DE3123695A1

DE3123695A1 - Steigstromreaktor mit verteiler

Info

Publication number: DE3123695A1
Application number: DE19813123695
Authority: DE
Inventors: Paul T. 94705 Berkeley Calif. Roberts; Brian E. 94530 El Cerrito Calif. Thurston
Original assignee: Chevron Research and Technology Co; Chevron Research Co
Current assignee: Chevron USA Inc
Priority date: 1980-06-19
Filing date: 1981-06-15
Publication date: 1982-05-06
Also published as: GB2078537A; GB2078537B; DE3123695C2; FR2484864B1; FR2484864A1; AU537031B2; AU7048581A; NL8102816A; CA1177385A

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor-Zufuhrverteiler zur Anwendung in Steigstromreaktoren für Mischphasen-Zufuhrströme. Der Verteiler eignet sich insbesondere für katalytis.che Kohlenverflüssigungsreaktoren, die Zufuhrströmungen aus Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen aufnehmen müssen.

Bei vielen Verfahren ist ein Steigstromreaktor dem üblicheren Fallstromreaktor überlegen. Dies gilt insbesondere für diejenigen Situationen, bei denen eine Flüssigkeitszufuhr auch Festkörper enthält, da die Festkörper dazu neigen, sich zu verdichten und zusammenzupacken und Hindernisse beim Fallstromverfahren zu bilden. Verstärkt werden diese Probleme dann, wenn der Zufuhrstrom aus Gasen, Festkörpern und Flüssigkeiten besteht.

Steigstromreaktoren werden gewöhnlich in Kohleverflüssigungssystemen verwendet, wie bei dem Verflüssigungsverfahren gemäß US-PS 4 083 769. Dabei werden Wasserstoff, Kohlepulver und Lösungsmittel vorgeheizt und in einen Auflösebehälter bei

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einer Temperatur im Bereich von 379 bis 482°C (750 bis 900°F) und mit einem Druck im Bereich von 217 bis 350 kg/cm (3100 bis 5000 psi) überführt. Der Auflösebehälter ist ein leeres Steigstrom-Reaktorgefäß, das eine ausreichende Verweilzeit für die Auflösung der Kohlenstaubpartikel bietet. Das Lösungsmittel, die aufgelöste Kohle, Kohlenrückstände und Wasserstoff von dem Auflösebehälter werden dann in einen katalytischen Hydrierungs-Steigstromreaktor überführt, der mit einer Temperatur arbeitet, die um 13,9 bis 83,3 C (25 bis 150°F) niedriger ist als im Auflösebehälter.

Da der Wasserstoff mit dem Kohlenbrei vor dem Aufheizschritt gemischt wird, um im Vorheizer eine Verkokung zu vermeiden, wird keine oder nur eine geringe Kontrolle über das Maß der Vermischung von Flüssigkeit und Gas, die im Auflösebehälter oder im katalytischen Reaktor stattfindet,ausgeübt. Bei

einer Mehrphasenströmung kann in diesen Einheiten eine Gas-Kanalbildung und/oder eine Zähflüssigkeit auftreten. Beide Bedingungen sind unerwünscht, da beide zu einem ungenügenden Kontakt der reaktionsbeteiligten Stoffe führen und die Entstehung von Zähflüssigkeit überdies beschädigende Anlagen-Vibrationen hervorrufen kann, überdies kann eine ungenügende Wasserstoffmischung zur Verkokung der reagierenden Stoffe und zu Störungen der Anlage bei den beschriebenen Verfahrensbedingungen führen.

Es besteht daher ein Bedürfnis für einen Verteiler, der Zufuhrströme aus Flüssigkeiten, Gasen und Feststoffen aufnimmt und die Phasen ohne Verstopfung und ohne übermäßige Erosion gleichförmig verteilt.

Es sind zwar bereits zahlreiche Mischphasen-Verteiler bekannt, wie in US-PS 3 524 731; 4 111 663; 3 146 189; 3.195 987 und 4 187 169 beschrieben, jedoch verbleibt ein Bedürfnis für eine wirksame und wirtschaftliche Lösung des Problems.

Durch die Erfindung wird ein Verteiler für ein Steigstrom-Reaktorgefäß mit Gas-Flüssigkeits- oder Gas-Flüssigkeits-Feststoff-Zufuhr geschaffen, das in seinem unteren Teil eine Zufuhr-Einlaßöffnung und in seinem oberen Teil eine Ausfluß-Auslaßöffnung aufweist. Der Verteiler umfaßt eine im wesentlichen horizontal angeordnete Platte, die in dem Gefäß zwischen den Einlaß- und Auslaßöffnungen angebracht ist. Die Platte ist mit einer Vielzahl von sich .hindurcherstreckenden Löchern versehen, sowie mit wenigstens einem sich nach unten erstreckenden Rohr in offener Verbindung mit dem Reaktorgefäßvolumen unterhalb der Platte und oberhalb der Platte. Die Querschnittsfläche der Plattenperforationen und die Querschnittsfläche und Länge des Rohrs sind derart gestaltet, daß unter Gleichgewichts-Zufuhrbedingungen unterhalb der Platte eine Gastasche geformt wird, deren Höhe

geringer oder gleich der Länge des Rohres ist. Dabei tritt im wesentlichen das gesamte, d.h. wenigstens 75% und vorzugsweise mehr als 95%, des Zufuhrgases durch die Vielzahl der Löcher in der Platte hindurch und im wesentlichen die gesamte, d.h. wenigstens 75% und vorzugsweise mehr als 95% der Flüssigkeitszufuhr oder der Zufuhr an Flüssigkeit und Feststoffen durch das Rohr hindurch.

Der erfindungsgemäße Verteiler wird vorzugsweise in einem Reaktor verwendet, der ein feststehendes oder bewegtes Bett aus partikelförmigem Katalysator aufweist, um das Gas und die Flüssigkeit oder Gas, Flüssigkeit und Feststoffe im Katalysatorbett gleichförmig zu verteilen. Er kann jedoch vorteilhafterweise auch in nicht-katalytischen Gefäßen, wie Auflösebehältern verwendet werden, um eine gute Berührung des Wasserstoffgases mit den Flüssigkeiten und Feststoffen sicherzustellen, um eine Verkokung innerhalb des Gefäßes zu verhindern.

Vorzugsweise sind Einrichtungen vorgesehen, um den direkten vertikalen Durchgang von Zufuhrgasblasen in das untere Ende des Rohrs hinein zu verhindern. Wenn der Verteiler bei einem katalytischen Reaktionsgefäß verwendet wird, sollte der Verteiler ausreichend weit unterhalb des untersten Pegels des Katalysators angeordnet sein, so daß jede auftretende Gasberührung völlig innerhalb des Flüssigkeitsvolumens stattfindet, das unmittelbar unterhalb des Katalysators angeordnet ist. Obwohl ein einziger Verteiler in einigen Reaktoren ausreichend sein kann, werden in der industriellen Praxis allgemein mehrere Verteiler vertikal im Abstand über den Reaktor hinweg angeordnet sein.

Der erfindungsgemäße Verteiler eignet sich überdies besonders zum Gasabschrecken oder zum Gasabzug.

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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 einen Steigstrom-Festbett-Katalysereaktor

mit einem einzigen Verteiler; und

Fig. 2 einen Steigstrom-Festbett-Katalysereaktor

mit mehreren Verteilern, der zur Injektion von Gas zwischen die Verteiler ausgebildet ist.

In der Fig. 1 ist ein vertikal ausgerichtetes Reaktorgefäß 10 gezeigt, das eine untere Zufuhr-Einlaßöffnung 20 und eine Ausfluß-Auslaßöffnung 30 aufweist. In dem Gefäß ist zwischen einem unteren Traggitter 50, das an der Innenwand des Gefäßes 10 befestigt ist, und, falls gewünscht, einem Katalysatorhaltenetz 60, das ebenfalls an der Innenwand des Gefäßes befestigt ist, ein Festbett aus porösem, partikelförmigem Katalysator 40 gehalten.

Der erfindungsgemäße Verteiler 70 ist an der Innenwand des Gefäßes 10 zwischen der Einlaßöffnung 20 und dem Katalysator-Stütznetz 50 befestigt. Der Verteiler kann in beliebiger geeigneter oder herkömmlicher Weise, beispielsweise durch Schweißen oder mittels Bolzen an der Gefäßwand befestigt sein.

Der Verteiler 70 besteht aus einer Platte 80, die sich über die volle Querschnittsfläche des Gefäßes 10 erstreckt. Die Platte weist eine Vielzahl von Perforationen oder Löchern 90 auf, die sich durch die Platte hindurcherstrecken. Vorzugsweise sind die Perforationen gleichmäßig über die gesamte Querschnittsfläche der Platte verteilt, wobei etwa 20 bis 250 oder mehr, vorzugsweiseetwa 40 bis 250 Perforationen pro Quadratmeter vorgesehen sind. Ein offenendiges Rohr 100 ist

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in herkömmlicher Weise an der Platte 80 befestigt und erstreckt sich von eina: zentralen Öffnung in der Platte nach unten. Obwohl in der Zeichnung nur ein einziges Rohr gezeigt ist, liegt es im Rahmen der Erfindung, mehr als ein Rohr vorzusehen, wenn dies durch die Zufuhrbedingungen oder die Reaktorgröße erforderlich ist. Vorzugsweise werden etwa 10 oder 20 Rohre pro Quadratmeter Plattenfläche verwendet.

Am unteren Ende des Rohrs 100 ist eine Kappe 110 vorgesehen, um zu verhindern, daß Gase aus der Zufuhr direkt durch das Rohr aufsteigen. Obwohl die Kappe 110 als in herkömmlicher Weise am Ende des Rohrs 100 mittels der Verlängerung 120 befestigt dargestellt ist, kann diese durch eine äquivalente Prallplatte ersetzt werden, die an der Gefäßwand befestigt ist. Es ist auch möglich, die Einlaßöffnung vom Ende des Rohrs 100 derart zu versetzen, daß das Problem beseitigt wird. Wenn eine Kappe verwendet wird, wie in der Zeichnung gezeigt, wird sie vorzugsweise etwa 20% größer sein als der Rohrdurchmesser. Wenn mehrfache Verteiler in einem Gefäß verwendet werden, erfordern die oberen Verteiler möglicherweise keine Kappe, um zu verhindern, daß eine nennenswerte Menge Gas in das Rohr eintritt.

Im Betrieb wird eine Mischphasen-Zufuhrströmung, die vorzugsweise aus flüssigen, gasförmigen und festen Komponenten besteht, in einen Auflösebehälter oder Katalysereaktor einer Kohleverflüssigungseinheit eingepumpt oder auf andere Weise in den Boden des Gefäßes 10 durch die Einlaßöffnung 20 eingeführt.

Gemäß der Erfindung ist der Verteiler für die Zufuhrbedingungen derart gestaltet, daß eine Gastasche oder ein Dampfraum 130 im stationären Zustand gebildet ist, dessen Höhe h im wesentlichen gleich oder kleiner ist als die Länge des sich unterhalb der Platte erstreckenden Rohrs 100, und wobei im wesentlichen alle, d.h. wenigstens 75% der Gas- und Dampfkomponenten

der Zufuhr durch die Löcher 90 hindurchtreten und im wesentlichen alle der flüssigen und festen Komponenten der Zufuhr durch das Rohr 100 hindurchtreten.

Es wird beobachtet, daß der erforderliche Strömungspfad der Gase und Flüssigkeiten dann realisiert wird, wenn der Druckabfall der Dampfströmung durch die Vielzahl der Löcher durch den Druckabfall der Strömung von Flüssigkeiten und Feststoffen durch das Rohr 100 plus dem statischen Druckdifferential zwischen den Flüssigkeits- und den Feststoffen der Höhe h und der Gastasche ausgeglichen wird, d.h. durch die statische Drucksäule der Flüssigkeiten und Festkörper im Rohr.

Der Druckabfall aufgrund der Gasströmung durch eine perforierte Platte kann mittels der Mündungs- bzw. Öffnungsgleichung vorhergesagt werden. Wenn der Druckabfall der Flüssigkeit und der Festkörper in dem Rohr vernachlässigbar ist, kann der Gasdruckabfall einfach durch das statische Druckdifferential vom Wert (^. - ^_σ)η ausgeglichen werden, wobei Q₁ die Dichte der Flüssigkeit und der Festkörperströmung im Rohr ist und Q die Gasdichte.

Vorzugsweise ist der Verteiler mit einem Minimumwert für h von etwa 5 bis 10 cm gestaltet. Noch vorteilhafter ist es, wenn h" auf etwa 10 bis 20 cm eingestellt ist und die Konstruktionslänge des Rohrs mit etwa 20 cm gewählt ist. Diese Werte berücksichtigen nennenswerte Veränderungen der Dampfraten und damit auch der Gastaschenhöhen. Bei den Konstruktions-Strömungsraten stellen diese Werte auch sicher, daß das untere Ende des Rohrs im wesentlichen auf gleicher Höhe mit oder unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche ist, so daß ein nennenswerter Gaseintritt aus dem Rohr bei Störungen der Flüssigkeitsoberfläche verhindert wird.

Die obere Oberfläche der horizontalen perforierten Platte sollte vorzugsweise etwa 3 bis 10 cm unterhalb des unteren Gitters 50 angeordnet sein, und zwar in Abhängigkeit von dem Gasblasenwachstum.

Obwohl vorstehend das bevorzugte Ausführungsbeispiel insbesondere mit Bezug auf die Zufuhr für Kohleverflüssigungseinhei.ten beschrieben worden ist, kann, der erfindungsgemäße Verteiler in jedem System mit einer Zufuhr von Gas-Flüssigkeit oder Gas-Festkörper-Flüssigkeit verwendet werden. Wenn die Gaseinheit als Gasabschreck-Gerät verwendet werden soll, braucht das Gas lediglich unterhalb der Platte 80 injiziert werden, um eine gleichmäßige gründliche Verteilung zu erzielen.

Die Fig. 2 stellt das erfindungsgemäße Gerät dar, das mit mehrfachen Verteilern 70 und mehreren Katalysatorbetten 40 ausgestattet ist. Die Katalysatorbetten 40 sind in kleinerem Maßstab dargestellt, um die Einzelheiten des Verteilers hervortreten zu lassen. Abschreekgas bzw. Kühlgas, wie ein Wasserstoff enthaltendes Rezirkulationsgas für einen katalytischen Kohleverflüssigungsprozeß, wird durch öffnungen 150 in die Dampfräume 130 zugeführt. Die Öffnungen 150 ■ können auch dazu verwendet werden, Gas aus den Dampfräumen 130 abzuziehen. Falls gewünscht, kann sich das Rohr 100 in den oberen Teil der Katalysatorbetten 40 erstrecken, wobei sich vorzugsweise der Katalysator in dem Rohr in der gleichen Höhe wie der übrige Teil des Katalysatorbettes befindet. Auch die Gastasche kann, falls erwünscht, einen Teil des Katalysators enthalten.

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Claims

MÜLLER - BORi] · DEUKEUC/ ·8*χ;Η^^ PATENTANWÄLTE PATENT ATTOBNEYS DR. WOLFGANG MÜLLER-BORE (PATENTANWALT VON 1927-1975) DR. PAUL DEUFEL, DIPL.-CHEM, DR. ALFRED SCHÖN. DIPL.-CHEM. WERNER HERTEL, DIPL.-PHYS. Hl/ü - C 3297 Steigstromreaktor mit Verteiler Patentansprüche

1. Steigstrom-Reaktorgefäß für Gas-Flüssigkeits- oder Gas-Flüssigkeits-Festkörper-Zufuhr, mit einer Zufuhr-Einlaßeinrichtung im unteren Teil des Gefäßes und Ausfluß-Auslaßeinrichtungen im oberen Teil des Gefäßes, und mit einem Verteiler, dadurch gekennzeichnet , daß der Verteiler eine im wesentlichen horizontal angeordnete Platte umfaßt, die in dem Gefäß zwischen der Einlaßeinrichtung und der Auslaßeinrichtung angebracht ist, daß die Platte eine Vielzahl von hindurchgehenden Löchern und wenigstens ein sich nach unten erstreckendes Rohr in offener Verbindung mit dem Reaktorgefäßvolumen unterhalb

S MÜNCHEN 86, SIEBERTSTR. 4 · POB 860720 · KABEL: MUEBOPAT · TEL. (0 89) 47 4005 · TELECOPIER XEROX 400 · TELEX 5-242SS

der Platte und in offener Verbindung mit dem Reaktorgefäßvolumen oberhalb der Platte aufweist, daß die Querschnittsfläche der Löcher und des Rohrs derart ausgebildet ist, daß unter Gleichgewichts-Zufuhrbedingungen unterhalb der Platte eine Gastasche gebildet wird, deren Höhe geringer oder im wesentlichen gleich der Länge des Rohrs ist, und daß im wesentlichen die gesamte Gaszufuhr zum Verteiler durch die Vielzahl von Löchern hindurchtritt und im wesentlichen die gesamte Flüssigkeitszufuhr zum Verteiler durch das Rohr hindurchgeht.

2. Steigstrom-Reaktorgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Reaktorgefäß ein partikelförmiges Bett aus Feststoffen aufweist, das unterhalb der Ausfluß-Auslaßeinrichtung und oberhalb der Verteilerplatte angeordnet ist.

3. Steigstrom-Reaktorgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Einrichtungen vorgesehen sind, welche den direkten vertikalen Durchtritt von Zufuhrgasblasen in das Rohr verhindern.

4. Steigstrom-Reaktorgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Verteilern im vertikalen Abstand voneinander innerhalb des Reaktorgefäßes vorgesehen ist.

5. Steigstrom-Reaktorgefäß nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorgefäß überdies wenigstens ein partikelförmiges Bett von Feststoffen umfaßt, das unterhalb der Ausfluß-Auslaßeinrichtung und oberhalb einer der Verteilerplatten angeordnet ist.

6. Steigstrom-Reaktorgefäß nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen

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sind, um den direkten vertikalen Durchgang von Gasblasen in die Rohre zu verhindern.

7. Steigstrom-Reaktorgefäß nach einem der vorhergehenden Ansprüche/ dadurch gekennzeichnet , daß Einrichtungen vorgesehen sind, um Gas in eine oder
mehrere der Gastaschen einzuführen.

8. Steigstrom-Reaktorgefäß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zum Abzug von Gas aus einer oder mehreren der Gastaschen vorgesehen sind.

9. Steigstrom-Reaktorgefäß nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die horizontal angeordnete Platte feststehend in dem
Gefäß angebracht ist.