DE935483C - Verschlusstopf fuer Zyklonfallrohre bei Wirbelschichtapparaturen - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 24. NOVEMBER 1955

St 6457 IVb 112g

Bei den Verfahren, die mit festen Körpern in einer Wirbelschicht arbeiten, hält man den pulverförmigen Katalysator durch aufwärts strömende Gase in Form einer dichten, lebhaft bewegten Schicht im unteren Teil des Kontaktgefäßes mit einer darüber befindlichen weniger dichten Phase aufgewirbelt. Die Zyklone werden gewöhnlich in der weniger dichten Phase in der Nähe des oberen Teiles der Kontaktgefäße angeordnet, was den Zweck hat, mitgerissene feine Teilchen vom Gas zu trennen, ehe man dieses aus dem Gefäß abläßt. Die abgetrennten feinen Teilchen bringt man dann in die dichte, bewegte Katalysatorschicht durch ein Fallrohr zurück, das sich vom Zyklon nach unten bis zu einem Punkt erstreckt, der unter dem normalen Niveau der dichten, bewegten Katalysatorschicht liegt.

Bei diesen Verfahren entstehen jedoch Schwierigkeiten, wenn die Oberfläche der dichten Katalysatorschicht unter das unterste Ende des Fallrohrs sinkt, so daß dies Rohr in der weniger dichten und nicht in der dichten Katalysatorphase endet. Jedes Mal, wenn dies eintritt, dringen die Gase und die mitgerissenen festen Teilchen, die sich im oberen Teil des Kontaktgefäßes befinden, in den Zyklon nicht nur durch seine Einlaßöffnung, sondern auch aufwärts durch das ZyklonfaJQrohr. Infolgedessen hört der Zyklon praktisch auf, die ihm zugedachte Funktion zu erfüllen, und relativ große Mengen feiner fester Teilchen verbleiben in dem Gasstrom, der den Zyklon verläßt. Dieser Zustand wird nicht nur eintreten, wenn das Niveau der dichten Schicht in der Kontaktzone während des Betriebes plötzlich absinkt, sondern auch

in der Zeit zwischen der Bildung einer Wirbelschicht und dem Zeitpunkt, wenn die dichte Schicht schließlich so weit aufwirbelt, daß ihr Niveau über der Öffnung des ZyklonfaUrohres liegt.

Es ist bereits eine Vorrichtung bekanntgeworden, mit der es möglich ist, die Betthöhe der Katalysatorwirbelschicht im gewissen Grade konstant zu halten. Diese Vorrichtung bewirkt beim Absinken der Betthöhe eine automatische Auffüllung der Wirbelschicht ίο bis zu einer vorher festgelegten Höhe. Fällt jedoch während des Betriebes der Apparatur die Betthöhe der Wirbelschicht stark ab, so ist ein Katalysatorverlust durch die Zyklonfallrohre unvermeidlich, da große Schwankungen der Betthöhe mit dieser Vorrichtung nur langsam ausgeglichen werden können. Ebenso kann die Vorrichtung nicht beim Aufbau der Wirbelschicht, bei Inbetriebnahme der Apparatur, verwendet werden.

Auch hat man bereits verschiedene Hilfsmittel vorgeschlagen, um das Fallrohr zu schließen, wenn das Niveau der dichten Schicht zu tief sinkt, um selbst als wirksamer Verschluß dienen zu können. So hat man vorgeschlagen, das Fallrohr mit einem Schieberoder Drosselventil zu versehen, das eine von dem Fallrohr bis an die Außenseite des Reaktionsgefäßes reichende Stange besitzt, so daß notfalls ein Schließen des Fallrohres möglich ist. Dies hat sich aber nicht als praktisch erwiesen, da bei den hohen Temperaturen, die bei katalytischen Spaltverfahren und bei anderen Verfahren der Kohlenwasserstoffumwandlung auftreten, die Ventile in den Fallrohren dazu neigen, unbeweglich zu werden, was schließlich das Abbrechen der langen Ventilstange zur Folge hat. Wenn jdies-bei geschlossenem Ventil erfolgt, muß die ganze Anlage zwecks Reparatur stillgelegt werden.

Ein anderer Vorschlag betrifft das Eintauchen des Fallrohres in einen tiefen gasdurchströmten Verschlußtopf, der um das Fallrohr herum derart angebracht ist, daß es fast bis auf den Boden des Topfes reicht. So wirkt der im Topf befindliche Katalysator in aufgewirbelter Form als Verschlußmittel für das Fallrohr. Diese Verschlußtöpfe wirken, wenn sie gänzlich in die dichte Katalysatorschicht eintauchen, verhältnismäßig gut, solange der Betrieb normal verläuft. Sie polstern das Fallrohr gegen plötzlichen Druckanstieg im Reaktionsgefäß. Wenn jedoch die dichte Schicht längere Zeit unter dem Rand des Verschlußtopfes bleibt, verliert dieser bald seine Wirksamkeit, da das Gas sich viele Kanäle durch den Katalysator im Topf schafft; oder, wenn der Gasstrom abgesperrt wird, verstopft sich die ganze Anlage mit zusammengeballtem Katalysator. Wenn der Topf in die dichte Katalysatorschicht eingetaucht ist, sickert anscheinend eine genügende Menge der relativ groben Teilchen in ihn hinein und wandelt seinen Inhalt leicht in eine Wirbelschicht um. Wenn aber der Topfrand eine bestimmte Zeitlang über dem Niveau der dichten Wirbelschicht liegt, dann besteht der Inhalt des Verschlußtopfes bald ausschließlich aus feinen Teilchen, die sich im Zyklon abgesetzt haben. In diesem Falle wird die Aufwirbelung des Inhalts in dem engen Ring zwischen dem Fallrohr und dem ihn umgebenden Topf außerordentlich schwierig und unregelmäßig.

Solche Verschlußtöpfe haben sich daher für Fallrohrverschlüsse als unzuverlässig erwiesen, und zwar wenn 6g die Apparatur in Gang gesetzt wird oder längere Zeit so arbeitet, daß der Rand des Verschlußtopfes wesentlich oberhalb der dichten Schicht liegt.

Gegenstand dieser Erfindung ist ein Verschlußtopf für Zyklonfallrohre bei Wirbelschichtapparaturen, der diese Nachteile nicht aufweist. In der Zeichnung ist

Fig. ι eine schematische Darstellung einer technischen, katalytischen Spaltanlage, die in den oberen Teilen der Reaktions- und Regeneriergefäße Zyklone enthält, wobei die Fallrohre der Zyklone mit Verschlußtöpfen gemäß der Erfindung versehen sind.

Fig. 2 ist ein Einzelheiten zeigender Längsschnitt durch das Zyklonfallrohr und den zugehörigen Verschlußtopf.

Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch ein Reaktionsgefäß, das den Zyklon mit Verschlußtopf zeigt, sowie eine Vorrichtung, um grobe Katalysatorteilchen aus der Hauptwirbelschicht in den Verschlußtopf zu heben.

Beispielsweise wird in einer katalytischen Spaltanlage, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, eine durch Rohr ι eingeführte Gasölmenge mit heißem pulverförmigem Katalysator gemischt, z. B. mit einem Süika-Aluminium- oder Tonerdekatalysator, der aus dem Standrohr 2 'des Regenerators kommt. Die entstandene verdünnte Suspension des Katalysators in den Kohlenwasserstoffdämpfen gelangt durch Rohr 3 und Rost 4 in das Reaktionsgefäß 10. Im unteren Teil dieses Gefäßes setzt sich der in den Dämpfen vorhandene Katalysator ab und bildet ein dichtes Wirbelschichtbett mit der Oberfläche oder dem oberen Niveau 5, während eine verdünnte Gasphase, die eine relativ geringe Menge von mitgerissenen Katalysatorteüchen enthält, sich über der dichten Schicht bildet. Verbrauchter Katalysator fließt dauernd von dem dichten Wirbelschichtbett in den Abnahmeschacht 6, in den Wasserdampf oder ein anderes indifferentes Gas durch Rohr 7 eingeblasen wird.

Der abgezogene verbrauchte Katalysator fällt dann durch das Standrohr 8 des Reaktionsgefäßes in das Rohr 9 und wird dort mit Luft gemischt, die bei 11 eintritt. Die entstandene verdünnte Mischung von verbrauchtem Katalysator, der in Luft suspendiert ist, steigt in den Regenerator 20, wo kohlenstoffhaltige Abscheidungen auf dem Katalysator verbrannt werden. Dies geschieht in dem dichten Wirbelschichtbett, das ein oberes Niveau 12 hat, über dem sich eine relativ verdünnte Phase befindet, die einige Katalysatorteilchen enthält, die von den die dichte Schicht verlassenden Abgasen mitgerissen sind. Regenerierter Katalysator fließt in das Standrohr 2 über, um bei einer frischen Beschickung verwendet zu werden.

Die mitgerissenen festen Teilchen werden von den gasförmigen Produkten, die das Reaktionsgefäß 10 und den Regenerator 20 verlassen, im Zyklon getrennt. Durch das Zuflußrohr 31 im Zyklon 30 des Reaktionsgefäßes 10 treten die gasförmigen Reaktionsprodukte und die mitgerissenen Festteilchen ein. Das Auslaßrohr 33 über dem zylindrischen oder konischen Faßteil 32 dient dazu, praktisch staubfreie, gespaltene Kohlenwasserstoffdämpfe aus einem zentralen Teil des Faßteiles abzuführen, und durch das kurze Fall-

rohr 34 werden die abgetrennten festen Teilchen dem Wirbelschichtbett wieder zugeführt. Das Fallrohr endet im oberen Teil des Reaktionsgefäßes io, im wesentlichen oberhalb der Oberfläche 5 des dichten Wirbelschichtbettes. Das Fallrohr 34 reicht ein kurzes Stück unter den Rand des Verschlußtopfes 35. Dieser ist in Fig. 2 dargestellt. Die Minimallänge des Fallrohres richtet sich nach dem Druckabfall des Zyklons, d. h. das Fallrohr muß so lang sein, daß die darin enthaltene Säule der festen Teilchen einen genügend hohen hydrostatischen Druck ausübt, der die Reaktionsgase hindert, durch das Fallrohr aufzusteigen, ansatt durch die eigentliche Zyklon öffnung einzuströmen.

Wenn der Rand oder das offene Ende eines gewöhnlichen Verschlußtopfes in Reaktionsgefäßen mit Wirbelschichtbett oberhalb der Oberfläche der dichten Schicht, z. B. oberhalb Niveau 5 im Reaktionsgefäß 10, angeordnet ist, bewirkt der Verschlußtopf keinen genügenden Verschluß. Dies scheint der Tatsache zuzuschreiben zu sein, daß die festen Teilchen in solch einem Verschlußtopf im wesentlichen aus den feinen Teilchen bestehen, die im Zyklon abgesondert werden, d. h. aus Teilchen, deren Durchmesser 0 bis etwa 40 oder 60 Mikron betragen, wenn die oberflächliche Aufwärtsgeschwindigkeit des Gases im Hauptgefäß relativ niedrig ist, z. B. weniger als 0,75 m/s beträgt, und besonders, wenn sie weniger als 0,15 m/s beträgt. Mischungen, die aus solch feinen Teilchen bestehen, bilden bekanntlich schwer eine Wirbelschicht, und normale Verschlußtöpfe, welche diese feinen Teilchen enthalten, neigen bei geringem Druckanstieg zu übermäßiger Kanalbildung und häufigem Wegblasen des Wirbelverschlusses. Wenn dies eintritt, gelangen Gas und mitgeführte feste Teilchen in den Zyldon nicht nur durch seine Einlaßöffnung, sondern auch durch das offene Fallrohr. Bis sich eine genügende Schicht von festen Teilchen im Verschlußtopf allmählich wieder aufgebaut hat, um wieder einen Verschluß rund um das Fallrohr zu bilden, wird der Katalysator mit den ausströmenden Gasen durch den Zyklon geblasen und ist verloren. Diese Wiederbildung des erforderlichen Verschlusses kann einige Zeit dauern, da der Luftstrom im Fallrohr nach oben so stark ist, daß sich eine Schicht fester Teilchen im Zyklon nicht aufbauen kann, solange der Gasstrom andauert. Andererseits können sich, wenn der Wirbelverschluß unter dem Fallrohr zerstört ist, die feinen Katalysatorteilchen im Fallrohr zusammenballen und das · Rohr verstopfen, was wiederum den Zyklon an seiner Wirksamkeit hindert.

Es wurde gefunden, daß selbst feste Körper, die im wesentlichen nur aus Feinstteilchen bestehen, ein befriedigendes Wirbelbett und einen wirkungsvollen Verschluß bilden, wenn der Verschlußtopf bestimmte Eigenschaften besitzt. Der neue erfmdungsgemäße Verschlußtopf (vgl. Fig. 2 der Zeichnung) muß ein Wirbelschichtbett aus festen Teilchen aufnehmen können, das eine Tiefe L unterhalb des Fallrohrendes hat, die wenigstens das zweieinhalbfache des Durchmessers D des Verschlußtopfes, vorzugsweise das 3,5-bis 6fache des Durchmessers, beträgt. In der Regel kann das Fallrohr 34 eines handelsüblichen Zyldons einen Durchmesser d von etwa 100 bis 255 mm besitzen und kann unter dem oberen Rand des Verschlußtopfes 35 bis zu einer Tiefe h von 75 bis 305 mm eintauchen, und der zugehörige Verschlußtopf soll dabei einen Durchmesser D gleich etwa 1,4 bis 4 d haben oder einen Topfdurchmesser von etwa 125 bis 380 mm für relativ kleine Fallrohre und bis zu etwa 1015 mm für große Fallrohre. Die Tiefe L des Verschlußtopfes unterhalb des FaUrohrendes kann dementsprechend etwa 315 bis 3050 mm betragen, entsprechend dem angegebenen Verhältnis von L/D.

Mit einem Zyklon und einem wie eben beschriebenen erfindungsgemäßen Verschlußtopf kann man eine gasdurchströmte Schicht feiner fester Teilchen bilden, die unter dem Fallrohr als wirksamer Verschluß wirkt, selbst wenn die festen Teilchen nur aus feinsten Partikeln bestehen. So gelangen feste Teilchen, die im Zyklonseparator 32 vom Gasstrom getrennt werden, durch das Fallrohr 34 in die gasdurchströmte Masse fester Teilchen im Verschlußtopf 35 und fließen schließlich vom Verschlußtopf über in das Hauptwirbelschichtbett im unteren Teil des Reaktionsgefäßes 10. Gleichzeitig hindert die gasdurchströmte Masse im Verschlußtopf 35 die Reaktionsdämpfe daran, durch das Fallrohr 34 aufzusteigen.

Das erforderliche Belüftungsgas wird in den Verschlußtopf 35 durch das Rohr 36 eingeblasen; die Menge des eingeblasenen Gases wird vorzugsweise so groß gehalten, daß sie eine lineare, aufwärts gerichtete, oberflächliche Gasgeschwindigkeit von etwa 0,015 bis 0,15 m/s oder vorzugsweise von etwa 0,03 bis 0,06 m/s innerhalb des Verschlußtopfes erzeugt. Merklich höhere Geschwindigkeiten sind unerwünscht, da sie der Anlaß sind, daß zuviel Katalysator im Fallrohr aufwärts und durch den Zyldon hindurch mitgerissen wird. Zur Belüftung des Verschlußtopfes kann man verschiedene Gase benutzen, je nach der Atmosphäre, in welcher der Verschlußtopf sich befindet. Wenn z. B. der Verschlußtopf und der zugehörige Zyldon sich in einem Gefäß zur Kohlenwasserstoffumwandlung befinden, kann der Verschlußtopf mit Wasserdampf, leichten Kohlenwasserstoffen, Abgas, Stickstoff oder einem anderen geeigneten indifferenten Gas belüftet werden. Oder wenn der Verschlußtopf sich in einem Gefäß für die Katalysatorregenerierung befindet, kann er z. B. mit Luft, Abgas oder Wasserdampf belüftet werden.

Um eine relativ vollständige Trennung von mitgerissenen festen Teilchen aus einem Gasstrom zu erhalten, ist es oft vorteilhaft, einen solchen Strom durch eine Reihe von zwei oder mehr Zyklonen zu schicken, wie dies beispielsweise in Fig. 1 in dem Regeneratorgefäß 20 gezeigt ist. In einer solchen Anlage gehen der Gasstrom und die mitgerissenen festen Teilchen zuerst in den Zyklon 40 durch den Einlaß 41. Die relativ groben festen Teilchen scheiden sich ziemlich leicht im ersten Zyldon ab und gelangen über das Fallrohr 44 und den Verschlußtopf 45 zurück in das Hauptwirbelschichtbett. Der Gasstrom, der den ersten Zyklon durch das Rohr 43 verläßt, enthält jedoch noch eine merkliche Menge von suspendierten feinen Teilchen. Das Rohr 43 fährt daher in einen zweiten Zyklon 50, in welchem die feinen

Teilchen vom Gasstrom getrennt werden. Ein praktisch staubfreier Gasstrom kann dann durch das Rohr 53 abgezogen werden, oder, wenn er noch nicht genügend staubfrei ist, kann das abfließende Gas aus dem zweiten Zyklon 50 nacheinander in weitere Zyklone, wie z. B. in einen dritten Zyklon, geleitet werden.

Gewünschtenfalls kann der Verschlußtopf 45 unter dem ersten Zyklon 40 oder der Verschlußtopf unter irgendeinem Zwischenzyklon sogar völlig weggelassen werden, solange das Fallrohr des letzten Zyklons einer Reihe, z. B. das Fallrohr 54 des Zyklons 50, mit einem Verschlußtopf versehen ist. Wenn bei solch einer Anordnung die Oberfläche 12 des dichten Wirbelschichtbettes unter den offenen Boden des Fallrohres 44 des ersten Zyklons oder eines Zwischenfallrohres sinkt, beginnen Gase und mitgerissene Teilchen durch ein solches Fallrohr aufzusteigen und verlassen den Zyklon durch das Abflußrohr 43 ohne merkbare Abtrennung. Aber solange wenigstens der letzte Zyklon 50 der Reihe mit einem schützenden Verschlußtopf versehen ist, werden Gas und mitgerissene feste Teilchen, die sich von dem vorübergehend unwirksamen Zyklon 40 durch das Rohr 43 bewegen, schließlich im Zyldon 50 getrennt, und die festen Teilchen fließen in das Hauptwirbelschichtbett über das Fallrohr 54 und den Verschlußtopf 55 zurück. Natürlich wird, sobald die Oberfläche 12 der Schicht hoch genug steigt, um das erste Fallrohr 44 zu bedecken oder einzutauchen, die ganze Reihe der Zyklone wieder νοΠ wirksam.

Die Größe der festen Teilchen, die im zweiten und den folgenden Zyklonen abgetrennt werden, wird progressiv kleiner und ist oft geringer als 40 oder sogar 20 Mikron, so daß diese festen Teilchen zunehmend schwieriger in Verschlußtöpfen, wie z. B. Topf 55, d. h. dem Verschluß für das Fallrohr 54, aufzuwirbeln sind. Besonders bei diesen zweiten Zyklonen bietet die Konstruktion des Verschlußtopfes gemäß der Erfindung mit einem Z/Ö-Verhältnis von vorzugsweise höher als drei Vorteile hinsichtlich einer leichteren Wirbelschichtbildung.

Man kann die Wirbelschichtbildung in den Zyklonverschlußtöpfen noch verbessern, wenn man in den Topf frischen oder gebrauchten Katalysator mit relativ groben festen Teilchen einführt. Bei einem solchen Katalysator, der normalerweise Teilchen enthält, die einen Durchmesser zwischen 0 und 100 oder 200 Mikron haben, können wenigstens etwa 30 oder 40 Gewichtsprozent einen Durchmesser von über 80 Mikron besitzen. Bei der Arbeitsweise gemäß Fig. ι kann relativ grober Katalysator aus einem Vorratstrichter 60 durch Rohr 61 dem Belüftüngsgas in Rohr 36, das zum Verschlußtopf 35 führt, zugesetzt werden. Es ist wünschenswert, die groben festen Teilchen dem Belüftungsgas im Verhältnis von etwa 1,6 bis 4,0 kg/m³ zuzusetzen und die Geschwindigkeit in dem Belüftungsrohr, wie z. B. Rohr 36, auf einem Wert von nicht unter 4,5 m/s, vorzugsweise auf 15 bis 30 m/s oder sogar 60 m/s, zu halten, um die festen Teilchen glatt und gleichmäßig zu transportieren. Natürlich fällt die lineare Geschwindigkeit des Gasstroms auf etwa 0,015 bis 0,15 m/s, sobald der Strom in den relativ weiten Verschlußtopf 35 eintritt. Um eine gute Wirbelung zu erhalten, ist es wünschenswert, 6g daß die groben Teilchen in genügender Menge dem Verschlußtopf zugesetzt werden, so daß eine Mischung gebildet wird, die wenigstens 10 Gewichtsprozent Teilchen von über 80 Mikron enthält.

Es kann auch vorteilhaft sein, im Verlauf eines Ansatzes groben Katalysator den feinen Teilchen im Verschlußtopf 35 zuzusetzen, indem man einen Teil des Katalysators vod unterhalb der Oberfläche des dichten Wirbelschichtbettes 5 nach oben führt. Dies ist besonders in Fig. 3 erläutert, wo ein Verschlußtopf 35, der dem in Fig. 1 entspricht, einen Saugapparat oder Gasheber enthält, um relativ groben Katalysator aus dem Hauptwirbelschichtbett bis zum Verschlußtopf zu heben.

Aus Fig. 3 ist zu erkennen, daß das Belüftungsrohr 36 des Verschlußtopfes aufwärts durch den unteren Teil des Gefäßes 10 führt. Ehe es in den Verschlußtopf 35 eintritt, vereinigt sich das Belüftungsrohr 36 mit einem Neben- oder Saugrohr 38, dessen unteres offenes Ende unter die Oberfläche 5 der dichten Wirbelschicht eintaucht. Hieraus ergibt sich, daß, wenn ein geeignetes Belüftungsgas durch Rohr 36 in den Verschlußtopf 35 geblasen wird — vorzugsweise mit einer oberflächlichen Geschwindigkeit von etwa 18 bis 60 m/s —, ein Teil des relativ groben Katalysators aus dem Hauptwirbelschichtbett infolge der Saugwirkung durch das Rohr 38 gehoben wird und dazu dient, die Wirbelschichtbildungsfähigkeit der feinen Teilchen zu verbessern, die aus dem Zyklon 30 in den Verschlußtopf 35 fallen.

Der Zusatz von fremden festen Teilchen, wie z. B. von frischem Katalysator aus dem Trichter 60, zu dem Belüftungsgas kann auch besonders vorteilhaft beim Beginn eines Ansatzes sein. Er gestattet, am Ende des Fallrohres einen Verschluß zu bilden, sogar schon ehe genügend feste Teilchen regulär aus dem Reaktionsgefäß strömen, um das Fallrohr zu schließen. Andererseits können feste Teilchen — um ein richtiges Funktionieren des Verschlußtopfes während des allerersten Anfangs eines Ansatzes zu sichern — dem Verschlußtopf oder dem Zyklon direkt zugesetzt werden, ehe das Hauptreaktionsgefäß in Betrieb gesetzt ist.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verschlußtopf für Zyklonfalhrohre bei Wirbelschichtapparaturen, bestehend aus einem am oberen Ende offenen Behälter 35 vom Durchmesser D mit einer Gaseinleitung 36 am Boden, der das untere Ende des Fallrohres 34, einen Ringraum bildend, umschließt und sich nach unten um eine Entfernung L unter die untere Öffnung des Fallrohres 34 erstreckt, wobei das Verhältnis vom Durchmesser des Verschlußtopfes D zum Durchmesser des Fallrohres d 1,4 bis 4,0 und das Verhältnis L/D wenigstens 2,5 ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis LjD 3,5 bis 6 beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tauchrohr 34 in den Ver-

schlußtopf 35 in einer Länge h von 75 bis 305 mm eintaucht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinleitung 36 in den Verschlußtopf 35 aus einer Gasrohrleitung und einem Vorratsgefäß 60 für die festen Teilchen besteht, das mit der Rohrleitung verbunden ist.

Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 860 635.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509575 11.55