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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Behandeln von Öl und insbesondere von Altöl oder Rohöl, mit welchem das Öl in Fraktionen aufgeteilt wird und Verunreinigungen abgetrennt werden und bei welchem das Öl einem Einrohr-Reaktor zugeführt wird, in dem es in einem kontinuierlichen Prozess verdampft wird, und das erzeugte gasförmige Öl nach Verlassen des Einrohr-Reaktors einem Zyklonabscheider zugeführt wird, in dem die höhersiedenden Stoffe und die Feststoffe von dem verdampften Öl abgetrennt werden. Die Vorrichtung eignet sich sowohl für die Behandlung von Rohölen und Altölen. Es wird daher überwiegend nur von Ölen gesprochen, womit aber beide Ölarten zu verstehen sind.
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Im Zuge des immer knapper werdenden Erdölvorkommens ist es erforderlich, Altöl wieder aufzubereiten, um daraus wieder verwendbare Schmierstoffe, Rohstoffe oder Brennstoffe zu erhalten. Hierfür wird das Altöl häufig in einem Kessel erhitzt und anschließend kondensiert, um das Öl in verschiedene Fraktionen aufzuteilen und um Fremdstoffe zu entfernen. Insbesondere können durch die thermische Aufbereitung des Öls unerwünschte Stoffe, wie Chlor-, Schwefel- oder Phosphorverbindungen an ausfällbare Feststoffe gebunden werden. Das batchweise Erhitzen hat den Nachteil, dass das Altöl häufig auf eine zu hohe Temperatur gebracht wird, bei der der Vercrackungsprozess beginnt. Dies ist zum Erhalt der gewünschten Eigenschaften, wie zum Beispiel der Schmierfähigkeit des Öls, jedoch nicht erwünscht.
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Aus der
DE 36 38 606 A1 ist es bekannt, das Altöl in einem Einrohr-Reaktor zu erhitzen. Die Temperatur kann hierbei unter der Vercrackungstemperatur gehalten werden, so dass die Eigenschaften daraus gewonnenen Öls aufrechterhalten werden. Die verschiedenen Fraktionen werden über Seitenstränge aus dem Reaktor geführt.
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Aus der
DE 10 2014 118 486 A1 ist es bekannt, das Altöl einem Einrohr-Reaktor und anschließend wenigstens einem Zyklonabscheider zuzuführen, um verschiedene Fraktionen abzutrennen. Dem Altöl werden dabei vor dem Eintritt in den Einrohr-Reaktor Natriumhydroxid (NaOH) oder Kaliumhydroxid (KOH) zur Bindung von unerwünschten Esterverbindungen zugeführt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Behandeln von Ölen der eingangs geschilderten Art bereitzustellen, bei welchem das Öl zum einen von Verunreinigungen befreit und zum anderen aufbereitet wird.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass dem Öl im Laufe des Einrohrreaktors in seiner flüssigen Phase oder seiner gasförmigen Phase oder in der Übergangsphase zwischen flüssig und gasförmig reaktiver Wasserstoff (H2) zugeführt wird. Der reaktive Wasserstoff kann dem Öl vor dem Eintritt in den Einrohr-Reaktor zugeführt werden. Auch ist es alternativ oder zusätzlich möglich, dass der Wasserstoff dem Öl hinter dem Eintritt in den Einrohr-Reaktor vor der Verdampfung zugeführt wird. Dann hat der Wasserstoff eine lange Verweilzeit für die Reaktion mit dem Öl. Bei einer Zuführung in der gasförmigen Phase des Öls liegt ein reaktiver Zustand vor, und es werden Wärmeverluste vermieden. Günstig kann es auch sein, wenn der Wasserstoff in der Übergangsphase des Öls von flüssig zu gasförmig zugeführt wird. Auch kann der Wasserstoff an mehreren Stellen des Einrohrreaktors zugeführt werden.
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Die Erfindung nutzt hier die Eigenschaften des Einrohr-Reaktors dahingehend aus, dass im Zuge der steigendenden Temperatur des Öls in Strömungsrichtung eine immer größer werdende Menge verdampft. Durch die Rauigkeit der Wandoberfläche des Rohres wird eine turbulente Durchströmung des Rohres und somit eine gute Durchmischung erreicht, so dass zum einen die Hydrierung des Öls unterstützt wird. Zum anderen werden Schadstoffe und insbesondere Schwefel durch den zugeführten Wasserstoff gebunden und können als Schwefelwasserstoff (H2S) nach der Reaktionsgleichung
H2 + S → H2S (gasförmig) ausgetragen werden. Die Qualität des so behandelten Öls wird deutlich verbessert.
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Durch die zunehmende Verdampfung des Öls in Strömungsrichtung nehmen das Volumen und die Strömungsgeschwindigkeit des Öls in Strömungsrichtung zu. Am Ende des Reaktors kann das Öl eine Strömungsgeschwindigkeit von 1,0- bis 2,0-facher Schallgeschwindigkeit bei einer Volumenzunahme des verdampften Öls um den Faktor 1.000 erreichen. Weiterhin entsteht ein Unterdruck im Einrohr-Reaktor, der kleiner als 200 mbar sein kann. Dieser Zustand wird auch mit kinetischem Plasma bezeichnet. Die Reaktionen mit dem zugeführten Wasserstoff werden dadurch unterstützt.
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Mit dieser hohen Strömungsgeschwindigkeit gelangt das verdampfte und mit dem Wasserstoff behandelte Öl in den Zyklonabscheider, der bei dieser Strömungsgeschwindigkeit sehr gute Abscheidewirkung aufweist. Im Zuge der Kreiselbewegung des Öldampfes durch den Zyklonabscheider werden zum einen eventuell vorhandene Feststoff abgetrennt. Zum anderen kühlt sich der Öldampf auch ab, so dass die höhersiedende Bestandteile des Öls kondensieren und ebenfalls abgeschieden werden. Damit ist eine Aufbereitung des Öls ohne großen apparativen Aufwand möglich. Die für den Zyklonabscheider günstige hohe Geschwindigkeit liegt hinter dem Einrohr-Reaktor ohne weitere Maßnahmen bereits vor, so dass der Öldampf unmittelbar in den Zyklonabscheider geleitet werden kann.
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Es ist günstig, wenn der Eingang des Zyklonabscheiders unmittelbar hinter dem Ausgang des Einrohr-Reaktors angeordnet ist. Dadurch werden Strömungsverluste vermeiden. Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn die Arbeitstemperatur des Zyklonabscheiders im wesentlichen der Ausgangstemperatur des Einrohr-Reaktors entspricht. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, indem der Zyklonabschieder in dem gleichen Gehäuse wie der Einrohr-Reaktor angeordnet ist, so dass die dortige Temperatur auf im Zyklonabscheider herrscht. Damit kann ein unerwünschtes oder unkontrolliertes Kondensieren von Fraktionen des Öldampfes vermieden werden, die der Weiterverarbeitung zugeführt werden können. Der Trennschnitt kann daher sehr genau eingestellt werden.
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Am Feststoffausgang des ersten Zyklonabscheiders liegt daher als Produkt ein Gemisch aus höher siedenden Bestandteilen und Feststoffen vor, die vorher nicht abgetrennte werden konnten. Dieses Produkt kann beispielsweise bei der Bitumenherstellung verwendet werden.
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Durch den Reingasausgang des Zyklonabscheiders gelangt eine Öldampffraktion mit einem niedrigeren Siedepunkt. Diese Fraktion kann gekühlt und verflüssigt werden. Das Produkt ist im Wesentlichen frei von Feststoffen und weist keine höhersiedende Bestandteile mehr auf.
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Es kann weiterhin vorgesehen werden, dass in Strömungsrichtung des dampfförmigen Öls wenigstens ein weiterer Zyklon in Reihe hinter dem Zyklonabscheider geschaltet ist, um das verdampfte Öl in verschiedene Fraktionen aufzuteilen. Es können insbesondere mehrere in Reihe hintereinander geschaltete Zyklonabscheider vorgesehen werden, die bei jeweils unterschiedlicher Temperatur arbeiten, so dass bestimmte Fraktionen des Öls mit unterschiedlichen Siedetemperaturen und hoher Reinheit herstellbar sind. Die am Feststoffausgang abgezogene Ölfraktion weist keine Feststoffe oder niedrigsiedende Bestandteile mehr auf, da diese bereits im vorhergehenden Zyklonabscheider abgetrennt worden sind. Auch sind keine höhersiedenden Bestandteile mehr enthalten, da sich diese noch in der Gasphase befinden und über den Reingasausgang zur weiteren Verarbeitung abgezogen werden.
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Hinter dem Zyklonabscheider kann das verdampfte Öl in bekannter Weise in mehreren Kondensationsstufen weiter aufgeteilt und verflüssigt werden. Damit werden verschiedene Fraktionen des Öls in hoher Qualität und hoher Reinheit gewonnen.
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Es ist zweckmäßig, wenn das Öl nicht über 380°C erhitzt wird. Hierdurch wird ein Verdampfen des Öls unterhalb der Vercrackungstemperatur erreicht. Das Öl wird daher schonend verdampft, und eine Aufspaltung der Moleküle findet nicht statt. Die gewünschten Eigenschaften des so aufbereiteten Öls bleiben daher aufrechterhalten.
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Es kann weiterhin vorgesehen werden, dass dem zugeführten Öl vor der Verdampfung Additive zugesetzt werden. Es können Additive, wie Kaliumhydroxyd (KOH) oder Natriumhydroxd (NaOH) zur Bindung der unerwünschten Esterverbindungen zugeführt werden. Auch hier ist die lange Verweildauer bis zur späteren Verflüssigung von Vorteil.
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Grundsätzlich ist es günstig, wenn das Öl vor der Zuführung in den Einrohr-Reaktor sedimentiert wird. Hierdurch werden grobe Verunreinigungen und grobe Feststoffe aus dem Öl entfernt. Eine Verschmutzung des Einrohr-Reaktors wird daher vermieden.
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Weiterhin kann das Öl vor der Zuführung in den Einrohr-Reaktor auf 120°C bis 160°C vorgewärmt werden. Hierdurch können leicht flüchtige Bestandteile und auch Wasser vor dem Einrohrreaktor aus dem Öl abgetrennt werden.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung weist einem Einrohr-Reaktor zum Verdampfen von Öl auf, dessen Ausgang mit dem tangentialen Gemischeingang eines Zyklonabscheiders verbunden ist, in dem die Feststoffe und die höhersiedenden Bestandteile aus dem verdampften Öl entfernt werden. Es ist vorgesehen, dass in Strömungsrichtung vor dem Einrohr-Reaktor und/oder in Strömungsrichtung vorderen Bereich des Einrohrreaktors Zuführstellen zum Einleiten von Wasserstoff in das noch flüssige Öl vorhanden sind. Dadurch ist es möglich, dem noch flüssigen Öl den für die Hydrierung oder der Schadstoffbehandlung benötigten Wasserstoff zuzuführen. Die Zuführstellen können als statische Mischer ausgebildet sein, wodurch eine Vermischung des Wasserstoffs mit dem noch flüssigen Öl unterstützt wird.
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Weiterhin ist es möglich, dass in Strömungsrichtung vor der Zuführstelle für den reaktiven Wasserstoff wenigstens eine weitere Zufuhrstelle für NaOH oder KOH vorhanden ist. Durch dies Additive können die Esterverbindungen im Altöl gebunden werden.
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Der Einrohr-Reaktor kann aus einem herkömmlichen Stahlrohr bestehen, das eine raue innere Oberfläche aufweist, so dass sich eine turbulente Strömung einstellt. Die Reaktion des verdampften Öls mit dem Wasserstoff wird damit unterstützt.
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In dem Zyklonabscheider werden die Feststoffe und die höhersiedenden Bestandteile aus dem verdampften Öl entfernt. Weiterhin kann vorgesehen werden, dass der Reindampfausgang des ersten Zyklonabscheiders mit dem tangentialen Eingang eines weiteren Zyklonabscheiders verbunden ist, in dem eine geringere Temperatur als im ersten Zyklonabscheider herrscht und in dem das darin kondensierende Öl abgeschieden wird. Es können auf diese Weise mehrere Zyklonabscheider in Reihe hintereinander angeordnet und miteinander verbunden werden. Die Zyklonabscheider werden mit unterschiedlichen und in Strömungsrichtung des Öldampfes fallenden Temperaturen betrieben. Es kann somit eine Kaskade gebildet werden, in deren einzelnen Stufen Öl bestimmter Siedepunktfraktionen und mit hoher Reinheit abgezogen werden können.
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Anstelle oder zusätzlich können an sich bekannte Kondensationsstufen in Strömungsrichtung hinter dem Zyklonabscheider vorhanden sein, um den Öldampf zu kondensieren und in die gewünschten Fraktionen aufzuteilen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur das Schaubild der Vorrichtung zeigt.
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Der in der Zeichnung dargestellte Einrohr-Reaktor 10 weist ein Rohr 11 auf, das sich wendelförmig von oben nach unten erstreckt. Das Rohr 11 ist dabei mehrere 100 m lang und insbesondere länger als 1.000 m. Die Länge und der Durchmesser werden nach der Kapazität der Aufbereitungsanlage bemessen und berechnet. An seinem in der Zeichnung oberen Einlauf 12 wird das Rohr 11 mit dem zu behandelnden Öl gespeist. Das Öl kann vorbehandelt und insbesondere sedimentiert und vorgewärmt sein. Die Einlauftemperatur kann beispielsweise 150°C betragen.
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Der Einrohr-Reaktor 10 wird von unten und somit entgegen der Strömungsrichtung 21 des aufzubereitenden Öls beheizt. Dies kann durch eine zentrale Wärmequelle oder aber durch unmittelbares Beheizen des wendelförmigen Rohres erfolgen. Dieses kann dafür doppelwandig ausgebildet sein. Solche Einrohr-Reaktoren sind grundsätzlich bekannt und bedürfen daher keiner weiteren Erläuterung.
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Im Zulauf 12 kann noch wenigstens eine Zuführung 13 vorgesehen werden, durch die Additive, beispielsweise NaOH oder KOH zur Esterbehandlung des Öls, dem noch flüssigen Öl zugegeben werden. Das Öl mit diesen Additiven wird im Laufe seiner Bewegung durch den Einrohr-Reaktor kontinuierlich bis auf Siedetemperatur erhitzt.
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Weiterhin ist eine Zuführung 22 im Zulauf 12 des Einrohr-Reaktors 10 vorgesehen, durch die reaktiver Wasserstoff (H2) dem noch flüssigen Öl zugeführt wird. Durch diesen Wasserstoff werden eine Hydrierung des Öls und eine Reparatur von Kohlenwasserstoffketten bewirkt.
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Weiterhin wird bei der Behandlung von Altöl dessen Schwefelgehalt reduziert, da der vorhandene Schwefel mit dem Wasserstoff zu Schwefelwasserstoff (H2S) reagiert, der an geeigneter Stelle hinter dem Einrohrreaktor ausgetragen werden kann.
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Insgesamt kann die Qualität des in dieser Weise im Einrohr-Reaktor behandelten Öls verbessert werden. Die Zuführung 22 für den Wasserstoff befindet sich dabei vorzugsweise in Strömungsrichtung des Öls hinter der Zuführung 13 für die Additive KOH oder NaOH im Zulauf 12 des Einrohr-Reaktors.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Zuführung für den Wasserstoff im Laufe des Einrohrreaktors in Strömungsrichtung 21 weiter hinten vorzusehen. Die in der Zeichnung gestrichelt gezeigte Zuführung 22' befindet sich in etwa im Bereich der Übergangsphase des Öls zwischen flüssig und gasförmig. Die ebenfalls gestrichelt dargestellte Zuführung 22" befindet sich in einem Bereich des Einrohrreaktors, in dem das Öl gasförmig und somit besonders reaktiv ist. Es können auch mehrere Zuführungen für den Wasserstoff im Laufe des Einrohrreaktors vorgesehen werden.
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Die Siedetemperatur beträgt je nach Zusammensetzung des Öls etwa 350°C bis 400°C. Das dampfförmige Öl durchläuft den Einrohr-Reaktor bis zu seinem Ausgang 14. Das Öl wird dabei nicht weiter erhitzt, so dass eine Vercrackung des Öls vermieden wird. Vielmehr erfolgt die Verdampfung des Öls in einer schonenden Weise über eine lange Verweildauer, so dass für die erforderlichen chemischen Reaktionen zur Aufbereitung und Hydrierung des Öls hinreichend Zeit besteht. Insbesondere läuft der Prozess kontinuierlich ab.
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Durch die Rauigkeit der Innenwand des Rohrs 11 wird zudem eine Bildung einer turbulenten Strömung uns somit eine bessere Vermischung und Reaktion des zugeführten Wasserstoffs 12 und der zugeführten Additive 13 mit dem Öl erreicht.
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Aufgrund der Volumenvergrößerung des Öls beim Verdampfen steigt die Strömungsgeschwindigkeit während der kontinuierlichen Erwärmung weiter an. Beim Übergang in die Gasphase können dabei Strömungsgeschwindigkeiten in Höhe der 1,0 bis 2,0-fachen Schallgeschwindigkeit (etwa 350 m/sec bis 700 m/sec) entstehen. In dem dampfförmigen Öl sind am Ausgang 14 noch mitgerissene Feststoffe und höhersiedende Bestandteile enthalten.
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Der Ausgang 14 des Einrohr-Reaktors 10 steht in Verbindung mit dem tangentialen Einlauf 15 eines Fliehkraftabscheiders oder Zyklons 16. Da das dampfförmige Öl mit sehr hoher Geschwindigkeit aus dem Rohr 11 und somit in den Zyklon 16 gelangt, kann eine gute Abtrennung der im Öldampf enthaltenen Feststoffe und der höhersiedenden und somit noch flüssigen Bestandeile aus dem Öldampf erfolgen. Die abgetrennten Bestandteile gelangen über die konische Zyklonwandung 17 in den Feststoffausgang 18 und werden dort abgeführt. Es ist offensichtlich, dass durch den Feststoffausgang auch flüssige Bestandteile und bereits kondensiertes Öl abgezogen werden. Das hier gewonnene Produkt kann zur Bitumenherstellung verwendet werden.
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Der noch gasförmige Bestandteil des Öls gelangt über das Tauchrohr 19 zum Reingasausgang 20. Dieses so gewonnene Produkt ist im wesentlichen frei von Feststoffen und von niedrigsiedenden Flüssigbestandteilen. Es kann kondensiert und weiter verarbeitet werden.
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ES ist natürlich auch möglich, mehrere Zyklone 16 in Reihe hintereinander anzuordnen derart, dass der Reingasausgang 20 eines Zyklons 16 mit dem tangentialen Gemischeingang 15 des nächsten Zyklons 16 in Verbindung steht. Am Feststoffausgang 18 können dann aufbereitete Öle mit unterschiedlichen Siedepunktfraktionen abgezogen werden. In der Zeichnung ist nur der erste Zyklon 16 gezeigt. Die folgenden Zyklone sind stets gleichwirkend und weisen nur eine andere Arbeitstemperatur auf. Lediglich die Dimensionen können sich ändern.
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Im Zuge des Durchlaufs des dampfförmigen Öls durch den Zyklon wird sich dieses abkühlen, so dass schrittweise höhersiedende Fraktionen von den niedrigsiedenden Fraktionen abgetrennt werden. Nach dem ersten Zyklon 16 ist das dampfförmige Öl bereits feststofffrei, so dass das an den jeweiligen Feststoffausgängen der folgenden Zyklone sehr reines Öl einer bestimmten Siedepunktfraktion abgezogen werden kann.
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Es kann hierbei vorgesehen werden, dass der Zyklon auf eine bestimmte Temperatur temperiert, also gekühlt oder beheizt wird, damit die gewünschte Fraktion am Feststoffausgang abgezogen werden kann. Die erforderliche Wärmeenergie kann teilweise aus der Abwärme beim Kondensieren der einzelnen Fraktionen gewonnen werden. Diese Abwärme kann auch zum Vorwärmen des unbehandelten Öls verwendet werden.
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Im Einrohr-Reaktor 10 kann an dessen Ausgang 14 eine Temperatur von etwa 380°C - 400°C vorliegen. Im ersten Zyklon 16 herrscht eine ähnliche Arbeitstemperatur von 375°C - 395°C, im zweiten Zyklon kann eine Temperatur von beispielsweise 240°C bis 260° eingestellt sein. Der dritte Zyklon weist eine Temperatur von 200°C - 220°C auf. Somit können die einzelnen Fraktionen des verdampften Öls sehr genau abgetrennt werden.
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Auch ist es möglich, hinter dem Zyklon eine oder mehrere Kondensationsstufen vorzusehen, in denen das verdampfte Öl mit unterschiedlichen Siedepunkten bei unterschiedlichen Temperaturen kondensiert. Damit kann in an sich bekannter Weise ebenfalls eine Auftrennung in unterschiedliche Fraktionen erfolgen.
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Der durch die Reaktion mit dem Wasserstoff erzeugte gasförmige Schwefelwasserstoff wird aufgrund des niedrigen Siedepunkts vorzugsweise durch eine Abführung 23 hinter dem letzten Zyklonabscheider oder der letzten Kondensationsstufe ausgetragen.
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In der Zeichnung ist der Zylkonabscheider 16 unterhalb des Einrohr-Reaktors 10 dargestellt. Tatsächlich ist es aber günstig, wenn der Eingang 15 des Zyklonabscheiders sich unmittelbar an den Ausgang 14 des Einrohr-Reaktors anschließt. Der Zyklonabscheider 16 befindet sich dann neben dem Einrohr-Reaktor, so dass nur eine kurze Rohrstrecke dazwischen liegt. Auch kann der Zyklonabscheider im gleichen Gehäuse wie der Einrohr-Reaktor angeordnet sein, um unterschiedliche Temperaturen im Zyklonabscheider und am Reaktor-Ausgang 14 zu vermeiden.
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Mit dieser Vorrichtung und dem damit möglichen Verfahren kann Öl ohne die Gefahr der Vercrackung aufgearbeitet werden. Das Öl hat seine ursprünglichen Eigenschaften behalten und ist kann im wesentlichen säurefrei sein. Es können unterschiedliche Fraktionen mit unterschiedlichen Siedepunkten voneinander getrennt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3638606 A1 [0003]
- DE 102014118486 A1 [0004]
