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Ofen zur Behandlung strömender Reaktionsteilnehmer
Zur Zeit werden
Röhrenöfen viel für katalytische von strömenden, insbesondere flüssigen Reaktionsteilnehmern
uns insbesondere auf einen Reaktionsofen vom Röhrentyp, in welchem strömende Reaktionsteilnehmer
in sicherer und wirksamer Weise unter den Bedingungen hohen Drucks und hoher Temperatur
behandelt werden können.
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Zur Zeit werden Röhrenöfen viel für katalytische und nichtkatalytische
Behandlung von stömenden Reaktionsteilnehmern und insbesondere für die Behandlung
von strömenden Kohlenwasserstoffen benutzt. Um die verschiedenen Reaktionen in den
Reaktionsrohren dieser Röhrenöfen zu fördern, sind oft Temperaturen in der Höhe
von 800 bis 1100° erforderlich. Um die Möglichkeit des Reißens oder Platzens der
Rohre in der Heizkammer auf das geringste Maß zu bringen, hat die Technik es bisher
im allgemeinen für notwendig gefunden, im wesentlichen bei atmosphärischem Druck
zu arbeiten, d. h. im Bereich von etwa 0 bis 1 kg/cm² Druck im heißesten Teil des
Rohres. Nach längerer Verwendung der Reaktionsrohre der Röhrenöfen wurde gefunden,
daß sie sogar bei solche niedrigen Drücken unter der einwirkung solcher Faktoren,
wie Form- und Verlegungsbeanspruchungen, Strukturänderungen in den verwendeten Metallen,
insbesondere den bevorzugten austenitischen Metallen, Faktoren im Zusammenhang mit
dem Betrieb, z. B.
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Beaufschlagung von Hochtemperaturflammen- oder Verbrennungsgasen auf
die Rohrwand und örtliches Verbrennen infolge vorhergehender Verkokung, Stoßbeanspruchungen
auf Grund der Gegenwart von unerwünschten, beim Sieden oder Anfahren gebildeten
Kondensaten, reißen oder platzen.
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W enn ein oder mehrere Reaktionsrohre während des Betriebes bei hoher
Temperatur und niedrigem Druck platzen oder reißen, ist das Ergebnis ein N'erbrennen
des ausströmenden Gases in dem Verhrennungsraum um die Rohre. Dieses Verbrennen
unter niedrigem Druck reicht im allgemeinen nicht aus, um eine merkliche Gefährdung
oder gar nennenswerte Beschädfgung der benachbarten Rohre hervorzurufen. Bei hohem
Druck und hoherTemperatur wird jedoch die Häufigkeit des Platzens oder Keißens der
Rohre vergrößert. tSberdies nehmen Rohrl,rüche bei hohem Druck viel eher die Form
von heftigem Ausblasen an, welches den gesamten Ofen ernsthaft schädigen und eine
Gefährdung für das Bedienungspersonal darstellen kann. Ferner enthalten unter hohem
Druck die Reaktionsrohre selbst mehr Gas und die Anlage sowohl am Eingangs- wie
am Ausgangsende der Reaktionsrohre enthält große Volumina von unter Druck stehendem
Fluida, welche für das Ausströmen bei einem Rohrbruch bereit sind.
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Angesichts dieser und anderer das Arbeiten unter hohem Druck und
bei hoher Temperatur begleitenden Gefahren hat die Technik es bisher vermieden,
solche Reaktionen inRöhrenöfen auszuführen, wenn nicht Temperatur oderDruck bzw.
beide verhältnismßig niedrig gehalten wurden. Zum Beispiel sind Hochdruckschlangen
oder Reihen von Rohren erfolgreich zum Raffinieren von Erdöl verwendet worden, wobei
Rohrtemperaturen gewöhnlich unterhall> etwa 6500 gehalten werden. Unter solchen
Bedingungen gewährt die Bruchbeanspruchung des LIetalls eine brauchbare Lebensdauer
der Vorrichtung. Indessen treten auch hier immer noch Brüche ein, und ein Gefahrenherd
ist immer, trotz der Stärke des verwendeten Metalls, vorhanden. Im Gegensatz zur
Erdölraffinierungwerden Rohrtemperaturen von etwa 8I5 bis 10000 gewöhnlich bei dem
katalytischen Spalten von Erdgas und anderen strömenden ,Kohlenwasserstoffen für
die Wasserstoffgewinnung gebraucht. Einige Reaktionen werden wirksam bei Rohrtemperaturen
von 11000 ausgeführt, für welche Temperaturen praktisch keine Brucll1)eansl)ruchungsangabe
verfügbar ist, um eine Grundlage für den Entwurf eines sicheren und zufriedenstellenden
Druckapparates zu bilden. Als Ergehlìis hat sich die Technik entschlossen, daß infolge
der großen möglichen Gefahr von Rohrbrüchen und den sich daraus ergebenden Gefährzungen
nennenswert über den atmosphärischen liegende Drücke als unpraktisch und gefährlich
zur Durchführung von Hochtemperaturreaktionen in Röhrenöfen vermieden werden sollen.
Dieses Anerkenntnis einer möglichen Gefahr hat in Abwesenheit jeglicher Lösung des
Problems die Entwicklung der Technik auf dem Gebiet der Hochdruckhochtemperaturreaktionen
strömender Reaktionsteilnehmer in dem bevorzugten Röhrenreaktionsofen in wirkungsvoller
Weise verzögert.
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Tatsächlich bestehen aber viele Vorteile eines i-Tochdruckhochtemperatursystems,
welches sehr verlockend sein würde, wenn ein solches System in wirksamer Weise ohne
wesentliche Gefahr betrieben werden könnte. Zum Beispiel erfordern viele Reaktionen
die Verwendung von unter Druck stehendem Synthesegas als Reaktionsteilnehmer. Bei
dem jetzigen Stand der Technik ist es notwendig, in Röhrenöfen zuerst das Synthesegas
herzustellen und es anschließend auf den gewünschten Druck zu komprimieren. Bei
der direkten Gewinnung von unter Druck stehendem Synthesegas aus Naturgas ist es
im allgemeinen ühlich, das Gas mit Sauerstoff bei einem Druck von 14 bis 21 kg/cm2
in einer im Innern isolierten Druckkammer in Reaktion zu bringen, um es zu einem
unter Druck stehenden Synthesegas umzuwandeln. Dieses Verfahren erfordert hohe Anlagekosten
für die Druckanlage und die Verwendung von kostspieligem Sauerstoff oder ein kostspieliges
Sauerstoffherstellungsverfahren.
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Würden die Bedingungen hohen Drucks und hoher Temperatur gleichzeitig
in einem Röhrenreaktionsofen angwendet werden, könnten unter Druck stehende Synthesegase
unmittelbar durch Inreatktionbringen von unter Druck stehenden Naturgas oder anderen
strömenden Kohlenwasserstoffen mit Wasserdampf, Kohlendioxyd oder anderem sauerstoffhaltigem
Gas hergestellt werden. Kostspielige Sauerstoffgewinnungsanlagen könnten vermieden
werden. Da der strömende Kohlenwasserstoff in das Reaktionsrohr bei einem ausgewählten,
wesentlich über dem atmosphärischen liegenden Druck eingeführt werden könnte, könnte
die anschließende Komprimierung des erzeugten Gases erspart oder mindestens wesentlich
verringert werden. Ferner könnten alle mit der Ausführung von Reaktionen bei erhöhtem
Druck und erhöhten Temperaturen verbundenen Vorteile verwirklicht werden. Erheblich
vergrößerte Wirkungen würden sich ergeben, da unter den Bedingungen hohen Drucks
und hoher Temperatur die Reaktionsgeschwindigkeit unter Beibehaltung der gleichen
Heizfläche vergrößert wird.
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Gegenstand der Erfindung ist daher ein Röhrenreaktionsofen, in welchem
strömende Reaktionsteilnehmer, insbesondere strömende Kohlenwasserstoffe, unter
den Bedingungen hoher Temperatur und hohen Drucks mit vergrößerter Wirksamkeit und
Sicherheit katalytisch oder nichtkatalytisch behandelt werden können. Ein weiteres
Ziel der Erwindung ist ein solcher Röhrenreaktionsofen, in welchem mehr als ein
strömender Reaktionsteilnehmer gleichzeitig aber getrennt behandelt werden kann.
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Im allgemeinen stellt die Erfindung einen Röhrenreaktionsofen für
die Behandlung von unter Druck stehenden strömenden Reaktionsteilnehmern dar, welcher
aus der Vereinigung von einer Heizkammer von mindestens einem länglichen metallischien,
in der Heizkammer angeordneten Reaktionsrohr, von mindestens einem äußeren metallischen,
wenigstens um den wesentlichen Teil jedes Reaktionsrohres in dem Gebiet der größten
Beanspruchung innerhalb der Heizkammer angeordneten Rohr, wobei dieses äußere Rohr
strömungsdicht gegen das Reaktionsrohr und die Hei zkammer ausgebildet
ist,
von Einlaßmitteln zum T.iefern von unterDruck stehenden strömenden Reaktionsteilnehmern
zu jedem Reaktionsrohr und von Auslaßmitteln zum Entfernen der unter Druck stehenden
Reaktionsprodukte aus jedem Reaktionsrohr besteht. Ebenfalls eingeschlossen in die
Erfindung ist ein Verfahren für die Behandlung von strömenden Reaktionsteilnehmern
unter Bedingungen hoher Temperatur und hohen Drucks, welches darin besteht, strömende
Reaktionsteilnehmer durch eine Reaktionszone bei Ci nem im wesentlichen oberhalb
des atmosphärischen liegenden Drucks zu schickenm ein ini wesentlichen inertes Gas
in eine um die Reaktionszone in strömungsdichter Ausbildung angeordnete Einschließungszone
einzuführen und die Reaktionszone auf eine vorliestimmte Temperatur durch außerhalb,
der Einschließungszone strömungsdicht angeordnete Heizmittel zu erhitzen. Vorzugs-
-weise wird das im wesentlichen inerte Gas auf einem Druck erheblich über dem atmosphärischen,
aber unter dem Druck der strömenden Reaktionsteilnehmer iii der Reaktionszone gehalten.
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I)er Ofen iiaeh der lirfintlunh kann ein einziges Reaktionsrohr innerhalb
jedes äußeren Rohres oder eine Vielzahl von konzentrisch oder voneinander und der
Wand des äußeren Rohres getrennt angeordneten Reaktionsrohren enthalten. Vorzugsweise
gehen beide die äußeren Rohre und die inneren Reaktionsrohre, vollständig durch
die Heizkammer. Jedoch liegt es auch im Bereich der Erfindung, daß l>eide, sowohl
das äußere Rohr wie das innere Reaktionsrohr lizw. -rohre, vollständig ininnerhalb
der @ Heizkammer enthalten sind. Weiter wird vorgezogen, daß das äußere Rohr und
das Reaktionsrohr bzw. -rohre von gleicher Ausdehnung innerhalb der Heizkammer sind,
gleichgültig ol< eines oder heide sieh durch ein oder beide Enden der Heizkammer
erstrecken. Jedoch ist es ebenfalls im Bereich der Erfindung, daß das äußere Rohr
nur um einen ausgewählten Teil des Reaktionsrohres bzw. -rohre in dem Gebiet der
größten Beanspruchung innerhalb der Heizkammer angeordnet sein sollte. wo ein Rohrbruch
am wahrscheinlichsten unter den Bedingungen hoher Temperatur und hohen Drucks auftreten
kann. Manche Metalle werden z. B. durch langsame Bildung der Sigmaphase geschwächt.
Es wurde gefunden, daß Sigmabildung in den Reaktionsrohren von Röhrenöfen nicht
nur auf <-las Gebiet beschränkt ist, wo die Rohre den zur Sigmabildung führenden
Temperaturen unterworfen sind. Im Gegenteil wurde die Sigmaphase auch in anderen
Teilen der Reaktions-Rohre angetroffen, welche normalerweise auf erhebich niedrigeren
Temperaturen gehalten werden, möglicherweise weil diese Rohrteile zeitweilig. aber
wiederholt abnormen Temperaturen infolge Unregelmäßigkeiten im getrieb ausgesetzt
waren. Infolgedessen kann es gemäß der Erfindung erwünscht sein, nur diese Teile
der Reaktionsrohre zu schützen. welche am häufigsten solchen Unregelmäßigkeiten
unterworfen werden. Daher wird es mit Bezugnahme auf die Ausführungsformen der Erfindung
verständlich sein, daß ein einem Bruch zugängliches Reaktionsrohr oder ein Teil
davon von einem äußeren Rohr umgeben ist, welches strömungsdicht gegen die Heizkammer
ausgebildet ist.
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Ein oder beide Enden des äußeren Rohres können in Verbindung mit
der Atmosphäre außerhalb jedes Ob ems sein. Gleichfalls können ein oder beide Enden
des äußeren Rohres außerhalb des Ofens zu Bruch gehende Äl ittel, wie Ausblasstöpsel
oder verhältnismäßig schwache Teile, enthalten, welche reißen oder herabgedrückt
werden und übermäßigen innereii Druck infolge Bruches eines Reaktionsrohres in die
Atmosphäre entweder an der gesicherten Stelle oder durch eine Ausblasleitung austreten
lassen.
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Gemäß einer bevorzugten Form der Erfindung steht das Innere des Außenrohres
in Verbindung mit einem ersten Ventil, um das Fließen der strömenden Reaktionsteilnehmer
in die Reaktionsrohre selektiv zu unterbrechen oder in anderer \Veise zu steuern,
und es steht in Verbindung mit einem zeiten Ventil, um den Rückfluß der unter Druck
stehenden Reaktionsgase in das gebrochene Reaktionsrohr zu verhindern oder in anderer
Weise zu steuern. Wenn daher ein Rdhrbruch auftritt, kann das gehrochene Rohr automatisch
und vollständig, einzeln oder in Verbindung mit anderen Rohren, von dem übrigen
Teil der Anlage isoliert werden. Statt dessen kann eine geeignete Ventileinrichtung
gebraucht werden, um entweichende Gase in die Atmosphäre ausströmen zu lassen, oder
nur das Fließen der strömenden Kohlenwasserstoffe zum Reaktionsrohr zu steuern,
während das weitere Fließen des Wasserdampfes oder eines anderen verwendeten inerten
Gases erlaubt wird. Auf diesem Wege kann die dämpfende Wirkung des inerten Gases
wirksam als ein zusätzliches Sicherungsmittel henutzt werden.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das äußere
Rohr mit Mitteln für die Einführung eines Gases in das äußere Rohr verbunden, welches
nicht brennbar ist und Verbrennung in Mischung mit den Reaktionsteilnehmern nicht
unterstützt. Es sind auch Mittel vorgesehen, urn das Gas innerhalb des Rohres auf
einem gewünschten Druck zu halten. Die Anwesenheit eines solchen Gases innerhalb
des äußeren Rohres ist sehr vorteilhaft, da, wenn das Gas im wesentlichen inert
ist, es die aus einem gebrochenen Reaktionsrohr ausströmenden Reaktionsteilnehmer
unschädlich macht, welche oft verbrennlich oder explosiv sind. Zusätzlich kann,
wenn das Gas im äußeren Rohr auf einem zwischen dem atmosphärischen und dem Druck
im Reaktionsrohr liegenden Druck gehalten wird, viel von der Belastung von dem Reaktionsrohr
entfernt werden. Die Anwesenheit eines im wesentlichen inerten Gases in dem äußeren
Rohr verhindert auch oder mindestens verringert in großem Umfang Carbonierung, Sulfidierung
oder Sulfatierung der Außenwand der Reaktionsrohre oder die Bildung von Nitriden
und Oxydationszunder auf den äußeren Wänden der Rohre Alle diese Faktoren verringern
bekanntlich den Bruchbeanspruchungswert dünnwandiger
Reaktionsrohre
erheblich und ihre Beseitigung oder Verminderung verlängert die Lebensdauer der
Reaktionsrohre beträchtlich. Dies trifft insbesondere unter Bedingungen hohen Drucks
und hoher Temperatur zu, wo der begrenzte Arbeitsbereich unter solchen Bedingungen
soweit wie möglich die Vermeidung jeder Bedingung erfordert, welche die Gleichmäßigkeit
der Reaktion stören könnte. Beispiele von in dem äußeren Rohr verwendbaren Gase
sind Wasserdampf, Kohlendioxyd, Abgas mit niedrigem Sauerstoffgehalt, Stickstoff
und Argon.
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Die inneren und äußeren Rohre können in ihren Lagen zueinander außerhalb
der Heizzone durch Befestigen ihrer Enden an geeignete Tragglieder gestützt und
gehalten werden. Das Reaktionsrohr kann auch durch zwischen den inneren und äußeren
Rohren angeordnete und damit in Verbindung stehende Rippen getragen werden. In gleicher
Weise können die Reaktionsrohre selbst mit inneren Verstärkungsteilen gebaut werden,
welche der Länge nach in ihnen angeordnet und an den Innenseiten der Rohre befestigt
sind.
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Während Wärme ,dem Innern des Ofens durch ein beliebiges geeignetes
und bekanntes Mittel zugeführt werden kann, wird die Verwendung von räumlich getrennten
Gasbrennern gemäß US Reissue 21 521 bevorzugt, da diese besondere Art Erhitzungsmittel
eine Heizkammer oder -zone vorsieht, in welcher eine zwangsläufige Kontrolle ausgeführt
werden kann.
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Nach der allgemeinen Beschreibung der Erfindung wird noch eine mehr
ins einzelne gehende Beschreibung verschiedener besonderer Ausführungsformen zur
Erläuterung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen gegeben, worin gleiche Bezugszeichen
sich stets auf die gleichen Teile beziehen. Es stellt dar Fig. 1 bevorzugte Ausführungsform
eines Röhrenspaltofens gemäß der Erfindung, teils im Schnitt, teils im seitlichen
Aufriß, Fig. 2, 3, 4 und 5 schematische Ansichten zusätzlicher Ausführungsformen
von Rohren, welche gemäß der Erfindung gebraucht werden können, Fig. 6, 7 und 8
Schnittendansichten von weiteren Ausführungsformen von gemäß der Erfindung verwendl>aren
Rohren.
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Nach Fig. I einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein
Ofen 10 aus feuerbeständigen Schamotteziegeln gebaut. Der Länge nach durch die Heizkammer
des Ofens 10 gehen äußere Metallrohre 1 1, welche an einer Vielzahl federnder Tragmittel
von der Art des Tragmittels 12 aufgehängt sind. Diese Tragmittel sind mit an der
äußeren Ol>erfläche der Rohre I.I angebrachten Flanschen I3 verbunden. Strömungsdichte
Verbindungen sind durch die obere Ofenwand durch Abdichtungsringe 14 und Asbestdichtungsringe
I5 vorgesehen. Konzentrisch innerhalb jedes Außenrohres I,I ist ein Reaktionsrohr
i6 aus einer Stahllegierung angeordnet. Das Reaktionsrohr I6 wird mittels einer
Verschweißung I7 getragen, welche die Rohre I I und I6 in strömungsdichter Beziehung
c)lerhalb des Ofengewölbes I8 verbindet. Das obere Ende jedes Reaktionsrohres I6
ist mittels einer Dichtungsscheibe 19 verschlossen. Die unteren Enden der äußeren
Rohre 1 1 und Reaktionsrohre 16 sind mittels einer genuteten Platte 20 und Bolzen
abgedichtet und in Lage gehalten. Der zwischen dem äußeren Rohr 1 1 und dem inneren
Reaktionsrohr 16 gehildete Ringraum 22 steht mit einem Ausströmrohr 23 durch eine
biegsame Metallleitung 24 in Verbindung. Ausströmrohr 213 wird durch ein Stützteil
25 getragen und ist in Verbindung mit beiden Reihen der äußeren Rohre 11.
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Im oberen Ende des Ausströmrohres 23 findet sich ein einstellbares
Druckentlastungsventil 26. Eine Leitung 27 verbindet das Ausströmrohr 23 mit einer
Steuereinrichtung 28, deren Wirkung noch später beschrieben wird.
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Einlaßleitungen 29 führen die strömenden Reaktionsteilnehmer in die
oberen Teile derReaktionsrohre I6. Ein druckbetätigtes Absperrventil 30 ist in jeder
Einlaß leitung 29 angeordnet und in Verbindung mit der Steuereinrichtung 28 durch
Leitung 31. Die unteren Enden der Reaktionsrohre I6, welche unten aus dem Ofenherd
32 herausragen, stehen in Verbindung mit Verteilern 33 durchLeitungen 34. In je-der
der Leitungen 34 ist ein druckbetätigtes Absperrventil 35, welches auch in Verbindung
mit der Steuereinrichtung 28 durch Leitungen 36 und 31 steht. Das untere Ende jedes
der Außenrohre 1 1 ist mit einer Ausdehnungsverbindung 37 ausgerüstet. Die Enden
der Außenrohre 1 1 und Reaktionsrohre I6, welche sich unterhalb des Ofenherdes 32
erstrecken, sind in Isoliermäntel 38 eingehüllt. Leitungen 39 führen zu dem Ringraum
22 zwischen den Außenrohren 11 und Reaktionsrohren 16 und werden für die Einführung
eines nicht brennbaren und die Verbrennung nicht unterstiitzenden Gases in den Ringraum
benutzt. Die Leitungen 39 können auch benutzt werden, um den Ringraum 22 gewünschtenfalls
zu reinigen.
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Ventil 30 kann eingerichtet sein, um nur einen strömenden brennl>aren
Reaktionsteilnehmer zu steuern, während es das weitere Fließen eines inerten oder
dämpfendell Fluidums, z. 13. Wasserdampf, erlaubt. In gleicher jjise kann Ventil
35 zur vollständigen Al)sl>erruiig dienen, oder es kanii eingerichtet sein, um
das schadhafte Rohr vom al<-wärts strömenden Druckgas a-izuschiieiden und die
Aufwärtsströmung besitzenden Teile der Druckanlage mit der Atmosphäre zu verbinden.
Ventile 30 und 35 können wie gezeigt oder an ausgewählten Stellen in der Druckablage
angeordnet sein, um, wie ol>en beschrieben, zu wirken. Steuereinrichtung 28 kann
eine elektrische oder mechanische Einrichtung sein, von welchen zahlreiche Arten
zur Verfügung stehen. Zusätzlich zu den oben beschriebenen Funktionen kann sie verwendet
werden, um den Haupteinsatz und die Hauptleistung der ganzen Einheit zu steuern,
um Ausströmleitungen zu öffnen und druckerzeugende Einrichtungen wie Pumpen oder
Kompressoren zu steuern.
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Beim Betrieh wird der Ofen 10 zuerst durch geeignete, nicht gezeigte
Mittel erhitzt und die Reaktionsrohre I'6 werden auf die gewünschte Tempe-
ratur
gehracllt. Der Ofen erhitzt die äußerenWände der Auí.3ellrollre 1 1 welche ihrerseits
die Reaktionsrohre I6 durch Strahlung erhitzen. Der Ringraum 22 wird mit Dampf oder
einem anderen, nicht brennbaren oder die Verbunnung auch in Mischung mit den Reaktionsteilnehmern
nicht unterstützenden Gas gefüllt. Unter Druck stehende strömende Reaktionsteilnehmer,
z.n. ein strömender IKohlenwasserstoff und Wasserdampf, werden nun durch Einlaßlei
tungen 29 den Reaktionsrohren zugeführt und die erzeugten Reaktionsgase durch Auslaßleitungen
34 zu den Verteiiern 33 abgezogen.Wenn ein Bruch in den Reaktionsrohren I6 auftritt,
vergrößert sich plötzlich der Druck im Ringraum 22 zwischen Reaktionsrohr I16 und
Aüßenrohr 1 1.
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Diese Druckerhöhung wird auf Ausströmrohr 23 durch die biegsame Metalleitung
24 übertragen.
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Die auf einen bestimmten Druck eingestellte Steuereinrichtung 28 betätugt
in der Einlaßleitung 29 und Auslaßeintung 34 angeordnete Ventile 30 und 35, worauf
die Einlaßleitung 29 und die Auslaßleitung 34 mit oder ohne Abblasen geschlossen
werden, und das gebrochene Reaktionsrohr ist von dem übrigen Teil der Anlage isoliert.
Das einstellbare Ventil 26 ist eingestellt, um übermäßige Drücke al>zulilasen'
bevor das Außenrohr 1 1 beschädigt wird. Gewünschtenfalls kann das in den Ringraum
22 eingeführte Gas auf einem beliebigen geeigneten Druck gehalten werden, um einen
Teil der Belastung von dem unter Druck stehenden Reaktionsrohr I6 aufzunehmen.
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In Fig. 2 ist ein Reaktionsrohr 50 konzentrisch innerhalb eines längeren
Außenrohres 51 angeordnet. Sowohl Reactionsrohr 50 wie Außenrohr5I sind in einer
Heizkammer 52 durch Mittel gleich den bei Fig. 1 beschriebenen aufgehängt. Reaktionsrohr
50, Außenrohr 51 und Heizkammer 52 sind alle strömungsdicht gegeneinander abgeschlossen.
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Strömende Reaktionsteilnehmer werden oben in das Reaktionsrohr 50
durch Einlaßleitung 53 eingeführt und die Reaktionsprodukte werden unten vom Reaktionsrohr
50 durch Auslaßleitung 54 abgezogen. Leitungen 55 und 56 sind in Verbindung mit
dem Ringraum 57 zwischen dem Reaktionsrohr 50 und Außenrohr 51. Ein im wesentlichen
inertes Gas kann in den Ringraum 57 entweder durch Leitung 55 oder 56 eingeführt
und auf jedem gewünschten Druck gehalten werden. Ringraum 57 kann auch durch Durchschicken
eines inerten Gases in eine der Leitungen 55 und 56 hinein und aus der anderen heraus
gereinigt werden. Eine Ausströmleitung 58 mit einem Druckentlastungsventil 59 führt
von dem Ringraum 57 zur Atmosphäre. Statt dessen kann Ausströmleitung 58 in Verbindung
mit einer wie bei Fig. 1 beschriebene Steuereinrichtung stehen.
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Nach Fig. 3 geht ein Reaktionsrohr 60 völlig durch eine erhitzungskammer
61. Ein äußeres Rohr 62 ist konzentrisch um einen Teil des Reaktionsrohres 60 angeordnet
und erstreckt sich auch durch die obere Wand der Heizkammer 6I.
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Reaktionsrohr 60, Heizkammer 6I und Außenrohr 62 sind alle strömungsdicht
voneinander abgeschlossen. Strömende Reaktionsteilnehmer werden ollen in das Reaktionsrohr
60 durch Einlaßleitung 63 zugeführt und die Reaktionsprodukte unten vom Reaktionsrohr6o
durch Auslaßleitung 64 abgezogen. Leitungen 65 und 66 stehen in Verbindung mit dem
Ringraum 67 zwischen Reaktionsrohr tio und Außenrohr 62. Ein im wesentlichen inertes
Gas kann in den Ringraum 67 entweder durch Leitung 65 oder 66 eingeführt und auf
jedem gewünschten Druck gehalten werden. Ringraum 67 kann auch durch Durchschicken
eines inerten Gases in eine der Leitungen 65 oder 66 hinein und aus der anderen
heraus gereinigt werden.
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Eine Ausströmleitung 68 mit einem Druckentlastungsventil 69 führt
von dem Eingraum 67 zur Atmosphäre. Statt dessen kann die Ausströmleitung 68 auch
in Verbindung mit einer wie bei Fig. I beschriebenen Steuereinrichtung stehen.
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Nach Fig. 4 ist ein einzelnes Reaktionsrohr 70 konzentrisch innerhalb
eines kürzeren äußeren sie tallrohres 71 angeordnet. Die Rohre 70 und 7I gehen beide
vollständig durch eine Heizkammer 72. Das geschlossene Ende des Reaktionsrohres
70 erstreckt sich eine kurze Strecke über das Ende des Außenrohres 7I hinaus und
beide sind strömungsdicht miteinander verbunden. Der Ringraum 73 zwischen den Rohren
70 und 7I ist am oberen Ende des Außenrohres 7I durch eine zerbrechliche Scheibe
" 4 verschlossen, welche bei einem vorbestimmten Druck innerhalb des Ringraumes
73 zerbrochen wird. Unter der Heizkammer 72 ist ein ringförmiges gewelltes Glied
75 am unteren Ende des äußeren Rohres 71 und an der äußeren Oberfläche des Reaktionsrohres
70 in dichter Verbindung angebracht.
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I)er gewellte Teil 75 läßt gewisse Unterschiede in der Ausdehnung
zwischen dem Reaktionsrohr 70 und dem Außenrohr 71 zu. Leitungen 76 und 77 sinci
mit dem ringraum 73 zwischen Reaktionsrohr 70 und Außenrohr7I in Verbindung. Ein
im wesentlichen inertes Gas kann in den Ringraum 73 durch eine der Leitungen 76
und 77 eingeführt und auf einem gewünschten Druck gehalten werden. Der ringraum
73 kann auch durch Durchschicken eines inerten Gases in den Raum durch eine der
Leitungen 76 und /7 hinein und durch die andere heraus gereinigt werden.
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Unter I)ruck stehende strömende Reaktionsteilnehmer werden dem oberen
Ende des Reaktionsrohres 70 durch Einlaßleitung 78 zugeführt. Die strömenden Reaktionsteilnehmer
gehen durch Rohr 70 und reagieren in dem von der Heizkammer 72 umgebenen Bereich.
Die erzeugten Gase werden vom Boden des Reaktionsrohres durch eine Auslaßleitung
79 abgeführt. Wenn das Reaktionsrohr 70 bricht, strömen die Gase von dem Reaktionsrohr
70 in den Ringraum 73 zwischen Reaktionsrohr 70 und Außenrohr 71. Bei einem vorbestimmten
Druck reißt die Scheibe 74 und die Gase entweichen in die Atmosphäre oder durch
eine besonders vorgesehene nicht gezeigte Ableitung.
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In Fig. 5 ist eine Abänderung des in Fig. I gezeigten Rohres dargestellt.
Bei der Vorrichtung der Fig. 5 sind ein Reaktionsrohr 80, ein Reaktions-
rohr
81 und ein Außenrohr 8a konzentrisch angeordnet und gehen vollständig durch eine
Heizkammer 83. Die drei Rohre sind miteinander strömungsdicht oberhalb der Heizkammer
83 verbunden. Unter der Heizkammer 83 ist Außenrohr 82 mit dem äußeren Reaktionsrohr
81 strömungsdicht durch ein ringförmiges gewelltes Glied 84 und das äußere Reaktioiisrolir
81 seinerseits mit dem inneren Reaktionsrohr 80 strömungsdicht durch ein ringförmiges
gewelltes Glied 85 verbunden.
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Unter Druck stehende strömende Reaktionsteilnehmer werden in das
innere Reaktionsrohr 80 durch Speiseleitung 86 eingeführt. Ein Druckabsperrventil
87 ist in Speiseleitung 86 angeordnet. Die gleichen oder verschiedene unter Druck
stehende strömende Reaktionsteilnehmer werden in das äußereReaktionsrohr durch Speiseletung
88 eingeführt, in welcher ein Druckabsperrventil 89 angeordnet ist. Eine Ableitung
90 führt aus dem Ringraum 91 zwischen dem Außenrohr 82 und dem Reaktionsrohr 8I
zu einer Steuereinrichtung 92. Einrichtung 92 und Ventil 89 stehen durch Leitung
93 in Verbindung.
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Leitungen 94 und 95 stehen in Verbindung mit dem Ringraum 91 zwischen
dem äußeren Reaktionsrohr 81 und dem Außenrohr 82. Ein im wesentlichen inertes Gas
kann in den Ringram 91 entweder durch Leitung 94 oder 95 eingeführt werden. Ringraum
91 kann auch durch Durchschicken eines inerten Gases in den Ringraum durch eine
der Leitungen 94 und 95 hinein und durch die andere heraus gereinigt werden. Unter
der Heizkammer 83 führt eine Auslaßleitung g6 vom äußeren Reaktionsrohr 8I durch
Ventile 97 und 98. Eine Auslaßleitung 99 führt von dem unteren Ende des inneren
Reaktionsrohres 80 durch ein Ventil 100. Steuereinrichtung 92 steht in Verbindung
mit Einlaßventilen 87 und 89 durch Leitungen 101 und 93. Steuereinrichtung 92 steht
in Verbindung mit Auslaß-N entil 98 durch Leitung Io2 und mit Auslaßventil 100 durch
Leitungen 102 und 103. Ventil 97 in Leitung 96 steht auch in Verbindung mit Steuereinrichtung
92 durch Leitung 104.
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Wenn während des Betriebes der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung das
äußere Reaktionsrohr 8 platzt, entsteht innerer Druck in dem RingraumgI zwischen
Außenrohr 82 und äußerem Reaktionsrohr St. nei einem vorbestimmten Druck wird Steuereinrichtung
92 betätigt und unter Druck stehende Gas kann aus dem Ringraum 91 in Leitungen93,
IOI, 102 und 103 fließen, um die Einlaßventile 89 und 87 bzw. Auslaßventile 98 und
100 zu schließen. Wenn andererseits Reaktionsrohr 80 platzt, wird der Druck in Reaktionsrohr
81 entweder steigen oder fallen in Abhängigkeit von den relativen, in den Rohren
80 und 8I aufrechterhaltenen Drücken. Bei einem vorbestimmten Druck in rohr so betätigt
Ventil 97 in Auslaßleitung 96 die Steuereinrichtung 92, und unter Druck stehendes
Gas kann aus Rohr81 durch Leitung 104, Steuereinrichtung 92 und Leitungen 93, 101
102 und 103 strömen, um Einlaßventile 87 und 89 und Auslaßventile 98 und Ioo, wie
oben beschrieben, zu schließen. Infolgedessen verhindert, welches auch immer der
Reaktionsrohre platzt, die konzentrische Anordnung der Reaktionsrohre, daß brennbare
und bzw. oder explosive Gase in das Ofeninnere austreten. Wie bei den anderen Rohreinheiten
erläutern, kann ein im wesentlichen inertes Gas, wie Stickstoff, Kohlendioxyd oder
Wasserdampf, in den Ringraum 91 eingeführt und auf einem beliebigen gewünschten
Druck gehalten werden.
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In Fig. 6 ist eine Abänderung der Rohreinheit gemäß der Erfindung
gezeigt, wobei drei Reaktionsrohre IIO der Länge nach in einem Außenrohr 11 1 getrennt
voneinander und von der Innenwand des Außenrohres angeordnet sind. @ Die Reaktionsrohre
110 werden durch Strahlung von dem Außenrohr 111 erhitzt, welches seinerseits durch
einen Ofen, wie bei Fig. I beschrieben. erhitzt wird.
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Nach Fig. 7 ist ein einzelnes Reaktionsrohr 120 innerhalb eines Außenrohres
121 konzentrisch angeordnet. Zusätzlich zu beleibigen, an jedem Ende des Rohres
verwendeten Stützmitteln sind Rippen 122 der Länge nach zwischen der äußeren Oberfläche
des Rohres I20 lund der inneren Oberfläche des Rohres 121 angeordnet. Diese Rippen
verringern Verzerrung des Reaktionsrollres 120 bei der Benutzung und dienen daher
zur Verringerung der in der Zusammenstellung vorhandenen Spannungen.
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Die Rippen 122 können unal>hängige. an der Außenseite des Rohres
120 oder der Innenseite des Außenrohres I2I oder an beiden befestigte Teile sein.-Statt
dessen kann Rohr I!20 oder Rohr 121 auch mit senkrechten Rippen als ein zusammenhängender
Teil gegossen oder die ganze Struktur von Rohr 120, Rohr 121 und Rippen 122 kann
als ein Stück gegossen werden.
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In Fig. 8 ist ein Reaktionsrohr 130 konzentrisch innerhalb eines
Außenrohres 131 angeordnet. Rippen 132 sind zwischen den Rohren 130 und 131 angebracht.
Das Reaktionsrohr 130 ist durch ein kreuzartiges Glied 133 in Abteilungen unterteilt,
wobei jedes Ende des Kreuzes an der inneren Wand des Rohres 130 befestigt ist. Das
innere Rohr kann durch Gießen als ein einziges Stück oder gewünschtenfalls in beliebiger
Weise aus getrennten Segmenten hergestellt sein, Glied 133 dient zur Verstärkung
des Reaktionsrohres 130 und zur Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche. Es können
Teile verwendet werden, welche das Reaktionsrohr in eine beliebige Anzahl von Abteilungen
aufteilen, soweit wie kein schädlicher Widerstand für die Gasströmung sich daraus
ergibt. Wie bei dem in Fig. 7 gezeigten Rohr kann der in Fig. 8 gezeigte Aufbau
als eine zusammenhängende Einheit gegossen sein.
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Es ist daher ersichtlich, daß ein Röhrenofen nach der Erfindung die
Behandlung von strömenden Reaktionsteilnehmern, z. B. Kohlenwasserstoffen, bei hoher
Temperatur und hohem Druck mit vergrößerter Sicherheit möglich macht. Indessen sollte
die Anordnung von einem oder mehreren Reaktionsrohren innerhalb eines Außenrohres
gemäß der Erfindung nicht als vorteilhaft nur im Hinblick als eine Sicherheitsmaßnahme
hetrachtet werden. Bei dem Röhrenreaktionsofen gemäß der Erfindung
wird
die Lebensdauer der Reaktionsrohre beträchtlieb verlängert, da das Erhitzen der
Reaktionsrohre durch Stranlung von den äußeren Rohren wesentlich gleichmäßiger als
bei den bekannten Vorrichtungen ist, bei welchen die Reaktionsrohre unmittelbar
erhitzt werden. Selbst wenn die dem Außenrohr zugeführte Wärme etwas unregelmäßig
ist, dient dieses Itohr als Ausgleich Bei der Wärmeübertragung und die von außen
auf das Außenrohr einwirkenden Unregelmäßigkeiten werden werteilt, um einen glatteii
Fluß strahlender Wärme auf die Reaktionsrohre hervozurufen. Wenn bei hohem Druck
und hoher Temperatur gearbeitet wird, ist eine gleichmäßige Rohrtemperatur sehr
erwünscht, da der Sicherheitsbereich zwischen Bruchbeanspruchungswerte bei einer
gegbenen etriebstemperatur oft kleiii ist. Ferner wirkt das Außenrohr als Puffer
und schützt die j )ruckreaktionsrohre vor Beschädigung welche sich gemöhnlich aus
Unregelmäßigkeiten des Ilezeuns und der Flammenbeaufschlagung ergeben, welche wesentlich
zum Hervorrufen voll Rohrbrüchen bei in üblicher Weise verwendeten Röhrenöfer beitragen.
Zusätzlich schützt das Außenrohr die Xaclil<arrobre vor dem Auftreft ii der Flüssigkeisstrahlen
und der Flammenbeaufschlagung. welche sich bisher aus dem Bruch eines benachbarten
Rohres ergeben haben und welche schnell zum Bruch benachbarter Rohe unter den Bedingungen
hoher Temperatur und hohen Druck führen Wenn die Verbrennungsgase Schwefel enthalten,
schützt da äußere Rohr die Reaktionsrohre vor Schwefelkorrosion. Wenn, wie es vorgezogen
wird, das Außenrohr ein inertes Gas enthält, wird die Bildung von oxydischem Zunder
auf dem Reaktionsrohr beseitigt oder wenigstens auf ein Mindestmaß verringert.
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Ein zusätzlicher Vorteil, abgesehen von der Vorrichtung selbsz und
der Vermeidung von Explosionsgefahr, liegt in dem Umstand, daß Behelligung und Gefahr
für das Bedeinungspersonal durch Verschlechterung der Armosphäre durch Gase mit
niedrigem Sauerstoffgehalt oder Kohlenmonoxyd enthaltende Gase beseitigt werden
kann.
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Die gemäß der Erfindung verwendeten Rohre köniieii aus dem ausgesuchten,
gegenwärtig verwendeten Material hergestellt werden, mit welchem die längste Verwendbarkeit
im Betrieb gemäß der gegenwärtigen Kenntnis de Technik erhalten werden kann. Die
reaktionsrohre der Röhrenöfen sind im Allgemeinen aus einem austenitischen Stahl
gemacht worden. Metalltype 310 wird in großem Umfang benutzt und einige gegossene
Stahlrohre sind verwendet worden. Mit etwa 1% Columbium stabilisiertes Metall 3lo
ist ein bevorzugtes Metall für die Herstellung der Rohre gemäß der Erfindung.
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Der Zusatz voll etwa 3 bis 6% Wolfram gibt vergrößerte Stärke.
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Während die meisten Röhrenöfen senkrecht angeordnete Reaktionsrohre
verwenden und die Erfindung im besonderen an Ausführungsformen erläutert wurde,
in welchen die eaktionsrohre und Außenrohre senkrecht angeordnet sind, ist die Erfindund
keineswegs auf senkrecht angeordnete Rohre beschränkt. Tatsächlich können, wie für
den Fachmann offenl)ar ist, die Reaktionsrohre in der Heizkammer acch waagerecht
oder diagonal angeordnet und in Reihen, U-Bogen oder Schlangen vorhanden sein.
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Die gezeigten ringförmigen gewellten Teile und Ausdehungsverbindungen
werden vorzugsweise aus einem gegen Verzunderung widerstandsfähigen Metall in einer
solchen Weise hergestellt, daß der Aufbau geiiügende Elastizität besitzt, um Ausdehnungsunterschiede
zwischen den Rohren auszugleichen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung
ringförmiger gewellter Metallteile beschränkt. Obwohl solche gewellten Ausdehungsverbindungen
vorgezogen werden, können auch andere bekannte Verfahren des Ausgleichs für Ausdehnungsunterschiede
verwendet werden.
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Es liegt auch im Bereich der Erfindung, daß strömende Reaktionsteilnehmer
den Reaktionsrohren mittels geeigneter Verteiler an Stelle von einzelnen Speiseleitungen.
wie bei den Abbildungen gezeigt, zugeführt werden können.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung kann entweder für katalytische
oder nichtkatalytische Reaktionen verwendet werden, oder, wenn eine Vielzahl von
Reaktionsrohren, wie in Fig. 5 und 6 gezeigt, verwendet wird, können katalytische
und nichtkatalytische Reaktionen tatsächlich gleichzeitig in den verschiedenen Rohren
der gleichen Vorrichtung ausgeführt werden. Wenn ein Ofen nach der lirfindullg für
eine katalytische Reaktion gebraucht wird, kann der Katalysator in den Reaktionsrohren
in jeder geeigneten bekannten Weise angebracht sein. Während Öfen nach der Erfindung
in erster Linie für die Behandlung von strömenden Kohlenwasserstoffen und insbesondere
für die Gewinnung von Wasserstoff Synthesegas und Olefine enthaltendes Gas durch
katalytische und nichtkatalytische behandlung von strömenden Kohlenwasserstoffen
verwendbar sind, besitzt die Erfindund allgemeine Brauchbarkeit für die Behandlung
von strömenden Reaktionsteilnehmern.
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Beispielsweise kann der Ofen nach der Erfindung mit Vorteil für Reaktionen
wie Herstellung von Essgsäureanhydrid aus Essigsäure, von Keten durch Spalten von
Aceton und verschiedene Fischer-Tropsch-Synthesereaktionen benutzt werden.
