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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor zur Umsetzung von flüssigen Erdöl- oder
chemischen Strömen,
wobei der flüssige
Strom im Gegenstrom zu einem Behandlungsgas wie wasserstoffhaltigem
Gas fließt.
Der Reaktor umfasst mindestens eine vertikal angeordnete Reaktionszone, die
jeweils ein Katalysatorbett enthält,
wobei jede Reaktionszone Dampfumgehungsmittel enthalten kann, jeder
Reaktionszone eine Nicht-Reaktionszone unmittelbar vorausgeht und
jede Nicht-Reaktionszone eine Gas/Flüssigkeits-Kontaktierungszone
zum Strippen gasförmiger
Nebenprodukte, wie NH3 und H2S,
aus dem flüssigen
Strom enthält.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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In
den Erdölraffinierungs-
und chemischen Industrien besteht ein fortlaufender Bedarf an verbesserten
Katalysatoren und verbesserter Verfahrenstechnologie. Einer solchen
Verfahrenstechnologie, Hydroverarbeitung, wurden zunehmende Forderungen
nach verbesserter Heteroatomentfernung, Aromatensättigung
und Siedepunktreduktion auferlegt. Es sind aktivere Katalysatoren
und verbesserte Reaktionsgefäßdesigns
erforderlich, um diesem Bedarf zu entsprechen. Gegenstromreaktoren
können potentiell
zur Erfüllung
dieser Anforderungen beitragen, weil sie gegenüber Gleichstromreaktoren bestimmte
Vorteile bieten. Gegenstrom-Hydroverarbeitung ist bekannt, hat jedoch
sehr begrenzte kommerzielle Anwendung. Ein Gegenstromverfahren ist
in der US-A-3 147 210 offenbart, die ein Zweistufenverfahren zur
Hydroverarbeitung-Hydrierung hochsiedender aromatischer Kohlenwasserstoffe
lehrt. Das Einsatzmaterial wird zuerst kataly tischer Hydroverarbeitung
unterworfen, vorzugsweise im Gleichstrom mit Wasserstoff. Dann wird
es Hydrierung über
einem schwefelempfindlichem Edelmetall-Hydrierkatalysator im Gegenstrom
zu dem Fließen
von wasserstoffreichem Gas unterworfen. Die US-A-3 767 562 und die
US-A-3 775 291 offenbaren ein ähnliches
Verfahren zur Herstellung von Düsentreibstoffen,
mit der Ausnahme, dass der Düsentreibstoff
zuerst vor der Zweistufenhydrierung hydrodesulfuriert wird. Die US-A-5
183 556 offenbart ebenfalls ein zweistufiges Gleichstrom-Gegenstrom-Verfahren zum Hydrofining-Hydrieren
von Aromaten in einem Dieselkraftstoffstrom.
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In
der US-A-5 949 501 ist eine Vorrichtung offenbart, die zur katalytischen
Destillation vorgesehen ist. Die Destilliervorrichtung, die ein
Gefäß ist, enthält Dampfdurchgänge, die
ein Mittel zur Dampfkommunikation zwischen Fraktionierbereichen
liefert, die sich oberhalb und unterhalb von Katalysatorbetten befinden.
Im Wesentlichen steigt der gesamte Dampf in dem Gefäß durch
die Dampfdurchgänge, und
das gewünschte
Kontaktieren zwischen Dampf und Flüssigkeit erfolgt in den Fraktionierbereichen.
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Obwohl
das Konzept der Gegenstrom-Hydroverarbeitung seit einiger Zeit bekannt
ist, wurde die Verwendung der Gegenstrom-Reaktionsgefäße in kommerziellen Verfahrensschritten
vermieden, hauptsächlich
weil konventionelle Gegenstrom-Reaktionsgefäße anfällig gegenüber Überfluten des Katalysatorbetts
sind. Das bedeutet, dass die relativ hohe Geschwindigkeit des aufwärts fließenden Behandlungsgases
das Abwärtsfließen der
Flüssigkeit verhindert.
Die Flüssigkeit
kann dadurch das Katalysatorbett nicht passieren. Obwohl Überfluten
unerwünscht
ist, verbessert sich das Katalysatorkontaktieren durch die Reaktandflüssigkeit,
wenn sich das Bett dem gefluteten Zustand nä hert. Das Betreiben nahe dem
Punkt des beginnenden Überflutens
macht das Verfahren anfällig
für Druck-
und Temperaturschwankungen sowie Schwankungen der Flüssigkeits-
oder Gasdurchflussraten. Dies kann zu einer Störung führen, die groß genug
ist, um ein Überfluten und
Herunterfahren der Verfahrensanlage zu initiieren, um den stabilen
Betrieb wieder aufzunehmen, Solche Unterbrechungen sind in einem
kontinuierlichen kommerziellen Verfahren sehr unerwünscht.
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In
den gleichzeitig anhängigen
US-Patentanmeldungen Nr, 08/855 699 und 08/885 788, beide mit dem
Titel "Countercurrent
Reactor" und beide
eingereicht am 30. Juni 1997, die der Patentanmeldung WO 98/07490
entsprechen) sind Reaktionsgefäße offenbart.
Diese beiden ebenfalls anhängigen
Patentanmeldungen offenbaren Gegenstromreaktoren, die weniger überflutungsanfällig als
die konventionellen Gegenstrom-Reaktionsgefäße sind. Dies ist hauptsächlich auf
die neue Verwendung von Dampfdurchgängen zurückzuführen, die so wirken, dass eine Fraktion
des nach oben fließenden
Behandlungsgases selektiv durch ein oder mehrere der Katalysatorbetten
umgeleitet wird.
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Obwohl
Umgehungsrohre eine wesentliche Verbesserung in Gegenstromreaktoren
liefern, besteht in der Technik noch ein Bedarf an weiteren Verbesserungen,
insbesondere an einer Verbesserung der Flüssigkeitsdurchflussrate durch
die Reaktionsbetten eines Gegenstromreaktors. Es besteht auch ein
Bedarf an verbesserten Gegenstrom-Reaktionsgefäßausgestaltungen, die nicht
so leicht zum Überfluten
neigen oder sich leichter ohne Herunterfahren erholen können, falls
ein Überfluten
vorkommt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Erfindungsgemäß wird ein
Reaktionsgefäß zur Umsetzung
von flüssigen
Erdöl-
und chemischen Strömen
mit wasserstoffhaltigem Behandlungsgas in Gegenwart von Katalysator
in mindestens einer Gegenstrom-Reaktionszone bereitgestellt, wobei
der Reaktor umfasst: (a) eine kontinuierliche Wand, die eine erste
Reaktionszone umschließt,
wobei die erste Reaktionszone ein Bett aus Katalysator zum Herbeiführen der
gewünschten
Reaktion zwischen dem flüssigen
Strom und dem Behandlungsgas einschließt, und wobei es eine Nicht-Reaktionszone
unmittelbar stromaufwärts
von der ersten Reaktionszone gibt; (b) eine Gas/Flüssigkeits-Kontaktierungszone
innerhalb jeder der Nicht-Reaktionszonen, wobei die Gas/Flüssigkeits-Kontaktierungszone
ein Kontaktierungsmittel enthält,
das aus festem Material mit offener Struktur zusammengesetzt ist;
(c) Flüssigkeitseinlassmittel
oberhalb der Nicht-Reaktionszone der ersten Reaktionszone, damit
ein nicht-umgesetzter Teil des flüssigen Stroms in den Reaktor
eintreten kann; (d) Gaseinlassmittel unterhalb der ersten Reaktionszone,
damit ein nicht-umgesetzter Teil des Behandlungsgases in den Reaktor
eintreten kann; (e) Flüssigkeitsauslassmittel
unterhalb der ersten Reaktionszone, damit ein umgesetzter Teil des
flüssigen
Stroms den Reaktor verlassen kann; (f) Gasauslassmittel oberhalb
der Nicht-Reaktionszone der ersten Reaktionszone, damit ein umgesetzter
Teil des Behandlungsgases den Reaktor verlassen kann; (g) Gasumgehungsmittel
in der ersten Reaktionszone, damit mindestens ein Teil des Behandlungsgases
die erste Reaktionszone umgehen kann, wobei die Gasumgehungsmittel
Rohre sind, die Durchflusssteuerungsmittel enthalten.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung enthält
das Reaktionsgefäß eine Vielzahl
der Reak tionszonen, und es gibt eine Nicht-Reaktionszone unmittelbar
stromaufwärts von
jeder Reaktionszone, und jede Nicht-Reaktionszone enthält eine
Gas-Flüssigkeits-Kontaktierungszone,
die ein Kontaktierungsmittel enthält.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umgeht im Wesentlichen das gesamte Behandlungsgas
mindestens eine Reaktionszone.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält
das Reaktionsgefäß eine Vielzahl
der Reaktionszonen, oral die Dampfumgehungsmittel sind derart, dass
Behandlungsgas alle der Reaktionszonen umgehen kann, wobei frisches
Behandlungsgas unter jeder der Reaktionszonen oder unter jeder der
Kontaktierungszonen eingebracht wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist das Kontaktierungsmittel aus festem
Material mit offener Struktur ausgewählt aus Raschig-Ringen, Intalox-Sattelkörpern, Pall-Ringen,
Berl-Sattelkörpern, Cyclohelix-Spiralringen,
Lessing-Ringen und Querteilungsringen zusammengesetzt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung befindet sich mindestens einer der Dampfdurchgänge außerhalb
des Reaktionsgefäßes.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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1 betrifft
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die einen Reaktor mit drei Reaktionszone
zeigt, die jeweils Dampfumgehungsrohre enthalten, so dass ein Teil
des nach oben fließenden
Dampfes die Reaktionszonen umgehen kann und abwärts fließende Flüssigkeit in den Gas/Flüssigkeits-Kontaktierungszonen
stromaufwärts
jeder Reaktionszone kontaktieren kann.
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2 ist
eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors, bei
der Behandlungsgas und gasförmige
Verunreinigungen aus dem flüssigen
Strom direkt in den Gasauslass des Reaktors geleitet werden. Es
ist ebenfalls gezeigt, dass frisches Behandlungsgas stromabwärts (in
Bezug auf das Fließen
der Flüssigkeit) von
jeder Gas/Flüssigkeits-Kontaktierungszone
eingebracht wird.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
erfindungsgemäßen Reaktoren
sind zur Verwendung in einem beliebigen Erdöl- oder chemischen Verfahren
geeignet, bei dem es vorteilhaft ist, ein Gas, wie ein wasserstoffhaltiges
Behandlungsgas, im Gegenstrom zu dem Fließen des flüssigen Einsatzmaterials zu
leiten. Nicht-einschränkende Beispiele
für Raffinerieverfahren,
bei denen die vorliegenden Reaktionsgefäße verwendet werden können, schließen die
Hydroverarbeitung schwerer Erdöleinsatzmaterialien
zu niedriger siedenden Produkten; Hydrocracken von Einsatzmaterialien
im Destillatsiedebereich; Hydrotreating verschiedener Erdöleinsatzmaterialien
zur Entfernung von Heteroatomen, wie Schwefel, Stickstoff und Sauerstoff;
Hydrierung von Aromaten sowie Hydroisomerisierung und/oder katalytische
Entparaffinierung von Wachsen, insbesondere Fischer-Tropsch-Wachsen
ein. Es ist bevorzugt, dass die erfindungsgemäßen Reaktionsgefäße solche
sind, in denen Kohlenwasserstoffeinsatzmaterial wasserstoffbehandelt
(Hydrotreating unterzogen) und hydriert wird, insbesondere wenn Heteroatome
entfernt werden und mindestens ein Teil der aromatischen Fraktion
des Einsatzmaterials hydriert wird.
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Bei
der Gegenstromverarbeitung hindert das Behandlungsgas, das typischerweise
durch das Katalysatorbett, das eine Reaktionszone umfasst, aufwärts fließt, die
abwärtsgerichtete
Bewegung der Flüssigkeit.
Bei niedrigen Flüssigkeits-
und Gasgeschwindigkeiten reicht die Hinderung durch das sich aufwärts bewegende
Gas nicht aus, um ein Überfluten
herbeizuführen,
und die Flüssigkeit
in dem Reaktionsgefäß ist in
der Lage, durch das Katalysatorbett oder die Katalysatorbetten abzulaufen.
Falls jedoch entweder die Rate des aufwärts fließenden Gases oder die Rate
der abwärts
fließenden
Flüssigkeit
zu hoch ist, kann die Flüssigkeit
nicht durch das Katalysatorbett ablaufen. Dies ist als "Überfluten" bekannt. Der Flüssigkeitsbestand in dem Katalysatorbett nimmt
zu und Flüssigkeit
kann beginnen, sich über der
oberen Oberfläche
des Katalysatorbetts anzusammeln. Die Rate des aufwärts fließenden Gases, bei
der ein Überfluten
in einem gegebenen Bett stattfindet, hängt von solchen Dingen wie
der Rate und den physikalischen Eigenschaften der abwärts fließenden Flüssigkeit
ab. In ähnlicher
Weise hängt
die Rate der abwärts
fließenden
Flüssigkeit,
bei der ein Überfluten
in einem gegebenen Bett stattfindet, gleichermaßen von der Rate und den Eigenschaften
des aufwärts
fließenden
Gases ab.
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Die
Fraktion des aufwärts
fließenden
Behandlungsgases, die ein Katalysatorbett umgeht, nimmt zu, wenn
der Dampfdruckabfall über
dem Katalysatorbett zunimmt. Somit liefern Reaktoren mit Dampfdurchgängen eine
in gewisser Hinsicht selbststeuernde Regulierung des aufwärts fließenden Dampfes,
wodurch das hydrodynamische Betriebsfenster des Reaktionsgefäßes erweitert
wird. Eine weitere Aufweitung dieses Bereichs kann erreicht werden,
indem ein oder mehrere außerhalb
befindliche Dampfdurchgänge
mit Durchflusssteuerungsmitteln eingeschlossen wer den. Ein solches
System liefert ein Mittel, durch das der Katalysatorbettendruckabfall
und somit die Katalysatorkontaktierungseffizienz gesteuert werden
können.
Wenn sowohl innerhalb als auch außerhalb befindliche Dampfdurchgänge bereitgestellt
werden, können
die außerhalb
befindlichen Dampfdurchgänge
vorzugsweise mit einem Steuerungsmittel, vorzugsweise einem Ventil zum
sogenannten "Ausgleich"-Umgehen, gesteuert werden.
Das Ventil kann natürlich
automatisch gesteuert werden, so dass es sich in dem geeigneten Maß in Reaktion
auf ein Signal öffnet
oder schließt, welches
in Reaktion auf Druckabfalländerungen
in dem Katalysatorbett/den Katalysatorbetten übertragen wird. Die Ausgleichumgehung
wird daher verwendet, um das Reaktionsgefäß im einem Betriebszustand
zu halten, der so nahe am Überfluten
wie gewünscht
liegt. Behandlungsgas, das ein spezielles Katalysatorbett oder spezielle
Katalysatorbetten umgeht, kann durch das andere Katalysatorbett/die
anderen Katalysatorbetten gelangen und dazu dienen, an den gewünschten
Hydroverarbeitungsreaktionen teilzuhaben, leichte oder verdampfte
Reaktionsprodukte wegzutragen, Katalysatorgifte wie Schwefelwasserstoff,
Wasser und/oder Ammoniak zu strippen, usw. Die Gasumgehung kann
auch unter Verwendung der Erfindung, die in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung
Nr. 08/885 788 beschrieben ist, eingereicht am 30. Juni 1997 (WO
98/07490), selbstregulierend sein.
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Die
Dampfdurchgänge
liefern somit einen erweiterten Betriebsbereich und eine Möglichkeit,
nahe an dem Überflutungspunkt
des Reaktionsgefäßes zu arbeiten.
Dies ermöglicht
einen stabileren, effizienteren Betriebsbereich des Reaktionsgefäßes. Das
Reaktionsgefäß kann ferner
sicher und kontinuierlich arbeiten, während es auf normale Verfahrensschwankungen
von Flüssigkeits-
und Dampfdurchflussrate und Temperatur reagiert. Der Bereich der
Gesamtdurchflussraten, der toleriert werden kann, erweitert sich
dadurch. Das Arbeiten in der Nähe
des Überflutungspunktes
führt zu
einem relativ effizienten Kontaktieren, weil die Katalysatorteilchen
durch die abwärts
fließende
Flüssigkeit
gut berieselt werden. In Abwesenheit von Dampfdurchgängen müsste ein konventionelles
Gegenstrom-Reaktionsgefäß mit niedrigerer
Effizienz arbeiten, um betriebsfähig
zu bleiben.
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Die
Begriffe "stromabwärts" und "stromaufwärts" beziehen sich hier,
wenn nicht anders gesagt, auf das Fließen der Flüssigkeit, die in der Regel
abwärts
fließt.
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Wie
bereits gesagt liefern die erfindungsgemäßen Reaktionsgefäße Dampfumgehungsmittel,
so dass im Wesentlichen das gesamte Behandlungsgas aus einer stromabwärts (in
Bezug auf das Fließen
der Flüssigkeit)
liegenden Gas-Flüssig-Kontaktierungszone
die Katalysatorbetten der Reaktionszone ohne erhebliche Abnahme
von Reaktionsaktivität
oder -selektivität
umgehen kann. In einem solchen Fall kann ein bevorzugtes Einsatzmaterial
verwendet werden, das ausreichend gelösten Wasserstoff enthält, um den
Wasserstoffbedarf in dem Katalysatorbett zu erfüllen, so dass im Wesentlichen
das gesamte Behandlungsgas dazu gebracht werden kann, mindestens
eine der Reaktionszonen zu umgehen. Dies ermöglicht wesentlich größere Flüssigkeitsdurchflussraten
durch Reaktionszonen, verglichen mit anderen Gegenstromreaktoren.
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Dies
wird durch Bereitstellung einer Gas/Flüssigkeits-Kontaktierungszone
unmittelbar vor und unmittelbar nach jeder Reaktionszone bewirkt.
Die Gas/Flüssigkeits-Kontaktierungszone
enthält
geeignetes Gas/Flüssigkeits-Kontaktierungsmaterial
und erhöht
die Entfernung unerwünschter
Reaktionsprodukte, wie NH3 und H2S, aus dem abwärts fließenden Einsatzmaterialstrom,
wäh rend
die erwünschte
Sättigung
der Flüssigkeit
mit gelösten
Behandlungsgaskomponenten geliefert wird, wie Wasserstoff.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die Hauptfunktion der Packung mit offener
Struktur darin liegt, das Strippen von H2S
und NH3 aus der abwärts fließenden Flüssigkeit
zu erleichtern. Obwohl das Packungsmaterial mit offener Struktur
im Allgemeinen sehr wenig oder keine katalytische Aktivität hat, sei darauf
hingewiesen, dass dem Material mit offener Struktur auch dieselbe
katalytische Aktivität
verliehen werden kann. Mit anderen Worten kann die Kontaktierungszone
auch Material mit katalytischer Aktivität verwenden.
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Die
vorliegende Erfindung wird durch eine Beschreibung der beiden Reaktionsgefäße besser verständlich,
die hier in 1 und 2 gezeigt sind.
Verschiedene Reaktionsgefäßinterna,
wie Flussverteilungsmittel, Temperaturfühler, Wärmetauschervorrichtungen, usw.
sind zur Vereinfachung in den Figuren nicht gezeigt. 1 zeigt
einen Reaktor 1, der im Allgemeinen aus einer kontinuierlichen Wand 2 zusammengesetzt
ist, die mindestens eine Reaktionszone R1 mit einem Katalysatorbett 4 einschließt, das
geeignet ist, um eine gewünschte
Reaktion zwischen einem flüssigen
Einsatzmaterial und einem Behandlungsgas herbeizuführen. Obwohl
in dem Reaktor von 1 drei solcher Reaktionszonen R1,
R2 und R3 in Reihe angeordnet gezeigt sind, hängt die Anzahl der Reaktionszonen
von den speziellen Anforderungen der Reaktion ab, wie anschließend näher erläutert wird.
Jede Reaktionszone enthält
ein Katalysatorbett und ihr geht eine Nicht-Reaktionszone NR1, NR2,
NR3 unmittelbar voraus. Jede Nicht-Reaktionszone enthält eine
Gas/Flüssigkeits-Kontaktierungszone
CZ1, CZ2, CZ3, die ein wirksames Gas/Flüssigkeits-Kontaktierungsmittel enthält. Der
Begriff "wirksames
Gas/Flüssigkeits-Kontaktierungsmittel" bedeutet hier ein
festes Material mit einer wirksamen Oberfläche, die ausreichendes Gas/Flüssigkeits-Kontaktieren
ermöglicht, um
mindestens etwa 90 Gew.-%, vorzugsweise mindestens etwa 95 Gew.-%
der eingeschlossenen Gase aus dem Flüssigkeitsstrom zu strippen.
Bevorzugte feste Materialien, die in der Gas/Flüssigkeits-Kontaktierungszone
verwendet werden können,
sind Materialien mit offener Struktur. Die gestrippten Gase sind
in der Regel unerwünschte
Reaktionsprodukte wie NH3 und H2S,
die erzeugt werden, während
der Einsatzmaterialstrom in den Reaktionszonen umgesetzt wird. Mit
dem Begriff "mit
offener Struktur" meinen
wir, dass ausreichend Raum entweder zwischen oder innerhalb des
festen Materials vorhanden ist, so dass das Abwärtsfließen der Flüssigkeit nicht wesentlich beeinträchtigt wird.
Die genaue Menge und Größe des Materials
mit offener Struktur müssen
natürlich
ausgewogen sein, so dass adäquate
Oberfläche
für das
Strippen zur Verfügung
gestellt wird und das Fließen
des Flüssigkeitsstroms
nicht wesentlich verringert wird. Nicht-einschränkende Beispiele für Gas/Flüssigkeits-Kontaktierungsstrukturen,
die zur Verwendung in den erfindungsgemäßen Reaktoren geeignet sind,
schließen
Metall- und Keramikböden sowie
konventionelle Packungsformen ein, wie Raschig-Ringe, Intalox-Sattelkörper, Pall-Ringe,
Berl-Sattelkörper,
Cyclohelix-Spiralringe, Lessing-Ringe, Querteilungsringe und dergleichen. Diese
offenen Strukturen, zu denen auch Böden gehören, liefern adäquate Oberfläche für Gas/Flüssigkeits-Kontakt
und die Entfernung der gewünschten Menge
an Gasen aus dem abwärts
fließenden
Flüssigkeitsstrom.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
enthält
der abwärts
fließende
Flüssigkeitsstrom
noch ausreichend gelösten
Wasserstoff, nachdem er in einer stromaufwärts befindlichen Gas/Flüssigkeits-Kontaktierungszone
gestrippt worden ist, damit die gewünschte Hydroverarbeitungsreaktion
erfolgen kann. Das heißt
eine Reaktion, bei der der Verbrauch von Wasserstoff in der Reaktions zone
unter der Menge liegt, die in der hereinkommenden Flüssigkeit
gelöst
ist. So kann im Wesentlichen das gesamte Behandlungsgas dazu gebracht
werden, mindestens eine der Reaktionszonen zu umgehen. Falls der
gelöste
Wasserstoff in der Flüssigkeit
nicht ausreicht, um den Wasserstoffbedarf der Reaktion zu befriedigen,
darf nicht das gesamte Behandlungsgas die Reaktionszone umgehen.
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Ein
Flüssigkeitseinlassmittel 6 befindet
sich nahe dem oberen Bereich des Reaktors 1 und ermöglicht einem
flüssigen
Einsatzmaterial, wie einem zu behandelnden Einsatzmaterial, das
Eintreten in den Reaktor 1. Ein Gaseinlassmittel 8 befindet
sich nahe dem Boden des Reaktors 1 und ermöglicht dem Behandlungsgas
das Eintreten in den Reaktor 1. Ein Flüssigkeitsauslassmittel 10 befindet
sich nahe dem Boden des Reaktors 1 und ermöglicht dem
umgesetzten flüssigen
Strom das Austreten als Reaktionsprodukt. In analoger Weise befindet
sich ein Gasauslassmittel 12 nahe dem oberen Bereich des
Reaktors 1 und ermöglicht
dem Behandlungsgas das Verlassen des Reaktors.
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Wie
hier in 1 gezeigt wird, sind Gasumgehungsmittel 14 von
ausreichender Größe durch jede
Reaktionszone hindurch angeordnet, damit das Behandlungsgas mindestens
eine Reaktionszone umgehen kann. Die Gasumgehungsmittel sind aus einem
oder mehreren Gasumgehungsrohren zusammengesetzt, die Durchflusssteuerungsmittel
enthalten. Jedes Gasumgehungsrohr ermöglicht Fluidkommunikation des
Behandlungsgases zwischen zwei separaten Nicht-Reaktionszonen.
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2 zeigt
hier eine alternative Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Reaktionsgefäße. Der
Reaktor dieser 2 ist demjenigen von 1 ähnlich,
außer
dass (a) ein Teil des frischen Behandlungsgases vor jeder Reaktionszone
bei G1, G2, G3 eingebracht wird und (b) das gesamte Behandlungsgas
nach Passieren einer Gas/Flüssigkeits-Kontaktierungszone
den Reaktor verlässt,
wodurch mehr als eine Reaktionszone, Nicht-Reaktionszonen und (in Bezug auf das
Fließen
des Behandlungsgases) stromabwärts
liegende Gas/Flüssigkeits-Kontaktierungszonen
durch Umgehungsrohre 16 und 18 umgangen werden.
Alle anderen Merkmale des Reaktors von 2 sind mit
denjenigen der 1 identisch und müssen daher
nicht gezeigt werden.
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Die
zur Durchführung
der vorliegenden Erfindung verwendeten Reaktionsgefäße werden
bei geeigneten Temperaturen und Drücken für die gewünschte Reaktion betrieben.
Typische Hydroverarbeitungstemperaturen liegen beispielsweise im
Bereich von etwa 40°C
bis etwa 450°C
für Überdrücke von
345 bis 20684 kPa (50 psig bis 3000 psig), vorzugsweise 345 bis
17237 kPa (50 bis 2500 psig). In 1 tritt
das flüssige
Einsatzmaterial über
Leitung 6 in den Reaktor ein und gelangt durch Gas/Flüssigkeits-Kontaktierungszone
CZ1 abwärts,
wo mindestens ein Teil jeglicher gelösten Gase von dem Einsatzmaterial
abgetrennt werden und den Reaktor über Leitung 12 mit
jeglichem nicht-umgesetztem Behandlungsgas und gasförmigen Reaktionsprodukten von
stromabwärts
befindlichen Reaktionszonen verlassen. Der Einsatzmaterialstrom
gelangt dann durch das Katalysatorbett von Reaktionszone R1, wo
er mit gelöstem
Wasserstoff auf der Katalysatoroberfläche reagiert. Der umgesetzte
Flüssigkeitsstrom
und jegliche gelösten
Dampfphasen-Reaktionsprodukte werden abwärts in Nicht-Reaktionszone
NR2 geleitet, die aufwärts
fließendes
Behandlungsgas in Gas/Flüssigkeits-Kontaktierungszone
CZ2 kontaktiert. Mindestens ein Teil der abgetrennten Gase, die nun
Teil des aufwärts
fließenden
Behandlungsgasstroms werden, fließen durch Umgehungsrohre 14 nach
oben, wodurch Kontakt mit dem Katalysator von Reaktionszone R1 vermieden
wird, und in Nicht-Reaktionszone NR1, wo sie den ab wärts fließenden Frischeinsatzmaterialstrom
in Gas/Flüssigkeits-Kontaktierungszone
CZ1 kontaktieren, wo jegliche unerwünschten Gase aus der stromaufwärts erfolgenden Verarbeitung
des Stroms gestrippt werden. Wie bereits gesagt verlassen die unerwünschten
Gase und Behandlungsgas dann den Reaktor am Gasauslass 12.
Dieses Fließschema
wird wiederholt, wenn der umgesetzte Einsatzmaterialstrom zu stromabwärts liegenden
Reaktionszonen und Nicht-Reaktionszonen fließt.
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Die
zur Durchführung
der Erfindung verwendeten Dampfumgehungsrohre können aus beliebigem Material
zusammengesetzt sein, das den Betriebsbedingungen des Reaktors standhalten
kann. Geeignete Materialien schließen Metalle wie rostfreien
Stahl oder Kohlenstoffstähle,
Keramikmaterialien sowie Hochleistungsverbundmaterialien wie Kohlefasermaterialien
ein. Bevorzugt sind Rohrdurchgänge mit
rundem Querschnitt. Die Rohre müssen
nicht perfekt vertikal sein. Das heißt, dass sie geneigt oder gekrümmt oder
sogar in Form einer Spirale vorliegen können. Es sei darauf hingewiesen,
dass die Durchgänge
in Abhängigkeit
von der Menge und Rate des Dampfes, der von einer Nicht-Reaktionszone
zu einer anderen über
Umgehung(en) gelangen soll, jede geeignete Größe haben können. Zudem können ein oder
mehrere der Umgehungsrohre ein flaches, im Wesentlichen horizontales
Element wie einen Prallkörper
aufweisen, damit Flüssigkeit
von einem stromaufwärts
befindlichen Bett nicht in die Durchgänge fallen kann. Es kann sich
auch mehr als ein Umgehungsrohr durch jede gegebene Reaktionszone
erstrecken, damit im Wesentlichen das gesamte Behandlungsgas diese
Reaktionszone umgehen kann. Wenn eine Vielzahl von Umgehungsrohren
verwendet werden, ist es bevorzugt, dass sie konzentrisch um die
vertikale Achse des Reaktors herum angeordnet sind. Ein oder mehrere
Dampfumgehungsrohre können
auch außerhalb
der Reaktionszone geführt werden.
Es kann beispielsweise eine Rohr anordnung auf der Außenseite
des Reaktionsgefäßes verwendet werden,
so dass eine oder mehrere Nicht-Reaktionszonen in Fluidkommunikation
mit einer oder mehreren beliebigen anderen Nicht-Reaktionszonen
sind. Die Dampfumgehungsrohre können
ein Durchflusssteuerungsmittel enthalten, um den Teil der Dämpfe zu
steuern, der von einer Nicht-Reaktionszone in eine andere Nicht-Reaktionszone
geleitet wird. Wenn sich die Dampfumgehungsrohre außerhalb
des Reaktionsgefäßes befinden,
dann ist bevorzugt, dass die Durchflusssteuerungsmittel einfach
ein Durchflusssteuerungsventil sind.
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Es
liegt innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, dass die
Dampfdurchgänge
zwei oder mehrere Katalysatorbetten oder Reaktionszonen umgehen,
wie hier in 2 gezeigt ist. Außerdem müssen die
Dampfdurchgänge
keine Hohlstrukturen sein, wie Rohre mit festen Wänden, sondern können ein
Packungsmaterial enthalten, wie inerte Kugeln oder Katalysatorteilchen
oder beides. Wenn Katalysatorteilchen mindestens einen Teil des
Packungsmaterials in den Dampfdurchgängen bilden, können sie
verwendet werden, um die Dampfphasenreaktanden weiter umzusetzen.
Das Packungsmaterial und/oder die Katalysatorteilchen in den Dampfdurchgängen können eine
andere Größe als die
Katalysatorteilchen in den Katalysatorbetten der Reaktionszonen
haben. Eine solche Packung kann zur Verbesserung der Umgehungscharakteristika
der Rohre beitragen. Es ist auch innerhalb des Umfangs der vorliegenden
Erfindung, dass sich eine oder mehrere Gleichstrom-Reaktionszonen
stromaufwärts
von einer oder mehreren Gegenstrom-Reaktionszonen befinden. Die
Gleichstrom/Gegenstrom-Zonen können
sich in getrennten Gefäßen oder
in demselben Gefäß befinden.
Es ist bevorzugt, dass sich alle Gegenstromzonen in demselben Gefäß befinden.
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Mittels
Durchführung
der vorliegenden Erfindung behandelte Einsatzmaterialien enthalten
wahrscheinlich unerwünschte
Heteroatome, wie Schwefel und Stickstoff. Es ist in solchen Fällen oft
bevorzugt, dass sich eine oder mehrere Gleichstrom-Reaktionszonen
stromaufwärts
von der ersten Gegenstrom-Reaktionszone befinden. Das heißt, dass
es bevorzugt sein kann, dass in der stromaufwärts befindlichen Reaktionszone
sowohl ein wasserstoffhaltiges Behandlungsgas als auch der Einsatzmaterialstrom
abwärts
durch ein Festbett aus geeignetem Hydrotreating-Katalysator fließen. Der Begriff "Hydrotreating" bezieht sich hier
auf Verfahren, bei denen ein wasserstoffhaltiges Behandlungsgas
in Gegenwart von Katalysator verwendet wird, der hauptsächlich zur
Entfernung von Heteroatomen wie Schwefel und Stickstoff mit etwas
Hydrierung von Aromaten aktiv ist. Der Begriff "Hydroverarbeitung" schließt Hydrotreating ein, schließt jedoch
auch Verfahren ein, die hauptsächlich
in Richtung Hydrierung, Hydrocracken und Hydroisomerisierung wirken. Ringöffnung,
insbesondere von Naphthenringen, kann für erfindungsgemäße Zwecke
auch in den Begriff "Hydroverarbeitung" eingeschlossen werden. Geeignete
Hydrotreating-Katalysatoren zur erfindungsgemäßen Verwendung sind jeglicher
konventionelle Hydrotreating-Katalysator und schließen jene ein,
die aus mindestens einem Gruppe VIII Metall, vorzugsweise Fe, Co
und Ni, insbesondere Co und/oder Ni und am meisten bevorzugt Co,
und mindestens einem Gruppe VI Metall, vorzugsweise Mo und W, insbesondere
Mo, auf Trägermaterial
mit hoher Oberfläche,
vorzugsweise Aluminiumoxid, zusammengesetzt sind. Andere geeignete
Hydrotreating-Katalysatoren schließen neolithische Katalysatoren
sowie Edelmetallkatalysatoren ein, wobei das Edelmetall ausgewählt ist
aus Pd und Pt. Es liegt innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, das
in demselben Reaktionsgefäß mehr als
ein Hydrotreating-Katalysatortyp 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% 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 Gewichtsprozente von Metall
beziehen sich auf den Träger.
Mit "auf den Träger" meinen wir, dass
sich die Prozente auf das Gewicht des Trägers beziehen. Wenn der Träger beispielsweise
100 g wiegt, bedeuten 20 Gew.-% Gruppe VIII Metall, dass sich 20
g Gruppe VIII Metall auf dem Träger
befinden. Typische Hydrotreating-Temperaturen liegen im Bereich
von etwa 100°C
bis etwa 400°C
mit Überdrücken von
345 bis 20684 kPa (50 psig bis 3000 psig), vorzugsweise 345 bis
17237 kPa (50 psig bis 2500 psig). Falls das Einsatzmaterial relativ
niedrige Heteroatomniveaus enthält,
dann kann die Gleichstrom-Hydrotreating-Stufe
wegfallen und das Einsatzmaterial direkt zu einer Reaktionszone
zur Aromatensättigung,
Hydrocracken und/oder Ringöffnung geleitet
werden.
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Für Hydroverarbeitungszwecke
bedeutet der Begriff "wasserstoffhaltiges
Behandlungsgas" einen Behandlungsgasstrom,
der mindestens eine wirksame Menge Wasserstoff für die vorgesehene Reaktion enthält. Der
in das Reaktionsgefäß eingebrachte
Behandlungsgasstrom enthält
vorzugsweise mindestens etwa 50 Vol.-%, insbesondere mindestens
etwa 75 Vol.-% Wasserstoff. Es ist bevorzugt, dass das wasserstoffhaltige
Behandlungsgas wasserstoffreiches Frischgas ist, vorzugsweise Wasserstoff.
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Die
flüssige
Phase in den erfindungsgemäß verwendeten
Reaktionsgefäßen 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 des Frischeinsatzmaterials sowie leichte Produkte der
Hydroverarbeitungsreaktionen. Wenn der Dampfphasenausfluss noch
weiterer Hydroverarbeitung bedarf, kann er zu einer Dampfphasenreaktionszone
geleitet werden, die weiteren Hydroverarbeitungskatalysator enthält, und
geeigneten Hydroverarbeitungsbedingungen zur weiteren Reaktion unterworfen
werden, Es sei darauf hingewiesen. dass sich alle Reaktionszonen
entweder in demselben Gefäß befinden
können, getrennt
durch Nicht-Reaktionszonen, oder beliebige sich in separaten Gefäßen befinden
können.
Die Nicht-Reaktionszonen können
im letzteren Fall die Überführungsleitungen
sein, die Gas/Flüssigkeits-Kontaktierungsmaterial
enthalten und von einem Gefäß zu einem
anderen führen.
Es liegt auch innerhalb des Umfangs der Erfindung, dass ein Einsatzmaterial,
das bereits adäquat
niedrige Heteroatomniveaus enthält,
direkt zur Aromatensättigung und/oder
zum Cracken in eine Gegenstrom-Hydroverarbeitungsreaktionszone eingeführt wird.
Falls eine Vorverarbeitungsstufe durchgeführt wird, um das Heteroatomniveau
zu verringern, können
Dampf und Flüssigkeit
getrennt und der flüssige
Ausfluss in den oberen Bereich eines Gegenstrom-Reaktionsgefäßes geführt werden.
Der Dampf von der Vorverarbeitungsstufe kann separat verarbeitet
werden oder mit dem Dampfphasenprodukt aus dem erfindungsgemäßen Reaktionsgefäß kombiniert
werden. Das Dampfphasenprodukt/die Dampfphasenprodukte können weitere
Hydroverarbeitung der Dampfphase eingehen, falls eine größere Herabsetzung
von Heteroatom- und aromatischen Spezies erwünscht ist, oder direkt in ein
Gewinnungssystem geleitet werden.
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Wie
bereits gesagt strippt das Gegenstrom-Kontaktieren von Flüssigkeit
und dem Behandlungsgas in der Kontaktierungszone gasförmige Verunreinigungen,
wie H2S und NH3,
aus dem Ausflussstrom, wodurch sowohl der Wasserstoff-Partialdruck als
auch die Katalysatorleistung verbessert werden. Das resultierende fertige
flüssige
Produkt enthält
ein deutlich niedrigeres Heteroatomniveau als das ursprüngliche
Einsatzmaterial. Dieser flüssige
Produktstrom kann zu stromabwärts
befindlichen Hydroverarbeitungs- oder Umwandlungsverfahren geleitet werden.