CN117837268A - 包括带有电动加热元件的加热区的炉以及相关方法 - Google Patents

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Abstract

一种电动炉和相关方法可以包括：电动炉，该电动炉具有至少一兆瓦的输出并且带有控制系统；炉壳体，该炉壳体包括至少部分地限定内部体积的一个或多个壳体壁；多个加热区，该多个加热区位于该内部体积内；以及多个经加热管，该多个经加热管在该内部体积中延伸。一种方法可以包括：向电动炉提供进料；以及在算法上针对该多个加热区中的每个加热区调整一个或多个加热元件的输出以将该进料加热到期望温度，同时将该一个或多个加热元件的温度保持在预定参数内。

Description

包括带有电动加热元件的加热区的炉以及相关方法
技术领域
本公开涉及包括具有电动加热元件的加热区的炉以及相关方法，并且更具体地，涉及用于加热进料并且包括具有电动加热元件的加热区的炉以及相关方法。
背景技术
用于加热材料的一些炉可以包括两个相对的壁和一列或多列管，该一列或多列管被定位在两个相对的壁之间并且在材料的加热期间材料可以通过该一列或多列管。两个相对的壁中的每一个壁可以向管提供热量输入，并且在要加热的材料通过管时，热量从管传递到材料。已经认识到，可能对环境有利的是将此类炉构造为使用电动加热元件向管提供热量输入。
因为被加热的材料以相对低于离开管的出口的经加热材料的温度进入管的入口，管和加热元件的温度通常可以从在管的入口附近的相对较低温度变化到在管的出口附近的相对较高温度。因此，当材料通过管时，管可能不会均匀地加热材料，并且加热元件中的温度同样可能是不均匀的。在一些过程中，这可能会限制炉的效率并且造成由材料的不均匀加热引起的问题。例如，入口处的管的温度可能低于最佳温度，而出口处的温度可能高于最佳温度。这可能由于材料达到高于最佳温度的温度而导致管在出口处的过早材料结垢(例如，焦化)，并且在一些过程中，管在出口处的温度可能会达到导致对管的过早损坏的温度。因此，如果管被均匀地加热，则增加管在入口处的温度来获得在入口处的最佳材料加热可能导致管的出口变得太热。相反，如果向管输入较少热量以防止管的出口变得太热，则管的入口可能太冷而无法在材料进入管时优化材料的加热。在另一示例中，在出口附近的加热元件的温度可能高于在入口附近的加热元件的温度，这可能导致炉的维护成本更高。
在Shell Internationale Research Maatschappij B.V.的PCT国际公开号WO2020/002326A1(“'326公开”)中描述了提供一种用于以工业规模进行气体转化过程的改进的电加热炉的尝试。'326公开描述了一种包括电加热炉和放置在该炉内的反应器管的反应器构造。'326公开的炉还包括适合于加热到在400℃至1400℃的范围内的高温的电辐射加热元件。根据'326公开，在很多应用中，当过程气体进入炉时，热通量较大而同时具有较低温度，并且朝向出口，热通量较低而同时具有较高温度。'326公开声称描述了一种炉，该炉适应这些过程参数。
申请人已经认识到'326公开的炉和过程可能仍然需要更高效和/或更环保和/或在操作和维护成本方面提供优势的用于生产产物的系统和方法。因此，尽管'326公开中描述的炉和过程声称提供了效率方面的增益，但仍需要更高效和/或更环保的用于生产经加热产物的系统和方法。
因此，申请人已经认识到需要用于经由电动加热元件来向经加热管提供热量的炉和相关方法，其提供更高效的加热和/或减少在经加热管(部分经加热管)中和在提供经加热管的出口的加热元件(部分加热元件)中的温差。本公开可以解决上述缺点中的一者或多者，以及其他可能的缺点。
发明内容
如上所述，一些炉可能未沿着用于加热通过管的材料的管的长度提供足够均匀的加热，从而缺乏效率并且可能使被加热的材料和/或管的出口端过热。同样地，它们可能未在加热元件中提供足够均匀的温度。本公开总体上涉及电动炉以及相关方法，并且更具体地，涉及用于加热进料并且包括具有一个或多个电动加热元件的加热区的炉以及相关方法。
例如，在一些实施方案中，一种加热进料的方法可以包括：提供电动炉，该电动炉具有至少一兆瓦的输出。电动炉可以包括控制系统和炉壳体，该炉壳体包括至少部分地限定内部体积的一个或多个壳体壁。电动炉还可以包括位于内部体积内的多个加热区，该多个加热区中的每个加热区包括一个或多个加热元件，该一个或多个加热元件是电动的并且当被激活时从其表面辐射热量。多个加热区中的每个加热区可以独立地响应控制系统。控制系统可以改变每个区中的一个或多个加热元件的输出以作为一个或多个加热元件中的每个加热元件的最大输出的一小部分。电动炉还可以包括多个经加热管，该多个经加热管在内部体积中延伸，该多个经加热管中的每个经加热管在入口端与出口端之间延伸并且限定内部通道，该内部通道被定位为接收进料并且在进料从入口端到出口端通过内部通道时加热进料，并且该多个经加热管被定位在炉壳体中以接收从多个加热区中的每个加热区中的一个或多个加热元件辐射的热量。该方法还可以包括：向电动炉提供进料；以及在算法上针对多个加热区中的每个加热区调整一个或多个加热元件的输出以将进料加热到期望温度，同时将一个或多个加热元件的温度保持在预定参数内。
在某些实施方案中，可以在操作期间用仪器测量一个或多个加热元件的温度，并且所测量的温度可以用于在算法上调整多个加热区中的每个加热区的一个或多个加热元件的输出。在某些实施方案中，可以从预测模型计算一个或多个加热元件的温度，并且所计算的温度可以用于在算法上调整多个加热区中的每个加热区的一个或多个加热元件的输出。
在某些实施方案中，在算法上调整一个或多个加热元件的输出可以包括使组合的加热元件表面中的最高温度最小化。控制系统可以利用来自多个加热区中的每个加热区的输出的比率来保持跨一个或多个加热元件的均匀温度分布，同时保持过程性能。预定参数可以是温度的均匀性，其中在炉的标准操作期间，每个单独加热元件表面中的任一者上的最高温度与任何加热元件表面上的最低温度之间的最大温差可以小于100摄氏度、优选地小于60摄氏度、更优选地小于30摄氏度。预定参数可以是温度的均匀性，其中在炉的标准操作期间，任何加热元件表面上的最高温度与任何加热元件表面上的最低温度之间的最大温差可以小于100摄氏度、优选地小于60摄氏度、更优选地小于30摄氏度。
控制系统可以确定对多个加热区中的每个加热区的相对功率输出。在多个加热管的入口端附近的一个或多个加热区可以具有比在多个加热管的出口端附近的一个或多个加热区更高的输出。最低输出加热区的输出可以比最高输出加热区的输出低至少10％。电动炉还可以包括在以下项之间的热分区：a)多个加热区的第一子集与多个经加热管的第一部分，以及b)多个加热区的第二子集与多个经加热管的第二部分，其中热分区至少部分地将第一子集和第一部分与第二子集和第二部分热绝缘。
在某些实施方案中，加热区的数量可以大于二。一个或多个加热元件可以是附接到或邻近壳体壁的电阻元件。炉壳体还可以包括导电耐火材料，该导电耐火材料当被激活时向多个经加热管辐射热量。
在一些实施方案中，电动炉可以包括多个加热区，其中加热区中的每个加热区包括一个或多个加热元件，该一个或多个加热元件是电动的并且被构造为辐射热量。炉还可以包括多个经加热管，该多个经加热管在入口端与出口端之间延伸并且被构造为接收进料并在进料从入口端传递到出口端时加热进料。多个加热区可以包括被构造为向经加热管辐射不同热量输入的加热区，使得在经加热管的入口端处的热量输入大于在经加热管的出口端处的热量输入。本文公开的炉和方法的至少一些实施方案可以产生提供更均匀加热的管、更均匀加热的进料材料、加热元件的更均匀温度和/或更高效加热的电动炉。在一些实施方案中，电动炉可以具有1兆瓦(MW)或更大的功率输出。
根据一些实施方案，加热进料的电动炉可以包括炉壳体，该炉壳体包括至少部分地限定内部体积的一个或多个壳体壁。电动炉还可以包括多个加热区，该多个加热区中的每个加热区包括一个或多个加热元件，该一个或多个加热元件是电动的并且被构造为辐射热量。电动炉可以进一步包括在内部体积中延伸的多个经加热管。多个经加热管中的每个经加热管可以在入口端与出口端之间延伸并且限定内部通道，该内部通道被定位为接收进料并在进料从入口端到出口端通过内部通道时加热进料。多个经加热管可以被定位在炉壳体中以接收从一个或多个加热元件辐射的热量。多个加热区可以包括第一加热区，该第一加热区包括一个或多个加热元件中的至少一个加热元件并且被构造为向多个经加热管的与入口端相关联的第一长度部分辐射第一热量输入。多个加热区还可以包括第二加热区，该第二加热区包括一个或多个加热元件中的至少一个加热元件并且被构造为向多个经加热管的与出口端相关联的第二长度部分辐射第二热量输入。第一热量输入可以大于第一热量输入和第二热量输入的平均热量输入，并且第二热量输入可以小于平均热量输入。
根据一些实施方案，一种碳氢化合物加热组件可以包括电动炉，并且电动炉可以是以下中的一者：蒸汽裂解炉、蒸汽甲烷重整器或用于脱氢的碳氢化合物加热器。电动炉可以包括至少部分地限定内部体积的一个或多个壳体壁。电动炉还可以包括多个加热区，该多个加热区中的每个加热区包括至少一个加热元件，该至少一个加热元件是电动的并且被构造为辐射热量。电动炉可以进一步包括在内部体积中延伸的多个经加热管。多个经加热管中的每个经加热管可以在入口端与出口端之间延伸并且限定内部通道，该内部通道被定位为接收进料并在进料从入口端到出口端通过内部通道时加热进料。多个经加热管可以被定位在炉壳体中以接收从一个或多个加热元件中的至少一个加热元件辐射的热量。多个加热区可以包括第一加热区，该第一加热区包括一个或多个加热元件中的至少一个加热元件并且被构造为向多个经加热管的与入口端相关联的第一长度部分辐射第一热量输入。多个加热区还可以包括第二加热区，该第二加热区包括一个或多个加热元件中的至少一个加热元件并且被构造为向多个经加热管的与出口端相关联的第二长度部分辐射第二热量输入。第一热量输入可以大于第一热量输入和第二热量输入的平均热量输入，并且第二热量输入可以小于平均热量输入。
根据一些实施方案，一种用于向进料提供热量的方法可以包括将进料供应到多个经加热管，多个经加热管各自从入口端延伸到出口端并且限定内部通道。该方法还可以包括经由第一加热元件来加热多个经加热管中的每个经加热管，该第一加热元件被构造为向多个经加热管的与入口端相关联的第一长度部分辐射第一热量输入。该方法可以进一步包括经由第二加热元件来加热多个经加热管中的每个经加热管，该第二加热元件被构造为向多个经加热管的与出口端相关联的第二长度部分辐射第二热量输入，其中第一热量输入大于第一热量输入和第二热量输入的平均值，并且第二热量输入小于平均热量输入。该方法还可以进一步包括在进料从入口端到出口端通过经加热管中的每个经加热管的内部通道时经由多个经加热管来加热进料。
在本公开中详细讨论了这些示例性实施方案和其他实施方案的另外的其他方面和优点。此外，应当理解，前述信息和以下详细说明书两者仅提供各个方面和实施方案的说明性示例，并且旨在提供用于理解所要求保护的方面和实施方案的性质和特性的概述或框架。因此，通过参考以下描述和附图，本公开的这些和其他目的以及优点和特征将变得显而易见。此外，应当理解，本文描述的各种实施方案的特征不是相互排斥的，并且可以以各种组合和排列存在。
附图说明
包括在本公开中以提供对本公开的实施方案的进一步理解的附图被并入并构成本说明书的一部分，示出了本公开的实施方案，并且与详细的描述一起用于解释本文讨论的实施方案的原理。不打算以超过基本理解本文所讨论的实施方案及其各种实践方式所必要程度的更详细方式来示出本公开的结构细节。根据惯例，下面讨论的附图的各种特征不一定按比例绘制。可以扩大或缩小附图中的各种特征和元件的尺寸，以更清楚地示出本公开的实施方案。
图1示意性地示出了根据本公开的实施方案的示例加热组件的侧视图。
图2A示意性地示出了根据本公开的实施方案的示例电动炉的顶视图。
图2B示意性地示出了根据本公开的实施方案的图2A所示的示例电动炉的侧视图。
图3是示出根据本公开的实施方案的与图2A和图2B所示的示例电动炉一致的电动炉的热量输入随经加热管位置变化的曲线图。
图4示意性地示出了根据本公开的实施方案的另一示例加热组件的侧视图。
图5A是针对具有单个加热区、跨炉壁的长度具有恒定热通量的炉的示例经加热管的外径表面的温度随沿着经加热管的长度的位置变化的曲线图。
图5B是根据本公开的实施方案的针对具有三个加热区的示例电动炉的示例经加热管的外径表面的温度随沿着经加热管的长度的位置变化的曲线图。
图5C是根据本公开的实施方案的针对具有六个加热区的示例电动炉的示例经加热管的外径表面的温度随沿着经加热管的长度的位置变化的曲线图。
图6A示出了代表针对具有单个加热区、跨炉壁的长度具有恒定热通量的炉的炉壁温度场的模型。
图6B示出了根据本公开的实施方案的代表针对具有跨炉壁分布的六个加热区的示例炉的炉壁温度场的模型。
图7是根据本公开的实施方案的通过使进料通过电动炉的一个或多个经加热管来加热进料的示例方法的框图。
具体实施方式
附图可以在数个视图中使用相同的数字来表示相同的部件。提供了以下描述作为示例性实施方案的可行教导，并且相关领域的技术人员将认识到，可以对所描述的实施方案进行许多改变。同样显而易见的是，可以通过选择实施方案的一些特征而不使用其他特征来获得所描述的实施方案的一些期望的益处。因此，本领域技术人员将认识到，对所描述的实施方案的许多修改和改变是可能的，并且在某些情况下甚至可能是期望的。因此，提供以下描述作为对实施方案原理的说明，而不是对其进行限制。
本文使用的措辞和术语是为了描述目的，而不应被认为是限制性的。如本文所使用的，术语“多个”是指两个或更多个项目或部件。无论是在书面描述中还是在权利要求中等等，术语“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”和“涉及”都是开放式术语，即，除非另有说明，否则意指“包括但不限于”。因此，此类术语的使用意指涵盖其后列出的项目及其等同物，以及附加项目。过渡性短语“由......组成”和“基本上由......组成”分别是关于任何权利要求的封闭式或半封闭式过渡性短语。在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等序数术语来修饰权利要求元素本身并不意味着一个权利要求元素相对于另一个权利要求元素的任何优先级、优先序或顺序或者执行方法的动作的时间顺序，而是仅用作标签来区分具有特定名称的一个权利要求元素与具有相同名称的另一个元素(序数术语使用除外)以区分权利要求元素。
在某些实施方案中，一种加热进料的方法可以包括：提供电动炉，该电动炉具有至少一兆瓦的输出。电动炉可以包括控制系统和炉壳体，该炉壳体具有至少部分地限定内部体积的一个或多个壳体壁。多个加热区可以位于内部体积内，该多个加热区中的每个加热区包括一个或多个加热元件，该一个或多个加热元件是电动的并且当被激活时从其表面辐射热量。多个加热区中的每个加热区可以独立地响应控制系统。控制系统可以改变每个区中的一个或多个加热元件的输出以作为一个或多个加热元件中的每个加热元件的最大输出的一小部分。多个经加热管可以在内部体积中延伸，其中多个经加热管中的每个经加热管可以在入口端与出口端之间延伸并且可以限定内部通道，该内部通道被定位为接收进料并在进料从入口端到出口端通过内部通道时加热进料。多个经加热管可以被定位在炉壳体中以接收从多个加热区中的每个加热区中的一个或多个加热元件辐射的热量。
在某些实施方案中，该方法还可以包括：将进料提供到电动炉；以及在算法上调整多个加热区中的每个加热区的一个或多个加热元件的输出以将进料加热到期望温度，同时将一个或多个加热元件的温度保持在预定参数内。
在某些实施方案中，可以在操作期间用仪器测量一个或多个加热元件的温度。在某些实施方案中，可以使用预测模型来计算一个或多个加热元件的温度。用仪器测量或计算的温度可以用于在算法上调整多个加热区中的每个加热区的一个或多个加热元件的输出。
在算法上调整一个或多个加热元件的输出可以包括使组合的加热元件表面中的最高温度最小化。可以进一步包括基于反馈控制的控制策略、基于前馈控制的控制策略或它们的组合。
一个或多个加热元件的温度被保持在其内的预定参数可以包括温度的均匀性，其中在炉的标准操作期间，任何加热元件表面上的最高温度与任何加热元件表面上的最低温度之间的最大温差小于100摄氏度、优选地小于60摄氏度、更优选地小于30摄氏度。炉的标准操作涉及炉操作在其期间通过将进料加热到期望温度来保持期望产量的时间。通常期望在此类操作期间保持大致稳态条件，但标准操作可以包括在面对变化的条件(诸如进料速率和设备状况)时保持操作所必要的调整。标准操作不包括启动或停机操作或者非生产操作(例如，在蒸汽裂解情况下的除焦操作)。
在某些实施方案中，控制系统可以确定对多个加热区中的每个加热区的相对功率输出。
在某些实施方案中，控制系统可以利用来自多个加热区中的每个加热区的输出的比率来保持跨一个或多个加热元件的均匀温度分布，同时保持过程性能。保持过程性能可以意指保持进料出口温度处于或接近期望值，或保持在经加热管的内部发生的一个或多个化学反应的转化水平处于期望值。
在某些实施方案中，在多个加热管的入口端附近的一个或多个加热区可以具有比在多个加热管的出口端附近的一个或多个加热区更高的输出。最低输出加热区的输出可以比最高输出加热区的输出低至少10％、或低至少20％、或低至少30％。加热区的输出可以意指壁热量负荷，即，由加热区内的加热元件产生的热量(例如，以kW为单位)除以由这些加热元件占据的壁表面积(例如，以m2为单位)。
电动炉还可以包括在以下项之间的热分区：a)多个加热区的第一子集与多个经加热管的第一部分，以及b)多个加热区的第二子集与多个经加热管的第二部分，其中热分区至少部分地将第一子集和第一部分与第二子集和第二部分热绝缘。
在各种实施方案中，加热区的数量可以大于两、大于三、大于四、大于五、大于六、大于七、大于八、大于九、大于十、大于十一、大于十二等。
一个或多个加热元件可以是附接到或邻近壳体壁的电阻元件。壳体壁可以覆盖有热耐火材料或由热耐火材料组成，诸如砖或纤维陶瓷绝缘材料。
炉壳体还可以包括导电耐火材料，该导电耐火材料当被激活时向多个经加热管辐射热量。使用传导耐火材料(诸如耐火砖)可以提供金属线或金属带加热元件的替代，并且可以消除或减少那些系统的某些设计约束。导电耐火材料可以是没有金属导体的砖，其中电流改为流过导电耐火材料。在某些实施方案中，导电耐火材料可以是陶瓷。导电耐火材料可以被布置在炉内，使得它们限定加热区中的一个或多个加热区。在此类实施方案中，导电耐火砖或其他此类构造单元可以被认为是加热元件。
本发明还涉及一种操作上述进料加热方法的设备。
图1示出了根据本公开的实施方案的示例加热组件10。如图1所示，加热组件10可以包括用于接收进料14的电动炉12，该进料可以包括在加热过程期间被加热的任何一种或多种材料，并且电动炉12可以加热进料14以提供经加热产物16，该经加热产物可以包括前体、中间产物和/或最终产物。在一些实施方案中，电动炉12可以是或包括任何用于将固体、流体、气体和/或它们的组合从第一温度加热到大于第一温度的第二温度的电动加热器或加热装置。在一些实施方案中，电动炉12可以具有1兆瓦(MW)或更大的输出，例如，2MW、3MW、5MW、10MW、15MW、20MW、30MW、40MW、50MW、100MW、200MW或1GW。在一些实施方案中，电动炉12可以被构造为将电转换成热量，该热量足以供应吸热反应所需的能量，例如用于供应反应的热量。例如，进料14可以包括碳氢化合物，并且加热组件10可以是碳氢化合物加热组件，诸如例如生产石油衍生产物(其可以包括前体、中间产物和/或最终产物)的电动裂解炉、蒸汽甲烷重整器、用于脱氢的碳氢化合物加热器或任何其他过程加热需求，例如，能够接受由电加热元件提供的热量的任何应用或过程。设想了用于加热其他类型的材料的其他类型的加热组件。
在一些实施方案中，图1所示的加热组件10可以包括在进料14到达电动炉12之前对进料14的上游加工18。例如，对于用于裂解碳氢化合物的加热组件10，上游加工18可以包括例如预热段，在预热段中，碳氢化合物进料流和稀释流可以被供应到预热管中以用于组合和预热碳氢化合物进料流和稀释流，例如，如本领域技术人员将理解的。例如，碳氢化合物进料流可以包括石脑油、乙烷和/或其他碳氢化合物，并且电动炉12可以至少部分地裂解碳氢化合物进料流以提供经裂解碳氢化合物，经裂解碳氢化合物可以包括烯烃、甲烷和裂解过程的其他副产物，如本领域技术人员将理解的。设想其他类型的上游工艺。
如图1所示，一旦进料14的材料已在电动炉12中加热以提供经加热产物16，加热组件10的一些实施方案还可以包括用于接收经加热产物16的下游加工/收集20。在一些实施方案中，下游加工/收集20可以包括经加热产物16的附加反应、加工和/或处理。
如图1所示，在一些实施方案中，可以经由电力线24从一个或多个电力源22为电动炉12供应电力。电力源22可以包括独立于加热组件10产生的电力。
如图1所示，电动炉12可以包括炉壳体26，在该炉壳体中容纳有电动炉段28。电动炉段28可以包括经加热管段30，在加热期间，材料进料14可以流经该经加热管段以输出经加热产物16。如图1所示，在一些实施方案中，炉段28可以包括段壳体32，在该段壳体中容纳有经加热管段30。
在一些实施方案中，如图1所示，炉壳体26可以包括一对相对的壳体壁34，该一对相对的壳体壁至少部分地限定炉壳体26的内部体积36。电动炉12还可以包括多个加热区38。多个加热区38中的每个加热区可以包括一个或多个加热元件40，该一个或多个加热元件是电动的并且被构造为辐射热量。在一些实施方案中，一个或多个加热元件40可以经由一个或多个端子43经由一根或多根电力线41供应电力。供应给电动炉12的电力可以是交流电(AC)或直流电(DC)。在一些实施方案中，加热区38可以例如沿着电动炉12的长度水平地限定，该加热区具有随电动炉12的长度水平地(或竖直地)延伸的一个或多个加热元件40。在一些实施方案中，加热区38可以例如沿电动炉12的高度竖直向上限定，该加热区具有随电动炉12的高度竖直地(或水平地)延伸的一个或多个加热元件40。在一些实施方案中，加热区38可以以相对于电动炉12水平和竖直的任何组合进行限定，该加热区具有以水平和竖直的任何组合延伸的加热元件40。在一些实施方案中，加热区38中的一个或多个加热区可以是长度相同的。在一些实施方案中，加热区38中的一个或多个加热区可以具有不同的长度。如本文所使用，热量输入可以指例如壁、表面和/或屏障的每单位表面积的热量，其可以例如以功率/单位面积(例如，千瓦/平方米)为单位来表达。在一些实施方案中，加热区38中的一个或多个加热区和/或加热元件40中的一个或多个加热元件可以竖直地延伸、水平地延伸或者以竖直和水平的组合延伸。
在一些实施方案中，加热元件可以是金属加热元件，该金属加热元件包括适合于以在炉壳体中实现的温度进行加热操作的金属合金。此类合金的示例包括合金，该合金包括铁、镍、铬和/或铝。在一些实施方案中，加热元件可以包括铁、铬和铝的合金，该合金有时被称为FeCrAl。已知此类合金适合于在高达并且甚至超过1300℃的温度下操作。根据对这类合金的长期性能的调查，它们的操作寿命可能是由于形成了包含氧化铝的保护层，从而允许操作数月或数年后才需要更换。即使如此，这些合金也具有有限的使用寿命，并且根据科学调查，包含此类合金的元件的可用寿命随温度而变化，寿命一般随着温度的升高而降低，因为氧化降解过程在高温下进行得更快。关于炉中的加热元件的更换的维护计划可以由经历最快降解的加热元件决定，该加热元件可以是具有最高温度的加热元件。因此，期望保持炉中的所有加热元件的最热部分的温度尽可能低。为了在保持期望进料出口温度的同时使最热温度最小化，期望在加热元件的所有表面中保持较高温度的均匀性。因此，期望保持均匀的温度分布，这意指其中加热元件表面之间的最高温度与最低温度之间的温差低于在来自加热区中的每个加热区的输出都相同的情况下的温差的分布。在一些实施方案中，加热元件可以是陶瓷加热元件，诸如包含碳化硅或二硅化钼的加热元件。陶瓷加热元件可能具有与针对金属加热元件描述的相似的操作温度与可用使用寿命之间的关系。在一些实施方案中，金属或陶瓷加热元件可以是常规形成的加热元件，例如具有附接到炉的壁并沿着炉的壁延伸或蜿蜒的杆或条带的形状。在一些实施方案中，陶瓷加热元件可以是自支撑结构，诸如砖，其可以被组合(例如，堆叠)以形成壁或壁的部分。
加热区可以包括一个或多个加热元件。每个加热区可以通过其相关联的炉控制器来向其一个或多个加热元件提供单个输出；方便的是考虑将该输出作为可以递送到一个或多个加热元件的最大可能输出的一部分。例如，如果以125％的超裕度设计系数保守地设计该炉，则当所有加热区都以80％的输出操作时，可能实现期望的进料出口温度。尽管在这种情况下，对元件中的每个元件的部分输出将相同，但加热区内和加热区之间的各个加热元件的温度通常将至少部分地因不同加热元件附近的加热管的不同温度而不均匀。不仅在不同加热元件之间可能存在温差，而且单个加热元件的表面的不同部分也可能达到不同温度。由加热元件布置、加热管布置、进料流量和温度以及其他变量的任何特定组合引起的温度分布可以用仪器评估，例如使用借助于热电偶、红外相机或其他合适的装置进行的温度测量，或者可以使用预测模型来预测或估计该温度分布。在评估和最小化加热元件中的最高温度时，因此期望确定组合的加热元件表面中的最高温度(也就是说，炉中的加热元件的任何部分的最高表面温度)，该最高温度可以高于任何单个加热元件的平均温度。
如图1所示，电动炉12可以进一步包括在炉壳体26的内部体积36中延伸的多个经加热管42。通常，本文描述的实施方案可以应用于任何几何形状的经加热管42。在一些实施方案中，被加热的经加热管42中的一个或多个经加热管可以竖直地延伸、水平地延伸或者以竖直和水平的组合延伸。在一些实施方案中，经加热管42可以单次通过电动炉12或者不止一次通过电动炉12。经加热管42中的每个经加热管可以包括入口端44和出口端46，并且可以限定在入口端44与出口端46之间延伸的内部通道。在一些实施方案中，管可以具有多个入口和/或多个出口，其中入口的数量可以大于、小于出口的数量或与出口的数量相同。在一些实施方案中，经加热管42中的一个或多个经加热管的内部通道和/或外表面可以具有与经加热管42中的一个或多个其他经加热管的横截面形状和/或横截面积相同的横截面形状和/或横截面积。在一些实施方案中，经加热管42中的一个或多个经加热管的内部通道和/或外表面可以具有与经加热管42中的一个或多个其他经加热管的横截面形状和/或横截面积不同的横截面形状和/或横截面积。经加热管42不限于圆柱形管和/或圆柱形内部通道。内部通道和/或外表面的横截面形状可以是圆形、椭圆形、卵形、长圆形、多边形、弯曲形状和多边形形状的组合，或者适合于管道的任何横截面形状。内部通道可以被构造为接收进料14并且在进料14从入口端44到出口端46通过内部通道时加热进料14。经加热管42中的每个经加热管可以被定位在炉壳体26的内部体积36中以接收从加热元件40辐射的热量。例如，加热元件40可以被定位在相对的壳体壁34上并且被构造为辐射热量以向经加热管42提供热量输入。在一些实施方案中，加热元件40中的一个或多个加热元件可以连接到壳体壁34中的一个或多个壳体壁、从炉壳体26的上部部分的内部悬置和/或支撑在炉壳体26的内部体积36内。
如图1所示，在一些实施方案中，加热组件10可以包括控制系统48，该控制系统包括被构造为控制电动炉12的操作的一个或多个炉控制器48a和48b，例如，如本领域技术人员将理解的。尽管示出了两个炉控制器，但在各种实施方案中，该数量可以大于二。例如，加热组件10可以包括第一炉控制器48a和第二炉控制器48b，炉控制器各自被构造为控制相应加热区38a和38b的操作。加热组件10可以进一步包括与控制系统通信的多个炉传感器50，诸如例如电压传感器、电流传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器等。控制系统可以使用计算机软件和/或硬件程序形式的控制逻辑来做出与控制相应加热区38a和/或38b的操作相关联的控制决策，这可以包括调整炉控制器48a和/或48b的输出。控制系统可以使用各种算法(诸如基于反馈的算法或前馈控制逻辑或它们的组合)来保持进料的出口温度处于或接近期望值，同时保持加热元件表面的温度在预定义参数内。控制系统可以对加热区输出做出调整以响应进料加热过程和炉的操作变化，例如进料速率或温度的变化、传热速率的变化(例如，由加热管内的积炭引起的变化)以及将影响进料出口温度和/或加热元件温度分布的其他变化。一些实施方案可以包括在炉控制器48a和/或48b上游的变压器，以将电压减至适合按预期操作电动炉12的水平。在一些实施方案中，电力可以例如经由相角控制、交叉开关或其他电压或电流控制方案来控制，如本领域技术人员将理解的。
保持加热元件的温度在预定参数内可以意指调整炉控制器以使得最高加热原件温度不超过预定义最大温度，诸如加热元件的降解速率在其变得不可接受的温度，或者可以意指调整炉控制器以使得保持最高加热元件温度尽可能低，这保持进料出口温度处于其期望值。
在一些实施方案中，加热组件10可以包括与管线和/或管道相关联的阀，并且炉控制器48a和/或48b可以至少部分地基于控制决策来传送控制信号以控制供应给电动炉12的电压和/或电流，和/或将控制信号传送到与阀相关联的致动器以控制进料14(例如，气体和/或液体)和/或热量的流动，并且可以根据所传送的控制信号操作致动器以操作电动炉12和/或加热组件10的其他部件。在一些示例中，炉控制器48a和/或48b可以由至少部分地基于效率考虑和/或排放考虑而至少部分地手动控制加热组件10以满足期望的性能参数的人类操作者补充或代替。
如图1所示，在一些实施方案中，电动炉12可以包括第一加热区38a，该第一加热区包括多个加热元件40，该多个加热元件是电动的并且被构造为向多个经加热管42的与经加热管42的入口端44相关联的第一长度部分L1辐射第一热量输入。如图所示，电动炉12可以进一步包括第二加热区38b，该第二加热区包括多个加热元件40，该多个加热元件是电动的并且被构造为向多个经加热管42的与经加热管42的出口端46相关联的第二长度部分L2辐射第二热量输入。在一些实施方案中，第一长度部分L1的一部分可以与第二长度部分L2的一部分重叠，例如，其中第一热量输入将热量的一部分辐射到第二长度部分L2的一部分上，和/或其中第二热量输入将热量的一部分辐射到第一长度部分L1的一部分上。例如，在第一长度部分L1与第二长度部分L2之间不具有热绝缘分区的实施方案中，可以设想，第一热量输入的一部分将向第二长度部分L2的邻近第一长度部分L1的端部提供热量，和/或第二热量输入的一部分将向第一长度部分L1的邻近第二长度部分L2的端部提供热量。
在一些实施方案中，第一热量输入可以大于第一热量输入和第二热量输入的平均热量输入，并且第二热量输入可以小于平均热量输入。在一些实施方案中，可能的是：独立于经加热管42的出口端46来加热经加热管42的入口端44，例如分别经由第一加热区38a和第二加热区38b。因此，可以严密地定制入口端44处的热量输入来使入口端44处于或更接近最佳温度以在进料进入经加热管42的入口端44时加热进料14。类似地，可以严密地定制出口端46处的热量输入来使出口端46处于或更接近最佳温度以在进料接近和离开经加热管42的出口端46时加热进料14。在一些示例中，这可以有助于升高经加热管42的入口端44的温度，同时也不会将经加热管42的出口端46的温度升高到高于期望的温度，这可能导致减少由经加热管42在出口端46处的过高温度引起的材料结垢(例如，过早焦化)并且还可以防止由经加热管42的过高温度引起的对经加热管42的出口端46的过早磨损或损坏。在一些实施方案中，相对于具有对材料流动通过其和由其加热的管的均匀热量输入的炉而言，包括两个或更多个加热区38的电动炉12的生产量可以增加。例如，通过定制对两个或更多个加热区中的每个加热区的热量输入，可以避免过高的经加热管温度，同时提供对经加热管42的整体更大热量输入。因此，被加热的材料可以在不结垢或不使经加热管42过热的情况下更快地加热。在一些实施方案中，通过定制对两个或更多个加热区中的每个加热区的热量输入，多个经加热管的平均温度可以增加而不会增加多个经加热管的最大温度。在一些实施方案中，通过定制对两个或更多个加热区中的每个加热区的热量输入，生产量可以增加40％(或30％、25％、20％、15％、10％或5％)。
在一些实施方案中，电动炉12可以包括多于两个加热区38。例如，一些实施方案可以包括两个至四个加热区38、两个至五个加热区38、两个至六个加热区38，或者七个或更多个加热区38。例如，一些实施方案可以包括第三加热区38，该第三加热区包括一个或多个第三加热元件40并且被构造为向经加热管42的在第一长度部分与第二长度部分之间的第三长度部分辐射第三热量输入。一些实施方案可以包括第四加热区38，该第四加热区包括一个或多个第四加热元件40并且被构造为向经加热管42的在第三长度部分与第二长度部分之间的第四长度部分辐射第四热量输入。一些实施方案可以包括第五加热区38，该第五加热区包括一个或多个第五加热元件40并且被构造为向经加热管42的在第四长度部分与第二长度部分之间的第五长度部分辐射第五热量输入。一些实施方案可以包括第六加热区38，该第六加热区包括一个或多个第六加热元件40并且被构造为向经加热管42的在第五长度部分与第二长度部分之间的第六长度部分辐射第六热量输入。一些实施方案可以包括至少七个加热区38，加热区各自包括相应一个或多个加热元件40并且被构造为向经加热管42的在第一长度部分与第二长度部分之间的相应长度部分辐射相应热量输入。在一些实施方案中，加热元件40中的一个或多个加热元件可以被构造为向加热区38中的两个或更多个加热区提供热量输入。例如，根据不同加热区38，一个或多个加热元件40可以被构造为沿着其长度具有不同的热量输出以向经加热管42的不同部分提供不同热量输入。
在一些实施方案中，不同加热区38中的每个加热区可以被构造或控制为提供不同的相应热量输出，例如，使得在经加热管42的相应入口端44与经加热管42的长度的相应中点之间的加热区38向经加热管42提供比加热区38的平均热量输入更多的热量输入。在一些实施方案中，在经加热管42的长度的相应中点与经加热管42的相应出口端46之间的加热区38可以被构造或控制为向经加热管42提供比加热区38的平均热量输入更少的热量输入。
例如，电动炉12的一些实施方案可以包括第一加热区38、第二加热区38、第三加热区38、第四加热区38、第五加热区38、第六加热区38或至少七个加热区38中的一者或多者。在一些此类实施方案中，经加热管42可以各自限定具有中间区域或位置(例如，中点)的经加热管长度，并且第一加热区38、第三加热区38、第四加热区38、第五加热区38、第六加热区38或至少七个加热区38中的一者或多者可以包括被定位为在入口端44与中间区域之间向经加热管42辐射热量的一个或多个入口区，该一个或多个入口区中的每个入口区具有在第一热量输入、第二热量输入、第三热量输入、第四热量输入、第五热量输入、第六热量输入或至少七个热量输入中的一者或多者的平均热量输入的100％至150％的范围内的热量输入。第二加热区38、第三加热区38、第四加热区38、第五加热区38、第六加热区38或至少七个区38中的一者或多者可以包括被定位为在中间区域与出口端46之间向经加热管42辐射热量的一个或多个出口区，该一个或多个出口区中的每个出口区具有在第一热量输入、第二热量输入、第三热量输入、第四热量输入、第五热量输入、第六热量输入或至少七个相应热量输入中的一者或多者的平均热量输入的60％至100％的范围内的热量输入。在一些实施方案中，第一加热区38中的热量输入可以高于平均热量输入，第二加热区38的热量输入可以低于平均热量输入，并且在第一加热区38与第二加热区38之间的中间加热区38(例如，第三至第七加热区(当存在时))中的一者或多者的热量输入可以是(1)平均热量输入或高于平均热量输入，或者(2)平均热量输入或低于平均热量输入。
在一些实施方案中，除了第一加热区38和第二加热区38外，电动炉12还可以包括：第三加热区38，该第三加热区包括一个或多个第三加热元件40并且被构造为向经加热管42的在第一长度部分与第二长度部分之间的第三长度部分辐射第三热量输入；以及第四加热区38，该第四加热区包括一个或多个第四加热元件40并且被构造为向经加热管42的在第三长度部分与第二长度部分之间的第四长度部分辐射第四热量输入。在一些此类实施方案中，第一热量输入可以在第一热量输入、第二热量输入、第三热量输入和第四热量输入的平均热量输入的102％至150％的范围内。在一些实施方案中，第三热量输入可以在平均热量输入的100％至130％的范围内。在一些实施方案中，第四热量输入可以在平均热量输入的70％至100％的范围内。在一些实施方案中，第二热量输入可以在平均热量输入的60％至98％的范围内。每个加热元件的热量输入可以取决于加热元件与经加热管之间的距离、经加热管之间的距离和/或经加热元件之间的距离而变化。热量输入可以在操作条件改变或者经加热管中的碳氢化合物的焦化随时间推移而改变其传热性质和温度剖面时改变。
图2A示意性地示出了根据本公开的实施方案的示例电动炉12的顶视图，并且图2B示意性地示出了根据本公开的实施方案的图2A所示的示例电动炉12的侧视图。如图2A和图2B所示，在电动炉12的一些实施方案中，经加热管42中的每个经加热管可以包括与入口端44相关联的下流部分52、与出口端46相关联的上流部分54以及连接下流部分52和上流部分54的弯曲部分56。在一些此类实施方案中，炉壳体26可以包括下流箱58和上流箱60，下流部分52和上流部分54分别延伸通过该下流箱和该上流箱，例如，如图2A和图2B所示。如图2A和图2B所示，电动炉12可以进一步包括在下流部分52与上流部分54之间的热分区62。热分区62可以被构造为将下流部分52与上流部分54至少部分地热绝缘或者充当下流部分与上流部分之间的辐射屏障，例如以减少或防止下流部分52、上流部分54之间和/或与下流部分52和/或上流部分54相关联的不同加热区38之间的传热。热分区62的长度可以至少部分地基于加热区38中的一个或多个加热区的位置进行构造。例如，热分区62可以至少部分地跨、大部分跨或完全跨炉壳体26的高度、宽度和/或长度延伸。
图3是示出根据本公开的实施方案的与图2A和图2B所示的示例电动炉12一致的电动炉12的热量输入随经加热管位置变化的曲线图64。在曲线图64中，电动炉12的入口端44在曲线图64的右端处，并且电动炉12的出口端46在曲线图64的左端处。参考图2B，示出了在电动炉12的左上侧的入口端44和在电动炉12的右上侧的出口端46，如图所示，进料从入口端44流动通过经加热管42(参见图2A)、流动通过下流部分54、流动通过弯曲部分56、流动通过上流部分54并从出口端46流出。
如曲线图64所示，与曲线图64相关的电动炉12包括五个加热区38a、38b、38c、38d和38e，加热区各自提供相应热通量或热量输入，如在水平轴上所示。如图所示，第一加热区38a具有70kW/m2的热通量并且通常对应于距入口端44在14米下至10米处的下流部分52。在一些实施方案中，加热区38a至38e中的一个或多个加热区可以是长度相同的。在一些实施方案中，加热区38a至38e中的一个或多个加热区可以具有不同的长度。在10米处开始并且在弯曲部分56处结束，第二加热区38b提供约52kW/m2的热通量(kW/m2)。当材料从零高度至约5米开始向上行进到上流部分54，第三加热区38c提供约45kW/m2的热通量。在约5米高度与约10米之间，第四加热区38d提供约38kW/m2的热通量。从约10米高度至14米处的出口端46，第五加热区38e提供约35kW/m2的热通量。因此，曲线图64示出了其中有第一加热区38a至第五加热区38e提供的热通量在进料从入口端44到出口端46通过经加热管42时始终下降的示例。这与示出当进料从入口端44到出口端46通过经加热管42时示出约50kW/m2的恒定且均匀热通量的线66形成对比。例如，取决于经加热管42的期望加热，可以设想其他相关热量输入策略。
图4示意性地示出了根据本公开的实施方案的另一示例加热组件10的侧视图。如图4所示，在一些实施方案中，电动炉12可以包括四个加热区38，包括第一加热区38a、第二加热区38b、第三加热区38c和第四加热区38d。例如，如图所示，第一加热区38a可以包括一个或多个第一加热元件，该第一加热元件是电动的并且被构造为向经加热管42的第一长度部分L1辐射第一热量输入。第二加热区38b可以包括多个第二加热元件，该第二加热元件是电动的并且被构造为向经加热管42的第二长度部分L2辐射第二热量输入。第三加热区38c可以包括多个第三加热元件，该第三加热元件是电动的并且被构造为向经加热管42的第三长度部分L3辐射第三热量输入。第四加热区38d可以包括多个第四加热元件，该第四加热元件是电动的并且被构造为向经加热管42的第四长度部分L4辐射第四热量输入。
在一些实施方案中，第一热量输入和第二热量输入可以各自大于第一热量输入、第二热量输入、第三热量输入和第四热量输入的平均热量输入，并且第三热量输入和第四热量输入可以小于平均热量输入。在一些实施方案中，可能的是：独立于彼此加热第一长度部分L1、第二长度部分L2、第三长度部分L3和/或第四长度部分L4，例如，分别经由第一加热区38a、第二加热区38b、第三加热区38c和/或第四加热区38d。因此，可以严密地定制入口端44处的热量输入来使入口端44处于或更接近最佳温度以在进料进入经加热管42的入口端44时加热进料14。类似地，可以严密地定制出口端46处的热量输入来使出口端46处于或更接近最佳温度以在进料接近和离开经加热管42的出口端46时加热进料14。在一些示例中，这可以有助于升高经加热管42的入口端44的温度，同时也不会将经加热管42的出口端46的温度升高到高于期望的温度，这可能导致减少由经加热管42在出口端46处的过高温度引起的材料结垢(例如，过早焦化)并且还可以防止由经加热管42的过高温度引起的对经加热管42的出口端46的过早磨损或损坏。在一些实施方案中，相对于具有对材料流动通过其和由其加热的管的均匀热量输入的炉而言，包括四个或更多个加热区38的电动炉12的生产量可以增加。例如，通过定制四个或更多个加热区中的每个加热区的热量输入，可以避免过高的经加热管温度，同时提供对经加热管42的整体更大热量输入。因此，被加热的材料可以在不结垢或不使经加热管42过热的情况下更快地加热。在一些实施方案中，可以定制相应热量输入，使得经加热管42的管壁温度沿着经加热管42的长度保持基本上恒定。在一些实施方案中，热量输入可以沿着电动炉12的长度从电动炉12的输入端到电动炉12的输出端降低。例如，在图4所示的实施方案中，第一热量输入可以大于或等于第二热量输入，该第二热量输入可以大于或等于第三热量输入，该第三热量输入可以大于或等于第四热量输入。
例如，如图4所示，加热组件10的一些实施方案可以包括一个或多个炉控制器48，该一个或多个炉控制器被构造为控制电动炉12的操作，例如，如本领域技术人员将理解的。例如，加热组件10可以包括第一炉控制器48a、第二炉控制器48b、第三炉控制器48c和/或第四炉控制器48d，炉控制器各自被构造为控制相应第一加热区38a至第四加热区38b的操作。加热组件10可以进一步包括与第一炉控制器48a至第四炉控制器48d中的一个或多个炉控制器通信的多个炉传感器50(例如，传感器50a、50b、50c和50d)，诸如例如电压传感器、电流传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器等，并且第一炉控制器48a至第四炉控制器48d中的一者或多者可以使用计算机软件和/或硬件程序形式的控制逻辑来做出与相应第一加热区38a至第四加热区38d的操作相关联的控制决策。在一些实施方案中，第一炉控制器48a至第四炉控制器48d中的一者或多者可以组合成单个炉控制器。一些实施方案可以包括在炉控制器上游的变压器，以将电压降至适合按预期操作电动炉12的水平。在一些实施方案中，电力可以例如经由相角控制、交叉开关或其他电压控制方案来控制，如本领域技术人员将理解的。
在一些实施方案中，加热组件10可以包括与管线和/或管道相关联的阀，并且第一炉控制器48a至第四炉控制器48d可以至少部分地基于控制决策来传送控制信号以控制供应给电动炉12的电压和/或电流，和/或将控制信号传送到与阀相关联的致动器以控制进料14(例如，气体和/或液体)和/或热量的流动，并且可以根据所传送的控制信号操作致动器以操作电动炉12和/或加热组件10的其他部件。在一些示例中，第一炉控制器48a至第四炉控制器48d中的一者或多者可以由至少部分地基于效率考虑和/或排放考虑而至少部分地手动控制加热组件10以满足期望的性能参数的人类操作者补充或代替。
图5A是代表确定针对具有单个加热区、跨炉壁的长度具有恒定热通量的炉的经加热管的外径表面的温度70随沿着经加热管的长度的位置而变化的模拟的输出的曲线图68。图5B是代表根据本公开的实施方案的确定针对具有三个加热区的示例电动炉12的示例经加热管42的外径表面的温度74随沿着经加热管42的长度的位置而变化的模拟的输出的曲线图72。图5C是代表根据本公开的实施方案的确定针对具有六个加热区的示例电动炉12的示例经加热管42的外径表面的温度78随沿着经加热管42的长度的位置而变化的模拟的输出的曲线图76。使用ANSYS Fluent三维计算流体动力学建模软件来执行这些模拟。计算辐射、对流和传导热传输以及乙烷裂解反应的热力学和动力学以确定炉壁处的温度、管壁的内径表面和外径表面处的热通量和温度，以及经加热管内的气体的温度和转化。对于图5A、图5B和图5C中的计算，模拟具有两个经加热壁、功率输入为2.99MJ/kg总进料(蒸汽和乙烷)的矩形炉；该模拟使用加热壁模型而不是将热量输入分解到各个加热元件中。该炉含有长度为14.5m且外径为56.64mm的九个单程管；0.033kg/s总进料以大约690℃和200kPa的压力进入管；乙烷转化率为大约70％。
如图5A所示，经加热管的外径表面的温度70的曲线图68示出了经加热管的温度70从入口端44处的约1010摄氏度到出口端46处的约1100摄氏度急剧变化。线70在沿着经加热管长度的位置的所有温度下都具有宽度，因为经加热管仅从两个相对的侧接收热量输入，并且因此，经加热管的邻近壁和壁加热器的部分比经加热管的不邻近壁的部分接收相对更多的热量输入。因此，外径表面的一些部分比外径表面的其他部分更热。图5A通过示出线70具有与外径表面的温度范围(例如，约10摄氏度至15摄氏度，如图所示)相对应的宽度来示出这种现象。
如图5A所示，因为与图5A相对应的对经加热管的热量输入是均匀的(例如，沿着其长度)，因此经加热管的外表面的温度从入口端44到出口端46变化很大。这是由以下产生：一旦进料14已经在通过经加热管时被加热，进料14以低于进料14的温度的温度进入经加热管。在离开时，进料14已经被加热，从而有助于外径表面的温度，该外径表面也由均匀热量输入加热。因此，对于图5A所描绘的均匀热量输入，入口端44具有显著低于出口端46的温度。
与图5A相比，图5B的曲线图72示出了根据本公开的实施方案的用于示例电动炉12的示例经加热管42的外径表面的温度74随沿着经加热管42的长度的位置而变化。图5B所示的示例包括三个加热区38，加热区各自沿着经加热管42的长度提供不同的热量输入，其中入口端44处的热量输入(例如，在第一加热区处)大于邻近热量输入(例如，在第二加热区处)，该邻近热量输入又大于出口端46处的热量输入(例如，在第三加热区处)。与图5A的外径表面温度70不同，图5B所示的外径表面温度74从入口端44到出口端46基本上恒定，在入口端44处的约1070摄氏度到出口端46处的约1085摄氏度的范围内。通过在入口端44处提供相对较大的热量输入并且在出口端46处提供相对较低的热量输入，经加热管42的外径表面温度从经加热管42的入口端44到出口端46保持基本上恒定。
类似于图5B，图5C的曲线图76示出了根据本公开的实施方案的用于示例电动炉12的示例经加热管42的外径表面的温度78随沿着经加热管42的长度的位置而变化。图5C所示的示例包括六个加热区38，加热区各自沿着经加热管42的长度提供不同的热量输入，其中入口端44处的热量输入(例如，在第一加热区处)大于邻近热量输入(例如，在第二加热区处)，该邻近热量输入又可以大于下一邻近加热区的热量输入(例如，在第三加热区处)，该热量输入又可大于下一邻近加热区的热量输入(例如，在第四加热区处)，该热量输入又可以以大于下一邻近加热区的热量输入(例如，在第五加热区处)，该热量输入又可以大于出口端46处的热量输入(例如，在第六加热区处)。与图5A的外径表面温度70不同，图5C所示的外径表面温度78从入口端44到出口端46基本上恒定，在入口端44处是约1,085摄氏度且在出口端46处是约1,085摄氏度，在入口端44与出口端46之间降至约1070摄氏度。通过在入口端44处提供相对较大的热量输入并且在出口端46处提供相对较低的热量输入，经加热管42的外径表面温度从经加热管42的入口端44到出口端46保持基本上恒定。
在一些示例中，这可以有助于升高经加热管42的入口端44的温度，同时也不会将经加热管42的出口端46的温度升高到高于期望的温度，这可能导致减少由经加热管42在出口端46处的过高温度引起的材料结垢(例如，过早焦化)并且还可以防止由经加热管42的过高温度引起的对经加热管42的出口端46的过早磨损或损坏。在一些实施方案中，相对于具有对材料流动通过其和由其加热的管的均匀热量输入的炉而言，包括两个或更多个加热区38的电动炉12的生产量可以增加。例如，通过定制两个或更多个加热区38中的每个加热区的热量输入，可以避免过高的经加热管温度，同时提供对经加热管42的整体更大热量输入。因此，在一些实施方案中，被加热的材料可以在不结垢或不导致经加热管42过热的情况下更快地加热。
在一些实施方案中，经加热管42中的每个经加热管的外表面的温度可以限定沿着经加热管42的在入口端44与出口端46之间的长度的温度剖面，并且当加热从入口端44到出口端46流动通过内部通道的进料14时，温度剖面可以保持在从入口端44到出口端46的温度剖面的最大温度的85％内(例如，被计算为以开氏度数为单位的最大温度减去以开氏度数为单位的最小温度除以以开氏度数为单位的最大温度)。例如，温度剖面可以保持在从入口端44到出口端46的温度剖面的最大温度的90％内、最大温度的92％内、最大温度的93％内、最大温度的94％内、最大温度的95％内、最大温度的96％内、最大温度的97％内、最大温度的98％内或最大温度的99％内。在一些实施方案中，电动炉12可以包括或是蒸汽裂解炉，并且来自两个或更多个加热区38的热量输入使得从入口端44到出口端46沿着经加热管42中的每个经加热管的长度，经加热管42中的每一个经加热管的外表面的外部温度在范围是850摄氏度(例如，在操作开始处和之后)到1080摄氏度(例如，1040摄氏度到1080摄氏度)的最小温度至范围是1000摄氏度(例如，在操作开始时和之后)到1150摄氏度(例如，1050摄氏度到1150摄氏度)的最大温度的范围内。在一些实施方案中，最大管温度与平均管温度之间的温差可以小于50摄氏度(或40摄氏度、或30摄氏度、或20摄氏度或10摄氏度)。
图6A示出了代表针对具有单个加热区、跨炉壁的长度具有恒定热通量的炉从如图所示在图的右手侧处的入口端82到如图所示在图的左手侧处的出口端84的炉壁温度场80的模型。所计算的壁温度场提供了对安装在这些壁上的加热元件的表面的温度分布的估计。在图6A和图6B中表示的炉模拟由类似于针对图5A和图5C描述的过程类似的过程获得，尽管在这种情况下，石脑油而不是乙烷在管中裂解，并且几何设计和过程条件略有不同。对于图6A的示例建模炉壁，如由建模温度场80所示，炉壁在入口端82处具有最小温度T最小(约1171摄氏度)且在出口端84处具有最大温度T最大(约1225摄氏度)；平均壁温度为1186.5摄氏度。这可能由炉内的经加热管辐射的热量引起。例如，被加热的材料流动通过其的经加热管将热量朝向炉壁辐射和/或反射回。因此，经加热管的出口端(其中在经加热管中被加热的材料具有最高温度)通常可以对应于经加热管的最大温度的位置。因此，经加热管的出口端在炉壁的出口端84处向炉壁辐射和/或反射相对更多的热量。因此，炉壁的出口端84可以比炉壁的入口端82相对更热，这由图6A中的炉壁温度场80示出。
在根据本公开的一些实施方案中，电动炉12可以包括多个加热区38，该多个加热区以如下方式进行控制：可以产生跨多个加热区38的多个加热元件40的相对更恒定温度剖面，例如以便使最大温度最小化和/或使加热元件40的从电动炉12的多个加热元件40跨其提供热量输入的部分的入口端到出口端的温度变化最小化。在一些实施方案中，热通量可以被控制为较高，其中经加热管42可能趋于更冷；和/或被控制为较低，其中经加热管42可能趋于更热。在一些实施方案中，热通量可以被控制为较高，例如，其中加热元件40原本将会更冷，和/或被控制为较低，例如，其中加热元件40可能会更热。这可以允许具有较低加热元件最大温度的相同的总热量输入。这可能导致向经加热管42供应相同的总热量输入或在一些情况下更多的热量输入，同时还降低加热元件40跨电动炉12的长度从入口端到出口端的最大温度。在一些示例中，加热元件40的使用寿命可能与加热元件40的最大温度相关(例如，负相关)。因此，例如，与具有单个区热量输入的炉相比，提供多个加热区38可能导致增加加热元件40的使用寿命，该多个加热区可以被控制以降低加热元件40的最大温度，同时仍提供同样多或更多热量输入，如图6A所示。在一些实施方案中，可以提供多个加热区，例如，使得最大加热元件温度小于1350摄氏度(或1300摄氏度、1275摄氏度、1250摄氏度、1225摄氏度或1200摄氏度)。在一些实施方案中，可以提供多个加热区，例如，使得最大加热元件温度比平均加热元件温度高不超过50摄氏度(或40摄氏度、30摄氏度、20摄氏度、10摄氏度或5摄氏度)。在一些实施方案中，最大温度与平均元件温度之间的百分数差(例如，被定义为以开氏度数为单位的最大温度减去以开氏度数为单位的平均温度除以以开氏度数为单位的平均温度)可以减少到小于10％(或8％、6％、5％、4％、3％、2％、1.5％、1％或0.5％)。
最低输出加热区的输出可以比最高输出加热区的输出低至少10％。
图6B示出了根据本公开的实施方案的代表针对具有六个加热区38a、38b、38c、38d、38e和38f的示例电动炉12的炉壁温度场86的模型，该六个加热区跨炉壁的长度从如图所示在右手端处的入口端88到如图所示在左手端处的出口端90分布，该六个区分别以来自图6A的示例中的单个区的热通量的92.5％、95％、97.8％、100％、110％和125％操作。总热量输出在两个示例中相同。在图6B所示的示例中，最大加热元件温度T最大是约1210摄氏度并且不会降至低于约1180摄氏度的最小温度T最小；平均加热元件温度可以是1190摄氏度。该最大加热元件温度T最大低于图6A所示的约1225摄氏度的最大加热元件温度T最大。与图6A相比，图6B所示的多个加热区38a至38f可以以可能产生跨多个加热区38a至38f的多个加热元件的相对恒定温度剖面的方式进行控制，例如以便使最大温度最小化和/或使加热元件的从电动炉12的多个加热元件跨其提供热量输入的部分的入口端88到出口端90的温度变化最小化。在某些实施方案中，最低输出加热区的输出比最高输出加热区的输出低至少5％、或10％或20％。这可能导致向经加热管42供应相同的总热量输入或在一些情况下更多的热量输入，同时还降低加热元件40跨电动炉12的长度从入口端88到出口端90的最大温度。根据一些实施方案，可以提供至少一个控制器以控制向加热元件40供应电力，使得加热元件40中的一个或多个加热元件的相应最大温度可以被最小化。根据一些实施方案，可以提供至少一个控制器以控制向加热元件40供应电力，例如，使得最大温度与平均加热元件温度之间的温差可以被最小化。
模拟(诸如用于产生图5和图6的模拟)可以形成用于构建预测模型的基础，该预测模型允许估计炉中的加热元件和加热管表面的由以外部过程参数(诸如进料速率和进料的温度)、设备状态(诸如加热管中的碳沉积程度)和受控变量(诸如对加热区中的每个加热区的部分输出)的不同组合进行操作所产生的温度。此类预测模型可以用于实施控制算法，该控制算法实现本公开中阐述的目的。
图7是根据本公开的实施方案的加热材料进料的示例方法700的框图，其示出为逻辑流程方案中的框的集合，表示一系列操作。描述操作的顺序不旨在被解释为限制，并且任何数量的所描述的框可以以任何顺序和/或并行地组合以实现该方法。
图7是根据本公开的实施方案的通过使材料进料通过电动炉的一个或多个经加热管来加热材料进料的示例方法700的框图。例如，材料进料可以包括但不限于碳氢化合物，并且材料进料的加热可以是裂解碳氢化合物的过程的一部分，例如，作为碳氢化合物裂解过程的一部分、作为甲烷重整过程的一部分，或作为脱氢过程的一部分。设想其他类型的进料和/或加热过程。
在702处，示例方法700可以包括：向多个经加热管供应进料，经加热管各自从入口端到出口端延伸并且限定内部通道。例如，多个经加热管可以被定位在炉壳体的内部体积中，例如，如本文先前所描述。
在704处，示例方法700还可以包括：经由第一加热元件来加热多个经加热管中的每个经加热管，该第一加热元件被构造为向多个经加热管的与入口端相关联的第一长度部分辐射第一热量输入。为清楚起见，每个区中可以存在一个或多个加热元件，并且单个加热元件可以在多个区上延展开。另外，第一区中的加热元件可以向多于一个区辐射热量。例如，多个经加热管可以被定位在炉壳体中，例如，如本文先前所描述。在一些实施方案中，加热元件可以被构造为当通过向加热元件供应电力而被激活时辐射热量。由加热元件辐射的热量可以向经加热管提供热量输入，例如，如本文先前所描述。
在706处，示例方法700可以进一步包括：经由第二加热元件来加热多个经加热管中的每个经加热管，该第二加热元件被构造为向多个经加热管的与出口端相关联的第二长度部分辐射第二热量输入。例如，第一热量输入可以大于第一热量输入和第二热量输入的平均值，并且第二热量输入可以小于平均热量输入。
在708处，示例方法700还可以包括：经由至少一个附加的加热元件来加热多个经加热管中的每个经加热管，该至少一个附加的加热元件被构造为向多个经加热管的在第一长度部分与第二长度部分之间的至少一个附加的相应长度部分辐射与第一热量输入不同且与第二热量输入不同的至少一个附加的相应热量输入。例如，这可以如本文先前所描述的那样执行。
在710处，示例方法700可以进一步包括：独立于彼此控制第一热量输入、第二热量输入和至少一个附加的热量输入，使得第一热量输入大于至少一个附加的相应热量输入，并且至少一个附加的相应热量输入大于第二热量输入。在示例方法700的一些实施方案中，可以包括控制向加热元件中的一者或多者供应电力，使得多个加热元件中的一者或多者的最大温度最小化。在一些实施方案中，示例方法700可以包括：控制向加热元件中的一者或多者供应电力，例如，使得多个加热元件中的一者或多者的最大温度与一个或多个加热元件的平均温度之间的温差最小化。
在712处，示例方法700可以包括：在进料从入口端到出口端通过经加热管中的每个经加热管的内部通道时经由多个经加热管来加热进料。例如，由第一加热元件和第二加热元件辐射的热量可以向经加热管提供热量输入，例如，如本文先前所描述。在进料通过经加热管的内部通道时，进料可以被加热。
现在已经描述了本公开的一些说明性实施方案，对于本领域技术人员显而易见的是，前述内容仅仅是说明性的而非限制性的，仅以示例的方式呈现。许多修改和其他实施方案在本领域普通技术人员的范围内，并且被认为落入本公开的范围内。特别地，尽管本文呈现的许多示例涉及方法动作或系统元件的特定组合，但是应当理解，这些动作和元件可以以其他方式组合以实现相同的目的。本领域技术人员应当理解，本文描述的参数和构造是示例性的，并且实际参数和/或构造将取决于使用本公开的系统和技术的具体应用。仅使用常规实验，本领域技术人员还应认识到或能够确定本公开的具体实施方案的等同实施方案。因此，应当理解，本文描述的实施方案仅作为示例呈现，并且在任何所附权利要求及其等同物的范围内，本公开的实施方案可以以不同于具体描述的方式实践。
此外，本公开的范围应被解释为覆盖上述实施方案的各种修改、组合、添加、变更等，这些修改、组合、添加、变更等应被视为在本公开的范围内。因此，如本文所讨论的各种特征和特性可以选择性地互换并且应用于其他示出和未示出的实施方案，并且在不脱离如所附权利要求中阐述的本公开的精神和范围的情况下，可以进一步对其进行许多变化、修改和添加。

Claims (14)

1.一种加热进料的方法，其中所述方法包括：
提供电动炉，所述电动炉具有至少一兆瓦的输出并且包括：
控制系统；
炉壳体，所述炉壳体包括至少部分地限定内部体积的一个或多个壳体壁；
多个加热区，所述多个加热区位于所述内部体积内，所述多个加热区中的每个加热区包括一个或多个加热元件，所述一个或多个加热元件是电动的并且当被激活时从其表面辐射热量，其中所述多个加热区中的每个加热区独立地响应所述控制系统，其中所述控制系统改变每个区中的所述一个或多个加热元件的输出以作为所述一个或多个加热元件中的每个加热元件的最大输出的一部分；
多个经加热管，所述多个经加热管在所述内部体积中延伸，所述多个经加热管中的每个经加热管在入口端与出口端之间延伸并且限定内部通道，所述内部通道被定位为接收所述进料并且在所述进料从所述入口端到所述出口端通过所述内部通道时加热所述进料，并且所述多个经加热管被定位在所述炉壳体中以接收从所述多个加热区中的每个加热区中的所述一个或多个加热元件辐射的热量；
向所述电动炉提供所述进料；以及
在算法上针对所述多个加热区中的每个加热区调整所述一个或多个加热元件的所述输出以将所述进料加热到期望温度，同时将所述一个或多个加热元件的温度保持在预定参数内。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在操作期间用仪器测量所述一个或多个加热元件的温度，并且所测量的温度用于在算法上针对所述多个加热区中的每个加热区调整所述一个或多个加热元件的所述输出。
3.根据权利要求1所述的方法，其中从预测模型计算所述一个或多个加热元件的温度，并且所计算的温度用于在算法上针对所述多个加热区中的每个加热区调整所述一个或多个加热元件的所述输出。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在算法上调整所述一个或多个加热元件的所述输出包括使组合的加热元件表面中的最高温度最小化。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述控制系统利用来自所述多个加热区中的每个加热区的输出的比率来保持跨所述一个或多个加热元件的均匀温度分布，同时保持过程性能。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述预定参数是温度的均匀性，其中在所述炉的标准操作期间，任何加热元件表面上的最高温度与任何加热元件表面上的最低温度之间的最大温差小于100摄氏度、优选地小于60摄氏度、更优选地小于30摄氏度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述控制系统确定对所述多个加热区中的每个加热区的相对功率输出。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述多个加热管的所述入口端附近的一个或多个加热区具有比在所述多个加热管的所述出口端附近的一个或多个加热区更高的输出。
9.根据权利要求8所述的方法，其中最低输出加热区的输出比最高输出加热区的输出低至少10％。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述电动炉进一步包括在以下项之间的热分区：a)所述多个加热区的第一子集与所述多个经加热管的第一部分，以及b)所述多个加热区的第二子集与所述多个经加热管的第二部分，其中所述热分区至少部分地将所述第一子集和所述第一部分与所述第二子集和所述第二部分热绝缘。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中加热区的数量大于二。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述一个或多个加热元件是附接到或邻近壳体壁的电阻元件。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述炉壳体进一步包括导电耐火材料，所述导电耐火材料当被激活时向所述多个经加热管辐射热量。
14.一种设备，所述设备操作根据前述权利要求中任一项所述的进料加热方法。
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