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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, ein Verfahren sowie
die Verwendung eines Reaktors zur Herstellung von Roh-, Brenn- und
Kraftstoffen aus organischen Substanzen. Eine Vorrichtung mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus
der
DE 102 15 679 A1 bekannt.
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Ein
Verfahren zur direkten thermochemischen Umwandlung von hochmolekularen
organischen Substanzen in hochwertige niedermolekulare organische
Produkte, die bei Raumtemperatur als niedrigviskose Flüssigkeiten
vorliegen und brennbar sind, ist bekannt. Dabei werden organische
Substanzen in Form von vorzugsweise festen, nachwachsenden Rohstoffen
und/oder Reststoffen durch Direktverflüssigung in hochveredelte
flüssige Kohlenwasserstoffe umgewandelt, mit dem Ziel,
diese chemisch und energetisch zu nutzen. Dieses bekannte Verfahren
eignet sich schwerpunktmäßig zur Herstellung von
Kraftstoffen für konventionelle Fahrzeugmotoren, d. h.
für die Herstellung von Benzin oder Diesel.
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Bei
dem in der
DE 102
15 679 A1 offenbarten Verfahren zur Direktverflüssigung
handelt es sich um einen katalytisch-thermischen Umwandlungsprozess,
bei dem aus hochmolekularen organischen Substanzen durch Crack-
und Veredelungsreaktionen, unterstützt durch Katalysatoren,
auf direktem Wege, d. h. ohne Umweg über die Vergasung,
hochwertige flüssige Produkte erzeugt werden.
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Zur
Durchführung dieser direkten thermochemischen Verfahren
zur Verflüssigung organischer Substanzen werden beispielsweise
Rührreaktoren eingesetzt, die eine gute Vermischung bieten
und zur Reaktivdestillation und als Strippgasreaktoren geeignet
sind. Rührreaktoren weisen allerdings den Nachteil auf,
dass die im Reaktor angeordneten bewegten Bauteile, d. h. die Rührelemente,
zu Dichtproblemen führen, wenn der Reaktor im Druckbetrieb
bei hohen Temperaturen arbeitet. Demgegenüber bieten Strömungsreaktoren,
beispielsweise Rohrreaktoren, den Vorteil einer einfachen Bauweise
ohne bewegte Bauteile. Die Verwendung von Strombrechern, beispielsweise
in Form statischer Mischer oder statischer Mischelemente, ermöglicht eine
gute Vermischung der Komponenten. Allerdings sind derartige Rohrreaktoren
nicht zur Reaktivdestillation oder als Strippgasreaktor geeignet
und eine optimale Verweilzeitsteuerung der zu crackenden Moleküle
ist nicht möglich. Die zu crackenden Moleküle
sind teilweise zu lang, teilweise zu kurz in der Reaktionszone,
wodurch sich eine geringe Produktölausbeute bzw. eine zu
hohe Produktgasausbeute ergibt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Herstellung
von Roh-, Brenn- und Kraftstoffen aus organischen Substanzen anzugeben,
die bei vergleichsweise einfacher Bauweise eine effiziente Umsetzung
der organischen Substanzen in möglichst hochwertige Roh-,
Brenn- und Kraftstoffe ermöglicht.
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Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie
die Verwendung eines Reaktors zur Herstellung von Roh-, Brenn- und
Kraftstoffen aus organischen Substanzen anzugeben, die jeweils auf
einfache Weise eine effiziente Umsetzung der organischen Substanzen
in möglichst hochwertige Roh-, Brenn- und Kraftstoffe ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe im Hinblick auf die Vorrichtung durch den Gegenstand des
Anspruchs 1, im Hinblick auf das Verfahren durch den Gegenstand
des Anspruchs 26 und im Hinblick auf die Verwendung durch den Gegenstand
des Anspruchs 31 gelöst.
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Die
Erfindung beruht demnach auf dem Gedanken, eine Vorrichtung zur
Herstellung von Roh-, Brenn- und Kraftstoffen aus organischen Substanzen anzugeben,
die einen Reaktor mit einer Eintragseinrichtung für die
organischen Substanzen, einer Austragseinrichtung für Reaktionsprodukte
und einer Einrichtung zur Zufuhr von Reaktionsenergie für
die Umwandlung der organischen Substanzen in die Reaktionsprodukte
aufweist. Erfindungsgemäß umfasst der Reaktor
eine Einrichtung zur Ausbildung eines reaktorinternen Strömungskreislaufes.
Bei dem Reaktor der erfindungsgemäßen Vorrichtung
handelt es sich demnach um einen Strömungsreaktor, der
so angepasst ist, dass im Inneren des Reaktors eine im Kreislauf
geführte Strömung ausbildet wird, ohne dass dazu
mechanisch bewegte Elemente erforderlich sind. Der reaktorinterne
Strömungskreislauf gewährleistet ein optimiertes
produktorientiertes Misch- und Reaktionsergebnis, ohne dass dafür
bewegte Bauteile erforderlich sind. Dies bedeutet, dass ein Betrieb
des Reaktors bei hohen Temperaturen und Drücken möglich
ist, ohne dass es dabei zu Dichtproblemen kommt. Der reaktorinterne
Strömungskreislauf führt dabei zu einer hervorra genden
Vermischung der Komponenten, auch wenn diese in verschiedenen Phasen
vorliegen. Insbesondere ist eine gute Vermischung von bis zu drei
Phasen mit den Aggregatzuständen flüssig, gasförmig
und fest möglich. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung lässt ferner eine sehr schnelle Erwärmung
der eingetragenen Roh- und Hilfsstoffe zu, so dass der Reaktor insbesondere für
die in der
DE 102
15 679 A1 offenbarte Schockerwärmung besonders
geeignet ist. Der reaktorinterne Strömungskreislauf ermöglicht
sowohl katalytische als auch nicht katalytische sowie hydrierende
als auch nicht hydrierende Umwandlungsreaktionen. Durch eine Reaktivdestillation-
oder Strippgasfunktion bietet der Reaktor die Voraussetzungen für
eine produktorientierte Verweilzeitoptimierung.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst
die Einrichtung zur Ausbildung des reaktorinternen Kreislaufes wenigstens
eine Treibstrahldüse, die in ein Gehäuse des Reaktors mündet.
Durch die Treibstrahldüse kann ein Antriebsmedium, beispielsweise
ein Gas oder eine Flüssigkeit, in den Reaktor injiziert
werden, derart, dass sich im Reaktor ein Strömungskreislauf
ausbildet. Die Treibstrahldüse kann wenigstens zwei Düsenrohre aufweisen,
so dass eine separate Eintragung der organischen Substanzen und
die Eindüsung eines Antriebsmediums ermöglicht
sind. Die Ausbildung des reaktorinternen Strömungskreislaufes
wird dadurch unterstützt, dass wenigstens ein Leitrohr
im Gehäuse fluchtend mit der Treibstrahldüse angeordnet
ist. Diese Anordnung ermöglicht die Ausbildung eines doppelschlaufenförmigen
Strömungskreislaufes, der zu einer besonders guten Vermischung
der Komponenten führt.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
umfasst der Reaktor eine Einrichtung zur Ausbildung eines reaktorexternen Kreislaufes,
wobei wenigstens eine Zirkulationsleitung zwei beabstandet angeordnete
Abschnitte des Reaktors verbindet. Das bedeutet, dass der Reaktor die
Ausbildung eines reaktorinternen und eines reaktorexternen Kreislaufes,
d. h. zweier Kreisläufe, gestattet. Die Verbindung zweier
beabstandet angeordneter Abschnitte des Reaktors durch die Zirkulationsleitung
ermöglicht eine Rückführung, beispielsweise des
Sumpföls zum Dotieren des Reaktors.
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Dabei
kann die Zirkulationsleitung mit der Treibstrahldüse, insbesondere
mit einem der beiden Düsenrohre verbunden sein, wodurch
eine besonders kompakte Ausführung der Vorrichtung erreicht wird.
Der reaktorexterne Kreislauf kann eine Heizeinrichtung und/oder
eine Filtereinrichtung aufweisen.
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Zu
einer Verbesserung der Gas-Flüssig-Trennung kann eine Entgasungseinrichtung
innerhalb des Reaktors der Austragseinrichtung vorgeordnet sein.
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Bei
einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
weist die Eintragseinrichtung ein pneumatisches und/oder mechanisches
Mittel zur Feststoffzufuhr auf, wodurch eine besonders effiziente
Zufuhr der organischen Substanzen sowohl im kontinuierlichen als
auch im diskontinuierlichen Betrieb ermöglicht wird. Zur
Vermeidung von Brückenbildungen kann das pneumatische und/oder
das mechanische Mittel zur Feststoffzufuhr eine hochtemperaturbeständige
Antihaftbeschichtung aufweisen.
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Vorzugsweise
ist das pneumatische Mittel zur Feststoffzufuhr der Einrichtung
zur Ausbildung des reaktorinternen Kreislaufes zugeordnet, so dass letztere
eine Doppelfunktion im Hinblick auf die Zufuhr der organischen Substanzen
als auch im Hinblick auf die Ausbildung des reaktorinternen Kreislaufs
erfüllt. Dabei kann das pneumatische Mittel zur Feststoffzufuhr
mit der Treibstrahldüse, insbesondere mit einem der beiden
Düsenrohre verbunden sein. Eine Möglichkeit, das
pneumatische Mittel zur Feststoffzufuhr zu realisieren, besteht
darin, wenigstens einen Druckförderbehälter vorzusehen,
der mit dem Reaktor, insbesondere mit der Treibstrahldüse,
verbindbar ist. Eine kontinuierliche Feststoffzufuhr kann dadurch
erreicht werden, dass zwei Druckförderbehälter
vorgesehen sind, die wechselweise betreibbar sind.
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Das
pneumatische Mittel zur Feststoffzufuhr kann eine Transportgas-
und/oder Fluidisiergaseinrichtung aufweisen, die mit dem Druckförderbehälter bzw.
den Druckförderbehältern verbindbar ist/sind, wodurch
der Druckförderbehälter mit Druck beaufschlagt
werden kann, und zwar sowohl mit einem Inertgas als auch mit einem
Reaktionsgas. Die Austragung eines Feststoffs aus dem Druckförderbehälter kann
mit Hilfe der Transportgaseinrichtung erfolgen, bzw. unterstützt
werden. Durch die Fluidisierfunktion mittels der Fluidisiergaseinrichtung
wird eine Brückenbildung der Feststoffpartikel sowie ein
Anhaften der Partikel an der Behälterwandung vermieden.
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Dabei
kann wenigstens im Bereich einer Zufuhröffnung des Druckförderbehälters
für die Fluidisiergaseinrichtung eine gasdurchlässige
Auskleidung des Druckförderbehälters angeordnet
sein. Dadurch wird zum einen eine homogene Fluidisierung des im
Druckförderbehälter befind lichen Materials erreicht,
zum anderen wird eine unerwünschte Anhaftung des Materials
an der Behälterwandung sowie eine Verstopfung der Zufuhröffnung
des Druckförderbehälters vermieden. Vorzugsweise
ist ein Zufuhrmittel der Transportgaseinrichtung im Bereich einer
Austragsöffnung des Druckförderbehälters
angeordnet. Dadurch wird eine besonders effiziente Feststoffaustragung
aus dem Druckförderbehälter erreicht. Das Zufuhrmittel
kann eine Lanze umfassen, die in den Druckförderbehälter
bis in den Bereich der Austragsöffnung ragt, so dass das
Transportgas gezielt in dem gewünschten Bereich eingeblasen
werden kann.
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Das
mechanische Mittel zur Feststoffzufuhr kann der Einrichtung zur
Ausbildung des reaktorexternen Kreislaufs zugeordnet sein. Da es
sich bei dem reaktorexternen Kreislauf insbesondere um eine Umwälzung
bzw. Rückführung der Sumpfphase des Reaktors handelt,
ist die mechanische Einspeisung der organischen Substanzen in diesem
Bereich besonders vorteilhaft. Das mechanische Mittel zur Feststoffzufuhr
kann einer Pumpe der Einrichtung zur Ausbildung des reaktorexternen
Strömungskreislaufes in Förderrichtung vorgeordnet
oder nachgeordnet sein. Dem mechanischen Mittel zur Feststoffzufuhr kann
ein Anmaischeinrichtung vorgeordnet sein, so dass die organischen
Feststoffe vor der Einspeisung in den Reaktor durch eine geeignete
organische Flüssigkeit oder gegebenenfalls auch durch Wasser suspendiert
oder aufgelöst werden kann. Das mechanische Mittel zur
Feststoffzufuhr kann eine Schleuseneinrichtung umfassen, durch die
die in den Reaktor einzutragenden Feststoffe inertisiert werden können.
Außerdem kann durch die Schleusenvorrichtung der Austritt
von Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten aus dem Reaktor
verhindert und gegebenenfalls eine Abdichtung gegen einen erhöhten
Reaktordruck erreicht werden.
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Für
einen kontinuierlichen Betrieb, insbesondere eine kontinuierliche
Feststoffzufuhr, kann das mechanische Mittel zur Feststoffzufuhr
eine Schneckeneinrichtung mit einem Drucksperrabschnitt umfassen,
der zur Ausbildung eines Sperrpfropfens einem Verdichtungsabschnitt
nachgeordnet ist. Dadurch werden Druckverluste des Reaktors bei
der Feststoffzufuhr verhindert bzw. verringert. Eine weitere Möglichkeit
für die Einspeisung der organischen Substanzen besteht
darin, dass das mechanische Mittel der Feststoffzufuhr eine Kolbeneinrichtung
umfasst. Die Kolbeneinrichtung bietet den Vorteil, dass die Förderung
bzw. Einspeisung von nicht angemaischten Feststoffen möglich
ist, wodurch eine schnelle Aufheizung im Reaktor unterstützt
wird. Die Kolbeneinrichtung kann wenigstens einen Druckzylinder,
insbesondere zwei Druckzylinder, umfassen, wodurch, im letzteren
Fall, eine kontinuierliche Förderung erreicht wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem Gedanken,
die organischen Substanzen in einen Reaktor einzutragen, diese unter
Zufuhr von Reaktionsenergie in Reaktionsprodukte umzuwandeln und
die Reaktionsprodukte aus dem Reaktor auszutragen. Erfindungsgemäß wird
im Reaktor ein Strömungskreislauf ausgebildet. Dadurch
wird eine besonders gute Vermischung der Komponenten, selbst wenn
diese in bis zu drei verschiedenen Phasen vorliegen, erreicht, ohne
dass dazu mechanisch bewegte Bauteile erforderlich sind. Zur Ausbildung
des Strömungskreislaufes kann ein Antriebsmedium unter Druck
in den Reaktor eingebracht werden. Dabei ist ein einphasiger, zweiphasiger
und dreiphasiger Betrieb des Reaktors möglich.
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Die
Erfindung umfasst ferner die Verwendung eines Reaktors zur Herstellung
von Roh-, Brenn- und Kraftstoffen aus organischen Substanzen mit
einer Eintragseinrichtung für die organischen Substanzen,
einer Austragseinrichtung für Reaktionsprodukte und einer
Einrichtung zur Zufuhr von Reaktionsenergie für die Umwandlung
der organischen Substanzen in die Reaktionsprodukte, wobei der Reaktor
eine Einrichtung zur Ausbildung eines reaktorinternen Strömungskreislaufes
aufweist. Bei dem verwendeten Reaktor handelt es sich vorzugsweise
um einen Schlaufenreaktor.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezug auf die beigefügten schematischen Zeichnungen
mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. In
diesen zeigen
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1 einen Querschnitt durch den Reaktor einer
Vorrichtung zur Herstellung von Roh-, Brenn- und Kraftstoffen aus
organischen Substanzen nach einem erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiel in schematisierter Form;
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2 eine
Detailansicht der Treibstrahldüse des Reaktors gemäß 1;
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3 ein
anderes Ausführungsbeispiel eines Reaktors für
eine Vorrichtung zur Herstellung von Roh-, Brenn- und Kraftstoffen
aus organischen Substanzen;
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4 einen
Querschnitt durch eine pneumatische Feststoffzufuhreinrichtung in
schematisierter Darstellung;
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5 eine
Kombination zweier Feststoffzufuhreinrichtungen gemäß 4;
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6 einen
Querschnitt durch eine Anmaischvorrichtung in schematisierter Form;
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7 einen
Querschnitt durch eine Schleuseneinrichtung in schematisierter Form;
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8 einen
Querschnitt durch eine Schneckeneinrichtung;
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9a, 9b einen
Querschnitt durch eine Kolbeneinrichtung in zwei verschiedenen Kolbenstellungen;
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10 einen
Querschnitt durch eine Kolbeneinrichtung mit zwei Druckzylindern
und
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11 eine
schematische Darstellung des Nebenstromfiltrationskreislaufs.
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1 zeigt im Querschnitt einen Reaktor, der
erfindungsgemäß zur Herstellung von Roh-, Brenn-
und Kraftstoffen aus organischen Substanzen im Wege der Direktverflüssigung
eingesetzt wird. Dabei wird konkret ein Mehrphasenmischreaktor,
und zwar ein Schlaufenreaktor, verwendet.
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Der
Reaktor 10 umfasst ein Gehäuse 16 mit einem
senkrecht angeordneten zylindrischen Mantel 16a. Am oberen
axialen Ende des Reaktors ist eine Eintragseinrichtung 11 vorgesehen,
durch die organische Substanzen in den Reaktor 10 gefördert
werden. Ferner ist am oberen axialen Ende des Reaktors 10 eine
Austragseinrichtung 12 für Reaktionsprodukte,
beispielsweise leichtflüchtige Kohlenwasserstoffverbindungen,
angeordnet, die beispielsweise mit einer (nicht dargestellten) Destillationskolonne
verbunden ist. Im Mantel 16a des Gehäuses 16 sind
Heizelemente integriert, die die Einrichtung 13 zur Zufuhr von
Reaktionsenergie bilden. Die Heizelemente können zur thermischen
oder induktiven Beheizung oder zur Beheizung mittels Mikrowellen
ausbildet sein. Die Einrichtung 13 kann zusätzlich
Mittel zur Druckbeaufschlagung des Reaktors umfassen, so dass sowohl ein
druckloser als auch ein druckbeaufschlagter Betrieb des Reaktors 10 möglich
ist.
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Der
Reaktor 10 umfasst ferner eine Einrichtung 14 zur
Ausbildung eines reaktorinternen, freien Strömungskreislaufs
mit wenigstens einer Treibstrahldüse 15, die im
oberen Bereich des Reaktors 10 in das Gehäuse 16 mündet.
Die Treibstrahldüse 15 ist als Doppelrohrdüse
bzw. als Dreistoffdüse ausgebildet und weist zwei konzentrisch
angeordnete Düsenrohre 17, 18 auf.
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In 2 ist
eine Detailansicht des Austrittsbereichs der Treibstrahldüse 15 mit
den beiden Düsenrohren 17, 18 dargestellt.
Dort ist zu erkennen, dass das innere Rohr 17 axial über
das äußere Rohr 18 hinausragt, wobei
zwischen dem inneren Rohr 17 und dem äußeren
Rohr 18 ein Ringspalt gebildet ist. Das bedeutet, dass
sowohl durch das innere Rohr als auch durch das äußere
Rohr Medium in den Reaktor 10 transportiert werden kann.
Vorzugsweise ragt das innere Düsenrohr 17 aus
dem Düsenaustrittsquerschnitt um das 0,4-6-fache des Düsendurchmessers, d.
h. des Austrittsdurchmessers des äußeren Düsenrohres 18 hinaus.
Das Verhältnis des Durchmessers des inneren Düsenrohres 17 zum
Durchmesser des äußeren Düsenrohres 18 im
Bereich der Austrittsöffnung der Treibstrahldüse 15 beträgt
zwischen 0,4 und 0,9.
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Das
innere Rohr 17 ist mit einer, in 1 nicht
dargestellten Feststoffzufuhr, insbesondere einer pneumatischen
Feststoffzufuhr, verbunden. Das äußere Rohr 18 ist
mit einer Rückführleitung bzw. einer Zirkulationsleitung 21,
allgemein mit einer Einrichtung 20 zur Ausbildung eines
reaktorexternen Kreislaufs, verbunden. Der Treibstrahldüse 15 ist
ein Leitrohr 19 bzw. ein Strömungsleitrohr zugeordnet, wobei
das Leitrohr 19 und die Treibstrahldüse 15 fluchtend
angeordnet sind. Wie in 1 zu erkennen,
kann die Austrittsseite der Treibstrahldüse 15 in das
Leitrohr hineinragen, so dass in diesem Bereich das Leitrohr 19 die
Treibstrahldüse 15 konzentrisch umgibt. Zwischen
der Unterkante des Leitrohrs 19 und einem Gehäuseboden 42 des
Reaktors 10 ist ein Zwischenraum vorgesehen. Das Leitrohr 19 ist
an beiden axialen Enden geöffnet und bildet zusammen mit
der Treibstrahldüse 15 Teil der Einrichtung 14 zur Ausbildung
des reaktorinternen Strömungskreislaufes. Das Verhältnis
des Durchmessers des äußeren Mantels 16a zu
dem des Strömungsleitrohrs 19 beträgt
vorzugsweise 3:1 bis 5:1.
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Die
Einrichtung 20 zur Ausbildung des reaktorexternen Kreislaufs
umfasst die Zirkulationsleitung 21, die zwei beabstandet
abgeordnete Abschnitte 22, 23 des Reaktors 10 verbindet.
Konkret verbindet die Zirkulationsleitung 21 einen im oberen
Bereich des Reaktors 10 angeordneten Abschnitt mit dem
axialen oberen Ende des Reaktors 10, wodurch ein reaktorexterner
Kreislauf gebildet wird. Dabei verbindet die Zirkulationsleitung 21 einen
Bereich des Reak tors 10, in dem sich ein Sumpföl-Biomasse-Strippgas-Gemisch
befindet, mit der Treibstrahldüse 15. Wie in 1 erkennbar, bildet dabei die Zirkulationsleitung 21 das äußere
Düsenrohr 18 der Treibstrahldüse 15. Zum
Umwälzen des Sumpföls im reaktorexternen Kreislauf
ist eine Pumpe 29 vorgesehen, die zur Förderung
von Feststofffracht geeignet ist. Die Einspeisung der organischen
Substanzen kann an Stelle über die pneumatische Feststoffzufuhr,
d. h. das pneumatische Mittel 14, auch mechanisch erfolgen, wobei
ein dafür geeignetes mechanisches Mittel 15 zur
Feststoffzufuhr der Pumpe 29 in Förderrichtung entweder
vor- oder nachgeordnet ist. Die mechanische Einspeisung der organischen
Substanzen in den reaktorexternen Kreislauf ist in 1 durch
einen gestrichelten Pfeil bezeichnet, der der Pumpe 29 in
Förderrichtung vorgeordnet ist. Die mechanische Feststoffzufuhr
kann an Stelle der pneumatischen Feststoffzufuhr oder auch zusätzlich
zur pneumatischen Feststoffzufuhr vorgesehen sein.
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Die
Zirkulationsleitung 21 bildet an der Stelle, wo die Zirkulationsleitung 21 in
den Reaktor 10 mündet, einen Sumpfölabzug 43.
Dieser Sumpfölabzug 43 ist von dem axialen oberen
Ende des Reaktors 10 so weit beabstandet, dass sich ein
Flüssigkeitsniveau über dem Sumpfölabzug 43 einstellt
und ein Gassammelraum 44 zwischen dem Flüssigkeitsniveau 45 und
dem oberen axialen Ende 46 des Reaktors gebildet wird.
Die Mündung der Treibstrahldüse 15 ist
in axialer Richtung unterhalb des Sumpfölabzugs 43 angeordnet,
zumindest aber so angeordnet, dass im Betrieb des Reaktors 10 gewährleistet
ist, dass die Mündung der Treibstrahldüse 15 unterhalb des
Flüssigkeitsniveaus 45 liegt. Konkret ist die Treibstrahldüse 15 so
angeordnet, dass sich ein Flüssigkeitsniveau 45 einstellt,
das etwa in einer dem 0,4 bis 1,5-fachen Durchmesser des Strömungsleitrohrs 19 entsprechenden
Höhe über dem oberen axialen Ende des Strömungsleitrohrs 19 liegt.
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Die
Einrichtung 20 zur Ausbildung des reaktorexternen Kreislaufs
kann mit Heizelementen 20a und/oder einer Filtereinrichtung 20b ausgestattet sein.
Die Filtereinrichtung 20b ist dabei als Nebenstromfiltration
ausgeführt, die in den reaktorexternen Kreislauf eingebunden
ist. Dazu wird aus dem reaktorexternen Kreislauf (Hauptstrom) ein
Teilstrom abgezweigt und der Filtereinrichtung zugeführt.
Der aus dem Teilstrom herausgefilterte Ölschlamm wird aus der
Filtereinrichtung ausgeschleust und entsorgt bzw. weiterverarbeitet.
Der in der Filtereinrichtung 20b gefilterte Teilstrom wird
dem reaktorexternen Kreislauf (Hauptstrom) wieder zugeführt.
Die Zufuhr des gefilterten Teilstroms zum Hauptstrom erfolgt auf der
Saugseite der Pumpe 29 des reaktorexternen Kreislaufs.
Das bedeutet, dass der gefilterte Teilstrom dem ungefilterten Hauptstrom
zugemischt wird. Die im reaktorexternen Kreislauf angeordneten Heizelemente 20a sind
in dem Ausführungsbeispiel der Abzweigung des ungefilterten
Teilstroms zur Filtereinrichtung 20b vorgeordnet, können
aber konstruktionsbedingt auch nachgeordnet sein.
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Der
Hauptstrom des reaktorexternen Kreislaufs nach der Abzweigung des
Teilstromes wird, wie vorstehend beschrieben, dem Reaktor 10 bzw.
der Sumpfphase des Reaktors 10 wieder zugeführt.
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Die
Nebenstromfiltration ist in 11 dargestellt.
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Die
Funktionsweise des Reaktors 10 gemäß 1 wird wie folgt erläutert.
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Durch
das innere Düsenrohr 17 wird Biomasse mit Hilfe
von Reaktions-/Strippgas pneumatisch der Treibstrahldüse 15 zugeführt.
Zugleich wird durch die Zirkulationsleitung 21 Sumpföl
dem äußeren Düsenrohr 18 der
Treibstrahldüse 15 zugeführt. Der aus der
Treibstrahldüse 15 austretende Sumpfölstrahl saugt über
das mittig angeordnete und den Düsenaustrittsquerschnitt
radial freilassende innere Düsenrohr 17 das im
Unterdruckbereich der Treibstrahldüse 15 geführte
Reaktions-/Strippgas an, wodurch eine äußerst
feine Zerteilung der Gasblasen erzielt wird. Die Gasblasen werden
mit der Biomasse und dem Sumpföl intensiv vermischt. Der
Reaktor 10 wird also sowohl mit einem internen freien Strömungskreislauf,
d. h. ohne die Hilfe mechanisch bewegter Bauteile, betrieben, der
durch die Injizierung eines Antriebsmediums, beispielsweise des
Sumpföls aus dem Reaktor 10 durch die Treibstrahldüse 15 in
Gang gesetzt wird, als auch mit einem durch die Zirkulationsleitung 21 geführten
reaktorexternen Kreislauf, der durch die Pumpe 29 angetrieben
wird.
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Der
Reaktor 10 gemäß 1 gewährleistet ein
unerwartet optimales Mischverhalten der drei Phasen Gas, Flüssigkeit
und Feststoff miteinander. Gleichzeitig gewährleistet der
Reaktorkreislauf eine produktorientierte Verweilzeitsteuerung mit
einem Abzug der leicht flüchtigen Zielprodukte und einer
selektiven Feststoffausschleusung aus der im Reaktorkreislauf verbleibenden
schwer flüchtigen Produktfraktion. Der Eintrag der festen
Roh- und Hilfsstoffe erfolgt über Eintragssysteme, die
geeignet sind, in ein unter hohem Überdruck stehendes Reaktorsystem
möglichst kontinuierlich eingespeist zu werden. Dabei erfolgt
der Feststoffeintrag pneumatisch zusammen mit einem Reaktionsgas
oder auch einem inerten Trägergas direkt in die optimale Misch-
und Reaktionszone des Reaktors. Der Reaktor 10 ist dabei
vorzugsweise als Schlaufenmischer mit integrierter Phasentrennung
ohne mechanisch bewegte Elemente ausgeführt, der einen
reaktorinternen und einen reaktorexternen Kreislauf aufweist. Dadurch
wird ein überraschend ideales produktorientiertes Misch- und
Reaktionsergebnis erzielt. Der hydraulische Antrieb des externen
Reaktorkreislaufs erfolgt über die für Feststofffracht
und Gaslast geeignete Umwälzpumpe 29, die über
die Treibstrahldüse 15 auch den internen Reaktorkreislauf
antreibt. Weiterhin können bei Bedarf Suspensionen mit
Katalysator oder Hilfsstoffe mittels einer Pumpe in den Reaktorkreislauf eingespeist
werden.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines Reaktors 10 ist
in 3 dargestellt. Der Reaktor 10 in 3 ist ähnlich
aufgebaut, wie der Reaktor 10 gemäß 1 und umfasst zusätzlich eine
Entgasungseinrichtung 37, speziell einen Entgasungskopf 37a für
eine verbesserte Gas-Flüssig-Trennung. Der Entgasungskopf 37a ist
zwischen dem Reaktor 10 und der Austragseinrichtung 12 für
die leicht flüchtigen Kohlenwasserstoffverbindungen angeordnet.
Wie in 3 erkennbar, übergreift der Entgasungskopf 37a den
Reaktor 10. Die Austragseinrichtung 12 für
die Reaktionsprodukte ist am Entgasungskopf 37a vorgesehen,
ebenso wie der Sumpfölabzug 43, der den Entgasungskopf 37a mit
der Zirkulationsleitung 21 verbindet. In 3 ist
die Zirkulationsleitung 21 nicht vollständig eingezeichnet.
Die Anordnung der Zirkulationsleitung 21, insbesondere
die Verbindung mit der Treibstrahldüse 15 entspricht
der Anordnung gemäß 1.
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Der
Entgasungskopf 37a umfasst einen Tropfenabscheider 47,
der unterhalb bzw. vor der Austragseinrichtung 12 für
die leicht flüchtigen Kohlenwasserstoffverbindungen angeordnet
ist und sich über den Querschnitt des Entgasungskopfs 37a erstreckt.
Der Tropfenabscheider 47 ist für den Rückhalt
von Aerosolen vorgesehen und entsprechend angepasst. Zusätzlich
zu dem Tropfenabscheider 47 ist ein Tropfring 48 vorgesehen,
der an der Außenkante des oberen axialen Endes des Reaktors 10 montiert
bzw. angeformt ist.
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Ferner
ist gemäß 3 am Gehäuseboden 42 des
Reaktors 10 eine Entleerungsleitung 49 vorgesehen.
Diese Entleerungsleitung 49 kann auch bei dem Reaktor gemäß 1 vorgesehen sein.
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Der
Reaktor 10 gemäß 3 wird auf ähnliche
Weise betrieben, wie der Reaktor 10 gemäß 1. Insofern wird auf die diesbezüglichen
Ausführungen Bezug genommen.
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Die
Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, bei denen mehr
als eine Treibstrahldüse 15, beispielsweise zwei,
drei, vier oder noch mehr Treibstrahldüsen 15 vorgesehen
sind. Dabei ist jeder Treibstrahldüse ein Strömungsleitrohr 19 zugeordnet.
Alternativ können auch mehrere Treibstrahldüsen 15 einem
Strömungsleitrohr 19 zugeordnet sein, wobei das
Strömungsleitrohr 19 in diesem Fall entsprechend
größer dimensioniert ist. Durch den Einsatz mehrerer
Treibstrahldüsen 15 ist die Einstellung eines
entsprechend mehrschlaufigen Strömungsprofils im Reaktor 10 möglich.
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Im
Folgenden werden die verschiedenen Eintragssysteme erläutert,
mit deren Hilfe Biomasse bzw. allgemein organische Substanzen in
den Reaktor 10 eingetragen werden können. In 4 ist
die Eintragseinrichtung 11 als pneumatisches Mittel 24 zur
Feststoffzufuhr ausgebildet. Das pneumatische Mittel 24 gemäß 4 ist
der Einrichtung 14 zur Ausbildung des reaktorinternen Kreislaufs
zugeordnet, d. h. das pneumatische Mittel 24 ist mit der
Treibstrahldüse 15, insbesondere mit dem innen
angeordneten Düsenrohr 17 der Treibstrahldüse 15 verbunden.
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Das
pneumatische Mittel 24 weist einen Druckförderbehälter 26 auf,
der über eine Ventilanordnung, beispielsweise über
einen Auslasskugelhahn 50, mit dem Reaktor 10 bzw.
der Treibstrahldüse 15 verbindbar ist. An Stelle
des Auslasskugelhahns 50 können andere Ventilarten
eingesetzt werden. Der Druckförderbehälter 26 umfasst
einen oberen zylindrischen Abschnitt 51 und einen unteren
konischen Abschnitt 52. Für die Zufuhr der Feststoffe
ist eine Zufuhreinrichtung 53, beispielsweise mit einem Einfüllkugelhahn 53a,
vorgesehen. Die Befüllung mit organischen Substanzen ist
durch einen entsprechenden Pfeil in 4 angedeutet.
Der Zufuhreinrichtung 53 ist eine Abgasleitung 54 nachgeordnet, durch
die verdrängte Luft entweichen kann.
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Der
Druckförderbehälter 26 ist mit einer Druckgaseinrichtung
verbunden, durch die ein Fluidisiergas und ein Transportgas zugeführt
wird. Die Gaszufuhreinrichtung für Transportgas 27a umfasst ein
Zufuhrmittel 40, beispielsweise in Form einer Lanze 40a,
die im Bereich der Austragsöffnung 41 des Speicherbehälters 26 mündet.
Dadurch wird die Einspeisung des Transportgases gezielt an der Stelle
erreicht, wo der Feststoff aus dem Druckförderbehälter 26 ausgetragen
wird.
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Ferner
ist eine weitere Gaszufuhreinrichtung 27b für
das Fluidisiergas (Fluidisiergaseinrichtung) vorgesehen, die mit
der Druckgaseinrichtung verbunden ist und eine Zufuhröffnung 28 aufweist,
die im unteren konischen Abschnitt 52 des Druckförderbehälters 26 angeordnet
ist. Dadurch wird eine besonders effiziente Fluidisierung der im
Druckförderbehälter 26 befindlichen Feststoffe
erreicht. Der untere konische Abschnitt 52 ist mit einer
gasdurchlässigen Auskleidung 39 versehen, die
wenigstens im Bereich der Zuführöffnung 28 der
Fluidisiergaseinrichtung 27b angeordnet ist. Bei dem Druckförderbehälter 26 gemäß 1 ist der gesamte untere konische Abschnitt 52 ausgekleidet.
Die Auskleidung 39 bildet somit einen porösen
Belüftungskegel, der eine homogene Fluidisierung der Feststoffe
unterstützt. Die Auskleidung 39 verhindert ferner
eine Brückenbildung der zerkleinerten Feststoffe im Druckförderbehälter 26.
Zu diesem Zweck ist auch der obere zylindrische Abschnitt 51 mit
einer hochtemperaturbeständigen Antihaftbeschichtung 38 beschichtet.
Die Auskleidung 39 ist im Bereich der Austragsöffnung 41 geöffnet.
-
Der
Druckförderbehälter 26 gemäß 4 wird
wie folgt betrieben:
Die zerkleinerten Feststoffe werden bei
geöffnetem Einfüllkugelhahn 53a und geöffnetem
Abgaskugelhahn 54a über eine geeignete Transportvorrichtung durch
die Befüllleitung 53b in den Druckförderbehälter 26 gegeben.
Die dabei verdrängte Luft entweicht über die Abgasleitung 54.
Wenn der Druckförderbehälter 26 gefüllt
ist, schließt der Einfüllkugelhahn 53a und
Inertgas strömt zunächst durch die Fluidisiergaseinrichtung 27b in
den Druckförderbehälter 26 ein. Nach
erfolgter Inertisierung des Druckförderbehälters 26 wird
der Abgaskugelhahn 54a geschlossen und der Druckförderbehälter 26 durch
die Transportgas- und/oder Fluidisiergaseinrichtung 27a, 27b wahlweise
mit Inert- oder Reaktionsgas auf Betriebsdruck gebracht. Nach Erreichen
des Betriebsdrucks öffnet der Auslasskugelhahn 50 und
Transportgas wird durch die Lanze 40a der Transportgaseinrichtung 27a im
Bereich der Auftragsöffnung 41 eingeblasen. Dadurch
wird der im Druckförderbehälter 26 befindliche
Feststoff zusammen mit dem Reaktionsgas durch die Entleerungsleitung 50a zum
Reaktor 10 bzw. der Treibstrahldüse 15 transportiert.
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Durch
eine gezielte Einstellung des Verhältnisses von Fluidisiergas
zu Transportgas wird der Feststoff dosiert aus dem Druckförderbehälter 26 ausgetragen.
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Ein
kontinuierlicher Betrieb des pneumatischen Mittels 24 kann
durch Verschaltung von mindestens zwei oder mehr Druckförderbehältern 26 erreicht
werden, wie in 5 dargestellt. Die beiden Druckförderbehälter 26 verfügen über
eine gemeinsame Abgasleitung 54 sowie über eine
gemeinsame Entleerungsleitung 50a. Durch wahlweisen Betrieb der
beiden Druckförderbehälter 26 fungiert
jeweils einer der beiden Behälter als Speicherbehälter,
während die Förderung des Feststoffes über
den jeweils anderen Behälter erfolgt. Sobald dieser Behälter
leer ist bzw. annähernd leer ist, wird auf den anderen,
zwischenzeitlich gefüllten Behälter umgeschaltet.
Der als Speicherbehälter fungierende Druckförderbehälter 26 dient
also als Zwischenspeicher (Pufferbehälter) und gleichzeitig
als Druckschleuse zwischen dem Atmosphärendruck und dem
erforderlichen Förder- bzw. Systemdruck. Die Druckförderbehälter 26 bzw.
Speicherbehälter werden über eine geeignete externe
Fördereinrichtung mit den aus einem externen Speicher stammenden
Feststoffen gefüllt und dann nach Schließen der
Feststoffzuführung zur Inertisierung und zum Aufbau des
erforderlichen Systemdrucks mit Gas beaufschlagt. Dieses erfolgt
vorzugsweise mit Prozessgas, das aus dem Fördergasstrom abgezweigt
wird. Der Aufbau des erforderlichen Systemdrucks kann aber auch
mit von extern zugeführtem Gas erfolgen. Nach abgeschlossenem
Druckaufbau und der Inertisierung wird das ventilgesteuerte Schleusen-
und Leitungssystem zum Reaktor 10 geöffnet und
die Feststoffe zusammen mit Fördergas bzw. Transportgas,
das auch das Reaktionsgas enthalten kann, in den Reaktor eingeleitet.
Während ein Speicherbehälter für die
Feststoff- und Gaszuführung in den Reaktor arbeitet (Druckförderbehälter 26), wird
der andere Speicherbehälter mit der nächsten Feststoffcharge
nachgefüllt. Vor der Wiederbefüllung wird der
jeweilige Speicherbehälter druckentlastet.
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Insgesamt
stellt die pneumatische Förderung durch die in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 5 erfolgte technische Anpassung
an erhöhte Drücke bis 200 bar und Temperaturen
bis 300°C eine optimale Vorrichtung zum Eintrag von organischen Feststoffen
in Sumpfphasen zum Zwecke der Direktverflüssigung dar.
Die Feststoffpartikel werden dabei in den Druckreaktor schnell und
direkt in dessen flüssige Sumpfphase eingetragen, ohne
dabei kompaktiert zu werden. Außerdem sind die Feststoffe
frei von Ballasthilfsstoffen, wie Anmaischflüssigkeit,
so dass die Feststoffe in der Sumpfphase sehr schnell und unter
möglichst geringem Energieaufwand auf Reaktionstemperatur
in der Größenordnung von etwa 300 bis 600°C
aufgeheizt werden können. Dadurch kann eine besonders energieeffiziente
Prozessführung und eine hohe Ausbeute an erwünschtem
Flüssigprodukt erzielt werden. Die bei langsamer Aufheizung
ver mehrt auftretenden festen Verkohlungs- und Verteerungsprodukte
werden weitgehend vermieden.
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Ein
Beispiel für ein mechanisches Mittel 25 zur Feststoffzufuhr
ist in 6 anhand einer Anmaischeinrichtung 30 dargestellt.
Die Anmaischeinrichtung 30 kann direkt über eine
Pumpe 30a mit dem Reaktor 10 gekoppelt sein. Alternativ
kann die Anmaischeinrichtung 30 zusätzlich zu
dem mechanischen Mittel 25 zur Feststoffzufuhr vorgesehen
sein, beispielsweise, wenn das mechanische Mittel 25 als Schneckeneinrichtung 32 oder
als Kolbeneinrichtung 35 ausgebildet ist.
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Die
Anmaischeinrichtung 30 umfasst einen Anmaischbehälter 30j mit
einem Heizmantel 30b sowie einem Rühr-/Mischwerk 30c.
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Der
Heizmantel 30b verfügt über einen ersten
Anschlussstutzen 30d für Heizmediumseintritt und
einen zweiten Anschlussstutzen 30e für Heizmediumsaustritt. Über
die kontrollierte Zuführung von Heizmedium wird die Maische
im Behälter auf die gewünschte Temperatur vorgeheizt.
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Der
Anmaischbehälter verfügt ferner über
einen dritten Anschlussstutzen 30f für die Flüssigkeitszufuhr,
eine Öffnung 30g für den Biomasseeintritt,
einen vierten Anschlussstutzen 30h für den Abzug
der Maische sowie einen fünften Anschlussstutzen 30i, welcher
wahlweise zum Abzug der Maische oder zur externen Rückführung
der Maische genutzt werden kann.
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Zerkleinerte
Biomasse wird kontinuierlich über eine geeignete Vorrichtung 30k in
den Anmaischbehälter über der Öffnung 30g abgeworfen. Die
Biomasse fällt auf die Oberfläche einer bereits vorhandenen
Maische, Suspension oder Flüssigkeitsvorlage. Die über
den dritten Anschlussstutzen 30f kontinuierlich zugeführte
Flüssigkeit verursacht unter Mithilfe des Rührmischwerks 30c eine
derartige Bewegung der Oberfläche, dass die Biomasse suspendiert
wird.
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Die
erzeugte Maische kann nun über den fünften Anschlussstutzen 30i abgezogen
werden und mit Hilfe der Pumpe 30a zum Reaktor 10 gepumpt werden.
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Optional
ist die Vorrichtung mit einem Nasszerkleinerungsaggregat 30l ausgerüstet,
um die erzeugte Maische weiter zu homogenisieren und evtl. in der
Biomasse vorhandenen Grobstücke zu zerkleinern. Dazu saugt
das Nasszerkleinerungsaggregat 30l selbsttätig
durch den vierten Anschlussstutzen 30h einen Teilstrom
der Maische an, welcher mind. doppelt so groß ist, wie
die Summe aus den Inputströmen 10 und 12 und
homogenisiert die Maische. Ein Teil der durch das Nasszerkleinerungsaggregat 30l homogenisierten
Maische wird durch die Pumpe 30a angesaugt und zum Reaktor
befördert, ein anderer Teil strömt über
den fünften Anschlussstutzen 30i zurück
in den Anmaischbehälter und erzeugt dort zusätzliche
Turbulenzen zur Einmischung der Biomasse, die über die Öffnung 30g dem
Behälter zugeführt wird.
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Die
Anmaischeinrichtung 30 gemäß 6 hat
den Vorteil, dass der direkte Eintrag zerkleinerter, mäßig
temperierter Feststoffe als Slurry oder in Breiform in eine auf
Reaktionstemperatur aufgeheizte Sumpfphase ermöglicht wird.
Dabei findet keine Kompaktierung der zerkleinerten Feststoffe statt.
Die Anmaischeinrichtung 30 ermöglicht die Auflösung bzw.
den Aufschluss der Feststoffe, vorzugsweise in der Reaktorkreislaufflüssigkeit,
d. h. in Öl, Wasser, Salz- oder Metallschmelzen oder auch
einer anderen organischen Flüssigkeit (z. B. einem Wasserstoffträger)
und gegebenenfalls einer dabei gegebenen besseren Vorwärmmöglichkeit.
Durch den Einsatz der Anmaischeinrichtung 30 wird die Förderung
der Maische (als Slurry oder in der Flüssigkeit gelöst) über Pumpen
ermöglicht, die für suspendierte Feststofffrachten
geeignet sind.
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Die
Feststoffe werden vor einer Einspeisung in den Reaktor (Druckreaktor
oder auch drucklos) durch eine geeignete organische oder anorganische Flüssigkeit
oder ggf. auch Wasser, vorzugsweise mit Flüssigkeit aus
dem Reaktorkreislauf, suspendiert oder aufgelöst. Das Verhältnis
Feststoff zu Flüssigkeit wird so gewählt, dass
ein fließ- bzw. pumpfähiges Medium entsteht. Die
Herstellung dieser Suspension oder Lösung erfolgt vorzugsweise
in einem drucklosen oder unter geringem Überdruck stehenden
Behälter. In der Regel ist dieser Behälter mit
einer geeigneten Rühr- und/oder Mischvorrichtung ausgestattet.
Nach Herstellung der Suspension oder Lösung und ggf. einer
Aufwärmung wird das Medium über eine geeignete
Pumpvorrichtung in die Sumpfphase des Reaktors (Druckreaktor oder
drucklos) eingespeist.
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Sollen
zerkleinerte Feststoffe insbesondere in Druckräume gefördert
werden, so kann die Anmaischung der Feststoffpartikel mit Flüssigkeit
dazu dienen, diese fließ- und pumpfähig zu machen,
um deren Eintrag in den Druckraum zu vereinfachen. Problematisch
ist eine Anmai schung aber, wenn die Feststoffe durch Krackreaktionen
bei erhöhten Temperaturen bis zu 500°C verflüssigt
werden sollen, da es hierbei auf eine besonders schnelle Aufheizung der
Feststoffe ankommt und die Anmaischflüssigkeit als zusätzlicher
Ballaststoff die Aufheizgeschwindigkeit mindert. Es ist im Hinblick
auf Krackreaktionen der Direktverflüssigung bei vergleichsweise
niedrigen Temperaturen bis zu 500°C bekannt, dass üblicherweise
schnelle Aufheizung die Ausbeute an erwünschtem Flüssigprodukt
erhöht, während bei langsamer Aufheizung vermehrt
Verkohlungs- und Verteerungsprodukte auftreten. Überraschenderweise sind
diese Zusammenhänge nicht gültig bei den unterschiedlichen
Rohstoffen (feste biogene Stoffe wie Energiepflanzen, Holz, Stroh,
Bioabfall u. a.; Kunststoffabfälle und andere feste organische
Stoffe), wenn als Anmaischflüssigkeit Produktöl,
welches bei der Direktverflüssigung erzeugt wird, zur Anwendung kommt.
Hierdurch und auch durch eine Vorwärmung verbunden mit
dem aus dem Kreislauf entnommenen warmen Produktöl kann
mit der Anmaischung vorteilhaft auch bei Direktverflüssigung
gearbeitet werden.
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Der
angemaischte Feststoffeintrag erfüllt bei den genannten
Rohstoffen und Anmaischflüssigkeiten die Anforderungen
der Direktverflüssigung und stellt eine besonders preisgünstige
Lösung dar, weil einfache Pumpensysteme eingesetzt werden
können.
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Ein
weiteres Beispiel für ein mechanisches Mittel 25 zur
Feststoffzufuhr ist in 7 dargestellt, die eine Schleuseneinrichtung 31 zeigt.
Die Schleuseneinrichtung 31 ist wie folgt aufgebaut und
arbeitet nach folgendem Funktionsablauf:
Aus einem Vorlagebehälter 31a wird
Biomasse mittels einer geeigneten Transportvorrichtung 31b über einen
Befülltrichter 31c bei geöffnetem Einlasskugeihahn 31d in
eine Schleuse 31e gefördert. Ist die Schleuse 31e gefüllt,
stoppt die Transportvorrichtung 31b und der Einlasskugelhahn 31d schließt.
Inertisiergas kann über einen geöffneten Kugelhahn 31f in die
Schleuse 31e einströmen und verdrängt
bei geöffnetem Abgaskugelhahn 31g in der Schleuse 31e nach
der Befüllung enthaltenen Sauerstoff bzw. Luft. Ist die
Luft vollständig verdrängt, schließt
der Abgaskugelhahn 31g und die Schleuse 31e kann
ggf. über ein Bespannungsgas auf Systemdruck bespannt werden.
Bei erfolgtem Druckausgleich zwischen der Schleuse 31e und
dem anschließenden Reaktor 10, schließt
der Glaskugelhahn 31f und ein Auslasskugelhahn 31h öffnet,
wodurch die der Schleuse 31e enthaltenen Feststoffe in
den Reaktor 10 ausgetragenen werden. Nach erfolgtem Austrag
schließt zunächst der Auslasskugelhahn 31h und
der Abgas kugelhahn 31g öffnet, um einen ggf. vorhandenen Überdruck
in der Schleuse 31e abzulassen. Nach erfolgter Entspannung
durch den Abgaskugelhahn 31g öffnet der Einlasskugelhahn 31d erneut
und der Befüllvorgang startet wieder.
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Die
Schleuseneinrichtung 31 hat den Vorteil, dass ein direkter
Eintrag zerkleinerter und mäßig temperierter Feststoffe
in eine auf Reaktionstemperatur aufgeheizte Sumpfphase ermögicht
wird, ohne dass dabei Ballasthilfsstoffe, wie Anmaischflüssigkeit mit
eingetragen werden, die die Aufheizung im Sumpfphasenreaktor verzögern.
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Die
Schleuseneinrichtung 31 gestattet bei der Einleitung der
Feststoffe in den Reaktor 10, die Feststoffe zu inertisieren
(falls dieses nicht bereits in einer vorgelagerten Speichereinrichtung
möglich ist), verhindert den Austritt von Gasen, Dämpfen
und Flüssigkeiten aus dem Reaktor und dichtet ggf. gegen
einen erhöhten bzw. hohen Reaktordruck ab. Im Falle einer
Behälterschleuse (Schwerkraftsystem) ist der Feststoffeintritt
und -austritt mit geeigneten Absperrarmaturen, vorzugsweise mit
Kugelventilen, ausgestattet. Bei einer Zellenradschleuse (entweder als
Schwerkraftsystem oder in Kombination mit einem pneumatischen Fördereinrichtung)
kann je nach Ausführung und Druckdichtheit auf eine oder
auch auf beide Absperrarrnaturen verzichtet werden. Im Regelfall
funktioniert ein Schleusensystem auf Schwerkraftbasis derart, dass
zum Befüllen der Schleuse die Austrittsabsperrung (ggf.
druckdicht) geschlossen und die Eintrittsabsperrung geöffnet wird.
Nach dem Befüllen des Schleusenraumes wird die Eintrittsarmatur
(ggf. druckdicht) geschlossen, während auch die Austrittsarmatur
zunächst geschlossen bleibt. Es besteht nun die Möglichkeit
den Schleusenraum, mittels Gas oder Flüssigkeit zu inertisieren
und ggf. Druck gemäß dem Gegendruck im Reaktor
aufzubauen. Danach wird die Austrittsarmatur geöffnet und
der Inhalt kann per Schwerkraft oder ggf. auch durch einen Spülvorgang
in den Reaktor oder ggf. einer Vorstufe zum Reaktor eingetragen werden.
Vorzugsweise werden mindestens zwei separate Schleusenräume
angewendet, die wechselweise betrieben werden, um eine kontinuierliche Feststoffeinspeisung
zu gewährleisten. Bei Einsatz einer Zellenradschleuse ist
eine quasi kontinuierliche Bespeisung auch mit einer Schleuse möglich.
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Überraschenderweise
stellt das Schleusensystem bei unterschiedlichen Rohstoffen (feste
biogene Stoffe wie Energiepflanzen, Holz, Stroh, Bioabfall u. a.;
Kunststoffabfälle und andere feste organische Stoffe) eine
Möglichkeit dar, trockene zerkleinerte Feststoffpartikel
bei Tem peraturen bis zu 300°C schnell genug in eine flüssige
Sumpfphase gegen erhöhte Drücke bis 200 bar oder
auch drucklos einzutragen. Damit ist die Schleusenförderung überraschenderweise
geeignet zum Eintrag von den genannten trockenen organischen Feststoffen
in Sumpfphasen zum Zwecke der Direktverflüssigung. Die
Feststoffpartikel sollen in den Reaktor (Druckreaktor oder drucklos)
schnell und direkt in dessen flüssige Sumpfphase eingetragen
werden und möglichst frei sein von Ballasthilfsstoffen
wie Anmaischflüssigkeit, damit sie in der Sumpfphase sehr
schnell und unter möglichst geringem Energieaufwand auf
Reaktionstemperatur in der Größenordnung bis zu
500°C aufgeheizt werden. Dies ist wichtig für
eine energieeffiziente Prozessführung und für
eine hohe Ausbeute an erwünschtem Flüssigprodukt.
Bei langsamer Aufheizung treten vermehrt feste Verkohlungs- und Verteerungsprodukte
auf.
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Die
Schleusenförderung erfüllt bei den genannten Rohstoffen
die Anforderungen und stellt für diese Fälle eine
hinsichtlich der Anlagenherstellungskosten besonders günstige
Lösung verglichen mit anderen Eintragssysteme in Druckräume
dar.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel für ein mechanisches
Mittel 25 zum Feststoffeintrag wird anhand der Schneckeneinrichtung 32 gemäß 8 erläutert.
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Bei
der Schneckeneinrichtung 32 wird der trockene Feststoff über
ein geeignetes Aggregat (nicht dargestellt) zugeführt,
und durch eine entsprechende Konstruktion der Schneckenwendel 32a in der
Zerkleinerungszone 32b weiter aufgeschlossen.
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In
der anschließenden Misch- und Anmaischzone 32c können über Öffnungen 32d gegebenenfalls
Additive, Gas zur Inertisierung und/oder Flüssigkeiten
zum Anmaischen und Vorwärmen des Feststoffs zugegeben werden.
Darüber hinaus kann die Schneckeneinrichtung 32 z.
B. mittels elektrischer Heizbänder, die um den Rohrkörper 32f (Gehäuse)
montiert sind, beheizt werden.
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In
der Verdichtungszone 34 ändert sich die Steigung
der Schneckenwendel 32a und der Rohrkörper 32f läuft
konisch zusammen, so dass hier eine Verdichtung des Feststoffs erreicht
wird und somit ein Pfropfen gegen den Innendruck des Hochdruckbehälters
bzw. Reaktors 10 aufgebaut wird.
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Die
Pfropfenzone 33 dient als Drucksperre gegen Flüssigkeiten
und Gase in dem Reaktor. In dieser Zone 33 wird der Feststoff
nicht weiter verdichtet, sondern nur noch vorgeschoben.
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Vor
Eintritt des kompaktierten Feststoffs in den Hochdruckbehälter
bzw. Reaktor 10 ist eine Zerkleinerungs- bzw. Deagglomeriervorrichtung 32e vorhanden.
Im vorliegenden Beispiel sind auf der verlängerten Schneckenwelle 32a Schneiden
angebracht, die den Strang zerkleinern.
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Die
Schneckeneinrichtung 32 trägt zerkleinerte, mäßig
temperierte Feststoffe direkt und kontinuierlich in die auf Reaktionstemperatur
aufgeheizte Sumpfphase ein. Darüber hinaus bietet die Schneckeneinrichtung 32 die
Möglichkeit, die Feststoffe mit oder ohne Anmaischöl
aufzuheizen, falls dies sinnvoll bzw. erforderlich ist. Dabei ist
ein Feststoffeintrag ohne Ballasthilfsstoffe wie Anmaischflüssigkeit
möglich, um eine verzögerte Aufheizung im Sumpfphasenreaktor
zu vermeiden. Daneben ist auch ein Feststoffeintrag mit Anmaischflüssigkeit
möglich, wobei eine Vorvermischung der Anmaischflüssigkeit
und der Feststoffe mittels in der Förderschnecke eingebaute
Mischelemente stattfinden kann.
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Die
Schneckeneinrichtung 32 zieht die Feststoffe (mit oder
ohne Anmaischflüssigkeit) aus einem vorgelagerten Speicherbehälter
(in der Regel ein Pufferspeicher) in die Förderschnecke
ein. Zur Verhinderung von Brückenbildungen kann hierzu
eine geeignete Zuführungseinrichtung (z. B. Zuführungsschnecke)
eingesetzt werden. Parallel zur primären Aufgabe der Förderung
der Feststoffe in den Reaktor, kann die Schecke weitere Aufgaben übernehmen. Sie
kann durch Verdichtung einen Stopfen gegen einen ggf. vorhandenen
Reaktordruck aufbauen (Abdichtung gegenüber Atmosphäre
oder niedrigerer Druckstufe); durch geeignete, eingebaute Mischelemente
eine Mischung aus Feststoff und Anmaischflüssigkeit herstellen;
durch geeignete Heizeinrichtungen die Feststoffe oder deren Mischungen
vorwärmen sowie die zugeführten Feststoffe und
deren Mischungen entgasen (also Luft und Sauerstoff entziehen).
Der Austritt der Schneckenmaschine kann mit einer Zerkleinerungseinrichtung
(z. B. rotierende Schneideinrichtung) versehen werden, die das kompaktierte
Material vor dem Reaktoreintritt wieder zerlegt.
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Die
Schneckeneinrichtung 32 stellt bei unterschiedlichen Rohstoffen
(feste biogene Stoffe wie Energiepflanzen, Holz, Stroh, Bioabfall
u. a.; Kunststoffabfälle und andere feste organische Stoffe)
eine Möglichkeit dar, zerkleinerte Feststoffpartikel ohne Dichtungsprobleme
bei Temperaturen bis 300°C in Druckräume gegen
erhöhte Drücke bis 200 bar einzutragen. Die Feststoffe
bilden dabei einen Pfropfen, der sogar für Druckwasserstoff
undurchlässig ist. Damit ist die Schneckenförderung überraschenderweise
zum Eintrag von den genannten organischen Feststoffen in Sumpfphasen
zum Zwecke der Direktverflüssigung unter Wasserstoffdruck
oder auch drucklos geeignet. Die Feststoffpartikel können
in den Reaktor 10 (Druckreaktor oder druckloser Reaktor)
schnell und direkt in dessen flüssige Sumpfphase eingetragen
werden. Vorzugsweise sollten die Feststoffe hierbei frei sein von
Ballasthilfsstoffen wie Anmaischflüssigkeit, damit sie
in der Sumpfphase sehr schnell und unter möglichst geringem
Energieaufwand auf Reaktionstemperatur in der Größenordnung
bis zu 500°C aufgeheizt werden. Dies ist wichtig für
eine energieeffiziente Prozessführung und für eine
hohe Ausbeute an erwünschtem Flüssigprodukt. Bei
langsamer Aufheizung im Reaktor treten vermehrt feste Verkohiungs-
und Verteerungsprodukte auf.
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Die
Schneckenförderung erfüllt bei den genannten Rohstoffen
die notwendigen Anforderungen, insbesondere bei der Einspeisung
in Druckräume, ohne dass dafür eine aufwendige
Systemtechnik erforderlich ist. Außerdem entfallen Dichtungsprobleme
bei der Feststoffförderung gegen hohe Drücke sowie
das Erfordernis der Zugabe von Anmaischflüssigkeit.
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Das
mechanische Mittel 25 zur Feststoffzufuhr kann auch in
Form einer Kolbeneinrichtung 35 realisiert sein, wie in
den 9a, 9b und 10 dargestellt.
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9a veranschaulicht
den Saughub der Kolbeneinrichtung 35. Das Fördermedium
wird der Kolbeneinrichtung 35 über eine Schnecke 35a während
der Rückwärtsbewegung des Arbeitskolbens 35b zugeführt
und gelangt über ein geöffnetes, hydraulisch betätigtes
Saugventil 35c in den Produktraum 35d der Pumpe
bzw. Kolbeneinrichtung 35.
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9b veranschaulicht
den Arbeits- bzw. Druckhub der Kolbeneinrichtung. Das Saugventil 35c schließt
und der Druckzylinder 36 drückt den Arbeitskolben 35b in
den Produktraum 35d, wodurch sich das Druckventil 35e öffnet
und die Maische in die Rohrleitung 35f zum Reaktor 10 schiebt.
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Die
druckseitigen Ventilstangen 35g befinden sich nicht im
Förderstrombereich. Durch diese Ventilanordnung steht beim
Druckhub der volle Strömungsquerschnitt zur Verfügung.
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10 zeigt
beispielhaft eine Kolbeneinrichtung 35 mit 2 Druckzylindern 36 zur
kontinuierlichen Förderung:
Die Doppelkolbenvorrichtung
zum Biomasseeintrag umfasst zwei parallele Druckzylinder 36 und
Arbeitskolben 35b, die eine gemeinsame Druckförderleitung 35f zum
Reaktor 10 nutzen.
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Die
Kolbeneinrichtung 35 ermöglicht den direkten,
diskontinuierlichen oder kontinuierlichen Eintrag zerkleinerter,
mäßig temperierte Feststoffe, die mit Flüssigkeit
angemaischt sind, in eine auf Reaktionstemperatur aufgeheizte Sumpfhpase.
Daneben besteht auch die Möglichkeit der Förderung
bzw. Einspeisung von nicht angemaischten Feststoffen, wodurch eine
schnelle Aufheizung im Reaktor unterstützt wird. Die Kolbeneinrichtung 35 bietet
eine gute Inertisierungsmöglichkeit im Pumpendruckraum
zwischen Kolben und Austragsabsperrung. Ferner besteht eine gute
Möglichkeit der Feststoffvorwärmung oder deren
Maische vor Einspeisung in den Reaktor 10.
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Der
Einfüllbereich der Kolbeneinrichtung 35 wird mit
Feststoffen (mit oder ohne Anmaischflüssigkeit) aus einem
vorgelagerten Speicherbehälter (in der Regel ein Pufferspeicher)
befüllt. Zur Verhinderung von Brückenbildungen
kann hierzu eine geeignete Zuführungseinrichtung (z. B.
Zuführungsschnecke) eingesetzt werden. Während
der Befüllung ist das Austragsrohr der Kolbenvorrichtung
durch eine geeignete Schleuse (z. B. Schieber oder Ventil) zum Reaktor
hin geschlossen.
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Nach
Befüllung des Einfüllbereiches schiebt der Kolben
das Material in ein allseitig geschlossenes Rohr. Parallel zur primären
Aufgabe der Förderung der Feststoffe in den Reaktor, dient
der durch den Kolben und die Schleuse geschlossene Rohrraum dazu,
gegen einen ggf. vorhandenen Reaktordruck abzudichten sowie den
erforderlichen Systemdruck aufzubauen (Abdichtung gegenüber
Atmosphäre oder niedrigerer Druckstufe). Ggf. können
durch geeignete Heizeinrichtungen die Feststoffe oder deren Maische
vorgewärmt sowie ggf. die zugeführten Feststoffe
und deren Maische durch von außen zugeführte Gase
zu inertisiert werden (Beseitigen von Luft und Sauerstoff). Sind
die genannten Aufgaben im geschlossenen Rohrraum vollzogen, öffnet
die Schleuse zum Reaktor und der Kolben schiebt das Material in
den Sumpfbereich des Reaktors. Bei Anwendung einer Vorrichtung mit
einem Kolben erfolgt die Reaktorbespeisung diskontinuierlich. Eine
kontinuierliche Reaktorbespeisung ist über ein Mehrkolbensystem möglich.
Der Antrieb der Kolbenvorrichtung erfolgt in der Regel hydraulisch,
kann aber auch elektrisch ausgeführt werden.
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Die
Kolbeneinrichtung 35 stellt bei unterschiedlichen Rohstoffen
(feste biogene Stoffe wie Energiepflanzen, Holz, Stroh, Bioabfall
u. a.; Kunststoffabfälle und andere feste organische Stoffe)
eine Möglichkeit dar, zerkleinerte Feststoffpartikel mit
und ohne Flüssiganteile bei Temperaturen bis 300°C auch
in Druckräume gegen erhöhte Drücke bis
200 bar einzutragen. Damit ist die Kolbenförderung geeignet
zum Eintrag von den genannten trockenen organischen Feststoffen
in Sumpfphasen zum Zwecke der druckbeaufschlagten oder drucklosen
Direktverflüssigung. Die Feststoffpartikel werden in den
Reaktor (unter Druck oder drucklos) schnell und direkt in dessen
flüssige Sumpfphase eingetragen und sind vorzugsweise frei
von Ballasthilfsstoffen wie Anmaischflüssigkeit, damit
sie in der Sumpfphase sehr schnell und unter möglichst
geringem Energieaufwand auf Reaktionstemperatur in der Größenordnung
von bis zu 600°C aufgeheizt werden. Dies ist wichtig für
eine energieeffiziente Prozessführung und für
eine hohe Ausbeute an erwünschtem Flüssigprodukt.
Bei langsamer Aufheizung treten vermehrt feste Verkohlungs- und
Verteerungsprodukte auf.
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Insgesamt
können die vorstehend erläuterten mechanischen
Mittel 25 zur Feststoffzufuhr, insbesondere die Anmaischeinrichtung 30,
die Schleuseneinrichtung 31, die Schneckeneinrichtung 32 sowie
die Kolbeneinrichtung 35 gut zur Eintragung von Rohstoffen-
bzw. Reststoffen in einen Druckreaktor verwendet werden, der im
Zusammenhang mit der Direktverflüssigung hochmolekularer
organischer Substanzen in niedrigviskosige Brenn- und Kraftstoffe
eingesetzt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10215679
A1 [0001, 0003, 0008]