DE3245494A1

DE3245494A1 - Kohlehydrierungsverfahren unter erhoehter zurueckhaltung von feststoffen in fliessbettreaktoren

Info

Publication number: DE3245494A1
Application number: DE19823245494
Authority: DE
Inventors: Michael C. 08534 Pennington N.J. Chervenak; Alfred G. 19067 Yardley Pa. Comolli
Original assignee: Hri Inc 08648 Lawrenceville NJ; HRI Inc; Hydrocarbon Research Inc
Current assignee: HRI Inc
Priority date: 1981-12-21
Filing date: 1982-12-09
Publication date: 1983-06-30
Also published as: CA1196877A; GB2111848A; JPS58111892A; ZA829012B; AU9137582A

Description

Beschreibung

Diese Erfindung betrifft eine verbesserte katalytische Hydrierung von Kohle zwecks Herstellung von niedrig siedenden flüssigen Kohlenwasserstoffprodukten in erhöhten Prozentsätzen. Sie betrifft insbesondere Kohlehydrierungsverfahren unter Verwendung eines Aufwärtsstrom-Katalysatorfließbettreaktors, in welchem ein erhöhter Prozentsatz von nicht-umgewandelten Kohlefeststoffen in dem Reaktor zurückgehalten werden zur weiteren Umwandlungsreaktion darin, wodurch erhöhte Ausbeuten an leichten, flüssigen und gasförmigen Kohlenwasserstoffprodukten hergestellt werden.

In konventionellen Katalysatorfließbettreaktionsverfahren zur Hydrokonversion von Kohlenwasserstoffbeschickungen, wie beschrieben in US-PS 3 519 555 (Keith), wird eine Reaktorflüssigkeitkonzentration einer erwünschten Gleichgewichtsproduktverteilung aufrechterhalten, die durch die Reaktanten und die Verfahrensbedingungen bestimmt ist. Ein kontinuierliches Reaktionsverfahren existiert mit beiden internen und externen rezyklisierten Strömen. In einem konventionellen Fließbetthydrierungsreaktionsverfahren für Kohle kann die Reaktorflüssigkeitsfeststoffekonzentration, welche üblicherweise ungefähr gleiche Mengen an nicht-umgewandelter Kohle und Asche umfaßt, von 10 bis 25 Gew.-% an feinkörnigen Feststoffen reichen. Eine derartige Feststoffekonzentration in dem Reaktor wird gewöhnlich aufrechterhalten durch Vorsehen einer Flüssigkeits/Feststoffe-Separationsstufe, die stromabwärts des Reaktors angeordnet ist, und Rezyklisieren eines Flüssigkeitsstroms, der eine verminderte Menge an Feststoffen enthält, zu dem Reaktor, wie allgemein beschrieben in der US-PS 3 540 995 (Wölk). Jedoch ist es wünschenswert, die prozentuale Hydrokonversion der Kohlefeststoffe und von halbfesten Materialien in dem Reaktor zu erhöhen,

um auf diese Weise erhöhte Ausbeuten an leichten flüssigen Kohlenwasserstoffprodukten vorzusehen durch Verwendung von grundsätzlich einfacheren Feststoffeseparationsverfahren innerhalb der Reaktionszone, und dadurch die Notwendigkeit zu minimieren oder nach Möglichkeit zu vermeiden, eine Flüssigkeits/Feststoffe-Separationsstufe in dem Verfahren vorzusehen.

In der US-PS 3 188 286 (Van Driesen) wird ein Hydrocrackverfahren für schwere Kohlenwasserstofföle beschrieben, bei welchem an einer geneigten Wandung befestigte Prallplatten oder ein zylindrisches Sieb innerhalb eines katalytischen Fließbettreaktors verwendet wird als unterstützende Maßnahme, um das teilchenförmige Katalysatormaterial innerhalb des Reaktors zu halten. In der US-PS 3 677 716 (Weber) wird die Verwendung einer Phasenseparationseinrichtung beschrieben, die im oberen Teil des Fließbettkatalysatorreaktors angeordnet ist als Unterstützung, um den Katalysator in dem Reaktor zu halten. Jedoch sind ein Verfahren oder eine Vorrichtung zum wünschenswerterweise Zurückhalten von feinen nicht-umgewandelten Kohlefeststoffen innerhalb eines Fließbettkatalysatorreaktors zum Erreichen einer erhöhten Umwandlung vqn solchen Kohlefeststoffen zu flüssigen Kohlenwasserstoffprodukten offensichtlich bislang nicht beschrieben und nicht verwendet worden.

Die vorliegende Erfindung stellt ein verbessertes Reaktionsverfahren und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung für eine katalytische Hydrierung von Kohle zwecks Herstellung von flüssigen und gasförmigen Kohlenwasserstoffprodukten bereit, worin Kohlefeststoffe selektiv in der Reaktorflüssig' keit zurückgehalten werden zwecks Verlängerung der Hydrierungsreaktionen und Erhöhung der Umwandlung darin. Ein derartiges erhöhtes Zurückhalten von Kohlefeststoffen in dem Reaktor wird durch Ablenken von festen Kohlepartikeln, die größer sind als etwa 30 ,u und die mit der nach oben strö-

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menden Flüssigkeit von der Öffnung in die Abstromabzugsleitung hinein gehoben werden, und zurück in die Reaktorflüssigkeit erreicht. Ein solches Ablenken von feinen Kohlefeststoffen wird erreicht durch eine geeignete Ablenkungs einrichtung, die kritisch in dem oberen Teil des Reaktorbehälters nahe und verbunden mit der Abzugsleitung angeordnet ist. Diese Feststoffeablenkungseinrichtung, wie z.B. eine Prallplatte, sorgt für ein erhöhtes Zurückhalten der am wenigsten umgesetzten Kohlefeststoffe einer größeren Partikelgröße und von halbfesten Materialien in dem Reaktor zum Zwecke einer verlängerten Hydrierungsreaktion bei den Reaktionsbedingungen. Die Zurückhaltung von derartigen Feststoffen mit einer Partikelgröße von gewöhnlich größer als etwa 30 ,u und vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 40 bis 200 ,u verlängert die Verweilzeit und erhöht somit die Hydrierungsreaktion und die prozentuale Umwandlung dieser schweren Kohlenwasserstoffmaterialien zu niedriger siedenden Komponenten, wie z.B. leichte und mittlere Kohlenwasserstofflüssigkeits- und Gasprodukte.

Bei Verwendung dieses Reaktorsystems mit einer Feststoffeablenkungs- und Zurückhaltungseinrichtung, die darin inkorporiert ist, wird die Feststoffekonzentration in der Reaktoraufschlämmungsflüssigkeit erhöht auf über etwa 15 Gew.-% und kann weiter gesteigert werden bis auf etwa 30 Gew.-% Konzentration oder mehr in der Flüssigkeit. Eine derartige höhere Feststoffekonzentration in dem Reaktor führt zu einer 10 bis 20 Gew.-%igen Erhöhung der nichtumgewandelten Kohle, die in dem Reaktor zur weiteren Reaktion darin zurückgehalten wird, und ergibt verbesserte Ausbeuten an leichten und mittleren Flüssigfraktionsprodukten von der Kohle. Ein kleinerer Teil der rezyklisierten Reaktorflüssigkeit, die Kohle- und Aschepartikel von größerer Größe enthält, wird je nach Bedarf von dem Reaktor abgezogen, um die Feststoffekonzentration in dem Reaktor unter

einem zulässigen Niveau zu halten, z.B. wie etwa 30 Gew.-%. Demgemäß sieht diese Erfindung eine signifikante Erhöhung der Wirksamkeit in der Kohleumwandlungsreaktion und einen erhöhten Durchsatz pro Einheit Reaktorvolumen vor.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Fließbettkatalysatorreaktor zur Kohlehydrierung mit einer Feststoffeablenkungsprallplatten- oder Zurückhaltungseinrichtung versehen, die innerhalb des Reaktors verwendet wird, und eine derartige Prallplatte ist innerhalb des oberen Teils des Reaktors auf kritische Weise angeordnet, um die erhöhten Feststoffekonzentrationen, die in der Reaktorflüssigkeit erwünscht sind, herbeizuführen. Die Prallplatte ist in der Weise angeordnet, daß sie den Einlaß zu der Ausflußabzugsleitung von nach oben strömenden Kohlefeststoffen teilweise abschirmt und dadurch die Menge an teilchenförmigen Kohlefeststoffen (nicht-umgewandelte Kohle und Asche) vermindert, die in die Leitung mit der vereinigten abströmenden Flüssigkeit und Gasstrom eintritt, und daß solche Feststoffe in der Aufschlänunungsflüssigkeit, die durch das Katalysatorfließbett zu rezyklisieren ist/ selektiv zurückgehalten werden.

Die Reaktorablenkplatte kann hinsichtlich ihrer Position und Formgebung variiert werden. Der Reaktorprallplatte kann irgendeine Form gegeben werden, z.B. wie flach, nach unten gewölbt oder konisch geformt, und sie ist vorzugsweise angebracht an und unterstützt durch die Abzugsleitung (withdrawal conduit).'Die Prallplatte kann innerhalb des Reaktors orientiert werden entweder horizontal oder geneigt unter Bildung eines Winkels zwischen 0 und etwa 45° gegen* über der horizontalen Ebene. Der Ablenkprallplattenwinkel sollte gewöhnlich etwa 45° gegenüber der Horizontalen nicht überschreiten, so daß die größeren nach oben strömenden Partikel abgelenkt werden zurück nach unten in die Reaktorflüssigkeit. Der Mittellinienabstand zwischen dem unteren

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Ende der Abzugsleitung und der oberen Oberfläche der Prallplatte sollte wenigstens gleich sein dem inneren Leitungsdurchmesser und ist vorzugsweise 1,2 bis 10 mal größer als dieser Leitungsdurchmesser. Auch wird die Prallplatte in der Größe abgestimmt relativ zum Innendurchmesser der Reaktorabzugs- bzw. Entnahmeleitung in der Weise, daß die horizontale Projektion der Prallplattenfläche die Innenquerschnittsflache der Leitung um das Zwei- bis Zwanzigfache der Leitungsfläche übersteigen sollte. Diese dimensionalen und flächenmäßigen Relationen sorgen für ein selektives Zurückhalten in dem Reaktor unter Bildung der erwünschten erhöhten Konzentration an nicht-umgewandelten Kohlefeststoffen zur weiteren Reaktion. Gegebenenfalls kann die Stellung der Feststoffeablenkprallplatte in dem Reaktor zu Zwecken der Verfahrenskontrolle variierbar gemacht werden.

Diese Erfindung ist besonders anwendbar auf katalytische Reaktionssysteme mit einer internen Rezyklisierung der Reaktorflüssigkeit, um das erwünschte Ausmaß an Ausdehnung und Aufwallung des Katalysatorbetts vorzusehen, wie z.B. für "H-Coal"-Kohleverflüssigungsverfahren. Die in dem Reaktor aufrechterhaltenen Reaktionsbedingungen sollten innerhalb des breiten Bereichs einer Temperatur von 400 bis 510°C (75O-95O°F), und eines Wasserstoffpartialdruckes von 70 bis 270 bar (1000-4000 psi) sein. Die Kohlebeschickungsrate oder Raumgeschwindigkeit sollte zwischen etwa 8 bis 96 kg/h/m (5-60 pound/hr/ft ) Reaktorvolumen sein. Die Katalysatorpartikelgröße sollte dafür ausreichend groß sein, damit die Partikel zuverlässig in dem Fließbett zurückgehalten werden und nicht mit der rezyklisierten Flüssigkeit herausgetragen werden. Die Katalysatorpartikel sind gewöhnlich größer als etwa 0,4 mm (0,016 inch; 400 ,u) im effektiven Durchmesser, und liegen vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 1,7 mm (0,020-0,065 inch diameter; 500-1600 ,u) Durchmesser. Eine solche erhöhte Aufwärtsstromgeschwindigkeit

der Reaktorflüssigkeit erlaubt einen größeren Beschickungsstromdurchsatz, der bei einem Reaktor von besonderer Größe erreicht werden kann.

Bei solchen Katalysatorfließbettreaktoren unter Verwendung einer internen Flüssigkeitsrezyklisierung ist die Ablenkprallplatte auch ausreichend entfernt angebracht vom obersten Teil der Flüssig/Gas-Separationseinrichtung (recycle cup) in der Weise, daß jegliches Hinübertragen von Katalysator aus dem Fließbett in den recycle cup vermieden wird. Ein derartiges Katalysatorhinübertragen verursacht eine unerwünschte Rezirkulation der Katalysatorpartikel durch die Flüssigkeitsrezyklisierungspumpe, was nicht nur einen erhöhten Abrieb bei dem Katalysator bewirkt, sondern auch zu ernsten Erosionsschäden bei der Pumpe führen kann. Der Reaktor mit einer Ablenkprallplatteneinrichtung in seinem oberen Teil wird gewöhnlich und vorzugsweise eingesetzt für Kohlehydrierungsverfahren unter Verwendung von Katalysatorbetten vom Aufstrom- oder Fließbett-Typ. Jedoch kann die Erfindung auch vorteilhafterweise eingesetzt werden bei Kohlehydrierungsverfahren ohne einen extern hinzugefügten Katalysator, bei welchem es wünschenswert ist, einen hohen Prozentsatz an Aschefeststoffen in der Reaktionszone aufrechtzuerhalten wegen ihres katalytischen Effektes auf die Hydrokonversionsreaktion.

Es ist ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß der Gebrauch dieser Ablenkprallplatteneinrichtung zwecks Bewirkung einer erhöhten Feststoffezurückhaltung ein selektives Abziehen eines flüssigen abgehenden Stroms mit einer geringen Feststoffekonzentration von dem oberen Teil des Reaktors erlaubt und auch ein Abziehen eines geringeren Stroms mit einer hohen Feststoffekonzentration von dem internen Flüssigkeitsrecyclekreislauf getrennt von dem oberen abgehenden Reaktorstrom. Weil ein Teil der Flüssig/ Fest-Abtrennung bei dem Kohlehydrierungsverfahren innerhalb

des Reaktors vor sich geht, reduziert diese Anordnung dadurch die Anforderungen des Verfahrens an eine Stromabwärts-Fest/Flüssig-Abtrennung. Der Strom mit hohen Feststoffekonzentrationen kann gewöhnlich erfolgreich in einer Vakuumdestillationsstufe weiterverarbeitet werden, und der schwere Vakuumbodenanteil, der Feststoffe in hoher Konzentration enthält, kann verwendet werden entweder als Treibstoff oder als Beschickung zur Herstellung von Wasserstoff, der für das Verfahren gebraucht wird.

Wenn der Reaktor mit hohen Beschickungsraten oder Raumgeschwindigkeiten betrieben wird, was zu mehr nicht-umgewandelter Kohle in den Produktströmen führt, kann es notwen- . dig sein, einen Teil der Kohlefeststoffe von dem flüssigen Rczyklisierungsstrom zu entfernen. Eine solche Feststoffeentfernung kann in einer Lösungsmittelniederschlagungsstufe vollzogen werden, anstelle der Verwendung von teuren Hydrozyklonen für die Flüssigkeits/Feststoffe-Abtrennung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben; es zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm der haupt

sächlichen Elemente eines katalytischen Flussigphasenreaktionsverfahrens zur Kohlehydrierung unter Verwendung eines Reaktors, der eine Feststoffablenkeinrichtung enthält,

Fig. 2 ein typischer Reaktor, der eine konisch

geformte Feststoffeablenkeinrichtung enthält,

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Fig. 3 ein typisches Kohleverflüssigungsverfahren unter Verwendung eines Reaktors mit einer Feststoffeablenk^ einrichtung und von dem Ströme mit variierenden Feststoffekonzentrationen von dem Reaktor abgezogen werden zur weiteren Verarbeitung, und

Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die

typische Beziehung zwischen der Reak» torflüssigkeitsrezyklisierungsflußgeschwindigkeit und den Gewichtsprozentsatz an Kohlefeststoffen in der Reaktorflüssigkeit zeigt.

Wie in der Fig. 1 gezeigt, wird Kohle bei 10, wie z.B. bituminöse oder sub-bituminöse Kohle mit einem Aschegehalt von 5 bis 12 Gew.-%,gewöhnlich gemahlen, getrocknet und gesiebt bei 12 und wird in der Größe so gestaltet, daß im wesentlichen alles durch ein Sieb einer lichten Maschenweite von 0,59 mm (30 mesh screen; 0,023 inch) durchgeht, und vorzugsweise durch ein Sieb einer lichten Maschenweite von 0,42 bis 0,44 mm (40-325 mesh screen size U.S. Sieve Series; 0,0165-0017 inch). Die teilchenförmige Kohle wird dann bei 14 aufgeschlämmt mit aufschlämmenden öl 15 unter Vorsehen eines Öl/Kohle-Gewichtsverhältnisses im Bereich von etwa 1 bis 5. Die resultierende Kohle/Öl-Auf schlämmung bei 16 wird bei 18 unter Druck gesetzt auf einen erhöhten Druck und wird mit einem wasserstoffreichen Gas bei 20 vereinigt. Das Kohle/Flüssigkeits-Gasgemisch wird dann beim Erhitzer 21 erhitzt und durch den Stromverteiler 22 eingeführt in den unteren Teil des Aufwärtsstromhydrierungsreaktors 24 mit dem Katalysatorfiießbett 25, wobei die Katalysatorpartikelgröße gewöhnlich 0,5 bis 1,7 mm (0,020-0,065 inch; 500-1600 ,u) beträgt.

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Der Reaktor 24 ist angepaßt zum Vorsehen einer Flüssigphasenreaktion des Kohlegases und eines teilchenförmigen Hydrierungskatalysators/ der darin durch die aufwäiftsströmende Flüssigkeit in statistischer Bewegung plaziert ist. Die Reaktionsbedingungen werden vorzugsweise aufrechterhalten innerhalb der Bereiche einer Temperatur von 420 bis 48O°C (78O-9OO°F) und eines Wasserstoffpartialdruckes von 100 bis 240 bar (1500-3500 psi). Die Kohlebeschickungsrate sollte vorzugsweise etwa 16 bis 64 kg/h/m (10-40 pound/hr/ft ) Reaktorvolumen sein. Die Reaktorflüssigkeit wird vorzugsweise intern abwärts rezyklisiert durch den recycle cup 26 und das Fallrohr 27 zur Rezyklisierungspumpe 28 in der Weise, daß das gewünschte Ausmaß an Katalysatorbettexpansion in dem Reaktor aufrechterhalten wird,, wie z.B. etwa 10 bis 100 % über die abgesetzte Höhe des Bettes. Derartige Reaktorflüssigkeitsrezyklisierungsraten bewegen sich gewöhnlich zwischen etwa 800 bis 2000 1/fnin · m'

(20-50 gallons per minute per ft ) Reaktorquerschnittsfläche. Frischer Katalysator wird bei der Verbindung 23a zugegeben, und verbrauchter Katalysator wird bei 23b nach Bedarf abgezogen, um die erwünschte Katalysatoraktivität in dem Reaktor aufrechtzuerhalten.

Wie auch in der Fig. 1 gezeigt, ist eine Ablenkeinrichtung, wie z.B. die Prallplatte 30, vorgesehen in der Dampfloslösungszone 26a, die oberhalb des Flüssigkeitsrezyklisierungsstutzens 26 (recycle cup 26) angeordnet ist. Die Prallplatte 30 ist fest und in ihrer Position so orientiert, daß sie nach oben fließende Kohlefeststoffe nach unten ablenkt und somit die öffnung 32a zur Abzugs- oder Entnahmeleitung 32 des abgehenden Stroms teilweise abschirmt. Die Prallplatte 30 bewirkt dadurch eine teilweise Abtrennung von feinen nicht-umgewandelten Kohle- und Aschefeststoffen von größeren Feststoffen in dem Reaktor und vermindert somit selektiv den Prozentsatz an größeren Kohlefeststoffen, die in die Abzugsleitung 32 zusammen mit vereinigten Flüssigkeits-

und Dampfanteilen eintreten. Eine erhöhte Konzentration an feinen nicht-umgewandelten Kohle- und Aschefeststoffen mit einer Partikelgröße vorzugsweise innerhalb des Bereichs von etwa 40 bis 300 ,u wird in der Reaktorflüssigkeit zurückgehalten für eine weitere Reaktion darin. Eine geeignete Ablenkblech- oder Prallplattenkonfiguration im Sinne der Erfindung schließt eine flache Platte ein, die gegenüber der Horizontalen in einem Winkel von 0 bis etwa 45° geneigt ist und die gewöhnlich eine horizontal projizierte Fläche hat, die etwa 2 bis 20 mal größer ist als die Querschnittsfläche der Abzugsleitung, wie allgemein in der Fig. 1 gezeigt. Die Prallplatte 30 wird vorzugsweise von der Leitung 32 getragen durch wenigstens drei strukturelle Stangen 33, wie besser in der Fig. 2 gezeigt. Die Leitung 32 und die verbundene Prallplatte 30 sind vorzugsweise mit dem oberen Ende des Reaktors 24 lösbar befestigt durch einen lösbaren, mit Bolzen versehenen Flansch 34.

Ein katalytisch umgesetzter, abgehender Strom, der vereinigte Kohlenwasserstofflüssigkeits- und Gaskomponenten enthält, wird durch die Leitung 32 abgezogen und zum Phasenseparator 36 geleitet. Ein Gasstrom wird bei 37 entfernt, und eine Flüssigkeit, die eine geringere Konzentration an feinen Feststoffen enthält, wird bei 39 entfernt. Auch kann gegebenenfalls ein Teil 39 des Rezyklisierungsflüssigkeitsotroms 29, der Kohle- und Aschefeststoffe in erhöhter Konzentration enthält, von dem Reaktor abgezogen werden für eine separate Weiterverarbeitung.

Eine andere geeignete Ablenkprallplattenkonfiguration ist die konisch geformte Prallplatte 38, wie in der Fig. gezeigt, mit dem nach oben orientierten Konusscheitelpunkt und zentral ausgerichtet mit der Abzugsleitung 32. Die konischen Prallplattenoberflächen sind gewöhnlich in einem Winkel von 20 bis 60° gegenüber der Horizontalen orientiert, und der Durchmesser der nach unten schauenden Basis

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des Konuses bzw. Kegels kann etwa 2 bis 10 mal größer sein als der Innendurchmesser der Abzugsleitung. Obwohl die flache geneigte Prallplattenkonfiguration 30 zum Gebrauch in Reaktoren mit einem Innendurchmesser von bis zu 45 cm (1,5 feet) geeignet ist, wird eine kegelförmige oder konvexe Prallplatte bevorzugt beim Gebrauch in Reaktoren von größerem Durchmesser.

Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist in der Fig. 3 gezeigt, welche eine Ausdehnung der Reaktorkonfiguration der Fig. 1 darstellt. Vom Fließbettkatalysatorreaktor 24 wird ein abgehender Strom 41, der flüssige und dampfförmige Fraktionen enthält, von dem oberen Teil des Reaktors abgezogen durch die Leitung 40 oberhalb des Katalysatorbettsniveaus 25a und des Flüssigkeitsniveaus 31. Wie gezeigt, ist das untere Ende der vertikalen Abzugsleitung 40 um wenigstens etwa 90 gebogen, so daß die untere Oberfläche 40a der Leitung oder einer Verlängerung davon als eine Feststoffeablenkoberflache wirkt, ähnlich wie die Prallplatten 30 und 38. Dieser abgehende Strom 41 enthält eine geringere Konzentration an nicht-umgewandelten Kohle- und Aschefeststoffen im Vergleich zu der Reaktorflüssigkeit und wird abgezogen durch die entfernbare Leitung 40, die in der Nähe des obersten Teils des Reaktors angeordnet ist.

Der abgehende Strom 41 wird zum Heißphasenseparator 4 2 geleitet, von dem ein Dampfanteil 43 und ein Flüssigkeitsanteil 44 voneinander getrennt entfernt werden. Der resultierende Dampfanteil 43 wird zur Wasserstoffreinigungsstufe 50 geleitet, von der das gewonnene Wasserstoffgas wieder unter Druck gesetzt wird und bei 51 rezyklisiert wird zum Gebrauch als wasserstoffreiches Gas bei 20, zusammen mit irgendeinem hochreinen Ergänzungswasserstoffgas, das bei 20a gebraucht wird.

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Der flüssige Kondensatstrom bei 44 wird bei 4 5 druckreduziert und zu dem Niederdruckphasenseparator 46 geleitet, von dem der erhaltene Dampfstrom 47 zu dem Fraktionierungssystem 54 geleitet wird. Auch vom Separator 46 wird ein flüssiger Anteil 48 abgezogen und zu der Flüssigkeits/ Feststoffe-Separationsstufe 52 geleitet, welche mehrere Hydrozyklone oder ein Lösungsmittelniederschlagungssystem umfassen kann. Der überlaufstrom 53, der teilchenförmige Feststoffe in verminderter Konzentration enthält, wird auch zu dem Fraktionierungssystem 54 geleitet, wo das Material gewöhnlich durch fraktionierte Destillation aufgetrennt wird in einen gasförmigen und leichte Endendampf, der gewöhnlich bis zu etwa 23O°C (450⁰F) siedet und bei 55 entfernt wird, eine Destillatflüssigkeitsfraktion, die normalerweise zwischen etwa 230 und 34O°C (450 und 65O°F) siedet und bei 56 entfernt wird, und in eine Bodenfraktion, die bei 57 entfernt wird und die einen normalen Siedebereich von über 34O°C (650⁰F) und gewöhnlich von über 430 bis 52O°C (8OO-975°F) hat. Ein Teil 56a des relativ feststoffreien Öls bei 56 wird gewöhnlich als kohleaufschlämmendes öl 15 in das System rezyklisiert. Der flüssige Unterlaufproduktstrom bei 59, der eine erhöhte Konzentration an feinen nicht-umgewandelten Kohle- und Aschefeststoffen enthält, wird zu einer Vakuumdestillationsstufe 60 geleitet. Der flüssige Uberkopfstrom 61 wird vorzugsweise zum Destillatstrom 57 hinzugefügt, um ein schweres Treibstoffölprodukt 58 bereitzustellen. Der Vakuumbodenstrom 62 wird als ein schweres Produktmaterial abgezogen.

Falls gewünscht wird ein Teil des flüssigen Rezyklisierungsstroms 29, der gewöhnlich direkt zum Reaktor rezyklisiert wird zur Aufrechterhaltung der gewünschten Aufwallung des Katalysatorbetts in dem Reaktor 24, bei 63 abgezogen als ein mit Feststoffen angereicherter, flüssiger Strom für eine separate Weiterverarbeitung. Dieser Flüssigkeitsstrom, der Kohlefeststoffe in erhöhten Konzentrationen, wie z.B.

20 bis 40 Gew.-% Feststoffe, enthält, wird bei 65 druckreduziert und mit dem Unterlaufproduktstrom 59 zur Vakuumdestillation bei 60 geleitet. Der Vakuumüberkopfstrom 61 kann mit dem Flüssigkeitsprodukt 58 vereinigt werden, während der Bodenstrom 62 zu einer Verkokungsstufe geleitet werden kann oder als Beschickungsgut zur Herstellung von in dem System benötigten Wasserstoff dienen kann.

Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß die Feststoffeablcnkungseinrichtung, die in dem oberen Teil des Reaktors vorgesehen ist, eine ausreichende Feststoffseparation vorsieht, so daß eine externe konventionelle Feststoffeseparationsstufe, z.B. wie durch Hydrozyklonen, Zentrifugenfiltratiori oder Lösungsmittelniederschlagüng, minimiert wird oder sogar eliminiert werden kann in Abhängigkeit von dem akzeptierbaren Feststoffekonzentrationsniveau in den Produktölströmen. Somit reduziert die Eliminierung von derartigen externen Feststoffeseparationsstufen die Prozeßkosten und die Komplexität.

Die Beispiele erläutern die Erfindung. BEISPIEL

Bituminöse Kohle vom Typ Illinois Nr. 6 einer Größe entsprechend einer lichten Siebmaschenweite von 0,30 bis 0,05 mm (50-300 mesh size U.S. Sieve Series) wurde als eine Kohle/Öl-Aufschlämmung mit Wasserstoff in einen Reaktor mit 15 cm Durchmesser (6 inch), der ein Katalysatorfließbett enthielt, beschickt, wobei erhöhte Temperaturen und Drücke aufrechterhalten wurden zur Herstellung von flüssigen und gasförmigen Kohlenwasserstoffprodukten. Der Reaktor wurde mit einer flachen Metallprallplatte ausgerüstet, die einen durchschnittlichen Durchmesser von 10 cm (4 inch) hatte in einem Winkel von 45 zur horizontalen Ebene angeordnet war und die ihren Mittelpunkt etwa 3,3 cm

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(1,3 inch) stromaufwärts der Abzugsleitung mit einem Innendurchmesser von 3,17 cm (1,125 inch) angebracht hatte, ähnlich wie in der Fig. 1 gezeigt. Die Betriebsbedingungen und -ergebnisse für diese katalytisch^ Reaktionsstufe mit und ohne die Prallplatte und für im übrigen ganz ähnliche Betriebsbedingungen sind in der nachstehenden Tabelle 1 aufgeführt.

TABELLE 1

Fließbettreaktorbetriebsweisen mit und ohne Zurückhaltung von Kohlefeststoffen

Kohlebeschickung, Gew.-% Wasser Kohlebeschickung, Gew.-% Asche Kohlebeschickungsgeschw. kg/h (Lbs/hr) Wasserstoffergänzung, SCFH Katalysatorbettausdehnung, % Recyclegas, SCFH
Recycleöl, SCFH
Reaktortemperatür,⁰C (⁰F) Reaktor-H^-Druck, bar (psig) Interne Aufschlämmungsrecyclegeschwindigkeit

Gpm/Ft² (Durchschnitt) Start des Laufs nach 8 Stunden

Lauf-Nr. 130-66 ohne Prellplatte im Reaktor	Lauf-Nr. 30-67 mit Prellplatte im Reaktor
2,82	1,87
11,07	10,93
hr) 75 (164)	80 (177)
1890	1890
50	50
1075	1676
410	451
441 (826)	444 (831)
180 (2700)	180 (2700)
48	34
43	4 6
52	36

Es wird bemerkt, daß eine signifikant geringere, interne Aufschlämmungsrezyklisierungsrate erforderlich war zur Herstellung der gewünschten 50 %igen Katalysatorbettaüsdehnung in Lauf-Nr. 130-67, wobei das interne Ablenkprallblech Verwendung fand, was tatsächlich einer Verminderung von etwa 30 % der Rate während der Betriebsperiode darstellt. Die allgemeine Beziehung zwischen der Reaktorflüssigkeitsrezyklisierungsrate für eine 50 %ige Katalysatorbettexpansion und dem Prozentsatz der Gesamtfeststoffe in der Reaktorflüssigkeit, nämlich nicht umgewandelte Kohle und Asche oder Mineralsachen, wird in Fig. 4 gezeigt und basiert auf Daten, die darauf bei katalytischen Kohlehydrierungen erhalten wurden. Somit zeigt diese verminderte Flüssigkeitsrezyklisierungsrate, die im Lauf-Nr. 130-67 zum Erreichen derselben Katalysatorbettexpansion erforderlich war, eine erhöhte Dichte und Viskosität der Reaktorflüssigkeit an. Die Unterschiede in den Betriebsbedingungen sind nicht ausreichend, um irgendeinen wesentlichen Effekt auf die Erfordernisse der internen Rezyklisierungsflüssigkeit zu haben. Somit ist zu ersehen, daß die internen Ablenkprallblecheinrichtungen eine erhöhte Viskosität und Kohlefeststoffekonzentration in der Reaktorflüssigkeit vorsieht. Daraus ist ersichtlich, daß eine
erhöhte Umwandlung der Kohlefeststoffe erreicht werden
kann durch Verwendung solcher ablenkender Einrichtungen, die kritisch oberhalb der Abzugsleitung für den den Reaktor verlassenden Strom angeordnet ist, und auch daß die
Abtrennung von nicht-umgewandelten Kohle- und Aschefeststoffen in Katalysatorfließbettsystemen erreicht werden
kann durch derartige Feststoffeablenkeinrichtungen.

Lee rseite

Claims

Or. ing. E. Uebau Patentanwalt (1935-1975) PATENTANWÄLTE L I E BlAlU:l -& :LA Εΐψ'Α'ν Birkenstrasse 39 · D-8900 Augsburg 22 24 54 94 Patentanwälte Liabau&Uabiu ■ BlrltenMrasaa 39 · D-89OO Augsburg 22 Telefon (0821) 96096 · cables: elpaterit augsburg Ihr Zeichen:your/votre ref.H11660/V/mUnter Zeichen:our/noire ref.8.12.1982Datum:date HRI, Inc. 134 Franklin Corner Road Lawrenceville, New Jersey 08648 V. St. A. Kohlehydrierungsverfahren unter erhöhter Zurückhaltung von Feststoffen in Fließbettreaktoren Patentansprüche

1. Verfahren zur Hydrierung von Kohle zwecks Herstellung flüssigen und gasförmigen Kohlenwasserstoffprodukten, gekennzeichnet durch

a) Aufschlämmen der Kohle mit einer Kohlenwasserstoff-Flüssigkeit und Beschicken der Kohle/Öl-Auf schlämmung und Wasserstoffgas in einen Reaktor, der teilchenförmige Kontaktfeststoffe enthält,

b) Leiten der Kohleaufschlämmung und des Gases nach oben durch den Reaktor unter Flüssigphasenbedingungen, in welchen die Feststoffe in statistischer Bewegung in die nach oben strömende Flüssigkeit plaziert werden, und bei einer Temperatur zwischen etwa 400 und 510⁰C (750 und 950⁰F) und bei einem Wasserstoffpartialdruck zwischen etwa 70 und 270 bar (1000 und 4000 psig) zur Herbeiführung einer Hydrierungsreaktion bei der Kohle,

c) Abziehen eines umgesetzten, vereinigten, abgehenden Stroms, der gasförmige und flüssige Fraktionen aus dem Reaktor enthält, während gleichzeitig teilchenförmige nicht-umgewandelte Kohlefeststoffe in der nach oben fließenden Aufschlämmungsflüssigkeit weg von dem abgehenden Abzugsstrom abgelenkt werden, wodurch die Konzentration und die Verweilzeit der größeten nicht-umgewandelten Kohlefeststoffe in der Reaktorflüssigkeit erhöht wird zur verbesserten Umwandlung darin, so daß der verbleibende abgehende Strom, der von dem Reaktor abgezogen wird, feinkörnige Feststoffe enthält und

d) Aufteilen des abgehenden Stroms in gasförmige und flüssige Fraktionen und Gewinnung eines Kohlenwasserstoff-Flüssigkeitsprodukts.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet , daß der abgehende Strom, der aus dem Reaktor abgezogen wird, Feststoffe in einer Kon zentration enthält, die geringer ist als die Feststoffekonzentration, die in der Reaktorflüssigkeit aufrechterhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor ein Fließbett eines teilchenförmigen Katalysators enthält, wobei die Katalysatorpartikelgröße größer als etwa 0,4 mm (0,016 inch) wirksamer Durchmesser ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kohlebeschickung einen Partikelgrößenbereich entsprechend einer lichten Siebmaschenweite von 0,59 bis 0,04 mm (30-325 mesh U.S. Sieve Series) hat und daß die Kohle/Öl-Aufschlämmung ein Kohle/Öl-Gewichtsverhältnis von etwa 1 bis 5 aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die feinkörnigen Kohlefeststoffe in dem abgehenden Strom, der von dem Reaktor abgezogen wird, kleiner sind als etwa 50 ,u.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein kleinerer Teil der Reaktoraufschlämmungsflüssigkeit vom Boden des Reaktors abgezogen wird zur weiteren Verarbeitung.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsstrom,, enthaltend Kohle- und Aschefeststoffe in einer Konzentration von mehr als etwa 15 Gew.-%, abgezogen von der Reaktorflüssigkeit, einer Niederdruckdestillationsstufe unterworfen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Ablenkung der teilchenförmigen Kohlefeststoffe weg von dem den Reaktor verlassen-* den Abzugsstrom in der Weise variiert wird, am den Prozentsatz der nicht-umgewandelten Kohlefeststoffe in dem abgehenden Flüssigkeitsstrom zu kontrollieren.

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9. Verfahren zur katalytischen Hydrierung von Kohle zwecks Herstellung von flüssigen und gasförmigen Kohlewasserstoffprodukten, gekennzeichnet durch

a) Leiten der Kohle in teilchenförmiger Form mit einem aufschlämmenden öl und Wasserstoffgas nach oben durch ein expandiertes Bett von Katalysatorfeststoffen in einem Reaktor, während der Reaktor bei Hydrierungsbedingungen gehalten wird bei einer Temperatur im Bereich von 420 bis 48O°C (78O-9OO°F) und bei einem Wasserstoffpartialdruck zwischen etwa 100 bis 240 bar (1500-3500 psig) und unter Hydrierung der Kohle,

b) Abziehen eines hydrierten abgehenden Stroms, der gasförmige und flüssige Kohlenwasserstofffraktionen enthält, vom oberen Ende des Reaktors, während gleichzeitig nicht-umgewandelte Kohlefeststoffe, die größer als etwa 30 ,u sind, in die Reaktorflüssigkeit abgelenkt werden weg von dem abgehenden Strom, so daß der abgehende Strom Kohlefeststoffe in einer Konzentration, die geringer ist als die Konzentration der Feststoffe in der Reaktorflüssigkeit, enthält,

c) Phasenseparieren des den Reaktor verlassenden Stroms in gasförmige und flüssige Anteile,

d) Leiten des flüssigen Anteils zu einer Flüssigkeit/Feststoffe-Abtrennungsstufe zur teilweisen Entfernung der teilchenförmigen Feststoffe von der Flüssigkeit,

e) Fraktionieren der verbleibenden Flüssigkeit, die Feststoffe in verminderter Konzentration enthält, um wenigstens drei Fraktionen vorzusehen umfassend eine Fraktion mit leichten Enden, eine flüssige Mitteldestillatfraktion und eine flüssige Bodenfraktion,

f) Rezyklisieren eines Teils der flüssigen Mittelfraktion zum Reaktor zwecks Aufschlämmung der Kohle und

g) Abziehen der flüssigen Produktströme aus der Fraktionierungsstufe.

10. Verfahren zur Hydrierung von Kohle zwecks Erzeugung von flüssigen und gasförmigen Kohlenwasserstoffprodukten, worin eine Kohle/Öl-Aufschlämmung bereitet wird und mit Wasserstoff in einen Reaktor, der ein Fließbett eines teilchenförmigen Katalysators enthält, eingeführt wird, wobei in dem Reaktor eine Temperatur im Bereich von 400 bis 510⁰C (75O-95O°F) und ein Wasserstoffpartialdruck von 100 bis 270 bar (1500-4000 psig) und daß eine flüssige Aufschlämmung in den Reaktor rezyklisiert wird, um die Kohle zu hydrieren und flüssiges und gasförmiges Kohlenwasserstoffmaterial herzustellen, . g e k e η η zeichnet durch

a) Zurückhalten nicht-umgewandelter Kohlefeststoffe, die größer sind als etwa 30 ,u, in der Reaktorflüssigkeit durch Ablenkung solcher Feststoffpartikel in die nach oben strömende Flüssigkeitsaufschlämmung durch eine Feststoffeablenkeinrichtung, die stromaufwärts der Abzugsleitung angeordnet ist, wobei Kohlefeststoffe nach unten in die Reaktorflüssigkeit abgelenkt werden, und

b) Abziehen eines abgehenden Stroms von dem oberen Ende des Reaktors, wobei der Strom gasförmige und flüssige Fraktionen und Kohlefeststoffpartikel einer Größe von kleiner als etwa 50 ,u enthält.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffkonzentration in der Reaktorflüssigkeit wenigstens etwa 5 Gew.-% größer ist als die Kohlefeststoffekonzentration in dem den Reaktor verlassenden Strom.

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12. Reaktorvorrichtung zur Behandlung einer Flüssigkeit mit einem Gas, während sie gleichzeitig ein Bett von feinverteilten Feststoffen enthält, gekennzeichnet durch

a) einen Druckbehälter mit einer Vorrichtung zum Einführen einer Flüssigkeit, eines Gases und feinverteilter Feststoffe in den Behälter,

b) eine Abzugsleitung, die sich innerhalb des oberen Teils des Behälters erstreckt, und eine

c) Ablenkeinrichtung, die innerhalb des oberen Teils des Behälters angeordnet ist, so daß sie das Einlaßende der Abzugsleitung abschirmt, um den Eintritt der größeren teilchenförmigen Feststoffe in die Leitung selektiv zu vermindern.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Ablenkeinrichtung eine ' Prallplatte ist, die eine Fläche hat, die die Öffnungsfläche der Abzugsleitung übersteigt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Prallplatte fest ist und angebracht ist und unterstützt ist durch die Abzugsleitung.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Abzugsleitung im wesentlichen vertikal angeordnet ist und daß die Prallplatte gegenüber der Horizontalen mit einem Winkel von 0 bis 45 geneigt ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die horizontal projizierte Ebene der Prallplatte die Querschnittsfläche der Abzugsleitung übersteigt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß der vertikale Abstand zwischen dem unteren Ende der Abzugsleitung und dem Prallblech den Innendurchmesser der Abzugsleitung übersteigt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Prallblech konisch geformt ist, wobei der größere Durchmesser nach unten schaut.

19. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Abzugsleitung und das Prallblech durch eine Flanschöffnung in dem oberen Ende des Reaktors entfernbar sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung relativ zum unteren Ende der Abzugsleitung beweglich gestaltet ist.

21. Vorrichtung zur Behandlung einer Flüssigkeit mit einem Gas, gleichzeitig enthaltend ein Bett von feinverteilten Feststoffen, gekennzeichnet durch

a) einen Druckbehälter mit einer Vorrichtung sum Einführen einer Flüssigkeit,eines Gases und feinverteilten Feststoffen in den Behälter,

b) eine Abzugsleitung, die sich innerhalb des oberen Teils des Behälters erstreckt, und

c) eine Feststoffeablenkungsprallplatteneinrichtung, die an der Abzugsleitung angebracht ist, so daß das Einlaßende dieser Leitung teilweise abgeschirmt ist, um den Einlaß von größeren teilchenförmigen Feststoffen in die Leitung selektiv zu vermindern.

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