Hintergrund der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus den genannten Gründen können erhebliche und zu
Unterbrechungen führende Veränderungen in dem Gesamteinsatzmaterial
für eine FCCU typischerweise von Woche zu Woche stattfinden.
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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.
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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
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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
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung werden durch die nachfolgende detaillierte Diskussion
im Zusammenhang mit den Zeichnungen besser verständlich, wobei
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Fig. 1A ein Fließdiagramm eines typischen katalytischen
Crackverfahrens des Standes der Technik ist,
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Figur 1B schematisch eine Ausführung einer katalytischen
Wirbelschicht-Crackanlage (FCCU) des Standes der Technik
illustriert, auf die die vorliegende Erfindung anwendbar ist,
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Fig. 2 ein Fließdiagramm des katalytischen
Crackreaktorabschnitts des Standes der Technik ist und außerdem ein
erfindungsgemäßes System zur Steuerung der Einsatzmaterialströmung
zeigt,
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Fig. 3 ein Schemadiagramm einer
Einsatzmaterialinjektorzusammenstellung mit variablem Verengungsabschnitt einer FCCU
gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist,
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Fig. 4 ein detaillierteres Schemadiagramm eines Abschnitts
der Düsenzerstäubungseinstellungsvorrichtung des
Einsatzmaterialinjektors in Fig. 3 ist,
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Fig. 5 eine Vorderansicht des Vormischabschnitts der
Düsenzerstäubungseinstellungsvorrichtung aus Fig. 4 ist,
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Fig. 6 detaillierter eine
Düsenzerstäubungseinstellungsvorrichtung zeigt, die sich in einem variablen Verengungsabschnitt
einer konvergierenden Fächerdüse befindet,
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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,
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Fig. 8 ein Schemadiagramm des in Fig. 3 abgebildeten
Einsatzmaterialinjektors ist, der an einer Wand des
Steigrohrabschnitts des FCCU-Reaktors befestigt gezeigt ist,
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Fig. 9 eine graphische Darstellung einer typischen
Tröpfchengrößenverteilung und Tröpfchengeschwindigkeitsverteilung
eines Einsatzmaterialinjektors zeigt,
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Fig. 10 eine graphische Darstellung ist, die die
Widerstandszahlen der Düse gegen einen spezifizierten variablen
geometrischen Parameter für einen typischen erfindungsgemäßen
Einsatzmaterialinjektor zeigt,
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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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.)
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b. Unbearbeitetes oder verarbeitetes oder vorbehandeltes
Vakuumgasöl (VGO) für Niveau Nr. 1 und FCCU-Rückführungsströme
für Niveau Nr. 2
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c. Gesamteinsatzmaterial für Niveau Nr. 2 (verringerter
Reaktorverweilzeitmodus).
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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.
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e. Unbearbeitetes oder verarbeitetes oder vorbehandeltes
Vakuumgasöl (VGO) für Niveau Nr. 2 und FCCU-Rückführungsströme
für Niveau Nr. 3.
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f. Unbearbeitetes oder verarbeitetes oder vorbehandeltes
Vakuumgasöl (VGO) und Rückführungsströme für Niveau Nr. 1 und
importiertes (Rückstands)einsatzmaterial für Niveau Nr. 2.
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g. Unbearbeitetes oder verarbeitetes oder vorbehandeltes
Vakuumgasöl (VGO) für Niveau Nr. 1 und Rückführungsströme und
importiertes (Rückstands)einsatzmaterial für Niveau Nr. 2.
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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.
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i. Unbearbeitetes oder verarbeitetes oder vorbehandeltes
Vakuumgasöl (VGO) und Rückführungsströme für Niveau Nr. 2 und
importiertes (Rückstands)einsatzmaterial für Niveau Nr. 3.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Alternativ können getrennte Einsatzmaterialien in einem
einzigen Niveau von Einsatzmaterialinjektoren unter Verwendung
getrennter Düsen verarbeitet werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.%.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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Dieses Beispiel illustriert Tests zur Gewinnung von
Zerstäubungswerten, die mit verschiedenen bei der
Einsatzmaterialinjektion
in eine FCCU verwendeten Düsenkonfigurationen verbunden
sind.
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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.
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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.
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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.
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wobei m = -1, wenn Ma/M&sub1; < 3; m = 0,5, wenn Ma/M&sub1; > 3.
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Xvs = 0,83 Xm
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wobei: Xm = Massenmitteldurchmesser, um
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Xvs = mittlerer Durchmesser (Sauter), um
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= Oberflächenspannung, Dyn/um
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u&sub1;= Viskosität der Flüssigkeit, cp
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Pa, P&sub1; = Dichten von Gas und Flüssigkeit, lb/ft³
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A = Fläche, ft²
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Vrel = relative Geschwindigkeit von Gas zu Flüssigkeit,
ft/s
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Ma, M&sub1; = Massenströmungsgeschwindigkeiten
(Massendurchflußraten) Gas zu Flüssigkeit, lb/Min.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der sogenannte Sichtbarkeits- und Dopplerprozessor ist ein
Mikroprozessor, der Teilchengrößeninformation aus optischen
Daten erzeugt, die von dem Empfänger übermittelt werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 ΔP mit Düse Nr. 3 etwa 33 % niedriger
war als mit Düse Nr. 2. Die Auswirkung der
Flüssigkeitsviskosität auf ΔP war in dem engen Viskositätsbereich von 1,3 bis 2,6
cp nicht auffällig.
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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-ΔP kPa (psi)
Sprüh winkel
mittlerer Sauter-Durchmesser um
Beispiel 2
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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
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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.
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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:
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CF = ((A&sub0; * 2 * X2021 * X2026 * X2026)/P2099avg) ** 0,5
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"CF" für Schallgeschwindigkeit ist wie folgt definiert:
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CF = ((B&sub0; * 2 * X2021 * X2026 * X2026)/P2099avg) ** 0,5
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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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:
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"LP-Steuerung" bedeutet "lineare Programmsteuerung"
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"mogas" bedeutet "Motorenbenzin"
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"gpm" bedeutet US-gallon/Minute
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"scfm" bedeutet "standartisierte ft³ (=Kubikfuß)/Minute
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"lb" bedeutet "pound" (= 0,4536 kg)
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"psi" bedeutet "pounds per square inch" (= 6,895 kPa)
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"barrel" = 159 liter