DE3741104A1 - Verfahren zur hydrierung fester kohlenstoffhaltiger einsatzstoffe - Google Patents
Verfahren zur hydrierung fester kohlenstoffhaltiger einsatzstoffeInfo
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- C10G1/00—Production of liquid hydrocarbon mixtures from oil-shale, oil-sand, or non-melting solid carbonaceous or similar materials, e.g. wood, coal
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Hydrierung fester kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Hierbei
sind Temperaturen im Sumpfphasereaktor von etwa 400
bis 500°C und im Gasphasereaktor von etwa 370 bis
450°C typisch, und der Verfahrensdruck kann zwischen
150 bis 1200 bar gewählt werden.
Es sind Verfahren bekannt, wobei das gesamte
Heißabscheiderkopfprodukt über eine nachgeschaltete
Gasphasehydrierung gefahren wird und anschließend die
Öle durch partielle Kondensation in einem
Zwischenabscheider in der Weise aufgetrennt werden,
daß der Lösungsmittelanteil als
Zwischenabscheidersumpfprodukt direkt zur
Kohlebreiherstellung rezirkuliert - sogenannte
"direkte Lösungsmittelrückführung" - und die
Nettoölprodukte als Zwischenabscheiderkopfprodukt
(vgl. DE 35 24 449 A1 und DE 30 22 158 A1) anfallen.
Es ist weiterhin ein Verfahren bekannt, bei dem
Schweröl als Einsatzprodukt einem Vorheizer zugeführt
wird und bei welchem ein in einem von dem
Heißabscheiderkopfprodukt durchströmten
Gaswärmetauscher aufgeheizter Teilstrom der insgesamt
erforderlichen Hydriergasmenge dem vorgewärmten
Gemisch von Schweröl, Additiv und Hydriergas vor
Eintritt in den Sumpfphasereaktor zugegeben wird (vgl.
DE 35 23 709 A1). Dieses Verfahren mit getrennter
Hydriergasaufheizung war auch bereits für die
Kohlehydrierung vorgeschlagen worden (vgl.
DE 35 05 553 A1).
Bei der großtechnischen Realisierung eines
Hydrierverfahrens mit Sumpfphase- und
Gasphasehydrierung müssen drei Merkmale beachtet
werden. Erstens müssen die prozeßrelevanten Parameter
- speziell die definierten Eintrittstemperaturen von
Sumpfphase- und Gasphasereaktor sowie die definierte
Temperatur im Zwischenabscheider - einstellbar sein.
Diese Temperatureinstellungen werden durch
veränderliche Wärmeübertragungsleistungen infolge
Verschmutzung der Maischewärmeaustauscher erschwert.
Zweitens müssen die besonderen Bedingungen bei der
gemeinsamen Aufheizung von Maische und Hydriergas in
den Wärmeaustauschern bei der Fahrweise mit
integrierter Gasphasehydrierung berücksichtigt werden;
denn es ist bekannt, daß infolge veränderter
Lösungsmittelqualität eine erhöhte Gefahr des
Austrocknens der Wärmeaustauscher infolge
Ölausstrippung durch Hydriergas besteht. Drittens soll
die exotherme Reaktionswärme aus Sumpfphase- und
Gasphasehydrierung in optimaler Weise für die
Wärmerückgewinnung genutzt werden, um einen
wärmeautarken Prozeß zu erreichen oder aber die
erforderliche Zusatzheizung klein zu halten; es soll
möglichst auf den Maischeaufheizofen verzichtet
werden, da dieser eines der kritischsten Bauteile
jeder Sumpfphasehydrierung darstellt.
Bei den bekannten Verfahren (z. B. o. g. DE 35 24 449
A1, DE 30 22 158 A1) werden mittels Fremdkühlung die
definierten Prozeßtemperaturen im Gasphasereaktor und
im Zwischenabscheider eingestellt, jedoch ohne
Berücksichtigung der Wärmerückgewinnung sowie der
veränderlichen Wärmeübertragungsleistungen der
Maischewärmeaustauscher infolge zunehmender
Verschmutzung.
Bei den bekannten Verfahren (vgl. DE 35 23 709 A1 und
DE 35 05 553 A1) wird zwar die erhöhte Gefahr der
Maischeaustrocknung in den Wärmeaustauschern durch
Reduzierung der Hydriergasmenge im Maischeaufheizpfad
- der große Teil der Hydriergasmenge wird in separaten
Gaswärmeaustauschern aufgeheizt - reduziert; die
Einstellung der beiden o. g. definierten Temperaturen
blieb bisher unberücksichtigt. Die beiden Verfahren
haben den Nachteil, daß der Wärmeaustauscher zur
Aufheizung des Flüssig/Fest-Gasgemisches nach dem
Gasphasereaktor - d. h. auf vergleichsweise
niedrigerem Temperaturniveau - angeordnet ist und
somit keine maximale Aufheizung des
Flüssig/Fest-Gasgemisches gewährleistet ist. Somit ist
zwar der Ofen für die Aufheizung des
Flüssig/Fest-Gasgemisches, der sogenannte Maischeofen,
in seiner Kapazität gegenüber den früheren
Hydrierverfahren reduziert, er entfällt jedoch nicht.
Auch das bekannte Verfahren (vgl. DE 26 51 253 A1)
erfüllt die o. g. Bedingungen nicht, da es sich nur
auf die Sumpfphasehydrierung bezieht und der
Maischeofen nicht entfallen kann.
Die durch eine Mehrphasenströmung von Gasen und
Dämpfen, Flüssigkeit sowie Feststoff im Rohr
gekennzeichneten Verfahrensbedingungen ziehen
erhebliche Unsicherheiten bei der Auslegung des
Aufheizofens sowohl bei der Berechnung des
Druckverlustes als auch des Wärmetransportes nach sich.
Betriebstechnische Nachteile resultieren aus der
Neigung zur Verkrustung der Innenseite der Ofenrohre
und aus Verkokungsreaktionen des Produktes in den
Rohren. Damit verbunden sind eine Laufzeitbegrenzung
der Hydrieranlage insgesamt sowie auch
sicherheitstechnische Probleme wie das Auftreten von
sogenannten hot spots, die zu Rohrreißern führen
können.
Die Erfindungsaufgabe besteht darin, den
Verfahrensablauf so zu gestalten, daß erstens die
prozeßrelevanten Temperaturen im Gasphasereaktor und
im Zwischenabscheider trotz veränderlicher
Wärmeaustauschleistung der Maischewärmeaustauscher
eingestellt werden können, zweitens eine Austrocknung
der Maische in den Maischewärmeaustauschern vermieden
wird und drittens die Reaktionswärmen der
Sumpfphase- und Gasphasehydrierung für einen
wärmeautarken bzw. wärmetechnischen optimierten Prozeß
genutzt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die Merkmale von Patentanspruch 1 verwirklicht sind.
Die definierten Temperatureinstellungen erfolgen im
Gasphasereaktor und im Zwischenabscheider durch
Gaswärmetauscher mit Bypaßbetrieb, wobei in den
Gaswärmeaustauschern ein indirekter Wärmeaustausch
zwischen dem Heißabscheiderkopfprodukt und dem
getrennt aufgeheizten Hydriergas stattfindet und der
Bypaß auf der Hydriergasseite ist. Durch die getrennte
Gasaufheizung wird gleichzeitig die Gefahr der
Maischeaustrocknung beseitigt. Die definierte
Temperatureinstellung im Gasphasereaktor erfolgt
weiterhin erfindungsgemäß durch einen
heißabscheiderkopfproduktseitigen Bypaß am
Maischewärmeaustauscher, welcher zwischen
Heißabscheider und Gasphasereaktor angeordnet ist
sowie durch unterschiedliche Einspeisungen von
Vakuumgasöl auf dem Pfad des
Heißabscheiderkopfproduktes zum Gasphasereaktor.
Gemäß der Erfindung wird eine optimale
Maischeaufheizung dadurch erreicht, daß unter
Ausnutzung der Reaktionswärme aus der Sumfphase- und
Gasphasehydrierung das Heißabscheiderkopfprodukt seine
Wärme durch indirekten Wärmeaustausch auf jeweils
hohem Temperaturniveau an das
Maische-Hydriergasgemisch und auf jeweils tieferem
Temperaturniveau an das getrennt aufzuheizende
Hydriergas überträgt. Hierdurch entfällt der
Maischeaufheizofen und bei guter Wärmeisolierung auch
ggf. der Hydriergasaufheizofen bei Normalbetrieb. Der
Hydriergasofen wird dann in der Regel bei
Normalbetrieb mittels Bypaß umfahren und nur zum
Anfahren benötigt.
In weiterer Ausgestaltung (vgl. Fig. 1) des
vorgeschlagenen Verfahrens werden der Maischestrom (3)
durch drei Wärmetauscher (18), (19), (20) und der
separat aufzuheizende Hydriergasstrom (5) vor Eintritt
in den Hydriergasofen (24) durch drei Wärmetauscher
(21), (22), (23) im Gegenstrom zu dem
Heißabscheiderkopfprodukt (9) geführt.
Bei der Aufteilung der Gesamt-Hydriergasmenge auf die
beiden Teilströme kann auch so vorgegangen werden, daß
für den Maischestrom Frischwasserstoff als Feed und
für den zweiten Teilstrom des Hydriergases das
Kreislaufhydriergas vorgesehen werden.
Dabei tritt Strom (9) in Abstromrichtung nacheinander
mit dem Maischestrom (3) in Wärmetauscher (20) und dem
Teilstrom des Hydriergases (5) in Wämetauscher (23) in
Wärmetauschbeziehung und durchläuft einen Reaktor (27)
zur Hydrierung in der Gasphase an einem
Festbettkontakt. Die Eintrittstemperatur im
Gasphasereaktor (27) wird je nach
Verschmutzungszustand der Maischewärmeaustauscher
(18), (19) und (20) über Bypaßstellungen der
Wärmeaustauscher (20) und (23) sowie über alternative
Vakuumgasöleinspeisungen (32) vor die Wärmeaustauscher
(20) und (23) sowie durch Vakuumgasöleinspeisung und
Quenchgaseinspeisung vor den Gasphasereaktor (27)
eingestellt. Der in Reaktor (27) raffinierte
Produktstrom durchläuft als Strom (10) Wärmetauscher
(19) und Wärmetauscher (22) in Wärmetauschbeziehung
mit Strom (3) bzw. Strom (5) sowie einen
Zwischenabscheider (28) mit Abtrennung einer
Heißölfraktion (11). Die Temperatureinstellung im
Zwischenabscheider (28) erfolgt durch Bypaßeinstellung
im Wärmeaustauscher (22). Der von Abscheider (28)
abgezogene Reststrom (12) gibt in den Wärmetauschern
(18) und (21) seine restliche für die Aufheizung der
Einsatzprodukte verwertbare Wärme an Strom (3) und
Strom (5) ab und wird über einen Wasserkühler (31)
einem Kaltabscheider (29) zugeführt, in dem eine
Abtrennung von Abwasser (14) und Abgas sowie die
Gewinnung einer Kaltölfraktion (13) und Rückführung
des Kreislaufhydrierungsgasanteiles als Strom (15)
über Kompressor (30) in den Prozeß erfolgen.
Im Anschluß an den Kaltabscheider (29) kann in
üblicher Weise eine Gaswäsche zur Aufarbeitung des
Kreislaufhydriergasanteiles vorgesehen werden. Durch
eine derartige Aufarbeitung wird durch Entfernung der
in der Gaswäsche mittels Waschflüssigkeit löslichen
C1- bis C4-Bestandteile ein ausreichender
Wasserstoffpartialdruck in dem Hydriergassystem
gewährleistet.
Der separate Teilstrom aus der insgesamt
einzusetzenden Hydriergasmenge kann 20 bis 95,
vorzugsweise 40 bis 80% der insgesamt erforderlichen
Hydriergasmenge ausmachen.
In weiterer Ausgestaltung (vgl. Fig. 2) wird die
definierte Temperatur im Zwischenabscheider (28) nicht
über den Gaswärmeaustauscher (22) mit Bypaßeinstellung
sondern mittels Bypaßfahrweise des
Maischewärmeaustauschers (19) eingestellt. Hierdurch
wird zwar gegenüber Fig. 1 eine vergleichweise
größere Austauschfläche des Maischewärmeaustauschers
(19) benötigt; es entfällt aber der
Gaswärmeaustauscher (22).
Claims (8)
1. Verfahren zur Hydrierung fester kohlenstoffhaltiger
Einsatzstoffe wie Steinkohle oder Braunkohle mit
wasserstoffhaltigen Gasen als Hydriergas unter den
Bedingungen einer Sumpfphasenhydrierung mit
nachgeschalteter Gasphasehydrierung bei erhöhter
Temperatur und erhöhtem Druck, ggf. in Anwesenheit
eines Katalysators, mit nächgeschalteter
Heißabscheiderstufe unter getrennter Aufheizung
eines aus den Einsatzstoffen und einem Teilstrom
des Hydriergases gebildeten Maischestroms und eines
zweiten Teilstroms des Hydriergases, wobei das
Heißabscheiderkopfprodukt im indirekten Wärmetausch
seine Wärmeenergie an die genannten Einsatzströme
abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Maischeaufheizofen entfällt und ein
Hydriergasaufheizer im Normalfall im Bypaß und nur
bei besonderen Fahrzuständen, beim Anfahren oder im
verschmutzten Zustand der für den indirekten
Wärmetausch eingesetzten Wärmeaustauscher,
verwendet wird, wobei im Hydriergasaufheizer eine
Aufheizung der Gase auf 300 bis 650, vorzugsweise
450 bis 550°C erfolgt, und durch anschließende
Vereinigung mit dem durch indirekten Wärmeaustausch
aufgeheizten Maischestrom die notwendige
Eintrittstemperatur in den Sumpfphasereaktor
erreicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Maischestrom (3) durch Wärmetauscher (18),
(19), (20) und der separat aufzuheizende zweite
Teilstrom des Hydriergases (5) vor Eintritt in den
Hydriergasofen (24) durch Wärmetauscher (21), (22),
(23) im Gegenstrom zu dem
Heißabscheiderkopfproduktstrom (9) geführt werden
und daß Strom (9) in Abstromrichtung nacheinander
mit dem Maischestrom (3) in einem Wärmetauscher
(20) und dem Hydriergasstrom (5) in einem
Wärmetauscher (23) dem Wärmeaustausch unterworfen
wird, einen Reaktor (27) zur Hydrierung in der
Gasphase an einem Festbettkontakt durchläuft, als
Strom (10) einen Wärmetauscher (19) und einen
Wärmetauscher (22) zwecks Wärmetausch mit Strom (3)
bzw. Strom (5) sowie einen Zwischenabscheider (28)
zur Abtrennung einer Heißölfraktion (11)
durchläuft, um als Strom (12) einen Wärmetauscher
(18) und einen Wärmetauscher (21) zwecks
Wärmetausch mit Strom (3) bzw. Strom (5) und einen
Kühlwasserwärmeaustauscher (31) sowie einem
Kaltabscheider (29) zugeführt zu werden, wo eine
Abtrennung von Abwasser und Abgas sowie die
Gewinnung einer Kaltölfraktion (13) und Rückführung
eines Kreislaufhydriergasanteiles (15) vorgenommen
werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des
Kreislaufhydriergasstroms als Quenchgasstrom (16)
zur Temperaturregelung in den Sumpfphasereaktor
(25), den Gasphasereaktor (27) und in den
Heißabscheider (26) eingespeist werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Einstellung der
erforderlichen Gasphaseeintrittstemperatur ein
gas-/dämpfeseitiger Bypaß um den Wärmaustauscher
(20) oder auch ein gasseitiger Bypaß um den
Wärmetauscher (23) verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Einspeisung von
Vakuumgasöl als Strom (32) in den
Heißabscheiderkopfproduktstrom entweder vor dem
Wärmeaustauscher (20) oder dem Wärmeaustauscher
(23) oder auch direkt vor dem Gasphasereaktor (27)
erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gasphaseprodukt durch
Abkühlung im Gaswärmeaustauscher (22) mit
gasseitiger Bypaßeinstellung auf eine definierte
Temperatur des Zwischenabscheiders (28) in einen
Sumpfanteil (11) für die Lösungsmittelrückführung
und in einen Kopfanteil (12) für die Nettoprodukte
aufgeteilt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gasphaseprodukt durch
Abkühlung im Maischewärmeaustauscher (19) mit
Bypaßeinstellung auf eine definierte Temperatur des
Zwischenabscheiders (28) in einen Sumpfanteil (11)
für die Lösungsmittelrückführung und in einen
Kopfanteil (12) für die Nettoprodukte aufgeteilt
wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der separat aufgeheizte
Teilstrom (5) 20 bis 95, vorzugsweise 40 bis 80%
der insgesamt einzusetzenden Hydriergasmenge
ausmacht.
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