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Vorrichtung zum Inberührungbringen einer Masse feinverteilter Feststoffe
mit durch sie von unten nach oben hindurchströmenden, sie im Schwebezustand haltenden
Gasen bei hohen Temperaturen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mittels deren
ein Bett feinverteilter Feststoffe bei hoher Temperatur mit einem gasförmigen Medium
in Berührung gebracht wird, das aufwärts strömt und dadurch die Feststoffe im Fließ-
oder Schwebezustand hält.
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Die Vorrichtung ist so ausgebildet, daß die Kontaktzone zu Beginn
des Kontaktes zwischen Gasen und Feststoffen auf die erforderliche hohe Temperatur
gebracht werden kann.
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Die Vorrichtung ist in erster Linie zur Anwendung bei der Regenerierung
von Katalysatoren bei katalytischen Spaltverfahren bestimmt, wobei auf einer in
Form eines Fließbettes befindlichen Masse katalytisch wirkender oder inerter Feststoffe
abgeschiedene Verunreinigungen durch Reduktion, Einwirkung von Schwefel oder insbesondere
durch Verbrennung mittels eines oxydierenden Gases entfernt werden sollen. Sie kann
jedoch auf zahlreichen anderen Gebieten Verwendung finden, wo
es
darauf ankommt, Gase mit Feststoffen bei hoher Temperatur in Berührung zu bringen,
z. B. bei der Wärmespaltung von Kohlenwasserstoffen an heißen inerten Eeststoffen,
die als Wärmeübertragungsmittel dienen, bei der Behandlung von Gasen und Dämpfen,
z. B. Kohlenwasserstoffdämpfen, mit Fließ- oder Wirbelschichtbetten fester Adsorptionsmittel,
wie Silicagel oder Aktivkohle, zur selektiven Adsorption gewisser Bestandteile,
bei der Destillation von im Fließzustand befindlichem Ölschiefer, bei der Verkokung
von Kohle in Form eines Fließbettes, beim Rösten von im Fließzustand vorliegenden
Erzen und bei der Reduktion von Metalloxyden im Fließzustand.
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Die erfindungsgemäße Vorrichfung besteht aus einem Kontaktgefäß mit
einer unteren Abschlußwandung, einem hohlen Gehäuse, das sich von dieser unteren
Abschlußwandung aus nach unten hin erstreckt, mit seinem oberen Ende senkrecht durch
die Abschlußwandung hindurchgreift und innerhalb des Kontaktgefäßes endet, einem
innerhalb des Gehäuses befindlichen Brenner mit einer Verbrennungskammer sowie Brennstoff-und
Luftzuführungen zu dieser Kammer, einer besonderen Zuführungsleitung, mittels deren
ein Gasstrom durch das Gehäuse geleitet werden kann, der die Feststoffe in dem Kontaktgefäß
im Fließzustand hält, einer Austrittsöffnung am oberen Ende des Gehäuses im Innern
des Kontaktgefäßes und einer im Kontaktgefäß senkrecht und konzentrisch über der
oberen Austrittsöffnung des Gehäuses aufgehängten Kappe, deren unterer Rand das
obere Ende des Gehäuses umfaßt und mit ihm zusammen einen ringförmigen Durchtrittskanal
bildet.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wie sie beispielsweise zur Regenerierung
eines Spaltkatalysators verwendet werden kann, wird nachstehend an Hand der Zeichnungen
beschrieben.
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Fig; I zeigt, teilweise im Schnitt, das Regeneriergefäß mit einer
Vorrichtung zur anfänglichen Zuführung eines heißen, sauerstoffhaltigen Gases und
zur nachfolgenden Einführung des verunreinigten Katalysators; Fig. 2 ist ein senkrechter
Schnitt durch einen Teil der Vorrichtung nach Fig. I in abgewandelter Form; Fig.
3 ist ein Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
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In den Zeichnungen ist mit I das Regenerationsgefäß bezeichnet, das
eine feuerfeste Auskleidung 1a hat, wie es für die Regenerierung feinverteilter
Katalysatorfeststoffe verwendet wird, die zur katalytischen Spaltung von Kohlenwasserstoffen
dienen.
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Mit z ist ein Teil einer Rohrleitung bezeichnet, in welcher die verunreinigten
Feststoffe der Anlage zugeführt werden. Dieses Rohr mündet in das Reaktionsgefäß
oberhalb der Siebplatte 3, die eine Säule aus Feststoffen trägt, deren Höhe in der
Zeichnung durch die Linie 4 angedeutet ist. Die Siebplatte 3 kann von üblicher Ausführung
sein.
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In der hier dargestellten Ausführungsform ist sie als schalenförmige
Lochplatte ausgebildet, deren Durchlochungen mit 3a bezeichnet sind. Die Rohrleitung
5 dilent zum Abziehen der regenerierten Feststoffe aus dem Gefäß I. Sie ragt durch
die Siebplatte 3 hindurch und reicht bis zur Höhe 4 der in dem Reaktionsgefäß befindlichen
Feststoffschicht. Rohrleitung 5 ist mit einem eingekerbten oder mit Schlitzen versehenen
Einlaßteil 5' ausgestattet. Beide Rohrleitungen 2 und 5 können mit Belüftungsstutzen
2a und Sa versehen sein, um die Zufuhr von Gasen zu ermöglichen, wenn dies zur Erhaltung
des Fließzustandes der feinverteilten Feststoffe in den Rohrleitungen 2 und 5 erforderlich
ist.
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Der Regenerator I enthält eine Vorrichtung zur Einführung heißer
Gase zur Einleitung der Reaktion sowie zur Einführung von Gasen zur Aufrechterhaltung
der Reaktion. Diese Vorrichtung besteht aus einem Hilfsbrenner von an sich bekannter
Ausführungsform. Das zylindrische Gehäuse II, das zumindest teilweise mit einem
feuerfesten Werkstoff IIa ausgefüttert ist, besitzt ein hohles kegelstumpfförmiges
oberes Ende I2, das durch die Bodenwandung des Regenerationsgefäßes I hindurch in
dessen unteren Teil unterhalb der Siebplatte 3 hineinragt. Das Brennergehäuse 11
ist in mittlerer Höhe über seinem Boden IIb mit einer inneren seitlichen Trennwand
I3 versehen, die auf ihrer Oberseite eine Verbrennungskammer I4 mit feuerfester
Auskleidung 14a trägt. Die Kammer ist konzentrisch im Gehäuse II angeordnet, so
daß zwischen den Wandungen 11 und 14 ein ringförmiger Raum gebildet wird. Der Brenner
ragt durch die Trennwand I3 und die Bodenwandung der Verbrennungskammer in das Kammerinnere.
Der gasförmige oder flüssige Brennstoff wird Idbm Brenner durch Rohrleitung I5a
und die Primärluft durch Rohrleitung I6 zugeführt, die in die Kammer mündet, welche
durch den Boden IIb des Gehäuses II und die Unterseite der Trennwand I3 gebildet
wird. Der Zünder I7 ist durch die Seitenwand des Gehäuses Ii und der Verbrennungskammer
hindurchgeführt und bewirkt die Zündung des Gemisches von Brennstoff und Luft, weIches
durch den Brenner 15 eingeführt wird. Auf Höhe des oberen Endes der Verbrennungskammer
ist ein Reflektor oder eine Ablenkungseinrichtung, z. B. der hohle Kegelstumpf I8,
vorgesehen, der sich von dort nach oben erstreckt. Rohrleitung I9 mündet in den
ringförmigen Raum zwischen der Verbrennungskammer und dem Gehäuse 11 und dient der
Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas - zur Aufrechterhaltung der Reaktion im Reaktionsgefäß
I, das gleichzeitig als Trägergas für die Feststoffe dient. Da der Hilfsbrenner
mit dem Reaktion gefäß I eine Einheit bildet, ist eine besondere Be--festigung oder
Abstützung nicht erforderlich.
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Außerdem werden durch die Kombination lange Rohrverbindungen und
Dehnungsfugen vermieden.
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Die Rohrverbindung 20 dient als Sicherheitsleitung zur Einführung
inerter Gase im Falle des Versagens der Luftzufuhr durch Rohrleitungen I6 und 19.
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In dem zwischen der Siebplatte 3 und der unteren Abschlußwandung
1t des Reaktionsgefäßes I ge-
legenen Raum ist ein kappenförmiges
Ablenkungsorgan konzentrisch über dem Mundstück 12 des Hilfsbrenners angebracht.
Diese Kappe wird durch eine kugelförmige Fläche 21 gebildet, die mit dem feuerfesten
Werkstoff 2Ia ausgekleidet ist. Die Kappe 2I hängt senkrecht dicht über dem Mundstück
des Kegelstumpfes und bildet so eine durch die parallelen punktierten Linien x-x
und y-y begrenzte Verschluß zone zwischen dem unteren Kappenrand und dem oberen
Rand des Mundstückes. Diese Verschlußzone soll normalerweise mindestens 20,3 cm
tief sein. Sie ist zweckmäßig maximal dimensioniert, wenn die Form der verwendeten
Bauelemente dies erlaubt. Der untere Kappenrand soll sich außerdem nur in geringem
Abstand von der Bodenwandung Ib des Reaktionsgefäßes I befinden, so daß zwischen
dem Kappenrand und der Bodenwandung ein ringförmiger Durchtrittskanal 2Ib frei bleibt,
der so bemessen ist, daß die aus dem Brennerkopf durch den von dem Innenrand der
Kappe und der Außenseite des Kegelstumpfes I2 gebildeten ringförmigen Raum austretenden
Gase mit einer Geschwindigkeit von g bis I8 m/Sek. in das Kontaktgefäß I einströmen
und eine Mindestströmungsgeschwindigkeit eingehalten werden kann, die ein Zurückströmen
der Gase aus dem Gefäß I in den Brenner verhindert.
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Der ringförmige Kanal stellt also eine Verschlußzone zwischen dem
Brennergehäuse und dem Innern des Gefäßes 1 dar.
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Die Kappe ist zweckmäßig an einer Vorrichtung aufgehängt, die sich
in der Kammer unterhalb der Siebplatte 3 befindet. Zu diesem Zweck sind an der Unterseite
der- Siebplatte starre Träger 22 vorgesehen, deren beide Enden je mittels Drehgelenk
mit den Ansatzstücken 23 und 24 verbunden sind, die an der Unterseite der Siebplatte
3 bzw. an der Oberseite der Kappe 21 befestigt sind. Diese Anordnung der Träger
22 und der Ansatzstücke 23, 24 verhindert eine erhebliche seitliche Verschiebung
der Kappe in bezug auf das Mundstück 12. Falls man die Siebplatte 3 weglassen will,
kann die Kappe anderweitig aufgehängt werden, z. B. durch Stäbe, die quer im Reaktionsgefäß
angeordnet werden.
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Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Anlage, z. B. zur Regenerierung
von Spaltkatalysatoren, bildet das Reaktionsgefäß I normalerweise einen Teil des
Katalysator-Umlaufsystems, indem es den verunreinigten Katalysator auf der Spaltzone
aufnimmt und ihn in regeneriertem Zustand an sie wieder abgibt. Zu Beginn des Betriebes
wird der Brenner 15 gezündet und ein sauerstoffhaltiges Gas, z. B. Luft, durch Rohrleitung
19 eingeführt.
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Die im Hilfsbrenner II aufgeheizte Luft mischt sich mit den aus der
Kammer 14 ausströmenden Verbrennungsgasen, und das Gemisch gelangt in das Gefäß
, und heizt dieses auf. Nach Wunsch kann man die heißen Gase und die Luft aus Reaktionsgefäß
I durch Rohrleitung 5 leiten und durch den übrigen Teil der Anlage umlaufen lassen,
um die Temperatur in der gesamten Anlage zu steigern. Zum Abziehen dieser Gase aus
dem Gefäß I und von anderen Stellen der Anlage sind nicht eingezeichnete Einrichtungen
üblicher Ausführung vorgesehen. Der Brenner wird weiter betrieben, bis die Temperatur
des Gefäßes I hoch genug ist, daß die Verbrennung der Verunreinigungen auf dem durch
Rohrleitung 2 zugeführten Katalysator beginnt und von selbst weiter verläuft. Hierfür
geeignete Temperaturen können im Bereich von etwa 482 bis 677, normalerweise zwischen
etwa 593 und 621 ° liegen.
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Wenn das Gefäß I seine Betriebstemperatur erreicht hat, kann man
zu Beginn frischen Katalysator zuführen, den man durch die Rohrleitung 2 einführt,
während man den Katalysator r aus Gefäß I in Rohrleitung 5 abströmen läßt und der
Spafltzone zuführt. Nachdem die Spaltreaktion eingesetzt hat, führt man den verunreinigten
Katalysator in das Regenerationsgefäß I durch Leitung 2 ein und leitet den regenerierten
Katalyastor durch Rohrleitung 5 in die Spaltzone zurück. Durch die Belüftungsstutzen
2a und Sa wird der Katalysatorstoff beim Transport im Fließzustand gehalten.
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Der Fließzustand der im Gefäß 1 befindlichen Masse wird durch das
durch S, iebplatte 3 eingeführte Gas aufrechterhaln.
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Nachdem die Verbrennung der auf den Katalysatorstoffen niedergeschlagenen
Verunreinigungen in Gefäß I eingesetzt hat, schreitet sie so lange von selbst fort,
wie dem Gefäß sauerstoffhaltiges Gas in ausreichenden Mengen zugeführt wird, um
die Verbrennung der Verunreinigungen auf dem durch Rohrleitung 2 zugeführten Katalysatorgut
zu bewirken. Sobald diese Reaktion in Gang ist, kann der Bren, nstoffibrenrler 1-5
abgeschaltet werden, und es braucht nur noch sauerstoffhaltiges Gas durch Rohrleitung
19 zugeführt zu werden. Der Gasstrom muß ausreichen, um nicht nur die Katalysatorverunreinigungen
zu verbrennen, sondern um außerdem die feinverteilten Feststoffe des Katalysators
im Gefäß I im Schwebezustand zu halten und im Hinblick auf den Druckabfall am Sieb
3 ein Zurückströmen von Katalysatorteilchen durch die Sieböffnungen zu verhindern,
damit der Raum unterhalb des Sitebbodens von feinverteilten Feststoffen frei bleibt.
Es ist aber bei der Vorrichtung nach der Erfindung außerdem eine weitere Sicherbeitsmaßnahme
gegen das Einströmen von Katalysatorteilehen in den Hilfsbrenner getroffen. Diese
besteht darin, daß zwischen der Kappe 21 und dem Mundstück 12 des Brenners II ein
abgeschirmter Raum durch die benachbarten Wandungen des Reaktionsgefäßes, den oberen
Rand des Mundstückes und den unteren Rand der Kappe gebildet ist. Wenn die Siebplatte
3 in Fortfall kommt, hat dieser abgeschirmte Raum oder Kanal eine weitere Bedeutung,
indem er das Zurückfließen von feinverteilten Feststoffen aus dem Gefäß I in den
Brenner II verhindert. Sollte der normale Luftstrom durch Rohrleitung I6 und 19
einmal versagen, so kann ein inertes Gas oder Dampf, z. B.
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Wasserdampf, durch Rdhrleitung 20 in ausreichender Menge zugeführt
werden, um eine Mindestströmungsgeschwindigkeit von etwa I,5
bis
3 m/Sek. durch den abgeschirmten Kanal zwischen Kappe 2I und Mundstück I2 aufrechtzuerhalten.
Die Kappe der hier beschriebenen Form schützt außerdem die Siebplatte 3 vor dem
direkten Auftreffen der aus Brenner 11 einströmenden HeiBgase sowie gegen die aus
der Verbrennungskammer 14 abgestrahlte Wärme.
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Das Reaktionsgefäß 1 wird normalerweise unter einem Druck von etwa
0,4 bis 1 at Überdruck betrieben. Bei bestimmten Verfahren, kann der Druck im Regenerator
erheblich höher liegen, bis zu etwa 6,8 at, und sogar noch höher, Die Höhe der feinverteilten
Feststoffe in Gefäß I bestimmt sich durch die Höhe des oberen Endes des Ableitungsrohres
5. Wenn weiteres verunreinigtes Material durch Rohrleitung 2 zugeführt wird, strömt
eine entsprechende Menge von regeneriertem Katalysator durch Rohrleitung 5 ab. Der
ges.chlftzte oder eingekerbte Teil. 5' der Rohrleitung 5 sichert ein glattes Abströmen
der Feststoffe und erlaubt kleine Schwankungen der Höhe 4, ohne daß große Schwankungen
in der Strömungsgeschwindigkeit eintreten, mit der die Feststoffe abgezogen werden.
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In Fig. 2 und 3 sind von Fig. r abweichende Ausführungsformen dargestellt.
Diese beziehen sich besonders auf die Form der Kappe des Hilfsbrenners 11, Nach.
Fig. 2 fällt der als Kegelstumpf ausgebildete Endteil 12 des Brenners 11 fort, und
der obere zylindrische Teil des Brenners 112 ragt mit seinem nicht verjüngten ende
31 direkt in den Raum unterhalb der Siebplatte 3. Bei dieser Ausführungsform ist
die Kappe dem offenen Ende 31 angepaßt und besitzt daher eine zylindrische oder
becherförmige Gestalt, die aus der Seitenwand 32 und der Decke 33 besteht und mit
der feuerfesten Auskleidung 34 versehen ist. Die Kappe hat einen größeren Durchmesser
als das offene Ende 3I des Brenners I I, um die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit
zwischen den beiden Teilen zu ermöglichen. Die Seitenwand 32 ist breit genug, um
den in Fig. 1 beschriebenen abgeschirmten Kanal~zu bilden. Bei der Vorrichtung nach
Fig. 3 ist die Mundstücköffnung nach Fig. I beibehalten, aber die Kappe 4I mit der
feuerfesten Auskleidung 41a ist kegelförmig ausgebildet. In jeder anderen Hinsicht
ist die räumliche Anordnung der Kappe 41 mit der der Kappe 21 der Fig. I vergleichbar.
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Auch die Arbeitsweise entspricht bei Verwendung von Kappe und Brenner
nach Fig. 2 oder 3 in jeder Hinsicht derjenigen nach Fig. I.