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Verfahren zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen
Die Erfindung bezieht
sich auf kontinuierliche Kohlenwasserstoffumwandlungsverfahren, wie z. B.
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Krack-, Umbildungs-, Dehydrierungs-, Aromatisierungs-, Viskositätsverminderungs-,
Verkokungs-und ähnliche Verfahren. Es handelt sich hierbei um solclle Verfahren
bei denen Teilchen fester Kontaktstoffe, wie z. B. Kohlenwasserstoffumwandlungskatalysatoren
oder katalytisch verhältnismäßig neutrale Wärmeträger, mit Kohlenwasserstoffen unter
Umwandlungsbedingungen in Berührung treten un.d sich dabei gleichzeitig mit als
Koks bezeichneten kohlenstoffhaltigen Ablagerungen beladen, worauf die verkokten
Kontaktteilchen anschließend mit einem sauerstoffhaltigen Gas unter Verl rennungsbedingungen
derart behandelt werden, daß mindestens ein Teil des genannten Kokses entfürnt und
der Kontakt für die weitere Verwendung regeneriert oder reaktiviert wird, und wobei
die in diesen Verfahren verwendeten festen Kontaktteilchen derart hergestellt sind
und verwendet werden, daß sie fließ- oder stromfähig sind.
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Die Erfindung richtet sich auf Verfahren, in denen verhältnismäßig
große Teilchen oder Körnchen, wie z. B. in bestimmte Größe gebrachte Teilchen, Kügelchen,
Kugelteile od. dgl., mit einem Durchmesser von etwa 0,3 bis I3 mm hauptsächlich
oder ausschließlich auf Grund der Seliwerkraft auf einem oder mehreren Abwärtsstromwegen
einer Anlage durch eine oder mehrere Behandlungszonen dieser Anlage hindurch abwärts
fließen. Der schwerkraftbedingte Strom fester Teilchen durch Behandlungszonen als
zusammenhängende, sich abwärts bewegende und nicht durcheinanderwirbelnde Schichten
wird in »The 'T.C.C.' Catalytic Cracking
Process for Motor Gasoline
Production« von R. H.
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Newton, G. S. Dunham und T. P. Simpson, »Transactions of the American
Institute of Chemical Engineers«, Bd. 41, S. 215 (25 April 1945), und den dort erwähnten
Abhandlungen erörtert.
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Es wurde nun gefunden, daß es vorteilhaft ist, in den Verfahren mit
nicht durcheinanderwirbelnden, zusammenhängenden Teilchenschichten die strömenden,
festen Teilchen, d. h. die Kontalçtstoffe, mittels eines oder mehrerer Gasauftriebe
von der hier beschriebenen Art zu befördern, um einen Kreislauf dieser Teilchen
zu bewirken. Eine solche Anlage enthält mindestens einen Aufwärtsstrom-und mindestens
einen Abwärtsstromweg und auf diesen eine oder mehrere Reaktions- oderQ Behandlungszonen,
z. B. eine Umwandlungszone oder eine Regenerierungszone oder auch beide Zonen, in
denen die genannten festen Teilchen mit einem Reaktions- oder Behandlungsstoff,
z.B. mit Kohlenwasserstoffen in der Umwandlungszone und mit einem sauerstoffhaltigen
Gas in der Regenerierungszone, in Berührung kommen. Die Bethandlungszonen können
in verschiedenen': Höhen auf einem einzigen Abwärtsstromweg angeordnet sein, so
daß die festen Teilchen durch nur einmaliebren Gasauftrieb in einem vollständigen
Verfahrenskreislauf befördert zu werden brauchen. Es können aber auch mehrere Gasauftriebe
und Abwärtsstromwege verwendet werden. Ein Beispiel einer Anlage der zuerst genannten
Art ist in einem Aufsatz unter dem Titel »Houdriflow: New Design in Catalytic Cracking«
in der Zeitschrift »Oil and Gas Journal«, 5. 78 (13. Januar 1949), beschrieben.
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In solchen Anlagen läßt sich, wenn die festen Teilchen sich nach
Trennung von dem Fördergas in einem zusammenhängenden, nicht durcheinanderwirbelnden
Strom abwärts bewegen, das Maß der Beförderung und des Kreislaufes durch die Anlage
mindestens teilweise dadurch leicht kontrollieren, daß man das Arbeiten des Gesauftreibs
kontrolliert.
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Da der Grad des Kontaktkreislaufs bei konstantem Öldurchsatz das Verhältnis
zwischen Kontakt und Öl bestimmt, so ist leicht einzusehen, daß die Arbeitsweise
des Gasauftriebs oder des pneumatischen Förderers von großer Bedeutung für das Verfahren
ist und daß es wichtig ist, eine geeignete Auftriebsgas quelle zu schaffen, die
unter im wesentlichen konstanten Bedingungen so wirtschaftlich wie möglich arbeitet.
Es sind jedoch erhebliche Mengen Auftriebgas erforderlich, insbesondere wenn das
Verhältnis zwischen Kontakt und Öl verhältnismäßig groß ist, z. B.' 5:1 bis 2o:
i; und die Kosten für die Bereitstellung dieses Gases bei dem am Boden der Auftriebzone
erforderlichen überatmosphärischen Druck stellen einen bedeutenden Anteil der Gesamtbetriebskosten
der Anlage dar.
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Da es überdies wichtig ist, daß die umlaufenden, festen Teilchen
.auf i'hrem pneumatischen Förderweg auf der hohen Temperatur gehalten werden, die
für die folgende Verbrennungs- oder Kohlenwasserstoffumwandlungsreaktion erwünscht
ist, so sollte das Auftriebgas auf solch hoher Temperatur gehalten werden, daß eine
übermäßige Wärmeabsorbierung durch dieses Gas während seines Auftriebs vermieden
wird.
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Es wurde gefunden, daß in den Anlagen der hier heschriebenen Art
das aus der Regenerierungs-oder Verbrennungszone kommende Abgas ein ausgezeichnetes
Mittel ist, die Kontaktteilchen- aufwärts zu bewegen, insbesondere wenn das Abgas
aus der Regenerierungszone noch heiß verwendet wird. Während des normalen Betriebes
der Kohlenwasserstoffumwandlungsanlagen ist Abgas gewöhnlich in genügenden Mengen
verfügbar, um die gewünschten Mengen Kontaktteilchen zu befördern.
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Weiterhin sind solche Abgase gewöhnlich chemisch genügend neutral,
so daß sie bei Berührung mit den Kontaktteilchen im wesentlichen keine schädliche
Wirkung auf die katalytischen Eigenschaften der Kontaktteilchen - oder auf den Umfang
der Reaktion ausüben, die durch oder in Gegenwart der Kontaktteilchen näch ihrer
pneumatischen Beförderung bewirkt werden soll. Daher ist eine Sonderbehandlung der
Kontaktmasse nach dem Auftrieb, um adsorbierte oder eingeschlossene Gase aus ihnen
zu entfernen, nicht erforderlich.
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Aus wirtschaftlichen Gründen ist es wünschenswert, daß die Regenerierungszonen
in Anlagen, mit denen sich die vorliegende Erfindung befaßt, bei einem niedrigen
überatmosphärischen Druck betrieben werden. Andererseits sollte der Druck des dem
Auftrieb zugeführten Abgases zwecks wirksamen, pneumatischen Auftriebs der Kontaktteilchen
etwas höher sein als der wirtschaftlichste Regenerierungsdruck. So wurde bei den
bisherigen Anlagen, in denen Abgase aus einer Regenerierungszone zu einem pneumatischen
Auftrieb geleitet wurden, vorgeschlagen, entweder das ursprüngliche Regenerierungsmittel,
z.B. Luft, bei genügend hohem Druck, oberhalb des wirtschaftlichen Druckes für die
Regenerierung selbst, in die Anlage zu schicken, um den Druckabfall in den Regenerier-
und Zubehörgeräten zu überwinden und Abgas zum Boden des Auftriebs bei dem erforderlichen
Druck zu leiten, oder das große Volumen der heißen, aus der Regenerierungszone entbundenen
Abgase mechanisch wieder zu komprimieren. In beiden Fällen waren die Anlage- und
Betriebskosten für die Erzielung der zusätzlichen Komprimierung erheblich.
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Es ist auch die Verwendung anderer neutraler, gasförmiger Fördermittel,
insbesondere Wasserdampf, vorgeschlagen worden. Obwohl Wasserdampf gewisse Vorteile
besitzt, die ihn sonst zu einem bevorzugten, pneumatischen Fördermittel machen würden,
wie z. B. sein niedriges Molekulargewicht und seine leichte und wirtschaftliche
Bereitstellbarkeit in einer Anlage bei vernünftigen Drücken, so besitzt er doch
gewisse Nachteile bei einer solchen Verwendung in Anlagen, auf die sich die Erfindung
richtet. Beispielsweise sind erhebliche Anlage- und Betriebskosten erforderlich,
um den Wasserdampf auf genügend hohe Temperaturen zu erhitzen, damit Wärmeverluste
durch die Kontaktteilchen während ihres Auftriebs vermieden werden können. Weiterhin
zeigt Wasserdampf
unter Druck und bei hohen Temperaturen, d. h.
unter Bedingungen, wie sie im Gasauftrieb vorhanden sind, eine ausgesprochene und
verstärkte deaktivierende Wirkung auf viele der üblichen Kohlenwasserstoffumwandlungskatalysatoren
und scheint bei manchen dieser Katalysatoren die physische Festigkeit und die Zerreibungscharakteristik
von geformten Katalysatorteilchen nachteilig zu beeinflussen und somit ihre Lebensdauer
zu verringern.
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Bei der Durchführung der Erfindung werden Abgase aus der Regenerierungszone
und Wasserdampf vereinigt und gemeinsam als Fördermittel der Kontaktteilchen derart
verwendet, daß die Vorteile jedes Gases für die Auftriebzwecke berücksichtigt werden
und im übrigen ein wirksamer und wirtschaftlicher Betrieb erreicht wird.
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Entsprechend vorliegender Erfindung wird Wasserdampf hoher Geschwindigkeit
in einen Strom heißer Abgase von niedrigem Druck, der aus einer Verbrennungszone
zu einem Gasauftrieb fließt, in solcher Weise und Menge eingeblasen, daß der Druck
der entstehenden Mischung mindestens so groß ist wie der für den Auftrieb gewünschte
Druck. Die vereinigte Auftriebwirkung des Wasserdampfes und der Abgase wird dann
zum Transport der Kontaktteilchen benutzt, und zwar bei einem Druck, der höher als
der und unabhängig von dem in der Regenerierungszone verwendete Druck ist.
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Die Grundgedanken vorliegender Erfindung werden in Zusammenhang mit
der Beschreibung der Zeichnungen im folgenden näher erläutert: Fig. I, 2 und 3 sind
schematische Darstellungen des Hauptteiles der erfindungsgemäßen Anlagen, wobei
gewisse Teile fortgelassen sind, um den inneren Bau einiger Gefäße aufzuzeigen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung eine Reihe verschiedenartiger Verfahren
umfaßt, so soll in den Zeichnungen doch nur ein katalytisches Kohlenwasserstoff-Krackverfahren
erläutert werden, da der Fachmann auch hieraus entnehmen kann, wie analoge oder
äquivalente Verfahren unter Verwendung der gleichen Grundgedanken durchgeführt werden
können.
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Wie in Fig. I gezeigt ist, fließen verhältnismäßig große Teilchen
eines festen Krackkatalysators, z. B.
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Teilchen mit einem Durchmesser von etwa I bis 15 mm und vorzugsweise
von etwa 2 bis 6mm, in Form eines sich abwärts bewegenden, nicht durcheinanderwirbelnden
Bettes durch einen Umsetzungs- oder Reaktionskessel 10. Die Teilchen werden durch
ein Rohr II zu einem Regenerierungskessel oder Ofen 12 geleitet, in dem der Koks,
der sich in der Krackzone auf den Katalysatorteilchen abgelagert hat, entfernt wird.
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Stoffe, die als Kohlenwasserstoffumwandlungskatalysatoren und bzw.
oder als Krackkatalysatoren wirksam sind, z. B. natürliche oder synthetische Aluminiumsilikate,
und die Bedingungen im Reaktionskessel 10 und Ofen I2 sind in der Literatur bekannt
und brauchen hier nicht aufgezählt zu werden.
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Aus dem Regenerierungskessel 12 werden die Katalysatorteilchen herausgeleitet
und fließen abwärts im Rohr 13 als eine zusammenhängende, nicht durcheinanderwirbelnde
Säule zu einem Gasauftriebeinlaßraum I4, der sich am Boden des Gasauftriebs befindet.
Von hier aus werden sie in Form eines kontinuierlichen Stromes fester Teilchen mittels
eines Förder- oder Auftriebgases, das durch die Rohre 15 und i6 in den Gasauftrieb
eintritt, vertikal aufwärts befördert oder gehoben, wobei die Kontaktteilchen durch
ein langes, vertikales, zylindrisches Rohr I7 zu einem geschlossenen Kessel oder
Separator I8 aufsteigen, der eine Entbindungszone enthält. Das dort entbundene Auftriebgas
wird aus dem Kessel I8 entfernt, z. B. an dessen Spitze durch das Rohr 19. Gewünschtenfalls
können die entbundenen Gase dann zu einem Zyklonseparator 2I geführt werden, in
dem mitgerissene, feine Katalysatorteilchen aus dem Auftriebgas entfernt werden.
Die strömenden, festen Kontaktteilchen reiben und schleifen sich während ihres Gebrauchs
ab, so daß verschieden großeTeilchen entstehen. Von diesen werden die feinen Teilchen
zweckmäßig kontinuierlich entfernt, z. B. durch den gezeichneten Zyklonseparator
oder durch einen Reiniger, so daß nur Teilchen von solcher GröBe üibrigbleiben,
daß ein Gas im Gegenstrom durch eine sich abwärts bewegende Masse von Kontaktteilchen
mit einem Druckabfall von etwa 35 bis 70 cm Wasser pro Meter Massentiefe fließen
kann. Das von den feinen Teilchen befreite Gas wird aus dem Separator 21 an dessen
Kopf durch das Rohr 22 abgeleitet. Die feinen Teilchen werden aus dem Separator
2I an seinem Boden durch das Rohr 23 entfernt und gehen in einen nicht gezeichneten
Behälter. Die festen Katalysatorteilchen, die von dem Förder- oder Auftriebgas entbunden
sind, sammeln sich an der Oberfläche des Bettes 24 im Kessel I8, von wo sie zu dem
Reaktionskessel durch das Rohr 25 als verhältnismäßig zusammenhängende, nicht durcheinanderwirbelnde
Säule fließen. Es wird darauf hingewiesen, daß eine besondere Separatorkonstruktion,
wie z. B. diejenige des Kessels I8, nicht zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung
gehört und daß auch andere Separatoren als der gezeichnete, die das Auftriebgas
von den Kontaktteilchen nach verschiedenen Methoden zu trennen vermögen, verwendet
werden können.
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Kohlenwasserstofffraktionen, die gekrackt oder umgewandelt werden
sollen und die zu -der von den Naphthaprodukten bis zu den schweren Rückstandsprodukten
reichenden Gruppe gehören, werden aus einer Beschickungszone bekannter Art in dampfförmiger,
flüssiger oder gemischter P'hase in den Reaktionskessel Ins0, z. B. durch das Rohr
26, eingeleitet und mit den darin befindlichen Katalysatorteilchen unter Verwendung
bekannter Verfahren und Apparate in Berührung gebracht. Die Kohlenwasserstoffe werden
in Dampfform und unter den Umsetzungsbedingungen abwärts durch das im Reaktionskessel
10 befindliche Kontaktteilchenbett geleitet, von den Kontaktteilchen befreit,
aus
dem Reaktionskessel' durch das Rohr 27 entfernt und danach zu einer Fraktionieranlage
geleitet, wo sie in geeigneter Weise auf Produkte, wie Benzin, Heizöl, in den Kreislauf
zurückzuführende Rückstände u. dgl. aufgearbeitet werden. Jedem Fachmann wird es
verständlich sein, daß die Kohlenwasserstoffe in den Reaktionskessel 10 auch durch
das Rohr 27 eintreten können, darauf aufwärts durch das Kontaktteilchenbett strömen
und durch das Rohr 2-6 entfernt werden können, wobei geeignete Anordnungen bezüglich
der unten beschriebenen Druckverhältnisse getroffen werden.
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Ein Reinigungsgas, wie z. B. Wasserdampf, n,eutrales Abgas u. dgl.,
kann in den Reaktionskessel 10 durch das Rohr 28 eingeführt werden, um die Kontaktteilchen
von flüchtigen Kohlenwasserstoffen zu reinigen.
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Um die Gase im Reaktionskessel I0 und im Ofen 12 voneinander getrennt
zu halten, kann ein, Sperrgas, wie z.B. Wasserdampf, neutrale Abgase, Kohlendioxyd
oder andere Gase, die sowohl mit der Krackreaktion im Reaktionskessel 10 als auch
mit der Verbrennungsreaktion im Ofen I2 verträglich sind, in das Rohr II durch das
Rohr 29 eingeleitet werden. In ähnlicher Weise kann auch ein Sperrgas in das Rohr
25 durch das Rohr 3I eingeleitet werden. Soweit der Reaktionslçessel 10 und bzw.
oder der Ofen 12 in bekannter Weise derart eingerichtet sind, daß sich in ihrem
Kopf ein Sperrraum oder Kontakteinführungsraum befindet der einen Dampfraum oberhalb
eines Kontaktteilchenbettes vorsieht und eine von der Krack- bzw.
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Regenerierungszone getrennte Behandlungszone darstellt, ist es möglich,
ein Sperrgas anstatt in die Rohre, wie in Fig. I gezeigt, in den Raum einzuleiten.
Reaktionskessel 10 und Ofen I2 können auch mit verschiedenen anderen bekannten Vorrichtungen
ausgestattet sein, die jedoch in den Zeichnungen nicht dargestellt sind. Zum Beispiel
kann der Reaktionskessel 10 eine Vorrichtung enthalten, um die Kontaktteilchen mit
flüssigem Ö1 in Berührung bringen zu können, und der Ofen I2 kann an geeigneten
Stellen Kühlfischl;angen enthalten.
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Es hat sich gezeigt, daß der hierin beschriebene Gas auftrieb dann
mit großer Wirksamkeit und mit einem wirtschaftlich niedrigen Grad der Teilchenzerreibung
arbeitet, wenn die maximale, durchschnittliche Stromgeschwindigkeit der Katalysatorteilchen
vorteilhafterweise über etwa 3 und unter etwa Is m pro Sekunde und vorzugsweise
zwischen etwa 6 und I2 m p;ro Sekunde gehalten wird. Die durchschnittliche Geschwindigkeit
ist die Geschwindigkeit aller Teilchen, die den horizontalen Querschnitt des Auftriebrohres
durchschnittlich durchströmen; die maximale Geschwindigkeit ist die Geschwinidigkeit
nach Abschluß der Beschleunigung.
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Derartige Auftriebe werden vorteilhafterweise bei einem Druck von
etwa 2,3 bis I6 und allgemein unterhalb etwa 45 at und pro Meter Auftriebhöhe betrieben,
wenn man Katalysatorteilchen verwendet, die eine scheinbare Dichte von etwa 100
bis I35 at besitzen. Beispielsweise kann ein Auftrieb von 60 m einen Gesamt druckabfall
von mehr als 0,07 bis etwa o,7at zwischen seinem Anfangs-und Endpunkt aufweisen.
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In der in Fig. 1 erläuterten Anlage wird die Regenerierung in zwei
Reihen vertikal übereinander angeordneter, benachbarter Regenerierungsstufen, durch
welche der verkokte Katalysator nacheinander fließt, dadurch bewirkt, daß in jede
Stufe ein frischen Sauerstoff enthaltender Gasstrom, wie z.B. Luft oder mit Sauerstoff
angereioherte Luft, durch die Rohre 35 und 36 geleitet wird. Die Stufen können auf
irgendeine bekannte Art voneinander getrennt sein. Sie können sich sogar, ohne daß
damit der Erfindungsgegenstand verlassen wird, in getrennten Kesseln befinden, die
durch ein oder mehrere Sperrohre miteinander verbunden sind. Vorzugsweise befinden
sich jedoch die Stufen in einem einzigen Kessel, wie in der Zeichnung dargestellt,
durch welchen der Katalysator in einem kontinuierlichen, nicht durcheinanderwirbelnden
Strom hindurchfliellt.
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Wie später noch ausführlicher beschrieben ist, wird der Gasstrom durch
die verschiedenen Stufen in der gewünschten Weise dadurch bewirkt, daß die Druckverhältnisse
der verschiedenen Zugangs-und Abgase in geeigneter Weise kontrolliert werden.
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Das am Boden der untersten Regenerierungsstufe, z. B. durch das Rohr
35, eingeleitete sauerstoffhaltige Gas strömt unter Verbrennungsbedingingen aufwärts
durch den untersten Teil des Bettes. Nach Trennung vom Katalysator wird das entstandene
Abgas durch das Rohr 37 abgeleitet.
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In den Fällen, wo die Drucke im Rohr 35 und am Boden des Auftriebes
verschieden sind, wirkt Rohr 13 als Sperrohr und stellt somit sicher, daß der größte
Teil oder die Gesamtmenge des sauerstoffhaltigen Gases aufwärts strömt. Ein besonderer,
sauerstoffhaltiger Gas strom wird am Boden der obersten Stufe der Regenerierungszone,
z. B. durch das Rohr 36, eingeleitet, und zwar bei einem Druck, der durch das Ventil
38 so geregelt wird, daß er im wesentlichen gleich oder nur wenig größer ist, z.
B. 0,007 bis 0,ob4 at, als der Entbindungsdruck im Rohr 37. Das durch das Rohr 36
eingeleitete sauerstoffhaltige Gas strömt aufwärts durch die oberste Stufe dem Katalysator
strom entgegen. Nach Trennung von dem Katalysator wird das entstandene Abgas durch
das Rohr 39 abgeleitet.
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Gemäß der in Fig. I erläuterten Ausführungsform der Erfindung lassen
sich die Vorteile, die in dem Betrieb der Regenerierungszone bei ntedeinem Druck
und in der Verwendung des Abgases für den Auftrieb liegen, dadurch erreichen, daß
man das durch das Rohr 35 eingeleitete sauerstoff haltige Gas durch das Katalysatorbett
in der Regenerierungszone derart strömen läßt, daß der Eintrittsdruck verhältnismäßig
niedrig ist und der Druck des durch das Rohr 37 entbundenen Abgasstromes wesentlich
unter, z. B. L0 bis 50°/o des absoluten Druckes, dem statischen Gasdruck am Boden
der Auftriebzone liegt und daß man dieses Abgas zu einem Dampfstrahlthermokompressor
41
leitet, in dem eine Mischung des Abgases mit Wasserdampf mit
einem Druck, der höher als der des Abgases allein und mindestens gleich dem Druck
am Boden der Auftriebzone ist, hergestellt wird. Dies geschieht dadurch, daß Wasserdampf
hoher Geschwindigkeit, der durch Expansion von Hochdruckdampf, z.B. Dampf mit einem
Druck von etwa 3,5 bis etwa I4, vorzugsweise 7 bis 12. ast, gewonnen wird, aus dem
Rohr 43 durch die Düse des Dampfstrahlthermokompressors qI in -den hindurchfließenden
Abgas strom eingeblasen wird. Die so erhaltene Mischung aus Dampf und Abgas wird
danach zum Auftrieb der Teilchen durch das Auftriebrohr 17 verwendet, indem man
es durch das Rohr42 zu den Rohren 15 oder I6 oder zu beiden leitet.
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Im allgemeinen ist vorzuziehen, den Dampfstrahlthermokompressor derart
zu betreiben, daß der absolute Druck des Abgases im Rohr 37 (bezeichnet als Saugdruck
des Dampfstrahlthermokompressors) zum absoluten Druck der Mischung aus Wasserdampf
und Abgas im Rohr 42 (bezeichnet als Abgabedruck des Dampfstrahlt'hermokompressors)
derart in Beziehung steht, daß das Verhältnis des letztgenannten Druckes zum erstgenannten
Druck zwischen etwa I,I und I,5 und vorzugsweise an der unteren Grenze dieses Bereichs
liegt, beispielsweise bei I,I bis 1,3. Ein solches Verhältnis kann durch Einblasen
von etwa o,r bis o,6 kg Wasserdampf pro Kilogramm Abgas erreicht werden, wobei die
Dampfmenge vom Druck abhängt, da bei höheren Temperaturen weniger Dampf benötigt
wird. Durch solche Dampfmengen wird die gewünschte Druckerhöhung bei wirtschaftlicher
Verwendung von Abgas und Wasserdampf erreicht. Weiterhin bewegt sich jede Deaktivierungswirkung
des Dampfes auf den Katalysator innerhalb wirtschaftlich tragbarer Grenzen. Der
durch das Rohr 43 eingeblasene Wasserdampf besitzt im allgemeinen eine niedrigere
Temperatur als das Abgas. Die Temperatur des Abgases liegt bei etwa 480 bis 5900
und diejenige des Wasserdampfes in trockener und gesättigter Form bei etwa I5,0
bis 2000. Der Wasserdampf kann jedoch gewünschtenfalls auf Temperaturen von 370
bis 4800 überhitzt werden. Weitere Einzelheiten bezüglich des Baus, des Betriebes
und der Kontrolle von Dampfstrahlthermokompressoren sind in den Aufsätzen von Philip
F r e n e a u in der Zeitschrift »Power« im Januar I945 und Februar I94!5 erörtert
worden und brauchen hier nicht genannt zu werden.
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Aus der obigen Erörterung ist zu ersehen, daß Abgas bei im wesentlichen
atmosphärischem Druck abgegeben werden kann und daß weiterhin eine Mischung aus
Wasserdampf und Abgas mit einem Druck von etwa 0,07 bis 0,I4 at durch Zusatz ganz
geringer Mengen Wasserdampf oder ein höherer Druck der entstandenen Abgas-Wasserdampf-Mischtung
von z. B. 0,35 bis 0,49 at durch Verwendung größerer Mengen Wasserdampf erzeugt
werden kann. In Anlagen, in denen Abgas bei einem Druck oberhalb Atmosp'härendruck,
z. B. o,r4 bis 0,35 kg, entbunden wird, kann der Dampfstrahlthermokompressor mit
kleinen Mengen Wasserdampf arbeiten, um einen Abgabedruck des Wasserdampfes und
Abgases von o,56 bis 0,7 at zu erzeugen. Da jedoch in allen auf vorliegender Erfindung
aufgebauten Anlagen der Druck, unter dem das Abgas aus der Regenerierungszone entbunden
wird, geringer als der am Boden der Auftriebzone herrschende Druck ist, so wird
eine wesentliche Wirtschaftlichkeit gegenüber früheren Anlagen erzielt. Diese Wirtschaftlichkeit
errechnet sich aus der Differenz zwischen a) den Kosten, das sauerstoffhaltige Gas
auf einen genügend hohen Druck zu pumpen, damit es durch das Bett in der Regenerierungszone
strömt und danach noch genügend Druck besitzt, um für den Auftrieb verwendet werden
zu können, und b) den Kosten, ein solches Gas auf einen Druck zu pumpen, der um
den Betrag der Druckerhöhung beim Durchströmen des Dampfstraihlt'hermokompressors
kleiner ist als der zuerst genannte Druck. tJberdies kann, wie später noch erläutert
wird, die in der Anlage erzeugte Abgasmenge beträchttich größer sein als die für
den Auftrieb benötigte Menge. Daher wird in früheren Anlagen die für das Aufpumpen
des sauerstoffhaltigen Gases, aus dem das nicht verwendete Abgas stammt, aufgewendete
Energie nicht zurückgewonnen. Ein solcher Unterschied kann den Unterschied zwischen
einem teuren Kompressor und einem billigen Ge bläse ausmachen.
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In einer bevorzugten Arbeitsweise der Regenerierungszone wird mehr
Gas aus dem untersten Teil der Regenerierungszone entbunden als in Verbindung mit
Hochdruckdampf für den Auftrieb benötigt wird. In diesem Falle wird überschüssiges
Abgas durch das Rohr 44 abgeführt, wobei das Ventil 45 zur Aufrechterhaltung eines
konstanten Druckes im Rohr 37 -dient. Eine solche Arbeitsweise besitzt insofern
Vorteile, als nur die für den Auftrieb erforderliche Abgasmenge auf den hohen Druck
gebracht wird, obwohl die Regenerierung und der Auftrieb unabhängig voneinander
sind, so daß die Anlage eine große Anpassungsfähigkeit besitzt. Die aus dem Dampfstrahlkompressor
abgegebene Mischung aus Dampf und Abgas kann die einzige Quelle für das zum Auftrieb
verwendete Gas sein, wobei die Ventile 46 und 47 für die Zuteilung der relativen
Mengen der in die Rohre 15 bzw. 16 strömenden Dampf-Abgas-Mischung entsprechend
eingestellt werden. Gewünschtenfalls kann aber auch die Gesamtmenge der für den
Auftrieb verwendeten Dampf-Abgas-Mischung durch das Rohr I6 geleitet werden, wobei
das Ventil 46 geschlossen ist und eine kleine Menge eines anderen Gases, beispielsweise
Wasserdampf, durch das Rohr 48 zum Rohr I5 durch Regelung mittels des Ventils 49
zugeführt werden kann, so daß das Auftriebgas dann hauptsächlich aus der Dampf-Abgas-Mischung
aus dem Rohr 42 besteht. Das durch das Rohr 48 zugeleitete Hilfsgas gewährt eine
bequeme Kontrolle bezüglich der Katalysatorkonzentration in dem Gesamtauftrieb-
gas,
ohne daß der Gasstrom im Rohr 42 geändert wird. Gewünschtenfalls kann die durch
das Rohr 42 strömende Menge Dampf und Abgas etwas größer sein, als für den normalen
Betrieb erforderlich ist, wobei der Überschuß durch das Rohr 5I abgeführt wird und
das Ventil 52 dazu dient, einen konstanten Druck im Rohr 42 aufrechtzuerhalten.
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In solchen Anlagen, in denen die aus einer unteren Regenerierungsstufe
entbundene Abgasmenge für den Auftrieb nicht ausreicht, kann das aus einer höheren
Stufe entbundene Abgas ähnlich wie das Abgas aus dem Rohr 39, bei einem niedrigeren
Druck als dem Abgabedruck des Abgases in der untersten Zone, durch einen Dampfstrahlthermokompressor
geleitet werden, und zwar unter solchen Bedingungen, daß.- der -Druck der entstehenden
Dampf-Abgas-Mischung gleich dem Druck des aus der unteren Stufe entbundenen Abgases
ist.
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Es kanri dann zur Ergänzung des letzteren verwendet werden. Bei einer
solchen. Arbeitsweise kann daher die Mischung aus Dampf und Abgasen aus den beiden
Zonen in der in Fig. I dargestellten Weise durch einen zweiten Dampfs;trahlkompressor
geleitet werden.
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Es können auch andere Verfahren, um das sauerstoffhaltige Gas durch
die Regenerierungszone zu leiten, in Verbindung mit einem. Dampfstrahlthermokompressor
angewendet werden, um eine Mischung aus Dampf und Abgas mit einem Druck zu erzeugen,
der sie als Auftriebmittel geeignet macht. So kann das sauerstoffhaltige Gas. in
einer Zwischenebene in die Regenerierungszone eingeleitet werden und danach aufwärts
und abwärts fließen, um so zwei Abgasströme zu erzeugen, die beide wie beschrieben
verwendet werden können.
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Es können auch mehr als zwei Regenerierungsstufen verwendet werden.
Wenn der Druckabfall innerhalb der obersten und der untersten Stufe verschieden
ist, dann ist dasjenige Abgas für den Durchgang durch einen Dampfstrahlthermokompressor
geeigneter, welches den höheren Abgabedruck hat.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform vorliegender Erfindung werden
die Verbrennungsbedingungen in der Regenerierungszone unter Berücksichtigung der
Abkühlung, -die durch indirekten Wärmeaustausch entsteht, derart gewählt, daß die
Temperatur des aus der untersten Stufe oder den untersten Stufen abgeführtenAbgases
zwischen etwa 540 bis 5900 liegt. Diese Temperatur ist wesentlich höher, z.B. um
50 bis I00°, als die Temperatur des aus der obersten Stufe oder den obersten Stufen
gewöhnlich abgegebenen Abgases.
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Solche heißen Abgase ermöglichen es, den Hochdruckdampf von verhältnismäßig
niedriger Temperatur aufzuheizen, so daß der später beim Auftrieb mit ihm in Berührung
tretende Katalysator nicht wesentlich abgekühlt wird.
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In der TafelI werden die in-einer technischen Anlage verwendeten
Drücke in Anlehnung an die in Fig. I dargestellte Ausführungsform als typische Beispiele
zusammengestellt. Es handelt sich um die Drücke an den in Fig. I bezeichneten Punkten.
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Tafel I Statische Gasdrücke an den bezeichneten Punkten in Kilogramm
pro Quadratzentimeter
| A B C D E F G H I J K L |
| 0,021 0,595 0,588 0,420 0,427 0,434 0,014 0,140 0,133 0,210
0,427 9,8 |
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, Anlagen mit bewegtem Katalysatorbett, die
bisher nur mechanische Auftriebe verwenden, solchen Anlagen anzugleichen, in denen
ein stärkerer Katalysatorstrom oder ein größeres Umlaufverhältnis verwendet wird.
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Wenn es erwünscht ist, das Umlaufverhältnis der Kontaktteilchen in
Anlagen mit bewegtem Katalysatorbett zu erhöhen, so können die Schwierigkeiten dadurch
behoben werden, daß man die vorhandenen mechanischen. Eimerelevatoren durch einen
Gas auftrieb ergänzt oder daß' man die mechanischen Elevatoren vollständig durch
Gasauftriebe ersetzt. Die Regenerierungskessel oder Öfen solcher zur Zeit ve'fwendeten
Anlagen sind für Gas drücke vorgeseheh, die nur um einen geringen Betrag über Atmosphärendruck
liegen, z. B. um weniger als 0,I4 at, wobei das Abgas im wesentlichen bei Atmosphären
druck, z.B. bei weniger als 0,035 at, abgegeb.en wird.
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Eine solche Anlage ist in Fig. 2 dargestellt. Hier strömt der Katalysator
durch das Rohr60 zum Sammeitrichter 6I und durch das Sperrohr 62 zum Reaktionskessel
63, durch welchen die Kohlenwasserstoffe vermittels der Rohre 64 und 65 hindurchgeleitet
werden. In den Reaktionskessel 63 kann durch das Rohr 66'.ein Sperrgas und durch
das Rohr 67 ein Reinigungsgas eingeleitet werden.
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Der verkokte Katalysator aus dem Kessel 63 fließt durch das Rohr 68
abwärts in den Regenerator oder'Ofen 69. Durch diesen bewegt er sich abwärts auf
Grund der Schwerkraft und wird in mehreren Regenerierungsstufen -durch sauerstoffhaltiges
Gas regeneriert, das durch das Verteilerrohr 7I mittels der Einlaßöffnungen 72,
73, 74, 75, 76 und 77 einströmt und dessen Menge durch die Ventile 78, 79, 81, 82,
83 und 84 geregelt wird.
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Das so eingeleitete sauerstoffhaltige Gas strömt aus jeder Öffnung
aufwärts und abwärts durch das Katalysatorbett im Regenerator 69, wird dann vom
Katalysator
entbunden und durch eine Reihe von Auslaßöffnungen 85, 86, 87, 88, 89 und 91 abgeleitet.
Die mittleren Auslaßöffnungen 86, 87, 88 und 89 dienen dazu, das Gas zu sammeln,
das von einer unteren Einlaßöffnung nach oben und von einer oberen Einlaßöffnung
nach unten strömt. Die Konstruktion und der Betrieb solcher Ofen einschließlich
der Verwendung von Gassammiern und -verteilern von der Art, wie sie in dem Aufrißteil
am Boden des Ofens 69 dargestellt ist, werden in dem obenerwähnten Aufsatz von N
e w t o n u. a. beschrieben. Der Katalysator wird auf seinem Abwärtsweg durch den
Ofen 69 durch indirekten Wärmeaustausch vermittels der Kühlschlangen 92 abgekühlt.
Kü;hischlangen ähnlich denen, die im Aufriß gezeichnet sind, befinden sich in jeder
Verbrennungsstufe. Die Kühlung erfolgt dadurch, daß Wasser bei einem Druck von etwa
3,5 bis I7,5 at aus der Dampftrommel 93 durch die Pumpe 94 und das Rohr 95 zu den
Kühlschlangen 92 geleitet wird. In den Kühlschlangen 92 wird das Wasser in eine
Mischung aus Hochdruckdampf und Wasser umgewandelt, die durch das Verteilerrohr
96 zum oberen Teil der Dampftrommel zurückströmt. Ergänzungswasser wird in einer
dem abgeführten Dampf entsprechenden Menge durch das Rohr go zugefügt.
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In den zur Zeit vorhandenen Anlagen wird der Katalysatorstrnm zwischen
dem Reaktionskessel 63 und dem Regenerierungskessel 69 mit Hilfe zweier mechanischer
Auftriebe bewirkt, von denen der eine den verkokten Katalysator aufnimmt, ihn aufwärts
über den Regenerierungskessel befördert und in diesen entlädt, und von denen der
andere Auftrieb den regenerierten Katalysator aufnimmt, ihn aufwärts über den Reaktionskessel
befördert und in diesen entlädt. Jedoch ist die Anpassungsfähigkeit solcher Anlagen
durch die Kapazität der mechanischen Elevatoren begrenzt, und es ist im allgemeinen
schwierig, ein Katalysator-Öl-Verhältnis aufrechtzuerhalten, das wesentlich über
2 : 1 liegt, wenn nicht auf einen wesentlichen öl durch satz verzichtet wird. Wird
die vorliegende Erfindung auf solche Anlagen angewendet, so kann der Katalysatorumlauf
durch die in Fig. 2 dargestellte Anlage zum mindesten verdoppelt werden. Hier arbeiten
die Elevatoren 97 und 98 parallel. Beide nehmen verkokten Katalysator aus dem Rohrgg
durch die Rohre 101 bzw. 102 auf und entladen ihn durch die Rohre 103 und 104, so
daß ein gemeinsamer Katalysatorstrom durch das Rohr 68 zum Regenerator 69 fließt.
Frisch regenerierter Katalysator wird aus dem Regenerator 69 durch das Rohr 105
geleitet und danach durch das Auftriebrohr 17 mit Hilfe eines Auftriebgases aufwärts
getrieben. Die Teile in Fig. 2, die die gleiche Bezifferung haben wie Teile in Fig.
I, ähneln bezüglich ihrer Anordnung und Arbeitsweise den in Zusammenhang mit Fig.
I genauer beschriebenen Teilen, so daß eine weitere Beschreibung unnötig ist.
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Das Auftriebgas wird durch Einblasen von Wasserdampf hoher Geschwindigkeit
in den Abgasstrom erhalten, der im Verteilerrohr 106 fließt, in das die Auslaßöffnungen
85, 86, 87, 88, 89 und 91 münden. Gemäß einer besonderen Ausfü'hrungsform der Erfindung
wird der zum Betrieb des Dampfstrahlkompressors 41 verwendete Hochdruckdampf derart
erhalten, daß Hochdruckdampf aus dem oberen Teil der Dampftrommel 93 entnommen,
dann durch ein Druckregelventil 107 geleitet wird, so daß er bei einem um ein Weniges
unter dem Dampfdruck in der Trommel 93 liegenden Druck austritt und schließlich
zum Dampfinjektor 41 geleitet wird. Auf diese Weise wird der in der Regenerierungszone
erzeugte Hochdruckdampf zur Bildung der für den Auftrieb benutzten Dampf-Abgas-Mischung
wirksam und wirtschaftlich verwendet, wodurch die Notwend.igkeit einer besonderen,
ständig in Betrieb gehaltenen Hochdruckdampfquelle mit ihren Bau- und Betriebskosten
in Fortfall kommt. Überschüssiges Abgas aus dem Regenerator 69 kann durch das Verteilerrohr
Iog durch geeignete Handhabung der Ventile III, II2, In3., 114, II5 oder II6 und
II7, II8, 119, 12.1, I22 oder I23 über Dach geleitet werden..
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Für den Fall, daß die Anlage mit indirektem Wärmeaustausch bei einem
Druck betrieben wird, z. B. bei I7,5 bis 35 at, der wesentlich höher als der für
den Dampfstrahlkompressor gewünschte Dampfdruck ist, kann der aus der Dampftrommel
93 entnommene Dampf durch eine geeignete Vorrichtung, z.B. eine Turbine, geleitet
werden, um so einen Teil der Energie des Wasserdampfes zurückzugewinnen und bzw.
oder den Druck auf den für den Dampfstrahlkompressor gewünschten Druck zu reduzieren.
Eine solche Turbine wird zweckmäßig in der Leitung von der Dampftrommel vor dem
Ventil 107 eingebaut. Es kann auch das Ventil 107 beseitigt und die gewünschte Druckregelung
mittels der Turbine bewirkt werden.
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In Fig. 3 ist eine ähnliche Anlage wie in Fig. 2 dargestellt, mit
der Ausnahme, daß der Katalysator auf zwei Aufwärtsstromwegen oder Gasauftrieben
gehoben und darauf an deren oberen Teilen in den Regenerierungs- bzw. Reaktionskessel
entladen wird und das somit keine Elevatoren verwendet werden. Die Teile in Fig.
3, die die gleiche Bezifferung wie in Fig. I und 2, einschließlich Zusätzen wie
a und b, haben, sind bezüglich ihrer Arbeitsweise und ihres Baues ähnlich, so daß
eine wiederholende Beschreibung hier unterbleibt. In Fig. 3 strömt das Abgas nicht
in ein einziges Verteilerrohr, sondern in zwei Verteilerrohre 124 und I25, wobei
die beiden Abgas ströme durch zwei Dampfstrahlkompressoren 41a und 41b fließen,
die beide mit Dampf aus der Dampftrommel 93 durch die Rohre I26 und 127 in ähnlicher
Weise, wie bei Fig. 2 beschrieben, versorgt werden.
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Die in Fig. 3 dargestellte Anlage gewährt insofern gewisse Vorteile,
als das Abgas aus den obersten Regenerierungsstufen zum Auftrieb des verkokten Katalysators
aus dem Regenerierungskessel verwendet wird, während das Abgas aus den untersten
Stufen zum Auftrieb des frisch regenerierten
Katalysators dient.
Da die Abgase aus den obersten und daher anfänglichen Regenerierungsstufen hauptsächlich,
wenn nicht sqgar vollständig verbrauchte Abgase in dem Sinne sind, daß sie nur noch
wenig oder überhaupt keinen Sauerstoff mehr für die Verbrennung enthalten, so wird
der verkokte Katalysator während seiner Aufwärtsbeförderung nicht der Verbrennung
unterliegen, wodurch er sich unkontrollierbar erhitzen würde.
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Andererseits ist das Abgas aus den untersten Regenerierungszonen wesentlich
heißer als das Abgas aus den obersten Zonen und ermöglicht so einen besseren Auftrieb
des frisch regenerierten Katalysators ohne unerwünschte Abkühlung.