(57)【要約】有用な蒸気生成物および固形生成物を生産するための炭化水素系材料のパイロリシスのための装置および方法は、略円筒状の直線状の反応器であって、その反応器を通して炭化水素系材料を輸送するためのスクリュー手段を有する反応器と、炭化水素系材料を供給かつ加熱することによって該材料の処理およびパイロリシスを行い蒸気生成物および固形生成物を生産する手段と；処理された炭化水素系材料から蒸気生成物を取り出すための手段と、固形生成物を取り出すための手段と、炭化水素系材料を規定された範囲の滞留時間にわたって区画内に維持する手段と、スクリューを回転させるための手段であって、圧縮のため、および炭化水素系材料を融解して固体から液体に転換するため、炭化水素系材料の混合、不安定化および脱ハロゲン化のため、炭化水素系材料のパイロリシスのため、パイロリシスがなされた炭化水素系材料を液化するため、および固形生成物の放出のための、複数のフライト構成を有する手段とを含む。
2015512965.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有用な蒸気生成物および固形生成物を生産するための炭化水素系材料のパイロリシスのための装置であって、
略円筒状かつ直線状の反応器であって、前記反応器を通して前記炭化水素系材料を輸送するためのスクリュー手段を有する反応器と、
前記反応器に炭化水素系材料を供給するための手段と、
前記炭化水素系材料を加熱することによって前記炭化水素系材料の処理およびパイロリシスを行い蒸気生成物および固形生成物を生産するための手段と、
前記スクリュー手段は前記直線状の反応器のほぼ全長にわたって延在することと、
前記スクリュー手段は、反応器の中で炭化水素系材料を前進させるため、および混合するための複数の区画を有することと、
前記反応器内の処理された炭化水素系材料から蒸気生成物を取り出すための手段と、
前記反応器から固形生成物を取り出すための手段と、
前記反応器は、装置内において規定の温度範囲に維持される複数の区画を有することと、
前記炭化水素系材料が１つの区画内に規定の範囲の滞留時間にわたって維持されるための手段と、
前記複数の区画は全体としてパイロリシスに必要な完全な環境を含むことと、
前記スクリューを回転させるための手段と、
前記スクリュー手段は、前記炭化水素系材料を圧縮するため、前記炭化水素系材料を融解して前記炭化水素系材料を固形状態から液体状態に転換するため、前記炭化水素系材料を混合、不安定化、脱硫、および脱ハロゲン化するため、前記炭化水素系材料のパイロリシスを行うため、パイロリシスが行われた炭化水素系材料を液化するため、ならびに前記炭化水素系材料から固形生成物を放出するための、複数のフライト構成を有することと
を含む装置。
【請求項２】
前記炭化水素系材料から水分を除去するための手段は、前記炭化水素系材料から空気および水分を除去するために前記炭化水素系材料を圧縮および加熱するための手段を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記スクリューのフライト構成はリボンミキサを組み込んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記反応器は水平に対して約−２０度〜約＋２０度の角度に、好ましくは約＋２度〜約＋６度の上昇傾斜に配向されている、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記反応器は水平に対して約−２０度〜約＋２０度の角度に、好ましくは約−２度〜約−６度の下降傾斜に配向されている、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記蒸気生成物から液体生成物を凝縮および回収するための一連のステップダウン型凝縮器をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
混合、分子の不安定化およびヘテロ原子脱除区画と、それに続くパイロリシス区画との間に位置するワックス収集取り出しポートをさらに備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記炭化水素系材料の混合、不安定化、脱硫、および脱ハロゲン化のための配列はリボンミキサのスクリューフライト構成を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
固形生成物を取り出し収集するための手段をさらに備え、前記固形生成物はチャーである、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
炭化水素系材料を転換して有用な蒸気生成物および固形生成物を生産するためのパイロリシス方法であって、
略円筒状かつ直線状の反応器であって、前記反応器を通して前記炭化水素系材料を輸送するためのスクリュー手段を有し、前記炭化水素系材料を加熱することによって前記炭化水素系材料の処理およびパイロリシスを行い蒸気生成物および固形生成物を生産するための手段、装置内において規定の温度および滞留時間の範囲内に維持される複数の区画を有する反応器を提供する工程と、
前記炭化水素系材料から同伴空気および水分を除去するために前記炭化水素系材料を圧縮する工程と、
前記炭化水素系材料を融解する工程と、
融解された炭化水素系材料を混合して融解混合物を形成することにより前記融解混合物を分子の不安定化、脱ハロゲン化、脱硫、およびヘテロ原子脱除に供する工程と、
前記融解された炭化水素系材料をパイロリシスに供して前記炭化水素系材料を蒸気生成物および固形生成物に転換する工程と、
前記蒸気生成物および前記固形生成物を回収する工程と
を含む方法。
【請求項１１】
前記炭化水素系材料は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、ポスト遷移金属およびメタロイド、ならびにこれらの混合物からなる群から選択された１つ以上の溶融相ヘテロ原子脱除剤から選択された微細に分割された鉱物系添加剤とともに、前記反応器に供給される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記炭化水素系材料は、（ｉ）アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、ポスト遷移金属およびメタロイド、ならびにこれらの混合物からなる群から選択された１つ以上の溶融相ヘテロ原子脱除剤、および、（ｉｉ）アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、ポスト遷移金属、メタロイド、非金属およびケイ酸塩鉱物、ならびにこれらの混合物からなる群から選択された１つ以上の溶融相触媒から選択された微細に分割された鉱物系添加剤とともに、前記反応器に供給される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
圧縮区画における滞留時間は約１分未満である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
水分は、重量比で約１０％の水分になるように除去される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記炭化水素系材料は、前記炭化水素系材料を融解するために融解区画において約１０４℃（約華氏２２０度）〜約３００℃（約華氏５７２度）に維持される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
融解区画における滞留時間は約１５分〜４５分である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記炭化水素系材料は、約３００℃（約華氏５７２度）〜約３６６℃（約華氏６９０度）の範囲の温度で混合、不安定化、脱硫、および脱ハロゲン化される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
混合、分子の不安定化およびヘテロ原子脱除区画における滞留時間は約３０分〜１２０分である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
供給区画における滞留時間は約１分未満である、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
回収される固形生成物はマイクロクリスタリンワックスおよびパラフィンワックスならびにこれらの混合物を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項２１】
パイロリシス区画における滞留時間は約３０分〜９０分である、請求項１０に記載の方法。
【請求項２２】
前記固形生成物は、約４５４℃（約華氏８５０度）〜約９８２℃（約華氏１，８００度）の範囲の温度で液化される、請求項１０に記載の方法。
【請求項２３】
液化区画における滞留時間は約１５分〜６０分である、請求項１０に記載の方法。
【請求項２４】
チャー放出区画における滞留時間は約１５分〜３０分である、請求項１０に記載の方法。
【請求項２５】
前記炭化水素系材料は、プラスチック、熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマー、炭化水素液、使用済み油、廃油、ガス油、精製装置塔底液、シリンダ油、廃エラストマー、廃タイヤ、ゴム残留物、ゴムベルト、ＥＰＤＭゴムのシート、メンブレンおよび押出材、ならびにこれらの混合物からなる群から選択される、請求項１０に記載の方法。
【請求項２６】
前記蒸気生成物を凝縮して液体生成物を回収する工程をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項２７】
炭化水素系材料を転換して有用なワックス生成物を生産するための方法であって、
略円筒状かつ直線状の反応器であって、前記反応器を通して前記炭化水素系材料を輸送するためのスクリュー手段を有し、前記炭化水素系材料を加熱することによって前記炭化水素系材料の融解および処理を行い蒸気生成物および固形生成物を生産するための手段であって、前記固形生成物は１つ以上のワックス生成物を含む手段、装置内において規定の温度範囲および規定の滞留時間内に維持される複数の区画を有する反応器を提供する工程と、
炭化水素系材料およびヘテロ原子脱除組成物の混合物を前記反応器に供給する工程と、
前記炭化水素系材料を圧縮して同伴空気および水分を前記炭化水素系材料から除去する工程と、
前記炭化水素系材料を融解する工程と、
融解された炭化水素系材料を混合して融解混合物を形成することにより前記融解混合物を分子の不安定化、脱ハロゲン化、およびヘテロ原子脱除に供する工程と、
前記ワックス生成物を回収する工程と
を含む方法。
【請求項２８】
前記炭化水素系材料は、（ｉ）アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、ポスト遷移金属およびメタロイド、ならびにこれらの混合物からなる群から選択された１つ以上の溶融相ヘテロ原子脱除剤、および、（ｉｉ）アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、ポスト遷移金属、メタロイド、非金属およびケイ酸塩鉱物、ならびにこれらの混合物からなる群から選択された１つ以上の溶融相触媒から選択された微細に分割された鉱物系添加剤とともに、前記反応器に供給される、請求項２７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体および／または液体のいずれの形態であれ、本明細書中では炭化水素系（ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓ）材料、ポリマー廃棄物およびポリマー材料のうち少なくともいずれかとして互換的に記載されるポリマー廃棄物を、凝縮性、非凝縮性および固形の炭化水素生成物へと転換するための装置に関する。凝縮性の炭化水素生成物には、合成石油およびその様々なフラクション、例えば、限定するものではないが、軽質スイート原油、燃料添加剤、基油、スラックワックス、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、および芳香族石油炭化水素を主とするコンデンセートが挙げられる。非凝縮性の炭化水素生成物はガスである。固形の炭化水素生成物は微細に分割された炭素チャーである。特に、本発明は、連続型の区画分けされたパイロリシス装置であって、同時に多数の生成物を生産する能力を有し、該生成物のうちの１つである硬蝋は典型的なパイロリシスの転換温度より低い温度で該装置から生産される。
【背景技術】
【０００２】
パイロリシスによって有用な最終生成物を得るために廃ポリマーを転換することは、長年多くの人々により追求されてきた目標である。ポリマーのパイロリシスによる分解に関する先行技術は、大部分は、バッチ、セミバッチまたはシリアルバッチのプロセスに依存しており、これらのプロセスは操作が複雑であること、ならびに、混合物であるか、分別不十分であるか、混入物を含むかのうち少なくともいずれかのポリマー廃棄物をファウリングを伴わず連続的に処理することができないことから商業的に実現可能な用途に限りがある。多くは、単に、マニホールドまたはその他の適切な出口構成物によってバッチ式反応器に接続された１つ以上の出口ポートから何らかの生成物が絶えず放出されているという理由だけで、定められた順序で段階的に運転される一連のバッチ式反応器から成るシリアルバッチのプロセスが「連続的である」と主張している。ポリマー転換プロセスは、化学的解重合、部分酸化を伴うガス化、ならびにパイロリシスを含む熱クラッキング（接触分解および接触改質を伴うものまたは伴わないもの）などの一次プロセスと、水素添加の二次プロセスとを含んでいる。化学的解重合は主として、ポリアミド、ポリカーボネートおよびポリアセタールへの二次的利用を伴う、ポリエステル（例えばＰＥＴ）およびポリウレタンの分解に限定されてきた。この方法は概して、モノマーの産出を目的とする縮合重合体の分解に限定される。
【０００３】
廃ポリマーのガス化および部分酸化は、典型的には、一般に合成ガスとして知られる一酸化炭素と水素との混合物の生産を目的とする。部分酸化は反応器の大きさおよび処理速度の点で水蒸気メタン改質よりも効率的なプロセスとなりうるが、部分酸化は相対的な水素収率が低い。凝縮性の炭化水素は、たとえ生産されるとしてもごく僅かしか生産されない。
【０００４】
熱クラッキングのプロセスは、熱分解を使用して複雑な混合物を生じる。それぞれの所望温度範囲内での分子の保持時間が加味された反応温度は、ポリマーの転換および転換生成物の分子分布の両方に影響を及ぼす、最も重要な反応変数である。従って、反応温度および滞留時間の効率的制御は、所望の生成物構成の収率を最大限にするために極めて重要である。バッチ、セミバッチおよびシリアルバッチのプロセスは、とりわけ、廃ポリマーが熱伝導性に乏しいようであるためこの廃ポリマーを通した熱伝達が非効率的であることから生じる問題が原因で、反応温度および滞留時間の制御を効率的に達成かつ維持することは困難である。動的プロセス平衡を達成することにより反応温度および滞留時間の制御を維持している連続的プロセスとは異なり、バッチ、セミバッチおよびシリアルバッチのプロセスは絶えず不均衡の状態にあり、すべてのプロセスサイクルに伴う長期制御の課題、および反応器のファウリングという危急の問題をもたらしている。触媒を含む他の可変要素は最適化のための因子である。接触分解および接触改質には、生成物の品質について付加された制御を伴って、より低温かつより高速でポリマーを分解するという長所があるが、接触分解は、プロセスの複雑さ、活性を妨害する残留物の沈積、触媒の被毒現象、触媒反応器の高い資本コストおよび運転コスト、ならびに使用済み触媒の処分コストを含む課題をもたらす。
【０００５】
水素添加は、熱クラッキングのプロセスから生じる油の二次処理に適用されてきた、石油精製および石油化学製品生産における基本的ステップである。蒸留と併用されることの多いこの二次的方法は、石油系燃料ならびにオレフィンの水素飽和およびヘテロ原子の除去が必要とされるプロセス留分の生産において使用される。水素添加は資本集約的であり、高圧運転に起因する高い運転コスト、水素のコスト、廃熱除去のコストおよびその他の要因を有する可能性がある。「ヘテロ原子」という用語は、炭素または水素ではない任意の原子を意味するものと理解され、かつ、非炭素原子が該分子構造物の主鎖中の炭素に取って代わっているか、該分子構造物の主鎖に結合した水素またはアルキル基に取って代わっていることを示すために用いられてきた。典型的なヘテロ原子は、窒素、酸素、硫黄、リン、塩素、臭素、フッ素およびヨウ素である。水素添加は、石油精製および石油化学製品生産において行われる二次プロセスである。
【０００６】
先行技術のシステムおよびプロセスは、ポリマーのパイロリシスによる分解に関する幅広い支持または成功を得ておらず、その原因として、高い運転コスト、混入物を含む廃液流および多様な組成の廃液流を一貫して処理することができないこと、混入物を含まない原材料流が極端に高コストであるかまたは市場での入手可能性がないこと、温度および圧力のプロセス条件を確実かつ効率的に制御することができないこと、運転を保持するために大量の材料を必要とするプラントへ適切な量の仕様に見合った原材料を一貫して供給することができないこと、チャー、テレフタル酸、安息香酸、鉱物、金属などによるシステムのファウリングを制御できないこと、広く様々な原材料組成物から比較的狭い範囲の市場主導の仕様を有する燃料を生産するという試み、生成する油のヘテロ原子含量を制御することができないために該生成物の市場での受け入れが制限されること、バッチ式反応器のサイクルごとに作業員が有害な蒸気および固形物に曝露されることによる安全問題を常時かつ有効に管理することができないこと、ならびに、例えば、限定するものではないがチャー、廃水および仕様に合わない炭化水素系の液体を含む有害廃棄物の生成が挙げられる。
【０００７】
より具体的には、バッチまたはセミバッチのプロセスに関する先行技術は、転換を促進するために熱的非効率という課題を克服しなければならない。ポリマー廃棄物が熱伝導性に乏しいことを前提として、ほとんどのバッチ式反応器システムは、該反応器内部の何らかの構成の混合要素、または該バッチ式反応器内に配された複雑な配列の原材料含有カートリッジ、または熱エネルギーに供される原材料を含有する同心の管状デバイス、または該バッチ式反応器の本体内に展開配置された管状の熱伝達幾何構造物などに依存するが、これは原材料の表面積を増大させることにより、そうしなければ熱伝導性に乏しい材料を通して不十分にしか伝わらない熱エネルギーへの表面の曝露を高めるという意図を伴うものである。特許による保護を申請済みの数々のバッチ式反応器の構成は、バッチ式反応器システムに本来伴う熱伝達およびプロセス制御の課題を解決するための広範囲な一連の試みと合致している。この制約に対する複雑な機械的かつ／または幾何学的解決策は、バッチ式反応器につきものである。
【０００８】
加えて、すべてではないにせよほとんどのバッチ式反応器は、単独であれ一連のものであれ、炭化水素系原材料を装入され、酸素を含んでいる大気をパージされ、生成物の蒸気が抽出されるときに所望温度に加熱され、次いで、残留固形物の除去を容易にするために該残留固形物の引火点より低い温度に冷却されなければならない。これらのシステムが経験する反復熱サイクルは熱効率に乏しく、その結果ポリマーの転換を完了するためにエネルギーを過剰消費する。
【０００９】
バッチプロセスの一実施形態では、ギャリソン（Ｇａｒｒｉｓｏｎ）らの特許文献１は限定的なプロセス制御の手段を提供している。バッチ式反応器において、ギャリソンにより記載されたバッチ式反応器中の化学物質はすべてが同じ三次元空間において逐次分解される。密封加熱システムを通して熱伝達流体を循環させることによるバッチ式反応器内の熱伝達に利用可能な表面積を増大させるための、ギャリソンの複雑な幾何学的手段を追加しなければ、該反応器の内部横断面の温度制御は、原材料装入物における不十分な熱伝導性および様々な物質密度が原因で不十分となる。そのような物質密度は、転換が生じて蒸気の放出により質量が反応器から取り除かれるにつれて変化する。さらに、バッチ式反応器内のポリマー原材料の不十分な熱伝導性は、ギャリソンの場合のように、内部熱伝達流体が展開配置されていても、バッチ式反応器の複雑な横断面を横切る原材料の熱伝達能力の程度を一様でないものとするという結果をもたらす。さらなる複雑さは、原材料が分解するにつれてその組成が変化するときの該原材料の熱伝導性の変化から生じる。ギャリソンの場合のようなバッチ式反応器システムにおけるさらなる非効率性は、重質オリゴマー、多核芳香族炭化水素、アスファルテンおよびチャーのうち少なくともいずれかが、内部熱伝達システムの表面上および反応器本体それ自体の表面上に沈着してしまうため、効率的な熱伝達を促進することに対して不完全な熱伝導性という解決策を提供することに起因する。廃ポリマーが、ギャリソンにより記載されるような非撹拌型反応器内においてその場で分解するにつれて、該反応器サイクルのほとんどにおける反応器の内表面上へのチャーの沈着は、そのチャーの表面上における芳香族および多核芳香族炭化水素の形成および吸着を促進する。それらの芳香族および多核芳香族炭化水素がチャーから取り除かれなければ、またはこの吸着が防止されなければ、該バッチプロセスによって作出されるチャーの処分は、それが危険廃棄物であると見なされる場合は極端に高費用となりうる。すべてのバッチ式反応器と同様に、各プロセスサイクルの終了時において、チャーが除去されなければならない。
【００１０】
チャ（Ｃｈａ）らの特許文献２および３は、廃タイヤおよび廃油を共に再利用するための連続的な２ステップ式熱プロセスについて述べている。この先行技術は、比較的大量の使用済みのモータ油、シリンダ油、減圧塔塔底液などとともに廃タイヤを処理する。チャは、順次運転される二重反応器システムであって、第１の傾斜型反応器から第２の水平型反応器へと未反応の材料を放出するために２つの反応器の間の中継点を必要とするシステムについて述べている。この中継点は、ファウリングの結果として運転上の課題を生じる。チャは、鋼繊維などの未反応のタイヤ構成材料が通り抜けることも考えられる開放上部空間を提供する二重反応器システムの断面形状について述べているが、この開放上部空間は、第１の反応器の傾斜の上方への原材料の効率的な輸送に対して課題を提示している。チャは、温度を上昇させて傾斜型反応器を運転すること、およびチャーから揮発性炭化水素を追い出すためにより高い温度で水平型反応器を運転することについて述べている。
【００１１】
ワン（Ｗａｎｇ）の特許文献４は、比較的低温における単一の連続的ステップにて固体ポリマー廃棄物および使用済みの潤滑油または再生重油を処理するプロセスについて述べている。この先行技術は、温度傾斜部の傾斜率の制御および滞留時間の制御のための手段を持たない連続プロセス傾斜スクリュー（ａ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｉｎｃｌｉｎｅｄ  ｓｃｒｅｗ）を使用する。ワンは、プロセスの歩留まりが温度に依存すると認めている。
【００１２】
忠内（Ｔａｄａｕｃｈｉ）らの特許文献５は、有機塩素を含有する可能性のある廃プラスチックを分解するためのパイロリシスの方法および装置について述べている。忠内は、可塑剤の分解のため、およびポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）を含むハロゲン化ポリマーの脱塩素化のための加熱区画であって、該区画により可塑剤が分解されて油および塩酸（ポリ塩化ビニルから生じうる）となりうる区画を使用することを教示している。油および塩酸はいずれも別々に回収される。忠内はさらに、有機塩素化合物を含有する可能性のある軽分子からのワックスの縮合および単離について、かつそのワックスフラクションの軽油へのさらなるパイロリシスについて述べている。忠内は、可塑剤の分解および塩酸の発生について教示し、４５０℃（華氏８４２度）または４５０℃を上回る温度ではさらなる分解が生じてパイロリシス生成物（炭素原子４〜１５個を主とした軽油となりうる）を生じることにしか注目していない。忠内は、可塑剤の分解および塩酸の回収の後に残る材料は一般に４５０℃（華氏８４２度）を超えるパイロリシスプロセスに供されることを教示している。忠内は、プラスチックから塩酸を除去するための減圧、および分子分布を炭素数４〜１５個の軽分子へと転ずるためのパイロリシスと同期した反応器圧の増大について述べている。
【００１３】
グリスピン（Ｇｒｉｓｐｉｎ）の特許文献６は、ポリマー廃棄物の熱分解から生じる液体の組成についての制御が、酸素の実質的不在下で緩徐な加熱速度を維持することにより達成されて、熱勾配を有するチャー床を作出する、連続的プロセスと呼ばれるものについて述べている。グリスピンは、チャー床の性質、反応器の大きさ、原材料装入量、加熱速度および酸素の実質的排除が生成物の組成に同時に関係していることを示唆している。グリスピンにより記載された該プロセスは、反応器の容積と反応器の装入量との関係を対象として反応器内での期間を最適とするための制御された単一の熱傾斜路を達成し、その結果形成される油の組成に影響を及ぼすことにより、作動する。グリスピンの教示は、炭素数６〜１２の芳香族フラクションを生産するためのプロセスに関するものである。
【００１４】
スミス（Ｓｍｉｔｈ）の特許文献７は、「炭化水素を形成可能な材料、例えばプラスチックおよびその他の廃棄物または他の再生材」が、押出機のような「粘性剪断装置」の中で融解され、「リボンチャネル型」反応器として説明されるデバイスに導入され、該デバイスにおいて薄肉の断面積を有する融解プラスチックの円筒状リボンが前に進められかつ該融解プラスチックのパイロリシスによる分解が生じるプロセスについて述べている。この設計の意図は、融解材料の薄肉の本体を、ポリマーの分解を促進するのに必要な温度をはるかに上回る表面温度に曝露することにより、加熱に利用可能な表面積を最大限とし、その結果反応器内の材料に高い熱勾配を付与することである。粘性剪断装置を出てリボンチャネル型反応器に入る融解物の温度は、約２３８℃（華氏４６０度）〜約３１５℃（華氏６００度）の範囲に及ぶと主張されている。このスミスのプロセスでは、有効な脱塩素化は、仮に生じるとすれば、約３００℃（華氏５７２度）〜約３６５℃（華氏６９０度）で生じる。スミスは、残留物質が約５２４℃（華氏９７５度）〜約５３８℃（華氏１０００度）の温度範囲でリボンチャネル型反応器から放出されることをさらに開示している。リボンチャネル型反応器内での分解を達成するためには、該リボンチャネル型反応器の表面温度／発熱体温度は、反応器の表面と反応器内部温度との間で異なる高温を維持することによりリボンチャネルを満たしている材料の薄肉の断面を効率的に加熱するための取り組みにおいて、約７６０℃（華氏１４００度）〜約１３１５℃（華氏２４００度）の範囲である。上記の加熱は、任意選択で溶融相触媒の存在下において、３３８℃（華氏６４０度）〜３６８℃（華氏６９４度）から、パイロリシスによる分解が達成される３９３℃（華氏７４０度）〜５２４℃（華氏９７５度）まで上昇する、リボンチャネル型反応器の内部温度をもたらす。チャー材料、ダート、および金属の小片は、プロセス終了時に約５２４℃（華氏９７５度）〜５３８℃（華氏１０００度）で放出される。スミスの教示は、毎時１３６０〜４５３５ｋｇ（３，０００〜１０，０００ポンド）のプロセススループットに関するものであり、迅速な熱伝達を最適化するためのリボンチャネル型反応器の幾何学的構造に焦点を置いている。押出機およびリボンチャネル型反応器は、該押出機のスクリューとバレルとの間の離間距離、または外側の加熱シリンダの内径と内側の加熱シリンダの外径との間の実効距離のうちどちらがより小さいにしても、これらの距離より大きな粒子を受け入れることはできない。典型的なゴムの事例では、スミスは、クラムなどのはるかに小さな粒径については明確に述べている。スミスは、有効な熱伝達に関する解決策の提供にのみ焦点を置いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第８，１９２，５８７号明細書
【特許文献２】米国特許第５，３８９，９６１号明細書
【特許文献３】米国特許第５，７４０，３８４号明細書
【特許文献４】米国特許第５，８３６，５２４号明細書
【特許文献５】米国特許第６，１７２，２７５号明細書
【特許文献６】米国特許第７，３４４，６２２号明細書
【特許文献７】米国特許第７，８９３，３０７号明細書
【発明の概要】
【００１６】
有用な蒸気生成物および固形生成物を生産するための、炭化水素系材料の連続的パイロリシスのための装置および運転方法は、略円筒状かつ直線状の反応器であって、前記反応器を通して炭化水素系材料を輸送するためのスクリュー手段を有する反応器と、前記炭化水素系材料を供給および加熱することによって該材料の処理およびパイロリシスを行い蒸気生成物および固形生成物を生産するための手段と、前記スクリュー手段は前記反応器のほぼ全長にわたって延在することと；処理された炭化水素系材料から蒸気生成物を取り出すための手段と、固形生成物を取り出すための手段と、前記炭化水素系材料を規定の範囲の滞留時間にわたって区画内に維持するための手段と、前記スクリューを回転させるための手段であって、圧縮のため、および前記炭化水素系材料を融解して該材料を固体から液体に転換するため、前記炭化水素系材料を混合、不安定化、および脱ハロゲン化するため、前記炭化水素系材料のパイロリシスを行うため、パイロリシスが行われた炭化水素系材料を液化するため、ならびに固体生成物を放出するための、複数のフライト構成を有する手段とを含む。
【００１７】
本発明の前記およびその他の特徴および利点は、添付図面に関する以下の説明を読めば、本発明が関係する分野の当業者には明白となろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による区画分けされた熱反応器の概略側面図。
【図２】ステップダウン型凝縮器配列および該配列の本発明による区画分けされた熱反応器の下流における展開配置の概略側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
発明の詳細な説明
本発明は、炭化水素系材料を転換するための区画分けされた連続パイロリシス装置である。該装置は、略円筒状かつ直線状の、加熱された連続反応器であって、該反応器の中心に該装置の軸に沿ってオーガまたはスクリューを有し、一体的な一連のステップダウン型凝縮器の前後いずれにおいても最終生成物を同時に放出する能力を備えている。該装置は連続方式で作動する。さらに、該装置は、ポリマー廃棄物および低価値または混入物を含むポリマーを、合成石油および様々なそのフラクションに、例えば、限定するものではないが軽質スイート原油、燃料添加剤、基油、スラックワックス、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、および芳香族石油炭化水素を主とするコンデンセートに転換することができる、モジュール式かつ拡張可能なパイロリシス装置である。非凝縮性の炭化水素生成物はガスである。固形の炭化水素生成物は微細に分割された炭素チャーであって、非ポリマーの固形物が原材料の分解前に原材料中に存在する場合、そのような非ポリマーの固形物を含むこともあれば含まないこともある。反応器は、転換されるポリマーの混合および前進のうち少なくともいずれかを行うための様々なオーガまたはスクリューの構成を有するセクションを備えた中央の回転シャフトを有する。
【００２０】
本発明は、主要なマイクロクリスタリンワックスまたはパラフィンワックス生成物であって総体として３０〜７０個の炭素原子を有する生成物を、好ましい実施形態では、以後本明細書中では区画と呼ばれる７つの連続的に運転される直列配向された処理区画の４番目の終端において、該装置からの直接放出を介して、可能にする柔軟性、ならびに生産して別々に放出する能力を有する。具体的には、これは、「混合、分子不安定化およびヘテロ原子脱除区画」の後で、３００℃〜３３８℃（華氏５７２度〜華氏６９０度）の温度範囲内で生じるが、該温度範囲は、以前はマイクロクリスタリンワックスまたはパラフィンワックス生成物の一貫した収率を達成可能であることが確認されていなかった温度閾値である。さらに、好ましい実施形態では、５番目および６番目の連続的に運転される直列配向された処理区画すなわちそれぞれ「パイロリシス区画」ならびに「チャーおよび残留固形物液化区画」に位置する別々の放出ポートから回収された、１つ以上の追加の、総体として炭素数４〜３０個のより軽いフラクションを、一連のステップダウン型凝縮器におけるパイロリシス蒸気のその後の回収によって、非常に高効率な分離が必要な場合はそれぞれの凝縮器とともに任意選択のデミスタを複数用いて、徐々に低い運転温度範囲で運転しながら生産する付加的かつ同時的能力を可能にする。該装置は、触媒反応器および／または還流反応器および／または分留カラムの展開配置を必要としないが、本発明の主題である該装置のモジュール方式および拡張可能性は、例えば軽油、ディーゼル添加剤またはガソリン添加剤のみの生産が必要な場合に、実施例におけるそれらの追加デバイスを任意選択で展開配置する機会を提供する。
【００２１】
該装置への原材料供給物は、固体混合物および／または各種固体の、仮にあるとすれば石油系液体混合物および／または種々の比率の石油系液体との組み合わせとなりうる。区画で区切られたプロセス制御は、幅広く変動しうる原材料流、多分に混入物を含む原材料流、および経時的に組成が一貫しない原材料流の、効率的な転換を提供する。清浄で混入物を含まない原材料供給流は必要ない。殺虫剤、除草剤、石油生成物、医薬品などによるポリマー廃棄物への混入さえも十分に許容される。ある種の特徴的かつリストに掲載された有害廃棄物は、該装置が有害廃棄物の貯蔵、処理、および処分施設を運転するための米国環境保護庁の許可（ＥＰＡ  Ｐｅｒｍｉｔ  ｔｏ  Ｏｐｅｒａｔｅ  ａ  Ｈａｚａｒｄｏｕｓ  Ｗａｓｔｅ  Ｓｔｏｒａｇｅ，Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ａｎｄ  Ｄｉｓｐｏｓａｌ  Ｆａｃｉｌｉｔｙ）に準じて運転される場合、炭化水素系原材料を構成することもできるし、炭化水素系原材料の構成材料として含まれることもできる。
【００２２】
本発明は、炭化水素系材料の転換のための区画分けされた連続パイロリシス装置１０を含み、その１つの実施形態は図１に例証されている。該装置は、凝縮性の炭化水素生成物を製造するための連続的なモジュール式かつ拡張可能な装置である。これらの炭化水素生成物には、合成石油および様々なそのフラクション、例えば、限定するものではないが軽質スイート原油、燃料添加剤、基油、スラックワックス、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、および芳香族石油炭化水素を主とするコンデンセートが挙げられる。非凝縮性の炭化水素生成物はガスである。固形の炭化水素生成物は、微細に分割された炭素チャー、加えて再利用可能な金属および凝集物のうち少なくともいずれかである。この固形の炭化水素生成物は、本明細書中では「固形残留物」または「固形生成物」とも記述される。
【００２３】
略円筒状かつ直線状の、加熱された反応器１０は、該反応器１０の中心に該反応器の軸に沿ってオーガまたはスクリュー１１を有する。該反応器は連続方式で作動する。さらに、モジュール式かつ拡張可能なパイロリシス装置は、ポリマー廃棄物および低価値または混入物を含むポリマー（まとめて１００）を、合成石油および様々なそのフラクションを含む液状および凝縮性のうち少なくともいずれかの炭化水素生成物に、例えば、限定するものではないが軽質スイート原油、燃料添加剤、基油、スラックワックス、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、および芳香族石油炭化水素を主とするコンデンセートに転換することができる。本明細書中で議論されたワックスの多くは液相で反応器を出るが、収集された時点で冷えて固形物または流動速度の遅い液体となる傾向がある。この理由で、かつ一貫性のためおよび本発明の目的のために、１つまたは複数のワックスは、該ワックスがプロセスのどこで回収されるかにかかわらず、そうでないことが特に示されないかぎり、固形物、固形生成物、および固形残留物のうち少なくともいずれかとして扱われることになろう。
【００２４】
この反応器１０は、様々なオーガまたはスクリューの構成を有する、本明細書中以下に区画とも呼ばれるセクションを備えた中央の回転シャフト１１を有する。最適な生成物構成は、最適な温度傾斜部をなすために様々な段階的温度区画を決定および確立することにより、かつ、各々それぞれの温度区画内の滞留時間を制御するため反応器の長さに沿ってスクリューの構成を変化させることにより、達成される。これは複数の温度傾斜部および滞留時間（浸漬）を作り出して、区画で分けられた転換という熱効率上の長所を有する、連続プロセスとして作動する本発明の装置をもたらす。該装置への供給物は、固体混合物および／または各種固体の、石油系液体混合物および／または各種石油系液体との組み合わせ、まとめて「炭化水素系材料」１００であってよい。本明細書中で使用されるように、「石油系の液体」および「炭化水素液」は互換的に使用され、使用済み油、廃油、ガス油、精製装置塔底液、シリンダ油などを含むことを意味する。該プロセス制御は、幅広く様々な原材料流、多分に混入物を含む原材料流、および経時的に組成が一貫しない原材料流の、効率的な転換を提供する。
【００２５】
本発明の装置は寸断されたポリマー廃棄物１００を受け入れ、該ポリマー廃棄物には非ポリマーのフラクションが混入していてもよいし、していなくてもよい。この目的のために、熱可塑性プラスチックおよび熱硬化性プラスチック（「プラスチック」）に加えて、「ポリマー廃棄物」は、廃タイヤ、ゴム残留物、ゴムベルト、ＥＰＤＭゴムのシート、メンブレンまたは押出材などのようなエラストマー（または「廃エラストマー」）を含むことができる。このポリマー廃棄物は、区画分けされた熱反応器１０に連続的に供給される。任意の比率の石油系の液体および／または鉱物系添加剤および／または溶融相触媒も、望ましい場合には区画配列の初め１０１（区画１）において反応器に添加可能であり、該反応器中のポリマー廃棄物と混合される。原材料装入物が反応器の長さに沿って前に進められるとき、該装入物が区画２  ２０１において徐々に圧縮されるかまたはその他の方法で体積の縮小を受けて同伴大気を放出し、かつポリマー廃棄物中の同伴水分が沸騰するまで温度傾斜部または温度勾配によって加熱されるにつれて、相変化が生じ、水蒸気の形成と、その後の区画３  ３０１における融解とがもたらされる。その後、融解物は別の熱傾斜部で加熱されて、該反応器中の制御された最高温度の、混合、分子不安定化およびヘテロ原子脱除区画（区画４）４０１を通して進められる。この区画（区画４）４０１における制御された滞留時間および温度での融解物の混合により、分子の不安定化、セルロースのチャーおよび付加的水蒸気への分解、いくつかの可塑剤および有機添加剤の、凝縮性の石油生成物として回収可能な蒸気への分解、硫黄のほぼ完全な脱除、有機ハロゲンの塩素および臭素のほぼ完全な還元、有機ハロゲンのフッ素の部分還元、ならびにテレフタル酸から安息香酸および安息香酸からベンゼンへのほぼ完全な還元がもたらされる。硬蝋生成物は、区画４  ４０１から該区画の終端および区画５  ５０１への移行部において放出されうる。硬蝋を回収するための区画４  ４０１の終端において熱反応器から直接放出されなかった残存融解物は、続いて別の熱傾斜部を通して、パイロリシスの大半が生じる区画（区画５）５０１へと進められる。このパイロリシスは、分解されるべき原材料のカテゴリごとに最適化された滞留時間にわたって行われる。制御された最高温度および適切な滞留時間の、区画５  ５０１の環境を通して残存塊を進めることにより、最適な収率および組成のパイロリシス生成物がもたらされる。残存塊がパイロリシス区画５０１を出るとともに、該残存塊は区画６  ６０１への導入時にさらに別の熱傾斜部を経験し、その結果、チャーの液化が促進され、かつ適切な滞留時間にわたって残りの芳香族炭化水素および多核芳香族炭化水素がコークス化される。従って、残留固形物が区画６（６０１）から区画７（７０１）へと移動した後、該残留固形物は、吸着した芳香族および多核芳香族炭化水素で飽和していない、乾燥した破砕性の微細分割された残留固形材料として、区画７（７００）から連続的に放出される。これらの残存固形物は、同伴金属（貴金属および／または非貴金属）、ガラス、石などの混入物が原材料供給物の中に存在する場合は、該混入物を含有する可能性���あるチャーとして装置から連続的に取り出される。換言すれば、「チャー」は、炭化水素系材料の分解からの、残存している残留炭素分および炭素以外の残留固形物である。
【００２６】
炭化水素系材料は、原材料の混成物１００として、第１の、熱式の、嫌気性の、傾斜型の、区画分けされたスクリュー反応器１０に導入される。該反応器は、異なる炭化水素系原材料の輸送、混合および反応を促進するために、加えて区画４  ４０１の終端の放出ポート４２０からパラフィンまたはマイクロクリスタリンワックスを、および／または区画５  ５０１にある放出ポート５２０および５３０から凝縮性の炭化水素を、かつ区画７  ７０１の出口７００から残留固形物のチャーを放出するために選択されるような、断面積および存在する場合には傾斜の大きさ２０、または存在する場合には任意選択の下降傾斜２０を、有する。様々なスクリューの構成が、複数の温度区画と併用される。これは、連続プロセスにおいて運転される、設備の単一ピースであるので、区画間に明瞭な境界設定は必ずしも存在せず、１つの区画が次の区画に付随的に移行する場合も、次の区画と部分的に重なる場合もあるようになっていてもよい。
【００２７】
区画は、各々の所望のプロセススループット率のために、その区画内で維持されたそれぞれの運転温度と連動した所望のそれぞれの区画滞留時間を確立するために、複数存在する内部スクリューまたはオーガの幾何構造とその外側の反応器とによって概ね規定かつ／または線引きがなされる。円筒状の連続プロセス区画分け式熱反応器の設計は、各区画において適正な滞留時間にわたる炭化水素系材料への適切な熱伝達を促進することにより、所望の全体的なプロセススループット率のために所望の化学反応を必要とされる滞留時間にわたって所望の完成度まで遂行するために、その反応器のそれぞれの直径に適切であるが不必要ではない長さを有する該反応器の構築を可能にするように、行われる。好ましくは、連続反応器の構成要素は、可変要素、例えば、数ある中でも特に、反応器の配向、反応器の長さ、反応器の直径、反応器構築物の材料、スクリューの設計、炭化水素系材料のスループット率、密度および熱伝導度、動粘度、区画保持時間、区画間の温度傾斜部などの可変要素を組み込んだ熱的および速度論的モデルに即して設計される。そのモデルは、直面する可能性のあるあらゆる原材料の組成を、所望または許容可能な成果を伴って分解するために、本発明の運転の成果を予測する能力を有していなければならない。そのようなモデルが存在しない状態では、最適な幾何構造は、試行錯誤によって導き出される場合もあれば導き出されない場合もあるが、そのような試行錯誤は、特にこの状況では望ましからぬ結果または壊滅的ですらある結果となる可能性がある。
【００２８】
スクリューコンベアの幾何構造は、典型的には、フライト（ブレード）間の間隔に対するフライト外径の比によって決まる。この比は本明細書中では「ピッチ」または「ピッチ比」と呼ばれる。ブレードの間隔に対するフライト外径の典型的な比は１：１、すなわちピッチ比１であって、外径に対して間隔は等しい。これは標準的なピッチとなり、より小さな間隔は、例えば、より短いピッチすなわち１：１より大きいピッチ比、もしくはより長い滞留時間をもたらすハーフピッチすなわちピッチ比２：１、もしくはさらに長い滞留時間をもたらす４分の１ピッチすなわちピッチ比４：１であり、または、より大きな間隔は、より短い滞留時間をもたらす長いピッチすなわち１：１より小さいピッチ比である。図１に例証された本発明の実施形態はさらに、区画４  ４０１と一致する混合セクションも備えており、該セクションでは、輸送よりむしろ混合を促進するように設計されたフライティングとともに開放セグメントを有するリボンミキサ４１０が、隣接したスクリューコンベアセグメント３１０および５１０の間に展開配置されている。従って、本発明の、区画１  １０１、区画２  ２０１、および区画３  ３０１は、全体としてスクリュー反応器としての役割を果たし、区画４  ４０１はプラグ反応器としての役割を果たし、区画５  ５０１、区画６  ６０１、および区画７  ７０１は、全体としてスクリュー反応器としての役割を果たす。装置の直径は一定であるが、スクリューコンベアのセクション内の比は、ブレードがより密な間隔で配置されるか、またはより広い間隔で配置されるという理由で変化しうる。
【００２９】
システム内への原材料の導入で始まり（区画１  １０１）、次いで体積縮小および圧縮のうち少なくともいずれかを進行し（区画２  ２０１）、次いで原材料の融解物への相変化を進行し（区画３  ３０１）、次いである種の可塑剤および添加剤の分解に加えて塩酸の発生、中でも同時かつ／または後発の分子の不安定化を進行し（区画４  ４０１）、次いでパイロリシスによる分解を進行し（区画５  ５０１）、次いでチャーの液化およびコークス化のうち少なくともいずれかを進行し（区画６  ６０１）、固形生成物の放出で終わる（区画７  ７０１）、というプロセス区画を有する本発明の他の実施形態は、全ての経済的に有望なスループット解決策を受け入れるために広く様々な拡張可能性に関するあらゆる構成に展開配置可能である。本発明によって具体化されるシステムは、モジュール式で、拡張可能かつ汎用的であり、様々な原材料組成および所望のスループット率を有する用途に適応可能である。本発明の汎用性の例には、区画分けされたプロセスの、任意のシステム構成への適用が挙げられる。この発明の好ましい実施形態のうち全てではないがいくつかが、以降の発明の詳細な説明において記載されているが、本発明の趣旨の範囲内にある様々な改変形態および変更形態は、当業者には先述および後述の詳細な説明においてなされた開示から明らかになるであろうことに留意されたい。従って、先述および後述の説明は本発明を限定するものではない。
【００３０】
本願においては、用語「反応器」、「蒸留炉」および「装置」はしばしば互換的に使用されることに注意すべきである。すべての場合において、特に断りのないかぎり、これらの用語は本発明を指す。
【００３１】
この反応器１０は、略円筒状かつ直線状の反応器であって、該装置の全長に延び、様々なオーガまたはスクリューの構成を有するセクションを含む、長い中央の回転シャフト１１を有する反応器を特色とする。シャフト１１を回転させる正確な手段は重要ではなく、産業界で既知の任意の手段を備えることができる。様々なスクリューの構成は、複数の温度区画と一致し、かつ該区画の区切りとなる。
【００３２】
傾斜２０は、水平３０から約１度〜約２０度であってよく、好ましい傾斜は約＋２度〜約＋６度である。反応器１０は、反対方向に配向または傾斜設定されてもよい、すなわち水平３０から約１度〜約２０度の下降傾斜であってもよく、好ましい下降傾斜は下降する配向について約−２度〜約−６度である。このことから、可能な範囲は水平線３０に関して約−２０度〜約＋２０度である。
【００３３】
上昇傾斜の好ましい実施形態は、原材料の組成が、加熱時に、上昇傾斜したスクリュー式反応器を通して輸送可能なスループットの粘性をもたらす場合に展開配置される。原材料の分解から発生する蒸気は下流に移動し、一体型凝縮器列の相対的減圧下にある放出ポート５２０および５３０に到達するまで、徐々に高温になる区画を通って斜面を上昇するが、その１つの実施形態は図２に例証されている。上昇傾斜した展開配置では、区画分け式の熱制御は固体相および溶融相において容易に維持される一方、このより高密度な材料は、外部の加熱だけでは該炭化水素系材料の不十分な熱伝導性を克服することができない時に、展開配置される円筒状反応器の加熱表面および任意選択の加熱内部スクリューのうち少なくともいずれかと連続的に接触する。上昇傾斜した展開配置では、融解物レベル５０は、パイロリシス区画５  ５０１における質量損失の速度と区画１  １０１における供給物導入の速度との対比によって、動的平衡において決まる、垂直方向の高さに維持される。いかなる上昇傾斜配向においても、熱反応器は、区画１〜３および区画５〜７ではスクリュー式反応器として、区画４  ４０１においては撹拌型プラグ反応器として、作動する。
【００３４】
逆の配向の下降傾斜は、原材料の組成が、加熱時に、上昇傾斜したスクリュー式反応器を通して輸送するのが困難なスループットの粘性をもたらす場合に展開配置される。この下降傾斜の展開配置では、原材料から発生する蒸気は下流に移動し、一体型凝縮器列の相対的減圧下にある放出ポート５２０および５３０に到達するまで、徐々に高温になる区画を通って斜面を下降するので、区画分け式の熱制御は開放上部空間の蒸気相において維持されうる。この蒸気の動きをさらに促進かつ加速するために、また過度の熱が下降する配向の反応器の開放上部空間の中で上昇することによる潜在的な蒸気相分子の過剰クラッキングの傾向を最小限にするために、最終凝縮器から放出された非凝縮性ガスの一部が任意選択で注入ポート４００から反応器内に再注入されてもよいし、かつ／または、ベント２００から引き出された水蒸気が任意選択で注入ポート４００から反応器内に再注入されてもよい。存在する場合の注入される非凝縮性ガスおよび水蒸気のうち少なくともいずれかの好ましい温度は、注入地点の運転温度よりわずかに低い。注入温度は、あらゆる凝縮を防止することにより注入される蒸気を蒸気相に維持するのには十分に高いが、上部空間からの熱エネルギーを消費することにより蒸気相分子の過剰クラッキングのいかなる条件をも緩和するのに十分に低い。蒸気相の温熱調節はあらゆる配向におけるすべての相において重要であるが、蒸気相における温熱調節を考慮することは、下降傾斜の配向においては特に必須となる。というのも、融解物のレベルは、重力に応じて融解物が流れる結果として、長い、下降傾斜する表面となり、該表面の上方には蒸気流を受け入れる上部空間が、反対の上昇傾斜の配向よりも反応器１０のはるかに長い長さおよび反応器１０におけるはるかに広範囲の温度にわたって存在するからである。下降傾斜した展開配置では、区画分け式の熱制御は、より高密度な固体相および溶融相においても維持可能である。その理由は、これらの相が、外部の加熱だけでは該炭化水素系材料の不十分な熱伝導性を克服することができない時に、展開配置される円筒状反応器の加熱表面および任意選択の加熱内部スクリューのうち少なくともいずれかと連続的に接触するからである。下降傾斜した配向において、熱反応器は区画１〜３および区画５〜７ではスクリュー式反応器として、区画４では撹拌型プラグ式反応器として作動し、区画４における固体相および溶融相の材料の保持時間は、重力に応じて下方に流れ易いことから短くなる可能性が高く、分子の不安定化反応およびヘテロ原子の脱除反応が所望の完成度まで生じるための適切な滞留時間を維持するために、下降傾斜の配向に対して区画４の長さを長くする必要がある。
【００３５】
上昇傾斜しているかまたは下降傾斜しているいずれの実施形態においても、放出ポート５２０および５３０の適切な配置により、過剰なクラッキングならびに結果として生じる過剰な非凝縮性ガスおよびチャーの生産を伴うことなく、蒸気相の炭化水素分子の最適な回収率が提供される。放出ポート５２０および５３０が凝縮器８０とともに複数あり、かつ凝縮器の運転により蒸気流からの蒸気相分子の除去と整合する相対的な減圧がもたらされるとすれば、該プロセスのために、この相対的な減圧の供給源を認識かつ使用することは重要である。従って、好ましい実施形態は、反応器１０の上昇傾斜した展開配置における融解物レベル５０のすぐ上方に区画５  ５０１の放出ポート５２０を配置することであり、反応器１０の下降傾斜した展開配置においてはこの好ましい実施形態への調整はなされない。記載のような放出ポート５２０の配置により、発生した蒸気の除去が可能となるが、その蒸気は、除去されなければその後、ガス発生型のクラッキングおよびコークス化が生じる区画６  ６０１のより高温の環境を経験することになる。同様に、区画５  ５０１と区画６  ６０１との間の移行部の放出ポート５３０の配置は、区画６  ６０１から発生する蒸気の即時クエンチングを促進するが、そのような蒸気は残留芳香族炭化水素を含有しており、該芳香族炭化水素は放出ポート５３０に入るときにクエンチングされない場合は、仮に区画６  ６０１および区画７  ７０１にとどまるにしても、他の方法でコークス化されてチャーおよびメタンになるであろう。
【００３６】
装置の温度は、所望の機能性に応じて該装置の長さに沿って区画ごとに変更され、外部の加熱手段（図示せず）によって制御される。任意選択で、外部の加熱だけで炭化水素系材料の不十分な熱伝導性を克服することができない場合は内部スクリューも加熱されうる。加熱の手段は重要ではなく、電気発熱体、輻射加熱、直接燃焼式加熱による本発明で生産されたガス状生成物の消費、熱ジャケッティング、産業界で既知の熱媒体、例えば、限定するものではないがＤｏｗｔｈｅｒｍ（登録商標）、溶融鉛、融解塩、溶融ナトリウムなどの使用が含まれうる。
【００３７】
運転期間中の多少の温度の変動は反応器１０に十分許容されるが、効率という目的のため、および区画温度と滞留時間との間の複数性を維持するために、反応器１０において動的平衡を維持することが望ましい。動的平衡は、その後の運転時に一定の反応器温度が達成された時点で各区画において一定の原材料のスループット率およびこれらの一定の反応器温度を維持することにより達成される。原材料のスループットが遅いほど、滞留時間は長い。動的平衡が中断されてしまっても、運転が律速限度内で続行される限りは所望の化学反応をより長い滞留時間にわたって首尾よく駆動するために熱はあまり必要とされない場合がある。対照的に、原材料のスループットが速いほど、滞留時間は短い。動的平衡が中断されてしまっても、運転が律速限度内で続行される限りは、化学反応をより短い滞留時間で首尾よく駆動するためにより多くの熱が必要とされる場合がある。いずれの場合においても、温度および滞留時間のうちいずれかの変動が律速限度を超えた場合、所望の反応は認められないことになり、望ましからぬ反応が生じる可能性がある。従って、動的平衡が維持されない場合、不均衡状態での運転は、効率的なシステムの運転および生成物の品質における一貫性にリスクをもたらす。
【００３８】
区画温度と滞留時間との間の複数性を維持することは重要であるが、動的平衡が中断された場合にこの複数性を維持する機能的能力に関して限度が存在する。これらの限度は、特に、反応器の設計容量、炭化水素系材料の一定の熱伝導性および反応速度論に由来する。例えば、反応器の設計において企図された供給速度を越えた過度な供給速度は、該炭化水素系材料への熱伝達を促進するには不十分な滞留時間をもたらす可能性が高い。その短縮された滞留時間は、仮に適切な熱が炭化水素系原材料に伝達され得たとしても所望の完成レベルを達成する所望の反応には不十分である可能性がある。別例では、より速い原材料スループットを代償する試みにおいて、加熱システムの温度を高めることも考えられる。この行為によって限定的な利益は達成されるが、加熱表面と炭化水素系材料との間の温度差は非常に極端になるので、理想的には次に続く区画で生じるはずの反応を早期に促進してしまうことにより反応器１０における区画の定義を喪失する可能性がある。過剰なスループットを代償するための過熱により引き起こされるリスクには、過度の反応器圧力／安全でない運転条件の生成のほかに、固形ワックスおよび凝縮性の炭化水素のうち少なくともいずれかの収率を犠牲にしたガスおよびチャーの過剰生産が挙げられる。別例では、反応器１０の能力をはるかに下回る供給速度または慢性的な供給中断は、過度の滞留時間をもたらす可能性がある。炭化水素系材料のうち、より高密度な構成材料は、上昇傾斜した反応器の配向において、融解カラムの底に沈み、低密度の材料と置き換わりかつ融解カラムの底に集まって、反応器１０のファウリングを促進して該ファウリング問題を修正するための予定外の生産停止を必要とする可能性がある。同様に、下降傾斜する配向においては、炭化水素系材料のうち、より高密度な構成材料は、反応器の底に沈み、かつ各フライティングブレードの裏側に集まって、同様に反応器１０を、ただし反応器の長さに沿ってさらに多くの場所で、ファウリングする。
【００３９】
反応器１０は、一連の別個のスループットプロセス区画からなり、該区画を通して原材料混成物が絶えず加熱され進められる。７つのこれらスループットプロセス区画すなわち：原材料供給区画１０１、圧縮区画２０１、融解区画３０１、混合、分子の不安定化およびヘテロ原子脱除区画４０１、パイロリシス区画５０１、液化区画６０１、ならびにチャー放出区画７０１が存在する。
【００４０】
区画１：原材料供給区画。  この区画１０１は、周囲温度および周囲圧力で１分未満の滞留時間にわたり運転される。図１に示される本発明の実施形態では、原材料は入口１００において装置に導入される。供給材料を導入する正確な手段は重要ではなく、寸断されかつ多くの場合高度に圧縮可能な原材料の供給や、反応器の供給口１００または反応器１０それ自体をファウリングするであろう不必要に大きく嵩高い非ポリマーの固体混入物の分離の失敗を回避するような十分に強健かつ有効な供給方法が選択される限り、産業界で既知の任意の方法であってよい。この区画のスクリュー１１０のピッチ比は１．０〜１．５である。この区画の目的は、装置１０への材料の受け入れ、および次の区画への該材料の移動である。
【００４１】
本装置１０は、固形混合物および／または各種固体を、ゼロを含む任意量の石油系液体混合物および／または各種石油系液体と、目的を持って組み合わせることを可能にする。該装置は、幅広く様々な原材料流、多分に混入物を含む原料流、および経時的に組成が一貫しない原料流の、効率的な転換を提供する。加えて、炭化水素系材料は、入口１００において、１つ以上の溶融相ヘテロ原子脱除剤から選択された微細に分割された鉱物系添加剤であって、例えば、限定するものではないが、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、ポスト遷移金属および／またはメタロイドからなる群の、酸化物、水酸化物および炭化物のうち少なくともいずれかの形態の鉱物系添加剤とともに、反応器１０に供給されうる。任意選択で、例えば、軽油、ディーゼル添加剤またはガソリン添加剤だけが望まれる場合、供給材料は、追加として、１つ以上の溶融相触媒であって、例えば、限定するものではないが、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、ポスト遷移金属、メタロイド、非金属ならびに／または天然に存在するケイ酸塩鉱物および合成ケイ酸塩鉱物からなる群の、酸化物、水酸化物および炭化物のうち少なくともいずれかの形態の触媒の添加を含むことができる。
【００４２】
入口１００における鉱物系添加剤および溶融相触媒のうち少なくともいずれかの添加は、例えば、限定するものではないが、炭化水素系原材料の組成、所望の生成物構成、例えば、生産される油と生産されるガスとの比、生産されるワックスと油との比、および凝縮性炭化水素生成物の所望の分子組成などの要因に応じて任意選択である。例えば、ヘテロ原子脱除剤の添加が望まれる場合、反応器に添加される合計の炭化水素系材料のうちのヘテロ原子脱除剤の重量比率（％）（そのような比率（％）は０％〜２０％以上に及ぶ）は、反応器中の脱除剤の宿命によって決まる。鉱物系添加剤および／または溶融相触媒の完全な分散は、これらの鉱物系添加剤および／または溶融相触媒を効率的に使用するために、また反応器の特に区画１〜４における、微細分割された鉱物系添加剤および／または溶融相触媒が過剰に存在することに起因するファウリングを防止するために重要である。全てではないが一部のヘテロ原子脱除剤は、炭化水素系材料中における該脱除剤の分散が完全ではなくても、所望の反応に関与するために利用可能になる。さらに、一部のヘテロ原子脱除剤は、反応器への炭化水素系材料の導入前または導入後に炭化水素系材料内で凝集することにより、所望の反応に関与するための該脱除剤の利用可能性を低下させる場合がある。ヘテロ原子脱除剤に関する一次反応が１つだけ予想される場合、合計の炭化水素系原材料供給物に添加されるヘテロ原子脱除剤の最適な重量比率（％）は、すべての所望の脱ハロゲン化反応および脱硫反応を完了するために化学量的に必要なヘテロ原子脱除剤の量と、例えば該システムにおけるヘテロ原子脱除剤の分散が不完全であることにより所望の反応に利用できないヘテロ原子脱除剤の量との合計となりうる。ヘテロ原子脱除剤に関する２つ以上の一次反応が予想される場合、そのような脱除剤は競合反応によって消費される可能性がある。数多くのありうる例のうちの１つとして、炭化水素系材料がテレフタル酸のポリエステル（ＰＥＴ）の存在下でポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）およびポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）のうち少なくともいずれかを含む場合、競合反応は、ＰＶＣおよびＰＶＤＣから発生する塩酸の、塩化カルシウム塩および水への転換に加えて、ＰＥＴの分解から発生する昇華物のテレフタル酸および安息香酸の、ベンゼンへの転換の促進を含みうる。従って、炭化水素系材料に添加されるヘテロ原子脱除剤の量は、すべての所望の競合反応が完了することを可能にするのに十分でなければならない。同様に、炭化水素系原材料中のポリマー分子種の数およびそれらの相対濃度は、ポリマー分解速度に影響を与えることになる。例えば、単純な一次反応速度論、単一の分子種に限定された速度を引用すると、その分子種をより多く添加することにより、分解速度の加速を促進することが可能である。炭化水素系原材料に対するヘテロ原子脱除剤の最適な重量比率（％）を決定する場合は、該炭化水素系材料の組成についての徹底的な情報、加えてその同じ材料についての経時的なあらゆる予想される変動を用いて、なされなければならない。同様に、ポリマー分解速度は、エネルギー障壁の低下をもたらす炭化水素系材料への触媒添加を介して変化し、その結果、全てではないが一部の分解反応を加速する相互作用をもたらす可能性がある。炭化水素系材料に添加される触媒がある場合、その選択および量は、やはり該炭化水素系材料の組成に依存する。
【００４３】
区画２：原材料の体積縮小／圧縮区画。  この区画２０１は、炭化水素系材料の体積を縮小し、炭化水素系材料の引火点より低い温度で炭化水素系材料から大気を追い出し、かつ、炭化水素系材料中の水分が沸騰するにつれて水蒸気を生成して追い出すために、運転される。区画２  ２０１は、表面温度とは対照的に、周囲温度以上かつおおよそ１０４℃（華氏２２０度）以下の内部温度で、周囲圧力にて運転されるか、または、任意選択で例えば水蒸気が反応器１０の中で最小限に抑えられなければならない場合には、おおよそ０．１気圧未満の減圧２００の下でおおよそ３分未満の滞留時間の間運転される。図１に示される本発明の実施形態では、この区画のスクリュー２１０のピッチ比は１．５〜２．０である。炭化水素系材料の体積は縮小され、供給材料は、任意選択の減圧２００の下で空気および水分を水蒸気として該システムから追い出す回転スクリュー２１０によって、圧縮される。原材料の水分の低減が遂行される結果、おおよそ、重量比で水分１％未満〜重量比で水分１５％までの含水量となる。好ましい実施形態では、水分は重量比で約１０％に低減される。放出された空気および水分は、カーボンベッドへと送り込まれ、水分は凝縮されて廃水として処分される。残りの空気は、例えば臭気制御を促進するために、任意選択で、直接燃焼式反応器加熱システムの空気取入口、または気体放出ポート８３０（図２に示される）から放出された非凝縮性ガス生成物によって燃料供給されるディーゼル発電機にダイナモを加えた発電セット（「ジェネセット（ｇｅｎｓｅｔ）」（図示せず））の空気取入口へと向けられうる。ジェネセットは電気を発生させるために使用され、該電気は、該装置によって利用されてもよいし、該設備の他の部分に配分されてもよい。ジェネセットの活用可能性には、限定するものではないが、反応器１０の加熱、およびシャフト１１を回転させるモータへの動力供給が挙げられる。
【００４４】
区画３：原材料融解区画。  この区画３０１は、おおよそ１０４℃（華氏２２０度）〜３００℃（華氏５７２度）の内部反応器温度範囲で、その場で発生した反応器圧力で、おおよそ１５分以上および４５分以下の滞留時間で、運転される。例えば、炭化水素系材料がポリイソブチレンから構成されている場合、該材料を構成しているポリイソブチレンの異性体に依存して、ポリイソブチレンのうち一部または全部が融解物として区画３に入ることになる。別の例では、炭化水素系材料が低密度ポリエチレンから構成されている場合、おおよそ１０４℃（華氏２２０度）以下の融点を有するすべての構成成分の融解を遂行するのに適切な運転温度の中で、最低限の区画３運転温度は１０４℃（華氏２２０度）以上である。さらに別の例では、炭化水素系材料がポリスチレンから構成されている場合、おおよそ２４０℃（華氏４６４度）以下の融点を有するすべての構成成分の融解を遂行するのに適切な運転温度の中で、最低の区画３運転温度は２４０℃（華氏４６４度）以上である。図１に示される本発明の実施形態では、スクリュー３１０は２．０〜５．０のピッチ比を有し、好ましいピッチは２．５である。有機ハロゲンが融解物中に存在する場合、本発明の運転は、１５２℃（華氏３０５度）以上の温度範囲において比較的少なめの収率のハロゲン酸の生成をもたらすであろう。区画３の運転温度が３００℃（華氏５７２度）に近づくにつれて、さらなる塩酸が区画３  ３０１において発生する場合がある。その場合、ヘテロ原子脱除剤およびハロゲン酸の反応に起因する塩類が生じ始め、本発明の運転によってその場で生成された溶融相クラッキング触媒として残りのハロゲン酸とともに作用するであろう。
【００４５】
区画４：混合、不安定化およびヘテロ原子脱除区画。  この区画４０１は、おおよそ３００℃（華氏５７２度）以上および３６６℃（華氏６９０度）以下の内部反応器温度範囲で、かつその場で発生した反応器圧力で、おおよそ３０分以上および１２０分以下の滞留時間で、運転される。該装置のこのセクションの目的は、長時間にわたり徹底的に融解物を混合し、該融解物を構成している分子を不安定化し、硫黄を脱除し（脱硫）、有機ハロゲンを固体塩類に転換すること（すなわち脱ハロゲン化）である。好ましい実施形態では、この区画には螺旋形のスクリューはなく、代わりにシャフト１１がリボンミキサ４１０を駆動する。他の実施形態（図示せず）は、パドルミキサ、切断され折り畳まれたオーガミキサなどのような他の混合手段を使用することも考えられる。反応器１０は区画４においてプラグ式反応器として作動する。
【００４６】
原材料中におけるポリマーのクラッキングは、塩酸、臭化水素酸およびフッ化水素酸のうち少なくともいずれかの多段階生成により促進されるが、これはそのような酸が一般にクラッキング触媒であるとして特定されるからである。同時に、およびその後、これらのハロゲン酸のヘテロ原子脱除剤との反応は、炭化水素系材料中の有機ハロゲンの、クラッキング触媒としても同定される塩類への転換をもたらす。従って、区画４におけるある種のポリマー可塑剤および添加剤の分解の結果としての、区画４  ４０１の炭化水素蒸気の生成に加えて、区画４の運転はさらに、標準的な熱的および速度論的モデルによって予測されるより十分低い温度での炭化水素蒸気の生産をももたらす。凝縮に際して、区画４  ４０１において生産されたそのような炭化水素蒸気は、おおよそ２％以上かつ２２％以下の、本発明の凝縮可能な生成物の合計収率をもたらす。区画４  ４０１の運転からもたらされるヘテロ原子脱除の有効性および生成物油の生産速度は、例えば、限定するものではないが、区画４の運転温度を達成するための傾斜率（ｒａｍｐ  ｒａｔｅ）、区画４での滞留時間、ならびに区画４の幾何構造と原材料のスループット速度および組成との相互作用などの要因により制御される。区画４の幾何構造は、反応器１０の長さ、反応器の直径、スクリューの設計、および、さほど重要ではないが区画４の融解物からの合計の質量損失を含む要因に依存する。区画４での反応によって炭化水素系融解物から取り除かれたヘテロ原子は、大部分はチャー材料中に塩類として蓄積し、後述のように後の段階で除去される。
【００４７】
本発明のその後のセグメントから回収されるパイロリシスの生成物に加えて、マイクロクリスタリンワックスおよびパラフィンワックスのうち少なくともいずれかの生成物は、区画４  ４０１から区画５  ５０１への移行部に位置する取り出しポート４２０から直接放出されうる。区画４の前半部の中の混合融解物は、放出されて凝固時に検査される時は融解プラスチックの特徴を維持している一方、該材料が区画４の後半部の中を区画４  ４０１から区画５  ５０１への移行部へ向かって徐々に前進するにつれて、該材料は主として同族体のクラッキングであるクラッキングを生じ始め、徐々に粘性を失い、そして凝固時には、より砕けやすくなり、最終的には３５２℃（華氏６７０度）〜３６５℃（華氏６９０度）の温度範囲で適切な滞留時間保持された時には硬蝋の特徴を呈する。区画５でのパイロリシスに先立って比較的少量のチャーしか形成されなかったとすれば、取り出しポート４２０から放出されたワックスには、該ワックスから蒸気として発生しなかった溶解状態の低分子量炭化水素分子、反応器に導入された原材料の非炭化水素系構成材料、および、何らかのヘテロ原子脱除剤が導入された場合は、もしあればそのヘテロ原子脱除剤の反応副産物のみが混入している。反応器は、ワックスの取り出しの有無に関わらず運転可能である。ワックスが除去されない場合、ワックスはその温度ゆえに液体状態で反応器内に残り、液体融解物中の中間生成物としてさらに処理される。ワックスが除去および回収される場合、室温で冷えて固体状態になる。そのため、ワックスは固形生成物とみなされることになる。
【００４８】
炭化水素系材料中のある種の非ポリマー材料は、反応への参加および促進のうち少なくともいずれかをなして最終生成物の分子組成の変化をもたらすであろう。例えば、反応器１０に導入された炭化水素系原材料の混入物としての紙の存在は、図１に示された取り出しポート４２０から回収されるワックス中の、ならびに凝縮されて図２に示された取り出しポート８３１および８３３および８３５のうち少なくともいずれかから回収された凝縮性の炭化水素蒸気中の、パラフィンおよびイソパラフィンのうち少なくともいずれかを消費して、芳香族炭化水素および多核芳香族炭化水素の濃度の比例的増大を引き起こす場合がある。望ましい一次生成物として芳香族留分が含まれる場合、原材料中の紙の存在には利点があることになりうる。別の例では、ラミネートの構成材料としてアルミニウムフォイルを含んでいるラミネート食品包装廃棄物が、都市廃棄物プラスチックの中に存在する可能性がある。ポリマー層が融解した後、アルミニウムフォイルは解放される。アルミニウムの金属性表面は、該表面上において迅速な解重合を促進し、ワックスフラクションの収率増大をもたらす。
【００４９】
取り出しポート４２０からのワックス放出は、取り出しポート４２０からのワックス放出を伴わない本発明の運転よりも、合計で高い工程歩留まりの凝縮性石油炭化水素をもたらす。凝縮性の炭化水素がワックスとして取り出しポート４２０から除去される場合、その除去された分子は区画５  ５０１および６  ６０１のパイロリシスを経験せず、ガスおよびチャーの比例的収率はより低くなる。一般に、取り出しポート４２０から放出されたワックス中に浮遊する、比較的限られた量のチャーは、大部分は、原材料供給物への混入物として含まれていたセルロース、原材料供給物への混入物として含まれていた非ポリマー物質、ヘテロ原子脱除剤が添加される場合は反応済みおよび未反応のヘテロ原子脱除剤、その場で生じた溶融相触媒、ならびに原材料供給物に加えられた任意の溶融相触媒の分解に起因する炭素から構成されている。
【００５０】
混合ポリマーの分解から生じ、かつ取り出しポート４２０から回収されたワックスは、パラフィンワックスとは対照的なマイクロクリスタリンワックスの多くの特徴、例えば非分岐鎖アルカンと分岐鎖アルカンとの比、より暗い色彩、より高い融点、硬度および粘着性の特徴などを示す。一般に、取り出しポート４２０が区画４  ４０１と区画５  ５０１との間の移行部に接近して、または該移行部内に位置する場合、ワックスの特性は、浮遊チャーの含量はより高いにも関わらず、むしろパラフィンワックスに近いようである。
【００５１】
マイクロクリスタリンワックスおよびパラフィンワックスのうち少なくともいずれかの生成物の取り出しポート４２０からの回収の成功は、区画４  ４０１から区画５  ５０１に入る融解かつ不安定化された炭化水素系材料のレベルとしても記載される、融解物境界５０のレベルが、融解物境界５０のレベルを維持するのに適切な速度で反応器１０に炭化水素系原材料を供給することにより維持されているときに、上昇傾斜した反応器の配向で達成される。マイクロクリスタリンワックスおよびパラフィンワックスのうち少なくともいずれかの生成物の取り出しポート４２０からの回収の失敗は、蒸気の発生および蒸気の放出による質量損失が原因で融解物境界５０が取り出しポート４２０より下方に下がることから生じる。供給速度が十分に速い場合、融解物境界５０は放出ポート４２０より上方に維持されるであろう。供給が遅すぎる場合、融解物境界５０は放出ポート４２０より下に下がることになる。供給速度が速すぎる場合、融解物境界５０は放出ポート４２０から「ワックス」を放出するためには十分に高いであろうが、融解物境界５０が上昇して蒸気放出ポート５２０を覆い、極端な事象では、放出ポート５３０も覆うことにより、該ポートを通じた自由な蒸気流を妨げかつ望ましからぬ高い圧力状態を作り出す、ということになる。そのような場合、過剰なスループット速度での反応器への原材料供給は、炭化水素系材料が次の区画５  ５０１においてパイロリシスを行うのに不適切な滞留時間を有する状態をもたらすことも考えられる。従って、過剰な速度での反応器への原材料供給は、未反応の炭化水素系材料を伴って後続の区画６  ６０１および７  ７０１のファウリングをもたらすことも考えられる。安全対策として、また、予期せぬ急激または壊滅的ですらある反応器の破損を防止するために、標準的なポップオフバルブ（図示せず）が、反応器１０の例えば区画４  ４０１と区画５  ５０１との間の移行部、および区画６  ６０１などの位置に配置される。
【００５２】
マイクロクリスタリンワックスおよびパラフィンワックスのうち少なくともいずれかの生成物の取り出しポート４２０からの回収の成功は、蒸気放出ポート５２０および５３０を覆うリスクがより低く、よって望ましからぬ高い圧力状態を作り出すリスクがより低い、下降傾斜した反応器の配向で達成される。
【００５３】
区画５：パイロリシス区画。  この区画５０１は、一次熱反応器に導入された原材料の混成物に適した内部反応器温度範囲、一般に温度範囲の下限がおおよそ３６５℃（華氏６９０度）〜３９３℃（華氏７４０度）、および温度範囲の上限がおおよそ４５４℃〜４８８℃（華氏８５０度〜華氏９１０度）、かつその場で発生した反応器圧力、概しておおよそ３４．４ｋＰａＧ（５．０ｐｓｉｇ）以下で、おおよそ３０分以上および９０分以下の滞留時間で、運転される。図１に示される本発明の実施形態では、スクリュー５１０は２．０〜５．０のピッチ比を有し、好ましいピッチ比は２．５〜３．０である。酸素の欠乏が、必要な滞留時間にわたる高温と結び付くと、高次反応速度論に従って生じる様々なパイロリシス反応をもたらし、ポリマー材料を揮発性の蒸気およびチャー材料に分解する。蒸気流は主として蒸気から構成されているが、エアロゾル液体および凝縮性の分子を含有する場合もある。この蒸気流はさらなる下流の処理（後述）に供され、該処理においては凝縮性の蒸気と非凝縮性の蒸気とが分離される。凝縮性の蒸気は、液体、例えば油、軽質スイート原油、燃料添加剤および基油を形成する。フラクションは、固形生成物をスラックワックスの形で形成することができる。非凝縮性の蒸気またはガスは回収され、任意選択で、電力を生産するためにジェネセット（上述）に渡されてもよいし、循環させた後に液体生成物を覆う蒸気ブランケットとしての他所で使用されてもよい（より詳細に以下に議論される）。
【００５４】
凝縮性炭化水素の最終収率、ならびに油、ガス、チャーおよび無機残留物の相対的な物質収支は、いくつかの要因によって制御される。これらの要因には、限定するものではないが、運転温度、区画５  ５０１の幾何構造と原材料スループット速度との相互作用、パイロリシス反応が完了するのに必要な滞留時間、所望の反応完成度、原材料の組成、および取り出しポート４２０からのワックス生成物（存在する場合）の回収が挙げられる。区画５の幾何構造は、例えば、限定するものではないが反応器の長さ、反応器の直径、スクリュー／ミキサの設計、ならびに、区画５の融解物からの蒸気の発生および排出による、予測される質量損失速度（そのような質量損失は、相互の熱的および速度論的モデルからの、区画５の幾何構造の設計への重要な入力情報である）などの要因に依存する。本発明を含むプロセスは、パイロリシス区画５  ５０１における事実上の酸素および有機ハロゲンの不在が、塩類などその場で発生した触媒の存在と結び付くことを特徴とする。
【００５５】
区画５  ５０１の運転は、連続的に前進している炭化水素系材料についてパイロリシスが進行し、かつ蒸気が反応器から追い出されるにつれて、炭化水素系材料の質量のかなりの損失をもたらす。従って、反応器１０が上昇傾斜した配向にあるとき、区画４  ４０１の終わりから区画５  ５０１の始まりまでの移行部では、区画５における上昇傾斜した反応器の内部体積は融解した炭化水素系材料で満たされる。しかしながら、該材料が区画５の長さに沿って前に進められるにつれて、区画５における反応器の内部体積はもはや融解した炭化水素系材料で満たされず、その結果として融解物境界５０が生じる。これは上部空間を生じ、かつ、炭化水素系材料が区画６  ６０１に向かって進められるにつれて、融解されパイロリシスをなしている該材料の上方の上部空間の、相対的な体積増大を生じる。パイロリシスをなしている炭化水素系材料の融解物境界５０の表面は、不完全にパイロリシスがなされた炭化水素系材料の上方の蒸気の、沸騰および動的転移の境界面である。この表面５０は、炭化水素系材料の有効なパイロリシスがなされるまで該表面が動的平衡の条件下で沸騰するにつれて絶えず上昇および下降し、残されるのは液化およびコークス化のための区画６  ６０１へと進められるべき固体のチャー材料および任意の不完全にパイロリシスがなされた炭化水素系材料だけである。パイロリシスが完了へと進行するにつれて、炭化水素系材料の粘性における付随かつ相関する変化が、反応器内において認められる。
【００５６】
任意選択で、例えば、反応器１０からの生成物蒸気の高速排気が望まれる場合、かつ望ましい生成物構成に応じて、非凝縮性のキャリアガスがパージガスポート５００において区画５  ５０１の最も低温の部分に導入されうる。そのような非凝縮性のキャリアガスは、窒素、および本発明の運転に起因する非凝縮性の再利用ガスフラクション、および天然ガス由来のメタンのうち少なくともいずれかから構成される。キャリアガス用に窒素の代わりとして再利用ガスおよびメタンのうち少なくともいずれかを使用することは、窒素による希釈が存在しない状態での生成プロセスガスのＢＴＵ含量の増大、および、窒素を購入または生成する必要の排除による運転費の減少という利益を有する。本発明のこの態様は、原材料の組成および運転条件の範囲に応じて、油の収率の増大という予期せぬ利益、パイロリシス環境中の反応器雰囲気の水素濃度の軽微な増大という僅かであるが予期せぬ利益、および、生じるプロセスガスの水素濃度の予期せぬ増大をももたらす可能性がある。
【００５７】
区画６：チャーおよび残留固形物液化区画。  区画６  ６０１は、チャーから揮発性炭化水素を押し出すほか、あらゆる残りのオリゴマーおよび半揮発性芳香族炭化水素をコークスに転換する働きをする。区画６は、該熱反応器に導入された原材料の混成物に適した最大パイロリシス温度以上の内部反応器温度、一般におおよそ４５４℃（華氏８５０度）〜４８８℃（華氏９１０度）、かつおおよそ９８２℃（華氏１８００度）以下で、一般に、および好ましくは、おおよそ５９３℃（華氏１１００度）〜６４９℃（華氏１２００度）で、かつその場で発生した反応器圧力、概しておおよそ３４．４ｋＰａＧ（５．０ｐｓｉｇ）以下で、運転される。区画６  ６０１は、その場で発生した反応器圧力、概しておおよそ５．５ｋＰａＧ（０．８ｐｓｉｇ）以下で、かつおおよそ１５分以上６０分以下の滞留時間で、運転される。図１に示される本発明の実施形態では、スクリュー６１０は２．０〜５．０のピッチ比を有し、好ましいピッチ比は２．５〜３．０である。区画５  ５０１および区画６  ６０１において生じる反応に起因する蒸気は、区画５  ５０１および区画６  ６０１に配置された出口５２０および５３０へ放出される。該出口は、単一の出口５２０であってもよいし、バックアップ出口または補助出口５３０を含む複数の出口であってもよい。
【００５８】
スクラバー（図示せず）は、ステップダウン型凝縮器８０への放出に先立ち区画４  ４０１で捕捉されなかったあらゆる残存ハロゲンを回収するために使用されうる。このヘテロ原子スクラバーは、各々独自の原材料混成物中のハロゲンの回収に適した温度範囲で、ただしクラッキングを促進する過剰な温度ではなく、例えばおおよそ３３８℃（華氏６４０度）〜３６５℃（華氏６９０度）で、運転される。
【００５９】
区画６  ６０１の運転から生じる蒸気は、任意選択で、ステップダウン型凝縮器８０への放出に先立って、さらなる処理のために触媒反応器、還流反応器および分留カラム（いずれも図示せず）のうち少なくともいずれかへと送り込まれてもよい。一次熱反応器１０の区画５  ５０１、区画６  ６０１および区画７  ７０１のうち少なくともいずれか、ならびにスクラバーのうち少なくともいずれかから発生する蒸気は、１つ以上の二次触媒反応器、還流反応器および分留カラム（いずれも図示せず）のうち少なくともいずれかへと送り込まれてもよい。これらの反応器およびカラムのうち少なくともいずれかは、凝縮性の生成物中の分子の大きさおよび分子種の分布を所望どおりに最適化するように設計される。
【００６０】
加えて、区画６  ６０１の目的には、所望の終点への分子クラッキングの完了が含まれ、全てではないが一部のシランおよびシロキサンの分解をも目標としている。とりわけ、ポリフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、クロロメチル芳香族シラン（可撓性の多層回路基板の構成材料）またはその他のハロゲン化された分子種を含んでいる炭化水素系材料であってその反応速度論モデルが４５４℃（華氏８５０度）を超える温度での脱ハロゲン化について説明するものからの、前記ハロゲンの捕捉は、反応器１０より下流かつ凝縮器配列８０の上流に位置するスクラバー（図示せず）で遂行されなければならない。
【００６１】
任意選択で、凝縮性生成物のオレフィン含量が問題になる場合、抗酸化剤／安定化剤／阻害剤（以下、「阻害剤」と呼ぶ）が、反応器１０からの放出より下流、ならびに、温度緩和が十分な、任意の触媒反応器および還流反応器および分留カラムのうち少なくともいずれかからの蒸気放出地点より下流に、注入されうる。阻害剤は、４‐ｔｅｒｔ‐ブチルカテコール、その他のアルキルカテコール、２，６‐ジニトロ‐ｐ‐クレゾール（ＤＮＰＣ）、アスファルト原油全体または抜頭アスファルト原油の留分、フェニレンジアミン、およびオキシ化合物阻害剤の範疇にある市販の物質のうち少なくともいずれかから構成されうる。阻害剤は、広範囲の、準安定の分子種が関与する下流の酸化反応、ならびに付加重合であって阻害剤がなければ生じるであろう反応を、阻害するために導入される。温度が約１３８℃（華氏約２８０度）の還流された生成物流は、約０．００００１〜０．０５モルパーセントの割合の阻害剤とともに、凝縮器８０１が約１３８℃（華氏約２８０度）を下回る最高温度で運転される場合は凝縮器８０１に注入可能であり、または凝縮器８０１が約１３８℃（華氏約２８０度）を上回る最高温度で運転される場合は凝縮器８０３に注入可能である。
【００６２】
生成物蒸気は放出ポート５２０および５３０から、または、展開配置される場合は下流の触媒反応器および還流反応器および分留カラムおよびスクラバーのうち少なくともいずれかから、一連のステップダウン型凝縮器８０へ、例えば図２に示された凝縮器８０１、８０３および８０５であって、任意選択で凝縮器単独よりも効率的な分離が達成できる場合は必要な用途に応じて凝縮器間にデミスタ８１１、８１３および８１５が補足された、凝縮器へと放出される。非凝縮性のガス生成物から極めて効率的に残留芳香族炭化水素を取り除くことが必要な場合、最終デミスタシステム（図示せず）が、凝縮列の終端に展開配置されうる。一連の凝縮器はそれぞれ、所望の露点範囲内の分子を分離するために指定された所定の温度範囲内で運転されて、それぞれのＡＰＩ度ならびに流動点および融点のうち少なくともいずれかを有する凝縮性の生成物をもたらす。図２では、一連の凝縮器８０のうち最初の凝縮器８０１は最高温度範囲で作動し、一連の凝縮器のうち最後の凝縮器８０５は最も低い温度範囲で作動する。任意選択の多数のデミスタ８１１、８１３および８１５は、それぞれの凝縮器の最低運転温度に対応する温度で運転される。凝縮器および、展開配置される場合、デミスタには、ノックアウトとしても知られる収集器８２１、８２３および８２５が取り付けられ、該収集器は、油の蓄積／取り出し、および、回収されるべき各石油留分に必要とされうるような油と水との分離を提供する。
【００６３】
凝縮性生成物の留分は、各凝縮器および該凝縮器の専用デミスタから、その場で発生した水および油の密度分離を行うそれぞれのノックアウト８２１、８２３および８２５へと回収される。順次展開配置された多数の凝縮器８０は、凝縮器列としても知られる一連のステップダウン型凝縮器を構成する。例として、ステップダウン型凝縮器列が少なくとも４つの留分を回収するのに適切な方式で構築される場合、４つのステップダウン型凝縮器が連続して設置される。スラックワックスは、おおよそ１４９℃（華氏３００度）〜１８２℃（華氏３６０度）で運転された場合に最初のステップダウン型凝縮器および該凝縮器の個別のデミスタから回収可能であり、または別例として、スラックワックスおよび基油は、おおよそ５４℃（華氏１３０度）〜１４９℃（華氏３００度）で運転された場合に最初のステップダウン型凝縮器および該凝縮器の個別のデミスタから回収可能である。ディーゼル添加剤として記述されることもある軽質スイート原油は、おおよそ３２℃（華氏９０度）〜５４℃（華氏１３０度）で運転された場合に第２のステップダウン型凝縮器および該凝縮器の個別のデミスタから回収可能である。水の大部分は、おおよそ１６℃（華氏６０度）〜３２℃（華氏９０度）で運転された場合に、コンデンセートまたはガソリン添加剤として記述されることもあるＣ４〜Ｃ８炭化水素の回収と同時に、第３のステップダウン型凝縮器および該凝縮器の個別のデミスタから回収可能である。軽質芳香族留分、および主たる残りの水は、おおよそ１．７℃（華氏３５度）〜１６℃（華氏６０度）で運転された場合に第４かつ最終のステップダウン型凝縮器および該凝縮器の個別のデミスタから回収可能である。
【００６４】
液体生成物は、図２に示されるような遠隔デイタンク８３１、８３３および８３５ならびにその後の生成物販売へと送り込まれうる。より高い流動点を有する液体または融解状態で輸送されなければならないワックス生成物を含有する生成物タンクは、それぞれの生成物の流動点および融点のうち少なくともいずれかを最小限上回るところまで加熱されて、それぞれのデイタンク中の生成物の蒸留を伴わない該生成物の移動を提供する。好ましい実施形態は、酸化による生成物の劣化を最小限にし、かつ、特に阻害剤（上述のようなもの）が生成物に添加されない場合は、オレフィンの存在に起因して生じうる付加重合から生じるタールおよびワニスの形成を遅らせるために、液体生成物を覆う嫌気性で非凝縮性の蒸気ブランケットを維持することである。蒸気ブランケットは、装置によって生じかつガス放出ポート８３０から放出される非凝縮性の生成物ガスから構成されうる。タンクの蒸気入口および排気口は圧力調節式であってよく、かつ本発明の非凝縮性ガス放出ポート８３０と一体的であってよい。最初の凝縮器８０１から回収された重質留分は、重質留分の回収および販売が望まれない場合は上述のように該プロセスに戻して再利用可能である。
【００６５】
残りの非凝縮性ガスは非凝縮性ガス放出ポート８３０から回収され、任意選択で、電力を生産するためにジェネセット（上述）に渡されてもよい。先に言及したように、この電力の活用可能性には、限定するものではないが、反応器１０の加熱およびシャフト１１を回転させるモータへの動力供給が挙げられる。別例として、回収された非凝縮性ガスは、液体生成物タンク中の液体生成物を覆う蒸気ブランケットとしての他所での使用に先立って循環させてもよいし、反応器の直接燃焼式の加熱用の燃料として消費されてもよいし、他の目的の燃料として消費されてもよいし、または燃やされてもよい。
【００６６】
例えば遠隔地におけるように発電が有利な時または電気の価格が著しく高い場合に展開配置される、任意選択のジェネセットは、圧縮区画２０１および臭気制御が望まれるエリアのうち少なくともいずれか、例えば使用済みプラスチック原材料の在庫保管所、生成物乾燥機などから、補給空気を取り入れることができる。ジェネセットからの排気は大気汚染管理システムへと送り込まれる。
【００６７】
炭化水素系原材料とともに一次熱反応器に入る水分から回収され、かつ一次熱反応器および他所における化学反応によって生じた、その場で発生した水は、図２に示されるようにノックアウト８２１、８２３および８２５の底部から別々に回収され、溶解した芳香族炭化水素化合物を吸着するためにカーボンベッドを通過させ、続いて、展開配置される場合はジェネセットからの、反応器の直接燃焼式加熱からの、または他所からの廃熱を使用して、水蒸気へと気化されうる。任意選択で、この水蒸気の一部は、（図１に示されるような）区画３または区画４のいずれかに位置する注入ポート４００で該プロセスに送り返されてもよいし、別例として、水性ガスシフト反応を促進するために区画５パージガスポート５００において注入されてもよい。あるいは、水蒸気として大気汚染管理システムに送り込まれてもよい。
【００６８】
区画７：チャーおよび固形物放出区画。  この区画７０１は、該放出区画の開始における、先行する区画６  ６０１の最高温度以上かつおおよそ９８２℃（華氏１，８００度）以下から、放出の終了における周囲温度までの、内部反応器温度範囲で運転される。該区画は、その場で発生する反応器圧力で運転され、その圧力は、区画６  ６０１で生じる該システムの圧力より概ね小さく、かつ区画７において、ならびに凝縮器８０へのそれぞれの放出により相対的な減圧状態で作動する蒸気取り出しポート５２０および５３０の下流において生じるおおよそ６．９ｋＰａＧ（１．０ｐｓｉｇ）以下である。チャー放出区画における滞留時間は、１５分以上３０分以下である。固形のチャーはシステムから取り除かれ、不活性な混入物、例えば、限定するものではないがガラス、石、金属などは、反応器から、よってチャーとともに分離される。図１に示される本発明の実施形態では、スクリュー７１０は２．０〜５．０のピッチ比を有し、好ましいピッチ比は３．０〜３．５である。区画７  ７０１からの固形物はチャー出口７００を介して放出される。固形物は、密封され冷却された連続プロセス固形物取り出しシステム（図示せず）へと放出可能であり、該取り出しシステムは区画７  ７０１の一部であってもよい。その高温端において、チャーは天然ガス由来のメタンでパージされる。該システムは、固形物の収集および分離のうち少なくともいずれか、ならびに冷却を行い、エタンパージによってチャー上への芳香族炭化水素および多核芳香族炭化水素の再吸着を防止し、かつ、該固形物流の中の同伴蒸気を、区画７  ７０１におけるメタンパージガスを主とする高温の嫌気性雰囲気から、チャー出口７００の下流へ、区画７  ７０１の終端において該固形物の引火点より低い温度の大気へと転換するように、設計されている。これは、自然発火を防止し、かつ粉体爆発の危険を緩和するようなやり方で行われる。チャーの非常に高い断熱能力を前提とすると、冷却を可能にする適切な滞留時間は自然発火を回避するために極めて重要である。
【００６９】
本発明が区画７  ７０１においてチャー上への芳香族炭化水素および多核芳香族炭化水素の再吸着を防止する能力は、従来のチャー回収の試みよりも有力な改善である。パイロリシス・チャーは、芳香族および多核芳香族炭化水素から構成された吸着タールの存在を考慮すると、「粘質である」として悪名高い。この問題は、チャーが放出されるときに最終的な冷却に先立ち高温メタンパージによって芳香族炭化水素および多核芳香族炭化水素のチャーへの再吸着を防止するという本発明の能力によって解決される。その結果、ほぼすべての芳香族および多核芳香族炭化水素が存在しないことを考慮すると、チャーが廃棄物として処分されなければならない場合、本発明の区画７  ７０１から放出されたチャーは、米国連邦規則第４０巻第２６１条第２０項に記載されているような有害廃棄物のＤ０１８、Ｄ０２３、Ｄ０２４、Ｄ０２５、Ｄ０２６またはＤ０３６の毒性を示さない。有害ではない固形廃棄物と有害廃棄物との間の処分費の大きな差を前提とすると、本発明のこの改善は、先に特定した有害廃棄物コードによって同定されるような有害廃棄物とは対照的に非有害固形廃棄物としてチャーを（必要に応じて）処分する手段を提供している。
【００７０】
ファウリングは共通の問題であり、装置内の様々な場所に生じうる。そのような場所には、一次熱反応器から出る放出ノズルが含まれる。このファウリングは、チャー、ワニス、タール、テレフタル酸、安息香酸、ミネラル塩などの沈着の結果である。これらの沈着物は、様々な方法で除去および蓄積防止のうち少なくともいずれかがなされうる。１つの方法は、ノズルまたは他のポートの内部に設置される１つ以上の機械的ラッパー（ｒａｐｐｅｒ）システムの作動による。ラッパーシステムの好ましい１つの実施形態は、２０１３年１月７日に出願された米国特許出願第１３／７３５６７７号明細書、「管および管継手の中の沈積を清浄化するためのファウリング防止装置（Ａｎｔｉ−Ｆｏｕｌｉｎｇ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｃｌｅａｎｉｎｇ  Ｄｅｐｏｓｉｔｓ  ｉｎ  Ｐｉｐｅｓ  ａｎｄ  Ｐｉｐｅ  Ｊｏｉｎｔｓ）」に記載されている。そのラッパー装置は、ファウリングを生じやすい表面の内部を擦過すると同時に望ましからぬ圧力損失および圧力変動を生じないように蒸気のバイパスを可能にするように設計されており、定期的な手動での使用または電子制御によって運転される。生じる蒸気は、セラミックから構成されたフィルタ要素、ガラス繊維、および該システムの連続したセグメントへの浮遊粒子の通行を緩和する静電気デバイスを通される。これにより低減されるのは、下流システムのファウリング、チャーの粒子ならびに塩類および酸化物のうち少なくともいずれかの存在によって促進される望ましからぬ下流の化学反応、例えば触媒作用、ならびに、低減しなければ凝縮性の生成物中の総金属濃度に寄与する同伴／浮遊粒子状物質である。
【００７１】
本発明は特定の実施例および実施形態に関して詳細に説明されてきたが、本明細書中に含められた該実施例および実施形態は単なる実例であって、網羅的なリストではない。本発明の変形形態および改変形態は、当業者には容易に考えが及ぶであろう。本発明はそのような改変形態および等価物をすべて含んでいる。特許請求の範囲だけが、本発明の範囲を述べるように意図されている。
【図１】
2015512965.tif 000003
【図２】
2015512965.tif 000004
【国際調査報告】
2015512965.tif 000005