Устройство для переработки отходов из резинотехнических и полимерных материалов
DEVICE FOR PROCESSING WASTES FROM RUBBER AND POLYMER MATERIALS

Изобретение относится к технологии переработки отходов из резинотехнических и полимерных материалов в ценные жидкие, газообразные и твердые продукты и может быть использовано в химической, резинотехнической, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Известно устройство для пиролиза с использованием жидкого металла [Патент US №9,446,376, Apparatus for pyrolysis using molten metal, CPC B01J 19/26; B01J 19/0006; C01B 49/14; C10B 53/00, Опубл. 20.09.2016]. Устройство включает в себя реактор с расплавленным металлом, циркуляционный насос, соединенный с реактором, буферный резервуар, расположенный на верхней части реактора, сопло, обеспечивающее разбрызгивание жидкого металла во внутренней полости реактора, подключенное к циркуляционному насосу, узел для разделения продуктов пиролиза (полукокса и шлака), а также огневую печь, соединенную с реактором для сжигания полукокса, поступающего из реактора, внутри печи расположен теплообменник соединенный с внутренним объемом реактора для нагрева жидкого металла за счет тепла образующегося в результате сжигания полукокса. В известном устройстве в качестве жидкого металла используют олово, висмут или их сплавы. Известное устройство позволяет перерабатывать отходы биомассы, угля, пластмасс и резин.
Недостатками известного устройства являются сложность конструкции, невозможность перерабатывать полимерные материалы с армирующим каркасом неподвергающемуся пиролизу (такие как автомобильные шины), образование токсичных соединений в результате попадания олова, висмута или их сплава в огневую печь вместе с полукоксом в процессе работы.
Известно устройство для получения пироуглерода из углеродсодержащего сырья в том числе твердого, в которой осуществляют пиролитический процесс [Патент РФ на полезную модель №90779, МПК С01В 31/02, Установка для получения пироуглерода, Опубл. 20.01.2010, Бюл. №2]. Устройство содержит муфельную печь, внутри которой частично размещен металлический контейнер со съемной крышкой. Во внутреннем пространстве контейнера расположен керамический стакан, заполненный расплавом свинца или висмута или их сплава. В расплав помещен конец керамической трубки, проходящей через уплотнительную систему и крышку контейнера. Внутреннее пространство контейнера соединено трубопроводом через накопитель продуктов реакции и фильтр с хроматографом, а внутреннее пространство накопителя продуктов реакции соединено с окружающей средой через гидрозатвор. Для получения пироуглерода из различных углеродосодержащих твердых тел используют сетчатый контейнер, закрепленный на керамической трубке.
Недостатками известного устройства являются необходимость использования измельченных материалов и относительно низкая производительность, связанная с необходимостью прерывания цикла переработки для осуществления операций по загрузке и выгрузке.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является патент РФ на полезную модель [№4121, МПК С10В 1/04, Печь для пиролиза отработавших автомобильных шин, Опубл. 16.05.1997]. Устройство представляет собой цилиндрическую пиролизную камеру, образованную верхней и нижней частями, которые соединены между собой с помощью конического разъемного соединения. Загрузка перерабатываемого сырья (автомобильных шин) осуществляется в печь в съемной кольцевой корзине. К нижней части печи подключены все основные коммуникации, верхняя часть - выемная. Нагрев шин происходит за счет подачи в пиролизную камеру греющего газа. Цикл работы известной печи состоит из сборки печи, запуска и переработки, продувки пиролизной камеры инертным газом или паром, разборку печи, выгрузку корзины с твердыми продуктами переработки, загрузку новой корзины с шинами.
Недостатком известного устройства является относительно низкая производительность, связанная с необходимостью прерывания процесса переработки после истечения времени, необходимого для полного пиролиза одной загрузки шин, с целью извлечения продуктов и загрузки новой партии шин и невозможности совмещения во времени процессов переработки и загрузки/выгрузки материалов.
Задача, решаемая предложенным техническим решением, состоит в исключении указанного недостатка известного устройства, а именно, в обеспечении непрерывного процесса переработки материалов и совмещение во времени процессов переработки и загрузки/выгрузки материалов.
Технический результат - снижение времени процесса переработки из резинотехнических и полимерных материалов.
Для исключения указанного недостатка в устройстве для переработки отходов из резинотехнических и полимерных материалов предлагается:
- устройство дополнительно снабдить, по меньшей мере, одним баком-реактором и, по меньшей мере, одной выемной кассетой, верхним, нижним, отводящим и газовым трубопроводами с располагаемой на них запорной арматурой, конденсатором, сепаратором, линией сброса неконденсирующихся газообразных продуктов, нагревателями и теплоизоляцией;
- баки-реакторы выполнить с возможностью размещения в их внутренних объемах жидкометаллического теплоносителя и снабдить съемными крышками;
- выемные кассеты выполнить проницаемыми для жидкометаллического теплоносителя и парогазовых продуктов переработки;
- внутренние объемы баков-реакторов в верхних частях обечаек над уровнем жидкометаллического теплоносителя и в нижних частях обечаек под уровнем жидкометаллического теплоносителя сообщить, соответственно, верхним трубопроводом с двумя элементами запорной арматуры и нижним трубопроводом с элементом запорной арматуры;
- внутренние объемы баков-реакторов в верхних частях обечаек над уровнем жидкометаллического теплоносителя сообщить с газовым трубопроводом с двумя элементами запорной арматуры;
- отводящий трубопровод провести через конденсатор и соединить между собой верхний трубопровод на участке между элементами запорной арматуры и полость сепаратора;
- полость сепаратора соединить с линией сброса неконденсирующихся газообразных продуктов;
- газовый трубопровод на участке между элементами запорной арматуры подключить к баллону со сжатым газом через газовый редуктор;
- днища, обечайки и нижний трубопровод снабдить нагревателями и теплоизоляцией, расположенной поверх них.
В частных случаях реализации устройства для переработки отходов из резинотехнических и полимерных материалов предлагается:
- во-первых, в качестве жидкометаллического теплоносителя использовать свинец или эвтектический сплав свинец-висмут;
- во-вторых, между съемной крышкой и горловиной бака-реактора использовать уплотнение шип-паз с высокотемпературной набивкой, например, из углеграфита или асбеста;
- в-третьих, в качестве нагревателей использовать электрические нагреватели, выполненные в виде нихромовой проволоки с керамическими изоляторами;
- в-четвертых, в качестве сжатого газа использовать инертный газ, например, аргон;
- в-пятых, верхний трубопровод и отводящий трубопровод, на участке от верхнего трубопровода до конденсатора, снабдить электрическими нагревателями, и установленной поверх нагревателей теплоизоляцией.
Сущность устройства для переработки отходов из резинотехнических и полимерных материалов состоит в следующем.
На фигуре представлена схема одного из возможных вариантов исполнения устройства (двух баковая компоновка). На фигуре приняты следующие позиционные обозначения: 1 - бак-реактор; 2 - баллон со сжатым газом, 3 - верхний трубопровод; 4 - выемная кассета; 5 - газовый редуктор; 6 - газовый трубопровод; 7 - горловина; 8 - деталь фиксации положения выемной кассеты; 9 - днище; 10 - жидкометаллический теплоноситель; 11 - запорная арматура; 12 - конденсатор; 13 - линия сброса неконденсирующихся газообразных продуктов; 14 - нагреватель; 15 - нижний трубопровод; 16  -обечайка; 17 - отводящий трубопровод; 18 - сепаратор; 19 - съемная крышка; 20 - теплоизоляция.
Устройство снабжено, по меньшей мере, двумя баками-реакторами 1 и, по меньшей мере, двумя выемными кассетами 4, верхним 3, нижним 15, отводящим 17 и газовым 6 трубопроводами с располагаемой на них запорной арматурой 11, конденсатором 12, сепаратором 18, линией сброса неконденсирующихся газообразных продуктов 13, нагревателями 14 и теплоизоляцией 20.
Выемные кассеты 4 расположены во внутренних объемах баков-реакторов 1 с возможностью фиксации их положения и предназначены для размещения в ней отходов из резинотехнических и полимерных материалов. Выемные кассеты 4 выполнены проницаемыми для жидкометаллического теплоносителя 10 для обеспечения контакта жидкометаллического теплоносителя 10 с перерабатываемыми отходами и, как следствие, их эффективного нагрева, а также для отвода из внутреннего пространства выемных кассет 4 парогазовых продуктов переработки. Фиксация положений выемных кассет 4 во внутреннем объеме баков-реакторов 1 предотвращает их всплытие в процессе размещения во внутренних объемах баков-реакторов 1 жидкометаллического теплоносителя 10.
Для обеспечения высокой скорости нагрева отходов из резинотехнических и полимерных материалов баки-реакторы 1 выполнены с возможностью размещения в их внутренних объемах жидкометаллического теплоносителя 10 и снабжены съемными крышками 19, устанавливаемыми на горловины 7.
Съемные крышки 19 предназначены для герметизации внутренних объемов баков-реакторов 1 и исключения неконтролируемых выбросов парогазовых продуктов переработки.
Внутренние объемы баков-реакторов 1 в верхних частях обечаек 16 над уровнем жидкометаллического теплоносителя 10 и в нижних частях обечаек 16 под уровнем жидкометаллического теплоносителя 10 сообщены, соответственно, верхним трубопроводом 3 с двумя элементами запорной арматуры 11 и нижним трубопроводом 15 с элементом запорной арматуры 11.
Верхний трубопровод 3 с двумя элементами запорной арматуры 11 предназначен для удаления из полостей баков-реакторов 1 парогазовых продуктов в процессе переработки и сбрасывания избыточного давления в процессе перемещения жидкометаллического теплоносителя 10 из одного бака-реактора 1 в другой.
Нижний трубопровод 14 с элементом запорной арматуры 11 используют для перемещения жидкометаллического теплоносителя 10 из одного бака-реактора 1 в другой бак-реактор 1.
Внутренние объемы баков-реакторов 1 в верхних частях обечаек 16 над уровнем жидкометаллического теплоносителя 10 сообщены с газовым трубопроводом 6 с двумя элементами запорной арматуры 11.
Отводящий трубопровод 17 проходит через конденсатор 12 и соединяет между собой верхний трубопровод 3 на участке между элементами запорной арматуры 11 и полость сепаратора 18.
Прохождение парогазовых продуктов переработки через конденсатор 12 обеспечивает конденсацию жидких продуктов переработки находящихся в паровой фазе.
Для исключения конденсации продуктов находящихся в паровой фазе до их попадания в конденсатор 12, верхний 3 и отводящий 17 трубопроводы оснащены нагревателями 14 и расположенной поверх них теплоизоляцией 20.
Назначение сепаратора 18 состоит в разделении жидких и газообразных продуктов переработки накопления жидких продуктов переработки.
Полость сепаратора 18 соединена с линией сброса 13 неконденсирующихся газообразных продуктов для удаления неконденсирующихся газообразных продуктов.
Газовый трубопровод 6 на участке между двумя элементами запорной арматуры 11 подключен к баллону со сжатым газом 2 через газовый редуктор 5.
Это необходимо для перемещения жидкометаллического теплоносителя 10 из одного бака-реактора 1 в другой, в одном из них необходимо создать избыточное давление.
Днища 9, обечайки 16 и нижний трубопровод 15 снабжены нагревателями 14 для достижения необходимой в процессе переработки температуры жидкометаллического теплоносителя 10
Поверх нагревателей 14 расположена теплоизоляция 20 для уменьшения потерь тепла.
В частных случаях реализации устройства выполняют следующее.
Во-первых, в качестве жидкометаллического теплоносителя 10 используют свинец или эвтектический сплав свинец-висмут.
Во-вторых, между горловинами 7 и съемными крышками 19 используют уплотнение шип-паз с высокотемпературной набивкой, например, из углеграфита или асбеста.
В-третьих, в качестве нагревателей 14 используют электрические нагреватели, выполненные в виде нихромовой проволоки с керамическими изоляторами.
В-четвертых, в качестве сжатого газа использют инертный газ, например, аргон.
В-пятых, верхний трубопровод и отводящий трубопровод, на участке от верхнего трубопровода до конденсатора, снабжают электрическими нагревателями, и установленной поверх нагревателей теплоизоляцией.
Устройство работает следующим образом.
В одном из баков-реакторов 1 располагают жидкометаллический теплоноситель 10. В другом баке-реакторе 1 располагают выемную кассету 4 с предварительно загруженными в нее отходами из резинотехнических или полимерных материалов. На горловины 7 устанавливают съемные крышки 19 и герметизируют внутренние объемы баков-реакторов 1.
Включают нагреватели 14, доводят температуру бака-реактора 1 с жидкометаллическим теплоносителем до 450°С.
Открывают запорную арматуру 11, размещенную на нижнем трубопроводе 15, и через нижний трубопровод 15 сообщают внутренние объемы баков-реакторов 1. За счет создания с помощью баллона 2 избыточного давления газа в баке-реакторе 1 перемещают жидкометаллический теплоноситель 10 в бак-реактор 1 без жидкометаллического теплоносителя 10, в котором расположена выемная кассета 4 с отходами из резинотехнических и полимерных материалов. При этом начинается процесс переработки отходов.
Запорную арматуру 11 на нижнем трубопроводе 15 закрывают и сбрасывают избыточное давление в баке-реакторе 1, из которого был перемещен жидкометаллический теплоноситель 10, до атмосферного.
Продукты переработки, находящиеся в парогазовой фазе, по верхнему трубопроводу 3 поступают в отводящий трубопровод 17 и далее в конденсатор 12, где охлаждают и конденсируют.
Далее продукты переработки поступают в сепаратор 18, где происходит разделение жидких и неконденсирующихся газообразных продуктов.
Жидкие продукты переработки накапливаются в сепараторе 18, а неконденсирующиеся газообразные продукты поступают в линию сброса неконденсирующихся газообразных продуктов 13.
В то время, пока в одном из баков-реакторов 1 протекает процесс переработки, с другого бака-реактора 1 снимают съемную крышку 19 и в него устанавливают выемную кассету 4, с заранее расположенными в ней отходами из резинотехнических или полимерных материалов. Далее на горловину 7 этого бака-реактора 1 устанавливают съемную крышку 19 и бак-реактор 1 герметизируют.
По окончании процесса переработки в баке-реакторе 1 с расположенным в нем теплоносителем 10 запорную арматуру 11 на нижнем трубопроводе 15 открывают. За счет избыточного давления газа в баллоне 2 перемещают жидкометаллический теплоноситель 10 в другой бак-реактор 1. После чего запорную арматуру 11 на нижнем трубопроводе 15 закрывают. С бака-реактора 1, из которого был перемещен жидкометаллический теплоноситель 10, снимают съемную крышку 19 и извлекают выемную кассету 4 с твердыми продуктами переработки.
Твердые продукты переработки извлекают из выемной кассеты 4 и загружают в нее отходы из резинотехнических или полимерных материалов.
Далее выемную кассету 4 с отходами из резинотехнических или полимерных материалов помещают обратно в бак-реактор 1, на его горловину 7 устанавливают съемную крышку 19 и бак-реактор 1 герметизируют.
Далее цикл повторяется.
Пример конкретного исполнения устройства.
Устройство состоит из двух баков-реакторов 1. Внутренний диаметр обечайки 16 бака-реактора 1 составляет 820 мм, толщина - 4 мм, высота - 560 мм. Толщина днища 9 бака-реактора 1 составляет 10 мм. Горловина 7 выполнена в виде фланца Ду800, исполнение паз.
Съемная крышка 19 выполнена в виде заглушки фланцевой Ду800 исполнение шип .К съемной крышке 19 приварены проушины для закрепления подъемного механизма.
В качестве высокотемпературной набивки между съемной крышкой 19 и горловиной 7 использован углеграфитовый шнур размером 5x5 мм.
Выемные кассеты 4 выполнены в виде каркаса из кругляка диаметром 8 мм обтянутого сеткой с размером ячейки 5x5 мм и толщиной проволоки 1,2 мм. Внешний диаметр выемной кассеты 4 составляет 810 мм, высота - 385 мм.
В качестве жидкометаллического теплоносителя 10 использован свинец марки С2 (ГОСТ 3778-98). Объем используемого жидкометаллического теплоносителя 10 составил 350 литров.
Верхний 3 и отводящий 17 трубопроводы изготовлены из трубы размером 32x2 мм. Верхний трубопровод 3 вварен в обечайку 4 на 50 мм ниже верхней плоскости горловины 7. Нижний трубопровод 15 изготовлен из трубы размером 68×4 мм и вварен в днище 9. Газовый трубопровод 6 изготовлен из трубы размером 16×2 мм и вварен в обечайку 16 на 50 мм ниже верхней плоскости горловины 7.
Конденсатор 12 изготовлен в виде кожухотрубного теплообменного аппарата с длинной трубного пучка 1500 мм, количеством трубок 12 шт, размер трубок - 12×0,8 мм, относительный шаг - 1,5. Охлаждение конденсатора 12 производится проточной водой с температурой 9÷18°С.
Сепаратор 18 имеет диаметр 300 мм и высоту 700 мм. На днище сепаратора 18 предусмотрен вентиль для слива жидкости.
Нагреватели 14 изготовлены из нихромовой (Х20Н80) проволоки диаметром 2 мм, изолированной керамическими изоляторами. Суммарная электрическая мощность нагревателей составляет 65 кВт.
В качестве теплоизоляции 20 использованы кремнеземные маты.
В качестве сжатого газа использован аргон в сорока литровом баллоне 2.
Температура жидкометаллического теплоносителя 10 при переработке составляет 450°С, избыточное давление, создаваемое с помощью баллона со сжатым газом 2, при перемещении жидкометаллического теплоносителя 10 из одного бака-реактора 1 в другой составляет 0,5 атм.
Обечайки 16, днища 9 и горловины 7, выемные кассеты 4, съемные крышки 19, верхний 3, нижний 15, отводящий 17 и газовый 6 трубопроводы, конденсатор 12 и сепаратор 18 изготовлены из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т.
Техническое решение позволило обеспечить цикличность процесса переработки и сократить время переработки в 1,5-2 раза по сравнению с наиболее близким аналогом технического решения.