DE2203420B2 - Verfahren zum Erhitzen eines kohlenmonoxidhaltigen Gases und insbesondere zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhitzen eines kohlenmonoxidhaltigen Gases mittels Strahlungswärme mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Erhitzen eines strömenden Mediums, die insbesondere zur Durchführung des genannten Verfahrens zum Erhitzen eines kohlenmonoxidhaltigen Gases geeignet ist und die Merkmale gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 5 aufweist

Verfahren und Vorrichtungen zur sehr schnellen Aufheizung von strömenden Medien, z. B. zum Zweck

ίο der Pyrolyse oder des Krackens von Kohlenwasserstoffen (Äthylenproduktion) sind bekannt und im Einsatz. Das Bestreben besteht dabei darin, das Kracken mit hoher Intensität bei kurzer Verweilzeit zu erlauben. So ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kracken von Kohlenwasserstoffen bekannt, bei denen das zu behandelnde strömende Medium durch mehrere Strahlungszonen geführt wird, in denen jeweils getrennt Wärme zuführbar ist, so daß in jeder Strahlungszone eine eigene Umsetzungsrate erzielt wird (US-PS 31 82 638). Das bekannte Verfahren mit den dabei angewendeten Verfahrensparametern ist jedoch zur wirtschaftlichen und sehr schnellen Erhitzung von kohlenmonoxidhaltigem Gas nicht geeignet, ohne daß Einbußen an Wirtschaftlichkeit oder die Gefahr einer Überlastung der zum Überhitzen verwendeten Vorrichtung in Kauf genommen werden müssen.

Es ist deshalb ausgehend von diesem bekannten Verfahren eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mittels dem kohlenmonoxidhaltiges Gas möglichst wirtschaftlich und schnell ohne eine Überhitzung der hierzu verwendeten Vorrichtung aufgeheizt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren vor, das die Verfahrensschritte gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 beinhaltet.

Es hat sich gezeigt, daß bei der von der Erfindung vorgeschlagenen Verfahrensführung, die in der ersten Strahlungszone einen höheren Temperaturanstieg als in der zweiten Strahlungszone vorsieht, eine minimale Belastung der Rohrleitungen auftritt, in denen das kohlenmonoxidhaltige Gas geführt wird. Infolge der angegebenen kurzen Verweilzeit ist auch eine Strömungsgeschwindigkeit gewährleistet, bei der der Wärmeübergang von den Rohren an das Gas einen so

hohen Wert annimmt, daß eine Überlastung der Rohrleitungswandungen nicht eintritt. Denn das zu erhitzende Gas nimmt die durch die Rohrleitungswandungen hindurchgeführte Wärme auf und erzeugt dadurch einen Kühleffekt auf der Innenseite der Rohrleitungswandungen. Infolge der genannten hohen Strömungsgeschwindigkeit ist dieser Kühleffekt so eingestellt, daß tatsächlich ein hoher Wärmefluß in der Zeiteinheit übertragen werden kann, ohne daß die Belastungsfähigkeit der Rohrleitungswandungen überschritten wird.

Eine Vorrichtung zum Erhitzen eines strömenden Mediums der eingangs angegebenen Art ist bekannt (US-PS 32 74 978). Bei dieser bekannten Vorrichtung sind zwei voneinander getrennte Strahlungskammern vorgesehen, in denen jeweils eine Einzelreihe von vertikal stehenden Rohren zum Hindurchleiten des strömenden Mediums angeordnet ist. Die Beaufschlagung der in den beiden Strahlungskammern stehenden Rohre erfolgt unabhängig voneinander, d. h. die Erhitzung des strömenden Mediums erfolgt jeweils in einer einzigen Erhitzungsstufe. Eine volle Ausnutzung der Wärmebelastungsfähigkeit der Rohre ist jedoch hierbei nicht möglich, so daß das Erhitzen unwirtschaft-

lieh erfolgt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt deshalb darin, die bekannte Vorrichtung zum Erhitzen eines strömenden Mediums so zu verbessern, daß die Wärmebelastungsfähigkeit der Rohre in den Strahlungskammern voll ausgenutzt wird und aaher eine wirtschaftliche Erhitzung des Mediums möglich ist

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Ausgestaltung der Vorrichtung gelöst, die sich aus den Merkmalen gemäß dem kennzeichnenden Teil des m Patentanspruchs 5 ergibt

Wesentlich für die Vorrichtung nach der Erfindung ist die Verbindung der in den beiden Strahlungskammern befindlichen Rohre miteinander, so daß das Medium die Strahlungskammern nacheinander durchströmt und η durch die verschiedenartige Einsteuerung der Strahiungsbedingungen unter voller Ausnutzung der Wärmebelastungsgrenze der jeweiligen Rohre erhitzt werden kann.. Da weiterhin die Strahlungskammern voneinander durch die angegebene Gestaltung thermisch 2» abgeschottet sind, wird eine gegenseitige Beeinflussung der Strahlungskammern und der darin augeordneten Rohre verhindert Trotz der unterschiedlich steuerbaren Wärmebeaufschlagung in den einzelnen Strahlungskammern erfolgt somit kein Wärmeaustausch, der zu einer unkontrollierbaren zusätzlichen Belastung der Rohrleitungen über die Zulässigkeitsgrenze hinaus führen könnte.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 4 bzw. 6 bis 8.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung, die im Schnitt in den F i g. 1 und 2 dargestellt sind, näher erläutert.

Gemäß der Darstellung in F i g. 1 ist eine Vorrichtung r> 10 in Form eines vertikalen Rohres in einem Stahlrahmen angeordnet und stützt sich auf Pfeilern ab. Sie besteht aus Außenwänden 11 und 12, Innenwänden 13 und 14, Stirnwänden 15 und Böden 16 und 17. Die Außenwände 11, \2 liegen im wesentlichen parallel zu w den Innenwänden 13,14. Sie erstrecken sich jedoch über die Höhe der Innenwände 13, 14 hinaus. In die Außenwände 11,12 und die Innenwände 13, 14 ist eine Anzahl von Vertikalreihen hochintensiver Strahlungsbrenner 18 eingebaut. Die Böden 16,17 erstrecken sich zwischen den Außenwänden 11,12 bzw. den Innenwänden 13, 14. In ihnen sind Bodenbrenner 19 angeordnet, die vorzugsweise Flammbrenner sind.

Die Außenwand U, die Innenwand 13 und der Boden 16 bilden zusammen mit den Stirnwänden 15 eine erste, Strahlungskammer 20, während die Außenwand 12, die Innenwand 14 und der Boden 17 zusammen mit den Stirnwänden 15 eine zweite Strahlungskammer 21 darstellen. Die Stirnwände 15 bilden ihrer Form nach ein umgekehrtes U und schaffen somit einen offenen Bereich 22, der den Zugang zu den in den Innenwänden 13 und 14 eingebauten Brennern 18 ermöglicht.

Auf den Innenwänden 13,14 ist in horizontaler Lage ein inneres Dach 25 befestigt. Auf der Außenwand 11 und den Stirnwänden 15 befindet sich ein horizontales ω oberes Dach 26; entsprechend ist auf der Außenwand 12 und den Stirnwänden 15 ein oberes Dach 27 angeordnet. Von den Dächern 26 und 27 aus nach oben erstrecken sich Wände 28 und 29, die zusammen mit den nach oben hinausstehenden Stirnwänden 15 eine Konvektionszone b"> 30 bilden. Durch einen horizontalen Durchgang 33 stehen die Strahlungskammern 20 und 21 in Strömungsverbindung mit der Konvektionszone 30. Alle Wände, Böden und Dächer sind mit gseignetem hitzebständigem Material ausgekleidet oder daraus hergestellt

Die Konvektionszone 30 enthält eine Anzahl horizontaler Konvektionsrohre 35, die so angeordnet sind, daß keine direkte Sichtlinie zwischen den Konvektionsrohren und den Strahlungskammern 20,21 besteht.

In der Strahlungskammer 20 ist eine Einzelreihe von vertikalen Rohren 31 vorgesehen, die in einer zur Innenwand 13 und zur Außenwand 11 parallelen und davon einen konstanten Abstand einhaltenden Ebene verlaufen. Der untere Abschnitt jedes Rohres 31 steht in Strömungsverbindung mit einer Einlaßleitung 36, die im Boden 16 der Strahlungskammer 20 angeordnet ist In ähnlicher Weise ist eine Einzelreihe vertikaler Rohre 32 in einer zur Innenwand 14 und zur Außenwand 12 parallelen und äquidistanten Ebene angeordnet Das untere Ende jedes Rohres 32 steht in Strömungsverbindung mit einer Auslaßleitung 37, die im Boden 17 der Strahlungskammer 21 liegt

Eine Anzahl von zueinander parallelen horizontal verlaufenden Verbindungsleitungen 38 ist in dem horizontalen Durchgang 33 angeordnet die jeweils ein Rohr 31 der Strahlungskammer 20 mit einem Rohr 32 der Strahlungskammer 21 verbinden. Das zu erhitzende Strömungsmedium verläuft somit durch die Vorrichtung in einer Anzahl voneinander getrennter Ströme längs eines Strömungsweges, der zuerst aufwärts durch die vertikalen Rohre 31 in der Strahlungskammer 20, daraufhin horizontal durch die Verbindungsleitungen 38 in dem horizontalen Durchgang 33 und kann nach unten durch die Rohre 32 in der Strahlungskammer 21 verläuft Die vertikalen Rohre 31,32 in den Strahlungskammern 20, 21 sind an der Vorrichtung 10 mittels Hängestreben 39 aufgehängt während die horizontalen Verbindungsleitungen 38 auf einem Federlager 40 aufliegen, welches das Durchsacken dieser Leitungen verhindert, jedoch die bei den hohen Betriebstemperaturen auftretende Wärmedehnung zuläßt

Die Brenner 18 sind in einer Anzahl von voneinander im Abstand angeordneten vertikalen Reihen ausgerichtet und erstrecken sich über die ganze Tiefe der Innenwände 13, 14 und der Außenwände 11, 12. Die Einzelreihe der Rohre 31,32 in den Strahlungskammern 20, 21 wird somit von beiden Seiten über die ganze Länge der Reihe sowie im wesentlichen über die ganze vertikale Länge der Rohre befeuert Jede Vertikalreihe von Brennern 18 wird durch eine getrennte Zuleitung 41 mit Brennstoff versorgt Außerdem führt zu jedem Brenner 18 einer Vertikalreihe eine Brennstoffleitung 42 mit einem Ventil 43, die mit der Zuleitung 41 für die ganze Reihe verbunden ist. Auf diese Weise kann jede Brennerreihe und auch jeder einzelne Brenner 18 separat einreguliert werden, um dadurch die Wärmezufuhr zu steuern. Die Zuleitungen 41 sind im Ausführungsbeispiel nur für die Brenner 18 in der Außenwand 12 gezeichnet worden. Dies geschieht jedoch nur aus Gründen der Vereinfachung; in der Praxis werden auch die Brenner der Innenwände auf ähnliche Weise versorgt.

Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig.2 dargestellt, die der Ausführungsform gemäß F i g. 1 in gewisser Weise entspricht und deshalb Teile mit gleichen Bezugszeichen enthält.

Die Vorrichtung 10' gemäß F i g. 2 umfaßt ein vertikal stehendes Rohr, das in einem Stahlrahmen angeordnet ist, sich auf Pfeilern abstützt und im wesentlichen aus

Stirnwänden 15', Außenwänden IV, 12' und Innenwänden 13', 14' besteht. Die Außenwände U', 12' erstrecken sich beide nach oben und unten über die Innenwände 13', 14' hinaus.

Mit den Stirnwänden 15' und den Innenwänden 13', > 14' ist ein horizontaler innerer Boden 102 verbunden, während ein ebenfalls horizontaler und parallel zu dem inneren Boden 102 liegender äußerer Boden 101 mit den Stirnwänden 15' und den Außenwänden iV, 12' in Verbindung steht. Der innere Boden 102 und der äußere Boden 101 schaffen in Verbindung mit den Stirnwänden 15' einen im wesentlichen horizontal verlaufenden unteren Durchgang 103, der zwei Strahlungskammern 20', 21' miteinander verbindet. Die Strahlungskammer 20' wird durch den äußeren Boden 101, die Außenwand r> 11', die Innenwand 13' und die Stirnwände 15' gebildet. Die Strahlungskammer 21' wird dagegen von dem äußeren Boden 101, der Außenwand 12', der Innenwand 14' und den Stirnwänden 15' umschlossen.

Eine Anzahl von vertikalen Reihen von Strahlungsbrennern 18' sind in die Innenwände 13', 14' sowie in die Außenwände 1Γ, 12' eingebaut.

Mit den Stirnwänden 15' und den Innenwänden 13', 14' ist ein horizontales inneres Dach 25' verbunden. Ein Paar horizontaler oberer Dächer 26', 27' verbindet jeweils die Stirnwände 15' und erstreckt sich in derselben Ebene von den Außenwänden 11', 12', zu dem inneren Dach 25' im wesentlichen parallel liegend, nach innen. Die Innenränder der oberen Dächer 26' und 27' halten voneinander und von dem Inneren des inneren Daches 25' einen bestimmten Abstand ein.

Ein Paar zueinander paralleler Wände 28' und 29' erstreckt sich vertikal von den inneren Rändern der oberen Dächer 26', 27' nach oben und ist durch die nach oben überstehenden Teile der Stirnwände 15' verbun- r> den. Dadurch wird eine Konvektionszone 30' gebildet, die sich von den beiden Strahlungskammern 20', 21' vollständig absetzt und mit diesen durch einen horizontalen Durchgang 33' in Rauchgasverbindung steht. Der horizontale Durchgang 33' wird durch die Stirnwände 15', das innere Dach 25' und die oberen Dächer 26', 27'gebildet

In der Konvektionszone 30' ist eine Anzahl horizontal verlaufender Konvektionsrohre 35' angeordnet, die außerhalb einer direkten Sichtlinie mit den Strahlungskammern 20', 21' liegen. Die Stirnwände 15' entsprechen der Gesamtgestaltung der Vorrichtung 10 und bilden einen offenen Bereich 22' zwischen den Innenwänden 13', 14', dem inneren Dach 25' und dem inneren Boden 102, der den Zugang zu den Brennern 18' so erlaubt Auch hier sind die einzelnen Wände, Böden und Dächer mit geeigneten hitzebeständigem Material ausgekleidet oder daraus hergestellt

In der Strahlungskammer 20' ist eine Einzelreihe vertikaler Rohre 31' in einer zu der Innenwand 13' und der Außenwand W paraHelen und von diesen einen konstanten Abstand einhaltenden Ebene angeordnet Der obere Teil jedes Rohres steht in Strömungsverbindung mit einer Einlaßleitung 104, die in dem oberen Dach 26' der Strahlungskammer 20' verläuft Auf «> gleiche Weise ist eine Einzelreihe vertikaler Rohre 32', ebenfalls in einer zu der Innenwand 14' und der Außenwand 12' parallel und äquidistant verlaufend, angeordnet Die Oberseite jedes Rohres 32' steht in Strömungsverbindung mit einer Auslaßleitung 105 im oberen Dach 27' der Strahlungskammer 21'.

Eine Anzahl von zueinander parallelen horizontalen Verbindungsleitungen 106 ist in dem horizontalen Durchgang 103 angeordnet, um jeweils ein einzelnes Rohr 3Γ der Strahlungskammer 20' mit einem einzelnen Rohr 32' der Strahlungskammer 2Γ zu verbinden. Auf diese Weise kann das zu erhitzende Medium durch die Vorrichtung in einer Anzahl separater Ströme längs eines Strömungsweges fließen, der eine Abwärtsbewegung durch die vertikalen Rohre 3Γ in der Strahlungskammer 20', daraufhin eine horizontale Bewegung durch die Verbindungsleitungen 106 in dem horizontalen Durchgang 103 und dann eine Aufwärtsbewegung durch die Rohre 32' in der Strahlungskammer 21' vorsieht.

Am äußeren Boden 101 ist ein Träger 107 vorgesehen, der sich über dessen Tiefe an einer Stelle erstreckt, die mittig zwischen den Enden der horizontalen Verbindungsieitungen 106 und unmittelbar unter diesen iiegi. Die Verbindungsleitungen 106 verschieben sich bei den hohen Betriebstemperaturen der Vorrichtung in Richtung auf den unteren Träger 107, der somit deren Durchsacken bei diesen Temperaturen verhindert. Es versteht sich, daß mehr als ein solcher Träger vorgesehen werden kann oder daß dieser Träger an einer anderen als der mittig zwischen den Enden der horizontalen Verbindungsleitungen 106 liegenden Stelle angeordnet werden könnte.

Die Brenner 18' sind in einer Anzahl von voneinander beabstandeten vertikalen Reihen über die ganze Tiefe der Innenwände 13', 14' und der Außenwände 11', 12' ausgerichtet. Dadurch werden die Einzelreihen der Rohre 3Γ und 32' in den Strahlungskammern 20', 21' von beiden Seiten über die ganze Länge jeder Reihe und im wesentlichen über die ganze Rohrlänge befeuert Jede vertikale Brennerreihe wird durch eine getrennte Zuleitung 41' mit Brennstoff versorgt Außerdem führt zu jedem Brenner 18' einer Vertikalreihe eine eigene Brennstoffleitung 42' mit einem Ventil 43', die mit der Zuleitung 4Γ für die ganze Reihe in Verbindung steht. Auf diese Weise kann jede Brennerreihe und auch jeder einzelne Brenner 18' separat reguliert werden, um die Wärmezufuhr zu steuern. Auch hier ist wieder eine Zuleitung 41' nur für die Brenner 18' in der Außenwand 12' aus Gründen der Vereinfachung dargestellt, obwohl tatsächlich auch alle übrigen Brenner 18' durch eine ähnliche Zuleitung gespeist werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere deshalb von Vorteil, weil sie auf Grund ihrer speziellen Ausbildung und Anordnung eine Befeuerung und Erhitzung in zwei getrennten Zonen mit unterschiedlichen Wärmezufuhrmengen ermöglicht Wie bereits erwähnt sind beide Strahlungskammern vollständig voneinander getrennt, d.h. die vertikalen Rohre der einen Strahlungskammer liegen praktisch über ihre ganze Länge außerhalb einer direkten Sichtlinie mit der anderen Strahlungskammer. Dadurch lassen sich beide getrennt steuern und unterschiedliche Wärmezufuhrmengen einstellen, ohne daß die Wärmezufuhr in der einen Strahlungskammer einen merklichen Einfluß auf die Wärmezufuhr in der anderen Strahlungskammer hat

Im allgemeinen wird die Vorrichtung so betrieben, daß über die Länge jedes Rohres eine weitgehend gleichmäßige, am Metall der Rohre gemessene Temperatur auftritt Dieses Ergebnis stellt sich umso leichter ein, als die Rohre von beiden Seiten in einer zur Ebene der Rohrreihe senkrechten Ebene befeuert werden. Dabei werden die Brenner in jeder Vertikalreihe im allgemeinen so gesteuert, daß die Zufuhr an Wärmemenge über die Länge jeder Brennerreihe in Strö-

mungsrichtung des Mediums abnimmt. Jede der vertikalen Brennerreihen wird im allgemeinen auf gleiche Weise beaufschlagt, um in jedem der vertikalen Rohre die gleiche Temperatur zu erzeugen. Dadurch unterliegt jeder Einzelstrom des zu erhitzenden ■; Mediums den gleichen Bedingungen. Die Strahlungskammer, in welche das Medium zuerst eintritt, wird mit einer hohen Zufuhr an Wärmemenge je Zeiteinheit betrieben, um die Mediumtemperatur sehr rasch auf einen bestimmten angestrebten Wert in einem Minimum an Zeit zu bringen. Die Strahlungskammer auf der Auslaßseite wird dagegen mit einer geringeren Wärmezufuhr je Zeiteinheit betrieben, um keine zu hohen Rohrwandungstemperaturen auf Grund der höheren Temperatur in dieser Slrahlungskammer zu erhalten, is Dadurch, daß also zwei getrennte Strahlungskammern vorgesehen sind, durch die das zu erhitzende Medium in Reihe geleitet wird, läßt sich bei der anfänglichen Erhitzung des Mediums eine höhere Wärmezufuhr und damit ein sehr rascher Temperaturanstieg in einem bestimmten Temperaturbereich einstellen, an die dann eine geringere Wärmezufuhr zum Zwecke der weiteren Erhitzung des Mediums auf die erwünschte Auslaßtemperatur über einen höher liegenden und im allgemeinen weniger kritischen Temperaturbereich anschließt. Wür- 2^r> de man das Medium von einer bestimmten Einlaßtemperatur auf eine bestimmte Auslaßtemperatur in einer einzigen Strahlungskammer oder in zwei Strahlungskammern erhitzen, die nicht weitgehend voneinander getrennt sind, dann ist die Wärmezufuhr auf der Einlaßseite der in einer einzigen Strahlungskammer angeordneten Rohre deshalb beschränkt, weil auf Grund des Einflusses der höheren Wärmezufuhr in das Medium a^if der Einlaßseite der Rohre und der geringeren Wärmezufuhr an der Auslaßseite der Rohre Temperaturspitzen an der Auslaßseite auftreten können, die die zulässigen Werkstoffgrenzen überschreiten. Die Trennung der beiden Strahlungskammern erlaubt somit eine Gesamtwärmezufuhr am Einlaßende des Mediumstromes, die höher ist als sie wäre, wenn der Mediumstrom durch eine einzige Strahlungskammer geführt werden würde. Als Ergebnis kann also das Medium in jedem Rohr jeder Zone auf die höchste Temperatur aufgeheizt werden, die der zur Verfügung stehende Rohrwerkstoff zuläßt, wobei dieses Ergebnis auf Grund der beidseitigen Beaufschlagung der vertikalen Rohre in jeder Strahlungskammer noch verbessert wird, weil dadurch im wesentlichen gleichförmige Rohrtemperaturen über die ganze Rohrlänge auftreten. Infolge der Führung des Mediums durch zwei getrennte Strahlungskammern kann es auch auf eine höhere Temperatur in kürzerer Zeit aufgeheizt werden. Insbesondere wird auf der Einlaßseite eine raschere Erhitzung erzielt, als wenn das Medium durch eine einzige Strahlungskammer geführt würde.

Die Konvektionszone der Vorrichtung ist, wie vorstehend erläutert, vollständig von den beiden Strahlungskammern abgesetzt Dabei sind die Konvektionsrohre darin so angeordnet, daß sie außerhalb einer direkten Sichtlinie mit den Strahlungskammem liegen. Auf diese Weise können die kühleren Rohre in der Konvektionszone nicht in die heißeren Strahlungskammern »hineinsehen«, so daß sie keine Beschränkung im Betrieb der Strahlungskammern auferlegen. Würde dieses Merkmal nicht realisiert so könnte auf Grund des zusätzlichen, durch Strahlungs- und Konvektionswärme auftretenden Effektes in den Konvektionsrohren eine Spitzentemperatur auftreten, die sogar über der Spitzenlemperatur in den Strahlungsrohren liegt. Dadurch würde die Gesamtkapazität der Vorrichtung beschränkt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für die verschiedensten Verfahren herangezogen werden, um sehr rasch ein Strömungsmedium von einer bestimmten Einlaßtemperatur auf eine solche Temperatur aufzuheizen, die zwischen dieser Einlaßtemperatur und einer Auslaßtemperatur liegt. So muß beispielsweise ein Gasgemisch mit einem hohen Gehalt an Kohlenmonoxid und Wasserstoff, das z. B. aus der Umformung eines Kohlenwasserstoffdampfes stammt, vor der Anwendung in einem anderen Verfahren erneut erhitzt werden. Ein solches anderes Verfahren wäre z. B. die Reduktion von Eisenerz. Die erneute Erhitzung schafft aber im allgemeinen auf Grund des Kohlenmonoxidgehaltes ernsthafte Verkokungsprobleme. In dem Eisenerz-Reduktionsprozeß wird das Kohlenmonoxid des reduzierenden Gases teilweise oxidiert zu Kohlendioxid und das reduzierende Gas aus dem Reduktionsprozeß abgezogen, um es durch Entfernung eines Teiles des Kohlendioxides zu regenerieren. Das regenerierte reduzierende Gas, das im allgemeinen etwa 40 bis 80 MoI-⁰Zb, vorzugsweise etwa 40 bis 60 Mol-% Wasserstoff, etwa 10 bis 30 Mol-%, vorzugsweise etwa 15 bis 25 Mol-% Kohlenmonoxid und weniger als etwa 5 Mol-%, vorzugsweise weniger als etwa 1 Mol-% Kohlendioxid enthält, muß dann wieder erhitzt und in den Erz-Reduktionskreislauf erneut eingeführt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dabei dazu herangezogen werden, derartige reduzierende Gase, nämlich entweder den Abstrom aus einem Umformer oder das bereits regenerierte reduzierende Gas aus der Eisenerz-Reduktion, auf die Reduktionstemperatur sehr rasch zu erhitzen. Insbesondere wird dabei das Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltende reduzierende Gas in die erste Strahlungszone der Vorrichtung mit einer Temperatur von etwa 430 bis 540⁰C, vorzugsweise von etwa 454 bis 480° C, eingeführt und in dieser Zone auf eine Auslaßtemperatur aus dieser Zone von etwa 650 bis 760° C sehr rasch erhitzt In der zweiten Strahlungszone der Vorrichtung wird dann das reduzierende Gas weiter erhitzt, und zwar auf eine Auslaßtemperatur von etwa 760 bis 930°C. Das reduzierende Gas gelangt somit in die Vorrichtung mit einer Temperatur von etwa 430 bis 540° C und wird aus dieser abgezogen mit einer Temperatur von etwa 760 bis 930° C Die Aufheizung vollzieht sich dabei in der Weise, daß mindestens 50% des gesamten Temperaturanstieges zwischen Einlaß und Auslaß der Vorrichtung, vorzugsweise sogar etwa 60 bis 80% davon, in der ersten Strahlungszone der Vorrichtung erzielt werden, was durch die höhere Wärmezufuhr in der ersten Strahlungszone geschieht.

Die Gesamtverweildauer für den Erhitzungsvorgang beträgt im allgemeinen weniger als eine Sekunde, wobei die Verweildauer des reduzierenden Gases in der ersten Strahlungszone weniger als 70% der Gesamtverweildauer, vorzugsweise etwa 30 bis 60%, ausmacht Im allgemeinen beträgt die Gesamtverweildauer etwa 0,02 Sekunden bis etwa 0,4 Sekunden, wobei die Verweildauer in der ersten Strahlungszone etwa 0,01 Sekunden bis 0,2 Sekunden ist

Die Vorrichtung wird im allgemeinen mit einem Oberdruck am Einlaß eines Strahlungsrohres von etwa 3,45 bis 9,65 bar betrieben. Der Gesamtdruckabfall durch die Rohre beträgt weniger als 3,4 bar und macht im allgemeinen nur etwa 0,7 bis 2,0 bar aus. Das

Rohrinnere, insbesondere das Innere der Rohre in der ersten Strahlungskammer, besteht entweder aus einem Material, das für die Verkokungsreaktion nicht katalysierend wirkt, oder ist mit einem solchen Material ausgekleidet.

Die sehr rasche Erhitzung des reduzierenden Gases, das Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, bei gleichzeitiger Vermeidung oder wesentlicher Verminderung des Verkokungsproblemes ist nur auf Grund der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, weiche den Einsatz hoher Wärmezufuhrraten auf der Einlaßseite der Rohre ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch für die Pyrolyse eines Kohlenwasserstoffs, beispielsweise von Äthan, Propan, Naphtha, Gasölen und dergleichen, insbesondere aber für die Erzeugung von Äthylen, verwendet werden. In letzterem Falle werden die beiden Strahlungskammern getrennt voneinander gesteuert, um den eingespeisten Kohlenwasserstoff in der ersten Strahlungskammer sehr rasch zu erhitzen, worauf sich eine langsamere Erhitzung in der zweiten Strahlungskammer anschließt. Die Pyrolyse vollzieht sich beispielsweise bei einer Gesamtverweilzeit von weniger als einer Sekunde, vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 0,9 Sekunden. Das Medium wird in der ersten Strahlungszone kürzer als 70% der Gesamtverweildauer, vorzugsweise 50 bis 65% davon, gehalten. Der Kohlenwasserstoff wird im allgemeinen auf eine Temperatur vorerhitzt, die etwa seiner Krack-Anfangstemperatur entspricht, in der Regel zumindest nicht mehr als 55° C darunter liegt. Die Krack-Anfangstemperatur liegt je nach eingespeistem Kohlenwasserstoff unterschiedlich, im allgemeinen in einem Temperaturbereich von 480 bis 680⁰C. Das vorerwärmte Medium wird in die erste Strahlungszone eingeleitet und darin sehr rasch auf eine Temperatur in dem bevorzugten Krack-Temperaturbereich erhitzt. Dieser liegt im allgemeinen zwischen 732 und 788⁰C. Daraufhin wird das Medium in der zweiten Strahlungszone auf eine Auslaßtemperatur von etwa 816° C, in der Regel von 816"C bis etwa 890°C und vorzugsweise von 816°C bis 854" C erhitzt.

Die Pyrolyse wird im allgemeinen in Gegenwart von Dampf durchgeführt, um den Teildruck des Kohlenwasserstoffes abzusenken. Der Dampf wird dabei in Mengen von etwa 0,14 bis 0,45 kg Dampf je kg Kohlenwasserstoff eingesetzt. Der Gesamteinlaßüberdruck am Eingang der Strahlungsrohre beträgt etwa 3,1 bis 1,72 bar; der Druckabfall zwischen Einlaß und Auslaß etwa 0,7 bis 2,0 bar.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit ein zu pyrolysierendes Medium sehr rasch von einer Temperatur gerade unterhalb der Krack-Anfangstemperatur auf eine Temperatur im bevorzugten Krack-Bereich erhitzt, wobei die Gesamtverweildauer herabgesetzt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich auch zum Umformen von Kohlenwasserstoffen mit einem

ίο oxidierenden Gas, z. B. Dampf, Kohlendioxid oder einem Gemisch daraus, vorzugsweise von Dampf, heranziehen, um einen Strom mit einem Gehalt an Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu erzeugen. Dabei entstehen insbesondere beim Dampf-Umformen von an Kohlenmonoxid reichen Kohlenwasserstoffen, z. B. den gasförmigen, Methan-, Wasserstoff- und Kohlenmonoxid-haltigen, bei der Umformung von Äthan, Propan, Naphtha u.dgl. entstehenden Nebenprodukten, ernsthafte Verkokungsprobleme. Erfindungsgemäß wird nun ein an Kohlenmonoxid reiches Kohlenwasserstoffgas zusammen mit Dampf in der ersten Strahlungszone von einer Einlaßtemperatur zwischen 427°C und 510⁰C auf eine Temperatur über 700⁰C, vorzugsweise von 700 bis 760⁰C, während einer Verweildauer von unter 0,25 Sekünden, im allgemeinen sogar von etwa 0,01 bis 0,15 Sekunden, erhitzt. Dampf wird dabei in einer Menge von 0,1 bis etwa 25 Vol.-% angewendet. Das Umformungsgemisch wird dann in der zweiten Strahlungszone auf eine Auslaßtemperatur von etwa 816 bis 954° C während einer Gesamtverweildauer von unter 0,5 Sekunden, im allgemeinen sogar von 0,1 bis 0,25 Sekunden, weiter erhitzt. Der Einlaßüberdruck des Gemisches bewegt sich im Bereich von 3,45 bis 9,65 bar; das Druckgefälle zwischen Einlaß und Auslaß zwischen 0,7 und 2,0 bar. Die rasche Erhitzung des eingespeisten Mediums in der ersten Strahlungszone auf eine Temperatur über 700°C reduziert die Neigung zur Koksbildung ganz erheblich. Die Erhitzung in der ersten Strahlungszone wird vorzugsweise in Abwesenheit eines Katalysators durchgeführt, während die Erhitzung in der zweiten Strahlungszone in Gegenwart eines für die Umwandlung geeigneten Katalysators, z. B. von Nickel, erfolgt. Erfindungsgemäß läßt sich somit ein eingespeistes Medium, das der Dampfumwandlung unterzogen werden soll, durch einen kritischen Temperaturbereich, bei dem eine ausgeprägte Neigung zur Koksbildung besteht, sehr rasch erhitzen, ohne daß eine solche Koksbildung auftritt oder wobei diese stark verringert wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erhitzen eines kohlenmonoxidhaltigen Gases mittels Strahlungswärme, bei dem das Gas in Reihe durch mehrere voneinander getrennt beheizbare Strahlungszonen geführt und erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in der ersten Strahlungszone bei einer Verweilzeit von unter 0,2 Sekunden auf eine Temperatur von 650 bis 760° C erhitzt und in der zweiten Strahlungszone bei einer Gesamtverweilzeit von unter 0,4 Sekunden auf eine Endiemperatur von 760 bis 930⁰C erhitzt wird, wobei in der ersten Strahlungszone mehr Wärme als in der zweiten Strahlungszone zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in die erste Strahlungszone mit einer Temperatur zwischen 427 und 51.0° C eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit in der ersten Strahlungszone 0,01 bis 0,2 Sekunden und die Gesamtverweilzeit etwa 0,02 bis 0,4 Sekunden beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas neben Kohlenmonoxid auch Wasserstoff enthält.

5. Vorrichtung zum Erhitzen eines strömenden Mediums, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit zwei voneinander getrennten Strahlungskammern, in denen jeweils eine Einzelreihe von vertikal stehenden Rohren angeordnet ist, und mit in vertikalen Reihen und zu beiden Seiten der Rohre horizontal gerichteten Brennern, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelreihen von Rohren (31, 31', 32, 32') in an sich bekannter Weise miteinander in Reihe verbunden sind, und daß die Verbindungsleitungen (38, 106) der Einzelreihen durch einen horizontalen Durchgang (33, 33', 103) zwischen den Strahlungskammern (20, 20'; 21, 21') geführt sind, wobei die Brenner (18,18') in der ersten Strahlungskammer (20,20') und in der zweiten Strahlungskammer (21,2Y) verschieden steuerbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen einem Rohr (31, 3Γ) der ersten Strahlungskammer (20, 20') und einem Rohr (32, 32') der zweiten Strahlungskammer (21, 2Γ) eine Verbindungsleitung (38,106) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß über den beiden Strahlungskammern (20,21; 20', 21') eine Konvektionszone (30, 30') angeordnet ist, die mit den Strahlungskammern über den horizontalen Durchgang (33, 33') verbunden und mit Konvektionsrohren (35, 35') versehen ist, die außerhalb einer direkten Sichtlinie mit den Strahlungskammern liegen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Strahlungskammern (20, 21; 20', 21') durch einen zusätzlichen unteren horizontalen Durchgang (103) verbunden sind, in dem die Verbindungsleitungen (106) angeordnet sind.