DE2854061C2

DE2854061C2 - Verfahren zum Vorwärmen von Kohlenwasserstoffen vor deren thermischer Spaltung sowie Spaltofen zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2854061C2
Application number: DE2854061A
Authority: DE
Inventors: Thomas Yeadon Pa. Bailey; Hans 8000 München Gengler; Wolfgang Ing.(grad.) 8190 Wolfratshausen Schwab; Fraser Warrington Pa. Wall
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1978-12-14
Filing date: 1978-12-14
Publication date: 1987-04-02
Also published as: DE2854061A1; JPS5594992A; US4361478A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorwärmen von Kohlenwasserstoffen vor deren thermischer Spaltung in der Strahlungszone eines brennerbeheizten Spaltofens, wobei die Kohlenwasserstoffe und andere Fluide durch in einer Konvektionszone des Spaltofens angeordnete Wärmetauscher gegen Rauchgas erhitzt werden.
Bei der thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen zur Olefinerzeugung ist es erforderlich, die Kohlenwasserstoffe in der Spaltzone auf hohe Temperaturen in der Größenordnung zwischen 550 und 900°C zu erhitzen, um die gewünschten Umwandlungen beim kurzzeitigen Durchströmen der Kohlenwasserstoffe durch diese Zone zu erzielen. Um dies zu erreichen, müssen die Kohlenwasserstoffe bereits vor Eintritt in die Spaltzone auf relativ hohe Temperaturen vorgewärmt werden. Da die Spaltung üblicherweise in Gegenwart von Wasserdampf als inertem Verdünnungsmittel durchgeführt wird, ist es darüber hinaus erforderlich, auch den Wasserdampf auf die Eintrittstemperatur der Strahlungszone vorzuwärmen.
Die erforderlichen hohen Temperaturen in der Spaltzone werden üblicherweise dadurch erreicht, daß das Einsatzmaterial durch Spaltrohre geführt wird, die in der Strahlungszone eines brennerbeheizten Spaltofens angeordnet sind. Die bei der Verbrennung entstehenden heißen Rauchgase bilden nach ihrem Austritt aus der Strahlungszone noch ein großes Wärmereservoir, das zur Vorwärmung des Einsatzes und gegebenenfalls weiterer Fluide verwertbar ist und zu diesem Zweck durch eine mit Wärmetauschern bestückte Konvektionszone geleitet werden kann.
Entsprechende Abhitzeverwertungen sind seit langem bekannt. Eine gebräuchliche Anordnung von Wärmetauschern innerhalb der Konvektionszone ist in Chem. Engng. Prog. 74 (1978), Seiten 45 bis 50 beschrieben. Dabei werden die heißen Rauchgase zunächst über einen Wärmetauscher geführt, in dem das Einsatzmaterial auf die Eintrittstemperatur der Spaltzone erhitzt wird. Anschließend wird in einem weiteren Wärmetauscher überhitzter Hochdruckdampf erzeugt und in einem weiteren Wärmetauscher der Prozeßdampf vorgewärmt, der anschließend gemeinsam mit den Kohlenwasserstoffen in dem bereits erwähnten Wärmetauscher auf die Eintrittstemperatur der Strahlungszone erhitzt wird. Schließlich wird das Rauchgas noch in weiteren Wärmetauschern gegen sich erwärmende Kohlenwasserstoffe und gegen Speisewasser abgekühlt, bevor es aus der Konvektionszone austritt.
Unter der idealisierten Voraussetzung, daß ein genau definierter, unveränderlicher Einsatz bei stets unveränderten Betriebsverhältnissen verarbeitet wird, lassen sich theoretisch die in der Konvektionszone sowie in der Strahlungszone benötigten Wärmetauscher genau berechnen. In der Praxis sind jedoch diese Rechenergebnisse aufgrund der komplexen und immer noch nicht völlig durchforschten gegenseitigen Abhängigkeit der Parameter mit einer gewissen Unsicherheit behaftet, so daß durch Regeleingriffe das durch die Auslegung erreichte Temperaturprofil im Betrieb korrigiert werden muß. Die Betriebspraxis zeigt außerdem, daß in fast allen Fällen Einsatzstoffe und Produktzusammensetzung in größeren Grenzen schwanken und daß auch von dieser Seite her eine Flexibilität in den Spaltbedingungen, d. h. speziell des Temperaturprofils, wünschenswert ist. Die US-PS 35 80 959 vermittelt die Lehre, wie eine solche Regelung aussehen kann. Sie betrifft ein Regelungsverfahren für die Spaltung von Kohlenwasserstoffen, bei dem die Übergangstemperatur zwischen einem Konvektionsteil und einem Strahlungsteil eines Spaltofens geregelt wird, indem entweder ein Teil der heißen Rauchgase oder ein Teil der vorzuwärmenden Kohlenwasserstoffe um die Konvektionszone herumgeführt wird.
Das bekannte Verfahren ist darauf ausgerichtet, das Temperaturprofil innerhalb eines eine Konvektionszone und eine anschließende Strahlungszone durchsetzenden Spaltrohres zu beeinflussen. Eine größere Steilheit des Temperaturprofils in der Strahlungszone wird dabei dadurch erreicht, daß die Vorwärmung des Spalteinsatzes in der Konvektionszone reduziert wird, so daß die Übergangstemperatur von der Konvektionszone in die Strahlungszone verringert wird und in der Strahlungszone zunächst noch die Vorwärmung fortgesetzt wird. Ein wesentlicher Gesichtspunkt des Verfahrens der US-PS 35 80 959 ist darin zu sehen, daß die dort vorgesehene Regelung so arbeitet, daß am Austrittsende des Spaltrohres jeweils die fest vorgegebene Endtemperatur T _E erreicht wird. Sie gibt jedoch keine Hinweise auf eine vorzunehmende Änderung der Verfahrensführung bei einem Übergang zu einem gänzlich unterschiedlichen Spalteinsatz, etwa dem Übergang von Benzinfraktionen zu Gasölen.
Da ein großer Bedarf an Olefinen besteht, der zu einer Verknappung oder Preissteigerung bestimmter Einsätze führen kann, wird seit einiger Zeit der Versuch unternommen, Verfahren zu entwickeln, die die optimale Verwertung verschiedener Kohlenwasserstoffeinsätze erlauben.
Ein Wechsel des Einsatzmaterials führt jedoch zu erheblichen Änderungen im Verfahrensablauf. So kann sich beispielsweise die Menge des zu spaltenden Kohlenwasserstoffs ändern, wenn eine konstante Menge eines bestimmten Spaltproduktes, etwa Äthylen, erzielt werden soll. Darüber hinaus sind unter anderem auch Änderungen in der Dampfverdünnung erforderlich. Derartige Änderungen des Verfahrensablaufs können starke Änderungen der Durchflußmengen durch die in der Konvektionszone angeordneten Wärmetauscher bedingen, was betriebstechnische Probleme verursachen kann. Auch wird die für einen bestimmten Betrieb optimierte Ausnutzung der Rauchgaswärme wesentlich verschlechtert.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß auch bei der Verwendung verschiedener Kohlenwasserstoffeinsätze der Wärmeinhalt der Rauchgase in der Konvektionszone weitgehend genutzt wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Spaltofen für die Spaltung verschiedener Kohlenwasserstoffeinsätze ausgelegt ist, daß die Kohlenwasserstoffe und andere Fluide durch in eine Reihe von Bündeln unterteilte Wärmetauscher geführt werden, wobei die Durchflußreihenfolge und/oder die durch die einzelnen Bündel fließenden Fluide mittels einer Schalteinrichtung in Abhängigkeit vom Spalteinsatz veränderbar sind.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, bei wechselnden Einsätzen die Wärmetauscher in unterschiedlicher Weise bündelweise zusammenzuschalten. Damit ist es möglich, die den Wärmetausch wesentlich bestimmenden Austauschflächen zu ändern und den Durchsatzmengen und physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise dem Siedebereich oder der spezifischen Wärme, bei wechselnden Kohlenwasserstoffeinsätzen anzupassen. Auch können Mischungsstellen von Kohlenwasserstoff und Prozeßdampf variiert werden oder Fluide in einzelnen Wärmetauschbündeln gegen andere ersetzt werden, soweit sie nicht unmittelbar am Spaltprozeß beteiligt sind, sondern anderweitig verwendet werden und lediglich zur Ausnutzung des Wärmeinhalts der Rauchgase durch die Konvektionszone geführt werden. In diesem Zusammenhang sei beispielsweise auf die thermische Spaltung schwerer Kohlenwasserstoffe hingewiesen, die zunächst hydriert und nachfolgend thermisch gespalten werden. Im Rahmen eines solchen Verfahrens wäre es möglich, die der hydrierenden Vorbehandlung zuzuführenden Kohlenwasserstoffe dadurch auf Hydriertemperatur anzuwärmen, daß sie durch geeignete Wärmetauschbündel in der Konvektionszone geführt werden. Dies können beispielsweise die Wärmetauschbündel sein, die beim Naphtha- Betrieb für die Erzeugung von Hochdruckdampf verwendet werden.
Ein für die Durchführung des Verfahrens geeigneter Spaltofen enthält in seiner Konvektionszone eine Reihe von Wärmetauscherbündel, die je nach der gewünschten Flexibilität der Anlage mehr oder weniger durch mit Umschaltorganen versehene Leitungen miteinander verbunden sind.
Die einzelnen Wärmetauschbündel können über Leitungen verbunden sein, die vorteilhafterweise zumindest an den Stellen aus der Konvektionszone herausgeführt werden, an denen die Schaltorgane angeordnet sind, um eine einfache Bedienung derselben zu ermöglichen. Als Schaltorgane können dabei übliche Ventile verwendet werden, die den auftretenden Temperaturbelastungen standhalten und die absolut dicht sein müssen, um eine Entzündung eventuell austretender heißer Kohlenwasserstoffe auszuschließen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert:
In der Figur ist ein Spaltofen 1 dargestellt, der für die thermische Spaltung von Naphtha oder Gasöl ausgelegt ist. Er besteht im wesentlichen aus einer Strahlungszone 2 und einer Konvektionszone 3. In der Strahlungszone 2 werden durch Seitenwandbrenner 4 die für die thermische Spaltung der Kohlenwasserstoffe erforderlichen hohen Temperaturen erzeugt. Dazu werden die Seitenwandbrenner 4 über Leitung 5 mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff versorgt. Die bei der Verbrennung gebildeten heißen Rauchgase treten am oberen Ende der Strahlungszone 2 über einen Verbindungskanal 6 in die seitlich versetzte Konvektionszone 3 über. Nachdem die Rauchgase den größten Teil ihres Wärmeinhalts an die die Wärmetauscher 7-12 durchströmenden Medien abgegeben haben, treten sie am oberen Ende der Konvektionszone 3 aus dem Spaltofen 1 aus und werden, gegebenenfalls nach einer Reinigung, über einen Schornstein abgeführt.
Frisches Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial wird über Leitung 13 dem im oberen Bereich der Konvektionszone angeordneten Wärmetauscher 12 zugeführt und dort gegen bereits weitgehend abgekühltes Rauchgas vorgewärmt. Anschließend wird es über die Leitungen 14 und 15 in den Wärmetauscher 10 geführt, um dort weiter vorgewärmt zu werden. Vor Eintritt in den Wärmetauscher 10 mündet eine durch ein Ventil 16 absperrbare Leitung 17 in Leitung 15 ein. Leitung 17 führt dabei den Prozeßdampf, der für die Verdünnung des Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterials benötigt wird und der über Leitung 18 dem Wärmetauscher 9 zugeführt und in diesem Wärmetauscher 9 überhitzt worden ist. Über ein zweites Ventil 19 kann der überhitzte Prozeßdampf wahlweise auch in Leitung 20 geführt werden, die an das heiße Ende des Wärmetauschers 10 angeschlossen ist. Somit lassen sich durch die Ventile 16 und 19 die Zuspeisestellen des Prozeßdampfes zum Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial verändern.
Das Einsatzgemisch tritt schließlich in den Wärmetauscher 7 ein, in dem es gegen heißes Rauchgas weiter erwärmt wird. Danach gelangt es über Leitung 21 in die Strahlungszone 2 und wird dort in einer strahlungsbeheizten Rohrschlange 22 auf die gewünschte Reaktionstemperatur erhitzt. Die heißen Spaltgase treten bei 23 aus dem Spaltofen 1 aus und werden sofort in einem Quenchkühler 24 abgekühlt, um die Spaltreaktionen zum Stillstand zu bringen. Die abgekühlten Spaltgase verlassen die hier dargestellte Anlage über Leitung 25 und werden einer Fraktionierung zugeführt.
Im Wärmetauscher 11 wird über Leitung 26 zugeführtes Speisewasser erhitzt und danach über Leitung 27 in eine Hochdruck Dampftrommel 28 geleitet. Das Speisewasser dient als Kühlmittel für die Quenchung der Spaltgase, wozu es über Leitung 29 in den unteren Bereich des Quenchkühlers 24 eingeführt wird. Beim Wärmetausch mit den heißen Spaltgasen bildet sich Dampf, der im oberen Bereich des Quenchkühlers 24 gesammelt und über Leitung 30 in den Dampfraum der Dampftrommel 28 zurückgeführt wird. Der Hochdruckdampf wird über Leitung 31 abgezogen und im Wärmetauscher 8 der Konvektionszone 3 gegen Rauchgas hoher Temperatur überhitzt. Anschließend wird er über Leitung 32 abgezogen, seine Energie kann beispielsweise in einer Turbine zurückgewonnen werden.
Wird bei dem beschriebenen Verfahren als Kohlenwasserstoff- Einsatzmaterial Naphtha verwendet, ist es günstig, das Ventil 16 zu öffnen und das Ventil 19 zu schließen. Bei der Zuspeisung des Dampfes verdampft das Naphtha vollständig. Bei der Spaltung von Gasöl ist es dagegen vorteilhaft, das Ventil 16 zu schließen und den Prozeßdampf über das geöffnete Ventil 19 zuzuführen, wobei wiederum schlagartige Verdampfung erfolgt. Im Naphtha-Betrieb wird damit also im Wärmetausch 10 bereits das Dampf-Kohlenwasserstoff-Gemisch erhitzt, während beim Gasöl-Betrieb im Wärmetauscher 10 noch das unverdünnte Gasöl vorliegt.
Die günstige Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens sei nachfolgend anhand eines Beispiels aufgezeigt.
Zunächst sei angenommen, der beschriebene Spaltofen werde mit Naphtha als Spalteinsatz versorgt, das mit 110°C über Leitung 13 in flüssiger Form in den Wärmetauscher 12 eintritt. Im Wärmetauscher 12 erwärmt es sich auf 157°C und verdampft dabei teilweise. Vor Eintritt in den Wärmetauscher 10 wird es mit Prozeßdampf, der im Wärmetauscher 9 von 160°C auf 490°C erhitzt wurde, vermischt, wodurch sich eine Eintrittstemperatur von 214°C für den Wärmetauscher 10 einstellt. Nach Erhitzung auf 397°C wird das Gemisch über Leitung 20 in den Wärmetauscher 7 geführt, in dem es weiter auf 615°C erhitzt wird und anschließend in die Strahlungszone gelangt. Weiterhin wird im Wärmetauscher 11 Speisewasser von 130°C auf 230°C vorgewärmt und im Wärmetauscher 8 Hochdruckdampf von 329°C auf 520°C überhitzt.
Das heiße Rauchgas hat beim Verlassen der Strahlungszone 2 eine Temperatur von 1139°C. Es kühlt sich beim Überströmen des Wärmetauschers 7 auf 897°C ab, wird anschließend im Wärmetausch mit dem Hochdruckdampf auf 660°C sowie mit dem Prozeßdampf weiter auf 565°C gekühlt. Danach erfolgt beim Durchströmen des Wärmetauschers 10 eine Abkühlung auf 376°C und anschließend in den Wärmetauschern 11 und 12 Abkühlungen auf 212°C bzw. 150°C. Eine weitere Abkühlung des Rauchgases ist im allgemeinen nicht möglich, da im Rauchgas meist saure Bestandteile enthalten sind, deren Kondensation eine starke Korrosion der Anlage zur Folge hätte. Der Säuretaupunkt der Rauchgase liegt jedoch bei üblichen Schwefelgehalten (zwischen 0,5 und 2 Gew.-%) im Brennstoff für die Seitenwandbrenner im Bereich zwischen 100 und 130°C und darf deshalb nicht unterschritten werden.
Beim Gasölbetrieb wird ein 100°C vorgewärmtes Gasöl über Leitung 13 in den Wärmetauscher 12 geführt, das hierin auf 185°C vorgewärmt wird. Anschließend wird es im Wärmetauscher 10 weiter auf 357°C erhitzt und danach über das geöffnete Ventil 19 mit Prozeßdampf vermischt. Der Prozeßdampf wurde im Wärmetauscher 9 von 160°C auf 412°C erhitzt. Es stellt sich eine Mischungstemperatur von 338°C ein, mit der das Gemisch in den Wärmetauscher 7 eintritt. Nach weiterer Erhitzung auf 537°C wird das Gemisch über Leitung 21 der Strahlungszone zugeleitet. Weiterhin wird in diesem Betriebsfall Speisewasser im Wärmetauscher 11 von 130°C auf 265°C vorgewärmt sowie Hochdruckdampf im Wärmetauscher 8 von 329°C auf 520°C überhitzt.
In diesem Fall tritt Rauchgas mit einer Temperatur von 1110°C aus der Strahlungszone aus und wird im Wärmetauscher 7 auf 864°C abgekühlt. In den nachfolgenden Wärmetauschern 8-12 treten dann weitere Abkühlungen auf 648°C, 527°C, 373°C, 252°C und schließlich 150°C ein.
Beim obengenannten Beispiel wurden in den beiden verschiedenen Betriebsarten unterschiedliche Mengen der jeweiligen Medien durch die einzelnen Wärmetauscher geführt. Wenn die Mengen im Naphtha-Betrieb jeweils mit 100 angesetzt werden, ergibt sich im Gasöl-Betrieb ein Kohlenwasserstoffeinsatz von 104, im Wärmetauscher 11 eine Speisewasservorwärmung von 75, der Prozeßdampf-Bedarf im Wärmetauscher 9 beträgt 166 und die Hochdruckdampferzeugung im Wärmetauscher 8 beläuft sich auf 76 relative Mengeneinheiten. Für die relative Wärmeaufnahme in den einzelnen Wärmetauschern ergeben sich, sofern für den Naphtha-Betrieb jeweils 100 angesetzt wird, die folgenden Werte: 85 im Wärmetauscher 12, 93 im Wärmetauscher 11, 81 im Wärmetauscher 10, 126 im Wärmetauscher 9, 90 im Wärmetauscher 8 und 102 im Wärmetauscher 7.

Claims

1. Verfahren zum Vorwärmen von Kohlenwasserstoffen vor deren thermischer Spaltung in der Strahlungszone eines brennerbeheizten Spaltofens, wobei die Kohlenwasserstoffe und andere Fluide durch in einer Konvektionszone des Spaltofens angeordnete Wärmetauscher gegen Rauchgas erhitzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltofen für die Spaltung verschiedener Kohlenwasserstoffeinsätze ausgelegt ist, daß die Kohlenwasserstoffe und andere Fluide durch in eine Reihe von Bündeln unterteilte Wärmetauscher geführt werden, wobei die Durchflußreihenfolge und/oder die durch die einzelnen Bündel fließenden Fluide mittels einer Schalteinrichtung in Abhängigkeit vom Spalteinsatz verändert werden.

2. Spaltofen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Konvektionszone, in der Wärmetauschbündel angeordnet sind, die mindestens teilweise durch mit Umschaltorganen versehene Leitungen miteinander verbunden sind.

3. Spaltofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Wärmetauschbündel verbindenden Leitungen außerhalb der Konvektionszone mit Umschaltorganen versehen sind.