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CN101163917B - 用于燃料的燃烧和工艺流体的加热的多管换热系统及其使用 - Google Patents

用于燃料的燃烧和工艺流体的加热的多管换热系统及其使用 Download PDF

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CN101163917B CN2006800136927A CN200680013692A CN101163917B CN 101163917 B CN101163917 B CN 101163917B CN 2006800136927 A CN2006800136927 A CN 2006800136927A CN 200680013692 A CN200680013692 A CN 200680013692A CN 101163917 B CN101163917 B CN 101163917B
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Abstract

一种四管加热系统，用于燃料的燃烧，并将由此释放的热量传递到一工艺流体。所述加热系统包括：一燃料引进区、一燃烧区、一氧化剂引进区和一工艺流体区，其中所述燃料引进区由燃料引进装置限定，所述燃料引进装置用于将燃料引进到所述燃烧区中，所述燃烧区由一反应管限定，所述反应管位于所述燃料引进装置之外并围绕着所述燃料引进装置，且其中所述氧化剂引进区由一氧化剂引进管限定，所述氧化剂引进管位于所述反应管之外并围绕着所述反应管，且其中所述工艺流体区由一工艺管来限定，所述工艺管位于所述氧化剂管之外并围绕着所述氧化剂管。

Description

用于燃料的燃烧和工艺流体的加热的多管换热系统及其使用
本申请对2005年3月10日提交的编号为60/660,447的美国临时申请要求权益，该申请在此作为参考被引入。
技术领域
本发明涉及一种用于燃料燃烧并用于工艺流体加热的传热系统。另一方面，本发明涉及一种传热系统的使用，该传热系统用于燃料的无火焰燃烧，以便直接加热一种将被用在工艺中的工艺流体。
背景技术
编号为4,692,306的美国专利公开了一种同心管催化反应装置，该装置包括一环形反应腔，该反应腔包围着一个对流腔，该对流腔包围着一个燃烧室。在燃烧室内有一个燃烧器组件，提供一辐射热源，用于释放热量，该热量被传递到反应腔。
EP 0 450 872 B1公开了几种类型的反应装置，其中之一包括一个燃烧管，该燃烧管包围着一个燃料管，该燃料管具有沿其长度以一定间距彼此隔开的孔。燃料经由该燃料管及其孔供给到燃料管与燃烧管之间的环形空间中，燃料与空气在该环形空间中混合并点燃，以便释放出用于加热催化剂床的热量，该催化剂床包围着燃烧管。
编号为5,255,742的美国专利公开了一种利用无火焰燃烧装置加热地层的方法。该装置包括一个包含多个孔口的燃气管。该燃气管居中地位于一个助燃空气管之内，以便形成介于燃气管与助燃空气管之间的第一环形空间。这些孔口在该燃气管与该第一环形空间之间提供流体连通。该助燃空气管居中地位于一个井筒套管之内，以便形成介于该助燃空气管与该井筒套管之间的第二环形空间。燃气经由燃气管的孔口被引入到该第一环形空间中，以便与空气混合并在该第一环形空间中燃烧。由助燃空气管形成的第一环形空间与介于助燃空气管和井筒套管之间的第二环形空间流体连通。该流体连通提供了一个流动通道，以便燃烧气体可被引入到该第二环形空间中，并向上穿过第二环形空间到达地表，从而提供了被传递到某一地层的热量。
美国公开号2003/0182858描述了一种利用无火焰分布式燃烧装置向工艺流体提供受控加热的方法。该装置包括一燃料管，该燃料管包含沿其长度分布的多个燃料喷嘴以及周围的氧化腔。一个包围该燃料管的管道形成该氧化腔。该装置还包括一个围绕该氧化腔的工艺腔。该燃料喷嘴提供从燃料管内到氧化腔的连通，其中氧化剂和燃料在该氧化腔中混合且燃料燃烧。由该燃烧释放的热量被传递到工艺腔。
发明内容
本发明的目的是提供燃料的燃烧，并将由此释放的热量直接传递到工艺流体。
相应地，提供一种工艺系统，该工艺系统包括呈同心关系的燃料引进区、燃烧区、氧化剂引进区以及一工艺流体区，其中所述燃料引进区由燃料引进装置来限定，该燃料引进装置用于将燃料引进到所述燃烧区中，所述燃烧区由一反应管来限定，该反应管位于所述燃料引进装置之外并围绕着所述燃料引进装置，且其中所述氧化剂引进区由一氧化剂管限定，该氧化剂管位于所述反应管之外并围绕着所述反应管，且其中所述工艺流体区由一工艺管来限定，该工艺管位于所述氧化剂管之外并围绕着所述氧化剂管。
本发明的另一实施例包括一工艺系统，该工艺系统包括一燃料管、一反应管、一氧化剂引进管以及一工艺管，所述燃料管具有一燃料管长度和一燃料管管壁，该长度和管壁限定了一个燃料引进区，其中所述燃料管包括一远端和一燃料入口端，该燃料入口端用于将燃料引入到所述燃料引进区中，且其中沿着所述燃料管长度并贯穿所述管壁有多个彼此隔开的孔；所述反应管具有一反应管长度，且位于所述燃料管之外并围绕着所述燃料管，从而沿所述燃料管长度限定一燃烧区，其中所述反应管具有用于将已预热的氧化剂接收到所述燃烧区中的反应管入口端和用于将燃烧废气从所述燃烧区排出的排泄端，且其中所述多个彼此隔开的孔提供了所述燃料引进区与所述燃烧区之间的流体连通；所述氧化剂引进管具有一氧化剂引进管长度，且位于所述反应管之外并围绕着所述反应管，从而沿所述反应管长度限定一氧化剂引进区，其中所述氧化剂引进管具有氧化剂引进管入口端和氧化剂引进管出口端，该氧化剂引进管入口端用于将氧化剂引进到所述氧化剂引进区中，该氧化剂引进管出口端用于将所述已预热的氧化剂从所述氧化剂引进区经由所述氧化剂引进管出口端排出到所述燃烧区，该氧化剂引进管出口端与所述反应管入口端流体连通，且其中所述氧化剂引进区与所述燃烧区处于换热关系；所述工艺管位于所述氧化剂引进管之外并围绕着所述氧化剂引进管，从而沿所述氧化剂引进管限定一工艺流体区，其中所述工艺管具有用于将工艺流体引进到所述工艺流体区中的工艺流体入口端和用于将已被加热的工艺流体从所述工艺流体区排出的工艺流体出口端，且其中所述工艺流体区与所述燃烧区处于换热关系。
优选地，所述多个间隔开的孔中的所述孔沿着所述燃料管长度彼此间隔，并确定尺寸，从而在所述燃烧区之内将所述燃料的增量引入到所述已预热的氧化剂中，以致当所述燃料的所述增量与所述已预热的氧化剂混合时，形成燃烧混合物，从而发生不受混合速率限制的燃烧。
优选地，所述氧化剂引进区与所述燃烧区之间的换热关系为所述氧化剂提供加热，以产生所述已预热的氧化剂。
优选地，所述工艺流体区与所述燃烧区之间的换热关系为所述工艺流体提供加热，以产生所述已被加热的工艺流体。
优选地，所述氧化剂引进区与所述燃烧区之间的换热关系还为所述已预热的氧化剂提供已预热的氧化剂温度，以使所述燃烧混合物具有超过所述燃烧混合物自燃温度的燃烧混合物温度。
优选地，所述氧化剂引进区的特征还在于一氧化剂引进区几何形状，其中所述燃料引进区的特征还在于一燃料引进区几何形状，其中所述燃料引进区几何形状和所述氧化剂引进区几何形状应当能够提供燃料的速度和已预热氧化剂的速度，所述燃料的速度和已预热氧化剂的速度防止了所述燃烧过程中火焰的形成。
本发明的另一实施例包括一种四管直接加热系统，用于燃料的燃烧和工艺流体的直接加热，所述系统包括：呈同心关系的燃料引进区、燃烧区、氧化剂引进区和工艺流体区，其中所述燃料引进区由燃料引进装置限定，所述燃料引进装置用于将燃料引进到所述燃烧区中，所述燃烧区由一反应管限定，所述反应管位于所述燃料引进装置之外并围绕着所述燃料引进装置，其中所述反应管包括反应管长度、用于将已预热的氧化剂接收到所述燃烧区中的反应管入口端以及用于将燃烧废气从所述燃烧区排出的排泄端，且其中所述氧化剂引进区由一氧化剂引进管限定，所述氧化剂引进管位于所述反应管之外并围绕着所述反应管，其中所述氧化剂引进管包括一氧化剂引进管长度、一氧化剂引进管入口端以及一氧化剂引进管出口端，所述氧化剂引进管入口端用于将氧化剂引进到所述氧化剂引进区中，所述氧化剂引进管出口端用于将所述已预热的氧化剂从所述氧化剂引进区经由所述氧化剂引进管出口端排出到所述燃烧区，所述氧化剂引进管出口端与所述反应管入口端流体连通，且其中所述氧化剂引进区与所述燃烧区处于换热关系，且其中所述工艺流体区由一工艺管限定，所述工艺管位于所述氧化剂管之外并围绕着所述氧化剂管。
优选地，所述燃料引进装置包括一燃料管，所述燃料管具有一燃料管长度和一燃料管管壁，所述长度和管壁限定所述燃料引进区，其中所述燃料管包括一远端和一燃料入口端，所述燃料入口端用于将燃料引入到所述燃料引进区中，且其中沿着所述燃料管长度并贯穿所述管壁有多个彼此隔开的孔，这些孔提供了所述燃料引进区与所述燃烧区之间的流体连通。
优选地，所述工艺管包括用于将工艺流体引进到所述工艺流体区中的工艺流体入口端和用于将已被加热的工艺流体从所述工艺流体区排出的工艺流体出口端，且其中所述工艺流体区与所述燃烧区处于换热关系。
本发明的另一实施例包括一种方法，该方法包括以下步骤：将燃料引进到一燃料管中，所述燃料管具有一燃料管长度和一燃料管管壁，该长度和管壁限定一燃料引进区，其中所述燃料管包括一远端和一燃料入口端，该燃料入口端用于将所述燃料引入到所述燃料引进区中，且其中沿着所述燃料管长度并贯穿所述管壁有多个彼此隔开的孔；将已预热的氧化剂引入到一反应管中，所述反应管具有一反应管长度，且位于所述燃料管之外并围绕着所述燃料管，从而沿所述燃料管长度限定一燃烧区，其中所述反应管具有用于将所述已预热的氧化剂接收到所述燃烧区中的反应管入口和用于将燃烧废气从所述燃烧区排出的排泄端，且其中所述多个彼此隔开的孔提供了所述燃料引进区与所述燃烧区之间的流体连通；将氧化剂引进到一氧化剂引进管中，所述氧化剂引进管具有一氧化剂引进管长度，且位于所述反应管之外并围绕着所述反应管，从而沿所述反应管长度限定一氧化剂引进区，其中所述氧化剂引进管具有氧化剂引进管入口端和氧化剂引进管出口端，该氧化剂引进管入口端用于将氧化剂引进到所述氧化剂引进区中，该氧化剂引进管出口端用于将所述已预热的氧化剂从所述氧化剂引进区经由所述氧化剂引进管出口端排出到所述燃烧区，该氧化剂引进管出口端与所述反应管入口端流体连通，且其中所述氧化剂引进区与所述燃烧区处于换热关系；将工艺流体引进到一工艺管中，所述工艺管位于所述氧化剂引进管之外并围绕着所述氧化剂引进管，从而沿所述氧化剂引进管限定一工艺流体区，其中所述工艺管具有用于将工艺流体引进到所述工艺流体区中的工艺流体入口端和用于将已被加热的工艺流体从所述工艺流体区排出的工艺流体出口端，且其中所述工艺流体区与所述燃烧区处于换热关系；从所述工艺流体区排出所述已被加热的工艺流体；并从所述燃烧区排出所述燃烧废气。
附图说明
图1为传热系统部件的剖视图，该传热系统用于燃料的燃烧并用于工艺流体的加热。
图2为传热系统的一个实施例的剖视图，该传热系统用于燃料的燃烧并用于工艺流体的加热。
具体实施方式
本发明提供一种传热系统或装置，该传热系统或装置可用于将由燃料燃烧(优选地由无火焰燃烧)所释放的热能直接传递到工艺流体。该传热系统具有许多可能的用途和应用，但是，特别地，直接加热系统(比如本说明书中详细描述的直接加热系统)的使用可能在吸热脱氢工艺(诸如用于生产苯乙烯产品的乙苯脱氢工艺)中特别有利。例如，本发明的直接加热系统可按某种方式提供受控的通过燃料管向燃烧区引进燃料的速率，以致沿着该燃料管提供均匀的燃料燃烧。这种均匀的燃烧可沿燃料管提供均匀的温度分布。这种燃烧可在燃烧区中提供受控的温度分布。可能实现的其它益处包括但不局限于减少蒸汽用量、以更高的生产能力工作、增加产量和可选择性、减少焦炭生成以及提高工作压力。
直接加热系统还可提供所谓的燃料无火焰燃烧，其释放的热量被传递到工艺流体。与燃料的无火焰燃烧相关联，由于不存在火焰，与常规燃烧和传热装置中所观察到的火焰温度(比如常规点火加热器中所发生的那样)相比，氧化反应(即无火焰燃烧)在较低温度下发生。尽管燃料的无火焰氧化的温度可能依据所燃烧的燃料而变化，该温度可典型地处于从大约600℃至大约1100℃或从大约750℃至大约1050℃的范围，不同于燃料常规燃烧中所观察到通常超过1650℃的火焰温度。
本发明的直接加热系统还能以某种方式向一待加热的工艺物料流提供传热，从而提供超过常规加热系统传热效率的传热效率。本发明的特征之一是它提供对工艺物料流的直接加热，因为工艺流体与反应管的外表面有紧密关系，燃料的燃烧发生在该反应管中。工艺物料流由围绕着氧化剂引进管的工艺套筒或导管或管道容纳，以便提供一个工艺流体区，该氧化剂引进管围绕着所述反应管。该工艺流体区可能是由围绕该氧化剂引进管的工艺管所形成的工艺环形通道。通过同时提供对流和辐射传热而使朝向工艺流体的传热最大化，其中该工艺套筒提供了朝向反应管表面或氧化剂引进管表面的第二热辐射表面。
现参照图1，所展示的是传热系统10部件的一个剖视图。传热系统10是一个四管系统，其包括一个燃料管或燃料引进管12、一个反应管14、一个氧化剂管或氧化剂引进管16以及一个工艺管18，该反应管14位于该燃料管12之外并围绕着该燃料管12，该氧化剂管或氧化剂引进管16位于该反应管14之外并围绕着该反应管14，该工艺管18位于该氧化剂管16之外并围绕着该氧化剂管16。该四管系统的各管可具有能够提供一导管的任意合适的几何形状。在典型的实施例中，传热系统10的各管可由任意合适的可从市场上购得的管材或正方形或矩形的管材来制成。例如，管道可为依据ANSI/ASME B36.10M标准、欧洲DIN 2448标准或任何其它标准的标准管道。这种合适的标准管道的非限制性的例子包括：由ANSI/ASME B36.10M标准(由DIN2448标准确定的DN20)所确定的3/4英寸40号(schedule)管子，该管子可用作燃料管12；由ANSI/ASME B36.10M标准(由DIN 2448标准确定的DN90)所确定的3.5英寸40号管子，该管子可用作反应管14；由ANSI/ASME B36.10M标准(由DIN 2448标准确定的DN125)所确定的5英寸40号管子，该管子可用作氧化剂管16。工艺管18可为充当工艺套筒的管道，该工艺套筒围绕着氧化剂管16，或可使用一个壳体(未示出)，该壳体包围着多个三管组合的组件或管束，该三管组合由燃料管12、反应管14和氧化剂管16组成。
尽管以上列举的标准管子作为例子而提出，然而任何合适的管子可用作传热系统10的管道，包括80号和更高或更低的管子号。可适于使用的管子尺寸可处于从13mm(1/2英寸)变化至300mm(12英寸)的范围，而在管束的情况下，该工艺壳体可具有高达305cm(10英尺)、460cm(15英尺)或610cm(20英尺)或更大尺寸的直径。
燃料管12具有从其燃料入口端20延伸到其远端22的燃料管长度，且燃料管12还具有燃料管壁24。燃料管壁24和燃料管长度共同限定一燃料引进区26，该燃料引进区26贯穿燃料管12的燃料管长度的至少一部分而延伸。燃料管12还提供了用于将燃料引入到燃烧区30中的装置。燃料经由燃料入口端20被引进到燃料引进区26中，该燃料入口端20提供了用于将燃料引进到燃料引进区26中的装置。该燃烧区30是形成在燃料管12与反应管14之间的一个导管，由反应管14限定，该反应管14位于燃料管12之外并围绕着该燃料管12。燃料管12还可包括多个由燃料管壁24限定的孔32。
孔32在燃料管12长度的一部分上沿轴向彼此隔开，并提供燃料引进区26与燃烧区30之间的流体连通。当传热系统10处于使用状态时，孔32通过提供一个导管来发挥功能，该导管用于使燃料从燃料引进区26内部引进到正穿过燃烧区30的已预热的氧化剂中。
这些孔的间隔、朝向和尺寸应当如此，以便将来自燃料引进区26的燃料的增量以一定量引进到燃烧区30中，且其引进速率应为已预热的氧化剂和燃料提供快速和完全的混合。由于这种快速和完全的混合，已预热的氧化剂与燃料之间的氧化反应不受混合速率的限制。因而，一般来说，正是燃料引进区26几何形状与燃烧区30几何形状的组合，提供了燃料速度和已预热氧化剂的速度，所述两速度导致两种流体所需的快速和完全混合，该燃料引进区26的几何形状由燃料管12确定，该燃烧区30的几何形状由反应管14确定。燃料管引进区26的几何形状包括燃料管长度、燃料管直径、燃料管12孔的数量、间隔、方位和尺寸等特征。燃烧区30的几何形状包括其反应管直径和长度等特征。
如上所述，这些孔32沿燃料管12的长度在轴向方向上彼此间隔开，并且这些孔32可沿燃料管12的长度以不同的方位定位在它们各自的径向平面中。例如，这些孔32的位置可沿燃料管12的长度在径向平面中交替180度，或者它们可交替120度，或者90度，等等。因此，燃料管12中的这些孔的位置可使它们在径向平面中的方位沿着燃料管12的长度交替布置，其中它们的方位从0度到360度或从30度到180度变动。然而，优选地应使孔的方位沿燃料管12的长度从大约60度到大约120度交替布置。
反应管14具有一反应管长度，且如上所述，位于燃料管12之外并围绕着燃料管12，从而限定了沿燃料管12长度延伸的燃烧区30。反应管14的反应管长度从反应管入口端34延伸到排泄端36。氧化剂管16具有一氧化剂管长度，且以某种方式位于反应管14之外并围绕着该反应管14，从而沿反应管14的长度限定一氧化剂引进区40。该氧化剂引进区40是形成在反应管14与氧化剂管16之间的一个导管，由氧化剂管16确定，该氧化剂管16如上所述位于反应管14之外并围绕着该反应管14。氧化剂管的长度从氧化剂引进管入口端42延伸到氧化剂引进管出口端44。
传热系统10的一个特征是：氧化剂引进区40被如此布置，从而提供了氧化剂引进区40与燃烧区30之间的换热关系。在传热系统10的工作中，氧化剂经由氧化剂引进管入口端42被引进到氧化剂引进区40中，该氧化剂引进管入口端42提供了用于将氧化剂引进到氧化剂引进区40中的装置。氧化剂穿过氧化剂引进区40并吸收来自燃烧区30传热的热能，从而提供预热的氧化剂。弯曲箭头46指示了热能从燃烧区30向氧化剂中的传递，该氧化剂穿过氧化剂引进区40。已预热的氧化剂经由氧化剂引进管出口端44从氧化剂引进区40被排出，并经由反应管入口端34被引进到燃烧区30中。氧化剂引进管出口端44提供了用于将已预热的氧化剂从氧化剂引进区40经由氧化剂引进管出口端44排出到燃烧区30中的装置，该氧化剂引进管出口端44与反应管入口端34流体连通。该反应管入口端34提供了用于将已预热的氧化剂接收到燃烧区30中的装置。通过在传热系统10中预热氧化剂和/或燃料，可削减投资。可能需要辅助换热器来回收来自一股或更多股流体的热量，或向传热系统10外部的一股或更多股流体提供热量，所述辅助换热器可被有所差异地设计，包括使用更低成本的材料，或者可能不需要所述辅助换热器。
通过孔32被引入到燃烧区30中的燃料的增量与已预热的氧化剂在燃烧区30中被充分混合，以便形成燃烧混合物。并且，在燃烧区30中发生燃烧混合物的燃烧，从而释放出热量。燃料在燃烧区30中的无火焰燃烧部分地通过与已预热的氧化剂混合来实现，以形成具有一燃烧混合物温度的燃烧混合物，该燃烧混合物温度超过燃烧混合物的自燃温度。因而，传热系统10被配置成使燃烧区30与氧化剂引进区40之间的换热关系提供预热的氧化剂，该预热的氧化剂具有足够高的预热氧化剂温度，以便提供前述燃烧混合物温度，该燃烧混合物温度超过该燃烧混合物的自燃温度。
典型地，选择一种燃料，用于传热系统10的工作，其中包括燃料的燃烧混合物的自燃温度处于从400℃(752°F)到1500℃(2732°F)，或从500℃(932°F)到1400℃(2552°F)的范围，但更典型地从600℃(1112°F)到1350℃(2462°F)，且最典型地从700℃(1292°F)到1300℃(2372°F)。
氧化剂和燃料被引入到传热系统10时的温度可处于很宽的温度范围内，包括接近环境温度的温度。氧化剂和燃料也可在它们被引入到该传热系统之前被加热到高于环境温度。因而，经由氧化剂引进管入口端42待被引入到传热系统10的氧化剂的温度可处于从大约-30℃(-22°F)到大约2000℃(3632°F)的范围，或从大约-10℃(14°F)到大约1200℃(2192°F)的范围，或从大约-10℃(14°F)到大约400℃(752°F)的范围。被引入传热系统的氧化剂的温度可为至少-30℃、至少-20℃、至少-10℃或至少0℃的温度。被引入传热系统的氧化剂的温度可至多为3000℃、至多为2000℃、至多为1200℃或至多为1000℃。在某些实施例中，氧化剂可在其引入到传热系统10的氧化剂引进区端部40之前被预热。
氧化剂引进区40和燃料引进区26的几何形状应当如此，以便提供进入并穿过燃烧区30的预热氧化剂速度和燃料速度，从而防止在燃烧混合物的燃烧过程中火焰的形成。燃烧废气来自燃烧区30，并穿过废气端36，该废气端36提供了用于从燃烧区30排出燃烧废气的装置。
工艺管18位于氧化剂管16之外并围绕着氧化剂管16，从而沿氧化剂引进管16长度的至少一部分限定一工艺流体引进区50。该工艺管18具有一长度，该长度从工艺流体入口端52延伸到工艺流体出口端54。工艺流体入口端52提供了用于将工艺流体引进到工艺流体区50中的装置，且工艺流体出口端54提供了用于将已被加热的工艺流体从工艺流体区50排出的装置。
本发明传热系统10的一个特征是：工艺流体区50被配置成使它与燃烧区30之间处于换热关系，或者工艺流体区50与氧化剂引进区40之间处于换热关系，而该氧化剂引进区40又与燃烧区30之间处于换热关系。这种换热关系提供了热能向工艺流体区50的传递，从而加热了流经工艺流体区50的工艺流体。弯曲箭头46所指示的是从燃烧区30、或从氧化剂引进区40、或从燃烧区30和氧化剂引进区40两者到流经工艺流体区50的工艺流体的热能流动。
设置在氧化剂引进管出口端44处的是一个盖板56，该盖板56提供了将工艺流体区50与氧化剂引进区40、燃烧区30以及燃料引进区26的流体隔离。如图1中所示，燃料管12的远端22延伸到盖板56，并在该处牢固地连接到该盖板56上；然而，这是该传热系统的一个可选特征。燃料管12的远端22可延伸到从燃烧区30内到盖板56之间的任一点并在该点处终止，该燃烧区30由反应管14限定。反应管入口端34在远离盖板56的一点处终止，从而提供氧化剂引进管出口端44与反应管入口端34之间的流体连通。
图2示出了传热系统10的一个实施例，其中燃料管12的远端22并不延伸到盖板56。在图2中，燃料管12的远端22延伸到氧化剂引进区40内的一点并在该点处终止。一个未固定到盖板56上的燃料管将能够由于热膨胀而膨胀和/或收缩，而不会对任何其它管造成有害的机械作用。此外，氧化剂引进管16将能够由于热膨胀而膨胀和/或收缩，而不会对燃料管造成有害的机械作用。
该传热系统10可设计成用于任何能够利用直接加热工艺流体优越性的场合，这种利用是通过使用本文中详述的四管加热装置而实现的。一种这样的应用是脱氢工艺中对工艺流体的加热，其中被加热的工艺流体在脱氢工艺条件下与脱氢催化剂相接触，以生产脱氢产品。其它可高效地或适宜地利用该传热系统优点的工艺可包括蒸汽重整(steam reforming)和烯烃裂化。
大量因素可影响到传热系统10的设计；包括，例如，被引进到氧化剂引进区40中的氧化剂的温度、被引进到工艺流体区50中的工艺流体的温度、已被加热的工艺流体的所需温度以及被引进到燃料引进区26中的燃料的成分。
在传热系统10的工作中，可使用任意在氧化剂存在的情况下能够燃烧的合适的流体，该氧化剂比如为氧气或空气。这种燃料的例子包括氢和碳氢化合物。可用作燃料的碳氢化合物包括那些具有从一个到六个碳原子的碳氢化合物，包括甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丙炔、丁烷、丁烯和丁炔。优选的燃料包括从由氢、甲烷、乙烷及其混合物组成的群中选出的那些燃料。可向燃料中加入蒸汽以防止或抑制焦炭的形成。
要利用传热系统10来加热的工艺流体可为用于任何目的的任意待加热的工艺流体。然而，该传热系统在用于加热有化学反应原料的工艺流体时，具有特别优越的应用。并且，特别地，本发明的传热系统在脱氢工艺中具有特别的应用，该脱氢工艺比如为用于生产苯乙烯的乙苯脱氢工艺。在这样的应用中，要利用传热系统10来加热的工艺流体包括包括乙苯。该工艺流体还可包括蒸汽，并且它还可包括苯乙烯和其它脱氢反应器原料的典型成分。对于脱氢应用，经由工艺流体入口端52引入到工艺流体区50中的工艺流体典型地具有处于从260℃(500°F)到704℃(1300°F)范围内的温度，更典型地，具有从315℃(600°F)到677℃(1250°F)范围内的温度，并且最典型地，具有从427℃(800°F)到649℃(1200°F)范围内的温度。
利用传热系统10来加热的工艺流体的典型温升可处于从10℃到500℃的范围，但是更典型地，温升处于从50℃到400℃的范围，且最典型地，处于从100℃到350℃的范围。
传热系统10的一个应用实例是其用于加热包括乙苯的脱氢工艺原料。在这样的应用中，可将多个单独的传热系统10单元束缚在一起，以形成管束。管束中的每个传热系统10单元可被设计成用于处理从大约800千克/小时(1800磅/小时)至大约1450千克/小时(3200磅/小时)范围内的原料流率，其中被引进的原料的温度处于从大约500℃到600℃的范围，而由传热系统10提供的原料的温升处于从大约50℃到大约150℃的范围。对于这种设计，燃料管12具有处于从大约4.5m(15英尺)至大约12.2m(40英尺)范围内的燃料管长度。孔32沿燃料管12的整个长度以从大约15cm(0.5英尺)至大约61cm(2英尺)范围内的间距彼此隔开，从而沿燃料管的长度提供少至7或8个孔，多至80个或更多个孔。这些孔在各个径向平面中的方位还可为0°、120°和240°。孔32的直径可处于从大约0.7mm(0.03英寸)至大约5.1mm(0.2英寸)的范围。优选的燃料包括从由氢、甲烷、乙烷、丙烷及其混合物组成的群中选出的那些燃料。燃料以处于从大约0.14m3/分钟[5scfm(标准立方英尺/分钟)]至大约1.1m3/分钟(40scfm)范围内的燃料流率经由燃料入口端20被引进到燃料引进区26中。一种优选的氧化剂为空气，空气以从大约0.4m3/分钟(15scfm)至大约4.2m3/分钟(150scfm)范围内的流率经由氧化剂引进管入口端42被引进到氧化剂引进区40中。

Claims (10)

1.一种工艺系统，包括：
一燃料管，所述燃料管具有一燃料管长度和一燃料管管壁，所述长度和管壁限定一燃料引进区，其中所述燃料管包括一远端和一燃料入口端，所述燃料入口端用于将燃料引入到所述燃料引进区中，且其中沿着所述燃料管长度并贯穿所述管壁有多个彼此隔开的孔；
一反应管，所述反应管具有一反应管长度，且位于所述燃料管之外并围绕着所述燃料管，从而沿所述燃料管长度限定一燃烧区，其中所述反应管具有用于将已预热的氧化剂接收到所述燃烧区中的反应管入口端和用于将燃烧废气从所述燃烧区排出的排泄端，且其中所述多个彼此隔开的孔提供了所述燃料引进区与所述燃烧区之间的流体连通；
一氧化剂引进管，所述氧化剂引进管具有一氧化剂引进管长度，且位于所述反应管之外并围绕着所述反应管，从而沿所述反应管长度限定一氧化剂引进区，其中所述氧化剂引进管具有氧化剂引进管入口端和氧化剂引进管出口端，所述氧化剂引进管入口端用于将氧化剂引进到所述氧化剂引进区中，所述氧化剂引进管出口端用于将所述已预热的氧化剂从所述氧化剂引进区经由所述氧化剂引进管出口端排出到所述燃烧区，所述氧化剂引进管出口端与所述反应管入口端流体连通，且其中所述氧化剂引进区与所述燃烧区处于换热关系；以及
一工艺管，所述工艺管位于所述氧化剂引进管之外并围绕着所述氧化剂引进管，从而沿所述氧化剂引进管的所述氧化剂引进管长度限定一工艺流体区，其中所述工艺管具有用于将工艺流体引进到所述工艺流体区中的工艺流体入口端和用于将已被加热的工艺流体从所述工艺流体区排出的工艺流体出口端，且其中所述工艺流体区与所述燃烧区处于换热关系。
2.如权利要求1所述的工艺系统，其中所述多个间隔开的孔中的所述孔沿着所述燃料管长度彼此间隔，并确定尺寸，从而在所述燃烧区之内将所述燃料的增量引入到所述已预热的氧化剂中，以致当所述燃料的所述增量与所述已预热的氧化剂混合时，形成燃烧混合物，从而发生不受混合速率限制的燃烧。
3.如权利要求1-2任意一项所述的工艺系统，其中所述氧化剂引进区与所述燃烧区之间的换热关系为所述氧化剂提供加热，以产生所述已预热的氧化剂。
4.如权利要求1或2所述的工艺系统，其中所述工艺流体区与所述燃烧区之间的换热关系为所述工艺流体提供加热，以产生所述已被加热的工艺流体。
5.如权利要求1或2所述的工艺系统，其中所述氧化剂引进区与所述燃烧区之间的换热关系还为所述已预热的氧化剂提供已预热的氧化剂温度，以使所述燃烧混合物具有超过所述燃烧混合物自燃温度的燃烧混合物温度。
6.如权利要求1或2所述的工艺系统，其中所述氧化剂引进区的特征还在于一氧化剂引进区几何形状，其中所述燃料引进区的特征还在于一燃料引进区几何形状，其中所述燃料引进区几何形状和所述氧化剂引进区几何形状应当能够提供燃料的速度和已预热氧化剂的速度，所述燃料的速度和已预热氧化剂的速度防止了所述燃烧过程中火焰的形成。
7.一种四管直接加热系统，用于燃料的燃烧和工艺流体的直接加热，所述系统包括：
呈同心关系的燃料引进区、燃烧区、氧化剂引进区和工艺流体区，其中所述燃料引进区由燃料引进装置限定，所述燃料引进装置用于将燃料引进到所述燃烧区中，所述燃烧区由一反应管限定，所述反应管位于所述燃料引进装置之外并围绕着所述燃料引进装置，其中所述反应管包括反应管长度、用于将已预热的氧化剂接收到所述燃烧区中的反应管入口端以及用于将燃烧废气从所述燃烧区排出的排泄端，且其中所述氧化剂引进区由一氧化剂引进管限定，所述氧化剂引进管位于所述反应管之外并围绕着所述反应管，其中所述氧化剂引进管包括一氧化剂引进管长度、一氧化剂引进管入口端以及一氧化剂引进管出口端，所述氧化剂引进管入口端用于将氧化剂引进到所述氧化剂引进区中，所述氧化剂引进管出口端用于将所述已预热的氧化剂从所述氧化剂引进区经由所述氧化剂引进管出口端排出到所述燃烧区，所述氧化剂引进管出口端与所述反应管入口端流体连通，且其中所述氧化剂引进区与所述燃烧区处于换热关系，且其中所述工艺流体区由一工艺管限定，所述工艺管位于所述氧化剂管之外并围绕着所述氧化剂管。
8.如权利要求7所述的四管直接加热系统，其中所述燃料引进装置包括一燃料管，所述燃料管具有一燃料管长度和一燃料管管壁，所述燃料管长度和燃料管管壁限定所述燃料引进区，其中所述燃料管包括一远端和一燃料入口端，所述燃料入口端用于将燃料引入到所述燃料引进区中，且其中沿着所述燃料管长度并贯穿所述管壁有多个彼此隔开的孔，这些孔提供了所述燃料引进区与所述燃烧区之间的流体连通。
9.如权利要求7-8中任一项所述的四管直接加热系统，其中所述工艺管包括用于将工艺流体引进到所述工艺流体区中的工艺流体入口端和用于将已被加热的工艺流体从所述工艺流体区排出的工艺流体出口端，且其中所述工艺流体区与所述燃烧区处于换热关系。
10.一种方法，包括以下步骤：
将燃料引进到一燃料管中，所述燃料管具有一燃料管长度和一燃料管管壁，所述长度和管壁限定一燃料引进区，其中所述燃料管包括一远端和一燃料入口端，所述燃料入口端用于将所述燃料引入到所述燃料引进区中，且其中沿着所述燃料管长度并贯穿所述管壁有多个彼此隔开的孔；
将已预热的氧化剂引进到一反应管中，所述反应管具有一反应管长度，且位于所述燃料管之外并围绕着所述燃料管，从而沿所述燃料管长度限定一燃烧区，其中所述反应管具有用于将所述已预热的氧化剂接收到所述燃烧区中的反应管入口端和用于将燃烧废气从所述燃烧区排出的排泄端，且其中所述多个彼此隔开的孔提供了所述燃料引进区与所述燃烧区之间的流体连通；
将氧化剂引进到一氧化剂引进管中，所述氧化剂引进管具有一氧化剂引进管长度，且位于所述反应管之外并围绕着所述反应管，从而沿所述反应管长度限定一氧化剂引进区，其中所述氧化剂引进管具有氧化剂引进管入口端和氧化剂引进管出口端，所述氧化剂引进管入口端用于将所述氧化剂引进到所述氧化剂引进区中，所述氧化剂引进管出口端用于将所述已预热的氧化剂从所述氧化剂引进区经由所述氧化剂引进管出口端排出到所述燃烧区，所述氧化剂引进管出口端与所述反应管入口端流体连通，且其中所述氧化剂引进区与所述燃烧区处于换热关系；
将工艺流体引进到一工艺管中，所述工艺管位于所述氧化剂引进管之外并围绕着所述氧化剂引进管，从而沿所述氧化剂引进管限定一工艺流体区，其中所述工艺管具有用于将所述工艺流体引进到所述工艺流体区中的工艺流体入口端和用于将已被加热的工艺流体从所述工艺流体区排出的工艺流体出口端，且其中所述工艺流体区与所述燃烧区处于换热关系；
从所述工艺流体区排出所述已被加热的工艺流体；以及
从所述燃烧区排出所述燃烧废气。
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