(57)【要約】炭化水素材料を、凝縮性炭化水素産物、非凝縮性炭化水素産物、及び固体炭化水素産物に連続変換するための装置であって、せん断力及び熱を提供可能であり、かつ３つ以上の処理帯域を有する少なくとも１つの押出機と、押出機と流体連通している連続プロセス熱窯炉反応器と、装置を介して、かつ押出機と窯炉反応器との間で炭化水素材料を運搬するための手段と、炭化水素材料を装置に供給するための手段と、炭化水素材料を加熱するための手段と、装置から蒸気産物を取り出すための手段と、装置から固体産物を取り出すための手段と、それにより炭化水素材料が一連の規定された温度及び滞留時間で帯域内に維持される手段と、を含み、押出機が少なくとも３つの帯域を有し、窯炉反応器が少なくとも２つの帯域を有し、それにより炭化水素材料が、複数の規定された温度範囲及び滞留時間に曝される装置。
2015512972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素材料を、凝縮性炭化水素産物、非凝縮性炭化水素産物、及び固体炭化水素産物に連続変換するための装置であって、前記装置は、
せん断力及び熱を提供可能であり、かつ３つ以上の処理帯域を有する少なくとも１つの押出機手段と、
前記押出機と流体連通している連続プロセス熱窯炉反応器と、
前記装置を介して、かつ前記押出機と前記窯炉反応器との間で炭化水素材料を搬送するための手段と、
前記炭化水素材料を前記装置に供給するための手段と、
前記炭化水素材料を加熱するための手段と、
前記装置から蒸気産物を取り出すための手段と、
前記装置から固体産物を取り出すための手段と、
それにより前記炭化水素材料が、一連の規定された温度及び滞留時間で前記帯域内に維持される手段と、
前記熱窯炉反応器を回転させるための手段と、を含み、
前記少なくとも１つの押出機が、前記炭化水素材料を圧縮及び脱水するための帯域と、前記炭化水素材料を融解して、同炭化水素材料を固体から液体に変換するための帯域と、前記炭化水素材料を混合、不安定化及び脱ハロゲン化して、それにより前記炭化水素材料が、複数の規定された温度及び滞留時間に曝される帯域と、を含む、少なくとも３つの帯域を有し、
前記窯炉反応器が、更に不安定化及び脱ハロゲン化するための帯域と、熱分解し、前記熱分解された炭化水素材料を脱揮発し、それにより前記炭化水素材料が蒸気産物に変換され、前記蒸気産物が、更に処理されて、凝縮性産物及び非凝縮性産物及び固体炭化水素産物が生産される帯域と、を含む少なくとも２つの帯域を含み、
前記装置が、集合的に、炭化水素材料を変換するために必要な完全熱力学及び速度論的環境を含む、装置。
【請求項２】
前記押出機手段が、供給用帯域、前記炭化水素材料から空気及び水分を除去するために圧縮及び脱水するための帯域、前記炭化水素材料を融解して同炭化水素材料を固体から液体に変換するための帯域、並びに前記炭化水素材料を混合、不安定化及び脱ハロゲン化するための帯域、を規定する、複数のスクリュー及びバレル構成を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記装置の全て又は一部が、水平に対して約−２０°〜約＋２０°の角度で傾斜している、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記装置の全て又は一部が、水平に対して約＋２°〜約＋６°の角度で傾斜している、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記装置の全て又は一部が、水平に対して約−２°〜約−６°の角度で傾斜している、請求項３に記載の装置。
【請求項６】
前記蒸気産物を凝縮して、液体産物を回収するための、一連のステップダウンコンデンサを更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記混合、分子不安定化及びヘテロ原子除去帯域から次の熱分解領域への移行部分に位置する地点から、ろうを直接回収することを更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
固形産物を除去及び収集するための手段を更に含み、前記固形産物がチャーである、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
ハロゲン酸を除去及び収集するための手段を更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
パージガスを導入するための手段を更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
液体炭化水素材料を前記装置に供給するための個別の手段を更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
炭化水素材料を変換して、有用な蒸気産物及び固体産物を生産するための熱分解プロセスであって、前記プロセスは、
せん断力及び熱を提供することが可能であり、３つ以上の処理帯域を有し、かつ前記装置から前記炭化水素材料を搬送するための手段を有する少なくとも１つの押出機と、前記炭化水素材料を加熱するための手段を有するとともに前記押出機と流体連通している連続プロセス熱窯炉反応器と、を準備することと、
前記炭化水素材料を前記押出機の圧縮帯域に供給して、前記炭化水素材料から同伴空気及び水分を除去することと、
前記炭化水素材料を融解することと、
前記融解された炭化水素材料を混合して融解混合物を形成し、前記融解混合物を、分子不安定化、脱ハロゲン化、脱硫、及びヘテロ原子除去に供することと、
前記融解混合物を前記窯炉に供給することと、
前記融解混合物を、更なる分子不安定化、脱ハロゲン化、脱硫、及びヘテロ原子除去に供することと、
前記融解混合物を熱分解に供して、前記炭化水素材料を蒸気産物及び固体産物に変換することと、
前記蒸気産物及び前記固体産物を回収することと、を含み、
前記プロセスが、前記炭化水素材料を変換するのに必要な完全熱力学及び速度論的環境を含む、プロセス。
【請求項１３】
前記炭化水素材料が、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、ポスト遷移金属及びメタロイド並びにそれらの混合物からなる群から選択される１つ又は複数の融液相ヘテロ原子スカベンジャーから選択される微粉化鉱物系添加剤とともに前記装置に供給される、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項１４】
前記炭化水素材料が、（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、及びメタロイド、並びにそれらの混合物からなる群から選択される１つ又は複数の融液相ヘテロ原子スカベンジャーと、（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、及びケイ酸塩鉱物、並びにそれらの混合物からなる群から選択される１つ又は複数の融液相触媒と、から選択される微粉化鉱物系添加剤とともに、前記装置に供給される、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項１５】
前記装置に供給される前記原料炭化水素材料中の水分が、約１０重量％の水分に除去される、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記炭化水素材料が圧縮され、空気及び水が、約２２０°Ｆ（１０４℃）以下の温度で除去される、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項１７】
前記炭化水素材料が圧縮帯域で圧縮され、前記圧縮帯域での前記滞留時間が、約１５秒〜５分である、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項１８】
前記炭化水素材料が、同炭化水素材料を融解するべく約２２０°Ｆ（１０４℃）〜約５７２°Ｆ（３００℃）の温度の融解帯域で維持される、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項１９】
前記炭化水素材料が融解帯域で融解され、前記融解帯域での前記滞留時間が、約１０分〜約４５分である、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項２０】
前記炭化水素材料が、約５７２°Ｆ（３００℃）〜約６９０°Ｆ（３６６℃）の範囲の温度で、混合、不安定化、脱硫、及び脱ハロゲン化される、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項２１】
前記炭化水素材料が、混合帯域で、混合、不安定化、脱硫、及び脱ハロゲン化され、前記混合帯域での前記滞留時間が、約３０分〜約１２０分である、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項２２】
前記固体産物が、微結晶性ろう及びパラフィンろう及びそれらの混合物を含む、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項２３】
前記炭化水素材料が、約６９０°Ｆ（３６６℃）〜約９１０°Ｆ（４８８℃）の温度で分解される、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項２４】
前記炭化水素材料が熱分解帯域で熱分解され、前記熱分解帯域での前記滞留時間が、約３０分〜９０分である、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項２５】
前記固体産物が固体チャー産物であり、同固体産物が約８５０°Ｆ（４５４℃）〜約１８００°Ｆ（９８２℃）の範囲の温度での脱揮発に更に供される、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項２６】
前記固体チャー産物が、約８５０°Ｆ（４５４℃）〜約１２００°Ｆ（６４９℃）の範囲の温度での脱揮発に供される、請求項２５に記載のプロセス。
【請求項２７】
前記固体産物がチャーであり、同固体産物が脱揮発帯域で脱揮発化され、前記脱揮発帯域での前記滞留時間が、約１５分〜６０分である、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項２８】
前記固体産物が固体チャー産物であり、同固体産物が周囲温度で放出される、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項２９】
前記チャー放出帯域での前記滞留時間が、約１５分〜約３０分である、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項３０】
前記炭化水素材料が、プラスチック、熱可塑性ポリマー、熱硬化ポリマー、炭化水素液体、使用済み油、廃油、ガス油、精油残渣、シリンダ油、エラストマー廃棄物、廃タイヤ、ゴム残渣、ゴムベルト、ＥＰＤＭゴムシート、膜、及び押出物、並びにそれらの混合物からなる群から選択される、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項３１】
前記蒸気産物を凝縮して液体産物を回収するステップを更に含む、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項３２】
炭化水素材料を変換して、有用なろう産物を生産するためのプロセスであって、前記プロセスは、
せん断力及び熱を提供することが可能であり、３つ以上の処理帯域を有し、かつ前記装置から前記炭化水素材料を搬送するための手段を有する少なくとも１つの押出機と、前記炭化水素材料を加熱するための手段を有し、前記押出機と流体連通している連続プロセス熱窯炉反応器と、を準備することと、
炭化水素材料及びヘテロ原子除去組成物の混合物を前記装置に供給することと、
前記炭化水素材料を圧縮して、同炭化水素材料から同伴空気及び水分を除去することと、
前記炭化水素材料を融解することと、
前記融解された炭化水素材料を混合して融解混合物を形成し、それにより前記融解混合物を、分子不安定化、脱ハロゲン化、及びヘテロ原子除去に供することと、
前記ろう産物を回収することと、
を含むプロセス。
【請求項３３】
前記炭化水素材料が、（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、及びメタロイド、並びにそれらの混合物からなる群から選択される１つ又は複数の融液相ヘテロ原子スカベンジャーと、（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、及びケイ酸塩鉱物、並びにそれらの混合物からなる群から選択される１つ又は複数の融液相触媒と、から選択される微粉化鉱物系添加剤とともに前記装置に供給される、請求項３２に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続プロセス環境にて、固体及び／又は液体形態のポリマー廃棄物を、凝縮性、非凝縮性、及び固体炭化水素産物に変換するための改良型装置に関する。本明細書では、ポリマー廃棄物は、炭化水素材料、ポリマー廃棄物、及び／又はポリマー材料と同義的に使用される。凝縮性炭化水素産物には、軽質低硫黄原油、燃料添加剤、基油、粗ろう、パラフィンろう、微結晶性ろう、及び主に芳香族石油炭化水素を含む凝縮物を含むが、それらに限定されない合成石油及び様々なその留分が含まれる。非凝縮性炭化水素産物は、ガスである。固体炭化水素産物には、微粉化炭素チャー（ｃａｒｂｏｎ  ｃｈａｒ）が含まれる。特に、本発明は、その第１段階ではせん断力及び熱が、その第２段階では大容量熱反応器が組み込まれる改良型分割帯域装置である。この装置は、複数の産物を同時に生産する能力を有し、産物の１つは、硬質ろうであり、典型的な熱分解変換温度よりも低い温度で装置から生産される。
【背景技術】
【０００２】
ポリマー廃棄物を熱分解により変換して有用な最終産物を得ることは、長年にわっって多くの人々が追求してきた目標である。ポリマーの熱分解を含む従来技術は、主にバッチ、半バッチ、又は連続バッチプロセスに依存しており、これらは、操作が複雑であり、混合しており、分類が不十分であり、及び／又は汚染しているポリマー廃棄物を汚損なく連続的に処理することができないため、商業的に実施可能な応用が限られている。設定した順序で連続作動する一連のバッチ式反応器で構成されている連続バッチプロセスは、単に一部の産物が、マニフォールド又は他の好適な出口構成によりバッチ式反応器に接続されている１つ又は複数の出口ポートから連続して放出されているため、「連続」と主張されているに過ぎない。ポリマー変換プロセスには、化学的解重合、部分酸化によるガス化、並びに接触分解及び改質による又はよらなくともいずれでもよい熱分解を含む熱クラッキングの一次プロセス、並びに水素添加の二次プロセスが含まれる。
【０００３】
化学的解重合は、主に、ポリエステル（例えばＰＥＴ）及びポリウレタンの分解に限られており、ポリアミド、ポリカルボナート、及びポリアセタールについては二次的な適用を伴う。この方法は、一般的に、縮合ポリマーの分解に限定されており、モノマーの産出を目標とする。
【０００４】
ポリマー廃棄物のガス化及び部分酸化は、典型的には、一般的に合成ガスとして知られている、一酸化炭素及び水素の混合物を生産することを目標とする。部分酸化は、反応器サイズ及びプロセス速度の点で、蒸気メタン改質よりも効率的なプロセスであり得るが、部分酸化では、相対的水素収量が低下する。凝縮性炭化水素は、たとえあったとしても、ごくわずかしか生産されない。
【０００５】
熱クラッキングプロセスには、複雑な混合物をもたらす熱分解が使用される。反応温度は、それぞれの所望の温度範囲内での分子滞留時間とともに、ポリマー変換及び変換産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。したがって、反応温度及び滞留時間を効率的に制御することが、所望の産物構成の収量を最大化にするために非常に重要である。バッチ、半バッチ、及び連続バッチプロセスでは、特に、ポリマー廃棄物は不良な熱伝導度を示すと考えられるため、このポリマーからの熱伝達が非効率的であり、そのために生じる問題のため、反応温度及び滞留時間の制御を効率的に達成及び維持するのが困難である。動的プロセス平衡を維持し、それにより反応温度及び滞留時間の制御を維持する連続プロセスとは異なり、バッチ、半バッチ、及び連続バッチプロセスは、絶えず非平衡状態にあり、全てのプロセスサイクル及び反応器汚損の緊急問題を長期的に制御することが困難である。触媒を含む他の変数は、最適化のためのものであり、接触分解及び改質には、より低温及びより高率にてポリマー分解をもたらし、更に産物の品質も制御するという利点があるが、接触分解には、プロセスの複雑さ、反応性を妨害する残渣の沈着、触媒の毒性、触媒反応器の高額な資本コスト及び操業コスト、及び使用済み触媒の処分コストを含む問題がある。
【０００６】
水素添加は、石油精製及び石油化学生産において、熱クラッキングプロセスで生じる油の二次プロセスに応用されている基本的ステップである。蒸留を伴うことが多いこの二次方法は、石油系燃料の生産に、並びにオレフィンの水素飽和及びヘテロ原子の除去が必要なプロセス留分に使用される。用語「ヘテロ原子」は、炭素又は水素でなく、非炭素原子が分子構造の骨格にある炭素を置換しているか又は分子構造の骨格に結合している水素又はアルキル基を置換しているあらゆる原子を意味すると理解される。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、及びヨウ素である。水素添加は、石油精製及び石油化学生産に使用される二次プロセスである。水素添加は資本集約的であり、高圧操業のため操業コストが高くつき、水素のコスト、廃熱を除去するコストがかかる等の要因を有する場合がある。
【０００７】
ポリマーの熱分解を含む従来技術のシステム及びプロセスは、幅広い支持及び成功を達成していない。これは、以下の要因による：操業コストが高いこと；汚染されている廃棄物流動及び多様な組成物の廃棄物流動を一貫して処理することができないこと；非汚染原料流動が非常に高価であるか又は商業的に容易に入手できないこと；温度及び圧力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；操業維持に大量の材料を必要とするプラントに、適切な量の仕様内原料を一貫して供給することができないこと；チャー（ｃｈａｒ）、テレフタル酸、安息香酸、無機物、及び金属等によるシステム汚損を制御することができないこと；比較的狭い範囲の市場主導仕様を有する燃料を、幅広く様々な原料組成物から生産する試み；産物油のヘテロ原子含有量を制御することができず、したがって産物の市場価値が限定されること；労働者が、バッチ式反応器サイクル全てにおいて有害な蒸気及び固形物に曝されることに起因する安全性問題を一貫して効果的に管理することができないこと、及びこれらに限定されないが、チャー、廃水、及び仕様外の炭化水素液体を含む、有害廃棄物が生成されること。
【０００８】
より詳細には、バッチ又は半バッチプロセスを含む従来技術は、変換を促進するための熱効率が悪いという課題を克服しなければならない。ポリマー廃棄物の熱伝導度が不良であることを考慮すると、ほとんどのバッチ式反応器システムは、反応器内の混合エレメントのある構成、又はバッチ式反応器に配置された原料含有カートリッジの複雑な配列、又は熱エネルギーに曝される原料を含有する同軸性管状デバイス、又はバッチ式反応器の本体内に配置された管状熱伝達幾何配置等に依存し、その目的は、原料表面積を増加させて、それにより熱エネルギーに対する表面接触を増加させるためであり、そうでなければ、熱伝導度が不良な材料からの熱エネルギーの伝達は不良である。特許による保護が求められている多数のバッチ式反応器構成は、バッチ式反応器システムに固有の熱伝達及びプロセス制御の課題を解決するための広範な一連の試みと一致する。こうした制限に対する複雑な機械的及び／又は幾何学的な解決策は、バッチ式反応器に固有なものである。
【０００９】
加えて、全てではないとしてもバッチ式反応器のほとんどは、単独か又は直列かに関わらず、炭化水素原料が負荷され、酸素を含有する大気空気がパージされ、所望の温度に加熱され、その際に産物蒸気が抽出され、その後残留固形物の引火点未満の温度に冷却され、それらの除去を容易にする。これらのシステムが経験する反復熱サイクルの熱効率は不良であり、ポリマー変換を完了するのに過剰なエネルギーが消費されることになる。
【００１０】
バッチプロセスの実施形態では、Ｇａｒｒｉｓｏｎらの特許文献１により、プロセス制御の限定的な手段が提供されている。バッチ式反応器では、Ｇａｒｒｉｓｏｎに記載のバッチ式反応器中の化学物質は全て、同じ三次元空間で時間的に連続して分解される。複雑な幾何学的手段を付加せずに、密閉加熱システムにより熱伝達液体を循環させることによりバッチ式反応器中の熱伝達に利用可能な表面積を増加させるＧａｒｒｉｓｏｎでは、熱伝導度が不良であり、負荷原料の材料密度が変動するため、反応器の内部断面にわたる温度制御は不良である。そのような材料密度は、変換が生じ、かつ蒸気の放出により反応器から質量が除去されると、変化する。更に、Ｇａｒｒｉｓｏｎ等のバッチ式反応器中では、ポリマー原料の熱伝導度が不良であるため、内部熱伝達流体を使用したとしても、原料の熱伝達能力の度合いは、バッチ式反応器の複雑な断面にわたって変動する結果となる。分解が進むとともにその組成が変化するため、原料の熱伝導度の変化から更なる問題が生じる。更に、Ｇａｒｒｉｓｏｎ等のバッチ式反応器システムの非効率性は、内部熱伝達系の表面及び反応器本体自体の表面に、重オリゴマー、多核芳香族炭化水素、アスファルチン（ａｓｐｈａｌｔｉｎｅ）、及び／又はチャーが沈着し、それにより効率的な熱伝達を促進する熱伝導性溶液の提供が不完全になることに起因する。ポリマー廃棄物が、Ｇａｒｒｉｓｏｎに記載の非撹拌反応器の適所で分解するとともに、チャーが多くの反応器サイクルで反応器の内側表面に沈着するため、チャーの表面への芳香族及び多核芳香族炭化水素の形成及び吸着が促進される。これらの芳香族及び多核芳香族炭化水素がチャーから除去されない限り、又はこの吸着が防止されない限り、バッチプロセスにより生成されるチャーの除去は、それが有害廃棄物であると見なされれば、非常に高価なものになる場合がある。全てのバッチ式反応器の場合と同様に、各プロセスサイクルの終了時に、チャーを除去しなければならない。
【００１１】
Ｃｈａらの特許文献２、特許文献３には、廃タイヤ及び油類を同時再利用するための連続２段階熱プロセスが記載されている。この従来技術では、廃タイヤが、比較的大量の使用済モータ油、シリンダ油、真空塔残渣等とともに処理される。Ｃｈａには、未反応材料を最初の傾斜反応器から２番目の水平反応器に放出するのに２つの反応器間の搬送地点が必要とされる、直列で作動する２重反応器システムが記載されている。この搬送地点は、汚損の結果として運用上の課題をもたらす。Ｃｈａには、鋼鉄繊維を含む未反応タイヤ成分を移送することができる開口上部空間を備える２重反応器システムの断面形状が記載されている。この開口上部空間は、最初の反応器の傾斜に逆らって原料を効果的に搬送するという課題を提起する。Ｃｈａには、温度を上昇させて傾斜反応器を作動させること、及び水平反応器をより高温で作動させて、揮発性炭化水素をチャーから除去することが記載されている。
【００１２】
Ｗａｎｇの特許文献４には、固体ポリマー廃棄物及び使用済み潤滑油又は再利用重油を、比較的低温の単一の連続ステップで処理するプロセスが記載されている。この従来技術では、温度勾配の速度を制御する手段及び滞留時間を制御する手段を有していない連続プロセス傾斜スクリューが使用される。Ｗａｎｇは、プロセス収量が、温度の関数であることを認識している。
【００１３】
Ｔａｄａｕｃｈｉらの特許文献５には、有機塩素を含有している場合があるプラスチック廃棄物を分解するための熱分解法及び装置が記載されている。Ｔａｄａｕｃｈｉには、可塑剤を分解するための、及びポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）を含むハロゲン化ポリマーを脱塩素するための、加熱帯域の使用が教示されており、それによりＰＶＣから生じる場合がある可塑剤を油及び塩酸に分解することができる。油及び塩酸は両方とも別々に回収される。Ｔａｄａｕｃｈｉには、有機塩素化合物を含有している場合がある軽分子からろうを凝縮及び単離し、そのろう留分を軽油に更に熱分解することが更に記載されている。Ｔａｄａｕｃｈｉには、可塑剤分解及び塩酸生成が教示されているが、４５０℃（８４２°Ｆ）以上の温度で更なる分解が生じて、主に４〜１５個の炭素原子を含む軽油であり得る熱分解産物が生成されることが記載されているに過ぎない。Ｔａｄａｕｃｈｉには、可塑剤の分解及び塩酸の回収後に残る物質を、一般的に４５０℃（８４２°Ｆ）を超える熱分解プロセスにかけることが教示されている。Ｔａｄａｕｃｈｉには、真空にしてプラスチックから塩酸を除去すること、及び熱分解と同時に反応器圧力を増加させて、分子分布を４〜１５の炭素数を有する軽分子へと移行させることが教示されている。
【００１４】
Ｇｒｉｓｐｉｎの特許文献６には、連続プロセスと呼ばれているものが記載されており、このプロセスでは、ポリマー廃棄物の熱分解から生じる液体の組成に対する制御が、酸素の実質的な非存在下でゆっくりとした加熱速度を維持することにより達成され、温度勾配を有するチャー床が生成される。Ｇｒｉｓｐｉｎは、チャー床の性質、反応器サイズ、原料の負荷量、加熱速度、及び酸素の実質的な排除が、同時に産物の組成に関連することを示唆している。Ｇｒｉｓｐｉｎに記載のプロセスは、反応器容積と反応器負荷との関係性に着目して、反応器中で最適な期間にわたって制御された単一の熱勾配を達成し、それにより形成される油の組成に影響を及ぼすことにより機能する。Ｇｒｉｓｐｉｎの教示は、６〜１２の炭素数を有する芳香族留分を生産するためのプロセス用である。
【００１５】
Ｓｍｉｔｈの特許文献７には、「プラスチック及び他の廃棄物又は他の再利用材料等の炭化水素形成可能材料」が、押出機等の「粘性せん断装置」中で融解され、「リボンチャネル」反応器と呼ばれるデバイスに導入され、そこで薄い断面積を有する融解プラスチックの円柱状リボンが前進し、プラスチックの熱分解が生じるプロセスが記載されている。この設計の意図は、融解材料の薄い本体を、ポリマー分解を促進するのに必要な温度を遙かに超える表面温度と接触させ、したがって反応器中の材料に高温勾配を付与することにより、加熱に利用可能な表面積を最大化することである。粘性せん断装置を出てリボンチャネル反応器に入る融解物の温度は、約２３８℃（４６０°Ｆ）以上約３１５℃（６００°Ｆ）以下の範囲であると主張されている。Ｓｍｉｔｈのプロセスでは、効果的な脱塩素は、もし起こるとすれば、約３００℃（５７２°Ｆ）〜３６５℃（６９０°Ｆ）で生じる。Ｓｍｉｔｈには、残留材料は、約５２４℃（９７５°Ｆ）以上約５３８℃（１０００°Ｆ）以下の範囲の温度で、リボンチャネル反応器から放出されることが更に記載されている。リボンチャネル反応器での分解を達成するためのリボンチャネル反応器の表面温度／発熱体温度は、反応器表面及び内部反応器温度間の高い温度差を維持することにより、リボンチャネルを満たす材料の薄い断面を効率的に加熱するために、約７６０℃（１４００°Ｆ）以上約１３１５℃（２４００°Ｆ）以下の範囲である。この加熱により、内部リボンチャネル反応器温度が、３３８℃（６４０°Ｆ）〜３６８℃（６９４°Ｆ）から３９３℃（７４０°Ｆ）〜５２４℃（９７５°Ｆ）まで上昇する結果となり、選択的に融液相触媒の存在下で熱分解が達成される。チャー物質、汚れ、及び金属小片は、プロセスの終了時に、約５２４℃（９７５°Ｆ）〜約５３８℃（１０００°Ｆ）で放出される。Ｓｍｉｔｈの教示は、毎時３，０００（１３６１ｋｇ）〜１０，０００ポンド（４５３６ｋｇ）のプロセススループットであり、リボンチャネル反応器の幾何学的配置に注目して、迅速な熱伝達を最適化することである。押出機及びリボンチャネル反応器は、押出機スクリュー及びバレル間の隙間、又は外部加熱シリンダ内径及び内部加熱シリンダ外径間の有効距離よりも大きな粒子を受け入れることができない。例示的なゴムの場合では、Ｓｍｉｔｈは、断片を含む遙かに小さな粒径が想定されている。Ｓｍｉｔｈは、効率的に熱を伝達するための解決策を提供することのみに集中している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第８，１９２，５８７号
【特許文献２】米国特許第５，３８９，９６１号
【特許文献３】米国特許第５，７４０，３８４号
【特許文献４】米国特許第５，８３６，５２４号
【特許文献５】米国特許第６，１７２，２７５号
【特許文献６】米国特許第７，３４４，６２２号
【特許文献７】米国特許第７，８９３，３０７号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１７】
炭化水素材料を、凝縮性炭化水素産物、非凝縮性炭化水素産物、及び固体炭化水素産物に連続変換するための装置及び操作方法であって、その第１段階ではせん断力及び熱が、その第２段階ではバッフル付大容量連続プロセス熱窯炉反応器が組み込まれている改良型分割帯域熱分解装置と、その第１段階では改良型分割帯域押出機により、及びその第２段階では分割帯域熱窯炉反応器中で炭化水素材料を前進させることにより、前記装置を通して炭化水素材料を運搬するための手段と、前記炭化水素材料を供給及び加熱し、それにより処理及び熱分解して蒸気及び固体産物を生成し、前記スクリュー手段が実質的に第１段階押出機の長さに伸長し、前記熱窯炉反応器中で炭化水素材料を前進させるための前記手段が、実質的に第２段階の窯炉の長さに伸長する手段と、前記処理された炭化水素材料から蒸気産物を取り出すための手段と、前記処理された炭化水素材料から固体産物を取り出すための手段と、前記炭化水素材料を、一連のそれぞれの規定された滞留時間にわたって帯域内に維持するための手段と、前記炭化水素材料を供給し、圧縮及び脱水し、融解して、固体から液体に変換するための、前記炭化水素材料を混合、不安定化及び脱ハロゲン化するための複数の羽根構成を有する前記押出機スクリューを回転させるための手段と、前記炭化水素材料を更に不安定化するための、前記炭化水素材料を熱分解するための、前記熱分解された炭化水素材料を脱揮発化するための、生産された蒸気を放出するための、並びに凝縮性、非凝縮性、及び固体炭化水素産物を回収するための、複数の内部羽根バッフル、ブレード、及び／又はリフター構成を有する、前記熱窯炉反応器を回転させるための手段と、を含む装置及び操作方法。
【００１８】
本発明は、その第１段階に、炭化水素材料を受容可能な１つ又は複数の並列押出機を含む。押出機に導入されると、ポリマー廃棄物は、脱ハロゲン化され、かつ部分的に不安定化された／分解された炭化水素融解物を第２段階に直接注入する前に、圧縮、脱水、せん断、融解、不安定化及び脱ハロゲン化に供される。第１段階は、第２段階に直接接続されている。
【００１９】
本発明の第２段階は、１つ又は複数の逆回転熱窯炉反応器を含み、その各々は、環状バッフルダムで分離されている少なくとも２つのチャンバーを有し、チャンバーの各々は、異なる温度で稼働される。炭化水素材料は、第２段階の第２のチャンバーへのバッフルダムの中央開口部から最終的に受動放出される前に、第２段階の第１のチャンバーに、設計管理された滞留時間にわたって蓄積し、連続して不安定化される。重要な分子クラッキングは、第１のチャンバーの後半帯域及び第２のチャンバーの前半帯域で生じる。最終熱分解は、第２段階のこの第２のチャンバーで生じ、固体チャー残渣は、前記第２のチャンバーの端部の末端プレート構築体から放出される。
【００２０】
本発明は、幅広く多様な原料流動（ｓｔｒｅａｍ）、非常に汚染された原料流動、及び経時的に一貫しない組成を有する原料流動を、従来技術に記載の熱分解システムにより生産される産物よりも優れた品質を有する凝縮性、非凝縮性、及び固体炭化水素産物に効率的に変換することを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による２段階分割帯域連続プロセス熱分解装置の概略側面図である。
【図２】本発明による分割帯域連続プロセス熱分解装置の第１段階の概略図である。
【図３】本発明による分割帯域連続プロセス熱分解装置の第２段階の概略図である。
【図４】本発明による２段階分割帯域熱分解装置の下流にあるステップダウンコンデンサアレイ及びその配置の概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明に関する当業者であれば、本発明の先述の及び他の特徴及び利点は、添付の図面に照らして以下の説明を読むと明白になるだろう。
本発明は、連続プロセス環境中で炭化水素材料を連続変換するための２段階分割帯域連続熱分解装置である。本発明は、その１つの実施形態が図１に示されているが、その第１段階（ｓｔａｇｅ）２０では、せん断力及び熱が組み込まれ、一体的かつ漸進的に添加物が導入され、蒸気が除去され、ハロゲン酸が除去され、その第２段階３０では、バッフル付き大容量連続プロセス熱窯炉反応器が組み込まれている、改良型分割帯域装置１０を含む。炭化水素材料を、凝縮性炭化水素産物、非凝縮性炭化水素産物、及び固体炭化水素産物に連続変換するための本発明の装置及び操作方法は、一体型の一連のステップダウンコンデンサの前及び後の両方で、最終産物を同時に放出する能力を有する。これは、連続的な様式で作動する。本発明は、十分にロバストであり、分解しても一般的に油を産出しない熱硬化プラスチックの留分を含む細断ポリマー廃棄物が許容される。更に、本発明は、ポリマー廃棄物及び価値の低い又は汚染されたポリマーを、これらに限定されないが、軽質低硫黄原油、燃料添加剤、基油、粗ろう、パラフィンろう、微結晶性ろう、及び主に芳香族原油炭化水素を含む凝縮物を含む合成石油及びその様々な留分に連続変換することが可能なモジュール式の拡張可能な熱分解装置である。非凝縮性炭化水素産物は、ガスである。固体炭化水素産物は、非ポリマー固形物が分解前の原料に存在する場合、そのような非ポリマー固形物を含有していてもよく又は含有していなくともよい微粉化炭素チャーである。
【００２３】
本発明は、集合的に３０〜７０個の炭素原子を有する一次微結晶性又はパラフィンろう産物を、装置の、好ましい実施形態では、本明細書では帯域と呼ばれる７つの連続作動直列配置プロセス帯域の４番目の末端から直接放出することを可能し、選択的な生産能力及び個別放出能力を有する柔軟性を有する。これらの帯域は、原料供給帯域又は帯域１  ４０１、圧縮帯域又は帯域２  ４０２、融解帯域又は帯域３  ４０３、混合、分子不安定化及びヘテロ原子除去帯域又は帯域４  ４０４、熱分解帯域又は帯域５  ４０５、脱揮発帯域又は帯域６  ４０６、及びチャー放出帯域又は帯域７  ４０７である。詳しくは、微結晶性又はパラフィンろう産物のこの放出は、混合、分子不安定化及びヘテロ原子除去帯域４  ４０４の後、３００℃〜３３８℃（５７２°Ｆ〜６９０°Ｆ）の温度範囲内で生じ、微結晶性又はパラフィンろう産物の一貫した産出を達成することができる温度閾値は、これまで特定されていない。更に、好ましい実施形態では、本発明は、第５及び第６の連続作動直列配置プロセス帯域、すなわち、それぞれ熱分解帯域５  ４０５並びにチャー及び残留固形物脱揮発帯域６  ４０６に配置されている別々の放出ポートから回収される、集合的に４〜３０の炭素数を有する１つ又は複数の更なる軽質留分を生成し、その後、超高効率分離が必要な場合は、それぞれのコンデンサが選択的に複数のデミスタを有し、漸進的に低くなる作動温度範囲で作動する一連のステップダウンコンデンサで熱分解蒸気を回収する、追加の、及び同時性の、能力を可能にする。この装置は、触媒反応器及び／又は還流反応器及び／又は分画塔の使用を必要としない。とはいえ、本発明の装置のモジュール化及び拡張性は、例えば、軽油、ディーゼル添加剤、又はガソリン添加剤のみの生産が望ましい場合、それらの追加デバイスを選択的に使用する可能性を提供する。
【００２４】
装置１０の第１段階２０への供給原料は、混合固体及び／又は様々な固体の組み合わせであってもよい。様々な割合の石油系液体は、もしあれば必要に応じて、液体の注入速度が、第２段階３０の加熱能力に過大な負担をかけない限り、第１段階２０及び／又は第２段階３０に注入することができる。本明細書で使用される場合、「石油系液体」及び「炭化水素液体」は、同義的に使用され、使用済み油、廃油、ガス油、精油残渣、及びシリンダ油等を含むことが意図されている。プロセス制御は、幅広く多様な原料流動、非常に汚染された原料流動、及び経時的に一貫しない組成を有する原料流動の効率的な変換を提供する。
【００２５】
本発明の装置は、全ての態様においてモジュール式であり、拡張可能である。例えば、図１及び図３に企図されているような本発明の実施形態では、本発明の第１段階２０の並列押出機２０１の数は、装置１０のモジュール式で拡張可能な要素であり、単一のシステムにて複数の炭化水素供給原料を導入及び同時処理する機会を提供し、各対応する供給原料は、潜在的に不均一な速度で第２段階３０に導入及び混合され、そのような速度は、必要に応じて、意図的に制御して互いに対して経時的に変化させることができる。
【００２６】
分割帯域プロセス制御は、幅広く多様な原料流動、非常に汚染された原料流動、及び経時的に一貫しない組成を有する原料流動の効率的な変換を提供する。クリーンで汚染されていない原料流動を必要とはしない。殺虫剤、除草剤、石油製品、及び医薬品等によるポリマー廃棄物の汚染でさえ、十分に許容される。装置を作動させる場合、ＥＰＡ  Ｐｅｒｍｉｔ  ｔｏ  Ｏｐｅｒａｔｅ  ａ  Ｈａｚａｒｄｏｕｓ  Ｗａｓｔｅ  Ｓｔｏｒａｇｅ，  Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，  ａｎｄ  Ｄｉｓｐｏｓａｌ  Ｆａｃｉｌｉｔｙによるある特徴的な規制有害廃棄物が、炭化水素原料の成分を構成するか又は成分として含まれている場合がある。
【００２７】
本発明は、漸進的なせん断作用を有する段階式装置１０から、非せん断環境並びに漸進的な一連の温度勾配及びソークへと原料を連続的に供給することによる改良型分割帯域変換を提供し、その１つの実施形態は、図１に示されている。第１段階２０及び第２段階３０は、炭化水素材料１００が、第１段階２０に供給され、その後、部分的に処理された炭化水素材料が、第１段階２０から第２段階３０へと連続的に放出され、そこから、これらに限定されないが、軽質低硫黄原油、燃料添加剤、基油、粗ろう、パラフィンろう、微結晶性ろう、及び主に芳香族原油炭化水素を含む凝縮物を含む合成石油及びその様々なその留分がコンデンサ８０に放出される連続的な様式で稼働される。非凝縮性炭化水素産物は、ガスである。固体炭化水素産物は、微粉化炭素チャー並びに再利用可能な金属及び／又は凝集体である。また、この固体炭化水素産物は、本明細書では「固形残渣」又は「固体産物」と記載されるだろう。
【００２８】
本明細書で考察されているろうの多くは、液相で熱窯炉反応器を出るが、収集されると冷却されると固体又はゆっくりと流動する液体になる傾向がある。この理由のため、及び一貫性のため、及び本発明の目的のため、１つ又は複数のろうは、それらがプロセスのどこで回収されるかに関わらず、特に別様に指示のない限り、固体、固体産物、及び／又は固形残渣（複数可）として扱われるだろう。
【００２９】
装置１０の一部又は全ては、傾斜配置４０で使用してもよい。装置１０全体が、このように傾斜していてもよいが、この傾斜配置を必要とする構成要素は、熱窯炉反応器３０１のみである。言いかえれば、他の実施形態では、押出機２０１及び他の構成要素は、水平であってもよく、或いは勾配又は傾斜した熱窯炉反応器３０１に接続されていてもよい。図１、図２、及び図３に示されている本発明の実施形態では、装置１０は、負の傾斜又は傾きで傾斜しており、つまり、水平５０に対して下り傾斜しており、そのため、熱窯炉反応器３０１の入口端部は、その出口端部よりも高い場所にあり、熱窯炉反応器３０１の内部部品が、重力による運搬を容易にするように構成されている場合、下り傾斜窯炉反応器３０１から、部分的に分解された炭化水素材料を、重力の助けを借りて運搬することが可能になる。負の傾斜４０は、水平５０から約１°〜約２０°傾いていてもよく、好ましい負の傾斜は、水平５０から約１．５°〜約６°傾いている。或いは、また、装置１０又は熱窯炉反応器３０は、熱窯炉反応器３０１の内部部品が、炭化水素材料を物理的に前進させ、それにより熱窯炉反応器３０１の回転により重力を克服する場合、反対の又は正の傾斜方向に配向又は傾斜していてもよい。正の傾斜４０は、水平５０から約１°〜約２０°傾いていてもよく、好ましい正の傾斜は、水平５０から約１．５°〜約６°傾いている。したがって、可能な範囲は、水平５０に対して、約−２０°（下り傾斜（ｄｅｃｌｉｎｅ））〜＋２０°（上り傾斜（ｉｎｃｌｉｎｅ））である。
【００３０】
装置１０は、炭化水素材料及び分解産物が装置を前進してその後装置から放出され、炭化水素材料が、以下では帯域とも呼ばれる一連の連続プロセス環境を通過するように稼働される。最適な産物構成は、様々な漸進的温度帯域を決定及び確立して最適な温度勾配を達成することにより、並びに押出機２０１及び熱窯炉反応器３０１の内部設計を変化させて、それにより各々の対応する温度帯域内の滞留時間を制御することにより達成される。これにより、連続プロセスとして作動し、分割帯域変換の熱効率利点を有する本発明の装置がもたらされる複数の温度勾配及び滞留時間（ソーク（ｓｏａｋ））が生成される。
【００３１】
細断ポリマー廃棄物１００は、非ポリマー留分により汚染されている場合も、汚染されない場合もあるが、装置１０の第１段階２０に連続的に導入される。この目的の場合、「ポリマー廃棄物」には、熱可塑性及び熱硬化プラスチック（「プラスチック」）に加えて、廃タイヤ、ゴム残渣、ゴムベルト、ＥＰＤＭゴムシート、及び膜又は押出物等のエラストマー（又は「エラストマー廃棄物」）が含まれていてもよい。また、必要に応じて、鉱物系添加剤及び／又は融液相（ｍｅｌｔ−ｐｈａｓｅ）触媒を、所望の化学反応を促進するために適切な割合で、帯域配列４０１（帯域１）の開始部分の押出機２０１に添加してもよい。加えて、もしあれば必要に応じて、様々な割合の石油系液体を、液体の注入速度が、第２段階３０の加熱能力に過度の負担を強いることのない限り、押出機２０１中のポート２０６に及び／又は熱窯炉反応器３０１のポート３２０に注入することができる。
【００３２】
負荷原料は、帯域２  ４０２で次第に圧縮されるか又はそうでなければ容積が低減されるため、装置１０を前進するとともに相変化が生じ、同伴大気空気が放出され、ポリマー廃棄物中の同伴水分が沸騰するまで、熱勾配又は傾斜により加熱され、蒸気形成及びその後の帯域３  ４０３での融解がもたらされる。その後、融解物は、別の熱勾配で加熱され、反応器中で最も高い温度に制御されている混合、分子不安定化及びヘテロ原子除去帯域（帯域４）４０４を前進する。融解物を、この帯域（帯域４）４０４にて、制御された滞留時間及び温度で混合することにより、分子の不安定化、セルロースのチャーへの分解及び更なる蒸気、幾つかの可塑剤及び有機添加剤の凝縮性石油製品として回収可能な蒸気への分解、硫黄のほぼ完全な除去、有機ハロゲン塩素及び臭素のほぼ完全な還元、有機ハロゲンフッ素の部分的還元、並びにテレフタル酸の安息香酸へのほぼ完全な還元及び安息香酸のベンゼンへのほぼ完全な還元がもたらされる。硬質ろう産物は、帯域４  ４０４の端部から、及び帯域５  ４０５への移行部分から放出させることができる。硬質ろうを回収するために帯域４  ４０４の端部で熱窯炉反応器から直接放出されなかった残りの融解物は、その後、更に別の熱勾配により熱分解の大半が生じる帯域（帯域５）４０５へと前進する。この熱分解は、分解される原料の種類毎に最適化された滞留時間にわたって生じる。残りの物質が、制御された最高温度及び適切な滞留時間で帯域５  ４０５環境を前進することにより、収量及び組成が最適化された熱分解産物がもたらされる。残りの物質が熱分解帯域４０５を出るとともに、帯域６  ４０６への導入部で更に別の熱勾配に曝され、それにより、適切な滞留時間にわたって、チャーの脱揮発、並びに残留芳香族炭化水素及び多核芳香族炭化水素のコークス化が促進される。したがって、残留固形物は、帯域６  ４０６から帯域７  ４０７に移動した後、吸着芳香族及び多核芳香族炭化水素で飽和されていない、乾燥され脆化した微粉化残留固形物材料として、帯域７  ４０７から連続的に放出される。これら残りの固形物は、これら夾雑物が供給原料中に存在する場合、同伴金属（貴金属及び／又は非貴金属）、ガラス、及び石等を含有している場合があるチャーとして、装置から連続的に取り出される。別の言い方をすれば、「チャー」は、炭化水素材料の分解に由来する炭素残留物以外の炭素残渣及び残留固形物である。
【００３３】
様々な実施形態では、押出機２０１及び熱窯炉反応器３０１は、多種多様な原料炭化水素材料の運搬、混合、及び反応を容易にするように設計されている。熱窯炉反応器３０１は、選択的に、帯域４  ４０４の端部で熱窯炉反応器３０１から、パラフィン又は微結晶性ろうを放出するための手段を含むことができる。凝縮性炭化水素は、帯域５  ４０５に位置する排出ポート３２３から放出される。残留固体チャーは、帯域７  ４０７の出口３１９から放出される。押出機２０１及び熱窯炉反応器３０１の内部設計配置は、複数の温度帯域及びそれぞれの滞留時間と関連している。これは、連続プロセスで作動する一体型装置であるため、帯域間は必ずしも明確に区分されていなくともよく、１つの帯域は、次の帯域へと徐々に移行してもよく、又は次の帯域とオーバラップしていてもよい。
【００３４】
帯域は、一般的に、各所望のプロセススループット速度毎にその帯域で維持されているそれぞれの作動温度と関連した所望のそれぞれの帯域滞留時間を確立するように、押出機２０１のスクリューの幾何学的形状により、並びに熱窯炉反応器３０１の内部部品の幾何学的形状及び配置により、規定及び／又は限定される。連続プロセス分割帯域変換装置の設計は、各帯域において適切な滞留時間にわたって炭化水素材料への適切な熱伝達を促進し、それにより所望の全体的プロセススループット速度の所望の完了規模に必要とされる滞留時間にわたって所望の化学反応を達成するのに、そのそれぞれの直径が適切であり不必要な長さを有していない装置の構築が可能になるように実施される。好ましくは、連続プロセス部品は、中でも反応器の配向、反応器の長さ、反応器の直径、反応器の構築材料、押出機スクリューの設計、窯炉内部部品の設計、炭化水素材料のスループット速度、密度及び熱伝導度、動粘度、帯域滞留時間、帯域圧力、帯域間の温度勾配等を含む変数が組み込まれている双方向熱力学及び動力学モデルに従って設計される。そのモデルは、本発明を作動させて、所望の又は容認できる結果をもたらすことができる任意の原料組成物を分解した結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ない場合、最適な幾何学的形状は、試行錯誤で導き出すことができる場合も、又はできない場合もあるが、特にこのような状況では、望ましくない結果又は壊滅的な結果をもたらす場合さえもある。
【００３５】
原料をシステムに導入すること（帯域１  ４０１）から始まり、その後体積低減及び／又は圧縮に進み（帯域２  ４０２）、融解物への原料相転移に進み（帯域３  ４０３）、その後、ある可塑剤及び添加剤の分解並びに中でも塩酸の発生、同時に及び／又はその後に分子の不安定化に進み（帯域４  ４０４）、その後熱分解に進み（帯域５  ４０５）、その後チャー脱揮発及び／又はコークス化に進み（帯域６  ４０６）、固体産物を放出する（帯域７  ４０７）ことで終了するプロセス帯域を有する本発明の任意の実施形態を使用して、経済的に実施可能なスループットの解決策を全て許容する幅広い規模にわたってあらゆる構成でポリマー廃棄物の変換を達成することができる。本発明により具現化されるシステムは、モジュール式であり、拡張可能であり、用途が広く、様々な原料組成及び所望のスループット速度を有する応用に適応可能である。本発明の多用途性の例には、分割帯域プロセスを任意のシステム構成に応用することが含まれる。なお、本発明の好ましい実施形態の全てではないがその幾つかは、本発明の以下の詳細な説明に記載されており、当業者であれば、本発明の趣旨内の様々な改変及び変更は、上記及び下記の詳細な説明でなされた開示から明らかになるだろう。したがって、上記及び下記の説明は、本発明を限定するものではない。
【００３６】
本出願では、用語「熱窯炉反応器」、「反応器」、「レトルト」、及び「装置」は、同様の文脈で又は同義的に使用されることが多いことが留意されるべきである。全ての場合において、別様に記載がない限り、これらの用語は、本発明を指す。
【００３７】
本発明は、その１つの実施形態が図１に示されているが、その第１段階２０では、せん断力及び熱が組み込まれ、一体的に及び漸進的に添加物が導入され、蒸気が除去され、ハロゲン酸が除去され、その第２段階３０では、バッフル付き大容量連続プロセス熱窯炉反応器が組み込まれている、改良型分割帯域装置１０を含む。
【００３８】
上り傾斜又は下り傾斜のいずれの実施形態でも、本発明は、その第１段階２０に、１つ又は複数の押出機２０１を含み、その各々は、モータ２０８、及び加熱スクリューを有するギヤ減速構築体２０９、及びフレーム２１１に支持されたバレル構築体２１０で構成される。１つの炭化水素材料流動のみが処理される場合、又は十分に類似した物理的及び化学的特性を有する複数の炭化水素材料流動が同時処理される場合、好ましい実施形態では、単一の押出機２０１を使用することができる。しかしながら、２つ以上の非常に異なる炭化水素原料流動が、単一の熱窯炉反応器中で同時処理される場合、好ましい実施形態では、２つ以上の押出機２０１を使用してもよい。複数の押出機を含む実施形態では、押出機２０１は、順次又は直列ではなく、並列に接続されている。２つ以上の押出機２０１のこの並列配置は、３つの主な利点を有する。第１に、処理することができ、システムに供給できる量又は原料が増加する。第２に、１つの押出機２０１を整備のために停止させても、その意図されている全システム操業能力の半分とはいえ、残りの押出機２０１を使用してシステムを依然として作動させることができるような冗長性が可能になる。第３に、２つの全く異なる原料流動を反応器に同時に導入することが可能になることによる柔軟性が提供される。
【００３９】
押出機２０１は、炭化水素原料の共通の又は異なる混合物を受け入れることができる。この原料は、混合及び／又は汚染ポリマーを含む細断ポリマーを主に含む。プロセスに添加剤又は融液相触媒が望ましい場合、それらの幾つか又は全てを、押出機２０１に炭化水素材料を導入する前に、炭化水素材料に添加してもよい。原料は、その後、脱ハロゲン化された、部分的に不安定化された、及び部分的に分解された炭化水素融解物を第２段階３０に直接注入する前に、圧縮され、せん断され、融解され、部分的に不安定化され、脱硫され、及び脱ハロゲン化される。押出機２０１は、炭化水素材料のそれぞれ異なる混合物を異なるスループット速度で受入及び放出することができ、それにより、従来技術ではこれまで実現されていないプロセスの柔軟性が提供される。一般的な押出機の寸法は、Ｌ／Ｄ比又はバレル長さ対バレル直径の比として表わされることが多く、ほとんどの応用で産業用に通常使用される場合、１５〜３５の範囲である。押出機２０１のＬ／Ｄ比は、より高い。所望の供給速度及び炭化水素材料に対する熱伝達の有効速度に大きく依存して、押出機２０１のＬ／Ｄ比は、３５〜７５である。
【００４０】
細断された炭化水素材料は、供給口２０２から押出機２０１に導入される。供給帯域１  ４０１の押出機スクリュー及びバレルは、細断炭化水素材料を受け入れ、炭化水素材料を次の帯域２  ４０２に搬送して圧縮するように設計されている。本発明を説明する目的では、帯域１羽根対帯域４羽根の深さの比は、スクリュー圧縮比と呼ばれる。押出機２０１は、供給端で約１．５：１〜２．０：１の、放出端で約４：１〜５：１の範囲の圧縮比を有する。したがって、押出機２０１の帯域１  ４０１のスクリュー及びバレル構築体の設計には、１．５〜２．２の圧縮比が組み込まれている。
【００４１】
選択的に、添加剤及び／又は融液相触媒の段階的添加が望まれる場合、これらの微粉化添加剤及び／又は融液相触媒は、添加剤開口部２０３に導入することができる。これらの鉱物系添加剤は、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、及び／又は様々な形態のメタロイドからなる群であると特定される１つ又は複数の融液相ヘテロ原子スカベンジャーから選択される。融液相触媒には、これらに限定されないが、以下のものが含まれる：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、及び／若しくは天然＆合成ケイ酸塩鉱物からなる群の酸化物、水酸化物、並びに／又はカーバイド。
【００４２】
帯域２  ４０２押出機スクリュー及びバレルは、細断された炭化水素材料を圧縮し、帯域２  ４０２の内容物を脱水するのに十分な温度に炭化水素材料を加熱し、蒸気ポート２０４から蒸気を排出し、炭化水素材料を次の帯域３  ４０３に搬送して融解するように設計されている。したがって、押出機２０１の帯域２  ４０２のスクリュー及びバレル構築体の設計には、２．０〜３．８の圧縮比が組み込まれている。炭化水素材料が、第１の温度勾配又は熱勾配で加熱及び圧縮されるとともに、炭化水素材料の脱水から発生する蒸気は、帯域２  ４０２の端部で蒸気ポート２０４から放出される。押出機２０１内の帯域２  ４０２の端部では、圧縮が開放されて、バレルの内壁とスクリューの根元（シャフト）との距離を増加させることにより物質的に圧力が減少し、そのため、揮発性蒸気は、蒸気ポート２０４から押出機２０１を抜け出すことができるが、炭化水素材料は押出機２０１に残ることになるだろう。処理しようとする炭化水素材料の性質に応じて、蒸気ポート２０４直下の圧縮比は、１．０：１〜２．０：１以下に低減することができる。
【００４３】
蒸気ポート２０４の下流では、炭化水素材料は、せん断応力下の別の熱勾配で更に圧縮及び加熱され、融解が促進される。帯域３  ４０３の押出機スクリュー及びバレルは、せん断応力及び直接加熱下で炭化水素材料を融解し、炭化水素材料を次の帯域４  ４０４に前進させるように設計されている。したがって、押出機２０１の帯域３  ４０３のスクリュー及びバレル構築体の設計には、３．５〜５．０の圧縮比が組み込まれている。このせん断応力は、押出機２０１のスクリュー羽根、押出機２０１の壁面、及び融解炭化水素材料の粘性の相互作用により生じ、炭化水素材料のスミアリング及び混合をもたらす。帯域３  ４０３の下流で、炭化水素材料は、せん断応力下の別の熱勾配で更に加熱され、炭化水素材料の非常に効率的な脱ハロゲン化が促進される。この脱ハロゲン化は、ハロゲン酸及び塩のｉｎ  ｓｉｔｕ形成をもたらす。これらの塩は、依然として炭化水素材料の成分であり、押出機２０１を作動させることにより生成されるハロゲン酸と同様に融液相クラッキング触媒であることが特定されている。帯域４  ４０４の押出機スクリュー及びバレルは、炭化水素材料を混合、不安定化及び脱ハロゲン化し、ハロゲン出口ポート２０５からハロゲン酸を排出し、炭化水素材料を、熱窯炉反応器の帯域４  ４０４の連続部分に搬送して、分子を更に不安定化するように設計されている。したがって、押出機２０１の帯域４  ４０４のスクリュー及びバレル構築体の設計には、４．０〜５．０の圧縮比が組み込まれている。
【００４４】
ハロゲン酸は、ある可塑剤及び添加剤の分解から装置により生成される最初の商業的に重要な石油炭化水素蒸気と同様に、それぞれの蒸気相でハロゲン出口ポート２０５から除去される。押出機２０１内の帯域４  ４０４の端部では、圧縮が開放されて、バレルの内壁とスクリューの根元との距離を増加させることにより物質的に圧力が減少し、そのため、ハロゲン酸及び炭化水素蒸気は、ハロゲン出口ポート２０５から押出機２０１を抜け出すことができるが、融解炭化水素材料は押出機２０１に残ることになるだろう。処理しようとする炭化水素材料の性質に応じて、ハロゲン出口ポート２０５直下の圧縮比は、１．０：１〜２．０：１以下に低減することができる。
【００４５】
その後、部分的に不安定化／分解され、かつ脱ハロゲン化された炭化水素材料は、二次せん断応力下の更に別の熱勾配中を前進し、その後、これらに限定されないが、更なる微粉化固形物及び／又は炭化水素系液体を含む更なる添加剤を注入ポート２０６から選択的に添加することができる。好ましい実施形態では、任意の更なる微粉化固形物は、アスファルト等の、約６９０°Ｆ（３６６℃）よりも高い沸点を有する石油系液体に懸濁されている微粉化固形物で構成される加熱スラリーの形態で押出機２０１に導入される。
【００４６】
第１段階２０は第２段階３０に直接接続されており、そのため、脱ハロゲン化され、かつ部分的に不安定化／分解された炭化水素材料は、１つ又は複数の連結ポート２０７から第２段階３０へと直接放出される。連結ポート２０７（複数可）は、電気ヒータ又は当該技術分野で標準的な任意の他の手段により、帯域４内で作動する押出機２０１及び熱窯炉反応器３０１のそれぞれの部分で維持される帯域４作動温度と一致する温度に加熱される。
【００４７】
上り傾斜又は下り傾斜のいずれの実施形態でも、本発明は、その第２段階３０に、１つ又は複数の回転熱窯炉反応器３０１を含み、その各々は、異なる温度で作動し、環状バッフルダム３０４により隔てられている少なくとも２つの隣接チャンバー３０２、３０３を有する。熱窯炉反応器３０１は、モータ及びギヤ駆動装置３１４により動力が供給されるロバストなギヤ駆動装置により回転する。混合及び材料前進は、内部スクリュー羽根及び／又はバッフル及び／又は混合ブレード及び／又はリフター又はこれらのデバイスの任意の組み合わせ、集合的に、熱窯炉反応器３０１の内側表面に取り付けられている混合手段３０９により達成することができる。一体型混合手段を有する逆回転シャフトを有していない熱窯炉反応器３０１では実現することができない混合量を必要とする応用では、熱窯炉反応器３０１は、モータ３２４により駆動され、その軸に沿って熱窯炉反応器３０１の長さに伸長する選択的な逆回転シャフト３１０を含んでいてもよい。シャフト３１０は、シャフト３１０に取り付けられている選択的な内部混合ブレード３１１を回転させる。ベアリング／端部プレート構築体３１５は固定されており、熱窯炉反応器３０１を適所に保持して、熱窯炉反応器３０１の回転を可能にし、並びに端部プレート３１５と一体化されている補助注入ポート３２０から熱窯炉反応器３０１への液体の導入を可能にする。ベアリング／端部プレート構築体３１６は固定されており、熱窯炉反応器３０１を適所に保持して、熱窯炉反応器３０１の回転を可能にし、並びに熱分解から生じる蒸気及びチャーの連続的な取り出しを可能にする。
【００４８】
バッフルダム３０４は、中央開口部３０５を有する円柱状の円板又はプレートである。バッフルダム３０４は、熱窯炉反応器３０１の第１のチャンバー３０２と第２のチャンバー３０３とを隔てており、選択的なシャフト３１０は、使用される場合は、バッフルダム開口部３０５を通過することが可能である。開口部３０５は、炭化水素材料が、第１のチャンバー３０２から第２のチャンバー３０３へと通過することを可能にする。連結ポート２０７からの供給速度を操作することに関するバッフルダム３０４の開口部３０５のサイズは、迅速な増加圧力条件を生じさせずに、第１のチャンバー３０２で達成することができる最大の融解物レベルを決定する。第１のチャンバー３０２での圧力上昇の可能性を最小限にして、より高い原料スループット速度を可能にするための装置１０の設計には、バッフルダム３０４の開口部３０５が流動の制限をもたらさないように、バッフルダム３０４にはより大きな開口部３０５が組み込まれるだろう。第１のチャンバー３０２での圧力上昇の可能性を依然として最小限にして、より低い原料処理速度を可能にするための装置１０の設計には、選択的に、バッフルダム３０４にはより小さな開口部３０５が組み込まれてもよいが、より小さな開口部３０５の選択的な設計特徴は、原料流速を、バッフルダム３０４の開口部３０５の設計容量よりも低くして自由な流動を可能にする場合は、必ずしも必要ではない。したがって、より小さな開口部３０５の選択肢が装置設計にて選択されない場合、第１のチャンバー３０２の融解物レベルは、より小さな開口部３０５が選択された場合に生じた可能性のある、対応するより高いレベルに維持することはできない。第１のチャンバー３０２での圧力上昇が望ましく、熱窯炉反応器３０１が、その内部の圧上昇に耐えるように構築されている応用の場合、開口部３０５は、開口部３０５を通過する融解物流動の所望の度合いの制限をもたらすように、大きさが決定されることになるだろう。
【００４９】
第１のチャンバー３０２の融解物レベルの管理は、（ｉ）第１のチャンバー３０２の圧力維持と、（ｉｉ）連結ポート２０７から第１のチャンバー３０２への炭化水素材料の供給速度と、（ｉｉｉ）第１のチャンバー３０２の融解物の粘性と、のバランスをとることが必要であり、それらは全て、バッフルダム３０４の開口部３０５のサイズを設計する際に考慮されるべきである。所望の圧力制御は、当該技術分野で一般的な圧力制御デバイスを使用することにより達成することができる。好ましい実施形態では、圧力制御デバイス（非表示）の位置は、連結ポート２０７と一体化されている末端プレート３１５の最上部にある補助注入ポート３２０付近である。連結ポート２０７から第１のチャンバー３０２への炭化水素材料の供給速度の制御は、押出機２０１（複数可）への供給速度を管理することにより達成される。融解物粘度の緩和は、注入ポート２０６及び／又は補助注入ポート３２０にて石油系液体を注入することにより達成することができる。融解物粘度のより大きな低減は、相応に大量の石油系液体を添加することにより達成されるが、適量の石油系油の添加は、特に注入ポート２０６にて注入されると、融解物粘度の物質的な減少をもたらすことが多い。注入ポート２０６での油注入は、一次的には融解物粘度の低減をもたらし、二次的には、連結ポート２０７を通過する融解物の膨張をもたらし、それに応じて連結ポート２０７の圧力が増加する。融解物レベルが、バッフルダム３０４中の開口部３０５の最上部より高い場合、補助注入ポート３２０から油を注入すると、一次的には第１のチャンバー３０２の急激な急速圧力上昇がもたらされ、二次的には第１のチャンバー３０２の融解物粘度のわずかな減少がもたらされることを予想することができる。そのような結果は、精油頂塔留分又は同様の軽質石油留分が注入されると悪化し、６９０°Ｆ（３６６℃）よりも高い沸点を有する石油系液体が多かれ少なかれ注入されると緩和される。融解物レベルが、バッフルダム３０４の開口部３０５の最上部より低い場合、補助ポート３２０から油を注入すると、注入された液体の沸点に応じて、一次的には、熱窯炉反応器３０１の、緩和されてはいるものの急激な急速圧力上昇がもたらされ、下流の触媒反応器及び／又は還流反応器及び／又は分溜塔（集合的に、非表示）並びにコンデンサ８０での蒸気スループット速度は、それに応じて増加する。この液体注入の二次的な結果は、第１のチャンバー３０２の融解物粘度のわずかな減少であり得る。バッフルダム３０４の開口部３０５のサイズ設計は選択的なシャフト３１０が、使用される場合、バッフルダム３０４の開口部３０５を通過するため、開口部３０５の断面積の低減を許容しなければならない。
【００５０】
回転する熱窯炉反応器３０１には、連結ポート２０７から炭化水素融解物が連続的に供給される。熱窯炉反応器３０１は、電気的に、又は２つの帯域での非凝縮性プロセスガス及び／又は天然ガスの直接燃焼のいずれか、又はそれらの組み合わせにより加熱される。加熱手段は、重要ではなく、以下のものが含まれていてもよい：直接燃焼式ガス加熱、電気発熱体、放射加熱、及びこれらに限定されないが、それぞれの帯域温度に適切であり得るＤｏｗｔｈｅｒｍ（登録商標）、溶融鉛、溶融塩、及び溶融ナトリウム等を含む、当該技術分野にて周知の熱伝達媒体を使用した熱ジャケット。図３には、第１のチャンバー３０２に対応する第１の加熱帯域３１２、及び第２のチャンバー３０３に対応する第２の加熱帯域３１３の直接ガス燃焼加熱の選択肢が組み込まれている本発明の実施形態が示されている。これらの加熱帯域の各々は、熱窯炉反応器３０１を取り囲み、かつガスバーナアレイ３０６を作動させることにより、その区画をそれぞれ加熱するジャケットである。ガスバーナアレイ３０６は、図３に例示されている実施形態に示されているように、ガス放出ポート８３０（図４）から回収される非凝縮性産物ガス、天然ガス、又は１つ若しくは複数のバーナポート３０７及び／又は３０８（複数可）に導入される非凝縮性産物ガス及び天然ガスの混合物により燃焼させることができる。単一のバーナポートを使用して両ガス流を導入することができるため、２つの別々のバーナポートは重要ではない。
【００５１】
熱窯炉反応器の内容物は、１つ又は複数の混合手段を使用して混合することができる。これらの混合手段の１つは、スクリュー羽根及び／又はバッフル及び／又は混合ブレード及び／又はリフター、又はこれらのデバイスの任意の組み合わせ３０９にて集合的に構成されており、熱窯炉反応器３０１の内部表面に接続されている。この第１の手段は、熱窯炉反応器３０１内にある選択的な逆回転ミキサにより増強することができる。逆回転ミキサは、相補的混合（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｍｉｘｉｎｇ）を達成するように反対方向に作動する。一体型混合手段３０９を有する逆回転シャフトを有していない熱窯炉反応器３０１では実現することができない混合量を必要とする応用の好ましい実施形態では、スクリュー羽根、バッフル、ブレード、及び／又はリフターを含む混合手段３０９には、反対方向に回転するブレード３１１の通過を可能にするようにスロットが設けられていなければならない。逆回転シャフト３１０及びブレード３１１が使用される場合、混合手段３０９は、混合手段３０９及び３１１の間の接触を回避するように適切に離間されているスロットを有していなければならない。
【００５２】
融解炭化水素材料を第１のチャンバー３０２で、制御された滞留時間及び温度にわたって混合することにより、更なる分子不安定化、有機ハロゲンのほぼ完全な還元、並びにテレフタル酸の安息香酸へのほぼ完全な還元及び安息香酸のベンゼンへのほぼ完全な還元がもたらされる。脱ハロゲン化され、かつ部分的に不安定化／分解された炭化水素材料を、連結ポート２０７から第１のチャンバー３０２へと連続導入することにより、設計管理された指定の滞留時間にわたって、第１のチャンバー３０２での炭化水素材料の蓄積及び混合の動的平衡がもたらされ、炭化水素材料は、バッフルダム３０４の中央開口３０５から第２段階３０の第２のチャンバー３０３へと連続的に受動放出される。バッフルダム３０４の開口部３０５の直径は、炭化水素材料が第２段階３０の第２のチャンバー３０３へと前進する溢流地点（ｓｐｉｌｌ  ｐｏｉｎｔ）の高さを決定する。熱窯炉反応器の内容量の相補的混合は、複雑で費用がかかる実施形態であるが、熱窯炉反応器内に追加の表面積を提供し、熱伝達並びに最も完全な混合を容易にする。３０９及び３１１による選択的な逆回転混合は、同じ又は異なる相対速度で作動させることができる。
【００５３】
第１のチャンバー３０２での滞留から第２のチャンバー３０３への溶融相転移は、最終熱分解が第２段階３０の第２のチャンバー３０３で生じるため、熱勾配の地点と一致する。この熱分解は、分解される原料の種類毎に最適化された滞留時間にわたって生じる。固体チャー残渣が、ベアリング／末端プレート構築体３１６の底部に蓄積し、第２のチャンバー３０３から熱窯炉反応器ポート３１７を介して加熱脱揮発チャンバー３１８へと放出される。その後、脱揮発チャンバー３１８は、脱揮発チャーをチャーポート３１９から下流のチャー冷却システム（非表示）へと放出する。他の実施形態（非表示）は、チャーを中心軸の出口に移動させるスクリューを使用して、熱窯炉反応器３０１からチャーを取り出すことを含む。更に他の実施形態（非表示）は、チャーを出口ポートに向かわせる、熱窯炉反応器３０１周囲付近の最も低い末端にあるチャネルを含む。
【００５４】
炭化水素系液体を選択的に添加することにより、液体炭化水素材料を消費する目的及び溶融粘度を低減させる目的等を含むが、それらに限定されない目的を達成することができる。液体は、注入ポート２０６及び／又は１つ又は複数の補助注入ポート３２０から導入することができる。同様に、蒸気除去ポート２０４及び／又は他所に由来する水及び／又は蒸気を、水−ガスシフト反応を促進するために、選択的に、１つ又は複数の注入ポート２０６及び／又は３２０を介して注入することができる。また、選択的に、下流のコンデンサ系統から出てくる非凝縮性ガスの留分として得られるメタン及び／又は非凝縮性炭化水素を、１つ又は複数の更なる補助注入ポート３２０から導入して、熱窯炉反応器３０１から蒸気出口３２３へと炭化水素蒸気を搬送するキャリヤガスとしての役目をさせるか、及び／又は選択的に熱窯炉反応器３０１内部の加圧を提供することができる。
【００５５】
本発明の改良型分割帯域装置は、複数の産物を同時に生産する能力を有し、産物の１つは硬質ろうであり、それは、典型的な熱分解変換温度よりも低い温度で装置から生産される。集合的に３０〜７０個の炭素原子を有するこの微結晶性又はパラフィンろう産物は、好ましい実施形態では、微結晶性又はパラフィンろう産物の一貫した収量を達成することができることがこれまで特定されていない温度閾値である３００℃〜３３８℃（５７２°Ｆ〜６９０°Ｆ）の温度範囲内にある、混合、分子不安定化及びヘテロ原子除去帯域４０４の端部で、熱窯炉反応器３０１から溶融ろうを直接放出することにより回収することができる。熱窯炉反応器３０１から直接ろうを回収するための好ましい実施形態は、熱窯炉反応器３０１の作動には必要ではなく、選択的なものである。この好ましい実施形態は、熱窯炉反応器３０１からのろうの直接放出が、コンデンサ８０からの液体産物回収、産物ガス放出ポート８３０からの産物ガス回収、及びチャー放出３１９からのチャー回収を犠牲にしても、望ましい場合に使用される。したがって、硬質ろうが、混合、分子不安定化及びヘテロ原子除去帯域４０４の端部から回収される場合、炭化水素材料全ての熱分解が完了に至らず、それにより非凝縮性ガス及びチャーの形成が低減され、物質収支の保存により凝縮性産物の収量が増加するため、合計凝縮性産物収量はより高くなる。
【００５６】
図３に示されているような、この好ましい実施形態の使用の１つの手段では、熱窯炉反応器３０１は、負の傾斜又は傾きで、つまり水平５０に対して下り傾斜で傾斜しており、熱窯炉反応器３０１の入口末端は、出口端部よりも高い位置にあり、キャッチトラフ３３０に回収された溶融ろう産物が、末端プレート構築体３１６へと出ているろう放出ポート３３２のろう出口管３３１から退出する重力による搬送支援を可能にする。キャッチトラフ３３０は、熱窯炉反応器３０１の長軸方向中心に位置しているろう出口管３３１の最上部に切り欠かれた開口部の直下に位置する。ろう出口管３３１は、熱窯炉反応器３０１の長さ全体に沿っては存在していないが、帯域５  ４０５と一致する、第２のチャンバーの長さに沿ってのみ存在している。熱窯炉反応器３０１が回転し、反応器の内容物が、沸騰し、混転し、流動し、回転熱窯炉反応器３０１の開口上部空間から下方に垂直落下すると、溶融ろうは、キャッチトラフ３３０に溢流し、つまり出口管３３１のその部分は、開口部を形成するために切り取られていない。キャッチトラフ３３０は、キャッチトラフ３３０が、バッフルダム３０４への中央開口部３０５内に位置し、それにより帯域４  ４０４から帯域５  ４０５への移行部分で、微結晶性又はパラフィンろうを構成する融解物を捕捉するように配置されているろう出口管３３１の末端に位置している。キャッチトラフ３３０は、逆回転シャフト３１０を選択的に使用する場合には、熱窯炉反応器の下部末端に逆回転シャフト３１０の末端ベアリングが組み込まれている逆回転シャフト３１０を収容するろう出口管３３１と一体化されており、そのような端部ベアリングは、ろうの通過が末端ベアリングを通過することを可能にするケージ又は類似デバイスに収容されており、ブレード３１１は、ろう出口管３３１が存在するため熱窯炉３０１の第２のチャンバー３０３から排除される。キャッチトラフ３３０に捕捉されたろうは、下り傾斜の重力により、シャフト３１０及びろう出口管３３１内壁間の環状のろう出口管３３１内に流れ、懸垂末端ベアリングを通過し、その後ろう放出ポート３３２からろう出口管３３１を退出する。３００℃以上３３８℃以下（５７２°Ｆ〜６９０°Ｆ）の範囲の帯域４  ４０４温度を超える温度の帯域５  ４０５を、ろう出口管３３１が通過することを考慮すれば、ろう出口管３３１内でろうの限定的な熱分解が生じる。この熱分解の度合い及びその結果生じるろうの減少は、帯域５  ４０５内のろう出口管３３１のその部分でのろうの滞留時間を短縮することにより緩和される。逆回転シャフト３１０を使用しない場合、ろう出口管３３１は、完全に開口しており、そのため、キャッチトラフ３３０に捕捉されたろうは、下り傾斜の重力により、ろう出口管３３１内に流れ、逆回転シャフト３１０の存在により妨害されず、その後ろう放出ポート３３２にてろう出口管３３１を退出する。鉱物系添加剤及び非ポリマー狭雑物等の存在又は非存在に応じて、ろう放出ポート３３２から放出されるろうは、商業的な仕様に必要な場合は、フィルタろ過及び／又は他の処理を必要とする場合もあり又は必要としない場合もある。
【００５７】
この好ましい実施形態（非表示）の代替的な使用では、熱窯炉反応器３０１は、正の傾斜で、つまり水平５０に対して上り傾斜で傾斜しており、そのため、熱窯炉反応器３０１の入口末端が、出口末端よりも低い位置にあり、熱窯炉反応器３０１の第１のチャンバーの内容物が、熱窯炉反応器３０１の低部末端で不安定化融解物貯留部を形成することを可能にする。この代替的な使用ではまた、キャッチトラフ３３０は、熱窯炉反応器３０１の長軸方向中心に位置しているろう出口管３３１の最上部に切り欠かれた開口部の直下に位置する。ろう出口管３３１は、熱窯炉反応器３０１の長さ全体に沿っては存在していないが、帯域４  ４０４と一致する、第１のチャンバーの長さに沿ってのみ存在している。この代替的な使用手段では、不安定化融解物貯留部の作動レベルは、水平５０、キャッチトラフ３３０のレベル、及びバッフルダム３０４への中央開口部３０５のレベルと一致し、３つ全てのレベルは同じである。したがって、ろうは、キャッチトラフ３３０及び熱窯炉反応器３０１の下部末端のろう出口管３３１並びにバッフルダム３０４の中央開口部３０５を介して融解物貯留部を退出し、それにより帯域５  ４０５に進入する。この使用では、ろう出口管３３１は、３００℃以上３３８℃以下（５７２°Ｆ〜６９０°Ｆ）の範囲の帯域４  ４０４温度を超える温度の帯域５  ４０５を通過せず、ろうの帯域５  ４０５の熱分解は、ろう出口管３３１内で生じない。出口管３３１内のろう熱分解は、上り傾斜使用では回避されるが、ろうの一部は、帯域５  ４０５と一致する熱窯炉反応器の第２のチャンバーへと前進し、熱分解され、コンデンサアレイ８０から回収される凝縮性及び非凝縮性産物に変換されるため、ろう減少の減少が、下り傾斜使用とほぼ等しい量で生じる。鉱物系添加剤及び非ポリマー狭雑物等の存在又は非存在に応じて、ろう放出ポート３３２から放出されるろうは、商業的な仕様が必要な場合は、フィルタろ過及び／又は他の処理を必要とする場合もあるし、又は必要としない場合もある。
【００５８】
配置及び作動の更に別の手段では、熱窯炉反応器３０１は、約３４９℃〜３３８℃（６６０°Ｆ〜６９０°Ｆ）程度の最低温度、及び約３６０℃〜３８２℃（６８０°Ｆ〜７２０°Ｆ）程度の最高温度で、上り傾斜又は下り傾斜配向のいずれでも作動させることができる。この例では、熱窯炉反応器の両チャンバーは、帯域４  ４０４の温度範囲とほぼ等しい、同じ温度範囲内で作動する。したがって、温度帯域５、６、及び７が存在しない場合でも、帯域４  ４０４の端部で形成するろうの熱分解は、たとえあったとしてもごくわずかしか生じず、鉱物不純物等以外の炭化水素材料の大部分は、硬質微結晶質又はパラフィンろうとして回収されることになる。鉱物系添加剤及び非ポリマー狭雑物等の存在又は非存在に応じて、ろう放出ポート３３２から放出されるろうは、商業的な仕様に必要な場合は、フィルタろ過及び／又は他の処理を必要とする場合もあるし、又は必要としない場合もある。
【００５９】
ガスバーナアレイ３０６及び／又は第１の加熱帯域３１２及び第２の加熱帯域３１３からの排気は、加熱帯域３１２から出ている第１の排気ポート３２１及び加熱帯域３１３から出ている第２の排気ポート３２２から排出される。熱窯炉反応器３０１からの一次放出、すなわち熱窯炉反応器３０１での炭化水素材料の熱分解から生じる炭化水素蒸気は、最終的に凝縮システム８０で使用してもよく又は使用しなくともよいため、熱窯炉反応器排気ポート３２３を介して下流側の触媒反応器及び／又は還流反応器及び／又は分溜塔（非表示）に放出される。
【００６０】
装置１０は、各々が複数の温度及び滞留時間を有する、全体にわたって使用されるプロセス帯域に関して説明されている。装置１０は、原料混合物が連続的に加熱及び前進する一連の個別のスループットプロセス帯域で構成されている。装置１０は、作動期間中のわずかな温度変動を十分に許容するが、効率のため及び帯域温度と滞留時間との複数性（ｐｌｕｒａｌｉｔｙ）を維持するために、反応器１０における動的平衡を維持することが望ましい。動的平衡は、これらの温度が達成されて作動が開始されたら、各帯域で一定の原料スループット速度及び一定の反応器温度を維持することにより達成される。原料スループットが遅いほど、滞留時間は長くなる。動的平衡が中断されても、作動が律速限界内で継続する限り、より長い滞留時間にわたる所望の化学反応の駆動を成功させるために必要とされる熱はより少ない場合がある。対照的に、原料スループットが速ければ、滞留時間はより短くなる。動的平衡が中断されても、作動が律速限界内で継続する限り、より短い滞留時間にわたる所望の化学反応の駆動を成功させるために必要とされる熱はより多い場合がある。いずれの場合でも、律速限界が、温度及び／又は滞留時間の変動を超えると、所望の反応は継続せず、望ましくない反応が生じる場合がある。したがって、動的平衡が維持されない場合、非平衡状態での作動は、効率的なシステム作動及び製品品質の一貫性に対するリスクを提起する。
【００６１】
帯域温度と滞留時間との複数性を維持することが重要であるが、動的平衡が中断されると、この複数性を維持する機能的な能力には限界がある。これらの限界は、特に反応器の設計容量、炭化水素材料の熱伝導度が一定であること、及び反応速度論に起因する。例えば、反応器設計で企図された速度を超える過度の供給速度は、炭化水素材料への熱伝達を促進するのに不十分な滞留時間をもたらす可能性が高い。こうした低減された滞留時間は、炭化水素原料に適切な熱を伝達することができたとしても、所望の反応が所望のレベルの完了度を達成するのに十分ではない場合がある。別の例では、より迅速な原料スループットを補おうとして、加熱システムの温度を上昇させる場合がある。この行為により限定的な利益が達成されるが、加熱表面と炭化水素材料との温度差が極端になり、理想的には次の帯域で生じるはずの反応があまりにも早く促進され、それにより装置１０の帯域分割性が失われる。過剰なスループットを補うために過剰加熱することにより引き起こされるリスクには、過剰な反応器圧力／危険な作動条件の生成、並びに固体ろう及び／又は凝縮性炭化水素の収量を犠牲にしたガス及びチャーの過剰生産が含まれる。別の例では、装置１０の能力を大きく下回る供給速度又は供給の長期中断は、過剰な滞留時間をもたらす場合がある。
【００６２】
装置１０は、原料混合物が連続的に加熱及び前進する一連の個別のスループットプロセス帯域で構成されている。これらのスループットプロセス帯域は７つ存在する：原料供給帯域４０１、圧縮帯域４０２、融解帯域４０３、混合、分子不安定化及びヘテロ原子除去帯域４０４、熱分解帯域４０５、脱揮発帯域４０６、並びにチャー放出帯域４０７。
【００６３】
帯域１：原料供給帯域。帯域１  ４０１は、周囲温度及び圧力で、１分未満の滞留時間にわたって稼働される。図１に示されている本発明の実施形態では、原料は、入口１００にて装置に導入される。供給材料を導入する手段が何かは重要ではなく、選択した供給方法が、十分にロバスト及び効果的であり、それにより細断され高度に圧縮可能であることが多い原料の供給不良が回避され、反応器供給入口１００又は反応器１０それ自体を汚損することになる望ましくない大きなかさ高い非ポリマー固体狭雑物が単離される限り、当該技術分野にて周知のいずれの方法であってもよい。この帯域の目的は、材料を装置１０に受け取り、その材料を次の帯域へと移動させることである。
【００６４】
本発明の装置１０は、混合された固形物及び／又は様々な固形物と、０を含む任意の量の混合された石油系液体及び／又は様々な石油系液体との意図的な組み合わせを可能にする。本発明の装置は、幅広く多様な原料流動、非常に汚染された原料流動、及び経時的に一貫しない組成を有する原料流動の効率的な変換を提供する。加えて、炭化水素材料は、これらに限定されないが、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、及び／若しくはメタロイドからなる群の酸化物、水酸化物、並びに／又はカーバイドを含む形態の１つ又は複数の融液相ヘテロ原子スカベンジャーから選択される微粉化された鉱物系添加剤とともに、入口１００にて装置１０に供給することができる。選択的に、例えば、軽油、ディーゼル添加剤、又はガソリン添加剤のみが所望の場合、供給材料には、これらに限定されないが、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、及び／若しくは天然＆合成ケイ酸塩鉱物からなる群の酸化物、水酸化物、並びに／又はカーバイドを含む形態の１つ又は複数の融液相触媒の添加が更に含まれていてもよい。
【００６５】
入口１００での鉱物系添加剤及び／又は融液相触媒の添加は選択的なものであり、これらに限定されないが、原料炭化水素材料の組成、所望の産物構成、例えば、生産油対生産ガスの比、生産ろう対油の比、及び凝縮性炭化水素産物の所望の分子組成を含む要因に依存する。例えば、ヘテロ原子スカベンジャーの添加が所望の場合、反応器に添加される総炭化水素材料のヘテロ原子スカベンジャーの重量パーセントは、０％〜２０％以上の範囲のパーセント等であるが、反応器中のスカベンジャーの行く末により決定される。鉱物系添加剤及び／又は融液相触媒の十分な分散は、これら鉱物系添加剤及び／又は融液相触媒の効率的な使用に、並びに過剰な微粉化鉱物系添加剤及び／又は融液相触媒の存在に起因する、特に帯域１〜４における反応器汚損を防止するために重要である。炭化水素材料中のスカベンジャーの分散が完全でないと、ヘテロ原子スカベンジャーの全てではなく一部しか、所望の反応への寄与に利用可能にならないだろう。更に、ヘテロ原子スカベンジャーの一部は、炭化水素材料を反応器に導入する前又は導入後に炭化水素材料中で凝集し、それにより所望の反応への寄与に対するその利用可能性が低減される場合がある。ヘテロ原子スカベンジャーが関与する主要反応が１つのみであることが予想される場合、総炭化水素原料供給に添加されるヘテロ原子スカベンジャーの至適重量パーセントは、所望の脱ハロゲン化及び脱硫反応を全て完了するために化学量的に必要とされるヘテロ原子スカベンジャーの量と、例えばシステムにおけるヘテロ原子スカベンジャーの分散が不完全であるため所望の反応に利用することができないヘテロ原子スカベンジャーの量との合計であってもよい。ヘテロ原子スカベンジャーが関与する主要反応が複数であることが予想される場合、そのようなスカベンジャーは、競合反応により消費される場合がある。多くの考え得る例の１つとして、炭化水素材料が、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）及び／又はポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）を含む場合、競合反応には、ＰＶＣ及びＰＶＤＣから発生する塩酸の塩化カルシウム塩及び水への変換、並びにＰＥＴの分解から発生する昇華物テレフタル酸及び安息香酸のベンゼンへの変換促進が含まれ得る。したがって、炭化水素材料に添加されるヘテロ原子スカベンジャーの量は、所望の競合反応の完了が全て達成され得るのに十分でなければならない。同様に、原料炭化水素材料中のポリマー種の数及びそれらの相対濃度は、ポリマー分解速度に影響を及ぼすだろう。例えば、単一種を律速する単純な一次速度論を引用すると、その種のより多くの添加は、分解速度の加速を促進することができる。該当する場合、原料炭化水素材料に対するヘテロ原子スカベンジャーの至適重量パーセントの決定は、炭化水素材料の組成並びに同じ材料のあらゆる予想される経時的変化に関する十分な情報に基づ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、炭化水素材料への触媒添加により変化し、それによりエネルギー障壁が低下し、全てではないが一部の分解反応を加速する相互作用がもたらされる場合がある。炭化水素材料に添加される触媒の選択及び量は、それがある場合は、炭化水素材料の組成の関数である。
【００６６】
帯域２：原料容積低減／圧縮帯域。帯域２  ４０２は、炭化水素材料の容積を低減するために、炭化水素材料の引火点未満の温度で炭化水素材料から大気空気を排出するために、及び炭化水素材料の沸騰時に水分として蒸気を生成及び排出するために稼働される。帯域２  ４０２は、周囲温度以上、かつ２２０°Ｆ（１０４℃）以下程度の、表面温度ではない内部温度で稼働される。帯域２では、炭化水素材料は、温度上昇、せん断力、及び蒸気発生に起因する圧力上昇に曝される。帯域２の初期では、圧力は、周囲圧力又はその付近である。加熱されるとともに、炭化水素材料は、せん断作用を受ける。蒸気が発生するとともに、帯域２の圧力は、帯域２に導入される炭化水素材料中の水分量、並びに押出機スクリューとバレルとの間の間隙、せん断度の制御に応じて、最大で約５０ｐｓｉｇ（３４５ｋＰａ）しか増加しないか、又は約５００ｐｓｉｇ（３４４８ｋＰａ）も増加する。帯域２の終わりでは、蒸気が、蒸気ポート２０４から放出されると、帯域２の圧力は、蒸気ポート２０４では最低で少なくとも２ｐｓｉｇ（１３．８ｋＰａ）に低下することになる。帯域２での滞留時間は、押出機スクリュー及びバレル設計に応じて、約１５秒以上、約５分以下である。炭化水素材料の容積が低減され、供給材料は、回転スクリュー並びにスクリュー及びバレル構築体２１０により圧縮され、空気及び水分は、選択的な真空下でシステムから蒸気として放出される。それにより、原料水分低減は、１％重量未満の水分から１５％重量程度までの水分範囲の水分含有量に達成される。好ましい実施形態では、水分は、約１０重量％に低減される。排出された空気及び水分は、活性炭床へと送ることができる。凝縮水は、廃水として廃棄することができる。活性炭床の稼働は、管轄政府機関によっては、廃水前処理システムの環境許可を必要とする場合がある。残りの空気は、例えば、悪臭防止を容易にするために、選択的に、直接燃焼式反応器加熱システムの空気取込部、又はガス放出ポート８３０（図４に示されている）から放出される非凝縮性ガス産物を燃料とするディーゼル発電機及びダイナモを含む発電設備（「発電セット（ｇｅｎｓｅｔ）」、非表示）の空気取込部に送ることができる。発電セットを使用して、本発明の装置により使用することができ、及び／又は本設備の他の部品に分配することができる電気を発電することができる。
【００６７】
帯域３：原料融解帯域。帯域３  ４０３は、２２０°Ｆ（１０４℃）〜５７２°Ｆ（３００℃）程度の内部反応器温度範囲で、１０分以上４５分以下程度の滞留時間にわたって稼働される。帯域３では、炭化水素材料は、温度上昇、せん断力、及び融解時の炭化水素材料の膨張に起因する圧力上昇を受ける。帯域３の初期では、圧力は、蒸気ポート２０４と一致する地点では、２ｐｓｉｇ（１３．８ｋＰａ）以上である。加熱されるとともに、炭化水素材料は、せん断作用を受ける。融解が生じ、炭化水素材料が膨張するとともに、帯域３圧力は、炭化水素材料の組成、並びに押出機スクリューとバレルとの間の間隙、及びせん断度の制御に応じて、最大で約５０ｐｓｉｇ（３４５ｋＰａ）しか増加しないか、又は約８００ｐｓｉｇ（５５１６ｋＰａ）も増加する。例えば、炭化水素材料が、ポリイソブチレンで構成されている場合、ポリイソブチレンの一部又は全ては、上記材料を構成するポリイソブチレンの異性体に応じて、融解物として帯域３に進入することになる。別の例では、炭化水素材料が低密度ポリエチレンで構成されている場合、帯域３の最低作動温度は、２２０°Ｆ（１０４℃）以上であり、約２２０°Ｆ（１０４℃）以下の融点を有する成分全ての融解を達成するのに適切な作動温度にある。更に別の例では、炭化水素材料がポリスチレンで構成されている場合、帯域３の最低作動温度は、４６４°Ｆ（２４０℃）以上であり、約４６４°Ｆ（２４０℃）以下の融点を有する成分全ての融解を達成するのに適切な作動温度にある。有機ハロゲンが融解物中に存在する場合、本発明を稼働させると、３０５°Ｆ（１５２℃）以上の温度範囲で比較的わずかな収量のハロゲン酸の生成がもたらされることになる。帯域３の作動温度が５７２°Ｆ（３００℃）に近づくと、帯域３  ４０３で更なる塩酸が発生する場合がある。その場合、ヘテロ原子スカベンジャー及びハロゲン酸の反応から生じる塩が形成し始め、残りのハロゲン酸とともに、本発明の稼働によりｉｎ  ｓｉｔｕで生成される融液相クラッキング触媒として作用するだろう。ハロゲン酸が帯域３の終わりで形成し始める場合、帯域３は、帯域３の作動圧力範囲の上域で作動する。
【００６８】
帯域４：混合、不安定化及びヘテロ原子除去帯域。帯域４  ４０４は、５７２°Ｆ（３００℃）以上６９０°Ｆ（３６６℃）以下程度の内部反応器温度範囲で、３０分以上１２０分以下程度の滞留時間にわたって稼働される。帯域４では、炭化水素材料は、温度上昇、せん断力、ＰＶＣ、ＰＶＤＣ、及びある難燃剤等の分解に起因するハロゲン酸の発生、及びある添加剤及び可塑剤の分解に起因する炭化水素蒸気の発生に起因する圧力上昇を受ける。帯域４の初期では、圧力は、帯域３の近接端部の圧力と等しく、約５０ｐｓｉｇ（３４５ｋＰａ）〜約８００ｐｓｉｇ（５５１６ｋＰａ）の範囲である。加熱されるとともに、炭化水素材料は、更なるせん断作用を受けるため、膨張する。炭化水素蒸気及びハロゲン酸が発生するとともに、帯域４の圧力は、発生する炭化水素蒸気及びハロゲン酸の量、並びに押出機スクリューとバレルとの間の間隙、せん断度合いの制御に応じて、最大で約１，２００ｐｓｉｇ（８２７４ｋＰａ）にも上昇する。押出機スクリュー及びバレル構築体２１０の端部付近、帯域４の中心又は中心付近の位置で、炭化水素蒸気及びハロゲン酸は、選択的に低真空下でハロゲン出口ポート２０５から放出される。この地点では、帯域４の圧力は、ハロゲン出口ポート２０５で、２ｐｓｉｇ（１３．８ｋＰａ）以上の最低値に、又は真空が選択的に使用される場合、恐らくはそれより低い値に低下するであろう。不安定化炭化水素材料は、押出機２０１から連結ポート２０７を介して熱窯炉反応器３０１に放出される。炭化水素材料の不安定化が継続するとともに、連結ポート２０７の配管内、帯域４の連続部分で、軽微な圧力上昇から中程度の圧力上昇が起こる。熱窯炉反応器３０１の第１のチャンバー３０２内の帯域４の連続部分に排出されると、熱窯炉反応器の作動圧力に対して、一般的には約５．０ｐｓｉｇ（３４．５ｋＰａ）以下への圧力低下が起こる。
【００６９】
帯域４で作動する本発明の装置のこの区画の目的は、融解物を長期間にわたって十分に混合し、融解物を含む分子を不安定化し、硫黄を除去し（脱硫）、有機ハロゲンを固形塩に変換する（つまり、脱ハロゲン化）ことである。
【００７０】
炭化水素材料内のポリマークラッキングは、塩酸、臭化水素酸、及び／又はフッ化水素酸の多段階生成により促進される。そのような酸は、一般的にクラッキング触媒として特定されている。同時に及びその後、これらのハロゲン酸とヘテロ原子スカベンジャーとの反応により、炭化水素材料中の有機ハロゲンが、これもクラッキング触媒として特定されている塩へと変換される。したがって、帯域４におけるあるポリマー可塑剤及び添加剤の分解の結果として炭化水素蒸気が帯域４  ４０４で生成されることに加えて、また、帯域４を作動させることにより、標準的熱力学及び反応速度論モデルにより予測される温度を大きく下回る温度での炭化水素蒸気の生産がもたらされる。帯域４  ４０４で生産されるそのような炭化水素蒸気は、凝縮すると、合計で２％以上２２％以下の本発明の凝縮性産物の収量をもたらす。ヘテロ原子除去の効力及び帯域４  ４０４の稼働から生じる産物油の生産速度は、帯域４の作動温度、帯域４での滞留時間、並びに帯域４の幾何学的配置対原料スループット速度及び組成の相互作用を達成するように、勾配速度を含むが、それに限定されない要因により制御される。帯域４の幾何学的配置は、帯域４内の押出機スクリュー及びバレル構築体２１０のその部分の長さ及び直径、押出機スクリューの設計、加熱連結ポート２０７の長さ、帯域４内の熱窯炉反応器３０３の第１のチャンバー３０２の長さ及び直径、帯域４の全部分の所望の総滞留時間、及び帯域４融解物からの総質量減少を含む要因の関数である。帯域４での反応により炭化水素融解物から除去されたヘテロ原子は、大部分は塩としてチャー材料に蓄積し、それは、その後、以下に述べるように帯域７から除去される。
【００７１】
本発明のその後の区画から回収される熱分解産物に加えて、微結晶性及び／又はパラフィンろう産物は、帯域４  ４０４から帯域５  ４０５への移行部分の地点で、具体的には、キャッチトラフ３３０でろうを回収し、その後ろう出口管３３１からろうを流動させ、最終的にテイクオフポート（ｔａｋｅｏｆｆ  ｐｏｒｔ）３３２で回収することにより、熱窯炉反応器３０１の第１のチャンバー３０２の端部から直接放出することができる。帯域４の最初の部分の内部にある、せん断され、その後混合された融解物は、放出し、凍結させて試験すると、融解プラスチックの特徴を維持しているが、上記材料は、帯域４の後半内で帯域４  ４０４から帯域５  ４０５への移行部分に向かって前進するとともに、次第に不安定化されるため、上記材料は、主に同族クラッキング（ｈｏｍｏｌｏｇｏｕｓ  ｃｒａｃｋｉｎｇ）によるクラッキングを起こし始め、粘性を徐々に失い、凍結されると、より脆弱になり、融解物が、３５２℃（６７０°Ｆ）〜３６５℃（６９０°Ｆ）の範囲の温度にて、適切な滞留時間で保持されると、最終的には硬質ろうの特徴を示すようになる。帯域５での熱分解前には、比較的少量のチャーしか生成されないことを考慮すると、テイクオフポート３３２から放出されるろうは、ろうから蒸気として発生しなかった溶解低分子量炭化水素分子、反応器へ導入された原料の非炭化水素成分、及び導入されていた場合は、ヘテロ原子スカベンジャーの、もしあれば反応副産物に汚染されているに過ぎない。反応器は、ろうテイクオフ（ｗａｘ  ｔａｋｅ−ｏｆｆ）を用いて又は用いずに稼働させることができる。ろうが取り出されない場合、液体状態で反応器に残り、その後の帯域で更に処理される。この硬質ろうが、取り出され、回収される場合、室温に冷却して固体状態にすることになる。そのため、ろうは、固形産物とみなすべきである。
【００７２】
炭化水素材料中のある非ポリマー材料は、最終産物分子組成に変化をもたらす反応に寄与する、及び／又は反応を促進するであろう。例えば、装置１０に導入される原料炭化水素材料の狭雑物として紙が存在すると、図３に示されているテイクオフポート３３２から回収することができるろう中の、並びに図４に示されているテイクオフポート８３１及び／又は８３３及び／又は８３５から凝縮及び回収される凝縮性炭化水素蒸気中のパラフィン及び／又はイソパラフィンを犠牲にして、芳香族及び多核芳香族炭化水素の濃度が、それに比例して増加する場合がある。所望の一次産物が芳香族留分を含んでいる場合、原料中に紙が存在することは有利であり得る。別の例では、ラミネートの成分としてアルミニウムホイルを含むラミネート食品包装廃棄物が、都市廃棄物プラスチック中に存在する場合がある。ポリマー層が融解すると、アルミニウムホイルが放出される。アルミニウムの金属表面は、その表面での急速な解重合を促進し、ろう留分の収量増加をもたらす。
【００７３】
テイクオフポート３３２からのろう放出は、テイクオフポート３３２からろうを放出させずに本発明を作動させる場合よりも、高い総プロセス収量の凝縮性石油炭化水素をもたらす。凝縮性炭化水素が、テイクオフポート３３２からろうとして取り出される場合、これらの取り除かれた分子は、帯域５  ４０５及び６  ４０６での熱分解を受けず、ガス及びチャーの収量は、それに比例して低くなる。一般的に、テイクオフポート３３２から放出されたろうに懸濁されている比較的制限的な量のチャーは、大部分は、狭雑物として原料に含まれているセルロース、狭雑物として原料に含まれている非ポリマー物質、ヘテロ原子スカベンジャーが添加された場合は、反応及び未反応ヘテロ原子スカベンジャー、ｉｎ  ｓｉｔｕで生成された融液相触媒、供給原料に添加されたあらゆる融液相触媒の分解から生じる炭素で構成されている。
【００７４】
混合ポリマーの分解から生じ、テイクオフポート３３２から回収されるろうは、非分岐アルカン対分岐アルカンの比、より暗色の色、より高い融点、硬度、及び粘着特徴を含む、パラフィンろうとは対照的な微結晶性ろうの多くの特徴を示す。
【００７５】
帯域５：熱分解帯域。帯域５  ４０５は、一般的に、温度範囲の下限が、３６５℃（６９０°Ｆ）〜３９３℃（７４０°Ｆ）程度であり、温度範囲の上限が、４５４℃〜４８８℃（８５０°Ｆ〜９１０°Ｆ）程度である、一次熱反応器に導入される原料の混合物に適切な内部反応器温度範囲内で、一般的に約５．０ｐｓｉｇ（３４．５ｋＰａ）以下のｉｎ  ｓｉｔｕ由来（ｄｅｒｉｖｅｄ）反応器圧力で、３０分以上９０分以下程度の滞留時間にわたって稼働される。必要とされる滞留時間にわたる高温とともに、酸素が欠如していることにより、高次反応速度論に従って生じる種々の熱分解反応が起こり、ポリマー材料は、揮発性蒸気及びチャー材料に分解される。蒸気流動は、主に蒸気で構成されるが、エアゾル液体及び凝縮性分子を含有している場合がある。この蒸気流動は、更なる下流処理（下記に記載）にかけられ、そこで凝縮性蒸気及び非凝縮性蒸気に分離される。凝縮性蒸気は、油、軽質低硫黄原油、燃料添加剤、及び基油を含む液体を形成する。重留分は、一般的に粗ろうの形態の固形産物を形成する場合がある。非凝縮性蒸気又はガスは、回収され、選択的に発電セット（上記に記載）に送って発電するか、又は使用前に、液体産物（下記でより詳細に考察）の蒸気ブランケットとして他所を循環させてもよい。
【００７６】
凝縮性炭化水素の最終収量、並びに油、ガス、チャー及び無機残渣の相対的物質収支は、幾つかの要因により制御される。これらの要因には、これらに限定されないが、作動温度、帯域５  ４０５の幾何学的配置対原料スループット速度の相互作用、熱分解反応を完了させるために必要な滞留時間、所望の反応完了度、原料組成、及び該当する場合はテイクオフポート３３２からのろう産物の回収が含まれる。帯域５の幾何学的配置は、これらに限定されないが、熱窯炉反応器の第２のチャンバーの長さ、熱窯炉反応器の直径、熱窯炉反応器の内部設計、及び帯域５の融解物からの蒸気発生及び放出による質量減少の予測率を含む要因の関数である。この質量減少率は、帯域５幾何学的配置を設計するための双方向性熱力学及び反応速度論モデルからの重要な情報である。本発明を含むプロセスは、酸素及び有機ハロゲンが熱分解帯域５  ４０５は事実上存在せず、それと相まって、塩を含むｉｎ  ｓｉｔｕ由来触媒が存在することを特徴とする。
【００７７】
帯域５  ４０５を作動させると、連続的に前進する炭化水素材料の熱分解が進行し、蒸気が反応器から排出されるとともに、炭化水素材料の質量の著しい減少がもたらされる。熱窯炉反応器３０１は、熱分解炭化水素材料が、不完全熱分解炭化水素材料上に蒸気の沸騰及び動的転移界面を示すボイラーとして作動する。この転移表面は、炭化水素材料が効果的に熱分解されて、残りが、脱揮発及びコークス化のための帯域６  ４０６へと前進させる固体チャー材料及び任意の不完全熱分解炭化水素材料のみになるまで、動的平衡条件下で沸騰するため、連続的に発生する。熱分解が完了へと進行するとともに、反応器では、炭化水素材料の粘度の付随的及び相関的な変化が起こる。
【００７８】
選択的に、例えば、帯域５からの産物蒸気の排出を加速させるのが望ましい場合、所望の産物構成に応じて、非凝縮性キャリヤガスを、補助注入ポート３２０から熱窯炉反応器３０１に導入することができる。キャリヤガスを選択的に付加することにより、第２のチャンバー３０３を出て、対応する帯域５へと流動する蒸気流が、それに比例して増加する結果となる。したがって、この選択肢が行使される場合、コンデンサ８０は、蒸気流の増加率を許容するように設計されていなければならない。そのような非凝縮性キャリヤガスは、窒素、及び／又は本発明を作動させることから生じる再利用非凝縮性ガス留分、及び／又は天然ガス若しくはこれらの非凝縮性ガスの任意の混合物に由来するメタンで構成されている。キャリヤガス用窒素の代わりとしての再利用ガス及び／又はメタンの使用は、窒素による希釈をしないため、生産されたプロセスガスのＢＴＵ含量が増加し、並びに窒素を購入又は生成する必要性がないため稼働コストが減少するという利点を有する。また、本発明のこの態様は、原料組成及び稼働条件の範囲に応じて、油収量の増加という予期しない利点、熱分解環境での反応器雰囲気の水素濃度のわずかな増加というわずかとはいえ予期しない利点、及びその結果生じるプロセスガスの水素濃度の予期しない増加をもたらすことができる。
【００７９】
帯域６：チャー及び残留固形物脱揮発帯域。帯域６  ４０６は、チャーから揮発性炭化水素を除去し、並びに任意の残留オリゴマー及び半揮発性芳香族炭化水素をコークスに変換する役割を果たす。帯域６は、一般的に４５４℃（８５０°Ｆ）から４８８℃（９１０°Ｆ）程度の、約９８２℃（１８００°Ｆ）以下の、一般的に及び好ましくは、５９３℃（１１００°Ｆ）〜６４９℃（１２００°Ｆ）程度の、熱反応器へ導入された原料の混合物に適切な最大熱分解温度以上の内部反応器温度で、及び一般的には約５．０ｐｓｉｇ（３４．５ｋＰａ）以下のｉｎ  ｓｉｔｕ由来反応器圧力で稼働される。帯域６  ４０６は、一般的には約０．８ｐｓｉｇ（５．５ｋＰａ）以下のｉｎ  ｓｉｔｕ由来反応器圧力で、及び１５分以上６０分以下程度の滞留時間で稼働される。帯域５  ４０５及び６  ４０６で起こる反応から生じる蒸気は、帯域５  ４０５に配置されている出口３２３へと放出される。出口は、単一の出口３２３であってもよく、又はバックアップ出口又は補助出口を含む複数の出口であってもよい。
【００８０】
スクラバ（非表示）を使用して、帯域４  ４０４で捕捉されなかった任意の残留ハロゲンを、ステップダウンコンデンサ８０に放出する前に回収することができる。このヘテロ原子スクラバは、例えば、３３８℃（６４０°Ｆ）〜３６５℃（６９０°Ｆ）程度の、各固有原料混合物中のハロゲンを回収するのに適切な温度範囲だが、クラッキングを促進するほど過剰ではない温度で稼働される。
【００８１】
帯域６  ４０６を作動させることから生じる蒸気は、選択的に、触媒反応器及び／又は還流反応器及び／又は分溜塔（集合的に、非表示）に送って、ステップダウンコンデンサ８０に放出する前に更に処理することができる。熱窯炉反応器３０１の帯域５  ４０５、帯域６  ４０６、及び／又は帯域７  ４０７、及び／又はスクラバから発散する蒸気は、１つ又は複数の二次触媒反応器、及び／又は還流反応器、及び／又は分溜塔（集合的に、非表示）に送ることができる。これらの反応器及び／又は塔は、必要に応じて、凝縮性産物中の分子サイズ及び分子種分布を最適化するように設計されている。
【００８２】
加えて、帯域６  ４０６の目的は、分子クラッキングを所望の終了点まで完了させることを含み、また、シラン及びシロキサンの全てではないが一部を分解することを目的とする。注目すべきは、ポリフッ化エチレン（ＰＴＦＥ）、クロロメチル芳香族シラン（可撓性多層回路基板の成分）、又は反応速度論モデルが４５４℃（８５０°Ｆ）を超える温度での脱ハロゲン化を記述する他のハロゲン化種を含む炭化水素材料中の前記ハロゲンの捕捉は、熱窯炉反応器３０１の下流及びコンデンサアレイ８０の上流に位置するスクラバ（非表示）で達成されなければならない。
【００８３】
凝縮性産物のオレフィン含有量が問題となる場合、選択的に、抗酸化剤／安定剤／阻害剤（以下、「阻害剤」と呼ぶ）を、熱窯炉反応器３０１からの放出の下流、並びに熱緩和が十分な任意の触媒反応器、及び／又は還流反応器、及び／又は分溜塔からの蒸気放出地点の下流に注入することができる。阻害剤は、４−ｔｅｒｔ−ブチルカテコール、他のアルキルカテコール、２，６−ジニトロ−ｐ−クレゾール（ＤＮＰＣ）、全アスファルト質原油又は抜頭アスファルト質原油の留分、フェニレンジアミン、及び／又はオキシ化合物阻害剤の種類である市販物質で構成されていてもよい。阻害剤は、準安定分子種並びにそうでなければ生じることになる付加重合を含む、広範な下流酸化反応を阻害するために導入される。約２８０°Ｆ（１３８℃）の温度の還流産物流動には、約０．００００１〜０．０５モルパーセント比の阻害剤を、コンデンサ８０１が約２８０°Ｆ（１３８℃）未満の最高温度で作動している場合は、コンデンサ８０１に注入することができ、又はコンデンサ８０１が、約２８０°Ｆ（１３８℃）を超える最高温度で稼働されている場合は、コンデンサ８０３に注入することができる。
【００８４】
産物蒸気は、放出ポート３２３から、又は使用されている場合は、下流の触媒反応器、及び／又は還流反応器、及び／又は分溜塔、及び／又はスクラバから、直列のステップダウンコンデンサ８０、例えば、コンデンサ単独よりも効率的な分離を達成可能であることが必要とされる応用の場合、コンデンサ間にデミスタ８１１、８１３、及び８１５が選択的に補完されている、図４に示されているコンデンサ８０１、８０３、及び８０５に放出される。残留芳香族炭化水素を非凝縮性ガス産物から非常に効率的に除去することが必要とされる場合、最終デミスタシステム（非表示）を、濃縮系統の端部に使用することができる。各直列コンデンサは、所望の露点範囲内の分子を単離するために指定される所定の温度範囲内で稼働され、それぞれのＡＰＩ比重及び流動点及び／又は融点を有する凝縮性産物がもたらされる。図４に示されている実施形態では、系統８０の最初のコンデンサ８０１は、最も高い温度範囲で稼働され、この系統の最後のコンデンサ８０５は、最も低い温度範囲で稼働される。選択的に複数のデミスタ８１１、８１３、及び８１５が、それぞれのコンデンサの最低作動温度に対応する温度で稼働される。コンデンサ及び使用される場合はデミスタには、ノックアウトとしても知られている収集容器８２１、８２３、及び８２５が取り付けられており、それらは、回収しようとする各石油留分に必要とされる場合がある油蓄積／テイクオフ及び油−水分離を提供する。
【００８５】
凝縮性産物留分は、各コンデンサ及びその専用デミスタから、それぞれのノックアウト８２１、８２３、及び８２５に回収され、ｉｎ  ｓｉｔｕ由来の水及び油の比重分離が提供される。系統８０に使用される複数のコンデンサは、コンデンサ系統としても知られている、一連のステップダウンコンデンサを構成する。例として、ステップダウンコンデンサ系統が、少なくとも４つの留分を回収するのに適切な様式で構築される場合、４つのステップダウンコンデンサが、直列に設置される。３００°Ｆ（１４９℃）〜３６０°Ｆ（１８２℃）程度で作動させれば、最初のステップダウンコンデンサ及びその対応するデミスタから、粗ろうを回収することができる。又は、その代わりに、１３０°Ｆ（５４℃）〜３００°Ｆ（１４９℃）程度で作動させれば、最初のステップダウンコンデンサ及びその対応するデミスタから、粗ろう及び基油を回収することができる。９０°Ｆ（３２℃）〜１３０°Ｆ（５４℃）程度で作動させれば、２番目のステップダウンコンデンサ及びその対応するデミスタから、ディーゼル添加剤と記載されることもある軽質低硫黄原油を回収することができる。６０°Ｆ（１６℃）〜９０°Ｆ（３２℃）程度で作動させれば、３番目のステップダウンコンデンサ及びその対応するデミスタから、凝縮物又はガソリン添加剤と記載されることもあるＣ４〜Ｃ８炭化水素の回収と同時に、大部分の水を回収することができる。３５°Ｆ（１．７℃）〜６０°Ｆ（１６℃）程度で稼働させれば、４番目及び最後のステップダウンコンデンサ及びその対応するデミスタから、軽芳香族留分が回収され、並びに主要水分平衡が取り戻される。
【００８６】
液体産物は、その後の製品販売のために、図４に示されている遠隔デイタンク８３１、８３３、及び８３５に送ることができる。より高い流動点を有する液体又は融解状態で搬送しなければならないろう産物を含有する産物タンクは、それぞれの産物の流動点及び／又は融点をわずかに上回る温度に加熱して、それらのそれぞれのデイタンク中の産物を蒸留させない産物搬送が提供される。好ましい実施形態は、酸化による産物分解を最小限に抑え、特に阻害剤（上記に記載されている）が産物に添加されない場合、オレフィンの存在に起因して生じる場合がある付加重合から生じるタール及びワニスの形成を遅延させるために、液体産物上の嫌気性非凝縮性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、本装置により生産され、ガス放出ポート８３０から放出される非凝縮性産物ガスで構成されていてもよい。タンク蒸気入口及び排気口は、圧力制御されていてもよく、本発明の非凝縮性ガス放出ポート８３０と一体化されていてもよい。最初のコンデンサ８０１から回収される重留分は、重留分の回収及び販売が所望でない場合、上述のプロセスに戻して再利用することができる。
【００８７】
残留非凝縮性ガスを、非凝縮性ガス放出ポート８３０から回収し、選択的に発電セット（上記に記載）に送って、発電してもよい。或いは、回収された非凝縮性ガスは、液体産物タンク中の液体産物上の蒸気ブランケットとして他所で使用するか、反応器装置の直接燃焼式加熱の燃料として消費するか、他の目的の燃料として消費するか、又は燃焼させる前に循環させることができる。
【００８８】
選択的な発電セットは、遠隔地である等の発電が有利な場合又は電気価格が非常に高い場合に使用されるが、圧縮帯域４０２及び／又は悪臭防止が望ましい区域、例えば、使用済みプラスチック原料在庫保管所及び産物乾燥器等から補給空気を取り入れることができる。発電セットからの排気は、大気汚染防止システムに送られる。
【００８９】
原料炭化水素材料とともに一次熱反応器に入る水分から回収されるｉｎ  ｓｉｔｕ由来の水、及び一次熱反応器及び他所で化学反応により生成されるｉｎ  ｓｉｔｕ由来の水は、図４に示されているノックアウト８２１、８２３、及び８２５の底部から別々に回収し、炭素床に送って溶解芳香族炭化水素化合物を吸着させ、その後、使用されている場合は、発電セットからの、反応器の直接燃焼加熱からの、及び／又は他所からの廃熱を使用して蒸気に気化させることができる。選択的に、この蒸気の一部は、活性炭に送ってもよく、廃水として処分されるか又は補助注入ポート３２０からプロセスに戻される凝縮液は、水−ガスシフト反応を促進する。或いは、蒸気として大気汚染防止システムに送ってもよい。
【００９０】
帯域７：チャー及び固体放出帯域。この帯域４０７は、放出帯域の開始部では先行する帯域６  ４０６の最高温度以上１，８００°Ｆ（９８２℃）以下程度から、放出の終了部では周囲温度までの内部反応器温度範囲で稼働される。この帯域４０７は、一般的に帯域６  ４０６が受けるシステム圧力以上１．０ｐｓｉｇ（６．９ｋＰａ）以下程度の、帯域７並びにコンデンサ８０へのそのそれぞれの放出のため比較的真空で稼働される蒸気テイクオフポート３２３直下及び／又は下流が受けるｉｎ  ｓｉｔｕ由来反応器圧力で稼働される。チャー放出帯域での滞留時間は、１５分以上３０分以下である。固体チャーをシステムから取り出し、これらに限定されないが、ガラス、石、及び金属等を含む不活性夾雑物を、反応器から隔離して、それによりチャーとする。帯域７  ４０７からの固形物は、チャー出口３１９から放出される。固形物は、帯域７  ４０７の一部であってもよい密封冷却連続プロセス固形物テイクオフシステム（非表示）に放出することができる。その高温末端で、天然ガスに由来するメタンでチャーをパージして、残留吸着芳香族及び多核芳香族炭化水素を軽減する。このシステムは、固形物を収集及び／又は分離及び冷却し、エタンパージにより、芳香族炭化水素及び多核芳香族炭化水素のチャーへの再吸着を防止し、チャー出口３１９下流の帯域７  ４０７の主にメタンパージガスを含む高温嫌気性雰囲気からの固形物流動に同伴する蒸気を、帯域７  ４０７の端部にて固形物の引火点未満温度で大気空気に変換するように設計されている。これは、自然燃焼を防止し、粉体爆発リスクを軽減するような様式で行われる。チャーの非常に高い断熱能力を考慮すれば、冷却を可能にする適切な滞留時間は、自然燃焼を回避するのに重要である。
【００９１】
帯域７  ４０７において芳香族炭化水素及び多核芳香族炭化水素のチャーへの再吸着を防止する本発明の能力は、従来のチャーを回収する試みに対する重要な改良である。熱分解チャーは、芳香族及び多核芳香族炭化水素で構成される吸着タールが存在する場合、「粘着性」であることで有名である。この問題は、放出される際の最終冷却前に高温メタンパージすることにより、芳香族炭化水素及び多核芳香族炭化水素のチャーへの再吸着を防止する本発明の能力により解決される。その結果、ほぼ全ての芳香族及び多核芳香族炭化水素が存在しない場合、チャーが、廃棄物として処分されなければならない場合でも、本発明の帯域７  ４０７から放出されるチャーは、４０  ＣＦＲ  Ｐａｒｔ  ２６１．２０に記載されている有害廃棄物のＤ０１８、Ｄ０２３、Ｄ０２４、Ｄ０２５、Ｄ０２６、又はＤ０３６毒性特徴を示さない。非有害固体廃棄物と有害廃棄物とで処理コストに大きな差があることを考慮すれば、本発明のこの改良は、必要に応じて、以前に特定されている有害廃棄物コードにより特定される有害廃棄物とは対照的に、チャーを非有害廃棄物として廃棄するための手段を提供する。
【００９２】
汚損（ｆｏｕｌｉｎｇ）は一般的な問題であり、装置中の種々の地点で生じ得る。そのような地点には、一次熱反応器から出ている放出ノズルが含まれる。この汚損は、チャー、ワニス、タール、テレフタル酸、安息香酸、及び鉱物塩等の沈着の結果である。これらの沈着物は、種々の方法で除去することができ、及び／又は堆積を防止することができる。１つの方法は、ノズル又は他のポートの内部に設置される１つ又は複数の機械的ラッパー（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  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、発明の名称が「Ａｎｔｉ  −Ｆｏｕｌｉｎｇ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｃｌｅａｎｉｎｇ  Ｄｅｐｏｓｉｔｓ  ｉｎ  Ｐｉｐｅｓ  ａｎｄ  Ｐｉｐｅ  Ｊｏｉｎｔｓ」である米国特許出願第１３／７３５６７７号に記載されている。ラッパー装置は、望ましくない圧力損失及び圧力変動を起こさないように蒸気の迂回を可能につつ、汚損しやすい表面の内部を擦過するように設計されており、計画的な手動使用又は電子制御により稼働される。その結果生じる蒸気は、システムの次の区画への浮遊粒子の通過を軽減するためのセラミック、ガラス繊維、及び／又は静電気デバイスで構成されたフィルタエレメントを通過させる。これにより、そうでなければ凝縮性産物中の総金属濃度に寄与するチャー及び／又は塩及び酸化物の粒子並びに同伴／浮遊粒子物質の存在により促進される、触媒作用を含む、下流システムを汚損する望ましくない下流の化学反応が低減される。
【００９３】
本発明は、特定の例及び実施形態に照らして詳細に説明されているが、本明細書中に含まれている例及び実施形態は、単なる例示に過ぎず、網羅的な列挙ではない。本発明の変型及び改変は、当業者であれば、容易に企図されるだろう。本発明は、そのような改変及び等価物を全て含むものである。本発明の範囲を示すのは、特許請求の範囲のみであることが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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