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Verfahren zur Druckwärmespaltung von schweren Kohlenwasserstoffölen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Druckwämespaltung von Kohlenwasserstoffölen,
bei dem die zu spaltenden 51e unter Druck in Heizrohren auf Spalttemperatur erhitzt,
dann in einen Spalt- oder Verdampfungsraum eingeführt werden, den entstehenden dampfförmigen
Spaltprodukten in einem Dephlegmator Frischöl entgegengeführt und das Gemisch von
Frischöl und den kondensierten Anteilen der Spaltdämpfe (Rücklauf) in die Heizrohre
eingeführt wird, und besteht in erster Linie darin, dem aus dem Dephlegmator kommenden
Gemisch von Frischöl und Rücklauf, bevor es in den Heizrohren auf Spalttemperatur
erhitzt wird, unbehandeltes Frischöl in beliebig regelbaren Mengen zuzumischen.
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Es ist an sich bekannt, bei einem Verfahren zur Druckwärmespaltung
von Kohlenwasserstoffölen, bei dem diese in Heizrohren auf Spalttemperatur erhitzt,
dann in eine Reaktions- und Verdampfungskammer eingeführt werden und die entstehenden
dampfförmigen Spaltprodukte in einem Dephlegmator in leichtere Dämpfe und kondensierten
Rücklauf getrennt werden, den aus dem Dephlegmator entnommenen Rücklauf mit dem
gesamten zu behandelnden Frischöl zu vermischen und dieses Gemisch in die Heizrohre
einzuleiten. Auch ist es an sich bekannt, das gesamte dem Verfahren zuzuführende
Frischöl in den Dephlegmator selbst einzuführen und das im Dephlegmator entstehende
Gemisch von Frischöl und Rücklauf aus diesem in die Heizrohre zu leiten.
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Bei der ersterwähnten bekannten Maßnahme, nämlich Rückleitung von
Rücklauf aus dem Dephlegmator in die Heizzone mit gleichzeitiger Einleitung des
gesamten unbehandelten Frischöles direkt in die Heizzone, entsteht ein beträchtlicher
Wärmeverlust innerhalb des Systems dadurch, daß die in dem Dephlegmator aufsteigenden
Dämpfe mit einem im Verfahren nicht verwerteten Kühlungsmedium gekühlt werden müssen,
um die jeweilig erwünschte Dephlegmation zu erzielen, und dazu kommt noch, daß gleichzeitig
eine beträchtliche Menge von Wärme, die dem Frischöl im Falle des Durchflusses durch
den Dephlegmator durch Wärmeaustausch mit den aufsteigenden Dämpfen übertragen worden
wäre, nun in der Heizzone zugeführt werden muß.
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Die zweite an sich bekannte Maßnahme, die, wie oben schon gesagt,
darin besteht, das gesamte Frischöl erst durch den Dephlegmator und von dort dann
zusammen mit dem Rücklauf in die Heizzone zu leiten, gestattet zwar die wertvolle
Ausnutzung der bei der Dephlegmation frei werdenden Wärme der Spaltdämpfe. Da es
aber für eine wirtschaftliche Dephlegmation notwendig ist, die geeigneten Temperaturbedingungen
im DephIegmatoreinzuhalten, wird bei Durchführung des gesamten Frischöles durch
den Dephlegmator die Zuführung von Frischöl in das System
dauernd
auf eine unveränderliche Menge beschränkt. So verursacht z. B. ein Überschuß an
Frischöl _ bei der Einleitung in den Dephlegmator eine unerwünschte Temperaturerniedrigung
und ein Herrüberreißen von Frischölanteilen aus dem Dephlegmator in den Kondensator.
Während also die Zuführung des gesamten Frischöles durch die Dephlegmatoren den
Vorteil hat, daß leichtere Fraktionen des Frischöles zusammen mit den leicht siedenden
Spaltdämpfen abgetrieben werden, hat sie die Nachteile, daß das zu verarbeitende
Öl infolge der i\Tot-,vendigkeit, daß die Temperaturerniedrigung im Dephlebgmator
zur Erzielung eines erwünschten, gleichmäßigen Druckdestillates innerhalb enger
Grenzen gehalten werde muß, nur in begrenzten Mengen dem System zugeführt werden
kann, und daß unterUmständen durch mechanisches Mitreißen von schwereren Teilen
des Frischöles das Druckdestillat verunreinigt wird und einer besonderen Reinigung
unterworfen werden muß.
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Weiter ist bekannt, einen Teil des Frischöles durch einen Dephlegmator
zu schicken und das hier entstehende Gemisch aus Frischölen und kondensierten Anteilen
der Spaltdämpfe dem Frischölvorrat wieder zuzuführen und auf diesem Wege dem Spaltprozeß
`nieder zu unterwerfen. Bei den bekannten Verfahren dieser Art wird jedoch das Frischölrücklaufgemisch
vor seinem Eintritt in den Frischöltank in einem Kühler abgekühlt. Dadurch werden
dem Frischölrücklaufgemisch die im Destillationsverfahren aufgenommenen Wärmemengen
entzogen, und infolgedessen wird das Verfahren unwirtschaftlich.
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Durch die vorliegende Erfindung werden die Übelstände der obengenannten,
an sich bekannten Maßnahmen in einfacher, aber wirkungsvoller Weise beseitigt. Durch
die Zuführung eines Teiles des Frischöles in den Dephlegmator wird den in diesem
befindlichen Dämpfen nur im notwendigen Maß Wärme entzogen und eine Überbeanspruchung
des Dephlegmators vermieden. Ferner wird durch die Zuführung von Frischöl in den
Dephlegmator und durch den gleichzeitigen Zusatz von unbehandeltem Frischöl zu dem
aus dem Dephlegmator austretenden Gemisch von Rücklauf und im Dephlegmator behandelten
0l die Gesamtverarbeitung von Rohöl bedeutend gesteigert. Denn das aus dem Dephlegmator
austretende Gemisch von Rücklauf und Rohöl ist beträchtlich vorgewärmt, so, daß
eine geringere Wärmemenge in der Heizzone aufgewandt wird, als. für eine gleiche
Menge Frischöl bei Anwendung der ersterwähnten Maßnahme der Heizzone zugeführt werden
müßte, und andererseits die die Zufuhr des Frischöls nicht wie in der zweitgenannten
bekannten Maßnahme durch einen nicht zu überschreitenden Wämeaustausch beschränkt
ist. Gleichzeitig wird die Anpassungsfähigkeit ein und desselben Systems durch die
jeweilig wünschenswerte Veränderlichkeit der Proportionierung des dem Dephlegmator
zuzuführenden Frischöles im Verhältnis zu dem in regelbaren Mengen direkt den Heizrohren
zuzuführenden unbehandelten Frischöles wesentlich erhöht.
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Die Anpassungsfähigkeit und Leistung des Verfahrens wird weiterhin
gefördert mittels der Wärmevorbehandlung des aus dem Dephlegmator kommenden Gemisches
von Frischöl und Rücklauf durch Einleiten in im heißesten, oberen Teil des Ofens
liegende Heizrohre, bevor diesem Gemisch das unbehandelte Frischöl zugeführt und
es dann in den Heizrohren im Gegenstrom zu den heißen Verbrennungsgasen auf Spalttemperatur
erhitzt wird. Denn durch diese Maßnahmen werden, bei gleichzeitiger wirkungsvoller
Wärmeausnutzung der Verbrennungsgase, die weniger leicht zu spaltenden Öle, also
das vom Dephlegmator erhaltene Gemisch von getopptem Frischöl und Rücklauf, erst
allein einer schärferen Erwärmung zum Zwecke der Vorspaltung ausgesetzt, und dann
wird durch die darauffolgende langsamere Temperaturerhöhung des Gesamtgemisches
des zu behandelnden Öles eine spontane Überhitzung eines Teiles des Öles und die
dadurch mögliche Überspaltung, d. h. die Bildung von Gas und Koks, vermieden.
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Eine Anlage zur Ausführung des Verfahrens ist in der Zeichnung, teilweise
im Aufriß, teilweise im Schnitt, dargestellt.
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Der Ofen i enthält einen Satz von Brennern 2 in der Kammer 3, von
welcher die Verbrennungsgase durch die Züge 4 über die in der Kammer 5 liegenden
Heizrohre 6 abwärts hinwegstreichen und dann in den Schornstein 7 eintreten. Die
Heizrohrschlange 6 ist durch ein Rohr 8, an dem ein Wärmemesser, ein Druckmesser
und die zur Regelung des Zuflusses des heißen Öles vorgesehenen Ventile ii und 12
angebracht sind, mit der Spalt- oder Verdampfungskammer io verbunden. Das Öl kann
aus dem Rohr 8 entweder von oben oder gleichzeitig von oben und unten in die Reaktions-
oder Verdampfungskammer io eintreten.
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Eine Umkleidung 13 um die Kammer io herum kommt dann zur Anwendung,
wenn ohne äußere Erwärmung der Reaktionskammer gearbeitet werden soll. Unter dem
Boden der Kammer io ist ein Brenner 14 vorgesehen, so daß also die Reaktionskammer
io beheizt werden kann. Die Mannlöcher 15 und 16 erleichtern die Reinigung dieser
Kammer. An der Seite und am Boden der Reaktionskammer
sind die
Ablaßrohre 17 mit den Ventilen 18 angerodnet. Das aus der Reaktionskammer durch
diese Rohre fließende 01
strömt durch Leitung i9 nach einer nicht dargestellten
Kühlschlange.
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Vom oberen Ende der Reaktionskammer io geht ein mit dein Ventil 22,
einem Druckmesser und einem Wärmemesser ausgerÜstetes Rohr 20 zu dein Dephlegmator
24.. Das Rohr 20 läuft in mehrere mit Ventilen versehene Abzweigrohre zur Einleitung
der aus der Reaktionskammer strömenden Dämpfe in verschiedenen Höhenlagen in den
Dephleginator 2:I aus. Es setzt sich in dem mit dem Ventil 25 versehenen Rohr 26
fort, und dieses Rohr 26 ermöglicht durch die Anordnung von mehreren mit Ventilen
versehenen Abzweigrohren die Einleitung von Dämpfen in verschiedenen Höhenlagen
in einen zweiten Dephlegmator d4..
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Die den oberen Teil des Dephlegmators 24. verlassenden Dämpfe strömen
durch das mit den Ventilen 30, 32 und 33 versehene Rohr 29 zur Kühlschlange 35,
und das Kondensat fließt aus der Kühlschlange 35 in den Behälter 37. An diesem Behälter
sitzt ein Sicherheitsventil 38 und ein Druckmesser 3.I. Die im Behälter 37 sich
ansammelnden Gase kann man durch das Rohr 39 und Ventil d.o entfernen, während das
Kondensat (Spaltbenzin) durch das am Behälter 37 angebrachte und mit dem Flüssigkeitsmesser
42 und dem Ventil .a.3 ausgerüstete Rohr .41 abgezapft wird.
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Der Dephlegmator d.d. steht mit dem Deplilegmator 2,4 durch das von
der Ableitung 29 abzweigende Rohr 4.5, an welchem das Ventil .a.6 angeordnet ist,
in Verbindung. Die den oberen Teil des Dephlegmators .4.4 verlassenden Dämpfe strömen
durch das mit dem Ventil 59 ausgerüstete Rohr 58 bei 6o in die Ableitung -29. Durch
Einstellen der Ventile 25, 30, 32 und :I6 können die Dephlegmatoren 24, ,I4. nebeneinander-
oder hintereinandergeschaltet werden; auch können die Dephlegmatoren einzeln benutzt
werden. Beide Dephlegmatoren sind von einer Verkleidung aus Isolationsmaterial umschlossen
und mit Druckmesser und Wärmemesser ausgerüstet und ruhen auf einem hochgestellten
Gerüst 5-h 55.
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Die Rückführung des Rücklaufs aus den Dephlegmatoren 24. und .4.4
zu den Heizschlangen 6 erfolgt durch die mit den Ventilen 62, 81 versehenen Rohre
61, 77 und durch die mit Ventilen @ ausgerüsteten Abzweigleitungen 68, 82 unter
dem durch die Hochstellung der Dephlegmatoren wirkenden Eigendruck oder durch die
Rohre 73 und 87' unter dem mit Hilfe der Pumpen 71 und 86 erzeugten Druck. Das an
das Rücklaufrohr 61 angeschlossene und mit einem Ventil versehene Abzweigrohr 64.
steht mit einer nicht dargestellten Kühlschlange in Verbindung. Das von dem RücklaufrQhr
77 ausgehende Abzweigrohr 78 führt zu einem nicht dargestellten Vorratsbehälter.
Die Rohre 68, 73 und 82 laufen-in dem T-Stück 76 zusammen, und das von diesem T-Stück
ausgehende Rohr 88 ist mit dem Rohr 87' durch das T-Stück 87 verbunden.
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Der aus den Dephlegmatoren durch das Rohr 88 abfließende Rücklauf
kann nach seiner Mischung mit dem aus dem Rohr 99 durch den Dreiweghahn ioi' zufließenden
Frischöl oder ungemischt durch das mit dem Ventil 9i versehene Rohr 9o in die oberste
Röhrenlage der Heizschlange 6 gelangen. Dabei wird das Gemisch bzw. der Rücklauf
in diesen Rohren 6 in der gleichen Richtung fließen wie die Verbrennungsgase, die
die Rohre umspülen, d. h. von oben nach unten, wobei das Ventil 98 und im
Falle der Mischung des Rücklaufs mit nicht vorbehandeltem Frischöl vor der Erhitzung
auch das Ventil ioi geschlossen bleibt. Nach Durchwanderung der im heißesten Teile
der Kammer 5 liegenden Rohre 6 fließt das Öl durch ein mit dem Ventil 93 ausgerüstetes
Rohr in die untersten Rohre der Heizschlange 6. Es strömt durch diese Rohre unter
dem Druck, der zur Spaltung notwendig ist, nach oben und tritt durch ein mit dem
Ventil 96 versehenes Verbindungsrohr und durch das Rohr 8 in die Spaltkammer
io ein.
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Das Gemisch von Rücklauf- aus dem Rohr 88 und Frischöl aus dem Rohr
99 kann sich auch bei ioi' vermischen und dann durch die Heizschlange 6 von ganz
unten ganz nach oben fließen, wobei die Ventile gi, 93 und 96 geschlossen bleiben
und in der Schnittzeichnung nicht angedeutete Verbindungsrohre benutzt werden.
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Ein nicht dargestellter Vorratsbehälter für Frischöl steht mit der
Pumpe i o2 durch die Saugleitung 103 in Verbindung. Die Auslaßleitung io4, die einen
Flüssigkeitsmesser io5 enthält, verzweigt sich in ein mit einem Ventil versehenes
Rohr 107, das mit dem zur Heizschlange 6 führenden Rohr 99 in Verbindung
steht und in ein ebenfalls mit einem Ventil versehenes Rohr iog. durch das ein Teil
des Frischöls bei 112 oder 114 in die beiden Dephlegmatoren 24., 44 oder in einen
von ihnen in verschiedenen Höhen verteilt werden kann. Das mit einem Ventil versehene
Rohr i i 9, das an den Behälter 37 angeschlossen ist, dient zur Einführung eines
Teils des Spaltbenzins in einen oder beide der Deplilegmatoren 24., 44, um die Beschaffenheit
und die Temperatur der aus diesen Dephlegmatoren austretenden Spaltdämpfe zu überwachen.
Diese Einführung erfolgt mit
Hilfe der Pumpe 118 durch das mit dem
Flüssigkeitsmesser 122 und dem Ventil 123
ausgerüstete Rohr i24, 125. Nicht
kondensierbare Gase können aus dem Behälter 37 in die Spaltkammer io zurück- oder
auch abgeleitet werden.
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Bei der Durchführung des Verfahrens wird beispielsweise das Frischöl
aus einem Behälter entnommen und durch die Saugleitung 103, Pumpe io2 und
Flüssigkeitsmesser io5 der Anlage zugeführt. Ein Teil des Frischöls wird durch die
Rohre 107, 99 unten in die Heizrohre 6 unter Druck eingeführt, wobei die Ventile
ioo und 98 geschlossen bleiben. Ein anderer Teil des Frischöles wird durch das Rohr
log und die Verteilungsrohre 112, ii4hindurch in den Dephlegmatoren 24,44 den dampfförmigen
Spaltprodukten in gewünschter Höhe entgegengeführt. Das Gemisch' von Frischöl und
den kondensierten Anteilen der Spaltdämpfe (Rücklauf) fließt aus den Dephlegmatoren
durch die Rücklaufrohre 61, 77 unter dem Druck seines eigenen Gewichts oder unter
dem Druck der Pumpen 71, 86 und durch das Rohr 88 und Ventil 91 in die im heißesten
oberen Teil des Ofens i liegenden Rohre der Heizschlange 6, in denen es vorerhitzt
wird. Aus diesen Rohren strömt das Öl durch die mit dem Ventil 93 versehene Leitung
und vermischt sich dann mit dem unbehandelten Frischöl aus dem Rohr 99.
Das
Gemisch von, in den Dephlegmatoren behandeltem Frischöl und Rücklauf einerseits
und unbehandeltem Frischöl andererseits fließt dann durch die Heizrohre 6 aufwärts
im Gegenstrom zu den heißen Verbrennungsgasen und wird dabei auf Spalttemperatur
erhitzt. Das erhitzte Öl strömt bei Spalttemperatur durch das mit dem Ventil 96-versehene
Rohr und Rohr 8 in die Kammer io ein.
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Die Dämpfe aus der Realktions- oder Verdampfungskammer gehen durch
die Rohre 20, 26 in die beispielsweise nebeneinandergeschalteten Dephlegmatoren
24, 444. Die bei der Dephlegmation nicht verdichteten Dämpfe strömen aus den Dephlegmatoren
durch die Rohre 58, 29 in die Kühlschlange 35. Das in dieser Kühlschlange verdichtete
Spaltbenzin fließt in den Behälter 37, aus welchem es nach Abtrennung der nicht
kondensierbaren Gase durch Rohr 41, Flüssigkeitsmesser 42 und Ventil 43 hindurch
entnommen werden kann.
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Das unverdampfte Rückstandsöl in der Kammer io, das suspendierte,
koksähnliche Teilchen enthält, kann beständig durch die Rohre 17 vom Boden und in
verschiedener Höhe aus der Kammer io nach Öffnung der Ventile 18 entnommen werden.
Die Abnahme erfolgt unter dem Druck in dieser Kammer io. Je nach Ansammlung von
großen Massen von Koksteilchen am Boden erfolgt die Entnahme stufenweise von einem
höheren Rohr 17 aus.
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In dem ganzen System kann der gleiche Druck aufrechterhalten werden,
doch wird die Anwendung verschiedener, an den zahlreich vorgesehenen Druckmessern
ablesbarer Drucke in verschiedenen Teilen der Apparatur vorgezogen. Beispielsweise
herrscht in den Heizrohren 6 ein Druck von ungefähr 4oAtm., je nach Einstellung
der Ventile i i, 12, während in der Spalt- oder Verdampfungskammer io, je nach Einstellung
des Ventils 22, ein Druck von 25 Atm. herrscht. Die Dephlegmatoren 24, 44 können
unter einem Druck von ungefähr 17 Atm. stehen, und der Behälter 37 bzw. die Kühlschlange
35 kann bei geeigneter Einstellung der Ventile 33, 40 unter einem Druck von ungefähr
8Atm. stehen.
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Beispielsweise sei angeführt, das bei einem in der ganzen Apparatur
gleichen Druck von 17 Atm. und ständiger Entnahme des flüssigen Rückstands aus der
Kammer io folgende Ergebnisse erzielt wurden: Das behandelte Frischöl war ein »Mid
Continent Gasöl« vom spezifischen Gewicht o,864, die Betriebsdauer war 85 Stunden.
Verarbeitet wurden 2goo Fässer von je ungefähr iSo 1. Es ergibt dies für einen Arbeitstag
eine Leistung von 82o Fässern.
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Das Spaltbenzin hatte im Durchschnitt ein spezifisches Gewicht von
o,758, seine Menge war 22io Fässer oder 72,2°/o des angewandten Öles. Das entzogene
Rückstandsöl hatte im Durchschnitt ein spezifisches Gewicht von o>952. Das Motorenbenzin,
das aus diesem Spaltbenzin erzeugt wurde, war 56,7°/o der ganzen 29oo Fässer, die
behandelt worden waren. Für jeden Liter dieses Benzins wurde während des Spaltverfahrens
320 1 nicht kondensierbaren Gases erzeugt.
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Die Durchschnittstemperatur im Ofen unmittelbar über dem Röhrensatz
war 871' C, unter dem Röhrensatz war die Temperatur im Durchschnitt 553°, in dem
Übergangsrohr 8 war sie 46o°. Der Dampf hatte beim Verlassen der Kammer io eine
Temperatur von 439° und die Dämpfe, welche die Dephlegmatoren verlassen hatten,
eine Temperatur von :281'. Die Mischung der schweren Dämpfe mit dem Beschickungsöl
hatte eine Durchschnittstemperatur von 4o9° beim Eintritt in die Heizrohre 6.
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Bei einem anderen Betriebsversuche beispielsweise wurde ein Öl (Heizöl)
mit einem spezifischen Gewicht von 0,904 bei einem Druck von ungefähr i2 Atm. 3
Tage lang behandelt; 3050 Fässer von je ungefähr igo 1 Heizöl wurden zu 41,24°/o
in Benzin umgewandelt,
dessen Anfangs- und Endsiedepunkt den Anforderungen
der amerikanischen Flottenbehörden entsprach. Die Menge des Spaltbenzins aus diesen
305o Fässern Heizöl betrug 2118 Fässer; sein spezifisches Gewicht war
0,779. Während des dreitätigen Betriebes wurden aus der Kammer 1o 841 Fässer
Rückstandsöl mit einem spezifischen Gewicht von ö,986 mit kohlenstoffhaltigen, in
dem Öl schwebenden Teilchen entnommen.