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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Partikeln, insbesondere
Kokspartikeln, aus einer Wasserphase mittels Schwerkraft in einer Anlage
zur Erzeugung von Kohlenwasserstoffen durch die Spaltung eines kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzes
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Im
Rahmen dieser Erfindung werden Partikel, welche den Prozess stören oder
behindern, wie Koks, Teer, Schweröl oder ähnliche längerkettige Kohlenwasserstoffe
als Kokspartikel zusammengefasst und bezeichnet.
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Anlagen
zur Erzeugung von Kohlenwasserstoffen durch die Spaltung eines kohlenwasserstoffhaltigen
Einsatzes werden auch als Olefinanlagen bezeichnet. In einer Olefinanlage
wird ein kohlenwasserstoffhaltiger Einsatz in der flüssigen oder
gasförmigen
Phase in ein katalytisches oder thermisches Verfahren geführt. Dabei
werden die längerkettigen Kohlenwasserstoffe
in kürzerkettige
Kohlenwasserstoffe umgewandelt. Aus den so entstandenen kürzerkettigen
Kohlenwasserstoffen werden anschließend in einem Tieftemperaturzerlegungsteil
die gewünschten
Olefinprodukte herausgetrennt.
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Die
Erfindung wird im Folgenden am Beispiel einer Ethylenanlage beschrieben,
ist aber prinzipiell für
jede Olefinanlage geeignet, bei der feste Partikel, insbesondere
Kokspartikel, aus einer Wasserphase mittels Schwerkraft abgetrennt
werden müssen.
In einer Ethylenanlage wird ein gasförmiger Einsatz in einen Spaltofen
geführt
und thermisch gespalten. Bei der Spaltung entsteht dabei hauptsächlich Ethylen, welches
von den anderen Kohlenwasserstoffen im anschließenden Temperaturzerlegungsteil
abgetrennt wird.
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Der
kohlenwasserstoffhaltige Einsatz wird in der Ethylenanlage mit heißem Dampf
vermischt und in einen Spaltofen geführt. Das Kohlenwasserstoff-Dampf-Gemisch
wird in Spaltrohren, welche von außen beheizt werden, durch den
Spaltofen geführt. Dabei wird
das Kohlenwasserstoff-Dampf-Gemisch für Sekundenbruchteile auf Temperaturen
von bis zu 800°C
erwärmt.
Bei diesen Temperaturen spalten sich die längerkettigen Kohlenwasserstoffe
in kürzerkettige
Kohlenwasserstoffe auf. Um eine unerwünschte Weiterreaktion der kürzerkettigen
Kohlenwasserstoffe zu verhindern, muss das so genannte Spaltgas
nach dem Spaltofen möglichst
schnell wieder abgekühlt
werden. Zur Abkühlung
wird das Spaltgas aus dem Spaltofen in eine Quenchkolonne oder Waschwasserkolonne
geführt.
In der Quenchkolonne wird das Spaltgas durch den Kontakt mit Wasser gleichzeitig
abgekühlt
und gewaschen.
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Im
Folgenden wird die Kolonne, in der das Spaltgas direkt nach dem
Spaltofen abgekühlt
und gewaschen wird, als Waschwasserkolonne bezeichnet.
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Das
Spaltgas wird unten in die Waschwasserkolonne aufgegeben und durchströmt die Waschwasserkolonne
von unten nach oben, so dass das gereinigte und abgekühlte Spaltgas
die Waschwasserkolonne über
den Kopf der Kolonne verlässt.
Das Quench- oder
Waschwasser wird über
den Kopf der Waschwasserkolonne aufgegeben.
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Spaltgas
und Quenchwasser passieren daher im Gegenstrom, wodurch ein intensiver
Wärme- und
Stoffaustausch erreicht wird. Typischerweise enthält die Waschwasserkolonne
verschiedene Sektionen mit mehreren Kaminböden, auf denen sich die Wasserphase
sammelt und abgezogen werden kann. In einem derartigen Fall wird
jede Sektion separat von oben mit Quenchwasser beaufschlagt, wobei eine
größere Menge
auf die untere Sektion aufgegeben wird.
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In
der Waschwasserkolonne wird das Spaltgas nicht nur abgekühlt, sondern
von festen Partikeln, wie Kokspartikel, gereinigt. Bei der thermischen Spaltung
in Spaltofen bilden sich feste Kokspartikel, welche aus Agglomeraten
von längerkettigen
Kohlenwasserstoffen bestehen. Diese festen Partikel werden in der
Waschwasserkolonne durch das Quenchwasser aus dem Spaltgas heraus
gewaschen.
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Nach
dem Stand der Technik bildet sich somit im Sumpf der Waschwasserkolonne
eine Wasserphase, welch einen hohen Anteil fester Kokspartikel aufweist.
Diese Wasserphase mit den festen Kokspartikeln wird aus dem Sumpf
direkt über
den Kolonnenboden abgezogen.
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Die,
mit festen Kokspartikeln beladene, Wasserphase, welche vom Boden
der Kolonne abgezogen wird, enthält
den Hauptanteil des Quenchwassers, welches der Kolonne aufgegeben
wurde. Um das Wasser aus dem Sumpf der Kolonne wieder verwenden
zu können,
müssen
die festen Kokspartikeln abgetrennt werden. Dies erfolgt nach dem
Stand der Technik in einer Ethylenanlage über Schwerkraftabscheider.
Als erster Schwerkraftabscheider nach dem Stand der Technik wird
ein riesiger mehrstufiger Absetzbehälter, auch als Dekanter bezeichnet,
verwendet. Ein mehrstufiger Absetzbehälter nach dem Stand der Technik
weist mehrere Vertiefungen auf. Um sicher zu stellen, dass die Wasserphase,
welche von einem Punkt oberhalb der Vertiefungen aus dem Absetzbehälter abgezogen
wird, frei von festen Kokspartikeln ist, muss der Absetzbehälter derart
dimensioniert sein, dass die Verweildauer der Wasserphase im Absetzbehälter hinreichend
groß ist.
Nur bei hinreichend großer
Verweildauer können
sich alle Kokspartikel, angetrieben durch die Schwerkraft, absetzen
und in den Vertiefungen sammeln. Zusätzlich trennt sich in diesem
mehrstufigen Absetzbehälter die
Wasserphase von der Phase der leichten Kohlenwasserstoffe, die von
einem Punkt oberhalb des Abzuges der Wasserphase abgezogen wird.
Aus diesem Grund müssen
die mehrstufigen Absetzbehälter nach
dem Stand der Technik bei der großen Menge der Wasserphase sehr
groß in
Durchmesser und Länge
dimensioniert werden.
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Aus
den Vertiefungen des Absetzbehälters wird
eine Wasserphase abgezogen, welche eine deutlich höhere Konzentration
an Kokspartikeln aufweist, als ursprünglich in den Absetzbehälter eingegeben.
Diese aufkonzentrierte Wasserphase wird zu den Schwerkraftabscheidern
der zweiten Stufe geführt.
Die Schwerkraftabscheider der zweiten Stufe nach dem Stand der Technik
sind ein oder mehrere Behälter
mit konusförmigen
Boden. Die festen Kokspartikel setzen sich in Folge der Schwerkraft
unten im konusförmigen
Teil des Behälters
ab. In den Behältern
mit dem konusförmigen
Boden bildet sich somit eine leichte Phase oben und eine schwere
Phase im unteren Teil des Konusses. Die Dichte der schweren Phase
im unteren Teil des Konusses kann dabei, durch das hintereinander
Schalten mehrerer derartiger Behälter
weiter erhöht
werden. Am Ende wird die schwere Phase aus der Anlage entfernt.
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Die
Abtrennung der festen Kokspartikel aus der Wasserphase nach dem
Stand der Technik weist dabei mehrer Nachteile auf. Die mit festen
Kospartikeln beladene Wasserphase aus dem Sumpf der Waschwasserkolonne
fällt in
sehr großer
Menge an, da eine große
Menge Quenchwasser zur Reinigung und vor allem zur Abkühlung des
Spaltgases benötigt wird.
Daher muss der erste Schwerkraftabscheider, welcher nach dem Stand
der Technik aus einem mehrstufigen Absetzbehälter besteht, sehr groß ausgeführt werden.
Nur so lässt
sich eine hinreichende Verweildauer der, mit festen Kokspartikeln
beladenen, Wasserphase sicherstellen. Nur bei ausreichend großer Verweildauer
können
sich die Kokspartikeln in den Vertiefungen absetzen und eine kokspartikelfreie
Wasserphase kann aus dem Absetzbehälter gewonnen werden. Dies
bedingt einen hohen baulichen Aufwand, da dabei nicht nur der eigentliche Absetzbehälter sehr
groß ausgeführt werden
muss, sondern auch noch unter der Waschwasserkolonne angeordnet
werden muss. D. h. die ohnehin schon hohe Waschwasserkolonne muss
noch in eine Höhe von
mehreren 10 m installiert werden, um zu gewährleisten, dass sich der Abzug
vom Boden der Waschwasserkolonne oberhalb des großen Absetzbehälters befindet.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
sowie eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art derart auszugestalten,
dass der bauliche Aufwand in einer Olefinanlage reduziert wird.
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Die
gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass
die Wasserphase aus dem Sumpf der Waschwasserkolonne überwiegend
von einem Punkt oberhalb des Kolonnenbodens abgezogen wird.
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Gemäß dem Grundgedanken
der Erfindung wird die Wasserphase aus dem Sumpf der Waschwasserkolonnen
nicht wie im Stand der Technik über den
Kolonnenboden sondern überwiegend
von einem Punkt abgezogen, der oberhalb des Kolonnenboden liegt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann
somit der gesamte Sumpfbereich der Waschwasserkolonne, welcher unterhalb
des Punktes liegt, von dem die Wasserphase überwiegend abgezogen wird,
selbst als Schwerkraftabscheider wirken. Der eigentliche Schwerkraftabscheider,
in den die abgezogene Wasserphase geführt wird, kann somit kleiner
dimensioniert werden. Zusätzlich
muss die Waschwasserkolonne nicht mehr oberhalb des ersten Schwerkraftabscheiders
angeordnet werden, wodurch die Bauhöhe und die damit verbundenen
Einbindungshöhen
der, stromauf- oder stromabwärts
der Waschwasserkolonne gelegenen, Anlagenteile deutlich reduziert
werden.
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Bevorzug
wird die Wasserphase oberhalb, besonders bevorzugt in einer Höhe zwischen
der halben oder ganzen Nennweite des Abzuges, des Bereiches abgezogen
wird, wo die Form des Kolonnenmantels von zylinderförmig auf
konisch wechselt. Der untere Bereich eigentlich zylinderförmigen Quenchkolonne
ist konisch, um ein Absinken der Kokspartikel zum tiefsten Punkt
der Quenchkolonne sicher zu stellen. Die Wasserphase wird bevorzugt
oberhalb des Übergangs
zwischen zylinderförmiger
und konischer Form des Kolonnenmantels abgezogen. Besonders bevorzugt
wird die Wasserphase in der halben bis ganzen Höhe der Nennweite des verwendeten
Abzugsrohres oberhalb des Übergangsbereiches abgezogen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Wasserphase vom
Sumpf der Waschwasserkolonne in einen ersten Schwerkraftabscheider
geführt,
der bevorzugt als mehrstufiger Absetzbehälter ausgeführt ist. In dieser Ausgestaltung der
Erfindung kann der mehrstufige Absetzbehälter deutlich kleiner ausgeführt werden
als im Stand der Technik. Der Sumpf der Waschwasserkolonne funktioniert
hier ganz analog zur ersten Vertiefung des mehrstufigen Absetzbehälters. Der
mehrstufige Absetzbehälter
kann in dieser Ausgestaltung daher um mindestens den Durchmesser
der Waschwasserkolonne gegenüber
dem Stand der Technik bei gleicher Abtrennleistung verkürzt werden.
Zusätzlich
kann der mehrstufige Absetzbehälter
neben dem Sumpf der Waschwasserkolonne angeordnet werden, wodurch sich
die gesamte Bauhöhe
verringert. Ebenso entfallen die Aufbauten, um die Waschwasserkolonne
in einer Höhe
von mehreren 10 m stabil anzuordnen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zusätzlich eine
schwere, mit Kokspartikeln beladene, Wasserphase über den
Boden der Waschwasserkolonne abgezogen und in einen zweiten Schwerkraftabscheider
geführt. Ähnlich wie
die schwere, mit Kokspartikeln beladene, Wasserphase aus den Vertiefungen
des mehrstufigen Absetzbehälters
abgezogen wird, wird in dieser Ausgestaltung die schwere Wasserphase
aus dem Sumpf der Waschwasserkolonne zur weiteren Verarbeitung abgezogen.
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Als
besonders vorteilhaft erweist es sich, die schwere, mit Kokspartikeln
beladene, Wasserphase aus dem ersten Schwerkraftabscheider, bevorzugt aus
den Vertiefungen des mehrstufigen Absetzbehälters, abzuziehen und in den
zweiten Schwerkraftabscheider zu führen. Die schwere Wasserphase
aus dem Sumpf der Waschwasserkolonne und die schwere Phase aus dem
mehrstufigen Absetzbehälter
werden so gemeinsam weiter verarbeitet.
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Bei
einer Vorrichtung, bestehend aus einer Waschwasserkolonne und mindestens
einem Schwerkraftabscheider, wobei die Waschwasserkolonne einen
Auslass aufweist, welcher eine direkte Strömungsverbindung mit einem ersten
Schwerkraftabscheider aufweist, wird die gestellte Aufgabe dadurch
gelöst,
dass der Auslass oberhalb des Bodens der Waschwasserkolonne angeordnet
ist.
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Bevorzugt
befindet sich der Auslass oberhalb, besonders bevorzugt in einer
Höhe zwischen der
halben oder ganzen Nennweite des Abzuges, des Bereiches, wo die
Form des Kolonnenmantels von zylinderförmig auf konisch wechselt.
Die Nennweite des Abzuges entspricht der Nennweite des Verbindungsrohres
zwischen Quenchkolonne und ersten Schwerkraftabscheider.
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Vorteilhafterweise
ist der erste Schwerkraftabscheider als mehrstufiger Absetzbehälter ausgeführt. Ein
mehrstufiger Absetzbehälter
weist mehrere Vertiefungen auf, in den sich die schweren Kokspartikel
sammeln können.
Zusätzlich
trennen sich hier die Wasserphase und die Phase der leichten Kohlenwasserstoffe.
Die Wasserphase wird über
einen Auslass in einer bestimmten Höhe oberhalb der Vertiefungen
abgezogen, die oben schwimmende Phase der leichten Kohlenwasserstoffe
wird über
ein Überlaufwehr
abgetrennt.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Waschwasserkolonne einen
zweiten Auslass im Kolonnenboden auf, welcher eine direkte Strömungsverbindung
mit einem zweiten Schwerkraftabscheider aufweist. Über den
Auslass im Kolonnenboden kann die schwere, mit Kokspartikeln beladene,
Wasserphase aus dem Sumpf der Kolonne zur weiteren Aufbereitung
in einen zweiten Schwerkraftabscheider geführt werden.
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Als
besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, dass der zweite Schwerkraftabscheider
mindestens eine direkte Strömungsverbindung
mit dem ersten Schwerkraftabscheider aufweist. Dadurch können die
schweren, mit Kokspartikeln beladenen, Wasserphasen gemeinsam aufbereitet
werden.
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Durch
die vorliegende Erfindung gelingt es insbesondere den baulichen
Aufwand in einer Olefinanlage zu reduzieren. Mit Hilfe der vorliegenden
Erfindung entfällt
die Notwendigkeit die Waschwasserkolonne in einer Höhe von mehreren
10 m anzuordnen. Zusätzlich
kann der mehrstufige Absetzbehälter bei
gleicher Trennleistung deutlich kleiner dimensioniert werden als
im Stand der Technik.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand eines Vergleiches einer Ausgestaltung
der Erfindung mit dem Stand der Technik näher erläutert werden.
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Es
zeigen
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1:
Waschwasserkolonne mit Schwerkraftabscheidern nach dem Stand der
Technik
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2:
eine Ausgestaltung der Erfindung
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1 zeigt
eine Waschwasserkolonne 1 mit einem ersten Schwerkraftabscheider 2 und
einem zweiten Schwerkraftabscheider 3 nach dem Stand der
Technik. Der erste Schwerkraftabscheider ist als mehrstufigen Absetzbehälter 2 ausgeführt. Das Spaltgas
S wird über
die Zuleitung 4 in die Waschwasserkolonne geführt. Durch
das von oben nach unten strömende
Quenchwasser (nicht gezeigt) wird das Spaltgas abgekühlt und
von schweren Kokspartikeln gereinigt. Im Sumpf der Kolonne bildet
sich eine mit Kokspartikeln beladene Wasserphase. Diese wird vollständig über den
Auslass 5 im Kolonnenboden B in den mehrstufigen Absetzbehälter 2 geführt. Der
mehrstufige Absetzbehälter 2 weist
mehrere Vertiefungen 6, einen Auslass 7 für die Wasserphase
und ein Überlaufwehr 8 zum
Abtrennen der Phase leichter Kohlenwasserstoffe auf. Der mehrstufige
Absetzbehälter 2 ist
derart groß dimensioniert, dass
sich die verschiedenen Phasen mittels Schwerkraft trennen können. Die
schweren Kokspartikel sammeln sich in den Vertiefungen 6,
so dass sich hier eine schwere, mit Kokspartikeln beladene, Wasserphase
bildet. Die Phase der leichten Kohlenwasserstoffe schwimmt oben
auf und läuft über das Überlaufwehr 8 in
einen separaten Teil des mehrstufigen Absetzbehälters 2. Die nunmehr
gereinigte Wasserphase kann über
den Auslass 7 aus dem mehrstufigen Absetzbehälter 2 abgezogen
und als Quenchwasser in die Waschwasserkolonne 1 zurückgeführt werden.
Die schwere, mit Kokspartikeln beladene, Wasserphase aus den Vertiefungen 6 des
mehrstufigen Absetzbehälters
wird in einen zweiten Schwerkraftabscheider 3 geführt. Der
Schwerkraftabscheider 3 besteht aus einem einfachen Behälter mit
konischem Boden. Vom Kopf des Schwerkraftabscheiders 3 kann
eine Wasserphase und vom konischen Boden eine noch weiter eingedickte,
schwere, mit Kokspartikeln beladene, Wasserphase abgezogen werden.
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Nach
dem Stand der Technik erfolgt der Abzug der Wasserphase aus dem
Sumpf der Waschwasserkolonne 1 über den Kolonnenboden B. Die Waschwasserkolonne 1 befindet
sich oberhalb des mehrstufigen Absetzbehälters 2.
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2 zeigt
eine Ausgestaltung der Erfindung. Im Gegensatz zum Stand der Technik
wird die Wasserphase überwiegend
von einem Punkt oberhalb des Kolonnenbodens B über den Auslass A abgezogen.
Der, als mehrstufige Absetzbehälter 2 ausgeführte, erste
Schwerkraftabscheider 2 befindet sich nicht unterhalb sondern
neben der Waschwasserkolonne 1. Dabei funktioniert der
Sumpf der Waschwasserkolonne 1 bereits als Teil des ersten Schwerkraftabscheiders 2.
Somit wird über
den Auslass 5 im Kolonnenboden B bereits eine schwere,
mit Kokspartikeln beladene, Wasserphase abgezogen und in den zweiten
Schwerkraftabscheider 3 geführt. Diese schwere Wasserphase
wird zusammen mit der schweren, mit Kokspartikeln beladenen, Wasserphase
aus den Vertiefungen 6 des mehrstufigen Absetzbehälters 2 weiter
aufbereitet. In dieser Ausgestaltung der Erfindung muss die Zufuhrmenge
in den mehrstufigen Absetzbehälter 2 nicht
wie im Stand der Technik geregelt werden. Der mehrstufige Absetzbehälter 2 und
der Sumpf der Quenchkolonne 1 bilden ein kommunizierendes
Flüssigkeitssystem,
bei dem sich der gleiche Pegel der Wasserphase einstellt.