EP3606657A1 - Rohr und vorrichtung zum thermischen spalten von kohlenwasserstoffen - Google Patents

Rohr und vorrichtung zum thermischen spalten von kohlenwasserstoffen

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Publication number
EP3606657A1
EP3606657A1 EP18721694.0A EP18721694A EP3606657A1 EP 3606657 A1 EP3606657 A1 EP 3606657A1 EP 18721694 A EP18721694 A EP 18721694A EP 3606657 A1 EP3606657 A1 EP 3606657A1
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EP
European Patent Office
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grooves
longitudinal axis
tube
aqv
groove
Prior art date
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Pending
Application number
EP18721694.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dietlinde Jakobi
Steffen Alexander Heyland
Jörg Dietmar Weigandt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schmidt and Clemens GmbH and Co KG
Original Assignee
Schmidt and Clemens GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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Priority claimed from EP17000601.9A external-priority patent/EP3384981B1/de
Application filed by Schmidt and Clemens GmbH and Co KG filed Critical Schmidt and Clemens GmbH and Co KG
Publication of EP3606657A1 publication Critical patent/EP3606657A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/06—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds in tube reactors; the solid particles being arranged in tubes
    • B01J8/062—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds in tube reactors; the solid particles being arranged in tubes being installed in a furnace
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G9/00—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils
    • C10G9/14—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils in pipes or coils with or without auxiliary means, e.g. digesters, soaking drums, expansion means
    • C10G9/16—Preventing or removing incrustation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/2415—Tubular reactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G45/00—Refining of hydrocarbon oils using hydrogen or hydrogen-generating compounds
    • C10G45/02—Refining of hydrocarbon oils using hydrogen or hydrogen-generating compounds to eliminate hetero atoms without changing the skeleton of the hydrocarbon involved and without cracking into lower boiling hydrocarbons; Hydrofinishing
    • C10G45/24—Refining of hydrocarbon oils using hydrogen or hydrogen-generating compounds to eliminate hetero atoms without changing the skeleton of the hydrocarbon involved and without cracking into lower boiling hydrocarbons; Hydrofinishing with hydrogen-generating compounds
    • C10G45/26—Steam or water
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    • C10G9/20—Tube furnaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10G9/34—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils by direct contact with inert preheated fluids, e.g. with molten metals or salts
    • C10G9/36—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils by direct contact with inert preheated fluids, e.g. with molten metals or salts with heated gases or vapours
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/40—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/08—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of metal
    • F28F21/081—Heat exchange elements made from metals or metal alloys
    • F28F21/082—Heat exchange elements made from metals or metal alloys from steel or ferrous alloys
    • F28F21/083—Heat exchange elements made from metals or metal alloys from steel or ferrous alloys from stainless steel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
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    • F28F13/02—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by influencing fluid boundary
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    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing

Definitions

  • the invention relates to a tube for the thermal cracking of hydrocarbons in the presence of steam, in which the feed mixture is passed through externally heated tubes. Furthermore, the invention relates to a device for the thermal cracking of hydrocarbons.
  • tube furnaces For the high-temperature pyrolysis of hydrocarbons (petroleum derivatives), tube furnaces have proven in which a hydrocarbon / water vapor mixture at temperatures above 750 ° C by rows of single or meandering pipes (cracking tubes) made of heat-resistant nickel-chromium-iron alloy with high oxidation and / or scale resistance and high carbon build-up resistance.
  • the coils consist of vertically or horizontally extending straight pipe sections, which are connected to each other via U-shaped pipe bend or arranged parallel to each other. They are usually heated with the help of sidewall and / or with the help of floor burners and therefore have a burner facing so-called sunny side and the opposite by 90 ° offset, that is in the direction of the rows of tubes so-called shadow side.
  • the mean tube wall temperatures (TMT) are sometimes over 1000 ° C.
  • the life of the cracking pipes depends very much on the creep resistance and the carburization resistance as well as on the coking speed of the cracking pipes From pipe material. Decisive for the rate of coking, that is for the growth of a layer of carbon deposits (pyrolysis) on the pipe inner wall are in addition to the type of hydrocarbons used, the gap gas temperature in the inner wall and the so-called CrackJrfe, behind the influence of the system pressure and residence time in the pipe system on the
  • the gap sharpness is set on the basis of the mean outlet temperature of the cracked gases (eg 850 ° C). The higher the gas temperature in the vicinity of the tube inner wall is above this temperature, the greater the growth of the pyrolysis coke layer, the insulating effect of which further raises the tube wall temperature.
  • the carbon diffuses at defects of the oxide layer into the pipe wall and leads there to a considerable carburizing, which can go up to carbon contents of 1% to 3% in wall depths of 0.5 mm to 3 mm. Associated with this is a significant embrittlement of the pipe material with the risk of cracking during thermal cycling especially when starting and stopping the furnace.
  • US Pat. No. 5,950,718 also discloses a whole spectrum of inclination angles and also distances between the inner ribs, without, however, considering the nature of the ribs.
  • EP 1 525 289 B9 discloses a finned tube for the thermal cracking of hydrocarbons, which has inclined, helically extending inner fins relative to the tube axis.
  • a nickel-chromium-iron alloy with high oxidation and carburization resistance, creep rupture strength and creep resistance is composed of 0.4% to 0.6% carbon, 28% to 33% chromium, 15% to 25% iron , 2% to 6% aluminum, to 2% silicon, to 2% manganese, to 1, 5% niobium, to 1, 5% tantalum, to 1, 0% tungsten, to 1, 0% titanium, to 1, 0 % Zirconium, up to 0.5% yttrium, up to 0.5% cerium, up to 0.5% molybdenum, up to 0.1% nitrogen, remainder nickel including melting-related impurities.
  • the invention has the object to improve the efficiency of the thermal cracking of hydrocarbons in tubular ovens with externally heated tubes.
  • the groove depth TT of the grooves which, in the cross-section perpendicular to the longitudinal axis, in each case correspond to the smallest distance between the circle and the through-hole diameter Di, on which the inner surface lies and whose center lies on the longitudinal axis, and which corresponds to the farthest point of the groove bottom of the groove from the longitudinal axis, is to take into consideration the economy of the thermal cracking of hydrocarbons in tubular ovens with externally heated tubes can be improved.
  • this characteristic can be considered
  • the constant P1 is selected from a range of -0.25 to -0.295, more preferably from a range of -0.287 to -0.2655. Most preferably, the constant P1 is -0.287 or -0.2655.
  • the constant P2 is selected from a range of 310 to 312, more preferably from a range of 310.42 to 31 1, 31.
  • the constant P2 is equal to 310, 42 or 31, 31.
  • the constant P3 is selected from a range of 230 to 1400, more preferably from a range of 261, 21 to 1076. More preferably, the constant P3 is equal to 261, 21 or 1076.
  • the characteristic value used for the design of the pipe according to the invention is determined in the aforementioned relationship as a function of the numerical value
  • the term "numerical value” is understood to mean the dimensionless number of a value of a physical variable composed of the numerical value and the unit of measure.
  • a physical quantity is a quantifiable property of a physical object, process or state. Its value (size value) is given as the product of a numerical value (the measure) and a unit of measure. Since the relations used for the design of the tube according to the invention are dimensionless, the numerical value of the physical quantities is used. To illustrate this, in the description and the claims, the numerical value of a
  • the characteristic value used for the design of the pipe according to the invention is determined in the aforementioned relationship as a function of the numerical value
  • the equivalent diameter is the diameter of the inner surface, which would have a smooth, not grooved pipe whose passage area corresponds to the passage area of the pipe according to the invention.
  • a passage area is in a cross section perpendicular to the longitudinal axis, the free area within the
  • the passage area of the tube according to the invention which is the same as the passage area A Aqv of the smooth tube can thus be expressed exclusively with the features characterizing the tube as follows (also referred to below by formula (1)):
  • the groove depth TT of the grooves which in the cross-section perpendicular to the longitudinal axis in each case the smallest distance between the circle with the diameter Di, on which lies the inner surface and whose center lies on the longitudinal axis, and the farthest point of the groove bottom of the groove from the longitudinal axis can be determined using simple iterations based on this relationship. Any pairing of these four tube characterizing features that satisfies this relationship represents a tube that improves the economics of thermal cracking of hydrocarbons in tubular ovens with externally heated tubes.
  • definitions for individual ones of the four characteristics characterizing the pipe result from rigidity or production restrictions or also from the fact that the pipe must be designed with a specific passage area.
  • a possible maximum weight of the individual pipe resulting from the installation in which the pipe is to be used may result in a restriction for the maximum wall thickness of the pipe, which in turn results in a limitation for the maximum groove depth TT which can be represented from rigidity aspects.
  • Limitations for the wall thickness (and thus for the maximum representable groove depth) can also result from other aspects, for example from the heat transfer to be achieved.
  • Rigidity considerations can also be an upper limit to the number N T in the
  • Inner surface of the tube introduced, helically extending around the longitudinal axis along the inner surface extending grooves in combination with the groove depth TT. If too many grooves are introduced, the stiffness of the pipe can be weakened too much.
  • indexable inserts are used to make the grooves. These indexable inserts are available in specified sizes. If - for economic reasons - one resorts to the already available indexable inserts and dispenses with the possibility - also conceivable - of making indexable inserts specifically for the production of the concrete tube, this also gives specifications for the radius r 2 of the circular arc of the groove bottom in combination with the groove depth TT. It can also be found that a tube with a first number of grooves can be produced more quickly and significantly less expensively than a tube with a second, larger number of grooves in relation to the first number, so that there is also a restriction on the number of grooves results in grooves.
  • the knowledge according to the invention can be used for pipes with a wide range of diameters Di of the inner surface into which the grooves are introduced. Obviously, more grooves with a fixed radius r 2 of the circular arc in the groove bottom of the groove and a defined groove depth TT can be introduced into a tube with a larger diameter Di than into a tube with a smaller diameter Di. In order nevertheless to be able to specify a relationship for all diameters, a standardization was developed in which the actual number of grooves N T in the relationship is no longer used, but the groove density V D.
  • a Aqv is the equivalent diameter calculated from the formula (1) and wherein
  • N ref can be easily determined by the following sequence of steps: In a first step, the right side of the relationship
  • N ref is a natural number
  • the natural number is taken which corresponds to the calculated value if the calculated value is a natural number or the next smaller natural number to the calculated value.
  • Di 60 mm
  • TT 2.05 mm
  • r 2 8 mm
  • N T 8. This yields N ref ⁇ 19.4967769. So we adopted N ref in the first step as 19.
  • a Aqv is calculated with the values of the tube to which it is necessary to check whether it realizes the advantages according to the invention, calculated by the formula (1).
  • the result is an A Aqv of 2963.77397 mm 2 for the stated example values. Consequently, in the second step of the search for N ref, it is checked whether the N ref found in the first step allows an r Nref to be found which satisfies the formula (2) calculated with the thus calculated A Aqv and at the same time fulfills the mentioned secondary conditions.
  • r Nref is the one with any numerical value, for example
  • a WHEN N-THEN check (lf-then-test) that returns the word "FALSE” if the value in the fourth cell is less than zero and otherwise returns the word "TRUE”.
  • the prepared spreadsheet can then be used to start the target value search provided in the spreadsheet program.
  • the target value search asks what the target cell is. For this you enter the third cell. Further, the target value search asks for the target value.
  • the target value search asks for the changeable cell. To do this, you enter the first cell. The target value search will result in a value in the first cell. Is at this value, the content of the fifth cell is "TRUE", then that is found in the first step N ref is the N ref to be used. If the value of the fifth cell is "FALSE”, then the N ref found in the first step is reduced by the number 1 and thus forms a new N ref , with which the second step is carried out again. As a rule, this results in a value in the first cell already at the end of the target value search, to which the word "TRUE" also stands in the fifth cell, so that the new N ref obtained in this way is the N ref to be used.
  • the first step results in an N ref of 19.
  • the target value search with N ref of 19 a r Nref of 29,450,992.
  • the value is -0.07096658, so that in the fifth cell the word "FALSE" is ejected. If one reduces the N ref of 19 by the number 1 to 18 and performs the second step again, the target value search with N ref of 18 results in an r Nref of 29.5192908. However, in the fourth cell, the value 0.10620948 results, so that in the fifth cell, the word "TRUE" is ejected.
  • the tube according to the invention extends along a longitudinal axis and has grooves introduced into its inner surface.
  • the number of grooves present is expressed by the variable N T.
  • the grooves extend helically about the longitudinal axis along the inner surface of the tube. In a preferred embodiment, the grooves are evenly distributed over the circumference of the tube. This means that in a cross section perpendicular to the longitudinal axis for all grooves of the
  • the groove depth is understood as the distance of the deepest point of the groove from the inner surface. This is the shortest in a cross section perpendicular to the longitudinal axis
  • Embodiments of the invention are provided in which the inner surface of the tube is cylindrical and the grooves are introduced into this cylindrical inner surface. Between the grooves then remain parts of the inner surface, forming parts of a cylinder.
  • embodiments are also provided in which the inner surface remaining between two grooves shrinks almost to one line, because the groove mouth (the opening cross section of the groove in the inner surface) is chosen to be very large.
  • the curvature of the surface of the groove of a concave curvature in the groove bottom (a circular arc in
  • Nutzgrund changes into a convex curvature of the surface of the groove in the region of the Nutmunds
  • such embodiments may act as in the circumferential direction of grooves (which would then meant the convexly curved portion of the groove) between the grooves arranged ribs (which thus then the concave curved portion of the groove is meant) connect and merging the groove (better: the concave groove bottom) bounding wall in an outer surface of the rib.
  • the inner surface circle on which yes are the most inwardly disposed parts of the inner surface is, in such embodiments, the circle in the cross section, lie in this cross section, the vertices of the "ribs".
  • the groove depth is expressed by the variable TT in the pipe characterizing relationship found in accordance with the invention.
  • the grooves have in a preferred embodiment in a cross section perpendicular to the longitudinal axis at least in the groove bottom a rounded cross-section, which can preferably be approximated by a circular arc or corresponds to a circular arc.
  • the cross-sectional geometry of the groove can expand in a preferred embodiment, in particular by a change from a concave cross-sectional geometry in the groove base to a convex cross-sectional geometry in the region of the groove mouth.
  • the cross sectional geometry of the entire groove in a cross section perpendicular to the longitudinal axis, can be approximated by a circular arc or corresponds to a circular arc.
  • the groove in a cross section perpendicular to the longitudinal axis the cross sectional geometry of a part has an ellipse.
  • the shape of the cross section of a groove perpendicular to the longitudinal axis remains the same for all cross sections perpendicular to the longitudinal axis.
  • the shape and the size of the cross section of a groove perpendicular to the longitudinal axis for all cross sections perpendicular to the longitudinal axis remains the same.
  • all grooves of the tube in a cross section perpendicular to the longitudinal axis preferably in all cross sections perpendicular to the longitudinal axis of the same shape and particularly preferably the same shape and size. If the grooves have different sizes and in particular different groove depths, the groove depth TT of the deepest groove is used for the pipe characterizing relationship according to the invention.
  • a cross section of the tube is perpendicular to
  • Longitudinal axis rotationally symmetric about the longitudinal axis. By that is meant that it at least one angle between 0 ° and 360 °, around which the cross section of the tube can be imaged by rotation about the longitudinal axis to itself.
  • a cross-section of the tube perpendicular to the longitudinal axis is point-symmetrical about the point occupied by the longitudinal axis in this cross-section.
  • a cross section of the tube perpendicular to the longitudinal axis is mirror-symmetrical about a lying in this cross-section, extending perpendicular to the longitudinal axis axis.
  • the tube has an inside diameter in a cross section perpendicular to the longitudinal axis, which is expressed by the variable Di.
  • the inner diameter is the diameter of the inner surface circle, that is the circle about the longitudinal axis, on which lie the most inwardly disposed, remaining between the grooves parts of the inner surface.
  • the tube cross-section on the inside has a diameter Di in a range of 15 mm to 280 mm, particularly preferably 15 mm to 180 mm, particularly preferably 20 mm to 150 mm and particularly preferably 30 mm to 140 mm.
  • the groove depth TT is in a range of 0.1 mm to 10 mm, particularly preferably from 1, 0 mm to 7 mm and most preferably from 1, 0 mm to 4 mm.
  • the number of grooves N T is in a range from 1 to 100, more preferably from 2 to 50, and most preferably from 2 to 30.
  • the groove density VD is in a range from 1% to 347%, more preferably from 2% to 1 13%, and most preferably from 10% to 105%.
  • the grooves extend at an angle of 20 ° to 40 °, preferably 22.5 ° to 32.5 °, relative to the longitudinal axis.
  • the circular arc segment occupied by a part of the inner surface arranged between two grooves on the inner surface circle is greater than 1% of that of the groove mouth of at least one of the two adjacent to this part of the inner surface.
  • the circular arc segment taken on the grooves on the inner surface circle in particular greater than 2%, in particular greater than 5%, in particular greater than 10%, in particular greater than 30%, in particular greater than 50%, in particular greater than 70%.
  • the circular arc segment occupied by the part of the inner surface arranged between the two grooves on the inner surface circle is equal to or larger than the circular arc segment on the inner surface circle occupied by the groove mouth of at least one of the grooves adjacent to this part of the inner surface.
  • a device according to the invention for the thermal cracking of hydrocarbons in the presence of steam, in which the feed mixture is passed through externally heated tubes, has at least one tube according to the invention.
  • the temperature also homogenizes over the tube cross-section, resulting in a better olefin yield. The reason for this is that without the radial temperature compensation according to the invention inside the tube on the hot tube wall, overcracking and in the middle of the tube would lead to too low reaction conversion.
  • the tube according to the invention can be produced, for example, from a centrifugally cast tube by twisting the ends of a tube with axially parallel grooves, or by forming the inner profile by preforming a centrifugally cast tube, for example by hot forging, hot drawing or cold forming via a profile tool. For example, a flying mandrel or a mandrel with an inner profile of the tube corresponding outer profile is generated.
  • Cutting machines for internal profiling of pipes are known in various variants, for example from German Patent 195 23 280. These machines are also suitable for producing a tube according to the invention.
  • the inner surface of the pipe according to the invention should have the lowest possible roughness; it can therefore be smoothed, for example mechanically polished or electrolytically leveled.
  • nickel-chromium-iron alloys with 0.1% to 0.5% carbon 20% to 35% chromium, 20% to 70% nickel, up to 3% silicon, up to 1% Niobium, up to 5% tungsten and additions of hafnium, titanium, rare earths, or zirconium, in each case up to 0.5% and up to 6% aluminum.
  • the tube is a nickel-chromium-iron alloy having high oxidation and carburization resistance, creep rupture strength and creep resistance
  • the following table indicates possible embodiments of the invention which correspond to the proposed relationship according to the invention.
  • a pairing N T Max and TT min and VD max is specified for a good, but relative to a second pair comprising N T Min and TT M ax and VD min lower heat transfer.
  • the table shows a heat transfer estimated with a simulation program (H min (DAq V , TT min , V MAX) [watt]) for the lower heat transfer; H M ax (D eqv , TT max , VD min ) [watt]) for the further improved heat transfer).
  • the table below shows the values of the various variables of the relationships used according to the invention for the individual tubes.
  • the circular arc in the groove base had a radius r 2 of 8 mm.
  • the tube according to the invention is preferably used for the thermal cracking of hydrocarbons in the presence of steam, in which the feed mixture is passed through externally heated tubes.
  • FIG. 1 is a perspective view of a pipe according to the invention
  • Fig. 2 shows a first possible cross section of a pipe according to the invention in a sectional plane perpendicular to the longitudinal axis of the tube
  • Fig. 3 shows a second possible cross section of a pipe according to the invention in a
  • Fig. 4 is a diagram that for a pair of leading to good results numbers N T of grooves and groove depths and TT for a pairing of further improved results leading numbers N T of grooves and groove depths
  • TT represents the dependence of the heat transfer achieved with this pairing on the inner diameter
  • Fig. 5 shows a cross section through an inventive tube with a groove.
  • the tube 1 according to the invention shown in FIG. 1 extends along a longitudinal axis A and has a number of 3 introduced into the inner surface, helically extending around the longitudinal axis A along the inner surface extending grooves 2.
  • the grooves 2 are introduced into the otherwise cylindrical running inner surface of the tube 1. Between the grooves 2 thus remain parts of the cylindrical inner surface of the tube. 1
  • FIG. 2 shows that the groove depth TT and the diameter Di and the inner surface circle 3 are shown.
  • FIG. 2 also shows that the cross section of the grooves 2 can be represented by a circular arc.
  • the concave grooves in the groove base 4 in the direction of the Nutmund 5 can go into a convex shape and that the remaining between two grooves 2 part of Inner surface almost shrinks to a line.
  • the groove depth TT and the diameter Di and the inner surface circle 3 is located.
  • Fig. 4 shows the values shown in the table for
  • FIG. 5 and the detail Y depicted in FIG. 5 represent the nomenclature of the abbreviations and s used in the claims and this description by way of example in a tube according to the invention with a groove.
  • the external requirement is that the passage area should be that of a 60mm diameter smooth tube. Furthermore, results from the usable for the production of the tube tools manufacturing side the
  • the number 18 is thus to be used as N ref .
  • N T should be chosen such that the relationship

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rohr zum thermischen Spalten von Kohlenwasserstoffen in Anwesenheit von Dampf, bei dem das Einsatzgemisch durch außenbeheizte Rohre geführt wird, wobei das Rohr sich entlang einer Längsachse erstreckt und eine Anzahl NT in die Innenoberfläche des Rohres eingebrachte, sich wendeiförmig um die Längsachse entlang der Innenoberfläche erstreckende Nuten aufweist, die Innenoberfläche, in die die Nuten eingebracht wurden, in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse einen Durchmesser Di und einen Radius r1= Di/2 aufweist, die Nuten in dem Querschnitt senkrecht zur Längsachse in ihrem Nutgrund jeweils die Form eines Kreisbogens haben und der Kreisbogen einen Radius r2 hat, und die Nuten jeweils eine Nuttiefe TT aufweisen, die in dem Querschnitt senkrecht zur Längsachse jeweils dem kleinsten Abstand zwischen dem Kreis mit dem Durchmesser Di, auf dem die Innenoberfläche liegt und dessen Mittelpunkt auf der Längsachse liegt, und dem entferntesten Punkt des Nutgrunds der Nuten von der Längsachse entspricht.

Description

"Rohr und Vorrichtung zum thermischen Spalten von Kohlenwasserstoffen"
Die Erfindung bezieht sich auf ein Rohr zum thermischen Spalten von Kohlenwasserstoffen in Anwesenheit von Dampf, bei dem das Einsatzgemisch durch außenbeheizte Rohre geführt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum thermischen Spalten von Kohlenwasserstoffen.
Für die Hochtemperaturpyrolyse von Kohlenwasserstoffen (Erdölderivate) haben sich Röhrenöfen bewährt, bei denen ein Kohlenwasserstoff/Wasserdampf-Gemisch bei Temperaturen über 750 °C durch Reihen aus einzelnen oder mäanderförmig angeordneten Rohren (Crackrohrschlangen) aus hitzebeständigen Nickel-Chrom-Eisen-Legierung mit hoher Oxidations- beziehungsweise Zunderbeständigkeit und hoher Aufkoh- lungsbeständigkeit geführt wird. Die Rohrschlangen bestehen aus vertikal oder horizontal verlaufenden geraden Rohrabschnitten, die über U-förmige Rohrbogen miteinander verbunden oder parallel zueinander angeordnet sind. Sie werden üblicherweise mit Hilfe von Seitenwand- und/oder auch mit Hilfe von Bodenbrennern beheizt und besitzen daher eine den Brennern zugekehrte sogenannte Sonnenseite sowie eine dem gegenüber um 90° versetzte, das heißt in Richtung der Rohrreihen verlaufende sogenannte Schattenseite. Dabei liegen die mittleren Rohrwandtemperaturen (TMT) teilweise über 1000 °C.
Die Lebensdauer der Crackrohre hängt sehr wesentlich von der Kriechbeständigkeit und der Aufkohlungsbeständigkeit sowie von der Verkokungsgeschwindigkeit des Rohrwerkstoffs ab. Maßgeblich für die Verkokungsgeschwindigkeit, das heißt für das Anwachsen einer Schicht von Kohlenstoffablagerungen (Pyrolysekoks) an der Rohrinnenwand sind neben der Art der eingesetzten Kohlenwasserstoffe die Spaltgastemperatur im Bereich der Innenwand und die sogenannte Crackschärfe, hinter der sich der Einfluss des Systemdrucks und der Verweilzeit im Rohrsystem auf die
Äthylenausbeute verbirgt. Die Spaltschärfe wird anhand der mittleren Austrittstemperatur der Spaltgase (z. B. 850 °C) eingestellt. Je höher die Gastemperatur in der Nähe der Rohr-Innenwand über dieser Temperatur liegt, umso stärker wächst die Schicht des Pyrolysekokses, deren isolierende Wirkung die Rohrwandtemperatur weiter steigen lässt. Obgleich die als Rohrwerkstoff zur
Verwendung kommenden Nickel-Chrom-Eisen-Legierung mit 0,4% Kohlenstoff über 25% Chrom und über 20% Nickel, beispielsweise 35% Chrom, 45% Nickel und gegebenenfalls 1 % Niob eine hohe Aufkohlungsbeständigkeit besitzen, diffundiert der Kohlenstoff an Fehlstellen der Oxidschicht in die Rohrwandung und führt dort zu einer erheblichen Aufkohlung, die bis zu Kohlenstoffgehalten von 1 % bis 3% in Wandtiefen von 0,5 mm bis 3 mm gehen kann. Verbunden damit ist eine erhebliche Versprödung des Rohrwerkstoffs mit der Gefahr einer Rissbildung bei thermischer Wechselbelastung insbesondere beim An- und Abfahren des Ofens. Um die Kohlenstoffablagerungen (Verkokung) an der Rohrinnenwand abzubauen, ist es erforderlich, den Crackbetrieb von Zeit zu Zeit zu unterbrechen und den Pyrolysekoks mit Hilfe eines Dampf/Luft-Gemischs zu verbrennen. Dies erfordert eine Betriebsunterbrechung von bis zu 36 Stunden und beeinträchtigt daher erheblich die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
Bekannt ist aus der britischen Patentschrift 969 796 und der europäischen Offenlegungsschrift 1 136 541 A1 auch die Verwendung von Crackrohren mit Innenrippen. Solche Innenrippen ergeben zwar eine um viele Prozente, beispielsweise um 10% größere Innenoberfläche und demzufolge einen besseren Wärmeübergang: sie sind aber auch mit dem Nachteil eines im Vergleich zu einem Glattrohr erheblich erhöhten
Druckverlustes infolge Reibung an der vergrößerten Rohr-Innenoberfläche verbunden. Der höhere Druckverlust erfordert einen höheren Systemdruck, dadurch verändert sich zwangsläufig die Verweilzeit und verschlechtert sich die Ausbeute. Hinzu kommt, dass sich die bekannten Rohrwerkstoffe mit hohen Gehalten an Kohlenstoff und Chrom nicht mehr durch Kaltverformen, beispielsweise Kaltziehen profilieren lassen. Sie besitzen den Nachteil, dass sich ihre Verformbarkeit mit zunehmender Warmfestigkeit stark verringert. Dies hat dazu geführt, dass die im Hinblick auf die Äthylenausbeute erwünschten hohen Rohrwandtemperaturen von beispielsweise bis 1050 °C die Verwendung von Schleudergussrohren erfordern. Da sich Schleudergussrohre jedoch nur mit zylind- rischer Wandung herstellen lassen, bedarf es besonderer Formgebungsverfahren, bei- spielsweise einer elektrolytisch abtragenden Bearbeitung oder eines formgebenden Schweißverfahrens, um Innen-Rohre herzustellen.
Bekannt ist schließlich aus der US-Patentschrift 5 950 718 auch ein ganzes Spektrum von Neigungswinkeln und auch Abständen zwischen den Innenrippen, ohne dass jedoch die Beschaffenheit der Rippen in Betracht gezogen wird.
Aus EP 1 525 289 B9 ist ein Rippenrohr zum thermischen Spalten von Kohlenwasserstoffen bekannt, das bezogen auf die Rohrachse geneigte, wendeiförmig verlaufende Innenrippen aufweist.
Aus WO 2010/043375 A1 ist eine Nickel-Chrom-Eisen-Legierung mit hoher Oxidations- und Aufkohlungsbeständigkeit, Zeitstandsfestigkeit und Kriechbeständigkeit aus 0,4% bis 0,6% Kohlenstoff, 28% bis 33% Chrom, 15% bis 25% Eisen, 2% bis 6% Aluminium, bis 2% Silizium, bis 2% Mangan, bis 1 ,5% Niob, bis 1 ,5% Tantal, bis 1 ,0% Wolfram, bis 1 ,0% Titan, bis 1 ,0% Zirkonium, bis 0,5% Yttrium, bis 0,5% Cer, bis 0,5% Molybdän, bis 0,1 % Stickstoff, Rest Nickel einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen bekannt.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Wirtschaftlichkeit des thermischen Spaltens von Kohlenwasserstoffen in Röhrenöfen mit außenbeheizten Rohren zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 , 2, 9 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen und der hiernach folgenden Beschreibung wiedergegeben.
Es wurde erkannt, dass bei einem Rohr mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 eine Beziehung zwischen den das Rohr charakterisierenden Merkmalen, nämlich
• der Anzahl NT der in die Innenoberfläche des Rohres eingebrachten, sich wendeiförmig um die Längsachse entlang der Innenoberfläche erstreckende Nuten,
• dem Durchmesser der Innenoberfläche, in die die Nuten eingebracht wurden, in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse,
• dem Radius r2 des Nutgrunds der in dem Querschnitt senkrecht zur Längsachse in ihrem Nutgrund jeweils die Form eine Kreisbogens aufweisenden Nuten und
• der Nuttiefe TT der Nuten, die in dem Querschnitt senkrecht zur Längsachse jeweils dem kleinsten Abstand zwischen dem Kreis mit dem Durch- messer Di, auf dem die Innenoberfläche liegt und dessen Mittelpunkt auf der Längsachse liegt, und dem entferntesten Punkt des Nutgrunds der Nut von der Längsachse entspricht, besteht, bei deren Berücksichtigung die Wirtschaftlichkeit des thermischen Spaltens von Kohlenwasserstoffen in Röhrenöfen mit außenbeheizten Rohren verbessert werden kann.
Es wurde nämlich erkannt, dass sich ein auf Wärmeübergangs-Überlegungen basierender Kennwert erarbeiten lässt, der sich auf zwei unterschiedlichen, aber jeweils allein von den vorstehend beschriebenen, das Rohr charakterisierenden Merkmalen abhängenden Wegen berechnen lässt.
Nach einer ersten Wärmeübergangs-Überlegung lässt sich dieser Kennwert als
ausdrücken, mit den Konstanten P1 , P2 und P3 sowie dem Zahlenwert |DAqv| des von dem in mm gemessenen Innendurchmesser Di abhängigen Äquivalenzdurchmessers
Gute Ergebnisse werden erreicht, wenn als Konstante P1 eine Zahl aus dem beanspruchten Bereich von -0,2 bis -0,3 gewählt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Konstante P1 aus einem Bereich von -0,25 bis -0,295, insbesondere bevorzugt aus einem Bereich von -0,287 bis -0,2655 ausgewählt. Insbesondere bevorzugt ist die Konstante P1 gleich -0,287 oder -0,2655.
Gute Ergebnisse werden erreicht, wenn als Konstante P2 eine Zahl aus dem beanspruchten Bereich von 310 bis 315 gewählt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Konstante P2 aus einem Bereich von 310 bis 312, insbesondere bevorzugt aus einem Bereich von 310,42 bis 31 1 ,31 ausgewählt. Insbesondere bevorzugt ist die Konstante P2 gleich 310,42 oder 31 1 ,31.
Gute Ergebnisse werden erreicht, wenn als Konstante P3 eine Zahl aus dem beanspruchten Bereich von 200 bis 1500 gewählt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Konstante P3 aus einem Bereich von 230 bis 1400, insbesondere bevorzugt aus einem Bereich von 261 ,21 bis 1076 ausgewählt. Insbesondere bevorzugt ist die Konstante P3 gleich 261 ,21 oder 1076.
Der für die Gestaltung des Rohrs gemäß der Erfindung eingesetzte Kennwert wird in der vorgenannten Beziehung in Abhängigkeit des Zahlenwerts |DAqv| des von dem in mm gemessenen Innendurchmesser Di abhängigen Äquivalenzdurchmessers DAqv ausgedrückt. Unter dem Begriff "Zahlenwert" wird in diesem Kontext und in den übrigen Unterlagen die dimensionslose Zahl eines sich aus dem Zahlenwert und der Maßeinheit zusammensetzenden Werts einer physikalischen Größe verstanden. Eine physikalische Größe ist eine quantitative bestimmbare Eigenschaft eines physikalischen Objektes, Vorgangs oder Zustande. Ihr Wert (Größenwert) wird als Produkt aus einem Zahlenwert (der Maßzahl) und einer Maßeinheit angegeben. Da die für die Gestaltung des Rohrs gemäß der Erfindung eingesetzten Beziehungen dimensionslos sind, wird auf den Zahlenwert der physikalischen Größen zurückgegriffen. Um dies zu verdeutlichen, wird in der Beschreibung und den Ansprüchen der Zahlenwert einer
Größe mit der sonst häufig auf für die Darstellung eines Betrags verwendeten Nomenklatur dargestellt, beispielsweise als |DAqv|- Die Darstellung einer Variablen zwischen zwei horizontalen Strichen, wie beispielsweise |DAqv| wird im Kontext dieser Beschreibung und der Ansprüche als Darstellung des Zahlenwertes des durch die Variable aus- gedrückten Werts (Größenwerts) einer physikalischen Größe verstanden. Der Zahlenwert |Di| eines in mm gemessenen Durchmessers Di von 70 mm ist beispielsweise die Zahl 70.
Der für die Gestaltung des Rohrs gemäß der Erfindung eingesetzte Kennwert wird in der vorgenannten Beziehung in Abhängigkeit des Zahlenwerts |DAqv| des von dem in mm gemessenen Innendurchmesser Di abhängigen Äquivalenzdurchmessers DAqv ausgedrückt. Der Äquivalenzdurchmesser ist dabei der Durchmesser der Innenoberfläche, die ein glattes, nicht mit Nuten versehenes Rohr hätte, dessen Durchtrittsfläche der Durchtrittsfläche des erfindungsgemäßen Rohres entspricht. Als Durchtrittsfläche wird in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse die freie Fläche innerhalb des
Rohres verstanden. Es hat sich gezeigt, das wärmeübergangsbezogene Überlegungen häufig einfacher an einem Glattrohr vollzogen werden können. Außerdem hat sich gezeigt, dass Anwender des erfindungsgemäßen Rohres häufig in ihren Vorrichtungen zum thermischen Spalten von Kohlenwasserstoffen in Anwesenheit von Dampf, bei dem das Einsatzgemisch durch außenbeheizte Rohre geführt wird, in der Vergangenheit mit Glattrohren gearbeitet haben. Für die Umstellung auf die erfindungsgemäßen Rohre ist es deshalb eingänglicher, wenn ein Vergleich zu dem durchtrittsflächenent- sprechenden Glattrohr hergestellt werden kann. Der Äquivalenzdurchmesser DAqv ergibt sich über die Beziehung DAqv = 2 rAqv aus dem
Radius der Innenoberfläche, den ein glattes, nicht mit Nuten versehenes Rohr hätte, dessen Durchtrittsfläche der Durchtrittsfläche des erfindungsgemäßen Rohres entspricht. Setzt man die Durchtrittsfläche AAqv des Glattrohres (AAqv = π (rAqv )2) der Durchtrittsfläche des erfindungsgemäßen Rohres gleich, so lässt sich die Durchtrittsflä- che AAqv des Glattrohres wie folgt in den das Rohr charakterisierenden Merkmalen aus- drücken (die verwendeten Symbole beziehen sich auf eine Nomenklatur, wie sie beispielhaft auch in der Fig. 5 erläutert wird):
Die der Durchtrittsfläche AAqv des Glattrohres gleichgesetzte Durchtrittsfläche des erfindungsgemäßen Rohres setzt sich zusammen aus der durch die Innenoberfläche, in die die Nuten eingebracht wurden, begrenzten Durchtrittsfläche A-i , die sich aus dem Radius der Innenoberfläche leicht mit Α-ι = π r-ι2 bestimmen lässt, und den zusätzlichen Flächen, die durch die Anzahl von NT Nuten mit ihren jeweiligen Durchtrittsflächen AT bereitgestellt werden.
Nach Auflösung der vorgenannten Beziehung lässt sich die der Durchtrittsfläche AAqv des Glattrohres gleichgesetzte Durchtrittsfläche des erfindungsgemäßen Rohres somit wie folgt ausschließlich mit den das Rohr charakterisierenden Merkmalen ausdrücken (nachstehend auch mit Formel (1 ) in Bezug genommen):
Nach einer zweiten Wärmeübergangs-Überlegung lässt sich dieser Kennwert als
oder unter Berücksichtigung weiterer Querverknüpfungen als
in Abhängigkeit des Zahlenwerts |DAqv| des von dem in mm gemessenen Innendurch- messer Di abhängigen Äquivalenzdurchmessers DAqv, der Anzahl NT der Nuten und dem Zahlenwert |TT| der in mm gemessenen Nuttiefe TT der Nuten sowie die Nutdichte VD, die das Verhältnis der Nuten NT des Rohres im Verhältnis zu der Referenzzahl Nref der maximal auf der Innenoberfläche eines Rohres mit gleichem Äquivalenzdurchmesser DAqv einbringbaren Nuten mit einer Nuttiefe TT = 1 ,3 mm in Prozent beschreibt, beschreiben. Die Konstanten werden dabei wie folgt festgelegt:
Es wurde erkannt, dass wenn man diese beiden Berechnungsmethoden für den Kenn- wert gleichsetzt, die Beziehung
oder unter Berücksichtigung weiterer Querverknüpfungen die Beziehung
als Beschreibung der Beziehung der das Rohr charakterisierenden Merkmale untereinander erhält, die ein Rohr charakterisieren, das die Wirtschaftlichkeit des thermischen Spaltens von Kohlenwasserstoffen in Röhrenöfen mit außenbeheizten Rohren verbes- sert. Die konkret für das Rohr zu verwendenden, das Rohr charakterisierenden Merkmale, nämlich
• die Anzahl NT der in die Innenoberfläche des Rohres eingebrachten, sich wendeiförmig um die Längsachse entlang der Innenoberfläche erstreckende Nuten,
• der Durchmesser der Innenoberfläche, in die die Nuten eingebracht wurden, in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse,
• der Radius r2 des Nutgrunds der in dem Querschnitt senkrecht zur Längsachse in ihrem Nutgrund jeweils die Form eines Kreisbogens aufweisenden Nuten und
• die Nuttiefe TT der Nuten, die in dem Querschnitt senkrecht zur Längsachse jeweils dem kleinsten Abstand zwischen dem Kreis mit dem Durchmesser Di, auf dem die Innenoberfläche liegt und dessen Mittelpunkt auf der Längsachse liegt, und dem entferntesten Punkt des Nutgrunds der Nut von der Längsachse entspricht, lassen sich mit einfachen Iterationen auf Grundlage dieser Beziehung ermitteln. Jede Paarung dieser vier das Rohr charakterisierenden Merkmale, die diese Beziehung erfüllt, steht für ein Rohr, das die Wirtschaftlichkeit des thermischen Spaltens von Kohlenwasserstoffen in Röhrenöfen mit außenbeheizten Rohren verbessert.
In der Praxis stellt sich heraus, dass sich der Aufwand für die Iteration in der Praxis sogar noch weiter reduziert. So ergeben sich Festlegungen für einzelne der vier das Rohr charakterisierenden Merkmale aus Steifigkeits- oder Herstellungsbeschränkun- gen oder auch daraus, dass das Rohr mit einer bestimmten Durchtrittsfläche ausgeführt werden muss. Über ein sich aus der Anlage, in der das Rohr eingesetzt werden soll, ergebendes mögliches Maximalgewicht des einzelnen Rohrs kann sich eine Beschränkung für die maximale Wandstärke des Rohres ergeben, die wiederum aus Steifigkeitsgesichts- punkten eine Beschränkung für die maximal darstellbare Nuttiefe TT ergibt. Beschränkungen für die Wandstärke (und damit für die maximal darstellbare Nuttiefe) können sich auch aus anderen Aspekten, beispielsweise aus dem zu erreichenden Wärmeübergang, ergeben. Steifigkeitserwägungen können auch eine Obergrenze für die Anzahl NT der in die
Innenoberfläche des Rohres eingebrachten, sich wendeiförmig um die Längsachse entlang der Innenoberfläche erstreckenden Nuten in Kombination mit der Nuttiefe TT ergeben. Werden zu viele, zu tiefe Nuten eingebracht, kann die Steifigkeit des Rohres zu stark geschwächt werden.
Auch können sich aus der Neigung des Rohres, beim thermischen Spalten von Kohlenwasserstoffen in Anwesenheit von Dampf, bei dem das Einsatzgemisch durch die außenbeheizten Rohre geführt wird, zu verkoken, Grenzen hinsichtlich des Radius r2 des Kreisbogens des Nutgrunds in Kombination mit der Nuttiefe TT ergeben.
Ferner ergeben sich aus Herstellungsaspekten Beschränkungen, beispielsweise hinsichtlich des Radius r2 des Kreisbogens des Nutgrunds in Kombination mit der Nuttiefe TT. Die Nuten können beispielsweise in einem Tieflochbohrverfahren, beispielsweise nach Art in der auf die Anmelderin angemeldeten, noch nicht veröffentlichten deut- sehen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2016 012 907.7 beschriebenen
Weise hergestellt werden. Dabei kommen Wendeschneidplatten zur Herstellung der Nuten zum Einsatz. Diese Wendeschneidplatten sind in festgelegten Größen erhältlich. Greift man - was sich aus Wirtschaftlichkeitsgründen empfiehlt - auf die bereits erhältlichen Wendeschneidplatten zurück und verzichtet auf die - ebenfalls denkbare - Mög- lichkeit, Wendeschneidplatten spezifisch für die Herstellung des konkreten Rohres anfertigen zu lassen, so ergeben sich auch hieraus Festlegungen für den Radius r2 des Kreisbogens des Nutgrunds in Kombination mit der Nuttiefe TT. Auch kann sich herausstellen, dass sich ein Rohr mit einer ersten Anzahl von Nuten rascher und deutlich kostengünstiger herstellen lässt, als ein Rohr mit einer zweiten, im Verhältnis zu ersten Anzahl größeren Anzahl von Nuten, so dass sich auch hieraus eine Beschränkung für die Anzahl der einzubringenden Nuten ergibt.
Auch können sich Beschränkungen dadurch ergeben, dass für das Rohr ein gewisser Durchsatz an Einsatzgemisch gefordert wird und mithin eine minimale Durchtrittsfläche des Rohrs. Im Ergebnis werden sich vor dem Durchführen der Iteration bereits Bereiche ergeben, in denen einzelne der vier das Rohr charakterisierenden Merkmale nicht liegen können und diese bei der Iteration somit ausgeschlossen werden können. Die vorstehend beschriebene Beziehung
bzw. die weitere Querverknüpfungen berücksichtigende Beziehung
greifen auf die Nutdichte VD zurück. Die Nutdichte VD ist das Verhältnis der Nuten NT des Rohres im Verhältnis zu der Referenzzahl Nref der maximal auf der Innenoberfläche eines Rohres mit gleichem Äquivalenzdurchmessers DAQV einbringbaren Nuten mit einer Nuttiefe TT = 1 ,3 mm in Prozent.
Die erfindungsgemäße Erkenntnis lässt sich für Rohre mit einem breiten Spektrum von Durchmessern Di der Innenoberfläche, in die die Nuten eingebracht werden, anwenden. Offensichtlich lassen sich mehr Nuten mit festgelegtem Radius r2 des Kreisbogens im Nutgrund der Nut und festgelegter Nuttiefe TT in ein Rohr mit größerem Durchmesser Di als in ein Rohr mit kleinerem Durchmesser Di einbringen. Um dennoch eine Beziehung für alle Durchmesser angeben zu können, wurde eine Normierung ent- wickelt, bei der nicht mehr die tatsächliche Anzahl der Nuten NT in die Beziehung eingesetzt wird, sondern die Nutdichte VD.
Die Nutdichte VD ergibt sich - da sie in Prozent ausgedrückt wird - aus der Beziehung VD = NT / Nref * 100
Wobei die Referenzzahl Nref die größte natürliche Zahl ist, bei der die Beziehung
erfüllt ist, wobei AAqv der aus der Formel (1 ) berechnete Äquivalenzdurchmesser ist und wobei
und bei der es zugleich möglich ist, ein iterativ zu bestimmendes rNref zu finden, das unter Rückgriff auf den mit der Formel (1 ) berechneten Äquivalenzdurchmesser AAqv die folgenden Beziehungen erfüllt (nachfolgend auch mit Formel (2) bezeichnet):
mit den Nebenbedingungen
Nref lässt sich leicht durch folgende Schrittabfolge bestimmen: In einem ersten Schritt wird die rechte Seite der Beziehung
mit den Werten des Rohres ausrechnet, zu dem es zu prüfen gilt, ob es die erfindungsgemäßen Vorteile realisiert. Da Nref eine natürlich Zahl sein muß, wird die natürlich Zahl genommen, die dem errechneten Wert entspricht, wenn der errechnete Wert eine natürliche Zahl ist oder die nächst kleinere natürliche Zahl zu dem errechneten Wert. Als Beispiel sei hier ein Rohr mit Di = 60 mm, TT = 2,05 mm, r2 = 8mm und NT = 8 genommen. Damit ergibt sich für Nref≤ 19,4967769. Damit wir Nref in dem ersten Schritt als 19 angenommen.
In einem zweiten Schritt wird geprüft, ob sich mit dem im ersten Schritt gefundenen Nref ein rNref finden lässt, mit dem unter Rückgriff auf den mit der Formel (1 ) berechneten Äquivalenzdurchmesser AÄqv die Formel (2) erfüllt werden kann, ohne die Nebenbedingung
zu verletzen. AAqv wird mit den Werten des Rohres ausgerechnet, zu dem es zu prüfen gilt, ob es die erfindungsgemäßen Vorteile realisiert, mit der Formel (1 ) berechnet. Bei den vorgenannten Beispielswerten (Di = 60 mm, TT = 2,05 mm, r2 = 8 mm und NT = 8) ergibt sich ein AAqv von 2963,77397 mm2 bei den genannten Beispielswerten. Mithin wird im zweiten Schritt der Suche nach Nref geprüft, ob sich mit dem im ersten Schritt gefunden Nref ein rNref finden lässt, dass mit dem so errechneten AAqv die Formel (2) erfüllt und zugleich die genannten Nebenbedingungen erfüllt werden.
Diese Iteration lässt sich leicht mit einem Tabellenprogramm, beispielsweise dem Programm Microsoft® Excel und der in solchen Tabellenprogrammen vorgesehenen Zielwertsuche durchführen. Man nimmt eine zunächst leere erste Zelle, die nachher bei der Funktion der Zielwertsuche als "Veränderbare Zelle" genommen wird. Diese Zelle füllt man mit einem beliebigen Zahlenwert, beispielsweise |r-i |. Dann gibt man in eine zweite Zelle die vorstehend genannte Gleichung für AAqv, die AAqv in rNref ausdrückt, wobei für rNref auf die mit einem beliebigen Zahlenwert, beispielsweise |r-i | gefüllte erste Zelle verwiesen wird und der Wert für r2 aus den Kenndaten des Rohres genommen wird, zu dem es zu prüfen gilt, ob es die erfindungsgemäßen Vorteile realisiert.
In einer dritten Zelle gibt man die Gleichung "= AAqv - Wert der zweiten Zelle" ein, wobei hier das AAqv mit der Formel (1 ) berechnet wird.
In einer vierten Zelle gibt man die Gleichung ein
Wobei rNref auf die mit einem beliebigen Zahlenwert, beispielsweise |r-i | gefüllte erste Zelle verweist und der Wert für r2 aus den Kenndaten des Rohres genommen wird, zu dem es zu prüfen gilt, ob es die erfindungsgemäßen Vorteile realisiert. In einer fünften Zelle fügt man eine WEN N-DANN-Prüfung (lf-then-test) ein, die das Wort "FALSCH" ausgibt, wenn der Wert in der vierten Zelle kleiner Null ist und sonst das Wort "WAHR" ausgibt.
Mit dem so vorbereiteten Tabellenblatt kann man dann die in dem Tabellenprogramm vorgesehene Zielwertsuche starten. Die Zielwertsuche fragt, welches die Zielzelle ist. Hierfür gibt man die dritte Zelle an. Ferner fragt die Zielwertsuche nach dem Zielwert.
Diesen gibt man als 0 (null) an. Ferner fragt die Zielwertsuche nach der veränderbaren Zelle. Hierfür gibt man die erste Zelle an. Die Zielwertsuche wird zu einem Wert in der ersten Zelle führen. Ist bei diesem Wert der Inhalt der fünften Zelle "WAHR", dann ist das im ersten Schritt gefunden Nref das zu verwendende Nref. Ist der Wert der fünften Zelle "FALSCH", so reduziert man das im ersten Schritt gefundene Nref um die Zahl 1 und bildet damit ein neues Nref, mit dem man den zweiten Schritt erneut durchführt. In der Regel ergibt dies bereits am Ende der Zielwertsuche einen Wert in der ersten Zelle, zu dem auch in der fünften Zelle das Wort "WAHR" steht, so dass das so gewonnene neue Nref das zu verwendende Nref ist. Anderfalls reduziert man das neue Nref abermals um die Zahl 1 und führt den zweiten Schritt abermals durch. Es hat sich gezeigt, dass selbst wenn eine solche Zielwertsuche in einem Tabellenprogramm in den hinteren Nachkommastellen nicht perfekt ist, dies auch aufgrund der übrigen Toleranzen keinen merklichen Einfluss auf die Auslegung hat. Mit dem so gefundenen Nref lässt sich für das Rohr, zu dem es zu prüfen gilt, ob es die erfindungsgemäßen Vorteile realisiert, die Nutdichte VD aus VD = 100 * NT / Nref bestimmen. Ergibt sich mit den so gewonnen Werten, dass
oder unter Berücksichtigung weiterer Querverknüpfungen dass
dann liegt die Bestätigung vor, dass das Rohr mit diesen der Berechnung zugrunde gelegten vier das Rohr charakterisierenden Merkmale (NT, Di, r2, TT) die Wirtschaftlichkeit des thermischen Spaltens von Kohlenwasserstoffen in Röhrenöfen mit außenbeheizten Rohren verbessert.
Bei den oben genannten Beispielswerten (Di = 60 mm, TT = 2,05 mm, r2 = 8 mm und NT = 8) ergibt sich im ersten Schritt ein Nref von 19. Im zweiten Schritt ergibt die Zielwertsuche mit Nref von 19 ein rNref von 29,4509992. In der vierten Zelle ergibt sich jedoch der Wert -0,07096658, so dass in der fünften Zelle das Wort "FALSCH" ausgeworfen wird. Reduziert man das Nref von 19 um die Zahl 1 auf 18 und führt den zweiten Schritt erneut durch, so ergibt die Zielwertsuche mit Nref von 18 ein rNref von 29,5192908. In der vierten Zelle ergibt sich jedoch der Wert 0,10620948, so dass in der fünften Zelle das Wort "WAHR" ausgeworfen wird. Nref = 18 wäre bei der weiteren Prüfung des Rohrs auf Zugehörigkeit zu der Erfindung für die Berechnung der Nutdichte VD zu verwenden. Das erfindungsgemäße Rohr erstreckt sich entlang einer Längsachse und weist in seine Innenoberfläche eingebrachte Nuten auf. Die Anzahl der vorhandenen Nuten wird durch die Variable NT ausgedrückt. Die Nuten erstrecken sich wendeiförmig um die Längsachse entlang der Innenoberfläche des Rohres. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Nuten gleichmäßig über den Umfang des Rohres verteilt. Damit ist gemeint, dass in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse für alle Nuten der
Abstand in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbart angeordneten Nuten für alle Nuten gleich ist.
Die Nuttiefe wird als der Abstand des tiefsten Punkts der Nut von der Innenoberfläche verstanden. Damit ist in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse der kürzeste
Abstand zwischen dem in Radialrichtung von der Längsachse gesehen entferntesten Punkt (tiefsten Punkt) der Nut und einem Innenoberflächenkreis um die Längsachse gemeint, auf dem die am weitesten nach innen angeordneten, zwischen den Nuten verbleibenden Teile der Innenoberfläche liegen. Es sind Ausführungen der Erfindung vorgesehen, bei denen die Innenoberfläche des Rohrs zylinderförmig ist und in diese zylinderförmige Innenoberfläche die Nuten eingebracht werden. Zwischen den Nuten verbleiben dann Teile der Innenoberfläche, die Teile eines Zylinders bilden. Der Innenoberflächenkreis, auf dem die am weitesten nach innen angeordneten Teile der Innenoberfläche liegen, ist - da in dieser Ausführungsform alle verbleibenden Teile der Innenoberfläche gleich weit nach innen angeordnet sind - der Kreis in dem Querschnitt, auf dem die verbleibenden Teile der zylinderförmigen Innenoberfläche liegen. Es sind aber auch Ausführungsformen vorgesehen, bei denen die zwischen zwei Nuten verbleibende Innenoberfläche nahezu bis auf eine Linie schrumpft, weil der Nutmund (der Öffnungsquerschnitt der Nut in der Innenoberfläche) sehr groß gewählt wird. Insbesondere wenn sich bei einer solchen Ausführungsform die Krümmung der Oberfläche der Nut von einer konkaven Krümmung im Nutgrund (einem Kreisbogen im
Nutzgrund) in eine konvexe Krümmung der Oberfläche der Nut im Bereich des Nutmunds ändert, können derartige Ausführungsformen so wirken, als würden sich in Umfangsrichtung an Nuten (wobei damit dann der konvex gekrümmte Bereich der Nut gemeint wäre) zwischen den Nuten angeordnete Rippen (wobei damit dann der konkav gekrümmte Bereich der Nut gemeint ist) anschließen und die die Nut (besser: den konkav gekrümmten Nutgrund) begrenzende Wandung in eine Außenoberfläche der Rippe übergeht. Der Innenoberflächenkreis, auf dem ja die am weitesten nach innen angeordneten Teile der Innenoberfläche liegen, ist bei solchen Ausführungsformen der Kreis in dem Querschnitt, auf dem in diesem Querschnitt die Scheitelpunkte der "Rippen" liegen. Die Nuttiefe wird in der erfindungsgemäß gefundenen, das Rohr charakterisierenden Beziehung durch die Variable TT ausgedrückt.
Die Nuten haben in einer bevorzugten Ausführungsform in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse zumindest im Nutgrund einen gerundeten Querschnitt, der sich vorzugsweise durch einen Kreisbogen approximieren lässt oder einen Kreisbogen entspricht. Im Bereich des Nutmunds kann sich die Querschnittsgeometrie der Nut in einer bevorzugten Ausführungsform aufweiten, insbesondere durch eine Änderung von einer konkaven Querschnittsgeometrie im Nutgrund zu einer konvexen Querschnittsgeometrie im Bereich des Nutmunds. In einer alternativen Ausführungsform lässt sich in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse die Querschnittsgeometrie der gesamten Nut durch einen Kreisbogen approximieren oder entspricht einem Kreisbogen. Ebenso sind Ausführungsformen denkbar, bei denen die Nut in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse die Querschnittsgeometrie eines Teils eine Ellipse hat. In einer bevorzugten Ausführungsform bleibt die Form des Querschnitts einer Nut senkrecht zur Längsachse für alle Querschnitte senkrecht zur Längsachse gleich. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bleibt die Form und die Größe des Querschnitts einer Nut senkrecht zur Längsachse für alle Querschnitte senkrecht zur Längsachse gleich. In einer bevorzugten Ausführungsform haben alle Nuten des Rohrs in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse, vorzugsweise in allen Querschnitten senkrecht zur Längsachse die gleiche Form und insbesondere bevorzugt die gleiche Form und Größe. Haben die Nuten unterschiedliche Größen und insbesondere unterschiedliche Nuttiefen, so wird für die erfindungsgemäße, das Rohr charakterisierende Beziehung die Nuttiefe TT der tiefsten Nut verwendet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Querschnitt des Rohres senkrecht zur
Längsachse rotationssymmetrisch um die Längsachse. Damit ist gemeint, dass es zumindest einen Winkel zwischen 0° und 360° gibt, um den der Querschnitt des Rohres durch Drehung um die Längsachse auf sich selber abgebildet werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Querschnitt des Rohres senkrecht zur Längsachse punktsymmetrisch um den Punkt, den die Längsachse in diesem Querschnitt einnimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Querschnitt des Rohres senkrecht zur Längsachse spiegelsymmetrisch um eine in diesem Querschnitt liegende, senkrecht zur Längsachse verlaufenden Achse.
Das Rohr hat in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse einen Innendurchmesser, der mit der Variable Di ausgedrückt wird. Der Innendurchmesser ist der Durchmesser des Innenoberflächenkreis, also des Kreis um die Längsachse, auf dem die am weitesten nach innen angeordneten, zwischen den Nuten verbleibenden Teile der Innenoberfläche liegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Rohrquerschnitt auf der Innenseite einen Durchmesser Di in einem Bereich von 15 mm bis 280 mm, insbesondere bevorzugt von 15 mm bis 180 mm, insbesondere bevorzugt von 20 mm bis 150 mm und insbesondere bevorzugt von 30 mm bis 140 mm.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Nuttiefe TT in einem Bereich von 0,1 mm bis 10 mm, insbesondere bevorzugt von 1 ,0 mm bis 7 mm und ganz besonders bevorzugt von 1 ,0 mm bis 4 mm.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Anzahl der Nuten NT in einem Bereich von 1 bis 100, insbesondere bevorzugt von 2 bis 50 und ganz besonders bevorzugt von 2 bis 30.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Nutdichte VD in einem Bereich von 1 % bis 347%, insbesondere bevorzugt von 2% bis 1 13% und ganz besonders bevorzugt von 10% bis 105%.
In einer bevorzugten Ausführungsform verlaufen die Nuten in einem Winkel von 20° bis 40°, vorzugsweise von 22,5° bis 32,5°, bezogen auf die Längsachse.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse das von einem zwischen zwei Nuten angeordneten Teil der Innenoberfläche eingenommene Kreisbogensegment auf dem Innenoberflächenkreis größer als 1 % des von dem Nutmund zumindest einer der an diesen Teil der Innenoberfläche angrenzen- den Nuten eingenommenen Kreisbogensegment auf dem Innenoberflächenkreis, insbesondere größer als 2%, insbesondere größer als 5%, insbesondere größer als 10%, insbesondere größer als 30%, insbesondere größer als 50%, insbesondere größer als 70%. In einer bevorzugten Ausführungsform ist in einem Querschnitt das von dem zwi- sehen zwei Nuten angeordneten Teil der Innenoberfläche eingenommene Kreisbogensegment auf dem Innenoberflächenkreis gleich oder größer als das von dem Nutmund zumindest einer der an diesen Teil der Innenoberfläche angrenzenden Nuten eingenommenen Kreisbogensegment auf dem Innenoberflächenkreis. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum thermischen Spalten von Kohlenwasserstoffen in Anwesenheit von Dampf, bei dem das Einsatzgemisch durch außenbeheizte Rohre geführt wird, hat mindestens ein erfindungsgemäßes Rohr.
Bei dem erfindungsgemäßen Rohr wird das über den Rohrumfang zwischen Sonnen- und Schattenseite zwangsläufig unterschiedliche Wärmeangebot in der Rohrwandung und im Rohrinnern ausgeglichen und dabei die Wärme rasch nach innen zur Kernzone abgeführt. Damit verbunden ist eine Verringerung der Gefahr einer lokalen Überhitzung des Prozessgases an der Rohrwand und der dadurch verursachten Entstehung von Koks. Außerdem ist die thermische Beanspruchung des Rohrwerkstoffs infolge des Temperaturausgleichs zwischen Sonnen- und Schattenseite geringer, was zu einer
Verlängerung der Lebensdauer führt. Schließlich kommt es bei dem erfindungsgemäßen Rohr auch zu einer Vergleichmäßigung der Temperatur über den Rohrquerschnitt mit der Folge einer besseren Olefinausbeute. Der Grund hierfür ist, dass es ohne den erfindungsgemäßen radialen Temperaturausgleich im Rohrinnern an der heißen Rohr- wand zu einem Übercracken und in der Rohrmitte zu einem zu geringen Reaktionsumsatz kommen würde.
Das erfindungsgemäße Rohr lässt sich je nach Werkstoff beispielsweise aus einem Schleudergussrohr dadurch herstellen, dass die Enden eines Rohres mit achsparalle- len Nuten gegeneinander verdreht werden, oder dass das Innenprofil durch Vorformen eines Schleudergussrohrs, beispielsweise durch Warmschmieden, Warmziehen oder Kaltverformen über ein Profil Werkzeug, beispielsweise einen fliegenden Dorn oder einer Dornstange mit einem dem Innenprofil des Rohrs entsprechenden Außenprofil erzeugt wird.
Schneidemaschinen zum Innenprofilieren von Rohren sind in verschiedenen Varianten beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 195 23 280 bekannt. Diese Maschinen eignen sich auch zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Rohrs. Die Innenoberfläche des erfindungsgemäßen Rohrs sollte eine möglichst geringe Rauigkeit besitzen; sie kann daher geglättet, beispielsweise mechanisch poliert oder elektrolytisch egalisiert sein.
Als Rohrwerkstoff eignen sich für den Einsatz in Äthylenanlagen Nickel-Chrom-Eisen- Legierungen mit 0,1 % bis 0,5% Kohlenstoff, 20% bis 35% Chrom, 20% bis 70% Nickel, bis 3% Silizium, bis 1 % Niob, bis 5% Wolfram sowie Zusätzen von Hafnium, Titan, Seltenen Erden, oder Zirkonium, von jeweils bis 0,5% und bis 6% Aluminium.
Insbesondere bevorzugt wird für das Rohr eine Nickel-Chrom-Eisen-Legierung mit hoher Oxidations- und Aufkohlungsbeständigkeit, Zeitstandfestigkeit und Kriechbeständigkeit aus
Rest Nickel einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen verwendet.
Die nachfolgende Tabelle zeigt mögliche Ausführungsformen der Erfindung an, die der erfindungsgemäßen vorgeschlagenen Beziehung entsprechen. Dabei wird in einer Zeile für einen gewählten Innendurchmesser DAqv eine Paarung NTMax und TTmin und VDmax für einen guten, aber im Verhältnis zu einer zweiten Paarung aus NTMin und TTMax und VDmin geringeren Wärmeübergang angegeben. Zusätzlich zeigt die Tabelle einen mit einem Simulationsprogramm abgeschätzten Wärmeübergang (Hmin(DAqV, TTmin, VÜMax) [Watt]) für den geringeren Wärmeübergang; HMax(DÄqv, TTmax, VDmin) [Watt]) für den noch weiter verbesserten Wärmeübergang).
Es wurde erkannt, dass sich der zu erwartende Wärmeübergang sowohl für den guten, aber im Verhältnis zu dem weiter optimierten etwas geringeren Wert
VDMax) [Watt]) als auch für den weiter optimierten Wert
unmittelbar proportional zum Innendurchmesser auftragen lässt, wie in der Fig. 4 gezeigt. Die nachstehende Tabelle zeigt die Werte der verschiedenen Variablen der erfindungsgemäß eingesetzten Beziehungen für die einzelnen Rohre. Der Kreisbogen im Nutgrund hatte einen Radius r2 von 8 mm.
Bei der für die Abschätzung der Werte
TTmax, VDmin) [Watt]) eingesetzten CFD-Analyse (Computational Fluid Dynamics Analyse) wurden die folgenden Simulationsbedingungen verwendet: Randbedingungen zur Simulation des Wärmeübergangs:
Temperatur des Raumes zur Außenbeheizung der Rohre: 1300 °C
Emissivität ε der Rohre: 0,85
Berücksichtigung von Sonnen-/Schattenseiten (Sonnenseite: 80% Strahlung 20% Konvektion; Schattenseite: 20% Strahlung 80% Konvektion) sowie der physikalischen Werkstoffeigenschaften Dichte, spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit in
Abhängigkeit der Temperatur
Simulationslänge: 2 m
Das erfindungsgemäße Rohr wird vorzugsweise zum thermischen Spalten von Kohlenwasserstoffen in Anwesenheit von Dampf, bei dem das Einsatzgemisch durch außenbeheizte Rohre geführt wird, verwendet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsformen der Erfindung darstellenden Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Rohrs,
Fig. 2 einen ersten möglichen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rohrs in einer Schnittebene senkrecht zur Längsachse des Rohres, Fig. 3 einen zweiten möglichen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rohrs in einer
Schnittebene senkrecht zur Längsachse des Rohres,
Fig. 4 ein Diagramm, dass für eine Paarung von zu guten Ergebnissen führenden Anzahlen NT von Nuten und Nuttiefen TT und für eine Paarung von zu weiter verbesserten Ergebnissen führenden Anzahlen NT von Nuten und Nuttiefen
TT die Abhängigkeit des mit dieser Paarung erreichten Wärmeübergangs vom Innendurchmesser darstellt und
Fig. 5 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Rohr mit einer Nut.
Das in Fig. 1 dargestellt erfindungsgemäße Rohr 1 erstreckt sich entlang einer Längs achse A und hat eine Anzahl von 3 in die Innenoberfläche eingebrachte, sich wendel förmig um die Längsachse A entlang der Innenoberfläche erstreckende Nuten 2. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Querschnitt des erfindungsgemäßen Rohrs 1 ist zu erkennen, dass gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Nuten 2 in die ansonsten zylindrisch ausgeführte Innenoberfläche des Rohrs 1 eingebracht werden. Zwischen den Nuten 2 verbleiben somit Teile der zylinderförmig ausgeführten Innenoberfläche des Rohrs 1.
In die Fig. 2 ist die Nuttiefe TT und der Durchmesser Di und der Innenoberflächenkreis 3 eingezeichnet. ln der Fig. 2 ist ebenfalls dargestellt, dass sich der Querschnitt der Nuten 2 durch einen Kreisbogen darstellen lässt.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Querschnitt des erfindungsgemäßen Rohrs 1 ist zu erkennen, dass gemäß einer alternativen Ausführungsform die im Nutgrund 4 konkav ausgeführten Nuten in Richtung auf den Nutmund 5 in eine konvexe Form übergehen können und dass der zwischen zwei Nuten 2 verbleibende Teil der Innenoberfläche nahezu bis auf eine Linie schrumpft. In die Fig. 3 ist die Nuttiefe TT und der Durchmesser Di und der Innenoberflächenkreis 3 eingezeichnet.
Fig. 4 zeigt die in der Tabelle wiedergegebenen Werte für
[Watt]) und n Abhängigkeit des Äquivalenzdurchmes
sers DAqv Zu erkennen ist, dass diese Werte durch jeweils eine Linie dargestellt werden können.
Fig. 5 und das in Fig. 5 abgebildete Detail Y geben beispielhaft an einem erfindungsgemäßen Rohr mit einer Nut die in den Ansprüchen und dieser Beschreibung verwendete Nomenklatur der Abkürzungen und s wieder.
Wie die vier das Rohr charakterisierenden Werte gefunden werden
können, lässt sich an den nachfolgenden Beispielen zeigen.
Bei einem Beispiel besteht die externe Anforderung, dass die Durchtrittsfläche dem eines Glattrohrs mit 60mm Durchmesser entsprechen soll. Ferner ergibt sich aus den für die Herstellung des Rohrs einsetzbaren Werkzeugen herstellungsseitig die
Beschränkung, dass eine Nuttiefe TT von 1 ,3 mm und ein Radius r2 des Kreisbogens des Nutgrunds von 8mm bei im Querschnitt kreisbogenförmigen Nuten gewählt werden soll. Fraglich ist, mit welchem Durchmesser Di und mit welcher Anzahl von Nuten die Wirtschaftlichkeit des thermischen Spaltens von Kohlenwasserstoffen in Röhrenöfen mit außenbeheizten Rohren verbessert werden kann.
Ausgangspunkt ist somit:
Aus AÄqv ergibt sich unmittelbar
Aus r2, rÄqv ergibt sich für die Bestimmung des Nref im ersten Schritt mit der Formel
ein erstes Nref von 18. Mit diesem Nref von 18 ergibt sich aus der zuvor beschriebenen Zielwertsuche ein rNref von 29,1406241 , bei dem zugleich die Nebenbedingung
erfüllt wird. Die Zahl 18 ist somit als Nref zu verwenden.
Mit Nref = 18 ergibt sich VD = NT/18 * 100.
Unter Einsetzen der minimalen Werte für P1 , P2 und P3 ergibt sich für den linken Term der Gleichung
mit den Konstanten
der Wert
und unter Einsetzen der maximalen Werte für P1 , P2 und P3 für den linken Term der Gleichung
Für den rechten Term der Gleichung
ergibt sich nach Einsetzen von |TT| = 1 ,3 und |DAqv| = 60
mithin:
Um sicherzustellen, dass das Rohr die erfindungsgemäßen Vorteile erzielt, sollte NT so gewählt werden, dass die Beziehung
und die Beziehung
erfüllt ist. Beide Beziehungen wären mit
Da das so gefundene NT größer ist, als die zuvor berechnete Größe Nref ergibt sich, dass selbst beim Einbringen der maximal möglichen Zahl der Nuten (Nref = 18) bei dieser Taltiefe immer noch die erfindungsgemäßen Vorteile erreicht werden können. Der Anwender ist in diesem Ausführungsbeispiel somit frei, das Rohr bis zur maximal möglichen Zahl der Nuten zu bestücken, ohne die Vorteile der Erfindung zu verlieren.
Mit dem so gefundenen NT lässt sich der Radius r-ι des Rohres und damit der Innendurchmesser Di (= 2 r-ι) des Rohres mit der Formel (1 ) iterativ bestimmen, da AÄqv = 2827,43 mm2 ist.
Mithin lassen sich alle für die Herstellung des Rohres, das die Vorzüge der Erfindung umsetzt, notwendigen Parameter bestimmen.

Claims

Patentansprüche: 1 . Rohr zum thermischen Spalten von Kohlenwasserstoffen in Anwesenheit von Dampf, bei dem das Einsatzgemisch durch außenbeheizte Rohre geführt wird, wobei
• das Rohr (1 ) sich entlang einer Längsachse (A) erstreckt und eine Anzahl NT in die Innenoberfläche des Rohres (1 ) eingebrachte, sich wendeiförmig um die Längsachse (A) entlang der Innenoberfläche erstreckende Nuten (2) aufweist,
• die Innenoberfläche, in die die Nuten (2) eingebracht wurden, in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse (A) einen Durchmesser Di und einen Radius r-ι = Di/2 aufweist,
• die Nuten (2) in dem Querschnitt senkrecht zur Längsachse (A) in ihrem Nutgrund (4) jeweils die Form eine Kreisbogens haben und der Kreisbogen einen Radius r2 hat, die Nuten (2) jeweils eine Nuttiefe TT aufweisen, die in dem Querschnitt senkrecht zur Längsachse (A) jeweils dem kleinsten Abstand zwischen dem Kreis mit dem Durchmesser Di, auf dem die Innenoberfläche liegt und dessen Mittelpunkt auf der Längsachse (A) liegt, und dem entferntesten Punkt des Nutgrunds (4) der Nut (2) von der Längsachse (A) entspricht dadurch gekennzeichnet,
dass der Zahlenwert |DAqv| eines Äquivalenzdurchmessers DAqv und die Anzahl NT der Nuten (2) und der Zahlenwert |TT| der in mm gemessenen Nuttiefe TT der Nuten (2) die Beziehung
mit den Konstanten
erfüllen, wobei sich die Nutdichte VD, die das Verhältnis der Nuten NT des Rohres im Verhältnis zu der Referenzzahl Nref der maximal auf der Innenoberfläche eines Rohres mit gleichem Äquivalenzdurchmessers DAqv einbringbaren Nuten mit einer Nuttiefe TT = 1 ,3mm in Prozent beschreibt, aus der folgenden Beziehung ergibt:
und die Referenzzahl Nref die größte natürliche Zahl ist, die die Beziehung
erfüllt, wobei
und zu der es ein rNref gibt, das unter Rückgriff auf den mit der vorstehenden Beziehung ermittelten Wert für AAqv die folgenden Beziehungen erfüllt, wonach AAqv ebenfalls
ohne die Nebenbedingungen
zu verletzen und wobei sich der Äquivalenzdurchmesser DAqv aus der Beziehung
2. Rohr zum thermischen Spalten von Kohlenwasserstoffen in Anwesenheit von Dampf, bei dem das Einsatzgemisch durch außenbeheizte Rohre geführt wird, wobei
• das Rohr (1 ) sich entlang einer Längsachse (A) erstreckt und eine Anzahl NT in die Innenoberfläche des Rohres (1 ) eingebrachte, sich wendeiförmig um die Längsachse (A) entlang der Innenoberfläche erstreckende Nuten (2) aufweist,
• die Innenoberfläche, in die die Nuten (2) eingebracht wurden, in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse (A) einen Durchmesser Di und einen Radius r-ι = Di/2 aufweist,
• die Nuten (2) in dem Querschnitt senkrecht zur Längsachse (A) in ihrem Nutgrund (4) jeweils die Form eines Kreisbogens haben und der Kreisbogen einen Radius r2 hat, die Nuten (2) jeweils eine Nuttiefe TT aufweisen, die in dem Querschnitt senkrecht zur Längsachse (A) jeweils dem kleinsten Abstand zwischen dem Kreis mit dem Durchmesser Di, auf dem die Innenoberfläche liegt und dessen Mittelpunkt auf der Längsachse (A) liegt, und dem entferntesten Punkt des Nutgrunds (4) der Nut (2) von der Längsachse (A) entspricht dadurch gekennzeichnet, dass der Zahlenwert |DAqv| eines Äquivalenzdurchmessers DAqv und die Anzahl NT der Nuten (2) und der Zahlenwert |TT| der in mm gemessenen Nuttiefe TT der Nuten (2) die Beziehung
mit den Konstanten
erfüllen, wobei sich die Nutdichte VD, die das Verhältnis der Nuten NT des Rohres im Verhältnis zu der Referenzzahl Nref der maximal auf der Innenoberfläche eines Rohres mit gleichem Äquivalenzdurchmessers DAqv einbringbaren Nuten mit einer Nuttiefe TT = 1 ,3 mm in Prozent beschreibt, aus der folgenden Beziehung ergibt:
und die Referenzzahl Nref die größte natürliche Zahl ist, die die Beziehung
erfüllt, wobei
und zu der es ein rNref gibt, das unter Rückgriff auf den mit der vorstehenden Beziehung ermittelten Wert für AAqv die folgenden Beziehungen erfüllt, wonach AAqv ebenfalls
ohne die Nebenbedingungen
zu verletzen und wobei sich der Äquivalenzdurchmesser DAqv aus der Beziehung DÄqv = 2 rÄqv ergibt.
3. Rohr nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche des Rohrs zylinderförmig ist und in diese zylinderförmige Innenoberfläche die Nuten eingebracht werden, so dass zwischen den Nuten Teile der Innenoberfläche verbleiben, die Teile eines Zylinders bilden.
4. Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse das von einem zwischen zwei Nuten angeordneten Teil der Innenoberfläche eingenommene Kreisbogensegment auf dem Innenoberflächenkreis größer ist als 1 % des von dem Nutmund zumindest einer der an diesen Teil der Innenoberfläche angrenzenden Nuten eingenommenen Kreisbogensegment auf dem Innenoberflächenkreis.
5. Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser Di der Innenoberfläche, in die die Nuten (2) eingebracht wurden in einem Bereich von 15 mm bis 280 mm liegt.
6. Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuttiefe TT in einem Bereich von 0,1 mm bis 10 mm liegt.
7. Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl NT der Nuten (2) eine Nutdichte zur Folge hat, die in einem Bereich von 1 % bis 347% liegt.
8. Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
Nuten (2) in einem Winkel von 20° bis 40°, vorzugsweise von 22,5° bis 32,5°, bezogen auf die Längsachse (A), verlaufen.
9. Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr ein Schleudergußrohr ist oder aus einem Schleudergußrohr durch Einbringen von Nuten in ein Schleudergußrohr hergestellt wurde.
10. Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr eine Nickel-Chrom-Eisen-Legierung mit hoher Oxidations- und Aufkohlungsbeständigkeit, Zeitstandfestigkeit und Kriechbeständigkeit aus
0,05% bis 0,6% Kohlenstoff
20% bis 50% Chrom
5% bis 40% Eisen
2% bis 6% Aluminium
bis 2% Silizium
bis 2% Mangan
bis 1 ,5% Niob
bis 1 ,5% Tantal
bis 6,0% Wolfram
bis 1 ,0% Titan
bis 1 ,0% Zirkonium
bis 0,5% Yttrium
bis 0,5% Cer
bis 0,5% Molybdän
bis 0,1 % Stickstoff
Rest Nickel einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen aufweist, insbesondere aus einer solchen Legierung besteht.
1 1 . Vorrichtung zum thermischen Spalten von Kohlenwasserstoffen in Anwesenheit von Dampf, bei dem das Einsatzgemisch durch außenbeheizte Rohre geführt wird, gekennzeichnet durch ein Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Verwendung eines Rohrs nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum thermischen Spalten von Kohlenwasserstoffen in Anwesenheit von Dampf, bei dem das Einsatzgemisch durch außenbeheizte Rohre geführt wird.
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