Робочий нагрівач безполуменевої камери згоряння та спосіб забезпечення теплоти для ендотермічного процесу за допомогою такого нагрівача

1 Робочий нагрівач безполуменевої камери згоряння, який включає камеру реакції окиснення, яка містить впуск для окиснювача, випуск для продуктів згоряння та шлях протікання між впуском та випуском, паливний канал, здатний транспортувати паливну суміш до паливних насадок у камері реакції окиснення, кожна насадка забезпечує сполучення від внутрішнього простору каналу подачі палива до камери реакції окиснення, причому кожна насадка розміщується уздовж шляху протікання між впуском та випуском, підігрівам сполучений з впуском камери реакції окиснення, який здатний підвищувати температуру окиснювача до температури, яка в результаті поєднання окиснювача та палива з паливної насадки, найближчої до впуску камери реакції окиснення, перевищує температуру самозаймання комбінованих окиснювача та палива з паливної насадки, найближчої до впуску камери реакції окиснення, де теплота, передана з окиснювальної секції, не викликає зниження температури суміші у камері реакції окиснення поблизу кожної паливної насадки нижче температури самозаймання комбінованої суміші в камері реакції окиснення поблизу цієї паливної насадки, який відрізняється тим, що включає робочу камеру ендотермічної реакції у теплообмінному зв'язку з камерою реакції окиснення 2 Робочий нагрівач за п 1 , який відрізняється тим, що додатково включає систему нагнітання інгібітору утворення нагару, яка перебуває у сполученні з каналом подачі палива, причому КІЛЬКІСТЬ поданого інгібітору утворення нагару може бути ефективною для стримування утворення нагару при робочій температурі паливного каналу 3 Робочий нагрівач за п 1 , який відрізняється тим, що канал подачі палива є трубчастим каналом, розташованим практично у центрі камери реакції окиснення 4 Робочий нагрівач за п 3, який відрізняється тим, що камера реакції окиснення є розташованою практично у центрі робочої камери 5 Робочий нагрівач за п 1 , який відрізняється тим, що робоча камера є камерою-піролізатором для одержання олефінів 6 Робочий нагрівач за п 1 , який відрізняється тим, що робоча камера є ефективною як камера для парового риформінгу метану 7 Робочий нагрівач за п 1 , який відрізняється тим, що робочий нагрівач є нагрівачем для дегідрування етилбензолу 8 Спосіб забезпечення теплоти для ендотермічного процесу за допомогою робочого нагрівача за п 1, який включає етапи подачі палива, додавання до палива компонента, що стримує утворення нагару, у КІЛЬКОСТІ, ефективній для стримування утворення нагару при робочій температурі нагрівача, транспортування паливної суміші до паливних насадок у камері реакції окиснення, причому кожна насадка розміщується уздовж шляху протікання між впуском та випуском, попереднього нагрівання окиснювача до температури, яка в результаті поєднання окиснювача та палива з паливної насадки, найближчої до впуску камери реакції окиснення, перевищує температуру самозаймання комбінованих окиснювача та палива з паливної насадки, найближчої до впуску камери реакції окиснення, який відрізняється тим, що включає етап передачі теплоти з камери реакції окиснення у робочу камеру ендотермічної реакції у теплообмінному зв'язку з камерою реакції окиснення, де теплота, передана з окиснювальної секції, не викликає зниження температури суміші у камері реакції окиснення поблизу кожної паливної насадки нижче температури самозаймання комбінованої суміші в камері реакції окиснення поблизу цієї паливної насадки 9 Спосіб за п 8, який відрізняється тим, що ендотермічним процесом є паровий риформінг метану 10 Спосіб за п 8, який відрізняється тим, що ендотермічним процесом є реакція піролізу для О со Ю 00 о ю 50853 одержання олефінів 11 Спосіб за п 8, який відрізняється тим, що ендотермічним процесом є процес дегідрування етилбензолу 12 Спосіб за п 8, який відрізняється тим, що компонент для стримування утворення нагару вибирають з групи, яка складається з дюксиду вуглецю та пари Винахід стосується робочого нагрівача для високотемпературних реакцій з поліпшеним контролем теплопередачі Високотемпературні, як правило, ендотермічні реакції, такі як паровий реформінг метану для одержання водню з пари та вуглеводнів та піроліз вуглеводнів для одержання олефінів, як правило, здійснюють в екранних трубах з радіаційною теплопередачею від безпосереднього нагрівання на зовнішню поверхню труб та протіканням реагентів усередині труб Безпосередньому нагріванню часто віддають перевагу завдяки високому температурному рівневі необхідної теплоти, високому тепловому потокові та відносно низьким витратам капіталу на таку піч Однак при цьому важко підтримувати рівномірну теплопередачу у працюючій печі Отже, така екранна труба має працювати при середній температурі зовнішньої обшивки труби, яка є дещо нижчою за максимально допустиму температуру зовнішньої обшивки труби через коливання температур зовнішньої обшивки труби Це коливання ускладнюється ще й труднощами у вимірюванні цих температур Регулювання максимальних температур є важливим, оскільки нагар на стінках труб, як правило, швидше утворюється у місцях з вищою температурою Товстий шар нагару заважає теплопередачі й викликає ще більше нагрівання місць з вищою температурою Нагар збільшується як сніжний ком, і якщо його не виявити і не вжити виправних заходів, труба в результаті може вийти з ладу Виправні заходи, як правило, полягають у зменшенні палення одного або кількох пальників поблизу місця перегріву Зменшення палення в такому разі знижує теплопередачу навколо місця перегріву і, як правило, завдає шкоди роботі нагрівача Catalytic Reduction DeNox Існують системи пальників, які знижують утворення МОХ шляхом регулювання температури згоряння, але температуру згоряння важко контролювати, і навіть за ідеальних умов утворюється значна КІЛЬКІСТЬ NO X Інша проблема, характерна для опалюваних робочих нагрівачів, полягає в обмеженій ефективності радіаційної секції нагрівача Зокрема, якщо не передбачено попереднього нагрівання повітря для горіння, значна КІЛЬКІСТЬ палива витрачається на нагрівання повітря для горіння до температури полум'я Навіть якщо передбачено попереднє нагрівання повітря для горіння, таке попереднє нагрівання повітря для горіння, як правило, не наближає температуру повітря для горіння до температури полум'я Таким чином, ефективність радіаційної секції може бути значно поліпшена завдяки ефективнішому попередньому нагріванню повітря для горіння, і попереднє нагрівання палива, як правило, не практикується, оскільки значне попереднє нагрівання може призвести до утворення нагару з палива Довжина труб у печах з опаленням, як правило, також обмежується через фізичні чинники У деяких печах для парометанового реформінгу передбачено кілька рівнів пальників для більш рівномірного розподілу теплоти випромінювання у трубах, але навіть з кількома рівнями пальників вертикальна відстань, на якій можуть бути передбачені пальники, є обмеженою через труднощі, пов'язані з поданням палива та розподілом повітря з різною тягою у печі Таким чином, якщо у печі потрібен довгий шлях, то у топці, як правило, забезпечують кілька каналів з багатьма колінами Ці коліна найчастіше викликають проблеми через нерівномірну швидкість потоку та температуру і можливість ерозії у внутрішньому радіусі При згорянні палива для вироблення теплоти характерним є утворення оксидів азоту ("NOX") в результаті піддання азоту, кисню та вільних радикалів дії підвищених температур У певних ділянках виділення NOX є обмеженим, і часом вимагаються заходи, що потребують великих витрат, такі як обробка димовим газом з застосуванням систем вибіркового каталітичного відновлення Selective Було запропоновано багато способів замість безпосереднього палення реакційних печей Були запропоновані добавки для вихідних реакційних сумішей піролізних печей, включаючи описані у патентах США № 5,567,305 та 5,330,970 Було вказано, що ці компоненти знижують і затримують початок утворення нагару, але не виключають утворення нагару Як ефективні для зменшення утворення нагару, були також запропоновані керамічні покриття та попередня обробка труб печей, наприклад, у патентах США № 5,600,051, 5,463,159, 5,446,229 та 5,424,095 Але, як і обробка вихідних реакційних сумішей, вони ефективні лише незначною мірою Запропоновано було також непряме нагрівання та електричне нагрівання, наприклад, у патентах США № 5,559,510, 5,554,347, 5,536,488, 5,321,191 та 5,306,481, як способи забезпечення більш рівномірного теплового потоку у такій реакції Ці способи дозволяють уникнути недоліків печей з опаленням, але вимагають додаткових капітальних та/або експлуатаційних витрат порівняно з нагрівачами печей з опаленням Взагалі, вихід таких реакцій реформінгу вуглеводнів для одержання водню та оксидів вуглецю, продукування олефіну шляхом піролізу вуглеводнів та продукування стиролу поліпшується з підвищенням температур Таким чином, бажано виконувати їх при підвищених температурах Ці температури, як правило, обмежуються металургійними граничними характеристиками матеріалів, які є економічними і відповідають теплопередачі у трубах Патент США № 4,104,018 описує камеру згоряння для нагрівання завантаженої рідини, таку як робочий котел для води, у якому горюча суміш проходить через труби малого діаметру, у яких не 50853 може утворитися відкрите полумя, і згоряння при низькій температурі відбувається з низьким виділення оксиду азоту Крім того, безполуменеве окиснення як джерело теплоти є відомим з патенту США № 5,255,742 Відомий безполуменевий нагрівач застосовують у свердловинах для нагнітання теплоти у підземні пласти для видобування з них нафти Відомий нагрівач складається з камери реакції окиснення, яка є простором свердловини і яка містить впуск для окиснювача, випуск продуктів згоряння і шлях протікання між впуском та випуском, паливний канал, здатний транспортувати паливну суміш до паливних насадок (отворів) у камері реакції окиснення, кожна насадка забезпечує сполучення від внутрішнього простору каналу подачі палива до камери реакції окиснення, причому кожна насадка розміщується уздовж шляху протікання між впуском та випуском, нагрівач, сполучений з впуском камери реакції окиснення, який здатен підвищувати температуру окиснювача (повітря) до температури, яка в результаті поєднання окиснювача та палива з паливної насадки, найближчої до впуску камери реакції окиснення, перевищує самозаймання комбінованих окиснювача та палива з паливної насадки, найближчої до впуску камери реакції окиснення, де теплота, передана з окиснювальної секції, не викликає зниження температури суміші у камері реакції окиснення поблизу кожної паливної насадки нижче температури самозаймання комбінованої суміші в камері реакції окиснення поблизу паливної насадки В патенті США № 5,255,742 також описаний спосіб нагріву підземної формації, в якому використовується зазначений вище пристрій Зазначений спосіб включає в себе додавання до паливного газу, що містить вуглеводень, супресанта утворення вуглецю (нагару) у КІЛЬКОСТІ, ефективній для стримування утворення вуглецю (нагару) при робочій температурі нагрівача, транспортування паливної суміші до місця змішування в середині свердловини, транспортування потоку повітря для горіння по повітряному трубопроводу до місця змішування, попередній нагрів або суміші паливного газу та супресанту утворення вуглецю або потоку повітря для горіння, або обох разом, так щоб температура суміші потоків перевищувала температуру самозаймання суміші потоків, змішування попередньо нагрітого повітря і паливного газу на МІСЦІ змішування з отриманням продуктів згоряння та видалення продуктів згоряння на поверхню Існує потреба у забезпеченні робочого нагрівача для застосування в ендотермічному хімічному процесі, у якому можна було б наблизитись до граничних металургійних значень і процес хімічної реакції є оптимізованим завдяки підтриманню рівномірної теплопередачі Бажано було б також забезпечити такий нагрівач, який не вимагає надмірних капітальних або експлуатаційних витрат і який працює з більшим тепловим ККД Бажано було б також забезпечити робочий нагрівач, у якому утворення NOX є значно зниженим Бажано було б також забезпечити робочий нагрівач, у якому процес забезпечується теплотою регульованим чином Задачі даного винаходу, таким чином, включають досягнення цих результатів, а ІНШІ задачі стануть зрозумілими по ознайомленню з нижчеподаним описом винаходу Ці та ІНШІ задачі виконуються завдяки робочому нагрівачеві який включає камеру реакції окиснення, яка містить впуск для окиснювача, випуск для продуктів згоряння та шлях протікання між впуском та випуском, паливний канал, здатний транспортувати паливну суміш до паливних насадок у камері реакції окиснення, кожна насадка забезпечує сполучення від внутрішнього простору каналу подачі палива до камери реакції окиснення, причому кожна насадка розміщується уздовж шляху протікання між впуском та випуском, підігрівам сполучений з впуском камери реакції окиснення, який здатен підвищувати температуру окиснювача до температури, яка в результаті поєднання окиснювача та палива з паливної насадки, найближчої до впуску камери реакції окиснення, перевищує температуру самозаймання комбінованих окиснювача та палива з паливної насадки, найближчої до впуску камери реакції окиснення, де теплота, передана з окиснювальної секції, не викликає зниження температури суміші у камері реакції окиснення поблизу кожної паливної насадки нижче температури самозаймання комбінованої суміші в камері реакції окиснення поблизу цієї паливної насадки, який відрізняється тим, що включає робочу камеру ендотермічної реакції у теплообмінному зв'язку з камерою реакції окиснення Іншим об'єктом винаходу є спосіб забезпечення теплоти для ендотермічного процесу за допомогою камери реакції окиснення, яка містить впуск для окиснювача, випуск для продуктів згоряння та шлях протікання між впуском та випуском, який включає етапи подачі палива, додавання до палива компонента, що стримує утворення нагару, у КІЛЬКОСТІ, ефективній для стримування утворення нагару при робочій температурі нагрівача, транспортування паливної суміші до паливних насадок у камері реакції окиснення, причому, кожна насадка розміщується уздовж шляху протікання між впуском та випуском, попереднього нагрівання окиснювача до температури, яка в результаті поєднання окиснювача та палива з паливної насадки, найближчої до впуску камери реакції окиснення, перевищує температуру самозаймання комбінованих окиснювача та палива з паливної насадки, найближчої до впуску камери реакції окиснення, який відрізняється тим, що включає етап передачі теплоти з камери реакції окиснення у робочу камеру ендотермічної реакції у теплообмінному зв'язку з камерою реакції окиснення, де теплота, передана з окиснювальної секції, не викликає зниження температури суміші у камері реакції окиснення поблизу кожної паливної насадки нижче температури самозаймання комбінованої суміші в камері реакції окиснення поблизу цієї паливної насадки Нагрівач за даним винаходом, який працює на основі згоряння, застосовують для забезпечення регульованого теплового потоку у робочу камеру від джерела теплоти, що має рівномірну температуру та дуже низьке утворення NOX Рівномірність температури використовують для підвищення се 50853 редньої температури без перевищення максимальної температури або для зниження витрат на матеріали Робочий нагрівач за даним винаходом виключає застосування топки традиційного робочого нагрівача й забезпечує рівномірний тепловий потік при регульованому рівні температури Топку замінюють, наприклад, концентричними трубами, які можуть бути закрученими у спіраль або прямими Паливо та окислювач змішують поетапно і при температурі, яка викликає окиснення палива без утворення полум'я, таким чином, виключаючи застосування полум'я як радіаційного джерела високої теплоти і замінюючи полум'я потоком високотемпературного газу В ендотермічному процесі це дозволяє в результаті підвищити температуру за обмежених умов металургійного виробництва, таким чином забезпечуючи в результаті у багатьох процесах поліпшену переробку, вибірковість та/або вихід продукту, а також зниження утворення побічних продуктів Усунення нерівномірності температур також знижує ризик виходу з ладу труб через локальні перегріви Енергетичний ККД безполуменевого згоряння згідно з даним винаходом також може бути підвищений, що в результаті дає зниження витрат енергії Безполуменеве згоряння згідно з даним винаходом також дозволяє уникати високого рівня температури у полум'ї та вільних радикалів, присутніх у полум'ї В результаті це забезпечує суттєве зниження утворення сполук NOX Рівень NOX згідно з даним винаходом становить менше приблизно однієї сотої від рівня традиційних полуменевих нагрівачів та однієї десятої від рівня, що досягається у нагрівачах, де використовують стабілізоване полум'я У деяких ендотермічних процесах потрібні багатоетапні нагрівачі для проміжного перегріву реагентів з метою завершення реакції на потрібному рівні Даний винахід застосовують у таких процесах для безперервного додавання теплоти реакції, що в результаті забезпечує реакцію в один етап, і цей етап здійснюють при регульованій температурній кривій Цю перевагу можна використовувати для помітного зниження необхідної тривалості процесу, зниження перепадів тиску у системі, та/або зниження максимальної температури Нагрівачі за даним винаходом, у яких застосовують безполуменеве згоряння газового палива при рівнях температур від приблизно 900°С до приблизно 1100°С можуть виготовлятися з високотемпературних сплавів, таких як, наприклад, WASPALLOY, INCONEL 601, INCONEL 617, INCOLOY 800HT, HASTELLOY 235, UNIMET 500 та INCOLOY DS (WASPALLOY, INCONEL, INCOLOY, HASTELLOY, UNIMET та INCOLOY DS є торговими марками) При високих температурах перевагу віддають застосуванню керамічних матеріалів У ЗОВНІШНІХ трубопроводах можуть бути застосовані більш дешеві метали, якщо для обмеження температури, дії якої піддаються ці ЗОВНІШНІ трубопроводи, застосовують внутрішній рефрактор Керамічні матеріали з придатною МІЦНІСТЮ при температурах від 900°С до приблизно 1400°С, як правило, є керамічними матеріалами з високим вмістом глиноземів Інші керамічні матеріали, які можуть бути застосовані, включають кераміку на 8 основі оксиду хрому, оксиду цирконію та оксиду магнію Такі матеріали постачають компанії National Refractories and Minerals, Inc , Livermore, California, A P Green Industries, Inc , Mexico, Missouri, та Alcoa, Alcoa Center, Penn Взагалі, безполуменеве згоряння здійснюють шляхом попереднього нагрівання повітря для горіння та газового палива до температури, яка перевищує температуру, за якої при поєднанні двох потоків температура суміші перевищує температуру самозаймання суміші, але яка є меншою за температуру, яка може привести до окиснення при змішуванні, що обмежується нормою змішування Крім того, конструкція паливних насадок та камери окиснення є такою, що швидкості палива та повітря є достатньо високими для задування будь-якого стабілізованого полум'я При цьому уникають рециркуляції або утворення зон з низькою швидкістю, у яких полум'я може контактувати з паливною насадкою В результаті попереднього нагрівання потоків до температури від приблизно 850°С до приблизно 1400°С а потім змішування газового палива у повітрі для горіння при відносно невеликому додаванні досягають безполуменевого згоряння В результаті додана КІЛЬКІСТЬ, у якій газове паливо змішують з потоком робочого газу, дає підвищення температури приблизно від 20°С до 100°С у потоці робочого газу завдяки згорянню палива У більшості випадків краще змішувати додану КІЛЬКІСТЬ палива при видаленні теплоти з робочим потоком для досягнення відносно рівномірної температурної кривої, але це не є необхідною складовою даного винаходу Наприклад, може бути бажано мати криві підвищення або зниження температури Перевага даного винаходу полягає у тому, що температурна крива або потік теплоти можна регулювати за потребою В екзотермічному процесі даний винахід застосовують для забезпечення температурної кривої, яка зростає швидше, ніж адіабатична крива Хоча даний винахід вважається найбільш корисним для підтримання постійної температурної кривої в ендотермічній реакції, зовсім не є необхідним, щоб реакція відбувалася Наприклад, теплоту можуть застосовувати для зміни фаз, наприклад, для випарювання води для отримання пари або кристалів Робоча камера може містити робочий потік у фазі пари, потік у рідкій фазі, та/або потік у твердій фазі Фіг 1 - частковий розріз нагрівача даного винаходу Фіг 2-9 - схематичні зображення альтернативних варіантів нагрівачів за даним винаходом ОПИС ОПТИМАЛЬНОГО ВАРІАНТА ВТІЛЕННЯ ВИНАХОДУ На Фіг 1 нагрівач за даним винаходом показано у частковому розрізі Показано камеру реакції окиснення 1, що має впуск 2 та випуск 3 Між впуском та випуском передбачено шлях протікання 4 у теплообмінному зв'язку з робочою камерою 8 Паливний канал 5 забезпечує канал для транспортування палива до насадок 6, розташованих з інтервалами уздовж шляху протікання 4 Насадки розташовано з інтервалами для того, щоб паливо додавалось у камеру реакції окиснення при нормі, 50853 яка в результаті забезпечує протікання палива через кожну насадку, але не викликає полум'я, коли паливо змішується з окиснювальним потоком, що протікає через шлях протікання камери реакції окиснення Паливо, не згоряючи у світному полум'ї, реагує з окиснювачем відносно рівномірно по всьому об'єму камери реакції окиснення Показано чотири комплекти паливних насадок, але може бути передбачена будь-яка КІЛЬКІСТЬ паливних насадок, залежно від необхідного теплового потоку у робочу камеру Об'єм камери реакції окиснення між комплектами насадок в оптимальному варіанті є достатнім для того, щоб тривалість перебування суміші була достатньою, щоб значна частина палива, що протікає через комплект насадок, встигала окиснюватися ще до додавання нової порції палива Робоча камера 8 перебуває у теплообмінному зв'язку з камерою реакції окиснення 1 Робочий потік надходить у робочу камеру через впуск 11 і виходить через випуск 12 Показано, як охолоджувальний теплообмінник 10 охолоджує робочий потік, що виходить з робочої камери Потік, який має нагріватися охолоджувальним теплообмінником, надходить через охолоджувальний впуск 14 і виходить через охолоджувальний випуск 13 Потік, який має нагріватися охолоджувальним теплообмінником, може бути, наприклад, робочим вхідним потоком, водним потоком живлення котла, який нагрівають і/або випарюють У деяких процесах, таких як піроліз вуглеводнів для одержання олефінів, бажаним є швидке охолодження для скорочення реакцій з утворенням побічних продуктів До палива через систему нагнітання інпбітора, показану як нагнітальну ЛІНІЮ 9, можуть додавати інгібітор утворення нагару Нагнітальна ЛІНІЯ інпбітора може включати регулюючий клапан та систему регулювання для встановлення норми подачі шпбітора згідно з потоком палива Канал подачі палива містить кілька насадок 6 (показано чотири комплекти) по довжині камери реакції окиснення Насадки забезпечують сполучення між каналом подачі палива та камерою реакції окиснення Кілька насадок забезпечують розподіл виділеної теплоти у камері реакції окиснення Насадки мають розміри, придатні для здійснення розподілу потрібної температури у робочій камері Як правило, у робочій камері має бути майже рівномірна температурна крива, оскільки в результаті цього можна досягти зниження максимальної температури для даного теплового потоку Оскільки матеріали конструкції пристрою зумовлюють максимальну температуру, рівномірні температурні криві забезпечують збільшення виділення теплоти, можливе для тих самих матеріалів конструкції Число насадок обмежується лише розміром насадок, які мають застосовуватися Якщо застосовують більше насадок, вони, як правило, мають бути меншого розміру Менші насадки приєднуються легше, ніж більші насадки Число насадок є компромісним між рівномірністю температурної кривої та можливістю приєднання Показано, що потоки у робочій камері та камері реакції окиснення є паралельними, але вони можуть бути і протилежно спрямованими, або можуть поєднуватися ці два варіанти, де, наприклад, 10 камера реакції окиснення має конфігурацію Uподібної труби Така конфігурація може бути бажаною для подолання ефекту диференціального теплового розширення каналів У робочу камеру може бути поданий каталізатор, залежно від конкретного процесу Показано, що підігрівам 7 нагріває потік окиснювача до температури, при якій суміші потоку окиснювача з паливом з першого комплекту насадок є достатньо гарячими для того, щоб в результаті забезпечити безполуменеве окиснення Підігрівач може бути, наприклад, пальником, у якому паливо змішують з певною КІЛЬКІСТЮ окиснювача і який запалюють для підняття температури окиснювача, або ж окиснювач може бути попередньо нагрітий у процесі теплообміну з будь-якою або обома робочою камерою або камерою реакції окиснення Можна застосовувати поєднання теплообміну з подальшим використанням пальника В альтернативному варіанті окиснювач можуть поетапно подавати у паливо, забезпечивши насадки в окиснювальному каналі замість паливного каналу і закачуючи окиснювач у насичений паливом потік при температурі, яка перевищує температуру одержаних в результаті сумішей На Фіг 2 показано вид у розрізі альтернативного варіанту виконання У цьому варіанті робочі камери 8 являють собою труби, зібрані докупи усередині ізольованого кожуха 104 Ізольований кожух може не бути камерою високого тиску, але знижує втрати теплоти з труб, які містять камери реакції окиснення Паливні канали 5 розміщуються усередині камер реакції окиснення 1 з насадками 6, що забезпечують сполучення між двома камерами На Фіг 3 показано ще один альтернативний варіант виконання У цьому варіанті робочі камери 8 являють собою труби, зібрані докупи усередині ізольованого кожуха 104 Ізольований кожух також обмежує камеру реакції окиснення Паливні канали 5 розміщуються усередині ізольованого кожуха між трубами, що обмежують робочі камери Показано, що труби, які обмежують робочі камери та канали подачі палива, є відносно щільно зібраними, але можуть бути й рознесені, якщо треба забезпечити компроміс між перепадами тиску та необхідним розміром кожуха Цей альтернативний варіант може мати вигляд обшивки та трубчастого теплообмінника з перегородками для забезпечення проміжку між трубами та для спрямування потоку робочих газів назад і вперед через труби, які обмежують робочі камери Камера реакції окиснення також може мати каталізатор окиснення Каталізатор окиснення може бути на носи, такому, як глинозем, або може вкривати стінки труб Каталізатор окиснення можуть застосовувати для розширення ефективного діапазону температур, при яких забезпечується стабільне безполуменеве окиснення Каталізатор окиснення також може бути корисним у початковій фазі до того, як камера реакції окиснення досягне температури, при якій відбувається реакція окиснення за відсутності каталізатора В альтернативному варіанті каталізатор може бути ефективним для зменшення об'єму, необхідного в камері реакції окиснення 12 11 50853 Попереднє нагрівання вуглеводневого палива через уникнення високих температур у точці змішування та домішування відносно невеликої КІЛЬдля досягнення безполуменевого згоряння може КОСТІ палива до окиснювача Про наявність полупризвести до значного утворення сажі у каналі м'я свідчить СВІТІННЯ межі між паливом, що не подачі палива, якщо до паливного потоку не вклюзгоріло, та продуктами згоряння Для уникнення чено супресанта утворення сажі Супресантом утворення полум'я паливо та окиснювач в оптимаутворення сажі може бути дюксид вуглецю, пара, льному варіанті перед змішуванням нагрівають до водень або їх суміші Перевагу віддають дюксидотемператури від приблизно 815°С до приблизно ві вуглецю та парі через високу загальну вартість 1370°С Паливо в оптимальному варіанті змішують водню з потоком окиснювача при відносно невеликій КІЛЬСажа утворюється метаном при підвищеній КОСТІ додавання для того, щоб зробити можливим температурі згідно з такою реакцією більш швидке змішування Наприклад, можна поСН 4 +С^2Н 2 (1) ступово додавати достатню КІЛЬКІСТЬ палива для Ця реакція є оборотною реакцією, і водень того, щоб уможливити згоряння зі збільшенням функціонує як супресант утворення сажі при звотемператури потоку приблизно на 20 - 100°С ротній реакції До процесів, у яких можуть застосовувати наДюксид вуглецю пригнічує утворення сажі чегрівач за даним винаходом, крім інших, належать рез таку реакцію паровий реформінг метану, одержання олефіну, СО 2 +С^2СО (2) одержання стиролу, одержання аміаку, одержання Пара пригнічує утворення сажі через такі реациклогексану, каталітичний реформінг вуглеводнів кції та виробництво аліл- або вінілхлориду, одержання Н 2 О+С^СО+Н 2 (3) скла або кераміки, кальцинування, ребойлінг рідин при дистиляції, ребойлінг або регулювання темпе2Н 2 О+С^СО 2 +2Н 2 (4) ратурної кривої при реактивній дистиляції Дюксид вуглецю та монооксид вуглецю зберіНа Фіг 4 робоча камера 8 розташовується у гають рівновагу при підвищеній температурі згідно каналах камери реакції окиснення, які обмежують з реакцією конверсії газів камери реакції окиснення 1, а канали, що обмежуСО+Н2О=СО2+Н2 (5) ють насадки 6, розташовуються у більшому каналі Якщо паливо є здебільшого метаном, молярне 5, паливо протікає усередині більшого каналу й співвідношення пари з метаном приблизно 1 1 є поза межами каналів, що обмежують камери реакдостатнім для пригнічення утворення сажі приблиції окиснення Паливні насадки 6 розташовуються зно до температури 1370°С В оптимальному варіу каналах, що відокремлюють паливо від камер анті молярні співвідношення пари з метаном лереакції окиснювання, і паливо протікає через нажать у межах від приблизно 1 1 до приблизно 2 1, садки в окиснювальні насадки Перевага цієї конякщо як супресант утворення сажі застосовують фігурації полягає у тому, що вимагається лише пару Молярне співвідношення діоксиду вуглецю з один великий канал для протікання палива метаном в оптимальному варіанті лежить у межах На Фіг 5 показано альтернативний варіант, у від приблизно 1 1 до приблизно 3 1, якщо як супякому, замість концентричних труб, канал подачі ресант утворення сажі застосовують дюксид вугпалива 5 та канал, що обмежує робочу камеру 8, лецю Паливо в оптимальному варіанті складаєтьрозташовуються у каналі, який обмежує камеру ся здебільшого з метану, оскільки метан є більш реакції окиснення 1 Ця конфігурація забезпечує термостійким, ніж ІНШІ легкі вуглеводні Супресант відносно велику площу перетину для протікання є бажаним також з тієї причини, що зменшує норму робочих газів Це потрібно для зниження витрат на згоряння й знижує максимальну температуру стиснення робочих газів, а також знижує витрати Потреба у супресанті утворення сажі може буна труби, оскільки у трубах з найбільшим діаметти усунута, якщо паливо не піддають значному ром тиск є найменшим попередньому нагріванню перед додаванням до На Фіг 6 показано альтернативний варіант, попотоку окиснювача, або якщо тривалість перебудібний до показаного на Фіг 5, з тією різницею, що вання будь-якого попередньо нагрітого палива є канал подачі палива 5 показано за межами каналу, достатньо короткою що обмежує камеру реакції окиснення 1 Насадки При запуску у холодному стані нагрівача згідно 6 являють собою трубчасте сполучення між каназ даним винаходом можуть застосовувати згорянлом подачі палива 5 та трубою, що обмежує каменя у полум'ї Первісне запалення може бути здійсру реакції окиснення 1 Перевага такого розташунене шляхом нагнітання пірофорного матеріалу, вання полягає у тому, що температуру палива електричного запальника, іскрового запальника можна швидше обмежити і відпадає потреба у або тимчасового вставлення запальника Нагрівач добавці, яка інгібує утворення нагару в оптимальному варіанті швидко доводять до темНа Фіг 7 показано розташування, подібне до ператури, за якої підтримується безполуменеве показаного на Фіг 5, з додатковою особливістю, згоряння, для зведення до мінімуму періоду часу, яка полягає утому, що потік у камері реакції окиспротягом якого існує полум'я Норма нагрівання нення розщеплюється, впуск 2 до камери реакції нагрівача, як правило, обмежується градієнтами окиснення розміщується ближче до середини довтемператури, які може витримувати нагрівам жини робочої камери 8 Потік із впуску розщеплюБезполуменеве згоряння, як правило, трапляється на потоки, що йдуть у кожному напрямку Ця ється тоді, коли реакція між потоком окиснювача розщеплювальна камера реакції окиснення дозвота паливом не обмежується змішуванням, і змішаляє забезпечити довший шлях протікання у робоний потік має температуру, вищу за температуру чій камері для відстані шляху протікання у камері самозаймання змішаного потоку Його здійснюють 14 13 50853 реакції окиснення і скорочує потік в камері реакції стиснення продукту (включаючи капітальні витрати окиснення ВДВІЧІ Таким чином, перепад тиску на компресори) Реакція є ендотермічною, і тому знижується приблизно з коефіцієнтом ВІСІМ для тих бажано здійснювати реакцію майже ізотермічно З самих розмірів шляху протікання Це може бути підвищенням температури зростає утворення невигідним через важливість витрат на стиснення у бажаних побічних продуктів (включаючи нагар), а економіці процесу Цей альтернативний варіант зі зниженням температури знижується вихідна може бути бажаним, якщо для процесу потрібно КІЛЬКІСТЬ продукту Таким чином, процес дегідрумати відносно довгий прямий шлях протікання В вання бажано здійснювати у майже ізотермічних іншому альтернативному варіанті канал подачі умовах Серед переваг, які дає забезпечення палива може бути розташований за межами камебільш рівномірної температури, можна відзначити ри реакції окиснення, як на Фіг 6 зменшення використання пари, роботу з вищою пропускною здатністю, підвищення вихідної КІЛЬКОНа Фіг 8 показано ще один альтернативний СТІ та вибірковості, зниження утворення нагару варіант з розщепленим потоком окиснювача У та/або підвищення робочого тиску Застосовувати цьому альтернативному варіанті окиснювач місданий винахід при дегідруванні етилбензолу до титься у внутрішній трубі, і впуск поділяє на три стиролу можна або як нагрівач, або як нагрівач частини потік, що йде у кожному напрямку перед нагрівачем, хоча оптимальним варіантом є На Фіг 9 показано варіант втілення даного визастосування даного винаходу як нагрівача з катанаходу, де застосовують камеру реакції окисненлізатором дегідрування принаймні у частині робоня, що має прямокутний переріз Робочі камери чої камери, яку нагрівають шляхом безполуменеявляють собою труби у кожусі Прямокутна камера вого згоряння реакції окиснення може бути достатньо великою для того, щоб містити значну КІЛЬКІСТЬ труб робоЯк піч для парового реформінгу, у даному вичої камери 8 Усі труби робочої камери можуть наході застосовують каталізовану робочу камеру бути паралельними, послідовними або являти содля перетворення вуглеводню та пари на водень, бою поєднання паралельних та послідовних Помонооксид вуглецю та дюксид вуглецю Ця реакція казано один шар труб робочої камери, хоча може є високоендотермічною, з високою температурою, бути передбачено багато шарів Якщо потік є хоча яка сприяє рівновазі водню та монооксиду вуглецю б частково послідовним, може існувати потреба у з вуглеводневих вихідних реакційних сумішей Для впусках та випусках на одному КІНЦІ, І, таким чиодержання водню шляхом парового реформінгу ном, вирішуються проблеми, викликані тепловим оптимальною вихідною реакційною сполукою є розширенням труб метан, але можна застосовувати й ІНШІ вуглеводні Чим більша молекулярна маса, тим більше ймовіЗастосовують і іншу конфігурацію теплообмінрність утворення нагару Таким чином, при застоників, таких як теплообмінники у вигляді гофровасуванні такої вихідної реакційної суміші, як лігроїн, ного листа на зразок описаних у патенті США № як правило, вимагається більше співвідношення 4,029,146, на який тут робиться посилання У разі пари з вуглецем Молярне співвідношення пари з теплообмінників у вигляді гофрованого листа або вуглецем, як правило, становить приблизно від паливний канал може бути вставлений у простір трьох до п'яти, просторова швидкість, як правило, для протікання окиснювача для належного розпоє дуже високою, становлячи від 5000 до 8000 год \ ділу палива, або може бути передбачена третя температура, як правило, становить приблизно від група струменів з насадками між просторами для 800 до 870°С, а тиск, як правило, становить припотоку палива та потоку окиснювача близно від 2 до 2,5МПа Висока температура Камери реакції окиснення можуть бути вертисприяє рівновазі водню з метаном, і вихідна чистокальні, горизонтальні або нахилені, але в оптимата водню для нагрівача, як правило, має бути прильному варіанті є вертикальними, якщо робоча наймні такою, яка забезпечувала б рівновагу при камера містить нерухомий шар каталізатора температурі до 25°F вихідної температури нагріваРобочий нагрівач даного винаходу можуть зача Каталізатор є каталізатором на основі нікелю і стосовувати при одержанні стиролу при дегідруможе містити калій для інгібування утворення наванні етилбензолу до вшілбензолу (стиролу) над гару каталізатором, таким як активований оксид заліза оксид калію Це дегідрування можуть здійснювати, Одержання водню шляхом парового реформінаприклад, при температурі від 550°С до 680°С і нгу, крім того, здійснюють за допомогою вторинної тиску у межах від чотирьох до приблизно 20кПа до установки для реформінгу для одержання, напри140кПа До етилбензольної вихідної реакційної клад, метанолу або аміаку суміші додають пару для зниження парціального Застосування даного винаходу в установці для тиску вуглеводнів (таким чином, поліпшуючи співпарового реформінгу може в результаті дати підвідношення рівноваги продуктів), для зменшення вищення середньої температури при фіксованій зниження температури, діючи як відведення тепла, максимальній температурі реакційної камери зазавдяки ендотермічній реакції, та для зменшення вдяки рівномірному розподілу тепла в результаті утворення нагару у ході реакції води з газом БІрозподіленого згоряння Таким чином, може бути ЛЬШІСТЬ каталізаторів потребують пари до молярабо знижена витрата пари, або збільшений обсяг ного співвідношення вуглеводнів приблизно від перетворення при однаковій температурі зовнішсеми до десяти Об'ємна швидкість рідкого продуньої обшивки труби кту на основі подачі рідини, як правило, становить Якщо даний винахід застосовують у нагрівачі 1 приблизно від 0,4 до 0,5 год Низький тиск потрідля термічного крекінгу вуглеводнів до олефінових бен з міркувань стабільності вихідної КІЛЬКОСТІ та продуктів, застосовують температуру реакції у каталізатора, але високий тиск знижує витрати на межах від 775 до 950°С і тривалість процесу від 16 15 50853 0,1 до 0,8 секунд Температура реакції великою середнього контакту, наприклад, з потоком газоймірою залежить від конкретної вуглеводневої вихілю, або непрямо, шляхом теплообміну дної реакційної суміші та від тривалості процесу Непрямому охолодженню віддають перевагу, оскіЛегкі ВИХІДНІ реакційні суміші, такі, як етан, обробльки енергія може бути використана на більш ляють при високих температурах і високих обсягах ефективному рівні перетворення Важкі ВИХІДНІ реакційні суміші, такі Даний винахід можна застосовувати, наприяк газойлі, вимагають нижчої температури, оскільклад, у ребойлері дистиляційної колони або у наки вони є більш схильними до утворення нагару та грівачі вихідної реакційної суміші для одноразової інших небажаних побічних продуктів В оптимальвакуумної рівноважної дистиляції Ці приклади ному варіанті тривалість процесу становить призастосування часто включають нагрівання вуглеблизно від 0,1 до 0,15 секунд Для стримування воднів до температур, які обмежуються схильністю відкладання нагару і зниження парціального тиску вуглеводнів до утворення нагару, і даний винахід в вуглеводнів у нагрівач для вуглеводневої вихідної результаті забезпечує більш рівномірну передачу реакційної суміші подають розріджуючу пару Потік теплоти до вуглеводневого потоку і, таким чином, нагрівача в оптимальному варіанті швидко охолознижує максимальну температуру вуглеводнів у джують, оскільки вибірковість олефіну знижується нагрівачі Крім того, слід відзначити й переваги, побічними реакціями Охолодження після реакційпов'язані зі зниженням утворення NOX ної камери може відбуватися або шляхом безпо а. 13 14 10' 1 8 1 1 \ / V Фіг1 Фіг.2 1 2 А L V 50853 17 Фіг.6 18 Фіг 9 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71