(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化体の入口（２）、燃焼生成物の出口（３）、及び前記入口（２）と出口（３）間の流路（４）を備えた酸化反応室（１）、
前記酸化反応室（１）内にて複数の燃料ノズル（６）に燃料混合物を送ることができる燃料導管（５）であって、各ノズル（６）は前記入口（２）と出口（３）間の流路（４）に沿って燃料導管（５）内から前記酸化反応室（１）に連通している前記燃料導管（５）、
前記酸化反応室の入口（２）に連通した予熱器（７）であって、酸化体と酸化反応室の入口（２）に最も近い燃料ノズル（６）からの燃料との組合せが該組合せの自然発火温度より高くなるよう酸化体の温度を上げることができる前記予熱器（７）、
を含むプロセスヒーターであって、酸化セクションから伝えられる熱は、各燃料ノズル（６）付近でかつ酸化反応室（１）内の混合物の温度を、その燃料ノズル（６）付近でかつ酸化反応室（１）内の組合された混合物の自然発火温度より低くしない前記プロセスヒーターに於いて、
該ヒーターが前記酸化反応室（１）と熱交換を行う吸熱反応プロセス室（８）をさらに含むことを特徴とするプロセスヒーター。
【請求項２】
コークス抑制剤注入装置（９）をさらに含み、このコークス抑制注入装置は燃料供給導管（５）に連通し、供給される所定量のコークス抑制剤が、燃料導管（５）の動作温度にてコークスの生成を有効に抑制する、請求項１記載のプロセスヒーター。
【請求項３】
燃料導管（５）が酸化反応室（１）内にて本質的に中心に配置された管状導管である、請求項１記載のプロセスヒーター。
【請求項４】
酸化反応室（１）が前記プロセス室（８）内にて本質的に中心に配置される、請求項３記載のプロセスヒーター。
【請求項５】
前記プロセス室（８）がオレフィンを製造するための熱分解反応室である、請求項１記載のプロセスヒーター。
【請求項６】
前記プロセス室（８）が蒸気メタン改質反応室として有効である、請求項１記載のプロセスヒーター。
【請求項７】
プロセスヒーターがエチルベンゼン脱水素ヒーターである、請求項１記載のプロセスヒーター。
【請求項８】
酸化体の入口（２）、燃焼生成物の出口（３）及び入口（２）と出口（３）の間の流路（４）を有する酸化反応室（１）によりプロセスに熱を加える方法であって、
燃料を与える工程、
ヒーターの動作温度にてコークスの生成を抑制するのに効果的な量のコークス抑制剤成分を燃料に加える工程、
酸化反応室（１）内において前記入口（２）と出口（３）間の前記流路（４）に沿って設けられた複数の燃料ノズル（６）に燃料混合物を送る工程、
結合した酸化体と酸化反応室の入口（２）に最も近い燃料ノズル（６）からの燃料との組合せが該組合せの自然発火温度より高くなるよう酸化体を予熱する工程、
を含み、
酸化反応室（１）からの熱を前記酸化反応室（１）と熱交換を行う吸熱反応プロセス室（８）に送ることをさらに含み、酸化セクションから伝えられる熱は、各燃料ノズル（６）付近でかつ酸化反応室（１）内の混合物の温度を、その燃料ノズル（６）付近でかつ酸化反応室（１）内の組合された混合物の自然発火温度より低くしないことを特徴とする上記方法。
【請求項９】
上記プロセスが蒸気メタン改質プロセスである、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
上記プロセスがオレフィンを製造するための熱分解反応である、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
上記プロセスがエチルベンゼン脱水素プロセスである、請求項８記載の方法。
【請求項１２】
コークス抑制剤成分を二酸化炭素と蒸気から成るグループから選択する、請求項８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、伝熱制御を改良した高温反応用のプロセスヒーターに関する。
【０００２】
発明の背景
蒸気と炭化水素から水素を作る蒸気メタン改質やオレフィンを製造する炭化水素の熱分解のような高温で一般に吸熱性の反応は、通常は炉管の内側に反応体を流しつつ炉管内の直火の輻射熱を管の外面に伝達して行う。直火の熱は、所望の高温レベルの熱、所望の高熱輻射束、及び炉の相対的に低い資本コストゆえにしばしば有利である。しかし、火炉内で一様な伝熱を維持するのは難しい。従って、管の表皮層の温度の変動ゆえに、管表皮層の最大許容温度よりやや低い管表皮層の平均温度にてこれらの炉管を動作させなければならない。この温度の変動が悪質なのは、これらの温度を測定するのが難しいことによる。一般に管の側面上のより高温の地点ではより速くコークスが成長するので、最大温度を制御することが重要である。より厚いコークスは、熱伝達に対する抵抗を増大させ、高温地点をより高温にする。この効果は雪だるま式に増大し、もし検出されず正しい処置を取らなかったならば、管の破損を招き得る。一般に、この正しい処置とは、高温地点に近接した１以上のバーナーの火力を弱めることである。火力を弱めると、高温地点の周りでの熱伝達を低め、一般にヒーターの性能にとっては有害である。
【０００３】
一般に、火炉における管の長さも、物理的な拘束により制限される。幾つかの蒸気メタン改質炉では、輻射熱をより均一に管に分配するために複数レベルのバーナーが設けられるが、複数レベルのバーナーを用いてさえ、バーナーを設け得る垂直距離の範囲は、炉内でのドラフト量を変えて燃料と空気を与えることの困難さゆえに制限される。よって、炉内に長い流路が必要なときは、一般に火室内にて複数のエルボを用いて複数の通路を設ける。これらのエルボは、不均一な流れと温度及び内側径に沿って起こり得る腐食ゆえに共通の問題点を有する。本来、加熱するために燃料を燃焼すると、窒素、酸素及び遊離基を高温にさらす結果として窒素酸化物（「ＮＯx 」）を発生する。特定の領域では、ＮＯx の放出は制限され、選択触媒低減デノックス装置(Selective Catalytic Reduction DeNox systems) のように煙道ガスの処理を行う高価な手段がしばしば必要とされる。燃焼温度を制御することによりＮＯx の発生を少なくするバーナー装置が市販されているが、燃焼温度は制御するのが難しく、理想的な条件下でさえ、相当の量のＮＯx が発生する。
【０００４】
一般の燃焼プロセスヒーターにおけるもう一つの問題は、ヒーターの輻射セクションの効率が制限されることである。特に、燃焼空気を予熱しない場合には、燃焼空気を火炎温度まで加熱するのにかなりの量の燃焼燃料を利用する。燃焼空気を予熱した場合でも、一般に燃焼空気の予熱は燃焼空気の温度を火炎温度近くまでは上げない。よって、輻射セクションの効率は、燃焼空気のより効果的な予熱により相当改善できる。燃料を予熱することは、かなりな予熱により燃料からコークスを生成し得るので、一般には行わない。
反応炉の直接燃焼を対処する多くの方法が示唆されている。熱分解炉への原料に対する添加物が、米国特許第５，５６７，３０５号及び第５，３３０，９７０号を含めて提案されている。これらの成分は、コークスの生成を少なくしたりその始まりを遅らせるものと言われているが、コークスの生成を排除するものではない。
【０００５】
炉管に対するセラミック・コーティングや前処理も、コークス化を低減するのに効果的であるとして例えば米国特許第５，６００，０５１号、第５，４６３，１５９号、第５，４４６，２２９号及び第５，４２４，０９５号に示唆されている。しかし、供給原料に対する処理と同様に、それらの効果はほんのわずかである。
間接加熱や電気式加熱も、例えば米国特許第５，５５９，５１０号、第５，５５４，３４７号、第５，５３６，４８８号、第５，３２１，１９１号及び第５，３０６，４８１号にこのような反応により均一な熱輻射束を与える方法として示唆されている。これらの方法は燃焼炉の欠点を解消するが、燃焼炉ヒーターと比べると追加的な資本及び／又は運転コストを発生させる。
水素と炭素酸化物を製造するための炭化水素の改質、炭化水素の熱分解によるオレフィン製造、及びスチレン製造のような反応の歩留まりは、温度が上がるにつれて改善する。従って、一般にこのような高温にて操作するのが望ましい。一般に、これらの温度は、経済的な材料の冶金学上の制限や管への伝熱性により制限される。
【０００６】
米国特許第４，１０４，０１８号は、水用のユーティリティ・ボイラーのような負荷流体を加熱するための燃焼器を開示し、その燃焼可能な混合物は小径の管を通り、管内で自由火炎を形成できず、窒素酸化物の放出の少ない低温燃焼が起こる。
さらに、請求項１及び８の前段による熱源としての無炎酸化が、米国特許第５，２５５，７４２号から公知である。この公知の無炎ヒーターは、井戸の中で使用されて熱を地下層に注入してそこから油を回収する。
冶金学上の限界にさらに近づくことができ且つ一様な熱伝達を維持することにより化学反応プロセスを最適化する吸熱化学プロセスにおいて使用するためのプロセスヒーターを提供することが望ましい。また、過度な資本又は運転コストを要求せず、より高い熱効率で動作するようなヒーターを提供することが望ましい。また、ＮＯx の発生を強く抑えるプロセスヒーターを提供することが望ましい。また、熱を制御可能な方式にてプロセス与えることができるようなプロセスヒーターを提供することが望ましい。従って、本発明の目的は、これらの事項及び以下の記載により明らかとなるその他の目的を達成することを含む。
【０００７】
発明の概要
これらの目的及びその他の目的は、請求項１によるプロセスヒーター及び請求項８による加熱方法により達成される。
【０００８】
一様な温度を有し且つＮＯx の生成が非常に少ない熱源から制御可能な熱輻射束をプロセス室に与えるのに、本発明の分散燃焼プロセスヒーターを用いることができる。最大温度を越えることなく平均温度を上げるため、又は材料のコストを下げるために、この一様な温度を利用できる。
【０００９】
好適な実施態様の説明
本発明のプロセスヒーターは、従来のプロセスヒーターの火室を不要にし、一様な熱輻射束を制御された温度レベルにて与える。火室は、例えば、コイル状又はまっすぐな同心管と置き換える。火炎を作ることなく、すなわち高レベルの熱の輻射源として火炎を用いることなく燃料を酸化させ、かつ、火炎を高温レベルのガス流に置換するような温度にて、燃料と酸化体をステージ内で混合する。吸熱プロセスでは、これは冶金学上の拘束内でより高い温度をもたらし得、よって、多くのプロセスにおいて改善された転化率、選択性及び／又は歩留まり並びに低減された副生成物の製造をもたらす。不規則な温度を排除することにより、局所的な高温地点を原因とする管の破損の危険性も減る。本発明による無炎燃焼の輻射効率もより大きくでき、よって、エネルギー消費をより少なくできる。
本発明による無炎燃焼は、火炎内の高温レベルを用いず、よって、火炎内に存在する遊離基を排除する。このことは、ＮＯx 化合物の生成を実質的に減らす。本発明のＮＯx レベルは、従来の燃料ヒーターのレベルの約百分の一より低く、メッシュ内で安定化された火炎を用いるヒーターで達成できるレベルの十分の一より低い。
【００１０】
幾つかの吸熱プロセスでは、反応を所望のレベルまで完了させるべく反応体を再加熱するために、複数ステージのヒーターが必要である。本発明は、このようなプロセスにて反応に熱を連続的に加えるのに適用でき、よって、制御された温度プロファイルを有する単一の反応ステージとなる。この利点は、滞留時間の制約を相当弛め、システムにおける圧力降下を小さくし、及び／又は最大温度を低くするために用いることができる。
約９００℃から約１１００℃の温度レベルの燃料ガスの無炎燃焼を利用する本発明のヒーターは、例えばWASPALLOY 、INCONEL 601 、INCONEL 617 、INCOLOY 800HT 、HASTELLOY 235 、UNIMET 500及びINCOLOY DS（WASPALLOY 、INCONEL 、INCOLOY 、HASTELLOY 、UNIMET及びINCOLOY DSは商標である）のような高温合金から製造できる。より高温では、セラミック材料が使用でき好適である。もし外側導管がさらされる温度を制限するのに内部耐火物質が使用されているならば、外側導管ではより低額な金属を使用できる。９００℃から約１４００℃までの温度にて許容できる強度を有するセラミック材料は、一般にアルミナ含有量の大きいセラミックスである。有効な他のセラミックスは、酸化クロム、酸化ジルコニア、及び酸化マグネシウムをベースとしたセラミックスを含む。ナショナル・リフラクトリズ・アンド・ミネラルズ社（カルフォルニア、リバモア）、Ａ．Ｐ．グリーン・インダストリズ社（メキシコ、ミズーリ）及びアルコア（アルコアセンター、ペンシルベニア）が、このような物質を提供している。
【００１１】
一般に、燃焼空気と燃料ガスを、二つの流れが結合される際に混合物の温度が混合物の自然発火温度を越える温度以上で、混合に際し酸化が混合速度により制限されることとなる温度より低い温度に予熱することにより、無炎燃焼を行う。さらに、燃料ノズルと酸化室は、燃料と空気の速度が安定化された如何なる火炎をも十分に吹き飛ばすくらい大きくなるように設計する。火炎が燃料ノズルにくっ付き得る再循環や低速度領域が避けられる。これらの流れを約８５０℃から約１４００℃までの温度に予熱し、相対的に小さな増分にて燃料ガスを燃焼空気に混合すると、無炎燃焼が得られる。好ましくは、燃料ガスを燃焼ガス流に混合する増分は、燃料の燃焼により燃焼ガス流において約２０℃から１００℃の温度上昇を生じる。
【００１２】
たいていの場合、プロセス流から熱を除去しつつ燃料の増分を混合して相対的に一様な温度プロファイルを達成するのが好ましいが、これは本発明の必須の部分ではない。例えば、増加する又は減少する温度プロファイルを有することが望ましい。本発明の利点は、温度プロファイル、すなわち熱の輻射束を所望のものになるように制御できることである。発熱プロセスでは、断熱プロファイルより速く増大する温度プロファイルを得るのに本発明を使用できる。
本発明は吸熱反応において一定の温度プロファイルを維持するとき最も有効であると予想されるが、反応が起こっている必要はない。例えば、水を気化させて蒸気にしたり、ガラスを作るというような相変化を起こすのに熱を使用できる。プロセス室は、気相プロセス流、液相流、及び／又は固相流を含み得る。
【００１３】
図１では、本発明のヒーターが部分断面図で示される。入口２と出口３を有する酸化反応室１が示される。プロセス室８と熱交換を行う流路４が、入口と出口の間に設けられる。燃料導管５は、流路４に沿って間隔を置いて配置されたノズル６に燃料を送る導管である。各ノズルを通る燃料の流れが酸化室の流路を流れる酸化流に燃料が混ざる際に火炎を生じないような速度にて燃料が酸化反応室に加えられるように、これらのノズルは一定の間隔を置いて配置される。燃料は、発光火炎を伴って燃えるのでなく、酸化室の容積いっぱいにて相対的に一様に酸化体と反応する。４組の燃料ノズルが示されているが、プロセス室に必要な熱輻射束に依存して任意の数の燃料ノズルを設けることができる。好ましくは、ノズルの組間の酸化室の容積は、ノズルの組を通って流れる燃料の相当の部分がさらに燃料を追加する前に酸化できるべく混合物の滞留時間が十分になるようにする。
プロセス室８は、酸化反応室１と熱交換する。プロセス流は入口１１にてプロセス室に入り、出口１２から出ていく。プロセス室を出ていくプロセス流を冷却する急冷熱交換器１０が示される。急冷熱交換器により加熱されるべき流れが、急冷入口１４にて入り、急冷出口１３から出ていく。急冷熱交換器により加熱されるべき流れは、例えばプロセス入口流、加熱及び／又は気化されるボイラー供給水流とし得る。炭化水素を熱分解してオレフィンを製造するような幾つかのプロセスでは、副生成物に対する反応を低減すべく速い急冷が望ましい。
【００１４】
注入ライン９として示される抑制剤注入装置を介して、コークス抑制剤を燃料に加えてもよい。抑制剤注入ラインは、制御バルブ、及び燃料流に対する抑制剤の比を制御する制御装置を含むことができる。
燃料導管は、酸化反応室の長さ方向に沿って複数のノズル６（４組が示される）を含む。これらのノズルは、燃料導管と酸化反応室を連通させる。複数のノズルにより、熱が酸化反応室内に分散して放出される。ノズルは、プロセス室内で所望の温度分布を得るようなサイズを有する。プロセス室内ではほぼ均一な温度プロファイルが一般には望ましい。というのは、その場合には所与の熱輻射束に対してより低い最大温度が得られるからである。装置の構造材料は最大温度を決定するので、均一な温度プロファイルは同一の構造材料に対して可能な熱放出を増大させる。ノズルの数は、使用されるノズルのサイズによってのみ制限される。もしより多くのノズルが使用されるならば、それらは一般により小さいサイズとしなければならない。より小さいノズルは、より大きいノズルよりさらに容易に詰まる。ノズルの数は、温度プロファイルの均一性と詰まる可能性の間のトレードオフである。
【００１５】
プロセス室と酸化室は、同一方向の流れとして示されているが、反対方向の流れとすることもできるし、又はそれら二つの組合せとすることもできる。例えば、酸化室をＵ型管の構成とできる。このような構成は、導管の差動熱膨張の効果に対応する上で望ましい。
特定のプロセスに依存して、プロセス室に触媒を与えてもよい。
示された予熱器７は、酸化体の流れと第１組のノズルからの燃料の混合物が十分に高温になり無炎酸化を生じるような温度まで酸化体の流れを加熱する。予熱器は、例えば、燃料が幾らかの酸化体と混合され燃やされて酸化体の温度を上げるバーナー、又はプロセス室の流出物と酸化反応室の流出物のどちらか又は両方との熱交換により酸化体が予熱されるバーナーとし得る。熱交換とバーナーの組合せを利用することができる。
別法として、燃料導管の代わりに酸化体導管にノズルを設け、結果として得られる混合物より高い温度にて燃料リッチな流れに酸化体を強制注入することにより、酸化体を燃料中に入れることができる。
【００１６】
図２では、別の実施態様の断面図が示される。この実施態様では、プロセス室８は管状であり、断熱ケース１０４内に束ねられている。断熱ケースは、圧力容器とする必要はないが、反応室を含む管からの熱損失を少なくする。燃料導管５は、酸化反応室１の内側にあり、２つの室を連通させるノズル６を備える。
【００１７】
図３では、もう一つ別の実施態様が示される。この実施態様では、プロセス室８が管状であり、断熱ケース４０１内に束ねられている。断熱ケースも燃焼室を形成する。燃料導管５は、プロセス室を形成する管の間にて断熱ケースの内側にある。プロセス室と燃料導管を形成する管は、相対的に堅固に詰められるが、圧力降下と必要なケースサイズの間でトレードオフを行うのに要求される間隔にて配置し得る。この代替例は、殻と管熱交換器の外見に近く、バッフルを備えて管を一定の間隔で配置し、プロセス室を形成する管を横切って燃焼ガス流を前後に送る。
酸化室は、酸化触媒を備えることもできる。酸化触媒は、アルミナのような支持台上に設けることができ、又は管壁上にコーティングすることもできる。酸化触媒は、無炎酸化が安定に働くような温度の有効範囲を拡大するのに役立ち得る。また酸化触媒は、非触媒酸化反応が進む温度に酸化室が到達する前の始動相に有効である。あるいは、触媒は酸化室に必要な容積を小さくするのに有効である。
炭化水素燃料を予熱して無炎燃焼を得る際、炭素生成抑制剤が燃料の流れに含まれていないならば、燃料導管内でかなりの炭素が発生する。炭素生成抑制剤は、二酸化炭素、蒸気、水素又はそれらの混合物とし得る。水素は一般的にコストが高いので、二酸化炭素と蒸気が好ましい。
【００１８】
炭素は、次の反応に従って高温にてメタンから形成される。
ＣＨ4   →  Ｃ  ＋  ２Ｈ2       （１）
この反応は可逆反応であり、逆反応では水素は炭素生成抑制剤として機能する。
二酸化炭素は、次の反応により炭素の生成を抑制する。
ＣＯ2   ＋  Ｃ  →  ２ＣＯ      （２）
蒸気は、次の反応により炭素の生成を抑制する。
Ｈ2 Ｏ  ＋  Ｃ  →  ＣＯ  ＋  Ｈ2       （３）
２Ｈ2 Ｏ  ＋  Ｃ  →  ＣＯ2   ＋  ２Ｈ2       （４）
二酸化炭素と一酸化炭素は、次のシフトガス反応により高温にて平衡して残る。
ＣＯ  ＋  Ｈ2 Ｏ  ⇔  ＣＯ2   ＋  Ｈ2       （５）
【００１９】
燃料が本質的にメタンである場合、炭素生成を約１３７０℃の温度に抑制するには、モル比が約１：１の蒸気とメタンで十分である。蒸気が炭素生成抑制剤として使用される場合には、蒸気とメタンのモル比は約１：１から約２：１の範囲内にあるのが好ましい。二酸化炭素が炭素生成抑制剤として使用される場合には、二酸化炭素とメタンのモル比は約１：１から約３：１の範囲内であるのが好ましい。メタンは他の軽い炭化水素よりも熱的に安定であるので、燃料は本質的にメタンから成るのが好ましい。抑制剤は燃焼速度を小さくしピーク温度を下げるので、さらに有利である。
燃料が酸化体の流れに加えられる前に十分に予熱されない場合、又は予熱された燃料の滞留時間が十分に短い場合には、炭素生成抑制剤の必要性は無くなる。
本発明のヒーターのコールドスタートは、火炎による燃焼を利用できる。初期発火は、吸熱物質を注入すること、電気式着火器、スパーク着火器、又は一時的に着火器を挿入することにより行うことができる。無炎燃焼が維持されて火炎が存在する時間を最小にするような温度に、ヒーターを素早く上げるのが好ましい。ヒーターを加熱する速度は、一般にヒーターが許容できる熱勾配により制限される。
【００２０】
一般に、酸化体の流れと燃料の間の反応が混合により制限されず、混合された流れが混合流の自然発火温度より高い温度であるとき、無炎燃焼が発生する。これは、混合地点での高温を避けること、及び相対的に小さな増分の燃料を酸化体に混合することにより達成される。火炎の存在は、燃えてない燃料と燃焼生成物との発光界面により証明される。火炎の発生を避けるために、燃料と酸化体を混合する前に約８１５℃から約１３７０℃までの温度に加熱するのが好ましい。好ましくは、燃料を相対的に小さな増分にて酸化体の流れに混合してより速く混合できるようにする。例えば、燃焼により流れの温度が約２０℃から約１００℃だけ上がるのに十分の燃料が増分として加え得る。
本発明のヒーターが有効なプロセスは、これに制限されるものではないが、蒸気メタン改質、オレフィン製造、スチレン製造、アンモニア製造、シクロヘキサン製造、炭化水素の触媒改質、及び塩化アリル又は塩化ビニルの製造、ガラス又はセラミックの製造、か焼、蒸留における液体の再沸騰、反応性蒸留における再沸騰又は温度プロファイル制御を含む。
【００２１】
図４では、プロセス室は、燃焼室１を形成する燃焼室導管内にあり、燃焼室１を形成する導管は、より大きな導管内にあり、燃料は大きな導管の内側で且つ酸化室を形成する導管の外側を流れる。燃料ノズル６は、燃料と酸化室を分離する導管に配置され、燃料がそれらのノズルを通って酸化室に流れる。この構成の利点は、燃料を流すのに１つの大きな導管しか必要とされないことである。
図５では、別の実施態様が示される。同心管の代わりに、燃料導管５とプロセス室８を形成する導管が、酸化室１を形成する導管内に配置される。この構成は、燃焼ガスを流すための断面領域が相対的に大きいので好都合である。これは燃焼ガスの圧縮コストを低減するので望ましく、また、最大径の管が最小の圧力を伴うことによっても管のコストを下げる。
図６では、図５に示されたものに類似の別の態様が示される。その違いは、燃料導管が、燃焼室１を形成する導管の外側に示されることである。ノズル６は、燃料導管５と燃焼室１を形成する管とを管にて接続する。この構成の利点は、燃料温度がより容易に制限できること、及びコークス抑制添加剤の必要がないことである。
【００２２】
図７では、図５に類似の構成が示される。追加された特徴は、燃焼室の流れが分離され、酸化室への入口２が、酸化室１の長さの中心近くにあることである。入口からの流れは、各方向に進む流れに分離する。この分離酸化室により、燃焼室の流路の距離に対するより長いプロセス室の流路が可能になり、酸化室内の流れを半減させる。よって、圧力降下は、燃焼流路の同様の大きさに対して、約８のファクターだけ低減される。これは、プロセスのエクスモミクス(exmomics)における圧縮コストが大きい故に利点となり得る。この態様は、プロセスの相対的に長い直線流路を有するのが望ましい場合に望ましい。別の態様として、燃料導管を図６に示すように酸化室の外側に設け得る。
図８では、酸化体の流れの分離流を有する別の態様が示される。この態様は、内側管内に酸化体を有し、入口が分離してＴ字管となり各方向に流れを送る。
図９では、矩形断面の酸化室を利用する本発明の実施態様が示される。プロセス室は箱内の管である。相当の数のプロセス室管８を含むのに十分なほど大きく矩形の酸化室を作るのが好都合である。プロセス室管は、全て並列の流管、直列管、又は並列と直列の組合せとし得る。１層のプロセス室管が示されるが、複数層を設けることもできる。流れが少なくとも部分的に直列の場合には、入口と出口を同じ端に設けて管の熱膨張により起こる問題を小さくすることが望ましい。
【００２３】
熱交換器、例えばここに参考のため援用した米国特許第４，０２９，１４６号に開示されたもののような波形板熱交換器の他の構成も利用できる。波形板熱交換器を用いると、燃料導管を酸化体の流れ空間に挿入して燃料を適切に分布させることができ、又は第３組のフロー流をノズルにより燃料の流れる空間と酸化体の流れる空間の間に設けることができる。
酸化室は垂直、水平、又は傾斜させてもよく、プロセス室が固定床触媒を含む場合には垂直にするのが好ましい。
【００２４】
本発明のプロセスヒーターは、酸化鉄−酸化カリウム促進触媒のような触媒でエチルベンゼンをビニルベンゼン（スチレン）に脱水素するスチレン製造において利用できる。この脱水素は、例えば５５０℃から６８０℃までで、４から約２０ｋＰａ（３ｐｓｉａ）から１４０ｋＰａ（２０ｐｓｉａ）までの範囲の圧力にて実行できる。蒸気をエチルベンゼン原料に加え、炭化水素の分圧を下げ（それにより、生成物の平衡比を改善し）、吸熱反応ゆえの温度低下を抑える熱シンクとして作用させ、水ガス反応によりコークス生成を低減する。たいていの触媒は蒸気と炭化水素のモル比が約７対１０であることを要する。液体供給に基づいた液体毎時空間速度は、一般に約０．４〜０．５時-1である。歩留まりと触媒安定性ゆえにより低い圧力が望ましいが、より高い圧力は生成物を圧縮するコスト（圧縮装置の資本コストを含む）を下げる。これは吸熱反応であり、ほぼ恒温で反応を実行するのが望ましい。温度が上がるにつれ、望ましくない副生成物（コークスを含む）がより高速度で製造され、温度が下がるにつれ、歩留まりは下がる。よって、ほぼ恒温条件にて脱水素プロセスを行うのが望ましい。より一様な温度を与えることにより実現される利点は、蒸気の使用の減少、より大きなスループットでの運転、増える歩留まりと選択性、減るコークス生成、及び／又は増す操作圧力を伴う。本発明は、エチルベンゼンを脱水素してスチレンにするのに、ヒーター又はヒーター前のヒーターとして適用できるが、好ましい実施態様は、無炎燃焼により加熱するプロセス室の少なくとも一部における脱水素触媒を有するヒーターとして本発明を利用することである。
【００２５】
本発明は、蒸気改質炉として触媒プロセス室を利用して炭化水素と蒸気を水素、一酸化炭素及び二酸化炭素に変換する。これは、より高い温度で炭化水素原料から水素と一酸化炭素の平衡をもたらす高度な吸熱反応である。蒸気改質による水素製造の場合メタンは好ましい原料であるが、メタンの他に炭化水素を利用することもできる。分子量が大きくなればなるほど、コークスを形成する傾向が大きくなる。よって、ナフサのような原料が使用される場合には、炭素に対する蒸気のより高い比が一般に必要とされる。一般に、炭素に対する蒸気のモル比は、約３〜５であり、空間速度は一般に非常に大きく、５０００〜８０００時-1のオーダーであり、温度は一般に約８００〜８７０℃であり、圧力は一般に約２〜２．５ＭＰａ（３００〜３５０ｐｓｉｇ）である。温度がより高くなるとメタンに対する水素の平衡を与え、ヒーター出口の水素純度は、少なくとヒーター出口温度の２５゜Ｆ以内の温度にて平衡する水素純度となるのが一般的である。触媒は、ニッケルをベースにした触媒であり、コークス形成を抑制するカリウムを含み得る。
蒸気改質による水素製造は、さらに第２の改質器で処理して例えばメタノールやアンモニアを作ることができる。
蒸気改質器における本発明の使用により、分散燃料により得られる熱の一様な分布ゆえに固定された最大反応室温度に対してより高い平均温度を得ることができる。よって、同様の管表皮層の温度に対し、蒸気速度を下げることができ、又は転化率を増やすことができる。
【００２６】
炭化水素を熱分解してオレフィン生成物を作るためのヒーターにおいて本発明を利用する場合、反応温度は７７５〜９５０℃、滞留時間は０．１〜０．８秒とできる。反応温度は、特定の炭化水素原料、及びその滞留時間に強く依存する。エタンのようなより軽い原料は、より高い温度かつより高い転化率で処理できる。ガス油のようなより重い原料は、コークスや他の望ましくない副生成物を形成する傾向が強いのでより低い温度が要求される。約０．１〜０．１５秒の滞留時間が好ましい。希釈蒸気をヒーター炭化水素原料に加えてコークスの堆積を抑制し、炭化水素の分圧を下げる。オレフィン選択性は副反応により低められるので、ヒーター流出物を急速に急冷するのが好ましい。反応室後の急冷は、例えばガス油流に直接接触させること、又は間接的に熱交換することによりできる。エネルギーをより有効なレベルにて回収できるので、間接急冷が好ましい。
本発明は、例えば蒸留塔リボイラー(reboiler)、又は真空フラッシュ(vacuum flash)蒸留原料ヒーターにおいて利用できる。しばしば、これらの用途は、炭化水素がコークスを形成する傾向により制限される温度まで炭化水素を加熱することを伴い、本発明により、炭化水素の流れへのより一様な熱伝達が得られ、よって、ヒーター内の炭化水素の最大温度が下げられる。さらに、ＮＯx の少ない発生のような利点も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のヒーターの部分断面を示す。
【図２】  本発明の別のヒーターの図である。
【図３】  本発明の別のヒーターの図である。
【図４】  本発明の別のヒーターの図である。
【図５】  本発明の別のヒーターの図である。
【図６】    本発明の別のヒーターの図である。
【図７】  本発明の別のヒーターの図である。
【図８】  本発明の別のヒーターの図である。
【図９】  本発明の別のヒーターの図である。
【符号の説明】
１    酸化反応室
２    酸化体の入口
３    燃焼生成物の出口
４    流路
５    燃料導管
６    燃料ノズル
７    予熱器
８    プロセス室
９    コークス抑制剤注入装置
１０    熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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