CN107532820B - 用于火焰工艺加热器的膜温度优化器 - Google Patents

Abstract

提出了具有膜温度优化器的火焰加热器。火焰加热器用于加热火焰加热器内工艺线圈中的工艺流体。工艺线圈在出口处经受高温。膜温度优化器包括挡板或用于改变在线圈出口附近的工艺线圈周围的火焰加热气体的流动的装置。挡板位于工艺线圈出口附近。

Description

用于火焰工艺加热器的膜温度优化器

优先权声明

本申请要求2015年6月30日提交的美国临时申请No.62/186717的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及用于化学工艺的火焰加热器。

背景

火焰加热器是化学工厂中常见的加工单元。火焰加热器将工艺流加热至反应温度，并为进行吸热反应的工艺料流提供热量。火焰加热器具有管的一般构造用于在壳内部承载工艺流体，其中燃烧器用于燃烧燃料以加热该管。

火焰加热器占据显著的空间，火焰加热器通常将工艺流体加热至所需温度以上。通过更复杂的工艺和化学工厂的工艺升级，需要新的构造来减少火焰加热器所占的面积，控制工艺流体的出口温度，并提供加热工艺流体的新效率。

概要

本发明是具有膜温度优化器的火焰加热器，用于限制加工单元加热线圈中的峰值温度。

本发明的第一实施方案是用于工艺火焰加热器的装置，包括具有侧面、上表面、下表面、燃烧流体入口和烟道气出口的壳；至少一个包括两个入口和一个出口的工艺线圈，设置在壳内并具有设置在壳的上表面的入口和出口；设置在壳侧面的至少两个燃烧器；以及至少两个设置在壳内并位于壳的上表面和燃烧器与工艺线圈出口之间的挡板。本发明的一个实施方案为从该段中第一实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或所有，其中工艺线圈具有平行取向的三个管的构造，两个半圆形管状部分连接管的端部，使得管和管状部分形成W形线圈，两个入口管的一个端部与入口连接，中心出口管的一个端部与出口连接。本发明的一个实施方案为从该段中第一实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或所有，其中上表面还包括在上表面上、壳内部并邻接挡板的耐火材料。本发明的一个实施方案为从该段中第一实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或所有，其中壳具有基本上矩形棱柱形状，具有高度、深度和宽度，其中工艺线圈延伸高度的至少70％，工艺线圈跨越宽度布置，中心管沿着位于壳宽度中间的轴线排列，其中较小的管排列在壳半宽度距离的5％和95％之间的位置。本发明的一个实施方案为从该段中第一实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或所有，还包括在上表面顶部的绝缘层。本发明的一个实施方案为从该段中第一实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或所有，其中壳具有基本上矩形棱柱形状，具有高度、深度和宽度，其中燃烧器设置在壳宽度的相对侧面，其中燃烧器设置在距壳底部高度的10％内。本发明的一个实施方案为从该段中第一实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或所有，其中壳具有基本上矩形棱柱形状，具有高度、深度和宽度，其中燃烧器设置在壳深度的相对侧面。本发明的一个实施方案为从该段中第一实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或所有，其中挡板延伸距上表面高度的2％和15％之间。本发明的一个实施方案为从该段中第一实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或所有，其中挡板延伸距上表面高度的2％和10％之间。本发明的一个实施方案为从该段中第一实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或所有，其中挡板延伸距上表面高度的3％和9％之间。

本发明的第二实施方案是用于工艺火焰加热器的装置，包括壳，壳具有第一端部，与第一端部相对定位的第二端部和连接第一端部与第二端部的侧面，其中侧面和端部封闭一个空间；至少一个w形工艺管，其包括两个入口和一个出口，设置在壳内且具有在第一端部的入口和出口；设置在第二端部的烟道气出口；以及至少两个设置在壳侧面的燃烧器；其中壳的第一端部包括从第一端部突出的至少两个突出部，突出部延伸到封闭空间中，其中突出部插在工艺管的入口和工艺管的出口之间。本发明的一个实施方案为从该段中第二实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或所有，其中突出部延伸距第一端部高度的2％和15％之间。本发明的一个实施方案为从该段中第二实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或所有，其中燃烧器设置在壳的相对侧面。本发明的一个实施方案为从该段中第二实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或所有，其中壳具有在12m和25m之间的高度，其中突出部在0.3m和3m之间。本发明的一个实施方案为从该段中第二实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或所有，其中第一端部是壳的上表面。

本发明的第三实施方案是用于工艺火焰加热器的装置，包括壳，壳具有高度、上表面和限定容积的下表面，以及燃烧流体入口和烟道气出口；至少一个包括两个入口和一个出口的工艺线圈，设置在壳内并具有设置在壳的上表面的入口和出口；以及至少两个燃烧器，其设置在壳的侧面烟道气出口以下的位置；其中上表面包括具有进入容积内的突出部的表面，其中突出部延伸高度的至少2％，其中工艺线圈出口设置在突出部上。本发明的一个实施方案为从该段中第三实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或所有，其中突出部具有宽度和深度，其中深度是进入容积内的突出部长度，宽度是壳侧面与燃烧器之间的距离的至少10％。根据权利要求16的装置，其中壳具有壳宽度，突出部具有壳宽度的10％和50％之间的突出部宽度。本发明的一个实施方案为从该段中第三实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或所有，其中突出部分延伸到容积中高度的3％和15％之间。本发明的一个实施方案为从该段中第三实施方案开始的该段中先前实施方案中的一个、任何或所有，其中工艺线圈具有平行取向的三个管的构造，两个半圆形管状部分连接管的端部，使得管和管状部分形成W形线圈，两个入口管的一个端部与突出部和侧面之间的上表面上的入口连接，中心出口管的一个端部与设置在突出部上的出口连接。

从下面的详细说明和附图，本发明的其它目的，优点和应用将对本领域技术人员而言是显而易见的。

附图说明

图1示出了具有挡板的火焰加热器的横截面；

图2示出了火焰加热器中的挡板的第二实施方案；

图3示出了本发明的实施方案，其中火焰加热器具有上表面，上表面具有突出到火焰加热器容积中的突出部；

图4示出了本发明的实施方案，其中具有工艺管的出口的表面安装在表面的突出部上；和

图5示出了火焰加热器挡板对工艺线圈的最大膜温度的影响。

详细说明

化学工艺通常需要加热。工艺加热器被设计成以合理的速率将进料流或中间工艺流加热到工艺中发生化学反应所需的温度。双室火焰工艺加热器配备有“U形”线圈，允许工艺流体被加热。线圈安装在火焰加热器中，火焰加热器包括燃烧器。火焰加热器通常是箱形炉，箱内装有线圈，燃烧器安装在炉的侧面或底部。对于商业工艺，火焰加热器可以是非常大的物件。

火焰工艺加热器通常引起非选择性反应，例如烃的热转化或裂化。这些非选择性反应降低收率并增加损失。重新设计的加热器可以减少这些损失，并证明了加热器所需的更理想的资本成本、操作成本和面积减少，或更小的绘图空间(plot space)。火焰加热器内较新设计的加热线圈减少热量。然而，出口附近的线圈的峰值膜温度仍然会导致不期望的反应和随后的损失。火焰加热器中改变的新设计降低了线圈的峰值膜温度。

本发明是用于工艺火焰加热器的装置。加热器包括具有侧面、上表面、下表面、燃烧流体入口和烟道气出口的壳。加热器包括设置在壳内的至少一个工艺线圈，用于承载待加热的工艺流体。每个工艺线圈包括两个入口和一个出口，其中入口和出口设置在壳的上表面。加热器还包括设置在壳侧面的至少两个燃烧器和设置在壳内的至少两个挡板。挡板位于壳的上表面，并位于燃烧器和工艺线圈出口之间。

图1中示出了装置的横截面，其中装置10具有侧面12，上表面14和下表面16。装置10包括工艺线圈20，其中工艺线圈20包括平行取向的三个管22，两个圆形管状部分24连接管22的端部。优选地，圆形管状部分24具有半圆形形状。线圈20形成W形线圈，其中两个入口管22的一个端部与入口26连接，出口管22与出口28连接。

装置10包括具有高度32、宽度34和深度(未示出)的壳30。工艺线圈20横跨宽度32布置，出口管朝向壳30的中心并沿着位于壳宽度34中间的轴线排列，其中轴线沿着壳的深度延伸。在一个实施方案中，线圈20延伸壳高度32的至少70％。入口管排列在距壳侧面12壳半宽度距离的5％和95％之间的位置。

装置10包括设置在火焰加热器侧面的燃烧器40。在一个实施方案中，燃烧器设置在壳30的宽度34的相对侧面12。燃烧器40可以设置在下表面16或侧面12，在距下表面16壳高度32的10％以内的位置，或壳的底部。在可供选择的布置中，燃烧器设置在壳深度的相对侧面。在一个实施方案中，装置10可以包括设置在壳30侧面12的第二组燃烧器42，在距壳底部高度的30％和80％之间的位置。

装置10还包括设置在线圈出口28和燃烧器40之间的挡板50或膜温度优化器。挡板50从上表面延伸到加热器容积内部距上表面14壳30高度32的2％和15％之间的距离。在一个实施方案中，挡板50延伸距上表面14壳30高度32的2％和10％之间的距离。在另一实施方案中，挡板50延伸距上表面14壳30高度32的3％和9％之间的距离。挡板50的尺寸设置成改变流动，使得线圈20的出口28附近的峰值膜温度降低。

在一个实施方案中，如图2所示，挡板50固定在上表面14。上表面包括壳内部的耐火材料52，并且可以包括固定以将挡板50保持在上表面14的耐火材料54。装置10还可以包括在上表面14上的耐火材料52上方的绝缘层56。

在上述实施方案的变型中，工艺线圈可以固定至下表面，其中挡板设置在工艺线圈出口和燃烧器之间的下表面上。在该变型中，装置基本上是上述实施方案的反转版本。

在另一个实施方案中，如图3所示，装置10包括具有第一端部52，与第一端部52相对设置的第二端部54和连接第一端部52与第二端部54的侧面56的壳30。壳30封闭一个容积或空间。该装置包括至少一个W形工艺管20或线圈，其具有设置在第一端部52的两个入口26和一个出口28。该装置包括设置在壳30的第二端部54的烟道气出口58。该装置包括设置在壳30的侧面56的彼此相对的至少两个燃烧器40。壳30的第一端部52包括至少两个从第一端部52突出的突出部60，其中突出部延伸到壳30的封闭空间中。突出部60设置在工艺管20的入口26与出口28之间。

侧面具有高度32，突出部60延伸距第一端部高度的2％和15％之间。装置10是火焰加热器，对于烃工业中的工艺，该装置是个大物件。在一个实施方案中，第一端部52是壳30的上表面。对于烃工业中的火焰加热器，火焰加热器的高度可以在12m和25m之间。这导致突出部距壳的第一端部520.25m和4m之间，优选的突出部长度在0.3m和3m之间。

在另一个实施方案中，如图4所示，装置10包括具有高度32、宽度34、侧面56、上表面62和下表面64的壳30，从而限定容积。该装置还包括用于燃烧器40的燃烧流体入口。燃烧器40设置在壳30的相对侧面。该装置包括至少一个工艺管20或线圈，其具有设置在壳30内的两个入口26和一个出口28。每个工艺管20的入口26和出口设置在壳的上表面62上。上表面62包括具有突出部66进入壳30的容积内的表面。突出部66具有宽度70和深度72，其中深度伸入容积中，突出部66的深度72延伸距上表面62至少高度30的2％，其中工艺线圈出口28设置在突出部66上。在一个变型中，突出部具有至少为壳30宽度34的10％的宽度70。出口28与出口歧管80流体连通，入口26与入口歧管82流体连通。出口歧管80与反应器流体连通。

在该实施方案的优选变型中，突出部66的宽度70在壳宽度34的10％和50％之间。在优选的变型中，突出部66延伸到装置的容积中壳高度32的3％和15％之间。

工艺流体温度在出口处达到峰值。工艺管上的峰值膜温度也出现在出口区域。峰值膜温度可能超过所需的温度极限，在此温度范围内工艺流体可能会经历不希望的热反应，如裂化。膜温度优化器产生低速度和温度区域，这降低了工艺管出口区域中的热通量。因此，这降低了峰值膜温度。结果可以在图5中看出，峰值膜温度的降低是20°F(11℃)。

尽管已经用当前被认为是优选实施方案的内容描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的实施方案，而是旨在覆盖包括在所附权利要求范围内的各种修改和等效布置。

Claims (9)

1.用于工艺火焰加热器的装置，包括：

壳，其具有侧面、上表面、下表面、燃烧流体入口和烟道气出口；

至少一个工艺线圈，其包括两个入口和一个出口，并且设置在壳内且具有设置在壳的上表面上的入口和出口，其中工艺线圈具有平行取向的三个管的构造，两个半圆形管状部分连接管的端部，使得管和管状部分形成W形线圈，两个入口管的一个端部与入口连接，中心出口管的一个端部与出口连接；

至少两个燃烧器，其设置在壳的侧面；和

至少两个挡板，其设置在壳内且位于壳的上表面及燃烧器与工艺线圈出口之间。

2.根据权利要求1的装置，其中上表面还包括在上表面上、壳内部并邻接挡板的耐火材料。

3.根据权利要求1的装置，其中壳具有基本上矩形棱柱形状，具有高度、深度和宽度，其中工艺线圈延伸高度的至少70％，工艺线圈横跨宽度布置，中心管沿着壳宽度中间的轴线排列，其中较小的管排列在壳半宽度距离的5％和95％之间的位置。

4.根据权利要求1的装置，还包括在上表面顶部的绝缘层。

5.根据权利要求1的装置，其中壳具有基本上矩形棱柱形状，具有高度、深度和宽度，其中燃烧器设置在壳宽度的相对侧面，其中燃烧器设置在距壳底部高度的10％内。

6.根据权利要求1的装置，其中壳具有基本上矩形棱柱形状，具有高度、深度和宽度，其中燃烧器设置在壳深度的相对侧面。

7.根据权利要求1的装置，其中挡板延伸距上表面高度的2％和15％之间。

8.根据权利要求7的装置，其中挡板延伸距上表面的高度的2％和10％之间。

9.根据权利要求8的装置，其中挡板延伸距上表面高度的3％和9％之间。

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