DE10222122A1

DE10222122A1 - Verfahren und Vorrichtung zu Dampfspaltung von Kohlenwasserstoffen

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

Bei der Dampfspaltung von Kohlenwasserstoffen werden üblicherweise in einer Strahlungszone angeordnete, von außen beheizte Strahlungszonenrohre aus metallischen Wirkstoffen eingesetzt. Zur Erhöhung der Ausbeuten an den Hauptprodukten Ethylen und/oder Propylen wird vorgeschlagen, anstelle von metallischen Werkstoffen keramische Werkstoffe, insbesondere siliziuminfiltriertes Siliziumcarbid oder kurzfaserverstärktes Siliziumcarbid für die Strahlungszonenrohre zu verwenden.

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.
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.

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.

Diese Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Einsatzgas durch Strahlungszonenrohre aus keramischem Material geleitet wird.

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.

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.

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.

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.

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.

Vorrichtungsseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass die Strahlungszonenrohre aus keramischem Material, vorzugsweise siliziuminfiltriertem Siliziumkarbid oder kurzfaserverstärktem Siliziumkarbid bestehen.

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.

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.

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.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden:
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.
In Tabelle 1 ist anhand von Auslegungsbeispielen ein typischer Vergleich von unterschiedlichen Strahlungszonenrohrtypen (Coiltypen) dargestellt.

Claims

1. Verfahren zum Dampfspalten von Kohlenwasserstoffen, wobei einem Einsatzgas bestehend aus einem Gemisch von Kohlenwasserstoffen und Dampf durch in einer Strahlungszone angeordnete von außen beheizte Strahlungszonenrohre geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzgas durch Strahlungszonenrohre aus keramischem Material geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Einsatzgas durch Strahlungszonenrohre aus Siliziuminfiltriertem Siliziumcarbid geleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzgas durch Strahlungszonenrohre aus kurzfaserverstärktem Siliziumcarbid umgeleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzgas vom Eintritt in die Strahlungszone bis zum Austritt aus der Strahlungszone die Strahlungszonenrohre mit oder ohne Umlenkung durchströmt.

5. 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 von Kohlenwasserstoffen und Dampf beschickbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungszonenrohre aus keramischem Material bestehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungszonenrohre aus siliziuminfiltriertem Siliziumcarbid bestehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungszonenrohre aus kurzfaserverstärktem Siliziumcarbid bestehen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strahlungszonenrohre mit oder ohne Umlenkung vom Eintritt in die Strahlungszone bis zum Austritt aus der Strahlungszone erstrecken.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungszonenrohre mit außerhalb der Strahlungszone angeordneten Zufuhr- und Abfuhrrohren aus konventionellen metallischen Hochtemperaturwerkstoffen verbunden sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr- und/oder Abfuhrrohre biegsame Abschnitte zur Kompensation von Wärmedehnungen aufweisen.