DE3701214A1 - Pyrolyseofen zur olefinerzeugung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Pyrolyseofen zur Olefinerzeugung. Insbesondere bezieht sie sich auf einen Pyrolyseofen, der zur Optimierung der thermischen Crack­ reaktion eines Fluids innerhalb seiner Rohre geeignet ist.

Der Pyrolyseofen von Kohlenwasserstoffen einschließlich Naphtha wurde weiterentwickelt, um den Ofen für viele Zwecke verwendbar zu machen, z. B. die Verbesserung nicht nur der Ausbeute des Ethylens als Hauptprodukt, sondern ebenfalls des Propylens als Nebenprodukt, oder die Veränderung des Anteils dieser beiden, und es wurde ebenfalls eine bemerkenswerte Veränderung der Form der Strahlerschlangen hervorgebracht, die diese Reaktion be­ wirken.

Zum Beispiel verdeutlichen die Fig. 12 und 13 eine herkömmliche und allgemeine Struktur dieses Ofens, und Strahlerschlangen 3 sind im Längszentrum eines Ofens 2 im Körper eines Pyrolyseofens 1 angeordnet. Eine Viel­ zahl von Brennern 4 sind auf der Seitenoberfläche des Ofens auf beiden Seiten der Schlangen vorgesehen, wie es in Fig. 14 gezeigt ist, Strahlerschlangen verschiedener Arten sind vorgesehen und wurden verwendet, um ihrem Verwendungszweck zu entsprechen. Der Typ 1 (Fig. 14a) ist die konventionellste Form der Schlange, die einen Durchlaß sowohl auf der Einlaßseite als auch auf der Auslaßseite bildet und die Formen des Typs 2 (Fig. 14b) und des Typs 3 (Fig. 14c, japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 56-93792/1981), die auf dem Typ 1 basieren, sind die neueste hauptsächliche Tendenz. Diese Typen werden als Zusammenfluß-Art bezeichnet, bei dem eine Vielzahl von Durchlässen auf der Einlaßseite der Schlangen gebildet werden, die entsprechenden Schlangen an dem mittleren Abschnitt miteinander verbunden sind und ein Durchlaß auf seiner Auslaßseite gebildet ist.

Rohre von relativ kleinem Durchmesser werden als Viel­ fachdurchlaßteil verwendet, und nach der Verbindung werden Rohre von großem Durchmesser verwendet, um da­ durch die Fluidströmungsgeschwindigkeit innerhalb der Rohre im allgemeinen anzugleichen.

Fig. 15 zeigt die Wärmeflußverteilung entlang der Länge der Strahlerschlangen im Ofen, und es ist notwendig, die Fluidtemperatur der Kohlenwasserstoffe zu erhöhen, um diesem Wärmefluß zu entsprechen. Fig. 16 zeigt die Fluidtemperatur innerhalb der Rohre in der Längenrich­ tung der Schlange. Da es ideal ist, die Verweilzeit der Kohlenwasserstoffe innerhalb des Ofens zu verkürzen, ist es im Hinblick auf die Reaktion innerhalb der Schlangen erwünscht, die Temperatur des Fluids am Einlaßabschnitt der Schlangen so schnell wie möglich zu erhöhen. Folg­ lich muß diese Forderung auf die Art B der Fig. 16 ge­ richtet werden. Um diese Form zu bewirken ist es not­ wendig, daß die Wärmeübertragungsfähigkeit auf der Ein­ laßseite der Schlangen so groß wie möglich ist. Indem die Schlangen mit Vielfachdurchlässen ausgestattet sind und ebenfalls der Durchmesser der entsprechenden Schlan­ gen kleiner gehalten wird, wird folglich eine Erhöhung der Menge der Wärmeübertragung, und zwar des Wärme­ flusses beabsichtigt.

Der Typ 4 (Fig. 14d) wird als gerader Typ bezeichnet, bei dem die Schlange einen Durchlaß sowohl auf der Ein­ laßseite als auch auf der Auslaßseite darstellt.

Wie oben beschrieben, ist es notwendig, die Schlangen als Vielfachdurchlaß zu gestalten und ebenfalls den Durchmesser der Schlangen geringer zu halten, wenn dies jedoch auf die Typen 1 und 4 angewendet wird, kann die Anwendung eines äußerst sicheren Betriebes wie der Zufuhr des Wärmeflusses auf einem sehr hohen Niveau nicht unterstützt werden. Unter Inbetrachtziehung der oberen Grenze der Metalltemperatur auf der Auslaßseite sollte deshalb die Temperaturerhöhung auf der Einlaß­ seite bei allen Vorrichtungen unterdrückt werden. Als Ergebnis zeigen die Typen 1 und 4 die Kurve A in Fig. 16. Dies ist im Hinblick auf die Reaktion unerwünscht. Da alle Rohre bis zur Auslaßseite einen geringen Durch­ messer haben, vergrößert die Erhöhung der Durchfluß­ menge des Fluids, die mit der Zersetzungsreaktion ver­ bunden ist, den Druckverlust innerhalb des Rohres.

Da auf der anderen Seite die Typen 2 und 3 jeder einen Aufbau von Vielfachdurchlässen von Rohren von geringem Durchmesser nur auf der Einlaßseite der Schlange ver­ wenden, zeigen diese Typen die Kurve B in Fig. 16; folg­ lich ist dies ideal, soweit es die Temperaturerhöhung des Fluids betrifft. Da jedoch jeder der Typen 2 und 3 und ebenfalls der Typ 1 von Haarnadelstruktur mit Dop­ pelkrümmern (180°-Krümmer) sind, nimmt folglich der Druckverlust an den Krümmungsteilen einen großen Anteil des gesamten Druckverlustes ein. Da es notwendig ist, den Fluiddruck auf der Auslaßseite der Schlange bei einem definierten Wert zu halten, ist es im Falle sol­ cher Typen folglich notwendig, den Druck auf der Einlaß­ seite ebenfalls zu erhöhen, verglichen mit Typ 4.

Auf der anderen Seite fördert bei der Olefinerzeugungs­ reaktion durch die Pyrolyse die Reduktion des Kohlen­ wasserstoffpartialdruckes innerhalb der Schlangen die Reaktion gleichzeitig mit der obengenannten Temperatur­ verteilung mehr. Folglich ist es besser, den Druckver­ lust des Fluids innerhalb der Schlangen zu reduzieren. In diesem Fall wird eine Struktur ohne solche Krümmungen bevorzugt, folglich ist der Typ 4 ideal. Da jedoch dies unmöglich macht, die Rohrlänge der Schlangen im Hinblick auf die Wärmeübertragung zu sichern, ist es notwendig, Rohre mit Vielfachdurchlässen von geringem Durchmesser zu schaffen, folglich wird das obengenannte Problem noch vergrößert. Folglich wurde die oben be­ schriebene Anordnung nur in einem bestimmten Fall ange­ wendet, und gegenwärtig ist diese Anordnung nicht die hauptsächliche Tendenz.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Pyrolyseofen zu schaffen, der auf den Schlangen der Zusammenflußart der Typen 2 und 3 des Standes der Technik beruht, jedoch dessen Nachteile überwindet, die Wärmeübertragungsmenge sichert, die auf der Einlaß­ seite der Schlange erforderlich ist und gleichzeitig die Doppelkrümmungsstruktur nicht aufweist, um dadurch den Druckverlust innerhalb der Schlangen zu vermindern und eine Schlangenanordnung ermöglicht, die bisher im we­ sentlichen nicht durchführbar war und ebenfalls den Raum verringern kann, in dem die Schlangen angeordnet sind.

Zur Lösung der obengenannten Probleme bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Pyrolyseofen zur Olefin­ erzeugung mit Reaktionsrohren zum Cracken von Kohlen­ wasserstoffen, die darin vorgesehen sind, gekennzeichnet durch eine Struktur von senkrecht angeordneten Rohren, wobei diese Rohre aus zwei Durchlässen oder mehr auf der Einlaßseite des Fluids und einem Durchlaß auf dessen Auslaßseite zusammengesetzt sind, die aus Rohren mit größerem Durchmesser als die Rohre der Einlaßseite be­ stehen, wobei die entsprechenden Durchlässe innerhalb des Ofens miteinander verbunden sind und kein Krümmungs­ teil darin vorgesehen ist.

Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Entwurfsansicht einer Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine erklärende Ansicht einer Ausfüh­ rungsform ihrer Rohrleitung,

Fig. 3a und 3b eine Ausführungsform der entsprechenden Rohrleitungsformen,

Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Ver­ deutlichung des Verhältnisses zwischen der Längsrichtung des Rohres und der Druckverteilung innerhalb der Rohre,

Fig. 5 eine Ansicht zur Verdeutlichung einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 6 eine erklärende Ansicht, die die ver­ bundenen Teile der Rohrleitung ver­ deutlicht,

Fig. 7 einen Querschnitt der Fig. 6 entlang der Linie A-A,

Fig. 8 einen Querschnitt der Fig. 6 entlang der Linie B-B,

Fig. 9 einen Querschnitt des Falles, in dem Rippen in der Leitung vorgesehen sind,

Fig. 10 eine graphische Darstellung zur Veran­ schaulichung der Temperatureigenschaften des Pyrolyseofens der obengenannten anderen Ausführungsform,

Fig. 11 eine Ansicht zur Verdeutlichung einer Ausführungsform der Leitungsform,

Fig. 12 bzw. 13 eine Entwurfsansicht eines herkömmlichen Pyrolyseofens,

Fig. 14a-d eine Ansicht zur Erklärung einer Aus­ führungsform der Rohrleitungsform,

Fig. 15 eine graphische Darstellung zur Veran­ schaulichung der Wärmeflußverteilung in Längenrichtung der Rohrleitung,

Fig. 16 eine graphische Darstellung zur Veran­ schaulichung der Fluidtemperaturver­ teilung innerhalb der Rohre in deren Längenrichtung.

Unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele mit den Zeichnungen wird die vorliegende Erfindung nachfolgend detaillierter erklärt.

Beispiel 1

Dieses Beispiel bezieht sich auf den Fall, bei dem die Einlässe der Rohrleitungen des Ofens am unteren Teil des Ofens vorgesehen sind.

Fig. 1 zeigt eine Entwurfsansicht zur Verdeutlichung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie es oben beschrieben ist. Der Ofen 2 hat einen Konvektions­ teil 26 mit einer Form, bei der der untere Teil breit und der obere Teil enger ist und am unteren Teil in der Breitenrichtung des Ofens Strahlerschlangen 3 in zwei Reihen angeordnet sind. Diese Schlangen sind so ange­ ordnet, um entlang des Mittelpunktes des Ofens in dessen Längsrichtung durch das Mittel der Krümmungen am mitt­ leren Teil des Ofens eine Reihe zu bilden. Am unteren Teil des Ofens sind Brenner 4 in drei Reihen angeordnet, um die entsprechenden Strahlerschlangen 3 von ihren beiden Seiten einheitlich zu erwärmen, und Regelbrenner 8 sind ebenfalls für den gleichen Zweck getrennt angeordnet, nachdem die Schlangen in einer Reihe verbunden wurden. Durch die Brenner 4 und die Regelbrenner 8, die in zwei Stufen angeordnet sind, ist es zusätzlich möglich, die Wärmeübertragungsmenge auf der Einlaßseite der Schlangen und die auf deren Auslaßseite zu regeln.

Fig. 2 zeigt eine erklärende Ansicht zur Verdeutlichung der Form der Strahlerschlangen. Bezüglich der Zusammen­ flußweise der Schlangen, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, ist es ebenfalls möglich, die Schlangen mit Vielfach­ durchlässen, mehr als zwei Durchlässen auf der Einlaß­ seite zu versehen, dann sie in einem Durchlaß auf der Auslaßseite zu verbinden, danach die entsprechenden einen Auslässe im Auslaßteil erneut zu verbinden und zu der nachfolgenden Abschreckvorrichtung zu führen. Zu­ sätzlich bezieht sich Fig. 3(a) auf 4-2-1-System- Schlangen und Fig. 3(b) auf 6-2-1-System-Schlangen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird die Funktion dieses Beispieles erklärt. Durch eine Konvektionsschlange 6 wird ein Verfahrensfluid vorgewärmt und dann über ein Überschneidungsrohr 7 in den Ofen 2 in zwei Reihen in Längsrichtung des Ofens an dem unteren Teil des Ofens eingeführt. Strahlerschlangen 3 treten an der Unter­ seite des Ofens in diesen ein, steigen innerhalb des Ofens 2 bis zu dessen Mittelteil auf, wo sie mittels Krümmungen und Verbindungspunkten verbunden werden, und die verbundene Schlange steigt weiter in einreihiger Anordnung entlang des Zentrums des Ofens in dessen Längsrichtung auf und wird dann durch die Decke 10 des Ofens in die nachfolgende Abschreckvorrichtung 5 ein­ geführt. Die Strahlerschlangen 3 können mit den ent­ sprechenden benachbarten Schlangen am Auslaßteil er­ neut verbunden werden, der am oberen Abschnitt des Ofens angeordnet ist, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Am unteren Teil des Ofens 2 sind Brenner 4 an beiden Seiten der Strahlerschlangen 3 in zwei Reihen angeordnet, um es zu ermöglichen, daß die Schlangen durch Bestrahlung ein­ heitlich erwärmt werden. An der Auslaßseite der Schlangen nach dem Zusammenfluß in einen Durchgang am oberen Teil des Ofens sind Regelbrenner 8 an beiden Seiten der Schlange angeordnet.

Entsprechend einer solchen Struktur, wie es durch B in Fig. 16 gezeigt ist, ist es möglich, eine schnelle Er­ höhung der Fluidtemperatur auf der Einlaßseite der Schlange zu erzielen, indem der Brenner 4 bezogen auf die Schlangen angemessen ausgewählt wird, die mit Vielfachdurchlässen ausgestattet sind und in Rohre mit geringerem Durchmesser ausgebildet sind, während es ebenfalls möglich ist, die Fluidtemperatur auf der Auslaßseite durch Regelung der Regelbrenner 8 zu regeln. Die Temperatur der Zersetzung in und der Bildung von Propylen beträgt z. B. 820°C, und die der Zersetzung in und der Bildung von Ethylen beträgt 870°C. Wenn es beabsichtigt ist, Ethylen in einer größeren Menge zu bilden, kann dies bewirkt werden, indem die Übertra­ gungsmenge mittels der Regelbrenner 8 erhöht wird. In Abhängigkeit vom Ausmaß der erforderlichen Fluidtempe­ raturverteilung ist in bezug auf die Schlangen die Auswahl möglich, wie es in Fig. 3a und 3b gezeigt ist. Weiterhin zeigt Fig. 4 die Druckverteilung innerhalb der Rohre der Strahlerschlangen 3, wobei A den Fall der herkömmlichen Schlangen zeigt, und der Druckverlust beim obengenannten Doppelkrümmerteil nimmt etwa 30% des Gesamten ein, wohingegen es entsprechend den Schlangen dieses Beispieles möglich ist, vom größten Teil des Druckverlustes am Krümmungsteil frei zu sein, wie es durch B der Fig. 4 gezeigt ist.

Um die Menge der Wärmeübertragung auf der Einlaßseite der Schlange zu erhöhen, sind nach diesem Beispiel Rohre mit geringerem Durchmesser und Mehrfachdurchlässen ge­ bildet, und gleichzeitig wird keine 180°-Krümmung ver­ wendet, wodurch es möglich ist, die Aufgabe der vorlie­ genden Erfindung zu lösen. Weiterhin ist es durch Anwen­ dung einer zweireihigen Anordnung am unteren Teil des Ofens (und zwar an der Einlaßseite der Schlange) mög­ lich, den Anordnungsraum bis auf die Hälfte dessen zu verringern, der im Fall einer herkömmlichen einreihigen Anordnung erforderlich ist, und insbesondere im Falle eines dreifachen Durchlasses oder mehr in der Einlaß­ seite wird es möglich, Schlangen leicht anzuordnen, die in bezug auf die Struktur unmöglich anzuordnen waren, diese Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung ist be­ sonders groß.

Beispiel 2

Dieses Beispiel zeigt den Fall, bei dem der Einlaß der Rohrleitung des Ofens am oberen Teil des Ofens vorge­ sehen ist.

Fig. 5 zeigt eine Entwurfsansicht zur Verdeutlichung eines Pyrolyseofens einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur sind Strahler­ schlangen (Reaktionsrohre) 12 und 13 entlang des Mittel­ punktes des Körpers 1 senkrecht angeordnet. Auf beiden Seiten der Schlangen sind Brenner 4 angeordnet, um die Schlangen dazwischen anzuordnen, und Regelbrenner 8 sind am gekrümmten Deckelteil des Ofens angeordnet. Durch die Konvektionschlange 6, die in einer Konvek­ tionsreihe 6′ angeordnet ist, fließt ein Kohlenwasser­ stoff als Rohmaterial durch die Strahlerschlangen­ einlässe in die Strahlerschlangen 13, die durch den Deckel 10 hindurchlaufen, steigen vertikal auf, ver­ binden sich miteinander an Krümmungen 14, die im Mittel­ teil angeordnet sind, fließt weiter durch die Schlangen 12 senkrecht nach unten, fließt aus dem Auslaß an der Ofenunterseite aus und wird in einer Abschreckvorrich­ tung 5 abgeschreckt, und dessen fühlbare Wärme wird als Hochdruckdampf an einer Dampftrommel 15 zurückgewonnen. Auf der anderen Seite wird ein gecracktes Gas 16 erhal­ ten. Das Ablaßgas wird, falls erforderlich, durch eine IP-Heizvorrichtung 18 und ein IDF 19 durch einen Schornstein in die Atmosphäre abgelassen.

Als Schlangen sind die in Form einer Gabel, wie es in Fig. 6 gezeigt, kontinuierlich in Längsrichtung des Ofens angeordnet, wie es in Fig. 11 gezeigt ist. Wenn die Schlangenanordnung in Richtung der Linie A-A der Fig. 6 betrachtet wird, wird eine verbundene einreihige Anordnung gebildet, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, wäh­ rend, wenn sie in Richtung der Linie B-B der Fig. 6 betrachtet wird, wird eine zweireihige Zickzack- Anordnung gebildet. Am oberen Teil des Ofens, an dem die Schlangen 13 angeordnet sind, wird eine Seitenwand 24 gebildet, um den Strömungsweg des Verbrennungsgases ein­ zuengen, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Folglich werden alle Schlangen 12 dem Heizsystem unterzogen, das haupt­ sächlich aus einer Strahlungswärmeübertragung innerhalb des Ofens besteht, während der größte Teil der Schlangen 13 dem Heizsystem unterzogen wird, das hauptsächlich aus konvektioneller Wärmeübertragung besteht. Falls erfor­ derlich, sind weiterhin Längsrippen 25 auf den Schlangen 13 vorgesehen, wie es in Fig. 9 gezeigt ist, wodurch die Wärmeübertragung weiter gefördert wird.

Nachfolgend wird der Zustand der Wärmeübertragung, der in der Ausführungsform der Fig. 4 gezeigt ist, unter Be­ zugnahme auf die Fig. 10 gezeigt. Bisher wurde die Zer­ setzungsreaktion nur durch Strahlungswärme innerhalb des Ofens durchgeführt, wohingegen entsprechend dieser Aus­ führungsform ein konvektioneller Teil vorgesehen ist, der in der Nähe des oberen Teils des Ofens liegt, in dem die Reaktion initiiert wird, folglich tritt die Einlei­ tung der Reaktion in der konvektionellen Zone auf, am Einlaß des Teiles der Strahlungswärmeübertragung hat ein beträchtlicher Teil der Reaktion bereits stattgefunden. Folglich ist die Reaktionswärme konstant, die absolute Menge der Wärmeübertragung ist verringert, folglich kann die Menge des zugeführten Brennstoffes verringert werden.

Wie es oben detailliert beschrieben ist, ist es entspre­ chend der vorliegenden Erfindung möglich, sogenannte kombinierte Schlangen anzuordnen, in denen Rohre in Form von Mehrfachdurchlässen und mit kleinem Durchmesser auf der Schlangeneinlaßseite des Ofens gebildet sind, an ihrem mittleren Teil miteinander verbunden sind, ohne irgend­ eine Krümmung einzusetzen, um dadurch den Druckverlust zu verringern, und es ist ebenfalls möglich, den Anord­ nungsraum merklich zu verringern, verglichen mit dem im Falle des Standes der Technik. Weiterhin wird es im Falle von drei Durchlässen oder mehr möglich, Schlangen anzuordnen, die im Hinblick auf ihre Struktur im Falle herkömmlicher Anordnung mit einem Durchlaß nicht anzu­ ordnen waren. Da die Innenseite des Ofens in einen oberen und einen unteren Abschnitt der Einlaßseite bzw. der Auslaßseite getrennt ist, ist eine Regelung der Menge der Wärmeübertragung mehr verbessert als im Falle eines herkömmlichen Systems, um es dadurch möglich zu machen, dessen Optimierung eher zu erreichen. Folglich ist der Beitrag der vorliegenden Erfindung hierzu sehr groß.

Claims (6)

1. Pyrolyseofen zum Cracken von Kohlenwasserstoffen, in dem Reaktionsrohre zum Zersetzen von Kohlenwasser­ stoffen vorgesehen sind, gekennzeichnet durch eine Struktur von senkrecht angeordneten Rohren, wobei diese Reaktionsrohre zwei oder mehr Durchlässe auf der Einlaßseite der Kohlenwasserstoffe und einen Durchlaß auf der Auslaßseite der resultierenden Kohlenwasserstoffe aufweisen, die entsprechenden Durchlässe innerhalb des Ofens miteinander verbunden sind und die Reaktionsrohre kein Doppelkrümmerteil darin aufweisen.

2. Pyrolyseofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Hauptbrenner (4) in der Nähe der Einlaßseite des zu zersetzenden Brennstoffes zur Lieferung von Strah­ lungswärme vorgesehen sind, und Regelbrenner (8) am Zusammenflußpunkt der zwei Durchlässe oder mehr mit diesem einen Durchlaß und danach zur Lieferung von Strahlungswärme vorgesehen sind.

3. Pyrolyseofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konvektionelle Teil die Form ist, bei der der obere Teil des Ofens näher als dessen unterer Teil ausgebildet ist und der obere Teil des Ofens auf der Einlaßseite der Kohlenwasserstoffe angeordnet ist, während sein unterer Teil in der Auslaßseite der re­ sultierenden Kohlenwasserstoffe angeordnet ist.

4. Pyrolyseofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der konvektionelle Teil (26) die Form ist, bei der der obere Teil des Ofens näher als dessen unterer Teil ausgebildet ist und der obere Teil des Ofens auf der Einlaßseite der Kohlenwasserstoffe angeordnet ist, während dessen unterer Teil auf der Auslaßseite der resultierenden Kohlenwasserstoffe angeordnet ist.

5. Pyrolyseofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konvektionelle Teil (26) die Form ist, bei der der obere Teil des Ofens näher als dessen unterer Teil ausgebildet ist, der untere Teil des Ofens auf der Einlaßseite der Kohlenwasserstoffe angeordnet ist, während der obere Teil auf der Auslaßseite der resultierenden Kohlenwasserstoffe angeordnet ist, und Regelbrenner (8) am konvektionellen Teil vorgesehen sind.

6. Pyrolyseofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der konvektionelle Teil (26) die Form ist, bei der der obere Teil des Ofens näher als dessen unterer Teil ausgebildet ist, wobei der untere Teil des Ofens auf der Einlaßseite der Kohlenwasserstoffe angeordnet ist, während der obere Teil auf der Einlaßseite der resultierenden Kohlenwasserstoffe angeordnet ist und Regelbrenner (8) am konvektionellen Teil vorgesehen sind.