Многотрубная система переноса тепла для сжигания топлива и нагревания технологической текучей среды и ее использование
Группа изобретений относится к системе переноса тепла для сжигания топлива и нагревания технологической текучей среды или к использованию системы переноса тепла при беспламенном сжигании топлива для непосредственного нагревания технологической текучей среды и обеспечивает при своем использовании интенсификацию горения с повышением полноты сгорания топлива и непосредственным переносом выделяемого при этом тепла в технологическую текучую среду. Указанный технический результат достигается в четырехтрубной нагревательной системе для сжигания топлива и переноса выделяемого при этом тепла в технологическую текучую среду. Нагревательная система включает зону введения топлива, зону сгорания, зону введения окислителя и зону технологической текучей среды, при этом зона введения топлива образована средством для введения топлива в зону сгорания, которая образована реакционной трубой, которая расположена снаружи средства введения топлива и окружает его, причем зона введения окислителя образована трубой введения окислителя, расположенной снаружи реакционной трубы и окружающей ее, при этом зона технологической текучей среды образована технологической трубой, расположенной снаружи трубы окислителя и окружающей ее. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к системе переноса тепла для сжигания топлива и нагревания технологической текучей среды. Согласно другому варианту изобретения, изобретение относится к использованию системы переноса тепла для беспламенного сжигания топлива для непосредственного нагревания технологической текучей среды, подлежащей использованию в процессе.
В патенте США №4,692,306 раскрыто устройство для каталитической реакции с концентричными трубами, которое включает кольцевую реакционную камеру, которая окружает конвекционную камеру, которая окружает камеру сгорания. Внутри камеры сгорания находится узел горелки, образующий источник излучения тепла для выделения тепла для передачи в реакционную камеру.
В ЕР 0,450,872 В1 раскрыто несколько типов реакционных устройств, одно из которых включает трубу сжигания, которая окружает топливную трубу с перфорациями на расстоянии друг от друга вдоль ее длины. Топливо подается через топливную трубу и ее перфорации в кольцевое пространство между топливной трубой и трубой сжигания, в котором оно смешивается с воздухом и поджигается для выделения тепла, которое используется для нагревания слоя катализатора, который окружает трубу сжигания.
В патенте США №5,255,742 раскрыт способ нагревания подземного пласта с использованием устройства беспламенного сжигания. Устройство включает канал топливного газа, содержащий множество отверстий. Канал топливного газа расположен в центре внутри канала воздуха сгорания с образованием первого кольцевого пространства между каналом топливного газа и каналом воздуха сгорания. Отверстия обеспечивают сообщение по текучей среде между каналом топливного газа и первым кольцевым пространством. Канал воздуха сгорания расположен в центре внутри обсадной трубы скважины с образованием, таким образом, второго кольцевого пространства между каналом воздуха сгорания и обсадной трубой скважины. Топливный газ вводится в первое кольцевое пространство через отверстия канала топливного газа для смешивания с воздухом и сжигания внутри первого кольцевого пространства. Первое кольцевое пространство, образованное каналом воздуха сгорания, сообщается по текучей среде со вторым кольцевым пространством, образованным между каналом воздуха сгорания и обсадной трубой скважины. Такое сообщение по текучей среде обеспечивает путь прохождения газов сгорания для введения во второе кольцевое пространство и прохождения по второму кольцевому пространству до поверхности, что обеспечивает тепло, которое передается в подземный пласт.
В заявке США №2003/0182858 описан способ обеспечения контролируемого тепла для технологической текучей среды посредством использования устройства беспламенного распределенного сгорания. Устройство включает топливный канал, содержащий множество топливных форсунок, распределенных вдоль его длины, и окружающий окислительную камеру. Канал, который окружает топливный канал, образует окислительную камеру. Устройство дополнительно включает технологическую камеру, которая окружает окислительную камеру. Топливные форсунки обеспечивают связь между внутренним пространством топливного канала и окислительной камерой, в которой смешиваются окислитель и топливо и сгорает топливо. Тепло, выделяемое при сгорании, передается в технологическую камеру.
Целью изобретения является обеспечение сжигания топлива и непосредственный перенос выделяемого при этом тепла в технологическую текучую среду.
В соответствии с этим предлагается технологическая система, содержащая концентрично расположенные зону введения топлива, зону сгорания, зону введения окислителя и зону технологической текучей среды, причем зона введения топлива образована средствами введения топлива для введения топлива в зону сгорания, которая образована реакционной трубой, расположенной снаружи средств введения топлива и окружающей их, при этом зона введения окислителя образована трубой окислителя, расположенной снаружи реакционной трубы и окружающей ее, причем зона технологической текучей среды образована технологической трубой, расположенной снаружи трубы окислителя и окружающей ее.
Согласно другому варианту предложена технологическая система, содержащая топливную трубу, имеющую длину и стенку, которые образуют зону введения топлива, при этом топливная труба включает дальний конец и топливный впускной конец для введения топлива в зону введения топлива, причем вдоль длины топливной трубы и через стенку трубы выполнено множество расположенных на расстоянии друг от друга отверстий; реакционную трубу, имеющую длину, которая расположена снаружи топливной трубы и окружает ее, так что образуется камера сгорания вдоль длины топливной трубы, причем реакционная труба имеет впускной конец для приема предварительно нагретого окислителя в зону сгорания и выпускной конец для выпуска газов сгорания из зоны сгорания, при этом множество расположенных на расстоянии друг от друга отверстий обеспечивают сообщение по текучей среде между зоной введения топлива и зоной сгорания; трубу введения окислителя, имеющую длину, которая расположена снаружи реакционной трубы и окружает ее с образованием зоны введения окислителя вдоль длины реакционной трубы, при этом труба введения окислителя имеет впускной конец для введения окислителя в зону введения окислителя и выпускной конец для выпуска предварительно нагретого окислителя из зоны введения окислителя в зону сгорания через выпускной конец трубы введения окислителя, который сообщается по текучей среде с впускным концом реакционной трубы, при этом зона введения окислителя находится в теплообмене с зоной сгорания; и технологическую трубу, которая расположена снаружи трубы введения окислителя и окружает ее с образованием зоны технологической текучей среды вдоль трубы введения окислителя, при этом технологическая труба имеет впускной конец для введения технологической текучей среды в зону технологической текучей среды и выпускной конец для выпуска нагретой технологической текучей среды из зоны технологической текучей среды, причем зона технологической текучей среды находится в теплообмене с зоной сгорания.
Согласно другому варианту настоящего изобретения предложен способ, включающий введение топлива в топливную трубу, имеющую длину и стенку, которые образуют зону введения топлива, при этом топливная труба включает дальний конец и топливный впускной конец для введения топлива в зону введения топлива, причем вдоль длины топливной трубы и через стенку трубы выполнено множество расположенных на расстоянии друг от друга отверстий; введения предварительно нагретого окислителя в реакционную трубу, имеющую длину, которая расположена снаружи топливной трубы и окружает ее, так что образуется камера сгорания вдоль длины топливной трубы, при этом реакционная труба имеет впускной конец для приема предварительно нагретого окислителя в зону сгорания и выпускной конец для выпуска газов сгорания из зоны сгорания, при этом множество расположенных на расстоянии друг от друга отверстий обеспечивают сообщение по текучей среде между зоной введения топлива и зоной сгорания; введения окислителя в трубу введения окислителя, имеющую длину, которая расположена снаружи реакционной трубы и окружает ее с образованием зоны введения окислителя вдоль длины реакционной трубы, причем труба введения окислителя имеет впускной конец для введения окислителя в зону введения окислителя и выпускной конец для выпуска предварительно нагретого окислителя из зоны введения окислителя в зону сгорания через выпускной конец трубы введения окислителя, который сообщается по текучей среде с выпускным концом реакционной трубы, при этом зона введения окислителя находится в теплообмене с указанной зоной сгорания; введения технологической текучей среды в технологическую трубу, которая расположена снаружи трубы введения окислителя и окружает ее с образованием зоны технологической текучей среды вдоль трубы введения окислителя, при этом технологическая труба имеет впускной конец для введения технологической текучей среды в зону технологической текучей среды и выпускной конец для выпуска нагретой технологической текучей среды из зоны технологической текучей среды, причем зона технологической текучей среды находится в теплообмене с зоной сгорания; выпуск нагретой технологической текучей среды из зоны технологической текучей среды и выпуск газов сгорания из зоны сгорания.
Фиг.1 представляет собой разрез элементов системы переноса тепла для сжигания топлива и нагревания технологической текучей среды;
фиг.2 представляет собой разрез варианта выполнения системы переноса тепла для сжигания топлива и нагревания технологической текучей среды.
Изобретение обеспечивает систему переноса тепла или устройство, которое можно использовать в прямом переносе тепловой энергии, выделяемой при сжигании топлива, предпочтительно при беспламенном сжигании, в технологическую текучую среду. Система переноса тепла имеет многие возможные использования и применения, однако, в частности, использование системы непосредственного нагревания, подробное описание которой приводится ниже, может быть наиболее предпочтительным в эндотермических процессах дегидрирования, таких как процессы дегидрирования этилбензола для получения стирола. Например, система непосредственного нагревания согласно изобретению может обеспечивать управляемую скорость введения топлива через топливную трубу в зону сгорания с обеспечением равномерного сжигания топлива вдоль топливной трубы. Такое равномерное сжигание обеспечивает равномерный температурный профиль вдоль топливной трубы. Такое сжигание может обеспечивать управляемый профиль температуры в зоне сгорания. Некоторые преимущества, которые могут быть реализованы, включают, но не ограничиваясь этим, уменьшение использования водяного пара, работу с более высокой пропускной способностью, увеличением выхода и селективности, уменьшение образования кокса и увеличение рабочего давления.
Система непосредственного нагревания может также обеспечивать так называемое беспламенное сжигание топлива с переносом выделяемого тепла в технологическую текучую среду. Поскольку отсутствует пламя за счет беспламенного сгорания топлива, реакция окисления (т.е. беспламенного сгорания) происходит при относительно низкой температуре по сравнению с температурой пламени, наблюдаемой в обычных устройствах сжигания и переноса тепла, таких как используемые в обычных нагревателях со сжиганием топлива. Хотя температура беспламенного окисления топлива может изменяться в зависимости от сжигаемого топлива, она обычно находится в диапазоне от около 600°С до около 1100°С или же от около 750°С до около 1050°С в отличие от температуры пламени, наблюдаемой при обычном сжигании топлива, которая обычно превышает 1650°С.
Система непосредственно нагревания согласно изобретению может также обеспечивать перенос тепла в технологический поток, подлежащий нагреванию, с обеспечением эффективности переноса тепла, которая превышает эффективность обычных нагревательных систем. Один из признаков изобретения состоит в том, что оно обеспечивает непосредственное нагревание технологического потока за счет того, что технологическая текучая среда находится в тесном контакте с наружной поверхностью реакционной трубы, внутри которой происходит сгорание топлива. Технологический поток содержится в технологическом рукаве, или канале, или трубе, которая окружает трубу введения окислителя, которая окружает реакционную трубу с образованием зоны технологической текучей среды. Зона технологической текучей среды может быть технологическим кольцевым пространством, образованным технологической трубой, окружающей трубу введения окислителя. Перенос тепла в технологическую текучую среду увеличивается до максимума за счет обеспечения как конвективного, так и излучательного переноса тепла за счет обеспечения технологическим рукавом второй поверхности излучения тепла к поверхности реакционной трубы или поверхности трубы введения окислителя.
На фиг.1 показаны в разрезе элементы системы 10 переноса тепла. Система 10 переноса тепла является четырехтрубной системой, включающей топливную трубу, или трубу 12 введения топлива, реакционную трубу 14, которая расположена снаружи топливной трубы 12 и окружает ее, трубу окислителя, или трубу 16 введения окислителя, которая расположена снаружи реакционной трубы 14 и окружает ее, и технологическую трубу 18, которая расположена снаружи трубы 16 окислителя и окружает ее. Трубы четырехтрубной системы могут иметь любую подходящую геометрию, которая обеспечивает образование канала. В обычных вариантах выполнения трубы системы 10 переноса тепла могут быть выполнены из любых коммерчески доступных круглых труб, или квадратных, или прямоугольных труб. Например, эти трубы могут быть стандартными трубами в соответствии с ANSI/ASME B36.10M, европейским стандартом DIN 2448 или любым другим стандартом. Не ограничивающие объема изобретения примеры таких стандартных труб включают: 3/4-дюймовую трубу класса 40 в соответствии со стандартом ANSI/ASME B36.10M (труба DN20 в соответствии со стандартом DIN 2448), которую можно использовать в качестве топливной трубы 12, 3,5-дюймовую трубу класса 40 в соответствии со стандартом ANSI/ASME B36.10M (труба DN90 в соответствии со стандартом DIN 2448), которую можно использовать в качестве реакционной трубы 14, и 5-дюймовую трубу класса 40 в соответствии со стандартом ANSI/ASME B36.10M (труба DN125 в соответствии со стандартом DIN 2448), которую можно использовать в качестве трубы 16 для окислителя. Технологическая труба 18 может быть трубой, которая служит в качестве технологического рукава, который окружает трубу 16 для окислителя, или же можно использовать оболочку, которая окружает узел или пучок трехтрубной комбинации топливной трубы 12, реакционной трубы 14 и трубы 16 для окислителя.
Хотя указанные выше стандартные трубы приведены в качестве примеров, можно использовать любые подходящие трубы для системы 10 переноса тепла, включая трубы класса 80 и выше или ниже. Размеры труб, которые можно использовать, находятся в диапазоне от 13 мм (1/2 дюйма) до 300 мм (12 дюймов), а в случае пучка труб технологическая оболочка может иметь диаметр до 305 см (10 футов), 460 см (15 футов) или 610 см (20 футов) или больше.
Топливная труба 12 имеет длину, проходящую от ее выпускного конца 20 до ее дальнего конца 22, и топливная труба 12 дополнительно имеет стенку 24. Стенка 24 и длина топливной трубы вместе образуют зону 26 введения топлива, которая проходит, по меньшей мере, по части длины топливной трубы 12. Топливная труба 12 дополнительно обеспечивает средства для введения топлива в зону 30 сжигания. Топливо вводится в зону 26 введения топлива через топливный впускной конец 20, который обеспечивает средство для введения топлива в зону 26 введения топлива. Зона 30 сжигания является каналом, образованным между топливной трубой 12 и реакционной трубой 14, которая образуется реакционной трубой 14, расположенной снаружи топливной трубы 12 и окружающей ее. Топливная труба 12 может дополнительно включать множество отверстий 32, выполненных в стенке 24 топливной трубы.
Отверстия 32 расположены на расстоянии друг от друга в осевом направлении вдоль части длины топливной трубы 12 и обеспечивают сообщение по текучей среде между зоной 26 введения топлива и зоной 30 сгорания. При использовании системы 10 переноса тепла отверстия 32 обеспечивают канал для топлива изнутри зоны 26 введения топлива в предварительно нагретый окислитель, который проходит через зону 30 сгорания.
Расстояние, направление и размер отверстия выбираются так, чтобы обеспечить введение доз топлива из зоны 26 введения топлива в зону 30 сгорания в таком количестве и с такой скоростью, которые обеспечивают быстрое и полное смешивание предварительно нагретого окислителя и топлива. За счет быстрого и полного смешивания реакция окисления между предварительно нагретым окислителем и топливом не ограничивается степенью смешивания. Таким образом, в целом комбинация геометрии зоны 26 введения топлива, образуемая топливной трубой 12, и геометрия зоны 30 сгорания, образуемая реакционной трубой 14, обеспечивает скорость топлива и скорость предварительно нагретого окислителя, которые приводят к необходимому быстрому и полному смешиванию двух текучих сред. Геометрия зоны 26 введения топлива включает такие признаки, как длина топливной трубы, диаметр топливной трубы и количество, расстояние, ориентация и размер отверстий топливной трубы 12. Геометрия зоны 30 сгорания включает такие признаки, как диаметр и длина ее реакционной трубы.
Как указывалось выше, отверстия 32 расположены на расстоянии друг от друга в осевом направлении вдоль длины топливной трубы 12, и отверстия 32 могут быть расположены в своих соответствующих радиальных плоскостях с различными направлениями вдоль длины топливной трубы 12. Например, положение отверстий 32 может попеременно изменяться на 180° в радиальных плоскостях вдоль длины топливной трубы 12 или же попеременно изменяться на 120° или 90° и т.д. Поэтому положение отверстий в топливной трубе 12 может быть таким, что их направление в радиальных плоскостях попеременно изменяется вдоль длины топливной трубы 12 с изменением направления от 0° до 360° или от 30° до 180°. Однако направление отверстий предпочтительно попеременно изменяется от около 60° до 120° вдоль длины топливной трубы 12.
Реакционная труба 14 имеет длину и, как указывалось выше, расположена снаружи топливной трубы 12 и окружает ее с образованием зоны 30 сгорания, которая проходит вдоль длины топливной трубы 12. Длина реакционной трубы 14 проходит от впускного конца 34 реакционной трубы до выпускного конца 36. Труба 16 окислителя имеет длину и расположена снаружи реакционной трубы 14 и окружает ее с образованием зоны 40 введения окислителя вдоль длины реакционной трубы 14. Зона 40 введения окислителя является каналом, образованным между реакционной трубой 14 и трубой 16 окислителя, образованной трубой 16 окислителя, расположенной, как указывалось выше, снаружи реакционной трубы 14 и окружающей ее. Длина трубы окислителя проходит от впускного конца 42 трубы введения окислителя до выпускного конца 44 трубы введения окислителя.
Признаком системы 10 переноса тепла является выполнение зоны 40 введения окислителя с обеспечением теплообмена между зоной 40 введения окислителя и зоной 30 сгорания. При работе системы 10 переноса тепла окислитель вводится в зону 40 введения окислителя через впускной конец 42 трубы введения окислителя, который обеспечивает средство для введения окислителя в зону 40 введения окислителя. Окислитель проходит через зону 40 введения окислителя и поглощает тепловую энергию посредством переноса тепла из зоны 30 сгорания с образованием предварительно нагретого окислителя. Изогнутыми стрелками 46 показан перенос тепловой энергии из зоны 30 сгорания в окислитель, который проходит через зону 40 введения окислителя. Предварительно нагретый окислитель выпускается из зоны 40 введения окислителя через выпускной конец 44 трубы введения окислителя и вводится в зону 30 сгорания через впускной конец 34 реакционной трубы. Выпускной конец 44 трубы введения окислителя обеспечивает средство для выпуска предварительно нагретого окислителя из зоны 40 введения окислителя в зону 30 сгорания через выпускной конец 44 трубы введения окислителя, который сообщается по текучей среде с выпускным концом 34 реакционной трубы. Впускной конец 34 реакционной трубы обеспечивает средство приема предварительно нагретого окислителя в зону 30 сгорания. Посредством предварительного нагревания окислителя и/или топлива в системе 10 переноса тепла можно уменьшить основные затраты. Вспомогательные теплообменники, которые могут быть необходимы для извлечения тепла из одного или более потоков или для обеспечения тепла для одного или более потоков снаружи системы 10 переноса тепла, могут быть выполнены по-другому, включая использование материалов низкой стоимости, или же могут не требоваться.
Дозы топлива, которые вводятся в зону 30 сгорания через отверстия 32, и предварительно нагретый окислитель тесно смешиваются внутри зоны 30 сгорания с образованием смеси сгорания. Затем внутри зоны 30 сгорания происходит сгорание смеси сгорания, за счет чего выделяется тепло. Беспламенное сгорание топлива достигается в зоне 30 сгорания частично за счет смешивания предварительно нагретого окислителя с образованием смеси сгорания, которая имеет температуру смеси сгорания, которая превосходит температуру самовозгорания смеси сгорания. Таким образом, система 10 переноса тепла выполнена так, что взаимодействие теплообмена между зоной 30 сгорания и зоной 40 введения окислителя обеспечивает предварительно нагретый окислитель, имеющий температуру предварительно нагретого окислителя, которая достаточно высока для обеспечения указанной выше температуры смеси сгорания, которая превышает температуру самовозгорания смеси сгорания.
Обычно для использования в работе системы 10 переноса тепла выбирается топливо, для которого температура самовозгорания смеси сгорания, содержащей топливо, находится в диапазоне от 400°С (752°F) до 1500°С (2732°F) или от 500°С (932°F) до 1400°С (2552°F), но более типично от 600°С (1112°F) до 1350°С (2462°F) и наиболее типично от 700°С (1292°F) до 1300°С (2372°F).
Температуры, с которыми окислитель и топливо вводятся в систему 10 переноса тепла, могут находиться в широком диапазоне температур, включая температуры, близкие к окружающей температуре. Окислитель и топливо можно также нагревать свыше окружающей температуры перед введением в систему переноса тепла. Таким образом, температура окислителя, подлежащего введению в систему 10 переноса тепла через впускной конец 42 трубы введения окислителя, может находиться в диапазоне от около -30°С (-22°F) до около 2000°С (3632°F), или от около -10°С (14°F) до около 1200°С (2192°F), или от около -10°С (14°F) до около 400°С (752°F). Температура окислителя, вводимого в систему переноса тепла, может составлять, по меньшей мере, -30°С, по меньшей мере, -20°С, по меньшей мере, -10°С или, по меньшей мере, 0°С. Температура окислителя, вводимого в систему переноса тепла, может составлять не более 3000°С, не более 2000°С, не более 1200°С или не более 1000°С. В некоторых вариантах выполнения окислитель можно предварительно нагревать перед введением в зону 40 введения окислителя системы 10 переноса тепла.
Геометрия зоны 40 введения окислителя и геометрия зоны 26 введения топлива выбираются так, чтобы обеспечить скорость предварительно нагретого окислителя и скорость топлива на входе и внутри зоны сгорания на таком уровне, чтобы предотвращать образование пламени во время сгорания смеси сгорания. Выходные газы сгорания проходят из зоны 30 сгорания через выпускной конец 36, который обеспечивает средство для выпуска газов сгорания из зоны 30 сгорания.
Технологическая труба 18 расположена снаружи трубы 16 окислителя и окружает ее с образованием зоны 50 технологической текучей среды вдоль, по меньшей мере, части длины трубы 16 введения окислителя. Технологическая труба 18 имеет длину, которая проходит от впускного конца 52 технологической текучей среды до выпускного конца 54 технологической текучей среды. Впускной конец 52 технологической текучей среды обеспечивает средство для введения технологической текучей среды в зону 50 технологической текучей среды, а выпускной конец 54 технологической текучей среды обеспечивает средство для выпуска из зоны 50 нагретой технологической текучей среды.
Согласно одному варианту изобретения зона 50 технологической текучей среды системы 10 переноса тепла выполнена так, что она находится в теплообмене с зоной 30 сгорания, или зона 50 технологической текучей среды находится в теплообмене с зоной 40 введения окислителя, которая в свою очередь находится в теплообмене с зоной 30 сгорания. Такой теплообмен обеспечивает перенос тепловой энергии в зону 50 технологической текучей среды с нагреванием за счет этого технологической текучей среды, проходящей через зону 50 технологической текучей среды. Изогнутыми стрелками 46 показан поток тепловой энергии из зоны 30 сгорания или из зоны 40 введения окислителя или же как из зоны 30 сгорания, так и из зоны 40 введения окислителя в технологическую текучую среду, проходящую через зону 50 технологической текучей среды.
На выпускном конце 44 трубы введения окислителя предусмотрена крышка 56, которая обеспечивает средство для изоляции по текучей среде зоны 50 технологической текучей среды от зоны 40 введения окислителя, зоны 30 сгорания и зоны 26 введения топлива. Как показано на фиг.1, дальний конец 22 топливной трубы 12 проходит к крышке 56, где он неподвижно соединяется с ней; однако это является необязательным признаком системы переноса тепла. Дальний конец 22 топливной трубы 12 может проходить от любой точки внутри зоны 30 сгорания, образованной реакционной трубой 14, к крышке 56 и заканчиваться на ней. Впускной конец 34 реакционной трубы заканчивается в точке, удаленной от крышки 56, для обеспечения сообщения по текучей среде между выпускным концом 44 трубы введения окислителя и впускным концом 34 реакционной трубы.
На фиг.2 показан вариант системы 10 переноса тепла, где дальний конец 22 топливной трубы 12 не проходит к крышке 56. Как показано на фиг.2, дальний конец 22 топливной трубы 12 проходит и заканчивается в точке внутри зоны 40 введения окислителя. Топливная труба, которая не прикреплена к крышке 56, выполнена с возможностью расширения и/или сжатия за счет теплового расширения не вызывая отрицательных механических воздействий на любую из других труб. Кроме того, труба 16 введения окислителя выполнена с возможностью расширения и/или сжатия за счет теплового расширения, не вызывая отрицательных механических воздействий на топливную трубу.
Система 10 переноса тепла может быть предназначена для использования в любом применении, в котором можно использовать преимущества непосредственного нагревания технологической текучей среды за счет использования четырехтрубного нагревательного устройства, подробное описание которого приведено выше. Одним таким применением является нагревание технологической текучей среды процесса дегидрирования, в котором нагретая технологическая текучая среда приводится в контакт в условиях процесса дегидрирования с катализатором дегидрирования для получения продукта дегидрирования. Другие процессы, в которых можно продуктивно использовать преимущества системы переноса тепла, могут включать конверсию с водяным паром или крекинг олефинов.
На конструкцию системы 10 переноса тепла могут оказывать влияние различные факторы, включая, например, температуру окислителя, который вводится в зону 40 введения окислителя, температуру технологической текучей среды, которая вводится в зону 50 технологической текучей среды, необходимую температуру нагретой технологической текучей среды и состав топлива, вводимого в зону 26 введения топлива.
В работе системы 10 переноса тепла можно использовать любую текучую среду, которая является сгораемой в присутствии окислителя, такого как кислород или воздух. Примеры такого топлива включают водород и углеводороды. Углеводороды, которые можно использовать в качестве топлива, включают углеводороды, имеющие от одного до шести атомов углерода, включая метан, этан, этилен, пропан, пропилен, пропин, бутилены и бутин. Предпочтительные топлива включают топлива, выбранные из группы, состоящей из водорода, метана, этана и их смесей. В топливо можно добавлять водяной пар для предотвращения или исключения образования кокса.
Технологические текучие среды, подлежащие нагреванию с использованием системы 10 переноса тепла, могут быть любыми технологическими текучими средами, подлежащими нагреванию для любых целей. Однако система переноса тепла имеет наиболее предпочтительное применение при использовании для нагревания технологических текучих сред, которые являются сырьем для химических реагентов. И, в частности, система переноса тепла согласно изобретению имеет конкретное применение в процессах дегидрирования, таких как процессы дегидрирования этилбензола для изготовления стирола. В таком применении технологическая текучая среда, подлежащая нагреванию с использованием системы 10 переноса тепла, содержит этилбензол. Технологическая текучая среда может дополнительно содержать водяной пар, и она может дополнительно содержать стирол и другие типичные компоненты сырья реактора дегидрирования. Для применений дегидрирования технологическая текучая среда, вводимая в зону 50 технологической текучей среды через впускной конец 52 технологической текучей среды, обычно имеет температуру в диапазоне от 260°С (500°F) до 704°С (1300°F), более типично от 315°С (600°F) до 677°С (1250°F) и наиболее типично от 427°С (800°F) до 649°С (1200°F).
Типичное увеличение температуры технологической текучей среды, нагреваемой с использованием системы 10 переноса тепла, может быть в диапазоне от 10°С до 500°С, но более типично увеличение температуры находится в диапазоне от 50°С до 400°С и наиболее типично от 100°С до 350°С.
Один пример применения системы 10 переноса тепла заключается в использовании ее для нагревания сырья для процесса дегидрирования, включающего этилбензол. В таком применении может быть объединено множество отдельных блоков системы 10 переноса тепла с образованием пучка. Каждый из блоков системы 10 переноса тепла в пучке может быть предназначен для обработки сырья с расходом в диапазоне от около 800 кг/ч (1800 фунтов в час) до около 1450 кг/ч (3200 фунтов в час) при температуре вводимого сырья в диапазоне от около 500°С до около 600°С и с повышением температуры сырья, обеспечиваемого системой 10 переноса тепла, в диапазоне от около 50°С до около 150°С. В такой конструкции топливная труба 12 имеет длину в диапазоне от около 4,5 м (15 футов) до около 12,2 м (40 футов). Отверстия 32 расположены на расстоянии друг от друга в диапазоне от около 15 см (0,5 фута) до около 61 см (2 фута) вдоль всей длины топливной трубы 12 с обеспечением от минимально 7 или 8 отверстий до максимально 80 или более отверстий вдоль длины топливной трубы. Отверстия могут быть также направлены в каждой из соответствующих радиальных плоскостях с направлением 0°, 120° и 240°. Диаметр отверстий 32 может быть в диапазоне от около 0,7 мм (0,03 дюйма) до около 5,1 мм (0,2 дюйма). Предпочтительными топливами являются топлива, выбранные из группы, состоящей из водорода, метана, этана, пропана и их смесей. Топливо вводится через топливный впускной конец 20 в зону 26 введения топлива с расходом топлива в диапазоне от около 0,14 м3/мин (5 куб.футов в минуту) до около 1,1 м3/мин (40 куб.футов в минуту). Предпочтительным окислителем является воздух, который вводится через впускной конец 42 трубы введения окислителя в зону 40 введения окислителя с расходом в диапазоне от около 0,4 м3/мин (15 куб.футов в минуту) до около 4,2 м3/мин (150 куб.футов в минуту).
1. Технологическая система переноса тепла, содержащая топливную трубу, имеющую длину и стенку, которые образуют зону введения топлива, причем топливная труба включает дальний конец и топливный впускной конец для введения топлива в зону введения топлива, при этом вдоль длины топливной трубы и через стенку трубы выполнено множество расположенных на расстоянии друг от друга отверстий; реакционную трубу, имеющую длину, которая расположена снаружи топливной трубы и окружает ее так, что образуется камера сгорания вдоль длины топливной трубы, причем реакционная труба имеет впускной конец для введения предварительно нагретого окислителя в зону сгорания и выпускной конец для выпуска газов сгорания из зоны сгорания, при этом множество расположенных на расстоянии друг от друга отверстий обеспечивают сообщение по текучей среде между зоной введения топлива и зоной сгорания; трубу введения окислителя, имеющую длину, которая расположена снаружи реакционной трубы и окружает ее с образованием зоны введения окислителя вдоль длины реакционной трубы, причем труба введения окислителя имеет впускной конец для введения окислителя в зону введения окислителя и выпускной конец для выпуска предварительно нагретого окислителя из зоны введения окислителя в зону сгорания через выпускной конец, который сообщается по текучей среде с впускным концом реакционной трубы, при этом зона введения окислителя находится в теплообмене с зоной сгорания; и технологическую трубу, которая расположена снаружи трубы введения окислителя и окружает ее с образованием зоны технологической текучей среды вдоль длины трубы введения окислителя, причем технологическая труба имеет впускной конец для введения технологической текучей среды в зону технологической текучей среды и выпускной конец для выпуска нагретой технологической текучей среды из зоны технологической текучей среды, при этом зона технологической текучей среды находится в теплообмене с зоной сгорания.
2. Система по п.1, в которой отверстия множества расположенных на расстоянии друг от друга отверстий расположены на расстоянии друг от друга вдоль длины топливной трубы и имеют размер для обеспечения введения доз топлива в предварительно нагретый окислитель внутри зоны сгорания так, что когда дозы топлива смешиваются с предварительно нагретым окислителем, образуется смесь сгорания так, что происходит сгорание, которое не ограничено степенью смешивания.
3. Система по п.1 или 2, в которой теплообмен между зоной введения окислителя и зоной сгорания обеспечивает нагревание окислителя для получения предварительно нагретого окислителя.
4. Система по п.1 или 2, в которой теплообмен между зоной технологической текучей среды и зоной сгорания обеспечивает нагревание технологической текучей среды для получения нагретой технологической текучей среды.
5. Система по п.1 или 2, в которой теплообмен между зоной введения окислителя и зоной сгорания дополнительно обеспечивает температуру предварительно нагретого окислителя, так что смесь сгорания имеет температуру смеси сгорания, превышающую температуру самовозгорания смеси сгорания.
6. Система по п.1 или 2, в которой зона введения окислителя дополнительно характеризуется геометрией зоны введения окислителя, причем зона введения топлива дополнительно характеризуется геометрией введения топлива, при этом геометрия введения топлива и геометрия зоны введения окислителя обеспечивают скорость топлива и скорость предварительно нагретого окислителя, которые предотвращают образование пламени во время сгорания.
7. Четырехтрубная система непосредственного нагревания для сжигания топлива и непосредственного нагревания технологической текучей среды, содержащая концентрично расположенные зону введения топлива, зону сгорания, зону введения окислителя и зону технологической текучей среды, причем зона введения топлива образована средством введения топлива для введения топлива в зону сгорания, которая образована реакционной трубой, расположенной снаружи средства введения топлива и окружающей его, при этом реакционная труба включает длину, впускной конец для введения предварительно нагретого окислителя в зону сгорания и выпускной конец для выпуска газов сгорания из зоны сгорания, причем зона введения окислителя образована трубой введения окислителя, расположенной снаружи реакционной трубы и окружающей ее, при этом труба введения окислителя включает длину, впускной конец для введения окислителя в зону введения окислителя и выпускной конец для выпуска предварительно нагретого окислителя из зоны введения окислителя в зону сгорания через выпускной конец трубы введения окислителя, который сообщается по текучей среде с впускным концом топливной трубы, причем зона введения окислителя находится в теплообмене с зоной сгорания, при этом зона технологической текучей среды образована технологической трубой, расположенной снаружи трубы окислителя и окружающей ее.
8. Четырехтрубная система по п.7, в которой средство введения топлива включает топливную трубу, имеющую длину и стенку, которые образуют зону введения топлива, причем топливная труба включает дальний конец и топливный впускной конец для введения топлива в зону введения топлива, при этом вдоль длины топливной трубы и через стенку трубы выполнено множество расположенных на расстоянии друг от друга отверстий, которые обеспечивают сообщение по текучей среде между зоной введения топлива и зоной сгорания.
9. Четырехтрубная система по п.7 или 8, в которой технологическая труба включает впускной конец для введения технологической текучей среды в зону технологической текучей среды и выпускной конец для выпуска нагретой технологической текучей среды из зоны технологической текучей среды, при этом зона технологической текучей среды находится в теплообмене с зоной сгорания.
10. Способ сжигания топлива и непосредственного нагревания технологической текучей среды, включающий введение топлива в топливную трубу, имеющую длину и стенку, которые образуют зону введения топлива, причем топливная труба включает дальний конец и топливный впускной конец для введения топлива в зону введения топлива, при этом вдоль длины топливной трубы и через стенку трубы выполнено множество расположенных на расстоянии друг от друга отверстий; введение предварительно нагретого окислителя в реакционную трубу, имеющую длину, которая расположена снаружи топливной трубы и окружает ее так, что образуется камера сгорания вдоль длины топливной трубы, при этом реакционная труба имеет впускной конец для введения предварительно нагретого окислителя в зону сгорания и выпускной конец для выпуска газов сгорания из зоны сгорания, при этом множество расположенных на расстоянии друг от друга отверстий обеспечивают сообщение по текучей среде между зоной введения топлива и зоной сгорания; введение окислителя в трубу введения окислителя, имеющую длину, которая расположена снаружи реакционной трубы и окружает ее с образованием зоны введения окислителя вдоль длины реакционной трубы, причем труба введения окислителя имеет впускной конец для введения окислителя в зону введения окислителя и выпускной конец для выпуска предварительно нагретого окислителя из зоны введения окислителя в зону сгорания через выпускной конец, который сообщается по текучей среде с впускным концом реакционной трубы, при этом зона введения окислителя находится в теплообмене с зоной сгорания; введение технологической текучей среды в технологическую трубу, которая расположена снаружи трубы введения окислителя и окружает ее с образованием зоны технологической текучей среды вдоль трубы введения окислителя, при этом технологическая труба имеет впускной конец для введения технологической текучей среды в зону технологической текучей среды и выпускной конец для выпуска нагретой технологической текучей среды из зоны технологической текучей среды, при этом зона технологической текучей среды находится в теплообмене с зоной сгорания; выпуск нагретой технологической текучей среды из зоны технологической текучей среды; и выпуск газов сгорания из зоны сгорания.
