱的氧化劑從所述氧化劑引進區(qū)經(jīng)由所述氧化劑引進管出口端排出到所述燃燒區(qū)，所述氧化劑引進管出口端與所述反應(yīng)管入口端流體連通，且其中所述氧化劑引進區(qū)與所述燃燒區(qū)處于換熱關(guān)系；以及一工藝管，所述工藝管位于所述氧化劑引進管之外并圍繞著所述氧化劑引進管，從而沿所述氧化劑引進管的所述氧化劑引進管長度限定一工藝流體區(qū)，其中所述工藝管具有用于將工藝流體引進到所述工藝流體區(qū)中的工藝流體入口端和用于將已被加熱的工藝流體從所述工藝流體區(qū)排出的工藝流體出口端，且其中所述工藝流體區(qū)與所述燃燒區(qū)處于換熱關(guān)系。
2、如權(quán)利要求1所述的工藝系統(tǒng)，其中所述多個間隔開的孔中的 所述孔沿著所述燃料管長度間隔，并確定尺寸，從而在所述燃燒區(qū)之 內(nèi)將所述燃料的增量引入到所述已預(yù)熱的氧化劑中，以致當(dāng)所述燃料 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，從而發(fā) 生不受混合速率限制的燃燒。
3、 如權(quán)利要求l-2任意一項所述的工藝系統(tǒng)，其中所述氧化劑引 進區(qū)與所述燃燒區(qū)之間的換熱關(guān)系為所述氧化劑提供加熱，以產(chǎn)生所 述已預(yù)熱的氧化劑。
4、 如權(quán)利要求l-3任意一項所述的工藝系統(tǒng)，其中所述工藝流體 區(qū)與所述燃燒區(qū)之間的換熱關(guān)系為所述工藝流體提供加熱，以產(chǎn)生所 述已^皮加熱的工藝流體。
5、 如權(quán)利要求l-4任意一項所述的工藝系統(tǒng)，其中所述氧化劑引 進區(qū)與所述燃燒區(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，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)，其中所述氧化劑引 進區(qū)的特征還在于氧化劑引進區(qū)幾何形狀，其中所述燃料引進區(qū)的特 征還在于燃料引進區(qū)幾何形狀，其中所述燃料引進區(qū)幾何形狀和所述 氧化劑引進區(qū)幾何形狀應(yīng)當(dāng)如此，以便提供燃料的速度和已預(yù)熱氧化 劑的速度，所述兩速度防止了所述燃燒過程中火焰的形成。
7、 一種四管直接加熱系統(tǒng)，用于燃料的燃燒和工藝流體的直接加 熱，所述系統(tǒng)包括呈同心關(guān)系的燃料引進區(qū)、燃燒區(qū)、氧化劑引進區(qū)和工藝流體區(qū)， 其中所述燃料引進區(qū)由燃料引進裝置限定，所述燃料引進裝置用于將 燃料引進到所述燃燒區(qū)中，所述燃燒區(qū)由一反應(yīng)管限定，所述反應(yīng)管 位于所述燃料引進裝置之外并圍繞著所述燃料引進裝置，且其中所述 氧化劑引進區(qū)由一氧化劑引進管限定，所述氧化劑引進管位于所述反 應(yīng)管之外并圍繞著所述反應(yīng)管，且其中所述工藝流體區(qū)由一工藝管限 定，所述工藝管位于所述氧化劑管之外并圍繞著所述氧化劑管。
8、 如權(quán)利要求7所述的四管直接加熱系統(tǒng)，其中所述燃料引進裝 置包括一燃料管，所述燃料管具有一燃料管長度和一燃料管管壁，所述長度和管壁限定一燃料引進區(qū)，其中所述燃料管包括一遠端和一燃 料入口端，所述燃料入口端用于將燃料引入到所述燃料引進區(qū)中，且 其中沿著所述燃料管長度并貫穿所述管壁有多個彼此隔開的孔，這些 孔提供了所述燃料引進區(qū)與所述燃燒區(qū)之間的流體連通。
9、 如權(quán)利要求7-8所述的四管直接加熱系統(tǒng)，其中所述反應(yīng)管包 括一反應(yīng)管長度、 一用于將已預(yù)熱的氧化劑接收到所述燃燒區(qū)中的反 應(yīng)管入口端以及一用于將燃燒廢氣從所述燃燒區(qū)排出的排泄端。
10、 如權(quán)利要求7-9所述的四管直接加熱系統(tǒng)，其中所述氧化劑 引進管包括一氧化劑引進管長度、 一氧化劑引進管入口端以及一氧化 劑引進管出口端，所述氧化劑引進管入口端用于將氧化劑引進到所述 氧化劑引進區(qū)中，所述氧化劑引進管出口端用于將所述已預(yù)熱的氧化 劑從所述氧化劑引進區(qū)經(jīng)由所述氧化劑引進管出口端排出到所述燃燒 區(qū)，所述氧化劑引進管出口端與所述反應(yīng)管入口端流體連通，且其中 所述氧化劑引進區(qū)與所述燃燒區(qū)處于換熱關(guān)系。
11、 如權(quán)利要求7-10所述的四管直接加熱系統(tǒng)，其中所述工藝管 包括用于將工藝流體引進到所述工藝流體區(qū)中的工藝流體入口端和用 于將已被加熱的工藝流體從所述工藝流體區(qū)排出的工藝流體出口端， 且其中所述工藝流體區(qū)與所述燃燒區(qū)處于換熱關(guān)系。
12、 一種方法，包括以下步驟將燃料引進到一燃料管中，所述燃料管具有一燃料管長度和一燃 料管管壁，所述長度和管壁限定一燃料引進區(qū)，其中所述燃料管包括 一遠端和一燃料入口端，所述燃料入口端用于將燃料引入到所述燃料 引進區(qū)中，且其中沿著所述燃料管長度并貫穿所述管壁有多個彼此隔 開的孔；將已預(yù)熱的氧化劑引進到一反應(yīng)管中，所述反應(yīng)管具有一反應(yīng)管 長度，且位于所述燃料管之外并圍繞著所述燃料管，從而沿所述燃料 管長度限定一燃燒區(qū)，其中所述反應(yīng)管具有用于將所述已預(yù)熱的氧化 劑接收到所述燃燒區(qū)中的反應(yīng)管入口和用于將燃燒廢氣從所述燃燒區(qū) 排出的排泄端，且其中所述多個彼此隔開的孔提供了所述燃料引進區(qū)與所述燃燒區(qū)之間的流體連通；將氧化劑引進到一氧化劑引進管中，所述氧化劑引進管具有一氧化劑引進管長度，且位于所述反應(yīng)管之外并圍繞著所述反應(yīng)管，從而沿所述反應(yīng)管長度限定一 氧化劑引進區(qū)，其中所述氧化劑引進管具有氧化劑引進管入口端和氧化劑引進管出口端，所述氧化劑引進管入口端用于將氧化劑引進到所述氧化劑引進區(qū)中，所述氧化劑引進管出口端用于將所述已預(yù)熱的氧化劑從所述氧化劑引進區(qū)經(jīng)由所述氧化劑引 進管出口端排出到所述燃燒區(qū)，所述氧化劑引進管出口端與所述反應(yīng)管入口端流體連通，且其中所述氧化劑引進區(qū)與所述燃燒區(qū)處于換熱關(guān)系；將工藝流體引進到一工藝管中，所述工藝管位于所述氧化劑引進 管之外并圍繞著所述氧化劑引進管，從而沿所述氧化劑引進管限定一 工藝流體區(qū)，其中所述工藝管具有用于將工藝流體引進到所述工藝流 體區(qū)中的工藝流體入口端和用于將已被加熱的工藝流體從所述工藝流 體區(qū)排出的工藝流體出口端，且其中所述工藝流體區(qū)與所述燃燒區(qū)處 于換熱關(guān)系；從所述工藝流體區(qū)排出所述已被加熱的工藝流體；并 從所述燃燒區(qū)排出所述燃燒廢氣。
全文摘要
一種四管加熱系統(tǒng)，用于燃料的燃燒，并將由此釋放的熱量傳遞到一工藝流體。所述加熱系統(tǒng)包括一燃料引進區(qū)、一燃燒區(qū)、一氧化劑引進區(qū)和一工藝流體區(qū)，其中所述燃料引進區(qū)由燃料引進裝置限定，所述燃料引進裝置用于將燃料引進到所述燃燒區(qū)中，所述燃燒區(qū)由一反應(yīng)管限定，所述反應(yīng)管位于所述燃料引進裝置之外并圍繞著所述燃料引進裝置，且其中所述氧化劑引進區(qū)由一氧化劑引進管限定，所述氧化劑引進管位于所述反應(yīng)管之外并圍繞著所述反應(yīng)管，且其中所述工藝流體區(qū)由一工藝管來限定，所述工藝管位于所述氧化劑管之外并圍繞著所述氧化劑管。
文檔編號F23C99/00GK101163917SQ200680013692
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