Verfahren und Vorrichtung zur Beaufschlagung der Rohre von Röhrenöfen
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Beaufschlagung der Rohre von Röhrenöfen sowie auf eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.
Unter anderem ist es bei Röhrenöfen, in deren Rohren chemische Reaktionen, beispielsweise die Aufspaltung von Kohlenwasserstoffen, stattfinden sollen, von grosser Bedeutung, dass sämtliche Rohre des Röhrenofens möglichst gleichmässig beaufschlagt werden, und zwar unabhängig von der Änderung der Ofengesamtbeaufschlagung oder von Widerstands änderungen im Ofen selbst bzw. im nachfolgenden Rohrsystem. Dies ist deshalb sehr wichtig, weil beispielsweise durch eine zu niedrige Beaufschlagung eines Teiles der Reaktionsrohre deren Wandmaterial nicht mehr genügend gekühlt werden kann, so dass die Gefahr besteht, es unzulässig zu überhitzen und in der Folge zu zerstören.
Auch gibt es bestimmte Reaktionen, bei denen eine solche zu grosse bzw. in anderen Rohren zu geringe Wärmezufuhr zur Abscheidung von Russ oder Teer oder ähnlichen verstopfenden Substanzen in den beispielsweise mit Katalysatorsubstanz gefüllten Rohren führt. Daraus resultieren wieder Umsatzeinbussen und Produktionsunterbrechungen infolge schneller erforderlich werdender Regenerationsintervalle.
Um eine möglichst gleichmässige Beaufschlagung sämtlicher Rohre eines Röhrenofens zu erzielen, hat man bereits vorgeschlagen, beispielsweise bei Verfahren zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen in Gegenwart von Wasserdampf und Luft konzentrisch zur Ofenachse eine sogenannte Verteilerspinne unmittelbar über den einzelnen Reaktionsrohren und der eigentlichen Ofendecke anzuordnen, welche gleichzeitig als Mischkammer und Verteiler dient.
Die verschiedenen Medien werden hierbei vor der Mischkammer jedes für sich auf gleichen Druck eingeregelt und erst dann zusammengeführt. Von der Mischkammer aus führen dann zu jedem Reaktionsrohr flexible Leitungen gleicher Längen und Querschnitte, um derart gleiche Strömungswiderstände und folglich eine gleichmässige Beaufschlagung aller Rohre zu erreichen.
Da aber bei dieser bekannten Verfahrensart die Druckdifferenz zwischen Mischkammer und Rohrinnerem sehr gering ist, lösen schon relativ kleine Besonderheiten der einzelnen Rohre, wie z. B. unterschiedlich dichte Katalysatorschüttungen oder strömungsunterschiedliche Ableitungen, weiterhin oftmals beträchtliche ungleichmässige Beaufschlagungen der einzelnen Rohre und damit die vorstehend geschilderten Nachteile aus.
Weiterhin ist es bereits bekannt, die einzelnen Reaktionsrohre an deren Eintrittsenden mit einfachen Lochblenden zu versehen, um mittels dieser eine gleichmässige Beaufschlagung aller Rohre einzuregulieren, was naturgemäss sehr schwierig ist, da ohne den Einbau zusätzlicher Kontrollinstrumente die genau richtige Dosierung immer erst anhand der Ergebnisse längerer Betriebszeiten festgestellt werden kann. Ausserdem bietet die relativ geringe Druckdifferenz zwischen der Sammelleitung und den einzelnen Rohreintrittsenden nur einen relativ geringen Drosselbereich, da man die Vordruckregulierung sowie die Mischung der verschiedenen Reaktionsteilnehmer bei der zuletzt beschriebenen Verfahrensweise nach wie vor ausserhalb des Ofensystems vor der Sammelleitung vornimmt.
Ferner ist bei der zuletzt beschriebenen Verfahrensweise jedesmal eine Neuregulierung erforderlich, wenn sich die Gesamtbeaufschlagung des Ofens ändert.
Zur Vermeidung dieser vorstehend geschilderten Nachteile wird nun erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass das bzw. die den Rohren zuzuführenden Medien mit einem wesentlich über dem Arbeitsdruck in den Rohren liegenden Druck bis an jedes Rohr herangeführt werden und die Entspannung der Medien auf den Arbeitsdruck im Rohr für jedes Rohr gesondert unmittelbar am Rohreintrittsende erfolgt, wobei der Zufuhrdruck des bzw. der Medien mindestens 1,1mal so hoch ist wie der Arbeitsdruck in den Rohren.
Dadurch, dass erfindungsgemäss nunmehr der Differenzdruck zwischen dem Inneren der verschiedenen Reaktionsrohre und den direkt in diese einmündenden Zufuhrleitungen vielfach grösser ist als die sich aus unterschiedlicher Füllung oder Anströmung bzw. Abströmung ergebenden Druckverluste in den einzelnen Reaktionsrohren, wird eine sehr viel gleichmässigere Beaufschlagung der einzelnen Reaktionsrohre erreicht, und zwar unabhängig von der jeweiligen Gesamtbeaufschlagung des Röhrenofens.
Ein weiterer schwerwiegender Nachteil bei der bisher bekannten Art der Beaufschlagung von solchen Röhrenöfen, bei denen mehrere Medien den Reaktionsrohren zugeführt werden, besteht darin, dass schon bei der bisher vor dem Eintritt in die Reaktionsrohre erfolgenden Vermischung der verschiedenen Medien unerwünschte Reaktionen stattfinden können, wobei z. B. Russbildungen auftreten können, durch die dann meistens vorhandenes Katalysatormaterial an den Rohreintrittsenden verstopft werden kann, so dass diese Katalysatorschichten für die gewünschte Reaktion von vornherein ausfallen.
Um diesem Übelstand zu begegnen, ist daher ein relativ häufiges Regenerieren der Katalysatorfüllung erforderlich, wodurch wiederum entsprechend oft Betriebsunterbrechungen notwendig werden. Natürlich kann man die unerwünschten Reaktionen auch dadurch vermeiden, dass man die verschiedenen Reaktionsmedien entsprechend gering vorwärmt, beispielsweise bei der Spaltung von Kohlenwasserstoffen den hierbei erforderlichen Wasserdampf nur relativ gering erhitzt, wodurch jedoch wiederum der gesamte Wärmehaushalt eines derart betriebenen Röhrenofens sehr ungünstig wird, da dann die anfallende Abwärme für die Vorwärmung der Einsatzmedien nicht mehr in vollem Umfang ausgenutzt werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung kann nun auch diesen Nachteilen dadurch begegnet werden, dass bei Zuführung von mehreren Medien jedes Medium gesondert zu jedem Rohreintrittsende derart geführt wird, dass am Rohreintrittsende eine intensive Vermischung der verschiedenen Medien unter gleichzeitiger Entspannung auf den Arbeitsdruck im Rohrinneren stattfindet.
Hierdurch wird es möglich, ohne nachteilige Nebenwirkungen befürchten zu müssen, beispielsweise bei der Spaltung von Kohlenwasserstoffen, den hierfür erforderlichen Wasserdampf relativ hocherhitzt den Reaktionsrohren zuzuführen. Neben der damit verbundenen guten Ausnutzung der Abwärme derartig betriebener Öfen ist hiermit insbesondere auch noch der verfahrensmässige Vorteil verbunden, dass eine sehr schnelle Aufheizung des Reaktionsgemisches auf die erforderliche maximale Reaktionstemperatur stattfindet, was für den optimalen Ablauf von ausschlaggebender Bedeutung ist.
Durch den Einsatz möglichst hoch erhitzten trockenen Dampfes wird fernerhin die Mischung mit den gasförmigen Kohlenwasserstoffen sehr erleichtert und infolge des hohen Wärmeinhaltes desselben die Anfälligkeit gegen sowohl für Katalysator als auch Rohrwandung schädliche Kondenswasserabscheidungen, wie diese sonst leicht in der Anfahrzeit vorkommen können, beseitigt.
Ausserdem wird dadurch, dass auf Grund der erfindungsgemässen Verfahrensweise ein wesentlich grö sserer Teil der erforderlichen Reaktionswärme durch die Reaktionsmedien selbst zugeführt werden kann, die erforderliche Austauschfläche der Reaktionsrohre und damit das gesamte Ofenvolumen in erheblichem Masse reduzierbar.
Bei der Zuführung flüssiger, in den Rohren zu verdampfender Medien ist es zweckmässig, diese mit einem derart hohen Druck zu den Entspannungsstellen der einzelnen Rohre zu führen, dass bei der herrschenden Umgebungstemperatur eine Verdampfung der Medien vor den Entspannungsstellen nicht eintritt.
Sehr vorteilhaft ist es weiterhin, wenn man bei Zuführung mehrerer Medien die Zufuhr jedes Mediums zu jedem Rohr unabhängig von der Zufuhr der übrigen Medien steuerbar ausbildet, gegebenenfalls automatisch nach einem bestimmten Programm.
Hierdurch ist man nämlich in der Lage, beispielsweise bei einem Verfahren zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen, bei dem mit Katalysator gefüllten Rohren Wasserdampf und Kohlenwasserstoffe jedem Rohr gesondert zugeführt werden, alternierend die Zufuhr der Kohlenwasserstoffe zu einzelnen Rohren bei normalem Weiterbetrieb der übrigen Rohre so lange zu unterbinden, bis der auf der Katalysatorfüllung abgesetzte Kohlenstoff infolge der anhaltenden Wasserdampfzufuhr wieder vergast ist.
Hierdurch wird dann nämlich nicht nur eine Betriebsunterbrechung infolge notwendiger Regeneration des Katalysators hinfällig, sondern der auf dem Katalysator abgelagerte Kohlenstoff kann durch die Wiedervergasung mittels des hocherhitzten Wasserdampfes für die Prozessausbeute wieder nutzbar gemacht werden.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Zufuhr bestimmter Medien zu allen Rohren gleichmässig in vorbestimmten Intervallen erfolgen zu lassen.
Die erfindungsgemässe Verlegung des Entspannungsvorganges unmittelbar in den Bereich der Eintrittsenden der einzelnen Reaktionsrohre macht es weiterhin mit sehr einfachen Mitteln möglich, dass eine an sich bekannte, bei manchen Reaktionen vorteilhafte Rückführung eines Teilstromes des Endproduktes der Rohre ausschliesslich durch eine bei der gesonderten Entspannung des bzw. der Zufuhrmedien an jedem Rohreintrittsende auftretende Saugwirkung für jedes Rohr gesondert erfolgt.
Eine zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Vorrichtung kennzeichnet sich durch eine am Eintrittsende jedes Rohres angeordnete Entspannungsvorrichtung für das bzw. die Zufuhrmedien des betreffenden Röhrenofens, wobei die Entspannungsvorrichtung bei mehreren Zufuhrmedien vorteilhaft gleichzeitig als Mischvorrichtung ausgebildet ist.
Hierbei kann man beispielsweise zur Entspannung und Mischung eines flüssig und eines gasförmig zugeführten Mediums die Zuführungsleitung für das flüssige Medium in eine zentrisch angeordnete, sich kegelig erweiternde Düse einmünden lassen, deren Wandung mit einer Vielzahl von Öffnungen versehen und von einem Ringraum umgeben ist, in welche die Zuführungsleitung für das gasförmige Medium einmündet. Es hat sich gezeigt, dass bei einer derartigen Ausbildung gleichzeitig mit der Entspannung der beiden getrennt zugeführten Medien eine ausgezeichnete Vermischung derselben unmittelbar an der Zusammenführungsstelle, d. h. innerhalb der sich kegelig er weiternden Düse erreicht wird.
Für die Erzielung der Rückführung eines Teilstromes des Endproduktes der einzelnen Reaktionsrohre ist eine Ausbildung sehr einfach und vorteilhaft, bei der die Entspannungs- und Mischvorrichtung jedes Rohres am Eintrittsende des Innenrohres eines an sich bekannten Gegenstromrohres angeordnet ist und am Eintritts- bzw. Abführungsende desselben Öffnungen im Innenrohr in derartiger Zuordnung zu einer mit der Entspannungs- und Mischvorrichtung kombinierten Strahlsaugervorrichtung vorgesehen sind, dass der gewünschte Teilstrom des Endproduktes vom zwischen Aussen- und Innenrohr gebildeten Ringraum zum Eintrittsende des Innenrohres zurückgesaugt wird.
In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Rückführung des Teilstromes zur Anpassung an sich ändernde Verhältnisse steuerbar zu machen. Dies ist in sehr einfacher Weise möglich, indem man die Rückführungsöffnungen für den Teilstrom steuerbar ausbildet.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in
Fig. 1 in schematischer Darstellung die gesonderte Zuführung zweier Medien zu jedem Eintrittsende einer Reihe von Reaktionsrohren,
Fig. 2 das Eintrittsende eines Reaktionsrohres gemäss Fig. 1 im Schnitt,
Fig. 3 ein als Gegenstromrohr ausgebildetes Reaktionsrohr mit Strahlsaugervorrichtung zur Rückführung eines beliebig einstellbaren Teilstromes des Endproduktes des betreffenden Rohres und in
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines als Gegenstromrohr ausgebildeten Reaktionsrohres zur Rückführung eines beliebig einstellbaren Teilstromes.
Die in der Zeichnung wiedergegebene Anordnung soll beispielsweise zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen dienen, wobei den einzelnen Reaktionsrohren 1 die Kohlenwasserstoffe in flüssigem Zustand über die Sammelleitung 3 und die einzelnen Stichleitungen 5 sowie der für den Spaltvorgang erforderliche Wasserdampf über die Sammelleitung 2 und die einzelnen Stichleitungen 4 zugeführt wird.
Erfindungsgemäss werden die verschiedenen Medien bis unmittelbar zum Eintrittsende jedes Rohres mit einem wesentlich über dem Arbeitsdruck in den Rohren liegenden Druck herangeführt und je Rohr gesondert erst am Eintrittsende entspannt. Hierbei mündet bei der gezeigten Anordnung die vorteilhafterweise mit Rückschlagventil versehene Zuführungsleitung 5 für die flüssigen Kohlenwasserstoffe zentrisch in eine sich kegelig erweiternde Düse 6, deren Wandung mit einer Vielzahl von Öffnungen 7 versehen ist und die von einem Ringraum 8 umgeben ist, welcher von einem Rohrstück 9, einer Abschlussplatte 10 sowie einer zwischen Rohrstück 9 und Reaktionsrohr 1 eingeschalteten, mit dem in das Rohr 1 hineinragenden Ende der Düse 6 verbundenen ringförmigen Platte 11 umschlossen ist.
In diesen Ringraum 8 mündet durch die Abschlussplatte 10 die Zuführungsleitung 4 für den zur Aufspaltung der Kohlenwasserstoffe erforderlichen Wasserdampf.
Es hat sich gezeigt, dass mit einer derartigen Anordnung gleichzeitig mit der Entspannung der verschiedenen Medien auf den gewünschten Arbeitsdruck eine ausserordentlich intensive Vermischung der verschiedenen Medien miteinander stattfindet, und zwar unmittelbar bei deren Zusammentreffen im Inneren der Düse 6, so dass, wie bei 12 angedeutet ist, die miteinander intensiv gemischten Medien strahlenförmig in das Rohrinnere eintreten.
Wie vorstehend schon ausführlich dargelegt ist, ist es auf Grund dieser Anordnung weiterhin möglich, den durch die Leitung 4 zugeführten Wasserdampf sehr hoch zu erhitzen, ohne hierbei unerwünschte, zu frühzeitige Reaktionen befürchten zu müssen, so dass den Reaktionsmedien nach Eintritt in das Rohrinnere wesentlich weniger Wärme durch die Rohrwandung der Reaktionsrohre 1 zugeführt zu werden braucht, wodurch die Anzahl bzw. Oberfläche derartiger Reaktionsrohre wesentlich reduziert werden kann. Ausserdem lässt sich die Abwärme der Öfen für die entsprechend hohe Aufheizung des benötigten Wasserdampfes wesentlich besser verwerten.
Bei der in Fig. 3 wiedergegebenen, insgesamt wieder mit 1 bezeichneten Gegenstromrohreinheit entspricht die Ausführung der Entspannungs- und Mischvorrichtung im wesentlichen der in Fig. 2 gezeigten Ausführung. Zusätzlich sind Mittel vorgesehen, um einen steuerbaren Teilstrom des Endproduktes des Reaktionsrohres dem Eintritts ende des Rohres wieder zuzuführen.
Das Innenrohr 13 der Gegenstromrohreinheit ist hierbei im unteren Bereich mit Öffnungen 15 versehen sowie ferner die Düse 6 über die ringförmige Platte 11 hinaus fortgesetzt, so dass in Verbindung mit Verengungseinbauten 16 an der Innenwandung des Innenrohres 13 beim Entspannen der durch die Leitungen 4 und 5 zugeführten Einsatzmedien in dem Ringspalt zwischen dem vorspringenden Ende der Düse 6 und den Einbauten 16 eine Injektorwirkung erzielt wird, durch welche ein Teilstrom des Endproduktes aus dem Ringraum zwischen dem Innenrohr 13 und dem Aussenrohr 14 der Gegenstromrohreinheit zum Eintrittsende des Innenrohres 13 zurückgesaugt wird, während der übrige Teil des Endproduktes die Gegenstromrohreinheit durch den Austrittsstutzen 17 verlässt.
Auf diese Weise verliert der rückgeführte Teilstrom während des Rückführens praktisch überhaupt keine Wärme, wobei noch vorteilhaft hinzukommt, dass der apparative Aufwand, welcher zusätzlich für die Rückführung benötigt wird, auf ein Minimum reduziert ist.
Zur Steuerung des Rückführungsteilstromes ist die ringförmige Platte 11 ferner mit einem Ring 18 starr verbunden, der dem Innenrohr 13 im Bereich der Rückführungsöffnungen 15 von innen anliegt und mit den Öffnungen 15 entsprechenden Öffnungen versehen ist. Durch Verdrehen dieses Ringes 18 mittels an der Platte 11 angebrachter Ansätze 19 kann folglich der Durchtrittsquerschnitt der Öffnungen 15 und damit die Rückführungsmenge gesteuert werden.
Die in Fig. 4 wiedergegebene Ausführungsform entspricht im wesentlichen der in Fig. 3 wiedergegebenen Ausbildung, lediglich die Strahlsaugervorrichtung ist etwas anders gestaltet und mit der Vorrichtung zur Steuerung des Rückführungsteilstromes kombiniert. Ausserdem ist die Anordnung derart getroffen, dass das vollständige Innenrohr ohne Materialzerstörung, wie Trennschleifen, Sägen usw., einund ausgebaut werden kann.
Hierzu ist das Innenrohr 13 an einem unteren lösbaren Flansch 23 befestigt und das Aussenrohr 14 im unteren Bereich als Abzug 17 abgebogen ausgebildet, wobei der das Innenrohr umgebende Bereich 20 rings um das Innenrohr 13 mit einer Trennfuge 25 versehen ist. Der die Trennfuge 25 allseitig umschliessende Raum 22 ist gasdicht abgeschlossen, so dass ein weiteres Entweichen von aus dem Aussenrohr 14 durch die Trennfuge 25 tretenden Gasen nicht möglich ist. Die Verengungseinbauten 16 der Strahlsaugervorrichtung sind mit der Vorrichtung zur Steuerung der Rückführungsöffnungen 15 zu einem im wesentlichen hülsenförmigen Glied 24 kombiniert, welches den Rückführungsöffnungen 15 entsprechende Öffnungen aufweist und unten an der Abschlussplatte 10 starr befestigt ist.
Die Düse 6 ist unten ebenfalls an der Platte 10 und im oberen Bereich mittels eines Ringes 21 an dem hülsenförmigen Glied 24 fest. Durch Verdrehen der Abschlussplatte 10 relativ zum Innenrohr 13 kann folglich auf Grund sich ändernder Abdeckung der Öffnungen 15 mittels des hülsenförmigen Gliedes 24 die Rückführungsmenge gesteuert werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Verfahrensweise besteht auch noch darin, dass auf Grund der Heranführung der Einsatzmedien bis unmittelbar an die Reaktionsrohre mit höherem Druck als bisher die Leitungsquerschnitte beträchtlich verringerbar sind und infolgedessen auch ein geringerer Wärmeverlust bei diesen eintritt.
Bei der Zuführung mehrerer Medien wird man jedoch die Entspannung gewöhnlich gleichzeitig mit der Mischung der verschiedenen Medien unmittelbar an den Rohreintrittsenden vornehmen.