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Verfahren und Vorrichtung zur fraktionierten Kondensation Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur fraktionierten Kondensation mit-- telis eines
in die Dämpfe, des zu kondensierenden Stoffes eingespritzten Kühlmittels. Ferner
bezieht sich die Erfindung auf Verbesserungen in der Arbeitsweise und Gestaltung
der Vorrichtungen zum aufeinanderfolgen den und plötzlichen Trennen der Erzegunisse
eines solchen Verfahrens mit dem Z;weck, jedes der Produkte in dem Zustande aus
zutragen, in welchem. sie am besten zur sofortigen Verwendung oder weiteren Behandlung
geeignet sind.
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Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit der fraktionierten Kondensation
von Petroleum im kontinuierlichen Betriebe.
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Bekanntlich- kann Petroleum, wenn es auf hohe Temperaturen erhitzt
und verdampft wird, in eine sehr große Anzahl von verschiedenen voneinander unterscheidbaren
Fraktionen unterteilt werden, die durch Kondensation in Flüssigkeiten von voneinander
verschiedenen Eigenschaften und Indextemperaturen übergeführt werden können. In
der Praxis ist die Anzahl solcher Fraktionen begrenzt; jede handelsübliche Fraktion
umfaßt eine Gruppe von möglichen Zwischenfraktionen, d. h. jeide Fraktion könnte
an sich nochmals fraktioniert werden. Es ist also möglich, aus einem heißen Petroleumdampf
ein schweres Handelsprodukt oder Kondensat von hoher Verdampfungstemperatur zu extrahieren,
z. B. Schmieröl, und dann aufeinanderfolgend leichtere Erzeu. gnisse in Abhängigkeit
davon, wie die Temperatur des Restdampfes aufeinanderfolgend verringelrt wird.
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Die Nachteile der bekannten Verfahren der stufenweisen Fraktionierung
waren die Langsamkeit, mit welcher sie durchgeführt werden konnten, und die Verunreinigung
eines
jeden Produktes durch für unvermeidbar gehaltenes Mitnehmen
schwererer Kondensate aus der vorhergehenden Stufe oder Stufen.
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Es ist zwar nicht schwer, das den Ausgangsstoff bildende Petroleum
zu erhitzen. und zu verdampfen, schwierig ist es aber, dann die Temperatur des Dampfes
stufenweise nach Belieben zu erniedrigen. Um dies zu erreichen, ließ man den heißen
Dampf sich in einem begrenzten Raum in senkrechter Richtung nach aufwärts bewegen
und führte in den aufsteigenden Strom eine große Menge eines leichter als die nächstleichteste
Fraktion, die dem Dampfstrom zu entnehmen ist, verdampfbaren Oels.
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Der Wärmeaustausch weiteren kühleren Öls, welches dem aufsteigenden
Dampf Wärme entzieht, verringert dementsprechend die Temperatur des letzteren, während
es selbst verdampft wird. In der Regel entspricht die Menge der zugeführten Flüssigkeit
der des größeren Teils der leichtesten Fraktion, die nach dem Verfahren hergestellt
wird.
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Dieses in den aufsteigenden verdampften Strom eingeführte Öl fällt
innerhalb desselben von Stufe zu Stufe und nimmt hierbei ständig an Dichte zu, wobei
jede höhere Zumischungsstufe ein zusammengesetztes Kondensat ergibt, das seinerseits
als Kondensi erungsmittel in der - nächstniedrigeren Stufe dient. Die Temperaturunterschiede
in den einzelnen Stufen sind gering; es ist daher gewöhnlich erforderlich, mehrere
Stufen zu Gruppen zu vereinigen und das Handelserzeugnis der niedrigsten Stufe einer
jeden Gruppe zu entnehmen. Wie ersichtlich, sind unter solchen Umständen reine Fraktionen
schwer zu erhalten, es wird unnötig viel Arbeit geleistet, Zeit verschwendet, und
es ist insbesondere schwierig, die Arbeitsbedingungen etwaigen Änderungen in der
Qualität oder der Quantität des zufließenden Petroleums anzupassen.
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Dies sind die hauptsächlichsten Nachteile der bekannten Fraktionierverfahren,
die in gleicher Weise auch vorhanden sind, wenn andere Flüssigkeiten als Petroleum
soX fraktioniert kondensiert werden sollen. Weitere Nachteile sind die folgenden:
In dem Bestreben, Ersparnisse zu machen, läßt man üNicheveise die heißen Dämpfe
so schnell als möglich auf steigen. Hieraus ergibt sich ein Mitreißen von Flüssigkeit
von Stufe zu Stufe. Diese Verunreinigungen vermindern den Wert der verschiedenen
Fraktionen und bedingen nachträgliche kostspielige Reinigungsmaßnahmen. Eine Vergrößerung
des Fraktionierapparates, die diesen Übel stand etwas verbessern würde, ergibt wieder
andere Schwierigkeiten und erhöhte Kosten.
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Im Gegensatz zu den bisherigen Arbeitsmethoden ergibt das neue Verfahren
größere Leistungen und läßt viel höhere Dampfgeschwindigkeiten zu, ohne daß die
Gefahr des so nachteiligen Mitreißen besteht Das neue Verfahren besteht grundsätzlich
in einer neuartigen Zusammenführung des lÇiihlmittels mit den fraktioniert zu kondensierenden
Dämpfen, nämlich derart, daß das fein verteilte Kühlmittel in die dem Einspritzraum
tangential, d. h. unter Herbeiführung einer gewissen Wirbelbewegung des aufsteigenden
Stromes zugeführten Dämpfe eingeführt wird. Vorzugsweise erfolgt diese Einführung
des Kühlmittels von innen her im untersten Teil des Einspritzraumes, in den die
Dämpfe an den Seitenwänden tangential einströmen. Zu den einzelnen Stufen wird jeweils
hinreichend Kühlflüssigkeit zugeführt, um die Temperatur des Dampfes so weit herabzusetzen,
als. erforderlich ist, um ein Ölkondensat von den gewünschten Eigenschaften zu erzeugen.
Hierbei erfolgt in den einzelnen Stufen die Zuführung des Kühlmittels mit gleichen
Temperaturen, jedoch in verschiedenen, regelbaren Mengen.
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Die fein verteilte Kühlflüssigkeit verbleibt, geführt durch eine
gelochte Wandung oder einen solchen Mantel und infolge der Wirbelbewegung des Dampfes,
so lange mit diesem in Berührung, bis sie völlig verdampft ist und alsdann sich
mit dem nicht kondensierten Rest des ursprünglichen heißen Dampfes vereinigt und
die Temperatur desselben erreicht haut. Da der Dampf Wärme abgegeben hat, um die
hinztgefüigte Flüssigkeit zu verdampfen,. werden die Komponenten desselben von höherer
Temperatur kondensiert und als Kondensat in Wirbeiströmen aus dem alitlven Teil
des dampfförmigen Strudels herausbefördert. Auf diese Weise wird der Austausch vollendet
und eine Teilfraktion gebildet.
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Natürlich gestattet die Erfindung auch die Verwendung eines flüssigen
Öls, weiches bei einer Temperatur verdampft, die niedriger ist als die Verdampfungstemperatur
des zu erzeugenden-Kondensats. In Ausnutzung des großen Unterschiedes jedoch zwischen
der latenten Wärme von Petro, leumfraktionen und der von Wasserdampf lassen sich
große Ersparnisse machen, wenn als in der neuartigen Weise mit den zu behandelnden
Dämpfen zu mischendes Kühlmittel in jeder Stufe des Verfahrens Wasser verwendet
wird.
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Bekanntlich werden bei Vermischung von Öl mit Wasserdämpfen die Dampfdrücke
herabgesetzt und das Freiwerden der leichteren Dämpfe aus den heißeren Kondensaten
beschleunigt, und das Einspritzen von Wasser ergibt hierbei die Bildung von sehr
vorteilhaft
wirken dem Wasserdampf und eine äußerst innige Vermischung
desselben mit den aufsteigenden Öldämpfen.
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Das neue Verfahren liefert unter Beibehaltung aller Vorteile der
vorbekannten Verfahren unabhängig von zeitlichen Begrenzungen in jeder Stufe als
normales Erzeugnis Fraktionen von gleichbleibender Qualität und hoher Reinheit und
dies dank der obenerwähnten selbsttätigen Einregelung des Kondensierungsmittels
entsprechend den Verdamp fungs temperaturen der Fraktionen.
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Ein. besonderer Vorteil des neuen Verfahrens besteht darin, daß jede
Stufe ein gegebenes Fertigerzeugnis ergibt, unabhängig von dem Verlauf des Verfahrens
in den anderen Stufen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das neue Verfahren
sehr schnell und mittels einer Vorrichtung von geringen baulichen Abmessungen und
geringen Kosten im Vergleich zu den bisherigen Vorrichtungen gleicher Leistung durchführbar
ist.
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Natürlich ist die Wärme, welche entzogen werden muß, um eine gegebene
Menge heißen Öldampfes zu kondensieren, konstant, ganz gleich, welches Agens verwendet
wird, um die Wärme zu entziehen, und es erscheint klar, daß das vorteiilhafteste
Agens für diesen Zweck wegen seiner größeren Latent verglichen mit der niedrigeren
von Öl und insbesondere gegenüber der der leichteren Fraktionen, die gewöhnlich
für diesen Zweck verwendet werden, Wasser ist. Ferner genügen für die erforderlichen
Wassermengen, da dieses ein geringeres Volumen besitzt, engere Leitungen, was in
allen Fraktion ierapparaten sehr vorteilhaft ist.
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Ganz gleich, welches das Kühlmittel ist, sei es Wasser oder Öl, die
zugefügte Wärme wird nicht verschwendet, sondern wie1dergewonnen oder benutzt, indem
sie zur Vorwännung des Rohöls oder des Rücklauföls verwendet wird, bevor das 01
in den Verdampfer oder die Retorte eintritt, durch die es für die Fraktionierung
vorbereitet wird.
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Die Zeichnungen stellen eine beispielsweise Ausführungsform der zur
Durchführung des neuen Verfahrens dienenden Vorrichtung dar, und zwar zeigt Fig..
1 im Aufriß eine Vorrichtung zur fraktionierten Kondensation von Petroleum, wobei
einige Teile weggebrochen sind, um die Bauart im Inneren erkennen zu lassen.
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Fig. 2 ist ein vergrößerter senkrechter Schnitt durch eine der Wärmeaust,
ausch-, Kondensierungs- oder Fraktionierungseit'-heiten gemäß der Erfindung.
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Fig. 3 ist ein Schnitt nach Linie 3-3 der Fig. 2.
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Fig. 4 ist ein Schnitt nach Linie 4-4 der Fig. 2.
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Fig. 5 ist ein vergrößerter Schnitt durch das den Kontakt der beiden
Agenzien erzeugende Element einer jeden Einheit und Fig. 6 eine vergrößerte Teilansicht,
welche veranschaulicht, wie das negative thermostatische Element der letzteren Vorrichtung
nach seiner Einstellung verriegelt wird.
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Wie aus den Zeichnungen ersichtlich, ist die Vorrichtung zur Durchführung
des neuen Verfahrens vom mechanischen Standpunkt eine Wirbelvorrichtung, mittels
welcher heißer Dampf und kondensierende Flüssigkeit einan der entgegengeführt und
durch eine schnelle Wirbelbewegung miteinander vermischt werden. Die hierfür erforderliche
Kraft wird durch die Bewegungsenergie des heißen Dampfes geliefert, und abgesehen
von Regelventilen weist die Vorrichtung keine sich bewegenden oder umlaufenden Teile
auf.
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Die dar, gestellte Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung
des neuen Verfahrens ist die, welche sich als am besten geeignet für die fraktionierte
Kondensation von Petroleum erwiesen hat. Andere Anwendungsmöglichkeiten ergeben
sich für den Fachmann ohne weiteres.
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Fig. 1 zeigt einen Teil eines Röhrendestillierapparates A, durch
welchen das RohpetroLeum oder Anfangspetroleum hindurchgeleitet wird. Die Vorrichtung
wird beheizt und hierdurch die Wärme erzeugt, die erforderlich ist, um das Petroleum
zu verdampfen und den Dampf auf eine Temperatur zu bringen, die etwas höher ist
als die Kondensationstemperatur des schwersten Kondensats oder Erzeugnisses, welches
hergestellt werden soll. Unverdampfte schwere Bestandteile oder Teere werden hierbei
außer acht gelassen. Außer den schweren Bestandteilen enthält der heiße Dampf auch
noch gewisse leichtere Bestandteile, welche charakteristische niedrigere Kondensationstemperaturen
besitzen. Alle diese Bestandteile werden mit der Verringerung der anfänglichen Dampftemperatur
allmählich kondensiert und fraktioniert. Die erforderliche Temperaturverringerung
erfolgt stufenweise, indem durch den heißen Oeldampf seinerseits eine Flüssigkeit
verdampft wird, vorzugsweise Wasser.
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Die so erzeugten Flüssigkeitsdämpfe vermischen sich mit dem ursprünglichen
verdampften Erzeugnis des Destillierapparates A, während der kondensierte ursprüngliche
Dampf abgezogen und als Fraktion ausgetragen wird. Das Kühlen des Dampfes aus dem
Destillierapparat erfolgt in einer Fraktioniersäule oder einem Fraktionierturm,
wie er in der Zeichnung mit B bezeichnet ist. Das Kühlen der heißen Erzeugnisse
dieser Säule B erfolgt in einer vorzugsweise als besonderer Turm ausgebildeten Vorrichtung
C.
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Die Fraktionierkolonne bzw. der Fraktionierturm nach der Erfindung
kann je nach Zweckmäßigkeit unter Druck oder unter Vakuum verwendet werden. Druckunterschiede
spielen bei dem vorlie, enden Verfahren, abgesehen davon, daß sie den schnellen
Aufstieg der Dämpfe sichern, nur eine geringe Rolle. Dieser schnelle Aufstieg wird
durch die beschriebene Kondensierung und die folgende Schwindung des gesamten Dampfvolumens
nach dem oberen Teil der Säule hin gesichert.
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Zweckmäßig erhält die Säule B einen verbreiterten Sockel 2, der eine
geräumige Kammer 3 enthält, auf welche noch zurückgekommen werden wird. Die Säule
selbst umfaßt eine Mehrzahl der eingangs erwähnten Fraktionierungseinheiten 4, die
übereinander in einer Anzahl angeordnet sind, welche der Anzahl der verschiedenen
in der Säule durchzuführenden Operationen entspricht. Jede Einheit ist oben und
unten offen und enthält eine den Kontakt der beiden Agenzien herbeiführende Vorrichtung
5, welche in Fig. 2, 3 und 4 genauer veranschaulicht ist und noch beschrieben werden
wird. Die unterste Einheit 4 ruht auf dem offenen Deckel 2' des Sockels 2 auf, während
die oberste Einheit durch eine Haube 6 verschlossen ist.
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Die heißen Produkte gelangen aus-dem Destillierapparat A durch ein
Rohr 7 zu einer Verteilungskammer 8, falls, wie angenommen wird, mehrere Säulen
Verwendung finden, die alle von einem einzigen DestillierapparatA aus beschickt
werden. Aus der Kammer 8 gelangen die Flüssigkeit und der Dampf durch ein in der
Achse der Kammer 3 umgebogenes und nach unten in den unteren Teil der Entspannungskammer
3 mündendes Rohr g in diese. Die schwersten Bestandteile des Öls werden nicht in
dem Destillier apparats verdampft und gehen auch beim Erreichen der Kammer 3 nicht
in Dampfform über. In vielen Fällen sind diese schweren Endteile Teere, welche,
um reine Teilfraktionen zu erhalten, von dem Dampf getrennt werden müssen, bevor
letzterer in die eigentlichen Fraktioniereinheiten aufsteigen kann.
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Inzwischen können andere schwere Bestanzteile die Kammer 3 in flüssiger
Form erreichen, und es muß ihnen die Möglichkeit gegeben werden, dort zu verdampfen,
jedoch endgültig getrennt von den Teeren. Zu diesem Zweck mündet das abwärts gebogene
Rohr g in den unteren Teil der Kammer 3 und wird zweckmäßig mit einem mit tangential
verlaufenden Blechen ausgerüsteten Verteilungskopf g'versehen, aus welchem die Produkte,
in welchen der Dampf vorherrscht, in Wirbelbewegung in die Kammer eintreten. Es
ist so hinreichend Gelegenheit für das Verdampfen der Ole und für das Nachaußenschleudern
der schweren Teerteilchen innerhalb des Sockels 2 gegeben. In dem Boden des Sockelraumes
sammeln sich die angesammelten Teere in flüssiger Form, wie bei 10 angedeutet. Die
Flüssigkeit wird durch das als sperrbare Rohr 10u entfernt. Die Menge und damit
der Stand des flüssigen Teeres 10 in dem Sockelinneren ist nie groß.
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Die sich ausdehnenden Dämpfe steigen in der Kammer 3 aufwärts. Um
ein Aufwärtsbewegen der Teere aus dem unteren Teil der Kammer 3 zu verhindern, ist
ein konzentrischer Zylinder 11 vorgesehen. Dieser Zylinder II ist unten unterhalb
des Flüssigkeitsniveaus offen, oben ist er durch den Ab-lenkungsring 12 nur teilweise
geschlossen. Die frei werdenden Dämpfe wirbeln aufwärts und nach außen durch die
zentrale Öffnung I3 im oberen Teile des Zylinders 11. Auf diese Weise werden mitgrrissene
Teerteilchen zentrifugal gegen die obere innere Wandung der Kammer 3 geschleudert,
um dann durch den ruhigen ringförmigen Raum 14 hindurch, der den Zylinder ii umgibt,
auf den Boden dieser Kammer hinabzufallen. Auf diese Weise werden die heißen Dämpfe
vollständig gereinigt.
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Aus derEntspannungskammer 5 steigen die gereinigten heißen Dämpfe
der Reihe nach durch die verschiedenen Fraktioniereinhelten 4 hindurch nach oben.
In jeder Einheit wird der heiße Dampf in eine drehende Bewegung versetzt und der
Kühlwirkung einer Flüssigkeit unterworfen, die in sie eingespritzt wird. Die Menge
der Kühiflüssigkeit wird aus noch zu erläuternden Gründen und in einer Weise, die
noch beschrieben werden wird, geregelt. Die Kühlflüssigkeit, zweckmäßig, wie oben
erwähnt, Wasser, wird in einem Bottich 14b oder einem anderen Behälter, der eine
Gleichmäßigkeit ihrer Temperatur gewährleistet, vorbereiitet. Falls erforderlich,
wird sie aus diesem durch eine Pumpe ion entnommen.
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Die Flüssigkeit kann in einem Standrohr 15 gehoben werden, das an
der Seite der Säule B aufärts geht und durch mit Ventilen versehene Speiserohre
I6 mit den einzelnen Einheiten 4 verbunden ist. Die Ventile 1« sin-d für Notfälle
bestimmt. Der jederzeitige Zufluß von Wasser zu jeder Einheit wird getrennt für
sich in einer jeder Einheit 4 zugeordneten Ventilkammer I7 geregelt, deren Bauweise
noch näher erläutert werden wird.
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Für jede Einheit ist das einzige Erfordernis, daß das Volumen des
ihr zugeführten Kühlwassers ausreicht, um den sie passierenden Dampf zu kühlen,
einen bestimmten Teil desselben zu kondensieren und
somit eine Fraktion
von gewünschten Eigenschaften zu erzeugen. Diese Fraktion verläßt die Einheit in
der im folgenden beschriebenen Weise durch ein Rohr I8. Das in dem Ventilkasten
I7 angeordnete Regelventil ist von Hand einstellbar, und seine Stellung in dem Kasten
I7 regelt die Menge des Kühlwassers, welches in jedem Falle in die Einheit eintreten
kann. Dieses Ventil wirkt vferner, wie nachstehend beschrieben werden wird, selbsttätig
und hat einen genügenden Wirkungsbereich, um automatisch Änderungen der Menge und
der Temperatur des aufsteigenden Öldampfes sowie Änderungen der Temperatur der Kühlflüssigkeit
Rechnung tragen zu können.
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Als Hilfsmittel für die bequemere Einsbellung des Kühlwasserventils
von Hand ist ede Einheit mit einem Thermometer versehen. Dieses kann in oder an
dem oberen Teil der Einheit angebracht werden, wie durch die Punkte 19 in Fig. 1
angedeutet.
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Zweckmäßig wird es jedoch in einemTh1ermometerschacht 20 angeordnet,
der in der Abzweigleitung 18 für die entsprechende Fraktion vorgesehen ist. Auf
diese Weise wird die Temperatur der die Einheit verlassenden Dämpfe oder des die
Einheit veriassenden Kondensats als Maßstab für die Einstellung und Regelung des
Zutritts der Kühlflüssigkeit benutzt. Natürlich sind in jedem Falle die Temperatur
des austretenden Dampfes und die Temperatur der Teilfraktion im wesentlichen gleich,
nämlich entsprechend der Temperatur, welche die Eigenschaften der der Einheit entnommenen
Fraktion bestimmt.
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Es ist klar, daß die Menge des Kondensats und das Ausmaß der Kondensation
in jeder Einheit durch den Gesamtumfang der Dampftemperaturverringerung in jeder
Einheit bestimmt wird. Je weiter die Kondensation jeweils getrieben wird, um so
größer ist die Anzahl an verschiedenen Ölkomponeunten, die in der erzeugten Fraktion
vorhandeln sind, und die Temperatur des betreffenden Kondensats ist natürlich ein
Kennzeichen für die vorherrschenden Eigenschaften desselben. Dagegen wird durch
eine nur geringe Verringerung der Dampftemperatur eine vergleichsweise geringere
Kondensats menge erzeugt, die aus weniger voneinander trenn- bzw. fraktionierbaren
Bestandteilen besteht. Da eine beliebige Zahl von Einheiten Verwendung finden kann,
ist dadurch die Möglichkeit gegeben, einen einzigen Strom heißen, z. B. Petroletimdampfes
in eine beliebige Zahl voneinander verschiedener Fraktionen von scharf differenziertem
Charalçter zu zerlegen.
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Viele Ausgangsöle weisen voneinander abweichende Zusammensetzungen
auf; die Mengen oder Volumina der Fraktionen sind genau dem Gehalt der Öle an den
entsprechenden Komponenten entsprechend einzustellen. Ferner ist die Beimischung
unerwiinschter Komponenten auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Diese Möglichkeit ist
ein großer Vorteil des neuen Verfahrens, bei welchem Verunreinigungen praktisch
vermieden werden. Ferner ist es von großem Vorteil, daß bei dem neuen Verfahren
im Falle eines Wechsels der Ausgangsöle alle erforderlichen Einstellungen sehr schnell
vorgenommen und alsdann selbsttätig aufrechterhalten werden können.
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Fig. 1 zeigt weitgehend schemiatisiert die verschiedenen mit Ventilen
versehenen Rohre, die zu der Säule gehören. Wird die Vorrichtung in der dargestellten
Weise ausgeführt, so müssen zusätzlich Gerüste vorgesehen werden, von welchen aus
die Bedienung der verschiedenen Ventile erfolgen kann. Anderenfalls müßten die verschiedenen
Einlaß- und Auslaßrohre, Ventile und Thermometer nach unten hin verlegt oder auf
einem Kontrollbrett angebracht werden, wo sie leicht zu erreichen sind.
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Während an sich gemäß der Erfindung das Kondensat aus einer oberen
Einheit als Kühlmittel in einer unteren Einheit benutzt werden könnte, wird vorzugsweise
jeder bestimmte Teil der Dampfsäule, als ganzes betrachtet, der Einwirkung frischen
Kühlmittels ausgesetzt. Ferner erfolgt auch eine praktisch vollständige Verdampfung
der zugeführten Flüssigkeit in jeder Stufe; hierdurch werden die sonst eintretenden
Verunreinigungen der Fraktionen vermieden.
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Am oberen Ende der Säule können ein Sicherheitsventil 21, ferner
ein Endkondensator 22 und Vorrichtungen 23 zum Abzug nicht kondensierbarer Gase
vorgesehen werden.
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Die nach der Abbildung an der Seite der Fraktioniersäule B angeordnete
Säule C erhält das Rohöl durch die Leitung 24 und enthält eine Mehrzahl von Rohrschlangen
25, die mit Rohren 18 zum Abzug der Fraktionen verbunden sind. Hierdurch wird die
Wärme der Fraktionen dem Rohöl mitgeteilt, wenn letzteres zum Destillierapparat
X einströmt.
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Die gekühlten Fraktionen werden durch Rohrschlangenverbindungen 25
entnommen, während das durch den Wärmeinhalt der Fraktionen erhitzte Rohöl aus dem
untersten Teil der Säule z. B. durch eine Pumpe 26 entnormen wird, die den Destillierapparat
21 speist.
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Nachdem nunmehr der Zusammenhang und die allgemeine Konstruktion,
Verwendung und Arbeitsweise der Fraktioniersäule B klargestellt ist, werden an Hand
der Fig. 2
bis 6 der Zeichnungen die wichtigen Einzelheiten einer
der Einheiten 4 erläutert werden. -Alle Einheiten sind von gleicher Bauart und Arbeitsweise.
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Da es sich um die Behandlung sehr leicht entflaminbarer Dämpfe handelt,
muß die Einheizt 4 als ganzes in jeder Beziehung zuverlässig sein. Aus diesem Grund
wird die Verwendung von Gußteilen nach Möglichkeit vermieden und jede Einheit zweckmäßig
aus geschmiedetem Metall hergestellt, erforderlichenfalis durch autogene Schweißung.
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Am oberen und am unteren Teil der Einheizt 4 sind passende Flansche
4' vorgesehen, um die anstoßenden Einheiten bequem mit einander verbinden zu können.
Anstatt diese Verbindung mittels Bolzen vorzunehmen, können die-vollständigen Einheiten
miteinander an ihren Enden verschweißt werden, da keine Einheit irgendeinen Teil
enthält, welcher der Reparatur bedarf. Alle kritischen Verbindungsstellen sind von
außen sichtbar und für eine etwaige Reparatur leicht zugänglich.
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Die die Wirbelung oder Zentrifugalbewegung herbeiführende Vorrichtung
5, welche als Düse bezeichnet werden kann, besteht zweckmäßig aus dünnem Blech.
Sie ist also von geringem Gewicht, besitzt zylindrische Form und weist ringsherum
eine Anzahl von tangentialen, dicht einander benachbarten gleichgerichteten -Lamellen
Sa auf.
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Die Düse 5 ist oben bei 5b offen, während ihr Boden durch eine kegelförmige
Scheibe 5c +2erschlossen ist, die mit einem zentralen Flüssigkeitseinlaß 5c' versehen
ist Der Teil Se ist eine Scheibe unterhalb des Bodenteils 5c und schützt den letzteren
gegen das unmittelbare Auftreffen des heißen Dampfes.
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Der Teil 5 wird von einem Flansch 5f und einer zylindrischen Wandung
5g getragen, welch letztere in einem geringen Abstand von der inneren Wandung des
Säulenkörepers und in weiterer Entfernung von dem - Außenumfang des die Lamellen
tragenden Teils 5 liegt. Die Wandung Sg ist durch einen Ringteil 5i an der Wandung
des Säulenkörpers befestigt.
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Ein wahlweise anzuordnender Teil ist das umgekehrte schüsselförmige
Element 5, welches bis nahe zum Boden des Raumes 5i reicht. Dieses ist oben mit
einer öffnung bk versehen, die zweckmäßig von einer abwärts gebogenen und einen
Druck ausübenden Lippe 5' begrenzt wird, Der Teil 5i wird von dem Teil 5g mittels
Querzapfen 5m getragen.
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Der Raum n innerhalb des Teiles 5i bildet eine Trennzone, und der
Raum oberhalb des Teiles bildet eine weitere Trennzone 5p.
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Der senkrecht verlaufende Mantel des Teiles 5i teilt den ringförmigen
Raum 5j in zwei Teile, von denen der eine dazu dient, das Kondensat der Zone 5n
abzuleiten, während der andere Teil die Zone 5p bedient. Es ist ferner notwendig,
einen Flüssigkeitsverschluß vorzusehen, der den geringen Druckunterschied zwischen
dem inneren und dem äußeren Abzugsraum ansgleicht. Die Fraktionsabführungsleitung
I8 führt von dem Kondensatsammelraum 5i nach außen.
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Das Flüssigkeitszufuhrrohr 16 und der schon erwähnte Ventilkasten
I7 sind in Fig. I veranschaulicht, Der Ventilkasten 17 besit verhältnismäßig großen
Durchmesser und enthält einen Ventilsitz 17', ebenfalls von großem Durchmesser,
durch welchen die Flüssigkeit von dem Rohr I6 in den Kasten I7 fließt.
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Die Flüssigkeit, welche in den Kasten I7 eintritt, fließt in den
Körper 5, durch die Rohre 16,,, 161 und einen an dem Boden 5c in der Öffnung 5 befestigten
senkrechten Leitungsteil 16c, Der Teil so ist ein Zerstäuber, der im Abstand-von
dem Bodenteil 5,, angeordnet ist und durch den dargestellten mittleren Pfosten getragen
wird. Der Teil 5r ist-ein der Wirbelung entgegenwirkender, ebenfalls von dem Pfosten
getragener Konus.
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Mit dem Ventilsitz 17' arbeitet eine gleich große Ventilscheibe 17"
zusammen, die auf einem Ventilschaft 27 sitzt, der sich durch das geschlossene Ende
des Kastens hindurch und quer über den oberen Teil der Einheit hin erstreckt. Der
Ventilschaft ist von seinem entgegengesetzten Ende aus einstellbar, das aus der
entgegengesetzten Seite der Einheit austritt. Die Ventilstange besteht aus einem
Metall von sehr niedrigem Ausdehnungskoeffizienten, und zwar zweckmäßig aus der
unter dem Namen Invar. bekannten Eisen-Nickel-Legierung. Der Körpers der Einheit
dehnt sich unter dem Einfluß der Wärme aus, und der demgegenüber sich verhältnismäßig
nicht ausdehnende Ventilschaft wirkt infolgedessen so, daß er das Ventil I7" gegenüber
seinem Sitz 17' bewegt. Dieses Ventil ist während des Betriebes stets offen, und
wegen des großen Durchmessers seines Sitzes und der Ventilscheibe bewirkt schon
eine sehr geringe durch diese thermostatische Steuerung bewirkte Bewegung eine entsprechende
Änderung der Menge der aus dem Rohr 16 ausfließenden Kühlflüssigkeit.
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Zwischen den Kasten 17 und das Innere der Einheit ist zweckmäßig
eine Stopfbüchse 28 eingeschaltet und auch auf der entgegengesetzten Seite der Einheit
eine Stopibüchse 29 vorgesehen. Jenseits der letzteren ist der Ventilschaft 27 mit
Gewinde versehen, sein äußeres Ende -ist als Vierkant ausgebildet, um ihn mittels
eines Schraubenschlüssels oder Handrades betätigen zu können. Der
Etentilschaft
muß eingestellt werden,-nach--dem Dampf in die Säule eingelassen worden ist, und
zwar unter gleichzeitiger Ablesung des obenerwähnten Thermometers.
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Durch die in dieser Weise erfolgende Handeinstellung wird die in
die Einheit ein tretende Flüssigkeitsmenge so eingestellt, daß eine Fraktion von
gewünschter Temperatur und Qualität erzeugt wird. Nach dieser Einstellung arbeitet
das thermostatische Ventil selbsttätig und hält die Fraktion in bezug auf ihre erwähnten
- Eigenschaften konstant.
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Der Ventilschaft wird durch den feststehenden, mit entsprechendem
Gewinde versehenen Teil 30 gehalten und nach der Einstellung in diesem verriegelt.
Wie aus Fig 6 ersichtlich, ist der Teil 30 gespalten und kann mittels eines Klemmholzens
3I auf den Gewindeteil des Ventilschaftes aufgedrückt werden.
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Während des Betriebes steigt der heiße Dampf durch den ringförmigen
Kanal 32, der die Düse 5 umgibt, aufwärts und gelangt durch die zahlreichen tangentialen
Düsenöffnungen, welche von den vielen Lamellen Sa gebildet werden, in den Körper
5. Durch die richtende Einwirkung der letzteren wirbelt der Dampf kräftig innerhalb
des Körpers 5 herum und bildet den obenerwähnten Dampfwirbel. Gleichzeitig tritt
Flüssigkeit aus dem Rohr I6 unterhalb der Spritzvorrichtung 5q aus und in flachem
Strahl quer durch den Bodenteil 5 nach außen.
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Bekanntlich sucht die Oberflächenspannung einer eine solche dünne
Schicht bildenden Flüssigkeit, insbesondere wenn diese Schicht zerstört wird, sie
in viele tropfenartige Teilchen zu trennen. Diese Erscheinung tritt auf dem Bodenteil
5c auf, mit dem Ergebnis, daß die zerteilte Flüssigkeit von dem herumwirbeln, den
Dampf erfaßt und fast augenblicklich in noch viel feinere Tröpfchen oder Teilchen
zerteilt wird. Die so feinst verteilte Flüssigkeit nimmt dann weiterhin an der Wirbelbewegung
des Dampfes teil. Infolge dieser Wirbelbewegung und der erzeugten Zentrifugalkräfte
verbleiben die Flüssigkeitsteilchen in äußeren Teil der Düse und bewegen sich mit
dem Dampf spiralförmig aufwärts. Auf diese Weise wird ständig eine verhältnismäßig
dicke, von Blasen durchsetzte Trennschicht von herumwi rbelnden Flüssigkeitsteilchen
aufrechterhalten, durch welche der Dampf hindurchgehen muß, um den mittleren Teil
des Körpers 5 zu erreichen. Hierdurch wird eine ständige sehr innige Berührung zwischen
Dampf und Flüssigkeit gesichert und im Ergebnis die zugeführte Flüssigkeit ununterbrochen
oder fortlaufend durch die von dem heißen Dampf aufgenommene Wärme verdampft. Umgekehrt
senkt die Verd1ampfung dieser Flüssigkeit die Temperatur des heißen Dampfes und
bildet somit ein Ölkondensat, welches im wesentlichen -dieselbe Temperatur besitzt
wie der gekühlte (austretende) Restdampf.
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Das durch die Abkühlung des Öl dampfes gebildete Ölkondenslat besitzt,
wenn es in den Körper 5 eintritt, die Gestalt feiner Teilchen, die an der gleichen
wirbelnden und spiralförmigen Bewegung teilnehmen, wie oben bei Beschreibung der
Wirkung der zerteilten Kühlflüssigkeit erläutert wurde. Sofort und fortschreitend
werden die Kondensatteildien gegen den ungelochten Rand 5" des Körpers geschleudert,
hier verdichtet und wirbelnd aus dem oberen Teil der Düse ausgeworfen, um in den
Sammelräumen 5, und 5p aufgefangen zu werden. Gleichzeitig strömt der nicht kondensierte
Dampf (von verringerter Temperatur) aufwärts bis zur nächsten Kondensations- und
Trenneinheit. Wie erläutert, werden die Kondensate in den ringförmigen Sammelraum
5} abgezogen und durch die Fraktionsabführungsleitung 81 ausgetragen.
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Damit ist der Austauschvorgang vollendet.
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Während dieser ganzen Zeit strömen die nicht kondensierten oder restlichen
heißen Dämpfe durch den oberen Teil der Einheit und erwärmen diesen in entsprechender
Weise, wobei sich diese Erhitzung den Temperaturschwankungen dieser Dämpfe anpaßt,
d. h. ihr Maß ändert sich mit jeder Änderung der Dampftemperatur. Solche änderungen
können durch Änderungen der Menge oder der Temperatur des in den Körper 5 eintretenden
Dampfes und durch Änderungen der Menge des aus dem Rohr I6 zutretenden Kiiblwassers
bewirkt werden und, wie bereits erwähnt, ergibt schon eine sehr geringe Ausdehnung
oder Zusammenziehung des die Einheit bildenden Körpers ein Öffnen oder Schließen
des erwähnten Ventils in dem Grade, wie es erforderlich ist, um die Temperatur des
bereffenden Franktion konstant zu halten. Dieser hier mit Bezug auf eine Einheit
der aus einer Mehrzahl solcher zusammengesetzten Säule beschriebene Vorgang vollzieht
sich in jeder Einheit der Säule lediglich mit dem entsprechenden Unterschied der
Temperaturen. Auf diese Weise kann dem Dampf irgendeiner aus einer Mehrzahl von
Bestandteilen zusammengesetzten oder fraktionierbaren Flüssigkeit jedes gewünschte
Kondensat bzw. jede gewünschte Fraktion entnommen werden. Ein typisches Beispiel
einer solchen Flüssigkeit ist Petro, leum.
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Aus 5 icherheits- und Zweckmäßigkeitsgründen gibt man der Einheit
4 eine zylindrische Form; vorzugsweise besitzen ferner alle Einheiten gleiche Querschnittsfläche.
Der
Rauminhalt wird berechnet durch Multiplizieren des inneren Querschnittes
von zweckmäßig etwa 0,1 um mit dem Wege des aufsteigenden Dampfes in der Zeiteinheit.
Beispielsweise kann jede Einheit 4 einen inneren Durchmesser von annähernd 35 cm
und eine Höhe von 60 cm haben. Hieraus können die Abmessungen aller anderen Teile
bequem ermittelt werden. Die Menge des bewegten Dampfes kann 30 bis 85 cbm/min betragen.
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Im Gegensatz hierzu sei darauf hingewiesen, daß in den zur Zeit bekannten
Fraktioniertürmen die Geschwindigkeit des zu fraktionierendeii Dampfes selten größer
ist als go m/min. Hierbei werden die Produkte infolge Mitreißens gefährdet. Beim
Erfindungsgegenstand ist eine schnelle Bewegung der Dämpfe günstig, und infolge
-der geringen Anzahl der erforderlichen Einheiten wird eine hohe Geschwindigkeit
möglich, ohne daß ein Mitreißen stattfindet und ohne daß ein nachteiliger Druckabfall
zwischen der Säule 21 und dem oberen Teil der neuen Säule B stattfindet. Wie ersichtlich,
ist diese Säule für die Erzeugung einer gleichen Anzahl von Teilfraktionen viel
kleiner als die derzeitigen Fraktionierungstürme von gleicher Leistung. Ferner können
diese Säulen in Mehrfachanordnung Verwendung finden, und es werden sehr wenige gebraucht,
um bei einer viel weniger Aufmerksamkeit erfordernden Wartung die gleiche und bessere
Arbeit zu leisten als die bisher üblichen Türme.
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Wenn im obigen davon die Rede ist, daß gewisse Abmessungen sich als
zweckmäßig erweisen, so soll dadurch keineswegs eine Begrenzung der Erfindung ausgesprochen
werden, denn die zur Durchführung des neuen Verfahrens dienende Vorrichtung kann
in den verschiedensten Größen ausgeführt werden.
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Infolge der geringen Größe der Säule und der genauen Temperaturregelung
in jedem ihrer Arbeitsstufen kann die Säule ohne Isoleerung arbeiten. Trotzdem ist
in Fig. I eine solche Isolierung durch punktierte Linien angedeutet.
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Schließlich ist noch darauf hinzuweisen, daß die Vervollkommnung
der Arbeitsweise so weit geht, daß der Öl dampf vollkommen kondensiert und in verschiedene
Fraktionen unterteilt werden kann, so daß schließlich nur Wasserdampf übrigbleibt,
Ider im oberen Teil der Säule endgültig kondensiert oder sonstwie behandelt bzw.
abgeführt werden muß. Daher bietet die Erfindung zum ersten Male die Möglichkeit,
solchen Wasserdampf innerhalb der Säule zu kondensieren. Man kann daher auch die
Destilliersäule und die Fraktioniersäule unter höheren als der bisher üblichen Drücken
betreiben und den übrigbleibenden Wasserdampf in irgendeiner Weise ebenso wie den
in einet DaJnpfkessel hergestellten Dampf ausnutzen, beispielsweise in einer Dampfmaschine
oder einer Dampfturbine. Vielfache Verwendung wird auch solcher Dampf bei der Ölraffinierung
u. dgl. finden können, und es wird so möglich, die Wärmebilanz des Gesamtbetriebes
zu verbessern. Wo Wasserdampf an sich erzeugt und unter Druck verwendet wird, wird
zweckmäßig der Abdampf verwendet, um das RohöL für die Destilliersäule zu erhitzen.
Bei einer solchen Arbeitsweise spielen der Destillierapparat und die Fraktioniersäule
zusammen die Rolle eines Ofens unter einem gemeinsamen Kessel. Die Wärme wird hierbei
auf das Speisewasser in vorteilhafterer Weise übertragen, und es ergeben sich ein
hoher Wirkungsgrad der Dampferzeugung und gleichzeitig bessere Ölkondensate oder
Teilfraktionen. Ob sich die Temperaturen und Drücke bis zu den für das Kracken von
Petroleum erforderlichen steigern lassen, ist noch nicht abschließend geprüft.
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PATNTANSPRÜCHE : 1. Verfahren zur fraktionierten Kondensation mittels
s eines in die Dämpfe des zu kondensierenden Stoffes eingespritzten Kühlmittels,
dadurch gekennzeichnet, daß. das fein verteilte Kühlmittel, z. B. Wasser, in die
dem Einspritzraum rn tangential zugeführten Dämpfe des zu kondensierenden Stoffes
eingespritzt wird.