TW201727153A - 爐管輻射器 - Google Patents

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TW201727153A
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格拉塞娜 佩特拉
雷斯里 威福德 比那
傑佛瑞 史蒂芬 克洛
賽德 馬吉德 胡賽尼
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努發化工（國際）公司
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Abstract

本發明係關於一種具有橢圓形或多邊形橫截面之大體上線性陶瓷或金屬輻射器，其係靠近燃燒加熱器之輻射區中之爐管或線圈放置以增加導向該等管或線圈之表面之輻射熱。

Description

爐管輻射器
本發明係關於與燃燒加熱器中之輻射區管(諸如用於裂解石蠟(諸如C2-4 石蠟)之爐管線圈)一起使用之輻射器。該輻射器係具有任何橫截面之大體上線性結構，包括具有圓形、橢圓形、菱形、矩形或多邊形橫截面之為固體(在相意義上非必須為獨塊體)材料之帶、管或棒，該等材料具有大體上堪比管線圈通路之熱膨脹及潛變阻力係數。在不小於1250℃之溫度下(較佳不小於1275℃之溫度下)，該輻射器應具有線圈通路變形(例如，伸長)之至多100%變形。該輻射器自爐壁、燃燒氣體或兩者吸收輻射熱並將其重新輻射至爐管線圈。由於該輻射器未經任何製程流體冷卻，因此其將具有高於經內部流動之製程流體冷卻之爐管線圈之溫度。在具有垂直或水平管線圈之石化裂解器中，該等線圈係呈通常均勻間隔的線性陣列。在相鄰管線圈之間傳遞之來自燃燒氣體及爐壁之輻射對該等線圈具有較低加熱效應，因為該等線圈相互及部分阻斷其等對輻射爐壁之曝露及其等與相鄰線圈競爭在其等之間傳遞之燃燒氣體所輻射之熱量。管線圈之間之輻射器將捕獲並重定向輻射能於線圈表面之部分上，該部分與爐壁垂直(例如非直接曝露於耐火壁)且面向該爐之輻射區中之相鄰線圈。
讓渡給Foster Wheeler之於1956年2月7日頒予Sherman之美國專利2,733,692 教示「油加熱器」。該專利似乎關於精製油。在該加熱器之頂部，攜載油之管道通過該加熱器之頂部。存在與該等管同圓並同軸之45個通道。熱量圍繞該等通道內之各管之部分之整個圓周均勻流動。熱量係自各通道之壁均勻輻射至其圍繞之管之整個圓周。(第2欄第65至72行)。本發明未預期同軸輻射合金以將輻射熱更均勻分佈至爐管。 1965年出現於11月13日之CHEMICAL WEEK期刊中之標題為「ETHYLENE」之文章揭示革命性蒸汽裂解爐設計之一些基礎發現。研究者發現反應氣體中之二級反應導致管壁焦炭。伴隨更多熱量之較短滯留時間傾向於初級烯烴形成反應，而非此等二級焦炭形成反應。因此，較高熱通量及較高管壁溫度作為解決方法而應運而生。較短滯留時間需要必須更快地將熱量轉移至烴內。建議用於擴大此熱量輸入之兩種可行方法係藉由改變管之機械設計使得其等具有每內體積較大之外表面(即較小直徑管)及增加熱通量通過管壁之速率(較高溫度)。該文章未表明使用輻射器以增加該管之壁溫度亦未表明改善圍繞該管之圓周溫度之均勻性。 讓渡給Pullman Incorporated之於1972年6月20日頒予Wallace之美國專利3,671,198教示裂解爐具有較小直徑垂直裂解管及淬火系統。該專利未教示或表明使用輻射器。 讓渡給Exxon Research and Engineering Company之於1985年2月12日頒予DiNicolantonio等人之美國專利4,499,055教示具有一行垂直爐管之裂解器。該等管具有彎曲使得一經熱膨脹其等保持於平面內。該專利未教示或表明改善裂解器之輻射區之效率之輻射器。 2014年6月10日頒予Horne之美國專利8,746,184係知曉揭示使用輻射器之唯一專利申請案。該專利教示使用輻射器改善之蒸汽鍋爐。該等輻射器係開槽金屬片，燃燒氣體通過該等開槽金屬片流動。該等輻射器係經對流加熱，而非藉由來自燃燒加熱器之輻射區之壁之輻射加熱，及然後將熱量輻射至管道以加熱水從而形成蒸汽。此係狀態應用之變化而非如於裂解管中之組合應用之變化。該專利未教示具有連續表面(例如，無開槽或孔洞)且經對流及輻射兩者加熱之輻射器。此外，未表明該等輻射器可於燃燒加熱器(諸如裂解爐)之輻射區中具有任何用途。 本發明尋求提供藉助於線圈之間使用輻射器改善在化學品裂解器之輻射區中之熱轉移效率。經改善之效率將導致減少來自燃燒加熱器之溫室氣體。
本發明提供一種在燃燒加熱器之輻射區中與壁分離之輻射器，其具有大於1250℃之熔點，及堪比燃燒加熱器之輻射區管中之潛變及變形性質，其包含具有連續表面之陶瓷或合金。 在另一實施例中，本發明提供以具有平滑或經溝槽修飾或經微隆凸覆蓋之連續外表面之呈大體上線性形式之輻射器。 在另一實施例中，該輻射器可呈橢圓形或多邊形橫截面之形式。 在另一實施例中，輻射器之總長度可於燃燒爐之輻射區中之管線圈通路長度之25至100%之範圍內變化，厚度足以保持該輻射器之完整性(爐線圈壁厚度之0.5至1.5)，及寬度為爐管外徑之1/4至3/4。 在另一實施例中，本發明提供具有燃燒爐之輻射區中之管通路長度之50至90%之總長度及爐管外徑之1/2至3/4之直徑之輻射器。 在另一實施例中，本發明提供係連續(例如，單元體)之輻射器。 在另一實施例中，本發明提供包含連接在一起之多個區段之輻射器。 在另一實施例中，該輻射器之表面之至少一部分(通常小於25%)含有一系列具有該輻射器之厚度或寬度或直徑之1/16至1/8之深度之溝槽。 在另一實施例中，本發明提供垂直之輻射器。 在另一實施例中，本發明提供水平之輻射器。 在另一實施例中，本發明提供係金屬合金且具有具有10至5,000微米厚度之表面之輻射器，其包含40至60重量%之式Mnx Cr3−x O4 化合物(其中x係0.5至2)及60至40重量%之Mn及Si之氧化物(選自由MnO、MnSiO3 、Mn2 SiO4 及其混合物組成之群)，條件是該表面含有小於5重量%之Cr2 O3 。 在另一實施例中，本發明提供包含約55至65重量%之Ni；約20至10重量%之Cr；約20至10重量%之Co；及約5至9重量%之Fe及餘量之一或更多種微量元素之輻射器。 在另一實施例中，本發明提供進一步包含0.2至高達3重量%之Mn；0.3至2重量%之Si；小於5重量%之鈦、鈮及所有其他微量金屬；及小於0.75重量%之量之碳之輻射器，該等組分之總和相加高達100重量%。 在另一實施例中，本發明提供包含40至65重量%之Co；15至20重量%之Cr；20至13重量%之Ni；小於4重量%之Fe及餘量之一或更多種微量元素及高達20重量%之W之輻射器，該等組分之總和相加高達100重量%。 在另一實施例中，本發明提供進一步包含0.2至高達3重量%之Mn；0.3至2重量%之Si；小於5重量%之鈦、鈮及所有其他微量金屬；及小於0.75重量%之碳之輻射器。 在另一實施例中，本發明提供包含20至38重量%之鉻；25至48重量%之Ni之輻射器。 在另一實施例中，本發明提供進一步包含0.2至高達3重量%之Mn；0.3至2重量%之Si；小於5重量%之鈦、鈮及所有其他微量金屬；及小於0.75重量%之量之碳及餘量之大體上鐵之輻射器。 在另一實施例中，本發明提供包含Mo-Si-B合金之輻射器。 在另一實施例中，本發明提供包含選自由以下組成之群之陶瓷之輻射器：二氧化矽、熔融二氧化矽、氧化鋁、二氧化鈦、二氧化鋯、二氧化釷、氧化鑭、氧化鎂、氧化鈣、氧化鋇、氧化錫、二氧化鈰、氧化鋅、氧化硼、碳化硼、氧化釔、矽酸鋁、氮化矽、碳化矽及其混合物。 在另一實施例中，本發明提供燃燒加熱器之輻射區，其具有以其中相對於壁之線圈視角因數係被相鄰線圈之存在而改變之模式間隔之管，其中如上文之輻射器係靠近至少一對相鄰管放置(以增加導向該等線圈之表面之輻射能)。 在另一實施例中，本發明提供如上文之輻射區，其中該輻射器係垂直的。 在另一實施例中，本發明提供輻射區，其中該輻射器係懸掛自上頭支架。 在另一實施例中，本發明提供輻射區，其中該輻射器係安裝於地面。 在另一實施例中，本發明提供輻射區，其中該輻射器係水平的。 在另一實施例中，本發明提供熱處理流體烴之方法，該方法包括使該烴通過燃燒加熱器之具有如上文輻射器之輻射區中之管。 在另一實施例中，該烴係C2-4 石蠟，其在800℃至1100℃之溫度下歷時0.001至0.01秒通過輻射區中之管。 在另一實施例中，該烴係選自由以下組成之群：重質原油、重質真空製氣油、殘油及石腦油。 在另一實施例中，本發明提供藉由靠近燃燒加熱器之輻射區中之管放置輻射器以減小該爐管之外及內圓周溫度分佈之不均勻性之方法。 在另一實施例中，本發明提供藉由靠近燃燒加熱器之輻射區中之管放置輻射器以減小該管之外及內圓周熱通量之不均勻性之方法。 本發明之另一實施例提供一裂解爐，其包含輻射區，該輻射區具有以其中相對於壁之線圈視角因數係被相鄰線圈之存在而改變之模式間隔之裂解線圈，其中如技術方案1之輻射器係靠近至少一對相鄰線圈放置以增加導向該等線圈之表面之輻射能。
數字範圍 除在操作實例中或其中另有指示外，本說明書及申請專利範圍中使用之指示成分之數量、反應條件等之所有數字或表達應瞭解為在所有實例經術語「約」修飾。因此，除非另有相反指示，否則下列說明書及隨附申請專利範圍中闡述之數值參數係可取決於本發明希望獲得之性質而變化之近似值。至少而非作為一種嘗試來限制均等論於申請專利範圍之範疇之應用，各數值參數應至少根據報告之有效數字之數量及藉由應用普通捨入技術來解釋。 雖然闡述本發明之廣泛範疇之數值範圍及參數係近似值，但特定實例中闡述之數值應儘可能精確地報告。然而，任何數值固有地含有必然由其各自測試量測中所存在的之標準差所導致之特定誤差。 同樣，應瞭解本文描述之任何數值範圍係意欲包括包括於其中之所有子範圍。例如，「1至10」之範圍係意欲包括介於所描述之最小值1與所描述之最大值10之間之所有子範圍及包括所描述之最小值1與所描述之最大值10之子範圍；即，具有等於或大於1之最小值及等於或小於10之最大值。因為所揭示之數值範圍係連續的，因此其等包括介於最小值與最大值之間之每個值。除非另有明確指示，否則本申請案中規定之各種數值範圍係近似值。 實際上，本文表達之所有組合範圍總計限制於且不超過100% (體積%或體重%)。其中多種組分可存在於組合物中，各組分之最大量之總和可超過100%，及應瞭解，及熟習此項技術者易於瞭解，實際使用之該等組分之量將符合100%之最大值。 如本說明書中所使用，視角因數(Fi,j)係定義為留下由表面j截取之表面i之輻射之比率。在輻射加熱器中，線圈「i」受到來自爐壁「w」之輻射，來自相鄰管線圈「j」 (其等係可能在與如經考慮之線圈「i」相同，及低於壁溫度之溫度下)之輻射及來自燃燒氣體「CG」之輻射：Fi,w 、Fi, coils j 及Fi,CG 。此係3 × 3之矩陣。作為實用性問題，該等線圈係在大體上相同之溫度下。當引入具有溫度大於線圈之輻射器時，引入新視角因數(Fi, (radiant ) )。此產生用於將輻射熱轉移至線圈「i」之4 × 4矩陣，輻射主體係壁，(相鄰)線圈在較低溫度下，該等輻射器在高於線圈之溫度下，及燃燒氣體在所有溫度中之最高溫度下。 如本說明書中所使用，「輻射器」意謂由熔融溫度高於1250℃，較佳大於1275℃之材料製成之具有閉合表面(無開槽)、平滑或以溝槽或微隆凸延伸之結構。該輻射器可呈具有圓形、橢圓形、三角形、矩形、菱形或多邊形橫截面之帶、管或棒之形式。其可包含一個具有所需長度之段或連接在一起以形成具有所需長度之輻射器之多個段。 存在大量其中使烴經歷熱處理之化學製程。在此等處理之多者中，使烴以液體或氣體之形式通過燃燒加熱器之輻射區中之管或爐線圈(或燃燒加熱器之輻射區管或線圈)。烴可由蒸汽稀釋。此等處理包括石蠟(諸如石腦油及低碳數C2-4 石蠟)裂解以形成烯烴。其他處理包括原油(包括重質原油、重質真空氣體及來自經熱處理之(重質)原油及焦化(延遲焦化，FLEXICOKINGTM 及減黏裂煉)之各種形式之真空分離之殘餘餾分)之處理。輻射器可用於涉及熱量輻射轉移至含有待處理之烴之管或線圈之任何製程中。輻射器於燃燒加熱器之輻射區中之一項特別有用之應用係將石蠟裂解為烯烴，諸如將石腦油或低碳數C2-4 石蠟裂解為烯烴。 如上文參考之烴之熱處理係能量加強過程。使烴進料通過燃燒加熱器(即，爐)之對流及輻射區中之大量管道或線圈。在爐之輻射區中，存在通常位於壁中之燃燒器但其等亦可安裝於地面。輻射區中之該等壁包含諸如磚之耐火材料。將燃料(諸如，例如，天然氣)進料至燃燒器中。來自該等燃燒器之燃燒氣體上升通過輻射區。該輻射區之壁係經加熱及產生輻射以加熱該輻射區中之線圈。額外地，當燃燒氣體上升通過輻射區時，其等向線圈提供輻射及對流加熱並將線圈之內容物加熱至所需溫度(諸如裂解溫度)。裂解溫度可介於至少800℃至約1100℃，較佳至少約900℃至約1100℃，通常950℃至1050℃之範圍內。其他熱處理可在更廣泛之溫度範圍諸如500℃至1200℃，通常600℃至1150℃之溫度範圍內發生。用於熱處理之時間可介於毫秒(0.001秒)至1秒，通常0.001至0.1秒，在一些實施例中0.001至0.01秒之範圍內。通常，該等熱處理可在低壓下進行，在一些實例中接近大氣壓(例如，80 kPa至約120 kPa)。然後以習知方式分離產物蒸汽。 通常，離開輻射區之燃燒氣體通過爐之對流區，並通過管或線圈上方以將其等內容物加熱至接近裂解溫度。該等氣體然後離開對流區，流動通過堆疊及離開該爐。 在爐之輻射區中，線圈可為垂直或水平的。通常，在爐中靠近壁之任一側面上間隔存在兩個或更多個爐線圈陣列。該等線圈通常包含由「U」型彎曲連接以為進料提供連續流動路徑之直通路。該等直通路係通常以該通路直徑之約½至2倍，通常約½至1½倍隔開。來自爐壁之輻射撞擊至曝露/相鄰於壁之線圈之側面上。在線圈通路之間，不存在「捕獲」來自壁之輻射及將其重定向至線圈之物件。存在一個線圈投射至相鄰線圈上之陰影區，在該陰影區中，來自壁之輻射係經部分阻斷。因此，較少熱量輻射至線圈表面之面向其他線圈之側面上，及因此，該等線圈不具有均勻圓周表面溫度。 輻射器可通常近似等距放置在線圈之直通路之間。該輻射器係由來自爐輻射區之壁之輻射加熱，及同樣，其係由燃燒氣體加熱。然後該等輻射器將能量輻射至爐管之面向輻射器之側面。此於線圈中導致更均勻之圓周溫度分佈及轉移至線圈之總熱量增加。該輻射器應具有連續外表面。 視需要，輻射器之表面之至少一部分(通常25%，較佳大於50%)可具有溝槽或隆凸圖案。該等溝槽可具有該輻射器之厚度或直徑之1/16至1/8之深度。該等溝槽可呈向外開口V，縮短型向外開口V、向外開口U、向外開口平行側通道之形式。該等隆凸可沿該輻射器均勻或不均勻隔開。隆凸之間彼此之距離可沿該輻射器之長度變化。該等隆凸可包含該輻射器之重量之5%至高達35%。該隆凸可具有具有含有相對小體積之相對大外表面之幾何形狀，諸如例如四面體、錐體、立方體、圓錐體、球體之部分(例如，半球或更小)、橢圓形之部分、變形橢圓形之部分(例如，淚滴)等。一些用於隆凸之形狀包括： 四面體(具有三角形基底及3個等邊三角形側面之錐體)； Johnson正方錐(具有正方形基底及等邊三角形側面之錐體)； 具有4個等腰三角形側面之錐體； 具有等腰三角形側面之錐體(例如，若其係四面錐體，則基底可不為正方形，其可為矩形或平行四邊形)； 球體之部分(例如，半球體或更小)； 橢圓形之部分(例如，通過在橢圓形通過其主軸或次軸旋轉時所形成之形狀或體積之部分)；及 淚滴之部分(例如，通過在經非均勻變形之橢圓形沿著變形之軸旋轉時所形成之形狀或體積之部分)； 拋物線之部分(例如，通過在拋物線圍繞其主軸旋轉時所形成之形狀或體積之部分–變形之半球-(或更小)球體)。 該輻射器可為空心或實心，只要其具有足夠抵抗環境之機械穩定性即可。該等輻射器將受到熱應力及將在一定程度上受到變形(長度變化)。應注意一些形狀(諸如帶或棒)當在非均勻熱應力下時可更容易翹曲或彎曲。 該輻射器可具有輻射區內之管通路之長度之約至少75%，在一些實例中至少80%，視需要至少90%，較佳100%之大小。就棒或帶而言，該輻射器可具有管壁厚度之0.5至1.5之厚度及爐管外徑之3/8至7/8，視需要1/2至3/4之寬度。就管狀輻射器而言，該直徑可為爐管外徑之2/8至7/8，視需要1/2至3/4。寬度(或圓形輻射器之直徑)係基於曝露於耐火材料之線圈或管道及其他線圈。該輻射器應足夠寬以保護管或線圈不與相鄰線圈發生熱交換，但足夠小以至於不相對於爐壁耐火材料減小線圈或管視角因數。管狀輻射器之一項優點係其在使用中較不易彎曲或翹曲。 該輻射器可由可抵抗裂解爐之輻射區中之周圍條件之任何材料製成。該輻射器可為金屬或陶瓷的。該輻射器應具有大於0.5，通常0.6至0.95，視需要0.6至0.85，較佳0.6至0.8，在一些實施例中0.6至0.7之發射率。 該輻射器可為不鏽鋼的，該不鏽鋼其可選自由以下組成之群：鍛造不鏽鋼、奧氏體不鏽鋼及HP、HT、HU、HW及HX不鏽鋼、耐熱不鏽鋼及基於鎳或鉬之合金(熱合金)。該輻射器可為高強度低合金鋼(HSLA)；高強度結構鋼或超高強度鋼。熟習此項技術者已知此等鋼之類別及組成。 在一個實施例中，該不鏽鋼(較佳耐熱不鏽鋼)通常包含13至50，較佳20至50，最佳20至38重量%之鉻。該不鏽鋼可進一步包含20至50，較佳25至50，最佳25至48，視需要約30至45重量%之Ni。該不鏽鋼之餘量可為大體上鐵。 本發明亦可與基於鎳及/或鈷之極端奧氏體高溫合金(HTA)一起使用。通常，該等合金包含大量鎳或鈷。通常，該等基於鎳之高溫合金包含包含約50至70，較佳約55至65重量%之Ni；約20至10重量%之Cr；約20至10重量%之Co；及約5至9重量%之Fe及餘量之一或更多種下文指出之微量元素以使組合物高達100重量%。通常，該等基於鈷之高溫合金包含40至65重量%之Co；15至20重量%之Cr；20至13重量%之Ni；小於4重量%之Fe及餘量之一或更多種下文所述之微量元素及高達20重量%之W，該等組分之總和相加高達100重量%。 在本發明之一些實施例中，鋼可進一步包含大量微量元素，其等包括至少0.2重量%，高達3重量%，通常1.0重量%，高達2.5重量%，較佳不大於2重量%之錳； 0.3至2，較佳0.8至1.6，通常小於1.9重量%之Si；小於3，通常小於2重量%之鈦、鈮(通常小於2.0，較佳小於1.5重量%之鈮)及所有其他微量金屬；及以小於2.0重量%之量之碳。該等微量元素係以使得該鋼之組成總計為100重量%之量存在。 如(例如)讓渡給General Electric公司之於2007年10月9日頒予Steplewski等人之美國專利7,278,828中所揭示，可使用含有高達約12%之Al，通常小於7重量%，通常約2.5至3重量%之鋁之較新穎合金。通常，在高鈷及高鎳鋼中，鋁可以高達3重量%，通常在2.5與3重量%之間之量存在。在高鉻高鎳合金(例如，13至50，較佳20至50重量%之Cr及20至50重量%之Ni)中，鋁含量可在高達10，較佳小於約7，通常約2至7重量%之範圍內變化。 就高鉻鋼而言，該輻射器可具有具有10至5,000微米厚度之表面，其包含40至60重量%之式Mnx Cr3−x O4 化合物(其中x係0.5至2)及60至40重量%之Mn及Si之氧化物(選自由MnO、MnSiO3 、Mn2 SiO4 及其混合物組成之群)，只要該表面含有小於5重量%之Cr2 O3 即可。 該輻射器可為視需要含有硼之鉬及氧化矽之合金(例如，MoSi2 或Mo5 SiB2 )。 此等表面可使用讓渡給NOVA Chemicals (International) S.A.之於2002年8月20日頒予Benum等人之美國專利6,436,202中所揭示之處理產生，該案之正文以引用之方式併入本文中。 該輻射器可為陶瓷的。一些陶瓷可抵抗爐之輻射區中之高溫。然而，陶瓷易碎。基材之延展性可藉由將金屬或陶瓷板晶、具有高縱橫比之鬚晶或粒子併入陶瓷主體(陶瓷基材複合物-CMC)內而經改善。通常，陶瓷之主體可包含氧化物、碳化物、氮化物或硼酸鹽，包括二氧化矽、熔融二氧化矽、氧化鋁、二氧化鈦、二氧化鋯、二氧化釷、氧化鑭、氧化鎂、氧化鈣、氧化鋇、氧化錫、二氧化鈰、氧化鋅、氧化硼、碳化硼、氧化釔、矽酸鋁、氮化矽、碳化矽、硼化鉿、硼化鋯、硼化鉭、碳化鉭、硼化鈦、碳化鉭、碳化鉿、碳化鈮、碳化鈦、碳化鋯、氮化鉿、氮化鉭及氮化鋯及其混合物。 纖維或鬚晶、板晶或粒子可選自由以下組成之群：碳化矽、氮化矽、碳化硼及氮化硼。在一些實例中，可使用具有高熔點之金屬。該強化材料可塗覆一層極薄(1至5微米)之允許陶瓷中之強化之一些「下降(slippage)」以減少裂紋擴展之物質(例如，碳)之塗層。 讓渡給以國家航空航太管理局(NASA)為代表之美利堅合眾國之Heng等人於2010年4月1日公開之美國專利申請案2010/0081556及於2013年4月2日頒予Stackpoole等人之美國專利8,409,491(其等內容以引用之方式併入本文中)係用於描述具有良好拉伸性質之高溫陶瓷。 金屬(例如，鋼或熱合金)或陶瓷之輻射器通常具有介於0.6與0.8之間之熱發射率。 該輻射器可在相鄰爐管間近似(例如，在距離中點之約20%，較佳約10%或以下之內)等距垂直放置。圖1示意性顯示如何將輻射器固定於具有垂直管或線圈之爐之輻射區中。在圖1中，可自大量段形成之爐管或線圈1形成一系列藉由「U」型彎曲2於頂部及底部連接之直通路。該線圈可藉由在該爐之底部之「U」型彎曲處之支撐件或支撐件3或在該爐之頂部之掛鉤4固定於該爐之輻射區中。輻射器5可直接懸掛自「U」型彎曲之頂部之支撐件(掛鉤) 4。間隔物(分離器6)可用以保持輻射器固定及減少熱彎曲或撓曲。縱樑7可連接至兩個或更多個掛鉤4，及一或更多個輻射器5可懸掛自縱樑7。亦可於一或更多個下導件3之間運行縱樑8且輻射器5可支撐自底部縱樑。經底部支撐之輻射器5亦可具有間隔物6以幫助固定輻射器5及減少熱彎曲或撓曲。 該輻射器可懸掛自輻射區之上部(諸如用於頂板之支撐件)或在頂板本身之表面下。一般技術者已知合適之機械耦合及懸掛裝置。垂直輻射器可直接或間接(縱樑或導件)支撐自輻射區之地面及用於線圈之掛鉤。在一些實施例中，垂直輻射器可於該爐之輻射區之上部中支撐自地面及用於線圈掛鉤兩者。 水平輻射器可支撐自爐之輻射區之上段或地面或兩者。在一替代實施例中，該等水平輻射器可支撐自輻射區之端壁或支撐自從輻射區之上部(頂板)運行至地面之縱樑。一般技術者已知合適之機械耦合及懸掛裝置。 本發明現將藉由下列非限制性實例進行闡述。 參考案例：裂解爐之輻射區之模型。 Joffre之NOVA Chemicals第二乙烷裂解器之輻射區中之熱轉移之電腦模型係使用ANSYS Mechanical軟體開發。運行該模型以模擬裂解爐中之過程，其中爐輻射區中之垂直線圈之間無輻射器。該等線圈係藉由來自爐壁之輻射及藉由由爐壁燃燒器產生並沿線圈流動之燃燒氣體之強制對流進行加熱。通過線圈壁之傳導及藉由內強制對流將線圈外表面獲得之熱量轉移至在線圈內流動之處理氣(進料)之氣流中。該模型預測該等線圈之外及內表面之溫度，及爐耐火材料之溫度。用於模擬之輸入資料(諸如爐及線圈之特定幾何結構及大小、進料流動速率、燃料氣體組成及進入燃燒器內之流動速率、進料及產物組成及爐輻射區之入口及出口處之溫度等)係於Joffre中之裂解爐中量測之真實操作資料。經計算與經量測之線圈表面溫度之間具有良好定性一致性，及該模型有效地描述爐輻射區之操作。 在圖式中，類似部分係由類似參考編號指定。 圖2顯示爐中之爐管線圈之示意性橫截面。在圖2中，該爐係通常指示為20，爐壁10將由燃燒器30產生之熱量輻射於線圈40上。視角因數因相鄰線圈而減小之冷卻器線圈表面區係指示為50。圖3顯示圍繞線圈圓周之一半(180°)之溫度分佈，最大溫度對應於直接曝露於爐壁之線圈表面，最低線圈溫度位於面向相鄰線圈之線圈側上。 圖6係當缺乏輻射器(即圖2)及當存在輻射器60 (即圖4)時之圍繞線圈40之內表面之熱通量之圖。實例 1 重新運行模擬，只是將輻射器放置於管之間之中心點處模擬，如圖4中顯示，圖4係具有放置於線圈40之間之輻射器60之爐之示意性視圖。在圖4中，暗區70係藉由輻射器60向線圈40之表面輻射之熱量。 該輻射器係具有與線圈相同之輻射發射率之帶。該輻射器具有與線圈通路相同之長度。除輻射器外，模擬之條件保持恆定。圖5繪製參考案例(無輻射器，如圖2中)及在其中存在輻射器之情況下(即圖4)之線圈中之圓周溫度分佈。該圖顯示在其中存在輻射器之情況下於線圈表面上存在更均勻之圓周溫度。 圖6中顯示由有及無輻射器之線圈所吸收之所得之熱通量。圖6顯示當缺乏輻射器時(即圖2)，到達線圈40之內表面之熱通量低於當存在輻射器60時(即圖4)之熱通量。 由於無流體流動通過輻射器，因此其達成高於管或線圈之溫度及將熱量輻射至相鄰線圈。針對側壁燃燒爐於圖7A及7B中顯示爐壁10、線圈40及輻射器60中之經計算之溫度分佈。該等圖式顯示輻射器60係在高於線圈40之溫度下及輻射器60溫度係非常接近無燃燒器之爐端壁之溫度。此顯示就底部燃燒加熱器或爐而言，當燃燒器未安裝於壁上時，所有爐壁之溫度應相似，及該等輻射器之溫度應接近該等壁之溫度。實例 2 重新運行模擬，只是無輻射器但爐線圈具有兩個平行於輻射區之側壁之縱向助片。該等助片係由與線圈相同之材料製成，因此，其等具有與線圈(及輻射器)相同之性質(諸如發射率及導電性)。帶助片之線圈之輻射熱傳輸略高(1.0%至2.0%)於線圈赤裸但藉由輻射器分離之情況下之輻射熱傳輸。然而，與輻射器相反，帶助片之線圈係昂貴得多，製造具有挑戰性及係受到潛變應變。實例 3 開發包含線圈及輻射器之爐中之輻射之分析模型。考慮兩種輻射器幾何結構：帶及圓柱體。於ANSYS模型中假定爐壁及線圈之溫度(即T壁=1170℃，T線圈=940℃)及因此係個別發射率(即線圈發射率=0.8，輻射器發射率=0.8，爐壁發射率=0.6)。針對以帶及圓柱形輻射器分離之線圈嚴格計算視角因數。為簡化具有輻射器之爐中之輻射模式之複雜性，已假定帶輻射器(60)之寬度係等於線圈(40)之直徑(如圖8中顯示)及因此係圓柱形輻射器(60)之直徑(如圖9中顯示)。 藉由經兩種類型之輻射器分離之線圈所接受之熱量Q*係作為輻射器溫度之函數計算並與藉由無輻射器之線圈所接收之熱量Q進行比較。圖10中顯示之結果指示圓柱形輻射器之好處大於帶輻射器之好處。該計算僅證實趨勢，而非實際應用，因為假定兩個輻射器係具有線圈直徑之大小。 圖10中之陰影區顯示帶輻射器需加熱至溫度＞1040℃才可有效，(即針對t＞1040℃，Q*/Q＞1)，而圓柱形輻射器係當其溫度超過975℃時已係有效的(即針對t＞975℃，Q*/Q＞1)。 圓柱形輻射器之額外好處可為圓柱形輻射器上之較低熱應力及輻射器之較小翹曲或彎曲趨勢。工業適用性 本發明之輻射器捕獲及重新分佈裂解爐之輻射區中之輻射能以改善該爐之效率。
1‧‧‧爐管或線圈
2‧‧‧「U」型彎曲
3‧‧‧下導件
4‧‧‧掛鉤
5‧‧‧輻射器
6‧‧‧間隔物
7‧‧‧縱樑
8‧‧‧縱樑
10‧‧‧爐壁
20‧‧‧爐
30‧‧‧燃燒器
40‧‧‧線圈
50‧‧‧冷卻器線圈表面區
60‧‧‧輻射器
70‧‧‧暗區
圖1係爐之輻射區中之線圈及輻射器之示意性側視圖，以繪示可如何安裝垂直輻射器。 圖2係具有垂直線圈之裂解爐之彎管之示意性剖視圖。 圖3係圖2中之右線圈之圓周溫度之圖。 圖4係具有垂直線圈及在該等線圈間之垂直輻射器之裂解爐之彎管之示意性剖視圖。 圖5係來自圖4之右線圈及來自圖2之右線圈之圓周溫度分佈之圖。 圖6係於來自圖4之右線圈及來自圖2之右線圈之內表面之熱通量。 圖7A係具有爐壁之經計算之溫度值之壁燃燒爐之示意性圖示及圖7B係圖7A中指示之具有兩個相鄰輻射器之線圈以及嵌入物之經計算之溫度值及線圈外壁之經計算之溫度值。 圖8係具有帶輻射器(60)之爐之示意性圖，該等輻射器具有等於線圈(40)之直徑之寬度。 圖9係具有圓柱形輻射器(60)之爐之示意性圖，該等輻射器具有等於線圈(40)之直徑之直徑。 圖10係顯示如相較於經無輻射器之線圈吸收之熱量Q，經分別具有相鄰圓柱形及帶輻射器之線圈吸收之熱量Q*增加之圖。
1‧‧‧爐管或線圈
2‧‧‧「U」型彎曲
3‧‧‧下導件
4‧‧‧掛鉤
5‧‧‧輻射器
6‧‧‧間隔物
7‧‧‧縱樑
8‧‧‧縱樑

Claims (41)

  1. 一種在燃燒加熱器之輻射區中與壁分離之輻射器，其具有大於1250℃之熔點，及堪比燃燒加熱器中之輻射區管之潛變及變形性質，其包含具有連續表面之陶瓷或合金。
  2. 如請求項1之輻射器，其係呈具有橢圓形或多邊形橫截面之大體上線性元件之形式。
  3. 如請求項2之輻射器，其具有係平滑或經溝槽或微隆凸修飾之外表面。
  4. 如請求項2之輻射器，其包含連續元件。
  5. 如請求項2之輻射器，其包含多個連接區段。
  6. 如請求項4之輻射器，其具有燃燒爐之輻射區中之管通路長度之25至100%之長度。
  7. 如請求項5之輻射器，其具有燃燒爐之輻射區中之管通路長度之25至100%之長度。
  8. 如請求項6之輻射器，其具有燃燒爐之輻射區中之管通路長度之50至90%之長度，爐管外徑之1/4至3/4之直徑。
  9. 如請求項7之輻射器，其具有燃燒爐之輻射區中之管通路長度之50至90%之長度，爐管外徑之1/4至3/4之直徑。
  10. 如請求項8之輻射器，其係垂直的。
  11. 如請求項9之輻射器，其係水平的。
  12. 如請求項4之輻射器，其係合金且具有具有10至5,000微米厚度之表面，該輻射器包含40至60重量%之式Mnx Cr3−x O4 化合物(其中x係0.5至2)及60至40重量%之Mn及Si之氧化物(選自由MnO、MnSiO3 、Mn2 SiO4 及其混合物組成之群)，只要該表面含有小於5重量%之Cr2 O3 即可。
  13. 如請求項4之輻射器，其包含約55至65重量%之Ni；約20至10重量%之Cr；約20至10重量%之Co；及約5至9重量%之Fe及餘量之一或更多種微量元素。
  14. 如請求項13之輻射器，其進一步包含0.2至高達3重量%之Mn；0.3至2重量%之Si；小於5重量%之鈦、鈮及所有其他微量金屬；及小於0.75重量%之量之碳，該等組分之總量相加高達100重量%。
  15. 如請求項4之輻射器，其包含40至65重量%之Co；15至20重量%之Cr；20至13重量%之Ni；小於4重量%之Fe及餘量之一或更多種微量元素及高達20重量%之W，該等組分之總量相加高達100重量%。
  16. 如請求項15之輻射器，其進一步包含0.2至高達3重量%之Mn；0.3至2重量%之Si；小於5重量%之鈦、鈮及所有其他微量金屬；及小於0.75重量%之量之碳。
  17. 如請求項4之輻射器，其包含20至38重量%之鉻，25至48重量%之Ni。
  18. 如請求項17之輻射器，其進一步包含0.2至高達3重量%之Mn；0.3至2重量%之Si；小於5重量%之鈦、鈮及所有其他微量金屬；及小於0.75重量%之量之碳及餘量之大體上鐵。
  19. 如請求項4之輻射器，其包含選自由以下組成之群之陶瓷：二氧化矽、熔融二氧化矽、氧化鋁、二氧化鈦、二氧化鋯、二氧化釷、氧化鑭、氧化鎂、氧化鈣、氧化鋇、氧化錫、二氧化鈰、氧化鋅、氧化硼、碳化硼、氧化釔、矽酸鋁、氮化矽、碳化矽及其混合物。
  20. 如請求項5之輻射器，其係合金且具有具有10至5,000微米厚度之表面，該輻射器包含40至60重量%之式Mnx Cr3−x O4 化合物(其中x係0.5至2)及60至40重量%之Mn及Si之氧化物(選自由MnO、MnSiO3 、Mn2 SiO4 及其混合物組成之群)，只要該表面含有小於5重量%之Cr2 O3 即可。
  21. 如請求項5之輻射器，其包含約55至65重量%之Ni；約20至10重量%之Cr；約20至10重量%之Co；及約5至9重量%之Fe及餘量之一或更多種微量元素。
  22. 如請求項21之輻射器，其進一步包含0.2至高達3重量%之Mn；0.3至2重量%之Si；小於5重量%之鈦、鈮及所有其他微量金屬；及小於0.75重量%之量之碳，該等組分之總和相加高達100重量%。
  23. 如請求項5之輻射器，其包含40至65重量%之Co；15至20重量%之Cr；20至13重量%之Ni；小於4重量%之Fe及餘量之一或更多種微量元素及高達20重量%之W，該等組分之總和相加高達100重量%。
  24. 如請求項23之輻射器，其進一步包含0.2至高達3重量%之Mn；0.3至2重量%之Si；小於5重量%之鈦、鈮及所有其他微量金屬；及小於0.75重量%之碳。
  25. 如請求項5之輻射器，其包含20至38重量%之鉻；25至48重量%之Ni。
  26. 如請求項25之輻射器，其進一步包含0.2至高達3重量%之Mn；0.3至2重量%之Si；小於5重量%之鈦、鈮及所有其他微量金屬；及小於0.75重量%之量之碳及餘量之大體上鐵。
  27. 如請求項5之輻射器，其包含視需要含有硼之鉬及氧化矽之合金。
  28. 如請求項5之輻射器，其包含選自由以下組成之群之陶瓷：二氧化矽、熔融二氧化矽、氧化鋁、二氧化鈦、二氧化鋯、二氧化釷、氧化鑭、氧化鎂、氧化鈣、氧化鋇、氧化錫、二氧化鈰、氧化鋅、氧化硼、碳化硼、氧化釔、矽酸鋁、氮化矽、碳化矽及其混合物。
  29. 一種燃燒加熱器之輻射區，其具有以其中管視角因數係藉由相鄰管之存在而經改變之模式間隔之管，其中至少一個如請求項1之輻射器係靠近至少一對管放置以增加導向至該等管之表面之輻射能。
  30. 如請求項29之燃燒加熱器之輻射區，其中該輻射器係垂直的。
  31. 如請求項30之燃燒加熱器之輻射區，其中該輻射器係懸掛自上頭支架。
  32. 如請求項30之燃燒加熱器之輻射區，其中該輻射器係係安裝於地面。
  33. 如請求項30之燃燒加熱器之輻射區，其中該輻射器係藉由連接至線圈之連接件支撐。
  34. 如請求項29之燃燒加熱器之輻射區，其中該輻射器係水平的。
  35. 一種熱處理流體烴之方法，其包括在800℃至1100℃之溫度下使該烴通過如請求項30之燃燒加熱器之輻射區。
  36. 一種熱處理流體烴之方法，其包括在800℃至1100℃之溫度下使該烴通過如請求項34之燃燒加熱器之輻射區。
  37. 如請求項35之方法，其中該烴係選自由石腦油及C2-4 石蠟組成之群及處理時間係0.001秒至0.1秒。
  38. 如請求項36之方法，其中該烴係選自由石腦油及C2-4 石蠟組成之群及處理時間係0.001秒至0.1秒。
  39. 一種改善燃燒加熱器之輻射區中之管中之圓周溫度分佈之均勻性之方法，其包括將如請求項1之輻射器相鄰該管放置。
  40. 一種改善燃燒加熱器之輻射區中之管之圓周熱通量之均勻性之方法，其包括將如請求項1之輻射器相鄰該管放置。
  41. 一種裂解爐，其包含輻射區，該輻射區具有以其中相對於壁之線圈視角因數係被相鄰線圈之存在而改變之模式間隔之裂解線圈，其中如請求項1之輻射器係靠近至少一對相鄰線圈放置以增加導向該等線圈之表面之輻射能。
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