DE69304648T2

DE69304648T2 - Verfahren zur Zerstäubung von Beschickung in einem katalytischen Wirbelschicht-Krackverfahren

Info

Publication number: DE69304648T2
Application number: DE69304648T
Authority: DE
Inventors: Harold Carl Kaufman
Original assignee: ABB Lummus Global Inc
Current assignee: Lummus Technology LLC
Priority date: 1992-10-13
Filing date: 1993-09-23
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 2013-09-24
Also published as: FI934519A7; FI934519A0; EP0593171A1; DE69304648D1; FI934519L; JPH06264071A; ZA937203B; CA2108215A1; PL300682A1; EP0593171B1

Description

Die Erfindung betrifft ein katalytisches Wirbelschicht-Krack(FCC)-Verfahren zum Umwandeln von aus Erdöl erzeugten Chargen in Produkte im Flüssigtreibstoff-Siedebereich. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Zerstäuben einer FCC-Charge. Die Erfindung betrifft vor allem ein Zerstäuben einer Charge mit einem Zerstäubungsgas.
Katalytische Wirbelschicht-Krack-Verfahren sind in der Technik gut bekannt. Bei dem katalytischen Krack-Verfahren werden flüssige Kohlenwasserstoffe wie z.B. Vakuumgasöl, atmosphärischer Rückstand, entasphaltiertes Öl und Kombinationen derselben, mit aktiven Krack-Katalysatoren, wie z.B. einem kristallinen Aluminiumoxid-Silikat, bei Temperaturen von ungefähr 430ºC bis 760ºC (800ºF bis 1400ºF), vorzugsweise 450ºC bis ungefähr 570ºC (850ºF bis ungefähr 1050ºF) bei Drücken von ungefähr 1,4 x 10&sup5; Pa bis 3,1 x 10&sup5; Pa (20 psia bis 45 psia) für eine Zeitdauer in der Größenordnung von ungefähr 10 Sekunden oder weniger, vorzugsweise 0,5 bis 5 Sekunden in Berührung gebracht, um eine gewünschte Umwandlung zu liefern. Das Verfahren kann den Katalysator als ein Pellet in einem Fließbett oder einen pulverisierten Katalysator oder einen Katalysator in Form von Mikrokugeln unter Verwendung von Wirbelschichttechniken benutzen. Diese Krack-Katalysatoren können aus vielen Arten bestehen, eine Gruppe, die als Zeolith-Katalysatoren bezeichnet wird, ist jedoch gut bekannt und kommerziell erhältlich. Höher siedende Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Vakuumgasöl, werden unter Verwendung eines Zeolith-Katalysators gespalten, um niedriger siedende Kohlenwasserstoffe herzustellen, wobei sowohl die relative Produktmischung, C&sub4;-Olefine und Benzin einschließend, als auch die Menge an kohlenstoffhaltigem Material, das auf einem Katalysator abgeschieden wird, durch die Katalysatorkontaktzeit, Reaktorbedingungen und Chargenzusammensetzung bestimmt werden.
Es hat sich herausgestellt, daß die Verdampfungsrate der Flüssigcharge der wichtigste, potentiell begrenzende physikalische Faktor in einem katalytischen Wirbelschicht-Krack-Reaktor zu sein scheint. Eine optimale Leistung würde mit einer Charge, die vollständig aus Dampf besteht, verwirklicht werden, da die wünschenswertesten Reaktionen in der Dampfphase eintreten und eine extrem schnelle Bewegung der reagierenden Stoffe zu und von aktiven katalytischen Stellen erfordern. Jedoch beeinflußt ein Vorwärmen der Charge, um das Ausgangsmaterial vor einem Einspritzen in den Reaktor vollständig zu verdampfen, die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ungünstig. Wenn eine im wesentlichen flüssige Charge verwendet wird, verringert die zum Verdampfen der Chargentröpfchen erforderliche Zeit die Zeit, die für die gewünschten katalytischen Reaktionen verfügbar ist, wodurch somit die Chargenumwandlung pro Durchgang verringert wird, was folglich mit einer ungünstigen Wirkung auf die Ausbeute verbunden ist.
Somit hat sich herausgestellt, daß die Natur der Chargeneinspritzung in den katalytischen Krack-Reaktor kritisch ist. Eine im wesentlichen vollständige Zerstäubung von irgendeiner nicht-verdampften Charge muß so schnell und so nah wie möglich an der Einspritzzone bewirkt werden.
Eine geeignete Chargeneinspritzung ist in einer Festbetteinheit weniger kritisch als in einem Transfer-Line-Reaktor. In einer Festbetteinheit muß ein Anfangskontakt zwischen Öl und Katalysator ausreichend sein, um ein großes Volumen von Dampf durch Verdampfung und Kracken zu erzielen und um eine Bildung von großen Brocken eines ölbenetzten Katalysators zu vermeiden. Jedoch kann der größte Teil des Krackens in dem Festbett eintreten, wo die Kontaktzeit durch Ändern der Katalysatorverweilzeit variiert werden kann. Außerdem liefert das Reaktorgitter, wenn es geeignet gestaltet ist, eine gute Verteilung und fördert einen guten Kontakt. In einem Transfer-Line-Reaktor muß die Chargeneinspritzzone einen guten Kontakt und einen hohen Zerstäubungsgrad bereitstellen. Die gesamte Umwandlung muß innerhalb des Transfer-Line-Reaktors erzielt werden. Ein gewünschtes Kracken wird erst einsetzen, wenn das Öl verdampft und gut verteilt worden ist. In einem Transfer-Line-Reaktor liegt jedoch die gesamte Ölverweilzeit nur in der Größenordnung von ungefähr 1 bis 7 Sekunden. Somit ist die zum Erzielen der Verdampfung benötigte Zeit kritisch. Je mehr Zeit für die Verdampfung benötigt wird, desto weniger Zeit ist für eine Umwandlung verfügbar.
Es hat sich auch herausgestellt, daß es extrem vorteilhaft ist, die gesamte Charge nahezu vollständig in ungefähr einer Sekunde oder weniger durch Zerstäuben der Flüssigkeit in Tröpfchen mit einem Durchmesser von ungefähr 350 Mikrons (Mikrometern) oder weniger zu verdampfen. Mit einer derartigen feinen Dispersion muß die Flüssigkeit für eine schnelle Verdampfung nicht direkt mit den Feststoffen in Kontakt kommen. Wärme strömt schnell durch Strahlung und Wärmeleitung durch Dampf von den heißen Feststoffen und verdampft die Flüssigkeitströpfchen ohne direkten Kontakt mit dem Katalysator.
Um die gesamte Charge unter diesen Bedingungen zu verdampfen, sind verschiedene Zerstäubungsdüsen verwendet worden. Die in dem US-Patent Nr. 2,747,936 von F.W. Wahlin beschriebene Düse ist typisch für in der Industrie verwendete Düsen mit einer Prallplatte und Düsen.
US-Patente 4,443,230 und 4,525,175, beide von R.J. Stellaccio, offenbaren Brenner für die partielle Oxidation von Schlämmen aus Festtreibstoff. Die Brenner umfassen konzentrische ringförmige Durchgänge, durch die die Reaktionskomponenten für die partielle Oxidationsreaktion separat geleitet werden.
Eine Zerstäubung von Flüssigtreibstoffen wird in Perry's Chemical Engineer's Handbook, 4. Auflage, Seiten 9-24 bis 9-27 dargelegt. Eine Zerstäubung von Flüssigtreibstoffen wird unterteilt in externe Zerstäubung, interne Zerstäubung und mechanische Zerstäubung.
Bei einer externen Zerstäubung wird Öl durch Auftreffenlassen einer senkrechten Strömung aus einer Zerstäubungsflüssigkeit auf einen strömenden Ölstrahl zerstäubt. Als Zerstäubungsflüssigkeit kann Dampf in einer Menge von 0,1 bis 8 kg Dampf pro kg Öl verwendet werden. Eine interne Zerstäubung wird durch Vermischen von Dampf und Öl, bevor es durch einen Venturirohr- Zerstäuber strömt, bewerkstelligt.
Eine mechanische Zerstäubung wird in ihrer einfachsten Anwendung dadurch bewerkstelligt, daß Öl unter Druck durch tangentiale Schlitze in einer Sprühplatte gezwungen wurde, um eine Drehbewegung zu verleihen. Die Tröpfchen verlassen die Düse durch eine Austrittsöffnung. Die Tröpfchengröße wird von dem Druckverlust über die Sprühplatte bestimmt.
Der Druckverlust ist der primäre Steuerparameter bei Zerstäubern. Herkömmliche Zerstäuber weisen einen Druckverlust von 2,1 x 10&sup5; Pa bis 3,4 x 10&sup5; Pa (30 bis 50 psi) auf, was Tröpfchen mit 400 bis 500 Mikrons liefert. Kommerzielle Spiraldüsenzerstäuber, z.B. US-Patent 2,518,116 von J.U. Bete und US- Patent 4,514,291 von P.E. McGarry et al. (EP-A-126445) zeigen Druckverluste von 2,8 x 10&sup5; Pa bis 3,4 x 10&sup5; Pa (40 bis 50 psi), die Tröpfchen mit 200 bis 300 Mikrons liefern. Eine Spiraldüse für die Einspritzung einer Kohlenwasserstoffölcharge und von Dampf in einem katalytischen Wirbelschichtverfahren ist aus EP-A-220349 bekannt. Ein weiterer kommerziell erhältlicher Zerstäuber umfaßt eine Prallplatte und eine Austrittsöffnung, um einen Druckverlust von 1,4 x 10&sup6; Pa bis 2,1 x 10&sup6; Pa (200 bis 300 psi) zu verursachen, was Tröpfchen mit einem Durchmesser von 125 bis 175 Mikrons liefert.
Im Stand der Technik besteht ein Bedarf an einem Verfahren zum Zerstäuben einer Charge in der Reaktionszone eines katalytischen Wirbelschicht-Krack(FCC)-Verfahrens mit einer gesteuerten Tröpfchengröße und -verteilung bei einem vernünftig erzielbaren Druckverlust von 2,1 x 10&sup5; Pa bis 4,1 x 10&sup5; Pa (30 bis 60 psi).
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerstäuben einer flüssigen Kohlenwasserstoffcharge in einer katalytischen Steigrohrumwandlungszone, bei einem Umwandlungszonendruck von 1,4 x 10&sup5; Pa bis 3,1 x 10&sup5; Pa (20 psia bis 45 psia) gemäß den beigefügten Ansprüchen 1 bis 11. Die Flüssigcharge wird zu einer erster ringförmigen Strömung ausgebildet und ein Düsendruck von 2,1 x 10&sup4; Pa bis 2,1 x 10&sup5; Pa (3 bis 30 psi), vorzugsweise 2,1 x 10&sup4; Pa bis 6,9 x 10&sup4; Pa (3 bis 10 psi) über dem Umwandlungszonendruck angewendet. Die ringförmige Strömung aus Flüssigcharge wird sowohl von einer ersten axialen Strömung als auch einer zweiten ringförmigen Strömung eines Zerstäubungsgases unter spezifizierten Winkeln getroffen. Als ein Ergebnis wird die Strömung aus flüssiger Kohlenwasserstoffcharge auf Tröpfchen mit 300 bis 400 Mikrons verringert.
Fig. 1 ist ein Vertikalschnitt durch einen Steigrohrreaktor- und Chargenzerstäuberaufbau.
Fig. 2 ist ein Teilvertikalschnitt eines Zerstäuberaufbaus.
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung von in dem Beispiel beschriebenen Daten.
Um die Erfindung zu demonstrieren und diese besser zu verstehen, wird Bezug genommen auf die Fig. 1 und 2, die die von dem Erfinder betrachtete beste Ausführung zur Durchführung der Erfindung zeigen.
Es sollte klar sein, daß die Zeichnungen nur insoweit detailliert sind, wie es für ein klares Verständnis der Erfindung erforderlich ist, und daß verschiedene Elemente, die gewöhnlich in kommerziellen Geräten verwendet werden, wie z.B. Ventile, Pumpen und Instrumente, die für eine Beschreibung der Erfindung nicht notwendig sind, aus Gründen der Klarheit weggelassen worden sind.
In Fig. 1 wird ein sauberer, frisch regenerierter Katalysator, der, wie durch Richtungspfeil 5 gezeigt, strömt, von einem Standrohr 10 für den regenerierten Katalysator in den Ausgangsbereich oder unteren Bereich eines Steigrohrreaktors 20 eingeleitet. Der regenerierte Katalysator weist einen Kohlenstoffgehalt von weniger als ungefähr 0,1 Gew.-% und eine ASTM- Mikroaktivität von 55 bis 80 auf. Wenn der Katalysator in den Steigrohrreaktor 20 eintritt, wird seine Temperatur durch Zugabe eines Fluidisierungsmediums erhöht, das, wie gezeigt, durch ein Rohr 17 eingeleitet wird, das in das Steigrohr 20 über ein Bajonett 18 eintritt, das in dem Bodenkopf 19 des Steigrohrreaktors 20 angeordnet ist. Das Fluidisierungsmedium kann Dampf, Stickstoff oder Kohlenwasserstoffe mit niedriger Molekülmasse, wie z.B. Methan, Ethan oder Ethylen, sein. Die Menge des Fluidisierungsmediums muß ausreichend sein, um den Zeolith-Katalysator in dem unteren Bereich des Steigrohrreaktors 20 über die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit zu fluidisieren, um den Katalysator nach oben in Richtung zu einem Chargenzerstäuber 100 zu fördern. Im Übergangsbetrieb wird ein Spülmedium, wie z.B. ein Fluidisierungsmedium, insbesondere Dampf, in den Steigrohrreaktor durch ein Rohr 14 in den Steigrohrreaktor 20 über eine Düse 15, die auch in dem Bodenkopf 19 befestigt ist, eingeleitet.
Der Zerstäuber 100 umfaßt ein stromaufwärtiges Ende 101 und ein stromabwärtiges Ende 102. Der Zerstäuber 100 ist mit seinem stromabwärtigen Ende 102 in direktem Kontakt mit dem fluidisierten Katalysator in der katalytischen Steigrohrumwandlungszone des Steigrohrreaktors 20 eingebaut. Die Längsmittenachse 100a des stromabwärtigen Endes 102 ist parallel zu der Längsmittenachse 20a des Steigrohrreaktors 20 ausgerichtet. Der Zerstäuber 100 ist mittels eines Befestigungsflansches 21 und eines Halters 22 an dem Steigrohrreaktor 20 angebracht. Der Befestigungsflansch 21 kann alternativ an dem Bodenkopf 19 befestigt werden, wobei die Achsen 20a und 100a parallel sind.
Der heiße regenerierte Katalysator wird mit einer zerstäubten Charge, die in den Steigrohrreaktor 20 über den Zerstäuber 100 eingespritzt wird, in Kontakt gebracht. Eine Zerstäubung der Charge ermöglicht ein dichtes Kontaktieren der Charge mit dem Katalysator und als ein Ergebnis findet das katalytische Kracken einer Charge zu Treibstoff im Flüssigkeitssiedebereich und leichteren Kohlenwasserstoffen statt. Das gesamte innere Volumen des Steigrohrreaktors 20 umfaßt eine katalytische Steigrohrumwandlungszone für das Kontaktieren einer zerstäubten Charge und das Durchführen der katalytischen Reaktionen.
Die Flüssigcharge strömt über ein Rohr 30 unter Durchflußsteuerung durch ein Steuerventil 32. Die Durchflußmenge der Charge wird von einem Durchflußregler 34 gemessen. Die Kombination eines Steuerventils 32 und eines Durchflußreglers 34 umfaßt eine Rückführschleife zum Aufrechterhalten einer stetigen Durchflußmenge der Charge zu dem Zerstäuber 100. Die Flüssigcharge tritt in den Zerstäuber 100 über einen Einlaß 121 ein, der an einem Mittelrohr 109 befestigt ist und eine Fließverbindung mit einem mittleren ringförmigen Durchgang 125 liefert. Das Mittelrohr 109 und der ringförmige Durchgang 125 sind in Fig. 2 gezeigt.
Die Flüssigcharge wird mittels eines Zerstäubungsgases zerstäubt. Das Zerstäubungsgas trifft auf die kontinuierliche fließende Flüssigcharge und schneidet die Charge oder schert die Charge ab in kleine, dünne Scheiben, die durch die Wirkung der Oberflächenspannung in Tröpfchen mit einem mittleren Durchmesser von 400 Mikrons oder weniger koaleszieren. Die für die Zerstäubung erforderliche Menge von Zerstäubungsgas beträgt 1 bis 5 Gew.-% der Charge.
Das Zerstäubungsgas trifft auf die ringförmige Strömung der Flüssigcharge auf beiden kontinuierlichen Oberflächen. Die innere Strömungsoberfläche wird von der ersten axialen Gasströmung unter einem Auftreffwinkel von 5º bis 45º getroffen. Die äußere Strömungsoberfläche wird von der zweiten winkligen Gasströmung unter einem Auftreffwinkel von 15º bis 90º getroffen. Das Volumen zwischen dem Auftreffen der ersten axialen Gasströmung und zweiten Kreisringgasströmung ist in Fig. 2 als Zerstäubungszone 150 gezeigt und ist eine Zone turbulenter Mischung.
Das Zerstäubungsgas ist vorzugsweise inert hinsichtlich einer chemischen Änderung in der katalytischen Steigrohrumwandlungszone. Basierend auf der Kompatibilität mit stromabwärtiger Trennung und Verarbeitung sind Dampf, Methan, Ethan, Ethylen, Propan, Butan, Butylen und Mischungen derselben das bevorzugte Zerstäubungsgas. Mischungen können Heizgas (Raffineriegas), das eine Mischung aus Wasserstoff, Methan, Ethan, Ethylen und anderen leichten Kohlenwasserstoffdämpfen ist, und Erdgas einschließen, das eine Mischung aus Methan und Ethan ist. Mischungen dieser Kohlenwasserstoffgase mit Dampf sind auch brauchbar. Dampf ist wirksam, vorzugsweise Dampf bei 6,2 x 10&sup5; Pa bis 1,4 x 10&sup6; Pa (90 bis 200 psig).
Das Zerstäubungsgas strömt über ein Rohr 40 unter Drucksteuerung durch ein Steuerventil 42. Der Druck der Charge wird von einem Druckregler 44 gemessen. Die Kombination des Steuerventils 42 und des Druckreglers 44 umfaßt eine Regelkreisschleife zum Aufrechterhalten eines konstanten Dampfdruckes, z.B. 8,6 x 10&sup5; Pa (125 psig).
Der Zerstäubungsgasstrom in dem Rohr 40 wird in einen Strom in Rohr 50 und Rohr 60 aufgeteilt. Das Rohr 50 liefert Zerstäubungsgas zu dem Einlaß 120. Der Einlaß 120 ist an einem zentralen zylindrischen Rohr 108 angebracht und liefert eine Fließverbindung mit einem zentralen zylindrischen Durchgang 124. Das zentrale zylindrische Rohr 108 und der zentrale zylindrische Durchgang 124 sind in Fig. 2 gezeigt. Das Zerstäubungsgas strömt durch das Rohr 50 unter Durchflußsteuerung, die von einem Steuerventil 52 und einem Durchflußregler 54 bereitgestellt wird, die zusammen eine Regelkreisschleife bilden. Der Druck des Zerstäubungsgases, das durch das Rohr 50 strömt, wird von einem Druckanzeiger 56 gemessen.
Das Rohr 60 liefert Zerstäubungsgas an den Einlaß 122 des Zerstäubers 100. Der Einlaß 122 ist an einem äußeren konzentrischen zylindrischen Rohr 110 angebracht und liefert eine Fließverbindung mit einem äußeren konzentrischen ringförmigen Durchgang 129. Das äußere konzentrische zylindrische Rohr 110 und der äußere konzentrische ringförmige Durchgang 129 sind in Fig. 2 gezeigt. Das Zerstäubungsgas strömt durch das Rohr 60 unter Durchflußsteuerung, die durch ein Steuerventil 62 und einen Durchgangsregler 64 bereitgestellt wird, die zusammen eine Regelkreisschleife bilden. Der Druck des Zerstäubungsgases, das durch das Rohr 60 strömt, wird von einem Druckanzeiger 66 gemessen.
Es wird Bezug auf Fig. 2 genommen. Der Zerstäuber 100 mit der Längsmittenachse 100a umfaßt ein zentrales zylindrisches Rohr 108 und ein mittleres 109 und ein äußeres 110 konzentrisches zylindrisches Rohr. Geflanschte Rohre 50, 30 und 60 für die Charge und das Zerstäubungsgas zu dem Zerstäuber 100 sind jeweils mit dem zentralen zylindrischen Rohr 108 und den konzentrischen zylindrischen Rohren 109 und 110 verbunden.
Der Zerstäuber 100 weist drei lichte Durchgänge für die freie Strömung der Charge und des Zerstäubungsgases auf. Die Durchgänge sind durch radiales Beabstanden der drei Rohre ausgebildet. Somit ist der mittlere Durchgang 125 zwischen dem Außendurchmesser des zentralen Rohres 108 und dem Innendurchmesser des mittleren Rohres 109 angeordnet. Der radiale Abstand zwischen den zentralen und mittleren Rohren wird durch Wandabstandstücke 126 erzielt.
Der äußere ringförmige Durchgang 129 ist zwischen dem Außendurchmesser des mittleren Rohres 109 und dem Innendurchmesser des äußeren Rohres 110 angeordnet. Wandabstandstücke 131 halten den radialen Abstand zwischen dem zweiten Rohr 109 und dem äußeren Rohr 110 aufrecht.
An dem stromaufwärtigen Ende 101 des Zerstäubers 100 ist das stromaufwärtige Ende jedes Rohres und ringförmigen Durchgangs gesperrt. Abdeckplatten 135, 136 und 137 dichten die jeweiligen stromaufwärtigen Enden des zentralen zylindrischen Durchgangs 124, mittleren ringförmigen Durchgangs 125 und äußeren ringförmigen Durchgangs 129 ab. Es können herkömmliche Mittel wie Umbördelung, Schweißung oder Gewindeschneiden verwendet werden, um die Abdeckplatte an den Enden des Rohres zu sichern. Es können Abdichtungen verwendet werden, um eine leckdichte Abdichtung bereitzustellen.
An dem stromabwärtigen Ende des Zerstäubers 100 ist der Außendurchmesser des zentralen zylindrischen Rohres 108 verringert. Dies wird durch Ausbilden der Wand unter einem Winkel a auf der Innenseite erzielt. Die Wand erstreckt sich über eine Entfernung, die das Rohr 108 auf einen Auslaßdurchmesser b verringert.
Der Außendurchmesser des mittleren Rohres 109 ist auch auf einen Durchmesser c an dem stromabwärtigen Ende des Zerstäubers 100 verringert. Der Innendurchmesser des mittleren Rohres 109 ist durch Erhöhen der Dicke der Rohrwand 109 verringert. Die Rohrwanddicke ist proportional zu der Innenwand des Rohres 109 erhöht, um einen Winkel a zu schaffen. Dies liefert einen gleichförmigen ringförmigen Strömungsdurchgang mit einer ringförmigen Breite d, die sich anhand eines Rohres 109 mit einem Durchmesser e ergibt.
Das stromabwärtige Ende des Außendurchmessers des äußeren Rohres 110 ist verringert. Dies wird durch Ausbilden der Wand unter einem Winkel f auf der Innenseite erzielt. Dieser Winkel f ermöglicht einen ringförmigen Strömungsdurchgang mit einer Breite g zwischen dem Außendurchmesser des Rohres 109 und dem Innendurchmesser des Rohres 110.
Eine Spitzenabschirmung 140 ist an der Außenseite des äußeren Rohres 110 befestigt, um eine Aufprallerosion durch den Katalysator an dem stromabwärtigen Ende 102 des Zerstäubers 100 zu verhindern. Die Spitzenabschirmung 140 erstreckt sich über eine Entfernung h, die bei der freien und nach außen gerichteten Strömung der zerstäubten Flüssigkeit von dem Zerstäuber hilft. Die Spitzenabschirmung 140 kann an dem äußeren Rohr 110 unter einem Divergenzwinkel i zu dem äußeren Rohr befestigt sein, um einen Aufprall von zerstäubter Flüssigkeit zu vermeiden. Eine divergente Spitzenabschirmung verringert die Geschwindigkeit der zerstäubten Charge, um einen durch Kontakt bei verschiedenen Geschwindigkeiten verursachten Abrieb des Katalysators zu verringern.
Schließlich sind die äußeren Oberflächen des Zerstäubers 100, die einem Katalysatoraufprall in dem Steigrohrreaktor 20 ausgesetzt sind, mit einem feuerfesten Schutzmantel 145 beschichtet, um eine Erosion zu verhindern.
Diese Erfindung wird anhand eines Beispiels gezeigt.

Beispiel 1

Ein Zerstäuber ist gemäß Fig. 2 zusammengebaut. Die Zerstäuberrohre, Einlässe und Rohre sind im wesentlichen aus Chrom-9- Molybdän-1-Stahl hergestellt. Die Rohrauslaßoberflächen sind mit einer erosionsfesten Beschichtung, wie z.B. Stellit oder dergleichen beschichtet. Das feuerfeste Material ist Gunnit.
Der Zerstäuber ist gestaltet, um 7950 m³/Tag (50.000 bbl/day) einer flüssigen Kohlenwasserstoffcharge durch den zweiten Durchgang 125 zu leiten. Der zentrale Durchgang 124 und der äußere Durchgang 129 sind gestaltet, um Dampf unter 8,6 x 10&sup5; Pa (125 psig) in einer Menge von 1 Gew.-% der Charge unterzubringen. 40% des Dampfes werden durch den zentralen Durchgang 124 fließen, wobei der Rest durch den äußeren Durchgang 129 strömt.
Die Rohrabmessungen sind wie folgt spezifiziert:

Zentrales Rohr 109

Musterdampfgeschwindigkeit 21,9 m/s (71,8 ft/sec)
Nenndurchmesser 5,1 cm (2 Inches)
Innendurchmesser 6,271 cm (2,469 Inch)
Außendurchmesser 7,303 cm (2,875 Inch)
Wanddicke 0,516 cm (0,203 Inch)
Durchflußquerschnitt 30,9 cm² (4,79 Inch²)

Mittleres Rohr 110

Nenndurchmesser 15,2 cm (6 Inch)
Innendurchmesser 15,41 cm (6,065 Inch)
Außendurchmesser 16,83 cm (6,625 Inch)
Wanddicke 0,711 cm (0,280 Inch)
Durchflußquerschnitt 186,4 cm² (28,9 Inch²)

Äußeres Rohr 129

Nenndurchmesser 20,3 cm (8 Inch)
Innendurchmesser 20,27 cm (7,981 Inch)
Außendurchmesser 21,91 cm (8,625 Inch)
Wanddicke 0,818 cm (0,322 Inch)
Durchflußquerschnitt 322,5 cm² (50,0 Inch²)
Die Zerstäuberdurchgangsabmessungen des stromabwärtigen Endes 102 sind wie folgt spezifiziert:

Zentraler Durchgang 124

Winkel a (Auftreffwinkel) 15º
Innendurchmesser b 3,43 cm (1,35 Inch)
Geschwindigkeit bei Durchmesser b 73,2 m/s (240 ft/sec)

Mittlerer Durchgang 125

Innendurchmesser c 8,854 cm (3,486 Inch)
Geschwindigkeit bei Durchmesser c 45,7 m/s (150 ft/sec)
Breite d 3,241 cm (1,276 Inch)
Geschwindigkeit bei Breite d 14,3 m/s (47 ft/sec)
Durchmesser e 10,945 cm (4,309 Inch)

Äußerer Durchgang 129

Winkel f 30º
Auftreffwinkel (90º-f) 60º
Breite g 0,310 cm (0,122 Inch)
Geschwindigkeit bei Breite g 122 m/s (400 ft/sec)

Spitzenabschirmung

Entfernung h 15,2 cm (6 Inch)
Winkel i 15º
Der Zerstäuber 100 ist in einem Steigrohrreaktor 20 entsprechend Fig. 2 eingebaut. Der Auslegungsarbeitspunkt, gesamte Betriebsbereich und typische Betriebsbedingungen sind wie folgt:

Beispiel 2

Zerstäubungsdüsen wurden in einer Laborversuchseinheit befestigt. Die Zerstäuber wurden für eine Verwendung beim Zerstäuben einer Charge in einem katalytischen Wirbelschicht-Krack(FCC)-Steigrohrreaktor getestet. Die Parameter, die die Nützlichkeit des Zerstäubers für ein FCC-Steigrohr bestimmen, sind der Medianwert der Tröpfchengröße der erzeugten Tröpfchen und der Druckverlust über den Zerstäuber. Herkömmliche in einem FCC-Betrieb verwendete Zerstäuber erzeugen einen Medianwert der Tröpfchengröße von 250 bis 400 Mikrons bei einem Druckverlust von 2,1 x 10&sup5; Pa bis 3,4 x 10&sup5; Pa (30 bis 50 psi).
Es wurde eine kleine Spiraldüse gemäß US-Patent 4,514,291 von P.E. McGarry et al. getestet. Der kleine Spiralzerstäuber erfordert einen relativ hohen Druckverlust von 2,8 x 10&sup5; Pa bis 3,4 x 10&sup5; Pa (40 bis 50 psi).
Eine Dreistrahldüse gemäß der Erfindung wurde mittels einer Simulation einer kalten Strömung aus Luft und Wasser getestet. Flüssiges Wasser simulierte eine flüssige Kohlenwasserstoffcharge und Luft wurde verwendet, um Dampf als Zerstäubungsgas zu simulieren. In einer Konfiguration betrug die Zentralrohr- Außenrohr-Luft-Verteilung 60%/40%. In der anderen Konfiguration betrug die Verteilung 80%/20%.
Die Düsen wurden entsprechend dem Testplan getestet. Die Chargentröpfchengröße und der Zerstäuberdruckverlust wurden an den Testpunkten A bis G in Übereinstimmung mit herkömmlichen Charge-Dampf-Gemischen gemessen. Die Ergebnisse des Testens wurden in Fig. 3 graphisch dargestellt.
Bei einer Durchflußmenge von flüssigem Wasser, die 950 m³/Tag (6000 bbl/day) (B/D) einer flüssigen Kohlenwasserstoffcharge entspricht, erzeugte der Dreistrahlzerstäuber jeweils denselben Medianwert für die Tröpfchengröße wie der Spiraldüsenzerstäuber (280 Mikrons und 290 Mikrons). Der Dreistrahlzerstäuber-Druckverlust betrug 1,9 x 10&sup5; Pa (28 psi). Der Spiralzerstäuber-Druckverlust betrug 3,0 x 10&sup5; Pa (44 psi).
Für den Spiralzerstäuber nahm die Tröpfchengröße nicht nennenswert ab, wenn der Druckverlust erhöht wurde. Für die Dreistrahldüse lieferte ein erhöhter Druckverlust kleinere Tröpfchen. Die interessierenden Daten sind auf eine tabellenförmige Gestalt reduziert:
Bei den Testpunkten A und D erzeugte der Dreistrahlzerstäuber Tröpfchen, die zum Messen zu groß waren. Obwohl nicht in Fig. 3 gezeigt, lieferte der Dreistrahlzerstäuber eine schlechte Tröpfchengröße bei geringen Dampfdurchflußmengen und geringen Chargendurchflußmengen.
Während besondere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, sollte es klar sein, daß die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, da viele Modifikationen vorgenommen werden können, und es ist daher daran gedacht, durch die beigefügten Ansprüche irgendeine derartige Modifikation, wenn sie innerhalb des Bereiches der Erfindung liegt, abzudecken.

Claims

1. Ein Verfahren zum Einleiten einer flüssigen Kohlenwasserstoffcharge (30) in eine katalytische Steigrohrumwandlungszone (20), gekennzeichnet durch:

Ausbilden einer ersten axialen Strömung (124) eines Zerstäubungsgases (50),

Ausbilden einer ersten ringförmigen Strömung (125) der flüssigen Kohlenwasserstoffcharge (30) koaxial zu der ersten axialen Gasströmung (124), wobei die erste ringförmige Strömung (125) einen Düsenbetriebsdruck von 2,1 x 10&sup4; Pa bis 2,1 x 10&sup5; Pa (3 bis 30 psi) über dem Druck in der Umwandlungszone aufweist;

Ausbilden einer zweiten ringförmigen Strömung (129) eines Zerstäubungsgases (60) koaxial zu der ersten axialen Gasströmung (124) und der ersten ringförmigen Flüssigkeitsströmung (125), und

Auftreffenlassen sowohl der ersten axialen Strömung (124) als auch der zweiten ringförmigen Strömung (129) auf die erste ringförmige Strömung (125) in einer Zerstäubungszone (150) innerhalb der katalytischen Steigrohrumwandlungszone (20), wobei das Auftreffen der ersten axialen Strömung (124) unter einem Auftreffwinkel von 5 bis 45º und der zweiten ringförmigen Strömung (129) unter einem Auftreffwinkel von 15º bis 90º stattfindet, wodurch Tröpfchen der flüssigen Kohlenwasserstoffcharge in dem Größenbereich von 300 bis 400 µm gebildet werden.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Umwandlungszone in dem Bereich von 1,4 x 10&sup5; Pa bis 3,1 x 10&sup5; Pa (20 psia bis 45 psia) liegt.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsendruck 2,1 x 10&sup4; Pa bis 6,9 x 10&sup4; Pa (3 bis 10 psi) über dem Umwandlungszonendruck beträgt.

4. Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftreffen der ersten Zerstäubungsgasströmung (124) auf die flüssige Strömung (125) unter einem Auftreffwinkel von 5º bis 25º und der zweiten Zerstäubungsgasströmung (129) unter einem Auftreffwinkel von 15º bis 45º stattfindet.

5. Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge von Zerstäubungsgas 1 bis 5 Gew.-% der Charge umfaßt.

6. Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäubungsgas unter einem Druck von 6,2 x 10&sup5; Pa bis 1,4 x 10&sup6; Pa (90 bis 200 psig) steht.

7. Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäubungsgas Dampf, Methan, Ethan, Ethylen, Propan, Propylen, Butan, Butylen oder irgendeine Mischung derselben ist.

8. Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Charge mittels eines Zerstäubers eingeleitet wird, der radial beabstandet konzentrische zentrale (108), mittlere (109) und äußere (110) Rohre umfaßt, die jeweils einen zentralen (124) zylindrischen Durchgang und mittlere (125) und äußere (129) konzentrische ringförmige Durchgänge liefern, wobei die Rohre abgesperrte stromaufwärtige Enden (135, 136, 137) mit Einlässen (120, 121, 122), die eine Fließverbindung mit den Durchgängen (124, 125, 129) liefern, und offene stromabwärtige Enden mit Austrittsöffnungen aufweisen, die eine Fließverbindung zwischen den Durchgängen (124, 125, 129) und der katalytischen Steigrohrumwandlungszone (20) liefern;

Leiten der flüssigen Charge (30) durch den mittleren ringförmigen Durchgang (125) bei einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,9 m/s bis 30 m/s (3 bis 100 ft/sec);

simultanes Leiten des Zerstäubungsgases (50, 60) durch den zentralen zylindrischen Durchgang (124) und den ringförmigen äußeren Durchgang (129) mit einer Geschwindigkeit im Bereich von ungefähr 0,9 m/s (3 ft/sec.) bis Schallgeschwindigkeit.

9. Ein Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Charge in dem zweiten ringförmigen Durchgang (129) 7,6 m/s bis 18 m/s (25 bis 60 ft/sec.) beträgt.

10. Ein Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Zerstäubungsgases an den Austrittsöffnungen 60 m/s bis 150 m/s (200 bis 500 ft/sec.) beträgt.

11. Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß 10 bis 50 Vol.-% des Zerstäubungsgases (50) durch das zentrale zylindrische Rohr (124) und der Rest (60) durch das äußere ringförmige Rohr (129) tritt.