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Anlage zur Herstellung von Ofen-Russ
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Herstellung von Ofen-Russ aus Erdölen oder wässerigen, flüssi- gen Kohlenwasserstoffen in röhrenförmigen Reaktionskammern durch schnelle Crackung dieser Stoffe in feinverteilter Form bei hoher Temperatur in einer turbulenten Atmosphäre.
Bekanntlich lassen sich Russsorten besserer Qualität durch schnelle Crackung feinverteilter Kohlenwasserstoffe bei relativ hoher Temperatur in einer turbulenten Atmosphäre herstellen, wobei die Wärme- übertragung zum Kohlenwasserstoff mit sehr hoher Geschwindigkeit erfolgt. Ebenfalls bekannt ist, dass bei Verwendung vorgeheizter Luft eine höhere Ausbeute erzielt wird, da zur Anhebung der Temperatur der Gase auf die Cracktemperatur die Verbrennung eines geringeren Anteiles des eingesetzten Kohlenwasserstoffes ausreicht. Die Gasgeschwindigkeit ist sehr hoch und liegt in einigen Fällen oberhalb der Schallgeschwindigkeit, die zur Anwendung kommenden hohen Temperaturen (insbesondere bei Reaktoren zur Herstellung von Russ kleiner Teilchengrösse) bringen viele Probleme mit sich, von denen einige im folgenden berührt werden.
Häufig besteht der Ofen oder Reaktor vollständig aus feuerfestem Material.
In mit der Erfindung in Zusammenhang stehenden Patentschriften, wie den USA-Patentschriften Nr. 3,033, 651 und Nr. 2,976, 128, besitzt der Ofen oder Reaktor die Form eines metallenen Rohres, welches aussen mit Wärmeaustauschrippen versehen ist und wobei die ganze Anordnung von einem metallenen Luftmantelrohr umschlossen ist.
Gemäss dem Aufbau der Anlagen der beiden genannten Patentschriften tritt Kühlluft in den konzentrischen Zwischenraum zwischen dem äusseren Luftmantelrohr und dem inneren Rohr, d. i. das Wärme- austausch-oder Kühlrippenrohr, ein und strömt durch einen der Strömungskanäle zum vorderen Ende des Reaktors. Hier kehrt die Luft um und gelangt zur Innenseite des Kühlrippenrohres, welche den Ofen oder Reaktor bildet ; hier wird die Luft mit überschüssigem Kohlenwasserstoff gemischt, welcher teilweise verbrennt ; der Rest wird zu Wasserstoff und Russ gecrackt ; das erzeugte heisse Abgas strömt zum rückwärtigen Ende des Reaktors. Die zwischen dem Metallmantel und dem Rippenrohr strömende Kühlluft wird zunehmend heisser, während sie sich dem vorderen Reaktorende nähert.
Im Rippenrohr ist die Maximaltemperatur erreicht, wenn die Verbrennungsreaktion vollständig ist, was, wie Versuche zeigten, etwa 90 cm von dem Punkt entfernt der Fall ist, an welchem in einem Rippenrohr technischer Betriebsgrösse die Zufuhr des Kohlenwasserstoffes erfolgt. Die Gastemperatur im Innern des Rippenrohres fällt von diesem Punkt zum Ausgang des Rippenrohres hin ab, da durch die Kohlenwasserstoffcrackung Wärme absorbiert und durch das Rippenrohr Wärme auf die in dem Mantel befindliche Kühlluft übertragen wird. Wird also die Länge des Rippenrohres gesteigert, so nimmt die Vorheiztemperatur der Luft zu ; auf Grund der zusätzlichen Vor-
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durch die maximale Betriebstemperatur des Materials, aus welchem dieses Rohr besteht, begrenzt wird.
Hochtemperaturedelstahl und Speziallegierungen halten Dauerbetriebstemperaturen zwischen 1045 und 12540C aus, solange sie keiner hohen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt sind. Mit den in den USAPatentschriften Nr. 3,033, 651 und Nr. 2,976, 128 beschriebenen Rippenrohrtypen wurden bei einer Länge von etwa 6 m Luftvorheiztemperaturen von mehr als 5450C erreicht, wobei die geschätzte Maximalemperatur innerhalb des Rippenrohres nahe bei 19250C lag. Dessenungeachtet arbeitet das Rippenrohr relativ kühl (etwa 7600C) bei einem Luft/Gas-Verhältnis von 15 : 1 (9611 keal-Naturgas), solange dem Reaktor
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kein Öl zugeführt wird und Sauerstoff im Überschuss vorhanden ist.
Unter diesen Bedingungen tritt eine blaue Flamme auf, wobei sehr wenig Energie auf das Rippenrohr abgestrahlt wird und der grösste Teil der Wärme leitend durch den Gasfilm übertragen wird. Wird Öl zugeführt, so tritt eine reduzierende Flamme auf, die einen grossen Kohlenwasserstoffüberschuss enthält. Unter diesen Bedingungen strahlen die gebildeten Russpartikel die Hitze direkt auf die Wand ab, wodurch eine Steigerung der Maximaltemperatur des Rohres auf mehr als 10400C bewirkt wird.
Dementsprechend wird das Rippenrohr, je länger es ist, umso heisser am Punkt der Maximaltemperatur.
Es besteht damit eine Längenbeschränkung für das Rippenrohr und die Vorheiztemperatur, auf welche die Mantelluft erhitzt werden kann. Wird die Rippenrohrlänge gesteigert, so erfolgt erstens eine Steigerung der Ausbeute auf Grund der Luftvorerhitzung ; zweitens eine Steigerung der Ausbeute auf Grund der längeren Crackreaktionszeit ; drittens eine Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit, da höhere Ölzufuhrgeschwindigkeiten möglich sind ; viertens wird das Rippenrohr höheren Temperaturen ausgesetzt.
Es ist zu bemerken., dass mit einer Steigerung der Länge des Rippenrohres durch die möglichen höheren Ölzufuhrgeschwindigkeiten eine Tendenz zur Erniedrigung der Reaktionstemperatur zwar in gewissem
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Zwischen den äusseren diametral gegenüberliegenden Kanten der in Längsrichtung verlaufenden Kühlrippen 14a und 15a und den Innenwänden der äusseren zylindrischen Metallmäntel 8 und 10 ist ein metallener schneckenförmiger Streifen angeordnet, wie bei 22 und 23 zu erkennen. Die Innenkanten dieser schneckenförmigen Streifen 22 und 23 sind mit den radialen Aussenkanten der Kühlrippen 14a bzw. 15a in geeigneten Abständen verschweisst, brauchen aber in keiner Weise fest mit den Innenflächen der äusseren Metallmäntel 8 und 10 verbunden zu sein. Die metallenen schneckenförmigen Streifen 22 und 24 helfen so beim Tragen der mit den Kühlrippen versehenen inneren Metallrohre 14 und 15 in konzentrischer Anordnung zu den äusseren zylindrischen Metallmänteln 8 und 10 und in Richtung der Öffnung des zylindrischen feuerfesten Gehäuses 2 mit.
Die äusseren zylindrischen Metallmäntel 8 und 10 sind in der Nähe ihrer inneren Enden mit einem tangentialen Lufteinlass versehen, wie dies bei 30 bzw. 32 gezeigt ist. Beide können die Form eines Rechteckes von 76 x 305 mm im Querschnitt haben.
Der äussere zylindrische Metallmantel 10 ist mit einem tangentialen Luftauslass 34 versehen, der die gleiche Gestalt wie die zuvor genannten Lufteinlasse 30 und 32 haben kann.
Aus der beschriebenen Konstruktion und Anordnung ist ersichtlich, dass das zylindrische feuerfeste Gehäuse 2 eine ziemlich hohe Temperatur erreicht und behält, während die inneren Metallrohre 14 und 15 an den Enden dieses Gehäuses luftgekühlt sind, das Rohr 14 im Gegenstrom und das Rohr 15 in der Strom- richtung, in welcher die Reaktion fortschreitet.
Wenn die Luft durch den tangenitalen Lufteinlass 30 des zylindrischen Mantels 8 eintritt, erhält sie durch den von dem schneckenförmigen Streifen 22 gebildeten Gang eine schneckenförmige Bewegung, wobei die Schnecke 22 dazu beiträgt, die Hauptmenge der Luft in schneckenförmiger Bewegung um die in Längsrichtung verlaufenden Kühlrippen 14a zu halten, während ein kleiner Teil der Luft zwischen und entlang diesen Rippen hindurchströmt. Die schneckenförmige Bewegung der Luft, die mit hoher Ge- schwindigkeit über die scharfen Kanten der Rippen hinweg verläuft, bewirkt eine hochturbulente Strö- mung und vermindert so die Dicke des Luftfilms und steigert den Wärmeübergang von den Rippen.
Nach dem Durchgang durch die Länge des Schneckenganges kehrt die genannte Verbrennungsluft um und tritt in das äussere Ende des Metallrohres 14 ein, und gelangt beim weiteren Durchgang in die Verbrennungszone, die sich im Einlassende des vorderen inneren Metallrohres 14 befindet. Hier wird das
Brenngas und das Kohlenstoff liefernde Öl eingeleitet und die Verbrennung setzt an dieser Stelle ein.
Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, wird das Brenngas durch eine Leitung 45, welche durch eine Packung 46 in der Mitte der Endwand 20 des äusseren Metallmantels 8 hindurchläuft und in die angrenzende unverschlossene zylindrische Kammer hineinragt, der Verbrennungszone des Ofens oder Reaktors zugeführt.
Mit dem inneren Ende der Brenngaszuleitung 45 ist eine Brennerscheibe 47 fest verbunden und wird von dieser getragen. Die Gaszufuhrleitung 45 ist mit radial angeordneten Brenngasöffnungen 49 versehen, die sich dicht an der Rückwand der Brennerscheibe 47 befinden.
Die Ölzuleitung ist bei 51 gezeigt und axial innerhalb der Brenngasleitungen 45 angeordnet und verläuft durch das Zentrum der Brennerscheibe 47 ; die Ölzuleitung endet in einer Sprühdüse 53, die nahe an der Brennerscheibe angeordnet ist.
Die durch den Lufteinlass 8'eintretende Luft mischt sich mit dem Brenngas, welches durch die Brenngasleitung 45 zugeführt und durch die peripheren Öffnungen 49 unmittelbar hinter der Brennerscheibe 47 austritt. Das Gas strömt mit der Luft zusammen um die Brennerscheibe herum ; durch die turbulente Strömung wird eine gleichförmige Mischung erzielt. Die am inneren Ende der Ölleitung 51 und unmittelbar an der Vorderseite der Brennerscheibe 47 montierte Sprühdüse 53 zerstäubt den flüssigen Kohlenwasserstoff und bringt die feinen Tröpfchen an der Stelle in die Basis der Flamme, wo die Verbrennung einsetzt.
Der aus der Brennerscheibe 47 und den mit dieser verbundenen Armaturen bestehende Brenner liefert ein gleichförmiges Gemisch von Brenngas und Luft, indem er dieses Gemisch durch eine Verengung leitet, was umgekehrt eine hochgradige Turbulenz erzeugt und auch nach der Zündung zu einem turbulenten Flammenwirbel führt.
- Wird ein verdampfter Kohlenwasserstoff verwendet, so kann die Sprühdüse 53 entfernt und durch ein am Ende offenes Rohr ersetzt werden.
In jedem Fall wird das Öl zu Russ und Wasserstoff gecrackt, die mit den abströmenden Gasen durch das zylindrische feuerfeste Gehäuse 2 davongetragen werden und die eintretende Verbrennungsluft erhitzen, wobei sie sich selbst abkühlen. Durch die Düse 4 wird Löschwasser, unmittelbar nachdem das Abgas den ersten Wärmeaustauscher verlässt und das feuerfeste Gehäuse 2 betritt, als feiner Nebel in den Gasstrom gesprüht und beginnt zu verdampfen. Die Abkühlung des Abgases schreitet beim Durchgang
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durch das rückwärtige innere Metallrohr 15 soweit fort, dass es anschliessend in einer Russabscheideanlage, die von herkömmlicher Bauart sein kann, aufgearbeitet werden kann.
Wie gesagt, kehrt die Mantelluft am Vorderende des inneren Metallrohres 14 um und tritt in dieses ein. An diesem Punkt werden Brenngas und Öl durch die Brennerscheibe 47 und die Ölzerstäuberdüse 53 eingeleitet. Zunächst verbrennt das Gas und ein Teil des Öles, um eine ausreichende Hitze für die
Crackung des restlichen Öles zu erzeugen. Die heissen Abgase strömen durch das innere Metallrohr 14 und in das zylindrische feuerfeste Gehäuse 2, wobei die Crackung fortgesetzt wird, bis durch den Wasserne- bel 6 abgelöscht oder im zweiten Wärmeaustauscherabschnitt, dem das innere Metallrohr 15 angehört, abgekühlt wird. Die kühleren Abgase gelangen durch das innere Metallrohr 15, geben dabei weitere Wär- me ab und verlassen denKohlenstoffreaktor durch eine mit der Russaufbereitungsanlage verbundene Röhre
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Zusätzliche Kühlluft wird durch den tangentialen Einlass 32 dem konzentrischen Spalt zwischen dem äusseren Metallmantel 10 und dem inneren Metallrohr 15 zugeführt. Diese Luft zirkuliert schraubenför- mig entlang des schneckenförmigen Streifens 23 um die Rippen 15a herum und an diesen entlang, wobei sie erwärmt wird. Die heisse Luft verlässt den Wärmeaustauscher am tangentialen Auslass 34 und wird, wie oben beschrieben, zur Bereitstellung der Wärmeenergie im Verfahren verwendet.
Die Länge des ersten Reaktorabschnittes, welchem das innere Metallrohr 14 angehört, wird soweit beschränkt, dass die Luftvorheiztemperatur nicht übermässig hoch wird. Der zweite, durch das zylindrische feuerfeste Gehäuse gebildete Abschnitt hat keinen Luftmantel und wirkt als Temperaturspeicher zur Erzielung einer längeren Crackungszeit und gewährleistet so höhere Ölzufuhrgeschwindigkeiten und grö- ssere Ausbeuten. Am Auslassende dieses feuerfesten Abschnittes können ein oder mehrere Zerstäuber verwendet werden.
Das innere Metallrohr 15 gehört dem dritten Abschnitt an, der als Wärmeaustauscher wirkt und die heissen Gase mittels Luftkühlung abkühlt, wodurch die zum Ablöschen erforderliche Wassermenge beschränkt wird oder fortfällt ; die Wirkung des Wärmeaustauschers ist eine doppelte, da er als Quelle für die verfahrensgemäss benötigte Wärme zum Trocknen feucher Russkörnchen und zum Vorheizen des dem Reaktor zugeleiteten Öles dient.
Einige weitere Vorzüge der Wärmeaustauschkühlung sind folgende :
1. Das durch die Russabscheideanlage zu bewältigende Gasvolumen wird vermindert.
2. Die Russkonzentration im Gasstrom wird gesteigert, wodurch sich der Russ zu grösseren Agglomeraten zusammenballt, und somit ein grösserer Prozentsatz des Russes in den Sammelzyklonen aufgefangen werden kann.
3. Der Taupunkt der Gase wird stark erniedrigt, womit die Ausschaltung der Korrosion auf Grund einer Kondensation von Wasserdampf in der Abscheideanlage, insbesondere im Verlauf des Anfahrens und Abstellens der Anlage, gefördert wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anlage zur Herstellung von Ofen-Russ aus Erdölen oder wässerigen, flüssigen Kohlenwasserstoffen in röhrenförmigen Reaktionskammern durch schnelle Crackung dieser Stoffe in feinverteilter Form bei hoher Temperatur in einer turbulenten Atmosphäre, gekennzeichnet durch ein röhrenförmiges Metallgehäuse (14), ein zweites röhrenförmiges Metallgehäuse(15), das mit Abstand in koaxialer Richtung zum ersten Metallgehäuse (14) angeordnet ist, ein zwischen diesen angeordnetes und mit diesen verbundenes feuer-
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und ein getrenntes metallenes Luftmantelrohr (10) für das zweitgenannte Metallgehäuse (15) sowie dadurch gekennzeichnet, dass das äussere Ende des Metallmantels (8) über das Ende des ersten Metallgehäuses (14) hinausragt und eine nach innen unverschlossene Kammer bildet,
in welcher in axialer Ausrichtung zu sämtlichen röhrenförmigen Gehäusen ein Gasbrenner (45, 47,49, 8') angeordnet ist, ferner gekennzeichnet durch Vorrichtungen (51,53) zur Zuführung flüssiger Kohlenwasserstoffe zu der durch den Brenner erzeugten Flamme, Vorrichtungen (30) zur Lenkung der Luft von dem inneren Ende des erstgenannten Metallmantels (8) zu dessen äusseren Ende und in die unverschlossene Kammer sowie durch Vorrichtungen (32, 34) zur Lenkung von Luft durch den zweiten Metallmantel (10) und eine Röhre (60) zur Verbindung mit der Russaufbereitungsanlage.