EP2298850A1 - Rippenrohr zum thermischen Spalten von Kohlenwasserstoffen - Google Patents
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- EP2298850A1 EP2298850A1 EP10012045A EP10012045A EP2298850A1 EP 2298850 A1 EP2298850 A1 EP 2298850A1 EP 10012045 A EP10012045 A EP 10012045A EP 10012045 A EP10012045 A EP 10012045A EP 2298850 A1 EP2298850 A1 EP 2298850A1
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- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
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- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
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- C10G9/00—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils
- C10G9/14—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils in pipes or coils with or without auxiliary means, e.g. digesters, soaking drums, expansion means
- C10G9/18—Apparatus
- C10G9/20—Tube furnaces
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- F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
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- C10G2300/807—Steam
Definitions
- the invention relates to a method and a finned tube for the thermal cracking of hydrocarbons in the presence of steam, in which the feed mixture is passed through externally heated tubes with helical inner fins.
- tube furnaces For the high-temperature pyrolysis of hydrocarbons (petroleum derivatives), tube furnaces have proven in which a hydrocarbon / steam mixture at temperatures above 750 ° C by rows of single or meandering tubes (cracking tubes) made of heat-resistant chromium-nickel steel alloys with high oxidation and scale resistance and high carburization resistance.
- the coils are made of vertically extending straight pipe sections, which are connected to each other via U-shaped pipe bend or arranged parallel to each other; They are usually heated by means of sidewall and partly also with the aid of bottom burners and therefore have a so-called sun side facing the burners and a 90 ° offset, ie in the direction of the rows of tubes, the so-called shadow side. TMT) partly over 1000 ° C.
- the lifetime of the cracking pipes depends very much on the creep resistance and the Aufkohiungsdauerurcheltkelt and the coking rate of the pipe material.
- Decisive for the rate of coking, that is for the growth of a layer of carbon deposits (pyrolysis) on the pipe inner wall are, in addition to the type of hydrocarbons used, the gap gas temperature in the inner wall and the so-called CrackMrfe, behind the influence of the system pressure and the residence time in the pipe system hides on the ⁇ thylenausbeute.
- the gap sharpness is determined by the mean outlet temperature of the cracked gases (eg 850 ° C). set.
- the chromium-nickel steel alloys used as pipe material with 0.4% carbon over 25% chromium and over 20% nickel, for example 35% chromium, 45% nickel and optionally 1% niobium have a high carburization resistance, the carbon diffuses Defects of the oxide layer in the pipe wall and leads there to a considerable carburizing, which can go up to carbon contents of 1% to 3% in wall depths of 0.5 to 3 mm. Associated with this is a significant embrittlement of the pipe material with the risk of cracking during thermal cycling especially when starting and stopping the furnace.
- centrifugally cast tubes can only be produced with a cylindrical wall, special shaping processes are required, for example an electrolytically removing machining or a shaping welding process, in order to produce internal finned tubes.
- the invention is based on the problem of improving the efficiency of the thermal cracking of hydrocarbons in tubular ovens with externally heated tubes with helical inner ribs.
- the solution to this problem consists in a method in which in the immediate vicinity of the ribs preferably a centrifugally cast tube generates a swirl flow and is transferred with increasing radial distance from the ribs in a core zone predominantly axial flow.
- the transition between the outer zone with the swirl flow and the core zone with the predominantly axial flow takes place gradually, for example parabolically.
- the swirl flow absorbs the swirling off at the rib flanks, so that there is no local recycling of the swirls in the manner of a self-contained circular flow into the rib valleys.
- the average residence time is lower than in the smooth tube and also more homogeneous over the cross section (see. Fig. 7 ). This is confirmed by the higher total speed in the profile tube with swirl (profile 3) compared to the tube with straight ribs (profile 2). This is particularly ensured when the swirl flow in the region of the ribs or the ribs at an angle of 20 "to 40 °, for example, 30 °, preferably 25 ° to 32.5 ° relative to the tube axis.
- a layer of laminar flow characteristic of turbulent flows forms with greatly reduced heat transfer. It leads to increased formation of pyrolysis coke with also poor thermal conductivity. Both layers together require a higher heat input or a higher burner output. This increases the tube wall temperature (TMT) and consequently shortens the life.
- TMT tube wall temperature
- the invention avoids this by the fact that the inner circumference of the profile by a maximum of 5%, for example 4% or 3.5%, based on the circumference of the Rippentäler touching enveloping circle.
- the inner circumference can also be up to 2% smaller than the outer circle.
- the relative profile perimeter is at most 1.05 to 0.98% of the enveloping circle perimeter. Accordingly, the surface difference of the profile tube according to the invention, ie its unwound inner surface, based on a smooth tube with the outer circle diameter at most + 5% to - 2% or 1.05 to 0.98 times the smooth tube surface.
- the tube profile according to the invention allows a lower specific tube weight (kg / m) compared to a finned tube, in which the inner circumference of the profile is at least 10% larger than the circumference of the enveloping circle. This shows a comparison of two pipes with the same hydraulic diameter and accordingly the same pressure loss and the same thermal performance result.
- a further advantage of the profile circumference (relative profile circumference) according to the invention which is based on the enveloping circle circumference, consists in a more rapid heating of the feed gas at a reduced tube wall temperature.
- the swirl flow according to the invention considerably reduces the laminar layer; it is also connected to a pipe center directed velocity vector, which reduces the residence time of cracking radicals or fission products on the hot tube wall and their chemical and catalytic conversion to pyrolysis coke.
- the not inconsiderable in inner profile tubes with high ribs temperature differences between Rippentälem and ribs are compensated by the swirl flow according to the invention. This increases the time interval between two necessary decoking.
- a not insignificant temperature difference results between the ridge crests and the bottom of the ridge valleys.
- the residence time of the fouling-prone fission products is shorter in the case of spiral-shaped internal fins; In individual cases, this depends on the nature of the ribs.
- the curve clearly shows that the higher peripheral speed of the profile 6 is consumed with 4.8 mm high ribs within the ridge valleys, while the peripheral speed of the inventive profile with a rib height of only 2 mm penetrates into the core of the flow. Although the peripheral speed of the profile 4 with only 3 ribs is approximately as high, but causes no spiral acceleration of the core flow.
- the profile of the invention causes according to the curve in the diagram of Fig. 2 a spiral acceleration in the Rippentälern (upper curve branch), which covers wide areas of the pipe cross-section and thus causes a homogenization of the temperature in the pipe.
- the lower peripheral speed at the rib caps also ensures that there is no turbulence and backflow.
- Fig. 3 three test tubes are shown with their data in cross section, including the profile of the invention 3.
- the diagrams show the temperature profile over the pipe radius (radius) on the shadow and the sunny side again.
- a comparison of the diagrams shows the lower temperature difference between the pipe wall and center and the lower gas temperature at the pipe wall in the profile 3 according to the invention.
- the swirl flow according to the invention ensures that the fluctuation of the inner wall temperature over the circumference of the pipe, ie between the sun and shade side is below 12 ° C, although the usually arranged in parallel rows of pipe coils of a tube furnace with the help of sowandbrennem heated only on opposite sides or with combustion gases be acted upon and the tubes thus each have a Brennem facing sun side and a 90 ° offset to the dark side.
- the mean tube wall temperature, ie the difference in the tube wall temperature between the sun and shadow sides leads to internal stresses and therefore determines the service life of the tubes. So the results from the diagram of the Fig.
- a particularly favorable temperature distribution arises when the isotherms of the tube inner wall to the core of the flow are spiral.
- a more uniform distribution of the temperature across the cross section results in particular if the peripheral speed builds up within 2 to 3 m and then remains constant over the entire tube length.
- the process according to the invention should be operated with a view to a high Olefinausbeute with comparatively short tube length so that the homogeneity factor of the temperature above the cross section and based on the hydraulic diameter homogeneity factor of the temperature in relation to the homogeneity factor of a smooth tube (H G ⁇ ) is greater than 1.
- the flow pattern according to the invention of core and spin flow can be achieved with a finned tube in which the flank angle of each of the Length of a piece of pipe continuous ribs, that is, the outer angle between the rib edges and the radius of the tube 16 ° to 25 °, preferably 19 ° to 21 °.
- Such a flank angle ensures, in particular in conjunction with a rib inclination of 20 ° to 40 °, for example 22.5 ° to 32.5 °, that in the Rippentälem not a more or less self-contained, behind the rib flanks in the Rippentäler returning vortex flow results in the Rippentälem to the emergence of unwanted "twisters", that is, of closed vortex pigtails leads. Rather, the resulting in the Rippentälem vortices detach from the rib edges and are absorbed by the swirl flow. The swirl energy induced by the ribs accelerates the gas particles and leads to a higher overall velocity. This leads to a reduction and homogenization of the tube wall temperature and to a homogenization of the temperature and the residence time over the pipe cross-section.
- the ribs and the ridge valleys located between the ribs can be mirror-symmetrical in cross-section and adjoin one another or form a wavy line, each with the same radii of curvature.
- the flank angle then results between the tangents of the two radii of curvature at the point of contact and the radius of the tube.
- the ribs are relatively flat; Rib height and flank angle are coordinated so that the hydraulic diameter of the profile of the ratio 4 x free cross section / profile circumference is equal to or greater than the inner circle of the profile. The hydraulic diameter is therefore in the inner third of the profile height.
- the rib height and the number of ribs increase with increasing diameter so that the swirl flow is maintained in the direction and strength required for the action of the profile.
- the tube wall between the individual ribs remains essentially unchanged, so that the rib valleys lie on a common circle, which corresponds to the inner circumference of the centrifugally cast tube.
- the ratio of the quotients of the heat transfer coefficients Q R / Q 0 to the quotient of the pressure losses ⁇ P R / ⁇ P 0 in the water test using the laws of similarity and using the mediated for a naphtha / steam mixture Reynolds numbers, preferably 1.4 to 1.5, where R denotes a finned tube and 0 denotes a smooth tube.
- the finned tube according to the invention gives in the water test a higher by a factor of 2.56 heat transfer (Q R ) compared to the plain tube with only a factor of 1.76 increased pressure drop ( ⁇ P R ).
- Fig. 7 are a tube with a smooth inner wall (smooth tube) faced three different profile tubes, including a tube according to the invention with 8 ribs with a slope of 30 °.
- a tube according to the invention with 8 ribs with a slope of 30 °.
- the hydraulic diameter, the axial velocity, the residence time and the pressure loss are indicated.
- Output data were the flow rates of a 38 mm internal diameter smooth tube in use, which is identical to the hydraulic diameter. These data were converted to warm water according to the similarity laws (same Reynolds numbers) and based on the experiments (see ratio of heat transfer and pressure drop ratios for tests with water and the related homogeneity factor in the calculation with gases).
- the heat from the pipe wall is introduced into the flow and thus more evenly distributed than in a normal undirected turbulent flow (smooth tube, profiles 1 and 2).
- the spiraling flow distributes the particles more evenly across the cross section while the acceleration at the flanks reduces the average residence time.
- the higher pressure loss of the profile 3 results from the peripheral speed.
- the cause is the strong constriction of the flow and the loss of friction on the large inner surface of the profile.
- the finned tubes according to the invention can be produced, for example, from a centrifugally cast tube by twisting the ends of a tube with axially parallel ribs against one another, or by deforming the inner profile by forming a centrifugally cast tube, for example by hot forging. Hot drawing or cold forming over a profile tool, for example, a flying dome or a mandrel with an inner profile of the tube corresponding outer profile is generated.
- Cutting machines for internal profiling of pipes are in different variants, for example from the German patent 195 23 280 known. These machines are also suitable for producing a finned tube according to the invention.
- the forming temperature When hot forming solite the forming temperature should be adjusted so that it comes in the region of the inner surface to a partial destruction of the grain structure and therefore later under the influence of the operating temperature to a recrystallization.
- the result of this is a fine-grained microstructure, which leads to a rapid diffusion of chromium, silicon and / or aluminum through the austenitic matrix to the inner surface of the tube and there for the rapid construction of an oxide protective layer.
- the ribs according to the invention can also be produced by build-up welding; in this case, between the individual ribs no curved Ridge bottom arise, but it remains there the original course of the inner wall of the tube is substantially preserved.
- the inner surface of the tube according to the invention should have the lowest possible roughness; it can therefore be smoothed, for example mechanically polished or electrolytically leveled.
- iron or nickel alloys with 0.1% to 0.5% carbon 20 to 35% chromium. 20 to 70% nickel, up to 3% silicon, up to 1% niobium, up to 5% tungsten and hafnium additions. Titanium, rare earth, or zirconium, each containing up to 0.5% and up to 6% aluminum.
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Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Rippenrohr zum thermischen Spalten von Kohlenwasserstoffen in Anwesenheit von Dampf, bei dem das Einsatzgemisch durch außenbeheizte Rohre mit wendelförmigen Innenrippen geführt wird.
- Für die Hochtemperaturpyrolyse von Kohlenwasserstoffen (Erdölderivate) haben sich Röhrenöfen bewährt, bei denen ein Kohlenwasserstoff/WasserdampfGemisch bei Temperaturen über 750 °C durch Reihen aus einzelnen oder mäanderförmig angeordneten Rohren (Crackrohrschlangen) aus hitzebeständigen Chrom-Nickel-Stahllegierungen mit hoher Oxidations- beziehungsweise Zunderbeständigkeit und hoher Aufkohlungsbeständigkeft geführt wird. Die Rohrschlangen bestehen aus vertikal verlaufenden geraden Rohrabschnitten, die über U-förmige Rohrbogen miteinander verbunden oder parallel zueinander angeordnet sind; sie werden üblicherweise mit Hilfe von Seitenwand- und teilweise auch mit Hilfe von Bodenbrennern beheizt und besitzen daher eine den Brennern zugekehrte sogenannte Sonnenseite sowie eine dem gegenüber um 90" versetzte, das heißt in Richtung der Rohrreihen verlaufende sogenannte Schattenseite. Dabei liegen die mittleren Rohrwandtemperaturen (TMT) teilweise über 1000 °C.
- Die Lebensdauer der Crackrohre hängt sehr wesentlich von der Kriechbeständigkeit und der Aufkohiungsbeständigkelt sowie von der Verkokungsgeschwindigkeit des Rohrwerkstoffs ab. Maßgeblich für die Verkokungsgeschwindigkeit, das heißt für das Anwachsen einer Schicht von Kohlenstoffablagerungen (Pyrolysekoks) an der Rohrinnenwand sind neben der Art der eingesetzten Kohlenwasserstoffe die Spaltgastemperatur im Bereich der Innenwand und die sogenannte Crackschärfe, hinter der sich der Einfluß des Systemdrucks und der Verweilzeit im Rohrsystem auf die Äthylenausbeute verbirgt. Die Spaltschärfe wird anhand der mittleren Austrittstemperatur der Spaltgase (z. B. 850 °C) eingestellt. Je höher die Gastemperatur in der Nähe der Rohr-Innenwand über dieser Temperatur liegt, um so stärker wächst die Schicht des Pyrolysekokses, deren isolierende Wirkung die Rohrwandtemperatur weiter steigen läßt. Obgleich die als Rohrwerkstoff zur Verwendung kommenden Chrom-Nickel-Stahllegierungen mit 0,4 % Kohlenstoff über 25 % Chrom und über 20 % Nickel, beispielsweise 35 % Chrom, 45 % Nickel und gegebenenfalls 1 % Niob eine hohe Aufkohlungsbeständigkeit besitzen, diffundiert der Kohlenstoff an Fehlstellen der Oxidschicht in die Rohrwandung und führt dort zu einer erheblichen Aufkohlung, die bis zu Kohlenstoffgehalten von 1% bis 3% in Wandtiefen von 0,5 bis 3 mm gehen kann. Verbunden damit ist eine erhebliche Versprödung des Rohrwerkstoffs mit der Gefahr einer Rißbildung bei thermischer Wechselbelastung insbesondere beim An- und Abfahren des Ofens.
- Um die Kohlenstoffablagerungen (Verkokung) an der Rohrinnenwand abzubauen, ist es erforderlich, den Crackbetrieb von Zeit zu Zeit zu unterbrechen und den Pyrolysekoks mit Hilfe eines Dampf/Luft-Gemischs zu verbrennen. Dies erfordert eine Betriebsunterbrechung von bis zu 36 Stunden und beeinträchtigt daher erheblich die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
- Bekannt ist aus der britischen Patentschrift
969 796 - Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung das Problem zugrunde, die Wirtschaftlichkeit des thermischen Spaltens von Kohlenwasserstoffen in Röhrenöfen mit außenbeheizten Rohren mit wendelförmigen Innenrippen zu verbessern.
- Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Verfahren, bei dem in unmittelbarer Nachbarschaft der Rippen vorzugsweise eines Schleudergußrohrs eine Drallströmung erzeugt und mit zunehmendem radialem Abstand von den Rippen in eine Kemzone überwiegend axialer Strömung überführt wird. Der Übergang zwischen der Außenzone mit der Drallströmung und der Kemzone mit der überwiegend axialen Strömung vollzieht sich allmählich, beispielsweise parabolisch.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nimmt die Drallströmung die sich an den Rippenflanken ablösenden Wirbel auf, so daß es nicht zu einer lokalen Rückführung der Wirbel nach Art einer in sich geschlossenen kreisförmigen Strömung in die Rippentäler kommt. Trotz der offensichtlich längeren Wege der Partikel durch die Spiralbahnen, ist die mittlere Verweilzeit niedriger als im Glattrohr und ausserdem homogener über den Querschnitt (vgl.
Fig. 7 ). Bestätigt wird dies durch die höhere Gesamtgeschwindigkeit im Profilrohr mit Drall (Profil 3) gegenüber dem Rohr mit geraden Rippen (Profil 2). Dies ist insbesondere dann gewährleistet, wenn die Drallströmung im Bereich der Rippen bzw. die Rippen in einem Winkel von 20" bis 40°, beispielsweise 30°, vorzugsweise 25° bis 32,5° bezogen auf die Rohrachse verlaufen. - Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das über den Rohrumfang zwischen Sonnen- und Schattenseite zwangsläufig unterschiedliche Wärmeangebot in der Rohrwandung und im Rohrinnem ausgeglichen und dabei die Wärme rasch nach innen zur Kemzone abgeführt. Damit verbunden ist eine Verringerung der Gefahr einer lokalen Überhitzung des Prozeßgases an der Rohrwand und der dadurch verursachten Entstehung von Pyrolysekoks. Außerdem ist die thermische Beanspruchung des Rohrwerkstoffs infolge des Temperaturausgleichs zwischen Sonnen- und Schattenseite geringer, was zu einer Verlängerung der Lebensdauer führt. Schließlich kommt es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch zu einer Vergleichmäßigung der Temperatur über den Rohrquerschnitt mit der Folge einer besseren Olefinausbeute. Der Grund hierfür ist, dass es ohne den erfindungsgemäßen radialen Temperaturausgleich im Rohrinnem an der heißen Rohrwand zu einem Übercracken und in der Rohrmitte zu einer Rekombination von Spaltprodukten kommen würde.
- Des weiteren bildet sich beim Glattrohr und verstärkt bei Rippenprofilen mit durch Rippen um mehr als 5 %, beispielsweise 10 % vergrößertem Innenumfang eine für turbulente Strömungen charakteristische Schicht laminarer Strömung mit stark reduziertem Wärmeübergang. Sie führt zu verstärkter Bildung von Pyrolysekoks mit ebenfalls schlechter Wärmeleitfähigkeit. Beide Schichten zusammen erfordem ein höheres Wärmeeinbringen beziehungsweise eine höhere Brennerleistung. Dies erhöht die Rohrwandtemperatur (TMT) und verkürzt demzufolge die Lebensdauer.
- Die Erfindung vermeidet dies dadurch, dass der Innenumfang des Profils um maximal 5%, beispielsweise 4% oder auch 3,5%, bezogen auf den Umfang des die Rippentäler berührenden Hüllkreises beträgt. Der Innenumfang kann jedoch auch um bis 2% kleiner sein als der Hüllkreis. Anders ausgedrückt: der relative Profil-Umfang beträgt maximal 1,05 bis 0,98% des Hüllkreis-Umfangs. Dementsprechend beträgt die Flächendifferenz des erfindungsgemäßen Profilrohrs, d.h. dessen abgewickelte Innenfläche, bezogen auf ein Glattrohr mit dem Hüllkreisdurchmesser maximal + 5% bis - 2% bzw. das 1,05 bis 0,98-fache der Glattrohrfläche.
- Das erfindungsgemäße Rohrprofil erlaubt ein geringeres spezifisches Rohrgewicht (kg/m) im Vergleich zu einem Rippenrohr, bei dem der Innenumfang des Profils mindestens 10% größer ist als der Umfang des Hüllkreises. Dies zeigt ein Vergleich zweier Rohre mit gleichem hydraulischen Durchmesser und demgemäß gleichem Druckverlust sowie gleichem wärmetechnischen Ergebnis.
- Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen, auf den Hüllkreis-Umfang bezogenen Profil-Umfangs (relativer Profil-Umfang) besteht in einem rascheren Aufheizen des Einsatzgases bei reduzierter Rohrwandtemperatur.
- Die erfindungsgemäße Drallströmung verringert die Laminarschicht ganz erheblich; sie ist zudem mit einem zum Rohrzentrum gerichteten Geschwindigkeitsvektor verbunden, der die Verweilzeit von Crack-Radikalen beziehungsweise Spaltrodukten an der heißen Rohrwand sowie deren chemische und katalytische Umsetzung zu Pyrolysekoks verringert. Zusätzlich werden die bei Innenprofilrohren mit hohen Rippen nicht unerheblichen Temperaturunterschiede zwischen Rippentälem und Rippen durch die erfindungsgemäße Drallströmung ausgeglichen. Damit vergrößert sich der zeitliche Abstand zwischen zwei notwendigen Entkokungen. Ohne die erfindungsgemäße Drallströmung ergibt sich zwischen den Rippenkuppen und dem Grund der Rippentäler ein nicht unerheblicher Temperaturunterschied. Die Verweilzeit der zur Verkokung neigenden Spaltprodukte ist bei mit wendelförmigen Innenrippen versehenen Crackrohren kürzer; Dies ist im Einzelfall von der Beschaffenheit der Rippen abhängig.
- Das Diagramm zeigt:
obere Kurve: Profil 6: 16° Steigung mittlere Kurve: Profil 3: 30° Steigung untere Kurve: Profil 4: 3 Rippen mit 30° Steigung - Der Kurvenverlauf zeigt deutlich, dass die höhere Umfangsgeschwindigkeit des Profils 6 mit 4,8 mm hohen Rippen innerhalb der Rippentäler aufgezehrt wird, während die Umfangsgeschwindigkeit des erfindungsgemäßen Profils mit einer Rippenhöhe von nur 2 mm in den Kern der Strömung eindringt. Die Umfangsgeschwindigkeit des Profils 4 mit nur 3 Rippen ist zwar annähernd so hoch, bewirkt aber keine spiralförmige Beschleunigung der Kernströmung.
- Das erfindungsgemäße Profil bewirkt nach dem Kurvenverlauf im Diagramm der
Fig. 2 eine spiralförmige Beschleunigung in den Rippentälern (oberer Kurvenast), die weite Bereiche des Rohrquerschnitts erfasst und damit eine Homogenisierung der Temperatur im Rohr bewirkt. Die geringere Umfangsgeschwindigkeit an den Rippenkuppen (unterer Kurvenast) gewährleistet darüber hinaus, dass es nicht zu Verwirbelungen und Rückströmungen kommt. - In
Fig. 3 sind drei Versuchsrohre mit ihren Daten im Querschnitt dargestellt, darunter auch das erfindungsgemäße Profil 3. Die Diagramme geben jeweils den Temperaturverlauf über den Rohrhalbmesser (Radius) auf der Schatten-und der Sonnenseite wieder. Ein Vergleich der Diagramme zeigt die geringere Temperaturdifferenz zwischen Rohrwand und -zentrum sowie die geringere Gastemperatur an der Rohrwand bei dem erfindungsgemäßen Profil 3. - Die erfindungsgemäße Drallströmung gewährleistet, daß die Schwankung der Innenwandtemperatur über den Rohrumfang, das heißt zwischen Sonnen- und Schattenseite unter 12° C liegt, obgleich die üblicherweise in parallelen Reihen angeordneten Rohrschlangen eines Röhrenofens mit Hilfe von Seitenwandbrennem lediglich auf einander gegenüberliegenden Seiten beheizt beziehungsweise mit Verbrennungsgasen beaufschlagt werden und die Rohre somit jeweils eine den Brennem zugekehrte Sonnenseite und eine um 90° dazu versetzte Schattenseite besitzen. Die mittlere Rohrwandtemperatur, das heißt die Differenz der Rohrwandtemperatur zwischen Sonnen- und Schattenseite führt zu inneren Spannungen und bestimmt daher die Lebensdauer der Rohre. So ergibt die aus dem Diagramm der
Fig. 4 ersichtliche Verringerung der mittleren Rohrwandtemperatur eines erfindungsgemäßen Rohrs mit acht Rippen einer Steigung von 30", einem Rohrinnendurchmesser von 38,8 mm und einem Rohraußendurchmesser von 50,8 mm, somit einer Höhendifferenz zwischen Rippentälem und-Rippenkuppen von 2 mm von 11° im Vergleich zu einem durchmessergleichem Glattrohr, bezogen auf eine mittlere Lebensdauer von 5 Jahren, bei einer Betriebstemperatur von 1050 °C eine rechnerische Lebensdauererhöhung auf etwa 8 Jahre. - Die Temperaturverteilung zwischen Sonnen- und Schattenseite für die drei Profile der
Fig.3 ergibt sich aus dem Diagramm derFig. 5 . Bemerkenswert ist dabei das niedrigere Niveau der Temperatur-Kurve für das Profil 3 im Vergleich zum Glattrohr (Profil 0) und die erheblich geringere Schwankungsbreite der Profil 3-Kurve im Vergleich zu der Profil 1-Kurve. - Eine besonders günstige Temperaturverteilung stellt sich ein, wenn die Isothermen von der Rohrinnenwand zum Kern der Strömung spiralförmig verlaufen.
- Eine gleichmäßigere Verteilung der Temperatur über den Querschnitt ergibt sich insbesondere, wenn sich die Umfangsgeschwindlgkeit innerhalb von 2 bis 3 m aufbaut und dann Ober die gesamte Rohrlänge konstant bleibt.
- Das erfindungsgemäße Verfahren sollte im Hinblick auf eine hohe Olefinausbeute bei vergleichsweise kurzer Rohrlänge so betrieben werden, daß der Homogenitätsfaktor der Temperatur Ober den Querschnitt und der auf den hydraulischen Durchmesser bezogene Homogenitätsfaktor der Temperatur im Verhältnis zum Homogenitätsfaktor eines Glattrohrs (HGØ) über 1 liegt. Dabei sind die Homogenitätsfaktoren wie folgt definiert:
- Das erfindungsgemäße Strömungsbild aus Kern- und Drallstömung läßt sich mit einem Rippenrohr erreichen, bei dem der Flankenwinkel der jeweils über die Länge eines Rohrstücks durchgehenden Rippen, das heißt der Außenwinkel zwischen den Rippenflanken und dem Radius des Rohrs 16° bis 25°, vorzugsweise 19° bis 21° beträgt. Ein derartiger Flankenwinkel gewährleistet insbesondere in Verbindung mit einer Rippensteigung von 20° bis 40°, beispielsweise 22,5° bis 32,5°, daß sich in den Rippentälem nicht eine mehr oder weniger in sich geschlossene, hinter die Rippenflanken in die Rippentäler zurückkehrende Wirbelströmung ergibt, die in den Rippentälem zum Entstehen unerwünschter "Twisters", das heißt von geschlossenen Wirbelzöpfen führt. Vielmehr lösen sich die sich in den Rippentälem entstehenden Wirbel von den Rippenflanken ab und werden von der Drallströmung aufgenommen. Die von den Rippen induzierte Drallenergie beschleunigt die Gaspartikel und führt zu einer höheren Gesamtgeschwindigkeit. Dies führt zu einer Verminderung und Vergleichmäßigung der Rohrwandtemperatur und zu einer Vergleichmäßigung der Temperatur und der Verweildauer über den Rohrquerschnitt.
- Die Beschaffenheit des erfindungsgemäßen Rippenrohrs ergibt sich aus der Darstellung eines Rohrsegments in Fig. 6 und den zugehörigen charakteristischen Parametern
- hydraulischer Durchmesser Dh in mm, Ri ≤ Dh / 2
- Flankenwinkel β
- Rippenhöhe H
- Hüllkreis-Radius Ra=RI+H und Da=2 x Ra
- Zentrumswinkel α
- Krümmungsradius R = Ra (sin α / 2 sin β+ sin α)
- Hüllkreis-Umfang 2 Π Ra
- Winkel im schiefwinkligen Dreieck γ = 180 - (α + β)
- Innen-Radius RI = 2R (sin γ / sin α) - R
- Rippenhöhe H = Ra - RI
- Profil-Umfang Up = 2 x Rippenzahl x πR /180 (2 β + α)
- Rippenfläche FR
- Fläche des Hüllkreises Fa = π Da2 / 4
- Fläche des Innenkreises FI = Π · DI
- Profilfläche innerhalb des Hüllkreises FP = FR · Rippenzahl
- Profil-Umfang UP = (1,05 bis 0,98) · 2 Π Ra
- Die Rippen und die zwischen den Rippen befindlichen Rippentäler können im Querschnitt spiegelsymmetrisch ausgebildet sein und aneinandergrenzen beziehungsweise eine Wellenlinie mit jeweils gleichen Krümmungsradien bilden. Der Flankenwinkel ergibt sich dann zwischen den Tangenten der beiden Krümmungsradien im Berührungspunkt und dem Radius des Rohrs. Dabei sind die Rippen verhältnismäßig flach; Rippenhöhe und Flankenwinkel werden so aufeinander abgestimmt, dass der hydraulische Durchmesser des Profils aus dem Verhältnis 4 x freier Querschnitt/Profilumfang gleich oder grösser ist als der Innenkreis des Profils. Der hydraulische Durchmesser liegt daher im inneren Drittel der Profilhöhe. Damit steigen die Rippenhöhe und die Zahl der Rippen mit zunehmendem Durchmesser so, daß die Drallströmung in der für die Wirkung des Profils erforderlichen Richtung und Stärke erhalten bleibt.
- Zwischen den Rippen bzw. in den Rippentälem ergibt sich eine größere Strömungsgeschwindigkeit (
Fig. 2 ), die zu einem Selbstreinigungseffekt, daher zu weniger Ablagerungen von Pyrolysekoks führt. - Werden die Rippen durch Auftragsschweißen bzw. Aufbauschweißen unter Verwendung eines Schleudergussrohrs hergestellt, dann bleibt die Rohrwandung zwischen den einzelnen Rippen im wesentlichen unverändert, so dass die Rippentäler auf einem gemeinsamen Kreis liegen, der dem Innenumfang des Schleudergussrohrs entspricht.
- Versuche haben ergeben, daß - unabhängig vom Innendurchmesser der Rohre - insgesamt 8 bis 12 Rippen ausreichend sind, um das erfindungsgemäße Strömungsbild zu erreichen.
- Bei dem erfindungsgemäßen Rippenrohr beträgt das Verhältnis der Quotienten der Wärmeübergangskoeffizienten QR / Q0 zum Quotienten der Druckverluste ΔPR/ΔP0 im Wasserversuch unter Benutzung und Beachtung der Ähnlichkeitsgesetze und Verwendung der für ein Naphta/Wasserdampf-Gemisch vermittelten Reynoldszahlen, vorzugsweise 1,4 bis 1,5, wobei R ein Rippenrohr und 0 ein Glattrohr kennzeichnet.
- Die Überlegenheit des erfindungsgemäßen Rippenrohrs (Profil 3) im Vergleich zu einem Glattrohr (Profil 0) sowie einem Rippenrohr mit achsparallelen Rippen (Profil 1), bei denen der radiale Abstand zwischen den Rippentälern und den Rippenkuppen 4,8 mm beträgt veranschaulichen die Daten der nachfolgenden Tabelle. Die Rippenrohre besaßen sämtlich 8 Rippen sowie denselben Hüllkreis.
PROFIL 0 1 3 Fluidtemp. bei 9950 mm in der Mitte Tm [°C] 843,6 848,1 843,0 Fluidtemp. bei 9950 mm am Rand Tr [°C] 888,9 894 874,8 Temperaturspanne bei 9950 mm ΔT=Tr-Tm [°C] 45,3 45,9 31,8 Homogenitätsfaktor zum Glattrohr Hat Ht=ΔT0/ΔTx 1 0,9869281 1,4245283 Hydr. Durchmesser dn [m] 0,0380 0,0256 0,0344 bezogener Homogenitätsfaktor bzgl. hydr. Ø zum Glattrohr Htø:Htø=ΔT0•dx/ΔTx•d0 1 0,8477193 1,3420556 Rang H: 2 2 1 -
- Das erfindungsgemäße Rippenrohr ergibt im Wasserversuch einen um den Faktor 2,56 höheren Wärmeübergang (QR) im Vergleich zum Glattrohr bei einem nur um den Faktor 1,76 erhöhten Druckverlust (ΔPR).
- In
Fig. 7 sind einem Rohr mit glatter Innenwand (Glattrohr) drei verschiedene Profilrohre gegenübergestellt, darunter ein erfindungsgemäßes Rohr mit 8 Rippen mit einer Steigung von jeweils 30°. Zu jedem Querschnitt sind der hydraulische Durchmesser, die Axialgeschwindigkeit, die Verweilzeit und der Druckverlust angegeben. - Ausgangsdaten waren die Durchsatzmengen eines in Betrieb befindlichen Glattrohres mit 38 mm Innendurchmesser, der mit dem hydraulischen Durchmesser identisch ist. Diese Daten wurden nach den Ähnlichkeitsgesetzen (gleiche Reynoldszahlen) auf warmes Wasser umgerechnet und den Versuchen zu Grunde gelegt (siehe Verhältnis der Quotienten des Wärmeübergangs und des Druckverlustes für Versuche mit Wasser sowie den bezogenen Homogenitätsfaktor bei der Rechnung mit Gasen).
- Die unterschiedlichen Geschwindigkeitsprofile ergeben sich aus gleichen Durchsatzmengen bei unterschiedlichen hydraulischen Durchmessern (reziprokes Verhältnis).
- Der Vergleich der Geschwindigkeiten bei den im Querschnitt gleichen Profilen 2 und 3 verdeutlicht die bessere Geschwindigkeit, Beschleunigung und Verweilzeit bei den erfindungsgemäßen Rohren (Profil 3). Bei gleichem hydraulischen Durchmesser bewirkt die durch den Drall der Rippen verursachte Geschwindigkeits-Komponente in Umfangsrichtung ein Ablösen der Strömung von der Rohrwand und eine schraubenförmig ansteigende Geschwindigkeit im gesamten Querschnitt.
- Durch die gerichtete, spiralförmige Strömung wird die Wärme von der Rohrwand in die Strömung eingetragen und damit gleichmäßiger verteilt als in einer normalen ungerichteten turbulenten Strömung (Glattrohr, Profile 1 und 2). Gleiches gilt für die Verweilzeit der Partikel. Die spiralförmig gerichtete Strömung verteilt die Partikel gleichmäßiger über den Querschnitt während die Beschleunigung an den Profilflanken die mittlere Verweilzeit reduziert. Der höhere Druckverlust des Profils 3 resultiert aus der Umfangsgeschwindigkeit. Bei Profil 1 liegt die Ursache in der starken Einschnürung der Strömung und dem Reibungsverlust an der großen Innenfläche des Profils.
- Die erfindungsgemäßen Rippenrohre lassen sich je nach Werkstoff beispielsweise aus einem Schleudergußrohr dadurch herstellen, daß die Enden eines Rohres mit achsparallelen Rippen gegeneinander verdreht werden, oder daß das Innenprofil durch Verformen eines Schleudergußrohrs, beispielsweise durch Warmschmieden. Warmziehen oder Kaltverformen über ein Profilwerkzeug, beispielsweise einen fliegenden Dom oder einer Dornstange mit einem dem Innenprofil des Rohrs entsprechenden Außenprofil erzeugt wird.
- Schneidemaschinen zum Innenprofilieren von Rohren sind in verschiedenen Varianten beispielsweise aus der deutschen Patentschrift
195 23 280 bekannt. Diese Maschinen eignen sich auch zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Rippenrohrs. - Beim Warmumformen solite die Umformtemperatur so eingestellt werden, daß es im Bereich der Innenoberfläche zu einer partiellen Zerstörung des Gefügekorns und demzufolge später unter dem Einfluß der Betriebstemperatur zu einer Rekristallisation kommt. Die Folge davon ist ein feinkörniges Gefüge, das eine rasche Diffusion von Chrom, Silizium und/ oder Aluminium durch die austentische Matrix zur Innenoberfläche des Rohrs und dort zum schnellen Aufbau einer oxidischen Schutzschicht führt.
- Die erfindungsgemäßen Rippen lassen sich auch durch Auftragsschweißen erzeugen; in diesem Fall kann zwischen den einzelnen Rippen kein gekrümmter Rippengrund entstehen, sondern es bleibt dort der ursprüngliche Verlauf der Innenwandung des Rohrs im wesentlichen erhalten.
- Die Innenoberfläche des erfindungsgemäßen Rohrs sollte eine möglichst geringe Rauhigkeit besitzen; sie kann daher geglättet, beispielsweise mechanisch poliert oder elektrolytisch egalisiert sein.
- Als Rohrwerkstoff eignen sich für den Einsatz in Äthylenanlagen Eisen- beziehungsweise Nickel-Legierungen mit 0,1% bis 0,5% Kohlenstoff, 20 bis 35% Chrom. 20 bis 70% Nickel, bis 3% Silizium, bis 1% Niob, bis 5% Wolfram sowie Zusätzen von Hafnium. Titan, Seltenen Erden, oder Zirkonium, von jeweils bis 0,5% und bis 6% Aluminium.
Claims (15)
- Rippenrohr zum thermischen Cracken von Kohlenwasserstoffen in Anwesenheit von Dampf, gekennzeichnet durch in einem Winkel von 20° bis 40°, bezogen auf die Rohrachse geneigte Innenrippen mit einem Flankenwinkel von 16° bis 25°.
- Rippenrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen um 22,5° bis 32,5° geneigt gegenüber der Rohrachse verlaufen.
- Rippenrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Profilumfang (Up) + 5 bis - 2% des die Rippentäler berührenden Hüllkreises ausmacht.
- Rippenrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flankenwinkel (β) der Rippen 16 bis 20° beträgt.
- Rippenrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen und die zwischen den Rippen befindlichen Rippentäler im Querschnitt spiegelsymmetrisch ausgebildet sind.
- Rippenrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenkuppen und die Rippentäler jeweils ineinander übergehen.
- Rippenrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen und die Rippentäler denselben Krümmungsradius (R) besitzen.
- Rippenrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch insgesamt sechs bis zwölf Rippen.
- Rippenrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Durchmesser des Rippenrohrs mindestens gleich dem Durchmesser des Innenkreises (Ri) ist.
- Rippenrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Quotienten der Wärmeübergangskoeffizienten QR/Q0 zum Quotienten der Druckverluste ΔPR/ΔP0 im Wasserversuch 1,4 bis 1,5 beträgt, wobei R ein Rippenrohr und 0 ein Glattrohr kennzeichnet.
- Rippenrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius (R) des Rippenquerschnitts 3,5 bis 20 mm beträgt.
- Rippenrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Rippenhöhe (H) von 1,25 bis 3 mm.
- Rippenrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Querschnitt innerhalb des Profilumfangs (Up) 85 bis 95% der Fläche des Hüllkreises (Fa) beträgt.
- Rippenrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilfläche (Fp) 40 bis 50% der Ringfläche zwischen dem Hüllkreis und dem Innenkreis beträgt.
- Rippenrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 14 aus Schleuderguß aus einer NickelLegierung mit 0,1 bis 0,5% Kohlenstoff, 20 bis 35% Chrom, 20 bis 70% Nickel, bis 3% Silizium, bis 1 % Niob, bis 5% Wolfram sowie jeweils bis 0,5% Hafnium, Titan, Seltene Erdmetalle, Zirkonium und bis 6% Aluminium, Rest Eisen.
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