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Title:
METHOD AND DEVICE FOR THE CATALYTIC PRESSURELESS DEPOLYMERIZATION OF HYDROCARBON-CONTAINING SUBSTANCES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/228619
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for catalytic compressed air depolymerization of hydrocarbon-containing substances comprising the following steps: providing a hydrocarbon-containing substance and a catalyst oil in a mixing turbine; mixing the catalyst oil with the hydrocarbon-containing substance to form a mixture, the mixing step including generation of heat for catalytic oxidation in the mixing turbine; providing a distillation device downstream of the mixing turbine; conveying liquid components of the mixture into the distillation device; and distilling the liquid components and collecting oil and water. The method is characterized in that the mixing step includes introduction of oxygen into the mixing turbine. The invention further relates to a device with which this method can be applied, having a mixing turbine which comprises a first supply line for a catalyst oil and a hydrocarbon-containing substance, and a discharge line for liquid components following catalytic oxidation. A device of this kind further comprises a distillation device for distilling the liquid components discharged from the mixing turbine and a collecting device for collecting oil and water separated out of the distillation device, wherein the mixing turbine has a second delivery line for oxygen.

Inventors:
KOCH CHRISTIAN (DE)
Application Number:
PCT/DE2017/000165
Publication Date:
December 20, 2018
Filing Date:
June 13, 2017
Export Citation:
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Assignee:
KOCH CHRISTIAN (DE)
International Classes:
C10G1/08; C10G1/02; C10G1/10; C10G11/22
Foreign References:
DE102005056735B32006-08-10
DE10049377A12002-04-18
US5605551A1997-02-25
US5608136A1997-03-04
US20150292510A12015-10-15
DE10138518A12003-02-20
EP1798277A22007-06-20
DE10049377A12002-04-18
DE102005056735B32006-08-10
Other References:
DIETRICH BALZER: "Gemeinsamkeiten und Unterschiede von TRIZ, kunstlicher Intelligenz und Kybernetik als wissenbasierte Methoden fur die Losung technischer Probleme", LIFIS ONLINE, 10 January 2017 (2017-01-10), XP055747415
Attorney, Agent or Firm:
KAYSER & COBET PATENTANWÄLTE PARTNERSCHAFT et al. (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur katalytischen drucklosen VerÖlung von kohlenwasserstoffhaltigen Substanzen, mit den Schritten:

- Bereitstellen einer kohlenwasserstoffhaltigen Substanz und eines Katalysatoröls in einer Mischungsturbine;

- Mischen des Katalysatoröls mit der kohlenwasserstoffhaltigen Substanz zu einem Gemisch; wobei der Schritt des Mischens ein Erzeugen von Wärme für eine katalytische Oxydation in der Mischungsturbine umfasst; - Bereitstellen einer Destillationseinrichtung stromabwärts der Mischungsturbine;

- Abfuhren flüssiger Bestandteile des Gemischs in die Destillationseinrichtung;

- Destillieren der flüssigen Bestandteile; und

- Sammeln von Öl und Wasser,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Schritt des Mischens ein Eintragen von Sauerstoff in die Mischungsturbine umfasst. 2. Verfahren nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass eine Menge eines einzutragenden Sauerstoffs in Abhängigkeit von einer Reaktionstemperatur in der Mischungsturbine gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass bei einer abfallenden Reaktionstemperatur in der Mischungsturbine in Richtung stromabwärts die Sauerstoffmenge erhöht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass bei einer ansteigenden Reaktionstemperatur in der Mischungsturbine in Richtung stromabwärts die Sauerstoffmenge vermindert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet,

dass als einzutragender Sauerstoff ein Sauerstoff mit einem Reinheitsgrad von über 90% gewählt wird.

6. Verfahren nach einem der Anspruch 2 bis 5,

dadurch gekennzeichnet,

dass das die Reaktionstemperatur in der Mischungsturbine durch das Eintragen von Sauerstoff gesenkt wird.

7. Vorrichtung zur katalytischen drucklosen VerÖlung von kohlenwasserstoffhalti- gen Substanzen, mit:

- einer Mischungsturbine (1), die einer ersten Zuleitung (5) für ein Kataly- satoröl und wenigstens eine kohlenwasserstoffhaltige Substanz und eine Ableitung (9) für flüssige Bestandteile nach einer katalytischen Oxydation umfasst;

- mit einer Destillationseinrichtung (11) zum Destillieren der aus der Mischungsturbine (1) abgeleiteten flüssigen Bestandteile; und

- mit einer Sammeleinrichtung (15) zum Sammeln von aus der Destillationseinrichtung (1 1) abgeschiedenem Ol und Wasser;

dadurch gekennzeichnet,

dass die Mischungsturbine (1) eine zweite Zuleitung (7) für Sauerstoff aufweist.

Vorrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass die zweite Zuleitung (7) mit einer Sauerstoff erzeugungseinrichtung gekoppelt ist. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass eine Steuereinrichtung (17) eine durch die zweite Zuleitung in die Mischungsturbine strömende Sauerstoffmenge steuert. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,

dadurch gekennzeichnet,

dass die zweite Zuleitung (7) in einem Mittelbereich der Mischungsturbine (1) angeordnet ist.

Description:
Verfahren und Vorrichtung zur katalytischen drucklosen VerÖlung von koh- len asserstoffhaltigen Substanzen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur katalytischen drucklosen Verölung von kohlenwasserstoffhaltigen Substanzen, mit den Schritten des Bereitstellens einer kohlenwasserstoffhaltigen Substanz und eines Katalysatoröls in einer Mischungsturbine; des Mischens des Katalysatoröls mit der kohlenwasserstoffhaltigen Substanz zu einem Gemisch; wobei der Schritt des Mischens ein Erzeugen von Wärme für eine katalytische Oxydation in der Mischungsturbine umfasst; des Bereitstellens einer Destillationseinrichtung stromabwärts der Mischungsturbine; des Abführens flüssiger Bestandteile des Gemischs in die Destillationseinrichtung; des Destillierens der flüssigen Bestandteile; und des Sammeln von Öl und Wasser.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur katalytischen drucklosen Verölung von kohlenwasserstoffhaltigen Substanzen, mit einer Mischungsturbine, die einer ersten Zuleitung für ein Katalysatoröl und eine koh- lenwasserstoffhaltige Substanz und eine Ableitung für flüssige Bestandteile nach einer katalytischen Oxydation umfasst; mit einer Destillationseinrichtung zum Destillieren der aus der Mischungsturbine abgeleiteten flüssigen Bestandteile; und mit einer Sammeleinrichtung zum Sammeln von aus der Destillationseinrichtung abgeschiedene Ol und Wasser. Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind zum Beispiel bekannt aus EP 1 798 277, DE 100 49 377 und DE 10 2005 056 735. In den vorgenannten Druckschriften ist die drucklose katalytische Umwandlung von kohlenwas- serstoffhaltigen Substanzen in Mischungsturbinen offenbart. In diesem Stand der Technik weist die Mischungsturbinen einen Läufer bzw. Walzenläufer auf, der in der Mischungsturbine rotiert und durch Reibung mit der in der Mischungsturbine enthaltenen kohlenwasserstoffhaltigen Substanz Wärme erzeugt. Ein solcher Läufer muss separat angetrieben werden, was Energie verbraucht. Die durch Reibung erzeugte Wärme stellt die Reaktionstemperatur zur Verfügung, um die drucklose katalytische Umwandlung der kohlenwasserstoffhaltigen Substanzen in der jeweiligen Mischungsturbine zu initiieren.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung sind kohlenwasserstoffhaltige Substanzen zum Beispiel Erdöl, Erdölrückstände, Kohle, Biomasse und Abfälle, die in der Mischungsturbine des Standes der Technik zusammen mit einem Katalysatoröl gemischt und auf eine Reaktionstemperatur von etwa 240 bis 340°C erwärmt werden. Mit„Substanz" ist im Sinne der Erfindung nicht nur eine einzige Substanz sondern auch ein Gemisch einzelner Substanzen gemeint. Mit„Katalysatoröl" ist ein Öl gemeint, das der Substanz beigemischt wird, um diese fließfähi- ger zu machen. Es kann ein Produkt des Verfahrens sein, das dafür benutzt wird, oder es kann ein Verfahrens fremdes Ol sein. Das Katalysatoröl entsteht vorzugsweise durch Zugabe eines Katalysators aus Kation-Aluminium-Silikat und Kalk oder Kalkstein zur Neutralisation von im Katalysatoröl vorhandener Säuren. Der Katalysator ist zudem auch in Kohle enthalten, so dass die obige Zugabe von Katalysator auch durch Zugabe von Kohle ersetzt werden kann, was dann den Vorteil hat, dass damit zusätzlich Produkt (Diesel) entsteht und das Verfahren billiger wird.

Der mechanische Aufwand zur alleinigen Bereitstellung der Erwärmungsenergie zum Erreichen der Reaktionstemperatur für die katalytische Oxidation ist sehr groß. Im Stand der Technik wird dazu ein Elektromotor oder ein Dieselmotor bereitgestellt. Die auf diese Weise erzeugte Reaktionstemperatur senkt den Wirkungsgrad eines solchen Verfahrens bzw. einer solchen Vorrichtung und erfordert lange Aufheizzeiten. Ein Teil des erzeugten Treibstoffs wird gleich wieder zur Umwandlung von mechanischer Energie in Wärme verbraucht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, den Wirkungsgrad des eingangs genannten Verfahrens und der eingangs genannten Vorrichtung deutlich zu verbessern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für das Verfahren dadurch gelöst, dass der Schritt des Mischens ein Eintragen von Sauerstoff in die Mischungsturbine um- fasst. Die Aufgabe wird für die Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Mischungsturbine eine zweite Zuleitung für Sauerstoff aufweist.

Überraschenderweise wurde nun von dem Anmelder in den Anlagen des oben genannten Standes der Technik herausgefunden, dass sich bei der katalytischen Umwandlung kohlenwasserstoffhaltiger Substanzen hochreaktive Zwischenprodukte bilden, die eine Reaktion bereits im Temperaturbereich von unter 100°C entzünden. Diese Zwischenprodukte reagieren dann ab 140°C sehr intensiv. Diese überraschende Entdeckung stimmt im Wesentlichen auch mit der beo- bachteten Funktionsweise des menschlichen Körpers überein, die die Lunge zur Sauerstoffinjektion in die katalytischen Prozesse im Blut des Menschen nutzt. Der im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschriebene Prozess ist also dem biologischen Mechanismus des menschlichen Körpers angenähert, bei dem die Erzeugung von mechanischer Energie und die durch die Arbeit des Gehirns ge- brauchte Energie durch Energiezufuhr der Nahrung gedeckt wird. Allerdings verliert die mechanische Energie im Rahmen der vorliegenden Erfindung an Bedeutung.

Aufgrund der Beobachtung durch den Anmelder wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch in der Mischungsturbine, also dem Herz der katalytischen Oxidation, nun erfindungsgemäß eine Substitution der Aufwärmung des Gemisches aus Katalysatoröl und kohlenwasserstoffhaltigen Substanzen von der bisher durch die Mischungsturbine gelieferten mechanischen Energie erreicht, und zwar durch die katalytische Oxidation unter Sauerstoffinjektion.

Von grundlegender Bedeutung sind dabei die durch die Sauerstoffinjektion initiierte Erwärmung und der Anteil der durch Reibung eines Turbinenrades der Mischungsturbine erzeugten Erwärmung. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist daher, dass eine Menge eines einzutragenden Sauerstoffs in Abhängigkeit von einer Reaktionstemperatur in der Mischungsturbine gesteuert wird. Dadurch ist es möglich, die Anteile der beiden vorgenannten Wärmeeinträge in ein beliebiges Verhältnis zueinander zu setzen.

So ist es zum Beispiel ein Vorteil, dass bei einer abfallenden Reaktionstemperatur in der Mischungsturbine in einer Richtung stromabwärts die Sauerstoffmenge erhöht wird.

Ebenso ist es ein Vorteil, dass bei einer ansteigenden Reaktionstemperatur in der Mischungsturbine in Richtung stromabwärts die Sauerstoffmenge vermindert wird. Die Injektion des Sauerstoffs bzw. der Luft ermöglicht eine Substitution der mechanischen Energie der Mischungsturbine hinsichtlich der Aufwärmung und der Erreichung und Haltung der Reaktionstemperatur von bis zu 90%. Das bedeutet, dass ein zur Bereitstellung der 90% aus mechanischer Energie benötigter Treibstoff entfallen kann. Der Wirkungsgrad des Verfahrens und der Vorrichtung ge- mäß der vorliegenden Erfindung wird dadurch deutlich gesteigert.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass als einzutragender Sauerstoff ein Sauerstoff mit einem Reinheitsgrad von über 90% gewählt wird. Wenn also nicht nur Luft, sondern Sauerstoff mit hohem Reinheitsgrad im Rah- men der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, wird sogar eine Substitution der mechanischen Energie der Mischungsturbine hinsichtlich der Aufwärmung und der Erreichung und Haltung der Reaktionstemperatur bis zu 95% ermöglicht.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass durch die Injektion von Sauerstoff in sehr reiner Form die erforderliche Reaktionstemperatur für die ka- talytische Oxidation des sich in der Mischungsturbine befindlichen Gemischs aus atalysatoröl und kohlenwasserstoffhaltigen Substanzen um 10 bis 20°C senkt. Dies wird der strippenden Wirkung des Stickstoffs zugeschrieben.

Eine Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der einzigen Figur näher beschrieben. Die Figur zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur katalytischen drucklosen VerÖlung von kohlenwasserstoffhaltigen Substanzen gemäß vorliegender Erfindung.

In der Figur ist eine Mischungsturbine 1 schematisch dargestellt, in der ein Läu- fer oder Walzenläufer 3 um eine Drehachse rotierend angebracht ist. Der Walzenläufer 3 hat in der vorliegenden Ausfuhrungsform einen Durchmesser von 500 mm und dreht mit 3000 U/min. Angetrieben wird der Walzenläufer durch einen Elektromotor mit einer Leistung von 300 kW. Die Mischungsturbine 1 weist eine erste Zuleitung 5 auf, über die eine kohlenwasserstoffhaltige Substanz oder ein Gemisch aus kohlenwasserstoffhaltigen Substanzen in die Mischungsturbine 1 zugeführt werden kann. Über die erste Zuleitung 5 kann zudem auch ein Katalysatoröl zugeführt werden. In anderen Ausführungsformen kann das Katalysatoröl auch über eine eigene Zuleitung in die Mischungsturbine 1 einge- bracht werden. Das Katalysatoröl ist dafür da, die kohlenwasserstoffhaltigen

Substanzen in der Mischungsturbine 1 fließfähig zu machen. Durch die Rotation des Walzenläufers 3 werden die kohlenwasserstoffhaltigen Substanzen mit dem Katalysatoröl vermischt. Durch Reibungsenergie wird Wärme erzeugt.

Die Mischungsturbine 1 weist zudem eine zweite Zuleitung 7 auf, über die Sauerstoff in die Mischungsturbine 1 eingeführt werden kann. In der bevorzugten Ausführungsform hat der Sauerstoff einen Reinheitsgrad von über 90%. Die vorliegende Erfindung hat aber bereits einen Vorteil, wenn ein Sauerstoffgemisch, zum Beispiel Luft, über die zweite Zuleitung 7 in die Mischungsturbine 1 eingeleitet wird. Die Einleitung des Sauerstoffs erfolgt während eines Betriebs der Mischungsturbine 1 , das heißt, in der Regel während einer Rotation des Walzenläufers 3. Aufgrund der Zuführung des Sauerstoffs über die zweite Zuleitung 7 wird von dem Elektromotor im Dauerbetrieb nur eine Leistung von 100 kW abgerufen. Der Grund dafür ist, dass eine über die zweite Zuleitung 7 in die Mischungsturbine 1 zugeführte Sauerstoffmenge von 400 m 3 /h eine Erwärmungsenergie an das Gemisch aus Katalysatoröl und kohlenwasserstoffhaltiger Substanz bzw. kohlenwasserstoffhaltiger Substanzen abgibt, die einer Leistung von von 1000 kW entspricht. Mit dieser Energie aus dem Lufteintrag über die zweite Zuleitung 7 und der Rotation des Walzenläufers 3 werden durch die katalytische Oxidation flüssige Bestandteile erzeugt und durch die Ableitung 9 in eine Destillationseinrichtung 1 1 übertragen. Am Ende der Destillationseinrichtung 1 1 werden in der vorliegenden Ausfuhrungsform über eine Kondensatoreinrichtung 13 Öl und Wasser gesammelt. Insgesamt wird aus dem Gemisch in der Mischungsturbine 1 durch die katalytische Oxidation eine Ölmenge (Dieselmenge) von 2,5 m 3 verdampft. Dabei gehen nur 0,075 m 3 der Ölmenge in CO 2 und H 2 O über und werden weitere 0,025 m 3 der Ölmenge für den Antrieb des Elektromotors und die Bereitstellung einer Leistung von 100 kW in einem Blockheizkraftwerk verbraucht.

In der vorliegenden Ausführungsform ist die zweite Zuleitung 7 mit einer Öffnung 7.1 versehen, die einen Durchmesser von 1 Zoll aufweist. Die zweite Zuleitung 7 ist mit einer Druckeinrichtung 14 verbunden, die Sauerstoff unter Druck bzw. Druckluft erzeugt. Die erste Zuleitung 5 und die Ableitung 9 aus der Mischungsturbine 1 sind an der Mischungsturbine 1 so angeordnet, dass durch Ansaugen und Austragen des Materials in der Mischungsturbine 1 ein Wirbel initiiert wird. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Anordnung der ersten Zuleitung 5 und der Ableitung 9 tangential an der Mischungsturbine 1 vorgesehen.

Die Destillationseinrichtung 1 1 ist wenigstens eine sogenannte Destillationskolonne, die über Leitungen 11.1 mit der Kondensatoreinrichtung 13 verbunden sind. Diese Kondensatoreinrichtung 13 weist auf einer Dampfseite Rippen 13.1, um einen Wärmeübergang trotz des Gasanteils zu verbessern. Die Kondensato- reinrichtung 13 ist mit einem großen Sammelbehälter 15 so verbunden, dass ein Kondensationsgemisch ohne weitere Vermischung in den Sammelbehälter 15 geleitet wird. Die beiden Produkte Wasser und Öl (Diesel) können sich in dem Sammelbehälter 15 ruhig absetzen. Die Verbindung zwischen der Kondensatoreinrichtung 13 und dem großen Sammelbehälter 15 erfolgt durch seitliche Schächte, die Bohrungen zu dem Sammelbehälter 15 aufweisen.

In dem Sammelbehälter 15 befinden sich Leitfähigkeitssensoren (nicht dargestellt), die den Pegel zwischen Öl (Diesel) und Wasser anzeigen. Im unteren Teil des Sammelbehälters 15 befinden sich erste Leitungen 15.1 für das Wasser, um dieses zur Wasseraufbereitung abzuführen. Darüber befinden sich zweite Leitungen 15.2, die den Ölanteil (Dieselanteil) in die Destillationseinrichtung 13 zurückführen. Die Rückführung des Dieselanteils erfolgt, nachdem der Pegel des Dieselöls durch Wasserentnahme auf eine Höhe unter einer Dieselaustrittsöffnung abgesenkt worden ist. Sammelbehältergrößen für die erfindungsgemäße Vorrichtung haben ein Volumen von 20 m 3 , so dass eine Produktionsmenge von 2,5 m 3 /h möglich ist.

Die Nachdestillation in der Destillationseinrichtung 13 erfolgt für die Produktionsmenge von 2,5 m 3 /h in einem elektrisch beheizten Kessel, wobei dafür eine elektrische Heizung mit einer Leistung von 500 kW vorgesehen ist. Um den elektrisch beheizten Kessel sind Verdampferrohre angeordnet. Insgesamt sind 50 elektrisch beheizte Verdampferrohre mit jeweils einer Einzelleistung von 10 kW um den Kessel herum angeordnet, die jeweils ein Volumen von 10 m 3 haben. Ein nachgeordneter luftgekühlter Kondensator hat ebenfalls eine Kühlleistung von 500 kW.

Bezugszeichenliste

1 Mischungsturbine

3 Läufer/Walzenläufer

5 erste Zuleitung

7 zweite Zuleitung

7.1 Öffnung

9 Ableitung

1 1 Destillationseinrichtung

1 1.1 Leitungen

13 Kondensatoreinrichtung

13.1 Rippen

14 Druckeinrichtung

15 Sammelbehälter

15.1 erste Leitung

15.2 zweite Leitung

17 Steuereinrichtung