DE1908624A1

DE1908624A1 - Roehrenofen zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen

Info

Publication number: DE1908624A1
Application number: DE19691908624
Authority: DE
Inventors: Dr Klaus Naumburg; Hohman Dipl-Ing Friedr Wilhelm
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1969-02-21
Filing date: 1969-02-21
Publication date: 1970-09-10
Also published as: NL164595B; AT291954B; BE743850A; DE1908624B2; NL164595C; FR2031571A1; DE1908624C3; NL7000802A; FR2031571B1

Description

METALLGESELLSCHAFT Frankfurt/Main, 20. Febr. 1969

Aktiengesellschaft DrWer/EV

Röhrenofen zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen

Es ist bekannt, Olefine, vorzugsweise Äthylen,, durch thermische Spaltung von Kohlenwasserstoffen .im Röhrenofen zu gewinnen, Einsatzmaterial sind dabei Kohlenwasserstoffgemische, die den ganzen Bereich gasförmiger und flüssiger Erdöldestillate umfassen, vorzugsweise aber Naphtha und Gasöl im Siedebereich zwischen 40 und 400⁰C. Aus diesen wird unter Wasserdampfzugabe einolefinreich.es Spaltgas erzeugt, aus dem in naehgeschalteten Anlagen die Olefine abgetrennt werden.

Die bekannten Röhrenspaltöfen enthalten eine Konvektions zone und eine Strahlungszone. In der Konvektionszone wird im allgemeinen in waagerechten Rohren das Gemisch aus Kohlenwasserstoff dämpf en und Wasserdampf nahezu auf die Reaktionsanfangstemperatur aufgeheizt. Inder mit Gas- und/oder. Ölbrennern beheizten Strahlungszone werden dem Reaktionsgemisch durch die Wärmestrahlung des Rauchgases die Reaktionswärme und ein weiterer ,Teil der fühlbaren Wärme zugeführt, so daß in der Strahlungszone die Spaltreaktion abläuft.

In den bekannten Röhrenofen sind in der Strahlungszone Rohre von etwa 70 bis 120 m Gesamtlänge vorgesehen, die senkrecht oder waagrecht

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in mehreren hintereinander geschalteten Einzellängen angeordnet sind. Im allgemeinen sind diese Rohre aus Edelstahl-Schleuderguß mit 90 120 mm Innendurchmesser ausgeführt. Die maximalen Reaktionstemperaturen erreichen 840 bis 890⁰C.

Üblicherweise werden in den Röhrenspaltöfen mehrere,, vorzugsweise 2 bis 8, dieser Rohrwege parallelgeschaltet, Wobei für jeden Rohrweg je ein Mengenregler für die Versorgung mit Kohlenwasserstoffen und mit Wasserdampf dient. Je zwei Regler für jeden Rohrweg sind erforderlich, um für alle parallelen Wege den gleichen Durchsatz und das gleiche Kohlenwasserstoff-/Wasserdampfverhältnis einzuhalten.

Bei der thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen zu einem olefinreichen Spaltgas fällt stets eine gewisse Menge Kohlenstoff an, der sich als Koks an der Innenwandung der Reaktions rohre ablagert und im Laufe des Betriebes den Druckverlust in den einzelnen parallelgeschalteten Rohrwegen unterschiedlich verändert. .

Es ist bekannt, daß die Bildung des erwünschten Äthylens durch kurze Verweilzeit des Reaktionsgemisches unter Reaktions temperatur und einen niedrigen Reaktionsdruck gefördert wird.

In den bekannten Röhrenspaltöfen liegt die Verweilzeit bei 0, 5 bis I₁ 0 see,, der mittlere Reaktionsdruck, hervorgerufen durch den Druckverlust im einzelnen Rohrweg von 70 bis 120 m Länge, bei 2, 5 bis 3 bar.

Durch Verkürzung der Reaktionsrohre kann die Yerweilzeit verringert werden. Dann muß aber die Reaktionstemperatur nach den Gesetzen der Reaktionskinetik erhöht werden. Um die Wärmestromdichte und damit die Werkstoff temperatur der Reaktionsrohre nicht über die be-

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reits bei den jetzt üblichen Abmessungen erreichten-oberen Grenzwert ΖΛΙ erhöhen, müssen dann aber die Rohrdurchmesser oder die Durchsätze verringert werden. In beiden Fällen muß dadurch die Anzahl der zur Erzeugung einer bestimmten Spaltgasmenge erforderlichen parallelgeschalteten Rohrwege vergrößert werden. Als untere Grenze für technische und wirtschaftlich realisierbare Röhrenspaltöfen der beschriebenen Bauweise, bei der weder die Verweilzeit noch der Reaktionsdruck entscheidend vermindert werden, können Rohre von etwa 50 m Länge und 75 mm Innendurchmesser gelten.

Es sind auch Röhrenspaltöfen bekannt, bei denen eine Vielzahl von kurzen Rohrwegen von nur 10 bis 15 m Länge derart parallel angeordnet ist, daß sie auf der Eintritts- und Austrittsseite durch je einen gemeinsamen Sammler verbunden sind. Es ist dann unabhängig vom Durchsatz des Ofens nur je ein Mengenregler für Kohlenwasserstoffe und Wasserdampf erforderlich. =

Bei dieser zweiten bekannten Ausführungsform der Röhrenspaltöfen besteht jedoch keinerlei Kontrolle über die Verteilung des zu spaltenden Gemisches auf die einzelnen parallelen Rohre. Erfahrungsgemäß ist die Verteilung des Zuflusses auf eine Anzahl von einem gemeinsamen ,

Sammler ausgehende Rohre sehr ungleichmäßig und verändert sich durch die oben beschriebene Ablagerung von Koks in den Rohren ständig. Dieses führt mit Sicherheit zur Zerstörung einzelner Rohre durch unzureichende Kühlung.

Zur Vermeidung der in den beiden bekannten Bauformen von Röhrenspaltöfen auftretenden Nachteile, - einerseits relative lange Verweilzeiten und hohe Reaktionsdrücke, zusätzlich großem Regelaufwand, andererseits Unsicherheit in der Verteilung des Reaktionsgemisches auf

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mehrere parallelgeschaltete Rohre - wird in der Erfindung ein Röhrenspaltofen mit zahlreichen parallelgeschalteten kurzen Rohrwegen vorgeschlagen, bei dem durch Schaffung besonderer Strömungsverhältnisse eine gleichmäßige Verteilung des Durehsates auf alle'paral lelgeschalteten Rohre sichergestellt ist.

Ordnet man in einer von einem gasförmigen Medium durchströmten Rohrleitung eine Düse an, die so bemessen ist, "daß das strömende Medium im engsten Querschnitt der Düse.Schallgeschwindigkeit erreicht und der Druck hinter der Düse kleiner ist als der sich im engsten Querschnitt einstellende, so gilt .'.

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Darin sind p_e der Druck im engsten Querschnitt der Düse, p·^ der Druck vor der Düse und je der Adiabatenexponenten c_p/Ογ. p_e ist also ledig- : lieh eine Funktion der Eigenschaften des Gases. Thermodynamisch wird das für diesen Zustand erforderliche Mindestdruckverhältnis p_e/pi als "Kritisches Druckverhältnis" bezeichnet. Damit ist auch die die Düse durchströmende Menge allein abhängig vom Düsenquerschnitt und ihrem Vordruck p-^. Veränderungen des Druckes P2 hinter der Düse wirken sich auf*die Durchfltxßmenge nicht aus_> solange die Bedingung p£ klei^- ner oder gleich p_e erhalten bleibt. ·■ :

Gegenstand der Erfindung ist ein Röhrenspaltofen zur Erzeugung eines olefinreichen Spaltgases mit einer Anzahl parallelgeschalteter Rohrwege in der Strahlungszone, die auf der Eintritts- und der Austrittsseite -"_._ durch je einen gemeinsamen Sammler untereinander verbunden sind. Der erfindungsgemäße Röhrenofen ist dadurch gekennzeichnet, daß auf

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der Eintrittsseite jedes der parallelgeschalteten Rohre eine Düse angeordnet" ist, die für ein überkritisches oder mindestens für ein kritisches Druckverhältnis bemessen ist und den Durchsatz durch alle Rohrwege gleich hält. Der Spaltofen kann dadurch mit Rohren von 5 bis 20 m Länge und 40 bis 100 mm lichter Weite gebaut werden.

Bei der Kürze der für die Reaktion in einem solchen Ofen verfügbaren Zeitspanne kommt der Aufheizung des Gemisches auf eine optimale Vorwärmtemperatur eine besondere Bedeutung zu. Deshalb wird erfindungsgemäß im Rauchgaskanal zwischen Strahlungszone und Konvektionszone des Röhrenofens ein System von Hilfsbrennern angeordnet, das erlaubt, die gewünschte Eintrittstemperatur der Spaltrohstoffe in die Reaktionszone unter wechselnden Betriebsbedingungen und unterschiedlichen Qualitäten der Spaltrohstoffe einzustellen. Jjn den Abbildungen ist eine Ausführungsform der Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt.

Abbildung 1 ist ein Querschnitt durch eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röhrenspaltofens.

Abbildung 2 ist ein Längsschnitt durch diesen Ofen entlang der Linie I -I in Abbildung 1.

Abbildung 3 zeigt als Ausschnitt eine Einbaumöglichkeit und Ausbildungs. form der Düsen.

Der Röhrenofen besteht, wie üblich, aus der Konvektionszone 1 und der Strahlungszone 2.

In der Konvektionszone 1 ist das Röhrenbündel 3 angeordnet, dem die zu spaltenden Kohlenwasserstoffe durch die Leitung 4 mit dem Regel-

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ventil 5 und der Wasserdampf durch die Leitung 6 mit dem Regelventil 7 zugeführt werden.

Das etwa auf die Reaktionsanfangstemperatur erhitzte Gemisch von Kohlenwasserstoffdämpfen und Wasserdampf wird aus dem Rohrbündel 3 in einer Sammelleitung 8 aufgenommen, und aus dieser zum Sammler 9 geleitet, von dem die Strömungswege der Strahlungszone ausgehen. Diese Strömungswege sind die parallelen Rohr 10, die an ihrer Austrittsseite in einem weiteren Sammler 11 münden, aus dem das Spaltprodukt abgeleitet wird.

Die Rohre 10 werden mittels der Brenner 12 in den Seiten und im Boden der Strahlungszone beheizt. Das heiße Abgas der Strahlungszone gelangt durch den Rauchgaskanal 13 in die Konvektionszone und verläßt diese nach Abgabe seiner Wärme an das Rohrbündel 3 durch den Kamin 14.

Erfindungsgemäß ist in jedem Rohr 10 an der Eintritts öffnung eine Du·* se 15 eingebaut, die mittels Flanschen und Schrauben befestigt (Abb, 3) oder eingeschweißt sein kann.

In' einer Spaltzone mit kurzen Rohren ist der Wärmebedarf vergleichsweise gering, so daß der Fall eintreten kann, daß die fühlbare Wärme des Rauchgases für eine ausreichende Vorerhitzung des Gemisches von Kohlenwasserstoffen und Wasserdampf im Röhrenbündel 3 der Konvektionszone 1 nicht genügt. Deshalb wird erfindiingsgemäß im Rauchgaskanal zwischen Strahlungszone und Konvektionszone eine Brennerreihe 16 zur zusätzlichen Beheizung der Konvektionszone angeordnet, um die Konvektionszone vom Abwänneüberscimß der Strahlungszone unabhängig zu machen. ^

00 98 3 7 /2251 Patentansprüche

Claims

PA TEN TA NS PR UCH K

1) Röhr'-n'ipaltofen mil konvektionszone und Strahlungszone zur thermischen Spaltung von KbhlenwasscTSloffen, mit einer Anzalü von in der Strahlimgszone parallel^eschalteten und auf der Kintritts- und Am-srittsseite jeweils durch einen oder mehrere :i* meinsame Saininelrohre verbundenen Reaktionsrohren, dadurt ^ gekennzeicbn-^ daß in jedem eier parallelgeschalteten Reak* -insrohre an. dt>r Kinirittsseite eiuo Düse angeordnet ist, die für ein überkriti· t hes oder mindestens kritisches Druckverhäl'nis bemessoji ist.

2) ' Röhroiäspaltofen nat-Ii --ispruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die R«-aktionsrohre ir *U?r Kbnvektions.-one eine Länge von S bis 20 ni und eine licht* Wr-ite von 40 bis ⁷OU mm- haben;

J) Röhrc-n jpaltofen nach Ann Ansprüchen-1 und 2, dadurch gekennzeicht-·- ι, daß im Rar, -hiiaskanal zwisFlifMi Strahlungszone und KonY'-^ "ionszone Hili^^reiiner angeordnei sind. /

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