DE4041976C2 - Verfahren zum Koksabbrand von Katalysatoren im rezirkulierenden Wirbelbett und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Koksabbrand von Katalysatoren im rezirkulierenden Wirbelbett, die in einer Kohlenwasserstoffumwandlungszone mit Koksprodukten desaktiviert wurden, von dieser kontinuierlich abgezogen und einem Wirbelbettgenerator zugeführt werden, wobei die Verbrennung der anhaftenden Koks- bzw. koksähnlichen Produkte mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas bei Temperaturen von 550 bis 800°C und Drücken von 0,1 bis 0,5 MPa erfolgt, der regenerierte von Koks befreite Katalysator im kontinuierlichen Fluß aus dem Wirbelbettregenerator abgezogen und erneut der Kohlenwasserstoffumwandlungsstufe zur Wiederverwendung zugeführt wird.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des angegebenen Verfahrens.

Die Koks- bzw. Koksvorläuferprodukte der Nebenreaktionen schlagen sich auf der katalytisch wirksamen Oberfläche nieder und desaktivieren somit die Hauptreaktionen. Zur Wiedererlangung der Katalysatoraktivität sind Abbrandverfahren notwendig. Ein typischer Prozeß als Anwendungsgebiet der Erfindung ist die katalytische Spaltung von Erdölfraktionen im Wirbelbettverfahren. Insbesondere anwendbar ist die vorliegende Erfindung auf Kohlenwasserstoffspaltungsverfahren, die die Katalysatorregeneration durch Luftabbrand in der schnellen Wirbelschicht durchführen.

Das katalytische Spalten (auch "Fluid Catalytic Cracking" - Abkürzung FCC - genannt) im Wirbelbett erfolgt unter Beteiligung eines sehr feinkörnigen Wirbelschichtkatalysators. Dabei kommen Heizöl- und Vakuumdestillatfraktionen zum Einsatz (auch als "dunkle Produkte" bezeichnet), die in leichtere und wertvollere Produkte, wie z. B. Kraftstoffe, Gasbenzine und Propen umgewandelt werden. Diese Produkte nennt man vereinfachend auch "helle Produkte". Die Kontaktierung des feinkörnigen Katalysators mit dem Einsatzprodukt erfolgt in Wirbelschichtreaktoren. Diese bestehen aus aufrechtstehenden zylindrischen Apparaten mit Einsatzproduktverteileinrichtungen am Boden und mit Feststoffabscheideeinrichtungen am Kopf. Durch die Antigravitationsströmung der Einsatzstoffe gegen den Feststoff wird dieser in der Schwebe gehalten, wodurch sich eine Wirbelschicht ausbildet. Während der Spaltungs- oder Crackreaktionen zu gewünschten hellen Produkten entsteht auch das unerwünschte Nebenprodukt "Koks", das sich auf der Katalysatoroberfläche niederschlägt. Dieser Koks ist ein Stoffgemisch hochsiedender Verbindungen mit einem hohen Atomverhältnis von Kohlenstoff zu Wasserstoff (z. B. 1 : 0,25).

Er ist bei Spaltungsreaktionstemperaturen um 500 bis 550°C nicht flüchtig. Die Aktivität des Spaltkatalysators wird infolge der Bedeckung und Blockierung der Porenoberfläche des Katalysators mit Koksprodukten gemindert.

Wirbelschichtreaktoren in katalytischen Spaltanlagen enthalten daher zusätzliche Einrichtungen für die Zuführung regenerierten Katalysators und die Entnahme desaktivierten Katalysators. Zur Koksentfernung wendet man ebenfalls Wirbelbettregeneratoren an, die über Katalysatorein- und -ausschleuseeinrichtungen verfügen. In den Regeneratoren wird der verbrauchte Katalysator mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas in der Wirbelschicht kontaktiert. Dabei werden Re­ generationsbedingungen gewählt, die den Koks oxidieren. Die freiwerdende Reaktionswärme erhitzt den Katalysator und wird üblicherweise zur Deckung des Wärmebedarfs der endothermen Spaltungsreaktionen genutzt. Reaktor und Rege­ nerator arbeiten parallel, gleichzeitig und zeichnen sich durch einen kreuzweise verbundenen Strom verbrauchten Katalysators und einen Rückstrom regenerierten Katalysators aus. Der Rekator ist in modernen Anlagen als Transportreaktor ausgeführt, d. h. er hat üblicherweise eine Höhe- zu Durchmesserverhältnis von 25 bis 50. Der Katalysator wird kontinuierlich aus dem Regenerator entnommen und zirkuliert über den Reaktorteil wieder zurück zum Regenerator. Er erfüllt somit zwei Hauptfunktionen. Erstens katalysiert er die Spaltungsreaktionen und zweitens ist er Wärmeträger zwischen Reaktor und Regenerator, d. h. zwischen endothermem und exothermem Reaktionsapparat. Diese Kombination ist die Grundvoraussetzung für ein hohes Ausbeuteniveau moderner Spaltanlagen.

In der EP-B-0181 108 ist ein Verfahren zur Regenerierung eines durch Koksablagerungen inaktivierten Katalysators durch Abbrennen des Kokses von dem im dichtem Wirbelbett fluidisierten Katalysator beschrieben.

Hierbei ist zur Vermeidung uneinheitlicher Verbrennungsbedingungen die Zufuhrmenge oder -geschwindigkeit eines jeden dem Wirbelbett zugeführten Luftstroms und auch die Sauerstoffkonzentration steuer- oder regelbar ausgestaltet.

Die Erreichung hoher katalytischer Aktivität ist von der Seite der Reaktionsführung im Gesamtsystem Reaktor/Regenerator nur mit hohen Katalysator­ zirkulationsmengen und hohen Koksumsätzen möglich, weil dadurch der mittlere Koksgehalt des Katalysators im Reaktor klein gehalten werden kann. Mit größer werdender Katalysator­ zirkulationsmenge verkürzt sich bei einem gegebenen Reaktions­ apparat jedoch die Verweilzeit, d. h. es entsteht eine Um­ satzverminderung. Es ist daher verständlich, daß nach Möglichkeiten des Umsatzverlustausgleiches gesucht wurde. Dabei wurden zwei Hauptzielrichtungen gefunden:

• 1. Entwicklung der Heißregeneration
• 2. Übergang zur schnellen Wirbelschicht auch im Regenerator.

Die Heißregeneration ist ein Regenerationsverfahren, das es erlaubt um 50 bis 100 Grad Celsius höhere Regenerationstemperaturen anzuwenden als es bisher technisch möglich war. Eine enorme Reaktionsgeschwindigkeitssteigerung des Koksabbrandes ist die Folge. Dem Wirbelschichtfachmann ist bekannt, daß das Phänomen Gas-Feststoffwirbelschicht ganz unterschiedliche Erscheinungsformen annehmen kann. Bei Geschwindigkeiten nur wenig oberhalb des Wirbelpunktes erhält man ein "dichtes" Bett, das sich durch eine klar definierte Bettoberfläche auszeichnet. Der Raum über dem Bett ist nahezu feststoff­ frei. Steigert man die Geschwindigkeit, so stellt sich eine deutliche Blasenbildung mit dazwischen liegenden rezirkulatorischen Feststoffströmungen ein. Im Falle einer Verbrennungsreaktion befindet sich der 1. Reaktionspartner Sauerstoff zum größten Teil in den Blasen und der 2. Reaktionspartner Katalysatorkoks bzw. Feststoff in der umhüllenden Phase. Ein Stoffaustausch über die Blasenoberfläche ist notwendig und wird mit steigender Reaktions­ temperatur immer mehr zum limitierenden Faktor. Wird die Geschwindigkeit weiter gesteigert, so entsteht ein turbulentes Bett, bei dem Gasstrahlen und Feststoffsträhnen ausgeprägte Wesensmerkmale sind. Die Phasengrenzfläche geht mehr und mehr verloren, bis bei weiterer Geschwindigkeitssteigerung keine Blasen bzw. ähnliche Gebilde mehr vorhanden sind und eine rezirkulierende Wirbelschicht oder schnelle Wirbelschicht entsteht. Die Bettoberfläche und ein staubbeladener Freiraum über dem Bett existiert nicht mehr, d. h. der ganze Reaktionsapparat ist vom Feststoff erfüllt. Man hat die schnelle Wirbelschicht erreicht, die aufgrund fehlender Phasengrenzfläche und minimaler ört­ licher Feststoffrückvermischung bzw. Rührwirkung hohe Reaktionsgeschwindigkeiten und Raum-Zeitausbeuten liefert. Damit wurde das Erfolgskonzept des FCC-Trans­ portreaktors mittlerweile auch auf den dazugehörigen Regenerator übertragen.

Die konventionelle Katalysatorregeneration des FCC-Prozesses wurde in dichten Wirbelbetten durchgeführt, d. h. bei Strömungsgeschwindigkeiten bis ca. 0,8 m/s. Unter diesen Bedingungen erzeugt ein üblicher Spaltkatalysator vom Feststofftyp A nach Geldart, D. Powder Technology, 7 (1973) S. 285 immer noch ein Wirbelbett mit einem maximalen Volumenverhältnis von Feststoff zu Gas in der Wirbelschicht von ca. 0,5. Bis zu diesem Wert kann man gerade noch von einem Dichtbett sprechen, welches sich durch ein ausgeglichenes Temperaturfeld und starke innere Feststoffbewegungen auszeichnet.

Die Steigerung der Gasgeschwindigkeit und die Einführung der Heißregeneration brachte (wie oben erläutert) eine Steigerung der Umsatzleistung im Katalysatorkoksabbrand. Es sollen im folgenden die in Kauf genommenen Nachteile des neuesten Standes der Technik nicht unerwähnt bleiben:

• - auseinanderlaufendes Temperaturprofil und Nachbrände
• - zunehmende radiale Ungleichverteilung des Wirbelgases Luft durch die seitliche Zuführung rezirkulierender großer Spaltkatalysatormengen
• - höhere Katalysatorabrasion und Erosion von Ausrüstungs­ teilen durch Geschwindigkeitssteigerung.

Rezirkulierende Wirbelschichten zeichnen sich durch nur geringe Unterschiede der Bettdichte in Abhängigkeit von der Apparatehöhe aus, d. h. das Wirbelgut füllt mehr oder weniger gleichmäßig den gesamten Apparat aus. Dem dadurch entstehenden "dünnen Wirbelbett" fehlt die vom Dichtbett und turbulenten Bett bekannte statistische Bewegung der Fest­ stoffpartikel um einen Punkt, wodurch der örtliche Wärme­ austausch verschlechtert wird. In Regenerationsapparaten für Spaltkatalysatoren mit zirkulierender Wirbelschicht werden große Teile des Katalysatorinhaltes mit dem Wirbel­ gas gerichtet aufwärts bewegt. Es bildet sich zwischen Gas und Katalysator eine Relativgeschwindigkeit bzw. eine Schlupfgeschwindigkeit aus. Bei exothermen Reaktionen muß sich zwangsläufig ein steigendes Temperaturprofil ergeben, wenn man die freiwerdende Wärme, wie beim FCC- Prozeß an den Katalysator binden und nicht an Kühlmedien abgeben will. Diese Entwicklung birgt die Gefahr von Nach­ bränden in sich, die die zulässigen Auslegungstemperaturen der Regeneratorausrüstungen übersteigen können.

Zur Unterbringung radialer Ungleichverteilung durch die seitliche Zuführung großer Spaltkatalysatormengen benutzt das DE Patent 30 06 615 eine senkrechte Mischrohrstrecke zentral unterhalb des eigentlichen Luftwirbelbettes. Damit wird der Feststoffstrom besonders günstig und gleichmäßig dem Verbrennungswirbelbett zugeführt.

Probleme der Katalysatorabrasion und Erosion von Apparateteilen begleiten den FCC-Prozeß solange es ihn gibt. Sie treten naturgemäß vornehmlich dort auf, wo hohe Geschwindigkeiten verbunden mit hohen Katalysatorkonzen­ trationen unvermeidbar und für die Funktionstüchtigkeit notwendig sind. Dazu gehören in einem Wirbelschichtreaktor insbesondere 3 Bereiche:

• 1. Zyklonabscheider
• 2. Transportreaktorteile
• 3. Gasverteilereinbauten.

Die Gasverteilereinrichtungen sollen möglichst eine gleichmäßige Beaufschlagung des Katalysatorbettes mit Wirbelgas erreichen. Technisch gibt es die ver­ schiedenartigsten Konstruktionen und Anordnungen von Verteilern.

Nahezu alle Typen enthalten Düsenöffnungen als Elemente. Statistische Platzwechsel- und Blasenwachstumsprozesse führen zu Druckschwankungen, die sich möglichst wenig auf die Gasverteilung negativ auswirken sollen. Demzufolge wählt man einen Verteilerdruckverlust im Bereich von 10 bis 30% des Bettdruckverlustes nach Sathiyamoorthy, D., Sridhar, C. R., Powder Technology 30, (1981) S. 139 aus. Bei niedrigen Gasgeschwindigkeiten und hohen Bettdichten wird ein Wert von 30% verwendet und bei hohen Geschwindigkeiten und demzufolge geringeren Bettdichten wird der untere Grenzwert von 10% angesetzt. Eine gute Verteilwirkung bedeutet einen hohen Druckverlust und damit notwendigerweise auch eine hohe Strömungsgeschwindigkeit mit Abra­ sions- und Erosionsproblemen. In der einfachsten Form bestehen diese Verteiler aus Rohrstücken mit Düsen für die Gasverteilung über den Bettquerschnitt. An den Düsen bilden sich Freistrahlen des ausströmenden Gases aus. An diesen Freistrahlen erfolgt eine gegenüber dem sonstigen Wirbelbett sehr große Beschleunigung von Katalysatorpartikeln. Das US Patent 39 74 091 verwendet zur Unterbindung der Injektorwirkung von Freistrahlen mit Par­ tikelansaugung eine Einhüllung des eigentlichen primären Freistrahles durch Erweiterungsrohraufsätze.

In den mitgeteilten Versuchsergebnissen wird die Schutzfunktion der Aufsätze für die Reduzierung der Katalysatorabrasion deutlich erkennbar. Bei der Verwendung dieser Düsenanordnung treten in FCC-Wirbelschichtreaktoren große Erosionsschäden auf. Die Erosion ist dabei nicht nur von außen sichtbar, sondern das Düsenrohrmaterial erodiert besonders stark von innen, so daß es zu Düsenausweitungen kommt. Dabei tritt das gleiche Erosionsbild sowohl bei Rohrarmverteilern mit schräg nach unten gerichteten Düsen, als auch bei Siebbodenverteilern mit nach oben gerichteten Düsen auf. Trotz genügendem Verteilerdruckverlust nach allgemein anerkannten Verteilerauslegungskriterien muß in beiden Fällen ein Eindringen des Katalysators in den bzw. unter dem Verteiler verantwortlich sein. Das Erosionsbild läßt deutlich die Anwesenheit von Feststoffpartikeln erkennen. Dieses Phänomen steht im Widerspruch zum bisherigen Erkenntnisstand über schnelle Wirbelschichtapparate. Es existieren auch nur ungenügende technische Mittel zur Sicherstellung eines störungsfreien Reaktorbetriebes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lufteinleitung und -verteilung sowie die Druck-, Feststoffgeschwindigkeits- und Gasgeschwindigkeitsparameter in technischen Großraumwirbelbettregeneratoren für den FCC-Prozeß unter den Bedingungen einer schnellen Wirbelschicht für den Koksbrand neu zu gestalten.

Die Erfindung besteht darin, daß bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art die Regenerierung in einem Wirbelbettregenerator mit schneller Wirbelschicht bei 500 bis 800facher Lineargasgeschwindigkeit gegenüber dem Punkt der minimalen Fluidisation der Teilchen bei 1,2 bis 1,8 m/s Leerrohrgasgeschwindigkeit erfolgt und daß das Regenerationsgas über einen Düsenboden geführt und als katalysatorbeladene Wirbelschicht über Standrohre mit einer Katalysatorzirkulationsrate von 15 bis 20t/t · h Bettinhalt umgewälzt wird.

Geeignete Ausgestaltungen von Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Erfindungsgemäß konnten durch eine neu konstruierte Düse und eine ungleichverteilte Anordnung der Düsen auf dem Düsenboden eines Regenerators für die Kontaktierung der Luft mit dem koksbeladenen Katalysator der Erosionsverschleiß der Vorrichtung und die Katalysatorzertrümmerung erheblich vermindert werden. Das Eindringen von Katalysator in die Verteilerdüsen und damit die Unterbindung der Partikelbeschleunigung konnte selbst bei einer weiteren Reduzierung des bisherigen Düsendruckverlustes verhindert werden.

Die Ausführung der Regenerationsreaktion erfolgt üblicherweise in einem konventionellen Wirbelbettregenerator für den FCC-Prozeß. Der verbrauchte koksbeladene Katalysator aus dem Spaltreaktor wird in den unteren Teil des Regene­ rationsbettes eingeleitet. Das erfolgt gewöhnlicherweise kontinuierlich unter Kontrolle des Katalysatormassenstromes mit einem geeigneten Feststoffventil, welches in Abhängigkeit des Standes in einer Katalysatorvorlage geregelt wird. Der Massenstrom an verbrauchtem Katalysator pro Stunde kann in modernen Spaltanlagen das 7 bis 12fache des gesamten Katalysatorinhaltes betragen. Dies ist im wesentlichen eine Funktion der Einsatzproduktmenge der FCC-Anlage. Erhöhte Einsatzproduktmengen ergeben größere Katalysatorzirkulationsmengen und zwingen im Regenerator zur Vergrößerung der Lufteinsatzmenge infolge von höherem Koksabbrandbedarf. Man gelangt erfindungsgemäß zu Gas­ geschwindigkeiten von 1,2 bis 1,8 m/s und Katalysatorzir­ kulationsmengen von 15 bis 20 t/th. Das ist schlechthin nicht nur eine Geschwindigkeitssteigerung, sondern ein Übergang zur schnellen Wirbelschicht verbunden mit qualitativen Veränderungen. Dabei wird die Gasgeschwindigkeit im Wirbelbettregenerator vom 500fachen bis zum 800fachen gegenüber dem Wert der minimalen Fluidisation üblicher FCC-Katalysatoren angehoben.

In einem zirkulierenden Wirbelschichtversuchsreaktor mit geeigneter Meßtechnik wurden die in Fig. 1 dargestellten Ergebnisse erhalten. Man erkennt deutlich die Verschiebung der Katalysator-Durchrieselgrenze zu geringeren Gasmengen bei einer erfindungsgemäßen Düse (Kurve 8) gegenüber einer herkömmlichen Düse (Kurve 7). Dabei wird der Bodendruckverlust, wie der untere Teil von Fig. 1, Kurve 8 zeigt, sogar noch verringert. Die Düse ist mit einem Durchmesserverhältnis d₁ bis d₃ strömungsabwärts gesehen von 1 : 1,2 bis 1,5 : 2,0 bis 2,8 ver­ sehen, wobei ein konischer Übergang mit einem Winkel von 5 bis 8 Grad zwischen dem unteren zweiten und dritten zylindrischen Düsenbereich angeordnet ist.

Die Längenteilung l₁-l₃ der drei Düsenbereiche beträgt 1 : 3 bis 10 : 8 bis 20 (siehe auch Fig. 3).

Zur weiteren Vermeidung von Erosionserscheinungen an der Düse ist die Oberflächenrauheit der Innenoberfläche der Düse zwischen R_z=10_µm-40_µm vorzusehen.

Außerdem ist es vorteilhaft die Düsen aus erosionsbe­ ständigem Werkstoff wie z. B. Keramik zu fertigen und diese mittels Schraubenfedern oberhalb und unterhalb des Verteilerbodens einzuspannen (Fig. 5), um auftretende Schwingungen am Gasverteiler zu kompensieren.

Die Ungleichverteilung der Düsenbestückung des Verteilerbodens ergibt sich aus der Lage rezirkulatorischer Katalysatorrückführungen zum Verteilerboden.

Zweckmäßigerweise wird dazu der Reaktorquerschnitt in mindestens acht gleichgroße Sektoren eingeteilt.

Handelt es sich bei der Feststoffzuführung um eine seit­ liche Zugabe, so wird ein Sektor so gelegt, daß die Zuführungsleitung diesen Sektor zentral trifft.

Dieser Sektor wird vollständig mit Düsen bestückt, die beiden benachbarten Sektoren erhalten 75 bis 90% Bestückung und die verbleibenden fünf Sektoren 70 bis 85% der Düsenanzahl. Bei mehreren externen Feststoffzuführungen ist sinngemäß zu verfahren.

Insgesamt wird damit eine Vergleichmäßigung der Gasmengen in allen Düsen erreicht, die zusammen mit der veränderten Düsenform zu mindestens doppelten Standzeiten der Luftverteileinrichtungen führten und Nachbrände stark reduzierten. Die vorge­ nommene Veränderung ergab eine gewünschte Erhöhung der Bettemperaturen im unteren dichten Regenerationsbett mit verbesserter Luftannahme, größerer Raumzeitausbeute und demzufolge auch größerer Koksabbrandkapazität. Positiv registriert werden konnte auch die Verminderung des Katalysatoraus­ trages aus der Reaktorsektion der FCC-Anlage, der zur Verschmutzung im Aufarbeitungsteil der Anlage beiträgt und zu verminderten Umweltbelastungen mit Katalysatorstaub führte.

Fig. 1 zeigt die Katalysatoreindringmenge 9 und den Druckverlust am Düsenboden 10 in Abhängigkeit von der Gasmenge 11 der erfindungsgemäß eingesetzten Düse 8 im Vergleich zu einer herkömmlichen Düse 7.

Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Größen Wirbelbettdruck­ verlust pro Meter Bett (mm WS/m), Katalysatoraufstiegs­ menge pro Querschnitt (kg/m² · s) und Lineargasgeschwindigkeit im schnellen Wirbelbett.

Fig. 3 zeigt einen Düsenquerschnitt der erfindungsgemäß eingesetzten Düse mit Konus.

Fig. 4 zeigt die Gasverteilerbestückung eines Düsenbodens.

Fig. 5 zeigt die Keramikdüse mit spezieller Halterung.

Vergleichsbeispiel

Dieses Vergleichsbeispiel beinhaltet ein Regenerationsverfahren für verbrauchte FCC-Katalysatoren in der zirkulierenden Wirbelschicht gemäß dem Stand der Technik. In einem technischen Wirbeltettregenerator erfolgte der Abbrand des verbrauchten FCC-Katalysators durchschnittlich mit dem 500fachen der Gasgeschwindigkeit für minimale Fluidisation. Das ent­ spricht Lineargasgeschwindigkeiten um 1 m/s. In diesem Reaktor mit 5,3 m Durchmesser gelangte die Regenerationsluft über einen Rohrarmverteiler, bestehend aus Hauptrohr­ kreuz mit Verteilerseitenarmen und ca. 750 Düsen, die über den Querschnitt gleichverteilt angeordnet waren. Diese Düsen bestanden aus Bohrungen mit 20 mm Durchmesser und Düsenaufsatzrohren mit 50 mm Länge und 25 mm Durchmesser. Die Düsenmundgeschwindigkeit betrug 45 bis 55 m/s und der Verteilerdruckverlust ca. 16% des gesamten Bettdruckverlustes. Die Rückführung zirkulierender Katalysatormengen erfolgte über Katalysatorsammelrohre, die an zwei verschiedenen Stellen am Umfang des Wirbelbettregenerators kurz über der Höhe der Lufteinleitung seitlich angebracht waren. Nach zwei Jahren Betrieb dieses Regenerators entstanden bereits Ausweitungen der Düsen und Düsenaufsätze bis auf 150% des Originalzustandes. Die Luftannahme verschlechterte sich und schob die Hauptreaktionszone in das obere Wirbelbett. In den Folgejahren erodierten ganze Verteilerarmteile immer stärker und zu hohe Abgastemperaturen zwangen zu Gegenmaßnahmen. Das Erosionsbild ließ deutlich eine Erosion auch von Innenwandungen der Verteilerarme erkennen. Das Eindringen von Katalysatormaterial war unter den oben angegebenen Prozeßbedingungen offensichtlich nicht zu vermeiden.

Das Eindringen von Katalysator in die Verteilerdüsen und damit die Unterbindung der Partikelbeschleunigung kann in einfachster Form durch deutliche Überschreitung des üblichen Auslegungsdruckverlustes erreicht werden. Man kann annehmen, daß infolge von Druckschwankungen durch statistische Blasenwachstumsprozesse ein Partikeleindringen in Düsen möglich wird. Die Eindringtiefe wird sicherlich kleiner mit abnehmendem Verhältnis von Druckschwankungswert zu gesamtem Druckverlust der Düse, d. h. eine Verteilerdruckverlusterhöhung wirkt positiv. In technischen Anlagen erreicht eine Verteilerdruckverlusterhöhung aber schnell die Grenze für den maximal zulässigen Verdichterdruck und ist daher oft nicht praktisch realisierbar.

Es wurde gefunden, daß auch Düsenformen existieren, die auch ohne Druckverlusterhöhung ein Eindringen von Feststoff gegenüber Lösungen des Standes der Technik erschweren. Überraschenderweise wurde festgestellt, daß auch bei Reduzierung des bisherigen Düsendruckverlustes eine über den Stand der Technik hinausgehende andere Düsenform, verbunden mit einer ungleich verteilten Anordnung der Einzeldüsen über den Bodenquerschnitt, eine wesentliche Verbesserung ergibt.

In Fig. 1 erkennt man deutlich eine Verschiebung der "Durchrieselgrenze" für den Katalysator zu geringeren Gasmengen bei dem erfindungsgemäßen Düsenboden gegenüber einer Zweidurchmesserdüse. Dabei wird der Bodendruckverlust, wie der untere Teil der Fig. 1 zeigt sogar noch verringert.

Die Gasmenge pro Düse im technischen Reaktor, bei dessen Standardbetriebsbedingungen mit Zweidurchmesserausführung der Einzeldüse, beträgt das 2 bis 2,5fache der Gasmenge für die Durchrieselgrenze nach Fig. 1. Die Durchrieselgrenze ist der Schnittpunkt der Kurve 7 und 8 mit der Abszissenachse. Hierbei wurden deutliche Erosionsspuren in Form von tiefen Riefen in den Düsen beobachtet.

Umfangreiche weitere Experimentaluntersuchungen an Versuchs- und technischen Wirbelschichtreaktoren, die als schnelle Wirbelschicht betrieben werden, ergaben Hinweise zur Aufklärung dieses Phänomens.

Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der drei Größen Wirbelbettdruckverlust 13, Katalysatoraufstiegsmenge pro Querschnitteinheit 12 und Lineargasgeschwindigkeit im schnellen Wirbelbett mit äußerer Rückführung umlaufender Katalysatormengen.

Der Druckverlust des Wirbelbetts nimmt bei konstanter Katalysatorzirkulationsmenge, nicht wie üblich in der Verfahrenstechnik mit der Gasgeschwindigkeitssteigerung zu, sondern ab. Hinzu kommt noch der Einfluß der zirkulierenden Katalysatormenge. Diese ergibt eine Erhöhung des Druckverlustes mit steigender Zirkulationsmenge.

In einem Großraumwirbelschichtreaktor mit einem Durchmesser von 2 bis 8 m und örtlich begrenzter, z. B. seitlicher Rückführung des zirkulierenden Katalysators bzw. der Zuführung des zirkulierenden Katalysators bzw. der Zuführung großer abzubrennender verkokter Katalysatormengen, muß es notgedrungen immer zu einer ungleichmäßigen Katalysatoraufstiegsmenge in unterschiedlichen Reaktorquerschnittsteilen kommen. Da bei den üblichen Wirbelschichtreaktoren der Bettdruckverlust mindestens 70 bis 80% des gesamten Apparatedruckverlustes ausmacht, kommt es durch unterschiedliche Feststoffaufstiegsmengen im Bett zu ganz verschiedenen Gasmengen in den einzelnen Düsen, betrachtet über den Düsenbodenquerschnitt. Diesen Sachverhalt soll die gestrichelte Linie in Fig. 2 andeuten. Es existieren also in der Nähe der Katalysatorzuführung höhere Düsengeschwindigkeiten als in anderen, weiter entfernten Bereichen mit niedrigeren Düsengeschwindigkeiten, die ein Durchrieseln bzw. Eindringen von Katalysatorteilchen dauerhaft zulassen. Zurückdrängen kann man diesen Nachteil durch ungleichverteilte Düsenbestückung des Düsenbodenquerschnitts oder der Anzahl der Düsen in gleichlangen Rohrver­ teilerarmsegmenten. Man muß im Einzugsbereich der Katalysatorzuführung eine 100% Bestückung mit Düsen vornehmen und in entfernteren Bereichen nur 60 bis 90% der maximal möglichen Düsenzahl. Dabei ist die konkrete Lage und Ausführung der Katalysatorzuführungsstutzen am unteren Ende von Katalysatorstandrohren von Bedeutung.

Beispiel 1

In einem Wirbelschichtreaktor wurden zur Untersuchung hydrodynamischer Effekte in der Nähe des Gasverteilerbodens Beobachtungsfenster angebracht. Der Reaktor konnte im Bereich von 0,2 bis 1,8 m/s Lineargasgeschwindigkeit und Schütthöhen des Wirbelbettkatalysators bis zu 3 m betrieben werden. Die Gaseinleitung erfolgte zentral von unten über einen unmittelbar darüber angeordneten waagerechten Düsenboden. Die Düsen waren austauschbar im Boden verankert und orthogonal dazu geordnet. Somit war die Untersuchung verschiedener Geometrien der Einzeldüse möglich. Mit geeigneter Meßtechnik konnten Feststoffdichte, das Volumenverhältnis von Feststoff zu Gas in der Wirbelschicht, Druckverlust und andere Strömungsparameter gemessen werden. Ein zweistufiges Zyklonsystem mit Katalysatorsammelleitungen erlaubte den Betrieb in der stark expandierenden, zirkulierenden bzw. schnellen Wirbelschicht. Die bereits vorstehend erwähnte Durchrieselgrenze konnte in Abhängigkeit von der verschiedenen Düsengeometrie und Anordnung beobachtet werden. Ein Wägesystem wurde zur quantitativen Ermittlung der Katalysatordurchrieselmenge installiert. Die Ergebnisse wurden in Fig. 1 festgehalten. Durch Variation der rezirkulierenden Katalysatormenge konnte deren Einfluß auf den Druckverlust und die Arbeitsweise des Reaktors nachgewiesen werden. Insbesondere wurde das Phänomen des Katalysatoreindringens in Gasverteilerdüsen bei ungleichen, konkurrierenden Katalysatorzirkulationsmengen in verschiedenen Querschnittsbereichen festgestellt. Dabei zeigte der mit den erfindungsgemäß eingesetzten Düsen (Fig. 3) bestückte Düsenboden sehr gute Ergebnisse. Das Durchmesserverhältnis d₁ : d₂ : d₃ wurde mit 1 : 1,5 : 2,5 und das Längenverhältnis I₁ : I₂ : I₃ mit 1 : 8 : 17,5 festgelegt.

Um die Erosionserscheinungen auszuschließen, wurden die Düsen so bearbeitet, daß die Oberflächenrauheit der Düsen- Innenoberfläche 23 µm betrug.

Beispiel 2

Dieses Beispiel zeigt die für einen konkreten technischen Reaktor ausgeführte Gasverteilerbestückung. Der Reaktor mit 4,3 m Bodendurchmesser und 8,5 m Wirbelbetthöhe wurde gemäß Fig. 4 in acht Sektoren aufgeteilt. die Wirbelschicht wird als schnelle Wirbelschicht mit ca. 800facher Lineargasgeschwindigkeit gegenüber dem Punkt der minimalen Fluidisation, d. h. bei <1,2 m/s und einer Katalysatorzirkulationsrate von 18 t/th betrieben. Dabei wird eine stündlich abzubrennende Koksmenge von ca. 12 000 kg bewältigt.

Die Sektoren I bis III nach Fig. 4 liegen zwei äußerlichen Katalysatorsammelleitungsanschlüssen sehr nahe. Sie wurden vollständig mit Düsen bestückt. Die Sektoren IV und VIII wurden mit 90% und die Sektoren V bis VII mit nur 78% der maximal möglichen Bestückung versehen. Insgesamt wurden 700 Einzeldüsen mit der erfindungsgemäß eingesetzten Düse realisiert. Um eine noch bessere erosionsverlustfreie Düse zu erreichen, wurden Düsen aus Keramik eingesetzt. Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht dabei noch die dazu erforderliche Halterung der Keramikdüsen vor. Die in Fig. 5 dargestellte Halterung ist speziell für dieses Verfahren notwendig, da leichte Schwingungen am Gasverteiler auftreten.

Die Betriebsweise dieses so modifizierten Regenerators erlaubte Kapazitätssteigerungen durch die deutliche Erhöhung des Koksumsatzes im unteren Regenerationsbett. Nachbrände traten nicht mehr auf, da die Verbrennung bereits im dichteren Teil des Bettes fast vollständig abläuft. Dies ist ebenso eine Folge der verbesserten Kontaktierung des Sauerstoff enthaltenden Regenerationsgases mit den koksbeladenen feinen Katalysatorteilchen.

Bezugszeichenliste

 1 Düse
 2 Verteilerboden
 3 Brille
 4 Schraubenfeder
 5 Druckblech
 6 Dichtung
 7 Kurven zur Zweidurchmesserdüse
 8 Kurven zur erfindungsgemäßen Düse
 9 Katalysatoreinrichtung (kg/h)
10 Druckverlust Düsenboden (mm WS)
11 Gasmenge pro Düse (Nm³/h
12 Katalysatoraufstiegsmenge pro Querschnitt (kg/m² · s)
13 Wirbelbettdruckverlust pro Meter Bett (mm WS/m)

Claims (4)

1. Verfahren zum Koksabbrand von Katalysatoren im rezirkulierenden Wirbelbett, die in einer Kohlenwasserstoffumwandlungszone mit Koksprodukten desaktiviert wurden, von dieser kontinuierlich abgezogen und einem Wirbelbettregenerator zugeführt werden, wobei die Verbrennung der anhaftenden Koks- bzw. koksähnlichen Produkte mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas bei Temperaturen von 550 bis 800°C und Drücken von 0,1 bis 0,5 MPa erfolgt, der regenerierte von Koks befreite Katalysator im kontinuierlichen Fluß dem Wirbelbettregenerator abgezogen und erneut der Kohlenwasserstoffumwandlungsstufe zur Wiederverwendung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Regenerierung in einem Wirbelbettregenerator mit schneller Wirbelschicht bei 500 bis 800facher Lineargasgeschwindigkeit gegenüber dem Punkt der minimalen Fluidisation der Teilchen bei 1,2 bis 1,8 m/s Leerrohrgasgeschwindigkeit erfolgt und daß das Regenerationsgas über einen Düsenboden geführt und als katalysatorbeladene Wirbelschicht über Standrohre mit einer Katalysatorzirkulationsrate von 15 bis 20 t/t · h Bettinhalt umgewälzt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Düsenboden angeordneten Düsen ein Verhältnis der Durchmesser d1 bis d3 von 1 : 1,3 bis 1,8 : 2,25 bis 3,0 aufweisen, wobei ein konischer Übergang mit einem Winkel von 5 bis 8 Grad zwischen dem unteren zweiten und dritten zylindrischen Düsenbereich erfolgt und die Längsteilung der drei Düsenbereiche einem Verhältnis von 1 : 3 bis 10 : 8 bis 20 entspricht, und daß die Düsen eine Oberflächenrauheit der Innenoberfläche der Düse zwischen 10 µm und 40 µm aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (1) aus erosionsbeständigem Werkstoff mittels Schraubenfedern (4) oberhalb und unterhalb des Verteilerbodens (2) eingespannt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Düsen auf dem in mindestens acht Sektoren eingeteilten Düsenboden ungleich verteilt ist, wobei im vollständig mit Düsen bestückten Sektor I zentral eine Katalysatorzuführungsleitung angeordnet ist und wobei die Düsenbestückung bei den beiden benachbarten Sektoren II und VIII 75 bis 90% und bei den verbleibenden weiteren Sektoren 60 bis 85% der Düsenzahl des Sektors I beträgt.