РЕАКТОР И СПОСОБ ДЛЯ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ЧАСТИЧНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ И/ИЛИ ОЧИСТКИ ПЛАСТМАССОВОГО МАТЕРИАЛА
REACTOR AND PROCESS FOR AT LEAST PARTIAL DECOMPOSITION AND/OR CLEANING OF PLASTIC MATERIAL

Изобретение относится к реактору для газификации и/или очистки, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Согласно другому аспекту, изобретение относится к способу по меньшей мере частичного разложения, в частности деполимеризации, и/или очистки пластмассового материала.
Использованные пластмассовые изделия в большинстве случаев применяются вторично тем, что их перерабатывают в изделия, в которых качество пластмассы играет второстепенную роль, например в скамейки или столбы. Однако эти применения не в состоянии обеспечивать использование огромных пластмассовых отходов, так что большая часть пластмассового мусора применяется в качестве топлива.
Из US 5436210 А известно устройство для обработки отходов, в котором отходы вводятся снизу в ванну из расплавленного металла. Отходы разлагаются и покидают ванну в жидком или газообразном виде.
Из ЕР 1840191 А1 известно устройство для газификации биомассы. Такой реактор не пригоден, как правило, для газификации или очистки пластмассового материала, поскольку лежащие в основе процессы являются другими.
Из JP 2004256773 А известно устройство для термического разложения, в котором подлежащий пиролизу материал проводится в горизонтально проходящей трубе, которая нагревается снаружи. Для устранения остатков, устройство для разложения имеет вращающийся шнек, с помощью которого остатки транспортируются к концу трубы для извлечения.
В основу изобретения положена задача создания реактора для газификации и/или очистки пластмассового материала, который имеет небольшой конструктивный объем.
Задача решена, согласно изобретению, с помощью реактора, в котором образовано направляющее устройство для направления сжиженного пластмассового материала по спиральному пути.
Согласно другому аспекту изобретения, задача решена с помощью способа по меньшей мере частичного разложения, в частности деполимеризации и/или очистки пластмассового материала, содержащего стадии: (а) ввода пластмассового материала в реакторный сосуд, который проходит вдоль продольной оси, (b) нагревания пластмассового материала с помощью нагревателя и (с) направления с помощью расположенного во внутреннем пространстве реакторного сосуда направляющего устройства пластмассового материала на путь вокруг продольной оси реакторного сосуда.
Преимуществом изобретения является то, что пластмассовый материал проходит в реакторе длинный путь, так что он большей частью вступает в химическую реакцию. За счет направления пластмассового материала по спиральному пути реактор может быть выполнен очень компактным, что снижает потери тепла за счет излучения.
В рамках данного описания под реактором понимается, в частности, термокаталитический деполимеризационный реактор. Под этим понимается реактор, который предназначен для деполимеризации подаваемых полимеров термически и/или каталитически и/или разложения на вещества с более низкой температурой плавления или кипения. Однако реактор может быть также предназначен для очистки пластмассового материала. В этом случае температуру в реакторе предпочтительно выбирают так, что разлагаются загрязнения, а пластмассовый материал остается нетронутым.
Под нагревателем понимается любое устройство, которое предназначено для подвода тепловой энергии в пластмассовый материал в реакторном сосуде. Предпочтительно, это индукционный нагреватель, который по меньшей мере в некоторых частях реакторного сосуда и/или в расположенных во внутреннем пространстве реакторного сосуда компонентах создает индуктивным методом тепло. Это имеет то преимущество, что также лежащие радиально далеко внутри части реакторного сосуда могут хорошо нагреваться.
Под направляющим устройством понимается, в частности, структура, которая выполнена так, что каждый воображаемый объемный элемент должен по меньшей мере один раз проходить вокруг продольной оси. Это относится, естественно, лишь для не преобразованных в газ составляющих частей воображаемого объемного элемента. В частности, направляющее устройство выполнено плоским. Например, направляющее устройство выполнено из стального листа.
Под признаком предназначения направляющего устройства для направления сжиженного пластмассового материала по спиральному пути понимается, в частности, что направляющее устройство выполнено так, что оно принудительно направляет сжиженный пластмассовый материал на путь, который по меньшей мере два раза, однако, в частности, несколько раз проходит вокруг продольной оси реакторного сосуда. Возможно, но не обязательно, что реакторное устройство является винтообразным. Например, возможно также, что направляющее устройство состоит из нескольких стальных листов, которые проходят на некоторых участках по существу горизонтально, а на некоторых участках проходят с наклоном вверх. В этом случае пластмассовый материал протекает по пути, который лишь на некоторых участках проходит вверх и на некоторых участках по существу горизонтально.
Предпочтительно, реакторный сосуд имеет подающее устройство для подачи пластмассового материала. Это подающее устройство предпочтительно расположено вблизи дна реакторного сосуда. Оно может содержать экструдер, с помощью которого обеспечивается возможность пластификации пластмассового материала.
Согласно изобретению, реакторный сосуд содержит металлический расплав. Металлический расплав может содержать, например, сплав Вуда. Обычно предпочтительно, когда металлический расплав имеет температуру плавления максимально 300°С.
Предпочтительно, когда реактор содержит конденсатор, с помощью которого обеспечивается возможность конденсации газов, которые выходят из реакторного сосуда. Эти газы является в большинстве случаев продуктами разложения пластмассового материала. Целесообразно, что реакторный сосуд содержит пластмассовый материал в виде полиолефина, который вводится, например, через дозировочное устройство снизу в реакторный сосуд. При разложении полиолефина возникает подобная нефти жидкость, которую можно сжигать для нагревательных целей или использовать для целей синтеза.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения, направляющее устройство проходит вверх относительно вертикального поперечного сечения с увеличивающимся радиальным расстоянием. Другими словами, направляющее устройство в этом случае выполнено так, что попадающий на направляющее устройство пластмассовый материал направляется вверх и радиально наружу. В этом случае газ, который возникает за счет разложения пластмассового материала, предпочтительно собирается у радиально наружного края направляющего устройства.
В качестве альтернативного решения возможно, что направляющее устройство проходит относительно поперечного сечения горизонтально или при увеличивающемся радиальном расстоянии проходит с ориентацией вниз. В этом случае предпочтительно, когда реактор имеет центральную колонну, так что направляемый внутрь пластмассовый материал не может перетекать через радиально внутреннюю кромку направляющего устройства и может подниматься непосредственно вверх.
Возможно также, что направляющее устройство на некоторых участках проходит горизонтально относительно вертикального поперечного сечения, на некоторых участках при уменьшающемся радиальном расстоянии проходит с ориентацией вверх и/или на некоторых участках при увеличивающемся радиальном расстоянии проходит с ориентацией вверх. Таким образом, можно оказывать любое влияние на поток возникающего газа.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения, направляющее устройство выполнено по меньшей мере на некоторых участках из ферромагнитного материала. Это особенно целесообразно, когда нагревание является индуктивным нагреванием. В этом случае направляющее устройство нагревается с помощью создаваемого индукционным нагревателем электромагнитного переменного поля, так что температура в непосредственном окружении направляющего устройства является особенно высокой. Предпочтительно, когда толщина направляющего устройства составляет по меньшей мере 1 мм, с целью обеспечения, с одной стороны, достаточной механической стабильности и, с другой стороны, хорошей связи с индуктивным переменным полем.
Предпочтительно, направляющее устройство имеет проходящие насквозь снизу вверх выемки. Эти выемки могут быть отверстиями, прорезями или разрывами между выемкой и, например, внутренней стороной реакторного сосуда.
Предпочтительно, когда выемки расположены по меньшей мере также на стороне края, в частности радиально снаружи и/или радиально внутри. При этом предпочтительно, когда выемки имеют небольшое поперечное сечение или небольшую ширину в свету. Это приводит к тому, что жидкому пластмассовому материалу противостоит особенно большое сопротивление потоку.
Согласно одному предпочтительному примеру выполнения, направляющее устройство имеет вблизи по меньшей мере части выемок утолщение. Под этим понимается, что направляющее устройство выполнено так, что обращенная к выемке поверхность больше толщины направляющего устройства без этого утолщения в том же месте. В частности, это утолщение выполнено из ферроэлектрического материала. В этом случае вблизи выемок могут быть, например, приварены утолщающие элементы.
Для улучшения связи с изменяющимся магнитным полем может быть предпочтительно предусмотрено, что реакторный сосуд по меньшей мере на своей обращенной к внутреннему пространству стороне содержит ферроэлектрический материал, соответственно выполнен из ферроэлектрического материала.
Дополнительно к этому предпочтительно, когда реактор имеет в своем внутреннем пространстве нагревательные элементы, которые могут иметь ферроэлектрический материал. Эти нагревательные элементы могут быть, например, шарами. В целом предпочтительно, когда нагревательные элементы являются выпуклыми, при этом воображаемая огибающая сфера минимального диаметра, которая окружает нагревательный элемент, имеет, в частности, диаметр максимально 50 мм. Дополнительно к этому предпочтительно, когда диаметр огибающей сферы составляет по меньшей мере 3 мм.
Ниже приводится более подробное пояснение изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
Фиг.1 - реактор, согласно изобретению, для реализации способа, согласно изобретению.
На фиг.1 показан реактор 10, согласно изобретению, для газификации пластмассового материала 12, в частности полимеров полиолефина. Реактор содержит реакторный сосуд 14 для нагревания пластмассового материала 12, который вводится через экструдер 16, например, на стороне дна в реакторный сосуд 14.
Реактор 10 содержит нагреватель 18 в виде индукционного нагревателя, который имеет несколько катушек 20.1, 20.2, …, 20.5, с помощью которых создается магнитное переменное поле во внутреннем пространстве 22 реакторного сосуда 14. Катушки 20 (позиции без индекса обозначают объект в целом) соединены с неизображенным блоком электроснабжения, который подает в катушки переменный ток. Частота переменного тока лежит, например, в диапазоне от 25 до 50 кГц. Возможны более высокие частоты, однако они приводят к увеличению так называемого скин-эффекта, что не желательно.
Во внутреннем пространстве 22 реакторного сосуда 14 расположено направляющее устройство 24, с помощью которого пластмассовый материал 12 направляется по спиральному пути вокруг продольной оси L реакторного сосуда 14. Направляющее устройство выполнено в данном случае в виде шнека.
Scmelz
Реакторный сосуд 14 заполнен металлическим расплавом 26, который имеет температуру плавления максимально T = 300°С. Например, металлический расплав состоит из сплава Вуда. Металлический расплав имеет, как правило, плотность более 9 г на кубический сантиметр, так что на пластмассовый материал 12 действует подъемная сила, которая вдавливает его снизу в направляющее устройство 24.
На основании температуры Т в реакторном сосуде 14, пластмассовый материал 12 последовательно разлагается и образует при этом газовые пузыри 28.1, 28.2, …. Металлический расплав 26 может оказывать на процесс разложения каталитическое действие, так что реактор 10 может быть термокаталитическим реактором деполимеризации. Пластмассовый материал является, в частности, полиолефином, который под влиянием температуры подвергается деполимеризации, так что газовые пузыри 28 могут содержать, среди прочего, алканы, алкены и алкины.
За счет шнековой формы направляющего устройства 24, пластмассовый материал 12 перемещается на своем пути от входного отверстия 30, которое предпочтительно расположено в дне реакторного сосуда 14, по спиральному пути, т.е. по закрученному вокруг продольной оси L пути. Поэтому вектор направления потока пластмассового материала 12 направлен вверх и имеет большую окружную составляющую, которая больше радиальной составляющей.
На фиг.1 реактор 10 показан в вертикальном поперечном сечении. Можно видеть, что направляющее устройство 24 относительно этого поперечного сечения проходит вниз с увеличивающимся радиальным расстоянием r от продольной оси L. За счет этого, попадающий на направляющее устройство 24 пластмассовый материал 12 направляется радиально внутрь. В частности, газовые пузыри 28 перемещаются радиально внутрь, где они ударяются в колонну 32. Направляющее устройство 24 содержит множество выемок 34.1, 34.2, …, через которые газ может легко проходить вверх.
Как показано отдельно в увеличенном масштабе на фиг.1, как раз у выемок 34, например у выемки 34.3, расположены утолщения 36.1, 36.2, которые в данном случае реализованы с помощью приваренных железных стержней. Поскольку железо является ферромагнитным материалом, то утолщения 36 и проходящий через выемку 34.3 газовый пузырь 28.3, так же, как возможно проходящий пластмассовый материал, нагреваются. Таким образом, действие утолщения состоит в том, что обращенная к выемке 34.3 поверхность А больше поверхности А', которая была бы обращена к выемке 34.3 при отсутствии утолщения 36. Другими словами, утолщение 36 приводит к увеличению локальной толщины D.
На фиг.1 схематично показано, что у лежащего радиально внутри внутреннего края 38 направляющего устройства 24 может быть образована выемка 34.4 в виде сквозной прорези. Поскольку относительно витка шнека радиально внутри находится наивысшая точка, то через эту лежащую радиально внутри выемку можно особенно эффективно отводить газ вверх.
Реакторный сосуд 14 на своей обращенной к внутреннему пространству 22 стороне выполнен из ферромагнитного материала, например из железа или магнитной стали. Кроме того, направляющее устройство 22 также выполнено из ферромагнитного материала, так что она нагревается с помощью индукционного нагревателя 18. Индукционный нагреватель 18 выполнен так, что получается температурный градиент, при этом температура увеличивается с увеличивающейся высотой. На нижнем конце реакторного сосуда 14 температура составляет, как правило, примерно Т=300°С, в то время как в верхней зоне она составляет примерно Т=450°С.
Реактор 10 имеет отвод 40 загрязнений, который расположен на верхнем конце реакторного сосуда 14. Поскольку типичные загрязнения пластмассового материала, например песок, легче металлического расплава, то они всплывают и могут быть удалены сверху. Дополнительно к этому, реактор 10 имеет отвод 42 газа, который входит в конденсатор 44 и отводит возникающий газ. Выходящий из конденсатора жидкий материал попадает в коллектор 46.
Способ, согласно изобретению, осуществляется тем, что с помощью экструдера 16 пластмассовый материал 12 предварительно нагревают до примерно 250°С. После этого частично пластифицированный пластмассовый материал 12 через входное отверстие 30 вводят в реакторный сосуд 14 и там нагревают. Пластмассовый материал 12 проходит по спирали вверх в реакторном сосуде 14 и при этом подвергается газификации. В качестве пластмассового материала предпочтительно применяют полиолефин. Однако можно использовать также другие полимеры. Предпочтительно, речь идет об антропогенных пластмассах, в частности по существу не содержащих воду пластмассовых материалах. На основании склонности к карбонизации, реактор 10, как правило, мало пригоден для преобразования органического материала.
При необходимости очистки пластмассового материала 12, металлический расплав доводят до температуры, при которой пластмассовый материал не разлагается, а разлагаются лишь содержащиеся в нем загрязнения.
ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ
10 Реактор
12 Пластмассовый материал
14 Реакторный сосуд
16 Экструдер
18 Нагреватель
20 Катушка
22 Внутреннее пространство
24 Направляющее устройство
26 Металлический расплав
28 Газовые пузыри
30 Входное отверстие
32 Колонна
34 Выемка
36 Утолщение
38 Внутренний край
40 Отвод загрязнений
42 Отвод газа
44 Конденсатор
46 Коллектор
L Продольная ось
T Температура
Schmelz
TТемпература расплава
r Радиальное расстояние
A Поверхность
D Толщина.