DE2945352A1

DE2945352A1 - Verfahren zur kohlehydrierung

Info

Publication number: DE2945352A1
Application number: DE19792945352
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. 8023 Pullach Hildebrandt; Berndt Dr. 8000 München Hörner; Udo Dipl.-Ing. Lang; Walter 8000 München Schramm
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1979-11-09
Filing date: 1979-11-09
Publication date: 1981-05-27
Also published as: US4444698A

Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

(H 1160) H 79/86

Bü/fl

7.11.79

Verfahren zur Kohlehydrierung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kohlehydrierung,bei dsm ein fließfähiges Gemisch aus feinkörnigen Kohleteilchen und einem flüssigen Kohlenwasserstoffstrom auf hohen Druck gebracht, in mehreren Wärmetauschstufen auf Reaktionstemperatur erhitzt und in Gegenwart von Wasserstoff und eines Hydrierkatalysators umgesetzt wird, mit einer Trennung der flüssigen und gasförmigen Reaktionsprodukte in einem Heißabscheider und einer Kühlung der gasförmigen Reaktionsprodukte durch Wärmetausch mit dem zu erhitzenden Gemisch, wobei ferner das Gemisch durch bei der Abkühlung gebildetes Kondensat verdünnt wird.

Für die Gewinnung flüssiger Kohlenwasserstoffe durch Hydrierung von Kohle sind bereits zahlreiche Verfahren vorgeschlagen worden. Bei einem üblichen Verfahren wird zerkleinerte Kohle mit einem feinkörnigen Katalysator vermischt und anschließend mit einem flüssigen Kohlenwasserstoff zu einem fließfähigen Kohle-Öl-Brei vermischt. Es folgt eine Verdichtung auf den erforderlichen hohen Verfahrensdruck, der üblicherweise zwischen I50 und 3OO bar liegt. Während der anschließenden Aufheizung auf die Reaktionstemperatur, übli-

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cherweise zwischen 400 und 500°C, wird dem Gemisch an geeigneter Stelle Hydrierwasserstoff zugegeben. Die Vorwärmung erfolgt dabei in mehreren Wärmetauschstufen durch indirekten Wärnietausch mit gasförmigen Reaktionsprodukten. Um die Fließfähigkeit des Gemisches zu erhöhen, wird es nach teilweiser Anwärmung weiterhin durch ein Kondensat, das bei der Abkühlung der heißen gasförmigen Reaktionsprodukte anfällt, verdünnt.

Als ungünstig muß bei diesem bekannten Verfahren angesehen werden, daß die Vorwärmung des Gemisches aufgrund seiner hohen Viskosität mit einem erheblichen Druckverlust verbunden ist. Der Druckverlust liegt üblicherweise bei etwa 20 bar und erfordert damit einen erhöhten Verdichteraufwand, um im Reaktor die für die Umsetzung erforderlichen Druckwerte einzuhalten.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß der Druckverlust während der Vorwärmung herabgesetzt wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die gasförmigen Reaktionsprodukte in mindestens einer Wärmetauschstufe durch direkten Wärmetausch mit dem Gemisch abgekühlt werden.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagene direkte Wärmetausch zwischen den gasförmigen Reaktionsprodukten und dem anzuwärmenden Gemisch kann beispielsweise in einem einfachen Behälter dadurch erfolgen, daß die gasförmigen Reaktionsprodukte in einer aufwärts gerichteten Strömung mit dem oberen Bereich zügeführtem, abwärts strömendem Gemisch in Kontakt gebracht werden oder auch einfach dadurch, daß die gasförmigen Reaktionsprodukte direkt in den Kohlen-Öl-Brel hereingeführt werden und sich beim Aufsteigen an die Oberfläche abkühlen.

Da die beim indirekten Wärmeaustausch erforderlichen relativ

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kleinen Strömungsquerschnitte für das anzuwärmende Gemisch somit entfallen oder zumindest reduziert werden, ergibt sich ein gegenüber herkömmlichen Verfahren wesentlich geringerer Druckverlust. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren auch in konstruktiver Hinsicht einfacher als das bekannte Verfahren, da ein direkter Wärmetauscher einen wesentlich einfacheren und damit billigeren Anlagenteil darstellt als ein indirekter Wärmetauscher mit getrennten Strömungsquerschnitten für die wärmetauschenden Medien. Ein wei- terer Vorteil ist darin zu sehen, daß das bei der Abkühlung der gasförmigen Reaktionsprodukte anfallende Kondensat beim direkten Wärmetausch automatisch im Gemisch verbleibt und zu dessen Verdünnung beiträgt. Somit kann auch ein üblicherweise benötigter Abscheider für die Kondensatabtrennung und eine weitere Einspeisung des Kondensats in das Gemisch entfallen.

In einer günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine direkte Warmetauschstufe zwischen zwei indirekte Wärmetauschstufen gelegt, so daß das kalte Gemisch zunächst durch indirekten, dann durch direkten und schließlich wieder durch indirekten Wärmetausch gegen die gasförmigen Reaktionsprodukte angewärmt wird. Diese Verfahrens führung 1st Insbesondere dann günstig, wenn aus den gasförmigen Reaktionsprodukten ein Kondensat als Teilprodukt gewonnen werden soll, das bei relativ niedriger Temperatur siedet und im letzten indirekten Wärmetauscher anfällt.

Eine andere günstige Verfahrensführung sieht lediglich einen zweistufigen Wärmetausch vor, wobei zunächst ein indirekter und anschließend ein direkter Wärmetausch zwischen den gasförmigen Reaktionsprodukten und dem anzuwärmenden Gemisch erfolgt. Der direkte Wärmetausch wird in diesem Fall bis zu tieferen Temperaturen erfolgen als bei

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einem nachfolgenden dritten, indirekten Wärmetauscher. Deshalb verbleibt auch das bei tieferen Temperaturen anfallende Kodensat beim indirekten Wärmetausch als Verdünnungsmittel im Gemisch. Es hat sich Jedoch gezeigt, daß die in den gasförmigen Reaktionsprodukten enthaltene Wärmemenge so groß ist, daß die nicht kondensierten Bestandteile bei relativ hoher Temperatur aus dem direkten Wärmetauscher abgezogen werden können, so daß bei deren weiterer Abkühlung gegen andere Medien, beispielsweise im Rahmen einer Dampferzeugung, noch ein Großteil der wertvollen, relativ niedrig siedenden Komponenten gewonnen werden können, die auch im indirekten Warmetauschabschnitt bei der dreistufigen Verfahrensführung anfallen.

Die erfindungsgemäße Vorwärmung des Gemischs wird bevorzugt in einer Vorrichtung durchgeführt, die einen Wärmetauscher enthält, der in einer baulichen Einheit einen direkten und einen Indirekten Wärmetauschabschnitt enthält. Als besonders vorteilhaft erweist sich diese Vorrichtung in den Fällen, in denen der direkte Wärmetausch zwischen zwei indirekten Wärmetauschstufen erfolgt. Dann, zeigt sich nämlich, daß gegenüber herkömmlichen Verfahren mit drei indirekten Wärmetauschstufen die Wärraetauschfläche in den verbleibenden zwei indirekten Wärmetauschern erheblich reduziert werden kann, da der direkte Wärmetausch im mittleren Wärmetauscher besonders effektiv ist. Die Druckverluste in der Vorwärmstufe werden damit nicht nur durch die Verwendung des mit einem geringen Strömungswiderstand behafteten direkten Wärmetauschers reduziert, sondern sind darüber hinaus auch durch die Verwendung kleinerer indirekter Wärmetauscher herabgesetzt.

Die Kombination eines direkten und eines indirekten Wärmetauschers zu einer baulichen Einheit erweist sich als günstig, weil die beiden Wärmetauscher dann in einem einzigen, auf den hohen Verdahrensdruck ausgelegten Behälter unter-

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.jf.

gebracht werden können. Der konstruktive Aufwand für druckfeste Behälter wird auf diese Weise herabgesetzt.

In einer besonderen erfinderischen Ausgestaltung der Vorrichtung enthält der Hochdruckbehälter im unteren Bereich einen indirekten und darüber einen direkten Wärmetauschabschnltt, wobei der direkte Wärmetauschabschnitt bei höherer Temperatur betrieben wird als der indirekte Wärmetauschabschnitt. Die Vorrichtung wird demgemäß vom anzuwärmenden Gemisch· von unten nach oben durchströmt, während die abzukühlenden gasförmigen Reaktionsprodukte zunächst in den oberen, direkten Wärmetauschabschnitt eingespeist werden und danach durch den indirekten Wärmetauschabschnitt hindurchtreten. Der indirekte Wärmetauschabschnitt besteht dabei vorteilhaft aus einem Röhrenwärmetauscher mit geraden Rohren, weil dadurch sowohl eine einfache Bauweise als auch ein relativ geringer Strömungswiderstand gegeben sind.

Die Abkühlung der gasförmigen Reaktionsprodukte im indirekten Wärmetauschabschnitt wird begleitet von einer Kondensatbildung derjenigen Komponenten, die in dem Temperaturbereich sieden, in dem der indirekte Wärmetauschabschnltt betrieben wird. Dieses Kondensat, das, Je nach Auslegung der Anlage, ein gewünschtes Verfahrensprodukt sein kann, muß von den gasförmig verbliebenen Reaktionsprodukten abgetrennt und gegebenenfalls einer weiteren Verarbeitung zugeführt werden. Die Kondensatabtrennung kann in vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den indirekten Wärmetauschabschnitt integriert werden. Dieses wird dadurch erreicht, daß der indirekte Wärmetauschabschnitt mit zwei Ableitungen versehen ist, von denen eine im unteren Bereich angeordnet ist und das sich dort sammelnde Kondensat abführt, während die andere Ableitung an höherer, über dem Flüssigkeitsspiegel liegender Stelle angeordnet ist und für die Gasableitung dient. Diese einfache konstruktive Maßnahme gestattet es

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somit, auf einen besonderen nachgeschalteten Abscheider zu verzichten.

Weiterhin ist es vorteilhaft, den direkten Wärmetauschabschnitt unmittelbar über dem indirekten Wärmetauschabschnitt anzuordnen, so daß der gesamte, über dem indirekten Wärmetauschabschnitt liegende Bereich des Druckbehälters den direkten Wärmetauschabschnitt darstellt. Das im indirekten Wärmetauschabschnitt, vorzugsweise in den geraden Rohren dieses Abschnitts, vorgewärmte Gemisch füllt den unteren Bereich des direkten Wärmetauschabschnitts aus und wird dort mit den gasförmigen Reaktionsprodukten in Berührung gebracht. Um einen intensiven Wärmetausch zu erreichen, ist es dabei günstig, die Zuleitung für die gasförmigen Reaktionsprodukte so anzuordnen, daß diese Produkte direkt in das Gemisch eingeführt werden, so daß sie es von unten nach oben durchströmen. Hierzu wird die Zuleitung im unteren Bereich des direkten Wärmetauschabschnitts angeordnet.

Die bei der Abkühlung in diesem Abschnitt kondensierenden Bestandteile der gasförmigen Reaktionsprodukte verbleiben unmittelbar im Gemisch und tragen zu dessen Verdünnung bei. Die nichtkondensierten Bestandteile sammeln sich im oberen Bereich des direkten Wärmetauschabschnitts und werden von dort zur weiteren Abkühlung in den indirekten Wärmetauschabschnitt geleitet. Hierzu eignet sich in besonders günstiger Weise ein rohrförmiger Kanal, beispielsweise ein Zentralrohr, der den oberen Bereich des direkten Wärmetauschabschnitts mit dem indirekten Wärmetauschabschnitt verbindet und der innerhalb des Speicherbehälters verläuft. Die gasförmigen Komponenten werden damit durch das Gemisch zurück in den unteren Abschnitt der Vorrichtung geleitet, ohne daß hierzu eine aus dem oberen Bereich des Druckbehälters herausführende und im unteren Bereich einmündende Umgehungsleitung erforderlich ist.

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1 Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Figur schematisch dargestellt ist, erläutert.

5 Bei dem dargestellten Verfahrensschema wird Ober Leitung 1 zerkleinerte Kohle zugeführt und mit über Leitung 2 herangeführtem Katalysator vermischt. Anschließend wird die etwa 60°C warme Kohle-Katalysator-Mischung mit einem über Leitung 3 herangeführten Anreiböl, das eine Temperatur von etwa

10250⁰C aufweist, zu einem pumpfähigen Gemisch aufbereitet. Das Anreiböl ist üblicherweise eine hochsiedende Fraktion, die aus den Reaktionsprodukten abgetrennt wird. Das Gemisch wird daraufhin in der Pumpe 4 auf einen Druck von etwa 230 bar verdichtet, und gelangt dann über Leitung 5 In einen zwei stufigen Wärmetauscher 6, der aus einem indirekten Wärme tauschabschnitt 7 und einem direkten Wärmetauschabschnitt besteht. Das Gemisch tritt zunächst in eine Vorkammer 9 im unteren Bereich des Wärmetauschers 6 ein und wird von dort aus durch die Rohre 10 des indirekten Wärmetauschabschnitts nach oben in den direkten Wärmetauschabschnitt 8 gedrückt, wobei es sich auf etwa 240 bis 280°C, beispielsweise auf 260⁰C erwärmt.

Der unmittelbar oberhalb des oberen Rohrbodens 11 des indi-25rekten Wärmetauschabschnitts 7 beginnende direkte Wärmetauschabschnitt 8 wird in seinem unteren Bereich vom aus den Rohren 10 heraustretenden Gemisch, das bis zu einem Spiegel 12 ansteigt, ausgefüllt. In dieses Gemisch werden über Leitung 13 gasförmige Reaktionsprodukte mit einem solchen Druck eingeführt, daß ein Eintreten des Gemischs in Leitung 13 verhindert wird. Die heißen gasförmigen Reaktionsprodukte treten in direkten Wärmetausch mit dem Gemisch, wobei hochsiedende Komponenten kondensieren und als Verdünnungsmittel im Gemisch verbleiben. Die leichter siedenden Bestandteile bleiben dagegen gasförmig. Sie treten

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an der Oberfläche 12 aus dem Gemisch aus und werden über das oben offene, durch das Gemisch hindurchführende Zentralrohr 14 in den indirekten Wärmetauschabschnitt 7 geleitet. Dort kühlen sie sich weiter gegen anzuwärmendes Gemisch an den Rohren 10 ab. Dabei kondensieren weitere Bestandteile, die sich auf dem unteren Rohrboden 15 sammeln und über Leitung 16 als Produktstrom abgezogen werden. Die auch in diesem Wärmetauschabschnitt noch gasförmig verbliebenen Komponenten werden über Leitung 17* die so hoch angelegt ist, daß sie über dem Kondensatspiegel im unteren Bereich dieses Wärmetauschabschnitts liegt, abgezogen. Die über Leitungen 16 und 17 abgezogenen Fraktionen weisen eine Temperatur von etwa 190⁰C auf und können in üblicher Weise zu gewünschten Verfahrensprodukten aufgearbeitet werden.

Das im direkten Wärmetauschabschnitt 8 auf etwa 350⁰C vorgewärmte Gemisch wird über Leitung 18 abgezogen und in der Pumpe 19 auf den erforderlichen Verfahrensdruck von etwa 250 bar verdichtet. Anschließend wird das Gemisch im indirekten Wärmetauscher 20 auf 4o6°C erwärmt und daraufhin im durch Fremdenergie beheizten Vo'rheizer 21 weiter auf die Reaktionstemperatur von 43O⁰C erhitzt. Das Gemisch tritt daraufhin über Leitung 22 in den Reaktor 23 ein, in dem es sich aufgrund der exothermen Reaktion rasch weiter erwärmt. Zur Begrenzung der Reaktionstemperatur wird über Leitung 24 herbeigeführtes Kaltgas an geeigneten Stellen eingeführt, so daß die Temperatur im Reaktor nicht über etwa 470⁰C ansteigt. Das Kaltgas ist beispielsweise ein an Wasserstoff und Methan reiches Gas, das bei der Aufarbeitung der in Leitung 17 anfallenden Produktgase abgetrennt wird.

Die Reaktionsprodukte werden über Leitung 25 abgezogen und zunächst in einem Heißabscheider 26 in eine Gasphase und eine Flüssigphase getrennt. Die flüssige Phase, in denen sich auch der mit dem Gemisch mitgefUhrte Katalysator befindet,

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1 wird über Leitung 27 abgezogen und in üblicher Weise aufgearbeitet. Die gasförmigen Reaktionsprodukte werden Ober Leitung 28 abgezogen und treten bei einer Temperatur von etwa 43O°C in den indirekten Wärmetauscher 20, in dem sie sich 5 auf etwa 38O⁰C abkühlen. Bei dieser Temperatur anfallendes Kondensat verbleibt im Strom, so daß ein Zweiphasen-Gemisch über Leitung 13 in den Wärmetauscher 6 eingespeist wird. Der während der Erhitzung des Gemisches erfolgende Druckabfall beläuft sich auf etwa 10 bar und 1st damit nur etwa 10 halb so groß wie bei üblichen Verfahren mit einer aus durch indirekten Wärmetausch bewirkten Vorwärmung.

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Claims

Patentansprüche

l.yVerfahren zur Kohlehydrierung, bei dem ein fließfähiges — Gemisch aus feinkörnigen Kohleteilchen und einem flüssigen Kohlenwasserstoffstrom auf hohen Druck gebracht, in mehreren Wärmetauschstufen auf Reaktionstemperatur
erhitzt und in Gegenwart von Wasserstoff und eines Hydrlerkatalysators umgesetzt wird, mit einer Trennung

der flüssigen und gasförmigen Reaktionsprodukte in einem Heißabscheider und einer Kühlung der gasförmigen Reaktionsprodukte durch Wärmetausch mit dem zu erhitzenden Gemisch, wobei ferner das Gemisch durch bei der Abkühlung gebildetes Kondensat verdünnt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmigen Reaktionsprodukte in mindestens einer Wärmetauschstufe durch direkten Wärmetausch mit dem Gemisch abgekühlt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmigen Reaktionsprodukte in einen dreistufigen Wärmetausch mit dem Gemisch treten, wobei die zunächst durch indirekten, dann durch direkten und schließlich
wieder durch indirekten Wärmetausch abgekühlt werden.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmigen Reaktionsprodukte in eine zweistufigen Wärmetausch mit dem Gemisch treten, wobei sie zunächst durch indirekten und dann durch direkten Wärmetausch ab gekühlt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch durch das in den ersten beiden Wärmetauschstufen gebildete Kondensat verdünnt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der dritten Wärmetauschstufe gebildetes Kondensat von den gasförmig verbliebenen Bestandteilen abgetrennt und einer Proäuktaufarbeitung zugeführt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, mit Wärmetauschern zur Vorwärmung des Gemische gegen sich abkühlende gasförmige Reaktionsprodukte, dadurch gekennzeichnet, daß ein direkter und ein indirekter Wärme- tauscher zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Druckbehälter mit einer im unteren Bereich einmündenden Gemisch-Zuleitung, einem mit einer Zuleitung und einer

Ableitung für gasförmige Reaktionsprodukte versehenen

indirekten Wärmetauschabschnitt sowie einem darüber angeordneten direkten Wärmetauschabschnitt mit einer Ableitung für erhitztes Gemisch, einer Zuleitung für gasförmige Reaktionsprodukte und einer Ableitung für gasförmige

Reaktionsprodukte in den indirekten Wärmetauschabschnitt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der indirekte Wärmetauschabschnitt aus einem Röhrenwärmetauscher mit geraden Rohren besteht.

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9· Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung der gasförmigen Reaktionsprodukte aus dem indirekten Wärmetauscherabschnitt durch eine im unteren Bereich des indirekten Wärmetauschabschnit tes angeordnete Kondensatleitung und eine höherliegende Gasleitung gebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der direkte Warmetauschabschnitt unmittelbar an den indirekten Warmetauschabschnitt anschließt und aus dem oberen Bereich des Druckbehälters besteht.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung für gasförmige Reaktionsprodukte im unteren Bereich des direkten Wärmetauschabschnitts angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung für gasförmige Reaktionsprodukte aus dem direkten in den Indirekten Wärmetauschabschnitt aus einer Leitung besteht, die mit dem Strömungsquerschnitt für die gasförmigen Reaktionsprodukte des indirekten Wärmetauschabschnitts verbunden ist und im oberen Bereich des direkten Wärmetauschabschnitts endet.

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