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Verfahren zur Verhinderung des Absetzens von Koks in Wirbelschicht=Verkokungsanlagen
für Kohlenwasserstoffe Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, zur Verhinderung
des Ahsetzens von Koks in den oberen und unteren Teilen der dispersen Phase einer
Wirbelschicht-Verkokungsanlage zur Umwandlung von Köhlenwasser stoffölen.
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Eine Wirbelschicht-Verkokungsanlage besteht in der Hauptsache aus
einer Reaktionskammer und einer Heiz- oder Verbrennungskammer. Das zu behandelnde
Öl, vorzugsweise Schweröl, wird in die Reaktionskammer eingespritzt, die eine dichte,
turbulente Wirbelschicht aus heißen inerten Feststoffteilchen enthält. In der Reaktionszone
wird das Öl teilweise verdampft und teilweise gecrackt. Die ahziehenden Dämpfe werden
aus der Verkokungskammer abgezogen und in eine F raktioniersäule geleitet. Der bei
dem Verfahren entstandene Koks bleibt als Abscheidung auf den festen Teilchen der
Wirbelschicht. Abstreifdampf wird in den Abstreifer eingespritzt, um vor dem Durchgang
des Kokses durch den Brenner das Öl von den Koksteilchen zu entfernen.
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Die zur Durchführung der endotherinen Verkokung erforderliche Wärme
wird in der Heizkammer erzeugt, wofür man einen Teil des Kokses von der Reaktions-
nach der Verbrennungskammer befördert. Im letzteren wird so viel Koks verbrannt,
daß sich die darin befindlichen Feststoffteilchen so hoch erwärmen, daß die Anlage
im Wärmegleichgewicht bleibt.
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Die für das Verkokungsverfahren geeigneten, schweren Kohlenwasserstofföle
bestehen aus schweren Rohölen, Bodenrückständen, die durch Destillation unter Normaldruck
oder im Vakuum aus Rohöl, Pech, Asphalt erhalten worden sind, oder aus anderen schweren
Kohlenwasserstoff-Erdölrückständen oder deren Gemischen.
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Vorzugsweise wird mit Feststoffteilchen gearbeitet, deren Durchmesser
zwischen 100 und 1000 #t, insbesondere zwischen 150 #x und 400 #x, liegt. Koks ist
der bevorzugte Feststoff für die Teilchen, aber auch andere inerte, als feine Teilchen
vorliegende Feststoffe, wie verbrauchte Katalysatoren, Bimsstein, Sand, Kieselgur,
Carborund oder Tonerde, sind brauchbar.
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Die Erfahrung hat gezeigt, daß sich bei der Umsetzung von Kohlenwasserstoffölen
in WirbeIschicht-Verkokungskammern erhebliche Mengen von Abscheidungen in dem Dampfphasenabschnitt
oder in der Zone der dispergierten Feststoffe oberhalb der Wirbelschicht bilden.
In manchen Fällen sind diese Abscheidungen so stark, daß die Anlage stillgelegt
werden muß. Man nimmt an, daß sich der darin enthaltene Koks durch Kondensation
der schwersten Fraktionen der Umwandlungsprodukte bildet, die aus der Wirbelschicht
entfernt werden, und daß sich dieses Kondensat unter Bildung von Koks bei der im
Reaktor herrschenden Temperatur polymerisiert. Die die Wirbelschicht verlassenden
Kopfprodukte sind im wesentlichen mit dem flüssigen Ölfilm, der auf den einzelnen
Koksteilchen pyrolysiert wird, im Gleichgewicht. JedeAbkühlung in der Zone der dispergierten
Feststoffe der Umwandlüngsprodukte, entweder durch Wärmeverluste aus dem Reaktor
oder durch Crackung der Dämpfe, führt zu einerKondensation der hochsiedenden Anteile.
Diese Kondensate haben einen hohen Kohlenstoffgehalt (nach C o n r a d s o n) ;
sie scheiden sich auf jeder Oberfläche im Bereiche der dispersen Phase ab und setzen
sich zu Koks um. Der obere Teil der V erkokungszone oder des Reaktors gibt leicht
Wärme ab, was die lästigen Koksabscheidungen in dieser Zone erklärt.
Bisher
war es notwendig, Feststoffe zur Erreichung einer ausreichenden Heiz- und Reinigungswirkung
in den Oberteil der dispersen Phase einzuführen. Es wurde gefunden, daß eine solche
Zufuhr von Feststoffen allein die Schwierigkeiten nicht löst.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwindung dieser
Schwierigkeiten. Bei diesem neuen Verfahren wird der von dem gesonderten Kokserhitzer
zum Reaktor zurückgeführte heiße Feststoffstrom geteilt. Der kleineren Teil der
Feststoffe leitet man in den oberen Abschnitt der neben dem Zyklonabscheider gelegenen
dispersen Phase der Verkokungsanlage ein, die Hauptmenge dagegen läßt man in den
unteren Abschnitt der dispersen Phase, etwas oberhalb der dichten, turbulenten Wirbelschicht,
eintreten und gegen eine Prellplatte treffen.
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Es wurde gefunden, daß ein Teil der heißen Feststoffteilchen unmittelbar
oberhalb der dichten Wirbelschicht eingeleitet werden muß, um die aus der dichten
Wirbelschicht aufsteigenden Dämpfe etwas zu überhitzen. Hierdurch wird die unterste
Zone der verdünnten Phase vor Koksabscheidungen geschützt. Die Einmischung der heißen
Feststoffe in eine höhere, in der Nähe der Zyklonabscheider gelegene Zone hingegen
schützt die Zyklonabscheider, aber nicht die unterste Zone der verdünnten Phase,
da im Oberteil die heißen Feststoffe nur nach oben in die Zyklonabscheider mitgeführt
werden.
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Eine mengenmäßige Überwachung des in die disperse Phase eingeblasenen
Koksanteils ist notwendig, um eine Überhitzung und Crackung der Produktdämpfe zu
verhindern. Die Temperatur der di:spersen Phase über der dichten Schicht wird durch
die Feststoffzufuhr um etwa 6 bis 17° C, vorzugsweise um 11' C, erhöht.
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Die erwähnte kleinere Menge, d. h. etwa 5 bis 15 Gewichtsprozent,
der zurückgeführten Feststoffe, wird in den oberen Abschnitt der dispersen Phase
in der Nähe des Zyklonabscheiders eingeleitet; man kann diesen Anteil sogar gleich
in den Zyklonabscheider einführen.
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Die folgenden Zahlen sind für eine Wirbelschicht-Verkokungsanlage
nach der Erfindung für einen großtechnischen Betrieb typisch: Die Entfernung zwischen
der oberen Grenzfläche der dichten Wirbelschicht und den Zuführungsleitungen des
Zyklonabscheiders beträgt zwischen 4,57 und 6,10m. Unter dem »oberen Abschnitt«
ist die Zone um die Zuführungsleitungen des Zyklonabscheiders herum zu verstehen.
Der »untere Abschnitt« .der dispersen Zone ist die Zone bis zu 0,60 m oberhalb der
Grenzfläche über der dichten Wirbelschicht. Die Menge des insgesamt in die disperse
Zone eingeleiteten Kokses richtet sich nach der Höhe der Wirbelschicht, die jedoch
nicht scharf abgegrenzt ist, vielmehr besteht eine- Übergangszone von 0,30 bis 0,60
m Breite. Ist die Wirbelschicht höher, so gelangt ein größerer Anteil des zugeführten
heißen Kokses in die dichte Zone, und es bleibt nur ein kleinerer Anteil in der
dispersen Phase.
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Die Prellplatte ist zweckmäßig fest mit der axial zu ihr liegenden
Einleitungsdüse verbunden. Sie ist so angeordnet, daß sie den heißen Koks von einem
etwa auf der senkrechten Mittellinie der Kammer, 0 bis 0,60 m oberhalb der Grenzfläche
der Wirbelschicht gelegenen Mittelpunkt aus einheitlich verteilt.
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In der Zeichnung bezeichnet 1 eine Verkokungskammer, deren Auskleidung
so wärmebeständig ist, daß sie Temperaturen bis zu 510° C aushält. Im Unterteil
der Kammer befindet sich eine Wirbelschicht aus Koksteilchen, die ausreichend hoch,
z. B. auf 610° C, vorgewärmt worden sind, um die Schicht auf die erforderliche Temperatur
von 510° C zu bringen. Die Teilchengröße beträgt 150 bis 400 #L. Diese dichte Wirbelschicht
reicht nach oben bis zu der Grenzfläche. Hierüber befindet sich die disperse Zone
11. In einem Reaktor mit einer Gesamthöhe von etwa 23,2 m beträgt die Schichthöhe
der Wirbelschicht 16,5 m und die Höhe der dispersen Zone 6,7 m. Der Zyklonabscheider
4 liegt im Oberteil der dispersen Zone; natürlich können auch mehrere Zyklonabscheider
hintereinander vorhanden sein. Die Wirbelschicht wird durch ein Aufwirbelungsgas,
z. B. Wasserdampf, zum Abstreifen flüchtiger Bestandteile, das durch die Leitung
3 in den Abstreiftopf in der Nähe des Bodens eintritt, in Bewegung gehalten. Das
Aufwirbelungsgas und die Dämpfe von der Verkokung strömen mit einer Geschwindigkeit
von 0,30 m/sec aufwärts durch die Kammer, wobei sich die Grenzfläche über der dichten
Wirbelschicht in der angegebenen Höhe herausbildet. Das Aufwirhelungsgas dient auch
dazu, von dem Koks, der abwärts durch die Kammer nach dem Erhitzer strömt, alle
Dämpfe und Gase abzustreifen. Ein Strom fester Teilchen fließt durch die Leitung
8 aus der Verkokungskammer ab und gelangt in den (hier nicht gezeigten) Erhitzer.
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Ein reduziertes Rohöl, das umgewandelt werden soll, wird durch die
Leitung 2, vorzugsweise an mehreren Stellen, in die dichte Wirbelschicht aus den
heißen Koksteilchen eingeführt. Das Öl zersetzt sich, sobald es mit den heißen Teilchen
zusammenkommt, und die hierbei entstehenden Dämpfe unterstützen die Durchwirbelung
der Feststoffe in der Schicht und vergrößern ihre allgemeine Beweglichkeit und den
turbulenten Zustand. Die Produktdämpfe entweichen durch den Zyklonabscheider 4 und
die Leitung 6. Die abgetrennten Feststoffe kehren durch das Tauchrohr 12 wieder
in die Wirbelschicht zurück.
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Die in dem (hier nicht gezeigten) Erhitzer aufgeheizten Koksteilchen,`
deren Temperatur um etwa 55 bis 170° C höher liegt als die der Verkokungslanlage,
z. B. bei 610° C, werden von Erhitzer durch die Leitung 9 oder durch mehrere Leitungen
zurückgeführt. Ein geringerer Anteil dieser zurückgeführten Feststoffe, z. B. 10
Gewichtsprozent, treten durch die Leitung 7 in den oberen Abschnitt der dispersen
Zone nahe dem Zyklonabscheider 4 ein, die Hauptmenge dagegen, z. B. 90 Gewichtsprozent,
etwas über der oberen Grenzfläche der dichten Wirbelschicht durch die Leitung 13
in die unterste Zone der dispersen Zone. Die dort unter Druck einströmenden Feststoffe
stoßen gegen die Prellplatte 10, die eine bessere Verteilung des hereinkommenden
heißen Kokses und eine einheitlichere Temperatur in der verdünnten Phase bewirkt.
Die Menge der in die disperse Zone eingeführten Feststoffe kann man dadurch regeln,
daß man den Höhenunterschied zwischen der dichten Wirbelschicht gegenüber der Zuführungsleitung
des heißen Kokses vergrößert oder verkleinert, wodurch sich die Menge der dort zugeführten.
Wärme verändert.
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So kann man nach der Erfindung die Abscheidung von Koks in den oberen
und unterem Abschnitten der dispersen Phase einer Wirbelschicht-Verkokungsanlage
und gleichzeitig Überhitzungen und Crackung der Produktdämpfe verhindern.
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Im allgemeinen betreibt man eine solche Wirbelschicht-Verkokungsanlage
für die Herstellung von Motortreibstoffen unter folgenden Bedingungen:
| Ganzer Bereich Bevorzugter Bereich |
| Temperatur, o C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 454 bis 650 482 bis 538 |
| Druck, Atm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 1 bis 10 1,5 bis 2 |
| Oberflächengeschwindigkeit des Aufwirbe- |
| lungsgases, m/sec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,06
bis 3,05 0,15 bis 1,22 |
| Koksumlauf (Feststoff-Öl-Verhältnis) ...... 2 bis 30 7 bis
15 |
| Bedingungen im Erhitzer |
| Temperatur, ° C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 566 bis 870 595 bis 650 |
| Oberflächengeschwindigkeit des Aufwirbe- |
| lungsgases, m/sec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
0,30 bis 1,52 0,61 bis 1,22 |