(57)【要約】  本発明は、第１の燃焼室（１０）と、前記第１の燃焼室（１０）に通された少なくとも１つの反応管（２）であって、加熱すべき物質流（Ｍ）を受け取る反応管（２）と、少なくとも１つの第２の燃焼室（２０）とを有する炉（１）、および、物質流（Ｍ）の調温方法に関し、前記少なくとも１つの反応管（２）は前記少なくとも１つの第２の燃焼室（２０）にも通されており、第１の燃焼室（１０）内において生成され得る第１の温度（Ｔ１）と、前記少なくとも１つの第２の燃焼室（２０）内にて生成され得る第２の温度（Ｔ２）とをそれぞれ別個に調整するように、炉（１）は構成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の燃焼室（１０）と、
前記第１の燃焼室（１０）に通された少なくとも１つの反応管（２）であって、加熱すべき物質流（Ｍ）を受け取る反応管（２）と
を有する炉（１）において、
前記炉（１）は少なくとも１つの第２の燃焼室（２０）を有し、
前記少なくとも１つの反応管（２）は前記少なくとも１つの第２の燃焼室（２０）にも通されており、
前記第１の燃焼室（１０）内において生成され得る第１の温度（Ｔ１）と、前記少なくとも１つの第２の燃焼室（２０）内にて生成され得る第２の温度（Ｔ２）とをそれぞれ別個に調整するように、前記炉（１）は構成されている
ことを特徴とする炉（１）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの反応管（２）内に流れる物質流（Ｍ）が、まず最初に前記第１の燃焼室（１０）内に流され、その後、前記少なくとも１つの第２の燃焼室（２０）内に流されるように、当該少なくとも１つの反応管（２）は前記両燃焼室（１０，２０）に通されている、
請求項１記載の炉。
【請求項３】
前記炉（１）は、前記少なくとも１つの反応管（２）内に流れる物質流（Ｍ）を加熱するために前記第１の燃焼室（１０）内にて燃料を燃焼させて火炎を生成するように構成された少なくとも１つの第１のバーナ（１１）を有する、
請求項１または２記載の炉。
【請求項４】
前記炉（１）は、前記少なくとも１つの第２の燃焼室（２０）内にて燃料を無炎で酸化させるように構成された少なくとも１つの第２のバーナ（２１）を有する、
請求項１から３までのいずれか１項記載の炉。
【請求項５】
前記少なくとも１つの第１のバーナ（１１）はとりわけ前記第１の燃焼室（１０）の蓋部（１０ａ）または底部（１０ｂ）に配置されており、
とりわけ、前記第１の燃焼室（１０）内への前記反応管（２）の導入は、当該第１の燃焼室（１０）の、前記少なくとも１つの第１のバーナ（１１）も配置されている側にて行われ、
とりわけ、前記少なくとも１つの反応管（２）は、前記第１の燃焼室（１０）の、前記少なくとも１つの第１のバーナ（１１）とは反対側から導出される、
請求項３または４記載の炉。
【請求項６】
前記炉（１）は火室（３）を有しており、当該火室（３）は、当該火室（３）の少なくとも１つの壁（４）によって前記第１の燃焼室（１０）と前記少なくとも１つの第２の燃焼室（２０）とに分割されており、
または、
前記両燃焼室（１０，２０）は、それぞれ別個の火室によって構成されている、
請求項１から５までのいずれか１項記載の炉。
【請求項７】
前記第１の燃焼室（１０）内において生成され得る第１の温度（Ｔ１）が、前記少なくとも１つの第２の燃焼室（２０）内において生成され得る第２の温度（Ｔ２）より高くなるように、前記炉（１）が構成されており、
前記第１の温度と前記第２の温度との差は、とりわけ数百Ｋである、
請求項１から６までのいずれか１項記載の炉。
【請求項８】
前記少なくとも１つの第２の燃焼室（２０）内において前記第２の温度（Ｔ２）が均質に調節できるように、前記炉（１）が構成されている、
請求項１から７までのいずれか１項記載の炉。
【請求項９】
とりわけ請求項１から８までのいずれか１項記載の炉（１）を用いて、炉（１）の少なくとも１つの反応管（２）内において流れ方向に流れる物質流（Ｍ）の調温方法であって、
第１の燃焼室（１０）内において、前記少なくとも１つの反応管（２）内に流れる物質流（Ｍ）を、別個に調整可能な第１の温度にさらし、その後、少なくとも１つの第２の燃焼室（２０）内において、当該少なくとも１つの反応管（２）の過熱を防止するため、別個に調整可能な第２の温度に当該物質流（Ｍ）をさらす
ことを特徴とする調温方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの第２の燃焼室（２０）内において前記第２の温度（Ｔ２）を均質に設定する、
請求項９記載の調温方法。
【請求項１１】
前記物質流（Ｍ）は炭化水素化合物と水蒸気とを含み、
場合によっては前記炉（１）内において触媒を使用して、前記炭化水素化合物を前記水と共に、水素と、相応の酸化された炭化水素化合物とに変換する、
請求項９または１０記載の調温方法。
【請求項１２】
前記物質流（Ｍ）は炭化水素化合物、特にナフサ、プロパン、ブタンおよび／またはエタンと、水蒸気とを含み、
前記炭化水素化合物を前記水と共に前記炉（１）内において、たとえばエチレンおよび／またはプロピレン等のオレフィンに変換する、
請求項９または１０記載の調温方法。
【請求項１３】
前記物質流（Ｍ）はプロパンおよび水蒸気を含み、
前記プロパンを前記炉（１）内において、とりわけ触媒の存在下で、プロピレンに変換する、
請求項９または１０記載の調温方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は炉に関し、特に、オレフィンを製造するために炭化水素のクラッキングを行うための炉に関し、また、請求項１に記載のメタンの水蒸気改質により水素生成を行うための改質器と、請求項９に記載の炉内に流れる物質流の調温を行う方法とに関する。
【０００２】
水素を生成するためのメタンの水蒸気改質は、公知の手法である。かかる手法では、加熱された物質流が、炉の火室（「燃焼空間」とも称される）内にある反応管群内に通される。この物質流は、メタン含有供給材料と水蒸気とを含む。かかる炉内への物質流の導入は有利には、垂直方向に延在する火室の蓋部に反応管を燃焼空間内まで通し、反対側の底部において燃焼空間内から外部に引き出すことによって実現される。物質流を加熱するためには、火室の蓋部に、通常はバーナが設けられており、このバーナは炉内において局所的に非常に高い温度（たとえば、火炎内では最大１８００℃）を生成する。よって管群の各反応管は、この極度の放射条件に耐えられるように、対応した耐熱性を有する材料から成る。ガスバーナは通常は、火炎モードで動作する。これにより、火室内に形成される温度分布は不均一となり、火室の蓋部から下方に向かうにつれて温度が低下していく。
【０００３】
炭化水素の水蒸気クラッキングも公知の手法である。かかる手法では、加熱された物質流が、炉の燃焼空間内にある反応管群内に通される。この物質流は、ガス状の炭素水素含有供給材料と水蒸気とを含む。かかる炉内への物質流の導入は有利には、垂直方向に延在する火室の蓋部に反応管を当該火室内まで通し、反対側の底部の上方において弧を成して再び上方向に導いて、火室内から外部に引き出すことによって実現される。物質流を加熱するためには、火室の底部および／または側壁に、通常はバーナが設けられており、このバーナは炉内において局所的に非常に高い温度（たとえば、火炎内では最大２０００℃）を生成する。よって管群の各反応管は、この極度の放射条件に耐えられるように、対応した耐熱性を有する材料から成る。
【０００４】
物質流が火室内に流入するとき、反応管の過熱は、当初は比較的低温の物質流によって防止される。経過進行につれて物質流は大きく加熱し、管を十分に冷却できなくなるので、管を過熱させないように燃焼温度を制限しなければならなくなる。物質流における温度推移はとりわけ、当該物質流の流速と、火室内の温度分布と、たとえば各管内に配置された触媒材料の種類および量等の他のファクタとに依存する。これらのファクタにより、反応条件が変化できる範囲、特に火室内の温度分布に関する条件が変化できる範囲は制限されてしまう。その理由は特に、反応管を過熱させてはならないからでもある。このことによってさらに、燃焼と物質流との間に与えられた温度差に基づく、管へのエネルギー伝達効率も制限されてしまう。いずれの手法においても、経済上の理由により、エネルギー効率を高くすることが非常に重要となるので、燃焼された燃料の排熱を利用するために幾らか手間がかかる。
【０００５】
上述のことを背景として、本発明の基礎となる課題は、物質流における反応速度の取扱いをよりフレキシブルにし、それと同時に高いエネルギー効率の実現を可能とし、かつ、反応管の過熱の十分な防止を保証できる装置および方法を実現することである。
【０００６】
前記問題は、請求項１の構成を有する炉と、請求項９の特徴を有する方法とによって解決される。各従属請求項に本発明の有利な実施形態が記載されており、以下、かかる実施形態について説明する。
【０００７】
請求項１に係る発明は、炉が少なくとも１つの第２の燃焼室を有し、前記少なくとも１つの反応管は当該少なくとも１つの第２の燃焼室にも通されており、炉は、第１の燃焼室内において生成され得る第１の温度と、前記少なくとも１つの第２の燃焼室内にて生成され得る第２の温度とをそれぞれ別個に調整するように構成されている。
【０００８】
かかるマルチチャンバ原理により、特に、物質流中の温度推移をより良好に設定できるようになる。というのも、上述の少なくとも１つの第２の燃焼室内の周囲温度を別個に調整することができ、この別個の調整により、反応管と少なくとも１つの別の燃焼室との間の温度差を設定できるからである。これにより、とりわけ反応管の過熱防止を保証することができる。それと同時に、反応管内における物質流を調整する手段も得られる。もちろん炉は、物質流を流す／加熱するための複数の反応管を有することができ、これらの反応管が１つの管群を成すことができる。
【０００９】
本発明の有利な実施態様では、燃焼室内に流れる物質流がまず最初に第１の燃焼室内に通され、その後に、上述の少なくとも１つの第２の燃焼室内に通され、場合によっては更に別の燃焼室内に通されるように、前記少なくとも１つの反応管は燃焼室に通されている。
【００１０】
本発明の有利な実施態様では、炉は、前記少なくとも１つの反応管内に流れる物質流を加熱するために、第１の燃焼室内にて燃料を燃焼させて火炎を生成するように構成された少なくとも１つの第１のバーナを有する。炉は、かかる第１のバーナを第１の燃焼室内に複数有することも可能である。
【００１１】
本発明の有利な実施態様では、炉は、前記少なくとも１つの第２の燃焼室内にて燃料を無炎で酸化させるように構成された少なくとも１つの第２のバーナ（いわゆるＦＬＸバーナ）を有する。かかる構成でも、上述の第２のバーナを第２の燃焼室内に（または、場合によっては別の燃焼室内に）複数設けることができる場合がある。
【００１２】
上述の無炎酸化（ＦＬＸ）はたとえば、窒素酸化物の発生を低減することを特徴とする。このような第２のバーナを用いることにより、空気流の高い流入インパルスによって良好な煙道ガス混合を達成することができ、これにより、対応する燃焼室内における温度分布が均質になる。
【００１３】
本発明の有利な実施形態では、上述の少なくとも１つの第１のバーナはとりわけ第１の燃焼室の蓋部または底部に配置されている。かかる実施形態では、とりわけ、第１の燃焼室内への前記少なくとも１つの反応管の導入は、第１の燃焼室の、当該少なくとも１つの第１のバーナも配置されている側にて行われ、その際には、特に当該少なくとも１つの反応管は、第１の燃焼室の、当該少なくとも１つの第１のバーナとは反対側から導出する。
【００１４】
本発明の他の１つの有利な実施形態では、炉は火室を有し、この火室は、この火室は当該火室の少なくとも１つの壁によって、上述の第１の燃焼室と第２の燃焼室とに分割されている。もちろんこれに代えて、完全に別個の複数の燃焼室を、複数の別個の火室の形態で設けることも可能である。
【００１５】
好適には、第１の燃焼室と、上述の少なくとも１つの第２の燃焼室とはとりわけ、１つの同じ壁を共有する。複数の燃焼室が複数の別個のユニットとして構成されている場合、これらの燃焼室は、各ユニット間に延在する反応管によって連通される。
【００１６】
本発明の１つの有利な実施態様では、第１の燃焼室内において生成される第１の温度が、上述の少なくとも１つの第２の燃焼室内において生成される第２の温度より高くなるように、炉を構成する。第１の燃焼室内の温度分布は、第１のバーナの配置に起因して通常は不均質となるので、第１の温度はとりわけ、上述の少なくとも１つの第１のバーナの火炎の領域を基準とする。
【００１７】
有利には、炉はさらに、上述の少なくとも１つの第２の燃焼室内において第２の温度を均質に調整できるように構成されている。このことはとりわけ、当該少なくとも１つの第２の燃焼室が上述のＦＬＸ法によって加熱される場合に当てはまる。
【００１８】
上記にて既に述べたように、とりわけＦＬＸバーナの形態の第２のバーナは、空間的に均質な温度分布を形成するのに適している。これは、火炎モードで動作するバーナの場合には、必ずしも当てはまらないことがある。
【００１９】
また、上述の課題は、炉の少なくとも１つの反応管内において流れ方向に流れる物質流の調温方法であって、特に本発明の炉を使用し、第１の燃焼室内において、当該少なくとも１つの反応管内に流れる物質流を、別個に調整可能な第１の温度にさらし、その後、少なくとも１つの第２の燃焼室内において、当該少なくとも１つの反応管の過熱を防止するため、別個に調整可能な第２の温度に当該物質流をさらす調温方法によっても解決される。
【００２０】
本発明の１つの有利な実施形態では、上述の少なくとも１つの第２の燃焼室内において第２の温度を均質に調整する。かかる実施形態では、とりわけ第１の燃焼室内において、上述の少なくとも１つの反応管内に流れる物質流は、流れ方向に低下していく第１の温度にさらされる。この第１の温度の最大値はとりわけ、第２の温度より格段に高い（数百Ｋ（ケルビン））。
【００２１】
本発明の方法は、炉内の種々のプロセスに適用することができる。
【００２２】
たとえば本発明の有利な一実施形態では、炭化水素化合物および水蒸気である物質流を、場合によっては炉内にて適切な触媒を使用することによって、水素と酸化炭素とに変換する。一般的に、この化学反応は「水蒸気改質」との概念に包括される。触媒として有利には、ニッケル系または貴金属系の触媒材料が用いられる。
【００２３】
本発明の他の１つの実施態様では、物質流は長鎖の炭化水素化合物、特にナフサ、プロパン、ブタンおよび／またはエタンと、水とを含み、かかる炭化水素化合物は水と共に炉内において、エチレンやプロピレン等のオレフィンに変換される。通常、この化学反応は「水蒸気クラッキング」または「スチームクラッキング」との概念に包括される。
【００２４】
本発明の他の１つの有利な実施態様では、物質流はプロパンと特に水蒸気とを含み、プロパンは、場合によっては炉内にて適切な触媒を用いて、プロパン脱水素反応でプロピレンに変換される。
【００２５】
以下、図１および図２にて概略的に示されている実施例で、本発明の他の構成および利点を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の炉の概略図である。
【図２】本発明の炉の他の一実施形態を示す図である。
【００２７】
図１は、本発明の炉１の概略図である。同図では、物質流Ｍが少なくとも１つの反応管２または反応管群２内を流れて、第１の燃焼室１０の蓋部１０ａを通って当該第１の燃焼室１０内に導入される。第１の燃焼室１０の蓋部１０ａには、少なくとも１つの第１のバーナ１１が設けられている。この第１のバーナ１１は本実施例では、火炎を形成して燃料を酸化するものである。第１の燃焼室１０内において物質流Ｍは加熱される。上述の少なくとも１つの反応管２は、第１の燃焼室１０の、垂直線の方向において蓋部１０ａとは反対側にある底部１０ｂを通って、当該第１の燃焼室１０から出て、第２の燃焼室２０の底部２０ｂを通って当該第２の燃焼室２０内に入る。この第２の燃焼室２０内には、とりわけ対角線上に互いに反対側にある２つの第２のバーナが配置されており、この第２のバーナはＦＬＸバーナ２１の形態である。この第２のバーナは有利には、第２の燃焼室２０内において比較的均質な空間的温度分布を生成するように構成されたものである。このセクションでは部分的に遊離体と生成物とから成り得る（本方法の上述の用途も参照されたい）物質流Ｍは、第２の燃焼室２０の蓋部２０ａを通って炉１内から流出し、ここから、場合によっては更に処理されるべく、更に送られる。ここで留意すべき点は、本実施例では第１の燃焼室１０および第２の燃焼室２０は、火室３を当該火室３の中央の垂直方向に延在する壁４によって両燃焼室１０，２０に分割することよって形成されているので、両燃焼室１０，２０は横方向に互いに隣接していることである。上述の第２の燃焼室２０の形態の更に他の燃焼室を設けることもでき、この他の燃焼室はたとえば、横方向において第２の燃焼室２０に接続することができる。
【００２８】
図２では、図１と同様、物質流Ｍはまず最初に、図１の態様の第１の燃焼室１０に通されてから、その後に第２の燃焼室２０内に導入される。この第１の燃焼室１０も火炎酸化モードで加熱され、第２の燃焼室２０はＦＬＸ法で加熱される。しかしこの事例では、物質流Ｍ（および上述の少なくとも１つの反応管２）は、別個の第２の燃焼室２０の蓋部２０ａを通って第２の燃焼室２０内に導入され、底部２０ｂにおいて導出される。少なくとも１つの反応管２の点線で示されている部分は、炉１の一領域またはモジュール１００を示しており、ここで、この領域またはモジュール１００を任意に、しばしば縦続接続できることが多い。このモジュール１００は、上述の少なくとも１つの反応管２の一区間（点線で示されている）と、上述の第２の燃焼室２０とを含む。いかなる他のモジュールにおいても、温度を別個に調整することができる。物質流Ｍは最後の燃焼室５０を通過した後、この燃焼室５０から流出し、この物質流Ｍを更に適切に処理することができる。上述のシステムは従来の炉を最適化したものとなる。図２に示された配置の一改良態様は、火室の壁を用いて１つの火室を分割することにより、燃焼室１０，２０，５０を形成する構成が可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１      炉
２      反応管／反応管群
３      火室
４      ２つの燃焼室の隔壁
１０    第１の燃焼室
１０ａ  第１の燃焼室の蓋部
１０ｂ  第１の燃焼室の底部
１１    第１の燃焼室のバーナ
２０    第２の燃焼室
２０ａ  第２の燃焼室の蓋部
２０ｂ  第２の燃焼室の底部
２１    第２の燃焼室のＦＬＸバーナ
５０    最後の燃焼室
１００  燃焼室モジュール
Ｍ      物質流
Ｔ１    第１の温度
Ｔ２    第２の温度
【図１】
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【図２】
2017503739.tif 000004
【国際調査報告】
2017503739.tif 000005
2017503739.tif 000006
2017503739.tif 000007
2017503739.tif 000008