DE2147802B2 - Ofen zum Durchführen katalytischer endothermer Reaktionen - Google Patents

Ofen zum Durchführen katalytischer endothermer Reaktionen

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Description

Der erfindungsgemäße Ofen eignet sich beispielsweise für das Dampferacken von Kohlenwasserstoffen zur Herstellung von Wasserstoff, Synthesegas, Starkgas oder Olefinen.
Übliche öfen für endotherme Reaktionen umfassen im allgemeinen eine oder mehrere Reaktionskammern, deren Wände, Decke und/oder Boden mit Brennern ausgestattet sind. In der oder in den Reaktionskammer(n) befindet sich eine Vielzahl von vertikal angeordneten Rohren, wobei die Kopfenden der Rohre über die Kammerdecke reichen und die unteren Enden sich gegebenenfalls im Kammerboden befinden. Bei diesen bekannten Öfen werden die fließfähigen Reaktionspartner oben in die Rohre über eine außerhalb der Reaktionskammer angeordnete Verteilerleitung eingeführt und die Reaktionsprodukte unten aus den Rohren abgezogen, gesammelt und über eine oder über mehrere Sammelleitung abgeführt.
Die Hauptschwierigkeit bei derartigen Ofenkonstruktionen zur Durchführung endothermer Reaktionen ergeben sich aus den dabei auftretenden Temperaturänderungen und den damit verbundenen Bewegungen der Reaktionsrohre, der Austrittsleitungen und der Sammelleitungen infolge der Wärmedehnung bzw. -kontraktion. Weitere Schwierigkeiten liegen in der unteren Abstützung der Reaktionsrohre. Normalerweise sind die Reaktionsrohre in der Kammer in einer oder zwei vertikalen Reihen und die Auslaß- oder Sammelleitungen für die fließfähigen Reaktionsprodukte waagrecht und im rechten Winkel zu den Reaktionsrohren angeordnet. Die beim Aufheizen und Abkühlen des Ofens auftretenden Temperaturänderungen führen zu einer entsprechenden Verlängerung bzw. Verkürzung der Reaktionsrohre und der Sammelleitung. Während sich die Reaktionsrohre ungehindert in Längsrichtung durch die Kammerdecke auszudehnen vermögen, müssen die Verbindungen zwischen den Reaktionsrohren und der Sammelleitung so ausgebildet sein, daß sie die Bewegungen der Sammelleitung ausgleichen, ohne daß es zu Wärmespannungen, die zu einer Beschädigung ίο der Rohre führen können, kommt
Bei den bekannten Konstruktionen sind die Reaktionsrohre unmittelbar an der Sammelleitung befestigt und werden von der Sammelleitung abgestützt, so daß die unteren Enden der Reaktionsrohre den Längsbewegungen der Teile der Sammelleitung, mit denen sie verbunden sind, folgen müssen. Da jedoch die oberen Enden der Reaktionsrohr diese Bewegungen nicht mitmachen können, treten in diesen und an den Verbindungsstellen zwischen den Rohren und der Sammelleitung Wärmespannungen auf, die beträchtliche Werte annehmen können bei einer größeren Anzahl von Reaktionsrohren, die mit einer Sammelleitung verbunden sind. Schließlich ist zu beachten, daß derartige Sammelleitungen keine ungehinderte Bewegung auszuführen vermögen, da sie das volle Gewicht der Reaktionsrohre zu tragen haben. Es ist daher erforderlich, die Reaktionsrohre mit Hilfe einer flexiblen Konstruktion oben aufzuhängen und z. B. eine Anordnung mit Gegengewichten und Seilrollen oder eine Federanordnung vorzusehen, die das gesamte Gewicht bzw. einen erheblichen Teil des Gewichtes der Reaktionsrohre aufnimmt.
Bei einer anderen bekannten Konstruktion sind die Reaktionsrohre mit der Sammelleitung durch lange mehrfach gekrümmte Rohre verbunden, die ausreichend flexibel sind, um die Bewegungen der Sammelleitung unter den Temperaturänderungen aufzunehmen und die unteren Enden der Reaktionsrohre doch ihre Lage beibehalten. Diese Konstruktion ist sehr kostspie-
lig, da die langen mehrfach gekrümmten Rohre aus warmfesten Legierungen bestehen müssen.
Man hat daher versucht, diese langen mehrfach gekrümmten Rohre durch kurze gerade Verbindungsrohre zu ersetzen und mit den Reaktionsrohren eine Führungsstange so zu verbinden, daß sich die unteren Enden der Reaktionsrohre entsprechend den Bewegungen der Sammelleitung zu bewegen vermögen. Bei dieser Konstruktion müssen jedoch die am oberen Ende der Reaktionsrohre befestigten flexiblen Tragkonstruktionen im wesentlichen das gesamte Gewicht der Rohre aufnehmen. Auch diese Konstruktion ist kompliziert und teuer und hinsichtlich der Überwachung und Wartung sehr anspruchsvoll. Es ist daher bei solchen Konstruktionen ein störungsfreier Betrieb nicht gewährleistet.
Aufgabe der Erfindung ist nun eine Ofenkonstruktion, bei der die Reaktionsrohre unten abgestützt sind und mit einer Auslaß- bzw. Sammelleitung durch gerade Rohre verbunden sind. Das Katalysatorbett ist über das obere Ende der Rohre leicht zugänglich, die Ofenwände sind von den Bewegungen durch Wärmedehnung der Reaktionsrohre unabhängig, die Konstruktion zeichnet sich durch kompakte Anordnung und kleine Abmessungen aus. Die Auslaßleitungen sind vereinfacht und die Verbindungsrohre von den Bewegungen durch Wärmedehnung der Sammelleitung unabhängig. Die Biegespannungsbeanspruchungen der zu der Sammelleitung führenden Verbindungsrohrc ist verringert und schließ-
lieh gestattet die erfindungsgemäße Ofenkonstruktion die Ausrichtung jedes einzelnen Reaktionsrohres.
Die Erfindung geht nun aus von einem Ofen zur Durchführung katalytischer endothermer Reaktionen mit mindestens einer Reihe von vertikal in mindestens einer Ofenkammer angeordneten Keaktionsrohren, mehrfach gekrümmten Einlaßrohren, Auslaßleitungen und Sammelleitung sowie Aufhängungen für die Reaktionsrohre und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßleitungen gerade Verbindungsrohre sind, welche sich im rechten Winkel zu den Reaktionsrohren erstrecken und in mindestens eine waagerechte Sammelleitung münden, deren Achse parallel zu der Reihe der Reaktionsrohre verläuft. In dem Ofen ist eine parallel zur Sammelleitung verlaufende, längs einer Reihe von Reaktionsrohren waagrecht aufgehängte Führungsstange mit paarweise angeordneten Ansätzen für die unteren Enden der Reaktionsrohre vorgesehen, wobei die Ansätze jedes Reaktionsrohr locker umgreifen. Schließlich sind schaukelartige Aufhängungen an den unteren Enden der Reaktionsrohr: vorgesehen, deren oberes Ende mit Ofenboden und deren unteres Ende mit einem das Reaktionsrohr unterstützenden Träger fest verbunden sind. Die schaukelartigen Aufhängungen bestehen bevorzugt im wesentlichen aus parallel zu den Reaktionsrohren angeordneten Spannschlössern, die sich zwischen Stangen befinden, welche in Ösen an dem Ofenboden und ösen am Träger einer Trägerstange eingehängt sind.
Nachteilig an den oben erwähnten bekannten Trag- und Aufhängungskonstruktionen mit Gegengewicl:!s- oder Federanordnungen ist, daß sich diese im Oberteil des Ofens befinden und damit den unterschiedlichsten Umgebungseinflüssen ausgesetzt sind. Es besteht somit die Gefahr der Korrosion funktionswichtiger Teile, insbesondere bei den beweglichen Teilen z. B. einer Seilrollenanordnung ist die Gewährleistung einer ungehinderten Bewegung während einer ganzen Ofenreise schwierig einzuhalten. Durch die starre Verbindung der Reaktionsrohre und Sammelleitungen bei den bekannten Konstruktionen kommt es leicht zum Riß, insbesondere an den kritischen Punkten wie Schweißverbindungen. Aber auch flexible Verbindungen zwischen Reaktionsrohren und Sammelleitungen haben bisher noch nicht zur zufriedenstellenden Lösung des Problems geführt; dies gilt insbesondere bei hohen Arbeitsdrucken, z. B. > 20 bar, und hohen Arbeitstemperaturen, z. B. > 7000C, wobei diese flexiblen Verbindungen aus warmfesten und druckfesten Werkstoffen hergestellt sein müssen, die nicht nur kostspielig sondern auch schwer zu bearbeiten sind
Hingegen zeichnet sich die erfindungsgemäße Ofenkonstruktion dadurch aus, daß die kurzen geraden Rohre, welche die mehrfach gebogenen Verbindungsrohre nach dem Stand der Technik ersetzen, die Biegung der senkrecht angeordneten Reaktionsrohre auszugleichen vermögen. Alle üblichen Beanspruchungen werden von der Aufhängekonstruktion aufgenommen. Diese zeichnet sich durch große Einfachheit aus und ist an einer leicht zugänglichen Stelle unterhalb der Reaktionskammer angeordnet Die Aufhängekonstruktion nach der Erfindung ist somit gegen Umgebungseinflüsse gut geschützt. Die Temperatur unterhalb der Reaktionskammer ist im allgemeinen nur geringfügig erhöht gegenüber der Hallentemperatur, womit auch die Korrosionsgefahr für die erfindungsgemäße Aufhängekonstruktion wesentlich herabgesetzt ist im Vergleich zu den bekannten Konstruktionen. Die einzelnen Teile der erfindungsgemäßen Aufhängekonstruktion führen nur kleine Bewegungen aus, die ohne Schwierigkeiten beherrschbar sind.
Nach der Erfindung können nur die Unterstützungen selb:t und die Auslaß- oder Sammelleitungen außerhalb der Reaktionskammer liegen, während die Verbindungen zwischen den Reaktionsrühren und den Verbindungsrohren sich innerhalb der Reaktionskammer befinden. Es ist aber auch möglich, auch noch die
ίο Verbindungsrohre und deren Rohranschlüsse außerhalb der Reaktionskammer anzuordnen, wodurch diese Teile für Überwachung und Wartung leicht zugänglich sind und eine Überhitzung der Verbindungsteile und Sammelleitungen vermieden wird. Da die Verbindungen und Sammelleitungen nicht mit den Verbrennungsgasen der Brenner in Berührung kommen, kann jeder beliebige Brennstoff einschließlich Rückstandsölen auch mit hohen Schwefel- und Aschegehalten verfeuert werden, um die für die Reaktion benötigte Wärmeenergie aufzubringen.
Die erfindungsgemäße Ofenkonstruktion eignet sich besonders für Verbundrohre aus einer äußeren Lage einer korrosionsbeständigen Legierung und einer inneren Lage aus einer druckfesten Legierung (IN PS 1 31 894).
Bei den oben erwähnten Konstruktionen mit unten abgestützten Reaktionsrohren und außenliegenden mehrfach gekrümmten Verbindungsrohren und Sammelleitungen kann die Länge der gekrümmten Rohre sehr groß sein und es können nur 20 bis 30 Reaktionsrohre an eine Sammelleitung angeschlossen werden. Bei modernen öfen sollten jedoch je Reaktionskammer !50 und mehr Rohre angeordnet werden können. In so einem Fall müssen bei den üblichen Ofenkonstruktionen mehrere Sammelleitungen zu einer Hauptsammelleitung verbunden werden und diese Hauptsammelleitung stellt dann einen feuerfest zugestellten Kanal dar, dessen Stahlmantel dann auf etwa Hüttentemperatur ist und damit keine Bewegungen aufgrund der Wärmedehnung ausführen muß.
Bei der erfindungsgemäßen Ofenkonstruktion kann nun der Auslaß aus den Reaktionsrohren kurze gerade Rohre sein, im Gegensatz zu den mehrfach gekrümmten Rohren nach dem Stand der Technik noch dazu, wo diese aus Speziallegierungen bestehen müssen. Auch im Hinblick darauf bedeutet die erfindungsgemäße Konstruktion eine erhebliche Einsparung an Investitionskosten. Darüber hinaus ist aber in den erfindungsgemäß angewandten kurzen Rohren der Druckabfuli natürlich wesentlich geringer als in den üblichen langen gekrümmten Rohren. Die mehreren Sammelleitungen, die in den feuerfest ausgekleideten Sammelkanal führen, sind erfindungsgemäß durch eine einzige Sammelleitung ersetzt, welche die gesamten Reaktionsprodukte aufnimmt.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen weiter erläutert. In diesen zeigt
Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Ofen mit zwei Reaktionskammern, von denen jede eine Reihe von vertikal angeordneten Reaktionsrohren enthält;
Fig.2 einen Ofen nach Fig. 1, entsprechend einem im .echten Winkel zur Zeichenebene von F i g. 1 verlaufenden Längsschnitt;
b5 F i g. 3 einen waagrechten Schnitt des Ofens nach Fig.l;
Fig. 4 einen waagrechten Schnitt durch einen Teil der Reaktionfrohre. woraus Einzelheiten der Anord-
nung mit zwei Reihen von vertikalen Reaktionsrohren entnommen werden können;
Fig. 5 einen Teilschnitt, der Einzelheiten einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aufhängekonstruktion erkennen läßt und
Fig. 6 einen ähnlichen Schnitt wie Fig. 5,jedoch eine andere Ausführungsform der Auslaßleitungen, wobei die Verbindung zwischen den Reaklionsrohren und den Verbindungsrohren innerhalb der Reaktionskammer angeordnet sind.
Bei dem Ofen der F i g. 1 bis 3 befinden sich die Reaktionsrohre 11 vertikal stehend innerhalb der Reaktionskammern 12, in die Strahlungsbrenner 13 für gasförmige oder flüssige Brennstoffe arbeiten. Die Einlaß- bs:w. Verteilerleitung 14 ist mit den oberen Enden 15 der Rohre 11 über der Ofendecke 16 durch ein mehrfach gekrümmtes Einlaßrohr 17 verbunden. Die unteren Einden 19 der Rohre 11 sind mit einer Sammelleitung 20 über die geraden Verbindungsrohre 18 verbunden. Die Reaktionsprodukte aus den Rohren 11 gelangen über die Sammelleitung 20 in einen Abhitzekessel 21.
Bei einer modifizierten Ausführungsform ist die Sammelleitung mit einer senkrechten (nicht dargestellten) Förderleitung zur Überführung der Reaktionsprodukte in eine weitere Verfahrensstufe verbunden. Der Festpunkt der Sammelleitung 20 befindet sich am Eingang in den Abhitzekessel 21 bzw. in die Überführungsleitung, während das andere Ende der Sammelleitung sich entsprechend den Temperaturänderungen ungehindert bewegen kann. Um eine Reibung der Sammelleitung 20 möglichst weitgehend zu vermeiden, ist sie gleitend auf einer beweglichen Unterstützung oder Aufhängekonstruktion gelagert. Die Heizgase, die von den Brennern erzeugt worden sind, verlassen die Reaktionskammern 12 über die Esse 22 und verlassen damit den Ofen.
Man kar.n die Rohre 11 anstelle in einer Reihe auch in zwei Reihen anordnen, wobei jedes Rohr der einen Reihe gegenüber der Lücke in der anderen Rohrreihe steht. Auf diese Weise läßt sich die in eine bestimmte Reaktionskammer einzubringende Anzahl an Reaktionsrohren vergrößern, ohne daß ein Teil der Rohrfläche von der unmittelbaren Wärmeeinstrahlung von den Kammerwänden abgeschirmt würde.
Die Fig.4 bis 6 zeigen nun Einzelheiten der erfindungsgemäßen Aufhängekonstruktion, mit deren Hilfe sich die unteren Enden der Reaktionsrohre innerhalb eines im wesentlichen ebenen sich waagrecht erstreckenden Bereichs zu bewegen vermögen zum Ausgleich der Wärmedehnung der Sammelleitung und der Verbindungsrohre. Die Fig.4 und 5 zeigen die Situation bei einem Ofen, in dessen Reaktionskammer sich zwei Reihen von Reaktionsrohren 11 befinden, und zwar wieder, wie oben erwähnt versetzt angeordnet während die F i g. 6 die Situation in einer Reaktionskammer mit nur einer Reihe von Reaktionsrohren wiedergibt
Das gesamte Gewicht des Rohres 11 wird von einer Strangstange 13 aufgenommen, die sich an einem Träger 32 abstützt welcher seinerseits von einer Schaukelanordnung getragen wird. Diese Schaukelanordnung kann eine Aufhängung 33 sein, deren Enden gemäß Fig.5 hakenförmig umgebogen sind. Anstelle dieser Aufhängungen können auch Ketten angewandt werden. Um eine senkrechte Verschiebbarkeit der Reaktionsrohre zu ermöglichen, befindet sich jede Aufhängung 33 zwischen zwei mit je einem Haken versehenen Stangen 34. die gemäß Fig.6 in ein Spannschloß 35 eingeschraubt sind. Die ösen 36, in die die oberen Haken der Aufhängung eingehängt sind, sind mit U-Profilen 37 verschweißt während die unteren r) Haken in die ösen 38. die an dem Träger 32 angeschweißt sind, eingreifen.
Die erfindungsgemäße Aufhängekonstruktion arbeilet reibungsfrei, wobei sich das untere Ende der Reaktionsrohre 11 in einem begrenzten Bereich und in
in einer nahezu waagrechten Ebene ungehindert in allen Richtungen bewegen kann. Eine seitliche Verschiebung längs der Achse des zugehörigen Verbindungsrohrs 18 tritt ein, wenn sich dieses durch Temperaturerhöhung ausdehnt Bei dieser Ausdehnung des Verbindungsroh-
! ■> res 18 im rechten Winke! zur Achse der Sammelleitung 20 wird das Rohr 11 durch zwei es locker umgreifende Ansätze 39 geführt Diese sind an einer Führungsstange 40 befestigt die sich längs der bzw. zwischen den Reihe(n) der Reaktionsrohre erstreckt (Fig.4 und 5).
Die aus den Rohren 11 austretenden Reaktionsprodukte durchströmen die Verbindungsrohre 18 und die Sammelleitung 20 und erwärmen damit die gesamte Konstruktion im wesentlichen gleichmäßig, so daß auch die Wärmedehnung der Sammelleitung und der Führungsstange nahezu gleich ist Das untere Ende des Reaktionsrohres, welches dem Festpunkt der Sammelleitung am nächsten steht ist so geführt daß es keine Längsbewegung auszuführen vermag. Auf diese Weise wird gewährleistet daß beide Enden dieses Verbin-
)o dungsrohres 18 an der gleichen Strecke verlagert werden und eine Biegebeanspnichung der Verbindungsrohre und deren Anschlüsse vermieden ist.
In F i g. 4 ist die Wärmedehnung der Sammelleitung 20 und der Führungsstange 40 in Längsrichtung durch die gestrichelten Linien angedeutet Die von den Reaktionsrohren 11 aufgrund der Dehnung der Führungsstange 40 hervorgerufene Längsbewegung, wobei die Rohre durch die Ansätze 39 geführt werden, ist in F i g. 4 nicht dargestellt jedoch erkennt man die Seitenverlagerung der unteren Enden der Rohre aufgrund der Wärmedehnung der Verbindungsrohre 18. Auch in F i g. 2 ist die Wärmedehnung der Verteilerleitung 14 und der Sammelleitung 20 zu entnehmen.
Die Lage der Achsen der Reaktionsrohre ist natürlich von der herrschenden Temperatur abhängig. Es ist jedoch möglich sie so anzuordnen, daß ihre Achsen entweder bei Hallentemperatur oder bei der maximalen Arbeitstemperatur oder bei einer beliebigen Temperatur dazwischen, vorzugsweise jedoch in der Nähe der
so maximal zu erwartenden Temperatur, genau vertikal stehen.
Bei der Ausführungsform nach F i g. 5 befinden sich die Verbindungsrohre 18 außerhalb der Reaktionskammer und bei der Ausführungsform nach F i g. 6 innerhalb der Reaktionskammer.
Die Erfindung wird an folgenden Beispielen weiter erläutert
Beispiel 1
Eine flüssige Kohlenwasserstoff-Fraktion wird mit Dampf zur Reaktion gebracht um Wasserstoff und Kohlenoxide zu bilden. Dies geschieht in Gegenwart eines Nickelkatalysators innerhalb eines Ofens nach Fig. Ibis 3.
<>5 In jeder Ofenkammer sind 50 Reaktionsrohre in einer Reihe angeordnet, so daß sich eine Gesamtlänge der Sammelleitung 20 von 15 m ergibt Die Verbindungsrohre 18 haben eine Länge von 2 m. Wird nun von
Hallentemperatur auf 8000C erwärmt, dehnt sich jedes Verbindungsrohr um 29 mm aus, so daß alle Reaktionsrohre in seitlicher Richtung entsprechend verlagert werden. Die Sammelleitung 20 erleidet eine Verlängerung um etwa 220 mm, so daß die Rohranschlüsse in der Längsrichtung entsprechend dem Abstand der Rohre vom Festpunkt der Sammelleitung verschoben werden, d. h. der dem Festpunkt der Sammelleitung am nächsten liegende Anschluß wird praktisch nicht verschoben, während der fünfzigste um 220 mm verschoben wird. Da die Anordnung von Abstandhaltern zwischen den unteren Enden der Reaktionsrohre gewährleistet, daß die Rohranschlüsse im gleichen Ausmaß verschoben werden, werden die Verbindungsrohre bzw. ihre Anschlüsse nicht auf Biegung beansprucht.
Die Verfahrensparameter (Druck, Verhältnis Dampf: Kohlenstoff, Temperatur, Einspeisegeschwindigkeit des Kohlenwasserstoffs) wurden so gewählt, daß man ein für die Ammoniaksynthese geeignetes Gas erhielt. Das die Sammelleitung 20 verlassende Synthesegas wurde unmittelbar in die Ammoniaksynthese > geführt.
Beispiel 2
Eine flüssige Kohlenwasserstoff-Fraktion wurde mit Dampf zu Olefinen, insbesondere Äthylen und Propylen,
κι umgesetzt, und zwar in einem Ofen nach Fig. 1 bis 3, wobei die Verbindungsrohre 18 im Sinne der Fig.6 innerhalb der Reaktionskammer lagen. Als Katalysator dient ein Gemisch von Zirkoniumoxid und Kaliumoxid. Die Arbeitsbedingungen und die Dimensionen des
ir> Ofens entsprachen im wesentlichen denen des Beispiels 1.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 Patentansprüche:
1. Ofen zum Durchführen katalytischer endothermer Reaktionen mit mindestens einer Reihe von vertikal in mindestens einer Ofenkammer angeordneten Reaktionsrohren, mehrfach gekrümmten Einlaßrohren, Auslaßleitungen, Sammelleitung und Aufhängungen für die Reaktionsrohre, gekennzeichnet durch Auslaßleitungen in Form gerader Verbindungsrohre (18), welche sich im rechten Winkel zu den Reaktionsrohren (11) erstrecken, in mindestens eine waagrechte Sammelleitung (20) münden, deren Achse parallel zu der Reihe von Reaktionsrohren (11) verläuft, wobei der Ofen eine parallel zur Sammelleitung (20) verlaufende längs einer Reihe von Reaktionsrohren (11) waagrecht aufgehängte Führungsstange (40) mit paarweise angeordneten Ansätzen (39) für die unteren Enden (19) der Reaktionsrohre (11) aufweist, welche Ansätze (39) jedes Reaktionsrohr locker umgreifen und wobei schaukelartige Aufhängungen an den unteren Enden (19) der Reaktionsrohre (11) vorgesehen sind, deren oberes Ende mit dem Ofenboden und deren unteres Ende mit einem das Reaktionsrohr unterstützenden Träger (32) fest verbunden sind.
2.Ofen nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die schaukelartigen Aufhängungen im wesentlichen aus parallel zu den Reaktionsrohren (11) angeordneten Spannschlössern (35) bestehen, die sich zwischen Stangen (34) befinden, welche in ösen (36) an dem Ofenboden und ösen (38) am Träger (32) einer Tragstange (31) eingehängt sind.
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