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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hydrieren von Kohle,
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bei dem Kohle mit einem Anreiböl zu einem Brei verrührt, auS Druck
gepumpt, auf die Anspringtemperatur der Hydrierung erhitsS und in einem aus mehreren
in Reihe geschalteten Reaktionsräumen bestehenden Reaktorsystem in Gegenwart von
Katalysator und Wasserstoff hydriert wird und bei dem das aus dem Reaktorsystem
abziehende Hydrierprodukt in eine gas- bzw.
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dampfförmige und eine feststoffhaltige flüssige Phase zerlegt und
die einzelnen Phasen der weitren Aufarbeitung zugeführt werden.
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Bei der Hydrierung von Kohle zur Erzeugung von flüssigen Kohlenxlasserstoffen,
z.B. nach dem IG-Verfahren, wird die Kohle in Form einer Suspension aus etwa gleichen
Teile Kohle und Anreiböl zusammen mit dem Katalysator und etwa 50% des benötigten
Wasserstoffs auf Hydrierdruck gepumpt, dann auf die Anspringtemperatur der Hydrierung
aufgeheizt und anschließend in einem aus mehreren in Reihe geschalteten Reaktionsräumen
bestehenden Reaktorsystem hydriert. Dabei wird dem Reaktionsraum der noch für die
Hydrierung benötigte Restwasserstoff als Kaltgas zur Kontrolle der exothermen Hydrierreaktionen
zugeführt. Das am Ausgang des Reaktorsystems anfallende Hydrierprodukt wird in einem
nachgeschalteten Heißabscheider in eine gas- bzw. dampfförmige und eine feststoffhaltige
flüssige Phase zerlegt und in den weiteren Anlageteilen getrennt zu den gewünschten
Endprodukten weiterverarbeitet.
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Bei diesem bekannten Verfahren sind relativ hohe Drücke von mehr als
300 bar erforderlich, um bei befriedendem Wirkungsgrad di gewünschte Ausbeute an
flüssigen Kohlewasserstoffen zu gewährleisten. Es liegt auf der Hand, daß die Auslegung
der
Anlage auf solche hohe Drücke und die aufzubringende Kompressionsarbeit zu einer
erheblichen Belastung an Investions- und Betriebskosten und somit der Wirtschaftlichkeit
des Verfahrens insgesamt führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Senkung von Investitions-
und Betriebskosten die Wirtschaftlichkeit eines Verfahrens zur Kohlehydrierung der
eingangs genannten Art zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest zwischen
zwei Reaktionsräumen aus dem dort vorliegenden Hydrierzwischenprodukt mindestens
ein Teil der Gase und Dämpfe abgetrennt und das verbleibende Restprodukt dem nachgeschalteten
Reaktor zugeführt wird.
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Die erfindungsgemäße Verfahrensweise ermöglicht die Durchführung der
Hydrierreaktionen nunmehr bei einem um die Summe der Partialdrucke der abgetrennten
wasserstofffreien Gase und Dämpfe erniedrigten Druck. Bei dem bekannten Verfahren
wurde der für die Hydrierreaktionen bei einem bestimmten Druck benötigte Wasserstoff
durch die sich im Zuge der Hydrierung in den einzelnen Reaktoren bildenden Gase
und Dämpfe, wie z.B. Methan, Kohlenmonoxyd, -dioxyd, Naphthadämpfe, Wasserdampf
usw., stark verdünnt, wodurch zur Aufrechterhaltung des Wasserstoffangebotes für
die Hydrierung ein um die Partialdrucke der genannten Komponenten erhöhter Gesamtdruck
erforderlich wurde. Durch die Abtrennung können diese Gase und Dämpfe nunmehr zur
Verdünnung des Wasserstoffs nicht mehr beitragen, so daß die Hydrierreaktionen bei
niedrigerem Druck durchgeführt werden können.
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Als weiterer Vorteil kommt hinzu, daß die in einem Reaktionsraum gebildeten
und dampfförmig vorliegenden Destillate im
Naphtha- und Mittelölbereich
sowie verdampfte Teile des Anreiböles nicht mehr das gesamte Reaktorsystem durchlaufen,
sondern vielmehr unmittelbar im Anschluß ihrer Entstehung aus dem Hydrierzwischenprodukt
abgetrennt werden. Die Verweilzeit dieser Komponenten im Reaktorsystem wird somit
erheblich verringert- und hierdurch die Entstehung unerwünschter Spaltreaktionen,
welche unter zusätzlichem Wasserstoffverbrauch zu weiterer Gas- und Dampfbildung
führen, vermindert. Auch können die entfernten Gase und Dämpfe in nachfolgenden
Reaktionsräumen nicht mehr als überkritische Extraktionsmittel wirken, wodurch weniger
schwere und unter den Hydrierbedingungen flüssige Destillate aus der flüssigen Phase
entfernt werden und somit dem System als wichtiger Wasserstoffzwischenträger erhalten
bleiben. Es hat sich nämlich gezeigt, daß bei der Kohlehydrierung sich der molekulare
Wasserstoff bevorzugt nicht direkt an die Kohle anlagert. Vielmehr werden zunächst
in einem Zwischenschritt vorhandene Destillate weiter aufhydriert, wobei diese dann
den Wasserstoff nunmehr aber im atomaren Zustand an die Kohle weitergeben.
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Als weiterer wesentlicher Vorteil des neuen Verfahrens kommt hinzu,
daß infolge des verringerten Gas-und Dampfdurchsatzes durch das Reaktorsystem der
Füllungsgrad der einzelnen Reaktionsräume und somit deren Reaktionsraumausnutzung
erheblich gesteigert wird. Bei gleichem Kohledurchsatz können die einzelnen Reaktionsräume
nunmehr kleiner bemessen sein, was zu einer weiteren Einsparung an Investitionskosten
führt.
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Die Abtrennung der Gase und Dämpfe aus dem Hydrierzwischenprodukt
kann entweder direkt am Kopf oder innerhalb des jeweiligen Reaktionsraumes oder
in einem zwischen zwei Reaktionsräume geschalteten Abscheider erfolgen. Zumindest
teilweise können die abgetrennten Gase und Dämpfe dann dem
abziehenden
Kopfprodukt des dem Reaktorsystem nachgeschalteten Heißabscheiders zugeführt und
zusammen mit diesem aufgearbeitet werde.
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Nach einem weiteren MerkmaL der Erfindung wird jedem Reaktionsraum
des Reaktorsystems Frischlvasscrstoff fein vor teilt zugegeben, wobei Zweckmäßigerweise
die Menge des zudosierten l«!asserstoçfs in etwa dem Wasserstoffverbrauch in dem
jeweiligen Reaktionsraum entspricht, d.h. es wird gerade soviel Wasserstoff zugeführt
wie zur Aufrechterhaltung des für die Durchführung erforderlichen Wasserstoffpartialdruckes
erforderlich ist. Auf diese Weise wird verhindert, daß zusammen mit den Gasen und
Dämpfen des. Hydrierzwischenproduktes noch größere Mengen an unverbrauchtem Wasserstoff
abgezogen werden. Zweckmäßigerweise wird zumindest ein Teil des Frischwasserstoffs
ohne vorherige Erwärmung eingespeist, so daß dieser zur Ten,peraturstabilisierung
und somit zu der gewünschten isothernien Fahrweise beitragen kann.
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Die Zuführung des Frischwasserstoffs kann durch Zumischung zu dem
dem jeweiligen Reaktionsraum zuströmenden Hydrierzwischenprodukt und/oder durch
direkte Einspeisung in den Reaktionsraum erfolgen.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens enthält ein aus mehreren
in Reihe geschalteten Reaktionsräumen bestehendes Reaktorsystem und einem dem Reaktorsystem
nachgeschalteten Heißabscheider und zeichnet sich dadurch aus, daß mindestens zwischen
zwei Reaktionsräumen des Reaktorsystems ein Abscheider angeordnet ist, dessen Kopf
über eine regelbare Gas-bzw. Dampfleitung mit der Gas- bzw. Dampfabzugsleitung des
Heißabscheiders und dessen Sumpf über eine weitere Leitung mit dem unteren Bereich
des nachfolgenden Reaktionsraumes in Verbindung steht.
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Weitere Erläuterungen zu der Erfindung sind dem in der Figur schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
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Gemäß der Figur werden Frischkohle, Katalysator und Anreiböl über
Leitungen 1,2 und 3 einem Mischbehälter 4 zugeführt und dort zu einem Brei verrührt.
Das Verhältnis von Firschkohle zu Anreiböl beträgt etwa 1:1.
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Der Kohlebrei wird mittels einer Hochdruckpumpe 5 auf etwa den Druck
der Hydrierung von etwa 250 bar gepumpt und in einer Mischzone 6 innig mit heißen
Gasen und Dämpfen, deren Herkunft weiter unten noch erläutert wird, vermischt. In
einem Abscheider 7 wird das Produkt der Mischzone 6 in seine Phasen zerlegt. Die
Gas- bzw. Dampfphase vom Kopf des Abscheiders, die neben Wasserdampf, Kohlenmonoxyd,
Kohlendioxyd, Methan und weiteren Gasen die erzeugten Destillate im Naphtha- und
Mittelölbereich enthält, wird in einem Wärmetauscher 9 gegen Frischwasserstoff abgekühlt.
Ein Teil der dabei auskondensierenden Destillate wird über Leitungen 22 und 3 dem
Mischbehälter 4 als Anreiböl zugeführt, während das verbleibende Restprodukt über
eine Leitung 23 einer hier nicht dargestellten Aufarbeitung zuströmt.
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Das Sumpfprodukt des Abscheiders 7 enthält die gesamte zu hydrierende
Frischkohle sowie den Katalysator. Es wird mittels einer Förderpumpe 8 zusammen
mit dem über eine Leitung 10 zugespeisten Wasserstoff dem ersten Reaktionsraum 11
eines aus zwei Reaktionsräumen 11 und 15 bestehenden Reaktorsystems zugeleitet.
Das am Kopf des ersten Hydrierreaktors 11 anfallende Hydrierzwischenprodukt enthält
als feste Komponenten die noch nicht umgesetzte Kohle, die bereits vorliegende Asche
sowie den Katalysator, als flüssige Komponenten schwere Destillatöle und Bitumen
und als gas- und dampfförmige Komponenten im wesentlichen Methan und andere tiefsiedende
Kohlenwasserstoffe,
Kohlenmonoxyd, Kohlendioxyd, Wasserdampf, Naphtha-
und Mittelöldämpfe usw. Um zu verhindern, daß diese gas- und dampfförmigen Komponenten
in den zweiten Reaktionsraum 15 gelangen und die dort ablaufenden Hydrierreationen
negativ beeinflussen, werden sie in einem dem Reaktor 11 nachgeschalteten Abscheider
12 abgetrennt und über eine regelbare Leitung 13 dem abziehenden Kopfprodukt des
Heißabscheiders 17 zugemischt.
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Das flüssige Hydrierzwischenprodukt vom Sumpf des Abscheiders 12 strömt
über eine ebenfalls regelbare Leitung 14 in den zweiten Reaktionsraum 15, wobei
dort noch benötigter Wasserstoff über eine Leitung 16 zudosiert wird. Die beiden
Ventile in den Leitungen 13 und 14 dienen zur Druckerhaltung im System.
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Im zweiten Reaktionsraum 15 erfolgt die Weiterhydrierung der' Kohle
zu dem angestrebten Endprodukt. Vom Kopf des Reaktionsraumes 15 wird das Hydrierprodukt
dem Heißabscheider 17 zugeleitet und dort in seine Phasen zerlegt. Das heiße Kopfprodukt
des Heißabscheiders strömt zusammen mit den Gasen und Dämpfen aus der Leitung 13
dem Mischrohr 6 zu und vermischt sich dort.
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innig mit dem frischen Kohlebrei. Dadurch wird der Kohlebrei im direkten
Wärmetauscn stark erhitzt, so daß auf aufwendige Wärmetauscher und auch auf den
sonst üblicnen Vorerhitzer zur Erwärmung des Kohlebreis auf die Anspringtemperatur
der Hydrierung verzichtet werden kann.
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Das Sumpfprodukt des Heißabscheiders 17 wird über eine Leitung 19
in einevakuumdestillationsanlage 24 eingespeist. Der anfallende Vakuumrückstand
wird über eine Leitung 21 abgezogen, wåhrend das gewonnene Vakuumöl zumindest teilweise
über eine Leitung 20 als Anreiböl für die Frischkohle zur Verfügung gestellt wird.
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Falls das Reaktorsystem nicht aus mehreren in Reihe geschelteten Reaktionsräumen,
sondern nur aus einem einzigen Rea'tor besteht, erweist es sich als zweckmäßig die
im Reaktor. gebildeten Gase und Dämpfe abzutrennen noch bevor sie den gesamte Reaktor
durchströmt haben. Dies ka@n z.B. durch einen oder mehrere im Reaktor übereinander
angecrdnete Gasfangtrichter erfolgen, durch we] ehe die Gase und Dämpfe aufgefangen
und getrennt vom übrigen Reaktorinhalt aus dem Reaktor abgezot.en werden