DE2203420A1

DE2203420A1 - Verfahren und Einrichtung zum Erhitzen eines stroemenden Mediums

Info

Publication number: DE2203420A1
Application number: DE19722203420
Authority: DE
Inventors: Alan Cross
Original assignee: Lummus Co
Current assignee: CB&I Technology Inc
Priority date: 1971-01-25
Filing date: 1972-01-25
Publication date: 1972-08-17
Also published as: AU3820472A; BR7200383D0; JPS5927609B2; DE2203420B2; JPS5727391B1; NL173437B; BE778467A; AU469876B2; NL173437C; IT946877B; JPS57122238A; FR2124852A5; NL7200945A; CA973827A; SE373870B; US3667429A; GB1339406A

Description

PATENTANWÄLTE
Dr. rer. nat. DIETER LOUIS

Dipl-Pliys. CLAUS POHL Al/ O O Λ O / ^n

Dipl.-Ing. FRANZ LOHRENTZ £ i, M 4 H £ U

8500 NÜRNBERQ KESSLERPLATZ 1 ^

12672/73 20/H

THE LUMMTJS CÜMPAHY, Bloomfield, Hew Jersey, USA

Verfahren und Einrichtung zum Erhitzen eines strömenden Mediums

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erhitzen eines strömenden Mediums und befaßt sich insbesondere damit, ein derartiges Medium sehr rasch aufzuheisen«

In den letaten Jahren sind zahlreiche Verfahren und Heizeinrichtungen entwickelt worden, um die sehr rasche Aufheiiung von Strömungsmedien durchzuführen. Sin Beispiel dafür ist die Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen, die insbesondere bei der Produktion τοη Äthylen durchgeführt wird. Im allgemeinen sind derartige Heizeinrichtungen so ausgelegt, daß sie ein Kracken mit hoher Intensität bei kurzer Verweilzeit erlauben. Sin Beispiel für eine derartige Heizeinrichtung ist aus der USA-Patentschrift 3 274 978 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbeaeartes Verfahren und eine Einrichtung zur Durchführung dos

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Verfahrens zum Zwecke der Erhitzung eines strömenden Mediums mit hoher Intensität bei kurzer Verweildauer vorzuschlagen, das auch für andere Zwecke als für die Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen einsetzbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Erhitzen des Mediums in einer ersten Strahlungszone auf eine Temperatur von etwa 650 bis 76O⁰C innerhal einer Verweilzeit von weniger als 0*2 Sekunden}

b) überführen des erhitzten Mediums in eine zweite Strahlungszone, und

c) Erhitzen des Mediums in der zweiten Strahlungszone auf eine Temperatur von etwa 760 bis 93O⁰C in einer Zeit, daß eine Gesamterhitzungszeit von unter 0,4 Sekunden resultiert.

Bei einer Einrichtung zum Erhitzen eines strömenden Mediums, insbesondere eines kohlenmonoxydhaltigen Gases, alt einer ersten und einer zweiten Strahlungserhitzungszone, in denen eine Einzelreihe von vertikal stehenden, mit dem Medium beaufschlagten Rohren und eine Anzahl von vertikalen Reihen von Strahlungebrennern angeordnet sind, wobei die Strahlungsrichtung der Brenner im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Rohrreihe verläuft und die Brenner die Rohre weitgehend über deren ganze Länge beaufschlagen, und mit je einer Leitung zur Zuführung des Mediums in die Rohre der ersten Strahlungserhitzungszone und zur Abführung des Mediums aus der zweiten Strahlungserhitzungs-

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zone besteht die Verbesserung darin, daß zwischen den Rohren der ersten Strahlungserhitzungszone und den Rohren der zweiten Strahlungserhitzungszone eine Querverbindung durch Verbindungsrohre für das Medium besteht.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter AusfUhrungsbeiepiele anhand der beiliegenden Zeichnungen sowie aus weiteren Unteransprüchen.

Die Zeichnungen zeigen in den !figuren 1 und 2 Schnittansichten zweier Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung.

Wie vorstehend schon erwähnt, umfaßt die erfindungsgemäße Heizeinrichtung zwei Strahlungszonen, die praktisch vollständig voneinander getrennt sind. Jede Strahlungszone enthält eine Einzelreihe vertikaler Rohre, die von beiden Seiten her befeuert werden und durch welche ein zu erhitzendes Medium in Reihe durch beide Btrahlungs-Erhitzungszonen geführt wird. Die Wärmezufuhr in jeder Strahlungszone kann separat gesteuert werden, um in jeder Zone die für die angestrebten Verfahrensbedingungen optimale Wärme-Intensität zu erzielen. Als Ergebnis davon, daß die beiden Strahlungszonen voneinander praktisch vollständig getrennt sind, hat die Wärmezufuhr in der einen Zone keinen merklichen Effekt auf die Wärmezufuhr in der anderen.

Gemäß der Darstellung in fig. 1 ist eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Heizeinrichtung in £orm eines vertikalen Rohres in einem Stahlrahmen angeordnet und stützt sich auf Pfeilern

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ab. Sie besteht aue Außenwänden 11 und 12, Innenwänden 13 und 14, Stirnwänden 1$ und Böden 16 und 17. Sie Außenwände 11, 12 liegen in wesentlichen parallel zu den Innenwänden 13» 14-. Sie erstrecken sich jedoch über die Höhe der Innenwände 13, 14 hinaus* In die Außenwände 11, 12 und die Innenwände 13, 14 ist eine Anzahl von Tertikaireihen hochintensiver Strahlungsbrenner eingebaut, die im Gänsen mit 18 be« zeichnet sind. Sie Böden 16, 17 erstrecken sich zwischen den Außenwänden 11, 12 bzw· den Innenwänden 13» 14. In ihnen sind Bodenbrenner angeordnet, die im Ganzen mit 19 bezeichnet und vorzugsweise Flammbrenner sind*

Sie Außenwand 11, die Innenwand 13 und der Boden 16 bilden zusammen mit den Stirnwänden 15 eine erste, im Ganzen mit 20 bezeichnete Strahlungserhitzungezone, während die Außenwand 12, die Innenwand 14 und der Boden 17 zusammen mit den Stirnwänden 15 eine zweite, im Ganzen mit 21 bezeichnete Strahlungeerhitzungsjsone darstellen. Sie Stirnwände 1$ bilden ihrer Form nach ein umgekehrtes U und schaffen somit einen offenen Bereich 22, der den Zugang zu den in den Innenwänden 13 und 14 eingebauten Brennern 18 ermöglicht.

Auf den Innenwänden 13» 14 ist in horizontaler Lage ein inneres Saoh 25 befestigt. Auf der Außenwand 11 und den Stirnwänden 15 befindet sich ein sich horizontal nach innen erstreckendes oberes Saoh 26} entsprechend ist auf der Außenwand 12 und den Stirnwänden 15 ein oberes Saoh 27 angeordnet. Von den Dächern 26 und 27 aus nach oben erstrecken sich Wände 28 und 29» die zusammen Bit den nach oben hinausstehenden Stirnwänden 15 eine ia Ganzen mit 30 bezeichnete Konvektionszone bilden. Suroh ein« ho-

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rlzontale Passage 33 stehen die £trahlung8kaminern 20 und 21 in Strömungsverbindung mit Hw Konvektionezone 30. Alle Wände, Böden und Dächer sind mit geeignetem hitzebeetändigem Material ausgekleidet oder daraus hergestellt.

Die Konvektionezone 30 enthält eine Anzahl horizontaler Konvektionsrohre 35, die so angeordnet sind, daß keine direkt« Sichtlinie swisehen den Konvektionsrohren und den StrahlungBerhitzungesonen 20» 21 besteht.

In der Strahlungserhitzungszons 20 ist eine Einseireihe Ton vertikalen Rohren 31 vorgesehen, die in einer zur inneren Seitenwand 13 und zur äußeren Seitenwand 11 parallelen und davon einen konstanten Abstand einhaltenden Ebene verlaufen. Der untere Abschnitt jedes Rohres 31 steht in Strömungsverbindung mit einer Einlaßleitung 36» die im Boden 16 der Strahlungikaamer 20 angeordnet ist. In ähnlicher Weise ist eine Binzelreihe vertikaler Rohre 32 in einer sur Innenwand 14 und zur Außenwand 12 parallelen und äquidistanten Ebene angeordnet. Das untere Ende jedes Rohres 32 steht in Strö» Bungsverbindung mit einer AuAaßleitung 37t die in Boden 17 der Strahlungekammer 21 liegt.

Sine Anaahl von zueinander parallelen horizontal verlaufenden Querverbindungsrohren 38 ist in der horizontalen Passage 33 angeordnet, die Jeweils ein Rohr 31 der Strahlungszon« mit ein·» Rohr 32 der Strahlungszon· 21 verbinden. Das zu erhitzend· Strömungsmedium verläuft somit durch die Heizeinrichtung in einer Anzahl voneinander getrennter Ströme lings eines Ströaungewegee, der zuerst aufwärts duroh dl« vertikalen Rohre 31 in der Strahlungszone 20» daraufhin

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horizontal duroh die Querverbindungsrohre 38 in der horizontalen Passage 33 und dann nach unten durch die Rohre 32 in der Strahlungszone 21 verläuft. Die vertikalen Rohre 31» 32 in den Strahlungserhitzungszonen 20, 21 sind an des Bah-, men 10 mittels Hängestreben 39 aufgehängt, während die horizontalen Verbindungsrohre 38 auf einem Federlager 40 aufliegen, welches das Durchsacken dieser Rohre verhindert, jedoch die bei den hohen Betriebstemperaturen auftretende Wärmedehnung zuläßt·

Die Brenner 18 sind in einer Anzahl von voneinander im Abstand angeordneten vertikalen Reihen ausgerichtet und erstrecken sich über die ganze liefe der Innenwände 13» 14 und der Außenwände 11, 12. Die Reihe der Rohre 31» 32 in den Strahlungszonen 20, 21 wird somit von beiden Seiten über die ganze Länge der Reihe sowie in wesentlichen über die ganze vertikale Läng· der Rohre befeuert. Jede Vertikalreihe von Brennern 18 wird duroh eine getrennte Zuleitung 41 mit Brennstoff versorgt. Außerdem führt zu jedem Brenner 18 einer Vertikalreihe eine Brennstoffleitung 42 mit einem Ventil 43, die mit der Leitung 41 für die ganze Reihe verbunden ist. Auf diese Weis« kann jede Brennerreihe und auch jeder einzelne Brenner 18 separat einreguliert werden, um dadurch die Wärmezufuhr zu steuern. Die Zuleitungen 41 sind im Ausführungsbeispiel nur für die Brenner 18 in der äußeren Seitenwand 12 gezeichnet worden. Dies geschieht jedoch nur au· Gründen der Vereinfachung; in der Praxis werden auoh die Brenner der inneren Seitenwand· auf ähnlich· Weis· versorgt.

Sin· weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung ist in flg. 2 dargestellt, die der AuafUhrungs-

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form gemäß Fig· 1 in gewisser Weise entspricht und deshalb Teile mit gleichen Bezugezeichen enthält.

Die Heizeinrichtung gemäß Pig. 2 umfaßt ein vertikal stehendes Rohr, das in einem Stahlrahmen 10* angeordnet ist, sich auf Pfeilern abstützt und im wesentlichen aus Stirnwänden 15', Außenwänden 11', 12· und Innenwänden 13'» 14· besteht. Die Außenwände 11', 12* erstrecken sich beide nach oben und unten über die Innenwände 13', H¹ hinaus.

Mit den Stirnwänden 15' und den Innenwänden 13'» 14* ist ein horizontaler innerer Boden 102 verbunden, während ein ebenfalls horizontaler und parallel zu dem inneren Boden 102 liegender äußerer Boden 101 mit den Stirnwänden 15' und den Außenwänden 11', 12* in Verbindung steht. Der innere Boden 102 und der äußere Boden 101 schaffen in Verbindung mit den Stirnwänden 15' eine im wesentlichen horizontal verlaufende untere Passage 103» die zwei Strahlungserhitzungszonen 20*, 21* miteinander verbindet. Die Strahlungszone 20* wird durch den unteren Boden 101, die äußere Seitenwand 11', die innere Seitenwand 13* und die Stirnwände 15' gebildet. Die Strahlungszone 21' wird dagegen von dem unteren Boden 101» der äußeren Seitenwand 12*, der inneren Seitenwand 14* und den Stirnwänden 15' umschlossen.

Eine Anzahl von vertikalen Reihen von Strahlungsbrenner! 18* sind in die Innenwände 13'» 14' sowie in die Außenwände 11», 12' eingebaut.

Mit den Stirnwänden 15· und den Innenwänden 13», U' ist ein horizontales inneres Dach 25' verbunden. Ein Paar hori-

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zontaler äußerer Dächer 26«, 27' verbindet jeweils die Stirnwände 15^r und erstreckt eich in derselben Ebene von den äußeren Wänden 11·. 12·, su den inneren Daoh 25* im wesentlichen parallel liegend, nach innen. Pie Innenränder der äußeren Dächer 26* und 27* halten voneinander und von dem inneren des inneren Daches 25' einen bestimmten Abstand ein.

Ein Paar zueinander paralleler Seitenwände 28* und 29* erstreckt eich vertikal von den inneren Rändern der äußeren Dächer 26', 27' nach oben und ist durch die nach oben überstehenden Teile der Stirnwände 15' verbunden. Dadurch wird eine Konvektionszone 30* gebildet, die sich von den beiden Strahlungszonen 20', 21* vollständig absetzt und mit diesen durch eine horizontale Passage 33* in Rauohgaaverbindung steht» Die horizontale Passage 33* wird durch die Stirnwände 15 *, das innere Dach 25 * und die äußeren Dächer 26·, 27' gebildet.

In der Konvektionezone 30* 1st eine Anzahl horizontal verlaufender Konvektioneröhre 35* angeordnet, die außerhalb einer direkten Sichtlinie alt den Strahlungserhltzungszonen 20*, 21· liegen. Die Stirnwände 15* entsprechen der Oesamtgeetaltung der Heizeinrichtung und bilden einen offenen Bereich 22* zwischen den inneren Seitenwänden 13*, 14% dem inneren Dach 25* und dem oberen Boden 102, der den Zugang zu den Brennern 18' erlaubt. Auch hier sind die einzelnen Wände, Böden und Dächer mit geeignetem hitzebeetändigen Material ausgekleidet oder daraus hergestellt.

In der Otrahlungszone 20* ist eine Einzelreihe vertikaler Rohre 31* in einer zu der inneren Seitenwand 13* und der

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äußeren Seitenwand 11 * parallelen und von diesen einen konstanten Abstand einhaltenden Ebene angeordnet. Der obere feil jedes Rohres steht in Strbmungsverbindung Kit einer EinluSleitung 104» die in den Dach 26* der strahlungsJcanner 20' verläuft. Auf gleiche Weise ist eine Binselreihe vertikaler Rohre 32 *_f ebenfalls in einer su der inneren Seitenwand 14' und der äußeren Seitenwand 12* parallel und ttquidistanfc verlaufend, angeordnet. Sie Oberseite jedes Rohres 32' steht in Strömung«verbindung mit einer Auslaßleitung 105 i* Deoh 27* der StrahlungskaiKer 21'.

Bine Ansahl von sueinander parallelen horizontalen Querverbindungsrohren 106 ist in der horisontalen Passage 103 angeordnet» um jeweils sin einseines Rohr 31 * der strahlungssone 20* Bit eine» einseinen Rohr 32* der Strahlungssone 21* su verbinden· Auf diese Welse kann das su erhitzende Medium durch die Heizeinrichtung in einer Ansahl separater Strome längs eines Strumungswege» flieflen» der eine Abwärtsbewegung durch die vertikalen Rohre 31' in der Strahlungssone 20'» daraufhin eine horisontale Bewegung duroh dl· Querverbindungsrohre 106 in der horisontalen Passag· 103 und dann eine Aufwärtsbewegung duroh die Rohre 32' in der Strahlungsione 21' vorsieht.

Am unteren Boden 101 ist ein Träger 107 vorgesehen» der sioh Über dessen liefe an einer 8telle erstreckt» die mittig ■ wie oben den Enden der horisontalen Querverbindungsrohre 106 und unmittelbar unter diesen liegt. Die Querverbindungsrohre 106 verschieben sich bei den hohen Betriebstemperaturen der Heiseinrichtung in Richtung auf den unteren träger 107» der somit deren Durchsacken bei diesen ί ape-

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raturen verhindert. Ba versteht sich, daß mehr ale ein sol·« eher Träger vorgesehen werden kann oder daß dieser Träger an einer anderen ale der Bittig «wischen den Enden der horizontalen Querverbindungsrohre 106 liegenden Stelle angeordnet «erden könnte.

Die Brenner 18* sind in einer Ansahl von voneinander beabstandeten vertikalen Reihen über die ganze liefe der Innenwände 13', 14* und der Außenwände 11·, 12' ausgerichtet. Dadurch werden die Reihen der Rohre 31' und 32* in den Strahlungszonen 20*, 21* von beiden Seiten über die ganze Länge jeder Reihe und im wesentlichen über die ganze Rohrlange befeuert. Jede vertikale Brennerreihe wird durch eine getrennte Zuleitung 41* mit Brennstoff versorgt. Auflerde* führt zu Jedem Brenner 18* einer Vertikalreihe eine eigene Brennstoffleitung 42* mit eine* Ventil 43*♦ die mit der Zuleitung für die ganze Keihe in Verbindung steht. Auf diese Weise kann jede Brennerreihe und auch jeder einzelne Brenner 18* separat reguliert werden« um die Wärmezufuhr zu steuern. Auch hler ist wieder eine Zuleitung 41 * nur für die Brenner 18' in der äußeren Seitenwand 12' aus Gründen der Vereinfachung dargestellt, obwohl tatsächlich auch alle übrigen Brenner 18* durch eine ähnliche zuleitung gespeist werden.

Die erfindungsgemäa· Heiseinrichtung ist mannigfaltiger Abwandlungen innerhalb des Rahmens der Erfindung zugänglich. 8o sind beispielsweise dl· Rohr· der Konvektionssone des AusfUhrungsbeispiel· dahingehend geschildert worden, zum Erhitzen ein·· alt de» durch die Strahlungserhitzungssonen geführten Medium nicht übereinstimmenden mediums au dienen·

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Eb ißt jedoch offensichtlich, daß die Konvektionsrohre auch zum Vorerhitzen de» durch die Strahlungserhitzungezone geführten MediumB dienen können. In dieeem Falle würde man die AuelaßBeiten der Konvektionerohre durch enteprechende Querverbindungen mit der Einlaßleitung der Strahlungserhitzungszone verbinden. Anstelle der Anwendung einer Einlaßleitung könnte auch eine Anzahl von Querverbindungsrohren vorgesehen werden, um die Konvektionerohre in direkte Strömungeverbindung mit den einzelnen Vertikalrohren in den Strahlungserhitzungezonen zu bringen.

Ale weitere Modifikation könnte die Konvektionszone anstelle der zentralen Lage nach einer Seite der Heizeinrichtung hin verBchoben sein. Auch läßt sie sich eo anordnen, daß die Konvektionezone von den Strahlungeerhitzungszonen nicht abgesetzt ist und die Konvektioneröhre nicht, wie erwähnt, außerhalb einer direkten Sichtlinie mit den Strahlungserhitzungezonen liegen. Eine solche Anordnung ist jedoch nicht besonders vorteilhaft, weil eie die Kapazität der Heizeinrichtung begrenzt.

In einer weiteren Ausgestaltung können verschiedene Rohre in der Einzelreihe jeder Strahlungezone miteinander verbunden werden, um die Ströme mehr als einmal hindurchzuführen· Beispielsweise können zwei nebeneinander liegende Rohre der ersten Strahlungszone durch einen Umkehrkrümmer miteinander verbunden werden, so daß das zu erhitzende Medium die erste Strahlungezone vor der Weiterleitung durch die horizontalen Querverbindungarohre zweimal durchläuft. Auch die zweite Strahlungszone kann eine Anordnung aufweisen, bei der jeweils zwei nebeneinander liegende Rohre durch einen

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Umkehrkrümmer niteinander verbunden sind, eo daß auch in dieser Zone das zu erhitzende Medium zwei Durchlaufe voll» sieht. Auf diese Weise verläuft jeder Mediumstrom, der in der Heiseinrichtung erhitzt wird, zweimal durch die beiden ßtrahlungezonen. Bei einer derartigen Aueführuiigaform sind selbstverctiindllch die Einlaß- und Auelaßleitungen entsprechend anzuordnen, um ein solches Strömungebild zu ermöglichen. Be können auch mehr als zwei Rohre jeder Heihe miteinander verbunden werden, um entsprechend mehrere Durchlaufe in jeder Strahlungsxon· zu erzielen, wobei die Anzahl von Durchlaufen in den einzelnen ^trahlungszonen gleich oder ungleich sein kann.

In einer anderen Weiterbildung können die in einer Einzelreihe jeder ötrahlungszone angeordneten Rohre unterschied« liehe Durchmesser aufweisen und miteinander so verbunden sein, daß die Anzahl parallel durch die Heizeinrichtung verlaufender Ströme »wischen Ein- und Auelaßleitung verringert wird. So ist es beispielsweise möglich, in der ersten Strahlungezone «ine Einzelreihe mit 24 Bohren aufzubauen, von denen 16 einen Innendurchmesser von etwa 5 cm und 8 einen Innendurchmesser von etwa 7,5 cm besitzen, während die zweite Strahlungezone eine Einaelreihe mit 6 Röhren enthält, von denen 4 einen Innendurchmesser von etwa 10 am und 2 einen Innendurchmesser von etwa 15 cm besitzen. Ein zu erhitzendes Medium wird in 16 parallelen Strömen in die 5 cm-Rohre für einen treten Durchgang durch die erste Btrahlungssone eingeleitet und jedes paar dieser Rohre wird mit einem einzelnen 7,5 cm-Kohr für einen weiteren Durchgang durch diese Strahlungssone verbunden. Jedes Paar der 7*5 cm-Rohre ist wieder mit einem einzelnen horizontalen Querver-

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bindungerohr von 10 cm Durchmesser verbunden, das zu einem einzelnen 1^J cm-Eohr der zweiten Strahlungszone führt. Durch, dies·« verläuft das zu erhitzende Medium in einem ersten Durchgang durch die zweite Strahlungezone· Jedes Paar der 10 em-Rohre steht mit einem einzelnen 15 om-Rohr in Verbindung, durch welches das Medium einen zweiten Durchlauf durch die zweite Strahlungezone vollzieht und dann zur Auslaßleitung abströmt.

Die Verwendung einer Anzahl von Rohren mit kleinem Durchmesser auf der Elnlaßseite der Heizeinrichtung erleichtert die rasche Erhitzung in diesen Bereich. Dagegen erhält man . eine allmählichere Erhitzung auf der Auslaßeeite.

Ia Rahmen der Erfindung liegt es auch, den Durchmesser der Rohre von der Einlaß- zur Auslaßseite hin zu vergrößern, ohne die Anzahl der parallelen Ströme zu verringern.

Die erfindungegemäße Heizeinrichtung ist insbesondere deshalb von Vorteil, weil sie auf Grund ihrer speziellen Ausbildung und Anordnung eine Befeuerung und Erhitzung in zwei getrennten Zonen Bit unterschiedlichen Wärmeaufuhrnengen ermöglicht. Wie bereits erwähnt, sind beide Strahlungserhiteungszonen vollständig voneinander getrennt, d.h. die vertikalen Bohre der einen Strahlungszone liegen praktisch über ihre ganze Länge außerhalb einer direkten Sieht·* linie mit der anderen Strahlungeaon#_e Dadurch lassen sich beide getrennt steuern und unterschiedliche wärmesufute mengen einstellen, ohne daß dl· Wäraeeufunr in 4«r «Inen Zone einen aerkliohen Binfluf auf die WärmtsufnlM? in der anderen Zone hat·

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Im allgemeinen wird die Heizeinrichtung so betrieben, dai3 über die Länge jedes Rohres eine weitgehend gleichmäßige, am Metall der Bohre gemessene Temperatur auftritt. Diesee Ergebnis stellt sioh umso leichter ein, ale die Bohre von beiden Seiten in einer zur üben© der Eohrreihe senkrechten Ebene befeuert werden. .Dabei werden die Brenner in jeder Vertikalreihe im allgemeinen eo gesteuert, daß die Zufuhr an Wärmemenge über die Länge jeder Brennerreihe in Etrömungsrichtung des Mediums abnimmt. Jede der vertikalen Brennerreihen wird im allgemeinen auf gleiche V/eiee beaufschlagt, um in jedem der vertikalen Rohre die gleiche Temperatur BU erzeugen« Dadurch unterliegt jeder Einzelstrom des zu erhitzenden Mediums den gleichen Bedingungen. Die StrahlungsEone, in welche das Medium zuerst eintritt, wird mit einer hohen Zufuhr an Wärmemenge je Zeiteinheit betrieben, UBi die Hediumtemperatur sehr rasch auf einen bestimmten angestrebten Wert in einem Minimum an Zeit zu bringen. Die Strahlungsaone auf der Auslaßseite wird dagegen mit einer geringeren Wärmezufuhr je Zeiteinheit betrieben, um keine EU hohen Eohrwandungstemperaturen auf Grund der höheren Temperatur in der Strahlungezone auf der Auslaßseite zu erhalten. Daduroh, daß also zwei getrennte Strahlungserhitsungszonen vorgesehen sind, durch die dae zu erhitzende Medium geleitet wird, läßt sioh bei der anfänglichen Erhitzung des Mediums eine höhere Wärmezufuhr und damit ein sehr rascher Temperaturanstieg dee Mediums in einen bestimmten Temperaturbereich einstellen» an di© dann eine geringere lärme auf uhr zv& Zwecke ues- #eii«&reii Erhitzung des Mediums auf 41t erwünschte Auslasttmptratür über einen höher liegenden und in allgemeinen weniger kritischen Temperaturbereich anschließt. Würde man da« Medium von einer öeßtimmten EIn-

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laßtemperatur auf eine beetimmte Auslaßtemperatur In einer einzigen Strahlungezone oder in zwei Strahlungezonen erhitzen, die nicht weitgehend vollständig voneinander ge~ trennt sind, dann ist die Wärmezufuhr auf der Einlaßeeite der in einer einzigen Strahlungssone angeordneten Rohre deshalb besohränkt, weil auf Gromö äes Einflusses der höheren Wärmezufuhr in das Medium auf der Einlaßeeite der Rohre und der geringeren Wärmezufuhr an der Auelaßeeite der Rohre Temperatürspitzen an der Außlaßseite auftreten können, die die zulaetdgen Werkstoffgrsnzen überschreiten. Die Trennung der beiden Strahlungezonen, erlaubt somit eine Qeeamtwärmezufuhr am lini&Eezide des Mediumstromeβ, die ist al« sie wäre, wenn der Meüiuiaetrom durcii eine einsige Strahlungezone geführt werden würde. Ale Ergebnis kann als© das Medium in jedem Rohr jeder Zone auf die höchste Temperatur aufgeheizt werden, die der zur Verfügung stehende Rohrwerketoff zuläßt, wobei dleeea Ergebnis auf Grund der beideeitigen Beaufschlagung der vertikalen Rohre in jeder Zone noch verbessert wird, weil dadurch im wesentliehen gleichförmige Hohrtemperaturen über die ganze Rohrlänge auftreten. Infolge der Führung des Mediums durch zwei getrennte Strahlungszonen kann ββ euch auf eine höhere !Temperatur in kürzerer Zeit aufgeheizt werden. Insbesondere wird, auf der Einlaßseite eine raschere Erhitzung erzielt, als wenn das Medium durch eine einzige Btrahlungezone geführt würde.

Die Konvektionezone der Heizeinrichtung ist, wie vorstehend erläutert, vorzugsweise vollständig von den beiden Strahlungezonen abgesetzt. Dabei sind die Konvektionsrohre darin so angeordnet, daß sie außerhalb einer direkten Sichtlinie

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mit den Strahlungezonen liegen. Auf diese Weise können die kühleren Rohre' in der Konrektioneeone nicht in die heiseren Strahlungeeonen "hineinsehen", so daß sie keine Beschränkung im Betrieb der Strahlungszonen auferlegen. Würde diesee Merkmal nicht realisiert, eo könnte auf Grund des zueätzliehen, durch Strahlungs- und Konvektionswärme auftretenden Effektes in den Konrektionsrohren eine Spitsentemperatur auftreten, die sogar über der Spitzentemperatur in den Strahlungsrohren liegt· Dadurch würde die Gesamtkapazität der Heizeinrichtung beschränkt.

Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung kann für die densten Verfahren herangesogen werden, um sehr rasch ein Strömungsmedium von einer bestimmten Einlaßtemperatür auf eine solche Temperatur aufzuheizen, die swisohen dieser Binlaßtemperatur und einer Aueladtemperatur liegt. So muß beispielsweise ein Oasgemisch mit einem hohen Gehalt an Kohlenmonoxyd und Wasserstoff, das z*S. aus der Umformung eines Kohlenwasserstoffdampfes stammt, vor der Anwendung in einem anderen Verfahren erneut erhitzt werden. Ein s$l« eheβ anderes Verfahren wäre 8.B. die Beduktlon von Eisenerz. Die erneute Erhitzung schafft aber im allgemeinen auf Grund des Kohlenmonoxidgehalt· ernsthafte Yerkokungsproblern·* In dem Äisenerz-Reduktionsprozeß wird da· Kohlen»®»·» oxyd de· reduzierenden Gaees teilweise oxydiert zu Kohlendioxyd und das reduzierende Gas aus dem ReduktionsproseS abgezogen, um es dureh Entfernung eines Teiles des Kohlendioxydes su regenerieren« Das regenerierte reduzierende Gas, da· im allgemeinen etwa 40 bie 80 Mol-jC, vorzugsweise etwa 40 bis 60 MoI-* Wasser et off, etwa 10 bie 30 Mol-ft,

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vorzugsweise etwa 15 bis 25 MoI-^ Kohlenmonoxyd und weniger ale etwa 5 Mol-56, vorzugsweise weniger al· etwa 1. HoI-^ Kohlendioxyd enthält» muß dann wieder erhitzt und in den Erz-Reduktlonskreislauf erneut eingeführt werden. Sie erfindungegemäSe Heizeinrichtung kann dabei dazu herangezogen werden» derartige reduzierende Oase» nämlich entweder den Abetrom aus einem Umformer oder daa bereite regenerierte reduzierende Gas au· der Eieenerz-Eeduktion, auf die Reduktionatemperatur aehr rasch zu erhitzen. Inabeaondere wird dabei da· Kohlenmonoxyd und Waaaeratoff enthaltende reduzierende Gae in die erete Strahlungezone der Heizeinrichtung mit einer Temperatur von etwa 430 bis 54O⁰C» vorzugsweise von etwa 454 bi· 480⁰C» eingeführt und in dieser Zone auf eine AuslaStemperatur aus dieser Zone von etwa 650 bis 76O⁰C «ehr rasoh erhitzt. In der zweiten Strahlungssone der Heizeinrichtung wird dann das reduzierende Gas weiter erhitzt» lind zwar auf eine Aualafl temp era tür aus dieser Zone von etwa 760 bis 93O⁰C. Bas reduzierende Gas gelangt somit in die Heizeinrichtung mit einer Temperatur von etwa 430 bis 540⁰C und wird aus dieser abgezogen mit einer Temperatur von etwa 760 bis 93O⁰C* Die Aufheizung vollzieht eioh dabei in der teiss» dsJ mindestens 50 l· dss gesamten Temperaturanstiege β zwieohen Sinlafl und Auslas der Heizeinrichtung, vorzugsweise sogar etwa 60 bis 80 % davon» in der ersten Strahlunfszone der Heizeinrichtung erzielt werden, was duroh Als höhere Wärmezufuhr in der ersten Zone geeohieht.

öesamtverweildauer für den Xrhitzungsvorgang beträgt Im allfemeiaen wemiger als eine Bekunde, wobei 41· Terweildauer des reduzierenden Gases in der ereten Strahlungezone

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weniger al· 70 j6 der Gesamtverweildauer, Vorzugeweise etwa 30 bis 60 $>, auamaoht. Im allgemeinen beträgt die Geeamtverweildauer etwa 0,02 Sekunden bis etwa 0,4 Sekunden, wobei die Verweildauer in der ersten Strahlungszone etwa 0,01 Sekunden bis 0,2 Sekunden ist.

Die Heixeinrichtung wird la allgemeinen mit einem Druck am Einlaß eines Strahlungerohree von etwa 3,52 bis 9,85 atü betrieben. Der Gesamtdruckabfall durch die Bohre beträgt weniger als 3#5 at und macht im allgemeinen nur etwa 0,7 bie 2,1 at aus. Da· Rohrinnere, insbesondere da· Innere der Rohre in der ersten Zone, besteht entweder au· einem Material, da· für die Verkokungereaktion nicht katalysierend wirkt, oder ist mit einem solohen Material ausgekleidet.

Di· sehr rasch· Brhitsung des reduEierenden Gases, das Wasserstoff und Kohleneonoxyd enthält, bei gleichzeitiger Vermeidung oder wesentlicher Verminderung des Verkokungsproblem·· let nur auf Grund der Anwendung der erfindungageaäßen Halleinrichtung möglich, welche den Sineatz hoher Wärmesufuhrraten auf der Sinlaßseite der Rohre ermöglicht.

Di· erfindungegemäße Hei«einrichtung kann auch für die Pyrolyse «in·· Kohlenwasserstoffes, beispielsweise von Äthan, Propan, faphtha, Gasölen und dergleichen! insbesondere aber für 41· Irseugung von Äthylen, verwendet werden. In leteterem fall· werden 41· beiden 8trahlungserhit*ungszonen getrennt voneinander gesteuert, um den eingespeisten Kohlenwasserstoff in 4«r *ret«Ä Zone sehr rasoh su erhitsen, worauf «loh «in· langsamere Ärhitsung in der »weiten Zone an· sohlieflt* Dl· Pyroly·· vollsieht sich beispielsweise bei einer Oessmtverweilseit von weniger al· einer Bekunde, vor-

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zugsweise im Bereich von Q_tt 2 feie 0,9 Sekunden, Bas Medium wird in der ersten Zone kürzer ale 70 $» der Sesaxatverweii·»· dauer, vorzugsweise 50 bis 65 # äaron, gehalten. Der Kohlexi wasserstoff wird im allgemeinen au.f eine temperatur vorerhitzt , die etwa seiner Krack-Anfangetemperatur entspricht, in der Regel zumindest nicht nekr als 55^c0 darunter liegt. Die Krack-Anfangstemperatur liegt je nack eingespeistem Kohlenwasserstoff untersGfole?31iehj im allgemeinen in einem Temperaturbereich von 460 bis 6BO⁰C» Tmm vorsrwärmte Medium wird in die erste Strahlung»son« eingeleitet und darin sehr rasch auf eine temperatur in den bevorzugten peraturbereich erhitzt. Dieser liegt im allgemeinen zwxwehen 732 und 788⁰C. Daraufhin wird das liediua in der aweiten Strahlungszone auf eine Auslaßtsmperaim? von etwa 816⁰C, in der Regel von 816°C bis etwa 89O⁰C und vorzugsweise von 816°C bis 854°C erhitet.

Die Pyrolyse wird im allgemeinen in Gegenwart von Dampf durchgeführt, um den feildruck dee Kohlenwasserstoffe· abzusenken. Der Dampf wird dabei in Mengen von etwa O₉H bis Ot45 kg Dampf je kg Kohlenwaseemtoff eingesetzt. Der uesamteinlafidruok am Eingang der Strahlungsrohre beträgt etwa 7,16 bis 1,76 atüj der Druckabfall zwischen Einlaß und Auslas etwa 0,7 bis 2,1 at,

Bntsprechend dem erfindungsgemääea Terfahren wird somit tin zu pyrolysierendts Medium sehr rasch von «iner 5emperatur gerade unterhalb der Krack-Anfangstemperatur auf ein· Temperatur im bevorzugten Irw.ck-3er«ich erhitzt, wobei die OesamtverwellAautr herabgesetzt wird.

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Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung läßt eich auch zum Umformen von Kohlenwasserstoffen mit einem oxydierenden Gas, z.B. Dampf, Kohlendioxyd oder einem Gemisch daraus, vorzugsweise von Dampf, heranziehen, um einen Strom mit einem Gehalt an Waeaerstoff und Kohlenmonoxyd zu erzeugen,. Dabei entstehen insbesondere beim Dampf-Umformen von an Kohlenmonoxyd reichen Kohlenwasserstoffen, z.B. den gasförmigen, Methan-, Wasserstoff- und Kohlenmonoxyd-haitigsa sei der Umformung von Jkthan, Propan, naphtha u.dgl. entstehenden Nebenprodukten, ernsthaft® Verko&ungeprobleme Erfindungsgtmäß wird nun ein an Kohlenmonoxyd reiches Kohlenwasserstoffgas zusammen mit Dampf in ά»τ ereten Strahlungszone von einer !Einlaßtemperatur zwischen 427°i> und 510⁰C auf eine temperatur über 700⁰C, vorzugsweise von 700 bis 76O⁰C, während einer Verweildauer von unter 0,25 Sekunden, Im allgemeinen sogar τοη etwa Q,Qt oia 0,15 Bekunden, erhitzt» Dampf wird dabei in einer Meng« von 0,1 bis etwa 25 ToI,^ angewendet» Das Umformungegemisch wird dünn in der zweiten Strahlungezone auf eine Xuslaßttmperatur von etwa 816 bis 95A⁰Q während tiner Geeemtverweildauer von unter 0,5 Sekunden, im allgemeinen sogar von 0,1 bis O_f25 S@kunden_t weiter srhlisst. H^r jfäinlaßäruok des ttemieohee bewegt slck im Bereich von 'ü*yL bis 9,84 atu; das Druokgefälle zwischen Einlad und Auö-IaB Ewlsohen 0,7 und 2, 1 at. Die rasche irhitzung des eingespeisten Mediums in der ereten Strafclungszone auf sine Temperatur über 700⁰C reduziert die neigung zur Koksbildung ganz erheblich. Die Erhitzung in. der ersten Strahlungszone wird vorzugsweise in Abwesenheit eines Katalysators durchgeführt, während die Erhitzung in der zweiten Strahlungszone in Gegenwart eines für die Umwand-

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lung geeigneten Katalysators, a,B. von Nickel, erfolgt. Erfindungsgemäß läßt sich somit ein eingespeistes Medium, das der Dampfumwandlung unterzogen werden soll, durch einen kritischen Temperaturbereich, bei dem eine auegeprägte Neigung zur Koksbildung besteht, sehr rasch erhitzen, ohne daß eine solche Koksbildung auftritt oder wobei diese stark verringert wird.

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Claims

Patent- (Schutz-) Ansprüche

1. Verfahren zum Erhitzen eines strömenden Mediums, insbeeondere eines kohlenmonoxydhaltigen Gases, mittels Strahlungswärme, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensechritte :

a) Erhitzen des Mediums in einer ersten strahlungezone auf eine Temperatur von etwa 65O⁰C bis 760⁰C innerhalb einer Verweilzeit von weniger als 0,2 Sekunden;

b) Überführen des erhitzten Mediums in eine zweite Strahlungszone, und

o) Erhitzen des Medium« in der zweiten Strahlungezone auf eine Temperatur von 76O⁰C bis 93O°C in einer Zeit_f daß eine Geeamterhitzungszeit von unter 0,4 Sekunden resultiert.

2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß da· Medium in die erste Strahlungszone mit einer Temperatur »wischen 427⁰C und 510⁰C eingeführt wird.

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daä die Verweilzeit in der ersten strahlungszone 0,01 bie Ot2 Sekunden und die Geeaatverweilzeit etwa 0,02 bis 0(4 Sekunden beträgt.

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4· Verfahren nsen «in·» «dor Mehreren der Aneprtioht 1 bis 3» dadurch ««kenn*·lehn·** de2 das Medium «in reduiit» rendee, neben Kohlenmonoxid aueh Wasserstoff enthalten* dee öa· 1st.

Einrichtung »wä Irhittfm sl^is gstrtte»a£®ii insbesondere «in«» kehl fm^soxtfCt^l tig» oft»·*, mit einer ersten tmd ein*?

in denen eint Sias®ls?* ii

dem Medina tMUfeoiilftgUr .?Λί$3?βΑ «ai ils® imaüA Wi Tertikaien Seiken tos. 3tr^lmf,ßsr«n%«r& e«M|«ord».et wobei di· strahlung·*! shtvag df>r Bronner ia eenkreoht but Ebene dr.r ner die Rohr· «eitgenenä tbtr 4c^!rs]% gaiuie L&age beamfechlagen, und «it je einsr L-aituüg lur Suführung Mediums in die Kohr« der ersten Str«lil«n@eestii^<liti!i sone und sur Abführung des Mediuas mun der svelte^

dadurok gekennaeiolmet»

Ewiechen den Sokrtn (31» 51'} ttx «reten erhitsungssone (2Q_t 20») ua& iss Solireii (38* 32¹I «weiten Strahlunfeerhi^; sangt*üä» |21₉ 21'-) eine ▼erbinäimg dur^h Terbiadung»ro2*r* (38* 1O6| ftt* Kediu» besteht«

Sinriehtimg nach Anspraoh $, »iaituroh

daft eteuereinriohtungem fia &ie itrniiliisiisteetiii^ C18_f 18*) im 4er ersten und sWeitita sehen ilmd, «n die Värmeimfuto eowohl im als auoh rertikaler Kiehtung *u. *t«ttern.

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ORIGINAL INSPECTED

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7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Jeweils ein einzelnes Bohr (31, 31') der ersten Ctrahlungßzone (20, 20') mit einem einzelnen Rohr (32, 32·) in der zweiten Strahlungßzone (21, 21») durch ein einzelnes Querverbindungsrohr (38, 106) verbunden iet und das Medium die Strahlungszonen ,jeweils In einem Durchgang durchläuft.

8ο Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß über den beiden Strahlungezonen (20, 21; 20», 21'), von diesen vollständig abgesetzt, eine Konvektionszone (30, 30') vorgesehen ist, dl« in Rauchgasverbindung mit den Strahlungezonen steht und Konvektionerohre (35, 35*) enthält, die außerhalb einer direkten Sichtverbindung mit den Strahlungezonen liegen.

9. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungezonen (20, 21; 20', 21·) vertikal verlaufen und durch eine horizontale Passage (33, 33', 103) miteinander verbunden sind, in welcher die Querverbindungsrohre (38, 106) angeordnet sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontale passage (33, 33') die oberen Abschnitte der Strahlungezonen miteinander verbindet·

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11. Einrichtung nach. Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontale rassage (103) die unteren Abschnitte der EtrahlungBZonen miteinander verbindet.