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SACHGEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet von
Laboratoriumstestsystemen, insbesondere von Laboratoriumstestsystemen,
die bei der Untersuchung von Katalysatoren anwendbar sind, und die
insbesondere bei der Untersuchung von Katalysatoren bei Reaktionen
mit kurzer Kontaktzeit zwischen einem Katalysator und einem Reagenz
anwendbar sind, wie, zum Beispiel, bei der Simulation von katalytischen
Fluid-Cracking- bzw. Spalt-Prozessen von Kohlenwasserstoffen anwendbar
sind.
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STAND DER TECHNIK
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Der
FCC-("Fluid Catalytic
Cracking")-Prozess
ist heutzutage das Herzstück
einer modernen Raffinerie. Die derzeitige Tendenz zum Verbessern
des Ertrags von FCC-Einheiten
ist diejenige, bei einer zunehmend hohen Reaktionstemperatur und
bei Kontaktzeiten zu arbeiten, die kürzer und kürzer werden, um die Selektivität zu leichten
Olefinen hin, die chemischen Grundprodukte in petrochemischen Prozessen,
zu erhöhen.
Um die Umwandlungsniveaus beizubehalten, werden Katalysatoren hinzugefügt, die
mineralische Komponenten, wie beispielsweise Zeolithe, enthalten
oder darauf getragen werden können.
Solche Prozesse sind für
sich bekannt. So beschreibt das Patent US-4985136 einen FCC-Prozess
mit ultrakurzer Kontaktzeit, bei dem die Verwendung eines Katalysators
mit einem Zeolith-Gehalt höher
als 40% und einer Kontaktzeit in dem Intervall von 0,1 bis 2 Sekunden,
vorzugsweise von 0,2 bis 0,5 Sekunden, vorgeschlagen wird. Dieses
Patent hebt das Nichtvorhandensein eines katalytischen Laboratorumstests,
um diesen Prozess zu studieren, aufgrund der hohen Aktivität des Katalysators,
der verwendet wird, und der sehr kurzen Reaktionszeit, hervor.
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Die
gewöhnlichen
Typen eines Laboratoriumstests herkömmlicher Katalysatoren besitzen
einige Grenzen. So ist der Test ASTM-D3907 für einen MAT-(Microreaktivitäts-Test)-Reaktor mit
fixiertem Bett oder für
die Einheiten mit fixiertem Fluidbett (FFB) nicht gut für Vorgänge mit
sehr kurzen Kontaktzeiten geeignet. Auch arbeiten sie in einer diskontinuierlichen
Art und Weise, während
der FCC-Prozess ein kontinuierlicher Prozess ist.
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Die
durchschnittlichen Konversionswerte, die bei dem Test erhalten werden,
können
zu Fehlern führen,
wenn Katalysatoren mit sehr unterschiedlichen Deaktivierungsmustern
verglichen werden. Das fixierte Fluidbett bietet eine bessere Kontrolle
gegenüber
der Reaktionstemperatur, und, entsprechend der Beschreibung des
Patents US-6069012, bietet es die Möglichkeit, das es in der Lage
ist, die Kontaktzeit der Kohlenwasserstoffe mit dem Katalysator
ohne Ändern
des Katalysator-/Beschickungsmengen-Verhältnisses der Zuführrate zu
variieren. Allerdings ist diese Kontaktzeit nicht gut definiert.
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Piloteinheiten
simulieren industrielle Anlagedaten viel genauer, allerdings sind
sie teuer und verbrauchen große
Mengen an Katalysator- und Beschickungsmaterial im Vergleich zu
den Erfordernissen der vorliegenden Erfindung.
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Einige
Einheiten sind in neuerer Zeit für
eine Simulation in kleinem Maßstab
einer katalytischen Krackung in einer realistischeren Art und Weise
als der Standard ASTM-D3907
entwickelt worden: Riser Simulator® (DeLasa
US-A-5102628) und Microriser® (Helmsing, Makkee, Moulijn,
Chem. Eng. Sci., S1, Seiten 3039–3044, 1996). Insbesondere
wird die Verweilzeit des Gases in dem Reaktor besser kontrolliert
und kann sehr kurz werden (0,15 Sekunden für Microriser). Allerdings zeigen
sie noch einige Nachteile. In dem Riser Simulator variiert die Kontaktzeit
zwischen 2 und 20 Sekunden, was eine zu lange Zeit zum Simulieren
der neuen FCC-Prozesse ist, die vorgeschlagen sind; auch kann die
Rückgewinnung
des schwersten Teils der Reaktionsprodukte ein Problem sein. In
dem Microriser ist der Vorgang isotherm, was bedeutet, dass der
thermische Schock zwischen dem heißen Katalysator und der kälteren Ladung
nicht reproduziert werden kann. Ein anderer Nachteil liegt in den Änderungen
der Richtung, denen der Katalysator in dem vorgeschlagenen Design
unterliegt, nämlich
ein Rückmischen
könnte
in den Biegungen des Reaktors stattfinden. Um diesen Effekt zu minimieren,
muss der Katalysator unter einer hohen Geschwindigkeit (mehr als
4 Meter pro Sekunde) mitgerissen werden, was mit sich bringt, dass
die Menge eines inerten Bestandteils, der zum Sicherstellen des
Druckflusses des Katalysators notwendig ist, den Partialdruck der
Kohlenwasserstoffe auf ungefähr
1/5 des Gesamtdruckes an dem Einlass des Beschickungsmaterials herabsetzt,
und hohe Konzentrationen des Katalysators können nicht in dem Reaktor verwendet
werden. Weiterhin sind die Mengen an Feststoff, die für einen
Test verwendet werden, relativ hoch, ungefähr 500 Gramm, und die Zeiten,
die für
die Trennung der Produkte und des Feststoffes und zum Mitreißen der
absorbierten Produkte ("Stripping") benötigt werden,
sind größer als
10 Minuten. Dies bedeutet, dass, für einen Vorgang, bei dem die
Kontaktzeit zwischen dem Katalysator und der Beschickungsmenge geringer
als 1 Sekunde ist, eine Stripping-Zeit von 10 Minuten oder mehr
entgegengesetzt proportional lang sein wird und dazu führen kann,
dass eine zusätzliche
Krackung in dieser Stufe auftreten kann, was nicht erwünschte Produkte,
wie beispielsweise H2 Methan und Ethan,
erzeugt.
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Das
Ziel dieser Erfindung ist eine Laboratoriumseinheit, die dazu geeignet
ist, den kontinuierlichen Betrieb des FCC, oder anderer Vorgänge, wie
zum Beispiel selektive Oxidationen von Kohlenwasserstoffen, ausgeführt in einem
stromabgeführten
Strömungsreaktor,
zu simulieren, und der eine Studie der Aktivität und der Selektivität von Katalysatoren
und den Einfluss der Belastung auf die Reaktivität und die Selektivität des Katalysators
ermöglicht.
Die Verweilzeiten in dem Reaktor sind kurz, zwischen 0,1 und 5 Sek.,
die Einheit kann in einem weiten Bereich von Katalysator-/Beschickungsmengen-Verhältnissen,
zwischen 2 und 100, bei hohen Temperaturen, zwischen 100 und 750°C, und mit
kurzen Separationszeiten zwischen Katalysator- und Reaktionsprodukten,
zwischen 20 und 200 Sekunden, die der Reaktionsphase flogen, arbeiten.
Weiterhin besitzt das Reaktionssystem den Vorteil, dass die Gesamtdauer
des Experiments kurz ist, zwischen 200 und 300 Sekunden, was kleine
Mengen an Katalysator und Beschickungsmaterial (zwischen 10 und
200 Gramm) erfordert. Das Beschickungsmaterial an Feststoff, das
in der Abwärtsrichtung
vorhanden ist, wie es in dem Reaktor der vorliegenden Erfindung
auftritt, besitzt eine Reihe von Vorteilen in Bezug auf den klassischen
Aufbau eines Reaktors mit ansteigender Strömung (Reaktorsteiger). So muss
das Gas nicht zu dem Feststoff gedrückt werden, um durch den Reaktor
fortzuschreiten, es ist keine minimale Geschwindigkeit eines Gases
vorhanden, die erforderlich ist, damit es durch den Feststoff zirkuliert.
Demzufolge sind keine Einschränkungen
in Bezug auf die Dichte des Feststoffes, wie in dem Fall des klassischen
Reaktors vom Steiger-Typ, aufgrund der erforderlichen, minimalen
Geschwindigkeit des Gases, vorhanden. Der Reaktor kann so kurz sein,
wie dies erwünscht
ist, ohne die allgemeine Zirkulation des Feststoffs in der Anlage
zu beeinträchtigen,
wodurch folglich sehr kurze Verweilzeiten des Katalysators und der
Produkte in dem Reaktor erreicht werden können. Schließlich muss
bei der Zirkulation in der Abwärtsrichtung
eine viel geringere Rückmischung
des Katalysators stattfinden, und die Strömung ist noch ähnlicher
zu einer "Piston-Strömung". Dies ermöglicht,
dass die Verweilzeit, sowohl des Gases als auch des Feststoffes,
mit einer viel größeren Zuverlässigkeit,
kontrolliert werden kann.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Um
die Nachteile zu beseitigen, die den Einheiten und Testverfahren
des Stands der Technik eigen sind, und um die Vorteile, die vorstehend
beschrieben sind, zu erreichen, schafft die vorliegende Erfindung
eine Versuchseinheit, insbesondere für die Untersuchung von Katalysatoren
bei Reaktionen mit kurzer Kontaktzeit zwischen wenigstens einem
Katalysator und wenigstens einem Reagenz, die umfasst:
einen
Reaktor mit wenigstens einem Zuführeinlass
zum Zuführen
einer Einspeisung bzw. eines Beschickungsmaterials, die wenigstens
ein Reagenz und wenigstens einen Katalysator enthält, der
an der Versuchsreaktion beteiligt sein muss, und wenigstens einem
Abgabeauslass für
die Abgabe des Katalysators und der Reaktionserzeugnisse, die aus
der Versuchsreaktion resultieren, eine Trenneinrichtung, mit der
der Katalysator von den Reaktionserzeugnissen getrennt wird, wobei
der Reaktor einen Zugangseinlass aufweist, durch den die Reaktionserzeugnisse
und der Katalysator in die Trenneinrichtung gelangen, sowie wenigstens
einen Entleerungsauslass, durch den wenigstens die Reaktionserzeugnisse
entleert werden, die vom Katalysator getrennt wurden, und Einrichtungen
zum Erwärmen
wenigstens eines Teils der Einheit. In dieser Einheit ist der Reaktor ein
abwärts
transportierender Strömungsreaktor
mit einem Höhen-/Durchmesserverhältnis von
mindestens 5, insbesondere von 50 bis 500, und es kann ein rohrförmiger Reaktor
sein,
wobei der Zuführeinlass
in dem oberen Teil des Reaktors angeordnet ist und der Abgabeauslass
in einem unteren Teil des Reaktors angeordnet ist,
wobei der
Zugangseinlass und wenigstens ein Entleerungsauslass in einem oberen
Teil der Trenneinrichtung angeordnet sind,
wobei die Einrichtungen
zum Erwärmen
wenigstens eine erste Vorwärmeinrichtung
mit wenigstens einem Behälter,
der den Katalysator vor der Versuchsreaktion aufnimmt, um den Katalysator
auf die gewünschte
Temperatur zu erwärmen,
bevor er dem Reaktor zugeführt
wird, enthalten, wobei die erste Vorwärmeinrichtung wenigstens einen
Auslass aufweist, der mit dem Einlass des Reaktors durch eine Zuführleitung
derart verbunden ist, dass, zwischen dem Auslass aus der ersten
Vorwärmeinrichtung
und dem Zuführeinlass
des Reaktors Absperreinrichtungen vorgesehen sind, die geschlossen
sind, wenn der Ka talysator auf die gewünschte Katalysatortemperatur
in der ersten Vorwärmungseinrichtung
erwärmt
wird, und sich öffnen,
wenn der Katalysator auf die gewünschte
Katalysatortemperatur erwärmt
wurde, um den Katalysator in den Reaktor einzugeben,
wobei
die Trenneinrichtung im Inneren durch ein poröses Element, vorzugsweise eine
poröse
Platte, hergestellt aus z.B. Quarz oder rostfreiem Stahl, und vorzugsweise
aus INCONEL 600, in eine obere Kammer und eine untere Kammer unterteilt
ist, wobei das poröse
Element für
Gas durchlässig
und für
feste Partikel des Katalysators undurchlässig ist und der Zugangseinlass
mit der oberen Kammer verbunden ist, und
wobei der Abgabeauslass
aus dem Reaktor mit dem Zugangseinlass verbunden ist.
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Im
Hinblick auf die Tatsache, dass, gemäß der Erfindung, die Versuchseinheit
auf einer Abwärtsströmung des
Beschickungsmaterials beruht, wird sie auch als "Microdowner" oder mit der Abkürzung "MD" in
der vorliegenden Beschreibung identifiziert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die erste Vorwärmeinrichtung
eine Vielzahl von Behältern auf,
wobei jeder dazu vorgesehen ist, separate Katalysatoren aufzunehmen
und zu erwärmen,
die für
eine Vielzahl von Versuchen bestimmt sind. In dieser Ausführungsform
können
die Behälter
mit dem Zuführeinlass
zu dem Reaktor durch eine Zuführleitung
verbunden sein, wobei zwischen jedem Tank und dem Zuführeinlass einzelne
Absperreinrichtungen eingefügt
sind, oder jeder der Behälter
kann mit dem Zuführeinlass
zu dem Reaktor über
einen individuellen Einlasskanal verbunden sein, wobei in einem
solchen Fall jeder individuelle Einlasskanal Absperreinrichtungen
besitzt, die darin eingesetzt sind. Das Vorhandensein von mehreren
Behältern in
der ersten Vorwärmeinrichtung
ermöglicht
das aufeinander folgende Testen mehrerer Katalysatoren in einer kontinuierlichen
Art und Weise, ohne irgendein Erfordernis einer Handhabung durch
den Bediener.
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Die
Absperreinheiten können
in einer solchen Art und Weise angeordnet sein, dass sie dann, wenn sie
geschlossen sind, die erste Vorwärmeinrichtung
von dem Reaktor isolieren. So können
die Absperreinrichtungen, zum Beispiel, kommerzielle HT-(Hochtemperatur)-Ventile
sein, die als Ventile vorgefunden werden können, die bis zu einer Temperatur
von 816°C
arbeiten. In einer bevorzugten Anordnung besitzt jeder Behälter einen
unteren, schmalen und einen verlängerten
Teil mit einem Höhen-/Durchmesserverhältnis zwischen
5 und 50, um dadurch eine gleichförmigere Temperatur in dem gesamten
Behälter
zu erreichen. Der Behälter besitzt
ein ausreichendes Volumen, um die Menge an Katalysator, die dazu
benötigt
wird, einen Test durchzuführen,
plus einer zusätzlichen
Menge von 10 bis 30 Gramm an Katalysator, die dazu dient, eine Dichtung
zwischen dem Reaktor und der Atmosphäre in dem Behälter beizubehalten,
aufzunehmen.
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Vorzugsweise
besitzt die erste Vorwärmeinrichtung
eine ausreichende Wärmekapazität, um den
Katalysator bis zu einer Temperatur zwischen 100°C und der maximalen Temperatur,
der die Absperreinrichtungen standhalten können und bei der sie deren
Funktionalität,
um zu arbeiten, beibehalten, aufzuheizen, mit anderen Worten eine
maximale Temperatur von 800°C,
wenn die Absperreinrichtungen kommerzielle HT-Ventile sind. Auch
kann die erste Vorwärmeinrichtung
mit einem Vorsättigungsgaseinlass
zum Füllen
jedes Behälters
mit einem Vorsättigungsgas
versehen sein, das einen Innendruck erzeugt, der den Katalysator
zu dem Reaktor hin treibt, wenn die Absperreinrichtungen geöffnet sind.
Der Auslass von der ersten Vorwärmeinrichtung
ist vorzugsweise auch mit einer ersten Gasleitung verbunden, die
fluidisierendes Gas führt,
das den Katalysator fluidisiert, bevor es in den Reaktor eingegeben
wird.
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In
einer Ausführungsform
des Reaktors weist der Zuführeinlass
für den
Reaktor einen Reagenzeinlass auf, der sich mit der Reagenzzuführleitung
verbindet, und weist einen Katalysatoreinlass auf, der sich mit
dem Katalysatorzuführkanal
verbindet. In dieser Ausführungsform
kann die Zuführleitung über ein
erstes Ende mit einem Zuführungsinjektor
zum Injizieren von Reagenzien durch den Reagenzeinlass des Reaktors
verbunden sein, wobei der Zuführungsinjektor
auch in der Lage ist, mit einer Zuführleitung verbunden zu werden,
die ein inertes Gas führt,
das mit den Reagenzien gemischt wird, bevor sie in den Reaktor eingegeben
werden. In diesem Fall kann die Injektion der Reagenzien in den
Reaktor über
ein erstes Rohr mit einem kleinen Durchmesser (zum Beispiel 1/16'') vorgenommen werden, während das
inerte Gas in dem Reaktor mittels eines zweiten Rohrs mit einem
etwas größeren Durchmesser
als das erste Rohr (zum Beispiel 1/8'')
eingeführt
werden kann, das das erste Rohr umgibt, mit anderen Worten sind
das erste Rohr und das zweite Rohr konzentrisch in einer solchen
Art und Weise angeordnet, dass das inerte Gas durch den Raum zwischen
der Innenwand des zweiten Rohrs und der Außenwand des ersten Rohrs hindurchführt, was
die Tropfen an Flüssigkeit,
die das erste Rohr verlassen, vernichtet. Dieser Aufbau besitzt
den Vorteil, dass die Qualität
einer Zerstäubung
der Reagenzien mittels einer Minimierung der Tropfen, gebildet durch
die Reagenzien, verbessert wird, und die Reagenzien werden davor
bewahrt, dass sie auf der Innenwand des Reaktors in der Reagenzeinlasszone
niedergeschlagen werden und dort anhaften. Der Raum zwischen dem
ersten und dem zweiten Rohr ist vorzugsweise schmal, um eine hohe
Rate eines Einlasses des Gases zu erhalten, was ein stärkeres Aufbrechen
der Tröpfchen
der Reagenzien, die in den Reaktor eintreten, hervorruft und deren
Verdampfungsrate erhöht.
Auf diese Art und Weise laufen die injizierten Reagenzien und das
Einlassgas zusammen in den Reaktor in der Abwärtsrichtung.
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Mindestens
ein Führungsventil
kann in die Zuführleitung
eingesetzt werden, wobei dieses Ventil, in einer ersten Position,
zulässt,
dass die Strömung
der Reagenzien zu dem Reaktor vorliegt, und in einer zweiten Position
die Zuführung
der Strömung
der Reagenzien in den Reaktor verhindert. Dieses Führungsventil
kann ein Dreiwegeventil mit einem geringen Todvolumen sein, das,
zusätzlich
zu diesen zwei Positionen, auch eine dritte Position annehmen kann,
in der die Reagenzien zu, zum Beispiel, einer externen Aufnahme
gerichtet werden.
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In
einem Abschnitt der Zuführleitung
kann eine zweite Vorwärmeinrichtung
zum Erwärmen
der Reagenzien, bevor sie in den Reaktor eingegeben werden, vorgesehen
sein, und, vorzugsweise, wird sie auch zumindest zwischen der zweiten
Vorwärmeinrichtung
und dem Einlass zu dem Reaktor erwärmt, oder, wenn es möglich ist,
bis zu dem Einlass des Injektors. Die zweite Vorwärmeinrichtung
besitzt vorzugsweise eine ausreichende Heizkapazität, um die
Reagenzien auf eine Reaktionstemperatur zwischen 100 und 400°C zu erwärmen. Allerdings
liegt die Temperatur, auf die die Reagenzien, die einen großen Teil
der FCC-Prozesse simulieren, erwärmt
werden, zwischen 120 und 300°C.
Weiterhin kann, in einem zweiten Ende der Zuführungsleitung, mit anderen
Worten, das Ende, das weit weg von dem ersten Ende liegt, die Zuführungsleitung
mit einer Zuführpumpe
verbunden sein, die die Reagenzien zu dem Reaktor hin pumpt.
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Der
Reaktor kann weiterhin mit einem Heizsystem mit einer ausreichenden
Heizkapazität
versehen sein, um eine Reaktionstemperatur zwischen 100 und 700°C in dem
Reaktor aufrecht zu erhalten. Das Heizsystem kann Sektorheizelemente
mit Heizkapazitäten
aufweisen, die durch Sektoren eingestellt werden können, um
die Reaktionstemperatur beizubehalten. Um dies zu erreichen, kann
das Heizsystem in einer solchen Art und Weise eingestellt werden,
das die Reaktionstemperatur erreicht wird, und entsprechend zu Temperaturmessungen,
vorgenommen durch mindestens einen Temperatursensor, beibehalten
wird, der ausgewählt ist,
aus der Gruppe, die besteht aus:
einem ersten Temperatursensor,
der eine erste Temperatur in einem oberen Teil des Reaktors misst,
der, zum Beispiel, ein Thermoelement sein kann, das in einer Zone
nahe zu dem Zuführungseinlass
des Reaktors vorgesehen ist,
einen zweiten Temperatursensor,
der eine zweite Temperatur in einem unteren Teil des Reaktors misst,
und
einen dritten Temperatursensor, der eine dritte Temperatur
in einem Zwischenteil zwischen dem oberen Teil und den unteren Teil
misst.
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In
passender Weise können
die Temperatursensorelemente mit einer programmierbaren Temperatursteuereinheit
verbunden sein, zu der hin die Sensorelemente die Temperaturen,
die gemessen sind, in einer solchen Art und Weise zuführen, dass
die Temperatursteuereinheit die Heizeinrichtung als eine Funktion
der gemessenen Temperaturen und der programmierten Temperaturen
in Bezug auf jeden Test, der durchgeführt worden ist, führt.
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Durch
diese Anordnung können
die Temperaturen in den Zonen des Reaktors auf die erwünschten Temperaturen
eingestellt werden.
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Die
Trenneinrichtung besitzt vorzugsweise einen oberen Durchmesser,
der größer als
der Durchmesser des Reaktors ist, gewöhnlich 2 bis 100 und vorzugsweise
5 bis 10 Mal größer als
der Durchmesser des Reaktors. Weiterhin besitzt die obere Kammer
der Trenneinrichtung vorzugsweise ein Höhen-/Durchmesserverhältnis von
0,2 bis 10, gewöhnlich
0,3 bis 0,5, oberhalb des porösen
Elements. Die untere Kammer der Trenneinrichtung bildet wiederum
vorzugsweise einen Gaszugang, der mit einer zweiten Gasleitung verbunden
ist, die unter Druck stehendes Gas führt, das gewöhnlich ein
inertes Belüftungsgas
ist. In einer Ausführungsform
der Erfindung ist der Gaszugang auch mit einer dritten Gasleitung
verbunden, die ein oxidierendes Gas führt. Die Funktionen dieser
Gase werden weiter nachfolgend in dieser Beschreibung beschrieben
werden. Zusätzlich
kann die Trenneinrichtung mit mindestens einem Heizelement mit einer
ausreichenden Erwärmungskapazität versehen
sein, um die Kammern der Trenneinrichtung bei einer Temperatur zwischen
100 und 600°C
zu halten. Eine gewöhnliche
Temperatur bei der Simulation einer FCC-Reaktion reicht von 400
bis 550°C,
obwohl die Temperatur in dem Separator auf eine relativ niedrigere
Temperatur als die Reaktionstemperatur eingestellt werden kann,
zum Beispiel auf eine Temperatur zwischen 400 und 500°C, und zwar
in einer solchen Art und Weise, dass die Reaktionsprodukte einem
bestimmten Kühlen
unterliegen, wenn Sie den Reaktor verfassen und in die Trenneinrichtung
eintreten, was die Rate von nicht erwünschten katalytischen und thermischen
Reaktionen in dem Separator verringert. Um die Temperatur in dem
Separator zu erfassen, kann die Einheit mit einem fünften Temperatursensor
verbunden sein, der vorzugsweise unmittelbar oberhalb der porösen Platte
vorgesehen ist.
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In
dem Separator wird der Katalysator von dem Gas durch Trägheit separiert.
So dehnen sich, während
der Katalysator mit dem porösen
Element kollidiert und seine Teilchen auf der Oberfläche des
porösen Elements
verteilt werden, die Gase, die in dem Separator vorhanden sind,
aus und können über den
Evakuierungsauslass extrahiert werden, der passend mit einem Filter
verbunden ist, der die Teilchen des Katalysators zurückhält, die
in dem Gas suspendiert sein könnten,
um zu verhindern, dass solche Teilchen zusammen mit den Gasen extrahiert
werden. Auf diese Art und Weise wird der Katalysator in der oberen
Kammer der Trenneinrichtung zurückgehalten.
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Wenn
die Trenneinrichtung den Gaszugang mit der Gasleitung, beschrieben
vorstehend, verbunden besitzt, können
die Reaktionsprodukte, die in dem Katalysator adsorbiert oder absorbiert
werden, und die deshalb nicht über
den Evakuierungsauslauf zusammen mit dem Gas extrahiert worden sein
können,
von dem Katalysator, der auf dem porösen Element vorhanden ist,
mittels eines Vorgangs eines Mitreißens, der aus einer Fluidisierung
des Katalysators über
die Einführung
eines Fluidisierungsgases über
den Gaszugang besteht, in einer solchen Art und Weise desorbiert
werden, dass das Gas in die untere Kammer eintritt, bevor es das
poröse
Element durchkreuzt, und zwar in einer solchen Art und Weise, dass
das Volumen der Kammer als ein Vorwärmabschnitt für das Fluidisierungs-
und Separationsgas dient. Die Strömungsrate des Gases über das
poröse
Element muss ausreichend hoch für
eine gleichförmige
Fluidisierung des Katalysators sein, und es kann dasselbe Gas wie
dasjenige sein, das während
der Reaktion verwendet wird, oder es kann ein anderes Gas sein.
Die Desorption der Reaktionsprodukte von dem Katalysator kann mittels
Anlegen von Vakuumimpulsen beschleunigt werden, die dabei helfen,
den Katalysator zu reinigen. Auf diese Art und Weise werden die
Reaktionsprodukte, die von dem Katalysator desorbiert worden sind,
auch über
den Evakuierungsauslass der Trenneinrichtung extrahiert.
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Vorzugsweise
ist der Evakuierungsauslass von dem Separator dazu geeignet, dass
er mit einem Sammelsystem für
flüssige
und gasförmige
Produkte verbunden wird, die von dem Separator evakuiert sind. Dieses System
umfasst vorzugsweise ein Verteilungsventil, das, während der
Separationsphase, mit anderen Worten dann, wenn die Reaktionsprodukte
von dem Separator evakuiert werden, während der Katalysator in dem
porösen
Element zurückgehalten
verbleibt, und während
der "Stripping"-Phase des zurückgehaltenen
Katalysators, mit anderen Worten während der Desorption der Reaktionsprodukte,
die in dem zurückgehaltenen
Katalysator adsorbiert oder absorbiert sind, die Reaktionsprodukte
und das entsprechende Fluidisierungsgas über eine erste Auslassleitung
zu einem Analysesystem für
die Reaktionsprodukte schickt, während
es, während der
Regenerierungsphase des Katalysators, die Gase, erzeugt bei der
Regenerierung, über
eine zweite Auslassleitung, die diese Gase zu, zum Beispiel, dem
Ofen, der zuvor erwähnt
ist, führt,
wo sie für
deren spätere Analyse
oxidiert werden, schickt.
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Das
Analysesystem für
die Reaktionsprodukte kann Sammeleinrichtungen umfassen, die selbst
herkömmlich
sind, wie, zum Beispiel, eine oder mehrere Fallen, die auf einer
konstanten, kontrollierten Temperatur gehalten werden, die zwischen –50°C und 50°C für flüssige Reaktionsprodukte
liegt, und eine oder mehrere Wasseraufnahmen für die Gase, oder durch andere
Einrichtungen, bei denen das Volumen durch Sensoren des, zum Beispiel,
optischen, kapazitiven oder induktiven Typs oder durch Wägen des
Wassers, das in einer Bürette
verschoben ist, kontrolliert wird, haben. Die Analyse der gasförmigen Produkte,
die gesammelt sind, kann, zum Beispiel, in einem Gaschromatographen
vorgenommen werden.
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Wenn
der Gaszugang der Trenneinrichtung auch mit der dritten Gasleitung
verbunden ist, mit anderen Worten mit der oxidierenden Gasleitung,
kann eine Regeneration des Katalysators in demselben Separator vorgenommen
werden. In diesem Fall wird das oxidierende Gas, wie zum Beispiel
Luft, über
den Gaszugang eingeführt,
und die Gase, die bei der Generation erzeugt sind, werden auch über den
Evakuierungsauslass von dem Separator extrahiert. Diese Gase können dann
zu einem Ofen geführt
werden, der die vollständige Oxidation
von CO, das in solchen Gasen vorhanden ist, zu CO2 in
einer solchen Art und Weise katalysiert, dass CO2 und
das Wasser, enthalten in den sich ergebenden Verbrennungsgasen,
mittels der geeigneten Analysetechnik, was herkömmlich bekannt ist, wie beispielsweise
IR, Gaschromatographie, Massenspektroskopie, oder irgendein anderes
passendes herkömmliches
Verfahren, analysiert werden können.
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Unabhängig davon,
ob der Katalysator regeneriert worden ist oder nicht, kann der Katalysator
von dem Separator extrahiert werden, um ihn in, zum Beispiel, einem
Sammelbehälter
zu sammeln, ohne darauf warten zu müssen, dass sich der Katalysator
abkühlt.
Die Extrahierung des Katalysators wird vorzugsweise mittels eines
kraftvollen Gasstroms mit einer ausreichenden Stärke vorgenommen, um die Partikel
des Katalysators über
einen Extraktionsauslass, der in der oberen Kammer der Trenneinrichtung
vorhanden ist und der mit einer Extraktionsleitung verbunden ist,
die mit einem Druckentlastungsventil verbunden ist, das sich nach
der Separation der Reaktionsprodukte öffnet, um die Extraktion des
Katalysators zu ermöglichen,
abzustreifen. Alternativ, oder komplementär hierzu, kann die Extraktion
des Katalysators durch unter Druck setzen der Trenneinrichtung mittels
einer Einführung
des Gases und dann plötzliches Öffnen des
Druckentlastungsventils in einer solchen Art und Weise vorgenommen
werden, dass die Trenneinrichtung einer schnellen Druckentlastung über den
zweiten Extraktionsauslass unterworfen wird und das Gas die Partikel über diese
Extraktionsleitung zu dem Sammelbehälter hin mitreißt.
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Die
Versuchseinheit dieser vorliegenden Erfindung kann passend auch
ein programmierbares Gasströmungssteuersystem
umfassen, das, auf der Basis von Gasdruckwerten, die durch Gasdruckeinrichtungen erfasst
sind, eine Gasreguliereinrichtung betätigt, die in mindestens eine
Gasführungsleitung
eingesetzt ist, um unter kontrollierten Bedingungen zumindest ein
iertes Gas zu der Vorwärmeinrichtung,
zu dem Reaktor und/oder zu dem Separator zuzuführen. Die Gasdruckmesseinrichtungen
können
wenigstens ein Druckmeter beinhalten, das aus der Gruppe gewählt ist,
die umfasst:
ein erstes Druckmeter zum Messen erster Drücke in der
ersten Vorwärmeinrichtung,
ein
zweites Druckmeter zum Messen eines Druckunterschiedes zwischen
einem ersten Punkt in der zweiten Gasleitung, die das uner Druck
setzende Gas leitet und mit der ersten Vorwärmeinrichtung verbunden ist,
und einem Gaszugang im unteren Teil der Trenneinrichtung,
ein
drittes Druckmeter zum Messen zweiter Drücke im Zugangseinlass in die
Trenneinrichtung, und
ein viertes Druckmeter zum Messen dritter
Drücke
zwischen einem zweiten Punkt in der zweiten Gasleitung und dem Gaseinlass
für die
Trenneinrichtung,
und wobei die Gasreguliereinrichtungen wenigstens
eine Reguliereinrichtung umfassen, die ausgewählt ist aus:
einer ersten
Reguliereinrichtung, die zwischen dem ersten Punkt und dem zweiten
Punkt in der zweiten Gasleitung vorgesehen ist,
einer zweiten
Reguliereinrichtung, die die erste Vorwärmeinrichtung mit der Atmosphäre verbindet,
einer
dritten Reguliereinrichtung, die in der ersten Gasleitung vorgesehen
ist, die z.B., ein Rückschlagventil sein
kann,
einer vierten Reguliereinrichtung, die zwischen dem zweiten
Punkt in der zweiten Gasleitung und dem Gaseinlass in die Trenneinrichtung
vorgesehen ist, und
einer fünften
Reguliereinrichtung, die mit einem Entleerungsauslass aus der Trenneinrichtung
verbunden ist.
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Die
Druckmeter und die Druckreguliereinrichtungen sind passend mit dem
Strömungssteuersystem
für Gase
in einer solchen Art und Weise verbunden, dass das System Unterschiede
zwischen zuvor eingerichteten Werten und den gemessenen Druckwerten
erfassen kann, und die Reguliereinrichtung so anweisen kann, so
zu wirken, um die Diskrepanzen zwischen diesen Werten zu korrigieren.
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Gemäß der Erfindung
muss das Fluidisierungsgas, das verwendet wird, weder mit dem Katalysator noch
mit den Reagenzien noch mit den Reaktionsprodukten in Wechselwirkung
treten, da es bevorzugt ist, wenn das Gas ein inertes Gas ist, wie
beispielsweise Stickstoff oder ein Edelgas, wie beispielsweise Argon, Neon
oder Helium.
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Der
Behälter
oder die Behälter
der ersten Vorwärmeinrichtung,
der Reaktor oder die Trenneinrichtung sind vorzugsweise aus rostfreiem
Stahl gebildet, obwohl sie auch aus anderen, wärmebeständigen Materialien sein können, die
nicht irgendwelchen Änderungen
in deren physikalischen oder chemischen Eigenschaften in den Temperaturbereichen
unterliegen, denen die Testreaktionen, die in der Einheit durchgeführt werden,
unterworfen werden.
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Um
die Konversion zu variieren, ist die Strömung des Beschickungsmaterials
zum Beispiel festgelegt und die Strömung des Katalysators wird
variiert, um dadurch das Verhältnis
des Katalysators zu dem Beschickungsmaterial ohne wesentliches Modifizieren
der Verweilzeiten des Gases und des Katalysators in dem Reaktor
zu modifizieren. Falls notwendig kann ein anderer Wert für die Strömung des
Beschickungsmaterials ausgewählt werden,
um ein unterschiedliches Intervall von Konversionen zu erreichen.
Die Dauer des Tests wird eine solche sein, die dazu geeignet ist,
damit die Reaktionsprodukte ausreichend sind, damit sie analysiert werden
können.
Die Grenzen für
die Dauer des Tests (Betriebszeiten) sind entsprechend den folgenden
zwei Empfehlungen festgelegt: Die untere Grenze wird durch das Erfordernis
der Übergangsperiode
zu Beginn des Tests festgelegt, um ausreichend kurz in Bezug auf
die gesamte Dauer des Tests zu sein, um so nicht irgendeinen ersichtlichen
Effekt in Bezug auf die Ergebnisse zu haben. Für diese besondere Einheit wird
empfohlen, dass die Reaktionszeit nicht geringer als 20 Sekunden
sein sollte; die obere Grenze wird entsprechend der Menge, in Bezug
auf die erwünscht
ist, sie zu reduzieren, entsprechend den Dimensionen der Sammelabschnitte
für den
Katalysator und den Reaktionsprodukten, wie zum Beispiel das Volumen
der Gase, die gesammelt sind, der Menge des Katalysators oder der
Beschickungsmengen, die verwendet sind, zu reduzieren, festgelegt.
-
Die
Verweilzeit des Gases in dem Reaktor variiert durch Modifizieren
der Strömungsgeschwindigkeit. Die
Verweilzeit des Feststoffs hängt
von der Verweilzeit des Gases ab, und in dem Fall, dass die Geschwindigkeit
des Gases nicht wesentlich höher
als die Endgeschwindigkeit eines Fallens des Katalysators ist, muss die
Verweilzeit des Katalysators und diejenige des Gases unterschieden
werden. Die Verweilzeit des Gases wird auf der Basis des Volumens
des Reaktors, der Temperatur und des Drucks in dem Reaktor, der
Strömung des
Beschickungsmaterials, des durchschnittlichen Molekulargewichts
davon und der Verteilung der Produkte an dem Auslass berechnet.
-
Für jeden
Test wird die Temperatur in einer solchen Art und Weise eingestellt,
dass die Temperatur der physikalischen Mischung und des Beschickungsmaterials
immer dieselbe in einer Reihe von Tests ist, in Bezug auf die erwünscht ist,
dass sie verglichen werden, unabhängig von dem Verhältnis des
Katalysators zu der Beschickungsmenge (CTO), das für jeden
Test ausgewählt
ist. Allerdings ist dies keine Einschränkung, da die Temperatur der
physikalischen Mischung und das Vorerwärmen des Katalysators immer
für das
CTO-Verhältnis,
das eingestellt worden ist, kontrolliert werden kann.
-
BESCHREIBUNG
VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
-
Die
Erfindung wird nun auf der Basis einer Liste von Elementen, die
die Testeinheit, bilden, beschrieben, die sind:
- – Erste
Vorwärmeinrichtung
- • Behälter für den Katalysator
in der ersten Vorwärmeinrichtung
- • Auslass
von der ersten Vorwärmeinrichtung
- • Druckeinlass
für Druckgas
- – Reaktor
(rohrförmig)
- • Oberer
Teil des Reaktors
- • Unterer
Teil des Reaktors
- • Zwischenteil
des Reaktors
- • Einlass
zu dem Reaktor
- • Zuführeinlass
zu dem Reaktor für
ein Reagenz
- • Zuführeinlass
zu dem Reaktor für
den Katalysator
- • Zugabe
von inertem Gas zum Mischen mit der Beschickungsmenge
- • Ringförmiger Raum
- • Abgabeauslass
von dem Reaktor
- • Heizsystem
für den
Reaktor
- – Sektorheizelemente
für das
Heizsystem
- • Einlass
für Thermoelemente
zum Messen der Temperatur innerhalb des Reaktors bei unterschiedlichen Höhen
- • Seiteneinlass
für ein
Thermoelement, das dazu vorgesehen ist, die Ankunftstemperatur des
Katalysators an den Reaktor zu prüfen
- – Separator
- • Oberer
Teil der Trenneinrichtung
- • Unterer
Teil der Trenneinrichtung
- • Einlass
für die
Trenneinrichtung
- • Evakuierungsauslass
der Trenneinrichtung für
die Produkte (in Dampfform)
- • Evakuierungsauslass
für den
Katalysator
- • Gaszugang
zu dem Separator
- • Filter
in dem Gasauslass von dem Separator
- • Obere
Kammer der Trenneinrichtung
- • Poröses Element
(poröse
Platte in dem Separator, gegen die der Katalysator, der von dem
Reaktor kommt, läuft,
was die Gase und den Katalysator durch Schwerkraft trennt)
- • Untere
Kammer der Trenneinrichtung
- – Absperreinrichtung
(HT-Ventil)
- – Beschickungsmaterial-Injektor,
mit dem das Reagenz in den Reaktor injiziert wird
- – Zuführpumpe
für den
Reaktor
- – Zweite
Vorwärmeinrichtung
(für das
Beschickungsmaterial)
- – Gasflusssteuersystem
- – Ventile
- • Richtungsventil
für das
Beschickungsmaterial (z.B. Dreiwegeventil, das das B schickungsmaterial
zu dem Reaktor hin ändert,
wenn die Reaktion startet)
- • Erste
Druckreguliereinrichtung (Ventil in der zweiten Gasleitung, über die
die Fluidisierungsgase des Feststoffes und die Druckgase hindurchführen, wobei
das Ventil einen Verlust einer Last (Beschickungsmaterial) erzeugt,
was ermöglicht,
dass der Feststoff-Strom reguliert werden kann)
- • Zweite
Druckreguliereinrichtung (Ablassventil zu der Atmosphäre hin)
- • Dritte
Druckreguliereinrichtung (Einwegeventil)
- • Vierte
Druckreguliereinrichtung (Absperrventil für die zweite Gasleitung, wenn
der Katalysator regeneriert wird)
- • Fünfte Reguliereinrichtung
(Druckablassventil, das sich nach dem Test öffnet, um schnell die Trenneinrichtung
vom Druck zu entlasten, so dass der Katalysator entlang der Leitung
für die
Extraktion des Katalysators zu dem Behälter zu Sammeln des Katalysators
mitgerissen werden kann).
- • Verteilungsventil
in dem Auslass von Produkten von dem Separator (erste Auslassleitung),
die die Gase, die während
der Regenerierungsphase erzeugt sind, zu der zweiten Auslassleitung
ableitet
- – Druckmeter
- • Erster
Druckmeter
- • Zweiter
Druckmeter
- • Dritter
Druckmeter
- • Vierter
Druckmeter
- – Sammeleinrichtung
- • Falle
zum Sammeln von Flüssigkeiten,
erzeugt während
einer Reaktion, und von Flüssigkeiten,
die die Trenneinrichtung verlassen
- • Aufnahme,
die das Gas, erzeugt während
der Reaktion, und das von der Trenneinrichtung austritt, sammelt
- • Behälter zum
Sammeln des Katalysators nach dem Test, der von der Trenneinrichtung über die
Leitung für
die Extraktion des Katalysators kommt
- – Gasauslass
von dem Behälter
30
- – Ofen,
der einen Verbrennungskatalysator enthält, der eine vollständige Oxidation
von CO zu CO2 ermöglicht
- – Temperatursensor
- • Erster
Temperatursensor
- • Zweiter
Temperatursensor
- • Dritter
Temperatursensor
- • Vierter
Temperatursensor
- – Leitungen
- • Beschickungsmaterial-Kanäle, die
den Auslass von dem Behälter
mit dem Reaktor verbinden
- • Erste
Gasleitung (Leitung zum Zufügen
von Gas zum Anreichern des Katalysators mit Luft in der Vorwärmeinrichtung)
- • Zweite
Gasleitung (Fluidisierungsgasleitung zum Fluidisieren des Katalysators,
zurückgehalten
auf der porösen
Platte; sie verbindet die Vorwärmeinrichtung
mit dem unteren Teil der Trenneinrichtung und nimmt die erste Druckreguliereinrichtung
auf)
- • Dritte
Gasleitung (Leitung zum Hinzufügen
von Luft oder einem anderen oxidierenden Gas, das in die Trenneinrichtung
zum Regenerieren des Katalysators eingeführt wird)
- • Reagenzien-Beschickungsleitung
zum Führen
der Reagenzien zu dem Reaktor
- • Erste
Auslassleitung, die die Reaktionsprodukte sammelt
- • Zweite
Auslassleitung zu der Analyse der Regenerierungsgase von dem Katalysator
hin
- • Zuführleitung
zum Hinzufügen
eines inerten Gases zu dem Reagenz
- • Leitung
zum Extrahieren des Katalysators von dem Separator nach dem Test,
um ihn zu dem Sammelbehälter
zu führen
- – Quelle
eines oxidierenden Gases
- – Analysesystem
für Verbrennungsgase
-
In
der vorliegenden Erfindung umfasst die erste Vorwärmeinrichtung
einen Behälter,
worin ein Katalysator aufgewärmt
wird, bevor er zu der Testreaktion geführt wird. Der Auslass von der
Vorwärmeinrichtung
ist mit dem Beschickungsmaterialeinlass in dem oberen Teil des Reaktors, über eine
Beschickungsleitung, in die ein HT-Ventil eingesetzt ist, verbunden.
Die Beschickungsleitung ist über
deren anderes Ende mit einer ersten Fluidisierungsgasleitung verbunden,
die ein inertes Fluidisierungsgas von einem Strömungssteuersystem aufnimmt.
In die erste Gasleitung ist ein Rückschlagventil eingesetzt,
das einen Rückfluss
des Fluidisierungsgases zu dem Steuersystem hin verhindert.
-
In
dem oberen Teil des Behälters
ist ein erster Druckmeter und ein Druckeinlass für das Einlassen von inertem
Druckgas, verbunden mit einer zweiten Gasleitung, die wiederum auch
das inerte Gas von dem Gasströmungssteuersystem
aufnimmt, vorhanden.
-
Auch
ist mit dem Beschickungseinlass des Reaktors ein Beschickungsmaterial-Injektor verbunden, der,
andererseits, mit einer Reagenzbeschickungsleitung und mit einer
Versorgungsleitung für
das Hinzufügen eines
inerten Gases, auch verbunden mit dem Steuersystem, verbunden ist,
wobei das inerte Gas dazu vorgesehen ist, die Reagenzien zu verteilen,
wenn sie in den Reaktor eintreten. Die Beschickungsleitung besitzt einen
Abschnitt, in dem eine zweite Vorwärmeinrichtung vorgesehen ist,
die zum Erwärmen
der Reagenzien auf die vorgegebene Temperatur vorgesehen ist, bevor
sie in den Reaktor eintreten, und weiterhin ist ein Richtungsventil
vorhanden, das, wenn es offen ist, die Strömung der Reagenzien zu dem
Injektor hin ermöglicht. Die
Reagenzien fließen
durch die Beschickungsleitung, die durch eine Pumpe erzeugt wird.
-
Der
Reaktor ist mit drei Temperatursensoren versehen, nämlich einem
ersten Sensor in seinem oberen Teil, einem zweiten Sensor in seinem
unteren Teil und einem dritten Sensor in seinem Zwischenteil. In
dem unteren Teil des Reaktors ist die Auslassöffnung für den Reaktor, verbunden mit
dem Einlass in dem oberen Teil der Trenneinrichtung, vorhanden.
-
Die
Trenneinrichtung ist intern durch eine poröse Platte in eine obere Kammer,
die über
den Einführungseinlass
zugänglich
ist, und eine untere Kammer, die mit einem Gas zugang in dem unteren
Teil der Trenneinrichtung in Verbindung steht, unterteilt. Unmittelbar
oberhalb der porösen
Platte ist ein vierter Temperatursensor vorgesehen. In dem oberen
Teil der Trenneinrichtung sind ein erster Evakuierungsauslass für die Reaktionsprodukte
und ein zweiter Evakuierungsauslass für die Extraktion des Katalysators
ebenso vorgesehen.
-
Die
Gaszuführung
ist auch mit dem Gasflusssteuersystem über die zweite Gasleitung verbunden.
Weiterhin ist die Gaszuführung
mit einer Quelle oxidierenden Gases über eine dritte Gasleitung
verbunden, in die ein Ventil eingesetzt ist. Weiterhin ist der zweite
Evakuierungsauslass mit einem Sammelbehälter für den Katalysator verbunden,
der einen Gasauslass besitzt, der passend mit einem Filter, über eine
Extraktionsleitung, in der ein Druckablassventil eingesetzt ist,
versehen ist.
-
Der
erste Evakuierungsauslass ist, über
ein Verteilungsventil, mit den Analysesystemen für die Reaktionsprodukte und
für die
Produkte, die bei der Regenerierung des Katalysators erzeugt sind,
verbunden. Das Verteilungsventil ist mit einer ersten Auslassleitung
verbunden, die die Reaktionsprodukte, extrahiert von dem Separator,
zu dem Analysesystem führt,
das eine Falle für
das Sammeln flüssiger
Reaktionsprodukte, und eine Aufnahme für das Sammeln von gasförmigen Reaktionsprodukten,
aufweist, die wiederum mit Analyseeinrichtungen für die Reaktionsprodukte
verbunden sein können,
die herkömmlich
sind. Weiterhin ist das Verteilungsventil auch mit einer zweiten
Auslassleitung verbunden, die die gasförmigen Produkte, erzeugt bei
der Regenerierung der Katalysatoren, zu einem Ofen führt, der
einen Verbrennungskatalysator enthält, der eine vollständige Oxidation
von CO, vorhanden in den Regenerierungsgasen, zu CO2 ermöglicht,
wobei Verbrennungsgase erzeugt werden, die zu einem Verbrennungsgasanalysesystem
geführt
werden, wo der CO2- und Wassergehalt der
Verbrennungsgase analysiert werden. Der Druckmeter kann umfassen:
den
ersten Druckmeter zum Messen erster Drücke in dem Behälter der
ersten Vorwärmeinrichtung,
den
zweiten Druckmeter zum Messen einer Druckdifferenz zwischen einem
ersten Punkt in der zweiten Gasleitung, die das Fluidisierungsgas
führt und
die sich mit der ersten Vorwärmeinrichtung
und dem Gaszugang in dem unteren Teil der Trenneinrichtung verbindet,
den
dritten Druckmeter zum Messen zweiter Drücke in dem Zuführungseinlass
zu dem Separator, und
den vierten Druckmeter zum Messen dritter
Drücke,
die zwischen dem zweiten Punkt in der zweiten Gasleitung und der
Gaszuführung
für die
Trenneinrichtung existieren.
Wiederum weist die Gasreguliereinrichtung
auf:
die erste Reguliereinrichtung, die zwischen dem ersten
Punkt und dem zweiten Punkt in der zweiten Gasleitung vorgesehen
ist,
die zweite Reguliereinrichtung, die die erste Vorwärmeinrichtung
mit der Atmosphäre
verbindet,
die dritte Reguliereinrichtung, die in der ersten
Gasleitung vorgesehen ist,
die vierte Reguliereinrichtung,
die zwischen dem zweiten Punkt in der zweiten Gasleitung und dem
Gaseinlass zu dem Separator vorgesehen ist, und
die fünfte Reguliereinrichtung,
die mit einem Evakuierungsauslass von dem Separator verbunden ist.
-
Der
obere Teil der Trenneinrichtung besitzt einen Querschnitt ungefähr zehn
Mal größer als
derjenige des Reaktors.
-
In
Bezug auf die Charakteristika der Trenneinrichtung kann, in dem
oberen Teil der Trenneinrichtung, der Zuführungseinlass, der Evakuierungsauslass
für das
Extrahieren der Reaktionsprodukte und der Regenerationsprodukte
des Katalysators, zusammen mit dem zweiten Evakuierungsauslass für das Extrahieren
des Katalysators, vorgefunden werden, während in dem unteren Teil der
Trenneinrichtung die Gaszuführung
angeordnet ist. Das Innere der Trenneinrichtung ist durch eine poröse Platte
in eine obere Kammer und eine untere Kammer unterteilt. Die untere
Kammer besitzt wiederum ihren unteren Teil mit einer umgekehrten
Kegelstumpfanordnung aufgebaut, die die Verteilung von Wärme innerhalb
der Trenneinrichtung fördert.
Weiterhin kann auch gesehen werden, dass die obere Kammer der Trenneinrichtung,
oberhalb der porösen
Platte, ein Höhen-/Durchmesserverhältnis von
0,3 bis 0,5 besitzt.
-
In
Bezug auf die Verbindung zwischen dem Behälter und dem Reaktor nimmt
der Auslass von den Behältern
das Fluidisierungsgas, Stickstoff, von der ersten Gasleitung auf,
so dass das Gas den Katalysator zu dem Reaktor hin über den
Beschickungskanal, wo das HT-Ventil eingesetzt ist, mitreißt.
-
In
einer besonderen Ausführungsform
weist die erste Vorwärmeinrichtung
zwei Behälter
auf, wobei die Auslässe
davon mit einzelnen Beschickungsleitungen verbunden sind, wobei
in jeder davon ein einzelnes HT-Ventil eingesetzt ist. Beide Beschickungsleitungen
führen
zu einem Beschickungseinlass für
den Katalysator, und zwar in dem oberen Teil des Reaktors. Obwohl
in dieser Ausführungsform
die Vorwärmeinrichtung
nur zwei Behälter
besitzt, kann deren Anordnung und Verbindung mit dem Reaktor in
einer analogen Art und Weise für
eine erste Vorwärmeinrichtung
mit einer größeren Anzahl
von Behältern,
angeordnet in einer Reihe oder kreisförmig, aufgebaut werden.
-
In
einer allgemeinen Ausführungsform
weist der Reaktor einen Einlass für die Beschickungsleitung des
Injektors, einen Beschickungseinlass für die Reagenzien und einen
Einlass für
Thermoelemente in seinem oberen Teil, zusammen mit dem Heizsystem,
dass eine Anzahl von Sektorheizelementen aufweist, auf. Der Beschickungseinlass
weist ein zentrales Rohr, umgeben durch ein konzentrisches äußeres Rohr,
entsprechend zu dem Beschickungseinlass für den Katalysator, in einer
solchen Art und Weise auf, dass zwischen der Außenwand des zentralen Rohrs
und der Innenwand des äußeren Rohrs
ein axialer, ringförmiger
Raum vorhanden ist, über
den der Katalysator, mitgerissen durch das entsprechende inerte,
fluidisierende Gas, eintritt. Der Innendurchmesser des äußeren Rohrs
wird so eingestellt, dass der ringförmige Raum, gebildet zwischen den
zwei Röhren,
sehr schmal ist, mit dem Ziel, eine hohe Geschwindigkeit eines Gases
und einen größeren Effekt
eines Aufteilens der Tröpfchen
an Flüssigkeit,
die injiziert werden, zu erhalten. Auf diese Art und Weise bilden
das inerte Gas und der Katalysator einen ringförmigen "Vorhang" um die Auslassmündung des zentralen Rohrs entsprechend
zu dem Beschickungseinlass für
die Reagenzien in einer solchen Art und Weise herum, dass die kleinen
Tröpfchen
des Reagenz, die injiziert werden, davor bewahrt werden, dass sie
an der Innenwand der oberen Teile des Reaktors, gleichzeitig mit
einem Erreichen einer innigen Mischung der Reagenzien mit dem Katalysator,
anhaften.
-
Weiterhin
besteht der Einlass für
Thermoelemente aus einem Kanal, der einen Zugang zu dem Innenraum
des Reaktors ermöglicht.
Die Thermoelemente sind, zum Beispiel, der erste, der zweite und
der dritte Temperatursensor, die zuvor beschrieben sind.
-
Der
Reaktor ist durch ein Heizsystem umgeben, das, in der Ausführungsform,
die zuvor beschrieben ist, Sektorheizelemente aufweist, deren Heizkapazität individuell
entsprechend der Abweichung der Temperaturen, gemessen durch die
Temperatursensoren, gegenüber
der vorbestimmten Reaktionstemperatur für jede Testreaktion, die ausgeführt wird,
reguliert werden kann.
-
Entsprechend
demjenigen, was anhand der vorstehenden Beschreibung abgeleitet
werden kann, besteht die Versuchseinheit oder die Microdowner-MD-Einheit
aus einer ersten Vorwärmeinrichtung,
die einen oder mehrere Behälter
zum Vorwärmen
der Katalysatoren, verbunden über
deren Auslässe
mit demselben Reaktor, aufnimmt. Im Gegensatz zu irgendeinem anderen
herkömmlichen
System des Steiger-Typs ermöglicht dies
das Testen mehrerer Katalysatoren kontinuierlich ohne irgendeine
Handhabung durch den Bediener. Diese Verbindung ermöglicht auch,
dass der Fluss an Feststoff, der zu dem Reaktor geführt wird,
reguliert werden kann, zum Beispiel mit einem System einer oder
mehrerer Öffnung(en)
und Ventil(en). Der Katalysator wird auf eine Temperatur zwischen
100°C und
der maximalen Temperatur, der das HT-Ventil standhalten kann, vorerwärmt. Heutzutage
existieren kommerzielle Ventile, die bei bis zu 816°C arbeiten.
-
Der
Katalysator kann während
des Vorwärmens
fluidisiert werden. Das Fluidisierungsgas wird zu der ersten Gasleitung
hinzugefügt
und fließt
nach oben zu dem Katalysatorbehälter.
-
Die
Zuführung
des Reagenz wird mittels der Pumpe vorgenommen, die, wie bei dem
Gasströmungssteuersystem
und den Einrichtungen zum Heizen, vorzugsweise durch eine zentrale
Einheit gesteuert wird, bei der die Bedingungen der Zeit und der
Temperatur, des Drucks usw., für
jeden Test programmiert werden, der durchgeführt werden soll. Das Dreiwegeventil
oder das Richtungsventil mit einem niedrigen Totolumen, gesteuert
durch das Steuersystem, ändert
die Zuführung
zu dem Reaktor hin, wenn der Reaktor startet, während die zweite Vorwärmeinrichtung
die Temperatur des Beschickungsmaterials auf die gewünschte Temperatur
vor einem Injizieren in den Reaktor anhebt. Die Reagenzbeschickungsleitung
wird vorzugsweise von der zweiten Vorwärmeinrichtung bis zu dem Injektor
erwärmt.
-
Der
Druck wird in dem Behälter
und an dem Zuführungseinlass
für die
Trenneinrichtung gemessen. Dieser letztere Druck ist grundsätzlich derselbe
wie in dem Reaktor, da der Beschickungsdruck in dem Separator sehr
niedrig ist. So ist der Verlust der Beschickung entlang des Reaktors
allgemein geringer als 1 mbar. Die Drücke können durch die zentrale Einheit
aufgezeichnet werden. Während
des Tests kann das Beschickungsmaterial mit einem inerten Gas, hinzugefügt durch
die Zuführleitung,
gemischt werden.
-
Der
MD-Reaktor ist rohrförmig,
mit einem konstanten Querschnitt davon, wobei er auch einen variablen
Querschnitt haben kann, mit einem L/D-Verhältnis von 5 oder mehr, vorzugsweise
zwischen 50 und 500. Dieser Reaktor verbindet sich direkt mit dem
Separator. Der Katalysator und die verdampften Produkte laufen zusammen
in den Reaktor in der Vorwärtsrichtung.
Die Temperatur des Reaktors kann zwischen 100 und 750°C variieren.
Die Temperatur wird vorzugsweise in dem Reaktor an zumindest den
drei Punkten, die vorstehend erwähnt
sind, gemessen, nämlich
in dem oberen Teil, in dem Zwischenteil und in dem unteren Teil.
-
Die
zentrale Einheit (nicht in den Zeichnungen dargestellt) speichert
die Entwicklung der Temperatur während
des Tests mit einer Häufigkeit
von, vorzugsweise, mindestens einem Satz von Daten alle 2 Sekunden.
-
Die
Rolle der Trenneinrichtung ist diejenige, den kürzest möglichen Trenn- und Stripping-Vorgang,
zwischen 20 und 200 Sekunden, zu erzielen. Dies verringert zusätzliche
Reaktionen in dem Separator, was hauptsächlich Wasserstoff, Methan
und Ethan erzeugt. Die Separationstemperatur kann zwischen 100 und
600°C liegen,
wobei vorzugsweise die gewöhnliche
Temperatur für
eine FCC-Simulation normalerweise zwischen 400 und 550°C liegt.
Bei der Simulation der FCC-Reaktion kann eine Temperatur zwischen
400 und 500°C
bevorzugt sein, so dass die Reaktionsprodukte und der Feststoff
einer bestimmten Kühlung
an dem Auslass von dem Reaktor unterliegen. Auf diese Art und Weise
wird die Geschwindigkeit der katalytischen Reaktion, und auch der
nicht erwünschten
thermischen Reaktionen, die in der Trenneinrichtung stattfinden
können,
verringert. Der Katalysator wird von dem Gas durch Schwerkraft separiert:
während
der Katalysator mit der Oberfläche
der porösen
Platte kollidiert und dadurch gleichförmig auf der Oberfläche der
Platte verteilt wird, expandieren die Gase in dem Separator und
verlassen ihn über
ein Filter in dem Gasauslass, das die Partikel des Katalysators
zurückhält, die
in den Gasen suspendiert sein können.
Der Katalysator wird auf der Platte mittels Gas von der zweiten
Gasleitung fluidisiert. Die Geschwindigkeit des Gases durch die
Platte muss ausreichend für
eine gleichförmige
Fluidisierung des Katalysators sein. Der Gasfluss über die
Platte während
der Separationsstufe kann derselbe wie derjenige sein, der während der
Reaktion verwendet wird, oder er kann passend variiert werden. Die
Temperatur des Katalysators wird mittels des vierten Temperatursensors,
vorgesehen unmittelbar oberhalb der Platte, gemessen. Das Volumen
unterhalb der Platte, mit anderen Worten die untere Kammer in der
Trenneinrichtung, wirkt als ein Vorwärmabschnitt für die Separation
und für
das Separations- und Stripping-Gas. Die Desorption von Produkten
kann mittels Vakuumimpulsen beschleunigt werden, die dabei helfen,
den Katalysator zu reinigen.
-
Der
Reaktor, die Trenneinrichtung und der Katalysatorbehälter können aus
irgendeinem Material hergestellt sein, das Temperaturen bis zu 800°C standhalten
kann, obwohl rostfreier Stahl bevorzugt ist. Die poröse Platte
kann aus Quarz oder rostfreiem Stahl, vorzugsweise INCONEL 600,
auf Grund dessen mechanischer Festigkeit und Beständigkeit
gegenüber
Temperatur, hergestellt sein.
-
Der
Evakuierungsauslass von dem Separator ist mit einem Sammelsystem
für die
Produkte in flüssiger und
gasförmiger
Form verbunden. Die Flüssigkeiten,
erzeugt während
der Reaktionsphase und der Stripping-Phase, werden in einer oder
mehreren Falle(n) unter einer konstanten, kontrollierten Temperatur,
die zwischen 50 und –50°C liegt,
gesammelt. Die Gase werden in der Aufnahme durch Verschiebung von
Wasser oder durch irgendein anderes Mittel gesammelt, wobei das
Volumen durch Sensoren irgendeines Typs kontrolliert wird, wie,
zum Beispiel: der optische, kapazitive oder induktive Typ, oder
durch Wiegen des Wassers, das von einer Bürette verschoben ist. Die Analyse
der Reaktionsgase wird durch Verschiebung beziehungsweise Verdrängung von
der Aufnahme vorgenommen, und das Gas wird in einem Gaschromatographen
oder irgendeinem anderen Analysesystem analysiert.
-
Die
Regenerierung des Katalysators kann in demselben Separator oder
in einem getrennten System ausgeführt werden, zu dem es durch
pneumatische Mittel überführt wird.
Wenn die Regenerierung in demselben Separator vorgenommen wird,
wird Luft oder irgendein anderes oxidierendes Gas über die
dritte Gasleitung eingelassen. Das Verteilungsventil ändert den
Auslassweg der ersten Auslassleitung (sammeln von Reaktionsprodukten)
zu der zweiten Auslassleitung hin (Analyse der Regenerierungsgase).
Alternativ kann der Katalysator ohne Regenerieren und Bestimmen
des Koks auf dem Katalysator mittels einer spezifischen Vorrichtung
gesammelt werden.
-
Die
Verbrennungsgase führen
durch einen Ofen mit einem Katalysator hindurch, der eine vollständige Oxidation
von CO zu CO2 ermöglicht. Das CO2 und
das H2O von den Verbrennungsgasen werden
mittels geeigneter Techniken, wie IR, Gaschromatographie, Massenspektrometrie,
oder irgendeines anderen, bekannten Vorgangs, analysiert. Wenn einmal
der Test beendet ist, wird der Katalysator von der Einheit abgezogen und
in dem Behälter
gesammelt, ohne irgendein Erfordernis, auf ein Abkühlen der
Trenneinrichtung zu warten. Die Überführung besteht
aus einem Mitreißen
des Katalysators von der Trenneinrichtung mit einem kraftvollen Strom
aus Gas, der, zum Beispiel, durch eine plötzliche Druckablassung der
Trenneinrichtung über
die Leitung für
die Extraktion des Katalysators hervorgerufen wird.
-
In
einer bevorzugten Anordnung besitzt jeder Katalysatorbehälter zwei
Teile: der untere Teil ist schmal und lang, mit einem Länge-/Durchmesserverhältnis zwischen
5 und 50, um eine gleichförmigere
Temperatur in dieser Zone zu erreichen. Er enthält auch ausreichenden Katalysator,
um einen vollständigen
Test durchzuführen.
Die minimale Menge an Katalysator, die in dem Behälter eingeladen
werden muss, ist die notwendige Menge, um einen Test durchzuführen, plus
einer Menge von 10 bis 30 g an Katalysator, die dazu dient, eine Dichtung
zwischen dem Reaktor und der Atmosphäre des Behälters beizubehalten.
-
Der
Auslassdurchmesser des Behälters
ist zum Kontrollieren der Strömung
von Feststoffen zu dem Reaktor hin wichtig. Dieser Durchmesser bestimmt
das Intervall einer Katalysatorströmung, die erreicht werden kann.
Die Grenzen ändern
sich mit den Eigenschaften des Katalysators, hauptsächlich mit
der auftretenden Dichte. Die Strömung
wird mit der Druckdifferenz zwischen dem Behälter und dem Reaktor reguliert.
Eine Strömung
aus Gas, vorzugsweise Stickstoff, führt durch die zweite Gasleitung
hindurch, die den Katalysatorbehälter
und die Trenneinrichtung verbindet, und umfasst eine erste Druckreguliereinrichtung
oder ein Ventil. Dieses Ventil ruft einen Beschickungsverlust hervor,
der ermöglicht,
dass die Strömung
des Katalysators reguliert werden kann, und kann durch die zentrale
Steuereinheit oder manuell durch einen Bediener betätigt werden.
Dieselbe Strömung
von Gas dient auch für
den Separationsvorgang.
-
Das
System ermöglicht,
dass ein Ladungsverlust dann konstant gehalten werden kann, wenn
der Druck in der Trenneinrichtung geändert wird. Eine andere Option
besteht in der Verwendung von zwei unterschiedlichen Strömungen,
eine für
die Unterdrucksetzung des Katalysatorbehälters und die andere für die Separation
in der Trenneinrichtung. In diesem Fall verbindet sich die zweite
Gasleitung nicht mit der Trenneinrichtung, und anstelle davon ist
der Auslass von dem Ventil zu der Atmosphäre hin offen.
-
Die
Druckdifferenz zwischen dem Behälter
und dem Reaktor wird vorzugsweise kontinuierlich gesteuert und wird
durch die Steuereinheit konstant gehalten: Zum Beispiel kann, mit
einem FCC-Katalysator mit einer vorhandenen Dichte von 1, eine Druckdifferenz
von zwischen 0 und 0,5 bar, und einem Auslass mit einem Durchmesser
von 1,65 mm, die Strömung
des Katalysators auf zwischen 10 und 120 g/min. reguliert werden.
-
In
dem Fall einer Zuführung
eines flüssigen
Reagenz beginnt, vor Starten des Tests, die Zuführung damit, über die
zweite Vorwärmeinrichtung
zu fließen,
so dass die Temperatur ein Gleichgewicht erreichen kann; 1 oder
2 Minuten sind gewöhnlich
hierfür
ausreichend. Das Beschichtungsmaterial, das während dieser Zeit verwendet
wird, kann recycelt oder zurückgewiesen
werden, falls es dahingehend angesehen wird, dass es eine Änderung
aufgrund deren Vorerwärmung
unterliegen könnte.
Die aufgezeichnete Temperatur der zweiten Vorwärmeinrichtung für das Beschickungsmaterial
kann zwischen 100 und 400°C
variieren, wobei die gewöhnliche
Temperatur zwischen 120 und 300°C
liegt.
-
Nachfolgend
werden einige Tests beschrieben, die in einer Testeinheit, entsprechend
der Ausführungsform
mit einer Vorwärmeinrichtung,
durchgeführt
sind.
-
Test 1: Spalten von Benzin
-
Die
Eigenschaften des Beschickungsmaterials und des Katalysators, die
verwendet sind, sind detailliert in den Tabellen 1 und 2 jeweils,
angegeben. Tabelle 3 fasst die Betriebsbedingungen zusammen. In
Tabelle 4 sind die Erträge
bezogen auf das Gewicht der Produkte in Bezug auf das Beschickungsmaterial
angegeben. Tabelle
1
Tabelle
2
Tabelle
3
-
Die
Daten wurden in einem Reaktor mit 0,5 m in der Länge und 0,9 cm im Durchmesser
erhalten. Stickstoff wird für
den Transport des Feststoffs und für die Zerstäubung des Beschickungsmaterials
in dem Reaktor verwendet, wobei die Gesamtmenge an Stickstoff in
dem Reaktor für
jeden Test 7,8 Gewichts-% des Beschickungsmaterials beträgt. Die
Konversion ist die Summe von Gasen, Benzin und Koks. Tabelle
4
-
Test 2: Krackung von Benzin
-
Das
Beschickungsmaterial und der Katalysator sind identisch zu solchen
in Beispiel 1. Andere Betriebsbedingungen wurden verwendet (Tabelle
5) Tabelle
5
Tabelle
6
-
Test 3: Krackung von Benzin
-
Das
Beschickungsmaterial und der Katalysator sind dieselben wie bei
den Beispielen 1 und 2, und die Betriebsbedingungen sind in Tabelle
7 dargestellt. Tabelle
7
Tabelle
11
-
Test 5: Selektive Oxidation
von Propan zu Propylen
-
Hierbei
ist das Beschickungsmaterial, das in der vorhandenen Einheit verwendet
wird, gasförmiges Beschickungsmaterial.
Die Zuführung
des Reagenz wird mit einem Pellet und einem Flussmeter durchgeführt, der
die Pumpen-Spritze für
die Flüssigkeitszuführung ersetzt.
Da die Produkte alle gasförmig
sind, wird die Flüssigkeitsfalle
nicht verwendet und alle Produkte werden in der Bürette gesammelt.
-
Der
Katalysator, der verwendet ist, ist ein Vanadiumoxid, das auf Magnesiumoxid
getragen ist.
Tabelle 2
Tabelle 3
