本発明は、燃料の無炎燃焼によって放熱される熱エネルギの直接伝達において用いられる無炎燃焼加熱器を提供する。加熱器には、加熱地下形成および加熱処理ストリームをはじめとする多くの考えられる使用および用途がある。無炎燃焼加熱器は、たとえば、アルキル芳香族化合物の脱水素化およびスチームメタンの改質などの吸熱反応を実行する処理に関連して特に有用である。本発明は、酸化管路の内面と斜角を形成する燃料管路における少なくとも1つの開口部を無炎燃焼加熱器を提供する。角度をなした開口部は、酸化管路の内面に衝突する燃料に関連する問題を削減し、酸化管路における燃料および酸化剤の混合を改善する。
加熱器における無炎燃焼は、2つのストリームが混合されるときに、混合物の温度が、混合物の自動点火温度を超えるが、混合物の温度が、米国特許第7,025,940号明細書(本明細書に参照により組み込まれる)に記載されたように、混合流量によって制限されることになっている混合時に酸化を結果として生じることになる温度未満であるように、酸化剤ストリームおよび燃料ストリームを十分に予備加熱することによって達成されることができる。混合物の自動点火温度は、燃料および酸化剤のタイプおよび燃料/酸化剤の比に左右される。無炎燃焼加熱器において用いられる混合物の自動点火温度は、850℃から1400℃の範囲にあってもよい。酸化触媒が加熱器において用いられる場合には、この種の触媒は混合物の自動点火温度を効果的に下げるために、自動点火温度は、低下される可能性がある。
燃料管路は、所望の放熱を提供するように、酸化管路への燃料導入の制御された流量を提供する。放熱は部分的には、開口部の位置および数によって決定され、各加熱器用途に合わせることができる。放熱は、加熱器の長さにわたって一定であってもよく、または加熱器の長さにわたって減少または増大してもよい。
燃料の無炎燃焼に関連する目に見えない炎があるために、無炎燃焼反応は、従来の火炎加熱器において観察される温度より低い温度で生じる。観察されるより低い温度および直接加熱の効率のために、加熱器は、コストのより低い材料を用いて設計されることができ、設備投資を削減する結果を生じる。
無炎燃焼加熱器は、2つの主要な要素、すなわち、酸化管路および燃料管路を有する。酸化管路は、酸化剤用の入口と、酸化生成物用の出口と、入口と出口との間の流路とを有するチューブまたはパイプであってもよい。適切な酸化剤としては、空気、酸素および亜酸化窒素が挙げられる。酸化管路に導入される酸化剤は、燃料と混合されるときに、混合物が混合物の自動点火温度を上回る温度であるように予備加熱されてもよい。酸化剤は、無炎燃焼加熱器に対して外側で加熱されてもよい。あるいは、酸化剤は、加熱器の内側のストリームのいずれかと熱交換することによって加熱器の内側で加熱されてもよい。酸化管路は、約2cmから約20cmの内径を有してもよい。しかしながら、酸化剤管路は、加熱器の要件に応じて、この範囲より大きくてもよく、または小さくてもよい。
燃料管路は、燃料を加熱器に輸送し、燃料を酸化管路に導入する。燃料管路は、燃料用入口と、燃料管路内から酸化管路への流体連通を提供する複数の開口部とを有するチューブまたはパイプであってもよい。燃料管路は、酸化管路内に位置し、酸化管路によって包囲されてもよい。燃料は、開口部を通って酸化管路に入り、そこで酸化剤と混合されて、無炎燃焼を結果として生じる。燃料管路は、約1cmから約10cmの内径を有してもよく、好ましくは1.5cmから5cmの内径を有する。しかしながら、設計次第では、燃料管路は、10cmを超える直径を有してもよく、または1cm未満の直径を有してもよい。
燃料管路における開口部の幾何形状、配向および位置は、流体および加熱器システムの混合動力学のために生じる問題を克服するように設計されてもよい。開口部は、燃料管路の壁に穿孔されてもよく、または切り込まれてもよい。燃料管路の壁は通常、約0.25cmから約2.5cmの厚さを有する。開口部は、円形、楕円形、矩形、別の形状またはさらに不規則な形状の断面を有してもよい。開口部は好ましくは、円形の断面を有する。
開口部は、約0.001cm2から約2cm2の断面積を有してもよく、好ましくは約0.03cm2から約0.2cm2の断面積を有してもよい。開口部のサイズは、酸化管路への燃料導入の所望の流量によって決定されるが、小さすぎる開口部は、閉塞を結果として生じる可能性がある。開口部は、任意の他の開口部から軸方向において、1cmから100cmの距離で燃料管路に沿って位置決めされてもよい。開口部は好ましくは、軸方向において、15cmから50cm離隔される。開口部は、燃料管路の長さに沿って異なる配向でそれぞれの半径方向の平面に位置決めされてもよい。たとえば、開口部の位置は、燃料管路の長さに沿って半径方向の平面において180°交互に位置してもよく、または120°または90°交互に位置してもよい。したがって、燃料管路における開口部の位置は、半径方向の平面におけるそれらの配向が、燃料管路の長さに沿って30°から180°だけ異なる配向で交互に位置するようになっていてもよい。開口部の半径方向の配向に関して、燃料管路の長さに沿って60°から120°で交互に位置することが好ましい。
一実施形態において、焼成プレートが燃料管路から酸化領域までの流体連通を提供するために、開口部に加えて用いられてもよく、焼成プレートにおける開口部は、10から100ミクロン程度の直径を有してもよい。
加熱器の長さに沿った異なる開口部は通常、同一の断面積を有する。別法において、開口部の断面積は、所望の放熱を提供するために異なっていてもよい。さらに、燃料管路に沿った開口部間の間隔は、所望の放熱を提供するために異なっていてもよい。開口部は通常、同一の形状を有する。別法において、開口部は、異なる形状であってもよい。
開口部はそれぞれ、開口部の各端部で断面の中心をつなぐ線によって画定される長手軸を有する。燃料管路もまた、管路の断面の中心をつなぐ線によって画定される長手軸を有する。
用語「鋭角」は、本明細書で用いられるとき、0°から90°の角度として定義される。用語「鈍角」は、本明細書で用いられるとき、90°から180°の角度として定義される。用語「斜角」は、本明細書で用いられるとき、鋭角または鈍角のいずれかの角度として定義される。
無炎燃焼加熱器はさらに、処理流体を保持する処理管路を備え、処理管路が酸化管路と熱交換関係にある。加熱器に処理管路を含むことにより、処理ストリームの直接加熱を考慮に入れる。処理管路は任意に、化学反応を実行するために用いられてもよい。処理管路は、化学反応を容易にするために、触媒を含んでもよい。この加熱器は、熱が反応中に処理に直接加えられるため、吸熱反応を実行するために特に有用である。たとえば、この加熱器は、スチレンへのエチルベンゼンの脱水素化反応を直接的に加熱するために、脱水素化反応炉に組み込まれてもよい。
無炎燃焼加熱器は任意に、酸化剤管路を備えてもよい。酸化剤管路は、酸化剤用の入口と、酸化管路の入口と流体連通状態にある予備加熱される酸化剤用の出口とを有する。酸化剤管路は、酸化管路および/または処理管路と熱交換関係にあり、酸化管路において燃料と混合するときに、混合物が自動点火温度または自動点火温度を超える温度まで酸化剤を十分に予備加熱するために、直接熱を提供する。
予備加熱器は、酸化剤が加熱器に入る前に予備加熱するために用いられてもよい。予備加熱器は、熱を提供する任意の装置または方法であってもよい。予備加熱器は、たとえば、従来の熱交換器または無炎燃焼加熱器であってもよい。
無炎燃焼加熱器の好ましい実施形態は、本明細書において提示される図に関して、さらに記載される。
図1Aから図3Bは、以下では鋭角をなす開口部と呼ばれる開口部を有する無炎燃焼加熱器の実施形態を示している。図1Aは、燃料管路(12)によって形成される燃料領域(11)と、酸化管路(14)によって形成される酸化領域(13)とを有する無炎燃焼加熱器(10)を示している。この種の加熱器は、2チューブ加熱器と呼ばれる。この実施形態において、燃料管路(12)は、燃料用の入口(24)および複数の開口部(20)を有する円筒形パイプである。開口部の長手軸(22)は、酸化管路(14)の内面と鋭角(34)を形成する。酸化管路(14)は、燃料管路(12)の周囲に同心円状に位置付けられる円筒形パイプであり、予備加熱される酸化剤用の入口(26)および燃焼生成物用の出口(30)を有する。別法において、酸化剤は、(30)で導入されてもよく、燃焼生成物は、(26)で加熱器から出てもよく、これらは、燃料および酸化剤の向流を提供する。燃料および酸化剤の向流は、並流するよりも燃料および酸化剤のよりよい混合を提供することができる。流れの方向は、特定の加熱器用途の所望の混合および放熱に適するように変更されてもよい。動作中、燃料は、入口(24)を介して燃料領域(11)に入り、次に、角度をなした開口部(20)を通過した後で、酸化領域(13)において予備加熱された酸化剤と混合される。開口部(20)は、燃料入口(24)に対向する方向に角度をなす。
開口部は、燃料管路(12)の燃料入口(24)から測定したとき、開口部の長手軸が酸化管路の内面と90°未満の角度を形成するようになっている。これらの開口部は、以下では鋭角をなす開口部と呼ばれる。開口部の長手軸は、好ましくは酸化管路の内面と20°から80°の角度を形成し、より好ましくは30°から75°の角度を形成し、最も好ましくは50°から70°の角度を形成する。
図1Bは、線A−Aに沿って切り取った図1Aの断面図である。この図は、開口部の長手軸が燃料管路の長手軸と交差する一実施形態を示している。
図1Cは、線B−Bに沿って切り取った図1Aの断面図である。この図は、開口部の長手軸が燃料管路の長手軸から一定の距離(40)にあり、長手軸が交差しないようになっている別の実施形態を示している。これらの開口部は、以下では鋭角をなす接線開口部と呼ばれる。
加熱器は、図1B(鋭角をなす開口部)に示される断面図を有してもよく、図1C(鋭角をなす接線開口部)に示される断面図を有してもよい。別法において、加熱器は、鋭角をなす開口部および鋭角をなす接線開口部の組み合わせを有してもよく、図1Bおよび図1Cの断面図は、加熱器の異なる点における同一の加熱器の断面図を表すことになる。
鋭角をなす開口部は、開口部から出る燃料が燃料管路入口に対向する方向に向けられるように角度をなしている。鋭角をなす開口部は、より低いピーク温度を結果として生じ、加熱器の材料に対する危険性を削減し、より廉価な材料を加熱器構造に用いることを可能にする。さらに、鋭角をなす開口部は、燃料管路と酸化管路との間の距離を削減することができ、より小型の加熱器を結果として生じ、設備投資を削減する結果を生じる。
鋭角をなす接線開口部は、半径方向におけるより均一な放熱を提供する。鋭角をなす接線開口部の使用はまた、より均一な加熱分布を提供し、燃料および酸化剤の混合を改善する。鋭角をなす接線開口部の使用はまた、無炎燃焼加熱器が従来の垂直開口部を有する無炎燃焼加熱器より高い燃料/空気の比で動作することを可能にする。必要な空気が少ない場合には、酸化管路はより小さくてもよく、したがって、設備投資を削減する。
図2Aは、燃料管路(12)、酸化管路(14)および処理管路(16)を有する無炎燃焼加熱器(10)を示している。この種の加熱器は、3チューブ加熱器と呼ばれ、処理流体の直接加熱のために用いられてもよい。図2Aに示される3チューブ加熱器は、図1Aと類似であり、燃料管路および酸化管路は同一である。しかしながら、図2Aにおいて、処理領域(15)は、処理管路(16)によって形成される。処理管路(16)は、処理ストリーム用の入口(32)および加熱処理ストリーム用の出口(28)を有する円筒形パイプである。あるいは、酸化管路の流れと並流する処理流れを提供するために、処理ストリームは、(28)で入り、(32)で処理管路から出てもよい。
図2Bは、線A−Aに沿って切り取った図2Aの断面図である。図2Bは、開口部の長手軸が燃料管路の長手軸と交差する実施形態を示している。図示されていない別の実施形態は、開口部の長手軸が燃料管路の長手軸から一定の距離にあり、軸が交差しないようになっている開口部を備える。
図3Aは、燃料管路(102)、酸化管路(104)、処理管路(108)および酸化剤管路(106)を有する無炎燃焼加熱器(100)を示している。燃料領域(111)は、燃料管路(102)によって形成され、パイプに沿って角度をなす開口部(126)を有する円筒形パイプまたは管である。酸化領域(113)は、円筒形であり、燃料管路と同心である酸化管路(104)によって形成される。処理領域(117)は、処理管路(108)によって形成され、シェルアンドチューブ熱交換器の円筒形パイプまたはシェル側であってもよい。酸化剤領域(115)は、円筒形であり、酸化管路と同心である酸化剤管路(106)によって形成される。動作中、燃料は、入口(110)で燃料管路に入り、角度をなす開口部(126)で燃料管路から出る。角度をなす開口部(126)は、燃料入口(110)から離れる方向に角度をなしている。酸化剤は、酸化剤入口(114)で酸化剤管路に入り、酸化管路入口(120)で酸化剤管路を出る。酸化剤は、酸化剤領域(115)において予備加熱される。予備加熱された酸化剤は、開口部(126)からの燃料と混合され、燃焼生成物は、酸化管路出口(112)で加熱器から出る。処理ストリームは、(116)で入り、(118)で出てもよく、または(118)で入り、(116)で出てもよい。
この実施形態は、いくつかの点で図1Aおよび図2Aに示される実施形態とは異なる。酸化剤は、酸化管路および処理管路と熱交換関係にある酸化剤管路に導入されるため、加熱器の内側で予備加熱される。酸化剤はまた、酸化剤管路に導入される前に、予備加熱されてもよい。処理管路は、酸化剤の一部および酸化管路と熱交換関係にある。これらの異なる実施形態は、処理の要件を満たし、無炎燃焼の燃焼生成物からさらなる熱の回収のための設計要素を組み込むために、加熱器用途を設計するためのさらなる自由を提供する。
図3Aは、線A−Aに沿って切り取った図3Aの断面図である。この図は、開口部の長手軸が燃料管路の長手軸と交差する一実施形態を示している。図示されていない別の実施形態は、開口部の長手軸が燃料管路の長手軸から一定の距離にあり、軸が交差しないようになっている開口部を備える。
図4Aから図6Bは、以下では鈍角をなす開口部と呼ばれる開口部を有する無炎燃焼加熱器の実施形態を示している。図4Aは、図1Aに示される2チューブ無炎燃焼加熱器と類似であるが、開口部が異なる方向に角度をなしている無炎燃焼加熱器(10)を示している。角度をなす開口部(20)は、燃料管路入口に向かう方向に角度をなしている。
開口部は、燃料管路の入口端部から測定したとき、開口部の長手軸が、酸化管路の内面と90°を超える角度を形成するようになっている。これらの開口部は、以下では鈍角をなす開口部と呼ばれる。開口部の長手軸は、好ましくは酸化管路の内面と100°から160°の角度を形成し、より好ましくは105°から145°の角度を形成し、最も好ましくは110°から130°の角度を形成する。
開口部の長手軸は、図4Bに示されるように、燃料管路の長手軸と交差してもよい。別法において、図4Cにおいて示されているように、開口部の長手軸は、燃料管路の長手軸から一定の距離(40)にあり、軸が交差しないようになっており、そのような開口部は以下では、鈍角をなす接線開口部と呼ばれる。鈍角をなす接線開口部は、鋭角をなす接線開口部と類似の利点を提供する。
鈍角をなす開口部は通常、燃料の流れの乱流および無炎燃焼反応を改善する酸化管路における酸化剤との混合を増大する結果を生じる。さらに、鈍角をなす開口部は、鋭角をなす開口部が提供する利点と同一の利点の多くを提供し、たとえば、燃料管路と酸化管路との間の距離を削減することを可能にし、より小型の加熱器を結果として生じ、設備投資の削減を生じる。
図5Aは、図2Aに示される3チューブ無炎燃焼加熱器と類似の無炎燃焼加熱器(10)を示している。しかしながら、図5Aは、上述したように、加熱器において鈍角をなす開口部を示している。図5Bは、線A−Aに沿って切り取った図5Aの断面図である。
図6Aは、図3Aに示される4チューブ無炎燃焼加熱器と類似の無炎燃焼加熱器(100)を示している。しかしながら、図6Aは、加熱器において鈍角をなす開口部を示している。図6Bは、線A−Aに沿って切り取った図6Aの断面図である。
図7Aから図9Bは、以下では接線開口部と呼ばれる開口部を有する無炎燃焼加熱器の実施形態を示している。図7Aは、図1Aに示される2チューブ無炎燃焼加熱器と類似であるが、開口部が異なる角度をなしている無炎燃焼加熱器(10)を示している。接線開口部20は、燃料管路入口または出口の方向に角度をなしていない。図7Bは、線A−Aに沿って切り取った図7Aの断面図である。
接線開口部は、開口部の長手軸が燃料管路の長手軸から一定の距離(40)にあり、長手軸が交差しないようになっている。開口部の長手軸と燃料管路の長手軸との間の距離は、燃料管路の内側半径の4分の1を超えてもよく、好ましくは燃料管路の内側半径の2分の1を超えてもよく、より好ましくは燃料管路の内側半径の4分の3を超えてもよい。
接線開口部は、鋭角をなす接線開口部および鈍角をなす接線開口部と同様に、半径方向においてより均一な放熱を提供する。
図8Aは、図2Aに示される3チューブ無炎燃焼加熱器と類似の無炎燃焼加熱器(10)を示している。しかしながら、図8Aは、上述したように、加熱器において接線開口部を示している。図8Bは、線A−Aに沿って切り取った図8Aの断面図である。
図9Aは、図3Aに示される4チューブ無炎燃焼加熱器と類似の無炎燃焼加熱器(100)を示している。しかしながら、図9Aは、加熱器において接線開口部を示している。図9Bは、線A−Aに沿って切り取った図9Aの断面図である。
無炎燃焼加熱器は、加熱器の特定の構造および加熱器の用途に応じて、種々の状態で動作されてもよい。種々の実施例および状態は、米国特許第5,255,742号明細書および米国特許第7,025,940号明細書に記載されており、これらの特許は、本明細書に参照により組み込まれる。
図10は、エチルベンゼン脱水素化ユニットにおける無炎燃焼加熱器の使用を示している。スチームおよびエチルベンゼンを含む処理原料は、管路(202)を介して脱水素化反応炉(204)に供給される。脱水素化反応炉(204)は、鉄酸化物系の触媒であってもよい適切な脱水素化触媒を含み、脱水素化触媒と処理原料を接触するための手段を提供する。脱水素化反応炉廃水は、管路(206)を通して脱水素化反応炉(204)から排出され、その処理流体入口(210)を通して無炎燃焼加熱器(208)に導入される。
脱水素化反応は吸熱反応であるため、脱水素化反応炉廃水は、脱水素化反応炉(204)への処理原料の温度より低い温度を有する。無炎燃焼加熱器(208)は、第2の段階の脱水素化反応炉(212)に導入される前に、脱水素化反応炉廃水を加熱するために用いられる。加熱された処理流体は、無炎燃焼加熱器(208)からその排出出口(214)および管路(216)を通って送られ、第2の段階の脱水素化反応炉(212)への供給として導入される。脱水素化反応炉廃水は、第2の段階の反応炉(212)から管路(218)を通して排出される。脱水素化処理は、無炎燃焼加熱器が各さらなる反応炉の前に配置されてもよい場合には、3つ以上の反応炉を用いて実行されてもよい。
燃料は、管路(220)および燃料入口(222)を通って無炎燃焼加熱器(208)に導入される。酸化剤は、管路(224)および酸化剤入口(226)を通って加熱器(208)に導入される。燃焼生成物は、管路(228)を通って無炎燃焼加熱器(208)から排出される。
この実施形態において、予備加熱器(230)は、加熱器(208)に供給される前に酸化剤を予備加熱するように示されている。これは、加熱器システムの任意の部分である。
本明細書に記載される無炎燃焼加熱器は、開口部の位置および幾何形状の記載された詳細の任意の変形を有する任意の用途において用いられることができる。