(57)【要約】  燃料を燃焼させ、それから放出された熱をプロセス流体に伝達するための四管加熱システム。この加熱システムは燃料導入ゾーンと燃焼ゾーンと酸化剤導入ゾーンとプロセス流体ゾーンとを含み、燃料導入ゾーンは燃料を燃焼ゾーンに導入する燃料導入手段により形成され、燃焼ゾーンは、燃料導入手段の外部にあって燃料導入手段を包囲する反応管により形成され、酸化剤導入ゾーンは、反応管の外部にあって該反応管を包囲する酸化剤導入管により形成され、プロセス流体ゾーンは、酸化剤管の外部にあって該酸化剤管を包囲するプロセス管により形成される。
2008532749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料導入ゾーンを形成する燃料管長さ及び燃料管壁を有する燃料管であって、前記燃料管は末端部と、燃料を前記燃料導入ゾーンに導入するための燃料入口端部とを含み、前記燃料管長さに沿って間隔を置いて配置された複数の孔が前記管壁を貫通している前記燃料管と；
反応管長さを有すると共に前記燃料管長さに沿って燃焼ゾーンを形成するように前記燃料管の外部にて該燃料管を包囲するように配置された反応管であって、前記反応管は予熱された酸化剤を前記燃焼ゾーンに受け入れるための反応管入口端部と、燃焼排気を前記燃焼ゾーンから放出するための排気端部とを有し、前記間隔を置いて配置された複数の孔が前記燃料導入ゾーンと前記燃焼ゾーンとの間で流体の流通を可能にする前記反応管と；
酸化剤導入管長さを有すると共に前記反応管長さに沿って酸化剤導入ゾーンを形成するように前記反応管の外部にて該反応管を包囲して配置された酸化剤導入管であって、前記酸化剤導入管は酸化剤を前記酸化剤導入ゾーンに導入するための酸化剤導入管入口端部と、前記酸化剤導入ゾーンから前記予熱された酸化剤を、前記反応管入口端部に流体が流通可能な前記酸化剤導入管出口端部を通って前記燃焼ゾーンに放出するための酸化剤導入管出口端部とを有し、前記酸化剤導入ゾーンが前記燃焼ゾーンと熱交換関係にある前記酸化剤導入管と；
前記酸化剤導入管の前記酸化剤導入管長さに沿ってプロセス流体ゾーンを形成するように前記酸化剤導入管の外部にて該酸化剤導入管を包囲して配置されたプロセス管であって、前記プロセス管はプロセス流体を前記プロセス流体ゾーンに導入するためのプロセス流体入口端部と、加熱されたプロセス流体を前記プロセス流体ゾーンから放出するためのプロセス流体出口端部とを有し、前記プロセス流体ゾーンが前記燃焼ゾーンと熱交換関係にある前記プロセス管と；
を備えるプロセスシステム。
【請求項２】
前記間隔を置いて配置された複数の孔が、前記燃料管長さに沿って間隔を置いて配置され、該孔のサイズは、前記燃料の前記増分が前記予熱された酸化剤と混合されるとき、混合率により制限されない燃焼が生じるような燃焼混合物が形成されるように、前記燃料の増分を前記燃焼ゾーン内で前記予熱された酸化剤に導入できるようなサイズである、請求項１に記載のプロセスシステム。
【請求項３】
前記酸化剤導入ゾーンと前記燃焼ゾーンとの間での前記熱交換関係により前記酸化剤が加熱されて前記予熱された酸化剤を生じる、請求項１又は２に記載のプロセスシステム。
【請求項４】
前記プロセス流体ゾーンと前記燃焼ゾーンとの間での前記熱交換関係により前記プロセス流体が加熱されて前記加熱されたプロセス流体を生じる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプロセスシステム。
【請求項５】
前記燃焼混合物が前記燃焼混合物の自己発火温度を超える燃焼混合物温度を有するように、前記酸化剤導入ゾーンと前記燃焼ゾーンとの間での前記熱交換関係により前記予熱された酸化剤の予熱酸化剤温度が更に得られる、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプロセスシステム。
【請求項６】
前記酸化剤導入ゾーンがさらに酸化剤導入ゾーンの形状を特徴とし、前記燃料導入ゾーンがさらに燃料導入ゾーンの形状を特徴とし、前記燃料導入ゾーンの形状及び前記酸化剤導入ゾーンの形状が、前記燃焼中に火炎が形成しないような燃料速度及び予熱酸化剤速度が得られるような形状である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプロセスシステム。
【請求項７】
燃料を燃焼すると共にプロセス流体を直接加熱するための四管直接加熱システムであって、前記システムが、
燃料導入ゾーンと燃焼ゾーンと酸化剤導入ゾーンとプロセス流体ゾーンとを同心関係にて備え、前記燃料導入ゾーンが燃料を前記燃焼ゾーンに導入するための燃料導入手段により形成され、前記燃焼ゾーンは前記燃料導入手段の外部にて該燃料導入手段を包囲する反応管により形成され、前記酸化剤導入ゾーンは前記反応管の外部にて該反応管を包囲する酸化剤導入管により形成され、前記プロセス流体ゾーンが前記酸化剤管の外部にて該酸化剤管を包囲するプロセス管により形成される前記システム。
【請求項８】
前記燃料導入手段が燃料管を含み、該燃料管が前記燃料導入ゾーンを形成する燃料管長さ及び燃料管壁を有し、前記燃料管が末端部と、燃料を前記燃料導入ゾーンに導入するための燃料入口端部とを含み、前記燃料管長さに沿って間隔を置いて配置された複数の孔が前記管壁を貫通し、前記燃料導入ゾーンと前記燃焼ゾーンとの間での流体の流通を可能にする、請求項７に記載の四管直接加熱システム。
【請求項９】
前記反応管が反応管長さを有すると共に、予熱された酸化剤を前記燃焼ゾーンに受け入れるための反応管入口端部と、燃焼排気を前記燃焼ゾーンから放出するための排気端部とを備える、請求項７又は８に記載の四管直接加熱システム。
【請求項１０】
前記酸化剤導入管が酸化剤導入管長さを有すると共に、酸化剤を前記酸化剤導入ゾーンに導入するための酸化剤導入管入口端部と、前記酸化剤導入ゾーンから前記予熱された酸化剤を、前記反応管入口端部に流体が流通可能な前記酸化剤導入管出口端部を通って前記燃焼ゾーンに放出するための酸化剤導入管出口端部とを備え、前記酸化剤導入ゾーンが前記燃焼ゾーンと熱交換関係にある、請求項７〜９のいずれか一項に記載の四管直接加熱システム。
【請求項１１】
前記プロセス管がプロセス流体を前記プロセス流体ゾーンに導入するためのプロセス流体入口端部と、加熱されたプロセス流体を前記プロセス流体ゾーンから放出するためのプロセス流体出口端部とを備え、前記プロセス流体ゾーンが前記燃焼ゾーンと熱交換関係にある、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の四管直接加熱システム。
【請求項１２】
燃料導入ゾーンを形成するような燃料管長さ及び燃料管壁を有する燃料管に燃料を導入し、前記燃料管は末端部と、前記燃料を前記燃料導入ゾーンに導入するための燃料入口端部とを備え、前記長さに沿って間隔を開けて配置された複数の孔が前記管壁を貫通しており；
反応管長さを有すると共に前記燃料管長さに沿って燃焼ゾーンを形成するように前記燃料管の外部にて該燃料管を包囲して配置された反応管に予熱された酸化剤を導入し、前記反応管は前記予熱された酸化剤を前記燃焼ゾーンに受け入れるための反応管入口端部と、燃焼排気を前記燃焼ゾーンから放出するための排気端部とを有し、前記間隔を置いて配置された複数の孔により前記燃料導入ゾーンと前記燃焼ゾーンとの間で流体が流通でき；
酸化剤導入管長さを有すると共に前記反応管長さに沿って酸化剤導入ゾーンを形成するように前記反応管の外部にて該反応管を包囲して配置された酸化剤導入管に酸化剤を導入し、前記酸化剤導入管は前記酸化剤を前記酸化剤導入ゾーンに導入するための酸化剤導入管入口端部と、前記酸化剤導入ゾーンから前記予熱された酸化剤を、前記反応管入口端部に流体が流通可能な前記酸化剤導入管出口端部を通って前記燃焼ゾーンに放出するための酸化剤導入管出口端部とを有し、前記酸化剤導入ゾーンが前記燃焼ゾーンと熱交換関係にあり；
前記酸化剤導入管に沿ってプロセス流体ゾーンを形成するように前記酸化剤導入管の外部にて該酸化剤導入管を包囲して配置されたプロセス管にプロセス流体を導入し、前記プロセス管は前記プロセス流体を前記プロセス流体ゾーンに導入するためのプロセス流体入口端部と、加熱されたプロセス流体を前記プロセス流体ゾーンから放出するためのプロセス流体出口端部とを有し、前記プロセス流体ゾーンは前記燃焼ゾーンと熱交換関係にあり；
前記加熱されたプロセス流体を前記プロセス流体ゾーンから放出し；そして
前記燃焼排気を前記燃焼ゾーンから放出する；
ことからなる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は２００５年３月１０日出願の米国仮出願第６０／６６０，４４７号の利益を主張すると共にこれを参考のためここに組み入れる。
本発明は燃料の燃焼とプロセス流体の加熱のための伝熱システムに関する。別の面では、本発明は燃料を無炎燃焼させてプロセスで用いられるプロセス流体を直接加熱するための伝熱システムの使用法に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第４，６９２，３０６号には、環状反応室が対流室を包囲し、対流室がバーナー室を包囲している同心管型触媒反応装置が開示されている。バーナー室内には、熱を放出して反応室に伝達するための放射熱源を提供するバーナーアセンブリがある。
【０００３】
ＥＰ０４５０８７２Ｂ１には数種類の反応装置が開示されており、そのうちの一つは長さに沿って間隔を置いて穴が開けられている燃料管を燃焼管が包囲している。燃料は燃料管とその穴を介して燃料管と燃焼管との間の環状部に供給され、空気と混合されて点火して熱を放出し、この熱が燃焼管を包囲している触媒床を加熱するのに用いられる。
【０００４】
米国特許第５，２５５，７４２号には、無炎燃焼装置を用いて地下層を加熱する方法が開示されている。この装置は複数の開口部を備えた燃料ガス導管を有する。燃料ガス導管は燃焼空気導管内の中心に置かれ、燃料ガス導管と燃焼空気導管との間に第１環状部を形成する。開口部によって燃料ガス導管と第１環状部との間で流体が移動できる。燃焼空気導管は井戸穴ケーシング内の中心に置かれ、燃焼空気導管と井戸穴ケーシングとの間で第２環状部を形成する。燃料ガスは燃料ガス導管の開口部を介して第１環状部に導入され、空気と混合して第１環状部内で燃焼する。燃焼空気導管により形成された第１環状部は、燃焼空気導管と井戸穴ケーシングとの間の第２環状部と連通している。この連通によって燃焼ガスの流路が得られ、燃焼ガスが第２環状部に導入され第２環状部を進んで表面まで達することで、地下層に伝達される熱が与えられる。
【０００５】
米国公開第２００３／０１８２８５８号には、無炎分散型燃焼装置を利用することによってプロセス流体に制御された熱を与える方法が記載されている。この装置は燃料導管を含み、その長さに沿って複数の燃料ノズルが分散し、周囲には酸化室を有する。燃料導管を包囲する導管が酸化室を形成する。更にこの装置は酸化室を包囲するプロセス室を含む。燃料ノズルは燃料導管内から酸化室への連通を与え、酸化室にて酸化剤と燃料とが混合され燃料が燃焼する。燃焼により放出された熱はプロセス室に伝達される。
【特許文献１】米国特許第４，６９２，３０６号
【特許文献２】ＥＰ０４５０８７２Ｂ１
【特許文献３】米国特許第５，２５５，７４２号
【特許文献４】米国公開第２００３／０１８２８５８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、燃料を燃焼させると共に、該燃焼から放出される熱をプロセス流体に直接伝達することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
したがって、燃料導入ゾーンと燃焼ゾーンと酸化剤導入ゾーンとプロセス流体ゾーンとを同心関係にて有するプロセスシステムが提供され、前記燃料導入ゾーンは燃料を前記燃焼ゾーンに導入する燃料導入手段により形成され、燃焼ゾーンは、前記燃料導入手段の外部にあって該燃料導入手段を包囲する反応管により形成され、前記酸化剤導入ゾーンは、前記反応管の外部にあって該反応管を包囲する酸化剤管により形成され、前記プロセス流体ゾーンは、前記酸化剤管の外部にあって該酸化剤管を包囲するプロセス管により形成される。
【０００８】
本発明の別の態様は、燃料導入ゾーンを形成する燃料管長さ及び燃料管壁を有する燃料管であって、前記燃料管は末端部と、燃料を前記燃料導入ゾーンに導入するための燃料入口端部とを含み、前記燃料管長さに沿って間隔を置いて配置された複数の孔が前記管壁を貫通している前記燃料管と；
反応管長さを有すると共に前記燃料管長さに沿って燃焼ゾーンを形成するように前記燃料管の外部にて該燃料管を包囲するように配置された反応管であって、前記反応管は予熱された酸化剤を前記燃焼ゾーンに受け入れるための反応管入口端部と、燃焼排気を前記燃焼ゾーンから放出するための排気端部とを有し、前記間隔を置いて配置された複数の孔が前記燃料導入ゾーンと前記燃焼ゾーンとの間で流体の流通を可能にする前記反応管と；
酸化剤導入管長さを有すると共に前記反応管長さに沿って酸化剤導入ゾーンを形成するように前記反応管の外部にて該反応管を包囲して配置された酸化剤導入管であって、前記酸化剤導入管は酸化剤を前記酸化剤導入ゾーンに導入するための酸化剤導入管入口端部と、前記酸化剤導入ゾーンから前記予熱された酸化剤を、前記反応管入口端部に流体が流通可能な前記酸化剤導入管出口端部を通って前記燃焼ゾーンに放出するための酸化剤導入管出口端部とを有し、前記酸化剤導入ゾーンが前記燃焼ゾーンと熱交換関係にある前記酸化剤導入管と；
前記酸化剤導入管に沿ってプロセス流体ゾーンを形成するように前記酸化剤導入管の外部にて該酸化剤導入管を包囲して配置されたプロセス管であって、前記プロセス管はプロセス流体を前記プロセス流体ゾーンに導入するためのプロセス流体入口端部と、加熱されたプロセス流体を前記プロセス流体ゾーンから放出するためのプロセス流体出口端部とを有し、前記プロセス流体ゾーンが前記燃焼ゾーンと熱交換関係にある前記プロセス管と；
を備えるプロセスシステムである。
【０００９】
本発明の別の態様は、燃料導入ゾーンを形成するような燃料管長さ及び燃料管壁を有する燃料管に燃料を導入し、前記燃料管は末端部と、前記燃料を前記燃料導入ゾーンに導入するための燃料入口端部とを備え、前記長さに沿って間隔を開けて配置された複数の孔が前記管壁を貫通しており；
反応管長さを有すると共に前記燃料管長さに沿って燃焼ゾーンを形成するように前記燃料管の外部にて該燃料管を包囲して配置された反応管に予熱された酸化剤を導入し、前記反応管は前記予熱された酸化剤を前記燃焼ゾーンに受け入れるための反応管入口端部と、燃焼排気を前記燃焼ゾーンから放出するための排気端部とを有し、前記間隔を置いて配置された複数の孔により前記燃料導入ゾーンと前記燃焼ゾーンとの間で流体が流通でき；
酸化剤導入管長さを有すると共に前記反応管長さに沿って酸化剤導入ゾーンを形成するように前記反応管の外部にて該反応管を包囲して配置された酸化剤導入管に酸化剤を導入し、前記酸化剤導入管は前記酸化剤を前記酸化剤導入ゾーンに導入するための酸化剤導入管入口端部と、前記酸化剤導入ゾーンから前記予熱された酸化剤を、前記反応管入口端部に流体が流通可能な前記酸化剤導入管出口端部を通って前記燃焼ゾーンに放出するための酸化剤導入管出口端部とを有し、前記酸化剤導入ゾーンが前記燃焼ゾーンと熱交換関係にあり；
前記酸化剤導入管に沿ってプロセス流体ゾーンを形成するように前記酸化剤導入管の外部にて該酸化剤導入管を包囲して配置されたプロセス管にプロセス流体を導入し、前記プロセス管は前記プロセス流体を前記プロセス流体ゾーンに導入するためのプロセス流体入口端部と、加熱されたプロセス流体を前記プロセス流体ゾーンから放出するためのプロセス流体出口端部とを有し、前記プロセス流体ゾーンは前記燃焼ゾーンと熱交換関係にあり；
前記加熱されたプロセス流体を前記プロセス流体ゾーンから放出し；そして
前記燃焼排気を前記燃焼ゾーンから放出する；
ことからなる方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は燃料の燃焼、好ましくは無炎燃焼により放出される熱エネルギーをプロセス流体に直接伝達する際に使用できる伝熱システム又は装置を提供する。この伝熱システムは考えられうる多くの使用法と用途があるが、特にこの明細書に詳細に記載のもののような直接加熱システムは、エチルベンゼンを脱水素してスチレン生成物を作るプロセスのような吸熱脱水素プロセスにおいて特に有利である。例えば、本発明の直接加熱システムは、燃料管に沿って燃料が一様に燃焼するように燃料を燃料管を介して燃焼ゾーンに制御された速度で導入できる。この一様な燃焼により、燃料管に沿って一様な温度プロフィールが得られる。この燃焼によって、燃焼ゾーンの全体において制御された温度プロフィールが得られる。実現できる利点としては、限定するものではないが、水蒸気の使用量の削減、より大きな処理量での運転、収率と選択性の向上、コークス形成の抑制、及び動作圧力の増大が挙げられる。
【００１１】
直接加熱システムはまた、燃料のいわゆる無炎燃焼を行なって放出された熱をプロセス流体に伝達することもできる。燃料の無炎燃焼に伴った火炎が存在しないので、従来の燃焼式ヒーターで見られるような従来の燃焼及び熱伝達装置で観測される火炎温度に比較して、酸化反応（すなわち無炎燃焼）が相対的に低い温度で起こる。燃料の無炎酸化温度は燃焼させる燃料に依存して変わり得るが、従来の燃料の燃焼で観測される火炎温度が一般に１６５０℃を超え得るのとは対照的に、燃料の無炎酸化温度は一般には約６００℃〜約１１００℃又は約７５０℃〜約１０５０℃の範囲にある。
【００１２】
本発明の直接加熱システムはまた、従来の加熱システムよりも優れた伝熱効率が得られるように、加熱されるプロセス流に熱伝達を行なうことができる。本発明の特徴の一つは、燃料の燃焼が中で生じる反応管の外面とプロセス流体とが近接するようにプロセス流の直接加熱を行なうことである。プロセス流はプロセススリーブ（又はプロセス導管又はプロセス管）に入れられ、このプロセス管は、反応管を包囲している酸化剤導入管を包囲してプロセス流体ゾーンを提供する。このプロセス流体ゾーンは酸化剤導入管を包囲しているプロセス管によって形成されるプロセス環状部とし得る。プロセススリーブと対流及び放射の両方の熱伝達を行い、このプロセススリーブが反応管表面又は酸化剤導入管表面の熱放射面に対する第２の熱放射面を提供することによって、プロセス流体への熱伝達が最大化される。
【００１３】
図１には、伝熱システム１０の要素の断面図が示されている。伝熱システム１０は、燃料管又は燃料導入管１２と、反応管１４（燃料管１２の外部にあり該燃料管１２を包囲している）と、酸化剤管又は酸化剤導入管１６（反応管１４の外部にあり該反応管１４を包囲している）と、プロセス管１８（酸化剤管１６の外部にあり該酸化剤管１６を包囲している）とを含んだ四管システムである。四管システムのこれらの管は、導管に適するならばどんな形状を有してもよい。代表的な態様では、伝熱システム１０のこれらの管は適当な市販のパイプストック又は正方形若しくは長方形のチューブストックから製造できる。例えば、これらの管はＡＮＳＩ／ＡＳＭＥ  Ｂ３６．１０Ｍ規格、欧州ＤＩＮ２４４８規格、又は他の規格に基づいた標準パイプとし得る。限定するものではないが、適当な標準パイプの例として、ＡＮＳＩ／ＡＳＭＥ  Ｂ３６．１０Ｍ規格により規定された３／４インチのスケジュール４０パイプ（ＤＩＮ２４４８規格により規定されたＤＮ２０）〔これは燃料管１２に使用可能〕；ＡＮＳＩ／ＡＳＭＥ  Ｂ３６．１０Ｍ規格により規定された３．５インチのスケジュール４０パイプ（ＤＩＮ２４４８規格により規定されたＤＮ９０）〔これは反応管１４として使用可能〕；及びＡＮＳＩ／ＡＳＭＥ  Ｂ３６．１０Ｍ規格により規定された５インチのスケジュール４０パイプ（ＤＩＮ２４４８規格により規定されたＤＮ１２５）〔これは酸化剤管１６に使用可能〕が挙げられる。プロセス管１８は、酸化剤管１６を包囲するプロセススリーブとして機能するパイプとしてもよく、あるいは燃料管１２と反応管１４と酸化剤管１６との三管の組み合わせを複数有するアセンブリ又はバンドルを取り囲むシェル（図示せず）を使用してもよい。
【００１４】
上記リストアップした標準パイプは例として挙げられたものであり、スケジュール８０及びそれ以上又は以下のスケジュールのパイプを含めて、任意の適当なパイプを伝熱システム１０の管に使用できる。適切に使用できるパイプのサイズは１３ｍｍ（１／２インチ）〜３００ｍｍ（１２インチ）の範囲であり、管バンドルの場合には、プロセスシェルの直径は、３０５ｃｍ（１０フィート）以下、４６０ｃｍ（１５フィート）以下、又は６１０ｃｍ（２０フィート）以下あるいはそれより大とし得る。
【００１５】
燃料管１２は燃料入口端部２０から末端部２２まで延びる燃料管長さを有し、さらに燃料管１２は燃料管壁２４を有する。同時に、燃料管壁２４と燃料管長さとが燃料導入ゾーン２６を形成し、この燃料導入ゾーン２６は燃料管１２の燃料管長さの少なくとも一部にわたって延びる。燃料管１２は燃料を燃焼ゾーン３０に導入するための手段を更に提供する。燃料は燃料入口端部２０から燃料導入ゾーン２６に導入され、この燃料入口端部２０が燃料を燃料導入ゾーン２６に導入する手段を提供する。燃焼ゾーン３０は燃料管１２と反応管１４との間に形成された導管であり、すなわち、燃料管１２の外部にあって該燃料管を包囲して配置されている反応管１４により形成される。燃料管１２は燃料管壁２４に形成された複数の孔３２を更に含んでもよい。
【００１６】
これらの孔３２は燃料管１２の長さの一部に沿って軸方向に間隔を置いて配置され、燃料導入ゾーン２６と燃焼ゾーン３０との間で流体の流通を可能にする。伝熱システム１０が使用されているとき、孔３２は、燃料導入ゾーン２６内からの燃料を、燃焼ゾーン３０を進んできた予熱酸化剤中に導入する導管として機能する。
【００１７】
これらの孔の間隔、方向及び大きさは、予熱された酸化剤と燃料とが迅速かつ完全に混合するような速度及び量の増分にて燃料を燃料導入ゾーン２６から燃焼ゾーン３０に導入するように設定される。迅速かつ完全な混合のお陰で、予熱された酸化剤と燃料との酸化反応が混合速度により制限されない。よって、一般に、燃料管１２により形成される燃料導入ゾーン２６の形状と、反応管１４により形成される燃焼ゾーン３０の形状との組み合わせにより、２つの流体の迅速かつ完全な所望の混合を与える燃料の速度と予熱酸化剤の速度とが得られる。燃料管導入ゾーン２６の形状は、燃料管の長さ、燃料管の直径、並びに燃料管１２の孔の数、間隔、方向及び大きさなどの特徴を有する。燃焼ゾーン３０の形状はその反応管の直径及び長さなどの特徴を有する。
【００１８】
上述したように、これらの孔３２は燃料管１２の長さに沿って軸方向に間隔を置いて配置され、また、これらの孔３２は燃料管１２の長さに沿って夫々のラジアル平面内にて異なる方向に配置されてもよい。例えば、孔３２の位置は燃料管１２の長さに沿ってラジアル平面内で１８０°ずれて互い違いに配置してもよく、あるいは１２０°又は９０°等々ずらしていって配置してもよい。したがって、燃料管１２における孔の位置は、ラジアル平面内での孔の方向が燃料管１２の長さに沿ってずれていき、その方向が０°から３６０°まで、又は３０°から１８０°まで変わるように設定できる。しかしながら、孔の方向は燃料管１２の長さに沿って約６０°から１２０°までずらしていくのが好ましい。燃料管１２の長さに沿って延びる燃焼ゾーン３０を形成するように、反応管１４は反応管長さを有すると共に、上述したように燃料管１２の外部に配置されて該燃料管１２を包囲する。
【００１９】
反応管１４の反応管長さは反応管入口端部３４から排気端部３６まで延びる。酸化剤管１６は酸化剤管長さを有し、反応管１４の長さに沿って酸化剤導入ゾーン４０を形成するように反応管１４の外部に配置されて該反応管１４を包囲する。酸化剤導入ゾーン４０は反応管１４と酸化剤管１６との間に形成された導管であり、上述したように酸化剤管１６が反応管１４の外部に配置されて該反応管を包囲することで形成される。酸化剤管長さは酸化剤導入管入口端部４２から酸化剤導入管出口端部４４まで延びる。
【００２０】
伝熱システム１０の特徴は、酸化剤導入ゾーン４０と燃焼ゾーン３０との間で熱交換関係が得られるように酸化剤導入ゾーン４０が構成されることである。伝熱システム１０の運転中、酸化剤は酸化剤導入管入口端部４２から酸化剤導入ゾーン４０に導入され、この酸化剤導入管入口端部４２が酸化剤を酸化剤導入ゾーン４０に導入する手段を提供する。酸化剤は酸化剤導入ゾーン４０を進行すると共に燃焼ゾーン３０からの熱伝達によって熱エネルギーを吸収することで、予熱された酸化剤が得られる。くねくね曲がった矢印４６は燃焼ゾーン３０から熱エネルギーが酸化剤導入ゾーン４０を通る酸化剤に伝達されるのを示す。予熱された酸化剤は酸化剤導入ゾーン４０から酸化剤導入管出口端部４４を通って放出され、反応管入口端部３４から燃焼ゾーン３０に導入される。酸化剤導入管出口端部４４は予熱された酸化剤を酸化剤導入ゾーン４０から酸化剤導入管出口端部４４を通って燃焼ゾーン３０に放出するための手段を提供し、この酸化剤導入管出口端部４４は反応管入口端部３４に流体が流通できるようになっている。反応管入口端部３４は予熱された酸化剤を燃焼ゾーン３０に受け入れるための手段を提供する。伝熱システム１０において酸化剤及び／又は燃料を予熱することにより、設備投資を削減できる。１つ以上の流れから熱を回収するか又は伝熱システム１０の外部の１つ以上の流れに熱を与えるのに必要となり得る補助熱交換器が、より低コストの材料の使用を含めて様々に設計できるが、必ずしも必須でない。
【００２１】
孔３２から燃焼ゾーン３０に導入される燃料と予熱された酸化剤との増分が燃焼ゾーン３０内で密接に混合されて燃焼混合物を形成する。さらに、燃焼ゾーン３０内で燃焼混合物の燃焼が起こって熱が放出される。燃焼混合物の自己発火温度を超える燃焼混合物温度を有する燃焼混合物を形成するように予熱された酸化剤を混合することによって、燃焼ゾーン３０の一部で燃料の無炎燃焼が起こる。よって、燃焼混合物の自己発火温度を超える上記の燃焼混合物温度を提供するのに十分高い予熱酸化剤温度を有する予熱酸化剤を、燃焼ゾーン３０と酸化剤導入ゾーン４０との間での熱交換関係によって提供するように、伝熱システム１０が構成される。
【００２２】
一般に、伝熱システム１０の運転で使用するために燃料が選択され、該燃料を含んだ燃焼混合物の自己発火温度は、４００℃（７５２°Ｆ）〜１５００℃（２７３２°Ｆ）、又は５００℃（９３２°Ｆ）〜１４００℃（２５５２°Ｆ）、より一般的には６００℃（１１１２°Ｆ）〜１３５０℃（２４６２°Ｆ）、最も一般的には７００℃（１２９２°Ｆ）〜１３００℃（２３７２°Ｆ）の範囲にある。
【００２３】
酸化剤と燃料とが伝熱システム１０に導入される温度は、周囲温度に近い温度を含めて広範囲の温度をとり得る。酸化剤と燃料はまた、伝熱システムへの導入の前に周囲温度より上に加熱し得る。よって、酸化剤導入管入口端部４２から伝熱システム１０に導入される酸化剤の温度は、約−３０℃（−２２°Ｆ）〜約２０００℃（３６３２°Ｆ）又は約−１０℃（１４°Ｆ）〜約１２００℃（２１９２°Ｆ）又は約−１０℃（１４°Ｆ）〜約４００℃（７５２°Ｆ）の範囲とし得る。伝熱システムに導入される酸化剤の温度は、−３０℃以上、−２０℃以上、−１０℃以上、又は０℃以上の温度とし得る。伝熱システムに導入される酸化剤の温度は、３０００℃以下、２０００℃以下、１２００℃以下、又は１０００℃以下とし得る。ある態様では、伝熱システム１０の酸化剤導入ゾーン端部４０に酸化剤を導入する前に該酸化剤を予熱することもできる。
【００２４】
酸化剤導入ゾーン４０及び燃料導入ゾーン２６の形状は、燃焼混合物の燃焼中に火炎の形成が起こらないように、燃焼ゾーン３０に入って該燃焼ゾーン３０を通る予熱された酸化剤の速度及び燃料の速度を提供できるような形状である。燃焼排気ガスは燃焼ゾーン３０から排気端部３６を通って進み、この排気端部３６が、燃焼ゾーン３０からの燃焼排気を放出する手段を提供する。
【００２５】
酸化剤導入管１６の長さの少なくとも一部に沿ってプロセス流体ゾーン５０を形成するように、プロセス管１８が酸化剤管１６の外部に配置されて該酸化剤管１６を包囲している。プロセス管１８はプロセス流体入口端部５２からプロセス流体出口端部５４まで延びる長さを有する。プロセス流体入口端部５２はプロセス流体をプロセス流体ゾーン５０に導入するための手段を提供し、プロセス流体出口端部５４は加熱されたプロセス流体をプロセス流体ゾーン５０から放出するための手段を提供する。
【００２６】
本発明の伝熱システム１０の特徴は、プロセス流体ゾーン５０が燃焼ゾーン３０と熱交換関係にあるようにプロセス流体ゾーン５０が構成されることであり、又はプロセス流体ゾーン５０が酸化剤導入ゾーン４０と熱交換関係にあり、酸化剤導入ゾーン４０が燃焼ゾーン３０と熱交換関係にあるように構成されることである。この熱交換関係により熱エネルギーがプロセス流体ゾーン５０に伝達され、プロセス流体ゾーン５０を通っているプロセス流体が加熱される。くねくね曲がった矢印４６は、燃焼ゾーン３０から又は酸化剤導入ゾーン４０から又は燃焼ゾーン３０と酸化剤導入ゾーン４０の両方から、プロセス流体ゾーン５０を通っているプロセス流体への熱エネルギーの流れを示す。
【００２７】
酸化剤導入管出口端部４４には蓋５６が設けられ、この蓋５６は、流体に関してプロセス流体ゾーン５０を酸化剤導入ゾーン４０、燃焼ゾーン３０、及び燃料導入ゾーン２６から隔離するための手段を提供する。図１に示されるように、燃料管１２の末端部２２は蓋５６まで延び、該蓋５６に固定して取り付けられているが、これは伝熱システムにおける任意の特徴である。燃料管１２の末端部２２は、反応管１４により形成される燃焼ゾーン３０内から蓋５６までの任意の地点まで延びてその地点に端があってもよい。反応管入口端部３４の端は、酸化剤導入管出口端部４４と反応管入口端部３４との間で流体が流通できるように蓋５６から距離を置いた地点にある。
【００２８】
図２は燃料管１２の末端部２２が蓋５６まで延びていない伝熱システム１０の態様を示す。図２では、燃料管１２の末端部２２は酸化剤導入ゾーン４０内の地点まで延びてその地点に端がある。蓋５６に固定されていない燃料管は、熱膨張により膨張及び／又は収縮することができ、他のいずれかの管に有害な機械的影響を与えない。加えて、酸化剤導入管１６は熱膨張により膨張及び／又は収縮することができ、燃料管に有害な機械的影響を与えない。
【００２９】
伝熱システム１０は、ここで詳細に説明した四管加熱装置を使用してプロセス流体を直接加熱する利点を利用する任意の用途において使用できるよう構成し得る。そのような用途の一つが、加熱されたプロセス流体を脱水素化プロセスの条件下で脱水素化触媒と接触させて脱水素化生成物を得る脱水素化プロセスにおけるプロセス流体の加熱である。この伝熱システムの利点を生産的又は適切に利用できる他のプロセスとしては、水蒸気改質やオレフィンクラッキングが挙げられる。
【００３０】
例えば、酸化剤導入ゾーン４０に導入される酸化剤の温度、プロセス流体ゾーン５０に導入されるプロセス流体の温度、加熱されるプロセス流体の所望の温度、及び燃料導入ゾーン２６に導入される燃料の組成を含めて、いくつかの要素が伝熱システム１０の設計に影響を与え得る。
【００３１】
燃料入口２８は燃料を燃料予熱ゾーン２４に導入するが、燃料が燃料予熱ゾーン２４を通過する際に、熱エネルギーが燃料に伝達される。燃料出口３０は燃料予熱ゾーン２４から移動してきた予熱燃料を燃焼ゾーン２６に導入する。酸素や空気などの酸化剤の存在下で燃焼可能な任意の適当な流体を、伝熱システム１０の運転において使用できる。このような燃料の例として、水素と炭化水素が挙げられる。燃料として使用できる炭化水素としては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、プロピン、ブタン、ブチレン及びブチンを含めて、炭素原子を１〜６個有する炭化水素が挙げられる。好ましい燃料は、水素、メタン、エタン及びそれらの混合物からなる群から選択されたものを含む。コークスの形成を防止又は抑制するためにスチームを燃料に加えてもよい。
【００３２】
伝熱システム１０を使用して加熱されるプロセス流体は、任意の目的のために加熱されるどんなプロセス流体でもよい。しかしながら、この伝熱システムは、化学反応性の供給原料であるプロセス流体を加熱するのに用いられる場合に特に有利に適用できる。特に、本発明の伝熱システムは、スチレンの製造のためのエチルベンゼン脱水素化プロセスなどの脱水素化プロセスに特に適用できる。このような用途では、伝熱システム１０を用いて加熱されるプロセス流体はエチルベンゼンを含む。プロセス流体はスチームを更に含んでもよく、また、スチレンと脱水素化反応器の供給原料の他の任意の一般的な成分とを更に含んでもよい。脱水素化に適用する場合、プロセス流体入口端部５２からプロセス流体ゾーン５０に導入されるプロセス流体は、一般的には２６０℃（５００°Ｆ）〜７０４℃（１３００°Ｆ）、さらに一般的には３１５℃（６００°Ｆ）〜６７７℃（１２５０°Ｆ）、最も一般的には４２７℃（８００°Ｆ）〜６４９℃（１２００°Ｆ）の範囲の温度を有する。
【００３３】
伝熱システム１０を使用して加熱されるプロセス流体の一般的な温度上昇は、１０℃〜５００℃の範囲にあり得るが、より一般的には５０℃〜４００℃、最も一般的には１００℃〜３５０℃の範囲にある。
【００３４】
伝熱システム１０の用途の一例は、エチルベンゼンを含んだ脱水素化プロセス供給原料を加熱するために使用するものである。この用途では、伝熱システム１０の複数の個別ユニットを束ねてバンドルを形成してもよい。このバンドルにおける伝熱システム１０の各ユニットは、導入される供給原料の温度が約５００℃〜約６００℃の範囲にありかつ、伝熱システム１０により与えられる供給原料の温度上昇が約５０℃〜約１５０℃の範囲にある約８００ｋｇ／時（１８００ポンド／時）〜約１４５０ｋｇ／時（３２００ポンド／時）の範囲の供給原料の流量を取り扱うように構成し得る。この構成では、燃料管１２は約４．５ｍ（１５フィート）〜約１２．２ｍ（４０フィート）の範囲の燃料管長さを有する。孔３２は燃料管１２の全長に沿って約１５ｃｍ（０．５フィート）〜約６１ｃｍ（２フィート）の範囲の距離だけ間隔を置いて配置され、よってわずか７又は８個の孔から８０個以上もの孔を燃料管の長さに沿って設ける。孔はまた夫々のラジアル平面において０°、１２０°及び２４０°の方向に向けてもよい。孔３２の直径は約０．７ｍｍ（０．０３インチ）〜約５．１ｍｍ（０．２インチ）の範囲にし得る。好ましい燃料は水素、メタン、エタン、プロパン及びそれらの混合物からなる群から選択されたものである。燃料は約０．１４ｍ３／分（５ｓｃｆｍ）〜約１．１ｍ３／分（４０ｓｃｆｍ）の範囲の燃料流量にて燃料入口端部２０から燃料導入ゾーン２６に導入される。好ましい酸化剤は空気であり、約０．４ｍ３／分（１５ｓｃｆｍ）〜約４．２ｍ３／分（１５０ｓｃｆｍ）の範囲の流量にて酸化剤導入管入口端部４２から酸化剤導入ゾーン４０に導入される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】燃料の燃焼とプロセス流体の加熱のための伝熱システムの要素の断面図である。
【図２】燃料の燃焼とプロセス流体の加熱のための伝熱システムの一態様の断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  伝熱システム
１２  燃料管
１４  反応管
１６  酸化剤管
１８  プロセス管
【図１】
2008532749.tif 000003
【図２】
2008532749.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成19年1月9日(2007.1.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料導入ゾーンを形成する燃料管長さ及び燃料管壁を有する燃料管であって、前記燃料管は末端部と、燃料を前記燃料導入ゾーンに導入するための燃料入口端部とを含み、前記燃料管長さに沿って間隔を置いて配置された複数の孔が前記管壁を貫通している前記燃料管と；
反応管長さを有すると共に前記燃料管長さに沿って燃焼ゾーンを形成するように前記燃料管の外部にて該燃料管を包囲するように配置された反応管であって、前記反応管は予熱された酸化剤を前記燃焼ゾーンに受け入れるための反応管入口端部と、燃焼排気を前記燃焼ゾーンから放出するための排気端部とを有し、前記間隔を置いて配置された複数の孔が前記燃料導入ゾーンと前記燃焼ゾーンとの間で流体の流通を可能にする前記反応管と；
酸化剤導入管長さを有すると共に前記反応管長さに沿って酸化剤導入ゾーンを形成するように前記反応管の外部にて該反応管を包囲して配置された酸化剤導入管であって、前記酸化剤導入管は酸化剤を前記酸化剤導入ゾーンに導入するための酸化剤導入管入口端部と、前記酸化剤導入ゾーンから前記予熱された酸化剤を、前記反応管入口端部に流体が流通可能な前記酸化剤導入管出口端部を通って前記燃焼ゾーンに放出するための酸化剤導入管出口端部とを有し、前記酸化剤導入ゾーンが前記燃焼ゾーンと熱交換関係にある前記酸化剤導入管と；
前記酸化剤導入管の前記酸化剤導入管長さに沿ってプロセス流体ゾーンを形成するように前記酸化剤導入管の外部にて該酸化剤導入管を包囲して配置されたプロセス管であって、前記プロセス管はプロセス流体を前記プロセス流体ゾーンに導入するためのプロセス流体入口端部と、加熱されたプロセス流体を前記プロセス流体ゾーンから放出するためのプロセス流体出口端部とを有し、前記プロセス流体ゾーンが前記燃焼ゾーンと熱交換関係にある前記プロセス管と；
を備えるプロセスシステム。
【請求項２】
前記間隔を置いて配置された複数の孔が、前記燃料管長さに沿って間隔を置いて配置され、該孔のサイズは、前記燃料の前記増分が前記予熱された酸化剤と混合されるとき、混合率により制限されない燃焼が生じるような燃焼混合物が形成されるように、前記燃料の増分を前記燃焼ゾーン内で前記予熱された酸化剤に導入できるようなサイズである、請求項１に記載のプロセスシステム。
【請求項３】
前記酸化剤導入ゾーンと前記燃焼ゾーンとの間での前記熱交換関係により前記酸化剤が加熱されて前記予熱された酸化剤を生じる、請求項１又は２に記載のプロセスシステム。
【請求項４】
前記プロセス流体ゾーンと前記燃焼ゾーンとの間での前記熱交換関係により前記プロセス流体が加熱されて前記加熱されたプロセス流体を生じる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプロセスシステム。
【請求項５】
前記燃焼混合物が前記燃焼混合物の自己発火温度を超える燃焼混合物温度を有するように、前記酸化剤導入ゾーンと前記燃焼ゾーンとの間での前記熱交換関係により前記予熱された酸化剤の予熱酸化剤温度が更に得られる、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプロセスシステム。
【請求項６】
前記酸化剤導入ゾーンがさらに酸化剤導入ゾーンの形状を特徴とし、前記燃料導入ゾーンがさらに燃料導入ゾーンの形状を特徴とし、前記燃料導入ゾーンの形状及び前記酸化剤導入ゾーンの形状が、前記燃焼中に火炎が形成しないような燃料速度及び予熱酸化剤速度が得られるような形状である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプロセスシステム。
【請求項７】
燃料を燃焼すると共にプロセス流体を直接加熱するための四管直接加熱システムであって、前記システムが、
燃料導入ゾーンと燃焼ゾーンと酸化剤導入ゾーンとプロセス流体ゾーンとを同心関係にて備え、前記燃料導入ゾーンが燃料を前記燃焼ゾーンに導入するための燃料導入手段により形成され、前記燃焼ゾーンは前記燃料導入手段の外部にて該燃料導入手段を包囲する反応管により形成され、前記反応管が反応管長さを有すると共に、予熱された酸化剤を前記燃焼ゾーンに受け入れるための反応管入口端部と、燃焼排気を前記燃焼ゾーンから放出するための排気端部とを備え、前記酸化剤導入ゾーンは前記反応管の外部にて該反応管を包囲する酸化剤導入管により形成され、前記酸化剤導入管が酸化剤導入管長さを有すると共に、酸化剤を前記酸化剤導入ゾーンに導入するための酸化剤導入管入口端部と、前記酸化剤導入ゾーンから前記予熱された酸化剤を、前記反応管入口端部に流体が流通可能な前記酸化剤導入管出口端部を通って前記燃焼ゾーンに放出するための酸化剤導入管出口端部とを備え、前記酸化剤導入ゾーンが前記燃焼ゾーンと熱交換関係にあり、前記プロセス流体ゾーンが前記酸化剤管の外部にて該酸化剤管を包囲するプロセス管により形成される前記システム。
【請求項８】
前記燃料導入手段が燃料管を含み、該燃料管が前記燃料導入ゾーンを形成する燃料管長さ及び燃料管壁を有し、前記燃料管が末端部と、燃料を前記燃料導入ゾーンに導入するための燃料入口端部とを含み、前記燃料管長さに沿って間隔を置いて配置された複数の孔が前記管壁を貫通し、前記燃料導入ゾーンと前記燃焼ゾーンとの間での流体の流通を可能にする、請求項７に記載の四管直接加熱システム。
【請求項９】
前記プロセス管がプロセス流体を前記プロセス流体ゾーンに導入するためのプロセス流体入口端部と、加熱されたプロセス流体を前記プロセス流体ゾーンから放出するためのプロセス流体出口端部とを備え、前記プロセス流体ゾーンが前記燃焼ゾーンと熱交換関係にある、請求項７又は８に記載の四管直接加熱システム。
【請求項１０】
燃料導入ゾーンを形成するような燃料管長さ及び燃料管壁を有する燃料管に燃料を導入し、前記燃料管は末端部と、前記燃料を前記燃料導入ゾーンに導入するための燃料入口端部とを備え、前記長さに沿って間隔を開けて配置された複数の孔が前記管壁を貫通しており；
反応管長さを有すると共に前記燃料管長さに沿って燃焼ゾーンを形成するように前記燃料管の外部にて該燃料管を包囲して配置された反応管に予熱された酸化剤を導入し、前記反応管は前記予熱された酸化剤を前記燃焼ゾーンに受け入れるための反応管入口端部と、燃焼排気を前記燃焼ゾーンから放出するための排気端部とを有し、前記間隔を置いて配置された複数の孔により前記燃料導入ゾーンと前記燃焼ゾーンとの間で流体が流通でき；
酸化剤導入管長さを有すると共に前記反応管長さに沿って酸化剤導入ゾーンを形成するように前記反応管の外部にて該反応管を包囲して配置された酸化剤導入管に酸化剤を導入し、前記酸化剤導入管は前記酸化剤を前記酸化剤導入ゾーンに導入するための酸化剤導入管入口端部と、前記酸化剤導入ゾーンから前記予熱された酸化剤を、前記反応管入口端部に流体が流通可能な前記酸化剤導入管出口端部を通って前記燃焼ゾーンに放出するための酸化剤導入管出口端部とを有し、前記酸化剤導入ゾーンが前記燃焼ゾーンと熱交換関係にあり；
前記酸化剤導入管に沿ってプロセス流体ゾーンを形成するように前記酸化剤導入管の外部にて該酸化剤導入管を包囲して配置されたプロセス管にプロセス流体を導入し、前記プロセス管は前記プロセス流体を前記プロセス流体ゾーンに導入するためのプロセス流体入口端部と、加熱されたプロセス流体を前記プロセス流体ゾーンから放出するためのプロセス流体出口端部とを有し、前記プロセス流体ゾーンは前記燃焼ゾーンと熱交換関係にあり；
前記加熱されたプロセス流体を前記プロセス流体ゾーンから放出し；そして
前記燃焼排気を前記燃焼ゾーンから放出する；
ことからなる方法。
【国際調査報告】
2008532749.tif 000005
2008532749.tif 000006