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Bezeichnung: Verfahren zur Kohlehydrierung
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bei erhöhten Temperaturen
Die Erfindung bezieht sich
auf eine Verbesserung in der Sumpfphasenhydrierung von Kohle unter Verwendung eines
Wirbelschichtreaktors.
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Die Sumpfphasenhydrierung von Kohle in einem Ölbrei unter Aufwärtsstrom-Wirbelschichtbedingungen
ist in der Us-Patentschrift 3 519 555 beschrieben.
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In der Us-Patentschrift 3 540 955, deren Offenbarung nachfolgend enthalten
ist, ist ein verbessertes Verfahren zur Hydrierung von Kohle beschrieben, bei welchen
die Zusaanensetzung der Flüssigkeit innerhalb des Reaktors dadurch optinlert wird,
daß die Menge des flüssigen REsiduu s und der Feststoffe dadurch geregelt wird,
daß ein Teil der Feststoffe aus den flüssigen Abfluß von hoher Residdum-Konzentration
vor der Rückführung zum Reaktor entfernt wird. Der Gehalt an flüssigem Residuum
des flffssigen Breis innerhalb des Reaktors vorzugsweise in einen Bereich von etwa
30 bis 45 Gew.% gehalten wird und die nicht umgewandelten behandelten Feststoffe
auf Mengen zwischen etwa 10 bis 25 Gew.% gehalten werden. Die vorervahnte Optinierung
geschieht nach diese bekannten Verfahren durch Verdampfen des flüssigen Reaktorabflusses
in einer Druckminderungsstufe, um eine gasförmige Komponente zu entfernen, die nicht
umgesetzten Wasserstoff und leichte Kohlenwasserstoffe enthält, worauf eine Flüssigkeit-Feststoff-Trennbehandlung
folgt, die an den restlichen Flüssigkeitsstrom von hoher Viskosität vorgenommen
wird.
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Sodann folgt die Rückführung eines Stroms von verringerterFcststoff-onzentration
und Residuum zur Beaktionizone
zur weiteren Hydrierung und um die
Konzentration des Residuwis und der Feststoffe innerhalb des gewünschten Bereiches
zu halten.
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Bei diesen bekannten Verfahren muß der Flüssigkeit-Feststoff-Trennvorgang
an sich bei niedrigen Drücken und herabgesetzten Temperaturen im Vergleich zu den
Betriebsbedingungen in der Reaktionszone durchgeführt werden.
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Solche niedrigen Drücke und Temperaturen macht das Entfernen feiner
Asche und nicht umgewandelter Kohlefeststoffe aus den flüssigen Reaktorabfluß ziemlich
schwierig wegen der hohen Viskosität des Abflusses. Zusätzlich zu den vorerwähnten
Nachteilen muß die Flüssigkeit mit herabgesetzten Feststoffgehalt vor dem Riickführen
zur Reaktionszone erneut unter Druck gesetzt werden, wodurch die Gesamtkosten des
Verfahrens erhöht werden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorerwähnten
Schwierigkeiten zu beseitigen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgenäß durch ein verbessertes Verfahren
zur wirksamen Regelung der Feststoffkonzentration innerhalb des Reaktors bei der
Sumpfphasenhydrierung von Kohle gelöst, inden der Feststoffgehalt in der Rückführung
zum Reaktor geregelt wird. Die Feststoffkonzentration im RUckftlhrungsstron wird
wirksam durch Phasentrennung des Beaktorabflusses geregelt, um unverbrauchten Wasserstoff
und leichte Kohlenwasserstoffe aus dem flüssigen Produkt zu entfernen, das in zwei
Ströme unterteilt wird, von denen der eine einer teilweisen Abscheidung der Feststoffe
durch einen herkönnlichen FlUssigkeit-Feststoff-Abscheider unterzogen wird, während
der andere zur Wiedervereinigung mit den Strom, der die verringerte Feststoffkonzentration
enthält, umgeleitet wird. Durch die Wiedervereinigung
des Stroms
mit verringertem Feststoffgehalt und des umgeleiteten Stroms mit den gewünschten
Anteilen kann eine genaue Kontrolle über die Feststoffkonzentration innerhalb des
Reaktors aufrechterhalten werden. Der restliche Strom mit hohem Feststoffgehalt
aus dem Feststoffabscheider kann zur Feststoffabscheidung und um die Produktflüssigkeitsströme
zu erhalten, weiterbehandelt werden. Der Gesamtwirkungsgrad des Verfahrens einschließlich
Energieeinsparung wird noch dadurch gefördert, daß das System entweder auf der oder
nahe der Reaktortemperatur und auf nicht weniger als 90 % des Reaktordruckes gehalten
wird, um eine niedrige Flüssigkeitsviskosität zur verbesserten Feststoffabscheidung
aufrecht zu erhalten und die Notwendigkeit einer übermässigen starken Druckerhöhung
vor der Rückleitung zum Reaktor zu vermeiden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung
näher erläutert, die eine schematische Darstellung eines Wirbelschicht-Kohlehydrierungsverfahren
zeigt, dessen Druck- und Temperaturbedingungen denen der Reaktionszone naheliegen.
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Alle Einheiten sind in Gewichtsteilen und nach dem metrischen System
angegeben.
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Eine bevorzugte Gesamtausführungsform der Erfindung ist auf die wirksame
Hydrierung von Kohle in einer Sumpfphasen-Wirbelschicht-Reaktionszone zur Erzeugung
von flUs gen und gasförmigen Kohlenwasserstoffen gerichtet, bei welchen ein Teil
des flüssigen Kohlenwasserstoffabflusses einem Flüssigkeit-Feststoff-Trennvorgang
unter@ogen wird und ein Teil des flüssigen Reaktorabflusses zum Reaktor nit wesentlich
herabgesetzten Druck- und Temperaturbedingungen
zurückgeführt wird,
um eine niedrige Flüssigkeitsviskosität aufrecht zu erhalten, die den Wirkungsgrad
des Flüssigkeit-Feststoff-Trennvorgangs erhöht.
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Der zum Reaktor zurückgeführte Flüssigkeitsstrom soll eine gewünschte
Konzentration fein verteilter Feststoffe enthalten, gewöhnlich zwischen 5 bis 15
Gew.% Feststoffe, was dadurch erreicht wird, daß zumindest ein Teil des zurückgeführten
Flüssigkeitsstroms in einer Flüssigkeit-Feststoff-Trennstufe behandelt wird, vorzugsweise
in einem Flüssigkeitszyklon oder einem Hydrozyklon, um einen wesentlichen Anteil
der teilchenförmigen Feststoffe aus diesem, vorzugsweise 40 - 50 Gew.%, zu entfernen.
Dieser Strom von verringertem Feststoffgehalt wird dann mit einer geregelten Menge
eines umgeleiteten Stroms von normaler Feststoffkonzentration vereinigt. Ein Strom
von normaler Feststoffkonzentration enthält die gleiche Konzentration an Feststoffen
wie der Reaktorabfluß. Der umgeleitete Strom enthält gewöhnlich 10 bis 20 Gew.%
Feststoffe. Der vereinigte Flüssigkeitsstrom mit einer verringerten Konzentration
von Feststoffen in dem gewünschten Bereich wird dann zur Reaktionszone zurückgeleitet,
um die gewünschte Konzentration an Residuum und Feststoffen in dieser zu erhalten
und dazu beizutragen, das Katalysatorbett in einem zufriedenstellenden Verwirbelungszustand
zu halten. Die Verwendung eines Umleitungsstroms, um einen kombinierten Strom von
herabgesetzter Feststoffkonzentration zur Regelung der Foststoffkonzentration in
der Rückführflüssigkeit zu erhalten, ist besonders vorteilhaft, wenn die Flüssigkeit-Feststoff-Trennung
mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben wird, was zur Folge hat, daß die Feststoff-Konzentration
unter das gewünschte Niveau im Reaktor abfällt, wenn nur der Strom von verringertem
Feststoffgehalt
aus dem Abscheider zurückgeführt wird. Der mit Feststoffen angereicherte Unterstrom
aus der Feststoff-Trennstufe, der einen erhöhten Prozentsatz teilchenförmiger Feststoffe
enthält, kann in einer Destillationsstufe weiterbehandelt werden, um die leichten
Flüssigkeiten zu entfernen, worauf die restliche schwere Flüssigkeit und die Feststoffe
aus dem System entnommen werden. Ein Anteil des Flüssigkeitsoberstroms, der nicht
zur Reaktionszone zurückgeführt worden ist, wird zu einem Produktstrom geleitet.
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Zur Verbesserung des Gesamtverfahrenswirkungsgrades wird der Feststoff-Abtrennungsvorgang
bei nahezu den Reaktordruck- und -Temperaturbedingungen durchgeführt, verzugs weise
bei Drücken nicht unter 90 % des Reaktordrucks, nicht nur um jede unerwünschte Dampfentspannung
im Hydrozyklon auf ein Mindestmaß herabzusetzen, sondern auch, weil die Feststoffe
und Residuum enthaltende Flüssigkeit bei hoher Temperatur weniger viskos ist, was
die Trennung erleichtert. Die feinen Feststoffteilchen, gewöhnlich von einer Größe
von etwa 1 bis 10 Mikron, können wirksamer aus der Flüssigkeit durch Fliehkraftwirkung
bei einem Druck von nicht weniger als 90 % des Wirbelschichtreaktordrucks entfernt
werden. Etwa geringere Mengen von im Hydrozyklon entstehendem Dampf reichen nicht
aus, den zentrifugalen Strömungsverlauf zu unterbrechen, oder den Feststoffabtrennvorgang
zu stören. Ferner ist eine geringere Pump nstgle erforderlich, um die Hochdruckflüssigkeit
zu der unter Druck stehenden Reaktionszone zurückzuführen.
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Zur ausführlichen Erläuterung der verschiedenen der Erfindung zugrundeliegenden
Merkmale wird auf Fig. 1 verwiesen, in der bei 10 die Kohle auf eine durchschnittliche
Teilchengröße von weniger als 1000 Mikron vermahlen, bei
12 getrocknet
und dann bei 14 mit einem blbrei 15 vereinigt wird. Der vereinigte Kohle-Ol-Brei
16 wird bei 18 unter Druck gesetzt, in der Heizeinrichtung 19 vorgewärmt und als
Strom 20 in das untere Ende eines Wirbelschicht-Hydrierungsreaktors 22 zusammen
mit unter Druck stehendem erhitztem Wasserstoff über 21 eingeleitet.
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Als Reaktor kann die in dem US-Zusatzpatent 25 770 beschriebene Bauart
verwendet werden, die ein teilchenförmiges Katalysatorbett 23 enthält. Der Reaktor
wird gewöhnlich mit einem Druck zwischen 100 und 300 atm., vorzugsweise zwischen
etwa 125 und 250 atm., betrieben.
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Ein Teil der Reaktorflüssigkeit wird oberhalb des Katalysatorbettes
23 durch ein Fallrohr 27 zurückgeleitet und durch eine Verteilerschale 27a zurückgeführt,
die dazu beiträgt, die Bettexpansion zwischen etwa 10 % und 150 % über ihrem abgesetzten
Volumen zu halten. Wenn gewünscht, kann frischer teilchenföriger Katalysator dem
Reaktor zugesetzt und verbrauchter Katalysator von diesem in herkömmlicher Weise
abgezogen werden.
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In der Wirbelschichtreaktonszone wird Kohle mit einer durchschnittlichen
Teilchengröße von weniger als 1000 MIkron hydriert und der gesamte gasförmige und
flüssige Abfluß wird aus dem Reaktor als Strom 24 entfernt.
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Der Gesamtabflußstrom 24 wird zu einem Phasenentmischer 40 geleitet,
um einen restlichen Dampfstrom, der Wasserstoff und niedrigsiedende Dämpfe zu entfernen.
Der restliche Dampf kann einer weiteren Behandlung unterzogen werden, um Wasserstoff
von einer mittleren Reinheit zur Wegführung zum Reaktor zu erhalten, und niedrigsiedender
Dampf kann kondensiert und als Produkt wiedergewonnen werden. Das bei 42 erhaltene
flüssige Phase enthaltende Residuum wird zu einer Flüssigkeit-Feststoff-Trennstufe
44 geleitet, die
vorzugsweise ein Hydrozyklon ist, der mit einem
Druck von nicht weniger als 90 % des Reaktordruckes betrieben wird. Die Leitung
42 soll so bemessen sein, daß der Druckabfall zwischen dem Abscheider 40 und dem
Einlaß des Hydrozyklons 44 so gering wie möglich gehalten wird, so daß auch jede
Dampfentwicklung innerhalb des Hydrozyklons, durch welche sein Feststoffabscheidewirkungsgrad
herabgesetzt werden könnte, auf einem Mindestmaß gehalten wird. Der obere Flüssigkeitsablaufstrom
46, der einqVerringerte Feststoffkonzentration enthält, wird aus dem Hydrozyklon
44 entfernt und ein unterer Ablaufstrom, der Feststoffe in höherer Konzentration
enthält, wird bei 48 abgezogen. Ferner wird ein geregelter Teil 50 des Feststoffe
enthaltenden flüssigen Abflußstroms 42 über ein Regelventil 51 geleitet und mit
einem Teil 45 des oberen Flüssigkeitsablaufstroms 46 vereinigt, um einen flüssigen
Rückführstrom 52 zu bilden, der durch eine Pumpe 53 zum unteren Ende des Reaktors
22 zurückgeführt wird, wie erwähnt. Durch Regeln der Strömungsgeschwindigkeit des
umgeleiteten Stroms 50 mit bezug auf die Strömungsgeschwindigkeit des oberen Ablaufstromes
46 wird die Konzentration des Residuums und der Feststoffe im Reaktor innerhalb
gewünschten Bereichen von etwa 30 bis 45 Gew.% Residuum und 10 bis 25 % Feststoffe
gehalten. Die Strömungsgeschwindigkeiten werden vorzugsweise so geregelt, daß weniger
als 50 % des umgeleiteten Stroms zur Rückführung verwendet werden. Derjenige Teil
des Hydrozyklonüberlaufstroms 46, der nicht zurückgeführt wird, wird als Produktstrom
47 entfernt. Der Produktstrom 47 kann zum Entfernen restlicher Feststoffe weiterbehandelt
werden.
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Der Hauptzweck des Feststoffabtrennvorgangs bei 44 bestehet darin,
ausreichend teilchenförmige Feststoffe aus den RUckf(ihrungsfl(issigkeitsstrom 52
zu entfernen, um
die gewünschte Feststoffkonzentration von 10 bis
25 Gew.% innerhalb des Wirbelschichtreaktors 22 aufrecht zu erhalten. Die Feststoffabtrennung
im Hydrozyklon 44 geschieht vorteilhaft unter Druck- und Temperaturbedlngungen,
die den Reaktordruck- und Temperaturbedingungen naheliegen, so daß die Viskosität
der Flüssigkeit verhältnismässig niedrig gehalten wird und die feinen teilchenförmigen
Feststoffe leichter aus der Flüssigkeit durch Fliehkraftwirkung im Abscheider entfernt
werden können.
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Der Flüssigkeits-Feststoff-Trennvorgang bei 44 geschieht vorzugsweise
durch einen Flüssigkeit-Zyklon oder Hydrozyklon, jedoch kann auch irgendeine andere
auf Fliehkraftwirkung beruhende Flüs sigkeit-Feststoff-Trennvorrichtung oder sonst
eine allgemein bekannte Vorrichtung zum Abscheiden fein suspendierter Feststoffe
aus Flüssigkeiten verwendet werden.
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Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, daß für den Umleltungsflüsslgkeitsstrom
50, der die normale Konzentration an Kohlefeststoffen enthält, zur wirksamen Verwendung,
um eine gute Arbeitsweise des Wirbelschichtreaktors zu erzielen, seine Strömungsgeschwindigkeit
vorzugsweise diejenige im Strom 45 nicht überschreiten soll.
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PUr den Feststoff-Abtrennvorgang bei 44 soll die Strömungsgeschwindigkeit
des Überlaufstroms 46 etwa gleich der Strömungsgeechwindigkeit des unteren Ablaufstroms
48 des Abscheiders sein. Der letztere Strom enthilt gewöhnlich 25 bis 45 Gew.% Feststoffe
oder nahezu die maximal flielbare Menge, die zu anderen Behandlungsstufen weitergeleitet
werden, wie erwähnt.
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Obwohl die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung und bevorzugter
Ausführungsformen beschrieben wurde, ist
sie nicht hierauf beschränkt,
sondern kann innerhalb ihres Rahmens verschiedene Abänderungen erfahren.
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L e e r s e i t e