DE3701161A1

DE3701161A1 - Ofen

Info

Publication number: DE3701161A1
Application number: DE19873701161
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Kreuter
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1987-01-16
Filing date: 1987-01-16
Publication date: 1988-07-28
Also published as: US4819586A; JPS63225693A

Description

Die Erfindung betrifft einen Ofen zur Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung in einer Strahlungszone an ein Fluid, mit mindestens einem rohrförmigen Element, welches einen Strömungskanal für das Fluid aufweist.

Es sind bereits Öfen für die thermische Spaltung von Kohlenwasserstoffen, wie z. B. Naphtha, bekannt, die eine durch Brenner beheizte Strahlungszone aufweisen. Die Kohlenwasserstoffe werden in der Strahlungszone in einem oder einer Vielzahl von parallelen rohrförmigen Elementen geführt. Aus der Reaktionskinetik läßt sich ableiten, daß die Spaltwirkung wesentlich von der Temperatur, auf welche die Kohlenwasserstoffe erhitzt werden, und der Verweilzeit der Kohlenwasserstoffe in der Strahlungszone beeinflußt wird. Für die Olefinbildung ist es beispielsweise erforderlich, daß die Reaktionsenergie möglichst rasch zugeführt wird, d. h. es müssen möglichst geringe Verweilzeiten verwirklicht werden. Die kurze Verweilzeit hat zur Folge, daß unerwünschte Begleitreaktionen zurückgedrängt werden. Es wird daher mit möglichst hohen Temperaturen gearbeitet und versucht, die Verweilzeit zu verkürzen, um die Ausbeute und damit die Wirtschaftlichkeit zu steigern. Da ein bestimmter zulässiger Druckverlust und eine maximal zulässige Rohrwandtemperatur nicht überschritten werden dürfen, ergibt sich aus dem Umstand, daß die Heizfläche proportional dem Rohrdurchmesser, die Durchsatzmenge dagegen proportional dem Quadrat des Durchmessers ist, daß zur Erzielung einer kürzeren Verweilzeit kleinere Rohre mit weniger Durchsatz gewählt werden müssen. Bei bekannten Öfen werden Rohre von etwa 25 mm Innendurchmesser und ca. 10 m Länge verwendet. Derartige Öfen sind beispielsweise in der DE-AS 18 09 177 beschrieben.

Eine weitere Steigerung der Ausbeute ist allerdings problematisch, da einer Erhöhung der Temperatur und einer Verkürzung der Verweilzeit durch die Verwendung noch engerer Rohre Grenzen gesetzt sind. Einerseits haben noch kleinere Rohre bei Betriebstemperaturen, die in Größenordnung von 1100°C liegen, nicht mehr die notwendige Steifigkeit, andererseits besteht die Gefahr, daß die Rohre durch Verkokung blockiert werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ofen der eingangs genannten Art zu entwickeln, der sehr kurze Verweilzeiten bei ausreichender Festigkeit der rohrförmigen Elemente zuläßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jedes rohrförmige Element folgenden Kriterien genügt:

d _h = 4 F/U 40 mm und D/d 2,

mit
d _h= hydraulischer Durchmesser des Strömungskanals F= Querschnittsfläche des Strömungskanals U= innerer Umfang des Strömungskanals d= Höhe des Strömungskanals D= Breite des Strömungskanals.

Der erfindungsgemäße Ofen weist ein oder mehrere rohrförmige Elemente auf, deren Breite mindestens doppelt so groß wie ihre Höhe ist. Zugleich beträgt der hydraulische Durchmesser höchstens 40 mm. Es wurde gefunden, daß mit dieser Merkmalskombination sehr kurze Verweilzeiten verwirklicht werden können. Die rohrförmigen Elemente besitzen hohe Steifigkeit und sehr geringe Schwingungsneigung.

Der erfindungsgemäße Ofen ist insbesondere zur Durchführung endothermer Reaktionen geeignet, vor allem zur Spaltung von Kohlenwasserstoffen, speziell zum Streamcracken von Kohlenwasserstoffen zur Olefinerzeugung.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes besitzt der Strömungskanal im wesentlichen rechteckigen Querschnitt.

Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes weist der Strömungskanal mindestens zwei im Querschnitt zumindest annähernd elliptische Teilstücke auf, die miteinander in Strömungsverbindung stehen, wobei in diesem Fall d=Höhe der Ellipse, D=Breite des durch die miteinander verbundenen Ellipsen sich ergebenden Strömungskanals.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes weist der Strömungskanal einen mäanderförmigen Querschnitt auf, wobei d=kürzester Abstand zwischen einander gegenüberliegenden Begrenzungswänden, D=Abstand der beiden Enden des Mäanders.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes beträgt die Länge des rohrförmigen Elements zwischen 3 m und 12 m, vorzugsweise zwischen 3 m und 9 m.

Es erweist sich als zweckmäßig, wenn gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes eine Vielzahl von rohrförmigen Elementen parallel zueinander angeordnet sind. Die rohrförmigen Elemente sind vorzugsweise vertikal angeordnet.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist das rohrförmige Element durch Gießen oder Stranggießen hergestellt.

Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist das rohrförmige Element aus zwei geprägten Blechen zusammengesetzt. Bei dieser Anordnung weisen die Bleche Prägungen auf, die nach dem Zusammenfügen der Bleche einen zusammenhängenden Strömungskanal oder mehrere voneinander getrennte Strömungskanäle bilden.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Hierbei zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ofens,

Fig. 2 ein rohrförmiges Element mit rechteckigem Querschnitt,

Fig. 3 ein rohrförmiges Element mit einem aus drei Ellipsen zusammengesetzten Querschnitt,

Fig. 4 ein rohrförmiges Element mit mäanderförmigem Querschnitt,

Fig. 5 ein aus zwei geprägten Platten zusammengesetztes rohrförmiges Element im Querschnitt.

Ein Ofen gemäß der Erfindung weist in einem Gehäuse 1 eine mit Brennern 2 beheizte Strahlungszone 3 auf. In der Strahlungszone 3 verläuft ein rohrförmiges Element 4 zur Führung eines in der Strahlungszone 3 zu erhitzenden Fluides. Das Fluid wird dem rohrförmigen Element 4 über eine Rohrleitung 5 zugeführt und dort einer endothermen Reaktion unterzogen. Das das rohrförmige Element 4 verlassende Fluid wird über eine Rohrleitung 6 entnommen. Die Strömungsrichtung kann auch umgekehrt werden.

Anstelle eines einzigen rohrförmigen Elements 4 wird vorzugsweise eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten rohrförmigen Elementen verwendet.

Jedes rohrförmige Element 4 besitzt einen hydraulischen Durchmesser d _h von höchstens 40 mm, vorzugsweise zwischen 10 mm und 30 mm, sowie einen Quotienten aus Breite und Höhe des Strömungskanals von mindestens 2.

Fig. 2 zeigt ein rohrförmiges Element mit rechteckigem Querschnitt. Das rohrförmige Element enthält einen Strömungskanal 7, dessen Breite D beispielsweise 60 mm und dessen Höhe d beispielsweise 20 mm beträgt. Daraus ergibt sich ein hydraulischer Durchmesser d _h 30 mm sowie ein Quotient D/d von 3.

Fig. 3 zeigt ein rohrförmiges Element, das aus drei Teilstücken 8, 9, 10 von jeweils etwa elliptischem Querschnitt gebildet ist. Die Teilstücke 8, 9, 10 liegen in Längsrichtung nebeneinander und sind unter Bildung eines gemeinsamen Strömungskanals 7 an ihren aneinander angrenzenden Spitzen miteinander verbunden. Die Höhe des Strömungskanals 7 ist in diesem Fall durch die Höhe d der Ellipsen gebildet, die Breite D des Strömungskanals durch die Gesamtbreite der drei miteinander verbundenen Ellipsen. d beträgt beispielsweise zwischen 10 und 40 mm, D zwischen 30 und 120 mm.

Das in Fig. 4 dargestellte rohrförmige Element weist einen im Querschnitt mäanderförmigen Strömungskanal 7 auf. Die Höhe d des Strömungsweges ist durch den Abstand der einander gegenüberliegenden Begrenzungswände des Mäanders definiert, die Breite D durch den Abstand zwischen den beiden Enden des Mäanders. d liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 8 und 35 mm, D zwischen 30 und 120 mm.

Fig. 5 zeigt ein rohrförmiges Element, das aus zwei geprägten Blechen 11, 12 zusammengesetzt ist. Die Bleche 11, 12, die im wesentlichen rechteckige Einprägungen aufweisen, sind spiegelbildlich zueinander zusammengefügt, wobei die einander gegenüberliegenden Einprägungen geschlossene Strömungskanäle 7 a, 7 b, 7 c bilden. Selbstverständlich lassen sich auch Strömungskanäle von anderem Querschnitt, beispielsweise wie in Fig. 3 oder 4 dargestellt, aus entsprechend geprägten Blechpaaren zusammensetzen.

Ausführungsbeispiel

Ein Ofen zum Steamcracken von Naphtha zur Olefinerzeugung habe einen Durchsatz von 12 t/h Kohlenwasserstoffe. Für die Spaltzone mit einer Eintrittstemperatur von 620°C und einer Austrittstemperatur von 925°C ergeben sich 80 Elemente gemäß Fig. 4 mit d=8 mm, D=75 mm und dementsprechend d _h= 12,7 mm und D/d=9,3.

Die Verweilzeit beträgt 0,04 sek. und die Rohrlänge 5 m.

Claims

1. Ofen zur Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung in einer Strahlungszone an ein Fluid, mit mindestens einem rohrförmigen Element, welches einen Strömungskanal für das Fluid aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes rohrförmige Element folgenden Kriterien genügt: d _h = F/U 40 mm und D/d 2mit
d _h= hydraulischer Durchmesser des Strömungskanals, F= Querschnittsfläche des Strömungskanals U= innerer Umfang des Strömungskanals d= Höhe des Strömungskanals D= Breite des Strömungskanals.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal im wesentlichen rechteckigen Querschnitt besitzt.

3. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal mindestens zwei im Querschnitt zumindest annähernd elliptische Teilstücke aufweist, die miteinander in Strömungsverbindung stehen, wobei d=Höhe der Ellipse, D=Breite des durch die miteinander verbundenen Ellipsen sich ergebenden Strömungskanals.

4. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal einen mäanderförmigen Querschnitt aufweist, wobei d=kürzester Abstand zwischen einander gegenüberliegenden Begrenzungswänden, D=Abstand der beiden Enden des Mäanders.

5. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der rohrförmigen Elemente zwischen 3 m und 12 m beträgt.

6. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von rohrförmigen Elementen parallel zueinander angeordnet sind.

7. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Element durch Gießen oder Strangpressen hergestellt ist.

8. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Element aus zwei geprägten und verschweißten Blechen zusammengesetzt ist.