DE3943036C2 - Verfahren zum Hydrieren eines kohlenstoffhaltigen Einsatzgutes, insbesondere von Kohle und/oder Schweröl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hydrieren eines Kohlenwasserstoffverbindungen enthaltenden Einsatzgutes, wie Kohle und/oder Schweröl, durch Reaktion mit Wasserstoff bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in einem Reaktionssy­ stem, wobei das auf Druck gepumpte Einsatzgut dem oberen Be­ reich des Reaktionssystems zugeführt wird und in diesem von oben nach unten zunächst eine Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone und dann eine Hauptreaktionszone durchläuft, während der be­ nötigte Wasserstoff das Reaktionssystem im Gegenstrom von unten nach oben passiert, und bei dem die Hydrierprodukte am Kopf und der Rückstand im unteren Bereich des Reaktorsystems abgezogen werden.

Es ist bekannt geworden, die Hydrierung von Kohle und/oder Schweröl in einem sogenannten Gegenstromreaktor durchzufüh­ ren. Hierbei wird das zu hydrierende Einsatzgut auf Reakti­ onsdruck gepumpt und dann in den oberen Bereich des Reaktors eingespeist. Das Einsatzgut durchläuft den Reaktor von oben nach unten und wird dabei zunächst in einer sogenannten Auf­ heiz- bzw. Vorreaktionszone auf etwa die Anspringtemperatur der Hydrierung erhitzt. Der überwiegende Teil der Hydrierre­ aktionen findet dann in einer anschließenden Hauptreaktions­ zone statt. Der Hydrierwasserstoff wird dabei in den unteren Bereich des Reaktorsystems eingespeist und durchströmt die­ sen von unten nach oben. Die in der Hauptreaktionszone ent­ stehenden heißen Produktdämpfe und -gase sowie der über­ schüssige Wasserstoff durchströmen die Aufheiz- bzw. Vorre­ aktionszone, tragen dabei zum Aufheizen des Einsatzgutes bei und werden dann am Kopf des Reaktorsystemes abgezogen. Der nicht hydrierte Rückstand fällt im unteren Bereich des Reak­ torsystems an und wird an dieser Stelle aus der Anlage abge­ leitet.

Da das Wärmeaufnahmevermögen der die Hauptreaktionszone ver­ lassenden Gase und Dämpfe zum Abführen der exothermen Über­ schußwärme nicht ausreicht, muß zur Einhaltung des benötig­ ten Temperaturgleichgewichtes einerseits die Temperatur der Hauptreaktionszone, z. B. durch Quentchen mit Kaltgas, gere­ gelt werden. Andererseits ist es erforderlich, der Vorheiz­ zone und/oder dem zu hydrierenden Einsatzprodukt Fremdwärme zuzuführen, um Temperaturen im Bereich der Anspringtempera­ tur der Hydrierung zu erreichen.

Hierzu sind in nachteiliger Weise zusätzliche Anlagenteile, wie Rohrleitungen und Wärmetauscher erforderlich. Auch führt die Vernichtung von vorhandener exothermer Überschußwärme bei gleichzeitiger Zufuhr von Fremdwärme zu einer Verschlechte­ rung des energetischen Wirkungsgrades des bekannten Verfah­ rens.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Hydrierung eines kohlenstoffhaltigen Einsatzgutes, wie ins­ besondere Kohle und/oder Schweröl, der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß zum einen der apparative Aufwand möglichst gering gehalten werden kann und gleichzei­ tig eine optimale Nutzung der exothermen Überschußwärme er­ folgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Teil des im Reaktorsystem von oben nach unten strömenden Re­ aktorinhaltes kontinuierlich aus der Hauptreaktionszone in die Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone zurückgeführt wird.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Rückführung eines Teiles des Reaktorinhaltes aus der Hauptreaktionszone in die Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone mittels eines im Reaktorsystem vorge­ sehenen Rührwerkes. Durch Variation von Geschwindigkeit und Rührerblattstellung kann dabei gezielt auf die umzuwälzenden Mengenströme Einfluß genommen werden.

Es ist aber auch möglich, andere technische Maßnahmen, wie z. B. außerhalb oder auch innerhalb des Reaktorsystems an­ geordnete Rohrleitungen, für die Rückführung von Reaktorin­ halt aus der Hauptreaktionszone in die Aufheiz- bzw. Vorre­ aktionszone vorzusehen.

Durch das vorgeschlagene Verfahren kann auf einfache Weise das Temperatur- und damit Reaktionsgleichgewicht im Reaktor eingestellt werden. Zusätzlich zu der von den Dämpfen und Gasen, welche die Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone durchströ­ men, mitgeführten Wärme wird nunmehr über die rückgeführte Flüssigkeitsmenge weitere exotherme Überschußwärme aus der Hauptreaktionszone in die Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone transportiert. Die Mengenströme werden dabei so eingestellt, daß sich das benötigte Temperatur- und somit Reaktions­ gleichgewicht im Reaktorsystem einstellt. Zur Einstellung dieses benötigten Gleichgewichtes ist es somit weder erfor­ derlich, Fremdwärme zuzuführen noch exotherme Überschußwärme zu vernichten.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das auf Druck gepumpte Einsatzgut in zwei Teilströme aufgeteilt, wobei der eine Teilstrom in die Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone und der zweite Teilstrom direkt in die Hauptreaktionszone eingelei­ tet wird.

Durch die Aufteilung und getrennte Zufuhr des Einsatzgutes in das Reaktorsystem ergeben sich mehrere weitere Vorteile.

Einmal durchläuft nunmehr die Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone eine wesentlich geringere Menge Einsatzgut, so daß auch ent­ sprechend geringere Wärmemengen zur Aufheizung auf die An­ springtemperatur der Hydrierung benötigt werden. Es braucht somit weniger exotherme Überschußwärme aus der Hauptreakti­ onszone in die Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone transportiert zu werden. Die in der Hauptreaktionszone verbleibende Über­ schußwärme kann direkt zur Aufheizung des zweiten Teilstro­ mes des Einsatzgutes genutzt werden. Die Einstellung optima­ ler Hydrierbedingungen wird dadurch ermöglicht, daß die Teilmengenströme für die einzelnen Zonen geregelt werden in Abhängigkeit der jeweils vorgegebenen Solltemperatur einer Zone, beispielsweise der Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone. Da­ bei können übliche Regelsysteme verwendet werden, auf die an dieser Stelle nicht näher eingegangen zu werden braucht.

Nach weiteren Merkmalen der Erfindung erweist es sich als vorteilhaft, den in die Hauptreaktionszone einzuleitenden Teilstrom unmittelbar unterhalb der Aufheiz- bzw. Vorreakti­ onszone zuzugeben, wobei zweckmäßigerweise der Übergangsbe­ reich beider Zonen durch eine ringförmige Querschnittsveren­ gung des Reaktorsystems gekennzeichnet ist. Durch die vorge­ schlagene Einspeisung des zweiten Teilstromes und die Quer­ schnittsverengung im Übergangsbereich Hauptreaktionszone/ Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone wird erreicht, daß überwie­ gend frisches Einsatzgut, das allerdings bereits auf Hy­ driertemperaturen erhitzt ist, in die Aufheiz- bzw. Vorreak­ tionszone zurückgeführt wird. Vorteilhafterweise führt dies dann zu einer Erhöhung der Verweilzeit des im zweiten Teil­ strom zugeführten Einsatzgutes unter Hydrierbedingungen im Reaktorsystem.

Die Ausbeute an unter Normalbedingungen flüssigen Destil­ latölen läßt sich nach einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch weiter erhöhen, daß ein Teil des im Zuge der Aufbe­ reitung der Produktdämpfe anfallenden wasserstoffreichen Ga­ ses in die Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone zurückgeführt wird. Der rückgeführte Gasstrom wirkt als "Stripgas" in die­ ser Zone und trägt dazu bei, daß gelöste Destillatöle ausge­ trieben werden. Auf die gleiche Art und Weise kann auch der dem Reaktorsystem zugeführte Frischwasserstoff zum Ausstrip­ pen von im Hydrierrückstand enthaltenen Destillatölrestmen­ gen genutzt werden. Zweckmäßigerweise weist in diesem Falle das Reaktorsystem im Anschluß an die Hauptreaktionszone eine weitere Zone mit gegenüber der Hauptreaktionszone verengtem Querschnitt auf, in der der aushydrierte Rückstand aus der Hauptreaktionszone mit dem Frischwasserstoff in Kontakt ge­ bracht wird.

Das vorgeschlagene Verfahren ist besonders vorteilhaft an­ wendbar auf die Hydrierung von Ölen, wie z. B. Schweröl oder Erdölrückständen, oder von Kohle jeweils alleine oder auch in Mischungen.

Ein weiterer sehr vorteilhafter Anwendungsfall der Ausfüh­ rungsform nach Patentanspruch 3 liegt in der Entsorgung von Altölen, z. B. PCB-haltigen Ölen, wobei dann das Altöl entwe­ der alleine oder in entsprechender Mischung mit dem Einsatz­ gut bevorzugt in die Hauptreaktionszone eingespeist wird. In der Hauptreaktionszone wird das Altöl sehr schnell auf rela­ tiv hohe Temperaturen aufgeheizt. Entsprechend schnell wird dadurch die gewünschte Entfernung des Chlors aus dem Ein­ satzgut erreicht.

Weitere Erläuterungen zu der Erfindung sind dem in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel zu entnehmen.

Gemäß der Figur wird das zu hydrierende Einsatzgut, im vor­ liegenden Fall ein Schweröl, unter Reaktionsdruck von etwa 200 bar und einer Temperatur von etwa 150°C über eine Lei­ tung 1 einem nach dem Gegenstromprinzip betriebenen Reaktor­ system 2 mit einer im oberen Bereich des Reaktorsystems vor­ gesehenen Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone 3 und einer sich daran anschließenden Hauptreaktionszone 4 zugeführt. Der Übergangsbereich zwischen den Zonen 3 und 4 ist im vorlie­ genden Falle durch eine ringförmige Einschnürung 5 des Reak­ torquerschnittes gekennzeichnet. Ein Rührwerk 6 dient erfin­ dungsgemäß dazu - wie schematisch durch die Pfeile darge­ stellt - kontinuierlich einen Teil des heißen Inhaltes der Hauptreaktionszone 4 in die Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone 3 zurückzuführen, wobei die mitgeführte exotherme Überschuß­ wärme unmittelbar zur Aufheizung des Einsatzgutes in der Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone genutzt werden kann. Über Än­ derungen der Drehzahl des Rührwerkes und des Anstellwinkels der Rührerblätter in Verbindung mit einer entsprechenden Di­ mensionierung der ringförmigen Einschnürung läßt sich dabei der Mengenfluß und somit der benötigte Wärmefluß relativ gut einregulieren.

Der benötigte Reaktionswasserstoff wird im Reaktorsystem 2 im unteren Bereich über eine Leitung 7 zugeführt und durch­ strömt das Reaktorsystem 2 im Gegenstrom zu dem Einsatzgut von unten nach oben. Die entstehenden Produktdämpfe werden am Kopf des Reaktorsystems über eine Leitung 8 abgezogen, während der feststoffhaltige Rückstand über eine Leitung 9 die Anlage verläßt.

Gemäß der hier beschriebenen Ausführungsform wird das über die Leitung 1 zuströmende Einsatzgut in zwei Teilströme auf­ geteilt, von denen der eine über eine Leitung 10 in die Auf­ heiz- bzw. Vorreaktionszone 3 und der andere über eine Lei­ tung 11 in die Hauptreaktionszone 4 unmittelbar unterhalb der ringförmigen Einschnürung 5 eingeleitet wird. In beiden Leitungen sind Ventile 12 bzw. 13 vorgesehen, mit denen die jeweiligen Mengenströme geregelt werden können. Die Regelung erfolgt zweckmäßig in Abhängigkeit der Solltemperatur vor­ zugsweise der Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone 3, die bei dem vorliegenden Einsatzgut im Bereich von etwa 400°C liegt. Durch die vorgesehene Aufteilung des Einsatzgutes in die beiden Teilströme 10 und 11 und die vorgesehene Mengenrege­ lung läßt sich der optimale stationäre Zustand im Reaktor auf einfache Weise einstellen und auch aufrechterhalten. Die Aufheizung wird dadurch erleichtert, daß der Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone 3 nur ein Teil des Einsatzgutes zugeführt wird, so daß in diesem Teil geringere Wärmemengen zur Auf­ heizung benötigt werden. Es ergibt sich somit, daß zusätz­ lich zu dem sowieso zur Verfügung stehenden Wärmeinhalt der den Reaktor von unten nach oben durchströmenden Produktdämp­ fe eine geringere Menge an heißem Reaktionsgut aus der Hauptreaktionszone 4 in die Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone 3 umgewälzt zu werden braucht als dies bei der Einspeisung der Gesamtmenge des Einsatzgutes in die Aufheiz- bzw. Vorreakti­ onszone 3 der Fall wäre. Ein wesentlicher Teil der exother­ men Überschußwärme der Hydrierreaktionen wird nunmehr direkt in der Hauptreaktionszone 4 zum Aufheizen des zweiten über die Leitung 11 zuströmenden Teilstromes des Einsatzgutes ge­ nutzt.

Zur Optimierung der Produktausbeute ist vorgesehen, einen Teil des am Kopf einer für die Produktdämpfe vorgesehenen Aufbereitungsanlage 14 anfallenden wasserstoffreichen Gases als "Stripgas" über eine Leitung 15 gegebenenfalls nach Wie­ deraufheizung in die Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone 3 zu­ rückzuführen.

Aus dem gleichen Grund ist das Reaktionssystem 2 um eine sich an die Hauptreaktionszone 4 anschließende weitere Zone 16 erweitert, in der nunmehr unter Verwendung des Frischwas­ serstoffes als "Stripgas" im aushydrierten Rückstand noch gelöste Destillate ausgetrieben werden.

Claims (9)

1. Verfahren zum Hydrieren eines Kohlenstoffverbindungen enthaltenden Einsatzgutes, wie Kohle und/oder Schweröl, durch Reaktion mit Wasserstoff bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in einem Reaktorsystem, wobei das auf Druck gepumpte Einsatzgut dem oberen Bereich des Reaktorsystems zugeführt wird und in diesem von oben nach unten zunächst eine Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone und dann eine Hauptreaktionszone durchläuft, während der benötigte Wasserstoff das Reaktorsystem im Gegenstrom von unten nach oben passiert, und bei dem die Hydrier­ produkte am Kopf und der Rückstand im unteren Bereich des Reaktorsystems abgezogen werden, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Teil des im Reaktorsystem von oben nach unten strömenden Reaktorinhaltes kontinuierlich aus der Hauptreaktionszone und in die Aufheiz- bzw. Vorreak­ tionszone zurückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung des Reaktorinhaltes mittels eines im Reaktorsystem vorgesehenen Rührwerkes erfolgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das auf Druck gepumpte Einsatzgut in zwei Teilströme aufgeteilt wird, wobei der eine Teilstrom in die Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone und der zweite Teilstrom in die Hauptreaktionszone eingeleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrommengen geregelt werden in Abhängigkeit der Solltemperatur einer der beiden Zonen.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der in die Hauptreaktionszone einzuleitende Teilstrom unmittelbar im Anschluß an die Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone zugegeben wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorsystem im Übergangsbe­ reich von Aufheiz- bzw. Vorreaktionszone zu Hauptreak­ tionszone eine ringförmige Querschnittsverengung auf­ weist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der im Zuge der Aufbereitung der Produktdämpfe anfallenden wasserstoff­ reichen Gasfraktion in die Aufheiz- bzw. Vorreaktions­ zone zurückgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Reaktorsystem im Anschluß an die Hauptreaktionszone eine weitere Zone mit einem verengten Querschnitt aufweist und daß der Reaktions­ wasserstoff in den unteren Bereich dieser Zone einge­ leitet wird.

9. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 3 auf die Entsor­ gung von Altölen durch gemeinsame Hydrierung mit Erdöl­ rückständen, dadurch gekennzeichnet, daß die Altöle getrennt oder in Mischung mit einem Teil des Einsatz­ gutes in die Hauptreaktionszone eingeleitet werden.