EP0851999B1 - Thermischen crackanlagen nachgeschalteter rohrbündel-wärmeübertrager, verfahren zur beschichtung einer rohrplatte und verwendung einer stampfmasse - Google Patents

Thermischen crackanlagen nachgeschalteter rohrbündel-wärmeübertrager, verfahren zur beschichtung einer rohrplatte und verwendung einer stampfmasse Download PDF

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Description

Die Erfindung betrifft einen thermischen Crackanlagen nachgeschalteten Rohrbündel-Wärmeübertrager (RWÜ) mit einem zwischen zwei Rohrplatten gehaltenen Rohrbündel von Wärmeaustauscherrohren, ein Verfahren zur Beschichtung einer Rohrplatte sowie die Verwendung einer Stampfmasse.
Derartige RWÜ werden beispielsweise in Ethylenanlagen zur Erzeugung von Ethylen durch thermisches Spalten abstromseitig einer Transferleitung eines Spaltofens eingesetzt und als Spaltgaskühler bezeichnet.
Spaltgaskühler müssen außerordentlich hohen Anforderungen an die Konstruktion und die Materialeigenschaften genügen. Das durch Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen wie Naphtha, Schwerbenzin oder auch Ethan aus dem Spaltofen austretende heiße Reaktionsgemisch (ca. 850 ° C) muß in den Spaltgaskühlern rasch gekühlt werden, um unerwünschte Nebenreaktionen zu vermeiden. Der Spaltgaskühler bzw. RWÜ dient als Abhitzekessel, in welchem durch Verdampfung von mantelseitig geführtem Speisewasser Hochdruckdampf erzeugt wird.
Das aus dem Spaltofen mit hoher Geschwindigkeit kommende Spaltgas tritt üblicherweise über eine die Transferleitung in einen axial angeordneten Haubenstutzen von unten in den Spaltgaskühler ein und trifft auf die untere Rohrplatte, um nach Durchgang durch die Wärmeaustauscherrohre des Spaltgaskühlers einer Ölwäsche und der weiteren Aufarbeitung zugeführt zu werden.
Das Spaltgas enthält trotz kurzer Verweilzeiten und hoher Geschwindigkeiten von etwa 300 m/s bereits Kokspartikel, die bei diesen Geschwindigkeiten stark erodierend wirken. Apparatebaulich ist es praktisch nicht möglich, alle Innenrohre des Spaltgaskühlers gleichmäßig zu beaufschlagen. Die zentralen Bereiche der Bodenplatte und auch die im Bereich der Kernzone angeordneten Rohre werden demgemäß stärker erodiert als die peripheren Bereiche.
Aus der EP-A-0 567 674 sind Wärmetauscher zum Kühlen von in einer Kohlevergasungsanlage erzeugtem Synthesegas bekannt, bei der die gaseintrittseitige Rohrplatte mit einer keramischen Schicht aus einzelnen, nebeneinander angeordneten, an den Außenkanten aneinanderstoßenden quaderförmigen Tüllen besteht, wobei jede Tülle eine konische Öffnung aufweist, die sich in einen Rohrabschnitt verengt, der in ein Wärmeaustauscherrohr hineinragt. Diese Lösung stellt keinen gasdichten Abschluß zwischen den einzelnen quaderförmigen Elementen her. Dies würde in Spaltgaskühlern einer Olefinanlage zu Koksbildung in den Zwischenräumen führen und die Materialien zerstören. Des weiteren würden die Enden der verwendeten Tüllen eine Abrißkante im Rohr bilden, was bei den in Spaltgaskühlern gefahrenen Strömungsgeschwindigkeiten von etwa 300 m/s starke Verwirbelungen mit der Folge von zusätzlichen Erosionen hervorrufen würde.
In der DE-C-44 04068 wird eine keramische Verkleidung offenbart, die aus feuerfesten Formkörpern gebildet wird. Diese können beispielsweise sechseckig sein und sind mit Lochungen versehen, durch die an der Unterseite des Rohrbodens angeschweißte Stifte oder Haken hindurchgreifen können. Der Formkörper wird auf diese Weise am Rohrboden aufgehängt. Eine fugenlose Beschichtung wird mit dieser Konstruktion nicht erreicht.
Des weiteren ist bekannt, in einem Reaktor installierte Kühlrohre mit einer erosionshemmenden feuerfesten Beschichtung auszurüsten (vgl. US 4 124 068), um das Risiko eines Rohrversagens und das Eindringen von Kühlwasser in das umgebende Reaktionsgemisch bei erhöhter Temperatur zu vermindern.
Dem Problem einer wesentlich stärkeren Anströmung und Beanspruchung der Kernzone im Vergleich zu den Randzonen ist versucht worden u. a. durch kegelförmige Einbauten (vgl. US-PS 35 52 487) oder durch diffusorartige Umlenkvorrichtungen ohne Einbauten (vgl. DE-PS 21 60 372) in den Haubenstutzen zu begegnen.
Ferner ist vorgeschlagen worden, sowohl zur Vergleichmäßigung der Durchströmung des eintrittseitigen Haubenstutzens als auch zum Schutz der Rohrplatte vor Erosion den RWÜ mit Einbauten aus Stäben, die zu Ringen gebogen sind, zu versehen, wobei die Ringe entlang der Oberfläche eines Kegels angeordnet sind, dessen Spitze zu dem Gaseintritt gerichtet ist (vgl. EP 0 377 089 A1).
Hierdurch sollen die von dem mit hoher Geschwindigkeit strömenden Gas im Bereich der Kernströmung mitgeführten Kokspartikel abgebremst und teilweise radial nach außen gelenkt werden, so daß sie nicht mehr zu Erosionsschäden an der Rohrplatte und den Rohren führen. Auf der anderen Seite ist mit derartigen Einbauten ein unerwünschter Differenzdruck und durch entsprechende Verweilzeiterhöhung ein Ausbeuteverlust verbunden.
Die Erfindung geht einen anderen Weg, indem durch eine Verstärkung der Bodenplatte ein wirksamer Erosionsschutz angestrebt wird. Die Erosionen an der unteren Rohrplatte machten periodische Abstellungen der Spaltgaskühler erforderlich, wobei man sich so beholfen hat, die Bodenplatten durch Auftragsschweißung wieder auf die erforderliche Wanddicke zu bringen. Dieses Verfahren ist aufwendig und kann hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit des mittels Auftragsschweißung aufgebrachten Materials ebenfalls nicht zufriedenstellen. Erschwerend kommt bei Spaltgaskühlern hinzu, daß die Bodenplatte nicht nur wie eine Prallplatte wirkt und somit besonderer Erosion ausgesetzt ist, sondern gleichzeitig relativ dünn sein soll, um eine möglichst niedrige Grenzflächentemperatur erzielen zu können. Dies ist aus apparatebaulichen Gründen wünschenswert und auch deshalb von Vorteil, weil die eintretenden Gase möglichst schnell abgekühlt werden sollen, ohne vorher unerwünschte Nebenreaktionen einzugehen.
Zur Behebung der genannten Nachteile wird ein Rohrbündel-Wärmeübertrager gemäß Anspruch 3 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausführungsformen werden durch die abhängigen Ansprüche 4 bis 7 wiedergegeben.
Die Beschichtung kann mit einer Stärke von 10 bis 50, vorzugsweise 15 bis 30 mm ausgeführt werden.
Zur besseren Haftung der Stampfmasse bzw. der Beschichtung können auf die Rohrplatte Anker, vorzugsweise in V-, T-, S- oder Y-Form, insbesondere mit einem Durchmesser von etwa 5 mm oder eine Blechkonstruktion in Wabenstruktur, vorzugsweise mit einer Höhe von 5 bis 10 mm, aufgeschweißt werden.
Derartige Anker sind als ECO-VINs für verschiedene Auskleidungsstärken in auf Stahlblech geschweißten Auskleidungen mit Hintermauerung in feuerungstechnischen Anlagen bekannt, wobei zur besseren Verankerung der Stampfmasse die Schenkel des Ankers auf etwa 60 °C aufgebogen werden können. Die Anker können in ungespreizter oder in gespreizter Ausführung auf die untere Rohrplatte aufgeschweißt werden.
Die Beschichtung mit der Stampfmasse aus einem chemisch gebundenen, gegen Erosion widerstandsfähigen Feuerfestmaterial wird entweder von Hand oder für größere Flächen durch Spritzen aufgebracht und manuell, beispielsweise mittels Flachstahl und Hammer, oder mittels maschineller Werkzeuge verdichtet.
Als Stampfmassen, gelegentlich auch als Rammassen bezeichnet, werden überwiegend aus anorganischen Rohstoffen bestehende, chemisch abbindende Massen eingesetzt. Das Abbinden erfolgt in Gegenwart von Luft. Wesentlicher Rohstoff ist beispielsweise Korund. Eine typische Zusammensetzung derartiger Massen ist beispielsweise 85 Gewichtsprozent Al2O3, 7 Gewichtsprozent SiO2, 0,3 Gewichtsprozent Fe2O3, 3,1 Gewichtsprozent MgO, 4,5 Gewichtsprozent P2O5 und 0,1 Gewichtsprozent Alkalien (cirka-Werte). Die maximale Korngröße der einzelnen Bestandteile sollte 4 mm nicht überschreiten. Zur Verarbeitung bzw. zur Herstellung der Stampfmasse wird dieses anorganische Gemisch mit Wasser angemacht und anschließend verarbeitet. Nach dem Auftragen der Stampfmasse läßt man diese üblicherweise mindestens 24 Stunden abbinden. Danach erfolgt das Trocknen bzw.
Einbrennen. Hierzu läßt man ca. 6 Stunden Warmluft mit einer Temperatur von 150 bis 200 Grad über der Stampfmasse zirkulieren um danach die Temperatur innerhalb von höchstens 4 Stunden auf etwa 350 ° C zu steigern. Je nach Betriebstemperatur und eventuell zugegebenen Zuschlägen wie Stahlnadeln liegt die Wärmeleitfähigkeit der abgebundenen Stampfmasse bzw. der Beschichtung zwischen 1,5 und 3,5 W/mK. Der Abrieb dieser Beschichtung beträgt weniger als 8 cm3 (nach ASTM C-704)
Als Stampfmasse geeignet ist beispielsweise RESCO-CAST, ein Produkt der RESCO Products Inc. Andere im Handel befindliche geeignete Produkte sind das als Rammasse bezeichnete PLIRAM Cyclone-Mix D der Plibrico GmbH. Die genannten Produkte sind aus der Praxis z. B. zur Innenauskleidung von FCC- (Fluid-Catalytic-Cracker) -Anlageteilen bekannt. Es werden solche Anlagenteile ausgekleidet, in denen sich der fluicisierte FCC-Katalysator be Temperaturen von etwa 750 ° C mit einer Geschwindigkeit von 20 bis 30 m/s bewegt. Es gibt jedoch keinen Hinweis darauf, daß die genannten Stampfmassen zu Ausführung des Erfindungsgegenstandes geeignet sind. Vielmehr mußten die Vorbehalte überwunden werden, daß unter den speziellen Bedingungen in einem Spaltgaskühler die Beschichtung nicht hält und in den Spaltgasofen fällt und so zu Betriebsabstellungen führt. Der Grund für diese Vorbehalte ist, daß befürchtet werden mußte, daß sich zwischen Bodenplatte und Beschichtung bzw. in Rissen der Beschichtung ähnlich wie bei Ausmauerungen mit keramischen Formteilen Schichten aus aufwachsendem Koks bilden, der letztendlich die Beschichtung absprengen würde.
Unter anderem um die Temperaturwechselbeständigkeit der Beschichtung unter den gegebenen hohen Anforderungen zu verbessern, können der Stampfmasse z. B. Stahlnadeln oder gewellte Stahlfasern (C-Mix) vorzugsweise mit einem Mengenanteil von 1 bis 2 Gew.-%, zugesetzt werden.
Bei einem RWÜ der eingangs genannten Art mit einem zwischen zwei Bodenplatten gehaltenen Rohrbündel erweitert sich üblicherweise der Durchmesser der Transferleitung vom Spaltofen kommend auf den Durchmesser der Rohrplatte in Form eines Haubenstutzens.
Bei einer solchen Konstruktion braucht im Prinzip nur der Kernbereich in der Mitte der Rohrplatte mit der Beschichtung versehen zu werden. Durch Aufbringen der erosionsschützenden Beschichtung können sowohl neue noch nicht im Einsatz gewesene Bodenplatten als auch durch Auftragsschweißung wieder auf die erforderliche Wanddicke gebrachte Bodenplatten erfindungsgemäß ausgerüstet werden.
Die Erfindung betrifft des weiteren ein Verfahren zur Beschichtung einer Rohrplatte in einem RWÜ gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Hierzu werden auf der eingangseitigen Rohrplatte die Rohröffnungen mit Stopfen verschlossen. Diese Stopfen ragen mindestens in Höhe der Schichtdicke der aufzubringenden Beschichtung aus den Rohren heraus. Anschließend wird die Stampfmasse aufgebracht. Dies kann manuell mittels Spachtel und Kelle erfolgen oder auch durch Aufspritzen. Danach erfolgt ein mechanisches Verdichten der Stampfmasse z. B. durch mittels Flacheisen übertragene Hammerschläge. Nach dem Abbinden der Stampfmasse von üblicherweise mindestens 24 Stunden werden die Stopfen entfernt und die Stampfmasse ggfs. getrocknet bzw. eingebrannt.
Die beschriebenen Stampfmassen sind zum Beschichten von Bodenplatten in thermischen Crackanlagen nachgeschalteten Rohrbündel-Wärmeübertragern bestens geeignet.
Das Aufbringen einer Beschichtung auf eine Bodenplatte eines Spaltgaskühlers einer Ethylenanlage wird nachfolgend weiter ins Einzelne gehend beschrieben, wobei die gewählten Vorgehensweisen für das Aufbringen, die genannten Materialien und der spezielle Anwendungsfall bei einem Spaltgaskühler nicht einschränkend sondern im Sinne eines Ausführungsbeispiels verstanden sein sollen.
Ausführungsbeispiel
Auf eine Bodenplatte werden V-Anker oder ECO-VIN Anker mit in den Figuren 1 und 2 der Zeichnung dargestellter Ausführungsform aus einem austenitischen Stahl (1.4841) aufgeschweißt. Die Innenrohre des RWÜ werden durch konische Holzstopfen verschlossen, so daß die Stampfmasse sowohl an den Ankern als auch an den Stopfen Halt findet. Die aus PLIRAM Cyclone-Mix D bestehende Stampfmasse wird mit 2 Gew.-% gewellten Stahlfasern C-Mix 25 (Material 1.4841) versetzt.
Das Aufbringen der Stampfmasse erfolgt manuell mittels Spachtel und Kelle. Die aufgebrachte Stampfmasse wird anschließend sektionsweise durch mittels Flacheisen übertragene Hammerschläge zu einer lunkerfreien Beschichtung verdichtet. Nach einer Abbindezeit von ca. 25 Std. bei normaler Außentemperatur werden die konischen Holzstopfen wieder entfernt.
Die Trocknung der Stampfmasse und das anschließende Einbrennen erfolgt gemäß einer vorgegebenen Temperaturkurve nach Herstelleranweisungen.
Hierbei zeigt Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Rohrboden in der Draufsicht (von unten betrachtet).
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen Spaltgaskühler mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung im Bereich der Bodenplatte.
Durch das Aufbringen der Beschichtung können auch stark vorgeschädigte Bodenplatten vor weiterer Erosion geschützt werden. Zwar unterliegen auch die erfindungsgemäß ausgerüsteten Bodenplatten einer Erosion durch Kokspartikel. Im Vergleich zu dem ungeschützten metallischen Material der Bodenplatte ist die Erosion erfindungsgemäß beschichteter Bodenplatten deutlich langsamer, so daß sich eine verbesserte Verfügbarkeit der entsprechenden Anlagenteile ergibt. Im übrigen ist bei Verschleiß eine Entfernung und erneute Aufbringung der erfindungsgemäßen Beschichtung möglich.
Aufgrund der guten wärmeisolierenden Eigenschaft der Beschichtung wird auch das eingangs geschilderte Problem der Grenztemperatur entschärft. Daraus ergibt sich als weiterer Vorteil, daß die metallene Bodenplatte nicht mehr so dünn sein muß, sondern stärker ausgeführt werden kann. Aufgrund der dadurch erreichten konstruktiven Stabilisierung kann zumindest teilweise auf die bei dünnen Bodenplatten zur Stabilisierung notwendigen Zuganker verzichtet werden.

Claims (8)

  1. Verfahren zur fugenlosen Beschichtung einer Rohrplatte in einem thermischen Crackanlagen nachgeschalteten Rohrbündel-Wärmeübertrager durch
    Verschließen der durch die Rohrplatte gehaltenen Wärmeaustauscherrohre mit Stopfen, die nach dem Verschließen mindestens in Höhe der Schichtdicke einer aufzubringenden Beschichtung überstehen,
    Aufbringen einer chemisch abbindenden Stampfmasse zum Beschichten der Rohrplatte,
    mechanisches Verdichten der Stampfmasse,
    Abbindenlassen der Stampfmasse,
    Entfernen der Stopfen und
    ggfs. Einbrennen der Stampfmasse.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Stampfmasse eine wabenförmige Blechkonstruktion oder Anker auf die Rohrplatte aufgeschweißt werden.
  3. Thermischen Crackanlagen nachgeschalteter Rohrbündel-Wärmeübertrager (RWÜ) mit einem zwischen zwei Rohrplatten gehaltenen Rohrbündel von Wärmeaustauscherrohren, und einer erosionsbeständigen feuerfesten, die Öffnungen der Wärmeaustauscherrohre freilassenden Beschichtung der eingangsseitigen Rohrplatte auf der dem anströmenden Gas zugewandten Seite, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus einer chemisch abbindenden Stampfmasse besteht, die nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 aufgebracht ist.
  4. Rohrbündel-Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus der abgebundenen Stampfmasse eine Dicke von 10 bis 50, vorzugsweise 15 bis 30 mm aufweist.
  5. Rohrbündel-Wärmeübertrager nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren Haftung der Stampfmasse auf der Rohrplatte auf diese eine wabenförmige Blechkonstruktion oder Anker, vorzugsweise in V-, T-, S- oder Y-Form, aufgeschweißt sind.
  6. Rohrbündel-Wärmeübertrager nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Stampfmasse gewellte Stahlfasern enthalten sind.
  7. Rohrbündel-Wärmeübertrager nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch eine Eintrittskammer, die sich von dem Durchmesser der von der thermischen Crackanlage kommenden Transferleitung auf den Durchmesser der eingangsseitigen Rohrplatte erweitert.
  8. Verwendung einer chemisch abbindenden Stampfmasse zum Beschichten von Bodenplatten in thermischen Crackanlagen nachgeschalteten Rohrbündel-Wärmeübertragern gemäß Anspruch 3.
EP96931808A 1995-09-20 1996-09-14 Thermischen crackanlagen nachgeschalteter rohrbündel-wärmeübertrager, verfahren zur beschichtung einer rohrplatte und verwendung einer stampfmasse Expired - Lifetime EP0851999B1 (de)

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