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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Verbindung zwischen einem hohlen metallischen Werkstück und einem
Keramikrohr, dazu bestimmt, bei Hochtemperaturanwendungen wie Wärmeaustauschern
und stark exothermen oder endothermen Reaktoren, eingesetzt zu werden,
wie sie für
die Durchführung
von Reaktionen wie beispielsweise den Dampfcrack-, Pyrolyse-, katalytischen
Dehydrierungs- oder Dampfreformierungsreaktionen Verwendung finden.
Insbesondere anwendbar ist die Erfindung bei endothermen Reaktoren,
in denen die Temperatur üblicherweise
zwischen 600 und 1200°C
liegt und wo eines der zu lösenden
Probleme darin besteht, die Sekundärreaktionen zu begrenzen, welche
zur Bildung von Teer und/oder Koks führen.
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Zahlreiche Dokumente beschreiben
Reaktoren, die bei hoher Temperatur in einem potentiell kokenden Medium
betrieben werden, wo die katalytischen Effekte der metallischen
Wandungen vermieden werden müssen.
Von diesem Gesichtspunkt aus sind die stabilsten keramischen Materialien
weniger Vorläufer
für Koks. Hierbei
kann man sich beziehen auf den Artikel „Wall catalysis: a fundamental
phenomenon in high-temperature hydrocarbons systems and its influence
on the soot formation" (G.
PERUGINI & al.,
Energy and Ceramics – Proceedings
of the 4th International Meeting on Modern
Ceramics Technologies, Saint-Vincent, Italien, (1979), Seiten 1268–1279),
der ein Fehlen der Bildung katalytischen Kokses auf stabilen Keramikoxiden
in carburierender Umgebung, die Wasserstoff bei Temperaturen oberhalb
1000°K enthält, zeigt.
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Darüber hinaus wird bei den Dampfcrackreaktoren,
für die
diese Erfindung besonders geeignet ist, das Optimum zwischen Umwandlung
und Selektivität
erhalten, indem man die der Reaktion zugeführte Wärmemenge erhöht und die
Verweilzeit des Reaktionsmittels reduziert. Dieses in die Praxis
in den sog. „Millisekunden"-Öfen umgesetzte Konzept wird
beim Dampfcracken eingesetzt und stellt heutzutage das bevorzugte
Verfahren zur Umwandlung gesättigter Kohlenwasserstoffe
in Olefine in der Petrochemie dar. In diesem Zusammenhang trifft
man die Verwndung keramischer Materialien, welche höhere Arbeitstemperaturen
als die metallischen Materialien akzeptieren, weit verbreitet an.
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Die US-Patentschrift 6 312 652 beschreibt
die Verwendung keramischer Rohre mit Doppelmantel für die Produktion
von Ethylen in Dampfcracköfen
von sehr kurzer Verweilzeit. Bei dieser Anwendung werden die Rohre
vertikal angeordnet, an ihrem oberen Teil in der Strahlungszone
des Ofens aufgehängt.
In dieser Patentschrift erfolgt in keinem Moment ein Hinweis auf
die Verbindung zwischen den metallischen Teilen und den keramischen
Teilen, wie dies erfindungsgemäß der Fall
ist. Das Dokument
FR 99/15 497 beschreibt
eine Vorrichtung zur nachgiebigen Verbindung zwischen einem keramischen
Wärmeaustauscherrohr
und einem metallischen Mantel, der im Wesentlichen eine konventionelle
Stopfbüchse
umfasst, um ein Rohr und einen an den Mantel fixierten Balgen zu
verbinden. Bei dieser Vorrichtung sind die Verbindungsmittel zwischen
dem keramischen Rohr und der Stopfbüchse aus porösen thermisch
isolierenden Zusammensetzungen gebildet. Diese Vorrichtung betrifft
nicht eine Verbindung mit relativer und kontrollierter Abdichtung.
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Die US-Patentschrift 6 454 274 zeigt
eine Vorrichtung zur Montage zwischen einer röhrenförmigen keramischen Membran
und einem metallischen Rohr, wobei die keramische Membran durch
den Reibungseffekt gehalten wird, der durch die Kompression keramischer
Dichtungen erzeugt wird, die um diese keramische Membran sowie im
Inneren des metallischen Rohres angeordnet sind. In dieser Konfiguration
begrenzt die Haltevorrichtung für
das Rohr seine Verwendung auf vertikale Anwendungen für den Fall
von Rohren großer
Länge und
erhöhten
Gewichts. Die in der US-Patentschrift 6 454 274 in Betracht gezogenen
Anwendungen sind Trennungen in Gasphase durch Membran und nicht
das Anwendungsgebiet, wo das zirkulierende Reaktionsmittel kokend
ist.
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Die US-Patentschrift 5 133 577 stellt
eine Verbindungsvorrichtung für
die Montage eines keramischen Rohres auf einem metallischen Rohr
ohne Verbindungsauskleidung zwischen den Rohren dar. In dieser Konfiguration
kann der Leckageanteil eines Dichtungsgases von außen nach
innen, bezogen auf die Rohre, nicht geregelt werden.
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Allgemein realisieren die Verbindungsvorrichtungen
mit oder ohne keramische Dichtung, wie sie in diesen Patentschriften
beschrieben werden, eine relative nicht kontrollierte Abdichtung,
die besonders störend
bei Vorhandensein gewisser Gase wie Wasserstoff, der sehr leicht
diffundiert, ist.
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Die vorliegende Erfindung hilft insbesondere
diesem Problem ab, indem sie eine vollständige und absolute Abschottung
des Reaktionsteilsnehmers in Höhe
der Verbindung ermöglicht
und indem sie eine relative und kontrollierte Abdichtung durch das
Zusammenwirken eines ersten mechanischen Dichtungsmittels und eines
zweiten dynamischen Dichtungsmittels realisiert, das durch ein Spülgas erhalten
wurde. Im gesamten Text ist der Ausdruck „keramisches Rohr" in breitem Sinne
zu verstehen und bezieht sich auf jedes Element, das über ein
Innenvolumen, bevorzugt mit kreisförmigem Querschnitt und über eine
Innen- und/oder gegebenenfalls plane Außenfläche verfügt, um die Wärmeaustauschvorgänge zu begünstigen.
Ein keramisches Rohr kann zusammengesetzt werden aus einer Reihe
elementarer keramischer Rohre, die miteinander über eine Vorrichtung nach der
Erfindung verbunden sind. Der Ausdruck „metallisches Werkstück" ist im Sinne jedes
Gefäßes anzusehen,
das einerseits über
einen hohlen Teil verfügt,
der vermittels der Vorrichtung nach der Erfindung mit dem Innenvolumen
des keramischen Rohres in Verbindung steht.
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Das metallische Werkstück, von
dem in der vorliegenden Erfindung die Rede ist, kann ein einfaches Rohr,
eine Auffächerung
sein, welche eine Vielzahl metallischer Rohre parallel verteilt,
ein Sammler, ein Verteiler oder irgend ein anderes Bauteil mit analoger
Funktion. So betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Verbindung
mit relativer und kontrollierter Abdichtung zwischen einer Leitung
und einem keramischen Rohr, umfassend:
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- – ein
zylindrisches Gefäß, das dicht
an dieser Leitung fixiert ist, wobei ein Ende des keramischen Rohres im
Inneren dieses „Gefäßes" angeordnet ist,
- – Dichtungsmittel,
die aus wenigstens zwei Garnitursätzen zusammengesetzt sind,
die im Ringraum zwischen keramischem Rohr und Gefäß angeordnet
sind,
- – ein
zwischen den beiden Sätzen
zwischengeschaltetes Zwischenstück,
- – Kompressionsmittel
für diese
Dichtungsgarnituren,
- – Mittel
zur Injektion eines Fluids zwischen die beiden Dichtungsgarnitursätze, derart,
dass ein bestimmtes Druckdifferential auf jede der Garnituren ausgeübt wird.
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Gemäß einer Variante der Erfindung
kann das Ende des keramischen Rohres getrennt von der Leitung durch
ein einen Anschlag bildendes Bauteil getrennt sein, wobei dieses
Bauteil eine Beständigkeit
gegen Bruch bei Kompression hat, die immer geringer als die Festigkeit
des keramischen Rohres und die der Leitung ist.
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Nach einer anderen Variante kann
dieses Gefäß eine doppelte
Wandung umfassen, die einen Innenraum definiert, in welchem ein
Wärmeträgerfluid
zirkuliert.
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Nach einer anderen Variante der Erfindung
kann der Innenraum mit dem Raum zwischen den Dichtungsgarnituren
in Verbindung stehen. Das Gefäß kann im
Allgemeinen aus feuerfestem Stahl mit hohem Wärmewiderstand realisiert sein.
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Das keramische Rohr kann im Allgemeinen
aus dichter Keramik wie Siliziumoxid-Aluminiumoxid, Mullit, Aluminiumoxid,
Zirkonoxid oder Siliziumcarbid und bevorzugt Siliziumcarbid sein.
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Das Anschlags- oder Lagerbauteil
kann zusammengesetzt sein aus einem Material vom Silikattyp, das komprimiert
und durch Fasern verstärkt
ist und über
eine Bruchfestigkeit bei Kompression verfügt, die geringer als die kleinste
der Festigkeiten des keramischen Rohrs einerseits und des zylindrischen
Gefäßes oder
der Leitung andererseits ist.
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Die Dichtungsgarnituren können aus
Fasern vom Typ Silico-Aluminiumoxid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder
Graphit sein. In gewissen Fällen
können
die Fasern der Garnituren mit einem keramischen oder metallischen
Material imprägniert
sein.
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In anderen Fällen kann wenigstens eine der
Dichtungsgarnituren aus einem keramischen Pulver bestehen.
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Das im Inneren des zylindrischen
Gefäßes zirkulierende
Wärmeträgerfluid
kann Wasserdampf sein.
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In gewissen Anwendungsfällen der
Erfindung kann die Leitung ein Rohr identisch dem keramischen Rohr
sein, wobei das Ende jedes der keramischen Rohre in diesem Gefäß angeordnet
und mit dem Gefäß über identische
Dichtungsmittel verbunden sein kann, derart, dass eine Verbindung
zwischen zwei keramischen Rohren gebildet wird.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren
zur Regelung der dichten Verbindung der Vorrichtung nach der Erfindung,
das aus den folgenden Stufen besteht:
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- – man
misst die Druckdifferenz zwischen dem in der Leitung vorhandenen
Reaktionsmittel und diesem Fluid,
- – man
stellt die Druckdifferenz ein, um einen Spülverlust gegen das Innere des
Rohres aufrecht zu erhalten.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung
kann insbesondere angewendet werden, ohne dass diese Angaben eine
Begrenzung darstellen, auf Installationen des Dampfcrackens, der
Pyrolyse, der katalytischen Dehydrierung oder der Dampfreformierung.
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Im Falle der Anwendung auf eine Dampfcrackinstallation
kann das Reaktionsmittel von hoher Temperatur, bevorzugt zwischen
600 und 1200°C,
sein.
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Beispielsweise Ausführungsformen
der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
näher erläutert werden.
Diese zeigen in:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine Vorrichtung nach der Erfindung;
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2 einen
Längsschnitt
durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung
in einer Konfiguration mit Doppelmantel, bei der die Kühlung des
Gefäßes durch
ein Wärmeträgerfluid
möglich
wird;
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3 schematisch
einen Reaktor, der die Vorrichtung gemäß der Erfindung und das System
zur Regelung von Druck verwendet, welches eingesetzt wird, um ein
dynamisches Spülen
zu realisieren;
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4 einen
Schnitt durch eine Konfiguration mit mehreren Vorrichtungen in ein
und dem gleichen Kühlgefäß entsprechend
mehreren keramischen Rohren;
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5 ein
Anwendungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung auf einen
Dampfcrackofen; und
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6 einen
Schnitt durch die Vorrichtung nach der Erfindung gemäß einer
Variante einer Verbindung zwischen zwei keramischen Rohren.
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1 zeigt
im Schnitt eine Ausführungsform
der Verbindungsvorrichtung gemäß der Erfindung
zwischen einem metallischen Werkstück röhrenförmiger Gestalt 1, im Allgemeinen
aus feuerfestem Stahl wie z.B. Haynes 230, Haynes 214, Incoloy 800,
Incoloy 601, Incoloy MA956 oder Kanthal APM realisiert, und einem keramischen
Rohr zylindrischen Querschnitts 7, das aus dichter Keramik realisiert
ist, wie beispielsweise aus Siliziumoxid-Aluminiumoxid, Mullit,
Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Siliziumcarbid.
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Diese Vorrichtung umfasst ein zylindrisches
metallisches Gefäß oder eine
Muffe 5, die dicht mit dem metallischen Rohr 1 an
einem seiner Enden verbunden ist und über einen Flansch am anderen
Ende verfügt. Das
Ende eines keramischen Rohres 7 ist in der Muffe dem Rohr 1 gegenüber angeordnet.
Eine Anschlagsringscheibe 2 aus Silikat und harter Faser
ist zwischen den Enden der metallischen und keramischen Rohre 1 und 7 positioniert.
Eine erste Reihe von Dichtungsgarnituren aus Keramikfasern 3 ist
in den Ringraum eingebracht, der durch das Innere des Gefäßes und
das Äußere des
keramischen Rohres definiert ist, und zwar in steifer Abstützung gegen
die Unterlegscheibe 2. Ein Zwischenstück 4 ist zwischen
die erste Garniturreihe 3 und eine zweite Garniturreihe 3' zwischengeschaltet.
Ein eine zweite steife Abstützung 4' bildender Kompressionsring
vervollständigt
die Stapelung bis zu einem metallischen Gegenflansch 6.
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Das Gefäß umfasst eine Eintrittsöffnung,
beispielsweise für
Inertgas 8, wodurch die Einführung eines Fluids in den Raum
zwischen den beiden Dichtungsgarnituren 3 und 3' möglich wird.
Hierdurch wird das Zwischenstück 4 derart
durchbohrt, dass die Fluidzirkulation die Anwendung des Drucks auf
die beiden Flächen der
Dichtungsgarnituren 3 und 3' zulässt.
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In dieser Konfiguration sind das
metallische Rohr 1, das als Verbindungsleitung mit dem
Inneren des keramischen Rohres dient, und das keramische Rohr 7 getrennt
durch ein Anschlagsstück
in Ringform 2 vom Typ komprimierten Silikats, das faserverstärkt ist,
wie beispielsweise Monalite 1000, Duratec 1000 oder Salü 1000. Das
Material kann einen Verformungsgrad durch Kompression höher als
den der das keramische Rohr und das metallische Werkstück darstellenden
zeitigen. Im Falle einer Relativverschiebung zwischen den Rohren
kann sich dieses Anschlagsstück
ohne Beschädigung
der Rohre verformen. Bevorzugt wird das Lager- oder Anschlagsstück aus einem
Material hergestellt, dessen Kompressionswiderstand derart ist,
dass dieses vor dem keramischen Rohr und/oder dem Gefäß oder der
Leitung bricht.
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Die Radialkraft der Dichtungsgarnituren
auf das keramische Rohr, die gleichzeitig für das Halten des Rohres und
die Dichtheit notwendig ist, wird erhalten durch Verformung der
Dichtungsgarnituren 3 und 3' unter dem Einfluss einer longitudinalen
Kompressionskraft, welche durch das Anspannen des Gegenflansches 6 gegen
den Flansch des zylindrischen Gefäßes 5 erhalten wird.
Der Gegenflansch 6 stützt
sich auf den Kompressionsring 4', der hier in Form einer metallischen
oder keramischen Unterlegscheibe dargestellt ist. So wird die Dichtungsgarnitur 3 in
Längsrichtung
zwischen dem Anschlagsring 2 und dem Zwischenstück 4 komprimiert, um
eine erste radiale Spannkraft auf das Rohr 7 auszuüben. Die
Garnitur 3' wird
in Längsrichtung
zwischen dem Zwischenstück 4 und
dem Kompressionsring 4' komprimiert,
um eine zweite radiale Spannkraft auf das Rohr 7 auszuüben. Die
Kombination dieser beiden Spannkräfte, getrennt durch die Breite
des Zwischenstücks, sorgt
dafür,
dass in Längsrichtung,
Seitenrichtung und im Winkel das keramische Rohr gehalten wird.
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Die beiden Sätze von Dichtungsgarnituren 3 und 3' sind hier jeweils
durch eine oder mehrere Garnituren aus Fasern vom Typ beispielsweise
Silico-Aluminiumoxid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Graphit mit oder
ohne Imprägnierung
der keramischen Partikel (Al2O3,
ZrO2, MgO ...) oder aus Metall (Si, Au...)
gebildet.
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Diese Dichtungsmittel haben eine
Wirksamkeit, die die Funktion des Kompressionsgrads, der auf sie ausgeübt wird,
ist. Diese Fähigkeit
stellt sich dar als geeignete Verlustmenge eines Fluids, beispielsweise
eines Inertgases, welches durch die Eintrittsöffnung 8 injiziert
wird, die sich auf dem metallischen Gefäß 5 befindet und in
den Ringraum 9 mündet,
der zwischen dem Äußeren des
keramischen Rohres und dem Inneren des Gefäßes definiert ist.
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Aufgrund der Natur und der Länge der
Garnituren wird es möglich,
für eine
gegebene Druckdifferenz zwischen den beiden Flächen der Garnituren die Verlustmenge
längs der
Dichtungsgarnituren 3 und 3' einzustellen.
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Durch die Wahl dieses Differentials
bezogen auf den Umgebungsdruck, im Allgemeinen den atmosphärischen
Druck, wird es möglich,
für eine
gegebenen Natur und ein gegebenes Volumen der Garnitur die Verteilung
der inerten Gasmengen einzustellen, welche sich einerseits mit dem
Reaktionsmittel wieder vereinigen und andererseits in die äußere Umgebung
abströmen.
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Um beispielsweise die Injektion von
Inertgas oder eines anderen Fluids in das im Inneren der Rohre zirkulierende
Reaktionsmittel zu begrenzen, kann man den Druck des Inertgases
als Funktion des Drucks des Reaktionsmittels regulieren, um einen
Gegendruck hervorzurufen, der gerade notwendig ist, damit die Leckagemenge
an Inertgas für
das Bespülen
der Dichtungsgarnituren 3 sorgt, was für ihre Bewahrung beispielsweise
gegen ein an das Koken folgendes beschleunigtes Altern erforderlich
ist.
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Unter Berücksichtigung der Tatsache,
dass die Druckdifferentiale nicht die gleichen für jede der Garnitursätze sind,
können
diese von unterschiedlicher Natur und/oder Länge sein, um unterschiedlich
die äußere Leckage
und innere Leckage zu kontrollieren.
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2 zeigt
im Schnitt eine Variante der Vorrichtung für den Fall, wo die Muffe oder
das Gefäß 15,
die beide metallisch sind, mit einer Doppelwandung realisiert ist,
um die Zirkulation eines Wärmeträgerfluids
zu ermöglichen,
welches für
die Kühlung
der Verbindungs- und Dichtungsanordnung sorgt, wobei das Fluid im
Innenraum 19 des Doppelmantels zirkuliert.
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Das Wärmeträgerfluid dringt in das metallische
Gefäß mit Doppelmantel 15 über den
Eingang 20 ein, zirkuliert im Raum 19 und wird
dann über
den Ausgang 21 abgezogen. Dieses Fluid kann das Inertgas
sein, welches verwendet wird, um die Dichtungsmittel 3 und 3' zu bespülen, wobei
man in diesem Fall das gleiche Speisenetz verwendet. Wenn die Natur
des Fluids unterschiedlich ist, zirkuliert es dann in einem unabhängigen Netz
bei niedrigem Druck und starkem Durchsatz. Das Wärmeträgerfluid kann in gewissen Fällen flüssig sein. Die
Dichtungs- und Aufrechterhaltungsmittel können ähnlich denen der 1 sein.
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3 zeigt
ein Konfigurationsbeispiel für
einen Reaktor, der die Vorrichtung nach der Erfindung verwendet
und ein äußeres Gefäß 31 umfasst,
das einen Eingang für
die Reaktionsteilnehmer 32, einen Verteiler 40,
Keramikrohre 34, Verbindungseinrichtungen gemäß der Erfindung 35,
einen Kollektor 41, einen Ausgang für Reaktionsmittel 33 und
Systeme zur Zuführung
von Wärmeenergie 37 umfasst.
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Bei diesem Beispiel dringt das Reaktionsmittel
in das Gefäß 31 über den
Eingang 32 ein und wird auf die verschiedenen keramischen
Rohre 34 über
den metallischen Verteiler 40 verteilt, zirkuliert in den
keramischen Rohren, die beispielsweise horizontal angeordnet sind
und reagiert unter der Wirkung der über die Brenner 37 zugeführten Wärme im Innenvolumen 42 des
Gefäßes 31 und
wird dann zum Ausgang 33 über den metallischen Sammler 41 abgezogen.
An den Enden jedes keramischen Rohres 34 verbinden Verbindungseinrichtungen
nach der Erfindung die keramischen Rohre mit dem Verteiler 40 und
dem Sammler 41. Das Innenvolumen des Gefäßes 42 befindet
sich auf atmosphärischem
Druck und das in den keramischen Rohren zirkulierende Reaktionsmittel
ist auf einem Druck höher
als der atmosphärische
Druck.
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Die Verbindungseinrichtungen 35 werden
individuell und gemeinsam mit einem Speisenetz für Inertgas 36 verbunden,
dessen Speisedruck durch ein Ventil 43 reguliert wird.
Diese Regulierung wird vermittels eines Reglers 38 vorgenommen,
der als Funktion der Messung der Druckdifferenz 39 zwischen
dem Eintrittsnetz für
das In-ertgas 36 und dem Eintritt des Reaktionsmittels 32 zur
Wirkung kommt. Die Druckdifferenz wird positiv auf einem am Anfang
als Funktion der Dichtungsmittel definierten Wert gehalten, wobei
die Dichtungsmittel in den Verbindungseinrichtungen 35 eingesetzt
und abhängig
vom Durchsatz des gewünschten
Inertspülgases
sind. Der Wert dieses Druckdifferentials liegt im Allgemeinen zwischen
1 Millibar und 1 bar und bevorzugt zwischen 10 Millibar und 500
Millibar.
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Auf diese Weise werden die evtl.
Druckveränderungen
des Reaktionsmittels unmittelbar berücksichtigt, um das Druckdifferential
konstant zu halten, indem auf den In-ertgasdurchsatz eingewirkt
wird.
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4 zeigt
ein Konfigurationsbeispiel von Verbindungseinrichtungen für den Fall
eines Bündels
keramischer Rohre, die das gleiche Speisenetz für Inertgas und Wärmeträgerfluid
benutzen.
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Ein metallisches Gefäß 50 umfasst
eine Vielzahl von Verbindungseinrichtungen mit relativer und kontrollierter
Dichtung 51 gemäß der Erfindung
sowie eine Vielzahl von Keramikrohren 52. Ein hohles metallisches Bauteil 53 ist
mit dem Gefäß 50 über eine
Vielzahl von Öffnungen 54 verbunden,
die im Wesentlichen bezüglich
der keramischen Rohre 52 des Gefäßes 50 ausgerichtet
sind. Das Reaktionsmittel dringt in das hohle metallische Bauteil 53 über den
Eintritt 55 ein, passiert die Öffnungen röhrenförmiger Gestalt 54 in
den keramischen Rohren, welche über
Verbindungsmittel 51 im Gefäß 50 fixiert sind.
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Das Spülinertgas dringt in das Gefäß 50 über den
Eingang 56 ein, zirkuliert im Hohlvolumen 57 und dringt
dann in die Vielzahl von Verbindungseinrichtungen 51 über die
Vielzahl von Öffnungen 59 ein.
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Nach diesem Beispiel spielt das Inertgas
ebenfalls die Rolle eines Wärmeträgerfluids.
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Die beschriebene Konfiguration ist
ein illustratives Beispiel und zahlreiche nicht beschriebene Konfigurationen,
die beispielsweise eine Vielzahl von Eingängen für das Reaktionsmittel oder
eine Vielzahl von Austritten für
das Spülgals
umfassen, können
realisiert werden, ohne sich von der Erstreckung und dem Gebiet der
vorliegenden Erfindung zu entfernen. Auch können Inertgaseingänge getrennt
von den Wärmeträgerfluideingängen derart
vorgesehen sein, dass die Verwendung zweier unterschiedlicher Fuide
möglich
wird.
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5 zeigt
eine industrielle Anwendung der Vorrichtung nach der Erfindung auf
einen Dampfcrackofen, der eine Vielzahl von Verbindungseinrichtungen
mit geregelter Dichtung 76 und 77 verwendet, die
mit einer gemeinsamen Inertgasspeisung 79 verbunden sind.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ermöglicht es, Rohre aus keramischem
Material in der Strahlungszone anstelle von metallischen Rohren
zu verwenden, die bei den klassischen Öfen zum Einsatz kommen.
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Das gewählte Beispiel ist ein Dampfcrackofen
für Naphtha
für die
Olefinproduktion. Das Inertgas ist in diesem Fall Wasserdampf.
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Die Naphthacharge 70 tritt
in die Konvektionszone des Ofens 72 ein und zirkuliert
im Inneren eines Konvektionsbündels 69,
erwärmt
sich durch konvektiven Wärmeaustausch
mit den Rauchgasen 84 und mischt sich dann mit dem Wasserdampf 71,
der in das die Charge enthaltende Konvektionsbündel 69 eingeführt wird.
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Das so gebildete Gemisch aus Charge
und Wasserdampf wird über
die Leitung 82 bis zum metallischen Verteiler 74 geführt, an
dem die keramischen Rohre 80 über eine Vielzahl von Verbindungseinrichtungen geregelter
Dichtheit 76 nach der Erfindung fixiert sind, beispielsweise
gemäß der Darstellung
der 4.
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Das Gemisch aus Charge und Wasserdampf
durchsetzt die Strahlungszone 73, indem es durch die keramischen
Rohre 80 geht, reagiert unter dem Einfluss der durch die
Brenner 78 erzeugten Wärme
und wird dann im metallischen Sammler 75 über eine
Vielzahl von Dichtungseinrichtungen 77 gemäß der Erfindung,
wie in 4 dargestellt,
abgezogen. Der aus der Dampfcrackreaktion resultierende Abstrom
wird anschließend
in den mit dem Sammler 75 verbundenen Austauschern 81 gekühlt, dann
gegen eine nicht dargestellte Überführungsleitung
abgezogen.
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Der Durchsatz an Spüldampf 79 wird über den
Schieber 83 reguliert, um eine positive Druckdifferenz zwischen
dem Eingang für
Spüldampf
in Höhe
der Verbindungsmittel mit kontrollierter Dichtheit 76 und 77 und dem
Eintritt des Naphtha/Verdün-nungsdampfgemisches
in den metallischen Verteiler 74 aufrecht zu erhalten.
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Diese Druckdifferenz wird vom Geber 85 gemessen,
die Information wird auf den Regler 86 übertragen, der das Regulierungsventil 83 steuert.
Auf diese Weise sorgt man dafür,
dass das Prozessfluid eingeschlossen dank der Verbindungseinrichtungen
mit kontrollierter Dichtheit 76 und 77 gehalten
wird.
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Für
diesen Anwendungsfall beispielsweise kann man die Verbindungseinrichtungen
mit kontrollierter Dichtheit so dimensionieren, dass der Spüldampfdurchsatz
unter 10 % der vom Verfahren verbrauchten Dampfmenge bleibt. Für einen
Prozessdruck von 2 bar gibt die Regulierung der Druckdifferenz auf
0,5 bar, entsprechend dem Spüldampfdruck
von 2,5 bar, die folgende Verteilung: etwa 30 % der Spüldampfmenge
tritt in die keramischen Rohre 80 ein und etwa 70 % eben
dieser Menge leckt in die Strahlungskammer des Ofens 73.
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So stellt die in das Verfahren durch
die Verbindungseinrichtung mit geregelter Dichtheit 76 und 77 eingeführte Spüldampfmenge
nur etwa 3 % der gesamten vom Verfahren verbrauchten Dampfmenge
dar.
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Die Wahl des Überdruckniveaus des Spüldampfs
hängt zum
Teil von den Druckschwankungen des Prozessfluids ab. Im vorliegenden
Fall sind diese Schwankungen typischerweise kleiner als 0,3 bar,
die zusätzlichen
0,2 bar entsprechen einer Sicherheit, könnten aber vermindert werden,
was dann zu einer geringeren Leckmenge führen würde.
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Allgemein wird das Überdruckniveau
bei einem Anwendungsfall derart gewählt, dass es zu Leckagemengen
des Spülgases
führt,
welche so weit wie möglich
begrenzte prozentuale Anteile, bezogen auf den Durchsatz des Prozessfluids,
darstellen.
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Unterschiedliche Spüldampfmengen
zwischen den Verbindungseinrichtungen 76 am Eintritt und
Austritt 77 können
notwendig sein, um Druck- und Reparaturdifferenzen am Eintritt und
Austritt der keramischen Rohre 80 zu berücksichtigen.
In diesem Fall werden die Durchsätze
getrennt reguliert.
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6 zeigt
einen Schnitt durch die Vorrichtung nach der Erfindung für den besonderen
Fall einer Verbindung zwischen zwei keramischen Rohren 101 und 102.
Diese Vorrichtung umfasst ein metallisches Gefäß 114, das durch Flansche
an seinen beiden Enden geschlossen ist und zwei Eingänge für das metallische
Gefäß 114 durchsetzendes
Inertgas 112 und 113 umfasst, die jeweils in einem
Volumen 108 und 109 münden. Vorgesehen ist weiterhin
eine Dichtungsgarnitur aus Silikat und harter Faser 105,
die zwischen den beiden Rohren 101 und 102 positioniert
ist, vier Reihen Dichtungsgarnituren aus keramischer Faser 103, 103', 106 und 106', zwei Zwischenstücke, die
die Zirkulation des Inertgases 104' und 107' zulassen, sowie zwei Ringe 104 und 107,
die sich jeweils gegen die Gegenflansche 110 und 111 abstützen.
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Das Verspannen der beiden Gegenflansche 110 und 111 sorgt
für die
Kompression der Dichtungsgarnituren 103, 103', 106 und 106' entweder zwischen
zwei steifen Abstützungen
für die
Dichtungsgarnituren 103 und 106' oder zwischen einer steifen Abstützung und
der Dichtungsgarnitur aus Silikat und harter Faser 105 für die Dichtungsgarnituren 103' und 106.
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Die Vorrichtung wird so zusammen
gesetzt aus zwei Vorrichtungen gemäß 1, die in Reihe angeordnet sind, wobei
die Verfahrensabgeschlossenheit in den Rohren 101 und 102 sichergestellt
wird durch das Bespülen
mit Inertgas quer zu den Dichtungsgarnituren 103' und 106.
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Die keramischen Rohre können bevorzugt
vertikal angeordnet sein. In diesem Fall steht das obere Rohr im
Anschlag gegen das untere Rohr vermittels der Dichtungsgarnitur 105,
was durchaus akzeptabel mit keramischen Materialien wie dem Siliziumcarbid
ist, das eine sehr gute Kompressionsbeständigkeit bei Kälte wie
bei hoher Temperatur zeitigt.
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Die Vorrichtung kann ein metallisches
Gefäß mit doppelter
Wandung umfassen, das die Zirkulation eines Wärmeträgerfluids zulässt, welches
für die
Kühlung
dieses Gefäßes sorgt.
Genauso können
Vorrichtungen, die eine Vielzahl von Rohren in ein und dem gleichen
Gefäß umfassen
und selbst über
einen gemeinsamen Eingang oder eine Vielzahl von Eingängen für Inertgas
und/oder Wärmeträgerfluid
verfügen,
im gleichen Schutzumfang der Erfindung realisiert werden.
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VERGLEICHSBEISPIEL:
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Durch numerische Berechnungen an
einer Simulationssoftware für
das Dampfcracken CRACKSIM, entwickelt vom Labor für petrochemische
Techniken der Universität
Gent, kann man die Wirksamkeit eines Ofens mit keramischer Technologie
unter Verwendung der Maßnahme
nach der Erfindung mit denen eines „Millisekunden"-Ofens vom klassischen
KELLOG-Typ vergleichen. Diese Öfen
verwenden metallische Rohre von 10 m Länge mit Wärmeaustauschströmen in der
Größenordnung
von 85 kW/m2. Im Falle der Verwendung keramischer
Rohre ermöglicht
es die Technologie der Erfindung, Rohrlängen von etwa 4 m Länge im Strahlungsabschnitt
zu verwenden. Obwohl kürzer,
sind die Ströme,
die dem Austausch unterliegen können,
stärker aufgrund
der Tatsache, dass eine größere Stabilität der Keramiken
bei hoher Temperatur gegeben ist. Die beiden Ofenkonzepten gemeinsamen
Elemente in der Berechnung sind die folgenden:
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- – Ethylenproduktion:
100000 t/Jahr
- – Verdünnungsdampf:
0,6 kg Dampf/kg Naphtha
- – Natur
der Charge: in Gew.-% nach Familien der Bestandteile:
– Normalparaffine:
37,73
– Isoparaffine:
35,28
– Naphthene:
21,53
– Aromate:
5,37
– Olefine:
0,1
für
eine Dichte bei 15°C
von 0,6924
- – Eintrittstemperatur
des Naphtha in die Strahlungszone des Ofens: 600°C
- – Druck
des Gemisches aus Naphtha/Dampf: 2 bar absolut
- - Innendurchmesser der Rohre: 35 mm.
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Die nachstehende Tabelle fasst die
Hypothesen und Ergebnisse für
die beiden Verwirklichungsformen zusammen:
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Diese Berechnungen ergeben interessante
Ergebnisse für
den Fall des keramischen Rohres mit einer Summe veredelbarer Produkte
(Ethylen + Propylen), die größer ist
für eine
Methanmenge, wenig wertvolle Verbindung, deren Produktion geringer
liegt. Man kann ebenfalls hinzufügen,
dass unter Beachtung eines mittleren Preises für Propylen zwischen 400 und
450 US$ pro Tonne die Selektivitätserhöhung an
Propylen um 0,8 % einen Gewinn von mehr als eine Million US$ pro
Jahr darstellt.
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Der andere interessante Aspekt für die vorliegende
Anwendung ist die Verminderung des katalytischen Kokses, der auf
den metallischen Flächen
erzeugt wird. Unter der Annahme, dass die keramischen Rohre aus
Siliziumcarbid realisiert sind, kann man den Artikel „Anticoking
coatings for high temperature petrochemical reactors" (P. Broutin et al.,
Oil & Gas Science
and Technology – Rev.
IFP, Band 54 (1999), Nr. 3, Seiten 375–385) heranziehen, in welchem
die Tests an durch Dampfcracken von n-Hexan erzeugter Verkokung an einer Probe
einer typischen Ofenrohrlegierung mit hohem Nickel- und Chromgehalt
und einer Probe aus Siliziumcarbid vom α-Typ zu einer Verminderung eines
Verhältnisses
von 4,5 der Koksproduktion zum Siliziumcarbid, bezogen auf die metallische
Legierung, geführt
haben. Dieser Punkt ist, was die Verschmutzung der Ofenrohre angeht,
sehr wichtig und somit auch was die Arbeitsdauer zwischen zwei Entkokungsperioden
betrifft.
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Im Übrigen zeigen Versuche, die
von der Firma NOVA durchgeführt
wurden und im Artikel „Achieving Longer
Furnace Runs at NOVA Chemicals" (A.
Apuzzo, L. Benum, ERTC Petrochemical Conference, Amsterdam, Niederlande
(2002) vorgestellt wurden und zeigen den Vorteil, ein wenig kokendes
Material zur Herstellung von Dampfcrackofenrohren zu verwenden.
Das Material ANK400, das dort entwickelt wurde, ermöglicht es,
die Dauer des ersten Arbeitszyklus auf 400 Tage anstelle von 33
Tagen zu verlängern,
die üblicherweise mit
klassischen Rohren erhalten wurden.
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Diese Leistung nimmt mit den folgenden
Zyklen ab und erreicht 150 Tage beim vierten Zyklus. Unter der Annahme,
dass Siliziumcarbid Vorteile hinsichtlich nicht kokender Oberflläche, ähnlich wie
das Material ANK400 aufweist, können
wir Leistungen vom gleichen Leistungstyp wie beim ersten Zyklus
erwarten. Auf Dauer müssten
seine antiverkokenden Eigenschaften, da das Siliziumcarbid von Natur
aus stabiler als eine metallische Legierung ist, nach der Verkokung
aufrecht erhalten werden. In diesem Fall würden sich, im Gegensatz zum
Material ANK400, die beim ersten Zyklus erreichten Leistungen anlässlich der
folgenden Zyklen aufrecht erhalten.
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Ein zusätzliches Interesse, verknüpft mit
der Verminderung der Koksbildung, besteht in der Möglichkeit,
Rohre geringeren Durchmessers zu verwenden, ohne mit Problemen des
Verstopfens konfrontiert zu werden. Mit Rohren von 20 mm beispielsweise
gibt die Simulationssoftware CRACKSIM die folgenden Leistungen unter
den gleichen Hypothesen wie bei den vorhergehenden Fällen:
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Festgestellt wird eine sehr interessante
Erhöhung
der Summe Ethylen + Propylen (+1,3 % Propylen bezogen auf den klassischen
metallischen Fall) mit einer starken Verminderung der Menge an erzeugtem
Methan (–2,4
%). Diese klare Verbesserung der Leistungen, möglich gemacht durch die Verwendung
keramischer wenig kokender und hochtemperaturbeständiger Materialien,
zeigt das Potential dieser neuen Technologie.
