(57)【要約】  伝熱システム（１０）及びその使用法。伝熱システムは燃料を燃焼させると共に、燃焼により放出される熱エネルギーを使用して燃焼の前にプロセス流体を加熱しかつ燃料と酸化剤を予熱する。伝熱システムは３つの管を含み、燃料導入管（１２）が酸化剤導入管（１４）により包囲され、酸化剤導入管（１４）がプロセス管（１６）により包囲されている。燃料の無炎燃焼に適した形状を有する伝熱システムが提供できる。この伝熱システムはまた、熱交換器や触媒処理システムなどの他のシステムに統合することもできる。
2008532747.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を燃焼させると共にプロセス流体を加熱するための第１伝熱システムを備えたプロセスシステムであって、前記伝熱システムが、
燃料導入ゾーンを形成するような長さ及び管壁を有する燃料管であって、燃料予熱ゾーンと燃焼ゾーンとが前記長さに沿って前記燃料導入ゾーン内に含まれ、前記燃料予熱ゾーンが前記燃料を前記燃料予熱ゾーンに導入するための燃料入口と、予熱された燃料を前記燃料予熱ゾーンから前記燃焼ゾーンに導入するための燃料出口とを備え、前記燃焼ゾーンに沿って設けられた複数の孔が前記管壁を貫通している前記燃料管と；
前記燃料管の前記長さに沿って酸化剤導入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いる酸化剤管であって、前記酸化剤導入ゾーンは酸化剤予熱ゾーンと燃料燃焼ゾーンとを含み、前記酸化剤予熱ゾーンは酸化剤を前記酸化剤予熱ゾーンに導入するための酸化剤入口と、予熱された酸化剤を前記酸化剤予熱ゾーンから前記燃料燃焼ゾーンに導入するための酸化剤出口とを備え、前記複数の孔により前記燃焼ゾーンと前記燃料燃焼ゾーンとの間で流体が流通できる前記酸化剤管と；
前記酸化剤管に沿ってプロセス流体導入ゾーンを形成するように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であって、前記プロセス流体導入ゾーンはプロセス流体加熱ゾーンと酸化剤／燃料加熱ゾーンとを含み、前記プロセス流体加熱ゾーンは前記燃料燃焼ゾーンと熱交換関係にあると共に、前記プロセス流体を前記プロセス流体加熱ゾーンに導入するためのプロセス流体入口と、加熱されたプロセス流体を前記プロセス流体加熱ゾーンから前記酸化剤／燃料加熱ゾーンに導入するためのプロセス流体出口とを備え、前記酸化剤／燃料加熱ゾーンが前記酸化剤予熱ゾーンと前記燃料予熱ゾーンの両方と熱交換関係にあると共に前記酸化剤／燃料加熱ゾーンから前記加熱されたプロセス流体を放出するための放出出口を有す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】
前記複数の孔が前記燃料管の前記長さにおける前記燃焼ゾーンに沿って間隔を置いて配置され、前記孔のサイズは、前記予熱された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、燃焼混合物が形成されて無炎で熱を放出する燃焼が生じるように、前記予熱された燃料の増分を前記燃料燃焼ゾーンに導入できるサイズである、請求項１に記載のプロセスシステム。
【請求項３】
前記プロセス流体加熱ゾーンと前記燃料燃焼ゾーンとの間での熱交換関係に基づき、前記燃焼により放出された熱によって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が得られる、請求項１又は２に記載のプロセスシステム。
【請求項４】
前記酸化剤／燃料加熱ゾーンと前記酸化剤予熱ゾーン及び前記燃料予熱ゾーンの両ゾーンとの間での熱交換関係に基づき、前記加熱されたプロセス流体からの熱伝達によって前記燃料が加熱されて前記予熱された燃料が得られると共に、前記酸化剤が加熱されて前記予熱された酸化剤が得られる、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】
前記酸化剤／燃料加熱ゾーンと前記酸化剤予熱ゾーン及び前記燃料予熱ゾーンの両ゾーンとの間での熱交換関係によって、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、前記予熱された酸化剤の予熱酸化剤温度と前記予熱された燃料の予熱燃料温度とが得られる、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】
前記燃料導入ゾーンが燃料導入ゾーンの形状をさらに特徴とし、前記酸化剤導入ゾーンが酸化剤導入ゾーンの形状をさらに特徴とし、前記燃料導入ゾーンの形状と前記酸化剤導入ゾーンの形状とが、前記火炎が形成しないような予熱燃料速度と予熱酸化剤速度と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】
反応条件下で前記加熱されたプロセス流体を触媒と接触させるための第１反応器手段を更に備え、前記第１反応器手段が前記加熱されたプロセス流体を第１反応器の供給原料として受け入れるための第１反応器入口と、第１反応器の流出物を放出するための第１反応器出口とを備え、流体が流通可能なように前記反応器入口が前記放出出口に連結される、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプロセスシステム。
【請求項８】
燃料の無炎燃焼によりプロセス流体を直接加熱する方法であって、
燃料導入ゾーンを形成するような長さ及び管壁を有する燃料管に前記燃料を導入し、前記長さに沿って前記燃料導入ゾーン内に燃料予熱ゾーンと燃焼ゾーンとが含まれ、前記燃料予熱ゾーンが前記燃料を前記燃料予熱ゾーンに導入するための燃料入口と、予熱された燃料を前記燃料予熱ゾーンから前記燃焼ゾーンに導入するための燃料出口とを備え、前記燃焼ゾーンに沿って設けられた複数の孔が前記管壁を貫通しており；
前記燃料管の前記長さに沿って酸化剤導入ゾーンを提供するように前記燃料管の外部にて該燃料管を包囲している酸化剤管に酸化剤を導入し、前記酸化剤導入ゾーンは酸化剤予熱ゾーンと燃料燃焼ゾーンとを含み、前記酸化剤予熱ゾーンは前記酸化剤を前記酸化剤予熱ゾーンに導入するための酸化剤入口と、予熱された酸化剤を前記酸化剤予熱ゾーンから前記燃料燃焼ゾーンに導入するための酸化剤出口とを備え、前記複数の孔により前記燃焼ゾーンと前記燃料燃焼ゾーンとの間で流体が流通でき；
前記酸化剤管に沿ってプロセス流体導入ゾーンを提供するように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前記プロセス流体を導入し、前記プロセス流体導入ゾーンはプロセス流体加熱ゾーンと酸化剤／燃料加熱ゾーンとを含み、前記プロセス流体加熱ゾーンは前記燃料燃焼ゾーンと熱交換関係にあると共に、前記プロセス流体を前記プロセス流体加熱ゾーンに導入するためのプロセス流体入口と、加熱されたプロセス流体を前記プロセス流体加熱ゾーンから前記酸化剤／燃料加熱ゾーンに導入するためのプロセス流体出口とを備え、前記酸化剤／燃料加熱ゾーンは前記酸化剤予熱ゾーンと前記燃料予熱ゾーンの両方と熱交換関係にあると共に前記酸化剤／燃料加熱ゾーンから前記加熱されたプロセス流体を放出するための放出出口を備え；
前記酸化剤／燃料加熱ゾーンから前記加熱されたプロセス流体を放出し；そして
前記燃料燃焼ゾーンから燃焼排気を放出する；
ことからなる方法。
【請求項９】
燃焼混合物が形成されて無炎で熱を放出する燃焼が生じるように、前記予熱された燃料の増分を前記燃料燃焼ゾーンに導入することを更に含む、請求項８に記載の方法。
【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６０／６６０，４４６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、燃料管と酸化剤管とプロセス管とを含むプロセスシステムが提供される。燃料管は、燃料導入ゾーンを形成するような長さ及び管壁を有し、燃料予熱ゾーンと燃焼ゾーンとが前記長さに沿って前記燃料導入ゾーン内に含まれ、前記燃料予熱ゾーンが前記燃料を前記燃料予熱ゾーンに導入するための燃料入口と、予熱された燃料を前記燃料予熱ゾーンから前記燃焼ゾーンに導入するための燃料出口とを備え、前記燃焼ゾーンに沿って設けられた複数の孔が前記管壁を貫通している。酸化剤管は、前記燃料管の前記長さに沿って酸化剤導入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おり、前記酸化剤導入ゾーンは酸化剤予熱ゾーンと燃料燃焼ゾーンとを含み、前記酸化剤予熱ゾーンは酸化剤を前記酸化剤予熱ゾーンに導入するための酸化剤入口と、予熱された酸化剤を前記酸化剤予熱ゾーンから前記燃料燃焼ゾーンに導入するための酸化剤出口とを備え、前記複数の孔により前記燃焼ゾーンと前記燃料燃焼ゾーンとの間で流体が流通できる。プロセス管は、前記酸化剤管に沿ってプロセス流体導入ゾーンを形成するように前記酸化剤管の外部にて該酸化剤管を包囲しており、前記プロセス流体導入ゾーンはプロセス流体加熱ゾーンと酸化剤／燃料加熱ゾーンとを含み、前記プロセス流体加熱ゾーンは前記燃料燃焼ゾーンと熱交換関係にあると共に、前記プロセス流体を前記プロセス流体加熱ゾーンに導入するためのプロセス流体入口と、加熱されたプロセス流体を前記プロセス流体加熱ゾーンから前記酸化剤／燃料加熱ゾーンに導入するためのプロセス流体出口とを備え、前記酸化剤／燃料加熱ゾーンが前記酸化剤予熱ゾーンと前記燃料予熱ゾーンの両方と熱交換関係にあると共に前記酸化剤／燃料加熱ゾーンから前記加熱されたプロセス流体を放出するための放出出口を有する。
【０００８】
また、燃料の無炎燃焼によりプロセス流体を直接加熱する方法が提供される。燃料導入ゾーンを形成するような長さ及び管壁を有する燃料管に燃料が導入され、前記長さに沿って前記燃料導入ゾーン内に燃料予熱ゾーンと燃焼ゾーンとが含まれ、前記燃料予熱ゾーンが前記燃料を前記燃料予熱ゾーンに導入するための燃料入口と、予熱された燃料を前記燃料予熱ゾーンから前記燃焼ゾーンに導入するための燃料出口とを備え、前記燃焼ゾーンに沿って設けられた複数の孔が前記管壁を貫通している。前記燃料管の前記長さに沿って酸化剤導入ゾーンを提供するように前記燃料管の外部にて該燃料管を包囲している酸化剤管に酸化剤が導入され、前記酸化剤導入ゾーンは酸化剤予熱ゾーンと燃料燃焼ゾーンとを含み、前記酸化剤予熱ゾーンは前記酸化剤を前記酸化剤予熱ゾーンに導入するための酸化剤入口と、予熱された酸化剤を前記酸化剤予熱ゾーンから前記燃料燃焼ゾーンに導入するための酸化剤出口とを備え、前記複数の孔により前記燃焼ゾーンと前記燃料燃焼ゾーンとの間で流体が流通できる。前記酸化剤管に沿ってプロセス流体導入ゾーンを提供するように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前記プロセス流体が導入され、前記プロセス流体導入ゾーンはプロセス流体加熱ゾーンと酸化剤／燃料加熱ゾーンとを含み、前記プロセス流体加熱ゾーンは前記燃料燃焼ゾーンと熱交換関係にあると共に、前記プロセス流体を前記プロセス流体加熱ゾーンに導入するためのプロセス流体入口と、加熱されたプロセス流体を前記プロセス流体加熱ゾーンから前記酸化剤／燃料加熱ゾーンに導入するためのプロセス流体出口とを備え、前記酸化剤／燃料加熱ゾーンは前記酸化剤予熱ゾーンと前記燃料予熱ゾーンの両方と熱交換関係にあると共に前記酸化剤／燃料加熱ゾーンから前記加熱されたプロセス流体を放出するための放出出口を備える。前記酸化剤／燃料加熱ゾーンから前記加熱されたプロセス流体が放出され、前記燃料燃焼ゾーンから燃焼排気が放出される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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。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。
【００１０】
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燃焼管の外面とプロセス流体とが接触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、プロセス管は燃焼管を包囲してプロセスゾーンを提供する。このプロセスゾーンは燃焼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燃焼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１２と酸化剤管１４とプロセス管１６とを含む。燃料管１２、酸化剤管１４及びプロセス管１６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、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ＤＮ８０）〔これは酸化剤管１４に使用可能〕；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）〔これはプロセス管１６に使用可能〕が挙げられる。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）〜２５０ｍｍ（１０インチ）あるいはそれより大の範囲にし得る。
【００１４】
燃料管１２は燃料導入ゾーン２２を規定する長さ１８及び管壁２０を有する。燃料導入ゾーン２２は燃料管１２の長さ１８にわたって延びる。燃料導入ゾーン２２内には燃料予熱ゾーン２４と燃焼ゾーン２６とが含まれる。代表的な態様では、燃料予熱ゾーンと燃焼ゾーンとは燃料導入ゾーンの両端にある。燃料予熱ゾーン２４は燃料入口２８から燃料出口３０まで延びる。燃料出口３０によって燃料予熱ゾーン２４と燃焼ゾーン２６との間で流体の流通が得られ、この燃料出口３０は燃料管１２内における１つのゾーンから別のゾーンへの仮想の移行領域とし得る。燃料予熱ゾーン２４はまた、燃料入口２８から燃料管１２の十分な量の長さ１８にわたって延びており、酸化剤との混合の前に燃料管１２を通る燃料を予熱する。
【００１５】
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。好ましい燃料としては、水素、メタン、エタン及びそれらの混合物が挙げられる。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。
【００１６】
燃料管１２の長さ１８に沿って酸化剤導入ゾーン３４を形成するように、酸化剤管１４が燃料管１２の外部にあって該燃料管１２を包囲している。酸化剤導入ゾーン３４は酸化剤流体（例えば酸素又は空気を含んだ流体）が通過できる導管を形成する。酸化剤導入ゾーン３４内には、酸化剤予熱ゾーン３６と燃料燃焼ゾーン３８とが含まれる。代表的な態様では、酸化剤予熱ゾーンと燃料燃焼ゾーンが酸化剤導入ゾーンの両端にある。酸化剤予熱ゾーン３６は酸化剤入口４０から酸化剤出口４２まで延びている。酸化剤出口４２は酸化剤予熱ゾーン３６と燃料燃焼ゾーン３８との間の流体連通を可能にし、酸化剤出口４２は酸化剤管１４内で１つのゾーンから別のゾーンへの仮想の移行領域とし得る。酸化剤導入ゾーン３４を通って酸化剤出口４２に移動する酸化剤を所望に予熱するために、酸化剤予熱ゾーン３６は燃料管１２の長さ１８の一部に沿って酸化剤入口４０から酸化剤導入ゾーン３４の十分な長さ又は一部にわたって延びる。酸化剤入口４０は酸化剤流体を酸化剤予熱ゾーン３６に導入するが、酸化剤が酸化剤予熱ゾーン３６を通る際に、熱エネルギーが酸化剤に伝達されて予熱された酸化剤が得られる。酸化剤出口４２はまた、酸化剤予熱ゾーン３６から移動してきた予熱酸化剤を燃料燃焼ゾーン３８に導入する。
【００１７】
燃料管１２の燃焼ゾーン２６の管壁２０を通る複数の孔３２が設けられる。これらの孔３２は燃料管１２の長さ１８の一部に沿って間隔を置いて配置され、燃焼ゾーン２６と燃料燃焼ゾーン３８との間で流体の流通を可能にする。矢印４４は予熱された燃料が燃焼ゾーン２６内から孔３２を通って燃料燃焼ゾーン３８に入る流れの方向を示し、そこで予熱燃料と予熱酸化剤とが混合されて燃焼混合物を形成し燃焼が起こる。矢印４６は燃料燃焼ゾーン３８に入る予熱酸化剤の流れの方向を示す。
【００１８】
孔の間隔、方向及び大きさは、予熱燃料と予熱酸化剤との迅速かつ完全な混合が行われるような速度及び量の増分にて予熱燃料を燃料燃焼ゾーン３８に導入するように設定される。この迅速かつ完全な混合のお陰で、予熱酸化剤と予熱燃料との間の酸化反応が混合によって制限されない。よって、一般に、燃焼ゾーン２６での燃料管１２の構造によって規定される燃料導入形状と、燃料燃焼ゾーン３８を形成する酸化剤管１４によって規定される酸化剤導入ゾーン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に適した予熱燃料の速度（矢印４４参照）と予熱酸化剤の速度（矢印４６参照）とが得られる。
【００１９】
これらの孔３２は燃料管１２の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し得る。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にて１８０°ずらして互い違いにしてもよいし、又は１２０°又は９０°等々互いにずらしていってもよい。したがって、燃料管１２における孔の位置は、ラジアル平面内における孔の方向が燃料管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°までずれるのが好ましい。
【００２０】
本発明の伝熱システム１０の構造の特徴は、燃焼混合物が形成されるときに燃焼混合物の温度が燃焼混合物の自己発火温度を超えるように、予熱された酸化剤の温度と予熱された燃料の温度とを得ることである。予熱された酸化剤が燃料燃焼ゾーン３８を通過する速度が十分ならば、得られる燃焼混合物の自己発火温度を超えた温度での少量増分の予熱燃料と予熱酸化剤との混合によって、火炎を形成することなく燃料の酸化又は燃焼が生じる。この無炎燃焼は火炎を伴う燃焼のときよりも極めて低い温度で生じる。
【００２１】
プロセス管１６は、酸化剤管１４の外側に沿ってプロセス流体導入ゾーン５０を形成するように酸化剤管１４の外部にあって該酸化剤管１４を包囲している。流体導入ゾーン５０はプロセス流体が通過できる導管を提供する。プロセス流体導入ゾーン５０内には、プロセス流体加熱ゾーン５２と酸化剤／燃料加熱ゾーン５４とが含まれる。代表的な態様では、プロセス流体加熱ゾーンと酸化剤／燃料加熱ゾーンがプロセス流体導入ゾーンの両端にある。プロセス流体加熱ゾーン５２はプロセス流体入口５６からプロセス流体出口５８に延びる。プロセス流体出口５８によってプロセス流体加熱ゾーン５２と酸化剤／燃料加熱ゾーン５４との間で流体が流通可能になるので、このプロセス流体出口５８は酸化剤管１４を包囲するプロセス管１６により形成される導管内において一方のゾーンからもう一方のゾーンへの仮想の移行領域となり得る。酸化剤／燃料加熱ゾーン５４はプロセス流体出口５８からプロセス管１６のプロセス管放出出口６０まで延びる。プロセス流体はプロセス流体入口５６によってプロセス流体加熱ゾーン５２に導入され、プロセス流体加熱ゾーン５２から進んできた加熱プロセス流体はプロセス流体出口５８によって酸化剤／燃料加熱ゾーン５４に導入される。
【００２２】
伝熱システム１０の特徴は、燃料燃焼ゾーン３８とプロセス流体加熱ゾーン５２との間での熱交換関係が構造から得られるように、プロセス流体加熱ゾーン５２が酸化剤管１４を包囲すると共に燃料燃焼ゾーン３８に沿って延びていることである。燃料燃焼ゾーン３８内での燃焼混合物の燃焼により熱エネルギーが放出され、プロセス流体加熱ゾーン５２を通っているプロセス流体に与えられる。くねくね曲がった矢印６２は燃料燃焼ゾーン３８からプロセス流体（プロセス流体加熱ゾーン５２を通過している）への熱エネルギーの流れを示す。プロセス流体はプロセス流体入口５６を通ってプロセス流体加熱ゾーン５２に導入され、プロセス流体加熱ゾーン５２を通過する際に熱を得る。
【００２３】
伝熱システム１０の別の特徴は、酸化剤／燃料加熱ゾーン５４と酸化剤予熱ゾーン３６との間での熱交換関係が構造から得られるように、酸化剤／燃料加熱ゾーン５４が酸化剤管１４を包囲すると共に酸化剤予熱ゾーン３６に沿って延びていることである。この構造の更なる特徴は、酸化剤／燃料加熱ゾーン５４が燃料予熱ゾーン２４と熱交換関係にあることである。プロセス流体加熱ゾーン５２から酸化剤／燃料加熱ゾーン５４に入って流れていく加熱されたプロセス流体によって熱エネルギーが与えられ、この熱エネルギーは燃料及び酸化剤が燃料燃焼ゾーン３８に導入される前にそれらを予熱するのに用いられる。くねくね曲がった矢印６４は、酸化剤／燃料加熱ゾーン５４を進んでいる加熱プロセス流体から熱エネルギーが、酸化剤予熱ゾーン３６を進んでいる酸化剤流体及び燃料予熱ゾーン２６を進んでいる燃料に流れることを示す。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。
【００２４】
本発明の別の態様では、酸化剤／燃料加熱ゾーン５４、酸化剤予熱ゾーン３６及び燃料予熱ゾーン２４の構造は、予熱燃料と予熱酸化剤とが混合して燃料燃焼ゾーン３８内で燃焼混合物を形成するとき燃焼混合物の温度が燃焼混合物の自己発火温度を超えるように、予熱燃料温度と予熱酸化剤温度とをそれぞれ有する予熱燃料と予熱酸化剤とを提供するのに十分なだけ燃料と酸化剤とを加熱するような構造である。よって、伝熱システム１０の予熱セクション６６は、加熱されたプロセス流体から燃料及び酸化剤に上述したような熱伝達を行なうような構造（予熱セクション長さ６８を含めて）を有し得る。
【００２５】
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）、好ましくは６００℃（１１１２°Ｆ）〜１３５０℃（２４６２°Ｆ）、最も好ましくは７００℃（１２９２°Ｆ）〜１３００℃（２３７２°Ｆ）の範囲にある。
【００２６】
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、酸化剤入口４０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℃より高い温度、−２０℃より高い温度、−１０℃より高い温度、又は０℃より高い温度とし得る。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の酸化剤予熱ゾーン３６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。
【００２７】
酸化剤と燃料が伝熱システムに導入される温度は予熱セクション６６の設計と形状に影響を与えるが、一般に予熱セクション長さ６８は燃料燃焼セクション７２のプロセス加熱長さ７０より短くなる。予熱セクション長さ６８とプロセス加熱長さ７０との相対長さは、酸化剤と燃料が伝熱システムに導入される温度に主に依存するが、プロセス加熱長さ７０と予熱セクション長さ６８との比は、一般的には１：１を超え、さらに一般的には２：１を超え、最も一般的には３：１を超える。別の態様では、プロセス加熱長さ７０と予熱セクション長さ６８との比は、０．０１：１、０．０５：１又は０．５：１を超える。さらに別の態様では、プロセス加熱長さ７０と予熱セクション長さ６８との比は１：０．５、１：０．０５、又は１：０．０１を超える。
【００２８】
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５６から伝熱システム１０のプロセス流体加熱ゾーン５２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。
【００２９】
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℃〜３００℃、最も一般的には１００℃〜２５０℃の範囲にある。
【００３０】
酸化剤導入ゾーンは燃料導入ゾーンの外部にあり、プロセス流体導入ゾーンは酸化剤導入ゾーンの外部にある。
【００３１】
次に図２を参照すると、熱交換システム１００に組み込まれた上記伝熱システムの断面図が示されている。説明のため、同心関係にある３つの管を備えた１つの伝熱システム１０２が示されており、これらの３つの管は管板によって一体化されている。しかしながら、熱交換システム１００は熱交換器でもよく、束ねられて管束を形成する三管伝熱システム１０２を通常は複数含むことが理解できる。
【００３２】
伝熱システム１０２は燃料管１０４と酸化剤又は空気管１０６とプロセス管１０８とを含んだ３つの管を備える。燃料管１０４は燃料管板１１０を貫通し、該燃料管板に固定して取り付けられる。空気管１０６は燃料管１０４の周りに同心円状に配置され、燃料管板１１０から延びて第１環状部１１２を形成する。空気管１０６の入口端部は入口空気管板１１４を貫通し、該入口空気管板に固定して取り付けられ、空気管１０６の出口端部は出口空気管板１１６を貫通して該出口空気管板に固定して取り付けられる。プロセス管１０８は空気管１０６の周りに同心円状に配置されて第２環状部１１８を形成する。プロセス管１０８の入口端部は入口プロセス管板１２０を貫通し、該入口プロセス管板に固定して取り付けられ、プロセス管１０８の出口端部は出口プロセス管板１２１を貫通し、該出口プロセス管板に固定して取り付けられる。
【００３３】
管板１１０、１１４、１１６、１２０、及び１２１は、熱交換器１００を通る燃料、空気及びプロセス流体の所望の流れが得られるように互いに連結される。燃料を導入するための燃料入口ノズル１２４を備えたシェルカバー１２２が燃料管板１１０に密封式に連結され、燃料を燃料管１０４に導入するための燃料マニホールド１２６を提供する。入口空気管板１１４がスぺーサ１２８によって燃料管板１１０から間隔を置いて配置され、空気を空気管１０６に導入するための空気マニホールド１３０を提供する。空気入口ノズル１３２により空気が空気マニホールド１３０に導入される。出口プロセス管板１２１がスぺーサ１３４によって入口空気管板１１４から間隔を置いて配置され、加熱されたプロセス流体のマニホールド１３６を提供する。プロセス流体出口ノズル１３８により加熱プロセス流体が加熱プロセス流体マニホールド１３６から取り出される。
【００３４】
燃焼排気を取り出すための排気ノズル１４４を備えたシェルカバー１４２が出口空気管板１１６に密封式に連結され、伝熱システム１０２において燃料及び空気の燃焼により生成された燃焼排気を集めるための排気マニホールド１４６を提供する。入口プロセス管板１２０がスぺーサ１４８によって出口空気管板１１６から間隔を置いて配置され、プロセス流体マニホールド１５０を提供する。プロセス流体供給ノズル１５２によりプロセス流体供給原料がプロセス流体マニホールド１５０に導入される。
【００３５】
図３には、上記の伝熱システムの使用が組み込まれたプロセスシステム２００の簡略化プロセス流れ図が示される。プロセスシステム２００は、ここに記載の伝熱システムの利点を生産的に又は適切に利用し得る任意のプロセスである。このようなプロセスの１つは、スチレンを生成するためにエチルベンゼンを脱水素化する接触脱水素化プロセスである。上述したようにその他のプロセスとして水蒸気改質やオレフィンクラッキングが挙げられる。
【００３６】
図３に示すプロセスでは、スチームとエチルベンゼンとを含んだプロセス供給原料が導管２０２を介して脱水素化反応器２０４に入れられる。脱水素化反応器２０４は、酸化鉄ベースの公知の脱水素化触媒などの適当な脱水素化触媒を含んだ脱水素化反応ゾーンを形成し、脱水素化反応器２０４は適当な脱水素化反応条件下でプロセス供給原料を脱水素化触媒と接触させる手段を提供する。脱水素化反応器の流出物は脱水素化反応器２０４から導管２０６を通って放出され、プロセス流体入口２１０から伝熱システム２０８に導入される。
【００３７】
脱水素化反応は吸熱反応であるので、脱水素化反応器の流出物は脱水素化反応器２０４に入れられたプロセス供給原料よりも低い温度を有する。脱水素化反応器の流出物を第２段の脱水素化反応器２１２に導入する前に該流出物の温度を上昇させるために、伝熱システム２０８が使用されて熱エネルギーを脱水素化反応器の流出物に加える。加熱されたプロセス流体又は再加熱された脱水素化反応器の流出物が伝熱システム２０８から放出出口２１４と導管２１６とを通って第２段の脱水素化反応器２１２に供給原料として導入される。第２段の脱水素化反応器２１２は酸化鉄ベースの公知の脱水素化触媒などの適当な脱水素化触媒を含んだ脱水素化反応ゾーンを形成し、脱水素化反応器２１２は適当な脱水素化反応条件下で再加熱された脱水素化反応器の流出物を脱水素化触媒と接触させる手段を提供する。脱水素化反応器の流出物は第２段の脱水素化反応器２１２から導管２１８を通って放出される。
【００３８】
燃料は導管２２０を通って燃料入口２２２から伝熱システム２０８に導入される。空気は導管２２４を通って酸化剤入口２２６から伝熱システム２０８に導入される。伝熱システム２０８の燃焼ゾーン（図示せず）からの燃焼排気は導管２２８を通って放出される。
【００３９】
熱エネルギーをプロセス流体に導入する必要のあるどんな種類のプロセスシステムにも本発明の伝熱システムを統合し得ることが分かる。図３の触媒処理システム２００では２つの反応器段の間に１つの伝熱システム装置を配置しているだけであるが、任意数の伝熱システム装置を適当な配列にて任意の数の反応器段と組み合わせてもよいことが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は燃料の燃焼及びプロセス流体の加熱のための伝熱システムの要素についての断面図である。
【図２】図２はマニホールド型熱交換システムに組み込まれた伝熱システムの断面図である。
【図３】図３は触媒処理における伝熱システムの使用を示す簡略プロセス流れ図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  伝熱システム
１２  燃料導入管
１４  酸化剤導入管
１６  プロセス管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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