NL1025726C2 - Inrichting en werkwijze voor het met relatieve en geregelde dichtheid verbinden van een leiding en een keramische buis. - Google Patents

Description

I Korte aanduiding Inrichting en werkwijze voor het met I relatieve en geregelde dichtheid verbinden van een leiding en I 5 een keramische buis I De uitvinding betreft een inrichting voor het verbinden van een hol metalen onderdeel en een keramische buis, welke I inrichting bestemd is om te worden gebruikt bij toepassingen I 10 onder hoge temperaturen, zoals warmteuitwisselaars en sterk exothermische of endothermische reactors, die gebruikt worden voor het uitvoeren van een reactie, zoals bijvoorbeeld reacties bij het kraken onder stoom, pyrolyse reacties, katalytische dehydrogeniseer reacties of reacties bij het 15 vervormen onder stoom. Meer in het bijzonder wordt de uit- I vinding toegepast bij endothermische reactors, waarbij de I temperatuur gewoonlijk 600 tot 1200°C bedraagt en waarbij één van de op te lossen problemen is het beperken van de secundaire reacties, die tot de vorming van teer en/of cokes 20 leiden.

In talrijke documenten worden reactors beschreven, die bij hoge temperatuur in een mogelijk cokesvormend milieu werken, waarbij de katalytische effecten van de metalen wanden vermeden dienen te worden. Uit dit oogpunt zijn meer 25 stabiele keramische materialen minder voorbereiders voor cokes. Verwezen kan worden naar het artikel "Wall catalysis : a fundamental phenomenon in high-temperature hydrocarbons systems and its influence on the soot formation" (G. PERUGINI

e.a., Energy and Ceramics - Proceedings of the 4e Interna-30 tional Meeting on Modern Ceramics Technologies, Saint-Vin-cent, Italië, (1979), biz. 1268-1279), dat een afwezigheid van de vorming van katalytische cokes op stabiele keramische oxiden in een brandstofmilieu, dat waterstof bevat, bij temperaturen hoger dan 1000°K toont.

35 Bij reactors voor het kraken onder stoom, waarvoor deze uitvinding in het bijzonder geschikt is, wordt het optimum tussen conversie en selectiviteit bovendien verkregen door vergroten van de hoeveelheid warmte, die aan de reactie wordt toegevoegd, en het bekorten van de verblijftijd van het I -2- I reagens. Dit in zogenaamde "milliseconden" ovens in praktijk I gebrachte concept, dat voor het kraken onder stoom wordt I toegepast, is hedentendage de voorkeurswerkwijze voor het transformeren van verzadigde koolwaterstoffen in olefinen in I 5 de petrochemische industrie. In deze context treft men het I toepassen van keramische materialen, die hogere bedrijfs- I temperaturen dan metalen materialen kunnen doorstaan, op grote schaal in de literatuur aan.

I In het octrooischrift US 6.312.652 wordt de toepassing I 10 van keramische buizen met dubbele mantel beschreven voor de produktie van ethyleen in ovens voor het kraken onder stoom I bij een zeer korte verblijftijd. Bij deze toepassing zijn de buizen vertikaal geplaatst en is het bovenste gedeelte van de I buizen in het stralingsgebied van de oven opgehangen. In dit I 15 octrooischrift wordt geen melding gemaakt van verbindingen tussen metalen onderdelen en keramische onderdelen zoals bij I de onderhavige uitvinding het geval is.

I In het document FR 99/15 497 wordt een inrichting voor het soepel verbinden van een keramische warmteuitwisselings- 20 buis en een metalen mantel beschreven, welke inrichting in hoofdzaak een gebruikelijke pakkingbus bevat om een buis en H een metalen balg, die aan de mantel bevestigd is, te verbin- den. Bij deze inrichting bestaan de verbindingsmiddelen tussen de keramische buis en de pakkingbus uit poreuze 25 thermische isolatiematerialen. Deze inrichting betreft niet een verbinding met relatieve en geregelde dichtheid.

H Het octrooischrift US-6.454.274 toont een inrichting H voor het verbinden van een buisvormig keramisch membraan en een metalen buis, waarbij het keramische membraan wordt 30 vastgehouden door de wrijvingskracht, die tot stand wordt H gebracht door het samendrukken van de keramische pakkingen, H die rond het keramische membraan en in de metalen buis zijn aangebracht. Bij deze uitvoering is de toepassing van de H inrichting voor het vasthouden van de buis beperkt tot H 35 vertikale toepassingen in het geval van een buis met grote H lengte en groot gewicht. De toepassingen, die in het octrooi- H schrift US-6.454.274 beoogd worden, zijn scheidingen in een H gasfase door een membraan en betreffen niet het toepassings- -3- gebied, waarbij het reagens, dat circuleert, een medium is, dat cokesvorming tot stand brengt.

Het octrooischrift US 5.133.577 toont een verbindings-inrichting voor het monteren van een keramische buis op een 5 metalen buis zonder pakkingring tussen de buizen. Bij deze uitvoering kan het debiet van een afdichtingsgas, dat van buitenaf naar de binnenzijde van de buizen lekt, niet worden geregeld.

In het algemeen brengen de in deze octrooischriften belt) schreven verbindingsinrichtingen met of zonder keramische verbinding een niet geregelde, relatieve dichtheid tot stand, hetgeen in het bijzonder nadelig is bij aanwezigheid van bepaalde gassen, zoals waterstof, dat zeer gemakkelijk diffundeert .

15 De onderhavige uitvinding verschaft in het bijzonder een oplossing voor dit probleem, doordat ter plaatse van de verbinding een totale absolute opsluiting van het reagens mogelijk wordt gemaakt en doordat een relatieve, geregelde dichtheid tot stand wordt gebracht door de samenwerking van 20 een eerste mechanisch afdichtingsmiddel en een tweede dynamisch middel, dat door een spoelgas verkregen wordt. In de gehele tekst dient de uitdrukking "keramische buis" in brede zin te worden opgevat en verwijst deze uitdrukking naar elk element, dat een inwendig volume, bij voorkeur met ronde 25 doorsnede en een al of niet vlak binnen- en/of buitenoppervlak bezit om de warmteuitwisseling gunstig te beïnvloeden. Een keramische buis kan uit een serie elementaire keramische buizen zijn samengesteld, die onderling door een inrichting volgens de uitvinding verbonden zijn. De uitdrukking 30 "metalen onderdeel" dient opgevat te worden in de zin van elke mantel, die enerzijds een hol gedeelte bezit, dat door middel van de inrichting volgens de uitvinding met het inwendige volume van de keramische buis in verbinding staat. Het metalen onderdeel, waarvan bij de onderhavige uitvinding 35 sprake is, kan een eenvoudige buis zijn ofwel een klarinet, die een aantal metalen buizen evenwijdig verdeelt, een verzamelaar, een verdeler of elk ander onderdeel met analoge functie.

* λ o r *7 o a ' I -4- I Aldus betreft de uitvinding een inrichting voor het met I relatieve, geregelde dichtheid verbinden van een leiding en I een keramische buis, welke inrichting voorzien is van: I - een cilindrische mantel, die afgedicht aan de leiding 5 is bevestigd, waarbij een einde van de keramische buis in de I mantel is aangebracht, I - afdichtingsmiddelen, die bestaan uit tenminste twee I stel pakkingen, die in de ringvormige ruimte tussen de I keramische buis en de mantel zijn aangebracht, I 10 - een tussenstuk, dat tussen de twee stel pakkingen is I aangebracht, I - middelen voor het samendrukken van de pakkingen, - middelen voor het inspuiten van een medium tussen de I twee stel afdichtende pakkingen, zodat een bepaald drukver- 15 schil over elke pakking tot stand wordt gebracht.

I Bij een gewijzigde uitvoeringsvorm van de uitvinding I kan het einde van de keramische buis van de leiding gecheiden zijn door een onderdeel, dat een aanslag vormt, waarbij dit I onderdeel een weerstand tegen breuk bij samendrukken bezit, 20 die kleiner is dan zowel de weerstand van de keramische buis als die van de leiding.

Bij een andere uitvoeringsvorm kan de mantel voorzien zijn van een dubbele wand, die een inwendige ruimte vormt, waarin een warmtegeleidend medium stroomt. Bij een andere 25 uitvoeringsvorm van de uitvinding kan de inwendige ruimte met de ruimte tussen de pakkingen in verbinding staan.

De mantel kan in het algemeen uit vuurvast staal met H een grote thermische weerstand zijn vervaardigd.

De keramische buis kan in het algemeen vervaardigd zijn 30 uit dicht keramisch materiaal, zoals siliciumdioxide-alumini- H umoxide, muil iet, aluminiumoxide, zirkoonoxide of silicium- H carbide en bij voorkeur uit siliciumcarbide. Het aanslagon- H derdeel kan zijn samengesteld uit een materiaal van het sili- H caat type, dat is samengeperst en versterkt is met vezels en H 35 een weerstand tegen breuk bij samendrukken bezit, die kleiner is dan de kleinste weerstand van de keramische buis enerzijds H en de cilindrische mantel of leiding anderzijds.

De afdichtende pakkingen kunnen zijn samengesteld uit -5- vezels van het type siliciumdioxide-aluminiumoxide, alumini-umoxide, zirkoonoxide of grafiet. In bepaalde gevallen kunnen de vezels van de pakkingen met een keramisch of metalen materiaal geïmpregneerd zijn. In andere gevallen kan ten-5 minste één afdichtende pakking uit keramische poeder zijn samengesteld.

Het warmtegeleidende medium in de cilindrische mantel kan waterdamp zijn.

Bij bepaalde toepassingen van de uitvinding kan de 10 leiding een buis zijn, die identiek aan de keramische buis is, waarbij het einde van elke keramische buis in de mantel is aangebracht en door identieke afdichtingsmiddelen met de mantel verbonden is, zodat een verbinding tussen twee keramische buizen wordt gevormd.

15 De uitvinding betreft tevens een werkwijze voor het regelen van de dichte verbinding van de inrichting volgens de uitvinding, welke wijze uit de volgende stappen bestaat: - het drukverschil tussen het reagens, dat in de leiding aanwezig is, en het medium wordt gemeten.

20 - het drukverschil wordt zodanig geregeld, dat een lekkage voor het spoelen naar de binnenzijde van de buis wordt gehandhaafd.

De inrichting volgens de uitvinding kan, zonder dat dit een beperking vormt, worden toegepast bij installaties voor 25 het kraken onder stoom, voor pyrolyse, katalytisch dehydro-geniseren of vervormen onder stoom.

In het geval van toepassing bij een installatie voor het kraken onder stoom bezit het reagens een hoge temperatuur, bij voorkeur 600 tot 1200°C.

30 De uitvinding zal beter worden begrepen bij het lezen van onderstaande beschrijving van uitvoeringsvoorbeelden, die geen beperking vormen en in onderstaande bijgaande figuren getoond zijn.

Fig. 1 toont een langsdoorsnede van de inrichting 35 volgens de uitvinding,

Fig. 2 toont een langsdoorsnede van de inrichting volgens de uitvinding in een uitvoering met dubbele wand, waardoor de mantel door een warmtegeleidend medium gekoeld I -6- I kan worden.

Fig. 3 toont schematisch een reactor, waarbij van de I inrichting volgens de uitvinding gebruik wordt gemaakt, en I het systeem voor het regelen van de druk, welk systeem wordt I 5 toegepast voor het tot stand brengen van de dynamische I spoeling.

I Fig. 4 toont een doorsnede van een uitvoering met een I aantal inrichtingen in dezelfde koelmantel behorende bij een I aantal keramische buizen.

I 10 Fig. 5 toont een toepassingsvoorbeeld van de inrichting I volgens de uitvinding bij een oven voor het kraken onder I stoom.

Fig. 6 toont een doorsnede van de inrichting volgens de uitvinding met een gewijzigde verbinding tussen twee kerami- I 15 sche buizen.

I Fig. 1 toont een doorsnede van de inrichting volgens de I uitvinding voor het verbinden van een buisvormig metalen I onderdeel (1), dat in het algemeen uit vuurvast staal, zoals I bijvoorbeeld Haynes 230, Haynes 214, Incoloy 800, Incoloy I 20 601, Incoloy MA956 of Kanthal APM is vervaardigd, en een H keramische buis (7) met een cilindrische doorsnede, die vervaardigd is uit een dicht keramisch materiaal, zoals I bijvoorbeeld siliciumdioxide-aluminiumoxide, mulliet, alumi- I niumoxide, zirkoonoxide of siliciumcarbide.

I 25 Deze inrichting bevat een cilindrische metalen mantel of bus (5), die aan het ene einde afgedicht met de metalen buis (1) verbonden is en aan het andere einde van een flens I is voorzien. Het einde van de keramische buis (7) is tegeno- I ver de buis (1) in de bus (5) aangebracht. Een aanslagschijf 30 (2) van silicaat en harde vezels is tussen de einden van de I metalen buis (1) en de keramische buis (7) aangebracht. Een I eerste serie afdichtende pakkingringen (3) van keramische vezels is in de ringvormige ruimte, die door de binnenzijde I van de mantel en de buitenzijde van de keramische buis wordt 35 gevormd, geplaatst en rust tegen de schijf (2). Een tussen- stuk (4) is tussen de eerste serie pakkingringen (3) en een tweede serie pakkingringen (3') aangebracht. Een drukring, die een tweede star aanlegvlak (4') vormt, voltooit de -7- stapeling tot aan een metalen contraflens (6).

De mantel is voorzien van een inlaatopening (8) voor bijvoorbeeld een inert gas, waardoor een medium in de ruimte (9) tussen de twee stel pakkingringen (3) en (3') kan worden 5 ingevoerd. Hiertoe is het tussenstuk (4) zodanig uitgespaard, dat door de stroming van het medium druk op de twee vlakken van de afdichtende pakkingringen (3) en (3') kan worden aangebracht.

Bij deze uitvoering zijn de metalen buis (1), die als 10 verbindingsleiding met de binnenzijde van de keramische buis dient, en de keramische buis (7) door een ringvormig aanslag-onderdeel (2) van silicaat gescheiden, welk onderdeel samengedrukt en versterkt is door vezels, zoals bijvoorbeeld Monaliet 1000, Duratec 1000 of Salü 1000. Het materiaal kan 15 bij samendrukken een vervormingsgraad bezitten, die groter is dan die van de materialen, waaruit de keramisch buis en het metalen onderdeel bestaan. Op deze wijze kan in het geval van een relatie verplaatsing tussen de buizen deze aanslag zonder beschadiging van de buizen vervormd worden. Het 20 aanslagonderdeel bestaat bij voorkeur uit een materiaal, waarvan de weerstand tegen compressie zodanig is, dat het onderdeel vóór de keramische buis en/of de mantel of de leiding breekt.

De radiale kracht van de afdichtende pakkingringen op 25 de metalen buis, die nodig is voor het vasthouden van de buis en voor de afdichting, wordt verkregen door vervormen van de afdichtende pakkingringen (3) en (3') onder invloed van een longitudinale compressiekracht, die verkregen wordt door de contraflens (6) op de flens van de cilindrische 30 mantel (5) vast te klemmen. De contraflens (6) steunt tegen de compressiering (4'), die hier de vorm van een metalen of keramische schijf bezit. De eerste serie pakkingringen (3) wordt in lengterichting samengedrukt tussen de aanslagring (2) en het tussenstuk (4), zodat een eerste radiale klem-35 kracht op de buis (7) wordt uitgeoefend. De serie pakkingringen (3’) wordt in lengterichting samengedrukt tussen het tussenstuk (4) en de compressiering (4'), zodat een tweede radiale klemkracht op de buis (7) wordt uitgeoefend. De

10257PR

-8- combinatie van deze twee klemkrachten op gelijke afstand van het tussenstuk zorgt, dat de keramische buis in lengterichting zijdelings en onder een hoek wordt vastgehouden.

De twee stel afdichtende pakkingringen (3) en (3') 5 bestaan elk uit één of meer pakkingen van vezels van bijvoorbeeld de soort siliciumdioxide-aluminiumoxide, aluminiumoxi-de, zirkoonoxide of grafiet met of zonder impregneren van keramische deeltjes (AI2O3, Zr02, MgO...) of metalen deeltjes (Si, Au...).

10 Deze afdichtingsmiddelen bezitten een werking, die een functie van de compressiegraad, die daarop wordt aangebracht, is. Deze werking komt tot uiting door een geschikt lekdebiet van een medium, bijvoorbeeld een inert gas, dat door de inlaatopening (8) wordt ingespoten, die zich op de metalen 15 mantel (5) bevindt en uitmondt in de ringvormige ruimte (9), die tussen de buitenzijde van de keramische buis en de binnenzijde van de mantel wordt gevormd. Door de aard en lengte van de pakkingringen is het mogelijk om bij een bepaald drukverschil tussen de twee vlakken van de series 20 pakkingringen het lekdebiet langs de afdichtende pakkingringen (3) en (3') in te stellen.

Door de keuze van dit drukverschil ten opzichte van de omgevingsdruk, in het algemeen de atmosferische druk, is het mogelijk om bij een bepaalde aard en volume van de pakking de 25 verdeling van de hoeveelheden inert gas in te stellen, dat zich enerzijds bij het reagens voegt en anderzijds naar de omgeving stroomt.

Om de inspuiting van het inerte gas of van een ander medium in het reagens te beperken, dat in de buizen stroomt, 30 kan bijvoorbeeld de druk van het inerte gas als functie van de druk van het reagens worden geregeld om een tegendruk tot stand te brengen, die nodig is, zodat de lekhoeveelheid van het inerte gas voor de vereiste spoeling van de afdichtende pakkingringen (3) zorgt voor het behoud van de pakkingringen 35 bijvoorbeeld met het oog op een versnelde veroudering als gevolg van de vorming van cokes.

Rekening houdend met het feit, dat de drukverschillen voor elk stel pakkingringen niet dezelfde zijn, kunnen deze -9- pakkingringen een verschillende aard en/of lengte bezitten, zodat lekkage naar buiten en lekkage naar binnen verschillend geregeld kunnen worden.

Figuur 2 toont een doorsnede van een gewijzigde uit-5 voeringsvorm van de inrichting in het geval, waarin de metalen bus of mantel (15) met een dubbele wand is uitgevoerd, zodat een warmtegeleidend medium kan stromen, dat voor de afkoeling van het gehele verbindings- en afdich-tingssamenstel zorgt, waarbij het medium in de inwendige 10 ruimte (19) van de dubbele mantel stroomt. Het warmtegelei-dende medium komt via de inlaat (20) de metalen mantel (15) met dubbele wand binnen, stroomt naar de ruimte (19) en wordt vervolgens via de uitlaat (21) afgevoerd. Dit medium kan het inerte gas zijn, dat voor het spoelen van de afdichtingsmid-15 delen (3) en (3') wordt gebruikt, waarbij in dit geval van hetzelfde voedingsnet gebruik wordt gemaakt. Wanneer de aard van dit medium anders is, stroomt het naar een onafhankelijk net met lage druk en met een groot debiet. Het warmtegelei-dende medium kan in bepaalde gevallen vloeibaar zijn. De 20 middelen voor het afdichten en vasthouden kunnen gelijk zijn aan de middelen van figuur 1.

Figuur 3 toont een voorbeeld van een uitvoering van een reactor, waarbij gebruik wordt gemaakt van de inrichting volgens de uitvinding, die voorzien is van een buitenmantel 25 (31), bevattende een inlaat (32) voor een reagens, een verdeelstuk (40), keramische buizen (34), verbindingsinrich-tingen (35) volgens de uitvinding, een verzamelaar (41), een uitlaat (33) voor het reagens en systemen (37) voor het toevoeren van warmte-energie.

30 In dit voorbeeld dringt het reagens via de inlaat (32) de mantel (31) binnen, wordt het reagens door de metalen verdeler (40) over de verschillende keramische buizen (34) verdeeld, stroomt het reagens naar de keramische buizen, die bijvoorbeeld horizontaal geplaatst zijn, en reageert het 35 reagens onder invloed van de warmte, die door de branders (37) in de inwendige ruimte (42) van de mantel (31) wordt aangevoerd, waarna het reagens via de metalen verzamelaar (41) naar de uitlaat (33) wordt afgevoerd. Aan de einden van 1025726 I -ιο ί elke keramische buis (34) verbinden verbindingsinrichtingen I volgens de uitvinding de keramische buizen met de verdeler I (40) en de verzamelaar (41). In de inwendige ruimte van de I mantel (42) heerst een atmosferische druk en de druk van het I 5 reagens, dat naar de keramische buizen stroomt, is hoger dan de atmosferische druk.

I De verbindingsinrichtingen (35) zijn afzonderlijk en I gezamelijk met een voedingsnet (36) voor inert gas verbon- I den, waarvan de toevoerdruk door een afsluiter (43) wordt I 10 geregeld. Deze regeling wordt uitgevoerd door middel van een I regelaar (38), die als functie van de meting van het druk- verschil (39) tussen het inlaatnet (36) voor het inerte gas I en de inlaat (32) voor het reagens werkt.

Het drukverschil wordt positief gehouden op een bepaalde I 15 aanvankelijke waarde als funktie van de afdichtingsmiddelen, I die in de verbindingsinrichtingen (35) zijn aangebracht, en van het gewenste debiet van het inerte spoelgas. De waarde I van dit drukverschil bedraagt in het algemeen 1 millibar tot I 1 bar en bij voorkeur 10 millibar tot 500 millibar.

B 20 Op deze wijze wordt met eventuele veranderingen van de B druk van het reagens rekening gehouden teneinde het druk- B verschil, dat op het debiet van het inerte gas werkt, con- B stant te houden.

B Figuur 4 toont een voorbeeld van een uitvoering met ver- B 25 bindingsinrichtingen in het geval van een bundel keramische B buizen, waarbij van hetzelfde voedingsnet voor het inerte gas B en het warmtegeleidende medium gebruik wordt gemaakt.

B Een metalen mantel (50) bevat een aantal verbindings- B inrichtingen (51) volgens de uitvinding met relatieve gere- B 30 gelde dichtheid en een aantal keramische buizen (52). Een hol B metalen onderdeel (53) is met de mantel (50) verbonden door een aantal openingen (54), die nagenoeg zijn uitgelijnd ten B opzichte van de keramische buizen (52) van de mantel (50).

B Het reagens dringt het holle metalen onderdeel (53) binnen B 35 via de inlaat (55), gaat door de buisvormige openingen (54) B naar de keramische buizen (52), die door de verbindingsin- B richtingen (51) in de mantel (50) bevestigd zijn.

B Het inerte spoelgas dringt de mantel (50) binnen via de -11- inlaat (56), stroomt naar de holle ruimte (57) en dringt vervolgens via het aantal openingen (59) het aantal verbin-dingsinrichtingen (51) binnen.

In dit voorbeeld speelt het inerte gas tevens de rol 5 van warmtegeleidend medium.

De beschreven uitvoering is een illustratief voorbeeld en talrijke, niet beschreven uitvoeringen, die bijvoorbeeld voorzien zijn van een aantal inlaatopeningen voor het reagens en een aantal inlaatopeningen voor het spoelgas, kunnen tot 10 stand worden gebracht zonder van de geest en het toepassingsgebied van de onderhavige uitvinding af te wijken.

Ook kunnen inlaatopeningen voor het inerte gas van de inlaatopeningen voor het warmtegeleidende medium gescheiden zijn, zodat twee verschillende media kunnen worden toegepast. 15 Figuur 5 toont een industriële toepassing van de in richting volgens de uitvinding bij een oven voor het kraken onder stoom, waarbij gebruik wordt gemaakt van een aantal verbindingsinrichtingen (76) en (77) met geregelde dichtheid, die met een gemeenschappelijke voeding (79) voor het inerte 20 gas verbonden zijn. De inrichting volgens de uitvinding biedt de mogelijkheid om buizen van een keramisch materiaal in het stralingsgebied toe te passen in plaats van metalen buizen, die in bekende ovens worden toegepast.

Het gekozen voorbeeld is een oven voor het kraken van 25 nafta onder stoom voor de produktie van olefinen. Het inerte gas is in dit geval waterdamp.

De naftalading (70) dringt het convectiegebied van de oven (72) binnen, waarbij de lading door een convectiebundel (69) stroomt, wordt voorverwarmd door convectieve warmteuit-30 wisseling met de rookgassen (84), waarna de lading gemengd wordt met de waterdamp (71), die in de convectiebundel (79), waarin zich de lading bevindt, wordt ingebracht.

Het aldus gevormde mengsel van lading en waterdamp wordt door dé leiding (82) naar de metalen verdeler (74) 35 gevoerd, waarop de keramische buizen (80) bevestigd zijn door een aantal verbindingsinrichtingen (76) volgens de uitvinding met geregelde dichtheid, bijvoorbeeld volgens de afbeelding in figuur 4.

,in?R7?R ! I -12- I Het mengsel van lading en waterdamp gaat door het I stralingsgebied (73) door keramische buizen (80), reageert onder invloed van de warmte, die door de branders (78) wordt I opgewekt, en wordt vervolgens via een aantal afdichtingsin- I 5 richtingen (77) volgens de uitvinding, zoals de in figuur 4 I getoonde inrichting, naar de metalen verzamelaar (75) af- I gevoerd. Het uitstromende medium, dat het gevolg is van de I reactie van het kraken onder stoom, wordt vervolgens gekoeld I in de wisselaars (81), die met de verzamelaar (75) verbonden I 10 zijn, en vervolgens naar een hier niet getoonde overdrachts- leiding afgevoerd.

I Het debiet van de spoeldamp (79) wordt door de afslui- ter (83) geregeld om een positief drukverschil te handhaven tussen de inlaat voor de spoeldamp ter plaatse van de verbin- I 15 dingsinrichtingen (76) en (77) met geregelde dichtheid en de I inlaat voor het mengsel van nafta en verdunningsdamp in de I metalen verdeler (74). Dit drukverschil wordt door de sensor I (85) gemeten, waarbij de informatie naar de regelaar (86) I wordt overgebracht, die de regelafsluiter (83) bestuurt. Op 20 deze wijze wordt het medium van het procédé door de verbin- I dingsinrichtingen (76) en (77) met geregelde dichtheid opge- I sloten.

Voor deze toepassing kunnen bijvoorbeeld de afmetingen I van de verbindingsinrichtingen met geregelde dichtheid 25 zodanig worden gekozen, dat het debiet van de spoeldamp I kleiner dan 10% van het dampdebiet, dat door het procédé verbruikt wordt, blijft. Bij een druk van het procédé van 2 bar levert de regeling van het drukverschil op 0,5 bar, overeenkomende met een druk van de spoeldamp van 2,5 bar, de 30 volgende verdeling op: ongeveer 30% van het debiet van de I spoeldamp komt de keramische buizen (80) binnen en ongeveer 70% van ditzelfde debiet ontwijkt naar de stralingskamer van I de oven (73).

Het debiet van de spoeldamp, dat door de verbindings- 35 inrichtingen (76) en (77) met geregelde dichtheid in het procédé wordt ingevoerd, stelt slechts ongeveer 3% van het totale debiet van de damp voor, dat door het procédé wordt verbruikt.

I -13- I De keuze van het niveau van de overdruk van de spoeldamp I hangt gedeeltelijk af van drukschommelingen van het medium I van het procédé. In het onderhavige geval zijn deze schom- melingen typisch kleiner dan 0,3 bar, de aanvullende 0,2 bar I 5 behoren bij een beveiliging, maar kunnen worden verminderd, I hetgeen tot een kleiner lekdebiet leidt. In het algemeen I wordt het niveau van de overdruk bij een toepassing zodanig I gekozen, dat dit leidt tot een lekdebiet van het spoelgas, I dat zo beperkt mogelijke percentages ten opzichte van het I 10 debiet van het medium van het procédé voorstelt.

I Een verschillend debiet van de spoeldamp tussen de I inlaatverbindingsinrichting (76) en uitlaatverbindingsin- I richting (77) kan nodig zijn om rekening te houden met I verschillen van druk en temperatuur aan de inlaat en de I 15 uitlaat van de keramische buizen (80). In dit geval wordt I het debiet afzonderlijk geregeld.

I Figuur 6 toont een doorsnede van de inrichting volgens I de uitvinding in het speciale geval van een verbinding tussen I twee keramische buizen (101) en (102). Deze inrichting is I 20 voorzien van een metalen mantel (114), die aan de twee einden I door flenzen gesloten is, welke mantel voorzien is van twee I inlaatopeningen (112) en (113) voor inert gas, die door de I metalen mantel (114) gaan en respectievelijk uitmonden in een I ruimte (108) en (109), een silicaatpakking (105) van harde I 25 vezels, die tussen de twee buizen (101) en (102) is aan- I gebracht, vier series afdichtende pakkingringen van kerami- I sche vezels (103), (103'), (106) en (106'), twee tussenstuk- I ken (104’) en (107'), die de circulatie van het inerte gas I mogelijk maken, en twee ringen (104) en (107), die respec- 30 tievelijk tegen contraflenzen (110) en (111) rusten. Door het vastklemmen van de twee contraflenzen (110) en (111) worden de afdichtende pakkingringen (103), (103'), (106) en (106') samengedrukt tussen twee starre steunvlakken voor de afdichtende pakkingringen (103) en (106) ofwel tussen een star 35 steunvlak en de silicaatpakking (105) van harde vezels voor de afdichtende pakkingringen (103') en (106).

De inrichting is aldus samengesteld uit twee inrichtingen volgens figuur l, die in serie geplaatst zijn, waarbij I -i4~ de begrenzing van het procédé, dat zich in de buizen (101) en I (102) bevindt, door de spoeling van het inerte gas door de afdichtende pakkingringen (103') en (106) gewaarborgd wordt.

I De keramische buizen zijn bij voorkeur vertikaal aan- I 5 gebracht. In dit geval ligt de bovenste buis door middel van I de pakking (105) tegen de onderste buis, hetgeen aanvaardbaar I is bij keramische materialen, zoals siliciumcarbide, dat zowel bij koude als bij hoge temperatuur een zeer goede weerstand tegen druk bezit.

I 10 Deze inrichting kan voorzien zijn van een metalen mantel met dubbele wand, waardoor een warmtegeleidende medium kan stromen, dat voor de koeling van de mantel zorgt. Evenzo kunnen inrichtingen, die voorzien zijn van een aantal buizen in dezelfde mantel, die zelf voorzien is van een gemeenschap- I 15 pelijke inlaat of een aantal inlaatopeningen voor het inerte gas en/of het warmtegeleidende medium, in dezelfde geest als de onderhavige uitvinding tot stand gebracht worden.

VERGELIJKEND VOORBEELD

Met numerieke berekeningen met een simulatiesoftware I 20 voor het kraken onder stoom CRACKSIM, ontwikkeld door het laboratorium voor petrochemische technieken van de univer- siteit van Gent, kan de doelmatigheid van een oven met keramische technologie, waarbij van de uitvinding gebruik wordt gemaakt, vergeleken worden met die van een bekende 25 "milliseconden'’ oven van het type KELLOG. Bij deze ovens wordt gebruikt gemaakt van metalen buizen van een lengte van H 10 meter en met een uitgewisselde warmteflux van de orde van grootte van 85 kW/m2. In het geval van toepassing van kerami- sche buizen biedt de technologie volgens de uitvinding de 30 mogelijkheid van buizen met een lengte van ongeveer 4 meter in het stralingsgedeelte. Ofschoon korter zijn de fluxen, die H kunnen worden uitgewisseld, groter vanwege de grotere stabi- H liteit van de keramische materialen bij hoge temperatuur. De elementen, die beide uitvoeringen van ovens in de berekening 35 gemeen hebben, zijn de volgende: - ethyleenproduktie: 100.000 t/jaar H - verdunningsdamp: 0,6 kg damp/kg nafta H - aard van de lading: in gewichtsprocenten per bestand- -15- delenfamilies: - normale paraffinen: 37,73 - isoparaffinen: 35,28 - naftenen: 21,53 5 - aromaten: 5,37 - olefinen: 0,1 bij een soortelijk gewicht van 0,6924 bij 15°C.

- inlaattemperatuur van het nafta in het stralingsge-bied van de oven: 600°C.

10 - druk van het mengsel van nafta/damp: 2 bar absoluut.

- binnendiameter van de buizen: 35 mm in onderstaande tabel zijn de veronderstellingen en resultaten voor de twee uitvoeringsvormen aangegeven: keramische metalen 15 ___technologie technologie

Geometrie - lengte van buizen (m) 4 10 - aantal buizen__560__420_

Gemiddelde flux over de 20 buizen (kW/m2)__190__85_

Verblijftijd (ms) 84__154_ Üitlaattemperatuur van het gas (°C)_ 940__920_ samenstelling van het gas 25 (gewichtsprocenten) - methaan 13,4 14,7 - ethyleen 30,3 30,3 - propyleen__15,8__15,0_ι

Soberheid (ethyleen/ 30 propyleen) 0,52 0,5

Deze berekeningen tonen belangrijke resultaten voor het geval van een keramische buis met een som van waardevolle produkten (ethyleen + propyleen) voor een hoeveelheid me-35 thaan, een minder waardevolle component, een goedkoper produkt. Hieraan kan tevens worden toegevoegd, dat bij inachtneming van een gemiddelde prijs van het propyleen van 400 tot 450 Amerikaanse dollars per ton, de vergroting van de selectiviteit van propyleen met 0,8% een winst van meer dan 40 een miljoen Amerikaanse dollars per jaar voorstelt.

Een ander belangrijk aspect voor de onderhavige toepassing is de vermindering van het katalytische cokes, dat op de metalen oppervlakken ontstaat. In de veronderstelling, dat de keramische buizen uit siliciumcarbide zijn vervaardigd, kan I -16- I verwezen worden naar het artikel "Anticoking coatings for I high temperature petrochemical reactors" (P. Broutin e.a., I Oil & Gas Science and Technologie - Rev. IFP, Vol. 54 (1999), I No. 3, biz. 372-385), waarin proeven ten aanzien van de I 5 cokesvorming, veroorzaakt door het kraken onder stoom van n- I hexaan, bij een monster van een typische legering van de I ovenbuis met groot nikkel- en chroomgehalte en een monster van siliciumcarbide van het type een vermindering van een I verhouding 4,5 van de cokesproduktie op het siliciumcarbide I 10 ten opzichte van de metalen legering bewezen hebben. Dit punt I is zeer belangrijk in termen van beschadiging van de oven- I buizen en bijgevolg in termen van de werkingsduur tussen de I twee periode van het verwijderen van het cokes.

I In verband hiermede tonen proeven, die door de maat- 15 schappij NOVA zijn uitgevoerd en samengevat zijn in het I artikel "Achieving Longer Furnace Runs at NOVA Chemicals" H (A. Apuzzo, L. Benum, ERTC Petrochemische Conferentie te

Amsterdam, Nederland (2002) het voordeel aan van het gebruik I maken van een minder cokesvormend materiaal voor de vervaar- I 20 diging van buizen voor de oven voor het kraken onder stoom.

I Het materiaal ANK 400, dat zij hebben ontwikkeld, biedt de mogelijkheid om de duur van de eerste werkingscyclus tot 400 I dagen te verlengen in plaats van de 33 dagen, die gewoonlijk met bekende buizen worden verkregen.

25 Deze prestatie neemt af bij de volgende cycli om tijdens de vierde cylus 150 dagen te bereiken. In de veronderstel- ling, dat het siliciumcarbide voordelen bezit in termen van

een niet cokesvormend oppervlak gelijk aan het materiaal ANK

400, kunnen dezelfde soorten prestaties over de eerste cyclus H 30 worden beoogd. Aangezien het siliciumcarbide uit de aard meer stabiel is dan een metalen legering dienen op de lange ter- mijn de anti-cokesvormende eigenschappen na het ontcooksen worden gehandhaafd. In dit geval en in tegenstelling tot het materiaal ANK 400 worden de prestaties, die tijdens de eerste 35 cyclus verkregen worden, tijdens de volgende cycli behouden.

Een aanvullend belang verband houdend met de verminde- ring van de vorming van cokes is de mogelijkheid om buizen met een kleinere diameter toe te passen zonder met verstop- I 4ΛΟΠ 9 fi -17- pings problemen geconfronteerd te worden. Bij buizen met een diameter van 20 mm levert de simulatiesoftware CRACKSIM bijvoorbeeld de volgende prestaties op met dezelfde veronderstellingen als in de voorgaande gevallen.

5 keramische technologie ’ (diameter van buis = 20 mm)

Geometrie - lengte van buizen (m) 4 10 - aantal buizen__915 _

Gemiddelde flux over dë buizen (kW/m2)__190_ ""Verblijftijd (ms) j_43_

Üitlaattemperatuur van I

15 het gas (°C) _j_960_

Samenstelling van het gas j (gewichtsprocenten) - methaan 12,3 - ethyleen 30,3 20 - propyleen__16,3_ soberheid (ethyleen/ propyleen _0,54_

Geconstateerd wordt een zeer belangrijke vergroting van 25 de som ethyleen + propyleen (+ 1,3% propyleen ten opzichte van het bekende metalen geval) met een sterke vermindering van de hoeveelheid geproduceerd methaan (- 2,4%). Deze verbetering van de prestaties, die mogelijk wordt gemaakt door gebruikmaking van minder cokesvormende keramische 30 materialen, die tegen hoge temperaturen bestand zijn, toont het potentiëel van deze nieuwe technologie aan.

35 40 4 (Π £

Claims (15)

1. Inrichting voor het met relatieve, geregelde dicht- I heid verbinden van een leiding (1) en een keramische buis I 5 (7), welke inrichting voorzien is van: I - een cilindrische mantel (5), die afgedicht aan de I leiding is bevestigd, waarbij een einde van de keramische I buis in de mantel is aangebracht, I - afdichtingsmiddelen, die bestaan uit tenminste twee 10 stel pakkingen (3, 3'), die in de ringvormige ruimte tussen I de keramische buis en de mantel zijn aangebracht, I - een tussenstuk (4), dat tussen de twee stel pakkingen is aangebracht, I - middelen (6) voor het samendrukken van de pakkingen, 15. middelen (8) voor het inspuiten van een medium tussen I de twee stel afdichtende pakkingen, zodat een bepaald druk- I verschil over elke pakking tot stand wordt gebracht.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het einde van de keramische buis van de leiding gescheiden is I 20 zijn door een onderdeel, dat een aanslag (2) vormt.

3. Inrichting volgens één der voorgande conclusies, met het kenmerk, dat de mantel van een dubbele wand is voorzien, die een inwendige ruimte (19) vormt, waarin een warmtegelei- dend medium stroomt.

4. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de inwendige ruimte met de ruimte (9) tussen de pakkingen in verbinding staat.

5. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de mantel uit vuurvast staal met een grote 30 thermische weerstand is vervaardigd.

6. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de keramische buis uit een dicht keramisch materiaal, zoals siliciumdioxide-aluminiumoxide, Mulliet, aluminiumoxide, zirkoonoxide of siliciumcarbide en bij voor- H 35 keur uit siliciumcarbide is vervaardigd.

7. Inrichting volgens één der conclusies 2 tot 6, met H het kenmerk, dat het aanslagonderdeel is samengesteld uit H een materiaal van het silicaattype, dat is samengeperst en -19- versterkt is met vezels, die een weerstand tegen breuk bij samendrukken bezitten, die kleiner is dan de weerstand van de keramische buis en die van de cilindrische mantel.

8. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met 5 het kenmerk, dat de afdichtende pakkingen uit vezels van het type siliciumdioxide-aluminiumoxide, aluminiumoxide, zirkoon-oxide of grafiet zijn samengesteld.

9. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de vezels van de pakkingen met een keramisch of metalen 10 materiaal geïmpregneerd zijn.

10. Inrichting volgens één der conclusies 1 tot 7, met het kenmerk, dat tenminste één afdichtende pakking uit keramische poeder is samengesteld.

11. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, 15 met het kenmerk, dat het medium waterdamp is.

12. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de leiding een buis is, die identiek aan de keramische buis is en waarbij de einden van elke keramische buis in de mantel is aangebracht en door identieke 20 afdichtingsmiddelen met de mantel verbonden zijn.

13. Werkwijze voor het regelen van de dichte verbinding van de inrichting volgens één der conclusies 1 tot 12, met het kenmerk, dat de volgende stappen worden uitgevoerd : - het drukverschil tussen het reagens, dat in de leiding 25 aanwezig is, en het medium wordt gemeten, - het drukverschil wordt zodanig geregeld, dat een lekkage voor het spoelen naar de binnenzijde van de buis wordt gehandhaafd.

14. Toepassing van de inrichting volgens één der con-30 clusies 1 tot 12 bij installaties voor het kraken onder stoom, voor pyrolyse, het katalytisch dehydrogeniseren of vervormen onder stoom.

15. Toepassing van de inrichting volgens conclusie 14, bij een installatie voor het kraken onder stoom, met het 35 kenmerk, dat het reagens een hoge temperatuur van bij voorkeur 600 tot 1200eC bezit. 1 tl 2 5 7 2 6