MX2007010986A

MX2007010986A - Sistema de transferencia de calor de tubos multiples para la combustion de un combustible, y calentamiento de un fluido de proceso y el uso del mismo.

Info

Publication number: MX2007010986A
Application number: MX2007010986A
Authority: MX
Inventors: Peter Veenstra
Original assignee: Shell Int Research
Priority date: 2005-03-10
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2007-09-25
Also published as: KR101228392B1; KR20070110435A; AU2006223381A1; CN101163917A; RU2007137496A; CA2601371A1; WO2006099047A1; JP2008532749A; PL1856443T3; RU2384791C2; US20060210936A1; EP1856443A1; CA2601371C; JP5065238B2; US7651331B2; BRPI0608336A2; BRPI0608336B1; CN101163917B; EP1856443B1

Abstract

Se describe un sistema de calentamiento de cuatro tubos de combustion de un combustible, y la transferencia de calor y grado desde este hacia un fluido de proceso. El sistema de calentamiento incluye una zona de introduccion de combustible, una zona de combustion, una zona de introduccion del oxidante, y una zona del fluido del proceso, en donde la zona de introduccion del combustible es definida por medio de introduccion del combustible para introducir combustible hacia la zona de combustion que es definido por un tubo de reaccion externo a y que rodea el medio de introduccion de combustible y en donde la zona de introduccion del oxidante es definida por un tubo de introduccion del oxidante, externo a, y que rodea el tubo de reaccion, y en donde la zona de fluido del proceso es definida por un tubo de proceso externo y que rodea el tubo de oxidante.

Description

SISTEMA DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE TUBOS MÚLTIPLES PARA LA COMBUSTIÓN DE UN COMBUSTIBLE, Y CALENTAMIENTO DE UN FLUIDO DE PROCESO Y EL USO DEL MISMO DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a un sistema de transferencia de calor para la combustión de un combustible y para el calentamiento de un fluido de proceso. En otro aspecto más, la invención se refiere al uso de un sistema de transferencia de calor para la combustión sin flama de un combustible, para calentar directamente un fluido de proceso que va a ser utilizado en un proceso. La Patente de los Estados Unidos No. 4,692,306 describe un aparato de reacción catalítico de tubo concéntrico que incluye una cámara de reacción anular que rodea una cámara de convección que rodea una cámara de quemador. Dentro de la cámara de quemador está un montaje de quemador que proporciona una fuente de calor radiante para liberar calor para la transferencia hacia la cámara de reacción. La Patente Europea EP-0,450,872 Bl describe varios tipos de aparatos de reacción, varios de los cuales incluye un tubo de combustión que rodea un tubo de combustible que tiene perforaciones a intervalos espaciados a lo largo de su longitud. El combustible es alimentado vía el tubo de REF. :186020 combustible y sus perforaciones dentro del anillo entre el tubo de combustible y el tubo de combustión en donde éste se mezcla con el aire y se enciende para liberar el calor, que es utilizado para calentar el lecho de catalizador que rodea el tubo de combustión. La Patente de los Estados Unidos No. 5,255,742 describe un método para calentar una formación subterránea para utilizar un aparato de combustión sin flama. El aparato incluye un conducto de gas combustible que contiene una pluralidad de orificios. El conducto de gas combustible es centralizado dentro de un conducto de aire de combustión para formar un primer anillo entre el conducto de gas combustible y el conducto de aire de combustión. Los orificios proporcionan comunicación fluida entre el conducto de gas combustible y el primer anillo. El conducto de aire de combustión es centralizado dentro del alojamiento de la perforación de un pozo para formar con esto un segundo anillo entre el conducto de aire de combustión y el alojamiento de la perforación del pozo. El gas combustible es introducido dentro del primer anillo vía los orificios del conducto de gas combustible, para mezclarse con el aire y para encenderse con el primer anillo. El primer anillo formado por el conducto de aire de combustión está en comunicación fluida con el segundo anillo entre el conducto de aire de combustión y el alojamiento del pozo. Esta comunicación de fluido proporciona una trayectoria de fluido para que los gases ' de la combustión sean introducidos dentro del segundo anillo y viajen hacia el segundo anillo hacia la superficie, para proporcionar con esto calor que es transferido a una formación subterránea. La publicación de los Estados Unidos No. 2003/0182858 describe un método para proporcionar calor controlado a un fluido de proceso, mediante la utilización de un dispositivo de combustión distribuida sin flama. El dispositivo incluye un conducto de combustible que contiene una pluralidad de boquillas de combustible distribuidas a lo largo de su longitud y una cámara de oxidación circunvecina. Un conducto que rodea el conducto de fluido forma la cámara de oxidación. El dispositivo incluye además una cámara de proceso que rodea la cámara de oxidación. Las boquillas de combustible proporcionan comunicación desde dentro del conducto de combustible hacia la cámara de oxidación, en donde el oxidante y el combustible son mezclados y el combustible es encendido. El calor liberado de la combustión es transferido a la cámara de proceso. Un objetivo de la invención es proporcionar la combustión de un combustible y la transferencia directa del calor que es liberado desde ésta a un fluido de proceso. En consecuencia, es proporcionado un sistema de proceso que comprende, en relación concéntrica, una zona de introducción de combustible, una zona de combustión, una zona de introducción de oxidante, y una zona de fluido de proceso, en donde la zona de introducción de combustible es definida por el medio de introducción de combustible para introducir combustible dentro de la zona de combustión que es definida por un tubo de reacción externo a y que rodea el medio de introducción de combustible, y en donde la zona de introducción del oxidante es definida por un tubo oxidante externo a y que rodea el tubo de reacción, y en donde la zona de fluido de proceso es definida por un tubo de proceso externo a y que rodea el tubo oxidante. Otra modalidad más de la invención incluye un sistema de proceso que comprende un tubo de combustible que tiene una longitud de tubo de combustible y una pared de tubo de combustible que definen una zona de introducción de combustible, en donde el tubo de combustible incluye un extremo distal y en extremo de entrada de combustible, para introducir un combustible dentro de la zona de introducción de combustible, y en donde a lo largo de la longitud del tubo de combustible y a través de la pared del tubo existe una pluralidad de aberturas espaciadas; un tubo de reacción que tiene una longitud de tubo de reacción y que está colocado externo a y que rodea el tubo de combustible para definir con esto una zona de combustión a lo largo de la longitud del tubo de combustible, en donde el tubo de reacción tiene un extremo de entrada del tubo de reacción para recibir un oxidante precalentado dentro de la zona de combustión, y un extremo de escape para descargar un gas de escape de la combustión desde la zona de combustión, y en donde la pluralidad de aberturas espaciadas proporcionan la comunicación fluida entre la zona de introducción del combustible y la zona de combustión; un tubo de introducción de oxidante que tiene una longitud de tubo de introducción de oxidante y que está colocado externo a y que rodea el tubo de reacción para definir con esto una zona de introducción de oxidante a lo largo de la longitud del tubo de reacción, en donde el tubo de introducción del oxidante tiene un extremo de entrada del tubo de introducción de oxidante, para introducir un oxidante dentro de la zona de introducción de oxidante, y un extremo de salida del tubo de introducción de oxidante, para descargar el oxidante precalentado desde la zona de introducción de oxidante hacia la zona de combustión, a través del extremo de salida del tubo de introducción de oxidante, que está en comunicación fluida con el extremo de entrada del tubo de reacción, y en donde la zona de introducción del oxidante está en una relación de intercambio de calor con la zona de combustión; y un tubo de proceso que está colocado externo a y que rodea el tubo de introducción de oxidante, para definir con esto una zona de fluido de proceso a lo largo del tubo de introducción de oxidante, en donde el tubo de proceso tiene un extremo de entrada del fluido de proceso, para introducir un fluido de proceso dentro de la zona del fluido de proceso, y un extremo de salida del fluido de proceso para descargar un fluido de proceso caliente desde la zona del fluido de proceso, y en donde la zona de fluido de proceso está en relación de intercambio de calor con la zona de combustión. Una modalidad adicional de la presente invención incluye un método que comprende introducir un combustible dentro de un tubo de combustible que tiene una longitud de tubo de combustible y una pared de tubo de combustible que definen una zona de introducción de combustible, en donde el tubo de combustible incluye un extremo distal y un extremo de entrada de combustible, para introducir el combustible dentro de la zona de introducción de combustible, y en donde a lo largo de la longitud y a través de la pared del tubo existe una pluralidad de aberturas espaciadas; la introducción de un oxidante precalentado dentro de un tubo de reacción que tiene una longitud de tubo de reacción y que está colocado externo a y que rodea el tubo de combustible, para definir así una zona de combustión a lo largo de la longitud del tubo de combustible, en donde el tubo de reacción tiene un extremo de entrada del tubo de reacción para recibir el oxidante precalentado dentro de la zona de combustión, y un extremo de escape para descargar un gas de escape de la combustión desde la zona de combustión, y en donde la pluralidad de aberturas espaciadas proporcionan la comunicación fluida entre la zona de introducción del combustible y la zona de combustión; la introducción de un oxidante dentro de un tubo de introducción de oxidante que tiene una longitud del tubo de introducción de oxidante y que está colocado externo a y que rodea el tubo de reacción, para definir con esto una zona de introducción del oxidante a lo largo de la longitud del tubo de reacción, en donde el tubo de introducción del oxidante tiene un extremo de entrada del tubo de introducción de oxidante para introducir el oxidante dentro de la zona de introducción del oxidante y un extremo de salida del tubo de introducción de oxidante, para descargar el oxidante precalentado desde la zona de introducción del oxidante hacia la zona de combustión, a través del extremo de salida del tubo de introducción de oxidante que está en comunicación fluida con el extremo de entrada del tubo de reacción, y en donde la zona de introducción del oxidante está en relación de intercambio de calor con la zona de combustión, introduciendo un fluido de proceso hacia un tubo de proceso que es colocado externo a y que rodea el tubo de introducción de oxidante, para definir así una zona de fluido de proceso a lo largo del tubo de introducción de oxidante, en donde el tubo de proceso tiene un extremo de entrada del fluido de proceso para introducir el fluido de proceso dentro de la zona del fluido de proceso, y un extremo de salida del fluido de proceso para descargar un fluido de proceso caliente desde la zona del fluido de proceso, y en donde la zona de fluido de proceso está en relación de intercambio de calor con la zona de combustión; la descarga del fluido de proceso caliente desde la zona de fluido de proceso; y la descarga del gas de escape de la combustión desde la zona de combustión. La Figura 1 es una vista en elevación de los elementos del sistema de transferencia de calor para la combustión de un combustible, y para el calentamiento de un fluido de proceso. La Figura 2 es una vista seccional de una modalidad del sistema de transferencia de calor para la combustión de un combustible, y para el calentamiento de un fluido de proceso. La invención proporciona un sistema de transferencia de calor o un dispositivo que puede ser utilizado en la transferencia directa de energía calorífica liberada por la combustión de un combustible, preferentemente mediante combustión sin flama, hacia un fluido de proceso. El sistema de transferencia de calor tiene muchos posibles usos y aplicaciones pero, en particular, el uso de un sistema de calentamiento directo tal como aquel descrito con detalle en esta especificación puede ser especialmente benéfico en los procesos de deshidrogenación endotérmica, tales como los procesos para la deshidrogenación del etilbenceno para producir un producto de estireno. Por ejemplo, el sistema de calentamiento directo de la invención puede proporcionar la velocidad controlada de introducción de combustible a través de un tubo de combustible hacia una zona de combustión, de una manera para proporcionar una combustión uniforme del combustible a lo largo del tubo de combustible. Esta combustión uniforme puede proporcionar un perfil de temperatura uniforme a lo largo del tubo de combustible. Esta combustión puede proporcionar un perfil de temperatura controlada a través de la zona de combustión. Algunos beneficios que pueden ser realizados incluyen, pero no están limitados a, la reducción del uso de vapor, la operación a rendimientos más altos, el incremento de los rendimientos y la selectividad, la disminución de la constitución de coque, y el incremento de la presión de la operación. El sistema de calentamiento directo puede también proporcionar la denominada combustión sin flama de un combustible, con calor liberado que va a ser transferido a un fluido de proceso. Debido a que no existe flama asociada con la combustión sin flama del combustible, la reacción de oxidación (por ejemplo la combustión sin flama) ocurre a una temperatura relativamente baja en comparación a las temperaturas de flama observadas en dispositivos convencionales de combustión y de transferencia de calor tales como aquellos que ocurren en calentadores encendidos convencionales. Mientras que la temperatura de la oxidación sin flama de un combustible puede variar dependiendo del combustible que es encendido, ésta puede estar típicamente en el intervalo de aproximadamente 600°C hasta aproximadamente 1100°C, o de aproximadamente 750 °C hasta aproximadamente 1050°C en oposición a las temperaturas de flama observadas en la ignición convencional de los combustibles que puede exceder típicamente los 1650°C. El sistema de calentamiento directo de la invención puede también proporcionar transferencia de calor a una corriente de proceso que va a ser calentada de una manera para proporcionar una eficiencia de transferencia de calor que excede aquella de los sistemas de calentamiento convencionales. Una de las características de la invención es que ésta proporciona el calentamiento directo de una corriente de proceso, ya que el fluido de proceso está en relación cercana con la superficie externa de un tubo de reacción dentro del cual ocurre la combustión del combustible. La corriente del proceso está contenida por una camisa o conducto o tubo de proceso que rodea un tubo de introducción de oxidante, que rodea el tubo de reacción, para proporcionar con esto una zona de fluido de proceso. La zona de fluido de proceso puede ser un anillo de proceso formado por el tubo de proceso que rodea el tubo de introducción del oxidante. La transferencia de calor hacia el fluido de proceso es elevada al máximo por la provisión de transferencia de calor por convección y calor radiante con la camisa de proceso que proporciona una segunda superficie de radiación de calor a aquella de la superficie del tubo de reacción o la superficie del tubo de introducción de oxidante . Con referencia ahora a la Figura 1, se presenta una vista seccional de los elementos del sistema 10 de transferencia de calor. El sistema 10 de transferencia de calor es un sistema de cuatro tubos que incluye un tubo 12 de combustible o de introducción de combustible, un tubo de reacción 14, el cual está externo a y rodea el tubo de combustible 12, un tubo 16 de oxidante o de introducción de oxidante, el cual está externo a y rodea el tubo de reacción 14 y el tubo de proceso 18, el cual está externo a y rodea el tubo 16 de oxidante. Los tubos del sistema de cuatro tubos pueden tener cualquier geometría adecuada que proporcione un conducto. En modalidades típicas, los tubos del sistema 10 de transferencia de calor pueden ser elaborados de cualquier material de tubo comercialmente disponible, adecuado, o material de tubo cuadrado o rectangular. Por ejemplo, los tubos pueden ser tubos estándares, de acuerdo al estándar ANSI/ASME B36.10M, el estándar Europeo DIN 2448 o cualquier otro estándar. Los ejemplos no limitantes de tal tubo estándar adecuado incluye: el tubo estipulado 40 de 19.05 mm (3/4 de pulgada) como se define por el estándar ANSI/ASME B36.10M (DN 20 como se define por el estándar DIN 2448), el cual puede ser utilizado para el tubo de combustible 12, el tubo estipulado 40 de 88.90 mm (3.5 pulgadas), como es definido por el estándar ANSI/ASME B36.10M (DN 90 como es definido por el estándar DIN 2448) , el cual puede ser utilizado como tubo de reacción 14, y el tubo estipulado 40 de 127 mm (5 pulgadas) como es definido por el estándar ANSI/ASME B36.10M (DN 125 como es definido por el estándar DIN 2448) , el cual puede ser utilizado como el tubo 16 de oxidante. El tubo de proceso 18 puede ser un tubo que sirve como una camisa de proceso que rodea el tubo 16 de oxidante, o una coraza (no mostrada) puede ser utilizada la cual abarque un montaje o un grupo de una pluralidad de combinación de tres tubos del tubo 12 de combustible, del tubo de reacción 14 y el tubo 16 de oxidante. Mientras que los tubos estándares previamente listados son presentados como ejemplos, cualquier tubo adecuado puede ser utilizado para los tubos del sistema 10 de transferencia de calor, incluyendo el tubo estipulado 80 y estipulados más altos o más bajos del tubo. Los tamaños de los tubos que pueden ser adecuadamente utilizados pueden están en el intervalo de 13 mm (1/2 pulgada) a 300 mm (12 pulgadas) , y en el caso de un grupo de tubos, el blindaje o coraza del proceso puede tener un diámetro hasta de 305 cm (10 pies) , 460 cm (15 pies) o 610 cm (20 pies) o mayor. El tubo 12 de combustible tiene una longitud del tubo de combustible que se extiende desde su extremo 20 de entrada de combustible hasta su extremo distal 22, y el tubo de combustible 12 tiene además una pared 24 de tubo de combustible. Conjuntamente, la pared 24 de tubo de combustible y la longitud del tubo de combustible definen una zona 26 de introducción de combustible, que se extiende a través de al menos una porción de la longitud del tubo 12 de combustible. El tubo 12 de combustible proporciona además los medios para introducir un combustible dentro de una zona de combustión 30. El combustible es introducido dentro de la zona 26 de introducción de combustible a través del extremo 20 de entrada de combustible, que proporciona los medios para introducir el combustible dentro de la zona 26 de introducción de combustible. La zona 30 de combustión es un conducto, formado del tubo de combustible 12 y el tubo de reacción 14, que es definido por el tubo de reacción 14 que está colocado externo a y que rodea el tubo 12 de combustible. El tubo 12 de combustible puede además incluir una pluralidad de aberturas 32 que son definidas por la pared 24 de tubo de combustible. Las aberturas 32 están espaciadas axialmente a lo largo de una porción de la longitud del tubo 12 de combustible y proporciona comunicación de fluido entre la zona 26 de introducción de combustible y la zona de combustión 30. Cuando el sistema 10 de transferencia de calor está en uso, las aberturas 32 funcionan por la provisión de un conducto para el combustible desde dentro de la zona 26 de producción de combustible que va a ser introducido dentro de un oxidante precalentado que está pasando a través de la zona de combustión 30. El espaciamiento, la orientación y el tamaño de las aberturas son tales como para proporcionar la introducción de incrementos de combustible desde la zona 26 de introducción de combustible hacia la zona de combustión 30, en cantidades y a velocidades tales como para proporcionar mezclado rápido y completo del oxidante precalentado y el combustible. Debido al mezclado rápido y completo, la reacción de oxidación entre el oxidante precalentado y el combustible no está limitada por la velocidad de mezclado. De este modo, en general, es la combinación de la geometría de la zona 26 de introducción de combustible, como es definida por el tubo 12 de combustible y la geometría de la zona de combustión 30, como es definida por el tubo de reacción 14 que proporcionan la velocidad del combustible y la velocidad del oxidante precalentado, que da como resultado el mezclado rápido y completo deseados de los dos fluidos. La geometría de la zona 26 de introducción del tubo de combustible incluye características tales como la longitud del tubo de combustible, el diámetro del tubo de combustible, y el número, el espaciamiento, la orientación y el tamaño de las aberturas del tubo 12 de combustible. La geometría de la zona de combustión 30 incluye características tales como su diámetro y longitud del tubo de reacción. Como se anotó anteriormente, las aberturas 32 están espaciadas en la dirección axial a lo largo de la longitud del tubo 12 de combustible, y las aberturas 32 pueden estar colocadas en sus respectivos planos radiales a diferentes orientaciones a lo largo de la longitud del tubo 12 de combustible. Por ejemplo, la posición de las aberturas 32 puede alternarse 180 grados en los planos radiales a lo largo de la longitud del tubo 12 de combustible, o éstos pueden alternarse 120 grados, o 90 grados y así sucesivamente. Por lo tanto, la posición de las aberturas en el tubo 12 de combustible puede ser tal que su orientación en los planos radiales se alterne a lo largo de la longitud del tubo 12 de combustible con sus orientaciones que varían de 0 a 360 grados o de 30 a 180 grados. No obstante, se prefiere que las orientaciones de las aberturas se alternen de aproximadamente 60 a 120 grados a lo largo de la longitud del tubo 12 de combustible. El tubo de reacción 14 tiene una longitud de tubo de reacción y, como se describe anteriormente, está colocado externo a y rodea el tubo 12 de combustible, para definir con esto la zona de combustión 30 que se extiende a lo largo de la longitud del tubo 12 de combustible. La longitud del tubo de reacción 14 se extiende desde el extremo 34 de entrada del tubo de reacción hacia el extremo de escape 36. El tubo 16 de oxidante tiene una longitud de tubo de oxidante y está colocado externo a y rodea el tubo de reacción 14, de una manera tal como para definir una zona 40 de introducción de oxidante a lo largo de la longitud del tubo de reacción 14. La zona 40 de introducción de oxidante es un conducto, formado entre el tubo de reacción 14 y el tubo 16 de oxidante, definido por el tubo 16 de oxidante que está colocado, como se anotó anteriormente, externo a y que rodea el tubo de reacción 14. La longitud del tubo de oxidante se extiende desde el extremo 42 de entrada del tubo de introducción de oxidante, hasta el extremo 44 de salida del tubo de introducción de oxidante. Una característica del sistema 10 de transferencia de calor para la zona 40 de introducción de oxidante, es que está configurado para que proporcione relación de intercambio de calor entre la zona 40 de introducción de oxidante y la zona de combustión 30. En la operación del sistema 10 de transferencia de calor, un oxidante es introducido dentro de la zona 40 de introducción de oxidante a través del extremo 42 de entrada del tubo de introducción de oxidante, que proporciona los medios para introducir el oxidante dentro de la zona 40 de introducción de oxidante. El oxidante pasa a través de la zona 40 de introducción de oxidante y absorbe energía calorífica por la transferencia de calor desde la zona de combustión 30 para proporcionar con esto un oxidante precalentado. Las flechas curvadas 46 describen la transferencia de la energía calorífica proveniente de la zona de combustión 30 dentro del oxidante que pasa a través de la zona 40 de introducción de oxidante. El oxidante precalentado es descargado a partir de la zona 40 de introducción de oxidante a través del extremo 44 de salida del tubo de introducción de oxidante y es introducido dentro de la zona de combustión 30 a través del extremo 34 de entrada del tubo de reacción. El extremo 44 de salida del tubo de introducción de oxidante proporciona los medios para descargar el oxidante precalentado desde la zona 40 de introducción de oxidante hacia la zona de combustión 30 a través del extremo 44 de salida del tubo de introducción de oxidante, que está en comunicación fluida con el extremo 34 de entrada del tubo de reacción. El extremo 34 de entrada del tubo de reacción proporciona los medios para recibir el oxidante precalentado dentro de la zona de combustión 30. Mediante el precalentamiento del oxidante y/o del combustible el sistema 10 de transferencia de calor, el gasto de capital puede ser reducido. Los intercambiadores de calor suplementarios que pueden ser necesarios para recuperar el calor desde una o más de las corrientes o para proporcionar calor hacia una o más de las corrientes fuera del sistema 10 de transferencia de calor, pueden ser diseñados de manera diferente, incluyendo el uso de materiales de más bajo costo, o pueden no ser necesarios . Los incrementos del combustible que son introducidos dentro de la zona de combustión 30 a través de las aberturas 32 y el oxidante precalentado, son íntimamente mezclados dentro de la zona de combustión 30 para formar una mezcla de combustión. Además, dentro de la zona de combustión 30, la combustión de la mezcla de combustión ocurre con lo cual se libera calor. La combustión sin flama del combustible es lograda dentro de la zona de combustión 30, en parte por el mezclado del oxidante precalentado para formar la mezcla de combustión que tiene una temperatura de la mezcla de combustión que excede la temperatura de auto-ignición de la mezcla de combustión. De este modo, el sistema 10 de transferencia de calor está configurado de modo que la relación de intercambio de calor entre la zona de combustión 30 y la zona 40 de introducción de oxidante proporciona el oxidante precalentado que tiene una temperatura de oxidante precalentado que es suficientemente alta para proporcionar la temperatura anteriormente mencionada de la mezcla de combustión, que excede la temperatura de auto-ignición de la mezcla de combustión. Típicamente, es seleccionado un combustible para el uso en la operación del sistema 10 de transferencia de calor, en donde la temperatura de auto- ignición de la mezcla de combustión que comprende el combustible está en el intervalo de 400°C (752°F) hasta 1500°C (2373°F), o de 500°C (932°F) a 1400°C (2552°F) , pero más típicamente, de 600°C (1112°F) a 1350°C (2462°F) y, lo más típicamente, de 700°C (1292°F) a 1300°C (2372°F) . Las temperaturas a las cuales son introducidos el oxidante y el combustible dentro del sistema 10 de transferencia de calor puede estar en un amplio intervalo de temperaturas, incluyendo temperaturas que se aproximan a las temperaturas ambientales. El oxidante y el combustible pueden también ser calentados por arriba de la temperatura ambiente antes de su introducción al sistema de transferencia de calor. De este modo, la temperatura del oxidante que va a ser introducido dentro del sistema 10 de transferencia de calor a través del extremo 42 de entrada del tubo de introducción del oxidante, puede estar en el intervalo de aproximadamente -30°C (-22°F) hasta aproximadamente 2000 °C (3632°F), o de aproximadamente -10°C (14°F) a aproximadamente 1200°C (2192°F) o de aproximadamente -10°C (14°F) a aproximadamente 400°C (752°F) . La temperatura del oxidante introducido dentro del sistema de transferencia de calor puede estar a una temperatura de al menos -30°C, al menos -20°C, al menos -10°C o al menos 0°C. La temperatura del oxidante introducido dentro del sistema de transferencia de calor puede ser a lo más 3000°C, a lo más 2000°C, a lo más 1200°C, o a lo más 1000°C. En algunas modalidades, el oxidante puede ser precalentado antes de su introducción dentro del extremo de la zona 40 de introducción de oxidante del sistema 10 de transferencia de calor. La geometría de la zona 40 de introducción de oxidante y de la zona 26 de introducción de combustible son tales como para proporcionar una velocidad del oxidante precalentado y una velocidad del combustible dentro y a través de la zona de combustión 30, tal que la formación de una flama durante la combustión de la mezcla de combustión, es prevenida. Los gases de escape de la combustión pasan desde la zona de combustión 30 a través del extremo de escape 36, que proporciona los medios para la descarga del escape de la combustión desde la zona de combustión 30. El tubo de proceso 18 es colocado externo a y rodeando el tubo 16 de oxidante, para definir con esto la zona 50 de fluido de proceso a lo largo de al menos una porción de la longitud del tubo 16 de introducción de oxidante. El tubo de proceso 18 tiene una longitud que se extiende desde el extremo 52 de entrada del fluido de proceso hasta el extremo 54 de salida del fluido de proceso. El extremo 52 de entrada del fluido de proceso proporciona los medios para introducir un fluido de proceso dentro de la zona 50 de fluido de proceso, y el extremo 54 de salida del fluido de proceso proporciona los medios para descargar desde la zona 50 del fluido de proceso, un fluido de proceso caliente. Un aspecto del sistema 10 de transferencia de calor de la invención para la zona 50 del fluido de proceso es que esté configurado de modo que esté en relación de intercambio de calor con la zona de combustión 30 o que la zona 50 del fluido de proceso esté en relación de intercambio de calor con la zona 40 de introducción de oxidante, que a su vez está en relación de intercambio de calor con la zona de combustión 30. Esta relación de intercambio de calor proporciona la transferencia de la energía calorífica hacia la zona 50 del fluido de proceso, con lo cual se calienta el fluido de proceso que pasa a través de la zona 50 del fluido de proceso. Descrito por las flechas curvadas 46 está el flujo de la energía calorífica desde la zona de combustión 30, o desde la zona 40 de introducción de oxidante, o desde la zona de combustión 30 y la zona 40 de introducción de oxidante, hacia el fluido de proceso que pasa a través de la zona 50 del fluido de proceso. Proporcionado en el extremo 44 de salida del tubo de introducción de oxidante, está un alojamiento 56, el cual proporciona los medios para aislar fluidamente la zona 50 del fluido de proceso de la zona 40 de introducción de oxidante, la zona de combustión 30, y la zona 26 de introducción de combustible. Como se describe en la Figura 1, el extremo distal 22 del tubo de combustible 12 se extiende hacia el alojamiento 56, donde éste es fijamente acoplado al mismo; no obstante, esta es una característica opcional del sistema 10 de transferencia de calor. El extremo distal 22 del tubo de combustible 12 puede extenderse a y terminar en un punto en cualquier sitio desde dentro de la zona de combustión 30, definido por el tubo de reacción 14 hacia el alojamiento 56. El extremo 34 de entrada del tubo de reacción termina en un punto distante del alojamiento 56, para proporcionar así la comunicación fluida entre el extremo 44 de salida del tubo de introducción de oxidante y el extremo 34 de entrada del tubo de reacción. La Figura 2 describe una modalidad del sistema 10 de transferencia de calor donde el extremo distal 22 del tubo de combustible 12 no se extiende hacia el alojamiento 56. En la Figura 2, el extremo distal 22 del tubo de combustible 12 se extiende hacia y termina en un punto dentro de la zona 40 de introducción de oxidante. Un tubo de combustible que no está fijado al alojamiento 56 será capaz de expandirse y/o contraerse debido a la expansión térmica, sin dar como resultado efectos mecánicos dañinos sobre cualquiera de los otros tubos. Además, el tubo 16 de introducción de oxidante será capaz de expandirse y/o de contraerse debido a la expansión térmica, sin dar como resultado efectos mecánicos dañinos sobre el tubo de combustible. El sistema 10 de transferencia de calor puede ser diseñado para el uso en cualquier aplicación que pueda explotar los beneficios del calentamiento directo de un fluido de proceso a través del uso de un dispositivo de calentamiento de cuatro tubos como se describe con detalle en la presente. Una aplicación tal es en el calentamiento de un fluido de proceso de un proceso de deshidrogenación en el cual el fluido de proceso calentado es puesto en contacto bajo condiciones de proceso de deshidrogenación con un catalizador de deshidrogenación para producir un producto de deshidrogenación. Otros procesos que pueden explotar productiva o adecuadamente las ventajas del sistema de transferencia de calor pueden incluir la reformación de vapor y el craqueo o desintegración catalítica de olefinas. Un número de factores pueden impactar el diseño del sistema 10 de transferencia de calor; incluyendo, por ejemplo, la temperatura del oxidante que es introducida dentro de la zona 40 de introducción de oxidante, la temperatura del fluido de proceso que es introducido dentro de la zona 50 del fluido de proceso, la temperatura deseada del fluido de proceso caliente y la composición del combustible que es introducido dentro de la zona 26 de introducción de combustible. Cualquier fluido adecuado que sea combustible en presencia de un oxidante, tal como oxígeno o aire, puede ser utilizado en operación de sistema 10 de transferencia de calor. Los ejemplos de tales combustibles incluyen hidrógeno e hidrocarburos. Los hidrocarburos que pueden ser utilizados en un combustible incluyen aquellos hidrocarburos que tienen uno a seis átomos de carbono, incluyendo, metano, etano, etileno, propano, propileno, propino, butano, butileno, y butino. Los combustibles preferidos incluyen aquellos seleccionados del grupo que consisten de hidrógeno, metano, etano y mezclas de los mismos. Puede ser agregado vapor al combustible para prevenir o inhibir la formación de coque. Los fluidos de proceso que van a ser calentados mediante el uso del sistema 10 de transferencia de calor pueden ser cualquier fluido del proceso que vaya a ser calentado para cualquier propósito. No obstante, el sistema de transferencia de calor tiene aplicación particularmente benéfica cuando se utiliza en el calentamiento de fluidos de proceso que son materiales de alimentación reactivos químicos. Y especialmente, el sistema de transferencia de calor de la invención tiene aplicación particular en procesos de deshidrogenación tales como los procesos de deshidrogenación de etilbenceno para la fabricación de estireno. En tal aplicación, el fluido del proceso que va ser calentado utilizando el sistema 10 de transferencia de calor comprende etilbenceno. El fluido del proceso puede comprende además vapor, y éste puede comprender además estireno y otros componentes típicos de un material de alimentación del reactor de deshidrogenación. Para la aplicación de deshidrogenación, el fluido del proceso introducido dentro de la zona 52 de calentamiento del fluido del proceso del sistema 10 de transferencia de calor, a través de la entrada 56 de fluido del proceso tiene típicamente una temperatura en el intervalo de 260 °C (500°F) hasta 704°C (1300°F) , más típicamente de 315°C (600°F) hasta 677°C (1250°F) , y lo más típicamente de 427°C (800°F) hasta 649°C (1200°F) . El incremento de temperatura típico del fluido del proceso calentado mediante el uso del sistema 10 de transferencia de calor puede estar en el intervalo de 10°C hasta 500 °C, pero más típicamente, el incremento de temperatura está en el intervalo de 50°C hasta 400°C, y lo más típicamente de 100°C hasta 350°C. Un ejemplo de la aplicación del sistema 10 de transferencia de calor es en el uso del mismo para calentar un material de alimentación del proceso de deshidrogenación que comprende etilbenceno. En tal aplicación, una pluralidad de unidades individuales del sistema 10 de transferencia de calor pueden estar agrupadas conjuntamente para formar un cúmulo. Cada una de las unidades del sistema 10 de transferencia de calor del grupo puede estar diseñada para manejar una velocidad de flujo de material de alimentación en el intervalo de aproximadamente 800 kg/hora (1800 libras/hora) hasta aproximadamente 1450 kg/hora (3200 libras/hora) con la temperatura del material de alimentación introducido que está en el intervalo de aproximadamente 500 °C hasta aproximadamente 600 °C y con el incremento en la temperatura del material de alimentación proporcionada por el sistema 10 de transferencia de calor, que está en el intervalo de aproximadamente 50 °C hasta aproximadamente 150 °C. Para este diseño, el tubo de combustible 12 tiene una longitud del tubo de combustible en el intervalo de aproximadamente 4.5 m (15 pies) hasta aproximadamente 12.2 m (40 pies) . Las aberturas 32 están espaciadas por una distancia en el intervalo de aproximadamente 15 cm (0.5 pies) hasta aproximadamente 61 cm (2 pies) a lo largo de la longitud completa del tubo de combustible 12 proporcionando de este modo tantas como 7 u 8 aperturas hasta tantas como 80 o más aberturas a lo largo de la longitud del tubo de combustible. Las aberturas pueden ser también orientadas en cada uno de los planos radiales respectivos a las orientaciones de 0 grados, 120 grados y 240 grados. El diámetro de las aberturas 32 puede estar en el intervalo de aproximadamente 0.7 mm (0.03 pulgadas) hasta aproximadamente 5.1 mm (0.2 pulgadas). Los combustibles preferidos son aquellos seleccionados del grupo que consiste de hidrógeno, metano, etano, propano y mezclas de los mismos. El combustible es introducido a través de una pared de tubo 20 hacia la zona de introducción de combustible 26 a una velocidad de flujo de aproximadamente 0.14 m3/minuto (5 scfm) hasta aproximadamente 1.1 m3/minuto (40 scfm). Un oxidante preferido es el aire, el cual es introducido a través del extremo dentado 42 del tubo de introducción de oxidante hacia la zona 40 de introducción de oxidante a una velocidad de flujo en el intervalo de aproximadamente 0.4 m3/minuto (15 scfm) hasta aproximadamente 4.2 m3/minuto (150 scfm).

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones :

1. Un sistema de proceso, caracterizado porque comprende : un tubo de combustible que tiene una longitud de tubo de combustible y una pared de tubo de combustible que definen una zona de introducción de combustible, en donde el tubo de combustible incluye un extremo distal y un extremo de entrada de combustible para introducir un combustible dentro de la zona de introducción de combustible, y en donde a lo largo de la longitud del tubo de combustible y a través de la pared del tubo se encuentra una pluralidad de aberturas espaciadas; un tubo de reacción que tiene una longitud de tubo de reacción y que está colocado externo a y que rodea el tubo de combustible para definir con esto una zona de combustión a lo largo de la longitud del tubo de combustible, en donde el tubo de reacción tiene un extremo de entrada del tubo de reacción para recibir un oxidante precalentado en la zona de combustión y un extremo de escape para descargar un escape de la combustión desde la zona de combustión, y en donde la pluralidad de aberturas espaciadas proporcionan la comunicación fluida entre la zona de introducción de combustible y la zona de combustión; un tubo de introducción de oxidante que tiene una longitud de tubo de introducción de oxidante y que está colocado externo a y que rodea el tubo de reacción, para definir con esto una zona de introducción de oxidante a lo largo de la longitud del tubo de reacción, en donde el tubo de introducción de oxidante tiene un extremo de entrada del tubo de introducción de oxidante para introducir un oxidante dentro de la zona de introducción de oxidante y un extremo de salida del tubo de introducción de oxidante, y para descargar el oxidante precalentado de la zona de introducción de oxidante hacia la zona de combustión a través del extremo de salida del tubo de introducción de oxidante que está en comunicación fluida con el extremo de entrada del tubo de reacción, y en donde la zona de introducción de oxidante está en relación de intercambio de calor con la zona de combustión; y un tubo de proceso que está colocado externo a y que rodea el tubo de introducción de oxidante para definir con esto una zona de fluido de proceso a lo largo de la longitud del tubo de introducción de oxidante, en donde el tubo de proceso tiene un extremo de entrada del fluido de proceso, para introducir un fluido de proceso dentro de la zona de fluido de proceso, y un extremo de salida de fluido de proceso para descargar un fluido de proceso caliente desde la zona de fluido de proceso, y en donde la zona de fluido de proceso está en relación de intercambio de calor con la zona de combustión.

2. El sistema de proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las aberturas de la pluralidad de aberturas espaciadas están espaciadas a lo largo de la longitud del tubo de combustible, y son de tamaño adecuado como para proporcionar la introducción de incrementos del combustible en el oxidante precalentado, dentro de la zona de combustión, tal que cuando los incrementos del combustible son mezclados con el oxidante precalentado se forma una mezcla de combustión, tal que ocurre una combustión que no está limitada por la velocidad de mezclado.

3. Un sistema de proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado porque la relación de intercambio de calor entre la zona de introducción del oxidante y la zona de combustión proporciona calentamiento del oxidante para producir el oxidante precalentado .

4. Un sistema de proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque la relación de intercambio de calor entre la zona de fluido del proceso y la zona de combustión proporcionan el calentamiento del fluido del proceso para producir el fluido del proceso calentado.

5. Un sistema de proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque la relación de intercambio de calor entre la zona de introducción del oxidante y la zona de combustión proporciona además una temperatura del oxidante precalentado, del oxidante precalentado, tal que la mezcla de combustión tiene una temperatura de la mezcla de combustión que excede la temperatura de auto- ignición de la mezcla de combustión.

6. Un sistema de proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque la zona de introducción del oxidante está además dotada de una geometría de la zona de introducción del oxidante, en donde la zona de introducción del combustible se caracteriza además por una geometría de introducción de combustible, en donde la geometría de introducción del combustible y la geometría de la zona de introducción del oxidante son tal como para proporcionar una velocidad de combustible y una velocidad del oxidante precalentado que previenen la formación de una flama durante la combustión.

7. Un sistema de calentamiento directo de cuatro tubos, para la combustión de un combustible y el calentamiento directo de un fluido de proceso, el sistema está caracterizado porque comprende: en relación concéntrica, una zona de introducción de combustible, una zona de combustión, una zona de introducción de oxidante y una zona de fluido de proceso, en donde la zona de introducción del combustible es definida por el elemento de introducción del combustible para introducir combustible hacia la zona de combustión que es definida por un tubo de reacción externa y, que rodea el medio de introducción de combustible, en donde el tubo de reacción incluye una longitud de tubo de reacción, un extremo de entrada del tubo de reacción para recibir un oxidante precalentado hacia la zona de combustión, y un extremo de escape para descargar un escape de la combustión desde la zona de combustión, y en donde la zona de introducción del oxidante es definida por un tubo de introducción de oxidante externo a y que rodea el tubo de reacción, y en donde la introducción del oxidante incluye una longitud del tubo de introducción del oxidante, un extremo de entrada del tubo de introducción del oxidante para introducir un oxidante dentro de la zona de introducción del oxidante y un extremo de salida del tubo de introducción del oxidante para descargar el oxidante precalentado desde la zona de introducción del oxidante hacia la zona de combustión a través del extremo de salida del tubo de introducción del oxidante que está en comunicación fluida con el extremo de entrada del tubo de reacción, y en donde la zona de introducción del oxidante está en relación de intercambio de calor con la zona de combustión, y en donde la zona del fluido del proceso es definida por un tubo de proceso externo a y que rodea el tubo de oxidante .

8. Un sistema de calentamiento directo de cuatro tubos de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el medio de introducción de combustible incluye un tubo de combustible que tiene una longitud del tubo de combustible y una pared del tubo de combustible que define la zona de introducción del combustible, en donde el tubo de combustible incluye un extremo distal y un extremo de entrada del combustible para introducir un combustible dentro de la zona de introducción de combustible, y en donde a lo largo de la longitud del tubo de combustible y a través de la pared del tubo existe una pluralidad de aberturas espaciadas que proporcionan comunicación fluida entre la zona de introducción del combustible y la zona de combustión.

9. Un sistema de calentamiento directo de cuatro tubos de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 7-8, caracterizado porque el tubo de proceso incluye un extremo de entrada del fluido del proceso para introducir un fluido del proceso dentro de la zona del fluido de proceso y un extremo de salida del fluido del proceso para descargar un fluido de proceso caliente desde la zona de fluido de proceso, y en donde la zona del fluido de proceso está en relación de intercambio de calor con la zona de combustión.

10. Un método, caracterizado porque comprende: introducir un combustible dentro de un tubo de combustible que tiene una longitud del tubo de combustible y una pared del tubo de combustible, que define una zona de introducción de combustible, en donde el tubo de combustible incluye un extremo distal y un extremo de entrada de combustible, para introducir el combustible dentro de la zona de introducción de combustible, y en a lo largo de la longitud y a través de la pared del tubo están una pluralidad de aberturas espaciadas ; introducir un oxidante precalentado dentro de un tubo de reacción que tiene una longitud de tubo de reacción y que está colocado externo a y que rodea el tubo de combustible, para definir con esto una zona de combustión a lo largo de la longitud del tubo de combustible, en donde el tubo de reacción tiene un extremo de entrada del tubo de reacción para recibir el oxidante precalentado dentro de la zona de combustión, y un extremo de escape para descargar un escape de combustión desde la zona de combustión , y en donde la pluralidad de aberturas espaciadas proporcionan comunicación fluida entre la zona de introducción del combustible y la zona de combustión; introducir un oxidante dentro de un tubo de introducción de oxidante que tiene una longitud de tubo de introducción de oxidante y que está colocado externa a y que rodea el tubo de reacción para definir con esto una zona de introducción de oxidante a lo largo de la longitud del tubo de reacción en donde el tubo de introducción de oxidante tiene un extremo de entrada del tubo de introducción de oxidante para introducir el oxidante dentro de la zona de introducción del oxidante y un extremo de salida del tubo de introducción del oxidante para descargar el oxidante precalentado desde la zona de introducción del oxidante hacia la zona de combustión, a través del extremo de salida del tubo de introducción del oxidante que está en comunicación fluida con el extremo de entrada del tubo de reacción y en donde la zona de introducción del oxidante está en relación de intercambio de calor con la zona de combustión; introducir un fluido de proceso dentro de un tubo de proceso que está colocado externo a y que rodea el tubo de introducción de oxidante, para definir con esto una zona de fluido de proceso a lo largo del tubo de introducción del oxidante, en donde el tubo de proceso tiene un extremo de entrada del fluido de proceso para introducir el fluido de proceso dentro de la zona del fluido de proceso, y un extremo de salida del fluido de proceso para descargar un fluido de proceso caliente desde la zona de fluido de proceso, y en donde la zona de fluido de proceso está en relación de intercambio de calor con la zona de combustión; descargar el fluido de proceso caliente desde la zona de fluido de proceso; y descargar el escape de la combustión desde la zona de combustión.