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Vorrichtung zur kontinuierlichen Spaltung von Kohlenwasserstoffen
Es sind verschiedene Vorrichtungen zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen zur Erzeugung von Olefinen bekannt, u. zw. in erster Linie die Röhrenspaltöfen und jene Vorrichtungen, die mit umlau- fenden, feinkörnigen Wärmeträgern arbeiten. Die letzteren haben sich vor allem beim Einsatz höhersie- dender Produkte und bei schärfere Spaltbedingungen bewährt.
Hiebei schlagt sich der bei der Spaltung freiwerdende Kohlenstoff bevorzugt auf dem Warmeträger nieder und kann bei der Wiederaufheizung der
Wärmeträger von diesen abgetrennt werden, während bei dem Röhrenspaltofen die Kohlenstoffablagerun- gen in den Rohren schnell zu Überhitzungen und damit zur Zerstörung der Rohre führen. Aussenbeheizte Röhrenspaltöfen werden jedoch seit Jahrzehnten mit Erfolg zur Spaltung niedrigsiedender KohlenwasserstoffFraktionen unter milden Spaltbedingungen eingesetzt. Für diese gasförmigen oder bis zu etwa 1600C siedenden Ausgangsprodukte eignen sich die thermischen Spaltverfahren mit Sandumlauf ebenfalls und besitzen darüber hinaus den Vorteil, dass die Zusammensetzung der erzeugten, ungesättigten Gase innerhalb weiter Grenzen variabel ist.
Erforderlich ist allerdings, dass es sich bei den mit Sandumlauf arbeitenden thermischen Spaltvorrichtungen um einfache, dauerhafte und betriebssicher zu handhabende Einrichtungen handelt.
Diese Forderung erfüllt die erfindungsgemässe Vorrichtung, die verschiedene, für sich auch schon zum Teil bekannte Bauelemente zu einem Ganzen vereinigt. Bereits beim Ersetzen eines Vorrichtungsteiles durch einen andern wird der sichere Betrieb und die Wirtschaftlichkeit der gesamten Vorrichtung des sogenannten Sandkrackers in Frage gestellt. Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur kontinuierlichen Spaltung von Kohlenwasserstoffen mit Hilfe hocherhitzter, feinkörniger Wärmeträger ist an Hand des in der Fig. l und 2 dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben.
Sie besteht aus einer an sich bekannten, senkrech- ten, pneumatischen Förder-und Aulheizstrecke l, die in bekannter Weise in eine Vorrichtung 7 zum Abscheiden und Sichten der hocherhitzten, pneumatisch geförderten Wärmeträger mündet, deren Unterteil 12 zugleich in bekannter Weise als Sammelbunker ausgebildet ist, der über eine enge Zuführungsleitung 13 mit dem Reaktor 15 verbunden ist, der seinerseits durch die enge Abführungsleitung 19 mit der Vorrichtung 21 zur Aufgabe der feinkörnigen Feststoffe auf die Förderstrecke in Verbindung steht.
Da die erfindungsgemässe Vorrichtung im Betrieb an allen Teilen Temperaturen zwischen 700 und 10000C ausgesetzt ist, werden die Vorrichtungsteile, die mit dem Wärmeträger oder mit heissen Gasen in Berührung kommen, zweckmässig mit einer hochfeuerfesten Ausmauerung versehen. Bei der erfindungsgemässen Bauweise des Sandkrackers hat sich in erster Linie Sand einer Korngrösse von 0, 3 bis 1, 2 mm als sehr brauchbar erweisen, denn dieses Wärmeträgermaterial kommt natürlich vor, die einzelnen Teile haben die Form einer abgerundeten Kugel oder eines Ellipsoids, sie sind hart und abriebfest und bei den angewendeten Temperaturen weitgehend beständig.
An Stelle von Sand können in der erfindungsgemässen Vorrichtung jedoch auch andere Wärmeträger, die auch katalytische Eigenschaften aufweisen können, eingesetzt werden. In erster Linie sei hier Hochofenschlacke der entsprechenden Körnung genannt.
Die Aufheizung der Wärmeträger erfolgt in der pneumatischen Förder-und Aufheizstrecke 1. Diese besteht zweckmässig aus einem ausgemauerten Schacht mit kreisförmigemoder annähernd kreisförmigem Durchmesser, wobei der Querschnitt der Förderstrecke sich nach oben auf der ganzen Länge stetig oder absatzweise erweitert, wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist. Die Geschwindigkeit der Verbrennnngsgaseim
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digkeit für Steigleitungen mit grösserem Durchmesser von z. B. 1000 bis 1400 mm gilt.
In die Förderlei- tung wird zweckmässig von unten zentral über die Leitung 2 vorgewärmte Luft eingeführt, indewuch noch I zusätzlich gasförmige, flüssige oder staubförmige Brennstoffe verbrannt werden können, die beispielswei- se durch die Leitung 3 zugeführt werden. In diesen heissen Luftstrom oder entstehenden Strom von Verbren- nungsgasen werden mittels einer besonderen, unten näher erläuterten Aufgabevorrichtung die Wärmeträ- ger zugegeben und in der Förderstrecke unter Überwindung eines Höhenunterschiedes von im allgemeinen
20 - 40 m gefördert und dabei zugleich aufgeheizt.
Insbesondere bei der Spaltung von kohlenstoffreiche- ren, höhersiedenden Kohlenwasserstoffen tragen die Kohlenstoffablagerungen auf dem Wärmeträger durch ihre Verbrennung wesentlich zur Aufheizung der Wärmeträger bei. Die senkrechte, pneumatische Förder- strecke verbindet also die Förderung, die Aufheizung und die Regenerierung der Wärmeträger miteinan- der.
Es ist sehr wichtig, den geförderten, hocherhitzten Sand wieder aus den Förder- und Aufheizgasen in der Art abzuscheiden, dass es nicht zu einem schädlichen Verschleiss der Apparatewandung und zur erheb- lichen Bildung von Sandabrieb kommt. Diese Voraussetzung erfüllt die auf die Förderstrecke aufgesetzte
Vorrichtung 7 zum Abscheiden und Sichten der hocherhitzten, pneumatisch geförderten Wärmeträger. Bei dieser Vorrichtung mündet die senkrechte Förderleitung in einen stark erweiterten Abscheideraum, der den mehr als zehnfachen, vorzugsweise mehr als zwanzigfachen, Querschnitt der Förderleitung 1 besitzt. Die
Gasgeschwindigkeit der Fördergase fällt in diesem Raum stark ab und mittels einer Trennwand 10 wird für eine Richtungsumkehr der aufwärtsströmenden Fördergase gesorgt.
Die starke Verminderung der Gasge- schwindigkeit zusammen mit der Richtungsumkehr der Gase führt dazu, dass der Sand zum grössten Teil seine Aufwärtsgeschwindigkeit verliert, sich von dem Gasstrom loslöst und sich in dem unteren Teil 12 der
Abscheidevorrichtung 7 ansammelt. Dieser ist'zugleich als Sammelbunker für die Wärmeträger ausgebil- det und steht sowohl mit dem grossen Abscheideraum 8 als auchmiteinem kleineren Nebenraum 9 in Ver- bindung. Jenach der Lage der Trennwand 10 kann der Nebenraum 9, in dem die heissen Verbrennungsgase wieder aufwärtsströmen und schliesslich durch die Leitung 11 wieder abgeführt werden, grösser oder klei- ner gewählt werden.
Dasist von Wichtigkeit, denn die Aufwärtsgeschwindigkeit der heissen Verbrennungs- gase in dem Raum 9 wird durch den Querschnitt dieses Raumes bestimmt. Die Aufwärtsgeschwindigkeit ist wiederum massgebend für die nochmitgerissenen Mengen an Staub oder Unterkorn, das auf diese Weise von dem Hauptstrom der Wärmeträger ausgesichtet werden kann.
Bekannte Vorrichtungen haben sich zur Abscheidung der Wärmeträger nicht bewährt, da in ihnen mit den Wärmeträgern auch noch der Staub und der sich gegebenenfalls bildende Abrieb ausgeschieden wird, der auf diese Weise wieder in den Reaktor und von dort mit den erzeugten Gasen in die Nachverarbeitungs- anlage gelangt, wo er zu Ansätzen und Störungen führt. Eine Umlenkung der senkrechten, pneumatischen
Förderleitung in die Waagrechte erwies sich gleichfalls als nicht durchführbar, da hiebei ein hoher Ver- schleiss an den Wandungen und starker Sandabrieb auftrat. Die gleichenNachteilewieseinAbscheidezyklon mit tangentialer Bewegung des sandbeladenen Fördergasstromes auf. Durch die Grösse des Abscheiderau- mes 8 wird jedoch die Aufwärtsgeschwindigkeit des Sandes rasch vermindert.
Gleichzeitig beträgt der Ab- stand der Decke des Abscheideraumes 8 von der Oberkante der senkrechten Förderstrecke 1 erfindungsgemäss mehr als 5 m, vorzugsweise 6 - 7 m. Bei diesem Abstand wird praktisch kein Verschleiss der Decke des Abscheideraumes mehr beobachtet, ja es ist sogar möglich, hier ein Schauglas anzubringen, das eine optische Kontrolle der Förderstrecke gestattet.
Von dem als Sammelbunker ausgebildeten Unterteil der Vorrichtung 7 zum Abscheiden und Sichten des Sandes führt eine enge Zuführungsleitung 13 zu dem eigentlichen Reaktor 15. Diese Leitung stellt gewissermassen eine Verengung des Sammelbunkers dar, in der der Sand in geschlossener Schüttung abwärtsfliesst. In der Leitung 13 ist ein Schieber 14 vorgesehen, mit dem die Menge des hocherhitzten Sandes geregelt wird, die kontinuierlich dem Reaktor zufliesst. Um die Wärmedehnungen aufzunehmen, erhält der
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dene Abdichtung der Reaktionsgase gegen die Verbrennungsgase der Aufheizstrecke verbessert.
Die Zuführungsleitung 13 für die feinkörnigen Wärmeträger mündet in den oberen Teil des Reaktors 15.Dieser Reaktor ist erfindungsgemäss mit Einbauten 16 versehen, die aus in mehreren Lagen übereinander und in bestimmten Abständen nebeneinander angeordneten, schräg stehenden, parallelen Prallflächen bestehen, deren Neigungsrichtung in den übereinander befindlichen Lagen wechselt, und die sich auf den
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Tragrost 17 abstützen. Der Zweck dieser Einbauten besteht darin, auch bei den sehr kurzen Verweilzei- ten, die für die thermische Spaltung der Kohlenwasserstoffe erforderlich sind, noch ein gleichmässiges
Wirbeln der Sandschüttung und damit eine gleichmässige Reaktion der zu spaltenden Stoffe mit den fein- körnigen Wärmeträgern sicherzustellen.
Um beispielsweise Reaktionszeiten von 0,2 bis 0,6 sec, wie sie für'die Erzeugung ungesättigter Kohlenwasserstoffe erforderlich sind, aufrechtzuerhalten, sind innerhalb der Sandschüttung, in der die Aufheizung und Umwandlung der Kohlenwasserstoffe vor sich geht, Gasge- schwindigkeiten von 2 bis 6 m/sec nötig. Diese Geschwindigkeiten bringen die Schüttung in dem mit Sand erfüllen, von Einbauten freien Raum zu einem wilden Kochen, bei dem grössere Dampf- oder Gasblasen hochziehen und den Sand eruptionsartig hochschleudern. Hiedurch wird die gleichmässige, thermische
Spaltung der Kohlenwasserstoffe empfindlich gestört und die Ausbeute an den gewünschten Spaltungspro- dukten, d. h. Olefinen, mit oder ohne Azetylen beeinträchtigt.
Diese Nachteile werden durch die Einbauten sicher vermieden. Am besten haben sich Prallflächen von der Form flacher Stäbe bewährt, die bei einer Breite von 40 bis 110 mm schräg unter einem Winkel von 40 bis 650 zur Horizontalen nebeneinander parallel so angeordnet werden, dass ihre Horizontalprojek- tionen gerade oder mit kleinen Lücken nebeneinanderliegen oder sich auch etwas überdecken. Abschnitts- weise werden diese Stäbe zu einem geschweissten oder geschlossenen Stück zusammengefasst. Diese Ab- schnitte werden zweckmässig nebeneinander versetzt angeordnet, so dass sie den ganzen Querschnitt des
Reaktors erfüllen.
Zwischen den einzelnen Lagen, die aus diesen Abschnitten gebildet sind, befinden sich vorteilhaft leere Zwischenräume von 30 bis 100 mm Höhe, wobei jeweils dafür gesorgt wird, dass die fla- chen, parallelen Stäbe von übereinanderliegenden Abschnitten anders gerichtet sind. Durch diese Anord- nung wird erreicht, dass sich überhaupt keine grösseren Gasblasen oder Sandfontänen ausbilden können, und der mit diesen erfindungsgemässen Einbauten ausgestattete Reaktor gewährleistet damit eine gleichmässige
Spaltung der Kohlenwasserstoffe und eine hohe Ausbeute an Olefinen.
Die gleichmässige Spaltung in dem erfindungsgemässen Reaktor wird noch dadurch verbessert, dass die zu spaltenden Kohlenwasserstoffe von unten durch eine Vielzahl von annähernd gleichmässig auf dem ge- samten Querschnitt des Reaktors verteilten Düsen in die Sandschüttung eingeblasen werden und diese somit auch etwa gleichmässig durchdringen. Diese Düsen befinden sich an Verteilerrohren 18, die einzeln einund ausfahrbar sind, und deren lichter Querschnitt nach dem Ende zu gleichm assig oder stufenweise abnimmt, damit die Kohlenwasserstoffe, gegebenenfalls im Gemisch mit Wasserdampf, auch bis zum Ende der Verteilerrohre mit ausreichend hoher Geschwindigkeit strömen.
Diese Verteilerrohre werden vorteilhaft von einer oder auch von den beiden entgegengesetzten Seiten in den Reaktor eingeschoben und sind durch lösbare Flanschverbindungen einzeln mit dem Reaktor und mit den Zuführungsleitungen für die zu spaltenden Kohlenwasserstoffe und den Wasserdampf verbunden.
Der Reaktor 15 ist zweckmässig mit einem sich konisch verjüngenden Unterteil versehen, der in die Abzugsleitung 19 für die abgekühlten Wärmeträger mündet. Aus dem freien Raum oberhalb der Einbauten des Reaktors können die Reaktionsprodukte nach oben durch eine Öffnung 28 strömen. Der Reaktor ist so weit mit den Einbauten angefüllt, dass der aus der Zuführungsleitung kommende Sand teilweise oben auf die eingebauten Stäbe und teils seitlich in die Einbauten eingeführt wird. Da durch die eingebauten Stäbe die freie Sandbewegung und der horizontale Sandanstausch gehemmt werden und sich infolgedessen Zonen unterschiedlicher Temperatur im Reaktor ausbilden können, kann es vorteilhaft sein, bei grösseren Reaktoren zwei oder besser vier Zuläufe für den Sand aus dem Zwischenbunker zum Reaktor vorzusehen.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine solche Abscheidevorrichtung 7 mit dem darunter befindlichen Reaktor 15.
Hiebei ist, um die Einzelheiten besser erkennen zu können, ein etwas grösserer Massstab gewählt worden.
Vom Bunker 12 gehen zwei Abgänge 26a und 26b ab, die sich wiederum teilen und vier Einläufe 13a, 13b, 13c und 13d in den Reaktor bilden. In entsprechender Weise wird der Strom der den Reaktor verlassenden Wärmeträger auf zwei Abführungsleitungen 19 verteilt und so den beiden Förderstrecken la und 1b zugeführt. Auch diese Zuläufe bestehen dann zweckmässig aus engen Kanälen mit gesteuerten Zungenschiebern, durch die der Sandzulauf so eingestellt werden kann, dass auf dem gesamten Querschnitt des Reaktors annähernd gleiche Temperaturen herrschen.
Der untere Teil des Reaktors steht über die enge Abführungsleitung 19 mit der Vorrichtung 21 zur Aufgabe der feinkörnigen Feststoffe auf die Förderstrecke in Verbindung. In gleicher Weise wie die enge Zuführungsleitung 13 ist auch die Leitung 19 mit einem Zungenschieber 20 und zum Ausgleich der Wärmedehnungen mit einer Dehnungsfuge 24 versehen ; sie kann oberhalb des Schiebers 20 eine Zuführungsleitung 25 für Sperrgas aufweisen.
In der engen Leitung 19 bildet sich oberhalb des Schiebers 20 eine bewegte, geschlossene Schüttung aus, die die sichere Absperrung des Reaktors 15 von der Vorrichtung 21 zur Aufgabe der feinkörnigen Fest-
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stoffe auf die senkrechte Förderstrecke bewirkt. Durch die Zufuhr von Sperrgas oberhalb des Schiebers 20 kann eine schädliche Gasbewegung in der engen Abführungsleitung noch weiter unterdrückt werden, und der verbrauchte Wärmeträger fliesstnur auf Grund der Schwerkraft gleichmässig in den Ringraum 4 der Aufgabevorrichtung 21. Dieser Ringraum umschliesst erfindungsgemäss die eigentliche Förderstrecke 1 und i steht mit ihr durch Schlitze 5 in Verbindung. An den Aussenwänden des Ringraumes befinden sich gegen- über den Schlitzen 5 Öffnungen 6 für die Zufuhr zusätzlichen Fördermittels.
Von diesen wird der Sand gleichmässig aus dem Ringraum durch die Schlitze in die Förderstrecke hineingeschoben und damit eine schonende und gleichmässige Aufgabe des Sandes auf die Förderleitung erreicht. Durch eine entsprechende Steuerung der Menge des aufgegebenen zusätzlichen Fördermittels, z. B. Luft oder Wasserdampf, kann auch die der Förderleitung zugeführte und damit umlaufende Sandmenge gesteuert werden, so dass sich eine Steuerung der Sandmenge durch den vorgeschalteten Zungenschieber 20 erübrigt.
Es hat sich herausgestellt, dass in der Förder-und Aufheizleitung ein gewisses Abreiben und thermisches Platzen der geförderten Sandkörner eintreten, die umso grösser sind, je grösser der Querschnitt der Förderleitung ist. Aus diesem Grund geht man zweckmässig bei grösseren Anlagen nicht über Förderleitungen mit einem Durchmesser von 1000 bis 1500 mm hinaus und ordnet statt dessen zwei oder auch drei Förderleitungen an. Diese erhalten alsdann getrennte, enge Kanäle für den Abzug des Sandes aus dem Reaktor mit getrennten, bewegten, geschlossenen Sandschüttungenund getrennten Zuführungen für die vorgewärmte Luft und den Brennstoff. Die zwei oder auch drei Förderleitungen werden mit Vorteil an den gemeinsamen, erweiterten Raum zur Abscheidung des Sandes aus den Fördergasen angeschlossen. Fig. 2 zeigt die Anordnung von zwei getrennten Steigleitungen la und lb.
Mit Nutzen werden im erweiterten Raum zwischen den zwei oder drei Förderleitungen eine oder zwei Scheidewände eingebaut. In Fig. 2 befindet sich zwischen den Steigleitungen la und 1b die Wand 27 durch die verhindert wird, dass bei Betrieb nur einer Förderleitung etwa Sand in die ausser Betrieb befindliche Förderleitung zurückfällt.
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hung abgeschreckt werden, wodurch bekannterweise eine weitere Reaktion der gebildeten, ungesättigten Kohlenwasserstoffe unterdrückt wird.
Der erfindungsgemässe Sandkracker steht mit Anlagen zur Nachverarbeitung und Reindarstellung der erzeugten Spaltprodukte sowie mit einer Vorrichtung, beispielsweise einem Zyklon zur groben Entstaubung der den bei 11 verlassenden Aufheizungsgase, in Verbindung, deren fühlbare Wärme von einem Anfangsniveau zwischen 700und 10000C in Wärmeaustauschern für die Vorwärmung der Förderluft oder für die Erzeugung von Wasserdampf genutzt werden kann.
Der erfindungsgemässe Sandkracker stellt eine Kombination von neuartigen Vorrichtungen mit besonderen strömungstechnischen Merkmalen dar und hat seine grosstechnische Bewahrung hunter Beweis gestellt.
Er ermöglicht, aus Kohlenwasserstoffen unterschiedlicher Zusammensetzung vom Äthan bis zum schweren Destillat und auch aus Rohöl Olefine in hoher Ausbeute zu erzeugen und durch die Flexibilität in den Temperaturen die Ausbeuten an den einzelnen Olefinen den wechselnden Bedingungen der Marktlage anzupassen. Er ist von hoher Betriebssicherheit, kann in grossen Einheiten gebaut werden und ist im Vergleich zu den bekannten Krackvorrichtungen von hoher Anpassungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Spaltung von Kohlenwasserstoffen mit Hilfe hocherhitzter feinkörniger Wärmeträger, gekennzeichnet durch eine an sich bekannte, senkrechte, pneumatische Förderund Aufheizstrecke (1) mit nach oben stetig oder absatzweise zunehmenden Querschnitt, die in bekannter Weise in eine Vorrichtung (7) zum Abscheiden und Sichten der Wärmeträger mündet, die aus einem erweiterten Abscheideraum (8) und einem mittels der Trennwand (10) abgetrennten Nebenraum (9) besteht und deren Unterteil (12) in bekannter Weise zugleich als Sammelbunker ausgebildet ist, der über eine Zu- fuhrungsleitung (13) mit dem mit Einbauten (16) versehenen Reaktor (15) verbunden ist, der seinerseits
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auf die Förderstrecke in Verbindung steht.