DE2916695A1

DE2916695A1 - Verfahren und einrichtung zur katalytischen hydrierung mit verbesserter dampf/fluessigkeit-trennung

Info

Publication number: DE2916695A1
Application number: DE19792916695
Authority: DE
Inventors: Michael C Chervenak; Alfred G Comolli
Original assignee: Hydrocarbon Research Inc
Current assignee: HRI Inc
Priority date: 1978-06-30
Filing date: 1979-04-25
Publication date: 1980-01-17
Also published as: US4221653A; MX152632A; CA1119535A; CA1122554A

Description

Hydrocarbon Research, Inc.
134 Franklin Corner Road
Lawrenceville, New Jersey 08648/USA

Datum: date

Verfahren und Einrichtung zur katalytischen Hydrierung mit verbesserter Dampf/Flüssigkeit-Trennung.

Die Erfindung ist auf ein verbessertes Verfahren und eineEinrichtung zum chemischen Umsetzen von Flüssigkeiten oder von Breien aus Flüssigkeiten und Feststoffen mit gasförmigen Materialien nach dem Wirbelschichtverfahren gerichtet. Das Wirbelschichtverfahren besteht im wesentlichen darin, daß gleichzeitig fliessende Ströme von Flüssigkeiten oder Aufschlämmungen von Flüssigkeiten und Feststoffen und gasförmigen Materialien durch ein im wesentlichen zylindrisches Gefäß geleitet werden, das eine Masse teilchenförmigen Kontaktmaterials enthält; die Masse der Kontaktteilchen wird in dem flüssigen Medium in eine regellose Bewegung gebracht und hat ein großes Volumen dispergiert durch das flüssige Medium größer als das Volumen der Masse im stationären Zustand. Diese Technologie hat in der Praxis zur Aufkonzentrierung schwerer flüssiger Kohlenwasserstoffe oder zur Umwandlung von Kohle in synthetische öle Anwendung gefunden.

909883/0593

Dieses Verfahren ist allgemein in der US-Patentschrift Re 25 770 in besonderer Verwendung mit Kohle- und ölumwandlung beschrieben. Ein Gemisch von Kohlenwasserstoffflüssigkeit und Wasserstoff wird aufwärts durch ein Bett von Katalysatorteilchen mit einer solchen Geschwindigkeit geleitet, daß die Teilchen in eine regellose Bewegung gebracht werden, wenn die Flüssigkeit und das Gas nach oben durch das Bett geleitet werden und die Katalysatorbett-Bewegung wird durch eine Rückführungs-Flüssigkeitsströmung so geregelt, daß der größte Teil der Katalysatorteilchen nicht über ein bestimmtes Niveau im Reaktionsgefäß ansteigt. Die Flüssigkeit, die hydriert wird, zusammen mit den in der Reaktion vorhandenen Dämpfen treten durch dieses obere Niveau der Katalysatorteilchen hindurch und werden aus dem oberen Teil des Reaktionsgefäßes entfernt.

Beim normalen Betrieb eines solchen Systems steigen beträchtliche Mengen Wasserstoffgas und Dämpfe leichter Kohlenwasserstoffe durch die Reaktionszone in den Flüssigkeitsabschnitt an, aus dem die Flüssigkeit entweder von neuem zum unteren Teil des Reaktionsgefässes zurückgeführt wird oder einen flüssigen Abschluß bildet. Das Vorhandensein von Gasen und Dämpfen im Rückführungsstrom stellt ein Äbscheiclungsproblem dar, da ein sum Boden des Reaktionsgefässes zurückgeführter flüssiger Teil durch eine Pumpe hindurchtritt, die sorgfältig gesteuert werden muß, um die Expansion und die regellose Bewegung der Katalysatorteilchen auf einem konstanten und stabilen Niveau zu halten. Irgendwelche Gase oder Dämpfe, die in der zurückgeführten Flüssigkeit vorhanden sind, verringern die Kapazität und den Wirkungsgrad der Rückführpumpe sowie den Strömungsverlauf wesentlich, wodurch die Stabilität der Wirbelschicht herabgesetzt wird.

Gewöhnlich sind die Reaktionsgefäße, die im katalytischen

909883/0593

Hydrierungsverfahren und Benutzung von Wirbelschichten aus Katalysatorteilchen verwendet werden, mit einer mittigen vertikalen Leitung versehen, die als Fallrohr zur Rückführung der klaren Flüssigkeit von oberhalb des Niveaus der Katalysatorwirbelschicht zur Saugseite einer Rückführpumpe dient, durch welche die Flüssigkeit von neuem durch die katalytische Reaktionszone in Umlauf gesetzt wird. Die Rückführung von Material vom oberen Teil des Reaktionsgefäßes dient zur Verwirbelung der Katalysatorschicht und um die Temperatur durch das ganze Reaktionsgefäß gleichmassig zu halten und die Katalysatorschicht zu stabilisieren.

Durch die US-Patentschrift 3 124 518 ist ein Verfahren zur wirksamen Gas-Flüssigkeit-Rückführung bekannt geworden, bei dem ein Fallrohr verwendet wird, das mit einem großen Eintrittskegel oder -trichter mit einer maximalen Querschnittsfläche von etwa der Hälfte derjenigen der ganzen Reaktionszone versehen ist. Dies ermöglicht es, die Geschwindigkeit der Flüssigkeit mit bezug auf das Gas zu verlangsamen, so daß das Gas, das von der Flüssigkeit mitgeführt wird, die Gelegenheit hat, sich von der Flüssigkeit zu trennen und zur Flüssigkeit/Gas-Grenzfläche oberhalb des Bechers vor der Rückführung der Flüssigkeit anzusteigen.

Durch die US-Patentschrift 3 227 528 ist eine weitere Rückführungsvorrichtung bekannt geworden, bei der eine Rückführleitung ähnlich wie bei dem vorgenannten Verfahren vorgesehen ist, mit der Ausnahme, daß sie mit einer Pumpe verbunden ist.

Ebenfalls eine Reaktionsgefäßbauform für eine solche Gas-Flüssigkeit-Trennung ist in der US-Patentschrift 3 414 386 beschrieben, in der ein Reaktionsgefäß gezeigt ist, das mit einer konusförmigen Rückführungsvorrichtung versehen ist,

909883/0593

deren ausseres oder oberes Ende in Umfangskontakt mit der Reaktionsgefäßwand steht und Leitungen für die Aufwärtsströmung von Gas und Flüssigkeit vorgesehen sind, welche die erwähnte Vorrichtung durchdringen und sich über den Flüssigkeitsspiegel im Reaktionsgefäß erstrecken. Eine mittige Leitung führt die Flüssigkeit zur Rückführungspumpe zurück. Ferner sind die Leitungen, durch welche Flüssigkeiten und Gase hindurchtreten, so angeordnet, daß der untere Teil der Leitung für Flüssigkeiten sich in die Flüssigkeit erstreckt, während die Leitung für die Gase sich oberhalb der Flüssigkeitsgrenzfläche befindet. Die oberen Enden beider Leitungen enden im Dampfraum des Reaktionsgefäßes.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß diese Anordnung, bei welcher die Fluidleitungen oberhalb des Flüssigkeitsspiegels enden, keine wirksame Trennung ergibt und eigentlich dazu beiträgt, daß Gas in der zurückgeführten Flüssigkeit mitgeführt wird. Es besteht daher zweifellos ein Bedarf an einer verbesserten Einrichtung zum raschen und wirksamen Trennen von Gas von der bei einer solchen katalytischen Reaktionsstufe zurückgeführten Flüssigkeit, so daß der Durchsatz und der Wirkungsgrad des gesamten Hydrierungsreaktionsverfahrens wesentlich erhöht werden können.

Überraschenderweise wurde nun festgestellt, daß die vorerwähnten Nachteile des Standes der Technik vermieden und die Oberflächengasgeschwindigkeit für Wirbelschichtverfahren durch eine verbesserte Bauart des Reaktionsgefäßes mit einer neuen Rückführungsvorrichtung und deren Betriebsverfahren wesentlich erhöht werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist ein kontinuierliches Reaktionsverfahren zur Behandlung von viskosen Flüssigkeiten,

909883/0593

bei welchem das Ausgangsmaterial aus Flüssigkeit oder Flüssigkeit/Feststoff-Aufschlämmung mit einem Reaktionsgas bei erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen in einer vertikalen Wirbelschichtreaktionszone kontaktiert wird. Erfindungsgemäß wird die Flüssigkeit oder eine Flüssigkeit/Feststoff-Auf schlämmung in einen unteren Teil der Reaktionszone mit einer Aufwärtsströmungsgeschwindigkeit eingeleitet, die ausreicht, eine regellose Bewegung von Kontaktteilchen in der Reaktionszone zu erzeugen. Das eintretende Gas hat eine lineare Oberflächenaufwartsgeschwindigkeit, die größer als etwa 0,65 cm/sec (etwa 0,02 ft/ sec) ist. Die Wirbelschicht aus Kontaktmaterial wird, wie in der US-Patentschrift 25 770, auf die in diesem Zusammenhang hingewiesen wird, in regelloser Bewegung in der Reaktionszone gehalten und befindet sich in einer volumetrischen Expansion, die zwischen etwa 10 bis 2.0% grosser als in einem abgesetzten Zustand ist. Das behandelte flüssige Ausgangsmaterial und das Gas strömen aufwärts von der Reaktionszone ohne wesentliche KontaktteiIchenmitführung in eine benachbarte Phasentrennzone und durch nach oben gerichtete Fluidleitungswege mit Fluideinlaßorganen, die im Betrieb oberhalb der Reaktionszone zur Aufnahme von behandelter Flüssigkeit und Gas in verengter Strömung angeordnet sind. Das Fluid aus den nach oben gerichteten Fluidleitungswegen wird an einem oberen Teil der Phasentrennzone zum Austreten gebracht, jedoch unterhalb des Flüssigkeitsspiegels des Reaktionsgefäßes, um eine wesentliche Trennung des Gases von der Flüssigkeit zu erzielen, und ein grösserer Teil der behandelten dampfreduzierten Flüssigkeit wird gesammelt und vom unteren Niveau der Phasentrennzone durch nach unten gerichtete Fluidleitungswege mit einem erweiterten oberen Ende zurückgeführt. Der übrige Teil der behandelten Flüssigkeit und des Gases aus der Gastrennzone wird oberhalb der aufwärts gerichteten Fluidleitungs-

909883/0593

wege abgezogen.

Das Reaktionsgefäß ist in zwei Teile unterteilt, nämlich in eine untere Reaktionszone und in eine obere Phasentrennungszone. Das Ausgangsmaterial und das Gas werden in das untere Ende der Reaktionszone eingeleitet, das eine Wirbelschicht aus teilchenförmigen Feststoffen oder vorzugsweise ein Katalysatormaterial enthält, und steigen gleichmässig durch die Reaktionszone zur Phasentrennzone an, welche eine verbesserte Phasentrenn- und Sammeleinrichtung enthält. Diese Einrichtung ermöglicht eine wirksame Trennung des Dampfteils von dem aufsteigenden Flüssigkeit/Gas-Gemisch, sodaß eine im wesentlichen dampffreie Flüssigkeit gesammelt und durch ein Fallrohr zu einer Umlaufpumpe zurückgeführt werden kann zur Rückführung durch die Wirbelschicht-Reaktionszone zur Aufrechterhaltung der gewünschten Wirbelschichtexpansion in dieser.

Die Trenn/Sammel-Einrichtung besitzt einen erweiterten oberen Teil und ist vorzugsweise konisch oder kegelstumpfförmig, kann jedoch auch irgendeine andere Form haben, beispielsweise eine zylindrische, und besitzt einen unteren Teil mit einer Flüssigkeitfalleitung, die zu einer Rückführpumpe am unteren Ende des Reaktionsgefäßes führt. Die Fluideinlaßorgane, welche die Flüssigkeit und das Gas in Form einer verengten Strömung aufnehmen, umfassen mindestens zwei Leitungen in Fluidverbindung zwischen dem Reaktionsabschnitt und dem oberen Teil der Trenn/Sammel-Einrichtung.

Die unteren Einlaß- und oberen Äuslaßenden eines Teils der Fluidleitungen sind vorzugsweise oberhalb der unteren Einlaß- und oberen Auslaßenden jeder der übrigen Fluidleitungen angeordnet, jedoch können die unteren und oberen Enden in der gleichen Höhe sein. Ausserdem wird der Flüssigkeitsspiegel im Reaktionsgefäß oberhalb allen Fluidleitungen gehalten.

909883/0693

Der Erfindung liegt vor allem die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur katalytischen Wirbelschichtreaktion von flüssigen und gasförmigen Materialien zu entwickeln.

Des-gleichen gehört es zur Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, bei welchem der Wirkungsgrad eines katalytischen Hydrierungsverfahrens bei Verwendung einer Katalysator-Wirbelschichtreaktion wesentlich erhöht ist.

Ferner gehört es zur Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zu entwickeln, durch welche Wasserstoff und andere leichte Kohlenwasserstoffgase von Kohlenwasserstofflüssigkeiten wirksam getrennt werden können, die hydriert und in ein Katalysatorwirbelschichtsystem zurückgeführt werden.

Auch gehört es zur Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zum wirksamen Trennen aufwärtsströmender Gase und Flüssigkeit in einer sich bewegenden Teilchenmasse,bei welcher der zurückgeführte flüssige Teil seine Richtung von im wesentlichen vertikal nach oben zu vertikal nach unten umkehren muß.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen beispielsweise näher erläutert und zwar zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht im Aufriß und im Schnitt eines Reaktionsgefäßes, welches eine einfache Phasentrenn/ SAmmel-Einrichtung enthält, die für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist;

Fig. 2 eine Draufsicht der Trenn/Sammel-Einrichtung nach Fig. 1, welche die Lage der gasreichen und flüssigkeitsreichen Steigleitungen zeigt;

909883/0593

Fig. 3 in einem vergrösserten Maßstab eine Ansicht im Aufriß, welche eine andere Trenn/Sammel-Einrichtung zeigt, für welche die gas- und flüssigkeitsreichen Leitungen in einer Höhe oberhalb des Ringkanalauslasses austreten;

Fig. 4 eine Draufsicht der Trenn/Sammel-Einrichtung nach Fig. 3, welche eine erhöhte Anzahl gasreicher und flüssigkeitsreicher Steigleitungen zeigt;

Fig. 5 eine Ansicht im Aufriß und im Schnitt einer anderen Trenn/Sammel-Einrichtung, bei welcher der konische Teil zum Kontakt mit der Innenwand des Reaktionsgefäßes verlängert ist;

Fig. 6 eine Ansicht im Aufriß und im Schnitt einer experimentellen Phasentrenn- und Flüssigkeitssammeleinrichtung;

Fig. 7 eine graphische Darstellung, welche die Führungspumpenströmung über Aufwärts-Gasoberflächengeschwindigkeit in der steigenden Flüssigkeit aufgetragen ist;

Fig. 8 eine graphische Darstellung, welche ähnliche Vergleichsversuchsergebnisse von zwei Trenn/Sammeleinrichtungen von grösserem Durchmesser zeigt.

Obwohl die Erfindung auf jedes Verfahren zur chemischen Umsetzung flüssiger und gasförmiger Materialien in Gegenwart einer Masse fester Kontaktteilchen anwendbar ist/ wird die Erfindung nachfolgend unter besonderer Bezugnahme auf die Verflüssigung von Kohle und die Aufkonzentrierung von Schweröl beschrieben, wie es allgemein in dem US-Zusatzpatent 25 770 offenbart ist.

909883/0S93

Das Reaktionsgefäß ist in zwei Teile unterteilt, in eine untere Reaktionszone und in eine obere Phasentrennzone. Die zugeführte Flüssigkeit und das zugeführte Gas werden in das untere Ende der Reaktionszone eingeleitet, die eine Schicht beispielsweise aus teilchenförmigen Feststoff en, vorzugsweise ein Katalysatormaterial, enthält, und steigt gleichmässig durch die Reaktionszone an, wodurch die Katalysatormasse so expandiert wird, daß sie die Form einer sogenannten Wirbelschicht hat. Flüssigkeit und Gas werden der Phasentrennzone zugeleitet, welche eine verbesserte Phasentrenn- und Sammeleinrichtung enthält. Diese Einrichtung ergibt eine wirksame Trennung des dampfförmigen und gasförmigen Teils des ansteigenden Flüssigkeit/Gas-Gemisches, so daß ein im wesentlichen dampffreier flüssiger Teil gesammelt und durch eine Falleitung zu einer Umlaufeinrichtung, beispielsweise zu einer Pumpe, zurückgeführt werden kann, um die Flüssigkeit erneut durch die Wirbelschichtreaktionszone zu leiten, um die gewünschte Wirbelschichtexpansion in dieser aufrecht zu erhalten.

Die Trenn/Sammel-Einrichtung besitzt einen erweiterten oberen Teil, hat vorzugsweise eine konische oder kegelstumpfförmige Gestalt, kann jedoch von beliebiger Form sein, beispielsweise zylindrisch, und ist id.t einer Flüssigkeitsfalleitung verbunden, die zur Rückführeinrichtung im Boden des Reaktionsgefäßes führt. Die Fluideinlaßorgane nehmen die Flüssigkeit und das Gas in verengter Strömung auf und werden durch eine Anzahl Leitungen in Fluidverbindung oberhalb und unterhalb der Trenn/Sammel-Einrichtung gebildet.

Bei der am meisten bevorzugten Ausfuhrungsform befindet sich das untere Einlaßende eines Teils der Fluideinlaßleitungen oberhalb des unteren Einlaßendes der übrigen Fluideinlaßleitungen, vorzugsweise mindestens 50 mm (2 ") oberhalb. Wenn die Einlaßenden so angeordnet sind, werden

909883/0593

die höheren Leitungen 4 als gasreiche Fluidleitungen bezeichnet, während die unteren Leitungen als flüssigkeitsreiche Fluidleitungen bezeichnet werden. Mit anderen Worten, die gasreichen Fluidleitungen nehmen ein Fluid auf, das reicher an Gas als die flüssigkeitsreichen Fluidleitungen ist. Das obere Auslaßende jeder gasreichen Fluidleitung bzw. der Kanal befindet sich oberhalb des oberen Endes jeder flüssigkeitsreichen Leitung, vorzugsweise mindestens 50 mm (2 ") oberhalb. Ausserdem ist es kritisch, daß der Flüssigkeitsspiegel im Reaktionsgefäß oberhalb des obersten Endes der gasreichen Fluidleitung bzw. des Kanals gehalten wird, vorzugsweise mindestens etwa 50 mm (2 ") oberhalb.

Hierbei ist zu erwähnen, daß erfindungsgemäß die Einlaß- und Auslaßenden der Fluidleitungen in der gleichen Höhe sein sollen, jedoch ist die Gaskonzentration durch jede Fluideinlaßleitung etwa gleich. Die erweiterte Oberfläche der Trenn/Sammel-Einrichtung ist im allgemeinen von der Führungsleitung nach oben geneigt und kann nach aussen zum ümfangskontakt mit der Innenwand des Reaktionsgefäßes verlängert werden. Wenn die Trenn/Sammel-Einrichtung nicht zur Innenwand des Reaktionsgefäßes erweitert ist, ergibt sich ein im wesentlichen ringförmiger Raum zwischen einem äusseren zylindrischen Teil der Trenn/Sammel-Einrichtung und der Reaktionsgefäßwand, welche als gasreiche Fluideinlaßleitung wirkt.

Die Gesamtquerschnittsfläche sowohl der gasreichen als auch der flüssigkeitsreichen Leitung soll etwa 50 % nicht überschreiten und vorzugsweise zwischen 10 % und 40 % der Querschnittsfläche des Reaktionsgefäßes liegen. Der relative Anteil der Querschnittsfläche der flüssigkeitsreichen und der gasreichen Leitung ist nicht besonders kritisch und je nach der Art der Flüssigkeit veränderlich. Die Ge-

909883/0593

29T6695

samtquerschnittsfläche der gasreichen Steigleitungen beträgt vorzugsweise zwischen etwa 5 % und 30 % der inneren Querschnittsfläche des Reaktionsgefäßes und die Gesamtquerschnittsfläche der flüssigkeitsreichen Steigleitungen soll vorzugsweise zwischen etwa 5 % und 30 % der Reaktionsgefäß-Querschnittsfläche betragen. Jede gasreiche und flüssigkeitsreiche Steigleitung soll eine Mindestquerabmessung haben, die ausreicht, eine Verstopfung zu vermeiden, vorzugsweise mindestens etwa 0,64 cm (etwa 0,25 ") und am meisten bevorzugt zwischen etwa 1,27 bis 30,5 cm (etwa 0,50 bis 12 ") in der Querabmessung. Die Leitungen sollen vorzugsweise im Querschnitt kreisförmig sein, können jedoch auch nicht kreisförmig sein, beispielsweise rechteckig, sechseckig, ringförmig oder oval, wie gewünscht.

Es ist ein kritisches Merkmal der Erfindung, daß das aufwärtsströmende Flüssigkeits/Gasgemisch, das von der Reaktionszone ansteigt, durch die Fluideinlaßleitungen der Trenn/Sammel-Einrichtung hindurchtritt und daß alle Leitungen unterhalb des Flüssigkeitsspiegels des Reaktionsgefäßes sind. Nach dem Durchtritt durch die Trenn/Sammel-Einrichtung steigt dann der erhaltene Gasteil zum Dampfraum oberhalb der Phasentrennzone an und ein Teil der Flüssigkeit wird gesammelt und durch eine Falleitung zum Rücklauf zur Reaktionszone zurückgeführt, während der übrige Flüssigkeitsteil aus dem Reaktionsgefäß als flüssiger Abfluß abgezogen wird. Die zurückgeführte Flüssigkeit nimmt ihren Weg durch das Fallrohr zu einer Umlaufpumpe und tritt dann durch einen Flüssigkeit/Gas-Verteiler zusammen mit frischer Flüssigkeit- und Gaszufuhr hindurch, um eine gleichmässige Aufwärtsfluidströmung durch die Katalysatorwirbelschicht aufrecht zu erhalten. Der Flüssigkeits- und Dampfabfluß kann dann gesondert aus dem oberen Teil des Reaktionsgefäßes abgezogen werden, in welchem Falle die Flüssigkeit von einer Stelle in der Einrichtung abgezogen wird, die im wesentlichen

909883/0593

dampffrei ist. Durch die innere Trennung der Flüssigkeiten von den Gasen nach der Erfindung wird die Notwendigkeit vermieden, einen äusseren Phasentrenner stromabwärts des Reaktionsgefäßes zu verwenden. Wenn gewünscht, können Flüssigkeits- und Dampfteile zusammen über eine einzige Leitung abgezogen werden, die sich in das Reaktionsgefäß zu einer Stelle oberhalb der Oberseite der Trenn/Sammel-Einrichtung, jedoch an der Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche erstreckt.

Die Erfindung ist ferner in Fig. 1 dargestellt. Das Reaktionsgefäß 10 ist mit seiner langen Achse in einer vertikalen Stellung angeordnet und hat einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt, obwohl die genaue Form des Querschnitts nicht kritisch ist. Obwohl Fig. 1 eine schematische Darstellung ist, um die verschiedenen Merkmale zu zeigen, ist natürlich das Reaktionsgefäß so gebaut und aus solchen Materialien, daß es zum Umsetzen von Flüssigkeiten, Flüssigkeits-Feststoff -Auf schlämmungen, Feststoffen und Gasen bei erhöhten Temperaturen undDrücken geeignet ist und in einer bevorzugten Ausfuhrungsform zur Behandlung von Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten und Kohle-öl-Aufschlämmungen mit Wasserstoff bei hohen Drücken und hohen Temperaturen, wie z.B. 7,00 bis 352 kp/cm² und 149 bis 815 ⁰C (100 bis 5000 psi und 300 bis 1500⁰F). Das Reaktionsgefäß 10 ist mit einer geeigneten Einlaßleitung 12 für die Zufuhr von Schweröl oder eines Gemisches aus öl mit kleinen Kohleteilchen und eines wasserstoffhaltigen Gases versehen. Auslaßleitungen sind im oberen Teil des Reaktionsgefäßes 10 angeordnet, wobei der Auslaß 14 zum Abziehen von Dampf und Flüssigkeit bestimmt ist und der Auslaß 16 zum Abziehen hauptsächlich flüssigen Produktes, wenn gewünscht. Das Reaktionsgefäß kann ferner eine Einrichtung zum Einleiten und Abziehen von Katalysatorteilchen enthalten, die schematisch als Einlaß

909883/0593

und als Auslaß 17 dargestellt ist.

Das Ausgangsmaterial, wie öl oder mit öl aufgeschlämmte Kohleteilchen, wird durch die Leitung 11 eingeleitet, während wasserstoffartiges Gas durch eine Leitung 13 eingeleitet wird und mit dem Ausgangsmaterial kombiniert und dem Reaktionsgefäß durch den Einlaß 12 im Boden des Reaktionsgefäßes zugeführt werden kann. Das ankommende Fluid tritt durch einen Gitterboden 18 hindurch, der geeignete Fluidverteilungsorgane enthält. In der Zeichnung sind Bodenglocken 19 als Fluidverteilungsorgane gezeigt, jedoch kann eine beliebige andere an sich bekannte und geeignete Vorrichtung verwendet werden, mit welcher das vom Einlaß 12 kommende Fluid über die ganze Querschnittsfläche des Reaktionsgefäßes 10 gleichmässig verteilt werden kann.

Das Gemisch aus Flüssigkeit und Gas strömt aufwärts und den i^;aIysatorteilchen wird dadurch eine Wirbelbewegung durch die Gasströmung und die durch die Rückführungspumpe 20 gelieferte Flüssigkeitsströmung mitgeteilt. Wenn gewünscht, kann das von neuem in Umlauf gesetzte öl auch durch eine äussere Rückführungspumpe in das Reaktionsgefäß 10 eingeleitet werden. Die aufwärtsgerichtete Flüssigkeitsströmung, die durch diese Rückführungspumpe herbeigeführt wird, reicht aus, daß sich die Masse der Katalysatorteilchen in der Schicht 22 um mindestens 10 % und gewöhnlich um 20 - 200 % expandiert, wodurch eine Gas- und Flüssigkeitsströmung, wie im wesentlichen durch den Richtungspfeil 21 angegeben, durch das Reaktionsgefäß 10 mit einer stetigen Geschwindigkeit ermöglicht wird. Infolge der aufwärtsgerichteten Strömung unter der Wirkung der Pumpe und der abwärtsgerichteten Kräfte durch die Wirkung der Schwerkraft erreichen die Katalysatorschichtteilchen ein Aufwärtsbewegungs- oder Verwirbelungsniveau, während die leichtere Flüssigkeit und Gas sich über dieses Niveau hinaus aufwärts bewegen. In der Zeichnung

909883/0593

ist das obere Katalysatorniveau bzw. die Katalysatorgrenzfläche allgemein mit 23 bezeichnet und die Reaktionszone erstreckt sich von etwa dem Gitterboden 18 zum Niveau 23. Die Katalysatorteilchen in der Schicht 22 in dieser Reaktionszone bewegen sich mit regelloser Bewegung und werden im wesentlichen gleichmässig durch diese ganze Zone im Reaktionsgefäß verteilt.

Über die Katalysatorgrenzfläche 23 steigen im wesentlichen keine Katalysatorteilchen an. Das Volumen oberhalb der Katalysatorgrenzfläche ist mit Flüssigkeit und mitgeführtem Gas oder DAmpf bis zur Flüssigkeit/Gas-Grenzfläche gefüllt, welche mit 24 bezeichnet ist. Der obere Teil des Reaktionsgefäßes ist die Phasentrennzone, in welcher die Flüssigkeit und das Gas in der Trenn- und Sammeleinrichtung 30 getrennt werden, um durch das Fallrohr 25 eine Flüssigkeit zu sammeln, und zurückzuführen, die einen wesentlich verringerten Gas- und Dampfgehalt hat. Ein im wesentlichen flüssiges Produkt kann gesondert von Gas und Dampf durch den Auslaß 16 abgezogen werden, in welchem Falle die Leitung 14 im Dampfraum endet und dazu verwendet wird, nur Dampf allein abzuziehen, oder Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten können gemeinsam abgezogen werden.

Der obere Teil des Fallrohres 25 ist erweitert und hat vorzugsweise die Form eines umgekehrten Kegelstumpfes, dessen geneigter Teil die Fläche 26 ist. Der Ringraum 29 zwischen der Innenwand des Reaktionsgefäßes 10 und der Phasentrenneinrichtung 30 ermöglicht eine Fluidströmung zwischen beiden. Eine Anzahl vertikal gerichteter Leitungen 27, 28 ist durch die Fläche 26 hindurchgeführt und bildet eine Fluidverbindung zwischen der Reaktionszone und der Phasentrenn- und SAmmeleinrichtung. Vom Gas mitgeführtes Fluid bewegt sich aufwärts durch die Phasentrennzone und beim Verlassen der

909883/0593

oberen Enden dieser Leitungen kehrt der flüssige Teil seine Richtung um und fließt nach unten zum Fallrohr 25 und durch dieses hindurch in der Richtung des Pfeils 31 zum Einlaß der Pumpe 20, wodurch es durch den unteren Teil des Reaktionsgefäßes 10 zurückgeführt wird. Von der Flüssigkeit getrennte Gase und Dämpfe steigen zur Flüssigkeits/Gas-Grenzflache an und werden im oberen Teil des Reaktionsgefäßes 10 gesammelt und durch die Auslaßleitung 14 entfernt. Die an dieser Stelle entfernten Gase und Dämpfe werden unter Verwendung herkömmlicher Mittel zur Rückgewinnung von möglichst viel Wasserstoff zur Rückführung in den Gaszufuhreinlaß 13 behandelt.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht im Querschnitt zu Fig. 1, wobei sowohl die flüssigkeitsreichen Leitungen 27 als auch die gasreichen Leitungen 28 am gleichen Durchmesser angegeben und von ringförmigen gasreichen Kanälen 29 umgeben sind. Obwohl bei dieser Ausfuhrungsform fünf Leitungen gezeigt sind, können jedoch auch nur zwei oder so viele vorgesehen werden, als durch die vorstehend angegebenen Verhältnisse zwischen Querschnittsfläche der Leitungen und des Reaktionsgefäßes untergebracht werden können.

Die Flüssigkeit/Gas-Trennung in der erfindungsgemäßen Weise läßt sich am besten aus Fig. 3 und 4 erkennen, die in vergrössertem Maßstab die Trenn/Sammel-Einrichtung 30 und die Fluideinlaßleitungen 27, 28 und 29 zeigen. Aus Fig. 3 ergibt sich, daß das Fluid über das Katalysatorniveau 23 zur Unterseite der Trenn/Sammel-Einrichtung 30 ansteigt und auf die untere geneigte Fläche 26 der Trenn/Sammel-Einrichtung auftrifft und mit zunehmender Höhe einen zunehmenden Durchmesser hat. In der Flüssigkeit mitgeführte Gasblasen haben das Bestreben, innerhalb der Flüssigkeit wegen ihres Auftriebs anzusteigen, so daß sie sich entlang der geneigten Unterseite der Einrichtung 30 aufwärts bewegen, bis der Einlaß zu einer der Leitungen erreicht wird,

909883/0593

welcher es der Gasblase und der sie umgebenden Flüssigkeit ermöglicht, ihre Aufwärtsbewegung fortzusetzen. Erfindungsgemäß sind die Leitungen 27 und 28 vorzugsweise sowohl mit ihren Einlaß- als auch mit ihren Auslaßenden in verschiedenen Höhen innerhalb des Reaktionsgefäßes 10 angeordnet. Es wurde festgestellt, daß, wenn das Einlaßende einer Leitung (gasreiche Leitung) sich oberhalb des Einlasses anderer Leitungen (flüssigkeitsreiche Leitungen) befindet und vorzugsweise an der geneigten Fläche 26, bei dem Fluid, welches durch diese Leitungen strömt, die Neigung besteht, daß es reicher an Gas ist als das Fluid, das durch die Leitungen strömt, deren Einlaßenden sich unterhalb des konischen Teils 26 befinden. So wurde festgestellt, daß durch die Anordnung der Einlaßenden der Fluidleitungen in verschiedenen Höhen eine erhöhte Konzentration von Flüssigkeit in denjenigen Leitungen bewirkt werden kann, deren Einlasse sich in geringeren Höhen befinden, und eine erhöhte Konzentration von Gas in denjenigen Leitungen oder Kanälen, deren Einlasse sich in einer grösseren Höhe befindet, wodurch die Trennung von Flüssigkeit vom Dampf wesentlich erhöht wird und erhöhte Gasgeschwindigkeiten durch das Reaktionsgefäß ermöglicht werden. In ähnlicher Weise wurde ebenfalls festgestellt, daß, wenn eine gasreiche Leitung sich mit ihrem Auslaß in einer grösseren Höhe im Reaktionsgefäß 10 als der Auslaß einer Leitung befindet, die reich an Flüssigkeit ist, die Gasblasen ihre Aufwärtsbewegung fortsetzen, wie durch die Pfeile 33 gezeigt, und nicht in der Richtung der Flüssigkeitsströmung, die durch die Pfeile 35 gezeigt ist, in eine Abwärtsrichtung und in das Fallrohr 25 umgelenkt werden.

In Fig. 3 sind die Leitungen, die als Kanäle für gasreiches Fluid dienen, mit 28 bezeichnet und haben Einlaßenden 28a an der geneigten Fläche 26 der Einrichtung 30 sowie Aus-

909883/0593

laßenden 28b an einer höheren Stelle. Obwohl es vorzuziehen ist, daß die Leitungen für gasreiche Fluide sich nicht unterhalb der geneigten Fläche der Einrichtung erstrecken, wie es innerhalb des Rahmens der Erfindung ist, so befindet sich jedoch bei der am meisten bevorzugten Ausführungsform das Einlaßende in einer grösseren Höhe mit bezug auf die Leitung zur Aufnahme der flüssigkeitsreichen Fluide. In ähnlicher Weise sind die Leitungen, die zum Leiten von flüssigkeitsreichem Fluid dienen und eine niedrige Gaskonzentration haben, mit 27 bezeichnet, wobei sich die Einlaßenden 27a in einer Höhe unterhalb der konischen Flächen 26 der Einrichtung 30 befinden und die Auslaßenden 27b ebenfalls in einer geringen Höhe. Daher leitet die ringförmige Leitung 29, welche die Einrichtung 30 umgibt, wahlweise ebenfalls gasreiches Fluid und wirkt als gasreiche Fluidleitung 28.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht im Querschnitt der Phasentrenn- und Sammeleinrichtung von Fig. 3 mit einer erhöhten Anzahl von flüssigkeitsreichen Fluidleitungen 27 und gasreichen Leitungen 28, die sich ausserhalb der letzteren befinden und von dem ringförmigen gasreichen Kanal 29 umgeben sind. In Fig. 4 ist eine bevorzugte Verteilung verschiedener Leitungen des Reaktionsgefäßes 10 in der Draufsicht gegeben. Jede mit G bezeichnete Leitung ist eine Leitung, deren Einlaßende sich an der Unterseite der Fläche 26 befindet und deren Auslaßende an einer höheren Stelle und daher ähnlich wie die Leitung 28; jede mit L bezeichnete Leitung ist eine Leitung, deren Einlaßende sich unterhalb der Fläche des konischen Teils 26 befindet und deren Auslaßende, ähnlich wie bei der Leitung 27, sich in einer geringen Höhe befindet. Es ist gewöhnlich vorzuziehen, eine grössere Anzahl von G-Leitungen näher der Aussenwand des REaktionsgefäßes 10 angeordnet vorzusehen und einen grösseren Anteil

909883/0593

von L-Leitungen näher der Mitte des Reaktionsgefäßes 10 in der Nähe der Flüssigkeitsfalleitung 25 vorzusehen. Das gewöhnliche Größenverhältnis für die Querschnittsflächen der flüssigkeitsreichen Leitungen 27 und der gasreichen Leitungen 28 in Fig. 1-4 schwankt je nach der Art der Flüssigkeit und kann durch den Fachmann ohne weiteres bestimmt werden. Die Querschnittsfläche des Fallrohres 25 braucht nur auszureichen, die zurückgeführte Flüssigkeit mit einem niedrigen Druckabfall zur Pumpensaugseite zurückzuführen und kann zwischen 1 - 10 % der Querschnittsfläche des Reaktionsgefäßes 10 betragen. Die Zahl der Fluidleitungen 27 und 28, die in einem einzigen Reaktionsgefäß verwendet werdenkann, ist nicht kritisch. Wenn die Querabmessung bzw. der Durchmesser der Leitungen zu klein ist, besteht eine Möglichkeit zur Verstopfung durch Teilchen von Kohlefestttoffen innerhalb der Leitung. Es wird angenommen, daß es vorzuziehen ist, so viele Leitungen wie notwendig zu verwenden, um eine gute mechanische Festigkeit und eine gute Strömungsverteilung bei einem Mindestmaß an Fluidquerströmung innerhalb der Einrichtung zu erhalten. Der Anteil der Leitungen G bis L, wie in Fig. 2 gezeigt (d.h. der Anteil derjenigen, die gasreiches Fluid führen, zu denjenigen, die flüssigkeitsreiches Fluid führen) hängt von der Menge des Gesamtgases in dem Reaktionsgefäß ab. Die flüssigkeitsreichen und dampfreichen Fluidleitungen können beide am gleichen Radius oder Durchmesser angeordnet werden, wie in Fig. 1-2 gezeigt, oder sie können je an verschiedenen Durchmessern angeordnet werden, wie in Fig. 3 und 4 gezeigt.

Fig. 5 zeigt bei einer anderen Ausführungsform, daß der erweiterte konische Teil der Trenn- und Sammeleinrichtung so erweitert werden kann, daß er Umfangskontakt mit der Innenwand des Reaktionsgefäßes hat, wodurch der Ringraum ausgeschaltet wird, der für die Aufwärtsströmung von dampfrei-

909883/0593

chem Fluid verwendet wurde. Die angegebenen Bezugsziffern entsprechen den zu Fig. 3 angegeben.

Die verschiedenen Höhenniveaus für die Einlaß- und Auslaßenden der Leitungen 27 und 28 in Fig. 1, 3 und 5 sind nicht besonders kritisch. Es ist jedoch vorzuziehen, daß die Einlaßenden der gasreichen Leitungen 28 die Fläche des geneigten erweiterten Teils 26 schneiden und sich nicht unterhalb dieser Fläche erstrecken. Die Einlaßenden der flüssigkeitsreichen Leitungen 27 muß unterhalb der geneigten Fläche liegen, um zu vermeiden, daß sich irgendwie mehr Gas sammelt, als gerade direkt in das offene Ende der Leitung strömt.

Die oberen Enden der Leitungen 27 und 28 sind zur Anordnung an geeigneten Stellen vorgesehen, um dem Gas die maximale Möglichkeit zu geben, sich von dem aufwärtsströmenden Flüssigkeits/Gasgemisch zu trennen und für die Flüssigkeit gesammelt und durch das Fallrohr 25 zur Rückführpumpe 20 zurückgeleitet zu werden. Was die flüssigkeitsreichen Leitungen 27 betrifft, ist es erforderlich, daß ihr oberes Auslaßende sich unterhalb dem oberen Auslaßende der gasreichen Leitung 28 bzw. des Kanals 29 befindet. Beide Leitungen müssen sich unterhalb der Flüssigkeitsgrenzgflache befinden. Das obere Ende der gasreichen Leitungen 28 soll mindestens etwa 5,1. cm (etwa 2 ") unter der Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche 24 liegen und kann sich vorzugsweise etwa 15,24 cm (etwa 6 ") bis 1,83 m (6 Fuß) unter dieser Grenzfläche befinden. Wenn sich die Leitung 28 über die Grenzfläche 24 hinaus erstreckt, wird Gas in der verwirbelten Flüssigkeit mitgeführt und nach unten in das Fallrohr 25 zur Rückführung zur Pumpe 20 gebracht. Die Höhe der Auslaßenden der gasreichen Leitungen 28 soll ausreichend über den entsprechenden Auslaßenden der flüssigkeitsreichen Leitungen 27 sein, so daß sie relativ unbeeinflußt durch die Flüssigkeitsströmung

909883/0593

aus den Leitungen 27 ist, welche die Richtung zur Abwärtsströmung in das Fallrohr 25 umkehrt.

Einer der Parameter für den Vorgang eines Hydrierungsreaktionsprozesses ist die Oberflächengasgeschwindigkeit, berechnet als eine lineare Geschwindigkeit des vertikal aufwärts durch ihre Reaktionszone strömenden Gases. Vor der Erfindung wurde die Oberflächengasgeschwindigkeit auf einem unerwünscht niedrigen Wert gehalten, um einen zufriedenstellenden Grad der Flüssigkeit/Gas-Trennung und eine Mindestmenge von in der Flüssigkeit, welche durch das Reaktionsgefäß zurückgeführt wird, mitgeführten Gases zu erzielen. Im besonderen wurde eine Oberflächengasgeschwindigkeit von etwa 2,4 bis 3,1 cm/sec (0,08 bis 0,10 Fuß/sec) als die annähernde obere Grenze bei Kohlehydrierungsprozessen ohne übermässige Gasmitführung der Rückführflüssigkeit und ünstabilität der Wirbelschicht ermittelt. Es wurde nun festgestellt, daß mit der verbesserten Gas/Flüssigkeit-Trennung gemäß der Erfindung eine solche Oberflächengasgeschwindigkeit auf etwa 4,6 bis 6,1 cm/sec (etwa 0,15 bis 0,20 Fuß/sec) erhöht werden kann, ohne daß eine übermässige Gasmitführung in der Führungsflüssigkeit und eine Ünstabilität der Wirbelschicht die Folge ist. Dies ermöglicht eine beträchtliche Zunahme der Stabilität der Katalysatorschicht im Reaktionsgefäß. Hinsichtlich der Gaskonzentration kann das erfindungsgemäße Verfahren Flüssigkeit erzeugen, welche durch das Fallrohr 25 zurückgeführt werden kann, die weniger als 8 Vol.% Gas enthält. Die bisher angewendeten Verfahren, bei welchen die Oberflächengasgeschwindigkeit lediglich 2,4 cm/sec (0,08 Fuß/sec) betrug, ergab Flüssigkeit zur Rückführung zur Pumpe, die bis zu 20 Vol% Gas enthielt.

Bei der Hydrierung von öl betrug die maximale Oberflächengasgeschwindigkeit, die bisher im Reaktionsgefäß erzielt

909883/0593

wurde, 6,1 cm/sec (0,20 Fuß/sec), während durch die Anwendung der Erfindung die maximale Oberflächengasgeschwindigkeit, die ein durchführbares Verfahren ergibt, auf höher als 7,9 cm/sec (0,26 Fuß/sec) erhöht werden kann.

Dem Fachmann ist es bekannt, daß die maximale Menge von in dem Rückführungsfluid mitgeführten Gases, die eine stabile Wirbelschicht ergibt, mit der Dichte und Viskosität des Reaktionsgefäßfluids sowie mit der Dichte des Kontaktmaterials veränderlich ist.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen dargestellt und beschrieben, welche die Betriebsergebnisse verschiedener Ausgestaltungen und Ausführungsformen der Einrichtung vergleichen. Zum Vergleichen der Leistung der Trenn/Sammel-Einrichtungen verschiedener Bauart ist es erforderlich, bei verschiedenen Oberflächengasgeschwindigkeiten festzustellen, wie viel Gas im Rückführungsfluid mitgeführt wird. Relative Mengen von in der Rückführungsflüssigkeit mitgeführtem Gas können dadurch gemessen werden, daß der Förderdruck der Rückführpumpe bei einer konstanten Rückführungsströmung, gemessen in Gallonen je Minute je Quadratfuß der Querschnittsfläche des Reaktionsgefäßes überwacht wird. Wenn die Gasgeschwindigkeit erhöht wird, nehmen die Volumenprozente des Gases in der Rückführungsflüssigkeitsströmung auf ein Maximum zu. über das Maximum hinaus wird eine unstabile Rückführungsströmung erhalten, die zu einer Wirbelschichtunstabilität und Prozeßundurchführbarkeit führt. Wenn die Gasmenge im Rückführungsstrom zunimmt, nimmt die Pumpen- und Druckförderung in gleicher ab. Zugleich nimmt die Rückführungsströmungsgeschwindigkeit ebenfalls ab. In Fig. 7 ist eine graphische Darstellung gegeben, bei der die Strömungsgeschwindigkeit über der Gasgeschwindigkeit aufgetragen ist. In Fig. 8 ist der För-

9O9883/0S93

derdruck über der Gasgeschwindigkeit aufgetragen.

Die Beispiele 1-3 wurden in einem Glasrohr (simuliertes Reaktionsgefäß) mit einem Durchmesser von 15,24 mm (6 ") und einer Länge von 3,048 m (10 Fuß) bei nahezu Raumdruck- und -temperaturbedingungen unter Verwendung von Petroleum und öl zur Simulation der Reaktionsfluide und unter Verwendung eines üblichen teilchenförmigen Kobalt-Molybdän-Katalysators in Form von Extrudaten von 1,6 mm (1/16 ") Durchmesser.

Beispiel 1

Eine konische Trenn/Sammel-Vorrichtung ähnlich der in der US-Patentschrift 3 124 518 beschriebenen mit einer Querschnittsfläche von etwa 45 % derjenigen des Glasrohres wurde zuerst mit Oberflächenaufwärtsgasgeschwindigkeiten im Bereich von 0 bis 5,5 cm/sec (0 bis 0,18 Fuß/sec) getestet. Die in Fig. 7 durch die Kurve 1 gezeigten Ergebnisse zeigen an, daß übermässiges Gas in der Rückführpumpe-Saugflüssigkeit mit Gasgeschwindigkeiten von oberhalb etwa 2,4 cm/sec (0,08 Fuß/sec) mitgeführt wurde, so daß der Katalysatorwirbelschichtzustand im Betrieb unstabil wurde.

Beispiel 2

Eine Trenn/Sammel-Einrichtung mit zwei rohrförmigen Steigleitungen von einem Durchmesser von 5,1 cm (2 ") zur Fluidaufwärtsströmung in der Weise, daß die Rückführeinrichtung wirksam zur Wand des Reaktionsgefäßes verlängert ist, wie in Fig. 6 gezeigt, wurde gebaut und getestet. Der Flüssigkeitsspiegel wurde zuerst 12,7 cm (5 ⁿ) oberhalb des oberen Endes der Fluideinlaßleitungen gehalten (Kurve 2a). Ein weiterer Versuch wurde mit dem Flüssigkeitsspiegel 10,2 cm

909883/0593

(4 ") unter dem oberen Ende der Fluideinlaßleitungen durchgeführt (Kurve 2b). Die Ergebnisse dieser Versuche in dem durch ein Glasrohr simulierten Reaktionsgefäß sind ebenfalls in Fig. 7 gezeigt, welche den Rückführpumpe-Strömungsdruck über der Oberflächenaufwärtsgasgeschwindigkeit vergleicht. Wie ersichtlich, ist der Betrieb der rohrförmigen Rückführeinrichtung, bei welchem der Reaktionsgefäß-Flüssigkeitsspiegel und der Fluidabziehpunkt oberhalb der rohrförmigen Steigleitungen angeordnet sind (Kurve 2a) der bekannten konischen Bauform von Beispiel 1 überlegen, da er gewöhnlich einen erhöhten Pumpenrückführungs-Flüssigkeitsströmungs- und Austrittsdruck ergibt, wodurch eine stabilere Katalysatorwirbelschicht erhalten wird. Die rohrförmige Sammeleinrichtung, bei welcher der Reaktionsgefäß-Flüssigkeitsspiegel unter dem oberen Ende der rohrförmigen Steigleitungen gehalten wurde (Kurve 2b) war jedoch in der Leistung den anderen beiden Bauformen der Einrichtung deutlich unterlegen.

Beispiel 3

Eine Trenn/Sammel-Einrichtung im wesentlichen von der in Fig. 1 gezeigten Bauart wurde hergestellt und in dem simulierten Glasrohr-Reaktionsgefäß von 15,2 cm (6 ") Durchmesser getestet, wobei der Flüssigkeitsspiegel und der Fluidabziehpunkt auf mindestens etwa 5,1 cm (etwa 2 ") oberhalb der Lippe der Einrichtung gehalten wurde. Im besonderen hatte der Rückführungsbecher vom Typ der Fig. 1 eine ringförmige Leitung mit einer Breite von 0,56 cm (0,22 ") zwischen der Trenn- und Sammeleinrichtung und der Glasrohrwand sowie ein gasreiches Steigrohr mit einem Durchmesser von 5,1 cm (2 ") oberhalb einer flüssigkeitsreichen Steigleitung mit einem Durchmesser von etwa 5,1 cm (2 "). Vergleichsergebnisse für diese Rückführungseinrichtung sind ebenfalls in Fig. 7 gezeigt und zeigen an, daß die verbes-

909883/0593

serte Rohrformeinrichtung (Kurve 3) eine Leistung ergibt, die derjenigen der beiden anderen getesteten Bauformen insofern überlegen ist, als sie sowohl eine höhere Rückführungs-Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit als auch Pumpenaustrittsdrücke bei allen Oberflächengasgeschwindigkeiten bis zu etwa 5,5 cm/sec (etwa 0,18 Fuß/sec), und zwar sowohl (a) gegenüber der herkömmlichen konischen Rückführungseinrichtung als auch (b) gegenüber der rohrförmigen Rückführungseinrichtung mit Steigrohren, die sich über den Flüssigkeitsspiegel (Fig. 6) hinaus erstrecken.

Beispiel 4

Es wurden Vergleichsversuche in einem Reaktionsgefäß mit katalytischer Wirbelschicht von einem Durchmesser von 15,2 cm (6 ") und einer Länge von 6,71 m (22 Fuß) durchgeführt, wobei etwa 113,4 kg/h (etwa 250 lb/hr) Illinois Nr. 6 Kohle aufgeschlämmt mit Rückführungsöl bei erhöhten Druck- und Temperaturbedingungen behandelt wurden. Bei der ersten Versuchsreihe wurde im Reaktionsgefäß eine herkömmliche Phasentrenn- und Sammeleinrichtung ähnlich der in Beispiel 1 und mit einer Querschnittsfläche von etwa 44 % derjenigen des Reaktionsgefäßes verwendet. Eine stabile Arbeitsweise der Katalysatorwirbelschicht konnte bei Oberflächenaufwärtsgasgeschwindigkeiten, die ebwa 2,1 cm/sec (etwa 0,07 Fuß/ see) wegen übermässig mitgeführtem Gas in der Flüssigkeit zur Rückführungspumpe nicht erzielt werden. Sodann wurde eine Phasentrenn- und Sammelvorrichtung ähnlich der in Fig. dargestellten und mit einer ringförmigen gasreichen Leitung, einer zusätzlichen gasreichen Fluidleitung und einer flüssigkeitsreichen Fluidleitung in das Reaktionsgefäß eingebaut und mit dem Flüssigkeitsspiegel etwa 10,2 cm (etwa 4 ") oberhalb des oberen Endes der gasreichen Leitung betrieben. Als Prozentsatz der Reaktionsgefäß-Querschnittsfläche betrug die Querschnittsfläche der ringförmigen Leitung um die Vorrichtung

909883/0593

herum etwa 14 %, diejenige der gasreichen Leitung etwa 7 % und diejenige der flüssigkeitsreichen Leitung etwa 10 %, wodurch als Gesamtquerschnittsfläche für alle fluidführenden Leitungen und Kanäle etwa 31 % der Reaktionsgefäß-Querschnittsfläche erhalten werden. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung war es möglich, die Oberflächengasgeschwindigkeit im Reaktionsgefäß auf 5,5 cm/sec (0,18 Fuß/sec) zu erhöhen, bevor Unstabilität der Wirbelschicht durch in der zurückgeführten Flüssigkeit geführtes Gas auftrat. Die Vergleichsergebnisse sind Tabelle I angegeben .

Tabelle I

Stand der Erfindung Technik

Reaktionsgefäß-Ausgangsmaterial Illinois Nr. 6 Kohle in ölschlamm

verwendete Katalysator Kobalt-Molybdän-Extrudate mit

einem Durchmesser von 1,6 mm (1/16 ")

Zufuhrgeschwindigkeit der

trockenen Kohle, g/h/ccm

(Lb/Hr/Ff³) 2,64 (65) 2,56 (60)

Reaktionsgefäßbedingungen

Temperatur⁰C 453,3 - 454,4 441,5 - 454,4

<^F' (848-850) (825-850)

Überdruck kp (psig) 190 (2700) 176 (2500)

Kohle/Schlämmöl-Gew.Verhältn. 0,25 0,25

H~-Gasumlaufgeschwindigkeit

l€r/kg (SCF/Lb) trockene

Kohle 15,7 15

erreichte maximale Ober-

flächengasgeschwindigkeit

cm/sec (Ft/sec) 2,1 (0,07) 5,5 (0,18)

Dauer des ununterbrochenen

Betriebs in Stunden 534 475

291669S

Beispiel 5

Anschliessend wurde eine grössere Phasentrenn- und Sammeleinrichtung mit mehreren Steigrohren, im wesentlichen wie in Fig. 3 und 4 dargestellt, gebaut und in einem Modell-Reaktionsgefäß mit einem Durchmesser von 1,52 m (5 Fuß) unter Verwendung von Stickstoff und Petroleum bei etwa Raumbedingungen getestet, um den Betrieb mit Wasserstoff und Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten bei erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen zu simulieren. Bei der Trenn- und Sammeleinrichtung wurde eine ringförmige Leitung mit einer Breite von 2,1 cm (0,81 ") verwendet und es waren sechs gasreiche Steigleitungen mit einem Durchmesser von 22,25 cm (8,75 ") und sechs flüssigkeitsreiche Steigleitungen mit einem Durchmesser von 18,4 cm (7,25 ") vorgesehen, welch letztere von den gasreichen Steigleitungen nach innen und unterhalb derselben angeordnet waren. Die gesamte Querschnittsfläche für die gasreichen Leitungen und die flüssigkeitsreichen Leitungen betrug etwa 20 % bzw. 10 % der Reaktionsgefäß-Querschnittsfläche. Eine große konische Rückführungsvorrichtung bekannter Bauart ähnlich der von Beispiel 1 und mit einer Querschnittsfläche von etwa 75 % derjenigen des Reaktionsgefäßes wurde gebaut und in der gleichen Weise zum Vergleich getestet. Die Ergebnisse dieser Vergleichsversuche bei Flüssigkeitsrückführungs-Strömungsgeschwindigkeiten von 1478 und 2112 Itr/ min/dm² (35 und 50 gpm/ft²) sind in Fig. 8 dargestellt.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Rohrbauform der Trenn- und Sammeleinrichtung, bei der der Reaktionsgefäß-Flüssigkeitsspiegel oberhalb des obersten Fluidkanals oder der Steigleitung gehalten wird, der herkömmlichen konischen Rückführeinrichtung bei jeder getesteten Flüssigkeitsrückführ-Strömungsgeschwindigkeit überlegen ist, da höhere

Pumpenrückführ-Strömungsgeschwindigkeiten und Austrittsdrücke bei jeder Oberflächenaufwärtsgasgeschwindigkeit aufrechterhalten wurden. Hierdurch wird angezeigt, daß durch die Erfindung weniger Gas in der Flüssigkeit mitgeführt wurde, die durch das simulierte Reaktionsgefäß wieder in Umlauf gesetzt wurde. Je weniger Gas in der Rückführpumpen-Saugflüssigkeit mitgeführt wird, desto stabiler ist daher die Katalysatorwirbelschicht.

Obwohl die Erfindung im Vorangehenden mit beträchtlichen Einzelheiten anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie nicht hierauf beschränkt, sondern kann innerhalb ihres Rahmens verschiedene Abänderungen erfahren.

909883/0593

Claims

Dr. Ing. E. Liebau LIEBAU & LIEBAU Dipl. Ing. G. Liebau Patentanwalt (1935 -1975) Patentanwalt Birkenstrasse 39 · D-8900 Augsburg 22 Patentanwälte Liebau & Liebau - l - D-8900 Augsburg 22 Telefon (08 21) 576089 - cables: elpatent augsburg Birkenstrasse 3Ü 96 09 6 Ihr Zeichen: your/votre ref. Unser Zeichen: J-J ]_Q 814 our/notre ref. Datum: ■Hydrocarbon Research, Inc. 134 Franklin Corner Road Lawrenceville, New Jersey 03648/USA Patentansprüche :

1. Kontinuierliches Flüssigphase-Reaktionsverfahren zur chemischen Behandlung fliessender Ausgangsmaterialien, bei welchem das Material mit einem reaktionsfähigen Gas unter erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen in Gegenwart von Kontaktteilchen in einer vertikalen Reaktionszone in Kontakt gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) das Gas und das Ausgangsmaterial in den unteren Teil der Reaktionszone mit einer Aufwärtsströmungsgeschwindigkeit eingeleitet wird, die ausreicht, eine regellose Bewegung der Kontaktteilchen in der Reaktionszone zu erzeugen, wobei das eintretende Gas eine lineare Oberflächengeschwindigkeit hat, die höher als etwa O,65cm/sec (etwa 0,02 ft/sec) ist;

(b) die Kontaktteilchen in der Reaktionszone in einer volumetrischen Expansion gehalten werden, die etwa 10 - 200 % größer als in einem abgesetzten Zustand ist, während das Ausgangsmaterial mit dem Gas chemisch in Reaktion tritt;

(c) das behandelte Ausgangsmaterial und Gas zum Aufwärtsströmen aus der Reaktionszone gebracht wird, ohne daß eine v/esentliche

909883/059.1

Kontaktteilchenmitführung in eine benachbarte Phasentrennzone stattfindet, deren oberer Teil sich in Fluidverbindung mit der Reaktionszone durch Fluidleitungen befindet, wobei die Fluideinlässe im Betrieb oberhalb der Reaktionszone angeordnet sind, um wahlweise behandelte Flüssigkeit und Gas mit verengter Strömung aufzunehmen;

(d) der Flüssigkeitsspiegel durch die Phasentrennzone oberhalb der Auslaßenden der Fluidleitungen gehalten wird;

(e) eine Teil des behandelten Materials dadurch zur Reaktionszone zurückgeführt wird, daß Rückführflüssigkeit aus der Phasentrennzone nach unten durch eine nach unten gerichtete Fluidleitung abgezogen wird, die ein erweitertes oberes Ende aufweist, welches einen inneren Gaslöseabschnitt bildet; und

(f) ein Teil des behandelten Kohlenwasserstoffmaterials aus der Phasentrennzone abgezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluideinlaßleituiig durch mehrere Leitungen gebildet wird, von denen ein Teil im Betrieb in der Phasentrennzone so angeordnet ist, daß das-, untere Einlaß- und das obere Auslaßende sich jeweils in einer grösseren Höhe als die entsprechenden Einlaß- und'Auslaßenden der übrigen Leitungen befinden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtquerschnittsfläche der höheren Leitungen 5 - 30 % der Reaktionsgefäß-Gesamtquerschnittsfläche beträgt; die Querschnittsfläche der übrigen Leitungen 5 - 30 % der Reaktionsgefäß-Gesamtquerschnittsfläche; und die Gesamtquerschnittsfläche des Fluideinlasses weniger als 50 % der Reaktionsgefäß-Querschnittsfläche beträgt.

909883/0593

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der nach unten gerichtete Fluidleitungsweg einen umgekehrt kegelstumpfförmigen Teil aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsmaterialflüssigkeit ein Kohlenwasserstofföl ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsmaterialflüssigkeit gebildet wird durch einen fließfähigen Schlamm, Kohlenwasserstofföl und feste Kohlenstoff-haltige Materialien, die aus der aus Kohle, ölsand und Lignit bestehenden Gruppe ausgewählt sind.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktmaterial katalytisch ist und das reaktionsfähige Gas Wasserstoff enthält.

8. Kontinuierliches Verfahren zum Behandeln fließfähiger Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterialien mit einem wasserstoffhaltigen Gas bei erhöhten Temperaturen und Drücken in Gegenwart eines Bettes aus teilchenförmigen! festem Kontaktiermittel, bei welchem das wasserstoffhaltige Gas und das Ausgangsmaterial in das untere Ende eines im wesentlichen vertikalen Reaktionsgefäßes eingeleitet wird, das festes Kontaktiermittel enthält, und zwar mit einer ausreichenden Geschwindigkeit, damit das Kontaktiermittel in eine regellose Bewegung innerhalb des fließfähigen Kohlenwasserstoffes gebracht wird und auf ein Volumen expandiert wird, das größer als sein statisches Volumen ist, wobei das Gemisch aus Ausgangsmaterial, Gas und Kontaktier-

909883/0533

mittel eine Wirbelzone bildet, deren oberer Teil durch eine Flüssigkeit/Feststoff-Grenzfläche gesetzt wird, oberhalb welcher sie im wesentlichen aus einer von Feststoffen praktisch freien Zone besteht, und wobei eine Flüssigkeit/Gas-Grenzfläche oberhalb der von Feststoffen freien Zone besteht, oberhalb welcher nur eine Gasphase vorhanden ist, und wobei ferner Flüssigkeit von oberhalb der Flüssigkeit/Feststoff-Grenzfläche zum unteren Ende der Wirbelzone zurückgeführt und behandeltes Kohlenwasserstoffmaterial aus dem oberen Teil des Gefäßes entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) das behandelte Ausgangsmaterial und Gas aufwärts durch Fluidleitungswege zum Strömen gebracht wird und Fluideinlaßmittel im Betrieb oberhalb der Flüssigkeit/Feststoff-Grenzfläche angeordnet sind, um wahlweise behandelte Flüssigkeit und Gas in verengter Strömung aufzunehmen, wobei die Fluidleitungen ein Auslaßende unterhalb der Flüssigkeit/Gas-Grenzfläche haben;

(b) eine gashaltige Flüssigkeit mit reduziertem Gasgehalt aus der Feststoff-freien Zone durch einen nach unten gerichteten Fluidleitungsweg zurückgeführt wird, der ein erweitertes oberes Ende aufweist, das einen inneren Gasabtrennabschnitt bildet.

9. Reaktionsgefäß, gekennzeichnet durch Ca) ein im wesentlichen vertikales Gefäß (10),

(b) eine Einrichtung (12) zum Einleiten von flüssigem und gasförmigem Material in den unteren Teil des Gefäßes;

(c) eine im wesentlichen vertikale Rückführleitung, die innerhalb des Gefäßes angeordnet ist, ein erweitertes oberes Ende in Fluidverbindung mit dem oberenTeil des Reaktionsgefäßes hat und ein unteres Ende in Fluidverbindung mit dem unteren Teil des Gefäßes durch eine

909883/0593

2916699

Einrichtung (20) für den erneuten umlauf; (d) eine Anzahl vertikaler Leitungen, die dazu dienen, Flüssigkeit und Gas aufzunehmen, weniger als 50 % der Gefäßgesamtquerschnittsflache haben, in Fluidverbindung oberhalb und unterhalb des erweiterten oberen Teils der Rückführleitung stehen, wobei ein Teil des Leitungsweges ein unteres Einlaßende und ein oberes Auslaßende hat, die im Betrieb oberhalb der Einlaß- und Auslaßenden der übrigen Leitungswege angeordnet sind.

10. Reaktionsgefäß nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erweiterte Teil der Rückführleitung sich in Umfangskontakt mit der Wand des Gefäßes befindet.

11. Reaktionsgefäß nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erweiterte Ende der Rückführleitung die Form eines umgekehrten Kegelstumpfs hat.

909883/0593