LPG Tr. Gas
2.6 Der Aufbau der FCC-Technikumsanlage
2.6.1 Das Prinzip der internen Zirkulation
Im Abschnitt 2.1.3. wurden verschiedene FCC-Anlagen vorgestellt, die alle eine externe Zirkulation gemeinsam haben. Darunter versteht man, dass der Riser- und der Regeneratorbereich baulich getrennt voneinander als eigene Anlagenteile angeordnet sind.
Hofbauer39 und Reichhold40'41 haben eine katalytische Crackanlage mit intern zirkulierender Wirbelschicht am Institut für Verfahrenstechnik, Brennstofftechnik und Umwelttechnik der Technischen Universität Wien entwickelt. Bei dieser Anlage sind der Reaktionsbereich (Riser) und der Regenerationsbereich konzentrisch in einem Bauteil ausgebildet. Der Hauptvorteil dieser kompakten und somit Platz sparenden Bauweise, im Gegensatz zu Anlagen mit externer Zirkulation, liegt im energiesparenden Betrieb, weil die exotherme Koksabbrandreaktion direkte Wärme für die endothermen Crackreaktionen im zentralen Riserrohr zur Verfügung stellt. Das bedeutet, dass die Riseraustrittstemperatur in der FCC-Technikumsanlage mit interner Zirkulation trotz endothermer Crackvorgänge gleich oder sogar geringfügig höher sein kann, als die Risereintrittstemperatur. Dies ist speziell im Hinblick auf die heutzutage übliche Fahrweise von FCC-Anlagen bei höherer Cracktemperatur zur Produktion von wichtigen Grundstoffen für die petrochemische Industrie — Ethylen und Propylen - interessant.
Tabelle 2-4 gibt einen Überblick über die Vor- und Nachteile der beiden Bauarten:
Vorteile:
Nachteile:
Interne Zirkulation + Kompakte Bauweise + Höhere Crack-Effizienz
durch höheren Energie-Eintrag in den Riser
Installation von Messstellen im Riser-Bereich schwer realisierbar
Entkoppelte Regelung gewisser Betriebsgrößen schwer möglich
Externe Zirkulation + Einfache Regelung des Betriebes + Große Anzahl von Messstellen in
beiden Bereichen (Reaktor und Regenerator) möglich
höherer Platzbedarf
geringere Crack-Effizienz durch limitierte Temperatur am Riser-Austritt
Tabelle 2-4 Vergleich der Vor- und Nachteile der internen und externen Zirkulation von FCC-Anlagen
39 Hofbauer H.; „Intern zirkulierende Wirbelschicht — Grundlagen und Anwendungen, Habilitationsschrift, TU-Wien, Institut für Verfahrenstechnik, Brennstofftechnik und Umwelttechnik (1993)
40 Reichhold A.; „Entwicklung von Reaktions/Regenerationssystemen für Adsorptions/Desorptionsprozesse und für katalytisches Cracken auf Basis von intern zirkulierenden Wirbelschichten, Dissertation, TU-Wien, Institut für Verfahrenstechnik, Brennstofftechnik und Umwelttechnik (1996)
41 Reichhold A., Hofbauer H., Krobath P.; „Internally Circulating Fluidized Bed as a Reaction/Regeneration System for Catalytic Cracking", Circulating Fluidized Bed Technology Conference, Beijing, Proceedings, pp414-419 (1996)
2.6.2 Die Funktionsweise der Anlage
Betrachtet man die unter Punkt 2.6.3. nachfolgende Anlagenskizze, so kann man die Apparatur grundlegend in zwei Bereiche gliedern, in den Reaktions- und in den Regenerationsbereich. Der Reaktionsbereich erstreckt sich dabei vom Bodenbereich über den Riser bis zum Rückführteil, während der Regenerationsbereich eigentlich nur durch den Regenerator gebildet wird. Die Crackreaktionen können nur unter Luftausschluss ablaufen, während die Regeneration, also der Koksabbrand, Luft, respektive Sauerstoff, erfordert. Die beiden Bereiche müssen demzufolge bezüglich der gasförmigen Komponenten möglichst gut voneinander getrennt werden. Der Feststoff allerdings muss zwischen diesen beiden Bereichen im Kreis geführt werden. Dies geschieht beim Übergang vom Rückfuhrteil zum Regenerator durch den Siphon, der mit Stickstoff als Sperrgas fluidisiert wird und verhindert, dass Luft aus dem Regenerator in den Produktbereich gelangen kann. Zur Beurteilung der Wirkung dieser Sperrgase wurden von Krobath42 Messungen zur Bestimmung der Gasleckage zwischen den Bereichen durchgeführt.
Dabei wurde festgestellt, dass diese Leckagen für realistische Betriebspunkte zwar nicht Null waren, aber in einem zu vernachlässigenden Bereich lagen.
Der Aufbau und die Funktion des Siphons wird durch untenstehende Fotografie verdeutlicht:
Abbildung 2-29 Detail-Foto des Siphons mit von oben mündendem Rückführteil und zentralem Riser
42 Krobath P.; „Entwicklung eines Reaktions/Regenerationssystems auf Basis der intern zirkulierenden Wirbelschicht", Dissertation, TU Wien, Institut für Verfahrenstechnik, Brennstofftechnik und Umwelttechnik (1996)
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-Kapitel ? Grundlagen Wie man dem Foto entnehmen kann, wird der Stickstoff zur Fluidisierung des Siphons über vier horizontale Finger mit nach unten gerichteten Düsen eingebracht. Das gleiche Prinzip der Sperrgase wird auch im Bereich des Bodens angewandt, wo wiederum die Fluidisierung mit Stickstoff als Inertgas erfolgt, um den Regeneratorbereich von der Feedeinleitung zu trennen.
Abbildung 2-30 zeigt den Basis-Flansch des Regenerators und den darunter befindlichen Bodenbereich. Deutlich erkennbar ist dabei der Fluidisierungsring des Regenerators mit nach unten gerichteten Strömungsdüsen. Durch diesen gelangt die Luft in den Regenerator, welche danach mit der Siphonfluidisierung vermischt wird und somit im Routinebetrieb eine lokale Sauerstoffkonzentration von etwa 17 Volumenprozent bewirkt.
Abbildung 2-30 Detail-Foto des Regeneratorbodens mit Fluidisierungsring für den Lufteintrag
Der Bodenbereich, der in Abbildung 2-31 noch einmal vergrößert dargestellt wird, besteht aus dem zentralen Feedeinleitrohr und den drei ringsherum angeordneten Fluidisierungslanzen. Das Feedeinleitrohr befindet sich etwa 20cm oberhalb des Austrittes aus dem Röhrenofen und ragt etwa 2,5cm in den Riser hinein. Der Röhrenofen selbst wird durch Abbildung 2-32 erklärt. Das wendeiförmig gebogene Rohr ist in eine Heizschale eingelassen und von Glaswolle zur besseren Isolierung umgeben. Der Feed wird darin knapp unterhalb des Siedebeginns vorgewärmt und dann durch das Feedeinleitrohr in die Apparatur gefördert.
Abbildung 2-31 Detail-Foto des Bodenbereiches mit zentralem Feedeinleitrohr und senkrechten Lanzen
Beim Kontakt mit dem heißen Katalysator im Bodenbereich verdampft der Feed schlagartig und fördert das Katalysatormaterial durch den Riser nach oben. Dabei wird der nun gasförmige Feed gecrackt, und als Folge davon scheidet sich Koks auf dem Katalysator ab. Am Riseraustritt befindet sich ein Prallkegel, der die Gas-Feststoff-Trennung herbeiführt. Die gasförmigen Produkte, beziehungsweise die ungecrackten Rückstände verlassen die Anlage über die Produktgasleitung, während der Katalysator in den Rückführteil zurück fallt, welcher den Riser konzentrisch umgibt.
Danach gelangt der Katalysator über den Siphon in den Regenerator, wo der Koksabbrand erfolgt. Die Fluidisierung erfolgt im Regenerator mit Luft, und die Abgase gelangen über die Abgasleitung in einen Kamin. Der nunmehr regenerierte Katalysator wird über den Bodenbereich wieder in die Feedeinleitzone zurückgeführt, wo sich der Kreislauf schließt.
Die Lehrrohrgeschwindigkeit des Gases im Riser ist wesentlich höher als die Schwebegeschwindigkeit der Katalysatorpartikel, und so kommt es zu einem pneumatischen Transport durch diese Zone. Der Regenerator wird mit Luft so fluidisiert, dass sich eine stationäre Wirbelschicht ausbilden kann, das heißt, dass die Lehrrohrgeschwindigkeit zwischen der Lockerungsgeschwindigkeit und der Schwebegeschwindigkeit des Katalysators liegt.
Kapitel 2 Grundlagen
Abbildung 2-32 Detail-Foto des Röhrenofens
2.6.3 Das Anlagenschema
Die beiden nachfolgenden Seiten enthalten die Apparaturskizzen zur FCC-Technikumsanlage.
Dabei wird durch Abbildung 2-33 der prinzipielle Aufbau der Anlage mit der Trennung in die beiden Bereiche Reaktion und Regeneration und in Abbildung 2-34 die gesamte Peripherie beschrieben.
Grundsätzlich ist zu beachten, dass in beiden Apparaturskizzen eine Hilfs-Fluidisierung des Risers mit Stickstoff eingezeichnet ist, das so genannte Iiftgas, das aber bei den vorliegenden Versuchen nicht zur Anwendung gekommen ist. Das Iiftgas wird lediglich beim Aufwärmen und Anfahren der Technikumsanlage eingesetzt um eine gleichmäßige Förderung des Vakuumgasöls und somit die Systemstabilität zu gewährleisten. Im stationären Betrieb wird das Iiftgas bei dieser Anlage im Vergleich zu den großtechnischen FCC-Anlagen, die mit Wasserdampf als Flilfs-Fluidisierung arbeiten, nicht benötigt.
In einer vorangegangen Arbeit9 konnte gezeigt werden, dass auch ein Einsatz von gasförmigen Kohlenwasserstoffen, im konkreten Fall Propan, als Iiftgas möglich ist.