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1. Gebiet
der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft verzögerte
Verkokung und insbesondere ein Verfahren zum Erhöhen der Kapazität einer
Verkokungseinheit durch Verkürzen
der Zykluszeit der Einheit.
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In
einer typischen Einheit zur verzögerten Verkokung
wird ein Paar Kokstrommeln alternativ gefüllt und geleert, wobei die
Beschickung der Verkokungsvorrichtung (coker feed) in eine der Trommeln gepumpt
wird, während
die andere vom Koks entleert und für den nächsten Füllzyklus vorbereitet wird.
Die Kapazität
einer verzögerten
Verkokung wird durch mehrere Faktoren bestimmt, einschließlich der
Größe der Trommeln,
der Ofenkapazität,
der Pumpkapazität
und der Zykluszeit. Da sich die Trommelgröße, Ofen- und Pumpkapazität nicht
einfach ändern
lassen, ist manchmal der einzig durchführbare Weg zum Erhöhen der
Verkokungskapazität
die Verkürzung der
Zykluszeit, wodurch mehr Trommelfüllungen in einer vorgegebenen
Zeitdauer ermöglicht
werden.
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2. Stand der
Technik
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Das
U.S.-Patent Nr. 2,769,563 offenbart einen isolierten Behälter, der
im Einsatz zyklischen Temperaturumschwüngen ausgesetzt ist. Der isolierte
Behälter
kann auf Metall-Halteelementen
getragen und mit diesen durch schmelzgeschweißte Verbindungen verbunden
werden.
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Das
U.S.-Patent Nr. 2,769,563 offenbart einen Prozess zum Erzeugen von
Petrolkoks aus einem schwefelarmen Mineralölmaterial, der einen Vorwärmschritt
zum Entfernen von nichtkristallinen Substanzen und einen Verkokungsschritt
umfasst, in dem Schweröl
aus dem Vorwärmschritt
in einem Verkokungskristallisator so verkokt wird, dass das schwere
Destillatöl
(heavy pitch oil) nach unten fließt und dann stufenweise angesam melt
und verkokt wird, während
gasförmige
leichte Kohlenwasserstoffe am oberen Teil des Kristallisators abgeführt werden.
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Ein
herkömmlicher
Verkokungsvorgang umfasst in dem Prozess des Entleerens der gefüllten Trommel
die Schritte des Ausdämpfens
der gefüllten Trommel,
um restliches flüchtiges
Material aus der Trommel zu entfernen, des Löschens des ausgedämpften Koksbetts
mit Wasser, des Ablassens des Löschwassers
aus der Trommel, des Öffnens
des oberen und unteren Teils der Kokstrommel (Entfernen der Gefäßböden der
Trommel) (unheading), des Bohrens eines Führungslochs von oben durch
das darin befindliche Koksbett, des Herausbohrens des restlichen
Koks durch einen radial gerichteten Strahlbohrer, des Entfernen
des herausgebohrten Koks durch den Boden der Kokstrommel, des Schließens der
oberen und unteren Öffnungen
der Kokstrommel und des Vorwärmens
der leeren Kokstrommel durch Hindurchleiten von heißen Dämpfen aus
der anderen Trommel, die mit heißer Verkokungsvorrichtungs-Beschickung
gefüllt
ist. Der Vorwärmschritt
ist notwendig, um die Temperatur der leeren Kokstrommel heraufzusetzen,
bevor die heiße
Verkokungsvorrichtungs-Beschickung zu der vorher entleerten Trommel umgestellt
wird, da andernfalls die thermischen Beanspruchungen durch die Zufuhr
von heißer
Beschickung in eine relativ kühle
Trommel erhebliche Beschädigungen
verursachen würde.
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Wenn
Kapazität
kein Problem darstellt, kann der Vorwärmschritt über eine beträchtliche
Zeitspanne stattfinden, und die thermischen Beanspruchungen sind
kontrollierbar. Wenn Kapazität
zum Problem wird, besteht eine Möglichkeit,
sie zu erhöhen
darin, die Zykluszeit zu verkürzen,
wodurch die Produktion von mehr Trommeln Koks in einer bestimmten
Zeitspanne ermöglicht
wird.
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Der
oben erläuterte
Vorwärmschritt
ist ein wichtiger Teil der Zykluszeit und ist der Bereich, der das
meiste Potenzial zur Zykluszeit-Verkürzung aufweist, da viele der
anderen Schritte in dem Zyklus mehr oder weniger festgelegt sind
oder sich jedenfalls nicht ohne beträchtliche finanzielle Anforderungen
einfach verkürzen
lassen.
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Eine
typische Kokstrommel wird durch einen Rand gehalten, der mit der
Trommel in der Nähe
der Verbindungsstelle des Trommelmantels und des unteren Konus verschweißt ist.
Die höchsten
thermischen Beanspruchungen treten zu dem Zeitpunkt auf, zu dem die
Beschickung mit heißem Öl von etwa 482°C (ungefähr 900°F) auf die
vorgewärmte
Trommel umgestellt wird. Diese thermischen Beanspruchungen sind
teilweise auf die Tatsache zurückzuführen, dass
die innere Oberfläche
der vorgewärmten Trommel
heißer
ist als das Äußere der
Trommel, einschließlich
des Bereichs, in dem der tragende Rand mit dem Trommelmantel verschweißt ist.
Die Ausdehnungsrate des Inneren des Mantels ist nach dem Kontakt
mit der Beschickung von heißem Öl anfänglich größer als
die Ausdehnungsrate des kühleren äußeren Teils.
Wenn genügend
Zeit zur Verfügung steht,
kann der Vorwärmschritt über eine
Zeitspanne ausgeführt
werden, die ausreichend ist, um das Trommeläußere auf eine Temperatur zu
erwärmen, die
sich derjenigen des Trommelinneren nähert. Dies ist jedoch ein Problem,
wenn die Vorwärmzeit
minimiert werden muss, um die Gesamtzykluszeit zu verkürzen. Es
bestand ein ständiger
Bedarf an einem Verfahren zum Verkürzen der Zykluszeit, ohne dadurch
die thermischen Beanspruchungen in der Trommel zu verschlimmern,
insbesondere in dem Bereich in der Nähe der Verbindungsstelle der
Trommel und ihres tragenden Rands.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen verzögerten Verkokungsprozess nach
Anspruch 1. In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung eine
Anlage zur verzögerten
Verkokung nach Anspruch 5. In einer weiteren Ausführungsform
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erhöhen der Kapazität einer
Verkokungseinheit nach Anspruch 7.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Kapazität
einer Verkokungseinheit durch Verkürzen der Zykluszeit für das wechselweise
Füllen
und Leeren eines Paars von Kokstrommeln erhöht. Die Zykluszeitverkürzung wird
während
und/oder direkt vor dem Einleiten von Vorwärmdämpfen in das Innere der Trommel
durch externes Erwärmen
der Kokstrommel in dem Bereich erreicht, in sich dem der Trommelrand
an die Trommel anschließt.
Dieses externe Erwärmen
bringt die externe Trommeltemperatur auf ein Niveau, das der Temperatur
des vorgewärmten
Trommelinneren näher
ist, und reduziert thermische Beanspruchungen, die entstehen, wenn eine
Beschickung von heißem Öl in die
Trommel eingeführt
wird. Durch den Einsatz von externer Wärme ist die Temperatur der
Trommel von innen nach außen
gleichmäßiger, und
die für
das Vorwärmen
der Trommel erforderliche Zeit wird beträchtlich reduziert, da die Beschickung
mit heißem Öl früher begonnen
werden kann. Die Gesamtzykluszeit wird entsprechend verkürzt.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht einer Anlage für verzögerte Verkokung, die ein Paar
von Kokstrommeln und dazugehörige
Ausrüstung
zeigt.
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2 ist
eine Tabelle, die den Kokstrommel-Ablaufplan für einen Verkokungszyklus zeigt.
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3 ist
eine Seitenansicht in teilweisem Querschnitt, die Details einer
Kokstrommel und ihrer Haltestruktur zeigt.
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4 ist
eine teilweise abgeschnittene Seitenansicht, die Details der Verbindungsstelle
einer Kokstrommel und ihres tragenden Rands zeigt.
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5 ist
ein Querschnitt, der eine Kokstrommel zeigt, die durch einen Rand
gehalten wird, der mit dem Höckerabschnitt
(knuckle section) der Trommel verschweißt ist.
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6 ist
ein Querschnitt, der eine Kokstrommel zeigt, die durch einen Rand
getragen wird, der mit dem Mantel der Trommel verschweißt ist.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
primäre
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Kapazität einer
Verkokungsanlage zu erhöhen,
ohne dass dazu die Größe der Prozessausrüstung erhöht werden
muss. Dies kann bis zu einem gewissen Grad durch Erhöhen des
Füllanteils
der Kokstrommel erreicht werden, in der Koks ausgebildet wird. Allerdings
kann die Zykluszeit bzw. die Zeit, während der die Beschickung in
die Trommel gelangt, nicht auf weniger als die Zeitdauer verkürzt werden,
die zum Entfernen des Koks aus der anderen Trommel erforderlich
ist. Der Prozess zum Entfernen des Koks umfasst eine Zeit für das Ausdampfen, Löschen, Ablassen
des Löschwassers,
Bohren eines Führungslochs,
Herausbohren des Koks aus der Trommel und Aufwärmen der Trommel in Vorbereitung
auf den nächsten
Füllzyklus.
Einige dieser Schritte weisen Mindestzeitspannen auf, die praktisch
nicht unterschritten werden können.
Sobald diese Mindestzeitspannen erreicht sind, sind die Zykluszeit
und Verkokungskapazität
mehr oder weniger festgelegt.
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Das
Ziel dieser Erfindung ist der Vorwärmschritt. Dieser Schritt nimmt
einen beträchtlichen
Anteil des Zyklus in Anspruch. In dem Vorwärmschritt ist die Kokstrommel
geleert worden, und die oberen und unteren Böden der Trommel sind wieder
angebracht worden. Die Trommel wird mit Dampf gereinigt und auf
Lecks geprüft.
Heißer
Dampf aus der gefüllten Trommel
wird dann in die kühle
leere Trommel geleitet, um die leere Trommel vor dem Wechseln der Trommeln
und Einleiten von heißer
Beschickung in die leere Trommel vorzuwärmen.
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1 zeigt
eine typische Verkokungseinheit, die ein Paar von Kokstrommeln 10 und 12 umfasst. Die
Verkokungsvorrichtungs-Beschickung aus der Beschickungsleitung 14 gelangt
in den Verkokungs-Fraktionierturm 16 und wird zu dem Verkokungsschlot 54 gepumpt
und dann einer der Verkokungstrommeln zugeführt. Oben befindliche Dämpfe aus
der gefüllten
Trommel kehren zu dem Fraktionierturm 16 zurück, wo sie
in Produktströme
getrennt werden. Der Vorwärmschritt
für die
nicht mit der Verkokungsvorrichtungs-Beschickung gefüllten Trommel
wird erreicht, indem (mittels nicht gezeigter Ventileinrichtungen)
ein Teil der im oberen Teil befindlichen Dämpfe aus der in Betrieb befindlichen
Trommel zurück
zum oberen Teil der nicht in Betrieb befindlichen Trommel umgeleitet
wird. In Übereinstimmung
mit dieser Erfindung wird externe Wärme auf den Bereich der Trommel-Rand-Verbindung
während und/oder
vor dem Durchleiten von heißen
Vorwärmdämpfen durch
die nicht in Betrieb befindliche Trommel und vor dem Einleiten der
Beschickung von heißem Öl in die
Trommel angewendet.
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Durch
Anwenden von externer Wärme
auf die Trommel in dem Bereich der Trommel-Rand-Verbindungsstelle während und/oder
vor dem Durchleiten von Vorwärmdampf
durch die Trommel ist die Temperatur an dem kritischen Bereich der
Trommel-Rand-Schweißverbindungsstellen
gleichmäßiger zu
dem Zeitpunkt, zu dem die Beschickung von heißem Öl in die Trommel eingeführt wird,
und die Vorwärmzeit
kann entsprechend verkürzt
werden, ohne das Potenzial für
beschädigende
thermische Beanspruchungen zum Zeitpunkt des Einführens von heißer Beschickung
aufzubauen.
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Die
Mittel zum Anwenden von externem Vorwärmen auf die Trommel sind am
besten in 3 zu sehen. Ein Dampfmantel 48 umgibt
die Trommel 10 um den Bereich der Rand-Trommel-Verbindungsstelle.
Ein Heizfluid-Einlass 50 und -Auslass 52 sind
vorgesehen, um Vorwärmfluid,
vorzugsweise Dampf oder heißes
Prozessgas, wie beispielsweise Rauchgas, durch den Dampfmantel 48 zu
leiten. Alternativ kann das externe Vorwärmen durch ein elektrisches Heizband
vorgesehen werden.
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Unter
Bezugnahme auf 2 wird ein typischer Zyklusablaufplan
gezeigt. Das dargestellte Beispiel gilt für einen Zyklus von achtzehn
Stunden, doch sind längere
und kürzere
Zyklen üblich.
In dem dargestellten Zyklus sind 5,5 Stunden für Aufwärmen und Prüfen zugelassen. Der Aufwärm- oder
Vorwärmabschnitt
kann durch den Prozess der Erfindung ohne die erhöhten thermischen
Beanspruchungen verkürzt
werden, die bei Fehlen des externen Vorwärmens der Erfindung auftreten
würden.
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Wie
in 3 zu sehen, umfasst eine Kokstrommel 10 einen
unteren Konusabschnitt 34 und eine abnehmbare untere Platte 36.
Zwischen dem Trommelmantel und dem unteren Konusabschnitt 34 befindet
sind ein Übergangs-
oder Höckerabschnitt 44.
Wie in den 3 und 6 gezeigt,
ist in der Nähe
der Verbindungsstelle des Trommelmantels und des Höckerabschnitts 44 ein
tragender Rand 38 mit der Trommel in einer Verbindung verschweißt, die manchmal
als Stütztangente
(tangent line connection) bezeichnet wird.
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Wie
in 5 gezeigt, ist ein Höckerabschnitt 44 zwischen
dem Trommelmantel und dem unteren Konusabschnitt 34 verschweißt. Ein
tragender Rand 38 ist mit dem Höckerabschnitt 44 an
der Schweißverbindungsstelle 22 in
einer Verbindung verschweißt,
die manchmal als Höckerverbindung
bezeichnet wird.
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In
einer gängigen
Abweichung, wie in 4 gezeigt, umfasst der Rand
eine Reihe von Fingern 40, die durch Schlitze ausgebildet
werden, die sich von der Oberseite des Rands aus erstrecken, und
jeder Finger besitzt eine gekrümmte
Spitze 46, um eine ausgebogte Form aufzuweisen, und die
gekrümmten Fingerspitzen
sind mit dem Trommelmantel verschweißt. Es ist üblich, gerundete untere Enden
in die Schlitze in dem Rand aufzunehmen, um zu verhindern, dass
sich Belastungsstufen (stress risers) an den Schlitzenden ausbilden.
In Fällen,
in den sich der Dampfmantel 48 über einen Teil der Schlitze
erstreckt, die sich von der Oberseite des Rands aus erstrecken,
wie in 4 gezeigt, kann es wünschenswert sein, ein Dichtungsmaterial
in den Schlitzen einzusetzen, um ein Auslaufen von Vorwärmfluid
zu verhindern.
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Gleichgültig, welche
Art von Rand-Trommel-System verwendet wird, die Verbindungsstelle zwischen
dem Trommelmantel und dem Rand ist ziemlich kühl, wenn der Trommel-Vorwärmschritt
begonnen wird. Das Vorwärmen
der Trommel wird normalerweise bereitgestellt, indem ein Teil der
im oberen Teil befindlichen Dämpfe
aus der gefüllten
Trommel zu dem oberen Teil der vorher entleerten Trommel umgeleitet
wird. Diese Dämpfe
sind sehr heiß und
erwärmen
die innere Oberfläche
der Trommel schnell. Die äußere Trommeloberfläche, und
insbesondere die geschweißte
Verbindungsstelle des Trommelmantels und des tragenden Rands erwärmen sich
nicht mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Innere der Trommel.
Hohe thermische Beanspruchungen entwickeln sich dann auf Grund des
Temperaturschocks, der auftritt, wenn die Beschickung von heißem Öl in den
Boden der Trommel eingeleitet wird. Dieser Temperaturschock kann
potenziell die Rand-Trommel-Verbindungsstelle beschädigen.
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Zum
Veranschaulichen des Prozesses der Erfindung wird im Folgenden der
Verkokungszyklus einschließlich
des Einsatzes von externem Vorwärmen
der Trommel unter Bezugnahme auf die 1 und 3 beschrieben.
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Heiße Verkokungsvorrichtungs-Beschickung aus
dem Verkokungsschlot 54 wird dem Boden der Kokstrommel 10 zugeführt. Zu
dem Zeitpunkt, zu dem die Beschickung zur Trommel 10 initiiert
wird, wird die Kokstrommel 12, die voll von Koks ist, mit Niederdruckdampf
bedampft, um restliche flüchtige Kohlenwasserstoffe
aus dem Koksbett in der Trommel zu lösen. Der Dampf entfernt auch
etwas Wärme aus
dem Koks. Nach dem Ausdämpfungsschritt
wird der Koks gelöscht,
indem die Trommel mit Löschwasser
gefüllt
wird. Sobald das Koksbett mit Wasser bedeckt ist, wird der Trommelauslass
geöffnet,
und das Wasser wird abgelassen. Danach werden die oberen und unteren
Trommelbodenabdeckungen entfernt. Ein Führungsloch wird von oben durch
das Koksbett gebohrt, und dann richtet ein rotierender Hochdruckstrahl-Bohrer,
der durch das Führungsloch
nach unten geführt
wird, einen Schneidestrom horizontal auf das Koksbett. Der herausgebohrte
Koks fällt
nach unten aus der Trommel heraus. Nachdem das Koks-Schneiden beendet
ist, und der Koks aus der Trommel entfernt worden ist, werden die
Bodenabdeckungen wieder angebracht, und die Trommel wird mit Dampf
gereinigt und auf Lecks geprüft.
Ein Teil des heißen
Dampfs aus dem oberen Teil der in Betrieb befindlichen Trommel wird
in die gereinigte Trommel umgeleitet, um die Trommel auf eine vorgegebene
Temperatur aufzuwärmen.
Dann wird die heiße
Beschickung vom Verkokungsschlot 54 auf die gereinigte
Trommel umgestellt.
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Das
Wesentliche der Erfindung liegt in der externen Anwendung von Wärme auf
die Verbindungsstelle der Kokstrommel und ihres tragenden Rands
während
und/oder bevor die heißen
Vorwärmedämpfe durch
die Trommel geleitet werden und vor dem Einleiten der Beschickung
mit heißem Öl in die
Trommel. Vorzugsweise beginnt die Anwendung der externen Wärme, nachdem
sich der Bohrstrahl unterhalb des Niveaus der Trommel-Rand-Verbindungsstelle
befindet. Die Anwendung von externer Wärme ermöglicht es, dass sich der Bereich
der Trommel-Rand-Verbindungsstelle mehr der Temperatur des Trommelinneren
während
des Vorwärmschritts
annähert,
und ermöglicht
das frühere
Einleiten der Beschickung mit heißem Öl ohne die beschädigenden
thermischen Beanspruchungen, die sich ergeben würden, wenn das Äußere der
Trommel, insbesondere um die Trommel-Rand-Schweißverbindungsstellen, eine viel
tiefere Temperatur aufweist als das Innere der vorgewärmten Trommel.
Als ein Ergebnis der Anwendung von externer Wärme lässt sich die Aufwärmzeit reduzieren,
was zu einer insgesamt verkürzten
Zykluszeit mit daraus resultierender erhöhter Produktionsrate für die Verkokungseinheit führt.
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Die
obige Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
soll den Umfang der Erfindung veranschaulichen, der durch die Ansprüche im Anhang
definiert ist.