ES2258504T3 - Proceso de reformado con un sistema quemador de flujo termico variable. - Google Patents
Proceso de reformado con un sistema quemador de flujo termico variable.Info
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Abstract
Un aparato para calentar, reformar, o craquear fluidos hidrocarbonos u otros fluidos en un proceso que tiene un requisito de calor de proceso para calentar un fluido de proceso en el proceso, incluyendo: una envuelta alargada (24) que tiene una pared interior, un primer eje longitudinal, un primer extremo, y un segundo extremo enfrente de dicho primer extremo, siendo dicha envuelta (24) sustancialmente simétrica alrededor de dicho primer eje longitudinal y encerrando una primera región interior adyacente al primer extremo y una segunda región interior adyacente al segundo extremo, siendo cada una de dichas regiones interiores primera y segunda sustancialmente simétrica alrededor de dicho primer eje longitudinal.
Description
Proceso de reformado con un sistema quemador de
flujo térmico variable.
Esta invención se refiere a procesos que implican
el calentamiento de fluidos, tal como procesos para la producción
de un gas conteniendo hidrógeno y óxidos de carbono reformando al
vapor un material de hidrocarbono, y en concreto a un aparato y
método para procesos de reformado de hidrocarbonos, procesos de
craqueo de hidrocarbonos, y calentamiento de fluidos.
Aunque la invención se explica dentro del
contexto del reformado al vapor de hidrocarbonos, la invención no
se limita al uso con tales procesos. El proceso de reformado al
vapor es un proceso químico conocido para reformar hidrocarbonos.
Una mezcla de hidrocarbono y vapor (una mezcla de alimentación)
reacciona en presencia de un catalizador para formar hidrógeno,
monóxido de carbono y dióxido de carbono. Dado que la reacción de
reformado es fuertemente endotérmica, se debe suministrar calor a la
mezcla reactiva, tal como calentando los tubos en un horno o
reformador. La cantidad de reformado lograda depende de la
temperatura del gas que salen del catalizador; temperaturas de
salida en el rango de 700-900°C son típicas para
reformado convencional de hidrocarbonos.
Los procesos convencionales de reformado con
vapor catalizador queman combustible para proporcionar la energía
requerida para la reacción de reformado. En un reformador de dicho
proceso convencional, el combustible típicamente se quema en
paralelo al gas de alimentación frío entrante para lograr un flujo
térmico medio alto a través de la(s) pared(es) del
tubo por transferencia de calor radiante directamente de la llama.
Hacia abajo del extremo de quemador, el gas producido y los gases
de combustión salen a temperaturas relativamente altas.
La figura 1 ilustra un reformador cilíndrico de
combustión superior, de flujo ascendente, convencional 10 (o horno)
en el que se sitúan tres quemadores 12. Los tubos 14 están llenos de
catalizador y se extienden la altura del reformador 10. Una mezcla
de fluidos de proceso entra mediante los colectores de entrada 18 y
se inyecta a los tubos 14. La mezcla de fluidos avanza a través de
los tubos llenos de catalizador y sale a los colectores de salida
16. La mezcla de fluidos dentro de los tubos se calienta casi
completamente por transferencia de calor radiante de los quemadores
12 dentro del reformador. Solamente un lado del tubo experimenta
radiación directa de la llama, lo que da lugar a calentamiento no
uniforme alrededor de la circunferencia del tubo. Los gases de
combustión que salen a través de la pila 15 están a temperatura muy
alta.
Para recuperar el calor sensible del singas
producido, los procesos de reformado de hidrocarbonos de la técnica
anterior usan un tubo dentro de una disposición de tubos (tubo en
tubo) con catalizador en los anillos. La alimentación absorbe calor
del lado de combustión del horno a través de la pared de tubo
exterior. El flujo de gas reformado se invierte en el extremo del
lecho catalizador y entra en el paso interior del tubo. El gas
reformado da posteriormente calor al flujo en contracorriente de la
alimentación fría entrante.
Cuando el catalizador está fresco, una fracción
grande del calor transferido a través del tubo es absorbida por las
reacciones endotérmicas que tienen lugar a altas tasas. Cuando el
catalizador en esta región se desactiva (envenena), las reacciones
endotérmicas se producen a una tasa más lenta y absorben una
fracción menor del calor. Como resultado, se eleva la temperatura
del gas de proceso en esta región y aumenta en gran medida la
tendencia a coquizar/sobrecalentar el tubo.
La Patente de Estados Unidos número 3.230.052
(Lee y otros) describe un calentador aterrazado conteniendo dos
filas de tubos verticales llenos de catalizador (en una disposición
escalonada). Cada pared longitudinal del horno se hace de una serie
de superficies planas que forman una serie de escalones. La base de
cada escalón incorpora una serie de canales que se extienden a lo
largo de la longitud del horno e incorporan quemadores (lineales).
Los quemadores inyectan llamas a cada canal para llenar
sustancialmente cada canal. La combustión se termina dentro del
canal. Los gases de combustión calientes barren las paredes planas
inclinadas encima de cada canal. El objetivo es calentar la pared
refractaria inclinada a una temperatura (relativamente) uniforme
intentando lograr una intensidad de calor uniforme (flujo térmico)
para los tubos en dicha sección del horno. Alterando la tasa de
combustión de cualquier conjunto de quemadores pareados dispuestos a
la misma altura, se puede someter uniformemente zonas diferentes de
los tubos a intensidades de calor adecuadas para la velocidad de
reacción alcanzable. Sin embargo, no se ofrece información sobre
cómo deberá diferir el flujo térmico en cada sección vertical y qué
determina la cantidad de combustible a quemar dentro de cada altura.
El combustible se quema y libera su calor de combustión a tres
alturas discretas en el horno y las paredes refractarias verticales
inclinadas se utilizan en un intento de calentar uniformemente los
tubos.
La Patente de Estados Unidos número 3.182.638
(Lee y otros) describe un diseño de calentador que utiliza el mismo
tipo de quemadores que los descritos en la Patente de Estados Unidos
número 3.230.052. Los quemadores están situados solamente en el
suelo. El horno se divide en celdas múltiples usando paredes de
revestimiento refractario adicionales. El objeto es lograr un flujo
térmico uniforme en los tubos en serpentín en cada zona. La
magnitud de calor transferido en cada celda se puede ajustar
controlando el caudal combustible a cada celda mediante quemadores
de canal que queman a lo largo de paredes opuestas.
La Patente de Estados Unidos número 5.199.961
(Ohsaki y otros) describe un aparato para reacción catalítica que
tiene un espacio inferior de transferencia de calor radiante y un
espacio superior diseñado para mejorar la transferencia de calor
por convección al reactor tubular vertical. De manera similar a la
descrita en las Patentes de Estados Unidos números 3.182.638 y
3.230.052, los conjuntos de quemador (llamados quemadores lineales)
están situados a lo largo del suelo del horno entre filas de tubos.
Estos quemadores queman hacia arriba a lo largo de las paredes
refractarias verticales. La intención es distribuir el calor a los
tubos más uniformemente a lo largo de la altura del tubo y e
intentar proporcionar aproximadamente un flujo térmico igual a cada
reactor tubular. El combustible se quema y libera su calor de
combustión a solamente una altura en el horno. Este acercamiento no
resuelve el problema de cómo adaptar la distribución de flujo
térmico a lo largo de la altura del tubular reactor con la
distribución de flujo térmico requerida por el proceso (para lograr
una temperatura uniforme de los tubos metálicos en una altura
sustancial del reactor y para mantener esta temperatura cerca de
los límites de diseño de los tubos). El método descrito en esta
patente tenderá a recalentar la pared de tubo del reactor cerca de
los quemadores.
La Patente de Estados Unidos número 2.751.893
(Permann) describe un calentador tubular radiante y un método de
calentamiento. Un objeto es proporcionar un método de lograr un
flujo de calor radiante uniforme alrededor de la circunferencia del
tubo del calentador. Para lograrlo, Permann afirma que el tubo se
debe colocar en relación a una fuente de calor radiante de manera
para evitar el choque directo en el tubo de la parte más intensa de
la radiación inicial y distribuir el calor radiante de la misma
fuente a lados opuestos de los tubos por
re-radiación de paredes radiantes opuestas. Esto
requiere que los tubos estén situados entre dos paredes
refractarias, con los quemadores situados en la primera. Los tubos
no están en la línea de visión de los quemadores. Un segundo objeto
del calentador de la Patente de Estados Unidos número 2.751.893 es
similar a la del calentador aterrazado de la Patente de Estados
Unidos número 3.230.052 en que ambos intentan lograr una
distribución de calor radiante a lo largo de la longitud de los
tubos. Ambas disposiciones requieren muchos quemadores individuales
a alturas y posiciones diferentes (a lo largo de la circunferencia o
longitud y a lo largo de la altura del horno).
Un artículo publicado en el número de 14 de
agosto de 1972 de The Oil and Gas Journal, titulado A New
Steam-Methane Reformer Gives High CO/H2 Ratio,
proporciona información acerca de un reformador de caldeo lateral
diseñado por Selas Corporation of America. Muchos quemadores están
situados en filas múltiples en ambas paredes laterales del horno.
Los tubos reformadores se colocan en una fila única. La práctica
operativa real de la planta aplica la misma tasa de combustión a
cada quemador y da lugar a un flujo térmico más o menos uniforme a
lo largo de la altura del tubo.
Otro artículo publicado en el número de 1 de
febrero de 1971 de The Oil and Gas Journal, titulado ASRT Heater -
A Break of Tradition, proporciona información acerca de la
Tecnología de Calentador de Tiempo de Residencia Corto (SRT)
desarrollada por Lummus Company. Este calentador contiene una fila
única de tubos en una disposición en serpentín que se alimenta en
ambos lados con muchos quemadores (la corriente de proceso fluye a
través de horno). El objetivo es lograr un flujo térmico alto para
maximizar la capacidad. Reconociendo que la operación del tubo está
limitada por la temperatura máxima del metal del tubo, el objetivo
es lograr un perfil de temperatura de tubo que sea lo más uniforme
que sea posible a lo largo de la altura completa del tubo. Los
quemadores son múltiples para poder controlar la tasa de combustión
por separado en los extremos de salida y entrada del serpentín. El
artículo afirma que este acercamiento no reduce la temperatura de
los gases de combustión en la parte superior del horno, porque
hacerlo daría lugar normalmente a menor absorción de calor en dicha
zona. Por lo tanto, el horno caldea toda la altura en un intento por
producir un flujo térmico uniforme sobre una zona completa del
horno y los gases de combustión salen a una temperatura
relativamente alta.
La Patente de Estados Unidos número 4.959.079
(Grotz y otros) describe un horno y proceso para reformar
hidrocarbonos. El horno consta de una sección radiante y una
sección convectiva. El vapor y el hidrocarbono fluyen por el tubo
lleno de catalizador, primero a través de la sección convectiva y
después a través de la sección radiante. Combustible se quema en la
sección radiante y los productos de combustión fluyen en
contracorriente con el proceso gas en la sección convectiva. Para
mejorar la transferencia de calor convectiva en la sección
convectiva, se reduce la anchura (dando lugar a velocidades más
altas de los gases de combustión) y se añaden superficies
extendidas (aletas) al tubo reformador.
La Patente de Estados Unidos número 3.172.739
(Koniewiez) describe un aparato que incluye un horno reformador
primario de tiro natural con un generador de vapor integral. El
horno reformador es cilíndrico con tubos reformadores dispuestos en
una configuración radial dentro de un anillo. El conducto central no
contiene tubos reformadores. Un quemador secundario quema en el
conducto central para proporcionar capacidad adicional de generación
de vapor. Koniewiez no discute el problema de garantizar que (para
cada sección vertical del horno) cada tubo se calienta
uniformemente alrededor de la circunferencia y que cada segmento de
tubo recibe la misma cantidad de calor. Koniewiez tampoco discute
el problema de garantizar que la cantidad de calor (flujo térmico)
suministrado a cada segmento del tubo no hace que el tubo se
recaliente. No se ofrecen ejemplos para ilustrar que se puede
lograr un diseño práctico con los quemadores primarios montados en
el suelo. (La patente afirma que se puede colocar quemadores
adicionales en la pared del horno y en la superficie exterior del
conducto central). Habrá una tendencia muy alta a recalentar
localmente la parte inferior de los tubos reformadores con
quemadores montados en el suelo. El segmento de salida del tubo se
calentará y limitará la tasa de combustión y flujo térmico medio
(capacidad de calentamiento). El resto del tubo se utilizará
pobremente y operará bien por debajo de la temperatura de diseño.
Los quemadores montados en el suelo restringirán la capacidad,
agravarán la temperatura del tubo, y aumentarán el grosor necesario
de la pared del tubo.
La Patente de Estados Unidos número 3.475.135
(Gargominy) describe un diseño de horno de reformado con un recinto
rectangular. Se colocan tubos reformadores verticales en una
disposición en zigzag entre las paredes longitudinales del recinto.
Dos filas de quemadores están situadas en las paredes
longitudinales. El flujo del proceso es hacia abajo y el flujo de
gases de combustión también es hacia abajo (flujo paralelo). Este
horno también contiene una sección más baja diseñada para mejorar la
transferencia de calor convectivo. En la sección convectiva, los
tubos están encerrados en canales que incrementan la velocidad de
los gases de combustión y los canales están llenos de pelets
refractarios. Este método de diseño aplica reformado de caldeo
lateral y flujo descendente con flujo paralelo (el gas de proceso y
los gases de combustión salen en la parte inferior del horno). Las
modificaciones para aumentar el coeficiente de transmisión de calor
convectivo exterior se añaden con el fin de mejorar la
transferencia general de calor en el extremo de salida del tubo. En
esta posición, la fuerza motriz de la temperatura (diferencia entre
la temperatura de los gases de combustión y el revestimiento
exterior del tubo) es menor. En contraposición, cuando los gases de
combustión salen en contracorriente al gas de proceso entrante, la
velocidad de transferencia de calor (primariamente por radiación al
extremo de entrada de los tubos desnudos) se incrementa a causa de
una mayor fuerza motriz de la temperatura.
La Patente de Estados Unidos número 3.947.326
(Nakase, y otros) describe un horno de craqueo del tipo de tubos
verticales para etileno y análogos. Se montan muchos quemadores a lo
largo de las paredes laterales del horno para calentar una o dos
filas de tubos verticales de reacción situados entre las paredes
laterales. El objetivo es aplicar un flujo térmico uniforme a lo
largo de los tubos verticales, lo que no es un medio óptimo para
maximizar la eficiencia térmica. (La optimización de la eficiencia
térmica no es un objetivo de esta patente, que describe un método
que da lugar realmente a pobre eficiencia térmica).
La Patente de Estados Unidos número 5.993.193
(Loftus y otros) describe un quemador de bajas emisiones y flujo de
calor variable, que está provisto de una pluralidad de entradas de
gas combustible para poder manipular la forma de la llama y las
características de combustión del quemador en base a la variación de
la distribución de gas combustible entre las varias entradas de gas
combustible. La finalidad de esto es variar la configuración de
flujo térmico que se produce cuando el quemador está operando. Sin
embargo, este quemador es un quemador circular con diseño
complicado, con la finalidad aparente de lograr un grado grande de
premezcla y reducidas emisiones de NOx. Más importante, la
configuración de flujo térmico de este quemador es una distribución
longitudinal de flujo térmico a lo largo de la llama. Este tipo de
quemador no es capaz de adaptar el perfil de liberación de calor
para adecuarlo a los requisitos del proceso.
La Patente de Estados Unidos número 5.295.820
(Bilcik y otros) describe un quemador lineal con una línea de
boquillas individualmente seleccionadas para operar por un
distribuidor eléctricamente regulado para la industria alimentaria.
La intención es tener un quemador con una amplia gama de potencia de
calentamiento o relación de reglaje.
Se desea tener un aparato y un método para
procesos que implican el calentamiento de fluidos (por ejemplo,
procesos de reformado de hidrocarbonos, craqueo y otros) que supere
las dificultades, problemas, limitaciones, desventajas y
deficiencias de la técnica anterior para proporcionar resultados
mejores y más ventajosos.
También se desea tener un proceso y aparato más
eficiente y económico para calentar, reformar, o craquear fluidos
hidrocarbonos u otros fluidos.
También se desea tener una tecnología de
reformado que proporcione una mayor eficiencia térmica y tasa de
producción por superar las limitaciones inherentes a la técnica
anterior.
También se desea tener una tecnología más
eficiente que también sea aplicable a otras aplicaciones de
calentamiento de proceso de caldeo, tal como hornos de craqueo de
etileno.
También se desea lograr un perfil de flujo
térmico variable preestablecido que coincide el requisito de calor
de proceso y maximiza el flujo térmico a los tubos en la región
inferior (caldeada) de un horno.
También se desea tener un aparato y un método
para procesos de reformado de hidrocarbonos que tenga un sistema
quemador simplificado situado en una región (por ejemplo, la región
inferior) del horno que logre un perfil de flujo térmico
preestablecido y utilice al máximo el (los) tubo(s) en la
zona caldeada. También se desea tener un aparato y método para
procesos de reformado de hidrocarbonos que:
transferirá calor desde el espacio de combustión
al proceso a altas tasas (altos flujos térmicos medios);
logrará alta capacidad en un diseño de horno
compacto con como tan pocos tubos como sea posible (máxima
producción por tubo);
evitará la formación de puntos calientes en los
tubos logrando distribuciones de flujo térmico, axial y
circunferencial, que suministran la cantidad máxima de calor
posible una sección local del tubo sin producir recalentamiento;
logrará la máxima eficiencia radiante posible
(consumo de combustible mínimo posible);
reducirá considerablemente el potencial de
coquización (craqueo de hidrocarbonos, formación de carbono,
ensuciamiento, obstrucción) que se produce comúnmente cerca del
extremo de entrada del proceso del tubo reformador;
evitará que se superen los límites de temperatura
de diseño del tubo (y evitará que tenga que operar con condiciones
operativas menos eficientes, tal como una alta relación de vapor a
carbono y baja temperatura de los efluentes del proceso);
permitirá que la flexibilidad operativa siga
logrando velocidades de producción de diseño durante un período de
tiempo prolongado;
reducirá el costo de sustitución del catalizador
prolongando el tiempo operativo de una carga de catalizador; y
simplificará el sistema quemador y los tubos
asociados, válvulas y controles para reducir los costos de capital
y de mantenimiento.
La invención es un aparato y método para
calentar, reformar, o craquear fluidos hidrocarbonos u otros
fluidos. La invención incluye el uso de un sistema quemador de
flujo térmico variable y caldeo lateral para uso en procesos para
calentar, reformar, o craquear fluidos hidrocarbonos u otros
fluidos.
Una primera realización del aparato definido en
la reivindicación 1 incluye: una envuelta alargada que tiene una
pared interior, un primer extremo, y un segundo extremo enfrente del
primer extremo; al menos una cámara de reacción alargada que tiene
una temperatura de diseño; una pluralidad de quemadores adyacentes a
la pared interior; y medios de transferencia adyacentes al segundo
extremo de la envuelta. La envuelta alargada tiene un primer eje
longitudinal, siendo la envuelta sustancialmente simétrica alrededor
del primer eje longitudinal y encerrando una primera región
interior adyacente al primer extremo y una segunda región interior
adyacente al segundo extremo. Cada una de las regiones interiores
primera y segunda es sustancialmente simétrica alrededor del primer
eje longitudinal. La al menos única cámara de reacción alargada
tiene un segundo eje longitudinal sustancialmente paralelo al
primer eje longitudinal. La cámara de reacción es sustancialmente
simétrica alrededor del segundo eje longitudinal. Una primera
porción de la cámara de reacción está dispuesta en la primera región
interior de la envuelta, y una segunda porción de la cámara de
reacción está dispuesta en la segunda región interior de la
envuelta. Las porciones primera y segunda de la cámara de reacción
están adaptadas para contener un flujo del fluido de proceso. Cada
uno de los quemadores está adaptado para quemar al menos un
combustible, produciendo por ello gases de combustión en la primera
región interior de la envuelta y un flujo térmico variable. El
flujo térmico variable se aproxima sustancialmente al requisito de
calor de proceso y maximiza simultáneamente el flujo térmico
sustancialmente a toda la primera porción de la cámara de reacción a
la vez que se mantiene sustancialmente toda la primera porción
sustancialmente a la temperatura de diseño sin exceder
sustancialmente de la temperatura de diseño. Al menos una porción
del flujo de los gases de combustión fluye desde la primera región
interior de la envuelta a la segunda región interior de la envuelta
mediante los medios de transferencia. Al menos una porción del
fluido de proceso fluye mediante al menos la primera o segunda
porción de la cámara de reacción en contracorriente con al menos
una porción del flujo de los gases de combustión.
En una realización preferida, la(s)
cámara(s) de reacción, que es (son) preferiblemente un
dispositivo tubular,
es (son) un tubo reformador. El dispositivo tubular puede ser un tubo reformador radiante o un dispositivo de tubo en tubo.
es (son) un tubo reformador. El dispositivo tubular puede ser un tubo reformador radiante o un dispositivo de tubo en tubo.
Hay muchas variaciones de la primera realización
del aparato. En una variación, una porción sustancial de la cámara
de reacción es sustancialmente vertical dentro de la envuelta. En
otra variación, una llama se dirige radialmente desde el quemador
sustancialmente hacia el primer eje longitudinal de la envuelta.
En la realización preferida, la envuelta es
sustancialmente cilíndrica. Sin embargo, la envuelta puede tener
otras formas. En una variación, la envuelta tiene un área en sección
transversal sustancialmente en forma de una elipse. En otra
variación, la envuelta tiene un área en sección transversal
sustancialmente en forma de un polígono.
Otra realización de la invención es similar a la
primera realización del aparato pero incluye al menos una pared
refractaria dispuesta en la envuelta adyacente al quemador. La pared
refractaria es sustancialmente perpendicular a la pared interior de
la envuelta.
Otra realización de la invención parecida a la
primera realización del aparato tiene una disposición de quemador
particular usando una pluralidad de conjuntos de quemador alargados
adyacentes a la pared interior. Cada uno de los conjuntos de
quemador tiene un eje longitudinal diferente sustancialmente
paralelo a los ejes longitudinales primero y segundo, un primer
extremo, y un segundo extremo enfrente del primer extremo. El primer
extremo del conjunto de quemador está adyacente al primer extremo
de la envuelta y el segundo extremo del conjunto de quemador está
en la primera región de la envuelta. Los conjuntos de quemador están
separados de forma sustancialmente igual periféricamente alrededor
de la pared interior y al menos dos conjuntos de quemador contiguos
están sustancialmente equidistantes de la cámara de reacción. Cada
conjunto de quemador está adaptado para quemar al menos un
combustible, generando por ello gases de combustión en la primera
región interior de la envuelta. En todos los demás aspectos, esta
realización es sustancialmente la misma que la primera realización
del aparato. Como en la primera realización, la(s)
cámara(s) de reacción, que es (son) preferiblemente un
dispositivo tubular, es (son) un tubo reformador. El dispositivo
tubular puede ser un tubo reformador radiante o un dispositivo de
tubo en tubo.
Otra realización de la invención es similar a la
primera realización del aparato pero tiene una pluralidad de rayos
de una o varias cámaras de reacción alargadas (que pueden ser tubos
reformadores). Cada rayo es sustancialmente perpendicular a la
pared interior de la envuelta. Los rayos dividen el área en sección
transversal de la envuelta en una pluralidad de sectores de igual
tamaño que tienen formas sustancialmente idénticas. Al menos un
quemador está dispuesto en cada sector. Cada una de las cámaras de
reacción tiene una temperatura de diseño y un eje longitudinal
diferente sustancialmente paralelo al primer eje longitudinal y es
sustancialmente simétrica alrededor del eje longitudinal diferente.
Una primera porción de cada cámara de reacción está dispuesta en la
primera región interior de la envuelta y una segunda porción de cada
una de las cámaras de reacción está dispuesta en la segunda región
interior de la envuelta. Las porciones primera y segunda de las
cámaras de reacción están adaptadas para contener un flujo del
fluido de proceso. En todos los demás aspectos, esta realización es
sustancialmente la misma que la primera realización del aparato.
Otro aspecto de la invención es un método para
producir un producto a partir de un proceso para calentar,
reformar, o craquear fluidos hidrocarbonos u otros fluidos como se
define en la reivindicación 12. El proceso puede tener un requisito
de calor para calentar el fluido de proceso.
Una primera realización del método incluye
múltiples pasos. El primer paso es proporcionar una envuelta
alargada que tiene una pared interior, un primer eje longitudinal,
un primer extremo, y un segundo extremo enfrente del primer
extremo. La envuelta es sustancialmente simétrica alrededor del
primer eje longitudinal y encierra una primera región interior
adyacente al primer extremo y una segunda región interior adyacente
al segundo extremo. Cada una de las regiones interiores primera y
segunda es sustancialmente simétrica alrededor del primer eje
longitudinal. El segundo paso es proporcionar al menos una cámara de
reacción alargada que tiene una temperatura de diseño y un segundo
eje longitudinal sustancialmente paralelo al primer eje
longitudinal. La cámara de reacción es sustancialmente simétrica
alrededor del segundo eje longitudinal. Una primera porción de la
cámara de reacción está dispuesta en la primera región interior de
la envuelta y una segunda porción de la cámara de reacción está
dispuesta en la segunda región interior de la envuelta. Las
porciones primera y segunda de la cámara de reacción están
adaptadas para contener un flujo del fluido de proceso. Un tercer
paso es proporcionar una pluralidad de quemadores adyacentes a la
pared interior, estando adaptado cada uno de los quemadores para
quemar un combustible. El cuarto paso es quemar al menos un
combustible en al menos uno de los quemadores, produciendo por ello
gases de combustión en la primera región de la envuelta y un flujo
térmico variable. El flujo térmico variable se aproxima
sustancialmente el requisito de calor de proceso y simultáneamente
maximiza el flujo térmico sustancialmente a toda la primera porción
de la cámara de reacción, manteniendo al mismo tiempo
sustancialmente toda la primera porción sustancialmente a la
temperatura de diseño sin exceder sustancialmente de la temperatura
de diseño. El quinto paso es transferir al menos una porción de un
flujo de los gases de combustión desde la primera región interior de
la envuelta a la segunda región interior de la envuelta. El sexto
paso es alimentar al menos una porción del fluido de proceso a la
cámara de reacción, donde la porción del fluido de proceso absorbe
al menos una porción del flujo térmico. Al menos una porción del
fluido de proceso fluye a través de al menos la primera o segunda
porción de la cámara de reacción en contracorriente con al menos
una porción del flujo de los gases de combustión.
En una realización preferida del método,
la(s) cámara(s) de reacción, que es (son)
preferiblemente un dispositivo tubular, es (son) un tubo
reformador. El dispositivo tubular puede ser un tubo reformador
radiante o dispositivo de tubo en tubo.
Hay muchas variaciones de la primera realización
del método. En una variación, una llama es dirigida radialmente
desde el quemador sustancialmente hacia el primer eje longitudinal
de la envuelta.
Otra realización del método es similar a la
primera realización del método pero incluye un paso adicional. El
paso adicional es retirar una corriente del producto de la cámara de
reacción. Otra realización del método es similar a la primera
realización a excepción del tercer paso y el uso de una disposición
de quemador particular. En el tercer paso de esta realización, se
ha previsto una pluralidad de conjuntos de quemador alargados junto
a la pared interior. Cada uno de los conjuntos de quemador tiene un
eje longitudinal diferente sustancialmente paralelo a los ejes
longitudinales primero y segundo, un primer extremo, y un segundo
extremo enfrente del primer extremo. El primer extremo del conjunto
de quemador está adyacente al primer extremo de la envuelta y el
segundo extremo del conjunto de quemador está en la primera región
de la envuelta. Los conjuntos de quemador están separados de forma
sustancialmente igual periféricamente alrededor de dicha pared
interior y al menos dos conjuntos de quemador contiguos son
sustancialmente equidistantes de la cámara de reacción. Los
conjuntos de quemador están adaptados a quemar al menos un
combustible. En todos los demás aspectos, esta realización es
sustancialmente la misma que la primera realización del método. La
cámara de reacción en esta realización puede ser un tubo
reformador.
Otra realización del método es similar a la
primera realización del método a excepción del segundo paso. En el
segundo paso de esta realización se ha previsto una pluralidad de
rayos de una o varias cámaras de reacción alargadas. Cada rayo es
sustancialmente perpendicular a la pared interior, y los rayos
dividen el área en sección transversal de la envuelta en una
pluralidad de sectores de igual tamaño que tienen formas
sustancialmente idénticas. Cada una de las cámaras de reacción
tiene una temperatura de diseño y un eje longitudinal diferente
sustancialmente paralelo al primer eje longitudinal. Cada una de las
cámaras de reacción es sustancialmente simétrica alrededor del eje
longitudinal diferente. Una primera porción de la cámara de reacción
está dispuesta en la primera región interior de la envuelta y una
segunda porción de la cámara de reacción está dispuesta en la
segunda región interior de la envuelta. Las porciones primera y
segunda de la cámara de reacción están adaptadas para contener un
flujo del fluido de proceso. Con respecto al cuarto paso en esta
realización, al menos un quemador está dispuesto en cada uno de los
sectores. En todos los demás aspectos, esta realización es
sustancialmente la misma que la primera realización del método.
La invención se describirá a modo de ejemplo con
referencia a los dibujos anexos, en los que:
La figura 1 es una vista en alzado en sección
transversal esquemática parcial de un reformador de la técnica
anterior.
La figura 2 es una vista esquemática en planta en
sección transversal del reformador de la técnica anterior
representado en la figura 1.
La figura 3 es una vista en alzado en sección
transversal esquemática parcial del aparato en una realización de
la invención.
La figura 4 es una vista esquemática en planta en
sección transversal de la realización de la invención mostrada en
la figura 3.
La figura 5 es una evaluación en sección
transversal parcial esquemática del aparato para otra realización
de la invención.
La figura 6 es una vista esquemática en planta en
sección transversal de la realización de la invención mostrada en
la figura 5.
La figura 7 es una evaluación en sección
transversal parcial esquemática del aparato para otra realización
de la invención.
Las figuras 8, 9 y 10 son vistas esquemáticas en
planta en sección transversal de la realización de la invención
mostrada en la figura 7.
La figura 11 es un gráfico que ilustra una curva
S para un tubo reformador típico en condiciones de diseño.
La figura 12 es un gráfico que ilustra el flujo
térmico máximo en función de la temperatura del gas de proceso.
La figura 13 es un gráfico que ilustra un perfil
de caldeo óptimo para un quemador de flujo térmico variable.
La figura 14 es un gráfico que ilustra
distribución de flujo térmico de tubo que resulta del perfil de
caldeo óptimo.
La figura 15 es un gráfico que ilustra la
distribución de temperatura para gases de combustión, recubrimiento
de tubo y gas de proceso correspondiente al perfil de caldeo
óptimo.
La figura 16 es un diagrama esquemático de una
vista lateral de una realización de un sistema quemador de flujo
térmico variable incluyendo deflectores.
La figura 17 es un diagrama esquemático de una
vista frontal del sistema quemador de flujo térmico variable (de la
figura 16) sin los deflectores.
La figura 18 es un diagrama esquemático que
ilustra un sistema quemador de flujo térmico variable incluyendo un
distribuidor de suministro de combustible para distribuir
combustible a las unidades quemadoras.
La figura 19 es un diagrama esquemático de una
boquilla de quemador.
La figura 20 es un diagrama esquemático de otra
boquilla de quemador.
La figura 21 es un diagrama esquemático que
ilustra una disposición de quemador que genera una llama que tiene
una forma parecida a hoja para proporcionar una configuración
variable de liberación de calor.
La figura 22 es un diagrama esquemático que
ilustra otra disposición de quemador que genera múltiples llamas
para proporcionar una configuración variable de liberación de
calor.
Y la figura 23 es un diagrama esquemático que
ilustra otra disposición de quemador que genera múltiples llamas
para proporcionar una configuración variable de liberación de
calor.
La invención es un aparato y un método para un
proceso de reformado avanzado usando un sistema quemador de flujo
térmico variable y caldeo lateral. La invención no se limita, sin
embargo, a aplicaciones de reformado. Los expertos en la técnica
reconocerán que el aparato, método, y sistema quemador se pueden
usar en otras muchas aplicaciones de calentamiento de proceso de
caldeo, incluyendo, aunque sin limitación, calentamiento de fluidos
y craqueo de hidrocarbonos (por ejemplo, craqueo de etileno).
El proceso usa un reformador (u horno) que tiene
las características siguientes: un quemador de caldeo lateral
integrado que produce un perfil de flujo térmico variable
preestablecido adaptado al proceso para lograr capacidad máxima y
eficiencia térmica máxima, y evita la coquización en la entrada del
tubo; caldeo en ambos lados de los tubos en la región inferior
(adyacente a la salida de tubo) para maximizar el flujo térmico sin
recalentamiento del tubo (en la región caldeada) y sin caldeo en la
región superior, con óptima transferencia de calor radiante entre
el gas de proceso y los gases de combustión debido a flujo en
contracorriente; caldeo dirigido radialmente y alineación de tubo
de proceso para óptima transferencia de calor alrededor de la
circunferencia de tubo; diseño único del sistema quemador para
proporcionar caldeo continuo y lineal con flujo térmico variable; y
paredes refractarias opcionales que se extienden radialmente desde
la pared interior del horno hacia el centro del horno, donde los
quemadores caldean en ambos lados de cada pared refractaria, lo que
contribuye a lograr la distribución óptima del flujo térmico a los
tubos.
Las figuras 3 y 4 muestran un esquema del
reformador 20 de la presente invención (sin paredes refractarias
opcionales), y las figuras 5 y 6 muestran un esquema del reformador
con paredes refractarias opcionales 22. Con referencia a las
figuras 3-6, el reformador 20 de la presente
invención incluye una envuelta con recubrimiento refractario 24. En
una realización preferida, la envuelta es cilíndrica. Sin embargo,
los expertos en la técnica reconocerán que el área en sección
transversal de la envuelta puede tener formas alternativas, tal como
un polígono (por ejemplo, un triángulo, cuadrado, rectángulo,
pentágono, hexágono, octágono, etc), una elipse, u otras formas.
Múltiples quemadores de flujo térmico variable 26 están situados
junto a la pared interior de la envuelta 24 cerca del extremo
inferior de la envuelta. En una realización preferida, los
quemadores están rebajados en el revestimiento refractario de la
pared interior. Como se representa en las figuras 3 y 5, las
envolventes de las llamas 28 se parecen a hojas. En el extremo
superior de la envuelta (enfrente del extremo de quemador), hay uno
o varios agujeros 30 que permiten que los gases de combustión
(conteniendo productos de combustión) salgan de la envuelta. Se
colocan tubos reformadores convencionales 32 conteniendo
catalizador dentro del interior de la envuelta para utilizar calor
radiante de alta intensidad directamente de las llamas de los
quemadores. En la realización preferida, los quemadores están
espaciados a igual distancia periféricamente alrededor de la pared
interior del reformador, estando los quemadores contiguos
equidistantes de uno o varios tubos reformadores colocados en un
plano vertical a mitad de camino entre los quemadores contiguos.
Los expertos en la técnica reconocerán que los
quemadores se pueden disponer de forma diferente en otras
realizaciones, de las que se ilustra una en las figuras
7-10. Como se representa en la figura 7, se puede
disponer uno o varios quemadores 28 dentro de cada uno de los
(cuatro) sectores del reformador 20 para lograr el perfil de flujo
térmico variable deseado a los tubos 32 en la región inferior del
reformador. Como se representa en las figuras 8, 9 y 10, múltiples
quemadores se caldean en cada sector en forma de tarta
("cuadrante") a alturas diferentes en ambos lados de tubos
dispuestos en un rayo de tubos dado. La figura 8 muestra tres
quemadores caldeando dentro de cada cuadrante y dentro de una parte
dada del reformador como unos medios de incrementar la velocidad de
liberación de calor dentro de dicha parte del horno. La figura 9
muestra dos quemadores caldeando dentro de cada cuadrante y dentro
de una parte dada del reformador como unos medios de incrementar la
velocidad de liberación de calor dentro de dicha parte del horno. Y
la figura 10 muestra un quemador caldeando dentro de cada cuadrante
y dentro de una parte dada del reformador como unos medios de
incrementar la velocidad de liberación de calor dentro de dicha
parte del horno. Los quemadores de las figuras 7-10
están dispuestos como se representa para garantizar que la cantidad
de calor que reciba un segmento dado de cada tubo sea
aproximadamente igual. (Los expertos en la técnica reconocerán que
son posibles muchas disposiciones de quemador distintas de la
representada en las figuras 7-10. Por ejemplo, se
podría añadir uno o varios quemadores adicionales en cada sector a
cada altura en las figuras 8-10).
En la realización preferida, los tubos 32 están
dispuestos en cuatro sectores del reformador 20 y un quemador de
flujo térmico variable 28 está situado en la pared interior en cada
sector, como se representa en las figuras 4 y 6. (Los expertos en
la técnica reconocerán que el reformador puede estar dividido
uniformemente en cualquier número de sectores de igual tamaño con
un rayo de tubos en cada sector). Cada quemador produce una llama
sustancialmente continua a lo largo de la altura del quemador. La
parte delantera de la llama solamente se extiende una corta
distancia desde el quemador hacia la línea central del reformador.
Se irradia directamente calor de la llama y la mampostería del
quemador a los tubos y se emite y refleja de la pared interior. La
mezcla de alimentación entra en el colector de entrada 34 y se
distribuye al extremo superior de cada tubo reformador 32. El gas
síntesis producido sale por el extremo inferior de cada tubo
reformador y se saca del reformador en el colector de salida 36, y
los gases de combustión salen por agujeros 30 en la parte superior
del reformador.
Las figuras 5 y 6 muestran un reformador que
incorpora cuatro paredes refractarias verticales 22, una en cada
sector. Los gases de combustión calientes (conteniendo productos de
combustión) fluyan radialmente a través de ambos lados de cada
pared refractaria, que por lo tanto se calienta e irradia calor a
los tubos. Las paredes refractarias 22 son perpendiculares a la
pared interior de la envuelta 24. Estas pareces refractarias se
pueden hacer de un compuesto de materiales refractarios
convencionales, tal como ladrillos cocidos a alta temperatura, o un
vaciado sólido de un refractario, tal como alúmina.
El combustible se quema en la región inferior del
reformador 20. El combustible se quema mediante los quemadores de
flujo térmico variable 26, que producen un perfil de flujo térmico
preestablecido a lo largo de la longitud del tubo - adaptado a los
requisitos específicos del proceso (reformado, o craqueo, u otro)
que tiene lugar dentro del tubo. Este perfil de flujo térmico
preestablecido resuelve simultáneamente limitaciones tales como la
temperatura de diseño del metal del tubo y la coquización, y
maximiza el flujo térmico medio (capacidad) y la eficiencia
térmica.
El perfil de flujo térmico producido por el
quemador de flujo térmico variable 26 está diseñado para irradiar
la cantidad máxima de calor a cada segmento del tubo 32 en la zona
caldeada sin exceder los límites de la temperatura de diseño del
tubo. El objetivo es proporcionar el flujo térmico máximo posible
mediante cada segmento de tubo que está situado cerca de la salida
del proceso. (Para aplicaciones de reformado, el flujo térmico
máximo está vinculado al proceso de reacción de reformado que se
produce cuando el gas fluye a través del tubo). Como resultado
intencional, la temperatura de la pared del tubo se mantiene a un
valor uniforme en la mayor parte de toda la longitud caldeada del
tubo.
Para un diseño de reformador cilíndrico, cada
quemador de flujo térmico variable 26 está situado a lo largo de la
pared interior del reformador 20 a mitad de camino entre dos rayos
de tubos 32 (como se ilustra en las figuras 4 y 6), y una pared
refractaria opcional 22 se extiende en la dirección radial a lo
largo de la línea central de cada quemador (como se ilustra en la
figura 6). Las paredes refractarias opcionales se incorporan a lo
largo de la altura de la región caldeada, pero no en la región no
caldeada. Las paredes refractarias se utilizan para garantizar que
se alcance la distribución óptima del flujo térmico en la región
caldeada.
En la realización preferida, cada quemador de
flujo térmico variable 26 quema combustible de forma sustancialmente
continua en la altura del reformador 20 ocupado por el quemador. La
intensidad de liberación de calor por unidad de longitud del
quemador es muy baja y varía suavemente a lo largo de la altura del
quemador.
La tasa de combustión por quemador 26 se puede
variar para arranque y operación a reducidas velocidades de
producción. Un objeto es lograr el mismo perfil de liberación de
calor relativo (% de calor total liberado frente a la altura del
quemador) en el rango de capacidad del quemador. (Los expertos en la
técnica reconocerán que se podría diseñar un quemador ajustable
para variar el perfil de liberación de calor relativo). De esta
forma, el perfil de flujo térmico variable producido por el quemador
resuelve todas las limitaciones (por ejemplo, temperatura de tubo,
problema de coquización) en el rango de reglaje. Para adaptar
condiciones, la temperatura de la pared del tubo será de nuevo
similar a las condiciones de diseño, pero más fría.
Para las configuraciones representadas en las
figuras 3 y 5, los productos de combustión fluyen hacia arriba. Los
productos de combustión producidos por las secciones inferiores de
los quemadores de flujo térmico variable 26 se combinan con los
productos de combustión producidos por las secciones superiores de
los quemadores y fluyen hacia arriba.
La región superior del reformador 20 no se
caldea. Los gases de combustión (conteniendo productos de
combustión) fluyen en contracorriente con el gas de proceso
entrante y salen por la parte superior del reformador. El flujo en
contracorriente contribuye a maximizar el flujo térmico a los tubos
en la región superior del horno maximizando la fuerza motriz de la
temperatura.
Esta disposición contribuye a maximizar la
producción (capacidad) logrando simultáneamente máxima eficiencia
radiante posible. La mejora en la eficiencia radiante a velocidades
reducidas será incluso mejor que cualquier mejora realizada con
tecnología de reformado paralelo.
El diseño del quemador y mampostería, así como la
disposición de diseño de los tubos reformadores 32, logran un flujo
térmico uniforme a cada altura en el reformador 20, tanto alrededor
de la circunferencia de tubos individuales como de un tubo a otro.
Como resultado, la relación del flujo térmico máximo en el peor tubo
(tubo con el máximo flujo de calor local a una altura dada) y el
flujo térmico medio en todos los tubos a la misma altura se
mantiene lo más cerca de la unidad que sea posible. Las paredes
refractarias opcionales 22 también garantizan que se cumpla este
reto.
La figura 11 representa la curva de trabajo de
proceso-temperatura de proceso, también denominada
curva S, para condiciones de diseño típicas de tubo reformador
(velocidad espacial, tamaño y forma del catalizador, actividad
catalizadora de fin de carrera). Este gráfico se obtiene de un
programa de simulación de reformador de metano al vapor. A una
distancia dada de la entrada del tubo, una cantidad de calor se
transfiere al gas de proceso que hace que se incremente la entalpía
tanto sensible como química del gas de proceso. La curva S
representa la fracción de calor absorbida (desde la entrada en un
punto dado dentro del tubo) frente a la temperatura del gas de
proceso en dicho punto.
El tubo reformador está diseñado para una
duración operativa dada correspondiente con los límites
especificados sobre la temperatura de pared del tubo y la presión
del proceso. Una vez que se conocen las condiciones locales dentro
del tubo, es posible calcular el flujo calórico local máximo que el
tubo puede soportar. La figura 12 representa el flujo térmico
máximo en función de la temperatura del proceso para las condiciones
correspondientes a la figura 11.
Es claro por la explicación anterior que existen
límites a la magnitud de flujo térmico al tubo y estos límites
dependen de la temperatura del proceso y la extensión de la reacción
de reformado. Esta información es de importancia clave al
especificar los requisitos de diseño del quemador de flujo térmico
variable para la aplicación de caldeo lateral. Para maximizar la
eficiencia del reformador con flujo de proceso hacia abajo, es
deseable maximizar el caldeo en la región inferior del reformador y
permitir el intercambio térmico contracorriente entre los productos
de combustión y el gas de proceso entrante.
La figura 13 ilustra la forma del perfil de
caldeo óptimo para reformar gas natural con vapor para producir
hidrógeno. Este perfil es para una temperatura del tubo de metal
prevista especificada y condiciones de proceso específicas fijas.
En otros términos, los tubos reformadores se diseñan para una
temperatura y se fijan las condiciones de temperatura y presión del
proceso, como la capacidad (es decir, se alimentan al reformador
cantidades fijas de gas natural y vapor). La cantidad de combustible
quemado por incremento unitario de la altura del reformador tiende
a incrementar desde un valor bajo en la parte inferior del
reformador. La cantidad de combustible quemado en la sección
superior del quemador tiende a ser inferior a la cantidad
establecida por las limitaciones de temperatura del tubo (alcanzar
el valor deseado en trabajo de caldeo total).
La figura 14 muestra el perfil de flujo térmico
del tubo correspondiente. En la región caldeada, el flujo térmico
llega a los límites de flujo térmico máximo como se representa en la
figura 12. En la región no caldeada, los flujos de calor son
inferiores a estos límites.
La figura 15 representa los perfiles de
temperatura correspondientes para gases de combustión, la pared del
tubo y el gas de proceso. En la región caldeada, la temperatura de
pared del tubo se mantiene en los límites de diseño. Con flujo en
contracorriente se maximiza la diferencia entre los gases de
combustión, y las temperaturas de pared del tubo y los perfiles de
temperatura no se aproximan en la salida de los gases de
combustión.
Las ventajas del nuevo quemador y la disposición
de la presente invención incluyen:
el quemador de flujo térmico variable produce el
perfil de flujo térmico deseado a lo largo del tubo para mantener
relativamente constante la temperatura del metal del tubo reformador
en la región caldeada;
se requieren menos quemadores, tubos, válvulas e
instrumentación, minimizando por ello el costo de capital para el
reformador, o calentador, o craqueador de etileno; y
el horno (o reformador) es capaz de lograr mayor
capacidad y una eficiencia radiante más alta.
Además, la colocación única del quemador de flujo
térmico variable resuelve el problema de coquización que se produce
a la entrada del tubo (en los reformadores convencionales) y
prolonga el tiempo operativo entre cambios de catalizador.
En un reformador comercial típico, tal como el
ilustrado esquemáticamente en la figura 1, el flujo de gas de
proceso es hacia arriba y el reformador 10 es caldeado por tres
quemadores 12 situados cerca del centro del suelo del horno. El
reformador contiene tubos en una disposición cilíndrica.
| Diseño del reformador | Técnica anterior | Presente invención |
| Número de quemadores | 3 | 4 |
| Dirección de caldeo | Hacia arriba | Lado |
| Dirección de flujo del proceso | Hacia arriba | Hacia abajo |
Al comparar un reformador comercial típico con un
reformador según la presente invención, los parámetros siguientes
se mantuvieron a los mismos valores para ambos reformadores para
comparación:
diámetro interior del horno;
altura interior del horno;
temperatura y presión de diseño del tubo
reformador;
actividad del catalizador;
tamaño y forma del catalizador (agujero
único);
temperatura de calentamiento del aire; y
relación de vapor a carbono (S/C).
Al hacer esta comparación se esperaban los
beneficios siguientes del reformador según la presente
invención:
30% de aumento de la capacidad de producción de
H_{2} (con horno del mismo tamaño);
12% menos de caldeo por producción unitaria de
H_{2};
la sección de convección es menor a causa del 12%
de reducción del flujo de gases de combustión;
38% menos de catalizador por producción unitaria
de H_{2};
40% menos de material de cámara por capacidad
unitaria de H_{2}; y
40% de aumento del flujo térmico medio en base al
área superficial interior del tubo.
También se realizó un trabajo adicional para
examinar las distribuciones de flujo térmico dentro de este nuevo
reformador que utiliza quemadores de flujo térmico variable. Los
resultados indican (para un horno con 4 sectores) que se espera que
el flujo térmico alrededor de los tubos y de tubo a tubo sea
uniforme a cada altura.
Las figuras 16-23 muestran varias
disposiciones del quemador de flujo térmico variable 26. (Los
expertos en la técnica reconocerán que son posibles otras
disposiciones de quemador). Una característica importante del
quemador utilizado en la realización preferida de la presente
invención es que es un quemador relativamente largo, orientado
preferiblemente en la dirección vertical en la pared interior del
reformador 20. Para que sea flexible, el quemador se puede dividir
en secciones múltiples, como se representa en las figuras
16-18. Pero todas las secciones comparten
preferiblemente un suministro de aire común 38 y un suministro de
combustible común 40. De esta forma se simplifican el tubo, las
válvulas y los controles. Cada sección tiene una configuración de
caldeo predeterminada. Cuando está unido, el quemador multisección
produce un perfil de liberación de calor que coincide de forma
óptima con las condiciones de proceso.
Como se representa en las figuras
16-18, cada sección tiene la misma forma de
introducir combustible y aire que produce una llama compacta,
parecida a un quemador radiante de pared convencional. Pero se
recalca que las figuras 16-18 muestran un solo
quemador 26 con secciones múltiples, en vez de múltiples quemadores,
porque todas las secciones comparten un suministro de aire común
38, un suministro de combustible común 40, y un sistema de control
de quemador común (no representado).
La figura 16 es una vista lateral de un diseño de
un quemador de flujo térmico variable 26 utilizado en la presente
invención. Entra aire 38 por un conducto 42 a la parte inferior o
superior del quemador, y el flujo de aire a cada unidad o sección
del quemador se regula por un regulador 44. Un deflector de llama 46
puede estar asociado con cada unidad o sección de quemador para
formar la llama. La figura 17 proporciona una vista del quemador
sin deflectores según se ve por dentro del reformador 20. La figura
18 proporciona una vista del quemador desde fuera del reformador 20
mostrando el suministro de combustible 40 a las unidades o secciones
quemadoras individuales mediante un sistema de distribución
incluyendo un colector 48, tubo 50 y válvulas de control 52. Se
puede usar tipos diferentes de boquillas de quemador con el quemador
26. La figura 19 es un esquema de dicha boquilla de quemador 54, y
la figura 20 es un esquema de otra boquilla de quemador 56.
Como se indica, la llama 28 en la realización
preferida tiene una forma parecida a hoja representada en la figura
3 y también en la figura 21. La forma parecida a hoja se puede
generar a partir de un quemador de flujo térmico variable 26 tal
como el ilustrado en las figuras 16-18. Sin embargo,
también se puede usar otras disposiciones de quemador y formas de
llama, tal como las representadas en las figuras 22 y 23, para
generar la configuración variable de liberación de calor en la
presente invención. Para la disposición ilustrada en la figura 22,
las unidades quemadoras están espaciadas a igual distancia, pero
cada unidad está diseñada para quemar a una tasa de combustión
diferente para generar una configuración variable de liberación de
calor. En el dispositivo ilustrado en la figura 23, todas las
unidades quemadoras están diseñadas para quemar a la misma tasa de
combustión y la espaciación entre unidades quemadoras se varía para
proporcionar una configuración variable de liberación de calor.
También se puede combinar una espaciación variable de unidades de
quemador con unidades quemadoras diseñadas para quemar a diferentes
velocidades para lograr el perfil de flujo térmico
preestablecido.
Aunque cada unidad de quemador en la realización
preferida de la invención quema el mismo combustible, se puede usar
diferentes combustibles en realizaciones alternativas. Por ejemplo,
se pueden diseñar unidades quemadoras seleccionadas para quemar un
combustible líquido (tal como nafta) y se puede diseñar otras
unidades quemadoras para quemar un combustible gaseoso (tal como
los gases malolientes producidos por adsorción con oscilación de
presión).
También es posible diseñar unidades quemadoras
seleccionadas para quemar una mezcla de combustibles (tal como una
mezcla de gas natural y gases malolientes de adsorción por
oscilación de presión).
Aunque se ha ilustrado y descrito en la presente
memoria con referencia a algunas realizaciones específicas, no se
prevé, no obstante, limitar la presente invención a los detalles
mostrados. Más bien, se pueden hacer varias modificaciones en los
detalles dentro del alcance y rango de equivalentes de las
reivindicaciones.
Claims (18)
1. Un aparato para calentar, reformar, o craquear
fluidos hidrocarbonos u otros fluidos en un proceso que tiene un
requisito de calor de proceso para calentar un fluido de proceso en
el proceso, incluyendo:
una envuelta alargada (24) que tiene una pared
interior, un primer eje longitudinal, un primer extremo, y un
segundo extremo enfrente de dicho primer extremo, siendo dicha
envuelta (24) sustancialmente simétrica alrededor de dicho primer
eje longitudinal y encerrando una primera región interior adyacente
al primer extremo y una segunda región interior adyacente al
segundo extremo, siendo cada una de dichas regiones interiores
primera y segunda sustancialmente simétrica alrededor de dicho
primer eje longitudinal;
al menos una cámara de reacción alargada (32) que
tiene una temperatura de diseño y un segundo eje longitudinal
sustancialmente paralelo a dicho primer eje longitudinal, siendo
dicha cámara de reacción (32) sustancialmente simétrica alrededor
de dicho segundo eje longitudinal, disponiéndose una primera porción
de dicha cámara de reacción (32) en dicha primera región interior
de dicha envuelta (24) y disponiéndose una segunda porción de dicha
cámara de reacción (32) en dicha segunda región interior de dicha
envuelta (24), estando adaptadas dichas porciones primera y segunda
de dicha cámara de reacción (32) para contener un flujo de dicho
fluido de proceso;
una pluralidad de quemadores (26) adyacentes a
dicha pared interior en la primera región interior, estando
adaptado cada uno de dichos quemadores (26) para quemar al menos un
combustible, produciendo por ello unos gases de combustión en dicha
primera región interior de dicha envuelta (24); produciéndose dicha
combustión junto a la salida de la cámara de reacción (32), de tal
manera que al menos una porción de dicho fluido de proceso fluya
mediante al menos la primera o segunda porción de dicha cámara de
reacción (32) en contracorriente con al menos una porción de dicho
flujo de dichos gases de combustión; y
medios de transferencia adyacentes al segundo
extremo de dicha envuelta (24), por lo que al menos una porción de
un flujo de dichos gases de combustión fluye desde la primera región
interior de dicha envuelta (24) a la segunda región interior de
dicha envuelta (24),
estando adaptada dicha pluralidad de quemadores
(26) para producir un flujo térmico variable que se aproxima
sustancialmente a dicho requisito de calor de proceso y que maximiza
simultáneamente dicho flujo térmico a sustancialmente toda dicha
primera porción de dicha cámara de reacción (32) a la vez que se
mantiene sustancialmente toda la primera porción sustancialmente a
dicha temperatura de diseño sin exceder sustancialmente de dicha
temperatura de diseño.
2. Un aparato según la reivindicación 1, donde
una porción sustancial de dicha cámara de reacción (32) es
sustancialmente vertical dentro de dicha envuelta (24).
3. Un aparato según la reivindicación 1, donde
dicha envuelta (24) es sustancialmente cilíndrica.
4. Un aparato según la reivindicación 1, donde
dicha envuelta (24) tiene un área en sección transversal
sustancialmente en forma de una elipse.
5. Un aparato según la reivindicación 1, donde
dicha envuelta (24) tiene forma de polígono en sección
transversal.
6. Un aparato según la reivindicación 1, donde se
dirige una llama radialmente desde dicho quemador (26)
sustancialmente hacia dicho primer eje longitudinal de dicha
envuelta (24).
7. Un aparato según la reivindicación 1,
incluyendo además al menos una pared refractaria dispuesta en dicha
envuelta (24) adyacente a dicho quemador, siendo dicha pared
refractaria sustancialmente perpendicular a dicha pared
interior.
8. Un aparato según la reivindicación 1, donde la
o cada cámara de reacción (32) se forma por un tubo reformador
(32).
9. Un aparato según la reivindicación 1, donde
dicha pluralidad de quemadores se forma por conjuntos de quemador
alargados (10) que tienen un eje longitudinal diferente
sustancialmente paralelo a dicho primer y segundo eje longitudinal,
un primer extremo, y un segundo extremo enfrente de dicho primer
extremo, siendo el primer extremo de dicho conjunto de quemador
(26) adyacente al primer extremo de dicha envuelta (24) y estando el
segundo extremo del conjunto de quemador (26) en dicha primera
región de dicha envuelta (24), estando separado dicho conjunto de
quemador (26) de forma sustancialmente igual periféricamente
alrededor de dicha pared interior y al menos dos conjuntos de
quemador contiguos (26) que son sustancialmente equidistantes de
dicha cámara de reacción.
10. Un aparato según la reivindicación 9, donde
dicha cámara de reacción (32) es un tubo reformador (32).
11. Un aparato según la reivindicación 1, donde
dicha una o varias cámaras de reacción alargadas (32) proporciona
una pluralidad de rayos, siendo cada rayo sustancialmente
perpendicular a dicha pared interior, dividiendo dichos rayos dicha
área en sección transversal en una pluralidad de sectores de igual
tamaño que tienen formas sustancialmente idénticas, teniendo cada
una de dichas cámaras de reacción (32) una temperatura de diseño y
un eje longitudinal diferente sustancialmente paralelo a dicho
primer eje longitudinal y siendo sustancialmente simétrica
alrededor de dicho eje longitudinal diferente, y donde al menos un
quemador (26) está dispuesto en cada sector.
12. Un método para producir un producto de un
proceso para calentar, reformar o craquear fluidos hidrocarbonos u
otros fluidos, teniendo el proceso un requisito de calor de proceso
para calentar un fluido de proceso, incluyendo los pasos de:
disponer una envuelta alargada (32) que tiene una
pared interior, un primer eje longitudinal, un primer extremo, y un
segundo extremo enfrente de dicho primer extremo, siendo dicha
envuelta (24) sustancialmente simétrica alrededor de dicho primer
eje longitudinal y encerrando una primera región interior adyacente
al primer extremo y una segunda región interior adyacente al
segundo extremo; siendo cada una de dichas regiones interiores
primera y segunda sustancialmente simétrica alrededor de dicho
primer eje longitudinal;
proporcionar al menos una cámara de reacción
alargada (32) que tiene una temperatura de diseño y un segundo eje
longitudinal sustancialmente paralelo a dicho primer eje
longitudinal, siendo dicha cámara de reacción (32) sustancialmente
simétrica alrededor de dicho segundo eje longitudinal, disponiéndose
una primera porción de dicha cámara de reacción en dicha primera
región interior de dicha envuelta (24) y disponiéndose una segunda
porción de dicha cámara de reacción (32) en dicha segunda región
interior de dicha envuelta (24), estando adaptadas dichas porciones
primera y segunda de dicha cámara de reacción (32) para contener un
flujo de dicho fluido de proceso;
proporcionar una pluralidad de quemadores (26)
adyacentes a dicha pared interior en la primera región interior,
estando adaptado cada uno de dichos quemadores (26) para quemar al
menos un combustible;
quemar dicho al menos único combustible en al
menos uno de dichos quemadores (26), produciendo por ello unos
gases de combustión en dicha primera región de dicha envuelta (24);
produciéndose dicha combustión junto a la salida de la cámara de
reacción (32), de tal manera que al menos una porción de dicho
fluido de proceso fluya a través de al menos la primera o segunda
porción de dicha cámara de reacción (32) en contracorriente con al
menos una porción de dicho flujo de dichos gases de combustión;
transferir al menos una porción de un flujo de
dichos gases de combustión desde dicha primera región interior de
dicha envuelta (24) a dicha segunda región interior de dicha
envuelta (24); y
alimentar al menos una porción de dicho fluido de
proceso a dicha cámara de reacción (32), donde dicha porción de
dicho fluido de proceso absorbe al menos una porción de dicho flujo
térmico,
quemando dicho al menos único combustible en al
menos uno de dicha pluralidad de quemadores (26) se produce un
flujo térmico variable que se aproxima sustancialmente a dicho
requisito de calor de proceso y que maximiza simultáneamente dicho
flujo térmico sustancialmente a toda dicha primera porción de dicha
cámara de reacción (32) a la vez que se mantiene sustancialmente
toda dicha primera porción sustancialmente a dicha temperatura de
diseño sin exceder sustancialmente de dicha temperatura de
diseño.
13. Un método como en la reivindicación 12,
incluyendo el paso adicional de retirar una corriente del producto
de dicha cámara de reacción (32).
14. Un método como en la reivindicación 12, donde
se dirige una llama radialmente de dicho quemador (26)
sustancialmente hacia dicho primer eje longitudinal de dicha
envuelta (24).
15. Un método como en la reivindicación 12, donde
la o cada cámara de reacción alargada (32) se forma por un tubo
reformador.
16. Un método como en la reivindicación 12,
incluyendo el paso adicional de:
proporcionar una pluralidad de conjuntos de
quemador alargados (26) teniendo cada uno un eje longitudinal
diferente sustancialmente paralelo a dicho primer y segundo eje
longitudinal, un primer extremo y un segundo extremo enfrente de
dicho primer extremo, estando el primer extremo de dicho conjunto de
quemador (26) adyacente al primer extremo de dicha envuelta (24) y
estando el segundo extremo de dicho conjunto de quemador (26) en
dicha primera región de dicha envuelta (24), estando separados
dichos conjuntos de quemador (26) de forma sustancialmente igual
periféricamente alrededor de dicha pared interior y siendo al menos
dos conjuntos de quemador contiguos sustancialmente equidistantes
de dicha cámara de reacción (32).
17. Un método como en la reivindicación 16, donde
la o cada cámara de reacción (32) es un tubo reformador.
18. Un método como en la reivindicación 12,
incluyendo el paso adicional de:
disponer una pluralidad de rayos de una o varias
cámaras de reacción alargadas (32), siendo cada rayo sustancialmente
perpendicular a dicha pared interior, dividiendo dichos rayos dicha
área en sección transversal en una pluralidad de sectores de igual
tamaño que tienen formas sustancialmente idénticas, teniendo cada
una de dichas cámaras de reacción (32) una temperatura de diseño y
un eje longitudinal diferente sustancialmente paralelo a dicho
primer eje longitudinal, y siendo sustancialmente simétrica
alrededor de dicho eje longitudinal diferente, disponiéndose una
primera porción de cada dicha cámara de reacción (32) en dicha
primera región interior de dicha envuelta (24) y disponiéndose una
segunda porción de cada dicha cámara de reacción (32) en dicha
segunda región interior de dicha envuelta (24), estando adaptadas
dichas porciones primera y segunda de dicha cámara de reacción (32)
para contener un flujo de dicho fluido de proceso;
donde al menos un quemador (26) está dispuesto en
cada sector.
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