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Verfahren zum Kühlen von Gasen aus der Krackung von Kohlenwasserstoffen
zur bevorzugten Erzeugung von Olefinen oder aus der Vergasung von Kohlenwasserstoffen
Um das Gas aus der thermischen und katalytischen Krackung und Vergasung von Kohlenwasserstoffen
abzukühlen, wird häufig Spülöl in einen Ölwaschkühler aufgegeben, in dem durch entsprechende
Erwärmung die Gase abgekühlt werden. Gleichzeitig kann aber auch Wasser eingespritzt
werden, das durch Verdampfung Wärme entzieht und damit die Abkühlung der Gase und
auch des Spülöls bewirkt bzw. unterstützt. Soll die Wärme nutzbar zurückgewonnen
werden, so wird möglichst ohne Wasserverdampfung im Ölwaschkühler gearbeitet und
das aufgewärmte Spülöl zur nutzbaren Dampferzeugung durch Röhrenwärmeaustauscher
geschickt, die sich im Ölkreislauf an den Ölwaschkühler anschließen.
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Diesen Wärmeaustauschern haften jedoch Mängel an, da das Spülöl meistens
durch eine größere Anzahl von parallel geschalteten Rohren strömen muß. Das Spülöl
wird häufig mit fallender Temperatur stark viskos, strömt deshalb häufig unterschiedlich
durch die einzelnen parallel angeordneten Rohrstränge und kommt auch in einzelnen
Rohrsträngen leicht vollständig zum Stillstand, falls das Spülöl bei der Temperatur
des um die Rohre strömenden Kühlmediums bereits steif wird. Auch ist für das Drücken
des abzukühlenden Spülöls durch die zahlreichen hintereinandergeschalteten Rohrstränge
eine hohe Pumpenleistung mit großem Energiebedarf erforderlich.
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Ähnliche Schwierigkeiten entstehen, falls das Spülöl um die Rohre
und das Kühlmedium durch die Rohre fließen.
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Es ist auch bekannt, die Gase durch direkt in den Gasweg eingebaute
Röhrenbündel zu kühlen und die Röhrenbündel dadurch frei von Ablagerungen durch
sich aus den Gasen abscheidende Stoffe zu halten, daß die Röhrenbündel durch periodisch
oder stetig aufgegebene Kugeln, insbesondere einer Größe bis zu etwa 6 mm, oder
durch Sand o. dgl. geputzt werden.
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Es wird nun erfindungsgemäß ein sehr guter und wirtschaftlicher Wärmeaustausch
dadurch erreicht, daß einzelne Röhrenbündel untereinander direkt in den Gasweg eingebaut
werden und stetig Spülöl im Kreislauf über die Röhrenbündel geleitet wird. In den
Röhrenbündeln befindet sich das Kühlmedium für das zu kühlende Spülöl. Das Spülöl
wird in ausreichend großen Mengen in den Gasraum oberhalb des oberen Röhrenbündels
gesprüht und bewirkt auf kurzem Weg einen weitgehenden Temperaturausgleich mit den
Gasen. Die Menge des Spülöls soll so groß sein, daß das Spülöl sich durch den weitgehenden
Temperaturausgleich mit den Gasen nur um 30 bis 1000 C vorteilhaft um 500 C erwärmt.
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Hierzu sind 3 bis 20 1 Spülöl/Nm3 Gas erforderlich.
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Somit werden die Gase schnell gekühlt und auch gewaschen, wobei die
Verunreinigungen und die zum Polymerisieren neigenden Stoffe und Asphalte vom Spülöl
aufgenommen werden. Das Spülöl, das zusammen mit den Gasen durch die Rohrgassen
der Röhrenbündel strömt, vermittelt den Wärmeübergang zu den Rohren, wobei die Wärmeübergangszahl
des Spülöls das Mehrfache von denen des Gases beträgt und hierdurch die geringere
Temperaturdifferenz zwischen Spülöl und Kühlmedien gegenüber der zwischen den Gasen
und dem Kühlmedium, die sich ohne Anwendung von Spülöl eingestellt hätte, mehr als
ausgeglichen wird. Meistens kann bei Anwendung von Spülöl deshalb an Wärmeaustauschfiäche
eingespart werden bzw. wird durch das über die Rohre fließende Spülöl ein verstärkter
Wärmeaustausch ermöglicht.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß eine
starke Viskosität des Spülöls vermieden wird, wie sie auftritt, wenn dieses nach
der Trennung vom Gas auf tiefe Temperaturen gekühlt wird. Selbst wenn das Kühlmedium
eine verhältnismäßig niedrige Temperatur hat, wird das Spülöl durch das zu kühlende
Gas auf verhältnismäßig hoher Temperatur gehalten, wodurch eine starke Viskosität
vermieden wird. Dadurch erübrigt sich auch, mit besonders leistungsfähigen Pumpen
zu arbeiten, die das viskose Spülöl durch den Wärmeaustauscher drücken.
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Soll die Wärme der Dampferzeugung nutzbar gemacht werden, so strömt
in den Rohren siedendes Wasser von einer Temperatur von z. B. 2000 C.
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Dann soll das Spülöl Temperaturen von etwa 2500 C aufweisen und durch
das Gas auf z. B. etwa 3000 C erwärmt werden. Gas und Spülöl weisen am Ende des
Wärmeaustauschers dann auch eine Temperatur von etwa 2500 C auf. Die Wärme der Gase
kann dann bis auf eine Temperatur von 130 C in einem zweiten Wärmeaustauscher ausgenutzt
werden, der mit einem getrennten Spülölkreislauf ausgestattet wird. Hierbei werden
die Heizfläche des Wärmeaustauschers und die Spülölmenge derart ausgelegt, daß das
Spülöl bei der Beaufschlagung auf das Gas eine Temperatur von etwa 1600 C erhält
und sich bei Durchgang durch den Wärmeaustauscher mit den Gasen bis auf etwa 1300
C abkühlt. Das Spülöl kann dann mit Vorteil Speisewasser und die umzusetzenden Kohlenwasserstoffe
vorwärmen, die durch die einzelnen Röhrenbündel des Wärmeaustauschers geschickt
werden.
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Der Wärmeaustauscher besteht üblich aus zwei und mehr untereinander
angeordneten Röhrenbündeln mit zweckmäßig horizontal neben- und übereinander angeordneten
Rohren. Diese Rohre werden in einer derartigen Anzahl parallel durchströmt, daß
die Durchflußgeschwindigkeit in den Rohren in zweckmäßiger Höhe liegt. Dienen die
Röhrenbündel der Dampferzeugung, so erhalten sie zweckmäßig eine gemeinsame Dampftrommel
mit Zwangsumlauf des Speisewassers durch die parallel geschalteten Röhrenbündel.
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Dienen die Röhrenbündel der Vorwärmung des Speisewassers oder der
umzusetzenden Kohlenwasserstoffe, so werden die Röhrenbündel zweckmäßig hintereinander
für das gleiche Medium geschaltet, wobei das Medium möglichst im Gegenstrom zu den
abwärts strömenden Gasen mit dem Spülöl geführt wird.
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Die Erfindung soll an Hand der Abbildung beispielsweise näher erläutert
werden.
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In der Abbildung stellen 1 und 2 zwei Wärmeaustauscher mit getrennten
Spülölkreislauf dar. Die zu kühlenden Gase strömen durch den Anschluß 3 in den Wärmeaustauscher
1 und ziehen abwärts durch die drei gasseitig hintereinandergeschalteten Röhrenbündel
4, 5 und 6. Sie treten bei 7 in den Wärmeaustauscher 2 über, durchströmen abwärts
die Röhrenbündel 8, 9, 10 und 11 und verlassen die Wärmeaustauscher 2 bei 12.
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Die Röhrenbündel 4, 5 und 6 sind parallel mit der Dampftrommel 13
verbunden, den Zwangs umlauf des Speisewassers bewirkt die Pumpe 14. In den Röhrenbündeln
wird Dampf von z. B. 16 ata erzeugt, so daß im Umlaufsystem die Siedetemperatur
von 2000 C herrscht.
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Die Röhrenbündel 8 und 9 dienen vorteilhaft der Vorwärmung der umzusetzenden
Kohlenwasserstoffe und sind sowohl gasseitig als auch auf der Vorwärmseite hintereinandergeschaltet.
Die Röhrenbündel 10 und 11 sind für die Vorwärmung des Speisewassers und ebenfalls
gas- als auch wasserseitig hintereinandergeschaltet. Das Speisewasser wird durch
die Pumpe 15 aus einem nicht gezeichneten Vorratsbehälter durch die Röhrenbündel
11 und 10 und alsdann in die Dampftrommel 13 gedrückt.
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Der Wärmeaustauscher 1 besitzt einen Spülölkreislauf mit Auffangbehälterl6,
Pumpe 17 und Sprüh-
düsen 18. Der Wärmeaustauscher 2 hat einen getrennten Spülölkreislauf
mit Auffangbehälter 19, Pumpe 20 und Sprühdüsen 21.
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Die zu kühlenden Gase stammen z. B. aus der thermischen Krackung
von schweren Erdölkohlenwasserstoffen zur bevorzugten Erzeugung von Olefinen. Sie
bestehen z. B. aus 25,0 Volumprozent olefinischen Kohlenwasserstoffen C - C4 12,5
Volumprozent CM1 6,3 Volumprozent H, 7,2 Volumprozent dampfförmigen höhersiedenden
Kohlenwasserstoffen 46,0Volumprozent Wasserdampf Rest = kleineren Anteilen von anderen
Gasen und Staub Sie treten mit einer Temperatur von z. B. 7000 C bei 3 in den Wärmeaustauscher
1 ein und werden durch die große Menge des durch die Düsen 18 eingesprühten Spülöls
einerTemperatur von z.B. 2500 C auf z. B. 3300 C abgekühlt, während sich das Spülöl
auf z. B. 3000 C erwärmt bevor die Gase und das Spülöl in die Rohrgassen des Röhrenbündels
4 eintreten. Spülöl und Gase kühlen sich dann in den Röhrenbündeln 4, 5 und 6 unter
Dampferzeugung auf z. B. 2500 C ab. Hierbei kondensieren die über etwa 3500 C siedenden
Kohlenwasserstoffe aus den Gasen und gehen mit dem Spülöl. Das Spülöl wird alsdann
von den Gasen getrennt und über den Auffangbehälter 16, Pumpe 17 und Düsen 18 wiederum
in Kreislauf geführt. Das Spülöl nimmt aus den Gasen die Verunreinigungen an festen
Stoffen, hochsiedenden Asphalten und Polymerisaten auf und hält die Wärmeaustauschflächen
der Röhrenbündel sauber. Das Spülöl ermöglicht eine Intensivierung des Wärmeübergangs
und damit eine weitgehende Abkühlung der Gase mit einer höheren Ausnutzung der Wärme
zur Dampferzeugung, als wenn ohne Spülölkreislauf gearbeitet wird.
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Das Spülöl besteht aus hochsiedenden Kohlenwasserstoffen einer Siedelage
von etwa 3500 C. Es hat einen Erweichungspunkt zwischen 60 und 700 C, besitzt aber
bei den herrschenden Temperaturen zwischen 250 und 3000 C eine Viskosität von 3
bis 60 E.
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Es wird ständig ergänzt durch Kondensation hochsiedender Kohlenwasserstoffe
aus den Krackgasen, aber auch ständig verunreinigt durch Asphalte und Polymerisate
und eventuell auch durch von den Gasen mitgeführten Stäuben. Es wird zweckmäßig
stetig abgestoßen und vorteilhaft zur Verfeuerung und Erzeugung der für die Krackung
erforderlichen Wärme ausgenutzt. Sollten aus den Gasen nicht genügend hochsiedende
Kohlenwasserstoffe kondensieren und damit die Gefahr des Eindickens auftreten, so
wird zweckmäßig von außen Frischöl zugeführt. Dieses Frischöl soll nicht zu viel
im Wärmeaustausch er 1 verdampfende Anteile enthalten, da die Dämpfe mit den Gasen
aus dem Wärmeaustauscher 1 in den Wärmeaustauscher 2 überströmen und damit die für
die Verdampfung aufgebrachte Wärme der Erzeugung von Wasserdampf verlorengeht.
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Die mit einer Temperatur von z. B. 2500 C in den Wärmeaustauscher
2 einströmenden Gase werden durch das durch die Düsen 21 verdüste Spülöl auf z.
B. 1700 C gekühlt, wobei sich das Spülöl von z. B.
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1300 C auf z. B. 1600 C erwärmt, bevor die Gase
mit
dem Spülöl in die Rohrgassen des Röhrenbündels 8 eintreten. In den Röhrenbündeln
8 und 9 werden die zur Krackung und/oder Vergasung kommenden Kohlenwasserstoffe
von der Außentemperatur z. B. 100 C auf z. B. 1300 C vorgewärmt.
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Sie werden zweckmäßig in einem nicht gezeigten Röhrenaufheizer weiter
auf 3500 C und höher erhitzt, soweit dies ohne Kohlenwasserstoffabscheidung möglich
ist. Die Vorwärmung auf z. B. 1300 C im Wärmeaustauscher 2 ermöglicht hierbei das
Unterbinden einer Rohrwandkorrosion, da der Röhrenaufheizer üblich mit schwefelhaltigem
Öl oder Gas befeuert wird und eine Taupunktsunterschreitung an den ersten Rohren
des Röhrenaufheizers auftreten kann, wenn die Kohlenwasserstoffe mit der Außentemperatur
statt einer Vorwärmung auf z. B. 1300 C eingeführt werden.
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In den Röhrenbündeln 10 und 11 werden die Gase und das Spülöl weiter
auf z. B. 1300 C abgekühlt, wobei das durchströmende Speisewasser von z. B.
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700 C auf z. B. 1100 C erwärmt wird. Mit dieser Temperatur tritt das
Speisewasser alsdann in den Unterteil der Dampftrommel 13 ein. Das Spülöl wird unterhalb
des Röhrenbündels 11 aus den Gasen abgeschieden und alsdann über den Behälter 19,
die Pumpe 20 und die Düsen 21 wiederum zurückgeführt.
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Bei der Abkühlung des Gases auf 1300 C kondensieren alle Kohlenwasserstoffe
oberhalb einer Siedelage von etwa 1800 C und vereinigen sich mit dem umlaufenden
Spülöl. Das Spülöl des zweiten Wärmeaustauschers besteht somit vorwiegend aus Ölen
der Siedelage zwischen 180 und 3500 C und ist eine Mischung aus leichterem Kracköl
und niedriger siedenden Anteilen des dem Wärmeaustauscher 1 zugeführten Frischöls.
Es ist niedrig stockend, üblich unterhalb 0° C, und ist niedrig viskos. Es hält
die Rohrflächen der im Wärmeaustauscher 2 eingebauten Röhrenbündel sehr sauber.
Durch das Überfließen des Spülöls über die Röhren wird die Wärmeübergangszahl erheblich
gesteigert gegenüber einer Arbeitsweise ohne Umlauföl.
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Das Spülöl des Wärmeaustauschers 2 kann auch dem Umlauföl des Wärmeaustauschers
1 zugegeben werden, um dessen Viskosität aufzubessern und es hierbei gleichzeitig
überschüssig abzustoßen. Aus diesem abgestoßenen Spülöl werden im Wärmeaustauscher
1 insbesondere die niedriger siedenden Anteile verdampft und zum Teil imWärmeaustauscher
2
wiederum kondensiert, wodurch die Siedelage dieses Umlauföles erniedrigt wird.
Hierdurch erhöht sich auch der Wärmeanfall im Wärmeaustauscher 2 auf Kosten des
Wärmeanfalls im Wärmeaustauscher 1.
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Das Rückführen von Spülöl kann also auch zur Steuerung des Wärmeanfalls
im Wärmeaustauscher 2 und damit gleichzeitig zur Steuerung der Austrittstemperatur
des Gases und des Spülöls aus dem Wärmeaustauscher 2 dienen.
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Zum Teil werden aber auch die niedrigstsiedenden Anteile dampfförmig
durch den Wärmeaustauscher 2 hindurchströmen und erst in der nächsten Kühlstufe
kondensiert werden. Durch den Ölumlauf im Wärmeaustauscher 2 und das teilweise Zurückführen
des umlaufenden Spülöls in den Ölumlauf des Wärmeaustauschers 1 ergibt sich eine
Abstreifwirkung. Diese Arbeitstechnik kann auch häufig eine gesonderte Abstreifkolonne
zur Trennung der Benzinkohlenwasserstoffe der Siedelage unterhalb 2000 C von den
Ölkohlenwasserstoffen der Siedelage oberhalb 2000 C ersetzen.