Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2459147

(19)

RU

(11)

2459147

(13)

C2

(51) МПК F23D14/12 (2006.01)

F23C99/00 (2006.01)

F23D14/66 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 27.08.2012 - действует Пошлина: учтена за 5 год с 18.07.2012 по 17.07.2013

(21), (22) Заявка: 2010106100/06, 17.07.2008

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

17.07.2008

Приоритет(ы):

(30) Конвенционный приоритет:

20.07.2007 US 60/950,938

(43) Дата публикации заявки: 27.08.2011

(45) Опубликовано: 20.08.2012

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: WO 2006/099033 A1, 21.09.2006. US 7025940 B2, 11.04.2006. US 2005/0223643 A1, 13.10.2005. US 2006/0210468 A1, 21.09.2006. SU 424893 A1, 25.04.1974.

(85) Дата начала рассмотрения заявки PCT на национальной фазе: 24.02.2010

(86) Заявка PCT:

US 2008/070284 20080717

(87) Публикация заявки PCT:

WO 2009/014980 20090129

Адрес для переписки:

129090, Москва, ул.Б.Спасская, 25, стр.3, ООО "Юридическая фирма Городисский и Партнеры", пат.пов. А.В.Мицу, рег. 364

(72) Автор(ы):

АНДЕРСОН Карл Грегори (US),

МУНШИ Абдул Вахид (US),

ВЕНСТРА Петер (NL)

(73) Патентообладатель(и):

ШЕЛЛ ИНТЕРНЭШНЛ РИСЕРЧ МААТСХАППИЙ Б.В. (NL)

(54) НАГРЕВАТЕЛЬ БЕСПЛАМЕННОГО ГОРЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к нагревателю беспламенного горения. Нагреватель беспламенного горения содержит трубопровод окисления и топливный трубопровод, имеющий множество отверстий, которые обеспечивают сообщение по текучей среде от внутренней части топливного трубопровода к трубопроводу окисления, причем продольная ось по меньшей мере одного отверстия образует наклонный угол с внутренней поверхностью трубопровода окисления. Продольная ось, по меньшей мере, одного отверстия образует острый угол с внутренней поверхностью трубопровода окисления при измерении с конца входа топливного трубопровода. Продольная ось по меньшей мере одного отверстия образует тупой угол с внутренней поверхностью трубопровода окисления при измерении с конца входа топливного трубопровода. Расстояние между продольной осью отверстия и продольной осью топливного трубопровода больше, чем одна четвертая внутреннего радиуса топливного трубопровода. По меньшей мере одно отверстие имеет круглое поперечное сечение. Нагреватель дополнительно содержит технологический трубопровод, находящийся в теплообменной взаимосвязи с трубопроводом окисления. Предварительный нагреватель выполнен с возможностью предварительного нагрева окислителя до температуры, при которой температура смеси, когда окислитель и топливо смешиваются в трубопроводе окисления, превышает температуру самовозгорания этой смеси. Изобретение позволяет предотвратить деформацию трубопроводов топлива и воздуха и обеспечивает равномерный нагрев материала. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 21 ил.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к нагревателям беспламенного горения и способам подачи тепла в технологический процесс.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Нагреватели беспламенного горения описаны в патенте США 7025940. Данный патент описывает технологический нагреватель, использующий беспламенное горение, которое выполняется с помощью предварительного нагрева и топлива, и воздуха горения до температуры выше температуры самовоспламенения смеси. Топливо подается с относительно небольшими приращениями во времени через множество отверстий в трубопроводе горючего газа, которые устанавливают связь между трубопроводом горючего газа и камерой реакции окисления. Как описано в патенте, технологическая камера находится в теплообменной взаимосвязи с камерой реакции окисления.

Нагреватели беспламенного горения могут сталкиваться с проблемами, связанными с топливным трубопроводом и с отверстиями, которые обеспечивают связь внутренней полости трубопровода горючего газа с камерой реакции окисления. Обычные нагреватели беспламенного горения имеют отверстия, которые имеют продольную ось, перпендикулярную внутренней поверхности трубопровода окисления.

Топливо, проходящее сквозь эти перпендикулярные отверстия, имеет тенденцию ударяться непосредственно о внутреннюю поверхность трубопровода окисления. Таким образом, между наружной частью топливного трубопровода и внутренней частью трубопровода окисления обычно сохраняется минимальное расстояние для уменьшения горячих участков на стенке трубопровода окисления. Для предотвращения этой тенденции ударения можно было бы увеличить поток окислителя, но это приводит к неблагоприятным последствиям, таким как чрезмерное падение давления. Кроме того, топливо, исходящее из перпендикулярных отверстий, может недостаточно хорошо смешиваться с окислителем. Это неполное смешивание может иметь место сразу же после отверстия.

Тепло, производимое беспламенным горением, обычно в определенной степени сконцентрировано с одинаковой радиальной ориентацией, и сразу же за отверстиями. Это может привести к неравномерному нагреву материалов конструкции нагревателя, что ведет к тепловому расширению, которое чревато деформацией трубопроводов топлива и окисления. Кроме того, это приводит к неравномерному нагреву материала, который должен нагреваться нагревателем.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение предлагает нагреватель беспламенного горения, содержащий трубопровод окисления и топливный трубопровод, имеющий множество отверстий, обеспечивающих сообщение по текучей среде от внутренней части топливного трубопровода к трубопроводу окисления, в котором продольная ось по меньшей мере одного отверстия образует наклонный угол с внутренней поверхностью трубопровода окисления.

Настоящее изобретение дополнительно предлагает способ обеспечения тепла технологическому трубопроводу, включающий в себя обеспечение трубопровода окисления; обеспечение топливного трубопровода, имеющего множество отверстий, которые обеспечивают сообщение по текучей среде от внутренней полости топливного трубопровода к трубопроводу окисления, в котором продольная ось по меньшей мере одного отверстия образует наклонный угол с внутренней поверхностью трубопровода окисления; обеспечение технологического трубопровода, находящегося в теплообменной взаимосвязи с трубопроводом окисления; подачу топлива в топливный трубопровод; подачу окислителя в трубопровод окисления; и подачу топлива в трубопровод окисления через множество отверстий.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 показывает двухтрубный нагреватель беспламенного горения с остроугольными отверстиями.

Фиг.1а представляет собой поперечное сечение нагревателя по фиг.1.

Фиг.1b представляет собой поперечное сечение нагревателя по фиг.1.

Фиг.2 показывает трехтрубный нагреватель беспламенного горения с остроугольными отверстиями.

Фиг.2а представляет собой поперечное сечение нагревателя по фиг.2.

Фиг.3 показывает четырехтрубный нагреватель беспламенного горения с остроугольными отверстиями.

Фиг.3а представляет собой поперечное сечение нагревателя по фиг.3.

Фиг.4 показывает двухтрубный нагреватель беспламенного горения с тупоугольными отверстиями.

Фиг.4а представляет собой поперечное сечение нагревателя по фиг.4.

Фиг.4b представляет собой поперечное сечение нагревателя по фиг.4.

Фиг.5 показывает трехтрубный нагреватель беспламенного горения с тупоугольными отверстиями.

Фиг.5а представляет собой поперечное сечение нагревателя по фиг.5.

Фиг.6 показывает четырехтрубный нагреватель беспламенного горения с тупоугольными отверстиями.

Фиг.6а представляет собой поперечное сечение нагревателя по фиг.6.

Фиг.7 показывает двухтрубный нагреватель беспламенного горения с касательными отверстиями.

Фиг.7а представляет собой поперечное сечение нагревателя по фиг.7.

Фиг.8 показывает трехтрубный нагреватель беспламенного горения с касательными отверстиями.

Фиг.8а представляет собой поперечное сечение нагревателя по фиг.8.

Фиг.9 показывает четырехтрубный нагреватель беспламенного горения с касательными отверстиями.

Фиг.9а представляет собой поперечное сечение нагревателя по фиг.8.

Фиг.10 показывает вариант исполнения, в котором нагреватель беспламенного горения используется в установке дегидрогенизации этиленбензола.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение представляет собой нагреватель беспламенного горения, который используется для прямой передачи тепловой энергии, выделяющейся при беспламенном сгорании топлива. Этот нагреватель имеет множество возможных использований и применений, включая нагрев подземных образований и нагрев технологических потоков. Нагреватель беспламенного горения особенно полезен в сочетании с такими процессами, в которых происходят эндотермические реакции, например дегидрогенизация алкилароматических смесей и паровой реформинг метана. Данное изобретение предлагает нагреватель беспламенного горения с по меньшей мере одним отверстием в топливном трубопроводе, которое образует наклонный угол с внутренней поверхностью трубопровода окисления. Наклонные отверстия уменьшают проблемы, связанные с ударением топлива о внутреннюю поверхность трубопровода окисления, и улучшают смешивание топлива с окислителем в трубопроводе окисления.

Беспламенное горение в нагревателе может осуществляться посредством предварительного нагрева потока окислителя и потока топлива, достаточного для того, чтобы при соединении этих двух потоков температура смеси превысила температуру самовозгорания смеси, но температура смеси меньше, чем температура, которая бы имела место при окислении, если бы смешивание было ограничено по скорости смешивания, как это описано в патенте США 7025940, который включен сюда путем ссылки. Температура самовозгорания смеси зависит от типа топлива и окислителя, а также от соотношения топливо/окислитель. Температура самовоспламенения смесей, используемых в нагревателях беспламенного горения, может находиться в диапазоне от 850 до 1400°С. Температура самовозгорания может быть уменьшена, если в нагревателе используется окислительный нейтрализатор, потому что катализатор такого типа эффективно снижает температуру самовозгорания смеси.

Топливный трубопровод обеспечивает управляемую скорость ввода топлива в трубопровод окисления таким образом, чтобы получить нужный выход тепла. Выход тепла частично определяется количеством отверстий и их расположением, что можно проектировать в зависимости от назначения каждого нагревателя. Выход тепла либо может быть постоянным по длине нагревателя, либо он может уменьшаться или увеличиваться вдоль длины нагревателя.

Поскольку видимого пламени в связи с беспламенным сгоранием топлива нет, реакция беспламенного горения проходит при меньшей температуре, чем реакция, наблюдаемая в обычных огневых нагревателях. Вследствие более низких наблюдаемых температур и эффективности прямого нагрева этот нагреватель может быть построен с использованием более дешевых материалов, что приведет к снижению капитальных затрат.

Нагреватель беспламенного горения имеет два основных элемента: трубопровод окисления и топливный трубопровод. Трубопровод окисления может представлять собой трубу или трубку, которая имеет вход для окислителя, выход для продуктов окисления и проток между входом и выходом. Применимые окислители включают воздух, кислород и закись азота. Окислитель, который подается в трубопровод окисления, может быть предварительно нагрет, так чтобы после его смешивания с топливом полученная смесь оказалась при температуре выше температуры самовозгорания смеси. Окислитель может быть нагрет внешним образом относительно нагревателя беспламенного горения. Альтернативно, окислитель может быть нагрет внутри нагревателя в результате теплообмена с любым из потоков, присутствующих внутри нагревателя. Трубопровод окисления может иметь внутренний диаметр от, примерно, 2 до, примерно, 20 см. Трубопровод окислителя, однако, может быть большим или меньшим, чем этот диапазон в зависимости от требований к нагревателю.

Топливный трубопровод перемещает топливо в нагреватель и подает его в трубопровод окисления. Топливный трубопровод может быть трубой или трубкой, которая имеет вход для топлива и множество отверстий, которые обеспечивают сообщение по текучей среде от внутренней полости топливного трубопровода к трубопроводу окисления. Топливный трубопровод может быть расположен внутри трубопровода окисления и окружен им. Топливо проходит сквозь отверстия и идет в трубопровод окисления, где оно смешивается с окислителем, в результате чего происходит беспламенное горение. Топливный трубопровод может иметь внутренний диаметр от, примерно, 1 до, примерно, 10 см, предпочтительно от, примерно, 1,5 см до 5 см. Однако в зависимости от конструкции топливный трубопровод может иметь диаметр, больший чем 10 см или меньший чем 1 см.

Геометрия, ориентация и расположение отверстий в топливном трубопроводе могут быть спроектированы таким образом, чтобы преодолеть проблемы системы нагревателя, возникающие из-за топлива и динамики смешивания. Эти отверстия могут быть высверлены или вырезаны в стенке топливного трубопровода. Стенка топливного трубопровода обычно имеет толщину от, примерно, 0,25 см до, примерно, 2,5 см. Отверстия могут иметь поперечные сечения, которые являются круглыми, эллиптическими, прямоугольными, иными или даже нерегулярной формы. Предпочтительно, эти отверстия имеют круглое сечение.

Эти отверстия могут иметь площадь поперечного сечения от, примерно, 0,001 см 2 до, примерно, 2 см 2 , предпочтительно от, примерно, 0,03 см 2 до, примерно, 0,2 см 2 . Размер отверстий определяется нужной скоростью ввода топлива в трубопровод окисления, но следствием отверстий, которые являются слишком маленькими, может быть их закупоривание. Отверстия могут быть расположены вдоль топливного трубопровода на расстоянии от 1 см до 100 см в осевом направлении от любых других отверстий. Отверстия, предпочтительно, отстоят одно от другого в осевом направлении на расстояние от 15 до 50 см. Отверстия могут быть расположены в своих соответствующих радиальных плоскостях с различной ориентацией вдоль длины топливного трубопровода. Например, ориентация отверстий вдоль длины топливного трубопровода может попеременно изменяться на 180 градусов в радиальной плоскости, или же они могут попеременно изменяться на 120 или на 90 градусов. Поэтому положение отверстий на топливном трубопроводе может быть таким, что их ориентация в радиальной плоскости попеременно изменяется вдоль длины топливного трубопровода, при этом их ориентация может отличаться на величину от 30 до 180 градусов. Предпочтительно, чтобы радиальная ориентация отверстий попеременно изменялась вдоль длины топливного трубопровода на угол от 60 градусов до 120 градусов.

В одном варианте исполнения в дополнение к отверстиям для создания пути сообщения по текучей среде от топливного трубопровода до зоны окисления может быть использована спеченная порошковая пластина, а отверстия в порошковой пластине могут иметь диаметр порядка 10-100 микрон.

Различные отверстия, выполненные вдоль длины топливного трубопровода, обычно имеют одну и ту же площадь сечения. В качестве альтернативы, площадь сечения отверстий может быть различной для получения нужного выхода тепла. Кроме того, для получения нужного выхода тепла могут быть различными промежутки между отверстиями вдоль длины топливного трубопровода. Отверстия обычно имеют одну и ту же форму. В качестве альтернативы, отверстия могут быть разной формы.

Каждое из отверстий имеет продольную ось, определенную линией, которая соединяет центры поперечных сечений на каждом конце отверстия. Топливный трубопровод также имеет продольную ось, определенную линией, которая соединяет центры поперечных сечений этого трубопровода.

Термин "острый угол", в том смысле как он используется здесь, определяется как угол между 0 и 90 градусов. Термин "тупой угол", в том смысле как он используется здесь, определяется как угол между 90 и 180 градусами. Термин "наклонный угол", в том смысле как он используется здесь, определяется как угол, который является либо острым, либо тупым.

Нагреватель беспламенного горения дополнительно может содержать технологический трубопровод, при этом технологический трубопровод имеет теплообменную взаимосвязь с трубопроводом окисления. Включение в нагреватель технологического трубопровода дает возможность осуществлять прямой нагрев технологического потока. Технологический трубопровод опционно может использоваться для проведения химической реакции. Для облегчения проведения химической реакции технологический трубопровод может содержать катализатор. Такой нагреватель особенно пригоден для проведения эндотермических реакций, поскольку во время реакции тепло проникает непосредственно в процесс. Например, такой нагреватель может быть встроен в реактор дегидрогенизации для прямого нагрева реакции дегидрогенизации этилбензола в стирол.

Нагреватель беспламенного горения опционно может содержать трубопровод окислителя. Трубопровод окислителя имеет вход для окислителя и выход для предварительно нагретого окислителя, который обеспечивает сообщение по текучей среде со входом трубопровода окисления. Трубопровод окислителя находится в теплообменной взаимосвязи с трубопроводом окисления и/или с технологическим трубопроводом, что обеспечивает прямую передачу тепла для предварительного нагрева окислителя до температуры, достаточной для того, чтобы при его смешивании в трубопроводе окисления с топливом эта смесь имела температуру около или выше температуры самовозгорания.

Для предварительного нагрева окислителя, до того, как он входит в нагреватель, может быть использован предварительный нагреватель. Предварительным нагревателем может быть любой аппарат или способ, который производит тепло. Предварительным нагревателем может быть, например, обычный теплообменник или нагреватель беспламенного горения.

Далее будут описаны предпочтительные варианты нагревателя беспламенного горения со ссылками на чертежи, представленные в этой заявке.

На фиг. 1-3 показаны варианты исполнения нагревателей беспламенного горения с тем, что далее по тексту называется остроугольными отверстиями. На фиг.1 показан нагреватель (10) беспламенного горения, который имеет зону (11) топлива, образованную топливным трубопроводом (12), и зону (13) окисления, образованную трубопроводом (14) окисления. Этот тип нагревателя далее называется двухтрубным нагревателем. В этом варианте исполнения топливный трубопровод (12) представляет собой цилиндрическую трубу, которая имеет вход (24) топлива и множество отверстий (20). Продольные оси (22) этих отверстий образуют острые углы (34) с внутренней поверхностью трубопровода (14) окисления. Трубопровод (14) окисления представляет собой цилиндрическую трубу, концентрично расположенную вокруг топливного трубопровода (12), который имеет вход (26) предварительно нагретого окислителя и выход (30) для продуктов горения. В альтернативном варианте исполнения окислитель может вводиться в (30), продукты горения могут выходить из (26), что образует противоток топлива и окислителя. Встречные потоки топлива и окислителя могут обеспечить лучшее смешивание топлива и окислителя, чем их однонаправленные потоки. Направление потоков может быть изменено в соответствии с желательным смешиванием и выделением тепла при применении конкретного нагревателя. Во время работы топливо входит в зону (11) топлива через вход (24) и затем в зоне (13) окисления смешивается с предварительно нагретым окислителем после того, как он проходит через наклонные отверстия (20). Отверстия (20) имеют наклон в направлении, противоположном входу (24) топлива.

Эти отверстия являются такими, что продольные оси отверстий образуют с внутренней поверхностью трубопровода окисления угол меньше 90 градусов, если его измерять со стороны входа (24) топлива топливного трубопровода (12). Эти отверстия далее называются остроугольными отверстиями. Продольная ось отверстия предпочтительно образует с внутренней поверхностью трубопровода окисления угол величиной от двадцати до восьмидесяти градусов, более предпочтительно - от тридцати до семидесяти пяти градусов, и наиболее предпочтительно - от пятидесяти до семидесяти градусов.

Фиг.1а представляет собой поперечное сечение фиг. 1, выполненное по линии А-А. Этот чертеж изображает один вариант осуществления изобретения, в котором продольная ось отверстия пересекает продольную ось топливного трубопровода.

Фиг.1b представляет собой поперечное сечение фиг.1, выполненное по линии В-В. Этот чертеж изображает другой вариант исполнения, в котором продольная ось отверстия находится на расстоянии (40) от продольной оси топливного трубопровода, таком, что эти оси не пересекаются. Далее по тексту эти отверстия называются касательными (тангенциальными) остроугольными отверстиями.

Нагреватель может иметь или такое поперечное сечение, как показанное на фиг.1а (остроугольные отверстия), или же такое поперечное сечение, как показанное на фиг.1b (остроугольные касательные отверстия). В альтернативном варианте исполнения нагреватель может иметь комбинацию остроугольных отверстий и касательных остроугольных отверстий, а показанные на фиг.1а и 1b поперечные сечения будут при этом представлять виды поперечных сечений одного и того же нагревателя, сделанных в различных точках нагревателя.

Остроугольное отверстие выполнено под углом таким образом, что выходящее из этого отверстия топливо направлено в направлении, противоположном входу топливного трубопровода. Остроугольные отверстия приводят к меньшим пиковым температурам, что уменьшает риски для материалов нагревателя и позволяет использовать в конструкции нагревателя менее дорогостоящие материалы. Кроме того, остроугольные отверстия дают возможность уменьшить расстояние между топливным трубопроводом и трубопроводом окисления, что приводит к уменьшению нагревателя и сокращению капитальных затрат.

Касательные остроугольные отверстия дают более равномерный выход тепла в радиальном направлении. Использование касательных остроугольных отверстий, кроме того, обеспечивает более равномерный профиль нагрева, а также улучшенное смешивание топлива и окислителя. Использование касательных остроугольных отверстий позволяет также нагревателю беспламенного горения работать при больших значениях отношения топливо/воздух, чем нагреватель беспламенного горения с обычными перпендикулярными отверстиями. Трубопровод окисления может быть меньшего размера, когда необходимо меньше воздуха и, тем самым, уменьшаются капитальные затраты.

На фиг.2 показан нагреватель (10) беспламенного горения, который имеет топливный трубопровод (12), трубопровод (14) окисления и технологический трубопровод (16). Этот тип нагревателя далее называется трехтрубным нагревателем, и может использоваться для прямого нагрева технологической текучей среды. Показанный на фиг.2 трехтрубный нагреватель подобен нагревателю фиг.1, а топливные трубопроводы и трубопроводы окисления у них одинаковые. На фиг.2, однако, технологическим трубопроводом (16) образована технологическая зона (15). Технологический трубопровод (16) представляет собой цилиндрическую трубу, которая имеет вход (32) для технологического потока и выход (28) для нагретого технологического потока. Альтернативно, технологический поток может входить в (28), а выходить из технологического трубопровода из (32), что делает технологический поток однонаправленным с потоком трубопровода окисления.

Фиг.2а представляет собой поперечное сечение фиг.2, выполненное по линии А-А. Фиг.2а показывает вариант исполнения, в котором продольная ось отверстия пересекает продольную ось топливного трубопровода. Другой, не показанный вариант исполнения содержит отверстие, в котором продольная ось отверстия находится на расстоянии от продольной оси топливного трубопровода, таком, что эти оси не пересекаются.

Фиг.3 показывает нагреватель (100) беспламенного горения, который имеет топливный трубопровод (102), трубопровод (104) окисления, технологический трубопровод (108) и трубопровод окислителя (106). Топливным трубопроводом (102), то есть цилиндрической трубкой или трубой с расположенными вдоль нее наклонными отверстиями (126), образована зона (111) топлива. Трубопроводом (104) окисления, который является цилиндрическим и концентричным относительно топливного трубопровода, образована зона (113) окисления. Технологическая зона (117) образована технологическим трубопроводом (108), она может представлять собой цилиндрическую трубу или внетрубную зону кожухотрубного теплообменника. Трубопроводом (106) окислителя, который является цилиндрическим и концентричным относительно трубопровода окисления, образована зона (115) окислителя. Во время работы топливо входит в топливный трубопровод по входу (110) и выходит из топливного трубопровода через наклонные отверстия (126). Наклонные отверстия (126) выполнены под углом (наклонены) в направлении от входа (110) топлива. Окислитель входит в трубопровод окислителя по входу (114) и выходит из трубопровода окислителя через выход (120) трубопровода окисления. Окислитель предварительно нагревается в зоне (115) окислителя. Предварительно нагретый окислитель смешивается с топливом из отверстий (126), а продукты сгорания выходят из нагревателя на выходе (112) трубопровода окисления. Технологический поток может входить через (116) и выходить через (118), или же он может входить через (118) и выходить через (116).

Данный вариант исполнения в некоторых отношениях отличен от варианта исполнения, показанного на фиг.1 и 2. Окислитель предварительно нагревается внутри нагревателя, поскольку он подается в трубопровод окислителя, который имеет теплообменную взаимосвязь с трубопроводом окисления и с технологическим трубопроводом. Окислитель может быть также предварительно нагретым до того, как он подается в трубопровод окислителя. Технологический трубопровод находится в теплообменной взаимосвязи с участком трубопровода окислителя и окисления. Эти различающиеся между собой варианты осуществления изобретения предоставляют большую свободу при конструировании нагревателя с характеристиками, удовлетворяющими требованиям процесса, и содержат конструктивные особенности, позволяющие извлечь дополнительное тепло из продуктов сгорания беспламенного горения.

Фиг.3а представляет собой поперечное сечение фиг.3, выполненное по линии А-А. Этот чертеж изображает один вариант исполнения, в котором продольная ось отверстия пересекает продольную ось топливного трубопровода. Другой, не показанный вариант исполнения содержит отверстие, в котором продольная ось отверстия находится на каком-то расстоянии от продольной оси топливного трубопровода, таком, что эти оси не пересекаются.

Фиг.4-6 иллюстрируют варианты исполнения нагревателей беспламенного горения с тем, что далее по тексту называется тупоугольными отверстиями. Фиг.4 показывает нагреватель (10) беспламенного горения, который подобен двухтрубному нагревателю беспламенного горения, показанному на фиг.1, хотя его отверстия выполнены под углом в другом направлении. Наклонные отверстия (20) выполнены под углом в направлении ко входу топливного трубопровода.

Эти отверстия таковы, что продольная ось отверстия образует с внутренней поверхностью трубопровода окисления угол, больший чем девяносто градусов, если измерять его от входного конца топливного трубопровода. Эти отверстия далее называется тупоугольными отверстиями. Продольная ось отверстия, предпочтительно, образует с внутренней поверхностью трубопровода окисления угол величиной от 100° до 160°, более предпочтительно - от 105° до 145°, и наиболее предпочтительно - от 110° до 130°.

Продольная ось отверстия может пересекать продольную ось топливного трубопровода, как показано на фиг.4. В альтернативном варианте исполнения продольная ось отверстия может быть на некоем расстоянии (40) от продольной оси топливного трубопровода, таком, что эти оси не пересекаются, как показано на фиг.4b, и такие отверстия далее по тексту называются касательными тупоугольными отверстиями. Касательные тупоугольные отверстия обеспечивают преимущества, подобные тем, которые обеспечивают касательные остроугольные отверстия.

Тупоугольные отверстия обычно вызывают увеличенную турбулентность потока топлива и такое его смешение с окислителем в трубопроводе окисления, которое улучшает беспламенную реакцию сгорания. Кроме того, тупоугольные отверстия дают многие преимущества из тех, которые обеспечивают остроугольные отверстия, например, позволяют сократить расстояние между топливным трубопроводом и трубопроводом окисления, что приводит к уменьшению размеров нагревателя и сокращению капитальных затрат.

Фиг.5 показывает нагреватель (10) беспламенного горения, который подобен трехтрубному нагревателю беспламенного горения, показанному на фиг.2. Но на фиг.5 показаны тупоугольные отверстия в нагревателе, такие как описанные выше. Фиг.5а представляет собой поперечное сечение фиг.5, выполненное по линии А-А.

Фиг.6 показывает нагреватель (100) беспламенного горения, который подобен четырехтрубному нагревателю беспламенного горения, показанному на фиг.3. Но на фиг.6 показаны тупоугольные отверстия в нагревателе. Фиг.6а представляет собой поперечное сечение фиг.6, выполненное по линии А-А.

Фиг.7-9 показывают варианты исполнения нагревателей беспламенного горения с тем, что далее по тексту называется касательными отверстиями. Фиг.7 показывает нагреватель (10) беспламенного горения, который подобен двухтрубному нагревателю беспламенного горения, показанному на фиг.1, но его отверстия выполнены под углом в другом направлении. Касательные отверстия (20) не выполнены под углом в направлении ко входу или к выходу топливного трубопровода. Фиг.7а представляет собой поперечное сечение фиг.7, выполненное по линии А-А.

Эти касательные отверстия таковы, что продольная ось отверстия расположена на некоем расстоянии (40) от продольной оси топливного трубопровода, таком, что эти оси не пересекаются. Расстояние между продольной осью отверстия и продольной осью топливного трубопровода может быть больше чем одна четвертая внутреннего радиуса топливного трубопровода, предпочтительно больше чем одна вторая внутреннего радиуса топливного трубопровода, и более предпочтительно больше чем три четвертых внутреннего радиуса топливного трубопровода.

Касательные отверстия обеспечивают более равномерный выход тепла в радиальном направлении, подобно остроугольным и тупоугольным касательным отверстиям.

Фиг.8 показывает нагреватель (10) беспламенного горения, который подобен трехтрубному нагревателю беспламенного горения, показанному на фиг.2. Но на фиг.8 показаны касательные отверстия в нагревателе, такие как описанные выше. Фиг.8а представляет собой поперечное сечение фиг.8, выполненное по линии А-А.

Фиг.9 показывает нагреватель (10) беспламенного горения, который подобен четырехтрубному нагревателю беспламенного горения, показанному на фиг.3. Но на фиг.9 показаны касательные отверстия в нагревателе. Фиг.9а представляет собой поперечное сечение фиг.8, выполненное по линии А-А.

Нагреватель беспламенного горения в зависимости от конкретной конфигурации нагревателя и назначения нагревателя может работать при большом разнообразии условий. Различные примеры и условия описаны в патентах США 5255742 и 7025940, которые включены сюда путем ссылки.

Фиг.10 иллюстрирует использование нагревателя беспламенного горения в установке дегидрогенизации этиленбензола. Исходный материал процесса, содержащий водяной пар и этиленбензол, подается в реактор (204) дегидрогенизации по трубопроводу (202). Реактор (204) дегидрогенизации содержит соответствующий катализатор дегидрогенизации, в качестве которого может использоваться катализатор на основе оксида железа, а также средство, обеспечивающее контакт исходного материала с катализатором дегидрогенизации. Исходящий поток реактора дегидрогенизации разряжается из реактора (204) дегидрогенизации через трубопровод (206) и подается в нагреватель (208) беспламенного горения через его вход (210) технологического потока.

Поскольку реакция дегидрогенизации есть эндотермическая реакция, исходящий поток реактора дегидрогенизации будет иметь меньшую температуру, чем температура подающегося в реактор (204) дегидрогенизации исходного материала. Для нагрева исходящего потока реактора дегидрогенизации, прежде чем тот будет введен в реактор (212) дегидрогенизации второго этапа, используется нагреватель (208) беспламенного горения. Нагретый технологический поток выходит из нагревателя (208) беспламенного горения через его выпускное отверстие (214) и трубопровод (216) и как входной поток подается в реактор (212) дегидрогенизации второго этапа. Исходящий поток реактора дегидрогенизации разряжается из реактора (212) дегидрогенизации второго этапа через трубопровод (218). Процесс дегидрогенизации может проводиться в более чем двух реакторах, и в этом случае нагреватель беспламенного горения может быть установлен перед каждым дополнительным реактором.

Топливо подается в нагреватель (208) беспламенного горения по трубопроводу (220) и через вход топлива (222). Окислитель заводится в нагреватель (208) по трубопроводу (224) и через вход окислителя (226). Продукты сгорания выводятся из нагревателя беспламенного горения по трубопроводу (228).

В данном варианте исполнения показан предварительный нагреватель (230), предназначенный для предварительного нагрева окислителя, прежде чем он проходит в нагреватель (208). Это опционная часть системы нагревателя.

Описанный здесь нагреватель беспламенного горения может использоваться в любых задачах с любыми вариантами описанных деталей расположения и геометрии отверстий.

Формула изобретения

1. Нагреватель беспламенного горения, содержащий трубопровод окисления и топливный трубопровод, имеющий множество отверстий, которые обеспечивают сообщение по текучей среде от внутренней части топливного трубопровода к трубопроводу окисления, причем продольная ось, по меньшей мере, одного отверстия образует наклонный угол с внутренней поверхностью трубопровода окисления.

2. Нагреватель по п.1, в котором продольная ось, по меньшей мере, одного отверстия образует острый угол с внутренней поверхностью трубопровода окисления при измерении с конца входа топливного трубопровода.

3. Нагреватель по п.1, в котором продольная ось, по меньшей мере, одного отверстия образует тупой угол с внутренней поверхностью трубопровода окисления при измерении с конца входа топливного трубопровода.

4. Нагреватель по п.1, в котором большая часть отверстий образует наклонные углы с внутренней поверхностью трубопровода окисления.

5. Нагреватель по п.1, в котором продольная ось, по меньшей мере, одного отверстия не пересекает продольную ось топливного трубопровода.

6. Нагреватель по п.5, в котором расстояние между продольной осью отверстия и продольной осью топливного трубопровода больше, чем одна четвертая внутреннего радиуса топливного трубопровода.

7. Нагреватель по п.1, в котором продольная ось одного отверстия образует первый угол с внутренней поверхностью трубопровода окисления, и продольная ось другого отверстия образует второй угол с внутренней поверхностью трубопровода окисления, который не равен первому углу.

8. Нагреватель по п.1, в котором, по меньшей мере, одно отверстие имеет круглое поперечное сечение.

9. Нагреватель по п.1, в котором одно отверстие имеет площадь поперечного сечения, которая больше, чем площадь поперечного сечения другого отверстия.

10. Нагреватель по п.1, дополнительно содержащий трубопровод окислителя, причем этот трубопровод окислителя имеет вход для окислителя и выход для предварительно нагретого окислителя, находящегося в сообщении по текучей среде с входом трубопровода окисления.

11. Нагреватель по п.1, дополнительно содержащий технологический трубопровод, находящийся в теплообменной взаимосвязи с трубопроводом окисления.

12. Нагреватель по п.1, дополнительно содержащий предварительный нагреватель, сообщающийся по текучей среде с нагревателем беспламенного горения, причем предварительный нагреватель выполнен с возможностью предварительного нагрева окислителя до температуры, при которой температура смеси, когда окислитель и топливо смешиваются в трубопроводе окисления, превышает температуру самовозгорания этой смеси.

13. Нагреватель по п.1, в котором трубопровод окислителя находится в теплообменной взаимосвязи с технологическим трубопроводом.

14. Нагреватель по п.1, в котором нагреватель дополнительно содержит окислительный нейтрализатор.

15. Способ обеспечения тепла технологическому трубопроводу, содержащий этапы, на которых:

- обеспечивают трубопровод окисления;

- обеспечивают топливный трубопровод, имеющий множество отверстий, которые обеспечивают сообщение по текучей среде от внутренней части топливного трубопровода к трубопроводу окисления, причем продольная ось, по меньшей мере, одного отверстия образует наклонный угол с внутренней поверхностью трубопровода окисления;

- обеспечивают технологический трубопровод, находящийся в теплообменной взаимосвязи с трубопроводом окисления;

- подают топливо в топливный трубопровод;

- подают окислитель в трубопровод окисления; и

- подают топливо в трубопровод окисления через множество отверстий таким образом, что в трубопроводе окисления осуществляется беспламенное горение.

РИСУНКИ