[发明专利]气密性、透热性多层陶瓷复合管

说明书

本发明涉及一种传热系数500W/m²/K的气密性多层复合管，其在其结构中在复合管壁的横截面上具有被氧化纤维复合陶瓷的外层包围的作为内层的无孔整体氧化物陶瓷，该外层具有5％ε50％的开孔孔隙率，并且其在复合管的内表面上具有多个面向复合管外壁的凹陷，以及该多层复合管在吸热反应中作为反应管、喷射管、火焰筒或旋转管的用途。

描述

本发明涉及一种传热系数500W/m²/K的气密性多层复合管或多层复合管的区段，包括至少两个层，其在其结构中在复合管壁的横截面上包括被氧化纤维复合陶瓷的外层包围的作为内层的无孔整体氧化物陶瓷，其中该外层具有大于5％且小于50％，优选大于10％且小于30％的开孔孔隙率ε(根据DIN EN 623-2)，并且该复合管的内表面包括多个面向(orient toward)复合管外壁的凹陷。

吸热反应通常在化学工业中，例如在乙烷、丙烷、丁烷、石脑油和高沸点原油馏分的热裂解、天然气的重整、丙烷的脱氢、甲烷的脱氢芳构化以得到苯或烃类的热解中的增值链(value chain)开始时进行。这些反应是高度吸热的并在高温下进行，即500-1700℃的温度对于实现工业和经济上重要的产率是必需的。

例如烃类的热裂解(所谓的蒸汽裂化)包括在微正压和高温下进行的平行吸热裂解和脱氢反应。根据现有技术的标准工艺过程是乙烷、丙烷或石脑油(未加氢的直馏汽油)的蒸汽重整，以生产乙烯、丙烯和C4烯烃。这些产物被认为是化学工业中量最重要的前体之一。蒸汽裂化器是具有最大质量产量的化学装置之一。在现有技术中，该高度吸热的工艺过程在通过燃烧进行外部加热的管状盘管中进行。在所谓的裂解炉中，将数个平行管同时加热并在内部由原料/蒸汽混合物穿过。管壁的功能是将热流从外部热源传入反应体积，并将反应体积与周围热源密封分离，以保持两个空间之间的压差。固定床反应器的各管通常是圆柱形的，其中在整个管长度上具有不同或均匀的直径。还可将各管在炉内侧分割或组合。各管的材料通常是高度合金化的奥氏体离心铸造的。

工业裂解工艺过程在至多5巴正压的压力和至多1000℃的温度下进行，其中该值代表反应管出口处的产物气体温度。工业工艺过程尤其动力学受限。术语“动力学受限”应理解为是指反应气体在裂解管中的停留时间短，使得裂解和脱氢反应不能达到热力学平衡。

当使用金属反应器材料时，将最高外管壁温度限制于约1050-1100℃。

然而，由于许多原因，但特别是为了提供裂解反应所需的热量，尽管管内部具有焦炭沉积，较高的最高外管壁温度是希望的。热管壁上的焦炭沉积首先导致在操作过程中必须提高外管壁温度，以补偿焦炭的绝热作用。这导致了较高的燃烧输出和较高的能源消耗。其次，焦炭沉积导致在达到最高允许的外管壁温度时，必须停止使用炉且通过用空气火焰清洁而除焦。

1100℃的管壁温度使得陶瓷材料，优选氧化物陶瓷的使用成为必要。陶瓷材料，尤其是氧化物陶瓷的优点是对1800℃的高耐热性，化学钝性，耐腐蚀性和高强度。陶瓷材料的最大缺点是其高脆性。该性能由断裂韧性K_IC描述，后者例如对于金属根据DIN ENISO12737测定且对于整体陶瓷根据DIN EN ISO 15732测定。对于钢，韧性材料的代表，K_IC为对于整体陶瓷，例如氧化锆(ZrO₂)或刚玉(Al₂O₃)，K_IC为这使得整体陶瓷不适合压力0.5巴的加压设备，因为这些材料不能确保标准“断裂之前开裂(crack before fracture)”，而是可能受到突然的无预兆断裂的影响。

包含嵌入氧化陶瓷的多孔基体中的氧化纤维的纤维复合陶瓷提供了一个替换方案。纤维复合陶瓷的开孔孔隙率ε通常可以呈5-50％的值。纤维复合陶瓷的优点是对1300℃或更大的高耐热性，高抗热冲击性以及假塑性形变和断裂行为。纤维复合陶瓷的断裂韧性可以达到的值。作为其多孔结构的结果，纤维复合陶瓷与具有相同化学组成的整体陶瓷相比具有相对低的密度、相对低的弹性模量和相对低的导热性。表1包括用于测定这些参数的相关标准的列举。