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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine
Additivzusammensetzung, die in einem thermischen Umwandlungsvorgang
in Petroleumanlagen verwendet werden soll, wobei man von einem Einsatzmaterial
ausgeht, das aus einem Rückstand
von Rohpetroleum mit einem hohen Anteil an Paraffinkomponenten gebildet
ist.
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In
Petroleumanlagen werden thermische Umwandlungsprozesse verwendet,
um die größten Kohlenwasserstoffmoleküle, insbesondere
Kohlenwasserstoffe mit einer Siedetemperatur, die 350°C übersteigt,
in kleinere Kohlenwasserstoffmoleküle mit einem niedrigeren Siedepunkt
zu spalten. Die Umwandlungsprozesse überführen die in der Erdölraftinationsindustrie
erhaltenen schweren Rückstände in mittlere
oder leichte Produkte, welche besser verkäuflich sind.
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Der
Umwandlungsvorgang kann eine Vielfalt von unterschiedlichen Technologien
einsetzen, welche unter einer Reihe von technischen Namen wie Viskositätsbrechen
(Visbreaking), Cracken auf Koks (Coking), Hydrocracken, thermisches
Cracken bekannt sind.
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Insbesondere
das Viskositätsbrechen
(VSB) hat in Europa und anderen Industrieländern eine gewisse Bedeutung
erlangt aufgrund der Schrumpfung des Heizölmarktes und der Zunahme des
Verbrauchs von mittleren Destillaten, insbesondere Benzin für Kraftfahrzeuge.
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Die
VSB-Anlage besteht im Wesentlichen aus den folgenden Teilen: eine
Folge von Austauschern, in welche das zugeführte Einsatzmaterial zum Zweck
einer anfänglichen
Vorheizung eintritt, gefolgt von einem Ofen, in welchem das thermische
Cracken stattfindet, dann einer Fraktioniersäule, aus deren Sumpf der Rückstand
(Teer, TAR) fließt,
welcher durch die Austauscher geleitet wird, wo er einen Teil seiner
Wärme an
das Einsatzmaterial abgibt. Es ist auch möglich, einen "Soaker" zwischen dem Ofen
und der Fraktioniersäule
vorzusehen.
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Die
Betriebsbedingungen einer thermischen Crackanlage dieser Art sind
im Wesentlichen die folgenden: ein Einsatzmaterial, das aus einem
Rückstand
einer primären
Destillation oder einer Vakuumdestillation gebildet ist, wird in
den Ofen eingebracht, welcher bei einer Temperatur von 420–500°C (in Gegenwart
oder in Abwesenheit eines "Soakers") bei einem Druck
zwischen 3 und 20 bar betrieben wird.
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Das
auf diese Weise behandelte Einsatzmaterial geht dann zu einer Fraktioniersäule, aus
der leichte Destillate (3 bis ungefähr 10 Gew.-%), Mitteldestillate
(15–20
Gew.-%) und ein Rückstand
(Teer 65–75
Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des ursprünglichen Einsatzmaterials)
erhalten werden.
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Die
Anlage ist derart bemessen, dass eine Beständigkeit bzw. Verweilzeit (permanence)
bei der Cracktemperatur erhalten wird, die ausreicht, um die durch
den Prozess geforderten Umwandlungen zu erzielen.
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Der
Begriff "Umwandlungsausbeute" wird verwendet,
um den Prozentsatz von leichten und mittleren Destillaten (Gas +
Benzin + Gasöl),
bezogen auf das gesamte Einsatzmaterial, anzugeben. Die auf diese
Weise aus der Fraktioniersäule
erhaltenen Produkte werden zu den folgenden Endbestimmungen weitergeleitet:
- a) Gas und Flüssiggas (LPG) werden gewöhnlich in
das Raffinerienetz eingespeist;
- b) Das Benzin (gewöhnlich
mit hoher Oktanzahl) wird in den Benzin-"Pool" zur
Hydrierung und Entschwefelung geschickt;
- c) instabile Gasöle,
welche eine ausgeprägte
Neigung zur Polymerisation aufweisen, werden so weit wie möglich nach
einer angemessenen Hydrierung als Komponenten in den fertigen Gasölen oder
als Verschnittöl
verwendet; und
- d) der Rückstand
(Teer), welcher in größeren Mengen
vorhanden ist, ist aufgrund der Anwesenheit von ungesättigten
Verbindungen und sekundären
Crackprodukten (Koks und Asphaltenen) instabil und wird in Heizöl überführt.
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Das
VSB-Verfahren wird mit dem Ziel betrieben, eine maximale Umwandlung
in mittlere und leichte Destillate zu erhalten, um die Anforderungen
des Marktes zu erfüllen.
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Es
muss darauf hingewiesen werden, dass eine Erhöhung der Umwandlung selbst
um nur 1 % des behandelten Einsatzmaterials im Hinblick auf das
wirtschaftliche Ergebnis als äußerst befriedigend
angesehen werden muss.
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Der
Faktor, welcher das Hervorbringen von hohen Umwandlungsausbeuten
beschränkt,
ist das Erfordernis, einen Rückstand
(Teer) mit einer Qualität
zu erhalten, welche den Spezifikationen entsprechen kann, die von
den Märkten
für das
resultierende Heizöl
festgesetzt werden.
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Die
Qualität
des Teers wird unter Bezugnahme auf Spezifikationen bewertet, die
sich auf die folgenden Parameter beziehen: Stabilität, Prozentsatz
der Asphaltene, Viskosität.
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Wenn
die Cracktemperatur in dem VSB-Prozess erhöht würde, wäre es in der Tat sicher möglich, einen
höheren
Grad der Umwandlung in mittlere und leichte Destillate zu erhalten,
aber dies würde
einen viel instabileren Teer erzeugen, welcher die Zugabe einer
größeren Menge
an Verschnittöl
(im Allgemeinen Gasöl) erfordert,
um ihn in Brennstoff umzuwandeln.
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Die
Stabilität
des Gasöls
und des Teers wird an der Tendenz seiner Polymer- oder Asphaltenkomponenten
gemessen, sich während
eines Zeitraums von den Paraffinkomponenten zu trennen.
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Tatsächlich enthält die Zusammensetzung
dieser Destillationsprodukte ein Paraffin, und folglich einen aliphatischen
Anteil, und ein Asphalten, und folglich einen im Wesentlichen aromatischen
Anteil. Da die Asphaltene per definitionem makromolekulare Aggregate
des naphthenischen Typs mit einem niedrigen Wasserstoffgehalt sind,
welche in N- Hexan,
d.h. in Paraffin unlöslich
sind, ist klar, dass die zwei Arten von Komponenten dazu neigen,
sich während
eines Zeitraums voneinander zu trennen. In dieser Hinsicht stellt
man auch fest, dass das Verhältnis
zwischen dem Paraffinanteil und dem Naphthenanteil eindeutig durch
die Herkunft des in der Anlage behandelten Rohöls beeinflusst wird.
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Außerdem ist
der Prozentsatz von Asphaltenverbindungen ein weiterer Parameter,
welcher geregelt wird, wenn die Qualität des hergestellten Heizöls bestimmt
wird.
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Asphaltene
haben besondere Bedeutung, wenn der Paraffingehalt des Einsatzmaterials
zunimmt. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass das Cracken der
langen Paraffinmoleküle
zu einer nachfolgenden Cyclisierung der gebildeten Radikale und
einer daraus folgenden Erzeugung von Asphaltenen führt. In
der Tat hat sich in der Praxis herausgestellt, dass beim Cracken
von Paraffineinsatzmaterialien Rückstände erhalten
werden, welche einen Prozentsatz von Asphaltenen aufweisen, der
höher ist
als derjenige des ursprünglichen
Einsatzmaterials und der nicht durch den Konzentrationseffekt erklärt wird,
welcher durch die Extraktion der leichten Destillate verursacht
wird.
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Die
Viskosität
ist ein weiterer Parameter, welcher einen direkten Einfluss auf
die Umwandlungsausbeute in der Anlage hat, da eine niedrigere Viskosität in dem
Rückstand
niedrigere Mengen an Verschnittöl zum
Erreichen der vom Handel geforderten Viskositätswerte erfordert.
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Die
Veränderung
der Viskosität
hängt nicht
nur von der Extraktion der leichten Produkte ab, sondern auch von
der Fähigkeit
der während
des Crackens gebildeten Radikale, zu polymerisieren. Diese Fähigkeit
ist umso größer, je
reicher das Einsatzmaterial an Paraffin ist.
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Die
gebildeten Polymere haben einen direkten Einfluss auf die Viskosität, indem
sie sie erhöhen
und es erforderlich machen, eine größere Menge an Verschnittöl zu verwenden,
um die Standards zu erreichen. Dies führt zu einer Verringerung der
Nettoausbeute für
eine äquivalente
Viskosität.
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In
dem italienischen Patent Nr. 1.211.979 des gleichen Anmelders, welches
EP-A-321 424 entspricht, sind ein Verfahren und eine Zusammensetzung
zum Erhöhen
der thermischen Umwandlungsausbeute angegeben, in welchem ein Additiv
auf der Basis von Alkylsuccinimiden auf kontinuierliche Weise während des
Prozesses, insbesondere während
eines VSB-Prozesses zugegeben wird. Die Alkylsuccinimidzusammensetzung kann
außerdem
Antioxidanzien wie Phenole und Amine enthalten. Die Zugabe dieses
Additivs macht es möglich,
die Umwandlungsausbeute entweder in Form einer Zunahme der Mitteldestillatfraktion
oder in Form einer Verbesserung der Qualität des erhaltenen Teers zu erhöhen.
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Der
in dem vorstehend erwähnten
Patent beschriebene Prozess hat gute Ergebnisse für ein Prozesseinsatzmaterial
mit überwiegend
naphthenischen Kohlenwasserstoffen ergeben. Wenn das Einsatzmaterial jedoch überwiegend
paraffinische Kohlenwasserstoffe enthält, ergibt der Prozess gemäß dem italienischen Patent
1,211,979 keine befriedigenden Ergebnisse.
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US-A-4,877,513
beschreibt einen Prozess zum Modifizieren der Eigenschaften von
Schwerölen,
um ihre Viskosität
und relative Dichte zu verringern. Das Verfahren soll das Volumen
von leichten Kohlenwasserstoffen erhöhen, die aus einem Schweröleinsatzmaterial
destilliert werden. Das Öleinsatzmaterial
wird mit organischen Reagenzien vermischt, die eine endständige Hydroxylgruppe
aufweisen, von denen Pyrocatechol namentlich genannt wird.
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Es
wurde nun überraschenderweise
festgestellt und bildet den Gegenstand der vorliegenden Erfindung,
dass eine merkliche Erhöhung
der Ausbeute von Petroleumumwandlungsanlagen, mit spezieller Bezugnahme
auf die Verarbeitung von Rückständen, die
von Rohöl
mit einem hohen Paraffingehalt herrühren, mittels eines Prozesses
erhalten werden kann, in welchem eine Stufe die kontinuierliche
Zugabe eines Additivs vorsieht, das nachstehend in der vorliegenden
Beschreibung definiert wird.
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Die
vorliegende Erfindung stellt deshalb eine befriedigende Ergänzung des
allgemeinen Standes der Technik, wie er in dem vorstehend erwähnten Patent
1,211,979 beschrieben ist, bereit, wobei sie ihn auf den gesamten
Bereich von Rohpetroleumprodukten, sowohl solche, die als paraffinisches
Rohöl definiert
sind, als auch solche, die als naphthenisches Rohöl definiert
sind, ausdehnt.
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Rückstände von
Rohpetroleum mit einem hohen Anteil an Paraffinkomponenten sollen
einen Rückstand
bedeuten, der von Rohöl
herrührt,
das einen niedrigen Schwefelgehalt, der 1 Gew.-% nicht übersteigt, einen
Stockpunkt von nicht weniger als –5°C und ein TBP-Destillationsprodukt,
das 50 Gew.-% bei 350°C
nicht übersteigt,
aufweist. In dieser Hinsicht sollte beachtet werden, dass es nicht
erforderlich ist, dass alle drei vorstehend angegebenen Parameter
die vorgeschriebenen Bedingungen erfüllen, sondern dass es ausreicht, wenn
zwei der Parameter diese Bedingungen erfüllen, damit der Prozess und
das Additiv gemäß der vorliegenden
Erfindung wirksame Ergebnisse liefern.
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Es
ist auch wichtig anzumerken, dass im Fall der vorliegenden Erfindung
als die "Erhöhung der
Ausbeute" sowohl
eine Erhöhung
der Umwandlung von mittleren und leichten Destillaten als auch eine
Verbesserung der Teer-Qualität
angesehen werden kann.
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In
der vorliegenden Erfindung ist es jedoch ratsam, die Teer-Qualität im Hinblick
auf die Stabilität
und den Asphaltengehalt von der Teer-Qualität im Hinblick auf die Viskosität zu unterscheiden.
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In
der Tat hat das Additiv gemäß der vorliegenden
Erfindung bewiesen, dass: a) es bei der gleichen Ofentemperatur
möglich
ist, die Ausbeute aufgrund der Verringerung der Teer-Viskosität zu erhöhen, welche mit
einer Verbesserung der Teer-Qualität im Hinblick auf die Stabilität und den
Asphaltengehalt einhergeht, während
b) es im Anschluss an eine Erhöhung
der Ofentemperatur möglich
ist, eine Erhöhung
der Ausbeute aufgrund der Verringerung der Viskosität herbeizuführen, die
mit einer weiteren Erhöhung
der Umwandlungsausbeute der Mitteldestillate einhergeht.
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Die
kontinuierliche Zugabe des Additivs kann in dem zugeführten Einsatzmaterial
stromaufwärts
von dem Ofen, beim Quenchen, am Boden bzw. Sumpf der Fraktioniersäule oder
am Auslass von dem Boden der Säule
selbst, vorzugsweise an dem Einsatzmaterial stromaufwärts von
dem Ofen erfolgen.
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Vorzugsweise
werden in dem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung Referenzparameter für
die Qualität
des Teers am Auslass von der Fraktioniersäule der thermischen Umwandlungsanlage
bestimmt, um die zu verwendende Menge des Additivs zu bestimmen.
Es erfolgt eine erneute Untersuchung der neuen Referenzparameter
für die
Qualität
des Teers zu dem Zeitpunkt, an dem das System den normalen Betrieb
nach der Einbringung der Menge des Additivs erreicht, und ggf. nach
dem Erhöhen
der Temperatur des Ofens in der thermischen Umwandlungsanlage, bis
die Teer-Qualitäts-Referenzparameter
auf den Ausgangswert zurückkehren,
wenn es das Ziel ist, eine Erhöhung
des Anteils an Mitteldestillat zu erhalten.
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Der
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist deshalb ein Verfahren
zum Erhöhen
der Ausbeute in einem thermischen Umwandlungsvorgang in Petroleumanlagen,
wobei dem thermischen Umwandlungsvorgang ein aus einem Rückstand
einer primären
Destillation oder Vakuumdestillation gebildetes Einsatzmaterial zugeführt wird,
wobei der Rückstand
von einem Rohöl
mit einem hohen Anteil an Paraffinkomponenten herrührt, welches
einen niedrigen Schwefelgehalt, der 1 Gew.-% nicht übersteigt,
und/oder einen Stockpunkt von nicht weniger als –5°C und/oder ein TBP (True Boiling
Point) -Destillationsprodukt, das 50 Gew.-% bei 350°C nicht übersteigt,
aufweist, in welchem es eine kontinuierliche Zugabe eines Additivs
in die Umwandlungsanlage in einem Verhältnis von 100 bis 1000 ppm,
bezogen auf das Einsatzmaterial in der Anlage, gibt, wobei das Additiv
umfasst:
- wenigstens zwei Wirkstoffe jeweils in einem Verhältnis von
5 bis 95 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Additivs, und
- Lösungsmittel
für die
Wirkstoffe,
- wobei einer der Wirkstoffe ein Catecholderivat ist und wenigstens
ein weiterer ausgewählt
ist aus der Gruppe umfassend:
- a) sterisch gehinderte Phenole, und
- b) Bisphenole.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Additiv zur
Verwendung in dem vorstehend beschriebenen Verfahren, wobei das
Additiv die vorstehend angegebene Zusammensetzung aufweist.
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Das
Additiv, das in der vorliegenden Erfindung in Kombination mit Lösungsmitteln
für die
Wirkstoffe verwendet werden soll, ist im Wesentlichen aus wenigstens
zwei aktiven Inhaltsstoffen gebildet. Von diesen aktiven Inhaltsstoffen
sind Catecholderivate bevorzugt. Von den Letzteren werden besonders
4-tert-Butyl-catechol und Pyrocatechin erwähnt.
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Zu
den Inhaltsstoffen vom Phenol-Typ gehören solche, in welchen sich
wenigstens eine tert-Butyl-Substituentengruppe in einer ortho-Stellung
bezogen auf das Hydroxyl in der Phenolgruppe befindet. Von diesen werden
2,6-Di-tert-butyl-phenol, 2,6-Di-tert-butyl-4-methyl-phenol und 2,4-Dimethyl-6-tert-butylphenol
besonders erwähnt.
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Als
Bisphenole, die als aktiver Inhaltsstoff in dem Additiv gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden sollen, können insbesondere 4,4'-Methylen-bis(2,6-di-tertbutylphenol),
4,4'-Thio-bis(6-tert-butyl-m-cresol),
2,2'-Methylen-bis(4-methyl-6-nonylphenol)
und 2,2'-Methylen-bis(4-methyl-6-tert-butylphenol) erwähnt werden.
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Bei
der Wahl der aktiven Inhaltsstoffe, die in dem Additiv verwendet
werden sollen, müssen
Catecholderivate vorhanden sein, während die Phenole und Bisphenole
entweder als Alternative zueinander oder gleichzeitig verwendet
werden können.
Unter dieser Bedingung können
die Anteile bzw. Verhältnisse
der aktiven Inhaltsstoffe, die vorstehend angegeben sind, von beliebiger
Art sein.
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Es
ist auch möglich
Alkylsuccinimide des Typs, welcher in dem im vorstehend erwähnten Patent
Nr. 2,211,979 beschriebenen Verfahren verwendet wird, als einen
weiteren aktiven Inhaltsstoff in dem Additiv zuzugeben. Die Zugabe
der Succinimide ist jedoch für
die Wirkungen der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich. Die vorstehenden
Alkylsuccinimide sind solche mit einem Stickstoffgehalt von 1 bis
8% und einer Gesamtbasenzahl von 20–200 mg/KOH/g, welche ggf.
Atome eines Elements enthalten, das aus der aus Bor und Phosphor
gebildeten Klasse gewählt
wird. Die Alkylsuccinimide können
bis zu einem Verhältnis
von 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Additivs, zugegeben
werden.
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Insbesondere
kann dieses Verhältnis
auf weniger als 5 Gew.-% beschränkt
werden.
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Das
Verhältnis
der Wirkstoffe, bezogen auf das Gesamtgewicht des Additivs, macht
einen Prozentsatz von 5 bis 95 Gew.-% aus, so dass das Verhältnis der
Lösungsmittel
zwischen 95 und 5% liegt.
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Das
Additiv kann ggf. auch Metalldesaktivatoren in einem Gewichtsverhältnis enthalten,
das 5% des Gesamtgewichts der aktiven Inhaltsstoffe in dem Additiv
nicht übersteigt.
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Es
folgen nun einige Beispiele für
experimentelle Tests, die in einer Viskositätsbrechungsanlage durchgeführt werden.
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Das
Additiv einer bekannten Art ist ein Additiv, wie es in dem Patent
Nr. 1,211,979 beschrieben ist, welches als aktive Inhaltsstoffe
Succinimide und phenolische Antioxidanzien in einem Verhältnis von
3:1 umfasst.
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Das
erfindungsgemäße Additiv
umfasst keine Succinimide und enthält als aktive Inhaltsstoffe
sterisch gehinderte Phenole mit tert-Butylgruppen in einer ortho-Stellung,
Catecholderivate und Bisphenole.
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Beispiel 1
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Um
den durch die Wirkung eines Additivs gemäß Patent-Nr. 1,211,979 und
eines Additivs gemäß der vorliegenden
Erfindung hervorgerufenen Effekt mit einer Situation zu vergleichen,
in welcher keine Additive verwendet werden, wurde der Rückstand
von VSB (ANMA Rohöl)
bei 100°C
mit dem Additiv versetzt und in einer Muffel in einem geschlossenen
Behälter
bei 200°C
24 Stunden mit einer Dosis von 150 ppm Additiv aufbewahrt.
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Die
Viskosität
wurde zur Stunde Null (T0) und wieder nach einem Zeitraum von 24
Stunden gemessen, für
eine Probe ohne Additiv (S.A.), unter Verwendung eines Additivs
ge mäß Patent
Nr. 1,221,979 (A.V.) bzw. unter Verwendung eines Additivs gemäß der Erfindung
(A.N.). Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben, wobei die Viskosität in centipoise
angegeben ist. Die Viskosität
wurde gemäß Brookfield
(TL 6-vel.60) bei 100°C
gemessen.
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Wie
man sieht, ergibt der Test ohne Additiv eine erhöhte Viskosität in dem
Rückstand.
Der Test unter Verwendung des bekannten Additivs ergibt eine Erhöhung der
Viskosität,
die sich nicht sehr von der Viskosität ohne Additiv unterscheidet,
während
die Verwendung des Additivs gemäß der Erfindung
eine eindeutige Abnahme der Erhöhung
der Viskosität
ergibt. In diesen Tests wurden die Asphaltene und die Stabilität nicht
analysiert.
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Beispiel 2
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Ein
paraffinreicher Rückstand
wurde in einer Viskositätsbrechungsanlage
mit Soaker behandelt. Das Einsatzmaterial enthielt 85% Paraffinrückstände und
15% Asphaltenrückstände von
einer Vakuumfraktionierkolonne. Ein Vergleichstest wurde in Abwesenheit
von Additiven (B1) und mit der Zugabe eines bekannten Additivs (A.V.)
gemäß dem Patent
1.211.979 durchgeführt.
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Die
Ergebnisse sind in Tabelle 2 nachstehend angegeben.
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Wie
man sieht, weist der Prozentsatz der isoviskosen Ausbeute, d.h.
bei einer äquivalenten
Viskosität des
erzeugten Teers, keinen signifikanten Unterschied auf, wenn das
bekannte Additiv mit einem Paraffinrückstand verwendet wird.
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Beispiel 3
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In
einer Anlage, wie der in Beispiel 2 vorstehend beschriebenen, wird
unter Verwendung des gleichen Einsatzmaterials und mit einer Verweilzeit,
die entsprechend der Menge des Einsatzmaterials je Zeiteinheit ungefähr 20% kürzer ist,
ein Vergleichstest mit einer Probe ohne Additive (B2) und unter
Verwendung eines Additivs gemäß der vorliegenden
Erfindung (A.N.) durchgeführt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 nachstehend gezeigt.
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Wie
man sieht, erhöht
sich in diesem Fall die isoviskose Ausbeute um ungefähr 20%,
bezogen auf den Test, der ohne Additiv durchgeführt wurde (B2).
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Dies
zeigt, dass das erfindungsgemäße Additiv
unter den gleichen Anwendungsbedingungen eine überraschenderweise bessere
Wirkung aufweist, wenn man es mit dem Additiv gemäß Patent
Nr. 1,211,979 im Fall von Paraffineinsatzmaterialien vergleicht.
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Beispiel 4
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Ein
gemischtes Einsatzmaterial aus AMNA-SARIR 60:40 mit einem sehr hohen
Paraffingehalt wurde in einer Viskositätsbrechungsanlage mit Soaker
behandelt. Ein Vergleichstest wurde durchgeführt ohne Additiv (B3) und mit
einem Additiv gemäß der vorliegenden
Erfindung (A.N.). Das Additiv wurde stromaufwärts von dem Crackofen zugegeben.
Die zwei Tests wurden bei der gleichen Ofentemperatur durchgeführt.
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Die
Ergebnisse sind in Tabelle 4 nachstehend gezeigt.
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Die
Ergebnisse der Tests zeigen im Fall der vorliegenden Erfindung eine
Verbesserung der Ausbeute und der Isoviskosität (+1,1 %) aufgrund der Verringerung
der Viskosität
des Rückstands
(–10%)
und gleichzeitig eine Verringerung der Asphaltene (–16,5%)
in dem Rückstand,
was eine Verbesserung der Qualität
des Teers darstellt.