Reaktionspumpe für die Aufspaltung von Kohlenwasserstoffketten |
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| 申请号 | EP12005651.0 | 申请日 | 2012-08-03 | 公开(公告)号 | EP2693060A1 | 公开(公告)日 | 2014-02-05 |
| 申请人 | Günther, Thomas; | 发明人 | Günther, Thomas; | ||||
| 摘要 | Vorrichtung für ein Verfahren bei dem unter Ausnutzung des Prinzips der Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe mit einem, in einem Gehäuse rotierenden Impeller, die thermo-katalytische Aufspaltung von Kohlenwasserstoffketten erreicht wird, welche, um hohe Standzeiten erreichen zu können, eine Gehäuseform, mit außerhalb des Prozessflüssigkeitsbereiches angeordneten Wellenlagern aufweist, sowie im Inneren des Gehäuses spezielle Öl-Kammern, die an den Wellendurchführungen den Dichtungsbereich gegenüber dem Prozessflüssigkeitsbereich abschotten, und dadurch den Einbau von für industrielle Anwendungen geeignete Dichtungen ermöglicht. | ||||||
| 权利要求 | |||||||
| 说明书全文 | 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. 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. 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. 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. Die meisten dieser Verfahren, die sich von der Pyrolyse durch das deutlich geringe Temperatur- und Druckniveau unterscheiden, bauen in Bezug auf die maßgebliche chemische Reaktion, auf das Grundprinzip des 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. 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. 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. Das von 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. Bei Versuchen hat sich aber gezeigt, das alle bisherigen technischen Ausführungen einem Dauerbetrieb im industriellen Maßstab noch nicht standhalten. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Eingänge und Ausgänge der Vorrichtung 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. 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. Versuche haben gezeigt, das unter dem Aspekt bestmöglicher Prozessbedingungen, die vorteilhafte Auswirkung längerer Verweilzeit bei geringerer Fördermenge, gegenüber größerer Fördermenge mit geringerer Verweilzeit, überwiegt. 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. 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 ( Bei der Gehäuse-Version der Vorrichtung mit nur einseitiger Wellenlagerung ( Beide erfindungsgemäß beschriebene Versionen der Vorrichtung, sowohl die Version mit beidseitig des Impellers gelagerter Welle ( Die Abbildung Die Abbildung
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