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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Verfahrenseinheit für
fluide partikelförmige
Feststoffe mit:
einem Gefäß für ein Hauptwirbelbett
mit partikelförmigen
Feststoffen;
einem Abzugschacht, der mit Abstand von dem Gefäß für das Hauptwirbelbett
angeordnet ist;
einem nach unten geneigten Standrohr, dessen
oberes Ende in Fluidverbindung mit dem Gefäß für das Hauptwirbelbett steht,
und an seinem unteren Ende in Fluidverbindung mit dem Abzugschacht
für partikelförmige Feststoffe
steht;
einem Standrohr zur Aufnahme partikelförmiger Feststoffe
aus dem Abzugschacht für
partikelförmige Feststoffe,
wobei das Standrohr ein offenes oberes Ende hat, das in Fluidverbindung
mit dem Abzugschacht für
die partikelförmigen
Feststoffe steht.
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Eine solche Prozeßeinheit für fluide partikelförmige Feststoffe
ist beispielsweise in den 1–17, 1–21 und 1–22 der Veröffentlichung „Fluid Catalytic
Cracking Technology and Operation" von Josef W. Wilson, PennWell Publishing
Company, Tulsa Oklahoma (US), 1997, Seiten 32–39, beschrieben. Die 1–17 illustrieren
die Lummus Fluid Catalytic Cracking (FCC)-Ausbildung, und die 1–21 und 1–22 illustrieren
die Stone & Webster/IFP FCC-Ausbildung.
Ein solches fluidkatalytisches Crackverfahren (FCC) besteht aus
einem Regenerator, einem Riser-Reaktorgefäß und einem Strippergefäß. Fein
verteilte, regenerierte partikelförmige Feststoffe verlassen
den Re generator und kontaktieren einen Kohlenwasserstoffeinsatz
im unteren Teil des Reaktorrisers über ein Regeneratorstandrohr.
Kohlenwasserstoffeinsatz und Dampf treten in den Reaktorriser durch
Zuführdüsen ein.
Das Gemisch aus Einsatz, Dampf und regenerierten partikelförmigen Feststoffen,
das eine Temperatur von etwa 200°C
bis etwa 700°C
hat, strömt
durch den Riserreaktor nach oben, wobei der Einsatz in leichtere
Produkte umgewandelt wird, während
sich eine Koksschicht auf den partikelförmigen Feststoffoberflächen ablagert.
Die Kohlenwasserstoffdämpfe
und partikelförmige
Feststoffe von der Oberseite des Risers strömen dann durch Zyklone, um
verbrauchte partikelförmige
Feststoffe von dem Kohlenwasserstoffdampf-Produktstrom zu trennen.
Die verbrauchten partikelförmigen Feststoffe
treten in das Strippergefäß ein, wo
Dampf eingeführt
wird, um die Kohlenwasserstoffprodukte von den partikelförmigen Feststoffen
zu entfernen. Das Strippen erfolgt in einem Wirbelbett, in welchem Dampf
als Fluidisiergas verwendet wird. Die verbrauchten partikelförmigen Feststoffe,
die Koks enthalten, strömen
dann durch ein Stripperstandrohr, um in das Regeneratorgefäß einzutreten,
wo in Anwesenheit von Luft und bei einer Temperatur von etwa 620°C bis etwa
760°C durch
Verbrennung der Koksschicht regenerierte partikelförmige Feststoffe und
Abgas erzeugt werden. Die Regeneration erfolgt in einem Wirbelbett,
in welchem Luft als Fluidisiermittel verwendet wird. Das Abgas wird
von den mitgerissenen partikelförmigen
Feststoffen im oberen Bereich des Regenerators durch Zyklone abgetrennt, und
die regenerierten partikelförmigen
Feststoffe werden zu dem Regenerator-Wirbelbett zurückgebracht.
Die regenerierten partikelförmigen
Feststoffe werden dann aus dem Regenerator-Wirbelbett über den Abzugschacht und das
Regeneratorstandrohr abgezogen, und in Wiederholung des vorerwähnten Zyklus
kontaktieren sie den Einsatz in der Reaktionszone.
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Der Abzugschacht ist mit Abstand
von dem Regeneratorgefäß angeordnet.
Durch ein nach unten geneigtes Standrohr, dessen oberes Ende in
Fluidverbindung mit dem Wirbelbett im Regeneratorgefäß steht,
und dessen unteres Ende in Fluidverbindung mit dem Abzugschacht
für partikelförmige Feststoffe steht,
werden die regenerierten partikelförmigen Feststoffe aus dem Regenerator
abgezogen. Das Abzugsgefäß ist an
seinem unteren Ende in Fluidverbindung mit dem tatsächlichen
Regeneratorstandrohr, das ein oberes Ende zur Aufnahme partikelförmiger Feststoffe
aus dem unteren Ende des Abzugsschachtes für partikelförmige Feststoffe aufweist. Dieses
Regeneratorstandrohr transportiert die partikelförmigen Feststoffe zum Reaktorriser.
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Entsprechend der verfügbaren Literatur,
wie dem Papier mit dem Titel „Controlling
Gas Flow in Standpipe Systems" von
T. A. Gauthier und. J. L. Ross, das 1998 bei dem Jahrestreffen der
AIChE vorgelegt wurde, besteht das Schlüsselkonzept des Abzugschachtes
nicht im Abziehen von partikelförmigen Feststoffen
direkt aus dem Hauptregeneratorgefäß, das mit einer Dichte im
Bereich von 20 bis 40 Pfund/Fuß3 bei Anwesenheit vieler aufsteigender Gasblasen
hochfluidisiert ist, weil Überschußgas (Blasen)
in das Regeneratorstandrohr eintreten würde. Ein Hauptkonzept nach
Gauthier und Ross ist vielmehr, daß der Strom der partikelförmigen Feststoffe
aus dem Regenerator in den Abzugschacht ausreichend langsam sein
sollte, damit die Blasen in dem Abzugschacht hochsteigen. Das Gas
im Abzugschacht kann über
eine Lüftungsleitung,
die in Fluidverbindung mit dem Regenerator steht, zum Regenerator
zurückströmen. Der
Zustand der partikelförmigen
Feststoffe im Abzugschacht wird unabhängig von der Fluidisiereinblasung
gesteuert. Ein anderes Schlüsselkonzept
des Abzugschachtes nach Gauthier und Ross besteht darin, einen Idealzustand
für die
partikelförmigen
Feststoffe nahe einem Zustand minimaler Blasenbildung zu erzielen,
wenn die Feststoffe in das Regeneratorstandrohr eintreten.
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Das Erreichen eines solchen Idealzustandes für partikelförmige Feststoffe
im Abzugschacht ist unter Verwendung der Ausbildung nach dem Stand
der Technik schwierig. Gemäß dem Papier
von T. A. Gauthier und J. L. Ross könnte unter bestimmten Umständen der
Abzugschacht zu einem teilweisen Entfluidisieren und zu einer schwachen
Zirkulation teilchenförmiger
Feststoffe führen.
Das Entfluidisieren ist zumindest teilweise auf die Fluidisiereinblasung zurückzuführen, die
nahe dem Standrohreinlaß am unteren
Ende des Abzugschachtes vorgesehen ist. Wenn ein Teil des Fluidisiergases,
welches aus der Fluidisiereinblasung abgegeben wird, durch die Zirkulation
der teilchenförmigen
Feststoffe in das Regeneratorstandrohr gezogen wird, könnte der
Abzugschacht teilweise seine Fluidisierung verlieren oder teilweise
entfluidisiert werden, was zu Schwierigkeiten bei der Zirkulation
der teilchenförmigen
Feststoffe führt.
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Einer der Anmelder hatte ursprünglich solche
FCC-Einheiten für
einen Schachtabzug nach dem Stand der Technik. Diese FCC-Einheit
zeigte Schwierigkeiten beim Aufrechterhalten einer stabilen Zirkulation
von partikelförmigen
Feststoffen infolge der Instabilität des Standrohres. Die Standrohrinstabilität war nicht
nur bei einer hohen Zirkulation von partikelförmigen Feststoffen am stärksten,
sondern auch bei niedrigen Durchsätzen. Während vier Jahren zeigte das
Standrohr der FCC-Einheit betriebliche Probleme, die zu mehreren
Ausfällen
der Zuführeinheit
und Unterbrechungen des gesamten Ablaufes führten. Zusätzlich war die Standrohrinstabilität auf Änderungen
im Niveau des Regeneratorbettes sehr empfindlich, was die Flexibilität des FCC-Verfahrens
stark beeinträchtigte.
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Ähnliche
Probleme hinsichtlich der Standrohreinlaßgeometrie und der Zirkulation
der partikelförmigen
Feststoffe sind beim Stripper einer FCC-Einheit identifiziert worden.
Es ist übliche
Praxis, daß der
Stripper Spezialschalen aufweist, wie sie in der Erfindung von Johnson
et al. in der WO-A-9604353 gezeigt sind. Die Spezialschalen des Hauptgefäßes verstärken die
Wirksamkeit des Strippens von Kohlenwasserstoffdampf durch Wasserdampf.
Die verbrauchten partikelförmigen
Feststoffe werden dann zum Regenerator durch ein Stripperstandrohr
befördert,
wobei ein Einlaßtrichter
vorhanden ist, wie dies im Stand der Technik gezeigt ist. Der Einlaßtrichter
für das
Stripperstandrohr hat sich als sehr ineffektiv zur Reduzierung des
mitgerissenen Gases gezeigt. Die Studie von Nougier et al. in dem Zweiten
FCC-Forum (15.–17.
Mai 1996, The Woodlands, Texas) zeigt, daß selbst nach einem intensiven Strippen
im Hauptgefäß der den
Stripper verlassende Dampf noch immer 20 bis 25 Mol-% (oder etwa
40 Gew.-%) an Kohlenwasserstoffprodukten enthält. Das aus dem Stripperstandrohr
in den Regenerator mitgerissene Gas hat zusätzlich zu der Auswirkung auf
die Zirkulation der partikelförmigen
Feststoffe, die vorstehend erörtert
wurde, zwei negative Auswirkungen. Zunächst stellt das aus dem Stripper
in den Regenerator mitgerissene Gas einen Verlust von Kohlenwasserstoffprodukten
dar, die als Produkte wiedergewonnen hätten werden können. Zweitens
muß der
mitgerissene Kohlenwasserstoff in dem Regenerator verbrannt werden,
was die begrenzte Luft konsumiert, die im Regenerator vorhanden
ist, und zusätzliche
Hitze erzeugt, die abgeführt
werden muß. Es
ist somit wesentlich, das Mitreißen von Gas in das Stripperstandrohr
zu reduzieren.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung
besteht darin, stabilere Teilchenabzugmittel für ein Wirbelbett zu schaffen,
welches die vorstehend beschriebenen Nachteile nicht aufweist. Dieses
Ziel wird mit der nachfolgenden Kohlenwasserstoff-Prozeßeinheit
erreicht.
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Die Kohlenwasserstoff-Prozeßeinheit
weist auf:
ein Gefäß für ein Hauptwirbelbett
mit partikelförmigen
Feststoffen;
einen Abzugschacht, der mit Abstand von dem Gefäß für das Hauptwirbelbett
angeordnet ist;
ein nach unten geneigtes Standrohr, dessen
oberes Ende in Fluidverbindung mit dem Gefäß für das Hauptwirbelbett steht,
und dessen unteres Ende in Fluidverbindung mit dem Abzugschacht
für partikelförmige Feststoffe
steht;
ein Standrohr zur Aufnahme der partikelförmigen Feststoffe
aus dem Abzugschacht für
partikelförmige Feststoffe,
wobei das Standrohr ein offenes oberes Ende hat, das in Fluidverbindung
mit dem Abzugschacht für
partikelförmige
Feststoffe steht, wobei der Abzugschacht für partikelförmige Feststoffe mit einem
geschlossenen unteren Ende (Boden) versehen ist, durch welches untere
Ende sich ein Einlaßteil des
Standrohres in den Abzugschacht für partikelförmige Feststoffe von unten
her zur Aufnahme und zum Transport der partikelförmigen Feststoffe aus dem Abzugschacht
für partikelförmige Feststoffe
hineinerstreckt, wobei der verlängerte
Standrohreinlaßteil
ein oberes Ende und eine Vielzahl von Öffnungen hat, die durch die
Wand des verlängerten
Standrohres unterhalb des offenen oberen Endes und oberhalb des
geschlossenen unteren Endes (Boden) des Abzugschachtes für partikelförmige Feststoffe
geschnitten sind.
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Die Anmelder haben gefunden, daß die Einheit
gemäß der vorliegenden
Erfindung ein geringeres Mitreißen
des Gases in die Standrohre verursacht. Dies führt zu Erhöhungen des gesamten Druckaufbaues
im Standrohr und des Durchsatzes an partikelförmigen Feststoffen sowie zu
einer Verbesserung der Standrohrstabilität. Die Verringerung von mitgerissenem
Gas reduziert auch das Mitreißen von
Kohlenwasserstoff, beispielsweise aus einem FCC-Strippergefäß zu dem
Regenerator einer FCC-Einheit. Außerdem kann die Zirkulation
der partikelförmigen
Feststoffe der Einheit, die mit einem Abzugregeneratorschacht nach
dem Stand der Technik ausgestattet ist, durch Nachrüsten des
Abzugschachtes auf eine Ausbildung gemäß der vorliegenden Erfindung
verbessert werden. Dies wird sehr gut in der FCC-Einheit der Anmelder
illustriert, auf die vorher Bezug genommen worden ist. Seit der
Installation der Änderungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die FCC-Einheit der Anmelder im gesamten Bereich der
Zirkulationsdurchsätze
der teilchenförmigen
Feststoffe in einem stabilen Modus gefahren, der ziemlich verschieden
von den Erfahrungen mit dem früheren
Betrieb mit der Konfiguration nach dem Stand der Technik ist. Es
hat keinen Fall einer Zuführstörung durch
die Instabilität
des Standrohres gegeben, seit die Modifikation des FCC mit der vorliegenden
Erfindung vorgenommen wurde. Zusätzlich konnte
der größte Zirkulationsdurchsatz
an partikelförmigem
Feststoff im Vergleich zu vorher um 15% erhöht werden. Die Einheit wurde
auch auf Änderungen
des Regeneratorniveaus weniger empfindlich, was es gestattet, die
Einheit unter einem größeren Bereich
von Arbeitsbedingungen einzusetzen.
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Der Abzugschacht für partikelförmige Feststoffe
der Einheit gemäß der vorliegenden
Erfindung ist mit einem geschlossenen unteren Ende, das auch als
Boden bezeichnet wird, versehen, durch welches untere Ende sich
eine Einlaßöffnung des
Standrohres in den Abzugschacht für partikelförmige Feststoffe erstreckt.
Da das Standrohr, das zweckmäßig rohrförmig ist,
einen kleineren Durchmesser als der ebenfalls zweckmäßig rohrförmige Abzugschacht
hat, wird ein Ringraum zwischen dem Standrohreinlaßteil, der
sich in das Schachtgefäß erstreckt,
und der Innenwand des Gefäßes erzeugt.
Dieser verlängerte Standrohreinlaßteil umfaßt ein offenes
oberes Ende und eine Vielzahl von Öffnungen. Die Öffnungen
sind vorzugsweise Schlitze und noch bevorzugter vertikale Schlitze.
Die Anzahl der langgestreckten Schlitzöffnungen kann im Bereich von
ein bis zwanzig liegen, liegt aber vorzugsweise im Bereich von zwei
bis acht. Die gesamte Strömungsfläche der
langgestreckten Schlitzöffnungen
könnte
im Bereich von 20% bis 800% der Fläche des oberen Endes des Standrohres liegen,
liegt aber vorzugsweise im Bereich von 50% bis 400%.
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Der Abzugschacht weist ferner vorzugsweise
Mittel zum Einblasen eines Fluidisiergases an einer Stelle oberhalb
des Bodens in den Abzugschacht für
partikelförmige
Feststoffe auf, um die Fluidisierung der partikelförmigen Feststoffe
im Abzugschacht aufrechtzuerhalten. Solche Mittel umfassen vorzugsweise
zumindest einen Gaseinblasring. Vorzugsweise ist ein Gaseinblasring
auf einem Niveau nahe dem oberen Ende des verlängerten Standrohreinlasses
angeordnet. Die Fluidisiergeschwindigkeit nach oben, die aus einem
solchen Mittel zum Einblasen eines Fluidisiergases austritt, basierend
auf der Querschnittsfläche
des Abzugschachtes an dessen größtem Durchmesser,
könnte
im Bereich von 0,015–1,22
m/s (0,05 bis 4 Fuß/s)
liegen, liegt aber bevorzugterweise im Bereich von 0,06–0,61 m/s
(0,2 bis 2 Fuß/s).
Die Fluidisiergeschwindigkeit nach unten, die aus den Mitteln zum
Einblasen des Fluidisiergases austritt, basierend auf der größten Querschnittsfläche des
Abzugschachtes, könnte
im Bereich von 0–0,61
m/s (0 bis 2 Fuß/s)
liegen, liegt aber bevorzugterweise im Bereich von 0,006–0,3 m/s (0,02
bis 1 Fuß/s).
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Die Erfindung wird nachfolgend unter
Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.
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1 zeigt
eine FCC-Einheit nach dem Stand der Technik, die mit einem Regeneratorabzugschacht
versehen ist.
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2 zeigt
die vorliegende Erfindung, welche eine Modifizierung des Standrohreinlasses
gegenüber
dem Stand der Technik aufweist, wobei die Ausbildung in 2 gezeigt ist.
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1 zeigt
einen Abzugschacht 51, der neben einem Regenerator 52 angeordnet
ist. Der Abzugschacht 51 ist ein wesentlich kleineres Gefäß im Vergleich
zum Regenerator 52. Der Abzugschacht 51 ist an
den Hauptgenerator 52 über
ein geneigtes Standrohr 53 angeschlossen, damit partikelförmige Feststoffe
aus dem Regenerator 52 zum Abzugschacht 51 strömen können. Der
Kopfteil des Abzugschachtes 51 ist mit dem Regenerator 52 über eine Lüftungsleitung 55 verbunden,
damit Gas im Abzugschacht 51 zur verdünnten Phase des Regeneratorgefäßes oberhalb
des Wirbelbettes 58 des Regenerators 52 zurückströmen kann.
Das Regeneratorstandrohr 56 ist mit der Unterseite des
Abzugschachtes 51 verbunden, damit teilchenförmige Feststoffe zum
Reaktor 100 in der üblichen
Weise transferiert werden können.
Der Abzugschacht hat seine eigene Fluidisiereinblasung 54 nahe
dem Boden des Abzugschachtes 51 und nahe dem Einlaß 56' des Regeneratorstandrohres 56.
Die Fluidisiereinblasung 54 steuert die Fluidisierbedingung
des Abzugschachtes 51 und hält ein Wirbelbettniveau 57 aufrecht,
das niedriger als das Niveau 58 des Regeneratorbettes ist.
Der Höhenunterschied
zwischen dem Regeneratorbettniveau 58 und dem Abzugschachtbettniveau 57 gestattet
es, daß partikelförmige Feststoffe
durch das geneigte Standrohr 53 strömen. Die folgenden Merkmale
sind auch in 1 vorhanden:
Produktdämpfe
(1), Abgase (2), Luftring (3), Stripper
(4) und Reaktorriser (5).
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2 zeigt
den Regeneratorabzugschacht 51 nach 1, modifiziert durch die vorliegende
Erfindung. Wie 2 zeigt,
sind der Regenerator 52, das geneigte Standrohr 53,
die Lüftungsleitung 55, welche
den Regenerator 52 mit dem Abzugschacht 51 verbindet,
und das Regeneratorstandrohr 56 die gleichen Teile wie
in 1. Die durch die
vorliegende Erfindung geschaffenen Modifikationen umfassen einen
verlängerten
Standrohrabschnitt 70, der sich in den Abzugschacht 51 erstreckt,
und eine neue Fluidisiereinblasung 72, die nahe dem oberen
Ende des verlängerten
Standrohrabschnittes 70 angeord net ist. Der verlängerte Standrohrabschnitt 70 hat
einen kleineren Durchmesser als der Innendurchmesser des Abzugschachtes,
wodurch ein Ringraum 73 definiert wird. Das verlängerte Standrohr 70 hat
ein offenes oberes Ende 56' innerhalb
des Abzugschachtes, nahe dem Niveau der Fluidisiereinblasung 72,
damit fluidisierte partikelförmige
Feststoffe in das Standrohr 56 strömen können. Zusätzlich umfaßt das verlängerte Standrohr 70 eine
Vielzahl von vertikal angeordneten langgestreckten Schlitzöffnungen 71 auf
einem Niveau nahe oder unterhalb der Fluidisiereinblasung 72,
um zusätzliche
Durchgänge
für partikelförmige Feststoffe
zur Strömung
in das Standrohr 56 zu schaffen. Die Fluidisiereinblasung 72 kann
eine oder mehrere Gaseinblasleitungen aufweisen, die eine Vielzahl
von Düsen
haben, welche Fluidisiergas sowohl nach oben als auch nach unten
ausblasen. Die Fluidisiereinblasung 72 der vorliegenden
Erfindung ist auf einem höheren
Niveau im Vergleich zur Fluidisiereinblasung 54 in 1 (des Standes der Technik) angeordnet.
Die Kombination der Fluidisiereinblasung 72 und des verlängerten
Standrohrabschnittes 70 mit einer Vielzahl von langgestreckten
Schlitzen 71 reduziert ein Gasmitreißen in das Standrohr 56, wodurch
es dem Abzugschacht 51 gestattet wird, jederzeit Fluidisierbedingungen
aufrechtzuerhalten. Dies sichert eine glatte Zirkulation der partikelförmigen Feststoffe.
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Die Standrohreinlaßausbildung
der vorliegenden Erfindung kann vorteilhaft auf Abzugschächte nach
dem Stand der Technik angewendet werden. Zusätzlich können Stripperstandrohre mit
einem Abzugschacht gemäß der vorliegenden
Erfindung modifiziert werden. Die Vorteile sind wie folgt zusammengefaßt:
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Stabilere Operation – Die Einlaßausbildung der
vorliegenden Erfindung eliminiert das Problem einer lokalen Entfluidisierung
des ursprünglichen
Abzugschachtes nach dem Stand der Technik. Dies führt zu einer
stabileren Strömung
partikelförmiger Feststoffe
unter allen Bedingungen.
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Größere Flexiblität – Der Standrohrbetrieb
ist nicht länger
für das
Niveau des Regeneratorbettes empfindlich, was für den Betrieb der Einheit größere Flexibilität bedeutet.
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Höhere
Zirkulation von teilchenförmigen Feststoffen – Die Modifikation
hat zu einer 15% höheren
Zirkulation von teilchenförmigen
Feststoffen geführt.
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Die Erfindung richtet sich speziell
auf Kohlenwasserstoff-Verarbeitungseinheiten, bei denen das Gefäß für das Hauptwirbelbett
ein Stripper- und/oder Regeneratorgefäß einer fluidkatalytischen Crackeinheit
(FCC) ist. Obzwar die vorstehende Erörterung auf die Anwendungen
der vorliegenden Erfindung in FCC-Einheiten fokussiert ist, kann auch eine ähnliche
Standrohreinlaßausbildung
angewendet werden, um die Zirkulation von teilchenförmigen Feststoffen
zu verbessern und das Mitreißen
von Gas in anderen (petro)chemischen Verfahren zu reduzieren, die
ein Wirbelbett anwenden, wie Fluid- und Flexi-Verkohler, und andere
Prozesse, die nicht petrochemisch sind, wie Verbrennungseinrichtungen mit
einem zirkulierenden Wirbelbett, wo große Mengen an partikelförmigen Feststoffen
zwischen verschiedenen Gefäßen zirkuliert
werden, die durch Standrohre und Riser verbunden sind.