WO2006125422A1 - Verfahren zur verarbeitung einer chemischen substanz - Google Patents

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WO2006125422A1
WO2006125422A1 PCT/DE2006/000882 DE2006000882W WO2006125422A1 WO 2006125422 A1 WO2006125422 A1 WO 2006125422A1 DE 2006000882 W DE2006000882 W DE 2006000882W WO 2006125422 A1 WO2006125422 A1 WO 2006125422A1
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substance
hammer
roller
anvil
mill
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PCT/DE2006/000882
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Inventor
Jörg ARNOLD
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Ip2H Ag
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G15/00—Cracking of hydrocarbon oils by electric means, electromagnetic or mechanical vibrations, by particle radiation or with gases superheated in electric arcs
    • C10G15/08—Cracking of hydrocarbon oils by electric means, electromagnetic or mechanical vibrations, by particle radiation or with gases superheated in electric arcs by electric means or by electromagnetic or mechanical vibrations

Definitions

  • the invention relates to a method for processing a chemical substance, in particular crude oil or distillation residues in crude oil distillation, wherein a cracking or breaking of chemical bonds takes place in molecules, in particular bonds in molecular chains or molecule rings.
  • a method of the type mentioned is, for example, in the context of the processing of crude oil to petroleum products known.
  • chemical bonds are broken or cracked in, for example, distillation residues of the crude oil distillation.
  • the first essential process step is the fractional distillation of the crude oil under atmospheric pressure.
  • the bitumen fraction can be used as road asphalt after further treatment, whereas the heavy oil fraction is distilled again under reduced pressure in the second essential crude oil treatment step. This is also referred to as vacuum distillation.
  • the resulting distillation residue is then catalytically split in the third essential treatment step at high temperature and under high pressure, it is said cracked.
  • the cracked products can be further processed and the remaining residue is, for example, coked.
  • the major disadvantage of the conventional crude oil processing method is that about half of the necessary factory or oil refinery is needed for the second and third processing steps and their subsequent finishing steps, whereas only about 20% of all crude oil products come from this processing branch.
  • this process step consumes significant amounts of energy to maintain the necessary process temperatures and process pressures.
  • the operation of the cracking plant is associated with considerable safety risks. For example. In March 2005, in Texas, USA, a large-scale explosion occurred in this part of the refinery, destroying large parts of the refinery and claiming fifteen lives.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a method of the type mentioned, after which a cost-effective and safe operation is achieved.
  • the above object is achieved by a method having the features of claim 1. Thereafter, the method is configured and further developed such that the splitting or breaking takes place by means of a mechanical treatment.
  • a splitting or breaking can also be carried out by means of a mechanical treatment of the substance.
  • chemical bonds in organic molecules can be treated mechanically such that splitting or breaking of the bonds takes place.
  • chemical bonds of long organic molecular chains or large organic molecule rings can be safely broken by the mechanical action.
  • the method according to the invention for processing a chemical substance specifies a method according to which a less expensive and more reliable treatment of a chemical substance is realized.
  • the invention is based on the idea of mechanically splitting or breaking chemical bonds.
  • organic molecules such as alkanes, cycloalkanes and aromatics and the like
  • the essential skeleton atoms are carbon atoms. These have an average bond spacing of about 1.5 to 2 angstroms. Molecules of the order of 100 molecules therefore form chains or rings in the order of 15 to 20 nanometers. With Nanozerklein ceremoniessclar thus splitting or breaking of chemical bonds is possible.
  • the molecules of the substance could be aligned and / or stretched out.
  • essentially all the molecules of the substance could be suitably aligned and / or stretched out.
  • This could be achieved in particular by liquefying the substance.
  • the substance could be heated or tempered to a suitable temperature.
  • the substance Upon reaching or setting a favorable substance temperature, the substance could be liquefied or viscous in the appropriate manner. Heating or tempering could take place in a suitable container or reservoir. In this case, the viscosity of the substance could be suitably adjusted.
  • the substance could be extruded or passed through at least one nozzle, preferably a very thin nozzle.
  • a nozzle or such nozzle could, for example, be arranged at the bottom of the container, which is used for heating or temperature control of the substance.
  • the substance could be pressed or pulled by means of a worm screw or by means of air pressure or by negative pressure through the nozzle.
  • Such an expansion screw could also be arranged in the container.
  • the cross-striction of the substance, together with the elongation of the substance in the nozzle or in the nozzles, leads to a more or less parallel alignment of the molecular chains or of the now stretched or folded molecule rings.
  • the alignment of molecules of the substance could be fixed.
  • the aligned state could be conserved for further process steps.
  • the substance could be cooled or hardened or frozen.
  • the substance could be cooled down very quickly as soon as it leaves the nozzle and thus become so little viscous that the molecules can hardly reorient themselves. The best way to achieve this is to freeze the sub- shown, since the resulting solid bonds in the cold substance fix the former molecules and allow no reorientation.
  • the substance could be passed through a cooling medium.
  • the substance strand emerging from the nozzle or the nozzles could be passed through a cooling medium.
  • the substance could be passed through liquid nitrogen or through a cold nitrogen gas stream or through a cold noble gas stream or through a cold carbon dioxide gas stream.
  • Such a solid substance strand could now be treated mechanically and crushed, wherein at the break points of the substance strand a part of the local molecules is broken. To obtain the largest possible fraction of broken molecules with a high substance throughput, the breakage could take place at a very high frequency.
  • the mechanical treatment could include chopping with suitable equipment. The chopping could be done by means of knives, which preferably rotate quickly. Specifically, facilities with shearing and fast rotating knives could be used.
  • the mechanical treatment could include milling. Milling could preferably be done by means of a hammer mill, attritor or stamp mill.
  • the use of a hammer mill is particularly advantageous because it is inexpensive and technically simple. The achieved with a hammer mill treatment results are very good.
  • Milling in a hammer mill could be done between an anvil and a hammer striking the anvil.
  • a supercooled or possibly frozen crude oil fraction of bitumen and / or heavy oil could be crushed between an anvil and a hammer in a hitting manner.
  • the anvil could be a fixed sliding surface for the material to be ground or the substance to which the hammer designed as a punch or chisel could strike.
  • a hammer could be hit by a camshaft, by an electromagnet or by hydraulic or pneumatic action periodically on the sliding surface or slideway become.
  • the material to be ground or the substance could be conveyed along the sliding surface or slideway or conveyed under the striking punch or Meisel.
  • hammering could be done at a high frequency.
  • the hammer movement for grinding into grains with particle sizes in the submicron range - nano-milling - could be carried out with an extremely high stroke rate and thus with very high acceleration.
  • the stroke of the hammer movement or the hammer stroke could take place in the micrometer or nanometer range and thus be small.
  • an ultrasonic drive could be used for the hammer.
  • particularly high-frequency hammer movements are possible.
  • kidney stones or gallstones are comminuted by means of ultrasound in medical applications. It is also known that the action of ultrasound on biological tissue can lead to tearing of the tissue.
  • the anvil could be formed as a second movable hammer.
  • the hammer mill could consist of two counter-hammering hammers.
  • a mechanical treatment of the substance could take place by means of a mechanical action from two sides.
  • the hammer and / or the anvil could or could be designed as a roller hammer or roller anvil. Both hammer and anvil could have the same shape and storage and the same movement drive.
  • surface waves could be generated by ultrasonic vibrations on the rotating surfaces of the rollers of the roller hammer and / or roller anvil.
  • at least one ultrasonic generator could be installed in the rollers. More specifically, the ultrasonic generator could be so incorporated in the rollers, that it stimulates the role as a whole to body vibrations, which is shown on the roller surface by a periodic surface elevation and lowering in time with the relevant vibration or the relevant vibration spectrum.
  • These usually unsteady surface waves form, as it were, a time- and place-variable tooth pattern of an irregular gear.
  • At least one ultrasonic generator could alternatively be arranged outside the rollers. This facilitates the maintenance and replacement of defective ultrasonic generators.
  • ultrasonic vibrations of the ultrasonic generator or the ultrasonic generators could have a piezoelectric quartz.
  • roller conveyors on which the rollers roll on each other could be made flat. This represents a structurally simple embodiment.
  • the roller conveyors on which the rollers roll on each other be designed groove-shaped.
  • a groove-shaped configuration for example, a prismatic shape could be selected.
  • a roller conveyor could be wedge-shaped, while the other, engaging in it roller conveyor is formed dachkantförmig. Both roller conveyors could possibly match or complement each other or run into each other.
  • the groove-shaped design has the advantage that because of the different track radii or rolling radii on the rolling circumference an additional Reibmahl bin still exists, which improves the grinding effect. Further applicable forms of the rolling surfaces could - in role cross-section - also be sawtooth or factory roof-shaped profiles.
  • a hammer mill could be constructed from a battery of individual roller mills, whereby a predeterminable number of rollers could be connected and driven by a single drive shaft. Since each roller mill could be supplied with a thin Mahlgutstrang from the reservoir, such a system is similar to a nylon manufacturing plant. The number of roller mills in a battery is determined by the desired Mahlgutmengen trimsatz. In order to grind the grinding material successively smaller or finer in several grinding stages, several batteries could be connected in series. In this case, the regrind could pass through several roller mills until reaching the desired particle size.
  • the mill or roller mill could be cooled or have a cooling for the substance.
  • the roller mill could be suitably cooled at any stage of its construction to prevent thawing of the millbase or a change in viscosity. This could be done, for example, by a cold nitrogen gas stream or noble gas stream, which additionally prevents water condensation and icing of the roller mill. While the regrind or the substance gets between the two roller hammers, it or it is comminuted due to the sound velocity of the ultrasound or because of the generated periodic surface elevation and lowering between the roller hammers.
  • the two rollers could be arranged on parallel centric bearing axles, which could be simultaneously drive shafts and could set the rollers in rotation. This could be enough to drive only one role, since they could take or drive the second role as a dynamic gear.
  • the ultrasonic generator (s) could be, for example, cube-shaped or cuboidal or cylindrical piezo-quartz crystals, which are inserted, for example, in spoke-like recesses of the rollers and with their direction of elongation in the direction of the bearing axis or drive shaft and in Direction roller surface are arranged.
  • the electrical piezoelectric quartz connections could sit as sliding contacts on the drive shaft.
  • the movement of the roller hammers could be controlled by the drive speed of the rollers or by the voltage applied to the piezoelectric quartz voltage and / or electrical AC frequency. These parameters influence the flow rate and the grind size of the grind or the substance. Due to the high possible hammering frequency in the megahertz range and because of the enormous accelerations or impact forces occurring on the roller surface, very small fragments or grinding grains in the nanometer range can be produced. One can therefore speak of a nanomilling by means of this roller mill.
  • the rollers with their bearing axes or drive shafts could be seated in pivoting arms such that the rollers can be brought together by means of the pivoting movement of these pivoting arms.
  • Each swivel arm could, for example, be designed in the form of a fork that can pivot on the fork head, in which the roller, for example, is seated in a bicycle fork.
  • the pivoting arms could be connected to piezo-quartz in such a way that they perform a total of oscillatory movements against each other.
  • the piezoelectric crystals could act on the pivot arm of a roller and the direction of elongation of the piezoelectric quartz would be aligned tangentially to a rotational radius of the pivoting arm.
  • the split or broken bonds could be chemically saturated to avoid reunification or possibly even subsequent chemical crosslinking of the substance molecules.
  • the saturation could be effected in a particularly simple and effective manner by means of a preferably heated hydrogen gas stream.
  • the millbase or substance could be thawed or warmed in a hot hydrogen gas stream.
  • Free chemical bonds could be saturated with the hydrogen.
  • Such a saturated and again highly viscous or liquid substance has in the case of a crude oil fraction has a higher viscosity than the starting material before a mechanical treatment or before a nanomilling, because for long-chain crude oil fractions whose viscosity is inversely related to their carbon chain length.
  • a control chemical could be added to the substance prior to the mechanical treatment.
  • a chemical control reaction could be generated in the substance prior to the mechanical treatment.
  • the milling process or the mechanical treatment could hereby be influenced in a suitable manner, depending on the substance or regrind present.
  • the viscosity of the substance or the viscosity behavior of the substance could be influenced by means of the control chemical.
  • the type and / or strength of the solid-state binding of the substance may preferably be influenced in the frozen state. In other words, in the case of a freeze-ground meal, the nature and strength of the solid-state binding could be influenced.
  • splitting or breaking or cracking could possibly be more selectively controlled with respect to a particular substance.
  • One substance could be cracked, split or broken to a greater extent than another.
  • a suitable method of processing a chemical might include the following steps: adding control chemicals and / or chemical reaction with control chemicals, tempering or adjusting the viscosity of the substance to be cracked, extruding or aligning the molecules, fixing the molecular orientation, nano-milling or bond breaking, saturating the free bonds and possibly the feeding back of the cracked substance.
  • a cracked by the invention crude oil fraction is due to the greatly increased fraction of shortened molecular chains again distillable. On the viscosity of the final substance, the efficiency or the fraction of broken molecules can be estimated.
  • the thus cracked crude oil fraction from bitumen and heavy oil can be fed back directly into the atmospheric distillation column and, in the case of heavy oil, no longer has to be fed into the vacuum distillation column and the subsequent catalytic cracker stage.
  • the vacuum distillation stage and the catalytic cracking stage can be saved in the oil refinery. This significantly reduces the plant investment and operating costs of the refinery and significantly increases the operational reliability of the refinery. Specifically, the investment costs of the hammer mill are low, since they can be built from many but also from very simple, small and cheap roller mills.
  • the method according to the invention for processing a chemical substance specifies a method with which chemical bonds in organic molecules can be broken or split by means of a mechanical treatment and preferably by means of a mechanical grinding method.

Abstract

Ein Verfahren zur Verarbeitung einer chemischen Substanz, insbesondere von Rohöl oder Destillationsrückständen bei der Rohöldestillation, wobei ein Spalten oder Brechen chemischer Bindungen in Molekülen erfolgt, insbesondere von Bindungen in Molekülketten oder Molekülringen, ist im Hinblick auf ein kostengünstiges und betriebssicheres Spalten oder Brechen der chemischen Bindungen derart ausgestaltet, dass das Spalten oder Brechen mittels einer mechanischen Behandlung erfolgt.

Description

VERFAHREN ZUR VERARBEITUNG EINER CHEMISCHEN
SUBSTANZ
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung einer chemischen Substanz, insbesondere von Rohöl oder Destillationsrückständen bei der Rohöldestillation, wobei ein Spalten oder Brechen chemischer Bindungen in Molekülen erfolgt, insbesondere von Bindungen in Molekülketten oder Molekülringen.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist bspw. im Rahmen der Verarbeitung von Rohöl zu Mineralölprodukten bekannt. Dabei werden chemische Bindungen in bspw. Destillationsrückständen der Rohöldestillation gebrochen oder gekrackt. Bei der hier beispielhaft genannten Verarbeitung von Rohöl werden im Wesentlichen drei große Verfahrensschritte angewendet. Der erste wesentliche Verfahrensschritt ist die fraktionierte Destillation des Rohöls unter Atmosphärendruck. In diesem Verfahrensschritt bleiben etwa 30 Volumenprozent des Rohöls, die so genannte Schwerölfraktion und die Bitumenfraktion, übrig. Die Bitumenfraktion kann nach einer weiteren Behandlung als Straßenasphalt genutzt werden, wohingegen die Schwerölfraktion im zweiten wesentlichen Rohölbehandlungsschritt unter Unterdruck nochmals destilliert wird. Man spricht hier auch von einer Vakuumdestillation. Der hierbei anfallende Destillationsrückstand wird dann im dritten wesentlichen Behandlungsschritt bei hoher Temperatur und unter hohem Druck katalytisch aufgespalten, man sagt gekrackt.
Die Krackprodukte können weiterverarbeitet werden und der letztendlich übrig bleibende Rest wird bspw. verkokt. Der große Nachteil des üblichen Rohölverarbeitungsverfahrens besteht darin, dass etwa die Hälfte der notwendigen Fabrikanlage bzw. Ölraffinerie für den zweiten und dritten Verarbeitungsschritt und deren folgenden Endverarbeitungsschritte benötigt wird, wohingegen nur etwa 20 % aller Rohölprodukte aus diesem Verarbeitungszweig stammen. Daneben verzehrt dieser Verfahrensschritt erhebliche Mengen an Energie zur Aufrechterhaltung der notwendigen Prozesstemperaturen und Prozessdrücke. Zudem ist der Betrieb der Krackanlage mit erheblichen Sicherheitsrisiken verbunden. Bspw. ereignete sich im März 2005 in Texas, USA, in diesem Anlagenteil einer Raffinerie eine Großexplosion, die weite Teile dieser Raffinerie zerstörte und 15 Menschenleben forderte. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, wonach ein kostengünstiger und sicherer Betrieb erreicht ist.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist das Verfahren derart ausgestaltet und weitergebildet, dass das Spalten oder Brechen mittels einer mechanischen Behandlung erfolgt.
In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass zur Verarbeitung einer chemischen Substanz, bei der ein Spalten oder Brechen chemischer Bindungen in Molekülen erfolgt, nicht zwangsläufig Prozessschritte mit hohen Prozesstemperaturen und Prozessdrücken und katalytischen Spaltungsvorgängen erforderlich sind. In weiter erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass ein Spalten oder Brechen auch mittels einer mechanischen Behandlung der Substanz durchgeführt werden kann. Insbesondere können chemische Bindungen in organischen Molekülen derart mechanisch behandelt werden, dass ein Spalten oder Brechen der Bindungen erfolgt. Dabei können insbesondere chemische Bindungen langer organischer Molekülketten oder großer organischer Molekülringe durch die mechanische Einwirkung sicher gebrochen werden. Dies erspart insbesondere im Bereich der Verarbeitung von Rohöl die obigen aufwendigen zweiten und dritten Behandlungsschritte. Eine erfindungsgemäß behandelte Rohölsubstanz kann ausschließlich im oben erwähnten ersten Verfahrensschritt - der atmosphärischen Destillation - behandelt werden. Die kostenintensiven zweiten und dritten Behandlungsschritte können dabei entfallen.
Folglich ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verarbeitung einer chemischen Substanz ein Verfahren angegeben, wonach eine kostengünstigere und betriebssichere Behandlung einer chemischen Substanz realisiert ist.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, chemische Bindungen mechanisch zu Spalten oder zu Brechen. In organischen Molekülen wie bspw. Alkanen, Zykloalkanen und Aromaten und dergleichen sind die wesentlichen Gerüstatome Kohlenstoffatome. Diese weisen einen mittleren Bindungsabstand von etwa 1 ,5 bis 2 Angström auf. Moleküle mit größenordnungsmäßig 100 Molekülen bilden daher Ketten oder Ringe in der Größenordnung von 15 bis 20 Nanometern. Mit Nanozerkleinerungsverfahren ist somit ein Spalten oder Brechen von chemischen Bindungen möglich.
Im Hinblick auf eine sichere mechanische Spaltung oder Brechung einer chemischen Bindung könnten die Moleküle der Substanz ausgerichtet und/oder ausgereckt werden. Hierbei könnten im Wesentlichen alle Moleküle der Substanz in geeigneter Weise ausgerichtet und/oder ausgereckt werden. Dies könnte insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Substanz verflüssigt wird. Hierzu könnte die Substanz auf eine geeignete Temperatur erwärmt oder temperiert werden. Bei Erreichen oder Einstellung einer günstigen Substanztemperatur könnte die Substanz in der geeigneten Weise verflüssigt oder viskos werden. Eine Erwärmung oder Temperierung könnte in einem geeigneten Behälter oder Vorratsbehälter erfolgen. Hierbei könnte die Viskosität der Substanz geeignet eingestellt werden.
Im Hinblick auf eine besonders sichere Ausrichtung der Moleküle könnte die Substanz extrudiert oder durch mindestens eine Düse, vorzugsweise sehr dünne Düse, geführt werden. Eine derartige Düse oder derartige Düsen könnten bspw. am Boden des Behälters angeordnet werden, der zur Erwärmung oder Temperierung der Substanz verwendet wird. Im Hinblick auf eine sichere Führung der Substanz durch die Düse oder Düsen könnte die Substanz mittels einer Austriebsschnecke oder mittels Luftdruck oder durch Unterdruck durch die Düse gedrückt oder gezogen werden. Eine derartige Austriebsschnecke könnte ebenfalls in dem Behälter angeordnet werden. Bei viskosen Substanzen ist auch ein Drücken der Substanz mittels Luftdruck durch die Düse besonders wirksam. Die Querstriktion der Substanz führt zusammen mit der Elongation der Substanz in der Düse oder in den Düsen zu einer mehr oder weniger parallelen Ausrichtung der Molekülketten oder der nun gestreckten oder gefalteten Molekülringe.
Im Hinblick auf ein besonders sicheres Spalten oder Brechen von Bindungen könnte die Ausrichtung von Molekülen der Substanz fixiert werden. Mit anderen Worten könnte der ausgerichtete Zustand für weitere Verfahrensschritte konserviert werden. Hierzu könnte die Substanz abgekühlt oder erhärtet oder gefroren werden. Im Konkreten könnte die Substanz direkt nach dem Austreten aus der Düse sehr schnell soweit herabgekühlt und dadurch so wenig viskos werden, dass sich die Moleküle kaum reorientieren können. Am günstigsten hat sich hierbei ein Gefrieren der Sub- stanz gezeigt, da die dann entstehenden Festkörperbindungen in der kalten Substanz die ehemaligen Moleküle fixieren und keine Reorientierung zulassen.
In besonders vorteilhafter und wirksamer Weise könnte die Substanz durch ein Kühlmedium geführt werden. Mit anderen Worten könnte der aus der Düse oder den Düsen ausgetretene Substanzstrang durch ein kühlendes Medium geführt werden. Hierbei könnte die Substanz durch Flüssigstickstoff oder durch einen kalten Stickstoffgasstrom oder durch einen kalten Edelgasstrom oder durch einen kalten Kohlendioxidgasstrom geleitet werden.
Ein derartig fester Substanzstrang könnte nun mechanisch behandelt und zerkleinert werden, wobei an den Bruchstellen des Substanzstrangs ein Teil der dortigen Moleküle gebrochen wird. Zum Erhalt eines möglichst großen Anteils an gebrochenen Molekülen bei großem Substanzdurchsatz könnte das Brechen mit einer sehr hohen Frequenz erfolgen. Grundsätzlich könnte die mechanische Behandlung ein Zerhacken mit geeigneten Einrichtungen umfassen. Dabei könnte das Zerhacken mittels Messern erfolgen, die vorzugsweise schnell rotieren. Im Konkreten könnten Einrichtungen mit scherenden und schnell rotierenden Messern eingesetzt werden.
Alternativ oder zusätzlich hierzu könnte die mechanische Behandlung ein Mahlen umfassen. Das Mahlen könnte in bevorzugter Weise mittels einer Hammermühle, Reibmühle oder Stampfmühle erfolgen. Dabei ist die Verwendung einer Hammermühle besonders vorteilhaft, da diese kostengünstig und technisch einfach ist. Die mit einer Hammermühle erreichten Behandlungsergebnisse sind sehr gut.
Das Mahlen in einer Hammermühle könnte zwischen einem Amboss und einem auf den Amboss schlagenden Hammer erfolgen. Bspw. könnte eine unterkühlte oder ggf. gefrorene Rohölfraktion aus Bitumen und/oder Schweröl zwischen einem Amboss und einem Hammer schlagend zerkleinert werden.
In konstruktiv einfacher Weise könnte der Amboss eine feststehende Gleitfläche für das Mahlgut oder die Substanz sein, auf welche der als Stempel oder Meisel ausgebildete Hammer schlagen könnte. Ein derartiger Hammer könnte durch eine Nockenwelle, durch einen Elektromagneten oder durch hydraulische oder pneumatische Einwirkung periodisch auf die Gleitfläche oder Gleitbahn geschlagen werden. Das Mahlgut oder die Substanz könnte entlang der Gleitfläche oder Gleitbahn gefördert oder unter dem schlagenden Stempel oder Meisel hindurchgefördert werden.
Im Hinblick auf ein besonders schnelles und sicheres Brechen oder Spalten von Bindungen könnte das Hämmern mit hoher Frequenz erfolgen. Grundsätzlich könnte die Hammerbewegung für das Mahlen zu Körnern mit Korngrößen im Submikron- bereich - Nanomahlen - mit einer extrem hohen Schlagzahl und somit mit sehr großer Beschleunigung ausgeführt werden.
Der Hub der Hammerbewegung oder der Hammerhub könnte im Mikrometer- oder Nanometerbereich erfolgen und damit klein sein.
Im Konkreten könnte für den Hammer ein Ultraschallantrieb verwendet werden. Hierdurch sind besonders hochfrequente Hammerbewegungen ermöglicht. Derzeit werden bspw. in medizinischen Anwendungen Nierensteine oder Gallensteine mittels Ultraschallwirkung zerkleinert. Auch ist es bekannt, dass die Ultraschalleinwirkung auf biologisches Gewebe zum Zerreißen des Gewebes führen kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer Hammermühle könnte der Amboss als zweiter bewegbarer Hammer ausgebildet sein. Dabei könnte die Hammermühle aus zwei entgegenschlagenden Hämmern bestehen. Eine mechanische Behandlung der Substanz könnte dabei mittels einer mechanischen Einwirkung von zwei Seiten aus erfolgen.
Bei einer weiteren Ausgestaltung könnten oder könnte der Hammer und/oder der Amboss als Rollenhammer oder Rollenamboss ausgebildet sein. Sowohl Hammer als auch Amboss könnten dabei die gleiche Form und Lagerung und den gleichen Bewegungsantrieb aufweisen.
Im Hinblick auf eine besonders wirksame Spaltung oder Brechung chemischer Bindungen könnten auf den Umlaufflächen der Rollen des Rollenhammers und/oder Rollenamboss Oberflächenwellen durch Ultraschallschwingungen erzeugt werden. Hierzu könnte in den Rollen mindestens ein Ultraschallgenerator eingebaut sein. Genauer gesagt könnte der Ultraschallgenerator derart in die Rollen eingebaut sein, dass er die Rolle insgesamt zu Körperschwingungen anregt, die sich auf der Rollenoberfläche durch eine periodische Oberflächenhebung und -Senkung im Takt der maßgebenden Schwingung oder des maßgebenden Schwingungsspektrums zeigt. Diese in der Regel instationären Oberflächenwellen bilden quasi ein zeit- und ortsveränderliches Zahnmuster eines unregelmäßigen Zahnrads. Man könnte von einem dynamischen Zahnrad sprechen, das die Eigenschaft besitzt, das Mahlgut bspw. in Form des Substanzstrangs oder auch in Form von Pulver oder Granulat bei einer Drehung der beiden Hammerräder zu greifen und zwischen sich zu ziehen und weiterzutransportieren. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von Ultraschall ist das Absprengen unerwünschter Anhaftungen oder Verklebungen von bspw. Mahlgut von den Rollen und/oder unter Ultraschallwirkung stehenden Bauteilen. Die Mühle kann sich auf diese Weise selbst reinigen.
Je nach Ausgestaltung der Mühle könnte mindestens ein Ultraschallgenerator in alternativer Weise außerhalb der Rollen angeordnet sein. Dies erleichtert die Wartung und den Austausch defekter Ultraschallgeneratoren.
Im Hinblick auf eine besonders sichere Erzeugung von Ultraschallschwingungen könnte der Ultraschallgenerator oder könnten die Ultraschallgeneratoren einen Piezoquarz aufweisen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform könnten die Rollenbahnen, auf denen die Rollen aufeinander abrollen, eben ausgeführt sein. Dies stellt eine konstruktiv einfache Ausgestaltung dar.
Bei einer alternativen Ausführungsform könnten die Rollenbahnen, auf denen die Rollen aufeinander abrollen, nutenförmig ausgeführt sein. Bei einer nutenförmigen Ausgestaltung könnte bspw. eine prismatische Form gewählt werden. Dabei könnte eine Rollenbahn keilförmig ausgeführt sein, während die andere, in sie eingreifende Rollenbahn dachkantförmig ausgebildet ist. Beide Rollenbahnen könnten möglichst passgleich oder komplementär aneinander oder ineinander laufen. Die nutenförmige Ausführung hat den Vorteil, dass wegen der unterschiedlichen Bahnradien oder Abrollradien auf dem Abrollumfang noch ein zusätzlicher Reibmahleffekt vorliegt, der die Mahlwirkung verbessert. Weitere anwendbare Formen der Abrolloberflächen könnten - im Rollenquerschnitt betrachtet - auch sägezahnförmige oder fabrikdachförmige Profile sein.
Eine Hammermühle könnte aus einer Batterie von einzelnen Rollenmühlen aufgebaut sein, wobei eine vorgebbare Zahl von Rollen durch eine einzige Antriebswelle verbunden und angetrieben sein könnte. Da jeder Rollenmühle ein dünner Mahlgutstrang aus dem Vorratsbehälter zugeführt werden könnte, ähnelt eine derartige Anlage einer Nylonherstellungsanlage. Die Anzahl der Rollenmühlen in einer Batterie wird von dem gewünschten Mahlgutmengendurchsatz bestimmt. Um das Mahlgut ggf. in mehreren Mahlstufen sukzessiv kleiner bzw. feiner zu mahlen, könnten mehrere Batterien hintereinander geschaltet werden. In diesem Fall könnte das Mahlgut mehrere Rollenmühlen bis zum Erreichen der gewünschten Korngröße durchlaufen.
Zur Vermeidung des Auftauens der Substanz oder des Mahlguts und/oder zur Vermeidung einer Viskositätsänderung könnte die Mühle oder Rollenmühle gekühlt werden oder eine Kühlung für die Substanz aufweisen. Im Konkreten könnte die Rollenmühle in jeder Stufe ihres Aufbaus in geeigneter Weise gekühlt werden, um ein Auftauen des Mahlguts oder eine Viskositätsänderung zu vermeiden. Dies könnte bspw. durch einen kalten Stickstoffgasstrom oder Edelgasstrom erfolgen, der zusätzlich eine Wasserkondensation und eine Vereisung der Rollenmühle verhindert. Während das Mahlgut oder die Substanz zwischen die beiden Rollenhämmer gerät, wird es oder sie aufgrund der Schallschnelle des Ultraschalls bzw. wegen der erzeugten periodischen Oberflächenhebung und -Senkung zwischen den Rollenhämmern zerkleinert.
Bei einer konkreten Ausgestaltung könnten die beiden Rollen auf parallelen zentrischen Lagerachsen angeordnet sein, die gleichzeitig Antriebswellen sein könnten und die Rollen in Drehung versetzen könnten. Hierbei könnte es genügen, lediglich eine Rolle anzutreiben, da sie als dynamisches Zahnrad die zweite Rolle mitnehmen bzw. antreiben könnte. Der oder die Ultraschallgeneratoren könnten insbesondere in diesem Fall bspw. würfelförmige oder quaderförmige oder zylindrische Piezoquarze sein, die bspw. in speichenförmigen Aussparungen der Rollen eingesetzt sind und mit ihrer Elongationsrichtung in Richtung Lagerachse bzw. Antriebswelle und in Richtung Rollenoberfläche angeordnet sind. Die elektrischen Piezoquarzanschlüsse könnten als Schleifkontakte auf der Antriebswelle sitzen.
Die Bewegung der Rollenhämmer könnte über die Antriebsdrehzahl der Rollen oder über die am Piezoquarz anliegende elektrische Spannungsstärke und/oder elektrische Wechselspannungsfrequenz gesteuert werden. Diese Parameter beeinflussen den Förderdurchsatz und die Mahlkorngröße des Mahlguts oder der Substanz. Aufgrund der hohen möglichen Hammerschlagfrequenz im Megahertzbereich und wegen der an der Rollenoberfläche auftretenden enormen Beschleunigungen bzw. Schlagkräften können sehr kleine Bruchstücke bzw. Mahlkörner im Nanometer- bereich erzeugt werden. Man kann daher von einem Nanomahlen mittels dieser Rollenmühle sprechen.
Bei einer Ausgestaltung der Mühle mit außerhalb der Rollen angeordneten Ultraschallgeneratoren könnten die Rollen mit ihren Lagerachsen oder Antriebswellen so in Schwenkarmen sitzen, dass die Rollen mittels der Schwenkbewegung dieser Schwenkarme zusammengeführt werden können. Jeder Schwenkarm könnte bspw. in Form einer am Gabelkopf schwenkbaren Gabel ausgeführt sein, in der die Rolle wie bspw. in einer Fahrradgabel sitzt. Eine derartige Konstruktion hätte eine große Ähnlichkeit mit der hinteren Schwinggabelkonstruktion eines Geländefahrrades oder bestimmter Motorräder. Die Schwenkarme könnten in diesem Fall derart mit Piezo- quarzen verbunden sein, dass sie insgesamt Schwingungsbewegungen gegeneinander ausführen. Die Piezoquarze könnten bspw. am Schwenkarm einer Rolle angreifen und die Elongationsrichtung des Piezoquarzes wäre tangential zu einem Drehradius des Schwenkarms auszurichten.
Falls eine Schwenkarmgabel feststehend ausgeführt wird, könnte nur ein Schwingungsgenerator bzw. ein Piezoquarz erforderlich sein, der den anderen beweglichen Schwenkarm auf die feststehende Rolle zu bewegen kann. Dies würde dann nicht wie im vorher beschriebenen Fall zu Körperschwingungen in den Rollen führen, sondern die Rollen würden als Ganzes zusammen mit den Schwenkarmen in entgegengesetzte Schwingungsbewegungen versetzt bzw. aufeinander zu schwingen. Der Vorteil der letztgenannten konstruktiven Ausführung einer Rollenmühle ist die fehlende Notwendigkeit von elektrischen Schleifkontakten zur Piezoquarzspeisung, denn es ist zu beachten, dass die Piezoquarze zwar mit geringer elektrischer Leist- ung aber trotzdem mit einer hochfrequenten Hochspannung betrieben werden müssen. In den beiden letztgenannten Ausführungsformen wird die größte Mahlwirkung dann erreicht, wenn die Bauteile der Rollenmühle in Schwinungsresonanz gelangen.
Nach dem Durchlaufen der Mahlstufen oder der mechanischen Behandlung könnten die gespaltenen oder gebrochenen Bindungen chemisch abgesättigt werden, um eine Wiedervereinigung oder ggf. sogar eine anschließend stärkere chemische Vernetzung der Substanzmoleküle zu vermeiden. Die Absättigung könnte in besonders einfacher und wirkungsvoller Weise mittels eines vorzugsweise erwärmten Wasserstoffgasstroms erfolgen. Mit andern Worten könnte das Mahlgut oder die Substanz in einem heißen Wasserstoffgasstrom aufgetaut oder angewärmt werden. Dabei könnten freie chemische Bindungen mit dem Wasserstoff abgesättigt werden. Eine derart abgesättigte und wieder stark viskos bzw. flüssig gewordene Substanz zeigt im Fall einer Rohölfraktion eine höhere Viskosität als die Ausgangssubstanz vor einer mechanischen Behandlung oder vor einem Nanomahlen, denn für langkettige Rohölfraktionen steht deren Viskosität mit ihrer Kohlenstoffkettenlänge in umgekehrter Relation.
In besonders vorteilhafter Weise könnte der Substanz vor der mechanischen Behandlung eine Steuerchemikalie zugegeben werden. Alternativ oder zusätzlich hierzu könnte in der Substanz vor der mechanischen Behandlung eine chemische Steuerreaktion erzeugt werden. Der Mahlprozess oder die mechanische Behandlung könnte hierdurch je nach vorliegender Substanz oder Mahlgut in geeigneter Weise beeinflusst werden. Insbesondere könnte mittels der Steuerchemikalie die Viskosität der Substanz oder das Viskositätsverhalten der Substanz beeinflusst werden. Alternativ oder zusätzlich hierzu könnte mittels der Steuerchemikalie die Art und/oder Stärke der Festkörperbindung der Substanz vorzugsweise im gefrorenen Zustand beeinflusst werden. Mit anderen Worten könnte im Fall eines gefrierfähigen Mahlguts die Art und die Stärke der Festkörperbindung beeinflusst werden. Falls das Mahlgut oder die Substanz aus einer Mischung verschiedener Substanzen besteht, könnte so das Spalten oder Brechen oder Kracken ggf. stärker selektiv bezüglich einer bestimmten Substanz gesteuert werden. Dabei könnte eine Substanz in weiterem Umfang gekrackt, gespalten oder gebrochen werden als eine andere. Ein geeignetes Verfahren zur Verarbeitung einer chemischen Substanz könnte die folgenden Verfahrensschritte aufweisen: Zugabe von Steuerchemikalien und/oder chemische Reaktion mit Steuerchemikalien, Temperieren oder Einstellen der Viskosität der zu krackenden Substanz, Extrudieren oder Ausrichten der Moleküle, Fixieren der Molekülausrichtung, Nanomahlen oder Bindungsbrechen, Absättigen der freien Bindungen und ggf. Rückspeisen der gekrackten Substanz.
Eine mittels der Erfindung gekrackte Rohölfraktion ist aufgrund der stark erhöhten Fraktion verkürzter Molekülketten wieder destillierfähig. An der Viskosität der Endsubstanz kann die Effizienz bzw. die Fraktion gebrochener Moleküle abgeschätzt werden. Im Falle der Anwendung der beschriebenen Erfindung auf die Rohölverarbeitung kann die so gekrackte Rohölfraktion aus Bitumen und Schweröl wieder direkt in die Atmosphärendestillationskolonne zurückgespeist werden und muss im Fall des Schweröls nicht mehr in die Vakuumdestillationskolonne und die anschließende katalytische Krackstufe geführt werden. Mittels der Erfindung kann die Vakuumdestillationsstufe und die katalytische Krackstufe in der Ölraffinerie eingespart werden. Dies reduziert erheblich die Anlageninvestition und die Betriebskosten der Raffinerie und steigert erheblich die Betriebssicherheit der Raffinerie. Speziell liegen die Investitionskosten der Hammermühle niedrig, da sie zwar aus vielen aber auch aus sehr einfachen, kleinen und billigen Rollenmühlen aufgebaut werden kann.
Letztendlich ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verarbeitung einer chemischen Substanz ein Verfahren angegeben, mit dem chemische Bindungen in organischen Molekülen mittels einer mechanischen Behandlung und vorzugsweise mittels eines mechanischen Mahlverfahrens gebrochen oder gespalten werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verarbeitung einer chemischen Substanz, insbesondere von Rohöl oder Destillationsrückständen bei der Rohöldestillation, wobei ein Spalten oder Brechen chemischer Bindungen in Molekülen erfolgt, insbesondere von Bindungen in Molekülketten oder Molekülringen, dadurch gekennzeichnet, dass das Spalten oder Brechen mittels einer mechanischen Behandlung erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Moleküle ausgerichtet und/oder ausgereckt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz verflüssigt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz auf eine geeignete Temperatur erwärmt oder temperiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität der Substanz geeignet eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz extrudiert oder durch mindestens eine Düse geführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz mittels einer Austriebsschnecke oder mittels Luftdruck oder durch Unterdruck durch die Düse gedrückt oder gezogen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung von Molekülen der Substanz fixiert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz abgekühlt oder erhärtet oder gefroren wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz durch ein Kühlmedium geführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Behandlung ein Zerhacken umfasst.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Zerhacken mittels - vorzugsweise schnell rotierenden - Messern erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Behandlung ein Mahlen umfasst.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Mahlen mittels einer Hammermühle, Reibmühle oder Stampfmühle erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Mahlen in einer Hammermühle zwischen einem Amboss und einem auf den Amboss schlagenden Hammer erfolgt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Amboss eine feststehende Gleitfläche ist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz entlang der Gleitfläche gefördert wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Hämmern mit hoher Frequenz erfolgt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Hub der Hammerbewegung im Mikrometer- oder Nanometerbereich erfolgt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass für den Hammer ein Ultraschallantrieb verwendet wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Amboss als zweiter bewegbarer Hammer ausgebildet ist.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Hammer und/oder der Amboss als Rollenhammer oder Rollenamboss ausgebildet sind oder ist.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Umlaufflächen der Rollen des Rollenhammers und/oder Rollenamboss Oberflächenwellen durch Ultraschallschwingungen erzeugt werden.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass in den Rollen mindestens ein Ultraschallgenerator eingebaut ist.
25. Verfahren nach Anspruch 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb der Rollen mindestens ein Ultraschallgenerator angeordnet ist.
26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Ultraschallgeneratoren einen Piezoquarz aufweisen.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Rollenbahnen, auf denen die Rollen aufeinander abrollen, eben ausgeführt sind.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Rollenbahnen, auf denen die Rollen aufeinander abrollen, nutenförmig ausgeführt sind.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Mühle oder Rollenmühle gekühlt wird oder eine Kühlung für die Substanz aufweist.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die gespaltenen oder gebrochenen Bindungen chemisch abgesättigt werden.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Absättigung mittels eines vorzugsweise erwärmten Wasserstoffgasstroms erfolgt.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass der Substanz vor der mechanischen Behandlung eine Steuerchemikalie zugegeben oder eine chemische Steuerreaktion in der Substanz erzeugt wird.
33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuerchemikalie die Viskosität der Substanz beeinflusst wird.
34. Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuerchemikalie die Art und/oder Stärke der Festkörperbindung der Substanz vorzugsweise im gefrorenen Zustand beeinflusst wird.
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