DE3220927A1

DE3220927A1 - Verfahren zur kohleverfluessigung

Info

Publication number: DE3220927A1
Application number: DE19823220927
Authority: DE
Inventors: Edwin N. 18017 Bethlehem Pa. Givens; David H. S. 18062 Macungie Pa. Ying
Original assignee: International Coal Refining Co
Current assignee: International Coal Refining Co
Priority date: 1981-10-05
Filing date: 1982-06-03
Publication date: 1983-04-21
Also published as: AU8443582A; US4400261A; ZA823942B; GB2107345A; JPS5863780A; AU543475B2; CA1176588A; GB2107345B; JPH0575795B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Lösungsmittelraff inierung von Kohle, bei dem Kohle verflüssigt wird, indem sie einem Wasserstoffdonor-Lösungsmittel (das im vorliegenden Zusammenhang als "Lösungsmittel" bezeichnet wird) in Gegenwart eines wasserstoffreichen Gases bei erhöhten Temperaturen und unter erhöhtem Druck ausgesetzt wird. Dieses Verfahren wird als SRC-I, also "solvent refined coal" mit dem Akronym "SRC" bezeichnet. Bei diesem Verfahren werden die Produkte nach der Solvatisierung in gasförmiges Material, destillierte Fraktionen und einen Vakuumdestillationssumpf aufgetrennt. Der Vakuumdestillationssumpf , in dem geschlepptes mineralisches Material sowie nicht umgewandelte Kohlemacerale enthalten ist, wird durch einen Entaschungsschritt aufgetrennt. Bei der Stufe der Entfernung der Feststoffe wird ein Strom aus Kohleprodukten erhalten, die frei von Aschemineralien und unumgewandelter' Kohle sind und die einen sehr niedrigen Schwefelgehalt aufweisen, so daß dieses Material sich ideal zur Verbrennung bei Vorgängen eignet, die unter einer zu akzeptierenden Umweltbelastung verlaufen.

Bei einem Verfahren der vorstehend angegebenen Art beim Betrieb einer Kohleverflüssigungsanlage muß der Löseab-

24· schnitt in der Lage sein, genügend für das Verfahren geeignete Lösungsmittel hervorzubringen, um dem Lösungsmittelbedarf der Anlage zu genügen. Es müssen nicht nur ausreichende Mengen zur Verfügung gestellt werden, vielmehr muß auch die Qualität dieses Lösungsmittels auf einem solchen Niveau gehalten werden, daß das Verfahren sich weiter durchführen läßt.

Die SRC-I-Pilotanlage in Wilsonville, Alabama, sowie in Fort Lewis, Washington, sind lediglich mit einem

einzigen Kohleverflüssigungsreaktor (auch als "dissolver" oder Löseeinrichtung bekannt) , dem eine Vorerwärmungseinrichtung vorgeschaltet ist, betrieben worden. Die Kohleverflüssigungsreaktionen erfolgen in einem gewissen Ausmaß sowohl in dem einen wie in dem anderen dieser beiden Gefäße. Ein Kohlebrei in einem im Kreislauf geführten Lösungsmittel wird unter Wasserstoffdruck durch die Vorerwärmungseinrichtung geschickt, wo dessen Temperatur von Umgebungstemperatur auf Temperaturen bis zu 427°C (800° F) erhöht wird. Bei einer typischen Löseeinrichtung-Auslaßtemperatur von 441⁰C (825°F) beträgt die Auslaßtemperatur der Vorerwärmungseinrichtung etwa 413°C (775°F). Die Verweilzeit in der Vorerwärmungseinrichtung beträgt etwa fünf Minuten. Etwa 85% der Ausgangskohle werden an dem Auslaß der Vorerwärmungseinrichtung gelöst, jedoch erfolgen andere Reaktionen (Entschwefelung, Lösungsmittelerzeugung u.s.w.) in der Vorerwärmungseinrichtung in keinem nennenswerten Ausmaß. Der erwärmte Brei strömt dann zu der Löseeinrichtung, wo der größte Teil der übrigen Verflüssigungsreaktionen (Entschwefelung, Lösungsmittelerzeugung, Lösungsmittelrehydrierung u.s.w.) stattfindet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Lösungs-. mittelraffinierung von Kohle der angegebenen Art bereitzustellen, bei dem die Kohlebreibeschickung nacheinander durch eine Reihe von Löseeinrichtungen strömt, wobei jeder Löseeinrichtung frischer Wasserstoff zugeführt wird. Das durch jede Löseeinrichtung mitgenommene Gas wird von der Breiphase abgetrennt und aus dem Reaktorsystem entfernt, bevor die kondensierte Phase durch eine stromabwärts angeordnete Löseeinrichtung strömt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden bemerkenswerte zusätzliche Vorteile erreicht. Durch die Anordnung

ist eine ausreichende Geschwindigkeit der Feststoffe durch das System sichergestellt, so daß die Feststoffe sich nicht absetzen oder im suspendierten Zustand über ein betriebsfähiges Ausmaß hinaus ansammeln. Desgleichen ist das freie Gasvolumen in dem Reaktor ausreichend, um einen zufriedenstellenden Wasserstoffübergang von der gasförmigen Phase im die kondensierte Reaktionsphase sicherzustellen. Dabei ist berücksichtigt, daß der Wasserstoffkontakt an den Grenzschichten überaus wichtig ist, um genügend Wasserstoff der Reaktion zuzuführen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem der Kohlebrei durch in Reihe angeordnete Löseeinrichtungen strömt, wird das Beschickungsgas im Gegensatz zu der Breiphase einer Serie von parallel angeordneten Löseeinrichtungen zugeführt, so daß die Gasbeschickung jeder Löseeinrichtung ausreicht, um ein freies Volumen von wenigstens 6 % , jedoch höchstens von 15 % in jeder Löseeinrichtung aufrechtzuerhalten. Besonders bevorzugt wird ein Bereich von 8 bis 12 % verwendet.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung werden die Effluenten jeder Löseeinrichtung einer Gasabtrenneinrichtung zugeführt, um das gasförmige Produkt und das verdampfte Lösungsmittel über Kopf zu einer Produktaufarbeitungsanlage abgehen zu lassen. Der kondensierte Bodenstrom wird von der Abtrenneinrichtung unmittelbar der nächsten Löseeinrichtung in Gegenwart eines frischen Stroms frischen wasserstoffreichen Gases zugeführt.

Da die Hydrierung von der Reinheit des Wasserstoffs in der Gasphase abhängt, werden durch die Zufuhr frischen Wasserstoffs in jede Löseeinrichtung die folgenden vorteilhaften Ergebnisse erzielt:

(1) Der Partialdruck des Wasserstoffs in dem Gasstrom wird aufgrund der Abwesenheit von gasförmigen Kohlewasserstoffen und Wasser erhöht.

(2) Die große Wassermenge, die aus Kohle erzeugt wird, geht über Kopf ab/ ohne mit dem stromabwärts angeordneten Reaktor in Berührung zu kommen, insbesondere da das meiste Wasser zu Beginn der Reaktion erzeugt wird.

(3) Der Partialdruck des H-S in dem Gasstrom wird herabgesetzt/ wodurch die Entschwefelung in den stromabwärts angeordneten Löseeinrichtungen beschleunigt wird.

(4) Es wird ein optimaler Wasserstoffkontakt an den Grenzschichten aufrechterhalten, da ein Betrieb mit einem freien Volumen zwischen 8 und 12% erfolgt und mit höheren linearen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten gearbeitet wird.

Unter der Bezeichnung "freies Volumen" ist im vorliegenden Fall das eingeschlossene Gasvolumen in der Löseeinrichtung oberhalb des Niveaus der kondensierten Phase, den Schaum ausgenommen , zu verstehen.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Figur 1 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2 ein Fließdiagramm einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Figur 3 eine Ansicht einer Löseeinrichtung in detaillierter Wiedergabe;

Figur 4 ein Fließdiagramm einer dritten Ausführungsform der Erfindung; und

Figur 5 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Anteil des freien Gasvolumens und der

Oberflächengeschwindigkeit bei einer erfindungsgemäßen Löseeinrichtung zeigt.

Die Kohle, die bei diesem Verfahren zugeführt wird, kann irgendeine Qualität unterhalb der von Anthrazit aufweisen, wie Fettkohle, Magerkohle oder Braunkohle oder Gemische davon. Die zugeführte Kohle kann direkt von einem Bergwerk kommen (Förder- oder Rohkohle) oder sie kann auf in einer von mehreren Stufen vorgereinigt sein, um einen Teil des mitgeschleppten mineralischen Materials zu entfernen. Die Kohle , also entweder Förderkohle oder Kohle von einer Aufbereitungsanlage, kann zu einer Größe gemahlen werden, die typischerweise weniger als acht Mesh (Tyler-Sieb-Klassifikation) bzw. besonders bevorzugt weniger als 20 Mesh beträgt, worauf sie getrocknet wird, um die Feuchtigkeit bei Fettkohle oder Magerkohle bis auf weniger als 4 Gew.-% zu entfernen.

Bei diesem Verfahren wird die Kohle mit einem Lösungsmittel aufgeschlämmt, das aus einem von Kohle herrührenden öl bestehen kann, das durch Kohleverkokung in einem Schlitzofen erhalten worden ist und im allgemeinen ein Creosotöl, Antrazenöl oder ein Öl entsprechender Art darstellt oder es kann ein bei dem Verfahren gewonnenes Lösungsmittel sein. In diesem Lösungsmittel können auch restliche SRC-Produktionsanteile enthalten sein, die von dem Feststoffabtrennungsschritt herrühren, wie von dem zweiten Abtrennungsschritt einer vollständigen Lösungsmittel-Entaschungsanlage , die erwünschtenfalls ein-

gesetzt werden kann. Der Anteil des restlichen SRC in dem Lösungsmittelstrom kann bis zu 35 % des gesamten Lösungsmittels betragen.

Die Kohle wird mit dem bei dem Verfahren vorgesehenen Lösungsmittel in einem Kohlebreimischtank 10 bei einer Temperatur zwischen Umgebungstemperatur und 232⁰C (450⁰F) sowie bei einer Konzentration der Kohle in dem Brei von 20 bis 55 Gew.-% vermischt. In dem Breimischtank 10 , der auf einer erhöhten Temperatur gehalten werden kann, um die Viskosität des Lösungsmittels zum Pumpen niedrig genug zu halten, wird ein Teil der Feuchtigkeit, die von der zugeführten Kohle mitgeschleppt wird, entfernt. Dadurch, daß der Tank auf einer höheren Temperatur gehalten wird, kann die Feuchtigkeit als Dampf entweichen. Der Brei von dem Tank 10 gelangt zu einer Pumpe 12, die den Brei in ein System befördert, das auf einem höheren Druck, im allgemeinen von 35 bis 210 at (500 bis 3000 psig) gehalten wird. Der Brei wird mit einem über die Leitung 14 zugeführten wasserstoffreichen Gasstrom vermischt, und zwar in einem Verhältnis von 0,283 bis 1,132 m (10 bis 40 Mscf) je Tonne zugeführter Kohle. Der Dreiphasen-Gas-Brei-Strom wird dann in eine Vorerwärmungseinrichtung eingespeist, . die aus einem rohrförmigen Reaktor 16 besteht, der ein Längen-Durchmesser-Verhältnis von mehr als 200, vorzugsweise von mehr als 500 aufweist. Die Temperatur des Dreiphasengemischs wird von der geeigneten Temperatur in dem Breitank auf eine Temperatur am Ausgang von 315 bis 454°C (800 bis 850⁰F) erhöht.

Der vorerwärmte Brei wird dann einer Kohleverflüssigungsstufe zugeführt, bei der der Brei in Serie durch mehrere Löseeinrichtungen strömt. In Figur 1 sind drei Löseein-

richtungen dargestellt/ die aus rohrförmigen Gefäßen 18,19 und 20 bestehen, die adiabatisch ohne nennenswerte Wärmezufuhr von außen betrieben werden. Das Längen/Durchmesser-Verhältnis der Lösegefäße 18, 19 und 20 ist erheblich kleiner als das im Vorerwärmungsabschnitt dieses Verfahrens, Der den Vorerwärmungsabschnitt verlassende Brei enthält geringe Mengen ungelöster Kohle, die dadurch in das erste Lösegefäß 18 gelangt . In dem Vorerwärmungsabschnitt ändert sich die Viskosität des Breis, wenn der Brei durch das Rohr strömt, wobei er ursprünglich ein gelartiges Material bildet, dessen Viskosität kurz danach rasch abfällt, um eine relativ frei fließende Flüssigkeit zu bilden. Diese Flüssigkeit tritt dann in die Löseeinrichtungen ein, wo weitere Veränderungen erfolgen.

In den Löseeinrichtungen wird die Kohle und das Lösungsmittel einer Anzahl von chemischen Umwandlungen unterworfen, einschließlich, jedoch nicht notwendigerweise einschränkend, einer weiteren Auflösung der Kohle, einem Wasserstoffübergang von dem Lösungsmittel auf die Kohle, einer Rehydrierung des im Kreislauf geführten Lösungsmittels, einer Entfernung von Heteroatome^, einschließlich Schwefel, Stickstoff und Sauerstoff aus der Kohle und dem im Kreislauf geführten Lösungsmittel; einer Herabsetzung bestimmter Komponenten in der Kohleasche, z.B. FeS₂ oder FeS sowie einer Wasserstoff-Kräckung schwerer Kohlenteeröle. Das mineralische Material in der Kohle kann in unterschiedlichem Ausmaß die vorstehenden Reaktionen katalysieren.

Der Oberflächenstrom des Gases und der Breiphase werden so gewählt, daß eine gute Turbulenz in dem Reaktor (Löseeinrichtung) aufrechterhalten wird, die eine gute Vermischung sicherstellt. Das Verhältnis des gesamten

Wasserstoffgases zu dem Brei wird auf einem Niveau gehalten, durch das eine ausreichende Wasserstoffkonzentration in den austretenden Brei sichergestellt ist, um eine Verkokung zu verhindern. Die Strömung durch die Löseeinrichtungen wird insbesondere so gewählt, daß der Kohlebrei mit seinen anfänglichen mineralischen Teilchen sich durch die Löseeinrichtungen mit einem Minimum an mitgeschleppten größeren Teilchen, die nicht in der Lage sind, die Löseeinrichtungen zu verlassen, hindurchtritt. Die Menge der Feststoffe, die sich bei diesen Geschwindigkeiten in den Löseeinrichtungen ansammeln, ist, gemessen an der Beschickung, sehr gering. Bei einer bevorzugten Ausführungsform dient der Feststoffgehalt in den Löseeinrichtungen dazu, die Reaktionen zu katalysieren. Aufgrund des ihnen eigenen Phänomens, Ansammlungen zu bilden, ist es erwünscht, eine Feststoffentfernungseinrichtung in den Löseeinrichtungen anzuordnen, so daß übermäßige Feststoffansammlungen aus dem System entfernt werden können.

Der Effluent des ersten Lösegefäßes 18 wird einer Gasabtrenneinrichtung 22 zugeführt, wo der Effluent durch Flash-Verdampfung in ein Gassystem übergeführt wird, wobei die Dämpfe schließlich gekühlt und unter Druck abgeschieden werden, um die leichten Gase, Wasser und ein an organischen Stoffen reiches Kondensat zu erhalten. Diese Abtrennungen, Wiedergewinnungen und Gasreinigungsabtrennungen werden in einer Gasbehandlungszone durchgeführt, in der das von der Abtrenneinrichtung 22 über Kopf abgehende Material mit dem über Kopf abgehenden Material der anderen Abtrenneinrichtungen sowie der Abtrenneinrichtung am Ende des Verfahrens vereinigt wird. Das über Kopf abgehende Material der Abtrenneinrichtung 22 wird der Gasbehandlungszone über eine Leitung 23 züge-

führt.

Der vom Fuß der Abtrenneinrichtung 22 abgehende Strom wird einem zweiten Lösegefäß 22 zugeführt, in dem der transportierte Brei mit frischem Wasserstoff über eine Leitung 24 vermischt wird, bevor er in das zweite Lösegefäß 19 eingespeist wird. In das zweite Lösegefäß 19 wird ausreichend Wasserstoff gegeben, um eine gute Bewegung in dem Lösegefäß aufrechtzuerhalten, so daß ein gutes Vermischen sichergestellt ist. Durch die Zufuhr frischen Wasserstoffs zu der zweiten Löseeinrichtung wird der Wasserstoff-Partialdruck beträchtlich erhöht, da viel von dem CO, CO„ und H_?O nach der ersten Löseeinrichtung durch die Gasabtrenneinrichtung 22 entfernt worden ist. Der hohe Partialdruck stellt eine bessere Reaktion sicher, die zu einer größeren Umwandlung der restlichen zu destillierenden Fraktionen und einer besseren Einverleibung des Wasserstoffs in das Lösungsmittel führt. Der höhere Partialdruck des Wasserstoffs unterstützt außerdem die Entfernung des Schwefels.

Die Anzahl der Löseeinrichtungen bei dem Verfahren kann zwei oder mehr sein. Die Konzentration des höher siedenden Materials in den stromabwärts angeordneten Löseeinrichtungen kann größer sein als die in der ersten Löseeinrichtung. Durch diese höhere Konzentration des restlichen Materials wird die Möglichkeit eröffnet, diese Fraktion selektiv zu behandeln,' um eine größere Menge an Destillat zu erzeugen.

Der Effluent des zweiten Lösegefäßes 19 wird einer Gasabtrenneinrichtung 24 zugeführt, die in der gleichen Weise aufgebaut ist und funktioniert wie die Gasabtrenneinrichtung 22, wobei der Effluent durch Flash-Destillation

in ein Gassystem übergeführt wird und die Dämpfe abgekühlt und unter Druck abgeschieden werden, um leichte Gase, Wasser und organisches Kondensat zu gewinnen. Der vom Fuß der Gasabtrenneinrichtung 24 abgehende Strom wird einer dritten Löseeinrichtung 20 zugeführt, wie aus Figur 1 ersichtlich. Während dieses Transports wird der Brei mit frischem Wasserstoff über eine Leitung 26 vermischt und das Gemisch in die dritte Löseeinrichtung 20 eingegeben. Es wird wiederum ausreichend Wasserstoff durch die Leitung 26 zugeführt , um eine gute Bewegung in dem Lösegefäß 20 aufrechtzuerhalten, so daß eine gute Vermischung sichergestellt ist, wobei bei dem Lösegefäß 19 die Zufuhr von frischem Wasserstoff den Wasser stoff-Partialdruck beträchtlich erhöht.

Der Löseeinrichtungsinhält wird aus der dritten oder letzten Löseeinrichtung entfernt, über eine Leitung 28 einer Dampf/Flüssigkeits-Trennzone, die mit 30 bezeichnet ist, zugeführt, wo der Effluent einer Flash-Verdampfung unterworfen wird und das über Kopf abgehende Material in nach dem Stand der Technik bekannten Wärmeaustauschern, die mehrstufig sein können, auf 38 bis 66 ⁰C (100 bis 150⁰F) abgekühlt wird. Leichte Gase, wie Wasserstoff, H₃S, CO₃, Ammoniak, H₂O und C.-C.-Kohlenwasserstoffe werden bei dem Flash-Vorgang entfernt und über eine Leitung 32 einer Wasserstoff-Rückgewinnungseinrichtung 34 zugeführt, wo diese Gase gewaschen werden, um saure und alkalische Bestandteile zu entfernen, während der Wasserstoff und die niedrigen Kohlenwasserstoffe im Kreislauf den verschiedenen Stufen des Prozesses zugeführt oder als Brennstoff verbrannt werden können. Ein Flüssigkeits-Feststoffbrei wird über eine Leitung 36 durch eine Destillation und Feststoff-Flüssigkeitsabtrenneinrichtung 38 geschickt, wo mehrere Ströme erhalten

werden, nämlich (a) leichte Destillate (mit einem Siedepunkt bis 204⁰C oder 400⁰F), (b) Destillate, die zwischen etwa 177 und 566⁰C bzw. zwischen 350 und 1050⁰F sieden , (c) lösungsmittelraffinierte Kohle (Siedepunktanfang etwa 454°C bzw. 850⁰F) sowie im Kreislauf zurückgeführtes Lösungsmittel und (d) fester Rückstand, der vor allem Asche und nicht umgewandelte Kohle sowie etwas SRC und Lösungsmittel enthält. Der im Kreislauf geführte Lösungsmittelstrom wird über eine Leitung 40 zurück zur Kohlezuführung geleitet , um den Anfangsbrei aus Kohle und im Kreislauf geführtem Lösungsmittel herstellen zu können.

In Figur 2 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die derjenigen nach Figur 1 ähnlich ist, weshalb entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung tritt der zugeführte Brei in das Verfahren auf gleicher Art und Weise ein, wie es vorstehend im Zusammenhang mit der Ausführungsform nach Figur 1 beschrieben ist, wobei der Brei von dem Tank 10 zu einer Pumpe 12 und durch die Vorerwärmungseinrichtung 16 strömt, von wo der erwärmte Brei in die erste Löseeinrichtung 18 eintritt. Die Betriebsmaßnahmen, die in der Löseeinrichtung 18 bei der Ausführungsform nach Figur 1 vorgesehen sind, sind auch bei der Ausführungsform nach Figur 2 anwendbar. Der Effluent von dem ersten Lösegefäß 18 strömt jedoch nicht in eine Gasabtrenneinrichtung, sondern gelangt stattdessen über eine Leitung 4 2 zum Kopf des zweiten Lösegefäßes 13, wo die Gase aus dem Brei freigesetzt werden, und gelangt dann über eine Leitung 4 6 zu der nächsten stromabwärts angeordneten Löseeinrichtung 20. Aufgrund der Turbulenz in dem zweiten Lösegefäß 19 wird der befreite Brei vollständig mit dem Inhalt der zweiten Löseeinrichtung vermischt, um einen

Rückvermischungseffekt hervorzubringen, der dazu dient, ein gleichmäßiges Gemisch in dem Gefäß zu erhalten, wobei die exotherme Reaktion der Kohlenwasserstoffmoleküle mit dem molekularen Wasserstoff unter Kontrolle gehalten wird. Frischer Wasserstoff wird kontinuierlich zu dem zweiten Lösegefäß 19 über eine Leitung 44 gegeben, wodurch eine starke Turbulenz in dem Lösegefäß 19 auftritt, die dazu führt, daß die Flüssigkeit in dem Gefäß vollständig dispergiert wird. Frischer Wasserstoff wird außerdem kontinuierlich einem zweiten Lösegefäß 20 über eine Leitung 48 zugeführt, um die erforderliche Turbulenz in dem Lösegefäß 20 zu erhalten.

Der Effluent von der dritten Löseeinrichtung 20 wird abgezogen und über eine Leitung 50 einer Dampf/Flüssigkeits-Abtrennzone 30 zugeführt, wo der Effluent in der gleichen Art und Weise behandelt wird, wie vorstehend im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben.

Bei einer modifizierten Version der Ausführungsform nach Figur 2 werden die Gase, die aus dem Brei freigesetzt worden sind, von dem Kopf der Löseeinrichtungen 19 und 20 direkt einer separaten Produktweiterverwendungseinrichtung über eine Leitung 47 bzw. 49 zugeführt. In . diesem Fall wird eine modifizierte Bauart einer Löseeinrichtung für die Löseeinrichtungen 19 und 20 verwendet/ welche Löseeinrichtungsbauart in Figur 3 dargestellt ist. Bei dieser Bauart der Löseeinrichtung ist eine Prallplatte 52 vorgesehen, derart, daß der Strom, der in das Lösegefäß über die Einlaßleitung eintritt/ nicht direkt zu der Auslaßleitung fließt, um aus dem Gefäß auszutreten. Der Zweck der Prallplatte besteht darin, die Strömung abzulenken, wobei sie irgendeine dem Fachmann bekannte Ausbildung aufweist. Stattdessen

kann die Löseeinrichtung , die in Figur 3 dargestellt ist, so abgewandelt werden, daß die Einlaßleitung 54 so aufgebaut und angeordnet ist, daß die eintretende Strömung in einer Richtung nach unten verläuft, so daß sie nicht direkt zum Auslaß des Gefäßes strömt. Bei dieser Ausbildung entfällt die Prallplatte 52.

Die Gasphase wird weiterhin von der flüssigen Phase am Kopf der Löseeinrichtung abgetrennt, wobei die Gase über eine Leitung 56 abgehen und der Brei über eine Leitung Auf diese Weise gehen der Wasserstoff, leichte Kohlenwasserstoffgase und ein großer Teil des Destillats im Lösungsmittelbereich über Kopf zu einer separaten Produktweiterverwendungseinrichtung ab, wobei die kondensierte Breiphase, die im wesentlichen frei von leichten Gasen und leichten Destillatbestandteilen ist, stromabwärts der nächsten Stufe des Prozesses zugeführt wird.

Eine weitere Abänderung des in Figur 2 dargestellten Verfahrens ist in Figur 4 veranschaulicht. Bei diesem abgeänderten Verfahren wird der Effluent der Vorerwärmungseinrichtung 16 dem Kopf der ersten Löseeinrichtung 18 zugeführt, wo gasförmiges Material sowie ein großer Anteil des Destillats im Bereich des im Kreislauf geführten Lösungsmittels sofort über Kopf abgeht und einer stromabwärts angeordneten Produktweiterverwendungsanlage über eine Leitung 60 zugeführt wird. Durch die Rückvermischungsbedingung der drei Phasen wird ein vollständig gleichmäßiges Gemisch der Reaktanten der flüssigen Phase in der Löseeinrichtung aufrechterhalten. Da dort die schweren Fraktionen von dem leichteren Destillatmaterial abgetrennt werden, nimmt ihre mittlere Verweilzeit bei gleichem Löseeinrichtungsaufbau zu. Desgleichen ist die Ascheansammlung

in der Löseeinrichtung größer als in der Löseeinrichtung, die einen Einlaß am Boden für die Breiphase aufweist. Zu Beginn der Kohleverflüssigung wird ferner eine beträchtliche Menge Wasser dadurch gebildet, daß durch einen offenbar freien Radikalprozeß Äthersauerstoff-Brücken im großen Umfang aufgebrochen werden. Dieses Wasser führt zu einer bedenklichen Herabsetzung des Wasserstoff -Partialdrucks bei den stromabwärts erfolgenden Reaktionen, die in der Löseeinrichtung erfolgen. Da dieses Wasser weitgehend bei der Vorerwärmungsstufe erzeugt wird, werden durch seine Entfernung bei den späteren Stufen die auftretenden Hydrierungsprozesse erheblich verbessert.

Um dem Wasserstoffbedarf des Verfahren zu genügen, wird viel des benötigten Wasserstoffs direkt der Lösestufe unter Umgehung der Vorerwärmungseinrichtung zugeführt. Lediglich ein Teil des Wasserstoffs wird der Vorerwärmungsstufe zugeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren , das in Figur 2 wiedergegeben ist, weißt mehrere wichtige Vorteile auf. Einerseits ist ein separates Abtrenngefäß nicht mehr notwendig, desgleichen besteht keine Notwendigkeit irgendein kondensiertes vom Boden abfließendes Material eines äußeren Abtrenneinrichtungseffluenten vor der Wiedereinspeisung in ein stromabwärts angeordnetes Gefäß erneut zu erhitzen. Weiterhin führt die sofortige Führung des Breis und des Wasserstoffgases in der zweiten Löseeinrichtung im Gegenstrom beispielsweise zu einem niedrigen H„S-Partialdruck , wodurch die Entfernung des Schwefels verbessert wird. Bei Verwendung einer Einrichtung zur Dispersion des Gases, wie Verteilerplatten oder Leitblechen, werden durch Zufuhr des Breis an einer Stelle

oberhalb der Dispergiereinrichtung die potentiellen Probleme überwunden, die mit dem Durchtritt eines Breis durch eine derartige Dispergiereinrichtung verbunden sind, wie Korrosion oder die unzureichende Verteilung der Gas- und Breiphasen.

Es ist ersichtlich, daß die vorstehende Beschreibung schematisch ist und den wesentlichen Betrieb des Verfahrens wiedergibt, wobei ein Fachmann weiß, wo und wie die erforderlichen Ventile, Pumpen, Druckeinrichtungen und andere Standardbauteile , die bei diesem System erforderlich sind, anzubringen sind.

Die nachstehenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung, wobei diese Beispiele lediglich der Veranschaulichung dienen und nicht einschränkend zu verstehen sind. Es werden einige Beispiele wiedergegeben, die die Anwendung dieses Verfahrens zeigen:

Beispiele Beschreibung

1 Vier Reaktoren identischer Größe

und mit einem freien Volumen in jedem Reaktor von 8 %

2 Vier Reaktoren identischer Größe und mit einem freien Volumen in

jedem Reaktor von 12 %

3 Zwei Reaktoren unterschiedlicher

Größe mit dem gleichen Wasserstoff/ Kohle-Verhältnis in jedem Reaktor

4 Zwei Reaktoren unterschiedlicher

Größe mit unterschiedlichen Wasserstoff/Kohle-Verhältnissen in jedem Reaktor.

Beispiel 1

Eine Kohleverflüssigungsanlage , die eine Kapazität aufweist, um 1000 Tonnen Kohle pro Tag mit 4 Löseeinrichtungen gleichen Volumens zu verarbeiten, von denen jede - mit frischen Wasserstoff beschickt wird, ist in Tabelle beschrieben. Kohle , die in dem für das Verfahren vorgesehenen Lösungsmittel mit einem Gehalt von 40 % aufgeschlämmt ist, wird über eine Vorerwärmungseinrichtung einer Löseeinrichtung zugeführt, wie es in Figur 1 dargestellt ist. Diese Löseeinrichtung mit einem vorgegebenen freien Volumen von 8 % weist eine Oberflächengasgeschwindigkeit von 3,36 cm (0,11 Fuß) pro Sekunde auf. Das zugeführte Gas wird gleichmäßig auf vier Löseeinrichtungen verteilt, wobei alle vier eine Verweilzeit des Breis von insgesamt bis zu 30 Minuten aufweisen. Die Geschwindigkeit des zugeführten Gases, um dieses freie Volumen, in jeder Löseeinrichtung unter den Reaktorbedingungen zu erhalten, beträgt 65,8 m (2350 Kubikfuß) je 30 Minuten. Dies bedeutet, daß die einzelnen Löse-

2 einrichtungen eine Querschnittsfläche von 110,5 dm (11,9 Quadratfuß), eine Höhe von 11,16 m (36,6 Fuß) und einen Durchmesser von 1,19 m (3,9 Fuß) aufweisen. Unter diesen Bedingungen beträgt die Oberflächengeschwindigkeit des Breis 0,024 m (0,08 Fuß) pro Sekunde.

Beispiel 2

Bei diesem Beispiel ist die Kohlezufuhr, die Verweilzeit und die Wasserstoffzuführgeschwindigkeit bei den vier Löseeinrichtungen die gleiche wie beim Beispiel 1 , jedoch beträgt das freie Volumen 12 %. In Tabelle 1 sind die Daten wiedergegeben. Die Größe des Reaktors, um die angestrebten Werte zu erreichen, besteht in einem Durchmesser von 0,88 m (2,9 Fuß) und einer Höhe von 20,4 m. Ein derartiges System weist eine lineare Oberflächen-

gasgeschwindigkeit von 0,061 in (0,20 Fuß) pro Sekunde auf.

Beispiel 3

Eine Anlage mit einer Größe von 1000 Tonnen/Tag und einer Wasserstoffzuführgeschwindigkeit von 0,56 m (20 Mscf) pro Tonne Kohle sowie einer Verweilzeit von 30 Minuten bei einer Kohlekonzentration von 40 % in dem für das Verfahren vorgesehene Lösungsmittel ist so aufgebaut, daß zwei Reaktoren mit einem freien Volumen von 8 und 12 % und einem Reaktorvolumenverhältnis von 1 zu 2 vorgesehen sind. Die Verweilzeit in dem zweiten Reaktor ist doppelt so groß als die in dem ersten Reaktor. Aus diesen Daten folgt, daß die jeweilige lineare Gasgeschwindigkeit für die beiden Reaktoren 0,034 bzw. 0,061 (0,11 bzw. 0,20 Fuß) pro Sekunde bei der Löseeinrichtung Nr. 1 bzw. Nr. 2 beträgt. Durch diese Daten wird die Größe der Löseeinrichtungen festgelegt, wie in Tabelle 1 wiedergegeben.

Die Höhe der Löseeinrichtung 1 und 2 beträgt 11,16 m (36,6 Fuß) bzw. 20,34 m (66,7 Fuß), wobei der Durchmesser nahezu der gleiche ist.

Beispiel 4

Eine Anlage mit einer Größe von 1000 Tonnen pro Tag, einer Wasserstoffzuführgeschwindigkeit von 0,56 m (20 Mscf) pro Tonne Kohle und einer Verweilzeit von 30 Minuten bei einer Kohlekonzentration von 40 % in dem für das Verfahren verwendeten Lösungsmittel ist so ausgebildet, daß die beiden Reaktoren die gleiche Oberflächenverweilzeit aufweisen. Unter Ausnutzung des Vorteils hoher Wasserstoff-Partialdrücke in den stromabwärts angeordneten Löseeinrichtungen wird der Wasserstoff auf die erste und die zweite Löseeinrich-

tung in einem Verhältnis von 1 zu 2 aufgeteilt. Unter Verwendung von Reaktoren gleicher Größe beträgt der Anteil des freien Volumens der beiden Reaktoren 11 bzw. 15 %, wie in Tabelle 1 angegeben. Beide Reaktoren weisen eine Oberflächenverweilzeit des Breis von 15 Minuten auf.

Tabelle 1

Größe der Anlage: 1000 t/tag

H₂: 0,56 m pro Tonne Kohle Verweilzeit "des Breis: 30 Min.

Gas/Flüssigkeitsvolumenverhältnis: 0,71

5,6 % H₂ bezogen auf Kohle

Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3 Beispiel 4

Reaktor 1-4 1-4 12 1 2 Gasgeschwindigkeit

m/sec 0,036 0,071 0,071 0,049 0,049 0,085

Freies Voluiten (%) 8 12 8 12 11 15

Reaktorvoluman (m³) 12,2 12,2 16,2 32,5 24,5 24,5 , Gaszufuhrgeschwindig-

keitsbedingungen (m³/30 Min/ 65,5 65,5 87,7 175,5 98,7 164,5 Reaktor)

Reaktorquerschnitt (dm²) 110,7 60,5 146,9 161,8 110,7 110,7 Reaktorhöhe (m) 11,2 20,4 11,2 20,3 22,3 22,3 Reaktordurchiresser (m) 1,19 0,88 1,37 1,43 1,19 1,19 Breioberflächengeschwindigkeit (m/sec) ' 0,024 0,046 0,18 0,18 0,024 0,024

Der hier angegebene Bereich des freien Volumens wirtel durch die Figur 5 gestützt, in die die Daten eingetragen sind, die bei Untersuchungen eines Modellreaktors erhalten worden sind, der aus einem durchsichtigen Wassergefäß bestand, durch das Stickstoff hindurch geleitet wurde. Bei diesen Untersuchungen wurde der Anteil des freien Gasvolumens bei unterschiedlichen Stickstoffströmungsgeschwindigkeiten gemessen, dem das Verhalten des Gases entspricht, das durch ein Löseeinrichtungsbett nach oben strömt. Die Kurve "A" stellt die Werte für eine Säule mit einem Durchmesser von 5,08 cm (2 Zoll) dar, und die Kurve "B" die Werte für eine Säule mit einem Durchmesser von 12,7 cm (5 Zoll). Die Punkte der Kurve "B", die als Dreiecke wiedergegeben sind, entsprechen den Berechnungen aufgrund der "Yoshida Korrelation", einer Methode, mit der Versuchsdaten des Anteils des zurückgehaltenen Gases sowie des volumetrischen Flüssigkeitsphasenkoeffizienten in einer Gasblasenkolonne miteinander in Verbindung gebracht werden (vgl. Akita und Yoshida, "Gas Holdup and Volumentric Mass Transfer Coefficient in Bubble Columns", Ind. Eng. Chem., Process Des. Develop., Band 12, Nr. 1, 1973, Seiten 76 bis 80). Die gestrichelte Linie stellt eine Extrapol .ation der Anfangssteigung der Kurven A und B dar.

Die Kurve B veranschaulicht, daß die Abweichung (d.h. eine Verminderung der direkten Abhängigkeit) des Anteils des freien Raumes bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten sehr beträchtlich ist. Diese beträchtliche Abweichung dürfte darauf zurückzuführen sein, daß bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten die effektive Zunahme des Gaskontakts an den Grenzschichten mit der Breiphase stark abfällt.

Es sei jedoch daran erinnert, daß bei der Verwendung von Löseeinrichtungen bei der Kohleverflüssigung eine ausreichende Gasgeschwindigkeit erforderlich ist, um die Feststoffe in der kondensierten Phase zu suspendieren. Es hat sich herausgestellt, daß die Feststoffsuspension sehr stark von der Gasgeschwindigkeit abhängt. Um eine ausreichende Suspensierung der Feststoffe zu erreichen, muß deshalb ein ausreichender Wasserstoff-Massenübergang aufrechterhalten werden, wobei ferner unter den hohen Gasgeschwindigkeiten geblieben werden muß, die übermäßig hohe Abweichungen aufgrund der Turbulenz in der Löseeinrichtung verursachen, wobei ein freies Volumen zwischen 8 und 12 Volumen-% den bevorzugten Bereich darstellt.

Claims

AElTOUmLTE DR.KADOR &DR. KLUNKER

International Coal Refining

Company

P.O. Box 2752

Allentown, P.A. 18001, U.S.A.

Verfahren zur Kohleverflüssigung

Patentansprüche

( 1 .J Verfahren zur Lösungsmittelraff inierung von Kohle, bei dem ein Brei aus fein geriahlener Kohle in den; für das Verfahren vorgesehenen Lösungsmittel durch eine Vorerwärmungseinrichtung einer Kohleverflüssigungsstufe in Gegenwart eines wasserstoffreichen Gases bei erhöhter Temperatur und unter Druck zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet , daß der Brei von der Vorerwärmungseinrichtung durch mehrere in Reihe angeordnete Löseeinrichtungen geschickt wird, jeder Löseeinrichtung frisches Wasserstoff gas zugeführt wird und die mitgeschleppten Gase von der aus jeder Löseeinrichtung austretenden Breiphase abgetrennt und aus der Verflüssigungsstufe entfernt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasabtrennvorgang durchgeführt wird, indem der Effluent jeder Löseeinrichtung durch eine Gasabtrenneinrichtung strömt, in der die Gase abgetrennt werden und eine flüssige Breiphase einer stromabwärts angeordneten Löseeinrichtung zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasabtrennvorgang in dem Kopf der Löseeinrichtungen durchgeführt wird, indem die Gasphase von der Breiphase getrennt und jede Phase von der Löseeinrichtung in einem getrennten Strom abgezogen wird.·
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Effluent von der Vorerwärmungseinrichtung dem Kopf der ersten der in Serie angeordneten Löseeinrichtungen zugeführt wird, in welchem die Abtrennung der Gasphase von der Breiphase erfolgt, wobei der gebildete gasförmige Strom von dem Kopf der ersten Löseeinrichtung abgezogen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß frischer Wasserstoff dem Fuß der ersten Löseeinrichtung zugeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß frischer Wasserstoff jeder der Löseeinrichtungen am Fuß zugeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Raum in jeder Löseeinrichtung 6 bis 15 % beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasgeschwindigkeit an der Oberfläche 3,5 bis 7,36 cm (0,11 bis 0,25 Fuß) pro Sekunde beträgt.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brei, der in jeder der stromabwärts angeordneten Löseeinrichtungen eingespeist wird, so gerichtet ist, daß eine Rückvermischung erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Brei, der in die stromabwärts angeordneten Löseeinrichtungen eingespeist wird, nicht zu der Stelle gerichtet ist, an der der Brei die Löseeinrichtungen verläßt, um dadurch ein gleichmäßiges Vermischen mit den Reaktanten der kondensierten Phase in der Löseeinrichtung durch RückVermischung zu bewirken.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Löseeinrichtung ein freies Volumen von 8 bis : 12 % aufrechterhalten wird.
12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasgeschwindigkeit so eingestellt wird, daß die Feststoffe sich in dem System nicht absetzen und genügend freie Gasräume vorhanden sind, um einen ausreichenden Wasserstoffübergang von der gasförmigen in die kondensierte Phase, in der die Reaktion erfolgt, zu gewährleisten.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase,die in dem Effluenten von der Vorerwärmungseinrichtung enthalten sind, aus dem Verfahren entfernt werden, bevor sie an der Verflüssigungsreaktion te ilnehmen.