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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein U-Rohr zur Verwendung in einem
befeuerten Heizer zum Aufheizen von Prozessfluiden, z. B. Prozessheizer.
Speziell betrifft sie U-Rohre zur Verwendung in einem befeuerten Heizer
des Typs, der mindestens einen Strahlungsabschnitt aufweist, in
dem Prozessfluid, das dort durch Rohre strömt, indirekt aufgeheizt wird,
vorzugsweise durch Strahlungsenergie, die von Brennern geliefert
wird. Die erfindungsgemäßen U-Rohre
sind besonders gut geeignet und vorteilhaft für die Pyrolyse normalerweise
flüssiger
oder normalerweise gasförmiger
aromatischer und/oder aliphatischer Kohlenwasserstoffeinsatzmaterialien,
wie Ethan, Propan, Naphtha oder Gasöl, um Ethylen und anderen Nebenprodukten,
wie Acetylen, Propylen, Butadien, usw. herzustellen. Demnach wird
die vorliegende Erfindung im Kontext von Kohlenwasserstoffpyrolyse
beschrieben und erklärt,
insbesondere Dampfcracken zur Herstellung von Ethylen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Dampfcracken
ist das vorherrschende kommerzielle Verfahren zur Herstellung leichter
Olefine, wie Ethylen, Propylen und Butadien. Ethylen, Propylen und
Butadien sind Basisbausteinchemikalien, die zur Herstellung großer Volumina
an Polymermaterialien und kommerziell wichtiger chemischer Zwischenstufen
verwendet werden. Die Nachfrage nach diesen Basisbausteinpetrochemikalien
wird wahrscheinlich in naher Zukunft weiter zunehmen. Für Ethylen
existiert die höchste
Nachfrage der beim Dampfcracken produzierten Produkte und es ist
am kostspieligsten abzutrennen und zu reinigen. Die Verbesserung
der Ausbeu te an oder Selektivität
für Ethylen
ist daher sehr erwünscht.
Dampfcracken beinhaltet eine thermische Crackreaktion, die in der
Regel in einem befeuerten Rohrreaktor durchgeführt wird. Die Reaktorselektivität für Ethylen
wird durch kurze Verweilzeit und niedrige Kohlenwasserstoffpartialdrücke begünstigt.
Es werden Kohlenwasserstoffeinsatzmaterialien im Bereich von Ethan
bis Vakuumgasöl
verwendet, und die Reaktion wird in Gegenwart von Verdünnungsdampf
durchgeführt.
Die komplexen Reaktionen und der Rohrreaktor werden ausführlich in
der allgemein zugänglichen
Literatur und zahlreichen Patenten erörtert.
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Dampfcracken
von Kohlenwasserstoffen ist in der Regel dadurch bewirkt worden,
indem das Einsatzmaterial in verdampfter oder im Wesentlichen verdampfter
Form gemischt mit wesentlichen Mengen Verdünnungsdampf geeigneten Spiralen
in einem Crackofen zugeführt
wird. Es ist konventionell, die Reaktionsmischung durch eine Anzahl
paralleler Spiralen oder Rohre zu leiten, die einen Konvektionsabschnitt
des Crackofens passieren, wo heiße Verbrennungsgase die Temperatur
des Einsatzmaterials und des Verdünnungsdampfs erhöhen. Jede
Spirale oder jedes Rohr passiert dann einen Strahlungsabschnitt
des Crackofens, wo eine Vielzahl von Brennern die notwendige Wärme zuführen, um
die Reaktanden auf die gewünschte
Reaktionstemperatur zu bringen und die gewünschte Reaktion zu bewirken.
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Die
Koksbildung ist in allen Dampfcrackverfahrenskonfigurationen eine
Hauptsorge. Wenn Kohlenwasserstoffeinsatzmaterialien den in einem
Dampfcrackofen vorherrschenden Heizbedingungen ausgesetzt werden,
neigen Koksablagerungen dazu, sich auf den inneren Wänden der
Rohrelemente abzusetzen, die die Crackspiralen bilden. Diese Koksablagerungen
stören
den Wärmefluss
durch die Rohrwände
in den Reaktandenstrom, was zu höheren
Temperaturen des Rohrmetalls führt,
wodurch schließlich
die Grenzen der Rohrmetallurgie erreicht werden. Die Koksabla gerungen
stören
zudem den Fluss der Reaktionsmischung, was zu höherem Druckabfall infolge des
verminderten Querschnitts des Rohrs führt.
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Es
ist gefunden worden, dass die optimale weise zur Verbesserung der
Selektivität
für Ethylen
die Verringerung des Spiralvolumens ist, während die Wärmetauscheroberfläche erhalten
bleibt. Dies ist bewirkt worden, indem Serpentinenspiralen mit großem Durchmesser
durch eine Vielzahl von Rohren mit kleinerem Durchmesser mit einem
größeren Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis als
bei den Rohren mit großem
Durchmesser ersetzt wurden. Die Rohre haben in der Regel Innendurchmesser
bis zu etwa 7,6 cm (3 Zoll), im Allgemeinen etwa 3,0 cm bis 6, 4
cm (1, 2 bis 2, 5 Zoll).
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Der
Wunsch nach kurzen Verweilzeiten hat zur Verwendung kürzerer Spiralen
geführt,
wobei typische Längen
mit den Jahren zunehmend von mehr als 45 m (150 ft) bis auf 20 m
bis 27 m (60 bis 90 ft) und in neuerer Zeit 9 m bis 12 m (30 bis
40 ft) verringert wurden. Mit der Verkürzung der Spiralen wurde es
erforderlich, den Rohrdurchmesser zu verringern, um den Wärmefluss
und damit die Temperaturen des Rohrmetalls zu verringern. Aktuelle
Crackspiralen sind im Allgemeinen aus hochlegierten (25 % Cr, 35
% Ni plus Additive) austenitischen rostfreien Stählen gebaut und werden bei
maximalen Rohrmetalltemperaturen im Bereich von 1030 bis 1150°C (1900 bis
2100°F)
betrieben.
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Trotz
der erheblichen Weiterentwicklung des Crackofendesigns ist das Verfahren
noch durch die Tatsache begrenzt, dass es Koks als Nebenprodukt
erzeugt, der sich auf der Innenseite der Spiralen absetzt. Der Koks
wirkt als Isolator und erhöht
somit die Rohrmetalltemperaturen der Spirale. Wenn die Rohrmetalltemperatur
die Maximalbelastbarkeit des Materials erreicht, ist es erforderlich,
die Produktion zu beenden und den Ofen zu entkoken. Dies wird im
Allgemeinen durchgeführt,
indem eine Mischung, die Luft und Dampf umfasst, bei hoher Temperatur
durch die Spiralen geführt
wird. Der Koks wird durch eine Kombination aus Verbrennung und Erosion/Spalling
(Abblättern)
entfernt. Andere Entkokungstechniken, die die Verwendung von Luft
vermeiden, werden auch in der Industrie verwendet. In diesem Fall
wird der Koks hauptsächlich
durch Erosion/Spalling und Vergasung entfernt. Ungeachtet der verwendeten
Entkokungstechnik liegt ein Teil des abgeblätterten Koks in Form großer Teilchen
vor. Mit der Abnahme der Rohrdurchmesser nahm die Wahrscheinlichkeit
zu, dass große
Koksteilchen die Spirale vor oder während des Entkokens verstopfen.
Entkoken benötigt
in der Regel 12 bis 48 Stunden, was von vielen Faktoren abhängt, zu
denen das Ofendesign, das Einsatzmaterial, welches gecrackt wurde,
die Betriebszeit vor dem Entkoken und die verwendete Crackschärfe gehören.
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Technologie
zur Herabsetzung der Rohrmetalltemperaturen (und somit der Verkokungsraten,
oder alternativ die Möglichkeit
zur Verwendung einer Spirale mit kürzerer Verweilzeit) ist seitens
der Industrie allgemein angestrebt worden. Einige Designer haben
auf Spiralen mit mehreren Einlassschenkeln zurückgegriffen, um den Wärmefluss
auf die Auslassrohre zu verringern (z. B. EP-A-0 305 799). Andere
haben versucht, die Bildung der isolierenden Koksschicht im Inneren
der Rohr durch Zugabe geringer Konzentrationen spezieller Elemente
zu dem Reaktoreinsatzmaterial zu verhindern.
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Die
Wärmeübertragung
auf die hochendotherme Crackreaktion lässt sich durch die bekannte
Gleichung Q = U × A × Δ T wiedergeben.
U, der Wärmeübertragungskoeffizient,
ist eine Funktion der Gasgeschwindigkeit im Inneren der Rohr. Höhere Geschwindigkeiten
erhöhen
U und vermindern somit die erforderliche (Temperaturdifferenz) Δ T, wodurch
die Rohrmetalltempera tur für
eine gegebene Prozessfluidtemperatur verringert wird. Mit zunehmenden
Geschwindigkeiten nimmt der Druckabfall jedoch zu, wodurch der durchschnittliche
Kohlenwasserstoffpartialdruck der Spirale erhöht wird. Schließlich wird
der Druckeffekt stärker
als der Effekt der verringerten Verweilzeit, und weitere Erhöhung der
Geschwindigkeit verringert die Reaktorselektivität zu Ethylen. Dies steht für einen
maximalen praktischen Wert von U.
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Die
Gesamtfläche
(A) kann durch Verwendung mehrerer Rohre mit kleinem Durchmesser
erhöht
werden. Dieser Trend ist seitens der Industrie weitergeführt worden,
was zu Reaktoren mit Rohren mit einem Innendurchmesser von 2,5 cm
bis 3,8 cm (1,0 bis 1,5 Zoll) führt.
Dies steht für
einen minimalen praktischen Durchmesser infolge von Fertigungsgrenzen,
und unterhalb dieser Durchmesser werden die Wirkungen des Koksaufbaus
im Inneren der Rohre übermäßig stark.
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Das
allgemeine Prinzip des Erhöhens
der Innenoberfläche
zur Verbesserung der Wärmeübertragung ist
in der allgemeinen Wärmeübertragungstechnik
wohl bekannt. Die Anwendung dieses Prinzips auf Verkokungsgeschehen
bei sehr hoher Temperatur, wie Dampfcracken, ist jedoch schwierig.
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Dennoch
ist dieses Verfahren zur Verbesserung der Wärmeübertragung zur Verringerung
der Rohrmetalltemperaturen in Dampfcracköfen in mehreren Varianten vorgeschlagen
worden. Ein Beispiel (US-A-4 342 242) verwendet einen speziell entworfenen
Einsatz in Längsrichtung
in einem ansonsten runden Rohrquerschnitt. Dieser Einsatz hat einen
mittigen Körper
und sich nach außen
erstreckende Schaufeln, die das Innere der Spirale berühren. In
dieser speziellen Offenbarung wird der Einsatz in nur einem Abschnitt
der gesamten rohrförmigen
Spirale in dem Ofen positioniert. Ein weiteres Beispiel (GB-A-969
796) verwendet innen abgerundete Kanäle oder Rillen, die die Innenflä che vergrößern. Das
Innenprofil ist glatt, um Spannungskonzentrationen und Strömungsstörungen zu
vermeiden. Die in dieser Offenbarung beschriebenen speziellen Rohre
weisen 4 Durchläufe
durch den Strahlungsabschnitt auf und haben einen relativ großen Innendurchmesser
von 9,525 cm (3,75 Zoll).
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Variationen
dieser abgerundeten inneren Kanäle
oder dieses Rohrprofils mit Rippen sind kommerziell in speziellen
Spiralendesigns verwendet worden. Ein auf einem Treffen des American
Institute of Chemical Engineers vorgestelltes Papier ("Specialty Furnace
Design Steam Reformers and Steam Crackers" von T. A. Wells, vorgestellt auf dem
1988 AIChE Spring National Meeting, New Orleans, Louisiana, 6. bis
10. März, 1988)
offenbart die Verwendung eines Rohrtyps mit erweiterter Innenoberfläche in einem
Design mit einmaligem Rohrdurchgang. Die Einlassschenkel von längeren Spiralen
(EP-A-0 305 799) und ein Literaturzitat für dieses Design mit der Abkürzung SRT
V (Energy Progress Band 8, Nr. 3, Seiten 160 bis 168, September
1988) verwendeten erweiterte Innenoberfläche. In beiden dieser letzteren
Fälle basierte
die kommerzielle Verwendung auf Rohren mit ungefähr 2,5 bis 3,8 cm (1,0 bis
1,5 Zoll) Innendurchmesser, und bei denen der Rohrabschnitt mit
den abgerundeten Innenkanälen
oder Rippen nur einen einzigen Durchgang durch den Ofenstrahlungsabschnitt
aufwies. Ein weiteres Literaturzitat ("USC Super U Pyrolysis Concept" von David J. Brown,
John R. Brewer und Colin P. Bowen, vorgestellt auf dem AIChE Spring
National Meeting in Orlando, Florida, März 1990) stellte Daten von
Rohren mit Innenrippen an dem Einlassschenkel vor. Diese Druckschrift
mutmaßt, dass
die Bereitstellung von Rippen auf dem Auslassschenkel günstig wäre, macht
jedoch keinen Vorschlag, welche Betriebs- oder Designparameter erforderlich
wären,
um die erfolgreiche Verwendung von Rippen auf dem Auslassschenkel
zu zeigen oder zu ermöglichen.
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Es
ist bisher jedoch nicht gezeigt worden, dass ein Design mit erweiterter
Innenoberfläche
in Spiralen mit zwei Durchläufen
machbar ist, die in der Regel aus U-förmigen Rohren gefertigt sind.
Diese Doppeldurchlaufspiralen sind insgesamt typischerweise 15 m
bis 27 m (50 bis 90 ft) lang, wobei die Innendurchmesser im Bereich
von 3,8 cm bis 6,4 cm (1,5 bis 2,5 Zoll) liegen. Doppeldurchgangspiralen
können
so kurz wie 13 m (40 ft) sein. Ein Problem liegt darin, dass es
nicht die Möglichkeit
gibt, ein innen mit Rippen versehenes Rohr herzustellen, das ausreichend
lang ist, um das gesamte U-förmige
Rohr zu bilden.
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Ein
innen mit Rippen versehenes Rohr kann nur für die Einlasshälfte der
U-förmigen
Rohre verwendet werden, wie in EP-A-0 305 799 beschrieben ist, die innere
Rippen, Vorsprünge
oder Einsätze
nur in den Einlassrohren des Ofens verwendet – nicht am Auslass. Diese Druckschrift
offenbart, dass im Auslassrohr befindliche Einsätze wahrscheinlich als Kristallkeimbildner
für das
Wachstum des während
der Pyrolyse gebildeten Koks wirken würden. Die höchsten Rohrmetalltemperaturen
treten jedoch nahe dem Auslassende auf, so dass der vorteilhafte
Effekt des mit Rippen versehenen Rohrs dann nicht eintritt, wenn
er am meisten gebraucht wird. Das Verwenden des mit Rippen versehenen
Rohrs für
den Auslassschenkel der Spirale wäre möglich, birgt jedoch das Risiko,
dass Koksstücke
aus dem Einlassschenkel losbrechen und zum Anfang des mit Rippen
versehenen Abschnitts treiben können.
Schließlich
legen die konventionellen Kenntnisse der Industrie nahe, dass ein
gebogener, mit Rippen versehener Rohrabschnitt anfällig gegenüber Verstopfen
mit Koks wäre, der
aus dem Einlassschenkel der Spirale abblättert.
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In
Anbetracht der bekannten Mängel
der Wärmeübertragung
in Dampfcracköfen
besteht ein Bedarf an einem Mittel zur Verbesserung der Wärmeübertragung
im Inneren der Rohre zur Herabset zung von Verkoken, zur Herabsetzung
der Rohrmetalltemperatur und zur Verbesserung der Ethylenselektivität. Es wäre insbesondere
hocherwünscht,
ein Design für
eine Doppeldurchgangspirale oder U-förmige Rohre zu haben, die irgendwelche
Mittel mit erhöhter
Innenoberfläche
verwenden, um die Rohrmetalltemperatur über ihre gesamte Länge herabzusetzen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein U-Rohr zur Verwendung in einem
befeuerten Heizer zum Aufheizen eines Prozessfluids, wobei das U-Rohr
einen Innendurchmesser von 3,2 cm bis 7,6 cm hat und mit inneren,
im Allgemeinen längsgerichteten
Rippen über
seine gesamte Länge
versehen ist. Ein solches U-Rohr
liefert erhöhte
innere Wärmeübertragungsoberfläche zur
Herabsetzung der Rohrmetalltemperaturen am Einlass und Auslass des
U-förmigen
Rohrs und ist gleichzeitig nicht anfällig für Verstopfen durch Koks. Der
befeuerte Heizer umfasst eine Strahlungsabschnitteinhausung mit
einer Vielzahl darin angeordneter U-förmiger Rohre, einem Einlass
zur Einbringung des Prozessfluids in die U-förmigen Rohre, Brennern, um
die äußere Oberfläche der
U-förmigen
Rohre Strahlungswärme
auszusetzen, und einen Auslass zum Kühlen und Sammeln des Prozessfluids
aus den U-förmigen
Rohren. Die U-förmigen
Rohre können
gebildet werden, indem zwei oder mehr rohrförmige Abschnitte verbunden
werden.
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ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden unter Bezug auf folgende Zeichnungen, Beschreibung und angefügte Ansprüche näher erläutert. 1 zeigt
eine dreidimensionale Zeichnung eines Dampfcrackofens, der eine
typische Anordnung der Innenteile zeigt. 2 zeigt ein
einziges U-förmiges
Ofenrohr. 3 zeigt einen Querschnitt der
mit Rippen versehenen, U-förmigen
Ofenrohre.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird in Bezug auf einen befeuerten Heizer
zum Aufheizen eines Prozessfluids beschrieben. Die Erfindung betrifft
insbesondere die Verwendung in einem befeuerten Heizer, der ein Prozessfluid
aufheizt, das infolge der chemischen Reaktionen, die durch das Aufheizen
stattfinden, zur Bildung von Koks neigt. In einer speziellen Ausführungsform
wird die Erfindung in einem Dampfcrackofen eingesetzt, der in der
petrochemischen Industrie zur Herstellung von Olefinen verwendet
wird.
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In
Bezug auf 1 tritt der Einsatzmaterialstrom
durch eine oder mehrere Einlassleitungen 9 in den Konvektionsabschnitt 10 ein,
wo er durch heiße
Verbrennungsgase, die sich vorzugsweise auf einer Temperatur von
etwa 1500°F
(816°C)
bis etwa 2400°F
(1316°C)
befinden, auf eine Temperatur von vorzugsweise etwa 800°F (426°C) bis 1500°F (816°C) vorgeheizt
wird, bevor er in den Strahlungsabschnitteinlassverteiler 12 eintritt.
Aus dem Strahlungsabschnitteinlassverteiler 12 tritt das
vorgeheizte Einsatzmaterial in die U-förmigen Rohre (nachfolgend als
U-Rohre bezeichnet) ein, die sich in der Strahlungsabschnitteinhausung 16 befinden, die
in der Technik auch als Strahlungsbox bekannt ist.
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Die
Strahlungsabschnitteinhausung 16 ist typischerweise mit
wärmeisolierendem
hitzebeständigem Material
ausgekleidet, um Wärmeenergie
zu bewahren.
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Die
Strahlungsabschnitteinhausung schließt eine Vielzahl von U-Rohren
ein. Das Ende der U-Rohre, das mit einem oder mehreren Einsatzmaterialeinlassverteilern 12 verbunden
ist, die das Prozessfluid in die U-Rohre einbringen, wird als Ein lassschenkel 20 bezeichnet.
Das gegenüberliegende
Ende jedes der U-Rohre 22, als Auslassschenkel bezeichnet,
ist mit einem Auslasskopf 26 zum Sammeln des Prozessfluids
verbunden, nachdem es erhitzt worden ist und die thermischen Crackreaktionen
stattgefunden haben. Die Temperatur des Prozessfluids beträgt typischerweise
etwa 1300°F
(816°C)
bis etwa 2000°F
(1093°C),
wenn es den Auslassschenkel des U-Rohrs verlässt. Von hier wird das Prozessfluid
in Abschrecktauscher 27 geleitet, der das Prozessfluid
abkühlt,
um die thermischen Crackreaktionen zu stoppen. In einer anderen
Ausführungsform,
die in 1 nicht gezeigt ist, ist der Auslassschenkel von
jedem der U-Rohre
direkt mit einem individuellen Abschrecktauscher verbunden, um das
Prozessfluid abzukühlen.
Der Auslass von jedem einzelnen Abschrecktauscher ist dann mit einem
Auslasskopf verbunden. Eine derartige Anordnung ist in der Technik
als eng gekoppelter Überführungsleitungstauscher
bekannt. In einer weiteren Ausführungsform,
die in 1 nicht gezeigt ist, ist der Auslassschenkel von
jedem U-Rohr mit einem Abschreckpunkt verbunden, an dem das Prozessfluid
direkt mit einer Abschreckflüssigkeit
kontaktiert wird, die verdampft, um das Prozessfluid zu kühlen.
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Für die erfindungsgemäßen Zwecke
sind U-Rohre irgendwie wie der Buchstabe "U" geformt,
wenn sie in einer zweidimensionalen Zeichnung betrachtet werden,
wie 2. Ein definierendes Charakteristikum ist, dass
das U-Rohr effektiv 2 Durchgänge
durch die Strahlungseinhausung aufweist. Die U-Rohre sind aus einem Einlassschenkel 20,
einem Auslassschenkel 22 und einem gekrümmten oder gebogenen Abschnitt 21 zusammengesetzt,
der den Einlassschenkel 20 und den Auslassschenkel 22 verbindet.
In anderen Ausführungsformen
kann der Auslassschenkel aus einem oder mehreren verzweigten Abschnitten
zusammengesetzt sein. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen
kann der Einlassschenkel 20 aus mehr als einem verzweigten
Rohr zusammengesetzt sein. Im Stand der Technik sind viele Weisen
zur Anordnung einer Vielzahl von U-Rohren in einer Strahlungseinhausung
bekannt. Fachleute werden bei der Wahl der Anordnung räumliche
Anordnung, Positionierung der Brenner, Positionierung des Einlasskopfes
und der Auslassmittel und thermische Spannungen der U-Rohre selbst
berücksichtigen.
In einigen Anordnungen liegt jedes der individuellen U-Rohre in
einer einzigen Ebene. In anderen Anordnungen neigen die U-Rohre
aus der Ebene heraus. Alle derartigen Anordnungen werden für erfindungsgemäße Zwecke
als U-Rohre angesehen.
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Die
Strahlungsabschnitteinhausung enthält eine Vielzahl von Brennern 28,
um die Außenoberfläche der
U-förmigen
Rohre Strahlungswärme
auszusetzen. Eine weite Vielfalt von im Stand der Technik bekannten Brennern
kann verwendet werden, einschließlich Rohgas- oder vorgemischten
Brennern. Neuere Konstruktionen haben zusätzlich eine Vielfalt von Rauchgasrezirkulationstechniken
eingesetzt, um aus Umweltgründen die
NOx-Bildung
zu verringern. Die Verbrennungsluftquelle kann Umgebungsluft, vorgeheizte
Luft oder Gasturbinenabgas sein.
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Die
Gesamtlänge
der U-Rohre ist vorzugsweise 20 m bis 27 m (60 bis 90 ft). Da es
schwierig ist, die innen mit Rippen versehenen Rohre in der gewünschten
Länge von
20 m bis 27 m (60 bis 90 ft) herzustellen, müssen möglicherweise zwei Abschnitte
mit mindestens einer Zwischenschweißstelle verbunden werden. Es ist
in US-A-4 827 074 beschrieben, dass Zwischenschweißstellen
eine potentielle Quelle für
beschleunigte Koksablagerung sind. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird diese potentielle Koksablagerung in U-Rohren mit einer Zwischenschweißstelle
im unteren Bereich des gekrümmten
Abschnitts des U und Anordnen der U-Rohre, so dass die Schweißstelle
durch die benachbarten Rohre vor direkter Strahlung abgeschirmt wird, minimiert.
In einer anderen Ausführungsform
kann der Schweißstellenbereich
mit Isoliermaterial umwickelt werden.
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Die
innen mit Rippen versehenen Rohre können entweder durch wohl bekannte
Kaltbiegetechniken oder Heißinduktionsbiegetechniken
erfolgreich auf den Radius gebogen werden, der im unteren Bereich
des U-Rohrs erforderlich ist.
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Unabhängig davon,
ob die U-Rohre durch Verbinden von zwei oder mehr rohrförmigen Abschnitten
gebildet oder einstückig
gebildet werden, wird die gesamte Länge der mit Rippen versehenen
U-Rohre mit inneren, im Allgemeinen längsgerichteten Rippen ausgestattet.
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3 zeigt
eine Querschnittansicht eines mit Rippen ausgestatteten U-Rohrs.
Der Außenrohrdurchmesser 50 liegt
im Bereich von 1,75 Zoll bis 4,5 Zoll (4,4 cm bis 11,4 cm), vorzugsweise
2,0 bis 3,0 Zoll (5 cm bis 7,6 cm). Die Rippenhöhe 52, definiert als
der Abstand zwischen dem unteren Bereich des Rippenfußes 54 und
dem oberen Bereich der Rippenspitze 56, liegt im Bereich
von etwa 0,05 Zoll bis etwa 0,4 Zoll (0,13 cm bis 1 cm), vorzugsweise
0,1 Zoll bis 0,25 Zoll (0,25 cm bis 0,65 cm). Die Anzahl der Rippen
um den inneren Umfang der Rohre beträgt 8 bis 24, vorzugsweise 10
bis 18. Der Radius von Rippenfuß 58 und
Rippenspitze 60 liegt im Bereich von etwa 0,05 bis etwa
0,45 Zoll (0,13 cm bis 1,2 cm), vorzugsweise 0,1 Zoll bis 0,2 Zoll (0,25
cm bis 0,5 cm). In einer Ausführungsform
sind der Rippenwurzelradius und der Rippenspitzenradius gleich.
Der Innenseitendurchmesser 62, definiert als der Abstand
von Rippenwurzel zu Rippenwurzel durch die Mitte des Rohrs hindurch,
liegt im Bereich von etwa 1,25 Zoll bis 3,0 Zoll (3,2 cm bis 7,6
cm), vorzugsweise 1,5 bis 2,5 Zoll (3,8 cm bis 6,4 cm), insbesondere
2,0 Zoll bis 2,5 Zoll (5 cm bis 6,4 cm). Das Verhältnis der Rippenhöhe zu Innendurchmesser,
das zur Bereitstellung von verbesserter Wärmeübertragung er forderlich ist, keinen übermäßigen Druckabfall
zeigt und nicht anfällig
für Verstopfen
ist, liegt vorzugsweise im Bereich von 0,05 bis 0,20, insbesondere
im Bereich von 0,07 bis 0,14.
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Die
im Allgemeinen längsgerichteten
Rippen können über die
Länge des
U-Rohrs gerade oder helixförmig
sein, analog zu dem Drall eines Gewehrlaufs. Die letztere längsgerichtete
Rippenanordnung wird auch als spiralige längsgerichtete Rippen bezeichnet.
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Wenn
mehr als ein Abschnitt zur Bildung des U-förmigen Rohrs erforderlich ist,
werden die Rippen vorzugsweise bei jeder Verbindung ausgerichtet,
um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass Koksteilchen an den
Rändern
der Rippen eingeschlossen werden.
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BEISPIELE
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Es
wurde ein Testprogramm durchgeführt,
um zu bestimmen, ob die erwarteten Einschränkungen überwunden werden konnten und
sich die Vorteile erhöhter
innerer Oberfläche
auf ein U-Rohr-Dampfcrackofendesign
anwenden ließen.
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Zweiundzwanzig
innen mit Rippen versehene U-Rohre wurden in einem Quadranten eines
kommerziellen Dampfcrackofens (insgesamt 88 U-Rohre) installiert.
Das Einsatzmaterial für
den Ofen war kommerzielles Ethan (98 % Ethan), das aus Erdgastrennanlagen
gewonnen wurde. Die Mehrzahl der U-Rohre in dem Ofen blieben somit
konventionelle Rohre mit kreisförmigem
Querschnitt, während
ein Viertel der Rohre erfindungsgemäße gerade längsgerichtete Rippen aufwies.
Dies lieferte einen direkten Vergleich der Leistung der mit Rippen
versehenen Rohre, verglichen mit den konventionellen (nackten) Rohren
mit kreisförmigem
Querschnitt. 3 kann zur Beschreibung der
Rippenanordnung der U-Rohre in dem mit Rippen versehenen Rohrtestquadranten
verwendet werden. Der Außenseitendurchmesser 50 der
U-Rohre betrug 6,99 cm (2,75 Zoll). Der Innenseitendurchmesser 62 des
U-Rohrs betrug 5,08 cm (2,0 Zoll). Es gab 12 Rippen. Die
Rippenhöhe 52 betrug
0,41 cm (0,16 Zoll). Der Rippenfußradius 58 und der
Rippenspitzenradius betrug jeweils 0,41 cm (0,16 Zoll). Das Verhältnis von
Rippenhöhe
zu Innendurchmesser betrug 0,08.
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Da
es schwierig war, die innen mit Rippen versehenen Rohre in der gewünschten
Länge von
65 ft (20 m) herzustellen, war eine Zwischenschweißstelle
erforderlich. Diese Zwischenschweißstelle wurde am unteren Bereich
von jedem der U-Rohre angeordnet, wo sie durch die benachbarten
Rohre vor direkter Strahlung abgeschirmt wurde. Die Rippen wurden
an dieser Verbindung ausgerichtet.
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Der
gebogene Abschnitt der U-Spirale war nicht anfällig für Blockierungen, wie es der
Stand der Technik nahegelegt hatte. Während des Testprogramms von
12 Monaten wurden keine plötzlichen
Anstiege des Druckabfalls beobachtet.
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Das
innen mit Rippen versehene Rohr verringerte die Rohrmetalltemperaturen.
Die Testspirale entwickelte Koksablagerungen mit einer viel langsameren
Rate als konventionelle (nackte) Rohre mit kreisförmigem Querschnitt
in demselben Dampfcrackofen mit demselben Einsatzmaterial. Tabelle
1 Druckabfall
(Strahlungseinlass – Strahlungsauslass)
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Tabelle
1 zeigt den Druckabfall der U-förmigen
Spiralen als Funktion der Betriebstage, das heißt Tage nach dem letzten Entkoken.
Je höher
der Druckabfall ist, um so größer ist
die gebildete Koksdicke. Die Tabelle vergleicht die nackten (konventionellen)
Rohre mit den mit Rippen versehenen Rohre. Wie aus den Daten ersichtlich
ist, stieg der Druckabfall während
des Versuchsverlaufs bei den nackten Rohren im Vergleich mit den mit
Rippen versehenen Rohren deutlich stärker, was eine größere Koksdicke
in den nackten Rohren anzeigt. Der deutlich niedrigere Druckabfall
bei den mit Rippen versehenen Rohren zeigt auch eindeutig, dass
während des
Versuchs kein Verstopfen auftrat.
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Tabelle
2 Rohrmetalltemperatur
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Tabelle
2 zeigt die Maximalrohrmetalltemperatur, gemessen mit einem Infrarotpyrometer,
wiederum als Funktion der Betriebstage. Wie zuvor beschrieben wurde,
ist es von entscheidender Bedeutung, die Maximalrohrmetalltemperatur
herabzusetzen. Die Rohrmetalltemperaturen waren während des
gesamten Versuchsverlaufs bei den mit Rippen versehenen Rohren erheblich
niedriger als bei den konventionellen (nackten) Rohren, durchschnittlich
etwa 26°C
(47°F) niedriger.
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Die
innen mit Rippen versehenen Rohre benötigten zum Entkoken auch viel
weniger Zeit als die konventionellen Rohre mit kreisförmigem Querschnitt.
Beim Ethancracken erforderten die konventionellen (nackten) Rohre
einen Bereich von 8 bis 10 Stunden zum Entkoken, die mit Rippen
versehenen Rohre benötigten jedoch
nur einen Bereich von 4 bis 5 Stunden.
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Ohne
sich auf eine spezielle Theorie der Wirkweise festlegen zu wollen,
scheint es so zu sein, dass die wie erfindungsgemäß beschriebenen
konfigurierten, mit Rippen versehenen U-Rohre Bruchzonen in der Koksschicht
am Ort von jeder der Rippen liefern, so dass kleine Koksstücke besonders
dazu neigen, während des
Entkokungsverfahrens aus dem Inneren des Rohrs abzuplatzen oder
wegzubrechen. Dies führt
zu zwei sehr wichtigen und unerwarteten Effekten, verglichen mit
konventionellen nackten Rohren. Erstens wird das Entkokungsverfahren
verkürzt,
wodurch der Ofen rascher wieder in den voll produktiven Betrieb
gehen kann, was für
den Betreiber einen bedeutsamen wirtschaftlichen Vorteil darstellt.
Zweitens begünstigen
die Bruchzonen die Bildung lediglich relativ kleiner Koksteilchen,
von denen gefunden wurde, dass sie die Rohre nicht verstopfen oder
blockieren, nicht einmal Rohre mit relativ kleinem Durchmesser im
Bereich von 3,05 bis 6,35 cm (1,2 bis 2,5 Zoll) und nicht einmal
den gekrümmten
oder gebogenen Abschnitt des "U" in den Doppeldurchgang-U-Rohren.
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Ein
bevorzugtes Mittel zum Betreiben eines Ofens mit erfindungsgemäßen innen
mit Rippen versehenen U-Rohren ist so, dass der Aufbau der Koksschicht
nicht übermäßig ist,
um das Abblättern
kleiner Koksteilchen zu begünstigen.
Vorzugsweise sollte die durchschnittliche Koksdicke das etwa 1,5-fache
der Rippenhöhe nicht überschreiten.
Die Koksdicke in einem arbeitenden Pyrolyseofen kann der Fachmann
aus Betriebsdaten des Ofens und Kenntnis der Crackcharakteristika
des Einsatzmaterials abschätzen.
Die Koksdicke wird bezogen auf gemessene Rohrmetalltemperaturprofile,
gemessenen Druckabfall der Rohre im Inneren der Strahlungseinhausung,
der bekannten oder gemessenen Dichte und Wärmeleitfähigkeit des Koks berechnet.
Ein Fachmann kann die oben gemessenen Parameter in wohl bekannten
Fluidströmungs-
und Wärmeübertragungsgleichungen
zur Schätzung
der Koksdicke in einem arbeitenden Ofen verwenden und die Entkokungsverfahren
entsprechend ansetzen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung detailliert in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen
beschrieben worden ist, sind andere Ausführungsformen möglich.
