DE2920860C2

DE2920860C2 -

Info

Publication number: DE2920860C2
Application number: DE19792920860
Authority: DE
Inventors: William V. New York N.Y. Us Bauer; Morgan C. Upper Montclair N.J. Us Sze
Original assignee: Lummus Co
Current assignee: CB&I Technology Inc
Priority date: 1978-05-30
Filing date: 1979-05-23
Publication date: 1987-08-13
Also published as: JPS54156012A; GB2021632A; JPS60179495A; JPS6024830B2; JPS6311394B2; DE2920860A1; GB2021632B; NL7903602A

Description

Die Erfindung betrifft einen Pyrolyse-Erhitzer für die Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen.

Die DE-OS 14 51 240 betrifft einen Erhitzer, einen Crack-Heizkörper, für gasförmige und flüssige Medien, der mindestens eine Schlangenröhre mit einem Eingang und einem Ausgang für die zu bearbeitende Flüssigkeit aufweist.

Die US-PS 21 98 555 betrifft katalytische Kontakt-Kammern, die mit Wärmeaustauscher-Vorrichtungen versehen sind.

Die DE-OS 25 07 937 beschreibt einen Röhrenspaltofen für die katalytische Spaltung von Prozeßgasen, bei dem das Katalysatormaterial in den Spaltröhren aus zahlreichen waagrechten Scheiben besteht, wobei diese Scheiben Löcher oder radiale Arme aufweisen.

Die DE-OS 25 34 356 betrifft eine Anordnung an Prozeßöfen für Kohlenwasserstoffe, wobei die Innenseite der Rohre den Wärmeübergang verbessernde Einrichtungen, nämlich wechselnde Oberflächenerhebungen und -senkungen der Rohrinnenflächen, aufweist.

Die Vorrichtungen des Standes der Technik weisen eine zu hohe Verkokung an der Ofeninnenfläche auf und besitzen eine unzureichende Selektivität der Crack-Reaktionen, sowie eine zu geringe Raum-Zeit-Ausbeute und einen zu hohen Anfall an Neben-Produkten.

Demgegenüber liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu liefern, die reduzierte Verkokung der Ofeninnenflächen erzielt, die mit hohen Durchflußgeschwindigkeiten und Raum-Zeit-Ausbeuten bei hoher Selektivität und geringen Nebenprodukt-Mengen, arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß er aus

a) einer Strahlungsheizkammer,
b) wenigstens einer röhrenförmigen Verfahrens-Schlange mit einem Eingang und einen Auslaß zur Umsetzung von Fluid in genannter Heizkammer,
c) einer Vielzahl von Strahlungsbrennern zum Erhitzen der mindestens einen röhrenförmigen Verfahrens-Schlange,
wobei genannte wenigstens eine Verfahrens-Schlange in zumindest einem Teil einen Einsatz beinhaltet, um eine Strahlungsabsorptionsoberfläche innerhalb der Schlange zu liefern,
wobei das genannte Schlangeninnere nur den genannten Einsatz beinhaltet,
wobei der genannte Einsatz einen zentralen Teil umfaßt, der sich radial erstreckende Flügel besitzt, die die gesamte innere Fluß-Querschnitts-Fläche der Schlange in genanntem Teil aufteilt in verschiedene kontinuierliche longitudinale Strömungsdurchgänge zwischen dem Einsatz und der inneren Wand der Schlange,
wobei genannte longitudinale Strömungsdurchgänge einen ungehinderten Strom ermöglichen,
wobei genannter Einsatz so dimensioniert ist, daß der Wärmefluß in genanntem Teil um mindestens 10% gesteigert wird und der Anstieg des Druckabfalles in genanntem Teil auf nicht mehr als 0,35 bar begrenzt wird,

besteht.

Besondere Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz am Ausgang der Schlange angeordnet ist,
daß der zentrale Teil des Einsatzes an der Schlangenachse angeordnet ist,
daß genannte Flügel genannte Durchgänge mit im wesentlichen gleichen Flächen liefern, um gleichmäßigen Gas-Strom zu bewirken,
daß der Einsatz so dimensioniert ist, daß der Druckabfall-Anstieg auf nicht mehr als 0,21 bar begrenzt ist,
daß der Einsatz so dimensioniert ist, daß der Wärmefluß in genanntem Teil um mindestens 20% gesteigert wird, und
daß die Schlange wenigstens zwei Röhren enthält, wobei genannter Einsatz eine Länge hat, die von 15% bis 100% der Länge der letzten Röhren der Schlange beträgt.

Beansprucht wird weiterhin ein Verfahren zur Pyrolyse eines Kohlenwasserstoffs, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man

a) Dampf in einem Kohlenwasserstoff durch eine röhrenförmige Verfahrens-Schlange in einer Strahlungsheizkammer leitet, um Pyrolyse bei einer Auslaßtemperatur von 815 bis 982°C und einer Verweilzeit von 0,5 bis 2 Sekunden zu bewirken,
wobei genannter Dampf und Kohlenwasserstoff im Auslaß-Teil genannter Röhrenschlange zwischen einem Einsatz und der inneren Wand der Schlange in getrennten kontinuierlichen longitudinalen ungehinderten Strömungsdurchgängen geführt wird,
wobei genanntes Schlangeninnere nur genannten Einsatz beinhaltet,
wobei genannter Einsatz einen zentralen Teil mit sich radial erstreckenden Flügeln, die den gesamten inneren Strömungsquerschnitt in genanntem Auslaß-Teil in genannte Strömungsdurchgänge teilen,
wobei genannter Einsatz eine Strahlungsabsorptionsoberfläche bietet zur Erhöhung des Wärmeflusses,
wobei genannter Einsatz im Auslaß-Teil derart angeordnet ist, daß der Wärmefluß um mindestens 10% erhöht wird und der Anstieg des Druckabfalles auf nicht mehr als 0,35 bar begrenzt wird.

Eine besondere Ausführungsform dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß genannte Kohlenwasserstoff-Zufuhr und Dampf durch genannte longitudinale Strömungsdurchgänge in einem gleichförmigen Gasstrom geführt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und Heizkörpern für die Dampfcrackung von Kohlenwasserstoffen wird das für das Verfahren benutzte Schlangenrohr innen mit einem Einsatz versehen, so daß innerhalb der Arbeitsschlange eine Strahlungsabsorptionsoberfläche entsteht. Gemäß der Erfindung wird durch Verwendung eines solchen Einsatzes der Wärmefluß durch die Röhrenwand gesteigert und die erforderliche Verweildauer sowie auch die innere Röhrenwandtemperatur kann vermindert werden, während die äußere Röhrenwandtemperatur unverändert bleibt.

Der Einsatz ist so konstruiert und in der Schlangenröhre angeordnet, daß eine Strahlungsabsorptionsoberfläche entsteht, damit der Wärmefluß gesteigert wird, ohne daß die Temperatursenkung nachteilig wächst. Der Einsatz ist im allgemeinen und vorzugsweise am Ausgang der Arbeitsschlange angeordnet, da die intensivste Pyrolyse am Schlangenausgang erfolgt.

Der Rohreinsatz hat vorzugsweise die Form eines zentralen Teils, der sich im Abstand von der inneren Röhrenwand befindet und nach außen erstreckte Arme oder Flügel trägt, welche die innere Röhrenwand berühren oder beinahe berühren; es wurde gefunden, daß eine derartige Anordnung eine Wärmeabsorptionsoberfläche liefert, durch welche man eine gewünschte Steigerung des Wärmeflusses erhält, ohne daß die Drucksenkung nachteilig gesteigert wird. Der Einsatz sollte den freien inneren Querschnitt des Rohres in gleiche Teile unterteilen, so daß ein gleichförmiger Gasfluß entsteht. Der Einsatz sollte auch vorzugsweise zentral gelagert sein (der zentrale Teil ist besonders bevorzugt axial zur Röhrenachse eingestellt), so daß eine geringe Verteilung des Gasflusses durch den freien Querschnitt vermieden wird. Außerdem sollte der Einsatz so im Rohr angeordnet sein, daß Bewegungen und Vibrationen desselben vermieden werden, welche zu mechanischen Schäden führen würden. Die Absorption des Einsatzes kann z. B. gesteigert werden, wenn man die Oberfläche dunkel färbt oder mit einem absorbierten Überzug versieht.

Der Einsatz befindet sich nur in einem Teil des gesamten Schlangenrohrs für den Heizkörper (die ganze Schlange kann aus einer oder mehreren Röhren bestehen) und befindet sich vorzugsweise am Schlangenausgang (am Ausgang des letzten Rohrs der Schlange). Der Einsatz hat im allgemeinen eine Länge von mindestens 1,5 m und umfaßt im allgemeinen 15 bis 100% der Länge des Gesamtrohrs. Der Querschnitt des Einsatzes ist wie oben erwähnt, so dimensioniert, daß die gewünschte Steigerung des Wärmeflusses erzielt wird, ohne daß der Druckabfall in dem Teil des Rohres mit dem Einsatz nachteilig gesteigert wird; die Steigerung des Druckabfalls infolge des Einsatzes beträgt im allgemeinen nicht mehr als 0,35 atü, vorzugweise nicht mehr als 0,2 atü. Im allgemeinen beträgt die Steigerung des Druckabfalls mindestens 0,02 atü, meist mindestens 0,05 atü.

Nach der Erfindung wird eine beträchtliche Steigerung des Wärmeflusses (BTU/hr -900 cm²) in dem Röhrenteil mit dem Einsatz erreicht. Im allgemeinen wird der Wärmefluß in der Größenordnung von mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 20% gesteigert, wobei diese Steigerung meist nicht größer als etwa 50% ist. Die Steigerung des Wärmeflusses resultiert aus einer Verbesserung der direkten Konvektion vom Rohr zum Crack-Strom und aus der Strahlungswärmeübertragung von der Röhrenwand zum Einsatz, welcher die Wärme durch Konvektion zum Crack-Strom überträgt.

Erfindungsgemäß resultiert aus der Steigerung des Wärmeflusses eine Verminderung der Temperatur der Innenwand des Röhrenteils mit dem Einsatz. Demzufolge ergibt sich eine Verminderung der Verkokung der Röhren. Es sei bemerkt, daß die Steigerung des Wärmeflusses erreicht wird, ohne daß die der Verkokung unterworfene Oberfläche vergrößert wird, da der Einsatz sich auf einer viel tieferen Temperatur befindet und praktisch frei von Verkokungstendenzen ist.

Als Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterialien kann man eine große Anzahl von Crack-Ausgangsmaterialien wählen. Die vorliegende Erfindung betrifft die Gewinnung von Olefinen, insbesondere Äthylen. Als Beispiele für Ausgangsmaterialien seien genannt: Äthan, Propan, Butan und Mischungen derselben Naphtha, Gasöl etc. Der Produktstrom enthält eine große Vielfalt von Komponenten, und die Produktverteilung hängt zum Teil von dem gewählten Ausgangsprodukt ab.

Die Dampfpyrolyse von Kohlenwasserstoffen wird bei Gas-Ausgangstemperaturen von mehr als 760°C durchgeführt, im allgemeinen bei 815 bis 982°C. Der Röhrenausgangsdruck beträgt im allgemeinen etwa 0 bis 3,5 atü. Die Verweildauer liegt in der Größenordnung von 0,05 bis 2 Sekunden. Die Pyrolyse wird im allgemeinen bei Gewichtsverhältnissen Dampf/Kohlenwasserstoff gleich 0,2 : 1 bis 1,5 : 1 durchgeführt.

Obwohl die oben beschriebenen Bedingungen ähnlich den allgemein benutzten sind, kann man - ganz allgemein gesprochen - bei Verwendung der vorliegenden Erfindung, wenn der Röhrendurchmesser sowie die anderen Bedingungen vorgegeben sind (Ausgangsdruck, Massengeschwindigkeit, Verhältnis Dampf/Kohlenwasserstoff, Heizungsgeschwindigkeit), eine Verminderung der Gesamtverweildauer erreichen, d. h. die Verwendung eines Einsatzes vermindert die Gesamtverweildauer. Gewünschtenfalls kann die Gesamtschlangenlänge vermindert werden.

Die Erfindung soll nun anhand der Abbildungen näher erläutert werden.

Fig. 1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Pyrolyse-Ofens, welcher erfindungsgemäß verwendet werden kann;

Fig. 2A, 2B, 2C und 2D sind vereinfachte schematische Aufsichten auf einen Teil des Pyrolyserohres mit dem Einsatz.

Gemäß Fig. 1 hat man einen Heizkörper vom vertikalen Röhrentyp, der sich auf einem strukturellen Stahlgerüst befindet und als 10 bezeichnet ist; er ist auf Pfeilern montiert und enthält die äußeren Wände 11 und 12, die inneren Wände 13 und 14, die Endwände 15 und die Böden 16 und 17. Die äußeren Wände 11 und 12 sind praktisch parallel zu den inneren Wänden 13 und 14, wobei sich die Höhe der äußeren Wände 11 und 12 über die Höhe der inneren Wände 13 und 14 erstreckt. In den äußeren Wänden 11 und 12 und den inneren Wänden 13 und 14 sind mehrere vertikale Reihen von hoch-intensiven Brennern des Strahlungstyps angeordnet (18). Die Böden 16 und 17 erstrecken sich zwischen den äußeren Wänden 11 und 12 bzw. den inneren Wänden 13 und 14. Die Böden 16 und 17 sind mit Bodenbrennern (19) ausgestattet, die vorzugsweise vom Flammentyp sind.

Die äußere Wand 11, die innere Wand 13 und der Boden 16 bilden zusammen mit der Endwand 15 eine Strahlungserhitzungszone (20), während die äußere Wand 12, die innere Wand 14 und der Boden 17 zusammen mit der Endwand 15 eine zweite Strahlungserhitzungszone (21) bilden. Die Endwand 15 hat die Gestalt eines umgedrehten U, so daß eine offene Fläche 11 gebildet wird, welche den Zugang der in den inneren Wänden 13 und 14 montierten Brenner 18 gestattet.

Horizontal gelagert und auf den inneren Wänden 13 und 14 montiert ist das innere Dach 25. Horizontal gelagert und von der äußeren Wand 11 sich nach innen erstreckend ist das obere Dach 26, welches auf der äußeren Wand 11 und der Endwand 15 montiert ist; ähnlich gelagert und auf der äußeren Wand 12 sowie den oberen Enddächern 26 und 27 montiert sind die oberen Wände 28 und 29, welche mit den oberen sich ersteckenden Teilen der Endwand 15 eine Konvektionszone (30) bilden. Alle Wände, Böden und Dächer sind mit geeignetem feuerfestem Material versehen.

In der Wärmeerhitzungszone 20 und 21 befinden sich mehrere senkrechte Röhren 31, die durch Aufhängevorrichtungen 33 geeignet von der Trägerstruktur 10 montiert sind. Die vertikalen Röhren 31 befinden sich zwischen den äußeren und inneren Wänden 11 und 13 bzw. 12 und 14. Die Röhren sind so angeordnet, daß mehrere Durchgänge für eine Arbeitsschlange entstehen; sie enthalten geeignete Krümmungsknies und Ausgangsvorrichtungen.

Innerhalb der Konvektionszone 30 sind horizontal angeordnete Leitungen montiert, die schematisch als 35 bezeichnet sind. Die Leitungen 35 sind in flüssiger Kommunikation über die Querstücke 36 mit den Röhren 31 verbunden. Innerhalb der Konvektionszone 30 befindet sich ferner eine zweite Gruppe von horizontal angeordneten Leitungen (38). Die Eingangs- und Ausgangsverteilerleitungen 38 a und 38 b stehen in flüssiger Kommunikation mit den Leitungen 38.

Die Brenner 18 werden über die Leitungen 40 aus mehreren Verteilerleitungen 39 mit Heizöl versorgt. Das Heizöl wird in die Verteilerleitung 39 über eine Verteilerleitung 41 unter Kontrolle der Ventile 42 eingeführt. Der Heizölfluß zu den Brennern 18 kann in vertikalen Reihen je nach der gewünschten Feuerungsstärke der Röhren 31 variiert werden. Einzelne Brenner können weiterhin durch Handventile 44 in den Leitungen 40 eingestellt werden, wobei der Gesamtfluß des Heizöls zum Brenner durch das Ventil 45 kontrolliert wird. Selbstverständlich haben die in den äußeren Wänden 11 und 12 und den inneren Wänden 13 und 14 montierten Brenner ähnliche Verteilervorrichtungen.

Die Anzahl der Passagen der Flüssigkeit durch die vertikalen Röhren innerhalb der Strahlungserwärmungszone kann je nach dem Ausgangsprodukt, der Produktspezifikation etc. variiert werden, d. h. die Röhren stellen eine Vielzahl von vertikalen Schlangen dar, welche vertikal innerhalb der Strahlungserhitzungszone angeordnet sind.

Der grundlegende Heizkörper ist im US-Patent No. 32 74 987 beschrieben.

Ein Teil der Pyrolyserohre 31, insbesondere das Ausgangsrohr jeder Passage, enthält innen einen Einsatz, so daß eine Strahlungsabsorptionsoberfläche innerhalb des Ausgangsrohrs der Schlange entsteht. Wie in Fig. 2a gezeigt, hat der Einsatz 100 die Form einer dreiflügeligen Spinne mit einem zentralen Teil 111 und den Flügeln 112, welche am Ende gekrümmt sind, d. h. an dem Teil, der die Röhrenwand berührt. Die Spinne wird mit Gewalt in das Rohr eingepaßt, so daß die gewünschte Einstellhemmung entsteht und das innere Rohr in drei Passagen geteilt wird. Der Zentralteil 111 der Spinne ist entlang der Rohrachse angeordnet.

Fig. 2b zeigt einen Einsatz 120 mit einem zentralen Teil 121 und drei sich nach außen erstreckenden gekrümmten Flügeln 122, welche das Röhreninnere in drei getrennte Passagen teilt.

Fig. 2c zeigt einen Einsatz 130 einer vierflügeligen Spinne, deren Ende nach außen gekrümmt sind, so daß das Röhreninnere in vier Passagen geteilt wird.

Fig. 2d zeigt einen Einsatz 140 mit einem Zentralteil 141 und vier sich nach außen erstreckenden Flügeln 142, welche das Röhreninnere in vier getrennte Passagen teilt.

Die Erfindung soll nun anhand des folgenden Beispiels näher beschrieben werden

Beispiel

Der Tubeneinsatz ist eine dreiflügelige Spinne wie in Fig. 2a gezeigt. Die Flügel sind 0,32 cm dick, und es gibt nur eine leichte Verminderung des Freifluß-Querschnitts und eine leichte Steigerung der Drucksenkung.

Basis

Röhrengröße15,2 cm I. D. × 0,64 cm w. t. Durchsatz
Kohlenwasserstoffe4000 kg/h Dampf2000 kg/h Gesamt6000 kg/h Ausgangsdruck1,5 bar äußere Tubenwand, t1080°C Gastemperaturen
Eingang zum letzten Rohr 825°C Ausgang 850°C Umwandlung bzw. Crackung 75% am Eingang z. letzten Rohr (% der Schlangen-Umwandlung)100% am Ausgang Crackwärme28.000 BTU/453 g Mol HC-Produkt berechnete Leistung,
letzte Röhre (sens. + Crackung)1.980,000 BTU/h

Resultate

Die Verwendung des Einsatzes steigert den Wärmefluß durch die Röhrenwand um etwa 33,3%. Außerdem findet eine Verminderung der Temperatur der inneren Röhrenwand statt, ohne daß die Einsatztemperatur einen zu hohen Wert erreicht (Einsatztemperatur: 877°C). Ferner wird die Temperatursenkung leicht gesteigert. Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft, da der Wärmefluß gesteigert wird, wodurch eine Verminderung der Verweildauer unter Steigerung der Selektivität erzielt wird. Außerdem wird dieses Ergebnis erzielt, ohne daß die Temperatur der Röhrenwand steigt (die Temperaturen der Röhrenwand sind tatsächlich niedriger), so daß die Verkokungstendenz reduziert ist. Selbstverständlich ist es alternativ möglich, bei gleicher Verweildauer erfindungsgemäß so zu verfahren, daß man höhere Gasausgangstemperaturen erhält.

Claims

1. Pyrolyse-Erhitzer für die Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß er aus

besteht.

2. Erhitzer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz am Ausgang der Schlange angeordnet ist.

3. Erhitzer gemäß Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Teil des Einsatzes an der Schlangenachse angeordnet ist.

4. Erhitzer gemäß Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß genannte Flügel genannte Durchgänge mit im wesentlichen gleichen Flächen liefern, um gleichmäßigen Gas-Strom zu bewirken.

5. Erhitzer gemäß Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz so dimensioniert ist, daß der Druckabfall-Anstieg auf nicht mehr als 0,21 bar begrenzt ist.

6. Erhitzer gemäß Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz so dimensioniert ist, daß der Wärmefluß in genanntem Teil um mindestens 20% gesteigert wird.

7. Erhitzer gemäß Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlange wenigstens zwei Röhren enthält, wobei genannter Einsatz eine Länge hat, die von 15% bis 100% der Länge der letzten Röhren der Schlange beträgt.

8. Verfahren zur Pyrolyse eines Kohlenwasserstoffs, dadurch gekennzeichnet, daß man

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß genannte Kohlenwasserstoff-Zufuhr und Dampf durch genannte longitudinale Strömungsdurchgänge in einem gleichförmigen Gasstrom geführt werden.