-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur wässrigen Verkohlung/hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse.
-
Der Prozeß der hydrothermalen Karbonisierung/wässrigen Verkohlung (im folgenden HyKa genannt) findet unter Luftabschluß in wässriger Umgebung, erhöhtem Druck, erhöhter Temperatur und Zugabe bestimmter katalytisch wirkender Stoffe (z. B. Eisenverbindungen oder organische Säuren) statt. Der Gesamtprozeß der HyKa verläuft exotherm, d. h. es entsteht im Prozeßverlauf ein Wärmeüberschuß.
-
Aus der
DE 692 22 285 T2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Terephthalsäure bekannt, bei dem eine Hydrolyse in wässriger Suspension bei Temperaturen zwischen 190°C und maximal 300°C unter erhöhtem Druck in einem thermostatierbaren Druckbehälter stattfindet. Es wird vorgeschlagen, während der Hydrolyse das Reaktionsgemisch in geeigneter Weise zur besseren, jedoch zugleich schonenden Durchmischung zu bewegen, wofür der Druckbehälter, in dem die Reaktion stattfindet, als sogenannter „Wackelautoklav” ausgebildet sein kann.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, die hydrothermale Karbonisierung von Biomasse zu verbessern, insbesondere hinsichtlich des Prozeßablaufs in Verbindung mit einem vorteilhaften apparatetechnischen Aufbau.
-
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
-
Bei dem hier beschriebenen geschlossenen Prozeß wird ein Prozeßbehälter, in dem die HyKa ablaufen soll, mit Biomasse und Wasser unter Zugabe von Katalysatoren befüllt und abschließend druckdicht verschlossen.
-
Der Prozeß wird vorzugsweise durch Beheizen des Prozeßbehälters gestartet. Ab einer bestimmten Temperatur, die Abhängig von der verwendeten Art der Biomasse ist, setzt die exotherme Reaktion ein. Der Biomasse wird dabei das Wasser entzogen, eine Verkohlung in wässriger Umgebung findet statt. Die Reaktionswärme muß aus dem Prozeßbehälter herausgeführt werden, der Prozeßbehälter somit geeignet gekühlt werden.
-
Ein Beispiel eines Funktionsschemas sowie Ausführungsbeispiele werden anhand der Zeichnungen 1, 2 (1 und 2) und 3 erläutert. Es zeigen:
-
Zeichnung 1 ein Funktionsschema einer Vorrichtung zur HyKa samt Kühlanordnung,
-
Zeichnung 2 einen Prozeßbehälter mit Kühlmittelbehälter als Schnittzeichnungen 1 u. 2,
-
Zeichnung 3 eine Neigevorrichtung.
-
Zeichnung 4 (1) einen Verschlußkopf des Prozeßbehälters und (2) zwei Ausführungen eines Entladeeinsatzes.
-
Der Prozeß soll im Temperaturbereich um 190°C betrieben werden und kann Temperaturen von über 200°C erreichen, der Prozeßbehälterinnendruck über 20 Bar. Es ist davon auszugehen, dass die Biomasse abrasive Partikel (z. B. Sand) enthält. Infolge dieser Daten soll der Prozeßbehälter aus geeigneten Materialien und geeigneter Form gewählt werden. Die Materialien sollen eine hohe Zugfestigkeit (Druckfestigkeit), Temperaturbeständigkeit, Abriebfestigkeit und infolge chemischer katalytischer Zusätze auch geeignete chemische Resistenz besitzen.
-
Infolge des hohen Innendrucks soll als Prozeßbehälter ein Rundrohr verwendet werden, es können aber auch andere Geometrien zum Einsatz kommen. Neben Stahl- und Edelstahllegierungen sollen Kupfer- und Aluminiumlegierungen wie insbesondere:
CuAl10Fe5Ni5-C,
CuAl10Fe3Mn,
CuZn37Mn3Al2PbSi,
CuNi10Fe1Mn,
CuNi30Mn1Fe,
CuSn7Zn2Pb3-C,
CuSn5Zn5Pb5-C,
CuZn40Al2,
für den Prozeßbehälter verwendet werden.
-
Für Dichtungen, Führungen und Schläuche sollen infolge hoher Temperaturen Materialien aus TFE/P-Kautschuk, PTFE, Viton und Silikon sowie andere geeignete Materialien verwendet werden.
-
Für einen wirtschaftlichen Prozeßablauf und für eine hohe Prozeßsicherheit (Gefahr der Explosion des Prozeßbehälters durch Überschreiten des maximal zulässigen Innendrucks infolge zu hoher Prozeßtemperatur) soll das Wärmtransportsystem (zum Beheizen und Kühlen) folgenden Anforderungen genügen:
- – die Kühlung soll eine hohe Betriebssicherheit aufweisen,
- – der Energieaufwand (von extern zugeführte Energie) zu Kühl- und Heizzwecken soll bezüglich eines hohen Prozeßgesamtwirkungsgrades so niedrig wie möglich gehalten werden,
- – die Kühlung soll dem Prozeß so angepaßt sein, daß der Prozeß in der Phase schwacher exothermer Reaktion sensibel erfolgt und nicht abgebrochen wird, die Wärme bei starker exothermer Reaktion jedoch aber sicher abgeführt wird.
-
Diesen Anforderungen wird durch den Aufbau eines speziellen Wärmetransportsystems (für Beheizung und Kühlung, im Weiteren auch nur Kühlung genannt) entsprochen.
-
Zeichnung 1 zeigt ein Beispiel eines zweistufigen Wärmetransportsystems, das folgende Vorteile bietet:
Der Prozeßbehälter (1) ist in einem thermisch isolierten und gegenüber der Umgebung geschlossenen Kühlkreislauf (Kühlmittelbehälter, Primärkülung) (2) eingebaut und vollständig von einem Wärmetransportmedium (im folgenden auch Kühlmittel genannt) umgeben (dadurch max. Ausnutzung der Prozeßbehälteroberfläche zum Wärmeaustausch).
-
Dieses Kühlmittel soll so gewählt werden, dass sein Siedepunkt (unter Berücksichtigung des erhöhten Druckes innerhalb des geschlossenen Primärkühlkreislaufs/Drucksiedekurve) im Bereich der angestrebten Prozeßtemperatur liegt.
-
Die thermische Isolierung des Primärkühlkreislaufs soll für hohe Temperaturen (im Bereich +200°C und darüber) ausgelegt sein (z. B. auf Basis von Polyurethanschäumen).
-
Als Kühlmittel sollen u. a. Kohlenwasserstoffe (wie z. B. Alkohole) oder Kohlenwasserstoffgemische oder Gemische mit Wasser oder auch Silane (Silikonöle) oder andere geeignete Stoffe verwendet werden, z. B.:
Glycerin,
1,2-Propandiol,
1-Heptanol,
1-Hexanol,
1,2-Ethandiol,
Decan,
n-Decan.
-
Die verwendeten Kühlmittel sollen neben einem geeigneten Siedeverhalten ein möglichst geringes Gefahrenpotential aufweisen (d. h. schwer entflammbar, grundwasserneutral, chemisch nicht bzw. wenig aggressiv, ungiftig).
-
Bei Erreichen der angestrebten Prozeßtemperatur beginnt das Kühlmittel zu sieden. Durch Verwendung von geeigneten Rücklaufsperr-Ventilen (3, 9) wird ein gerichteter Fließkreislauf des Kühlmittels erzeugt. Für die Ventilvorrichtung (3) sollen z. B. Kugeln (z. B. auf Basis von Polytetrafluorethylen) verwendet werden, um eine möglichst große und gleichmäßige über das Prozeßrohr verteilte Durchtrittsfläche zu erzeugen, damit im Falle schwacher exothermer Reaktion der Biomasse die Kühlung per Siedeverzug lokal an der Stelle des Prozeßrohres erfolgt, an der die überschüssige Wärme abgeführt werden muß. Der gesamte Primärkühlkreislauf ist dabei mit Ausnahme des Luftabscheiders/Druckausgleichsbehälters (4) mit Kühlmittel befüllt. Die somit automatische Umwälzung des Kühlmittels soll im Falle starker exothermer Reaktionen im Prozeßrohr durch eine zusätzliche Pumpe (7) beschleunigt werden, ein zusätzliches Rücklaufsperr-Ventil (8) im Parallelabzweig verhindert dabei den Rückfluß. Auf diesen Parallelabzweig kann verzichtet werden, wenn die Kühlflüssigkeit durch die Pumpe (7) hindurch hinreichend fließen kann (z. B. durch hinreichend großen Querschnitt) und somit eine ausreichende Umwälzung auch im Falle einer inaktiven Pumpe erreicht wird.
-
Das Kühlmittel wird nun an dem Druckausgleichsbehälter (4) vorbei durch einen Wärmetauscher (5) geleitet, der an einen Sekundärkühlkreislauf (zu Prozeßkühl- und Prozeßbeheizungszwecken) angeschlossen ist.
-
Durch diesen Aufbau des Primärkreislaufs wird eine automatische Kühlung bei überschreiten der angestrebten Prozeßtemperatur realisiert, ohne dass dem Prozeß fortlaufend Wärme unterhalb dieser Temperaturschwelle entzogen wird. Die Prozeßtemperatur wird somit kühlmittelspezifisch ohne zusätzliche Steuerungselemente bzw. eine externe Regelung stabilisiert.
-
Um die exotherme Prozeßwärme zur Prozeßbeheizung (zum Starten) der Folgeprozesse zu nutzen und damit den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen (Vermeidung extern zugeführter Heizenergie) wird die Prozeßwärme am Wärmetauscher (5) über eine Pumpe (6) und einen Fließrichtungssteller (11) (z. B. aus Magnetventilen, insbesondere bistabile Magnetventile oder Kugelhähne, um elektrische Energie ausschließlich währen des Schaltvorgangs zuzuführen) an einen Prozeßwärmespeicher (12) abgeführt. Dieser Sekundärkreislauf soll auf Basis von Wasser (mit z. B. Korrosions- und Frostschutzzusätzen) als Wärmetransport- und Wärmespeichermedium aufgebaut sein oder auf Basis anderer Medien mit z. B. höherem Siedepunkt (z. B. Kohlenwasserstoffe (wie Alkohole) oder Gemische daraus oder Gemische mit Wasser oder auch Silane oder andere geeignete Stoffe), um die maximale Beheizungstemperatur zu erhöhen.
-
Je nach Fall, ob dem Wärmetauscher (5) Wärme zugeführt (Beheizung) oder ob Wärme abgeführt werden soll (Kühlung), wird zur Effizienzerhöhung des Wärmeaustausches durch den Fießrichtungssteller die Fließrichtung durch den Wärmespeicher (12) nach dem Gegenstromprinzip gewechselt. Das bedeutet, im Falle der Beheizung (Prozeßstart) durchfließt das Medium den Prozeßwärmespeicher (12) vom unteren kühleren in den oberen wärmeren Bereich. Im Falle der Kühlung durchfließt das Medium den Prozeßwärmespeicher (12 bzw. 13) vom oberen wärmeren in den unteren kühleren Bereich.
-
Wird die maximal zulässige Temperatur des Prozeßwärmespeichers (12) erreicht, so wird die Wärme durch den Fließrichtungssteller nun auf einen Zusatzwärmespeicher (13) (z. B. Hauswarmwasserspeicher) abgeführt, der somit ausschließlich Kühlzwecken dient. Dadurch wird weitere exotherme Prozeßwärme genutzt und die Wirtschaftlichkeit der Vorrichtung zusätzlich erhöht.
-
Soll oder kann diese Wärme nicht einem Zusatzwärmespeicher zugeführt werden, so soll sie anderweitig z. B. aber einen Verdampfer abgeführt werden, der z. B. mit Regenwasser oder Grundwasser versorgt werden kann.
-
Um den Prozeß nach Installation der Anlage oder nach längeren Prozeßpausen zu starten, übernimmt ein Durchlauferhitzer (14) (z. B. elektrisch betrieben) im Primärkreislauf die Erwärmung der Primärkühlflüssigkeit.
-
Aus den Daten der Temperaturmeßpunkte (15, 16, 17, 18) und des Druckmeßpunktes (19) am Prozeßbehälter werden die Steuersignale für die Pumpen- (6, 7) und Schaltventile des Fließrichtungsstellers (11) sowie des Durchlauferhitzers (14) per Elektronik errechnet und erzeugt.
-
Der Prozeßbehälter besitzt eine Not- bzw. Zusatzkühlung (21). Hierzu werden an den Prozeßbehälter z. B. spiralförmig Metallrohre, die aus thermisch gut leitendem Material bestehen (z. B. Kupfer), angebracht (z. B. angelötet).
-
Diese Rohre sind im Normalbetrieb nicht mit einer Flüssigkeit gefüllt, d. h. in ihnen befindet sich z. B. nur Luft. Der Abstand zwischen den Spiralen wird hinreichend groß gewählt, um eine günstige Vergrößerung der Behälteroberfläche gegenüber dem Kühlmittel im Kühlmittelbehälter zu erzielen (Verbesserung des Wärmeaustausches) jedoch nicht zu groß, damit diese Rohre ausreichend Kontaktfläche zum Behälter bieten und im Falle der Durchströmung mit einer Notkühlmittel (z. B. Wasser) genügend Prozeßwärme abführen können.
-
Zeichnung 3 zeigt das Prinzip einer Neigevorrichtung, die verwendet wird, um eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung im Prozeßbehälter zu erzeilen. Der Kühlmittelbehälter einschließlich des darin befindlichen Prozeßbehälters wird durch die Neigevorrichtung bewegt. Er wird seitlich mittig um seinen Schwerpunkt (1) drehbar gelagert, horizontal ausgerichtet und um eine bestimmte Neigung abwechselnd zu beiden Richtungen z. B. durch ein Gestänge (3) geneigt. Der geringfügige Lufteinschluß (2) im Prozeßbehälter, der beim Befüllen automatisch an der Einfüllöffnung verbleibt, bewegt sich dabei durch die Flüssigkeit von dem einen Ende des Prozeßrohres zum anderen Ende und verwirbelt und durchmischt dabei die Flüssigkeit, welche die Biomasse umgibt. Durch diesen Neigeeffekt wird ebenfalls eine gleichmäßigere Wärmeverteilung im Kühlmittelbehälter erzeugt. Der Anrieb der Neigevorrichtung soll z. B. elektrisch (z. B. Getriebemotor oder Hubmagnet) erfolgen oder unter Ausnutzung der Prozeßwärme über eine Druckkolbenvorrichtung (thermodynamischer Antrieb) und somit ohne externe zusätzliche Energiezufuhr. Die Neigeaktivität wird im letzteren Fall mit Erhöhung der Prozeßwärme (Reaktionsaktivität) automatisch zunehmen. Dieser Neigeeffekt ersetzt ein Rührwerk, bei dem stets die Gefahr der Verklemmung von Biomasse und Rührgestände besteht. Außerdem ist der Energieaufwand gegenüber dem eines Rührwerks geringer.
-
Zeichnung 2 (Fig. 1 und Fig. 2) zeigt ein Beispiel eines Prozeßbehälters mit Kühlmittelbehälter
-
Der Prozeßbehälter (5) wird vollständig von einer Kühlflüssigkeit umgeben, die sich im Kühlmittelbehälter (3) befindet Der Prozeßbehälter ist spiralförmig mit Metallrohren (13, 14) umgeben (Not- bzw. Zusatzkühlung). Zu gleichmäßigeren Kühlung über die gesamte Länge des Prozeßrohres soll Rohrspirale (13) entgegensetzt zu Rohrspirale (14) durchströmt werden. Zur weiteren Vergrößerung der Oberfläche für einen besseren Wärmeübertragung soll der Prozeßbehälter (5) mit zusätzlichen Kühlelementen (z. B. Kühlrippen bzw. Kühlbleche) (7) versehen werden. Der Prozeßbehälter (5) soll an einer Seite verschlossen sein (z. B. zur Anbringung einer speziellen Behälteraufhängung (4), die der Wärmeausdehnung durch eine bewegliche Führung Rechnung trägt) und an der entgegen gesetzten Seite zum Be- und Entladen eine Öffnung haben. Um diesen Prozeßbehälter (5) am Kühlmittelbehälter (3) befestigen zu können sowie einen druckfesten Verschluß anbringen zu können, soll an dem offenen Ende (10) z. B. ein Montageflansch (9) mit z. B. einer Bajonettmechanik angebracht werden, in die der Prozeßbehalterverschluß eingesetzt wird. An diesem Montageflansch soll nach außen ragend ein oder mehrere Drucksensoren (19 nach Zeichnung 1) angebracht werden. An diesem Montageflansch soll außerdem ein oder mehrere Schaltventile (20) angebracht werden, welche(s) den geringen Restdruck im Prozeßrohr nach Beendigung des Prozesses im bereits weitgehend abgekühltem Zustand abführt, um den Prozeßbehälter danach öffnen zu können.
-
Das Kühlmittel, das in die obere Kühlmittelsammelhaube (2) fließt, wird durch eine Rücklaufsperre (hier z. B. eine Reihe aus Kugelventilen (1) zu Flächenvergrößerung – Kugelkäfige hierbei nicht eingezeichnet) und durch den Austritt (11) zur Sekundärkühlung (z. B. Wärmetauscher) geführt und nach Kühlung durch ein Rückstromsperrventil hindurch in den Eintritt (12) zur unteren Kühlmittelsammelhaube (6) zurückgeführt. Die Drehachse (8) der Neigevorrichtung soll in den geometrischen Schwerpunkt der Vorrichtung im beladenen Zustand plaziert werden. Zum Befüllen des Prozeßbehälters wird die Neigung so ausgerichtet, dass das offene Ende nach oben zeigt. Zum Entleeren des Prozeßbehälters wird die Neigung so ausgerichtet, dass das offene Ende nach unten zeigt.
-
(Zeichnung 4, Fig. 2)
-
Vor dem Befüllen des Prozeßbehälters mit Biomasse, soll ein Befüll- bzw Entladeeinsatz in dem Prozeßbehälter plaziert werden. Er besteht z. B. aus einer runden Bodenscheibe oder -schale, die etwas kleiner ist, als der Innendurchmesser des Prozeßbehälter und an der z. B. zwei dünnen Blechstreifen seitlich senkrecht angebracht sind. Die Bodenplatte liegt am geschlossenen Ende des Prozeßbehälters an, die beiden gegenüberliegenden Blechstreifen enden an der Öffnung des Prozeßbehälters. Nach Beendigung des Prozesses wird der Prozeßbehälter geöffnet, dann an der offenen Seite nach unten geneigt und der Entladeeinsatz wird mitsamt der Kohle aus dem Prozeßbehälter gezogen.
-
(Zeichnung 4, Fig. 1)
-
Der Verschlußkopf (5) des Prozeßrohres soll z. B. per Bajonettmechanik eingesetzt werden. Er soll in diesem Fall über stabile Bajonettzapfen (z. B. Metallstifte) (6) die im Flansch (4) eingesetzt sind, gehalten werden, um der hohen Druckbelastung während des Prozesses standhalten zu können. Dazu hat der Verschlußkopf Aussparungen, um über die Bajonettzapfen geschoben werden zu können. Der Verschlußkopf wird über den Griff (7) durch Drehung arretiert. Als Verschlußkopfdichtung sollen z. B. Dichtringe aus z. B. TFE/P-Kautschuk, PTFE oder Viton verwendet werden.
-
Infolge des hohen Gewichts des Verschlußkopfes soll dieser z. B. über eine Scharniermechanik mit mehreren Gelenken (z. B. 3 Scharnierachsen) an der Vorrichtung (z. B. direkt am Flansch) befestigt werden. Der schwere Verschlußkopf kann damit horizontal in die Prozeßrohröffnung bewegt werden.
-
Es ist vorgesehen, die Prozeßsteuerung bzw. Elektrik auf Netzspannung, als auch auf Niederspannung (z. B. 24 Volt Gleichspannung) sowie durch Verwendung einer Notstromversorgung zu betreiben.
-
Es ist weiter vorgesehen, die Prozeßkühlung durch eine Notkühlvorrichtung zu ergänzen, die z. B. beim Überschreiten einer kritischen Druck- oder Temperaturobergrenze oder bei Stromausfall oder bei Defekten aktiviert wird (z. B. per elektrischen Druck- oder Temperaturschaltern) in Ergänzung zu den Meßaufnehmern (19, 18, 15 in Zeichnung 1).
-
Hierzu soll z. B. ein Anschluß an eine Haustrinkwasserversorgung gelegt werden oder ein ausreichend groß dimensionierter und mit Kühlmittel gefüllter Notkühlmittelbehälter eingesetzt werden, dessen Behälterboden oberhalb der Prozeßvorrichtung plaziert wird. Das Kühlmittel wird dann allein durch die Schwerkraft ohne zusätzliche Förderleistung aus dem Notkühlmittelbehälter durch z. B. ein oder mehrere Spiralrohre am Prozeßbehälter (Prozeßrohr) hindurchströmen und z. B. frei abfließen. Als Notkühlmittel soll Wasser mit umweltfreundlichem Frostschutzzusatz (Vermeidung des Einfrierens) verwendet werden. Die Auslösung eines z. B. Kugelhahnes soll elektrisch durch z. B. einen Drehmagneten am Kugelhahn erfolgen oder durch z. B. einen Hubmagneten, der über einen betätigten Sperrbolzen z. B. eine Federspannvorrichtung freigibt oder z. B. eine Vorrichtung, die per Gewichtskraft die Drehung des Kugelhahnstellhebels bewirkt. Die Stromversorgung dieser Notauslösung soll z. B. durch die Verwendung von modernen Lithiumbatterien erfolgen. Diese Notstromversorgung soll hinsichtlich der Kapazität so ausgelegt werden, daß der Betrieb der Elektronik mit samt den Pumpen, Motoren und Steuerelementen für mindestens einen vollständigen Prozeßdurchlauf gewährleistet ist.
-
Eine zusätzliche Auslösung dieser Notkühlung soll z. B. durch ein Überdruckventil, das am Prozeßbehälter angebracht wird und bei Überschreiten eines maximal zulässigen Innendruckes öffnet, erfolgen. Der entweichende Überdruck soll z. B. über ein Rohr oder einen Schlauch an eine Kolbenmechanik geleitet werden, die den Kugelhahn für die Kühlflüssigkeit öffnet.
-
Prozeßablauf:
-
Der geschlossene leere Prozeßbehälter wird zum Beladen per Neigevorrichtung mit der Öffnung nach oben geneigt. Ein Schaltventil am oberen Prozeßbehälterende, durch das Druckaustausch der Umgebung mit dem Prozeßbehälter stattfinden kann, wird geöffnet (Vermeiden eines Unterdrucks im Prozeßbehälter beim Abziehen des mit einer Druckdichtung ausgestatteten Bajonettverschlußkopfes, zum einfachen entfernen des Verschlusses). Der Behälter wird durch manuelles Entfernen des Bajonettverschlußkopfes geöffnet. In den geöffneten Prozeßbehälter wird der Entladeeinsatz eingeschoben. Der Prozeßbehälter wird nun bis zur Befüllgrenze mit Biomasse befüllt. Nun wird der Befülleinsatz an der Prozeßbehälteröffnung befestigt. Der Prozeßbehälter wird nun mit Wasser + einem Katalysatorzusatz (z. B. eine Fruchtsäure) bis zur oberen Grenze des Behälters befüllt. Der Befülleinsatz (z. B. Metalltopf mit kleinen Öffnungen im Bodenbereich) verhindert dabei das Aufschwimmen der Biomasse. Der Prozeßbehälter wird abschließend mit dem Bajonettverschlußkopf verschlossen und arretiert. Das Ventil am oberen Prozeßbehälterende wird nun geschlossen.
-
Der Beheizungsvorgang wird nun gestartet.
-
Die Pumpe des Primärkühlkreislaufs und die Pumpe des Sekundärkühlkreises werden aktiviert. Der Primärkreislauf und damit auch der Prozeßbehälter werden nun mit der Wärme des Wärmespeichers beheizt (Im Falle eines Erststarts oder nach längeren Prozeßpausen, in denen der Wärmespeicher ausgekühlt ist, wird ein elektrischer Durchlauferhitzer, der z. B. automatisch über einen Thermosensor aktiviert wird, die Flüssigkeit erhitzen). Der Durchfluß durch den Wärmespeicher erfolgt hierbei von unten (kältere Zone) noch oben (wärmere Zone).
-
Der Innendruck des Prozeßbehälters wird per Drucksensor(en) gemessen. Beim Erreichen eines bestimmten Druckes oder einer bestimmten Druckanstiegsgeschwindigkeit (Beginn der exothermen Reaktion) wird der Beheizungsvorgang beendet.
-
Die Neigevorrichtung wird aktiviert und der Prozeßbehälter aus der Waagerechten zügig, d. h. quasi ruckartig um die Drehachse von einer zur anderen Richtung geneigt und dann wieder in die waagerechte Position gebracht. (Neigeintervall z. B.: waagerecht 15 Sek. verharren, ruckartig nach rechts neigen und 3 Sek. verharren, ruckartig nach links neigen und 3 Sek. verharren, ruckartig nach rechts neigen und 3 Sek. verharren, waagerecht 15 Sek. verharren u. s. w.) Durch die schnelle nahezu ruckartige Neigebewegung wird eine maximale Flüssigkeitsverwirbelung im innern des Prozeßbehälters durch die schnelle Bewegung der Luftblase im Behälter erzeugt.
-
Über die Drucksensoren am Prozeßbehälter und über die Thermosensoren an den Kühlkreisläufen wird nun der vorgegebene Arbeitsprozeßdruck im Prozeßbehälter über eine Elektronik überwacht und Temperatur- bzw. Druckspitzen per Kühlung ausgeregelt und stabilisiert. Der Fließrichtungsgeber wechselt heirfür die Durchflußrichtung durch den Wärmespeicher, so daß der Durchfluß durch den Wärmespeicher hierbei von oben (wärmere Zone) nach unten (kältere Zone) erfolgt.
-
Wird ein bestimmter Maximaldruck im Prozeßbehälter überschritten, so wird die Kühlung auf maximaler Kühlleistung betrieben und zusätzlich eine Notkühlung ausgelöst.
-
Die freigesetzte Prozeßwärme wird zu Beginn des Kühlvorgangs (starke exotherme Anfangsreaktion) solange dem Wärmespeicher zugeführt, bis die vorgegebene Speicherhöchsttemperatur erreicht wird.
-
Um die weitere Prozeßwärme abzuführen, stellt der Fließrichtungsgeber (Durchflußweiche) den Kühlkreislauf nun vom Wärmespeicher auf eine z. B. Warmwasseranlage (z. B. Hauswarmwasserversorgung/Heizungseinrichtung) oder z. B. einen Verdampfer oder eine andere Kühlvorrichtung um. Nachdem die Wärme der starken exothermen Anfangsreaktionen von der elektrisch geregelten Kühlung über die Pumpen abgeführt wurde und sich ein vorgegebener Druck im Prozeßbehälter eingestellt hat, wird die Primärkreislauf-Pumpe abgeschaltet und die Sekundärkreislaufpumpe z. B. auf niedriger Leistung und ggf. nur noch per Intervall (nach Temperaturmessung) betrieben. Die Kühlung innerhalb des Primärkreislaufs erfolgt nun thermodynamisch direkt durch das Prozeßrohr umgebende Kühlmittel, das so ausgewählt wurde, daß dessen Siedetemperatur im Bereich der beabsichtigten Prozeßtemperatur liegt (wegen des Temperaturgradientens im Prozeßrohrmantels z. B. etwas darunter). Der Primärkühlkreislauf ist bis auf den Druckausgleichsbehälter vollständig mit Kühlmittel gefüllt. Das Kühlmittel wird durch den Siedeprozeß (auch lokale Kühlintervalle durch Siedeverzug) nach oben durch die Rückstromsperrventile in die Kühlmittelsammelhaube getrieben und läuft an einem Druckausgleichsbehälter vorbei nach unten durch den Wärmetauscher, nach der Kühlung durch ein weiteres Rückstromsperrventil in die untere Kühlmittelsammelhaube und von dort aus wieder zum Prozeßrohr. Das Flußprinzip entspricht in etwa dem einer elektrischen Brühkaffeemaschine, jedoch in diesem Fall per Druckausgleichsbehälter als geschlossener Kreislauf, d. h. mit Rückführung des gekühlten Mediums in den Beheizungsprozeß. Der chemisch exotherme Umwandlungsprozeß kann somit nach der Phase starker exothermer Anfangsreaktionen ohne zusätzlichen Energieaufwand im Bereich der beabsichtigten Prozeßtemperatur gehalten werden.
-
Zur Beschleunigung der Abkühlung soll z. B. beim Unterschreiten eines vorgegebenen Druckes im Prozeßbehälter (Beendigung der chemischen Reaktion/Stoffumwandlung) die aktive Kühlung noch einmal aktiviert werden bis zum Erreichen eines vorgegebenen Druckes oder einer vorgegebenen Temperatur. Die Kühlung wird beendet und die Neigevorrichtung bewegt die Verschlußseite des Prozeßbehälters nach oben (Position wie beim Befüllungsvorgang). Das Ventil am oberen Prozeßbehälterende wird geöffnet, und der geringe restliche Überdruck kann aus dem Prozeßbehälter entweichen.
-
Der Prozeßbehälter wird nun manuell durch Entfernen des Bajonettverschlußkopfes geöffnet. Die Behälteröffnung wird nach unten geneigt und die Flüssigkeit über einem Behälter entleert (evtl. durch Unterstützung eines Abfließeinsatzes an der Prozeßrohröffnung in z. B. Schuhlöffelform oder Trichterform oder eines Schlauches). Der Prozeßbehälter wird nun wieder in die Waagerechte gebracht oder nach oben geneigt und es wird der Befülleinsatz entfernt. Der Prozeßbehälter wird nun wieder nach unten geneigt und über einem Behälter entleert. Der Entladeeinsatz wird aus dem Behälter gezogen und die Kohle aus dem Prozeßbehälter entfernt.
-
Der somit entleerte Prozeßbehälter kann nun erneut befüllt und der Prozeßdurchlauf erneut gestartet werden.
