DE2224637A1 - Umwandlungsverfahren, insbesondere zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen - Google Patents

Description

Universal Oil Products Company Des Piaines, Illinois 60016 (V.St.A.)

Umwandlungsverfahren, insbesondere zur Umv;andlung von Kohlenwasserstoffen

Die Erfindung betrifft ein Umwandlungsverfahren, insbesondere zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen, und gibt einen neuartigen Weg zur Steuerung der Reaktionszonenbetriebsschärfe bei einem Umwandlungsprozess an, bei dem ein Einsatzmaterial durch mindestens zwei Reaktionszonen geleitet, dabei mindestens teilweise zu einem Produkt umgewandelt und der anfallende Reaktionsausfluß analysiert wird. Diese Analyse wird zur Bestimmung eines Leistungskennwerts und eines Gesaratumwandlungswerts hera/i-gezogen. Bei dem Leistungskennwert kann es sich beispielsweise um das Verhältnis von unerwünschten zu erwünschten Produkten handeln. Mittels einer Optimiereinrichtur.g wird der .Leistungskennwert optimiert und mittels eines Signals aus der Optimiereinrichtung und einer Regeleinrichtung wird die Reaktionszonenbetriebsschärfe nachgeregelt.

Ein typisches Umwandlungsverfahren der hier in Betracht kommenden Art ist die katalytische Reformierung, bei der

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eine Schwerbenzinfraktion in Anwesenheit von Wasserstoff in eine Reaktionszone geleitet wird, die Edelmetallkatalysatoren enthält. Ein anderes Verfahren, bei dem die Erfindung vorteilhaft Anwendung finden kann, ist die Dehydrierung von Jvthvlbenzol zu Styrol. Als weitere Beispiele seien genannt: Die thermische Krackung,.die katalytische Krackung, die thermische oder katalytische Hydrokrackung, die Isomerisierung, die Alkylierung, die Polymerisation u.dgl.

Bei der Reformierung laufen im wesentlichen vier Hauptreaktionen ab: (1) die Dehydrierung von Naphthenen zu Aromaten, (2) die Dehydrocyclisierung von Paraffinen zu Aromaten, (3) die Hydrokrackung von Kohlenwasserstoffen höheren Molekulargewichts zu Kohlenwasserstoffen tieferen Molekulargewichts, und (4) die Isomerisierung von Normalparaffinen zu Isoparaffinen gleichen Molekulargewichts. Jede dieser vier Reaktionen führt zu einer Umwandlung von niederoctanigen Kohlenwasserstoffen zu hochoctanigen Kohlenwasserstoffen, dabei hat jedoch jede Reaktion einen unterschiedlichen Einfluß auf die Flüssigkeitsausbeute, Es besteht ein ausgeprägtes Interesse der Technik nach einer solchen Steuerung der OBetriebsschärfe, die es erlaubt, sov/ohl die Octanzahl des Produkts als auch die Flüssigkeitsausbeute so groß wie möglich und die Erzeugung von paraffinischen Gaskomponenten, d.h. Methan, Äthan und Propan, so gering wie möglich zu machen.

Die Dehydrierung von Naphthenen zu Aromaten wird durch niedrigen Druck begünstigt. Die Dehydrocyclisierung von Paraffinen zu Aromaten wird durch niedrigen Druck und hohe Temperatur begünstigt. Die Hydrokrackung wird durch hohen Druck, hohe Temperatur und lange Verweilzeit des Einsatzmaterials am Katalysator begünstigt. Die Isomerisierung wird durch mittlere Temperaturen und einen Katalysator, der einen viel höheren Halogengehalt hat, als er normalerweise zur Anwendung kommt, begünstigt. Da aromatische Kohlenwasserstoffe höhere Octanzahlen haben, als andere Kohlenwasserstoffe entsprechenden Molekularge-

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wichts, besteht die Neigung, katalytische Reformiereinrichtungen bei.vergleichsweise hohen Temperaturen und niedrigen Drücken zu fahren, um den Aromatengehalt des Benzins zu erhöhen. Für eine solche Betriebsweise werden gewöhnlich Temperaturen im Bereich von etwa 454 bis 566°C (850 - 1050⁰F) und Drücke im Bereich von etwa 7,8 bis 28 atm (100 - 400 psig) angewendet.

Be^m Betrieb der katalytischen Reformieranlage wird die Octanzahl des Produkts laufend überwacht. Wenn das Produkt die vorgeschriebene Octan'zahl nicht erfüllt, werden zur Kompensierung die Reaktionsbedingungen von Hand nachgestellt.

Gewöhnlich werden Reformieranlagen mit einer etwas höheren als der erforderlichen Temperatur gefahren, um sicherzustellen, daß das Benzin der vorgeschriebenen Octanzahl-Spezifikation genügt. Dies bedeutet eine beträchtliche Verteuerung, da eine Erhöhung der Octanzahl von einer Verringerung der Ausbeute begleitet ist. · . '

In Raffinerien werden seit einiger Zeit automatische überwachungs- und Regeleinrichtungen benutzt, die eine Steuerung der -leak tor temper a tür en nach Maßgabe der Produktoctanzahl herbeiführen. Es befindet sich ein Octanzahl-Analysengerät auf dem Markt (Handelsbezeichnung Monirex der Universal Oil Products Company) , das eine rasche und genaue Analyse eines Reformats gestattet. Hierdurch ist es möglich, die Ausbeute der Reformierung etwas zu erhöhen, indem genau die vorgeschriebene Produktoctanzahl aber nicht mehr als diese eingehalten wird.

Da das Benzin einen wesentlich höheren Wert als alle anderen Produkte eines Reformierverfahrens hat, ist eine noch, weitere Steigerung der Benzinerzeugung sehr erstrebenswert. Betriebsdurchführungen bei tieferen Drücken führen zu einer Steigerung der Flüssigkeitsausbeute, jedoch führt dies zu einer

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starken Verringerung der Katalysatorlebensdauer.

Ein anderer möglicher Weg zur Beeinflussung der Ausbeute besteht darin, die Katalysatorverteilung auf die einzelnen Reaktoren dem im Einzelfall verarbeiteten Einsatzmaterial anzupassen. Allgemein gilt: Je stärker naphthenisch eine Beschik-

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kung ist, desto mehr Katalysator sollte⁷In den^: stromabwärts gelegenen Reaktoren - statt in den stromaufwärts gelegenen Reaktoren befinden. Leider ist es jedoch sehr schwierig oder überhaupt unmöglich, die Katalysatorverteilung in einer bereits vorhandenen Anlage zu verändern. Weiterhin sind viele Raffinerien gezwungen, eine Mehrzahl von Einsatzmaterialien zu verarbeiten, so daß keine Katalysatorverteilung ein Optimum für alle unterschiedlichen Einsatzmaterialien darstellen kann.

Es besteht daher ein ausgeprägtes Interesse der Technik nach Angabe einer Betriebsweise bzw. einer Einrichtung, die es gestattet, in einer bereits vorhandenen Anlage auch bei derartigen unterschiedlichen Voraussetzungen jeweils die günstigste Verfahrensdurchführung zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß wurde ein einfacher, betriebssicherer und wirtschaftlicher Weg ermittelt, um die Betriebsdurchführung in einer bereits vorhandenen Anlage jeweils so günstig wie möglich zu gestalten. Selbst wenn der Druck der Anlage, die Art des Katalysators und die Verteilung des Katalysators auf die einzelnen Reaktoren festliegen und für irgendeine gegebene Betriebsdurchführung nicht optimal sind, können die Verfahrensergebnisse verbessert werden, indem die Betriebsschärfe in den einzelnen Reaktionszonen angepaßt wird. Als Beispiel sei eine Reformierung betrachtet, bei der sich für eine optimale Betriebsdurchführung zu viel Katalysator im ersten Reaktor befindet. Eine Kompensierung der ungünstigen Katalysatorverteilung 'kann durch Anpassung der Reaktortemperaturen erfolgen. Eine Verringerung der Temperatur

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dieses ersten Reaktors führt zu einer gewissen Kompensierung des übermäßig großen Katalysatorvolumens.

Wenn in einer Raffinerie eine Mehrzahl verschiedener Einsatzmaterialien verarbeitet werden muß, ist.es unmöglich, selbst eine neu zu erstellende Anlage so auszulegen, daß alle unterschiedlichen Einsatzmaterialien in optimaler Weise verarbei-

, tet werden. Die Erfindung gibt hier eine Arbeitsweise und Einrichtung an die Hand, die automatisch das günstigste Temperaturprofil für die vorliegenden Reaktoren auswählt und hierdurch die

■ Ausbeute für jedes der verschiedenen Einsatzmaterialien optimiert, so daß die günstigste Verarbeitung eines jeden Einsatzmaterials gewährleistet ist.

Ein anderes wichtiges Kohlenv/asserstoffumwandlungsverfahren ist die Dehydrierung von Ähtylbenzol zu Styrol. Dabei wird ein Gemisch von Äthylbenzol und Wasserdampf zunächst über ein erstes Katalysatorbett geleitet. Die endotherme Umsetzung kühlt den Materialstrom und es wird weiterer heißer Wasserdampf zugemischt, bevor das Gemisch durch ein weiteres Katalysatorfestbett fließt. Der Grund der Anwendung von zwei oder mehreren Reaktoren besteht darin, eine hinreichende Erhitzung des Xthylbenzols zur Erzeugung von Styrol zu gestatten aber gleichzeitig eine so weitgehende Erhitzung, daß eine Krackung eintritt, zu vermeiden. Das ideale Reaktorsystem würde zehn bis vierzig oder noch mehr Reaktoren in Reihe umfassen, mit Zugabe geringer Mengen an erhitztem Wasserdampf nach jedem Reaktor. Das Temperaturprofil durch die gesamten Reaktoren wäre dann fast flach, was zu einer optimalen Erzeugung von Styrol mit minimaler Erzeugung von gekrackten Nebenprodukten führen würde. Aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist jedoch eine derartig umständliche und komplizierte Betriebsdurchführung nicht möglich.

Im allgemeinen werden zwei oder drei Katalysatorbetten angewendet. Das Problem der Betriebsdurchführung liegt

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dann in folgendem: Es sei beispielsweise eine Äthylbenzol-Dehydrieranlage mit drei Katalysatorbetten gegeben; wieviel Wasserdampf soll dann jedem einzelnen Bett zugeführt v/erden? Die Materialmenge, die durch jedes einzelne Bett fließt, nimmt wegen der Zugabe von überhitztem Wasserdampf in Fließrichtung zu; demgemäß wird jeweils mehr überhitzter Wasserdampf benötigt, um eine Temperatursteigerung des Materials um 1 C herbeizuführen. Das zusätzliche Material dient weiterhin im nächsten Bett als wärmeaufnehmender Stoff, so daß die Temperatur beim Durchgang durch das nächste Bett nicht so stark fällt. Weiterhin ändert sich die Zusammensetzung der Beschickung für jedes Bett. Der prozentuale Anteil an Styrol steigt beim Durchgang durch die Reaktorbetten an, während der prozentuale Anteil an Äthylbenzol abnimmt.

Es kann unterstellt werden, daß es irgendeine optimale Verteilung des Wasserdampfs auf diese drei Betten geben muß, diese optimale Verteilung ist jedoch nach den bisherigen Methoden sehr schwer oder gar nicht aufzufinden. Bei einem Extrem, bei dem beispielsweise 90 % des gesamten Wasserdampfs dem Einlaß des ersten Bettes zugeführt und jeweils 5 % des gesamten Wasserdampfs

in jedes nachfolgende Bett eingeführt werden, ergibt sich eine starke überhitzung des Äthylbenzols im ersten Bett. Dies führt zu einer übermäßigen Krackung. Beim anderen Extrem, bei dem beispielsweise nur jeweils 5 % des gesamten Wasserdampfes in die beiden ersten Betten eingeführt und die restlichen 90 % dem letzten Bett zugeleitet werden, ergibt sich eine Überhitzung des Äthylbenzols im letzten Bett mit fast gleichartiger Nebenproduktbildung. Es ist daher der beste Mittelweg zwischen diesen beiden Extremen aufzufinden, der zu einer Optimierung der Styrolerzeugung führt. Dabei besteht, bei diesem System natürlich der Zwang, bei gegebener Anlagekapazität eine bestimmte tägliche Erzeugung an Styrol aufrechtzuerhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem

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Umwandlungsverfahren, insbesondere für Kohlenwasserstoffe, bei dem ein Reaktionsteilnehmerstrom durch mindestens zvei in Reihe geschaltete Reaktoren geleitet wird, eine Arbeitsweise und Mittel zur Steuerung der Betriebsschärfe der Reaktionszenen zu schaffen, die es gestattet, eine gewünschte Umwandlungshohe aufrechtzuerhalten und dabei einen Leistungskennwert der Umsetzung zu optimieren, und dies auf betriebstechnisch einfachem, störungsunan-■ fälligem'und wirtschaftlichem Wege. In Verbindung hiermit bezweckt die Erfindung insbesondere die Angabe einer Methode zur optimalen Steuerung eines kontinuierlichen Kohlenwasserstoffumwandlungsverfahrens , besonders der Umwandlung von Äthylbenzol zu Styrol in mehreren Reaktionszonen sowie der Reformierung von Kohlenwasserstoffen zur Erzeugung von Benzin in mehreren Reaktionszonen.

Gegenstand der Erfindung ist hierzu ein Umwandlungsverfahren, insbesondere zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen, bei dem ein Reaktionsteilnehmerstrom durch mindestens zwei in Reihe geschaltete Reaktionszonen geleitet wird, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man zur Steuerung des Umwandlungsprozesses ein Regelsystem verwendet, das eine vorgegebene Umwandlung aufrechterhält und die Leistung des Umwandlungsverfahrens optimiert und (a) eine Regeleinrichtung in Verbindung mit jeder Reaktionszone zum Regeln mindestens einer die Betriebsschärfe der Umsetzung beeinflussenden Verfahrensbedingung, wobei jede dieser Regeleinrichtungen einen Sollwert aufweist,

Cb) eine Einrichtung zum Analysieren des Ausflusses aus der stromabwärts letzten Reaktionszone,

(c) eine Leistungsanzeigeeinrichtung in Verbindung mit der Analysiereinrichtung, die zur Erzeugung eines Leistungskennwertsignals in der Lage ist,

(d) eine mit der Leistungsanzeigeeinrichtung verbundene Optimiereinrichtung mit einer Recheneinrichtung zum Analysieren des Leistungskennwertsignals und Erzeugen eines ersten oder Optimierungssignals für jede Reaktionszone,

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(e) eine Umwandlungskontrolleinrichtung in Verbindung mit der Analysiereinrichtung zur Erzeugung eines zweiten oder Umwandlungssollsignals für jede Reaktionszone, und

(f) eine mit der Optimiereinrichtung, der Umwandlungskontrolleinrichtung und der Betriebsschärferegeleinrichtung verbundene Einrichtung zum Kombinieren des ersten Signals ir.it dem zweiten Signal zur Erzeugung eines Signals für jeden Sollwert der unter (a) genannten Regeleinrichtungen

umfaßt.

Nach einer Ausführungsform wird das Leistungskennwertsignal als Funktion der unerwünschten zu den erwünschten Produkten im Ausfluß gebildet, d.h. in Form des Verhältnisses von unerwünschten zu erwünschten Produkten. Die Optimiereinrichtung liefert ein erstes Signal für jede der Regeleinrichtungen zur Annäherung an einen Minimalwert dieses Verhältnisses. Die Regeleinrichtungen können die Temperatur einer jeden Reaktionszone oder den Druck oder den Zufluß eines Materials regeln, um die Betriebsschärfe der Umsetzung zu steuern. '

Die' Bezeichnung Umwandlung, wie sie hier benutzt wird, kann sich auf die. prozentuale Umwandlung des Einsatzmaterials zu einem erwünschten Produkt oder auf irgendeine andere geeignete Produkteigenschaft, z.B. die Octanzahl, beziehen.

Bei den nachstehenden Erläuterungen und in den anliegenden Zeichnungen werden zur Vereinfachung einige Abkürzungen verwendet, die zwecks Übersichtlichkeit nachstehend zusammengestellt sind:

B Benzol

AB Äthylbenzol

St Styrol

T Toluol

FC Durchflußregler

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TC Temperaturregler LK Leistungskennwert

Nach einer bevorzugten Ausführungsform schafft die Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Dehydrierung von Äthylbenzol, bei dem Äthylbenzol im Gemisch mit Wasserdampf durch mindestens zwei katalytische Reaktionszonen geleitet wird.

Bei dieser Ausführungsform wird das Leistungskennwert-Ausgangssignal gemäß dem Verhältnis von Benzol und Toluol zu Styrol im Ausfluß gebildet. Für optimale Leistung wird dieses Verhältnis so klein wie möglich gemacht. Die Umwandlung ist das Verhältnis von erzeugtem Styrol zu dem in der Beschickung anwesenden Äthylbenzol. Bei 80%iger Umwandlung von Äthylbenzol zu Styrol werden je 100 Mol Äthylbenzolbeschickung 80 Mol Styrol erzeugt. Ein Teil des Äthylbenzols kann ohne Umwandlung hindurchgehen und ein Teil kann gekrackt v/erden, jedoch werden 80 Mol Styrol gebildet. Es kann ein Proportionalregler ο.dgl. zur Lieferung des zweiten oder Umwandlungssignals an die Sollwerte der Regler benutzt werden, wobei das Signal durch Vergleich der tatsächlichen Umwandlung mit der gewünschten Umwandlung, d.h. 80 %, gebildet wird. Der bevorzugte Weg zur Steuerung der Umwandlung besteht darin, den Wasserdampffluß zu den Reaktorbetten zu regeln.

Die Regelung des Wasserdampfflusses zu den Einlassen der einzelnen Reaktoren stellt einen indirekten Weg der Regelung der Reaktionstemperatur und damit der Reaktionsschärfe dar. Die Optimiereinrichtung bewirkt gewisse Änderungen oder Abweichungen der WasserdampfVerteilung in den verschiedenen Reaktoren. Diese Änderung der Wasserdampfverteilung, zur Herbeiführung einer geringstmöglichen Erzeugung von Benzol und Toluol und damit zur Optimierung des Leistungskennwerts, bildet das erste Signal. Das zweite Signal ist das Umwandlungssignal, das sicherstellt, daß

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mindestens 80 Mol Styrol je 100 Mol Äthylbenzolbaschickung erzeugt werden. Der Wasserdampffluß zu den Reaktoren wird also so nachgestellt, daß die vorgegebene Erzeugung von Styrol aufrechterhalten bleibt und gleichzeitig die Erzeugung von Benzol und Toluol so gering wie möglich gemacht wird. Im einzelnen wird dies nachstehend noch weiter erläutert.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform richtet sich auf die Reformierung von Kohlenwasserstoffeinsatzmaterialien, bei der das Kohlenwasserstoffeinsatzmaterial durch mindestens zwei katalytische Reaktionszonen geleitet und ein reformiertes Produkt gewonnen wird.

Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen weiter erläutert.

Figur 1 veranschaulicht ein Verfahren mit zwei Reaktionszonen, bei dem die Reaktoreinlaßtemperaturen geregelt werden.

Figur 2 zeigt hypothetische Leistungskurven einer Anlage mit zwei Reaktoren.

Figur 3 zeigt ein Reaktorsystem, wie es für die Dehydrierung von Äthylbenzol zu Styrol angewendet werden kann, wobei die Betriebsweise und Regelmethode gemäß der Erfindung veranschaulicht ist.

Figur 4 veranschaulicht eine katalytische Reformieranlage unter Anwendung der Betriebsweise und Regelmethode gemäß der Erfindung.

Figur 1 zeigt eine typische Anlage mit Steuerung

der Reaktoreinlaßtemperaturen. Sie umfaßt zwei Reaktoren 1 und 1', bei denen es sich um irgendwelche der zahlreichen Reaktoren han-

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dein kann, wie sie bei der Reformierung, der ftthylbenzoldehydrierung, der thermischen Krackung, der katalytischer. Krackung, der thermischen Hydrokrackung, der katalytischen Hydrokrackung, der Isomerisierung, der Alkylierung, der Polymerisation u.dgl. verwendet werden. Die Reaktionsbeschickung tritt durch eine Leitung

2 in einen Erhitzer 4 ein. Bei dem Erhitzer 4 kann es sich um einen Wärmeaustauscher oder, wie dargestellt^ einen direkt befeuerten. Of en mit einer Brennereinrichtung 5," die über eine Leitung 6 mit Brennstoff versorgt wird, handeln. Die Beschickung wird in Rohrschlangen 7 des Erhitzers 4 erhitzt und fließt weiter durch die Leitung 2 in den Reaktor 1. Der Ausfluß wird durch eine Leitung 3¹ einem Erhitzer 4¹ zugeführt. Das wieder aufgeheizte Gemisch tritt dann durch einen Einlaß 34 in die Reaktionszone I¹ ein. Der Ausfluß aus dieser Reaktionszone wird durch eine Leitung

3 zur Lagerung oder weiteren Verarbeitung abgezogen. Die Reaktionsschärfe wird durch Regelung der Einlaßtemperatur für jeden Reaktor gesteuert. ■

Die Einlaßtemperatur wird durch Änderung des Brennstoff Zuflusses zu den Brennern 5 und 5^T geregelt. Der Brennstoff fliegt durch Leitungen 6 und 6' zu, Durchflußmeßeinrichtungen 9 und 9', dargestellt als Meßblenden, übermitteln Signale durch Leitungen 10 und 10' zu Durchflußreglern 12 und 12*. Diese Durchflußregler geben dann ein Ausgangssignal an Regelventile 8 und 8* über Leitungen 13 und 13'. Die Sollwerte der Durchflußregler 12 und 12' werden durch Temperaturregler 14 und 14' eingestellt; letzteren v/erden die Einlaßtemperaturen übermittelt, die von Thermoelementen oder anderen Meßeinrichtungen 15 und 15', welche sich in den Einlaßleitungen 2 und 34 befinden, festgestellt werden.

Einer Analysierexnrichtung 18 wird über eine Leitung 19 kontinuierlich eine Probe des endgültigen Reaktorausflusses 'zugeführt. Bei der Analysiereinrichtung kann es sich um einen Chromatographen, ein kontinuierlich arbeitendes Octanzahlüberwachungsgerät oder ein Durchflußmeßgerät, das den Gesamtfluß durch

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den Auslaß 3 feststellt, oder um eine Kombination derartiger Einrichtungen handeln. Die Analysiereinrichtung erzeugt mindestens zwei Ausgangssignale, eines zur Kennzeichnung der Umwandlung und'eines zur Bildung eines Leistungskennwertsignals. Das . Umwandlungssignal wird über eine Leitung 20 einer zweckmäßig gleichzeitig schreibenden Kontrolleinrichtung 21 zugeführt. Die Kontrolleinrichtung 21 hat einen auf die·',vorgeschriebene Umwandlung eingestellten Sollwert. Wenn die vorgeschriebene Umwandlung die Octanzahl des Produkts ist, überwacht die Kontrolleinrichtung 21 die Octanzahl. Das Ausgangssignal der Kontrolleinrichtung 21 wird über Leitungen 23 Summierverstärkern 24 und 24' zugeführt. Die Ausgangssignale der Summierverstärker 24 und,-24', abgeleitet aus dem Umwandlungssignal von der Kontrolleinrichtung 21 und aus einem Optimiersignal aus einer Optimiereinrichtung 30, werden über Leitungen 25 und 25¹ den Temperaturreglern 14 und 14' zur Nachstellung ihrer Sollwerte zugeführt.

Die Analysiereinrichtung 18 erzeugt weiterhin Signale zur Bestimmung eines Leistungskennwerts. Bei diesem Leistungskennwert kann es sich etwa um die Flüssigkeitsausbeute oder um eine von der Nebenprodukterzeugung abhängige Größe handeln. Die Analysiereinrichtung kann z.B. aus einem Chromatographen bestehen, der die Mengen an erwünschten und unerwünschten Produkten im Ausfluß bestimmt. Die gebildeten beiden Signale werden über Leitungen 26 und 27 einer Leistungskennwert-Bestimmungseinrichtung 28 zugeleitet. Wenn das Signal aus der Analysiereinrichtung 18 von vorneherein ein Leistungskennwertsignal ist, z.B. die Flüssigkeitsausbeute, so kann es direkt der Optimiereinrichtung 30 zugeführt werden. Bei der Leistungskennwertbestimmungseinrichtung 28 kann es sich um einen Operationsverstärker handeln, der das Verhältnis von unerwünschten zu erwünschten Produkten im Reaktionszonenausfluß bestimmt. Das erzeugte Signal wird durch eine Übermittlungsleitung 29 der Optimiereinrichtung 30 ■ zugeführt. Die Optimiereinrichtung sendet ein Ausgangssignal

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über Leitungen 31 und 33 zu den Summierverstärkern 24 bzw. 24'. Die Signale in den Leitungen 31 und 33 stellen somit Leistungskennwertoptimiersignale dar, während das Ausgangssignal in den Leitungen 23 ein Umwandlungskontrollsignal ist. Diese Signale werden in den Summierverstärkern 24 und 24' kombiniert und über die Leitungen 25 und 25' den Sollwerten der Temperaturregler l4 und 14' zugeführt. Die Optimiereinrichtung", umfaßt eine Recheneinrichtung zur Ermittlung des Leistungskennwertsignals der Leitung 29 und zur Bestimmung des Ausgangssignals, das für jede Reaktionszone erforderlich ist, um eine optimale Leistung in den Reaktorgefäßen anzunähern. Bei der Optimiereinrichtung 30 handelt es sich um eine auf dem Fachgebiet bekannte Einrichtung, die irgendeine Verfahrensleistungsgröße auf einen Höchstwert oder einen Geringstwert*bringt. Als Beispiel sei angenommen, daß der Reaktorleistungskennwert das Verhältnis von unerwünschten zu erwünschten Produkten ist und dieses Verhältnis sich mit der Wärmezufuhr oder Einlaßtemperatur jeder Reaktionszone ändert. Das Verhältnis für jede Reaktionszone geht durch ein Minimum, wie das in der Figur 2 dargestellt ist; Die Abszisse kennzeichnet die Wärmezufuhr oder die Temperatur, die Ordinate kennzeichnet das genannte Verhältnis. Wenn die Reaktionszone 1 an einem Punkt a arbeitet und die Reaktionszone 1' an einem Punkt d arbeitet, bestimmt die Optimiereinrichtung die Ausgangssignale, die erforderlich sind, um die Sollwerte der Temperaturregler so zu ändern, daß sich das besagte Verhältnis den Punkten b und e, d.h. den Minima der Kurven, annähert. Wenn die Reaktionszone 1 am Punkt c und die Reaktionszone, I¹ am Punkt f arbeitet, verschiebt die- Optimiereinrichtung in entsprechender Weise den Betriebsablauf zur Einstellung des geringstmöglichen Verhältnisses, Dabei ist es egal, ob tatsächlich ein Optimum existiert oder an welchem Punkt es vorliegt. Die Optimiereinrichtung stellt jedenfalls ihren Ausgang zur Verbesserung der Leistung, nach. Bezüglich einer zusammenfassenden Darstellung der Grundlagen derartiger Optimiereinrichtungen sei auf Perry, " Chemical Engineering

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Handbook", 4. Auflage, Seiten 22 - 52 bis 22 - 54, McGraw-Hill * Book Company, verwiesen.

Es befinden sich verschiedene Arten von Optimiereinrichtungen auf dem Markt (z.B. das Handelsprodukt Motorola Veri- ' ψ; trak, eine Leistungsoptimierregeleinrichtung der Motorola Instru- ^l'"'^K' Γ mentation and Control Inc., Phoenix, Arizona,;V. St. A.). Die

genannte Optimiereinrichtung umfaßt einen Analogrechner und ar- ■ f«. beitet nach dem Prinzip der Einführung kleiner Ausgangsänderungen (' und Feststellung der Wirkung. In dieser Weise kann eine Entschei-. ψ düng zur Änderung des Ausgangssignals getroffen werden, wie das j erforderlich ist, um optimale Leistung anzunähern. Die Optimier- £ einrichtung kann dabei den Ausfluß eines jeden Reaktors oder den |f Ausfluß nur des letzten Reaktors berücksichtigen. Wenn der Ausfluß nur des letzten Reaktors überwacht wird, werden die kleinen ^₅ - Verstellungen oder Änderungen in jedem Reaktor vorzugsweise nicht £,' in unmittelbarer Folge aufeinander vorgenommen, damit die Opti- ^₁ miereinrichtung leichter und r scher unterscheiden kann, welche [ Verstellung eine veränderung des Leistungskennwerts verursacht \ hat.

\. Wenn die Umwandlung auch durch ein Verhältnis von

erwünschten Produkten zu nicht-umgesetzten Reaktionsteilnehmern im Ausfluß definiert v/erden kann, übermittelt die Analysiereinrichtung über die Ausgangssignalleitung 20 bei einer Änderung dieses Werts ein neues Signal. Die Kontrolleinrichtung 21 sendet ein Signal über die Leitungen 23 zu den Summierverstärkern 24 und 24". Dieses Umwandlungssignal stellt eine zweite Komponente des Signals zu den Sollwerten der Temperaturregler dar und stellt sicher, daß die Reaktionsschärfe zur Erzeugung einer genügenden Produktmenge ausreicht. Vorzugsweise erfolgen die Entscheidungen der Kontrolleinrichtung 21 nicht in direkter Folge auf irgendwelche durch die Optimiereinrichtung 30 vorgenommenen Änderungen, damit die Ursachen für jegliche Änderungen des Leistungskennwerts klar erkennbar sind.

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In Figur 3 der Zeichnungen ist ein dreistufiger Reaktor 51 mit.Katalysatorzonen A, B und C für die Dehydrierung von Äthylbenzol zu Styrol dargestellt. Bei dem Katalysator handelt es sich vorzugsweise um einen alkali—promotierten Eisenkatalysator. Ein vorteilhafter Katalysator umfaßt beispielsweise 85 Gewichtsprozent Eisen(II)oxyd, 2 Gewichtsprozent Chromoxyd, 12 Gewichtsprozent Kaliumhydroxyd und 1 Gewichtsprozent Natriumhydroxyd. Ein anderer geeigneter Katalysator besteht aus 90 Gewichtsprozent Eisenoxyd, 4 Gewichtsprozent Chromoxyd und 6 Gewichtsprozent Kaliumcarbonat. Natürlich können auch andere bekannte Katalysatoren verwendet werden.

Die Menge des Katalysators in jedem der Katalysatorbetten kann beträchtlich geändert werden. Gewöhnlich wird die Katalysatormenge durch die Bettiefe ausgedrückt, diese kann im Bereich von 15 cm bis 18 m (6 inches bis 60 feet) liegen; meist liegt sie im Bereich von 0,6 bis 1,8 m (2 - 6 feet).

Der Reaktordruck kann von unteratmosphärischem

Druck bis zu überatmosphärischem Druck geändert werden. Vorzugsweise wird im Bereich von 1,3 bis 2,4 atm (4 - 20 psig) gearbeitet.

Mehrere Katalysatorbetten in einem einzigen Reaktor werden bevorzugt, es können aber auch Einzelbetten in mehreren Reaktoren zur Anwendung kommen.

Beim Durchgang der Reaktionsteilnehmer durch das

erste Katalysatorbett tritt infolge der endothermen Reaktion eine Temperaturabnähme um bis zu 55 C (100 F) oder mehr ein. Es erfolgt auch ein Druckabfall beirr. Durchfluß durch das Bett, in manchen Fällen um bis zu 0,7 atm (10 psig), in den meisten Fällen jedoch um 0,14 bis 0,41 atm (2-6 psig).

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Überhitzter Wasserdampf mit einer Temperatur von etwa 76O°C (1400⁰F) wird durch eine Leitung 85 in eine Reaktoreinlaßleitung 52 in einem Verhältnis von etwa 0,65 kg Wasserdampf auf 1,0 kg Äthylbenzol eingeführt. Das Gemisch aus Wasserdampf und Äthylbenzol tritt in die Katalysatorzone A mit einer Temperatur von etwa 649°C (1200 F) ein. Durch eine zweite Wasserdampf zuführungsleitung 85' wird Wasserdampf bei einer Temperatur von etwa 816 C (1500 F) zwischen den Katalysatorzonen A und B in einem Verhältnis von etwa 1 : 1 bis 1,2 : 1, berechnet als Gewichtsteile Wasserdampf je Gewichtsteil Ausfluß, eingeführt, um die Temperatur des Ausflusses aus der Katalysatorzone A zu steigern. Durch eine dritte Wasserdampfzuführungsleitung 85" wird Wasserdampf mit einer Temperatur von 816°C (1500°F) zwischen den Katalysatorzonen B und C in einem Verhältnis von etwa 0,80 : 1 bis 1,35 : 1, berechnet als Gewichtsteile Wasserdampf je Gewichtsteil Ausfluß aus der Katalysatorzone B, eingeführt, um diesen Ausfluß weiter zu erhitzen. Der Gesamtausfluß wird durch eine Auslaßleitung 53 abgezogen.

Temperaturregler 64, 64' und 64" empfangen Temperatursignale über Leitungen 67, 67' und 67" von den Einlassen der Reaktorzonen A, B und C, gemessen mittels Thermoelementen 65, 65' und 65". Die Temperaturregler 64, 64' und 64" haben wiederum verstellbare Sollwerte. Diese Temperaturregler bewirken eine Nachstellung von Durchflußreglern 62, 62' und 62" zur Steuerung der Wasserdampfmenge, die durch Regelventile 53, 53' und 53" eingespeist wird. Die Menge des in jede Reaktionszone einfließenden Wasserdampfes wird mittels Meßblenden 59, 59' und 59" gemessen.

Von dem durch die Auslaßleitung 53 abfließenden Produkt wird kontinuierlich eine Probe durch eine Leitung 69 einer Analysiereinrichtung 68 zugeführt. Bei der Analysierein-

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richtung 68 handelt es sich um einen Chromatographen, der die Mengen a Benzol (B), Toluol (T), Styrol (St) und Äthylbenzol (AB) im Ausfluß bestimmt. Die für diese Mengen kennzeichnenden Signale werden über Leitungen 86, 87, 88 bzw. 89 Speicherverstärkern (memory amplifiers) 35, 36, 37 und 38 zugeführt. Vorzugsweise erhalten die Speicherverstärker die Spitzenhöhen der Benzol-, Toluol-, Styrol- und Äthylbenzolwerte, jedoch können auch gefilterte oder Mittelwerte verwendet v/erden. Die Ausgänge des Styrol-Speicherverstärkers 37 und des Äthylbenzol-Speicherverstärkers 38 werden über Leitungen 43 und 44 einer Dividiereinrichtung 45 zugeführt und ein Quotientensignal, das das Verhältnis von Styrol zu Äthylbenzol kennzeichnet, wird über eine Leitung 70 einer zweckmäßig schreibenden Kontrolleinrichtung 71 zugeleitet, die dieses Verhältnis überwacht. Die Kontrolleinrichtung 71 erzeugt ein zweites oder Umwandlungssignal, das sicherstellt, daß je 100 Mol Äthylbenzolbeschickung 80 Mol Styrol erze'ugt werden. Der Ausgang dieser Kontrolleinrichtung wird über eine Leitung 73 gleichzeitig drei Summierverstärkern 74, 74" und 74" zugeführt, deren Ausgänge schließlich über Leitungen 75, 75' und 75" den Temperaturreglern zugeführt werden.

Der Ausgang der Benzol- und Toluol-Speicherver-

stärker 35 bzw. 36 wird über Leitungen 39 und 40 einem Summierverstärker 46 zugeführt, der die für Benzol und Toluol kennzeichnenden Signale summiert und das gebildete Summensignäl über eine Leitung 41 einer Dividiereinrichtung 47 zuführt. Der Ausgang des Styrol-Speicherverstärkers 37 wird über eine Leitung 42 ebenfalls der Dividiereinrichtung 47 zugeleitet. Der Ausgang der Dividiereinrichtung 47, der das Verhältnis

-—=-r—- und damit den Leistungskennv/ert LK darstellt, wird

über eine Leitung 79 einer Optimiereinrichtung 80 zugeführt. Die Optimiereinrichtung führt kleine Verstellungen in den Regelvorgang über die Temperaturregler ein, stellt die Wirkung auf den Leistungskennv/ert fest und erzeugt ein Ausgangssignal für

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- Io -

f'''■". jede Reaktionszone> das erforderlich ist, um optimale Leistung

Is; anzunähern, d.h. das Verhältnis so klein wie möalich zu

fcv,. bt

:£*:-L machen. Die Ausgangssignale sind Optimierungs- oder erste Signale

T^ und werden über Leitungen 81 _f 81' und 81" den Sumnierverstärkern

j/_ . 74, 74' und 74" zugeführt. Signale von den Summierversrärkern

I", stellen die Sollwerte der Temperaturregler 64, 64' und 64" nach

ε- '" und regeln somit die Wasserdanuofzufuhr zu den Katalysatorzonen -

.'■■/·· A, B und C.

I?:'/ Die· von der Optimiereinrichtung vorgenommenen klei-

|· nen Verstellungen werden vorzugsweise nicht in unmittelbarer l·;' Folge aufeinander vorgenommen, damit die Optimiereinrichtung >r . klar unterscheiden kann, welche Verstellungen eine Änderung des fy/ Leistungskennwerts verursacht haben. Die Signale von der Kontroll- ^ einrichtung 71 stellen ebenfalls die Sollwerte der Temperaturregler nach, um das Verhältnis von Styrol zu Äthylbenzol innerj:; halb des gewünschten Bereiches zu halten. Vorzugsweise erfolgen •V .die von der Verstelleinrichtung 71 vorgenommenen Änderungen nicht ;^? in unmittelbarer Folge auf Änderungen, die von der Optimiereinrichtung 80 vorgenommen werden, damit die Ursachen jeglicher

£'■ (B + T)

j: Änderungen des Verhältnisses ■■■■■ klar erkennbar sind.

Figur 4 zeigt eine katalytische Reformieranlage

zur Verfahrensdurchführung nach der Erfindung. Ein niederoctaniges Schwerbenzin fließt durch eine Leitung 100 dem Reformierver- :^; fahren zu. Ein Rückführgasstrom aus Wasserstoff mit einen gewissen Gehalt an JMethan, Äthan und Propan sowie Spuren an schwereren Kohlenwasserstoffen wird durch eine Leitung 9S zu der Beschickung zugegeben. Das Gemisch fließt in einen Erhitzer 104, der aus einam Wärmeaustauscher oder, wie dargestellt, einem direkt befeuerten Ofen bestehen kann. Das Gemisch wird in Rohrschlangen 107 erhitzt und tritt durch eine Leimung 102 bei einer Temperatur von etwa 482 bis 538°C (900 - 1000⁰F) aus. Das heiße Gemisch fließt bei einem Druck von etwa 21,4 atm (300 psig) in

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einen Reaktor 101. Der Reaktor enthält vorzugsweise einen Edelmetallkatalysator. In dem Reaktor wird das Gemisch zu Kohlenwasserstoffen höherer Octanzahl umgesetzt. Die Reaktionen sind vorv/iegend endotherm, so daß das Gemisch die Reaktionszone durch eine Leitung 150 mit einer Temperatur verläßt, die um 11 bis 83 C (20 - 150°F) unterhalb der Einlaßtemperatur liegt. Der Reaktorausfluß fließt durch die Leitung 150 in einen.Erhitzer 154. Der Ausfluß-des ersten Reaktors wird in einer Rohrschlange 157 auf etwa 482 bis 538°C (900 - 1000°F) erhitzt und geht dann in einen Reaktor 151, der ebenfalls mit Katalysator beschickt ist. Das Gemisch verläßt die Reaktionszone 151 durch eine Leitung 103 bei einer etwas niedrigeren Temperatur und fließt dann in einen Wärmeaustauscher 135, wo es auf 16 bis 49°C (60 - 120°F) gekühlt wird, so daß bei Normalbedingungen flüssige Bestandteile kondensiert werden. Das Gemisch tritt dann durch eine Leitung 137 in einen Abscheider 136 ein. Der Abscheider 136 arbeitet infolge des Druckabfalls in dem System bei einem etwas geringeren Druck als die Reaktoren, normalerweise bei etwa 18 atm (250 psig) oder darunter. Die abgetrennte dampfförmige Phase wird durch die Leitung 99 zu nicht dargestellten Kompressoren abgezogen und dann zur Leitung 100 zurückgeführt. Überschüssiges wasserstoffreiches Gas wird zu anderweitiger Verwendung in der Raffinerie durch eine Leitung 140 abgezogen.

Die bei der Trennung erhaltene flüssige Phase, die gelöste gasförmige Komponenten enthält, wird durch eine Leitung 141 über ein Regelventil 142 zur Fraktionierung abgeführt.

Den Erhitzern wird Brennstoff über Leitungen 106

und 156 zur Speisung von Brennern 105 und 155 zugeführt. Die Verbrennung bewirkt durch Strahlung und Konvektion eine Erhitzung der Reaktorbeschickung in den Heizschlangen 107 und 157.

Die Reaktoreinlaßteraperaturen v/erden durch Regelung

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des Brennstoffflußes zu den Brennern gesteuert. Meßblenden 109 und 109' übermitteln Durchflußsignale über Leitungen 110 und 110' zu Durchflußreglern 112 und 112'. Die Durchflußregler 112 und 112' übermitteln Signale an Regelventile 108 und 108' über Leitungen 113 und 113'. Die Sollwerte der Durchflußregler 112 und 112' werden über Leitungen 117 und 117' von Temperaturreglern 114 und 114' nachgestellt; letzteren'werden die von Thermoelementen 115 und 115'/ welche sich in den Einlaßleitungen 102 und 152 befinden, festgestellten Reaktoreinlaßtemperaturen zugeführt.

Ein Octanzahlüberwachungsgerät 118 erhält einen

Probestrom aus der Leitung 143 über eine Leitung 119, d.h. eine kontinuierliche Probe der flüssigen Phase des Reaktorausflusses. Die Probe wird ohne zwischengeschaltete Druckentlastung abgezogen und in das Octanzahlanalysiergerat geleitet. Vorzugsweise arbeitet das Octanzahlanalysiergerat mit einem Generator zur Erzeugung einer stabilisierten kalten Flamme mit eingestellter Flammenfront.

Das Ausgangssignal des Octanzahlanalysiergeräts stellt das zweite oder Umv/andlungssollsignal dar; es wird über eine Leitung 120 einer zweckmäßig schreibenden Kontrolleinrichtung 121 zugeführt. Wenn die Öctanzahl zurückgeht, fordart die Kontrolleinrichtung 121 eine Erhöhung der Reaktoreir.laßtemperatur. Die Kontrolleinrichtung 121 ist über Leitungen 131 mit Summierverstärkern 124 und 124" verbunden; letztere sind über Leitungen 125 und 125' mit Temperaturreglern 114 und 114' verbunden. Die Summierverstärker 124 und 124' kombinieren Signale aus der Kontrolleinrichtung 121 und einer Optimiereinrichtung 130. Die Temperaturregler 114 und 114' fordern daraufhin eine Erhöhung des Brennstoffflusses zu den Erhitzern 104 und 154, um die Wärmezufuhr zu den Heizschlangen 107 und 157 zu steigern und hierdurch die Reaktoreinlaßtemperaturen zu erhöhen, so daß

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die Erzeugung eines Produkts konstanter Octanzahl aufrechterhalten wird.

Wenn die Octanzahl der Probe zu hoch ist, erfolgt eine korrigierende Änderung in gegenüber dem Vorstehenden umgekehrter Weise.

Wenngleich durch das Octanzahlanalysiergerät und die schreibende Kontrolleinrichtung 121 die Octanzahl des flüssigen Produkts auf der gewünschten Höhe gehalten werden kann, wird durch die übrigen Regelmaßnahmen eine weitere wesentliche Verbesserung erreicht. Die Anwendung der Optimiereinrichtung 130 gewährleistet, daß nicht nur die Octanzahl des Produkts aufrechterhalten wird, sondern gleichzeitig die Flüssigkeitsausbeute verbessert wird. Die Optimiereinrichtung 130 kann nach der vorstehend erläuterten Art arbeiten und kleine Verstellungen der Bedingungen für jede Reaktionszone herbeiführen und dann die Wirkung auf den überwachten Leistungskennwert feststellen. Bei der erläuterten Ausführungsform ist der Leistungskennwert eine Funktion der Flüssigkeitsausbeute. Eine Durchflußmeßblende 143 in der Leitung l4l stromabwärts von dem Abscheider 136 mißt die Durchflußmenge. Ein Dürchflußsignal wird über eine Leitung 144 einem Speicherverstärker 145 zugeführt, der die Spitzenfließrate über eine Leitung 146 der Optimiereinrichtung

130 mitteilt; es kann auch eine gemittelte oder gefilterte Fließrate benutzt werden. Die Optimiereinrichtung übermittelt Signale, d.h. erste oder Optimiersignale, über Leitungen 147 und 197 an die Summierverstärker 124 bzw. 124'. Die Sranmierverstärker 124 und 12 4' summieren die Signale aus den Leitungen

131 und 147 bzw. aus den Leitungen 131 und 197 und geben Ausgangssignale über die Leitungen 125 und 125' zur Nachstellung der Sollwerte der Temperaturregler 114 und 114' ab. Die Optimiereinrichtung stellt die Flüssigkeitsausbeute fest und erzeugt kleine Verstellungen in einem oder mehreren Reaktoren

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durch Änderung der Reaktoreinlaßtemperaturen. Danach stellt die Optimiereinrichtung fest, ob die Flüssigkeitsausbeute zunimmt oder abnimmt, und gibt dann Signale ab, die die Flüssigkeitsausbeute erhöhen. Dabei ist es egal, ob es tatsächlich eine maximale Ausbeute gibt oder nicht, da die Optimiereinrichtung nur Signale abgibt, die die Ausbeute erhöhen. Die Optiniereinrichtung bewirkt jedoch keine Erhöhung der Ausbeute auf Kosten der vorgeschriebenen Octanzahl, da die Octanzahl durch die schreibende Kontrolleinrichtung 121 gesteuert und gehalten wird, vorzugsweise nicht in unmittelbarer Folge auf Maßnahmen der Optimiereinrichtung.

Das erläuterte Verfahren ist nicht auf ein System beschränkt, bei dem die Betriebsschärfe durch die Reaktoreinlaßtemperaturen gesteuert wird. Es können auch andere Steuermaßriahmen angewendet werden, beispielsweise kann eine der Beschickungskömponenten die Veränderliche zur Feuerung der Betriebsschärfe der Umsetzung bilden. Ferner k~nn ein Temperaturregler verwendet werden, dessen Sollwert durch den Temperaturabfall AT in der jeweiligen Reaktionszone bestimmt ist.

Bei dem erläuterten Verfahren wird somit die Produktvorschrift, z.B. die Styrolerzeugung oder die Octanzahl, eingehalten und gleichzeitig der Verfahrensablauf optimiert, z.B. die Erzeugung von unerwünschten Nebenprodukten so gering wie möglich gemacht oder die Flüssigkeitsausbeute so groß wie möglich gemacht; hierzu wird die Betriebsschärfe in den miteinander verbundenen Reaktionszonen geregelt. Relais, Gatter (gates) und Zeitgeber (timers) können zugeordnet werden, um Nachhinkzeiten, wie sie bei großen Reaktorsystemen unvermeidlich sind, zu kompensieren. Weiterhin brauchen die Signale von den Optimiereinrichtungen und den Umwandlungskontrolleinrichtungen nicht unbedingt gleichzeitig zugeführt zu v/erden; so kann etwa die Umwandlungskontrolleinrichtung den Sollwert periodisch, z.B. alle 30 Minuten, nachregeln

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und das Signal von der Optimiereinrichtung alle 60 Minuten zur Nachregelung des Sollwerts des Temperaturreglers benutzt werden. Natürlich kann dies auch in anderen zeitlichen Abständen erfolgen.

Die erläuterte Verfahrensregelung kann bei sehr zahlreichen Reaktionsverfahren, wie Thermokrackung, katalytischer Krackung, thermischer Hydrokrackung, katalytischer Hydrokrackung, Isomerisierung, Alkylierung, Polymerisation u.dgl., bei denen in mehreren Reaktorgefäßen gearbeitet wird, Anwendung finden. Natürlich kann in entsprechender Weise auch bei Verfahrensdurchführungen mit mehr" als zwei oder drei Reaktoren gearbeitet werden.

Bei der Verfahrensdurchführung kann, wie bereits gesagt, die Betriebsschärfe durch Regelung von anderen Verfahrensveränderlichen als der Reaktoreinlaßtemperatur gesteuert werden. Beispielsweise kann bei der katalytischen Fließbett- oder Wirbelschichtkrackung nach der erläuterten Regelmethode die Katalysatorzirkulationsrate gesteuert werden. Bei der HP-Alkylierung kann die Zirkulation des Isobutanreaktionsteilnehmers geregelt v/erden. Bei der Polymerisation über festem Phosphorsäurekatalysator kann der Fluß des Olefinreaktionsteilnehmers zu der Reaktionszone gesteuert werden. In allen Fällen führen die durch die erläuterte Regelung herbeigeführten Nachstellungen der Umwandlung oder Reaktionsschärfe zu einer Erzeugung des der Vorschrift genügenden Produkts in maximal möglicher Menge.

Die Regelmaßnahmen können weiter abgewandelt werden, um Besonderheiten einer Verfahrensdurchführung Rechnung zu tragen. Beispiele derartiger Abv/andlungen werden nachstehend erläutert.

Allgemein beeinflussen jegliche Änderungen der Reaktionsschärfe sowohl die Umwandlung als auch den Leistungskenn-

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wert. So ist es bei der Äthylbenzoldehydrierung unmöglich, die Wasserdampfzufuhr zu einem einzelnen Reaktor zu ändern, ohne daß damit eine Änderung sowohl der Nebenprodukt- als auch der Styrolerzeugung eintritt. In ähnlicher Weise führt bei einem Reformierverfahren eine Steigerung der Temperatur eines einzelnen Reaktors zu einer Steigerung der Produktoctanzahl und einer Verringerung der Ausbeute. Es kann daher zweckmäßig sein, eine Kompensation vorzunehmen, um dieser Wechselbeziehung von Umwandlung und Leistungskennwert Rechnung zu tragen.

Bei einem Reformierverfahren kann die Kompensationsmaßnahme einfach in einer Anweisung an die Optimiereinrichtung bestehen, bei einem Rückgang der Produktoctanzahl um 1,0 Einheiten die ermittelte Flüssigkeitsausbeute ebenfalls zu verringern, z.B. um 0,75 Volumenprozent, bezogen auf flüssigen Zustand (nach-; stehend abgekürzt als Volumenprozent, flüssig). Wenn somit die Solloctanzahl 95,0 beträgt und die Optimiereinrichtung eine Reaktortemperatur im normalen Ablauf der Optimierung senkt, wird die Flüssigkeitsausbeute ansteigen und die Produktoctanzahl abfallen. Dies stellt nicht unbedingt eine Optimierung des Verfahrensablaufs dar. Mit der angegebenen Kompensationsmaßnahme wird die Optimiereinrichtung jedoch die Ausbeute-Octanzahl-Wechselbeziehung durch Ermittlung, welche Ausbeute bei einer Octanzahl von 95,0 vorliegen würde, entsprechend kompensieren. Wenn die Octanzahl nur 94 beträgt und die Ausbeute 75,75 Volumenprozent, flüssig, beträgt, gibt die Optimiereinrichtung bzw. die zugehörige Recheneinrichtung 'an, daß die Ausbeute bei konstanter Octanzahl, d.h. 95,0, nur 75,0 Volumenprozent, flüssig, betragen würde.

Eine andere Methode zum Trennen der Umwandlung von dem Leistungskennwert besteht darin, eines der Signale der Produktanalysiereinrichtung mit einer Zeitverzögerung zu belegen. Wenn bei der Reformierung die Temperatur eines Reaktors verringert

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wird, steigt die Ausbeute an und die Octanzahl fällt ab. Bevor die Ausbeutemessung der Optimiereinrichtung zugeführt wird,- ermittelt eine Octanzahlkontrolleinrichtung den Rückgang der Octanzahl und erhöht die Temperatur aller Reaktoren, um die Octanzahl v/ieder auf den vorgeschriebenen Wert zu bringen. Nachdem sich die Octanzahl auf dem vorgeschriebenen Wert stabilisiert hat, wird das Ausbeutesignal der Optimiereinrichtung zugeführt.

Eine andere Methode ist eine abgewandelte Ausgleichsregelung ("feed forward" control). Man läßt die Optimiereinrichtung eine Änderung der Temperatur eines einzelnen Reaktors vornehmen. Das System unterliegt dem Zwang, daß die mittlere Einlaßtemperatur aller Reaktoren gleichbleiben muß. Wenn beispielsweise vier Reaktoren gleicher Größe vorhanden sind und die Temperatur eines Reaktors um z.B. 3°C gesenkt wird, werden somit die Einlaßtemperaturen der übrigen drei Reaktoren um je IC erhöht-. Die Optimiereinrichtung ändert somit das Temperaturprofil der Reaktoren, jedoch mit wenig ader keiner Änderung der mittleren Einlaßtemperatur, Dies führt die Beeinflussung der Umwandlung durch die Optimiereinrichtung auf ein Geringstmaß zurück.

Ein weiterer Weg zum Optimieren einer Verfahrensdurchführung wie der Reformierung besteht darin, daß man mittels der Qptimiereinriehtung das Verknüpfungsprodukt (cross product) von zwei miteinander in Beziehung stehenden Veränderlichen, z,B, die Ausbeute und die Cetanzahl (Octanzahl-Volumenausbeute), über" wacht und optimiert.

Es können auch andere Funktionen von zwei ader mehreren Veränderlichen zur Bildung eines Leistungskennwerts herangezogen werden. Bei einem Reformierverfahren ist die Dichte des Rückführgases ein Maß für die Was.g©ipetoffreinheit,, Allgemein erzeugt ein optimiertes Reformierverfahren weniger leichte Enden, d.h, weniger leichte gasförmige Kohleinwasserstoffe, so. daß das

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Rückführgas eine geringere Dichte aufweist. Es kann also a~.s Itawandlungsvorschrift die Octanzahl und als Leistungskeunweri: die Rückführgasdichte oder eine davon abhängige Größe gewählt werden. Auch hier können Kompensationsmaßnahmen zweckmäßig oder erforderlich sein, da auch hier eine Änderung der Reaktionsschärfe sowohl die Rückführgasdichte als auch die Octanzahl beeinflußt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Betriebsdurchführung eines Reformierverfahrens weiter veranschaulicht. Das Reformierverfahren wurde in Übereinstimmung mit dem in der Figur 4 dargestellten Fließbild durchgeführt, mit der Ausnahme, daß mit vier Reaktoren gearbeitet wurde.

Die Reaktoren waren nicht von gleicher Größe, vielmehr lag die nachstehende Katalysatorverteilung vor: 10 % in Reaktor 1, 15 % in Reaktor 2, 25 % in Reaktor 3, 50 % in Reaktor 4.

Die Betriebsdurchführung erfolgte in einer großtechnischen Anlage zur Verarbeitung einer Beschickung mit 100 m /h Einsatzmaterial. Die Anlage war für eine stündliche Raumströmungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit, d.h. Volumenteile flüssige Beschickung, gemessen bei 15°C, je Stunde und je Volumentail Katalysator, von 1,0 ausgelegt. Die Anlage enthielt somit 100

3
m Edelmetall-Reformierkatalysator. Der Druck am Einlaß des er·*· sten Reaktors betrug 22 atm, der Druck in dem bei hohera Druck und niedriger Temperatur arbeitenden Abscheider betrug 18 atm. Die vorgeschriebene Octanzahl des Produkts betrug 95,0,

Die erforderlichen Reaktoreinlaßtemperaturen vor und nach Anwendung der Betriebsweise gemäß der Erfindung sind nachstehend tabellarisch zusammengestellt;

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nicht-optimierte Betriebsdurch- Optimierte Betriebsdurchführung, Reaktortempera türen führung, Reaktor temoerat. Reaktor ⁰C (°F) ~ ⁰C (⁰F) -■

1 507 (945) 505 (941)

2 504 (940) . 502 (936)

3 5O4 (940) . 503 (937)

4 500 (932) 504 (939)

Bei der optimierten Betriebsdurchführung, d.h. mit Steuerung der Reaktortemperatüren durch die Optimiereinrichtung,' stieg die Flüssigkeitsausbeute von 71,2 Volumenprozent., flüssig, auf 72,2 Volumenprozent., flüssig, an. Dies ist, bei gleicher Octanzahl, eine ganz wesentliche Ausbeuteverbesserung mit maßgeblicher Beeinflussung der Wirtschaftlichkeit. Da eine Ausbeuteänderung von 1,0 Volumenprozent-, flüssig, bei einer großtechnischen Anlage im laufenden Betrieb in Form von Momentanwerten vergleichsweise schwierig zu überwachen ist, wurden auch andere Größen, die stärkeren Änderungen als die Flüssigkeitsausbeute unterliegen, überwacht. Beim übergang von der nicht-optimierten Fahrweise auf die optimierte Fahrweise trat eine sprunghafte Verringerung der Dichte des Rückführgases, bezogen auf Luft, von 0,30 auf 0,285 ein, was eine wesentliche Erhöhung des Wasserstoffgehalts im Rückführgas und eine wesentliche Verringerung der Krackung unter Erzeugung leichter gasförmiger Kohlenwasserstoffe anzeigt. Die vorstehend erwähnte Ausbeutesteigerung von 1,0 Volumenprozent, flüssig, bedeutet bei dem angegebenen Anlagendurchsatz eine zusätzliche Benzinerzeugüng von 1 m /h. Diese wird erreicht einzig auf Kosten einer geringeren Bildung von leichten Kohlenwasserstoffen mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen im Molekül, die bekanntlich einen viel geringeren Wert als Benzin haben. Es werden somit wesentliche technische Vorteile erzielt.

Eine mögliche Deutung für die Ausbeutes.teigerung liegt darin, daß die tieferen Temperaturen in den ersten drei Reaktoren eine milde Behandlung des Einsatzmaterials zur Umwand-

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lung von iJaphthenen in Aromaten und zur Dehydrocyclisierung von -Paraffinen zu Aromaten herbeiführen. Im letzten Reaktor v/erden die Temperaturen dagegen zur Octanzahlsteigerung beträchtlich erhöht. Die Ausbeuteverbesserung kann darauf beruhen, daß weniger Paraffine in den ersten drei Reaktoren gekrackt werden und damit die Möglichkeit einer Umwandlung in Aromaten erhalten. Diese Aromaten sind sehr beständig und passieren den letzten Reaktor unversehrt. Die Temperatur des ersten Reaktors ist möglicherweise höher als die der nachfolgenden Reaktoren wegen der umfangreichen Dehydrierung, die in den obersten wenigen Zentimetern des ersten Katalysatorbetts erfolgt. Eine etwas höhere Einlaßtemperatur im ersten Reaktor kann wegen des sehr raschen Temperaturabfalls beim Durchgang des Öls durch die anschließenden Teile des Katalysatorbetts geduldet werden. Die mittlere Katalysatortemperatur ist im ersten Reaktor wegen des Temperaturgefälles über die Länge des Bettes am geringsten.

Ein weiteres Merkmal für die Ausbeutesteigerung ist die geringe Zunahme der auf das Gewicht bezogenen mittleren Einlaßtemperatur (weighted average inlet temperature; WAIT). Die Produktoctanzahl blieb konstant, die auf das Ge- " wicht bezogene mittlere Einlaßtemperatur war um etwa 1/2 C erhöht. Dies kann als Hinweis dafür angesehen werden, daß in stärkeremHaße endotherme Dehydrierung eintritt.

Die angegebenen Temperaturen können wohl nicht als optimale Temperaturen für alle Reformierungen oder selbst nicht für die erläuterte Reformierung mit allen möglichen Einsatzmaterialien angesehen werden. Jegliche Änderungen der Beschickung, der Produktoctanzahl oder der Art des verwendeten Katalysators können die optimale Temperaturverteilung verschieben. Wesentlich ist jedoch, daß durch die Verfahrensdurchführung gemäß der Erfindung das optimale Temperaturprofil für

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jeden vorgegebenen Satz festgelegter Betriebsbedingungen herbeigeführt und eingehalten wird.

Alle erläuterten Änderungen sind, absolut betrachtet, sehr klein und in einer technischen Anlage schwer genau zu bestimmen. Die kumulative Wirkung all dieser -änderungen belegt jedoch eindeutig, daß die Verfahrensdurchführung gemäß der Erfindung die Ergebnisse, hier aufgezeigt am Beispiel der Reformierung, wesentlich verbessert. Die geringe Größe der vorgenommenen Veränderungen läßt auch verstehen, warum in dem langen Zeitraum der intensiven Bearbeitung bisher niemand das optimale Temperaturprofil etwa für die vorstehend erläuterte Verfahrensdurchführung ermittelt hat. Es ist äußerst verwickelt und umständlich, viele kleine Änderungen der Betriebsweise vorzunehmen und deren Wirkungen hinreichend genau festzuszellen. Durch die Arbeitsweise gemäß der Erfindung gelingt es jedoch in einfacher, sicherer und wirtschaftlicher Weise, den Betrieb durch jeweils geringe Änderungen ständig bei optimalen Bedingungen zu halten.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist auf Be-¹

triebsdurchführungen in zwei oder mehr Reaktoren anwendbar und hat sich als besonders vorteilhaft für die katalytische Reformierung von Benzin und die Dehydrierung von Äthylbenzol erwiesen.

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Claims (15)

Patentansprüche

1. Umwandlungsverfahren, insbesondere zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen, bei dem ein Reaktionstsilnehmerstrom durch mindestens zwei in Reihe geschaltete Reaktionszonen geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Steuerung des Umwandlungsprozesses ein Regelsystem verwendet, das eine vorgegebene Umwandlung aufrechterhält und die Leistung des Umwandlungsverfahrens optimiert und

(a) eine Regeleinrichtung in Verbindung mit jeder Reaktionszo.ne zum Regeln mindestens einer die Betriebsschärfe der Umsetzung beeinflussenden Verfahrensbedingung, wobei jede dieser Regeleinrichtungen einen Sollwert aufweist,

(b) eine Einrichtung zum Analysieren des Ausflusses aus der stromabwärts letzten Reaktionszone,

(c) eine Leistungsanzeigeexnrichtung in Verbindung mit der Analysiereinrichtung, die zur Erzeugung eines Leistungskennwertsignals in der Lage ist,

(d) eine mit der Leistungsanzeigeeinrichtung verbundene Optimiereinrichtung mit einer Recheneinrichtung zum Analysieren des Leistungskennwertsignals und Erzeugen eines ersten oder Optimierungssignals für jede Reaktionszone,

(e) eine Umwandlungskontrolleinrichtung in Verbindung mit der Analysiereinrichtung zur Erzeugung eines zweiten oder Umwandlungssollsignals für jede Reaktionszone, Und

(f) eine mit der Optimiereinrichtung, der Umwandlungskontrolleinrichtuncj und der Betriebsschärferegeleinrichtung verbundene Einrichtung zum Kombinieren des ersten Signals mit dem zweiten Signal zur Erzeugung eines Signals für jeden Sollwert der unter (a) genannten Regeleinrichtungen

umfaßt.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Leistungskennwert eine vom Verhältnis unerwünschter Produkte zu erwünschten Produkten im 7uisfluß der letzten Reaktionszone abhängige Größe bildet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, daß man als Leistungskennwert die Flüssigkeitsausbeute verwendet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3,

dadurch gekennzeichnet, daß man mittels der Regeleinrichtungen gemäß (a) die Temperatur der Reaktionszonen regelt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß man als Umvrandlungssollwert eine von Verhältnis erwünschter Produkte zu nicht-umgesetzten Reaktionsteilnehmern im Ausfluß der letzten Reaktionszone abhängige Größe verwendet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als Umwandlungssollwert die Cetanzahl verwendet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß man, wenn sowohl der Leistungskennwert als auch die Umwandlung durch eine .-riderung der Betriebsbedingungen gleichzeitig beeinflußt werden, eine Kompensierung dieser Wechselwirkung vornimmt.

8. Verfahren nach Anspruch 1 zur Dehydrierung von Ethylbenzol, bei dem Äthylbenzol im Gemisch mit Wasserdampf durch mindestens zwei katalytische Reaktionszonen geleitet und ein Ausfluß erzeugt wird, der Styrol, nicht umgesetztes Ethylbenzol, Benzol und Toluol enthält, dadurch gekennzeichnet, daß man

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(a) die Reaktionsschärfe in jeder der katalytischen Reaktionszonen in Ansprechen auf ein Sollwertsignal für jede Reaktionszorie steuert,

(b) den Ausfluß der stromabwärts letzten Reaktionszone zur Erzeugung von Signalen nach Maßgabe der Mengen an Benzol (B), Toluol (T), Styrol (St) und Äthylbenzol (XB) analysiert,

(c) das Leistungskennwertsignal in Abhängigkeit von dem Verhältnis ^(B—+JD , bildet,

(d) die Leistung des Verfahrens durch Analysieren· des Leistungskennwertsignals und Bildung eines ersten oder Optimierungssignals für jede Reaktionszone optimiert,

(e) ein zweites oder Umwandlungssollsignal in Abhängigkeit von dem tatsächlichen Styrol/Äthylbenzol-Verhältnis im Vergleich, zu einem vorgeschriebenen Styrol/Äthylbenzol-Verhältnis bildet, und

(f) die ersten Signale mit dem zv/eiten Signal kombiniert und hierdurch ein Signal für jeden Sollwert der Stufe (a) erzeugt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktionsschärfe durch Zuführung von überhitztem Wasserdampf zu·den Reaktionszonen steuert.

10. Verfahren nach Anspruch 1 zur Reformierung

von Kohlenwasserstoffen, bei dem eine Kohlenwasserstoffbeschikkung durch mindestens zwei katalytische Reaktionszonen geleitet und ein reformiertes Produkt abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß man

(a) die Reaktionsschärfe in jeder der katalytischen Reaktionszonen in Ansprechen auf ein Sollwertsignal für jede Reak-

_t. . tionszone steuert, -■ ;.

(b) den Ausfluß aus der stromabwärts letzten Reaktionszone analysiert und Signale nach Maßgabe der (1) Flüssigkeitsaus-

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beute und der (2) Octanzahl der Flüssigkeit erzeugt,

(c) die Leistung der Reaktionszonen durch Analysieren des Signals (1) der Stufe (b) und Bildung eines ersten Signals für jede Reaktionszone zur Annäherung optimaler Leistung der Reaktionszonen optimiert,

(d) durch" Vergleich der tatsächlichen Octanzahl mit einer vorgeschriebenen Octanzahl ein zweites Signal bildet, und

(e) die ersten und zweiten Signale kombiniert und hierdurch ein Signal für jeden Sollwert der Stufe (a) erzeugt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reaktionsschärfe durch Regelung der Temperatur in jeder Reaktionszone steuert.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß man das Flüssigkeitsausbeutesignal so korrigiert, daß es die bei Vorliegen eines Produkts mit der vorgeschriebenen Octanzahl zu erwartende Flüssigkeitsausbeute anzeigt.·

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß mail mittels der Optimiereinrichtung eine konstante auf das Gewicht bezogene mittlere Einlaßtemperatur aufrechterhält.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß man das Flüssigkeitsäusbeutesignal der Optimiereinrichtung nicht zuführt, bevor die Octanzahl des Produkts den vorgeschriebenen Wert hat;

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 - 14> dadurch gekennzeichnet, daß man das erste" Signal der Stufe (c) nach Maßgabe des Verknüpfungsprodükts Ψύη Flüssigkeicsausbeute und Octanzahl bildet. .■■■= icO

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