Реактор и способ для по меньшей мере частичного разложения, в частности деполимеризации, и/или очистки полимерного материала

Изобретение относится к химической промышленности и может использоваться для деполимеризации полимерного материала в реакторах для газификации. Реактор для газификации полимерного материала (12) содержит резервуар (14) и средства (18) нагрева. Резервуар (14) реактора частично наполнен расплавом металла (26). Во внутреннем пространстве (22) резервуара (14) реактора расположены устройства (24, 32.1, 32.2) для замедления потока сжиженного полимерного материала (12), имеющие множество подвижно расположенных во внутреннем пространстве элементов (25.2, 25.3). Изобретение позволяет обеспечить высокий выход продуктов разложения. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение касается реактора для газификации и/или очистки, в частности, деполимеризации полимерного материала, включающего в себя (a) резервуар реактора для помещения полимерного материала, (b) средство нагрева для нагрева полимерного материала в резервуаре реактора, (c) при этом резервуар реактора, по меньшей мере, частично наполнен расплавом металла. По второму аспекту изобретение касается способа, по меньшей мере, частичного разложения, в частности, деполимеризации, и/или очистки полимерного материала.

Материальная утилизация бывших в употреблении изделий из полимерного материала в настоящее время чаще всего осуществляется путем их переработки с получением продуктов, у которых качество полимерного материала играет второстепенную роль, например, скамеек или столбов. Однако на эти цели не могут быть израсходованы огромные количества отходов полимерного материала, так что большая часть полимерного мусора используется в качестве горючего, что нежелательно с точки зрения защиты окружающей среды.

Из US 5436210 A известно устройство для обработки отходов, у которого отходы снизу вводятся в ванну из жидкого металла. Отходы разлагаются и выходят из ванны в жидкой или в газообразной форме.

Из EP 1840191 A1 известно устройство для газификации биомассы. Такого рода реактор, как правило, непригоден для газификации или очистки полимерного материала, так как в его основу положены другие химические процессы.

Такого рода реактор известен из EP 2161299. В этом реакторе отходы полимерного материала вводятся в расплав металла, посредством которого они нагреваются и деполимеризируются. Недостатком такого реактора является то, что высокая скорость деполимеризации предполагает наличие очень больших реакторов.

Из DE 102007059967 A1 известен способ осуществления химических реакций посредством индукционно нагреваемой нагревательной среды. В отличие от реактора настоящего изобретения, описанный способ касается синтеза, но не деполимеризации.

Из DE 2328545 A известен реактор для пиролиза материалов отходов, при котором к материалам отходов добавляются шарики. Эти шарики нагреваются посредством индукционного нагрева. Этот реактор не содержит расплава металла.

Из WO 2004/106277 A1 известен деполимеризационный реактор, у которого также предусмотрены шарики для нагрева посредством индукционного нагрева. Этот реактор не включает в себя ванну металла.

Особую трудность для материальной утилизации полимерного материала представляют собой загрязнения. Поэтому должно гарантироваться, чтобы возможные загрязнения, такие как, например, песок, органические остатки или тому подобное не оказывали негативного влияния на процесс утилизации.

В основу изобретения положена задача уменьшить недостатки уровня техники.

Изобретение решает эту проблему с помощью реактора, который включает в себя расположенное во внутреннем пространстве резервуара реактора устройство замедления для замедления потока ожиженного полимерного материала в резервуаре реактора, при этом устройство замедления имеет множество подвижно расположенных во внутреннем пространстве элементов.

Предпочтительно в изобретении, что устройство замедления может быть выполнено так, чтобы оно принуждало полимерный материал перемещаться по меандрообразному пути. Тогда полимерный материал, благодаря наличию устройства замедления в резервуаре реактора, проходит длинный путь назад, так что большая его часть химически реагирует. Благодаря множеству подвижно расположенных во внутреннем пространстве элементов нагретый средством нагрева и благодаря этому ожиженный полимерный материал должен, таким образом, проходить длинный путь мимо элементов, чтобы пройти через реактор. Это приводит к высокому выходу продуктов разложения.

Другим преимуществом является то, что элементы расположены с возможностью свободного перемещения и поэтому могут перемещаться друг относительно друга. Хотя загрязнения полимерного материала могут осаждаться на элементах, однако при постоянных столкновениях элементов друг с другом возможные отложения быстро отделяются и могут выходить из реактора вверх.

Предпочтительно также, что элементы могут образовывать реактивные поверхности, что может ускорять химическую реакцию в реакторе. Так, элементы могут иметь покрытие катализатором.

В рамках настоящего описания под реактором, в частности, понимается термокаталитический деполимеризационный реактор. Это реактор, который выполнен для того, чтобы термически и/или каталитически деполимеризировать подаваемые полимеры и/или разлагать их на вещества с более низкой точкой плавления или кипения. Но реактор может быть также выполнен для очистки полимерного материала. Температура в реакторе тогда предпочтительно выбирается так, чтобы загрязнение разлагалось, но полимерный материал не подвергался воздействию.

Под средством нагрева следует понимать любое устройство, которое выполнено для того, чтобы сообщать полимерному материалу в резервуаре реактора тепловую энергию. Предпочтительно речь идет о средстве индукционного нагрева, которое создает тепло индукционным способом, по меньшей мере, в некоторых частях резервуара реактора и/или компонентах, расположенных во внутреннем пространстве резервуара реактора. Это имеет то преимущество, что даже находящиеся радиально далеко внутри части резервуара реактора могут хорошо нагреваться.

Под устройством замедления (торможения), в частности, понимается совокупность отдельных элементов, называемых элементами, которые, по меньшей мере, также расположены в резервуаре реактора, так что поток ожиженного полимерного материала от места входа в направлении места выхода замедляется. Под множеством подвижных элементов, в частности, понимается, что имеется по меньшей мере 1000, в частности, по меньшей мере 10000 такого рода элементов.

Под тем признаком, что элементы во внутреннем пространстве расположены подвижно, в частности, понимается, что элементы могут свободно перемещаться по меньшей мере с одной степенью свободы. Особенно предпочтительно, если элементы могут перемещаться с двумя, тремя или более степенями свободы. Это, однако, не исключает, что предотвращается возможность достижения элементами каждой точки во внутреннем пространстве. В частности, могут иметься удерживающие устройства, которые мешают свободному перемещению элементов в каждом месте во внутреннем пространстве резервуара реактора. Возможно также, чтобы отдельные элементы были закреплены, например, посредством гибких крепежных элементов, но это является трудоемким.

Элементы представляют собой, в частности, сыпучие элементы, это значит, что эти элементы не сцепляются друг с другом, а могут соскальзывать друг по другу. Для этой цели элементы, в частности, выполнены выпуклыми, например, подобно шарикам. Под этим, в частности, следует понимать, что радиус воображаемого шара оболочки минимального диаметра, который полностью охватывает элемент максимум вдвое больше, чем радиус наибольшего воображаемого шара, который может вписываться в этот элемент.

По одному из предпочтительных вариантов осуществления элементы по меньшей мере преимущественно состоят из ферромагнитного материала. Когда средство нагрева представляет собой средство индукционного нагрева, элементы при этом нагреваются, так что на поверхности элементов может происходить особенно интенсивная химическая реакция.

Этот расплав металла имеет предпочтительно точку плавления, лежащую ниже 150°C. Но можно также выбрать расплав металла, у которого точка плавления лежит ниже 250°C или даже ниже 300°C.

Предпочтительно реактор имеет устройство подачи для подачи полимерного материала. Это устройство подачи предпочтительно расположено вблизи дна. Оно может включать в себя экструдер, посредством которого полимерный материал может пластифицироваться. Предпочтительно, если экструдер расположен так, что он откачивает материал пластика вблизи дна резервуара реактора в резервуар реактора.

Предпочтительно, если реактор включает в себя конденсатор, посредством которого могут конденсироваться газы, которые выходят из резервуара реактора. Такого рода газы представляют собой, например, продукты разложения полимерного материала. Предпочтительно, если резервуар реактора содержит полиолефин, который, например, вводится в резервуар реактора посредством устройства дозированной подачи снизу. Когда полиолефин разлагается, возникает нефтеподобная жидкость, которая может сжигаться в целях нагрева или служит в целях синтеза.

По одному из предпочтительных вариантов осуществления реактор включает в себя по меньшей мере одно удерживающее устройство для предотвращения всплытия шариков. Как правило, расплавы металла с точкой плавления ниже 300°C имеют плотность, которая составляет выше 8 граммов на кубический сантиметр. Если, как предусмотрено в одном из предпочтительных вариантов осуществления, применяются элементы из стали, то они испытывают в расплаве металла выталкивающую силу. Чтобы предотвратить подъем элементов до поверхности расплава металла, предусмотрены удерживающие устройства. Чтобы возникающие при реакции газы могли быстро выходить из резервуара реактора, удерживающее устройство имеет предпочтительно множество выемок, которые выполнены так, что элементы удерживаются, но газ может протекать свободно.

Предпочтительно указанное по меньшей мере одно удерживающее устройство соединено по меньшей мере с одним устройством перемещения для перемещения удерживающего устройства вверх и вниз. Это позволяет перемещать удерживающее устройство и вместе с тем прилегающие к удерживающему устройству элементы так, чтобы элементы приходили в контакт друг с другом и возможные отложения на элементах снимались.

Устройство перемещения может, например, иметь одну или несколько тяг, которые проходят вдоль продольной оси резервуара реактора.

Особенно предпочтительно, если удерживающее устройство соединено с приводом так, чтобы удерживающее устройство могло совершать колебательное движение. Колебательное движение отделяет загрязнения от элементов и приводит к выходу пузырей газа, так что высвобождение возникающих газов ускоряется.

Одно из особенно эффективных движений элементов получается, если предусмотрено несколько удерживающих устройств, которые независимо друг от друга автоматически, в частности, вдоль продольной оси резервуара реактора, могут совершать колебательное движение.

В частности, тогда, когда резервуар реактора со стороны дна имеет устройство для загрузки полимерного материала, вязкость полимерного материала изменяется таким образом, что вязкость (густота) в направлении вверх увеличивается. Чтобы все же элементами достигалось по существу неизменное замедляющее действие, по одному из предпочтительных вариантов осуществления предусмотрено, что средний радиус элементов уменьшается с увеличением высоты. Под радиусом элементов понимается радиус идеального шарика равного объема. Поскольку элементы не все имеют одинаковый радиус, под соответствующим радиусом всегда понимается медиана увеличения радиусов.

Предпочтительно, если полимерный материал по меньшей мере преимущественно состоит из твердого при 23°C полиолефина. Но возможно также применение не содержащих галогена полимерных материалов. Впрочем, возможно применение полимерных материалов, которые содержат галоген, до некоторого ограниченного процентного содержания, например, менее 10% вес.

Ниже изобретение поясняется подробнее с помощью прилагаемых чертежей. При этом показано:

фиг.1: предлагаемый изобретением реактор для осуществления предлагаемого изобретением способа.

На фиг.1 показан предлагаемый изобретением реактор 1 для газификации полимерного материала 12, в частности, полиолефин-полимеров. Реактор включает в себя, например, по существу цилиндрический резервуар 14 реактора для нагрева полимерного материала 12, который посредством экструдера 16 вводится в резервуар 14 реактора.

Реактор 10 включает в себя средство 18 нагрева в виде средства индукционного нагрева, которое имеет несколько катушек 20.1, 20.2, … 20.5, посредством которых во внутреннем пространстве 22 резервуара 14 реактора создается переменное магнитное поле. Катушки 20 (ссылочные обозначения без цифрового индекса обозначают объект как таковой) соединены с не изображенным на чертеже устройством электроснабжения, которое подает на катушки переменный ток. Частота переменного тока лежит, например, в пределах от 25 до 50 кГц. Более высокие частоты возможны, однако приводят к возрастанию так называемого скин-эффекта, что является нежелательным.

Во внутреннем пространстве 22 резервуара 14 реактора расположено устройство 24 замедления, посредством которого поток ожиженного полимерного материала 12 в резервуаре 14 реактора может замедляться. Устройство 24 замедления включает в себя множество подвижно расположенных во внутреннем пространстве 22 элементов 25.1, 25.2, …, которые в настоящем случае являются шариками из стали. Вследствие своих ферромагнитных свойств элементы 25 нагреваются средством 18 индукционного нагрева и нагревают при этом находящийся в резервуаре 14 реактора расплав 26 металла.

Расплав 26 металла имеет точку плавления, равную максимум Т_плавл=300°С и наполняет резервуар 14 реактора до высоты Н_наполн наполнения. Вместе с полимерным материалом он заполняет промежутки элементов 25. Например, расплав металла состоит из сплава Вуда, сплава Липовица, сплава Ньютона, сплава Лихтенберга и/или из сплава, который включает в себя галлий и индий. Расплав 26 металла, как правило, имеет плотность, равную более 9 граммов на кубический сантиметр, так что полимерный материал 12 испытывает сильную выталкивающую силу. Вследствие этой выталкивающей силы полимерный материал 12 ускоряется. Элементы 25 противодействуют этому ускорению.

Вследствие температуры T в резервуаре 14 реактора полимерный материал 12 постепенно разлагается и образует при этом пузыри 28 газа, которые поднимаются вверх. Расплав 26 металла может оказывать каталитическое действие на процесс разложения, так что реактор 10 может представлять собой термокаталитический деполимеризационный реактор. Подаваемый посредством экструдера 16 полимерный материал попадает через входное отверстие 30, которое предпочтительно расположено на дне резервуара 14 реактора, во внутреннее пространство 22. В частности, полимерный материал представляет собой полиолефин.

Устройство 24 замедления включает в себя удерживающие устройства 32.1, 32.2, которые в настоящем случае включают в себя натянутые в рамах 34.1, 34.2 решетчатые сетки, ячейки которых так малы, что элементы 25 не могут проходить через них вверх. Удерживающее устройство 32.2 соединено с устройством перемещения 36, которое включает в себя проходящие вдоль продольной оси L резервуара 14 реактора стержни 38, прикрепленные к не изображенным на чертеже эксцентриковым двигателям, которые могут находиться на верхней стороне резервуара 14 реактора. В настоящем случае стержни 38 через сильфоны соединены с резервуаром 14 реактора. Посредством этих не изображенных на чертеже эксцентриковых двигателей тяги 36 могут двигаться вверх и вниз, так что также удерживающее устройство 32 может совершать колебательное движение вверх и вниз.

Распределение элементов 25, в настоящем случае шариков на чертеже фиг.1, изображено чисто схематично. Вследствие выталкивающей силы они плотно прилегают к находящимся в каждом случае вверху удерживающим устройствам 32, а непосредственно над удерживающим устройством плотность шариков значительно меньше. Элементы 25 на фиг.1 к тому же начерчены с постоянным радиусом R. Но особенно предпочтительно, если радиус R уменьшается в направлении вверх.

Резервуар 14 реактора на своей обращенной к внутреннему пространству 22 стороне состоит из ферромагнитного материала, например, из железа или магнитной стали. Средство 18 индукционного нагрева выполнено так, что получается градиент температуры, при этом температура повышается с увеличением высоты. На нижнем конце резервуара 14 реактора температура составляет, как правило, приблизительно T=300°C, в отличие от чего в верхней области она составляет около T=450°C.

Реактор 10 имеет отвод 40 загрязнений, который расположен на верхнем конце резервуара 14 реактора. Характерные загрязнения полимерного материала, например, песок, легче, чем ванна металла, они всплывают и могут вытягиваться вверх. Реактор 10 включает в себя к тому же газоотвод 42, который впадает в конденсатор 44 и вытягивает возникающий газ. Выходящий из конденсатора 44 жидкий материал попадает в сборник 46.

Список ссылочных обозначений

10 Реактор

12 Полимерный материал

14 Резервуар реактора

16 Экструдер

18 Средство нагрева

20 Катушка

22 Внутреннее пространство

24 Устройство замедления

25 Элемент

26 Расплав металла

28 Пузырь газа

30 Входное отверстие

32 Удерживающее устройство

34 Рама

36 Устройство перемещения

38 Стержень

40 Отвод загрязнений

42 Газоотвод

44 Конденсатор

46 Сборник

Т_плавл Температура плавления

T Температура

L Продольная ось

R Радиус шарика

Н_наполн Высота наполнения

1. Реактор для газификации и/или очистки, в частности деполимеризации, полимерного материала (12), включающий в себя
(a) резервуар (14) реактора для размещения полимерного материала (12),
(b) средство (18) нагрева для нагрева полимерного материала (12) в резервуаре (14) реактора,
(c) при этом резервуар реактора по меньшей мере частично наполнен расплавом (26) металла,
отличающийся
(d) расположенным во внутреннем пространстве (22) резервуара (14) реактора устройством (24, 32) замедления для замедления потока ожиженного полимерного материала (12) в резервуаре (14) реактора,
(e) при этом устройство (24, 32) замедления имеет множество подвижно расположенных во внутреннем пространстве (22) элементов (25).

2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что элементы (25) состоят из ферромагнитного материала.

3. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что устройство (24) замедления выполнено так, что оно принуждает ожиженный полимерный материал (12) перемещаться по меандрообразному пути.

4. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что средство (18) нагрева представляет собой средство (18) индукционного нагрева.

5. Реактор по п. 1, отличающийся
- по меньшей мере одним удерживающим устройством (32) для предотвращения всплытия элементов (25), в частности, шариков.

6. Реактор по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что по меньшей мере одно удерживающее устройство (32) соединено с по меньшей мере одним устройством (36) перемещения для перемещения удерживающего устройства (32) вверх и вниз.

7. Реактор по п. 6, отличающийся тем, что удерживающее устройство (32) соединено с приводом, так что удерживающее устройство (32) имеет возможность совершать колебательные движения, в частности, вдоль продольной оси (L) резервуара (14) реактора.

8. Реактор по п. 6, отличающийся множеством удерживающих устройств (32), которые независимо друг от друга автоматически имеют возможность совершать колебательные движения, в частности, вдоль продольной оси (L) резервуара (14) реактора.

9. Способ по меньшей мере частичного разложения, в частности деполимеризации, и/или очистки полимерного материала (12), отличающийся следующими этапами:
(a) вводят полимерный материал (12) в резервуар (14) реактора, который по меньшей мере частично наполнен расплавом (26) металла, и
(b) нагревают полимерный материал (12) посредством средства (18) нагрева, и
(c) посредством расположенного во внутреннем пространстве (22) резервуара (14) реактора устройства (24, 32) замедления, которое имеет множество подвижно расположенных во внутреннем пространстве (22) элементов (25), замедляют поток ожиженного полимерного материала (12) в резервуаре (14) реактора.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что реактор эксплуатируют так, что доля занятого элементами (25) объема от объема резервуара (14) реактора до высоты наполнения расплавом (26) металла составляет по меньшей мере около 15%.