DE3613903A1

DE3613903A1 - Vertikaltyp-radialstromreaktor

Info

Publication number: DE3613903A1
Application number: DE19863613903
Authority: DE
Inventors: Thomas Nicholson Ft. Myers Fla. Methven; Joseph Collegeville Pa. Scheider
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1985-04-26
Filing date: 1986-04-24
Publication date: 1986-10-30
Also published as: NO861647L; FI861694A; KR900000860B1; FI861694A0; KR860008255A

Description

Vertikaltyp-Radialstromreaktor
Die Erfindung betrifft eine verbesserte Ausgestaltung von Reaktoren, wie sie bei katalytischen Kohlenwasserstoff-Behandlungen eingesetzt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Behandlung von Kohlenwasserstoffen unter Verwendung des verbesserten Reaktors.
Reaktoren zur Behandlung von Kohlenwasserstoffen besitzen typischerweise ein isoliertes, horizontal orientiertes Gefäß aus Kohlenstoffstahl oder dgl., mit einem auf einer geeigneten Unterlage angeordneten expansiven Kataltysatorbett im unteren Bereich des Gefäßes. Unten im Gefäß werden Ziegelböden mit feuerfesten Bögen gebaut, um eine geeignete Unterlage für das Katalysatorbett zu schaffen. Bei einigen Reaktortypen ist der Ziegelboden sowie die feuerfeste Bogen-Unterlage ersetzt durch alternative Abstützungen, z. B. durch metallische Quer-Träger, die den Reaktor überspannen und eine aus einer perforierten Stahlplatte bestehende Lagerplatte tragen. Eine andere Lösung sieht ein großes perforiertes Rohr mit halbkreisförmigem Querschnitt vor, welches in Längsrichtung des Reaktors angeordnet ist und mit keramischen Stützkugeln bedeckt ist. Alternativ wurde vorgesehen, das untere Drittel des Reaktorgefäßes einfach mit keramischen Stützkugeln zu füllen oder daß irgendeine besondere Tragkonstruktion vorhanden ist.
Ein typisches Katalysator-Reaktionsgefäß zur Behandlung von Kohlewasserstoffen ist in der US-PS 4 126 539 gezeigt. Diese Druckschrift beschreibt einen feststehenden Katalysatorbett-Reaktor mit einer eingebauten Gas/ Flüssigstoff-Verteilereinrichtung. Ein horizontal orientiertes Katalysatorbett wird gelagert von einer Kombination aus keramischen Kugeln, umfassend eine Bodenschicht aus 3/4-Zoll-Kugeln, eine Mittelschicht aus 1/2-Zoll-Kugeln und eine obere Schicht aus 1/4-Zoll-Kugeln, ober- halb eines gelochten Ziegelbodens und Bögen, die einen Speicherraum für den Produkt-Abzug bilden. Bei einer Ausführungsform hat das Katalysatorbett, welches aus einem Oxid eines Metalls der Gruppe IV und/oder Sulfid auf Aluminiumoxid besteht, einen Durchmesser von etwa 420 cm und eine Höhe von etwa 900 cm.
Bei den oben beschriebenen Reaktoren erfolgt die Zufuhr des zu behandelnden Kohlenwasserstoffs zu dem Reaktionsgefäß typischerweise über einen Einlaß, der sich oben oder an der Seite des Gefäßes befindet. Zunächst erfolgt eine Berührung mit der Spitze des Katalysatorbetts, und für den weiteren katalytischen Kontakt dringt das zugeführte Reaktionsmittel zumindest teilweise in das Bett ein.
Die vorliegende Erfindung schafft einen wirtschaftlichen und effizienten Reaktor für die Verwendung in katalytischen Umwandlungsverfahren. Der neue Reaktor ist ein Reaktor des Vertikaltyps mit Radialströmung, bei welchem ein vertikal orientiertes Reaktionsgefäß mit einem Fluideinlaß zum Einführen von Reaktionsmitteln und einem Fluidauslaß für den Abzug von Produkten vorgesehen ist.
Ein festes Lager-Unterteil, z. B. ein Zementboden, befindet sich im unteren Abschnitt des Gefäßes. Zwei ringförmige, konzentrische Gitter oder irgendeine auqivalente Struktur, wie beispielsweise eine feuerfeste Ausmauerung, erstrecken sich von der Unterlage vertikal in das Reaktionsgefäß hinein. Die Gitter sind derart angeordnet, daß zwischen dem Außengitter und der Wand des Reaktionsgefäßes ein Speicherbereich gebildet wird, während zwischen den zwei Gittern ein Ringraum entsteht, in welchen man ein aus einem Granulat bestehendes Katalysatorbett anordnen kann. Im Inneren des Innengitters befindet sich ein Durchgang, der mit dem Fluideinlaß des Reaktionsgefäßes verbunden ist. Sowohl der Ringraum zwischen den zwei konzentrischen Gittern, als auch der innere Durchgang werden auf der Oberseite abgedichtet, um zu verhindern, daß Fluid durch die oberen Enden entweicht. Von der Oberseite des Katalysatorbetts erstreckt sich zum Äußeren des Reaktionsgefäßes hin ein Katalysator-Einlaß, z. B. eine Ladedüse, so daß von außerhalb des Gefäßes ein Katalysatormaterial in den Ringraum zwischen den Gittern gebracht werden kann. In ähnlicher Weise verläuft ein Katalysator-Auslaß vom Boden des Katalysatorbetts zum Äußeren des Reaktionsgefäßes, so daß das Katalysatormaterial aus dem Bett entfernt werden kann.
Dieser Typ von Reaktor liefert einen Radialstrom des Reaktionsfluids durch das vertikal orientierte Katalyatorbett. Der Reaktor eignet sich gut für eine Anzahl von Anwendungen, insbesondere für Kohlenwasserstoff-Verarbeitungen, wie z. B. die Dehydrierung, die Hydrierung, die Hydrofinierung und die katalytische Entschwefelung.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Schnittansicht durch einen Reaktor und Fig. 2 eine Querschnittansicht entlang der Linie 2-2 in Fig. 1.
Die vorliegende Erfindung schafft eine verbesserte Ausgestaltung eines Reaktors sowie ein Verfahren zur Verwendung eines solchen Reaktors. Besonders geeignet ist der Reaktor für katalytische Kohlenwasserstoffbehandlungen.
Gemäß Fig. 1 besitzt ein vertikal orientiertes Reaktionsgefäß 4 einen Fluideinlaß 6 für die Eingabe von Reaktionsmitteln, z. B. für das Einführen eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasstroms, in das Reaktionsgefäß 4.
Letzteres besteht aus einem steifen Material, welches den Reaktionstemperaturen standzuhalten vermag. Diese Temperaturen liegen beispielsweise für die C3 und C Dehydrierung bei etwa 600- 675 OC. Typische Reaktionsgefäße bestehen aus einer Kohlenstoffstahl-Außenhülle mit einer feuerfesten Auskleidung im Inneren. Zur zusätzlichen Verstärkung können metallische Halteringe 5 vorgesehen sein. Innerhalb des Reaktionsgefäßes 4 erstrecken sich von einer festen Lager-Unterlage 10 im Bodenbereich des Gefäßes aus zwei im Querschnitt kreisförmige, konzentrisch angeordnete Gitter 8 und 9 in vertikaler Richtung. Vorzugsweise erstrecken sich die zwei konzentrischen Gitter mindestens über etwa die Hälfte im Inneren des Reaktionsgefäßes 4 nach oben, erreichen jedoch nicht die Spitze des Gefäßes.
Der innere Aufbau des Gefäßes ist am besten aus Fig. 2 ersichtlich, die eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 darstellt. Gleiche Teile sind in den Fig.
1 und 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wie Fig. 2 zeigt, befinden sich die zwei konzentrischen, kreisförmigen Gitter 8 und 9 innerhalb des Reaktionsgefäßes 4 in einer solchen Lage, daß zwischen dem Außengitter 8 und der Gefäßwand 14 ein Speicherbereich 12 gebildet wird, während im Inneren des Innengitters 9 ein Durchgang 16 gebildet ist. Während für den Speicherbereich zwischen dem Außengitter 8 und der Reaktorwand 14 keine besonderen Anforderungen hinsichtlich der Größe existieren, so ist dieser Bereich bei einer typischen Reaktor-Form etwa 15 bis 45 cm breit. In ähnlicher Weise kann der im Inneren des Innengitters 9 gebildete Durchgang 16 irgendeinen geeigneten Durchmesser besitzen, der es ermöglicht, den gewünschten Gas-Volumenstrom durch den Durchgang zu leiten. Bei einem typischen Reaktor hat der Durchgang 16 einen Durchmesser zwischen 105 und 225 cm.
Die zwei konzentrischen Gitter 8 und 9 sind derart angeordnet, daß zwischen den zwei Gittern ein Ringraum 18 gebildet ist, in welchem ein granulatförmiges Katalysatormaterial 20 angeordnet werden kann. Die Gitter 8 und 9 bestehen typischerweise beide aus dem gleichen Metall-Maschenmaterial. Es handelt sich beispielsweise um rostfreien 310-Stahl. Das Metallgittermaterial ermöglicht eine Gasströmung, verhindert jedoch ein Durchrutschen des granulatförmigen Katalysatormaterials. Das Innengitter 9 ist in bezug auf den Strom-Durchsatz der ankommenden Reaktionsmittel und den Druckunterschied im Inneren des Gefäßes bemessen. Die Größe des Außengitters 8 bestimmt sich durch die Menge des Katalysatormaterials, die benötigt wird, um Menge und Zusammensetzung des zugeführten Materials verarbeiten zu können. In einem typischen Reaktor beträgt der Abstand zwischen dem Innengitter 9 und dem Außengitter 8, die den Ringraum bilden, zwischen etwa 180 und 260 cm. Das in dem Ringraum 18 befindliche Katalysatormaterial kann daher in Abhängigkeit vom Typ der in dem Gefäß durchzuführenden Reaktion geändert werden, wobei die einzige Beschränkung darin besteht, daß die Katalysator-Pellets groß genug sein sollten, damit sie nicht durch die Maschendrähte 8 und 9 hindurchrutschen. Im Fall von Propan-oder Butan-Dehydrier-Reaktionen werden häufig Chrom-Aluminiumoxid-Katalysatoren eingesetzt.
Gemäß Fig. 1 ist der Durchgang 16 an den Fluideinlaß 6 angeschlossen, so daß die in das Reaktionsgefäß 4 über den Einlaß 6 gelangenden Reaktionsmittel in den Durchgang 16 gelangen. Der obere Abschnitt sowohl des Ringraums 18 zwischen den beiden Gittern 8 und 9 als auch des inneren Durchgangs 16 sind auf der Oberseite gegen Gasströme abgedichtet. Wenn also ein reaktionsmittelhaltiger Gasstrom in den Innendurchgang 16 gelangt, strömt der anschließend durch den den Katalysator enthaltenden Ringraum 18 zwischen den Gittern 8 und 9, und zwar im wesentlichen in Form eines Radialstroms. Die gewünschte Reaktion, z. B. die Dehydrierung, erfolgt in dem Ringraum 18, der den Granulat-Katalysator 20 enthält. Der behandelte Gasstrom, der nun Reaktionsprodukte enthält, verläßt den Ringraum 18 an verschiedenen Punkten, um in den Speicher raum zwischen dem Außengitter 8 und der Reaktorwand 14 einzutreten. Der produkthaltige Gasstrom gelangt anschließend durch den Speicherraum 12 nach oben und verläßt das Reaktionsgefäß 4 über einen Fluidauslaß 22, der sich an dem oberen Teil des Reaktionsgefäßes 4 befindet. Das das Reaktionsgefäß 4 über den Fluidauslaß 22 verlassende Produkt läßt sich als nutzbares Produkt sammeln oder kann einer Weiterbehandlung unterzogen werden.
Das erfindungsgemäße Reaktionsgefäß ist besonders geeignet für Kohlenwasserstoff-Dehydrier-Reaktionen. Es kann ein cyclischer Reaktorbetrieb in einer gegebenen Zeitspanne vorgesehen werden, wobei die Zeitspanne in Abhängigkeit von der Größe der Anlage schwankt. Wie oben beschrieben wurde, gelangen, wenn der Reaktor in einen Fluidstrom eingeschaltet ist, erwärmte Kohlenwasserstoff-Dämpfe in den Aufwärtsstrom-Reaktor über den mittleren Bodeneinlaß 6. Die Kohlenwasserstoffdämpfe gelangen durch den inneren Durchgang 16 durch das Katalysatorbett 20 in den Speicherbereich 12, wo die Reaktionsprodukte gesammelt werden und anschließend über den Fluidauslaß 22 nach außen. Während der Dehydrier-Reaktionen bewirken an der Oberfläche des Katalysatormaterials entstehende kohlenstoffhaltige Stoffe eine Abnahme der Katalysator-Aktivität. Eine Katalysator-Regenerierung läßt sich dadurch bewirken, daß man den Reaktor als Abstrom-Reaktor arbeiten läßt und Luft oder ein ähnliches Oxidationsgas den gleichen Weg entlangströmen läßt, wie es oben für die Kohlenwasserstoff-Dämpfe beschrieben wurde. Typische Dehydrier-Reaktionen verwenden eine Anzahl derartiger Reaktionsgefäße, so daß in einer gegebenen Zeitspanne ein oder mehrere Gefäße in Betrieb sind, während andere Gefäße gerade regeneriert werden.
Nach einer gegebenen Zeitspanne, die bei typischen Dehydrier-Katalysatoren etwa zwei Jahre beträgt, ist das Katalysatormaterial soweit verbraucht, daß man es nicht mehr wirtschaftlich regenerieren kann. In diesem Fall wird der verbrauchte Katalysator aus dem Reaktionsgefäß über einen Katalyatorabzug oder -auslaß 26 abgelassen.
Der Auslaß 26 geht von dem Boden des Katalysatorbetts 20 aus dem Reaktionsgefäß 4 nach außen. Das Katalysatorbett wird dadurch neu aufgefüllt, so daß man über einen Katalysatoreinlaß, z. B. eine Ladedüse 24, Katalysatormaterial einführt. Der Katalysatoreinlaß erstreckt sich von außerhalb des Reaktionsgefäßes 4 zum oberen Bereich des Ringraums 18, welcher das Katalysatorbett enthält.
Sowohl die Reaktionstemperaturen als auch die Regenerationstemperaturen lassen sich durch ein oder mehrere Katalysatorbett-Wärmelöcher 28 überwachen, die sich von dem Katalysatorbett aus dem Reaktionsgefäß 4 nach außen erstrecken. Die Uberwachung der Reaktionstemperatur ist besonders bei Reaktionen wichtig, bei denen die Temperaturen in die Nähe der Deaktivierungs-Temperatur des Katalysators gelangen. Die Temperatur wird dadurch geregelt, daß man während der Reaktion den Reaktionsmittelzustrom und während der Regenerierung den Oxidationsgas-Zustrom regelt.
Das erfindungsgemäße Reaktionsgefäß hat gegenüber üblichen Gefäßen bei gleicher Größe (Volumen) des Katalysatorbetts, wie es typischerweise bei Dehydrier-Reaktionen eingesetzt wird, den Vorteil, daß es in einer Gefäß hüllung Platz hat, die eine deutlich geringere Länge aufweist als die früher üblichen Einrichtungen. Der Reaktor ist mithin sehr wirtschaftlich. Außerdem erfolgt die Halterung und Lagerung des Katalysatorbetts sowohl durch die aus Beton oder ähnlichem Material bestehende Unterlage als auch durch die konzentrischen Gitter, so daß aufwendige Ziegelbögen und perforierte Ton- oder Stahlplatten oder keramische Kugellagerungen nicht benötigt werden.

Claims

Patentansprüche 1. Vertikaltyp-Radialstromreak gekennzeichnet durch (a) ein vertikal orientiertes Reaktionsgefäß mit einem Fluideinlaß und einem Fluidauslaß, (b) ein am Gefäßboden befindliches festes Lager-Unterteil, (c) zwei kreisförmige, konzentrische Gitter, die sich von dem Unterteil aus vertikal in dem Reaktionsgefäß erstrecken, so daß zwischen dem äußeren Gitter und der Gefäßwand ein Speicherbereich, zwischen den beiden Gittern ein Ring raum und im Inneren des inneren Gitters ein Durchgang gebildet wird, wobei der Durchgang mit dem Fluideinlaß verbunden ist, (d) eine Einrichtung zum Abdichten des Oberteils sowohl des Ringraums zwischen den zwei Gittern als auch des inneren Durchgangs, und (e) ein Granulat-Katalysatorbett in dem Ringraum zwischen den beiden Gittern.
2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich von der Oberseite des Katalysatorbetts zum Äußeren des Reaktionsgefäßes ein Katalysator-Einlaß erstreckt, durch den hindurch dem Katalysatorbett Katalysatormaterial hinzugefügt werden kann
3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich vom Boden des Katalysatorbetts zum Äußeren des Reaktionsgefäßes hin ein Katalysator-Auslaß erstreckt, durch den Katalysatormaterial aus dem Katalysatorbett entfernt werden kann.
4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich von der Außenseite des Gefäßes durch einen Abschnitt des Katalysatorbetts hindurch ein Wärmeloch erstreckt, mit dessen Hilfe die Temperatur des Betts gemessen werden kann.
5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator in dem Ringraum zwischen den beiden Gittern ein Chrom-Aluminiumoxid-Katalysator ist.
6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der im Inneren des Innengitters gebildete Durchgang einen Durchmesser zwischen 105 bis 225 cm aufweist.
7. Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Ringraum zwischen dem Innengitter und dem Außengitter zwischen 180 und 240 cm breit ist.
8. Reaktor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbereich zwischen dem Außengitter und der Reaktorhülle zwischen 15 und 45 cm breit ist.
9. Reaktor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der zwei kreisförmigen, konzentrischen Gitter mindestens halb so groß ist wie die Höhe des Reaktionsgefäßes.
10. Verfahren zum Behandeln von Kohlenwasserstoffen, gekennzeichnet durch: (a) in ein vertikal orientiertes Reaktionsgefäß wird über einen Fluideinlaß am einen Ende des Gefäßes kohlenwasserstoffhaltiger Strom eingeführt; (b) der kohlenwasserstoffhaltige Strom wird in einen mit dem Fluideinlaß strömungsverbundenen Innendurchgang geführt, der durch ein kreisförmiges Innengitter gebildet wird, das sich von dem Boden des Reaktionsgefäßes aus vertikal erstreckt; (c) der kohlenwasserstoffhaltige Strom wird von mehreren Punkten entlang dem Durchgang abgezogen und dadurch behandelt, daß er in Form eines etwa radial verlaufenden Stroms durch ein Katalysatorbett geleitet wird, welches sich in einem Ring raum zwischen dem kreisförmigen Innengitter und einem dazu konzentrischen Außengitter befindet; (d) der behandelte kohlenwasserstoffhaltige Strom wird aus dem Katalysatorbett entfernt und in einen Speicherraum eingeführt, der zwischen dem äußeren kreisförmigen Gitter und der Gefäßwand gebildet ist; und (e) der behandelte Kohlenwasserstoff-Strom wird über einen Fluidauslaß, der sich bezüglich des Fluideinlasses am entgegengesetzten Ende des Reaktionsgefäßes befindet, aus dem Reaktionsgefäß entfernt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die in dem Strom enthaltenen Kohlenwasserstoffe in dem Katalysatorbett dehydriert werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Kohlenwasserstoffe aus Paraffinen zu Olefinen dehydriert werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorbett aus einem in Form eines Granulats vorliegenden Chrom-Aluminiumoxid-Katalysatormaterial besteht.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in dem Katalysatorbett zwischen 600 und 675 OC gehalten wird.
15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenwasserstoffe in dem Katalysatorbett hydriert werden.