DE102007006310A1

DE102007006310A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regenerierung deaktivierter Katalysatorpartikel

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Publication number: DE102007006310A1
Application number: DE102007006310A
Authority: DE
Original assignee: Eisenmann Anlagenbau GmbH and Co KG
Current assignee: Eisenmann SE
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2027-01-31
Also published as: DE102007006310B4

Abstract

Bei einem Verfahren zur Regenerierung deaktivierter Katalysatorpartikel wird zunächst eine flüssige Suspension bereitgestellt, in der die Katalysatorpartikel verteilt sind. Dies kann beispielsweise die Erwärmung einer wachsartigen Trägersubstanz beinhalten, in der die Katalysatorpartikel verteilt sind. Die Suspension wird dann kontinuierlich zusammen mit einer nicht brennbaren Temperierflüssigkeit und vorzugsweise mit Druckluf in einen sauerstoffhaltigen vorgeheizten Gassstrom an einem Einbringort eingebracht. Stromabwärts des Einbringorts werden die Katalysatorpartikel kontinuierlich aus dem Gasstrom abgeschieden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regenerierung deaktivierter Katalysatorpartikel. Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung, die aufweist:

a) einen Reaktor, in dem eine flüssige Suspension, in der die Katalysatorpartikel verteilt sind, in einen sauerstoffhaltigen vorgeheizten Gasstrom kontinuierlich einbringbar ist, und
b) eine Abtrenneinrichtung zum kontinuierlichen Abtrennen der regenerierten Katalysatorpartikel aus einem aus dem Reaktor ausgeleiteten Gasstrom.

Ein Verfahren sowie eine Vorrichtung dieser Art sind aus der DE 43 18 095 A1 bekannt.
Partikelförmige chemische Katalysatoren, wie sie beispielsweise in der chemischen oder erdölverarbeitenden Industrie eingesetzt werden, verlieren ihre katalytische Wirkung nach einiger Zeit. Die nachlassende Reaktivität hängt vor allem damit zusammen, daß noch kleinere, meist organische Partikel die Poren der reaktiven Oberfläche der Katalysatorpartikel zusetzen.
Bestimmte Katalysatoren lassen sich regenerieren, indem organische Partikel, welche die Poren der Oberfläche zusetzen, verbrannt werden. Im Zusammenhang mit keramischen Trägermaterialien ist ein solches Regenerationsverfahren beispielsweise aus der vorstehend genannten DE 43 18 095 A1 beschrieben. Bei diesem bekannten Verfahren wird eine wässrige Suspension, in der die deaktivierten Katalysatorpartikel verteilt sind, in einen sauerstoffhaltigen vorgeheizten Gasstrom mit einer Temperatur zwischen 300°C und 1050°C eingespritzt. In dem Gasstrom verbrennen die organischen Partikel, welche die Poren in der reaktiven Oberfläche des keramischen Katalysators zusetzen. Die regenerierten Katalysatorpartikel werden anschließend naß oder trocken aus dem Gasstrom abgeschieden.
Wegen der hohen Reaktivität der kleinen Katalysatorpartikel ist die Durchführung derartiger Regenerierungsprozesse allerdings nicht unkritisch. Bei unsachgemäßer Prozeßführung kann es beispielsweise zu Selbstentzündungen und anderen selbstbeschleunigenden chemischen Reaktionen kommen.
Bislang noch ungelöst sind die Probleme, die bei der Regenerierung bestimmter Katalysatorpartikel auftreten, wie sie etwa zur Katalyse der Fischer-Tropsch-Reaktion eingesetzt werden. Die zu regenerierenden Katalysatorpartikel sind in einer wachsartigen Trägersubstanz (Matrix), z. B. Paraffin, eingebettet. Wird das Paraffin zunächst verflüssigt und zusammen mit den darin enthaltenen Katalysa torpartikeln in einen vorgeheizten Gasstrom eingespritzt, so können infolge der raschen Verbrennung der Paraffinbestandteile in der Umgebung der Katalysatorpartikel sehr hohe Temperaturen auftreten. Diese Temperaturen erreichen schnell Höhen, bei denen die reaktiven Oberflächen der zu regenerierenden Katalysatorpartikel oxidieren oder durch thermische Überbeanspruchung ihre Reaktivität verlieren.
Aufgabe der Erfindung ist es deswegen, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß die Prozeßbedingungen während der Regenerierung besser kontrollierbar sind. Insbesondere soll die Gefahr von Beschädigungen der reaktiven Oberfläche der Katalysatorpartikel verringert werden.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe durch folgende Schritte gelöst:

a) Bereitstellen einer flüssigen Suspension, in der die Katalysatorpartikel verteilt sind;
b) Kontinuierliches Einbringen der Suspension und einer nicht brennbaren Temperierflüssigkeit in einen sauerstoffhaltigen vorgeheizten Gasstrom an einem Einbringort;
c) Kontinuierliches Abtrennen der Katalysatorpartikel aus dem Gasstrom stromabwärts des Einbringorts.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß man durch zusätzliches Einbringen einer nicht brennbaren Temperierflüssigkeit in den Gasstrom die Temperatur in der Umgebung der Katalysatorpartikel kontrolliert verringern kann. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß beim Verdampfen der Temperierflüssigkeit Wärme aus der Umgebung entnommen wird, was zu der gewünschten Temperaturverringerung führt. Je mehr Temperierflüssigkeit eingebracht wird, desto höher ist die Temperaturabsenkung.
Besonders geeignet als Temperierflüssigkeit ist Wasser, da Wasser eine relativ große Verdampfungsenthalphie hat, sehr preiswert bereitgestellt werden kann und prozeßtechnisch einfach handhabbar ist.
Für eine möglichst vollständige Verbrennung der meist organischen Bestandteile, welche die Poren der katalytischen Oberflächen zusetzen, ist es besonders günstig, wenn die Suspension und die Temperierflüssigkeit in Schritt b), vorzugsweise unter Zufuhr eines Druckgases, in einer Düse zusammengeführt und vernebelt werden.
Die Suspension, die Temperierflüssigkeit und das Druckgas (z. B. Druckluft) können erstmalig in einer Dreistoffdüse zusammengeführt und vernebelt werden. Alternativ hierzu ist es möglich, die Temperierflüssigkeit und das Druckgas bereits außerhalb der Düse zu vermischen. In diesem Fall kann ein Gemisch aus Temperierflüssigkeit und Druckgas in einer Zweistoffdüse der Suspension beigemischt werden.
Sind die Katalysatorpartikel in einer wachsartigen Trägersubstanz wie z. B. Paraffin verteilt, so muß diese zunächst verflüssigt werden, um gemäß Schritt a) eine Suspension bereitstellen zu können. Eine Verflüssigung kann zum Beispiel durch Druckerhöhung bewirkt werden. Noch günstiger und in der Regel auch einfacher ist es jedoch, die wachsartige Trägersubstanz zum Zwecke der Verflüssigung zu erwärmen.
Damit bei der Verwendung wachsartiger Trägersubstanzen diese nicht beim Zusammenführen mit der Temperierflüssigkeit und dem Druckgas erstarrt, sollten sowohl die Temperierflüssigkeit als auch das Druckgas vor dem Einbringen in Schritt b) erwärmt werden, und zwar vorzugsweise auf eine Temperatur, die höher ist als die Schmelztemperatur der Trägersubstanz.
Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird die oben erwähnte Aufgabe dadurch gelöst, daß in den sauerstoffhaltigen vorgeheizten Gasstrom kontinuierlich eine nicht brennbare Temperierflüssigkeit zusätzlich einbringbar ist.
Wegen der damit verbundenen Vorteile und der vorteilhaften Ausgestaltungen wird auf die obigen Ausführungen zum Verfahren verwiesen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Regenerierung deaktivierter Katalysatorpartikel;
2 einen vergrößerten axialen Schnitt durch eine Sprühlanze, die Teil der in der 1 gezeigten Vorrichtung ist;
3 eine der 2 entsprechende Darstellung einer Sprühlanze gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.
Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine insgesamt mit 10 bezeichnete Vorrichtung zur Regenerierung deaktivierter Katalysatorpartikel. Die Vorrichtung 10 weist einen Reaktor 12 mit einem Reaktorraum 14 auf, in den von unten tangential ein bei 16 angedeuteter heißer Gasstrom eingeleitet wird. Infolge der tangentialen Einleitung wird der Gasstrom in eine Drehung versetzt und wandert in einer schraubenförmigen Bewegung innerhalb von wenigen Sekunden zum oberen Ende des Reaktorraums 14. Die schraubenartige Bewegung des Gasstroms geht mit starken Turbulenzen einher, die für eine gute Durchmischung der Gase sorgen. Reaktoren dieser Art werden im Stand der Technik unter anderem zur Pyrolyse und Verbrennung von Rückständen und Schlämmen sowie zur Abluftreinigung eingesetzt. Wegen der starken Turbulenzen im Reaktorraum 14 bezeichnet man derartige Reaktoren häufig auch als Turaktoren oder Turbulatoren.
Am oberen Ende des Reaktors 12 ist eine Sprühlanze 18 mit einer Dreistoffdüse 20 angeordnet, deren Einzelheiten weiter unten mit Bezug auf die 2 erläutert werden. Die Sprühlanze 18 mit der Dreistoffdüse 20 dienen dazu, eine Mischung aus erwärmtem Wasser und einer Suspension, welche die zu regenerierenden Katalysatorpartikel enthält, unter Zufuhr von erwärmter Druckluft in den Reaktorraum 14 einzusprühen.
Die Sprühlanze 18 ist zu diesem Zweck über eine erste Leitung 22 und eine darin integrierte Pumpe 24 mit einem Behälter 26 verbunden, in dem die flüssige Suspension bereitgehalten wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird angenommen, daß die Katalysatorpartikel während ihres Einsatzes in der chemischen oder erdölverarbeitenden Industrie in einem wachsartigen Paraffin verteilt sind, dessen Schmelzpunkt größenordnungsmäßig zwischen etwa 50°C und 100°C und damit deutlich oberhalb der Raumtemperatur liegt. Da das bei Raumtemperatur feste oder sehr zähflüssige Paraffin nicht in den Reaktor eingesprüht werden kann, befindet sich im Behälter 26 eine Heizeinrichtung 28, mit der das bei 30 eingeleitete Paraffin verflüssigt wird. Zur Homogenisierung des verflüssigten Paraffins weist der Behälter 26 ferner einen Rührer 32 auf.
Die bei 34 angedeutete Zufuhr von Druckluft erfolgt über eine zweite Leitung 36, in die zur Erwärmung der Druckluft ein Wärmetauscher 38 integriert ist. Eine bei 40 angedeutete Zufuhr von Wasser erfolgt über eine dritte Leitung 42, in die eine Pumpe 44 sowie ein weiterer Wärmetauscher 46 zur Erwärmung des Wassers integriert sind.
Am oberen Ende des Reaktors 12 geht vom Reaktorraum 14 ein Austrittskanal 48 ab, der den Reaktorraum 14 mit einem Zyklon 50 verbindet. Der Zyklon 50 ist über einen weiteren Wärmetauscher 52 zur Wärmenutzung mit einem Filter 54 verbunden, bei dem es sich zum Beispiel um einen Nass-Elektrofilter oder einen Trockenfilter handeln kann. Der Filter 54 ist ausgangsseitig über ein Saugzuggebläse 56 mit einem Kamin 58 verbunden.
Die 2 zeigt in einer vergrößerten Darstellung die Sprühlanze 18 in einem axialen Schnitt. Die in einen Deckel 70 des Reaktors 12 eingelassene Sprühlanze 18 weist einen Kühlmantel 72 auf, der während des Betriebs des Reaktors 12 von Kühlwasser 74 durchströmt wird. Die in der Schnittdarstellung der 2 nicht erkennbare Zu- und Ableitung des Kühlwassers 74 ist in der 1 mit Pfeilen 64 bzw. 66 angedeutet.
Der Kühlmantel 72 legt, zusammen mit einer Deckplatte 78 und einer Bodenplatte 80, einen Innenraum 82 fest, durch den hindurch sich die Leitungen 22, 36 und 42 für die Paraffinsuspension, die erwärmte Druckluft bzw. das erwärmte Wasser erstrecken. Die Leitungen 22, 42, 36 sind dabei durch Öffnungen in der Deckplatte 78 geführt und endseitig an die Dreistoffdüse 20 angeschlossen.
Die Dreistoffdüse 20 enthält in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine zentrale zylindrische Mischkammer (nicht dargestellt), die einen Mantel aus einem Lochblech o. ä. und zwei einander gegenüberliegende Stirnflächen hat. Die eine Stirnfläche enthält eine Düsenöffnung 84, während die gegenüberliegende Stirnfläche eine Eintrittsöffnung für die Paraffin-Suspension aufweist. Umgeben ist die zentrale Mischkammer von einer Mantelkammer in Form eines Zylindermantels, welche von der zentralen Mischkammer durch das Lochblech getrennt ist. In die Mantelkammer kann, zum Beispiel tangential, über eine Eintrittsöffnung Druckluft und über eine weitere Eintrittsöffnung Wasser eingeleitet werden. Die Dreistoffdüse 20 durchsetzt die Bodenplatte 80, so daß aus der Düsenöffnung 84 ein feiner Sprühnebel 86 aus Wassertröpfchen und Paraffintröpfchen mit darin verteilten Katalysatorpartikeln in den Reaktorraum 14 eintreten kann.
Die in den 1 und 2 gezeigte Vorrichtung funktioniert wie folgt:
Die Heizeinrichtung 28 erwärmt das bei 30 in den Behälter 26 zugeführte Paraffin, um es zu verflüssigen. Auf diese Weise entsteht im Behälter 26 eine flüssige und mit Hilfe des Rührers 32 homogenisierte Suspension, in der die zu regenerierenden Katalysatorpartikel verteilt sind. Diese Suspension wird über die Pumpe 24 der Sprühlanze 18 zugeführt.
Gleichzeitig werden über die zweiten und dritten Leitungen 36, 42 erwärmte Druckluft bzw. erwärmtes Wasser der Sprühlanze 18 zugeführt. Würde man der Dreistoffdüse 20 Wasser und Druckluft zuführen, deren Temperatur die Raumtemperatur nicht überschreitet und damit deutlich unterhalb der Schmelztemperatur des Paraffins liegt, so bestände die Gefahr, daß die paraffinhaltige Suspension in der Dreistoffdüse 20 bei der Mischung mit dem relativ kalten Wasser und der relativ kalten Druckluft erstarren würde. Deswegen wird die Druckluft und das Wasser in den Wärmetauschern 38 bzw. 46 auf Temperaturen erwärmt, die möglichst oberhalb der Schmelztemperatur des Paraffins liegen sollten. Auf diese Weise können das Wasser und die Druckluft die Suspension nicht in der Dreistoffdüse 20 bis zum Erstarren abkühlen.
In der Dreistoffdüse 20 vermischen sich die Druckluft und das Wasser bereits in der Mantelkammer und treten als Gemisch durch die Öffnungen im Lochgitter in die zentrale Mischkammer ein. Dort entsteht eine weitgehend homogene Mischung aus Paraffin-Suspension, Druckluft und Wasser, die über die Düsenöffnung 84 austritt und zu dem gleichmäßigen Sprühnebel 86 im Reaktorraum 14 führt. Der Sprühnebel 86 enthält sowohl feine Paraffintröpfchen mit darin enthaltenen Katalysatorpartikeln als auch feine Wassertröpfchen.
Da der Sprühnebel 86 in den heißen Gasstrom eingesprüht wird, entzünden sich die Paraffintröpfchen schlagartig und setzen bei der Verbrennung eine relativ große Wärmemenge frei. Gleichzeitig entziehen die Wassertröpfchen jedoch durch Verdampfung einen größeren Teil der bei der Verbrennung des Paraffins freiwerdenden Wärme, wodurch die Temperatur in der Umgebung der zur regenerierenden Katalysatorpartikel relativ niedrig bleibt. Die Menge des zugeführten Wassers wird so gewählt, daß die sich in der Umgebung der Katalysatorpartikel einstellende Temperatur nicht über eine Grenztemperatur hinausgeht, oberhalb derer die reaktive Oberfläche der Katalysatorpartikel oxidiert oder z. B. durch Überhitzung Schaden nimmt. Wo für eine bestimmte Art von Katalysatorpartikeln diese Grenztemperatur liegt, kann z. B. durch geeignete Vorversuche ermittelt werden.
Im dem Reaktorraum 14 verbrennen nicht nur die Paraffintröpfchen, sondern auch organische Partikel, die sich an der reaktiven Oberfläche der Katalysatorpartikel angelagert haben und diese dadurch deaktivieren. Durch die Verbrennung der organischen Partikel erhalten die Kataly satorpartikel wieder ihre ursprüngliche Reaktivität zurück.
Zum Abtrennen der regenerierten Katalysatorpartikel aus dem Gasstrom wird letzterer über den Kanal 48 dem Zyklon 50 und dem Filter 54 zugeführt. Der größte Teil der Katalysatorpartikel wird im Zyklon 50 abgeschieden und kann bei 60 entnommen werden. Verbleibende Rückstände im Gasstrom werden im Filter 54 abgeschieden und können bei 62 entnommen werden. Der Gasstrom ist nun weitgehend frei von festen Bestandteilen und kann über den Kamin 58 in die Atmosphäre geleitet werden. Im Gasstrom enthaltene Restwärme wird mit Hilfe des Wärmetauschers 52 entnommen und kann beispielsweise zur Erwärmung des Paraffins, der Druckluft und/oder des Wassers in den Wärmetauschern 28, 38 bzw. 46 verwendet werden.
Die 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung für eine mit 18' bezeichnete Sprühlanze. Gleiche oder einander entsprechende Teile sind dabei mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Sprühlanze 18' unterscheidet sich von der in 2 gezeigten Sprühlanze 18 lediglich dadurch, daß die erwärmte Druckluft und das erwärmte Wasser nicht in einer Dreistoffdüse, sondern bereits vorher an einem T-Stück 90 zusammengeführt werden. Als Düse genügt deswegen eine Zweistoffdüse 20', bei der im Gegensatz zur Dreistoffdüse nur eine Zuleitung für das Wasser-Luft-Gemisch in der Mantelkammer vorgesehen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4318095 A1 [0002, 0004]

Claims

Verfahren zur Regenerierung deaktivierter Katalysatorpartikel, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer flüssigen Suspension, in der die Katalysatorpartikel verteilt sind; b) Kontinuierliches Einbringen der Suspension und einer nicht brennbaren Temperierflüssigkeit in einen sauerstoffhaltigen vorgeheizten Gasstrom an einem Einbringort; c) Kontinuierliches Abtrennen der Katalysatorpartikel aus dem Gasstrom stromabwärts des Einbringorts.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Temperierflüssigkeit Wasser ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Suspension und die Temperierflüssigkeit in Schritt b) in einer Düse (20; 20') zusammengeführt und vernebelt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Suspension und die Temperierflüssigkeit unter Zufuhr eines Druckgases vernebelt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Suspension, die Temperierflüssigkeit und das Druckgas in einer Dreistoffdüse (20) zusammengeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt a) das Verflüssigen einer wachsartigen Trägersubstanz umfaßt, in der die Katalysatorpartikel verteilt sind.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Trägersubstanz zum Verflüssigen erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Temperierflüssigkeit vor dem Einbringen in Schritt b) erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Temperierflüssigkeit bis auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher ist als die Schmelztemperatur der Trägersubstanz.
Verfahren nach Anspruch 4 und nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem das Druckgas vor der Zufuhr erwärmt wird.
Vorrichtung zur Regenerierung deaktivierter Katalysatorpartikel, mit: a) einem Reaktor (12), in dem eine flüssige Suspension, in der die Katalysatorpartikel verteilt sind, in einen sauerstoffhaltigen vorgeheizten Gasstrom kontinuierlich einbringbar ist, und b) einer Abtrenneinrichtung (50, 54) zum kontinuierliches Abtrennen der regenerierten Katalysatorpartikel aus einem aus dem Reaktor (12) ausgeleiteten Gasstrom, dadurch gekennzeichnet, daß c) in den sauerstoffhaltigen vorgeheizten Gasstrom kontinuierlich eine nicht brennbare Temperierflüssigkeit zusätzlich einbringbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Düse (20; 20'), mit der die Temperierflüssigkeit gemeinsam mit der Suspension und einem Druckgas in den Reaktor (12) einbringbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (20) eine Dreistoffdüse ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (38) zum Erwärmen des Druckgases.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet durch einen Verflüssiger (28) zum Verflüssigen einer wachsartigen Trägersubstanz, in welche die Katalysatorpartikel verteilt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (46) zum Erwärmen der Temperierflüssigkeit.