DE2538193A1

DE2538193A1 - Vorrichtung zur gasverteilung fuer wirbelschichten

Info

Publication number: DE2538193A1
Application number: DE19752538193
Authority: DE
Inventors: John Edward Gwyn; Glenn Ray Mccullough; Wesley Alonzo Parker
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1974-08-29
Filing date: 1975-08-27
Publication date: 1976-03-11
Also published as: DE2538193C2; NL7510112A; NL181333B; AU8431275A; FR2282934A1; NL181333C; JPS5844408B2; GB1522162A; JPS5150291A; US3974091A; FR2282934B1

Description

DIPL-CHEM. DR. ELISABETH JUNG * MOchen

DiPL-PHYS. DR. JÜRGEN SCHIRDEWAHN

DR.-ING. GERHARD SCHMITT-NILSON telegramm-adresse:invent/mdnchen

PATENTANWÄLTE «LKW«

27. August 1975 u.Z.: J 77oM (Dr.S/bai/Dr.SchN/Kl.)

SHELL INTERNATIONALE RESEARCH MAATSCHAPPIJ B.V. , Den Haag / Niederlande

"Vorrichtung zur Gasverteilung für Wirbelschichten"

Prioritäten: 29. August 1974; V.St.A.; Anmelde-Nr.: 5ol 514 2. Mai 1975; V.St.A.; Anmelde-Nr.: 574 188

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Gasverteilung, die für die Regenerierung fluidisierter Katalysatorpartikel verwendet werden kann, die zeitweise durch die Ablagerung von kohlenstoffhaltigem Material bei Umwandlungs- bzw. Veredelungsprozessen von Kohlenwasserstoffen deaktiviert worden sind, wie beispielsweise beim katalytischen Kracken bzw. Aufspalten. Die Erfindung richtet sich insbesondere auf eine Vorrichtung zur Wirbelschicht-Gasverteilung bei einem kohlenstoffverunreinigten Katalysator, durch die der Teilchenabrieb bzw. -verschleiß auf ein erstrebenswertes Minimum reduziert ist.

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Bei einer Anzahl katalytischer Hochtemperatur-Verfahren mit Kohlenwasserstoff, beispielsweise beim Kracken, Hydroformieren, d.h. Veredeln insbesondere von Benzin in einem katalytischen Verfahren usw. werden die Katalysatoren, die in fein verteilter oder pulveriger Form verwendet werden, durch kohlenstoffhaltige bzw. kohleartige Ablagerungen während des Kontakts mit den Kohlenwasserstoff-Reaktionsteilnehmern.im Umwandlungsbereich verunreinigt. Diese kohligen Ablagerungen, die sich auf den Oberflächen der Katalysatorpartikel während des Umwandlungsprozesses anreichern, können wesentlich die Aktivität des Katalysators verringern oder ihn gar deaktivieren, was auch in Wirklichkeit vorkommt. Insbesondere bei kontinuierlichen Prozessen zum katalytischen Kracken schwerer Kohlenwasserstoffe ist es eine übliche Maßnahme, wo es das Format der Partikel des verwendeten Katalysators gestattet, diesen dadurch zu regenerieren, daß er ständig aus dem katalytischen Umwandlungsbereich in einen Regenerierungsbereich überführt wird, wo hinreichend sauerstoffhaltiges Gas unter kontrollierten bzw. geregelten Bedingungen zur Wirbelschichtbildung der Katalysatorteilchen und zum Abbrennen eines wesentlichen Teils des darauf abgelagerten kohlenstoffhaltigen Materials eingeleitet wird. In typischer Weise wird bei solchen Verfahren der kohlenstoffverunreinigte Katalysator in den Regenerierungsbereich oder die Regenerierungskammer als eine fluidisierte Masse eingebracht, wobei das Fluidisierungsmedium ein Teil des sauerstoffhaltigen Gases ist, das zur Regenerierung benötigt wird, oder ein Inertgas, wie beispielsweise Stick-

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stoff; der Katalysator kann aber auch in Feststoffphase mittels Schwerkraft oder durch eine andere geeignete mechanische Fördereinrichtung eingeführt v/erden. In jedem Fall bilden die Katalysatorpartikel beim Eintritt in die Regenerierungskammer einen dichten Bereich oder eine dichte Phase am unteren Ende der Kammer, wo die Katalysatorpartikel und das Gas wie eine einzige Masse zusammenwirken, die sich quasi wie eine Flüssigkeit verhält, sowie eine obere, weniger dichte bzw. weniger kompakte Phase, in der der Katalysator lediglich in den Gasen oder Dämpfen suspendiert ist. Herkömmlicherweise wird der fluidisierte Zustand der unteren, dichten Phase durch ein Verteilungssystem für sauerstoffhaltiges Gas aufrechterhalten, das eines oder mehrere verzweigte Leitungsteile verschiedenartiger Gestalt aufweist, die üblicherweise im Bödenbereich der Kammer im wesentlichen horizontal ausgerichtet sind und die mit einer außerhalb liegenden Einspeisung von sauerstoffhaltigem Druckgas verbunden sind, wobei jedes der verzweigten Leitungsteile eine Vielzahl von Gasabgabedüsen aufweist, durch die sauerstoffhaltiges Gas mit einem Durchsatz bzw. einer Strömungsgeschwindigkeit eingeblasen wird, die ausreicht, den Wirbelschichtzustand der dichten Katalysatorphase aufrechtzuerhalten.

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Nachdem der Katalysator mit dem sauerstoffhaltigen Gas bei einer Temperatur und über eine Verweilzeit hinweg, die zum Abbrennen der kohlestoffhaltigen Ablagerungen auf den Katalysatorpartikeln hinlänglich sind, in Kontakt gebracht wurde, wird er der Regenerierungskammer mittels einer oder mehrerer Leitungen entnommen, die typischerweise an der Oberseite oder in Nähe der Oberseite der Zone dichter Phase angeordnet sind, und wird dem Umwandlungsbzw. Reaktionsbereich zugeführt. Das verbrauchte Regenerierungsgas, das die gasförmigen Verbrennungsprodukte und Katalysatorpartikel enthält, die aus der verdünnten''Katalysatorphase mitgerissen wurden, wird durch eine·herkömmliche Abscheidungsanlage zum Abscheiden von Feststoffen aus Gas geleitet, beispielsweise durch einen oder mehrere Zyklonabscheider, um die Katalysatorenpartikel zu entfernen, die in den Bereich dichter Phase wieder rückgeführt werden, wobei die verbleibenden Gase über einen Abgasschacht in die Atmosphäre abgeleitet werden.

Obwohl das im grundsätzlichen oben beschriebene Regenerierungsverfahren mit Wirbelschicht und eine Vielzahl seiner Abwandlungen in breitem Umfang wirtschaftlich bereits seit einer Anzahl von Jahren.verwendet werden, sind dennoch derartige Verfahren nicht problemlos. Eine der Schwierigkeiten ist der bedeutende Abrieb der Katalysatorteilchen, der während des Regenerierungsverfahrens bei katalytischem Krack- bzw. Aufspaltvorgängen auftritt. Die GröBe (der Durchmesser) der Katalysator-

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partikel, wie sie beim katalytischen Kracken verwendet werden, liegt typischerweise im Bereich zwischen 5 und 125 ,u (Mikron), wobei der Hauptteil der Partikel im Bereich zwischen 45 und 74 ρ liegt. Katalysatorpartikel in diesem Größenbereich können im System bzw. im Umlauf bleiben und bleiben dort auch im wesentlichen, während die feineren Partikel, das sind Katalysatorpartikel im Bereich zwischen 5 und 4o u, die losgerissen werden und in der Gasphase der Regenerierungskammer verbleiben, wirksam durch an sich bekannte Einrichtungen und Verfahren zum Trennen von Gas und Feststoffen rückgewonnen werden können, beispielsweise durch einen oder mehrere Zyklonabscheider oder Zentrifugalabscheider, die an der Oberseite der Regenerierungskammer bzw. in Strömungsrichtung gesehen - hinter der Strömungskammer angeordnet sind. Das Problem liegt darin, daß eine bedeutende Menge des Katalysators,-isr dom Wirbelschicht-Regenerierungsbersich zugeführt wird, zu Partikeln einer Größenordnung unter 5 ρ unter den Bedingungen, die in herkömmlichen Regenerierungsprozessen vorliegen, zerrieben wird. Diese Abriebprodukte, die kleiner als 5 u sind, sind zu klein, um durch herkömmliche Zyklon - Abscheidesysteme zum Trennen von Gas und Feststoffen rückgewonnen zu werden; die zu kleinen Abriebprodukte stellen demzufolge eine ständige Quelle des Verlustes an Katalysator im System dar, und verursachen ebenso atmosphärische Verunreinigungsprobleme in den Feuerungsschächten, die mit den katalytischen Krackanlagen in Verbindung stehen, soweit nicht aufwendige Wasch- oder Beriese-

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lungs- oder Abscheidungssysteme verwendet werden. Es ist dementsprechend sowohl.vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit als auch des Umweltschutzes her wünschenswert, daß der Abrieb an Katalysatormaterial im wesentlichen an der Stelle seines Entstehens bereits unterbunden wird, d.h. im Regenerierungsbe- _N reich selbst.

Es wurde dem Umstand Rechnung getragen, daß ein überwiegender Grund für den Abrieb von Katalysator- oder Feststoffteilen in Wirbelschichten in der hohen Einströmgeschwindigkeit von Gas durch die Wirbelschicht-Gasverteilungsdüsen liegt (siehe z.B. US-PS 3 298 793) .

Diese Veröffentlichung bezieht sich auf die Verringerung des Abriebs von Katalysator in Wirbelschichten, wobei das fluidisierende ^Gas ^ⁿ einer mehr herkömmlichen Weise über jeweils gleich bemessene Gasöffnungen eingeleitet wird, die mit jeweils gleichem Abstand an einem Gitter oder einer Verteilungsleitung zum Ausblasen von Gas angeordnet sind, die am unteren Ende des fluidisierten Bereichs horizontal angeordnet ist. In diesem Fall wird der Abrieb des Katalysators auf Kollisionen zwischen schnell bewegten Katalysatorpartikeln, die von Gas mitgerissen wurden, das von den Auslässen des Gitters oder der Zutrittseinrichtung als Strahl mit hoher Geschwindigkeit austritt, mit den sich verhältnismäßig langsamer bewegenden Katalysatorpartikeln in der

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die Gasauslässe umgebenden Wirbelschicht zurückgeführt; die hohe Geschwindigkeit des .Gasstrahls steht mit der Notwendigkeit in Verbindung, einen gleichförmigen und hohen Druckabfall an den Gasauslässen zum Zwecke gleichförmiger Gasverteilung in einem solchen System aufrechtzuerhalten. Um diesen Katalysatorabrieb zu verringern, schlägt das genannte Patent als Lösung vor, daß das fluidisierende Gas, das durch das Gitter oder die Auslaßöffnungen mit hoher Geschwindigkeit und hohem Druckabfall hindurchtritt, expandiert und in seiner Geschwindigkeit abnimmt, bevor es mit den Katalysatorpartikeln in der Wirbelschicht zusammenkommt, wobei der Gasstrom vom fluidisierten Katalysator während seiner Expansion und Geschwindigkeitsverringerung abgeschirmt und isoliert wird. Die technische Lehre dieses Patents besteht darin, daß der Abrieb des Katalysators auf einen kleinen Bruchteil des üblicherweise auftretenden Abriebs reduziert werden kann, indem der Gasstrom, der das Gitter oder die Verteileröffnungen durchtritt, abgeschirmt, isoliert und in der beschriebenen Weise in seiner Geschwindigkeit verringert wird, wobei gleichzeitig ein Rückfluß des Katalysators in das Gitter oder die Verteileröffnungen verhindert wird. Gemäß einer mehr ins einzelne gehenden Lehre dieses Patents kann die erwünschte Verringerung des Katalysator-Abriebs in einer Wirbelschicht dadurch erzielt werden, daß der in das Katalysatorbett eintretende Gasstrahl so weit geschützt oder abgedeckt wird, daß die Gasge-

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schwindigkeit von Einblasgeschwindigkeiten der Düsen von 42 m/sec. oder mehr.auf einen Durchschnittswert unter etwa 15 m/sec, vorzugsweise 3 bis 9 m/sec, reduziert wird. Während somit die Vorrichtung zur Verringerung des Katalysatorabriebs, die am zitierten Ort beschrieben ist, bei bestimmten Verfahren mit Wirbelschichten durchaus ihre Anwendung finden kann, ist sie im Gegensatz hierzu bei vielen Vorgängen mit Wirbelschichten nicht günstig, wie beispielsweise bei der Regenerierung von kohlenstoffverunreinigten Krack-Katalysatoren, da bei diesen Vorgängen viel höhere Gaseinleitungsgeschwindigkeiten angestrebt werden müssen, beispielsweise 22,5 m/sec. oder mehr, um einen zufriedenstellenden Grad der Fluidisierung der Wirbelschicht und des Abbrennens des Kohlenstoffes zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgernäße Gasverteilungsvorrichtung anzugeben, bei der trotz vergleichsweise hoher Gaszufuhrgeschwindigkeit zur Wirbelschicht ein vergleichsweise geringer Abrieb des Katalysators stattfindet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine verbesserte Verteilungsvorrichtung für saurstoffhaltiges Gas zum Einführen

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zumindest eines Teils des sauerstoffhaltigen Gases, das zum Fluidisieren und Abbrennen abgesetzten Kohlenstoffes bei einer Wirbelschicht kohlenstoffverunreinigten Katalysators zum Umwandeln von Kohlenwasserstoffen dient, der in einer Regenerierungskammer enthalten ist, wobei ein Gasverteilungssystem mit einem oder mehreren Verteilungsgliedern vorgesehen ist, die am unteren Ende der Regenerierungskammer angeordnet sind, in Verbindung mit einer Quelle sauerstoffhaltigen Druckgases stehen und mit denen eine Vielzahl gleich bemessener Gasabgabedüsen verbunden ist, durch die sauerstoffhaltiges Gas in Kontakt mit der dichten Katalysatorphase gebracht wird, die dadurch gekennzeichnet ist, daß jede Gasabgabedüse in ihrem inneren Querschnitt in einem strömungsaufwärts liegenden Bereich, der mit dem Verteilungsglied verbunden ist, verringert ist und in ihrem Querschnitt in einem strömungsabwärts liegenden Bereich vergrößert ist, derart, daß

a) das numerische Verhältnis der Differenz zwischen dem Durchmesser des strömungsabwärts liegenden Abschnitts und dem Durchmesser des strömungsaufwärts liegenden Abschnitts dividiert durch die Länge des strömungsabwärts liegenden Abschnitts,

^D2~^D1 gemessen in Richtung der Gasströmung, (—= ) den Wert o,18

^L2 nicht überschreitet und daß

b) das Verhältnis des Innendurchmessers des strömungsaufwärts . liegenden Abschnitts zu seiner Länge, gemessen in Richtung

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^Dl
des Gasstroms, (-— ) den Wert 1,67 nicht überschrei-

^Ll
tet.

Es ist herausgefunden worden, daß der Katalysatörabrieb, der bei der herkömmlichen Regenerierung kohlenstoffverunreinigter Katalysatoren mit einer Wirbelschicht in den Fällen wesentlich verringert werden kann, in denen zumindest ein Teil des sauerstoffhaltigen Gases, das zum Fluidisieren und zum Abbrennen der Kohlenstoffablagerungen benötigt wird, direkt in den Bereich dichter Phase des fluidisierten Katalysators bei einer hohen Aufgabegeschwindigkeit mittels einer Vielzahl von gleichformatigen Gasaufgabedüsen eingeleitet wird, die an einer oder mehreren Verteilleitungen angebracht sind, die an dem unteren Ende der Wirbelschicht-Regenerationszone angeordnet sind. Ferner hat sich herausgestellt, daß diese Verringerung beim Katalysatorabrieb erzielt v/erden kann, während ein hinlänglicher Druckabfall in den Düsen aufrechterhalten wird, um eine gleichmäßige Gasverteilung im Regenerierungsbereich vorzusehen und um einen Rückfluß von Katalysatorpartikeln in die Verteilungsleitung(en) und die Erosion der Düsen zu verhindern. Diese vorteilhaften Ergebnisse entstammen der erfindungsgemäßen Verwendung kritisch bemessener Gasabgabedüsen, deren innere Querschnittsfläche sich in dem Abschnitt verringert, der zuerst durchströmt wird und der mit der Verteilungsleitung verbunden ist, und sich in dem Abschnitt vergrößert, der anschließend durchströmt

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wird und mit den fluidisierten Katalysatorparti-keln in Strömungsverbindung steht. Die im einzelnen einzuhaltenden Abmessungsbedingungen ergeben sich aus dem Patentanspruch.

Es hat sich zusätzlich herausgestellt, daß bei der Verwendung der kritisch dimensionierten Gasabgabedüsen in der beschriebenen Weise in einem Verfahren zur Regeneration kohlenstoffverunreinigter Krack-Katalysatoren in einer Wirbelschicht die besonders erstrebenswerte Verringerung des Katalysatorabriebs zu Teilchen im Bereich uni-^r 2 λι dann auftritt, wenn die Gasgeschwindigkeit an den Düsenauslaßstellen von einer Düsenauslaßgeschwindigkeit über 45 m/sec. auf eine Geschwindigkeit im Bereich von 22,5 - 37,5 m/sec. reduziert wird. Diese Verringerung im Katalysatorabrieb mit Gasabgabedüsen, die unmittelbar Gas abgeben, geschieht bei einer Düsenauslaßgeschwindigkeit , die wesentlich über den 15 m/sec. liegt, die als Grenze im Stand der Technik für noch hinnehmbaren Katalysatorabrieb geoffenbart ist, und dementsprechend kann der Katalysatorabrieb nunmehr selbst r>eim Betrieb von Wirbelschichten verringert werden, wie sie beispielsweise bei der Regenerierung von kohlenstoffverunreinigten Krack-Katalysatoren Anwendung finden, bei denen Dusenauslaßgeschwindigkeiten oberhalb-22,5 m/sec. für eine annehmbare Fluidisierung und einen annehmbaren Abbrand von Kohlenstoffablagerungen erstrebenswert sind.

Die Erfindung ist auf jede Wirbelschicht anwendbar, der ein Gas in die dichte oder

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flüssigkeitsähnliche Phase von Feststoffpartikeln eingeleitet wird; die Erfindung findet vorzugsweise Anwendung bei Verfahren wie Hydroformieren, Kracken, Polymerisieren, Hydrieren usw. Hauptsächlich aufgrund der Geschwindigkeit und der Schwierigkeit der Deaktivierung von Katalysatoren zum Kracken von Kohlenwasserstoffen wegen d.er Kohlenstoffablagerung und aufgrund des großen Umfangs der Anwendung kontinuierlicher Krack- bzw. Spaltprozesse, die fluidisierte Katalysatoren zum Aufspalten verwenden, ist die Erfindung allerdings insbesondere zur Regenerierung derartiger fluidisierter Katalysatoren zut Kracken geeignet.

Bei der Regenerierung von Krack-Katalysatoren mittels einer Wirbelschicht können die erfindungsgemäßen Vorzüge bei jeder herkömmlichen Regenerierungskammer erzielt werden, in die der verbrauchte Katalysator als dichte oder quasi-flüssige Phase eingeführt wird oder eine derartige Phase bei seiner Einführung bildet. Die Bauweise einer Regenerierungskammer kann auf völlig konventionelle Weise gewählt werden; d.h. die Kammer kann vorzugsweise vertikal angeordnet sein, beispielsweise als stehender Zylinder, der an seinem unteren Ende einen verringerten Durchmesser oder eine konische Form aufweist, oder in Gänze einen aufrechten Kegel bilden, dessen Basis die Oberseite der Regenerierungskammer bildet. Vorzugsweise weist die Regenerierungskammer die Form eines aufrechten Zylinders auf, dessen unteres Ende

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einen verringerten Durchmesser oder konische Form aufweist. Verbrauchter Katalysator wird zum Grund oder unteren Bereich der Regenerierungskammer über einen Gas-Steiger oder eine Hubröhre eingeführt. In jedem der Fälle, auch in diesem, v/o der verbrauchte Katalysator in die Regenerierungskammer als bereits fluidisierte Masse in einem sauerstoffhaltigen, gasförmigen Fluidisierungsmedium eingeführt wird, wird bevorzugt, daß der Hauptteil oder das gesamte sauerstoffhaltige Gas, das zum Fluidisieren und zum Abbrennen der Kohlenstoffrückstände benötigt wird, in die flüssige Phase der fluidisierten Katalysatormasse mittels der erfindungsgemäßen Gasabgabeöffnungen oder -düsen eingebracht wird.

Die Gasabgabedüsen, die zum erfindungsgemäßen Einführen sauerstoffhaltigen Gases in die Zone dichter Phase der fluidisierten Katalysatorpartikel verwendet werden, sind in der Regenerierungskammer an und in fluidkommunizierender Verbindung mit einem oder mehreren sauerstoffhaltiges Gas transportierenden Verteilungsleitungsteilen angeordnet, die am unteren Ende der Regenerierungskammer so angeordnet sind, daß der Hauptteil des in dichter Phase fluidisierten Katalysators oberhalb der Verteilungsleitungsteile angeordnet ist. Die Verteilungsleitungsteile können irgendeine von vielen möglichen herkömmlichen Formen auf v/eisen. Beispielsweise können sie kreisförmig sein, beispielsweise als eine Vielzahl konzentrischer Ringe unterschiedlichen Umfangs in der glei-

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ORIGINAL

chen horizontalen Ebene oder in verschiedenen Ebenen, oder auch in serpentinenartiger Form, oder sogar als gerade Rohre vorgesehen sein. Die Lage und die Orientierung der erfindungsgemäßen Gasabgabedüsen an den Verteilungsleitungsteilen ist nicht kritisch. Das bedeutet, daß die Abgabedüsen nach oben in die Regenerierungskammer, nach unten, nach der Seite oder in einer beliebigen KoirJoination dieser Richtungen v/eisen können·. Um die Ausbildung von Gasströmungskanälen zu vermeiden, und um die Gleichmäßigkeit der Gasverteilung in der Wirbelschicht sicherzustellen, besteht eine vorzugsweise Ausgestaltung der Erfindung darin, daß die Gasabgabedüsen den gleichen Abstand gegeneinander sowie den gleichen Durchmesser aufweisen. Die Auslaßöffnungen der Düsen stehen in direkter Flüssigkeitsverbindung mit der dichten Phase in dem Katalysatorbett, d.h. das fluidisierende Gas ist nicht isoliert und abgeschirmt von den Katalysatorteilen wie beim oben erörterten Stand der Technik, wenn es von der Düse abgegeben wird. Außerordentlich

große Düsenlängen sind dadurch vermieden, daß das Verhältnis —=

^L2 im vorzugsweisen Bereich von etwa o,o9 bis o,12 gewählt ist, und daß herkömmliche Längen im Bereich zwischen 7,5 und 12,5 cm gewählt sind.

Der Übergang zwischen dem strömungsaufwärts liegenden Abschnitt verringerten Querschnitts und dem strömungsabwärts liegenden Abschnitt mit erweitertem Querschnitt der Düsen kann allmählich

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ORIGINAL INSPECTED

oder abrupt sein, wobei eine hinlängliche Übergangszone für den Gasstrom vorgesehen sein muß, um sich in dem strömungsabwärts liegenden Abschnitt größerer Querschnittsfläche auszubreiten, und wobei vorgesehen sein muß, daß die Abmessungsgrenzen des bereits vorher erwähnten kritischen Verhältnisses eingehalten werden. Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche des später durchströmten Abschnitts 1,3 bis 5 mal größer als die Querschnittsfläche des zuerst durchströmten Abschnitts, und der Ubergangsbereich besteht in einem abrupten Wechsel der Fläche. Die in Strömungsrichtung des Gases gemessene Länge des strömungsaufwärts liegenden Abschnitts der Düse wird vom Druckabfall festgelegt, der längs der Düsen erwünscht ist; um eine extreme Empfindlichkeit in der Abhängigkeit des Druckabfalls von der Länge zu vermeiden, sollte allerdings das Verhältnis zwischen dem inneren Durchmesser des strömungsaufwärts liegenden Abschnitts und seiner Länge, gemessen

/in Gasströmungsrichtung ,

" ~~/ ^^en k^Tert 1 »67 für Düsen herkömmlicher Größe nicht

überschreiten. Es hat sich herausgestellt, daß bei Verhältnissen, die größer sind als der Wert 1,67, kleine Änderungen (Verringerungen) des Innendurchmessers des strömungsaufwärts liegenden Abschnitts der Düse im Verhältnis zu ihrer Länge geradezu dramatische Steigerungen im Druckabfall längs der Düse bis auf Werte erwirken kann, die für eine optimale Wirbelschichtbildung unerwünscht hoch sind. Es ist möglich, den Katalysator-Abrieb wesentlich dadurch zu verringern, daß man das Verhältnis des Innendurch-

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ORfGlNAi

messers des strörpungsaufwarts liegenden Düsenabschnitts zu seiner Länge so steuert, daß der oben dargestellte Wert eingehalten wird, und daß das kritische numerische Verhältnis aufrecht erhalten wird, das oben für den Unterschied zwischen den Innendurchmessern des strömungsabwärts liegenden Abschnitts und des strömungsaufwärts liegenden Abschnitts dividiert durch die Länge des strömungsabwärts liegenden Abschnitts angegeben wurde, während ein Druckabfall längs der Düsen aufrecht erhalten wird, beispielsv/eise

2 2
o,o2 bis etwa o,14 kg/cm (Kp/cm ) , der analog zu den Werten ist, die für eine gleichförmige Gasverteilung in Fällen erforderlich sind, in denen bisher für die gleichförmige Gasverteilung hohe Gasgeschwindigkeiten erforderlich waren.

Ein bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein verbessertes Verfahren für die Regeneration kohlenstoffverunreinigter Krack-Katalysatoren mittels Wirbelschichten, wobei Abrieb der Katalysatorenpartikel auf eine Größe unter 2 μ wesentlich verringert werden kann, während gleichzeitig eine zum Fluidisieren hinlängliche Gasgeschwindigkeit an den Düsenauslässen aufrecht erhalten wird, so daß ein zufriedenstellender Abbrand des Kohlenstoffs und eine zufriedenstellende Fluidisierung in herkömmlich ausgelegten Reaktoren gewährleistet ist. Dieses gemäß der Erfindung verbesserte Verfahren kombiniert die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verteilersystems für sauerstoffhaltiges Gas mit kritisch dimensionierten Gasabgabedüsen, mit der

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ORIGINAL INSPECTED

Feststellung, daß der Abrieb des Katalysators auf eine Partikelgröße von kleiner als 2 μ im beschriebenen System eher direkt proportional zur Zufuhr kinetischer Energie an den Düsenauslässen ist als zur Düsenauslaßqeschwindigkeit selbst oder zu einem anderen, hiermit zusammenhängenden Faktor. Es wird somit der Abrieb direkt abhängig vom Quadrat der Düsenauslaßgeschwindigkeit, und im Fall der Regenerierung eines Krack-Katalysators existiert dementsprechend ein Bereich von Düsenauslaßgeschwindigkeiten, der eine wesentliche Verringerung des Katalysatorenabriebs ermöglicht, während gleichzeitig die Geschwindigkeiten hoch genug sind, daß eine hinlängliche Fluidisierung des Katalysators erreicht wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Darstellungen an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert:

Fig. 1 stellt das Verhältnis zwischen zugeführter kinetischer Energie und Abrieb des Katalysators dar. Katalysatorabrieb bis weniger als 2 u Partikelformat ist über der Auslaßgeschwindigkeit einer Fluidisierungsgasdüse aufgetragen, wobei ein Basisabrieb von 1 (= 1oo %_) bei einer Geschwindigkeit von 6o m/sec. eingetragen ist. Experimentell wird der größte relative Anstieg im Katalysatorabrieb festgestellt, wenn die Düsenauslaßgeschwindigkeiten von 37,5 m/sec. bis auf 6o m/sec. ansteigen. Wenn man die Geschwindigkeit von 6o m/sec. auf Geschwindigkeiten im

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Bereich von etwa 22,5 bis 37,5 m/sec. verringert, dann verringert sich der von dem Düsenstrahl verursachte Abrieb um 86 bis 6o %, während eine weitere Verringerung der Geschwindigkeit von 22,5 m/sec. zu den gemäß Stand der Technik verwendeten Geschwindigkeiten (unter 15 m/sec.) lediglich eine zusätzliche Verringerung des Abriebs um 1o % ergibt. Dies bedeutet, übertragen auf praktische Begriffe, daß weitaus die größte Verringerung der Menge abgeriebener Katalysatorenpartikel, die aus der Ausblasöffnung einer Regenerierungskammer für Krack-Katalysator abgegeben werden, dadurch erzielt werden kann, daß die Düsengeschwindigkeiten im beschriebenen Ausmaß und in der beschriebenen Weise verringert werden.

Fig. 2 zeigt schematisch eine teilweise geschnittene Ansicht des Abschnitts einer Regenerierungskaitimer, die im Zusammenhang mit der Erfindung geeignet ist.

Fig. 3 zeigt im Längsschnitt bei vergrößertem Maßstab ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gasabgabedüse.

Gemäß Fig. 2 wird ein Krack-Katalysator, verunreinigt mit Kohlenstoffablagerungen von der Krackeinrichtung (nicht dargestellt), in fluidisierter Form über ein Steigrohr 11 für verbrauchten Katalysator, das mit Verteildüsen 12 für den Katalysator ausgestattet

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ist, in den Bereich fluidisierten Katalysators dichter Phase eingebracht, der im unteren Abschnitt der konisch geformten Regenerierungskammer 13 enthalten ist. Das Fluidisierungsmedium und die Antriebskraft zum Fördern des verbrauchten Katalysators im Steigrohr kann entweder ein Teil des sauerstoffhaltigen Gases sein, das zur Regenerierung benötigt wird (in der Regel 2o bis 5o % des zur Regenerierung erforderlichen sauerstof.fhaltigen Gases) , oder ein Inertgas wie beispielsweise Stickstoff. Dieses Fördergas wird an irgendeiner Stelle (nicht dargestellt) zwischen der Regenerierungskammer 13 und der Krackanlage in die Steigleitung eingeführt. Sauerstoffhaltiges Gas wird ebenso als ein getrennter Gasstrom in den Bereich dichter Phase des fluidisierten Katalysators eingeführt, der in der Regenerierungskammer 13 enthalten ist; die obere Begrenzung des Bereichs dichter Phase ist in der Zeichnung mit dem Bezugszeichen 22 versehen; das sauerstoffhaltige Gas entstammt einer nicht dargestellten Quelle für unter Druck stehendes Gas und wird über Leitungen 15, 16, 17 in eine Vielzahl gasfördernder Verteilungsleitungen 18, 19 und 2o eingebracht, die die Form horizontal angeordneter konzentrischer Ringe aufweisen; diese Gas-Verteilleitungen sind ihrerseits mit einer Vielzahl von jeweils gleich bemessenen, erfindungsgemäßen Gasabgabedüsen 21 ausgestattet, die mit ihren strömungsaufwärts liegenden Enden mit den Verteilungsleitungen in Strömungsverbindung stehen und die an ihren strömungsabwärts liegenden Enden

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- 2ο -

einen Strom sauerstoffhaltigen Gases direkt in den Bereich dichter Phase des Katalysator-Wirbelbetts abgeben. Die Gasabgabedüsen mit jeweils gleicher Größe sind mit jeweils gleichem Abstand zueinander an den Verteilungsleitungen angebracht und richten einen Strom sauerstoffhaltigen Gases sowohl nach oben in den Bereich dichter Phase der Wirbelschicht als auch nach unten gegen das verjüngte Ende der konisch geformten Regenerierungskammer, in dem ebenfalls ein Teil des Katalysators in dichter Phase enthalten ist. Auf diese Art wird gleichmäßige Fluidisierung und gleichmäßiger Abbrand des Kohlenstoffs der Katalysatorpartikel, die im Bereich dichter Phase enthalten sind, bewirkt. Der Bereich dichter Phase des fluidisierten Katalysators, der in der Regenerierungskammer enthalten ist, wird auf konstantem Niveau gehalten, das gerade oberhalb eines Überlaufrohres 23 verläuft, das mit einer Rückführungsleitung 24 verbunden ist, über die regenerierter Katalysator als eine dichte Phase zur Krack-Anlage im Kreislauf zurückgeführt wird.

In Fig. 3 ist eine im wesentlichen zylindrisch geformte Gasabgabedüse 21 mit sich verbreiterndem Strömungsquerschnitt dargestellt. Bei dieser Darstellung durchströmt der Strom sauerstof fhaltigen Gases von dem gasführenden Verteilungsleitungsteil (nicht dargestellt) in der durch den Pfeil dargestellten Richtung einen stromaufwärts liegenden Teil 32 der Gasabgabedüse 21,

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der eine verringerte innere Querschnittsfläche mit dem Durchmesser D₁ und eine Länge L₁, gemessen in Strömungsrichtung des Gases, aufweist. Das Gas tritt dann durch eine Übergangszone 33 in einen stromabwärts liegenden Abschnitt 34 der Abgabedüse 21, der eine erweiterte innere Querschnittsfläche mit dem Durchmesser D„ und eine Länge L₂/ gemessen in Richtung der Gasströmung, aufweist.

Die Erfindung wird anhand des folgenden Beispiels exemplarisch noch näher erläutert. Eine Labor-Abriebeinrichtung wurde in einer Reihe von Versuchen mit herkömmlichem Krack-Katalysator, der die Einstellung des Gleichgewichts beim katalytischen Kracken begünstigt, beschickt, um die Wirkung der Abmessungen der Gasabgabedüsen auf den Abrieb des Krack-Katalysators bei einem konstanten Massenstrom von Luft zu demonstrieren. Diese Einrichtung enthielt eine zylindrische Fluidisierungskammer mit einem Boden, geformt wie ein umgekehrter Kegel, der mit Gleichgewichts-Krack-Katalysator bis zu einer bestimmten Höhe gefüllt war, die mit der Oberseite des als umgekehrter Kegel ausgebildeten Abschnitts der Kammer übereinstimmte. Fluidisierungsluft wurde dann am Grund der Kammer über eine auswechselbare Testdüse eingeführt, die am Boden der Kammer so angebracht war, daß ihr Gasabgabeeende nach oben wies und sich im direkten Strömungskontakt mit dem Katalysator befand. Von einer Druckluftquelle wurde Luft zur Testdüse bei konstanten, gemessenen Durchsätzen abgegeben. Der Düsenstrom, der aus der Testdüse ausströmte, war hinlänglich stark, um meßbaren

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Abrieb des Katalysators zu verursachen. Die Größe des Abriebs wurde bestimmt, indem der Anfall von Abriebprodukten mit weniger als 2 u Größe gemessen wurde, die aus dem Katalysatorbett in ein Zyklon-Filter-Sammelsysten elutriert bzw. ausgeschlämmt v/urden, das an der Abgabeleitung angeordnet war, die ihrerseits an der Oberseite der Fluidisierunqskammer angebracht war. Mehrere verschiedene Plastiktestdüsen, deren Innendurchmesser im strömungsaufwärts liegenden Abschnitt verringert und im strömungsabwärts liegenden Abschnitt vergrößert war, v/urden anhand des folgenden Verfahrens auf Katalysatorabrieb geprüft. Als erstes wurde die Düse, so wie sie hergestellt war, für den Grad des Abriebs in der Testvorrichtung geprüft. Die Düse wurde dann entfernt und die Länge ihres strömungsabwärts liegenden Abschnitts (L₂) verringert; hiernach wurde diese modifizierte Düse wieder getestet. Dieser Vorgang wurde bis zu einem Punkt fortgesetzt, bei dem eine weitere Verringerung der Länge des strömungsabwärts liegenden Düsenabschnitts den Katalysatorabrieb nachteilig beeinflußte. Die Auswirkung der Änderung des numerischen Wertes für das Verhältnis

— (D₁ ist der Innendurchmesser des strömungsaufwärts liegen-

L₂ 1

den Düsenabschnitts und D„ der Innendurchmesser des strömungsabwärts liegenden Düsenabschnitts), auf den Katalysatorabrieb zu Teilen, die kleiner sind als 2 u, ist in der folgenden Tabelle für verschiedenste Testdüsen dargestellt. Die v/eiteren Bedingungen für jeden Versuch sind über der Tabelle angegeben.

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Tabelle I

Luftstrom 16,2 kg/h, Länge des strömungsaufwärts liegenden Abschnitts (L..) 25 mm, Durchmesser des strcmungsaufwärts liegenden Abschnitts (D₁) = 4,5 mm, Durchmesser des strömungsabwärts liegenden Abschnitts (D₂) =7,2 mm, Gaseinlaßgeschwindigkeit = 22o m/sec, Gasauslaßgeschwindigkeit = 81 m/sec,

Numerisches Verhältnis Menge des Abriebs auf Parti-D^-D. kel kleiner als 2 μ (g/h am

^L2

Filter)

o,116 o,44

o,133 o,44

o,158 o,39

o,217 1,66

o,289 3,42

60981 1 /0882

Tabelle II

Luftstrom = 11,5 kg/h, Länge des strömungsaufwärts liegenden Abschnitts (L₁) = 13 mm, Durchmesser des strömungsaufwärts liegenden Abschnitts (D^) = 4,5 mm, Durchmesser des strömungsabwärts liegenden Abschnitts (Dp) = 7,2 mm, Gaseinlaßgeschwindigkeit =165 m/sec, Gasauslaßgeschwindigkeit = 63 m/sec.

Numerisches Verhältnis D_n - D,

Menge des Abriebs auf Partikel kleiner als 2 u (g/h am Filter)

o,124 o,144 o,165 o,198 o,217

o, Io o, Io o, Io o,17 o_r44

Tabelle III

Luftstrom = 11,5 kg/h, Länge des strömungsaufwärts	93 m/sec.
liegenden Abschnitts (L-) =	Menge des Abriebs auf Parti kel kleiner als 2 μ (g/h am Filter)
= 25 mm, Durchmesser des	o,45
strömungsaufwärts liegenden Abschnitts (D₁) = 4,ο mm,	• o,46
Durchmesser des strömungsabwärts liegenden Abschnitts	o,48
(D2) =5,6 mm, Gaseinlaßgeschwindigkeit = 183 m/sec,	o,64
Gasauslaßgeschwindigkeit =	o,53
Numerisches Verhältnis D₂ - D₁	°'⁵⁴ 6öH;8 1 1 /9882 o,92
^L2
o,o63
o,lll
o,125
o,133
o,148
o,167 o,2oo

Wie von den vorstehenden Tabellen entnommen werden kann, verblieb der Abrieb auf eine Teilchengröße unter 2 ρ im wesentlichen

D₂-D₁ konstant, bis das kritische Verhältnis von —=—— erreicht wurde.

^L2 Wenn dieses kritische Verhältnis o,18 erreicht wurde, nahm die Menge an Katalysator.abrieb, der durch die Düsen erzeugt wurde, rapide mit jeder kleinen v/eiteren Änderung (Vergrößerung) des Verhältnisses zu. Hierdurch wird dargelegt, daß dieses Dimensionsverhältnis besonders kritisch ist, wenn Gasabgabedüsen zum strömenden Einspeisen fluidisierenden Regenerierungsgases direkt in das Katalysatorbett verwendet v/erden.

Anspruch

eoasti/0882

Claims

2R38193

Patentanspruch

Gasverteilungsvorrichtung zur Einführung zumindest eines Teils des für die Fluidisierung und den Abbrand von Kohlenstoffablagerungen bei einem fluidisierten Bett kohlenstoffverunreinigten Katalysators erforderlichen sauerstoffhaltigen Gases, der zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen dient und in einer Regenerierungskammer enthalten ist, die ein oder mehrere Verteilungslei- ^,ungsteile aufweist, die am unteren Ende der Regenerierungskammer angeordnet sind, in Verbindung mit einer Quelle sauerstoffhaltigen Druckgases stehen und an denen eine Vielzahl von Gasabgabedüsen jeweils gleicher Abmessung angeordnet ist, durch die das sauerstoffhaltige Gas in die dichte Katalysatorphase eintritt, wobei jede Gasabgabedüse einen strömungsaufwärts liegenden Abschnitt mit verringerter innerer Querschnittsflache,.der mit dem Verteilungsleitungsteil verbunden ist, sowie einen strömungsabwärts liegenden Abschnitt aufweist, dessen innere Querschnittsfläche gegenüber derjenigen des strömungsaufwärts liegenden Abschnitts vergrößert ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das numerische Verhältnis der Differenz zwischen dem Durchmesser (D₂) des strömungsabwärts liegenden Abschnitts (34) und dem Durchmesser (D.) des strömungsaufwärts liegenden Abschnitts (L₁) dividiert durch die Länge (L₃) des strömungsabwärts liegenden Abschnitts (34) , gemessen in Richtung der

^D2~^Dl
Gasströmung, (-f—-) den Wert 0,18 nicht überschreitet und daß

^L2

β ö a a 11/0882

b) das Verhältnis des Innendurchmessers (D.) des strömungsauf-

wärts liegenden Abschnitts (32) zu seiner Länge (L-,) ι ge-

D messen in Richtung des Gasstroms, (-—) den Wert 1,67 nicht

^Ll überschreitet.

609011/0802