DE69222125T2

DE69222125T2 - Atomisierung von schweren Kohlenwasserstoffen

Info

Publication number: DE69222125T2
Application number: DE69222125T
Authority: DE
Inventors: Suisheng Dou; Allen Royce Hansen; Steven C Heidenreich; William J Hillier; Phillip K Niccum; Maury I Schlossman
Original assignee: Mobil Oil AS
Current assignee: Mobil Oil AS
Priority date: 1991-12-13
Filing date: 1992-11-30
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2012-12-01
Also published as: EP0546739A2; CA2085213A1; JP3142671B2; AU2966592A; KR930013070A; US5306418A; DE69222125D1; EP0546739B1; KR100219951B1; TW290587B; AU652679B2; ES2106834T3; JPH05339582A; MX9207203A; EP0546739A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Zerstäubung eines schweren Kohlenwasserstoff-Einsatzstoffs. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Zerstäubung von flussigen Einsatzstoffen für die Raffinerieverarbeitung, wie z.B. Destillationskolonnen oder einen FCC-Riserreaktor, und eine Vorrichtung zur Zerstäubung von Flüssigkeiten.
Auf dem Sektor der Raffinierung stellt die Einsatzstoff-Zerstäubung am Boden von FCC-Riserreaktoren bekanntlich ein Problem dar. Es ist nämlich schwierig, viele Tonnen von heißem, regeneriertem Crackkatalysator pro Stunde mit großen Volumina von Schweröleinsatzstoffen in Berührung zu bringen und eine vollständige Verdampfung des Einsatzstroms am Boden des Riserreaktors zu gewährleisten. Ein Teil des Problems besteht darin, daß in FCC- Anlagen schwerere Einsatzstoffe eingesetzt werden. In vielen FCC-Anlagen werden heutzutage beträchtliche Mengen - in der Größenordnung von 5 - 20% - Rückstand oder nicht destillierbares Material verarbeitet. Diese Materialien kann man in Fraktioniereinrichtungen so gut wie gar nicht verdampfen, so daß also ihre Verdampfung innerhalb von weniger als einer Sekunde oder so in einem FCC-Riserreaktor eine enorme Aufgabe darstellt.
Ein Teil des Problems besteht darin, daß die Zuführdüsen, die für den Zusatz eines leicht verdampfbaren Einsatzstoffs, wie z.B. Gasöl, völlig genügten, für schwerere Einsatzstoffe nicht mehr ausreichen. Dabei treten zweierlei Probleme auf: die schwereren Einsatzstoffe sind erstens aufgrund ihrer hohen Siedepunkte schwerer zu verdampfen und zweitens aufgrund ihrer selbst bei den in FCC-Riserreaktoren herrschenden hohen Temperaturen hohen Viskosität schwerer zu zerstäuben.
Es folgt eine kurze Übersicht über Versuche, schwerere Einsatzstoffe zu bewältigen oder die Verdampfung von leichteren Einsatzstoffen zu verbessern.
Ein Teil der Versuche zur Verbesserung der Kontaktierung von regeneriertem Katalysator und Einsatzstoff wurde auf der Katalysatorseite unternommen, d.h. der Einsatz von Hebegas zur sanften Anhebung von Katalysator in den Riser. Bei anderen Ansätzen wurde angenommen, daß die Katalysatorverteilung ebenso wie die erzwungene älverteilung (über Mehrfachdüsen) schlecht ist.
Zur Bewältigung schwererer Einsatzstoffe ist ein erhöhter Dampfzusatz üblich. Die Verstärkung des Zerstäubungsdampfs führt in der Regel zu einem erhöhten Druckverlust entlang der bestehenden Zuführdüsen und zu erhöhter Sauerwasserproduktion. Zwar erreicht man gewöhnlich eine gewisse Verbesserung der Dispergierung des Einsatzstoffs, jedoch ist die ausschließlich durch die Erhöhung der Dampfrate erreichbare Verbesserung aufgrund von Problemen infolge der verstärkten Sauerwasserproduktion und Beschränkungen bezüglich des auf die Düseneingänge ausübbaren Einsatzstoffdrucks beschränkt.
Neben der Beschäftigung mit der Katalysator-Öl- Verteilung und der Verbesserung der Arbeitsweise von bestehenden Düsen mit mehr Dampf wurden auch andere Düsenbauarten erwogen. Zwar wurden einige sehr wirksame Düsenbauarten entwickelt, jedoch erforderten sie für einen wirksamen Betrieb ungewöhnlich hohe Druckverluste über die Düse. Man möchte aber die Zuführdüsen bei möglichst niedrigem Druck betreiben, um bei Investitionen und Einrichtungs- und Betriebskosten zu sparen. Viele Anlagen sind hinsichtlich des Zuführdrucks beschränkt, so daß für den Einsatz von Düsen mit hohem Druckverlust kapitalintensive Verbesserungen erforderlich sind. Bei der Erzeugung der unter hohem Druck stehenden Flüssigkeitsströme wird auch eine beträchtliche Energiemenge verbraucht.
Ein guter Überblick über die Entwicklungen bei Düsen findet sich in Fluid Catalytic Cracking Report: 50 Years of Catalytic Cracking; A.A. Avidan et al., Oil & Gas Journal, 8. Januar 1990, auf Seite 50. Ausprobiert wurden Loch- oder Schlitzdüsen, Pralldüsen, Spiraldüsen und kritische Venturidüsen.
Die Loch- oder Schlitzdüse ergibt grobe unregelmäßige Tröpfchengrößen und ist für die Einspritzung von schweren Einsatzstoffen in einen FCC-Riserreaktor nicht ideal geeignet.
Mit kritischen Venturidüsen, bei denen ein Öl- Dampf-Gemisch durch einen Venturiabschnitt kritischer Größe in eine größere Zwischenkammer geführt und durch eine verjüngte Düse ausgestoßen wird, kann man sehr kleine Tröpfchengrößen erzielen. Diese Tröpfchen können zwar schneller vollständig verdampft werden als von Spiraldüsen erzeugte Tröpfchen, jedoch erfordern diese Düsen hohe Flüssigkeitsdruckverluste und erzeugen ein enges Sprühbild.
Ein gemischter Ansatz, nämlich die Verwendung von schnellem Dampf (1000 bis 1800 Fuß/s {305 bis 549 m/s}) zur Zerstäubung eines langsamen Ölstroms (20 bis 50 Fuß/s {6 bis 15 m/s}) wurde in der US-A-3654140 beschrieben. Durch den schnellen Dampf wird der langsamen Flüssigkeit Energie zugeführt. Fig. 2 der US-A-3654140 zeigt Öl, das als Flüssigkeitskegel ausgestoßen wird, der durch einen den Kegel umschließenden schnellen Dampfstrom in Tröpfchen aufgebrochen wird. Diese Bauweise stellt eine Verbesserung gegenüber der in der US-A-3152065 gezeigten Düse dar, bei der es sich um eine früher entwickelte Düse handelt, in der Flüssigkeit durch einen Ringbereich um ein zentrales Dampfrohr geleitet wurde, um sie vor einer verjüngten Öffnung mit einem expandierenden Dampfstrom in Berührung zu bringen. Durch die Zentrifugalkomponente, die dem Flüssigkeitsstrom hier verliehen wurde, wurde die Flüssigkeit wohl auf die Seiten der Düse geworfen, wodurch möglicherweise die Zerstäubung beeinträchtigt wurde. Die Flüssigkeit trat als Kegel aus und wurde nicht von dem schnellen Dampfstrom im Zentralbereich der Düse berührt.
Zwar gibt es unzählige Düsenbauweisen, von denen viele einzigartig und schwer zu klassifizieren sind, jedoch kann man sie mehr oder weniger willkürlich einem oder mehreren der folgenden Tropfenbildungsmechanismen zuordnen.
Die gangigste Form von FCC-Zuführdüsen ist die Restriktion/Expansion. Dabei leitet man ein Gemisch aus 1-5 Gew.-% Zerstäubungsdampf und dem schweren, vorgewärmten Einsatzstoff zur Bildung eines Sprays durch eine schlitzförmige oder eine runde Öffnung.
Bei der Mischung/Expansion ist die Verwendung von Drallblechen und einer anschließenden Öffnung vorgesehen.
Bei der Scherung erfolgt die Zerstäubung der Flüssigkeit durch Abspaltung einer dünnen Schicht des Düseneinsatzstroms, die spontan in kleine Tröpfchen aufbricht. Beispiele hierfur sind FCC-Spiralzuführdüsen.
In Gasstrahldüsen wird ein Zerstäubungsgasstrom durch mehrere Öffnungen durchgeführt und trifft dann auf einen Flüssigkeitsstrom auf. Ein gutes Beispiel für diesen Düsentyp ist die Lechler-Düse.
In Pralldüsen erfolgt die Zerstäubung durch den Aufprall einer Flüssigkeit auf eine feste Oberfläche mit hoher Geschwindigkeit. Zu diesem Typ gehört die Snowjet- Düse.
Zwar scheint es möglich zu sein, diese Düsentypen einfach hintereinanderzuschalten und dadurch die Zerstäubung zu verbessern, jedoch erweist sich das in der Praxis als unmöglich. Zusätzliche Stufen verbessern möglicherweise die Zerstäubung, erhöhen jedoch immer den Druckverlust, was in der Regel ganz alleine schon die einfache Hintereinanderschaltung dieser Anlagenoperationen verhindert. Viele Versuche zur Verbesserung der Düsenleistungsfähigkeit, wie z .B. durch Hintereinanderschalten von Zerstäubungseinrichtungen, verschlechtern die Leistungsfähigkeit. Es wurde auch schon versucht, Düsen mit schlitzförmiger Öffnung Drallbleche hinzuzufügen, was jedoch die Verteilung verschlechterte.
In FCC-Anlagen müssen die Düsen auch widerstandsfähig und zuverlässig sein, da Laufzeiten von ein oder zwei Jahren und mehr üblich sind. FCC-Anlagen weisen darüber hinaus weitere Beschränkungen auf. Die Kohlenwasserstoff-Einsatzstoffe werden bei einem bestimmten Druck zugeführt, der in der Regel 50 - 200 psi Überdruck (446 - 1480 kPa) beträgt. Da diese Ströme sehr groß sind und wegen der Kosten der zur Verdichtung des Einsatzstoffs benötigten Energie sowie Anlagenbeschränkungen, die häufig einen einfachen Einbau von Hochdruckpumpen verhindern, ist es wichtig, über eine Düse zu verfügen, die bei niedrigen Öldrücken gut arbeitet.
Mittel- oder Hochdruckdampf ist in der Regel leicht verfügbar und stellt ein bevorzugtes Zerstäubungsmedium dar, jedoch will man dessen Verwendung in der Regel auf ein Mindestmaß beschränken. Mittel- oder Hochdruckdampf stellt in einer Raffinerie ein Wertprodukt dar, dessen Verwendung einen großen Teil des FCC-Risers und der nachgeschalteten Verarbeitungeinrichtungen mit inertem Material füllt. Weitere Argumente gegen die Verwendung von zu viel Dampf oder eine zu hohe Austrittsgeschwindigkeit aus der Duse sind der Katalysatorabrieb und die Riser-Erosion.
Eine weitere Beschränkung besteht darin, daß das aus der Düse austretende Material mit möglichst viel an der Düse vorbeiströmendem Katalysator in Berührung kommen sollte, ohne daß der Katalysator in einen Seitenteil des Risers getragen wird.
Es ist auch vorteilhaft, wenn die verwendeten Düsen, unabhängig davon, ob sie vertikal oder seitlich angebracht sind, verhältnismäßig klein sind, so daß der Strom von heißem Katalysator nach oben nicht gestört wird.
Nach einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Zerstäubungsdüse bereitgestellt, enthaltend:
einen am Anfang angeordneten Zerstäubungsabschnitt, in dem Zerstäubungsgas in von außen nach innen gerichtetem Radialstrom einem flüssigen Kohlenwasserstoff enthaltenden fließenden Strom zugeführt wird, wodurch der flüssige Einsatzstrom teilweise zerstäubt wird und ein teilzerstäubter Strahl mit einem Durchmesser und einer Querschnittsfläche sowie einem weniger zerstäubten Kernbereich und einem mehr zerstäubten Randbereich entsteht;
einen an den am Anfang angeordneten Zerstäubungsabschnitt angrenzenden und stromabwärts gelegenen Aufprallbereich mit einem Durchmesser, der nicht größer als 150% und bevorzugt nicht größer als 100% des Durchmessers des am Anfang angeordneten Zerstäubungsabschnitts ist;
einen um den Aufprallbereich angeordneten ringförmigen Ausdehnungsbereich mit einer Querschnittsfläche, die mindestens so groß wie der teilzerstäubte Strahl ist und mit einem Düsenlauf mit einer Querschnittsfläche, die mindestens 1,5mal so groß wie die Querschnittsfläche des teilzerstäubten Strahls ist, verbunden ist; und
einen Düsenausgang mit einer Querschnittsfläche, die kleiner als die Querschnittsfläche des Düsenlaufs an einem Ende des Düsenlaufs ist.
Vorzugsweise besteht der am Anfang angeordnete zerstäubungsabschnitt aus einem Speiserohr mit einem mit einer Quelle des flüssigen Einsatzstoffs verbundenen stromaufwärts gelegenen Ende, einem stromabwärts gelegenen Ende mit einem unversperrten oder offenen Auslaß und mehreren durch das Speiserohr gebohrten, radial um das Rohr verteilten und innerhalb eines Speiserohr-Durchmessers vom Auslaß gelegenen Zerstäubungsgas-Einspritzlöchern und einem Zerstäubungsgas-Verteilungsabschnitt mit einem Einlaß für Zerstäubungsgas und einem die mehreren Zerstäubungsgas-Einspritzlöcher umfassenden Auslaß.
Zweckmäßig besteht der Aufprallabschnitt aus einem zylindrischen Kolben mit einem stromaufwärts gelegenen Ende und einem mit dem am Anfang angeordneten Zerstäubungsabschnitt axial in einer Linie angeordneten stromabwärts gelegenen Ende. Das stromaufwärts gelegene Ende des Kolbens weist bevorzugt einen kegelförmigen Endteil mit einem Winkel von höchstens 20º auf.
Der Kolben kann an seinem stromabwärts gelegenen Ende befestigt sein, und vorzugsweise ist die Halterung X- oder kreuzförmig, weist senkrecht zum Fluidstrom eine Querschnittsfläche von 40 bis 60% der unmittelbar stromaufwärts des Trägers für Fluidstrom zur Verfügung stehenden Fläche auf und zerteilt durch sie strömendes Fluid in mehrere Ströme. Die stromabwärts gelegene Halterung für den zylindrischen Kolben ist zur Zerteilung des durch sie strömenden Fluids in vier tortenstückförmige Ströme ausgelegt. Der Auslaß des ringförmigen Ausdehnungsabschnitts kann die stromabwärts gelegene Halterung für den zylindrischen Kolben enthalten.
Der ringförmige Ausdehnungsabschnitt ist zweckmäßig mit dem Düsenlauf axial in einer Linie angeordnet und weist einen an den Düsenlauf angrenzenden Auslaß auf. Der ringförmige Ausdehnungsabschnitt enthält bevorzugt einen kegelstumpfförmigen Abschnitt mit einem an den Zerstäubungsabschnitt angrenzenden Einlaß, und der Düsenlauf ist bevorzugt zylindrisch.
Der Düsenausgang kann eine Kuppel oder eine 180º umspannende halbkreisförmige Abdeckung mit einem rechteckigen Schlitz enthalten. Bevorzugt ist der Schlitz zu weniger als 180º offen und erzeugt einen Sprühwinkel von 35 bis 120º, besonders bevorzugt 40 bis 90º.
Der um den Aufprallbereich angeordnete ringförmige Ausdehnungsabschnitt weist eine Querschnittsfläche auf, die mindestens so groß wie die Querschnittsfläche des teilzerstäubten Strahls ist, und der Ausdehnungsbereich ist mit einem Düsenlauf mit einer Querschnittsfläche, die mindestens zweimal so groß wie die Querschnittsfläche des teilzerstäubten Strahls ist, verbunden.
Bei einer Konstruktion enthält der Düsenausgang einen Schlitz oder eine Scharte, der bzw. die zur Entwicklung eines flachen, fächerförmigen Sprays ausgelegt ist, weist der Düsenlauf eine Länge und einen Durchmesser auf, und das Verhältnis von Länge zu Durchmesser liegt im Bereich von 3:1 bis 15:1, bevorzugt von 3:1 bis 6:1 und besonders bevorzugt 4:1. Idealerweise stellt der Düsenausgang einen einzelnen rechteckigen schartenförmigen Auslaß dar.
Der Düsenlauf im ringförmigen Ausdehnungsabschnitt weist bevorzugt eine Querschnittsfläche auf, die 1,5- bis 6mal so groß wie die Querschnittsfläche des teilzerstäubten Strahls ist. Besonders bevorzugt weist der Düsenlauf eine Querschnittsfläche auf, die viermal so groß wie die Querschnittsfläche des teilzerstäubten Strahls ist.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zum katalytischen Cracken in der Wirbelschicht bereitgestellt, bei dem man einen schweren Einsatzstoff in einem Riser-Crackreaktor katalytisch crackt, wobei man Crackprodukte und verbrauchten Katalysator erhält, den verbrauchten Katalysator in einem Abstreifer abstreift und in einem Katalysator-Regenerator regeneriert, wobei man heißen regenerierten Katalysator erhält, den man in den Riser-Reaktor zurückführt, wobei man zur Einspritzung von Einsatzstoff in einen Bodenteil des Riser-Reaktors mindestens eine mehrstufige Einsatzstoff-Zerstäuberdüse verwendet. Vorzugsweise verwendet man mehrere Düsen.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zum Zusatz eines normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoff-Einsatzstoffs zu einer Dampf- Flüssigkeits-Fraktioniereinrichtung bereitgestellt, bei dem man den flüssigen Einsatzstoff und den Zerstäubungsdampf mit der obenbeschriebenen Düse einem Gasphasenbereich der Fraktioniereinrichtung zuführt.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird ein Hydrokonversionsverfahren zur katalytischen Hydrokonversion eines normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoffstroms durch Zufuhr von wasserstoffhaltigem Gas und flüssigem Kohlenwasserstoff zu einem Dampffüllbereich über einem Katalysator-Festbett und Abwärtsleiten der Flüssigkeit und des Wasserstoffs unter Bedingungen w der katalytischen Hydrokonversion durch das Katalysatorfestbett zur Herstellung eines hydrokonvertierten Produkts bereitgestellt, bei dem man dem Dampf füllbereich über dem Festbett-Einsatzstoff den normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoff-Einsatzstoff und zumindest einen Teil des wasserstoffhaltigen Gases mit der obenbeschriebenen Düse zuführt.
Mit der erfindungsgemäßen Düse, in der einige verschiedene Tröpfchenbildungsmechanismen vereinigt werden, erzielt man mit verhältnismäßig wenig Zerstäubungsfluid eine wirksame Zerstäubung, wobei keine übermäßigen Ölspeisedrücke erforderlich sind die Wand des Reiserreaktors. Die Düse weist keine Flüssigkeitsschlageigenschaften auf und kann entweder vertikal oder schräg angebracht werden, wodurch sie in Riserreaktoren mit seitlich angebrachten Düsen verwendet werden kann. Die Bauweise ist sowohl widerstandsfähig als auch kompakt, und der Katalysator strömt leicht darum herum.
Nun wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen zeigen:
Figur 1 und Figur 2 (Stand der Technik) verschiedene Ansichten eines Auslasses einer Düse mit einer 180º umspannenden Abdeckung mit Schlitzen;
Figur 3 und 4 Ansichten eines verkürzten Schlitzdüsenauslasses;
Figur 5 eine Querschnittsansicht einer bevorzugten erfindungsgemäßen Düse mit einem am Anfang angeordneten Zerstäubungsbereich, einem Kolben und Prallblech mit geringem Druckverlust (das auch als Ausdehnungsbereich dient) und einem verkürzten Schlitzdüsenauslaß;
Figur 6 und 7 verschiedene Ansichten des Kolbens und Prallblechs mit geringem Druckverlust;
Figur 8 eine Querschnittsansicht des am Anfang angeordneten Zerstäubungsbereichs;
Figur 9 eine Querschnittsansicht eines FCC- Riserreaktors mit mehreren Zuführdüsen und
Figur 10 eine Querschnittsansicht des Ausdehnungskolbens mit bevorzugten Verankerungen.
Der Stand der Technik bezüglich FCC-Zuführdüsen - oder zumindest Zuführdüsenauslässen ist in den Figuren 1 und 2 wiedergegeben. Aus dem Ende einer Düse 80' wird mit einem Schlitz oder einer Scharte 85' flüssiger Einsatzstoff in FCC-Riser gesprüht. Bei dem Einsatzstrom für die Düse 80' handelt es sich um ein zerstäubtes Gemisch aus Dampf oder einem anderen Zerstäubungsfluid ünd flüssigem Kohlenwasserstoff-Einsatzstoff, in der Regel mit einer geringen Menge verdampftem Kohlenwasserstoff-Einsatzstoff. Bei der Schlitzöffnung 85' handelt es sich in der Regel um einen aus der Düse 80' herausgeschnittenen oder herausgeschliffenen Teil. Die Schlitzöffnung hat in der Regel eine 180º-Öffnung und eine Breite bzw. einen offenen Teil, der 15 - 50% des Durchmessers des Rohrs oder der Endabdeckung 80', das bzw. die die Schlitzöffnung enthält, entspricht.
Bei diesen mit Öffnungen versehenen Düsen oder den in dem obengenannten Bericht im Oil and Gas Journal gezeigten Düsen werden Öl und Dampf in ein Rohr eingespritzt, das mit einer verjüngten Öffnung abschließt. Die Zerstäubung oder Dispergierung des Öls durch die Düse erfolgt dadurch, daß dem Öl und dem Zerstäubungsdampf eine hohe Geschwindigkeit verliehen wird. Dabei erhält man jedoch insbesondere mit schweren, schwer zu verdampfenden Einsatzstoffen schlechte Ergebnisse. Diese Düsen waren zwar bei der Verarbeitung von leicht destillierbaren Einsatzstoffen, wie z.B. Gasölen, zufriedenstellend, jedoch werden ihre Nachteile bei Einsatzstoffen mit mehr als etwa 5 Gew.-% nicht destillierbarem Material offensichtlich. Dabei besteht das Problem darin, daß ein großer Teil des flüssigen Einsatzstoffs nur schlecht zerstäubt wird. Die großen Flüssigkeitstropfen können zur Verdampfung lange brauchen oder überhaupt nicht verdampfen und Koks bilden. In einigen Anlagen wird der Einsatzstoff sogar so lange nicht verdampft, bis der Katalysator beträchtlich desaktiviert ist.
Bei dem erfindungsgemäßen FCC-Verfahren und der erfindungsgemäßen Düse werden mehrere Mechanismen zur Bildung feinzerstäubter Schweröltröpfchen angewendet. Es folgt nun eine Übersicht über die drei Zerstäubungsstufen oder -mechanismen einer bevorzugten Düse, wobei hauptsächlich auf Figur 5 und beiläufig auch auf andere Figuren Bezug genommen wird.
Die Düse weist in aller Kürze einen am Anfang angeordneten Zerstäubungsbereich, einen Aufprall- und Ausdehnungsbereich mit geringem Druckverlust und eine Öffnungsspitze auf.
Das Schweröl bzw. der schwere flüssige Einsatzstoff wird über Einlaß 20 der Zerstäubungskammer 22 der Düse 10 zugeführt. Die Flanschanordnung 45 paßt zu Flansch 47 und Düsenschild 82, der in den FCC-Riserreaktor hineinragt.
Das Öl gelangt in der Regel als Flüssigphase zum Einlaß 20 und wird beim Durchströmen der Kammer 22 durch Quereinspeitzung von Dampf in die strömende Flüssigkeit in beträchtlichem Ausmaß verdampft. Dampf wird über Zerstäubungsfluid-Einlaß 30 zugeführt. Die Flansche 35 und 25 um die Einlässe 20 bzw. 30 gestatten den Feldanschluß von Dampf- und Ölleitungen.
Der Dampf tritt in den Ringraum 32 zwischen den Wänden 34 der Zerstäubungskammer 22 und den Wänden 31 der Düse 10 ein und geht durch mehrere Löcher 33, die bevorzugt in rechtem Winkel durch die Rohrwand 34 gebohrt sind, hindurch.
Beim Durchgang vom Einlaß 20 zum Auslaß 36 des am Anfang angeordneten Zerstäubungsbereichs wird der Schweröl-Einsatzstoff kräftig vermischt und in beträchtlichem Ausmaß verdampft. Die Flüssigkeit strömt somit axial und das Gas radial aus dem den Bereich 22 umgebenden Ringbereich 32.
Fig. 8, bei der es sich um einen Abschnitt des Bereichs 22 in der Nähe des Auslaßendes handelt, zeigt, wie Dampf vom ringförmigen Dampfdurchgangsweg 32 durch Löcher 33 im Rohr 34 in den Bereich 22 eintreten und durch diesen strömenden flussigen Einsatzstoff zerstäuben kann. Bevorzugt sind zwei Reihen von jeweils acht Löchern.
Figur 5 zeigt die bevorzugte Anordnung von Dampflöchern 33 innerhalb von einem oder zwei Rohrdurchmessern stromaufwärts des Auslasses 36 dieses Abschnitts. Vorzugsweise befinden sich die Dampflöcher innerhalb von 0,5 Zoll (1,3 cm) des Auslasses 36. Die Damfeinspritzlöcher 33 können gegebenenfalls stromaufwärts verschoben oder durch zusätzliche Dampfeinspritzeinrichtungen wie z.B. Schlitze, Rohre oder geringe Mengen von dem Schweröl-Einsatzstoff zugesetzten Dampf ersetzt werden.
Das aus Auslaß 36 austretende zerstäubte zweiphasige Gemisch wird in einen Aufprall- und Ausdehnungsbereich mit geringem Druckverlust geleitet.
Im ersten Schritt wird das Öl/Dampf-Gemisch direkt auf den Prallkolben 50 geleitet, der bevorzugt eine Querschnittsfläche aufweist, die nicht größer als die der Zerstäubungskammer 22 ist. Idealerweise hat der Prallkolben 50 eine Querschnittsfläche, die etwa 30 bis 60% der Querschnittsfläche des Rohrs 34 entspricht. Handelt es sich bei dem Rohr 34 um ein 1,5 Zoll (3,8 cm) großes Rohr des Typs Schedule 80, so beträgt die optimale Querschnittsfläche des Kolbens 50 etwa 1 Zoll (2,5 cm). Diese Größe reicht für den Aufprall auf.
Der Kolben 50 sollte sich in einem Ausdehnungsbereich mit geringem Druckverlust befinden, was die wirksame Ausdehnung des zerstäubten Öls und Dampf 5 durch diesen Teil der Düse gestattet. Durch die Verwendung eines umgedrehten kegelstumpfförmigen Abschnitts 60 mit einem I.D., der in etwa dem I.D. des Auslasses des Bereichs 22 in Rohr 34 entspricht, und einem Winkel von 5 bis 30º von der Zentrallinie, bevorzugt 10 bis 25º und ganz besonders bevorzugt 15º, werden ausdehnungsbedingte Druckverluste minimiert. Komplexere Geometrien, wie z.B. die in Ventun-Metern oder Vergasern verwendeten, kommen auch in Betracht, sind jedoch schwieriger zu fertigen und teurer. Der Stift 50 kann gegenuber dem Auslaß 36 des am Anfang angeordneten Zerstäubungsbereichs in Richtung des Flüssigkeitsstroms etwas versetzt oder zurückversetzt sein, und zwar um 0,5 Zoll (1,3 cm) oder mehr des Durchmessers des Auslasses 36.
Der Winkel des umgekehrt kegelförmigen Abschnitts 60 und das Ausmaß der Rückversetzung des Prallkolbens so w vom Auslaß 36 sollte dazu ausreichen, eine für den Fluidstrom um den Kolben 50 herum zur Verfügung stehende Querschnittsfläche zu liefern, die mindestens so groß ist wie die für den Fluidstrom im Rohr 34 zur Verfügung stehende Querschnittsfläche. Die minimale offene Fläche des Rohrs um den Kolben herum beträgt vorzugsweise mindestens 130% oder mehr der Querschnittsfläche des Rohrs 34. Es wird angenommen, daß der Abstand, der etwa das 1,4fache der offenen Fläche des Speiserohrs 34 liefert, am besten ist.
Figur 7 zeigt einen Querschnitt eines bevorzugten Prallkolbens 50. Der Kolben 50 dient hauptsächlich als Aufprallhindernis, auf das das zerstäubte Gemisch aus Öl und Dampf auftrifft und weitere Zerstäubung stattfindet.
Das Endstück des Kolbens ist bevorzugt auf einen kleinen Winkel zugeschnitten, der im Bereich von 2 bis 3º oder vielleicht sogar bis zu 15 oder 20º und idealerweise bei etwa 10º liegt. Dieser kleine Winkel gestattet einen wuchtigen Aufprall der Flüssigkeit und des Zerstäubungsfluids auf den Kolben und eine gute Zerstäubung, wobei gleichzeitig der Strom gleichmäßig um den Kolben herum und in den neben dem und nach dem Endstück des Kolbens 50 angeordneten Ausdehnungsbereich geleitet wird. Durch den Kolben wird das zerstäubte Gemisch von der Rohrmitte weg in den Ausdehnungsbereich geleitet.
Der Ausdehnungsabschnitt sollte einen Auslaßdurchmesser aufweisen, der in etwa dem der lichten Weite des zum Düsenauslaß führenden Rohrs entspricht. Der Ausdehnungsabschnitt schließt bevorzugt mit einem Prallblechabschnitt 65 ab. Das Prallblech ist bevorzugt ungefähr kreuz- oder X-förmig und definiert vier tortenstückförmige Öffnungen, durch die der zerstäubte Einsatzstoff hindurchgeht. Diese Prallbleche, die als Innenansicht in Figur 6 gezeigt sind, haben bevorzugt eine Speichenbreite, die 15 bis 35%, idealerweise 20 bis 30%, des Durchmessers des Auslasses des Ausdehnungsabschnitts entspricht. Die gezeigte Bauweise mit einer Prallplatte mit einer Dicke von 0,5 Zoll (1,3 cm) und einer Speichenbreite von jeweils 0,69 Zoll (1,8 cm) ist zur Verwendung in einem 3 Zoll (7,6 cm) großen Rohr bevorzugt.
Diese Prallblechausführung liefert ein gutes Verfahren zur Verteilung von Tröpfchen über den Querschnitt des Düsenlaufs und genügend Metall oder anderes Material, um den Prallkolben 50 zu unterstützen. Alternativ dazu kann man eine massive Platte mit 2, 3, 4 oder mehr Durchbohrungen verwenden. Der Einsatz. einer massiven Platte mit 4 Durchbohrungen verhält sich hydraulisch ähnlich wie das durch die gestrichelten Linien in Figur 6 gezeigte "X"-Prallblech.
Unabhängig von der genauen Form oder Konstruktion des Prallblechs 65 ist es wichtig, über eine ausreichend große offene Fläche zu verfügen, damit sich über das Prallblech nur ein mäßiger Druckverlust ergibt. In der Regel reicht die Bereitstellung einer offenen Fläche von mindestens 25% der Querschnittsfläche des Auslasses des Ausdehnungsabschnitts aus.
Fig. 10 zeigt einen bevorzugten Weg zur Herstellung der Kolben- und Prallblech-Anordnung, die auf dem Bolzen 67 beruht, durch den die Anordnung in der Düse an der richtigen Stelle angebracht wird. Die Herstellung im Feld wird stark vereinfacht, da die Einheit nicht andersherum installiert werden kann. Bei einer derartigen Bauweise ist auch der Ersatz im Feld einfach.
Die Prallbleche 65 fördern die weitere Vermischung von Dampf und Öl und gewährleisten, daß der Düsenbereich nach dem Ausdehnungsabschnitt und vor dem Düsenauslaß, d.h. die lichte Weite des Düsenauslasses, mit einem zerstäubten Gemisch mit einheitlicher Tröpfchengröße und Spraykonzentration beladen wird. Dazu kann man am oder unmittelbar vor oder nach dem Auslaß des Ausdehnungsabschnitts Spiralmischer, Drallbleche oder Prallblechabschnitte varuerender Geometrie einbauen, was aber nicht unbedingt die gleichen Ergebnisse ergibt.
Mit dem Einsatz eines Kolbens oder eines Kolbens und eines Prallblechs ist ein geringer Druckverlust verbunden, der jedoch vom System wirksam zur Zerstäubung des Gemischs genutzt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann man zum Ausstoß des zerstäubten Gemischs in den Riserreaktor herkömmliche Öffnungstechnologie verwenden. Solche Öffnungen arbeiten im allgemeinen am besten, wenn die Querschnittsfläche der Öffnung wesentlich kleiner ist als die Querschnittsfläche des unmittelbar vor der Öffnung befindlichen Mundstücks oder Zylinders. Man kann die Mundstück/Schlitz-Flächen stark variieren, jedoch ergibt ein Verhältnis von 3,8:1 gute Ergebnisse.
Die Öffnung kann in oder unmittelbar nach der Öffnungsspitze zusätzliche Zerstäubungseinrichtungen aufweisen, wie z.B. eine Spiralduse, jedoch sind diese im allgemeinen nicht erforderlich und vergrößern den Druckverlust, die Komplexität und die Versagensrate ungebührlich.
Eine Schlitzöffnung in Form einer Scharte oder eines Schlitzes 85 ist in Fig. 6 gezeigt. Sie bildet ein flaches, fächerförmiges Spray mit einem Winkel unter 180º. Dies ist für den FCC-Einsatz mit seitlich oder peripher angebrachten Düsen bevorzugt. Sind die Düsen vertikal angebracht, so ist ein runder Öffnungsauslaß bevorzugt.
Die Öffnung kann gegebenenfalls mit unmittelbar vor, in oder nach der Öffnung angeordneten Keil- oder Ablenkeinrichtungen oder Blöcken betrieben werden. Dadurch wird der Druckverlust durch die Düse vergrößert, aber die erhöhte Zerstäubungswirksamkeit rechtfertigt in der Regel den erhöhten Druckverlust nicht. Drallbleche scheinen die Leistungsfähigkeit zu verringern. Somit ist es bevorzugt, mit einem Öffnungsauslaß zu arbeiten, der im wesentlichen aus einer Öffnung, bevorzugt einer geschlitzten Öffnung, die ein fächerförmiges Spray ergibt, besteht.
Die geschlitzte Öffnung ist für seitlich angebrachte Düsen bevorzugt, da Versuche gezeigt haben, daß durch eine derartige Form das zerstäubte Gemisch wirksam im Riserreaktor verteilt wird. Zwar kann man eine an sich bekannte Schlitzöffnung, wie sie z.B. in Fig. 1 oder 2 gezeigt ist, verwenden, jedoch ist die Verwendung eines Schlitzes, der von der Tangente der Abdeckung weg verkürzt ist, wie es in Fig. 3 oder 4 gezeigt ist, bevorzugt. Die Schlitzöffnung in Fig. 3 und 4 ergibt einen Sprühwinkel von etwa 70-80º, was einen für FCC besseren Sprühwinkel darstellt als der mit einer bis zur Kugelschalentangente abgeschnittenen Schlitzöffnung erhaltene Sprühwinkel.
Durch Verwendung eines derartigen verringerten Sprühwinkels kann man die geschlitzte Öffnung ziemlich nah an den Wänden des Riserreaktors anordnen, ohne daß die Riserwand erodiert wird. Alternativ dazu kann man die Düsenanordnung weiter in den Riserreaktor hineinschieben, wobei der vergrößerte Abstand von der Riserwand einen gewissen Wanderosionsschutz liefert.
Fig. 9 zeigt einen guten Weg zur Anordnung von FCC-Zuführdüsen 10 am Boden eines FCC-Riserreaktors 1.
Die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Einsatzstoff-Mischdüse wurde mit einigen herkömmlichen Bauweisen einschließlich einer Düse mit Öffnungsspitze und einer Düse mit Öffnungsspitze und Spiralauslaß verglichen.
Die Versuche wurden nach einem Standardprüfverfahren, das sich zur Vorhersage der Düsenleistungsfähigkeit in FCC-Anlagen als geeignet erwiesen hatte, mit Luft-Wasser-Gemischen durchgeführt. Zwar werden in FCC- Anlagen niemals Wasser-Luft-Gemische eingespritzt, jedoch ähneln die Strömungseigenschaften dieser Wasser-Luft- Gemische zufälligerweise denen der in FCC-Anlagen verwendeten Dampf-Schweröl-Gemische.
Die Versuche wurden in zwei Stufen durchgeführt, nämlich einer Vorauswahlprüfung mit anschließenden strengeren Prüfungen.
Die Vorauswahlprüfungen wurden mit Düsenauslaßgeschwindigkeiten von 225 und 300 Fuß/s (69 und 91 m/s) und mit Dispergierungsluftraten von 1,9 und 4,8 Gew.-% durchgeführt, was vier Kombinationen ergab. Die Beobachtungen wurden qualitativ vorgenommen, wobei zur klareren Aufnahme von Strömungsbildern und Tröpfchengrößen eine Videokamera mit hohem Verschlußzeitvermögen verwendet wurde. Prüfungen wurden zur Simulierung der Orientierung je von Düsen in vielen kommerziellen FCC-Anlagen mit seitlich angebrachten Düsen mit in einem Winkel von 30º bezüglich der Horizontale angebrachten Düsen durchgeführt. Luft wurde mit Hilfe eines fahrbaren Verdichters mit 100 psi Überdruck (791 kPa) zugeführt. Wurden hohe Flüssigkeitsströmungsraten oder -drücke benötigt, so wurden Zentrifugalpumpen eingesetzt, wobei die Strömungsraten mit einem Turbinen- oder Öffnungsströmungsmesser bestimmt wurden. Das Prüfungsverfahren ist nicht kritisch, da für alle Düsen das gleiche Prüfverfahren verwendet wurde.
Kommerzielle Standarddüse - Eine derzeit kommerziell in FCC-Anlagen eingesetzte Düse besteht aus einem 3 Zoll (7,6 cm) großen Stück eines Rohrs des Typs Schedule 40 mit einem Öleinlaß (Wassereinlaß) und Dampfeinlaß (Lufteinlaß) in einem "Y"-förmigen Einlaß, so daß das Zerstäubungsfluid schräg und in Strömungsrichtung zugesetzt wurde. Die beiden Fluide strömen etwa 3 Fuß (0,91 m) lang zusammen und treten dann durch eine Abdeckung mit einem halbkreisförmigen, rechteckigen Schlitz ähnlich dem in Fig.1 gezeigten aus. Sowohl Zerstäubung als auch Tröpfchenverteilung waren schlecht. Im Zentrum und in den Randbereichen des fächerförmigen, flachen Sprays verblieben große Tröpfchen, wobei der größte Teil der Luft zwischen diesen Bereichen großer Tröpfchen hindurchströmte. Luft- und Wasserdruckverluste waren verhältnismäßig gering. Für diese und die meisten anderen Düsen wurde das Spray in den Prüfungsfällen mit höheren Auslaßgeschwindigkeiten einheitlicher und feiner. Im zweiphasigen Bereich der 3 Zoll (7,6 cm) großen Kanone wurde bei den höheren Strömungsraten Flüssigkeitsschlagen festgestellt.
Spiraldüse - Geprüft wurde auch eine handelsübliche Spiraldüse. Diese wurde auf der 3 Zoll (7,6 cm) großen Kanone angebracht, wobei Wasser und Luft vorher vorgemischt wurden. Diese Düse arbeitet durch Abschneiden von Schichten der inneren zylindrischen Strömung mit einer spiralförmigen Schnittebene. Diese Düse arbeitete beim 30º-Prüfwinkel schlecht, da am Boden größere Tröpfchen überwogen und sich an der Spitze feinere Tröpfchen befanden. Die Verteilung verbesserte sich zwar mit steigender Wasserströmungsrate erheblich, jedoch wurden auch die Tröpfchen größer. Diese Düse wäre bei nahezu vertikaler Anbringung am wirksamsten. Die Luft- und Wasserdruckverluste waren gering bis mäßig. Das Spray enthielt Lücken innerhalb des Stroms, da das Wasser überwiegend in der Spiralschicht verblieb. Der Sprühwinkel war auch mäßig und betrug etwa 65º.
Lechler Supersonic - Diese Düse hat einen sich verjüngenden Abschnitt mit 16 Luftstrahlen, die aus 3/16 Zoll (0,48 cm) großen Öffnungen austreten, die an vier Umfangsreihen entlang angeordnet sind, und die senkrecht auf einen zylindrischen Wasserkern aufprallen. Daran anschließend weist die Düse einen sich erweiternden Abschnitt auf. Diese Düse ergab um die Außenkante des Sprays herum gute Zerstäubung, jedoch verblieben im Zentrum sehr große Tröpfchen. Die Ursache hierfür liegt mutmaßlich in der wegen der geringen Strahlgeschwindigkeiten schlechten Penetration des Wassers durch den Luftstrahl. Die Luftstrahlen verursachten einen Staudruckeffekt, der zu unter Standardbedingungen hohen Flüssigkeitsdruckverlusten von 22-45 psi (152-310 kPa) führte. Die Flüssigkeitsdruckverluste änderten sich drastisch mit den Luftströmungsraten. Die Luftdruckverluste waren gering und betrugen 17-28 psi (117-193 kPa). Der von der Düse erzeugte Sprühwinkel war sehr eng.
SnowJet - Bei dieser Düse von Spraying Systems Co. werden Luft und Wasser durch recht kleine, auf einen Aufprallzylinder gerichtete Öffnungen einer Mischkammer zugeführt. Ein 2,5 Fuß (0,76 m) großes Mundstück mit halbkreisformigem Schlitz wurde von uns am Ende hinzugefügt, um ein den Anforderungen an kommerzielle FCC-Anlagen entsprechendes Sprühbild und eine entsprechende Auslaß geschwindigkeit zu erzeugen. Diese Bauweise lieferte gute Zerstäubung und Tröpfchenverteilung, jedoch auf Kosten eines sehr hohen Flüssigkeitsdruckverlusts. Bei niedrigen Strömungsraten begannen an den Rändern des Sprays grobe Tröpfchen aufzutreten. Die Flüssigkeitsdruckverluste waren hoch und betrugen am Designpunkt 33 psi (228 kPa) bis 160 psi (1103 kPa), wohingegen die Luftdruckverluste 20-55 psi (138-379 kPa) betrugen. Geprüft wurden auch zwei weitere Abdeckungen, die kleiner waren und bei der Schneeherstellung verwendet werden. Sie besaßen kleinere Auslaßöffnungen, was den Druckverlust und die Auslaßgeschwindigkeit erhöhte, lieferten jedoch noch eine gute Zerstäubung. Diese kleinen Auslaßöffnungsdüsen besaßen ein zu kleines Sprühbild und eine zu hohe Auslaßgeschwindigkeit, als daß sie einen größeren praktischen Nutzen als FCC-Zuführdüsen haben könnten.
Modifikationen - An den Standardbauarten wurden einige Modifikationen vorgenommen, von denen einige die Leistungsfähigkeit verringerten oder zu unannehmbaren Anstiegen des Druckverlusts führten.
Die Hinzufügung von Drallblechen vor der oben besprochenen kommerziellen Standarddüse ergab ein stark verzerrtes "s"-förmiges Spray mit groben Tröpfchen an den Rändern.
Bei Verwendung eines Schlitzöffnungsauslasses auf einer handelsüblichen Düse mit internen Drallblechen wurden durch das Herumwirbeln große Wassertröpfchen an die Ränder getrieben, wohingegen die Luft durch die Mitte hindurchging.
Erfindung - Mit einer Düse mit drei Abschnitten oder Stufen - einem am Anfang angeordneten Zerstäubungsabschnitt, einem Ausdehnungsabschnitt mit einem Prallkolben mit geringem Druckverlust und einem Öffnungsauslaß - konnte gute Zerstäubung erhalten werden. Dabei arbeiten alle Teile der Düse zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses zusammen. In einigen Teilen der Düse kann man etwas herkömmliche Düsentechnologie verwenden, z.B. kann man einen am Anfang angeordneten Zerstäubungsabschnitt oder einen Öffnungsauslaß ähnlich einigen bereits bekannten Düsen verwenden, wobei sich die Leistungsfähigkeit etwas verschlechtert. Im folgenden werden jeder Abschnitt bzw. jede Stufe sowie ein Teil der für den Entwurf jedes Abschnitts durchgeführten Versuchsarbeiten ausführlicher beschrieben.
Die Zerstäubung des Einsatzstoffs ist eine wesentliche erste Stufe in der Düse. Der Zerstäubungsabschnitt hat gewisse Ähnlichkeit mit der Lechler-Supersonic-Düse, entspricht ihr aber nicht ganz. Dabei sind die folgenden Unterschiede festzustellen. Die eigene Bauart erfordert keinen sich allmählich verjüngenden Abschnitt, sondern man kann einfach ein Stück gerades Rohr verwenden. Anstelle des Zusatzes von Zerstäubungsdampf an vier Stellen (vier Ringe von Löchern) fügt man den Zerstäubungsdampf nur an zwei Stellen (zwei Ringe) zu. Die Luftlöcher wurden so bemessen, daß die auf der Gasseite verfügbaren Druckabfälle voll ausgenutzt werden.
Die Lechler-Supersonic-Düse und ähnliche Düsentypen arbeiten gut an den Rändern, haben jedoch ein Problem mit dem Kern, das heißt im Zentrum des Sprays verbleiben große Tröpfchen. Der Übergang zu höheren Gasraten verbessert zwar die Zerstäubung, kann jedoch zu einer drastischen Anderung des Flüssigkeitsdruckverlusts führen.
Durch die bevorzugte erfindungsgemäße Bauart, bei der zwei Reihen oder Ringe von Löchern verwendet werden, wird die gesamte im Zerstäubungsgas verfügbare Druckenergie hervorragend genutzt.
Die Einspritzung mindestens einer Stufe von Zerstäubungsdampf in einem Flüssigkeitsstrom über mehrere radial verteilte Öffnungen funktioniert gut. Die Minimalkonfiguration ist wahrscheinlich ein Ring aus vier Öffnungen, der innerhalb eines Rohrdurchmessers vom Auslaß dieses Abschnitts angeordnet ist, jedoch wird angenommen, daß die Verwendung von zwei Reihen mit jeweils acht Öffnungen optimal ist.
Der Ausdehnungsabschnitt mit einem Prallkolben mit geringem Druckverlust stellt einen wichtigen Teil der Erfindung dar. In seiner einfachsten Form besteht er nur aus einem einzigen Prallkolben mit einer Querschnittsfläche, gemessen in Stömungsrichtung, von 25 bis 150%, bevorzugt von 30 bis 60% und besonders bevorzugt von etwa 40 bis 55% des davorliegenden Abschnitts bzw. des Speiserohrs.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Prallkolben eine zugeschnittene oder zugeschliffene Oberfläche aufweist, die den Strom um den Prallkolben herum mit einem sehr flachen Schnitt von höchstens 20º und bevorzugt etwa 10º ablenkt. Der Kolben dient als Aufprallhindernis, auf das der Einsatzstoff auftrifft und weitere Zerstäubung stattfindet. Der flache Schnitt am Ende des Kolbens leitet den Strom gleichmäßig in eine Ringöffnung um den Kolben. Ein bevorzugter Prallkolben 50 mit geschliffenem Endstück ist in Fig. 7 dargestellt.
Die offene Fläche bzw. Ringfläche um den Kolben sollte mindestens so groß sein wie die offene Fläche des Speiserohrs. Für den geprüften zugeschnittenen Kolben liegt die optimale offene Fläche wohl bei etwa dem 1,4fachen der offenen Fläche des Speiserohrs. Die verhältnismäßig große offene Fläche und die Ablenkwirkung des Kolbenstifts sorgen für weitere Zerstäubung insbesondere der großen Tröpfchen, die unter Umständen in den Zentralströmungsbereichen des Speiserohrs verbleiben. Vorzugsweise ist der Ringbereich zumindest teilweise durch einen Ausdehnungsbereich, wie z.B. Bereich 60, definiert, in dem der I.D. der Düse vom verhältnismäßig engen Zerstäubungsbereich 22 in den viel größeren Bereich 62 vor dem Düsenauslaß übergeht.
Vorzugsweise hat der Ausdehnungsbereich vom Ölspeiserohr zum großen Düsenrohr einen Winkel von 50 bis 30º und ganz besonders bevorzugt von 100 bis 200 insgesamt, gemessen von der Zentrallinie. Durch diesen kleinen Winkel werden ausdehnungsbedingte Druckverluste minimiert, was die Nutzung des verfügbaren Drucks zur Zerstäubung des Einsatzstoffs gestattet, so daß der Druck nicht einfach durch einen Übergang durch eine plötzliche Aufweitung des Rohrs verlorengeht. Es ist anzunehmen, daß die in Fig. 5 gezeigten 15º optimal sind. Der Durckverlust kann durch den Einsatz von ausgefalleneren Formen, wie z.B. einem Venturi-Abschnitt, weiter verringert werden. Mit der bevorzugten Kolbenbauart ist ein so geringer Druckverlust verbunden, daß die höheren Kosten ausgefallener Formen die geringfügige Verringerung des Druckverlusts nicht aufwiegen.
Der Ausdehungsbereich schließt vorzugsweise mit einem Prallblech ab, das etwas zusätzliche Vermischung und einheitliche Verteilung der Tröpfchen im Bereich vor dem Düsenauslaß fördert. Bei dem bevorzugten Prallblech handelt es sich um eine kreuzförmige Einrichtung, durch die der Strom gleichmäßig auf vier große tortenstückförmige Öffnungen verteilt wird.
Die erfindungsgemäße Düse funktioniert wie viele an sich bekannte Düsenbauarten am besten mit einer Art Öffnungsauslaß. Zwar kann man alle an sich bekannten herkömmlichen Öffnungsauslässe verwenden (wie z.B. die im oben besprochenen Artikel im Oil & Gas Journal), jedoch arbeitet die Bauart am besten mit einer geschlitzten Abdeckung, wie z.B. der in den Figuren 3 und 4 gezeigten. Für vertikal angebrachte Düsen kann eine runde Öffnung verwendet werden, wohingegen für um den Umfang eines FCC- Risers herum angebrachte Düsen Schlitze, die ein verhältnismäßig breites fächerförmiges Spray erzeugen, eingesetzt werden können.
Zur Verwendung beim FCC sollte die offene Fläche des Schlitzes so bemessen sein, daß sie eine Auslaßgeschwindigkeit von 150 bis 450 Fuß/s (46 bis 137 m/s), bevorzugt 200 bis 350 Fuß/s (61 bis 107 m/s) und ganz besonders bevorzugt etwa 300 Fuß/s (91 m/s) liefert. Das ist eine mäßig hohe Auslaßgeschwindigkeit, die dem Düsenspray genügend Energie verleiht, damit es sich gut mit dem heißen Katalysator mischt, aber nicht so hoch ist, daß ein Katalysatorabrieb verursacht wird oder der Katalysator bis zur gegenüberliegenden Wand des Risers getragen wird und darauf aufprallt. Durch die Verwendung eines mit Scharten oder Schlitzen versehenen Auslasses, der ein flaches, fächerförmiges Spray erzeugt, wird die Bildung eines konzentrierten Ölstroms, der den Riser ganz durchqueren könnte, vermieden.
Bei der bevorzugten Düsenkonf iguration ergänzen sich die Funktionen aller Teile. In dem am Anfang angeordneten Zerstäubungsabschnitt wird der größte Teil des flüssigen Einsatzstoffs zerstäubt. Durch den Prallkolben wird das gut zerstäubte Öl nahe den Wänden des Zerstäubungsabschnitts kaum beeinflußt, jedoch ist er ideal angeordnet, um die geringe Menge größerer Tröpfchen, die in den am weitesten von der Wand entfernten Zentralbereichen des Zerstäubungsabschnitts verbleiben, zu zerstäuben. Die Mischintensität nimmt von der Wand des Zerstäubungsabschnitts aus radial nach innen ab, wohingegen für den Kolbenabschnitt, in der die Mischintensität im Zentrum am höchsten ist, das Umgekehrte gilt.
Beim Durchtritt der gut zerstäubten Mischung durch die vier tortenstückförmigen Öffnungen und beim zumindest teilweisen Aufspalten der Mischung beim Durchgang durch den schlitzförmigen Düsenauslaß, der bevorzugt um 45º gegenüber den tortenstückförmigen Öffnungen verdreht ist, findet weitere Mischung statt.
Bei Verwendung eines schartenförmigen Auslasses, der ein flaches, fächerformiges Spray erzeugt, gibt es eine starke Wechselwirkung zwischen dem Prallblech und der Öffnung, die sogar das Stück des Mundstücks oder des Düsenlaufs, das bzw. der die Öffnung festhält, involviert. Bei Verwendung eines Schlitzauslasses wird die Leistungsfähigkeit durch die unmittelbar hinter dem Prallkolben angeordneten Pralibleche wesentlich verbessert. Beim Erzwingen des Übergangs des zerstäubten Stroms von einer im allgemeinen kreisförmigen Verteilung (um den Prallstift herum) zu einem flachen fächerförmigen Spray scheint sich die Leistungsfähigkeit beträchtlich zu verschlechtern. Durch die Verwendung der Prallbleche und ein ausreichend langes Stück Düsenlauf vor der Schlitzöffnung, in dem sich die tortenstückförmigen Sprays vermischen können, erhält man eine gute Zerstäubung aufrecht. Die optimale Länge des Mundstücks oder des Rohrs zwischen der Schlitzöffnung und den Prallblechen beträgt etwa 4 Rohrdurchmesser, jedoch wurden auch mit größeren oder kleineren Längen annehmbare Ergebnisse erhalten.
Es wurde eine Reihe von qualitativen (Vorauswahlprüfungen) und quantitativen Prüfungen durchgeführt. Bei den Prüfungen wurde eine der in Fig. 5 dargestellten Düse sehr ähnliche Düse verwendet. Die grundlegende Düsenbauweise bestand aus einem Zerstäubungsabschnitt (hier wurden zwei Varianten geprüft), einem Prallkolben mit einem Prallblech mit tortenstückförmigen Öffnungen hinter dem Kolben und einem 3 Zoll (7,6 cm) langen Rohr mit einer Abdeckung mit einem horizontalen Schlitz am Ende.
Es wurden zwei Zerstäubungsabschnitte geprüft, einer mit acht 5/32 Zoll (0,4 cm) großen ringförmigen Luftöffnungen, die in einem Ausdehnungsbereich in einem Winkel von 45º auf einen Wasserkern auf trafen. Dies ist in den Figuren nicht gezeigt. Bei der zweiten und bevorzugten Bauart wurden sechzehn 1/8 Zoll (0,32 cm) große, vor dem Ausdehnungsbereich angeordnete ringförmige Luftöffnungen verwendet.
Die geprüften Düsen wurden zur Unterbringung der Analyseneinrichtungen vertikal nach unten orientiert. Zur Digitalisierung eines Schwarzweißbildes eines Teils des Sprays, der durch eine schmale Lücke in der Sichtlinie einer Videokamera hindurchgeht, wurde ein Tröpfchengrößen-Analysator verwendet. Bei den Versuchen betrug die Lückenlänge 13 mm. Die Tröpfchen wurden von hinten mit einem Stroboskop-Xenonlaser beleuchtet. Zur Gewährleistung statistischer Signifikanz wurden so viele Daten gesammelt, daß mindestens 10.000 Tröpfchen analysiert wurden. Zur Vermeidung des Einschlusses von fälschlicherweise großen Tropfen, die in der Regel auf Spritzen zurückzuführen sind, wurde jeder einzelne Tropfen, der zu mehr als 10% zum Volumen aller Tröpfchen beitrug, ausgeschlossen. Dies mußte jedoch nur selten geschehen, da die Wahrscheinlichkeit eines solchen Vorfalls durch die Zählung großer Zahlen von Tröpfchen bei jeder Prüfung verringert wurde. Die Tröpfchengrößen wurden als mittlere Tröpfchengröße nach Sauter berechnet, die definiert ist als der Durchmesser einer Kugel, die das gleiche Verhältnis von Volumen zu Oberfläche hat wie die gesamte Tröpfchenpopulation. Dann wurden für jede Prüfsene die relativen Tröpfchengrößen berechnet. Die Prüfungen erfolgten bei verschiedenen Düsenauslaßgeschwindigkeiten und mit variierenden Luftmengen.
Danach wurden weitere Prüfungen zur Bestimmung der Wirksamkeit des geschlitzten Öffnungsauslasses durchgeführt. Für alle Prüfungen wurde der gleiche Düsenkörper mit beiden Zerstäubungsabschnittstypen verwendet. Bei einer Prüf serie wurde kein Prallkolben bzw. keine Abdeckung verwendet. Dabei ergab sich ein verhältnismäßig enger Sprühwinkel von 20º - 30º. In der anderen Prüfsene wurde am Ende der Düse eine Abdeckung mit einem 0,8 x 2,9 Zoll (2 x 7,4 cm) großen Schlitz befestigt. Diese Prüfungen sind in zwei Gruppen in den Tabellen I und II wiedergegeben, wobei die erste für acht Luft in den Ausdehnungsbereich ausstoßende Öffnungen und die zweite für sechzehn Öffnungen gemäß Fig. 5 gilt.
Ein Vergleich der Tabellen I und II zeigt, daß die Düsenbauart mit sechzehn Öffnungen ein Spray mit wesentlich kleineren Tröpfchen ergibt als die Bauart mit acht Öffnungen. Bei der Bauweise mit sechzehn Löchern prallen die Dampfstrahlen senkrecht auf den Einsatzstoff auf, was für eine maximale Nutzung der verfügbaren Dampfströmungsrate und des verfügbaren Drucks sorgt.
Aus den in Tabelle I aufgeführten Werten läßt sich auch der Einfluß einiger Schlüsselvariablen ableiten. Für die Leistungsfähigkeit der Düse sind sowohl die Auswirkungen der Auslaßgeschwindigkeit als auch der prozentuale Gewichtsanteil an Dampf wesentlich. Mit steigender Auslaßgeschwindigkeit bei konstantem prozentualen Gewichtsanteil an Dampf verbessert sich die Zerstäubung. Dies trifft auch auf den prozentualen Gewichtsanteil an Dampf zu, da sich bei steigender Dampfmenge im Verhältnis zum Einsatzstoff (bei konstanter Auslaßgeschwindigkeit) die Zerstäubung verbessert. Bei einer Auslaßgeschwindigkeit von 300 bis 225 Fuß/s (91 bis 68 m/s) und einem prozentualen Gewichtsanteil an Dampf von 5 bis 2 Gew.-% verschlechtert sich die Leistungsfähigkeit der Düse allmählich, unterhalb dieser Werte aber schneller.
In Tabelle III wird der Einfluß des Kolben- und Prallblechstücks und der geschlitzten Abdeckung auf die Zerstäubungsleistungsfähigkeit der Düse untersucht. Sowohl die Tabelle für acht Dampföf fnungen als auch die Tabelle für sechzehn Dampföffnungen zeigen eindeutig, daß sich die Zerstäubung durch Einbau des Kolbens und Prallblechs und der geschlitzten Abdeckung verbessert. Beim Vergleich der beiden Düsen zeigt sich jedoch, daß die durch den Einbau dieser Stücke erzielte Verbesserung bei der Bauart mit acht Löchern viel größer ist. Das liegt daran, daß die von der Bauart mit sechzehn Löchern erzeugte anfängliche Zerstäubung am Aufprallpunkt sehr gut ist; für weitere Zerstäubung dahinter bleibt nicht viel Raum. Die Werte zeigen, daß die durch den Kolben und das Prallblech und die geschlitzte Abdeckung bewirkte Verbesserung für die Bauweise mit acht Löchern 30-53%, für die Bauart mit sechzehn Löchern aber nur 10-15% beträgt. Das bedeutet, daß die Zerstäubung des Einsatzstoffs mit sechzehn Löchern hervorragend funktioniert und daß der Kolben und die Abdeckung zwar eine gewisse zusätzliche Zerstäubung liefern, aber in erster Linie für die Verteilung und die Bildung des Sprühbilds verantwortlich sind.
Diese Prüfungen zeigen, daß die erfindungsgemäße Düse unter Verwendung einer Kombination aus anfänglicher Zerstäubung, Aufprall und Ausdehnung sehr gut funktioniert. Die Düse sollte bei Raffinerie- und petrochemischen Verfahren in vielfältiger Weise anwendbar sein und kein Flüssigkeitsschlagen aufweisen. Die nur feinen Löcher bei der bevorzugten Bauart dienen dazu, dem am Anfang angeordneten Zerstäubungsabschnitt unter hohem Druck stehenden Dampf zuzuführen. Die von Kohlenwasserstofföl (oder einem anderen flüssigen Einsatzstoff) benetzten Teile der Düse sind verhältnismäßig offen, d.h. die für den Strom um den Prallkolben 50 herum verfügbare Querschnittsfläche ist größer als die für den Fluidstrom in dem am Anfang angeordneten Zerstäubungsabschnitt 22 verfügbare Querschnittsfläche.
Bei Anwendung auf Hydrotreater führt der Einsatz einer derartigen Düse zu einer wesentlichen Verbesserung der Katalysatorverwendung und zur Minimierung der Kanalisierung von Einsatzstoff durch das Festbett des Hydrotreating-Katalysators.
Bei Anwendung auf Hydrocracker führt der Einsatz einer derartigen Düse zu einer wesentlichen Verbesserung der Wirksamkeit und Sicherheit des Verfahrens, da sie eine Flüssigkeitsfehlverteilung verhindert, die zu örtlich begrenzten Bereichen hoher Temperatur führen kann, die sich oft durch das Hydrocrackbett fortpflanzen und schlimmer werden. Die Düse kann zum Zusatz von flüssigem Einsatzstoff und/oder flüssigem Quencher zu Hydrocrackern verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Düse kann auch zum Zusatz von jeglicher weitgehend feststofffreier Dampf/Flüssigphase zu beliebigen Raffineneanlagenprozessen verwendet werden. Die Wirksamkeit von Füllkörpertürmen wird stark verbessert, wenn man den Einsatzstoff über eine Öffnungsspitzendüse mit Drallblechen zusetzt. Bei einer derartigen Anwendung reicht der im zweiphasigen Einsatzstoff vorhandene Dampf in der Regel zur Dispergierung der Flüssigkeit über die Füllkörperkolonne aus. TABELLE I Ausführliche Daten für die neuen Düsen NEUE DÜSENBAUART MIT 16 ÖFFNUNGEN TABELLE II ALTERNATIVE DÜSENBAUART MIT 8 ÖFFNUNGEN TABELLE III Ausführliche Daten für die neuen Düsen NEUE DÜSENBAUART

Claims

1. Verfahren zum katalytischen Cracken in der Wirbelschicht, bei dem man einen schweren Einsatzstoff in einem Riser-Crackreaktor katalytisch crackt, wobei man Crackprodukte und verbrauchten Katalysator erhält, den verbrauchten Katalysator in einem Abstreifer abstreift und in einem Katalysator-Regenerator regeneriert, wobei man heißen regenerierten Katalysator erhält, den man in den Riser-Reaktor zurückführt, wobei man zur Einspritzung von Einsatzstoff in einen Bodenteil des Riser-Reaktors mindestens eine mehrstufige Einsatzstoff-Zerstäuberdüse verwendet, welche enthält:

einen am Anfang angeordneten Zerstäubungsabschnitt, in dem Zerstäubungsgas in von außen nach innen gerichtetem Radialstrom einem flüssigen Kohlenwasserstoff enthaltenden fließenden Strom zugeführt wird, wodurch der flüssige Einsatzstrom teilweise zerstäubt wird und ein teilzerstäubter Strahl mit einem Durchmesser und einer Querschnittsfläche sowie einem weniger zerstäubten Kernbereich und einem mehr zerstäubten Randbereich entsteht;

einen an den am Anfang angeordneten Zerstäubungsabschnitt angrenzenden und stromabwärts gelegenen Aufprallbereich mit einem Durchmesser, der nicht größer als 150% des Durchmessers des am Anfang angeordneten Zerstäubungsabschnitts ist;

einen um den Aufprallbereich angeordneten ringförmigen Ausdehnungsbereich mit einer Querschnittsfläche, die mindestens so groß wie der teilzerstäubte Strahl ist und mit einem Düsenlauf mit einer Querschnittsfläche, die mindestens 1,5mal so groß wie die Querschnittsfläche des teilzerstäubten Strahls ist, verbunden ist; und einen Düsenausgang mit einer Querschnittsfläche, die kleiner als die Querschnittsfläche des Düsenlaufs an einem Ende des Düsenlaufs ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man mehrere der Düsen einsetzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Aufprallabschnitt mit dem am Anfang angeordneten Zerstäubungsabschnitt axial in einer Linie angeordnet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 31 wobei der am Anfang angeordnete Zerstäubungsabschnitt aus einem Speiserohr mit einem mit einer Quelle des flüssigen Einsatzstoffs verbundenen stromaufwärts gelegenen Ende, einem stromabwärts gelegenen Ende mit einem unversperrten oder offenen Auslaß und mehreren durch das Speiserohr gebohrten, radial um das Rohr verteilten und innerhalb eines Speiserohr-Durchmessers des Auslasses gelegenen Zerstäubungsgas-Einspritzlöchern und einem Zerstäubungsgas-Verteilungsabschnitt mit einem Einlaß für Zerstäubungsgas und einem die mehreren Zerstäubungsgas-Einspritzlöcher umfassenden Auslaß besteht.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aufprallabschnitt aus einem zylindrischen Kolben mit einem stromaufwärts gelegenen Ende und einem mit dem am Anfang angeordneten Zerstäubungsabschnitt axial in einer Linie angeordneten stromabwärts gelegenen Ende besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das stromaufwärts gelegene Ende des Kolbens einen kegelförmigen Endteil mit einem Winkel von höchstens 20º aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Kolben an seinem stromabwärts gelegenen Ende befestigt ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die stromabwärts gelegene Halterung X- oder kreuzformig ist, senkrecht zum Fluidstrom eine Querschnittsfläche von 40 bis 60% der unmittelbar stromaufwärts des Trägers für Fluidstrom zur Verfügung stehenden Fläche aufweist und durch sie strömendes Fluid in mehrere Ströme zerteilt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die stromabwärts gelegene Halterung für den zylindrischen Kolben zur Zerteilung des durch sie strömenden Fluids in vier tortenstückformige Ströme ausgelegt ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ringförmige Ausdehnungsabschnitt mit dem Düsenlauf axial in einer Linie angeordnet ist und einen an den Düsenlauf angrenzenden Auslaß aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Auslaß des ringförmigen Ausdehnungsabschnitts die stromabwärts gelegene Halterung für den zylindrischen Kolben enthält.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der ringförmige Ausdehnungsabschnitt einen kegelstumpfförmigen Abschnitt mit einem an den Zerstäubungsabschnitt angrenzenden Einlaß enthält.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Düsenlauf zylindrisch ist.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Düsenausgang eine Austrittsöffnung darstellt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Düsenausgang eine Kuppel oder eine 180º umspannende halbkreisförmige Abdeckung mit einem rechteckigen Schlitz enthält.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schlitz zu weniger als 180º offen ist und einen Sprühwinkel von 35 bis 120º, bevorzugt 40 bis 90º, erzeugt.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der um den Aufprallbereich angeordnete ringförmige Ausdehnungsabschnitt eine Querschnittsfläche aufweist, die mindestens so groß wie die Querschnittsfläche des teilzerstäubten Strahls ist, und der Ausdehnungsbereich mit einem Düsenlauf mit einer Querschnittsfläche, die mindestens zweimal so groß wie die Querschnittsfläche des teilzerstäubten Strahls ist, verbunden ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Düsenausgang einen Schlitz oder eine Scharte enthält, der bzw. die zur Entwicklung eines flachen, fächer förmigen Sprays ausgelegt ist, der Düsenlauf eine Länge und einen Durchmesser aufweist und das Verhältnis von Länge zu Durchmesser im Bereich von 3:1 bis 15:1 liegt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Düsenlauf ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von 3:1 bis 6:1, bevorzugt 4:1, aufweist.

20. Verfahren nach Anspruch 17, 18 oder 19, wobei der Düsenausgang einen einzelnen rechteckigen schartenförmigen Auslaß darstellt.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Düsenlauf im ringförmigen Ausdehnungsabschnitt eine Querschnittsfläche aufweist, die 1,5- bis 6mal so groß wie die Querschnittsfläche des teilzerstäubten Strahls ist.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Düsenlauf im ringförmigen Ausdehnungsabschnitt eine Querschnittsfläche aufweist, die viermal so groß wie die Querschnittsfläche des teilzerstäubten Strahls ist.

23. Zerstäuberdüse, enthaltend:

einem an den am Anfang angeordneten Zerstäubungsabschnitt angrenzenden und stromabwärts gelegenen Aufprallbereich mit einem Durchmesser, der nicht größer als 150% des Durchmessers des am Anfang angeordneten Zerstäubungsabschnitts ist;

einem um den Aufprallbereich angeordneten ringförmigen Ausdehnungsbereich mit einer Querschnittsfläche, die mindestens so groß wie der teilzerstäubte Strahl ist und mit einem Düsenlauf mit einer Querschnittsfläche, die mindestens 1,5mal so groß wie die Querschnittsfläche des teilzerstäubten Strahls ist, verbunden ist; und

einem Düsenausgang mit einer Querschnittsfläche, die kleiner als die Querschnittsfläche des Düsenlaufs an einem Ende des Düsenlaufs ist.

24. Düse nach Anspruch 23, wobei der Durchmesser der zylindrischen Düse mindestens doppelt so groß wie der Durchmesser des am Anfang angeordneten Zerstäubers ist.

25. Verfahren zum Zusatz eines normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoff-Einsatzstoffs zu einer Dampf- Flüssigkeits-Fraktioniereinrichtung, bei dem man den flüssigen Einsatzstoff und den Zerstäubungsdampf mit der Düse nach Anspruch 23 oder 24 einem Gasphasenbereich der Fraktioniereinrichtung zuführt.

26. Hydrokonversionsverfahren zur katalytischen Hydrokonversion eines normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoffstroms durch Zufuhr von wasserstoffhaltigem Gas und flüssigem Kohlenwasserstoff zu einem Dampffüllbereich über einem Katalysator-Festbett und Abwärtsleiten der Flüssigkeit und des Wasserstoffs unter Bedingungen der katalytischen Hydrokonversion durch das Katalysatorfestbett zur Herstellung eines hydrokonvertierten Produkts, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Dampffüllbereich über dem Festbett-Einsatzstoff den normalerweise flüssigen Kohlenwasserstoff-Einsatzstoff und zumindest einen Teil des wasserstoffhaltigen Gases mit der Düse nach Anspruch 23 oder 24 zuführt.+