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Wärmetauscher Bei den üblichen Crackverfahren, bei welchen Naphtha,
Gasöl oder andere Sohlenwasserstoffströme bei hohen Temperaturen in Anwesenheit
von Dampf zur Bildung niedrigersiedender Bestandteile gespalten werden, ist es im
allgemeinen erforderlich, die Hitze unmittelbar von dem Verfahrens strom abzuleiten,
sobald dieser den Crackofen verläßt. Wenn die Hitze nicht sofort abgeleitet wird,
setzt sich die Crackreaktion fort, wobei Koks entsteht und die Ausbeute an den gewünschten
Produkten vermindert wird. Um diese Hitzeableitung zu erreichen, hat man bisher
zwei grundsätzlich verschiedene Maßnahmen ergriffen. Die erste Methode ist eine
direkte Abschreckung mit einem im Kreislauf geführten blstrom. Das C)l wird dabei
in die Vbergangsleitung zwischen dem Ofen und der erste Fraktioniersäule eingeführt,
um die Hitze so schnell wie möglich abzuleiten. Um bei dem Verfahren die Wärmerückgewinnung
zu verbessern, wurde die Abschrecktechnik
durch eine indirekte
Wärmeableitung ersetzt. In der Übergangsleitung vorgesehene Wärmetauscher entfernen
die Hitze aus den gecrackten Gasen, indem sie Hochdruckdampf zur Verwendung an anderer
Stelle in dem Verfahren erzeugen.
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Die sogenannten Übergangs "Ubergangsleitungs"Wärmetauscher unterliegen
einer Verkokung und müssen häufig entkokt werden, wodurch ein Produktionsausfall
eintritt. Ein Versagen der Wärmetauscher kann zu Schäden an anderen Ausrüstungsgegenständen
sowie zu einem Produktionsverlust führen. Ihr konstruktiver Aufbau ist wegen der
hohen Temperaturen und Drucke, die hier auftreten, äußerst problematisch. Ein besonders
schwieriges Konstruktionsproblem ist mit der Einlaßkammer eines derartigen Wärmetauschers
verbunden. Ein Wärmetauscher mit vielen Rohren hat notwendigerweise eine Einlaßkammer,
die weiter ist als die Übergangsleitung von dem Ofen. Die Einlaßkammer schafft eine
ausreichende Verweilzeit, um eine Koksbildung hervorzurufen, die die Rohre verstopfen
kann. Eine häufige Reinigung kann erforderlich sein, und ein frühzeitiges Versagen
der Rohre durch örtliche Überhitzung kann eintreten. Außerdem tritt, da die Einlaßkammer
weiter ist als die Übergangsleitung, eine Verwirbelung und eine Rückmischung in
einigen Bereichen der Einlaßkammer auf, wodurch die Verweilzeit weiterhin verlängert
wird. Die Crackreaktion setzt sich über den optimalen Punkt hinaus fort, und man
kommt zu einer verringerten Ausbeute an dem gewünschten Produkt. Eine andere Art
der Verkokung tritt auf, wenn die gecrackten Gase an den verhältnismäßig kälteren
Wasserkammern kondensieren, was zur Bildung von flüssigem Koks führt. Die aufgeführten
Probleme sind der Grund, warum die Konstruktion der Einlaßkammer und die Rohrgestaltung
der Ubergangsleitungswärmetauscher äußerst kritisch ist. Da ein Versagen einer jeden
der Ubergangsleitungs
wärmetauscher, der mit dem Dampfcrackofen
in Verbindung steht, eine Unterbrechung zwingend erforderlich macht, geht ein beträchtlicher
Betrag der Produktion verloren. Es ist wichtig, eine längstmögliche Betriebsdauer
ohne Versagen zu erreichen.
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Verschiedene den Stand der Technik betreffende amerikanische Patente,
die sich mit dem Problem der Eonstruktion von Übergangsleitungswärmetauschern befassen,
sind erteilt worden. Die amerikanischen Patentschriften 3 416 598 und 3 414 632
beschreiben die Einführung von Dampf in die Einlaßkamitiern, um die heißen Reaktionsgase
aus den Bereichen zu verdrängen, in welchen eine Rückmischung und eine Verwirbelung
auftritt. Die amerikanische Patentschrift 3 414 632 offenbart die Einführung des
Dampfes in tangentialer Richtung, wodurch entlang den Wänden eine Strudelbewegung
bewirkt wird, während die amerikanische Patentschrift 3 416 598 die Einführung des
Dampfes durch zwei separate Umfangs anschlüsse am Einlaß und an der weitesten Stelle
der Einlaßkammer offenbart, um die Bereiche, in welchen eine Verwirbelung eintritt
auszufüllen und damit die Verweilzeit zu verringern, wodurch die Verkokung und der
Ausbeuteverlust vermindert werden. Der Einsatz von Dampf verursacht jedoch zusätzliche
Verfahrenskosten und vermindert die von den Spaltgasen zurückgewonnene Warme Die
amerikanischen Patentschriften 3 414 632 und 3 392 211 beschreiben Konstruktionen,
bei welchen die Wärmeaustauschrohre und Wasseranschlüsse sich abwarts in Richtung
auf den Einlaß des Tauschers erstrecken, wodurch das Volumen der Einlaßkammer verringert
wird. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß die Wasseranschlüsse schwierig auszublasSen
oder entsprechend zu reinigen
sind, da eine Auffangstelle für Feststoffe
gebildet wird und ein frühzeitiges Versagen auf Grund örtlicher Überhitzung eintreten
kann. Die amerikanische Patentschrift 3 392 211 beschreibt außerdem den Vorteil
einer erhöhten Massengeschwindigkeit der Spaltgase, um die Auswirkungen bei einer
erhöhten Verweil zeit zu vermindern.
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Eine geeignete Konstruktion eines Ubergangsleitungswarmetauschers
sollte die folgenden erstrebenswerten Eigenschaften habenr Zunächst sollte keine
Dampfinåektion erforderlich sein, die einen unnötigen Aufwand verursacht und die
Betriebskosten erhöht. Die. Wasseranschlüsse sollten so angeordnet sein, daß die
Bildung einer Auffangstelle für Feststoffe vermieden wird.
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Außerdem sollten die Rohre besonders am Einlaßende geschützt sein,
damit kein frühzeitiges Versagen auf Grund einer Überhitzung eintritt. Außerdem
sollte eine Kondensation der Spaltgase an den Wasseriinschlüssen verhindert werden,
was zu einer zusätzlichen Kokung führt. Schließlich sollte das Volumen der Einlaßkammer
auf das kleinstmögliche Volumen verringert werden, um die zweifachen Probleme zu
vermeiden, die zur Bildung von Koks und zur Verringerung der Ausbeute an dem gewünschten
Produkt führen.
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Die Erfindung offenbart eine Konstruktion und eine Anordnung für die
Einlaßkammer eines tbergangsleitungswärmetauschers, die die Nachteile des Standes
der Technik überwindet, wahrend sie die oben angeführten erstrebenswerten Merkmale
aufweist.
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Nach der Erfindung wird die Verweilzeit der Spaltgase in der Einlaßkammer
vermindert, indem an den Enden der Wärmetauscherrohre
Verlängerungsstücke
angeordnet sind. Diese Werlängerungsstücke bilden Führungsleitungen mit geringem
Volumen, die sich von dem Heißgas-Einlaß bis zu den Wärmetauscherrohren erstrecken.
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Die Gasgeschwindigkeit wird erhöht, und die effektive Verweilzeit
in der Einlaßkammer wird vermindert. Die Verlängerungsstücke werden vollständig
von einem Isolationsmaterial umgeben, das den Raum zwischen den Rohren ausfüllt,
so daß ein stagnierender Bereich, in welchem eine Koksbildung eintreten kann, vermieden
wird. Um die Isolation zu schützen und sie an Ort und Stelle zu halten, sowie zur
Vermeidung eines Vorbeiströmens an der Isolation ist eine Abdeckung aus einer Metallegierung
auf der Isolation angebracht, die mit den Enden der Verlängerungsstücke abschneidet.
Verschiedene Ausführungsformen dieser Konstruktion werden in den Zeichnungen dargestellt
und in der sich anschließenden eingehenden Beschreibung näher erläutert.
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Das Isolationsmaterial füllt einen Großteil der Einlaßkammer aus,
wodurch die Verweilzeit und die dadurch verursachte Eoksbildung verringert wird.
Außerdem verhindert die Isolierung eine Kondensation der Spaltgase auf den Wasserführungen
und somit eine dortige Koksbildung. Der Kondensationskoks kann abbröckeln und die
Wärmetauscherrohre verstopfen, so daß eine sofortige Außerbetriebs etzung erforderlich
wird.
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Die Rohrverlängerungen vermindern die Verweilzeit, und es ist nicht
erforderlich, die Wasserführungen tief in der Einlaßkammer anzuordnen. Sie können
angehoben werden, so daß die Führungen durch die äußeren Wasserzuführungen ausgeblasen
werden können, wodurch eine Ansammlung von Feststoffen vermieden wird, die zu einem
vorzeitigen Versagen auf Grund örtlicher Überhitzung führen kann.
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Die Erfindung soll im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert werden Dabei zeigt: Fig. 1 die Draufsicht auf eine Ausführungsform
der Erfindung, bei welcher die Wasserführuxigen in einer einzigen Ebene senkrecht
zur Achse des Wärmetauschers angeordnet und die Rohrverlängerungen geradlinig ausgebildet
sind, Fig. 2 einen Vertikalschnitt im wesentlichen entlang der Schnittlinie 2-2
der Fig. 1, Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Rohre
in einer einzigen Ebene wie in den Figuren 1 und 2 angeordnet sind, während jedoch
die Rohrverlängerungen winklig ausgebildet sind, Fig. 4 eine dritte Ausführungsform
der Erfindung, bei welcher die Rohre mit Ringanschlüssen verbunden sind, wobei åede
Führung in einem Abstand senkrecht über der nächsten Führung angeordnet ist, und
Fig. 5 einen Querschaitt entlang der Schnittlinie 5-5 der Fig.4.
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Die Zeichnungen, die hier näher beschrieben werden, zeigen zwei mögliche
Ausführungsformen der Einlaßkammer des Ubeigangsleitungswärmetauschers, der Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist. Außerdem werden zwei Anordnungen der Dampferzeugunsrohre
und der Anschlüsse dargestellt.
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In Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen Ubergangsleitungswärmetauscher
gezeigt, dessen Rohranschlüsse in einer Ebene angeordnet sind die im wesentlichen
senkrecht zur Achse des Wärmetauschers liegt. Bei dieser Darstellung wurde der Wärmetauscher
in der Nähe des Einlasses geschnitten, um die Einzelheiten der Anordnung der Bodenanschlüsse
zu zeigen. In Fig. 1 sind die Wassereinlaßrohrverzweiger
12 mit
den Dampfrohranschlüssen 16 verbunden. Die Wassereinlaßrohrverzweiger 12 sind jeweils
mit den Ausblasrohren 15 verbunden, die zu einem nicht dargestellten Ausblassystem
führen. Der Flansch 11, der die Bodenabschlußkappe des Tauschers 26 (Fig. 2) am
Hauptkörper hält, liegt unterhalb der Ebene der Rohrverzweiger. Die Dampferzeugungsrohre
18 erstrecken sich senkrecht von den Dampfrohrånschlüssen 16 nach oben. Die Innenrohre
22 leiten die heißen Spaltgase durch den Tauscher.
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Diese Anordnung ist in Fig. 2 deutlicher zu erkennen. Der Aufbau der
Einlaßkammer des Wärmetauschers schließt eine Einlaßdüse 24 mit einer zentralen
Öffnung ein, die an die (nicht dargestellte) Übergangsleitung von dem Einlaß des
Dsmpfcrackofens anschließbar ist. Die Düse 24 ist an dem Abschlußdeckel z angebracht,
an dem sich ein Flansch 10 befindet, der in geeigneter Weise an dem entsprechenden
Flansch 11 am Tauscheriiaupt teil befestigt ist. Die Einlaßkammer ist mit einer
Innenauskleidung 30 versehen, die mit dem Abschlußdeckel 26 einen Zwischenraum bildet,
der mit Isolationsmaterial 28 angefüllt ist, wodurch das Volumen des Einlasses des
Tauschers verringert und der Kopf vor den heißen Spaltgasen, die in den rauscher
eingeführt werden, geschützt wird. Die Dampferzeugungsrohre sind als Rohr-in-Rohr-Dauscher
ausgebildet, wobei der Dampf in dem Wasserraum erzeugt wird, der von dem äußeren
Rohr 18 und dem inneren Rohr 22 gebildet wird. Das Innenrohr 22 führt die Spaltgase
und befindet sich in der Mitte des Außenrohres 18. Das Gas strömt aufwärts durch
das Rohr 22 und gibt Wärme an das Wasser ab, das von dem Rohrverzweiger 12 durch
die Rohranschlüsse 18 zugeführt wird und darauf durch den ringförmigen Raum 20 zwischen
dem
Außenrohr 18 und dem Innenrohr 22 aufwärts strömt.
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Während durch den Wärmeübergang über das Innenrohr 22 der Dampf erzeugt
wird, werden die Spaltgase innerhalb einer minimalen Verweilzeit wirkungsvoll abgeschreckt,
wodurch die Crackreaktion unterbrochen und jegliche Koksbildungsreaktion, die auftreten
könnte, begrenzt wird. Außerdem wird die auf das Wasser übertragene Wärme als Dampf
zurückgewonnen und in dem Verfahren wieder eingesetzt. Die notwendige Abschreckung
der Spaltgase wird somit zum Vorteil des Verfahrens ausgenutzt und vermindert somit
die Kosten der Endprodukte. Das Gasrohr 22 erstreckt sich durch den Boden des Anschlusses
16 nach unten bis in die Nähe der Innenauskleidung 30, wodurch die Entfernung verringert
wird, die die Spaltgase zwischen dem Einlaßflansch 24 und den Rohren22 zu durchlaufen
haben. Derartige Rohrverlängerungsstücke werden in der amerikanischen Patentschrift
3 416 598 erwähnt, wobei bemerkt wird, daß eine derartige Konstruktion insofern
unbrauchbar sei, als die heißen Reaktionsgase einen toten Raum zwischen den Röhren
durchlaufen, so daß sich Koks ablagert, der Verformungen und ein Versagen der Rohre
verursacht. In der Patentschrift wird außerdem ausgeführt, daß bei Wärmetauschern
mit Rohrblechen, die Gegenstand des Patentes sind, die Verlängerun; stücke Wärmeausdehaungsprobleme
bei den Rohrblechen verursachen können. Die vorliegende Erfindung behebt jedoch
die Nachteile, die in demmemStande der Technik gehörenden Patent aufgezeigt werden.
Um den Raum zwischen den Rohren zu verringern und eine Uberhitzung zu vermeiden,
wird Isolationsmaterial 28 zwischen den Gasrohren 22 angeordnet, wodurch ein konischer
Vorsprung entsteht, der sich nach unten in Richtung auf die Gaseinlaßdüse 24 erstreckt.
Um jedes Eindringen des Gases zwischen die Röhren zu vermeiden, die Isolation zu
schützen und außerdem einen Halt
Zür die Isolation zu schaffen,
wenn der Abschlußdeckel 26 abgenommen wird, umgibt eine Abdeckung 32 die Isolation
28 und die Gasrohre 22, wobei die Abdeckung' 32 Öffnungen aufwei-st, die sich mit
den Enden der Gasrohre 22 decken. Die Abdeckung 32 ist zwischen den Innenflächen
der Flansche 10 und 11 befestigt.
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Die Wärmeausdehnung der Verlängerungsstücke wird ausgeglichen, indem
man erstens ihnen eine freie Ausdehnungsmöglichkeit an der Abdeckung läßt, zweitens
sie mit der Abdeckung verschweißt und eine Richtungsänderung zur Aufnahme der Ausdehnung
vorsieht oder drittens Endringe an die Abdeckung anschweißt, die sich jedoch frei
innerhalb des Rohres 22 verschieben können. Andererseits können die Rohrverlängerungsstücke
auch einfache Durchgänge sein, die in das Isolationsmaterial hineingegossen sind,
wodurch sich die Notwendigkeit für einen Wärmedehnungsausgleich der Rohrverlängerungen
erübrigt.
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In der Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform der in Fig. 2 dargestellten
Anordnung gezeigt, bei welcher sich die Wasserzuführungen 16 wieder in einer einzigen
horizontalen Ebene am unteren Ende des Wärmetauschers beenden. Das Anschlußstück
und die Anordnung der Rohre ist im wesentlichen die gleiche wie in Fig. 2, wobei
hier jedoch der Abschlußdeckel 26 beachtlich verkleindrt ist und der offene Bereich
zwischen der Abdeckung 32 und der Auskleidung 30 auf ein Minimum reduziert wurde.
Die Gasrohre 22 erstrecken sich durch den Boden der Wasseranschlüsse 16, wie bereits
beschrieben, wobei sie jedoch statt gerade nach unten, wie in Fig. 2, in einem Winkel
angeordnet sind, so daß sie sich in Richtung auf die zentrale Achse des Wärmetauschers
erstrecken. Diese Rohre wurden sieh,-wenn sie verlängert würden, in einem Punkt,
der sehr nahe am Binlaßflansch 24 liegt, überschneiden.
Bei dieser
Anordnung wird eine minimale Verweilzeit für die Spaltgase am Einlaß des Wärmetauschers
erreicht,und die Richtungsänderung würde dazu beitragen, die Wärmeausdehnung der
Verlängerungsstücke auszugleichen.
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Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist die Gaseinlaßanordnung
im wesentlichen die gleiche wie diejenige der Fig. 2, so daß sie im einzelnen nicht
näher beschrieben zu werden braucht. Hier sind jedoch die Rohrverzweiger anstelle
einer geraden Anordnung in einer horizontalen Ebene als konzentrische Ringanschlüsse
34 von unterschiedlichem Durchmesser ausgebildet, die mit abnehmender Größe in aufwärtiger
Richtung angeordnet sind, um einen Zugang zu jedem einzelnen Anschluß zu ermöglichen.
Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß keine Tiefpunkte innerhalb des Wassersystems
gebildet werden, an darnsich Feststoffe sammeln können. Die Rohre können bei dieser
Anordnung wirkungsvoller ausgeblasen werden, als wenn die Ausbildung der Rohrverzweiger
so ist, daß eine Auffangstelle gebildet wird.
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In Fig. 4 sind zwei Wasserrohrverzweiger 12 dargestellt, obwohl mehr
als zwei Verwendung finden können. Die Rohrverweiger 12 beschicken jeden der Ringanschlüsse
34, die wiederum das Wasser den Rohren 18 in einer ähnlichen wie der vorbeschriebenen
Weise zuführen. Es ist kein besonderer Ausblasrohrkrümmer erforderlich und jeder
der Wasserrohrkrümmer 12 besitzt einen Ausblasanschluß 15. Die Ringanschlüsse 34
werden durch die Verbindungsrohre 36 zwischen den Wasserrohrkrümmern 12 2 und den
Ringabschlüssen 34 beschickt. Die Betriebsweise des Wärmetauschers ist im wesentlichen
die gleiche, wie weiter oben im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben wurde. Das Wasser
strömt abwärts durch den Wasserrohrkrümmer nach innen durch die Verbindungsrohre
36
und tritt in die Ringanschlüsse 34 ein. Dann wird es aufwärts durch den Zwischenraum
20 geführt, in welchem Dampf erzeugt wird, während die Spaltgase, die durch die
Rohre 22 strömen, abgeschreckt werden. Die Fig. 5 zeigt eine Ansicht eines Teils
der Fig. 4 im wesentlichen entlang der Schnittlinie 5-5, um die Anordnung der Ringanschlüsse
besser zu verdeutlichen. Hierin ist die Verbindung des Wasserrohrkrümmers mit den
Ringanschlüssen 34 mit Hilfe der Verbindungsrohre 36 deutlicher zu sehen. Die mit
18 bezeichneten Rohre sind auf dem Umfang verteilt und erstrecken sich senkrecht
von den Ringanschlüssen 34 an aufwärts.
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Die anhand der beschriebenen Ausführungsformen erläuterten Maßnahmen,
nämlich die Verringerung des Volumens der Einlaßkammer des Übergangsleitungswärmetauschers
und die Anordnung der Rohrverzweiger für die Dampferzeugungsrohre in der Weise,
daß Auffangsstellen vermieden werden, können natürlich auch durch bestimmte konstruktive
Abänderung der beschriebenen Ausführungsformen erreicht werden, ohne daß man dadurch
den Rahmen der Erfindung verläßt.