Ethylen-Anlage

Spaltofen

Im Spalt- oder Pyrolyseöfen des Steamcrackers werden die langkettigen Kohlenwasserstoffe thermisch gespalten. Das geschieht in den meisten Anlagen unter Zuführung von heißem Wasserdampf.

Im Inneren des Spaltofens verlaufen zahlreiche Rohrschlangen parallel zueinander. Das C_xH_x-H₂O-Gemisch wird nach einer Vorwärmphase vom Ofeneingang aus in weniger als einer Sekunde durch die von außen mit Brennern befeuerten Rohrschlangen geschickt. Die homogene Verteilung des Medienstroms ist dabei entscheidend für eine konstante Produktqualität. Diesen Ablauf unterstützen speziell angefertigte Venturidüsen mit hoher Oberflächengüte und exakt ausgelegtem gerundeten Profil zur Vermeidung einer ungleichmäßigen Verkokung.

Eine weitere kritische Stellgröße ist die Temperatur des gecrackten Kohlenwasserstoffs am Ausgang des Ofens, die sogenannte Coil Outlet Temperature (COT). Sie bewegt sich abhängig vom Ausgangsstoff zwischen 750 und 900 °C. Die dort eingesetzten Temperaturmessgeräte müssen einem stark abrasivem Medienstrom widerstehen. Invasive Messstellen erfordern daher Stellit^®-Schutzrohre, entweder aus Vollmaterial oder in beschichteter Ausführung. Als Alternative kommen Oberflächentemperatursensoren mit schneller Ansprechzeit in Frage.

Neben dem dampfbasierten Spaltverfahren kennt die Branche auch die Katalysator-Methode. Sie ermöglicht eine höhere Ausbeute zum Beispiel von Propylen. Die Temperaturüberwachung bei der Katalysator-Spaltung beruht vor allem auf Stufenthermometern.

Spaltgaskühler, Ölwäsche und Wasserwäsche

Das Gas am Ende des Spaltprozesses ist chemisch instabil und hochreaktiv. Es muss daher sofort nach Verlassen des Spaltofens um mehrere hundert Grad heruntergekühlt werden. Dies geschieht im Spaltgaskühler/Transfer Line Exchanger. Die dabei abgegebene Wärmeenergie wird im Wärmetauschverfahren genutzt, um Hochdruckdampf für die Anlage zu gewinnen.

Die Abkühlung setzt sich in den nachfolgenden Prozessschritten Ölwäsche und Wasserwäsche fort. In diesen beiden Vorgängen werden dem Medienstrom zugleich Pyrolyseöle, Pyrolysebenzine und Feststoffpartikel entzogen.

Die Ölwäsche als Primary Fractionator ist dabei von vorrangiger Bedeutung. Für ihre optimale Funktion ist der Differenzdruck zwischen den verschiedenen Ebenen der Kolonne der entscheidende Indikator. Ein steigender Wert impliziert mögliche Ablagerungen, die den Durchsatz vermindern können. Für eine exakte Überwachung des Parameters sorgen präzise abgeglichene Differenzdrucktransmitter in Kombination mit zwei frontbündigen Druckmittlern, deren Membranen aus medienspezifischem Werkstoff gefertigt sind.

Kompressoren und Sauergaswäsche

Kompressoren verdichten das vorbereitete Gasgemisch in vier bis sechs aufeinander folgenden Stufen. Die Sauergaswäsche bildet hierbei einen Zwischenschritt, um unerwünschte Anteile an Hydrogensulfid (H₂S) und Kohlenstoffdioxid zu entfernen.

Im Verlauf der Komprimierung wird das Medium zwischengekühlt und das dabei entstehende Kondensat in Separatoren abgesondert. Deren Füllstand ist kontinuierlich zu überwachen, um einen potenziellen Überlauf zu verhindern. Die Kompressoren und nachfolgenden Anlagebereiche bleiben so vor einem zu hohem Feuchteanteil geschützt.

Für diese Aufgabe empfehlen sich modulare Bypass-Niveaumessgeräte, die den Stand exakt übertragen und per optionaler Schaltfunktion rechtzeitig eine Warnung auslösen. An besonders kritischen Stellen ermöglichen Ausführungen mit Doppelkammer eine redundante Messung. Neben der Bypass-Anzeige können weitere Messsysteme, zum Beispiel Reedkette, magnetostriktive Sensoren, Radar und Schwinggabel, integriert werden.

Für einen reibungslosen Betrieb der Kompressoren muss die Temperatur in deren stark beanspruchten Lagern überwacht werden. Hochvibrationsbeständige Temperatursensoren gewährleisten die dafür notwendige Genauigkeit.

Destillationskolonnen und Splitter

Nach der Komprimierung und einem weiteren Herunterkühlen in einer Kälteanlage wird das aufbereitete Gasgemisch in die Endprodukte separiert. Dieser Prozess vollzieht sich in mehreren nacheinander geschalteten Destillationskolonnen (Demethaniser, Deethaniser, Depropaniser, Debutaniser) und Splittern, überwiegend für C₂-, C₃- und C₄-Verbindungen.

Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen in den Destillationskolonnen steigen die leichter siedenden Komponenten nach oben und werden dort abgeschöpft, während die Stoffe mit höherem Siedepunkt nach unten sinken und von dort der nächsten Kolone zugeführt werden. Nach und nach werden auf diese Weise folgende Medien gewonnen: Ethylen, Propylen, Buten und weitere Kohlenwasserstoff-Fraktionen. Ethylen bildet dabei den mengenmäßig größten Anteil.

Für eine konstante und saubere Separation der anspruchsvollen Medien müssen Prozessdruck und Prozesstemperatur dauerhaft im perfekten Verhältnis stehen. Das setzt sowohl deren hohe Verfügbarkeit als auch eine entsprechende Genauigkeit der installierten Messgeräte voraus.

Die Messqualität ist nicht der einzige entscheidende Faktor bei der Instrumentierung zur Überwachung von Druck und Temperatur, aber auch von Füllstand und Durchfluss: Die Geräte müssen gegenüber den Prozessbedingungen resistent sein, um ihre Aufgabe anforderungsgemäß zu erfüllen und zugleich die Produktqualität nicht zu gefährden. Alle Messgeräte werden daher aus anwendungsspezifischen Werkstoffen gefertigt, Schweißnähte darüber hinaus zerstörungsfreien Prüfungen unterzogen.

Acetylen- und MA/PD-Hydrierung

Das während des Destillations-/Splittingprozesses anfallende Acetylen und Methyl-Acetylen/Propadien (MA/PD) wird über eine Hydrierung mit Wasserstoff in Ethylen bzw. Propylen umgewandelt. (C₂H₂ + H₂ => C₂H₄; C₃H₄ + H₂ => C₃H₆). Auf diese Weise erhöht sich der Gesamtertrag dieser beiden hochwertigen Endprodukte.

Der selektive Hydriervorgang findet in Festbettreaktoren statt, die mit entsprechenden Katalysatoren befüllt sind. Die Steuerung des Verfahrens hängt entscheidend davon ab, dass die Durchströmung des Acetylens und des MA/PDs einer homogenen Temperatur unterliegt. Multiple und optimal verteilte Temperaturmesspunkte im Katalysatorbett ermöglichen ein umgehendes Erfassen von Hot- und Coldspots. Die Überwachungsfunktion schafft damit die Voraussetzung für einen gleichmäßigen Ablauf der Reaktion. Sie lässt zugleich Rückschlüsse auf die Alterung des Katalysators zu.

Für die Messung kommen zwei Ausführungen von Stufenthermometern in Frage. Über die Version ohne Schutzrohr lassen sich die Messpunkte direkt im Katalysatorbett setzen. Diese Lösung bietet die schnellste Ansprechzeit. Eine Alternative dazu sind Stufenthermometer im Slide-Design mit Schutzrohr. Hier werden die Sensoren für die Messpunkte einzeln mittels einer Führungsstange im Schutzrohr positioniert und an dessen Wandung gedrückt, um eine vergleichsweise kurze Ansprechzeit zu erzielen. Der Vorteil: Die Temperatursensoren können bei Bedarf während des Betriebs - also bei geschlossenem Prozess - einzeln aus dem Schutzrohr entnommen und ihr Messverhalten geprüft werden.

Neben der Temperatur muss auch der Druck in dem Reaktor überwacht werden. Bei der Messung gilt es zu verhindern, dass steigende Temperaturen im Wasserstoff zu einer Drift führen. In diesem Fall sorgen Druckmittler mit goldbeschichteter Membran für eine dauerhaft zuverlässige Druckübertragung auf das jeweilige Messgerät.

Lagertanks & Fackelsysteme

Alle Produkte werden bis zu einer weiteren Verwendung in gasförmigem oder flüssigem Zustand in großen Tanks zwischengelagert. Ethylen beispielweise muss dafür auf bis zu -103 °C heruntergekühlt werden, um eine große Menge auf verhältnismäßig kleinem Raum zu speichern. Der Füllprozess erfordert eine Überwachung des Temperaturverhältnisse im Tank. Dazu werden von oben Stufenthermometer in den Behälter eingebracht.

Angesichts des großen Unterschieds zwischen Medien- und Umgebungstemperatur befinden sich weitere Sensoren am Stahlmantel des Tanks. Sie dienen bei der Erstbefüllung dazu, rechtzeitig vor einem zu schnellen Abkühlen der Tankhülle zu warnen und damit einer potenziellen Rissbildung vorzubeugen.

Temperatursensoren im Betonboden des Tanks und in den Auffangwannen unter den äußeren Rohrleitungen erfüllen einen vergleichbaren Zweck: Detektieren sie eine plötzliche Abkühlung an der Messstelle, ist das ein Hinweis auf eine Leckage im Tankbehälter.

Jede Ethylenanlage verfügt über mindestens eine Fackelanlage. Diese ist rund um die Uhr in Betrieb, um im Bedarfsfall unerwünschte oder überschüssige Gase aus allen Teilen der Produktion kontrolliert abzufackeln.

Die Fackelanlage ist damit auch ein elementarer Teil der Anlagensicherheit. Zu ihrer Messinstrumentierung gehören Thermoelemente. Sie überwachen die Pilotbrenner und geben außerdem eine Information ab, sobald eine entsprechende Menge Gas eine Flamme erzeugt.

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