РЕАКТОРНАЯ УСТАНОВКА
REACTOR PLANT

Настоящее изобретение направлено на реакторную установку для нагревания пластикового материала.
Технология химического рециклинга пластиков по окончании срока службы, вообще, разработана с целью переработки смешанных отработавших пластиков в различные жидкие углеводородные продукты. Отработавшие пластики, используемые в подобном процессе, например, могут включать полиэтилен низкой плотности (LDPE), полиэтилен высокой плотности (HDPE), полистирол (PS) и/или полипропилен (РР). Эти отработавшие пластики преобразуют в жидкие углеводородные продукты путем экструзии и подачи расплавленного пластикового сырья посредством насоса в реакционные резервуары. Реакционные резервуары нагревают снаружи посредством топочных устройств до температуры более 350°С. В результате из расплавленного пластика образуется обогащенный насыщенными углеводородами пар. Он выходит из реакционных резервуаров через контактные резервуары, где конденсируются более тяжелые фракции пара, при поддержании заданной величины температуры на выходе, которая определяется техническими требованиями к конечному продукту. Его затем перегоняют при давлении, близком к атмосферному, в расположенной ниже по потоку колонне атмосферной перегонки.
Каждый реакционный резервуар оборудован расположенной внутри вращающейся мешалкой. Мешалка способствует перемешиванию содержимого реакционного резервуара. Пояснительный вариант такой мешалки будет описан более подробно со ссылкой на фиг. 1.
Мешалки устанавливают в реакционном резервуаре для расширения количества функций системы. В частности, мешалки могут повышать термическую гомогенизацию смеси расплавленных пластиков. В результате, благодаря увеличению теплопередачи от оболочки реакционного резервуара и предотвращению образования холодных зон может сокращаться время реакции. Термическая гомогенизация также может препятствовать образованию в массе пластика пузырьков пара более летучих углеводородов. Благодаря этому может быть снижен риск последующего импульсного повышения давления и/или температуры. Мешалки могут способствовать удалению «проблематичных» побочных продуктов (материала, известного как «нагар»), ведущих к образованию кокса на внутренней поверхности стенки реакционного резервуара. Избыточное накопление нагара может ухудшать перенос тепла от наружной топки к расплавленному пластику. Мешалка также может способствовать высушиванию нагара в результате его непрерывного смешивания и приведения в контакт с более горячими частями реакционного резервуара, такими как оболочка резервуара. Наконец, мешалка может способствовать удалению побочного продукта - нагара путем его вынесения из реакционного резервуара.
Нагар представляет собой порошок на основе углерода, абразивный по своей природе. Рабочие части внутри реакционного резервуара, такие как мешалка, непрерывно подвержены воздействию нагара. Нагар может набиваться в свободное пространство между наружным диаметром, определяемым вращением мешалки, и внутренним диаметром реакционного резервуара. Со временем нагар в этом пространстве может уплотняться, так как на него надавливает мешалка. Кроме этого, воздействие на расплавленный пластик сравнительно высокой температуры на внутренней поверхности резервуара может приводить к накоплению отложений. В результате может образовываться жесткий ломкий слой кокса на основе углерода, который может отрицательно влиять на параметры нагревания, время периодической обработки, эффективность и долговечность системы.
Следовательно, имеется потребность в усовершенствованной конструкции мешалки, позволяющей уменьшить влияние накопления кокса в процессе реакции.
Реакторная установка для нагревания пластикового материала в соответствии с настоящим изобретением определена в пункте 1 формулы изобретения. Реакторная установка включает: реакционный резервуар, имеющий центральную ось; мешалку, установленную в реакционном резервуаре, при этом, мешалка включает: одну или более лопастей, расположенных дистально/периферических относительно центральной оси, предназначенных для перемешивания содержимого реакционного резервуара в процессе работы; и одну или более изнашиваемых деталей, установленных на лопасти(ях) и выдающихся радиально от центральной оси дальше, чем лопасть(лопасти).
Мешалка установлена в реакционном резервуаре, однако, необязательно полностью внутри реакционного резервуара. Часть мешалки может выдаваться из реакционного резервуара наружу. В этой реакторной установке возможно удаление накопившегося нагара без повреждения самой мешалки или реакционного резервуара. Вместо этого с нагаром взаимодействуют изнашиваемые детали.
Расположенная дистально лопасть(лопасти) может иметь по существу винтообразную форму.
Винтообразные лопасти особенно эффективны с точки зрения надлежащего перемешивания в реакционном резервуаре.
Изнашиваемая(ые) деталь(и) может быть установлена на лопасти(ях) с возможностью снятия.
Благодаря этому изнашиваемая(ые) деталь(и) может быть заменена по мере износа вместо традиционной замены лопастей мешалки.
Изнашиваемая(ые) деталь(и) может быть регулируемой с целью регулирования радиального расстояния изнашиваемой(ых) детали(ей) от центральной оси.
Благодаря этому возможно регулирование расстояния между изнашиваемой(ыми) деталью(ями) и внутренней стенкой реакционного резервуара, чтобы смещать изнашиваемую(ые) деталь(и) по мере износа с целью сохранения предпочтительного расстояния между деталью(ями) и стенкой. В частности, от этого расстояния может зависеть максимально допустимая толщина слоя кокса.
Изнашиваемая(ые) деталь(и) или лопасть(лопасти) может включать удлиненную прорезь, изнашиваемые детали могут быть установлены на плече посредством одного или более болтов, проходящих через прорезь.
Это простой способ регулирования.
Установка может дополнительно включать одну или более пружинных шайб, один или более болтов могут проходить через пружинную(ые) шайбу(ы) при прикреплении изнашиваемой(ых) детали(ей).
Пружинные шайбы сохраняют жесткое соединение лопасти и изнашиваемой(ых) детали(ей), даже если в ходе работы болтовое соединение ослабляется.
Мешалка может включать множество лопастей, предпочтительно, две лопасти.
Это предпочтительная компоновка с точки зрения надлежащего перемешивания.
Каждая лопасть может включать множество изнашиваемых деталей, распределенных вдоль ее длины так, что, вообще, плоскость, перпендикулярная центральной оси, в любой точке вдоль центральной оси в области лопастей проходит, по меньшей мере, через одну изнашиваемую деталь, предпочтительно, только одну изнашиваемую деталь.
Благодаря этому гарантируется, что вся внутренняя поверхность контактирует, по меньшей мере, с одной изнашиваемой деталью.
Изнашиваемая(ые) деталь(и) может быть изготовлена из стали, предпочтительно, аустенитной нержавеющей стали, более предпочтительно, AISI316, 316Ti, 310, 309, 321 и/или 302.
Способ сохранения максимальной толщины кокса на внутренней поверхности реакционного резервуара в соответствии с настоящим изобретением определен в пункте 10 формулы изобретения. Способ включает следующие стадии, на которых: снабжают реакционный резервуар вращающейся мешалкой, при этом, мешалка может вращаться вокруг центральной оси и включает одну или более радиально наиболее удаленных от центра изнашиваемых деталей на первом расстоянии от внутренней поверхности реакционного резервуара; проводят несколько циклов работы реакционного резервуара, в ходе которых вращающиеся изнашиваемые детали удаляют кокс со внутренней поверхности реакционного резервуара и, тем самым, поддерживают максимальную толщину слоя кокса; останавливают работу реакционного резервуара; и регулируют изнашиваемые детали так, чтобы после какого-либо износа деталей в процессе работы сохранялось первое расстояние от внутренней поверхности реакционного резервуара.
При поддержании толщины слоя кокса меньшим установленного значения увеличивается перенос тепла от топки к расплавленному пластику, следовательно, минимизируется длительность цикла системы.
Максимальная толщина может составлять не более 10 мм, предпочтительно, не более 8 мм.
При этой толщине, вообще, обеспечивается передача достаточного для нормальной работы системы количества тепла.
Далее настоящее изобретение описано со ссылкой на следующие фигуры, на которых:
На фиг. 1 показан пояснительный вариант реакционного резервуара и мешалки;
На фиг. 2А и 2В представлен характерный вид коксовых отложений в пояснительном варианте системы;
На фиг. 3 показан реакционный резервуар и мешалка, соответствующие настоящему изобретению; и
На фиг. 4 приведено изображение коксовых отложений в реакционном резервуаре, снабженном мешалкой, соответствующей настоящему изобретению.
Пояснительный вариант системы, или реакторной установки, 100, показанный на фиг. 1, включает реакционный резервуар 1, в котором с возможностью вращения установлена мешалка 3. Мешалка 3 включает центральный вал 31, который, вообще, расположен в реакционном резервуаре 1 продольно. Мешалка 3 установлена так, что может вращаться вокруг оси Х. Ось Х, предпочтительно, вообще, совпадает с центральным валом 31 и центральными осями верхнего и нижнего отверстий реакционного резервуара 1. Множество горизонтальных опорных балок 32 может отходить от центрального вала 31 мешалки 3. К опорным балкам 32 прикреплено множество лопастей 34 мешалки. В альтернативных вариантах осуществления изобретения мешалка 3 может не включать горизонтальных опорных балок 32, лопасти 34 мешалки могут быть непосредственно прикреплены к центральному валу 31 или могут оканчиваться у консольного конца.
Хотя данный вариант осуществления изобретения включает множество лопастей 34 мешалки, предусматривается, что мешалка 3 может быть сконструирована любым надлежащим образом. В частности, мешалка 3 в альтернативных вариантах своего осуществления может включать одну лопасть 34 мешалки или три или более лопастей 34 мешалки. Лопасти 34 мешалки, вообще, являются винтообразными и дальней стороной отстоят от центрального вала 31, по существу, на одинаковое расстояние. Как таковой, наружный край лопастей 34 мешалки, как правило, находится на одинаковом расстоянии от внутренней поверхности реакционного резервуара 1. Лопасти 34 мешалки могут включать находящуюся на нижнем конце (либо отдельную, либо неотъемлемую) нижнюю часть 33. Нижняя часть 33, вообще, соответствует нижней криволинейной поверхности реакционного резервуара 1. Нижняя часть 33 может представлять собой отдельную деталь, прикрепленную к основной части лопастей 34 мешалки, либо нижняя часть 33 может быть выполнена с ними как единое целое.
В процессе работы пластический материал подают в реакционный резервуар 1, предпочтительно, в форме экструдированного расплавленного пластика. Мешалку 3 приводят в действие посредством двигателя и коробки передач с целью вращения вокруг оси Х. Тогда лопасти 34 мешалки вращаются в пластике и обеспечивают перемешивание пластика в реакционном резервуаре 1.
Как описано выше, в ходе работы системы 100 на внутренней поверхности реакционного резервуара 1 начинает образовываться слой кокса. Это показано на фиг. 2А и 2В, где представлен характерный увеличенный вид в поперечном сечении стенки реакционного резервуара 1. На фиг. 2А система 100 показана в начале срока службы мешалки 3. Как явствует из фигуры, лопасть 34 мешалки самой дальней от центра стороной достигает точки, отстоящей от внутренней поверхности реакционного резервуара 1 на первое расстояние. На этом расстоянии между самой дальней точкой лопасти 34 мешалки и внутренней поверхностью реакционного резервуара 1 может образовываться слой кокса 5, так как мешалка 3 очерчивает при вращении наружный диаметр наиболее удаленной точкой. Это количество кокса будет иметь толщину 52, соответствующую расстоянию между новой лопастью 34 мешалки и внутренней поверхностью реакционного резервуара 1. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения начальное расстояние 52 может быть меньше или равно 10 мм.
После того, как система 100 проработала несколько циклов, лопасть 34 мешалки в результате постоянного контакта с коксом 5 может износиться. В результате самая удаленная точка лопасти 34 мешалки уже не находится на том же радиальном расстоянии от оси Х, что и сразу после установки. Поэтому может образоваться дополнительное количество кокса 5А при соответствующем увеличении толщины 54 слоя кокса. Увеличение толщины 54 слоя кокса может приводить к снижению эффективности реакционного резервуара 1. В частности, кокс 5 может уменьшать теплопередачу к расплавленному пластику в реакционном резервуаре 1.
Чтобы компенсировать снижение теплопередачи, реакционный резервуар может подвергаться воздействию более высокой температуры топки. При повышении температуры может увеличиваться износ реакционного резервуара 1 и, следовательно, сокращаться срок службы реакционного резервуара 1. В частности, при большем подводе тепла может повышаться деформация ползучести и следующая из этого скорость нарастания напряжений. Подвод большего количества тепла также может приводить к ускоренному старению металла, выкрашиванию осаждений и продуктов окисления и/или охрупчиванию/отвердеванию из-за роста зерен решетки. В результате реакционный резервуар 1 может нуждаться в более частой замене, чем требовалось бы в ином случае. Уменьшенная теплопередача также может вызывать увеличение времени периодической обработки, что замедляет процесс в целом. Изменение времени периодической обработки из-за плохого регулирования температуры, в свою очередь, может провоцировать трудности в следующих далее по потоку процессах и изменение качества конечного продукта.
Усовершенствованная система, или реакторная установка, 200, соответствующая настоящему изобретению, представлена на фиг. 3. Система 200 также включает реакционный резервуар 1 и мешалку 3, установленную в нем с возможностью вращения. Мешалка 3, вообще, подобна описанной в отношении пояснительной системы 100. Однако, на лопастях 34 мешалки 3 установлены дополнительные изнашиваемые детали 36. Изнашиваемые детали 36 установлены на лопастях 34. Изнашиваемые детали 36 могут быть установлены, вообще, вровень с дальним от центра краем лопастей 34. По мере того, как в процессе работы лопасти 34 изнашиваются, изнашиваемые детали 36 начинают выступать за дальний край лопастей 34. В качестве альтернативы, изнашиваемые детали 36 могут быть установлены выступающими дальше от центрального вала 31, чем самая дальняя точка лопастей 34 мешалки.
В результате этого при вращении мешалки 3 в первую очередь контактировать с коксом 5, образующимся на внутренней поверхности реакционного резервуара 1, будет изнашиваемая деталь 36.
Хотя вдоль длины каждой лопасти 34 мешалки может быть установлена одна изнашиваемая деталь 36, это не является предпочтительным. Напротив, предпочтительно, множество изнашиваемых деталей 36 распределено вдоль лопастей 34 мешалки. Предпочтительно, изнашиваемые детали 36 распределены без зазора между ними. Однако, на каждой лопасти 34 они могут отстоять друг от друга, а изнашиваемые детали 36 на разных лопастях 34 перекрывать друг друга (например, аксиально) таким образом, чтобы изнашиваемые детали 36 были распределены вдоль лопастей 34 мешалки так, что вдоль части оси Х, соответствующей лопастям 34 мешалки, может существовать такая плоскость, перпендикулярная оси Х (т.е., на фиг. 3 плоскость, входящая в страницу), что в любом положении вдоль оси в этой области эта плоскость проходит, по меньшей мере, через одну изнашиваемую деталь 36. Предпочтительно, плоскость проходит в любой точке только через одну изнашиваемую деталь 36. Может иметь место пренебрежимо малое наложение между изнашиваемыми деталями 36, чтобы гарантировать непрерывное наличие изнашиваемых деталей 36 во всей представляющей интерес области.
Изнашиваемые детали 36 могут быть прикреплены к лопасти 34 с возможностью снятия так, чтобы они могли быть удалены с лопасти 34 неразрушающим образом. То есть, изнашиваемые детали 36 могут быть удалены с лопасти 34 без какого-либо ущерба для лопасти 34. Благодаря этому изнашиваемые детали 36, которые изнашиваются быстрее, чем остальная часть мешалки 3, заменяют на новые изнашиваемые детали 36 без замены мешалки 3 в целом или имеющихся исходно элементов, таких как лопасти 34 или нижняя часть 33. Срок службы мешалки 3, как таковой, может быть продлен.
Кроме этого, большие реакционные резервуары 1 очень трудно изготовить точно цилиндрическими. Например, диаметр резервуара может изменяться вдоль его длины. Изнашиваемые детали 36 могут быть установлены на лопастях 34 с целью приведения их в соответствие с определенной нецилиндрической формой резервуара 1. В результате, мешалка 3 с изнашиваемыми деталями 36 может более плотно контактировать со внутренней поверхностью резервуара 1 и, тем самым, минимизировать толщину слоя 5 кокса.
Кроме этого, изнашиваемые детали 36 могут быть прикреплены к лопастям 34 так, чтобы можно было регулировать их положение. В частности, можно регулировать радиальное выдвижение изнашиваемых деталей 36 за лопасть 34. Для этого изнашиваемые детали 36 могут быть снабжены удлиненной прорезью 37. Соединение 4 болтом и гайкой располагается в этой прорези 37 и соответствующем отверстии в лопасти 34. Как таковая, изнашиваемая деталь 36 может быть перемещена радиально путем перемещения болта 4 в прорези 37. Болт 4 может быть затянут для закрепления изнашиваемой детали на месте. Это показано на фиг. 4. В результате, когда изнашиваемая деталь 36 изнашивается, и кокс 5 начинает накапливаться с увеличением толщины 52 слоя, система 200 может быть остановлена, и положение изнашиваемой детали 36 отрегулировано так, чтобы сохранялась начальная толщина 52 слоя кокса. В качестве альтернативы, удлиненная прорезь 37 может быть выполнена в лопасти 34, а отверстие - в изнашиваемой детали 36. Этот альтернативный вариант функционирует аналогичным образом.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения толщина 52 слоя кокса может поддерживаться меньшей 10 мм. Вместе с соединением 4 гайкой и болтом могут быть установлены пружинные шайбы 42. Пружинные шайбы 42 обладают энергией упругого потенциала и, тем самым, обеспечивают прижимное усилие для скрепления изнашиваемых деталей 36 с лопастью 34. В результате, даже если в ходе работы натяг болтового соединения 4 ослабляется, изнашиваемая деталь 36 жестко удерживается на лопасти 34. Кроме этого, изнашиваемая деталь 36 может быть приварена к лопасти 34 точечной сваркой. Это может оказаться особенно полезным в мешалках 3, предназначенных для работы с высокой угловой скоростью и/или с увеличенной инерционной массой. Такой вариант также может быть полезен в мешалках 3, предназначенных для использования в жестких условиях циклических тепловых нагрузок. Точечная сварка 38 может быть легко удалена в случае повторной регулировки или замены, как описано выше.
Мешалка 3 усовершенствованной системы 200 может быть поставлена как набор деталей, включающий мешалку 3 и изнашиваемые детали 36, предназначенные для установки на ней. В качестве альтернативы, изнашиваемые детали 36 могут быть поставлены отдельно и установлены при модернизации существующей мешалки 3.
Изнашиваемые детали 36 могут быть изготовлены из любого надлежащего материала. Однако, в конкретных вариантах осуществления изобретения изнашиваемые детали 36 могут быть выполнены из стали. Эта сталь, предпочтительно, может быть аустенитной нержавеющей сталью. Более предпочтительно, эта сталь может быть AISI316, 316Ti, 310, 309, 321 и/или 302. Эти марки стали зарекомендовали себя как обладающие сбалансированным сочетанием жаропрочности, твердости, коррозионной стойкости и доступности. К этим сталям также не предъявляются требования в отношении тепловой обработки после изготовления. Поскольку может существовать риск контакта между изнашиваемой деталью 36 и внутренней поверхностью реакционного резервуара 1 в ходе работы, нежелательно использовать очень твердые стали, так как это может вызвать дополнительное изнашивание стенки реакционного резервуара 1.
Мешалка 3 усовершенствованной системы 200 может дополнительно включать шнек 35 на центральном валу. Благодаря этому мешалка 3 также может эксплуатироваться в реверсивном режиме, когда шнек 35 на центральном валу прикладывает в выпускном сопле реакционного резервуара 1 направленную вниз силу к загрузочной воронке для нагара. Таким образом нагар может быть удален из реакционного резервуара 1.