專利名稱：無焰燃燒室過程加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于改進(jìn)了的傳熱控制的高溫反應(yīng)中的過程加熱器。
高溫反應(yīng)，特別是吸熱反應(yīng)，例如以蒸汽和碳?xì)浠衔镞M(jìn)行蒸汽甲烷重整形成氫的反應(yīng)和產(chǎn)生稀烴的碳?xì)浠衔锏母邷胤纸夥磻?yīng)一般發(fā)生在直接通過火焰向爐管外側(cè)輻射熱并將熱傳給管子內(nèi)部反應(yīng)物的爐子中。由于加熱所需要的高溫、高熱流量以及相對(duì)較低的爐子成本，一般直接火焰加熱是有效的。但是在火焰爐中維持均勻的傳熱較困難。由此，爐管必須在一個(gè)平均管壁溫度下使用，由于管壁溫度是變化的，該平均溫度應(yīng)略低于管壁所允許的最高溫度。因測量這些溫度較困難，溫度變化更復(fù)雜。由于在較熱部分管側(cè)壁上的焦碳通常很迅速地生成，控制最高溫度是很重要的。較厚的焦碳層增加傳熱阻力，并使較熱的部分變得更熱。如果不進(jìn)行檢測和補(bǔ)償，則會(huì)產(chǎn)生滾雪球式的迅速增長并導(dǎo)致管子損壞。一般的補(bǔ)償是在較熱部分的附近少點(diǎn)燃一個(gè)或幾個(gè)燃燒器。減少了點(diǎn)火的燃燒器就降低了較熱部分周圍的傳熱，但這對(duì)加熱器的性能是有害的。
由于物理特性的約束，火焰爐內(nèi)管子的長度一般是受限制的。為了均勻地向管子分布輻射熱，在一些甲烷蒸汽重整爐中具有多種水平的燃燒器，但即使具有多種水平的燃燒器，由于在爐子中提供氣流量變化的燃料和空氣流較困難，因此所提供的各燃燒器間的垂直距離是受限制的。這樣，當(dāng)在爐子內(nèi)設(shè)計(jì)長流道時(shí)，數(shù)個(gè)通道一般在爐子中有數(shù)個(gè)肘部。由于流動(dòng)和溫度的不均勻以及沿內(nèi)部半徑可能的腐蝕，這些肘部通常會(huì)出現(xiàn)問題。
產(chǎn)生熱的燃料燃燒在燃燒中由于在升高的溫度時(shí)暴露氮、氧和自由基，則自然產(chǎn)生氮氧化物(NOX)。在一些情況下，限制NOX的排放，需要使用像選擇性催化減低NOX(DeNox)系統(tǒng)那樣的燃燒氣處理那樣的價(jià)格昂貴的手段。通過控制溫度降低NOX的燃燒器系統(tǒng)是可以利用的，但是控制燃燒溫度較困難，即使在理想的條件下也會(huì)產(chǎn)生一定量的NOX。
一般的火焰過程加熱器的另一個(gè)問題是加熱器的輻射部分受到限制。特別是在不預(yù)熱燃燒用空氣時(shí)，相當(dāng)大量的燃燒燃料被用于將燃燒用空氣加熱到火焰溫度。即使在預(yù)熱燃燒用空氣時(shí)，一般燃燒用空氣的預(yù)熱不會(huì)使該空氣的溫度接近火焰的溫度。這樣，相當(dāng)大的輻射部分的功效會(huì)用于更有效地預(yù)熱燃燒用空氣，此外，由于更多的預(yù)熱能夠使燃料形成焦碳，因此一般不預(yù)熱燃料。
人們已經(jīng)建議了許多應(yīng)用在直接燃燒的火焰爐中的方法。例如提出了向高溫分解爐內(nèi)送入添加劑，包括美國專利第5567305號(hào)和5330970號(hào)。這種成分被認(rèn)為可縮小和推遲焦碳形成的時(shí)間，但不限制焦碳的形成。
爐管的陶瓷涂層和預(yù)處理也已經(jīng)被建議來有效地減少焦碳的形成，例如，美國專利5600051號(hào)5463159號(hào)5446229號(hào)和5424095號(hào)。但這種類似于對(duì)給料的處理只在一定程度上起作用。
間接加熱和電加熱也已經(jīng)被提出了，例如在美國專利第5559510號(hào)、5554347號(hào)、5536488號(hào)、5321191號(hào)和5306481號(hào)中將更均勻的熱流量提供給這種反應(yīng)的方法。這些方法避免了火焰爐的缺點(diǎn)，但與火焰爐加熱器相比使附加成本和/或操作成本增加。
一般來說，這種重整碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生氫和碳氧化物、通過高溫分解碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生烯烴產(chǎn)品和苯乙烯產(chǎn)品的反應(yīng)的生產(chǎn)能力靠增加溫度來提高。因此，一般在這種提高了的溫度下運(yùn)行是理想的。這些溫度一般受到較經(jīng)濟(jì)的材料的冶金極限和向管子傳熱的密度的限制。
此外，作為熱源的無焰氧化也在美國專利第5255742號(hào)中介紹了。
提供一種更接近其冶金極限的過程加熱器是令人滿意的。而提供這種不需昂貴價(jià)錢和運(yùn)行成本并具有較高的熱效率的加熱器則更令人滿意。提供所產(chǎn)生的NOX大大降低的過程加熱器也會(huì)令人滿意。而提供一種可控制的方式將熱供給過程的過程加熱器也是很令人滿意的。由此，本發(fā)明的目的包括實(shí)現(xiàn)這些效果，本發(fā)明的其它目的在下面的說明中將更清楚。
通過一種過程加熱器可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，該過程加熱器包括一個(gè)氧化反應(yīng)室，該氧化反應(yīng)室具有一個(gè)氧化劑入口、一個(gè)燃燒產(chǎn)物出口以及一個(gè)入口與出口之間的流動(dòng)通道；一個(gè)能夠向氧化反應(yīng)室中的多個(gè)噴嘴傳送燃料混合物的燃料管，其中每個(gè)噴嘴是沿著入口和出口之間的流動(dòng)通道布置的，每個(gè)噴嘴將燃料管和氧化室內(nèi)部連通；一個(gè)連通氧化室入口的預(yù)熱器，該預(yù)熱器能夠提高氧化劑的溫度，使其溫度達(dá)到氧化劑與靠近氧化室入口的燃料噴嘴所噴出的燃料混合的溫度高于氧化劑與靠近氧化室入口的燃料噴嘴所噴出的燃料混合的自動(dòng)點(diǎn)火溫度；以及一個(gè)與氧化室進(jìn)行熱交換的過程室，其中來自氧化部分的傳熱不使鄰近每個(gè)燃料噴嘴的氧化反應(yīng)室內(nèi)的混合物溫度低于鄰近燃料噴嘴的氧化室內(nèi)的混合物的點(diǎn)火溫度。
本發(fā)明分散式的燃燒過程加熱器能夠用于從一具有均勻溫度和很少量NOX的熱源向一過程室供入一可控制的熱流量。均勻的溫度能夠在不超過最大溫度的情況下提高平均溫度，也能夠降低材料成本。


圖1示出了本發(fā)明加熱器的局部剖視圖。
圖2-9是本發(fā)明其它變化加熱器的簡圖。
本發(fā)明去除了傳統(tǒng)過程加熱器的火焰室，并在控制的溫度水平提供均勻的熱流量。例如，該火焰室由同心的管子代替，這些管子可以是螺旋的或直的。燃料與氧化劑在幾個(gè)步驟中并在燃料氧化但不產(chǎn)生火焰的溫度下進(jìn)行混合，這樣去除了作為高溫輻射源的火焰并用流動(dòng)的高溫氣體流代替了火焰。在一個(gè)吸熱過程中，這種方法能夠在冶金特性約束下得到較高的溫度，這樣得到了許多改善了轉(zhuǎn)化方式、選擇性和/或產(chǎn)量的過程并減少了副產(chǎn)品的產(chǎn)生。消除不規(guī)則的溫度也減小了由于局部熱點(diǎn)而產(chǎn)生的管子損壞的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)本發(fā)明，無焰燃燒的輻射效率也可較高，以便消耗較低的能量。
本發(fā)明的無焰燃燒也避免了火焰內(nèi)部的高溫和火焰中存在的原子團(tuán)。這樣在本質(zhì)上減少了NOX組分的形成。本發(fā)明所產(chǎn)生的NOX約不足傳統(tǒng)火焰加熱器NOX的百分之一，并不足以絲網(wǎng)穩(wěn)定火焰的加熱器所產(chǎn)生的NOX的百分之十。
在一些吸熱過程中，為了再加熱完成反應(yīng)的反應(yīng)物，使其達(dá)到理想的水平，需要多個(gè)加熱步驟的加熱器。本發(fā)明能夠應(yīng)用于通過連續(xù)加熱進(jìn)行反應(yīng)的過程中，在該過程中有一個(gè)單一的反應(yīng)過程，并且這個(gè)過程是在控制溫度分布的狀態(tài)下進(jìn)行的。它的優(yōu)點(diǎn)在于能夠顯著地減小所需的滯留時(shí)間，降低系統(tǒng)的壓降和/或最大溫度。
本發(fā)明在大約900-1100℃的溫度水平下無焰燃燒燃料氣體的加熱器可以應(yīng)用高溫合金來制造，例如，瓦斯帕洛伊變形鎳基耐熱合金(WASPALLOY)、鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金601(INCONEL601)、鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金617(INCONEL617)、耐熱鎳鉻鐵合金800HT(INCOLOY800HT)、耐鹽酸鎳基合金235(HASTELLOY235)、龍尼梅特500(UNIMET500)和耐熱鎳鉻鐵合金DS(INCOLOY DS)(WASPLLOY，INCONEL，INCOLOY，HASTELLOY，UNIMET和INCOLOY DS是商品名稱)。在較高的溫度下可以并且最好使用陶瓷材料。如果使用內(nèi)部偏流器限制暴露的外部導(dǎo)管的溫度，也可以應(yīng)用較便宜的金屬。在大約900-1400℃的溫度下具有可接受強(qiáng)度的陶瓷一般為高鋁成分的陶瓷.其它可能應(yīng)用的陶瓷是氧化鉻、氧化鋯和氧化鎂基陶瓷。National Refractories和MineralsInc.，Mexico Missouri，和Alcoa，AlcoaCenter，Penn.提供這樣的陶瓷。
一般是通過將燃燒空氣與燃料氣體預(yù)熱至這兩股氣流混合時(shí)其混合物的溫度超過該混合物自動(dòng)點(diǎn)火溫度來完成無焰燃燒的，但小于導(dǎo)致通過混合速率來限制混合中的氧化的溫度。另外，燃料噴嘴和氧化室被設(shè)計(jì)成燃料和空氣的速度足夠高以便能夠吹出任何穩(wěn)定的火焰。避免在循環(huán)和低速區(qū)的火焰接觸燃料噴嘴。將兩股氣流預(yù)熱到850-1400℃并以相對(duì)小的增量將燃料氣體混入燃燒用空氣能夠進(jìn)行無焰燃燒。在燃料燃燒中燃料氣體與助燃?xì)怏w的混合增量最好使助燃?xì)怏w流的溫度升高20-100℃。
在大多數(shù)情況下，最好通過使過程流實(shí)現(xiàn)較均勻的溫度分布來消除加熱用燃料的混合增量，但這對(duì)本發(fā)明來說并不是必須的。例如，具有一個(gè)增加的或降低的溫度分布是較理想的。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可以將溫度分布或熱流量控制在理想的范圍內(nèi)。在一個(gè)放熱過程中，本發(fā)明可以被用來提供一種比絕熱曲線增加更快的溫度分布曲線。
盡管本發(fā)明更適用于在吸熱反應(yīng)中維持一個(gè)恒定的溫度分布，但不必發(fā)生反應(yīng)。例如，熱可以用來產(chǎn)生如將水蒸發(fā)為上升的蒸氣的相變，或制造玻璃。過程室會(huì)含有氣相過程流、液相流和/或固相流。
參照?qǐng)D1，該圖為本發(fā)明加熱器的局部剖視圖。它示出了具有一個(gè)入口2和一個(gè)出口3的氧化反應(yīng)室1。在入口和出口之間，流道4以與過程室8進(jìn)行熱交換的方式設(shè)置。燃料管5為沿流道4的長度隔開設(shè)置的噴嘴6提供傳送燃料的管道。噴嘴被隔開設(shè)置，因此燃料以一定的速率送入氧化反應(yīng)室，這樣經(jīng)過每個(gè)噴嘴的燃料流不會(huì)因燃料與流過氧化室通道的氧化流混合而產(chǎn)生火焰。不與明亮的火焰一起燃燒的燃料將以比較均勻的方式與通過氧化室空間的氧化劑反應(yīng)。圖中示出了四組噴嘴，但根據(jù)過程室所需的熱流量可設(shè)置任意數(shù)量的噴嘴。各噴嘴之間氧化室的體積最好使其有足夠的混合延遲時(shí)間，以便在更多的燃料進(jìn)入之前使絕大部分經(jīng)過噴嘴的燃料氧化。
過程室8與氧化反應(yīng)室1進(jìn)行熱交換。過程流通過進(jìn)口11進(jìn)入過程室并從出口12流出。圖中示出了一個(gè)水冷熱交換器10，它用于冷卻從過程室流出的過程流。通過水冷熱交換器加熱的流體從水冷入口14進(jìn)入，通過水冷出口13排出。被水冷加熱器加熱的流體可以是如被加熱和/或蒸發(fā)的插入的過程流體、鍋爐給水。在一些過程中，例如形成稀烴的碳?xì)浠衔锏母邷胤纸膺^程，希望迅速冷卻以減少副產(chǎn)品的形成。
焦碳抑制劑可以通過如所示的抑制管線9那樣的抑制劑噴射系統(tǒng)加入到燃料中。該抑制劑噴射管線包括一個(gè)控制閥和一個(gè)控制抑制劑與燃料流比例的控制系統(tǒng)。
燃料管包括沿著氧化反應(yīng)室的長度布置的多個(gè)噴嘴6(圖中示出四個(gè))。噴嘴連通氧化反應(yīng)室和燃料管。多個(gè)噴嘴用于在氧化反應(yīng)室中均勻釋放熱。噴嘴的大小使過程室中的溫度分布適宜。一般希望得到幾乎均勻的溫度分布，因?yàn)樗軌蚪档徒o定熱流量的最大溫度。由于建造裝置的材料決定了最大溫度，對(duì)于相同的建造材料來說，均勻的溫度分布將增加釋放熱的可能。噴嘴的數(shù)量只受所使用的噴嘴的尺寸限制。如果使用更多的噴嘴，一般來說噴嘴必須尺寸較小。較小的噴嘴比起較大的噴嘴更容易安裝。噴嘴的數(shù)量可在溫度分布平均值和安裝可能性之間選擇。
所示的過程室和氧化室存在順流，但可以為逆流，或者以一種兩者結(jié)合的方式流動(dòng)，例如氧化室是一種U形管結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可能對(duì)處理管道熱膨脹不同的現(xiàn)象較理想。
根據(jù)特定的過程，可以向過程室供給催化劑。
所示的預(yù)熱器7加熱氧化劑流，將該氧化劑的溫度加熱到一定的溫度，在該溫度下足以將氧化劑流與來自第一噴嘴的燃料的混合物加熱產(chǎn)生無焰氧化。例如，該預(yù)熱器可以是一個(gè)燃燒器，在該燃燒器中，燃料與一些氧化劑混合并燃燒來提高氧化劑的溫度，或者氧化劑可以通過與過程室或氧化室的流出物之一或它們兩者進(jìn)行熱交換被預(yù)熱。還可以利用熱交換與燃燒器結(jié)合的方式。
作為一種選擇，通過在一個(gè)氧化劑管中而不是在燃料管內(nèi)提供噴嘴而使氧化劑能夠分級(jí)進(jìn)入燃料中，并且在超過上述混合物的溫度下將氧化劑推入富含燃料的燃料流。
參照?qǐng)D2，該圖為另一實(shí)施例的剖視圖。在這個(gè)實(shí)施例中，過程室8是一些管子，這些管子綁在一起位于絕緣的外殼104內(nèi)。該絕緣殼體不需要是壓力容器，但要減少包含反應(yīng)室的管子的熱損失。燃料管5位于氧化反應(yīng)室1的內(nèi)部，噴嘴6連通這兩個(gè)室。
參照?qǐng)D3，該圖示出了另一個(gè)替代實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，過程室8是一些綁在一起的位于絕緣殼體401中的管子。該絕緣殼體也限定出一個(gè)燃燒室。燃料管5在位于限定過程室的管子之間的絕緣殼體內(nèi)。所示限定過程室的管子和燃料管較緊密地包裹在一起，但由于有必要在所需的壓力降和殼體尺寸之間進(jìn)行選擇，這些管子之間也能夠被隔開。這種可選擇的方法能夠接近殼的外表和具有隔開管子的隔板的換熱器管子，并引導(dǎo)燃燒氣體流來回穿過限定過程室的管子。
也可以向氧化室提供氧化催化劑。該氧化催化劑可放在如鋁那樣的基底上，或者在管壁上做涂層。氧化催化劑對(duì)擴(kuò)大穩(wěn)定地進(jìn)行無焰氧化的有效溫度范圍是有用的。氧化催化劑對(duì)氧化室達(dá)到將發(fā)生非催化氧化反應(yīng)的溫度之前的啟動(dòng)階段也是有用的。此外，催化劑可有效地減小氧化室所需的體積。
除非在燃料流中包含形成碳的抑制劑，為了得到無焰燃燒，對(duì)碳?xì)浠衔锏念A(yù)熱能夠在燃料管中產(chǎn)生很多碳。抑制碳形成的抑制劑可以是二氧化碳、蒸汽、氫或它們的混合物。由于產(chǎn)生氫的成本較高，二氧化碳和蒸汽是最好的。
根據(jù)下面的反應(yīng)式，在升高了的溫度下從甲烷中形成碳(1)這個(gè)反應(yīng)是一種可逆反應(yīng)，且通過逆反應(yīng)氫起抑制碳形成的作用。
通過以下反應(yīng)二氧化碳抑制碳的形成(2)通過以下反應(yīng)蒸汽抑制碳的形成(3)(4)根據(jù)轉(zhuǎn)換氣體反應(yīng)(5)，在升高的溫度下一氧化碳與二氧化碳維持平衡。
當(dāng)燃料基本上是甲烷時(shí)，蒸汽與甲烷大約1∶1的摩爾比將足以抑制在大約1370℃的溫度下形成碳。當(dāng)使用蒸汽作形成碳的抑制劑時(shí)，甲烷與蒸汽的摩爾比最好在大約1∶1至2∶1的范圍內(nèi)。當(dāng)使用二氧化碳作形成碳的抑制劑時(shí)，二氧化碳與甲烷的摩爾比最好在大約1∶1至3∶1的范圍內(nèi)。由于甲烷比起較輕的碳?xì)浠衔锞哂懈叩臒岱€(wěn)定性，燃料最好基本上由甲烷組成。由于抑制劑降低燃燒速率并減少峰值溫度，抑制劑是很有益的。
如果在將燃料加入氧化流之前不顯著地預(yù)熱燃料，或任何預(yù)熱的燃料的停留時(shí)間較短，則可以不需要碳抑制劑。
本發(fā)明加熱器的冷啟動(dòng)可以使用有焰燃燒。最初的點(diǎn)火可以通過產(chǎn)生火花的材料來實(shí)現(xiàn)，如一個(gè)電打火器、一個(gè)火花點(diǎn)火器或臨時(shí)插入一個(gè)點(diǎn)火器。加熱器最好迅速升到一定的溫度，在該溫度下維持無焰燃燒以使有焰燃燒的時(shí)間周期最小。通常加熱器所能允許的熱梯度限制加熱器的升溫速率。
一般在混合不限制氧化劑流和燃料之間的反應(yīng)且混合流的溫度高于該混合流的自動(dòng)點(diǎn)火溫度時(shí)，形成無焰燃燒。通過避免混合點(diǎn)的高溫和將較小的燃料增量混入氧化劑中來實(shí)現(xiàn)這種燃燒。由于在未燃燒的燃料和燃燒產(chǎn)物之間存在一個(gè)明亮的分界面，火焰的存在是顯然的。為了避免火焰的形成，燃料和氧化劑最好在混合前加熱到大約815-1370℃。燃料最好以較小的增量與氧化劑流混合，以便能夠更迅速地混合。例如，可以以一定的增量加入足夠的燃料來燃燒，將氣體流的溫度提高20-100℃。
可使用本發(fā)明加熱器的工藝一般包括(但不僅限于此)蒸汽甲烷重整、烯烴生產(chǎn)、苯乙烯生產(chǎn)、氨生產(chǎn)、環(huán)已胺生產(chǎn)、碳?xì)浠衔锎呋瘎┑闹卣?，烯丙基或乙稀基氯化物制造、蒸餾過程中液體的再沸騰、活性蒸餾中再沸騰或溫度分布的控制。
參照附圖4，過程室位于限定燃燒室1的燃燒室管中，并且限定燃燒室1的管子在一個(gè)更大的管子中，燃料在大管子內(nèi)和限定氧化室的一些管子外流動(dòng)。燃料噴嘴6位于將燃料與氧化室分開的管子內(nèi)，燃料通過噴嘴流入氧化噴嘴。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于只有一個(gè)較大的管子接納燃料流。
參照附圖5，該圖示出了另一種結(jié)構(gòu)，而不是同心的管子的燃料管5和限定過程室8的管子位于限定氧化室1的管子內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)便利地為燃燒氣體提供了一個(gè)較大的橫截面積。最理想的是減少燃燒氣體的壓縮成本，且通過該較大直徑的管子以及其內(nèi)最低的壓力降低管子的成本。
參照附圖6，該圖示出了類似于圖5的另一種結(jié)構(gòu)，其差別在于所示的燃料管位于限定燃燒室1的管子的外部。噴嘴6是燃料管5與限定燃燒室1的管子之間的管狀連接。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于可更容易地控制燃料的溫度，并且消除了對(duì)抑制焦碳形成的添加劑的需求。
參照附圖7，該圖示出了一種類似于圖5的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有附加的特征，即燃燒室流被分開，氧化室2的入口接近于氧化室8長度的中間。來自入口的流被分開流向各自的方向。由于燃燒室流道的長度，這種分隔的氧化室允許有較長的過程室通道，并且將氧化室中的氣流減少了一半。這樣，通過大約八個(gè)類似于燃燒通道尺寸的因素來減低壓力降。由于過程的經(jīng)濟(jì)成本的壓縮的重要性，這種結(jié)構(gòu)是很有益的。這種變化可能對(duì)具有一個(gè)較長的直的流道是理想的。作為另一種變化，如圖6所示，燃料管可以位于氧化室的外部。
參照附圖8，該圖示出了另一種分開了的氧化流的實(shí)施例。此種變化在管線內(nèi)部有氧化劑，并且入口以T形分成各自方向的流道。
參照附圖9，該圖示出了一種利用一個(gè)具有矩形橫截面的氧化室的本發(fā)明的實(shí)施例。該過程室是位于箱體中的管件。該矩形的氧化室可方便地制造得較大，足以含有許多過程室8。該過程室的管子可以是全部并聯(lián)或串聯(lián)流動(dòng)的管子，或者是并聯(lián)與串聯(lián)結(jié)合的管子。圖中只示出了一層管子，也可設(shè)置成多層管子。當(dāng)氣流至少以部分串聯(lián)的形式流動(dòng)時(shí)，在一端設(shè)置入口和出口是理想的，由此減少了管子熱膨脹帶來的問題。
也可使用另一種結(jié)構(gòu)的換熱器，在此作為一種參考，如美國專利第4029146號(hào)中公開的波紋板換熱器。對(duì)波紋板換熱器，或者可以將燃料管插入適宜燃料分布的氧化流空間中，或者為位于燃料流與氧化劑流之間的空間中的噴嘴提供第三組流體流。
氧化室可以是垂直的、水平的或傾斜的，而且在過程加熱器含有一個(gè)固定催化床時(shí)，該室最好是垂直的。
本發(fā)明的過程加熱器能夠用在苯乙烯生產(chǎn)中，該生產(chǎn)過程室通過在催化劑作用下乙烷基苯-乙烯基苯(苯乙烯)的脫氫來進(jìn)行的，例如一種氧化鐵-氧化鉀促進(jìn)催化劑。例如，脫氫能夠在550-680℃、大約20Kpa(3Psia)-140Kpa(20Psia)的壓力下進(jìn)行。將蒸汽加入乙烷基苯原料來減少碳?xì)浠衔锏木植繅毫?由此提高產(chǎn)品的平衡比率)，并作為一個(gè)熱接受器以減小由于吸熱反應(yīng)引起的溫度增加。大多數(shù)催化劑需要蒸汽與碳?xì)浠衔锏哪柋却蠹s為7比10。對(duì)液體燃料來說，液體每小時(shí)的空間速度一般在大約0.4-0.5小時(shí)-1(hour-1)。由于產(chǎn)量和催化劑的穩(wěn)定性，希望壓力較低，但是較高的壓力減少了壓縮產(chǎn)品的成本(包括壓縮設(shè)備的成本)。這是一種吸熱反應(yīng)，且最好完成一種近似等溫的反應(yīng)。溫度增加時(shí)形成所不希望的副產(chǎn)品(包括焦碳)的比例增加，溫度降低時(shí)產(chǎn)量也降低。這樣，希望在近似等溫的條件下進(jìn)行脫氫過程。所認(rèn)識(shí)到的提供更均勻的溫度所帶來的好處是在較高產(chǎn)出的操作下減少蒸汽的使用、增加產(chǎn)量和選擇性、減少焦碳的形成和/或增加操作壓力。盡管最佳實(shí)施例是將本發(fā)明作為一種加熱器，該加熱器在通過無焰燃燒加熱的過程室的至少一部分中存在脫氫催化劑，但本發(fā)明能夠在乙烯基苯-苯乙烯脫氫的應(yīng)用中或作為一種加熱器，或作為一種加熱器前的加熱裝置。
作為一種蒸汽重整爐，本發(fā)明利用催化過程室將碳?xì)浠衔锖驼羝D(zhuǎn)化為氫、一氧化碳和二氧化碳。這是一種高吸熱反應(yīng)，該反應(yīng)具有有助于使來自碳?xì)浠衔镌现械臍浜鸵谎趸计胶獾妮^高溫度。對(duì)通過蒸汽重整產(chǎn)生氫的反應(yīng)來說，甲烷是最好的原料，但是也可以使用不是甲烷的碳?xì)浠衔?。分子重量越大，形成的焦碳的趨勢越高。這樣，當(dāng)使用如石腦油那樣的原料時(shí)，一般需要蒸汽與碳的比例較高。蒸汽與碳的摩爾比一般大約為3比5，空間速度一般非常高，在5000-8000小時(shí)-1(hour-1)，溫度一般大約為800-870℃，壓力一般大約為2-2.5Mpa(300-350Psia)。較高的溫度有助于氫與甲烷的平衡，并且一般是至少在加熱器出口處氫的純度在其出口不超出25°F的溫度下是處于平衡狀態(tài)。催化劑是鎳基催化劑，并且可以含有鉀以便阻止焦碳的形成。
通過蒸汽重整形成的氫產(chǎn)品能夠通過第二次重整進(jìn)一步處理，例如甲醇或氨。
由于分散燃燒使熱分布均勻，本發(fā)明在蒸汽重整中的應(yīng)用能夠使確定的最大的反應(yīng)室溫度具有較高的平均溫度。這樣，或可以減小蒸汽的比例，或可以加強(qiáng)類似管壁溫度的轉(zhuǎn)化。
當(dāng)將本發(fā)明應(yīng)用于使碳?xì)浠衔餆崃呀鉃橄N產(chǎn)品過程的加熱器時(shí)，能夠使用775-950℃的反應(yīng)溫度以及0.1-0.8秒的滯留時(shí)間。反應(yīng)溫度與特定的碳?xì)浠衔镌虾蜏魰r(shí)間非常相關(guān)。輕原料，例如甲烷能夠在較高的溫度和較高的轉(zhuǎn)化條件下加工。重原料，例如粗柴油，由于形成焦碳和其他所不希望的副產(chǎn)品的趨勢增加，需要較低的溫度。大約0.1-0.15秒的滯留時(shí)間是最好的。將稀釋的蒸汽加入加熱器碳?xì)浠衔锏娜肟趤碜柚菇固嫉某练e，并降低碳?xì)浠衔锏牟糠謮毫?。冷卻可以使反應(yīng)室直接與如柴油接觸的方式，或者以間接進(jìn)行熱交換的方式進(jìn)行。由于可以在更有益的水平下轉(zhuǎn)換能量，最好進(jìn)行間接冷卻。
本發(fā)明可用于如蒸餾塔再沸騰器或真空閃蒸蒸餾給料加熱器。這些操作經(jīng)常包括將碳?xì)浠衔锛訜岬节呌谛纬山固嫉臉O限溫度，并且本發(fā)明更均勻地向碳?xì)浠衔锪鱾鳠?，這樣降低了加熱器內(nèi)碳?xì)浠衔锏淖罡邷囟?。此外還具有減少NOX產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種過程加熱器，包括一個(gè)氧化反應(yīng)室，該氧化室具有一個(gè)氧化劑入口，一個(gè)燃燒產(chǎn)物出口，以及一個(gè)位于入口與出口之間的流道；一個(gè)能夠?qū)⑷剂匣旌衔镙斔徒o氧化室中的多個(gè)燃料噴嘴的燃料管，其中每個(gè)噴嘴將燃料管和氧化室內(nèi)部連通起來，并且每個(gè)噴嘴是沿著入口和出口之間的流道設(shè)置的；一個(gè)與氧化室入口相通的預(yù)熱器，該預(yù)熱器能夠提高氧化劑的溫度，使來自靠近氧化室入口的燃料噴嘴處的燃料與氧化劑混合物的溫度高于此處來自噴嘴的燃料與氧化劑混合的自動(dòng)點(diǎn)火溫度；以及一個(gè)與氧化室進(jìn)行熱交換的過程室，其中來自氧化部分的熱不會(huì)使于各個(gè)燃料噴嘴附近的氧化反應(yīng)室內(nèi)的混合物的溫度低于該燃料附近的氧化室中所混合的混合物的自動(dòng)點(diǎn)火溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的過程加熱器，還包括一個(gè)焦碳抑制劑噴射系統(tǒng)，該焦碳抑制劑噴射系統(tǒng)與燃料供給管相通，其中焦碳抑制劑供給量能夠在燃料管操作溫度下有效地抑制焦碳的形成。
3.如權(quán)利要求1所述的過程加熱器，其特征在于，燃料管是基本上位于氧化反應(yīng)室內(nèi)部中央的圓管。
4.如權(quán)利要求3所述的過程加熱器，其特征在于，氧化反應(yīng)室基本上位于過程室內(nèi)部中央。
5.如權(quán)利要求1所述的過程加熱器，其特征在于，過程室是一個(gè)用于稀烴產(chǎn)品的高溫分解反應(yīng)室。
6.如權(quán)利要求1所述的過程加熱器，其特征在于，過程室有效地作為一個(gè)蒸汽甲烷重整反應(yīng)室。
7.如權(quán)利要求1所述的過程加熱器，其特征在于，過程加熱器是一個(gè)乙烷基苯脫氫加熱器。
8.一種向過程反應(yīng)提供熱量的方法，該方法包括下述步驟提供一種燃料；以一定的量向燃料中加入焦碳抑制劑，在加熱器操作溫度下，該加入量可有效地抑制焦碳的形成；設(shè)置一氧化反應(yīng)室，該氧化反應(yīng)室具有一個(gè)氧化劑入口，一個(gè)燃燒產(chǎn)物出口，以及一個(gè)位于入口與出口之間的流道；將燃料混合物輸送給氧化室中的多個(gè)燃料噴嘴，每個(gè)噴嘴是沿著入口與出口之間的流道設(shè)置的；將氧化劑預(yù)熱，使氧化劑與來自靠近氧化室入口的燃料噴嘴的燃料的混合溫度高于此處氧化劑與來自噴嘴燃料混合的自動(dòng)點(diǎn)火溫度；以及一個(gè)與氧化反應(yīng)室進(jìn)行熱交換的過程室，其中來自氧化部分的熱不會(huì)使于各個(gè)燃料噴嘴附近的氧化反應(yīng)室內(nèi)的混合物的溫度低于該燃料附近的氧化室中所混合的混合物的自動(dòng)點(diǎn)火溫度。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，過程是一種蒸汽甲烷重整過程。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，過程是一種用于稀烴產(chǎn)品的高溫分解反應(yīng)過程。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，過程是一種乙烷基苯脫氫過程。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，焦碳抑制劑的組分是從包括二氧化碳和蒸汽的組中選擇的。
全文摘要
一種應(yīng)用無焰燃燒的過程加熱器,該過程加熱器包括:一個(gè)氧化反應(yīng)室(8),氧化反應(yīng)室(4)具有一個(gè)氧化劑入口,一個(gè)燃燒產(chǎn)物出口(15),以及一個(gè)位于入口和出口之間的流道;一個(gè)能夠?qū)⑷剂匣旌衔镙斔徒o氧化室(4)內(nèi)的多個(gè)燃料噴嘴的燃料管(5),每個(gè)噴嘴將燃料管與氧化室內(nèi)部連通起來,并且每個(gè)噴嘴是沿著入口和出口之間的流道設(shè)置的;一個(gè)與氧化室入口進(jìn)行熱交換的預(yù)熱器(7),該預(yù)熱器能夠提高氧化劑的溫度,使氧化劑與來自氧化室入口處的燃料噴嘴的燃料混合溫度高于此處氧化劑與來自噴嘴的燃料混合的自動(dòng)點(diǎn)火溫度;以及一個(gè)與氧化室進(jìn)行熱交換的過程室,其中氧化部的傳熱不會(huì)使各個(gè)燃料噴嘴附近的氧化反應(yīng)室中的混合物溫度低于燃料噴嘴附近的氧化室內(nèi)所混合的混合物的自動(dòng)點(diǎn)火溫度。
文檔編號(hào)F23M99/00GK1274414SQ98809982
公開日2000年11月22日 申請(qǐng)日期1998年10月8日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月8日
發(fā)明者托馬斯·米庫斯, 拉施米·K·沙阿 申請(qǐng)人:國際殼牌研究有限公司