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Verfahren zum Betrieb von Röhrenöfen und Röhrenofen Die Erfindung
b!etrifft Röhrenöfen und insbesondere eine verbesserte Vorrichtung und. ein verhesseirtes
Verfahren für wirksamere und wirtschaftsichere Behandlung strömender Reaktionsteilnehmer
in Röhrenöfen.
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In den letzten Jahren haben Röhrenöfen, bei denen dünuwandige metallische
Reaktionsrohre durch eine feuerfeste Heizkammer gehen und von außen durch Verbrennungsgase
erhitzt werden große Verbreitung gefunden, insbesondere bei der Helrstel.lung von
Wasserstoff und verschiedenen Olefinen aus strömenden Kohlenwasserstoffen. Sie weisen
aber noch verschiedene Nachteile auf. Beispielsweise würde es sehr erwünscht sein,
eine oder mehrere der folgenden Verbesserungen zu erzielen: Leistungssteigerung
pro Anlageeinheit; Anwendung von Hochtemperaturreaktionen, welche bisher im a,llgelneinen
als außer halb des Gebietes der Röhrenofentechnik erachtet werden; eine starke Verringerung
in der Katalysatormenge, welche pro Leistungseinheit hei einem katalytischen Verfahren
notwendig ist; eine erhöhte Verwendung von. schweren Flüssigkeiten als Ausgangsmaterial;
umfangreichere Verwendung von Drücken oberhalb des atmosphärischen und insbesondere
ob er halb 7 kg/cm2. Der Erlangung solcher gewünschter Ergebnisse stehen jedoch
ein oder mehrere d.er nachfolgenden Hindernisse entgegen, welche sowohl bei Verwendung
gasförmiger wie flüssiger Brennstoffe zum Heizen der gegenwärtigen Röhrenöfen auftreten;
Schwierigkeit im Erreichen und Regeln der Ve!rtrennung beim Heizen unter Erzielung
kurzer Flammenlängen (das ist von etwa 30 cm für gasförmige Brennstoffe und etwa
90cm für die schwereren flüssigen. Brennstoffe); Mangel der Würdigung der Vorteile
kurzer Flammen und ihre Beziehung zu physikalischen für den wirtschaftlichen Betrieb
wichteigen Faktoren; Schädigung des Rohrmetalls infolge des Au.fschlagens der Flammen
oder außerordentlich heißer Verbrennungsgase; das abwechselnde schädliche Zerstören
und Wiederbilden von Metalloxydfilmen, auf Reaktionsrohren infolge des Auftretens
von abwechseind oxydierenden und reduzierenden Gasatmosphären und die Verringerung
der Stärke solcher Filme; die sich störende Beeinflussung von Verbrennungsgasen
aus zwei Brennern, was heiße Rohrflecke begünstigt; das Auftreten von Flecken uild.
Ablagerungen auf ReaktioIlsroh.ren vor dem Aufschlagen der Verb rennungsgasströme
aus ölgefeuerten Brennern, teilweise infolge Vanadìumgehaltes in dein Öl und Asche
niedrigen Schmelzpunktes; ungleichmäßige Rohrtemperaturen an 1800 C auf d.em Rohr
voneinander entfernten Punkten, was dauernde Rohr verschlechterung verursaeht',
Schäden für die innere Form des Metalls und der Konstruktion, Rotirblasen
und -beulen;
Schwierigkeit der Kontrolle leuchtender Flammen; und unrichtiges Aufbringen und
Regeln der Rohrspannung.
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Diese Nachteile werden durch die Erfindung über wunden.
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Das neue Verfahren zur Übertragung von. Wärme auf senkrecht angeordnete
Relaktionsrohre ans Metall in feuerfest gemauerten Heizkammern eines Röhrenofens,
insbesondere für die Erzeugung von Wasserstoff oder Olefinen aus flüssigen Kohlenwasserstoffen
oder von Wasserstoff durch Methanreformierung ist dadurch gekennzeichnet, daß in
verschiedenen Höhenebenen Ströme von heiß ein Verbrennungsgas schräg zu d.eln Wänden
der Heizkammer in die Kammer eingeführt werden, wobei die Heizgasströme so langa
außer Berührung mit den Reaktionsrohren gehalten werden, bis die Verbrennung des
Heizgases erfolgt ist und so eine Zone verbrannten Heizgases um die Reaktionsrohre
gebildet wird und. wobei vorzugsweise die Heizgase spiralisch nach oben durch d.ie
Kammerdecke abgeführt werden.
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Der zur Durchführung des Verfahrens benutzte Ofen weist eine feuerfest
gemauerte Heizkammer mit darin senkrecht angeordneten Reakti onsroh ren aus Metall
auf, welche durch die Heizkammer hindurchgehen und im Abstand von der Kammerwand
angeordnet sind, und ist gekennzeichnet durch längliche in dickeren Teilen der Kammerwände
ausgebildete Kamine und in diesen Kaminen angeordnete Heizbrenner, wobei die Kamine
in verschiedenen Höhen
ebenen und so in der Kammerwand angeordnet
sind, daB die Verlängerung einer geraden Linie von der Brennerdüse zum Ende der
inneren Kaminwan.d gezogen zwischen den Reaktionsrohren und der benachbarten Kammerwand
hindurchgeht, wobei vorzugisweise mindestens einer der Brennerkamine einen Erweiterungswinkel
von 20 bis 300 aufweist. Dabei können vorteilhafterweise die Rohre voneinander von
Mitte zu Mitte einen Abstand von 11/2 bis 21/2 Rohrdurchmesser aufweisen. Im allgemeinen
sind die Rohre an einem unterhalb des Ofens angeordneten Träger, z. B. einem Abschreckbehälter
oder zweiten Ofen, befestigt.
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Dabei ist jedes Reaktionsrohr unterhalb der Heizkammer befestigt
und steht von seinem Verankerungspunkt aus unter Aufwärtsspannung, welche vorzugsweise
über gefederte, oberhalb des Ofengewölbes angeordnete Aufhänger und ein Traggestell
sowie einen hydraulischen, Widder hervorgerufen. wird und mindestens 0,7 kg/cm2
beträgt.
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Bei einer solchen Vorrichtung ergibt sich die Dicke des Teils der
Kammerwände, welche die Brennerkamine enthalten, durch die besondere Reaktion, für
welche der Ofen gebaut wird, und durch die Art des benutzten Brennstoffes. Es ist
erwün.scht, so viel wie möglich von der Verbrennungsumhüllung von den Brennern.
in den Brennerkaminen. zurückzuhalten. Bei Verwendung eines Brennerkamins gemäß
der Erfinr dung strömt das heiße Verbrennungsgas in die Heizkammer hin.ein und bleibt
außer unmittelbarer Berührung mit den Rohren, um so na4iteiliges Flammenaufschlagen
zu verhindern und das Rohr vor Beschädigung infolge der schwanken den Bedingungen
zu schützen. Selbst bei Verwendung von Gas als Brennstoff ist es schwierig, dauernd
die gesamte Verbrennungsflamme innerhalb eines Kamins zurückzuhalten. Bei Verwendung
von Öl als Brennstoff ist es unmöglich, die ganze Flamme innerhalb eines Kamins
von praktisch zulässiger Länge zurückzuhalten. Jedoch wird nach der Erfindung bei
jedem Brennstoff die Flamme, welche in die Heizkammer hinausgeht, geleitet und geregelt.
Sowohl bei Gas- wie ÖIfeuerung können daher die Reaktionisrohre dichter an die Kammerwände
angeordnet werden, und in einer Kammer der gleichen Größe können mehr Reaktionsrohre
benutzt werden als in den bisher verwendeten Ofenkonstrulstionen, wodurch die Wirksamkeit
und Wirtschaftlichkeit des Ofenbetriebes erheblich vergrößert wird.
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Der Ofen selbst ist vorzugsweise rechteckig in seinem. äußeren Querschnitt
gestaltet. Der innere Querschnittsumriß der Heizkammer wird vorzugsweise entweder
elliptisch, octagonal oder kreisförmig sein.
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Somit werden die Teile der Kammerwand an den Ofenmantelecken dicker
als die dazwischenliegenden Teile sein. In dieser Weise können verdickte Teile in
wirtschaftlicher Weise an den Ecken; für die Anordnung von Brennerkaminen vorgesehen
werden, ohne die Notwendigkeit, eine Ofenwand von gleichen förmiger, ausreichender
Dicke, um angemessene Brennerkamine unterzubringen, vorzusehen,. Überdies sind infolge
der Dicke der Eckteile der Konstruktion Gebiete. höherer Wärmeaufnahmefähigkeit
vorgesehen, welche die Verwendung und Leistung des Ofens unterstützen.
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Bei ein.er bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Rohre
von Mitte zu Mitte voneinander um etwa 11/2 bis 21/2 Rohrdurchmesser entfernt. Es
wurde. gefunden, daß bei sorgfältiger Vermeidung nachteiliger Flammenbeaufschlagung
bei der ver-
besserten Ofenkonstruktion der Erfindung eine angemessene Wärmeübertragung
auf die Rohre mit dieser verhältnismäßig dichten Rohranordnung erreicht werden kann.
Somit schafft in einer Kammer gegebener Größe das dichtere Anordnen der Rohre mehr
Raum zwischen den Rohren und den Kammerwänden und vergrößert ferner die geregelte
schützende Verbrennungsgasströmung. Wo dieser zusätzliche Schutz unnötig ist, kann
die Kammergröße entsprechend verkleinert werden.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden
die Realctionsrohre unterhalb des Ofenherdes an Stützteile, die Leitung, einen Abschreckbehälter,
einen zweiten Ofen oder andere Behandlur4gseinrichtungen verankert, und Spannung
wird in aufwärtiger Richtung durch oberhalb der Ofenwölbung angeordnete Mittel ausgeübt.
Solche Mittel können von Hand oder automatisch geregelt werden, -um den gewünschten
Spannungsbetrag auf die Rohre auszuüben und somit die Verwendung höherer Temperaturen
zu erlauben, welche ihrerseits die höchsten Wirksamkeiten bei den verwendeten Metallen
herbeiführen. Somit, wo eine Zugstärke von 900 kg bei früheren Konstruktionen angewendet
wurde, wobei die Rohre aufgehängt wurden, obwohl es nur notwendig war, beispielsweise
eine 90-kg-Spannung zu gebrauchen, um das Binden., Aufblähen oder Verwerfen auf
ein Mindestmaß zu bringen, ist es gemaß der Erfindung möglich, genau den gewünschten
Spannungsbetrag auszuüben und somit unerwünschte Temp eraturbeschränkungen zu beseitigen.
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Nach dem neuen Verfahren werden auf einer Mehrzahl von senkrechten
Höhen Ströme heißer Verbrennungsgase in die Heizkammer längs auf schräg zu den Oberflächen,
durch welche die Ströme hinausgehen, angeordneten Wegen eingeführt. Diese Wege leiten
die Ströme zwischen die Rohre und die benachbarte feuerfeste Wand und halten diese
Ströme außer Berührung mit dem Rohr, bis im wesentlichen vollständige Verbrennung
des Gases stattgefunden hat, wobei stetig eine Schutzschicht aus völlig ausoxydiertem
Gas um die Rohre herum erhalten. bleibt, um eine ständige oxydierende Gasatmosphäre
für die Rohre vorzusehen. Diese Schntzdecke verdünnt die in die Kammer an den Zwischeuflächen,
welche zwischen der Schutzdecke und den Strömen gebildet werden, eintretenden Gasströme,
und wird stetig aus diesen verdünnten Gasen erneuert. Die Verbrennungsgase werden
im wesentlichen parallel auf dem Weg zwischen den Rohren, der Kammerwand und Schatzschicht
durch die Kammer geführt, um die Rohre durch Konvektion und Strahlung aus dem Gas
und durch Strahlung von der feuerfesten Wand zu erhitzen. Vorzugsweise werden die
Verbrennungsgase spiralig aufwärts zum Auslaß an der Spitze der Ofen konstruktion
geleitet. Indessen kann der Auslaßkanal im Boden des Herdes, im Mittelpunkt der
Kammer oder an einer anderen gewünschten Stelle angeordnet sein, weil es das Verhältnis
zwischen Gas und Rohren ist, welches wichtig ist, und nicht die Lage des Abflußkanals.
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Wenn der Ofenl in Betrieb genommen wird, werden heiße Verbrennungsgase
in die Kammer aus den Brennerkaminen eingeführt und strömen längs der Kammerwand
zwischen der Wand un.d den nächsten Rohren. Wenn dieses Gas vom Brenner kommt und
zu brennen beginnt, sind reduzierende Bedingungen vorhanden und bleiben vorhanden,
bis die völlige Verbrennung vollendet ist. Dann wird das Gas, welches Wasser und
in Abhangigkeit von den. Feuerungsbedingungen
etwa 2°/o und mehr
Sauerstoff enthält, zu einem oxydierenden Gas. Es ist erwünscht, eine fa.st vollständige
Verbrennung in den Brennerkaminen zu bewirken. In jedem Fall, selbst wenn vollständige
Verbrennung in dem Kamin nicht stattgefunden hat, erlaubt die gelenkte Strömung
längs der Wand das Erzielen völliger Verbrennung vor der Rohrberührung. Dieses nun
oxydierende Gas geht weiter aufwärts oder abwärts rund um die Kammerwand in Abhängigk:elit
von der Lage des Auslaßkanals, wobei ein Teil nach innen in die Mitte der Kammer
diffundiert un.d die Rohre umspült. Beim Weitergang des Betriebs umspült diese nach
d.er Ofenmitte zu strömende Menge oxydierenden Gases d;ie Rohre mit einer stetig
oxydierenden Gas atmosphäre. Da das verhältnismäßig heißere frische Verbrennungsgas
aus dein Kaminen gewöhnlich mit einer Temperatur von etwa, 19250 C austritt, fließt
es am Umfang um den äußeren, Teil der Kammer herum. Selbst wenn die Verbrennung
noch nicht vollständig an der Mündung des Kamins ist und reduzierende Bedingungen,
an diesem Punkt bestehen, sind die Rohre durch das oxydierende Gas im Innern des
Gas stromes geschützt Der innere Rand des aus den Kaminen ausströmenden und um die
Kammer kreisenden Gasstromes wird beständig durch das verhältnismäßig kühlere oxydierende
Gas verdünnt und diffundiert nach innen in den Gasstrom hinein, von welchem ein
Teil aus dem Auslaßkanal mit dem anderen Gas zusammen austritt.
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Bei einem Einzelzellenofen wird bevorzugt, daß alle Verbrennungsgasströme
in die Kammer hinein in der gleichen Richtung fließen. Auf diese Weise wird die
gleichmäßige Gasströmung erhalten,, und der Strom aus jedem Brenner schließt sich
der in einer Richtung gehenden Strömung an. Jedoch ist diese Anordnung nicht immer
plraktisch, besonders nicht für Mehrzellenöfen, wo es erwünscht sein kann, von nur
zwei Seiten zu heizen. In Mehrzellenölfen beispielsweise kann es erwünscht sein,
von zwei Seiten auf jeder Höhe mit einer Gasströmung zu heizen, welche entgegengesetzte
Richtung auf jeder Höhe hat.
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Während solch Strömung Turbulenz verursacht, wird der Gasstrom von
jedem Brenner völlig auf seinem Weg vom Brennerkamin zu der entfernten Seite der
Kammer oxydiert, und die Turbulenz ist nicht nachteilig.
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Wenn gewünscht, kann Sauerstoff oder an Sauer stoff angereicherte
Luft zusammen mit den Kohle wasserstoffen verwendet werden,, um heißere Flammen
und heißere Verbrennungsgase zu erzeugen. und dabei ein wesentlich größerer Wärmeeinsatz
ohne Rohrschädigung erzielt werden.
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Die Einführung von Gas in die Kammer längs eines schräg zur Ofenseite,
von welcher das Gas ausströmt, angeordneten Weges, erhöht beträchtlich die Wirksamkeit
des Ofens. Jeder Teil der längeren äußeren Wand der Kamine, welcher sich über das
Ende der kürzeren, inneren Wand der Kamine erstreclçk, bildet eine hocherhitzte
strahlende Fläche.
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In der Zeichnung sin.d Fig. 1 und 2 Querschnittsansichten von Ofen
kammern gemäß der Erfindung, Fig. 3 ein Aufriß einer Vorrichtung für die Ausübung
von Aufwärtsspannung auf die Reaktionsrohre mit Verankerung der Rohre unter dem.
Ofen, Fig. 4 eine Aufsicht von den Stützmitteln für die Rohre in einer ganzen Zelle
eines Ofens gemäß der Erfindung, Fig. 5 und 6 schematische Ansichten von Mehrzellenöfen
mit schematischer Brenneranordnung.
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Nach Fig. 1 hat ein Einzelzellenofen 10 eine feuerfeste Wand 11.
Die äußere Querschnoittsgestalt des Ofens ist rechteckig, während die innere Querschnittsgestalt
der Heizka,mmer 12 octagonal ist. Vier von den Seiten 13 des Outagons, welche die
Seiten der Heizkammer 12 bilden, sind parallel zu der Hypotenuse eines gleichschenkeligen
rechtwinkeligen Dreiecks, welches den rechten Winkel einschließt, der eine äußere
Ecke der Ofenwand bildet. Die von den Wänden 13 gebildeten Ofenwände sind beträchtlich
dicker als die von den iniffieren Wänden 14 des Octagons gebildeten. Brennerkamine
15 sind in diesen verdichten Teilen ausgebildet, und ein Brenner 16 für strömenden
Kohlenwasserstoff ist in jedem der Kamine 15 angeordnet. Die innere Wand 17 von
jedem der Kamine ist derart abgewinkelt, daß die Verlängerung einer geraden Linie,
gezogen von der Brennerdüse zum Schnitt der Wand 17 und der Fläche 13, zwischen
den Reaktionsrohren 18 und der Wand der Heizkammer 12 hindurchgeht. Die Reaktionsrohre
18 gehen senkrecht nach unten durch die Kammer 12 und sind voneinander unter Bildung
eines hohlen Quadrats in Abständen von Mitte zu Mitte von. zwei Rohrdurchmessern
getrennt. Bei der in Fig. 1 gezeigten. Konstruktion sind die vier Brenner auf der
gleichen waagerechten Höhe angeordnet. Vorzugsweise werden mehrere solcher Höhenebenen
benutzt. Obwohl vier Brenner pro Höhenebene in Fig. 1 gezeigt sind, können ein,
zwei, drei oder vier Brenner pro Höhenebene gewünschtenfalls benutzt werden.
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Beim Betrieb, des Ofens gemäß Fig. 1 wird strömender Kohlenwasserstoff
in die Brenner 16 eingeführt und gezündet. Die Verbrennungsgasströme werden durch
die Wände des Kamins und insbesondere Wand 17 gelenlçt, so daß die heißen Gase zwischen
den Rohren 18 und der Ofenwand holme nach.-teilige Flammenbeaufschlagung auf die
Rohre hindurch.gehell. Die Gase, welche nach innen diffundieren, sind völlig oxydiert
und erhitzen, die Rohre 18 durch Konvektion und Strahlung. Die feuerfesten Ofenwände
werden durch die Umfangsströmung heißen Gases aus den Kaminen erhitzt und strahlen
Wärme auf die Rohre aus. Infolge der schrägen. Wandflächen werden die Gase von den
Brennern gleichmäßig um die Rohre auf einem Spiralweg geführt. Die nach innen zur
Bildung der Schutzschicht aus völlig oxydiertem Gas dtiffundieren;den Gase bewegen
sich im allgemeinen spiralig um die und zwischen, den Rohren und umspülen die Rohre
ständig mit einer oxydierenden Gas atmosphäre. Die Gase werden aus einem nicht dargestellten
Auslaßkanal an der Spitze der Kammer abgezogen und bewegen sich somit auf einem
aufsteigenden Weg um die Rohre fort. Die acht winkeligen inneren Oberflächen tragen
zu der Wirksamkeit der Strahlung von den feuerfesten Ofenwänden auf die Reaktionsrohre
bei. Zusätzlich zu diesen acht Wänden liefern auch die Teile der Brennerkaminwände
18, welche sich über den Endpunkt der Wand 17 hinaus erstrecken, auch Strahlungsoberflächen
für die Erhitzung der Rohre 19.
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Infolge der Neigung der Wand 13 zur Achse des Brennerkamins treten
die Ströme von heißen Gasen aus dem Kamin zwischen den Kammerwandflächen (13) heraus,
welche schräg zu dem Weg der Ströme angeordnet sind.
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In Fig. 2 ist ein Einzelzellenofen. 20 gezeigt, welcher eine feuerfeste
Ziegelwandkonstruhtion, 21 besitzt. Die äußere Querschnittsgestalt des Ofens 20
ist rechteckig. Die innere Querschnittsgestalt der Heizkammer 22 ist kreisförmig
und bildet eine stetig gekrümmte
innere Wand 23. Reaktionsrohre
24 gehen senkrecht n.ach unten durch die Heizkammer 22 und sind von einan der unter
Bildung eines hohlen. Quadrats von Mitte zu Mitte um zwei Rohrdurchmesser getrennt.
Zwei Brennerkamine 25 sind auf jeder Brennerhöhe in den verdickten Edeil der Ofenwand
an den Ecken der Konstruktion ausgebildet. Brenner 26 für strömenden Kohlenwasserstoff
sind in. den Aminen 25 angebracht und erzeugen heiße Verbrennungsgase zur Einführung
in die Kammer 22. Bei dieser Konstruktion sind zwei Brenner auf der gleichen Höhenehene
angeordnet, aber alle aus den Kaminen herauskommenden Gasströme fließen in der Kammer
in der gleichen Richtung. Wie im Falle der octagonalen inneren Gestaltung von Fig.
1 führt die Verwendung einer kreisförmigen Kammer 22 innerhalb des rechtenkigen
Ofens 20 zu verdidcten Eckteilen für die Unterbringung der Brennerkamine 25 und
der Brenner 26.
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Der Betrieb des Ofens nach Fig. 2 ist gleich. dem vom Ofen nach Fig.
1. Die beißen Verbrennungsgase werden zwischen die Rohre 24 und die Ofenwand 23
durch die kurzen Wände 27 der Brennerkamine geleitet und infolge des kreisförmigen
Umrisses der Kammer in einer noch gleichmäßigeren Weise spiralig um die Rohre herum
und nach unten, zum nicht gezeigten Auslaßkanal, welcher am Boden der Kammer gelegen
ist, geführt. Die innere Schutzschicht aus oxydierendem Gas wird in gleicher Weise
durch Diffusion des verdünnten Verbrennungsgases nach inn.en gebildet. Die kreisförmige
innere Wand der Kammer ist eine sehr wirksame strahlende Fläche, welche Strahlung
auf alle Rohre von allen Winlçelflächen bewirkt und somit die Rohre in einer sehr
wirksamen Weise erhitzt. Wie in Fig. 1 kann jede gewünschte Anzahl Brenner benutzt
werden. Mehr als zwei Bre.nner können auf jeder waagerechten Ebene gewünschtellfalls
angeordnet werden.
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In Fig. 3 sind längliche Reaktionsrohre 30 an einem Ab schreckbehälter
31 verankert. Ein. Stützflansch 32, versehen mit Verstärkungsteilen 33, ist um den
oberen Teil des Rohres oberhalb des Ofengewölbes ausgebildet. Das obere Rohrende
ist mittels Blin,dflanschen 34 und 35 abgedichtet. Die Reaktionsteilnehmer werden
in das Rohr durch ein Injektiousrohr 36 eingeführt. Aufwärtsspannung wird auf das
Rohr mittels Aufhänger 37 ausgeübt, welche an den Stützflansch37 bei 38 befestigt
sind. ünd nach oben durch einen Ansatz 40 hindurchgehen. Die Aufhänger 37 gehen
durch Druckfederlager 41 und. sind ob er halb des Lagers durch eine Älutter 42 befestigt.
Die Ansätze 48 sind an den tragenden U-Eisen.43 bei 44 durch xiuttern und Bolzen
befestigt. Die U-Eisen 43 sind an ein Traggestell 45 geschweißt. Aufwärtsdruck wird
auf das Traggestell 45 an jeder Ecke durch einen hydraulischen Widder 46 ausgeübt,
welcher auf einem i;rräger 47 ruht. Die aufwärts gerichtete von den Widdern 46 ausgeübte
Kraft Wird in gleichmäßiger Weise auf das Traggestell 45 ausgeübt und somit in gleichmäßiger
Weise durch die U-Eisen 43 auf die Aufhänger 37 übertragen. Die Federlager 41 sind
vorgeschen, um einzelne Beanspruchungen auszugleichen, welche in ein ein besonderen
Rohr während des Betriebs en.tstehen können, und somit Brüche infolge zu starrer
Lagerung zu verhindern.
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Durch die in Fig. 3 und 4 gezeigten Mittel kann der gewünschte Aufwärtsspannungsbetrag
auf - die Rohre ausgeübt werden. Der größte Teil des Gewichts des Rohres und des
darin befindlichen Katalysators wird durch die Stütze unterhalb des Ofenberds ge-
tragen.
Die hydraulische Flüssigkeit für die Widder 46 kann von Hand oder automatisch zugeführt
werden, um die gewünschte Spannung hervorzurufen und zu erhalten, welche bei den
im Ofen. angewendeten Temperaturen notwendig ist.
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In Fig. 5 werden zwei Höhenebenen eines Dreizeilenofens 50 gezeigt,
um die Lage der Brennerkamine zu erläutern Höhe A ist die untere oder Grundhöhe
und Höhe B ist die zweite, in welcher sich die Brenner in beliebigem senkrechtem
Abstand von den Brennern der Höhe=4 befinden, beispielsweise von 60 bis 90 cm. Die
Ausbildung dieser zwei Höhenebenen wechseln ab, bis die gewünschte Höhe erreicht
ist.
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Fig. 6 zeigt zwei Höhenebenen eines Vierzellenofens 60., in dem die
Zeilen in Foani eines Quadrats angeordnet sind. Höhe 24 ist die Grundhöhe, und Höhe
B ist die zweite Höhe, in weicher die Brenner und Kamine senkrecht von denen von.
Hohes durch einen beliebligen Abstand wie bei dem Ofen 5 getrennt sind. Diese Höhenebenen
wechseln ab, bis die gewünschte Höhe erreicht ist.
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Bei der Konstruktion eines Ofens gemäß der Erfindung soll vorzugsweise
die Wanddicke an der dünnsten Stelle normalerweise nicht weniger als 30 bis 36 cm
sein, um die gewünschte Wärmekapazität zu. erhalten. Durch Verwendung des bevorzugten
octagonalen, kreisförmigen od.er elliptischen inneren Kammerumrisses werden die
Eckteile des Ofens dick genug für die Ausbildung von Brenherkaminen von der erwünschten
Länge von 90 cm. Gewünschtenfalls können das Aufschlagen verhindernde Anordnungen
oder Preilpiatten innerhalb der Kamine vorgesehen werden, um eine raschere Verbreenung
zu erzielen.
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In einem Ofen mit einer einzigen Zelle gemäß Fig. 1 und 2 kann das
Feuern von einer einzelnen Fläche, von zwei, von drei oder von allen vier Ofenflächen.
aus erfolgen. Wo zwei oder mehr benachbarte Zellen den Ofen bilden, wie in Fig.
5, wird das Feuern gewünschtenfalls von zwei oder drei Seiten der Zelle bewirkt.
Wenn vier Zellen zur Bildung des Ofens, wie in Fig. 6, benutzt werden, wird. das
Feuern vorteilhafterweise von zwei Flächen jeder Zelle aus stattfinden. Jedoch trotz
der Zahl der Zellen oder der Zahl der Flächen, von welchen der Ofen gefeuert wird,
wird stets ein Vorteil infolge des relativen Freibleibens von Flammen- oder Heizgasbeaufschlagung,
wie beschrieben, erzielt.
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Während es notwendig ist, daß die innere Grenze der aus den Kaminen
herauskommenden Gasströme oder -hüllen nicht die Querschnittsfläche eines beliebigen
der Rohre schneidet, ist das Berühren der Ofenwand unmittelbar an der Öffnung des
Amins erwünscht, um die primären strahlenden Oberflächen hoch zu erhitzen.
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Die winkeligen oder gekrümmten Flächen des Ofens wirken gegenüber
der Mündung der Brennerkamine als Ablenkungsfläehen und leiten die verlängerten
Enden der Verbrennungshüllen oder -ströme rund um den Umfang der Kammer. Wo somit
die Brenner alle in einer gleichen Uhrzeigerrichtung oder entgegengesetzten Uhrzeigerrichtung
ausgerichtet sind, wird das Gas gleichmäßig im Ofen herum in einer parallelen Richtung
zu den Wänden strömen. Diese Anordnung bewirkt eine Mindestströmung um die einzelnen
Rohre herum und wird bevorzugt. Wemi Turbulenz erwünscht ist, kann sie durch entgegengesetzte
Gasströmung aus in entgegengesetzten Richzungen ausgerichteten Brennern hervorgerufen
werden. Während -die gezeigten Brennerkamine im wesentlichen
waagerecht
sind, ist eine solche Anordnung nicht wesentlich, und die Brenner können gewünschtenfalls
nach oben oder nach unten ausgerichtet werden, um eine gewünschte Temperaturregelung
innerhalb der Kammer zu erzielen. Im allgemeinen ist erwünscht, daß der Erweiterungswinkel
des Brennerkamins zwischen 20 und 300 beträgt, obwohl für besondere Zwecke eine
größere oder kleinere Aufweitung erwünscht sein kann. Als Brennstoffe können auch
Rückstände vom thermischen Cracken von Ölen, asphaltartigen Körpern u. dgl. benutzt
werden.
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In bezug auf den Rohrabstand ist es nicht wesentlich, daß jedes Rohr
von dem Nachbarrohr durch den gleichen Abstand getrennt ist. Jede gewünschte Rohranordnung
kann benutzt werden, wie die in parallelen Reihen, in der Mitte von Rechtecken,
in hohlen Quadraten oder Rechtecken, oder in einem einzelnen oder in konzentrischen
Kreisen. Die Beobachtung, daß es möglich ist, völlig befriedigende Ergebnisse durch
dichteres Anordnen der Reaktionsrohre gemäß der Erfindung zu erreichen, macht es
möglich, den gleichen Durchsatz mit einem kleineren Ofen oder einem größerem Durchsatz
mit einem Ofen von der üblich benutzten Größe jedoch mit mehr Rohren zu erhalten.
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Wo. Aufwärtsspannung angewendet wird, werden die hydraulischen in
Fig. 3 und 4 gezeigten Mittel bevorzugt, wobei die gewünschte Anpassungsfähigkeit
an die Konstruktion durch Federlager für die einzelnen Rohre erzielt wird. Vorzugsweise
wird die Spannung auf die Reaktionsrohre mittels eines automatisch kontrollierten
hydraulischen Systems ausgeübt, welches die Durchschnittsspannung auf einer abgestützten
Rohrgruppe innerhalb angemessen enger Grenzen aufrecht hält. Weil die Reaktionsrohre
unter Spannung langsamem axialem Kriechen unterworfen sind, wird bevorzugt, daß
die Spannung auf einem Mindestgrad gehalten wird, welcher ein Freibleiben von Binden
und Verwerfen bewirkt. Bei der Ausübung von Aufwärtsspannung auf Reaktionsrohre
werden vorteilhaft Einrichtungen zum Messen, Anzeigen oder Aufzeichnen der Spannung
von einem oder mehr Rohren benutzt, welche die durchschnittliche Federbelastung
anzeigen, obwohl auch Instrumente gebraucht werden können, um die Einzelspannung
an jedem der Rohre zu messen und eine rasche Bestimmung für das besondere Rohr vorzunehmen.
Vorzugsweise wird in jeder Zelle ein Rohr als Anzeige fiir die Regelung benutzt
und seine Spannung z. B. mittels eines Oszillographen aufgezeichnet. Vorzugsweise
wird auch Spannung angewendet, die ausreicht, um ungleichmäßiger Ausdehnung im Rohr
und Bindebeanspruchung gegen das Rohr entgegenzuwirken.
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Im Betrieb kann ein Platzen der Rohre durch starke Änderungen der
Spannung infolge von in die Rohre eingeführten Kondensatschlägen verursacht werden.
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Bei einem Rohr mit Aufwärtsspannung jedoch veranlaßt das Auftreten
eines gleichen Wasserschlages nur das Rohr, sich in einer normalen und fast unbeanspruchten
Weise zusammenzuziehen. Wenn ein Rohr sich verworfen hat oder gerade Verwerfung
zu zeigen beginnt, sollte die Spannung-vorzugsweise vergrößert werden, entweder
durch Ausübung zusätzlicher Spannung auf das gesamte Stützgerüst oder die die einzelnen
Rohre tragenden Federn. In dieser Weise ist es möglich, Spannung in Beträgen anzuwenden,
welche zwischen gerade leichter Zwangläufigkeit liegen und bis zu Beträgen gehen,
welche den Kurzzeit-Streckpunkt des gebrauchten Metalls überschreiten. Für beste
Ergebnisse sollte der Spannungsbetrag angewendet werden, welcher der besonderen
angetroffenen Be-
dingung entspricht und der mitunter so niedrig wie 0,7 kg/cm2 sein
kann, aber normalerweise erheblich unter der Spannung liegt, welche in Rohren unter
abwärts ausgeübter Spannung vorherrscht und eine Ausdehnung in einem Verhältnis
von etwa 12 mm pro Jahr in einem 7,5-m-Rohr hervorruft.
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Wenn ein neuer Ofen in Betrieb genommen wird, in welchem eine Aufwärtsspannung
der Rohre angewendet ist, ist es erwünscht, die Spannung zeitweilig einzustellen,
wenn die Rohre auf ihre normale Arbeitstemperatur gebracht sind. Die Spannung sollte
auf einer Höhe von nicht über 3,5 kg/cm2 für eine Zeit stabilisiert und dann nachher
eingestellt werden, wenn das Rohrverhalten beobachtet ist. Es ist besonders vorteilhaft,
bei Benutzung der Erfindung den genauen Spannungszustand der Reaktionsrohre zu erkennen,
und es ist erwünscht, daß bei kontinuierlichem Betrieb die Spannung automatisch
auf eine vorbestimmte Höhe ausgeübt wird oder sonst, wo eine Regelung von Hand angewendet
wird, sollten geeignete Warnvorrichtungen angeordnet werden, um anzuzeigen, daß
die Spannung nicht länger innerhalb des gewünschten Bereiches ist.
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Die zur Ausübung des Aufwärtsdrucks auf die Stützteile bevorzugten
hydraulischen Widder können entweder von Hand oder hydraulisch geregelt oder automatisch
betrieben werden. Wenn automatisch, wird das System vorzugsweise durch Einstellung
eines aufrechtzuerhaltenen Drucks von Hand in dem hydraulischen System geregelt.
Statt dessen kann der Druck automatisch gemäß der Metalltemperatur des Rohres geregelt
werden. Federn können an Stelle der Widder benutzt werden, obwohl die Verwendung
von Widdern bevorzugt wird.
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Wenn eine Aufwärtsspannung ausgeübt wird und die Rohre unter dem
Ofenherd verankert sind, kann das Verankern an einem Stützteil oder einer anderen
in Verbindung mit dem Ofen benutzten Einrichtung, z. B. einer Abschreckkammer oder
einem zweiten Ofen, erfolgen. Wo eine Abschreckkammer benutzt wird, werden das bzw.
die Rohre sich vorzugsweise ein kurzes Stück in den Behälter erstrecken. Vorteilhaft
wird ein einzelner zylindrischer Behälter benutzt, und alle Rohre in einer Zelle
oder in einer Reihe von Zellen werden an dem Behälter verankert. Ein solcher Behälter
wird vorzugsweise waagerecht mit seiner Längsachse unmittelbar unter der Längsachse
des Ofens angeordnet sein. Der Behälter soll geeignet sein, Drücken oberhalb des
atmosphärischen zu widerstehen.
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Ein solcher Behälter kann z. B. 1,20 m oder mehr im Durchmesser und
3 bis 12 m lang bei üblicherweise benutzten Ofengrößen sein.
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Die oben beschriebene Vielrohrvorrichtung, bei der der Stützanker
einen Sammker bildet, welcher vorzugsweise eine Sprühkammer darstellt, ist mit einem
Behälter für Abschreckflüssigkeit und der Einrichtung eines Abschrecksystems, welches
eine Pumpe, einen Abwärmeverwerter und eine Sprühvorrichtung umfaßt, versehen. Bei
der Vorrichtung wird der heiße Abfluß aus den Rohren fast augenblicklich mit dem
eingesprühten Abschreckmedium vermischt. Verfahrensgemäß wird eine gewisse Volumenmenge
in der Abschreckkammer erfordert, damit die fühlbare Wärme des gasförmigen Abflusses
zuerst auf Kondensate erzeugende Temperaturen verringert wird. Der Abfluß erfordert
bei weiterem Kühlen sowohl Entfernung der fühlbaren wie der latenten Wärme. Bei
der gegenwärtigen Praxis werden die Gase normalerweise außerhalb der Ofengrenzen
nur durch so starke Leitungen, wie sie zur Abführung erforderlich sind,
geführt,
worauf die Ableitung in Fraktioniertürme oder andere Kühleinrichtungen erfolgt.
Solche Leitungen sind sehr unbefriedigend, wenn der gasförmige Abfluß aus den Reaktionsrohren
hochsiedende Stoffe enthält, welche Teer oder Koks u. dgl. an den heißen Wänden
der Verfahreusleitung bilden. Das beschriebene Abschrecksystem ist sehr vorteilhaft,
da durch die unverzügliche Einführung des Abflusses aus dem Rohr in einen verhältnismäßig
großen Abschreckbehälterraum die Bildung solch nachteiliger fester oder hochviskoser
Stoffe in den Leitungen vermieden wird.
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Wenn beispielsweise die Ofenzelle bzw. der Ofen drei Reihen von 20-cm-Rohren
aufweist, welche in Form eines hohlen Ouadrats mit rechten Winkeln zentriert zu
der Achse des Abschreckbehälters angeordnet und von Mitte zu Mitte um zwei Rohrdurchmesser
getrennt sind, wird der Behälterdurchmesser vorzugsweise vier Rohrdurchmesser überschreiten
und einen Rohrdurchmesser von mindestens 81 cm besitzen. Vorteilhaft wird ein Behälter
mit einem Durchmesser von 120 cm oder mehr benutzt. Mindestens ein Ende des Behälters
wird dabei über den Ofen hinaus, wie in Fig. 4 gezeigt, verlängert, um die gemischten,
im wesentlichen von mitgenommenen Stoffen freien Gase mittels einer einzigen Leitung
im wesentlichen unmittelbar in den nächstzugehörigen Apparaturteil abzuziehen. Somit
verrichtet der Behälter selbst eine mehrfache Funktion, indem er Abschreckbehälter
vorläufiger Abscheider und wirksame Leitung darstellt.
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Im Betrieb des Abschrecksystems wird bevorzugt, Abschreckflüssigkeit,
normalerweise Kondensat, durch einen Wärmeaustauscher-Abwärmeverdampfer zur Erzeugung
von Dampf im Umlauf geführt, welcher entweder als Verfahrensdampf für die Reaktionsrohre
benutzt oder mit dem für die Ölbeheizung in dem Ofen gebrauchten Öl eingespritzt
wird. Der Abwärmeverdampfer und Abschreckbehälter können innerhalb eines einzelnen
Vorrichtungsteils kombiniert sein, obwohl vorzugsweise ein getrennter Abwärmeverdampfer
und ein getrennter Abschreckbehälter benutzt werden.
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Der gasförmige Abfluß aus den Rohren wird normalerweise eine Temperatur
von 5400 C überschreiten, und es wird daher normalerweise vorgezogen, einen Teil
des Behälters an den Rohren zu kühlen. Dieses Abkühlen kann mittels eines Kühlmantels
erfolgen, durch welchen ein Kühlmittel umläuft. Der gasförmige Abfluß wird nomalerweise
auf eine Temperatur von etwa 2000 C gekühlt werden, wenn ein Abwärmeverdampfer benutzt
wird. Während des Kühlens kann eine wesentliche Menge flüssiger Kohlenwasserstoffe
in Abhängigkeit von dem Ausgangsmaterial, der Art des Crackprozesses und der Temperatur
des Kühlmittels abgeschieden werden. Diese Flüssigkeit wird entweder zu den Rohren
in Mischung mit frischem Ausgangsmaterial zurückgeleitet oder einer weiteren Behandlung
zugeführt oder auch als Brennstoff benutzt.
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Der Behälter selbst oder ein kleineres Gefäß kann gewünschtenfalls
in der gleichen Anordnung als zweiter Ofen zum katalytischen Reformieren oder Cracken
benutzt werden. Dabei kann der Behälter geeigneterweise mit Beschickungsstutzen
ausgerüstet sein, damit Katalysator leicht eingeführt und entfernt werden kann,
wenn die Anlage als ein zweiter Ofen benutzt werden soll. Der Katalysator innerhalb
des Behälters kann von einem Rost getragen oder am oberen Rohrende eingeführt und
in den Behälter hinein fallen gelassen werden, wobei er einen Schüttkegel unterhalb
jedes Rohres und oberhalb der normalen Höhe der
Katalysatorschicht innerhalb des
Behälters bildet. Die Entfernung des Rohrkatalysators wird dadurch vereinfacht,
daß der Rohrkatalysator durch einfaches Entfernen des Katalysators im zweiten Ofen
nach unten fällt. Die Höhe eines solchen Katalysatorkegels kann leicht dadurch geregelt
werden, daß das Crackrohr in den zweiten Ofenhehälter um ein größeres Stück erstreckt
wird.
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Der in den Behälter hineinragende Teil des Rohres kann gewünschtenfalls
durchlöchert sein, um ein Strömen des Gases mit geringem Widerstand aus dem Crackrohr
zur Zone oberhalb der Katalysatorschicht im zweiten Ofen zu ermöglichen. Diese Rohre
können dann über den ganzen Weg bis zu dem Boden des Behälters erstreckt werden
und schaffen so eine Stütze für die Rohre innerhalb des zweiten Ofens selbst. In
diesem Fall kann eine Expansionsverbindung vorgesehen sein, weil das Rohr dann an
zwei Punkten innerhalb des zweiten Ofens und wo das Rohr durch den Mantel des zweiten
Ofens hindurchgeht, befestigt ist.
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Die beanspruchte Arbeitsweise und Vorrichtung kann für jede gewünschte
geeignete Reaktion benutzt werden. Bei der Herstellung von Wasserstoff und Olefinen
können alle üblicherweise benutzten Ausgangsstoffe von Methan bis zum Rohöl verwendet
werden.
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In gleicher Weise kann jeder in der Technik gebrauchte Reformierungs-
und Crackkatalysator bei den katalytischen Reaktionen verwendet werden.