СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
METHOD AND DEVICE FOR CARRYING OUT CHEMICAL PROCESSES

Изобретение относится к способу проведения химических процессов, при котором исходные материалы нагревают, причем из разогретых легкоплавких металлов или металлических сплавов образуется жидкая ванна в резервуаре или реакторе. Далее, изобретение относится к устройству для проведения химических процессов, с резервуаром или реактором для вмещения жидкой ванны легкоплавкого металла или легкоплавкого металлического сплава.
В польской патентной заявке P-372777 был представлен реактор для осуществления процесса термической деполимеризации пластмассовых отходов. Этот реактор выполнен с турбомешалкой, а также с набором трубчатых подогревателей, которые поочередно устанавливаются в длинные, узкие и плоские кожухи и находятся под поверхностью расплавленного материала. Нагреватель предпочтительно покрыт легкоплавким металлом, например, сплавом Вуда. Между мешалками и подогревателем установлены отвесные заграждающие стенки, которые обеспечивают продольное течение через подогреватель.
В описанном процессе может случаться перегрев расплавленных материалов, из-за чего на деталях устройства образуются трудноудаляемые отложения продуктов карбонизации. Кроме того, во время химического процесса требуется интенсивное перемешивание.
В основе изобретения стоит задача сделать проведение указанного химического процесса более легким без опасности перегрева и отложений.
Согласно изобретению эта задача решена способом упомянутого выше типа так, что исходные материалы дозированно вводят как твердые материалы прямо в ванну в нижней части резервуара или реактора.
Легкоплавкие металлы или металлические сплавы нагревают по меньшей мере одним, предпочтительно электрическим нагревательным устройством либо прямо в резервуаре или реакторе, либо в особой емкости, так что расплавленный сплав подводится в резервуар или реактор.
Подаваемые исходные материалы вводятся в жидкую ванну как твердые материалы. Так как исходные материалы предпочтительно имеют меньшую плотность, чем жидкая ванна, они автоматически движутся через жидкую ванну вверх, при этом протекает желаемый химический процесс. Автоматическое продвижение вверх исходных материалов после дозированной подачи можно замедлить с помощью заграждающих стенок, спиральных направляющих труб или посредством решетки в жидкой ванне.
Целесообразно, чтобы жидкая ванна имела в расплавленном состоянии в резервуаре или реакторе температуру от 50°C до 1000°C, предпочтительно от 50°C до 550°C.
Кроме того, указанная выше задача решена устройством упомянутого выше типа, которое отличается тем, что резервуар или реактор в своей нижней части оборудован подающим устройством для дозированной подачи исходных материалов как твердых материалов прямо в жидкую ванну.
Для твердых веществ дозировка осуществляется, например, с помощью шнекового транспортера-дозатора.
Резервуар или реактор может быть выполнен с нагревательным элементом в нижней части, предпочтительно с электрообогревателем, особенно предпочтительно с индукционным нагревом. При этом индукционный нагреватель может пролегать цилиндрически вокруг рубашки реактора или резервуара. Индукция предпочтительно осуществляется на низких частотах, чтобы избежать скин-эффекта. Эта конфигурация имеет то преимущество, что вся жидкая ванна нагревается равномерно по всему объему, так что нагрев происходит не только снизу. Альтернативно в резервуар или реактор может подводиться легкоплавкий металл или легкоплавкий металлический сплав, нагретый в особой емкости.
Кроме того, резервуар или реактор может быть оборудован заграждающими стенками, спиральными направляющими трубами или сетками для замедления подъема исходных материалов.
Способ согласно изобретению позволяет очень эффективный и мощный нагрев используемых в процессе исходных материалов, субстратов и реагентов. Отделяющиеся загрязняющие вещества и отложения, такие как карбонизат, можно легко удалить. Эти вещества снимают с поверхности расплавленного металла или металлического сплава, либо их можно смыть растворителем или водой. Очистку расплавленного металла можно проводить при повышенных температурах в жидком состоянии, пропуская воду через разливаемый из резервуара или реактора сплав.
Одним примером процесса, который может осуществляться по способу согласно изобретению, является термокаталитическая деполимеризация пластмассовых отходов, например, полиолефиновой пластмассы. В этих способах до настоящего времени применялись нагревательные элементы, которые непосредственно или через стенки нагретого реактора контактировали с разогретыми жидкостями. Следствием этого было то, что на перегретых элементах устройства осаждались загрязнения в виде карбонизата. Никакое улучшение процесса смешения во время технологического процесса не дает возможности предотвратить осаждение карбонизата на нагретых поверхностях. Таким образом, требовались временные перерывы в работе, чтобы очистить устройство.
В соответствии с изобретением способ может охватывать любую стадию химического процесса, как, например, предварительная очистка веществ, их измельчение, их пластификация в плавильных печах, перевод твердого сырья в жидкое состояние, устранение всех типов фракций, представляющих основной или побочный продукт, возврат растворителей и других участвующих в химическом процессе веществ, а также фазы добавления катализаторов и отвода отработанных фракций. Равным образом, устройство согласно изобретению содержит соответствующие типу секции для проведения вышеуказанных стадий. Эти стадии соответствуют типу и общеизвестны. Изобретение относится к улучшению нагрева в фазе нагрева в рамках известных способов и к улучшению обычных устройств путем внедрения нового способа нагрева. Температуры, которые могут применяться в способе согласно изобретению, лежат в диапазоне от 50°C до 1000°C или от 50°C до 550°C.
Согласно изобретению нагретый металл или нагретый металлический сплав применяется в жидком (расплавленном) состоянии. В цилиндрической емкости, например, с коническим дном, в нижней части может находиться нагревательный элемент, как правило, электронагревательный элемент, который нагревает легкоплавкий сплав. Альтернативно может применяться цилиндрический обогреватель, проходящий по высоте стенок, в частности, электронагреватель, предпочтительно индукционный нагреватель, который установлен в форме цилиндра вокруг рубашки резервуара или реактора и который дает то преимущество, что можно равномерно или с определенными температурными градиентами нагреть весь объем металла или металлического сплава.
В нижней части резервуара находится подающее устройство, через которое исходный материал можно ввести в резервуар.
Плотность исходного материала намного меньше, чем плотность сплава. Поэтому может быть целесообразным установить в резервуаре заграждения, чтобы увеличить время нагревания исходного материала, то есть замедлить прохождение веществ через сплав. Продолжительность химического процесса при повышенной температуре определяется не только выбором соответствующей температуры, но также высотой столба расплавленного металла, типом применяемых преград, размерами отверстий насадок, а также количеством вещества, подаваемого за определенную единицу времени.
Изобретение позволяет с выгодой подавать твердые материалы. Так, например, согласно изобретению можно очищать песок, загрязненный маслом. При этом песок способствует каталитически деполимеризации масла, так что температуры жидкой ванны, например, 450°C, достаточно, чтобы деполимеризовать масло и при необходимости превратить в технические фракции, а также в пригодные для применения вещества. Песчинки собираются в сухой форме у поверхности жидкой ванны и могут быть удалены оттуда простым способом, например, продувкой потоком бескислородного газа.
Следующим примером осуществления предлагаемого изобретением химического процесса с твердыми исходными материалами является разделение пластмассы и алюминия, которые могут быть материалами, прочно связанными друг с другом. Эти материалы могут дозированно подаваться в жидкую ванну в измельченной форме через шлюзовой затвор, например, шибером. При этом пластмасса может деполимеризоваться и выводиться в газообразной форме, тогда как алюминий собирается в твердой форме на поверхности жидкой ванны и может быть отведен, например, путем отсасывания.
Способ согласно изобретению может применяться также для подачи частиц пластмассы в температурные зоны, в которых пластмасса еще не деполимеризована. В этом случае пластмассу можно удалять с поверхности жидкой ванны в жидкой форме.
2
Если перемешивание исходных материалов с жидкой ванной не происходит самопроизвольно в достаточной степени, можно предусмотреть смесительное устройство. Однако предпочтительно в этом случае вызывать перемешивающий эффект с помощью нагнетаемых через насадки пузырьков газа. При этом пузырьки газа предпочтительно образованы технологическими газами, которые не конденсируются при имеющихся в устройстве температурах процесса и тем самым могут рециркулировать. Если представляется целесообразным удалять из устройства углеводороды, это можно проводить продувкой, например, CO.
Способ согласно изобретению подходит для очень эффективной сушки твердых веществ, например, жидкой грязи. В этом случае можно удалять сухой песок с поверхности жидкой ванны в простой форме.
В частности, при применении цилиндрического обогревателя, установленного в или на стенках, например, индукционного нагревателя, может иметь смысл создавать в резервуаре или реакторе градиенты температуры жидкой ванны, чтобы, например, можно было контролированно воздействовать на частицы полимерного материала.
Кроме того, можно проводить сложные реакции путем установки последовательно нескольких резервуаров или реакторов с разными температурами жидких ванн. Таким образом, можно отделить друг от друга, например, смеси воды, гликоля и метанола. В первом реакторе жидкая ванна может иметь, например, температуру 72°C, вследствие чего метанол испаряется, и с поверхности жидкой ванны отбирается смесь гликоля и воды. Тогда во втором реакторе можно установить температуру жидкой ванны 86°C, вследствие чего испаряется гликоль, и с поверхности жидкой ванны можно отвести чистую воду.
Помимо управления температурой, значение имеет управление временем пребывания исходных материалов в жидкой ванне. Во многих случаях выгодно применение сит с разными размерами отверстий, чтобы можно было контролировать время пребывания. При этом сита могут иметь упорядоченные размеры отверстий от 0,1 мм до 2 мм. Это выгодно, в частности, для обработки введенных в жидкую ванну твердых частиц, которые медленно расплавляются в жидкой ванне. Благодаря применению сит с уменьшающимися размерами ячеек можно обеспечить, что твердые частицы смогут перейти на одну ступень вверх только тогда, когда они в процессе плавления уменьшатся настолько, чтобы пройти через отверстия соответствующего сита. Частицы остаются на соответствующем сите до тех пор, пока они в результате дальнейшего расплавления не смогут пройти через ячейки сит, чтобы достичь следующего сита с меньшим размером ячеек или в расплавленной форме достичь поверхности жидкой ванны.
В способе согласно изобретению могут применяться различные легкоплавкие металлы и сплавы, например, сплавы с галлием и индием (температура плавления 47°C), сплав Вуда (температура плавления 70°C), сплав Липовица (температура плавления 80°C), сплав Ньютона (температура плавления 96°C), сплав Лихтенберга (температура плавления 92°C).
Далее изобретение будет пояснено подробнее на примерах осуществления, представленных на чертежах.
Показано:
Фиг.1 - пример устройства согласно изобретению для жидкого исходного материала.
Фиг.2 - вариант устройства с фиг.1 для применения твердых исходных материалов.
Устройство, показанное на фиг.1, является устройством для термокаталитической деполимеризации пластмассовых отходов, таких как, например, полиолефиновая пластмасса. Оно выполнено с плавильным устройством 201, мокрым реактором 301, в котором находятся насадки 2 с отверстиями, через которые подаются расплавленные исходные материалы, т.е. отходы полиэтилена ПЭ и полипропилена ПП.
2
Реактор наполнен легкоплавким металлическим сплавом 3, который нагревается электронагревательным элементом 1. В реакторе находятся заграждения 4, которые замедляют протекание капель синтетического материала через поверхность реактора. Кроме того, устройство выполнено с сухим реактором 302, нагревателем 303 для паров углеводородов, спускным резервуаром 304, спускным резервуаром 305 для сплава, конденсатором 401, емкостью 402 для конденсата, насосом-дозатором 403 для конденсата и резервуаром для CO. Указанные компоненты устройства известны и применяются в устройствах этого типа. Основная модификация состоит в новой конструкции мокрого реактора 301, в котором нагреваются исходные материалы (вещества, расходуемые в процессе), т.е. полиолефиновые отходы.
В спускном резервуаре 305 может иметь место очистка сплава путем промывки жидкостью или установки температуры на примерно 100°C.
Пример
В устройстве термокаталитической деполимеризации пластмассовых отходов, которое содержит остатки полиэтилена и полипропилена, проводилась реакция, при которой жидкий легкоплавкий сплав представлял собой сплав Вуда. Сначала расплавленные отходы проводились дальше через размещенные в нижней части реактора насадки с отверстиями диаметром от 0,5 до 1 мм. Находящаяся в реакторе ванна расплавленного сплава Вуда удерживалась при температуре 400-420°C.
Фиг.2 показывает один вариант мокрого реактора 311, который может применяться вместо мокрого реактора 301 в устройстве с фиг.1, чтобы обрабатывать твердые материалы в качестве исходных материалов. В соответствии с этим внизу реактора 311 установлен расположенный горизонтально шнековый транспортер-дозатор 11. Электромотор 12 приводит в действие винт 13 шнека, который окружен цилиндрическим кожухом 14. В отверстии на верхней стороне кожуха 14 находится загрузочная воронка 15, через которую можно подавать дробленый твердый материал на винтовой дозирующий насос 11. Через выпускные отверстия 16 в дне реактора 311 продвигаемый таким образом твердый материал проникает внутрь реактора 311, который наполнен легкоплавким сплавом. Так как твердые вещества имеют меньший удельный вес, чем металлический сплав, они поднимаются в металлическом сплаве вверх. Твердые вещества нагреваются, вследствие чего могут идти химические или физические процессы превращения. Если при химических процессах превращения образуются газы, они могут выводиться в крышке реактора 301 через выпуск 17 газа. Ниже крышки реактора находится боковой выпуск 18 для твердых веществ 19, которые могут отбираться из реактора 311 на расплаве 3 через выпускной клапан 20.
Под твердыми веществами 19 речь может идти о песке, который попадает в расплав 3 в реакторе 311 в загрязненной форме через впускные отверстия 16. Органические компоненты минерализируются под действием высоких температур жидкой ванны и превращаются в газы, которые можно вывести из реактора 311 через выпуск 17 для газов. На поверхности расплава собираются песчинки 19 как твердые вещества, которые могут быть выведены из реактора 311 в очищенном виде.
Если твердые вещества 19 являются гранулированной пластмассой, которая должна быть деполимеризована, ее можно контролированно преобразовать под тепловым воздействием легкокипящего сплава 3. Для этого выгодно предусмотреть в реакторе 311 расположенные друг над другом ситовые системы 21, которые, с одной стороны, как заграждения 4 могут увеличить время прохождения твердых веществ 19 через жидкую ванну 3, а с другой стороны, в частности, при превращении пластмассы, достигается автоматическое управление временем пребывания на определенных ступенях превращения, если они выполнены с уменьшающимися снизу вверх размерами ячеек. Зерно гранулята, который входит в расплав 3 через входные отверстия 16 и имеет размер больше размера ячеек нижнего сита 21, остается ниже нижнего сита 21 до тех пор, пока зерно в результате реакции не станет настолько малым, что сможет пройти через первое сито 21. Перед следующим ситом 21 зерно остается до тех пор, пока оно снова не уменьшится в достаточной степени, чтобы пройти через отверстие этого сита. Аналогично действуют остальные сита 21. При таком применении реактора 311 можно, чтобы через входные отверстия 16 проводились твердые вещества в виде гранулированной пластмассы и подобного, и до поверхности жидкой ванны 3 больше не доходило никаких твердых веществ 19, но, например, на поверхности плавал бы жидкий слой, который затем также можно отвести через боковой выпуск 18.
Реактор 311 в примере осуществления, представленном на фиг.2, не нагревается напрямую нагревательным стержнем или нагревательным змеевиком, но имеет теплоизолированные цилиндрические стенки 22 рубашки, которые расположены вокруг витков электрического индукционного нагревателя 23. Применение индукционного нагревателя 23 для разогрева расплава 3 имеет по сравнению с применением электронагревательного элемента 1 прямого накала в нижней части реактора 301, 311 то преимущество, что можно устанавливать определенные профили температуры. Согласно изобретению может быть выгодным устанавливать в нижней зоне реактора 311, например, температуру 150°C, чтобы подводимые исходные материалы на первой ступени были умеренно нагреты в жидкой ванне 3. Тогда на ступени, находящейся выше нее, можно посредством индукционного нагрева 23 установить температуру жидкой ванны 200°C. Тогда в верхней области, которая простирается более чем на половину высоты реактора 311, в показанном примере осуществления с помощью индукционного нагрева 23 устанавливают температуру 400°C. Очевидно, что такое послойное распределение температуры с расположенным на дне нагревательным элементом 1, действующим напрямую на расплав 3, реализовать невозможно, так как в этом случае тепло должно распределяться под действием конвекции, и температура будет максимальной у электронагревательного элемента 1.
Таким образом, с индукционным нагревом 23 можно для разных случаев применения устанавливать различные профили температуры, с которыми можно оптимизированно управлять желаемыми химическими и/или физическими превращениями.