DE952710C - Zylindrischer, feuerfest ausgekleideter Vertikalofen zur Erwaermung von Fluessigkeiten oder Daempfen - Google Patents

Description

• Zylindrischer, feuerfest ausgekleideter Vertikalofen zur Erwärmung von Flüssigkeiten oder Dämpfen Zylindrische Vertikalöfen mit einer Kreisreihe I koaxial angeordneter, miteinander verbundener lotrechter Rohre, die der Aufnahme der zu erwärmenden Flüssigkeiten oder Dämpfe dienen, sind bereits bekannt.
• Bei Öfen dieser Art sind die Rohre in einer einzigen Reihe angeordnet und werden von einer innerhalb des Ofengehäuses liegenden feuerfesten Auskleidung, die die Ofenwand bildet, auf Abstand umgeben.
• Am Fuße oder am Kopfe des Ofens liegende Brenner erzeugen eine Mittelfiamme, die ihre Wärme auf die Rohre und auf den frei liegenden Abschnitt der Ofen auskleidung durch Strahlung überträgt.
• Die Rohre sind bisher in einem gleichformigenAbstand voneinander aufgestellt worden. Es wurde nun gefunden, daß der Abstand der Rohre wesentlich die Menge der von den frei liegenden Flächen der Rohre unmittelbar aufgenommenen Wärme und die Menge der von den warmen Wänden auf die Rückfläche der Rohre reflektierten Wärme bestimmt.
• Wenn die zu erwärmende Flüssigkeit, z. B. Kohlenwasserstofföl oder Wasser, in die Rohrreihe bei einer niedrigen Temperatur, z. B. 150°C, eintritt, und die Rohrreihe bei einer hohen Temperatur, z. B. 550 bis 850°C, verläßt, dann absorbieren die Rohre, in denen die Flüssigkeit tiefer Temperatur umläuft, die größte Wärmemenge, während die Rohre, in denen Flüssigkeit höchster Temperatur umläuft, die kleinste Wärmemenge aufnehmen.
• Erfindungsgemäß wird nun der Abstand der Rohre so gewählt, daß die Wärmeaufnahme jedes Rohres oder jeder Rohrgruppe die bestmögliche ist, obgleich die Temperaturverhältnisse und der Fließzustand der zu erwärmendenFlüssigkeit sowie dieWärmeabsorption sich weitgehend ändern.
• Einige der erfindungsgemäßen Vorteile können durch gleiche Abstandssetzung der Rohre in verschiedenen Rohrgruppen und durch unterschiedlichen Rohrabstand jeder Gruppe gegenüber dem Rohrabstand der anderen Gruppen erhalten werden. Beispielsweise kann die Rohrreihe in drei Abschnitte unterteilt werden. Die Rohre im Einlaßabschnitt stehen dicht beieinander, z. B. bei Rohren von 114 mm Außendurchmesser auf einem Mitten abstand von 203 mm, die Rohre des Mittelabschnittes stehen auf einem Mittenabstand von 305 mm, und die Rohre des Auslaßabschnittes stehen auf einem Mittenabstand von 406 mm.
• Eine größere Abstufung mit größeren Vorteilen kann erhalten werden, wenn eine Kurve der gewünschten Wärmeübertragung aufgezeichnet und der Rohrabstand zwischen dem Einlaßende der Rohrreihe und dem Auslaßende der Rohrreihe entsprechend den in jedem Rohr gewünschten Verhältnissen gewählt wird.
• Es ist jedoch einfacher und für die meisten Verwendungszwecke ausreichend, wenn die Rohrreihe in verschiedene Abschnitte unterteilt ist, wobei die Rohre jedes Abschnitts in gleichen Abständen voneinander stehen, so daß es möglich ist, in jedem Abschnitt die gleichen Krümmer zu verwenden.
• Die Zahl der Abschnitte hängt von der Größe des Ofens und den Erfordernissen des in dem Ofen durchzuführenden Verfahrens ab. Wenn beispielsweise eine Ölspaltung durchgeführt werden soll, so müssen hierbei die Spalttemperatur, die Phase des oels - ob flüssig, dampfförmig oder gemischt -, die Auslaßtemperatur und die Art des zu behandelnden Öles berücksichtigt werden. Einige Erhitzer sind so ausgeführt, daß sie das Öl aus der Schlange bei Erreichen der Höchsttemperatur sofort entleeren, während andere Erhitzer die Temperatur ausgleichen und nach dem Auslaß zu konstanthalten, damit einevorbestimmteBehandlungszeit gesichert ist.
• Die Regelung der Rohrtemperatur an der der Wärmestrahlung unmittelbar ausgesetzten Fläche ist wichtig, um Überhitzungen zu verhüten. Wenn das Optimum der Rohrflächentemperatur hoch liegt, muß die durch Rückstrahlung von der Ofenwand erfolgende indirekte Erwärmung auf der Rückfläche der Rohre erhöht werden, um die höchste Gesamtwärmeübertragung zu erhalten.
• Im Rahmen der Erfindung liegt daher eine Rohrverteilung, die eine vorbestimmte Wärmeübertragung ergibt, die sich von einem zum anderen Rohr ändert.
• In den Zeichnungen ist Fig. I ein Schnitt durch den erfindungsgemäßen Ofen, Fig. 2 ein Querschnitt nach Linie 2-2 der Fig. I, Fig. 3 ein Querschnitt nach Linie 3-3 der Fig. I, Fig. 4 ein Kurvenbild, das als Beispiel die Anwendung der Erfindung auf die Erwärmung von Gas in einem Spaltverfahren zeigt, und Fig. 5 ein Querschnitt eines der Fig. 3 entsprechenden Rohrkreises, in dem der Rohrabstand allmählich in bestimmter Weise sich ändert, wie dies Kurve B in Fig. 4 entspricht.
• Der dargestellte Ofen hat ein zylindrisches lotrechtes Gehäuse I, das auf dem Fundament 2 mittels der Füße 3 aufgestellt ist und eine Innenauskleidung 4 aus feuerfestem Material aufweist, die von dem Stahlgehäuse durch eine Isolierung 7 getrennt ist. Ein zylindrischer oberer Ofenabschnitt 5 liegt koaxial zum Gehäuse I und wird von dem Gehäuse getragen.
• Innerhalb des Ofengehäuses und nahe der feuerfesten Wand steht eine zylindrische Reihe lotrechter Rohre 6, die in der in Fig. 3 dargestellten Weise im Abstand voneinander aufgestellt sind.
• Der Ofen hat eine Fußplatte g mit einem Ring von Brennern I0, durch die eine nach oben gerichtete, in der Mitte der Kammer stehende Flamme erzeugt wird.
• Eine konzentrische zylindrische, feuerfeste Innenwand Im befindet sich innerhalb des oberen Ofenabschnittes 5 und bildet mit der zylindrischen Wand II a einen ringförmigen Wärmeübertragungsraum, in dem Rippenrohre I2 liegen, die zum Vorwärmen für die den Hauptrohren zuzuführende Flüssigkeit dienen.
• Eine kegelförmige Prallwand I3 hängt in dem Ofen und leitet die heißen Gase in und - durch den um die Rippenrohre 12 herum liegenden Ringraum. Die Rohranordnung des Vorwärmers ist in Fig. 2 dargestellt.
• Das obere Ende desVorwärmers ist mit einem Schornstein 14 verbunden.
• Das zu erwärmende Öl oder die Flüssigkeit wird dem Einlaßrohr 15 (Fig. 3) über die vom Vorwärmer kommende Leitung 16 (Fig. I) zugeführt und strömt dann in den hintereinandergeschalteten Rohren 17 zum Auslaßrohr r8 (Fig. 3) dieses Abschnittes der Rohrreihe, in dem eine niedrige Temperatur herrscht.
• Dann fließt das Öl in das Rohr 19 und durch die Rohre 20 zum Auslaßrohr 21 des Mittelabschnittes der Rohrreihe. Das Öl tritt dann in das Rohr 22 und fließt nacheinander durch die Rohre des eine hohe Temperatur aufweisenden Endabschnittes der Reihe zum Auslaßrohr 23. Die Rohre sind an ihren Enden in der üblichen Weise mittels Krümmern 24 (Fig. 1) verbunden.
• Das Kurvenbild der Fig. 4 zeigt die Temperaturen eines durch Rohre gleicher Größe strömenden Kohlenwasserstoffes in Abhängigkeit von der Wärmefläche bei gleicher Strahlungstemperatur und verschiedenem Abstand der Rohre in der Kreisreihe. Hierbei sind die auf der Abszisse aufgetragenen, in Prozent - dargestellten Größen der Wärmefläche bezogen auf den Abstand längs der Strömungsbahn des Kohlenwasserstoffes von der Stelle, bei der er in die Rohrreihe eintritt (Null) bis zu der Stelle, an der er die Rohrreihe verläßt (ion).
• In dem Kurvenbild der Fig. 4 ist eine gleichbleibende Ofentemperatur angenommen, und die Temperaturen des innerhalb der Rohrreihe strömenden Kohlen- wasserstoffes sind auf der Länge der Strömungsbahn an den mit 20, 40, 60, 80 und 100 bezeichneten verschiedenen Weglängen gemessen. Die gesamte Rohrreihe (100 0/o) ist eingeschaltet, wenn dieEndtemperatur gemessen wird. Es ist also bei dem Kurvenbild angenommen, daß die Rohrreihe mit den an ihren Enden verbundenen Rohren ein langes Rohr bildet und daß die Temperatur des in dem Rohr strömenden Kohlenwasserstoffes an Stellen gemessen wird, die 20, 40°/o usw. der Rohrlänge entsprechen.
• Kurve A zeigt die Verhältnisse, wenn ein Abstand von vier Rohrdurchmessern über die gesamte Rohrreihe vorhanden ist. Kurve C zeigt die Verhältnisse bei einem Abstand von durchweg zwei Rohrdurchmessern zwischen den Rohren, und Kurve B zeigt die Verhältnisse, wenn die Rohre erfindungsgemäß in unterschiedlichen Abständen voneinander in der Reihe liegen.
• Bei einem Abstand von zwei Rohrdurchmessern (Kurve C) liegt die Höchsttemperatur für eine bestimmte Wärmemenge weit unter der Temperatur, die erhalten wird, wenn ein Abstand von vier Rohrdurchmessern (Kurve A) zur Anwendung gelangt.
• Letzteres ist aber unter anderem deshalb nachteilig, weil für die gleiche Kapazität der Rohrreihe, wie sie ein Ofen mit einem Abstand von durchweg zwei Rohrdurchmessern aufweist, eine wesentliche Vergrößerung der Ofengröße notwendig ist.
• Durch einen stufenförmigen Abstand von zwei Durchmessern auf vier Durchmesser (Kurve B) kann annähernd die gleiche Temperatur erhalten werden, wie bei allen mit dem Abstand von vier Durchmessern.
• Gleichzeitig liegt der Raumbedarf (Größe des Ofens) nicht wesentlich höher als bei einem Ofen mit einem Abstand von zwei Durchmessern zwischen den Rohren.
• Dies ist einer der Vorteile, der durch die erfindungsgemäß ungleiche Abstandssetzung erhalten wird.
• Durch einen größeren als normalen Abstand der Rohre wird eine bessere Absorption der strahlenden Wärme auf der gesamten Umfangsfläche der Rohre erzielt, indem die Wärmeübertragung durch den hinteren Abschnitt des Rohrumfanges erhöht wird, der keine wesentliche direkte Strahlung von der Flamme erhält, sondern nur die Wärmemenge aufnimmt, die von dem hinter den Rohren liegenden feuerfesten Wandabschnitt zurückgestrahlt wird.
• Im normalen Betrieb haben die in dem strahlenden Abschnitt des Ofens liegenden Rohre einen Abstand - von Rohrmitte zu Rohrmitte gerechnet - von I,75 bis 2,25 Rohrdurchmessern. Unter diesen Verhältnissen schwankt bei einem Abstand von beispielsweise zwei Durchmessern die relative Wärmeintensität oder »Wärmeflußverteilung« zwischen einem an der Vorderseite übertragenen Höchstbetrag 1, der durchweg von der direkten Strahlung herstammt, und (bezogen auf den Höchstbetrag 1) 0,34 an der Rückseite,-der durchweg von der Rückstrahlung von den hinter den Röhren liegenden feuerfesten Wänden her--rührt. Zwischenpunkte, die direkte Strahlung und Reflexstrahlung erhalten, nehmen dazwischenliegende Werte auf. Die Durchschnittsintensität längs des gesamten Umfanges für diese Abstandssetzung ist 0,56, wobei die Vorderseite des Umfanges, d. h. die frei liegende Hälfte, 70°/o der Gesamtmenge oder etwa das Doppelte bis Dreifache der abgeschirmten Hälfte aufnimmt. Das Verhältnis von'höchster Intensität zur Durchschnittsintensität ist I,79 Die tbertragungsleistung der abgeschirmten Hälfte des Umfanges und damit des gesamten Umfanges kann durch Erhöhen des zwischen den Rohren bestehenden Abstandes erhöht werden. Wenn der Abstand auf vier Durchmesser erhöht und die gleiche Höchstintensität an der Vorderseite der Rohre vorhanden ist, dann ist die Intensität an der Rückseite o, 63 oder annähernd doppelt so groß wie die Intensität bei einem Abstand von zwei Durchmessern. Die Durchschnittsintensität ist 0,77, von der die frei liegende Hälfte 58 01o aufnimmt, oder nur das I,37fache der abgeschirmten Hälfte, und das Verhältnis von Höchstintensität zu Durchschnittsintensität beträgt 1,3.
• Bei einem Abstand von vier Durchmessern und der gleichen Höchstintensität an der Vorderseite ist der gesamte Rohrumfang 37 01o leistungsfähiger als bei einem Abstand von zwei Durchmessern.
• Tabelle I zeigt zwei Beispiele der Wirkung der Abstandssetzung auf die Absorption strahlender Wärme Mit den in Reihe A gegebenen Werten als Grundlage zeigt Reihe B-I, daß mit der gleichen Strahlungsintensität, d. h. 8in36 Kilokalorienim2,,Std. an der Vorderfläche, die Rohre mit einem Abstand von vier Durchmessern eine durchschnittliche Absorptionsgröße von 38 239 Kilokalonenlm2/Std. der Umfangsfläche gegen 27933 bei einemAbstandvon zweiDurchmessern haben. Wenn die Durchschnittsweite der frei liegenden Hälfte des Umfanges und nicht die Höchstintensität an der Vorderseite der bestimmende Faktor ist, dann haben, wie Spalte B-2 zeigt, für den an der frei liegenden Hälfte vorhandenen gleichen Durchschnitt von In 526 Kilokalorien/m2/Std. die Rohre bei einem Abstand von vier Durchmessern Durchschnittswerte für den gesamten Umfang von 33 628 Kilokalorienl m2/Std. oder 20°/o mehr als bei einem Abstand von zwei Durchmessern (Spalte A) und erreichen diese höheren Ergebnisse mit einer geringeren Strahlungsintensität (67 800 gegenüber 8I I36), niedrigeren Restgastemperatur (760° gegenüber 793°) und geringeren Höchstintensität (43 663 gegenüber 49 goo). Das durch Vergleich der Spalte A mit der Spalte B-2 sich ergebende Verhältnis ist besonders wichtig bei Gasbehandlungen oder Pyrolysen, die bei höherer Temperatur durchgeführt werden, und bei denen höhere Werte für die Absorption der Umfangsfläche am Ende der Rohrreihe erforderlich sind, wobei aber bei normalem Rohrabstand eine höhere Höchstintensität erhalten wird als die Legierung, aus der die Rohre bestehen, mit Sicherheit vertragen kann.
• Die Werte der Tabelle I gelten, wenn die Absorptionsgrößen strahlender Wärme über die gesamte Reihe weg gleichförmig sind und alle'Rohre der Reihe die gleiche Temperatur haben. In den meisten Fällen erhöhen sich jedoch die Metalltemperaturen vom Einlaß, zum Auslaß. Bei den meisten Anwendungen soll eine immer höher werdende Wärmeleistung nach dem Ende der Rohrreihe zu stattfinden, um die höheren Wärmeerfordernisse je Grad Temperaturanstieg des erwärmten strömenden Mediums zu kompensieren.
• Tabelle II zeigt die Wirkung des erhöhten Abstandes bei steigenden Metalltemperaturen. Die Tabelle zeigt, daß mit der gleichen Strahlungsintensität von 67 800 Kilokalorien/m2/Std. der wirksamen Gleiche durch Erhöhen des Abstandes von zwei Durchmessern auf drei Durchmesser die gesamte Wärmeübertragung der strahlenden Wärme um etwa 23% erhöht werden kann, selbst wenn die Metalltemperatur der Rohre bei einem vergrößerten Abstand 537° beträgt. Wenn der Abstand auf vier Durchmesser erhöht wird, dann können die Werte um 37 0/o über die Werte eines Abstandes von zwei Durchmessern erhöht werden, selbst wenn die Temperatur des Metalls der Rohre mit einem Abstand von vier Durchmessern von 426 auf 648° steigt.
• Die obigen Angaben zeigen, daß eine allmähliche puder stufenweise Abstandsänderung über die gesamte Rohrreihe verwendet werden kann, um die Bedürfnisse jedes Verfahrens mit nach dem Ende der Rohrreihe notwendigen steigenden oder abnehmenden Wärmeforderungen zu befriedigen oder, wie Tabelle I zeigt, die Höchstintensität der auf die Rohre einwirkenden Wärme zu vermindern, während gleiche oder höhere Durchschnittswerte der Wärmeleistungen erhalten werden. Dieser letzterwähnte Vorteil ist besonders wertvoll für die Wärmebehandlung von flüssigen oder dampfförmigen Stoffen bei höheren Temperaturen, z. B. bei der Herstellung von Äthylen aus Äthan oder einem Gemisch aus Äthan und Propan, oder bei der Überhitzung von wärmetragenden strömenden Medien auf hohe Temperaturen, bei der die höchstzulässige Wärmeintensität den begrenzenden Faktor für die Temperatur bildet, der die Rohrlegierung ohne Gefahr ausgesetzt werden kann.
• In einigen Fällen kann es erforderlich sein, am Einlaßende einer Rohrreihe oder einer Reihe von Rohren einen größeren Abstand vorzusehen und dann den Abstand nach dem Auslaßende der Rohre zu vermindern.
• Tabelle I Absorptionsgrößen strahlender Wärme (A für einen Abstand von zwei D, B für einen Abstand von vier D, wobei D der Außendurchmesser der Rohre ist).

  @ A B-1 B-2

  I. Strahlungsintensität (Kilokalorienim2iStd.) an der

  wirksamen Reihenfläche (Vorderfläche oder Rohre) @ 81 81 I36 8I 136 67 800

  2. Flammentemperatur OC ................. I . 1850 1850 1850

  3. Metalltemperatur ° . . . . . . .............. 426 426 426

  4. Restgastemperatur o C ................ ....... 793 793 760

  5. Absorption (Kilokalorien/m2/Std.) der Umfangs-

  fläche...................... 27.933 38 239 33 628

  6. Höchstintensität (Kilokalorien/m2/Std.) ................. 49 900 49 900 43 663

  7. Absorption der frei liegenden Hälfte (Kilokalorien/

  m2/Std.) ; 19 526 22 238 19 526

  8. Absorption der abgeschirmten Hälfte ................. 8 407 I6 ooo 14 100

  Tabelle II Wirkung des Abstandes auf die Absorptionsgrößen strahlender Wärme

  A B C

  1. Abstand

  (D-Außendurchmesser der Rohre) ............. 2 D 3 D 4 D

  2. Strahlungsintensität (Kilokalorien/m2/Std.) an der

  wirksamen Reihenfläche ...................... 67 800 67 800 67 800

  3. Flammentemperatur 0 ................. t I 850 1 850 I 850

  4. Metalltemperatur ° . . . . . . . . . . . . . . . . ......... 426 537 648

  5. Absorption (Kilokalorien/m2/Std.) der Umfangs-

  fläche .............. .............. 24680 30 374 33 628

  6. Erhöhung in 01o über A A ............ ........... 0 23 37

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE: I. Zylindrischer, feuerfest ausgekleideter Vertikalofen mit einer einzigen Kreisreihe koaxial und von der-Auskleidung auf Abstand angeordneter, miteinander verbundener lotrechter Rohre (15, I7 bis 23) zur Aufnahme der zu erwärmenden Flüssigkeiten oder Dämpfe, deren Erwärmung mittels einer langgestreckten Mittelflamme durch Strahlung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre in ungleichen Abständen voneinander in der Reihe liegen.
2. 2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre hinter dem Einlaßrohr (I5) dichter auf Abstand stehen als vor dem Auslaßrohr (23).
3. 3. Ofen nach Anspruch I oder 2, gekennzeichnet durch unterschiedliche Abstände von eineinhalb bis sieben, vorzugsweise von zwei bis vier Rohrdurchmessern zwischen den Rohren.
4. 4. Ofen nach Anspruch I bis 3, gekennzeichnet durch die Anordnung der Rohre in mehreren Gruppen mit innerhalb jeder Gruppe gleichen, von Gruppe zu Gruppe verschiedenen Abständen.
5. 5. Ofen nach Anspruchs bis 4 gekennzeichnet durch einen oberhalb des Heizraums (8) befindlichen Vorwärmer (5) mit einer Kreisreihe in gleichem Abstand voneinander stehender Rippenrohre.
6. 6. Ofen nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine einen ringförmigen Durchlaßkanal bildende zylindrische Wand (IIa) im Vorwärmer.