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Verfahren zur Erzeugung von Olefinen in Röhrenpyrolysereaktoren
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Olefinen in
Rö.hrenpyrolysereaktoren durch thermische Spaltung von Kohlenwasserstoffen. Es kann
bevorzugt beim automatisierten Betrieb von Pyrolyseofengruppen, bestehend aus parallel
geschalteten Röhrenreaktoren, die konstruktiv in Spaltöfen zusammengefaßt sind,
angewendet werden.
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Durch thermische Spaltung von geeigneten Kohlenwasserstoffen, wie
Naphtha, Flüssiggas, Ethan, im Gemisch mit Wasserdampf in Röhrenpyrolyseöfen wird
ein Spaltgas, das die gewünschten Zielprodukte Ethylen, Propylen, Butadien, Aromaten
und andere enthält, hergestellt. Die Auftrennung des Spaltgases in die gewünschten
Komponenten und ihre Reinigung entsprechend den Qualitätsanforderungen wird in einer
Gastrennanlage vorgenommen.
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Eine Ethylenanlage besitzt im allgemeinen mehrere parallel geschaltete
Spaltöfen. Die Gesamtheit aller Spaltöfen einschließlich der Spaltgaskühler wird
hier als Ofengruppe bezeichnet.
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Die Spaltöfen können konstruktiv unterschiedlich sein, enthalten jedoch
meist mehrere Spaltrohre, in denen die chemischen Reaktionen ablaufen. Die wesentlichen
Parameter, die diese Reaktionen beeinflussen, sind die Temperatur bzw. der Temperaturverlauf,
der Druck, die Verweilzeit und das Wasserdampf-Kohlenwasserstoff-Verhältnis des
Reaktionsgemisches in den Spaltrohren.
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Auf den Spaltprozeß wirken eine Vielzahl von Störgrößen ein.
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Wesentliche Störgrößen sind die Eigenschaften der eingesetzten Kohlenwasserstoffgemische,
die unter den jeweils herrschenden Spaltbedingungen unter anderem auch die Koksbildung
in den Spaltrohren beeinflussen.
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Bei vorgegebener Rohstoffqualität sind die SteuergröBen zur Erzielung
einer vorgegebenen Spaltgaszusammensetzung bei möglichst geringer Koksbildung die
Spaltgastemperatur, der Durchsatz an Kohlenwasserstoffen sowie das Wasserdampf-Kohlenwasserstoff-Verhältnis.
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Die Prozeßführung der Kohlenwasserstoffspaltung wird in Ethylenanlagen
unterschiedlich realisiert.
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Bei Anlagen, die keine Meßeinrichtung zur automatischen Bestimmung
der Spaltgaszusammensetzung besitzen, besteht die Prozeßführung darin, den Kohlenwasserstoff-
und den Wasserdampfdurchsatz durch jedes 1 ,i'(iiI r.llr( L clunjj.r.en und die
Spaltgasaustrittstemperatur durch Regelung der Heizgaszuführung -meist in Form einer
Spaltgastemperatur - Heizgasdruck - Kaskadenregelung realisiert - konstant zu halten.
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Der Hauptnachteil dieses Verfahrens zur Prozeßführung besteht in der
nicht effektiven Nachführung der Spaltgasaustrittstemperatur zur Erzielung einer
gewünschten Zielkomponentenproduktion. Verursacht wird dieser Sachverhalt durch
fehlende Meßwerte über die Zielkcmponentenkonzentration im Spaltgas und des Verkokungsgrades
der Spaltrohre in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Einsatzkohlenwasserstoffgemische.
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Bei Anlagen, die Meßeinrichtungen zur automatischen Spaltgaszusammensetzung
besitzen, kann die Spaltgasaustrittstemperatur in Abhängigkeit von der Konzentration
einer bestimmten Zielkomponente im Spaltgas geregelt werden. Hier wirken sich nachteilig
der erforderliche hohe apparative Aufwand, der zusätzliche Platzbedarf in der Anlage
und die erheblichen Betriebskosten aus.
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Beide Verfahren zur Prozeßführung berücksichtigen immer nur eine Spalteinheit;
die Bedingungen der Ofengruppe werden bei der Ermittlung der Führungsstrategie nicht
beachtet. Daraus ergibt sich, daß einerseits keine optimale Mengenverteilung der
Einsatzkohlenwasserstoffgemische auf die Pyrolyseöfen erfolgt und andererseits ungleiche
Reaktionsbedingungen in den Spaltrohren entstehen, die unterschiedlich starke Verkokung
der Spaltrohre bewirken, was wiederum zu verkürzten Laufzeiten der Öfen führt.
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Das Ziel der Erfindung besteht darin, die genannten Nachteile bekannter
Verfahren zu vermeiden und dadurch die Anlagenproduktivität bezüglich ihrer Zielkomponenten
Ethylen und/oder Propylen und/oder wahlweise anderer Zielkomponenten zu senken und
das Zeitinterval zwischen zwei aufeinanderfolgenden Regenerationszeitpunkten der
Spaltöfen zu verlängern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein solches Verfahren zur
Erzeugung von Olefinen zu schaffen, das ohne Meßeinrichtung zur automatischen Bestimmung
der Spaltgaszusammensetzung die erforderlichen Werte für die Spaltgasaustrittstemperatur,
Einsatzprodukt- und Wasserdampfdurchsätze der Spaltrohre ermittelt und einhält,
wodurch ungleiche Reaktionsbedingungen in den Spaltrohren eines Ofens vermieden
und für die Ofengruppe geltende Bedingungen eingehalten werden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß parallel arbeitende
Spaltöfen einer Ofengruppe mit Prozeß- und/ oder Mikrorechner und ohne Meßeinrichtung
zur automatischen Bestimmung der Spaltgaszusammensetzung derart betrieben werden,
daß solche für die effektive Anlagenfahrweise wichtigen Zielstellungen wie die wahlweise
maximale Erzeugung von Ethylen, Propylen, Butadien, Aromaten u. a. aus Einsatzproduktgemischen,
bestehend aus normal-, iso-Paraffinen, Naphthene, Aromaten und Olefinen, im Siedebereich
von - 88,6 "C bis 450 "C im Gemisch mit Wasserdampf in einem Mischungsverhältnis
Wasserdampf zu Einsatzprodukt im Bereich von 0,3 bis 0,95, für eine Spaltgasaustrittstemperatur
von 802 "C bis 875 "C, eine Verweilzeit von 0,1 bis 0,6 Sekunden und im Druckbereich
zwischen 130 KPa und 343 KPa bei Einhaltung der technologischen Bedingungen für
die Wandtemperatur der Spaltrohre, den Druckabfall über den Spaltrohren und für
die SpaltgaskShleraustrittstemperatur ereicht werden. Zur Einstellung und zur Einhaltung
der geforderten Fahrweise der Ofengruppe werden technische Funktionseinheiten verwendet,
die die erforderlichen Werte für die Wasserdampf-Kohlenwasserstoff-Verhältnisse,
Spaltgastemperaturen und Kohlenwasserstoffdurchsätze für die einzelnen Spaltöfen
unter Berücksichtigung des Verkokungsgrades der Spaltrohre und der Spaltgaskühler
sowie der technologischen Grenzparameter der nachgeschalteten Anlagenteile und für
minimalen Energieaufwand in geeigneter Weise zur Prozeßführung erfassen und bereitstellen.
Die technischen Funktionseinheiten stellen miteinander und mit dem thermischen Spaltgas
gekoppelte Berechnungsblöcke dar und lösen folgende Aufgaben: Meßwerterfassung und
Primärverarbeitung, Bestimmung der Einsatzproduktcharakteristik, Ermittlung des
Zustandes der Spaltöfen (Verkokungszustand, Konzentration der Spaltgaskomponenten,
technische und technologische Parameter),
optimale statische und
dynamische Prozeßführung der Ofengruppe sowie der einzelnen Spaltöfen, Ermittlung
der Sollwerte in digitaler Form für die Reglungseinrichtungen für die Kohlenwasserstoff-
und Dampfdurchsätze der Spaltrohre und der Spaltgasaustrittstemperatur der Spalteinheiten,
wobei die Ermittlung derart erfolgt, daß die thermische Belastung und die Austrittstemperatur
der Spaltrohre des jeweiligen Ofens gleich werden und Ausgabe der relevanten Prozeß-
und Stell informationen direkt an den Prozeß bzw. über Display oder Drucker an das
Anlagenpersonal.
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Die Funktionseinheit zur dynamischen Prozeßführung ist so gestaltet,
daß sie die Laufzeiten der Spaltöfen derart bestimmt.
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daß die Verfügbarkeit der Ofengruppe optimal wird.
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Die Führung des technologischen Prozesses der thermischen Spaltung
erfolgt bei diesem Verfahren so daß zu jeder Zeit trotz Störeinflusses optimale
Betriebsbedingungen erreicht werden können. Durch die Einhaltung vorgegebener technischer
und technologischer Parameter über einen längeren Zeitraum, vergleichsweise zur
Anlagenfahrweise ohne Anwendung dieses Verfahrens, wird die Sicherheit der Ofengruppe
durch Schonung hochbeanspruchter Werkstoffe und Materialien erhöht.
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Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Gegensatz
zu bekannten Verfahren mit Meßeinrichtungen zur automatischen Spaltgasanalyse Bausteine
der Mikroelektronik bzw. Rechentechnik verwendet, die sich durch große Betriebssicherheit,
lange Lebensdauer, niedrigen Wartungsaufwand und geringen Energieverbrauch auszeichnen.
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Beispiel Die Erfindung wird an einem Beispiel und einem Verfahrensschema
(Fig. 1) erläutert.
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Das Kohlenwasserstoffgemisch 1, gemessen in der Meß- und Reglungseinrichtung
für Kohlenwasserstoffe 2, wird mit Wasserdampf (Prozeßdampf) 6, gemessen mit 7,
gemischt und den Spaltrohren 4 der Spaltöfen 3 der Ofengruppe 5 zugeführt, dort
gespalten und als Spaltgas 14 über die Spaltgasaustrittstemperatur-Meßeinrichtung
9, über den Spaltgaskühler 8 in die nachfolgende Gastrennung 12 geleitet und hier
in Ziel- und Nebenprodukte 13 zerlegt.
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Die Durchfluß- und Ofenaustrittstemperaturmeßwerte 29 sowie die weiteren
Meßwerte (z. B. Eintrittstemperaturen, Austrittstemperaturen der Spaltrohre, Drücke
u. a.) 30 werden zur Funktionseinheit Meßwerterfassung und Primärverarbeitung 15
übertragen. Diese Werte werden in festzulegenden, regelmäßigen Zeitintervallen digitalisiert,
dimensioniert, ggf. korrigiert, auf Grenzwertverletzung überwacht, geglättet und
über definierte Zeitintervalle gespeichert.
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In der Funktionseinheit 15 werden außerdem die Werte der Ofenlaufzeiten
(gerechnet seit der letzten Entkokung) ermittelt.
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In der Funktionseinheit Zustandsermittlung 16 werden unter Verwendung
der in 15 aufbereiteten Meßwerte, der Ofenlaufzeiten 31 und der aktuellen aus den
meßbaren Eigenschaften der Einsatzprodukte 24 in der Funktionseinheit 17 ermittelten,
Einsatzproduktcharakteristika 32, die aktuellen Verkokungsgrade 35 der Spaltrohre,
die Ausbeuten an Ziel- und Nebenprodukten, wie Wasserstoff, Methan, Ethan, Ethylen,
Propan, Propylen, Butadien, Aromaten, und andere nicht direkt meßbare technologische
Parameter 41 (Rohrwandtemperaturen, Verweilzeiten, Spaltschärfen, Wärmeverbräuche
u. a.) berechnet sowie die Nachführung der Modellkoeffizienten 33 vorgenommen.
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Aus den in 16 ermittelten Modellkoeffizienten 33 werden in der Funktionseinheit
18 die Koeffizienten der Polynome 34 für die Konzentrationen der Zielkomponenten
und der technologischen Beschränkungen (Eintrittsdruck des Gemisches in die
Spaltrohre,
Rohrwandtemperaturen, Spaltgaskühleraustrittstemperaturen u. a.) berechnet. Die
Polynomkoeffizienten 34 sind Funktionen der Einsatzproduktcharakteristika und der
Verkokungsgrade 35.
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Entsprechend den aktuellen, aus der Betriebs-, Rohstoff- und Absatzsituation
resultierenden Bedingungen werden entweder in der Funktionseinheit zur statischen
Prozeßführung 19 oder in der Funktionseinheit zur dynamischen Prozeßführung 20 die
optimalen Führungsgrößen 36 bzw. 37, wie Spaltgasaustrittstemperatur, Kohlenwasserstoffdurchsatz
und Wasserdampf-Kohlenwasserstoff-Verhältnis für jeden Spaltofen 3 berechnet, wobei
in der Funktionseinheit 19 der Augenblickswert der Zielfunktion und in Funktionseinheit
20 das Integral der Zielfunktion über die Betriebsperiode der jeweiligen Spaltöfen
maximiert bzw. minimiert wird. Zielstellungen und Bedingungen 25 bzw. 26 (z. B.
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maximale Ethylenausbeute bei vorgegebener Propylenausbeute und vorgegebener
Einsatzproduktmenge) werden den Funktionseinheiten 19 und 20 über die Kommunikationseinheit
21, die die Eingaben des Anlagenpersonals 27 erhält, vorgegeben. In der Funktionseinheit
20 wird außerdem die optimale Ofenlaufzeit ermittelt.
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In der Funktionseinheit zur Sollwertermittlung für die Reglungseinrichtungen
23 werden aus den aufbereiteten Meßwerten 31, den Werten der Führungsgrößen der
Spalt öfen für die statische Prozeßführung 36 bzw. der dynamischen Prozeßführung
39 die Sollwerte in digitaler Form 38 ermittelt und an die Funktionseinheit zur
Informationsausgabe an die Reglungseinrichtungen 22 ausgegeben. Die gleichen Informationen
38 werden auch zur Funktionseinheit 21 übertragen.
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Die Funktionseinheit 22 ermöglicht die Umwandlung der digitalen Sollwerte
38, die von 23 bereitgestellt werden bzw. der direkt über 21 vom Anlagenpersonal
eingegebene Sollwerte 40 in Sollwerte 28, die für die Meß- und Reglungseinrichtungen
2, 7 und 10 geeignet sind. Die Meß- und Reglungseinrichtung (Kaskadenschaltung)
für Heizdruck 10 wirkt auf die Menge des Heizgases 11.
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Die Kommunikationseinheit 21 dient auch zur Ausgabe der von den Funktionseinheiten
bereitgestellten Informationen über den Prozeß.
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Liste der Bezugszeichen 1 Kohlenwasserstoffgemisch 2 Meß- und Reglungseinrichtung
für Kohlenwasserstoffgemisch 3 Spaltöfen 4 Spaltrohre (der Spaltöfen 3) 5 Ofengruppe
6 Wasserdampf (Prozeßdampf) 7 Meß- und Reglungseinrichtung für Wasserdampf 8 Spaltgaskühler
zum jeweiligen Spalt offen gehörend 9 Meßeinrichtung für die Spaltgasaustrittstemperatur
10 Meß- und Reglungseinrichtung (Kaskadenschaltung) für Heizgasdruck 11 Heizgas
12 Gastrennanlage 13 Ziel- und Nebenprodukte 14 Spaltgas 15 Funktionseinheit Meßwerterfassung
und Primärverarbeitung 1 6 Funktionseinheit Zustandsermittlung 17 Funktionseinheit
zur Charakterisierung des Einsatzproduktes 18 Funktionseinheit zur Polynomkoeffizientenermittlung
19 Funktionseinheit zur statischen Prozeßführung 20 Funktionseinheit zur dynamischen
Prozeßführung 21 Kommunikationseinheit 22 Funktionseinheit zur Informationsausgabe
an die Regeleinrichtungen 23 Funktionseinheit zur Sollwertermittlung für die Reglungseinrichtungen
24 Meßbare Eigenschaften des Einsatzproduktes 25 Vorgaben für die statische Prozeßführung
26 Vorgaben für die dynamische Prozeßführung 27 Eingaben des Anlagenpersonals 28
Sollwerte
29 Durohfluß- und Ofenautrittstemperatur-Meßwerte 30
Sonstige Messungen (Eintritttemperaturen, Austrittstemperaturen der Spaltrohre,
Drücke u. a.) 31 Aufbereitete Meßwerte, Ofenlaufzeiten 32 Einsatzproduktcharakteristika
33 Nodellkoeffizienten des Prozeßmodells 34 Koeffizienten der Polynome 35 Verkokungsgrade
36 Werte der Führungsgrößen der Spaltöfen für die statische Prozeßführung 37 Werte
der Führungsgrößen der Spaltöfen für die dynamische Prozeßführung 38 Berechnete
digitale Sollwerte 39 Führungsgrößen der Spaltöfen, vom Anlagenpersonal bereitgestellt
40 Digitale Sollwerte, vom Anlagenperaonal eingegeben 41 Nicht direkt meßbare technologische
Parameter
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