DE69624372T2 - Fluidkatalytische spaltungsvorrichtung mit dreistufigem vortexseperator - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft Zyklone zum Abscheiden von feinverteilten Festkörperpartikeln aus einem Gasstrom, insbesondere in der dritten Stufe von Abscheidern in Einheiten der fluidisierten katalytischen Spaltdestillation. Die Erfindung dieser Anmeldung betrifft den Abscheider, der in der internationalen Anmeldung Nr. WO 95/30119 und in US-A-5.538.696 sowie in US-A-3.907.671, worauf der Oberbegriff von Anspruch 1 bezogen ist, gezeigt ist.
• Die katalytische Spaltdestillation wird in großem Umfang verwendet, um hochsiedende Zufuhrstoffe in leichtere Produkte umzuwandeln, indem große Moleküle katalytisch in kleinere Moleküle gespalten werden. Beim fluidisierten katalytischen Aufspalten (FCC) zirkuliert ein Katalysator zwischen einem Spaltreaktor und einem Katalysator-Regenerator. Im Reaktor kommt ein Kohlenwasserstoff-Zufuhrstoff mit einem heißen, regenerierten Katalysator in Kontakt, der den Zufuhrstoff bei hohen Temperaturen verdampft und aufspaltet. Die Spaltreaktion lagert kohlenstoffhaltige Kohlenwasserstoffe oder Koks auf dem Katalysator ab, wodurch dieser deaktiviert wird. Die Spaltprodukte werden von dem verkoksten Katalysator getrennt, der anschließend gewöhnlich durch Dampf von flüchtigen Stoffen in einem Katalysatorreiniger gereinigt wird, wobei der gereinigte Katalysator anschließend regeneriert wird. Der Katalysatorregenerator verbrennt den Koks vom Katalysator mit sauerstoffhaltigem Gas, das gewöhnlich Luft ist. Die Entkokung stellt die Reaktionsfähigkeit des Katalysators wieder her und erwärmt den Katalysator gleichzeitig auf die Temperaturen, die für das Aufspalten erforderlich sind. Dieser erwärmte Katalysator wird zum Spaltreaktor zurückgeführt, um weiteren frischen Zufuhrstoff aufzuspalten. Verbrennungsgase, die durch das Brennen des Kokses im Regenerator gebildet werden, können zum Entfernen von Partikeln und zum Umsetzen des Kohlenmonoxids verwendet werden, wonach die Abgase normalerweise in die Atmosphäre entlassen werden. Der Katalysator und Siebfeine müssen aus den Abgasen, die vom Regenerator entlassen werden, entfernt werden. Der Katalysator, der nicht durch die Regenerator-Zyklone wiedergewonnen wird, bleibt im Verbrennungsgas, es sei denn, ein elektrosta tischer Abscheider, ein Taschenhaus oder eine bestimmte Art der Entnahmestufe wird unter beträchtlichen Kosten angefügt.
• Die Menge der Siebfeine in den meisten FCC-Verbrennungsgasströmen, die den Regenerator verlassen, ist ausreichend, um eine starke Korrosion an den Turbinenblättern zu bewirken, wenn ein Energierückgewinnungssystem installiert ist, um zu versuchen, einen Teil der Energie im Verbrennungsgasstrom des Regenerators zurückzugewinnen.
• Die Festkörper, die an diesem Punkt verbleiben, sind schwierig zurückzugewinnen, nachdem sie erfolgreich mehrere Stufen der hochwirksamen Zyklone durchlaufen haben. Die Festkörper sind klein, liegen im wesentlichen im Bereich unter 20 um und enthalten bedeutende Mengen von Material im Submikronbereich mit Größen unter 5 um.
• Das Sammeln solcher Feststoffe stellte für nahezu ein Jahrhundert eine Herausforderung dar. Ein Überblick über den Stand der Technik ist in Perry's Chemical Engineering Handbook im Abschnitt DUST-COLLECTION EQUIPMENT beschrieben, der in der Ausgangsanmeldung erläutert ist. FCC- Operatoren verwenden typischerweise Zyklone zum Trennen solcher Feststoffe vom Gas.
• Raffinationsanlagen verwenden wegen mechanischen Einschränkungen und Betrachtungen des Druckabfalls in ihren FCC-Regeneratoren typischerweise 2 bis 8 Hauptzyklone und 2 bis 8 Nebenzyklone. Diese Zyklone besitzen einen ziemlich großen Durchmesser, der den Betrag der erreichbaren Zentrifugalbeschleunigung beschränkt.
• Deswegen lassen FCC-Regeneratoren eine große Menge Siebfeine und Staub im Bereich unterhalb 15 um mit dem Verbrennungsgas ausströmen. Dieses Material muß, bevor es in die Atmosphäre entlassen wird oder vor einem Durchgang durch eine Energierückgewinnungsturbine aus dem Verbrennungsgas entfernt werden.
• Im allgemeinen ist ausgangsseitig von der Turbine ein dritte Stufe des Abscheider installiert, um die Belastung des Katalysators zu vermindern und um die Turbinenschaufeln zu schützen oder um das Entladen des Verbrennungsgases in die Luft zu ermöglichen. Diese können 20, 50, 100 oder noch mehr Zyklone mit kleinem Durchmesser enthalten. Die dritte Stufe des Abscheiders kann eine große Anzahl kleiner Zyklone verwenden, da er sich nicht im FCC- Regenerator befindet oder ein Teil davon ist. Zyklone mit kleinem Durchmesser werden verwendet, da diese bei gleicher Gasgeschwindigkeit und gleichem Druckabfall eine bessere Sammlung der Feinsiebe ergeben als größere Zyklone. Perry's Chemical Engineer's Handbook, sechste Ausgabe berichtet in der Tabelle 20-33, daß sich für eine Staubmischung im Bereich von 5 bis 20 Mikron die Staubsammlung bedeutend verbessert, wenn der Zyklondurchmesser vermindert wird, wobei der Wirkungsgrad für 6, 9 und 24 Zoll-Zyklone bei 90%, 83% bzw. 70% liegt.
• Verschiedene Lieferanten liefern Systeme mit vielen Zyklonen, die einen kleinen Durchmesser besitzen, horizontal angebracht sind, eng miteinander verbunden sind und um einen zentralen Gasauslaß radial verteilt sind. Die Verwendung von mehreren kleinen horizontal angebrachten Zyklonen ist außerdem für die allgemeine Staubentfernung bekannt, siehe z. B. die Kollektoranordnung, die in Fig. 20-108 von Perry's Chemical Engineer's Handbook, sechste Ausgabe gezeigt ist. Gas wird einer großen Anzahl von im allgemeinen horizontal angebrachten Zyklonen zugeführt. Gereinigtes Gas wird über einen zentralen Gasauslaß nahe am tangentialen Einlaß abgezogen, während der Staub am gegenüberliegenden Ende des Zyklons entfernt wird, das einen verminderten Durchmesser aufweisen kann, aber nicht abgedichtet ist.
• Die internationale Anmeldung WO 95/30119 schuf einen Weg zur Verbesserung des Betriebs horizontaler Zyklone. Bei diesen bestand das Problem darin, daß Staub von den oberen horizontalen Zyklonen, der an unteren horizontalen Zyklonen vorbeifällt, in den Wirbeln mitgerissen wird, die den unteren Zyklonen zugehörig sind. Das Hinzufügen eines "spiralförmigen" oder "Halfpipe- förmigen"-Ansatzes an der Zyklontrommel verbesserte die Festkörperrückgewinnung. Der dem Zyklon zugehörige Wirbel wurde entweder eingeschlossen (Spirale) und etwas geschützt (Half Pipe-förmige Verlängerung).
• Die in WO 95/30119 erreichten Verbesserungen wären zwar erheblich, sie wandten sich jedoch nicht den verschiedenen Problemen zu, die mit der dritten Stufe der Abscheider verbunden sind, die große Anzahlen vertikaler Zyklone verwenden. Außerdem war der Wirkungsgrad der Rückgewinnung in diesen Einheiten nicht so hoch wie erwünscht.
• Bei der dritten Stufe vertikaler Abscheider besteht das Problem darin, daß sich der Zyklonwirbel aus der Unterseite der Zyklone in die Sammelkammer erstreckt, so daß dieser Wirbel in der Lage ist, Partikel von der Sammelkammer einzufangen. In bekannten Typen von TSS-Einheiten, die vertikale Zyklone verwenden, neigt der instabile Wirbel und/oder damit verbundene Gasströme dazu, einen Teil des herabfallenden Staubs zu sammeln oder mit diesem in Wechselwirkung zu treten und den Staub in den Zyklon wieder einzuführen, wodurch bewirkt wird, daß er mit dem sauberen Gas in Form von erhöhten Emissionen entladen wird. Im vorliegenden Prozeß wird ein Schild um den Wirbel angeordnet, um die Partikel in der Fangkammer vor dem Wirbel zu schützen. Durch das Zufügen eines Schilds oder eines Wirbeleinschlußzylinders am Zyklon ist es möglich, den Wirkungsgrad des Zyklons zu verbessern.
• Die vorliegende Erfindung schafft einen vertikalen Fliehkraftabscheider mit einem zylindrischen Zyklonkörper, dessen Längsachse vertikal oder in einem Bereich von 30º zur Vertikalen angeordnet ist. Der Zyklonkörper weist einen Gaseinlaß für einen Gasstrom und mitgerissene Festkörper sowie an einem Ende ein zylindrisches Gasauslaßrohr auf. Das Gasauslaßrohr, dessen Längsachse auf die Längsachse des zylindrischen Zyklonkörpers ausgerichtet ist, weist einen Einlaß auf, der sich in den zylindrischen Zyklonkörper erstreckt. Am entgegengesetzten Ende weist der Zyklonkörper einen Wirbelauslaß für Gas und mitgerissene Festkörper auf; dieser Wirbelauslaß besitzt eine kreisförmige Öffnung, die auf das Gasauslaßrohr axial ausgerichtet ist, und normalerweise einen Durchmesser, der nicht größer als der Durchmesser des zylindrischen Zyklonkörpers ist. Ein Wirbeleinschlußzylinder, der gewöhnlich einen Einlaßdurchmesser besitzt, der nicht größer als der Durchmesser des Zyklonkörpers ist, ist so angeordnet, daß seine Längsachse auf die Längsachse des Zyklonkörpers axial ausgerichtet ist. Dieser Wirbeleinschlußzylinder besitzt ein offenes Ende, das mit dem Wirbelauslaß des Zyklonkörpers verbunden ist, um den Wirbel aus Gas und mitgerissenen Festkörpern in den Einschlußzylinder einzulassen. Er besitzt außerdem ein geschlossenes Ende, das am entgegengesetzten Ende angeordnet ist, wobei ein Auslaßanschluß für Festkörper und Gas am geschlossenen Ende gewöhnlich in einem Abschnitt der Seitenwand des Zylinders in Form eines Schlitzes parallel zur Achse des Zylinders ist.
• Der Zyklon ist insbesondere nützlich als dritte Stufe des Abscheiders (TSS) einer Einheit zum katalytischen Aufspalten von Fluid.
Zeichnung
• Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines vertikalen Zyklons mit einem Wirbeleinschlußzylinder zur Verwendung in der dritten Stufe eines Abscheiders.
• Fig. 2 ist eine Schnittansicht einer weiteren Form des vertikalen Zyklons mit einem Wirbeleinschlußzylinder zur Verwendung in der dritten Stufe eines Abscheiders.
• Die vorliegende Erfindung kann in einer dritten Stufe eines Abscheiders des Typs verwendet werden, der in Fig. 2 der internationalen Anmeldung WO 95/30119 gezeigt ist, der vertikale Zyklone verwendet und dem Abscheider ähnlich ist, der in Fig. 1 von "Improved hotgas expanders for cat cracker flue gas", Hydrocarbon Processing, März 1976, S. 141 gezeigt ist. Die Zyklone, mit denen die vorliegende Wirbeleinschlußvorrichtung verwendet wird, müssen jedoch nicht vollkommen vertikal sein, sondern können bis zu etwa 30º von der Vertikalen abweichen.
• Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines vertikalen Zyklons in der dritten Stufe eines Abscheiders, wie etwa den oben bezeichneten. Die Gasverteilungskammer oder der Gassammler 10 ist von der Staubsammelkammer (oder Staubfangkammer) 11 durch die Platte 12 getrennt, wobei der Zyklon 13 in herkömmlicher Weise an der Platte 12 befestigt ist. Das staubbeladene Gas tritt durch den tangentialen Einlaß 14 in den Zyklon 13 ein. Reines Gas wird durch das Gasauslaßrohr 16 entfernt, das in der Deckplatte 15 des Zyklons angeordnet ist. Die Fangkammer 11 ist mit Staubpartikeln gefüllt, die aus den Zyklonen entladen werden (weitere Zyklone sind nicht gezeigt).
• Der instabile Wirbel, der im Zyklon 13 gebildet wird, wird eingeschlossen und durch den Wirbeleinschlußzylinder 20, der an der zum Zyklon 13 gegenüberliegenden Seite an der Platte 12 angebracht ist, wirkungsvoll von der Staubfangkammer isoliert. Die Achse des Einschlußzylinder 20 ist auf die des Zyklons 13 ausgerichtet und der Durchmesser des Einschlußzylinders 20 übersteigt normalerweise den des Zyklons 13 nicht. Der Einschlußzylinder 20 besitzt eine rohrförmige Trommel 21, wobei ihr offenes Ende 22 mit dem Wirbelauslaß 17 am unteren offenen Ende des Zyklons 13 verbunden ist. Das staubbeladene Gas, das aus dem Inneren des Zyklons 13 durch sein unteres offenes Ende entlassen wird, tritt in den Einschlußzylinder ein, der es von dem Gas in der Fangkammer 11 isoliert. Das staubbeladene Gas verläßt den Einschlußzylinder 20 durch einen vertikal ausgerichteten rechtwinkligen Schlitz 23 in der Seitenwand 24 des Zylinders 20 an seinem unteren Ende 25, das durch die Stirnplatte 26 geschlossen ist. Der Einschluß des Wirbels im Zylinder 20 verhindert das Mitreißen des Staubs in der Fangkammer und die Wiedereinführung in den Zyklon 13. Die gesammelten Partikel in der Fangkammer fallen nach unten, damit sie schließlich entfernt werden.
• Fig. 2 zeigt einen ähnlichen Zyklon mit einem Wirbeleinschlußzylinder, der mit dem Wirbelauslaß verbunden ist, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. In diesem Fall besitzt der Zyklon jedoch einen kreisförmigen axialen Einlaß 27, der sich konzentrisch um das Gasauslaßrohr 16 erstreckt, wobei die Gase zwischen der Trommel 13 des Zyklons und dem Gasauslaßrohr 16 in den Zyklon einströmen. Drallbleche 28 verleihen den ankommenden Gasen eine Rotationsbewegung, um die Fliehkraftabscheidung im Zyklon zu unterstützen, außerdem ist das Auslaßrohr 16 koaxial im Körper des Zyklons angeordnet.
• Die vorliegenden Zyklone mit ihren zugehörigen Wirbeleinschlußzylindern werden vorzugsweise als dritte Stufe eines Abscheiders verwendet, um einen Katalysator und Feinsiebe aus dem Verbrennungsgas des FCC-Regenerators zu entfernen. Die herkömmlichen Teile der Vorrichtung sind kommerziell verfügbar. Der Prozeß und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung richten sich hauptsächlich auf die vertikalen Zyklone mit kleinem Durchmesser, die in derartigen TSS-Einheiten verwendet werden.
• Die wesentliche Modifikation an den kleinen Zyklonen besteht im Verschlie ßen des Abschnitts der Trommel, der sich in die Fangkammer erstreckt. Es muß trotzdem ein Weg vorgesehen werden, damit die Partikel den Zyklon verlassen können, wobei dies durch die Verwendung von einem oder mehreren Anschlüssen oder Öffnungen in der Seitenwand der Trommel des Einschlußzylinders erreicht wird.
• Ein geeigneter Partikelaustritt ist ein einfacher rechtwinkliger Schlitz, der in die Seitenwand der Vorrichtung geschnitten ist, obwohl die Öffnungen außerdem gestanzt oder gebohrt sein können. Der Schlitz oder der andere Anschluß sollte ausreichend groß bemessen sein, um die erwarteten Festkörperströme zu bewältigen, und wird typischerweise 10 bis 200% oder mehr der Querschnittsfläche des Auslaßrohrs 16 betragen. Der Schlitz ist vorzugsweise angefast (in der in Fig. 5 von WO 95/30119 gezeigten Weise), so daß die Fluidströmung vom Inneren der Vorrichtung tangential durch den Schlitz verläuft.
• Der Schlitz kann außerdem einfach gestanzt oder gebohrt sein oder er kann eine leicht erhöhte Lippe aufweisen, um umlaufende Festkörper vom Inneren des Festkörperauslasses durch den Schlitz zu lenken.
• Während der Schlitzauslaß vorzugsweise der einzige Festkörperauslaß ist, funktioniert die Vorrichtung auch mit zwei oder mehr Auslässen, wie etwa Löchern oder Öffnungen im normalerweise geschlossenen Ende 26 des Einschlußzylinders.
Abmessungen des Zyklons
• Ein Großteil der Zyklonkonstruktion ist herkömmlich, wie etwa die Größe des Einlasses, die Festsetzung der Verhältnisse des Innendurchmessers des Auslaßrohrs zu anderen Abmessungen usw. Weitere Einzelheiten und Bezeichnungskonventionen können in Perry's Chemical Engineer's Handbook, 6. Ausgabe, Robert H. Perry und Don Green gefunden werden. Auf die Erläuterung zur Nomenklatur in Gas-Solids Separations, von 20-75 bis 20-77, Fig. 20-106, 20-107 und 20-108 wird hier Bezug genommen. Der Konstruktionsentwurf, der für vertikale Zyklons verwendet wird, kann im wesentlichen derselbe sein wie derjenige, der verwendet wird, um die horizontalen Zyklone, die in WO 95/30119 offenbart sind, zu bemessen. Normalerweise beträgt der Durchmesser des Wirbeleinschlußzylinders 100 bis 150% des Durchmessers des Zyklongrundkörpers am Ende des Gas/Festkörper-Einlasses, er kann jedoch kleiner sein, wenn der Zyklon an seinem unteren Ende einen konischen Abschnitt aufweist, der einen Wirbelauslaß mit verringertem Durchmesser schafft. Der Wirbeleinschlußkörper besitzt normalerweise eine Länge, die wenigstens gleich der Länge des Gasauslaßrohrs im Zyklongrundkörper ist.
• Der neue Zyklonaufbau ist unter Verwendung herkömmlicher Techniken einfach herzustellen. Die Vorrichtung verbessert wesentlich die Entfernung von feinem Staub, d. h. Partikel von 0 bis 5 Mikron. Der Aufbau vermindert die Erosion an den Schaufeln der Energierückgewinnungsturbine und vermindert außerdem die Emission von Partikeln. Die Vorrichtung kann an kommerziellen Installationen mit kleinem Durchmesser, vertikal angebrachten Mehrzyklon-Einheiten in einfacher Weise nachgerüstet werden, um den Wirkungsgrad bedeutend zu verbessern. Die damit verbundene Kapitalausgabe ist minimal und es gibt nahezu keine Betriebskosten, die mit einer solchen Nachrüstung verbunden sind. Es gibt eine leichte Erhöhung des Druckabfalls beim Durchgang durch die Zyklone, die meiste Energie, die in solchen Zyklonen verbraucht wird, wird bei der Beschleunigung des Gases verwendet, um einen hochenergetischen Wirbel zu bilden.
• Der erfindungsgemäße spiralförmige Festkörperauslaß kann sogar eine bedeutende Verringerung des Druckabfalls ermöglichen, da der verbesserte Wirkungsgrad der Fliehkraftabscheidung die Verwendung einer schwächeren Wirbelbildung ermöglichen sollte und demzufolge einen geringeren Druckabfall beim Durchgang durch die Zyklone benötigt.

Claims (7)

1. Vertikaler Fliehkraftabscheider, der umfaßt:

(i) einen zylindrischen Zyklonkörper (13), dessen Längsachse vertikal oder in einem Bereich von 30º zur Vertikalen angeordnet ist,

(i) einen Gaseinlaß (14) am ersten Ende des Zyklonkörpers (13) für einen Gasstrom und mitgerissene Festkörper,

(ii) ein zylindrisches Gasauslaßrohr (16) am ersten Ende des Zyklonkörpers (13), wobei die Längsachse des Auslaßrohrs (16) auf die Längsachse des zylindrischen Zyklonkörpers (13) ausgerichtet ist und der Einlaß sich in den zylindrischen Zyklonkörper (13) erstreckt,

(iii) eine Wirbelauslaßöffnung (17), die auf das Gasauslaßrohr (16) am anderen Ende des Zyklonkörpers (13) axial ausgerichtet ist, um einen Wirbel aus Gas und mitgerissenen Festkörpern auszulassen,

(iv) einen Wirbeleinschlußzylinder (20), dessen Längsachse auf die Achse des Zyklonkörpers (13) axial ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbeleinschlußzylinder (20) umfaßt:

(v) ein offenes Ende (22), das mit der Wirbelauslaßöffnung (17) des Zyklonkörpers (13) verbunden ist, um den Wirbel aus Gas und mitgerissenen Festkörpern in den Einschlußzylinder einzulassen, wobei der Innendurchmesser des Wirbeleinschlußzylinders (20) am offenen Ende nicht größer als der Durchmesser der Wirbelauslaßöffnung (17) ist,

(vi) ein geschlossenes Ende (26) am gegenüberliegenden Ende (25),

(vii) einen Festkörperauslaßanschluß in Form eines Schlitzes (23) in der Seitenwand des Wirbeleinschlußzylinders (20) in der Nähe des geschlossenen Endes (26), wobei die Hauptachse des Schlitzes zur Achse des Wirbeleinschlußzylinders (20) parallel ist.

2. Fliehkraftabscheider nach Anspruch 1, bei dem der Schlitz (22) eine Länge besitzt, die wenigstens 50% der Länge des Wirbeleinschlußzylinders (20) beträgt.

3. Fliehkraftabscheider nach Anspruch 2, bei dem der Schlitz (23) eine Länge hat, die gleich der Länge des Wirbeleinschlußzylinders (20) ist.

4. Fliehkraftabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Schlitz (23) angefaste Kanten für eine tangentiale Abführung der Festkörper und des Gases aus dem Wirbeleinschlußzylinders (20) besitzt.

5. Fliehkraftabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Gaseinlaß (14) in bezug auf den Zyklonkörper (13) tangential angeordnet ist.

6. Fliehkraftabscheider nach einem der Anspruche 1 bis 5, bei dem der Gaseinlaß (14) in bezug auf den Zyklonkörper (13) axial angeordnet ist.

7. Fliehkraftabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Zyklonkörper (13) einen kegelstumpfförmigen Abschnitt besitzt, der den oberen Abschnitt des Zyklonkörpers (13) mit einem Wirbelauslaß (17) mit verringertem Durchmesser in bezug auf den Durchmesser des Zyklons am Einlaßende verbindet.