DE102020205318A1

DE102020205318A1 - Mischvorrichtung

Info

Publication number: DE102020205318A1
Application number: DE102020205318.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-04-27
Filing date: 2020-04-27
Publication date: 2021-10-28
Also published as: EP3903918A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung, insbesondere zum Einsatz in Anlagen zur katalytischen Verflüssigung von kohlenwasserstoffhaltigen Materialien sowie ein Verfahren zur Betreibung einer Mischvorrichtung zur katalytischen Verflüssigung von kohlenwasserstoffhaltigen Materialien.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung, insbesondere zum Einsatz in Anlagen zur katalytischen Verflüssigung von kohlenwasserstoffhaltigen Materialien sowie ein Verfahren zur Betreibung einer Mischvorrichtung zur katalytischen Verflüssigung von kohlenwasserstoffhaltigen Materialien.
Stand der Technik
Es sind bereits einige Mischvorrichtungen und Verfahren zur katalytischen Verflüssigung von kohlenwasserstoffhaltigen Materialien (KDV-Verfahren) im Stand der Technik bekannt.
Die europäische Patentanmeldung EP 3 441 136 A1 betrifft eine Zerkleinerungs- und Mischvorrichtung, die mit einem zur Anordnung im Mischreaktor der Anlage ausgebildeten Zerkleinerungs- und Mischabschnitt, einer für die Positionierung außerhalb des Mischreaktors ausgelegten Antriebseinrichtung und einer diese Antriebseinrichtung mit dem Zerkleinerungs- und Mischabschnitt antriebsmäßig verbindenden Schneckenwendel ausgestattet ist.
Die internationale Veröffentlichung WO 2016/116484 A1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur katalytischen drucklosen Depolymerisation.
Diese bekannten Mischvorrichtungen haben allerdings einige technischen Nachteil. Ein Nachteil einiger Vorrichtungen ist, dass der Gasfluss der Vergasungsprodukte nicht effizient gestaltet werden kann und der Betrieb häufig nicht sehr effizient möglich ist. Bei einigen Verfahren sind die Produkte häufig mit Restwasser und anderen Stoffen verunreinigt. Nachteilig bei einigen Mischvorrichtungen und Verfahren zur katalytischen Verflüssigung ist auch, dass die im Ausgangsmaterial enthaltende Restfeuchte eine effiziente Abführung des Wasserdampfes erforderlich macht.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Ausgehend von den vorgenannten Überlegungen liegt der vorliegenden Erfindung deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Mischvorrichtung bereitzustellen, die die oben genannten Nachteile nicht aufweist.
Insbesondere liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mischvorrichtung bereitzustellen, bei der der Gasfuß der gasförmigen Verflüssigungsproduke entlang der Schnecke optimal ist und die hinsichtlich energetischer und effizienter Betriebsführung verbessert ist. Überdies liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, bei der die gasförmigen Verflüssigungsproduke reiner sind und bei der der Wasserdampf beim Trocknen effizient abgeleitet werden kann.
In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung deshalb eine Mischvorrichtung. Die Mischvorrichtung ist zum Einsatz in Anlagen zur katalytischen Verflüssigung von kohlenwasserstoffhaltigen Materialien geeignet. Die Mischvorrichtung kann ein im Wesentlichen zylindrisches Reaktorgehäuse mit einer Zylinderachse z umfassen. Zudem kann die Mischvorrichtung einen Motor und eine Schneckenwendel umfassen. Die Schneckenwendel kann in dem Reaktorgehäuse geführt werden und von dem Motor angetrieben werden.
Erfindungsgemäß kann als Schneckenwendel jede Welle oder jede Schnecke verwendet werden, die zum Vortrieb von organischen Bestandteilen geeignet ist. Gleichzeitig muss die Schneckenwendel auch wärmebeständig sein, d.h. Temperaturen von 250 °C bis 450 °C auch unter oxidativen und reduktiven Bedingungen und unter Anwesenheit von Wasser korrosionsfrei überstehen können. Vorzugsweise ist die Schneckenwendel aus Edelstahl gefertigt. Vorzugsweise ist der Motor mit der Antriebsweise gekoppelt. Vorzugsweise befindet sich der Motor außerhalb des zylindrischen Reaktorgehäuses, so dass er leichter gewartet und betrieben werden kann, sowie den Reaktionsbedingungen in der Mischvorrichtung nicht ausgesetzt ist. Das Reaktorgehäuse kann vorzugsweise doppelwandig ausgebaut sein, so dass die Wärmeisolierung optimal ist. Insbesondere kann das Reaktorgehäuse aus einem doppelwandigen dünnwandigen Edelstahlblech gefertigt sein. Die Bleche können durch Abstandselemente voneinander beabstandet sein. Auf diese Weise ist die Betriebsweise der Mischvorrichtung effizienter.
Beim Betrieb einer wie oben definierten erfindungsgemäßen Mischvorrichtung fällt bei der Zerkleinerung von organischen Ausgangsstoffe im Wesentlichen kein oder nur wenig Staub aus. Hierdurch werden die gasförmigen Verflüssigungsprodukte nicht verunreinigt. Vorteilhafterweise sind die gasförmigen Verflüssigungsprodukte sehr rein. Zudem kann auch der Wasserdampf beim Trocknen effizient abgeleitet werden.
Die Schneckenwendel kann um eine Rotationsachse r drehbar sein. Dabei kann die Rotationsachse r mit der Zylinderachse z des Reaktorgehäuses nicht zusammenfallen. Wenn die Rotationsachse r der Schneckenwendel nicht mit der Zylinderachse z des Reaktorgehäuses zusammenfällt, befindet sich die Schneckenwendel mit anderen Worten bei Betriebsbedingungen nicht mittig im Reaktorraum, sondern kann sich vorzugsweise versetzt im Reaktorraum drehen.
In einer bevorzugten Implementierung kann die Schneckenwendel an der Unterseite auf dem Reaktorgehäuse aufliegen. In diesem Fall kann die Schneckenwendel an der Unterseite mit dem Reaktorgehäuse bündig abschließen. Sofern die Schneckenwendel beim Betrieb an der Unterseite auf dem Reaktorgehäuse aufliegt bzw. mit dem Reaktorgehäuse bündig abschließt, können die organischen Ausgangsstoffen effizient entlang der Welle durch Drehung der Welle transportiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Implementierung kann die Schneckenwendel an der Oberseite von dem Reaktorgehäuse beabstandet sein. In diesem Fall kann ein Gasfuß entlang der Schneckenwendel und dem Reaktorgehäuse im Wesentlichen nicht behindert werden. Während des Betriebes der Mischvorrichtung wird sowohl der aus den Ausgangsmaterialien austretende Wasserdampf als auch die austretenden organischen Verflüssigungsprodukte über den Raum zwischen der Schneckenwendel und der oberen Reaktorgehäusewand effizient abgeführt. Die Verflüssigungsprodukte haben auf diese Weise eine sehr hohe Reinheit.
In einer weiteren bevorzugten Implementierung kann die Schneckenwendel an der Oberseite von dem Reaktorgehäuse mit einem Abstand d₂ beabstandet sein. Der Abstand d₂ entspricht dabei vorzugsweise 15 bis 30 % des Radius d₁/2 des zylindrischen Reaktorgehäuses (10). Mit anderen Worten beträgt die Beabstandung bei einem Reaktor mit einem beispielhaften Durchmesser d₁ = 1 m, also einem Radius von 50 cm somit 7,5 cm (15 %) bis 15 cm (30 %). Bei dieser Dimensionierung des Abstandes der Schneckenwendel von dem Reaktorgehäuse ist ein Abführen der organischen Produkte und des Wasserdampfes sehr gut möglich und es kommt seltener zu Betriebsstörungen.
In einer allgemeinen Ausführungsform kann die Schneckenwendel jede beliebige Gangzahl aufweisen. Beispielsweise kann die Schneckenwendel eine Gangzahl von 1, 2, 3, oder 4 aufweisen. In einer bevorzugten Implementierung weist die Schneckenwendel jedoch eine Gangzahl von 1 auf. In diesem Fall wird ein optimaler Kompromiss hinsichtlich leichter Bauweise und optimaler Durchmischung der Materialien erreicht.
In einer bevorzugten Implementierung weise die Schneckenwendel ein oder mehrere Mitnehmer auf. Die Mitnehmer können bei Rotation der Schneckenwendel um die Rotationsachse r die kohlenwasserstoffhaltigen Materialien optimal durchmischen.
In einer bevorzugten Implementierung weist die Schneckenwendel innerhalb eines Schneckenumlaufes von 4 bis 8, vorzugsweise genau 6, Mitnehmer auf. In dieser Implementierung sind mit anderen Worten die Mitnehmer entlang der Schneckenwendel in einem Winkel von 30° bis 90°, vorzugsweise genau 60°, versetzt angeordnet. Beim Umlauf der Schneckenwendel können durch die Mitnehmer die Materialien optimal durchmischt werden, wobei gleichzeitig die Schneckenwendel mittels des Motors energetisch effizient angetrieben werden kann.
Vorzugsweise sind die Mitnehmer an der Schneckenwendel aufgeschweißte Metallstangen mit einer bestimmten Länge I. Idealerweise bestehen die Metallstangen im Wesentlichen aus nicht korrodierendem Edelmetallstahl. Hinsichtlich Bauweise der Schneckenwendel sind aufgeschweißte Metallstangen in der Herstellung ideal.
Vorzugsweise bestehen die Mitnehmer aus Metallstangen mit einer Länge I von 30 bis 70 cm, vorzugsweise von 40 bis 60 cm, insbesondere ungefähr 50 cm. Die Länge I entspricht dem Abstand eines Schneckengangs.
In einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Betreibung einer Mischvorrichtung zur katalytischen Verflüssigung von kohlenwasserstoffhaltigen Materialien. Das Verfahren kann die folgenden Schritte umfassen

a) Befüllung einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung mit kohlenwasserstoffhaltigen Materialien,
b) Erwärmen und Durchmischen der kohlenwasserstoffhaltigen Materialien innerhalb des Reaktorgehäuses, und
c) Ableiten der aus den kohlenwasserstoffhaltigen Materialien austretenden Dämpfe.

In Schritt a) kann können beispielsweise Säge- oder Hobelspäne, Miscanthus, Kunststoffe und andere Ausgangsstoffe in die Mischvorrichtung befüllt werden. Diese Stoffe besitzen eine bestimmte Restfeuchte, so dass sie beispielsweise bei einer Tonne Ausgangsmaterialien ca. 150 Liter Wasser enthalten. Das Befüllen der Mischvorrichtung kann über eine angeflanschte Eintragsvorrichtung, einschließlich einer Eintragsschnecke, erfolgen.
In Schritt b) werden die Ausgangsmaterien auf ca. 250 bis 400 °C unter Sauerstoffabschluss erwärmt, wodurch kohlenwasserstoffhaltige Verflüssigungsprodukte als Gase austreten sowie Wasserdampf aus der Restfeuchte. Vorteilhafterweise werden die Materialien dabei gleichzeitig durchmischt, so dass die Erwärmung effizienter erfolgt und der Austausch zwischen Festphase und Gasphase insgesamt verbessert wird.
In Schritt c) werden die austretenden Dämpfe, d.h. sowohl die kohlenwasserstoffhaltige Verflüssigungsprodukte entlang der Schneckenwendel abgeführt.
In einem Verfahren werden die Schritte a) bis c) konsekutiv durchgeführt (Batch-Ansatz). Allerdings wird das Verfahren vorzugsweise kontinuierlich (Konti-Betrieb) durchgeführt, d.h. die Schritte a) bis c) werden im Betrieb gleichzeitig parallel durchgeführt.
Figurenliste
Im Folgenden werden beispielhaft und nicht abschließend einige besondere Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben.
Die besonderen Ausführungsformen dienen nur zur Erläuterung des allgemeinen erfinderischen Gedankens, jedoch beschränken sie die Erfindung nicht.

1 zeigt eine erfindungsgemäßer Mischvorrichtung 1 mit einem im Wesentlichen zylindrischen Reaktorgehäuse 10 mit einer Zylinderachse z, einem Motor 11 und einer Schneckenwendel 12. Die Schneckenwendel 12 wird in dem Reaktorgehäuse 10 geführt und von dem Motor 11 angetrieben. Der Motor ist in dieser Ausführungsform außerhalb des Reaktorgehäuses angeordnet. Die Schneckenwendel 12 liegt an der Unterseite auf dem Reaktorgehäuse 10 auf und schließt mit diesem bündig ab. An der Oberseite ist die Schneckenwendel 12 von dem Reaktorgehäuse 10 beabstandet. Der Abstand d₂ zwischen der Schneckenwendel 12 und dem Reaktorgehäuse 10 beträgt 20 % des Radius d₁/2 des zylindrischen Reaktorgehäuses 10. Die Schneckenwendel 12 weist eine Gangzahl von 1 auf. Zudem weist die Schneckenwendel 12 eine Vielzahl von Mitnehmer 16 auf, die bei Rotation der Schneckenwendel 12 um die Rotationsachse r die kohlenwasserstoffhaltigen Materialien durchmischen können. Innerhalb eines Schneckenumlaufes weist die Schneckenwendel 12 insgesamt sechs Mitnehmer 16 auf, d.h. die Mitnehmer 16 sind um einen Winkel von 60° versetzt angeordnet. Die Mitnehmer 16 sind zwischen den Schneckenumläufen der Schneckenwendel 12 aufgeschweißte Metallstangen 16 aus Edelmetall. Die Länge der Mitnehmer 16 beträgt 50 cm.

Die Ausgangsstoffe werden unter Abschluss von Sauerstoff über eine Eintragungsschnecke 13 in den Reaktor geführt und können dann durch Drehung der Schneckenwendel 12 unter gleichzeitigem Erwärmen auf 250 °C bis 400 °C bewegt und mittels der Mitnehmer 16 der Schneckenwendel durchmischt werden. Hierdurch treten gasförmige Verflüssigungsprodukte aus den Ausgangsmaterial aus. Die gasförmigen Bestandteile werden hiernach über den Raum oberhalb der Schneckenwendel 12 abgeleitet und über eine Passage 14 am oberen Ende der Mischvorrichtung 1 abgeführt. Die festen Reststoffe werden am unteren Ende der Mischvorrichtung 1 über einen Austrag 15 entfernt. Die Mischvorrichtung 1 kann folglich durch eine kontinuierliche Betriebsführung betrieben werden.
2 zeigt eine erfindungsgemäßer Mischvorrichtung 1 im Querschnitt. In der 2A sind die Öffnungen für den Eintrag an der Oberseite der Mischvorrichtung 1 zu erkennen. In der 2B ist der Austrag der festen Stoffe am unteren Ende des der Mischvorrichtung zu erkennen.
Bezugszeichenliste

1: Mischvorrichtung
10: Reaktorgehäuse
11: Motor
12: Schneckenwendel
13: Eintragsschnecke
14: Austrittspassage für gasförmige Verflüssigungsprodukte
15: Austrag
16: Mitnehmer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 3441136 A1 [0003]
WO 2016/116484 A1 [0004]

Claims

Mischvorrichtung (1), insbesondere zum Einsatz in Anlagen zur katalytischen Verflüssigung von kohlenwasserstoffhaltigen Materialien, umfassend ein im Wesentlichen zylindrisches Reaktorgehäuse (10) mit einer Zylinderachse z, einen Motor (11) und eine Schneckenwendel (12), wobei die Schneckenwendel (12) in dem Reaktorgehäuse (10) geführt wird und von dem Motor (11) angetrieben werden kann, dadurch gekennzeichnet ist, dass - die Schneckenwendel (12) um eine Rotationsachse r drehbar ist, wobei die Rotationsachse r mit der Zylinderachse z des Reaktorgehäuses (10) nicht zusammenfällt.
Mischvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Schneckenwendel (12) an der Unterseite auf dem Reaktorgehäuse (10) aufliegt und mit dem Reaktorgehäuse (10) bündig abschließt.
Mischvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Schneckenwendel (12) an der Oberseite von dem Reaktorgehäuse (10) beabstandet ist und einen Gasfluss entlang der Schneckenwendel (12) und dem Reaktorgehäuse (10) im Wesentlichen nicht behindert.
Mischvorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schneckenwendel (12) an der Oberseite von dem Reaktorgehäuse (10) mit einem Abstand d₂ beabstandet ist, der 15 bis 30 % des Radius d₁/2 des zylindrischen Reaktorgehäuses (10) entspricht.
Mischvorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schneckenwendel (12) eine Gangzahl von 1 aufweist.
Mischvorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schneckenwendel (12) ein oder mehrere Mitnehmer (16) umfasst, die bei Rotation der Schneckenwendel (12) um die Rotationsachse r die kohlenwasserstoffhaltigen Materialien durchmischen können.
Mischvorrichtung (1) gemäß Anspruch 6, wobei die Schneckenwendel (12) innerhalb eines Schneckenumlaufes von 4 bis 8, vorzugsweise 6 Mitnehmer (16) aufweist.
Mischvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Mitnehmer (16) zwischen den Schneckenumläufen der Schneckenwendel aufgeschweißte Metallstangen (16) sind.
Mischvorrichtung (1) gemäß Anspruch 8, wobei die Metallstangen eine Länge von 30 bis 70 cm, vorzugsweise von 40 bis 60 cm, insbesondere ungefähr 50 cm aufweisen.
Verfahren zur Betreibung einer Mischvorrichtung (1) zur katalytischen Verflüssigung von kohlenwasserstoffhaltigen Materialien, umfassend die Folgenden Schritte: a) Befüllung einer Mischvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 mit kohlenwasserstoffhaltigen Materialien, b) Erwärmen und Durchmischen der kohlenwasserstoffhaltigen Materialien innerhalb des Reaktorgehäuses (10), und c) Ableiten der aus den kohlenwasserstoffhaltigen Materialien austretenden Dämpfe.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Verfahren in einer kontinuierlichen Betriebsweise durchgeführt wird.