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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wiederaufbereiten eines verbrauchten
Kohlenwasserstoffumwandlungskatalysators durch die Verbrennung von
Koks auf dem Katalysator in einem verwirbelten Verbrennungsbereich.
Diese Erfindung betrifft speziell ein Arbeitsverfahren für
die Umwandlung schwerer Kohlenwasserstoffe in leichtere Kohlenwasserstoffe
mit einem Wirbelstrom von Katalysatorpartikeln und einer Wiederaufbereitung
der Katalysatorpartikel, um Koks zu entfernen, welches derart wirkt,
dass der Katalysator deaktiviert wird.
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Katalytisches
Knacken im Wirbelbettverfahren (FCC) ist ein Kohlenwasserstoffumwandlungsverfahren,
welches dadurch verwirklicht wird, dass Kohlenwasserstoffe in einem
verwirbelten Reaktionsbereich mit einem Katalysator in Kontakt gebracht werden,
welcher aus fein zerteiltem Partikelmaterial besteht. Die Reaktion
beim katalytischen Kracken wird, im Gegensatz zum Hydrokracken,
ohne zugesetzten Wasserstoff bzw. Verbrauch von Wasserstoff ausgeführt.
Wenn die Krackungsreaktion fortschreitet, werden erhebliche Mengen
eines sehr kohlenstoffhaltigen Materials, welches als Koks bezeichnet wird,
auf dem Katalysator abgelagert. Ein Arbeitsschritt einer Hochtemperatur-Wiederaufbereitung
innerhalb eines Wiederaufbereitungsbereichs brennt Koks von dem
Katalysator ab. Kokshaltiges Katalysatormaterial, welches in der
vorliegenden Schrift als verbrauchtes Katalysatormaterial bezeichnet
wird, wird kontinuierlich aus dem Reaktionsbereich entfernt und
durch ein im Wesentlichen koksfreies Katalysatormaterial aus dem
Wiederaufbereitungsbereich ersetzt. Eine Verwirbelung der Katalysatorpartikel durch
verschiedene gasförmige Ströme ermöglicht den
Transport von Katalysatormaterial zwischen dem Reaktionsbereich
und dem Wiederaufbereitungsbereich. Verfahren zum Kracken von Kohlenwasserstoffen
in einem Wirbelstrom von Katalysatormaterial, zum Transportieren
von Katalysatormaterial zwischen Reaktions- und Wiederaufbereitungsbereichen
und zum Verbrennen von Koks in der Wiederaufbereitungsvorrichtung
sind unter Fachkundigen der Technik des FCC-Verfahrens gut bekannt.
Bislang ist die Technik überreich an Gefäßgestaltungen zum
Bewirken eines Kontakts mit Katalysatorpartikeln mit Einleitungs-
bzw. Wiederaufbereitungsgas.
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Eine
gemeinsame Aufgabe dieser Gestaltungen ist das Maximieren der Produktausbeute
aus dem Reaktor, während Betriebs- und Ausrüstungskosten
minimiert werden. Eine Optimierung der Ausgangsmaterialumwandlung
erfordert gewöhnlich eine vollständige Entfernung
von Koks von dem Katalysator. Diese im Wesentlichen vollständige
Entfernung von Koks von dem Katalysator wird häufig als
vollständige Wiederaufbereitung bezeichnet. Eine vollständige
Wiederaufbereitung erzeugt ein Katalysatormaterial, welches weniger
als 0,1 und vorzugsweise weniger als 0,05% Gewichtsanteil Koks aufweist. Um
eine vollständige Wiederaufbereitung zu erreichen, muss
sich der Katalysator für eine ausreichende Verweildauer
in Kontakt mit Sauerstoff befinden, um eine gründliche
Verbrennung zu ermöglichen.
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Herkömmliche
Wiederaufbereitungsvorrichtungen umfassen typischerweise ein Gefäß,
welches einen Einlass für verbrauchtes Katalysatormaterial, einen
Auslaß für wiederaufbereitetes Katalysatormaterial
und einen Verteiler zum Zuführen von Luft zu dem dichten
Bett von Katalysatormaterial, welches sich in dem Gefäß befindet,
umfasst. Fliehkraftabscheider entfernen Katalysatormaterial, welches
in dem verbrauchten Verbrennungsgas mitgeführt wird, bevor
das Gas das Wiederaufbereitungsgefäß verlässt.
US 4,610,851 offenbart ein
Wiederaufbereitungsgefäß mit zwei Luftverteilern
auf verschiedenen Höhenniveaus, um eine geeignete Verteilung
von Verbrennungsgas in dem gesamten Gefäß zu gewährleisten.
US 5,827,793 erläutert
mindestens zwei Luftverteiler auf verschiedenen Höhenniveaus
in der unteren Hälfte des dichten Betts von Katalysatormaterial,
um eine reduzierende Umgebung in dem dichten Bett zu fördern.
US 4,843,051 stellt zwei Luftverteilernetze
auf verschiedenen Höhenniveaus in einem Wiederaufbereitungsgefäß zum
Gewährleisten einer geeigneten Verbrennung dar.
US 5,773,378 erläutert
ein Wiederaufbereitungsgefäß mit einem unteren
Luftverteiler, wobei Luft über dem unteren Luftverteiler
mit verbrauchtem Katalysatormaterial eintritt.
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Bei
einem dichten Katalysatorbett, welches auch als Gasblasenbett bekannt
ist, bildet ein Verbrennungsgas Blasen, welche durch eine erkennbare
obere Oberfläche eines dichten Katalysatorbetts aufsteigen.
Es wird relativ wenig Katalysatormaterial in dem Verbrennungsgas
mitgeführt, welches das dichte Bett verlässt.
Die Oberflächengeschwindigkeit des Verbrennungsgases beträgt
typischerweise weniger als 0,3 m/s (1,0 ft/s), und die Dichte des
dichten Betts ist typischerweise größer als 640
kg/m3 (40 lb/ft3),
abhängig von den Kenneigenschaften des Katalysatormaterials.
Die Mischung aus Katalysatormaterial und Verbrennungsgas ist heterogen,
wobei durchdringendes Gas den Katalysator umströmt.
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Ein
Weg zum Erhalten eines vollständig wiederaufbereiteten
Katalysatormaterials erfolgt durch Durchführen der Wiederaufbereitung
in Stufen.
US 3,958,953 beschreibt
ein mehrstufiges Strömungssystem, welches konzentrische
Katalysatorbetten aufweist, welche durch Trennwände getrennt
sind, welche in einen gemeinsamen Raum zum Sammeln verbrauchten
Wiederaufbereitungsgases und zum Abscheiden von Katalysatorpartikeln
münden.
US 4,299,687 erläutert
die Verwendung eines mehrstufigen Wiederaufbereitungssystems, welches überlagerte
Katalysatorbetten aufweist, wobei verbrauchte Katalysatorpartikel
zuerst in ein oberes dichtes Wirbelbett von Katalysatormaterial
eintreten und mit Wiederaufbereitungsgas aus dem unteren Katalysatorbett
und frischem Wiederaufbereitungsgas in Kontakt gebracht werden.
Nach einer teilweisen Wiederaufbereitung in dem ersten Wiederaufbereitungsbereich
werden Katalysatorpartikel durch eine schwerkraftbedingte Strömung
in ein unteres Katalysatorbett überführt, in welches
ein Strom frischen Wiederaufbereitungsgases eingespeist wird.
US 4,695,370 und
US 4,664,778 offenbaren
zweistufige Wiederaufbereitungsvorrichtungen, wobei jede Stufe in
einem getrennten Gefäß durchgeführt wird.
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Die
Verwendung von Wiederaufbereitungsbereichen für verhältnismäßig
verdünnte Phasen ist in
US
4,430,201 ,
US 3,844,973 und
US 3,923,686 dargestellt.
Diese Patente erläutern ein unteres dichtes Bett, welchem
Verbrennungsgas zugeleitet wird, und einen oberen Transportbereich.
Zusätzliche Luft wird in einer Steigleitung verteilt, welche
den Transportbereich versorgt. Ein zweistufiges System, welches
einen Transportbereich für relativ verdünnte Phasen
mit einem fehlenden Bereich eines unteren dichten Betts kombiniert,
ist in
US 5,158,919 und
US 4,272,402 dargestellt.
Diese Patente erläutern alle ein oberes dichtes Bett, in
welchem sich das mindestens teilweise wiederaufbereitete Katalysatormaterial,
welches aus dem Transportbereich austritt, sammelt.
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In
FCC-Steigleitungsreaktoren werden typischerweise Betriebsbedingungen
einer verdünnten Strömung bzw. einer Transportströmung
verwendet. Bei einer Transportströmung ist die Differenz
der Geschwindigkeit des Gases und des Katalysatormaterials relativ
niedrig bei geringfügiger Katalysatorrückmischung
bzw. -rückhaltung. Das Katalysatormaterial in dem Reaktionsbereich
erhält eine Strömung bei Bedingungen niedriger
Dichte und einer stark verdünnten Phase aufrecht. Die Oberflächen-Gasgeschwindigkeit
bei der Transportströmung ist typischerweise größer
als 2,1 m/s (7,0 ft/s), und die Dichte des Katalysatormaterials
beträgt typischerweise nicht mehr als 48 kg/m3 (3
lb/ft3). Die Dichte in einem Transportbereich
in einer Wiederaufbereitungsvorrichtung kann 80 kg/m3 (5
lb/ft3) erreichen. Beim Transportmodus ist
die Katalysator-Verbrennungsgas-Mischung homogen ohne Gashohlräume
bzw. Blasen, welche sich in der Katalysatorphase bilden.
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Zwischen
dichten Gasblasenbetten und Betriebsbedingungen einer verdünnten
Transportströmung befinden sich turbulente Betten und Betriebsbedingungen
einer schnellen Verwirbelung. Bei einem turbulenten Bett ist die
Mischung aus Katalysatormaterial und Verbrennungsgas nicht homogen. Das
turbulente Bett ist ein dichtes Katalysatorbett mit länglichen
Hohlräumen von Verbrennungsgas, welche sich in der Katalysatorphase
bilden, und einer weniger gut erkennbaren Oberfläche. Mitgeführtes Katalysatormaterial
verlässt das Bett mit dem Verbrennungsgas, und die Katalysatordichte
ist nicht etwa proportional zu dessen Höhe in dem Reaktor. Bei
einem turbulenten Bett beträgt die Oberflächen-Verbrennungsgasgeschwindigkeit
zwischen 0,3 und 1,1 m/s (1,0 und 3,5 ft/s), und die Dichte beträgt
typischerweise zwischen 320 und 640 kg/m3 (20 und
40 lb/ft3).
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Schnelle
Verwirbelung definiert einen Zustand verwirbelter fester Partikel,
welcher zwischen dem turbulenten Partikelbett und einem vollständigen Partikeltransportmodus
liegt. Ein schnell verwirbelter Zustand ist durch eine Verwirbelungsgasgeschwindigkeit
gekennzeichnet, welche höher als die eines turbulenten
Betts einer dichten Phase ist, wobei dies zu einer niedrigeren Katalysatordichte
und einer nachhaltigen Kontaktierung von Feststoff/Gas führt. In
einem schnell verwirbelten Bereich erfolgt insgesamt ein Transport
von Katalysatormaterial, welcher durch die aufwärts gerichtete
Strömung von Verwirbelungsgas bewirkt wird. Die Katalysatordichte
in dem schnell verwirbelten Zustand reagiert wesentlich empfindlicher
auf die Partikelbeladung als bei dem vollständigen Partikeltransportmodus.
Daher ist es möglich, die Katalysator-Verweildauer geeignet
abzustimmen, um die erwünschte Verbrennung unter den hochwirksamen
Gas-Feststoff-Mischungsbedingungen zu erreichen. Von dem schnell
verwirbelten Modus erhöhen weitere Steigerungen der Geschwindigkeit
des verwirbelten Gases die Geschwindigkeit des nach oben gerichteten
Partikeltransports und vermindern die mittlere Katalysatordichte
abrupt, bis sich die Partikel bei ausreichender Gasgeschwindigkeit
prinzipiell vollständig in dem vollständigen Katalysatortransportmodus
bewegen. Somit liegt beim Fortschritt von einem verwirbelten Partikelbett über schnelle
Verwirbelung und zu dem reinen Transportmodus ein Kontinuum vor.
Die Oberflächen-Gasgeschwindigkeit für Betriebsbedingungen
einer schnell verwirbelten Strömung beträgt typischerweise
zwischen 1,1 und 2,1 m/s (3,5 und 7 ft/s), und die Dichte beträgt
typischerweise zwischen 48 und 320 kg/m3 (3 und
20 lb/ft3).
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US 4,849,091 ,
US 4,197,189 und
US 4,336,160 erläutern einen
Steigleitungs-Verbrennungsbereich, worin schnell verwirbelte Strömungsbedingungen
aufrechterhalten werden. Das letztgenannte dieser Patente erläutert
eine Brennkammer-Wiederaufbereitungsvorrichtung, wobei eine vollständige
Verbrennung in einem schnell verwirbelten Steigleitungsbereich ohne
die Notwendigkeit der Zugabe von Verbrennungsgas in das Bett, welches von
der Oberseite der Steigleitung her gesammelt wird, erfolgt.
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Eine
Brennkammervorrichtung ist ein Typ einer Wiederaufbereitungsvorrichtung,
welche Katalysatormaterial in einer unteren Brennkammer unter schnell
verwirbelten Strömungsbedingungen mit einer relativ kleinen
Menge von überschüssigem Sauerstoff vollständig
wiederaufbereitet. Eine Steigleitung befördert wiederaufbereitetes
Katalysatormaterial und verbrauchtes Verbrennungsgas zu einer Abscheidungskammer,
worin eine bedeutende Verbrennung erfolgt. Wiederaufbereitetes Katalysatormaterial
in der Abscheidungskammer wird zu der unteren Verbrennungsphase
zurückgeführt, um das verbrauchte Katalysatormaterial,
welches eine Verbrennung durchlaufen soll, zu erwärmen.
Die Rückführung des wiederaufbereiteten Katalysatormaterials liefert
Wärme zum Beschleunigen der Verbrennung der unteren Phase
des Katalysatormaterials. Brennkammervorrichtungen sind aufgrund
des günstigen Sauerstoffbedarfs vorteilhaft.
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Wenn
höhere Ansprüche an FCC-Einheiten gestellt werden,
sind Brennkammergefäße erforderlich, um einen
größeren Katalysatordurchsatz zu behandeln. Größere
Mengen von Verbrennungsgas werden in die Brennkammergefäße
zugegeben, um größere Mengen von Katalysatormaterial
zu verbrennen. Wenn die Verbrennungsgas-Durchflussgeschwindigkeiten
erhöht werden, steigt auch die Durchflussgeschwindigkeit
von Katalysatormaterial zwischen der Brenn- und der Abscheidungskammer an.
Daher wird, solange nicht die Brennkammer eines Brennkammergefäßes
vergrößert wird, die Verweildauer von Katalysatormaterial
in dem unteren Bereich verkürzt, wodurch die Gründlichkeit
der Verbrennung vermindert wird, welche erreicht werden muß,
bevor das Katalysatormaterial in die Abscheidungskammer eintritt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Entfernen von
Kohlenstoffablagerungen, welche als Koks bezeichnet werden, von
der Oberfläche und den Poren von Katalysatormaterial, welches bei
einem Kohlenwasserstoffumwandlungsverfahren verwendet wird. Gemischte
Bedingungen eines turbulenten Betts und einer schnellen Verwirbelung
in einem Wiederaufbereitungsgefäß gewährleisten
eine geeignete Verweildauer zum Wiederaufbereiten eines verbrauchten
Kohlenwasserstoff-Krackungs-Katalysators. Die Brennkammer verwendet
die gemischten Bedingungen, um Katalysatormaterial vollständig
wiederaufzubereiten. Eine Abscheidungskammer sammelt ein dichtes
Bett von vollständig wiederaufbereitetem Katalysatormaterial.
Die Erfindung kann verwendet werden, um den Verbrennungsgasdurchsatz
zu erhöhen, um einen entsprechend erhöhten Durchsatz
von Katalysatormaterial aufzunehmen, wobei das Verbrennungsgas und
das Katalysatormaterial weiterhin für eine ausreichende Verweildauer
in Kontakt gehalten werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine schematische Draufsicht einer FCC-Einheit, welche die vorliegende
Erfindung verwirklicht.
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2 ist
eine schematische Draufsicht eines alternativen Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Das
Arbeitsverfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung
können in einer FCC-Einheit verwirklicht werden. 1 stellt
eine FCC-Einheit dar, welche ein Reaktorgefäß 10 und
ein Brennkammergefäß 50 umfasst. Ein
Brennkammervorrichtungs-Standrohr 12 überführt
Katalysatormaterial von dem Brennkammergefäß 50 mit
einer Geschwindigkeit, welche durch einen Steuerschieber 14 reguliert
wird, zu dem Reaktorgefäß 10. Ein Verwirbelungsmedium,
wie etwa Dampf, aus einer Düse 16 transportiert
Katalysatormaterial durch eine Steigleitung 18 bei einer
relativ hohen Dichte nach oben, bis eine Vielzahl von Einspeisungsmaterial-Einspritzdüsen 20 (dargestellt
ist lediglich eine) ein Einspeisungsmaterial in den fließenden
Strom von Katalysatorpartikeln einspritzen. Die resultierende Mischung fließt
weiterhin durch die Steigleitung 18 nach oben, bis ein
Paar von Entkopplungsarmen 22 die Mischung aus Gas und
Katalysatormaterial von einer Oberseite der Steigleitung 18 her
durch Kanäle 24 tangential in ein Entkopplungsgefäß 26 ablässt,
welches eine Abscheidung der Gase von dem Katalysatormaterial bewirkt.
Eine Transportleitung 28 befördert die Kohlenwasserstoffdämpfe,
welche abgestreifte Kohlenwasserstoffe, Abstreifungsmedien und mitgeführtes
Katalysatormaterial umfassen, zu einem oder mehreren Fliehkraftabscheidern 30 in
einem Abscheidungsgefäß 32, welches verbrauchtes Katalysatormaterial
von dem Kohlenwasserstoffdampfstrom abscheidet. Eine Sammelkammer 34 in dem 32 versammelt
die abgeschiedenen Kohlenwasserstoffdampfströme von den
Fliehkraftabscheidern 30 zur Durchleitung zu einer Austrittsdüse 36 und
allmählich in einen Fraktionierungs-Rückgewinnungsbereich
(nicht dargestellt). Tauchbeine 38 lassen Katalysatormaterial
aus den Fliehkraftabscheidern 30 in einen unteren Abschnitt
des Abscheidungsgefäßes 32 ab, welcher
das Katalysatormaterial und adsorbierte bzw. mitgeführte
Kohlenwasserstoffe durch Kanäle 42, welche in
einer Wand des Entkopplungsgefäßes 26 definiert
sind, in einen Abstreifungsabschnitt 40 durchleitet. Katalysatormaterial,
welches in dem Entkopplungsgefäß 26 abgeschieden
wird, fließt direkt in den Abstreifungsabschnitt 40 über.
Der Abstreifungsabschnitt 40 enthält Trennwände 43, 44 zum
Fördern des Mischvorgangs zwischen einem Abstreifungsgas
und dem Katalysator. Das Abstreifungsgas tritt durch mindestens
einen Einlass 46 in einen oder mehrere Verteiler (nicht
dargestellt) in einen unteren Abschnitt des Abstreifungsabschnitts 40 ein.
Das verbrauchte Katalysatormaterial verlässt den Abstreifungsabschnitt 40 durch
eine Reaktorleitung 48 und fließt mit einer Geschwindigkeit,
welche durch einen Steuerschieber 52 reguliert wird, in
das Brennkammergefäß 50 über.
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Das
Brennkammergefäß 50 verwendet gemischte
Bedingungen eines turbulenten Betts und einer schnellen Verwirbelung
in einer hochwirksamen Brennkammer 54 zum vollständigen
Wiederaufbereiten von verbrauchtem Katalysatormaterial. Die Brennkammer 54 des
Brennkammergefäßes 50 umfasst drei Verbrennungsbereiche:
einen turbulenten Bereich 56, einen schnell verwirbelten
Bereich 58 und einen Transportbereich 60. Die
Reaktorleitung 48 speist verbrauchtes Katalysatormaterial
durch einen Eintrittsschacht 62 für verbrauchtes
Katalysatormaterial bei einem Eintrittspunkt „A" ein. Ein
elliptischer Bodenabschnitt 63 der Brennkammer 54 definiert
eine Querschnittsfläche bei einer Schnittstelle „B"
mit einer Seitenwand 55 der Brennkammer 54 unter
dem Eintrittsschacht 62 für verbrauchtes Katalysatormaterial.
Das verbrauchte Katalysatormaterial aus dem Reaktorgefäß 10 enthält
gewöhnlich Kohlenstoff in einer Menge von 0,2 bis 2% Gewichtsanteil,
welche in der Form von Koks vorliegt. Obgleich Koks hauptsächlich
aus Kohlenstoff besteht, kann dieses sowohl 3 bis 12% Gewichtsanteil
Wasserstoff als auch Schwefel und andere Materialien enthalten. Ein
sauerstoffhaltiges Verbrennungsgas, typischerweise Luft, tritt in
zwei Höhen in die Brennkammer 54 des Brennkammergefäßes 50 ein.
Ein erster Strom von Verbrennungsgas tritt in einer niedrigen Höhe durch
eine tiefe Leitung 64 in die Brennkammer 64 ein
und wird durch einen tiefen Verteiler 66 in dem turbulenten
Bereich 56 verteilt. Öffnungen 68 in
dem tiefen Verteiler 66 geben Gas auf einer Vertikalhöhe ab,
welche tiefer als der Eintrittspunkt „A" von verbrauchtem
Katalysatormaterial in die Brennkammer 54 ist. Wenn das
Verbrennungsgas in den Verbrennungsbereich eintritt, gelangt dieses
in Kontakt mit verbrauchtem Katalysatormaterial, welches sich in einem
turbulenten Katalysatorbett 70 in dem turbulenten Bereich 56 ansammelt.
Das Verbrennungsgas wird von dem tiefen Verteiler 66 ausgehend
geeignet verteilt, um eine Oberflächen-Gasgeschwindigkeit von
weniger als 1,1 m/s (3,5 ft/s) zu liefern, welche nicht ausreichend
ist, um das turbulente Katalysatorbett 70 in dem turbulenten
Bereich 56 zu zerstören. Anders ausgedrückt,
ist die Gasgeschwindigkeit aus dem tiefen Verteiler 66 nicht
ausreichend, um Katalysatormaterial mitzuführen und Katalysatormaterial aus
dem Bett zu entfernen, wodurch das Katalysatorbett 70 erhalten
wird. Der turbulente Bereich 56 weist eine Katalysatordichte
von 320 bis 640 kg/m3 (20 bis 40 lb/ft3) auf.
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Ein
zweiter Strom von Verbrennungsgas tritt durch eine hohe Leitung 72 in
den schnell verwirbelten Bereich 58 der Brennkammer 54 ein
und wird durch einen hohen Verteiler 74 in der Brennkammer 54 verteilt. Öffnungen 76 in
dem hohen Verteiler 74 geben Gas auf einer Vertikalhöhe
ab, welche höher als der Eintrittspunkt „A" von
verbrauchtem Katalysatormaterial durch den Eintrittsschacht 62 für
verbrauchtes Katalysatormaterial in das Brennkammergefäß 50 und
höher als der Eintrittspunkt des ersten Stroms von Verbrennungsgas
durch den tiefen Verteiler 66 ist. Daher befindet sich
der Eintrittspunkt „A" in Vertikalrichtung zwischen dem
hohen Verteiler 74 und dem tiefen Verteiler 66.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird weniger Verbrennungsgas durch
den hohen Verteiler 74 als durch den tiefen Verteiler 66 zu
dem schnell verwirbelten Bereich 58 der Brennkammer 54 verteilt.
Wenn die Strömungsgeschwindigkeit von Verbrennungsgas aus
dem tiefen Verteiler 66 mit der Strömungsgeschwindigkeit von
Verbrennungsgas aus dem hohen Verteiler 74 kombiniert wird,
erreicht die Oberflächengeschwindigkeit des gesamten Verbrennungsgases
in der Brennkammer 54 jedoch mindestens 1,1 m/s (3,5 ft/s)
beim Eintreten in den schnell verwirbelten Bereich 58 unter
Bedingungen einer schnell verwirbelten Strömung. Bei einem
Ausführungsbeispiel weist der schnell verwirbelte Bereich 58 eine
Katalysatordichte von 48 bis 320 kg/m3 (3
bis 20 lb/ft3) und eine Oberflächen-Gasgeschwindigkeit
von 1,1 bis 2,2 m/s (3,5 bis 7 ft/s) auf. Ein schrittweiser Übergang
von dem turbulenten Bereich 56 zu dem schnell verwirbelten
Bereich 58 ist über den Öffnungen 76 vorgesehen.
In dem schnell verwirbelten Bereich 58 nimmt die Dichte
des Katalysatormaterials proportional mit der Höhe ab.
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Der Übergang
von einem turbulenten Bett zu Betriebsbedingungen einer verwirbelten
Strömung ist nicht durch eine erkennbare Bettoberfläche
abgegrenzt. Daher erstreckt sich ein Kontinuum abnehmender Katalysatordichte
von dem turbulenten Bett 70 ausgehend in der Verbrennungskammer 54 nach oben.
Die Geschwindigkeit, womit sich die Katalysatordichte mit der Höhe
der Brennkammer 54 vermindert, nimmt proportional zu der
Geschwindigkeit ab, mit welcher Katalysatormaterial zu der Brennkammer 54 geleitet
wird.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel kann zum Beschleunigen der Verbrennung
des Kokses in der Brennkammer 54 heißes wiederaufbereitetes
Katalysatormaterial aus einem dichten Katalysatorbett 78 in einer
oberen Kammer 80 über ein ausgeschobenes Rückführungs-Standrohr 82,
welches durch ein Steuerventil 84 reguliert wird, in die
Brennkammer 54 rückgeleitet. Heißes wiederaufbereitetes
Katalysatormaterial tritt durch einen Eintrittsschacht 86 in
die Brennkammer 54 ein. Die Rückleitung von wiederaufbereitetem
Katalysatormaterial durch Mischen des heißen Katalysatormaterials
aus dem dichten Katalysatorbett 78 mit relativ kaltem verbrauchtem Katalysatormaterial
aus der Reaktorleitung 48, welches in die Brennkammer 54 eintritt,
erhöht die Gesamttemperatur der Mischung aus dem Katalysatormaterial
und dem Gas in dem turbulenten Bereich 56. Außer
einer Verwendung des ausgeschobenen Rückführungs-Standrohrs 82 können
verschiedene weitere Verfahren zum Bewirken einer Katalysatorrückleitung
verwendet werden. Beispielsweise kann Katalysatormaterial intern
durch ein inneres Standrohr (nicht dargestellt) überführt
werden. Die Höhe der Partikelbeladung in der Brennkammer 54 kann durch
Erhöhen der Rückführungs-Durchflussgeschwindigkeit
von Katalysatormaterial durch das Steuerventil 84 abgestimmt
werden, ohne die Durchflussgeschwindigkeit von verbrauchtem Katalysatormaterial
durch den Steuerschieber 52 zu beeinflussen. Das wiederaufbereitete
Katalysatormaterial kann durch den Eintrittsschacht 86 in
der gleichen Höhe wie der Eintrittspunkt „A" von
verbrauchtem Katalysatormaterial durch den Eintrittsschacht 62 für verbrauchtes
Katalysatormaterial eintreten. Bei einem Ausführungsbeispiel
tritt das wiederaufbereitete Katalysatormaterial jedoch zwischen
dem tiefen Verteiler 66 und dem hohen Verteiler 74 in
die Brennkammer 54 ein, um mehr Gelegenheit zum Wärmeaustausch
in dem turbulenten Bett 70 zu erhalten.
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Durch
Verteilen des Verbrennungsgases in zwei Höhen über
und unter dem Eintrittspunkt „A" von Katalysatormaterial
kann mehr Verbrennungsgas zu dem Katalysatormaterial in der Brennkammer 54 zugegeben
werden, ohne sofort Bedingungen einer schnell verwirbelten Strömung
in der Brennkammer 54 zu erzeugen und das turbulente Bett 70 zu
zerstören. Daher kann ein Übergang zwischen dem
turbulenten Bereich 56 und dem schnell verwirbelten Bereich 58 bis
nahe bei, bei oder über dem hohen Verteiler 74 ausgedehnt
werden. Verbrauchtes Katalysatormaterial befindet sich für
eine längere Verweildauer in der Brennkammer 54 in
Kontakt mit dem Verbrennungsgas. Ferner würde, wenn das
gesamte Verbrennungsgas über dem Eintrittspunkt „A"
von verbrauchtem Katalysatormaterial eingeführt würde, viel
von dem verbrauchten Katalysatormaterial in dem turbulenten Bett 70 erst
nach langer Verzögerung und Stagnation verwirbelt werden.
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Die
Mischung aus Katalysatormaterial und Gas in dem schnell verwirbelten
Bereich 58 steigt in einem Steigleitungsabschnitt 94 der
Brennkammer 54, welcher mit einer höheren Oberflächen-Gasgeschwindigkeit
als in dem schnell verwirbelten Bereich 58 oder in dem
turbulenten Bereich 56 unter dem Übergangsabschnitt 90 betrieben
wird, durch einen kegelstumpfförmigen Übergangsabschnitt 90 zu
dem Transportbereich auf. Die erhöhte Gasgeschwindigkeit
ist durch die verkleinerte Querschnittsfläche des Steigleitungsabschnitts 94 im
Verhältnis zu der Querschnittsfläche der Brennkammer 54 unter
dem Übergangsabschnitt 90 bedingt. Eine Querschnittsfläche des
Steigleitungsabschnitts 94 ist kleiner als die Querschnittsfläche
der Brennkammer 54 unter dem Eintrittsschacht 62 für
verbrauchtes Katalysatormaterial bei der Schnittstelle „B",
um eine erhöhte Oberflächengeschwindigkeit zu
gewährleisten. Daher überschreitet die Oberflächen-Gasgeschwindigkeit
gewöhnlich 2,2 m/s (7 ft/s). Der Transportbereich 60 weist
niedrigere Katalysatordichten von weniger als 80 kg/m3 (5
lb/ft3) auf.
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Das
Brennkammergefäß 50 umfasst ferner eine
darüberliegende Abscheidungskammer 100. Die Mischung
aus Katalysatorpartikeln und Verbrennungsgas, welche aufgrund des
Sauerstoffverbrauchs verbraucht wird, wird aus einem oberen Abschnitt
des Steigleitungsabschnitts 94 in die Abscheidungskammer 100 abgelassen.
Im wesentlichen vollständig wiederaufbereitetes Katalysatormaterial
verlässt die Oberseite des Transportbereichs 60.
Das Ablassen wird durch eine Entkopplungsvorrichtung 96 bewirkt,
welche einen Großteil des wiederaufbereiteten Katalysatormaterials
von dem verbrauchten Wiederaufbereitungsgas abscheidet. Die anfängliche Abscheidung
von Katalysatormaterial bei Verlassen des Steigleitungsabschnitts 94 minimiert
die Katalysatorbeladung bei Fliehkraftabscheidern 98, 99 oder anderen
Vorrichtungen auf der Abflussseite, welche für die im wesentlichen
vollständige Entfernung von Katalysatorpartikeln aus dem
verbrauchten Wiederaufbereitungsgas verwendet werden, wodurch die Gesamtausrüstungskosten
vermindert werden. Verschiedene Strömungsvorrichtungen,
welche den Fachkundigen bekannt sind, führen die einleitende Abscheidung
von Katalysatormaterial und Gas durch, wobei diese zur Verwendung
als Entkopplungsvorrichtung 96 geeignet wären.
Bei einem Ausführungsbeispiel treffen Katalysatormaterial
und Gas, welche in dem Steigleitungsabschnitt 94 nach oben
fließen, auf eine obere elliptische Kappe 61 des Steigleitungsabschnitts 94 und
wechseln zu umgekehrter Flussrichtung. Das Katalysatormaterial und das
Gas treten sodann durch nach unten gerichtete Öffnungen
in Seitenarmen 97 der Entkopplungsvorrichtung 96 aus.
Der plötzliche Impulsverlust und die Flussrichtungsumkehr
nach unten bewirken, dass mindestens 70 und vorzugsweise 80% Gewichtsanteil
des schwereren Katalysatormaterials zu dem dichten Katalysatorbett 78 absinken
und das leichtere Verbrennungsgas und ein kleinerer Anteil des Katalysatormaterials,
welches weiterhin darin mitgeführt wird, nach oben zu einem
Entkopplungsraum 102 der Abscheidungskammer 100 aufsteigen.
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Nach
unten absinkendes entkoppeltes Katalysatormaterial sammelt sich
in dem dichten Katalysatorbett 78. Die Katalysatordichten
in dem dichten Katalysatorbett 78 werden typischerweise
in einem Bereich von 640 bis 960 kg/m3 (40
bis 60 lb/ft3) gehalten. Eine Verwirbelungsleitung 106 leitet
ein Verwirbelungsgas, typischerweise Luft, durch einen Verwirbelungsverteiler 108 zu
dem dichten Katalysatorbett 78. Es treten nicht mehr als
etwa 2% des gesamten Gasbedarfs in dem Verfahren durch den Verwirbelungsverteiler 108 in
das dichte Katalysatorbett 78 ein. Das Gas wird hierbei
nicht zu Verbrennungszwecken, sondern lediglich zu Verwirbelungszwecken zugegeben,
so dass das Katalysatormaterial fließend durch die Standrohre 82 und 12 austritt.
Das Verwirbelungsgas, welches durch den Verwirbelungsverteiler 108 zugegeben
wird, kann ein Verbrennungsgas sein.
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Das
kombinierte Verbrennungs- und Verwirbelungsgas sowie mitgeführte
Partikel aus Katalysatormaterial treten in eine oder mehrere Abscheidungseinrichtungen,
wie etwa die Fliehkraftabscheider 98, 99, ein,
welche Katalysatorfeinstaub von dem Gas abscheiden. Verbrauchtes
Verbrennungsgas, welches relativ frei von Katalysatormaterial ist,
wird durch eine Austrittsleitung 110 aus dem Brennkammergefäß 50 abgesaugt,
während rückgewonnenes Katalysatormaterial durch
jeweilige Tauchbeine 112, 113 oder andere vergleichbare
Einrichtungen zu dem dichten Katalysatorbett 78 rückgeführt
wird. 10 bis 30% Gewichtsanteil des Katalysatormaterials, welches
aus der Brennkammer 54 abgelassen wird, ist in den Gasen über
dem Austritt aus dem Transportbereich 60 vorhanden und
tritt in die Fliehkraftabscheider 98, 99 ein.
Katalysatormaterial aus dem dichten Katalysatorbett 78 wird
durch das Verbrennungsvorrichtungs-Standrohr 12 zurück
zu dem Reaktorgefäß 10 geführt,
wo dieses wiederum in Kontakt mit Einspeisungsmaterial gelangt,
wenn das FCC-Verfahren fortschreitet.
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Die
Brennkammer 54 liefert Bereiche mit niedrigerer Katalysatordichte
und verlängerte Perioden gründlichen Mischens,
wobei angenommen wird, dass diese für eine Koksverbrennung
am wirksamsten sind und eine hochwirksame Wiederaufbereitung kennzeichnen.
Daher ist die Zugabe von Verbrennungsgas unter geeigneten Bedingungen,
um eine hochwirksame Wiederaufbereitung zu fördern, ausreichend,
um das gesamte Koks von dem eintretenden verbrauchten Katalysatormaterial
in der Brennkammer 54 zu entfernen. Das Verbrennungsgas kann
durch die gleiche Leitung zu den Leitungen 64, 72 und 106 geleitet
werden, jedoch sollte die Einspeisungsgeschwindigkeit in die tiefe
Leitung 64 bei einem Ausführungsbeispiel größer
als die in die hohe Leitung 72 sein.
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Somit
kann ein FCC-Reaktionsbereich, welcher mit der vorliegenden Erfindung
verbunden ist, verwendet werden, um ein herkömmliches FCC-Ausgangsmaterial
oder Kohlenwasserstoff-Einspeisungsmaterialien mit höherem
Siedepunkt zu behandeln. Das verbreitetste derartiger herkömmlicher Ausgangsmaterialien
ist ein „Unterdruck-Gasöl" (VGO), welches typischerweise
ein Kohlenwasserstoffmaterial ist, welches einen Siedebereich von 343° bis
552°C (650° bis 1025°F) aufweist, welches durch
Vakuumfraktionierung eines atmosphärischen Rests hergestellt
wird. Eine derartige Fraktion weist generell niedrige Werte von
Koksvorläufern und Schwermetallverunreinigungen, welche
zum Verunreinigen von Katalysatormaterial dienen können,
auf. Schwere Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterialien, worauf die vorliegende
Erfindung angewandt werden kann, umfassen schwere Bodensätze
von Rohöl, schweres Bitumen-Rohöl, Schieferöl, Ölsandauszüge,
deasphaltierte Rückstände, Produkte der Kohleverflüssigung,
atmosphärisch und bei Unterdruck reduzierte Rohmaterialien.
Schwere Ausgangsmaterialien für die vorliegende Erfindung
umfassen ferner Mischungen der oben erwähnten Kohlenwasserstoffe.
Die vorangehende Aufzählung soll die Anwendung dieses Verfahrens
auf andere geeignete Einspeisungsmaterialien jedoch nicht ausschließen.
Die schweren Kohlenwasserstoff-Fraktionen sind ferner dadurch gekennzeichnet,
dass bedeutende Metallverunreinigungen vorhanden sind. Diese Metalle sammeln
sich auf dem Katalysator und vergiften das Katalysatormaterial durch
Blockieren von Reaktionsstellen und fördern eine übermäßige
Krackung, wodurch diese den Reaktionsprozess stören. Daher wird
die Verwendung von Passivierungs- oder anderen Metallbehandlungsverfahren
in oder vor dem Reaktionsbereich bei einer Behandlung schwerer Ausgangsmaterialien
durch die vorliegende Erfindung vorweggenommen.
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Daher
ist es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass diese die Wiederaufbereitung
größerer Mengen von verbrauchtem Katalysatormaterial
dadurch ermöglicht, dass dieses einer proportional größeren
Verbrennungsgasmenge ausgesetzt wird, ohne das Katalysatormaterial
aus dem Wiederaufbereitungsbereich zu blasen, bevor die Wiederaufbereitung
vollständig ist. Im Hinblick auf Sauerstoff- bzw. Luftbedarf
kann das Brennkammergefäß der vorliegenden Erfindung
typischerweise 14 kg Luft pro kg entfernten Kokses erfordern, um
eine vollständige Wiederaufbereitung zu erreichen. Wenn
mehr Katalysatormaterial wiederaufbereitet wird, können
größere Mengen von Einspeisungsmaterial in einem
herkömmlichen Reaktionsgefäß behandelt
werden.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
ist in
2 dargestellt, welche ein geringfügig
abgewandeltes Brennkammergefäß
50' darstellt.
Bezugsziffern für ähnliche Elemente in
2,
welche auch in
1 vorhanden sind, jedoch verschieden
sind, werden mit einem Strichsymbol („'") gekennzeichnet.
Identische Elemente in beiden
1 und
2 werden
mit der gleichen Bezugsziffer bezeichnet. Das Brennkammergefäß
50' weist eine
untere Mischsteigleitung
120 zum Kombinieren von verbrauchtem
Katalysatormaterial, wiederaufbereitetem Katalysatormaterial und
Wiederaufbereitungsgas auf. Heißes wiederaufbereitetes
Katalysatormaterial, welches in einem ausgeschobenen Rückführungs-Standrohr
82' nach
unten transportiert wird, trifft auf verbrauchtes Katalysatormaterial,
welches durch eine Reaktorleitung
48' in die untere Mischsteigleitung
120 eintritt.
Verbrauchtes und wiederaufbereitetes Katalysatormaterial werden
mindestens mit einem Teil eines ersten Sauerstoffstroms in Kontakt
gebracht, welcher Verbrennungsgas von einer tiefen Leitung
64' an
einem unteren Abschnitt der tiefen Mischsteigleitung
120 enthält.
Ein kegelstumpfförmiger Bodenabschnitt
63' einer
Brennkammer
54' definiert eine Querschnittsfläche
bei einer Schnittstelle „B'" mit einer Seitenwand
55' der
Brennkammer
54' unter den Öffnungen
68',
wo Katalysatormaterial bei einem Eintrittspunkt „A'" in
die Brennkammer
54' eintritt. Eine Querschnittsfläche
eines Steigleitungsabschnitts
54' ist kleiner als die Querschnittsfläche
der Brennkammer
54' unter den Öffnungen
68',
um eine erhöhte Oberflächengeschwindigkeit in
dem Steigleitungsabschnitt
94' zu gewährleisten.
Ferner weist die untere Mischsteigleitung
120 eine Querschnittsfläche
auf, welche kleiner als die Querschnittsfläche der Brennkammer
54' unter
den Öffnungen
68' ist, um eine gründliche
Mischung der Katalysatorpartikel und des Gasstroms zu fördern. Die
untere Mischsteigleitung
120 weist eine Querschnittsfläche
auf, welche gleichfalls kleiner als die Querschnittsfläche
des Steigleitungsabschnitts
94' ist. Nach dem Mischen tritt
die Mischung aus Katalysatormaterial und Gas in einen turbulenten
Bereich
56' der Brennkammer
54' durch die Öffnungen
68' in einen
tiefen Verteiler
66' ein. Die Strömungsgeschwindigkeit
des Verbrennungsgases aus der tiefen Leitung
64' ist nicht
ausreichend, um eine Oberflächengeschwindigkeit in der
Brennkammer
54' zu erzeugen, welche einen schnell verwirbelten
Zustand fördern würde. Daher ist ein turbulentes
Bett
70' in dem turbulenten Bereich
56' in der
Brennkammer
54' vorgesehen. Zusätzliches Verbrennungsgas
aus einer hohen Leitung
72' wird durch einen hohen Verteiler
74' zugefügt,
wodurch, wenn darin eine Ansammlung von Verbrennungsgas aus dem
tiefen Verteiler
66' erfolgt, Bedingungen einer schnell
verwirbelten Strömung in einem schnell verwirbelten Bereich
58' erzeugt
werden. Katalysatormaterial und Verbrennungsgas steigen zu einem
Transportbereich
60' auf, treten durch eine Entkopplungsvorrichtung
96' in
eine Abscheidungskammer
100' ein, um Katalysatormaterial,
welches in ein dichtes Katalysatorbett
78' absinkt, von
aufsteigendem verbrauchtem Verbrennungsgas abzuscheiden. Verbrauchtes
Verbrennungsgas steigt zu Fliehkraftabscheidern
98',
99' auf, welche
zusätzliches mitgeführtes Katalysatormaterial abscheiden,
und tritt durch eine Austrittsleitung
110' aus. Eine Verwirbelungsleitung
106' leitet
Gas, welches ein Verbrennungsgas sein kann, durch einen Verwirbelungsverteiler
108' zu
dem dichten Katalysatorbett
78', um den Katalysator in
dem dichten Katalysatorbett
78' zu verwirbeln. Ein Teil
des wiederaufbereiteten Katalysatormaterials kann durch das ausgeschobene
Standrohr
82' und die untere Mischsteigleitung
120 zu
der Brennkammer
54' rückgeführt werden,
um das verbrauchte Katalysatormaterial in dem turbulenten Bett
70' zu
erwärmen, und der verbleibende Anteil des wiederaufbereiteten
Katalysatormaterials wird durch ein Brennkammervorrichtungs-Standrohr
12' zu
dem Reaktorgefäß
10 von
1 rückgeführt,
um mit frischem Einspeisungsmaterial in Kontakt gebracht zu werden.
Alle anderen Aspekte des Brennkammergefäßes
50' mit
der unteren Mischsteigleitung sind ähnlich wie bei dem Brennkammergefäß
50 von
1.
Der Betrieb einer Mischsteigleitung ist in
US 4,340,566 , welche durch Verweis
in der vorliegenden Schrift aufgenommen ist, vollständiger
beschrieben.
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Die 1 und 2 stellen
eine symmetrische Anordnung der Wiederaufbereitungsbereiche dar,
wobei die Abscheidungskammer 100, 100' darüber
in der Brennkammer 54, 54' angeordnet ist. Der turbulente
Bereich 56, 56', der schnell verwirbelte Bereich 58, 58' und
der Transportbereich 60, 60' können jedoch
in einem getrennten Brennkammergefäß enthalten
oder benachbart zu einem Gefäß, welches die Abscheidungskammer 100, 100' enthält,
angeordnet sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird Katalysatormaterial
mittels einer Leitung von dem Brennkammergefäß zu
einem Abscheidungsgefäß überführt.
Somit ist die Verwendung der vorliegenden Erfindung nicht auf eine
symmetrische Wiederaufbereitungsvorrichtungsanordnung beschränkt,
sondern kann ein abgewandeltes Wiederaufbereitungsgefäß mit
einem dichten Bett umfassen.
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Zusammenfassung
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Es
werden eine Vorrichtung (50) und ein Verfahren zur Verlängerung
der Verweildauer eines Katalysators in einer Kammer (54)
zum Wiederaufbereiten des Katalysators offenbart. Verbrauchter Katalysator,
etwa aus einem FCC-Reaktor (10), wird in eine Kammer (54)
eines Wiederaufbereitungsgefäßes (50)
zwischen unteren und oberen Verbrennungsgasverteilern (66, 72)
eingebracht. Die Geschwindigkeit des Gases vom unteren Verteiler
ist nicht ausreichend, um Katalysator aus dem Bett mitzureißen, wohingegen
Gas vom oberen Verteiler, wenn es mit vom unteren Verteiler aufsteigenden
Gas kombiniert wird, einen Zustand schneller Verwirbelung erzeugen kann.
Der zweite Verteiler sorgt dafür, dass der Ort des Übergangs
vom turbulenten Bett zum Zustand einer schnellen Verwirbelung weiter
oben liegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4610851 [0004]
- - US 5827793 [0004]
- - US 4843051 [0004]
- - US 5773378 [0004]
- - US 3958953 [0006]
- - US 4299687 [0006]
- - US 4695370 [0006]
- - US 4664778 [0006]
- - US 4430201 [0007]
- - US 3844973 [0007]
- - US 3923686 [0007]
- - US 5158919 [0007]
- - US 4272402 [0007]
- - US 4849091 [0011]
- - US 4197189 [0011]
- - US 4336160 [0011]
- - US 4340566 [0030]