BRPI0608336B1 - sistema de processamento, sistema de aquecimento direto de quatro tubos para queima de um combustível e aquecimento direto de um fluido de processamento e método - Google Patents

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Abstract

sistema de processamento, sistema de aquecimento direto de quatro tubos para queima de um combustível e aquecimento direto de um fluido de processamento e metodo. é descrito um sistema de aquecimento de quatro tubos para queimar um combustível de transferir o calor liberado para um fluido de processamento. o sistema de aquecimento inclui uma zona de introdução de combustível, uma zona de queima e uma zona de introdução de oxidante, e uma zona de fluido de processamento, em que a zona de introdução de combustível é definida por dispositivos de introdução de combustível para introduzir combustível na zona de queima que é definida por um tubo de reação externo e envolto no dispositivo de introdução de combustível, e em que a zona de introdução de oxidante é definida por um tubo de introdução de oxidante externo e envolto no tubo de reação, e em que a zona de fluido de processamento é definida por um tubo de processamento externo e envolto no tubo de oxidante.

Description

(54) Título: SISTEMA DE PROCESSAMENTO, SISTEMA DE AQUECIMENTO DIRETO DE QUATRO TUBOS PARA QUEIMA DE UM COMBUSTÍVEL E AQUECIMENTO DIRETO DE UM FLUIDO DE PROCESSAMENTO E MÉTODO (51) Int.CI.: F23C 99/00; B01J 8/00; C01B 3/00 (30) Prioridade Unionista: 10/03/2005 US 60/660447 (73) Titular(es): SHELL INTERNATIONALE RESEARCH MAATSCHAPPIJ Β. V.
(72) Inventor(es): PETER VEENSTRA (85) Data do Início da Fase Nacional: 06/09/2007 “SISTEMA DE PROCESSAMENTO, SISTEMA DE AQUECIMENTO DIRETO DE QUATRO TUBOS PARA QUEIMA DE UM COMBUSTÍVEL E AQUECIMENTO DIRETO DE UM FLUIDO DE PROCESSAMENTO E MÉTODO”
Este pedido reivindica o benefício do pedido provisório U.S,
60/660.447, depositado em 10 de março de 2005, que está por meio deste incorporado pela referência.
A invenção diz respeito a um sistema de transferência de calor para queima de um combustível e para o aquecimento de um fluido de h) processamento. Em um outro aspecto, a invenção diz respeito ao uso de um sistema de transferência de calor para a queima sem chama de um r combustível para aquecer diretamente um fluido de processamento que deve ser usado em um processo.
A patente U.S. 4.692.306 revela um aparelho de reação 15 catalítica de tubos concêntricos que inclui uma câmara de reação anular que envolve uma câmara de convecção que envolve uma câmara de queimadores. Dentro da câmara de queimadores fica um conjunto de queimadores que fornece uma fonte de calor irradiante para liberar calor para transferência para a câmara de reação.
EP 0 450 872 BI revela diversos tipos de aparelhos de reação, um dos quais inclui um tubo de queima que envolve um tubo de combustível que tem perfurações em intervalos espaçados ao longo de seu comprimento. Combustível é alimentado por meio do tubo e de suas perfurações no espaço anular entre o tubo de combustível e o tubo de queima, em que ele mistura com ar e queima para liberar calor que é usado para aquecer o leito catalítico que envolve o tubo de queima.
A patente U.S. 5.255.742 revela um método de aquecimento de uma formação subterrânea usando um aparelho de queima sem chama. O aparelho inclui um conduto de gás combustível contendo uma pluralidade de
Η 5 orifícios. Ο conduto de gás combustível é centralizado dentro de um conduto de ar de queima para formar um primeiro espaço anular entre o conduto de gás combustível e o conduto de ar de queima. Os orifícios estabelecem comunicação fluídica entre o conduto de gás combustível e o primeiro espaço anular. O conduto de ar de queima é centralizado em um revestimento de perfuração de poço para formar assim um segundo espaço anular entre o conduto de ar de queima e o revestimento da perfuração de poço. Gás combustível é introduzido no primeiro espaço anular pelos orifícios do conduto de gás combustível para misturar com o ar e queimar no primeiro ^10 espaço anular. O primeiro espaço anular formado pelo conduto de ar de queima fica em comunicação fluídica com o segundo espaço anular entre o
- conduto de ar de queima e o revestimento da perfuração de poço. Esta comunicação fluídica fornece um caminho de fluxo para os gases de combustível ser introduzidos no segundo espaço anular e deslocar para cima para o segundo espaço anular até a superfície para fornecer assim calor que é transferido para uma formação subterrânea.
A publicação U.S. 2003/0182858 descreve um método para fornecer calor controlado a um fluido de processamento utilizando um , dispositivo de queima distribuída sem chama. O dispositivo inclui um conduto de combustível contendo uma pluralidade de bicos de combustível distribuída ao longo de seu comprimento e de uma câmara de oxidação em volta. Um conduto que envolve o conduto de combustível forma a câmara de oxidação. O dispositivo inclui adicionalmente uma câmara de processamento que envolve a câmara de oxidação. Os bicos de combustível fornecem comunicação de dentro do conduto de combustível com a câmara de oxidação em que oxidante e combustível são misturados e o combustível queimado. O calor liberado pela queima é transferido para a câmara de processamento.
Um objetivo da invenção é estabelecer a queima de um combustível e a transferência direta de calor que é liberado dele para um
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fluido de processamento.
Dessa maneira, é provido um sistema de processamento compreendendo, em relacionamento concêntrico, uma zona de introdução de combustível, uma zona de queima, uma zona de introdução de oxidante e uma zona de fluido de processamento, em que a dita zona de introdução de combustível é definida pelo dispositivo de introdução de combustível para introduzir combustível na dita zona de queima que é definida peJo tubo de reação extemamente e em volta do dito dispositivo de controle, e em que a dita zona de introdução de oxidante é definida por um tubo de oxidante extemamente e em volta do dito tubo de reação, e em que a dita zona de fluido de processamento é definida por um tubo de processamento extemamente e em volta do dito tubo de oxidante.
Uma outra modalidade da invenção inclui um sistema de processamento que compreende um tubo de combustível que tem um comprimento do tubo de combustível e uma parede do tubo de combustível que definem uma zona de introdução de combustível, em que o dito tubo de combustível inclui uma extremidade distai e uma extremidade de entrada de combustível para introduzir um combustível na dita zona de introdução de combustível, em que ao longo do dito comprimento do tubo de combustível e através da dita parede do tubo fica uma pluralidade de aberturas espaçadas; um tubo de reação que tem um comprimento do tubo de reação e que fica posicionado extemamente e em volta do dito tubo de combustível para que defina assim uma zona de queima ao longo do dito comprimento do tubo de combustível, em que o dito tubo de reação tem uma extremidade de entrada do tubo de reação para receber um oxidante preaquecido na dita zona de queima e uma extremidade de exaustão para descarregar uma exaustão da queima da dita zona de queima, e em que a dita pluralidade de aberturas espaçadas estabelece comunicação fluídica entre a dita zona de introdução de combustível e a dita zona de queima; um tubo de introdução de oxidante que
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tem um comprimento do tubo de introdução de oxidante e que fica posicionado extemamente e em volta do dito tubo de reação de maneira a definir assim uma zona de introdução de oxidante ao longo do dito comprimento do tubo de reação, em que o dito tubo de introdução de oxidante tem uma extremidade de entrada do tubo de introdução de oxidante para introduzir um oxidante na dita zona de introdução de oxidante e uma extremidade de saída do tubo de introdução de oxidante para descarregar o dito oxidante preaquecido da dita zona de introdução de oxidante na dita zona de queima através da dita extremidade de saída do tubo de introdução de oxidante que está em comunicação fluídica com a dita extremidade de entrada do tubo de reação, e em que a dita zona de introdução de oxidante fica em relacionamento de troca de calor com a dita zona de queima; e um tubo de processamento que fica posicionado extemamente e em volta do dito tubo de introdução de oxidante de maneira a definir assim uma zona de fluido de processamento ao longo do dito tubo de introdução de oxidante, em que o dito tubo de processamento tem uma extremidade de entrada de fluido de processamento para descarregar um fluido de processamento aquecido da dita zona de fluido de processamento, e em que a dita zona de fluido de processamento fica em relacionamento de troca de calor com a dita zona de queima.
Uma modalidade adicional da presente invenção inclui um método que compreende introduzir um combustível em um tubo de combustível que tem um comprimento do tubo de combustível e uma parede do tubo de combustível que definem uma zona de introdução de combustível, em que o dito tubo de combustível inclui uma extremidade distai e uma extremidade de entrada de combustível para introduzir o dito combustível na dita zona de introdução de combustível, e em que ao longo do dito comprimento e através da dita parede do tubo fica uma pluralidade de aberturas espaçadas; introduzir um oxidante preaquecido em um tubo de
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reação que tem um comprimento do tubo de reação e que fica posicionado extemamente e em volta do dito tubo de combustível de maneira a definir assim uma zona de queima ao longo do dito comprimento do tubo de combustível, em que o dito tubo de reação tem uma extremidade de entrada do tubo de reação para receber o dito oxidante preaquecido na dita zona de queima e uma extremidade de exaustão para descarregar uma exaustão de queima da dita zona de queima, e em que a dita pluralidade de aberturas espaçadas estabelece comunicação fluídica entre a dita zona de introdução de combustível e a dita zona de queima; introduzir um oxidante em um tubo de introdução de oxidante que tem um comprimento do tubo de introdução de oxidante e que fica posicionado extemamente e em volta do dito tubo de reação de maneira a definir assim uma zona de introdução de oxidante ao longo do dito comprimento do tubo de reação, em que o dito tubo de introdução de oxidante tem uma extremidade de entrada do tubo de introdução de oxidante para introduzir o dito oxidante na dita zona de introdução de oxidante e uma extremidade de saída do tubo de introdução de oxidante para descarregar o dito oxidante preaquecido da dita zona de introdução de oxidante na dita zona de queima através da dita extremidade de saída do tubo de introdução de oxidante que fica em comunicação fluídica com a dita extremidade de entrada do tubo de reação, e em que a dita zona de introdução de oxidante fica em relacionamento de troca de calor com a dita zona de queima; introduzir um fluido de processamento em um tubo de processamento que fica posicionado extemamente e em volta do dito tubo de introdução de oxidante de maneira a definir assim uma zona de fluído de processamento ao longo do dito tubo de introdução de oxidante, em que o dito tubo de processamento tem uma extremidade de entrada de fluido de processamento para introduzir o dito fluido de processamento na dita zona de fluido de processamento e uma extremidade de saída de fluido de processamento para descarregar um fluido de processamento aquecido da dita
Ηγ
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zona de fluido de processamento, e em que a dita zona de fluido de processamento fica em relacionamento de troca de calor com a dita zona de queima; descarregar o dito fluido de processamento aquecido da dita zona de fluido de processamento; e descarregar a dita exaustão da queima da dita zona de queima,
A figura 1 é uma vista seccional de elementos do sistema de transferência de calor para queima de um combustível e para o aquecimento de um fluido de processamento.
A figura 2 é uma vista seccional de uma modalidade do sistema de transferência de calor para a queima de um combustível e para o aquecimento de um fluido de processamento.
A invenção fornece um sistema ou dispositivo de transferência de calor que pode ser usado na transferência direta de energia térmica liberada pela queima de um combustível, preferivelmente, pela queima sem chama, para um fluido de processamento. O sistema de transferência de calor tem muitos usos e aplicações possíveis, mas, em particular, o uso de um sistema de aquecimento direto tal como o descrito com detalhes nesta especificação pode ser especialmente benéfico em processos de desídrogenação endotérmicos tais como processos para a desídrogenação de etilbenzeno para render um produto estireno. Por exemplo, o sistema de aquecimento direto da invenção pode estabelecer a taxa controlada de introdução de combustível através de um tubo de combustível em uma zona de queima de uma maneira a estabelecer uma queima uniforme do combustível ao longo do tubo de combustível. Esta queima uniforme pode estabelecer um perfil de temperatura uniforme ao longo do tubo de combustível. Esta queima pode estabelecer um perfil de temperatura controlado através da zona de queima. Alguns benefícios que pode ser realizados incluem, mas sem limitações, redução da utilização de vapor, operação com maiores taxas de produção, maiores rendimentos e seletividade, redução da produção de coque e aumento da
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pressão da operação.
O sistema de aquecimento direto pode também estabelecer a assim chamada queima sem chama de um combustível com o calor liberado a ser transferido para um fluido de processamento. Em virtude de não haver chama associada com a queima sem chama do combustível, a reação de oxidação (isto é, a queima sem chama) ocorre a uma temperatura relativamente baixa, comparada com as temperaturas de chama observadas em queima convencional e dispositivos de transferência de calor tais como as que ocorrem em aquecedores de queima convencionais. Embora a temperatura da oxidação sem chama de um combustível possa variar dependendo do combustível que está sendo queimado, ela tipicamente pode ser na faixa entre cerca de 600°C e cerca de 1.100°C, ou de cerca de 750°C a cerca de 1.050°C, oposto às temperaturas de chama observadas na queima convencional de combustíveis que podem tipicamente exceder 1.650°C.
O sistema de aquecimento direto da invenção pode também estabelecer transferência de calor para um vapor de processamento que deve ser aquecido de uma maneira a prover uma eficiência de transferência de calor que excede a de sistemas de aquecimento convencionais. Um dos recursos da invenção é que ela estabelece o aquecimento direto de um vapor de processamento em que o fluido de processamento fica em relacionamento imediato com a superfície externa de um tubo de reação no qual ocorre a queima de combustível. O vapor de processamento é contido por uma camisa ou conduto ou tubo de processamento que envolve um tubo de introdução de oxidante que envolve o tubo de reação para fornecer assim uma zona de fluido de processamento. A zona de fluido de processamento pode ser um espaço anular de processamento formado pelo tubo de processamento que envolve o tubo de introdução de oxidante. A transferência de calor para o fluido de processamento é maximizada pela provisão tanto de transferência de calor por convecção como por radiação com a camisa de processamento, permitindo uma segunda superfície de radiação de calor para a superfície do tubo de reação ou a superfície do tubo de introdução de oxidante.
Referindo-se agora à figura 1, está apresentada uma vista seccional de elementos do sistema de transferência de calor 10. O sistema de transferência de calor 10 é um sistema de quatro tubos incluindo um combustível ou tubo de introdução de combustível 12, um tubo de reação 14, que é externo e envolve o tubo de combustível 12, um oxidante ou tubo de introdução de oxidante 16, que é externo e envolve o tubo de reação 16. Os tubos do sistema de quatro tubos pode ter qualquer geometria adequada que forneça um conduto. Em modalidades típicas, os tubos do sistema de transferência de calor 10 pode ser feito de qualquer carga de alimentação de tubo comercialmente disponível adequado ou carga de alimentação de tubo quadrado ou retangular. Por exemplo, os tubos podem ser tubo padrão de acordo com a norma ANSI/ASME B36.10M, a norma Européia DIN 2448 ou qualquer outra norma. Exemplos não limitantes de tal tubo padrão adequado incluem: tubo bitola 40 de 3/4 de polegada (19,05 milímetros) definido pela norma ANSI/ASME B36.10M (DN 20 definido pela norma DIN 2448), que pode ser usado para o tubo de combustível 12, tubo bitola 40 de 3,5 polegadas (88,9 milímetros), definido pela norma ANSI/ASME B36.10M (DN 90 definido pela norma DIN 2448) que pode ser usado como o tubo de reação 14, e tubo bitola 40 de 5 polegadas (127,0 milímetros) definido pela norma ANSI/ASME B36.10M (DN 125 definido pela norma DIN 2448) que pode ser usado como o tubo de oxidante 16. O tubo de processamento 18 pode ser um tubo que serve como uma camisa de processamento que envolve o tubo de oxidante 16, ou um envoltório (não mostrado) pode ser usado o qual engloba um conjunto ou feixe de uma pluralidade de uma combinação de três tubos do tubo de combustível 12, tubo de reação 14 e tubo de oxidante 16.
Embora os tubos padrões previamente listados estejam apresentados como exemplos, qualquer tubo adequado pode ser usado para os
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tubos do sistema de transferência de calor 10, incluindo bitola 80 e bitolas superiores ou inferiores de tubo. Os tamanhos dos tubos que podem ser devidamente usados podem variar de 13 mm (1/2 polegada) a 300 mm (12 polegadas) e, no caso de um feixe de tubos, o envoltório do processo pode ter um diâmetro de até 305 cm (10 pés), 460 cm (15 pés) ou 610 cm (20 pés) ou mais.
O tubo de combustível 12 tem um comprimento do tubo de combustível que estende-se de sua extremidade de entrada de combustível 20 até sua extremidade distai 22, e o tubo de combustível 12 tem adicionalmente parede do tubo de combustível 24. Juntos, a parede do tubo de combustível 24 e o comprimento do tubo de combustível definem uma zona de introdução de combustível 26, que estende-se através de pelo menos uma parte do comprimento do tubo de combustível do tubo de combustível 12. O tubo de combustível 12 fornece adicionalmente meios para introduzir um combustível em uma zona de queima 30. O combustível é introduzido na zona de introdução de combustível 26 através da extremidade de entrada de combustível 20, que fornece meios para introduzir o combustível na zona de introdução de combustível 26. A zona de queima 30 é um conduto, formado entre o tubo de combustível 12 e o tubo de reação 14, que é definido pelo tubo de reação 14 que é posicionado extemamente e em volta do tubo de combustível 12. O tubo de combustível 12 pode incluir adicionalmente uma pluralidade de aberturas 32 que é definida pela parede do tubo de combustível 24.
As aberturas 32 são espaçadas axialmente ao longo de uma parte do comprimento do tubo de combustível 12 e estabelecem comunicação fluídica entre a zona de introdução de combustível 26 e a zona de queima 30. Quando o sistema de transferência de calor 10 está em uso, as aberturas 32 funcionam provendo um conduto para o combustível da zona de introdução de combustível 26 a ser introduzido em um oxidante preaquecido que está
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passando através da zona de queima 30.
O espaçamento, orientação e tamanho das aberturas são tais a estabelecer a introdução de incrementos de combustível pela zona de introdução de combustível 26 na zona de queima 30 em quantidades e a taxas tais a estabelecer a mistura rápida e completa do oxidante preaquecido e do combustível. Por causa da mistura rápida e completa, a reação de oxidação entre o oxidante preaquecido e combustível não está limitada à taxa de mistura. Assim, em geral, é a combinação da geometria da zona de introdução de combustível 26, definida pelo tubo de combustível 12, e a geometria da zona de queima 30, definida pelo tubo de reação 14, que estabelece a velocidade de combustível e a velocidade de oxidante preaquecido que resulta na mistura rápida e completa desejada dos dois fluidos. A geometria da zona de introdução do tubo de combustível 26 inclui recursos tais como o comprimento do tubo de combustível, o diâmetro do tubo de combustível e o número, espaçamento, orientação e tamanho das aberturas do tubo de combustível 12. A geometria da zona de queima 30 inclui recursos tais como o diâmetro e comprimento do seu tubo de reação.
Conforme notado antes, as aberturas 32 são espaçadas na direção axial ao longo do comprimento do tubo de combustível 12, e as aberturas 32 podem ficar posicionadas nos seus respectivos planos radiais em diferentes orientações ao longo do comprimento do tubo de combustível 12. Por exemplo, as posições das aberturas 32 podem alternar 180 graus nos planos radiais ao longo do comprimento do tubo de combustível 12, ou elas podem alternar 120 graus, ou 90 graus, e assim por diante. Portanto, as posições das aberturas no tubo de combustível 12 podem ser tais que suas orientações nos planos radiais alternem ao longo do comprimento do tubo de combustível 12 com suas orientações variando de 0 grau a 360 graus, ou de 30 graus a 180 graus. Entretanto, é preferível que as orientações das aberturas alternem de cerca de 60 a 120 graus ao longo do comprimento do tubo de
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combustível 12.
Ο tubo de reação 14 tem um comprimento do tubo de reação e. conforme descrito anteriormente, fica posicionado extemamente e em volta do tubo de combustível 12 de maneira a definir assim a zona de queima 30 que estende-se ao longo do comprimento do tubo de combustível 12. O comprimento do tubo de reação do tubo de reação 14 estende-se da extremidade de entrada do tubo de reação 34 até a extremidade de exaustão
36. O tubo de oxidante 16 tem um comprimento de tubo de oxidante e fica posicionado extemamente e em volta do tubo de reação 14 de uma maneira a definir uma zona de introdução de oxidante 40 ao longo do comprimento do tubo de reação 14. A zona de introdução de oxidante 40 é um conduto, formado entre o tubo de reação 14 e o tubo de oxidante 16, definido pelo tubo de oxidante 16 que é posicionado, conforme notado anteriormente, extemamente e em volta do tubo de reação 14. O comprimento do tubo de oxidante estende-se da extremidade de entrada de introdução de oxidante 42 até a extremidade de saída do tubo de introdução de oxidante 44.
E um recurso do sistema de transferência de calor 10 que a zona de introdução de oxidante 40 seja configurada para que ela estabeleça o relacionamento de troca de calor entre a zona de introdução de oxidante 40 e a zona de queima 30. Na operação do sistema de transferência de calor 10, um oxidante é introduzido na zona de introdução de oxidante 40 através da extremidade de entrada do tubo de introdução de oxidante 42, que fornece meios para introduzir o oxidante na zona de introdução de oxidante 40. O oxidante passa através da zona de introdução de oxidante 40 e absorve energia térmica pela transferência de calor da zona de queima 30 para prover assim um oxidante preaquecido. As setas curvas 46 representam a transferência de energia térmica da zona de queima 30 para o oxidante que passa através da zona de introdução de oxidante 40. O oxidante preaquecido é descarregado da zona de introdução de oxidante 40 através da extremidade de saída do tubo de
Χ5
Figure BRPI0608336B1_D0009
introdução de oxidante 44 e é introduzido na zona de queima 30 através da extremidade de entrada do tubo de reação 34. A extremidade de saída do tubo de introdução de oxidante 44 fornece meios para descarregar o oxidante preaquecido da zona de introdução de oxidante 40 na zona de queima 30 através da extremidade de saída do tubo de introdução de oxidante 44, que está em comunicação fluídica com a extremidade de entrada do tubo de reação 34. A extremidade de entrada do tubo de reação 34 fornece meios para receber o oxidante preaquecido na zona de queima 30. Pelo preaquecimento do oxidante e/ou combustível no sistema de transferência de calor 10, o dispêndio de capital pode ser reduzido. Trocadores de calor suplementares que podem ser necessários para recuperar calor de uma ou mais correntes ou prover calor a uma ou mais correntes fora do sistema de transferência de calor 10 podem ser projetados de maneira diferente, incluindo o uso de materiais de baixo custo, ou podem ser desnecessários.
Os incrementos de combustível que são introduzidos na zona de queima 30 pelas aberturas 32 e o oxidante preaquecido são intimamente misturados na zona de queima 30 para formar uma mistura de queima. Adicionalmente, na zona de queima 30, ocorre a queima da mistura de queima, por meio do que calor é liberado. A queima sem chama de combustível é obtida na zona de queima 30 em parte pela mistura do oxidante preaquecido para formar a mistura de queima com uma temperatura da mistura de queima que excede a temperatura de auto-ignição da mistura de queima. Assim, o sistema de transferência de calor 10 é configurado para que o relacionamento de troca de calor entre a zona de queima 30 e zona de introdução de oxidante 40 estabeleça o oxidante preaquecido com uma temperatura de oxidante preaquecido que é suficientemente alta para estabelecer a temperatura da mistura de queima supramencionada que excede a temperatura de autoignição da mistura de queima.
Tipicamente, um combustível é selecionado para uso na
A operação do sistema de transferência de calor 10, em que a temperatura de auto-ignição da mistura de queima compreendendo o combustível é na faixa de 400°C (752 °F) a 1.500°C (2.732 °F), ou de 500°C (932 °F) a 1.400°C (2.552 °F), mas mais tipicamente de 600°C (1.112 °F) a 1.350°C (2.462 °F) e acima de tudo tipicamente de 700°C (1.292 °F) a 1.300°C (2.372 °F).
As temperaturas nas quais o oxidante e combustível são introduzidos no sistema de transferência de calor 10 podem ser em uma ampla faixa de temperaturas incluindo temperaturas que aproximam-se das temperaturas ambientes. O oxidante e combustível podem também ser *10 aquecidos acima da temperatura ambiente antes de sua introdução no sistema de transferência de calor. Assim, a temperatura do oxidante a ser introduzido no sistema de transferência de calor 100 através da extremidade de entrada do tubo de introdução de oxidante 42 pode ser na faixa de cerca de -30°C (-22 °F) a cerca de 2.000°C (3.632 °F), ou de cerca de 10°C (14 °F) a cerca de
1.200°C (2.192 °F) ou de cerca de -10°C (14 °F) a cerca de 400°C (752 °F). A temperatura do oxidante introduzido no sistema de transferência de calor pode ser a uma temperatura de pelo menos - 30°C, pelo menos -20°C, pelo menos 10°C ou pelo menos 0°C. A temperatura do oxidante introduzido no sistema de transferência de calor pode ser no máximo 3.000°C, no máximo 2.000°C, no máximo 1.200°C, ou no máximo 1.000°C. Em algumas modalidades, o oxidante pode ser preaquecido antes de sua introdução na extremidade da zona de introdução de oxidante 40 do sistema de transferência de calor 10.
A geometria da zona de introdução de oxidante 40 e da zona de introdução de combustível 26 são tais a estabelecer uma velocidade do oxidante preaquecido e uma velocidade de combustível para zona de queima 30 e através dela de maneira tal que a formação de uma chama durante a queima da mistura de queima seja impedida. Os gases de exaustão de queima passam da zona de queima 30 através da extremidade de exaustão 36, que fornece meios para a descarga da exaustão da queima da zona de queima 30.
Figure BRPI0608336B1_D0010
O tubo de processamento 18 fica posicionado extemamente e em volta do tubo de oxidante 16 de maneira a definir assim uma zona de fluido de processamento 50 ao longo de pelo menos uma parte do comprimento do tubo de introdução de oxidante 16. O tubo de processamento 18 tem um comprimento que estende-se da extremidade de entrada de fluido de processamento 52 até a extremidade de saída de fluido de processamento
54. A extremidade de entrada de fluido de processamento 52 fornece meios para introduzir um fluido de processamento na zona de fluido de processamento 50, e a extremidade de saída de fluido de processamento 54 fornece meios para descarregar da zona de fluido de processamento 50 um fluido de processamento aquecido 50.
É um aspecto do sistema de transferência de calor inventivo 10 que a zona de fluido de processamento 50 seja configurada para que ela fique em relacionamento de troca de calor com a zona de queima 30, ou que a zona de fluido de processamento 50 fique em relacionamento de troca de calor com a zona de introdução de oxidante 40, que, por sua vez, fica em relacionamento de troca de calor com a zona de queima 30. Este relacionamento de troca de calor estabelece a transferência de energia térmica para a zona de fluido de processamento 50, aquecendo assim o fluido de processamento que passa através da zona de fluido de processamento 50. Representado pelas setas curvas 46 está o fluxo de energia térmica da zona de queima 30, ou da zona de introdução de oxidante 40, ou tanto da zona de queima 30 como da zona de introdução de oxidante 40, para o fluido de processamento que passa através da zona de fluido de processamento 50.
Provido na extremidade de saída do tubo de introdução de oxidante 44 fica um fechamento 56, que fornece meios para isolar fluidicamente a zona de fluido de processamento 50 da zona de introdução de oxidante 40, zona de queima 30 e zona de introdução de combustível 26. Conforme está representado na figura 1, a extremidade distai 22 do tubo de
5C combustível 12 estende-se até o fechamento 56, onde ela é anexada fixamente; entretanto, este é um recurso opcional do sistema de transferência de calor. A extremidade distai 22 do tubo de combustível 12 pode estender-se e terminar em um ponto em um lugar qualquer de dentro da zona de queima
30 definida pelo tubo de reação 14 até o fechamento 56. A extremidade de entrada do tubo de reação 34 termina em um ponto distante do fechamento 56 de maneira a estabelecer a comunicação fluídica entre a extremidade de saída do tubo de introdução de oxidante 44 e a extremidade de entrada do tubo de reação 34.
A figura 2 representa uma modalidade do sistema de transferência de calor 10 onde a extremidade distai 22 do tubo de combustível 12 não estende-se até o fechamento 56. Na figura 2, a extremidade distai 22 do tubo de combustível 12 estende-se até um ponto na zona de introdução de oxidante 40, e termina nele. Um tubo de combustível que não é fixado no fechamento 56 poderá expandir-se e/ou contrair-se por causa da expansão térmica sem resultar em efeitos mecânicos detrimentais em nenhum dos outros tubos. Além do mais, o tubo de introdução de oxidante 16 poderá expandir-se e/ou contrair-se por causa da expansão térmica sem resultar em efeitos mecânicos detrimentais no tubo de combustível.
O sistema de transferência de calor 10 pode ser projetado para uso em qualquer aplicação que possa tirar proveito dos benefícios de aquecimento direto de um fluido de processamento pelo uso de um dispositivo de aquecimento de quatro tubos aqui descrito com detalhes. Uma tal aplicação é no aquecimento de um fluido de processamento de um processo de desidrogenação em que o fluido de processamento aquecido entra em contato sob condições de processamento de desidrogenaçao com um catalisador de desidrogenação para render um produto de desidrogenaçao. Outros processos que podem tirar proveito de forma produtiva e adequada das vantagens do sistema de transferência de calor podem incluir reforma de
Figure BRPI0608336B1_D0011
vapor e craqueamento de olefinas.
Inúmeros fatores podem afetar o projeto do sistema de transferência de calor 10; incluindo, por exemplo, a temperatura do oxidante que é introduzido na zona de introdução de oxidante 40, a temperatura do fluido de processamento que é introduzido na zona de fluido de processamento 50, a temperatura desejada do fluido de processamento aquecido e a composição do combustível que é introduzido na zona de introdução de combustível 26.
Qualquer fluido adequado que é combustível na presença de um oxidante, tais como oxigênio ou ar, pode ser usado como o fluido combustível. Exemplos de tais combustíveis incluem hidrogênio e hidrocarbonetos. Os hidrocarbonetos que podem ser usados como combustível incluem aqueles hidrocarbonetos que têm de um a seis átomos de carbono, incluindo metano, etano, etileno, propano, propileno, propino, butano, butilenos e butino. Combustíveis preferidos incluem aqueles selecionados do grupo que consiste em hidrogênio, metano, etano e suas misturas. Vapor pode ser adicionado ao combustível para impedir ou inibir a formação de coque.
Os fluidos de processamento a ser aquecidos pelo uso do sistema de transferência de calor 10 podem ser qualquer fluido de processamento a ser aquecido com qualquer propósito. Entretanto, o sistema de transferência de calor tem aplicação particularmente benéfico quando usado no aquecimento de fluidos de processamento que sao cargas de alimentação de reagentes químicos. E, especialmente, o sistema de transferência de calor da invenção tem aplicação particular nos processos de desidrogenação tais como processos de desidrogenação de etilbenzeno para a fabricação de estireno. Em uma aplicação como essa, o fluido de processamento a ser aquecido usando o sistema de transferência de calor 10 compreende etilbenzeno. O fluido de processamento pode compreender adicionalmente vapor, e pode compreender adicionalmente estireno e outros componentes típicos de uma carga de alimentação de alimentação de reator de desidrogenação. Para a aplicação de desidrogenação, o fluido de processamento introduzido na zona de fluido de processamento 50 através da extremidade de entrada de fluido de processamento 52 tipicamente tem uma temperatura na faixa de 260°C (500 °F) a 704°C (1.300 °F), mais tipicamente de 315°C (600 °F) a 677°C (1.250 °F) e acima de tudo tipicamente de 427°C (800 °F) a 649°C (1.200 °F).
O aumento de temperatura típico do fluido de processamento '10 aquecido pelo uso do sistema de transferência de calor 10 pode ser na faixa de 10°C a 500°C, mas mais tipicamente o aumento de temperatura é na faixa de
50°C a 400°C, e acima de tudo tipicamente de 100°C a 350°C.
Um exemplo da aplicação do sistema de transferência de calor 10 é no seu uso para aquecer uma carga de alimentação de alimentação de processamento de desidrogenação compreendendo etilbenzeno. Em uma aplicação como essa, uma pluralidade de unidades individuais do sistema de transferência de calor 10 pode ser agrupada para formar um feixe. Cada uma das unidades do sistema de transferência de calor 10 do feixe pode ser , projetada para tratar uma vazão de carga de alimentação de alimentação na faixa de cerca de 800 kg/h (1.800 lb/h) a cerca de 1.450 kg/h (3.200 lb/h) com a temperatura da carga de alimentação de alimentação introduzido sendo na faixa de cerca de 500°C a cerca de 600°C e com o aumento na temperatura da carga de alimentação de alimentação provido pelo sistema de transferência de calor 10 sendo na faixa de cerca de 50°C a cerca de 150°C. Para este projeto, o tubo de combustível 12 tem um comprimento do tubo de combustível na faixa de cerca de 4,5 m (15 pés) a cerca de 12,2 m (40 pés). As aberturas 32 são espaçadas uma distância na faixa de cerca de 15 cm (0,5 pé) a cerca de 61 cm (2 pés) ao longo de todo o comprimento do tubo de combustível 12, provendo assim apenas 7 ou 8 aberturas até tantas quantas 80 ou mais
Figure BRPI0608336B1_D0012
aberturas ao longo do comprimento do tubo de combustível. As aberturas podem também ser orientadas em cada um dos respectivos planos radiais em orientações de 0 grau, 120 graus e 240 graus. O diâmetro das aberturas 32 pode ser na faixa de cerca de 0,7 mm (0,03 polegada) a cerca de 5,1 mm (0,2 polegada). Combustíveis preferidos são aqueles selecionados do grupo que consiste em hidrogênio, metano, etano, propano e suas misturas. O combustível é introduzido pela extremidade de entrada de combustível 20 na zona de introdução de combustível 26 a uma vazão de combustível na faixa de cerca de 0,14 m3/min (5 scfm) a cerca de 1,1 m3/min (40 scírn). Um oxidante preferido é ar, que é introduzido pela extremidade de entrada do tubo de introdução de oxidante 42 na zona de introdução de oxidante 40 a uma vazão na faixa de cerca de 0,4 m /min (15 scfm) a cerca de 4,2 m /min (150 scfm).
Figure BRPI0608336B1_D0013

Claims (15)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Sistema de processamento, caracterizado pelo fato de que compreende:
    um tubo de combustível que tem um comprimento do tubo de combustível e uma parede do tubo de combustível que definem uma zona de introdução de combustível, em que o dito tubo de combustível inclui uma extremidade distai e uma extremidade de entrada de combustível para introduzir um combustível na dita zona de introdução de combustível, e em que, ao longo do dito comprimento do tubo de combustível e através da dita parede do tubo, fica uma pluralidade de aberturas separadas umas das outras;
    um tubo de reação que tem um comprimento do tubo de reação e que fica posicionado externo e envolto no dito tubo de combustível de maneira a definir assim uma zona de queima ao longo do dito comprimento do tubo de combustível, em que o dito tubo de reação tem uma extremidade de entrada do tubo de reação para receber um oxidante preaquecido na dita zona de queima e uma extremidade de exaustão para descarregar uma exaustão da queima da dita zona de queima, e em que a dita pluralidade de aberturas separadas umas das outras permite comunicação fluida entre a dita zona de introdução de combustível e a dita zona de queima;
    um tubo de introdução de oxidante que tem um comprimento do tubo de introdução de oxidante e que fica posicionado externo e envolto no dito tubo de reação, de maneira a definir assim uma zona de introdução de oxidante ao longo do dito comprimento do tubo de reação, em que o dito tubo de introdução de oxidante tem uma extremidade de entrada do tubo de introdução de oxidante para introduzir um oxidante na dita zona de introdução de oxidante e uma extremidade de saída do tubo de introdução de oxidante para descarregar o dito oxidante preaquecido da dita zona de introdução de oxidante na dita zona de queima através da dita extremidade de saída do tubo de introdução de oxidante que está em comunicação fluida com a dita fc t extremidade de entrada do tubo de reação, e em que a dita zona de introdução de oxidante fica em relacionamento de troca de calor com a dita zona de queima; e um tubo de processamento que fica posicionado externo e 5 envolto no dito tubo de introdução de oxidante, de maneira a definir assim uma zona de fluido de processamento ao longo do dito comprimento do tubo de introdução de oxidante do dito tubo de introdução de oxidante, em que o dito tubo de processamento tem uma extremidade de entrada de fluido de processamento para introduzir um fluido de processamento na dita zona de
    10 fluido de processamento e uma extremidade de saída de fluido de processamento para descarregar um fluido de processamento aquecido da dita zona de fluido de processamento, e em que a dita zona de fluido de processamento fica em relacionamento de troca de calor com a dita zona de queima.
    15
  2. 2. Sistema de processamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as ditas aberturas da dita pluralidade de aberturas separadas unas das outras são separadas ao longo do dito comprimento do tubo de combustível e são dimensionadas de maneira a , permitir a introdução de incrementos do dito combustível no dito oxidante
    20 preaquecido na dita zona de queima, de maneira tal que, quando os ditos incrementos do dito combustível forem misturados com o dito oxidante preaquecido, uma mistura de queima seja formada, de maneira tal que ocorra uma queima que não é limitada pela taxa de mistura.
  3. 3. Sistema de processamento de acordo com qualquer uma das
    25 reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de que o relacionamento de troca de calor entre a dita zona de introdução de oxidante e a dita zona de queima permite o aquecimento do dito oxidante para produzir o dito oxidante preaquecido.
  4. 4. Sistema de processamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pe!o fato de que o dito relacionamento de troca de calor entre a dita zona de fluido de processamento e a dita zona de queima permite o aquecimento do dito fluido de processamento para produzir o dito fluido de processamento aquecido.
  5. 5 5. Sistema de processamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o relacionamento de troca de calor entre a dita zona de introdução de oxidante e a dita zona de queima permite adicionalmente uma temperatura de oxidante preaquecido do dito oxidante preaquecido tal que a dita mistura de queima tenha uma temperatura
    10 da mistura de queima que excede a temperatura de auto-ignição da dita mistura de queima.
  6. 6. Sistema de processamento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a dita zona de introdução de oxidante tem uma geometria da zona de introdução de oxidante, em que a
    15 dita zona de introdução de combustível tem adicionalmente uma geometria de introdução de combustível, em que a dita geometria de introdução de combustível e a dita geometria da zona de introdução de oxidante são tais que permitem uma velocidade de combustível e uma velocidade de oxidante , preaquecido que impedem a formação de uma chama durante a dita queima.
    20
  7. 7. Sistema de aquecimento direto de quatro tubos para queima de um combustível e aquecimento direto de um fluido de processamento, caracterizado pelo fato de que compreende:
    em relacionamento concêntrico, uma zona de introdução de combustível, uma zona de queima, uma zona de introdução de oxidante, e
    25 uma zona de fluido de processamento, e em que a dita zona de introdução de combustível é definida pelo dispositivo de introdução de combustível para introduzir combustível na dita zona de queima que é definida por um tubo de reação externo e envolto no dito dispositivo de introdução de combustível, em que a dita zona de introdução de oxidante é definida por um tubo de introdução de oxidante externo e envolto no dito tubo de reação, e em que a dita zona de fluido de processamento é definida por um tubo de processamento externo e envolto no dito tubo de oxidante.
  8. 8. Sistema de aquecimento direto de quatro tubos de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o dito dispositivo de introdução de combustível inclui um tubo de combustível que tem um comprimento de tubo de combustível e uma parede do tubo de combustível que define a dita zona de introdução de combustível, em que o dito tubo de combustível inclui uma extremidade distai e uma extremidade de entrada de combustível para introduzir um combustível na dita zona de introdução de combustível, e em que, ao longo do dito comprimento do tubo de combustível, e através da dita parede do tubo, fica uma pluralidade de aberturas separadas umas das outras que permite comunicação fluida entre a dita zona de introdução de oxidante e a dita zona de queima.
  9. 9. Sistema de aquecimento direto de quatro tubos de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 8, caracterizado pelo fato de que o dito tubo de reação inclui um comprimento do tubo de reação, uma extremidade de entrada do tubo de reação para receber um oxidante preaquecido na dita zona de queima, e uma extremidade de exaustão para descarregar uma exaustão de queima da dita zona de queima.
  10. 10. Sistema de aquecimento direto de quatro tubos de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de que o dito tubo de introdução de oxidante inclui um comprimento do tubo de introdução de oxidante, uma extremidade de entrada do tubo de introdução de oxidante para introduzir um oxidante na dita zona de introdução de oxidante e uma extremidade de saída do tubo de introdução de oxidante para descarregar o dito oxidante preaquecido da dita zona de introdução de oxidante na dita zona de queima através da dita extremidade de saída do tubo de introdução de oxidante que fica em comunicação fluida com a dita extremidade de entrada
    6 Η do tubo de reação, e em que a dita zona de introdução de oxidante fica em relacionamento de troca de calor com a dita zona de queima.
  11. 11. Sistema de aquecimento direto de quatro tubos de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado pelo fato de que o
    5 dito tubo de processamento inclui uma extremidade de entrada de fluido de processamento para introduzir um fluido de processamento na dita zona de fluido de processamento e uma extremidade de saída de fluido de processamento para descarregar um fluido de processamento aquecido da dita zona de fluido de processamento, e em que a dita zona de fluido de
    10 processamento fica em relacionamento de troca de calor com a dita zona de queima.
  12. 12. Método, caracterizado pelo fato de que compreende: introduzir um combustível em um tubo de combustível que tem um comprimento do tubo de combustível e uma parede do tubo de combustível
  13. 15 que definem uma zona de introdução de combustível, em que o dito tubo de combustível inclui uma extremidade distai e uma extremidade de entrada de combustível para introduzir o dito combustível na dita zona de introdução de combustível, e em que, ao longo do dito comprimento e através da dita parede do , tubo, fica uma pluralidade de aberturas separadas umas das outras;
  14. 20 introduzir um oxidante preaquecido em um tubo de reação que tem um comprimento do tubo de reação e que fica posicionado externo e envolto no dito tubo de combustível de maneira a definir assim uma zona de queima ao longo do dito comprimento do tubo de combustível, em que o dito tubo de reação tem uma extremidade de entrada do tubo de reação para
  15. 25 receber o dito oxidante preaquecido na dita zona de queima e uma extremidade de exaustão para descarregar uma exaustão de queima da dita zona de queima, e em que a dita pluralidade de aberturas separadas umas das outras permite comunicação fluida entre a dita zona de introdução de combustível e a dita zona de queima;
    U introduzir um oxidante em um tubo de introdução de oxidante que tem um comprimento do tubo de introdução de oxidante e que fica posicionado externo e envolto no dito tubo de reação, de maneira a definir assim uma zona de introdução de oxidante ao longo do dito comprimento do
    5 tubo de reação, em que o dito tubo de introdução de oxidante tem uma extremidade de entrada do tubo de introdução de oxidante para introduzir o dito oxidante na dita zona de introdução de oxidante e uma extremidade de saída do tubo de introdução de oxidante para descarregar o dito oxidante preaquecido da dita zona de introdução de oxidante na dita zona de queima
    10 através da dita extremidade de saída do tubo de introdução de oxidante que fica em comunicação fluida com a dita extremidade de entrada do tubo de reação, e em que a dita zona de introdução de oxidante fica em relacionamento de troca de calor com a dita zona de queima;
    introduzir um fluido de processamento em um tubo de
    15 processamento que fíca posicionado externo e envolto no dito tubo de introdução de oxidante, de maneira a definir assim uma zona de fluido de processamento ao longo do dito tubo de introdução de oxidante, em que o dito tubo processo tem uma extremidade de entrada de fluido de processamento ( para introduzir o dito fluido de processamento na dita zona de fluido de 20 processamento e uma extremidade de saída de fluido de processamento para descarregar um fluido de processamento aquecido da dita zona de fluido de processamento, e em que a dita zona de fluido de processamento fica em relacionamento de troca de calor com a dita zona de queima;
    descarregar o dito fluido de processamento aquecido da dita
    25 zona de fluido de processamento; e descarregar a dita exaustão de queima da dita zona de queima.
    1/2
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