DE4041976C2 - Verfahren zum Koksabbrand von Katalysatoren im rezirkulierenden Wirbelbett und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Koksabbrand von Katalysatoren im rezirkulierenden Wirbelbett und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Koksabbrand von Katalysatoren im rezirkulierenden
Wirbelbett, die in einer Kohlenwasserstoffumwandlungszone mit Koksprodukten
desaktiviert wurden, von dieser kontinuierlich abgezogen und einem Wirbelbettgenerator
zugeführt werden, wobei die Verbrennung der anhaftenden Koks-
bzw. koksähnlichen Produkte mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas bei Temperaturen
von 550 bis 800°C und Drücken von 0,1 bis 0,5 MPa erfolgt, der regenerierte
von Koks befreite Katalysator im kontinuierlichen Fluß aus dem Wirbelbettregenerator
abgezogen und erneut der Kohlenwasserstoffumwandlungsstufe zur Wiederverwendung
zugeführt wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des angegebenen
Verfahrens.
Die Koks- bzw. Koksvorläuferprodukte der Nebenreaktionen schlagen sich auf der
katalytisch wirksamen Oberfläche nieder und desaktivieren somit die Hauptreaktionen.
Zur Wiedererlangung der Katalysatoraktivität sind Abbrandverfahren notwendig.
Ein typischer Prozeß als Anwendungsgebiet der Erfindung ist die katalytische
Spaltung von Erdölfraktionen im Wirbelbettverfahren. Insbesondere anwendbar ist
die vorliegende Erfindung auf Kohlenwasserstoffspaltungsverfahren, die die Katalysatorregeneration
durch Luftabbrand in der schnellen Wirbelschicht durchführen.
Das katalytische Spalten (auch "Fluid Catalytic Cracking" - Abkürzung FCC -
genannt) im Wirbelbett erfolgt unter Beteiligung eines sehr feinkörnigen
Wirbelschichtkatalysators. Dabei kommen Heizöl- und Vakuumdestillatfraktionen
zum Einsatz (auch als "dunkle Produkte" bezeichnet), die in leichtere und
wertvollere Produkte, wie z. B. Kraftstoffe, Gasbenzine und Propen umgewandelt
werden. Diese Produkte nennt man vereinfachend auch "helle Produkte". Die
Kontaktierung des feinkörnigen Katalysators mit dem Einsatzprodukt erfolgt in
Wirbelschichtreaktoren. Diese bestehen aus aufrechtstehenden zylindrischen
Apparaten mit Einsatzproduktverteileinrichtungen am Boden und mit
Feststoffabscheideeinrichtungen am Kopf. Durch die Antigravitationsströmung der
Einsatzstoffe gegen den Feststoff wird dieser in der Schwebe gehalten, wodurch
sich eine Wirbelschicht ausbildet. Während der Spaltungs- oder Crackreaktionen zu
gewünschten hellen Produkten entsteht auch das unerwünschte Nebenprodukt
"Koks", das sich auf der Katalysatoroberfläche
niederschlägt. Dieser Koks ist ein Stoffgemisch
hochsiedender Verbindungen mit einem hohen Atomverhältnis
von Kohlenstoff zu Wasserstoff (z. B. 1 : 0,25).
Er ist bei Spaltungsreaktionstemperaturen um 500 bis 550°C
nicht flüchtig. Die Aktivität des Spaltkatalysators wird
infolge der Bedeckung und Blockierung der Porenoberfläche
des Katalysators mit Koksprodukten gemindert.
Wirbelschichtreaktoren in katalytischen Spaltanlagen enthalten
daher zusätzliche Einrichtungen für die Zuführung
regenerierten Katalysators und die Entnahme desaktivierten
Katalysators. Zur Koksentfernung wendet man ebenfalls Wirbelbettregeneratoren
an, die über Katalysatorein- und -ausschleuseeinrichtungen
verfügen. In den Regeneratoren wird
der verbrauchte Katalysator mit einem Sauerstoff enthaltenden
Gas in der Wirbelschicht kontaktiert. Dabei werden Re
generationsbedingungen gewählt, die den Koks oxidieren.
Die freiwerdende Reaktionswärme erhitzt den Katalysator
und wird üblicherweise zur Deckung des Wärmebedarfs der
endothermen Spaltungsreaktionen genutzt. Reaktor und Rege
nerator arbeiten parallel, gleichzeitig und zeichnen sich durch
einen kreuzweise verbundenen Strom verbrauchten Katalysators
und einen Rückstrom regenerierten Katalysators aus.
Der Rekator ist in modernen Anlagen als
Transportreaktor ausgeführt, d. h. er hat üblicherweise
eine Höhe- zu Durchmesserverhältnis von 25 bis 50.
Der Katalysator wird kontinuierlich aus dem Regenerator
entnommen und zirkuliert über den Reaktorteil wieder zurück
zum Regenerator. Er erfüllt somit zwei Hauptfunktionen.
Erstens katalysiert er die Spaltungsreaktionen und
zweitens ist er Wärmeträger zwischen Reaktor und Regenerator,
d. h. zwischen endothermem und exothermem Reaktionsapparat.
Diese Kombination ist die Grundvoraussetzung für
ein hohes Ausbeuteniveau moderner Spaltanlagen.
In der EP-B-0181 108 ist ein Verfahren zur Regenerierung eines durch Koksablagerungen
inaktivierten Katalysators durch Abbrennen des Kokses von dem im dichtem
Wirbelbett fluidisierten Katalysator beschrieben.
Hierbei ist zur Vermeidung uneinheitlicher Verbrennungsbedingungen die Zufuhrmenge
oder -geschwindigkeit eines jeden dem Wirbelbett zugeführten Luftstroms und auch die Sauerstoffkonzentration steuer- oder regelbar ausgestaltet.
Die Erreichung hoher katalytischer
Aktivität ist von der Seite der Reaktionsführung im Gesamtsystem
Reaktor/Regenerator nur mit hohen Katalysator
zirkulationsmengen und hohen Koksumsätzen möglich, weil
dadurch der mittlere Koksgehalt des Katalysators im Reaktor
klein gehalten werden kann. Mit größer werdender Katalysator
zirkulationsmenge verkürzt sich bei einem gegebenen Reaktions
apparat jedoch die Verweilzeit, d. h. es entsteht eine Um
satzverminderung. Es ist daher verständlich, daß nach
Möglichkeiten des Umsatzverlustausgleiches gesucht wurde.
Dabei wurden zwei Hauptzielrichtungen gefunden:
- 1. Entwicklung der Heißregeneration
- 2. Übergang zur schnellen Wirbelschicht auch im Regenerator.
Die Heißregeneration ist ein Regenerationsverfahren, das
es erlaubt um 50 bis 100 Grad Celsius höhere Regenerationstemperaturen
anzuwenden als es bisher technisch
möglich war. Eine enorme Reaktionsgeschwindigkeitssteigerung
des Koksabbrandes ist die Folge.
Dem Wirbelschichtfachmann ist bekannt, daß das Phänomen
Gas-Feststoffwirbelschicht ganz unterschiedliche Erscheinungsformen
annehmen kann. Bei Geschwindigkeiten nur
wenig oberhalb des Wirbelpunktes erhält man ein "dichtes"
Bett, das sich durch eine klar definierte Bettoberfläche
auszeichnet. Der Raum über dem Bett ist nahezu feststoff
frei. Steigert man die Geschwindigkeit, so stellt sich
eine deutliche Blasenbildung mit dazwischen liegenden
rezirkulatorischen Feststoffströmungen ein. Im Falle
einer Verbrennungsreaktion befindet sich der 1. Reaktionspartner
Sauerstoff zum größten Teil in den Blasen und der
2. Reaktionspartner Katalysatorkoks bzw. Feststoff in der
umhüllenden Phase. Ein Stoffaustausch über die Blasenoberfläche
ist notwendig und wird mit steigender Reaktions
temperatur immer mehr zum limitierenden Faktor. Wird die
Geschwindigkeit weiter gesteigert, so entsteht ein turbulentes
Bett, bei dem Gasstrahlen und Feststoffsträhnen
ausgeprägte Wesensmerkmale sind. Die Phasengrenzfläche
geht mehr und mehr verloren, bis bei weiterer Geschwindigkeitssteigerung
keine Blasen bzw. ähnliche Gebilde mehr
vorhanden sind und eine rezirkulierende Wirbelschicht
oder schnelle Wirbelschicht entsteht. Die Bettoberfläche
und ein staubbeladener Freiraum über dem Bett existiert
nicht mehr, d. h. der ganze Reaktionsapparat ist vom Feststoff
erfüllt. Man hat die schnelle Wirbelschicht erreicht,
die aufgrund fehlender Phasengrenzfläche und minimaler ört
licher Feststoffrückvermischung bzw. Rührwirkung hohe Reaktionsgeschwindigkeiten
und Raum-Zeitausbeuten liefert.
Damit wurde das Erfolgskonzept des FCC-Trans
portreaktors mittlerweile auch auf den dazugehörigen Regenerator
übertragen.
Die konventionelle Katalysatorregeneration des FCC-Prozesses
wurde in dichten Wirbelbetten durchgeführt, d. h. bei
Strömungsgeschwindigkeiten bis ca. 0,8 m/s. Unter diesen
Bedingungen erzeugt ein üblicher Spaltkatalysator vom
Feststofftyp A nach Geldart, D. Powder Technology, 7 (1973)
S. 285 immer noch ein Wirbelbett mit einem maximalen
Volumenverhältnis von Feststoff zu Gas
in der Wirbelschicht
von ca. 0,5. Bis zu diesem Wert kann man
gerade noch von einem Dichtbett sprechen, welches sich
durch ein ausgeglichenes Temperaturfeld und starke innere
Feststoffbewegungen auszeichnet.
Die Steigerung der Gasgeschwindigkeit und die Einführung
der Heißregeneration brachte (wie oben erläutert) eine
Steigerung der Umsatzleistung im Katalysatorkoksabbrand.
Es sollen im folgenden die in Kauf genommenen Nachteile
des neuesten Standes der Technik nicht unerwähnt bleiben:
- - auseinanderlaufendes Temperaturprofil und Nachbrände
- - zunehmende radiale Ungleichverteilung des Wirbelgases Luft durch die seitliche Zuführung rezirkulierender großer Spaltkatalysatormengen
- - höhere Katalysatorabrasion und Erosion von Ausrüstungs teilen durch Geschwindigkeitssteigerung.
Rezirkulierende Wirbelschichten zeichnen sich durch
nur geringe Unterschiede der Bettdichte in Abhängigkeit von
der Apparatehöhe aus, d. h. das Wirbelgut füllt mehr oder weniger
gleichmäßig den gesamten Apparat aus. Dem dadurch
entstehenden "dünnen Wirbelbett" fehlt die vom Dichtbett
und turbulenten Bett bekannte statistische Bewegung der Fest
stoffpartikel um einen Punkt, wodurch der örtliche Wärme
austausch verschlechtert wird. In Regenerationsapparaten
für Spaltkatalysatoren mit zirkulierender Wirbelschicht
werden große Teile des Katalysatorinhaltes mit dem Wirbel
gas gerichtet aufwärts bewegt. Es bildet sich zwischen Gas
und Katalysator eine Relativgeschwindigkeit bzw. eine
Schlupfgeschwindigkeit aus. Bei exothermen Reaktionen
muß sich zwangsläufig ein steigendes Temperaturprofil
ergeben, wenn man die freiwerdende Wärme, wie beim FCC-
Prozeß an den Katalysator binden und nicht an Kühlmedien
abgeben will. Diese Entwicklung birgt die Gefahr von Nach
bränden in sich, die die zulässigen Auslegungstemperaturen
der Regeneratorausrüstungen übersteigen können.
Zur Unterbringung radialer Ungleichverteilung durch die
seitliche Zuführung großer Spaltkatalysatormengen benutzt
das DE Patent 30 06 615 eine senkrechte Mischrohrstrecke
zentral unterhalb des eigentlichen Luftwirbelbettes. Damit
wird der Feststoffstrom besonders günstig und gleichmäßig
dem Verbrennungswirbelbett zugeführt.
Probleme der Katalysatorabrasion und Erosion von Apparateteilen
begleiten den FCC-Prozeß solange es ihn gibt.
Sie treten naturgemäß vornehmlich dort auf, wo hohe Geschwindigkeiten
verbunden mit hohen Katalysatorkonzen
trationen unvermeidbar und für die Funktionstüchtigkeit
notwendig sind. Dazu gehören in einem Wirbelschichtreaktor
insbesondere 3 Bereiche:
- 1. Zyklonabscheider
- 2. Transportreaktorteile
- 3. Gasverteilereinbauten.
Die Gasverteilereinrichtungen sollen
möglichst eine gleichmäßige Beaufschlagung des Katalysatorbettes
mit Wirbelgas erreichen. Technisch gibt es die ver
schiedenartigsten Konstruktionen und Anordnungen von Verteilern.
Nahezu alle Typen enthalten Düsenöffnungen als Elemente.
Statistische Platzwechsel- und Blasenwachstumsprozesse
führen zu Druckschwankungen, die sich möglichst wenig auf
die Gasverteilung negativ auswirken sollen. Demzufolge
wählt man einen Verteilerdruckverlust im Bereich von 10
bis 30% des Bettdruckverlustes nach Sathiyamoorthy, D.,
Sridhar, C. R., Powder Technology 30, (1981) S. 139 aus.
Bei niedrigen Gasgeschwindigkeiten und hohen Bettdichten
wird ein Wert von 30% verwendet und bei hohen Geschwindigkeiten
und demzufolge geringeren Bettdichten wird der untere
Grenzwert von 10% angesetzt. Eine gute Verteilwirkung
bedeutet einen hohen Druckverlust und damit notwendigerweise
auch eine hohe Strömungsgeschwindigkeit mit Abra
sions- und Erosionsproblemen. In der einfachsten Form
bestehen diese Verteiler aus Rohrstücken mit Düsen für
die Gasverteilung über den Bettquerschnitt. An den Düsen
bilden sich Freistrahlen des ausströmenden Gases aus.
An diesen Freistrahlen erfolgt eine gegenüber dem sonstigen
Wirbelbett sehr große Beschleunigung von Katalysatorpartikeln.
Das US Patent 39 74 091 verwendet zur Unterbindung
der Injektorwirkung von Freistrahlen mit Par
tikelansaugung eine Einhüllung des eigentlichen primären
Freistrahles durch Erweiterungsrohraufsätze.
In den mitgeteilten Versuchsergebnissen wird die Schutzfunktion der Aufsätze für
die Reduzierung der Katalysatorabrasion deutlich erkennbar. Bei der Verwendung
dieser Düsenanordnung treten in FCC-Wirbelschichtreaktoren große Erosionsschäden
auf. Die Erosion ist dabei nicht nur von außen sichtbar, sondern das
Düsenrohrmaterial erodiert besonders stark von innen, so daß es zu
Düsenausweitungen kommt. Dabei tritt das gleiche Erosionsbild sowohl bei
Rohrarmverteilern mit schräg nach unten gerichteten Düsen, als auch bei
Siebbodenverteilern mit nach oben gerichteten Düsen auf. Trotz genügendem
Verteilerdruckverlust nach allgemein anerkannten Verteilerauslegungskriterien muß
in beiden Fällen ein Eindringen des Katalysators in den bzw. unter dem Verteiler
verantwortlich sein. Das Erosionsbild läßt deutlich die Anwesenheit von
Feststoffpartikeln erkennen. Dieses Phänomen steht im Widerspruch zum bisherigen
Erkenntnisstand über schnelle Wirbelschichtapparate. Es existieren auch nur
ungenügende technische Mittel zur Sicherstellung eines störungsfreien
Reaktorbetriebes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lufteinleitung und -verteilung sowie
die Druck-, Feststoffgeschwindigkeits- und Gasgeschwindigkeitsparameter in technischen
Großraumwirbelbettregeneratoren für den FCC-Prozeß unter den Bedingungen
einer schnellen Wirbelschicht für den Koksbrand neu zu gestalten.
Die Erfindung besteht darin, daß bei einem Verfahren der eingangs angegebenen
Art die Regenerierung in einem Wirbelbettregenerator mit schneller Wirbelschicht
bei 500 bis 800facher Lineargasgeschwindigkeit gegenüber dem Punkt der minimalen
Fluidisation der Teilchen bei 1,2 bis 1,8 m/s Leerrohrgasgeschwindigkeit erfolgt
und daß das Regenerationsgas über einen Düsenboden geführt und als katalysatorbeladene
Wirbelschicht über Standrohre mit einer Katalysatorzirkulationsrate von 15
bis 20t/t · h Bettinhalt umgewälzt wird.
Geeignete Ausgestaltungen von Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.
Erfindungsgemäß konnten durch eine neu konstruierte Düse und eine ungleichverteilte
Anordnung der Düsen auf dem Düsenboden eines Regenerators für die Kontaktierung
der Luft mit dem koksbeladenen Katalysator der Erosionsverschleiß der
Vorrichtung und die Katalysatorzertrümmerung erheblich vermindert werden. Das
Eindringen von Katalysator in die Verteilerdüsen und damit die Unterbindung der
Partikelbeschleunigung konnte selbst bei einer weiteren Reduzierung des bisherigen
Düsendruckverlustes verhindert
werden.
Die Ausführung der Regenerationsreaktion erfolgt üblicherweise
in einem konventionellen Wirbelbettregenerator für
den FCC-Prozeß. Der verbrauchte koksbeladene Katalysator
aus dem Spaltreaktor wird in den unteren Teil des Regene
rationsbettes eingeleitet. Das erfolgt gewöhnlicherweise
kontinuierlich unter Kontrolle des Katalysatormassenstromes
mit einem geeigneten Feststoffventil, welches in
Abhängigkeit des Standes in einer Katalysatorvorlage geregelt
wird. Der Massenstrom an verbrauchtem Katalysator
pro Stunde kann in modernen Spaltanlagen das 7 bis 12fache
des gesamten Katalysatorinhaltes betragen. Dies ist im
wesentlichen eine Funktion der Einsatzproduktmenge der
FCC-Anlage. Erhöhte Einsatzproduktmengen ergeben größere
Katalysatorzirkulationsmengen und zwingen im Regenerator
zur Vergrößerung der Lufteinsatzmenge infolge von höherem
Koksabbrandbedarf. Man gelangt erfindungsgemäß zu Gas
geschwindigkeiten von 1,2 bis 1,8 m/s und Katalysatorzir
kulationsmengen von 15 bis 20 t/th. Das ist schlechthin
nicht nur eine Geschwindigkeitssteigerung, sondern ein
Übergang zur schnellen Wirbelschicht verbunden mit qualitativen
Veränderungen. Dabei wird die Gasgeschwindigkeit
im Wirbelbettregenerator vom 500fachen bis
zum 800fachen gegenüber dem Wert der minimalen Fluidisation
üblicher FCC-Katalysatoren angehoben.
In einem zirkulierenden Wirbelschichtversuchsreaktor mit
geeigneter Meßtechnik wurden die in Fig. 1 dargestellten
Ergebnisse erhalten. Man erkennt deutlich die
Verschiebung der Katalysator-Durchrieselgrenze zu
geringeren Gasmengen bei einer erfindungsgemäßen Düse
(Kurve 8) gegenüber einer herkömmlichen Düse (Kurve 7).
Dabei wird der Bodendruckverlust, wie der untere Teil
von Fig. 1, Kurve 8 zeigt, sogar noch verringert. Die
Düse ist mit einem Durchmesserverhältnis
d₁ bis d₃ strömungsabwärts gesehen von 1 : 1,2 bis 1,5 : 2,0 bis 2,8 ver
sehen, wobei ein konischer Übergang mit einem Winkel von
5 bis 8 Grad zwischen dem unteren zweiten und dritten
zylindrischen Düsenbereich angeordnet ist.
Die Längenteilung l₁-l₃ der drei Düsenbereiche beträgt
1 : 3 bis 10 : 8 bis 20 (siehe auch Fig. 3).
Zur weiteren Vermeidung von Erosionserscheinungen an der
Düse ist die Oberflächenrauheit der Innenoberfläche der
Düse zwischen Rz=10µm-40µm vorzusehen.
Außerdem ist es vorteilhaft die Düsen aus erosionsbe
ständigem Werkstoff wie z. B. Keramik zu fertigen und
diese mittels Schraubenfedern oberhalb und unterhalb des
Verteilerbodens einzuspannen (Fig. 5), um auftretende
Schwingungen am Gasverteiler zu kompensieren.
Die Ungleichverteilung der Düsenbestückung des Verteilerbodens
ergibt sich aus der Lage rezirkulatorischer
Katalysatorrückführungen zum Verteilerboden.
Zweckmäßigerweise wird dazu der Reaktorquerschnitt in
mindestens acht gleichgroße Sektoren eingeteilt.
Handelt es sich bei der Feststoffzuführung um eine seit
liche Zugabe, so wird ein Sektor so gelegt, daß die Zuführungsleitung
diesen Sektor zentral trifft.
Dieser Sektor wird vollständig mit Düsen bestückt, die
beiden benachbarten Sektoren erhalten 75 bis 90% Bestückung
und die verbleibenden fünf Sektoren 70 bis 85%
der Düsenanzahl. Bei mehreren externen Feststoffzuführungen
ist sinngemäß zu verfahren.
Insgesamt wird damit eine Vergleichmäßigung der Gasmengen
in allen Düsen erreicht, die zusammen mit der
veränderten Düsenform zu mindestens doppelten Standzeiten
der Luftverteileinrichtungen führten und Nachbrände
stark reduzierten. Die vorge
nommene Veränderung ergab eine gewünschte Erhöhung der
Bettemperaturen im unteren dichten Regenerationsbett mit
verbesserter Luftannahme, größerer Raumzeitausbeute und
demzufolge auch größerer Koksabbrandkapazität. Positiv registriert
werden konnte auch die Verminderung des Katalysatoraus
trages aus der Reaktorsektion der FCC-Anlage, der zur
Verschmutzung im Aufarbeitungsteil der Anlage beiträgt
und zu verminderten Umweltbelastungen mit Katalysatorstaub
führte.
Fig. 1 zeigt die Katalysatoreindringmenge 9 und
den Druckverlust am Düsenboden 10 in Abhängigkeit von der
Gasmenge 11 der erfindungsgemäß eingesetzten Düse 8 im Vergleich zu
einer herkömmlichen Düse 7.
Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Größen Wirbelbettdruck
verlust pro Meter Bett (mm WS/m), Katalysatoraufstiegs
menge pro Querschnitt (kg/m² · s) und Lineargasgeschwindigkeit
im schnellen Wirbelbett.
Fig. 3 zeigt einen Düsenquerschnitt der erfindungsgemäß eingesetzten
Düse mit Konus.
Fig. 4 zeigt die Gasverteilerbestückung eines Düsenbodens.
Fig. 5 zeigt die Keramikdüse mit spezieller Halterung.
Dieses Vergleichsbeispiel beinhaltet ein Regenerationsverfahren für
verbrauchte FCC-Katalysatoren
in der zirkulierenden Wirbelschicht gemäß dem Stand der Technik. In einem technischen
Wirbeltettregenerator erfolgte der Abbrand des verbrauchten
FCC-Katalysators durchschnittlich mit dem 500fachen
der Gasgeschwindigkeit für minimale Fluidisation. Das ent
spricht Lineargasgeschwindigkeiten um 1 m/s. In diesem
Reaktor mit 5,3 m Durchmesser gelangte die Regenerationsluft
über einen Rohrarmverteiler, bestehend aus Hauptrohr
kreuz mit Verteilerseitenarmen und ca. 750 Düsen, die über
den Querschnitt gleichverteilt angeordnet waren. Diese
Düsen bestanden aus Bohrungen mit 20 mm Durchmesser und
Düsenaufsatzrohren mit 50 mm Länge und 25 mm Durchmesser.
Die Düsenmundgeschwindigkeit betrug 45 bis 55 m/s und der
Verteilerdruckverlust ca. 16% des gesamten Bettdruckverlustes. Die Rückführung
zirkulierender Katalysatormengen erfolgte über Katalysatorsammelrohre, die an zwei
verschiedenen Stellen am Umfang des Wirbelbettregenerators kurz über der Höhe
der Lufteinleitung seitlich angebracht waren. Nach zwei Jahren Betrieb dieses Regenerators entstanden bereits Ausweitungen der Düsen und Düsenaufsätze bis
auf 150% des Originalzustandes. Die Luftannahme verschlechterte sich und schob
die Hauptreaktionszone in das obere
Wirbelbett. In den Folgejahren erodierten ganze Verteilerarmteile immer stärker und
zu hohe Abgastemperaturen zwangen zu Gegenmaßnahmen. Das Erosionsbild ließ
deutlich eine Erosion auch von Innenwandungen der Verteilerarme erkennen. Das
Eindringen von Katalysatormaterial war unter den oben angegebenen
Prozeßbedingungen offensichtlich nicht zu vermeiden.
Das Eindringen von Katalysator in die Verteilerdüsen und damit die Unterbindung
der Partikelbeschleunigung kann in einfachster Form durch deutliche Überschreitung
des üblichen Auslegungsdruckverlustes erreicht werden. Man kann annehmen,
daß infolge von Druckschwankungen durch statistische Blasenwachstumsprozesse
ein Partikeleindringen in Düsen möglich wird. Die Eindringtiefe wird
sicherlich kleiner mit abnehmendem Verhältnis von Druckschwankungswert zu gesamtem
Druckverlust der Düse, d. h. eine Verteilerdruckverlusterhöhung wirkt
positiv. In technischen Anlagen erreicht eine Verteilerdruckverlusterhöhung aber
schnell die Grenze für den maximal zulässigen Verdichterdruck und ist daher oft
nicht praktisch realisierbar.
Es wurde gefunden, daß auch Düsenformen existieren, die auch ohne Druckverlusterhöhung
ein Eindringen von Feststoff gegenüber Lösungen des Standes der
Technik erschweren. Überraschenderweise wurde festgestellt, daß
auch bei Reduzierung des bisherigen Düsendruckverlustes eine über den Stand der
Technik hinausgehende andere Düsenform, verbunden mit einer ungleich verteilten
Anordnung der Einzeldüsen über den Bodenquerschnitt, eine wesentliche
Verbesserung ergibt.
In Fig. 1 erkennt man deutlich eine Verschiebung der
"Durchrieselgrenze" für den Katalysator zu geringeren Gasmengen bei dem erfindungsgemäßen
Düsenboden gegenüber einer Zweidurchmesserdüse. Dabei wird
der Bodendruckverlust, wie der untere Teil der Fig. 1 zeigt sogar noch verringert.
Die Gasmenge pro Düse im technischen Reaktor, bei dessen Standardbetriebsbedingungen
mit Zweidurchmesserausführung der Einzeldüse, beträgt das 2 bis
2,5fache der Gasmenge für die Durchrieselgrenze nach Fig. 1. Die Durchrieselgrenze
ist der Schnittpunkt der Kurve 7 und 8 mit der Abszissenachse. Hierbei
wurden deutliche Erosionsspuren in Form von tiefen Riefen in den Düsen
beobachtet.
Umfangreiche weitere Experimentaluntersuchungen an Versuchs- und technischen
Wirbelschichtreaktoren, die als schnelle Wirbelschicht betrieben werden, ergaben
Hinweise zur Aufklärung dieses Phänomens.
Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der drei Größen Wirbelbettdruckverlust 13,
Katalysatoraufstiegsmenge pro Querschnitteinheit 12 und Lineargasgeschwindigkeit
im schnellen Wirbelbett mit äußerer Rückführung umlaufender Katalysatormengen.
Der Druckverlust des Wirbelbetts nimmt bei konstanter Katalysatorzirkulationsmenge,
nicht wie üblich in der Verfahrenstechnik mit der Gasgeschwindigkeitssteigerung
zu, sondern ab. Hinzu kommt noch der Einfluß der zirkulierenden Katalysatormenge.
Diese ergibt eine Erhöhung des Druckverlustes mit steigender Zirkulationsmenge.
In einem
Großraumwirbelschichtreaktor mit einem Durchmesser von 2 bis 8 m und örtlich begrenzter,
z. B. seitlicher Rückführung des zirkulierenden Katalysators bzw. der Zuführung
des zirkulierenden Katalysators bzw. der Zuführung großer abzubrennender verkokter
Katalysatormengen, muß es notgedrungen immer zu einer ungleichmäßigen
Katalysatoraufstiegsmenge in unterschiedlichen Reaktorquerschnittsteilen kommen.
Da bei den üblichen Wirbelschichtreaktoren der Bettdruckverlust
mindestens 70 bis 80% des gesamten Apparatedruckverlustes ausmacht, kommt es
durch unterschiedliche Feststoffaufstiegsmengen im Bett zu ganz verschiedenen
Gasmengen in den einzelnen Düsen, betrachtet über den Düsenbodenquerschnitt.
Diesen Sachverhalt soll die gestrichelte Linie in Fig. 2 andeuten. Es existieren also
in der Nähe der Katalysatorzuführung höhere Düsengeschwindigkeiten als in
anderen, weiter entfernten Bereichen mit niedrigeren Düsengeschwindigkeiten, die
ein Durchrieseln bzw. Eindringen von Katalysatorteilchen dauerhaft zulassen. Zurückdrängen
kann man diesen Nachteil durch ungleichverteilte Düsenbestückung
des Düsenbodenquerschnitts oder der Anzahl der Düsen in gleichlangen Rohrver
teilerarmsegmenten. Man muß im Einzugsbereich der Katalysatorzuführung eine
100% Bestückung mit Düsen vornehmen und in entfernteren Bereichen nur 60 bis
90% der maximal möglichen Düsenzahl. Dabei ist die konkrete Lage
und Ausführung der Katalysatorzuführungsstutzen am unteren Ende von Katalysatorstandrohren von Bedeutung.
In einem Wirbelschichtreaktor wurden zur Untersuchung hydrodynamischer Effekte
in der Nähe des Gasverteilerbodens Beobachtungsfenster angebracht. Der Reaktor
konnte im Bereich von 0,2 bis 1,8 m/s Lineargasgeschwindigkeit und Schütthöhen
des Wirbelbettkatalysators bis zu 3 m betrieben werden. Die Gaseinleitung erfolgte
zentral von unten über einen unmittelbar darüber angeordneten waagerechten
Düsenboden. Die Düsen waren austauschbar im Boden verankert und orthogonal
dazu geordnet. Somit war die Untersuchung verschiedener Geometrien der
Einzeldüse möglich. Mit geeigneter Meßtechnik konnten Feststoffdichte, das
Volumenverhältnis von Feststoff zu Gas in der Wirbelschicht, Druckverlust und
andere Strömungsparameter gemessen werden. Ein zweistufiges Zyklonsystem mit
Katalysatorsammelleitungen erlaubte den Betrieb in der stark expandierenden,
zirkulierenden bzw. schnellen Wirbelschicht. Die bereits vorstehend erwähnte
Durchrieselgrenze konnte in Abhängigkeit von der verschiedenen Düsengeometrie und Anordnung
beobachtet werden. Ein Wägesystem wurde zur quantitativen Ermittlung
der Katalysatordurchrieselmenge installiert. Die Ergebnisse wurden in Fig. 1
festgehalten. Durch Variation der rezirkulierenden Katalysatormenge konnte deren
Einfluß auf den Druckverlust und die Arbeitsweise des Reaktors nachgewiesen
werden. Insbesondere wurde das Phänomen des Katalysatoreindringens in Gasverteilerdüsen
bei ungleichen, konkurrierenden Katalysatorzirkulationsmengen in verschiedenen
Querschnittsbereichen festgestellt. Dabei zeigte der mit den erfindungsgemäß
eingesetzten Düsen (Fig. 3) bestückte Düsenboden sehr gute Ergebnisse.
Das Durchmesserverhältnis d₁ : d₂ : d₃ wurde mit 1 : 1,5 : 2,5 und das
Längenverhältnis I₁ : I₂ : I₃ mit 1 : 8 : 17,5 festgelegt.
Um die Erosionserscheinungen auszuschließen, wurden die Düsen so bearbeitet, daß die Oberflächenrauheit der Düsen-
Innenoberfläche 23 µm betrug.
Dieses Beispiel zeigt die für einen konkreten technischen Reaktor ausgeführte Gasverteilerbestückung.
Der Reaktor mit 4,3 m Bodendurchmesser und 8,5 m
Wirbelbetthöhe wurde gemäß Fig. 4 in acht Sektoren aufgeteilt. die Wirbelschicht
wird als schnelle Wirbelschicht mit ca. 800facher Lineargasgeschwindigkeit
gegenüber dem
Punkt der minimalen Fluidisation, d. h. bei <1,2 m/s und
einer Katalysatorzirkulationsrate von 18 t/th betrieben.
Dabei wird eine stündlich abzubrennende Koksmenge von
ca. 12 000 kg bewältigt.
Die Sektoren I bis III nach Fig. 4 liegen zwei äußerlichen
Katalysatorsammelleitungsanschlüssen sehr nahe. Sie wurden
vollständig mit Düsen bestückt. Die Sektoren IV und VIII
wurden mit 90% und die Sektoren V bis VII mit nur 78%
der maximal möglichen Bestückung versehen.
Insgesamt wurden 700 Einzeldüsen mit der erfindungsgemäß eingesetzten
Düse realisiert. Um eine noch bessere erosionsverlustfreie
Düse zu erreichen, wurden Düsen aus Keramik eingesetzt.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht dabei
noch die dazu erforderliche Halterung der Keramikdüsen vor.
Die in Fig. 5 dargestellte Halterung ist speziell für dieses
Verfahren notwendig, da leichte Schwingungen am Gasverteiler
auftreten.
Die Betriebsweise dieses so modifizierten Regenerators
erlaubte Kapazitätssteigerungen durch die deutliche Erhöhung
des Koksumsatzes im unteren Regenerationsbett. Nachbrände
traten nicht mehr auf, da die Verbrennung
bereits im dichteren Teil des Bettes fast vollständig
abläuft. Dies ist ebenso eine Folge der verbesserten
Kontaktierung des Sauerstoff enthaltenden Regenerationsgases
mit den koksbeladenen feinen Katalysatorteilchen.
Bezugszeichenliste
1 Düse
2 Verteilerboden
3 Brille
4 Schraubenfeder
5 Druckblech
6 Dichtung
7 Kurven zur Zweidurchmesserdüse
8 Kurven zur erfindungsgemäßen Düse
9 Katalysatoreinrichtung (kg/h)
10 Druckverlust Düsenboden (mm WS)
11 Gasmenge pro Düse (Nm³/h
12 Katalysatoraufstiegsmenge pro Querschnitt (kg/m² · s)
13 Wirbelbettdruckverlust pro Meter Bett (mm WS/m)
2 Verteilerboden
3 Brille
4 Schraubenfeder
5 Druckblech
6 Dichtung
7 Kurven zur Zweidurchmesserdüse
8 Kurven zur erfindungsgemäßen Düse
9 Katalysatoreinrichtung (kg/h)
10 Druckverlust Düsenboden (mm WS)
11 Gasmenge pro Düse (Nm³/h
12 Katalysatoraufstiegsmenge pro Querschnitt (kg/m² · s)
13 Wirbelbettdruckverlust pro Meter Bett (mm WS/m)
Claims (4)
1. Verfahren zum Koksabbrand von Katalysatoren im rezirkulierenden Wirbelbett,
die in einer Kohlenwasserstoffumwandlungszone mit Koksprodukten desaktiviert
wurden, von dieser kontinuierlich abgezogen und einem Wirbelbettregenerator
zugeführt werden, wobei die Verbrennung der anhaftenden Koks- bzw. koksähnlichen
Produkte mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas bei Temperaturen von
550 bis 800°C und Drücken von 0,1 bis 0,5 MPa erfolgt, der regenerierte von
Koks befreite Katalysator im kontinuierlichen Fluß dem Wirbelbettregenerator
abgezogen und erneut der Kohlenwasserstoffumwandlungsstufe zur Wiederverwendung
zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Regenerierung in
einem Wirbelbettregenerator mit schneller Wirbelschicht bei 500 bis 800facher
Lineargasgeschwindigkeit gegenüber dem Punkt der minimalen Fluidisation der
Teilchen bei 1,2 bis 1,8 m/s Leerrohrgasgeschwindigkeit erfolgt und daß das
Regenerationsgas über einen Düsenboden geführt und als katalysatorbeladene
Wirbelschicht über Standrohre mit einer Katalysatorzirkulationsrate von 15 bis
20 t/t · h Bettinhalt umgewälzt wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die auf dem Düsenboden angeordneten Düsen ein Verhältnis
der Durchmesser d1 bis d3 von 1 : 1,3 bis 1,8 : 2,25 bis 3,0 aufweisen, wobei ein
konischer Übergang mit einem Winkel von 5 bis 8 Grad zwischen dem unteren
zweiten und dritten zylindrischen Düsenbereich erfolgt und die Längsteilung der
drei Düsenbereiche einem Verhältnis von 1 : 3 bis 10 : 8 bis 20 entspricht, und
daß die Düsen eine Oberflächenrauheit der Innenoberfläche der Düse zwischen
10 µm und 40 µm aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (1) aus
erosionsbeständigem Werkstoff mittels Schraubenfedern (4) oberhalb und unterhalb
des Verteilerbodens (2) eingespannt sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung
der Düsen auf dem in mindestens acht Sektoren eingeteilten Düsenboden
ungleich verteilt ist, wobei im vollständig mit Düsen bestückten Sektor I zentral
eine Katalysatorzuführungsleitung angeordnet ist und wobei die Düsenbestückung
bei den beiden benachbarten Sektoren II und VIII 75 bis 90% und bei
den verbleibenden weiteren Sektoren 60 bis 85% der Düsenzahl des Sektors I
beträgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4041976A DE4041976C2 (de) | 1990-12-21 | 1990-12-21 | Verfahren zum Koksabbrand von Katalysatoren im rezirkulierenden Wirbelbett und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4041976A DE4041976C2 (de) | 1990-12-21 | 1990-12-21 | Verfahren zum Koksabbrand von Katalysatoren im rezirkulierenden Wirbelbett und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4041976A1 DE4041976A1 (de) | 1992-06-25 |
DE4041976C2 true DE4041976C2 (de) | 1994-10-06 |
Family
ID=6421551
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4041976A Expired - Fee Related DE4041976C2 (de) | 1990-12-21 | 1990-12-21 | Verfahren zum Koksabbrand von Katalysatoren im rezirkulierenden Wirbelbett und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4041976C2 (de) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US6076810A (en) | 1997-10-21 | 2000-06-20 | Exxon Research And Engineering Co. | Throat and cone gas injector and gas distribution grid for slurry reactor |
US5905094A (en) * | 1997-10-21 | 1999-05-18 | Exxon Research And Engineering Co. | Slurry hydrocarbon synthesis with reduced catalyst attrition and deactivation |
SI3932534T1 (sl) | 2020-06-30 | 2023-04-28 | Aura Technologie Gmbh | Postopek in naprava za recikliranje odpadnih materialov, ki vsebujejo dragocene kovine |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB8428395D0 (en) * | 1984-11-09 | 1984-12-19 | Boc Group Plc | Oxidation process |
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1990
- 1990-12-21 DE DE4041976A patent/DE4041976C2/de not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Publication date |
---|---|
DE4041976A1 (de) | 1992-06-25 |
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