Dichtungen für die Ethylenproduktion

Zur Leseliste speichern Veröffentlicht von Callum O'Reilly, Senior Editor Hydrocarbon Engineering, Montag, 06. April 2020, 09:05 Uhr

Nach einem Jahrzehnt der Unsicherheit verzeichnet die Ethylenindustrie ein deutliches Wachstum.

Aufgrund der starken Verbrauchernachfrage nach Kunststoff und niedrigeren Ölpreisen, die wiederum günstigere Rohstoffe bedeuten, prognostiziert das globale Beratungsunternehmen Wood Mackenzie ein Wachstum von 3,4 % pro Jahr. Weitere Untersuchungen von IHS Markit deuten darauf hin, dass der Ethylenbedarf zwischen 2018 und 2022 voraussichtlich 60 Millionen Tonnen überschreiten wird.

Nach einer erfolgreichen ersten „Bauwelle“ neuer Ethylenanlagen werden nun weltweit Pläne für die zweite Welle finalisiert. Die Wahl der richtigen Dichtungslösung ist von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass neue Anlagen für maximale Sicherheit und Effizienz optimiert werden, da die rauen Betriebsbedingungen bei der Ethylenproduktion zu einer Verschlechterung der Anlagenausrüstung, insbesondere der Dichtungen, führen können, was zu Leckagen, Bränden und kostspieligen Ausfallzeiten führt .

Um ein Höchstmaß an Sicherheit und einen effizienten Betrieb zu gewährleisten, müssen einige typische Herausforderungen der Ethylenproduktion berücksichtigt werden, die bei der Spezifikation der am besten geeigneten und effektivsten Dichtungslösung hilfreich sind.

Bei der Ethylenproduktion werden Kohlenwasserstoffe bei sehr hohen Temperaturen dampfgespalten. Zu den Schlüsselkomponenten des Ofens gehören der Strahlungsabschnitt, die Crossover-Rohrleitungen, die Transferleitungsaustauscher (TLE) und der Abschreckkühler. Die Temperaturen liegen zwischen etwa 650 °C und 1000 °C (1200 °F bis 1830 °F), was deutlich über dem Normalwert liegt -Zündtemperatur des Mediums.

Folglich führen Leckagen, die durch die Verwendung ungeeigneter Dichtungen in diesen Bereichen entstehen, bei Kontakt mit der Atmosphäre zu spontanen Bränden.

Neben den hohen Temperaturen stellt die oxidierende Umgebung bei der Ethylenproduktion eine große Herausforderung für Dichtungsmaterialien dar. Obwohl bei der Crackreaktion Wasserstoff als Nebenprodukt entsteht, sind die Bedingungen sowohl im Strahlungsabschnitt des Ofens als auch in der äußeren Umgebung um die abgedichteten Verbindungen eher oxidierender als reduzierender Natur.

Überhitzter Dampf und Außenluft erzeugen in Kombination mit den hohen Temperaturen oxidierende Bedingungen, selbst bei hochspezialisierten, oxidationshemmenden Graphitsorten.

Es hat sich gezeigt, dass herkömmliche Dichtungsmaterialien unter diesen Bedingungen versagen, was zu erheblichen Sicherheitsrisiken führt. Es ist von größter Bedeutung, ein Dichtungsmaterial zu verwenden, das sowohl Oxidation widersteht als auch über die gesamte Lebensdauer gasdicht bleibt, da Graphit, ein häufig verwendetes Dichtungsmaterial, anfällig für Zersetzung ist. Graphit ist eine Form von Kohlenstoff und reagiert mit Sauerstoff in der Außenatmosphäre oder in internen Prozessmedien unter Bildung von Kohlendioxid, was zu einem Massenverlust in der Dichtung und zu Undichtigkeiten führt.

Darüber hinaus kann die Abdichtung von TLEs eine äußerst anspruchsvolle Anwendung darstellen, da sie hohen Betriebstemperaturen und häufigen Temperaturwechseln ausgesetzt sind. Ältere Konstruktionen können aufgrund fehlender feuerfester Auskleidung besonders anfällig für Zuverlässigkeitsprobleme sein.

Unabhängig vom Ausgangsmaterial ist die Bildung von Koks eine unerwünschte, aber unvermeidbare Nebenreaktion des Dampfcrackens. Obwohl eine wirksame Prozesskontrolle und Rohstoffauswahl die Koksbildung reduzieren (und die Olefinausbeute steigern) kann, ist die Bildung dieser harten Kohlenstoffablagerungen an den Innenwänden der Ofenschlangen und TLEs unvermeidlich.

Die regelmäßige Entfernung von Koksablagerungen, bekannt als „Entkokung“, ist wichtig, um eine akzeptable Wärmeübertragung aufrechtzuerhalten, Hot Spots zu reduzieren und den Druckabfall zu kontrollieren und so eine maximale Anlageneffizienz und Gerätelebensdauer sicherzustellen.

Der Entkokungsprozess erfolgt durch periodisches Stoppen der Produktion, etwa alle 30–60 Tage, und Spülen des Systems bei erhöhter Temperatur, typischerweise über 800 °C, mit Hochdruckdampf und/oder Luft.

Das Dampf-Luft-Gemisch wirkt als starkes Oxidationsmittel, das die festen Koksablagerungen in Gas (CO2) umwandelt und so das System reinigt.

Der Entkokungsprozess kann in Verbindung mit den hohen Prozesstemperaturen zur Oxidation der Graphitdichtungen führen und deren Lebensdauer erheblich verkürzen.

Dieser Schaden kann nach jedem Entkokungszyklus unbemerkt bleiben und stellt ein erhebliches Sicherheitsrisiko und die Gefahr von Lecks dar, die zu Bränden und ungeplanten Wartungsereignissen führen können.

Die Wahl der richtigen Dichtungstechnologie kann einen großen Unterschied beim Schutz einer Ethylenanlage vor entkokungsbedingten Schäden machen. Unter diesen Bedingungen sollte die Spezifikation und Verwendung eines gasdichten, oxidationsbeständigen Dichtungsmaterials Standard sein.

Flexitallic hat mit zahlreichen Werken zusammengearbeitet, um diese Probleme anzugehen. Beispielsweise kam es in einer Ethylenanlage in Kanada wöchentlich zu Bränden aufgrund von Undichtigkeiten an der Flanschverbindung des Ofenkrümmers. Dies war auf den Temperaturgradienten vom Ofen zum Transferleitungsaustauscher zurückzuführen und sie hatten mehrere Arten von Dichtungsmaterial erfolglos ausprobiert, bevor sie sich für eine entschieden hatten Unser proprietäres Thermiculite®, da es eine effektive Dichtungsleistung bietet.

Thermiculite-Produkte wurden für den Einsatz in Hochtemperaturprozessen bei Temperaturen bis zu 1000 °C (1832 °F) in stark oxidierenden Umgebungen entwickelt.

Dieses Material besteht aus chemisch und thermisch abgeblättertem Vermiculit mit einer ähnlichen Struktur wie abgeblätterter Graphit und stellt sicher, dass es einem weiten Temperaturbereich standhalten kann, ohne seine Integrität zu beeinträchtigen, da es von Natur aus beständig gegen Oxidation ist.

Der Wechsel zu Thermiculite-Dichtungen hat sich sowohl in modernen als auch in älteren Anlagen als vorteilhaft erwiesen, da er durch die oxidationsbeständige Technologie wichtige Sicherheits- und Effizienzvorteile bietet. In einem US-amerikanischen Werk kam es beispielsweise häufig vor, dass Graphitspiraldichtungen in weniger als sechs Monaten oxidierten, was zu Stichbränden und regelmäßigen Wartungsstillständen führte. Das Problem wurde nach der Installation von Thermiculite behoben.

Das Produkt kann in eine Reihe von Flexitallic-Industriedichtungen integriert werden, darunter für Anwendungen in Wärmetauschern auch Change™.

Wie bei jedem petrochemischen Herstellungsprozess ist die Optimierung der Produktausbeute für die Maximierung der Anlageneffizienz von größter Bedeutung. Die Umwandlungsraten sind bei derart hohen Prozesstemperaturen extrem hoch. Das bedeutet, dass die Reaktionszeiten streng kontrolliert werden müssen, um eine Unter- oder Überumwandlung in unerwünschte Nebenprodukte zu verhindern.

Die Beendigung der Umwandlungsreaktion zum richtigen Zeitpunkt wird durch schnelles Abkühlen oder Abschrecken des Spaltgases in einem TLE erreicht. Unmittelbar nach dem Abkühlen besteht der Medienstrom aus einem ethylenreichen Gasgemisch, das Ethan, Methan, Propan und Butan enthält. Die weitere Verarbeitung, einschließlich zusätzlicher Kühlung, Kompression und Fraktionierung, führt zum gewünschten gereinigten Ethylen als komprimiertes Gas oder kryogene Flüssigkeit.

Die zusätzliche Kühlung erfolgt im kalten Abschnitt des Prozessstrangs in einem speziell entwickelten Wärmetauscher aus geschmortem Aluminium (BAHX), der allgemein als Cold Box bezeichnet wird. Dies erfordert die Verwendung einer Flanschverbindung aus einem anderen Metall (Aluminium als Stahl).

Unterschiede in der Wärmeausdehnung zwischen Aluminium- und Stahlflanschen können zu einer Verringerung der Belastung einer Dichtung und damit zu einem vorzeitigen Ausfall führen. Als Lösung wurde die Change-Dichtungstechnologie sowohl im Heiß- als auch im Kaltwechselbetrieb eingesetzt, um die Abdichtung bei thermischen Veränderungen, einschließlich unterschiedlicher Wärmeausdehnung und -kontraktion, die bei Wärmetauschern auftreten, aufrechtzuerhalten.

Da die Nachfrage nach Ethylen steigt, ist es von größter Bedeutung, im Anlagenbetrieb ein hohes Produktivitätsniveau zu erreichen. Allerdings sind die betrieblichen Herausforderungen bei der Ethylenproduktion nicht zu unterschätzen. Das hohe Risiko von Sicherheitskomplikationen durch das Dampfcracken von Kohlenwasserstoffen erfordert, dass die Ausrüstung Temperaturen zwischen 650 °C und 1000 °C (1200 °F – 1830 °F) ausgesetzt ist, also Temperaturen, die deutlich über der Selbstentzündung der Kohlenwasserstoffe liegen Medien.

Überhitzter Dampf und Außenluft schaffen in Kombination mit den hohen Temperaturen beschleunigte Oxidationsbedingungen selbst für Graphit mit den höchsten Spezifikationen.

Die thermische Ausdehnung und Kontraktion unterschiedlicher Metalle der TLE- und Wärmetauscherverbindungen aufgrund der Notwendigkeit, die Anforderungen an schnelles Abkühlen oder Abschrecken zu kontrollieren, um die Produktionsausbeute zu maximieren, erfordert ernsthafte Überlegungen bei der Auswahl von Dichtungsmaterialien.

Die Auswahl des richtigen Dichtungsmaterials ist der erste Schritt zur Vermeidung von Lecks und eventuellen ungeplanten Ausfällen aufgrund von Verbindungsversagen. Es spielt eine wichtige Rolle in den vielfältigen Abläufen einer Ethylenanlage, die für den sicheren und effizienten Produkttransport von entscheidender Bedeutung sind.

Geschrieben von Alex Lattimer, The Flexitallic Group.

Lesen Sie den Artikel online unter: https://www.hydrocarbonengineering.com/special-reports/06042020/gaskets-for-ethylen-produktion/

Die Erhöhung der LNG-Exportkapazität und der Erdgasproduktion durch eine große Erweiterung im North Field, Katar, wird voraussichtlich bis 2028 abgeschlossen sein. Die erweiterte Erdgasproduktion im North Field wird voraussichtlich Rückgänge in ausgereiften Feldern ausgleichen und die gesamte Erdgasproduktion in Katar steigern .

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