109881

Menetelmä ja laitteisto kiintoaineen erottamiseksi kaasusta

Keksintö liittyy kiintoaineen erottamiseen kaasuista. Etenkin keksintö koskee 5 patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaista menetelmää kiintoaineiden erottamiseksi suspendoitua kiintoainetta sisältävien ieijukatalyyttisten prosessien kaasuvir-roista.

Tällaisen menetelmän mukaan katalyyttia tai jotain muuta kiintoainetta sisältävä 10 kaasuvirta johdetaan erotuslaitteeseen, jossa kiintoaine erotetaan kaasufaasista keskipakovoiman vaikutuksesta.

Keksintö koskee myös patenttivaatimuksen 7 johdannon mukaista sovitelmaa leiju-katalyyttisessä prosessilaitteessa kiintoaineiden erottamiseksi kaasususpen-15 sioista.

Keksinnön mukaista menetelmää ja sovitelmaa voidaan käyttää hiilivetyjen käsittelyyn, kuten katalyyttiseen ja termiseen krakkaukseen, dehydraukseen, Fischer-Tropsch-synteesiin, maleiinianhydridin valmistukseen sekä metaanin hapettava ‘ .: 20 dimerointiin, tarkoitettujen prosessien yhteydessä.

• ·· Hiilivetyjen konvertointiprosesseissa käytetään kiintopetireaktoreita ja ieijupeti- reaktoreita (leijukatalyyttisiä reaktoreita). “Leijukatalyyttisillä laitteistoilla” tarkoitetaan seuraavassa laitteistoja, joita käytetään prosesseissa, joissa hienojakoinen 25 katalyyttijauhe on jakautuneena esim. hitaasti ylöspäin kulkevassa kaasuvirrassa, jossa se aiheuttaa halutut reaktiot.

Eräs eniten käytetyistä leijukatalyyttisista reaktorijärjestelmistä on FCC-laitteisto eli leijukatalyyttinen krakkauslaitteisto, jonka pääkomponentteja ovat nopean • 30 leijutusvirtauksen alueella toimiva nousuputki, suuritilavuuksinen, laimeassa sus- pensiofaasissa toimiva reaktori sekä leijukerrosalueella toimiva regeneraattori.

109881 2 FCC-yksikössä nousuputkesta ja suuritilavuuksisesta reaktorista saatava kiiinto-ainesuspension kiintoainepartikkelit ja tuotekaasu erotetaan toisistaan sykloneissa, joiden toiminta perustuu keskipakovoiman hyväksikäyttöön. Sykloneita asennetaan usein sarjaan kaasuvirran suunnassa kokonaiserotusasteen parantami-5 seksi, koska normaalien yksittäisten syklonien erotusaste on huono alle 15 pm partikkeleilla. Syklonia kutsutaan tehokkaaksi, mikäli se pystyy erottamaan kaasu-virrasta näitä pieniä partikkeleita.

Syklonit voivat olla rakenteeltaan kierukkamaisia tai spiraalimaisia, jolloin kiinto-10 ainesuspensio tuodaan tangentiaalisena virtauksena syklonin lieriömäiseen osaan ja katalyytti erottuu kaasusta seinämän lähelle virtauksen kiertäessä tyypillisesti 7-9 kierrosta syklonin lieriömäisessä ja sen jatkeena olevassa kartiomaisessa osassa, jonka tarkoituksena on ylläpitää muutoin hidastuvan kaasun virtausnopeutta. Tunnetaan myös aksiaalisykloneita, joissa putkessa kulkeva kaasu 15 saatetaan siivistöllä kiertoliikkeeseen, jolloin kiintoaine keskipakovoiman vaikutuksesta ajautuu putken seinämälle eroon kaasuvirrasta.

: *. . Tavanomaisin syklonimalli on spiraalimainen ns. Zenz-sykloni, jossa syklonin eri osien mittasuhteet on standardisoitu, jolloin mitoitusta varten on voitu tehdä käy-: *. 20 rästöt ja laskentamenetelmät. Syklonin tehokkuutta parantaa kierroksien määrä, ,,;; virtausnopeus sisääntuloaukossa, kiintoainepartikkelien suurempi tiheys, kapeam pi sisääntuloaukon leveys ja pienempi kaasun viskositeetti.

Leijukataiyyttisen krakkausyksikön esierotussyklonissa kaasun viipymäajaksi on 25 kokeissa saatu 1,0 - 2,0 s nousuputken huipusta syklonin ulostuloon, minkä jälkeen katalyytti on erotussäiliössä korkeassa lämpötilassa 5 - 40 s. Tänä aikana arvokkaita yhdisteitä vähenee termisten reaktioiden seurauksena. Niinpä ben- • ; siinituotteista muodostuu termisen krakkauksen johdosta polttokaasuja, etenkin C2-hiilivetyjä. Muita termisten reaktioiden tuotteita ovat dieenit, kuten butadieenit, • · 30 jotka alkylointiyksikköön joutuessaan merkittävästi lisäävät hapon kulutusta. Pen- tadieenit ovat puolestaan erittäin reaktiivisia ja ne osaltaan vaikuttavat FCC-bensii-nin hapetuksenkestoon heikkenemiseen.

3 109881

Muita perinteisten FCC-yksiköiden ongelmia ovat reaktioajan huono hallinta sekä katalyytin/kiintoaineen ja rakenteiden eroosio.

Ongelmat kohdistuvat useimmiten laitteistoon olennaisena osana kuuluviin kaasu-5 jen ja kiintoaineen/katalyytin erotuslaitteisiin, sykloneihin, jotka useimmiten rakennetaan yksiaukkoisina. Virtausteknisen toiminnan vuoksi näitä asennetaan useimmiten useita rinnan ja kaksi tai kolme sarjaan.

Perinteiset syklonirakenteet ovat monimutkaisia ja kalliita ja ne vievät runsaasti 10 tilaa. Lisäksi syklonit joudutaan vuoraamaan keraamisella massalla kulumisen estämiseksi.

Esillä oleva keksintö perustuu siihen ajatukseen, että leijukatalyyttisessa prosessissa perinteiset syklonit korvataan moniaukkoisella syklonilla (multi-inlet cyclone 15 tai multiport cyclone) tai sykloneilla, joita voi olla yksi tai useampi sarjassa. Moni-aukkoisen syklonin erotuskyky saadaan paremmaksi alhaisemmilla virtausnopeuksilla ja sen rakenne on yksinkertaisempi ja halvempi kuin perinteisten syklo-: \ · nien. Sen tilantarve on myös pienempi.

:' *. 20 Keksinnössä käytettävissä erotuslaitteissa eli sykloneissa on erotuskammio, jolla .,; j on ainakin oleellisesti pystysuora keskiakseli ja jonka sisäpinnan poikkileikkaus on »* : ' · oleellisesti ympyräkehän muotoinen eli erotuskammio on rotaatiosymmetrinen : ·; keskiakselinsa suhteen. Erotuskammioon on yhdistetty käsiteltävien kaasujen syöttöyhde, jolla on oleellisesti rengasmainen poikkileikkaus kohtisuoraan kes-25 kiakselia vastaan. Erotuskammioon on edelleen järjestetty keskusputki kaasujen poistamiseksi sekä laskujalka kaasusta erotetun kiintoaineen talteenottamiseksi. Erotuskammiossa on johtosiivistö, jonka avulla käsiteltävä kaasu voidaan saattaa • ; erotuskammion sisäpintaa pitkin tapahtuvaan kaasuvirtaukseen kiintoaineen erottamiseksi kaasusta keskipakovoiman vaikutuksesta.

,.· · 30 : ‘ Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

4 109881

Keksinnön mukaiselle sovitelmalle on puolestaan tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 7 tunusmerkkiosassa.

Esillä olevan keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja. Niinpä keksinnön 5 mukaisen moniaukkoisen syklonin käyttöön perustuva laiteratkaisu antaa huomattavia virtaus- ja prosessiteknisiä etuja tavanomaiseen ja normaaleihin yksiaukkoisiin sykloneihin verrattuna. Normaaleissa yksiaukkoisissa sykloneissa kiintoaine-virta kohtaa näet syklonin sisäseinän yhtenä kaasususpensiosuihkuna, jonka virtausnopeus on korkea, primäärisykloneissa tavallisesti 20...25 m/s, sekundääri-10 sykloneissa n. 35 m/s ja tertiäärisykloneissa n. 40 m/s. Virtausnopeuden täytyy olla suuri, koska syklonin tuloaukon leveys (suihkun leveys) on tavallisesti, esim. standardimallisissa ns. Zenz-sykloneissa, n. neljäsosa syklonin halkaisijasta, ja kiintoaine on saatava koko suihkun leveydeltä seinän lähelle kaasun erottamiseksi. Tällaisissa sykloneissa suurin eroosiolle altis kohta on katalyyttisuihkun iskeyty-15 miskohta syklonin sisäpintaan. Keksinnön mukaisessa rakenteessa eroosio- ongelmat on ratkaistu virtausteknisin keinoin: moniaukkoisessa syklonissa kiinto-ainevirta tulee yhden suuren kiintoainevirran sijasta useana pienenä massavirtana ;· · syklonin sisäpinnalle, jolloin eroosio on tasaisempaa. Useamman sisääntuloau- • * : :* kon ansiosta syklonin tuloaukoista voidaan tehdä kapeita, jolloin katalyyttikerrok- * «· 20 sesta tulee ohut, ja virtausnopeus sisääntuloaukossa voi olla huomattavasti pie-.,;i nempi kuin tavanomaisissa yksiaukkoisissa sykloneissa, joissa sisääntuloaukon • '· leveyden pienentäminen kasvattaisi kanavan korkeutta sekä samalla syklonin '.: korkeutta ja tekisi iiitäntäkanavasta pitkän ja rakenteeltaan epäkäytännöllisen muotoisen. Mahdollisuus käyttää pienempää virtausnopeutta vähentää edelleen 25 eroosiota, joka kirjallisuuden mukaan riippuu virtausnopeudesta potenssissa 4...5.

' ·;. Kylmämallikokeissa on keksinnön mukaisella 465 mm halkaisijaisella täysaukkoi- • * sella, suorilla siivillä varustetulla syklonilla saatu 99,99 % erotus sisääntulo- I » 1 nopeudella 5,6 m/s, kun katalyytin massavirta poikittaispinnalle paine-eromittaus-30 ten mukaan yli 200 kg/m2,s. Normaalityyppisen Zenz-syklonin erotusaste hiuk- I · * ’ kaskokofraktioittain laskettuna vastaavilla dimensioilla ja virtausnopeuksilla on 99,10%. Erotusasteista voidaan todeta, että keksinnön mukainen usean kapean 5 109881 sisääntuloaukon sykloni on tehokkuudeltaan ylivoimainen, kun pyritään välttämään eroosiota synnyttäviä suuria virtausnopeuksia.

Esillä olevan keksinnön mukaisessa rakenteessa, jossa reaktorin nousuputki 5 (riseri) on kytketty suoraan syklonin syöttöputkeen, päästään tarkasti säädeltävissä olevaan reaktioaikaan, koska katalyytti tulee sykloniin syöttöputken joka kohdasta samanaikaisesti. Keksinnön mukainen sykloni on tilavuudeltaan alle puolet (viipymäaika on alle puolet) standardisyklonin korkeudesta, koska sykloni voidaan paremman virtausteknisen toiminnan ansiosta mitoittaa matalammaksi.

10

Ensimmäisen edullisen sovellutusmuodon mukaan moniaukkoisella syklonilla erotetaan katalyyttia leijukatalyyttisen krakkauksen (FCC) tuotekaasuista. Moni-aukkoista syklonia voidaan myös käyttää FCC-yksikön regeneraattorissa regene-oidun katalyytin erottamiseksi koksin polttokaasuista.

15

Muita leijukatalyyttisiä sovellutuksia ovat mm.: katalyyttinen reformointi, ftaaliha- pon anhydridin, maleiinihapon anhydridin, metaanin hapettava dimerointi, Fischer- |Tropsch synteesi, metaanin, etaanin jne. klooraus ja bromaus metanolin konver-• · ; tointi olefiineiksi tai bensiiniksi.

* * » 20 • > .. , Keksinnön piiriin ei sen sijaan sisälly kiertomassapetissä tapahtuvat leijukerros- ; ’ * prosessit, joissa kiintoaineen poistuminen reaktiovyöhykkeestä tapahtuu niin • * nopeasti, että yleensä tällaisia nopeasti leijutettuja kerroksia voidaan pitää yllä vain kierrättämällä poistunut katalyytti syklonien kautta.

25

Kiintoaineen erottamiseen käytetään useita (esim. 2-10, sopivimmin 2-5) sarjaan järjestettyjä sykloneja. Rakenteensa ansiosta keksinnössä käytettävät moni- aukkoiset syklonit voidaan sovittaa sisäkkäin esim. siten, että seuraavan syklonin $ laskujalka sovitetaan edellisen syklonin laskujalan sisälle. Koska syklonit sovite- * > 30 taan painekuoren sisällä päällekkäin ja sisäkkäin, tilansäästö on huomattava ’ verrattuna tavanomaisiin sykloniratkaisuihin, joissa syklonit on sovitettava vierek- 1 * · * käin. Moniaukoinen sykloni voidaan halkaisijaltaan rakentaa tavanomaista syklo- 6 109881 nia leveämmäksi; tavanomaisten syklonien kohdalla maksimihalkaisija on yleensä 1 m, mutta moniaukkoiset syklonit voivat halkaisijaltaan olla yli metrin jopa useampaan metriin. Tästä huolimatta reaktoriastian halkaisijaa ei tarvitse kasvattaa vaan sitä voidaan päinvastoin pienentää keksinnön mukaisessa ratkaisussa.

5

Syklonin syöttöyhde voi koostua kahden sisäkkäisen lieriömäisen tai osin kartiomaisen verhopinnan välille muodostetusta tilasta, joka voi olla jaettu aksiaalisuunnassa väliseinämillä rinnakkaisiksi segmenteiksi. Rinnakkaiset segmentit voivat olla aikaansaatuja järjestämällä kahden sisäkkäisen lieriömäisen 10 verho-pinnan välille reaktiotilan pituusakselin suuntaiset välilevyt. Lähes samaan tulokseen päädytään, kun poikkileikkaukseltaan rengasmainen syöttöyhde muodostuu ympyrän kehälle järjestetyistä rinnakkaisista syöttöputkista.

Syklonin johtosiivet on sovitettu rengasmaisesti syklonin kammion kehälle, osittain 15 tai kokonaan virtauskanavaan johtosiivistöksi siten, että tämä muodostaa useita rinnakkaisia kaasun sisäänvirtauskanavia.

Keksinnön mukainen/mukaiset sykloni(t) yhdistetään joko suoraan leijukatalyytti-: sen reaktorin nousuputkeen (riseriin), mikä edustaa keksinnön edullista sovellus- • · ‘ 20 ta, tai sen/niiden tuloyhde saatetaan yhteyteen leijukatalyyttisen reaktorin kaasu-tilaan, kuten perinteisissä ratkaisuissa.

. . Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan yksityiskohtaisen selostuksen avulla oheisiin piirustuksiin viitaten.

25

Kuviossa 1A on periaatepiirroksena esitetty tavanomainen ja kuviossa 1B keksin-i -.. nön mukainen sykloniratkaisu, joissa on kaksi syklonia (primääri- ja sekundääri- sykloni) sarjassa kytkettynä suoraan FCC-reaktorin nousuputkeen.

Kuvioissa 2A ja 2B on kuvattu tavanomainen ja vastaavasti keksinnön mukainen -: - ·: 30 sykloni-ratkaisu, jossa on kaksi syklonia (primääri- ja sekundäärisykloni) sarjassa :·. FCC-regeneraattorissa.

7 109881

Tavanomaisessa FCC-sykloniratkaisussa esileijutuskaasun ja höyrystyneen, reagoineen ja reagoivan hiilivedyn seos kulkee kaasumaisessa muodossa nousu-putkea 12 ylös kuljettaen mukanaan katalyyttiä reaktorin 15 sisällä olevaan pri-määrisykloniin 13. Hiukkaset erottuvat kaasusta erotuskammion 13 seinämalleja 5 putoavat primäärisyklonin jalkaan. Jalasta katalyytti kulkee edelleen hiilivetyjen erotusosaan ja regeneraattoriin. Primäärisykloniin tullut kaasuvirta poistuu syklonista keskusputken kautta, sekundäärisykloniin 14. Hiukkaset erottuvat kaasusta kammion seinämälle, josta putoavat sekundäärisyklonin jalkaan. Sekundääri-syklonista kaasu kulkee mahdolliseen keräyskammioon ja poistuu reaktorista 10 poistoputken 16 kautta.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa esileijutuskaasun ja höyrystyneen, reagoineen ja reagoivan hiilivedyn seos kulkee kaasumaisessa muodossa nousuputkea 1 ylös kuljettaen mukanaan katalyyttiä reaktorin 12 sisällä olevaan rengasmaiseen 15 tilaan 2, jossa se edelleen nousee primäärisyklonin johtosiivistöön 3. Johtosiivis-töllä 3 aiheutetaan virtaus, jossa hiukkaset erottuvat kaasusta keskipakovoiman vaikutuksesta kammion seinämälle 4 ja putoavat primäärisyklonin jalkaan 5. Jalasta katalyytti kulkee edelleen hiilivetyjen erotusosaan ja regeneraattoriin. Pri-: määrisykloniin tullut kaasuvirta poistuu syklonista keskusputken 6 kautta, josta se '·:· 20 edelleen nousee rengasmaista kanavaa 7 pitkin sekundäärisyklonin johtosiivistöön 8. Hiukkaset erottuvat kaasusta kammion seinämälle 9, josta putoavat se-; kundäärisyklonin jalkaan 10. Sekundäärisyklonin jalka 10 on edullisesti primääri syklonin jalan 5 sisällä. Sekundäärisykloniin tullut kaasuvirta poistuu syklonista ja reaktorista poistoputken 11 kautta.

25

Kuvioissa 2A ja 2B on kuvattu tavanomainen ja vastaavasti keksinnön mukaiset sykloniratkaisut, joissa on kaksi syklonia (primääri- ja sekundäärisykloni) sarjassa FCC-regeneraattorissa. Sykloneita voi olla sarjassa enemmän tai vähemmän kuin kaksi kappaletta. Tavanomaisen syklonin maksimihalkaisija on noin 1 m, : · 30 joten sykloneita on käsiteltävästä kaasumäärästä riippuen yleensä enemmän kuin yksi rinnan.

β 109881

Tavanomaisessa sykloniratkaisussa arinan 29 läpi tuleva ilma leijuttaa re-generaattorissa 30 olevaa katalyyttiä kuplivapetitilassa ja tuo happea koksin polttoon tarvittavaan reaktioon. Kaasu ja sen mukaan joutuvat kata lyytti pa rti kke I it kulkevat regeneraattorin 30 sisällä olevaan primäärisykloniin 31. Hiukkaset erottu-5 vat kaasusta kammion seinämälle ja putoavat primäärisyklonin jalkaan. Jalasta katalyytti kulkee takaisin leijupetiin. Primäärisykloniin tullut kaasuvirta poistuu syklonista keskusputken kautta sekundäärisykloniin 32. Kaasu ja hiukkaset erottuvat kammion seinämälle, josta putoavat sekundäärisyklonin jalkaan. Sekundää-risyklonista kaasuvirta kulkee keräyskammioon ja poistuu reaktorista poistoputken 10 33 kautta.

Keksinnön mukaan arinan 17 läpi tuleva ilma leijuttaa regeneraattorissa 18 olevaa katalyyttiä kuplivapetitilassa ja tuo happea koksin polttoon tarvittavaan reaktioon. Kaasu ja sen mukaan joutuvat katalyyttipartikkelit nousevat syklonin rengasmai-15 seen tilaan 19, josta ne edelleen kulkevat primäärisyklonin johtosiivistöön 20.

Johtosiivistöllä 20 aiheutetaan virtaus, jossa hiukkaset erottuvat kaasusta keskipakovoiman ansiosta kammion seinämälle 21 ja putoavat primäärisyklonin jalkaan 22. Jalasta katalyytti kulkee takaisin leijupetiin. Primäärisykloniin tullut kaasuvirta poistuu syklonista keskusputken 23 kautta, josta se edelleen nousee rengasmais-• 20 ta kanavaa 24 pitkin sekundäärisyklonin johtosiivistöön 25. Hiukkaset erottuvat kaasusta kammion seinämälle 26, josta putoavat sekundäärisyklonin jalkaan 27.

;;' Sekundäärisyklonin jalka 27 on edullisesti primäärisyklonin jalan 22 sisällä. Se kundäärisykloniin tullut kaasuvirta poistuu syklonista ja reaktorista poistoputken 28 kautta.

25