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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft Zyklon-Separatoren, die mit einer Mehrzahl von
Zyklonen mit geschlossenem Boden ausgestattet sind, die Feststoffentladungsmittel
und Gasrückflussmittel
aufweisen, die verwendet werden, um Katalysatorfeinteile beim katalytischen
Fluid-Cracken schwerer Kohlenwasserstoffe zurück zu gewinnen. Insbesondere
betrifft die Erfindung die Entdeckung und die Hemmung von gegenseitigem
Austausch („Cross
Talk") zwischen
den Feststoffentladungsmitteln und den Gasrückflussmitteln.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
Zyklon-Trennung wird eingesetzt, um Partikel von Gas abzutrennen.
Ein partikelbeladener Gasstrom wird in eine zylindrische Kammer
eingeleitet. Dem Gas wird ein Drehimpuls verliehen, entweder durch tangentiale
oder axiale Zugabe in Verbindung mit Wirbelblechen. Durch die Trägheitskraft
werden Feststoffe an die Wand der Kammer geschleudert, während aus
dem mittigen Bereich des Zyklons ein saubereres Gas entnommen wird.
Ein Teil des Gases tritt zusammen mit den Feststoffen aus. Feststoffe
können über einen tangentialen
Auslass durch eine Seitenwand des Zyklons oder axial entladen werden.
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Es
gibt viele Arten von Zyklon-Separatoren, sie können aber wahlweise als Zyklone
mit offenem oder geschlossenem Boden eingestuft werden. Die vorliegende
Erfindung ist besonders für
die Verbesserung des Betriebs von Zyklonen mit geschlossenem Boden
geeignet. Zyklone mit geschlossenem Boden weisen im Allgemeinen
einen zylindrischen Körper
auf, der im Wesentlichen geschlossen ist, abgesehen von einem oder mehreren
Beschickungseinlässen
und der üblicherweise
nur einen Gasauslass und einen Feststoffauslass aufweist. Zyklone
mit geschlossenem Boden sind von der Atmosphäre eines Behälters, in
dem der Zyklon enthalten ist, effektiv isoliert. Zyklone mit geschlossenem
Boden werden üblicherweise
bei einem geringfügig
höheren
oder geringfügig
niedrigerem Druck als dem Atmosphärendruck im dem Behälter, welcher
den Zyklon umgibt, betrieben. Wenn der Druck in dem Zyklonkörper höher ist
als der Druck außerhalb
des Zyklons, so handelt es sich bei dem Zyklon um einen Positivdruck-Zyklon.
Wenn der Druck in dem Zyklonkörper
niedriger ist als der Druck außerhalb
des Zyklons, so handelt es sich bei dem Zyklon um einen Negativdruck-Zyklon.
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In
einen Zyklon mit geschlossenem Boden wird das Beschickungsgas im
Allgemeinen tangential an einem endseitigen Abschnitt des Zyklonkörpers zugegeben.
Der Gasauslass ist üblicherweise
ein Rohr, das axial mit der Längsachse
des Zyklonkörpers
ausgerichtet ist und das durch dasselbe Ende des Zyklons, welches
das Beschickungsgas aufnimmt, führt.
Die Feststoffe werden üblicherweise über ein
gestrecktes Tauchrohr an einem Ende des Zyklonkörpers, welches dem Gasauslass
gegenüber
liegt, entnommen. In einem nachstehend diskutierten Separator der
dritten Stufe (TSS) werden die Feststoffe gelegentlich über einen
waagerechten Schlitz oder Spalt in der Wand des Zyklonkörpers entnommen
und zwar üblicherweise
an dem Ende, welches dem Gasauslass gegenüber liegt.
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In
gewissem Zusammenhang zu der Unterscheidung zwischen Zyklonen mit
offenem und geschlossenem Boden steht die Frage, ob der Zyklon-Staubaustritt
denselben Raum (oder Behältervolumen)
mit dem Gaseinlass teilt oder ob er davon isoliert ist. Wenn Zyklone
Beschickungsgas aus einem Fließbett
aufnehmen und in ein Fließbett
entladen, wie in dem Regenerator beim katalytischen Fluid-Cracken
(FCC), so rezirkuliert das durch die Tauchrohre entladene Gas mit
Feststoffen von dem Fließbett
hinauf zu dem Zykloneinlass, der sich in demselben Raum befindet.
Es erfolgt eine Gasrückführung von
dem Feststoffauslass zu dem Beschickungsgas-Einlass, da der Feststoffauslass
und der Beschickungsgas-Einlass dasselbe Dampfvolumen in dem Reaktor
teilen. Wenn der Beschickungsgas-Einlass von dem Feststoffauslass
fluid isoliert ist, dann findet diese Art der Gasrückführung nicht
statt. Wenn Feststoffe in einen geschlossenenBehälter entladen werden, wie etwa
in den Boden eines TSS, so kann Gas, das mit Feststoffen durch den
Staubauslass des Zyklons entladen wird, nicht zu dem Zykloneinlass
zurück
gelangen. Es wurde immer angenommen, dass aufgrund der Tatsache,
dass der Staubfänger
im Wesentlichen abgeschlossen war, nicht mehr Gas über den
Feststoffauslass entweichen würde
als mit der von dem Staubfänger
entfernten Feststoffphase entfernt wird, bis in einer Neuerung,
die in dem
US-Patent 5,681,450 von
Chitnis et al. beschrieben ist, welches hierin vollständig durch Bezugnahme
aufgenommen ist, ein Gasrückfluss
in dem Auslassende des Zyklons verwendet wurde.
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Kurz
zusammengefasst kann das von dem Chitnis et al. Patent gelöste Problem
wie folgt geschildert werden. In einigen Arten von Zyklonen und
in einigen Zyklonanordnungen ist ein Gasrückfluss von dem Feststoffauslass
zu dem Beschickungsgas-Einlass kein bedeutendes Problem. In Zyklonen
mit offenem Boden sind die Drücke
innerhalb und außerhalb
des Zyklons im Wesentlichen im Gleichgewicht. Eine gewisse Gasmenge
tritt immer zusammen mit dem entweichenden Feststoffstrom aus oder
wird mit diesem mitgerissen oder von diesem aspiriert. Solches Gas
kehrt abgesehen von dem Gas, das möglicherweise zusammen mit den
abgetrennten Feststoffen entfernt wird, leicht in den offenen Körper des
Zyklons zurück.
In Zyklonen mit offenem oder geschlossenem Boden, bei denen der
Staubauslass denselben Gasraum mit dem Zyklon-Beschickungsgas-Einlass
teilt, ist Gasrückfluss
nie ein Problem. Das Problem tritt in üblicherweise geschlossenen
Zyklonen auf, bei denen es für
mit Feststoffen aus der Vorrichtung entladenes Gas keinen einfachen
Weg zurück
in den Zyklon gibt, das Problem kann aber in gewissem Ausmaß selbst
in Zyklonen mit offenem Boden auftreten.
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Beim
katalytischen Fluid-Cracken zirkuliert Katalysator mit einer Teilchengröße und Farbe,
die an Strandsand erinnert, zwischen einem Crack-Reaktor und einem
Katalysator-Regenerator. In dem Reaktor kommt Kohlenwasserstoff-Beschickung
mit einer heißen
regenerierten Katalysatorquelle in Kontakt. Der heiße Katalysator
verdampft und crackt die Beschickung bei 425°C bis 600°C, üblicherweise bei 460°C bis 560°C. Durch
die Crackreaktion wird Koks auf dem Katalysator abgelagert, so dass
dieser deaktiviert wird. Die gecrackten Produkte werden von dem
verkokten Katalysator abgetrennt. Der verkokte Katalysator wird
in einem Katalysatorabscheider von flüchtigen Stoffen abgetrennt, üblicherweise
mit Dampf, und der nackte Katalysator wird dann regeneriert. Der
Katalysator-Regenerator verbrennt Koks von dem Katalysator mit sauerstoffhaltigem
Gas, üblicherweise
Luft. Durch das Entkoken wird die Katalysatoraktivität wieder
hergestellt und gleichzeitig wird der Katalysator auf z.B. 500°C bis 900°C, üblicherweise
600°C bis
750°C erhitzt.
Dieser erhitzte Katalysator wird zu dem Crack-Reaktor zurückgeführt, um
weitere frische Beschickung zu cracken. Das durch Verbrennen von
Koks in dem Regenerator gebildete Abgas kann behandelt werden, um
Partikel zu entfernen und um Kohlenmonoxid umzuwandeln, woraufhin
das Abgas normalerweise in die Atmosphäre entladen wird.
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Eine
Fehlermöglichkeit
bei FCC ist die Erosion des Zyklons, die hervorgerufen wird durch
jahrelangen Betrieb bei hoher Geschwindigkeit, wobei mit Katalysatorfeinteilen
beladenes Gas durch die Zyklone passiert. Raffinerien verwenden
nicht gerne hohe Zyklon-Innengeschwindigkeiten, aufgrund der Notwendigkeit,
die Zykloneffizienz zu verbessern, werden sie jedoch dazu genötigt. Beim
Betrieb der FCC-Einheit muss das Überschreiten lokaler Partikelemissionsgrenzwerte
vermieden werden. Der Katalysator ist relativ teuer und die meisten
Einheiten verfügen über einen
Vorrat von mehr als einhundert Tonnen Katalysator. FCC-Einheiten
zirkulieren Tonnen von Katalysator pro Minute. Große Zirkulationsraten
sind erforderlich, da die Beschickungsraten groß sind und für jede Tonne
gecracktes Öl
werden grob 5 Tonnen Katalysator benötigt.
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Diese
großen
Katalysatormengen müssen
aus gecrackten Produkten entfernt werden, damit die schweren Kohlenwasserstoffprodukte
nicht mit Katalysatorfeinteilen kontaminiert sind. Selbst bei mehreren Zyklon-Trennungsstufen
verbleiben immer einige Katalysatorfeinteile in den gecrackten Produkten.
Diese konzentrieren sich in den schwersten Produktfraktionen, üblicherweise
in den FCC-Fraktionierungs-Hauptböden, die
gelegentlich als Schlammöl
(slurry oil) bezeichnet werden, da soviel Katalysator enthalten
ist. Refiner können
dieses Material in einem Tank absetzen lassen, um zu ermöglichen,
dass ein Teil des mitgeführten
Katalysators ausfällt,
so dass CSO oder ein geklärtes
Schlammöl
gebildet wird.
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In
dem Regenerator sind die Probleme ebenso schwerwiegend oder sogar
noch gravierender. Zusätzlich
zu den großen
Katalysatorzirkulationsmengen, die erforderlich sind, um die Anforderungen
des Crack-Reaktors zu erfüllen,
gibt es einen zusätzlichen
inneren Katalysatorkreislauf, der bewältigt werden muss. In den meisten
Blasenbett-Katalysator-Regeneratoren
wird alle 15-30 Minuten eine Katalysatormenge, die dem gesamten
Katalysatorvorrat entspricht, durch die Regenerator-Zyklone passieren.
Die meisten Einheiten weisen einen Katalysatorvorrat von mehreren
hundert Tonnen auf. Jeglicher Katalysator, der nicht unter Verwendung der
Regenerator-Zyklone, die typischerweise zwei Stufen von Zyklonen
umfassen, zurückgewonnen
wird, wird in dem Regeneratorabgas verbleiben, wenn nicht unter
beträchtlichen
Kosten ein Separator der dritten Stufe, ein elektrostatischer Präzipitator
oder eine Art Entfernungstufe hinzugefügt wird.
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Viele
Refiner verwenden ein Pulverrückgewinnungssystem.
Die Energie in dem FCC-Regeneratorabgas
treibt das Luftgebläse
an, welches Luft zu dem Regenerator zuführt. Die Menge und die Teilchengröße der Feinteile
in der Mehrzahl der FCC-Abgasströme,
die den Regenerator verlassen, reicht aus, um die Turbinenblätter zu
erodieren, wenn ein Stromgewinnungssystem installiert ist. Im Allgemeinen
wird eine Separatoreinheit der dritten Stufe stromaufwärts der
Turbine installiert, um die Katalysatorbeladung zu verringern und
um die Turbinenblätter
insbesondere vor Partikeln mit einer Größe von mehr als 10 μm zu schützen. Einige
Refiner installieren inzwischen sogar elektrostatische Präzipitatoren
oder irgendeine andere Partikelentfernungsstufe stromabwärts von
Separatoren der dritten Stufe und der Turbinen, um die Feinstoffemission
weiter zu verringern.
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Viele
Refiner verwenden heute hoch effiziente Zyklone der dritten Stufe,
um den Verlust an FCC-Katalysator-Feinteilen zu verringern und/oder
um die Stromgewinnungsturbinenblätter
zu schützen.
Es ist anzumerken, dass immer dann, wenn ein Separator der dritten
Stufe verwendet wird, um Regeneratorabgas zu reinigen, typischerweise
ein Separator der vierten Stufe verwendet wird, um den von dem Separator
der dritten Stufe entladenen Unterlauf (feststoffreicher Anteil)
zu verarbeiten. Die Gasvolumina in dem Separator der vierten Stufe
sind klein, da durch die Konzeption von Zyklonen der dritten Stufe
die Menge des mit den Feststoffen entladenen Gases minimiert wird.
Typischerweise werden 0,5 bis 3% Abgas zusammen mit den aus dem
Separator der dritten Stufe entladenen Feststoffen entfernt. Separatoren
der dritten Stufe begrenzen das mit den Feststoffen entladene Gas
(Gas inm Unterlauf) auf das Gas, welches benötigt wird, um Feststoffe aus
dem Separator der dritten Stufe zu fluidisieren und zu entladen.
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Aus
diesen Gründen,
einer kleinen Teilchengröße und relativ
geringen Gasvolumina, umfasst der Separator der vierten Stufe im
Allgemeinen Zyklone mit kleinem Durchmesser, einen heißen Filter
aus gesintertem Metall oder Keramik oder einen Gewebefilter.
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Die
meisten Refiner sind mit ihren primären und sekundären Zyklonen
oder gleichwertigen Mitteln zur Rückgewinnung von Katalysator
aus Abgas und zur Entladung von zurückgewonnenem Katalysator zurück in den
Regenerator zufrieden. Die problematische Abtrennung befindet sich
stromabwärts
des Regenerators in der Separatoreinheit der dritten Stufe oder
TSS-Einheit. Der TSS muss Gas das im Wesentlichen keine Partikel
enthält,
die größer sind
als 10 Mikrometer, produzieren (wenn Stromgewinnungsturbinen eingesetzt
werden) und/oder er muss eine ausreichende Entfernung von Feinteilen
erzielen, um Partikelemissionsgrenzwerte zu erfüllen.
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Moderne,
hoch effiziente Separatoren der dritten Stufe weisen typischerweise
50 bis 100 oder mehr Zyklone mit kleinem Durchmesser auf. Eine Art
eines Separators der dritten Stufe ist in „Improved Hot-Gas Expanders
For Cat Cracker Flue Gas" Hydrocarbon
Processing, März
1976, beschrieben. Die Vorrichtung ist ziemlich groß, ein Behälter mit
einem Durchmesser von 26 ft (792,5 cm). Katalysator-beladenes Abgas
passiert durch mehrere Wirbelrohre. Katalysator wird durch Zentrifugalkraft
gegen die Röhrenwände geschleudert. Sauberes
Gas wird nach oben über
ein mittiges Gasauslassrohr entnommen, während Feststoffe durch zwei Abschlämmungsaussparungen
in der Grundfläche
eines äußeren Rohrs
entladen werden. Die Vorrichtung entfernte den Großteil der
Partikel mit 10 Mikrometer und mehr. Die Einheit verarbeitete etwa
550.000 lbs/Stunde (246.475 kg/h) an Abgas, welches 300 lbs/Stunde
(136 kg/h) an Partikeln im Bereich von Submikron-Feinteilen bis
zu 60 Mikrometer großen
Katalysatorpartikeln enthielt. Dies entspricht einer Einlassbeladung
von etwa 680 mg/Nm3.
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Die
Feststoffbeladung verschiedener Zyklone in verschiedenen Teilen
des FCC-Verfahrens
variiert stark. Der Separator der dritten Stufe weist bezüglich der
Teilchengröße die effizienteste
Auftrennung auf, während
die primären
Separatoren typischerweise 99% der Feststoffrückgewinnung bewältigten.
Dies kann in Bezug gesetzt werden werden, indem betrachtet wird,
was in einer beispielhaften FCC-Einheit passiert. In dieser beispielhaften
Einheit sind die Trennungsabläufe
in der nachstehenden Tabelle A gezeigt, ausgehend von den primären und
sekundären
Zyklonen, welche die anfängliche
Abtrennung des Katalysators von Abgas in dem Regenerator bewältigen bis
zu dem TSS als der letzten Auftrennung des Gasstroms.
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Der
abgetrennte Staub aus dem TSS wird zu der vierten Stufe entnommen.
Gas aus den vierten Stufen vermischt sich mit dem aus der dritten
Stufe. Die Gesamtemissionen betragen 0,0474 t/h, was einer Beladung
von 215 mg/Nm
3 entspricht. Tabelle A
| ZYKLONSTUFE |
| 1. | 2. | 3. | 4. |
| ZYKLON-EINLASS |
| Tonnen/h
Feststoff |
| 500 | 5,0 | 0,15 | 0,108 |
| Durchschnittliche
Teilchengröße, Mikrometer |
| 65 | 40 | 13 | 17 |
| Tonnen/h
Gas |
| 275 | 275 | 275 | 8 |
| Masse Gas/Masse
Feststoffe |
| 0,55 | 55 | 1833 | 74 |
| ZYKLON-GASAUSLASS |
| Tonnen/h
Feststoff |
| 5,0 | 0,15 | 0,042 | 0,0054 |
| Durchschnittliche
Teilchengröße, Mikrometer |
| 40 | 13 | 1,5 | 5 |
| Tonnen/h
Gas |
| 275 | 275 | 267 | 8 |
| % Gas über Gasauslass |
| 100 | 100 | 97 | 100 |
| % Feststoffentfernung/Stufe |
| 99 | 97 | 72 | 95 |
| ZYKLON-FESTSTOFFAUSLASS |
| Tonnen/h
Feststoff |
| 495 | 4,85 | 0,108 | 0,1026 |
| Durchschnittliche
Teilchengröße, Mikrometer |
| 65 | 41 | 17 | 18 |
| Tonnen/h
Gas |
| ~0 | ~0 | 8 | ~0 |
| % Gas über Feststoffauslass |
| ~0 | ~0 | 3 | ~0 |
| Masse Gas/Masse
Feststoffe |
| ~0 | ~0 | 74 | ~0 |
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Der
Feststoffgesamtdurchsatz pro Zyklon ist in Tonnen pro Stunde ausgedrückt. Die
durchschnittliche Teilchengröße der Feststoffbeschickung
zu jedem Zyklon verändert
sich merklich. Größere Partikel
werden bevorzugt entfernt, so dass jede stromabwärts gelegene Stufe bis zur
dritten Stufe auf immer weniger Feststoffe mit einer viel kleineren
Teilchengrößenverteilung
trifft.
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Die
erste Stufe oder die primären
Zyklone müssen
den Großteil
der Arbeit bewältigen,
sie gewinnen üblicherweise
mehr als 99% der gesamten Feststoffe in einer einzigen Stufe zurück. Die
Zyklone der erste Stufe haben außerdem die einfachste Aufgabe,
da die Partikel relativ groß sind,
etwa 60-80 μm,
es sind große Gasmengen
verfügbar,
um Zentrifugalkräfte
zu erzeugen und die Entladung signifikanter Mengen an Abgas nach
unten durch das Zyklontauchrohr hat keine nachteiligen Auswirkungen.
Die Feststoffbeladung ist hoch. Der Zyklon der ersten Stufe entfernt
große
Mengen an Feststoffen unter Verwendung großer Mengen an Gas, um Zentrifugalkräfte zu erzeugen.
Etwas Gas wird zusammen mit den Feststoffen entladen, da Gas erforderlich
ist, um die Fluidisierung der zurückgewonnenen Feststoffe aufrecht
zu erhalten. Dieses mitgeführte
Gas wird einfach durch das Katalysatorbett in den Regenerator zurückgeführt und
kehrt in den Einlasstrichter der ersten Stufe oder des primären Zyklons
zurück.
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Die
sekundären
FCC-Regenerator-Zyklone behandeln ebenso viel Gas wie die primären Zyklone, aber
um Größenordnungen
weniger Feststoffe. Sekundäre
Zyklone gewinnen typischerweise etwa 95-98% der ihnen zugeführten Feststoffe
zurück.
Die sekundären
Zyklone können
zusätzliche
Partikelmengen aus dem aus den primären Zyklonen entladenen Gas
zurückgewinnen.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass
die geringeren Feststoffbeladungen in den sekundären Zyklonen ermöglichen,
in sekundären
Zyklonen höhere
Gasgeschwindigkeiten einzusetzen als in primären Zyklonen. Höhere Gasgeschwindigkeiten
entwickeln höhere
Zentrifugalkräfte,
so dass die Effizienz verbessert wird. Der Zyklon der zweiten Stufe
weist etwa denselben Gasfluss auf wie der erste, aber um Größenordnungen
weniger Feststoffe. Kleine Feststoffmengen werden aus dem Tauchrohr
des Zyklons der zweiten Stufe zusammen mit kleinen Gasmengen entladen.
Ebenso wie bei der ersten Stufe tritt dieses Gas einfach wieder
in die FCC-Regenerator-Atmosphäre
ein. Dieses Gas wird zu einem kleinen Teil der Gasbeschickung zu
dem Zyklon der ersten Stufe.
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Da
primäre
und sekundäre
Zyklone so effizient sind, werden nach zwei Stufen der Zyklon-Trennung im
Wesentlichen alle leicht zu entfernenden Partikel entfernt. Nur
Feinteile, unregelmäßig geformte
Fragmente des FCC-Katalysators verbleiben in dem Gas für den Separator
der dritten Stufe. Der Betrieb des Separator-Zyklons der dritten
Stufe zeichnet sich durch große
Gasvolumina und kleine Mengen extrem feiner Partikel aus, von denen
viele kleiner sind als 5 μm.
Jede stromabwärts
gelegene Stufe von der ersten Stufe bis zu der dritten Stufe kommt
mit weniger Feststoffen und kleineren Partikeln in Berührung. Über den
Feststoffauslass in den Separatoren der dritten Stufe wird im Vergleich
zu den Zyklonen in dem Regenerator sehr viel mehr Gas pro Gewichtseinheit
der Feststoffe entladen. Auf Gewichtsbasis werden mehr als 10 Gramm
Gas pro 1 Gramm zu der Auffangkammer der TSS-Zyklone entladene Feinteile,
entladen. Dies steht im Gegensatz zu dem Betrieb der Zyklone der
ersten und zweiten Stufe in dem FCC-Regenerator, bei denen 1 Gramm
Gas über
1000 Gramm FCC-Katalysator durch ein Tauchrohr abtransportiert.
Man kann sagen, dass in einem Feststoffentladungsstrom eines Separators
der dritten Stufe 10.000 bis 100.000 mal soviel Gas enthalten ist,
wie bei der Feststoffentladung über
das Tauchrohr eines primären
Zyklons. Es ist teilweise auf die relativ kleinen Feststoffmengen,
die beteiligt sind und auf die großen Gasvolumina, typischerweise
5 Größenordnungen
mehr Gas als Feststoffe, zurückzuführen, dass
es sich bei vielen TSS-Zyklonen um Zyklone mit offenem Boden handelt.
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Nachdem
das Gas den Gasauslass des Separators der dritten Stufe verlässt, weist
es im Vergleich zu dem Gas aus der ersten Zyklonstufe einen stark
verringerten Feststoffgehalt auf. Obwohl die Feststoffbeladung an
diesem Punkt nicht sehr groß ist,
kann die Feststoffmenge ausreichend sein, um Stromgewinnungsturbinen
zu zerstören
oder zu beschädigen,
und sie kann lokal vorhandene oder angestrebte Partikelemissionsgrenzwerte übersteigen,
die an manchen Orten nur etwa 50 mg/Nm3 betragen.
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Diese
Entwicklungen sind angesichts der zahlreichen Verbesserungen, die
sowohl bei der Zykloneffizienz als auch hinsichtlich der Katalysatoreigenschaften
erzielt wurden, etwas überraschend.
Die Zykloneffizienz hat sich im Verlauf der 50 Jahre, in denen FCC
in Raffinerien verwendet wurde, verbessert. FCC-Katalysatoren sind
stärker
und abnutzungsbeständiger.
Diese Faktoren (bessere Zyklone, stärkerer Katalysator) würden, wenn
sie alleine betrachtet werden, das FCC-Abgas sauberer machen. Verrechnungsfaktoren
beinhalteten eine Steigerung der Katalysatorzirkulationsraten, wobei
die Beladung der Zyklone multipliziert wurde. Höhere Zykloneffizienzen werden
erzielt, indem in den Zyklonen höhere
Geschwindigkeiten eingesetzt werden, um stärkere Zentrifugalkräfte zu erzeugen.
Die hohen Geschwindigkeiten können
sogar moderne, abnutzungsbeständige
Katalysatoren zerbrechen oder zerreißen, so dass mehr Feinteile
gebildet, die schwerer zurückzugewinnen
sind und außerdem
dazu tendieren, die Zyklone zu schwächen. Zyklone mit hoher Effizienz
(und hoher Geschwindigkeit) erhöhen
die Rückgewinnung
von Feinteilen, aber das Gas durchläuft mehr Durchgänge in dem
Zyklonkörper,
so dass die Katalysatorabnutzung zunimmt.
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Die
Partikelrückgewinnung
in herkömmlichen
Zyklonen mit großem
Durchmesser im Zusammenhang mit dem FCC-Regenerator hatte ein Plateau
erreicht. Refiner wendeten sich Separatoren der dritten Stufe (TSS)
mit vielen Zyklonen mit kleinem Durchmesser zu, um die Partikelentfernung
aus FCC-Abgas zu verbessern. Mechanisch sind Separatoren der dritten
Stufe komplex. Es werden zahlreiche TSS-Zyklone benötigt, um die großen Volumina,
die bei FCC-Abgasströmen
zusammentreffen, zu bewältigen.
Jeder Zyklon hat einen kleinen Durchmesser und wird entweder senkrecht
oder waagerecht angebracht. Ein Zyklonhersteller verwendet viele
kleine Zyklone mit einem Durchmesser von 10 inch (25,4 cm), um die
Zentrifugalkräfte
zu erhöhen und
um den radialen Abstand zu einer Wand, an der sich Feststoffe sammeln
könnten,
zu verringern. Da viele Zyklone erforderlich sind, ist es im Allgemeinen
notwendig, sie in einem einzigen Behälter zu installieren, der als
Verteiler fungiert. Durch die TSS-Einheit wurde es den Partikeln
erleichtert, die Wand des Zyklons zu erreichen, indem der Abstand
zu den Zyklonwänden
verringert wurde. Der Verrechnungsfaktor ist ein gewisser Druckabfall
und ein beträchtlicher
Kostenaufwand für
eine Einheit, die nur eine mäßige Verbesserung
der Feinteilenffernung ermöglicht.
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TSS-Einheiten
ermöglichten
den Refinern, eine neue Ebene der Feststoffrückgewinnung zu erreichen, bekannte
TSS-Einheiten waren für
Refiner, die Stromgewinnungsturbinen einsetzen wollten, aber nicht
immer angemessen. Die Refiner waren bei der Verbesserung der TSS-Zykloneffizienz
in einer ausweglosen Situation. Dann wurde durch die Entwicklungen
von Chitnis et al. (
US-Patent
5,681,450 ) der Betrieb von Zyklonen verbessert, insbesondere
ihre Leistung bezüglich
Partikeln mit weniger als 5 μm,
die sich in herkömmlichen Zyklonen
schwer entfernen lassen und deren Entfernung unter Verwendung elektrostatischer
Präzipitation schwierig
und kostspielig ist. Diese Verbesserungen reduzierten den Wiedereintrag
von Staub aus TSS-Einheiten. TSS-Zyklone hatten die Frage, wie das
mit den Feststoffen entladene Gas behandelt werden kann, nicht zufriedenstellend
bewältigt.
Relativ große
Gasmengen werden mit Feststoffen entladen, unabhängig davon, ob die Feststoffe
tangential über
einen Spalt in einer Seitenwand des Zyklongefäßes oder axial über einen offenen
Boden als Feststoffauslass auf der gegenüber liegenden Seite des Auslasses
für sauberes
Gas entladen werden. In einigen TSS-Zyklonen gibt es kein Tauchrohr
und es ist kein Raum für
eine Entlüftung
der Feststoffe. Die Feststoffe werden mit relativ hoher Geschwindigkeit
entladen und können
eine signifikante Gasmenge aspirieren. Die Feststoffe tragen eher übermäßige Gasmengen
hinaus als Gas die Feststoffe fluidisiert. Am Feststoffauslass der
TSS-Zyklone trägt
die beträchtliche
kinetische Energie in den Feststoffen Gas aus dem Zyklonkörper heraus.
Chitnis et al. fragten sich, was mit diesem Gas passiert und sie
beobachteten einen signifikanten und fluktuierenden Gasfluss aus
dem Längsschlitz
der Testzyklone heraus und hinein, der chaotisch zu sein schien.
Gas aus einem Zyklon strömte
in die Auffangkammer und gelangte dann zurück in denselben Zyklon sowie
in andere Zyklone. Eine Verringerung der Länge und Breite des Schlitzes
schien den Gasstrom und die Wechselwirkung zwischen den Zyklonen
zu verringern.
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Chitnis
et al. stellten fest, dass der entladene Katalysator immer Gas mit
sich in die Auffangkammer trug, in der kein Platz für dieses
Gas war. Nur eine kleine Menge dieses Gases wurde für den Unterlauf
benötigt.
Viel größere Mengen
an Gas verließen
den Zyklon und traten irgendwie wieder in den Zyklon ein. Chitnis et
al. beobachteten lokalisierte Katalysator/Gas-Entladungsstöße, die
sich mit einer umgekehrten Gasströmung zurück in den Gehäuseschlitz
hinein abwechselten. Dies war die einzige Möglichkeit, wie das mit der feststoffreichen
Phase entladene Gas aus der Auffangkammer zurück in die Zyklone hinein gelangen
konnte, da nicht genügend
Gas zusammen mit der Feststoffphase vom Boden der Vorrichtung entfernt
wurde, um die Massenbilanz der Zyklone auszugleichen. Chitnis et
al. schlossen daraus, dass alle TSS-Zyklone unbeabsichtigt Gas durch
den Feststoffauslass zurück
in den Zyklonkörper
recyclen oder zurückführen. Zurückgeführtes Gas
brachte Feststoffe mit sich zurück
in den inneren Wirbel des Zyklons und aus dem Gasauslassrohr heraus. Das
Problem ergab sich aus dem Weg, über
den das Gas in den Zyklonkörper
des Zyklons zurück
gelangt. In Abwesenheit anderer Mittel für den Gasrückfluss refluxierte dieses
Gas über
den Feststoffauslass in einem chaotischen oder räumlich und zeitlich zufällig fluktuierenden
Gegenstrom. Dieser Gasrückflussstrom
war gegenläufig
zu dem Ausfluss der Feststoffentladung. Ein Zyklon konnte zwischen
einer Entladungsphase mit hohem Feststoffgehalt und einer Rückflussphase
mit geringerem Feststoffgehalt abwechseln. Eine weitere Alternative
bestand darin, dass ein Ende eines Auslassschlitzes Feststoffe entlud,
während
das andere Ende des Schlitzes den Rückfluss zurück in den Zyklon erlaubte.
In jedem Fall bestand die Auswirkung des chaotischen Rückflusses über den
Feststoffauslass darin, dass die Gasströmungslinien des Tangentialflusses
innerhalb des Zyklonkörpers
unterbrochen wurden.
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Chitnis
et al. waren in der Lage, den Zyklonbetrieb zu stabilisieren und
die Menge der aus dem Gasauslassrohr entladenen Feinteile grob zu
halbieren, indem ein separates Gasrückflussmittel, vorzugsweise
im Boden des Zyklonkörpers,
bereitgestellt wurde. Es waren aber noch immer weitere Verbesserungen
in der Feststofftrennung der Separator-Zyklone der dritten Stufe
von Chitnis et al. erforderlich.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Entdeckung einer sekundären Zurückführung von
Katalysatorpartikeln in Separator-Zyklonen der dritten Stufe und
die Verwendung von Schilden zur Verbesserung der Feststofftrennung
und zur Verringerung der Feststoffmitführung in der Gasentladung aus
einem wenig chaotischen Gas/Feststoff-Zyklon-Separator. Kaltfluß-Untersuchungen
haben gezeigt, dass die Leistungsfähigkeit der Zyklone von Chitnis
et al. durch daran installierte Schilde merklich verbessert wurde.
Die Schilde verhindern eine sekundäre Zurückführung von Katalysator, der
bereits aus der Absetzkammer abgetrennt war. Dieses sekundäre Mitführungsphänomen wird
als gegenseitiger Austausch („Cross-Talk") bezeichnet. Die
Schilde, vorzugsweise in Form von Röhren, fungieren als Blenden
um das bodenseitige Ende der Rückflussröhren herum,
um diesen Cross-Talk im Wesentlichen zu verhindern. Insbesondere
dann, wenn die Zyklone in relativ dichtem Abstand zueinander angeordnet
sind und auf unterschiedlichen Höhen
enden, verhindern die Schilde im Wesentlichen, dass Feststoffe,
die aus dem Feststoffauslass eines benachbarten Zyklons entladen
werden, in dem Gasrückfluss
wieder mit in die Gasrückflussöffnungen
der Zyklone eingeführt
werden.
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In
einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen äußeren Separator
bereit, der eine Mehrzahl von Zyklonen in einem äußeren Separatorbehälter beherbergt.
Der Separator ist beispielsweise in einem katalysatischen Fluid-Cracking-Verfahren
verwendbar, bei dem eine Kohlenwasserstoff-Beschickung katalytisch durch
Kontakt mit einem regenerierten Crack-Katalysator in einem Crack-Reaktor
gecrackt wird, um leichtere Produkte und verbrauchten Katalysator
zu erzeugen, der verbrauchte Katalysator in einem Katalysator-Regenerator,
der einen oder mehrere Separatoren für die Rückgewinnung von Katalysator
und Feinteilen aus Abgas aufweist, regeneriert wird, um regenerierten
Katalysator, der dem Crack-Reaktor wieder zugeführt wird, und Regeneratorabgas,
welches Katalysatorfeinteile enthält, zu erzeugen. Der äußere Separator
entfernt wenigstens einen Teil der Feinteile aus dem Regeneratorabgasstrom.
Jeder der Zyklone weist einen Zyklonkörper, einen Abgaseinlass, ein
Gasauslassrohr, eine Gasrückflussöffnung und
ein Schild auf. Der Zyklonkörper
weist eine Länge,
eine Längsachse,
ein Einlassende und ein Auslassende auf. Der Abgaseinlass ist in
Fluidverbindung mit dem Einlassende des Zyklonkörpers. Das Gasauslassrohr in
dem Einlassende des Zyklonkörpers weist
eine Längsachse
auf, die mit der Längsachse
des Zyklonkörpers
ausgerichtet ist, um Gas mit einem verringertem Anteil an Feinteilen
zu entnehmen. Der Feststoffauslass ist in dem Auslassende des Zyklonkörpers angeordnet,
um Feinteile und eine kleine Menge an Gas in eine Auffangkammer
im einem unteren Abschnitt des äußeren Separatorbehälters zu
entladen. Die Gasrückflussöffnung ist
in dem Auslassende des Zyklonkörpers
fluid isoliert von dem Abgaseinlass an dem Einlassende des Zyklonkörpers angeordnet,
um einen Teil des mit den Feststoffen durch den Feststoffauslass
aus der Auffangkammer entladenen Gases zurück in den Zyklonkörper zu
führen.
Der Schild erstreckt sich von dem Auslassende des Zyklonkörpers um
die Gasrückflussöffnungen
nach unten, um zu verhindern, dass Feststoffe in dem durch die Gasrückflussöffnung zurückgeführten Gas
in den Zyklonkörper
eingebracht werden.
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Der
Zyklonkörper
ist vorzugsweise zylindrisch und der Feststoffauslass kann eine Öffnung in
einer Seitenwand für
die tangentiale Entladung von Feinteilen und einer kleinen Menge
Gas in die Auffangkammer beinhalten. Die Gasrückflussöffnung kann ein Loch oder ein
zylindrisches Rohr sein, mit einer Längsachse, die mit der Längsachse
des Zyklonkörpers
ausgerichtet ist, das durch eine Dichtung in dem Auslassende des
Zyklonkörpers
verläuft.
Das Gasrückflussrohr
entlädt
Gasrückfluss
vorzugsweise tangential in den Zyklonkörper. Der Beschickungsgas-Einlass
entlädt
Gas vorzugsweise tangential oder axial in den Zyklonkörper.
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Wenn
die Gasrückflussöffnung ein
Rohr ist, so kann es sich innerhalb des Zyklonkörpers über 0 bis 1 Zyklonkörperlängen erstrecken
und/oder es kann sich außerhalb
des Zyklonkörpers über 0 bis
1 Zyklonkörperlängen in
die Auffangkammer erstrecken. Wirbelbleche können in Fluidverbindung mit
der Gasrückflussöffnung stehen.
Der Gasrückflusseingang
in das Gasrückflussrohr
und/oder der Gasrückflussausgang
aus dem Gasrückflussrohr
können
tangential sein. Vorzugsweise erzeugen die tangentiale Entladung
aus dem Gasrückflussrohr
und aus dem Beschickungsgas-Einlass in den Zyklonkörper beide
einen Drall in die gleiche Richtung.
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Der
Schild kann eine beliebige geeignete Form aufweisen, er ist aber
vorzugsweise zylindrisch mit einem offenen unteren Ende und weist
vorzugsweise eine größere Querschnittsfläche auf
als die Gasrückflussöffnung.
Ein unteres Ende des Schildes endet vorzugsweise unterhalb eines
unteren Endes jedes unteren Endes des Gasrückflussrohrs. Ein oberes Ende
des Schildes setzt vorzugsweise das Auslassende des Zyklons fort.
Der Schild endet vorzugsweise an einem unteren Ende in einem Abstand
oberhalb einer dichten Feststoffphase in der Auffangkammer.
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In
einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung einen Zyklon-Separator
bereit, der einen Zyklonkörper mit
geschlossenem Boden mit einer Länge
und einer Längsachse
aufweist. Ein Beschickungsgas-Einlass ist an einem Einlassende des
Zyklonkörpers
angeordnet, für
einen Strom von Gas und mitgeführten
Feststoffen. Ein Gasauslassrohr in dem Einlassende weist eine Längsachse
auf, die mit der Längsachse
des Zyklonkörpers ausgerichtet
ist, um Gas mit verringertem Feststoffgehalt zu entnehmen. Ein Feststoffauslass
ist in einer Seitenwand des Zyklonkörpers angeordnet, für die tangentiale
Entladung von Feststoffen und einer kleinen Gasmenge aus dem Zyklon
mit geschlossenem Boden in eine Auffangkammer. Eine Gasrückflussöffnung ist
fluid isoliert von dem Beschickungsgas-Einlass, um Gas aus der Auffangkammer
zurück
in den Zyklonkörper
zu führen.
Ein Schild erstreckt sich von den Zyklonkörper um die Gasrückflussöffnung nach
unten. Die Gasrückflussöffnung kann
ein Rohr beinhalten, welches sich innerhalb des Zyklonkörpers über 0 bis
1 Zyklonkörperlängen erstreckt
und welches sich außerhalb
des Zyklonkörpers über 0 bis
1 Zyklonkörperlängen in
die Auffangkammer erstreckt. Der Schild erstreckt sich vorzugsweise
von dem Zyklonkörper
nach unten bis unter ein beliebiges unteres Ende des Gasrückflussrohrs.
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In
einem noch weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen
Zyklon-Separator bereit, der ein Gasrückflussrohr aufweist, welches
durch ein geschlossenes Ende eines wenigstens teilweise zylindrischen Zyklonkörpers mit
einer Länge,
einem Durchmesser und einer Längsachse
verläuft
und dicht an diesem befestigt ist. Das Rückflussrohr hat (a) einen kleineren
Durchmesser als der Durchmesser des Zyklonkörpers, (b) einen Rückflusseinlass
außerhalb
des Zyklonkörpers
und (c) einen Rückflussausgang
innerhalb des Zyklonkörpers.
Der zylindrische Zyklonkörper
weist als eines seiner Enden ein verschlossenes Ende auf und ein
Gasauslassrohr, das dicht an einem gegenüber liegenden Ende des Zyklonkörpers befestigt
ist und durch dieses hindurch verläuft. Das Gasauslassrohr hat
einen kleineren Durchmesser als der Durchmesser des Zyklonkörpers und
eine Längsachse,
die axial mit dem Zyklonkörper
ausgerichtet ist. Der Rückflussausgang
befindet sich in einem Abschnitt des Gasrückflussrohres, das axial mit
dem Gasauslassrohr ausgerichtet ist. Ein tangentialer Gas- und Feststoffeinlass
erzeugt eine Fluidverbindung mit dem gegenüber liegenden Ende des Zyklonkörpers, welches
Gas und mitgeführte
Feststoffe aufnimmt. Ein Feststoffauslass ist vorgesehen, um einen konzentrierten
Feststoffstrom mit einem kleinen Gasanteil aus dem Zyklonkörper über wenigstens
eine Öffnung
in einer Seitenwand des Zyklonkörpers
in der Nähe
des verschlossenen Endes zu entladen. Der Feststoffauslass und der
Gasrückflusseinlass
sind außerhalb
des Zyklonkörpers
fluid verbunden. Ein Schild ist zwischen dem Feststoffauslass und
dem Gasrückflusseinlass
angeordnet, um die Mitführung
von Feststoffen aus dem Feststoffauslass in den Gasrückflusseinlass
zu verhindern. Vorzugsweise erstreckt sich das Rückflussrohr auf jeder Seite
des Zyklonkörpers über eine
Strecke, die 0 bis 100% der Länge
des Zyklonkörpers
entspricht und der Schild erstreckt sich von dem Zyklonkörper nach unten
bis unter jedes untere Ende des Gasrückflussrohrs unterhalb des
Zyklonkörpers.
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Noch
ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
sie einen Multi-Zyklon Gas/Feststoff-Separator bereitstellt, der
eine Mehrzahl von Zyklonen aufweist, die in horizontalem Abstand
von benachbarten Zyklonen angeordnet sind. Jeder Zyklon weist einen
Zyklonkörper
auf, der ein Beschickungseinlassende für die Zufuhr von Gas und mitgeführten Feststoffen
in einen ringförmigen
Raum beinhaltet, der durch eine Seitenwand des Zyklonkörpers und
ein axial mit dem Zyklonkörper
ausgerichtetes zylindrisches Gasauslassrohr begrenzt ist. Ein Feststoffauslass
an einem gegenüber
liegenden Ende des Zyklonkörpers weist
einen tangentialen Auslass für
Feststoffe und eine kleine Gasmenge durch eine Seitenwand des Zyklonkörpers auf.
Eine Gasrückflussöffnung ist
axial mit dem Auslassrohr ausgerichtet. Die Mehrzahl der Zyklone teilt
sich eine gemeinsame Auffangkammer für Feststoffe, die aus dem Feststoffauslass
entladen werden und einen gemeinsamen Verteiler für die Zufuhr
von Gas und mitgeführten
Feststoffen. Eine Mehrzahl von Schilden, die in der Auffangkammer
angeordnet sind, verhindert die Entladung von Feststoffen aus dem
tangentialen Auslass der benachbarten Zyklone in die Nähe eines
Einlasses der Gasrückflussöffnung.
Die Gasrückflussöffnung beinhaltet
vorzugsweise ein Rohr mit einem inneren Abschnitt innerhalb des
Zyklonkörpers
und einem äußeren Abschnitt,
der sich in die Auffangkammer erstreckt, wobei der innere Abschnitt
unperforierte Seitenwände
und offene Enden beinhaltet und der äußere Abschnitt ein zylindrisches
Rohr aufweist, das an dem Ende angeschlossen ist und sich in die
Auffangkammer nach unten erstreckt und umgeben ist von dem Schild, der
einen größeren Durchmesser
als das sich nach unten erstreckende zylindrische Rohr aufweist.
Der Schild weist vorzugsweise ein unteres Ende auf, das unterhalb
des untersten Endes des sich unten erstreckenden zylindrischen Rohres
endet.
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Außerdem stellt
die vorliegende Erfindung in einem weiteren Aspekt eine Verbesserung
in einem Multi-Zyklon Gas/Feststoff-Separator bereit, welcher eine
Mehrzahl von Zyklonen umfasst, die waagerecht von benachbarten Zyklonen
beabstandet sind, von denen jeder einen Zyklonkörper umfasst, der (i) ein Beschickungseinlassende
für den
Zutritt von Gas und mitgeführten
Feststoffen in einen ringförmigen
Raum, der durch eine Seitenwand des Zyklonkörpers und ein mit dem Zyklonkörper axial
ausgerichtetes zylindrisches Gasauslassrohr definiert ist; (ii)
einen Feststoffauslass an einem gegenüber liegenden Ende des Zyklonkörpers mit
einem tangentialen Auslass für
Feststoffe und eine kleine Gasmenge durch eine Seitenwand des Zyklonkörpers und (iii)
eine axial mit dem Auslassrohr ausgerichtete Gasrückflussöffnung aufweist,
worin die Mehrzahl von Zyklonen sowohl eine gemeinsame Auffangkammer
für aus
dem Feststoffauslass entladene Feststoffe als auch einen gemeinsamen
Verteiler für
Gas und mitgeführte
Feststoffe teilt. Die Verbesserung umfasst eine Mehrzahl von Schilden,
die in der Auffangkammer angeordnet sind, um die Entladung von Feststoffen
aus dem tangentialen Auslass der benachbarten Zyklone in die Nähe eines
Einlasses der Gasrückflussöffnung zu
verhindern. Bei den Schilden handelt es sich vorzugsweise um zylindrische
Rohre, die sich vom Feststoffauslassende des Zyklonkörpers um
die Gasrückflussöffnungen
nach unten erstrecken. Die Schilde können einen größeren Durchmesser
aufweisen als die Gasrückflussöffnungen
und ein offenes unteres Ende. Die unteren Enden der Schilde enden
vorzugsweise unterhalb eines unteren Endes der Gasrückflussöffnungen
und oberhalb eines Niveaus einer dichten Feststoffphase in dem Auffangbehälter. Die
unteren Enden der Schilde enden abhängig von den Zyklonkörpern vorzugsweise
auf in etwa derselben Höhe
in dem Auffangbehälter.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist die Bereitstellung einer Apparatur
zur Auftrennung eines Gas/Feststoff-Gemischs. Die Apparatur beinhaltet
einen Zyklon mit geschlossenem Boden, eine Gasrückflussöffnung in einem unteren Ende
des Zyklons und ein Schild, der sich von einem unteren Ende des
Zyklons um die Gasrückflussöffnung erstreckt.
Der Schild setzt vorzugsweise den Zyklon fort, wobei er die Gasrückflussöffnung umgibt.
Die Gasrückflussöffnung beinhaltet
vorzugsweise einen röhrenförmigen Durchgang.
Der Schild kann ein konzentrisches Rohr sein mit einem Innendurchmesser,
der größer ist
als eine Außenwand
des röhrenförmigen Durchgangs.
Das Rohr endet vorzugsweise unterhalb eines untersten Endes des
röhrenförmigen Durchgangs.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Trennung eines
Gas/Feststoff-Gemischs.
Das Verfahren beinhaltet die Schritte des Einbringens des Gemischs
durch jeweilige Einlässe
einer Mehrzahl benachbarter Zyklone mit geschlossenem Boden, Entladen
von feststoffarmen Gas aus oberen Enden der jeweiligen Zyklone,
Entladen von Feststoffen, die mitgeführtes Gas enthalten, aus tangentialen
Auslässen
an unteren Enden der jeweiligen Zyklone, Zurückführen eines Teils des mitgeführten Gases
in die Zyklone durch Rückflussöffnungen,
die in unteren Enden der jeweiligen Zyklone ausgebildet sind, und
Abschirmen der Rückflussöffnungen
von den tangentialen Auslässen
benachbarten Zyklone der Mehrzahl von Zyklonen, um Cross-Talk zu verhindern.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Apparatur zur Trennung eines
Gas/Feststoff-Gemischs.
Die Apparatur beinhaltet Mittel zum Einbringen des Gemischs durch
jeweilige Einlässe
einer Mehrzahl benachbarter Zyklone mit geschlossenem Boden, Mittel
zum Entladen von feststoffarmen Gas aus unteren Enden der jeweiligen
Zyklone, Mittel zum Entladen von Feststoffen, die mitgeführtes Gas
enthalten, aus tangentialen Auslässen
an unteren Enden der jeweiligen Zyklone, Mittel zum Zurückführen eines
Teils des mitgeführten
Gases in die Zyklone durch Rückflussöffnungen,
die in unteren Enden der jeweiligen Zyklone ausgebildet sind, und Mittel
zum Abschirmen der Rückflussöffnungen
von den tangentialen Auslässen,
um Cross-Talk zu verhindern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 (Stand
der Technik) ist eine vereinfachte schematische Ansicht eines Separators
der dritten Stufe des Standes der Technik und zeigt Zyklone mit
geschlossenem Boden mit Wiedereintrittsrohren.
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2 ist
eine vereinfachte schematische Ansicht des Separators der dritten
Stufe aus 1 nach einer Modifikation, bei
der Abschirmungsrohre entsprechend des Prinzips einer Ausführung der
Erfindung aufgenommen wurden.
-
3 ist
eine vereinfachte Ansicht eines Zyklons mit einem Wiedereintrittsschild
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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4 ist
eine vereinfachte Draufsicht des Zyklons aus 3, entlang
der Linie 4-4 betrachtet.
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5 ist
eine vereinfachte schematische Ansicht der Testausstattung als Kaltflussmodell
der erfindungsgemäßen Zyklone.
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6 ist
ein vereinfachtes Aufsichtsdiagramm, welches die Konzeption der
Zyklone und das Einlassrohr in der Testausstattung von 5 zeigt.
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7 ist
eine grafische Darstellung der Teilchengrößenverteilung in dem Gasauslass
aus den mit Schilden ausgestatteten Separator-Zyklonen der dritten
Stufe (-♢-♢-♢-) gemäß der vorliegenden Erfindung und
ohne Schilde (-•-•-•-) gemäß des Standes
der Technik.
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Beschreibung der Erfindung
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1 (Stand
der Technik) ist ein Separator der dritten Stufe (TSS), der dem
Zyklon-Separator
mit verringertem Chaos aus
US-Patent
5,681,450 von Chitnis et al. entspricht. TSS
100 erhält ein Feinteile-enthaltendes
FCC-Abgas über
den Einlass
102. Das Beschickungsgas wird in der Verteilerkammer
104 zu
den Einlässen
einer Mehrzahl von Zyklonen
106 verteilt. Jeder Zyklon
106 ist
mit Eingangswirbelblechen (nicht gezeigt; siehe
3)
ausgestattet, um ein Tangentialflussmuster in einem Gehäuse
108 hervorzurufen.
Feinteile sammeln sich an der Wand jedes Gehäuses
108 und werden
aus jedem Feststoffausgangsschlitz
110, der in einem unteren
Ende davon ausgebildet ist, entladen. Mit den Feststoffen in den
Auffangbehälter
112 entladenes
Gas tritt über
ein Gasrückflussrohr
114 wieder
in jedes Gehäuse
108 ein.
Sauberes Gas wird über
jedes Auslassrohr
116 entnommen und aus dem Behälter über den
Gasauslass
118 entnommen. Feststoffe, welche sich in dem
Auffangbehälter
112 sammeln,
werden über
den Feststoffauslass
120 entfernt.
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Jeder
der Zyklone 106 weist im Wesentlichen dieselbe Größenordnung
auf, d.h. jedes Gehäuse 108 hat
dieselbe Länge
und denselben Durchmesser. Da die Höhe des Verteilerkanals 104 typischerweise
nach unten tendiert, wenn sie sich von der Mitte des Behälters nach
außen
erstreckt, wird sich auch die Höhe
der Feststoffausgangsschlitze 110 nach unten neigen. Daher
werden die Zyklone 106 an einer äußeren Position einen Feststoffausgangsschlitz- 110 aufweisen,
unterhalb des Bodens der Zyklone 106 in einer inneren Position
liegt. Wir nehmen an, dass dieser Unterschied in der Höhe der Zyklone 106 zu
Cross-Talk zwischen den Feststoffausgangsschlitzen 110 und
dem unteren Ende der Wiedereintrittsrohre 114 beiträgt. Den
Feststoffausgangsschlitz 110 von dem benachbarten Zyklon 106 weg
zu richten verhindern den Cross-Talk nicht, da in dem TSS 100 üblicherweise
hunderte von relativ dicht beieinander liegenden Zyklonen 106 vorhanden
sind. Außerdem
sind jeweils in alle waagerechten Richtungen Zyklone 106 beabstandet,
was insbesondere für
die mittigen Zyklone 106 im Zentrum und im Außenbereich
des TSS 100 zutrifft.
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2 zeigt
den TSS aus 1, wobei jeweils die letzten
beiden Stellen der Bezugszeichen in den 1 und 2 verwendet
werden, um einander entsprechende Teile zu kennzeichnen. Die Zyklone 206 wurden
mit jeweiligen Schildrohren 222 nachgerüstet, entsprechend der Prinzipien
der vorliegenden Erfindung. Obwohl jedes Gehäuse 208 der Zyklone 206 auf
einer anderen Höhe
in der Auffangkammer 212 endet, relativ zu benachbarten
Zyklonen 206, die dichter in der Mitte des TSS 200 oder
weiter von dieser entfernt liegen, weisen die Schilde 222 eine
umgekehrt entsprechende Länge
auf, so dass die unteren Enden der Schilde 222 alle auf
in etwa derselben Höhe
enden, vorzugsweise oberhalb jeder Feststoffphase in der Auffangkammer 212.
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3 zeigt
eine vereinfachte Schnittansicht eines bevorzugten Zyklons der Erfindung
und 4 zeigt eine Bodenansicht desselben Zyklons. Das
Einlassgas und mitgeführte
Feststoffe treten axial in den Ring zwischen dem Gehäuse 208 und
dem Gasauslassrohr 216 ein, wo sie durch die Wirbelbleche 224 tangential
geleitet werden. Der Gasfluss windet sich spiralartig um das Auslassrohr 216.
Die Zentrifugalkraft wirft die Partikel gegen die Wand des Gehäuses 208.
Feststoffe sammeln sich als relativ dünne, zirkulierende Schicht
von Partikeln, die durch einen oder mehrere tangentiale Staubauslässe 210 entladen
werden. Der Zyklon 206 weist einen geschlossenen Boden 226 auf,
der vorzugsweise ein Blindflansch 228 ist, der an einen
Gegenflansch 230 an unteren Ende des Gehäuses 208 geschraubt
ist. Ein Gasrückeingang
ist durch ein mittig angeordnetes Rohr 214 bereitgestellt,
welches durch den Blindflansch 228 verläuft und/oder an diesem befestigt
ist. Obwohl nicht erforderlich hat das Schildrohr 222 günstigerweise
denselben Durchmesser wie das Gehäuse 208 und ist an
den Blindflansch 228 angeschweißt oder auf andere Weise daran
befestigt. Bei der Nachrüstung
eines Zyklons von Chitnis et al. wird der Schild 222 an
jedem Zyklon angebracht, indem beispielsweise das Schildrohr 222 an
der unteren Oberfläche
des Blindflansches 228, welcher das Wiedereintrittsrohr 214 trägt, angeschweißt wird.
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Obwohl
der mit einem Schild versehene Wiedereintrittszyklon 206 in
einem Beispiel mit Bezug auf die speziellen Merkmale des Zyklons 206 in
den 2-4 beschrieben ist, kann der
abgeschirmte Zyklon selbstverständlich
eine beliebige Form eines in Chitnis et al. beschriebenen Zyklons
mit geschlossenem Boden, der mit einem Gasrückfluss ausgestattet ist, aufweisen
und so verändert
sein, dass der Schild 222 der vorliegenden Erfindung enthalten
ist.
-
Die
Erfindung wird durch Bezugnahme auf die folgenden Beispiele besser
verständlich.
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Beispiel – Kaltflussmodell
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Die
Leistungsfähigkeit
von Zyklonen mit axialem Eingang mit und ohne Schilde in einer großen Kaltflusseinheit
wurde untersucht. Die Kaltflusseinheit wurde ausgehend von einer
kommerziellen Bauweise maßstäblich verkleinert
und stellte einen vorhandenen Separator der dritten Stufe (TSS)
mit der Bauweise von Chitnis et al. dar, in welchem sich Katalysatorpartikel
in den Gasrückflussrohren
einiger der TSS-Zyklone angesammelt hatten. Das Kaltflussmodell
wies vier Zyklonelemente in Betrieb- und zwei Zyklonelemente die
nicht in Betrieb waren auf, Größe, Einlassgasgeschwindigkeit
und Staubbeladung waren für
den Auslass eines kommerziellen FCC-Regenerators typisch, wie aus
dem in Tabelle 1 gezeigten Vergleich der Grundbauweise hervorgeht: Tabelle 1 Grundbauweise einer Raffinerie TSS-Kaltflusseinheit
| | TSS-Kaltflussmodell | Raffinerie
TSS-Design |
| EINLASS | | |
| Anzahl
der Fenster | 2 | 16 |
| Flussaufteilung
(nominal) (ober/unter) % | 60/40 | 60/40 |
| Fenstergeschwindigkeit,
ft/s | 91 | 91 |
| Fenster,
H/W | | |
| Ober | 1,125 | 0,95 |
| Unter | 0,75 | 0,61 |
| Verweildauer
im Verteilerkanal, sec. | 0,36 | 0,48 |
| ZYKLONE | | |
| Anzahl | 6 | 169 |
| ID,
ins | 10 | 10 |
| Länge, ft. | 5 | 5 |
| Einlasskonfiguration | Wirbelblech | Wirbelblech |
| Wirbelblechgeschwindigkeit,
ft/s | 244 | 248 |
| Unterfluss,
% | 3 | 3 |
| Staubauslass
(H/W) | 1,67 | 1,67 |
| Staubschlitzgröße | 1,5'' × 2,5'' | 1,5'' × 2,5'' |
| Wiedereintrittsrohrgröße | 1'' sch 40 | 1'' sch 40 |
| Gasgeschwindigkeit
im Wiedereintrittsrohr, ft/s | 42 | 49 |
| Schild
ID, in. | 10 | Keine
Schilde |
| Gasgeschwindigkeit
in Schildrohren, ft/s | 0,4 | Keine
Schilde |
-
Das
schematische Diagramm der Testanlage ist in 5 gezeigt.
Der Katalysator wurde mittels Luftabführung in die Einlassröhre 310 zugegeben.
Die Testanlage wurde unter Vakuum betrieben, in dem der Auslassgasfilter-Auspuff 314 mit
dem Einlass eines Luftgebläses 316 verbunden
wurde. Die Einlassröhre 310 wurde
mit dem Einlassverteilerkanal 320 durch Ablenkfenster 322 verbunden.
Die Ablenkung gewährleistete eine
gute Verteilung der eintretenden staubbeladenen Luft in den Einlassverteilerkanal 320.
Der Einlassverteilerkanal 320 war auf eine für eine herkömmliche
TSS-Bauweise typische Art und Weise gebogen. Die katalysatorbeladene
Luft trat in die Axialfluss-Zyklone 322 über deren
Wirbelbleche 324 ein. 6 zeigt
den Plan der Anordnung des Einlassrohrs 310 und der Zyklone 322 (in
-
6 als
Zyklone 322A bis 322F bezeichnet) über der
Absetzkammer 328. Die Zyklone 322a bis 322F wurden
wie in einem typischen TSS in einem triangularen Winkel angeordnet.
Der Zyklonkörper 326 endete
in einer Absetzkammer (Haltegefäß) 328 unterhalb
des Einlassverteilerkanals 320, die einen Durchmesser aufwies,
der an die Aufwärtsströmung in
einem typischen kommerziellen TSS angepasst war. Der konzentrierte Staub
und mitgebrachtes Gas verließen
die Zyklone 322 durch den Feststoffausgangsschlitz 323 in
die Absetzkammer 328. Ein Teil des Gases mit dem aufkonzentrierten
Staub wurde durch das Unterflussgefäß 330 belüftet und
dann bei 332 filtriert, bevor es mit dem sauberen Gas aus
den Gasauslassfiltern 334 vor Eintritt in den Sog des Luftgebläses 316 kombiniert
wurde. Die Gasströmungsrate
durch die Unterflussbahn 336 wurde gemessen und mittels
eines Drosselventils (nicht gezeigt) reguliert. Der Staub in dem
Unterflussgas wurde in dem Unterflussfilter 332 entfernt.
-
Der übermäßige Gasstrom,
der durch den Feststoffausgangsschlitz in die Absetzkammer 328 gelangt war,
strömte
zurück
in die Zyklone 322 durch das Wiedereintrittsrohr 340,
welches sich am Boden des Zyklons 322 befand. Der Abschnitt
des Zyklons 322. welcher den Staubausgangsschlitz 323 und
das Wiedereintrittsrohr 340 enthielt, war als separates
Spulenstück
konzipiert, um eine schnelle Umorientierung der Staubschlitzentladung
zu ermöglichen.
Das saubere Gas verließ den
Zyklon durch die Röhre 342 in
den Auslassverteiler 344, von wo aus es durch die Auslassfilter 334 strömte, um
jegliche mitgeführte
Katalysatorpartikel zu entfernen. Das saubere Gas, kombiniert mit
dem sauberen Unterflussgas, strömte
dann über
die Leitung 314 in den Sog des Gebläses 316. Der Gasfluss
wurde gemessen, aber nicht reguliert. Die Gesamtgasflußrate durch
die Einheit (und Druckeinheit) wurde manuell mit dem Dämpfer 346 am
Ausgang des Gebläses 360 kontrolliert. Die
Einheit war durchgehend mit Heißdraht-Anemometern,
Staudruckmessern, Manometern und Druckmessgeräten für Strömungs- und Druckmessungen ausgestattet,
einschließlich
Vorkehrungen für
Heliumgas-Tracer und Aufzeichnung der Gasgeschwindigkeiten in dem
Zyklon 322 und der Verteilerkammer.
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Jeder
Zyklon 322 hatte einen Innendurchmesser von 10 Inch (25,4
cm) und eine Länge
von 5 Fuß (125,4
cm)). Der Staubauslassschlitz maß eine Höhe von 2,5 Inch (6,35 cm) bei
einer Breite von 1 oder 1,5 Inch (2,54 oder 3,81 cm). Das Wiedereintrittsrohr 340 war
eine Röhre
mit nominal 1 Inch (2,54 cm), 2 Inch (5,08 cm) oder 3 Inch (7,62
cm). Die Gasgeschwindigkeit durch die Wirbelbleche 324 betrugt
etwa 240-250 ft/s (73,1-76,2
m/s) und die Staubbeladung betrugt 0,332 Körner pro tatsächlichem
Kubikfuß.
Bei einer Gasunterflussrate von 3% betrug die Gasgeschwindigkeit
in dem 1-Inch-Wiedereintrittsrohr 340 etwa
40-50 ft/s.
-
Ein
Katalysatorbeschickungsgemisch wurde hergestellt, indem 22,5 Gew.-%
frischer FCC-Gleichgewichtskatalysator, 44 Gew.-% des Einfangs aus
der vierten Stufe einer Raffinerie und 33,5 Gew.-% des Einfangs
aus dem elektrostatischen Präzipitator
von der Raffinerie miteinander vermischt wurden. Die Anteile wurden
so gewählt,
dass sie so genau wie möglich
der typischen kommerziellen TSS-Einlass Teilchengrößenverteilung
entsprechen und vor der Verwendung wurde sorgfältig vermischt. Ungefähr 0,002
lb/lb an LAROSTAT 519 wurden zu dem Beschickungsgemisch
zugegeben, um elektrostatische Effekte zu minimieren. Ein Coulter-Zähler wurde
für Messungen
der Teilchengrößen verwendet
und ausgewählte Messungen
wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie überprüft.
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Die
Schilde 335 hatten die gleichen Innen- und Außendurchmesser
wie der Hauptkörper
der Zyklone 322 und jedes der Schilde 322 endete
auf derselben Höhe
wie die anderen Schilde 335 deutlich unterhalb des unteren
Endes der Wiedereintrittsrohre 340, aber oberhalb des oberen
Niveaus des dichten Betts in der Absetzkammer 328. Die
Zyklone des TSS endeten aufgrund der Krümmung des Einlassverteilers 320 nicht
auf derselben Höhe
in der Absetzkammer 328. Folglich entluden einige der Staubschlitze
in Richtung des Eingangs einiger Wiedereintrittsrohre 340.
Das Gas, welches aus der Absetzkammer 328 in die Zyklone 322 eintrat,
führte
ebenfalls Katalysator mit sich, aufgrund der Nettoaufwärtsgeschwindigkeit
innerhalb der Kammer 328. Die Testergebnisse zeigten, dass
die Schilde 335 für
den Betrieb des TSS vorteilhaft waren. Sie erhöhten die gesamte Sammeleffizienz
der Zyklone 322 um fast 6% und sie entfernten alle Partikel
mit einer Größe von mehr
als 10 μm
in dem sauberen Gasstrom, welcher die Zyklone 322 ohne
Schilde 335 verließ.
Wie in 7 gezeigt ist, ergab ein Vergleich der Partikelverteilung
für die
TSS-Elemente mit und Schilde 335, dass in dem sauberen
Gas nach Installation der Schilde 335 keine Teilchen mit
einer Größe von mehr
als 10 μm
vorhanden waren. Die Grenzgröße (die
maximale Teilchengröße in dem
sauberen Gasauslass des TSS) wurde durch die Installation der Schilde 335 im
Wesentlichen nicht verändert.
In anderen Worten, beeinträchtigten
die Schilde 335 die primäre Funktion der Zyklone 322 nicht
nachteilig, sie eliminierten oder verringerten nur den sekundären Partikelwiedereintrag
aus der Absetzkammer 328. Die Ergebnisse aus dem Kaltflussmodell
zeigten, dass die Gesamtleistung des TSS gesteigert wurde, indem
sekundärer
Wiedereintrag aus der Absetzkammer durch die Installation von Schilden
eliminiert wurde. Der sekundäre
Wiedereintrag ist die Folge von Katalysatorpartikeln, die einen
Zyklon in dichter Nachbarschaft zu den Gasrückflussrohren benachbarter
Zyklone verlassen und in einen benachbarten Zyklon über dessen
Rückflussrohr
aspiriert werden.
-
Die
Staubabsetzkammer 328 zeigte eine starke Luftzirkulation
im Uhrzeigersinn (von oben betrachtet), was durch breite Staubbänder, die
sich in einem absteigenden Muster entlang der Wand zogen, angezeigt
wurde. Die Staubbänder
waren in der Nähe
der Staubauslass-Zyklone 322E, 322F angehoben
und verliefen in der Nähe
von Zyklon 322A nach unten, was vermuten lässt, dass
die Nähe
des Auslasses der verschiedenen Zyklone 322 zu der Wand
der Kammer 328 und die Ausrichtung der Zyklonstaubauslassschlitze
in erster Linie die Rotationsgeschwindigkeit und Richtung bestimmen.
Die Kombination von linksdrehenden mit rechtsdrehenden Zyklonen
war reichte nicht aus, um die Rotation in der Kammer 328 zu
eliminieren. Diese Rotationsbewegung in der Absetzkammer 328 veränderte sich
nicht, wenn Zyklon 322E aus der Gasströmungsbahn isoliert wurde. Die
Rotation in der Absetzkammer 328 war noch immer recht stark,
nachdem der Unterfluss abgeschaltet wurde, was nahelegt, dass ein
wesentlicher Anteil der Luft durch die Zyklonstaubschlitze austrat
und dann durch die Wiedereintrittsrohre 340 wieder eintrat.
Eine Erhöhung
der Größe des Wiedereintrittsrohrs 340, das
Hinzufügen
von Schilden 335 oder die Blockierung einiger Wiedereintrittsrohre 340 veränderte das
grobe Zirkulierungsmuster in der Absetzkammer 328 nicht.
-
Die
Leistung der verschiedenen in diesem Beispiel untersuchten Zyklonkonfigurationen
wurde auf Basis ihrer Sammeleffizienz und der Katalysatorreste mit
einer Größe von mehr
als 10 μm
in dem sauberen Gas verglichen. Die untersuchten Konfigurationen
waren:
- – Grunddesign
(1'' Wiedereintrittsrohre 340 und
ohne Schilde 335)
- – Zyklon
mit 1'' Wiedereintrittsrohren 340 und
Schilden 335
- – Zyklon
mit 3'' Wiedereintrittsrohren 340 und
Schilden 335
-
Das
Hinzufügen
von Schilden 335 zu dem Zyklon 322 mit dem 1'' Wiedereintrittsrohr 340 erhöhte die Effizienz
von 83,7 auf 90%. Eine Vergrößerung des
Durchmessers des Wiedereintrittsrohrs 340 von nominal 1'' auf nominal 3'' verringerte
die Sammeleffizienz um fast 2%.
-
Die
Auswirkungen einer Veränderung
des prozentualen Unterflusses (1-5%) der nominalen Zykloneinlassgeschwindigkeit
(100-250 ft/s), Staubbeladung, verstopfte Wiedereintrittsrohre,
verstopfte Wirbelbleche, verstopftes Einlassfenster, feinere Teilchengröße und größeres Wiedereintrittsrohr
(2 und 3 in.) wurden ebenfalls untersucht.
-
Die
Auswirkung der Unterflussrate auf die Leistung des Zyklons 322 wurde systematisch
bei einer Zykloneinlassgeschwindigkeit von 195 ft/s für das Zyklongrunddesign
ohne Schilde untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Zykloneffizienz
mit der Unterflussrate bis zu einer Unterflussrate von 4% erhöhte und
die Effizienz dann bei einer weiteren Erhöhung der Unterflussrate leicht
abfiel. Die Zykloneffizienz für
den Zyklon mit 3'' Wiedereintrittsrohr
schien unempfindlich gegenüber
einer Unterflussrate von mehr als 4% zu sein. Der bei dem Grunddesign
beobachtete leichte Effizienzabfall oberhalb von 4% Unterflussrate
könnte
auf eine erhöhte
Turbulenz in der Absetzkammer infolge der getrennten Katalysatorpartikel
zurückzuführen sein.
Das Vorhandensein von Schilden und die Verringerung der Wiedereintrittsgeschwindigkeit
schien bei den Zyklonen mit den 3'' Wiedereintrittsrohren
und Schilden den Wiedereintrag von Katalysatorpartikeln mit zunehmender Unterflussrate
zu verringern. Eine Erhöhung
der Unterflussrate bei konstanter Zykloneinlassgeschwindigkeit erhöhte die
Menge der +10 μm
Materialien in dem sauberen Gas nicht.
-
Die
Auswirkungen der Zykloneinlassgeschwindigkeit bei konstanter Unterflussrate
von 3% auf die Leistung bei dem Zyklongrunddesign zeigten, dass
sich die Zykloneffizienz von etwa 81% auf ein Maximum von 87% erhöhte und
dann bei einer weiteren Erhöhung
der Zykloneinlassgeschwindigkeit von 110 ft/s auf 249 ft/s leicht
abfiel. Die maximale Effizienz lag bei einer Zykloneinlassgeschwindigkeit
von 200 ft/s vor. Unterhalb einer Zykloneinlassgeschwindigkeit von
185 ft/s waren alle aus dem sauberen Gas gesammelten Katalysatorpartikel
kleiner als 10 μm
im Durchmesser. Die Konzentration der Teilchen mit +10 μm in dem
sauberen Gas nahm bei Zykloneinlassgeschwindigkeiten von mehr als
190 ft/s stark zu. Bei der maximalen untersuchten Geschwindigkeit
betrug die Konzentration von +10 μm
Partikeln 10 mg/Nm3.
-
Der
Zyklondruckabfall zwischen dem Einlass- und dem Auslassverteiler
erhöhte
sich mit der Einlassgeschwindigkeit des Zyklons 322. Der
Druckabfall des Zyklons 322 stand allgemein im Verhältnis zu
der Einlassgeschwindigkeit des Zyklons 322 über die
folgende Gleichung: ΔP = 0,00107
pVel1,8 (1)
-
Der
Druckabfall zwischen dem Einlass und der Absetzkammer 328 erhöhte sich
ebenfalls mit der Einlassgeschwindigkeit. Der Druckabfall erhöhte sich
bei einer Erhöhung
der Größe des Wiedereintrittsrohres 340.
Dies lag daran, dass der Gasausfluss des Zyklons 322 aus
dem Feststoffausgangsschlitz sich erhöhte, wenn der Durchmesser des
Wiedereintrittsrohres erhöht
wurde.
-
Der
Druckabfall des Wirbelblechs 324 hing mit der Einlassgeschwindigkeit
des Zyklons 322 zusammen als ΔP = 1e–0,5 Vel1,96 (2)
-
Etwa
25% des Druckabfalls von Zyklon 322 wurde durch die Wirbelbleche 324 aufgenommen.
-
Die
Teilchengrößenverteilungen
des Katalysators in dem sauberen Gas bei 195 ft/s (mit 6 Zyklonen) und
bei 244 ft/s (mit 4 Zyklonen) zeigten, dass in dem sauberen Gas
Partikel mit einer Größe von mehr
als 10 μm
vorhanden waren, wenn die Zyklone bei höherer Einlassgeschwindigkeit
betrieben wurden. Die Teilchengrößenverteilung
bei 244 ft/s Einlassgeschwindigkeit zeigte zwei Grenzgrößen, eine
bei ungefähr
6 μm und
die andere bei ungefähr
50 μm. Das
Material zwischen 6 und 50 μm
scheint auf das Wiedereintreten von Katalysator aus der Absetzkammer 328 bei
einer Erhöhung
der Zykloneinlassgeschwindigkeit zurückzuführen zu sein. Diese Zyklone
wiesen keine Schilde 335 auf. Der erste Grenzdurchmesser
für die
höhere
Einlassgeschwindigkeit war kleiner als der Grenzdurchmesser bei
der niedrigeren Zykloneinlassgeschwindigkeit. Dies zeigte, dass
die Zykloneffizienz zunahm, wenn die Einlassgeschwindigkeit erhöht wurde.
-
Die
Geschwindigkeit bei dem Wiedereintrittsrohr 340 wurde bei
einer konstanten Unterflussrate von 3% mittels Helium-Tracermessung
bestimmt. Die Geschwindigkeit bei dem Wiedereintrittsrohr 340 erhöhte sich,
wenn die Zykloneinlassgeschwindigkeit erhöht wurde, da mehr Gas durch
den Staubschlitz in die Absetzkammer 328 austrat. Bei der
Geschwindigkeit der Raffinerie-Zykloneinlassbauweise war die durch
Helium-Tracer gemessene
Geschwindigkeit am Wiedereintrittsrohr 340 um mehrere Größenordnungen
höher als
angenommen.
-
Die
Leistung des TSS bei einer feineren Einlassstaubpartikel-Größenverteilung
wurde untersucht, indem im Vergleich zu den für die übrigen Tests verwendeten Beschickungsgemisch-Teilchengrößenverteilungen
Feinteile injiziert wurden. Die Feinteile enthielten 66% kleinere
Katalysatorpartikel als 10 μm,
wohingegen das normale Beschickungsgemisch nur 24% der Katalysatorpartikel
mit weniger als 10 μm
enthielt. Der Test wurde mit den Zyklonen 322 mit 3'' Wiedereintrittsrohren 340 und
Schilden 335 durchgeführt.
Bei ungefähr
derselben Einlassgeschwindigkeit und Staubbeladung verringert sich
die Zykloneffizienz bei der Beschickung mit einer feineren Teilchengrößenverteilung
um 21%. Die Größenverteilung
der Katalysatorfeinteile in dem sauberen Gas wurde jedoch nicht
durch die Größe der Beschickung
beeinflusst. Es gab selbst dann keine 10+ μm Partikel in dem sauberen Gas,
wenn der Zyklon zu 66% mit Partikeln mit weniger als 10 μm beschickt
wurde. Dies ließ vermuten,
dass die Effizienzstufe des Zyklons 322 konstant und unabhängig von
der zugegebenen Teilchengrößenverteilung
war.
-
Die
Auswirkung der Eingangsstaubbeladung auf die Leistung der Zyklone
wurde charakterisiert, indem die Sammeleffizienz bei verschiedenen
Eingangsstaubbeladungen untersucht wurde. Die Eingangsstaubbeladung
wurde zwischen 400 mg/Nm3 und 900 mg/Nm3 variiert. Die verwendeten Zyklone 322 wiesen
Schilde 335 und 3'' Wiedereintrittsrohre 340 auf.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Effizienz von Zyklon 322 mit
der Eingangsstaubbeladung um etwa 6% zunahm, wenn die Staubbeladung
des Zyklons 322 verdoppelt wurde.
-
Die
Auswirkung des Durchmessers des Wiedereintrittsrohrs 340 auf
die Zyklonleistung wurde untersucht. Zwei Wiedereintrittsrohre 340 mit
einer Größe von 2,02'' (nominal 2'')
und 2,97'' (nominal 3'') ID wurden zusätzlich zu dem 1,049'' (nominal 1'')
Wiedereintrittsrohr 340 der Grundausführungsform untersucht. Außerdem wurden
Schilde 335 an den Zyklonen 322 angebracht. Die
Untersuchungen der Leistungen der Zyklone 322 bei den drei
Größen von
Wiedereintrittsrohren 340 zeigte, dass eine leichte Verringerung
der Zykloneffizienz auftrat, wenn das Wiedereintrittsrohr 340 von
1,029'' auf 2,97'' ID vergrößert wurde. Die Leistung des
größten Wiedereintrittsrohrs 340 war
in etwa dieselbe wie die des Zyklons 322 mit einem 1'' Wiedereintrittsrohr 340 ohne
Schilde 335; es gab jedoch keine +10 μm Partikel in dem sauberen Auslassgas.
-
Eine
Vergrößerung des
Wiedereintrittsrohrs 340 von 1,049'' auf
2,97'' führte zu
einer Verringerung der Geschwindigkeit am Wiedereintrittsrohr 340 von
400 ft/s auf 100 ft/s. Obwohl die Geschwindigkeit am Wiedereintrittsrohr 340 verringert
wurde, stieg die Menge des Gases, welches aus dem Staubschlitz austrat,
ebenfalls an, was dazu führte,
dass bei konstanter Unterflussrate ein größerer Nettostrom an Gas durch
das Wiedereintrittsrohr 340 in den Zyklon 322 eintrat.
Die Turbulenz in der Absetzkammer 328 nahm daher zu, wenn
die Größe des Wiedereintrittsrohrs 340 bei
einer konstanten Unterflussrate erhöht wurde. Dennoch wurde durch
Verringerung der Wiedereintrittsgas-Geschwindigkeit die Menge des
Katalysators, der aus der Absetzkammer 328 wieder eingebracht
wurde, verringert.
-
Die
Untersuchung der Auswirkung des Durchmessers des Wiedereintrittsrohrs 340 auf
die TSS-Auslasspartikel-Größenverteilungen
(PSD) zeigte, dass der Grenzwert der Auslass-Teilchengrößenverteilung
sich von 5 μm
auf 3 μm
verringerte, wenn das Wiedereintrittsrohr 340 von 1,049'' auf 2,02'' oder
2,97'' vergrößert wurde.
Eine Vergrößerung der
Größe des Wiedereintrittsrohrs 340 kann
die Funktionsfähigkeit
der Einheit ohne signifikanten Effizienzverlust des Zyklons 322 verbessern.
-
Ein
Test ohne Einlassumlenkung wurde durchgeführt, um zu bestimmen, ob die
Entfernung der Einlassumlenkung zu einer schlechteren Verteilung
von Gas und Katalysator in den Zyklonen 322 führen und
deren Leistung beeinträchtigten
würde.
Dies geschah in Reaktion auf eine Vermutung, dass das Vorhandensein der
Einlassumlenkung dazu führen
könnte,
dass die oberen Fenster mit refraktorischen Trümmern verstopft werden könnten. Die
in diesem Test verwendeten Zyklone 322 wiesen Schilde 335 und
Wiedereintrittsrohre 340 mit nominal 3'' auf.
Die Ergebnisse zeigten, dass die Entfernung der Einlassumlenkung
die Sammeleffizienz der Zyklone nicht nachteilig beeinträchtigte
und dass es in dem sauberen Gasstrom, welcher die Zyklone verließ, keine
Partikel mit 10+ μm
gab. Der Einlassdruckabfall war ohne die Einlassumlenkung niedriger.
-
Ein
einzelner Test wurde durchgeführt,
um die Auswirkung der Größe des Staubausgangsschlitzes
auf die Zyklonleistung zu untersuchen. Dieser Test wurde mit Zyklonen 322 mit
Wiedereintrittsrohren 340 mit nominal 3'' und
Schilden 335 bei einem Unterfluss von 3% durchgeführt. Die
Breite des Staubausgangsschlitzes wurde von den in der Grundausführungsform
verwendeten 1,5'' auf 1,0'' verringert. Die Höhe des Schlitzes von 2,5'' wurde nicht verändert. Die Ergebnisse wurden
mit Zyklonen 322 vergleichen, die eine Standardschlitzbreite
von 1,5'' aufwiesen. Eine
Verringerung der Schlitzbreite bei konstanter Unterflussrate führte zu
einer Verringerung der Effizienz von Zyklon 322 um ungefähr 4%, aber
der Druckabfall über
die Zyklone 322 wurde nicht beeinflusst. Die Gasströmungsrate
aus dem Spalt heraus veränderte
sich nicht, aber ihre Geschwindigkeit erhöhte sich um ungefähr 87 ft/s
aufgrund der Verkleinerung der Schlitzfläche. Dies könnte eine Zunahme der Turbulenz
in der Absetzkammer 328 bewirkt haben, was daher zu einer
stärkeren
Wiedereinführung
von Katalysator führt.
Es war auch plausibel, dass der Staubausfluss aus dem Zyklon 322 bei
einer Verringerung der Schlitzbreite gehemmt wurde, so dass eine
Zunahme des inneren Wiedereintrags des Staubs in den Wirbel verursacht
wurde.
-
Die
Ergebnisse des Verstopfens der Wiedereintrittsrohre 340 – in dem
Durchgang wurden 25% der Wiedereintrittsrohre 340 verstopft
(ein Wiedereintrittsrohr 340) – wurden verglichen mit Daten
aus zwei Tests, die unter ähnlichen
Bedingungen mit unverstopften Wiedereintrittsrohren 340 durchgeführt wurden.
Auf Grundlage der Daten schien das Verstopften von 1 von insgesamt
4 Wiedereintrittsrohren 340 keine negative Auswirkung auf
die Wirksamkeit des Zyklonsystems zu besitzen. Auch der Druckabfall über die
Zyklone 322 veränderte
sich nicht.
-
Eine
gekrümmte
Plexiglasplatte (nicht gezeigt) wurde verwendet, um das obere Einlassfenster 320 abzudecken,
um den Effekt eines verstopften Einlassfensters in der kommerziellen
Einheit zu simulieren. Die Ergebnisse zeigten, dass ein Verstopfen
des Einlassfensters weder die Zyklonsammeleffizienz beeinträchtigte, noch
eine Verringerung der +10 μm
Partikel im sauberen Gas verursachte. Allerdings erhöhte sich
dadurch der Druckabfall über
die Einlassröhre,
da sämtliches
Gas durch das untere Fenster hindurch ging.
-
Ein
weiterer Test wurde durchgeführt,
um die Auswirkung des vollständigen
Verstopfens der Wirbelbleche 324 einiger Zyklone 322 zu
untersuchen, während
ihr Staubausgangsschlitz, die Wiedereintrittsrohre 322 und
Gasauslassrohre offen blieben. Der Test wurde mit vier funktionierenden
Zyklonen 322 durchgeführt, während zwei nicht
funktionierende Zyklone (322B, 322E) blockiert
blieben und ihre Staubausgangsschlitze, Wiedereintrittsrohre 340 und
Gasauslassrohre offen blieben. Die Ergebnisse zeigten einen signifikanten
Abfall der Zyklonsammeleffizienz, was zu einer scharfen Zunahme
an 10+ μm
Partikeln in dem sauberen Gas, welches die Zyklone 322 verließ, führte. Eine
Blockierung oder Verstopfung der Wirbelbleche 324 führte zu
einem groben Gas- und Feststoff-Kurzschluss zwischen der Absetzkammer 328 und
dem Auslassverteilerkanal 344. Dies erzeugte einen Vakuumeffekt,
der sämtliche
Staubpartikel, die üblicherweise
nach dem Durchgang an den Wänden
und Flanschen hafteten, weggeputzt wurden und in der Absetzkammer 328 wurde
wenig Staub gesammelt. Diese Fehlermöglichkeit wirkte sich von den
drei untersuchten Möglichkeiten
am katastrophalsten auf den Betrieb des Zyklonsystems aus. Sie führte zu
einer unmittelbaren Leistungsverschlechterung. Eine teilweise Blockierung
der Wirbelbleche 324 könnte
denselben Effekt hervorrufen, wäre
aber weniger dramatisch.
-
Die
Ergebnisse aus dem oben beschriebenen Kaltflussmodell zeigten, dass
das Vorhandensein großer
Partikel in dem sauberen Auslassgas des TSS ohne Schilde durch den
Wiedereintrag von bereits abgetrennten Katalysatorpartikeln aus
der Absetzkammer verursacht wurde. Es gab ein starkes Maß an Turbulenz und
die abgetrennten Partikel bewegten sich in der Absetzkammer im Uhrzeigersinn.
Es wurde gefunden, dass die Gas/Feststoff-Austrittsgeschwindigkeit
aus dem Zyklon höher
ist als konzipiert und dass infolge dessen die austretenden Katalysatorpartikel
in die Nähe
des Eingangs der Gaswiedereintrittsrohre benachbarter Zyklone ausgeworfen
wurden. Die Geschwindigkeit des Gases, welches den Zyklon durch
das Wiedereintrittsrohr betritt, war um mehrere Größenordnungen
höher als
für die
Bauweise angenommen und dies verursachte einen sekundären Wiedereintrag
von Katalysatorpartikeln aus der Absetzkammer. Es wurde gefunden,
dass durch das Hinzufügen
von Schilden an dem Boden der Zyklone Cross-Talk verhindert wurde
und dass sekundärer Wiedereintrag
verringert und +10 μm
Partikel aus dem sauberen Gas eliminiert wurden.
-
Zusätzlich zur
Installation des Schilds erwiesen sich die beiden folgenden zusätzlichen
Modifikationen als vorteilhaft für
den Betrieb der Einheit: (1) Vergrößerung des Wiedereintrittsrohrs
von nominal 1 Inch auf nominal 3 Inch, was zu einer leichten Verringerung
der Gesamtsammeleffizienz des TSS führte, aber die Verstopfungsneigung
der Wiedereintrittsrohre reduzierte; und (2) Entfernung der Einlassumlenkung,
um eine mögliche Verstopfung
der oberen Fenster mit refraktorischen Trümmern zu verhindern. Dies wirkte
sich nicht auf die Zyklonleistung der Kaltflusseinheit aus.
-
Beispiele – Hypothetische Katalysatorfeinteile
-
Ein
weiteres Beispiel für
die Auswirkung der Schilde auf die TSS-Leistung besteht darin, die
TSS-Leistung mit einer hypothetischen Zusammensetzung von Katalysatorfeinteilen
in dem Einlassgasstrom auf Basis der Kaltflussmodell-Ergebnisse
zu bewerten. Unter der Annahme einheitlicher Teilchengrößen von
5, 10, 20 und 60 Mikrometern sind in den Tabellen 3 bzw. 4 die Effizienz,
Sammelrate und Partikelverlust im sauberen Gas für Rückflussrohre ohne Schild und
mit Schild gezeigt. Tabelle 3. Leistung eines TSS ohne Schilde
| Teilchengröße (μm) | Beschickungsrate (lb/h) | Sammelrate
(lb/h) | Effizienz
(%) | Verlustrate
zu sauberem Gas (lb/h) |
| 5 | 30 | 24,1 | 80,3 | 5,9 |
| 10 | 20 | 17,6 | 88,2 | 2,4 |
| 20 | 20 | 19,6 | 97,8 | 0,4 |
| 60 | 30 | 29,9 | 99,5 | 0,1 |
Tabelle 4. Leistung eines TSS mit Rückflussrohren
mit Schild
| Teilchengröße (μm) | Beschickungsrate (lb/h) | Sammelrate
(lb/h) | Effizienz
(%) | Verlustrate
zu sauberem Gas (lb/h) |
| 5 | 30 | 29,5 | 98,4 | 0,5 |
| 10 | 20 | 20 | 100 | 0 |
| 20 | 20 | 20 | 100 | 0 |
| 60 | 30 | 30 | 100 | 0 |
-
Ohne
Schilde werden einige große
Partikel aus der Sammelkammer aus den Zyklonen wiedereintragen.
Durch die Installation der erfindungsgemäßen Schilde wird der Wiedereintrag
verhindert.
-
Ein
Multi-Zyklon Gas/Feststoff-Separator mit verringertem Feststoffwiedereintrag
wird offenbart. Der Separator verwendet eine Mehrzahl von Zyklonen,
die waagerecht von benachbarten Zyklonen beabstandet sind, um Abgas,
welches restliche Katalysatorfeinteile enthält, zu verarbeiten. Jeder Zyklon
weist einen Körper auf,
der ein Beschickungseinlassende für den Zutritt von Gas und mitgebrachte
Feststoffe in einen ringförmigen
Raum aufweist, der durch eine Seitenwand des Zyklonkörpers und
ein mit dem Zyklonkörper
axial ausgerichtetes zylindrisches Gasauslassrohr begrenzt ist.
Ein Feststoffauslass an einem gegenüber liegenden Ende des Zyklonkörpers weist
einen tangentialen Auslass für
Feststoffe und ein kleine Gasmenge durch eine Seitenwand des Zyklonkörpers auf.
Eine Gasrückflussöffnung ist
axial mit dem Auslassrohr ausgerichtet. Die Mehrzahl der Zyklone
teilt sich sowohl eine gemeinsame Auffangkammer für aus dem
Feststoffauslass entladene Feststoffe als auch einen gemeinsamen
Verteiler für
Gas und mitgeführte
Feststoffe. Eine Mehrzahl von Schilden ist in der Auffangkammer
angeordnet, um die Entladung von Feststoffen aus dem tangentialen
Auslass der benachbarten Zyklone in die Nähe eines Einlasses der Gasrückflussöffnung zu
verhindern.