Verfahren zur Hydrierung fester kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe

Abstract

 1. Verfahren zur Sumpfphasehydrierung mit nachgeschalteter Gasphasehydrierung fester kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe.
2.1 Bei den bekannten Verfahren müssen definierte Eintrittstemperaturen im Sumpfphase- und Gasphasereaktor sowie bei der Kohleanmaischung eine konstante Phasengleichgewichtstemperatur im Zwischenabscheider für die direkte Lösungsmittelrückführung eingestellt werden. Dies wird erschwert durch veränderliche Wärmeübertragung infolge Verschmutzung der Maischewärmeaustauscher. Die Aufheizung der Einsatzprodukte auf die erforderliche Eintrittstemperatur in das Reaktionssystem der Sumpfphasenhydrierung erfolgt mittels eines im Einsatzproduktstrom mit Fremdwärme betriebenen Aufheizofens.
Die durch Mehrphasenströmung von Gasen, Dämpfen, Flüssigkeit und Feststoff in den Rohren des Aufheizofens gekennzeichneten Verfahrensbedingungen machen die Auslegung und den Betrieb solcher Öfen schwierig.
2.2 Bei optimierter Ausnutzung der Reaktionswärme aus der Sumpfphase- und Gasphasehydrierung mittels Wärmeaustauscher mit Bypaßbetrieb wird erreicht, daß einerseits die prozeßrelevanten Betriebstemperaturen eingestellt werden und andererseits ein fremdbeheizter Aufheizofen für die ein Dreiphasengemisch darstellenden Einsatzstoffe entfällt und die Zuführung von Fremdwärme auf die Aufheizung eines Teilstromes des Hydriergases in einem Hydriergasofen beschränkt wird. Unter optimierten Bedingungen wird für den Normalbetrieb ein wärmeautarker Prozeß erreicht, so daß der Hydriergasofen (24) nur zum Anfahren oder im stark verschmutzten Zustand der Anlage benötigt wird.
2.3 Hydrierung und Verflüssigung von Gasflammkohle des Ruhrgebiets.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Hydrierung fester kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Hierbei sind Temperaturen im Sumpfphasereaktor von etwa 400 bis 500 °C und im Gasphasereaktor von etwa 370 bis 450 °C typisch, und der Verfahrensdruck kann zwischen 150 bis 1200 bar gewählt werden.

[0002] Es sind Verfahren bekannt, wobei das gesamte Heißabscheiderkopfprodukt über eine nachgeschaltete Gasphasehydrierung gefahren wird und anschließend die Öle durch partielle Kondensation in einem Zwischenabscheider in der Weise aufgetrennt werden, daß der Lösungsmittelanteil als Zwischenabscheidersumpfprodukt direkt zur Kohlebreiherstellung rezirkuliert - sogenannte "direkte Lösungsmittelrückführung" - und die Nettoölprodukte als Zwischenabscheiderkopfprodukt (vgl. DE 35 24 449 Al und DE 30 22 158 Al) anfallen.

[0003] Es ist weiterhin ein Verfahren bekannt, bei dem Schweröl als Einsatzprodukt einem Vorheizer zugeführt wird und bei welchem ein in einem von dem Heißabscheiderkopfprodukt durchströmten Gaswärmetauscher aufgeheizter Teilstrom der insgesamt erforderlichen Hydriergasmenge dem vorgewärmten Gemisch von Schweröl, Additiv und Hydriergas vor Eintritt in den Sumpfphasereaktor zugegeben wird (vgl. DE 35 23 709 Al). Dieses Verfahren mit getrennter Hydriergasaufheizung war auch bereits für die Kohlehydrierung vorgeschlagen worden (vgl. DE 35 05 553 Al).

[0004] Bei der großtechnischen Realisierung eines Hydrierverfahrens mit Sumpfphase- und Gasphasehydrierung müssen drei Merkmale beachtet werden. Erstens müssen die prozeßrelevanten Parameter - speziell die definierten Eintrittstemperaturen von Sumpfphase- und Gasphasereaktor sowie die definierte Temperatur im Zwischenabscheider - einstellbar sein. Diese Temperatureinstellungen werden durch veränderliche Wärmeübertragungsleistungen infolge Verschmutzung der Maischewärmeaustauscher erschwert. Zweitens müssen die besonderen Bedingungen bei der gemeinsamen Aufheizung von Maische und Hydriergas in den Wärmeaustauschern bei der Fahrweise mit integrierter Gasphasehydrierung berücksichtigt werden; denn es ist bekannt, daß infolge veränderter Lösungsmittelqualität eine erhöhte Gefahr des Austrocknens der Wärmeaustauscher infolge Ölausstrippung durch Hydriergas besteht. Drittens soll die exotherme Reaktionswärme aus Sumpfphase- und Gasphasehydrierung in optimaler Weise für die Wärmerückgewinnung genutzt werden, um einen wärmeautarken Prozeß zu erreichen oder aber die erforderliche Zusatzheizung klein zu halten; es soll möglichst auf den Maischeaufheizofen verzichtet werden, da dieser eines der kritischsten Bauteile jeder Sumpfphasehydrierung darstellt.

[0005] Bei den bekannten Verfahren (z. B. o. g. DE 35 24 449 Al, DE 30 22 158 Al) werden mittels Fremdkühlung die definierten Prozeßtemperaturen im Gasphasereaktor und im Zwischenabscheider eingestellt, jedoch ohne Berücksichtigung der Wärmerückgewinnung sowie der veränderlichen Wärmeübertragungsleistungen der Maischewärmeaustauscher infolge zunehmender Verschmutzung.

[0006] Bei den bekannten Verfahren (vgl. DE 35 23 709 Al und DE 35 05 553 Al) wird zwar die erhöhte Gefahr der Maischeaustrocknung in den Wärmeaustauschern durch Reduzierung der Hydriergasmenge im Maischeaufheizpfad - der große Teil der Hydriergasmenge wird in separaten Gaswärmeaustauschern aufgeheizt - reduziert; die Einstellung der beiden o. g. definierten Temperaturen blieb bisher unberücksichtigt. Die beiden Verfahren haben den Nachteil, daß der Wärmeaustauscher zur Aufheizung des Flüssig/Fest-Gasgemisches nach dem Gasphasereaktor - d. h. auf vergleichsweise niedrigerem Temperaturniveau - angeordnet ist und somit keine maximale Aufheizung des Flüssig/Fest-Gasgemisches gewährleistet ist. Somit ist zwar der Ofen für die Aufheizung des Flüssig/Fest-Gasgemisches, der sogenannte Maischeofen, in seiner Kapazität gegenüber den früheren Hydrierverfahren reduziert, er entfällt jedoch nicht.

[0007] Auch das bekannte Verfahren (vgl. DE 26 51 253 Al) erfüllt die o. g. Bedingungen nicht, da es sich nur auf die Sumpfphasehydrierung bezieht und der Maischeofen nicht entfallen kann.

[0008] Die durch eine Mehrphasenströmung von Gasen und Dämpfen, Flüssigkeit sowie Feststoff im Rohr gekennzeichneten Verfahrensbedingungen ziehen erhebliche Unsicherheiten bei der Auslegung des Aufheizofens sowohl bei der Berechnung des Druckverlustes als auch des Wärmetransportes nach sich.

[0009] Betriebstechnische Nachteile resultieren aus der Neigung zur Verkrustung der Innenseite der Ofenrohre und aus Verkokungsreaktionen des Produktes in den Rohren. Damit verbunden sind eine Laufzeitbegrenzung der Hydrieranlage insgesamt sowie auch sicherheitstechnische Probleme wie das Auftreten von sogenannten hot spots, die zu Rohrreißern führen können.

[0010] Die Erfindungsaufgabe besteht darin, den Verfahrensablauf so zu gestalten, daß erstens die prozeßrelevanten Temperaturen im Gasphasereaktor und im Zwischenabscheider trotz veränderlicher Wärmeaustauschleistung der Maischewärmeaustauscher eingestellt werden können, zweitens eine Austrocknung der Maische in den Maischewärmeaustauschern vermieden wird und drittens die Reaktionswärmen der Sumpfphase- und Gasphasehydrierung für einen wärmeautarken bzw. wärmetechnischen optimierten Prozeß genutzt werden.

[0011] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Merkmale von Patentanspruch 1 verwirklicht sind.

[0012] Die definierten Temperatureinstellungen erfolgen im Gasphasereaktor und im Zwischenabscheider durch Gaswärmetauscher mit Bypaßbetrieb, wobei in den Gaswärmeaustauschern ein indirekter Wärmeaustausch zwischen dem Heißabscheiderkopfprodukt und dem getrennt aufgeheizten Hydriergas stattfindet und der Bypaß auf der Hydriergasseite ist. Durch die getrennte Gasaufheizung wird gleichzeitig die Gefahr der Maischeaustrocknung beseitigt. Die definierte Temperatureinstellung im Gasphasereaktor erfolgt weiterhin erfindungsgemäß durch einen heißabscheiderkopfproduktseitigen Bypaß am Maischewärmeaustauscher, welcher zwischen Heißabscheider und Gasphasereaktor angeordnet ist sowie durch unterschiedliche Einspeisungen von Vakuumgasöl auf dem Pfad des Heißabscheiderkopfproduktes zum Gasphasereaktor.

[0013] Gemäß der Erfindung wird eine optimale Maischeaufheizung dadurch erreicht, daß unter Ausnutzung der Reaktionswärme aus der Sumfphase- und Gasphasehydrierung das Heißabscheiderkopfprodukt seine Wärme durch indirekten Wärmeaustausch auf jeweils hohem Temperaturniveau an das Maische-Hydriergasgemisch und auf jeweils tieferem Temperaturniveau an das getrennt aufzuheizende Hydriergas überträgt. Hierdurch entfällt der Maischeaufheizofen und bei guter Wärmeisolierung auch ggf. der Hydriergasaufheizofen bei Normalbetrieb. Der Hydriergasofen wird dann in der Regel bei Normalbetrieb mittels Bypaß umfahren und nur zum Anfahren benötigt.

[0014] In weiterer Ausgestaltung (vgl. Fig. 1) des vorgeschlagenen Verfahrens werden der Maischestrom (3) durch drei Wärmetauscher (18), (19), (20) und der separat aufzuheizende Hydriergasstrom (5) vor Eintritt in den Hydriergasofen (24) durch drei Wärmetauscher (21), (22), (23) im Gegenstrom zu dem Heißabscheiderkopfprodukt (9) geführt.

[0015] Bei der Aufteilung der Gesamt-Hydriergasmenge auf die beiden Teilströme kann auch so vorgegangen werden, daß für den Maischestrom Frischwasserstoff als Feed und für den zweiten Teilstrom des Hydriergases das Kreislaufhydriergas vorgesehen werden.

[0016] Dabei tritt Strom (9) in Abstromrichtung nacheinander mit dem Maischestrom (3) in Wärmetauscher (20) und dem Teilstrom des Hydriergases (5) in Wämetauscher (23) in Wärmetauschbeziehung und durchläuft einen Reaktor (27) zur Hydrierung in der Gasphase an einem Festbettkontakt. Die Eintrittstemperatur im Gasphasereaktor (27) wird je nach Verschmutzungszustand der Maischewärmeaustauscher (18), (19) und (20) über Bypaßstellungen der Wärmeaustauscher (20) und (23) sowie über alternative Vakuumgasöleinspeisungen (32) vor die Wärmeaustauscher (20) und (23) sowie durch Vakuumgasöleinspeisung und Quenchgaseinspeisung vor den Gasphasereaktor (27) eingestellt. Der in Reaktor (27) raffinierte Produktstrom durchläuft als Strom (10) Wärmetauscher (19) und Wärmetauscher (22) in Wärmetauschbeziehung mit Strom (3) bzw. Strom (5) sowie einen Zwischenabscheider (28) mit Abtrennung einer Heißölfraktion (11). Die Temperatureinstellung im Zwischenabscheider (28) erfolgt durch Bypaßeinstellung im Wärmeaustauscher (22). Der von Abscheider (28) abgezogene Reststrom (12) gibt in den Wärmetauschern (18) und (21) seine restliche für die Aufheizung der Einsatzprodukte verwertbare Wärme an Strom (3) und Strom (5) ab und wird über einen Wasserkühler (31) einem Kaltabscheider (29) zugeführt, in dem eine Abtrennung von Abwasser (14) und Abgas sowie die Gewinnung einer Kaltölfraktion (13) und Rückführung des Kreislaufhydrierungsgasanteiles als Strom (15) über Kompressor (30) in den Prozeß erfolgen.

[0017] Im Anschluß an den Kaltabscheider (29) kann in üblicher Weise eine Gaswäsche zur Aufarbeitung des Kreislaufhydriergasanteiles vorgesehen werden. Durch eine derartige Aufarbeitung wird durch Entfernung der in der Gaswäsche mittels Waschflüssigkeit löslichen C₁- bis C₄-Bestandteile ein ausreichender Wasserstoffpartialdruck in dem Hydriergassystem gewährleistet.

[0018] Der separate Teilstrom aus der insgesamt einzusetzenden Hydriergasmenge kann 20 bis 95, vorzugsweise 40 bis 80 % der insgesamt erforderlichen Hydriergasmenge ausmachen.

[0019] In weiterer Ausgestaltung (vgl. Figur 2) wird die definierte Temperatur im Zwischenabscheider (28) nicht über den Gaswärmeaustauscher (22) mit Bypaßeinstellung sondern mittels Bypaßfahrweise des Maischewärmeaustauschers (19) eingestellt. Hierdurch wird zwar gegenüber Figur 1 eine vergleichweise größere Austauschfläche das Maischewärmeaustauschers (19) benötigt; es entfällt aber der Gaswärmeaustauscher (22).

Ansprüche

1. Verfahren zur Hydrierung fester kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe wie Steinkohle oder Braunkohle mit wasserstoffhaltigen Gasen als Hydriergas unter den Bedingungen einer Sumpfphasenhydrierung mit nachgeschalteter Gasphasehydrierung bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, ggf. in Anwesenheit eines Katalysators, mit nachgeschalteter Heißabscheiderstufe unter getrennter Aufheizung eines aus den Einsatzstoffen und einem Teilstrom des Hydriergases gebildeten Maischestroms und eines zweiten Teilstroms des Hydriergases, wobei das Heißabscheiderkopfprodukt im indirekten Wärmetausch seine Wärmeenergie an die genannten Einsatzströme abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Maischeaufheizofen entfällt und ein Hydriergasaufheizer im Normalfall im Bypaß und nur bei besonderen Fahrzuständen, beim Anfahren oder im verschmutzten Zustand der für den indirekten Wärmetausch eingesetzten Wärmeaustauscher, verwendet wird, wobei im Hydriergasaufheizer eine Aufheizung der Gase auf 300 bis 650, vorzugsweise 450 bis 550 °C erfolgt, und durch anschließende Vereinigung mit dem durch indirekten Wärmeaustausch aufgeheizten Maischestrom die notwendige Eintrittstemperatur in den Sumpfphasereaktor erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Maischestrom (3) durch Wärmetauscher (18), (19), (20) und der separat aufzuheizende zweite Teilstrom des Hydriergases (5) vor Eintritt in den Hydriergasofen (24) durch Wärmetauscher (21), (22), (23) im Gegenstrom zu dem Heißabscheiderkopfproduktstrom (9) geführt werden und daß Strom (9) in Abstromrichtung nacheinander mit dem Maischestrom (3) in einem Wärmetauscher (20) und dem Hydriergasstrom (5) in einem Wärmetauscher (23) dem Wärmeaustausch unterworfen wird, einen Reaktor (27) zur Hydrierung in der Gasphase an einem Festbettkontakt durchläuft, als Strom (10) einen Wärmetauscher (19) und einen Wärmetauscher (22) zwecks Wärmetausch mit Strom (3) bzw. Strom (5) sowie einen Zwischenabscheider (28) zur Abtrennung einer Heißölfraktion (11) durchläuft, um als Strom (12) einen Wärmetauscher (18) und einen Wärmetauscher (21) zwecks Wärmetausch mit Strom (3) bzw. Strom (5) und einen Kühlwasserwärmeaustauscher (31) sowie einem Kaltabscheider (29) zugeführt zu werden, wo eine Abtrennung von Abwasser und Abgas sowie die Gewinnung einer Kaltölfraktion (13) und Rückführung eines Kreislaufhydriergasanteiles (15) vorgenommen werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Kreislaufhydriergasstroms als Quenchgasstrom (16) zur Temperaturregelung in den Sumpfphasereaktor (25), den Gasphasereaktor (27) und in den Heißabscheider (26) eingespeist werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der erforderlichen Gasphaseeintrittstemperatur ein gas-/dämpfeseitiger Bypaß um den Wärmaustauscher (20) oder auch ein gasseitiger Bypaß um den Wärmetauscher (23) verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einspeisung von Vakuumgasöl als Strom (32) in den Heißabscheiderkopfproduktstrom entweder vor dem Wärmeaustauscher (20) oder dem Wärmeaustauscher (23) oder auch direkt vor dem Gasphasereaktor (27) erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasphaseprodukt durch Abkühlung im Gaswärmeaustauscher (22) mit gasseitiger Bypaßeinstellung auf eine definierte Temperatur des Zwischenabscheiders (28) in einen Sumpfanteil (11) für die Lösungsmittelrückführung und in einen Kopfanteil (12) für die Nettoprodukte aufgeteilt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasphaseprodukt durch Abkühlung im Maischewärmeaustauscher (19) mit Bypaßeinstellung auf eine definierte Temperatur des Zwischenabscheiders (28) in einen Sumpfanteil (11) für die Lösungsmittelrückführung und in einen Kopfanteil (12) für die Nettoprodukte aufgeteilt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der separat aufgeheizte Teilstrom (5) 20 bis 95, vorzugsweise 40 bis 80 % der insgesamt einzusetzenden Hydriergasmenge ausmacht.

Zeichnung