DE19782262B4

DE19782262B4 - Verfahren zur thermischen und/oder katalytischen Zersetzung und/oder Depolymerisation minderwertiger organischer Substanzen und Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE19782262B4
Application number: DE19782262A
Authority: DE
Inventors: Ivan Madar
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-03-03
Filing date: 1997-07-04
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2017-07-05
Also published as: SK28297A3; GB2337265A; CA2283138C; AU3472497A; GB9919066D0; CZ292493B6; DE19782262T1; GB2337265B; WO1998039368A1; NO994251D0; NO994251L; JP4055829B2; JP2001514680A; NO324381B1; US6165349A; CA2283138A1; CZ311699A3; SK279397B6; RU2181126C2

Abstract

Verfahren zur thermischen und/oder katalytischen Zersetzung und/oder Depolymerisation minderwertiger organischer Substanzen, wobei die minderwertigen organischen Substanzen bei einer Temperatur von 150°C bis 700°C, vorzugsweise von 250°C bis 500°C, und bei einem Druck von 0,1 MPa bis 2,5 MPa, vorzugsweise von 0,2 MPa bis 1,1 MPa der Wirkung eines Rührbetts fester Teilchen unterworfen werden, wobei das Rührbett durch intensives Rühren fester Teilchen durch einen Drehmechanismus gebildet wird und die Teilchen in einer zylinderförmigen Reaktionskammer eine erzwungene, intensiv zirkulierende Wirbelbewegung in emporgehobenem Zustand ausführen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen und/oder katalytischen Zersetzung und/oder Depolymerisation minderwertiger organischer Substanzen und eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens.
Technischer Hintergrund
Verfahren und Vorrichtungen zur Verarbeitung organischer Substanzen von geringem wirtschaftlichem Wert, der für ihre begrenzte Verwertung steht, sind insbesondere im Gebiet der Rohölverarbeitung bekannt. In jüngster Zeit finden solche Verfahren auch bei der Verwertung von Abfall als eine Rohmaterialquelle ihre Anwendung.
Zu den effizientesten Verwertungsarten schwerer Rohöl-Fraktionen. gehören die Zersetzungsverfahren, die das Fluidisieren verwenden Das am weitesten verbreitete Wirbelschichtverfahren zum Spalten schwerer Kohlenwasserstoff-Fraktionen ist das katalytische Kracken im Fließbett ("fluidised catalytic cracking").

In der technischen Praxis ist das Fluidisieren als ein Verfahren definiert, in dem feste Teilchen durch ein Fluid (Gas, Flüssigkeit), das gegen das Feld der Massenkraft (Gravitation) strömt, im Zustand des Emporhebens erhalten werden, und wobei sich ein solches System nach außen wie eine Flüssigkeit (Suspension) verhält. Die Fluidschicht hat außerordentliche Eigenschaften, die in physikalischen und chemischen Verfahren weithin Verwendung finden. "Intensive motion of particles in the layer and stirring the layer account for high heat and mass transfer and quick balancing of temperature and concentration differences" – V. Mika: Základy chemického inzenýrství (Principles of Chemical Engineering), SNTL/ALFA 1981. Der Schlüssel zu den außerordentlichen Eigenschaften der in chemischen Verfahren verwendeten Fluidschicht besteht im intensiven Rühren der festen Teilchen durch das fluidisierende Medium.

Das Problem des Eliminierens von Ungleichförmigkeiten, die sich in dem Fluidatbett bilden, ist in dem Patent JA-A-05277354, wo das Fluidatbett durch die fluidisierende Flüssigkeit gebildet wird, gelöst, in welcher die Verklumpung der Bett-Teilchen durch Verwenden eines Rührers in einem Rührreaktor, in dem sich der motorgetriebene Rührer im Fluidatbett dreht, verhindert wird.

JP-A-58223435 beschreibt einen mit einem Gas als das fluidisierende Medium arbeitenden Fluidatbettreaktor, in dem ein Rührer an der Innenwand des Reaktors angeordnet ist, um eine Verklumpung der Teilchen des Wirbelschichtkatalysators und ein Abscheiden der Reaktionsprodukte zu verhindern.

Außer den klassischen Rohmaterialquellen für Spaltverfahren in der Petrochemie wird intensiv nach Alternativen für die Abfallverwertung, insbesondere von Kunststoffabfallmaterialien, zur Herstellung hochwertiger Kohlenwasserstoffe gesucht.

EP-A1-0502618 beschreibt die Umwandlung von Kunststoffen, insbesondere von Polyolefinen, dadurch, daß sie bei Temperaturen von 300°C bis 690°C in einem Fluidatbett fester inaktiver Teilchen mit einem fluidisierenden Gas vergast werden.

EP-A1-0687692 beschreibt das thermische Kracken gechlorter Kunststoffe in einem aus inaktiven, durch eine Flüssigkeit fluidisierten Teilchen bestehenden Fluidatbett mit nachfolgender Absorption der Chlorverbindungen in einem Festbett mit Calciumoxid.

FR-A-2613721 beschreibt ein Herstellungsverfahren für Kunstwachse durch thermische Zersetzung von Polyethylen und Polypropylen bei einer Temperatur von 360°C bis 500°C, bei dem die Polyolefine in Anwesenheit von Wasserdampf in ein erwärmtes Stahlrohr eingespritzt werden.

US-A-3901951 beschreibt ein Verfahren für die Polymerabfallverarbeitung: Im ersten Schritt werden die Polymere bei einer Temperatur unterhalb von 250°C geschmolzen, während die Schmelze im nächsten Schritt bei einer Temperatur von 350°C bis 550°C zur Pyrolyse in ein thermisches Medium fluidisierter fester Teilchen eingespritzt wird. Gasförmige Produkte der Pyrolyse kondensieren, wobei ein Gemisch flüssiger Kohlenwasserstoffe erhalten wird. Die festen Teilchen können unter Verwendung von Gasen wie Luft, Stickstoff oder Wasserdampf fluidisiert werden, wobei Luft bevorzugt wird.

In EP 0 722 815 A1 wird ein Verfahren zum Zersetzen von Abfallkunststoffen beschrieben, bei dem in einem Fließbettreaktor bei 200°C bis 400°C bzw. bei 400°C bis 500°C ein Fließbett aus dem Abfallkunststoff und einem Hitzemedium erzeugt wird, und in diesem Fließbett eine Zersetzung des Kunststoffs realisiert wird.

In EP 0 687 692 A1 wird ein Verfahren zum Verarbeiten von Polymerabfällen beschrieben, bei dem ein Fließbett mittels eines Gases als Trägerfluid erzeugt wird und bei dem besonders chlorierte Polymere ohne das Entstehen von chlorierten Produkten verarbeitet werden können. Es wird bei 350–600°C gearbeitet.

Systeme, die mit dem Fluidisieren arbeiten, insbesondere chemische Reaktoren, erfordern sehr hohe Kapitalinvestitionen. In den meisten Fällen wird das Emporheben der festen Teilchen in einem Festkörper-Wirbelschichtreaktor durch ein strömendes Gas sichergestellt. Die zur Vorbereitung des fluidisierenden Mediums erforderlichen Operationen: Kompression oder Pumpen der Flüssigkeit (des Gases), ihr Erwärmen, ihr Transport, ihre Verteilung in dem Reaktor usw. sowie die Trennung des fluidisierenden Mediums von den Reaktionsprodukten, das Abkühlen, das Vermeiden von Verlusten usw. führen dazu, daß die mit dem Fluidatbett arbeitenden Systeme technisch und somit auch wirtschaftlich (was die Investitionen und den Betrieb betrifft) sehr kostspielig sind. Die Vorrichtungen sind kompliziert, was durch die technisch komplizierte Steuerung der optimalen Reaktionsbedingungen bewirkt wird. Die Festkörper-Wirbelschichtreaktoren sind nur im Fall einer hohen Leistung wirtschaftlich gerechtfertigt, was wieder einen Einfluß auf die Investitionskosten hat.

Außerdem wird das Fluidisieren häufig von Ungleichförmigkeit begleitet. Die Bildung von Ungleichförmigkeiten, d. h. von Blasen, Kanälen und Kolben, kann das Zusammenbrechen des in dem Fluidatbett ablaufenden Verfahrens bewirken, was somit die Vorteile des Fluidisierens beträchtlich verringert.

Offenbarung der Erfindung

Die Nachteile vorliegender Verfahren zur Verarbeitung minderwertiger organischer Substanzen werden in großem Umfang durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung beseitigt, dessen Wesen darin besteht, daß die min derwertigen organischen Substanzen bei einer Temperatur von 150°C bis 700°C, bevorzugt von 250°C bis 500°C, und bei einem Druck von 0,1 MPa bis 2,5 MPa, vorzugsweise von 0,2 bis 1,1 MPa, der Wirkung eines Rührbetts fester Teilchen unterworfen werden, die eine Wirbelbewegung ausführen, bei der die festen Teilchen einer Substanz, die das Rührbett bilden, durch intensives Rühren in eine Wirbelbewegung versetzt werden.

Das Rührbett der festen Teilchen einer Substanz kann teilweise oder vollständig aus einer Substanz gebildet werden, die bei den Reaktionsbedingungen katalytisch auf die ablaufenden chemischen Reaktionen einwirkt, oder es kann eine Substanz sein, die bei den Reaktionsbedingungen inaktiv ist, um reagierende Substanzen wie etwa körnigen Quarz und/oder Silicasand und/oder Aluminiumsilikate und/oder andere natürliche und/oder künstliche Mineralien, die Silicium und/oder Aluminium und/oder Calcium und/oder Natrium und/oder Kalium und/oder Wasserstoff und/oder Schwefel enthalten, einzuführen, oder es kann ein festes Absorptionsmittel wie etwa Calciumoxid und/oder Calciumcarbonat und/oder Calciumhydroxid und/oder Natriumhydroxid hinzugefügt werden.

Der Durchmesser der festen Teilchen, die das wirbelnde Rührbett bilden, beträgt 3·10^–5 bis 3·10^–2 m, vorzugsweise 3·10^–4 bis 3·10^–3 m.

Die minderwertigen organischen Substanzen und/oder die festen Teilchen, die das Rührbett bilden, können auf eine Temperatur von 100 bis 450°C, zweckmäßig von 150 bis 350°C, gut vorgewärmt werden.

Die minderwertigen organischen Substanzen können bei Anwesenheit von Wasser oder Wasserdampf und/oder bei Anwesenheit von Wasserstoff oder einer Substanz, die bei den Reaktionsbedingungen Wasserstoff freisetzt, und/oder bei Anwesenheit von Ammoniak der Wirkung des Rührbetts fester Teilchen einer Substanz unterworfen werden, wobei neben dem Reaktionsmedium zum Spalten und für nachfolgende chemische Reaktionen die festen, wirbelnden, sich bewegenden Teilchen einer Substanz außerdem die Wärmeaustauschoberfläche eines Wirbeltrennbetts (Wirbeltrockenbetts) bilden, in welchem eine Änderung des Materiezustands der vorhandenen, bei den Reaktionsbedingungen inaktiven Flüssigkeiten stattfindet.

Als minderwertige organische Substanzen können insbesondere die folgenden Substanzen verwendet werden: Rohöl- oder Teer-Kohlenwasserstoffe mit einem höheren Molekulargewicht und/oder makromolekulare Substanzen, im wesentlichen Kunststoffe und Elastomere, makromolekulare Abfallsubstanzen, im wesentlichen Abfallkunststoffe und -elastomere und/oder Kohlenwasserstoff-Altöle, im wesentlichen Alt-Schmier-, -Motoren- und/oder -Getriebe- und/oder -Turbinen- und/oder -Maschinen- und/oder -Hydraulik- und/oder -Transformatoren- und/oder -Bearbeitungs- und/oder -Kühlöle, Schwerrohöl und/oder Schwerrohöl-Kohlenwasserstoffe und/oder Teer-Kohlenwasserstoffe und/oder Natur- und/oder Raffinerie-Asphalte und -Bitumen und/oder Rückstände von Luft- und/oder Vakuumdestillationsprozessen von der Verarbeitung und Raffinerie von Rohöl und/oder von Kohleteer-Rohbenzin, ferner Naturgestein, das organische Substanzen, insbesondere Kohlenwasserstoffe, hauptsächlich Öl- und Bitumensande und -schiefer enthält, ferner Abfall, der organische Substanzen, hauptsächlich Rohöl-Kohlenwasserstoffe und/oder Teer-Kohlenwasserstoffe und/oder makromolekulare Substanzen/Kunststoffe und Elastomere und/oder Wachse und/oder Harze und/oder Polysaccharide, enthält.

Das Wesen einer Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, umfassend eine zylinderförmige Reaktionskammer mit einem Drehmechanismus, der eine intensive Wirbelbewegung sicherstellt, Einlaßöffnungen für die reagierenden Substanzen und Auslaßöffnungen für die Reaktionsprodukte, besteht darin, daß der Drehmechanismus, der drehbar in den Stirnflächen der Reaktionskammer liegt, aus einer Welle besteht, an der mittels Antriebsscheiben Schaufeln symmetrisch angebracht sind, wobei der Drehmechanismus koaxial auf die Achse der Reaktionskammer ausgerichtet ist, wobei die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln im Bereich von 15 bis 135 ms^–1, vorzugsweise von 35 bis 85 ms^–1, liegt. Die Schaufeln können entweder fest oder schwingend an den Antriebsscheiben befestigt sein.

Die mittels Antriebsscheiben an der Welle befestigten Schaufeln können in 3 bis 10 Reihen parallel zur Achse der Welle angeordnet sein, wobei sie Öffnungen oder Einschnitte verschiedener geometrischer Formen haben können oder in getrennte Segmente mit elliptischen Öffnungen oder mit Öffnungen einer anderen geometrischen Form unterteilt sein können. Außerdem können die Antriebsscheiben Löcher verschiedener geometrischer Formen haben.

Ein Teil des in der Reaktionskammer angeordneten Drehmechanismus ist von dem umgebenden Äußeren durch ein Dichtungssystem getrennt, das die Dichtheit der Reaktionskammer sicherstellt. Die Materialeinlaßöffnungen in die Reaktionskammer befinden sich in ihrer Stirnseite, während sich die Auslaßöffnung für gasförmige oder flüssige Reaktionsprodukte in der gegenüberliegenden Stirnseite, so nahe wie möglich an der Achse der Drehbewegung, befinden, wo die geringste Konzentration der festen Teilchen in der Flüssigkeit oder in dem Gas herrscht. Die Auslaßöffnung für die festen Teilchen ist in dem zylinderförmigen Teil des Reaktionskammermantels, in der Nähe der Stirnseite, mit der Auslaßöffnung für gasförmige oder flüssige Reaktionsprodukte angeordnet.

Das Wesen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das Rührbett durch intensives Rühren fester Teilchen gebildet wird, die in einer zylinderförmigen Reaktionskammer eine erzwungene Wirbelbewegung ausführen, und in der Verwendung des heißen Wirbelbetts fester Teilchen als ein Medium für chemische Reaktionen, hauptsächlich für die Thermolyse – die thermische Zersetzung minderwertiger organischer Substanzen. In dem wirbelnden Rührbett findet eine intensive Zirkulation fester Teilchen statt, wobei beim idealen Rühren ein Medium gebildet wird, das die Verwendung des wirbelnden Rührbetts zum Erzeugen isothermer Bedingungen in einem chemischen Reaktor ermöglicht. Die turbulente Bewegung reagierender Substanzen trägt zur Erhöhung der Wirbelbewegung fester Teilchen in einem emporgehobenen Zustand bei, wobei die reagierenden Substanzen bei den Reaktionstemperaturen im wesentlichen in dem flüssigen oder gasförmigen Materiezustand sind.

Bevor die festen Teilchen in die Reaktionskammer eintreten, können sie vorgewärmt werden, wobei sie somit einen inaktiven Wärmeträger darstellen, der für die Ausführung chemischer und anderer Verfahren erforderlich ist. Gleichzeitig bilden die festen Teilchen in dem Wirbelbett direkt in der Reaktionskammer eine Wärmeübertragungsoberfläche eines Energieaustauschers mit einem großen Oberflächeninhalt und folglich mit einer hohen Geschwindigkeit des Wärmeaustauschs. Der durch wirbelnde feste Teilchen gebildete große Oberflächeninhalt der Wärmeübertragungsoberfläche und die hohe Wärmeleitfähigkeit des Wirbelbetts ermöglichen den intensiven Ablauf heterogener Reaktionen in der Reaktionskammer mit einem wirbelnden Rührbett aus festen Teilchen.

Das wirbelnde Rührbett kann teilweise oder vollständig aus Teilchen einer festen Substanz, die in im Reaktor ablaufenden chemischen Reaktionen eine katalytische Aktivität zeigt, gebildet werden. Auf diese Weise bildet das Wirbelbett ein für den Ablauf heterogener katalytischer Reaktionen geeignetes Medium. Ein solches Bett kann für eine einfache thermische Zersetzung verwendet werden. Ein heterogener kationischer (azidobasischer) Katalysator, z. B. ein Aluminiumsilikat, hilft beim Aufspalten der -C-C-Bindungen und macht die in dem wirbelnden Rührbett ablaufende thermische Zersetzung wirksamer.

Eine bevorzugte Variante besteht in der Verwendung eines Wirbelbetts fester Teilchen zur katalytischen Thermolyse organischer Substanzen unter Verwendung eines heterogenen Doppelfunktionskatalysators. Ein Redox- und Kationenkatalysator, der ein Wirbelbett bildet, z. B. Kobald- und Molybdän-Oxide auf einem Säureträger (Aluminiumsilikat) in Anwesenheit von Wasserstoff oder von einer Wasserstoff abgebenden Verbindung (Hydracin), ermöglicht es, die Reaktionsraten aller chemischen Prozesse – Spalten und Hydrierung, zu erhöhen, die Reaktionstemperaturen zu senken und unerwünschte Nebenreaktionen zu beseitigen. Infolge des durch die festen Teilchen gebildeten großen Oberflächeninhalts und infolge des intensiven Schüttelns des Katalysatorbetts sind die Transportprozesse der Katalyse schnell und somit die Diffusionseigenschaften des Systems günstig, was somit die Reaktionsrate der katalysierten Reaktionen erhöht. Diese Tatsache bringt mehrere bevorzugte Folgen.

Das wirbelnde Rührbett kann aus festen Teilchen einer Substanz, die bei Reaktionsbedingungen inaktiv ist, gebildet werden, um reagierende Substanzen, z. B. körnigen Quarz oder Silicasand oder Mineralsubstanzen, darzustellen.

Um saure Verbindungen, im wesentlichen Chlor- und Schwefelverbindungen, aus dem Gemisch der Reaktionsprodukte zu entfernen, kann als ein Bestandteil des Wirbelbetts aus festen Teilchen ein Absorptionsmittel hinzugefügt werden, mittels dessen die feste Substanz Säurebestandteile, z. B. Calciumoxid, Calciumcarbonat, Calciumhydroxid oder Natriumhydroxid bei Reaktionsbedingungen chemisch binden kann. Auf diese Weise wirkt das wirbelnde Rührbett als ein Absorptionsbett, während gleichzeitig alle anderen Funktionen erhalten bleiben. Auf diese Weise können durch Absorption direkt in dem Spaltreaktor auch andere unerwünschte Bestandteile aus der Mischung der Reaktionsprodukte entfernt werden.

Es ist bekannt, daß thermische Zersetzungsprozesse, die durch eine Zunahme der Anzahl der Mole in dem System gekennzeichnet sind, z. B. die Thermolyse von Kohlenwasserstoffen, durch die Anwesenheit eines Verdünnungsmittels unterstützt werden. Vorzugsweise kann diese Tatsache ebenfalls für die thermische Zersetzung organischer Substanzen in dem Wirbelbett verwendet werden. Als ein Verdünnungsmittel können Wasser oder Wasserdampf oder Wasserstoff oder Ammoniak verwendet werden. Das Verdünnungsmittel kann sich ebenfalls an gewünschten chemischen Reaktionen beteiligen. In dem Fall, in dem das Wirbelbett teilweise aus einer festen Substanz mit katalytischen Redoxeigenschaften (z.B. Kobald- und Molybdän-Oxiden) gebildet wird, tritt das vorhandene Verdünnungsmittel, insbesondere Wasserstoff, in Reaktionen mit den Produkten des Spaltprozesses ein, wobei Hydrierungen direkt in dem Zersetzungsreaktor stattfinden.

Die große Menge der Teilchen einer festen Substanz, welche kleine Abmessungen aufweisen und eine intensive Wirbelbewegung in dem Bett ausführen, wirkt durch die mechanischen Wechselwirkungen auf die in dem Reaktor vorhandenen Flüssigkeiten ein und führt zu einem mechanischen Aufschluß – einer Dispersion der Flüssigkeiten, bei der die atomisierte Flüssigkeit zusammen mit den vorhandenen Gasen ein Aerodispersionssystem bildet – einen Nebel, der sich wie ein Gas verhält. Das Wirbelbett der festen Teilchen wirkt für die Flüssigkeiten als ein Dispersionsbett. Dies ist von praktischem Wert für die Wahl der Temperaturbedingungen für Reaktionen mit einer chemischen Änderung der Struktur der Substanzen. Die Reaktionstemperaturen können niedriger sein, wobei eine Aufspaltung sowohl in eine Gas- als auch in eine Flüssigkeitsphase stattfinden kann. Im Ergebnis der obenerwähnten Wirkung bilden die Reaktionsprodukte eine einzige Phase – einen Aerodispersionsnebel (ein Aerosol-Flüssiggas), das die Reaktionskammer in Form eines Gases verläßt.

Die zum Ausführen der Prozesse in dem Wirbelbett erforderliche Energie wird in Form von Wärme geliefert. Ein besonderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Art des Energietransports und der Energieumwandlung. Ein Teil der zum Ausführen des in der Reaktionskammer stattfindenden Prozesses erforderlichen Wärmeenergie wird direkt in der Reaktionskammer durch Umsetzen der kinetischen Energie des Drehmechanismus in Wärmeenergie als Ergebnis der Reibung zwischen den aktiven Teilen des Drehmechanismus und den festen Teilchen des Wirbelbetts sowie der gegenseitigen Reibung der festen Teilchen, die das wirbelnde Rührbett bilden, und der Reibung zwischen den festen Teilchen des wirbelnden Rührbetts und den fest stehenden Teilen der Reaktionskammer erzeugt. Die Umwandlung der kinetischen Energie des Drehmechanismus in Wärmeenergie direkt in der Reaktionskammer, d. h. am Ort des Energieverbrauchs, ist einer der Gründe des hohen Energiewirkungsgrads der Vorrichtung mit dem Wirbelbett aus festen Teilchen. Ein Teil der zum Ausführen der Prozesse in der Reaktionskammer mit einem Wirbelbett erforderlichen Wärmeenergie wird außerdem mittels eines Wärmeübertragungsmediums geliefert, wobei das Wärmeübertragungsmedium aus den vorgewärmten festen Teilchen, die das wirbelnde Rührbett bilden, oder aus vorgewärmten organischen Substanzen, die in die Reaktionskammer eintreten, besteht. Die Tatsache, daß die Energie am Ort des Wärmeaustauschs verbraucht wird, trägt zum hohen Energiewirkungsgrad des Systems mit dem Wirbelbett aus festen Teilchen bei.

Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung, in der ein Reaktionsmedium mit einer hohen Stärke des Impuls-, Wärme- und Massenübertrags existiert, welches durch ein Rührbett fester Teilchen gebildet wird, die eine schnelle Wirbelbewegung ausführen, wobei die Hauptquelle des Impulses der festen Teilchen des wirbelnden Rührbetts und der Reaktionssubstanzen ein in der Reaktionskammer befindlicher sich schnell drehender Drehmechanismus ist.

Die Schaufeln, die an Antriebsscheiben befestigt sind, stellen ein wichtiges Konstruktionselement der Reaktionskammer dar. Der Grad der Turbulenz in der Reaktionskammer und der Wirbelbewegung der festen Teilchen des Betts, die die wesentlichen Eigenschaften des Gesamtsystems sind, hängt von den Schaufeln ab. Die Schaufeln müssen aus verschleißfesten Spezialmaterialien, z. B. Verbund- oder Keramikmaterialien, oder aus einer hochwertigen Stahllegierung mit Wolfram hergestellt sein. Als Folge der Scheuerwirkung der festen Teilchen des Wirbelbetts unterliegen die Schaufeln dem Abrieb, wobei ihr regelmäßiger Austausch zur üblichen Wartung der Vorrichtung gehört. Die Unterteilung der Flügel in Segmente bringt Vorteile bei der Herstellung des Drehmechanismus, insbesondere aber bei der Wartung der chemischen Reaktionskammer mit dem Wirbelbett aus festen Teilchen. Spalte zwischen den Segmenten bilden Löcher, die die Turbulenz unterstützen, oder einzelne Segmente können z. B. elliptische Öffnungen haben, um die Turbulenz zu erhöhen.

Die Öffnungen in der Antriebsscheibe ermöglichen, daß die Reaktionsprodukte in der Nähe der Achse der Drehbewegung, d. h. außerhalb des Wirbelbetts, strömen, was somit eine Verringerung des Flugverlustes der festen Teilchen mit sehr kleinen Dimensionen im abgehenden Reaktionsgas ermöglicht.

Eine Reaktionskammer mit einem wirbelnden Rührbett fester Teilchen kann zum Einstellen der Abmessungen der festen Teilchen, die das Wirbelbett erzeugen, verwendet werden, während gleichzeitig ihre sämtlichen weiteren Funktionen, Eigenschaften und Charakteristika erhalten werden. Die Schaufeln oder Schaufelreihen aus einer besonders robusten Konstruktion wirken durch die Stöße und durch Reibung auf größere Teilchen als jene, die das Wirbelbett bilden, in ähnlicher Weise, wie Hämmer in einer Hammermühle auf die gemahlene Substanz wirken, und bewirken ihre mechanische Teilung – das Mahlen. Auf diese Weise werden durch Mahlen der eintretenden festen Substanz direkt in der Reaktionskammer die Teilchen des wirbelnden Rührbetts mit einer geeigneten Feinkörnigkeit gebildet. Die Schaufelkonstruktion ist an ihre besondere Funktion und an ihre höhere mechanische Belastung angepaßt. Die wie Hämmer einer Hammermühle wirkenden, aber in Reihen angeordneten Schaufeln können entweder durch feste Befestigungen oder durch Befestigungen, die ihre Schwingbewegung ermöglichen, an den Antriebsscheiben befestigt sein.

Für das Reaktionsmedium gemäß der vorliegenden Erfindung ist charakteristisch, daß die Quelle des Impulses der festen Teilchen, die das wirbelnde Rührbett bilden, ein in der Reaktionskammer angeordneter Drehmechanismus ist. Die festen Teilchen und das aus den festen Teilchen gebildete wirbelnde Rührbett erfüllen in dem chemischen Reaktor mehrere Funktionen oder können diese in ihm erfüllen: Sie wirken als Wärmeübertragungsmedium, Wärmeaustauscher, Wärmequelle, Eigenschaftenhomogenisator, Isothermenmedium, Verteilungsbett für die Flüssigkeiten, Katalysatorbett, Absorptionsbett und als ein Trennbett (Trockenbett). Der Durchmesser der festen Teilchen ist klein, im wesentlichen von 3·10^–4 bis 3·10^–2 m, so daß die Teilchen eine relativ große spezifische Oberfläche haben, auf der ein intensiver Austausch von Energie und Masse stattfindet.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Vorstellung der Erzeugung eines Reaktionsmediums mit physikalischen und physikochemischen Eigenschaften, die ähnlich jenen sind, die für das Reaktionsmedium mit einer Fluidschicht charakteristisch sind, aber mit einer anderen – einfacheren – Art der Erzeugung des Mediums und mit einer anderen Konstruktion der Vorrichtung, in der das Medium er zeugt wird. Im Gegensatz zu dem chemischen Reaktor mit einem Fluidatbett ist die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Emporheben der festen Teilchen, die das Reaktionsmedium – ein wirbelndes Rührbett – bilden, nicht davon herrührt, daß eine Flüssigkeit durch eine Menge von Teilchen strömt, auf die die Gravitation wirkt, sondern daß sie als Folge der intensiven Drehbewegung einer direkt in der Reaktionskammer befindlichen Schüttelvorrichtung entsteht. In dem System mit einem Fluidatbett ist eine Quelle des fluidisierenden Mediums (eine Pumpe, eine Verdichtungspumpe) außerhalb des Reaktors angeordnet, während sich in dem System gemäß der vorliegenden Erfindung die Quelle des Impulses der Wirbelbewegung direkt in dem Reaktor befindet.

Die entstehenden Produkte der Zersetzung und der nachfolgenden chemischen Prozesse sind wertvolle, gemäß der Wahl der Reaktionsbedingungen gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die im wesentlichen in dem Bereich von 10°C bis 550°C destilliert werden.

Die vorliegende Erfindung schafft eine effektive Art der Verarbeitung minderwertiger organischer Substanzen und organischer Abfallsubstanzen oder von Materialien, die organische Substanzen in einem Gemisch mit inaktiven Bestandteilen enthalten. Ferner ermöglicht sie die Verarbeitung bisher schwer verwendbarer Materialien mit einer günstigen ökonomischen Wirkung, wobei diese zu einer interessanten Rohmaterialquelle werden.

Das gemäß der vorliegenden Erfindung gebildete wirbelnde Rührbett hat mehrere günstige physikochemische Eigenschaften, wobei die vorteilhaften physikochemischen Eigenschaften hauptsächlich die hohe Geschwindigkeit des Übertrags des Impulses, der Wärme und der Masse und der schnelle Ausgleich von Temperatur- und Konzentrationsunterschieden sind. Die in dem Wirbelbett der festen Teilchen stattfindenden Prozesse sind durch einen hohen Energiewirkungsgrad gekennzeichnet.

Ein weiterer Vorteil des gemäß der vorliegenden Erfindung gebildeten Wirbelbetts der festen Teilchen ist die Abwesenheit von Ungleichförmigkeiten. Der Drehmechanismus, der das wirbelnde Rührbett der festen Teilchen erzeugt, homogenisiert durch die intensive Drehbewegung die in der Reaktionskammer vorhandenen Reaktionssubstanzen und läßt keine Bildung von Blasen, Kanälen, Kolben und weiteren Ungleichförmigkeiten zu. Eine Reaktionskammer mit dem Wirbelbett der festen Teilchen zeigt ein günstiges Verhältnis der Leistung zur Größe der Vorrichtung, was somit das Erreichen einer bemerkenswerten Produktionsleistung mit einer relativ kleinen technischen Ausrüstung ermöglicht.

Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren kann in einer Reaktionskammer mit dem Wirbelbett eines heterogenen Katalysators mit einer geringeren Temperatur oder mit einer geringeren Menge des Katalysators gearbeitet werden oder ein weniger aktiver und somit preiswerterer Katalysator verwendet werden.

Die Konstruktion einer Vorrichtung, in der sich ein Wirbelbett fester Teilchen gemäß der vorliegenden Erfindung bildet, ist einfach, wobei sie außerdem wirtschaftlich bevorzugt wird.

Ein besonders bevorzugtes Merkmal der Erfindung besteht in der Flexibilität der Prozesse in dem Wirbelbett in bezug auf den physikalischen Zustand und auf die chemische Zusammensetzung des verarbeiteten Materials. In einer einzigen technischen Ausrüstung können als ein Rohmaterial Materialien mit verschiedenen Zusammensetzungen der organischen Substanzen, entweder flüssig oder fest, aber auch Gemische organischer Substanzen mit anorganischen festen Bestandteilen und Wasser verwendet werden.

Kurzbeschreibung der Figuren in den Darstellungen

1 und 2 zeigen die Grundkonstruktion der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung – die Reaktionskammer.

3 zeigt eine Konstruktionslösung eines Drehmechanismus mit Schaufeln, die mit rechteckig geformten Öffnungen und mit elliptischen Ausschnitten versehenen sind.

4 zeigt einen Drehmechanismus mit den in getrennte Segmente unterteilten Schaufeln.

5 zeigt eine Antriebsscheibe des Drehmechanismus mit acht Schaufeln.

6 zeigt eine Antriebsscheibe des Drehmechanismus mit Öffnungen.

7 und 8 zeigen einen Drehmechanismus mit Schaufeln, die fest und schwingend an den Antriebsscheiben befestigt sind.

9 und 10 stellen das Prinzip der Bildung eines Rührbetts fester Teilchen, die eine intensive Wirbelbewegung ausführen, dar.

11 zeigt einen Ablaufplan einer technischen Ausrüstung mit einem inaktiven Wirbelbett.

Beispiele von Ausführungen der vorliegenden Erfindung
Beispiel 1
Eine Vorrichtung zur thermischen und/oder katalytischen Zersetzung und/oder Depolymerisation minderwertiger organischer Substanzen gemäß den 1 und 2 besteht aus einer zylinderförmigen Reaktionskammer 1 mit einem Drehmechanismus 2, der eine intensive Wirbelbewegung sicherstellt, mit Einlaßöffnungen für die festen Teilchen, die das wirbelnde Rührbett bilden, mit Einlaßöffnungen für die Reaktionssubstanzen und mit Auslaßöffnungen für die Reaktionsprodukte. Der Drehmechanismus 2 liegt drehbar in den Stirnflächen der Reaktionskammer 1 und besteht aus einer Welle 3, an der die Schaufeln 5 mittels der Antriebsscheiben 4 symmetrisch befestigt sind, wobei der Drehmechanismus 2 koaxial auf die Achse der Reaktionskammer 1 ausgerichtet ist.
Das Prinzip der Erzeugung eines Rührbetts fester Teilchen, die eine intensive Wirbelbewegung ausführen, geht aus den 9, 10 hervor. Durch die Einlaßöffnung für die festen Teilchen wird der Reaktionskammer 1 Silicasand zugeführt, der in dem Wärmeaustauscher 9 auf eine Temperatur von 150°C vorgeheizt wurde. Gleichzeitig wird in den Wärmeaustauscher 9' auf eine Temperatur von 60°C vorgeheiztes Altschmieröl eingebracht. Nachdem der Drehmechanismus 2 in Bewegung gesetzt wurde, führen die an den Antriebsscheiben 4 befestigten Schaufeln 5 eine Drehbewegung mit der Umfangsgeschwindigkeit von 55 ms^–1 aus. Während der Drehbewegung wirken die aus einer Stahllegierung mit Wolfram hergestellten Schaufeln 5 durch ihren eigenen Impuls auf die festen Teilchen in der Reaktionskammer 1 ein, wobei sie die in der Reaktionskammer 1 vorhandenen festen Teilchen zu einer Wirbelbewegung zwingen. Bei der oben angegebenen Geschwindigkeit der Schaufeln 5 ist die auf die festen Teilchen wirkende Gravitation im Vergleich zu der Zentrifugalkraft vernachlässigbar, wobei somit die festen Teilchen zwischen der Innenwand und der Achse der Reaktionskammer 1 ein wirbelndes Rührbett mit einer ringförmigen Form (einen Ring) bilden. Die Schaufeln 5 versetzen außerdem die verbleibenden vorhandenen Substanzen, insbesondere Flüssigkeiten, die an den im Gange befindlichen physikalischen und chemischen Prozessen beteiligt sind, oder die Produkte der Prozesse sind, in eine Wirbelbewegung. Diese wirbelnden Flüssigkeiten wirken durch ihren eigenen Impuls auf die vorhandenen festen Teilchen ein, wobei sie die Turbulenz des wirbelnden Rührbetts der festen Teilchen, die zusammen mit den in der Reaktionskammer 1 vorhandenen Flüssigkeiten in Form einer Suspension gehalten werden, erhöhen.
Beispiel 2
In einer Pilotanlage mit einer Reaktionskammer 1 mit einem Innendurchmesser von 0,4 m und mit einem durch den Motor 7 mit einem Leistungsverbrauch von 15 kW angetriebenen Drehmechanismus 2 wurde ein wirbelndes Rührbett erzeugt, dessen feste Teilchen aus einem auf 450°C erwärmten üblichen Silicasand bestanden. Die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln 5 betrug 60 ms^–1. Mittels einer Schraubenpumpe wurde in die Reaktionskammer 1 unter diesen Bedingungen ein vorgewärmtes Gemisch aus Altmotorenöl und Kunststoffen – Polyethylen und Polypropylen – eingespritzt. Das Gewichtsverhältnis der Bestandteile betrug 60% Altmotorenöl, 20% Polyethylen und 20% Polypropylen. Die Qualität des Öls und der Kunststoffe ist in Tabelle 1 spezifiziert. Gleichzeitig wurde in die Reaktionskammer 1 Wasserdampf in einer Menge von 5 Gew.-% der Gesamtzufuhr als ein Verdünnungsmedium zugeführt. Neuer Kunststoff wurde in Form von Granulaten mit den ungefähren Abmessungen 4 × 3 × 3 mm verwendet. In der Reaktionskammer 1 mit dem wirbelnden Rührbett fanden bei einer Temperatur von 520°C und bei einem Druck von 0,15 MPa Spalt- und Depolimerisationsreaktionen der eingespritzten Kohlenwasserstoffe und Kunststoffe statt. Die gasförmigen Reaktionsprodukte wurden in einem Drosselverflüssiger intensiv abgekühlt. Als Kühlmedium wurde Kühlwasser verwendet. Das Flüssigprodukt, ein Kondensat, wurde durch die Schwerkraft in einzelne Komponenten, d. h. in Wasser und in Kohlenwasserstoffe, getrennt. Während der Phasentrennung wurde keine Bildung einer Wasser/Öl-Emulsion beobachtet. Die flüssigen Rohmateralien und Produkte wurden mittels in der Ölanalyse verwendeter Standardverfahren analysiert. Die Qualität und die Eigenschaften des Produkts sind in den Tabellen II und III angegeben. Tabelle I Qualität des Altmotorenöls und der Kunststoffe

Verwendetes Polyethylen: Niederdruck-LDPE – Typ BRALEN RB 03-23
Verwendetes Polypropylen: katalytisches PP – Typ TATREN ME 311

Das flüssige Kohlenwasserstoffkondensat bildete 96,2 Gew.-% der Gesamtzufuhr organischer Substanzen. Der Rest bestand aus Gasen (Methan, leichte Kohlenwasserstoffe und CO₂), die bei den in dem Drosselwasserkühler existierenden Bedingungen nicht kondensieren können.
Tabelle II Qualität des Flüssigprodukts
Tabelle III Destillationskurve des Flüssigprodukts
Beispiel 3
In einer Pilotanlage mit einer Reaktionskammer 1 mit dem Innendurchmesser von 0,4 m und mit einem durch den Motor 7 mit dem Leistungsverbrauch von 15 kW angetriebenen Drehmechanismus 2 wurde ein wirbelndes Rührbett erzeugt, dessen feste Teilchen aus einem üblichem, auf 450°C erwärmten Silicasand bestanden. Die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln 5 des Drehmechanismus 2 betrug 50 ms^–1. Bei diesen Bedingungen wurde in die Reaktionskammer 1 ein vorgewärmtes Gemisch eines Destillationsrückstands aus einer Luftdestillation von Rohöl (Heizschweröl), technischem Calciumoxid als ein Absorptionsmittel von Säurebestandteilen und verunreinigtes Erdreich von einem simulierten Erdölunfall, d. h. kohlenwasserstoffhaltiges Erdreich, eingebracht. Das Gewichtsverhältnis der Bestandteile betrug 55 Gew.-% Schwerheizöl, 5 Gew.-% Calciumoxid und 40 Gew.-% verunreinigtes Erdreich, das 6,5 Gew.-% Dieselkraftstoff und etwa 8,5 Gew.-% Wasser enthielt. Die Qualität des Schwerheizöls ist in Tabelle IV angegeben.
In der Reaktionskammer 1 mit dem wirbelnden Rührbett fanden bei einer Temperatur von 550°C und bei einem Druck von 0,11 MPa Zersetzungsreaktionen der eingespritzten Kohlenwasserstoffe sowie die Trennung der Kohlenwasserstoffe und des Wassers von den festen Teilchen, die das verunreinigte Erdreich bilden, und eine Chemisorption der Schwefelbestandteile statt. Die gasförmigen Reaktionsprodukte wurden nachfolgend in einem Drosselscheibenverflüssiger intensiv abgekühlt. Als Kühlmedium wurde Kühlwasser verwendet. Die Rohmaterialien sowie die festen, flüssigen und gasförmigen Reaktionsprodukte wurden unter Verwendung von Standardanalyseverfahren analysiert.
Tabelle IV Qualität des Schwerheizöls
Das flüssige Kohlenwasserstoffkondensat bildete 97,3 Gew.-% des Gesamtgewichts der in die Reaktionskammer 1 eingebrachten Rohölsubstanzen. Der Rest bestand aus Gasen (Methan, leichte Kohlenwasserstoffe und CO₂), die bei den in dem Drosselscheiben-Wasserkühler existierenden Bedingungen nicht kondensieren können. Die Qualität des Flüssigprodukts ist in Tabelle V angegeben.
In der Reaktionskammer 1 wurden praktisch alle Kohlenwasserstoffe aus dem verunreinigten Erdreich entfernt, wobei ihr Gehalt von den ursprünglichen 6,5 Gew.-% auf 0,05 Gew.-% gefallen ist, wobei Wasser vollständig von dem Erdreich entfernt wurde.
Tabelle V Qualität des Flüssigprodukts 2
Die gezeigten Ergebnisse veranschaulichen einen hohen Grad der Umsetzung der chemischen Struktur der Substanzen und eine signifikante Änderung des Molekulargewichts der organischen Substanzen während der Thermolyse und Depolymerisation in dem Reaktionsmedium mit dem heißen Rührbett fester Wirbelteilchen.
Beispiel 4
In einer Pilotanlage mit einer Reaktionskammer 1 mit dem Innendurchmesser von 0,4 m und mit einem durch den Motor 7 mit dem Leistungsverbrauch von 15 kW angetriebenen Drehmechanismus 2 wurde ein wirbelndes Rührbett er zeugt, dessen feste Teilchen zu Beginn des Prozesses aus einem auf 250°C erwärmten üblichen Silicasand bestanden. Die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln 5 betrug 45 ms^–1. Unter diesen Bedingungen wurde in die Reaktionskammer 1 ein Schlamm eingebracht, der Öl-Kohlenwasserstoffe von einem mechanischen Schritt des Reinigens von Abwasser aus einer Ölraffinerie (API-Trenner) enthielt. Bevor der Schlamm in den Prozeß eingebracht wurde, wurde er in einem Vakuumfilter maschinell entwässert. Der Wassergehalt in dem Schlamm betrug 35 Gew.-%, der Gehalt der Kohlenwasserstoffe 25 Gew.-%, während der Rest aus unlöslichen festen Substanzen bestand. In dem Reaktor mit dem wirbelnden Rührbett fanden bei einer Temperatur von 350°C und bei einem Druck von 0,13 MPa Zersetzungsreaktionen der in dem Schlamm vorhandenen Kohlenwasserstoffe sowie eine Trennung der Kohlenwasserstoffe und des Wassers von den festen Teilchen, die den entwässerten Schlamm bilden, statt. Die gasförmigen Reaktionsprodukte wurden nachfolgend in einem Drosselscheibenverflüssiger intensiv abgekühlt. Als Kühlmedium wurde Kühlwasser verwendet. Die festen, flüssigen und gasförmigen Reaktionsprodukte wurden mittels Standardverfahren analysiert.
Das flüssige Kohlenwasserstoffkondensat bildete 96,2 Gew.-% des Gesamtgewichts der in den Reaktor eingebrachten Rohölsubstanzen. Der Rest bestand aus Gasen (Methan, leichte Kohlenwasserstoffe und CO₂), die bei den in dem Drosselscheiben-Wasserkühler existierenden Bedingungen nicht kondensieren können.
Die Qualität des Flüssigprodukts ist in Tabelle VI angegeben. Nach der Verarbeitung in dem Reaktor enthielt das feste Reaktionsprodukt – "die Trockensubstanz" – 0,13 Gew.-% Kohlenwasserstoffe und Spuren von Wasser.
Tabelle VI Qualität des Flüssigprodukts 3
Die Übersicht einer ständig arbeitenden technischen Einheit, die ein Wirbelbett fester Teilchen verwendet:
Der in 11 gezeigte Ablaufplan einer ständig arbeitenden industrielltechnischen Einheit mit einer Reaktionskammer 1 mit einem Wirbelbett fester Teilchen zur Verarbeitung eines Gemischs aus Altmineralschmierölen und aus Abfallkunststoffen und -elastomeren besteht aus einer Reaktionskammer 1, in der sich ein Drehmechanismus 2 befindet, der aus einer Welle 3 mit den mittels der Antriebsscheiben 4 an der Welle 3 befestigen Schaufeln 5 besteht. Die Drehbewegung der Welle 3 wird über das Getriebe 8 durch den Motor 7 sichergestellt. Mittels des Getriebes 8 wird in Abhängigkeit von der Wahl der Reaktionsbedingungen die optimale Drehgeschwindigkeit der Welle 3 eingestellt. Über eine Förderschnecke werden in die Reaktionskammer 1, in der sich der Drehmechanismus 2 schnell dreht, feste Teilchen, die das Wirbelbett bilden, im konkreten Sinne Silicasand mit einer Feinkörnigkeit von 3·10^–3 m, der in dem Wärmeaustauscher 9 auf eine Temperatur von 250°C vorgewärmt wurde, eingebracht. Nach der Erzeugung des Wirbelbetts der festen Teilchen wird durch eine Wellenpumpe ständig Altschmieröl in die Reaktionskammer 1 eingebracht, das vor dem Einbringen in dem Wärmeaustauscher 9'' auf eine Temperatur von 70°C vorgewärmt wurde. Nachfolgend werden durch einen Schraubendosierer ebenfalls in dem Wärmeaustauscher 9' vorgewärmte Schnittstücke von Abfall-Polyethylen und -Polypropylen in die Reaktionskammer 1 dosiert. Ein wesentlicher Teil der Reaktionskammer 1 ist der Auslaßkanal 11 zum Herausnehmen fester Teilchen direkt aus dem wirbelnden Rührbett, die nach dem Erwärmen in dem Wärmeaustauscher 9 in den Prozeß zurückkehren. Auf diese Weise wird in bestimmten Reaktionsmodi eine optimale Reaktionstemperatur aufrechterhalten. Falls das Wirbelbett aus einem Katalysator besteht und der Katalysator regeneriert werden muß, ermöglicht das oben angegebene Verfahren das Herausnehmen des Katalysators aus der Reaktionskammer 1 zur Regenerierung und die Rückführung des aktivierten Katalysators in den Prozeß. Der Auslaßkanal 11 ermöglicht das Entfernen der überschüssigen festen Teilchen aus dem Rührbett in der Reaktionskammer 1 und kann gleichzeitig zum Entleeren der Reaktionskammer 1 vor dem Anhalten des Prozesses verwendet werden.
Die Reaktionsprodukte der Thermolyse, die in dem gasförmigen Zustand und in dem Zustand eines Aerodispersionsnebels sind, werden durch die Auslaßrohrleitung 10 in den Staubabscheider 12 abgeführt. Der Strom der gasförmigen Reaktionsprodukte enthält außerdem die feinsten Teile der festen Teilchen, die sogenannten Flugverluste, die entfernt werden müssen. Nach dem Entfernen des Flugverlusts wird der Strom der Reaktionsprodukte, hauptsächlich Kohlenwasserstoffe, in dem Wärmeaustauscher 9''' abgekühlt, während ein Teil der organischen Substanzen kondensiert. Das flüssige Kondensat wird in dem Abscheider 13 von den gasförmigen Teilen getrennt, die abgebrannt oder weiterverarbeitet werden können. Die gasförmigen und flüssigen Substanzen, die im wesentlichen wertvolle Kohlenwasserstoffe enthalten, werden durch in Raffinerie- und Petrochemieanlagen verwendete Standardverfahren weiter verarbeitet.
Ein Zyklon, ein Multizyklon, ein elektrostatischer Abscheider, ein Rotoklon, ein Verschlußstaubfänger oder eine andere geeignete Vorrichtung wird als ein Staubabscheider 12 verwendet.
Industrielle Anwendbarkeit
Das durch das Wirbelbett der festen Teilchen gemäß der vorliegenden Erfindung gebildete Reaktionsmedium kann effektiv für alle bekannten chemischen Prozesse der Zersetzung organischer Substanzen, insbesondere für die Thermolyse hochsiedender Kohlenwasserstoffe und Abfallkohlenwasserstoffe, z. B. Schwerrohöle, Teer, natürlicher Asphalte und Bitumen, schwerer Kohlenwasserstoffe von der Verarbeitung von Erdöl und Teer (Asphalte, schwere Destillationsrückstände und dergleichen) verwendet werden. Die Erfindung ermöglicht die effektive Verwendung von Bitumen und Ölschiefern und Sanden und mit bestimmten Einschränkungen auch von entwässerter Biomasse als ein Rohmaterial.
Das heiße Wirbelbett der festen Teilchen kann außerdem in neuen Anwendungen, zuallererst zur Thermolyse von makromolekularen Substanzen, im wesentlichen von Abfallkunststoffen, vorzugsweise von Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, PVC und Abfallelastomeren wie etwa Styrolbutadien-Copolymeren und von Polybutadien, verwendet werden, die somit zu einer interessanten und preiswerten Quelle von Rohmaterialien werden. Die Erfindung ermöglicht außerdem die effektive Wiederaufbereitung – Verwertung – von Abfall, der organische Substanzen, zuallererst gebrauchte Schmier- und Altschmier-, Hydraulik-, Transformatoren-, Bearbeitungs-, Kühl- usw. Kohlenwasserstoff-Öle enthält.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können ebenfalls effektiv zur Verarbeitung fester, schlammiger und flüssiger Abfallgemische verwendet werden, die organische Substanzen, z. B. entwässerte Öl- und biologische Schlämme von den Abwasserbehandlungsanlagen, Schlämme von der Kohleflotation, Ölschlämme von der Wiedergewinnung von Öl und Felsgas, Abfälle von der Verarbeitung von Pflanzenölen und Wachsen, verunreinigtes Erdreich und Erde von Erdölunfällen und -katastrophen und dergleichen, enthalten.
Die erzielte Lösung kann effektiv in weiteren in der Petrochemie bekannten Standardverfahren der Thermolyse organischer Substanzen, d. h. in thermischen Zersetzungsverfahren bei Anwesenheit eines Verdünnungsmediums – Wasserdampf, Wasserstoff oder eines inaktiven Gases (N₂, CO₂), in thermischen Zersetzungsprozessen unter Verwendung eines acidobasischen heterogenen Katalysators, in thermischen Zersetzungshydrierprozessen unter Verwendung eines heterogenen Redoxkatalysators, verwendet werden.
Die Zersetzungsprodukte werden als Zwischenprodukte zur Erzeugung von Kraftfahrzeug-Kraftstoff und von Heizölen und/oder als Rohmaterialien für die weitere Raffinierung und/oder für die petrochemische Verarbeitung verwendet, und/oder sie werden in Elektrizitätswerken zum Erzeugen von Elektrizität oder in Energiesystemen zum Heizen verwendet.

Claims

Verfahren zur thermischen und/oder katalytischen Zersetzung und/oder Depolymerisation minderwertiger organischer Substanzen, wobei die minderwertigen organischen Substanzen bei einer Temperatur von 150°C bis 700°C, vorzugsweise von 250°C bis 500°C, und bei einem Druck von 0,1 MPa bis 2,5 MPa, vorzugsweise von 0,2 MPa bis 1,1 MPa der Wirkung eines Rührbetts fester Teilchen unterworfen werden, wobei das Rührbett durch intensives Rühren fester Teilchen durch einen Drehmechanismus gebildet wird und die Teilchen in einer zylinderförmigen Reaktionskammer eine erzwungene, intensiv zirkulierende Wirbelbewegung in emporgehobenem Zustand ausführen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wirbelnde Rührbett fester Teilchen einer Substanz teilweise oder vollständig aus einer Substanz besteht, die bei den Reaktionsbedingungen katalytisch auf die ablaufenden chemischen Reaktionen einwirkt, oder aus einer Substanz besteht, die bei den Reaktionsbedingungen inaktiv ist, um reagierende Substanzen wie etwa körnigen Quarz und/oder Silicasand und/oder Aluminiumsilikate und/oder andere natürliche und/oder künstliche Mineralien, die Silicium und/oder Aluminium und/oder Calcium und/oder Natrium und/oder Kalium und/oder Wasserstoff und/oder Schwefel enthalten, darzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das wirbelnde Rührbett fester Teilchen aus einer Substanz durch ein festes Absorptionsmittel wie etwa Calciumoxid und/oder Calciumcarbonat und/oder Calciumhydroxid und/oder Natriumhydroxid gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der festen Teilchen einer Substanz, die das Rührbett bildet, 3·10^–5 bis 3·10^–2 m, vorzugsweise 3·10^–4 bis 3·10^–3 m beträgt
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die minderwertigen organischen Substanzen und/oder die festen Teilchen einer Substanz, die das wirbelnde Rührbett bildet, auf eine Temperatur von 100 bis 450°C, zweckmäßig von 150 bis 350°C, vorgewärmt werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die minderwertigen organischen Substanzen bei Anwesenheit von Wasser oder Wasserdampf und/oder bei Anwesenheit von Wasserstoff oder einer Substanz, die bei den Reaktionsbedingungen Wasserstoff freisetzt, und/oder bei Anwesenheit von Ammoniak der Wirkung des wirbelnden Rührbetts fester Teilchen einer Substanz unterworfen werden, wobei die festen Teilchen einer Substanz, die das Rührbett bilden, als ein Trennbett für die vorhandenen Flüssigkeiten wirken.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die minderwertigen organischen Substanzen insbesondere Erdöl- oder Teer-Kohlenwasserstoffe mit einem höheren Molekulargewicht und/oder makromolekulare Substanzen, im wesentlichen Kunststoffe und Elastomere, makromolekulare Abfallsubstanzen, im wesentlichen Abfallkunststoffe und -elastomere, und/oder Kohlenwasserstoff Altöle, im wesentlichen Alt-Schmier-, -Motoren- und/oder -Getriebe- und/oder -Turbinen- und/oder -Maschinen- und/oder -Hydraulik- und/oder -Transformatoren- und/oder -Bearbeitungs- und/oder -Kühlöl, Schwerrohöl und/oder Schwerrohöl-Kohlenwasserstoffe und/oder Teer-Kohlenwasserstoffe und/oder Natur- und/oder Raffinerie-Asphalte und -Bitumen und/oder Luft- und/oder Vakuumrückstände von Destillationsprozessen von der Verarbeitung und Raffinierung von Rohöl- und/oder von Kohleteer-Rohbenzin, ferner Naturgestein, das organische Substanzen, insbesondere Kohlenwasserstoffe, hauptsächlich Öl- und Bitumensande und -schiefer enthält, ferner Abfall, der organische Substanzen, hauptsächlich Rohöl und/oder Teer-Kohlenwasserstoffe und/oder makromolekulare Substanzen/Kunststoffe und Elastomere und/oder Pflanzenöle und/oder Wachse und/oder Harze und/oder Polysaccharide, enthält, umfassen.
Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, die aus einer zylinderförmigen Reaktionskammer mit einem Drehmechanismus, der eine intensive Wirbelbewegung sicherstellt, aus Einlaßöffnungen für feste Teilchen, die das wirbelnde Rührbett bilden, aus Einlaßöffnungen für die reagierenden Substanzen und aus Auslaßöffnungen für die Reaktionsprodukte besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmechanismus (2), der drehbar in den Stirnflächen der Reaktionskammer (1) angeordnet ist, aus einer Welle (3) besteht, an der mittels Antriebsscheiben (4) Schaufeln (5) symmetrisch angebracht sind, wobei der Drehmechanismus (2) koaxial mit der Achse der Reaktionskammer (1) ausgerichtet ist, wobei der Drehmechanismus (2) derart betreibbar ist, daß die festen Teilchen in emporgehobenen Zustand bringbar sind.
Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mittels der Antriebsscheiben (4) an der Welle (3) befestigten Schaufeln (5) in 3 bis 10 Reihen parallel zur Achse der Welle (3) angeordnet sind.
Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (5) mit Öffnungen (5.1) oder Ausschnitten (5.2) verschiedener geometrischer Formen versehen sind.
Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsscheiben (4) mit Öffnungen (4.1) verschiedener geometrischer Formen versehen sind.
Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (5) in einzelne Segmente (5.3) unterteilt sind, die schließlich mit elliptischen Öffnungen (5.4) versehen sind.
Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (5) vorzugsweise mittels eines Stifts (6) entweder starr oder schwingend an den Antriebsscheiben (4) befestigt sind.