EP2838649A1 - Extraktion von pflanzenöl in einer konvergent-divergenten düse - Google Patents
Extraktion von pflanzenöl in einer konvergent-divergenten düseInfo
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- EP2838649A1 EP2838649A1 EP13722977.9A EP13722977A EP2838649A1 EP 2838649 A1 EP2838649 A1 EP 2838649A1 EP 13722977 A EP13722977 A EP 13722977A EP 2838649 A1 EP2838649 A1 EP 2838649A1
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- C12M47/06—Hydrolysis; Cell lysis; Extraction of intracellular or cell wall material
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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- B01D11/02—Solvent extraction of solids
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- B01D11/0257—Fluidised bed of solid materials using mixing mechanisms, e.g. stirrers, jets
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C11B—PRODUCING, e.g. BY PRESSING RAW MATERIALS OR BY EXTRACTION FROM WASTE MATERIALS, REFINING OR PRESERVING FATS, FATTY SUBSTANCES, e.g. LANOLIN, FATTY OILS OR WAXES; ESSENTIAL OILS; PERFUMES
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P30/00—Technologies relating to oil refining and petrochemical industry
- Y02P30/20—Technologies relating to oil refining and petrochemical industry using bio-feedstock
Definitions
- the system also includes a supply device for supplying the liquid mixture, and a discharge device for discharging the liquid mixture.
- Fluid guiding device comprises at least one convergent divergent nozzle region, wherein in the convergent-divergent
- At least two tangential enemas are provided.
- a convergent divergent nozzle portion for disrupting cellular membranes of a liquid mixture comprising a carrier liquid and oily ones
- Mixture 14 can be introduced into the fluid guiding device in such a way that a circular flow can be generated in front of the nozzle region 22, ie, a rotational flow relative to the flow direction 16.
- a circular flow can be generated in front of the nozzle region 22, ie, a rotational flow relative to the flow direction 16.
- three tangentially arranged insertion openings may be provided, which are arranged offset, for example, in approximately 120 ° to each other.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Extraktion von Ölen zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen für Fahrzeugkraftstoffe aus Pflanzenteilen. Um für ein wirtschaftliches Kraftstoffproduktionsverfahren aus Pflanzenmaterial eine Extraktion von Ölen mit möglichst geringem Aufwand zur Verfügung zu stellen, weist ein System (10) eine Fluidführungsvorrichtung (12) zum Durchströmen mit einem flüssigen Gemisch (14) auf, das ölhaltige Pflanzenteile und eine Trägerflüssigkeit aufweist; wobei die ölhaltigen Pflanzenteile zelluläre Membranen aufweisen, die Bereiche mit Öl umschließen. Außerdem ist eine Zuführungsvorrichtung (18) zum Zuführen des flüssigen Gemischs vorgesehen und eine Ableitungsvorrichtung (20) zum Ableiten des flüssigen Gemischs. Die Fluidführungsvorrichtung weist wenigstens einen konvergent-divergenten Düsenbereich (22) auf, wobei in dem konvergent-divergenten Düsenbereich in dem flüssigen Gemisch derart starke Scherkraftgradienten erzeugbar sind, dass die zelluläre Membran aufbricht und das Öl freigesetzt ist.
Description
EXTRAKTION VON PFLANZENÖL IN EINER KONVERGENT-DIVERGENTEN DÜSE
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Extraktion von Ölen zur
Gewinnung von Kohlenwasserstoffen für Fahrzeugkraftstoffe aus
Pflanzenmaterial, ein Verfahren zur Extraktion von Ölen zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen für Fahrzeugkraftstoffe, sowie die Verwendung eines konvergent-divergenten Düsenbereichs zum Aufbrechen von zellulären
Membranen eines flüssigen Gemischs.
Um Kraftstoffe aus nachwachsendem Pflanzenmaterial zu gewinnen, werden die in dem Pflanzenmaterial enthaltenen Öle zur Weiterverarbeitung extrahiert. Dabei kommen als Pflanzenmaterial beispielsweise auf dem Land anbaubare Pflanzen, z.B. Raps, zur Anwendung. Außerdem können z.B. auch Algen verwendet werden, bei denen sich die Kohlenwasserstoffe aus Algenöl gewinnen lassen, das in den Pflanzen enthalten ist. Öl, beispielsweise aus Algen, kann grundsätzlich durch Pressen abgetrennt werden, was jedoch aufgrund der vergleichsweise stabilen zellulären Membranen, die das Öl von anderen Bereichen abschirmen, einen hohen Aufwand erfordert. Da manche der in Frage kommenden Algen auch eine relativ hohe chemische Stabilität der zellulären Membranen aufweisen, kommen andere bekannte Extraktionsmittel, wie z.B. Benzol, Hexan oder andere, zwar in Frage, sind jedoch auch mit einem relativ hohen Aufwand verbunden.
Es besteht daher ein Bedarf, eine Möglichkeit der Extraktion von Ölen aus
Pflanzen material mit möglichst geringem Aufwand zur Verfügung zu stellen, um ein wirtschaftliches Kraftstoffproduktionsverfahren aus Pflanzenmaterial realisieren zu können.
Bestätigungskopiel
Diese Aufgabe wird durch ein System zur Extraktion von Ölen zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen für Fahrzeugkraftstoffe, ein Verfahren zur Extraktion von Ölen zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen für Fahrzeugkraftstoffe, und die Verwendung eines konvergent-divergenten Düsenbereichs zum Aufbrechen von zellulären Membranen eines flüssigen Gemischs nach einem der unabhängigen Ansprüche erreicht. Beispielhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein System zur Extraktion von Ölen zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen für Fahrzeugkraftstoffe vorgesehen. Das System weist eine Fluidführungsvorrichtung zum Durchströmen mit einem flüssigen Gemisch auf, wobei das Gemisch ölhaltige Pflanzenteile und eine Trägerflüssigkeit aufweist. Die ölhaltigen Pflanzenteile weisen zelluläre
Membranen auf, die Bereiche mit Öl umschließen. Das System weist außerdem eine Zuführungsvorrichtung zum Zuführen des flüssigen Gemischs auf, und eine Ableitungsvorrichtung zum Ableiten des flüssigen Gemischs. Die
Fluidführungsvorrichtung weist erfindungsgemäß wenigstens einen konvergentdivergenten Düsenbereich auf, wobei in dem konvergent-divergenten
Düsenbereich in dem flüssigen Gemisch derart starke Scherkraftgradienten erzeugbar sind, dass die zelluläre Membran aufbricht und das Öl freigesetzt ist.
Der erforderliche Scherkraftgradient ist abhängig von den aufzutrennenden Pflanzenteilen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der konvergent-divergente Düsenbereich wenigstens eines der beiden folgenden Kriterien auf:
- eine Konvergenz von ca. 5° bis 45° bezogen auf die mittlere
Strömungsrichtung; und
- eine Divergenz von ca. 5° bis 45° bezogen auf die mittlere Strömungsrichtung.
Beispielsweise ist eine Divergenz von 10° bis 30° und eine Konvergenz von 10° bis 30° vorgesehen. Divergenz und Konvergenz können gleiche Maße aufweisen oder auch unterschiedliche Verhältnisse bzw. Maße.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist in dem Bereich der
Querschnittsverengung des konvergent-divergenten Düsenbereichs ein dreidimensionales Strömungsfeld erzeugbar.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in dem Bereich der Querschnittsverengung des konvergent-divergenten Düsenbereichs eine Überlagerung einer zirkulären Strömung mit einer linearen Strömung erzeugbar.
Die zirkuläre Strömung wird auch als Drallströmung bezeichnet.
Als Überlagerung für wenigstens einen ersten Teilstrom des flüssigen Gemischs ist eine zirkuläre Strömung erzeugbar, und für wenigstens einen zweiten Teilstrom des flüssigen Gemischs ist eine lineare Strömung erzeugbar.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Zuführungsvorrichtung vor dem konvergent-divergenten Düsenbereich derart angepasst, dass das flüssige Gemisch eine lineare Strömung aufweist, und die Verengung des konvergentdivergenten Düsenbereichs bewirkt
i) für wenigstens einen ersten Teilstrom des flüssigen Gemischs eine zirkuläre Strömung; und
ii) für wenigsten einen zweiten Teilstrom des flüssigen Gemischs eine lineare Strömung.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Fluidführungsvorrichtung stromaufwärts des konvergent-divergenten Düsenbereichs als
Zuführungsvorrichtung wenigstens eine tangential angeordnete primäre
Einbringöffnung auf, mit der das flüssige Gemisch derart in der
Fluidführungsvorrichtung einbringbar ist, dass vor dem Düsenbereich eine zirkuläre Strömung erzeugbar ist.
Beispielsweise sind mindestens zwei tangentiale Einläufe vorgesehen.
Die Zuführungsvorrichtung kann drei tangential angeordnete Eindringöffnungen aufweisen, die in Bezug auf eine Ebene senkrecht zur Fließrichtung ca. 120° zueinander versetzt angeordnet sind. Die Fließrichtung bezeichnet dabei nicht die Richtung der tatsächlichen Strömung, sondern vielmehr die übergeordnete Fließrichtung des Gemischs als Ganzes.
Die Einbringöffnungen können dabei an einer Ebene angeordnet sein. Es können selbstverständlich auch mehr als drei Einbringöffnungen vorgesehen sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist im Bereich der
Querschnittsverengung des konvergent-divergenten Düsenbereichs wenigstens eine sekundäre Einbringöffnung zum Einbringen eines sekundären Fluids vorgesehen, wobei das sekundäre Fluid mit einem sekundären Druck eingebracht wird, der größer als ein primärer Einbringdruck des flüssigen Gemischs im Bereich der Zuführöffnung ist.
Beispielsweise sind zwei tangentiale sekundäre Einbringöffnungen vorgesehen. In einem anderen Beispiel sind drei, in Bezug auf eine Ebene senkrecht zur
Fließrichtung ca. 120° zueinander versetzt angeordnete sekundäre
Einbringöffnungen vorgesehen.
Das sekundäre Fluid kann ein Gas sein, z.B. Luft. Das sekundäre Fluid kann aber auch wenigstens eine Komponente des flüssigen Gemischs aufweisen, z.B.
Wasser. Das sekundäre Fluid kann auch das flüssige Gemisch selbst aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist zum Einbringen des sekundären Fluids eine selbstansaugende Wasserstrahlpumpe vorgesehen.
Zum Einbringen des sekundären Fluids kann eine zusätzlich erzwungene
Gaseinbringung vorgesehen sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Rückführungsvorrichtung vorgesehen, mit der das flüssige Gemisch der Zuführungsvorrichtung zuführbar ist. Damit lassen sich beispielsweise mehrere Durchläufe erreichen, um somit die Effizienz, bzw. die Ausbeute zu erhöhen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Extraktion von Ölen zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen für Fahrzeugkraftstoffe
vorgesehen, das die folgenden Schritte aufweist:
a) Führen eines flüssigen Gemischs von ölhaltigen Pflanzenteilen und einer Trägerflüssigkeit; wobei die ölhaltigen Pflanzenteile zelluläre Membranen aufweisen, die Bereiche mit Öl umschließen; und
b) Durchströmen eines konvergent-divergenten Düsenbereichs, wobei in dem konvergent-divergenten Düsenbereich in dem flüssige Gemisch derart starke Scherkraftgradienten erzeugt werden, dass die zelluläre Membran aufgebrochen wird und das Öl freigesetzt wird.
Die Geschwindigkeit benachbarter Strömungsbereiche beträgt beispielsweise ca. 10 bis 200 m/s, z.B. 20 bis 150 m/s, oder ca. 50 m/s. In der Vordüse wird beispielsweise ein Druck von ca. 10 bis 500 Bar aufgebracht, z.B. 50 bis 150 Bar.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens sind die Pflanzenteile Algen, und die Trägerflüssigkeit ist Wasser.
Die Scherkraftgradienten rufen eine mechanische Wechselwirkung mit der zellulären Membran hervor, wobei die Scherkraftgradienten in der Lage sind, auch stabile zelluläre Membranen zu zerstören und das Pflanzenöl, z.B. Algenöl, in der wässrigen Lösung zu isolieren. Das flüssige Gemisch ist beispielsweise eine verdünnte Algenlösung, wobei der Begriff„verdünnt" eine Lösung bezeichnet mit 10 bis 80 Masse-% an Algen im Verhältnis zu Wasser.
Das flüssige Gemisch kann beispielsweise vorbehandelt werden, und die zellulären Membranen, d.h. die Zellwände, zu schwächen, z.B. mit Enzymen. Als Vorbehandlung kommen auch andere Verfahren in Frage, wie beispielsweise Heißdampf-/Heißgasbehandlungen oder Chemikalien bzw. Lösungsmittel. Mit der Vorbehandlung wird die Proteinhülle geschwächt, bzw. aufgebrochen, um die eingeschlossenen Öle leichter freisetzen zu können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird in Schritt b) in dem Bereich der
Querschnittsverengung des konvergent-divergenten Düsenbereichs ein
dreidimensionales Strömungsfeld erzeugt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird in Schritt b) im Bereich der Querschnittsverengung des konvergent-divergenten Düsenbereichs eine zirkuläre Strömung des flüssigen Gemischs mit einer linearen Strömung des flüssigen Gemischs überlagert.
Beispielsweise wird das flüssige Gemisch im Bereich der Querschnittsverengung des konvergent-divergenten Düsenbereichs in eine zusätzliche zirkuläre Strömung versetzt.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass unterschiedlich stark strömende Bereiche der Flüssigkeit miteinander in Kontakt treten, sodass es an dem Bereich der Kontaktfläche aufgrund der unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zur Erzeugung entsprechend hoher Scherkraftgradienten kommt, die dann dazu führen, dass die Zellmembranen geschwächt bzw. aufgebrochen werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird durch das Durchströmen des konvergent-divergenten Düsenbereichs ein Öl-Wasser-Biomassen-Gemisch erzeugt, und in einem weiteren Schritt c) erfolgt ein Separieren des Öls und des Wassers für weitere Aufbereitungsschritte zur Herstellung von Kraftstoff für Fahrzeuge.
Das Separieren erfolgt z.B. durch i) Filtration, ii) Phasentrennung, iii) Anwendung von Tensiden, und/oder iv) Trenndüsenverfahren.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist die Verwendung eines konvergentdivergenten Düsenbereichs zum Aufbrechen von zellulären Membranen eines flüssigen Gemischs vorgesehen, das eine Trägerflüssigkeit und ölhaltige
Pflanzenteile aufweist, welche zelluläre Membranen aufweisen, die Bereiche mit Öl umschließen.
Beispielsweise wird der konvergent-divergenten Düsenbereich verwendet, um Algenöl zu extrahieren, bzw. freizulegen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden ausreichend starke Scherkraftgradienten dadurch erzeugt, dass die Flüssigkeit, in der die
Pflanzenteile, z.B. Algen, enthalten sind, deren mechanisch stabile zelluläre Membranen das Öl umschließen (welche ja aufgebrochen werden sollen), konvergent-divergente Düsenbereiche durchströmen. Beispielsweise durch Kopplung von linearer und zirkularer Strömung werden unterschiedliche
Strömungsgeschwindigkeiten, bzw. Strömungsrichtungen, und damit in Relation zueinander unterschiedlich starke Strömungsvektoren erzeugt, die dann die entsprechenden Scherkraftgradienten hervorrufen, und die Membranen zerstören können. Die zirkuläre Strömungskomponente ist beispielsweise realisierbar durch tangentiale Einbringung des primären Fluids mittels einer oder mehrerer
Zufuhrstellen. Wenn mehrere Durchläufe des Fluids vorgesehen werden, lässt sich die Ausbeute erhöhen. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kräfte, die erforderlich sind, um die zellulären Membranen aufzubrechen, innerhalb der Flüssigkeit selbst erzeugt werden, und nicht primär durch das Aufbringen einer äußeren Kraft, wie dies z.B. beim Pressen der Fall wäre. Die Verwendung eines Gemischs mit Wasser bietet den Vorteil, dass die Pflanzenteile, z.B. Algen, damit durch übliche Pumpvorrichtungen auf entsprechende Drücke, bzw.
Geschwindigkeiten in der Zufuhrvorrichtung gebracht werden können, um die unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zu realisieren. Außerdem dient das Wasser auch dazu, die freigesetzten Öle besser separieren zu können.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Merkmale der Ausführungsbeispiele und Aspekte der Vorrichtungen bzw. des Systems auch für Ausführungsformen des Verfahrens sowie Verwendung der Vorrichtung gelten und umgekehrt. Außerdem können auch diejenigen Merkmale frei miteinander kombiniert werden, bei denen dies nicht explizit erwähnt ist.
Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines
Systems zur Extraktion von Ölen zur Gewinnung von
Kohlenwasserstoffen für Fahrzeugkraftstoffe gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems;
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems;
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems;
Fig. 5 Verfahrensschritte eines beispielhaften Verfahrens zur Extraktion von
Ölen zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen für Fahrzeugkraftstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Verfahrens.
Fig. 1 zeigt ein System 10 zur Extraktion von Ölen zur Gewinnung von
Kohlenwasserstoffen für Fahrzeugkraftstoffe. Das System 10 weist eine
Fluidführungsvorrichtung 12 auf zum Durchströmen mit einem flüssigen Gemisch 14, das ölhaltige Pflanzenteile und eine Trägerflüssigkeit aufweist, wobei die ölhaltigen Pflanzenteile zelluläre Membranen aufweisen, die Bereiche mit Öl umschließen. Ein Pfeil 16 deutet die Durchströmungsrichtung an. Außerdem weist das System 10 eine Zuführungsvorrichtung 18 zum Zuführen des flüssigen Gemischs auf. Es sei darauf hingewiesen, dass die Zuführungsvorrichtung 18 beispielsweise eine stirnseitige Öffnung der Fluidführungsvorrichtung 12 sein kann, und beispielsweise mit einer nicht gezeigten Fördervorrichtung, bzw.
Pumpvorrichtung in Verbindung stehen kann. Außerdem weist das System 10 eine Ableitungsvorrichtung 20 zum Ableiten des flüssigen Gemischs auf. Bei der Ableitungsvorrichtung 20 handelt es sich beispielsweise um eine
gegenüberliegende stirnseitige zweite Öffnung der Fluidführungsvorrichtung,
wobei die Ableitungsvorrichtung 20 mit einem Auffangbehälter in Verbindung stehen kann, oder auch mit einer in saugender Funktion tätigen Pumpvorrichtung.
Die Fluidführungsvorrichtung 12 weist wenigstens einen konvergent-divergenten Düsenbereich 22 auf, wobei in dem konvergent-divergenten Düsenbereich in dem flüssigen Gemisch 14 derart starke Scherkraftgradienten erzeugbar sind, dass die zelluläre Membran aufbricht und das Öl freigesetzt ist.
Beispielsweise ist eine Konvergenz von ca. 5° bis 45° vorgesehen, wobei sich die Gradangabe auf eine mittlere Strömungsrichtung bezieht. Außerdem ist eine Divergenz von ca. 5° bis 45° bezogen auf die mittlere Strömungsrichtung vorgesehen.
Gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Divergenz von maximal 30° und eine Konvergenz von ebenfalls maximal 30° vorgesehen.
Der konvergent-divergente Düsenbereich weist einen Bereich der maximalen Querschnittsverengung 24 auf, in welchem ein dreidimensionales Strömungsfeld erzeugbar ist. Beispielsweise erfolgt in diesem Bereich eine Überlagerung einer zirkulären Strömung mit einer linearen Strömung.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, weist die Fluidführungsvorrichtung 12 stromaufwärts des konvergent-divergenten Düsenbereichs 22 als Zuführungsvorrichtung wenigstens eine tangential angeordnete primäre Einbringöffnung 26 auf, z.B. zwei
Einbringöffnungen 26. Mittels der Einbringöffnungen 26 ist das flüssige
Gemisch 14 derart in die Fluidführungsvorrichtung einbringbar, dass vor dem Düsenbereich 22 eine zirkuläre Strömung erzeugbar ist, d.h. eine bezogen auf die Strömungsrichtung 16 um diese rotierende Strömung.
Beispielsweise können drei tangential angeordnete Einbringöffnungen vorgesehen sein, die z.B. in ca. 120° zueinander versetzt angeordnet sind. Die
Einbringöffnungen können dabei alle in einer Ebene angeordnet sein. Es können aber auch mehr als drei Einbringöffnungen vorgesehen sein.
Wie in Fig. 3 gezeigt, ist gemäß einem weiteren Beispiel im Bereich der
Querschnittsverengung 24 des konvergent-divergenten Düsenbereichs 22 wenigstens eine sekundäre Einbringöffnung 28 vorgesehen, zum Einbringen eines sekundären Fluids. Das sekundäre Fluid wird in einer sekundären
Einbringrichtung 30 mit einem sekundären Druck P2 eingebracht, der größer als ein primärer Einbringdruck P1 des flüssigen Gemischs im Bereich der sekundären Einbringöffnung 28 ist.
Beispielsweise können drei sekundäre Einbringöffnungen gleichmäßig verteilt angeordnet sein, was mit einer weiteren, in gestrichelten Linien dargestellten Einbringöffnung 32 angedeutet ist.
Das Einbringen des sekundären Fluids führt dazu, dass in diesem Bereich verschiedene Strömungsrichtungen in dem flüssigen Gemisch 14 erzeugt werden, das beispielsweise im Bereich vor der Verengung 24 als lineare Strömung, angedeutet mit Pfeilen 34 vorliegt, oder auch in einer zirkulären Strömung (nicht näher gezeigt).
Beispielsweise ist das sekundäre Fluid ein Gas, z.B. Luft. Das sekundäre Fluid kann in einem weiteren Beispiel auch als eine Komponente des flüssigen
Gemischs 14 vorgesehen sein, z.B. Wasser.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird als sekundäres Fluid das flüssige Gemisch 14 eingesetzt.
Zum Einbringen des sekundären Fluids ist eine Pumpvorrichtung 36 vorgesehen, bei der es sich beispielsweise um eine selbstansaugende Wasserstrahlpumpe handeln kann, oder eine andere separat angetriebene Pumpvorrichtung.
Wie bereits oberhalb erwähnt, ist selbstverständlich für das Einbringen des flüssigen Gemischs in die Fluidführungsvorrichtung 12 ebenfalls eine
entsprechende Pumpvorrichtung vorgesehen, die in den Figuren jedoch nicht näher gezeigt ist.
Gemäß dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine
Rückführungsvorrichtung 38 vorgesehen, mit der das flüssige Gemisch der Zuführungsvorrichtung zugeführt werden kann.
Darüber hinaus ist in Fig. 4 in einer schematischen Übersicht auch noch
dargestellt, das in der Rückführungsvorrichtung 38 eine weitere
Pumpvorrichtung 40 vorgesehen sein kann, um das flüssige Gemisch 14 wieder in den Bereich stromaufwärts der konvergent-divergenten Düsen 22 zu befördern, und dort mit dem entsprechenden Druck einzubringen.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Rückführungsvorrichtung 38 auch mit anderen Merkmalen kombiniert werden kann, bzw. auch ohne die anderen in Fig. 4 gezeigten Merkmale vorgesehen ist, beispielsweise mittels einer
Rückführung in einen Lagerbehälter in einem Bereich oberhalb einer primären Pumpvorrichtung, so dass nur eine Pumpvorrichtung vorgesehen sein muss, beispielsweise eine zentrale Pumpe, mit welcher das flüssige Gemisch 14 in den konvergent-divergenten Düsenbereich 22 mit entsprechendem Druck geleitet wird, um dort durch entsprechende unterschiedliche Strömungen die erforderlichen Scherkraftgradienten zu erzeugen.
Beispielsweise kann die primäre oder zentrale Pumpvorrichtung auch dazu verwendet werden, das flüssige Gemisch 14 als das sekundäre Fluid in der sekundären Einbringöffnung 28 einzubringen, wobei entsprechende
Leitungsquerschnitte, bzw. Aufweitungen und Drosselvorrichtungen für die unterschiedlichen Druckverhältnisse sorgen können, wenn nur eine
Pumpvorrichtung verwendet werden soll.
In Fig. 4 ist beispielsweise eine Lagervorrichtung 42 gezeigt, die mit einer ersten Pumpvorrichtung 44 in Verbindung steht, welche das flüssige Gemisch 14 von der Lagervorrichtung 42 in die Zuführungsvorrichtung 18 und damit in die
Fluidführungsvorrichtung 12 einbringt. Eine sekundäre Pumpvorrichtung 46 steht ebenfalls mit der Lagervorrichtung 42 in Verbindung und sorgt dafür, dass im Bereich der sekundären Einbringöffnung 28 das sekundäre Fluid zu einer zusätzlichen Verwirbelung, bzw. unterschiedlichen Strömungsrichtungen im Bereich der konvergent-divergenten Düse 22 führt. Im Anschluss an den konvergent-divergenten Düsenbereich 22 ist die Ableitungsvorrichtung 20 in Form einer Verteileinrichtung vorgesehen, die einerseits über eine Verbindung 48 mit einem Auffangbehälter 50 in Verbindung steht, und andererseits auch mit der Rückführungsvorrichtung 38 verbunden ist, die zu der bereits erwähnten
Pumpvorrichtung 40 führt, mit der flüssiges Gemisch 14 wieder zurück in den Bereich oberhalb, bzw. stromaufwärts, des konvergent-divergenten
Düsenbereichs 22 geführt wird.
Mit einer gestrichelten Linie 52 ist angedeutet, dass eine oder mehrere zusätzliche sekundäre Einbringöffnungen 28 vorgesehen sein können.
Es sei darauf hingewiesen, dass beispielsweise die Lagervorrichtung 42 und die Auffangvorrichtung, bzw. der Auffangbehälter 50 auch ohne die
Rückführungsvorrichtung 38, oder auch ohne die zusätzliche sekundäre
Einbringöffnung 28 vorgesehen sein können.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die sekundäre Einbringöffnung 28 mit der Zuführungsvorrichtung 18 im Bereich oberhalb, bzw. stromaufwärts des konvergent-divergenten Düsenbereichs 22 verbunden, und über eine
Pumpvorrichtung, oder entsprechende Leitungsquerschnitte wird der
entsprechende unterschiedliche Druck erzeugt.
Fig. 5 zeigt ein Verfahren 100 zur Extraktion von Ölen zur Gewinnung von
Kohlenwasserstoffen für Fahrzeugkraftstoffe. In einem ersten Schritt 110 wird ein flüssiges Gemisch von ölhaltigen Pflanzenteilen und einer Trägerflüssigkeit geführt, wobei die ölhaltigen Pflanzenteile zelluläre Membranen aufweisen, die Bereiche mit Öl umschließen. In einem zweiten Schritt 112 durchströmt das flüssige Gemisch einen konvergent-divergenten Düsenbereich, wobei in dem konvergent-divergenten Düsenbereich in dem flüssigen Gemisch derart starke Scherkraftgradienten erzeugt werden, dass die zelluläre Membran aufgebrochen wird und das Öl freigesetzt wird. Der erste Schritt erfolgt beispielsweise unter einem ersten Druck, der dazu führt, dass in dem konvergent-divergenten
Düsenbereich ein dreidimensionales Strömungsfeld erzeugt wird.
Der erste Schritt 110 wird auch als Schritt a) bezeichnet, und der zweite Schritt 112 auch als Schritt b).
Aufgrund des konvergent-divergenten Düsenbereichs kommt es in dem flüssigen Gemisch zu unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten benachbarter Strömungsbereiche, die beispielsweise eine relative Differenz von 10 bis 200 m/s aufweisen, z.B. ca. 20 bis 150 m/s, oder beispielsweise 50 m/s als ungefähren Wert. Dazu wird in der Vordüse für den Schritt a) beispielsweise ein Druck von ca.
10 bis 500 Bar aufgebracht. Beispielsweise werden 50 bis 150 Bar Druck aufgebaut, um das flüssige Gemisch zu führen in Richtung des konvergentdivergenten Düsenbereichs.
Beispielsweise werden als flüssiges Gemisch Algen für die Pflanzenteile eingesetzt und als Trägerflüssigkeit Wasser. Die Scherkraftgradienten rufen dabei einen mechanischen Wechsel mit der zellulären Membran hervor, wobei die Scherkraftgradienten in der Lage sind, auch stabile zelluläre Membranen zu zerstören, wie beispielsweise bei Algen, um z.B. Algenöl in der wässrigen Lösung zu isolieren.
Das flüssige Gemisch kommt beispielsweise als eine verdünnte Algenlösung zur Anwendung, womit eine Lösung bezeichnet wird, die einen Masseprozentanteil von 10 bis 80 % Algen im Verhältnis zu Wasser aufweist.
Das flüssige Gemisch kann in einem vorbereitenden Schritt auch vorbehandelt werden, um die zellulären Membrane zu schwächen, oder zumindest teilweise auch schon aufzubrechen, was bereits oberhalb erwähnt worden ist.
In dem Bereich der Querschnittsverengung des konvergent-divergenten
Düsenbereichs wird eine zirkuläre Strömung des flüssigen Gemischs mit einer linearen Strömung des flüssigen Gemischs überlagert. Beispielsweise wird das flüssige Gemisch im Bereich der Querschnittsverengung in eine zusätzliche zirkuläre Strömung versetzt.
In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem mittels des Durchströmens des konvergent-divergenten Düsenbereichs ein Öl-Wasser- Biomassen-Gemisch erzeugt wird, und bei dem in einem weiteren Schritt c), d.h. in einem dritten Schritt 114 ein Separieren des Öls und des Wassers erfolgt für
weitere Aufbereitungsschritte, die schematisch mit einem Pfeil 116 angedeutet sind, zur Herstellung von Kraftstoffen für Fahrzeuge.
Das Separieren erfolgt beispielsweise durch Filtration oder Phasentrennung, darüber hinaus können auch Tenside zur Anwendung kommen oder das sogenannte Trenndüsenverfahren.
Beispielsweise kann das entstehende Öl-Wasser-Biomassen-Gemisch in einem Auffangbehälter aufgefangen werden, sodass es dort im Zuge der
abschwächenden Verwirbelungen zu einem sukzessiven Absetzen von Öl und Wasser kommt. Anschließend kann mittels eines Öl/Wasser-Abscheidevorgangs eine Separation des Öls vorgenommen werden.
Darüber hinaus ist es auch möglich eine Emulsion des Öls in Wasser, d.h.
emulgiertes Öl, mittels Tensiden dazu zu bringen, dass sich das Öl auf der Oberfläche abscheidet, und so ebenfalls separiert werden kann.
Die oberhalb beschriebenen Ausführungsbeispiele können in unterschiedlicher Art und Weise kombiniert werden. Insbesondere können auch Aspekte des
Verfahrens für Ausführungsformen der Vorrichtungen sowie Verwendung der Vorrichtungen verwendet werden und umgekehrt.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass„umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele und Aspekte beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer, oben beschriebener Ausführungsbeispiele und Aspekte verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Claims
1 . System (10) zur Extraktion von Ölen zur Gewinnung von
Kohlenwasserstoffen für Fahrzeugkraftstoffe, aufweisend:
eine Fluidführungsvorrichtung (12) zum Durchströmen mit einem flüssigen Gemisch (14), das ölhaltige Pflanzenteile und eine Trägerflüssigkeit aufweist; wobei die ölhaltigen Pflanzenteile zelluläre Membranen aufweisen, die Bereiche mit Öl umschließen; sowie
einer Zuführungsvorrichtung (18) zum Zuführen des flüssigen Gemischs; und
einer Ableitungsvorrichtung (20) zum Ableiten des flüssigen Gemischs; wobei die Fluidführungsvorrichtung wenigstens einen konvergentdivergenten Düsenbereich (22) aufweist; und wobei in dem konvergentdivergenten Düsenbereich in dem flüssigen Gemisch derart starke
Scherkraftgradienten erzeugbar sind, dass die zelluläre Membran aufbricht und das Öl freigesetzt ist.
2. System nach Anspruch 1 , wobei der konvergent-divergente Düsenbereich wenigstens eines der beiden folgenden Kriterien aufweist:
eine Konvergenz von ca. 5° bis 45° bezogen auf die mittlere
Strömungsrichtung; und
eine Divergenz von ca. 5° bis 45° bezogen auf die mittlere
Strömungsrichtung.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei in dem Bereich der
Querschnittsverengung des konvergent-divergenten Düsenbereichs ein
dreidimensionales Strömungsfeld erzeugbar ist.
4. System nach Anspruch 3, wobei in dem Bereich der Querschnittsverengung des konvergent-divergenten Düsenbereichs eine Überlagerung einer zirkulären Strömung mit einer linearen Strömung erzeugbar ist.
5. System nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Zuführungsvorrichtung vor dem konvergent-divergenten Düsenbereich derart angepasst ist, dass das flüssige Gemisch eine lineare Strömung aufweist; und
wobei die Verengung des konvergent-divergenten Düsenbereichs:
i) für wenigstens einen ersten Teilstrom des flüssigen Gemischs eine zirkuläre Strömung bewirkt; und
ii) für wenigstens einen zweiten Teilstrom des flüssigen Gemischs eine lineare Strömung bewirkt.
6. System nach Anspruch 1 , 2, 3, 4 oder 5, wobei die Fluidführungsvorrichtung stromaufwärts des konvergent-divergenten Düsenbereichs als
Zuführungsvorrichtung wenigstens eine tangential angeordnete primäre
Einbringöffnung (26) aufweist, mit der das flüssige Gemisch derart in die
Fluidführungsvorrichtung einbringbar ist, dass vor dem Düsenbereich eine zirkuläre Strömung erzeugbar ist.
7. System nach Anspruch 1 , 2, 3, 4, 5 oder 6, wobei im Bereich der
Querschnittsverengung des konvergent-divergenten Düsenbereichs wenigstens eine sekundäre Einbringöffnung (28) zum Einbringen eines sekundären Fluids vorgesehen ist;
wobei das sekundäre Fluid mit einem sekundären Druck (P2) eingebracht wird, der größer als ein primärer Einbringdruck (P1 ) des flüssigen Gemischs im Bereich der sekundären Einbringöffnung ist.
8. System nach Anspruch 7, wobei zum Einbringen des sekundären Fluids eine selbstansaugende Wasserstrahlpumpe vorgesehen ist.
9. System nach einem der Ansprüche 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, wobei eine Rückführungsvorrichtung (38) vorgesehen ist, mit der das flüssige Gemisch der Zuführungsvorrichtung zuführbar ist.
10. Verfahren (100) zur Extraktion von Ölen zur Gewinnung von
Kohlenwasserstoffen für Fahrzeugkraftstoffe, aufweisend die folgenden Schritte: a) Führen (110) eines flüssigen Gemischs von ölhaltigen Pflanzenteilen und einer Trägerflüssigkeit; wobei die ölhaltigen Pflanzenteile zelluläre Membranen aufweisen, die Bereiche mit Öl umschließen; und
b) Durchströmen (112) eines konvergent-divergenten Düsenbereichs; wobei in dem konvergent-divergenten Düsenbereich in dem flüssigen Gemisch derart starke Scherkraftgradienten erzeugt werden, dass die zellulären Membranen aufgebrochen werden und das Öl freigesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Pflanzenteile Algen sind, und die Trägerflüssigkeit Wasser ist.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , wobei in Schritt b) in dem Bereich der Querschnittsverengung des konvergent-divergenten Düsenbereichs ein
dreidimensionales Strömungsfeld erzeugt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, wobei in Schritt b) im Bereich der Querschnittsverengung des konvergent-divergenten Düsenbereichs eine zirkuläre Strömung des flüssigen Gemischs mit einer linearen Strömung des flüssigen Gemischs überlagert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 10, 11 , 12 oder 13, wobei durch das
Durchströmen des konvergent-divergenten Düsenbereichs ein Öl-Wasser- Biomassengemisch erzeugt wird; und
wobei in einem weiteren Schritt c) ein Separieren (114) des Öls und des Wassers erfolgt für weitere Aufbereitungsschritte (116) zur Herstellung von Kraftstoff für Fahrzeuge.
15. Verwendung eines konvergent-divergenten Düsenbereichs zum Aufbrechen von zellulären Membranen eines flüssigen Gemischs, das eine Trägerflüssigkeit und ölhaltige Pflanzenteile aufweist, welche zelluläre Membranen aufweisen, die Bereiche mit Öl umschließen.
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|---|---|---|---|
| DE102012007499A DE102012007499A1 (de) | 2012-04-17 | 2012-04-17 | Extraktion von pflanzenöl in einer konvergent-divergenten düse |
| PCT/DE2013/000182 WO2013156014A1 (de) | 2012-04-17 | 2013-04-09 | Extraktion von pflanzenöl in einer konvergent-divergenten düse |
Publications (1)
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|---|---|
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|---|---|
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Citations (1)
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| US20110095225A1 (en) * | 2009-04-20 | 2011-04-28 | Origin Oil, Inc. | Systems, apparatuses, and methods for extracting non-polar lipids from an aqueous algae slurry and lipids produced therefrom |
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2013
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- 2013-04-09 WO PCT/DE2013/000182 patent/WO2013156014A1/de not_active Ceased
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