Установка для безперервного піролізу подрібнених термопластичних полімерних відходів з системою контролю рівня розплаву в реакторі

Реферат: Установка для безперервного піролізу подрібнених термопластичних полімерних відходів з системою контролю рівня розплаву в реакторі містить реактор піролізу з системою зовнішнього обігріву, бункери для завантаження та розвантаження реактора, патрубок для відведення парогазової суміші із реактора, багатоконтурну циркуляційну систему, трубопровід для повернення у реактор важкої рідкої фракції. Торці патрубка і трубопроводу, які розташовані в реакторі, виконані паралельно поверхні розплаву на різних рівнях. На вході в реактор патрубок оснащений горизонтальним відрізком, в якому вмонтований акустичний генератор з резонаторами Гельмгольца, який працює від потоку парогазової суміші. Резонатори розташовані з зовнішньої сторони реактора. Вище рівня поверхні розплаву в реакторі з зовнішньої його сторони установлена герметична компенсаційна ємність, яка з'єднана трубопроводом з реактором на рівні середини висоти розплавленого полімеру. Забезпечується надійний контроль рівня розплаву в реакторі і безперервне ефективне та надійне термічне розкладання високомолекулярних складових термопластичних полімерів на низькомолекулярне рідке та газоподібне паливо UA 110669 C2 (12) UA 110669 C2 UA 110669 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до пристроїв термічної утилізації суміші високомолекулярних полімерних відходів, які в процесі нагрівання плавляться і стають рідкими, що потребує збирання даної рідини і її наступне глибоке термічне розкладання і може бути використаний в комунальному господарстві, хімічній, нафтохімічній та інших галузях промисловості для регенерації полімерних відходів у низькомолекулярне рідке та газоподібне паливо. Відомо про установку для реалізації способу утилізації органічних відходів [див. патент України на винахід № 52840 С2, МПК 7 F23G 5/027, C10G 1/00, опубл. 15.01.03. Бюл. № 1], яка включає реактор піролізу зі шнеком, системою зовнішнього обігріву, бункерами для завантаження та розвантаження реактора і патрубком для відведення парогазової суміші із реактора, багатоконтурну циркуляційну систему, кожний контур якої має охолоджувач парогазової суміші з повітряним охолодженням і трубопроводи для повернення у реактор важкої рідкої фракції, блок управління температурою охолоджувачів, останній охолоджувач з'єднаний з вихідним конденсатором з водяним охолодженням. Ознаки, що збігаються з суттєвими ознаками установки, яка заявляється: - реактор піролізу; - система зовнішнього обігріву реактора; - бункери для завантаження та розвантаження реактора; - патрубок для відведення парогазової суміші із реактора; - багатоконтурна циркуляційна система; - трубопроводи для повернення у реактор важкої рідкої фракції. Причини, що перешкоджають одержанню необхідного технічного результату. Відома конструкція установки має герметичний реактор, який заповнюється оператором термопластичними полімерними відходами з бункеру завантаження, при цьому оператор діє "наосліп", оскільки він не має інформації про рівень розплавлених полімерів в реакторі, що може привести до переповнення реактора і попаданні розплаву в багатоконтурну циркуляційну систему де розплав захолоне і затвердне, що приведе до виходу із ладу дорогого обладнання, а в окремих випадках до руйнування реактора внаслідок вибуху і пожару. А при пониженому рівні полімерів в реакторі, різко зменшиться його продуктивність, що економічно не вигідно. Таким чином, відома конструкція установки не може забезпечити необхідні умови для забезпечення ефективної безперервної її роботи. Найбільш близькою за технічною суттю до заявленої установки є установка безперервної термічної утилізації термопластичних відходів [див. патент України на корисну модель № 74562 U, МПК F23G 5/027, C10G 1/00, опубл. 12.11.12. Бюл. №21], яка містить реактор піролізу з системою зовнішнього обігріву, бункери для завантаження та розвантаження реактора, патрубок для відведення парогазової суміші із реактора, багатоконтурну циркуляційну систему, трубопроводи для повернення у реактор важкої рідкої фракції. Реактор виконаний у вигляді перевернутої зрізаної піраміди розташованої під кутом 25-45° до горизонту, а бункер завантаження розташований по осі піраміди із сторони меншої її основи, на виході бункера завантаження розташований наконечник у вигляді зрізаної піраміди, менша основа якої герметично з'єднана з меншою основою піраміди реактора, зовнішня поверхня наконечника оснащена сорочкою водяного охолодження, а всередині нього, на верхній і нижній бокових поверхнях піраміди розташований виступ, розріз якого являє собою прямокутний трикутник, вершина якого спрямована в сторону бункера, при цьому на верхній боковій стороні реактора герметично вмонтована вертикальна камера, внутрішній об'єм якої з'єднаний з внутрішнім об'ємом реактора, на боковій поверхні реактора під вертикальною камерою установлені горизонтальні відбійники, на протилежних стінках вертикальної камери установлені вікна з позначками "максимум" - "мінімум", а багатоконтурна циркуляційна система і трубопроводи для повернення у реактор важкої рідкої фракції вмонтовані в верхній частині вертикальної камери, при цьому в кінці більшої основи піраміди герметично вмонтована вертикальна шахта, в нижній частині якої розташована засувка видалення твердого залишку, а бункер розвантаження з засувкою на виході герметично установлений в нижній частині шахти. Вертикальна камера розташована на 1/3 довжини реактора від меншої основи піраміди. Верхній рівень вікна на вертикальній камері розташований на висоті 1/2 довжини другої частини реактора від вертикальної камери до більшої основи піраміди. Ознаки, що збігаються з суттєвими ознаками установки, яка заявляється: - реактор піролізу; - система зовнішнього обігріву реактора; - бункери для завантаження та розвантаження реактора; - патрубок для відведення парогазової суміші із реактора; - багатоконтурна циркуляційна система; 1 UA 110669 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - трубопроводи для повернення у реактор важкої рідкої фракції. Причини, що перешкоджають одержанню необхідного технічного результату. Відома конструкція установки оснащена системою візуального контролю рівня розплавлених полімерів в реакторі, яка виконана у вигляді вікон з позначками "максимум" - "мінімум", розташованих на протилежних стінках вертикальної камери, установленої на реакторі, але як показали дослідження уже через 4-6 годин експлуатації такої установки, вікна зсередини реактора покривалися коксом у вигляді не прозорої плівки і контролювати рівень ставало не можливо. Таким чином, відома конструкція установки не може забезпечити надійну безперервну термічну утилізацію термопластичних відходів. В основу винаходу поставлена задача удосконалити установку для безперервного піролізу подрібнених термопластичних полімерних відходів з системою контролю рівня розплаву в реакторі, шляхом виключення із установки не надійних елементів (вікон) для візуального контролю рівня розплаву полімерів в реакторі і ввести нові конструктивні елементи у вигляді звукового генератора працюючого від потоку парогазової суміші, що дозволить забезпечити надійний контроль рівня розплаву в реакторі і безперервне ефективне та надійне термічне розкладання високомолекулярних складових термопластичних полімерів на низькомолекулярне рідке та газоподібне паливо, при цьому забезпечити регулювання інтенсивності завантаження реактора і за рахунок цього збільшити продуктивність установки по сировині на 25-50 % і відповідно збільшити на 15-20 % надійність установки. Поставлена задача вирішується тим, що установка для безперервного піролізу подрібнених термопластичних полімерних відходів з системою контролю рівня розплаву в реакторі, яка містить реактор піролізу з системою зовнішнього обігріву, бункери для завантаження та розвантаження реактора, патрубок для відведення парогазової суміші із реактора, багатоконтурну циркуляційну систему, трубопровід для повернення у реактор важкої рідкої фракції, відповідно до винаходу, торці патрубка і трубопроводу, які розташовані в реакторі, виконані паралельно поверхні розплаву на різних рівнях, а на вході в реактор патрубок оснащений горизонтальним відрізком, в якому вмонтований акустичний генератор з резонаторами Гельмгольца, який працює від потоку парогазової суміші, при цьому резонатори розташовані з зовнішньої сторони реактора, а вище рівня поверхні розплаву в реакторі з зовнішньої його сторони установлена герметична компенсаційна ємність, яка з'єднана трубопроводом з реактором на рівні середини висоти розплавленого полімеру. Акустичний генератор виконаний в прямокутному коробі з вхідним і вихідним отворами, всередині короба на вхідному отворі вмонтований завихрювач парогазової суміші, а між ним і вихідним отвором установлені резонатори Гельмгольца. Розкриваючи причинно-наслідковий зв'язок між суттєвими ознаками установки, що заявляється, і технічним результатом, що досягається, необхідно відзначити наступне. 1. Ознаки: «…торці патрубка і трубопроводу, які розташовані в реакторі виконані паралельно поверхні розплаву на різних рівнях, а на вході в реактор патрубок оснащений горизонтальним відрізком, в якому вмонтований акустичний генератор з резонаторами Гельмгольца, який працює від потоку парогазової суміші, при цьому резонатори розташовані з зовнішньої сторони реактора…», що забезпечує, по-перше, чітке послідовне закривання паралельних торців як трубопроводу так патрубка рідким розплавом полімерів, рівень якого змінюється в залежності від завантаження реактора. Що відповідно змінює вихідний потік парогазової суміші із реактора в багатоконтурну циркуляційну систему (БЦС). При закриванні трубопроводу та патрубка, в парогазової суміші остається єдиний вихід в БЦС через вхідний отвір в акустичному генераторі, відповідно, парогазова суміш, проходячи через акустичний генератор, утворює звукові хвилі. Враховуючи, що переріз вхідного отвору в акустичний генератор набагато менший, ніж входи в патрубок і трубопровід, при закриванні їх, тиск в реакторі збільшується і відповідно збільшується інтенсивність звукових хвиль. По-друге, утворені звукові хвилі в акустичному генераторі, який розташований в середині реактора, резонують і відповідно окремі звукові частоти підсилюються в резонаторах Гельмгольца, які розташовані за межами реактора, що сприяє можливості оператору почути звуковий сигнал і припинити подачу відходів в реактор. 2. Ознаки: «…вище рівня поверхні розплаву в реакторі з зовнішньої його сторони установлена герметична компенсаційна ємність, яка з'єднана трубопроводом з реактором на рівні середини висоти розплавленого полімеру", що забезпечує стабілізацію тиску в реакторі при переповненні його відходами за рахунок компенсаційної ємності. Процес піролізу розплавлених полімерів в реакторі супроводжується інтенсивним газовиділенням і утворенням парогазової суміші, даний процес є інерційним і коли закриті великі вхідні отвори в патрубок і трубопровід, то при малому вхідному отворі в акустичний генератор і оскільки рідкий полімер не 2 UA 110669 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 стискається, то тиск в реакторі може досягти великих величин, що може привести до розриву реактора і утворенню аварійної ситуації. Парогазова суміш збирається в верхній частині реактора, частина її проходить в БЦС через акустичний генератор, а основна маса накопичується і тисне на поверхню розплаву, останній перетікає через трубопровід перетікає в компенсаційну ємність, при цьому рівень розплавленого полімеру в реакторі знижується і відкривається вхідний отвір патрубка для відведення парогазової суміші із реактора і надлишок парогазової суміші легко виходить в БЦС, що приводить до зниження тиску в реакторі і виключає аварійну ситуацію. Установка трубопроводу, який з'єднує компенсаційну ємність з реактором на рівні середини висоти розплавленого полімеру виключає попадання в даний трубопровід твердих залишків і частинок не розплавлених холодних полімерів, які завантажуються в реактор. 3. Ознаки: «…акустичний генератор виконаний в прямокутному коробі з вхідним і вихідним отворами, в середині короба на вхідному отворі вмонтований завихрювач парогазової суміші, а між ним і вихідним отвором установлені резонатори Гельмгольца", що забезпечує утворення звукових акустичних сигналів при завихрюванні потоку парогазової суміші, утворені звукові хвилі в завихрювачі резонують в резонаторах Гельмгольца і відповідно окремі звукові частоти підсилюються, а так як вони розташовані за межами реактора, то звукові хвилі інтенсивно розповсюджуються в навколишньому середовищу, що сприяє можливості оператору почути звуковий сигнал і припинити подачу відходів в реактор. Таким чином, сукупність суттєвих ознак дозволить виключити із установки не надійні елементи (вікна) для візуального контролю рівня розплаву полімерів в реакторі і ввести нові конструктивні елементи у вигляді звукового генератора, працюючого від потоку парогазової суміші, що дозволить забезпечити надійний контроль рівня розплаву в реакторі і безперервне ефективне та надійне термічне розкладання високомолекулярних складових термопластичних полімерів на низькомолекулярне рідке та газоподібне паливо, що забезпечить регулювання інтенсивності завантажування реактора оператором, при цьому збільшиться продуктивність установки по сировині на 25-50 % і відповідно збільшиться надійність установки на 15-20 %. Суть винаходу пояснюється кресленням. На фіг. 1 - зображений повздовжній перерізреактора; на фіг. 2 - зображений поперечний переріз реактора А - А; на фіг.3 - з ображений вид А повздовжній переріз звукового генератора розташованого в патрубку для відведення парогазової суміші із реактора; на фіг.4 - зображена ЗД модель реактора; на фіг. 5 - зображена ЗД модель звукового генератора (умовно передня стінка виконана прозорою). Стрілками позначені потоки: ПП - подача сировини (подрібнених термопластичних полімерів); ДГ - рух димових газів, обігріваючих реактор; РП - рідкий полімер в гарячому реакторі; ПГС - вихід парогазової суміші із реактора до багатоконтурної циркуляційної системи; ПГС (ЛФ) - вихід легкої фракції парогазової суміші із багатоконтурної циркуляційної системи; ВРФ - повернення важкої рідкої фракції із багатоконтурної циркуляційної системи в реактор; ПК - вихід твердого залишку (пірокарбону - технічного вуглецю); ПГ - вихід піролізного газу; ЛРФ - вихід легкої фракції рідкого палива. ВО1 - водяне охолодження вихідного конденсатора; ВО2 - водяне охолодження вихідного контуру БЦС; Π - повітря для охолодження середнього контуру БЦС. Установка для безперервного піролізу подрібнених термопластичних полімерних відходів з системою контролю рівня розплаву в реакторі, яка містить реактор піролізу 1 (фіг. 1, 2, 4) з системою зовнішнього обігріву 2, бункери для завантаження 3 та розвантаження 4 реактора 1, патрубок для відведення парогазової суміші 5 із реактора, багатоконтурну циркуляційну систему 6, трубопровід для повернення у реактор важкої рідкої фракції 7. Торці 8 і 9 відповідно патрубка 5 і трубопроводу 7 (фіг. 2), які установлені в реакторі 1, виконані паралельно поверхні розплаву (рівень - а) і розташовані один відносно другого на різних рівнях, відповідно (рівень б і в). На вході в реактор 1 патрубок 5 оснащений горизонтальним відрізком 10, в якому вмонтований акустичний генератор 11 (фіг. 1, 3, 5) з резонаторами Гельмгольца 12, який працює від потоку парогазової суміші, при цьому резонатори 12 розташовані з зовнішньої сторони реактора 1, а вище рівня поверхні розплаву (можливі рівні а, б, в) в реакторі 1 з зовнішньої його сторони установлена герметична компенсаційна ємність 13, яка з'єднана трубопроводом 14 з реактором 3 UA 110669 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 1 на рівні середини висоти розплавленого полімеру (РП). Акустичний генератор 11 (фіг. 3) виконаний в прямокутному коробі 15 з вхідним 16 і вихідним 17 отворами, в середині короба 15 на вхідному отворі 16 вмонтований завихрювач 18 парогазової суміші, а між ним і вихідним отвором 17 установлені резонатори Гельмгольца 12. Багатоконтурна циркуляційна система 6 складається із трьох контурів 19, 20, 21, середній контур 20 оснащений вентилятором 22, який забезпечує повітряне охолодження (П) парогазової суміші, а контур 21 оснащений водяним охолодженням (ВО2). Багатоконтурна циркуляційна система 6 оснащена вихідним конденсатором 23 з водяним охолодженням ВО1 і розподільною ємністю 24. Установка оснащена плунжерною системою завантаження 25 подрібнених полімерів в реактор 1 і топковим пристроєм 26 з додатковим пальником 27 для спалювання піролізного газу. Установка для безперервного піролізу подрібнених термопластичних полімерних відходів з системою контролю рівня розплаву в реакторі працює наступним чином: Попередньо в бункер 3 подаються термопластичні подрібнені полімери (ПП), які за допомогою плунжерної системи 25 завантажуються в реактор 1, при заповненні його включається головний пальник топкового пристрою 26, який працює на власному рідкому паливі легких фракцій (ЛРП). Гарячі димові гази (ДГ), які виходять з топкового пристрою 26, надходять в систему зовнішнього обігріву 2 і нагрівають реактор до температур 400-800 °C, після чого виходять в навколишнє середовище. В процесі нагріву реактора 1 подрібнені полімери розплавляються процес заповнення реактора продовжується до послідовного досягнення рівнів а, б, в. розплавом (РП). При тривалому нагріванні розплаву останні під дією температури розкладаються з утворенням парогазової суміші (ПГС) і твердого залишку - пірокарбону (ПК). ПГС накопичується в верхній частині реактора, а пірокарбон просувається по реактору до бункера 4 і вивантажується із реактора. В процесі заповнення реактора (ПП) до рівня а) ПГС вільно надходить в БЦС 6 через патрубок 5 і частково через трубопровід 7. ПГС охолоджується до температури 130 – 150 °C на контурах 19 з природним охолодженням 20 з повітряним охолодженням (П) вентилятором 22 і 21 з водяним охолодженням (ВО2), при цьому важкі вуглеводні ПГС конденсуються до важкої рідкої фракції (ВРФ), яка стікає по трубопроводу 7 назад в реактор, де вона вдруге розкладається на більш легкі компоненти. Після БЦС 6 залишається парогазова суміш легких фракцій ПГС (ЛФ), яка надходить в вихідний конденсатор 23, де вона охолоджується водяним охолодженням ВО1 до температури 25-35 °C з утворенням піролізного газу (ПГ) і рідкого палива легких фракцій (ЛРП), які в подальшому розділяються в розподільчій ємності 24. ЛРП накопичується в окремих ємностях, а ПГ подається на спеціальний пальник 27, установлений топковому пристрої 26. В процесі роботи установки оператор постійно подає ПП в реактор 1, рівень розплавлених полімерів поступово підвищується від рівня а) до рівня б) при цьому розплав закриває торець 9 трубопроводу 7, після чого ПГС надходить в БЦС тільки через торець 8 патрубка 5. При подальшому завантаження розплав доходить до рівня в) і перекриває проходження ПГС через патрубок 5. Далі ПГС надходить в БЦС 6 тільки через вхідний 16 та вихідний 17 отвори в корпусі 15 акустичного генератора 11, який вмонтовано на горизонтальному відрізку 10 патрубка 5. В акустичному генераторі 11 парогазова суміш надходить в завихрювач 18 і при завихрюванні потоку парогазової суміші утворюються звукові акустичні сигнали, які в подальшому резонують в резонаторах Гельмгольца 12 і відповідно окремі звукові частоти підсилюються, а так як вони розташовані за межами корпусу реактора 1, (фіг 1, 3, 5) то звукові хвилі інтенсивно розповсюджуються в навколишньому середовищу, що сприяє можливості оператору почути звуковий сигнал і припинити подачу відходів в реактор. Процес піролізу розплавлених полімерів в реакторі супроводжується інтенсивним газовиділенням і утворенням великого об'єму парогазової суміші, даний процес являється інерційним і коли закриті великі вхідні отвори 8 і 9 в патрубку 5 і трубопроводі 7, то при малому вхідному отворі 16 в акустичному генераторі 11, тиск в реакторі може досягти великих величин, що може привести до розриву реактора і утворенню аварійної ситуації. Таким чином, мала частина парогазової суміші, яка збирається в верхній частині реактора проходить в БЦС через акустичний генератор, а основна маса накопичується і тисне на поверхню розплаву, оскільки рідкий розплав не стискуваний, то останній перетікає через трубопровід 14 перетікає в компенсаційну ємність 13, заповнену повітрям яке стискається і рівень розплавленого полімеру в реакторі знижується, при цьому відкривається вхідний отвір 8 патрубка 5 і надлишок парогазової суміші із реактора 1 легко виходить в БЦС 6, що приводить до зниження тиску в реакторі і виключає аварійну ситуацію. Трубопровід 14, який з'єднує компенсаційну ємність 13 з реактором 1 установлений на рівні середини висоти розплавленого полімеру РП, що виключає попадання в даний трубопровід 14 твердих залишків пірокарбону і частинок не розплавлених холодних полімерів, які завантажуються в реактор, і які можуть закупорити трубопровід 14. 4 UA 110669 C2 5 Таким чином, запропонована установка для безперервного піролізу подрібнених термопластичних полімерних відходів з системою контролю рівня розплаву в реакторі забезпечує надійний контроль рівня розплаву в реакторі і безперервне ефективне та надійне термічне розкладання термопластичних полімерів на низькомолекулярне рідке та газоподібне паливо, що забезпечить регулювання інтенсивності завантаження реактора оператором, при цьому збільшиться продуктивність установки по сировині на 25-50 % і відповідно збільшиться надійність установки на 15-20 %. Запропонована установка може застосовуватися як одна із технологічних ліній при комплексній утилізації твердих побутових відходів. 10 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 1. Установка для безперервного піролізу подрібнених термопластичних полімерних відходів з системою контролю рівня розплаву в реакторі, що містить реактор піролізу з системою зовнішнього обігріву, бункери для завантаження та розвантаження реактора, патрубок для відведення парогазової суміші із реактора, багатоконтурну циркуляційну систему, трубопровід для повернення у реактор важкої рідкої фракції, яка відрізняється тим, що торці патрубка і трубопроводу, які розташовані в реакторі, виконані паралельно поверхні розплаву на різних рівнях, а на вході в реактор патрубок оснащений горизонтальним відрізком, в якому вмонтований акустичний генератор з резонаторами Гельмгольца, який працює від потоку парогазової суміші, при цьому резонатори розташовані з зовнішньої сторони реактора, а вище рівня поверхні розплаву в реакторі з зовнішньої його сторони установлена герметична компенсаційна ємність, яка з'єднана трубопроводом з реактором на рівні середини висоти розплавленого полімеру. 2. Установка для безперервного піролізу подрібнених термопластичних полімерних відходів з системою контролю рівня розплаву в реакторі за п. 1, яка відрізняється тим, що акустичний генератор виконаний в прямокутному коробі з вхідним і вихідним отворами, всередині короба на вхідному отворі вмонтований завихрювач парогазової суміші, а між ним і вихідним отвором установлені резонатори Гельмгольца. 5 UA 110669 C2 6 UA 110669 C2 7 UA 110669 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8