DE69522868T2

DE69522868T2 - Verfahren zum Herstellen von Äthylen

Info

Publication number: DE69522868T2
Application number: DE69522868T
Authority: DE
Inventors: Masao Furuta; Ken-Ichi Mae; Junichi Sugitani
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1994-07-11
Filing date: 1995-07-10
Publication date: 2002-04-11
Anticipated expiration: 2015-07-11
Also published as: DE69522868D1; CA2153527A1; CN1121996A; EP0692693A3; JPH0882494A; US5950718A; EP0692693B1; CN1093250C; CA2153527C; TW278127B; EP0692693A2; JP3001181B2; KR100288324B1; KR960003841A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Ethylen in einem thermischen Crack-Rohr.
Die US-A-4 809 415 offenbart ein Wärmetauscher-Rohr mit Rippen, die in einer Richtung angeordnet sind, die die Achse des Rohrs schneidet. Die Rippen sind auf der inneren Oberfläche der Wand des Rohrs in einer oder allen Regionen von einem Einlaßende des Rohrs bis zu dessen Auslaßende in Axialrichtung des Rohrs vorgesehen. Die Rippen weisen eine geeignete Teilung auf. Insbesondere bezieht sich die US-A-4 809 415 auf ein Verfahren zur Herstellung des in dem Dokument beschriebenen Wärmetauscher-Rohrs.
In thermischen Crackern zur Herstellung von Ethylen wird ein Kohlenwasserstoff-Material wie etwa Erdöl, Erdgas oder Ethan als Fluidmischung (mit einer Temperatur von etwa 700ºK) mit Dampf in ein Reaktionsrohr eingeführt und durch von außen zugeführte Wärme auf eine bestimmte Temperatur (von etwa 1090ºK) erhitzt, während es durch das Rohr mit einer hohen Geschwindigkeit hindurchgeführt wird (z. B., mit etwa 0,1 bis 0,8 Sekunden Strömungszeit durch das Reaktionsrohr, wenn das Rohr eine Länge von etwa 10 bis etwa 13 m aufweist), wodurch Olefine, wie etwa Ethylen, Propylen oder dergleichen durch thermisches Cracken erzeugt werden.
Für den Vorgang des thermischen Crackens ist es erforderlich, eine wirkungsvolle Wärmeübertragung auf das Fluid zu bewirken, das das Rohr mit einer hohen Geschwindigkeit passiert, und das Fluid schnell auf den Bereich der Reaktionstemperatur bis zu dessen mittlerem Bereich zu erhitzen. Gleichzeitig muß ein unnötiges Erhitzen auf eine hohe Temperatur über den Bereich der Crack- Temperatur hinaus soweit wie möglich verhindert werden. Der Grund dafür ist, daß dann, wenn das Kohlenwasserstoff-Material für einen langen Zeitraum in einem hohen Temperaturbereich über den Bereich der Crack-Temperatur hinaus gehalten wird, der Stoff übermäßig in leichtere Fraktionen (wie beispielsweise Methan oder freien Kohlenstoff umgewandelt wird, oder das gecrackte Produkt unterliegt einer Polykondensation oder vergleichbaren Reaktionen, so daß infolgedessen die Ausbeute des gewünschten Produktes stark reduziert wird, während die Ablagerung von freiem Kohlenstoff an der inneren Oberfläche des Rohrs ermöglicht wird, was zu dem Nachteil führt, daß ein häufigeres Entkoken erforderlich ist.
Um sicherzustellen, daß das Reaktionsrohr einen verbesserten Wärmeübertragungs-Wirkungsgrad aufweist und das Fluid innerhalb des Rohrs schnell aufgeheizt wird, ist es üblich, den Bohrungsdurchmesser des Rohrs zu vermindern (z.B. so, daß er nicht größer als 40 mm ist) und den Wärmeübertragungs-Oberflächenbereich im Verhältnis zum Inhaltsvolumen zu vergrößern. Ferner wurden Wärmetauscher-Rohre vorgeschlagen, die, wie in Fig. 12 gezeigt, mit einer gewellten inneren Wandoberfläche versehen sind, mit Rippen und Furchen, die sich schraubenförmig oder parallel zur Rohrachse erstrecken, somit einen geeigneten Querschnitt aufweisen und daher einen vergrößerten Wärmeübertragungs-Bereich aufweisen (ungeprüfte japanische Patentveröffentlichungen Nr. 173022/ 1983 und Nr. 127896/ 1989).
Obwohl eine Verminderung des Durchmessers des Reaktionsrohrs bewirkt, daß die Wärme auf das Fluid innerhalb des Rohrs wirkungsvoller übertragen wird, ist es dann erforderlich, daß eine vergrößerte Anzahl von Reaktionsrohren in dem Cracker angebracht wird, um die Verminderung des Rohrdurchmessers auszugleichen, falls die Vorrichtung eine unveränderte Herstellungskapazität für Ethylen aufweisen soll. Dies führt dazu, daß die Vorrichtung aufwendiger zu betreiben und zu warten ist, während die Verminderung des Rohrdurchmessers den Nachteil mit sich bringt, daß sich freier Kohlenstoff an der Rohrwand in kürzerer Zeit absetzen wird.
Das in Fig. 12 gezeigte Reaktionsrohr, bei dem die innere Wandoberfläche lediglich gewellt ist, zeigt eine Verbesserung beim Wärmeübertragungs-Wirkungsgrad, die im wesentlichen der Vergrößerung des inneren Oberflächenbereichs der Rohrwand entspricht, und es ist nicht zu erwarten, daß eine bemerkenswerte Verbesserung in einer anderen Funktion gegenüber herkömmlichen Rohren auftritt (die eine glatte innere Wandoberfläche aufweisen, die nicht gewellt ist).
In Anbetracht der vorstehend beschriebenen Probleme schafft die vorliegende Erfindung ein neuartiges Verfahren unter Verwendung eines Wärmetauscher- Rohrs zum Herstellen von Ethylen.
Das Rohr erreicht einen bemerkenswert verbesserten Wirkungsgrad bei der Übertragung von Wärme auf das durchströmende Fluid, ohne daß eine Verminderung des Innendurchmessers erforderlich ist, und es kann das Fluid auf eine gewünschte Temperatur bis zu seinem mittleren Bereich sehr schnell aufheizen, wobei das Rohr zur Verwendung in thermischen Crackern zum Herstellen von Ethylen ausgebildet ist, so daß es ermöglicht wird, deren Produktionskapazität in hohem Maße zu steigern und die Vorrichtung in ihrer Konstruktion kompakt zu halten, während sie einfach zu bedienen und zu warten ist. Zur Erreichung der Ziele der Erfindung ist das erfindungsgemäße Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Das thermische Crack-Rohr, das im Zusammenhang mit der Erfindung verwendet wird, ist mit Rippen versehen, die in einer Richtung angeordnet sind, die die Achse des Rohrs schneidet, und welche auf der inneren Oberfläche der Wand des Rohrs in einer oder einer Mehrzahl von Regionen oder allen Regionen vom Einlaßende zum Auslaßende in Axialrichtung des Rohrs vorgesehen sind, welche Rippen eine geeignete Teilung aufweisen.
Die Rippen sind als schraubenförmiger Vorsprung ausgebildet, der sich schraubenförmig über die innere Wandfläche der Rohrwand in Axialrichtung des Rohrs erstreckt, oder jede Rippe ist ein in Umfangsrichtung ringförmiger Vorsprung, der sich auf der inneren Wandfläche der Rohrwand um die Rohrachse herum erstreckt.
Die Region oder die Regionen, in denen die Rippen vom Einlaßende zum Auslaßende im Inneren des Rohrs vorgesehen sein sollen, der Schnittwinkel des Rippen mit der Rohrachse, die Rippen-Teilung, usw. werden in geeigneter. Weise entsprechend bestimmten Bedingungen wie etwa den Betriebsbedingungen des Wärmetauscher-Rohrs, dem erforderlichen Wärmeübertragungs-Wirkungsgrad, dem zulässigen Ausmaß von Druckverlusten usw. gewählt.
Die Rippen, die auf der inneren Oberfläche der Rohrwand in einer Richtung ausgebildet sind, die die Rohrachse schneidet (in rechten Winkeln oder schräg dazu), wirken als Verwirbelungselemente auf das Fluid innerhalb des Rohrs, wodurch bewirkt wird, daß Wärme durch die Rohrwand auf das Fluid innerhalb des Rohrs mit einem verbesserten Wirkungsgrad übertragen wird, durch die Wirkung der Turbulenz, die durch die Verwirbelung verursacht wird.
Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Wärmetauscher-Rohr, dessen Wärmeübertragungs-Wirkungsgrad durch eine Vergrößerung des Wärmeübertragungs- Bereichs der Rohrwand verbessert wird, beruht somit die vorliegende Erfindung lediglich auf der Bildung von Turbulenz durch die Verwirbelungswirkung der Rippen auf das Fluid innerhalb des Rohrs, so daß ein starker Fluid-Mischeffekt erzeugt wird und dadurch eine gleichförmige Temperaturverteilung des Fluids in radialer Richtung von der Rohrwand zur Rohrachse über den gesamten Querschnitt hinweg erzeugt wird und ein schnelles Erhitzen auf die erforderliche Temperatur erfolgt.
Obwohl ein schnelles Erhitzen des Fluids innerhalb des Rohrs gewährleistet wird, verursachen die Rippen, die auf der inneren Oberfläche der Rohrwand angebracht sind, ein Anwachsen des Druckverlustes des Fluids, wohingegen ein hoher Wärmeübertragungs-Wirkungsgrad durch die Mischwirkung erreicht werden kann, während der Druckverlust innerhalb von Grenzen gehalten werden kann, die den Betrieb nicht beeinträchtigen, indem die Rippen entsprechend dem Innendurchmesser des Rohrs gestaltet werden, beispielsweise durch geeignete Wahl des Schnittwinkels der Rippen mit der Rohrachse und der Rippen- Teilung.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein axialer Schnitt durch ein Rohr mit Rippen, die als schraubenförmiger Vorsprung ausgebildet sind;
Fig. 2 ist ein axialer Schnitt durch ein Rohr, dessen Rippen jeweils die Form ringförmiger Vorsprünge aufweisen;
Fig. 3 ist eine Abwicklung der inneren Oberfläche der Wand des Rohrs mit dem schraubenförmigen Vorsprung;
Fig. 4 ist eine Abwicklung der inneren Oberfläche der Wand des Rohrs mit den ringförmigen Vorsprüngen;
Fig. 5 ist ein schematischer axialer Schnitt, der ein Beispiel für eine Verteilung von Rippen auf der inneren Oberfläche einer Rohrwand zeigt;
Fig. 6 ist ein schematischer axialer Schnitt, der ein weiteres Beispiel einer Verteilung von Rippen auf der inneren Oberfläche einer Rohrwand zeigt;
Fig. 7 ist ein Diagramm, das eine Temperaturverteilung eines Fluids innerhalb eines Wärmetauscher-Rohrs mit Rippen zeigt;
Fig. 8 ist ein Diagramm, das eine Temperaturverteilung des Fluids innerhalb eines Wärmetauscher-Rohrs ohne Rippen zeigt;
Fig. 9 ist ein Diagramm, das eine Temperaturverteilung des Fluids innerhalb eines Wärmetauscher-Rohrs ohne Rippen zeigt;
Fig. 10 ist ein Schaubild, das die Fluid-Temperaturen in den axialen Bereichen der in den Fig. 7 und 9 gezeigten Rohre zeigt;
Fig. 11 in ein Schaubild, das die Fluid-Drücke innerhalb dieser Rohre zeigt; und
Fig. 12 ist ein Querschnitt, der ein herkömmliches Wärmetauscher-Rohr zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 und 2 zeigen Beispiele für die Anordnung von Rippen auf der inneren Oberfläche einer Rohrwand. In Fig. 1 ist mit 10 ein Rohr bezeichnet, mit 10a die Achse des Rohrs, und mit 10s die innere Oberfläche der Wand des Rohrs. Rippen 20 sind als schraubenförmiger Vorsprung ausgebildet, der sich schraubenförmig über die innere Wandfläche in Axialrichtung des Rohrs erstreckt. Fig. 2 zeigt die Rippen 20 jeweils in der Form ringförmiger Vorsprünge, die sich in Umfangsrichtung auf der inneren Wandfläche der Rohrwand um die Rohrachse 10a herum erstrecken.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel, bei welchem die Rippen durchgehend in Form eines einzigen schraubenförmigen Vorsprungs gestaltet sind, wohingegen solche Rippen durch eine Mehrzahl schraubenförmiger Vorsprünge gebildet werden können.
Fig. 3 ist eine Abwicklung des Rohrs, bei welchem die Rippen 20 durch den schraubenförmigen Vorsprung gebildet werden, zur Darstellung des schraubenförmigen Musters auf der Innenfläche der Rohrwand. Mit θ ist der Schnittwinkel der Rippe 20 mit der Rohrachse 10a bezeichnet, p ist die Teilung der Rippen 20, und S ist der Umfang (= πD, wobei D der Innendurchmesser des Rohrs ist). Die Teilung p der Rippen 20, die durch einen einzigen schraubenförmigen Vorsprung gebildet werden, ist gleich der Strecke des axialen Fortschreitens eines Punkts des schraubenförmigen Vorsprungs während einer vollständigen Windung um die Rohrachse, d.h., der Ganghöhe L (= πD/tanθ). Die Teilung p der schraubenförmigen Rippen 20, die durch eine Mehrzahl schraubenförmiger Vorsprünge gebildet werden, kann wahlweise festgelegt werden als der Abstand (axialer Abstand) zwischen den benachbarten schraubenförmigen Vorsprüngen.
Fig. 4 ist eine Abwicklung der inneren Oberfläche der Wand des Rohrs mit den Rippen, die ringförmige Vorsprünge sind. Der Schnittwinkel θ der Rippe ist 90 Grad, und die Teilung p ist ein wählbarer Wert, der als axialer Zwischenraum zwischen den benachbarten Rippen 20 gewählt wird.
Die Rippen auf der inneren Wandfläche des Rohrs sind in einer Region entlang der axialen Länge des Rohrs von dessen Einlaßende 10&sub1; bis zum Auslaßende 10&sub2; vorgesehen, oder in einer Mehrzahl von Regionen, die in Axialrichtung des Rohrs angeordnet sind, wie in Fig. 5 gezeigt ist. (Die Zeichnung zeigt ein Beispiel, in dem die Rippen in drei Regionen A&sub1;, A&sub2; und A&sub3; vorgesehen sind, die vom Einlaßende 10&sub1; des Rohrs bis zum Auslaßende 102 angeordnet sind.) Wahlweise sind die Rippen in der gesamten Region A des Rohrs vom Einlaßende 10&sub1; bis zum Auslaßende 10&sub2; vorgesehen.
Die Rippen innerhalb eines Rohrs werden durch einen schraubenförmigen Vorsprung oder solche mit ringförmigen Vorsprüngen gebildet, oder durch eine Kombination dieser beiden Arten. Beispielsweise sind Rippen als ringförmige Vorsprünge in der Region A&sub1; vorgesehen, und Rippen als schraubenförmige Vorsprünge in den Regionen A&sub2; und A&sub3;, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Somit sind schraubenförmige Vorsprünge und ringförmige Vorsprünge nach Bedarf wahlweise zu kombinieren.
Die Rippen 20 auf der inneren Wandfläche des Rohrs dienen als Elemente zum Mischen des Fluids innerhalb des Rohrs, so daß Wärme auf das Fluid mit einem verbesserten Wirkungsgrad übertragen werden kann, und gleichzeitig werden sie ein Faktor zur Vergrößerung des Druckverlustes des Fluids, wohingegen ein Effekt des schnellen Aufheizens aufgrund des verbesserten Wärmeübertragungs-Wirkungsgrads gewährleistet werden kann, während das Anvrachsen des Druckverlustes durch geeignete Wahl beispielsweise der Teilung p und des Schnittwinkels der Rippen entsprechend dem Innendurchmesser des Rohrs unterdrückt werden kann.
Das Verändern der Rippen-Teilung p von Region zu Region innerhalb des Rohrs ist ein wirkungsvolles Verfahren, um das Gleichgewicht zwischen der Verbesserung des Wärmeübertragungs-Wirkungsgrads und der Unterdrückung des Druckverlustes zu gewährleisten. Beispielsweise ist in dem Fall, in welchem Rippen in bestimmten Regionen vorgesehen sind, die in Axialrichtung des Rohrs angeordnet sind, wie in Fig. 5 gezeigt ist, die Rippen-Teilung in einer ausgewählten Region anders gestaltet als die Rippen-Teilung in der benachbarten Region, und die unterschiedlichen Teilungen p wiederholen sich in Axialrichtung des Rohrs. In dem Fall, in welchem Rippen fast in der gesamten Region des Rohrs vorgesehen sind, wie in Fig. 6 gezeigt ist, kann die gesamte Region in eine Mehrzahl aufeinander folgender Unterregionen aufgeteilt werden, wobei jeweils zwei benachbarte Unterregionen bezüglich der Rippen-Teilung p unterschiedlich gestaltet sind, so daß die unterschiedlichen Teilungen p in Axialrichtung des Rohrs wiederholt werden.
Bei dem Rohr, das in einigen Regionen oder in seiner gesamten Region mit Rippen versehen ist, ist die Rippen-Teilung p&sub1; eines stromaufwärts gelegenen Bereichs des Rohrs vom Einlaßende bis zu dessen mittlerem Bereich relativ klein gehalten, und die Rippen-Teilung p&sub2; an einem stromabwärts gelegenen Bereich des Rohrs ist relativ groß (p&sub1; < p&sub2;). Dies gewährleistet ein schnelles Aufheizen des stromaufwärts gelegenen Bereichs aufgrund einer starken Mischwirkung, während ein Anwachsen des Druckverlustes in dem stromabwärts gelegenen Bereich unterdrückt wird, der sich zum Auslaßende hin erstreckt. Wenn es erwünscht ist, das Fluid in dem stromabwärts gelegenen Bereich des Rohrs durch heftiges Vermischen schnell aufzuheizen, wird das Verhältnis zwischen dem stromaufwärts gelegenen Bereich und dem stromabwärts gelegenen Bereich bezüglich der Rippen-Teilung umgekehrt (p&sub1; > p&sub2;).
Die Höhe h der Rippen (siehe Fig. 1 und 2) wird geeignet gewählt, beispielsweise entsprechend dem Innendurchmesser D des Rohrs. Der Wärmeübertragungs- Wirkungsgrad kann durch Vermischen verbessert werden, während das Anwachsen des Druckverlustes unterdrückt wird, indem die Rippen, die an verschiedenen Stellen innerhalb des Rohrs beispielsweise in benachbarten Regionen vorgesehen sind, mit einer unterschiedlichen Höhe h gestaltet sind, oder indem die Rippen in dem stromaufwärts gelegenen Bereich (oder dem stromabwärts gelegenen Bereich) des Rohrs mit einer relativ großen Höhe h ausgebildet sind und die Rippen in dem stromabwärts gelegenen Bereich (oder dem stromaufwärts gelegenen Bereich) mit einer kleinen Höhe gestaltet sind.
Um ein gasförmiges Fluid, das durch das Ethylen-erzeugende Reaktionsrohr mit einer hohen Geschwindigkeit durchgeführt wird, schnell aufzuheizen, ist es erwünscht, Rippen in zumindest drei Regionen entlang der Achse des Rohrs oder über die gesamte Länge des Rohrs vorzusehen. Wenn das Reaktionsrohr einen Innendurchmesser D von bis zu etwa 150 mm aufweist, hat das Rohr vorzugsweise eine Rippen-Teilung p von etwa 20 bis etwa 350 mm, einen Schnittwinkel θ von zumindest etwa 15 Grad und eine Rippenhöhe h von etwa 1 bis etwa 15 mm. Falls Rippen in einer Mehrzahl getrennter Regionen entlang der Rohrachse vorgesehen sind, hat jede dieser Regionen vorzugsweise eine axiale Länge von zumindest etwa 1 m, und die benachbarten Regionen sind beispielsweise um einen Abstand von etwa 50 bis zu etwa 2000 mm beabstandet. Falls Rippen in nahezu der gesamten Region des Rohrs vorgesehen sind und die gesamte Region in eine Mehrzahl aufeinander folgender Unterregionen aufgeteilt ist, die sich beispielsweise bezüglich der Teilung p voneinander unterscheiden, kann jede Unterregion eine axiale Länge von zumindest etwa 1 m aufweisen. Die Rippen haben eine Dicke t, die innerhalb der Grenzen von etwa 5 bis etwa 10 mm festgelegt ist, beispielsweise entsprechend dem Innendurchmesser des Rohrs.
Es folgen Beispiele von Reaktionsrohren zur Herstellung von Ethylen, deren Rippen als schraubenförmiger Vorsprung ausgebildet sind, unter Berücksichtigung eines Gleichgewichts zwischen schnellem Aufheizen und dem Unterdrücken von Druckverlusten.
Reaktionsrohr mit einem Innendurchmesser D von etwa 150 bis 100 mm;
Schnittwinkel θ: 40-85º; Teilung p: 20-150 mm.
Reaktionsrohr mit einem Innendurchmesser D von etwa 100 bis 50 mm;
Schnittwinkel θ: 25-65º; Teilung p: 50-300 mm.
Reaktionsrohr mit einem Innendurchmesser D von bis zu etwa 50 mm; Schnittwinkel θ: 25-45º; Teilung p: 50-300 mm.
Ferner werden im folgenden Ausführungsbeispiele mit Rippen beschrieben, die ringförmige Vorsprünge (mit einem Schnittwinkel θ von 90 Grad) anstelle von Rippen als schraubenförmige Vorsprünge aufweisen.
Reaktionsrohr mit einem Innendurchmesser D von etwa 150 bis 100 mm; Teilung p: 50-150 mm.
Reaktionsrohr mit einem Innendurchmesser D von etwa 100 bis 50 mm; Teilung p: 100-350 mm.
Reaktionsrohr mit einem Innendurchmesser D von bis zu etwa 50 mm; Teilung p: 100-350 mm.
In diesen Reaktionsrohren sind Rippen in den unterschiedlichen, oben beschriebenen Arten angebracht, beispielsweise durch Verändern der Teilung p oder der Rippenhöhe h von Region zu Region in Axialrichtung des Rohrs.

Beispiele

Ein Rohr (Versuchsrohr A), das auf der inneren Wandfläche des Rohrs gemäß der Erfindung mit Rippen versehen ist, wurde einer thermischen Strömungsuntersuchung unter Bedingungen unterzogen, die die Betriebsbedingungen von Reaktionsrohren zur Herstellung von Ethylen nachbilden, mit dem unten beschriebenen Ergebnis. Die Anordnung der vorgesehen Rippen und die Versuchsbedingungen sind die folgenden:
(1) Rohrwand
Innendurchmesser D: 60 mm, Länge: 10 m.
(2) Anordnung der Rippen
Rippen, die einen ringförmigen Vorsprung umfassen, waren nahezu in der gesamten Region des Rohrs vom Einlaßende bis zum Auslaßende angebracht, wie in Fig. 6 gezeigt ist (Rippenhöhe h 3 mm, Dicke t 5 mm).
Die Rippen-Teilung p betrug 100 mm in einem stromaufwärts gelegenen Bereich (über etwa 40% der gesamten Länge des Rohrs von dessen Einlaßende her) und 300 mm in einem stromabwärts gelegenen Bereich (über etwa 60% der Rohrlänge).
(3) Rohrwand-Temperatur: 1300ºK
(4) Fluid innerhalb des Rohrs
Strömungsgeschwindigkeit: 100 m/s (Verweilzeit 0,1 Sek.)
Temperatur (innerhalb des Einlaßendes): 700ºK
Koeffizient der kinematischen Zähigkeit: 102,7 mm²/s
Reynolds-Zahl: 48685
Fig. 7 zeigt die Temperaturverteilung des Fluids innerhalb des Versuchsrohrs A, wie sie durch die Strömungsuntersuchung bestimmt wurde. Die Temperaturzone für die thermische Crack-Reaktion zur Herstellung von Ethylen ist eine Region a (1093-1120ºK).
Ein Rohr ohne Rippen (Versuchsrohr B, identisch mit dem Versuchsrohr A bezüglich des Innendurchmessers D und der Rohrlänge) wurde einer Strömungsanalyse unter den gleichen Bedingungen wie oben genannt unterzogen. Fig. 8 zeigt die Temperaturverteilung des Fluids, die innerhalb des Rohrs bestimmt wurde.
Die Fig. 7 und 8 zeigen das folgende. Das Versuchsrohr B (Fig. 8) ohne Rippen hat einen größeren Temperaturgradienten in Radialrichtung des Rohrs. Nachdem es etwa 4/5 der gesamten Länge des Rohrs B (Position x&sub2;) durchlaufen hat, erreicht das Fluid in der Nähe des Rohrs die Temperatur-Region a, die für die thermische Crack-Reaktion erforderlich ist. Im Gegensatz dazu hat das mit den Rippen versehene Versuchsrohr A (Fig. 7) einen sehr kleinen Temperaturgradienten in radialer Richtung des Rohrs.
Nachdem das Fluid etwa 2/5 der Länge des Rohrs passiert hat (Position x&sub1;), erreicht das Fluid die Temperatur-Region a, die für die thermische Crack-Reaktion erforderlich ist, und wird so schnell aufgeheizt, daß es eine Temperatur-Region i erreicht.
Fig. 9 zeigt das Ergebnis, das man erhält, wenn man ein anderes Rohr (Versuchsrohr C) ohne Rippen wie das Versuchsrohr B zum Heizen unter im wesentlichen gleichen Bedingungen wie beim Versuchsrohr A verwendet. Das Versuchsrohr C hatte einen Innendurchmesser D von 38 mm. Fig. 10 zeigt die Fluid-Temperaturen an den axialen Bereichen des Versuchsrohrs C und des Versuchsrohrs A. Das Versuchsrohr C ohne Rippen auf seiner inneren Oberfläche entspricht bezüglich des Wärmeübertragungs-Wirkungsgrads dem mit Rippen versehenen Versuchsrohr A, doch der Innendurchmesser (D = 38 mm) des Rohrs C ist wesentlich kleiner als der Innendurchmesser (D = 60 mm) des Rohrs A. Das bedeutet, daß als Vorteil der Rippen, die auf der inneren Wandfläche des Rohrs vorgesehen sind, das mit den Rippen versehene Rohr einen wesentlich vergrößerten Innendurchmesser zur Verwendung als ein Rohr mit großem Durchmesser aufweisen kann, im Gegensatz zu dem Rohr ohne Rippen.
Fig. 11 zeigt Abweichungen im Druck des Fluids entlang der Rohrachse (Druckverluste mit dem Rohr-Einlaßende als Bezugspunkt), gemessen bei dem Versuchsrohr A (mit Rippen) und dem Versuchsrohr C (ohne Rippen.). Das Versuchsrohr A weist größere Druckverluste auf als das Versuchsrohr C, wird jedoch noch auf einem Verlustniveau gehalten, das den thermischen Crack-Vorgang nicht beeinflußt. Bei Bedarf kann das Versuchsrohr A an das Versuchsrohr C bezüglich der Druckabweichungen am Auslaßende angeglichen werden, indem die Geschwindigkeit des Fluids durch das Rohr vermindert wird.
Im übrigen zeigt Fig. 11, daß der Druckgradient des Versuchsrohrs A an der rechten Seite (stromabwärts gelegenen Seite) des Punktes I wesentlich kleiner ist als an dessen linker Seite (stromaufwärts gelegenen Seite). Diese Änderung des Gradienten entspricht einem Unterschied in der Rippen-Teilung p. Die Teilung p ist klein an der stromaufwärts gelegenen Seite und groß an der stromabwärts gelegenen Seite.) Somit bewirkt der Unterschied der Rippen-Teilung p zwischen der stromaufwärts gelegenen Seite des Rohrs und dessen stromabwärts gelegener Seite eine Verminderung des Anwachsens des Druckverlustes, während ein hoher Wärmeübertragungs-Wirkungsgrad durch die Mischwirkung der Rippen gewährleistet wird.
Das Ethylen-erzeugende Reaktionsrohr, dessen Wärmeübertragungs-Wirkungsgrad durch die Anbringung von Rippen auf seiner inneren Oberfläche verbessert ist, ermöglicht es, die Produktionskapazität des thermischen Crackers stark zu vergrößern, die Konstruktion des Crackers kompakt zu halten und seine Bedienung und Wartung zu vereinfachen. Da das Fluid innerhalb des Rohrs schnell auf eine thermische Crack-Temperatur bis zu dem mittleren Bereich des Rohrs erhitzt werden kann, kann das Fluid durch das Rohr mit einer hohen Geschwindigkeit geführt werden, wie im Fall eines Rohrs mit vermindertem Durchmesser, und der verminderte Durchmesser des Rohrs und das Zuführen des Fluids mit hoher Geschwindigkeit führen zu dem Vorteil einer in hohem Maße vergrößerten Herstellungskapazität, während die Ausstattung in ihren Abmessungen unverändert bleibt.
Darüber hinaus wird es möglich, die Länge des Rohrs stark zu verkürzen, ohne daß die Herstellungskapazität beeinträchtigt wird. Beispielsweise zeigt ein Vergleich des Versuchsrohrs A aus Fig. 7 mit dem Versuchsrohr B aus Fig. 8, daß das letztere eine Verweilzeit des Fluids innerhalb des Rohrs entsprechend dem Passieren von etwa 4/5 der gesamten Länge des Rohrs erfordert, wenn das Fluid bis zu dem axialen Bereich des Rohrs auf die thermische Crack-Temperatur erhitzt werden soll, während in letzterem Fall eine Verweilzeit entsprechend etwa 2/5 der gesamten Länge des Rohrs ermöglicht, daß das Fluid bis zu dem axialen Bereich auf die Crack-Temperatur erhitzt wird. Dies läßt annehmen, daß das erstgenannte Versuchsrohr zur Verwendung als Reaktionsrohr zur Herstellung von Ethylen auf etwa die Hälfte des letztgenannten gekürzt werden kann oder kürzer sein kann, während es dem letztgenannten bezüglich der Produktionskapazität von Ethylen entspricht, so daß es ermöglicht wird, den Aufbau des thermischen Crackers kompakt zu gestalten.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Reaktionsrohren, deren Wärmeübertragungs- Wirkungsgrad duch eine Verminderung des Durchmessers verbessert wird, kann bei dem erfindungsgemäßen Rohr ein hoher Wärmeübertragungs-Wirkungsgrad trotz des relativ großen Durchmessers gewährleistet werden, so daß die gleiche Produktionskapazität durch eine kleinere Anzahl von Rohren geleistet werden kann als beim Stand der Technik. Beispielsweise vermindert die Vergrößerung des Durchmessers vom Versuchsrohr C (38 mm im Durchmesser D) auf das Versuchsrohr A (60 mm im Durchmesser D) die Anzahl der in dem Cracker anzubringenden Reaktionsrohre auf die Hälfte oder weniger.
Das Wärmetauscher-Rohr wird aus einem rohrförmigen Körper aus einer hitzebeständigen Legierung (wie etwa 25Cr-20Ni (SCH22), 25Cr-35Ni (SCH24) oder Incolloy) hergestellt, die gemäß dem Einsatz und den Betriebsbedingungen ausgewählt wird, indem Rippen aus der hitzebeständigen Legierung auf der inneren Wandfläche des rohrförmigen Körpers gebildet werden, durch Beschichten wie etwa durch Pulver-Plasmaschweißen oder Inertgas-Schweißen unter Verwendung einer selbstverzehrenden oder einer nicht-selbstverzehrenden Elektrode. Die Rippen werden als schraubenförmiger Vorsprung oder als ringförmige Vorsprünge gebildet, indem der rohrförmige Körper um seine Achse gedreht wird und der Schweißbrenner kontinuierlich oder mit Unterbrechungen in axialer Richtung des rohrförmigen Körpers für den Schweißvorgang bewegt wird.
Das Wärmetauscher-Rohr erreicht einen außerordentlich hohen Wärmeübertragungs-Wirkungsgrad aufgrund des gleichförmigen Verwirbelungs-Mischungseffekts, der in dem Fluid innerhalb des Rohrs durch die Rippen an der inneren Wandoberfläche des Rohrs erzeugt wird, und dieser hohe Wirkungsgrad wird auch dann gewährleistet, wenn der Durchmesser groß ist, ohne daß eine Verminderung des Durchmessers des Rohrs erforderlich ist. Wenn das Rohr dementsprechend als Reaktionsrohr des thermischen Crackers zur Herstellung von Ethylen verwendet wird, verleiht es dem Cracker eine stark vergrößerte Kapazität, da das Fluid durch diesen mit einer hohen Geschwindigkeit durchgeführt werden kann, und aufgrund des vergrößerten Rohrdurchmessers kann der Aufbau des Crackers kompakt gehalten werden, wenn das Rohr eine verkürzte Länge aufweist, und aufgrund einer Verminderung der Anzahl der in dem Cracker installierten Rohre wird der Cracker leicht zu bedienen und zu warten.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Ethylen in einem thermischen Crack-Rohr (10), bei dem durch dieses Rohr Kohlenwasserstoff-Material in Gasform bei erhöhter Temperatur und erhöhter Geschwindigkeit zur Erzeugung einer thermischen Crack-Reaktion in dem Rohr hindurchgeführt wird, bei dem das durch das Rohr (10) hindurchgehende Kohlenwasserstoff-Material durch Rippen (20) bearbeitet wird auf der inneren Oberfläche (10b) des Rohres in einer Mehrzahl von Regionen vom Einlaßende zum Auslaßende in Axialrichtung des Rohres vorgesehen sind, die eine geeignete Teilung aufweisen und in einer Richtung vorspringen, in der sie im wesentlichen die Längsachse des Rohres schneiden, so daß das Kohlenwasserstoff-Material über den Querschnitt des Rohres hinweg vermischt wird und eine im wesentlichen gleichförmige Temperaturverteilung des Kohlenwasserstoff-Materials bei einer gewünschten Crack-Temperatur über den gesamten Querschnitt des Rohres erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (20) wenigstens in drei Regionen ausgebildet sind und daß die Teilung (p) der Rippen in einer der Regionen anders ist als die Teilung der Rippen der angrenzenden Regionen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (20) in fast allen Regionen vom Einlaßende zum Auslaßende in Axialrichtung des Rohres ausgebildet sind und daß die Teilung (p) der Rippen (20) in einer beliebigen der aufeinanderfolgenden Regionen anders ist als die Teilung der Rippen (20) in der angrenzenden Region.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (p) im stromaufwärtigen Bereich des Rohres (10) vom Einlaßende her bis etwa zur Mitte des Rohres größer ist als die Teilung der Rippen in einem stromabwärtigen Bereich des Rohres etwa von der Mitte zum Auslaßende.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (p) der Rippen (20) in einem stromaufwärtigen Bereich des Rohres vom Einlaßende bis etwa zur Mitte des Rohres kleiner ist als die Teilung (p) der Rippen in einem stromabwärtigen Bereich des Rohres etwa von der Mitte des Rohres zum Ausgangsende.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rippe (20) ein in Umfangsrichtung ringförmiger Vorsprung ist, der sich auf der inneren Wandfläche (10b) der Rohrwand in einer Richtung erstreckt, die die Rohrachse (10a) im rechten Winkel schneidet.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (20) als schraubenförmiger Vorsprung ausgebildet sind, der sich schraubenförmig über die innere Wandfläche (10b) der Rohrwand in Axialrichtung des Rohres erstreckt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (20) in einer Mehrzahl von Regionen oder in allen Regionen vom Einlaßende zum Auslaßende in Axialrichtung des Rohres (10) vorgesehen sind, und daß das Rohr in gewünschter Kombination ringförmige, in Umlaufrichtung verlaufende Vorsprünge auf der inneren Rohrwandfläche in einer Richtung aufweist, die die Rohrachse im rechten Winkel schneidet, und einen Vorsprung oder Vorsprünge, die schraubenförmig auf der inneren Rohrwand in Axialrichtung des Rohres verlaufen.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (10) einen Innendurchmesser bis 150 mm, eine Rippen-Teilung (p) von 20 bis 350 mm, einen Schnittwinkel von 15 bis 90º, Schnittwinkel der Rippen mit der Rohrachse sowie eine Rippenhöhe von 1 bis 15 mm aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Regionen wenigstens eine axiale Länge von 1 m aufweist.