DD246484A5

DD246484A5 - Verfahren und vorrichtung fuer die gleichzeitige regenierung und kuehlung von wirbelschichtteilchen

Info

Publication number: DD246484A5
Application number: DD86288110A
Authority: DD
Inventors: Ismail B Cetinkaya; Daniel N Myers
Original assignee: ��@��Kk��
Priority date: 1984-12-28
Filing date: 1986-03-20
Publication date: 1987-06-10
Also published as: US4578366A; AU581296B2; HU203687B; EP0236609A1; ZA861797B; ATE38393T1; AU5429386A; EP0236609B1; DE3661077D1; HUT43273A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Verbrennung von verbrennbarem Material, das auf fluidisierten Feststoffteilchen vorhanden ist, und zur gesteuerten Abkuehlung der erhaltenen heissen, fluidisierten Feststoffteilchen, wie ein Katalysator eines FCC-Erdoelverarbeitungsverfahrens. Die Teilchen fliessen abwaerts aus einem ersten Dichtphasen-Wirbelbett in eine Kuehlkammer und beruehren die Mantelseite eines vertikal angeordneten Mantelrohr-Waermeaustauschers, wodurch ueber indirekten Waermeaustausch mit einem in den Rohren zirkulierenden Kuehlmedium die Kuehlung erfolgt. Der Grad der Kuehlung wird durch Veraenderung des Waermeaustauschkoeffizienten zwischen den Rohren und den Teilchen im Waermeaustauscher gesteuert. Der Koeffizient wird durch Veraenderung der Menge an Wirbelgas variiert, das dem Wirbelbett im Waermeaustauscher zugefuehrt wird. Der Waermeaustauscher ist innerhalb eines unteren Teiles der Kuehlkammer angeordnet, vollstaendig unterhalb der Teilcheneintrags- und austragsrohrleitungen. Der Waermeaustauscher kann daher ausser Betrieb gesetzt und durch Eindecken unter nicht-fluidisierten, relativ kuehlem Katalysator geschuetzt werden. Das Wirbelgas unterstuetzt die Verbrennung innerhalb einer unteren Verbrennungszone. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung eines verbrennbaren Materials auf fluidisierten Feststoffteilchen und zur gleichzeitigen Kühlung des anfallenden heißen fluidisierten Teilchens sowie eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens. Insbesondere betrifft die Erfindung das Abkühlen fluidisierter Teilchens in Verbindung von verbrennbarem Material oder dem Abtrennen von abtrennbarem Material von einem teilchenförmigen Feststoff wie ein fluidisierbarer Katalysator, der durch Ablagerung des verbrennbaren oder abtrennbaren Materials, von Koks, darauf kontaminiert ist. Die vorliegende Erfindung ist am nützlichsten, in einem Verfahren zur Regenerierung von mit Koks kontaminiertem Fließbett-Crackkatalysator mit gleichzeitiger Abkühlung der erhaltenen regenerierten Teilchen, sie kann jedoch auch in einem beliebigen Verfahren eingesetzt werden, in dem verbrennbares Material verbrannt oder abtrennbares Material von einem Feststoff, fluidisierbare Teilchen, abgetrennt wird und wo eine Notwendigkeit für ein gesteuertes Abkühlen der erhaltenen Teilchen besteht.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Das fluidkatalytischeCrackverfahren (hier als FCC bezeichnet) ist außerordentlich ausgedehnt worden auf die Umwandlung von Einsatzprodukten wie Vakuum-Gasöle und andere relativ schwere Öle in leichtere und wertvolle Produkte. Das FCC umfaßt den Kontakt des Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterials in einer Reaktionszone mit einem fein verteilten oderteilchenförmigenfesten katalytischen Material, das sich als ein Fluid verhält, wenn es mit einem Gas oder Dampf vermischt wird. Das Material besitzt die Fähigkeit, die Crackreaktion zu katalysieren, und bei diesem Ablauf bedeckt sich dessen Oberfläche mit Koks, einem Nebenprodukt der Crackreaktion. Koks besteht aus Wasserstoff, Kohlenstoff und anderen Bestandteilen wie Schwefel und er beeinträchtigt die katalytische Aktivität des FCC-Katalysators.

Einrichtungen zur Entfernung des Kokses vom FCC-Katalysator, sogenannte Regenerierungseinrichtungen oder Regeneratoren, gehören normalerweise zu einer FCC-Anlage. In den Regeneratoren wird der mit Koks kontaminierte Katalysator mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas unter Bedingungen in Kontakt gebracht, bei denen der Koks oxidiert wird und eine beträchtliche Wärmemenge freigesetzt wird. Ein Teil dieser Wärme entweicht dem Regenerator mit dem Abgas, das aus überschüssigem Regenerierungsgas und den gasförmigen Produkten der Koksoxidation besteht, und der Rest an Wärme verläßt den Regenerator mit dem regenerierten oder relativ koksfreien Katalysator. Regeneratoren arbeiten bei überatmosphärischen Drücken und sind oftmals mit Turbinen zur Energierückgewinnung ausgestattet, die dasdem Regenerator entströmende Abgas entspannen und ein Teil der bei der Entspannung freigesetzten Energie zurückführen.

Derfluidisierte Katalysator wird kontinuierlich von der Reaktionszone zur Regenerierungszone und dann wieder zurück zur Reaktionszone im Kreis geführt. Der Fluidkatalysator und ebenso der katalytische Prozeß wirken als Träger für die Wärmeübertragung von Zone zu Zone. Der die Reaktionszone verlassende Katalysator wird als „verbraucht" bezeichnet, das bedeutet teilweise Desaktivierung durch Koksablagerungen auf dem Katalysator. Ein Katalysator, von dem der Koks im wesentlichen entfernt worden ist, wird als „regenerierter Katalysator" bezeichnet.

Die Umwandlungsrate des Ausgangsmaterials innerhalb der Reaktionszone wird durch Temperaturregulierung, Katalysatoraktivität und darin enthaltene Katalysatormenge (d.i. Verhältnis Katalysatorzu Öl) gesteuert. Dasgängigste Verfahren zur Regulierung derTemperatur besteht in der Regulierung derZirkulationsrate des Katalysators von der Regenerierungszonezur Reaktionszone, wodurch gleichzeitig das Katalysator/Öl-Verhältnis steigt. Es ist zu bemerken, daß eine gewünschte Steigerung der Umwandlungsrate mit einer Steigerung der Fließrate des zirkulierenden Fluidkatalysators vom Regenerator zum Reaktor verbunden ist. Da dieTemperatur innerhalb der Regenerierungszone unter normalen Betriebsbedingungen beträchtlich höher ist als die Temperatur innerhalb der Reaktionszone, bewirkt diese Erhöhung des Zuflusses an Katalysator von der heißeren Regenerierungszone zur kühleren Reaktionszone eine Erhöhung derTemperatur der Reaktionszone.

Die chemische Beschaffenheit und die Molekularstruktur des Ausgangsmaterialsfür die FCC-Anlage beeinflußt die Koksmenge auf dem verbrauchten Katalysator. Allgemein gesagt: je höher die Molekülmasse, je höher der Conradson-Kohlenstoff, je höher die Heptan-Unlöslichen und je höher das Kohlenstoff-Wasserstoff-Verhältnis, desto höher wird die Koksmenge auf dem verbrauchten Katalysator sein. Ebenso werden auch hohe Anteile an gebundenem Stickstoff wie sie in Schieferölen gefunden werden, die Koksmenge auf dem verbrauchten Katalysator erhöhen. Die Verarbeitung von immer schwereren Ausgangsmaterialien und insbesondere die Verarbeitung entasphaltierter Öle oder die direkte Verarbeitung von Normaldruck-Sumpfprodukten einer Rohöl-Verarbeitungsanlage, die üblicherweise als reduziertes Rohöl bezeichnet werden, ruft eine Erhöhung bei allen oder einigen dieser Faktoren hervor und führt damit zu einer Erhöhung der Koksmenge auf dem verbrauchten Katalysator.

Diese Vergrößerung des Koksanteiles auf dem verbrauchten Katalysator resultiert in einer größeren Koksmenge, die im Regenerator pro Kilogramm im Kreislauf geführten Katalysator verbrannt wurde. Die Wärme wird aus dem Regenerator in konventionellen FCC-Anlagen mit dem Abgas entfernt und prinzipiell mit dem heißen regenerierten Katalysatorstrom. Eine Steigerung des Koksanteiles auf dem verbrauchten Katalysator erhöht die Temperaturdifferenz zwischen dem Reaktor und dem Regenerator und erhöht die Temperatur des regenerierten Katalysators. Eine Verringerung der Menge an im Kreislauf geführten Katalysator ist daher erforderlich, um dieselbe Reaktortemperatur beizubehalten. Allerdings führt diese niedrigere Zirkulationsrate des Katalysators durch die höhere Temperaturdifferenz zwischen dem Reaktor und dem Fiegeneratorzu einem Abfallen der Umwandlung, wodurch es erforderlich wird, mit einer höheren Reaktortemperatur zu arbeiten, um die Umwandlung in gewünschtem Maße aufrechtzuerhalten. Dies führt zu einer Veränderung in der Ausbeutestruktur, was erwünscht oder nicht erwünscht sein kann, abhängig von den erwünschten Produkten des Verfahrens. Es gibt auch Grenzen für die Temperaturen, die von dem FCC-Katalysatortoleriert werden können, ohne daß eine im wesentlichen schädliche Wirkung auf die Katalysatoraktivität eintritt. Im allgemeinen sind mit handelsüblichen modernen FCC-Katalysatoren Temperaturen des regenerierten Katalysators üblicherweise unter 760⁰C (1400°F) aufrechtzuerhalten, da ein Aktivitätsverlust bei etwa 760⁰C (1400⁰F) stark sein würde. Wenn ein relativ übliches reduziertes Rohöl, wie leichtes arabisches Rohöl, auf eine konventionelle FCC-Anlage gegeben und bei einer Temperatur behandelt wird, die für eine hohe Umwandlung leichterer Produkte erforderlich ist, d.i. ähnlich jenerfür eine Gasölcharge, würde die Regeneratortemperatur im Bereich von 816 bis 982⁰C (1 500-1800°F) liegen. Dies würde alsTemperatur für den Katalysatorzu hoch sein, sehr teure Konstruktionsmaterialien erforderlich machen und eine außerordentlich niedrige

Zirkulationsrate des Katalysators mit sich bringen. Es wird daher angenommen, daß bei der Arbeit mit Materialien, die zu hohe Regeneratortemperaturen ergeben würden, Einrichtungen für die Wärmeabführung aus dem Regenerator vorhanden sein müssen, die eine niedrigere Regeneratortemperatur gestatten und geringere Temperaturdifferenzen zwischen dem Reaktor und dem Regenerator.

Ein übliches Verfahren des Standes der Technik zur Wärmeabführung sieht mit einem Kühlmittel gefüllte Rohrschlangen im Regenerator vor, wobei diese Rohrschlangen in Kontakt mit dem Katalysator sind, aus dem der Koks entfernt wird. Beispielsweise arbeitet man in den Veröffentlichungen US-PS 2819951 (Medlin et al.) US-PS 3990992 (McKinney) und US-PS 4219442 (Vickers) bei fluidkatalytischenCrackverfahren mit Doppelzonenregeneratoren, die in der zweiten Zone angeordnete Kühlrohrschlangen aufweisen. Diese Kühlschlangen müssen stets mit Kühlmittel gefüllt sein und auf diese Weise Wärme aus dem Regenerator abführen, auch während des Anfahrens, wo ein solcher Wärmeabzug besonders unerwünscht ist, da sonst wegen des typischen Metallverhaltens der Rohrschlangen diese durch die hohe Regeneratortemperatur (bis zu 732°C oder 135O⁰F) ohne Kühlmittel, das sie relativ kalt bleiben ließen, beschädigt werden könnten. Die zweite Regenerierungszone ist auch für die Katalysatorstillsetzung vor dem Austreten des Abgases aus dem System vorhanden und kann Katalysator in einer dichten Phase (Medlin et al. und Vichers) oder in einer verdünnten Phase (McKinney) enthalten. Der Kühlmittelfluß durch die Rohrschlangen absorbiert die Wärme und führt sie aus dem Regenerator ab.

Der Stand derTechnik bringt weiterhin Darstellung von FCC-Verfahren, die eine dichte oder verdünnte Phase von Wärmeentzugszonen oder Wärmeaustauschern regenerierter Fluidkatalysatoren aufweisen, die getrennt davon und außerhalb des Rgeneratorbehälters sind zur Kühlung heißen regenerierten Katalysators zur Rückführung in den Regenerator. Beispiele für derartige Veröffentlichungen sind US-PS 2970117 (Harper, US-PS 2873175 (Owend), US-PS 2862798 (McKinney), US-PS 2596748 (Watson etal.), US-PS 2515156(Jahnig et al. ),US-PS 2492 948 (Berger), US-PS 2506123 (Watson)und US-PS 4434044 (Hettinger et al.). Wenigstens eines der genannten US-Patente (Harper) offenbart, daß die Rückführungsrate des gekühlten Katalysators zum Regenerator durch die Regenerator (dichte Katalysatorphase)temperatur gesteuert werden kann. Es ist auch wesentlich, festzuhalten, daß in der Jahnig et al.-Veröffentlichung der Katalysator durch den Kühler mittels Luft fluidisiert wird. Die Luft tritt danach in die Regenerierungszone ein. In der Berger-Veröffentlichung wird der Katalysator ebenfalls durch Luft fluidisiert, diezur Katalysatorregenerierungszone geführt wird.

Wesentlich in Betracht zu ziehen beim oben genannten FCC-Verfahren mit Wärmeabführung aus dem Regenerator ist das Verfahren zur Steuerung der abgeführten Wärmemenge. Beispielsweise gehört zu dem bereits genannten Verfahren der US-PS 4219442 (Vickers) die Steuerung des Eintauchens von Kühlschlangen in ein Dichtphasenkatalysator(regeneriert)-Fließbett. In den vorherzitierten US-PS 2970117 (Harper) und4434044(Hettingheret al. (gehörtzum Verfahren die Regulierung der Fließrate des regenerierten Katalysators durch äußere Katalysatorkühleinrichtungen. Die Nachteile des ersten oben angeführten Wärmeabführungsverfahrens sind bereits vorher diskutiert worden, d.i. Beeinträchtigung der Kühlrohre beim Anfahren und bei der Katalysatorstillsetzung. Das oben angeführte zweite Verfahren zur Wärmeabführung, unter Verwendung außerhalb befindlicher Kühleinrichtungen Variierung der Katalysatorzirkulationsrate durch diese sowie getrennte Steuerungseinrichtungen für die Wärmeaustauscherbelastung, besteht in der kontinuierlichen wesentlichen Veränderung der Katalysatorbeschickung auf den Regenerator mit der damit verbundenen Schwierigkeit oder Unmöglichkeit der Aufrechterhaltung üblicher konstanter Fahrweisen.

Dem Fachmann in der chemischen Industrie ist bekannt, daß der Wärmeübertragungskoeffizient einer Wärmeaustauschoberflächesich in Abhängigkeit von der Massengeschwindigkeit über eine derartige Oberfläche für fluidisierte Systeme ändert. Siehe dazu beispielsweise den Artikel „Fließbettwärmeübertragung: eine verallgemeinerte Dichtphasekorrelation", A. I. Ch. E. Journal, Dezember 1956, Bd. 2, Nr. 4, S. 482—488. Dieses Prinzip wurde vorteilhaft auf das im US-Patent 4464849 (Vickers et al.) dargestellte Verfahren übertragen, bei dem eine „Rückmischungs"-Katalysatorkühlzone erläutert wird. Der Einsatz flu idisierten Gases zur Steuern ng des Wärmetransfers in einer „Du rchfluß"-Katalysatorkühlzone ist in den US-Patenten 4396 531 (Lomas), 4425 301 (Vickers et al.) und 4434245 (Lomas et al.) beschrieben. In diesen Patentveröffentlichungen wird die Auslastung eines äußeren Teilchenkühlers, der aus einem Mantelrohr-Wärmeaustauscher besteht, durch die Steuerung der Rate eines Wirbelgases zum Kühler und die den Kühler passierende Menge an heißen Teilchen beeinflußt.

Die vorliegende Erfindung führt zu einem noch höheren Grad an Flexibilität und Wirksamkeit der Arbeitsweise eines Kühlers fluidisierter Teilchen, insbesondere wenn dieser in eine FCC-Anlage mit einer getrennt vorhandenen Kühlerrichtung integriert ist. Nicht wie bei den obigen FCC-Verfahren des Standes derTechnikwird mit der vorliegenden Erfindung nicht nur die Kühlrate durch den Wärmeaustauscher in einer Weise gesteuert, bei der das Verhältnis zwischen Wärmeübertragungskoeffizienten und Massengeschwindigkeit berücksichtigt wird, sondern auch die weitere Verwendbarkeit des Wirbelgases. Speziell Luft als Wirbelgas ist in die untere Verbrennungszone für den Verbrauch bei der Koksverbrennung gerichtet.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur Verbrennung eines verbrenn baren Materials auf fluidisierten Feststoffteilchen undzurgleichzeitigen Kühlung deranfallenden heißenfluidisiertenTeilchen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Verfugung zu stellen, die nicht nur die Steuerung der Auslastung eines Teilchenkühlers durch Steuerung der Rate an Wirbelgas und des Teilchenflusses gestattet, sondern auch die nachfolgende vorteilhafte Verwendung des Wirbelgases mit sich bringt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung zur Kühlung des FCC-Katalysators, dervorübergehend dem Prozeß entzogen wird, wenn er nämlich nicht erforderlich ist wie während des Anfahrens, ohne daß das Rohrsystem des Wärmeaustauschers beschädigt wird.

Beim Erfindungsgegenstand sind die Wärmeaustauscherrohre in einem unteren Teil einer Katalysatorkühlkammer angeordnet, unterhalb des Katalysatoraustrittes aus der Kühlzone. Daher können die Wärmeaustauscherroh reinfolge Absperrung des Zuflusses von Wirbel gas mit unbeweglichen Katalysatorteilchen bedeckt sein.

' Nach einer Ausführungsform ist die Erfindung daher ein Verbrennungsverfahren eines verbrennbaren Materials, das auf fluidisierten Feststoffteilchen vorhanden ist, bestehend ausfolgenden Schritten !Einführung eines ersten Stromes von Sauerstoff enthaltendem Verbrennungsgases und den fluidisierten Feststoffteilchen in eine Verbrennungszone, die bei einer Temperatur gehalten wird, die für die Oxidation des verbrennbaren Materials ausreichend ist, sowie Oxidation des verbrennbaren Materials darin zur Herstellung von heißen, fluidisierten Feststoffteilchen; Führung der Feststoffteilchen durch Fluidisierung aufwärts von derVerbrennungszone in eine zweite Zone, die sich oberhalb der Verbrennungszone befindet, und Sammlung eines dichten Phasenbettes heißer Feststoffteilchen in einem Teilchensammeiabschnitt am Boden derzweiten Zone; Übertragung eines Stromes von Feststoffteilchen von derTeilchensammelzoneabwärtsüberSteuerungseinrichtungen des Teilchenflussesund eine vertikal angeordnete erste Teilchenübertragungsrohrleitung in ein oberes Ende einer Kühlkammer zu rückgemischter Teilchen; Abkühlung derTeilchen,die in einemTeilchenfließbettzurückvermischter dichter Phase vorhanden sind, das in einem unteren Teil derTeilchenkühlkammer angeordnet ist, durch Einsatz eines Wärmeaustauschers, der im unteren Teil derTeilchenkühlkammer vollständig vorhanden ist; gesteuertes Fluidisieren des Dichtphasen-Teilchenfließbettes durch Aufwärtsbewegung eines gesteuerten Flusses eines zweiten Stromes Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsgases; und Abziehen des zweiten Verbrennungsgasstromes aus der Kühlkammer in die Verbrennungszone über eine zweite Teilchenübertragungsrohrleitung, die mit der Kühlkammer an einem Punkt oberhalb des Wärmeaustauschers in Verbindung steht.

Nach einer anderen Ausführungsform ist die Erfindung eine Vorrichtung zur Verbrennung eines verbrenn baren Materials, das auf fluidisierten Feststoffteilchen vorhanden ist, bestehend aus: einer vertikal angeordneten Verbrennungskammer;

einer Stillsetzungskammer, darüber angrenzend angeordnet und über der Verbrennungskammer und mit ihr in Verbindung, ' wobei am Boden der Stillsetzungskammer ein Sammelabschnitt heißer Fluidteilchen vorhanden ist; einer vertikal angeordneten Kühlkammer, die wenigstens einen vertikal angeordneten Wärmeaustauscher umgibt, wobei die Kühlkammer sich in unmittelbarer Nähe zu einem unteren Teil der Verbrennungskammer befindet und die Kühlkammer einen oberen Teilcheneinlaß und einen unteren Teilchenauslaß aufweist und wobei der gesamte Wärmeaustauscher unterhalb des Teilchenauslasses angeordnet ist; einer Rohrleitung für heiße Teilchen mit vertikaler Anordnung, die den Sammelabschnitt für heiße Teilchen der Stillsetzungskammer mit dem Teilcheneinlaß der Kühlkammer verbindet, so daß heiße Teilchen von der Stillsetzungskammer abwärts zur Kühlkammer fließen können; einer Teilchenfluß-Einschränkungsvorrichtung in der Rohrleitung für heiße Teilchen; einer offenen Verbindungsstrecke, die den Teilchenauslaß der Kühlkammer mit der Verbrennungskammer verbindet und Einrichtungen für den Fluß gekühlterTeilchen und des Fluid-Verbrennungsgases vom Wärmeaustauscher zur Verbrennungskammer aufweist;

einer Einlaßrohrleitungfür Fluid-Verbrennungsgas, die mit einem Bcrtdenteil der Kühlkammer verbunden ist und Einrichtungen für den Durchlaß von Wirbelgas auf der Mantelseite des Wärmeaustauschers aufweist und zur Aufrechterhaltung eines Katalysator-Wirbelbettes innerhalb der Kühlkammer; und einem Fließ-Steuerventil, das in der Einlaßrohrleitung fürWirbelgas angeordnet ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an einem Beispiel näher erläutert

In der beiliegenden Zeichnung zeigen:

"Fig.1: einen schematischen Aufriß einer FCC-Regenerierungseinrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit derVerbrennungszone 1, der Stillstandszone 2 und der vertikalen Kühlzone 3.

Fig. 2: einen Aufriß einer FCC-Regenerierungsvorrichtung, die mit der von Fig. 1 identisch ist, ausgenommen, daß die Kühlzone 3, im Gegensatz zu der in Fig. 1 vertikal angeordneten, horizontal angeordnet ist.

Die Zeichnung stellt eine schematische Erläuterung der Erfindung dar, aber keine Einschränkung darauf.

Die vorliegende Erfindung besteht verfahrensseitig aus Sch ritten zur Abkühlung eines fluidisierten teilchenförmigen Feststoffes. Eine wichtige Anwendung der Erfindung erfolgt in einem Verfahren zur Verbindung eines verbrenn baren Materials aus fluidisierten Feststoffteilchen, die ein verbrennbares Material enthalten, einschließlich der Einführung eines sauerstoffhaltigen Verbrennungsgases und derfluidisierten Feststoffteilchen in eine Verbrennungszone, die bei einerTemperaturgehalten wird, die für die Verbrennung des verbrennbaren Materials ausreichend ist. Das verbrennbare Material wird dabei oxidiert, wobei heiße fluidisierte Feststoffteilchen entstehen, die durch das erfindungsgemäße Verfahren abgekühlt werden. Die Verbrennungszone kann derart beschrieben werden, daß die Teilchen in verdünnter Phase mit den heißen Teilchen vorhanden sind, die zu einer Stillsetzungszone befördert werden.

wo die heißen Teilchen gesammelt und als erstes Bett aufrechterhalten werden, oder die Verbrennungszone kann mit den Teilchen in dichter Phase beschrieben werden und selbst das erste Bett darstellen.

Eine besonders wichtige Ausführungsform der Erfindung hat zum Inhalt Schritte zur regenerativen Verbrennung innerhalb einer Verbrennungszone eines mit Koks kontaminierten Katalysators aus einer Reaktionszone, um zu einem heißen Abgas und zu heißem regenerierten Katalysator zu gelangen, Stillsetzung und Sammlung des heißen regenerierten Katalysators, Abkühlen des heißen regenerierten Katalysators durch Zurückvermischen und kontinuierliches Zirkulieren des Katalysators oder Führen desselben durch eine Wärmeentzugs- oder Kühlzone sowie Verwendung wenigstens eines Teiles des gekühlten regenerierten Katalysators zur Temperatursteuerung der Verbrennungszone. Der nunmehr regenerierte Katalysator kann in einem üblichen FCC-Verfahren eingesetzt werden.

Allerdings findet der Gegenstand der Erfindung insbesondere Anwendung beim Verarbeiten von Rückstandsbrennstoffen mit höheren Siedbereichen, als sie gewöhnlich für das FCC-Verfahren eingesetzt werden. Der Begriff „RCC-Verfahren" wird nun verwendet, um diese Erweiterung der konventionellen FCC-Technologie zu beschreiben. Es ist beabsichtigt, die hier verwendeten Begriffe wie „heißer regenerierter Katalysator" oder „heiße Teilchen" für Katalysatoren oderTeilchen zu benutzen, die in der Nähe der Normaltemperatur des Katalysators liegen, wie er die Verbrennungszone verläßt, also zwischen etwa 704 und etwa 788°C (1300 bis 145O⁰F). Die relativen Begriffe „kühler regenerierter Katalysator" oder „kühle Teilchen" werden für Teilchen benutzt, die eine Temperatur aufweisen, wie sie für die Kühlzone verlassende Teilchen erwünscht ist, die etwa 28 bis etwa 111⁰C (50 bis 200⁰F) beträgt, geringer als die Temperatur des heißen regenerierten Katalysators. Kühler regenerierter Katalysator kann daher eine Temperatur von etwa 593 bis etwa 76O⁰C (1100 bis 1400⁰F) aufweisen.

Es wird nun Bezug genommen auf Fig. 1 der beigefügten Zeichnung zwecks Diskussion eines Beispiels als Ausführungsform eines Regenerierungsverfahrens und dafür eingesetzter erfindungsgemäßer Vorrichtung. Der Primärstrom an Regenerierungs(Verbrennungs)gas, das Luft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gas sein kann, tritt in Leitung 7 ein und vermischt sich mit in Rohrleitung 8 eintretendem, mit Koks kontaminiertem Katalysator. Diese Ströme sind zusammen im Mischrohr 11 dargestellt, obgleich jeder Strom individuell in die Verbrennungszone 1 fließen könnte. Das erhaltene Gemisch aus mit Koks kontaminiertem Katalysator und Regenerierungsgas wird im Inneren der Verbrennungszone 1 auf einer niedrigeren Ebene dieserverteilt über die Rohrleitung 11 und den Verteiler 13.

Mit Koks kontaminierter Katalysator enthält normalerweise zwischen etwa 0,1 und etwa 5Ma.-% Kohlenstoff als Koks. Koks besteht in erster Linie aus kohlenstoff, kann allerdings auch etwa 5 bis etwa 15 Ma.-% Wasserstoff enthalten sowie Schwefel und andere Materialien. Das Regenerierungsgas und der eingetretene Kataiysatorfließen vom unteren Teil der Verbrennungszone 1 aufwärts zu derem oberen Teil in verdünnter Phase. Der Begriff „verdünnte Phase", wie er hier benutzt wird, bedeutet ein Katalysator/Gasgemisch von weniger als 480 kg/m³ (30 Ibs/ft³) und „dichte Phase" bedeutet ein Gemisch mit gleich oder größer als 480 kg/m³ (30 Ibs/ft³). Bedingungen verdünnter Phase sind oftmals bei einem Katalysator/Gasgemisch von etwa 32 bis 160 kg/m³ (2-10 Ibs/ft³) gegeben. Wenn das Katalysator/Gasgemisch innerhalb der Verbrennungszone 1 aufsteigt, wird die Verbrennungswärme des Kokses freigesetzt und von dem nun relativ kohlenstoffsreinen Katalysator absorbiert, anders gesagt, durch den regenerierten Katalysator.

Der aufsteigende Katalysator/Gasstrom fließt durch die Verbindungsstrecke 10 und prallt auf die Oberfläche 12, wobei durch dieses Auftreffen die Fließrichtung des Stromes geändert wird. Es ist aus dem Stand der Technik wohlbekannt, daß das Auftreffen eines fluidisierten Teilchenstromes auf eine Oberfläche, wodurch der Strom in einem bestimmten Winkel abgelenkt wird, zu einer Abtrennung eines Teiles des in dem Strom enthaltenen Feststoffmaterials führen kann. Das Auftreffen des Katalysator/Gasstromes auf die Oberfläche 12 führt dazu, daß nahezu der gesamte aus der Verbrennungszone abfließende heiße regenerierte Katalysator sich aus dem Abgas stillsetzt und zum Bodenteil der Stillsetzungszone 2 herabfällt, zu der eine Sammelkammer des Fluidteilchen-Sammelabschnittes für heiße Teilchen gehört. Die Katalysatorsammeifläche der Stillsetzungszone 2 kann ein konisch geformter ringförmiger Aufnahmebehälter sein, wie gezeigt, oder irgendeine andere Form haben, die dem Sammeln der Katalysatorteilchen angepaßt ist. Die gasförmigen Produkte der Koksoxidation und das überschüssige Regenerierungsgas oder Abgas, sowie der sehr geringe nichtgesammelte Teil an heißem regeneriertem Katalysator fließt ab durch die Stillsetzungszone 2 und gelangt in Trenneinrichtungen 15 durch den Einlaß 14. Heißer regenerierter Katalysator wird in den FCC-Reaktor über die Rohrleitung 33 zurückgeführt.

Diese Trenneinrichtungen 15 können Zyklonabscheider sein, wie sie in der Zeichnung schematisch gezeigt sind, oder irgendeine andere wirksame Trenneinrichtung für den Katalysator aus dem Gasstrom. Der vom Abgas getrennte Katalysator fällt auf den Boden der Stillsetzungszone 2 über die Rohrleitungen 16 und 17. Das Abgas verläßt die Stillsetzungszone 2 über die Rohrleitung 18, über die es einem angeschlossenen Energierückgewinnungssystem zugeführt werden kann. Eine aufwärts gerichtete Verbindung von Stillsetzungszone 2 und Verbrennungszone 1 ist vorteilhaft im Vergleich zu Abläufen, bei denen das Gas/ Katalysatorgemisch aufwärts in eine Wärmeentzugszone relativ dichter Phase fließt, da in ersteren eine wesentliche Verringerung bei der Beschickung der Regeneratorzyklone auftritt, wodurch hohe Katalysatorverluste aus FCC-Anlagen während Betriebsstörungen im wesentlichen ausgeschlossen werden.

" Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 1 wird in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Teil des in der Stillsetzungszone 2 als erstes Dichtphasen-Wirbelbett gesammtelten Katalysator über die Rückführungsrohrleitung 4für heißen Katalysator abwärts in dichter Phase in die Kühlzone 3 geleitet, die vertikale Wärmeaustauscherrohre 42 enthält. Die Kühlzone oder-kammer 3 ist vertikal angeordnet, wobei der Katalysator in den unteren Teil der Kammer fließt und das Wärmeaustauschmedium durch die-Wärmeaustauscherrohre 42 über die Rohre 9 und 9' geführt wird. Bevorzugte Wärmeaustauschmedium ist Wasser, das wenigstens teilweise vom flüssigen in den gasförmigen Zustand bei Passieren der Rohre 42 übergeht. Das Rohrbündel 42 im Wärmeaustauscher ist vorzugsweise ein solches vom „Bajonett"-typ, worin ein Ende des Bündels nicht befestigt ist, wodurch die Probleme auf ein Minimum verringert werden, die bei der Expansion und Kontraktion der Wärmeaustauscherkomponenten durch die Temperaturdifferenzen Erwärmung/Abkühlung des regenerierten Katalysators mit seinen sehr hohen Temperaturen auftreten. Die dabei in Erscheinung tretende Wärmeübertragung geht vom Katalysator über die Rohrwände in das Wärmeübertragungsmedium vor sich.

Ein zweiter geringerer Strom an fluidisiertem Verbrennungsgas, vorzugsweise Luft, wird in ein Bodenteil der Kühlzone 3 über das Rohr 27 geleitet, wodurch innerhalb der Kühlkammer ein Dichtphasen-Katalysatorfließbett aufrechterhalten wird. In der Rohrleitung 27 ist ein Regelventil 20 angeordnet. Das Regelventil 24 in Rohrleitung 4 regelt den abwärts gerichteten Katalysatorfluß durch die Rohrleitung 4 in die Kühlkammer 3. Ein damit verbundenes Steuersystem weist eine Einrichtung 21 auf, um auf die Temperatur in einem Teil der Verbrennungszone 1 Einfluß zu nehmen, wie im oberen Teil gezeigt, eine Temperatur-Steuereinrichtung 22 mit einem einstellbaren Einstellpunkt in Verbindung mit der

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Temperaturüberwachungseinrichtung 21 und mit der Abgabe von Signalen, sowie Einrichtungen 23 und 23' zur Übertragung der abgegebenen Signale auf das Steuerventil 20 und das Steuerventil 24, wobei die Ventile auf Temperaturschwankungen im oberen Teil der Verbrennungszone 1 eingestellt sind. Die Temperaturregelungseinrichtung 22, zu derein Analog-oder Digitalcomputer gehören kann, ist in der Lage, die optimale Kombination der Fließraten von Wirbelgas und Katalysator auszuwählen. Eine derartige Fähigkeit kann für ein gegebenes System in der Einrichtung 22 durch einen Fachmann aufgebaut oder programmiert werden und vermutlich auf empirischen Beziehungen basieren, die aus der beobachteten Arbeitsweise des Systems abgeleitet wurde.

Der Fluß des Wirbelbases zur Kühlzone 3 und der Katalysatorfluß durch die Rohrleitung 4 und die Kühlzone 3 ist somit ein regulierter. Dadurch wird die Massengeschwindigkeit des Wirbelbettes über die äußeren Oberflächen der Rohre reguliert, indem der Turbulenzgrad und der Massenfluß des Bettes beeinflußt werden. Dies wiederum reguliert den Wärmeübertragungskoeffizienten über derartige Oberflächen und somit die Wärmeübertragung quantitativ. Der im Wirbel bett der Kühlzone 3 auftretende hohe Grad an Turbulenz und Zurückvermischung sichert, daß der heiße Katalysator aus der Rohrleitung 4 keinen „Kurzkreislauf" durch den obersten Teil der Kühlkammer 3 durchläuft und ungekühlt in die Verbrennungskammer 1 gelangt. Innerhalb der Kühlzone können Leitbleche eingebaut sein, um eine einwandfreie Anfangsvermischung zu gewährleisten. Der abgekühlte Katalysator fließt von der Kühlzone 3 horizontal durch den Katalysatoraustrag 5 des Wärmeaustauschers in den unteren Teil der Verbrennungskammer 1. Das Verbrennungsgas, das zur Fluidisierung der Teilchen im Kühler verwendet wird, fließt seitlich in die Verbrennungszone durch dieselbe Rohrleitung 5 wie der abgekühlte Katalysator.

In Fig. 1 sind Details einer bevorzugten Ausführungsform des Wärmeaustauschers der Kühlzone 3 gezeigt und die Art der Verbindung von Wärmeaustauscher 3 mit der Stillsetzungszone 2 und der Verbrennungszone 1. Der Wärmeaustauscher der Kühlkammer 3 ist mit der Mantelseite dargestellt, gefüllt mit einem Dichtphasen-Katalysatorwirbelbett. Der Katalysator fließt in den Einlaß der Rohrleitung 4 aus dem Katalysatorsammeiabschnitt am Boden der Sammelkammer der Stillsetzungskammer 2 und fließt weiter durch die Rohrleitung 4 in den Wärmeaustauscher der Kühlkammer 3 über das Regelventil 24. Katalysator und Wirbelgasgemisch verlassen den Wärmeaustauscher der Kühlkammer 3 über die Rohrleitung 5, wenn das Regelventil 24 den Abgang dieses Gemisches über Rohrleitung 4 wirksam blockiert.

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß im Wärmeaustauscher der Kühlkammer 3 verwendetes Verbrennungswirbelgas den Wärmeaustauscher der Kühlkammer 3 über die Rohrleitung 5 verläßt und in die Verbrennungszone 1 gelangt, wo es als zusätzliche Verbrennungsgasquelle dient. Dies steht im Gegensatz zu den eingangs diskutierten Patenten, bei denen das Kühlzonen-Wirbelgas in gewisser Hinsicht nicht verwertet wird, das es in die Stillsetzungskammer 2 geführt wird. Das Wirbelgas ist dann nicht in der.Lage, zu der Regenerierung des Katalysators in der Verbrennungszone 1 beizutragen. In die Stillsetzungskammer 2 eingeführter Sauerstoff könnte die Verbrennung in der Stillsetzungskammer 2 unterstützen. Normalerweise ist jedoch ein Koksabbrennen in der Stillsetzungskammer 2 unerwünscht. Das in der Kühlkammer 3 dargestellte Rohrbündel ist vom Bajonett-Typ, bei dem die Rohre 42 am Boden oder „Kopf" des Wärmeaustauscher befestigt sind, jedoch an keinem anderen Ort. Eine typische Ausgestaltung von Rohren im Bajonett-Rohrbündel sind2,54-mm (einZoll)-Rohre, die sich jeweils aufwärts vom Eintrittsverteilerstück 40 in den Mantel des Austauschers erstrecken mit einem 7,62-m (3-Zoll)-Rohr als Abschluß am oberen Ende. Jedes dünnere Rohr mündet in die größeren Rohre, in denen es enthalten ist, gerade unterhalb des Abschlusses des größeren Rohres. Eine Flüssigkeit wie Wasser wird in die dünneren Rohre geleitet, geht über die größeren Rohre, absorbiert Wärme von dem heißen Katalysator durch die Wand des größeren Rohres, wenn es abwärts durch den ringförmigen Raum der größeren Rohren geführt wird, und verläßt den Wärmeaustauscher, wenigstens teilweise in Dampfform, aus dem Auslaßverteilerstück 41 am Kopf des Austauschers der Kühlzone 3. Die in-der Zeichnung dargestellten vertikalen Wärmeaustauscherrohre 42 können durch Rohre mit unterschiedlichen Neigungswinkeln ersetzt werden. Beispielsweise können die Wärmeaustauscherrohre 42 horizontal angeordnet sein (wie in Fig. 2) oder im Winkel von 45° zur Horizontalen geneigt sein.

Ein wichtiges strukturelles Merkmal besteht darin, daß die Kühlrohrschlangen des Erfindungsgegenstandes vollständig innerhalb eines unteren Teiles der Kühlkammer angeordnet sind, ein gutes Stück unterhalb des Punktes, an dem die Rohrverbindung an der Kühlkammer 3 ansetzt, über die abgekühlte Teilchen entfernt werden. Dieser Punkt teilt die Kammer 3 in den unteren und den oberen Teil. Einzig und allein als Beispiel endet das obere Ende der Wärmeaustauscherrohre 42 in der Ausführungsform von Fig. 1 wenigstens etwa 6,1 bis 9,1 m (20 bis 30 Fuß) unterhalb der Abzugsrohrleitung 5 zur Verbrennungszone 1. Dies ist ein wesentliches Merkmal des Erfindungsgegenstandes, das es gestattet, die Wärmeaustauscherrohre 42 mit einer dicht abgesetzten Schicht von Katalysatorteilchen bedecken zu lassen. Das bedeutet, daß durch vollständige Abriegelung oder starke Reduzierung des Wirbelgaszuflusses zum Boden der Kühlkammer ein Absetzen der Teilchen im Bodenteil der Kühlkammer erfolgen kann. Dies führt zu einer nicht-fluidisierten, nichtzirkulierenden Katalysatormasse auf dem Kammerboden und auf den Kühlrohrschiangen. Die Kühlrohrschlangen werden dadurch von den heißen Katalysatorteilchen isoliert, die am oberen Teil der Kühlkammer eintreten. Die Wärmeaustauscherrohre des Erfindungsgegenstandes werden dadurch relativ kühl gehalten, wodurch sie vordem Überhitzen geschützt werden, wenn kein Kühlmittel durch die Rohre fließt. Der Wärmeaustauscher kann somit aus dem Betriebszustand entfernt werden, ohne die Rohre einer starken Beschädigung auszusetzen. Das ist sehr nützlich, wenn die Rohre nicht erforderlich sind, wie bei Anfahrarbeitsgängen oder bei der Verarbeitung von Ausgangsmaterialien mit geringem Koksanfall.

Außerdem sind die Wärmeaustauscherrohre vor Erosion durch zirkulierende Teilchen geschützt, wenn sie mit ruhenden Teilchen bedeckt sind. Der Einsatz des Erfindungsgegenstandes schließt die Verwendung zusätzlicher Wärmeaustauscher-Rohrschlangen an anderen Punkten innerhalb der Gesamtvorrichtung nicht aus. Beispielsweise sind andere Kühleinrichtungen bei Lösungen des Standes der Technik innerhalb der Rückführungsrohrverbindungen für heißen Katalysator in der Verbrennungskammer oder in höheren Ebenen innerhalb der Kühlkammer angeordnet.

Fig. 2 stellt eine modifizierte Struktur der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar. Die in Fig. 2 enthaltenen Elemente sind die gleichen wie die in Fig. 1, ausgenommen, daß das Wärmeaustauscherbündel nicht in vertikaler Richtung wie in Fig. 1, sondern in horizontaler Richtung angeordnet ist. Zur besseren Verständlichkeit sind dieselben Ziffern in Fig. 2 wie in Fig. 1 zur Markierung verwendet worden. Zur Unterscheidung von den Ziffern von Fig. 1 weisen die Ziffern in Fig. 2 dort ein Apostroph auf, wo sie die gleichen Einbauten mit unterschiedlicher Lage bezeichnen. Fig. 2 unterscheidet sich somit von Fig. 1 dadurch, daß ein wahlweise vorhandenes Tauchrohr 45 aus Fig. 1 in der Vorrichtung von Fig. 2 nicht gegenwärtig ist. Daher muß der gesamte Katalysator, der in Fig. 1 von der oberen Stillsetzungszone 2 zur unteren Verbrennungszone 1 fließt, über die Rückführungsrohrleitung 4für heißen Katalysator geleitet werden,

Unter spezieller Bezugnahme auf Fig. 2 kann man erkennen, daß die Verbrennungszone 1 und die Stillsetzungszone 2 identisch sind mit der in Fig. 1 dargestellten, mit der Ausnahme, daß dasTauchrohr 45 nicht vorhanden ist. Die Rückführungsrohrleitung 4 für heißen Katalysator und das Steuerungssystem 21; 22 sind ebenso mit dem von Fig. 1 identisch. Die Gesamtarbeitsweise der Vorrichtung ist daher ähnlich der von Fig. 1, mit dem verbrauchten Katalysator, der durch Leitung 8 zur Vermischung mit Luft aus Leitung 7 eintritt. Der auf dem verbrauchten Katalysator befindliche Koks wird in der Verbrennungszone 1 verbrannt und Katalysator sowie anfallende Abgase nach oben in die Stillsetzungszone 2 geführt. Regenerierter Katalysator wird über Leitung 33 entfernt.

Normalerweise ist es wünschenswert, daß bei dieser Ausführungsform viel Katalysator nach unten in die Verbrennungszone 1 durch die Rohrleitung 4 fließt. Dies ist deshalb vorgesehen, damit heißer Katalysator in der Verbrennungszone 1 vorhanden ist, um eine gute Temperatur innerhalb dieser Zone zu gewährleisten. In der vorher beschriebenen Ausführungsform kan viel heißer Katalysator durch das Tauchrohr 45 abfließen. In Fig. 2 wird die Fließrate des gesamten heißen Katalysators, der zur Zone 1 geführt wird, durch die Regeleinrichtung 24 gesteuert. Der heiße Katalysator fällt in die Kühlzone oder-kammer 3, die teilweise durch den horizontalen Ansatz 30 in die Regenerierungszone mit einbezogen ist. Das über Leitung 9' aufgegebene Kühlwasser tritt über den Wassereinlaßverteiler 40' ein und wird auf die Wärmeaustauscherrohre 42' verteilt. Das Wasser läuft innen durch das Innenrohr dieser Wärmeaustauscherrohre 42 vom Bajonettyp, tritt vom offenen Ende des Mittelrohres aus und wird im äußeren ringförmigen Raum des Wärmeaustauscherrohres 42 in Dampf umgewandelt. Der Dampf wird dann im Verteilerstück 41'gesammelt und über die Leitung 29'aus dem Prozeß abgezogen. Die Erzeugung von Dampf in den Wärmeaustauschrohren 42 entzieht dem heißen Katalysator, der die

Kühlkammer 3 passiert, Wärme. Der Katalysator, der über das vertikale Leitblech 31 in die Verbrennungszone 1 aus der Kühlkammer 30 überströmt, ist daher abgekühlt und weist eine geringe Temperatur im Verhältnis zu dem durch die Rohrleitung 4 sich nach unten bewegenden heißen Katalysator auf.

Die Wärmeentzugsrate in der Kühlzone 3 wird durch die Fließrate des in die Kühlzone 3 eingespeisten Wirbelgases gesteuert. Dies erfolgt zusätzlich zu der Steuerung, die sich aus der Regulierung der Fließrate am heißem Katalysator durch die Rückführungsvorrichtung 4 ergeben kann. Die Luft als bevorzugtes Wirbelgas, tritt durch die Leitung 27' mit einer über das Ventil 20' gesteuerten Rate ein. Darvn wird die Luft an einer Vielzahl von Punkten unterhalb der horizontalen Wärmeaustauscherrohre 42' durch die drei Rohrleitungen 25,26 und 27' verteilt. Das Wirbelgas kann an einer Vielzahl von Punkten unterhalb der Wärmeaustauscherrohre 42, auf vierlerlei Wegen verteilt werden. Bespielsweise kann ein Wirbelgas in die Kühlzone 3 durch mehr als drei getrennte Rohrleitungen in die Kühlzone eingeführt werden. Dafür können vier oder mehr Rohrleitungen vorgesehen sein.

Alternativ dazu kann das Wirbelgas in die Kühlzone über eine einzige Rohrleitung eingeführt werden, die mit einer Gasverteilungseinrichtung verbunden ist unterhalb der Wärmeaustauscherrohre. Bei dieser Ausführungsform würde das Gas dann in ein einziges Gasverteilungsgitter fließen oder in einen Komplex von Rohren, die innerhalb der Kühlzone angeordnet sind und aus einer Vielzahl in diesem Gitter vorgesehener Öffnung austreten. Es ist ebenfalls voraussehbar, daß einzelne Fließkontrollgeräte an verschiedenen Wirbelgas-Eintrittsrohrleitungen vorhanden sein können, um den Fluß des Wirbelgases durch das Dichtphasenkatalysatorbett zu optim'eren, das innerhalb der Kühlkammer zurückgehalten wird, sowie zur Optimierung der durch die Fluidisierung hervorgerufenen Katalysatorvermischung. Die Fluidisierung des Katalysators führt zu seiner Zirkulierung über die Wärmeaustauscherrohrschlangen. Die Fluidisierung vermischt den kalten Katalysator mit heißen Katalysator, der durch die Rückführungsrohrleitung herabkommt. Der Austrag an herabkommendem Katalysatorstrom vermischt den Katalysator ebenfalls.

In Fig. 2 wird der Bodenteil der Rührungsrohrleitung 4 für heißen Katalysator zur Verbrennungszone 1 abgeschrägt. Dies erfolgt deshalb, um den herabkommenden Katalysator in Richtung des Freiraumes oder der über dem Leitblech 31 liegenden Verbindungsstrecke zu lenken, so daß der Katalysator den Fließweg für den Katalysator zwischen Rohrleitung 4 und ' Verbrennungszone 1 nicht verstopft. Besondere Aufmerksamkeit ist erforderlich, daß die Entfernung zwischen dem Eintrittspunkt des Katalysators in die Kühizone 3 und dem Punkt, an dem er in die Verbrennungszone 1 eintritt, die Entfernung nicht überschreitet, die durch Einbeziehung des Schüttwinkels des Katalysators innerhalb der Kühlzone in nichtverwirbeltem Zustand vorgeschrieben wird.

Während der Zeitabschnitte, wo eine Wärmeabführung aus der Katalysatorregenerierungszone durch Einsatz der indirekten Wärmeaustauschrohre 42' nicht erwünscht ist, ist der Wirbelgaszufluß unterbrochen. Dies gestattet eine Ansammlung von Katalysatorteilchen im unteren Teil der Kühlzone oder -kammer 3. Die abgesetzten Teilchen bedecken die Wärmeaustauschrohre 42, schützen sie dadurch und verhindern den Kontakt mit heißem Katalysator. Der Wasserdurchfluß in den Wärmeaustauscherrohren 42 kann aufrechterhalten werden, jedoch wird die in der Kühlzone 3 auftretende Wärmeabführung stark verringert, da die Wärmeaustauschrohre 42 selbst durch ein im wesentlichen ruhendes Katalysatorbett umgeben sind. Weil daher eine, die lokale Kühlung des auf den Wärmeaustauscherrohren 42 befindlichen Katalysator auftritt, wird dieser gekühlte Katalysator nicht mit dem restlichen Katalysator vermischt, der in der Kühlzone 3 vorhanden ist oder der in der Regenerierungszone zirkuliert.

Die Teilchenkühlzone (Kammer 3 des Erfindungsgegenstandes wird hier als „Rückvermischungs"kühler bezeichnet. Dies erfolgt im Vergleich zu einem „Durchfluß"teilchenkühler. Es ist beabsichtigt, den Begriff Rückvermischungskühler in der Weise zu benutzen, daß er sich auf einen indirekten Wärmeaustauscher bezieht. In dem zu kühlenden Teilchen in beiden vertikalen Richtungen durch Einsatz eines Wirbelgases vermischt werden, wobei das Wirbelgas an einem unteren Punkt in den Kühler eingeführt wird, wenigstens unterhalb der Mehrzahl der Kühlrohrschlangen. Alle Rohrleitungen für den Teilchenfluß sind im oberen Teil der Kühlkammer 3 angeordnet. Die Wärme wird durch den sich bewegenden Katalysator im dichten Teilchenfließbett innerhalb der Kühlkammer 3 nach unten transportiert. Der in dem vorher zitierten US-Patent 4364849 gezeigte Katalysatorkühler ist ein Rückvermischungskühler. Beim Fließen durch den Katalysatorkühler fließt der Katalysator durch das Wärmeaustauschervolumen in einer einzigen Richtung, üblicherweise abwärts.

Der Kühler des US-Patentes 4425301 ist beispielsweise ein Durchflußkühler (Fig. 2 zeigt einen Aufwärtskühler). Bei jenem Patent kann Wirbelgas dazu verwendet werden, die Wärmeübertragung in einem Durchflußkühler zu regulieren. Es ist wichtig, daß die Teilchenmenge oder zurückgehaltener Katalysator in der Kühlkammer 3 ausreichend ist, eine gewisse Tiefe eines Dichtphasen-Katalysatorwirbelbettes aufrechtzuerhalten, das im wesentlichen die Rohre in einem Dichtphasenbett einhüllt. Es existieren eine Anzahl von Wegen, dieses Ziel zu erreichen, wovon einer dieser Wege in der Figur dargestellt ist.

Es ist davon auszugehen, daß der Fluß von heißem Katalysator in die Stillsetzungszone 2 den Austrag an zurückgeführtem und heißem regeneriertem Katlysator (über die Rohrleitung 33) übertrifft und die Arbeitsoperationen so ausgeführt werden, daß dies tatsächlich der Fall ist. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist das Tauchrohr oder Standrohr 45 mit einer Bodenventilklappe 46 und einem oberen Sammelgefäß44 ausgerüstet. Das obere Ende des Sammelgefäßes 44dient als Überlauf, das den Katalysatorfluß in das Tauchrohr 45 einschränkt. Nicht durch den Wärmeaustauscher 3 und die Rohrleitung 33 fließenden Katalysator fließt über den Überlauf 44 und füllt das Tauchrohr 45. Wenn die Kraft, die von der Druckhöhe des Katalysators, der das Tauchrohr 45 füllt, auf die Ventilklappe 46 ausgeübt wird, den erforderlichen Druck für das Öffnen des Ventils 46 überschreitet, d.h. wenn die das Ventil geschlossen gehaltene Federkraft oder die eines Gegengewichtes überwunden wird, fällt der Katalysator aus dem Tauchrohr 45 in die Verbrennungskammer 1. Die Ventilklappe 46, und/oder die Druckhöhe des Katalysators im Tauchrohr 45 dienen auch dazu, einen unerwünschten nach oben gerichteten Rückfluß im Tauchrohr 45 zu vermeiden. Die Höhe des Dichtphasen-Wirbelbettes und damit die im Wärmeaustauscher der Kühlzone 3 erhältliche Katalysator-Druckhöhe wird somit vom oberen Rand des Sammelgefäßes 44 beibehalten.

Die obige Darstellung läßt es zu. Wärme aus dem FCC-Generator in der Menge abzuziehen, wie es erforderlich ist, um eine maximale Verbrennungszonentemperatur aufrechtzuerhalten und gleichzeitig einen annehmbaren Grad eines stabilen Arbeitzustandes aufrechzuerhalten, der Steuerbarkeit und Wirkungsgrad des Regenerators gewährleistet, alles bei gleichzeitiger Flexibilität und leichter Betriebsweise eines äußeren Katalysatorkühlers oder Wärmeaustauschers. Insbesondere macht es die Erfindung nicht erforderlich, die Kühlrohrschlangen während des Anfahrens oder während des normalen Betriebes, wenn es nicht erforderlich ist, in Betrieb zu nehmen. Die Erfindung bewirkt auch eine effektive Katalysatorabgastrennung durch eine Stillsetzungszone, die durch keine dichte Katalysatorphase sowie Wärmeentzugszubehör belastet ist. Darüber hinaus wird mit dieser Betriebsweise der bisher nicht erreichte Vorteil der nachfolgenden Verwendung des Wirbelgases für eine Verbrennung erzielt.

Es sollte hervorgehoben werden, daß die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform des FCC-Verfahrens nur eine der Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ist, die in ihrem weitesten Sinne ein Verfahren zur Kühlung beliebiger heißer Wirbelteilchen für einen beliebigen Zweck ist. Darüber hinaus ist es auch möglich, obgleich die Zeichnung Details für die Erläuterung einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält, daß in Kühleinrichtungen in Verbindung mit einem FCC-Regenerator, worin ein verzweigter (Netz-)Fluß des Katalysators durch die Kühleinrichtungen erfolgt, daß man auf die Rohrleitung 4 und das Steuerventil 24 verzichten kann und daß heiße fluidisierte Teilchen, die auf einem niedrigeren Ort in der Verbrennungszone als ein erstes Dichtphasenwirbelbett aufrechterhalten werden, mit der offenen Verbindung zwischen der Kühlzone und der Verbrennungszone, wie durch die Rohrleitung 5 vorgesehen wird, unter der oberen Grenze eines solchen ersten Dichtphasenwirbelbettes auftreten. Das erste Bett und das Kühlbett in der Kühlzone 3 stellt somit eine zusammenhängende Menge dar, durch welche die Teilchen kontinuierlich zirkulieren und zurückvermischt werden. Diese Ausführungsform der Erfindung kann gekennzeichnet werden als eine Vorrichtung zur Verbrennung eines verbrennbaren Materials, das auf f luidisierten Feststoffteilchen vorhanden ist, wobei diese Vorrichtung aus einer vertikal angeordneten Verbrennungskammer 1 besteht; einer zweiten Behandlungskammer, die dicht über der Verbrennungskammer 1 angeordnet ist und in Verbindung damit sowie Einrichtungen 17; 11; 13; 10 zur Fluidisierung und Übertragung von Teilchen aufwärts von der Verbrennungskammer^ zur zweiten Behandlungskammer 3; einer vertikal angeordneten Kühlkammer 3, die zumindest einen Wärmeaustauscher vertikaler Anordnung umgibt, wobei die Kühlkammer 3 eine Teilchenübertragungsöffnung aufweist mit dem gesamten Wärmeaustauscher, der unter der Teilchenübertragunsöffnung angeordnet ist; einer horizontalen offenen Verbindungsstrecke 5, die die Teilchenübertragungsöffnung der Kühlkammer 3 mit der Verbrennungskammer 1 verbindet und Einrichtungen 5 zum Teilchenfluß zwischen Wärmeaustauscher 3 und Verbrennungskammer 1 und für den Fluß von Verbrennungswirbelgas aus der Kühlkammer 3 zur Verbrennungskammer 1; einer Einlaßleitung 27 für Verbrennungswirbelgas, verbunden zu einem Bodenteil der Kühlkammer 3 und mit Einrichtungen 20 zur Passage eines Wirbelgases auf die Mantelseite des Wärmeaustauschers sowie zur Aufrechterhaltung eines Katalysatorwirbelbettes innerhalb der Kühlkammer 3 versehen und Einrichtungen 21; 22 zur Steuerung des Wirbelgasflusses durch die Einlaßrohrleitung. Die obere Behandlungskammer kann eine Teilchen-Stiilsetzungskammer 2 sein, wie in der Zeichnung dargestellt. Alternativ dazu kann die obere Behandlungskammer eine zweite Verbrennungskammer oder -stufe darstellen. Wenn die obere Zone für die Verbrennung vorgesehen ist, sind vorzugsweise auch Einrichtungen zur Einführung eines sauerstoffhaltigen Verbrennungsgases und Wirbelgases in die obere Kammer vorhanden.

Weiterhin liegt es innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung, wenigstens eine zusätzliche Kühlzone, ähnlich der in der Zeichnung dargestellten, zusammenhängend mit der Verbrennungszone 1 aufzuweisen. Es ist daher vorstellbar, daß die Vorrichtung der Zeichnung eine zweite Kühlzone hat, ähnlich wie die Kühlzone 3, mit allen dazugehörigen Rohrleitungen, Leitungen und Ventilen. Es wird bevorzugt, daß die Teilchenfließrate durch den zusätzlichen Kühlereinefeste Größe hat, so daß Teilchenfließrate und Menge des Wirbelgasstromes durch die zusätzliche Zone in der zusätzlichen Zone dazu führt, daß etwa 50% der Gesamtwärme aus der Verbrennungszone durch die Kühlerzonen abgezogen werden. In der Rohrleitung der zusätzlichen Kühlzone ist eine verengende Austrittsöffnung mit festen Dimensionen angeordnet anstelle eines Steuerungsventiles. Diese bewirkt die gewünschte konstante Fließrate der Teilchen dort hindurch mit einem spezifischen Druckabfall an der Öffnung. Der Druckabfall an der Öffnung kann groß eingestellt sein durch Feststellung einer konstanten Tiefe des dichten Wirbelbettes über der Öffnung mit Hilfe von Einrichtungen wie dem Überlauf des Sammelgefäßes 44 in der Zeichnung.

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Vorrichtung zur Verbrennung eines verbrennbaren Materials auf fluidisierten Feststoffteilchen und zur gleichzeitigen Kühlung der anfallenden heißen fluidisierten Teilchen, gekennzeichnet durch

(a) eine vertikal angeordnete Verbrennungskammer (1);

(b) eine Stillsetzungskammer (2), darüber angrenzend angeordnet und über der Verbrennungskammer (1) und mit ihr in Verbindung, wobei am Boden der Stillsetzungskammer (2) ein Sammelabschnitt heißer Fluidteilchen vorhanden ist;

(c) eine vertikal angeordnete Kühlkammer (3), die wenigstens einen vertikal angeordneten Wärmeaustauscher umgibt, wobei die Kühlkammer (3) sich in unmittelbarer Nähe zu einem unteren Teil der Verbrennungskammer (1) befindet und die Kühlkammer (3) einen oberen Teilcheneinlaß (4) und einen unteren Teilchenauslaß (5) aufweist und wobei der gesamte Wärmeaustauscher unterhalb des Teilchenauslasses (5) angeordnet ist;

(d) eine Rohrleitung (4) für heiße Teilchen mit vertikaler Anordnung, die den Sammelabschnitt für heiße Teilchen von der Stillsetzungskammer (2) mit dem Teilcheneinlaß der Kühlkammer (3) verbindet, so daß heiße Teilchen von der Stillsetzungskammer (2) abwärts zur Kühlkammer (3) fließen können;

(e) Teilchenfluß-Einschränkungsvorrichtung (24) in der Rohrleitung (4) für heiße Teilchen;

(f) eine offene Verbindungsstrecke, die den Teilchenauslaß (5) der Kühlkammer mit der Verbrennungskammer (1) verbindet und Einrichtungen (5) für den Fluß gekühlter Teilchen und des Wirbelgases vom Wärmeaustauscher zur Verbrennungskammer aufweist;

(g) eine Einlaßrohrleitung (27) für Wirbelgas, die mit einem Bodenteil der Kühlkammer (3) verbunden ist und Einrichtungen (20) für den Durchlaß von Wirbelgas auf die Mantelseite des Wärmeaustauschers aufweist und zur Aufrechterhaltung eines Katalysator-Wirbelbetts innerhalb der Kühlkammer (3); und

(h) ein Fließ-Steuerventil (20), das in der Einlaßrohrleitung für Wirbeigas angeordnet ist.
2. Vorrichtungen nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß sie ein Temperatursteuersystem (21; 22) aufweist, das aus Einrichtungen (24; 20) besteht zur Beeinflussung der Temperatur an einem ausgewählten Ort in der Verbrennungskammer (1), Steuereinrichtung (21) mit einstellbarem Einstellpunkt, die mit den Einrichtungen (22) zur Beeinflussung derTemperatur in Verbindung stehen und die Ausgangssignale abgeben sowie Einrichtungen (23) zur Übertragung dieser Ausgangssignale zu dem Steuerventil (20), das in derWirbelgas-Einlaßrohrleitung (27) angeordnet ist, wobei letzteresauf dieTemperaturanspricht, wodurch der Wirbelgasflußzur Kühlkammer (3) reguliertwird sowie Menge und Geschwindigkeit der durch die Kühlkammer (3) unterhalb des Teilcheneinlasses zirkulierenden Teilchen und wodurch der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen der äußeren Oberfläche des Wärmeaustauschers und dem Teilchenfließbett reguliertwird.
3. Vorrichtung nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß ein zweites Fließsteuerventil (24) in der Rohrleitung für heißeTeilchen angeordnet ist. Einrichtungen (23) zur Übertragung eines zweiten Ausgangssignals zum zweiten Steuerventil (24) vom Temperatursteuersystem (21; 22),wodurch daszweite Fließsteuerventil (24) auf das AnsprechenfürdieTemperatureingestellt ist, wodurch das Fließen heißer Teilchen durch den Wärmetauscher reguliertwird und wodurch weitere Einrichtungen zur Regulierung des Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen äußerer Oberfläche des Wärmeaustauschers und Teiichenfließbett vorhanden sind.
4. Verfahren zur Verbrennung eines verbrennbaren Materials auf fluidisierten Feststoffteilchen und zur gleichzeitigen Kühlung der heißen fluidisierten Teilchen, gekennzeichnet durch

a) Einführen eines ersten Stromes sauerstoffhaltigen Verbrennungsgases und fluidisierter Feststoffteilchen in eine Verbrennungszone, die bei einerTemperatur gehalten wird, diefürdie Oxydation des verbrennbaren Materials ausreichend ist, sowie Oxydation des verbrennbaren Materials zur Herstellung heißerfluidisierter Feststoffteilchen;

b) Aufwärtsführen fester Teilchen durch Fluidisieren aus der Verbrenn-ungszone in eine oberhalb der Verbrennungszone angeordnete zweite Zone und Sammeln eines Dichtphasenbettes heißer fester Teilchen in einer am Boden der zweiten Zone angeordneten Teilchensammeizone;

c) Übertragen eines Stromes festerTeilchen aus dem Teilchensammeiabschnitt abwärts über Steuerungseinrichtungen für den Teilchenfluß und eine vertikal angeordnete erste Teilchenübertragungsrohrleitung in ein oberes Ende einer Kühlkammer für zu rückvermischte Teilchen;

d) Einmischen des Stromes festerTeilchen in ein zurückvermischtes Dichtphasen-Wirbelbett in einem unteren Teil der Teilchenkühlkammer;

e) gesteuertes Fluidisieren des Dichtphasen-Wirbelbettes durch die Aufwärtspassage eines gesteuerten Fließens eines zweiten Stromes sauerstoff haltigen Verbrennungsgases;

f) Kühlen der Teilchen, die in dem zurückvermischten Dichtphasen-Wirbelbett vorhanden sind, durch Einsatz eines im unteren Teil der Teilchenkühlkammer angeordneten Wärmeaustauschers;

g) Austragen des zweiten Verbrennungsgasstromes und von Katalysatorteilchen aus der Kühlkammer in die Verbrennungszonedurch einezweite Teilchenübertragungsrohrleitung, die mit der Kühlkammer an einem Punkt oberhalb des Wärmeaustauschers in Verbindung steht.
5. Verfahren nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Fließrate des zweiten Verbrennungsgasstromes in die Kühlzone in Abhängigkeit von einer innerhalb der Verbrennungszone gemessenen Temperatur gesteuert wird.
6. Verfahren nach Punkt 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Fließrate des Teilchenstromes abwärts durch die erste Teilchenübertragungsrohrleitung durch ein variables Fließsteuerventil in Abhängigkeit von der innerhalb der Verbrennungszone gemessenen Temperatur gesteuert wird.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen