Спосіб і пристрій для деполімеризації пластмасових відходів

Реферат: Для здійснення хімічних процесів, в яких вихідні матеріали нагрівають, причому при використанні легкоплавких металів або металевих сплавів в резервуарі або реакторі одержують рідку ванну, передбачено дозовано вводити вихідні тверді матеріали в нижній частині резервуара або реактора прямо у рідку ванну. UA 106493 C2 (12) UA 106493 C2 UA 106493 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід - стосується способу проведення хімічних процесів, при якому вихідні матеріали нагрівають, причому з розігрітих легкоплавких металів або металевих сплавів утворюється рідка ванна в резервуарі або реакторі. Далі винахід стосується пристрою для проведення хімічних процесів з резервуаром або реактором для вміщення рідкої ванни легкоплавкого металу або легкоплавкого металевого сплаву. В польській патентній заявці Р-372777 був представлений реактор для здійснення процесу термічної деполімеризації пластмасових відходів. Цей реактор виконаний з турбомішалкою, а також з набором трубчастих підігрівачів, які по черзі встановлюються в довгі, вузькі і плоскі кожухи і знаходяться під поверхнею розплавленого матеріалу. Нагрівач переважно покритий легкоплавким металом, наприклад, сплавом Вуда. Між мішалками і підігрівачем встановлені прямовисні загороджувальні стінки, які забезпечують подовжню течію через підігрівач. В описаному процесі може траплятися перегрів розплавлених матеріалів, через що на деталях пристрою утворюються важковидаляємі відкладення продуктів карбонізації. Крім того, під час хімічного процесу потрібне інтенсивне перемішування. В основі винаходу стоїть задача зробити проведення вказаного хімічного процесу більш легким без небезпеки перегріву і відкладень. Згідно з винаходом ця задача вирішена способом згаданого вище типу так, що вихідні матеріали дозовано вводять як тверді матеріали прямо у ванну в нижній частині резервуара або реактора. Легкоплавкі метали або металеві сплави нагрівають щонайменше одним, переважно електричним нагрівальним пристроєм або прямо в резервуарі або реакторі, або в особливій ємності, так що розплавлений сплав підводиться у резервуар або реактор. Вихідні матеріали, що подаються, вводяться у рідку ванну як тверді матеріали. Оскільки вихідні матеріали переважно мають меншу густину, ніж рідка ванна, вони автоматично рухаються через рідку ванну вгору, при цьому протікає бажаний хімічний процес. Автоматичне просування вгору вихідних матеріалів після дозованої подачі можна уповільнити за допомогою загороджувальних стінок, спіральних направляючих труб або за допомогою решіток в рідкій ванні. Доцільно, щоб рідка ванна мала у розплавленому стані в резервуарі або реакторі температуру від 50 °C до 1000 °C, переважно від 50 °C до 550 °C. Крім того, вказана вище задача вирішена пристроєм згаданого вище типу, який відрізняється тим, що резервуар або реактор в своїй нижній частині обладнаний подавальним пристроєм для дозованої подачі вихідних матеріалів як твердих матеріалів прямо у рідку ванну. Для твердих речовин дозування здійснюється, наприклад, за допомогою шнекового транспортера-дозатора. Резервуар або реактор може бути виконаний з нагрівальним елементом в нижній частині, переважно з електрообігрівачем, особливо переважно з індукційним нагрівом. При цьому індукційний нагрівач може бути розташований циліндрово навколо сорочки реактора або резервуара. Індукція переважно здійснюється на низьких частотах, щоб уникнути скін-ефекту. Ця конфігурація має ту перевагу, що вся рідка ванна нагрівається рівномірно по всьому об'єму, так що нагрів відбувається не лише знизу. Альтернативно у резервуар або реактор може підводитися легкоплавкий метал або легкоплавкий металевий сплав, нагрітий в особливій ємності. Крім того, резервуар або реактор може бути обладнаний загороджувальними стінками, спіральними направляючими трубами або сітками для уповільнення підйому вихідних матеріалів. Спосіб згідно з винаходом дозволяє дуже ефективний і потужний нагрів використовуваних в процесі вихідних матеріалів, субстратів і реагентів. Забруднювальні речовини, що відділяються, і відкладення, такі як карбонізат, можна легко видалити. Ці речовини знімають з поверхні розплавленого металу або металевого сплаву, або їх можна змити розчинником або водою. Очищення розплавленого металу можна проводити при підвищених температурах в рідкому стані, пропускаючи воду через розливаний з резервуара або реактора сплав. Одним прикладом процесу, який може здійснюватися за способом згідно з винаходом, є термокаталітична деполімеризація пластмасових відходів, наприклад, поліолефінової пластмаси. У цих способах до теперішнього часу застосовувалися нагрівальні елементи, які безпосередньо або через стінки нагрітого реактора контактували з розігрітими рідинами. Наслідком цього було те, що на перегрітих елементах пристрою осідали забруднення у вигляді карбонізату. Жодне поліпшення процесу зміщення під час технологічного процесу не дає можливості запобігти осадженню карбонізату на нагрітих поверхнях. Таким чином, були потрібні тимчасові перерви в роботі, щоб очистити пристрій. 1 UA 106493 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Згідно з винаходом спосіб може охоплювати будь-яку стадію хімічного процесу, як, наприклад, попереднє очищення речовин, їх подрібнення, їх пластифікація в плавильних печах, переведення твердої сировини в рідкий стан, усунення всіх типів фракцій, які представляють основний або побічний продукт, повернення розчинників і інших речовин, які беруть участь в хімічному процесі, а також фази додавання каталізаторів і відведення відпрацьованих фракцій. Рівним чином, пристрій згідно з винаходом містить відповідні типові секції для проведення вищезгаданих стадій. Ці стадії відповідають типу і загальновідомі. Винахід стосується поліпшення нагріву у фазі нагріву в рамках відомих способів і поліпшення звичайних пристроїв шляхом впровадження нового способу нагріву. Температури, які можуть застосовуватися в способі згідно з винаходом, лежать в діапазоні від 50 °C до 1000 °C або від 50 °C до 550 °C. Згідно з винаходом нагрітий метал або нагрітий металевий сплав застосовується в рідкому (розплавленому) стані. У циліндровій ємності, наприклад, з конічним дном, в нижній частині може знаходитися нагрівальний елемент, як правило, електронагрівальний елемент, який нагріває легкоплавкий сплав. Альтернативно може застосовуватися циліндровий обігрівач, що проходить по висоті стінок, зокрема, електронагрівач, переважно індукційний нагрівач, який встановлений у формі циліндра навколо сорочки резервуара або реактора і який дає ту перевагу, що можна рівномірно або з певними температурними градієнтами нагрівати весь об'єм металу або металевого сплаву. В нижній частині резервуара знаходиться подавальний пристрій, через який вихідний матеріал можна ввести у резервуар. Густина вихідного матеріалу набагато менша, ніж густина сплаву. Тому може бути доцільним встановити в резервуарі загородження, щоб збільшити час нагрівання вихідного матеріалу, тобто уповільнити проходження речовин через сплав. Тривалість хімічного процесу при підвищеній температурі визначається не лише вибором відповідної температури, але також висотою стовпа розплавленого металу, типом вживаних перешкод, розмірами отворів насадок, а також кількістю речовини, яка подається за певну одиницю часу. Винахід дозволяє з вигодою подавати тверді матеріали. Так, наприклад, згідно з винаходом можна очищати пісок, забруднений маслом. При цьому пісок сприяє каталітично деполімеризації масла, так що температури рідкої ванни, наприклад, 450 °C, досить, щоб деполімеризувати масло і при необхідності перетворити на технічні фракції, а також у придатні для вживання речовини. Піщинки збираються в сухій формі в поверхні рідкої ванни і можуть бути видалені звідти простим способом, наприклад, продуванням потоком безкисневого газу. Наступним прикладом здійснення запропонованого винаходом хімічного процесу з твердими вихідними матеріалами є розділення пластмаси і алюмінію, які можуть бути матеріалами, міцно зв'язаними один з одним. Ці матеріали можуть дозовано подаватися у рідку ванну в подрібненій формі через шлюзовий затвір, наприклад, шибером. При цьому пластмаса може деполімеризуватися і виводитися в газоподібній формі, тоді як алюміній збирається в твердій формі на поверхні рідкої ванни і може бути відведений, наприклад, шляхом відсмоктування. Спосіб згідно з винаходом може застосовуватися також для подачі частинок пластмаси у температурні зони, в яких пластмаса ще не деполімеризована. В цьому випадку пластмасу можна видаляти з поверхні рідкої ванни в рідкій формі. Якщо перемішування вихідних матеріалів з рідкою ванною не відбувається мимовільно достатньою мірою, можна передбачити змішувальний пристрій. Проте краще в цьому випадку викликати перемішувальний ефект за допомогою бульбашок газу, які нагнітаються через насадки. При цьому бульбашки газу переважно утворені технологічними газами, які не конденсуються при наявних в пристрої температурах процесу і тим самим можуть рециркулювати. Якщо представляється доцільним видаляти з пристрою вуглеводні, це можна проводити продуванням, наприклад, СО2. Спосіб згідно з винаходом підходить для дуже ефективної сушки твердих речовин, наприклад, рідкої грязі. В цьому випадку можна видаляти сухий пісок з поверхні рідкої ванни в простій формі. Зокрема, при вживанні циліндрового обігрівача, встановленого в або на стінках, наприклад, індукційного нагрівача, може мати сенс створювати в резервуарі або реакторі градієнти температури рідкої ванни, щоб, наприклад, можна було контрольовано впливати на частинки полімерного матеріалу. Крім того, можна проводити складні реакції шляхом встановлення послідовно декількох резервуарів або реакторів з різними температурами рідких ванн. Таким чином, можна відокремити один від одного, наприклад, суміші води, гліколю і метанолу. У першому реакторі рідка ванна може мати, наприклад, температуру 72 °C, внаслідок чого метанол випаровується, і з поверхні рідкої ванни відбирається суміш гліколю і води. Тоді в другому реакторі можна 2 UA 106493 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 встановити температуру рідкої ванни 86 °C, внаслідок чого випаровується гліколь, і з поверхні рідкої ванни можна відвести чисту воду. Окрім управління температурою, значення має управління часом перебування вихідних матеріалів в рідкій ванні. У багатьох випадках вигідне застосування сит з різними розмірами отворів, щоб можна було контролювати час перебування. При цьому сита можуть мати впорядковані розміри отворів від 0,1 мм до 2 мм. Це вигідно, зокрема, для обробки введених у рідку ванну твердих частинок, які повільно розплавляються в рідкій ванні. Завдяки застосуванню сит з розмірами вічок, що зменшуються, можна забезпечити, що тверді частинки зможуть перейти на один рівень вгору лише тоді, коли вони в процесі плавлення зменшаться настільки, щоб пройти через отвори відповідного сита. Частинки залишаються на відповідному ситі до тих пір, поки вони в результаті подальшого розплавлення не зможуть пройти через вічка сит, щоб досягти наступного сита з меншим розміром вічок або в розплавленій формі досягти поверхні рідкої ванни. У способі згідно з винаходом можуть застосовуватися різні легкоплавкі метали і сплави, наприклад, сплави з галієм і індієм (температура плавлення 47 °C), сплав Вуда (температура плавлення 70 °C), сплав Ліповиця (температура плавлення 80 °C), сплав Ньютона (температура плавлення 96 °C), сплав Ліхтенберга (температура плавлення 92 °C). Далі винахід буде пояснений детальніше на прикладах здійснення, представлених на фігурах. Показано: Фіг. 1 - приклад пристрою згідно з винаходом для рідкого вихідного матеріалу; Фіг.2 - варіант пристрою з фіг.1 для застосування твердих вихідних матеріалів. Пристрій, показаний на фіг.1, є пристроєм для термокаталітичної деполімеризації пластмасових відходів, таких як, наприклад, поліолефінова пластмаса. Він виконаний з плавильним пристроєм 201, мокрим реактором 301, в якому знаходяться насадки 2 з отворами, через які подаються розплавлені вихідні матеріали, тобто відходи поліетилену ПЕ і поліпропілену ПП. Реактор наповнений легкоплавким металевим сплавом 3, який нагрівається електронагрівальним елементом 1. В реакторі знаходяться загородження 4, які уповільнюють протікання крапель синтетичного матеріалу через поверхню реактора. Крім того, пристрій виконаний із сухим реактором 302, нагрівачем 303 для пари вуглеводнів, спусковим резервуаром 304, спусковим резервуаром 305 для сплаву, конденсатором 401, ємністю 402 для конденсату, насосом-дозатором 403 для конденсату і резервуаром для СО 2. Вказані компоненти пристрою відомі і застосовуються в пристроях цього типу. Основна модифікація полягає в новій конструкції мокрого реактора 301, в якому нагріваються вихідні матеріали (речовини, що витрачаються в процесі), тобто поліолефінові відходи. У спусковому резервуарі 305 може мати місце очищення сплаву шляхом промивання рідиною або встановлення температури на приблизно 100 °C. Приклад У пристрої термокаталітичної деполімеризації пластмасових відходів, який містить залишки поліетилену і поліпропілену, проводилася реакція, при якій рідкий легкоплавкий сплав був сплавом Вуда. Спочатку розплавлені відходи проводилися далі через розміщені в нижній частині реактора насадки з отворами діаметром від 0,5 до 1 мм. Ванна розплавленого сплаву Вуда, що знаходиться в реакторі, витримувалася при температурі 400-420 °C. Фіг.2 показує один варіант мокрого реактора 311, який може застосовуватися замість мокрого реактора 301 в пристрої з фіг. 1, щоб обробляти тверді матеріали як вихідні матеріали. Відповідно до цього внизу реактора 311 встановлений розташований горизонтально шнековий транспортер-дозатор 11. Електромотор 12 приводить в дію гвинт 13 шнека, який оточений циліндровим кожухом 14. В отворі на верхній стороні кожуха 14 знаходиться завантажувальна воронка 15, через яку можна подавати роздрібнений твердий матеріал на гвинтовий дозуючий насос 11. Через випускні отвори 16 в поді реактора 311 просувний таким чином твердий матеріал проникає всередину реактора 311, який наповнений легкоплавким сплавом. Оскільки тверді речовини мають меншу питому вагу, ніж металевий сплав, вони піднімаються в металевому сплаві вгору. Тверді речовини нагріваються, внаслідок чого можуть йти хімічні або фізичні процеси перетворення. Якщо при хімічних процесах перетворення утворюються гази, вони можуть виводитися в кришці реактора 311 через випуск 17 газу. Нижче за кришку реактора знаходиться бічний випуск 18 для твердих речовин 19, які можуть відбиратися з реактора 311 на розплаві 3 через випускний клапан 20. Під твердими речовинами 19 мова може йти про пісок, який потрапляє в розплав 3 в реакторі 311 в забрудненій формі через впускні отвори 16. Органічні компоненти мінералізуються під дією високих температур рідкої ванни і перетворюються на гази, які можна 3 UA 106493 C2 5 10 15 20 25 30 35 вивести з реактора 311 через випуск 17 для газів. На поверхні розплаву збираються піщинки 19 як тверді речовини, які можуть бути виведені з реактора 311 в очищеному вигляді. Якщо тверді речовини 19 є гранульованою пластмасою, яка має бути деполімеризована, її можна контрольовано перетворити під тепловою дією легкокиплячого сплаву 3. Для цього вигідно передбачити в реакторі 311 розташовані один над одним ситові системи 21, які, з одного боку, як загородження 4 можуть збільшити час проходження твердих речовин 19 через рідку ванну 3, а з іншого боку, зокрема, при перетворенні пластмаси, досягається автоматичне управління часом перебування на певних рівнях перетворення, якщо вони виконані з розмірами вічок, що зменшуються від низу до верху. Зерно грануляту, який входить у розплав 3 через вхідні отвори 16 і має розмір більше розміру вічок нижнього сита 21, залишається нижчим за нижнє сито 21 до тих пір, поки зерно в результаті реакції не стане настільки малим, що зможе пройти через перше сито 21. Перед наступним ситом 21 зерно залишається до тих пір, поки воно знову не зменшиться достатньою мірою, щоб пройти через отвір цього сита. Аналогічно діють останні сита 21. При такому застосуванні реактора 311 можна, щоб через вхідні отвори 16 проводилися тверді речовини у вигляді гранульованої пластмаси і подібного, і до поверхні рідкої ванни 3 більше не доходило жодних твердих речовин 19, але, наприклад, на поверхні плавав би рідкий шар, який потім також можна відвести через бічний випуск 18. Реактор 311 в прикладі здійснення, представленому на фіг.2, не нагрівається безпосередньо нагрівальним стрижнем або нагрівальним змійовиком, але має теплоізольовані циліндрові стінки 22 сорочки, які розташовані навколо витків електричного індукційного нагрівача 23. Застосування індукційного нагрівача 23 для розігрівання розплаву 3 має у порівнянні з застосуванням електронагрівального елемента 1 прямого напруження в нижній частині реактора 301, 311 ту перевагу, що можна встановлювати певні профілі температури. Згідно з винаходом, може бути вигідним встановлювати в нижній зоні реактора 311, наприклад, температуру 150 °C, щоб підвідні вихідні матеріали на першому рівні були помірно нагріті в рідкій ванні 3. Тоді на рівні, що знаходиться вище за нього, можна за допомогою індукційного нагріву 23 встановити температуру рідкої ванни 200 °C. Тоді у верхній області, яка тягнеться більш ніж на половину висоти реактора 311, у показаному прикладі здійснення за допомогою індукційного нагріву 23 встановлюють температуру 400 °C. Вочевидь, що такий пошаровий розподіл температури з розташованим на дні нагрівальним елементом 1, що діє безпосередньо на розплав 3, реалізувати неможливо, оскільки в цьому випадку тепло повинне розподілятися під дією конвекції, і температура буде максимальною біля електронагрівального елемента 1. Таким чином, з індукційним нагрівом 23 можна для різних випадків застосування встановлювати різні профілі температури, з якими можна оптимізовано управляти бажаними хімічними і фізичними перетвореннями. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 55 60 1. Спосіб деполімеризації пластмасових відходів, що включає такі стадії: а) нагрівання вихідних матеріалів, b) одержання в резервуарі або реакторі розплаву легкоплавких металів або металевих сплавів, який відрізняється тим, що с) вихідні матеріали як тверді матеріали дозовано вводять прямо у ванну з розплавом в нижній частині резервуара або реактора. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що легкоплавкий метал або легкоплавкий металевий сплав нагрівають у резервуарі або реакторі нагрівальним пристроєм. 3. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що густина вихідного матеріалу менша, ніж густина легкоплавкого металу або легкоплавкого металевого сплаву. 4. Спосіб за будь-яким з пп. 1-3, який відрізняється тим, що автоматичне протікання вихідного матеріалу через ванну з розплавом уповільнюють загороджувальними стінками, спіральними направляючими трубами або решітками. 5. Пристрій для деполімеризації пластмасових відходів, що містить резервуар або реактор для вміщення ванни з розплавом легкоплавкого металу або легкоплавкого металевого сплаву, який відрізняється тим, що резервуар або реактор у своїй нижній частині обладнаний подавальним пристроєм для дозованої подачі вихідних матеріалів як твердих матеріалів прямо у ванну з розплавом, а також тим, що резервуар або реактор оснащений індукційним нагрівачем. 6. Пристрій за п. 5, який відрізняється тим, що резервуар або реактор виконаний з нагрівальним елементом в нижній частині. 7. Пристрій за п. 5 або 6, який відрізняється тим, що стінки резервуара або реактора оснащені циліндровим нагрівальним елементом. 4 UA 106493 C2 5 8. Пристрій за п. 7, який відрізняється тим, що резервуар або реактор оснащений циліндровим індукційним нагрівачем. 9. Пристрій за п. 7 або 8, який відрізняється тим, що циліндровий нагрівач виконаний з можливістю створення градієнта температури по висоті резервуара або реактора. 10. Пристрій за будь-яким з пп. 5-9, який відрізняється тим, що реактор обладнаний уповільнюючими загородженнями, решітками або сітками, або спіральними направляючими трубами. 5 UA 106493 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело 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 6