MX2008007320A - Metodo de calentamiento de fluido - Google Patents

Abstract

Se describe un método para calentar un fluido que utiliza un calentador de proceso que tiene una o más primeras zonas de combustión y una o más segundas zonas de combustión. La combustión de un combustible se divide entre la primera y segunda zonas de combustión. El oxígeno es proporcionado para la combustión dentro de la primera zona de combustión por una o más membranas de transporte de oxígeno que contribuyen entre aproximadamente 50 y 99 por ciento de la cantidad estequiométrica de oxígeno requerida para la combustión completa del combustible que pasa a través del calentador de proceso. Un oxidante complementario o secundario se introduce a la segunda zona de combustión para la combustión completa del combustible y de tal modo producir una corriente de gas combustible que contenga entre aproximadamente 1 y 3 por ciento de oxígeno. De este modo, elárea superficial de las membranas de transporte de oxígeno se puede reducir por debajo delárea superficial que de otra manera requerida si el 100 por ciento del oxígeno fuera contribuido por las membranas de transporte de oxígeno.

Description

MÉTODO DE CALENTAMIENTO DE FLUIDO Campo de la Invención La presente invención se refiere a un método para calentar un fluido. Más particularmente, la presente invención se refiere a tal método en donde el fluido se calienta dentro de un calentador de proceso que incorpora una membrana de transporte de oxígeno para proporcionar el oxígeno permeado a modo de soportar la combustión y de tal modo aumentar el calor lo necesario para calentar el fluido. Incluso más particularmente, la presente invención se refiere a tal método en donde la combustión del combustible se divide entre una primera zona de calentamiento que incorpora la membrana de transporte de oxígeno y una segunda zona de calentamiento en donde un oxidante secundario se utiliza para soportar la combustión. Antecedentes de la Invención La técnica anterior ha proporcionado los calentadores de proceso para calentar fluidos. Un ejemplo común de un calentador de proceso es una caldera que se utiliza para aumentar el vapor del agua de alimentación o para sobrecalentar el vapor que ya se ha generado. Comúnmente, los calentadores de proceso queman un combustible en presencia de un oxidante, por ejemplo, aire, para aumentar el calor necesario para calentar el fluido de proceso. En años recientes, se ha sugerido incorporar las membranas de transporte de oxígeno en calentadores de proceso para producir el oxígeno permeado a modo de soportar la combustión, en lugar de aire La ventaja principal del uso de una membrana de transporte de oxígeno en un calentador de proceso para suministrar oxígeno para la combustión, es que el vapor presente dentro de los gases combustibles que resultan de la combustión, se puede condensar a una temperatura más alta que en los gases combustibles producidos por la combustión soportada solo por aire La razón de esto es que cuando la combustión es soportada por el oxígeno producido por la membrana de transporte de oxígeno, los gases combustibles esencialmente contienen dióxido de carbono y agua Cuando el aire se utiliza como el oxidante de combustión, los gases combustibles que también contienen cantidades sustanciales de nitrógeno y agua contenidas en tales gases combustibles se condensarán a una temperatura mucho más baja, comúnmente aproximadamente 25°C menos que el caso en donde la combustión es soportada por el oxígeno La condensación del vapor a temperatura alta permite que el calor que de otro modo se perdería en los gases de escape, se recupere y recicle para el uso en el precalentamiento de la alimentación para el calentador de proceso Como tal, un calentador de proceso que utiliza una membrana de transporte de oxígeno puede ser más eficiente térmicamente que uno que usa aire Además de lo anterior, puesto que los gases combustibles esencialmente contienen dióxido de carbono y agua, el dióxido de carbono se puede capturar fácilmente con la eliminación convencional de agua. Por otra parte, puesto que solamente una pequeña cantidad, si la hay, de nitrógeno está presente durante la combustión, muy poco NOx se produce a partir de la combustión. Como es bien conocido en la técnica, las membranas de transporte de oxígeno se pueden fabricar de materiales cerámicos que se forman en la placa o elementos tubulares que cuando se calientan a una temperatura operacional de entre aproximadamente 400°C y aproximadamente 1000°C exhiben el transporte de iones de oxígeno. Cuando un gas que contiene oxígeno, por ejemplo, aire, entra en contacto con en un lado de la membrana, conocido como el lado del cátodo, el oxígeno es ionizado por los electrones adquiridos. Los iones de oxigeno resultantes se transportan a través de la membrana y emergen de un lado opuesto, conocido como el lado del ánodo, donde los iones de oxígeno se combinan para formar el oxígeno elemental y al hacer esto se producen los electrones. Los electrones se transportan nuevamente desde el lado del ánodo al lado del cátodo para ionizar el oxígeno. Si el material cerámico es un conductor mezclado, comúnmente una perovskita, los electrones serán transportados en el material cerámico por sí mismos. Otros tipos de materiales utilizan fases duales de un material iónico, tal como bióxido de cerio o circonio estabilizado con itrio, que es capaz solamente de transportar los iones de oxígeno y una fase electrónicamente conductora. La fase electrónicamente conductora se utiliza para conducir los electrones. El transporte de los iones de oxígeno es conducido por una presión parcial de oxígeno diferente entre los lados del cátodo y ánodo de la membrana. Esta diferencia de la presión parcial puede ser creada completa o parcialmente consumiendo el oxígeno en el lado del ánodo a través de la combustión de un combustible. Ha existido una variedad de diseños para los calentadores de proceso que incorporan las membranas de transporte de oxígeno propuestas en la técnica anterior. Tal ejemplo se puede encontrar en la Patente Norteamericana No. 6,394,043 que incorpora las membranas de transporte de oxígeno dentro de una cámara de combustión para proporcionar el oxígeno para soportar la combustión del combustible y de tal modo generar el calor. Parte del calor generado se utiliza para calentar la membrana de transporte de oxígeno a su temperatura operacional. La porción restante del calor se utiliza para aumentar el vapor o para sobrecalentar el vapor que pasa a través de los pasajes de transferencia que se extienden a través de la cámara de combustión. Los gases combustibles producidos a partir de la combustión se pueden hacer recircular y mezclar con el combustible. En otro ejemplo, US 6,552,104, un combustible se quema dentro de una cámara de combustión y los gases combustibles calentados pasan en una relación de flujo cruzado a las membranas de transporte de oxígeno que se utilizan para generar el oxígeno. En una modalidad, las membranas de transporte de oxígeno y los tubos de vapor se entremezclan dentro de una cámara de combustión. En otra modalidad, se separan las membranas de transporte de oxígeno y los tubos de vapor. Una cámara de combustión contiene los tubos de vapor y el gas combustible resultante pasa a las membranas de transporte de oxígeno como un gas de barrido. Los gases combustibles se enriquecen en oxígeno y después se hacen recircular a la cámara de combustión. El problema de un sistema de combustión de oxicombustible, que utiliza las membranas de transporte de oxígeno, es que el flujo de oxígeno en condiciones ricas en combustible es sustancialmente mayor que en condiciones bajas en combustible por orden de magnitud. Así, para tener la combustión completa en tal sistema, una superficie de membrana grande se requiere para contribuir con el oxígeno necesario para la combustión estequiométrica. Como será discutido, la presente invención proporciona un método para calentar un fluido mediante un calentador de proceso que integra las membranas de transporte de oxígeno, lo cual supera este problema no utilizando las membranas de transporte de oxígeno como la única fuente de oxígeno que se utiliza para soportar la combustión. Breve Descripción de la Invención La presente invención proporciona un método para calentar un fluido. De acuerdo con el método una corriente de combustible se introduce en un calentador de proceso que tiene por lo menos una primera zona de combustión y por lo menos una segunda zona de combustión para la combustión del combustible contenido en la corriente de combustible. Los pasajes de transferencia de calor extendidos a través de por lo menos una primera zona de combustión para que el pasaje de fluido sea calentado a partir del calor generado de la combustión del combustible. Por lo menos una primera zona de combustión y por lo menos una segunda zona de combustión están conectadas en serie a modo que una primera porción del combustible pueda quemarse en por lo menos una primera zona de combustión y una segunda porción del combustible no quemado en por lo menos una primera zona de combustión se pueda quemar en por lo menos una segunda zona de combustión. La corriente de combustible entra en contacto con por lo menos una membrana de transporte de oxígeno ubicada dentro de por lo menos una primera zona de combustión. El oxígeno se separa de por lo menos una primera corriente de gas que contiene oxígeno con por lo menos una membrana de transporte de oxígeno, tal que el oxígeno permeado soporte la combustión de una primera porción del combustible y suministre entre aproximadamente 50 por ciento y aproximadamente 99 por ciento de la cantidad de oxígeno estequiométrico necesaria para la combustión completa del combustible presente dentro de por lo menos una primera zona de combustión. La combustión de la primera porción de combustible proporciona una fuerza impulsora para la separación del oxígeno. Por lo menos una segunda correine de gas que contiene oxígeno se introduce en por lo menos una segunda zona de combustión para soportar la combustión de la segunda parte del combustible a modo que un gas combustible sea producido a partir de la combustión de la segunda parte de combustible que contiene entre aproximadamente 1 y aproximadamente 3 por ciento en volumen de oxígeno. El gas combustible se descarga de por lo menos una segunda zona de combustión. Un calentador de proceso que utiliza las membranas de transporte de oxígeno de una forma en la cual no todo el oxígeno necesario para la combustión es contribuido por las membranas de transporte de oxígeno, permite que el número de membranas de transporte de oxígeno sea reducido sustancialmente haciendo que el uso de las membranas de transporte de oxígeno para la combustión del oxicombustible sea económicamente atractivo. Preferiblemente, el oxígeno permeado suministra entre aproximadamente 75 por ciento y aproximadamente 95 por ciento de la cantidad de oxígeno estequiométrico necesaria para la combustión completa del combustible presente dentro de por lo menos una primera zona de combustión. Por lo menos una segunda corriente de gas que contiene oxígeno puede ser aire o aire enriquecido en oxígeno o una corriente que contiene oxígeno que contiene por lo menos 90 por ciento en volumen de oxígeno. Tal corriente que contiene oxígeno se puede producir por la adsorción de oscilación de presión o por la rectificación criogénica. Mientras que el uso de la adsorción de oscilación de presión o de la rectificación criogénica está en una base económica ilógica en la que el costo se habría asociado a la obtención de oxígeno de tales fuentes, el uso de tales fuentes de oxígeno en la práctica de la presente invención, particularmente en los casos en los cuales la mayor parte del combustible se consume en la primera zona de combustión, puede ser económicamente atractivo debido a que sería requerido muy poco oxígeno contribuido de tales fuentes. Una corriente de gas combustible integrada parcialmente del gas combustible también se puede introducir en por lo menos una primera zona de combustión. El uso del gas combustible en por lo menos una primera zona de combustión recaptura el calor de combustión y también aumenta el vapor a la relación de carbono para ayudar a prevenir la deposición de carbono en la membrana de transporte de oxígeno. Otra corriente de gas combustible integrada parcialmente por el gas combustible se puede introducir en por lo menos una segunda zona de combustión. Además, otra corriente de combustible se introduce en por lo menos una segunda zona de combustión. La corriente de gas combustible que es introducida en por lo menos una primera zona de combustión se puede calentar en un quemador en línea. Otra posibilidad es eliminar una corriente de gas combustible intermedia entre por lo menos una primera zona de combustión y por lo menos una segunda zona de combustión y combinar la corriente de gas combustible intermedia con la corriente de gas combustible que se hace recircular a por lo menos una primera zona de combustión. La corriente de gas combustible intermedia se forma a partir de los gases de combustión producidos en por lo menos una primera zona de combustión. Cualquier modalidad de la presente invención podría incorporar un catalizador de oxidación contenido en por lo menos una segunda zona de combustión para promover la combustión de la segunda porción de combustible. Breve Descripción del Dibujo Mientras que la especificación es concluida con las reivindicaciones que indican de manera distinta la materia objeto que los Solicitantes consideran como su invención, se cree que la invención será entendida mejor cuando se tome con referencia al dibujo anexo en el cual la única figura es un diagrama esquemático de un aparato para realizar un método de acuerdo a la presente invención. Descripción Detallada de la Invención Con referencia a la figura 1 se ilustra un calentador de proceso 1 que para propósitos de discusión es una caldera diseñada para calentar agua o para sobrecalentar vapor. Como sería conocido por los expertos en la técnica, los calentadores de proceso se podrían utilizar para calentar otros fluidos, por ejemplo reactivos tal como vapor y una alimentación que contenga un hidrocarburo para un reformador de metano de vapor. A este respecto, el término "calentador de proceso" según lo utilizado en la presente y en las reivindicaciones, es cualquier dispositivo que a través de la combustión de un combustible caliente indirectamente cualquier fluido que pase a través de los pasajes de intercambio de calor localizados en el calentador de proceso. El calentador de proceso 1 se proporciona con una primera zona de combustión 10 y una segunda zona de combustión 12 que se diseñan para quemar el combustible proporcionado por una corriente combinada 14 para la conclusión. En la modalidad ilustrada, el combustible proporcionado es gas natural ("N.G.", por sus siglas en ingles). El calor total generado se utiliza para calentar el fluido de proceso, por ejemplo agua que pasa a través de los pasajes de intercambio de calor 16 ubicados en la primera zona de combustión 10 y opcionalmente en los pasajes de intercambio de calor 18 ubicados en la segunda zona de combustión 12. El calor generado a partir de la combustión del combustible suministra el calor al fluido de proceso que pasa a través de los pasajes de transferencia 16 y 18. Una membrana de transporte de oxígeno 20 está ubicada dentro de la primera zona de combustión 10. La membrana de transporte de oxígeno 20 se podría fabricar de perovskitas conocidas o de un conductor de fase dual que tenga una fase iónica para el transporte de iones de oxígeno y una fase electrónica para el pasaje de electrones. Un conductor iónico común sería dióxido de cerio o circonio estabilizado con itrio. Además, aunque solamente una sola membrana de transporte de oxígeno 20 se ilustre, como sería conocido por los expertos en la técnica y según lo mostrado en la técnica anterior discutida arriba, una serie de membranas de transporte de oxígeno se podría proyectar en la primera zona de combustión 10. Una corriente primaria que contiene oxígeno 22, por ejemplo aire, se introduce en la primera zona de combustión 10 para entrar en contacto con el lado del cátodo 24 de la membrana de transporte de oxígeno 20. El oxígeno se separa de la corriente primaria que contiene oxígeno 22 para producir el oxígeno permeado en un lado del ánodo 26 de la membrana de transporte de oxígeno 20 a través del transporte de iones de oxígeno. El transporte de iones de oxígeno es conducido por la combustión de la parte del combustible que se inyecta de la corriente combinada 14 en la zona 10 de la combustión y también, la parte de calor generado se utiliza para elevar la membrana de transporte de oxígeno 20 a temperaturas operacionales.

Como será discutido, la primera porción de combustible se quema dentro de la primera zona de combustión 10 para dejar una segunda porción de los productos del combustible y de la combustión que se inyectarán como una corriente 28 en la segunda zona de combustión 12. La corriente 28 contiene los gases de combustión producidos por la combustión que ocurre en la primera zona de combustión 10 y el combustible sin quemar. La separación del oxígeno del gas que contiene oxígeno 22 produce una membrana de transporte de oxígeno de la corriente de gas 30 que en el caso del aire es rica en nitrógeno. Comúnmente, la temperatura de operación de la membrana de transporte de oxígeno 20 está entre aproximadamente 800°C y aproximadamente 1000°C. Se debe observar que mientras que la primera y segunda zonas de combustión 10 y 12 se ilustran separadas y aparte entre sí, tales zonas de combustión realmente podrían ser parte de las mismas zonas de combustión. En tal caso, la segunda zona de combustión 12 estaría ubicada simplemente hacia abajo, con respecto a los gases de combustión y al combustible sin quemar, de la primera zona de combustión 10.

Según lo discutido arriba, la membrana de transporte de oxígeno 20 tiene un área suficiente en cualquier lugar que suministra entre aproximadamente 50 y aproximadamente 99 por ciento de la cantidad estequiométrica de oxígeno requerida para quemar totalmente el combustible dentro de la corriente de combustible 14. Preferiblemente, la membrana de transporte de oxígeno 20 suministra entre aproximadamente 75 por ciento y aproximadamente 95 por ciento de tal cantidad estequiométrica de oxígeno. Como tal, la corriente 28 todavía contiene el combustible sin quemar y, como será discutido, los ahorros de área para la membrana de transporte de oxígeno 20 son importantes bajo tales circunstancias. El cálculo actual del área superficial de membrana requerida es determinado por la transferencia de oxígeno a través de una membrana de transporte de oxígeno. Cualquier cálculo es un proceso de modelado complicado con muchas etapas intermedias que necesitan considerarse, tal como: la transferencia total a través de las capas limitadas de la fase de gas que rodean la membrana de transporte de oxígeno; intercambio de área superficial; difusión ambipolar; oxidación del combustible; y transferencia total de combustible a través del soporte poroso de la membrana. El efecto de la temperatura, presión y composición de gas en algunas de estas etapas intermedias no son bien entendidos. Los modelos desarrollados por una arquitectura de membrana particular no serán universalmente aplicables. Sin embargo, tal modelado es bien comprendido por los expertos en la técnica.

Así, aunque el modelado sea posible, el siguiente es un método más directo y más simple para determinar tal área. Una membrana de transporte de oxígeno, tal como una membrana de transporte de oxígeno 20, se expone a una temperatura alta y el combustible en el lado del ánodo a la corriente que contiene oxígeno en el lado del cátodo. Estas corrientes de proceso pueden fluir en direcciones de flujo uniformes, a contracorriente o cruzadas con respecto entre sí. El grado de combustión de combustible es determinado a partir de la diferencia entre la composición de gas de entrada y salida y los índices de flujo en el combustible o en el lado del ánodo de la membrana de transporte de oxígeno. El flujo de oxígeno promedio es calculado dividiendo la cantidad de oxígeno por unidad de tiempo que se ha eliminado de la corriente que contiene oxígeno por el área de membrana que fue utilizada en el experimento. Cuando los índices de flujo de combustible y de la corriente que contiene oxígeno varían experimentalmente, se pueden determinar el flujo de oxígeno promedio en función del grado de combustión del combustible y del grado de recuperación de oxígeno de la corriente de aire. Esta determinación será limitada al material de membrana particular utilizado, la arquitectura de membrana, la configuración de flujo, la temperatura y presión. El valor de flujo de oxígeno promedio entonces se puede utilizar para calcular el requisito del área de membrana para la cantidad de oxígeno estequiométrico que se suministrara dividiendo el requisito total de oxígeno por unidad de tiempo por el flujo de oxígeno promedio. Las siguientes tablas I, II y II muestran los ejemplos de un cálculo flujo de oxígeno promedio de los resultados simulados que implican diferentes grados de combustión y para áreas de membrana de aproximadamente 780.4 cm2.

Tabla I Alto grado de combustión (95%) .

Tabla II Grado medio de combustión (79%) Tabla III Grado bajo de combustión de combustible (66%) En estas tablas existen cantidades calculadas del grado de combustión de combustible, recuperación de oxígeno y flujo de oxígeno promedio en una base unitaria. Se determinan estas cantidades como sigue: El grado de combustión de combustible (? como %) se puede calcular a partir de las tablas como sigue: rcombust?be,entrada \2X 2-entrada "*" 2 entrada "*" "^entrada ) ~ ^ x^^*, ntrada "*" ^x^^salida "*" ¿?C™4¿at?da) ? = - r combustible, entrada \2 X "2fintrada "*" 2 e tra?a ¿x^" 4 entrada) Donde: Fcombustibie entrada = índice de flujo molar de la corriente de combustible que entra al calentador de proceso [mol/s] xH? entrada = fracción molar de hidrógeno en el combustible [-] xCOentrada = fracción molar de monóxido de carbono en el combustible [-] xCH4 entrada - fracción molar de metano en el combustible [-] Fgas combustible, salida - índice de flujo molar de la corriente de gas combustible que deja la sección OTM de la caldera [mol/s] H? sanda - fracción molar de hidrógeno en el gas combustible [-] xCOsa da = fracción molar de monóxido de carbono en el gas combustible [-] xCH4 salida = fracción molar de metano en el gas combustible H- La recuperación de oxígeno (R02 como %) se puede calcular a partir de la tabla 1 como sigue: r aire,entrad x^'2,entrada ~ ' retenido, salidax^2,salida G a?re,entr da? j2,entrada Donde: Faue entra a = índice de flujo molar de la corriente que contiene oxígeno que entra al calentador de proceso [mol/s] xO2 ntrada = fracción molar de oxígeno en el corriente de gas que contiene oxígeno [-] Fretemdo salida = índice de flujo molar de oxígeno de la corriente sin oxígeno [mol/s] *02, salida = fracción molar de oxígeno en la corriente sin oxígeno [-].

El flujo de oxígeno promedio (J02 en mol O2/m2/s) resulta de la siguiente ecuación: ' 'aire,entrada^^'2,entrada ~ 'lretenido,saüdaX'^2^alida Donde: A = área de membrana de transporte de oxígeno [m2]. El área de membrana de transporte de oxígeno que se requiere para un calentador de proceso entonces se puede calcular dividiendo la cantidad requerida de oxígeno para la combustión de combustible determinada por una proporción estequiométrica por el valor experimental del flujo de oxígeno promedio que se ha determinado de la manera establecida anteriormente para el mismo grado de combustión, recuperación de oxígeno, y otras condiciones de proceso (por ejemplo temperatura, presión, combustible, composición de corriente que contiene oxígeno e índices de flujo). Por ejemplo, asumiendo el hidrógeno donde fueron requeridos el combustible y el grado de combustión de combustible de 50 por ciento, la cantidad de oxígeno requerida para tal propósito sería la mitad de la cantidad de combustible requerida. El flujo de oxígeno requerido entonces sería dividido por el valor experimental del flujo promedio "Jo2" según lo establecido arriba para determinar el área requerida. Si se repasan las tablas I, II y III, se puede observar que mientras el grado de combustión aumenta el flujo por área unitaria disminuye. Esto es debido a que, según lo mencionado anteriormente, más área se requiere para grados más altos de combustión pero la fuerza impulsora a lo largo de la longitud de la membrana se disminuye para dar lugar a un valor más bajo de flujo por área unitaria. Regresando nuevamente a la modalidad ilustrada, la corriente 28 se introduce en la segunda zona de combustión 12 junto con una corriente de gas secundaria que contiene oxígeno 32 para suministrar el oxígeno adicional requerido para quemar totalmente el combustible que permanece en la corriente 28. Cuando una carga se coloca en la segunda zona de combustión 12 tal como los pasajes de intercambio 18, una corriente adicional de combustible 34 también se puede introducir en la segunda zona de combustión 12 para cumplir los requisitos de calentamiento para la carga. Esto, sin embargo, es opcional al igual que los pasajes de intercambio de calor 18. En las situaciones en las cuales la combustión que ocurre dentro de la primera zona de combustión 10 es casi estequiométrica, se puede dificultar la combustión del combustible que permanece dentro de la corriente 28 dentro de la segunda zona de combustión 12. En tales casos, un catalizador de oxidación 36 se puede proporcionar para promover la reacción del combustible con el oxígeno contenido dentro del corriente de gas que contiene oxígeno 32. El catalizador de oxidación 36 puede ser cualquiera de numerosos catalizadores que sean bien conocidos en la técnica y que podrían consistir en un óxido de perovskita. Es necesario que suficiente oxígeno, por medio de la segunda corriente de gas que contiene oxígeno 32, se suministre tal que una corriente de gas combustible 38 sea descargada de la segunda zona de combustión 12 que contiene en cualquier lugar de aproximadamente 1 por ciento a aproximadamente 3 por ciento en volumen de oxígeno. Esto asegura que el combustible suministrado por la corriente combinada 14 y opcionalmente, una corriente combinada 34 que contiene el combustible se haya quemado totalmente.

La corriente de gas secundaria que contiene oxígeno 32 puede ser aire. Ésta es la propuesta menos costosa y sería práctica a altos índices de oxígeno estequiométricos dentro de la primera zona de combustión 10. Así, se contribuye muy poco nitrógeno y la corriente de gas combustible 38 que contiene una concentración suficientemente baja de nitrógeno que el agua contenida dentro de la corriente de gas combustible 38, se puede condensar a una temperatura más alta que el caso en el que el oxidante se habría suministrado convencionalmente por el aire a través del calentador de proceso. Como también será discutido, otras fuentes de oxidante se podrían utilizar tal como las generadas por la adsorción de oscilación de presión o incluso por la destilación criogénica. La cantidad de oxígeno que sería requerida sería absolutamente pequeña y tales unidades podrían ser extremadamente compactas y por lo tanto serian económicamente justificables. El límite exacto por supuesto es uno económico que dependa del precio del oxígeno contenido dentro de la corriente de gas secundaria que contiene oxígeno 32. En cualquier caso, la corriente de gas secundaria que contiene oxígeno 32 tiene preferiblemente una concentración de oxígeno de por lo menos aproximadamente 90 por ciento en volumen y por lo tanto, podría ser el aire enriquecido en oxígeno.

Una primera porción 40 de la corriente de gas combustible 38 se puede hacer recircular como una corriente de recirculación combinada con una corriente de combustible 42 para formar la corriente combinada 14. Es posible inyectar por separado la corriente de combustible 42 y la primera porción 40 de la corriente de gas combustible 38 en la primera zona de combustión 10. El uso del gas combustible recirculado es opcional, pero ventajoso, en que precalienta la corriente de combustible 14 y también suministra el vapor para prevenir la deposición de carbono en la membrana de transporte de oxígeno 20 aumentando el vapor a la relación de carbono de la combustión. Opcionalmente, la corriente de combustible 44 se puede quemar dentro de un quemador en línea 46, por ejemplo, una hornilla de conducto. La combustión dentro del quemador en línea 46 es soportada por una corriente de gas terciaria que contiene oxígeno 48, por ejemplo aire. Opcionalmente, una corriente intermedia de gas combustible 50 formada a partir de la parte de la corriente 28 se puede agregar a la corriente de recirculación de gas combustible para quemar también la parte del combustible. La ventaja de esto es alcanzar un índice de flujo más alto para promover una transferencia total más alta y distribuciones de temperatura más uniformes. Aún una opción adicional es proporcionar una segunda porción 52 de la corriente de gas combustible 38 para suministrar calor a la segunda zona de combustión 12. Según lo mencionado anteriormente, la corriente combinada 34 puede ser producida combinando una corriente de combustible 54 con la segunda porción 52 de la corriente de gas combustible 38. La corriente de gas 54 y la segunda porción 52 de la corriente de gas combustible 38 se podría inyectar por separado.

Una corriente de gas combustible 56 entonces se introduce en un sistema de captura de dióxido de carbono 58 para producir un producto de dióxido de carbono 60 para la captura en una corriente de desperdicio 62 que principalmente consistiría de agua. El sistema de captura de dióxido de carbono 58 consiste de un separador de fase, compresor y radiadores intermedios utilizados de una forma bien conocida en la técnica. La corriente de gas combustible 56 podría consistir de la cantidad entera de corriente de gas combustible 38 o el resto después de proporcionar las primera y segunda porciones 40 y 52 de la corriente de gas combustible 38.

Como se puede apreciar varias zonas de combustión, tal como la zona de combustión 10, se podrían utilizar en una instalación más grande. Esto permitiría que el calentamiento de los pasajes de intercambio de calor 16 fuera más uniforme. En tal instalación, aunque no se ilustró, no toda la corriente de combustible 14 se introduciría en una zona inicial de las primeras zonas de combustión, de hecho, el combustible sería dividido entre las primeras zonas de la combustión a modo que el calor generado fuera igual. Además, zonas de más de una segunda zona de combustión, tal como la zona de combustión 12, se podrían proporcionar. Por ejemplo, en un caso en el cual solamente el 50 por ciento del combustible fue quemado en la primera zona de combustión 10, existiría suficiente combustible para sobrecalentar el vapor y en la primera de las segundas zonas de combustión 12 y después en una zona de combustión descendente 12, el vapor se podría aumentar a partir del agua de alimentación. Aunque tampoco se ¡lustraron, los intercambiadores de calor descendentes se podrían proporcionar para reducir la temperatura de la corriente de gas combustible 38.

La siguiente tabla IV ilustra los ejemplos calculados para demostrar el efecto sobre la reducción en el área de la membrana o membranas de transporte de oxígeno usadas en la primera zona de combustión 10 con el uso de combustible rico, la combustión sub-estequiométrica ocurre dentro de la primera zona de combustión 10 seguida por la adición de oxígeno complementario por medio de la corriente de gas secundaria que contiene oxígeno 32. El sistema considerado aquí es para una entrada de calor de 120 MM BTU/horas que quema el gas natural (equivalente a una caldera que produce aproximadamente 100,000 Ib/h de vapor saturado). Se asume que la membrana o membranas de transporte de oxígeno operan entre aproximadamente 850°C y aproximadamente 1000°C. El caso base fue generado asumiendo que el flujo de oxígeno de la membrana de transporte de oxígeno 20 fue constante en una sección inicial del horno, en donde hubo un exceso de combustible. Una vez que todo el combustible fue consumido, se asumió que el flujo de oxígeno disminuyó sustancialmente y puesto que no hubo más combustible, la membrana de transporte de oxígeno operaría de una manera similar a las patentes mencionadas anteriormente en donde los productos de combustión actúan como un gas de barrido. Otras suposiciones usadas en la generación de la tabla son que: (a) las membranas de transporte de oxígeno suministran el 100 por ciento de oxígeno estequiométrico; (b) el oxígeno más allá del requisito estequiométrico es suministrado por la inyección directa de oxidante del oxígeno secundario tal como lo ¡lustrado arriba por la corriente de gas secundaria que contiene oxígeno 32; (c) el flujo de oxígeno es constante a 10 sccm/cm2-m¡n; y (d) el flujo de oxígeno es constante a 0.5 sccm/cm2-min cuando el exceso de oxígeno está presente por inyección de oxígeno secundario.

Tabla IV La tabla V ilustra los ejemplos calculados adicionales y es análoga a la tabla IV, pero muestra el efecto de cambiar la cantidad de oxígeno total remplazada en el sistema por la inyección directa. El caso base para la tabla V es igual que el de la tabla IV (todo el oxígeno es suministrado por el transporte de iones de oxígeno a través de una o más membranas). En estos casos, las suposiciones son que: (a) el exceso de oxígeno en el gas combustible es de 1 por ciento (humedad); (b) el oxígeno de hasta el porcentaje dado del total requerido en relación ai caso base (columna 1) se suministra a través del transporte de iones de oxígeno; (c) el oxígeno estequiométrico restante así como el exceso de oxígeno es suministrado por la inyección directa de un oxígeno secundario, (d) el flujo de oxígeno es constante a 10 sccm/cm2-min en la zona de combustión; y (e) el flujo de oxígeno es constante a 0.5 sccm/cm2-min cuando el exceso de O2 está presente.

Tabla V Aunque la invención se ha descrito con referencia a una modalidad preferida, como ocurrirá con los expertos en la técnica, numerosos cambios, adiciones y omisiones se pueden hacer sin apartarse del espíritu y alcance de la presente invención según lo como citado en las reivindicaciones actualmente pendientes.

Claims (17)

REIVINDICACIONES

1. Un método para calentar un fluido, que comprende: introducir una corriente de combustible en un calentador de proceso que tiene por lo menos una primera zona de combustión y por lo menos una segunda zona de combustión para la combustión de un combustible contenido en la corriente de combustible y los pasajes de transferencia de calor se extienden a través de por lo menos una primera zona de combustión para el paso del fluido que se calentará a partir del calor generado por la combustión de combustible; por lo menos una primera zona de combustión y por lo menos una segunda zona de combustión que se conectan en serie a modo que una primera porción de combustible se capaz de quemarse en por lo menos una primera zona de combustión y a modo que una segunda porción del combustible no quemado en por lo menos una primera zona de combustión se pueda quemar en por lo menos una segunda zona de combustión; el contacto de la corriente de combustible con por lo menos una membrana de transporte de oxígeno ubicada en por lo menos una primera zona de combustión y la separación del oxígeno de por lo menos una primera corriente de gas que contiene oxígeno con por lo menos una membrana de transporte de oxígeno tal que el oxígeno permeado soporte la combustión de la primera porción de combustible y suministre aproximadamente 50 por ciento y aproximadamente 99 por ciento de una cantidad de oxígeno estequiométrico necesaria para la combustión completa del combustible presente dentro de por lo menos una primera zona de combustión y la combustión de la primera porción de combustible proporciona una fuerza impulsora para la separación del oxígeno; la introducción de por lo menos una segunda corriente de gas que contiene oxígeno a por lo menos una de las segundas zonas de combustión para soportar la combustión de la segunda parte de combustible a modo de producir un gas combustible a partir de la combustión de la segunda parte de combustible que contiene entre aproximadamente 1 y aproximadamente 3 por ciento en volumen de oxígeno; y la descarga del gas combustible de por lo menos una segunda zona de combustión.

2. El método de la reivindicación 1, en donde el oxígeno permeado suministra entre aproximadamente 75 por ciento y aproximadamente 95 por ciento de una cantidad de oxígeno estequiométrico necesaria para la combustión completa del combustible presente dentro de por lo menos una primera zona de combustión.

3. El método de la reivindicación 1 ó 2, en donde por lo menos una segunda corriente de gas que contiene oxígeno es aire u aire enriquecido con oxígeno o una corriente que contiene oxígeno que contiene por lo menos 90 por ciento de oxígeno en volumen.

4. El método de la reivindicación 1, en donde los pasajes de transferencia de calor también se extienden a través de por lo menos una segunda zona de combustión.

5. El método de la reivindicación 1, en donde una corriente de gas combustible integrada por una parte del gas combustible, también se introduce a por lo menos una primera zona de combustión.

6. El método de la reivindicación 5, en donde otra corriente de gas combustible integrada por otra parte de gas combustible se introduce a por lo menos una segunda zona de combustión.

7. El método de la reivindicación 6, en donde otra corriente de combustible se introduce a por lo menos una segunda zona de combustión.

8. El método de la reivindicación 6, en donde la corriente de gas combustible se calienta en un quemador en línea.

9. El método de la reivindicación 6, que adicionalmente comprende eliminar una corriente de gas combustible intermedia entre por lo menos una primera zona de combustión y por lo menos una segunda zona de combustión, la corriente de gas combustible intermedia es formada por los gases de combustión producidos en por lo menos una primera zona de combustión, y combinar corriente de gas combustible intermedia con la corriente de gas combustible que se hace recircular a por lo menos una primera zona de combustión.

10. El método de la reivindicación 1, en donde por lo menos una segunda zonas de combustión contiene un catalizador de oxidación para promover la combustión de la segunda porción de combustible.

11. El método de la reivindicación 3, en donde los pasajes de transferencia de calor también se extienden a través de por lo menos una segunda zona de combustión.

12. El método de la reivindicación 11, en donde una corriente de gas combustible integrada por una parte de gas combustible también se introduce a por lo menos una primera zona de combustión.

13. El método de la reivindicación 12, en donde la corriente de gas combustible se calienta en un quemador en línea.

14. El método de la reivindicación 13, que adicionalmente comprende eliminar una corriente de gas combustible intermedia entre por lo menos una primera zona de combustión y por lo menos una segunda zona de combustión, la corriente de gas combustible intermedia es formada por los gases de combustión producidos en por lo menos una primera zona de combustión, y combinar corriente de gas combustible intermedia con la corriente de gas combustible que se hace recircular a por lo menos una primera zona de combustión.

15. El método de la reivindicación 14, en donde otra corriente de gas combustible integrada por otra parte de gas combustible se introduce a por lo menos una segunda zona de combustión.

16. El método de la reivindicación 15, en donde otra corriente de combustible se introduce a por lo menos una segunda zona de combustión.

17. El método de la reivindicación 15, en donde por lo menos una segunda zonas de combustión contiene un catalizador de oxidación para promover la combustión de la segunda porción de combustible.