[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Aufspaltung von Kohlenwasserstoffketten
einsetzbar in einem thermo-katalytischen Umwandlungs-Verfahren bei dem aus Biomasse
und anderen kohlenwasserstoffhaltigen Materialien gasförmige oder flüssige Kraftstoffe
gewonnen werden können.
Hintergrund der Erfindung
[0002] Durch Eingabe in einen heißen Ölkreiskreislauf können kohlenstoffhaltige Materialien
erhitzt, von ihrem Wassergehalt befreit und danach, unter Zugabe eines Katalysators,
in einem Gehäuse durch die Einwirkung eines rotierenden Impellers zersetzt und die
enthaltenen Kohlenwasserstoffketten durch mechanische Einwirkung und die Wirkung des
eingegebenen Katalysators aufgespalten werden.
[0003] Die durch die Spaltung entstandenen kurzkettigeren Kohlenwasserstoffverbindungen
deren Verdampfungstemperaturen niedriger als die Temperaturen der Prozessflüssigkeit
sind, separieren sich im Weiterverlauf des Prozessflüssigkeitskreislaufes durch Verdampfen
aus der Prozessflüssigkeit heraus und werden durch eine Destillation zu flüssigem
Kraftstoff, vorwiegend Mitteldestillat, kondensiert.
[0004] Es sind verschiedene Verfahren bekannt bei denen wie bei dem hier beschriebenen Verfahren
die Aufspaltung von Kohlenwasserstoffketten unter geringem Druck und Temperaturen
von nur 250°C - 400°C durch den Einsatz von Katalysatoren erreicht wird.
[0006] Nicht nur unter dem Aspekt eines geringeren Energieaufwandes, auch unter Aspekten
der Umweltverträglichkeit sind Niedertemperatur Verfahren der Pyrolyse vorzuziehen,
weil keine Dioxine mehr in die Umwelt gelangen können, da diese bei den niedrigen
Temperaturen nicht entstehen.
[0007] Seit vielen Jahren können bereits durch Nutzung dieser chemischen Reaktion über einen
begrenzten Zeitraum hinweg Kohlenwasserstoffketten aufgespalten und Kraftstoff daraus
gewonnen werden, sei es durch einen von außen elektrisch oder mit Flammen beheizten
Reaktor oder durch einen Reaktor bei dem durch mechanische Bewegung von Flügelrädern
oder Impellern innerlich Wärme-Energie eingetragen wird.
[0008] Keins der bisher bekannten Verfahren ist aber bislang unter Berücksichtigung der
Standzeit aller Baukomponenten und der daraus resultierenden Kosten-Nutzen Rechnung
für einen Dauerbetrieb im industriellen Maßstab geeignet.
[0009] Das von
Dr. Christian Koch angemeldete Verfahren - DE 10 2009 012 486 A1 2010.10.14 bei dem die in das System einzubringende Wärme durch mechanische Wirkung innerhalb
eines nach dem Grundprinzip der Flüssigkeitsring-Vakuum-Pumpe rotierenden Flügelrades
erwirkt wird, stellt gegenüber vorherigen Versionen mit Beheizung von außen eine deutliche
Verbesserung dar, weil das wartungsintensive verkoksen an den Innenseiten der von
außen beheizten Behälterwände dadurch vermieden wird, und das Aufheizverfahren gleichzeitig
mit einem für den Prozess vorteilhaften intensiven Mischverfahren gekoppelt wird.
[0010] Zum Einsatz in derartigen Verfahren benutzte Flüssigkeitsring Vakuum-Pumpen und andere
nach dem Grundprinzips der Flüssigkeitsring Vakuum-Pumpen erstellte Vorrichtungen
sind dazu geeignet, in einem Versuchsaufbau über einen gewissen Zeitraum hinweg zu
zeigen das die Durchführung dieses Umwandlungsverfahrens auf diese Weise möglich ist.
[0011] Bei Versuchen hat sich aber gezeigt, das alle bisherigen technischen Ausführungen
einem Dauerbetrieb im industriellen Maßstab noch nicht standhalten.
[0012] Durch sehr kurze Standzeiten der Wellenlager von den in den in Reaktorgehäusen rotierenden
Impellern ist ein industrieller Einsatz bisher nicht möglich, sowie auch die Wellen-Dichtungsverfahren
noch nicht ausreichend sind, da an der Welle austretendes
Öl bei Temperaturen über 300°C teilweise nicht mehr abtropft sondern verdampft.
[0013] Ein großer Unterschied ist, das prozessbedingt bei dieser neuen Anwendung eines altbekannten
Pumpenprinzips anstatt Gas oder Luft bei Raumtemperatur, Flüssigkeiten, Feststoffe
und abrasive Katalysatoren bei Temperaturen bis zu 350°C bewegt werden.
[0014] Die Annahme, das der hohe Öl-Gehalt der Prozessflüssigkeit, für die, im Prozessflüssigkeitsbereich
angeordneten Wellenlager, eine gute oder zumindest ausreichende Schmierung gewährleistet,
hat sich in Tests nicht bestätigt.
[0015] Die Standzeit der Wellenlager erreichte bei Tests entsprechender Vorrichtungen mit
Wellenlagern in dem von der Prozessflüssigkeit durchflossenen Bereich teilweise nur
30 Stunden im besten Fall 250 Stunden, wo hingegen ein Prototyp der erfindungsgemäß
beschriebenen Vorrichtung mit außenliegenden, doppelten, und nach Herstellervorgabe
sachgerecht geschmierten Wellenlagern, sich bereits seit Dezember 2011 in einer Versuchsanlage
im ständigen Dauereinsatz unter Betriebsbedingungen befindet ohne das sich bisher
auch nur das geringste Problem mit den Lagern gezeigt hätte.
[0016] Bedingt durch hohen Aufwand bei der Inbetriebnahme einer Anlage und hohem Aufwand
nach Abschaltung einer Anlage, sowie der zentralen Einbauposition der hier beschriebenen
Vorrichtung kann eine wirtschaftlich sinnvolle Nutzung nur mit einer Vorrichtung erfolgen,
die Anforderungen für einen industriellen Dauereinsatz erfüllt.
[0017] Bei Gehäuseform und Bauweise dies bezüglich erstellter Vorrichtungen wird bisher
davon ausgegangen das der hohe Öl-Anteil in der Prozessflüssigkeit die innenliegenden
Lager schmiert oder es wird versucht die Wellenlager lediglich mit hydraulischen Dichtungen
von dem Prozessflüssigkeitsbereich zu isolieren. Da hydraulische Dichtungen kontaktfreie,
keine physisch abschließenden Dichtungen sind, kann damit nur die Menge an Prozessflüssigkeit
welche in die Lager fließt eingeschränkt werden, ein grundsätzliches Eintreten aber
nicht verhindert werden.
[0018] Bei Anordnung der Wellenlager innerhalb des von Prozessflüssigkeit durchflossenen
Bereiches führen, obwohl die Prozessflüssigkeit zum größten Teil aus Öl besteht, die
mitgeführten Feststoffpartikel die sich in den Lagern absetzen zu Schmierstörungen,
vor allem aber führen die in der Prozessflüssigkeit mitgeführten und für den Prozess
notwendigen Aluminiumsilikate, sowie als Säureregulator eingesetzter Kalk durch hohe
Abrasivität selbst bei geringeren Mengen schon nach kurzer Zeit zu starken Schädigungen
der Wellenlager.
[0019] Mit den Mengen an Rohmaterialien die in den Prozess eingebracht werden, werden unvermeidlich
auch ständig, für den Prozess ansonsten unbedenkliche Mengen an Schmutz, Sand und
teilweise kleineren Steinchen etc. in die Prozessflüssigkeit eingebracht, was einen
weiteren wichtigen Grund für ein Gehäusedesign mit von Prozessflüssigkeit nicht erreichbaren
Wellenlagern darstellt.
[0020] Damit eine Vorrichtung bei welcher hochbelastete Wellenlager eine zentrale Funktion
haben, industrielle Ansprüche erfüllen kann, ist eine verschmutzungssichere Einbauposition
und Schmierung dieser Lager mit herstellerseitig empfohlenen Schmierstoffen notwendig.
Lösung des Problems
[0021] Durch die bei der efindungsgemäß beschriebenen Vorrichtung vorgenommene Verlängerung
der Welle und der außerhalb des Prozessflüssigkeitsbereiches angeordneten, jeweils
mit einem bestimmten Abstand zueinander positionierten, zwei Wellenlagern pro Seite,
sind die Wellenlager nun im Betrieb weder hohen Temperaturen, noch abrasiven Katalysatoren
oder Säureregulatoren, noch Verschmutzungen aus der Rohstoffeingabe ausgesetzt, laufen
in sauberer Ambiente mit sachgerechter Schmierung und ermöglichen nun zusammen mit
der hohen Steigerung der Wellenstabilität durch die mit einem Abstand zueinander doppelt
ausgelegten Wellenlager, trotz der Verlängerung des nicht durch Lager gestützten Bereiches,
eine hohe Standzeit.
Hintergrund der Verbesserung des Wellendichtungssystems
[0022] Unter Berücksichtigung des Standes heutiger Technik sollten Stopfbuchspackungsdichtungen,
dadurch das sie für eine einwandfreie Funktion immer auf eine gewisse Leckage eingestellt
sein müssen, für Anwendungen in Bereichen von über 300 °C nicht die erste Wahl sein.
[0023] Zwar sind die Packungsmaterialien resistent gegen Temperaturen von weit über 500°C,
aber auch schwerere Öle beginnen bereits ab 280°C zu verdampfen, mit dem Effekt das
die bei geringeren Temperaturen ansonsten tolerierbare Leckage, außen nicht abtropft
und einfach aufgefangen werden kann, sondern beim Austritt teilweise verdampft und
dadurch giftige Dämpfe bildet, die in die Umwelt gelangen und auch für Personen die
an einer solchen Anlage arbeiten nicht tolerierbar sind.
[0024] Bei Gleitringdichtungen ist die Einsatztemperatur nicht durch die thermische Belastbarkeit
der dichtenden Gleitringe (z.B. Silicium-Carbid über 1000°C) begrenzt, jedoch durch
die zum Ausgleich axialer Wellenausdehnung notwendigen Nebendichtungen.
[0025] Nach derzeitigem Stand der Technik ist für die hier beschriebene Vorrichtung und
Prozesstemperaturen bis zu 350°C, unter dem Aspekt einer industriellen Anwendung,
der Einsatz einer Hoch-Temperatur Gleitringdichtung mit Metallbalg als Nebendichtung
eine zuverlässige Lösung, da O-Ring Nebendichtungen auf Elastomer-Basis bei Temperaturen
über 270°C nicht mehr einsetzbar sind.
[0026] Um die einwandfreie Funktion des Metallbalgs einer Gleitringdichtung zu gewährleisten,
muss allerdings sichergestellt sein, das dieser im Innenraum des abzudichtenden Gehäuses
befindliche Metallbalg, nicht mit Flüssigkeiten sehr hoher Viskosität konfrontiert
wird, und das sich keine Feststoffpartikel aus der Prozessflüssigkeit in den Falten
des Metallbalges absetzen können.
[0027] Da bei bisherigen Vorrichtungen im Innenbereich der Gehäuse nach den Wellendurchführungen
immer gleich der von Prozessflüssigkeit durchflossene Bereich beginnt, konnten aufgrund
der teilweise sehr hohen Viskosität und in der Prozessflüssigkeit mitgeführten Feststoffpartikel
Gleitringdichtungen nicht angewendet werden.
Lösung des Problems
[0028] Für die in der Erfindung beschriebene Vorrichtung wurden deshalb, auf den Innenseiten
der Wellendurchführungen gelegene spezielle Öl-Kammern mit einem die Welle umgebenden
Drosselrohr entwickelt, durch welche die prozessbedingt teilweise hoch viskose Prozessflüssigkeit
sowie Feststoffpartikel aus der Prozessflüssigkeit von dem Dichtungsbereich ferngehalten
werden.
[0029] Durch die bei der efindungsgemäß beschriebenen Gehäuseausführung integrierten Öl-Kammern
mit Drosselrohr, können für die Wellenabdichtungen, dem heutigen Stand der Technik
entsprechende, Hochtemperatur-Gleitringdichtungen mit Metallbalg eingesetzt werden.
[0030] Das Gehäuse der in der Erfindung beschriebenen Vorrichtung weist zudem je im Bereich
der Wellendurchführung Bohrungen auf, an welche auf der Gehäuse-Außenseite Leitungen
angeschlossen werden, durch welche Öl in diese Öl-Kammern ein- oder ausgebracht, sowie
von außen Öl-Qualität und Ölstand in den Öl-Kammern kontrolliert werden können.
[0031] Da die Öl-Kammern durch die Gleitringdichtungen nach außen geschlossen sind und über
den minimalen Spalt des Drosselrohres entlang der Welle Verbindung zur Prozessflüssigkeit
besteht, herrscht bei geschlossenen Außenleitungen in den Öl-Kammern der gleiche Druck
wie in der Reaktionskammer.
[0032] Dadurch das der Spalt zwischen der Welle und dem Drosselrohr dieser Öl-Kammer minimal
ist und auf beiden Seiten des Drosselrings der gleiche Druck herrscht, findet kein
oder nur ein äußerst geringer Flüssigkeitsfluss statt, auch können nur Feststoffpartikel
geringster Größe das Drosselrohr passieren.
[0033] Geringe Mengen an Prozessflüssigkeit die, aufgrund plötzlicher Druckänderungen trotz
des minimalen Spaltes durch das Drosselrohr in die Öl-Kammer gelangen können, vermischen
sich problemlos mit der viel größeren Menge an vor Prozessbeginn in die Öl-Kammer
eingebrachten Öles und stellen dadurch ebenfalls keine Beeinträchtigung für die Metallbälge
der Gleitringdichtungen dar.
[0034] Über die nach außen führenden Leitungen kann das in diesen Öl-Kammern befindliche
Öl bei laufendem Betrieb gelegentlich auf etwaige Einmischungen hin untersucht, und
bei Bedarf ausgetauscht werden.
[0035] Über die nach außen führenden Leitungen und ein Dosierventil kann in diesen Öl-Kammen
auch ein minimaler Überdruck gegenüber dem Prozessflüssigkeitsbereich, und damit ein
Öl-Fluss in Richtung Innenraum erzeugt werden, wodurch eine langsame Bewegung von
Öl in Richtung Gehäuse-Innenraum die Möglichkeit des Eindringens von Prozessflüssigkeit
in die Öl-Kammer gänzlich ausschließt.
[0036] Bei dieser unter normal Betriebsbedingungen nicht notwendigen Anwendung kann das
benötigte Öl aus dem Kontingent an gereinigtem Öl genommen werden, welches prozessbedingt
sowieso immer in den Prozesskreislauf eingespeist wird, wodurch keine zusätzlichen
Aufwendungen entstehen.
[0037] Eingänge und Ausgänge der Vorrichtung
[0038] Die erfindungsgemäß beschriebene Vorrichtung weist in Abweichung von der üblichen
Bauweise der Zwei-Kammer Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen nicht auf jeder Seite einen
Eingang und einen Ausgang auf, sondern nur einen Eingang auf einer Seite und einen
Ausgang auf der gegenüberliegenden Seite.
[0039] Dadurch wird erreicht das die eingebrachten Materialien die Vorrichtung nicht, wie
normalerweise bei einer 2-Kammer Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe auf der gleichen Kammer-Seite
wieder verlassen, sondern auf ihrem Weg zum Ausgang zwangsläufig den gesamten Impeller-Raum
also beide Kammern und eine Engstelle in der Mitte passieren müssen, was zu einer
gewünschten Verlängerung der Verweilzeit des Materiales in der Vorrichtung und zu
einer gewünschten Erhöhung des Ausgangsdruckes führt, aber auch zu einer Reduzierung
der Fördermenge.
[0040] Versuche haben gezeigt, das unter dem Aspekt bestmöglicher Prozessbedingungen, die
vorteilhafte Auswirkung längerer Verweilzeit bei geringerer Fördermenge, gegenüber
größerer Fördermenge mit geringerer Verweilzeit, überwiegt.
Hintergrund der Verbesserung durch Erhöhung der Wellen belastbarkeit
[0041] Die bei der ursprünglichen Verwendung von Flüssigkeitsring Vakuumpumpen durch Luft-
oder Gasförderung entstehenden physischen Belastungen des Impellers und der Welle
werden bei Vorrichtungen zum Fördern von Flüssigkeiten und Feststoffpartikeln durch
hohe Reibung und starke Turbulenzen um ein Vielfaches übertroffen.
[0042] Da der frei überbrückte, nicht durch Lager gestützte Teil der Impeller-Welle, durch
die erfindungsgemäß beschriebene Gehäuseform der Vorrichtung mit außerhalb des Prozessflüssigkeitsbereiches
liegenden Wellenlagern, länger ist als bei bisherigen Ausführungen, weist die Gehäuseform
für die beidseitig gelagerte Version (Figur 1), auf beiden Seiten jeweils zwei, mit
einem Abstand zueinander positionierte Wellenlager auf, um bei der starken Belastung
des Impellers und der Welle durch viskose Flüssigkeiten und Feststoffe ausreichende
Stabilität zu gewährleisten.
[0043] Bei der Gehäuse-Version der Vorrichtung mit nur einseitiger Wellenlagerung (Figur
2) wird, im Vergleich zu der Version mit beidseitiger Lagerung bei gleichem Impeller-Durchmesser
eine Welle mit stärkerem Durchmesser verwendet und das Gehäuse ist so gestaltet das
die Wellenlager in einem Abstand zueinander positioniert sind der mindestens dem Wellendurchmesser
entspricht, besser aber einem vielfachen desselben.
[0044] Beide erfindungsgemäß beschriebene Versionen der Vorrichtung, sowohl die Version
mit beidseitig des Impellers gelagerter Welle (Figur 1) als auch die Version mit einseitig
gelagerter Welle (Figur 2), können nun durch die integrierten Öl-Kammern mit Drosselrohr
die den Dichtungsraum schützen, mit, für industrielle Anwendungen konzipierten, praktisch
leckagefreien Gleitringdichtungen ausgestattet werden, und haben durch die Gehäuseform
mit außerhalb des Prozessflüssigkeitsbereiches angeordneten Wellenlager die bisher
extreme Standzeitlimitierung durch Verunreinigung der Wellenlager überwunden.
[0045] Die Abbildung Figur 1 zeigt eine Ausführung der Vorrichtung mit durch das Gehäuse
(2) hindurchgehender Welle und auf beiden Gehäuseseiten je zwei außerhalb des Prozessflüssigkeitsbereiches
angeordneten Wellenlager (1) sowie auch auf beiden Seiten je einer Öl-Kammer (7) mit
einem die Welle umgebenden Drosselrohr (8) zur Abschottung des Dichtungsbereiches
gegenüber dem Prozessflüssigkeitsbereich.
[0046] Die Abbildung Figur 2 zeigt eine Ausführung der Vorrichtung mit einseitig gelagerter
Welle, welche auf einer Gehäuseseite zwei, außerhalb des Prozessflüssigkeitsbereiches
angeordnete Wellenlager (1) aufweist, sowie im Dichtungsbereich die Öl-kammer (7)
mit einem die Welle umgebenden Drosselrohr (8) zur Abschottung des Dichtungsbereiches
gegenüber dem Prozessflüssigkeitsbereich.
Bezugszeichenliste für die Abbildungen Figur 1 und Figur 2
[0047]
- 1
- Wellenlager
- 2
- Reaktorgehäuse
- 3
- Impeller
- 4
- Gleitringdichtung
- 5
- Prozessflüssigkeits-Eingang
- 6
- Prozessflüssigkeits-Ausgang
- 7
- Öl-Kammer
- 8
- Drosselrohr
- 9
- Reaktionskammer 1
- 10
- Reaktionskammer 2
- 11
- Gleitringdichtungs-Kühlmittelzulauf
- 12
- Gleitringdichtungs-Kühlmittelablauf
- 13
- Öl-Kammer-Öl-Zulauf
- 14
- Öl-Kammer-Öl-Ablauf
1. Vorrichtung zur thermo-katalytischen Aufspaltung von Kohlenwasserstoffketten, basierend
auf dem Grundprinzip der Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe mit einem, in einem Gehäuse
rotierenden Impeller, und beidseitig des Impellers gelagerter Welle, gekennzeichnet durch eine Gehäuseform bei der auf beiden Seiten je zwei mit Abstand zueinander positionierte
Wellenlager außerhalb des von Prozessflüssigkeit erreichbaren Bereiches angeordnet
sind, und, sich im Innenbereich des Gehäuses, direkt nach den beiden Wellendurchführungen,
jeweils eine durch Trennwände und ein die Welle umgebendes Drosselrohr geformte Öl-Kammer befindet.
2. Vorrichtung zur thermo-katalytischen Aufspaltung von Kohlenwasserstoffketten, basierend
auf dem Grundprinzip der Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe, gekennzeichnet durch einen Aufbau mit nur einseitig, auf der Antriebsseite des in einem Gehäuse rotierenden
Impellers doppelt gelagerter Welle, eine Gehäuseform bei der die Wellenlagerung außerhalb
des von Prozessflüssigkeit erreichbaren Bereiches angeordnet ist, und, sich im Innenbereich
des Gehäuses direkt nach der Wellendurchführung eine durch Trennwände und ein die Welle umgebendes Drosselrohr geformte Öl-Kammer befindet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, das
sich zur Lagerung der durch das Gehäuse hindurchgehenden Welle, auf beiden Seiten
des Gehäuses, außerhalb des von der Prozessflüssigkeit erreichbaren Gehäusebereiches
jeweils zwei Wellenlager mit Abstand zueinander oder mehrere Wellenlager, befinden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, das
sich zur Lagerung der im Inneren des Gehäuses endenden Welle, auf der Impeller - Antrieb-Seite
der Vorrichtung, außerhalb des von der Prozessflüssigkeit erreichbaren Gehäusebereiches,
zwei Wellenlager mit Abstand zueinander, oder mehrere Wellenlager, befinden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, das
die, sich im Inneren des Gehäuses, nach den Wellendurchführungen befindlichen, jeweils
durch Trennwände und einem die Welle umgebenden Drosselrohr geformten Öl-Kammern,
von außen befüll- und entleerbar sind .
6. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, das
nur eine Wellendurchführung und nur eine Dichtung eingebaut ist, und die, sich im
Inneren des Gehäuses, nach der Wellendurchführung befindliche, durch Trennwände und
einem die Welle umgebenden Drosselrohr geformte Öl-Kammer, von außen befüll- und entleerbar
ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, das
die durch Trennwände und die Welle umgebende Drosselrohre geformten Öl-Kammern, Bohrungen
durch die Gehäusewand nach außen aufweisen, an denen außen Leitungen angebracht werden
können.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, das
die, durch Trennwände und einem die Welle umgebenden Drosselrohr geformte Öl-Kammer,
Bohrungen durch die Gehäusewand nach außen aufweist, an denen außen Leitungen angebracht
werden können.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1. und 2. dadurch gekennzeichnet, das bei einer Vorrichtung mit zwei, durch die Bauform des Impellers und des Gehäuses
gebildete Reaktions-Kammem, nur ein Prozessflüssigkeitseingang für eine Kammer-Seite
vorhanden ist oder benutzt wird und nur ein Prozessflüssigkeitsausgang für die gegenüberliegenden
Kammer-Seite vorhanden ist oder benutzt wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1. und 2. dadurch gekennzeichnet, das bei einer Vorrichtung bei der nicht durch die Impeller- und die Gehäuse-Form
eine Kammerteilung im Gehäuse geschaffen wird, der Prozessflüssigkeitseingang und
der Prozessflüssigkeitsausgang beide an der einen vorhandenen Kammer angebracht sind.