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HINTERGRUND
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1. Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen so genannten Crackofen (Spaltofen)
und insbesondere einen Röhrenofen
für das
so genannte thermische Cracken (Spalten) eines organischen Beschickungsmaterials
wie Erdölkohlenwasserstoffe.
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2. Stand der
Technik
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Cracköfen für das Pyrolyse-Erhitzen
von Erdölkohlenwasserstoffen
zur Erzeugung von Olefinen sind auf dem Gebiet bekannt. Typische
Erdölbeschickungsmaterialien
umfassen z.B. Ethan, Propan und Naphtha. Typische Produkte umfassen
Ethylen, Propylen, Butadien und andere Kohlenwasserstoffe.
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1A zeigt
eine typische Crackofenanordnung. Der Crackofen 10 umfasst
einen Heizabschnitt 11 und einen Konvektionsabschnitt 12,
der aus den nachstehend aufgeführten
Gründen
gegenüber
dem Heizabschnitt 11 versetzt ist. Am Boden der Strahlungskammer 18 des
Heizabschnitts sind Brenner 13 positioniert.
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Ein
oder mehrere Rohrschlangen 14 sind in dem Heizabschnitt 11 positioniert.
Das Beschickungsmaterial strömt
durch Rohre 14a der Rohrschlangen und wird bei den Cracktemperaturen
einer Pyrolyse (für
gewöhnlich
950°C bis
1.200°C)
unterzogen, wobei gesättigte
Kohlenwasserstoffe gespalten werden, um Olefine und Wasserstoff
zu erzeugen. Die Strömgeschwindigkeit
des Beschickungsmaterials durch die Rohre wird so eingestellt, dass eine
erwünschte
Verweilzeit bei der Reaktionstemperatur vorgesehen wird. Nach Fortschreiten
des Crackens bis zu dem erwünschten
Grad ist es wichtig, den aus der Strahlungskammer austretenden Gasstrom
zur Unterbrechung der Reaktion zu quenchen, da eine fortlaufende
Reaktion unerwünschte
Nebenprodukte erzeugen könnte.
Der aus der Strahlungskammer 18 austretende Gasstrom wird
durch Wärmetauscher 15 geleitet,
um die Reaktion zu quenchen. Diese Wärmetauscher sind für gewöhnlich oben
auf der Strahlungskammer 18 angeordnet, wodurch der Konvektionsabschnitt 12 versetzt
sein muss. Der Heizabschnitt 11 weist typischerweise eine
Länge L
von etwa 20 Metern, eine Breite B von etwa 3,5 Metern und eine Höhe H von
etwa 13,5 Metern auf. Die Rohrschlangen 14 sind im Allgemeinen in
einer Ebene angeordnet, die parallel zu der durch die senkrechten
und längsgerichteten
Achsen des Konvektionsabschnitts 12 gebildeten Ebene ist.
Der Konvektionsabschnitt 12 ist im Allgemeinen ein Schacht
für das
Ablassen des Rauchgases des Ofens an die Atmosphäre. Der Konvektionsabschnitt 12 enthält für gewöhnlich einen
oder mehrere Abschnitte 16 für die Wärmerückgewinnung, wobei das Beschickungsmaterial
durch das Rauchgas vorerhitzt wird, sowie Abschnitte für die Schachtgasbehandlung,
um Emissionen von Schadstoffen wie Stickstoffoxide und Schwefeloxide
zu reduzieren.
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Die
jüngsten
Entwicklungstendenzen bei Ethylenproduktionsanlagen haben zu größeren und stärker beheizten
Cracköfen
geführt.
Die Leistung eines typischen Erhitzers ist von 100.000 Tonnen pro Jahr
auf 180.000 Tonnen pro Jahr gestiegen. Erwünscht ist, die Leistung auf
mindestens 250.000 Tonnen je Jahr zu steigern. Zur Verwirklichung
der gesteigerten Ofenleistung kann die Rohrschlangenlänge vergrößert werden,
wodurch die Höhe
der Strahlungskammer vergrößert wird.
Oder die Anzahl der Rohrschlangen kann vergrößert werden, wodurch die Länge der
Strahlungskammer vergrößert wird.
Keine dieser Änderungen
ist aber erwünscht. Wenn
die Höhe
der Strahlungskammer vergrößert wird,
wird es schwieriger, die Rohrschlangen gleichmäßig zu erhitzen. Die Rohrlänge des
Konvektionsabschnitts beschränkt
die Länge
der Strahlungskammer. Wenn die Strahlungskammer viel länger wird, dann
ergeben sich Probleme des Konvektionsabschnitts bei Rauchgasströmung aus
dem Strahlungsabschnitt in den Konvektionsabschnitt.
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EP 0,519,230 offenbart einen
Pyrolyse-Erhitzer, bei dem die vertikalen Rohre der Rohrschlangen in
mehreren parallelen Reihen vorgesehen sind, wobei jede Reihe in
einer Ebene senkrecht zu einer Ebene durch die Längsachse des Konvektionsabschnitts
verläuft.
D.h. die Rohrschlangen sind bei 90° zu der in
1A dargestellten
herkömmlichen
Anordnung von Rohrschlangen ausgerichtet.
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Während diese
Anordnung erhebliche Vorteile bezüglich der Steigerung der Ofenleistung
bieten kann, können
dennoch Verbesserungen bei der Ofenkonstruktion zur Erleichterung
einer solchen Anordnung vorgenommen werden.
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Bei
einem verhältnismäßig breiten
Ofen, wie er in
EP 0,519,230 beschrieben
wird, bei dem die Rohrschlangen senkrecht zur Längsachse des Ofens sind, kann
das Rauchgas in der Strahlungskammer einer Umwälzung unterzogen werden. Unter
Bezug nun auf
1B wird ein Ofen
50 mit
einem Heizabschnitt
51, einem Konvektionsabschnitt
52 und
Brennern
54 gezeigt. Die Rauchgasströme werden durch die Pfeile
A, B und C dargestellt. Die Rauchgasströme A und B pflegen zwar direkt
zu einer zum Konvektionsabschnitt
52 führenden Einlassöffnung
53 zu strömen, doch
können
sich Wirbel C im Rauchgas bilden, vor allem an der Seite der Kammer,
die sich am weitesten weg vom Einlass
53 zum Konvektionsabschnitt
befindet, wo sich Totraum auszubilden pflegt. Diese Wirbel führen zu
Uneinheitlichkeiten beim Erhitzen. Ein gleichmäßiges Erhitzen in der gesamten Strahlungskammer
ist für
das Erzeugen eines einheitlichen Produkts und für die Erleichterung der Prozesssteuerung
wichtig.
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ZUSAMMENFASSENDE
BESCHREIBUNG
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In
dieser Anmeldung wird ein Ofen für
das Pyrolyse-Erhitzen eines organischen Beschickungsmaterials an
die Hand gegeben. In einer Ausführung umfasst
der Ofen: a) einen Heizabschnitt mit einer Heizkammer, mehrere in
der Heizkammer angeordnete Rohrschlangen sowie mehrere Brenner,
wobei der Heizabschnitt einen oberen Teil, einen unteren Teil, eine
Längsachse
sowie erste und zweite gegenüberliegende
Seitenflächen
aufweist; und b) mit dem Heizabschnitt verbundene erste und zweite
Konvektionsabschnitte, wobei sich der erste Konvektionsabschnitt
in Längsrichtung
entlang der ersten Seitenfläche
des Heizabschnitts erstreckt und sich der zweite Konvektionsabschnitt
in Längsrichtung
entlang der zweiten Seitenfläche
des Heizabschnitts erstreckt, wobei jeder des ersten und des zweiten
Konvektionsabschnitts eine mit dem Heizabschnitt in Verbindung stehende Öffnung aufweist,
um das Strömen
von Rauchgas dadurch zu ermöglichen.
Der Ofen kann auch mehrere Durchlässe für die Übertragung des Rauchgases von
der Heizkammer zu einem Konvektionsabschnitt des Ofens umfassen,
wobei jeder Durchlass eine Einlassöffnung für das Einlassen von Rauchgas
in den Durchlass sowie eine Auslassöffnung für das Leiten des Rauchgases
in den Konvektionsabschnitt aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung sieht durch Reduzieren der Rauchgasumwälzung ein
gleichmäßigeres Strömen von
Rauchgas durch den Heizabschnitt des Ofens vor.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Unter
Bezug auf die Zeichnungen werden in dieser Anmeldung verschiedene
Ausführungen
beschrieben. Hierbei zeigen:
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1A und 1B schematische
Darstellungen vorbekannter Öfen;
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2 eine
frei geschnittene perspektivische Ansicht, die eine erste und zweite
Konvektionsabschnitte besitzende erfindungsgemäße Ausführung des Crackofens zeigt;
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3 eine
Vorderansicht der in 2 gezeigten Ausführung des
Ofens;
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4 eine
perspektivische Ansicht, die eine andere erfindungsgemäße Ausführung des
Ofens zeigt, der Durchlässe
am oberen Teil des Heizabschnitts für die Übertragung von Rauchgas vom
Heizabschnitt zum Konvektionsabschnitt des Ofens besitzt;
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5 eine
Seitenansicht der Durchlässe;
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6 eine
Teilvorderansicht der in 4 gezeigten Ausführung des
Ofens;
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7 eine
Draufsicht auf einen Durchlass;
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8 eine
Vorderansicht einer anderen erfindungsgemäßen Ausführung mit Durchlässen am Bodenteil
des Heizabschnitts;
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9 eine
perspektivische Ansicht des in 8 gezeigten
Durchlasses des Ofens; und
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10 eine
Seitenansicht des in 8 gezeigten Ofens.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG(EN)
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Die
hierin beschriebene Erfindung sieht durch Integrieren in den Ofen
von zwei Konvektionsabschnitten statt eines Konvektionsabschnitts und/oder
von mehreren konfigurierten Durchlässen für die Übertragung von Rauchgas von
dem Strahlungsheizabschnitt des Ofens zu dem Konvektionsabschnitt
ein gleichmäßiges Strömen von
Rauchgas und eine gleichmäßigere Wärmeübertragung
zu den Rohrschlangen in einem Crackofen vor. Die Erfindung kann
in herkömmlichen Öfen eingesetzt
werden, ist aber insbesondere für Öfen mit
einer Rohrschlangenanordnung in Ebenen quer zur Längsachse
des Ofens von Vorteil. Solche Öfen
sind breiter und neigen stärker
zur Entwicklung von Totzonen des umwälzenden Rauchgases im Strahlungsheizabschnitt
des Ofens.
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Unter
Bezug nun auf 2 und 3 wird ein
Crackofen 100 für
die Pyrolyse eines organischen Beschickungsmaterials gezeigt. Typische
Beschickungsmaterialien umfassen zum Beispiel Ethan, Propan, Naphtha
oder andere Kohlenwasserstoffe. Das pyrolytische Erhitzen des Beschickungsmaterials
erzeugt ungesättigte
Verbindungen (d.h. Olefine wie Ethylen, Propylen, etc.) und Wasserstoff.
Der Ofen 100 umfasst einen Heizabschnitt 110 sowie
erste und zweite Konvektionsabschnitte 121 bzw. 122. Der
erste Konvektionsabschnitt 121 erstreckt sich entlang der
ersten Seitenfläche 111 des
Heizabschnitts 110, und der zweite Konvektionsabschnitt 122 erstreckt
sich entlang der zweiten Seitenfläche 112 des Heizabschnitts 110.
Der Heizabschnitt 110 umfasst eine innere Strahlungsheizkammer 114,
in der mehrere Rohrschlangen 130 in parallelen Reihen angeordnet
sind. Der Heizabschnitt 110 umfasst weiterhin eine Längsachse
X, die eine Längsausdehnung
des Ofens bildet, sowie obere und untere Teile 110a bzw. 110b.
Brenner 140 sind vorzugsweise in Reihen angeordnet und
zwischen den Reihen der Rohrschlangen 130 und auch zwischen
den Rohrschlangen und den Ofenseitenwänden positioniert. In der in 2 und 3 gezeigten
Ausführung
sind die Brenner in dem unteren Teil 110b des Heizabschnitts
positioniert und die ersten und zweiten Konvektionsabschnitte 121 und 122 sind
mit den gegenüberliegenden
Seitenflächen 111 bzw. 112 am
oberen Teil des Heizabschnitts verbunden. D.h. die Öffnungen 123 und 124,
die eine Übertragung
von Rauchgas von der Heizkammer 114 zu dem ersten und zweiten
Konvektionsabschnitt 121 und 122 zulassen, befinden
sich am oberen Teil 110a des Heizabschnitts 110.
Das sich aus der Verbrennung von Brennstoff durch die Brenner ergebende
Rauchgas strömt
im Heizabschnitt 110 nach oben und dann durch die Konvektionsabschnitte 121 und 122 hinaus.
In einer in 8 schematisch dargestellten
und nachstehend beschriebenen alternativen Anordnung können die
Brenner im oberen Teil der Heizkammer positioniert sein und die
Konvektionsabschnitte können
mit dem unteren Teil des Heizabschnitts verbunden sein.
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Die
Rohrschlangen sind in mehreren parallelen Reihen mit einer oder
mehreren Rohrschlangen in jeder Reihe angeordnet. Jede Reihe liegt
in einer zur Längsachse
X senkrechten Ebene.
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Wie
in den 2 und 3 beispielhaft gezeigt wird,
sind die Rohre 132 in jeder Reihe so angeordnet, dass für jeden
zu pyrolysierenden Kohlenwasserstoff-Beschickungsmaterialstrom zwei Durchgänge vorgesehen
werden. Insbesondere sind in einer Reihe mehrere Rohre 132 mit
einem horizontalen Sammelrohr 133 verbunden, das mit einem
vertikalen Rohr 134 verbunden ist, das einen Innendurchmesser
aufweist, der größer als
der der Rohre 132 ist. Die oberen Enden der Rohre 132 sind
mit einem Einlasssammelrohr 131 für das Vorsehen einer Kohlenwasserstoffbeschickung
(oder eines anderen organischen Beschickungsmaterials) zu den Rohren 132 verbunden,
und die oberen Teile der Rohre 134 sind mit einem Spaltgaskühler 135 für das Aufnehmen
und Kühlen
von Pyrolyseabfluss auf eine so niedrige Quenchtemperatur, dass
das Stattfinden einer weiteren Pyrolysereaktion unterbunden wird,
verbunden. Dadurch wird, wie dargestellt, zu pyrolysierendes Beschickungsmaterial
in die oberen Teile der Rohre 132 eingeleitet, strömt durch
die Rohre 132 nach unten in das Sammelrohr 133 und
dann durch die Rohre 134 nach oben für die Einleitung in einen Spaltgaskühler 135.
Ein zu pyrolysierendes Beschickungsmaterial kann in Konvektionsrohren 136,
die in Konvektionsabschnitten 121 und 122 angeordnet sind,
vorerhitzt werden, wobei das vorerhitzte Beschickungsmaterial durch
Sammelrohre 131 in die Rohre 132 eingeleitet wird.
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Dadurch
kann zum Beispiel eine einzelne Reihe vertikaler Rohre in zwei Sätze von
Rohren unterteilt werden, wobei jeder Satz eine Rohrschlange bildet.
Jede Rohrschlange besteht aus mehreren Rohren 132, die
einen ersten Durchgang vorsehen, wobei jedes der Rohre 132 mit
einem einzelnen Rohr 134 durch das Sammelrohr 133 verbunden
ist, was den zweiten Durchgang vorsieht.
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Wenngleich
für die
Zwecke der Erläuterung eine
Rohrschlange mit zwei Durchgängen
beschrieben wird, kann die Rohrschlangenanordnung bei Bedarf eine
beliebige Anzahl an Durchgängen
von Einzeldurchgang- bis zu Mehrdurchgangsanordnungen von 2, 3,
4 oder mehr Durchgängen
aufweisen.
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Das
Verwenden von zwei Konvektionsabschnitten verringert die Möglichkeit
einer Rauchgasumwälzung
und sieht durch Verringern von Totraum ein gleichmäßigeres
Strömen
von Rauchgas durch den Heizabschnitt vor. Wenn man zwei Konvektionsabschnitte
statt einem hat, wird die maximale Entfernung von einem beliebigen
Brenner zum Konvektionsabschnitt um die Hälfte reduziert. Ferner wird
das in jeden Konvektionsabschnitt gehende Rauchgasvolumen um die
Hälfte
reduziert. Die Kombination dieser beiden Wirkungen verringert stark
die Neigung zur Erzeugung bevorzugter Rauchgasströmwege in der
Strahlungskammer.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass der Konvektionsabschnitt selbst von der
Höhe und
Breite her erheblich verkleinert werden kann. Bei Verwendung der hierin
beschriebenen Rohrschlangenanordnung wird die Ofenleistung verbessert,
aber die Konvektionsrohrlänge
verkürzt.
Um eine ausreichende Kühlleistung
zu wahren, müsste
der Konvektionsabschnitt sowohl von der Höhe als auch von der Breite
her vergrößert werden,
wenn ein einziger Konvektionsabschnitt verwendet werden würde. Diese
Vergrößerungen
sind beide sehr teuer. Eine Zunahme der Breite bedeutet längere und
dickere Rohrträger.
Eine Zunahme der Höhe
bedeutet mehr Plattformen und mehr Baustahl, um einer zusätzlichen
Belastung standzuhalten. Wenn aber zwei Konvektionsabschnitte an
Stelle von einem eingesetzt werden, hat jeder verglichen mit einem
einzigen Konvektionsabschnitt mit der gleichen Kühlleistung wie die beiden kleineren
Konvektionsabschnitte zusammen eine kleinere Höhe und Breite.
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Unter
Bezug nun auf 4, 5 und 6 weist
ein Crackofen 200 einen Heizabschnitt 210 und mindestens
einen Konvektionsabschnitt 220 auf, der sich entlang einer
Seitenfläche 211 des
Heizabschnitts 210 erstreckt. Der Heizabschnitt 210 weist eine
innere Strahlungsheizkammer 214 auf, in der mehrere Rohrschlangen 230 in
parallelen Reihen angeordnet sind. Der Heizabschnitt 210 weist
weiterhin eine Längsachse
X, die eine Längsausdehnung
des Ofens festlegt, sowie obere und untere Teile 210a bzw. 210b auf.
Brenner 240 sind vorzugsweise in Reihen angeordnet und
zwischen den Reihen von Rohrschlangen 130 und auch zwischen
den Rohrschlangen und den Ofenseitenwänden positioniert. In der in 4–7 gezeigten
Ausführung 200 sind die
Brenner in dem unteren Teil 210b des Heizabschnitts positioniert.
Der Konvektionsabschnitt 220 ist mit der Seitenfläche 211 am
oberen Teil 210a des Heizabschnitts verbunden. D.h. die Öffnungen 223, die
eine Übertragung
von Rauchgas von der Heizkammer 214 zu dem Konvektionsabschnitt 220 zulassen,
befinden sich am oberen Teil 210a des Heizabschnitts 210.
Das sich aus der Verbrennung von Brennstoff durch die Brenner ergebende
Rauchgas strömt
im Heizabschnitt 210 nach oben und dann durch den Konvektionsabschnitt 220 hinaus.
In einer in 8–10 schematisch
dargestellten alternativen Anordnung können die Brenner aber im oberen Teil
der Heizkammer positioniert sein und die Konvektionsabschnitte können mit
dem unteren Teil des Heizabschnitts verbunden sein, wie nachstehend
beschrieben wird.
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Die
Rohrschlangen sind in mehreren parallelen Reihen mit einer oder
mehreren Rohrschlangen in jeder Reihe angeordnet. Jede Reihe liegt
in einer zur Längsachse
X senkrechten Ebene.
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Wie
in 6 beispielhaft gezeigt wird, sind die Rohre 232 in
jeder Reihe so angeordnet, dass für jeden zu pyrolysierenden
Kohlenwasserstoff-Beschickungsstrom
zwei Durchgänge
vorgesehen werden. Insbesondere sind in einer Reihe mehrere Rohre 232 mit
einem horizontalen Sammelrohr 233 verbunden, das mit einem
vertikalen Rohr 234 verbunden ist, das einen Innendurchmesser
aufweist, der größer als
der der Rohre 232 ist. Die oberen Enden der Rohre 232 sind mit
einem Einlasssammelrohr 231 für das Vorsehen einer Kohlenwasserstoffbeschickung
zu den Rohren 232 verbunden, und die oberen Teile der Rohre 234 sind
mit einem Spaltgaskühler 235 für das Aufnehmen
und Kühlen
von Pyrolyseabfluss auf eine so niedrige Quenchtemperatur, dass
das Stattfinden einer weiteren Pyrolysereaktion unterbunden wird, verbunden.
Dadurch wird, wie dargestellt, zu pyrolysierender Kohlenwasserstoff
in die oberen Teile der Rohre 232 eingeleitet, strömt durch
die Rohre 232 nach unten in das Sammelrohr 233 und
dann durch die Rohre 234 nach oben für die Einleitung in einen Spaltgaskühler 235.
In ähnlicher
Weise wie bei der vorstehend beschriebenen, in 3 dargestellten Ausführung 100 kann
ein zu pyrolysierendes Beschickungsmaterial in Konvektionsrohren,
die in dem Konvektionsabschnitt 220 angeordnet sind, vorerhitzt werden,
wobei das vorerhitzte Beschickungsmaterial durch Sammelrohre 231 in
die Rohre 232 eingeleitet wird.
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Dadurch
kann zum Beispiel eine einzelne Reihe vertikaler Rohre in zwei Sätze von
Rohren unterteilt werden, wobei jeder Satz eine Rohrschlange bildet.
Jede Rohrschlange besteht aus mehreren Rohren 232, die
einen ersten Durchgang vorsehen, wobei jedes der Rohre 232 mit
einem einzelnen Rohr 234 durch das Sammelrohr 233 verbunden
ist, was den zweiten Durchgang vorsieht.
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Wie
vorstehend erwähnt
wird eine beliebige Rohrschlangenanordnung, die eine Einzeldurchgang-
oder Mehrdurchgangsanordnung aufweist, als in den Schutzumfang der
Erfindung fallend betrachtet.
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In
einer bevorzugten Ausführung
umfasst der Ofen mehrere für
die Übertragung
von Rauchgas aus der Strahlungsheizkammer 214 zu dem Konvektionsabschnitt 220 ausgelegte
Durchlässe 250.
Die Durchlässe 250 erleichtern
das gleichmäßige Strömen von
Rauchgas, während
sie die Umwälzung
in der Strahlungsheizkammer 214 unterdrücken. Die Durchlässe 250 sind
zueinander parallel und sind seitlich so ausgerichtet, dass sie
das Rauchgas seitlich in den Konvektionsabschnitt 220 leiten.
In der Ausführung 200 sind
die Durchlässe 250 am
oberen Teil 210a des Heizabschnitts 210 positioniert.
Die Rohrschlangen 230 sind durch jeweilige Durchlässe 250 angeordnet.
Jeder Durchlass hat ein Gehäuse 251,
das zumindest teilweise den Durchlass bestimmt und umschließt. Jeder
Durchlass 250 steht an einem Ende mittels einer Auslassöffnung 223 mit dem
Konvektionsabschnitt 220 in Verbindung. Der Boden des Durchlasses 250 weist
eine konfigurierte Einlassöffnung 253 auf,
die einen verhältnismäßig breiten
Teil 253a und einen verhältnismäßig schmalen Teil 253b aufweist.
Der schmale Teil 253b wird durch den Spalt zwischen Platten 252a und 252b bestimmt,
die einen Bodenteil 252 des Durchlasses bilden.
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Unter
Bezug auf 7 wird ein verhältnismäßig breiter
Teil 253a der Einlassöffnung
durch die Maße
L1 und D1 bestimmt.
Der verhältnismäßig schmale
Teil der Einlassöffnung 253b wird
durch die Maße
L2 und D2 bestimmt.
Die relativen Größen der Teile 253a und 253b kann
so gewählt
werden, dass eine beliebige erwünschte
Art von Rauchgasstrom in der Strahlungsheizkammer 214 erzeugt
wird. Zwar können
beliebige geeignete Maße
gewählt
werden, doch kann beispielhaft das Verhältnis L1/L2 von 0,8 bis 1,2 reichen, vorzugsweise von
0,9 bis 1,1, und das Verhältnis
D2/D2 kann von 1,1
bis 10 reichen, vorzugsweise von 1,5 bis 4 und bevorzugter von 2
bis 3, wenngleich auch Maße
außerhalb
dieser Verhältnisse
gewählt
werden können.
Wie ersichtlich ist, ist D1 größer als
D2, was dazu neigt, einen größeren Gasstrom
durch D1 zu leiten. Da der verhältnismäßig breitere
Teil 253a der Einlassöffnung 253 weiter
weg von der Auslassöffnung 223 angeordnet
ist als der schmälere
Teil 253b, wird der Rauchgasstrom hin zur Ecke der Heizkammer,
die weiter weg vom Konvektionsabschnitt ist, verschoben. Die Maß des Tunnels und
der Einlassöffnung
werden so gewählt,
dass der Gesamtdruckverlust des Rauchgases aus dem am weitesten
vom Konvektionsabschnitt entfernten Brenner gleich dem Gesamtdruckverlust
des Rauchgases aus dem am nächsten
zum Konvektionsabschnitt liegenden Brenner ist. Bei einem Einzelkonvektionssystem
sind die Tunnelöffnungen
am Ende gegenüber
dem Konvektionsabschnitt breiter. Bei einem dualen Konvektionssystem
sind die Tunnelöffnungen
in der Mitte des Ofens breiter. Dies verhindert, dass das Rauchgas
den kürzesten
Weg zum Konvektionsabschnitt nimmt, und beseitigt Totzonen des umwälzenden
Rauchgases in dem Strahlungsabschnitt, zu denen es andernfalls kommen
würde. Dementsprechend
wird das Strömen
von Rauchgas durch den Heizabschnitt 210 insgesamt selbst
bei gleichzeitiger Reduzierung vereinzelter heißer oder kühler Punkte gleichmäßiger gemacht.
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Zwar
wird die Ausführung 200 mit
einem Konvektionsabschnitt 220 gezeigt, doch versteht sich natürlich, dass
alternativ der Ofen 200 auch einen zweiten Konvektionsabschnitt
aufweisen kann, der sich entlang der Seite des Heizabschnitts 210 gegenüber der
des Konvektionsabschnitts 220 erstrecken kann.
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Unter
Bezug nun auf 8, 9 und 10 wird
beispielhaft ein Crackofen 300 für die Pyrolyse eines organischen
Beschickungsmaterials gezeigt. Der Ofen 300 umfasst einen
Heizabschnitt 310 sowie erste und zweite Konvektionsabschnitte 321 bzw. 322.
Der erste Konvektionsabschnitt 321 erstreckt sich entlang
der ersten Seitenfläche 321 des Heizabschnitts 310,
und der zweite Konvektionsabschnitt 311 erstreckt sich
entlang der zweiten Seitenfläche 312 des
Heizabschnitts 310. Der Heizabschnitt 310 umfasst
eine innere Strahlungsheizkammer 314, in der mehrere Rohrschlangen 330 in
parallelen Reihen angeordnet sind. Der Heizabschnitt 310 umfasst
weiterhin eine Längsachse
X, die eine Längsausdehnung
des Ofens bildet, sowie obere und untere Teile 310a bzw. 310b.
Brenner 340 sind vorzugsweise in Reihen angeordnet und
zwischen den Reihen der Rohrschlangen 330 positioniert.
In dem Ofen 300 sind die Brenner in dem oberen Teil 310a des
Heizabschnitts positioniert und die ersten und zweiten Konvektionsabschnitte 321 und 322 sind
mit den gegenüberliegenden
Seitenflächen 311 bzw. 312 am
unteren Teil 310b des Heizabschnitts verbunden. D.h. die Öffnungen 323 und 324,
die eine Übertragung
von Rauchgas von den Durchlässen 350 zu dem
ersten und zweiten Konvektionsabschnitt 321 und 322 zulassen,
befinden sich am unteren Teil 310b des Heizabschnitts 310.
Das sich aus der Verbrennung von Brennstoff durch die Brenner ergebende
Rauchgas strömt
im Heizabschnitt 310 nach unten und dann durch die Durchlässe 350 am
Boden des Heizabschnitts 310 und dann durch die Öffnungen 323 und 324 in
die Konvektionsabschnitte 321 bzw. 322 hinaus.
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Die
Rohrschlangen 330 sind in mehreren parallelen Reihen mit
einer oder mehreren Rohrschlangen in jeder Reihe angeordnet. Jede
Reihe liegt in einer zur Längsachse
X senkrechten Ebene.
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Wie
in 8 gezeigt wird, sind die Rohre 332 in
jeder Reihe so angeordnet, dass für jeden zu pyrolysierenden
Kohlenwasserstoff-Beschickungsstrom zwei Durchgänge vorgesehen werden. Insbesondere
sind in einer Reihe mehrere Rohre 332 mit einem horizontalen
Sammelrohr 333 verbunden, das mit einem vertikalen Rohr 334 verbunden
ist, das einen Innendurchmesser aufweist, der größer als der der Rohre 332 ist.
Die oberen Enden der Rohre 332 sind mit einem Einlasssammelrohr 331 für das Vorsehen
einer Kohlenwasserstoffbeschickung (oder eines anderen organischen
Beschickungsmaterials) zu den Rohren 332 verbunden, und
die oberen Teile der Rohre 334 sind mit einem Spaltgaskühler 335 für das Aufnehmen
und Kühlen
von Pyrolyseabfluss auf eine so niedrige Quenchtemperatur, dass
das Stattfinden einer weiteren Pyrolysereaktion unterbunden wird, verbunden.
Dadurch wird, wie dargestellt, zu pyrolysierender Kohlenwasserstoff
in die oberen Teile der Rohre 332 eingeleitet, strömt durch
die Rohre 332 nach unten in das Sammelrohr 333 und
dann durch die Rohre 334 nach oben für die Einleitung in einen Spaltgaskühler 335.
Ein zu pyrolysierendes Beschickungsmaterial kann in ähnlicher
Weise wie bei der vorstehend beschriebenen, in 3 gezeigten
Ausführung 100 in
Konvektionsrohren, die in Konvektionsabschnitten 321 und 322 angeordnet
sind, vorerhitzt werden, wobei das vorerhitzte Beschickungsmaterial
durch Sammelrohre 331 in die Rohre 332 eingeleitet
wird.
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Dadurch
kann zum Beispiel eine einzelne Reihe vertikaler Rohre in zwei Sätze von
Rohren unterteilt werden, wobei jeder Satz eine Rohrschlange bildet.
Jede Rohrschlange besteht aus mehreren Rohren 332, die
einen ersten Durchgang vorsehen, wobei jedes der Rohre 332 mit
einem einzelnen Rohr 334 durch das Sammelrohr 333 verbunden
ist, was den zweiten Durchgang vorsieht.
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Wie
vorstehend erwähnt
wird eine beliebige Rohrschlangenanordnung, die eine Einzeldurchgang-
oder Mehrdurchgangsanordnung aufweist, als in den Schutzumfang der
Erfindung fallend betrachtet.
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In
einer bevorzugten Ausführung
umfasst der Ofen 300 mehrere für die Übertragung von Rauchgas aus
der Strahlungsheizkammer 314 zu den Konvektionsabschnitten 321 und 322 ausgelegte Durchlässe 350.
Die Durchlässe 350 erleichtern
das gleichmäßige Strömen von
Rauchgas in der Strahlungsheizkammer 314, um in den Rohrschlangen 330 eine
gleichmäßige und
einheitliche Pyrolyse vorzusehen. Die Durchlässe 350 sind zueinander
parallel und sind seitlich so ausgerichtet, dass sie das Strömen von
Rauchgas seitlich in die Konvektionsabschnitte 321 und 322 leiten.
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In
der Ausführung 300 sind
die Durchlässe im
unteren Teil 310b des Heizabschnitts 310 positioniert.
Die Durchlässe 350 sind
durch Mulden 360 getrennt und beabstandet. Der untere Teil
der Rohrschlangen 330 ist durch die Mulden angeordnet und kann
durch Klammern, Streben oder andere geeignete Stützmittel, die dem Fachmann
bekannt sind, fest angebracht werden. Jeder Durchlass 350 hat
ein Gehäuse 351,
das zumindest teilweise den Durchlass bestimmt und umschließt. Die
Durchlässe
stehen an jedem Ende mittels Öffnungen 323 bzw. 324 mit
einem jeweiligen der Konvektionsabschnitte 321 und 322 in
Verbindung. Zu beachten ist, dass zwar in der in 8 bis 10 gezeigten
Ausführung
zwei Konvektionsabschnitte enthalten sind, der Ofen 300 aber
optional mit nur einem Konvektionsabschnitt konstruiert werden kann.
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Das
Gehäuse 351 des
Durchlasses 350 weist Seitenwände 352 auf. Jede
Seitenwand umfasst eine oder mehrere Öffnungen 355, um das
Strömen
von Rauchgas von der Strahlungskammer 314 in den Durchlass
zu ermöglichen.
Die Öffnung 355 kann
von beliebiger Form oder Abmessung sein. Wie in 9 ersichtlich
ist, umfasst eine bevorzugte Öffnung 355 einen
länglichen
Schlitz. Der Schlitz kann von jeder geeigneten Größe sein
und kann alternativ entlang seiner gesamten Länge von gleicher Größe sein
oder kann an einer Stelle breiter als an anderen Stellen sein. Wie
in 9 gezeigt wird, weist der Schlitz 355 einen
verhältnismäßig schmalen
Teil 355a mit einer Breite D3 und
einen verhältnismäßig breiteren
Teil 355b mit einer Breite D4 auf.
Die relativen Maße
von 355a und 355b können so gewählt werden, dass eine beliebige
erwünschte
Art von Rauchgasstrom in der Heizkammer 314 erzeugt wird. Zwar
können
beliebige geeignete Maße
gewählt
werden, doch kann beispielhaft das Verhältnis D4/D3 von 1,1 bis 10 reichen, vorzugsweise von
1,5 bis 4 und bevorzugter von 2 bis 3, wenngleich auch Maße außerhalb
dieser Verhältnisse
gewählt
werden können.
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D4 ist größer als
D3, was dazu neigt, mehr Strömen von
Gas durch D4 zu leiten. Vorzugsweise befindet
sich der schmälere
Teil 355a näher
zu der Öffnung 323 oder 324,
die zu dem Konvektionsabschnitt führt. Bei einer Ausführung mit
zwei Konvektionsabschnitten wie Ofen 300 kann sich ein
einzelner Schlitz 355 entlang jeder Seitenwand des Durchlasses
erstrecken, wobei jeder Schlitz einen breiten Mittelabschnitt 355b zwischen
zwei schmalen Abschnitten 355a aufweist, die schmalen Abschnitte 355a in größerer Nähe zu den Öffnungen 323 und 324 liegen und
der breite Abschnitt 355b in größerer Nähe zur Mitte der Heizkammer 314 liegt.
Die Maß des
Tunnels und der Einlassöffnung
werden so gewählt,
dass der Gesamtdruckverlust des Rauchgases aus dem am weitesten
vom Konvektionsabschnitt entfernten Brenner gleich dem Gesamtdruckverlust
des Rauchgases aus dem an nächsten
zum Konvektionsabschnitt liegenden Brenner ist. Bei einem Einzelkonvektionssystem
sind die Tunnelöffnungen
am Ende gegenüber
dem Konvektionsabschnitt breiter. Bei einem dualen Konvektionssystem
sind die Tunnelöffnungen
in der Mitte des Ofens breiter. Dies verhindert, dass das Rauchgas
den kürzesten
Weg zum Konvektionsabschnitt nimmt, und beseitigt Totzonen in dem
Strahlungsabschnitt, zu denen es andernfalls kommen würde. Ferner
wird das Rauchgas an den unteren Teilen der Rohrschlangen vorbei
gesaugt, die in den die Durchlässe 350 trennenden
Mulden 360 positioniert sind, was die Leistungsfähigkeit
der Erhitzung steigert.
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Die
obige Beschreibung enthält
zwar viele genaue Angaben, doch sollten diese genauen Angaben nicht
als Beschränkungen
des Schutzumfangs der Erfindung ausgelegt werden, sondern lediglich als
Erläuterungen
der bevorzugten Ausführungen derselben.
Der Fachmann wird viele andere Möglichkeiten
innerhalb des Schutzumfangs und Wesens der Erfindung erkennen, die
durch die hier beigefügten Patentansprüche festgelegt
wird.