DE69112100T2 - Katalytische Wirbelschicht-Krackanlage mit verbessertem Einsatzeinspritzsystem. - Google Patents

Katalytische Wirbelschicht-Krackanlage mit verbessertem Einsatzeinspritzsystem.

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DE69112100T2 DE1991612100 DE69112100T DE69112100T2 DE 69112100 T2 DE69112100 T2 DE 69112100T2 DE 1991612100 DE1991612100 DE 1991612100 DE 69112100 T DE69112100 T DE 69112100T DE 69112100 T2 DE69112100 T2 DE 69112100T2
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    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10GCRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G11/00Catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils
    • C10G11/14Catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils with preheated moving solid catalysts
    • C10G11/18Catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils with preheated moving solid catalysts according to the "fluidised-bed" technique
    • C10G11/187Controlling or regulating
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/18Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles
    • B01J8/1809Controlling processes

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Description

    Hintergrund der Erfindung
  • In der Erdölraffinierungsindustrie ist das katalytische Wirbelbett-Cracken von Kohlenwasserstoffen wohlbekannt und kann nach einer Vielfalt von Verfahren bewirkt werden, die Techniken mit verwirbelten Feststoffen verwenden. Normalerweise werden in solchen Verfahren in geeigneter Weise vorgeheizte Kohlenwasserstoffflüssigkeiten und/oder -dämpfe mit relativ hohem Molekulargewicht mit heißen, feinteiligen, festen Katalysatorteilchen entweder in einer Wirbelbettreaktionszone oder in einer länglichen Steigrohrreaktionszone kontaktiert und bei einer erhöhten Temperatur für einen ausreichenden Zeitraum in verwirbeltem Zustand gehalten, um den gewünschten Crackungsgrad zu Kohlenwasserstoffen mit niedrigerem Nolekulargewicht zu erreichen, die typisch für solche sind, die in Motorbenzinen und Destillatbrennstoffen vorhanden sind.
  • Während der Crackreaktion setzt sich auf den Katalysatorteilchen in der Reaktionszone Koks ab, wodurch die Crackaktivität des Katalysators und die Selektivität des Katalysators zur Herstellung von Benzinmischmaterialien verringert wird. Um einen Teil, vorzugsweise einen größeren Teil, der Aktivität des mit Koks verunreinigten oder verbrauchten Katalysators wieder herzustellen, wird der Katalysator aus der Reaktionszone in eine Regenerationszone überführt. Typische Regenerationszonen umfassen große vertikale zylindrische Gefäße, in denen der verbrauchte Katalysator durch aufwärtsgerichtetes Hindurchleiten eines sauerstoffhaltigen Regenerationsgases, wie Luft, unter Bedingungen, um mindestens einen Teil, vorzugsweise einen größeren Teil des Koks von dem Katalysator abzubrennen, im Wirbelbett gehalten wird. Der regenerierte Katalysator wird nachfolgend aus der Regenerationszone entnommen und erneut in die Reaktionszone eingebracht, um mit zusätzlichem Kohlenwasserstoffeinsatzmaterial zu reagieren.
  • In einer katalytischen Wirbelschichtcrackanlage (FCCU) ist es in der gewerblichen Praxis üblich gewesen, Einsatzmaterialinjektoren mit festgelegtem Verengungsabschnitt zu verwenden. Beispielsweise offenbaren Dean et al., US-A-4 434 049, und Skraba, US-A-4 575 414, Zerstäubungssprühdüsen mit festgelegten Verengungsabschnitten. Chesmore et al., japanische Kokai 59-145 287 offenbaren einen Einsatzmaterialinjektor mit festgelegtem Verengungsabschnitt mit Spiralimpuls. Solche Einsatzmaterialinjektoren mit festgelegtem Verengungsabschnitt werden üblicherweise auf Vorhersagebasis konstruiert und für eine bestimmte Einsatzmaterialqualität optimiert. Beim Betrieb der tatsächlichen Anlage ist die Einsatzmaterialqualität allerdings üblicherweise von der Vorhersagebasis verschieden, da sich die wirtschaftlichen Zielvorgaben mit der Zeit verändern. Aus diesen Gründen tauschen die meisten konventionellen FCC-Anlagen ihre Einsatzmaterialinjektoren mit festgelegtem Verengungsabschnitt (unveränderbarer Zufuhröf fnung) in Zyklen von zwei bis drei Jahren aus, was im großen und ganzen dem FCCU-Betriebszyklus entspricht.
  • Außerdem ist es bei FCC-Anlagen derzeit Praxis, die Steuerung durch Mehrvariablenrestriktionen durchzuführen, um die Raffineriegewinne auf kontinuierlicher Basis zu maximieren. Eine wichtige Verfahrensvariable ist die Qualität und die Strömungsgeschwindigkeit des Einsatzmaterials zu den FCCU-Einsatzmaterialinjektoren.
  • Das Gesamteinsatzmaterial für eine katalytische Crackanlage (FCCU) umfaßt typischerweise ein Kombination aus frischem Einsatzmaterial und Rückführungseinsatzmaterial. Das Rückführungseinsatzmaterial umfaßt typischerweise Schweröl aus dem Katalysecyclus (HCCO) und Fraktioniererrückstände (Aufschlämmung). In Figur 1 ist ein typisches katalytisches Crackverfahren gezeigt. Eine Rohproduktquelle wird in einem atmosphärischen Rohrverdampfer (Pipestill) 1 destilliert, um in Leitung 2 ein abgetopptes Rohöl zu ergeben, das in einem Vakuumrohrofen 3 destilliert wird, um in Leitung 4 ein Vakuumgasöl (VGO) zu ergeben. Das Einsatzmaterial in Leitung 4 wird mit Rückführungseinsatzmaterial in Leitung 7 gemischt, um ein kombiniertes Einsatzmaterial 6 herzustellen. Das kombinierte Einsatzmaterial 6 wird zu einem oder mehreren Injektoren geführt, die das Einsatzmaterial in den FCCU-Reaktor 5 einbringen. Das Reaktorprodukt verläßt den Reaktor 5 über Leitung 8 und tritt in Fraktionierer 9 ein, der eine Topfraktion 11 und einen Nebenstrom 13 ergibt, der als Einsatzmaterial in die zuvor genannte Leitung 7 zu Reaktor 5 zurückgeführt wird. Ein Teil der Rückstände in Leitung 15 wird auch über eine Umgehungsleitung 17 zum Mischen in den Rückführungsstrom 7 zurückgeführt.
  • Das Gesamteinsatzmaterial für den FCCU-Reaktor im tatsächlichen Betrieb ist üblicherweise aus einer Anzahl von Gründen variabel. Zum einen ist es in einer Raffinerie typisch, daß sich die Rohstoffmischung ändert. Demnach variiert das FCCU-Frischeinsatzmaterial (beispielsweise das Vakuumgasöl oder die VGO- Ausbeute). Ein weiterer Grund für die Veränderung des Gesamteinsatzmaterials zu dem FCCU-Reaktor ist, daß die stromaufwärts stattfindenden Verfahrensveränderungen die Qualität und Quantität des FCCU-Frischeinsatzmaterials verändern. Beispielsweise kann sich der Schnittpunkt für den Vakuumrohrofen (VPS) (Punkt, an welchem ein neuer Schnitt genommen wird) ändern und das Verhältnis von VGO (Vakuumgasöl) zu VR (Vakuumrückstand) ändern. Dies kann eine Folge der Verkaufsanforderungen vom Sommer gegenüber dem Winter sein. Andere stromaufwärts stattfindende Verfahrensveränderungen schließen Veränderungen in der Wasserstoffbehandlungsanlage ein, beispielsweise eine Veränderung des verwendeten Katalysators oder der Schärfe der Bedingungen.
  • Eine weitere Ursache für eine Veränderung des Gesamteinsatzmaterials für eine FCCU ist eine Veränderung des importierten Frischeinsatzmaterials. Typischerweise kann eine Raffinerie aus einer Anzahl von Optionen zum Kauf verschiedener Destillate von nicht zur Raffinerie gehörenden Anbietern Nutzen ziehen.
  • Veränderungen des Frischeinsatzmaterials für eine FCCU verursachen eine Sekundärveränderung des Rückführungseinsatzmaterials, das typischerweise mit dem Frischeinsatzmaterial kombiniert wird. Schließlich kann dies eine beträchtliche Veränderung oder Fluktuation der Gesamteinsatzmaterialströmung zu den Einsatzmaterialinjektoren verursachen.
  • Aus den genannten Gründen können erhebliche und zu Unterbrechungen führende Veränderungen in dem Gesamteinsatzmaterial für eine FCCU typischerweise von Woche zu Woche stattfinden.
  • Allgemein verursacht eine Veränderung des Einsatzmaterials für eine FCCU eine Veränderung des Druckes über der zu den Einsatzmaterialien führenden Pumpe und verursacht eine Veränderung des Drucks über der Einsatzmaterialinjektordüse, wobei letzterer die Zerstäubung verändert. Durchflußregler (FLICs) in der Leitung zu den Injektoren kompensieren sich ändernde Drücke in gewissem Ausmaß, aber sie sind Grobregler und liefern keine optimale Drucksteuerung. Selbst wenn der Druck im größten Teil der Leitung gleich bleibt, verursacht eine konstante Strömungsfläche in einem Injektor mit festgelegtem Verengungsabschnitt Variationen der Druckveränderung über der Düse und damit der Zerstäubung. Typischerweise variiert ein Pumpenkopf in einem Bereich von etwa 10 psi (z. B. 60 ± 5). Ein Düsenabschnitt-ΔP variiert typischerweise von etwa 20 bis 40 psi.
  • Wenn eine ausreichend große Veränderung in dem Gesamteinsatzmaterial auftritt, können einige der Injektordüsen geöffnet oder geschlossen werden, um die Fluktuationen zu verringern. In Reaktion auf höhere Gesamteinsatzmaterialraten ist es möglich, ΔP über der Düse zu verändern, indem beispielsweise die Strömung zu vier von acht Einsatzmaterialinjektoren gesperrt wird. Dieser Ansatz verursacht allerdings stufenweise Veränderungen anstelle von kontinuierlichen Veränderungen, was zu Ineffektivität führt. Es gibt daher den Bedarf nach einer besseren Maximierung eines FCCU-Betriebs in einer sich ändernden wirtschaftlichen Umgebung. Während eines zwei- bis dreijährigen Betriebs einer Anlage gibt es einen beträchtlichen Raum zum Optimieren der Einsatzmaterialinjektorzerstäubung mit verfügbarem Einsatzmaterialpumpenkopf und hydraulischer Kapazität des Einsatzmaterialsystems.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Es ist nun gefunden worden, daß die Zerstäubung des Einsatzmaterials in eine FCCU optimiert werden kann, indem beispielsweise ein Einsatzmaterialinjektor mit variablem Verengungsabschnitt verwendet wird. Zusammen mit geeigneten Steuerungsinstrumenten ist es möglich, einen zusätzlichen Freiheitsgrad zur Steuerung und Optimierung eines FCCU-Verfahrens und des gesamten Raffineriebetriebs zu erreichen. Außerdem kann mittels einer neuen Sorte von Einsatzmaterialinjektor eine vorgewählte optimale Einsatzmateralflüssigkeitströpfchengröße und/oder Tröpfchengrößenverteilung und/oder ein vorgewähltes optimales Sprühmuster wie gewünscht aufrechterhalten werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung werden durch die nachfolgende detaillierte Diskussion im Zusammenhang mit den Zeichnungen besser verständlich, wobei
  • Fig. 1A ein Fließdiagramm eines typischen katalytischen Crackverfahrens des Standes der Technik ist,
  • Figur 1B schematisch eine Ausführung einer katalytischen Wirbelschicht-Crackanlage (FCCU) des Standes der Technik illustriert, auf die die vorliegende Erfindung anwendbar ist,
  • Fig. 2 ein Fließdiagramm des katalytischen Crackreaktorabschnitts des Standes der Technik ist und außerdem ein erfindungsgemäßes System zur Steuerung der Einsatzmaterialströmung zeigt,
  • Fig. 3 ein Schemadiagramm einer Einsatzmaterialinjektorzusammenstellung mit variablem Verengungsabschnitt einer FCCU gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist,
  • Fig. 4 ein detaillierteres Schemadiagramm eines Abschnitts der Düsenzerstäubungseinstellungsvorrichtung des Einsatzmaterialinjektors in Fig. 3 ist,
  • Fig. 5 eine Vorderansicht des Vormischabschnitts der Düsenzerstäubungseinstellungsvorrichtung aus Fig. 4 ist,
  • Fig. 6 detaillierter eine Düsenzerstäubungseinstellungsvorrichtung zeigt, die sich in einem variablen Verengungsabschnitt einer konvergierenden Fächerdüse befindet,
  • Fig. 7 eine typische graphische Darstellung von % Hub gegen Strömungsfläche des Düsenabschnitts eines konvergierenden Fächereinsatzmaterialinjektors mit variablem Verengungsabschnitt des in Fig. 3 abgebildeten Typs ist,
  • Fig. 8 ein Schemadiagramm des in Fig. 3 abgebildeten Einsatzmaterialinjektors ist, der an einer Wand des Steigrohrabschnitts des FCCU-Reaktors befestigt gezeigt ist,
  • Fig. 9 eine graphische Darstellung einer typischen Tröpfchengrößenverteilung und Tröpfchengeschwindigkeitsverteilung eines Einsatzmaterialinjektors zeigt,
  • Fig. 10 eine graphische Darstellung ist, die die Widerstandszahlen der Düse gegen einen spezifizierten variablen geometrischen Parameter für einen typischen erfindungsgemäßen Einsatzmaterialinjektor zeigt,
  • Fig. 11 (Teile A und B) ein Flußdiagrarnm ist, das ein Computeranwendungsprogramm zur Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gemäß Beispiel 2 illustriert.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer FCCU durch Optimieren der Zerstäubung von in eine katalytische Crackzone eingebrachtem Einsatzmaterial. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, die unten detailliert beschrieben ist, werden mehrere Einsatzmaterialinjektoren, die jeweils einen variablen Verengungsabschnitt umfassen, verwendet, um die Zerstäubung des Einsatzmaterials zu optimieren.
  • In dieser Beschreibung soll der Begriff "Zerstäubung" in bezug auf das Ausströmen aus einem Einsatzmaterialzerstäuber die folgenden Zerstäubungscharakteristika einschließen: durchschnittliche oder mittlere Einsatzmaterialtröpfchengröße, Tröpfchengrößenverteilung und Sprühmuster. Sprühmuster bezieht sich auf Sprühwinkel und -form, beispielsweise Kegel, Fächer, etc.
  • Allgemein führt ein Einsatzmaterialzerstäubungsgrad, der durch eine geringere durchschnittliche Tröpfchengröße, enge Tröpfchengrößenverteilung und gut verteiltes Sprühmuster gekennzeichnet ist, zu weniger Koks und weniger Trockengas und neigt dadurch dazu, die Flüssigkeitsausbeuten zu maximieren. Zur Maximierung von Mogas (Motorenbenzin-Ausbeute) kann die Zerstäubung des Einsatzmaterials zu relativ feinen Tröpfchen gewählt werden, um zu Größe und Verteilung der in der FCCU verwendeten Katalysatorteilchen zu passen. Anderseits können eine größere durchschnittliche Tröpfchengröße und eine weite Verteilung, die einschließt, daß ein Teil der Tröpfchen erheblich größer ist als der Durchschnitt, und ein nicht gut verteiltes Sprühmuster zu einer beträchtlichen Erhöhung der Koksbildung führen. Der gewählte Zerstäubungsgrad hängt von den Verfahrenszielen ab. Um beispielsweise LPG (flüssiges Propangas) zu maximieren, ist möglicherweise eine feine Tröpfchengröße nicht ideal. Es wird angenommen, daß die Tröpfchengröße und -verteilung dominante Faktoren zum Erreichen von Ausbeutevorgaben sind. Die Daten haben auch gezeigt, daß zwei unterschiedliche Sprühmuster drastisch unterschiedliche Auswirkungen auf die Ausbeuten haben können.
  • Das vorliegende Verfahren ist auf Einsatzmaterialien anwendbar, die entweder Newton'sche oder keine Newton'schen Fluids sind. Im allgemeinen verhält sich ein VGO (Vakuum-Gasöl), das in ein FCCU-Verfahren eingespeist wird, wie ein Newton'sches Fluid. Obwohl hochsiedende Einsatzmaterialkomponenten aus Rückständen und gecrackte zurückgeführte Materialien, die einen Teil des gesamten Einsatzmaterialstroms sein können, der zu den Einsatzmaterialinjektoren geschickt wird, einige nicht-Newton'sche Charakteristika aufweisen können, wird die Annahme, daß sich das Einsatzmaterial allgemein als Newton'sches Fluid verhält, als vernünftig und angemessen betrachtet, solange es die Konstruktionsweise von Geräten betrifft.
  • Ein Einsatzmaterial, das "nur Öl" ist, kann "druckzerstäubt" und/oder in den FCCU-Reaktor gesprüht werden. In der bevorzugten Betriebsweise wird allerdings ein Medium mit niedrigerem Molekulargewicht in das Öleinsatzmaterial injiziert. Geeignete Medien schließen Wasserstoff, Wasserdampf, Stickstoff, FCC-Abgas und C&sub6;-Kohlenwasserstoffe ein. Am meisten bevorzugt wird eine Wasserdampf/Öl-Mischung als Einsatzmaterialstrom zu dem FCCU- Reaktor verwendet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird diese Wasserdampf/Öl-Mischung durch eine Einsatzmaterialinjektordüse mit variablem Verengungsabschnitt geleitet. Das Verhältnis von Dampf/Öl kann während der Verfahren in Abhängigkeit von Veränderungen des Typs und der Eigenschaften des Öleinsatzmaterials eingestellt werden. Die Menge an Wasserdampf in der Mischung beeinflußt die Dichte der Mischung und hat daher einen Einfluß auf die Zerstäubung. Allgemeine technische Praxis, die für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist, ist die Verwendung von etwa 1,0 Gew.% Dampf für leichte Einsatzmaterialtypen und etwa 3,0 bis 5,0 Gew.% Dampf für schwere, viskosere Einsatzmaterialtypen.
  • Die Verwendung eines Mediums mit niedrigem Molekulargewicht in einem FCCU-Einsatzmaterialinjektor trägt zum Verdampfen der flüssigen Tröpfchen des Einsatzmaterials bei, indem der Partialdruck des Öls verringert wird. Eine einfache Analogie findet sich im Betrieb eines Vakuum-Rohrverdampfers. Bei einem festgelegten Druck und einer festgelegten Temperatur verringert die Erhöhung des Wasserdampf/Öl-Verhältnisses den Partialdruck des Öls und verursacht das Verdampfen von höhersiedenden Ölkomponenten.
  • In einem katalytischen Wirbelschicht-Crackverfahren (FCC- Verfahren) beeinflußt der anfängliche Kontakt von Öleinsatzmaterial mit regeneriertem Katalysator und die Art der Durchführung dieses Kontaktierens die Produktausbeuten und -qualitäten des Reaktors und die damit verbundene erforderliche endotherme Crackwärme. Das anfängliche Kontaktieren kann als örtlich begrenzte Zone (Steuervolumen) in dem Reaktorsystem gesehen werden, das typischerweise aus einer Wasserdampf/Öl/Katalysator- Mischung (Emulsion) besteht. Indem das Wasserdampf/Öl-Verhältnis und die Zerstäubung (Öl-Flüssigkeitströpfchengröße, Öl-Flüssigkeitströpfchenverteilung und/oder Sprühmuster) eingestellt wird, kann der Reaktionsweg erfindungsgemäß gesteuert oder beeinflußt werden. Es ist wünschenswert, die Zerstäubung für einen gegebenen Satz von FCCU-Eingaben oder -Ausgaben zu optimieren.
  • Ein guter Indikator oder ein gutes Maß für den Einsatzmaterialzerstäubungszustand ist der Druckabfall (ΔP) über der Düse eines Einsatzmaterialinjektors. Ein mit dem Düsendruckabfall in Beziehung stehender Parameter wird als Maß für die Zerstäubung verwendet. Beispielsweise steht der Druckabfall in direkter Beziehung zu der Düsenquerschnittfläche in den bevorzugten erfindungsgemäßen Einsatzmaterialinjektoren. Die Widerstandszahl der Düse, die in den folgenden Beispielen definiert ist, ist ein gutes Maß für die Zerstäubung. Daten, die sich auf die Tröpfchengröße der Düse, die Tröpfchengrößenverteilung und das Sprühmuster mit den Widerstandszahlen der Düse oder ΔP beziehen, können experimentell entwickelt werden, wie nachfolgend in den Beispielen detailliert erklärt.
  • Korrelationen können auch als Basis für die Bewertung der Leistung einer speziellen Einsatzmaterialinjektorkonstruktionsweise mit variablem Verengungsabschnitt dienen. Die Düsengeometrie beeinflußt das Sprühmuster, die Flüssigkeitströpfchengröße und die Tröpfchengrößenverteilung und spiegelt sich in dem Widerstandszahlen der Düse wieder. Beispielsweise gibt Fig. 10 eine Widerstandszahlkurve für eine Sorte von Einsatzmaterialinjektor mit variablem Verengungsabschnitt wieder.
  • Daten von einer FCCU-Anlage können aus einer Reihe von ähnlichen technischen Anlagen gesammelt werden, um die mit Einsatzmaterialinjektorveränderungen verbundenen Veränderungen des katalytischen Crackens zu messen. Beispielsweise können ΔP der Düse oder ein anderes Maß für die Zerstäubung mit der Ausbeute und den Qualitätsverschiebungen in einem FCCU-Reaktor verknüpft werden. Vorzugsweise kann jede spezielle FCCU untersucht werden, um solche Korrelationen empirisch zu entwickeln. Es können auch Verfahrensmodelle verwendet werden, um diese Korrelationen aufzustellen. Ein FCCU-Computersimulationsmodell kann verwendet werden, um die Ausbeuteverschiebungen auf Grundlage eines "Anlagenfaktors" zu bestimmen.
  • Wie zuvor erwähnt kann der gewünschte Zerstäubungsgrad von den Verfahrens- oder Betriebsvorgaben abhängen. Die Einstellung der Zerstäubung des Einsatzinaterials in eine katalytische Crackzone kann beispielsweise verwendet werden, um die Veränderung der Produktausbeute- und/oder -qualitätsziele in einer Steuerungsumgebung mit Mehrvariablenrestriktionen, LP-Steuerungsoder nicht-linearer LP-Steuerungsumgebung zu kompensieren. Ein Beispiel hierfür wären Naphthaflüssigproduktausbeute und Research-Octanqualität. Wenn sich die Produktwerte auf dem Markt verändern, können die Ausbeuten des FCCU-Reaktors verändert werden, um den wirtschaftlichen Nutzen des FCCU-Verf ahrens beim Betrieb einer Raffinerie zu optimieren. Dies ist extrem wichtig bei Raffinerien, in denen während des Betriebs erfolgendes Abmischen durchgeführt wird.
  • Der Zerstäubungsgrad kann als eine Steuerungsvariable verwendet werden, die sich in Echtzeit ändert. Beispielsweise können sowohl Ausbeuten als auch Temperaturen verändert werden, indem der Zerstäubungsgrad verändert wird.
  • Die Düsenströmungsfläche und Zerstäubung können eingestellt werden, um stromaufwärts stattfindende Veränderung von Durchflußraten oder die stromaufwärts stattfindende Veränderung von chemischen oder physikalischen Eigenschaften zu kompensieren. Die Zerstäubung kann auch eingestellt werden, um den normalen Verschleiß der Gerätschaften zu kompensieren oder um Verkoken/- Verstopfen der Düsen zu kompensieren, das schlechte Zerstäubung und nachteilige Ausbeute- und Qualitätsverschiebungen verursachen kann.
  • Das bevorzugte Mittel zur Steuerung der Zerstäubung des Einsatzmaterials ist, den Druckabfall AP der Injektordüse zu überwachen, beispielsweise mittels eines Druckmeßwertwandlers oder eines Druckreglers (PDRC), und ein darauf basierendes Signal an ein Stellglied zu übertragen, welches mit einem variablen (beweglichen) Verengungsabschnitt eines Einsatzmaterialinjektors verbunden ist. In geeigneter Weise kann ein PDRC in einem Modus mit einer einfachen Einzelsteuerungsschleife betrieben werden, die einen Zielwert des Düsendruckabfalls aufrechterhält. Alternativ kann das PdRC in einer komplexeren Steuerungskonfiguration kombiniert sein.
  • In einem einfachen Modus mit einer Einzelsteuerungsschleife wird ein Zielwert für den PDRC-Druckabfall eingestellt, um eine gewünschte Einsatzmaterialzerstäubung zu erreichen. Die Bedienungsperson der Anlage überwacht in einem "offenen Schleifen"- Steuerungsmodus den Effekt, den verschiedene PdRC-Sollwerte auf Ausbeuten und Qualitäten des FCCU-Verfahrens haben. Der PdRC- Sollwert wird basierend auf den Ansprechneigungen der Anlage gewählt, um die Einsatzmaterialzerstäubung (einschließlich Sprühmuster, Tröpfchengröße und Tröpfchengrößenverteilung) zu optimieren.
  • Ein Anwendungssoftwarepaket kann entwickelt werden, um den PdRC bei der Steuerung der Einsatzmaterialinjektoren mit variablen (beweglichen) Verengungsabschnitten zu unterstützen. Jedes Stellglied kann einen Positionsindikator haben, der für jeden Injektor im Feld kalibiert worden ist. Um die Investitionen zu minimieren, kann ein einziger Druckregler (PdRC) installiert werden. Meßsammelleitungen können vorgesehen werden, um zu ermöglichen, daß der PdRC mit jedem der Injektoren gekoppelt werden kann. Eine teurere Konfiguration würde individuelle PdRC- Meßinstrumente für jeden Einsatzmaterialinjektor mit variablem (beweglichen) Verengungsabschnitt beinhalten.
  • Feldkalibrierkurven können für jeden Einsatzmaterialinjektor mit variablem (beweglichen) Verengungsabschnitt konstruiert werden, um die Beziehung zwischen ΔP der Düse und der Düsenquerschnittfläche zu definieren. Idealerweise soll die gleiche Beziehung für jede Düse bestimmt werden, allerdings können im konkreten Fall anlagenspezifische Rohrsysteme (Rohrlayouts) zu geringfügigen Unterschieden unter den verschiedenen Düsen führen. Basierend auf Feldwerten kann eine der Düsen mit variablem (beweglichen) Verengungsabschnitt als Bezugsdüse gewählt werden, die abgetastet wird. Der PdRC überwacht den Druckabfall dieser Düse und sendet Steuerungsbewegungssignale an das Anwendungsprogramm. Bezogen auf die Feldkalibrierwerte für jeden individuellen Einsatzmaterialinjektor mit variablem (beweglichen) Verengungsabschnitt und das PdRC-Signal schickt das Anwendungsprogramm ein Signal zu den individuellen Stellgliedern/Positioniereinrichtungen, um die Düsenströmungsfläche nach Bedarf zu verändern. Um unnötiges Pendeln des Stellglieds zu vermeiden, kann eine Unempfindlichkeitsbereichvorgabe vorgegeben werden. Es kann auch in dem Anwendungsprogramm für eine Hierarchie gesorgt werden, so daß individuelle Düsen in einem sequentiellen und spezifischen geometrischen Muster angesprochen werden. Zwei gegenüberliegende Düsen können als Paar angesprochen werden.
  • Die Anwendung von Einsatzmaterialinjektoren mit variablem Verengungsabschnitt auf ein FCCU-Verfahren gestattet neue Steuerungskonfigurationen, bei denen beispielsweise die Gesamteinsatzmaterialströmungssteuerung zu einem oder mehreren Einsatzmaterialinjektoren in Kaskade an die Einsatzmaterialinjektordüse weitergeleitet wird. Reservesteuerungsventil-ΔP und Einsatzmaterialpumpen-ΔP, die in dem Einsatzmaterialkreislauf verfügbar sind, werden an die Einsatzmaterialinjektordüse weitergeleitet, um ΔP der Düse zu optimieren und Zerstäubung und/oder Sprühmuster zu verbessern.
  • Ein Verfahrenssteuerungsschema kann ein einzelnes Niveau oder eine einzelne Stufe von Einsatzmaterialinjektoren oder mehrere Niveaus von Einsatzmaterialinjektoren (mehrstufige Einsatzmaterialinjektoren) beinhalten, die beispielsweise gleichförmig um den Umkreis eines Steigrohrs eines FCCU-Reaktors herum verteilt sind. Bei einer typischen Reaktorkonf iguration wird das gesamte Einsatzmaterial, das vorgeheiztes frisches Einsatzmaterial plus gecrackte rückgeführte Materialien aus einem stromabwärts gelegenen FCCU-Fraktionierer umfaßt, typischerweise stromaufwärts von den Einsatzmaterialinjektordüsen kombiniert. Dieser gesamte Einsatzmaterialstrom wird typischerweise mit Steigrohr-Einsatzmaterialinjektionswasserdampf kombiniert und zu den Einsatzmaterialinjektordüsen geführt.
  • Wegen bestehender FCCU-Konstruktionsweisen ist es möglicherweise sehr teuer, zusätzliche Einsatzmaterialinjektordüsen des erfindungsgemäß verwendeten variablen Typs einem bestehenden ersten (unteren) Niveau von Einsatzmaterialinjektoren hinzuzufügen, da es eine Reihe von potentiellen strukturellen Interferenzproblemen gegen kann, die mit diesem Niveau von Einsatzmaterialinjektoren in einer bestehenden Anlage verbunden sind. In einem solchen Fall können zusätzliche Niveaus von erfindungsgemäßen Einsatzmaterialinjektoren mit variablem Verengungsabschnitt bereitgestellt werden.
  • Es ist nicht ungewöhnlich, in Stufen erfolgendes und/oder getrenntes Kontaktieren von Einsatzmaterialien einer FCCU durchzuführen. Beispielsweise besteht in einer FCCU mit zwei Steigrohren die Möglichkeit, getrenntes Kontaktieren von Einsatzmaterial durchzuführen. Als ein Beispiel für verschiedenen Ausführungen, auf die das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist, kann eine spezielle FCCU mit beispielsweise den Niveaus Nr. 1, 2 und 3 auf einer vertikalen Achse ihres Steigrohrs die folgenden Verfahrensoptionen aufweisen:
  • a. Gesamteinsatzmaterial für Niveau Nr. 1 (Gesamteinsatzmaterial kann aus beliebigem oder allem aus jedem der folgenden zusammengesetzt sein: unbearbeitetes oder verarbeitetes oder vorbehandeltes Vakuumgasöl, importiertes Vakuumgasöl, importierter Rückstand, Rückführungsströme aus dem FCCU-Fraktionierer oder Rückführungsströme aus anderen Raffinerieverfahrensanlagen.)
  • b. Unbearbeitetes oder verarbeitetes oder vorbehandeltes Vakuumgasöl (VGO) für Niveau Nr. 1 und FCCU-Rückführungsströme für Niveau Nr. 2
  • c. Gesamteinsatzmaterial für Niveau Nr. 2 (verringerter Reaktorverweilzeitmodus).
  • d. Unbearbeitetes oder verarbeitetes oder vorbehandeltes Vakuumgasöl (VGO) für Niveau Nr. 1, HCCO (Schweröl aus dem Katalysecyclus)-Rückführung für Niveau Nr. 2 und Bodenproduktrückführung für Niveau Nr. 3.
  • e. Unbearbeitetes oder verarbeitetes oder vorbehandeltes Vakuumgasöl (VGO) für Niveau Nr. 2 und FCCU-Rückführungsströme für Niveau Nr. 3.
  • f. Unbearbeitetes oder verarbeitetes oder vorbehandeltes Vakuumgasöl (VGO) und Rückführungsströme für Niveau Nr. 1 und importiertes (Rückstands)einsatzmaterial für Niveau Nr. 2.
  • g. Unbearbeitetes oder verarbeitetes oder vorbehandeltes Vakuumgasöl (VGO) für Niveau Nr. 1 und Rückführungsströme und importiertes (Rückstands)einsatzmaterial für Niveau Nr. 2.
  • h. Unbearbeitetes oder verarbeitetes oder vorbehandeltes Vakuumgasöl (VGO) für Niveau Nr. 1, Rückführungsströme für Niveau Nr. 2 und importiertes (Rückstands)einsatzmaterial für Niveau Nr. 3.
  • i. Unbearbeitetes oder verarbeitetes oder vorbehandeltes Vakuumgasöl (VGO) und Rückführungsströme für Niveau Nr. 2 und importiertes (Rückstands)einsatzmaterial für Niveau Nr. 3.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines in Stufen erfolgenden/getrennten FCCU-Reaktorsystems wird das hochwertigste Einsatzmaterial zuerst mit dem hochwertigsten aktivsten Katalysator umgesetzt. In nachfolgenden Stufen werden vorzugsweise geringwertigere Einsatzmaterialien in das Reaktorsystem eingebracht.
  • In einem Einstufenreaktionssystem ist die bevorzugte Anordnung eines Niveaus oder Rings von Einsatzmaterialinjektordüsen mit variablem Verengungsabschnitt am Einlaß des Reaktorsteigrohrs (mitunter auch als Überführungsleitungsreaktor bezeichnet). Geeigneterweise sind eine Anzahl von Düsen gleichförmig um die Umgrenzung des Reaktorsteigrohrs verteilt, um einen guten Kontakt zwischen Katalysator und Öl sowie gutes Vermischen von Katalysator und Öl sicherzustellen.
  • In einem Mehrstufenreaktorsystem, bei dem eine bestehende Anlage aufgerüstet wird, um das vorliegende Verfahren durchzuführen, ist eine bevorzugte Betriebsweise wie folgt. Die gesamten Einsatzmaterialkomponenten einer FCCU können in zwei breite Kategorien klassifiziert werden: gute (z. B. unbearbeitete) Einsatzmaterialien und schlechte (z. B. gecrackte zurückgeführte) Einsatzmaterialien. Typischerweise wird ein unbearbeitetes VGO- Einsatzmaterial in ein bestehendes erstes Niveau von Einsatzmaterialinjektoren am Einlaß zu dem Reaktorsteigrohr eingebracht, wo diese Einsatzmaterialinjektoren entweder Einsatzmaterialinjektoren mit festgelegtem Verengungsabschnitt oder mit variablem Verengungsabschnitt sein können. Typischerweise sind ungefähr 80 % des gesamten Einsatzmaterials gut, z. B. VGO. Diese gute Einsatzmaterialkomponente des Gesamteinsatzmaterials wird mit dem regenerierten Katalysator in einem geringfügig höheren Katalysator/Öl-Verhältnis in der Reaktionszone zwischen dem ersten und zweiten Niveau der Einsatzmaterialinjektoren kontaktiert und umgesetzt.
  • Das HCCO (Schweröl aus dem Katalysezyklus) und Bodenproduktrückführungsströme aus dem FCCU-Fraktionierer, die das sogenannte schlechte Einsatzmaterial ausmachen, repräsentieren typischerweise die anderen 20 % des Gesamteinsatzmaterials. Sie können durch Einsatzmaterialinjektordüsen mit variablem Verengungsabschnitt bei einem zweiten und gegebenenfalls dritten Niveau von Einsatzmaterialinjektoren injiziert werden. Die HCCO und Bodenproduktrückführungsstrome sind typischerweise sehr aromatische hitzebeständige Materialien, die im Vergleich mit dem frischen Einsatzmaterial schlechtere Ausbeuteselektivitäten aufweisen. Durch Trennung dieses Materials und stufenweise Führung des Reaktionssystems wird eine attraktivere Produktausbeuteverteilung erreicht und es wird zusätzliche Flexibilität des Verfahrens gewonnen.
  • Die Trennung der Einsatzmaterialkomponenten und die Stufung des Reaktionssystems in zwei Zonen oder Stufen führt zu einer geschätzten Verringerung des Koks von 10 %. Dies führt zu einem ähnlichen Kapazitätsanstieg für eine Anlage mit Luftbeschränkung. Es wird geschätzt, daß durch Anwendung von Einsatzmaterialinjektoren mit variablem Verengungsabschnitt auf ein zweites Niveau von Einsatzmaterialinjektoren eine zusätzliche Koksverringerung erhalten werden kann. Dies führt zu einem zusätzlichen Kapazitätsanstieg für eine Anlage mit Luftbeschränkung.
  • Wegen der Unterschiede der Fluideigenschaft und -chemie zwischen Rückführungsströmen und Frischeinsatzmaterialströmen liefert die Verwendung von Einsatzmaterialinjektoren mit variablem (beweglichen) Verengungsabschnitt bei den Rückführungsströmen zusätzliche Verfahrensflexibilität. Die Flüssigkeitströpfchengröße, Tröpfchenverteilung und/oder Sprühmuster der Rückführungsströme können durch Einsatzmaterialinjektordüsen mit variablem (beweglichen) Verengungsabschnitt optimiert werden. Wegen der Trennung des Einsatzmaterials können die Rückführungsströme mit den Bedingungen in dem Reaktorsystem zerstäubt werden, die für diese Einsatzmaterialkomponenten am optimalsten sind. Es ist durchführbar, daß das Einsatzmaterial des ersten Niveaus des Reaktors aufgrund der unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen der beteiligten Kohlenwasserstoffe mit einem anderen Zerstäubungsgrad als das Einsatzmaterial des zweiten Niveaus optimiert wird. Die Grundlage für diese unterschiedlichen Optimierungen ist anlagenspezifisch und basiert auf Betriebs zielen und vorherrschenden wirtschaftlichen Überlegungen.
  • Alternativ können getrennte Einsatzmaterialien in einem einzigen Niveau von Einsatzmaterialinjektoren unter Verwendung getrennter Düsen verarbeitet werden.
  • Injektoren mit variablem Verengungsabschnitt, die erfindungsgemäß verwendet werden können, können durch geeignete Modifikation eines konventionellen Injektors mit festgelegtem Verengungsabschnitt hergestellt werden, indem beispielsweise ein beweglicher Verengungseinsatz wie unten detailliert beschrieben hinzugefügt wird. Es gibt zahlreiche Konstruktionstypen von festgesetzten Verengungsabschnitten, die konvergierend-divergierend, konvergierend, konvergierend-divergierende fächerartige Typen und Spiraltypen einschließen, aber nicht auf diese beschränkt sind. Die Ausweitung der Erfindung auf andere Düsengeometrien und andere festgelegte Verengungsdüsenkonstruktionsweisen wird von Fachleuten erkannt. Jedes Einsatzmaterialinjektor System, das in der Lage ist, die Einsatzmaterialzerstäubung in einer steuerbaren Weise zu variieren, kann zur Durchführung der Erfindung verwendet werden.
  • Da nun die Erfindung in allgemeinen Worten beschrieben wurde, wird nun auf Figur 1B bezug genommen, die ein typisches katalytisches Wirbelschicht-Cracksystem zeigt. Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf diesen Systemtyp beschränkt und ist gleichermaßen auf andere Typen von Cracksystemen und andere Zonenkonfigurationen und -positionen anwendbar. Verschiedene konventionelle Gegenstände wie Ventile, Pumpen, Kompressoren, Wasserdampfleitungen, Meßgeräte und andere Verfahrensgeräte und Steuerungseinrichtungen sind in den Figuren zur Vereinfachung weggelassen. Variationen, die für Fachleute im Bereich von Katalysatorcrackverfahren offensichtlich sind, sind in den allgemeinen Bereich der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.
  • In bezug auf Figur 18 ist eine vertikal angeordnete zylindrische Reaktionszone 10 gezeigt, die einen Überführungsleitungsreaktor 12 für Katalysator enthält, in dem ein in Leitung 16 eingebrachtes Kohlenwasserstoffeinsatzmaterial katalytische Crackreaktionen eingeht. Kohlenwasserstoffeinsatzmaterialien, die geeigneterweise in einem katalytischen Wirbelschicht-Crackverfahren verwendet werden können, schließen Naphthas, leichte Gasöle, schwere Gasöle, einen weiten Schnitt von Gasölen, Vakuumgasöle, Kerosine, dekantierte Öle, Rückstandfraktionen, abgetopte Rohöle, von einem von diesen Materialien abgeleitete Cyclusöle sowie geeignete Fraktionen ein, die aus Schieferölkerogen, der Bitumenverarbeitung von Teersand, synthetischen Ölen, der Kohlehydrierung und dergleichen abgeleitet sind. Solche Einsatzmaterialien können einzeln, in parallelen Reaktionszonen getrennt oder in jeder gewünschten Kombination verarbeitet werden. Kohlenwasserstoffgas und -dämpfe, die den Überführungsleitungsreaktor 12 passieren, halten den Katalysator in einem turbulenten verwirbelten Zustand, der wie eine siedende Flüssigkeit aussieht.
  • Allgemein kann jeder technische Kohlenwasserstoffumwandlungskatalysator erfindungsgemäß geeigneterweise verwendet werden, der auf hohe Wärmebeständigkeit ausgelegt ist. Solche Katalysatoren schließen solche, die Siliciumdioxid und/oder Aluminiumoxid enthalten, sowie die wohlbekannten Zeolithe ein.
  • In Reaktionszone 10 wird der Crackkatalysator während des Kontaktes mit dem Kohlenwasserstoffeinsatzmaterial aufgrund der Absetzung von Koks auf ihm verbraucht. So beziehen sich die Begriffe "verbrauchter" oder "mit Koks verunreinigter" Katalysator wie hier verwendet allgemein auf Katalysator, der eine Reaktionszone passiert hat und eine ausreichende Menge Koks enthält, um einen beträchtlichen Aktivitätsverlust zu verursachen, wodurch die Regeneration erforderlich ist. Typischerweise variiert der Koksgehalt von verbrauchtem Katalysator von etwa 0,5 bis etwa 1,5 Gew.%.
  • Vor der tatsächlichen Regeneration wird der verbrauchte Katalysator üblicherweise aus der Reaktionszone in eine Strippzone 18 unter ein bei 14 gezeigtes Wirbelbettniveau geleitet und dort mit einem Strippgas kontaktiert, das über Leitung 20 in den unteren Teil von Zone 18 eingebracht wird. Das Strippgas, das üblicherweise mit einem Druck von etwa 10 bis etwa 50 psig eingebracht wird, dient dazu, die meisten flüchtigen Kohlenwasserstoffe von dem verbrauchten Katalysator zu entfernen. Ein bevorzugtes Strippgas ist Wasserdampf, obwohl Stickstoff, andere Inertgase oder Abgas verwendet werden kann. Normalerweise wird die Strippzone auf im wesentlichen der gleichen Temperatur gehalten wie die Reaktionszone, d. h. etwa 850ºF bis etwa 1100ºF.
  • Gestrippter verbrauchter Katalysator, von dem die meisten der flüchtigen Kohlenwasserstoffe gestrippt sind, wird dann von dem Boden der Strippzone 18 durch eine berführungsleitung für verbrauchten Katalysator geleitet, wie die J-förmige Biegung 22 und das damit verbundene vertikale Steigrohr 24, das sich in den unteren Abschnitt einer Regenerationszone 26 erstreckt.
  • Steigrohr 24 ist derart gezeigt, daß es außermittig in Regenerationszone 26 eintritt, um Interferenzen mit der zusätzlichen heizenden Luft aus Abschnitt 31 der Regenerationszone zu vermeiden. In der gezeigten Ausführungsform wird nur ein Steigrohr 24 verwendet. Es liegt allerdings in der Absicht der vorliegenden Erfindung, daß mehrere Steigrohre verwendet werden können.
  • Luft wird durch Leitung 41 und Leitung 28 in einer ausreichenden Menge, um die Dichte des darin strömenden Katalysators zu verringern, in Steigrohr 24 eingebracht, womit durch einfaches hydraulisches Gleichgewicht veranlaßt wird, daß der Katalysator nach oben in die Regenerationszone 26 fließt.
  • In der speziellen in Figur 18 gezeigten Konfiguration ist die Regenerationszone ein getrenntes Gefäß (das auf ungefähr der gleichen Höhe angeordnet ist wie Reaktionszone 10), das eine dichte Phase eines Katalysatorbettes 30 mit einem durch 32 gezeigten Niveau aufweist, in der die Regeneration eingegangen wird, um die während der Crackreaktion in der Reaktionszone gebildeten Koksablagerungen abzubrennen, wobei über der dichten Phase eine verdünnte Katalysatorphase 34 liegt. Ein sauerstoffhaltiges Regenerationsgas tritt über Leitung 36 in den unteren Teil der Regenerationszone 26 ein und gelangt durch ein Gitter 38 und die dichte Phase des Katalysatorbetts 30 nach oben, wodurch das Bett in einem turbulenten verwirbelten Zustand ähnlich dem, der in der Reaktionszone 10 vorliegt, gehalten wird. Wie detaillierter in Bezugnahme auf die folgende Figur 2 diskutiert wird, betrifft die vorliegende Erfindung ein verbessertes System der Verfahrenssteuerung, das die Einbringung von Einsatzmaterial in eine Crackzone umf aßt, die in dieser speziellen Konstruktionsweise in Steigrohr 46 angeordnet ist.
  • Regenerierter Katalysator aus der dichten Phase des Katalysatorbetts 30 in der Regenerationszone 26 fließt abwärts durch Standrohr 42 und gelangt durch die J-förmige Biegung mittels Überführungsleitung 46, die sich auf Höhe der Ölinjektionsleitung 16 über der J-förmigen Biegung mit der J-förmigen Biegung verbindet, in die Reaktionszone 10. Mit regeneriertem Katalysator ist Katalysator gemeint, der die Regenerationszone verläßt und ein sauerstoffhaltiges Gas kontaktiert hat, wodurch verursacht wurde, daß mindestens ein Teil, vorzugsweise ein wesentlicher Teil des auf dem Katalysator vorhandenen Koks entfernt worden ist. Spezieller kann der Kohlenstoffgehalt des regenerierten Katalysators beliebig von etwa 0,01 bis etwa 0,2 Gew.% variieren, beträgt aber vorzugsweise etwa 0,01 bis etwa 0,1.
  • Das Kohlenwasserstoffeinsatzmaterial für das Crackverfahren wird durch Leitung 16 über spezielle Einsatzmaterialinjektoren, die nachfolgend detailliert in bezug auf Figur 3 beschrieben werden, in Leitung 46 injiziert, um eine Mischung aus Öl und Katalysator zu bilden, die in den Überführungsleitungsreaktor 12 in der Reaktionszone 10 geleitet wird. Produktdämpfe, die mitgerissene Katalysatorteilchen enthalten, werden als Kopfprodukt aus dem Überführungsleitungsreaktor 12 in eine Gas/Feststoff- Trenneinrichtung 48 geleitet, wo die mitgerissenen Katalysatorteilchen abgetrennt werden und über Tauchrohre 50, die in die Strippzone 18 zurückführen, zurückgegeben werden. Die Produktdämpfe werden dann durch Leitung 52 in das Produktgewinnungs- System gefördert.
  • In Regenerationszone 26 können Abgase, die während der Regeneration des verbrauchten Katalysators gebildet werden, zusammen mit mitgerissenen Katalysatorteilchen aus der dichten Phase des Katalysatorbetts 30 in die verdünnte Katalysatorphase 34 gelangen. Die Katalysatorteilchen werden durch eine geeignete Gas/- Feststoff-Trenneinrichtung 54 aus dem Abgas abgetrennt und über Tauchrohre 56 in die dichte Phase des Katalysatorbetts 30 zurückgegeben. Das im wesentlichen katalysatorfreie Abgas wird dann vor der Entleerung aus der Regenerationszone 26 durch Leitung 60 in eine Plenumkammer 58 geleitet.
  • Es wird von Fachleuten leicht anerkannt, daß die vorliegende Erfindung in günstiger Weise mit geringen Veränderungen oder ohne Veränderungen und ohne Einschränkungen wie der räumlichen Anordnung der Reaktions-, Stripp- und Regenerationszonen auf jeden Typ von katalytischer Wirbelschicht-Crackanlage angewendet werden kann.
  • Ein besseres Verständnis der Anwendung der vorliegenden Erfindung auf die Steuerung der Einsatzmaterialströmung zu der katalytischen Crackanlage kann in Bezugnahme auf Fig. 2 erhalten werden, die den Reaktionsabschnitt der FCCU isoliert von dem Regenerationsabschnitt und zusammen mit bestimmten Verfahrenssteuerungsmeßinstrumenten und -signalen zeigt. Das Steuerungssystem und die Geräte selbst sind konventionell, wie Fachleute leicht erkennen werden, und sind daher nur schematisch gezeigt. Die Zahlen in Fig. 2, die kleiner als oder gleich 52 sind, sind die gleichen wie die Zahlen in Fig. 1B und entsprechen den gleichen Teilen.
  • Obwohl die Einsatzmaterialinjektoren durch eine einzige Leitung 62 in Fig. 2 schematisch gezeigt sind, verwendet diese Ausführungsform tatsächlich mehrere Einsatzmaterialinjektoren. In drei Dimensionen gibt es typischerweise drei oder mehr (3 bis 20) Einsatzmaterialinjektoren, die auf dem gleichen Niveau horizontal beabstandet um den Umkreis des Steigrohrs angeordnet sind. Für Strömungssteuerungszwecke kann ein Durchflußregler 64 in Kaskaden zu Einsatzmaterialinjektorregler 66 weitergeleitet werden. Alternativ kann der Durchflußregler 64 in Kaskade an Druckregler 68 weitergeleitet werden, der wiederum in Kaskade an die gleiche Einsatzmaterialinjektorsteuerungsvorrichtung 66 weitergegeben wird, um ein gewünschtes Zerstäubungsniveau aufrechtzuerhalten.
  • Wie aus Fig. 2 und der obigen detaillierten Beschreibung der Erfindung ersichtlich ist, mißt der Druckregler 68 den Druckabfall über einem Teil des Einsatzmaterialinjektors, geeigneterweise die Differenz zwischen dem Druck, gemessen in Leitung 70 in dem Steigrohr 46 gerade außerhalb der Düsenspitze des Einsatzmaterialinjektors, und dem Druck, gemessen in Leitung 72 an einem Punkt in dem Injektor gerade vor dem Düsenverengungsabschnitt, der variiert wird, wie nachfolgend in bezug auf Fig. 3 erklärt wird. Der Druckregler schließt geeigneterweise eine Vergleichseinrichtung zum Messen der Differenz zu einem angestrebten Sollwert ein, typischerweise 276 kpa (40 psi).
  • Eine Durchflußüberwachungseinrichtung 63 mißt in Echtzeit die Durchflußrate des Einsatzmaterials in der zu den Einsatzmaterial führenden Rohrleitung und ein darauf basierendes Signal wird über Leitung 74 geschickt. Eine akustische Meßeinrichtung kann für diesen Zweck verwendet werden. Wenn alternativ oder zusätzlich die Eigenschaften des Einsatzmaterials überwacht werden, können konventionelle Analysegeräte verwendet werden. Beispielsweise können API-Dichte oder Brechungsindex gemessen werden. Die Einsatzmaterialzusammensetzung und/oder -eigenschaften können mit Infrarot-, Ultraviolett- oder Massenspektroskopie gemessen werden. Ein Hochdruck-Flüssigkeitschromatograph kann verwendet werden, um die Komponenten des Produktstroms vor der Messung zu trennen. Der Regler 64 schließt in geeigneter Weise eine Vergleichsvorrichtung ein, um die gemessene Durchflußrate, typischerweise in Kilobarrel/Tag (kB/d), mit einem Sollwert zu vergleichen. Ein auf die berechnete Durchflußrate oder Differenz zu dem Sollwert basierendes Signal kann wie oben gesagt in Kaskade entweder direkt zu dem Injektorregler 66 oder eine schichtenweise Hierarchie zu dem Druckregler 68 weitergegeben werden, das wiederum in Kaskade zu dem Einsatzmaterialinjektorregler 66 weitergeleitet wird.
  • Der Injektorregler 66 wird verwendet, um den Druckabfall über die zehn Einsatzmaterialinjektoren individuell einzustellen. In jedem Fall wird ein Stellglied 78 verwendet, um die Position einer geeigneten Zerstäubungseinstelleinrichtung (nicht gezeigt) zu variieren. In dieser Ausführungsform wird ein bewegliches Teil verwendet, um die Querschnittströmungsfläche eines Verengungsabschnitts des Einsatzmaterialinjektors und dadurch den Druckabfall zu variieren. Wasserdampf zum Vermischen mit dem Einsatzöl wird typischerweise über Leitung 80 in den Einsatzmaterialinjektor eingebracht.
  • In Bezugnahme auf Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines FCCU-Einsatzmaterialinjektors gezeigt, allgemein als 99 bezeichnet. Dieser Injektor umf aßt an einem Ende eine Düsenspitze 102. Eine Düsengeometrie mit festgelegter Verengung ist gezeigt, wobei es so zu verstehen ist, daß verschiedene Düsengeometrien möglich sind.
  • Der Einsatzmaterialinjektor ist durch eine sogenannte "Wärmemuffen"-Anordnung 104 mit der Wand 103 des FCCU-Reaktors verbunden. Wie ersichtlich ist die Einsatzmaterialinjektoreinrichtung ein integraler Bestandteil des FCCU-Reaktorsystems. Andere mechanische Befestigungsanordnungen sind Fachleuten vertraut.
  • Eine allgemein als 100 bezeichnete Düsenzerstäubungseinstelleinrichtung des Einsatzmaterialinjektors umfaßt eine Welle 105 und einen Kopfteil oder Einstelleinrichtung 106, die detaillierter in Fig. 5 gezeigt ist. Ein Endabschnitt 108 dieser Einstelleinrichtung 106 ist zur Funktion in der konvergierenden Fächerdüsenspitze 102 vorgesehen. Veränderung und/oder Positionierung des Endspitzenabschnitts 108 in der Düsenspitze 102 verändert die Strömungsfläche und beeinflußt die Zerstäubung, die von der Düsenspitze 102 erreicht wird. Eine bevorzugte Ergänzung zu der Grundkonstruktion des Einsatzmaterialinjektors mit variablem Verengungsabschnitt liegt darin, Vormischer 107 und 109 (in Fig. 5) in unmittelbarer Nähe zu der Düseneinsatzspitze 106 einzuschließen. Die Vormischer verbessern die Zerstäubung, insbesondere das Sprühmuster, das mit dem Einsatzmaterialinjektor mit variablem Verengungsabschnitt erreicht wird. Eine Ausführungsform der FCCU-Einsatzmaterialinjektoreinrichtung ist in Fig. 3 gezeigt und gibt eine Konstruktionsweise mit minimalem Hub wieder.
  • Die beiden Vormischer 107 und 109 sind um 45º versetzt und wirken als statische Mischer, brechen Pfropfen/Blasen, dämpfen Fluidvibrationen und erhöhen die radiale Strömung. Aus der Sichtweise der Fluidströmung verleihen sie der ansonsten axialen Strömung eine radiales oder wirbelndes Moment. Dies vermehrt die durch die Düse erreichte Zerstäubung. Wenn der Strömungsbereich des Fluids in der zu dem Einsatzmaterialinjektor führenden Verfahrensleitung in einen unattraktiven Bereich fällt, wie Pfropfenströmung, dienen die Vormischer als Pfropfen/Blasenbrecher und unterstützen eine homogenere Fluidphasenmischung unmittelbar stromaufwärts von der Düse mit variablem Verengungsabschnitt. Dies trägt auch dazu bei, die von der Düse erreichte Zerstäubung zu erhöhen. Die Vormischer 107 und 109 tragen auch dazu bei, daß die Welle 105 und die Zerstäubungseinstelleinrichtung 106 innerhalb der Düse 102 und der Verfahrensrohrleitung 111 fluchten. Die Details eines Vormischers sind im Querschnitt in Fig. 5 gezeigt, aus der ersichtlich ist, daß sich die Speichen 112 radial von der Welle 105 erstrecken und mit einer kreisförmigen Einfassung 113 verbunden sind.
  • In der speziellen Injektoreinrichtungskonfiguration, die in Fig. 3 gezeigt ist, wird eine Mischung aus Wasserdampf und Öl stromaufwärts von der Düsenspitze 102 durch einen Wasserdampf/Öl-Fluideinlaß 114 eingebracht. Wegen der Auswirkungen des Ölpartialdrucks in dem FCCU-Reaktor ist es allgemein bevorzugt, ein die Zerstäubung erhöhendes Medium wie Wasserdampf zu verwenden, um zu der Ölzerstäubung beizutragen, obwohl auch andere Gase verwendet werden können. Allerdings kann der Einsatzmaterialinjektor mit variablem Verengungsabschnitt mit nur aus Öl bestehendem Einsatzmaterial in einem Modus betrieben werden, um Öl unter Druck zu zerstäuben/zu versprühen, ohne Wasserdampf zu verwenden. Das die Zerstäubung erhöhende Medium kann alternativ durch getrennte Verbindungswege in den FCCU-Reaktor eingebracht werden. Allerdings wird in einer typischen Arbeitsweise dieses Einsatzmaterialinjektors mit variablem Verengungsabschnitt stromaufwärts von der Düse eine Wasserdampf/Öl-Mischung gebildet, indem das Wasserdampf/Öl-Verhältnis durchflußgeregelt wird. Das Wasserdampf/Öl-Verhältnis wird basierend auf den Öleigenschaften und anderen Verfahrensüberlegungen eingestellt. Die Ölphase kann als Resultat des Vorheizens teilweise verdampft sein. So besteht die Fluidmischung, die der Einsatzmaterialinjektoreinrichtung zugeführt wird, üblicherweise aus einer Gasphase, einer flüssigen Ölphase und möglicherweise einer Phase aus Öldämpfen.
  • Um die Systemeinstellung zu erhalten, kann ein Isolierventil 115 zwischen den Flanschen 116 und 118 als Teil der Einsatzmaterialeinrichtung verwendet werden, um die Wartung des Systems während des Betriebs zu gestatten. Dieses Isolierventil ist üblicherweise ein Absperrventil, obwohl andere Ventiltypen, wie ein Kugelhahn, verwendet werden können. Die Zerstäubungseinstelleinrichtung der Düse kann zurückgezogen, das Isolierventil geschlossen und die Einrichtung entfernt werden, wie für eine Wartung im laufenden Betrieb erforderlich ist. Wenn beispielsweise Einsatzmaterialtyp und -chemie unerwünschtes Verkoken oder teilweises Verstopfen des Düseninneren verursachen, kann die Düseneinsatzwelleneinrichtung entfernt werden und während des laufenden Betriebs einer Reinigung unterzogen werden.
  • Eine Aufnahmeleitungsabschnitt 117 zur Wartung der Düse, geeigneterweise ein Spulenabschnitt des Rohrs, ist zwischen dem Isolierventil 115 und Flansch 120 vorgesehen. Ein Spulenabschnitt 119, der eine konventionelle Dichtungsbuchse enthält, gestattet eine Modulation eines Verengungsabschnitteinsatzes, der als Zerstäubungseinstelleinrichtung verwendet wird. Eine Konstruktionsweise mit geringer Leckrate ist bevorzugt, obwohl verschiedene Dichtungsbuchsenkonstruktionsweis en akzeptabel sind. Dieser Spulenabschnitt 119 gestattet auch die Reinigung und Wartung der Düsenzerstäubungseinstellungseinrichtung im laufenden Betrieb. Es wird anerkannt, daß vereinfachte Injektoreinrichtungskonstruktionen möglicherweise verwendbar sind, wenn die Wartung oder Reinigung im laufenden Betrieb nicht in Betracht gezogen wird.
  • Ein Beispiel für eine geeignete mechanische Positioniereinrichtung ist Stellgliedeinrichtung 221, die für die mechanische Bewegung, Modulation und Hubsteuerung der Düsenzerstäubungseinstellungseinrichtung und -welle sorgt. Die Steuerung der relativen Position der Düsenzerstäubungseinstellungseinrichtung relativ zu der Düsenspitze 102 beeinflußt die Zerstäubung und/oder das Sprühmuster aus der Düse. In einer typischen Konstruktionsweise wird ein pneumatisches Stellglied mit einer Vorrichtung zur Handsteuerung (Handradbetrieb) verwendet. Andere Stellgliedkonstruktionsweisen einschließlich eines hydraulischen Stellglieds oder eines motorgetriebenen Stellglieds sind auch akzeptabel. Das Stellglied kann auch von anderen Instrumenten und Steuerungseinrichtungen Steuerungsanweisungen erhalten und auf Basis dieser Steuerungsanweisungen die Position der Zerstäubungseinstelleinrichtung einstellen.
  • Allgemein sind pneumatische Stellglieder gegenüber hydraulischen Stellgliedern aufgrund ihrer relativen Kosten bevorzugt, und pneumatische oder hydraulische Stellglieder sind gegenüber anderen Typen aufgrund ihrer Zuverlässigkeit bevorzugt. Allerdings können anlagenspezifische Faktoren die Auswahl der Stellglieder beeinflussen.
  • Es wird eine Wellenkupplung 223 und zwar ein geschraubter Flansch gezeigt, um die Welle der Einstelleinrichtung 100 mit der Zerstäubereinrichtung 221 zu verbinden. Verschiedene Wellenkupplungskonstruktionsweisen sind akzeptabel.
  • Fig. 6 zeigt detaillierter eine Düseneinstellungseinrichtung 100 (ohne Vormischer), die am distalen Ende der Welle 105 angeordnet und in Fächerdüse 102 eingesetzt ist. Ein Spitzenabschnitt 108 der Düseneinstelleinrichtung 106 ist am vermutlich maximalen Einsetzpunkt gezeigt. Fig. 7 zeigt eine graphische Darstellung für eine typische Düse mit variablem Verengungsabschnitt, in der die Strömungsfläche gegen Prozent Hub der Welle aufgetragen ist, welche verwendet worden ist, um die Düsenzerstäubungseinrichtung durch ihr Stellglied zu bewegen.
  • Figur 8 zeigt detaillierter die Installation eines typischen Einsatzmaterialinjektors, der an der Wand eines Steigrohrs eines katalytischen Reaktors befestigt ist. Der Düsenspitzenabschnitt 110 des Einsatzmaterialinjektors ist in einem bevorzugten Winkel von 20º zur Vertikalen angeordnet gezeigt. Der Einsatzmaterialinjektor ist im Querschnitt einen Wandabschnitt 230 durchguerend gezeigt, der als konisches Segment gestaltet ist, das sich selbst in einem Winkel von 30º zur Vertikalen befindet, und zwar zwischen einem oberen zylindrischen vertikalen Wandabschnitt mit relativ größerem Durchmesser 232 und einem unteren zylindrischen vertikalen Wandabschnitt mit relativ geringerem Durchmesser 234 des Steigrohrs. Verschiedene Befestigungswinkel und Orientierungswinkel können in Abhängigkeit von der speziellen Anlage und dem Injektortyp optimal sein. Wie ersichtlich ist, ist die Installation des Injektors konventionell und verwendet eine Rohrkappe 235 und eine gießbare Auskleidung 236 unter den Metallwänden der Reaktorapparatur. Eine Platte mit einer Steinwollauflage (kaowool) 238 umgibt den Umkreis des Einsatzmaterialinjektors, wo er die Steigrohrwand durchdringt. Schweißen an geeigneten Kanten macht die Verbindung luftdicht. Andere mechanische Befestigungen, die Fachleuten bekannt sind, sind geeignet.
  • Beispiel 1
  • Dieses Beispiel illustriert Tests zur Gewinnung von Zerstäubungswerten, die mit verschiedenen bei der Einsatzmaterialinjektion in eine FCCU verwendeten Düsenkonfigurationen verbunden sind.
  • Es wird erwartet, daß feine Tröpfchen und Sprühen in weitem Winkel für ein rasches und gleichförmiges Vermischen von Öl und Katalysator in dem Steigrohr sorgen und den FCCU-Betrieb über die bestehenden Düsen verbessern. Die in diesen Versuchen gemachte Annäherung bestand darin, objektive Modelluntersuchungen durchzuführen, um die Auswirkungen der Viskosität der Flüssigkeit und Strömungsgeschwindigkeiten von Dämpfen und Flüssigkeit auf die Tröpfchengröße, den Verteilungswinkel des Sprühstrahls und den Druckabfall über der Düse zu bestimmen. Die Tröpfchengrößen des Sprühnebels wurden mit einem Laser-Doppleranemometer (LDA) gemessen. Stickstoff und Wasser/Glycerinlösungen wurden verwendet, um Wasserdampf/Öl-Einsatzmaterial zu simulieren. Korrelationen zur Vorhersage der mittleren Tröpfchengröße und des Druckabfalls über einer Düse wurden zur Verwendung bei der Konstruktion und der Steuerung von erfindungsgemäßen Einsatzmaterialinjektoren entwickelt.
  • Obwohl Druckdüsen, Zentrifugalscheiben und Pneumatikdüsen drei grundlegende Typen von in der Industrie verwendeten Zerstäubern sind, wurden diese Tests auf eine Untersuchung von pneumatischen Düsen beschränkt, in denen ein komprimierbares Fluid wie Luft oder Wasserdampf mit hoher Geschwindigkeit verwendet wird, um einen Flüssigkeitsstrahl zu zerteilen. Die am häufigsten zitierte Arbeit über pneumatische Zerstäubung ist eine tröpfchenweise Korrelation von Nukiyama und Tanasawa (Nukiyama und Tanasawa, Trans. Soc. Mech. Engrg., Japan, 6122, 57- 58, 1940). Diese Korrelation wurde allerdings von Testwerten mit Gas-zu-Flüssigkeits-Massenströmungsverhältnissen in der Größenordnung von 10 im Vergleich mit dem in diesen Tests verwendeten Massenströmungsverhältnis von etwa 0,01 abgeleitet. Für die vorliegenden Bedingungen ist die Korrelation von Kim und Marshall (K. Y. Kim und W. R. Marshall, Jr., "Drop-size Distribution from Pneumatic Atomizers" (Tröpfchengrößenverteilung von pneumatischen Zerstäubern), AIChE Journal, Seiten 575 bis 584, Band 17, Nr. 3. Mai 1971) geeigneter und wurde daher zum Vergleich mit den Testmessungen verwendet. Kim und Marshall decken den Bereich von Gas/Flüssigkeits-Relativgeschwindigkeit von 76,2 m/s (250 ft/s) bis Schallgeschwindigkeit, Viskosität von 1 bis 50 cp und Gas/Flüssigkeits-Massenverhältnis von 0,06 bis 40 ab. Die Arbeitsbereiche dieses Testprogramms waren eine relative Viskosität von 70 bis 213,4 m/s (200 bis 700 ft/s), eine Viskosität von 1,3 bis 2,6 cp und Gas/Flüssigkeits-Massenverhältnis von 0,002 bis 0,008. Diese Korrelationen sind nachfolgend beschrieben.
  • Die Kim und Marshall-Tröpfchengrößenkorrelationen für pneumatische Düsen vom konvergierenden Typ wurden für die folgenden Bereiche erhalten: Tröpfchengröße 6 bis 350 um Massenmitteldurchmesser, Massenströmungsverhältnis 0,06 bis 40, relative Geschwindigkeit 250 ft/s bis Schallgeschwindigkeit und Viskosität 1 bis 50 cp.
  • wobei m = -1, wenn Ma/M&sub1; < 3; m = 0,5, wenn Ma/M&sub1; > 3.
  • Xvs = 0,83 Xm
  • wobei: Xm = Massenmitteldurchmesser, um
  • Xvs = mittlerer Durchmesser (Sauter), um
  • = Oberflächenspannung, Dyn/um
  • u&sub1;= Viskosität der Flüssigkeit, cp
  • Pa, P&sub1; = Dichten von Gas und Flüssigkeit, lb/ft³
  • A = Fläche, ft²
  • Vrel = relative Geschwindigkeit von Gas zu Flüssigkeit, ft/s
  • Ma, M&sub1; = Massenströmungsgeschwindigkeiten (Massendurchflußraten) Gas zu Flüssigkeit, lb/Min.
  • Der experimentelle Aufbau bestand aus einer Kammer (0,915 m (3 ft) im Quadrat und 1,83 m (6 ft) lang), die mit Licht und Sichtfenstern ausgestattet war. Die Düse war an einem Ende des Gestells montiert und sprühte horizontal hinein. Ein Sieb am entfernten Ende des Gestells wurde verwendet, um den Sprühnebel aufzufangen. Ein Flüssigeinsatzmaterialmischtank wurde verwendet, um Glycerin mit Wasser zu mischen, um die gewünschte Viskosität zu liefern. Es wurden feststehende Bilder aufgenommen, um den Sprühwinkel zu bestimmen, und das Laser-Doppleranemometer (LDA) wurde verwendet, um die Tröpfchengröße zu messen.
  • Die LDA-Technik zur Größenbestimmung kugelförmiger Tröpfchen basiert auf der Messung der relativen Phasenverschiebung, die auftritt, wenn zwei Lichtwellen die Tröpfchen auf unterschiedlichen Wegen durchdringen. Indem Sichtbarkeit oder Ainplitudenmodulation des Interferenzmusters gemessen wird, das durch das gestreute Licht gebildet wird und über begrenzte (endliche) Auffangverfahren aufgefangen wird, kann adäquate Information zur Größenbestimmung der Tröpfchen erhalten werden.
  • Die Hardware des Systems umf aßt die folgenden Geräte: Sender, Empfänger, Sichtbarkeitsprozessor, Datenmanagementsystem, Tastatur, Krohn-hite-Filter und Anadex-Drucker. Die genauen Beschreibungen dieser Komponenten sind in "Operation Guide for Droplet Sizing Interferometer" (Bedienungsanweisung für Tröpfchengrößenbestimmungs-Interferenzmeßgerät) von Spectron Development Laboratories, Inc., SDL Nr. 82-51025, Costa Mesa, California (1982) gegeben.
  • Die Funktion des Senders besteht darin, zwei kohärente Laserstrahlen in einen gewählten Testraum zu werfen, wo sich bewegende Tröpfchen sein können. Die Tröpfchen streuen Licht vom Streifenbild aus, das durch die sich kreuzenden Strahlen verursacht wird, und die Frequenz und die Modulation ergeben die Geschwindigkeit und Größe der gemessenen Tröpfchen. Im allgemeinen ist es notwendig, die neue Einstellung jedesmal zu berichtigen, wenn irgendetwas geändert wurde, aber diese Einstellungen sind einfach. Die "permanenten" Einstellungen, die mehr Sorgfalt erfordern, müssen nur sehr selten, wenn überhaupt, vorgenommen werden.
  • Der Sender enthält einen Spectra-Physics Modell Nr. 107 DEM Helium-Neon-Laser, Laserspannungszuführung, Steuerungsspiegel, einen Teleskopstrahlaufweiter, eine Halbwellenplatte, ein Prisma zum Lenken des Strahls, einen 50 % Strahlaufspalter und eine austauschbare Ausgabeoptik.
  • Der Empfänger ist im wesentlichen ein Teleskop mit Photovervielfacher, um Licht aus dem Brennpunkt aufzufangen, an dem sich ein austauschbares feines Loch befindet. Die Positionierung der gesamten Einrichtung ist so, daß sie ungefähr mit dem zu durchdringenden Testvolumen fluchtet. Der Empfänger fängt Licht auf, das von dem beleuchteten Testvolumen gestreut worden ist, und richtet es auf die Kathode des Photovervielfachers.
  • Der sogenannte Sichtbarkeits- und Dopplerprozessor ist ein Mikroprozessor, der Teilchengrößeninformation aus optischen Daten erzeugt, die von dem Empfänger übermittelt werden.
  • Ein Apple-II Plus wurde verwendet, um die Daten aufzunehmen und zu verarbeiten. Fig. 9 illustriert eine typische Tröpfchengrößenverteilung und eine Tröpfchengeschwindigkeitsverteilung. Die Ausgabe schließt auch den mittleren linearen Durchmesser, den mittleren Oberflächendurchmesser, mittleren Volumendurchmesser, mittleren Sauter-Durchmesser und die mittlere Tröpfchengeschwindigkeit ein.
  • Drei unterschiedliche Testdüsen (als 1, 2 und 3 bezeichnet) wurden untersucht, wobei die Tröpfchengröße und der Sprühwinkel, die mit jeder der drei Düsen verbunden waren, bei verschiedenen Dämpfe/Flüssigkeits-Einsatzmaterialraten gemessen wurden. Die mittleren Sauter-Durchmesser der Tröpfchen mit dem Nummern 1 und 2 waren alle größer als 1000 um (Versuche 1-6 und 17-21). Die Tröpfchengrößenmessung mit LDA war aufgrund des engen Winkels der Laserstrahle, die durch die Tankfenster hindurch erhalten werden konnten, auf 1000 um oder kleiner begrenzt.
  • Die Verteilung der Tröpfchengrößen mit Düse Nr. 3 schien weit und bimodal zu sein. Ein vollständiger erster Modus und ein Teil des zweiten Modus wurden in den Sprühnebeln aufgezeichnet, als die Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit (Flüssigkeitsdurchflußrate) mit 10 gpm am niedrigsten war, wie in den Versuchen 11 und 16. Der Grundfall der Flüssigkeitsgeschwindigkeit, der aus einer technischen FCCU heruntergerechnet ist, beträgt 4,40 Liter pm (20 gpm). Dies zeigt, daß die Tröpfchengröße des Sprühnebels herabgesetzt werden kann, indem die Flüssigeinsatzmaterialrate unter Verwendung einer Fächerdüse in der technischen FCCU herabgesetzt wird. Eine höhere Flüssigkeitsviskosität ergab größere Tröpfchen, wie durch die Tröpfchengrößenwerte bei Flüssigkeiten mit 1,3 cp (Versuche 7, 8, 11) und 2,6 cp (Versuche 12, 13, 16) gezeigt wurde.
  • Die Sprühverteilungswinkel, die aus Bildern mit Düse Nr. 3 erhalten wurden, lagen im Bereich von 80º bis 110º, während die mit Düse Nr. 2 zwischen 25º und 40º lagen. Die Sprühwinkel mit beiden Düsen waren mit höheren Gas/Flüssigkeitsverhältnissen weiter.
  • Der Düsendruckabfall, der den Energieverbrauch wiedergibt, wurde bei den drei Düsen auch verglichen. Die in Tabelle 1 gezeigten Werte zeigen, daß bei den gleichen Gas/Flüssigkeits- Strömungsgeschwindigkeiten &Delta;P mit Düse Nr. 3 etwa 33 % niedriger war als mit Düse Nr. 2. Die Auswirkung der Flüssigkeitsviskosität auf &Delta;P war in dem engen Viskositätsbereich von 1,3 bis 2,6 cp nicht auffällig.
  • Resultate von brauchbarer Qualität wurden erhalten, wenn als Exponent m der Kim und Marshall-Korrelation -0,9 genommen wurde, um den mittleren Sauter-Durchmesser (SDM, Sauter mean Diameter) des Fächerdüsensprühnebels vorherzusagen. Solche Werte mit unterschiedlichen Durchflußraten (Strömungsgeschwindigkeiten), Fluideigenschaften, und Düsenkonstruktionsweisen und Steuerungsansprachen können verwendet werden, um Korrelationen zu entwikkein, die für Einsatzmaterialinjektorkonstruktion und Steuerungsansprachen brauchbar sind. Tabelle 1 FCCU-Einsatzmaterialdüsen-Testparameter und -Testergebnisse Düse Nr Gasströmungsgeschwindigkeit liter/Min (scfm) Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit liter/Min (gpm) Flüssigkeitsviskosität cp Geschwindigkeit bei Verengungsabschnitt m/s (ft/s) Düsen-&Delta;P kPa (psi) Sprüh winkel mittlerer Sauter-Durchmesser um
  • Beispiel 2
  • Dieses Beispiel illustriert ein Durchflußsteuerungsschema für eine erfindungsgemäße FCCU. Die folgende Beschreibung wurde zur Anwendung auf eine katalytische Flexicracking -Wirbelschicht-Crackanlage (Warenzeichen von Exxon Research and Engineering Company) erstellt und verwendet Instrumentenkennzeichnungs-ID-Nummern etc. für eine spezielle Anlage. Dennoch wird die Anwendung der hier beschriebenen Grundsätze auf andere katalytische Wirbelschicht-Crackanlagen von Fachleuten erkannt. Die folgende Information der Tabellen 2, 3, und 4 wird in diesem Steuerungsschema verwendet. (Die Einheiten von Klb/h, ºF, psi und psig sind durch Berechnung erhalten. Instrumentbezeichnungsnummern für eine spezielle Anlage sind gezeigt.) Tabelle 2 Verfahrensinformation (erhältlich aus Anlageninstrumenten) Instrunientenbezeichnung (ID) Beschreibung Steigrohr-Wasserdampfinjektionsrate Reaktor-Gesamteinsatzmaterialrate HCCO-Rückführungsrate Bodenprodukt ("Aufschlämmungs")-Rückführungsrate Gesamtfrischeinsatzmaterialrate Gesamtfrischeinsatzmaterialtemperatur Einsatziuaterialinjektordüsendruckabfall Einsatzmaterialinjektordüseneinsatzposition Differentialdruck am Reaktorsteigrohr Reaktordruckabfall Tabelle 3 Verfahrensinformation (berechnet durch den Steuerungscomputer) PMX Variablenbezeichnung Definition Berechnung Verhältnis Gesamtrückführungs material zu Gesamteinsatzmateriäl Verhältnis "Äufschlämmungs"-Rückfuhrungsmaterial zu Gesamteinsatzmateriäl Verhältnis HCCO-Rückführungsmaterial zu Gesamteinsatzmatenal Verhältnis Frischeinsatzmaterial zu Gesamteinsatzmaterial Gesamtmassenströmungsrate geschätzter Düsenauslaßdruck geschätzter Düseneinlaßdruck durchschnittlicher Düsendruckabfäll Düsendruckverhältnis durchschnittliche Einsatzmateriältemperatur geschätzte Fraktion der Dämpfe geschätzte Rate der HC-Därnpfe geschätzte Dichte HC-Dämpfe geschätzte Dichte Frischeinsatzmaterial geschätzte Dichte HCCO geschätzte Dichte Bodenprodukte Wasserdampfvolumen Volumen HC-Dämpfe Volumen FF-Flüssigkeit eine GSK-spezifische Schätzung Volumen HCCO Volumen Bodenprodukte Gesamtvolumen Dichte der Zweiphasenmischung Dichte der Dämpfephase Schallgeschwindigkeit durchschnittliche Verengungsabschntittsgeschwindigkeit
  • Die Variable XTONAREA ist die gesamte Gesamtströmungsfläche der Düse in ft². Die individuelle Position des Düseneinsatzes in jeder Düse gestattet, daß die Strömungsfläche in der Verengung für die Düsengeometrie berechnet wird. Die gesamte verfügbare Strömungsfläche wird dann bezogen auf die Anzahl der sich im Gebrauch befindlichen aktiven Düsen berechnet.
  • Die Verengungsabschnittgeschwindigkeit wird mit der Schallgeschwindigkeit verglichen. Wenn die Verengungsabschnittgeschwindigkeit größer als 65 % der Schallgeschwindigkeit ist, wird die Strömungsdruckabfallgleichung für Schallgeschwindigkeit verwendet, um einen Strömungskoeffizienten ("CF") zu berechnen. Wenn die Verengungsabschnittgeschwindigkeit weniger als 65 % der Schallgeschwindigkeit beträgt, wird die Strömungsgleichung für Subschallgeschwindigkeit zur Berechnung des Strömungskoeffizienten verwendet. "CF" für Subschallgeschwindigkeit ist wie folgt definiert:
  • CF = ((A&sub0; * 2 * X2021 * X2026 * X2026)/P2099avg) ** 0,5
  • "CF" für Schallgeschwindigkeit ist wie folgt definiert:
  • CF = ((B&sub0; * 2 * X2021 * X2026 * X2026)/P2099avg) ** 0,5
  • wobei A&sub0; und B&sub0; Konstanten sind, die für jede spezielle Düsenkonstruktionsweise empirisch bestimmt werden müssen. Tabelle 4 Ablaufplanspezifische Information (erhalten von dem Betreiber der Anlage) "PMX"-Variablenbezeichnung Beschreibung Frischeinsatzmaterial-Charakterisierungsfaktor spezifisches Gewicht des Frischeinsatzmaterials spezifisches Gewicht der HCCO-Rückführung spezifisches Gewicht der Bodenproduktrückfährung
  • Ein Durchflußsteuerungsbetriebsmodus wird nun unter Verwendung der oben bereitgestellten Information beschrieben. Ein Gesamteinsatzmaterialdurchflußregler, als F-2004-RC bezeichnet, setzt die individuellen Einsatzmaterialinjektordüsensteuerungseinrichtungen zurück, um die verfügbare Strömungsfläche zu öffnen oder zu schließen, um mehr oder weniger Gesamteinsatzmaterial in den Reaktor gelangen zu lassen. Der Strömungskoeffizientenparameter, "CF", wird in der Weise einer offenen Schleife überwacht, um sicherzustellen, daß für die Mehrzahl der Einsatzmaterialinjektoren ein guter Zerstäubungsbereich aufrechterhalten wird. Typischerweise verändert die Bedienungsperson die Wasserdampfinjektionsrate als ein Mittel zum Aufrechterhalten eines Zielwerts von "CF". Der von dem Steuerungscomputer berechnete Wert für den Strömungskoeffizienten "CF" ist eine direktere Anzeige für das Verhalten der Einsatzmaterialinjektorzerstäubung. Die Ablesung des Einsatzmaterialinjektordruckabfalls des Verfahrens ist eine grobe Anzeige für die Zerstäubung des Einsatzmaterials, aber viele Verfahrensfaktoren können und werden diese Ablesung beeinflussen. Durch Anwendung der Gleichungen für den Einsatzmaterialinjektordruckabfall für Subschallgeschwindigkeit oder Schallgeschwindigkeit zur Berechnung eines Strömungskoeffizienten "CF" wird eine repräsentativere Anzeige für die Einsatzmaterialzerstäubung erhalten. Dies ermöglicht, daß Flexibilität für intelligentere Steuerungsentscheidungen und Hierarchie auf das katalytische Wirbelschicht-Crackverfahren angewendet werden können, um angestrebte Verfahrensvorgaben zu erreichen.
  • Um Störungen des Verfahrens zu minimieren, können 10 Einsatzmaterialinjektordüsen durch Bewegung von sich gegenüberliegenden Düsenpaaren als Einheit geöffnet oder geschlossen werden (Die Paarbildung ist typischerweise wie folgt: A/F, B/G, C/H, D/I und E/J). Im Hubbereich von 36 % bis 80 % wird jedes Paar von Injektoren um maximal etwa 10 % Hub zur Zeit in Ansprache auf Einsatzmaterialratenveränderungen bewegt. Diese 10 % Erhöhung entspricht der Veränderung von etwa 2,7 % der Gesamtfläche des Verengungsabschnitts der Düse, die auf einmal verändert werden. Tabelle 5 illustriert eine typische sequentielle Strömungsflächenveränderung unter Verwendung dieser Technik: Tabelle 5 Düsenbezeichnung (ID) Start erste Stufe Hub, % Verengungsabschnittfläche Gesamtfläche der Verengungsabschnitte Düsenbezeichnung (ID) zweite Stufe dritte Stufe Hub % Verengungsabschnittfläche Gesamtfläche der Verengungsabschnitte
  • Tabelle 5 oben illustriert, wie eine sehr genaue Steuerung der Strömungsfläche aufrechterhalten und beeinflußt werden kann, um das gewünschte Einsatzmaterialzerstäubungsniveau zu erhalten. Der obige Fall ist ein Beispiel eines gesteuerten Verschließens der Einsatzmaterialinjektoren, das durch eine Veränderung der Gesamteinsatzmaterialrate zu der Anlage oder eine Veränderung der Zielmenge an verwendetem Injektionswasserdampf verursacht wird. Zum Öffnen der Einsatzmaterialinjektorströmungsfläche wird eine umgekehrte Sequenz verwendet.
  • Das Computeranwendungsprogramm zur Steuerung kann in mehreren unterschiedlichen Formen aufgebaut sein. Der Gesamteinsatzmaterialdurchflußregler, F-2004-RC, kann direkt in Kaskade zu den Einsatzmaterialinjektor-Stellgliedern, H-2099-IC (A bis J), oder in schichtartiger Hierarchie weitergegeben werden, wobei F- 2004-RC in Kaskade zu P-2099-dRC (A bis J) weitergeleitet wird, die wiederum in Kaskade zu den individuellen Einsatzmaterialinjektor-Stellgliedern, H-2099-IC (A bis J) weitergeleitet werden. Individuelle Stellgliedsteuerungseinrichtungen und PdRC-Meßinstrumente für jeden Einsatzmaterialinjektor liefern Flexibilität für Wartung im laufenden Betrieb und Regelkreisabstimmung des Einsatzmaterialinjektorsystems. Weniger Meßinstrumente ermöglichen Konfigurationen mit geringeren Kosten und geben eine vereinfachte Version der obigen detaillierten Konfiguration wieder.
  • Fig. 11 (Teile A und B) ist ein Flußdiagramm, das die Grundstruktur eines typischen Steuerungscomputeranwendungsprogramms zum Variieren der Verengungsabschnittsfläche des Einsatzmaterialinjektors auf Grundlage der Vorgaben für die Verarbeitung des gesamten Einsatzmaterials zu dem Reaktors illustriert. Es basiert auf einer Ausführungsform, die zehn Einsatzmaterialinjektoren mit einer RdRC-Steuerungseinrichtung umfaßt, die in Kaskade an das Stellglied des Injektors, HIC, weitergeleitet wird; P-2099-dRC-A wird in Kaskade an H-2099-IC-A weitergeleitet, etc. Von der Bedienungsperson gegebene Sollwerte für P- 2099-dRC (A bis J) basieren auf einem anlagenspezifischen Ablaufplan zur Initialisierung des Systems. Dieser Sollwert stimmt mit einem angestrebten Sprühmuster überein. Der berechnete Strömungskoeffizient "CF" wird in einem Echtzeitrahmen berechnet. Dieser "CF"-Parameter wird als Index der Einsatzmaterialzerstäubung verwendet.
  • Beispiel 3
  • In dem obigen Beispiel wurde ein technisches Paket, das die Anwendungen eines FCCU-Verfahrenssteuerungsschemas auf eine Flexicrack -Anlange wiedergibt, spezifisch für eine spezielle Flexicrack -Anlange entwickelt und verwendet Meßinstrumentbezeichnungsnummern, etc. von dieser Anlage. Diese Anwendung kann auch in ähnlicher Weise auf andere FCCUs angewendet werden, obwohl anlagenspezifische Dinge die schließlich vorhandene funktionale Form der Anwendung sowie die mit jeder neuen Einstellung verbundenen ortsspezifischen Kosteneinheiten beeinflussen können.
  • Das oben detailliert beschriebene Steuerungsschema basiert auf einer "Einstufen"-Reaktorkonfiguration, bei der das Öleinsatzmaterial an einem spezifischen Punkt entlang der Länge des Reaktors eingebracht wird. Dieses Schema kann auch auf "Mehrstufen"-Reaktorkonfigurationen angewendet werden, wo das Öleinsatzmaterial an mehreren Punkten entlang der Länge des Reaktors eingebracht wird. Bei Anwendung auf eine "Mehrstufen"konfiguration werden verschiedene Hybridsteuerungskonfigurationen möglich. Die Matrix in Tabelle 6 unten illustriert, wie vier unterschiedliche Steuerungsschemata gegebenenfalls auf eine Zweistufenreaktorkonfiguration angewendet werden können. Für mehr als zwei Stufen ist eine viel größere Matrix angemessen. Ein Zweistufensystem wird als eine vernünftige kommerzielle Konfiguration angesehen, wobei drei Stufen einen möglichen kommerziellen "Streckfall" an Abhängigkeiten von wirtschaftlichen Gegebenheiten darstellt. Die vier unterschiedlichen Steuerungsschemata können typischerweise wie folgt definiert werden: (1) Gesamtdurchflußsteuerung, (2) Reaktortemperatursteuerung, (3) Kohlenstoff- und Wärmebilanzsteuerung, und Ausbeuteselektivität und/- oder Qualitätssteuerung. Tabelle 6 Steuerungsschemamatrix - Zweistufenreaktorkonfiguration Markierungsnummern beziehen sich auf die oben detailliert angegebenen Steuerungsschemata) Fall Stufe A Stufe B
  • Bei einer Mehrstufenreaktorkonfiguration würden bei einer kommerziellen Installation wahrscheinlich die notwendigen Meßinstrumente installiert, um für Flexibilität zu sorgen, um in einer der 28 möglichen oben dargestellten Konfigurationen zu arbeiten. Verschiedene ablaufplanspezifische und wirtschaftsspezifische Punkte würden dazu neigen, bestimmte Betriebsweisen gegenüber anderen zu bevorzugen, aber es ist schwierig vorherzusagen, welcher der 28 möglichen Fälle der attraktivste unter allen möglichen Betriebsplänen ist.
  • Es ist so zu verstehen, daß obgleich hier bestimmte spezifische Ausführungsformen der Erfindung beschrieben sind, sie nicht auf die angegebenen Details beschränkt oder begrenzt werden soll, da die Erfindung verschiedenen Modifikationen und Veränderungen unterliegen kann, die innerhalb der Idee der Offenbarung und dem Bereich der angefügten Patentansprüche liegen.
  • Anmerkungen:
  • "LP-Steuerung" bedeutet "lineare Programmsteuerung"
  • "mogas" bedeutet "Motorenbenzin"
  • "gpm" bedeutet US-gallon/Minute
  • "scfm" bedeutet "standartisierte ft³ (=Kubikfuß)/Minute
  • "lb" bedeutet "pound" (= 0,4536 kg)
  • "psi" bedeutet "pounds per square inch" (= 6,895 kPa)
  • "barrel" = 159 liter

Claims (8)

1. Verfahren zur Steuerung der Einbringung eines kohlenwasserstoffartigen Einsatzmaterials in die Reaktionszone einer katalytischen Wirbelbett-Crackanlage (FCCU) über einen oder mehrere Einsatzmaterial-Injektoren, bei dem der Druckverlust (dp) über mindestens einen der Injektoren (oder einen Teil davon) aufgezeichnet wird, ein für dp repräsentatives Signal ermittelt wird und das Signal verwendet wird, um für mindestens einen Injektor einen Einsatzmaterialzerstäubungsparameter einzustellen, bis der Einsatzmaterialzerstäubungsparameter in einem Bereich liegt, der einem bestimmten Zerstäubungsgrad des durch mindestens den gewählten Injektor bzw. die gewählten Injektoren geleiteten Einsatzmaterials entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Druckverlust die mittlere Tröpfchengröße des Einsatzmaterials, die Verteilung der Tröpfchengröße und/oder das Sprühmuster des Einsatzmaterials beeinflußt, das in die Reaktionszone eingebracht wird, und bei dem die Zerstäubung durch einen Verfahrens schritt gesteuert wird, bei dem die Querschnittströmungsfläche über einen Verengungsabschnitt des Einsatzmaterial-Injektors bzw. der Einsatzmaterial-Injektoren variiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Zerstäubung eingestellt wird, um die stromaufwärts stattfindende Veränderung der Eigenschaften des zu dem Einsatzmaterial- Injektor bzw. den Einsatzmaterial-Injektoren geleiteten Einsatzmaterials zu kompensieren.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Zerstäubungsgrad durch einen vorgewählten Einstellungspunkt bestimmt wird, der für ein gegebenes Ausbeute- und/oder Selektivitätsziel optimiert ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Zerstäubung von dem oder von jedem Einsatzmaterial-Injektor durch Bewegung einer in einem Verengungsabschnitt des jeweiligen Einsatzmaterial-Injektors angeordneten Einrichtung eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Zerstäubung in Echtzeit variiert wird.
7. Katalytische Wirbelbett-Crackanlage (FCCU), die einen oder mehrere Einsatzmaterial-Injektoren, die zur Einbringung eines kohlenwasserstoffartigen Einsatzmaterials in die Reaktionszone der FCCU angebracht sind, Einrichtungen zur Aufzeichnung des Druckverlustes (dp) über mindestens einen der Injektoren (oder einen Teil davon), Einrichtungen, die ein für dp repräsentatives Signal ermitteln können, und Einrichtungen umfaßt, die auf das Signal ansprechen, um einen Einsatzmaterialzerstäubungsparameter für mindestens einen ausgewählten Injektor einzustellen, um für einen Einsatzmaterialzerstäubungsparameter innerhalb eines Bereiches zu sorgen, der einem gewünschten Zerstäubungsgrad des durch mindestens den gewählten Injektor bzw. die gewählten Injektoren geleiteten Einsatzmaterials entspricht.
8. FCCU nach Anspruch 7, die Einrichtungen umfaßt, um das auf dp basierende Signal mit einem anderen Signal zu vergleichen, welches auf einem vorgewählten Einstellungswert basiert, und um die Zerstäubung so einzustellen, daß jeglicher Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Signal vermindert wird.
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