Реактор і спосіб для щонайменше часткового розкладання і/або очищення пластмасового матеріалу

Реферат: Реактор для газифікації і/або очищення, зокрема для деполімеризації, пластмасового матеріалу (12), що містить реакторну посудину (14) для приймання пластмасового матеріалу (12), при цьому реакторна посудина містить металевий розплав, нагрівник (18) для нагрівання пластмасового матеріалу (12) в реакторній посудині (14). Згідно з винаходом, передбачений розташований у внутрішньому просторі (22) реакторної посудини (14) напрямний пристрій (24) для спрямування зрідженого пластмасового матеріалу (12) в реакторній посудині (14), при цьому напрямний пристрій (24) призначений для спрямування зрідженого пластмасового матеріалу (12) по спіральному шляху. UA 111477 C2 (12) UA 111477 C2 UA 111477 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується реактора для газифікації і/або очищення, згідно з обмежувальною частиною пункту 1 формули винаходу. Згідно з іншим аспектом, винахід стосується способу щонайменше часткового розкладання, зокрема, деполімеризації, і/або очищення пластмасового матеріалу. Використані пластмасові вироби в більшості випадків застосовуються повторно тим, що їх переробляють у вироби, в яких якість пластмаси грає другорядну роль, наприклад, в лавки або стовпи. Однак ці застосування не здатні забезпечувати використання величезних пластмасових відходів, так що велика частина пластмасового сміття застосовується як паливо. З US 5436210 А відомий пристрій для обробки відходів, в якому відходи вводяться знизу у ванну з розплавленого металу. Відходи розкладаються і залишають ванну в рідкому або газоподібному вигляді. З ЕР 1840191 А1 відомий пристрій для газифікації біомаси. Такий реактор не придатний, як правило, для газифікації або очищення пластмасового матеріалу, оскільки процеси, які лежать в основі є іншими. З JP 2004256773 А відомо пристрій для термічного розкладання, в якому підлягаючий піролізу матеріал проводиться в трубі, що проходить горизонтально, яка нагрівається зовні. Для усунення залишків, пристрій для розкладання має обертовий шнек, за допомогою якого залишки транспортуються до кінця труби для витягування. В основу винаходу постановлена задача створення реактора для газифікації і/або очищення пластмасового матеріалу, який має невеликий конструктивний об'єм. Задача вирішена, згідно з винаходом, за допомогою реактора, в якому утворено напрямний пристрій для спрямування зрідженого пластмасового матеріалу по спіральному шляху. Згідно з іншим аспектом винаходу, задача вирішена за допомогою способу щонайменше часткового розкладання, зокрема, деполімеризації і/або очищення пластмасового матеріалу, що містить стадії: (а) введення пластмасового матеріалу в реакторну посудину, яка проходить вздовж подовжньої осі, (b) нагрівання пластмасового матеріалу за допомогою нагрівника і (с) спрямування за допомогою розташованої у внутрішньому просторі реакторної посудини напрямного пристрою пластмасового матеріалу на шлях навколо подовжньої осі реакторної посудини. Перевагою винаходу є те, що пластмасовий матеріал проходить в реакторі довгий шлях, так що він переважно вступає в хімічну реакцію. За рахунок напрямку пластмасового матеріалу по спіральному шляху реактор може бути виконаний дуже компактним, що знижує втрати тепла за рахунок випромінювання. У рамках даного опису під реактором розуміється, зокрема, термокаталітичний деполімеризаційний реактор. Під цим розуміється реактор, який призначений для деполімеризації полімерів, що подаються термічно і/або каталітично і/або розкладання на речовини з нижчою температурою плавлення або кипіння. Однак реактор може бути також призначений для очищення пластмасового матеріалу. У цьому випадку температуру в реакторі переважно вибирають так, що розкладаються забруднення, а пластмасовий матеріал залишається незайманим. Під нагрівником розуміється будь-який пристрій, який призначений для підведення теплової енергії в пластмасовий матеріал в реакторній посудині. Переважно, це індукційний нагрівник, який щонайменше в деяких частинах реакторної посудини і/або в розташованих у внутрішньому просторі реакторної посудини компонентах створює індуктивним методом тепло. Це має ту перевагу, що також частини реакторної посудини, які лежать радіально далеко всередині можуть добре нагріватися. Під напрямним пристроєм розуміється, зокрема, структура, яка виконана так, що кожний уявний об'ємний елемент повинен щонайменше один раз пройти навколо подовжньої осі. Це стосується, природно лише для не перетворених в газ складових частин уявного об'ємного елемента. Зокрема, напрямний пристрій виконаний плоским. Наприклад, напрямний пристрій виконаний зі сталевого листа. Під ознакою призначення напрямного пристрою для спрямування зрідженого пластмасового матеріалу по спіральному шляху розуміється, зокрема, що напрямний пристрій виконаний так, що він примусово спрямовує зріджений пластмасовий матеріал на шлях, який щонайменше два рази, однак, зокрема, декілька разів проходить навколо подовжньої осі реакторної посудини. Можливо, але не обов'язково, що реакторний пристрій є гвинтоподібним. Наприклад, можливо також, що напрямний пристрій складається з декількох сталевих листів, які проходять на деяких ділянках по суті горизонтально, а на деяких ділянках проходять з нахилом вгору. У цьому випадку пластмасовий матеріал протікає по шляху, який лише на деяких ділянках проходить вгору і на деяких ділянках по суті горизонтально. 1 UA 111477 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Переважно, реакторна посудина має подавальний пристрій для подачі пластмасового матеріалу. Цей подавальний пристрій переважно розташований поблизу дна реакторної посудини. Він може містити екструдер, за допомогою якого забезпечується можливість пластифікації пластмасового матеріалу. Згідно з винаходом, реакторна посудина містить металевий розплав. Металевий розплав може містити, наприклад, сплав Вуда. Звичайно переважно, коли металевий розплав має температуру плавлення максимально 300 °C. Переважно, коли реактор містить конденсатор, за допомогою якого забезпечується можливість конденсації газів, які виходять з реакторної посудини. Ці гази є в більшості випадків продуктами розкладання пластмасового матеріалу. Доцільно, що реакторна посудина містить пластмасовий матеріал у вигляді поліолефіну, який вводиться, наприклад, через дозувальний пристрій знизу в реакторну посудину. При розкладанні поліолефіну виникає подібна нафті рідина, яку можна спалювати для нагрівальних цілей або використовувати для цілей синтезу. Згідно з одним переважним варіантом виконання, напрямний пристрій проходить вгору відносно вертикального поперечного перерізу зі збільшуваною радіальною відстанню. Іншими словами, напрямний пристрій в цьому випадку виконаний так, що пластмасовий матеріал, який потрапляє на напрямний пристрій, спрямовується вгору і радіально назовні. У цьому випадку газ, який виникає за рахунок розкладання пластмасового матеріалу, переважно збирається у радіально зовнішнього краю напрямного пристрою. Як альтернативне рішення можливо, що напрямний пристрій проходить відносно поперечного перерізу горизонтально або при збільшуваній радіальній відстані проходить з орієнтацією вниз. У цьому випадку переважно, коли реактор має центральну колону, так що спрямовуваний всередину пластмасовий матеріал не може перетікати через радіально внутрішню кромку напрямного пристрою і може підійматися безпосередньо вгору. Можливо також, що напрямний пристрій на деяких ділянках проходить горизонтально відносно вертикального поперечного перерізу, на деяких ділянках при зменшуваній радіальній відстані проходить з орієнтацією вгору і/або на деяких ділянках при збільшуваній радіальній відстані проходить з орієнтацією вгору. Таким чином, можна впливати будь-яким чином на потік виникаючого газу. Згідно з одним переважним варіантом виконання, напрямний пристрій виконаний щонайменше на деяких ділянках з феромагнітного матеріалу. Це особливо доцільно, коли нагрівання є індуктивним нагріванням. У цьому випадку напрямний пристрій нагрівається за допомогою електромагнітного змінного поля, що створюється індукційним нагрівником, так що температура в безпосередньому оточенні напрямного пристрою є особливо високою. Переважно, коли товщина напрямного пристрою становить щонайменше 1 мм, з метою забезпечення, з одного боку, достатньої механічної стабільності і, з іншого боку, хорошого зв'язку з індуктивним змінним полем. Переважно, напрямний пристрій має виїмки, які проходять наскрізь знизу вгору. Ці виїмки можуть бути отворами, прорізами або розривами між виїмкою і, наприклад, внутрішньою стороною реакторної посудини. Переважно, коли виїмки розташовані щонайменше також на стороні краю, зокрема, радіально зовні і/або радіально всередині. При цьому переважно, коли виїмки мають невеликий поперечний переріз або невелику ширину в світлі. Це приводить до того, що рідкому пластмасовому матеріалу протистоїть особливо великий опір потоку. Згідно з одним переважним прикладом виконання, напрямний пристрій має поблизу щонайменше частини виїмок потовщення. Під цим розуміється, що напрямний пристрій виконаний так, що повернена до виїмки поверхня більша товщини напрямного пристрою без цього потовщення в тому ж місці. Зокрема, це потовщення виконане з фероелектричного матеріалу. У цьому випадку поблизу виїмок можуть бути, наприклад, приварені потовщуючи елементи. Для поліпшення зв'язку зі змінним магнітним полем може бути переважно передбачено, що реакторна посудина щонайменше на своїй поверненій до внутрішнього простору стороні містить фероелектричний матеріал, відповідно, виконана з фероелектричного матеріалу. Додатково до цього переважно, коли реактор має в своєму внутрішньому просторі нагрівальні елементи, які можуть мати фероелектричний матеріал. Ці нагрівальні елементи можуть бути, наприклад, кулями. Загалом переважно, коли нагрівальні елементи є опуклими, при цьому уявна обвідна сфера мінімального діаметра, яка оточує нагрівальний елемент, має, зокрема, діаметр максимально 50 мм. Додатково до цього переважно, коли діаметр обвідної сфери становить щонайменше 3 мм. 2 UA 111477 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Нижче приводиться докладніше пояснення винаходу з посиланнями на прикладені креслення, на яких зображено: Фіг. - реактор, згідно з винаходом, для реалізації способу, згідно з винаходом. На фіг. показаний реактор 10, згідно з винаходом, для газифікації пластмасового матеріалу 12, зокрема, полімерів поліолефіну. Реактор містить реакторну посудину 14 для нагрівання пластмасового матеріалу 12, яка вводиться через екструдер 16, наприклад, на стороні дна в реакторну посудину 14. Реактор 10 містить нагрівник 18 у вигляді індукційного нагрівника, який має декілька котушок 20.1, 20.2,…, 20.5, за допомогою яких утворюється магнітне змінне поле у внутрішньому просторі 22 реакторної посудини 14. Котушки 20 (позиції без індексу означають об'єкт загалом), з'єднані з не зображеним блоком електропостачання, який подає в котушки змінний струм. Частота змінного струму лежить, наприклад, в діапазоні від 25 до 50 кГц. Можливі вищі частоти, однак вони приводять до збільшення так званого скін-ефекту, що не бажано. У внутрішньому просторі 22 реакторної посудини 14 розташований напрямний пристрій 24, за допомогою якого пластмасовий матеріал 12 спрямовується по спіральному шляху навколо подовжньої осі L реакторної посудини 14. Напрямний пристрій виконаний в цьому випадку у вигляді шнека. Реакторна посудина 14 заповнена металевим розплавом 26, який має температуру плавлення максимально TScmeiz = 300 °C. Наприклад, металевий розплав складається зі сплаву Вуда. Металевий розплав має, як правило, густину більша 9 г на кубічний сантиметр, так що на пластмасовий матеріал 12 діє підіймальна сила, яка вдавлює його знизу в напрямний пристрій 24. На основі температури Τ в реакторній посудині 14, пластмасовий матеріал 12 послідовно розкладається і утворює при цьому газові бульбашки 28.1, 28.2, …. Металевий розплав 26 може здійснювати на процес розкладання каталітичну дію, так що реактор 10 може бути термокаталітичним реактором деполімеризації. Пластмасовий матеріал є, зокрема, поліолефіном, який під впливом температури піддається деполімеризації, так що газові бульбашки 28 можуть містити, серед іншого, алкани, алкени і алкіни. За рахунок шнекової форми напрямного пристрою 24, пластмасовий матеріал 12 переміщується на своєму шляху від вхідного отвору 30, який переважно розташований в дні реакторної посудини 14, по спіральному шляху, тобто по закрученому навколо подовжньої осі L шляху. Тому вектор напрямку потоку пластмасового матеріалу 12 направлений вгору і має велику ободову складову, яка більша радіальної складової. На фіг. реактор 10 показаний у вертикальному поперечному перерізі. Можна бачити, що напрямний пристрій 24 відносно цього поперечного перерізу проходить вниз з радіальною відстанню, що збільшується г від подовжньої осі L. За рахунок цього, пластмасовий матеріал 12, який потрапляє на напрямний пристрій 24, спрямовується радіально всередину. Зокрема, газові бульбашки 28 переміщуються радіально всередину, де вони ударяються в колону 32. Напрямний пристрій 24 містить множину виїмок 34.1, 34.2,…, через які газ може легко пройти вгору. Як показано окремо в збільшеному масштабі на фіг., якраз у виїмок 34, наприклад, у виїмки 34.3, розташовані потовщення 36.1, 36.2, які в цьому випадку реалізовані за допомогою приварених залізних стрижнів. Оскільки залізо є феромагнітним матеріалом, то потовщення 36 і газова бульбашка 28.3, яка проходить через виїмку 34.3, так само як пластмасовий матеріал, який можливо проходить, нагріваються. Таким чином, дія потовщення полягає в тому, що повернена до виїмки 34.3 поверхня А більша поверхні А, яка була б повернута до виїмки 34.3 при відсутності потовщення 36. Іншими словами, потовщення 36 приводить до збільшення локальної товщини D. На фіг. схематично показано, що біля внутрішнього краю 38, який лежить радіально всередині, напрямного пристрою 24 може бути утворена виїмка 34.4 у вигляді наскрізного прорізу. Оскільки відносно витка шнека радіально всередині знаходиться найвища точка, то через цю виїмку, яка лежить радіально всередині, можна особливо ефективно відводити газ вгору. Реакторна посудина 14 на своїй повернутій до внутрішнього простору 22 стороні виконана з феромагнітного матеріалу, наприклад, із заліза або магнітної сталі. Крім того, напрямний пристрій 22 також виконаний з феромагнітного матеріалу, так що вона нагрівається за допомогою індукційного нагрівника 18. Індукційний нагрівник 18 виконаний так, що виходить температурний градієнт, при цьому температура збільшується зі збільшуваною висотою. На нижньому кінці реакторної посудини 14 температура становить, як правило, приблизно Τ = 300 °C, в той час як у верхній зоні вона становить приблизно Τ = 450 °C. 3 UA 111477 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Реактор 10 має відведення 40 забруднень, яке розташоване на верхньому кінці реакторної посудини 14. Оскільки типові забруднення пластмасового матеріалу, наприклад, пісок, легше металевого розплаву, то вони спливають і можуть бути видалені зверху. Додатково до цього, реактор 10 має відвід 42 газу, який входить в конденсатор 44 і відводить виникаючий газ. Рідкий матеріал, який виходить з конденсатора потрапляє в колектор 46. Спосіб, згідно з винаходом, здійснюється тим, що за допомогою екструдера 16 ь пластмасовий матеріал 12 попередньо нагрівають до приблизно 250 С. Після цього частково пластифікований пластмасовий матеріал 12 через вхідний отвір 30 вводять в реакторну посудину 14 і там нагрівають. Пластмасовий матеріал 12 проходить по спіралі вгору в реакторній посудині 14 і при цьому піддається газифікації. Як пластмасовий матеріал переважно застосовують поліолефін. Однак можна використовувати також інші полімери. Переважно, мова йде про антропогенні пластмаси, зокрема, по суті пластмасових матеріалах, які не містять воду. На основі схильності до карбонізації, реактор 10, як правило, мало придатний для перетворення органічного матеріалу. При необхідності очищення пластмасового матеріалу 12, металевий розплав доводять до температури, при якій пластмасовий матеріал не розкладається, а розкладаються забруднення, що лише містяться в ньому. Перелік позицій 10 Реактор 12 Пластмасовий матеріал 14 Реакторна посудина 16 Екструдер 18 Нагрівник 20 Котушка 22 Внутрішній простір 24 Напрямний пристрій 26 Металевий розплав 28 Газові бульбашки 30 Вхідний отвір 32 Колона 34 Виїмка 36 Потовщення 38 Внутрішній край 40 Відведення забруднень 42 Відведення газу 44 Конденсатор 46 Колектор L Подовжня вісь Τ Температура Tschmeiz Температура розплаву г Радіальна відстань А Поверхня D Товщина ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Реактор для газифікації і/або очищення, зокрема для деполімеризації, пластмасового матеріалу (12), що містить: (a) реакторну посудину (14) для приймання пластмасового матеріалу (12), (b) при цьому реакторна посудина містить металевий розплав, (c) нагрівник (18) для нагрівання пластмасового матеріалу (12) в реакторній посудині (14), який відрізняється тим, що (d) у внутрішньому просторі (22) реакторної посудини (14) розташований напрямний пристрій (24) для спрямування зрідженого пластмасового матеріалу (12) в реакторній посудині (14), (e) при цьому напрямний пристрій (24) призначений для спрямування зрідженого пластмасового матеріалу (12) по спіральному шляху. 2. Реактор за п. 1, який відрізняється тим, що напрямний пристрій (24) має гвинтову форму. 3. Реактор за будь-яким з пп. 1 або 2, який відрізняється тим, що напрямний пристрій (24) проходить вгору відносно вертикального поперечного перерізу з радіальною відстанню (r), що 4 UA 111477 C2 5 10 15 20 збільшується, так що пластмасовий матеріал (12), який потрапляє на напрямний пристрій (24), спрямовується радіально назовні. 4. Реактор за будь-яким з пп. 1-3, який відрізняється тим, що напрямний пристрій (24) виконаний щонайменше на деяких ділянках з феромагнітного матеріалу. 5. Реактор за будь-яким з пп. 1-4, який відрізняється тим, що напрямний пристрій (24) має наскрізні виїмки (34), які проходять знизу вгору. 6. Реактор за будь-яким з пп. 1-5, який відрізняється тим, що напрямний пристрій (24) має поблизу щонайменше однієї виїмки потовщення (36). 7. Реактор за будь-яким з пп. 1-6, який відрізняється тим, що реакторна посудина (14) щонайменше на своїй повернутій до внутрішнього простору (22) стороні містить фероелектричний матеріал. 8. Реактор за будь-яким з пп. 1-7, який відрізняється тим, що має в своєму внутрішньому просторі (22) нагрівальні елементи, які мають феромагнітний матеріал. 9. Спосіб щонайменше часткового розкладання, зокрема де полімеризації, і/або очищення пластмасового матеріалу (12), який відрізняється тим, що містить стадії: (a) введення пластмасового матеріалу (12) в реакторну посудину (14), яка проходить вздовж подовжньої осі (L) і містить металевий розплав, (b) нагрівання пластмасового матеріалу (12) за допомогою нагрівника (18), (c) спрямування за допомогою розташованої у внутрішньому просторі (22) реакторної посудини (14) напрямного пристрою (24) пластмасового матеріалу (12) на шлях навколо подовжньої осі (L) реакторної посудини (14). 10. Спосіб за п. 9, який відрізняється тим, що пластмасовий матеріал (12) складається переважно з твердого при 23 °C поліолефіну. 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 5