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    • 专利摘要:
    Die Erfindung betrifft eine Verbindungsvorrichtung mit relativer und kontrollierter Dichtung bzw. Abdichtung, die zwischen einer Leitung (1) und einem keramischen Rohr (7) umfasst: DOLLAR A - ein zylindrisches Gefäß (5), das dicht an der Leitung befestigt ist, wobei ein Ende des keramischen Rohres im Inneren des Gefäßes angeordnet ist, DOLLAR A - Dichtungsmittel (3, 3'), die aus wenigstens zwei Sätzen Dichtungsgarnituren zusammengesetzt sind, die im Ringraum zwischen dem keramischen Rohr und dem Gefäß angeordnet sind, DOLLAR A - ein Zwischenstück (4), das zwischen diese beiden Dichtungsgarnitursätze zwischengeschaltet ist, DOLLAR A - Mittel zur Kompression (6) der Dichtungsgarnituren und Mittel zur Injektion (8) eines Fluids zwischen die beiden Dichtungsgarnitursätze, derart, dass ein bestimmter Differentialdruck auf jede der Dichtungsgarnituren ausgeübt wird.
    公开号:DE102004012980A1
    申请号:DE200410012980
    申请日:2004-03-16
    公开日:2004-09-30
    发明作者:
    申请人:IFP Energies Nouvelles IFPEN；
    IPC主号:F16L49-02
    专利说明:
    [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtungzur Verbindung zwischen einem hohlen metallischen Werkstück und einemKeramikrohr, dazu bestimmt, bei Hochtemperaturanwendungen wie Wärmeaustauschernund stark exothermen oder endothermen Reaktoren, eingesetzt zu werden,wie sie fürdie Durchführungvon Reaktionen wie beispielsweise den Dampfcrack-, Pyrolyse-, katalytischenDehydrierungs- oder Dampfreformierungsreaktionen Verwendung finden.Insbesondere anwendbar ist die Erfindung bei endothermen Reaktoren,in denen die Temperatur üblicherweisezwischen 600 und 1200°Cliegt und wo eines der zu lösendenProbleme darin besteht, die Sekundärreaktionen zu begrenzen, welchezur Bildung von Teer und/oder Koks führen.
    [0002] Zahlreiche Dokumente beschreibenReaktoren, die bei hoher Temperatur in einem potentiell kokenden Mediumbetrieben werden, wo die katalytischen Effekte der metallischenWandungen vermieden werden müssen.Von diesem Gesichtspunkt aus sind die stabilsten keramischen Materialienweniger Vorläuferfür Koks. Hierbeikann man sich beziehen auf den Artikel „Wall catalysis: a fundamentalphenomenon in high-temperature hydrocarbons systems and its influenceon the soot formation" (G.PERUGINI & al.,Energy and Ceramics – Proceedingsof the 4th International Meeting on ModernCeramics Technologies, Saint-Vincent, Italien, (1979), Seiten 1268–1279),der ein Fehlen der Bildung katalytischen Kokses auf stabilen Keramikoxidenin carburierender Umgebung, die Wasserstoff bei Temperaturen oberhalb1000°K enthält, zeigt.
    [0003] Darüber hinaus wird bei den Dampfcrackreaktoren,für diediese Erfindung besonders geeignet ist, das Optimum zwischen Umwandlungund Selektivitäterhalten, indem man die der Reaktion zugeführte Wärmemenge erhöht und dieVerweilzeit des Reaktionsmittels reduziert. Dieses in die Praxisin den sog. „Millisekunden"-Öfen umgesetzte Konzept wirdbeim Dampfcracken eingesetzt und stellt heutzutage das bevorzugteVerfahren zur Umwandlung gesättigter Kohlenwasserstoffein Olefine in der Petrochemie dar. In diesem Zusammenhang trifftman die Verwndung keramischer Materialien, welche höhere Arbeitstemperaturenals die metallischen Materialien akzeptieren, weit verbreitet an.
    [0004] Die US-Patentschrift 6 312 652 beschreibtdie Verwendung keramischer Rohre mit Doppelmantel für die Produktionvon Ethylen in Dampfcracköfenvon sehr kurzer Verweilzeit. Bei dieser Anwendung werden die Rohrevertikal angeordnet, an ihrem oberen Teil in der Strahlungszonedes Ofens aufgehängt.In dieser Patentschrift erfolgt in keinem Moment ein Hinweis aufdie Verbindung zwischen den metallischen Teilen und den keramischenTeilen, wie dies erfindungsgemäß der Fallist. Das Dokument FR 99/15 497 beschreibteine Vorrichtung zur nachgiebigen Verbindung zwischen einem keramischenWärmeaustauscherrohrund einem metallischen Mantel, der im Wesentlichen eine konventionelleStopfbüchseumfasst, um ein Rohr und einen an den Mantel fixierten Balgen zuverbinden. Bei dieser Vorrichtung sind die Verbindungsmittel zwischendem keramischen Rohr und der Stopfbüchse aus porösen thermischisolierenden Zusammensetzungen gebildet. Diese Vorrichtung betrifftnicht eine Verbindung mit relativer und kontrollierter Abdichtung.
    [0005] Die US-Patentschrift 6 454 274 zeigteine Vorrichtung zur Montage zwischen einer röhrenförmigen keramischen Membranund einem metallischen Rohr, wobei die keramische Membran durchden Reibungseffekt gehalten wird, der durch die Kompression keramischerDichtungen erzeugt wird, die um diese keramische Membran sowie imInneren des metallischen Rohres angeordnet sind. In dieser Konfigurationbegrenzt die Haltevorrichtung fürdas Rohr seine Verwendung auf vertikale Anwendungen für den Fallvon Rohren großerLänge underhöhtenGewichts. Die in der US-Patentschrift 6 454 274 in Betracht gezogenenAnwendungen sind Trennungen in Gasphase durch Membran und nichtdas Anwendungsgebiet, wo das zirkulierende Reaktionsmittel kokendist.
    [0006] Die US-Patentschrift 5 133 577 stellteine Verbindungsvorrichtung fürdie Montage eines keramischen Rohres auf einem metallischen Rohrohne Verbindungsauskleidung zwischen den Rohren dar. In dieser Konfigurationkann der Leckageanteil eines Dichtungsgases von außen nachinnen, bezogen auf die Rohre, nicht geregelt werden.
    [0007] Allgemein realisieren die Verbindungsvorrichtungenmit oder ohne keramische Dichtung, wie sie in diesen Patentschriftenbeschrieben werden, eine relative nicht kontrollierte Abdichtung,die besonders störendbei Vorhandensein gewisser Gase wie Wasserstoff, der sehr leichtdiffundiert, ist.
    [0008] Die vorliegende Erfindung hilft insbesonderediesem Problem ab, indem sie eine vollständige und absolute Abschottungdes Reaktionsteilsnehmers in Höheder Verbindung ermöglichtund indem sie eine relative und kontrollierte Abdichtung durch dasZusammenwirken eines ersten mechanischen Dichtungsmittels und eineszweiten dynamischen Dichtungsmittels realisiert, das durch ein Spülgas erhaltenwurde. Im gesamten Text ist der Ausdruck „keramisches Rohr" in breitem Sinnezu verstehen und bezieht sich auf jedes Element, das über einInnenvolumen, bevorzugt mit kreisförmigem Querschnitt und über eineInnen- und/oder gegebenenfalls plane Außenfläche verfügt, um die Wärmeaustauschvorgänge zu begünstigen.Ein keramisches Rohr kann zusammengesetzt werden aus einer Reiheelementarer keramischer Rohre, die miteinander über eine Vorrichtung nach derErfindung verbunden sind. Der Ausdruck „metallisches Werkstück" ist im Sinne jedesGefäßes anzusehen,das einerseits übereinen hohlen Teil verfügt,der vermittels der Vorrichtung nach der Erfindung mit dem Innenvolumendes keramischen Rohres in Verbindung steht.
    [0009] Das metallische Werkstück, vondem in der vorliegenden Erfindung die Rede ist, kann ein einfaches Rohr,eine Auffächerungsein, welche eine Vielzahl metallischer Rohre parallel verteilt,ein Sammler, ein Verteiler oder irgend ein anderes Bauteil mit analogerFunktion. So betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Verbindungmit relativer und kontrollierter Abdichtung zwischen einer Leitungund einem keramischen Rohr, umfassend:
    [0010] Gemäß einer Variante der Erfindungkann das Ende des keramischen Rohres getrennt von der Leitung durchein einen Anschlag bildendes Bauteil getrennt sein, wobei diesesBauteil eine Beständigkeitgegen Bruch bei Kompression hat, die immer geringer als die Festigkeitdes keramischen Rohres und die der Leitung ist.
    [0011] Nach einer anderen Variante kanndieses Gefäß eine doppelteWandung umfassen, die einen Innenraum definiert, in welchem einWärmeträgerfluidzirkuliert.
    [0012] Nach einer anderen Variante der Erfindungkann der Innenraum mit dem Raum zwischen den Dichtungsgarniturenin Verbindung stehen. Das Gefäß kann imAllgemeinen aus feuerfestem Stahl mit hohem Wärmewiderstand realisiert sein.
    [0013] Das keramische Rohr kann im Allgemeinenaus dichter Keramik wie Siliziumoxid-Aluminiumoxid, Mullit, Aluminiumoxid,Zirkonoxid oder Siliziumcarbid und bevorzugt Siliziumcarbid sein.
    [0014] Das Anschlags- oder Lagerbauteilkann zusammengesetzt sein aus einem Material vom Silikattyp, das komprimiertund durch Fasern verstärktist und übereine Bruchfestigkeit bei Kompression verfügt, die geringer als die kleinsteder Festigkeiten des keramischen Rohrs einerseits und des zylindrischenGefäßes oderder Leitung andererseits ist.
    [0015] Die Dichtungsgarnituren können ausFasern vom Typ Silico-Aluminiumoxid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid oderGraphit sein. In gewissen Fällenkönnendie Fasern der Garnituren mit einem keramischen oder metallischenMaterial imprägniertsein.
    [0016] In anderen Fällen kann wenigstens eine derDichtungsgarnituren aus einem keramischen Pulver bestehen.
    [0017] Das im Inneren des zylindrischenGefäßes zirkulierendeWärmeträgerfluidkann Wasserdampf sein.
    [0018] In gewissen Anwendungsfällen derErfindung kann die Leitung ein Rohr identisch dem keramischen Rohrsein, wobei das Ende jedes der keramischen Rohre in diesem Gefäß angeordnetund mit dem Gefäß über identischeDichtungsmittel verbunden sein kann, derart, dass eine Verbindungzwischen zwei keramischen Rohren gebildet wird.
    [0019] Die Erfindung betrifft auch ein Verfahrenzur Regelung der dichten Verbindung der Vorrichtung nach der Erfindung,das aus den folgenden Stufen besteht:
    [0020] Die Vorrichtung nach der Erfindungkann insbesondere angewendet werden, ohne dass diese Angaben eineBegrenzung darstellen, auf Installationen des Dampfcrackens, derPyrolyse, der katalytischen Dehydrierung oder der Dampfreformierung.
    [0021] Im Falle der Anwendung auf eine Dampfcrackinstallationkann das Reaktionsmittel von hoher Temperatur, bevorzugt zwischen600 und 1200°C,sein.
    [0022] Beispielsweise Ausführungsformender Erfindung sollen nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungennäher erläutert werden.Diese zeigen in:
    [0023] 1 einenLängsschnittdurch eine Vorrichtung nach der Erfindung;
    [0024] 2 einenLängsschnittdurch eine Vorrichtung gemäß der Erfindungin einer Konfiguration mit Doppelmantel, bei der die Kühlung desGefäßes durchein Wärmeträgerfluidmöglichwird;
    [0025] 3 schematischeinen Reaktor, der die Vorrichtung gemäß der Erfindung und das Systemzur Regelung von Druck verwendet, welches eingesetzt wird, um eindynamisches Spülenzu realisieren;
    [0026] 4 einenSchnitt durch eine Konfiguration mit mehreren Vorrichtungen in einund dem gleichen Kühlgefäß entsprechendmehreren keramischen Rohren;
    [0027] 5 einAnwendungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung auf einenDampfcrackofen; und
    [0028] 6 einenSchnitt durch die Vorrichtung nach der Erfindung gemäß einerVariante einer Verbindung zwischen zwei keramischen Rohren.
    [0029] 1 zeigtim Schnitt eine Ausführungsformder Verbindungsvorrichtung gemäß der Erfindungzwischen einem metallischen Werkstück röhrenförmiger Gestalt 1, im Allgemeinenaus feuerfestem Stahl wie z.B. Haynes 230, Haynes 214, Incoloy 800,Incoloy 601, Incoloy MA956 oder Kanthal APM realisiert, und einem keramischenRohr zylindrischen Querschnitts 7, das aus dichter Keramik realisiertist, wie beispielsweise aus Siliziumoxid-Aluminiumoxid, Mullit,Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Siliziumcarbid.
    [0030] Diese Vorrichtung umfasst ein zylindrischesmetallisches Gefäß oder eineMuffe 5, die dicht mit dem metallischen Rohr 1 aneinem seiner Enden verbunden ist und über einen Flansch am anderenEnde verfügt. DasEnde eines keramischen Rohres 7 ist in der Muffe dem Rohr 1 gegenüber angeordnet.Eine Anschlagsringscheibe 2 aus Silikat und harter Faserist zwischen den Enden der metallischen und keramischen Rohre 1 und 7 positioniert.Eine erste Reihe von Dichtungsgarnituren aus Keramikfasern 3 istin den Ringraum eingebracht, der durch das Innere des Gefäßes unddas Äußere deskeramischen Rohres definiert ist, und zwar in steifer Abstützung gegendie Unterlegscheibe 2. Ein Zwischenstück 4 ist zwischendie erste Garniturreihe 3 und eine zweite Garniturreihe 3' zwischengeschaltet.Ein eine zweite steife Abstützung 4' bildender Kompressionsringvervollständigtdie Stapelung bis zu einem metallischen Gegenflansch 6.
    [0031] Das Gefäß umfasst eine Eintrittsöffnung,beispielsweise fürInertgas 8, wodurch die Einführung eines Fluids in den Raumzwischen den beiden Dichtungsgarnituren 3 und 3' möglich wird.Hierdurch wird das Zwischenstück 4 derartdurchbohrt, dass die Fluidzirkulation die Anwendung des Drucks aufdie beiden Flächen derDichtungsgarnituren 3 und 3' zulässt.
    [0032] In dieser Konfiguration sind dasmetallische Rohr 1, das als Verbindungsleitung mit demInneren des keramischen Rohres dient, und das keramische Rohr 7 getrenntdurch ein Anschlagsstückin Ringform 2 vom Typ komprimierten Silikats, das faserverstärkt ist,wie beispielsweise Monalite 1000, Duratec 1000 oder Salü 1000. DasMaterial kann einen Verformungsgrad durch Kompression höher alsden der das keramische Rohr und das metallische Werkstück darstellendenzeitigen. Im Falle einer Relativverschiebung zwischen den Rohrenkann sich dieses Anschlagsstückohne Beschädigungder Rohre verformen. Bevorzugt wird das Lager- oder Anschlagsstück aus einemMaterial hergestellt, dessen Kompressionswiderstand derart ist,dass dieses vor dem keramischen Rohr und/oder dem Gefäß oder derLeitung bricht.
    [0033] Die Radialkraft der Dichtungsgarniturenauf das keramische Rohr, die gleichzeitig für das Halten des Rohres unddie Dichtheit notwendig ist, wird erhalten durch Verformung derDichtungsgarnituren 3 und 3' unter dem Einfluss einer longitudinalenKompressionskraft, welche durch das Anspannen des Gegenflansches 6 gegenden Flansch des zylindrischen Gefäßes 5 erhalten wird.Der Gegenflansch 6 stütztsich auf den Kompressionsring 4', der hier in Form einer metallischenoder keramischen Unterlegscheibe dargestellt ist. So wird die Dichtungsgarnitur 3 inLängsrichtungzwischen dem Anschlagsring 2 und dem Zwischenstück 4 komprimiert, umeine erste radiale Spannkraft auf das Rohr 7 auszuüben. DieGarnitur 3' wirdin Längsrichtungzwischen dem Zwischenstück 4 unddem Kompressionsring 4' komprimiert,um eine zweite radiale Spannkraft auf das Rohr 7 auszuüben. DieKombination dieser beiden Spannkräfte, getrennt durch die Breitedes Zwischenstücks, sorgtdafür,dass in Längsrichtung,Seitenrichtung und im Winkel das keramische Rohr gehalten wird.
    [0034] Die beiden Sätze von Dichtungsgarnituren 3 und 3' sind hier jeweilsdurch eine oder mehrere Garnituren aus Fasern vom Typ beispielsweiseSilico-Aluminiumoxid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Graphit mit oderohne Imprägnierungder keramischen Partikel (Al2O3,ZrO2, MgO ...) oder aus Metall (Si, Au...)gebildet.
    [0035] Diese Dichtungsmittel haben eineWirksamkeit, die die Funktion des Kompressionsgrads, der auf sie ausgeübt wird,ist. Diese Fähigkeitstellt sich dar als geeignete Verlustmenge eines Fluids, beispielsweiseeines Inertgases, welches durch die Eintrittsöffnung 8 injiziertwird, die sich auf dem metallischen Gefäß 5 befindet und inden Ringraum 9 mündet,der zwischen dem Äußeren deskeramischen Rohres und dem Inneren des Gefäßes definiert ist.
    [0036] Aufgrund der Natur und der Länge derGarnituren wird es möglich,für einegegebene Druckdifferenz zwischen den beiden Flächen der Garnituren die Verlustmengelängs derDichtungsgarnituren 3 und 3' einzustellen.
    [0037] Durch die Wahl dieses Differentialsbezogen auf den Umgebungsdruck, im Allgemeinen den atmosphärischenDruck, wird es möglich,für einegegebenen Natur und ein gegebenes Volumen der Garnitur die Verteilungder inerten Gasmengen einzustellen, welche sich einerseits mit demReaktionsmittel wieder vereinigen und andererseits in die äußere Umgebungabströmen.
    [0038] Um beispielsweise die Injektion vonInertgas oder eines anderen Fluids in das im Inneren der Rohre zirkulierendeReaktionsmittel zu begrenzen, kann man den Druck des Inertgasesals Funktion des Drucks des Reaktionsmittels regulieren, um einenGegendruck hervorzurufen, der gerade notwendig ist, damit die Leckagemengean Inertgas fürdas Bespülender Dichtungsgarnituren 3 sorgt, was für ihre Bewahrung beispielsweisegegen ein an das Koken folgendes beschleunigtes Altern erforderlichist.
    [0039] Unter Berücksichtigung der Tatsache,dass die Druckdifferentiale nicht die gleichen für jede der Garnitursätze sind,könnendiese von unterschiedlicher Natur und/oder Länge sein, um unterschiedlichdie äußere Leckageund innere Leckage zu kontrollieren.
    [0040] 2 zeigtim Schnitt eine Variante der Vorrichtung für den Fall, wo die Muffe oderdas Gefäß 15,die beide metallisch sind, mit einer Doppelwandung realisiert ist,um die Zirkulation eines Wärmeträgerfluidszu ermöglichen,welches fürdie Kühlungder Verbindungs- und Dichtungsanordnung sorgt, wobei das Fluid imInnenraum 19 des Doppelmantels zirkuliert.
    [0041] Das Wärmeträgerfluid dringt in das metallischeGefäß mit Doppelmantel 15 über denEingang 20 ein, zirkuliert im Raum 19 und wirddann überden Ausgang 21 abgezogen. Dieses Fluid kann das Inertgassein, welches verwendet wird, um die Dichtungsmittel 3 und 3' zu bespülen, wobeiman in diesem Fall das gleiche Speisenetz verwendet. Wenn die Naturdes Fluids unterschiedlich ist, zirkuliert es dann in einem unabhängigen Netzbei niedrigem Druck und starkem Durchsatz. Das Wärmeträgerfluid kann in gewissen Fällen flüssig sein. DieDichtungs- und Aufrechterhaltungsmittel können ähnlich denen der 1 sein.
    [0042] 3 zeigtein Konfigurationsbeispiel füreinen Reaktor, der die Vorrichtung nach der Erfindung verwendetund ein äußeres Gefäß 31 umfasst,das einen Eingang fürdie Reaktionsteilnehmer 32, einen Verteiler 40,Keramikrohre 34, Verbindungseinrichtungen gemäß der Erfindung 35,einen Kollektor 41, einen Ausgang für Reaktionsmittel 33 undSysteme zur Zuführungvon Wärmeenergie 37 umfasst.
    [0043] Bei diesem Beispiel dringt das Reaktionsmittelin das Gefäß 31 über denEingang 32 ein und wird auf die verschiedenen keramischenRohre 34 überden metallischen Verteiler 40 verteilt, zirkuliert in denkeramischen Rohren, die beispielsweise horizontal angeordnet sindund reagiert unter der Wirkung der über die Brenner 37 zugeführten Wärme im Innenvolumen 42 desGefäßes 31 undwird dann zum Ausgang 33 über den metallischen Sammler 41 abgezogen.An den Enden jedes keramischen Rohres 34 verbinden Verbindungseinrichtungennach der Erfindung die keramischen Rohre mit dem Verteiler 40 unddem Sammler 41. Das Innenvolumen des Gefäßes 42 befindetsich auf atmosphärischemDruck und das in den keramischen Rohren zirkulierende Reaktionsmittelist auf einem Druck höherals der atmosphärischeDruck.
    [0044] Die Verbindungseinrichtungen 35 werdenindividuell und gemeinsam mit einem Speisenetz für Inertgas 36 verbunden,dessen Speisedruck durch ein Ventil 43 reguliert wird.Diese Regulierung wird vermittels eines Reglers 38 vorgenommen,der als Funktion der Messung der Druckdifferenz 39 zwischendem Eintrittsnetz fürdas In-ertgas 36 und dem Eintritt des Reaktionsmittels 32 zurWirkung kommt. Die Druckdifferenz wird positiv auf einem am Anfangals Funktion der Dichtungsmittel definierten Wert gehalten, wobeidie Dichtungsmittel in den Verbindungseinrichtungen 35 eingesetztund abhängigvom Durchsatz des gewünschtenInertspülgasessind. Der Wert dieses Druckdifferentials liegt im Allgemeinen zwischen1 Millibar und 1 bar und bevorzugt zwischen 10 Millibar und 500Millibar.
    [0045] Auf diese Weise werden die evtl.Druckveränderungendes Reaktionsmittels unmittelbar berücksichtigt, um das Druckdifferentialkonstant zu halten, indem auf den In-ertgasdurchsatz eingewirktwird.
    [0046] 4 zeigtein Konfigurationsbeispiel von Verbindungseinrichtungen für den Falleines Bündelskeramischer Rohre, die das gleiche Speisenetz für Inertgas und Wärmeträgerfluidbenutzen.
    [0047] Ein metallisches Gefäß 50 umfassteine Vielzahl von Verbindungseinrichtungen mit relativer und kontrollierterDichtung 51 gemäß der Erfindungsowie eine Vielzahl von Keramikrohren 52. Ein hohles metallisches Bauteil 53 istmit dem Gefäß 50 über eineVielzahl von Öffnungen 54 verbunden,die im Wesentlichen bezüglichder keramischen Rohre 52 des Gefäßes 50 ausgerichtetsind. Das Reaktionsmittel dringt in das hohle metallische Bauteil 53 über denEintritt 55 ein, passiert die Öffnungen röhrenförmiger Gestalt 54 inden keramischen Rohren, welche überVerbindungsmittel 51 im Gefäß 50 fixiert sind.
    [0048] Das Spülinertgas dringt in das Gefäß 50 über denEingang 56 ein, zirkuliert im Hohlvolumen 57 und dringtdann in die Vielzahl von Verbindungseinrichtungen 51 über dieVielzahl von Öffnungen 59 ein.
    [0049] Nach diesem Beispiel spielt das Inertgasebenfalls die Rolle eines Wärmeträgerfluids.
    [0050] Die beschriebene Konfiguration istein illustratives Beispiel und zahlreiche nicht beschriebene Konfigurationen,die beispielsweise eine Vielzahl von Eingängen für das Reaktionsmittel odereine Vielzahl von Austritten fürdas Spülgalsumfassen, könnenrealisiert werden, ohne sich von der Erstreckung und dem Gebiet dervorliegenden Erfindung zu entfernen. Auch können Inertgaseingänge getrenntvon den Wärmeträgerfluideingängen derartvorgesehen sein, dass die Verwendung zweier unterschiedlicher Fuidemöglichwird.
    [0051] 5 zeigteine industrielle Anwendung der Vorrichtung nach der Erfindung aufeinen Dampfcrackofen, der eine Vielzahl von Verbindungseinrichtungenmit geregelter Dichtung 76 und 77 verwendet, diemit einer gemeinsamen Inertgasspeisung 79 verbunden sind.Die Vorrichtung nach der Erfindung ermöglicht es, Rohre aus keramischemMaterial in der Strahlungszone anstelle von metallischen Rohrenzu verwenden, die bei den klassischen Öfen zum Einsatz kommen.
    [0052] Das gewählte Beispiel ist ein Dampfcrackofenfür Naphthafür dieOlefinproduktion. Das Inertgas ist in diesem Fall Wasserdampf.
    [0053] Die Naphthacharge 70 trittin die Konvektionszone des Ofens 72 ein und zirkuliertim Inneren eines Konvektionsbündels 69,erwärmtsich durch konvektiven Wärmeaustauschmit den Rauchgasen 84 und mischt sich dann mit dem Wasserdampf 71,der in das die Charge enthaltende Konvektionsbündel 69 eingeführt wird.
    [0054] Das so gebildete Gemisch aus Chargeund Wasserdampf wird überdie Leitung 82 bis zum metallischen Verteiler 74 geführt, andem die keramischen Rohre 80 über eine Vielzahl von Verbindungseinrichtungen geregelterDichtheit 76 nach der Erfindung fixiert sind, beispielsweisegemäß der Darstellungder 4.
    [0055] Das Gemisch aus Charge und Wasserdampfdurchsetzt die Strahlungszone 73, indem es durch die keramischenRohre 80 geht, reagiert unter dem Einfluss der durch dieBrenner 78 erzeugten Wärmeund wird dann im metallischen Sammler 75 über eineVielzahl von Dichtungseinrichtungen 77 gemäß der Erfindung,wie in 4 dargestellt,abgezogen. Der aus der Dampfcrackreaktion resultierende Abstromwird anschließendin den mit dem Sammler 75 verbundenen Austauschern 81 gekühlt, danngegen eine nicht dargestellte Überführungsleitungabgezogen.
    [0056] Der Durchsatz an Spüldampf 79 wird über denSchieber 83 reguliert, um eine positive Druckdifferenz zwischendem Eingang fürSpüldampfin Höheder Verbindungsmittel mit kontrollierter Dichtheit 76 und 77 und demEintritt des Naphtha/Verdün-nungsdampfgemischesin den metallischen Verteiler 74 aufrecht zu erhalten.
    [0057] Diese Druckdifferenz wird vom Geber 85 gemessen,die Information wird auf den Regler 86 übertragen, der das Regulierungsventil 83 steuert.Auf diese Weise sorgt man dafür,dass das Prozessfluid eingeschlossen dank der Verbindungseinrichtungenmit kontrollierter Dichtheit 76 und 77 gehaltenwird.
    [0058] Fürdiesen Anwendungsfall beispielsweise kann man die Verbindungseinrichtungenmit kontrollierter Dichtheit so dimensionieren, dass der Spüldampfdurchsatzunter 10 % der vom Verfahren verbrauchten Dampfmenge bleibt. Für einenProzessdruck von 2 bar gibt die Regulierung der Druckdifferenz auf0,5 bar, entsprechend dem Spüldampfdruckvon 2,5 bar, die folgende Verteilung: etwa 30 % der Spüldampfmengetritt in die keramischen Rohre 80 ein und etwa 70 % ebendieser Menge leckt in die Strahlungskammer des Ofens 73.
    [0059] So stellt die in das Verfahren durchdie Verbindungseinrichtung mit geregelter Dichtheit 76 und 77 eingeführte Spüldampfmengenur etwa 3 % der gesamten vom Verfahren verbrauchten Dampfmengedar.
    [0060] Die Wahl des Überdruckniveaus des Spüldampfshängt zumTeil von den Druckschwankungen des Prozessfluids ab. Im vorliegendenFall sind diese Schwankungen typischerweise kleiner als 0,3 bar,die zusätzlichen0,2 bar entsprechen einer Sicherheit, könnten aber vermindert werden,was dann zu einer geringeren Leckmenge führen würde.
    [0061] Allgemein wird das Überdruckniveaubei einem Anwendungsfall derart gewählt, dass es zu Leckagemengendes Spülgasesführt,welche so weit wie möglichbegrenzte prozentuale Anteile, bezogen auf den Durchsatz des Prozessfluids,darstellen.
    [0062] Unterschiedliche Spüldampfmengenzwischen den Verbindungseinrichtungen 76 am Eintritt undAustritt 77 könnennotwendig sein, um Druck- und Reparaturdifferenzen am Eintritt undAustritt der keramischen Rohre 80 zu berücksichtigen.In diesem Fall werden die Durchsätzegetrennt reguliert.
    [0063] 6 zeigteinen Schnitt durch die Vorrichtung nach der Erfindung für den besonderenFall einer Verbindung zwischen zwei keramischen Rohren 101 und 102.Diese Vorrichtung umfasst ein metallisches Gefäß 114, das durch Flanschean seinen beiden Enden geschlossen ist und zwei Eingänge für das metallischeGefäß 114 durchsetzendesInertgas 112 und 113 umfasst, die jeweils in einemVolumen 108 und 109 münden. Vorgesehen ist weiterhineine Dichtungsgarnitur aus Silikat und harter Faser 105,die zwischen den beiden Rohren 101 und 102 positioniertist, vier Reihen Dichtungsgarnituren aus keramischer Faser 103, 103', 106 und 106', zwei Zwischenstücke, diedie Zirkulation des Inertgases 104' und 107' zulassen, sowie zwei Ringe 104 und 107,die sich jeweils gegen die Gegenflansche 110 und 111 abstützen.
    [0064] Das Verspannen der beiden Gegenflansche 110 und 111 sorgtfür dieKompression der Dichtungsgarnituren 103, 103', 106 und 106' entweder zwischenzwei steifen Abstützungenfür dieDichtungsgarnituren 103 und 106' oder zwischen einer steifen Abstützung undder Dichtungsgarnitur aus Silikat und harter Faser 105 für die Dichtungsgarnituren 103' und 106.
    [0065] Die Vorrichtung wird so zusammengesetzt aus zwei Vorrichtungen gemäß 1, die in Reihe angeordnet sind, wobeidie Verfahrensabgeschlossenheit in den Rohren 101 und 102 sichergestelltwird durch das Bespülenmit Inertgas quer zu den Dichtungsgarnituren 103' und 106.
    [0066] Die keramischen Rohre können bevorzugtvertikal angeordnet sein. In diesem Fall steht das obere Rohr imAnschlag gegen das untere Rohr vermittels der Dichtungsgarnitur 105,was durchaus akzeptabel mit keramischen Materialien wie dem Siliziumcarbidist, das eine sehr gute Kompressionsbeständigkeit bei Kälte wiebei hoher Temperatur zeitigt.
    [0067] Die Vorrichtung kann ein metallischesGefäß mit doppelterWandung umfassen, das die Zirkulation eines Wärmeträgerfluids zulässt, welchesfür dieKühlungdieses Gefäßes sorgt.Genauso könnenVorrichtungen, die eine Vielzahl von Rohren in ein und dem gleichenGefäß umfassenund selbst übereinen gemeinsamen Eingang oder eine Vielzahl von Eingängen für Inertgasund/oder Wärmeträgerfluidverfügen,im gleichen Schutzumfang der Erfindung realisiert werden.
    [0068] Durch numerische Berechnungen aneiner Simulationssoftware fürdas Dampfcracken CRACKSIM, entwickelt vom Labor für petrochemischeTechniken der UniversitätGent, kann man die Wirksamkeit eines Ofens mit keramischer Technologieunter Verwendung der Maßnahmenach der Erfindung mit denen eines „Millisekunden"-Ofens vom klassischenKELLOG-Typ vergleichen. Diese Öfenverwenden metallische Rohre von 10 m Länge mit Wärmeaustauschströmen in derGrößenordnungvon 85 kW/m2. Im Falle der Verwendung keramischerRohre ermöglichtes die Technologie der Erfindung, Rohrlängen von etwa 4 m Länge im Strahlungsabschnittzu verwenden. Obwohl kürzer,sind die Ströme,die dem Austausch unterliegen können,stärker aufgrundder Tatsache, dass eine größere Stabilität der Keramikenbei hoher Temperatur gegeben ist. Die beiden Ofenkonzepten gemeinsamenElemente in der Berechnung sind die folgenden:
    [0069] Die nachstehende Tabelle fasst dieHypothesen und Ergebnisse fürdie beiden Verwirklichungsformen zusammen:
    [0070] Diese Berechnungen ergeben interessanteErgebnisse fürden Fall des keramischen Rohres mit einer Summe veredelbarer Produkte(Ethylen + Propylen), die größer istfür eineMethanmenge, wenig wertvolle Verbindung, deren Produktion geringerliegt. Man kann ebenfalls hinzufügen,dass unter Beachtung eines mittleren Preises für Propylen zwischen 400 und450 US$ pro Tonne die Selektivitätserhöhung anPropylen um 0,8 % einen Gewinn von mehr als eine Million US$ proJahr darstellt.
    [0071] Der andere interessante Aspekt für die vorliegendeAnwendung ist die Verminderung des katalytischen Kokses, der aufden metallischen Flächenerzeugt wird. Unter der Annahme, dass die keramischen Rohre ausSiliziumcarbid realisiert sind, kann man den Artikel „Anticokingcoatings for high temperature petrochemical reactors" (P. Broutin et al.,Oil & Gas Scienceand Technology – Rev.IFP, Band 54 (1999), Nr. 3, Seiten 375–385) heranziehen, in welchemdie Tests an durch Dampfcracken von n-Hexan erzeugter Verkokung an einer Probeeiner typischen Ofenrohrlegierung mit hohem Nickel- und Chromgehaltund einer Probe aus Siliziumcarbid vom α-Typ zu einer Verminderung einesVerhältnissesvon 4,5 der Koksproduktion zum Siliziumcarbid, bezogen auf die metallischeLegierung, geführthaben. Dieser Punkt ist, was die Verschmutzung der Ofenrohre angeht,sehr wichtig und somit auch was die Arbeitsdauer zwischen zwei Entkokungsperiodenbetrifft.
    [0072] Im Übrigen zeigen Versuche, dievon der Firma NOVA durchgeführtwurden und im Artikel „Achieving LongerFurnace Runs at NOVA Chemicals" (A.Apuzzo, L. Benum, ERTC Petrochemical Conference, Amsterdam, Niederlande(2002) vorgestellt wurden und zeigen den Vorteil, ein wenig kokendesMaterial zur Herstellung von Dampfcrackofenrohren zu verwenden.Das Material ANK400, das dort entwickelt wurde, ermöglicht es,die Dauer des ersten Arbeitszyklus auf 400 Tage anstelle von 33Tagen zu verlängern,die üblicherweise mitklassischen Rohren erhalten wurden.
    [0073] Diese Leistung nimmt mit den folgendenZyklen ab und erreicht 150 Tage beim vierten Zyklus. Unter der Annahme,dass Siliziumcarbid Vorteile hinsichtlich nicht kokender Oberflläche, ähnlich wiedas Material ANK400 aufweist, könnenwir Leistungen vom gleichen Leistungstyp wie beim ersten Zykluserwarten. Auf Dauer müsstenseine antiverkokenden Eigenschaften, da das Siliziumcarbid von Naturaus stabiler als eine metallische Legierung ist, nach der Verkokungaufrecht erhalten werden. In diesem Fall würden sich, im Gegensatz zumMaterial ANK400, die beim ersten Zyklus erreichten Leistungen anlässlich derfolgenden Zyklen aufrecht erhalten.
    [0074] Ein zusätzliches Interesse, verknüpft mitder Verminderung der Koksbildung, besteht in der Möglichkeit,Rohre geringeren Durchmessers zu verwenden, ohne mit Problemen desVerstopfens konfrontiert zu werden. Mit Rohren von 20 mm beispielsweisegibt die Simulationssoftware CRACKSIM die folgenden Leistungen unterden gleichen Hypothesen wie bei den vorhergehenden Fällen:
    [0075] Festgestellt wird eine sehr interessanteErhöhungder Summe Ethylen + Propylen (+1,3 % Propylen bezogen auf den klassischenmetallischen Fall) mit einer starken Verminderung der Menge an erzeugtemMethan (–2,4%). Diese klare Verbesserung der Leistungen, möglich gemacht durch die Verwendungkeramischer wenig kokender und hochtemperaturbeständiger Materialien,zeigt das Potential dieser neuen Technologie.
    权利要求:
    Claims (15)
    [1] Verbindungsvorrichtung mit relativer und kontrollierterAbdichtung zwischen einer Leitung (1) und einem keramischenRohr (7), umfassend: – ein zylindrisches Gefäß (5),das in dichter Weise an dieser Leitung befestigt ist, wobei einEnde des keramischen Rohres im Inneren dieses Gefäßes angeordnetist, – Dichtungsmittel,zusammengesetzt aus wenigstens zwei Garnitursätzen (3, 3'), die im Ringraumzwischen dem keramischen Rohr und dem Gefäß angeordnet sind, – ein Zwischenstück (4),das zwischen die beiden Garnitursätze zwischengeschaltet ist, – Mittelzur Kompression (6) dieser Garnitursätze, und – Mittel(8) zur Injektion eines Fluids zwischen die beiden Dichtungsgarnitursätze, derart,dass ein bestimmtes Druckdifferential auf jede der Garnituren ausgeübt wird.
    [2] Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Ende deskeramischen Rohres von der Leitung durch ein einen Anschlag (2)bildendes Bauteil getrennt ist.
    [3] Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, beider dieses Gefäß eine doppelteWandung umfasst, die einen Innenraum (19) definiert, inwelchem ein Wärmeträgerfluidzirkuliert.
    [4] Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der dieser Innenraummit dem Raum (9) zwischen den Garnitursätzen in Verbindung steht.
    [5] Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, beider das Gefäß aus einemfeuerfesten hochtemperaturbeständigenStahl hergestellt ist.
    [6] Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, beider das keramische Rohr aus dichter Keramik wie Siliziumoxid-Aluminiumoxid,Mullit, Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Siliziumcarbid und bevorzugtSiliziumcarbid hergestellt ist.
    [7] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei der das Anschlagsbauteilaus einem Material vom Silikattyp, komprimiert und durch Fasernverstärkt,zusammengesetzt ist und übereine Bruchfestigkeit bei Druck kleiner als die des keramisches Rohresund die des zylindrischen Mantels verfügt.
    [8] Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, beider die Dichtungsgarnitursätzeaus Fasern vom Typ Silico-Aluminiumoxid, Aluminiumoxid, Zirkonoxidoder Graphit zusammengesetzt sind.
    [9] Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Fasern derDichtungsgarnituren mit einem keramischen oder metallischen Materialimprägniertsind.
    [10] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der wenigstenseine der Dichtungsgarnituren aus Keramikpulver zusammengesetzt ist.
    [11] Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, beider dieses Fluid Wasserdampf ist.
    [12] Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, beider diese Leitung ein Rohr identisch dem keramischen Rohr ist undbei der die Enden jedes der keramischen Rohre in diesem Gefäß angeordnetund mit dem Gefäß durchidentische Dichtungsmittel verbunden sind.
    [13] Verfahren zur Kontrolle der dichten Verbindung derVorrichtung nach einem der Ansprüche1 bis 12, bei dem man die folgenden Schritte durchführt: – man misstdie Druckdifferenz zwischen dem in der Leitung vorhanden Reaktionsmittelund diesem Fluid, und – manregelt oder stellt ein die Druckdifferenz, um eine Spülleckagegegen das Innere des Rohres aufrecht zu erhalten.
    [14] Anwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis12 auf Installationen der Dampfcrackung, der Pyrolyse, der katalytischenDehydrierung oder der Dampfreformierung.
    [15] Anwendung der Vorrichtung nach Anspruch 14 auf eineDampfcrackinstallation, bei der das Reaktionsmittel sich bei hoherTemperatur, bevorzugt zwischen 600 und 1200°C, befindet.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2011-06-09| 8141| Disposal/no request for examination|
    2011-06-09| R005| Application deemed withdrawn due to failure to request examination|Effective date: 20110317 |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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