DE10222122A1

DE10222122A1 - Steam cracking of hydrocarbons comprises passing a mixture of hydrocarbons and steam through externally heated ceramic tubes in a radiant heating zone

Info

Publication number: DE10222122A1
Application number: DE10222122A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Merz; Sebastian Muschelknautz; Dieter Kaufmann; Klaus Ohlig
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2003-05-22

Abstract

Steam cracking of hydrocarbons comprises passing a feed gas consisting of a mixture of hydrocarbons and steam through externally heated ceramic tubes in a radiant heating zone. An Independent claim is also included for apparatus for steam cracking hydrocarbons, comprising a radiant heating zone containing externally heated ceramic tubes through which a feed gas consisting of a mixture of hydrocarbons and steam can be passed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dampfspaltung von Kohlenwasserstoffen, wobei ein Einsatzgas bestehend aus einem Gemisch aus Kohlenwasserstoffen und Dampf durch in einer Strahlungszone angeordnete von außen beheizte Strahlungszonenrohre geleitet wird. The invention relates to a method and a device for steam splitting Hydrocarbons, a feed gas consisting of a mixture of Hydrocarbons and steam from arranged in a radiation zone externally heated radiation zone tubes is conducted.

Beim sogenannten Dampfcracken (Dampfspaltung von Kohlenwasserstoffen zur Erzeugung von Ethylen und Propylen) wird ein aus einem Gemisch aus Kohlenwasserstoffen mit wenigsten 2 Kohlenstoffatomen und Dampf bestehendes Einsatzgas zunächst in einer Konvektionszone vorgewärmt und anschließend in einer Strahlungszone der Spaltung unterworfen. Die Strahlungszone ist so konzipiert, dass zur Deckung des Wärmebedarfs des endothermen Spaltprozesses das Einsatzgas durch metallische Strahlungszonenrohre strömt, die außen von in einem Brennraum angeordneten Seitenwandbrennern und/oder Bodenbrennern und/oder Deckenbrennern beheizt werden. In so-called steam cracking (steam splitting of hydrocarbons for Production of ethylene and propylene) is made from a mixture Hydrocarbon with at least 2 carbon atoms and steam existing feed gas first preheated in a convection zone and then in one Radiation zone subjected to fission. The radiation zone is designed so that the feed gas to cover the heat requirement of the endothermic cracking process flows through metallic radiation zone tubes, the outside of in a combustion chamber arranged side wall burners and / or floor burners and / or Ceiling burners are heated.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens so auszugestalten, dass die Ausbeuten der Hauptprodukte Ethylen und/oder Propylen gesteigert werden. The present invention has for its object a method of the beginning mentioned type and a device for performing the method To be designed so that the yields of the main products ethylene and / or propylene be increased.

Diese Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Einsatzgas durch Strahlungszonenrohre aus keramischem Material geleitet wird. On the process side, this object is achieved in that the Feed gas is passed through radiation zone tubes made of ceramic material.

Die Ausbeuten der Hauptprodukte Ethylen und Propylen werden im wesentlichen durch das Temperatumiveau und die Verweilzeit des Einsatzgases in der Strahlungszone bestimmt. Durch eine Temperaturerhöhung und/oder eine Verkürzung der Verweilzeit können höhere Ausbeuten erzielt werden, dies kann jedoch nur bei höherer Heizflächenbelastung und Wandtemperatur der Strahlungszonenrohre realisiert werden. Konventionelle metallische Hochtemperaturwerkstoffe, wie z. B. der Schleudergusswerkstoff HP 40 Mikro (1.4852 Mikro) begrenzen die maximal zulässige Wandtemperatur der Strahlungszonenrohre auf ungefähr 1100°C. Maximales Temperatumiveau und minimale Verweilzeit des Einsatzgases sind daher begrenzt. Des weiteren enthalten die temperaturfesten Legierungen der Strahlungszonenrohre hohe Anteile an Nickel und Eisen, die als Katalysatoren die Koksbildung fördern. The yields of the main products ethylene and propylene become essentially through the temperature level and the dwell time of the feed gas in the Radiation zone determined. By increasing the temperature and / or shortening it higher yields can be achieved during the residence time, but this can only be achieved with higher heating surface load and wall temperature of the radiation zone tubes will be realized. Conventional metallic high-temperature materials, such as. B. the Centrifugal casting material HP 40 micro (1.4852 micro) limit the maximum permissible Wall temperature of the radiation zone tubes to approximately 1100 ° C. maximum The temperature level and minimum residence time of the feed gas are therefore limited. They also contain the temperature-resistant alloys of the radiation zone tubes high levels of nickel and iron, which promote coke formation as catalysts.

Die Erfindung basiert auf der Überlegung, durch den Einsatz anderer Werkstoffe mit höherer maximal zulässiger Wandtemperatur die Heizflächenbelastung zu erhöhen und damit die Verweilzeit zu verkürzen und/oder das Temperaturniveau des Spaltgases zu erhöhen. Ein weiteres Ziel der Überlegung ist die Reduzierung der katalytischen Koksbildung durch Vermeidung von Nickel und Eisen im Werkstoff. The invention is based on the consideration of using other materials higher maximum permissible wall temperature to increase the heating surface load and thus shortening the residence time and / or the temperature level of the cracked gas increase. Another consideration is to reduce catalytic Coke formation by avoiding nickel and iron in the material.

Als Werkstoffe haben sich keramische Werkstoffe, insbesondere siliziuminfiltriertes Siliziumkarbid (Si-SIC) oder kurzfaserverstärktes Siliziumkarbid (C/C-SiC), sowie metallische dispersionsverfestigte Hochtemperaturwerkstoffe, sogenannte ODS Superlegierungen aus folgenden Gründen angeboten:

1. Die maximal zulässigen Rohrwandtemperaturen betragen ca. 1250 bis 1300°C und liegen damit um ca. 150 bis 200°C über dem maximal zulässigen Rohrwandtemperaturen konventioneller metallischer Hochtemperaturwerkstoffe. Durch die höhere zulässige Wandtemperatur ist eine höhere Heizflächenbelastung möglich. Die Verweilzeit des Einsatzgases kann reduziert werden und/oder das Temperaturniveau des Gases erhöht werden. Aufgrund dieser beiden Effekte können höhere Ausbeuten erzielt werden.
2. Die katalytische Koksbildung entfällt bei keramischen Werkstoffen, da Nickel und Eisen nicht in der Keramik enthalten sind. Bei den ODS Superlegierungen entfällt sie, da diese eine undurchlässige, selbstheilende Aluminiumoxid- Schutzschicht ausbilden. Diese führt auch dazu, dass das bei konventionellen metallischen Werkstoffen bekannte Problem der Aufkohlung entfällt.
3. Darüber hinaus können durch die Verkürzung der Verweilzeit kleiner Baulängen und dadurch kleinere Ofenabmessungen realisiert werden.

Ceramic materials, in particular silicon-infiltrated silicon carbide (Si-SIC) or short fiber-reinforced silicon carbide (C / C-SiC), and metallic dispersion-strengthened high-temperature materials, so-called ODS super alloys, have been offered as materials for the following reasons:

1. The maximum permissible tube wall temperatures are approximately 1250 to 1300 ° C and are thus approximately 150 to 200 ° C above the maximum permissible tube wall temperatures of conventional metallic high-temperature materials. A higher heating surface load is possible due to the higher permissible wall temperature. The residence time of the feed gas can be reduced and / or the temperature level of the gas can be increased. Because of these two effects, higher yields can be achieved.
2. Catalytic coke formation does not apply to ceramic materials because nickel and iron are not contained in the ceramic. It does not apply to ODS superalloys because they form an impermeable, self-healing aluminum oxide protective layer. This also means that the carburizing problem known with conventional metallic materials is eliminated.
3. In addition, by shortening the dwell time, small overall lengths and thus smaller furnace dimensions can be realized.

Vorzugsweise wird das Strahlungszonenrohr vom Eintritt in die Strahlungszone bis zum Austritt aus der Strahlungszone ohne Umlenkung durchströmt. Dies ist insbesondere bei Einsatz keramischer Werkstoffe sinnvoll, da eine Fertigung keramischer Krümmer technisch aufwendig und entsprechend kostenintensiv ist. Bei Einsatz von ODS Superlegierungen können bei Bedarf Umlenkungen realisiert werden. The radiation zone tube is preferably from the entry into the radiation zone to flows through to exit the radiation zone without deflection. This is particularly useful when using ceramic materials, because a production ceramic manifold is technically complex and correspondingly expensive. at If necessary, deflections can be implemented using ODS superalloys.

Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zum Dampfspalten von Kohlenwasserstoffen mit einem Spaltofen, der zumindest eine Strahlungszone aufweist, in der von außen beheizte Strahlungszonenrohre angeordnet sind, welche mit einem Einsatzgas bestehend aus einem Gemisch aus Kohlenwasserstoffen und Dampf beschickbar sind. In addition to the method, the invention also relates to a device for steam splitting of hydrocarbons with a cracking furnace that has at least one radiation zone has in which radiation zone tubes which are heated from the outside and which are arranged with a feed gas consisting of a mixture of hydrocarbons and steam are loadable.

Vorrichtungsseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass die Strahlungszonenrohre aus keramischem Material, vorzugsweise siliziuminfiltriertem Siliziumkarbid oder kurzfaserverstärktem Siliziumkarbid bestehen. On the device side, the task is solved in that the Radiation zone tubes made of ceramic material, preferably silicon-infiltrated silicon carbide or short fiber reinforced silicon carbide.

Dabei erstrecken sich die Strahlungszonenrohre insbesondere bei Verwendung von keramischen Materialien vorteilhafterweise ohne Umlenkung vom Eintritt in die Strahlungszone bis zum Austritt aus der Strahlungszone. Bei Einsatz von ODS Superlegierungen können bei Bedarf Umlenkungen realisiert werden. The radiation zone tubes extend in particular when using ceramic materials advantageously without redirection from entering the Radiation zone until exit from the radiation zone. When using ODS If required, superalloys can be realized with redirections.

Zweckmäßigerweise sind Strahlungszonenrohre mit außerhalb der Strahlungszone angeordneten Zufuhr- und Abfuhrrohren aus konventionellen metallischen Werkstoffen verbunden. Die Verbindungen Metall-Keramik und Keramik-Metall werden mit Überwurfflanschverbindung, Lötung, Kitten, Packung oder Steckverbindung (gegebenenfalls mit Spülung) ausgeführt. Bei Einsatz von kurzfaserverstärktem Siliziumcarbid kann eine Flunschverbindung eingesetzt werden. Die Verbindung Metall- ODS Superlegierung und ODS Superlegierung-Metall werden durch Reibschweißen oder durch Gewindeverbindungen mit dichtender Schweißnaht realisiert. Radiation zone tubes with outside the radiation zone are expedient arranged supply and discharge pipes made of conventional metallic materials connected. The metal-ceramic and ceramic-metal connections are made with Union flange connection, soldering, kitten, packing or plug connection (if necessary with flushing). When using short fiber reinforced A carbide connection can be used for silicon carbide. The connection metal ODS super alloy and ODS super alloy metal are made by friction welding or realized by threaded connections with a sealing weld.

Bei Konstruktion der Strahlungszonenrohre ohne Umlenkung weisen die Zufuhrrohre vorteilhafterweise biegsame Abschnitte zur Kompensation der Wärmedehnung der Strahlungszonenrohre auf. Zweckmäßigerweise werden hierfür metallische Wellschläuche eingesetzt. When the radiation zone tubes are designed without deflection, the feed tubes point advantageously flexible sections to compensate for the thermal expansion of the Radiation zone tubes on. Metallic are expediently used for this purpose Corrugated hoses used.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden: In the following, the invention is to be illustrated on the basis of one shown schematically in the figure Exemplary embodiment are explained in more detail:

Die Figur zeigt einen Spaltofen zum Dampfspalten von Kohlenwasserstoffen mit einem Feuerraum 8, in dem Brenner 9 angeordnet sind. Ein Einsatzgas bestehend aus einem Gemisch aus Kohlenwasserstoffen mit wenigstens 2 Kohlenstoffatomen und Dampf strömt von der in der Figur nicht dargestellten Konvektionszone über ein metallisches Zufuhrrohr und einen metallischen Wellschlauch 6 zur Dehnungskompensation in das Strahlungszonenrohr 1, welches aus siliziuminfiltriertem Siliziumcarbid oder kurzfaserverstärktem Siliziumcarbid besteht. Der metallische Wellschlauch 6 ist mit dem Strahlungszonenrohr 1 an der Stelle 4 verbunden. Das Strahlungszonenrohr 1 erstreckt sich vom Eintritt 2 in den Feuerraum 8 am Ofenboden ohne Umlenkung bis zum Austritt 3 aus dem Feuerraum 8 an der Ofendecke. Mittels Brennern 9 wird das Strahlungszonenrohr 1 von außen beheizt. Außerhalb des Feuerraums 8 ist das Strahlungszonenrohr 1 mit einer metallischen Abfuhrleitung 7 (Transferleitung) verbunden. Über die Abfuhrleitung 7 wird schließlich das Gas einem Quenchkühler hinzugeführt. The figure shows a cracking furnace for steam cracking hydrocarbons with a combustion chamber 8 , in which burners 9 are arranged. A feed gas consisting of a mixture of hydrocarbons with at least 2 carbon atoms and steam flows from the convection zone, not shown in the figure, via a metallic feed pipe and a metallic corrugated hose 6 for expansion compensation into the radiation zone tube 1 , which consists of silicon-infiltrated silicon carbide or short fiber-reinforced silicon carbide. The metallic corrugated hose 6 is connected to the radiation zone tube 1 at point 4 . The radiation zone tube 1 extends from the inlet 2 into the combustion chamber 8 on the furnace floor without deflection up to the outlet 3 from the combustion chamber 8 on the furnace ceiling. The radiation zone tube 1 is heated from the outside by means of burners 9 . Outside the combustion chamber 8 , the radiation zone tube 1 is connected to a metallic discharge line 7 (transfer line). Finally, the gas is fed to a quench cooler via the discharge line 7 .

In Tabelle 1 ist anhand von Auslegungsbeispielen ein typischer Vergleich von unterschiedlichen Strahlungszonenrohrtypen (Coiltypen) dargestellt.

Table 1 shows a typical comparison of different radiation zone tube types (coil types) based on design examples.

Claims

1. A process for the steam cracking of hydrocarbons, a feed gas consisting of a mixture of hydrocarbons and steam being passed through radiation zone tubes which are arranged in a radiation zone and are heated from the outside, characterized in that the feed gas is passed through radiation zone tubes made of ceramic material.

2. The method according to claim 1, characterized in that feed gas through Radiation zone tubes made of silicon infiltrated silicon carbide is passed.

3. The method according to claim 1, characterized in that the feed gas through Radiation zone tubes made of short fiber reinforced silicon carbide is diverted.

4. The method according to any one of claims 1-3, characterized in that the Feed gas from entry into the radiation zone until exit from the Radiation zone flows through the radiation zone tubes with or without deflection.

5. Apparatus for steam cracking hydrocarbons with a cracking furnace, the has at least one radiation zone in which is heated from the outside Radiation zone tubes are arranged which consist of a feed gas consisting of a Mixture of hydrocarbons and steam can be fed characterized that the radiation zone tubes made of ceramic material consist.

6. The device according to claim 5, characterized in that the Radiation zone tubes consist of silicon-infiltrated silicon carbide.

7. The device according to claim 5, characterized in that the Radiation zone tubes consist of short fiber reinforced silicon carbide.

8. Device according to one of claims 5-7, characterized in that the radiation zone tubes with or without deflection from the entrance into the Extend the radiation zone until it emerges from the radiation zone.

9. Device according to one of claims 5-8, characterized in that the Radiation zone tubes with feed arranged outside the radiation zone and discharge pipes made of conventional metallic high-temperature materials are connected.

10. The device according to claim 9, characterized in that the feed and / or Discharge pipes flexible sections to compensate for thermal expansion exhibit.