MX2007010988A - Sistema de transferencia de calor para la combustion de un combustible y el calentamiento de un fluido de proceso y proceso que utiliza el mismo. - Google Patents

Sistema de transferencia de calor para la combustion de un combustible y el calentamiento de un fluido de proceso y proceso que utiliza el mismo.

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Abstract

Se describe un sistema (10) de transferencia de calor y el uso del mismo. El sistema de transferencia de calor proporciona la combustion de un combustible y el uso de la energia calorifica liberada por la combustion, para calentar un fluido del proceso y para precalentar el combustible y el oxidante antes de su combustion. El sistema de transferencia de calor incluye tres tubos con un tubo (12) de introduccion del combustible rodeado por un tubo (14) de introduccion de oxidante, que esta rodeado por un tubo de proceso (16). Un sistema de transferencia de calor que tiene una geometria apropiada puede proporcionar la combustion sin flama del combustible. El sistema de transferencia de calor puede tambien ser integrado dentro de otros sistemas tales como los intercambiadores de calor y los sistemas de proceso cataliticos.

Description

SISTEMA DE TRANSFERENCIA DE CALOR PARA LA COMBUSTIÓN DE UN COMBUSTIBLE Y EL CALENTAMIENTO DE UN FLUIDO DE PROCESO Y PROCESO QUE UTILIZA EL MISMO DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a un sistema de transferencia de calor para la combustión de un combustible y para el calentamiento de un fluido de proceso. En otro aspecto más, la invención se refiere al uso de un sistema de transferencia de calor para la combustión sin flama de un combustible, para calentar directamente un fluido de proceso que va a ser utilizado en un proceso. La Patente de los Estados Unidos No. 4,692,306 describe un aparato de reacción catalítico de tubo concéntrico que incluye una cámara de reacción anular que rodea una cámara de convección que rodea una cámara de quemador. Dentro de la cámara de quemador está un montaje de quemador que proporciona una fuente de calor radiante para liberar calor para la transferencia hacia la cámara de reacción. La Patente Europea EP-0,450,872 Bl describe varios tipos de aparatos de reacción, varios de los cuales incluye un tubo de combustión que rodea un tubo de combustible que tiene perforaciones a intervalos espaciados a lo largo de su longitud. El combustible es alimentado vía el tubo de REF. : 186021 combustible y sus perforaciones dentro del anillo entre el tubo de combustible y el tubo de combustión en donde éste se mezcla con el aire y se enciende para liberar el calor, que es utilizado para calentar el lecho de catalizador que rodea el tubo de combustión. La Patente de los Estados Unidos No. 5,255,742 describe un método para calentar una formación subterránea para utilizar un aparato de combustión sin flama. El aparato incluye un conducto de gas combustible que contiene una pluralidad de orificios. El conducto de gas combustible es centralizado dentro de un conducto de aire de combustión para formar un primer anillo entre el conducto de gas combustible y el conducto de aire de combustión. Los orificios proporcionan comunicación fluida entre el conducto de gas combustible y el primer anillo. El conducto de aire de combustión es centralizado dentro del alojamiento de la perforación de un pozo para formar con esto un segundo anillo entre el conducto de aire de combustión y el alojamiento de la perforación del pozo. El gas combustible es introducido dentro del primer anillo vía los orificios del conducto de gas combustible, para mezclarse con el aire y para encenderse con el primer anillo. El primer anillo formado por el conducto de aire de combustión está en comunicación fluida con el segundo anillo entre el conducto de aire de combustión y el alojamiento del pozo. Esta comunicación de fluido proporciona una trayectoria de fluido para que los gases de la combustión sean introducidos dentro del segundo anillo y viajen hacia el segundo anillo hacia la superficie, para proporcionar con esto calor que es transferido a una formación subterránea. La publicación de los Estados Unidos No. 2003/0182858 describe un método para proporcionar calor controlado a un fluido de proceso, mediante la utilización de un dispositivo de combustión distribuida sin flama. El dispositivo incluye un conducto de combustible que contiene una pluralidad de boquillas de combustible distribuidas a lo largo de su longitud y una cámara de oxidación circunvecina. Un conducto que rodea el conducto de fluido forma la cámara de oxidación. El dispositivo incluye además una cámara de proceso que rodea la cámara de oxidación. Las boquillas de combustible proporcionan comunicación desde dentro del conducto de combustible hacia la cámara de oxidación, en donde el oxidante y el combustible son mezclados y el combustible es encendido. El calor liberado de la combustión es transferido a la cámara de proceso. Un objetivo de la invención es proporcionar la combustión de un combustible y la transferencia directa del calor que es liberado desde ésta a un fluido de proceso. En consecuencia, se proporciona un sistema de proceso que incluye un tubo de combustible, un tubo de oxidante, y un tubo de proceso. El tubo de combustible tiene una longitud y una pared de tubo que define una zona de introducción del combustible, en donde a lo largo de la longitud y dentro de la zona de introducción de combustible es incluida una zona de precalentamiento de combustible y una zona de combustión, en donde la zona de precalentamiento de combustible incluye una entrada de combustible para introducir combustible de la zona de precalentamiento del combustible, y una salida de combustible para introducir un combustible precalentado desde la zona de precalentamiento de combustible hacia la zona de combustión, y en donde a lo largo de la zona de combustión a través de la pared del tubo existe una pluralidad de aberturas. El tubo de oxidante está externo a y rodea el tubo de combustible para definir con esto una zona de introducción del oxidante a lo largo de la longitud del tubo de combustible, en donde la zona de introducción del oxidante, incluye una zona de precalentamiento del oxidante y una zona de combustión del combustible, en donde la zona de precalentamiento del oxidante incluye una entrada de oxidante para introducir un oxidante dentro de la zona de precalentamiento del oxidante y una salida del oxidante para introducir un oxidante precalentado desde la zona de precalentamiento del oxidante hacia la zona de combustión del combustible, y en donde la pluralidad de aberturas proporcionan la comunicación fluida entre la zona de combustión y la zona de combustión del combustible. El tubo del proceso que está externo a y rodea el tubo de oxidante, para definir así una zona de introducción del fluido del proceso a lo largo del tubo de oxidante, en donde la zona de introducción y el fluido de proceso incluye una zona de calentamiento del fluido de proceso y una zona de calentamiento del oxidante/combustible, en donde la zona de calentamiento del fluido del proceso está en una relación de intercambio de calor con la zona de combustión del combustible e incluye una entrada de fluido de proceso para introducir el fluido de proceso dentro de la zona de calentamiento de fluido de proceso, y una salida de fluido de proceso para introducir un fluido de proceso caliente desde la zona de calentamiento de fluido de proceso hacia la zona de calentamiento del oxidante/combustible, y en donde la zona de calentamiento del oxidante/combustible está en una relación de intercambio de calor con ambas de la zona de precalentamiento del oxidante y la zona de precalentamiento del combustible, e incluye una salida de descarga para descargar desde la zona de calentamiento del oxidante/combustible, el fluido de proceso caliente. También, es proporcionado un proceso para el calentamiento directo de un fluido de proceso por la combustión sin flama de un combustible. Es introducido un combustible dentro de un tubo de combustible que tiene una longitud y una pared de tubo que definen una zona de introducción de combustible, en donde a lo largo de la longitud y dentro de la zona de introducción del combustible es incluida una zona de precalentamiento de combustible y una zona de combustión, en donde la zona de precalentamiento de combustible incluye una entrada de combustible para introducir el combustible dentro de la zona de precalentamiento del combustible y una salida de combustible para introducir un combustible precalentado desde la zona de precalentamiento de combustible hacia la zona de combustión, y en donde a lo largo de la zona de combustión y a través de la pared del tubo existe una pluralidad de aberturas. Es introducido un oxidante dentro de un tubo de oxidante que es externo a y que rodea el tubo de combustible para proporcionar así una zona de introducción del oxidante a lo largo de la longitud del tubo de combustible, en donde la zona de introducción del oxidante incluye una zona de precalentamiento del oxidante y una zona de combustión del combustible, en donde la zona de precalentamiento del oxidante incluye una entrada de oxidante para introducir el oxidante dentro de la zona de precalentamiento del oxidante y una salida del oxidante, para introducir un oxidante precalentado desde la zona de precalentamiento del oxidante hacia la zona de combustión del combustible, y en donde la pluralidad de aberturas proporcionan comunicación fluida entre la zona de combustión y la zona de combustión del combustible. Es introducido un fluido de proceso dentro de un tubo de proceso que está externo a, y que rodea él tubo de oxidante, para proporcionar con esto, una zona de introducción de fluido de proceso, a lo largo del tubo de oxidante, en donde la zona de introducción de fluido de proceso incluye una zona de calentamiento de fluido de proceso y una zona de calentamiento del oxidante/combustible, en donde la zona de calentamiento del fluido del proceso está en una relación de intercambio de calor con la zona de combustión de combustible e incluye una entrada de fluido de proceso para introducir el fluido del proceso dentro de la zona de calentamiento del fluido del proceso, y una salida del fluido del proceso para introducir un fluido de proceso caliente desde la zona de calentamiento de fluido de proceso hacia la zona de calentamiento del oxidante/combustible, y en donde la zona de calentamiento del oxidante/combustible está en una relación de intercambio de calor con la zona de precalentamiento del oxidante y la zona de calentamiento del combustible, e incluye una salida de descarga para descargar desde la zona de calentamiento del oxidante/combustible, el fluido de proceso caliente. El fluido de proceso caliente es descargado desde la zona de calentamiento del oxidante/combustible, y un escape de la combustión es descargado desde la zona de combustión del combustible.
La figura 1 es una vista seccional de los elementos del sistema de transferencia de calor para la combustión de un combustible, y para el calentamiento de un fluido de proceso. La figura 2 es una vista seccional del sistema de transferencia de calor incorporado dentro de un sistema de intercambio de calor de tubería múltiple. La figura 3 es un diagrama de flujo de proceso, simplificado que muestra el uso de un sistema de transferencia de calor en un proceso catalítico. La invención proporciona un sistema de transferencia de calor o un dispositivo que puede ser utilizado en la transferencia directa de energía calorífica liberada por la combustión de un combustible, preferentemente mediante combustión sin flama, hacia un fluido de proceso. El sistema de transferencia de calor tiene muchos posibles usos y aplicaciones pero, en particular, el uso de un sistema de calentamiento directo tal como aquel descrito con detalle en esta especificación puede ser especialmente benéfico en los procesos de deshidrogenación endotérmica, tales como los procesos para la deshidrogenación del etilbenceno para producir un producto de estireno. Otros procesos que pueden explotar productiva o adecuadamente en las ventajas del sistema de transferencia en calor, pueden incluir la reformación del vapor y la desintegración catalítica o craqueo de olefinas. Por ejemplo, el sistema de calentamiento directo de la invención puede proporcionar la velocidad controlada de introducción de combustible a través de un tubo de combustible hacia una zona de combustión, de una manera para proporcionar una combustión uniforme del combustible a lo largo del tubo de combustible. Esta combustión uniforme puede proporcionar un perfil de temperatura uniforme a lo largo del tubo de combustible. Esta combustión puede proporcionar un perfil de temperatura controlada a través de la zona de combustión. Algunos beneficios que pueden ser realizados incluyen, pero no están limitados a, la reducción del uso de vapor, la operación a rendimientos más altos, el incremento de los rendimientos y la selectividad, la disminución de la constitución de coque, y el incremento de la presión de la operación. El sistema de calentamiento directo puede también proporcionar la denominada combustión sin flama de un combustible, con calor liberado que va a ser transferido a un fluido de proceso. Debido a que no existe flama asociada con la combustión sin flama del combustible, la reacción de oxidación (por ejemplo la combustión sin flama) ocurre a una temperatura relativamente baja en comparación a las temperaturas de flama observadas en dispositivos convencionales de combustión y de transferencia de calor tales como aquellos que ocurren en calentadores encendidos convencionales. Mientras que la temperatura de la oxidación sin flama de un combustible puede variar dependiendo del combustible que es encendido, ésta puede estar típicamente en el intervalo de aproximadamente 600°C hasta aproximadamente 1100°C, o de aproximadamente 750°C hasta aproximadamente 1050 °C en oposición a las temperaturas de flama observadas en la ignición convencional de los combustibles que puede exceder típicamente los 1650°C. El sistema de calentamiento directo de la invención puede también proporcionar transferencia de calor a una corriente de proceso que va a ser calentada de una manera para proporcionar una eficiencia de transferencia de calor que excede aquella de los sistemas de calentamiento convencionales. Una de las características de la invención es que ésta proporciona el calentamiento directo de una corriente de proceso, ya que el fluido de proceso está en relación cercana con la superficie externa de un tubo de reacción dentro del cual ocurre la combustión del combustible. La corriente del proceso está contenida por una camisa o conducto o tubo de proceso que rodea el tubo de combustión para proporcionar una zona de proceso que puede ser un anillo de proceso formado por el tubo de proceso que rodea el tubo de combustión. La transferencia de calor hacia el fluido de proceso es elevada al máximo por la provisión de la transferencia de calor por convección y calor radiante con la camisa del proceso, proporcionando una segunda superficie de radiación de calor a aquella de la superficie de tubo de combustión. Con referencia ahora a la figura 1, presentada con una vista seccional de los elementos del sistema 10 de transferencia de calor. El sistema 10 de transferencia de calor incluye un tubo de combustible 12, un tubo de oxidante 14, y un tubo de proceso 16. El tubo de combustible 12, el tubo de oxidante 14 y el tubo de proceso 16 pueden tener cualquier geometría adecuada que proporcione un conducto. En modalidades típicas, los tubos pueden ser elaborados de cualquier material de tubo comercialmente disponible y adecuado, o material de tubo cuadrado o rectangular. Por ejemplo, los tubos pueden ser tubo estándar, de acuerdo al estándar ANSI/ASME B36.10M, el estándar Europeo DI 2448, o cualquier otro estándar. Los ejemplos no limitantes de tal tubo estándar adecuado, incluyen: el tubo de inventario 40 de 19.05 mm (3/4 de pulgada) como se define por el estándar ANSI/ASME B36.10M (DN 20 como se define por el estándar DIN 2448) , que puede ser utilizado para el tubo de combustible 12; el tubo de inventario 40 de 76.2 mm (3 pulgadas) como se define por el estándar ANSI/ASME B36.10M (DN 80 como se define por el estándar DIN 2448) , el cual puede ser utilizado por el tubo de oxidante 14; y el tubo de inventario 40 de 127 mm (5 pulgadas) como se define por el estándar ANSI/ASME B36.10M (DN 125 como se define por el estándar DIN 2448), que puede ser utilizado para el tubo de proceso 16. Mientras que los tubos estándares previamente listados son presentados como ejemplos, puede ser utilizado cualquier tubo adecuado para los tubos del sistema 10 de transferencia de calor, incluyendo el inventario 80 e inventarios más altos o más bajos de tubos. Los tamaños de los tubos que pueden ser adecuadamente utilizados pueden estar en el intervalo de 13 mm (1/2 pulgada) hasta 250 mm (10 pulgadas) o incluso más grandes . El tubo de combustible 12 tiene una longitud 18 y una pared de tubo 20, una zona 22 de introducción de combustible. La zona 22 de introducción de combustible se extiende a través de la longitud 18 del tubo de combustible 12. Incluida dentro de la zona 22 de introducción de combustible está la zona 24 de precalentamiento de combustible y la zona de combustión 26. En modalidades típicas, la zona de precalentamiento de combustible y la zona de combustión están en los extremos de la zona de introducción de combustible. La zona 24 de precalentamiento de combustible se extiende desde la entrada 28 de combustible hasta la salida 30 de combustible. La salida 30 de combustible proporciona comunicación fluida entre la zona 24 de precalentamiento de combustible y la zona de combustión 26, y puede ser un área de transición imaginaria dentro del tubo de combustible 12 de una zona a otra zona. La zona 24 de precalentamiento de combustible también se extiende desde la entrada 28 de combustible a través de una cantidad suficiente de la longitud 18 del tubo de combustible 12 para proporcionar el precalentamiento del combustible que pasa a través del tubo de combustible 12 antes de su mezclado con un oxidante . La entrada 28 de combustible proporciona la introducción del combustible dentro de la zona 24 de precalentamiento de combustible y conforme el combustible pasa a través de la zona 24 de precalentamiento de combustible, la energía calorífica es transferida hacia el combustible. La salida 30 de combustible proporciona la introducción del combustible precalentado que pasa desde la zona 24 de precalentamiento de combustible hacia la zona de combustión 26. Cualquier fluido adecuado que sea combustible en presencia de un oxidante, tal como oxígeno u aire, puede ser utilizado en la operación del sistema 10 de transferencia de calor. Los ejemplos de tales combustibles incluyen hidrógeno e hidrocarburos . Los hidrocarburos que pueden ser utilizados como un combustible incluyen aquellos hidrocarburos que tienen de uno a seis átomos de carbono, incluyendo metano, etano, etileno, propano, propileno, propino, butano, butileno, y butino. Los combustibles preferidos incluyen hidrógeno, metano, etano y mezclas de los mismos. Puede ser agregado vapor al combustible para prevenir o inhibir la formación de coque. El tubo de oxidante 14 está externo a y rodea al tubo de combustible 12 de una manera como para definir una zona 34 de introducción de oxidante a lo largo de longitud 18 del tubo de combustible 12. La zona 34 de introducción de oxidante proporciona un conducto a través del cual puede pasar un fluido oxidante, tal como un fluido que comprende oxígeno o aire. Incluidas dentro de la zona 34 de introducción de oxidante están una zona 36 de precalentamiento del oxidante y una zona 38 de combustión del combustible. En modalidades típicas, la zona de precalentamiento de oxidante y la zona de combustión del combustible están en los extremos de la zona de introducción del oxidante. La zona 36 de precalentamiento del oxidante se extiende desde la entrada 40 del oxidante hacia la salida 42 del oxidante. La salida 42 del oxidante proporciona la comunicación fluida entre la zona 36 de precalentamiento del oxidante y la zona 38 de combustión del combustible, y puede estar en un área de transición imaginaria dentro del tubo de oxidante 14 desde una zona hacia la otra zona. La zona 36 de precalentamiento del oxidante se extiende a lo largo de una porción de la longitud 18 del tubo de combustible 12 desde la entrada 40 del oxidante a través de una longitud suficiente o una porción de la zona 34 de introducción de oxidante para proporcionar así el precalentamiento deseado del oxidante que pasa a través de la zona 34 de introducción de oxidante hacia la salida 42 del oxidante. La entrada 40 del oxidante proporciona la introducción del fluido oxidante dentro de la zona 36 de precalentamiento del oxidante y, conforme el oxidante pasa a través de la zona 36 de precalentamiento del oxidante, la energía calorífica es transferida hacia el oxidante para dar un oxidante precalentado. La salida 42 del oxidante también proporciona la introducción del oxidante precalentado que pasa desde la zona 36 de precalentamiento del oxidante hacia la zona 38 de combustión del combustible. A través de la una pared de tubo 20 de la zona de combustión 26 del tubo de combustible 12 se proporciona una pluralidad de aberturas 32. Las aberturas 32 están espaciadas a lo largo de una porción de la longitud 18 del tubo de combustible 12 y proporcionan comunicación fluida entre la zona de combustión 26 y la zona 38 de combustión del combustible. Las flechas 44 ilustran la dirección de flujo del combustible precalentado desde dentro de la zona de combustión 26, a través de las aberturas 32 y hacia la zona 38 de combustión del combustible, en donde el combustible precalentado y el oxidante precalentado se mezclan para formar una mezcla de combustión y en la cual ocurre la combustión. Las flechas 46 ilustran la dirección del flujo del oxidante precalentado que pasa hacia la zona 38 de combustión del combustible. El espaciamiento, orientación y tamaño de las aberturas son tales que proporcionan la introducción de incrementos de combustible precalentado hacia la zona 38 de combustión del combustible, en cantidades y a velocidades tales como para proporcionar mezclado rápido y completo del combustible precalentado y del oxidante precalentado. Debido a este mezclado rápido y completo, la reacción de oxidación entre el oxidante precalentado y el combustible precalentado no está limitada por el mezclado. De este modo, en general, es la combinación de la geometría de introducción del combustible, como se define por la estructura del tubo de combustible 12 en su zona de combustión 26, y la geometría de la zona de introducción del oxidante, como se define por el tubo de oxidante 14, que forma la zona 38 de combustión del combustible, que proporcionan una velocidad del combustible precalentado (ver flechas 44) y una velocidad del oxidante precalentado (ver flechas 46) adecuados para el mezclado rápido y completo deseados de los dos fluidos. Las aberturas 32 están espaciadas en la dirección axial del tubo de combustible 12, y éstas pueden ser colocadas en sus respectivos planos radiales a diferentes orientaciones a lo largo de la longitud del tubo de combustible 12. Por ejemplo, la posición de las aberturas 32 puede alternarse 108 grados en los planos radiales a lo largo de la longitud del tubo de combustible 12 o pueden alternarse 120 grados, o 90 grados y así sucesivamente. Por lo tanto, la posición de las aberturas en el tubo de combustible 12 puede ser tal que su orientación en los planos radiales se alterna a lo largo de la longitud del tubo de combustible 12 con sus orientaciones que varían de 0 grados a 360 grados o de 30 grados a 180 grados. Se prefiere, no obstante, que las orientaciones de las aberturas se alternen de aproximadamente 60 a 120 grados a lo largo de la longitud del tubo de combustible 12. Una característica de la invención es para que la estructura del sistema 10 de transferencia de calor proporcione una temperatura del oxidante precalentado, y una temperatura del combustible precalentado, tal que cuando la mezcla de combustión es formada, la temperatura de la mezcla de combustión excede la temperatura de auto-ignición de la mezcla de combustión. Si la velocidad del oxidante precalentado que pasa a través de la zona 38 de combustión del combustible es suficiente, entonces el mezclado de los incrementos pequeños del combustible precalentado con el oxidante precalentado, a una temperatura que excede la temperatura de auto- ignición de la mezcla de combustión resultante, da como resultado la oxidación o la combustión del combustible sin la formación de una flama. Esta combustión sin flama ocurre a una temperatura significativamente menor que cuando ocurre la combustión con una flama. El tubo de proceso 16 está externo a, y rodea al tubo de oxidante 14, de una manera como para definir una zona 50 de introducción de fluido de proceso a lo largo de la parte externa del tubo de proceso 16. La zona 50 de introducción de fluido de proceso proporciona un conducto a través del cual puede pasar un fluido de proceso. Incluida dentro de la zona 50 de introducción de fluido de proceso están una zona 52 de calentamiento de fluido de proceso y una zona 54 de calentamiento del oxidante/combustible. En modalidades típicas, la zona de calentamiento de fluido de proceso y la zona de calentamiento del oxidante/combustible están en los extremos de la zona de introducción del fluido de proceso. La zona 52 de calentamiento de fluido de proceso se extiende desde la entrada 56 del fluido de proceso hacia la salida 58 del fluido de proceso. La salida 58 del fluido de proceso proporciona comunicación de fluido entre la zona 52 de calentamiento de fluido de proceso y la zona 54 de calentamiento del oxidante/combustible y puede ser un área de transición imaginaria de una zona a otra dentro del conducto formado por el tubo de proceso 16 que rodea el tubo de oxidante 14. La zona 54 de calentamiento del oxidante/combustible se extiende desde la salida 58 del fluido de proceso a la salida 60 de descarga del tubo de proceso 16. La entrada 56 del fluido de proceso proporciona la introducción del fluido de proceso hacia la zona 52 de calentamiento de fluido de proceso, y la salida 58 del fluido de proceso proporciona la introducción del fluido de proceso caliente que pasa desde la zona 52 de calentamiento de fluido de proceso hacia la zona 54 de calentamiento del oxidante/combustible . Una característica del sistema 10 de transferencia de calor es que la zona 52 de calentamiento de fluido de proceso rodea el tubo de oxidante 14 y se extiende a lo largo de la zona 38 de combustión del combustible de modo que la configuración proporciona la relación de intercambio de calor entre la zona 38 de combustión del combustible y la zona 52 de calentamiento de fluido de proceso. La ignición de la mezcla de combustión dentro de la zona 38 de combustión del combustible, da como resultado la liberación de energía calorífica que es transferida hacia el fluido de proceso que está pasando a través de la zona 52 de calentamiento de fluido de proceso. Las flechas curvadas 62 describen el flujo de la energía calorífica desde la zona 38 de combustión del combustible hacia el fluido de proceso que pasa a través de la zona 52 de calentamiento de fluido de proceso. Un fluido de proceso es introducido dentro de la zona 52 de calentamiento de fluido de proceso a través de la entrada 56 del fluido de proceso y conforme pasa a través de la zona 52 de calentamiento de fluido de proceso, gana calor. Otra característica más del sistema 10 de transferencia de calor es que la zona 54 de calentamiento del oxidante/combustible rodea el tubo de oxidante 14 y se extiende a lo largo de la zona 36 de precalentamiento del oxidante, de modo que la configuración proporciona relación de intercambio de calor entre la zona 54 de calentamiento del oxidante/combustible y la zona 36 de precalentamiento del oxidante. Una característica adicional de esta configuración es que la zona 54 de calentamiento del oxidante/combustible está en relación al intercambio de calor con la zona 24 de precalentamiento de combustible. El fluido de proceso caliente que pasa desde la zona 52 de calentamiento de fluido de proceso hacia y luego a través de la zona 54 de calentamiento del oxidante/combustible proporciona energía calorífica que es utilizada para precalentar el combustible y el oxidante antes de su introducción a la zona 38 de combustión del combustible. Descrito por las flechas curvadas 64 está el flujo de la energía calorífica desde el fluido del proceso caliente que pasa a través de la zona 54 de calentamiento del oxidante/combustible hacia el fluido oxidante que pasa a través de la zona 36 de precalentamiento del oxidante, y al combustible que pasa a través de la zona de combustión 26. Mediante el precalentamiento del oxidante y/o el combustible en el sistema 10 de transferencia de calor, puede ser reducido el gasto de capital. Intercambiadores de calor suplementarios que pueden ser necesarios para recuperar calor de uno o más de las corrientes o para proporcionar calor a una o más de las corrientes fuera del sistema 10 de transferencia de calor, pueden ser diseñados de manera diferente, incluyendo el uso de materiales de más bajo costo, o puede no ser necesario. Un aspecto adicional de la invención es que la configuración de la zona 54 de calentamiento del oxidante/combustible, la zona 36 de precalentamiento del oxidante y la zona 24 de precalentamiento de combustible sean tales que el combustible y el oxidante sean suficientemente calentados para proporcionar el fluido precalentado y el oxidante precalentado que respectivamente, tienen una temperatura de combustible precalentado y una temperatura de oxidante precalentado, tal que cuando el combustible precalentado y el oxidante precalentado son mezclados para formar la mezcla de combustión dentro de la zona 38 de combustión del combustible, la temperatura de la mezcla de combustión excede la temperatura de auto- ignición de la mezcla de combustión. De este modo, la sección 66 de precalentamiento del sistema 10 de transferencia de calor puede tener una configuración, incluyendo una longitud 68 de la sección de precalentamiento, que proporciona la transferencia de calor anteriormente mencionada desde el fluido de proceso caliente hacia el combustible y el oxidante . Típicamente, es seleccionado un combustible para el uso en la operación del sistema 10 de transferencia de calor, en donde la temperatura de auto- ignición de la mezcla de combustión que comprende el combustible está en el intervalo de 400°C (752°F) hasta 1500°C (2373°F) , o de 500°C (932°F) a 1400°C (2552°F) , pero más típicamente, de 600°C (1112°F) a 1350°C (2462°F) y, lo más típicamente, de 700°C (1292°F) a 1300°C (2372°F) . Las temperaturas a las cuales son introducidos el oxidante y el combustible dentro del sistema 10 de transferencia de calor puede estar en un amplio intervalo de temperaturas, incluyendo temperaturas que se aproximan a las temperaturas ambientales . El oxidante y el combustible pueden también ser calentados por arriba de la temperatura ambiente antes de su introducción al sistema de transferencia de calor. De este modo, la temperatura del oxidante que va a ser introducido dentro del sistema 10 de transferencia de calor a través de la entrada 40 de oxidante puede estar en el intervalo de aproximadamente -30°C (-22°F) hasta aproximadamente 2000°C (3632°F) , o de aproximadamente -10°C (14°F) a aproximadamente 1200°C (2192°F) o de aproximadamente -10°C (14°F) a aproximadamente 400°C (752°F) . La temperatura del oxidante introducido dentro del sistema de transferencia de calor puede estar a una temperatura de al menos -30°C, al menos -20°C, al menos -10°C o al menos 0°C. La temperatura del oxidante introducido dentro del sistema de transferencia de calor puede ser a lo más 3000°C, a lo más 2000°C, a lo más 1200°C, o a lo más 1000°C. En algunas modalidades, el oxidante puede ser precalentado antes de su introducción dentro del extremo de la zona 40 de introducción de oxidante dentro de la zona 36 de precalentamiento del oxidante del sistema 10 de transferencia de calor. Mientras que las temperaturas a las cuales el oxidante y el combustible son introducidas dentro del sistema de transferencia de calor, impactarán el diseño y la geometría de la sección de precalentamiento 66, la longitud 68 de la sección de precalentamiento será en general menor que la longitud 70 de calentamiento de proceso de la sección 72 de combustión del combustible. Las longitudes relativas entre la longitud 68 de la sección de precalentamiento y la longitud 70 del calentamiento del proceso, dependerá en gran parte de la temperatura a la cual son introducidos el oxidante y el combustible dentro del sistema de transferencia de calor; pero en general, la proporción de la longitud 70 de calentamiento del proceso y la longitud 68 de la sección de precalentamiento excederá 1:1 y, más típicamente, excederá 2:1, y lo más típicamente, excederá 3:1. En otras modalidades, la proporción de la longitud 70 de calentamiento del proceso y la longitud 68 de la sección de precalentamiento excederá 0.01:1, 0.05:1 ó 0.5:1. En modalidades adicionales, la proporción de la longitud 70 de calentamiento del proceso y la longitud 68 de la sección de precalentamiento excederá 1:0.5, 1:0.05, 1:0.01. Los fluidos de proceso que van a ser calentados mediante el uso del sistema 10 de transferencia de calor pueden ser cualquier fluido del proceso que vaya a ser calentado para cualquier propósito. No obstante, el sistema de transferencia de calor tiene aplicación particularmente benéfica cuando se utiliza en el calentamiento de fluidos de proceso que son materiales de alimentación reactivos químicos. Y especialmente, el sistema de transferencia de calor de la invención tiene aplicación particular en procesos de deshidrogenación tales como los procesos de deshidrogenación de etilbenceno para la fabricación de estireno. En tal aplicación, el fluido del proceso que va ser calentado utilizando el sistema 10 de transferencia de calor comprende etilbenceno. El fluido del proceso puede comprende además vapor, y éste puede comprender además estireno y otros componentes típicos de un material de alimentación del reactor de deshidrogenación. Para la aplicación de deshidrogenación, el fluido del proceso introducido dentro de la zona 52 de calentamiento del fluido del proceso del sistema 10 de transferencia de calor, a través de la entrada 56 de fluido del proceso tiene típicamente una temperatura en el intervalo de 260°C (500°F) hasta 704°C (1300°F) , más típicamente de 315°C (600°F) hasta 677°C (1250°F) , y lo más típicamente de 427°C (800°F) hasta 649°C (1200°F) . El incremento de temperatura típico del fluido del proceso calentado mediante el uso del sistema 10 de transferencia de calor puede estar en el intervalo de 10°C hasta 500°C, pero más típicamente, el incremento de temperatura está en el intervalo de 50°C hasta 300°C, y lo más típicamente de 100°C hasta 250°C. La zona de introducción del oxidante es externa a la zona de introducción del combustible, y la zona de introducción del fluido del proceso es externa a la zona de introducción del oxidante. Con referencia ahora a la Figura 2, en la cual se presenta una vista seccional del sistema de transferencia de calor descrito anteriormente que es incorporado en un sistema 100 de intercambio de calor. Para fines de ilustración, un sistema 102 de transferencia de calor, simple, que comprende tres tubos que están en relación concéntrica e integrados entre sí utilizando láminas de tubo, es mostrado. No obstante, se entiende que el sistema 100 de intercambio de calor puede ser un intercambiador de calor y normalmente incluirá una pluralidad de sistemas 102 de transferencia de calor, de tres tubos agrupados entre sí para formar un cúmulo de tubos . El sistema 102 de transferencia de calor comprende tres tubos, incluyendo un tubo de combustible 104, un tubo de oxidante o de aire 106, y un tubo de proceso 108. El tubo de combustible 104 pasa a través de la lámina 110 del tubo de combustible a la cual se acopla fijamente. El tubo de aire 106 es concéntricamente colocado alrededor del tubo de combustible 104, el cual se extiende lejos de la lámina 110 del tubo de combustible, para formar un primer anillo 112. El extremo de entrada del tubo de aire 106 pasa a través de la lámina 114 del tubo de aire de entrada y es fijamente acoplado a éste, y el extremo de salida del tubo de aire 106 pasa a través de la lámina 116 del tubo de aire de salida al cual se acopla fijamente. El tubo de proceso 108 es concéntricamente colocado alrededor del tubo de aire 106 para formar un segundo anillo 118. El extremo de entrada del tubo de proceso 108 pasa a través de la lámina 120 del tubo de proceso de entrada y es fijamente acoplado a éste, y el extremo de salida del tubo de proceso 108 pasa través de la lámina 121 del tubo de proceso de salida al cual se acopla fijamente . Las láminas de tubo 110, 114, 116, 120 y 121 están conectadas entre sí para proporcionar los flujos deseados del combustible, el aire y los fluido de proceso a través del intercambiador de calor 100. La cubierta de protección o blindaje 122, que tiene una boquilla 124 de entrada de combustible para introducir combustible, es selladamente conectada a la lámina 110 del tubo de combustible para proporcionar una tubería 126 de combustible para introducir el combustible dentro del tubo 104 de combustible. Espaciado de la lámina 110 del tubo de combustible por el espaciador 128 está la lámina 114 del tubo de aire de entrada, que conjuntamente proporciona una tubería 130 para introducir aire dentro del tubo de aire 106. La boquilla 132 de entrada de aire proporciona la introducción de aire dentro de la tubería de aire 130. Espaciado de la lámina 114 del tubo de aire de entrada por el espaciador 134, está la lámina 121 del tubo de proceso de salida que conjuntamente proporcionan una tubería de fluido 136 del fluido del proceso calentado. La boquilla 138 de la salida del fluido del proceso proporciona el retiro del fluido del proceso calentado de la tubería 136 del fluido del proceso calentado. La cubierta de protección 142 que tiene una boquilla de escape 144 para retirar el escape de la combustión es selladamente conectada a la lámina 116 del tubo de aire de salida para proporcionar una tubería 146 de escape para recolectar el escape de la combustión generado por la combustión del combustible y el aire en el sistema 102 de transferencia de calor. Separado de la lámina 116 del tubo de aire de salida, por el espaciador 148, está la lámina 120 del tubo de proceso de entrada que conjuntamente proporcionan una tubería 150 del fluido del proceso. La boquilla 152 de alimentación del fluido del proceso proporciona la introducción de una alimentación del fluido del proceso dentro de la tubería 150 del fluido del proceso. Presentado en la Figura 3 está un diagrama de flujo del proceso simplificado de un sistema de proceso 200, el cual incorpora el uso del sistema de transferencia de calor, descrito anteriormente. El sistema de proceso 200 es cualquier proceso que pueda explotar productivamente o de manera adecuada las ventajas del sistema de transferencia de calor descrito en la presente. Un proceso de este tipo es un proceso de deshidrogenación catalítica para la deshidrogenación de etilbenceno para producir estireno. Otros procesos como se mencionaron previamente pueden incluir la reformación de vapor y el craqueo de olefinas. En el proceso descrito en la Figura 3, un material del proceso que contiene vapor y etilbenceno, es cargado al reactor de deshidrogenación 204 vía el conducto 202. El reactor de deshidrogenación 204 define una zona de reacción de deshidrogenación que contiene un catalizador de deshidrogenación adecuado tal como cualquiera de los catalizadores de deshidrogenación basados en óxido de hierro, bien conocidos, y el reactor de deshidrogenación 204 proporciona los medios para poner en contacto, bajo condiciones adecuadas de reacciones de deshidrogenación, el material de alimentación de proceso con el catalizador de deshidrogenación. Un efluente del reactor de deshidrogenación es descargado desde el reactor de deshidrogenación 204 a través del conducto 206, y es introducido dentro del sistema 208 de transferencia de calor a través de su entrada 210 del fluido del proceso. Debido a que la reacción de deshidrogenación es una reacción endotérmica, el efluente del reactor de deshidrogenación tendrá una temperatura menor que aquella del material de alimentación del proceso cargado al reactor de deshidrogenación 204. El sistema 208 de transferencia de calor es utilizado para agregar energía calorífica al efluente del reactor de deshidrogenación, para elevar la temperatura antes de la introducción del efluente del reactor de deshidrogenación dentro del reactor 212 de deshidrogenación, de segunda etapa. El fluido del proceso caliente o el efluente del reactor de deshidrogenación, recalentado, pasa desde el sistema 208 de transferencia de calor a través de su salida de descarga 214 y el conducto 216 para ser introducido como una alimentación dentro del reactor de deshidrogenación 212 de segunda etapa. El reactor de deshidrogenación 212 de segunda etapa define una zona de reacción de deshidrogenación que contiene un catalizador de deshidrogenación adecuado tal como cualquiera de los catalizadores de deshidrogenación basados en óxido de hierro, bien conocidos, y proporciona los medios para poner en contacto, bajo condiciones adecuadas de reacción de deshidrogenación, el efluente del reactor de deshidrogenación recalentado, con el catalizador de deshidrogenación. Un efluente del reactor de deshidrogenación es descargado desde el reactor 212 de deshidrogenación de segunda etapa, a través del conducto 218. Es introducido combustible dentro del sistema 208 de transferencia de calor por medio del conducto 220 y a través de la entrada de combustible 222. El aire es introducido dentro del sistema 208 de transferencia de calor por medio del conducto 224 y a través de la entrada 226 de oxidante. El escape de la combustión proveniente de la zona de combustión (no mostrado) del sistema 208 de transferencia de calor es descargado por medio del conducto 228. Se nota que el sistema de transferencia de calor de la invención puede ser integrado dentro de cualquier tipo del sistema de proceso que requiera la introducción de energía calorífica dentro de un fluido del proceso. El sistema 200 del proceso catalítico de la Figura 3 únicamente muestra una unidad simple del sistema de transferencia de calor que está interpuesta entre dos etapas del reactor, pero se reconoce que cualquier número de unidad del sistema de transferencia de calor pueden ser combinadas con cualquier número de etapas del reactor en cualquier arreglo adecuado.
Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (9)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones:
1. Un sistema del proceso, caracterizado porque comprende : un primer sistema de transferencia de calor para la ignición de un combustible, y para el calentamiento de un fluido del proceso, en donde el sistema de transferencia de calor comprende : un tubo de combustible que tiene una longitud y una pared de tubo que definen una zona de introducción de combustible, en donde a lo largo de la longitud y dentro de la zona de introducción del combustible es incluida una zona de precalentamiento del combustible y una zona de combustión, en donde la zona de precalentamiento del combustible incluye una entrada de combustible para introducir el combustible dentro de la zona de precalentamiento del combustible y una salida del combustible para introducir un combustible precalentado desde la zona de precalentamiento hacia la zona de combustión, y en donde a lo largo de la zona de combustión y a través de la pared del tubo está una pluralidad de aberturas; un tubo de oxidante que está externo a y que rodea el tubo de combustible para definir de este modo una zona de introducción de oxidante a lo largo de la longitud del tubo de combustible, en donde la zona de introducción del oxidante incluye una zona de precalentamiento del oxidante y una zona de combustión de combustible, en donde la zona de precalentamiento del oxidante incluye una entrada de oxidante para introducir un oxidante dentro de la zona de precalentamiento del oxidante, y una salida de oxidante para introducir un oxidante precalentado desde la zona de precalentamiento del oxidante hacia la zona de combustión del combustible, y en donde la pluralidad de aberturas proporciona comunicación fluida entre la zona de combustión y la zona de combustión del combustible; y un tubo de proceso que está externo a y que rodea el tubo de oxidante, para definir con esto una zona de introducción del fluido del proceso a lo largo del tubo de oxidante, en donde la zona de introducción del fluido del proceso incluye una zona de calentamiento del fluido del proceso y una zona de calentamiento del oxidante/combustible, en donde la zona de calentamiento del fluido del proceso está en relación de intercambio de calor con la zona de combustión del combustible, e incluye una entrada del fluido del proceso para introducir el fluido del proceso dentro de la zona de calentamiento del fluido del proceso y una salida del fluido del proceso para introducir el fluido del proceso caliente desde la zona de calentamiento del fluido del proceso hacia la zona de calentamiento del oxidante/combustible, y en donde la zona de calentamiento del oxidante/combustible está en relación de intercambio de calor con la zona de precalentamiento del oxidante y la zona de precalentamiento de combustible, e incluye una salida de descarga para descargar desde la zona de calentamiento del oxidante/combustible el fluido del proceso caliente.
2. El sistema de proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las aberturas de la pluralidad de aberturas están espaciadas a lo largo de la zona de combustión de la longitud del tubo de combustible, y son de tamaño adecuado para proporcionar introducción de los incrementos del combustible precalentado dentro de la zona de combustión de combustible, tal que cuando dichos incrementos del combustible precalentado son mezclados con el oxidante precalentado, es formada una mezcla de combustión y ocurre una combustión que libera calor sin una flama.
3. El sistema de proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque la relación de intercambio de calor entre la zona de calentamiento del fluido del proceso y la zona de combustión del combustible, proporciona calentamiento del fluido del proceso para producir el fluido del proceso caliente por el calor liberado por la combustión.
4. El sistema de proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la relación de intercambio de calor entre la zona de calentamiento del oxidante/combustible y la zona de precalentamiento del combustible y la zona de precalentamiento del combustible, proporciona calentamiento del combustible para producir el combustible precalentado, y para calentar el oxidante para producir el oxidante precalentado o la transferencia de calor desde el fluido del proceso caliente.
5. El sistema de proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque proporciona además una temperatura de oxidante precalentado, del oxidante precalentado y una temperatura de combustible precalentado del combustible precalentado, tal que la mezcla de combustión tiene una temperatura de mezcla de combustión que excede la temperatura de auto- ignición de la mezcla de combustión.
6. El sistema de proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones l a 5, caracterizado porque la zona de introducción de combustible se distingue además por una geometría de introducción de combustible, en donde la zona de introducción del oxidante se distingue además por una geometría de la zona de introducción del oxidante, en donde la geometría de introducción del combustible y la geometría de la zona de introducción del oxidante son tales como para proporcionar una velocidad del fluido precalentado y una velocidad del oxidante precalentado que previenen la formación de la flama.
7. El sistema de proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque comprende además un primer medio reactor para poner en contacto, bajo condiciones de reacción, el fluido de proceso caliente con un catalizador, en donde el primer medio de reactor incluye una primera entrada del reactor para recibir el fluido del proceso caliente como una alimentación del primer reactor y una salida del primer reactor para descargar un efluente del primer reactor, en donde la entrada del reactor está fluidamente conectada a la salida de descarga.
8. Un proceso para el calentamiento directo de un fluido del proceso por combustión sin flama de un combustible, caracterizado porque comprende: introducir el combustible dentro de un tubo de combustible que tiene una longitud y una pared de tubo que definen una zona de introducción de combustible, en donde a lo largo de la longitud y dentro de la zona de introducción se incluye una zona de precalentamiento de combustible y una zona de combustión, en donde la zona de precalentamiento de combustible incluye una entrada de combustible para introducir el combustible dentro de la zona de precalentamiento del combustible, y una salida de combustible para introducir un combustible precalentado desde la zona de precalentamiento del combustible hacia la zona de combustión, y en donde a lo largo de la zona de combustión ya través de la pared del tubo está una pluralidad de aberturas; la introducción de un oxidante dentro de un tubo de oxidante, que está externo a y que rodea el tubo de combustible, para proporcionar con esto una zona de introducción de oxidante a lo largo de la longitud del tubo de combustible, en donde la zona de introducción del oxidante incluye una zona de precalentamiento del oxidante y una zona de combustión en el combustible, en donde la zona de precalentamiento del oxidante incluye una entrada de oxidante para introducir el oxidante dentro de la zona de precalentamiento del oxidante, y una salida del oxidante para introducir un oxidante precalentado desde la zona de precalentamiento del oxidante hacia la zona de combustión del combustible, y en donde la pluralidad de aberturas proporcionan la comunicación fluida entre la zona de combustión y la zona de combustión del combustible; la introducción del fluido del proceso dentro de un tubo de proceso que está externo a y que rodea el tubo de oxidante, para proporcionar con esto una zona de introducción del fluido del proceso a lo largo del tubo de oxidante, en donde la zona de introducción del fluido del proceso incluye una zona de calentamiento del fluido del proceso y una zona de calentamiento del oxidante/combustible, en donde la zona de calentamiento del fluido del proceso está en relación de intercambio de calor con la zona de combustión del combustible que incluye una entrada del fluido del proceso para introducir el fluido del proceso dentro de la zona de calentamiento del fluido del proceso, y una salida del fluido del proceso para introducir un fluido del proceso caliente a partir de la zona de calentamiento del fluido del proceso hacia la zona de calentamiento del oxidante/combustible, y en donde la zona de calentamiento del oxidante/combustible está en relación de intercambio de calor con la zona de precalentamiento del oxidante y la zona de precalentamiento del combustible e incluye una salida de descarga para descargar desde la zona de calentamiento del oxidante/combustible, el fluido del proceso calentado; descargar desde la zona de calentamiento del oxidante/combustible, el fluido del proceso caliente; y descargar desde la zona de combustión del combustible, un escape de combustión.
9. El proceso de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque comprende además: la introducción de incrementos del combustible precalentado dentro de la zona de combustión del combustible, tal manera que es formada una mezcla de combustión y ocurre una combustión que libera calor sin una flama.
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