DE69821488T2

DE69821488T2 - Gegenstromreaktor

Info

Publication number: DE69821488T2
Application number: DE69821488T
Authority: DE
Inventors: Ramesh Gupta; W. Jeffrey FREDERICK; S. Edward ELLIS; C. David DANKWORTH; M. Dimitrios TSANGARIS
Original assignee: ExxonMobil Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1997-06-30
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2018-07-01
Also published as: JP4150432B2; US5942197A; CA2290428A1; EP0996499A1; RU2189275C2; JP2002507149A; EP0996499B1; CN1261820A; DE69821488D1; CA2290428C; WO1999000181A1; EP0996499A4; AU8279398A; CN1109574C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor zur Verarbeitung von flüssigen Erdöl- oder chemischen Strömen, wobei der Strom im Gegenstrom zu der Strömung eines Behandlungsgases, wie eines wasserstoffhaltigen Gases, in mindestens einer Wechselwirkungszone strömt. Der Reaktor enthält Dampf- und gegebenenfalls Flüssigkeitsdurchgangswege, um ein oder mehrere gepackte Betten, vorzugsweise Katalysatorbetten, zu umgehen. Dies ermöglicht stabileren und effizienten Betrieb des Gefäßes.
In den Erdölraffinierungs- und chemischen Industrien gibt es einen steten Bedarf nach verbesserten Katalysatoren und verbesserter Verfahrenstechnologie. An eine derartige Verfahrenstechnologie, Hydroverarbeitung, wurden steigende Ansprüche nach verbesserter Heteroatomentfernung, Aromatensättigung und Siedepunktverringerung gestellt. Aktivere Katalysatoren und verbesserte Reaktorkonstruktionen sind erforderlich, um diesen Bedarf zu erfüllen. Gegenstromreaktoren können das Erfüllen dieser Anforderungen unterstützen, weil sie bestimmte Vorteile gegenüber Gleichstromreaktoren bieten. Gegenstrom-Hydroverarbeitung ist wohl bekannt, aber von sehr geringer kommerzieller Verwendung. Ein Gegenstromverfahren ist in US-A-3 147 210 offenbart, die ein Zweistufenverfahren für die Hydroverarbeitung-Hydrierung hochsiedender aromatischer Kohlenwasserstoffe lehrt. Das Einsatzmaterial wird zuerst katalytischer Hydroverarbeitung unterzogen, vorzugsweise im Gleichstrom mit Wasserstoff. Es wird dann Hydrierung über einem schwefelempfindlichen Edelmetallhydrierkatalysator im Gegenstrom zu der Strömung eines wasserstoffreichen Gases unterzogen. US-A-3 767 562 und US-A-3 775 291 offenbaren ein ähnliches Verfahren zum Produzieren von Düsentreibstoffen, außer dass der Düsentreibstoff zuerst vor der zweistufigen Hydrierung hydrodesulfuriert wird. US-A-5 183 556 offenbart auch ein zweistufiges Gleichstrom-Gegenstrom-Verfahren zum Hydrofining-Hydrieren von Aromaten in einem Dieselkraftstoffstrom.
In US-A-5 449 501 wird eine Vorrichtung offenbart, die für katalytische Destillation vorgesehen ist. Die Destillationsvorrichtung, die ein Gefäß ist, enthält Dampfdurchgangswege, die ein Mittel für Dampfkommunikation zwischen Fraktionsbereichen liefert, die sich oberhalb und unterhalb von Katalysatorbetten befinden. Dämpfe, die aus dem Destillationsgerät aufsteigen, umgehen die Katalysatorbetten durch die Durchgangswege, und dieser aufwärtsgerichtete Dampfstrom vermindert die Wahrscheinlichkeit des Überflutens der Katalysatorbetten.
US-A-3 425 810 beschreibt einen Gegenstrom-Wasserstoffbehandlungsreaktor, der mindestens drei Katalysatorbetten, Flüssigkeitsverteilungsmittel oberhalb der Festbetten und Mittel zum Abziehen aufwärts strömender Dämpfe aus dem Gefäß zwischen den zweiten und dritten Betten aufweist.
Obwohl das Konzept der Hydroverarbeitung seit einiger Zeit bekannt ist, werden Gegenstrom-Strömungsreaktoren in der Regel nicht in der Erdölindustrie verwendet, hauptsächlich weil konventionelle Festbettreaktoren anfällig für Fluten des Katalysatorbetts sind, wenn sie im Gegenstrom-Strömungsmodus betrieben werden. Das bedeutet, dass die relativ hohe Geschwindigkeit des aufwärts fließenden Behandlungsgases die abwärts gerichtete Strömung der Flüssigkeit verhindert. Die Flüssigkeit kann dadurch das Katalysatorbett nicht passieren. Obwohl das Überfluten unerwünscht ist, verbessert sich das Kontaktieren des Katalysators durch die Reaktantflüssigkeit, wenn sich das Bett einem überfluteten Zustand annähert. Das Betreiben nahe dem Punkt des beginnenden Überflutens macht das Verfahren jedoch anfällig gegenüber Schwankungen von Druck oder Temperatur oder Flüssigkeits- oder Gasströmungsgeschwindigkeiten. Dies kann zu einer Störung führen, die ausreichend groß ist, um Überfluten und das Abschalten der Verfahrensanlage zu initiieren, um zu stabilem Betrieb zurückzukehren. Solche Unterbrechungen sind in einem kontinuierlichen kommerziellen Betrieb in hohem Maße unerwünscht.
Eine Lösung für die mit Gegenstromreaktoren assoziierten Überflutungsprobleme ist in WO 98/07490 von mehreren der Erfinder dort offenbart. In diesem Gegenstromreaktor werden ein oder mehrere Gasumgehungsrohre durch die Katalysatorbetten hindurch angeordnet, die dem Behandlungsgas das Umgehen mindestens einer Reaktionszone ermöglichen. Wenn dem Gas ermöglicht wird, die Reaktionszone zu umgehen, hält dies die Druckdifferenz über der Reaktionszone auf einem Niveau, das Überfluten verhindert. Während jene Erfindung die Effizienz und Produktivität des Reaktors erhöht, fehlt ihr ein einfaches und wirksames Mittel zur Regulierung der Gasmenge, die die Reaktionszone umgehen soll. Idealerweise soll Gas nur zu einem Zeitpunkt unmittelbar vor einem vordefinierten Überflutungszustand und nur in dem notwendigen Maße abgeleitet werden, um die Flüssigkeit auf Niveaus vor dem Überfluten zu halten.
Daher besteht nach wie vor ein Bedarf nach verbesserten Gegenstromreaktorkonstruktionen, die nicht so leicht anfällig für Überflutung sind, die sich leichter ohne Abschalten erholen können, falls Überfluten aufgetreten ist, und die das Betreiben des Reaktors unter Bedingungen vor dem Überfluten ermöglichen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gegenstromreaktor zu liefern, der eine Gasumgehungsmöglichkeit einschließt, die hinsichtlich des Zeitpunkts und der umgeleiteten Gasmenge selbstregulierend ist.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Gegenstromreaktors, dessen Gasumgehungsvorrichtung einfach ist und mit einem Minimum an Wartung auskommt.
Diese und andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten zweifelsfrei offensichtlich, nachdem sie die folgende Beschreibung der bevorzugten und alternativen Ausführungsformen gelesen haben, die in den verschiedenen gezeichneten Figuren enthalten und illustriert sind.
Daher wird erfindungsgemäß ein Reaktor zur Umsetzung einer Flüssigkeit mit Behandlungsgas in Gegenwart von Katalysator bereitgestellt, umfassend: eine kontinuierliche Wand, die eine erste Reaktionszone umschließt, wobei die erste Reaktionszone ein Bett aus Katalysatoren zum Herbeiführen einer gewünschten Reaktion zwischen der Flüssigkeit und dem Behandlungsgas einschließt; Flüssigkeitseinlassmittel oberhalb der ersten Reaktionszone, um einen nicht umgesetzten Teil der Flüssigkeit in den Reaktor eintreten zu lassen; Gaseinlassmittel unterhalb der ersten Reaktionszone, um einen nicht umgesetzten Teil des Behandlungsgases in den Reaktor eintreten zu lassen; Flüssigkeitsauslassmittel unterhalb der ersten Reaktionszone, um einem umgesetzten Teil der Flüssigkeit das Verlassen des Reaktors zu ermöglichen; Gasauslassmittel oberhalb der ersten Reaktionszone, um einem umgesetzten Teil des Behandlungsgases das Verlassen des Reaktors zu ermöglichen; ein Flüssigkeitsverteilungsboden, der oberhalb der ersten Reaktionszone angeordnet ist; und selbstregulierende Gasumgehungsmittel in der ersten Reaktionszone, um einem Teil des Behandlungsgases das Umgehen eines Teils der ersten Reaktionszone zu ermöglichen. Das Gasumgehungsmittel umfasst eine Rohrleitung mit einem unteren Abschnitt und einem oberen Abschnitt, wobei der obere Abschnitt eine hydrostatische Dichtung mit Flüssigkeit bilden kann, die sich in dem Flüssigkeitsverteilungsboden ansammelt und der untere Abschnitt innerhalb der ersten Reaktionszone angeordnet ist oder sich unterhalb dieser erstreckt. Die obige Anordnung ermöglicht der Flüssigkeit und dem Behandlungsgas das Fließen im Gegenstrom über das Katalysatorbett innerhalb der Reaktionszone.
In einer bevorzugten Ausführungsform schließt der Reaktor eine Vielzahl von Reaktionszonen ein.
Der Reaktor kann gegebenenfalls ferner mindestens eine Reaktionszone, die oberhalb der ersten Reaktionszone angeordnet ist, und zweite Gaseinlassmittel einschließen, die oberhalb dieser zusätzlichen Reaktionszone angeordnet sind, um eine Strömung von Behandlungsgas in im Wesentlichen derselben Richtung wie die Flüssigkeitsströmung einzurichten, d. h. in "Abwärts"-Richtung. Alternativ oder zusätzlich kann flüssiges Einsatzmaterial unterhalb der zusätzlichen Reaktionszone, jedoch oberhalb der ersten Reaktionszone mit zusätzlichem Behandlungsgas auf dem gleichen Niveau eingebracht werden, so dass die Dampfphase des Einsatzmaterials in Gleichstromweise mit dem zusätzlichen Behandlungsgas umgesetzt werden kann, d. h. in "Aufwärts"-Richtung.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist eine Querschnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die drei Reaktionszonen zeigt, von denen jede das Gasumgehungsmittel einschließt, die in Bezug auf die Flüssigkeitsverteilungsböden in Betriebsposition angeordnet sind.
2 zeigt eine alternative Ausführungsform des Gasumgehungsmittel von 1.
3 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform des Gasumgehungsmittels aus 2, das die Notwendigkeit einer Senke in den Flüssigkeitsverteilungsböden beseitigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Reaktoren der vorliegenden Erfindung sind geeignet zur Verwendung in einem beliebigen Erdöl- oder chemischem Verfahren, bei dem es vorteilhaft ist, ein Gas, wie wasserstoffhaltiges Behandlungsgas, im Gegenstrom zu der Strömung des flüssigen Einsatzmaterials zu leiten. Nicht einschränkende Beispiele für Raffinerieverfahren, bei denen die vorliegenden Reaktoren verwendet werden können, schließen die Hydroumwandlung schwerer Erdöleinsatzmaterialien in niedriger siedende Produkte; das Hydrocracken von Einsatzmaterialien im Destillatsiedebereich; das Hydrotreating verschiedener Erdöleinsatzmaterialien zur Entfernung von Heteroatomen, wie Schwefel, Stickstoff und Sauerstoff; die Hydrierung von Aromaten und die Hydroisomerisierung und/oder katalytische Entparaffinierung von Wachsen, insbesondere Fischer-Tropsch-Wachsen ein. Es ist bevorzugt, dass die Reaktoren der vorliegenden Erfindung jene sind, in denen ein Kohlenwasserstoffeinsatzmaterial Hydrotreating unterzogen und hydriert wird, insbesondere wenn Heteroatome entfernt werden und wenn mindestens ein Teil der Aromatenfraktion des Einsatzmaterials hydriert wird.
Eine kurze Beschreibung der Probleme, die in konventionellen Gegenstromreaktoren oft zu beobachten sind, erleichtert das Verständnis der Vorteile, die die vorliegende Erfindung bietet. Bei der Gegenstromverarbeitung behindert das vertikal aufwärts strömende Gas die abwärts gerichtete Bewegung der Flüssigkeit. Bei niedrigen Flüssigkeits- und Gasgeschwindigkeiten reicht die Behinderung durch das sich langsam bewegende Gas nicht aus, um Überfluten herbeizuführen, und die Flüssigkeit in dem Reaktor kann durch das Katalysatorbett in die Reaktionszone ablaufen. Falls jedoch entweder die Geschwindigkeit des aufwärts strömenden Gases oder die Geschwindigkeit der abwärts strömenden Flüssigkeit zu hoch ist, kann Flüssigkeit nicht durch das Katalysatorbett hindurch ablaufen. Dies ist als "Überfluten" bekannt. Der Flüssigkeitsbestand in dem Bett steigt an, und Flüssigkeit kann beginnen, sich oberhalb der Oberseite des Katalysatorbetts anzusammeln. Die Geschwindigkeit des aufwärtsströmenden Gases, bei der Überfluten in einem gegebenen Bett auftritt, hängt von solchen Faktoren wie der Geschwindigkeit und den physikalischen Eigenschaften der abwärtsströmenden Flüssigkeit sowie der Größe und Form der Katalysatorteilchen ab. Ebenso hängt die Geschwindigkeit der abwärtsströmenden Flüssigkeit, bei der Überfluten in einem gegebenen Bett auftritt, in gleicher Weise von der Geschwindigkeit und den Eigenschaften des aufwärtsströmenden Gases sowie von der Größe und Gestalt der Katalysatorteilchen ab.
Wie nachfolgend näher erläutert wird, sind die Reaktoren der vorliegenden Erfindung infolge der Durchgangswege oder Gasumgehungsmittel, die selektiv eine Fraktion des aufwärts strömenden Behandlungsgases an einem oder mehreren der Katalysatorbetten vorbeileiten, gegenüber Überfluten weniger anfällig als konventionelle Gegenstromreaktoren. Es sei darauf hingewiesen, dass die Begriffe "Behandlungsgas" und "Gasumgehung" (Gasumleitung) hier auch jegliche verdampfte Flüssigkeit einschließen können, die während der Reaktionen mit dem Behandlungsgas gemischt worden ist. Wenn die Druckdifferenz auf einen vordefinierten Schwellenwert ansteigt, der mit dem Zustand des beinahe Überflutens korreliert, wird einer Fraktion des aufwärtsströmenden Behandlungsgases das Umgehen von einem oder mehreren Katalysatorbetten ermöglicht. wenn Gas das Katalysatorbett umgeht, sinkt die Druckdifferenz über dem Katalysatorbett, um das abwärts gerichtete Strömen der Flüssigkeit zu ermöglichen. Wenn die Druckdifferenz unter den vordefinierten Schwellenwert absinkt, wird das Umleiten des Gases automatisch gestoppt. Das Gasumgehungsmittel liefert somit eine selbstregulierende Menge aufwärts strömendes Behandlungsgas, wodurch der hydrodynamische Betriebsbereich des Reaktors erweitert wird. Eine zusätzliche Erweiterung dieses Bereichs kann geliefert werden, indem ein oder mehrere externe Gasumgehungsmittel eingeschlossen werden, die mit Durchflusssteuerungsvorrichtungen ausgestattet sind. Ein solches System liefert ein Mittel, durch das der Katalysatorbettendruck absinkt, und daher kann die Katalysatorkontakteffizienz besser gesteuert werden. Die externe Umgehung kann verwendet werden, um das interne Gasumgehungsmittel zu unterstützen, indem der Reaktorbetrieb so nahe am Überfluten wie erwünscht gehalten wird. Das Behandlungsgas, das ein spezielles Katalysatorbett oder spezielle Katalysatorbetten nicht umgeht, gelangt durch das andere Katalysatorbett/die anderen Katalysatorbetten und dient dazu, an den gewünschten Hydroverarbeitungsreaktionen teilzunehmen, leichte oder verdampfte Reaktionsprodukte wegzutragen, Katalysatorgifte wie Schwefelwasserstoff, Wasser und/oder Ammoniak zu strippen, usw.
Dadurch liefert das erfindungsgemäße Gasumgehungsmittel einen erweiterten Betriebsbereich und eine Möglichkeit, nahe an dem Überflutungspunkt des Reaktors zu arbeiten. Dies ermöglicht einen stabileren, effizienteren Reaktorbetriebsbereich. Der Reaktor kann ferner sicher und kontinuierlich arbeiten, während er auf normale Prozessschwankungen der Flüssigkeits- und Dampfströmungsgeschwindigkeit und Temperatur reagiert. Der Bereich der Gesamtströmungsgeschwindigkeiten, der toleriert werden kann, wird dadurch erweitert. Der Betrieb nahe an dem Überflutungspunkt führt zu sehr effektivem Kontaktieren, weil die Katalysatorteilchen durch die abwärts strömende Flüssigkeit gut berieselt werden. In Abwesenheit des Gasumgehungsmittels würde ein konventioneller Gegenstromreaktor mit niedrigerer Effizienz betrieben werden müssen, um betriebsfähig zu bleiben.
Die höhere Gasströmungsgeschwindigkeitskapazität der Reaktoren der vorliegenden Erfindung liefert die Flexibilität, höhere Quenchgasgeschwindigkeiten und/oder Behandlungsgasgeschwindigkeiten zu verwenden, wodurch eine größere Anwendungsbreite für Reaktionen ermöglicht wird, die hohen Wasserstoffverbrauch und Wärmeabgabe beinhalten, wie Aromatensättigung. Die höhere Gashandhabungskapazität ermöglicht zudem die Verwendung von Gegenstromreaktionsverarbeitung für Reaktionen, die die Entwicklung von Dampfphasenprodukten beinhalten, die ansonsten infolge des während der Reaktion erzeugten überschüssigen Dampfs, z. B. Hydrocracken, zum Überfluten führen können.
Falls Überfluten stattfindet, erholen sich die Reaktoren der vorliegenden Erfindung auch leichter und werden zurück zum Normalbetrieb gebracht. Während des Überflutens nimmt der Flüssigkeitsbestand in dem Bett zu, und Flüssigkeit kann beginnen, sich oberhalb der Oberseite des Bettes anzusammeln. Diese Flüssigkeitsreserve muss abgelassen werden, damit eine Erholung von dem Überfluten erfolgt. Das Gasumgehungsmittel verringert die Gasströmungsgeschwindigkeit durch das Katalysatorbett, wenn Überfluten stattfindet oder wenn es aktiviert wird, wodurch die Flüssigkeit leichter durch das Katalysatorbett ablaufen kann.
Wenn hier nicht anderweitig gesagt, beziehen sich die Begriffe "abwärts" und "aufwärts" auf die Strömung der Flüssigkeit, die vorzugsweise abwärts fließt. Die Gefäße der vorliegenden Erfindung müssen außerdem nicht auf katalytische chemische Reaktionen begrenzt sein, sondern können auch in Gas/Flüssigkeits-Kontakttürmen verwendet werden, wie jenen, die für Destillation, Extraktion oder zum Strippen verwendet werden. In solchen Fällen ist nicht notwendigerweise eine Reaktion beteiligt und das sich aufwärts bewegende Gas kontaktiert eine sich abwärts bewegende Flüssigkeit, üblicherweise um Stoffübertragung zwischen den beiden Strömen zu erreichen.
In 1 ist nun eine Ausführungsform eines Reaktors 1 der vorliegenden Erfindung gezeigt, der im Allgemeinen eine kontinuierliche Wand 2 aufweist, die mindestens eine Reaktionszone R1 mit einem Katalysatorbett 4 umschließt, das zum Herbeiführen einer gewünschten Reaktion zwischen einer Flüssigkeit 5 und einem Behandlungsgas 6 geeignet ist. Verschiedene Reaktorinnenkomponenten, wie Temperaturfühler, Wärmeübertragungsgeräte und dergleichen, die keine Neuheit aufweisen, sind der Deutlichkeit halber aus den Figuren weggelassen. Obwohl in 1 drei derartige Reaktionszonen R1, R2, R3 seriell angeordnet gezeigt sind, hängt die Anzahl der Reaktionszonen innerhalb jedes gegebenen Reaktors von den speziellen Anforderungen der Reaktion ab, wie nachfolgend erläutert wird. Jeder Reaktionszone geht unmittelbar eine Nicht-Reaktionszone NR1, NR2, NR3, NR4 voran und auf jede folgt diese unmittelbar, welche Leerräume oder leere Abschnitte in dem Reaktor 1 sein können. Flüssigkeitseinlassmittel 7 befindet sich nahe dem oberen Bereich des Reaktors 1 und ermöglicht das Eintreten eines Teils der hereinkommenden Flüssigkeit 5, wie zu behandelndem Einsatzmaterial, in den Reaktor 1. Gaseinlassmittel 8 befindet sich nahe dem unteren Bereich von Reaktor 1 und ermöglicht einem Teil des hereinkommenden Behandlungsgases 6 das Eintreten in den Reaktor 1. Flüssigkeitsauslassmittel 9 befindet sich nahe dem Boden des Reaktors 1 und ermöglicht einem umgesetzten Teil der Flüssigkeit das Austreten aus dem Reaktor 1 als Reaktionsprodukt. In analoger Weise befindet sich Gasauslassmittel 10 nahe dem oberen Bereich von Reaktor 1 und ermöglicht einem Teil des Gases das Austreten aus dem Reaktor 1.
Flüssigkeitsverteilungsmittel, vorzugsweise in Form eines Verteilungsbodens 11, ist vorzugsweise unmittelbar oberhalb jeder Reaktionszone angeordnet, um die abwärtsströmende Flüssigkeit 5 gleichförmig über Reaktionszonen R1, R2, R3 zu verteilen. In einer bevorzugten Ausführungsform schließt jeder Boden 11 eine Unterseite 12 ein, die sich ansammelnde Flüssigkeit halten kann, deren Umkreis in abdichtbarem Kontakt mit der Gefäßwand 2 ist. Eine Vielzahl kurzer Rohre 13, die jeweils ein oberes Ende aufweisen, das sich über Unterseite 12 hinaus erhebt, sind in Boden 11 geformt, damit Flüssigkeit über die unmittelbar stromabwärts liegende Reaktionszone verteilt werden kann. Die vorhergehende Anordnung ermöglicht das Ansammeln von Flüssigkeit auf der Unterseite 12 des Bodens 11, bis es die Höhe der Rohre 13 erreicht. Nur wenn die angesammelte Flüssigkeit die Höhe der Rohre 13 übersteigt, wird die Flüssigkeit gleichförmig über die Reaktionszone unmittelbar unterhalb des Bodens 11 verteilt. Boden 11 schließt ferner eine Vielzahl von höheren, flüssigkeitsniveaubegrenzenden Rohren 14 ein, die das Ablaufen der sich in Boden 11 ansammelnden Flüssigkeit unterstützen, die die Drainagekapazität der kürzeren Rohre 13 überschreitet. In Boden 11 sind auch ein oder mehrere Gasentlüftungen 15 eingearbeitet, um den Durchgang des sich aufwärts bewegenden Behandlungsgases zu ermöglichen. Gasentlüftung 15 schließt eine Abdeckung oder einen Prallkörper 16 ein, die bzw. der Flüssigkeit aus stromaufwärts liegenden Reaktionszonen am Umgehen des Verteilungsbodens 11 und Eintreten in eine stromabwärts liegende Reaktionszone hindert. Gasentlüftung 15 kann jedoch noch als Reserve-Flüssigkeitsablaufmittel für den Fall dienen, dass schwere Überflutungsbedingungen auftreten. Durchschnittsfachleute werden erkennen, dass der genannte Boden 11 einer von vielen unterschiedlichen Konstruktionen ist, die verwendet werden können, um gleichförmige Verteilung von Flüssigkeit über das Bett zu ermöglichen.
Wie in 1 gezeigt ist, ist Gasumgehungsmittel 17 über jede Reaktionszone verteilt angeordnet, um einem Teil des Behandlungsgases die Umgehung mindestens eines Teils der Reaktionszone zu ermöglichen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst Gasumgehungsmittel 17 ein oder mehrere Gasumgehungsrohre 18, die jeweils einen oberen Abschnitt 19 und einen unteren Abschnitt 20 aufweisen. Jedes Gasumgehungsrohr 18 ermöglicht Fluidkommunikation des Behandlungsgases zwischen zwei getrennten Nicht-Reaktionszonen. In Bezug auf die höchstgelegene Reaktionszone R1 in 1 endet der untere Abschnitt 20 von jedem Gasumgehungsrohr 18 in Nicht-Reaktionszone NR2, während der obere Abschnitt 19 zu einer umgekehrten "U"-Form geformt ist, dessen begrenzendes Ende 21 innerhalb einer Flüssigkeitsmulde 22 angeordnet ist, die in dem Flüssigkeitsverteilungsboden 11 gebildet ist. Während des Betriebs des Reaktors 1 füllt sich ansammelnde Flüssigkeit in dem Boden 11 die Mulde 22 und erzeugt eine hydrostatische Dichtung mit dem begrenzenden Ende 21 des Gasumgehungsrohrs 18. Nachdem die hydrostatische Dichtung erzeugt worden ist, wird Behandlungsgas am Eintreten in Nicht-Reaktionszone NR1 gehindert, bis die Druckdifferenz über Reaktionszone R1 den Kopfdruck H1 der hydrostatischen Dichtung übersteigt. Spezieller und wie aus 1 zu erkennen ist, muss die Druckdifferenz über der Reaktionszone R1 den Gesamtkopfdruck von mindestens einem Gasumgehungsrohr 18 überschreiten, das durch die Reaktionszone R1 hindurch verwendet wird, damit die Gasumleitung erfolgen kann.
Es kann für eine gegebene Größe des Katalysatorbetts beispielsweise das Auftreten von Überfluten erwartet werden, wenn die Druckdifferenz 1,0 bis 1,5 Zoll (2,54 bis 3,81 cm) Flüssigkeit pro Fuß (30,49 cm) Bettenhöhe übersteigt. Wenn die Höhe des Katalysatorbetts 20 Fuß (6,096 m) beträgt, müssen die Flüssigkeitsmulde 22 und der obere Abschnitt 19 der Gasumgehungsrohre 18 so konstruiert sein, dass ein kummulativer hydrostatischer Kopfdruck von ungefähr 20 Zoll (50,8 cm) geliefert wird. Bezogen auf bekannte Überflutungsbedingungen gehen eine Anzahl physikalischer Parameter in die spezielle verwendete Konstruktion ein, wie der Innendurchmesser der Gasumgehungsrohre 18, das Ausmaß des Eintauchens des begrenzenden Endes 21 in die Flüssigkeitsmulde 22, die Höhe der Flüssigkeit, die sich in Boden 11 ansammelt, und die Anzahl der Gasumgehungsrohre 18, die durch die spezielle Reaktionszone hindurch verwendet werden sollen.
Die vorhergehende Konstruktion ermöglicht viel Flexibilität zum Erreichen optimaler Betriebsbedingungen. Wenn beispielsweise ein beliebiges spezielles Gasumgehungsrohr 18 so konstruiert wird, dass ein geringerer Kopfdruck erzeugt wird, kann Gas die Reaktionszone R1 nur durch dieses spezielle Gasumgehungsrohr 18 umgehen. Dieser Effekt kann erreicht werden, indem das begrenzende Ende 21 so verkürzt wird, dass das Gas weniger Flüssigkeit zu überwinden hat, oder durch in dem begrenzenden Ende 21 gebildete Perforationen, um das Entweichen des Gases durch die höheren Perforationen zu ermöglichen. Es ist somit ersichtlich, dass eine Gruppierung von Gasumgehungsrohren 18 gegebenenfalls durch jede beliebige gegebene Reaktionszone hindurch angeordnet werden kann, wobei einige Gasumgehungsrohre 18 zu größeren oder kleineren Druckdifferenzen als andere führen, was zu der Möglichkeit zum Umleiten von Behandlungsgas in Stufen führt. Falls also in anderen Worten die Menge des durch diese Gasumgehungsrohre 18 umgeleiteten Gases mit einem geringeren Kopfdruck ausreicht, um Überfluten zu verhindern, wird kein Gas durch die verbleibenden Gasumgehungsrohre 18 umgeleitet werden können, deren Kopfdrücke größer sind. Daher wird bei beginnenden Überflutungsniveaus die Maximalmenge Behandlungsgas durch die Reaktionszone 4 gedrückt. Diese Anordnung bietet die Möglichkeit zur Feinabstimmung der Gasfreisetzung über einen Bereich von Druckdifferenzen, wodurch der Reaktor 1 sehr effizient und unter Bedingungen betrieben werden kann, die dem Überfluten unmittelbar vorausgehen. Ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass der Reaktorbetrieb bei nahezu maximaler Effizienz fortgesetzt werden kann, während der Druckabfall aufgrund von Absetzen und/oder Fouling im Katalysatorbett im Zeitverlauf zunimmt.
Wichtig ist, dass sich der obere Bereich des U-förmigen oberen Abschnitts 19 auf einer Höhe oberhalb des Maximalniveaus der Flüssigkeit befindet, die sich innerhalb des Bodens 11 ansammeln kann. Falls eine Überflutungsstörung stattfindet, so dass das Flüssigkeitsniveau rasch über die flüssigkeitsniveaubegrenzenden Rohre 14 ansteigt, kann die Gasentlüftung 15 als zusätzliches Flüssigkeitsablaufmittel dienen, um Flüssigkeit in die unmittelbar stromabwärts liegende Reaktionszone abzuteilen. Die Gasumgehungsrohre 18 wirken somit niemals als Siphon, um nicht umgesetzte Flüssigkeit in die nächste Nicht-Reaktionszone herab umzuleiten.
In 2 ist nun eine alternative Ausführungsform der Erfindung gezeigt, in der die umgekehrten oberen "U"-Abschnitte 19 des Gasumgehungsmittels 17 zugunsten gerader Gasumgehungsrohre 25 wegfallen, die jeweils obere Enden 26 aufweisen, die durch einen umgekehrten Behälter 27 bedeckt sind. In dieser Ausführungsform resultiert der Kopfdruck H von jedem Gasumgehungsrohr 25 aus der Flüssigkeit, die sich zwischen dem oberen Ende 26 und dem Behälter 27 befindet. Die Höhe der Öffnung 28 des Behälters 27 relativ zu dem Flüssigkeitsniveau 30, das sich in dem Boden 11 ansammelt, bestimmt die Stärke der hydrostatischen Dichtung, die überwunden werden muss, um das umgeleitete Gas freizusetzen.
In ähnlicher Weise ist in 3 eine weitere alternative Ausführungsform abgebildet, die nicht die Flüssigkeitsmulden 22 verwendet, sondern stattdessen einen höheren, sich ansammelnden Flüssigkeitsbestand auf dem Boden 11 verwendet. Wie zu sehen ist, sind in dieser Ausführungsform aufgrund des höheren erforderlichen Flüssigkeitsniveaus höhere flüssigkeitsniveaubegrenzende Rohre 14 erforderlich, um die vorher festgesetzten Kopfdrücke H zu erzeugen. Ungeachtet der verschiedenen gezeigten Ausführungsformen arbeitet jede jedoch entweder separat oder in Kombination miteinander mit derselben Effizienz und Zuverlässigkeit auf Grund ihrer Einfachheit.
Es sei darauf hingewiesen, dass die unteren Enden 20 von beliebigen der Gasumgehungsrohre 18, 25 nicht notwendigerweise innerhalb einer Nicht-Reaktionszone liegen müssen. Wie in 1 unter Bezugnahme auf Reaktionszone R2 zu sehen ist, befinden sich die unteren Enden 20 der Gasumgehungsrohre 18 eigentlich innerhalb des Katalysatorbetts. Demnach kann der Kopfdruck H für diese speziellen Gasumgehungsrohre 18 so entworfen werden, dass er entsprechend niedriger ist, als wenn die unteren Enden 20 sich vollständig unter der Reaktionszone R2 befinden würden. Der Reaktor 1 kann daher so konfiguriert sein, dass eine Gruppierung von Gasumgehungsrohren 18 verwendet wird, bei der das untere Ende 20 von jedem Gasumgehungsrohr 18 von einer unterschiedlichen Höhe innerhalb der zu umgehenden Reaktionszone ausgeht. Zudem können die Rohre 18 entlang ihrer Länge in unterschiedlichem Maße perforiert sein. Auf diese Weise kann partiell umgesetztes Gas auch in eine stromaufwärts liegende Nicht-Reaktionszone gelenkt werden, wie Nicht-Reaktionszone NR2, falls Überflutungsbedingungen drohen.
Wie bereits gesagt wird der Reaktor 1 betrieben, indem das zu behandelnde flüssige Einsatzmaterial 5 in Flüssigkeitseinlassmittel 7 eingebracht wird. Ein geeignetes Behandlungsgas 6, wie wasserstoffhaltiges Gas, wird über Gaseinlassmittel 8 im Gegenstrom zu der abwärtsgerichteten Strömung des flüssigen Einsatzmaterials 5 in den Reaktor 1 eingebracht. Es sei darauf hingewiesen, dass das Behandlungsgas nicht allein in den unteren Bereich des Reaktors bei Gaseinlassmittel 8 eingebracht werden muss, sondern auch in eine oder mehrere beliebige der Nicht-Reaktionszonen NR1, NR2, NR3, NR4 eingebracht werden kann. Behandlungsgas kann auch in ein oder mehrere beliebige der Katalysatorbetten in Reaktionszonen R1, R2, R3 injiziert werden. Ein Vorteil des Einbringens von Behandlungsgas an verschiedenen Punkten in den Reaktor besteht in der Steuerung der Temperatur innerhalb des Reaktors. Kaltes Behandlungsgas kann beispielsweise an verschiedenen Punkten in den Reaktor injiziert werden, um jegliche exotherme Reaktionswärme zu mäßigen. Es liegt auch innerhalb des Umfangs dieser Erfindung, dass zusätzliches Behandlungsgas an einem beliebigen der genannten Punkte injiziert werden kann. In ähnlicher Weise kann Flüssigkeit an verschiedenen Punkten und mit geeigneten Temperaturen injiziert werden, ebenfalls zum Zweck der Temperatursteuerung. Wenn solche Temperatursteuerungstechniken verwendet werden, gibt es resultierende Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit des Quenchstroms (Gas oder Flüssigkeit), die zu Schwankungen des Druckabfalls über der Reaktionszone 4 führen. Daher liefern die Gasumgehungsrohre 18 die Flexibilität, um sich diesen Schwankungen anzupassen, während das Risiko der Überflutung minimiert wird, die ansonsten auftreten könnte.
Die zur Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendeten Reaktoren werden bei geeigneten Temperaturen und Drücken für die gewünschte Reaktions betrieben. Typische Hydroverarbeitungstemperaturen liegen beispielsweise im Bereich von etwa 40°C bis etwa 450°C bei Drücken von etwa 0,3 MPag (50 psig) bis etwa 20,7 MPag (3000 psig), vorzugsweise 0,3 bis 17,2 MPag (50 bis 2500 psig). Das flüssige Einsatzmaterial gelangt am Anfang durch das Katalysatorbett von Reaktionszone R1 nach unten, wo es mit dem Behandlungsgas auf der Katalysatoroberfläche reagiert. Jegliche resultierenden Dampfphasenreaktionsprodukte werden durch das aufwärts strömende Behandlungsgas nach oben gespült. Zu solchen Dampfphasenreaktionsprodukten können relativ niedrig siedende Kohlenwasserstoffe und Heteroatomkomponenten gehören, wie H₂S und NH₃. Jegliches nicht umgesetztes Einsatzmaterial sowie flüssiges Reaktionsprodukt gelangen abwärts durch jedes nachfolgende Katalysatorbett jeder nachfolgenden Reaktionszone R2 und R3. Bei drohenden Überflutungsbedingungen ermöglichen die selbstregulierenden Gasumgehungsrohre 18 selektives Umleiten von Dämpfen, die in Reaktionszone R2 produziert worden sind, zu dem Reaktorgasauslassmittel 10, während Wasserstoff mit höherer Reinheit enthaltendes Behandlungsgas in Reaktionszone R1 eingebracht wird, indem selektiv Wasserstoff mit höherer Reinheit enthaltendes Gas aus Nicht-Reaktionszone NR3 in den unteren Bereich von Reaktionszone R1 umgeleitet wird. Der umgesetzte Flüssigkeitsausfluss verlässt den Reaktor über Flüssigkeitsauslassmittel 9, während der Gasausfluss über Flüssigkeitsauslassmittel 10 austritt. Während des Betriebs des Reaktors wird nur ein Teil des Gases umgeleitet, wodurch genügend Gas durch die Katalysatorbetten aufwärts strömen kann, um dem Behandlungsgas- (Wasserstoff)-Bedarf dieser Katalysatorbetten mit relativ hoher kinetischer Effizienz zu entsprechen.
Die Gasumgehungsrohre 18 können aus beliebigem Material aufgebaut sein, das den Betriebsbedingungen des Reaktors widerstehen kann. Geeignete Materialien schließen Metalle, wie rostfreie und Kohlenstoffstähle; Keramikmaterialien sowie Hochleistungsverbundmaterialien ein, wie Kohlefasermaterialien. Bevorzugt sind rohrförmige Durchgangswege mit runden Querschnitten. Die Rohre müssen nicht vollkommen vertikal sein. Das bedeutet, dass sie schräg oder gekrümmt oder sogar in Form einer Spirale sein können. Es sein darauf hingewiesen, dass die Rohre in Abhängigkeit von der Menge und Geschwindigkeit des Gases, das von einer Nicht-Reaktionszone zu einer anderen umgeleitet werden soll, jede beliebige geeignete Größe haben können. Es kann auch jedes beliebige der Gasumgehungsrohre verlängert werden, um das Umleiten durch mehr als eine Reaktionszone zu ermöglichen. Einige der Gasumgehungsrohre können sich durch alle stromaufwärts liegenden Reaktionszonen erstrecken, so dass ein Teil des Gases ohne weiteren Kontakt mit entweder dem Katalysator oder der abwärts strömenden Flüssigkeit abgezogen werden kann. Wenn eine Vielzahl von Gasumgehungsrohren verwendet wird, ist es bevorzugt, dass sie konzentrisch um die vertikale Achse des Reaktors herum angeordnet sind. Ein oder mehrere Gasumgehungsrohre können auch extern zu der Reaktionszone geführt werden. Beispielsweise kann auf der Außenseite des Reaktors eine Rohranordnung verwendet werden, so dass eine oder mehrere Nicht-Reaktionszonen in Fluidkommunikation mit einer oder mehreren beliebigen anderen Nicht-Reaktionszonen sind. Wie bereits gesagt können die externen Gasumgehungsrohre eine Durchflusssteuerungsvorrichtung enthalten, um den Teil des Gases zu steuern, der von einer Nicht-Reaktionszone in eine andere Nicht-Reaktionszone geführt wird. Solche Durchflusssteuerungsvorrichtungen können in Kombination mit der hydrostatischen Dichtung verwendet werden, die durch die Gasumgehungsrohre eingerichtet wird. Wenn Gasumgehungsrohre außerhalb des Reaktors bereitgestellt werden, dann ist es bevorzugt, dass die Durchflusssteuerungsvorrichtung einfach ein Durchflusssteuerungsventil ist, das in der Industrie üblich ist und Durchschnittsfachleuten bekannt ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Gasumgehungsrohre keine Hohlstrukturen sein müssen, wie vollwandige Rohre, sondern ein Packungsmaterial enthalten können, wie Inertformen oder Katalysatorteilchen oder beides. Nicht einschränkende Beispiele für Inertformen, die als Packungsmaterial verwendet werden können, schließen jene ein, die in der Technik konventionell sind, wie Kugeln, Raschig-Ringe, Intalox-Sattelkörper, Pall-Ringe, Berl-Sattelkörper, Cyclohelix-Spiralringe, Lessing-Ringe, quergeteilte Ringe, usw. Wenn Katalysatorteilchen mindestens einen Teil des Packungsmaterials in den Gasumgehungsrohren ausmachen, können sie verwendet werden, um die Dampfphasenreaktanten weiter umzusetzen. Das Packungsmaterial und/oder Katalysatorteilchen in den Umgehungsrohren können eine andere Größe als die Katalysatorteilchen in den Katalysatorbetten der Reaktionszonen haben. Solche Packung kann dazu beitragen, die Umgehungscharakteristika der Umgehungsrohre zu verbessern. Die Gasumgehungsrohre können auch perforiert sein, damit Dampf über verschiedene Niveaus des Katalysatorbetts verteilt werden kann.
Gegebenenfalls können sich eine oder mehrere Gleichstrom-Reaktionszone stromaufwärts liegend zu einer oder mehreren Gegenstrom-Reaktionszonen befinden. Flüssiges Einsatzmaterial kann beispielsweise zwischen zwei Reaktionszonen eingebracht werden, so dass die flüssige Phase des Einsatzmaterials abwärts in eine stromabwärts liegende Reaktionszone fließt, während die Dampfphase des Einsatzmaterials durch eine stromaufwärts liegende Reaktionszone aufwärts fließt. Im Zusammenhang mit der aufwärts gerichteten Strömung der Dampfphase des Einsatzmaterials kann zusätzliches Behandlungsgas auf demselben Niveau wie das Einsatzmaterial eingebracht werden, so dass das Behandlungsgas in die stromaufwärts liegende Reaktionszone im Gleichstrom mit der Dampfphase des Einsatzmaterials aufwärts fließt. Demzufolge reagiert das flüssige Einsatzmaterial in den unteren Reaktionszonen in Gegenstromweise mit dem Behandlungsgas, das stromabwärts zu den Reaktionszonen liegend eingebracht wird. Die Zonen können sich unabhängig von der Strömungsrichtung in separaten Gefäßen befinden, oder zwei oder mehr Zonen können sich in demselben Gefäß befinden. Es ist jedoch bevorzugt, dass sich alle Gegenstromzonen in demselben Gefäß befinden.
Die Durchführung der vorliegenden Erfindung ist auf alle Flüssigkeits-Dampf-Gegenstromsysteme in Raffinerien und chemischer Verarbeitung anwendbar. Einsatzmaterialien, die zur Verwendung in solchen Systemen geeignet sind, schließen jene im Naphthasiedebereich sowie schwerere Einsatzmaterialien ein, wie Mitteldestillate, Gasöle und Rückstände. In der Regel ist der Siedebereich etwa 40°C bis etwa 1000°C. Nicht einschränkende Beispiele für solche Einsatzmaterialien, die zur Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, schließen Vakuumrückstand, atmosphärischen Rückstand, Vakuumgasöl (VGO), atmosphärisches Gasöl (AGO), schweres atmosphärisches Gasöl (HAGO), dampfgecracktes Gasöl (SCGO), entasphaltiertes Öl (DAO) und Leichtöl aus dem Katalysezyklus (LCCO) ein.
Einige mittels der Durchführung der vorliegenden Erfindung behandelte Einsatzmaterialien können hohe Gehalte an Heteroatomen enthalten, wie Schwefel und Stickstoff. In solchen Fällen kann es bevorzugt sein, dass die erste Reaktionszone eine ist, in der der flüssige Einsatzmaterialstrom im Gleichstrom mit einem Strom aus wasserstoffhaltigem Behandlungsgas abwärts durch ein Festbett aus geeignetem Hydrotreating-Katalysator fließt. Der Begriff "Hydrotreating" bezieht sich hier auf Verfahren, in denen ein wasserstoffhaltiges Behandlungsgas in Gegenwart eines Katalysators verwendet wird, der hauptsächlich zur Entfernung von Heteroatomen aktiv ist, wie Schwefel und Stickstoff, wobei eine gewisse Aromatenhydrierung stattfindet. Der Begriff "Hydroverarbeitung" schließt Hydrotreating ein, schließt jedoch auch Verfahren ein, die vorwiegend in Richtung Hydrierung, Hydrocrakken und Hydroisomerisierung wirken. Ringöffnung, insbesondere von Naphthenringen, kann für erfindungsgemäße Zwecke in den Begriff "Hydroverarbeitung" eingeschlossen sein. Geeignete Hydrotreating-Katalysatoren zur erfindungsgemäßen Verwendung sind jegliche konventionelle Hydrotreating-Katalysatoren und schließen jene ein, die aus mindestens einem Gruppe VIII Metall, vorzugsweise Fe, Co und Ni, insbesondere Co und/oder Ni; und mindestens einem Gruppe VI Metall, vorzugsweise Mo oder W, insbesondere Mo, auf einem Trägermaterial mit großer Oberfläche, vorzugsweise Aluminiumoxid, zusammengesetzt sind. Andere geeignete Hydrotreating-Katalysatoren schließen Zeolithkatalysatoren sowie Edelmetallkatalysatoren ein, wobei das Edelmetall ausgewählt ist aus Pd und Pt. Es liegt innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, dass in demselben Reaktor mehr als ein Typ von Hydrotreating-Katalysator verwendet werden kann. Das Gruppe VIII Metall ist in der Regel in einer Menge im Bereich von etwa 2 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise etwa 4 bis 12 Gew.-% vorhanden. Das Gruppe VI Metall ist in der Regel in einer Menge im Bereich von etwa 5 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise etwa 10 bis 40 Gew.-% und insbesondere etwa 20 bis 30 Gew.-% vorhanden. Alle Gewichtsprozentsätze der Metalle beziehen sich auf den Träger. Mit "auf den Träger" meinen wir, dass sich die Prozentsätze auf das Gewicht des Trägers beziehen. Wenn der Träger beispielsweise 100 g wöge, bedeuteten 20 Gew.-% Gruppe VIII Metall, dass sich 20 g Gruppe VIII Metall auf dem Träger befänden. Typische Hydrotreating-Temperaturen liegen im Bereich von etwa 100°C bis etwa 430°C mit Drücken von etwa 0,3 MPag (50 psig) bis etwa 20,7 MPag (3000 psig), vorzugsweise etwa 0,3 bis 17,2 MPag (50 psig bis etwa 2500 psig). Falls das Einsatzmaterial relativ niedrige Gehalte an Heteroatomen enthält, kann die Hydrotreating-Stufe wegfallen und das Einsatzmaterial direkt in eine Aromatensättigungs-, Hydrocrack- und/oder Ringöffnungs-Reaktionszone geleitet werden.
Zum Zwecke der Hydroverarbeitung bedeutet der Begriff "wasserstoffhaltiges Behandlungsgas" einen Behandlungsgasstrom, der mindestens eine wirksame Menge Wasserstoff für die vorgesehene Reaktion enthält. Der in den Reaktor eingebrachte Behandlungsgasstrom enthält vorzugsweise mindestens etwa 50 Vol.%, insbesondere mindestens etwa 75 Vol.% Wasserstoff. Es ist bevorzugt, dass das wasserstoffhaltige Behandlungsgas wasserstoffhaltiges Frischgas, vorzugsweise Wasserstoff ist.
Wenn die erste Reaktionszone eine abwärts strömende Gleichstrom-Hydrotreating-Reaktionszone ist, wird der flüssige Ausfluss aus der Hydrotreating-Reaktionszone in mindestens eine stromabwärts liegende Reaktionszone geleitet, wo Flüssigkeit im Gegenstrom zu der Strömung des aufwärts strömenden wasserstoffhaltigen Behandlungsgases durch ein Katalysatorbett geleitet wird. In Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Einsatzmaterials und dem gewünschten Veredelungsgrad ist möglicherweise mehr als eine Reaktionszone erforderlich. Die erwünschtesten Reaktionsprodukte, die aus der Hydroverarbeitung resultieren, vorzugsweise wenn Gasöle die Einsatzmaterialien sind, sind jene, die verringerte Gehalte an Schwefel und Stickstoff enthalten. Produktströme, die Paraffine, insbesondere lineare Paraffine enthalten, sind oft gegenüber Naphthenen bevorzugt, die oft gegenüber Aromaten bevorzugt sind. Um dies zu erreichen, wird mindestens ein stromabwärts liegender Katalysator aus der Gruppe bestehend aus Hydrotreating-Katalysatoren, Hydrocrack-Katalysatoren, Aromatensättigungskatalysatoren und Ringöffnungskatalysa toren ausgewählt. Falls es wirtschaftlich machbar ist, einen Produktstrom mit hohen Gehalten an Paraffinen zu produzieren, schließen die stromabwärts liegenden Zonen dann vorzugsweise eine Aromatensättigungszone und eine Ringöffnungszone ein.
Wenn eine der stromabwärts liegenden Reaktionszonen eine Hydrocrack-Zone ist, kann der Katalysator jeder geeignete konventionelle Hydrocrack-Katalysator sein. Typische Hydrocrack-Katalysatoren sind in US-A-4 921 595 von UOP beschrieben, auf die hier Bezug genommen wird. Solche Katalysatoren sind in der Regel aus einer Gruppe VIII Metallhydrierkomponente auf Zeolith-Crackbasismaterial zusammengesetzt. Die Zeolith-Crackbasismaterialien werden in der Technik mitunter als Molekularsiebe bezeichnet und sind im Allgemeinen aus Siliciumdioxid, Aluminiumoxid und einem oder mehreren austauschbaren Kationen zusammengesetzt, wie Natrium, Magnesium, Calcium, Seltenerdmetallen, usw. Sie sind ferner durch Kristallporen mit relativ gleichförmigem Durchmesser zwischen etwa 4 und 12 Å gekennzeichnet. Es ist bevorzugt, Zeolithe mit einem relativ hohen Siliciumdioxid/Aluminiumoxid-Molverhältnis größer als etwa 3, vorzugsweise größer als etwa 6 zu verwenden. Geeignete natürlich vorkommende Zeolithe schließen Mordenit, Clinoptiliolit, Ferrierit, Dachiardit, Chabasit, Erionit und Faujasit ein. Geeignete synthetische Zeolithe schließen die Kristalltypen ß, X, Y und L, z. B. synthetischen Faujasit, Mordenit, ZSM-5, MCM-22 und die größerporigen Varianten der ZSM- und MCM-Reihen ein. Ein besonders bevorzugter Zeolith ist ein beliebiges Mitglied der Faujasitfamilie, siehe Tracy et al. Proc. of the Royal Soc., 1996, Band 452, Seite 813. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Zeolithe entmetallierte Zeolithe einschließen können, die selbstverständlich signifikantes Porenvolumen im Mesoporenbereich einschließen, d. h. 20 bis 500 Å. Nicht einschränkende Beispiele für Gruppe VIII Metalle, die auf den Hydrocrack-Katalysatoren verwendet werden können, schließen Eisen, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin ein. Bevorzugt sind Platin und Palladium, wobei Platin besonders bevorzugt ist. Die Menge an Gruppe VIII Metall liegt im Bereich von etwa 0,05 Gew.-% bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators. Falls das Metall ein Gruppe VIII Edelmetall ist, ist es bevorzugt, etwa 0,05 bis etwa 2 Gew.-% zu verwenden. Falls das Gruppe VIII Metall kein Edelmetall ist, schließt eine bevorzugte Formulierung auch ein Gruppe VI Metall in ähnlichem Anteil wie zuvor für die Hydrotreating-Katalysatoren genannt ein. Hydrocrack-Bedingungen schließen Temperaturen von etwa 200°C bis 425°C, vorzugsweise etwa 220°C bis 330°C, insbesondere etwa 245°C bis 315°C, Drücke von etwa 1, 4 MPag (200 psig) bis etwa 20,7 MPag (3000 psig) und einen stündlichen Flüssigkeitsdurchsatz von etwa 0,5 bis 10 V/V/h, vorzugsweise etwa 1 bis 5 V/V/h ein.
Nicht einschränkende Beispiele für Aromatenhydrierkatalysatoren schließen Nickel, Kobalt-Molybdän, Nickel-Molybdän und Nickel-Wolfram ein. Nicht einschränkende Beispiele für Edelmetallkatalysatoren schließen jene auf Basis von Platin und/oder Palladium ein, das vorzugsweise auf ein geeignetes Trägermaterial aufgebracht ist, in der Regel hitzebeständiges Oxidmaterial, wie Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid, Kieselgur, Kieselerde, Magnesiumoxid und Zirconiumdioxid. Zeolithträger können auch verwendet werden. Solche Katalysatoren sind in der Regel anfällig für Vergiftung durch Schwefel und Stickstoff. Die Aromatensättigungszone wird vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 40°C bis etwa 400°C, insbesondere etwa 260°C bis etwa 350°C bei einem Druck von 0,7 MPag (100 psig) bis etwa 20,7 MPag (3000 psig), vorzugsweise 1,4 MPag (200 psig) bis etwa 8,3 MPag (1200 psig) und einem stündlichen Flüssigkeitsdurchsatz (LHSV) von etwa 0,3 V/V/h bis etwa 2,0 V/V/h betrieben.
Die flüssige Phase in den erfindungsgemäß verwendeten Reaktoren ist in der Regel die Komponenten des Einsatzmaterials mit höherem Siedepunkt. Die Dampfphase ist in der Regel eine Mischung aus wasserstoffhaltigem Behandlungsgas, Heteroatomverunreinigungen und verdampften, niedriger siedenden Komponenten in dem Frischeinsatzmaterial sowie leichten Produkten von Hydroverarbeitungsreaktionen. Die Dampfphase in dem Katalysatorbett einer Gegenstrom-Reaktionszone wird mit dem aufwärts strömenden, wasserstoffhaltigen Behandlungsgas nach oben gespült und aufgefangen, fraktioniert oder zur Weiterverarbeitung geleitet. Der Dampfphasenausfluss kann aus jeder beliebigen Nicht-Reaktionszone abgezogen werden. Falls der Dampfphasenausfluss noch weitere Hydroverarbeitung benötigt, kann er zu einer Dampfphasen-Reaktionszone geleitet werden, die zusätzlichen Hydroverarbeitungskatalysator enthält, und geeigneten Hydroverarbeitungsbedingungen für die weitere Reaktion unterworfen werden. Es sei darauf hingewiesen, dass alle Reaktionszonen entweder in dem gleichen Gefäß getrennt durch Nicht-Reaktionszonen vorliegen können, oder sich beliebige in getrennten Gefäßen befinden können. In letzterem Fall schließen die Nicht-Reaktionszonen in der Regel die Überführungsleitungen ein, die von einem Gefäß zu einem anderen führen.
Falls eine Gleichstrom-Vorverarbeitungsstufe durchgeführt wird, können Dampf und Flüssigkeit sich voneinander lösen und der flüssige Ausfluss in den oberen Bereich eines Gegenstromreaktors geführt werden. Der Dampf aus der Vorverarbeitungsstufe kann separat verarbeitet oder mit Dampfphasenprodukt aus dem erfindungsgemäßen Reaktor kombiniert werden. Das Dampfphasenprodukt/die Dampfphasenprodukte können weitere Dampfphasen-Hydroverarbeitung eingehen, falls größere Verringerung der Heteroatom- und Aromatenspezies erwünscht ist, oder direkt zu einem Gewinnungssystem geführt werden.
Das Gegenstromkontaktieren von Flüssigkeit aus einer stromaufwärts liegenden Reaktionszone mit aufwärts strömendem Gas strippt gelöste H₂S- und NH₃-Verunreinigungen aus dem Ausflussstrom, wodurch sowohl der Wasserstoffpartialdruck als auch die Katalysatorleistung verbessert werden. Das resultierende flüssige-Endprodukt enthält einen wesentlich niedrigeren Gehalt an Heteroatomen und wesentlich mehr Wasserstoff als das ursprüngliche Einsatzmaterial. Dieser flüssige Produktstrom kann zu stromabwärts liegenden Hydroverarbeitungs- oder Umwandlungsverfahren geleitet werden.

Claims

1., Reaktor zur Umsetzung von Flüssigkeit mit Behandlungsgas in Gegenwart von Katalysator, umfassend: (a) eine kontinuierliche wand, die eine erste Reaktionszone umschließt, wobei die erste Reaktionszone Katalysatormittel zum Herbeiführen einer gewünschten Reaktion zwischen der Flüssigkeit und dem Behandlungsgas einschließt; (b) Flüssigkeitseinlassmittel oberhalb der ersten Reaktionszone, um einen Teil der Flüssigkeit in den Reaktor eintreten zu lassen; (c) Gaseinlassmittel unterhalb der ersten Reaktionszone, um einen Teil des Behandlungsgases in den Reaktor eintreten zu lassen; (d) Flüssigkeitsauslassmittel unterhalb der ersten Reaktionszone, um einem umgesetzten Teil der Flüssigkeit das Verlassen des Reaktors zu ermöglichen; (e) Gasauslassmittel oberhalb der ersten Reaktionszone, um einem Teil des Behandlungsgases das Verlassen des Reaktors zu ermöglichen; (f) ein Flüssigkeitsverteilungsboden, der oberhalb der ersten Reaktionszone angeordnet ist; und (g) Gasumgehungsmittel in der ersten Reaktionszone, um einem Teil des Behandlungsgases das Umgehen eines Teils der ersten Reaktionszone zu ermöglichen, wobei das Gasumgehungsmittel eine Rohrleitung mit einem oberen Abschnitt, der eine hydrostatische Dichtung mit Flüssigkeit bilden kann, die sich in dem Flüssigkeitsverteilungsboden ansammelt; und einem unteren Abschnitt einschließt, der sich innerhalb oder unterhalb der Reaktionszone erstreckt, wodurch eine selbstregulie rende Menge aufwärts fließendes Behandlungsgas geliefert wird, das den Teil der ersten Reaktionszone umgeht.

Reaktor nach Anspruch 1, bei dem die Flüssigkeit und das Behandlungsgas in Gegenstromweise über einem Katalysatorbett innerhalb der Reaktionszone fließen.

Reaktor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das Gasumgehungsmittel dem Teil des Behandlungsgases das vollständige Umgehen der ersten Reaktionszone ermöglicht.

Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der eine Vielzahl der Reaktionszonen einschließt.

Reaktor nach Anspruch 4, bei dem jede der Reaktionszonen das Gasumgehungsmittel einschließt.

Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend (a) eine zweite Reaktionszone, die oberhalb der ersten Reaktionszone angeordnet ist; und (b) zweite Gaseinlassmittel, die oberhalb der zweiten Reaktionszone angeordnet sind, um einen Strom des Behandlungsgases in im Wesentlichen derselben Richtung wie der Strom der Flüssigkeit einzurichten.

Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der obere Abschnitt zu einer umgekehrten "U"-Form geformt ist, dessen begrenzendes Ende innerhalb einer Flüssigkeitsmulde angeordnet ist, die in dem Flüssigkeitsverteilungsboden gebildet ist.

Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Gasumgehungsmittel einen oberen Abschnitt umfasst, der einen umgekehrten Behälter einschließt, der das begrenzende Ende des oberen Abschnitts bedeckt, wobei der umgekehrte Behälter eine Öffnung in Kontakt mit Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsverteilungsboden einschließt.

Reaktor nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem das Gasumgehungsmittel dem Behandlungsgas das Umgehen von zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Reaktionszonen ermöglicht.