DE60110625T2

DE60110625T2 - Reaktor zur chemischen umwandlung eines ausgangsmaterials mit wärmezufuhr und ausgangsmaterial/katalysator-querzirkulation

Info

Publication number: DE60110625T2
Application number: DE60110625T
Authority: DE
Inventors: Eric Lenglet; Nicolas Boudet; Frederic Hoffmann
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2001-11-07
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2021-11-08
Also published as: CA2430246C; JP2010051960A; ES2242790T3; EP1339483B1; FR2817172A1; FR2817172B1; EP1339483A1; JP2004531361A; WO2002043851A1; DE60110625D1; CA2430246A1; MXPA03004591A; JP4875283B2; US20040067174A1; US7357855B2; US20060216218A1

Description

Die Chemie-, Erdöl- und Petrochemieindustrien verwenden zahlreiche chemische endotherme Reaktionen, zum Beispiel Reaktionen zum Cracken, zur Dehydrierung oder zum Reformieren von Kohlenwasserstoffen.
Einige dieser Reaktionen sind reversibel und durch ein thermodynamisches Gleichgewicht begrenzt. In diesem Fall führt die Abkühlung, die in einem katalytischen Bett auf Grund der Endothermizität der Reaktion auftritt, zu einer Begrenzung der Umwandlung der Reagenzien.
Ein Mittel, um eine hohe Umwandlung zu erreichen, besteht im Einführen von Heizoberflächen in das katalytische Bett oder darin, eine Vielzahl von katalytischen Betten zu verwenden, die durch Zonen zum Heizen des Reaktionsfluids getrennt sind.
In zahlreichen Fällen, insbesondere für die Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen, deaktiviert sich der Katalysator wenigstens teilweise, zum Beispiel durch Kokung im Laufe der Reaktion und muss kontinuierlich oder in Zeitintervallen für seine Ersetzung durch neuen oder regenerierten Katalysator abgezogen werden.
Man kennt Verfahren zum Beispiel zum katalytischen Reformieren von Kohlenwasserstoffen, wo die Reaktionsbeschickung aufeinander folgend eine Vielzahl von Reaktoren mit katalytischem Bett mit Zwischenaufheizungen zwischen Reaktoren durchquert, um das Abkühlen des Reaktionsfluids auf Grund der Endothermizität der Reaktion auszugleichen. Der Katalysator zirkuliert von einem Reaktor zum anderen gleichströmend mit der Gesamtheit oder gegenströmend mit der Gesamtheit mit der Beschickung, bevör er regeneriert und rezykliert wird. Dies führt zu einer guten Verwendung des Katalysators, der inhomogenerweise verkokt wird, bevor er regeneriert wird.
Eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung ist ein Reaktor, zum Einsatz in einem chemischen Umwandlungsverfahren mit katalytischen Betten mit Mitteln zur Wärmezufuhr, die in diesem Reaktor integriert sind und daher eine große Kompaktheit der Reaktionszone aufweisen, kombiniert mit einer guten Verwendung des Katalysators. Eine andere Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Umwandlung einer Beschickung (meist einer Kohlenwasserstoffbeschickung), das einer den Reaktor verwendenden endothermen Reaktion unterliegt. Man würde den Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht verlassen, indem eine Reihe von Reaktoren verwendet würde, von denen wenigstens einer gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung einen Reaktor zur chemischen Umwandlung einer Beschickung vor, wobei der Reaktor zur chemischen Umwandlung, der zwischen einem oberen Ende und einem unteren Ende ein im Wesentlichen vertikales katalytisches Bett enthält, vor und welcher in Kombination umfasst:

– in der Nähe seines oberen Endes wenigstens ein Mittel zum Einführen festen Katalysators,
– Mittel zum Einführen und Abziehen der Beschickung, welche deren Zirkulation in im Wesentlichen horizontaler Weise über das katalytische Bett ermöglichen,
– Mittel zum Heizen der Beschickung, die in den Reaktor integriert sind,

Der Reaktor kann ein Austauschreaktor mit Heizflächen sein, die in dem katalytischen Bett eingelassen sind; er kann auch eine Vielzahl von katalytischen Betten enthalten, die durch nicht katalytische Heizzonen der Reaktionsbeschickung getrennt sind. In einer dieser Zonen durchquert die Reaktionsbeschickung einen Wärmetauscher, der mit einem Wärmefluid versorgt wird. Die verwendbaren Wärmefluide umfassen den Wasserdampf unter Druck, zum Beispiel zwischen 0,5 MPa und 1,20 MPa, vorzugsweise zwischen 0,6 MPa und 1 MPa absolut, Grenzen eingeschlossen, des Wasserstoffs oder eines wasserstoffhaltigen Gases wie zum Beispiel einem wasserstoffreichen Rezyklierungsgas wie jenem, das in bestimmten Verfahren als Verdünnungsmittel der Reaktionsbeschickung zum Schutz des Katalysators verwendet wird. Man kann auch die nicht umgewandelte Beschickung selbst verwenden oder Flüssigkeiten wie geschmolzene Salze oder flüssiges Natrium.
Das Mittel zum differenzierten Abziehen des Katalysators wird gewöhnlich gewählt aus der Gruppe, die gebildet wird durch die Mittel zum kontinuierlichen Abziehen und die Mittel zum diskontinuierlichen Abziehen.
In bevorzugter Weise umfasst das katalytische Bett eine Vielzahl von katalytischen Zonen, die durch nicht katalytische Heizzonen der Beschickung getrennt sind.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung unterscheidet sich das Mittel zum Abziehen des Katalysators, welches am weitesten stromaufwärts ist, von wenigstens einem Mittel zum Abziehen, das stromabwärts angeordnet ist, und insbesondere von jenem, welches weiter stromabwärts angeordnet ist durch sein geringes Extraktionsvermögen (wir merken an, dass stromaufwärts und stromabwärts relativ in Zirkulationsrichtung der Beschickung sind).
Die Erfindung schlägt auch ein Verfahren zur chemischen Umwandlung einer Beschickung vor, welches einen Reaktor wie vorher beschrieben verwendet.
Typischerweise ist die Beschickung eine Kohlenwasserstoffbeschickung, häufig versetzt mit einem Verdünnungsmittel (zum Beispiel Wasserdampf, Wasserstoff, Stickstoff oder einem Gemisch dieser Gase).
In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist das chemische Umwandlungsverfahren ein katalytisches Dehydrierungsverfahren einer Beschickung von paraffinischen Kohlenwasserstoffen.
Man bezieht sich jetzt auf 1, welche in nicht begrenzender Weise einen Reaktor R gemäß der Erfindung darstellt, der in einer endothermen Reaktion eingesetzt wird.
Die Reaktionsbeschickung wird in den Reaktor R durch Leitung 1 eingeführt; sie durchquert aufeinander folgend ein katalytisches Bett 3a, dann einen Wärmetauscher 4a, dann ein zweites katalytisches Bett 3b, dann einen zweiten Wärmetauscher 4b, dann ein drittes und letztes katalytisches Bett 3c, bevor sie vom Reaktor durch Leitung 2 austritt. Der Katalysator wird in den Reaktor am Kopf von jenem durch Leitung 9 eingeführt. Er verteilt sich in den katalytischen Betten 3a, 3b, 3c, in welchen er in schwereabsteigendem Fluss zirkuliert. Jedes katalytische Bett verfügt über ein Sieb zum Abziehen des Katalysators: 7a für das Bett 3a, 7b für das Bett 3b und 7c für das Bett 3c.
Abzugsventile 8a, 8b und 8c am Boden jedes der katalytischen Betten ermöglichen es, getrennt verbrauchten Katalysator abzuziehen, der in jedem der katalytischen Betten in Reihe zirkuliert. Der Katalysator wird durch die Leitungen 80a, 80b, 80c abgezogen.
Diese Wärmetauscher 4a und 4b werden durch ein Wärmefluid versorgt, das durch die Leitungen 5, 5a und 5b eingeführt wird, wobei dieses Fluid die Wärmetauscher durch die Leitungen 6b, 6b und 6 verlässt. Im obigen Anteil der Betten 3a und 3b führt man durch die Leitungen 10, 10a, 10b ein im Wesentlichen inertes Gas ein, dessen Funktion es ist, ein Sperrgas zu verwirklichen, um die Umgehungsdurchläufe (by-pass) der vom Bett 3a zum Bett 3b zirkulierenden Beschickung sowie vom Bett 3a zum Bett 3c zu vermeiden, ohne den Austauscher 4a oder den Austauscher 4b zu überqueren.
Typischerweise kann dieses Gas ein Verdünnungsmittel der Beschickung sein, zum Beispiel Wasserdampf oder wasserstoffreiches Rezyklierungsgas.
Die Anlage arbeitet in folgender Weise.
Die auf die Reaktionstemperatur vorgewärmte Beschickung durchquert die drei katalytischen Betten (oder Zonen) 3a, 3b, 3c in Reihe mit zwei Zwischenheizungen.
Der durch Leitung 9 eingeführte Katalysator wird entweder kontinuierlich oder in diskontinuierlicher Weise durch die Leitungen 80a, 80b, 80c abgezogen.
In dem Reaktor gemäß der Erfindung lässt man ihn zirkulieren und man erneuert vorzugsweise schneller den Katalysator des Betts 3c als jenen des Betts 3a. Daher altert der Katalysator in typischer Weise schneller und deaktiviert sich und verkokt sich schneller am Ende der Reaktionszone, das heißt in dem Bett stromabwärts 3c als in dem Bett stromaufwärts 3a. Vorzugsweise wird 3c schneller als 3b erneuert, welches selbst schneller als 3a erneuert wird.
Die Erfindung ermöglicht daher eine gute Verwendung des Katalysators, der bei einem relativ konstanten Deaktivierungszustand abgezogen wird.
Wenn man kontinuierlich arbeitet, kann man die Ventile 8a, 8b, 8c verwenden, um die unterschiedlichen Katalysatorabzüge einzustellen.
Wenn man in diskontinuierlicher Weise arbeitet, ist es möglich, durch Intervalle variable Katalysatormengen gemäß den Zonen des katalytischen Betts abzuziehen (Abzugsdurchsätze größer in den Zonen stromabwärts in Zirkulationsrichtung der Beschickung).
Es ist auch möglich, häufigere Katalysatorabzüge in der Zone stromabwärts 3c als in der Zone 3b und/oder in der Zone 3b als in der Zone 3a durchzuführen. Man kann auch gleichzeitig die Frequenz der extrahierten Katalysatormengen modulieren.
Es ist schließlich möglich, begrenzte Extraktionen verbrauchten Katalysators vorzunehmen (zum Beispiel 10 bis 33 Vol.-% jedes Betts) oder auch Erneuerungen des ganzen Volumens eines individuellen Betts (oder Zone) durchzuführen: 3a oder 3b oder 3c. In diesem Fall wird man vorzugsweise häufiger den Katalysator der Zone 3c als jenen der Zone 3a erneuern.
Die Reaktoren gemäß der Erfindung können von 2 bis etwa 20 katalytische Zonen, getrennt durch Wärmetauschzonen enthalten.
Das Reaktionsfluid kann auch seitlich eingeführt werden und horizontal zirkulieren im überkreuzten Strom mit der Beschickung.
Es ist möglich, Betten geringer Dicke zu verwenden, zum Beispiel zwischen 50 und 10 cm liegenden oder mittlerer Dicke, zum Beispiel zwischen 10 und 80 cm liegend, und wenn das Verfahren geringe oder hohe Raumgeschwindigkeiten überschreitet (zum Beispiel zwischen 10 und 250 h^–1). Die Temperaturen hängen von dem Verfahren ab, aber liegen häufig zwischen 250°C und 950°C, vorzugsweise zwischen etwa 400 und etwa 700°C. Alle diese Werte sind nicht begrenzend für die Erfindung.
Man würde den Rahmen der Erfindung in dem Fall nicht verlassen, wo man ein einziges katalytisches Bett hätte oder parallele katalytische Betten mit einem überkreuzten Fluss von Beschickung/Katalysator.
Der Reaktor gemäß der Erfindung ermöglicht es so, die chemische Umwandlung einer Beschickung in Gegenwart eines Katalysators durchzuführen, wobei in jeder der katalytischen Zone die notwendige Wärmemenge zugeführt wird. Er ermöglicht gleichzeitig, in differenzierter Weise den wenigstens teilweise deaktivierten Katalysator zu extrahieren.
Der Reaktor gemäß der Erfindung ermöglicht es so, ein katalytisches Aktivitätsniveau und/oder eine erhöhte Produktivität an gewünschtem Produkt aufrecht zu erhalten.
Die Erfindung kann insbesondere zum Reformieren von Kohlenwasserstoffen, für die Dehydrierung von Ethylbenzol und die Dehydrierung der Paraffine wie zum Beispiel Propan, n-Butan, Isobutan, vor allem lineare Paraffine mit 10 bis 14 Kohlenstoffatomen, für die Erzeugung von Olefinen, welche es ermöglicht, Alkylbenzol zu erzeugen, oder andere chemische Reaktionen verwendet werden.

Claims

Reaktor zur chemischen Umwandlung, enthaltend zwischen einem oberen Ende und einem unteren Ende ein im Wesentlichen vertikales katalytisches Bett und in Kombination umfassend: – in der Nähe des oberen Endes des Reaktors wenigstens ein Mittel zur Einführung eines festen Katalysators, – Mittel zum Einführen und zum Abziehen einer Beschickung, die deren Zirkulation in im Wesentlichen horizontaler Weise über das katalytische Bett ermöglichen, – Mittel zum Heizen der Beschickung, die in den Reaktor integriert sind, worin der Reaktor in der Nähe seines unteren Endes wenigstens ein Mittel zum differenzierten Abziehen des Katalysators zwischen einem Teil stromaufwärts und einem Teil stromabwärts des katalytischen Betts relativ zur Zirkulationsrichtung der Beschickung umfasst und das katalytische Bett eine Vielzahl von katalytischen Zonen umfasst, die durch nicht katalytische Heizzonen der Beschickung getrennt sind, und worin das Mittel zum Abziehen des Katalysators, welches am meisten stromaufwärts ist, von dem Mittel zum Abziehen, welches am meisten stromabwärts ist, durch seine geringere Abzugskapazität abweicht.
Reaktor nach Anspruch 1, worin das differenzierte Abzugsmittel des Katalysators gewählt ist aus der Gruppe, die gebildet wird durch Mittel zum kontinuierlichen Abziehen und Mittel zum diskontinuierlichen Abziehen.
Verfahren zur chemischen Umwandlung einer Beschickung, welches einen Reaktor verwendet, der zwischen einem oberen Ende und einem unteren Ende ein im Wesentlichen vertikales katalytisches Bett umfasst, wobei der Reaktor in Kombination umfasst: – in der Nähe seines oberen Endes wenigstens ein Mittel zur Einführung eines festen Katalysators, – Mittel zum Einführen und zum Abziehen einer Beschickung, die deren Zirkulation in im Wesentlichen horizontaler Weise über das katalytische Bett ermöglichen, – Mittel zum Heizen der Beschickung, die in den Reaktor integriert sind, wobei der Reaktor ebenso in der Nähe seines unteren Endes wenigstens ein Mittel zum differenzierten Abziehen des Katalysators zwischen einem Teil stromaufwärts und einem Teil stromabwärts des katalytischen Betts relativ zur Zirkulationsrichtung der Beschickung umfasst und das katalytische Bett eine Vielzahl von katalytischen Zonen umfasst, die durch nicht katalytische Heizzonen der Beschickung getrennt sind, worin man den Katalysator, der in dem Teil stromabwärts des katalytischem Bettes angeordnet ist, zirkulieren lässt und schneller und häufiger erneuert als den in dem Teil stromaufwärts angeordneten Katalysator.
Verfahren zur chemischen Umwandlung nach Anspruch 3, bei dem die differenzierten Abzüge durch die Teile stromabwärts und stromaufwärts des katalytischen Betts durchgeführt werden, um einen relativ konstanten Deaktivierungszustand des abgezogenen Katalysators zu erhalten.
Verfahren zur chemischen Umwandlung nach einem der Ansprüche 3 und 4, in dem die Beschickung eine Kohlenwasserstoffbeschickung ist.
Verfahren zur chemischen Umwandlung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die katalytische Dehydrierung einer paraffinischen Kohlenwasserstoffbeschickung durchgeführt wird.
Verfahren zur chemischen Umwandlung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem die Beschickung mit einem Verdünnungsmittel versetzt wird.
Verfahren zur chemischen Umwandlung nach einem der Ansprüche 3, 4, 5, 7, bei dem man das Reformieren von Kohlenwasserstoffen durchführt.
Verfahren zur chemischen Umwandlung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem man die Dehydrierung von Ethylbenzol durchführt.