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Die
Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung von Kohlenwasserstoffen
durch Spaltung eines Kohlenwasserstoff-haltigen Einsatzes, wobei
der Kohlenwasserstoffhaltige Einsatz mit Spaltgas in mindestens
einen Spaltofen geführt wird, wobei der Spaltofen im Inneren
beheizte Spaltrohre aufweist, in denen der Kohlenwasserstoffhaltige
Einsatz in kürzerkettige Kohlenwasserstoffe umgewandelt
wird. Die Erfindung wird am Beispiel einer Ethylenanlage unter Verwendung
von Wasserdampf als Spaltgas beschrieben, ist aber prinzipiell für
jede Anlage der Eingangs erwähnten Art geeignet und daher
nicht auf Ethylenanlagen eingeschränkt.
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In
einer Ethylenanlage wird ein Kohlenwasserstoff-haltiger Einsatz
(beispielsweise Naphtha) mittels Dampfspaltung in die gewünschten
kürzerkettigen Kohlenwasserstoffe umgewandelt. Bei den herrschenden
hohen Temperaturen der Dampfspaltung spalten die längerkettigen
Kohlenwasserstoffe des Einsatzes in kürzerkettige Kohlenwasserstoffe wie
Ethen und Propen sowie andere Nebenprodukte wie Wasserstoff auf.
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Nach
dem Stand der Technik wird der Kohlenwasserstoff-haltige Einsatzstoff
in der Konvektionszone des Spaltofens of 550°C bis 600°C
vorgewärmt. In dieser Konvektionszone wird dem Kohlenwasserstoff-haltigen
Einsatzstoff heißer Prozessdampf zugegeben. Das gasförmige
Gemisch aus Kohlenwasserstoff-haltigem Einsatz und Wasserdampf wird
aus der Konvektionszone in die beheizten Spaltrohre des Spaltofens
geführt. Im Inneren der beheizten Spaltrohre herrscht dabei
eine Temperatur von 800°C bis 850°C, die zur Aufspaltung
der längerkettigen Kohlenwasserstoffe in kürzerkettige
Kohlenwasserstoffe führen. Der Prozessdampf dient der Partialdruckerniedrigung
der einzelnen Reaktionsteilnehmer sowie der Verhinderung einer erneuten
Aneinanderlagerung bereits gespaltener, kürzerkettiger Kohlenwasserstoffe
(Polymerisation). Die Verweilzeit in den Spaltrohren des Spaltofens
beträgt dabei etwa 0,2 bis 0,4 sec. Der mit einer Temperatur
von ca. 850°C aus dem Spaltofen austretende Stoffstrom, welcher
zum großen Teil aus Ethen, anderen Olefinen (Propen) und
Diolefinen besteht, wird rasch auf ca. 400°C abgekühlt,
um Sekundärreaktionen der sehr reaktionsfreudigen Spaltprodukte
zu unterbinden. Das abgekühlte Gasgemisch, dessen Zusammensetzung
in starkem Maße vom Einsatzstoff und den Spaltbedingungen
abhängt, wird anschließend in einer komplexen
Folge von Trennschritten in die gewünschten Produkte zerlegt.
Die Spaltrohre in einem Spaltofen nach dem Stand der Technik haben üblicherweise
einen Innendurchmesser von 90 bis 120 mm und eine Länge
von 60 bis 80 m.
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Typischerweise
bestehen derartige Spaltrohre aus einer Chrom-Nickel-Legierung und
befinden sich in einem Spaltofen, welcher durch Flammen beheizt
wird. Je nach Anordnung der Rohre durchlaufen die Kohlenwasserstoff-haltigen
Einsatzstoffe den Spaltofen einmal oder mehrmals. Beim mehrmaligen Durchlauf
des Spaltofens werden die Spaltrohre nicht in gerader Anordnung,
sondern in einer U-förmigen oder W-förmigen Anordnung
in den Spaltofen eingebracht.
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Derartige
Spaltöfen weisen eine Reihe von Problemen auf. Um eine
Weiterreaktion von bereits gespaltenen, längerkettigen
Kohlenwasserstoffen zu sekundären Produkten wie polymerisierten
Alkanen zu vermeiden, muss die Verweilzeit im Spaltofen auf den
oben erwähnten Bruchteil von Sekunden beschränkt
werden. Um in dieser Zeit trotzdem eine hinreichend hohe Temperatur
für die Spaltung der längerkettigen Kohlenwasserstoffe
im Einsatzmaterial zu erreichen, müssen die Temperaturen
im Spaltofen sehr hoch sein, was einen entsprechend hohen Heizgasbedarf
zur Unterfeuerung nach sich zieht. Zusätzlich bildet sich
durch die hohen Temperaturen verstärkt Koks. Der gebildete
Koks lagert sich auf der Rohrinnenwand ab und verschlechtert somit
den Wärmeübergang vom Feuerraum des Spaltofen
auf die Reaktionspartner. Weiterhin führen die Koksablagerungen
zu einer Verengung des durchströmbaren Querschnitts im
Rohrinneren und erhöhen dadurch den Druckverlust entlang
des Rohres. Zur Entfernung der Koksablagerungen sind periodische
Reinigungsabschaltungen notwendig, welche in der Regel alle 20 bis
60 Tage erfolgen.
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Um
derartige Koksablagerungen auf den Rohrinnenwänden zu reduzieren,
wird in der
WO 2007/104952 die
Verwendung von helikal gewundenen Spaltrohren vorgeschlagen. Durch
die helixförmige Windung der Spaltrohre bildet sich im
Inneren der Rohre eine Drallströmung der Einsatzstoffe
aus. Durch diese Drallströmung soll im Gegensatz zu den axialen
Strömungen in den geraden Rohren nach dem Stand der Technik
die Koksablagerung im Rohrinneren deutlich verringert werden. Durch
die Verringerung der Koksablagerungen wird gleichzeitig der Wärmeübergang
verbessert und ein höherer Durchsatz erreicht. Mit einer
zunehmenden 3-D-Strukturierung der Spaltrohre – wie die
vorgeschlagene helixförmige Ausführung – wird
jedoch gleichzeitig der Druckverlust über das Rohr erhöht.
Als Optimum bezüglich Vermeidung der Koksablagerungen und
Vermeidung eines zu hohen Druckverlustes lehrt
WO 2007/104952 daher die Verwendung
von helixförmigen Spaltrohren, bei denen die Amplitude
der Helix maximal dem halben Rohrdurchmesser entspricht. Als bevorzugte
Verhältnisse wird das 0,45-fache bis 0,05-fache des Rohrdurchmessers
offenbart. Bei der Verwendung von Spaltrohren gemäß
WO 2007/104952 wird
durch die Verbesserung des Wärmeübergangs durch
die Verringerung der Koksablagerungen im Wesentlichen eine Steigerung
des Durchsatzes bei gleicher Laufzeit zwischen zwei Entkokungszyklen
erreicht.
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Durch
die sich stetig verknappende Rohstoffbasis bei stetig steigenden
Preisen von Einsatzstoffen und Produkten sind jedoch Verbesserungsmaßnahmen
zur Steigerung der Selektivität der Dampfspaltung notwendig.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Anlage
zur Erzeugung von Kohlenwasserstoffen mittels Spaltung eines Kohlenwasserstoff-haltigen
Einsatzes derart auszugestalten, dass die Selektivität
des Spaltprozesses bezüglich gewünschter Reaktionsprodukte
erhöht wird.
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Die
vorliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass
- a) mindestens ein Spaltrohr mindestens einen helixförmig
gewundenen Abschnitt aufweist und/oder
- b) mindestens ein Quenchrohr mit mindestens einem helixförmig
gewunden Abschnitt zur Abkühlung und damit zum Reaktionsstopp
in Strömungsverbindung mit den Spaltrohren des Spaltofens
steht und
- c) wobei die Amplitude der Helix im helixförmigen Abschnitt
des Spalt- und/oder Quenchrohres mehr als das 0,5-fache und weniger
als das 1,5-fache des Durchmessers des Spaltrohres und/oder Quenchrohres
beträgt.
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Als
Amplitude der Helix wird im Rahmen dieser Erfindung der maximale
Abstand der Rohrachse von der gedachten Achse bezeichnet, die die
Zentrumsachse der Helix bildet.
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Durch
neue Untersuchungen hat sich gezeigt, dass bei der Verwendung von
Spaltrohren mit mindestens einem helixförmig gewundenen
Abschnitt mit einer Helixamplitude von mehr als dem 0,5-fachen und
weniger als dem 1,5-fachen des Rohrdurchmessers die Olefinselektivität
des Spaltprozesses deutlich gesteigert werden kann. Bei der Verwendung
der Spaltrohre gemäß dem Erfindungsgedanken lässt
sich bei verschiedensten Einsätzen (wie beispielsweise
Ethan, ein Ethan/Propan-Gemisch, Propan oder Naphtha) eine deutliche
Verbesserung der Olefinselektivität erreichen. Die erfindungsgemäßen
Spaltrohre erzeugen eine stärke Drallströmung
im Rohrinneren. Durch die dadurch erzielte Verringerung der axialen
Dispersion in der Strömung wird eine Vergleichmäßigung
der Verweilzeit des Gemisches aus Kohlenwasserstoffen und Spaltgas
im Spaltrohr erreicht. Die Reaktionsabläufe und mithin
die Selektivität der Reaktion ist dadurch deutlich besser
kontrollierbar.
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Auch
durch die Verwendung von Quenchrohren gemäß der
Erfindung wird die Selektivität des Spaltprozesses deutlich
gesteigert. Quenchrohre mit einem helixförmigen Abschnitt
mit einer Helixamplitude von mehr als dem 0,5-fachen und weniger
als dem 1,5-fachen des Durchmessers der Quenchrohre haben einen
deutlich verbesserten Wärmeübergang vom Quenchmedium
außerhalb der Quenchrohre auf die Spaltprodukte im Inneren.
Durch diesen verbesserten Wärmeübergang wird die
unerwünschte weitere Reaktion der Spaltprodukte effektiver
verhindert und somit die Selektivität des Spaltprozesses
deutlich erhöht.
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Unter
Spaltgas wird im Rahmen dieser Erfindung ein Stoffgemisch in der
Gasphase oder Dampfphase wie beispielsweise Wasserdampf, gasförmiges
Kohlendioxid oder Methangas verstanden. Die erfindungsgemäße
Anlage eignet sich besonders für die Verwendung von Wasserdampf
als Spaltgas.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt die
Amplitude der Helix-, der Spalt- und/oder Quenchrohre mehr als das
0,52-fache und weniger als das 1-fache des Durchmessers der Rohre.
Als vorteilhaft hat sich dabei erwiesen, die Spaltrohre und/oder
Quenchrohre über nahezu ihre gesamte Länge helikal
gewunden auszuführen, wobei die Zahl der Windungen pro
Meter konstant oder veränderlich ist. Abhängig
vom Einsatzstoff und dem gewünschten Produkt wird vorteilhafterweise
die Zahl der Windungen pro Meter konstant gehalten oder verändert.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung wechselt die
Drehrichtung der Helix innerhalb eines Rohrabschnittes oder zwischen
verschiedenen Rohrabschnitten.
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Die
Erfindung lässt sich auch bei U-förmigen oder
W-förmigen Rohrkonzepten realisieren. In dieser Ausgestaltung
der Erfindung weist mindestens ein Rohrsegment, welches nicht der
Umkehrung der Strömungsrichtung dient, mindestens einen
helixförmig gewundenen Abschnitt auf. Entsprechend der gewählten
U- oder W-förmigen Geometrie werden die Einsatzstoffe der
Spaltung zweimal oder viermal durch den Spaltofen geführt.
Die helixförmigen Abschnitte befinden sich dabei zweckmäßigerweise
in den langen Segmenten der Spaltrohre und/oder Quenchrohre und
nicht in den jeweiligen Umkehrpunkten.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weisen die helixförmigen
Abschnitte der Spalt- und/oder Quenchrohre eine nicht ganzzahlige
Anzahl von Windungen auf.
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Es
hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, dass sich zwischen Ausgang
des Spaltofens und Eingang des Quenchkühlers ein Rohr befindet,
welches mindestens einen helixförmig gewundenen Abschnitt aufweist,
wobei die Amplitude der Helix mehr als das 0,001-fache und weniger
als das 1,5-fache, bevorzugt mehr als das 0,01-fache und weniger
als das einfache, besonders bevorzugt mehr als das 0,1-fache und
weniger als das 0,5-fache, des Rohrdurchmessers beträgt.
Durch die vorteilhafte Positionierung eines helixförmig
gewundenen Rohres zwischen Ausgang des Spaltofens und Eingang des Quenchkühlers
wird die thermische Beanspruchung der Anlage in diesem Bereich durch
die herrschenden, sehr unterschiedlichen Temperaturen deutlich verringert.
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Die
erfindungsgemäße Anlage ist besonders zur Durchführung
eines Verfahrens zur Spaltung eines Kohlenwasserstoff-haltigen Einsatzes
geeignet, wobei das Gemisch aus Kohlenwasserstoff-haltigen Einsatz
und Spaltgas mit einer derartigen Geschwindigkeit durch die Spaltrohre
geführt wird, das die Verweilzeit des Gemisches in den
Spaltrohren weniger als 0,2 Sekunden, bevorzugt weniger als 0,1
Sekunde, besonders bevorzugt zwischen 0,0005 Sekunden und 0,0015
Sekunden, beträgt.
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Mit
der vorliegenden Erfindung gelingt es insbesondere, die Selektivität
des gesamten Spaltprozesses in einer Anlage der eingangs erwähnten
Art zu verbessern. Zusätzlich wird bei Verwendung der erfindungsgemäßen
Spaltrohre die Temperatur auf der Rohrinnenwand abgesenkt, wodurch
sich eine Erhöhung der Laufzeit der Anlage ergibt. Dadurch verringern
sich die jährlichen Stillstandszeiten des Spaltofens deutlich.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur dargestellten
Ausführungsbeispieles der Erfindung näher erläutert
werden.
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Es
zeigt
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1 eine
nicht maßstabsgetreue Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Spaltrohres
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1 zeigt
eine nicht maßstabsgetreue Ausführungsform eines
Spaltrohres oder Quenchrohres im Sinne der Erfindung. Die Amplitude
A des helixförmig gewundenen Rohrabschnittes 1 beträgt
in dieser Ausgestaltung der Erfindung das 0.8-fache des Rohraußendurchmessers
D. Die Amplitude A ergibt sich als Abstand zwischen der zentralen
Helixachse 2 und der sich windenden Rohrachse 3.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2007/104952 [0006, 0006, 0006]