Spaltofen

Abstract

 Es wird ein Spaltofen 1 mit vertikaler Längserstreckung zur thermischen Spaltung von organischen und/oder anorganischen Stoffen, insbesondere Kohlenwasserstoffen, beschrieben. Der Spaltofen 1 weist eine beheizte Strahlungszone 2 auf, in der vertikale Spaltrohre 3 zum Durchleiten der zu spaltenden chemischen Stoffe angeordnet sind. Um eine optimale Ausnutzung der Strahlungsenergie zu erreichen, bilden die Spaltrohre 3 vom Bereich der vertikalen Mittelachse des Spaltofens 1 ausgehend in horizontaler Breitenerstreckung des Spaltofens 1 kreuz- oder sternförmig ausgerichtete Reihen. In den von benachbarten Reihen eingeschlossenen Segmenten der Strahlungszone 2 sind Brenner angeordnet, die vorzugsweise regelungstechnisch in Gruppen eingeteilt sind, welche den Eintrittsbereich und den Austrittsbereich des Spaltrohrsystems bedienen. Auf diese Weise ist eine Feinabstimmung der thermischen Spaltungsvorgänge im Spaltrohrsystem möglich.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Spaltofen mit vertikaler Längserstreckung zur thermischen Spaltung von organischen und/oder anorganischen Stoffen, insbesondere Kohlenwasserstoffen, der eine beheizte Strahlungszone aufweist, in der vertikale Spaltrohre zum Durchleiten der zu spaltenden chemischen Stoffe angeordnet sind.

[0002] Derartige Spaltöfen werden z.B. zur Erzeugung von olefinreichem Spaltgas verwendet, das durch thermische Spaltung von Naphta oder Gasöl oder anderen Kohlenwasserstoffen entsteht. Auch zur thermischen Spaltung von sonstigen chemischen Stoffen können solche Spaltöfen eingesetzt werden. Dabei werden die chemischen Stoffe, ggf. mit Wasserdampf verdünnt, durch die in der beheizten Spaltzone angeordneten Spaltrohre hindurchgeleitet. Durch in der Strahlungszone vorgesehene Brenner werden die in den Spaltrohren strömenden chemischen Stoffe auf hohe Temperaturen erhitzt, um die gewünschten Umwandlungen zu erreichen.

[0003] Üblicherweise sind die Spaltrohre in Nähe der Ofenwand angeordnet, während sich die Brenner im Inneren des Spaltofens befinden. Durch die Nähe zur Ofenwand geht Wärme nach außen verloren, so dass die thermische Ausnutzung der Brennerenergie nicht optimal ist. Außerdem ist keine getrennte Steuerung der Temperatur einzelner Strahlungsrohrbereiche möglich. Dieser Nachteil ist auch dann gegeben, wenn die Strahlungsrohre entlang der Mittelachse des Spaltofens im Zentrum der Spaltzone angeordnet sind.

[0004] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spaltofen der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass eine verbesserte Ausnutzung der thermischen Energie der Strahlungszone erreicht wird.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Spaltrohre vom Bereich der vertikalen Mittelachse des Spaltofens ausgehend in horizontaler Breitenerstreckung des Spaltofens kreuz- oder sternförmig ausgerichtete Reihen bilden.

[0006] Durch die kreuz- oder sternförmige Ausrichtung der Reihen von vertikalen Spaltrohren ist eine Verteilung der Spaltrohre über den Querschnitt der Strahlungszone gegeben, so dass eine verbesserte Ausnutzung der thermischen Energie der Strahlungszone erzielt wird. Dabei sind die Brenner bevorzugt in den von benachbarten Reihen eingeschlossenen Segmenten der Strahlungszone angeordnet. Auf diese Weise kann die Strahlungsenergie der Brenner auf die Strahlungsrohre des jeweiligen Segments gleichmäßig verteilt werden, wodurch Wärmeverluste insgesamt verringert werden. Darüber hinaus wird mit dieser Anordnung die Möglichkeit geschaffen, die Strahlungsrohre von verschiedenen Segmenten unterschiedlich stark aufzuheizen. Dadurch ist eine getrennte Steuerung des Wärmeeintrags in einzelne Spaltrohrbereiche möglich. Bei entsprechender strömungstechnischer Verschaltung der Spaltrohre können die zu spaltenden chemischen Stoffe auf ihrem Strömungsweg durch die Spaltrohre gezielt einem gewünschten Wärmeprofil ausgesetzt werden, um spezielle Reaktionsabläufe zu ermöglichen.

[0007] Zweckmäßigerweise bilden die Spaltrohre ein Rohrschlangensystem, d.h. die einzelnen vertikalen Spaltrohre sind über obere und untere Umkehrbögen miteinander verbunden. Dabei kann das Rohrschlangensystem einpässig oder mehrpässig ausgebildet sein.

[0008] Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens bilden die bezüglich der vertikalen Mittelachse des Spaltofens gegenüberliegenden Reihen von Spaltrohren einen Eintritts- und einen Austrittsbereich für die zu spaltenden chemischen Stoffe, wobei die Spaltrohre des Eintrittsbereichs und des Austrittsbereichs mittels einer Rohrleitung miteinander verbunden sind. Dies kann man sich so vorstellen, dass die Spaltzone des Spaltofens gedanklich durch eine vertikale Trennebene in zwei Hälften aufgeteilt ist, wobei die eine Hälfte den Eintrittsbereich und die andere Hälfte den Austrittsbereich bilden. Die zu spaltenden chemischen Stoffe treten in die Spaltrohre des Eintrittsbereichs ein, werden durch Aufheizen der Spaltrohre im Eintrittsbereich der Spaltzone gezielten Umwandlungsreaktionen unterzogen und werden schließlich mittels einer Rohrleitung in den Austrittsbereich überführt, wo sie beispielsweise zur Durchführung von Nachreaktionen bei bestimmten Temperaturbedingungen durch die entsprechend temperierten Spaltrohre des Austrittsbereichs strömen.

[0009] Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Spaltrohre vom Bereich der vertikalen Mittelachse des Spaltofens ausgehend in horizontaler Breitenerstreckung des Spaltofens vier kreuzförmig ausgerichtete Reihen bilden. Die Spaltrohre jeder Reihe sind durch obere und untere Umkehrbögen zu einer Rohrschlange zusammengefügt. Jeweils zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Reihen sind im Bereich der Mittelachse des Spaltofens miteinander verbunden, so dass sich eine winkelförmige Anordnung der Reihen ergibt. Die eine winkelförmige Anordnung bildet den Eintrittsbereich für die zu spaltenden chemischen Stoffe, während die andere winkelförmige Anordnung den Austrittsbereich bildet. Beide winkelförmigen Anordnungen weisen jeweils einen Einlaß für die zu spaltenden chemischen Stoffe an einem Ende der winkelförmigen Anordnung und einen Auslaß am anderen Ende auf. Dabei liegen der Einlaß des Eintrittsbereichs und der Auslaß des Austrittsbereichs bezüglich der Mittelachse des Spaltofens auf gegenüberliegenden Seiten des Spaltofens. Außerdem ist der Auslaß des Eintrittsbereichs mit dem Einlaß des Austrittsbereichs mittels einer Rohrleitung verbunden.

[0010] Vorzugsweise sind dem Eintrittsbereich und dem Austrittsbereich jeweils Gruppen von Brennern zugeordnet, die zumindest gruppenweise getrennt voneinander regelbar sind.

[0011] Der Spaltofen ist zweckmäßigerweise als zylindrischer Rundofen ausgebildet. Ein Flächenvergleich mit einem kastenförmigen Ofen ergibt, dass die Wärmeverluste bei einem zylindrischen Rundofen niedriger sind.

[0012] Der erfindungsgemäße Spaltofen weist eine Reihe von Vorteilen auf:

[0013] Durch die kreuz- oder sternförmige Anordnung der Spaltrohre in der Spaltzone können die Spaltrohre von allen Seiten von Brennern bestrahlt werden, so dass eine optimale Ausnutzung der Strahlungsenergie gewährleistet ist. Im Zusammenhang mit der Ausbildung des Spaltofens als zylindrischer Rundofen wird dadruch eine besonders energiesparende und somit wirtschaftliche Betriebsweise ermöglicht. Darüber hinaus erlaubt diese Anordnung einen unterschiedlichen Energieeintrag im Eintritts- und Austrittsbereich, so dass eine Feinabstimmung des Systems auf die prozesstechnischen Erfordernisse möglich ist.

[0014] Der Spaltofen eignet sich prinzipiell für alle denkbaren Umwandlungen von chemischen Stoffen, die thermisch erreichbar sind. Die chemischen Stoffe können anorganisch und/oder organisch sein. Sie können mit oder ohne Vermischung mit Wasserdampf in den Spaltofen eingeleitet werden. Der Spaltofen kann mit oder ohne Katalysator ausgerüstet sein. Insbesondere kann der Spaltofen zur thermischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen, z.B. Naphta oder Gasöl, eingesetzt werden. Darüber hinaus kann der Spaltofen zum Spalten von chemischen Stoffen in der chemischen Industrie verwendet werden. Insbesondere kann der Spaltofen im Rahmen der Vinylchloridherstellung zur Anwendung kommen, wobei er beispielsweise zur Spaltung von Ethylen(di)chlorid eingesetzt werden kann.

[0015] Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden:

[0016] Es zeigen:

Fig. 1

eine räumliche Darstellung eines Spaltofens mit kreuzförmiger Spaltrohranordnung

Fig. 2

eine Draufsicht auf die kreuzförmige Anordnung der Spaltrohre

[0017] In der Figur 1 ist ein Spaltofen 1 dargestellt, der z.B. für die thermische Spaltung von Ethylen(di)chlorid für die Vinylchloridherstellung ausgelegt sein kann. Er besteht im wesentlichen aus einer Strahlungszone 2 und einer Konvektionszone 3. In der Strahlungszone 2 werden durch nicht dargestellte Brenner die für die thermische Spaltung der chemischen Stoffe erforderlichen hohen Temperaturen erzeugt. Die bei der Verbrennung entstehenden heißen Rauchgase treten am oberen Ende der Strahlungszone 2 in die Konvektionszone 4 über. Nachdem die Rauchgase den größten Teil ihres Wärmeinhalts an die die Wärmetauscher der Konvektionszone durchströmenden Medien abgegeben haben, treten sie am oberen Ende der Konvektionszone 4 aus dem Spaltofen 1 aus und werden, ggf. nach einer Reinigung, über einen Schornstein abgeführt.

[0018] Die zu spaltenden chemischen Stoffe werden den in der Konvektionszone 4 angeordneten Wärmetauschern zugeführt und dort gegen das Rauchgas vorgewärmt. Anschließend werden die zu spaltenden chemischen Stoffe über eine Rohrleitung 5 (cross-over) in die Strahlungszone 2 überführt. Die chemischen Stoffe werden dabei in ein Spaltrohrsystem 3 eingeleitet. Das Spaltrohrsystem 3 besteht aus vertikalen Spaltrohren, die über obere und untere Umkehrbögen zu einem Rohrschlangensystem zusammengefügt sind. Das Rohrschlangensystem ist so angeordnet, dass es vier von der Mittelachse des Spaltofens 1 ausgehende kreuzförmig ausgerichtete Reihen von vertikalen Spaltrohren bildet. In der Darstellung der Figur 1 treten die zu spaltenden chemischen Stoffe auf der linken Seite des Spaltofens 1 in das Spaltrohrsystem 3 ein, werden über den ersten Rohrschlangenabschnitt zur Mittelachse des Spaltofens 1 geleitet, anschließend in einen rechtwinklig nach links abzweigenden Rohrschlangenabschnitt überführt und über eine am oberen Ende des Rohrschlangensystems angeordnete Rohrleitung 6 (jump-over) in einem 180°-Bogen zur rechten Hälfte des Rohrschlangensystems übergeleitet, wo sie wiederum rechtwinklig angeordnete Rohrschlangenabschnitte durchströmen und schließlich an der dem Rohrschlangeneintritt gegenüberliegenden Seite des Rohrschlangensystems aus diesem wieder austreten. In den von benachbarten Reihen von Strahlungsrohren eingeschlossenen Segmenten 8, 9, 10 und 11 sind nicht dargestellte Bodenbrenner angeordnet, die die für die thermische Spaltung der chemischen Stoffe erforderliche Wärme zur Verfügung stellen. Die Brenneranzahl kann variieren, teilt sich jedoch immer regelungstechnisch in zwei Gruppen. Die erste Gruppe bedient den Eintrittsbereich des Rohrschlangensystems, die zweite Gruppe den Austrittsbereich. Auf diese Weise kann das System optimal auf die prozeßtechnischen Erfordernisse fein abgestimmt werden. Die beim Durchströmen durch das Rohrschlangensystem 3 gespaltenen chemischen Stoffe werden schließlich über eine Ableitung 7 aus dem Spaltofen 1 abgeführt und können einer weiteren Verarbeitung zugeführt werden.

[0019] In Figur 2 ist eine Draufsicht auf das Rohrschlangensystem von Figur 1 dargestellt. Die zu spaltenden chemischen Stoffe treten bei der Bezugsziffer 1 in die erste Reihe von Spaltrohren ein und werden durch den ersten Rohrschlangenabschnitt 3 zur Mittelachse des Spaltofens geführt, wo sie in den zweiten Rohrschlangenabschnitt 4 übertreten, der rechtwinklig zum ersten Rohrschlangenabschnitt 3 angeordnet ist. Die Rohrschlangenabschnitte 3 und 4 bilden den Eintrittsbereich des Spaltofens. Über eine Rohrverbindung 5 werden die chemischen Stoffe in einem 180°-Bogen zum Rohrschlangenabschnitt 6 übergeleitet, der mit dem rechtwinklig dazu angeordneten Rohrschlangenabschnitt 7 verbunden ist. Die Rohrschlangenabschnitte 6 und 7 bilden den Austrittsbereich der Strahlungszone des Spaltofens. Über einen Austritt 2, der dem Eintritt 1 gegenüberliegt, werden die gespaltenen chemischen Stoffe schließlich von dem Rohrschlangensystem abgeführt. In den von den rechtwinkligen Rohrschlangenabschnitten eingeschlossenen Segmenten sind Brenner 8 und 9 zum Aufheizen der Spaltrohre angeordnet. Der Rohrschlangenabschnitt 7 ist in der Figur nicht vollständig wieder gegeben.

Ansprüche

1. Spaltofen (1) mit vertikaler Längserstreckung zur thermischen Spaltung von organischen und/oder anorganischen Stoffen, insbesondere Kohlenwasserstoffen, der eine beheizte Strahlungszone (2) aufweist, in der vertikale Spaltrohre (3) zum Durchleiten der zu spaltenden chemischen Stoffe angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltrohre (3) vom Bereich der vertikalen Mittelachse des Spaltofens ausgehend in horizontaler Breitenerstreckung des Spaltofens (1) kreuz- oder sternförmig ausgerichtete Reihen bilden.

2. Spaltofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er als zylindrischer Rundofen ausgebildet ist.

3. Spaltofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den von benachbarten Reihen eingeschlossenen Segmenten der Strahlungszone Brenner angeordnet sind.

4. Spaltofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltrohre (3) ein Rohrschlangensystem bilden.

5. Spaltofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrschlangensystem einpässig ausgebildet ist.

6. Spaltofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrschlangensystem mehrpässig ausgebildet ist.

7. Spaltofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bezüglich der vertikalen Mittelachse des Spaltofens (1) gegenüberliegenden Reihen von Spaltrohren (3) einen Eintritts- und einen Austrittsbereich für die zu spaltenden chemischen Stoffe bilden, wobei die Spaltrohre (3) des Eintritts- und des Austrittsbereiches mittels einer Rohrleitung (6) miteinander verbunden sind.

8. Spaltofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltrohre (3) vom Bereich der vertikalen Mittelachse des Spaltofens (1) ausgehend in horizontaler Breitenerstreckung des Spaltofens (1) vier kreuzförmig ausgerichtete Reihen bilden, wobei die Spaltrohre (3) jeder Reihe durch obere und untere Umkehrbögen zu einer Rohrschlange zusammengeführt sind und jeweils zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Reihen im Bereich der Mittelachse des Spaltofens (1) miteinander verbunden sind und die jeweils verbundenen winkelförmig angeordneten Reihen einen Eintritts- und einen Austrittsbereich für die zu spaltenden chemischen Stoffe bilden, der Eintrittsbereich und der Austrittsbereich jeweils einen Einlaß für die zu spaltenden chemischen Stoffe an einem Ende der winkelförmig angeordneten Reihe und einen Auslaß am anderen Ende der winkelförmig angeordneten Reihe aufweisen, wobei der Einlaß des Eintrittsbereichs und der Auslaß des Austrittsbereichs bezüglich der Mittelachse des Spaltofens (1) auf gegenüberliegenden Seiten des Spaltofens (1) liegen und der Auslaß des Eintrittsbereichs mit dem Einlaß des Austrittsbereichs mittels einer Rohrleitung (6) verbunden ist.

9. Spaltofen nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Eintrittsbereich und dem Austrittsbereich jeweils Gruppen von Brennern zugeordnet sind, die gruppenweise getrennt voneinander regelbar sind.

Zeichnung