СПОСОБ И АППАРАТ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА НЕФТЕПРОДУКТОВ
METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING OIL PRODUCTS

Перекрестная ссылка на родственные заявки
[0001] Настоящая заявка претендует на приоритет изобретения по заявке на патент США №15/473,569, озаглавленной "Process, Apparatus, Controller and System for Producing Petroleum Products", поданной 29 марта 2017 года, и по предварительной заявке на патент США №62/315,639, озаглавленной "Pyrolysis Process, Apparatus, and System for Producing Petroleum Product", поданной 30 марта 2016 года, содержание которых в полном объеме включено в настоящую заявку путем ссылки.
Область техники
[0002] Настоящее изобретение в целом имеет отношение к способу, аппарату и установке для получения нефтепродуктов из сырья, содержащего полимеры, и устройству и установке для осуществления упомянутого способа. Настоящее изобретение также имеет отношение к управляющему устройству для управления процессом производства нефтепродуктов.
Предпосылки создания изобретения
[0003] В нефтяной промышленности приемлемые с коммерческой точки зрения жидкие продукты производят из различных сырьевых материалов. Эти материалы должны быть преобразованы эффективно и с высокой стабильностью качества, так чтобы соответствовать рыночным ценам и требованиям к качеству. Из-за сложности осуществления экономически оправданной сортировки полимеров по видам и единообразного преобразования сырьевого материала в смешиваемые жидкие продукты, пластмассовые отходы традиционно выбрасывают на свалку или сжигают для получения тепла. Как выбрасывание на свалку, так и сжигание оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду и представляют собой малоэффективные и/или дорогостоящие решения для этого богатого энергией сырья.
[0004] Пиролизный процесс представляет собой пример процесса термического разложения, который продемонстрировал пригодность для эффективного преобразования потоков определенных пластмассовых отходов в газы, которые затем могут быть конденсированы в жидкости для дальнейшей переработки в нефтепродукты и нефтехимические продукты. Технологии пиролиза не могут обеспечить преобразование всего ассортимента пластмасс в поток отходов, который к тому же требует выполнения некоторого уровня сортировки при подготовке сырья, что соответственно снижает степень приемлемости упомянутых продуктов с экономической точки зрения. Кроме того, из-за изменений в потоке пластмассовых отходов многие технологии пиролиза не могут обеспечить получение конечного продукта с высокой стабильностью качества, пригодного для улучшения до получения нефтепродуктов, которые могут постоянно удовлетворять требуемым отраслевым техническим условиям. Подобные продукты, не соответствующие техническим условиям, требуют дальнейшей обработки, которая потребляет большое количество энергии, что еще больше снижает степень приемлемости упомянутых продуктов с экономической точки зрения.
[0005] Несмотря на то, что в настоящее время существует несколько способов производства нефтепродуктов, все они имеют недостатки с точки зрения энергопотребления, выхода продукта и качества производимой продукции.
Сущность изобретения
[0006] В одном из аспектов настоящего изобретения способ производства нефтепродуктов включает загрузку сырья, содержащего смешанные полимерные материалы, в бак реактора реакторного аппарата; подвод теплоты к баку реактора при перемещении сырья через реакторный аппарат в анаэробных условиях; управление энергией, подводимой к баку реактора, и управление температурным градиентом внутри бака реактора для производства конденсируемого нефтяного газообразного продукта. Упомянутый способ производства конденсируемых нефтяных газообразных продуктов включает протекание химических реакций in situ, которыми управляют для превращения сырья в твердый инертный остаток, расплавленные текучие среды и газы внутри бака реактора, и для производства конденсируемых нефтяных газообразных продуктов, выходящих из бака реактора.
[0007] В другом аспекте настоящего изобретения способ производства нефтепродуктов включает загрузку сырья, содержащего смешанные полимерные материалы, в реакторный аппарат, имеющий множество последовательно расположенных реакторных зон; подвод тепловой энергии к баку реактора при перемещении сырья и продуктов, образовавшихся из этого сырья, через реакторный аппарат; независимое управление подводом тепловой энергии к каждой из множества последовательно расположенных реакторных зон и управление температурным градиентом в пределах каждой из множества последовательно расположенных реакторных зон реакторного аппарата.
[0008] В еще одном аспекте настоящего изобретения реакторный аппарат для осуществления термического крекинга смешанных полимерных материалов содержит бак реактора, наружный кожух, окружающий бак реактора, образующий канал или камеру, по которому(-ой) между баком реактора и наружным кожухом упомянутого реакторного аппарата перемещается отходящий газ. В другом варианте осуществления настоящего изобретения реакторный аппарат содержит внутреннюю стенку, которая простирается между баком реактора и наружным кожухом для образования первого канала первой реакторной зоны и второго канала или камеры второй реакторной зоны для раздельного перемещения отходящего газа между баком реактора и наружным кожухом реакторного аппарата.
[0009] В еще одном аспекте настоящего изобретения предложено устройство для управления реакциями термического крекинга и рекомбинации в реакторном аппарате, в том числе для ручного или автоматического управления массовой скоростью потока и температурными профилями в каждой реакторной зоне.
[0010] В еще одном аспекте настоящего изобретения установка для производства нефтепродуктов содержит реакторный аппарат и управляющее устройство, взаимодействующее с реакторным аппаратом для управления процессом производства нефтепродуктов. Это управляющее устройство передает на реакторный аппарат и принимает с него сигналы для управления несколькими рабочими параметрами реакторного аппарата, и упомянутые рабочие параметры охватывают температурные профили внутри бака реактора вдоль по меньшей мере двух геометрических осей.
[0011] В еще одном аспекте настоящего изобретения управляющее устройство для управления процессом производства нефтепродуктов содержит первый порт управления для приема данных из первой реакторной зоны и первый порт связи для передачи данных в первую реакторную зону реакторного аппарата. Вычислительное устройство содержит процессорный блок, взаимодействующий с первым портом управления и первым портом связи, и этот процессорный блок содержит логические схемы управления. Указанные логические схемы управления способны принимать сигнал данных первого порта управления, содержащий данные о температуре газообразного продукта в первой реакторной зоне, и определять по меньшей мере одну из скоростей подвода теплоты в первой реакторной зоне и массовую скорость потока по меньшей мере одного из потоков отходящего газа и газообразного продукта, выходящего из реакторного аппарата в первой реакторной зоне.
Краткое описание фигур
[0012] Вышеупомянутые и другие особенности настоящего изобретения станут очевидными для специалистов в той области техники, к которой относится настоящее изобретение, при прочтении приведенного ниже описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
[0013] Фиг. 1 представляет собой упрощенную блок-схему процесса производства нефтепродуктов в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения;
[0014] Фиг. 2 представляет собой упрощенное изображение в разрезе установки для производства нефтепродуктов в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения;
[0015] Фиг. 3 представляет собой упрощенное изображение в разрезе установки для производства нефтепродуктов в соответствии с другим примером осуществления настоящего изобретения;
[0016] Фиг. 4а и Фиг. 4b представляют собой блок-схему, иллюстрирующую способы действия управляющего устройства установки для производства нефтепродуктов в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения;
[0017] Фиг. 5 представляет собой график, иллюстрирующий зависимость между температурой и выраженной в процентах потерей массы конденсируемых нефтяных газообразных продуктов, которые были получены с использованием трех различных составов подаваемого сырья, содержащего смешанные полимеры, в реакторе, имеющем 71% свободный объем, в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения;
[0018] Фиг. 6 представляет собой график, иллюстрирующий зависимость между температурой и выраженной в процентах потерей массы конденсируемого нефтяного газообразного продукта, который был получен с использованием двух различных составов подаваемого сырья, содержащего смешанные полимеры, в реакторе, имеющем 88% свободный объем, в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения;
[0019] Фиг. 7 представляет собой график, иллюстрирующий зависимость между температурой и выраженной в процентах потерей массы конденсируемых нефтяных газообразных продуктов, которые были получены с использованием одного состава подаваемого сырья, содержащего смешанные полимеры, в реакторе, имеющем 97% свободный объем, в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения;
[0020] Фиг. 8 представляет собой график, иллюстрирующий изменение и среднее выраженное в процентах отклонение для конденсируемых нефтяных газообразных продуктов, которые были получены в реакторах, имеющих 71% свободный объем и 88% свободный объем, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;
[0021] На Фиг. 9 представлены кривые, иллюстрирующие зависимость между температурой и выраженной в процентах потерей массы конденсируемых нефтяных газообразных продуктов, которые были получены в реакторах, имеющих 71%, 88%, 97% и 99% свободный объем, в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения;
[0022] На Фиг. 10 показан пример кривой хроматографического исследования жидкой нефти состоящей из конденсируемой части потока газа, полученного по способу производства нефтепродуктов, в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание
[0023] Различные примеры способа производства нефтепродуктов, реакторных аппаратов и установок по настоящему изобретению имеют отношение в целом к процессам и оборудованию, которые превращают смешанные полимерные материалы, включая, но без ограничения ими, смешанные полимерные отходы, в смешиваемые нефтепродукты с высокой стабильностью качества. К этим смешиваемым нефтепродуктам относятся, но без ограничения ими, лигроин; дистиллят (например, дизельное топливо); и газойль (например, тяжелое смазочное масло и воск). Способы производства нефтепродуктов, приведенные в этом описании, могут давать по меньшей мере 50%, в другом примере - от приблизительно 50% до приблизительно 90%, в еще одном примере - от приблизительно 60% до приблизительно 90%, и в еще одном примере - от приблизительно 70% до приблизительно 90% смешиваемых продуктов. Приведенные в этом описании для примера варианты осуществления упомянутых способов могут давать по меньшей мере приблизительно 55%, от приблизительно 60% до приблизительно 90%, в еще одном примере - от приблизительно 70% до приблизительно 92%, конденсируемого газа на основе газообразного продукта, полученного в соответствии с упомянутым способом.
[0024] Упомянутый способ производства нефтепродуктов включает пиролиз сырья, содержащего смешанные полимеры, и реакции in situ, которые приводят к образованию твердого инертного остатка, расплавленных текучих сред и газов внутри бака реактора. Поток твердого инертного остатка и поток газообразного продукта выводят из реактора. Массовое преобразование сырья в конденсируемые и неконденсируемые газообразные продукты происходит внутри бака реактора. Приблизительно до 100% (мас.) конденсируемого газообразного продукта преобразуется в пригодный для использования топливный продукт, и до 100% неконденсируемого газообразного продукта может быть использовано в качестве топлива.
[0025] Термин "сырье" в настоящем описании означает материал, который содержит смесь по меньшей мере двух различных полимеров, используемую в процессе производства нефтепродуктов. Термин "сырье" охватывает, но им не ограничивается, полимерный лом.
[0026] Термин "полимерный лом" в настоящем описании означает пластмассу после производства и после потребительского использования, которая больше не нужна для использования по прямому назначению. Например, пластмасса после потребительского использования обычно представляет собой объемный продукт, который был получен путем термообработки и деформации, например, формования, экструзии и т.д. первичной пластмассы.
[0027] Термин "углеводородный материал" в настоящем описании означает материал, например, сырьевой материал, который содержит атомы углерода и водорода.
[0028] Термин "расплавленный материал" в настоящем описании означает материал, который частично расплавлен в жидкость с некоторым количеством твердого или только частично расплавленного материала.
[0029] Термин "пиролиз" в настоящем описании означает термическое разложение органического материала при повышенных температурах, которое может быть осуществлено при низких концентрациях газообразного кислорода, например, менее чем 10% кислорода.
[0030] Термин "термическое разложение" в настоящем описании означает процесс, в котором полимерные материалы с более высокой молекулярной массой расщепляются на материалы с более низкой молекулярной массой.
[0031] Термин "термический крекинг" в описании означает процесс, происходящий в паровом пространстве, в котором органические материалы с более высокой молекулярной массой, например, олигомеры, далее расщепляются на органические материалы с более низкой молекулярной массой.
[0032] Термин "реакции рекомбинации" в настоящем описании означает процесс, происходящий в паровом пространстве, в ходе которого более мелкие молекулярные фрагменты взаимодействуют с образованием материалов с более высокой молекулярной массой.
2
[0033] Термин "анаэробный" в настоящем описании означает среду, которая имеет низкое, например, менее чем 3%, менее чем 2%, менее чем 1% или почти нулевое, содержание газообразного кислорода, O, или "свободного" либо "несвязанного" кислорода в зависимости от объема газа в окружающей среде.
[0034] Термин "твердый инертный остаток" в настоящем описании означает твердый материал, который образуется или остается твердым во время термического разложения сырья.
[0035] Термин "газ" в настоящем описании означает все газы, в том числе конденсируемый газ, неконденсируемый газ и перегретый газ.
[0036] Термин "текучая среда" в настоящем описании означает материал, который представляет собой газ, жидкость, суспензию или расплавленную массу.
[0037] Термин "твердые вещества" в настоящем описании означает материал, который является твердым и стабильным по форме и не является жидкостью или газом. К примерам твердых веществ относятся сырьевой материал и твердый инертный остаток.
[0038] Термин "периодический процесс" в настоящем описании означает процесс, в ходе которого все реагенты помещают в реактор в начале процесса и затем обрабатывают в соответствии с заранее заданным ходом реакции, в течение которого никакой материал не подают в реактор или не удаляют из него.
[0039] Термин "непрерывный процесс" в настоящем описании, означает процесс, в ходе которого реагенты вводят, а продукты выводят одновременно непрерывным образом.
[0040] Термин "полунепрерывный процесс" в настоящем описании означает процесс, который не соответствует ни периодическому, ни непрерывному процессу. Например, к полунепрерывному процессу может относиться процесс, в ходе которого некоторые реагенты загружают в начале, тогда как остальные непрерывно подают по мере протекания реакции. Другой пример аналогичен реактору периодического действия, за исключением того, что один или несколько продуктов выводят непрерывно. В еще одном примере процесс аналогичен непрерывному процессу, в ходе которого реагенты непрерывно подают по мере протекания реакции и продукты выводят с перерывами.
[0041] Термин "катализатор" в настоящем описании означает материал, который ускоряет кинетику реакции.
[0042] Термин "без добавленного катализатора" в настоящем описании имеет отношение к процессу производства нефтепродуктов, который осуществляют без добавленного для протекания процесса каталитического материала, например, без катализатора, который добавляют к сырью или добавляют в бак реактора для проведения процесса.
[0043] Термин "скорость нагрева" в настоящем описании означает теплоту, подведенную за время нахождения в баке реактора.
[0044] Термин "удельный тепловой поток" в настоящем описании означает тепловую мощность, подведенную к единице площади нагретой поверхности, с которой контактирует материал.
[0045] Термин "выход" в настоящем описании определяется как масса сконденсированного газообразного продукта, приведенная к массе сырья. Выход = (масса сконденсированного газообразного продукта/масса сырья) × 100. Например, если масса сконденсированного газообразного продукта составляет 50 кг, а масса сырья составляет 75 кг, то выход составляет 66,7%.
[0046] Термин "управляемое соответствие" в настоящем описании означает способность осуществлять управление составом конденсируемых топливных продуктов, например, лигроина, дистиллята и газойля, с учетом изменений в составе сырья.
[0047] Фиг. 1 представляет собой блок-схему 1 технологического процесса производства нефтепродуктов в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения. Питатель 2 вмещает сырьевой материал, который перемещают вдоль потока 3 сырья в реакторный аппарат 4. Процесс термического разложения, например, пиролитический процесс, который происходит в реакторном аппарате 4, преобразует сырье в поток 5 нефтяного газообразного продукта, который выводят из реакторного аппарата и собирают в газосборном блоке 6. Собранный газ можно конденсировать и хранить в баке для хранения продукта (не показан). Поток 7 твердого инертного остатка также выводят из реакторного аппарата 4 и собирают в блоке 8 для сбора твердых веществ. Как собранный газ, так и собранные твердые вещества могут быть подвергнуты дополнительной последующей обработке. Питателем 2 может быть, например, шнек, который продвигает сырьевой материал в сторону реакторного аппарата с заданной скоростью подачи, и факультативно питатель может подводить тепло к сырью. В описании изобретения указывается, что способ производства нефтепродуктов может обеспечить выход продукт с высокой стабильностью качества в ходе периодического, полунепрерывного и непрерывного процесса при изменении скорости подачи во время реакции. Этот способ может также обеспечить выход продукта с высокой стабильностью качества при изменении состава сырья в ходе процесса.
[0048] Упомянутый способ предполагает ряд реакций крекинга в газовой фазе в сочетании с реакциями конденсации и рекомбинации для получения желаемых составов газообразного продукта, выходящего из реакторного аппарата. В любом из примеров, приведенных в настоящем описании, упомянутый процесс может быть осуществлен в виде периодического процесса, непрерывного процесса или полунепрерывного процесса. В любом из примеров, приведенных в настоящем описании, способ производства нефтепродуктов включает управление химизмом реакций в баке реактора, независимо от того, осуществляется ли управление химизмом реакции в одной реакторной зоне реакторного аппарата или во множестве реакторных зон, находящихся в одном баке реактора. В любом из примеров осуществления настоящего изобретения, приведенных в настоящем описании, в способе производства нефтепродуктов добавленный катализатор для осуществления технологического процесса не используется.
[0049] В одном из примеров осуществления настоящего изобретения непрерывный процесс превращает смешанные пластмассовые отходы в смешиваемые нефтепродукты, например, лигроин, дистиллят, воск и газойль, путем пиролиза и одновременных реакций крекинга и рекомбинации в газовой фазе. В этом примере было установлено, что распределением энергии можно управлять для того, чтобы оказывать влияние на различные реакции крекинга и рекомбинации, протекающие в баке реактора, и этим распределением энергии можно управлять различными способами. Например, распределением энергии можно управлять, управляя подводом теплоты в бак реактора и управляя температурным градиентом в баке реактора. Температурным градиентом можно управлять, управляя подводом теплоты к баку реактора и управляя отводом теплоты от бака реактора. Отводом теплоты можно управлять, например, управляя скоростью потока и/или температуры газа, который проходит вдоль и/или контактирует с наружной поверхностью бака реактора реакторного аппарата. В другом примере распределением энергии можно управлять, управляя подводом теплоты и независимо управляя температурным градиентом во множестве реакторных зон бака реактора реакторного аппарата. Конструкция реакторного аппарата и предлагаемый способ позволяют осуществлять ряд управляемых реакций пиролиза и управляемых реакций крекинга и рекомбинации в газовой фазе для производства нефтепродуктов с управляемой плотностью с использованием смешанного сырья, состав которого может изменяться.
[0050] Тепловую энергию можно независимо подводить к и отводить от единому(-го) баку(-а) реактора или баку(-а) реактора, содержащему(-го) множество последовательно расположенных реакторных зон. Температурный градиент внутри реакторного аппарата и/или в пределах каждой из последовательно расположенных реакторных зон наблюдается между нижней поверхностью бака реактора и верхней частью реактора вблизи выпускного канала реактора. Было обнаружено, что способы, раскрытые в настоящем описании, обеспечивают производство нефтепродуктов с желаемыми распределениями состава из широкого ассортимента смешанных полимеров, включая смешанный полимерный лом. Сырье из смесей непостоянного состава может создавать по существу то же самое целевое распределение тех же самых составов продукта, то есть желаемое "распределение состава". Например, продукты, полученные способом, представленным в настоящем описании, могут иметь целевые составы, и желаемое процентное содержание каждого продукта из числа лигроина, дистиллята, воска, газойля. Приведенные ниже примеры показывают управляемую плотность нефтепродукта. Например, состав углеводородного сырьевого материала может колебаться в пределах от приблизительно 10% до приблизительно 70% полиэтилена, от приблизительно 10% до 70% полипропилена, от приблизительно 10% до приблизительно 30% полистирола и от приблизительно 0% до приблизительно 30% других широко применяемых полимерных материалов, включая, но без ограничения ими, поливинилхлорид, сложный полиэфир, поликарбонат, полиметилметакрилат, найлон и подобные полимеры. В другом примере сырье содержит по меньшей мере 60% (мас.) смешанного полимерного лома, который содержит по меньшей мере 65% (мас.) углеводородного материала.
[0051] Фиг. 2 представляет собой упрощенную иллюстрацию установки 10 для проведения пиролиза смешанных полимеров в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения. В одном из примеров установка 10 содержит реакторный аппарат 12, представляющий собой устройство с двойной стенкой, которое содержит невращающийся бак 14 реактора и наружный кожух 16, по существу окружающий бак 14 реактора. В одном из вариантов исполнения реакторный аппарат 12 представляет собой невращающийся аппарат. Наружный кожух 16 расположен на некотором расстоянии, например, на расстоянии, которое составляет от приблизительно 2 см до приблизительно 20 см, от бака 14 реактора, а внутренняя стенка 18 является факультативной разделительной стенкой, которая простирается между баком 14 реактора и наружным кожухом 16 для образования каналов, или камер, 20 и 22 для текучей среды. При наличии внутренней стенки каналы 20 и 22 для текучей среды делают возможной циркуляцию или направление по определенным каналам теплоносителя, например, газообразной текучей среды, вдоль наружной стороны бака 14 реактора между баком 14 реактора и наружным кожухом 16. Реакторный аппарат 12 факультативно содержит изоляцию вдоль наружной поверхности наружного кожуха для уменьшения тепловых потерь и улучшения теплового КПД процесса.
1
2
1
2
1
2
1
2
[0052] Как показано на Фиг. 2, реакторный аппарат 12 имеет множество реакторных зон, например, первую реакторную зону Z и вторую реакторную зону Z, которые представляют собой последовательные смежные реакторные зоны, расположенные вдоль горизонтальной оси, оси X, реакторного аппарата, например, от впускного канала до выпускного канала. Отдельные реакторные зоны Z и Z определяются расположением внутренней стенки 18, которая простирается по периметру наружной поверхности бака 14 реактора и которая контактирует как с баком 14 реактора, так и с наружным кожухом 16. Несмотря на то, что бак 14 реактора открыт для потока сырья в направлении стрелки 19, которая указывает направление потока вдоль горизонтальной оси реактора, реакторные зоны Z и Z бака 14 реактора определяются в соответствии с расположением внутренней стенки 18, которая разделяет каналы для текучей среды (каналы 20 и 22 для текучей среды). Как показано на фигуре, например, реакторная зона Z представлена как часть 23 реакторного аппарата 12 (т.е. показана перед пунктирной линией 24, проведенной между краями внутренней стенки 18), которая расположена выше по потоку и которая включает в себя объем бака 14 реактора, который окружен каналом 20 для текучей среды, а также кольцевой объем канала 20 для текучей среды. Реакторная зона Z показана как часть 25 реакторного аппарата 12 (т.е. показана после пунктирной линии 24, проведенной между краями внутренней стенки 18), которая расположена ниже по потоку и которая включает в себя объем бака 14 реактора, который окружен каналом 22 для текучей среды, а также кольцевой объем канала 22 для текучей среды.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
[0053] Соответственно, в одном из примеров осуществления настоящего изобретения реакторный аппарат для проведения пиролиза смешанных полимерных материалов содержит бак 14 реактора и наружный кожух 16, окружающий этот бак реактора. Внутренняя стенка 18 простирается между наружным кожухом и баком реактора и определяет первый канал 20 для текучей среды и второй канал 22 для текучей среды, предназначенные для раздельного перемещения текучей среды, например, газообразной текучей среды, между баком реактора и наружным кожухом. Канал 20 для текучей среды расположен вокруг бака 14 реактора в первой реакторной зоне Z, а канал 22 для текучей среды расположен вокруг бака 14 реактора во второй реакторной зоне Z реакторного аппарата 12. Кроме того, реакторный аппарат 12 содержит множество источников тепла, например H и Н, которые независимо друг от друга подводят тепловую энергию Q и Q к первой зоне Z и второй зоне Z, соответственно. Например, источники тепла H и Н могут содержать газовую горелку, которую снабжают газообразным топливом, проходящим по трубопроводу 26, поток которого можно регулировать клапанами 28, 30. В соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения источники H и Н тепла расположены внутри реакторного аппарата 12 между баком 14 реактора и наружным кожухом 16 реакторных зон Z и Z, соответственно, вдоль длины реакторного аппарата 12 по горизонтали, т.е. вдоль горизонтальной оси. В другом примере источники H и Н тепла расположены снаружи или вне пределов реакторного аппарата 12. Подводом тепловой энергии независимо управляют в каждой реакторной зоне Z и Z с использованием источников H и Н тепла, а температурный градиент создается вдоль второй оси, например, вдоль вертикальной оси, в каждой из последовательно расположенных реакторных зон. Тепловая энергия на единицу массы сырья, загружаемого в бак реактора, может колебаться в пределах от приблизительно 0,5 МДж/кг/ч до приблизительно 5 МДж/кг/ч.
[0054] В приведенных для примера процессах, раскрытых в настоящем описании, смешанные полимерные материалы перемещают вдоль множества последовательно расположенных реакторных зон, которыми управляют независимо одна от другой. Это значит, что тепловую энергию независимо подводят к и отводят от каждой из множества последовательно расположенных реакторных зон, создавая при этом температурный градиент, например, температурный градиент вдоль вертикальной оси, обозначенной как ось Y, в каждой из последовательно расположенных реакторных зон. Температурный градиент, или разность температур, от нижней поверхности бака 60 для пиролиза, которая контактирует с сырьем, до верхней части 25 бака реактора вблизи выпускного канала 54 бака реактора, может изменяться в широких пределах, например, от приблизительно 50°С до 450°С, в другом примере от приблизительно 90°С до приблизительно 350°С, и еще в одном примере от приблизительно 100°С до приблизительно 300°С.
1
2
3
3
3
3
2
[0055] Горячий газ течет через каналы 20 и 22 для текучей среды. В этом примере газ, представляющий собой отходящий газ, генерируемый источником H тепла и протекающий через канал 20, проходит через канал отдельно, т.е. не смешивается с отходящим газом, генерируемым источником Н тепла, и протекающим через канал 22. Реакторный аппарат может содержать факультативный источник тепла Н для подвода тепловой энергии Q к выпускному каналу 38, имеющему отверстие 39 для выгрузки твердого остатка процесса. Источник Н тепла может быть расположен как внутри, так и снаружи, или и внутри, и снаружи наружного кожуха 16 реакторного аппарата. Если источником Н тепла является газовая горелка, расположенная между баком 14 реактора и наружным кожухом 16, отходящий газ может циркулировать, например, в канале 22 для текучей среды реакторной зоны Z. Тепловую энергию независимо подводят к и отводят от каждой из множества последовательно расположенных реакторных зон, создавая при этом температурный градиент, которым управляют от расплавленного полимера и/или остаточных твердых веществ в нижней части бака реактора до газов в верхней части бака реактора.
1
2
[0056] Реакторный аппарат 12 содержит выпускные трубки 40 и 42 каналов, расположенные вдоль наружного кожуха 16 в каждой из реакторных зон Z и Z, соответственно. Выпускные трубки 40 и 42 для отходящего газа содержат устройства 44 и 46 управления потоком, например, клапаны, задвижки и их комбинации, для управления выпуском отходящего газа из каналов 20 и 22, соответственно. Устройство управления потоком может быть использовано для независимого регулирования или полного отключения потока отходящего газа от каналов между баком реактора и наружным кожухом для управления подводом и/или отводом энергии к/от каждой реакторной зоне(-ы) для конденсации газа в баке реактора и для управления реакциями и продуктами крекинга. Следует понимать, что для управления вентиляцией может быть использовано устройство управления потоком, отличающееся от задвижки, и такое устройство может содержать, но без ограничения им, например, клапан. Отводом тепловой энергии от каждой из множества последовательно расположенных реакторных зон можно независимо управлять для управления процессами крекинга и рекомбинации в газовой фазе и управления продуктами, полученными в результате этих процессов.
[0057] Газовый поток, содержащий парообразные продукты, выходит из реакторного аппарата 12 через по меньшей мере один из трубопроводов для отведения продуктов, например, 50 и 52, бака 14 реактора. Каждый из трубопроводов 50, 52 для отведения продуктов факультативно имеет клапан, например, клапан 54 и клапан 56, соответственно, для того чтобы факультативно управлять по массе выпуском парообразного продукта и, в некоторой степени, составом газа в течение всего процесса. Газообразные продукты, выходящие из бака реактора, собирают для дальнейшей переработки. Например, средняя массовая скорость потока нефтегазового продукта, выходящего из реактора, может колебаться от приблизительно 0,008 кг/л⋅ч до приблизительно 0,06 кг/л⋅ч (от 0,5 фунт/кубический фут/ч до 3,5 фунт/кубический фут/ч).
1
2
1
2
[0058] В соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения процесс включает подвод тепловой энергии к смешанным полимерным материалам в ходе их продвижения через реакторный аппарат. Этот процесс включает независимое управление тепловой энергией, подводимой к последовательно расположенным реакторным зонам Z и Z, и независимое управление тепловой энергией, отводимой из последовательно расположенных реакторных зон Z и Z. Управление тепловой энергии создает температурный градиент в каждой реакторной зоне, например, вдоль вертикальной оси, обозначенной как ось Y, от основания 60 до верхней части 62 бака 14 реактора. В примерах процессов по настоящему изобретению, раскрытых в настоящем описании, управление подводом и отводом тепловой энергии способствует возвращению остатка после реакции крекинга на повторный крекинг, что обеспечивает протекание ряда реакций конденсации, крекинга и рекомбинации в газовой фазе и, таким образом, обеспечивает требуемое качество композиции.
[0059] Как видно на Фиг. 2, сырье 70, состоящее из смешанного полимерного материала, содержащего по меньшей мере два разных полимера, загружают через отверстие 72 впускного трубопровода 74 реакторного аппарата 12. По мере нагревания и перемещения сырья 70 через реакторный аппарат, сырье подвергается физическому превращению в расплавленный полимер 76, твердый остаток 78 и газ 80. В рассмотренных в настоящем описании процессах пиролиза управляют четко выраженными и взаимодействующими участками или поверхностями раздела между расплавленным полимером, остаточными твердыми веществами и газообразными фазами. В приведенных для примера способах по настоящему изобретению, рассмотренных в настоящем описании, управляют скоростью образования газа, конденсацией и, следовательно, типом молекул, образующихся в газовой фазе.
[0060] Во время работы температура образующегося газа, представленного в виде газовых потоков 80 и 81, перемещающихся внутри бака 14 реактора, существенно превышает температуру плавления, или температуру стеклования, смешанных полимеров в сырье. Температура внутри бака 14 реактора будет различаться от основания 60 реактора, которое находится в контакте с полимерным расплавом и остаточными твердыми веществами, к верхней части 62 реактора, которая контактирует с газообразными продуктами.
[0061] Таким образом, в одном из примеров способ производства нефтепродуктов включает загрузку реакторного аппарата 12 сырьем 70, содержащим смешанный полимерный материал, и нагревание сырья во время перемещения сырья и продуктов, образуемых этим сырьем, через реакторный аппарат 12. Тепловой энергией, подводимой к каждой из множества последовательно расположенных реакторных зон, управляют независимым образом, и тепловой энергией, отводимой от каждой из множества последовательно расположенных реакторных зон, управляют независимым образом. Продукты, полученные в процессе пиролиза и выведенные из реактора, содержат газообразные продукты и остаточные твердые вещества. Газообразные продукты собирают для дальнейшей обработки, например, гидроочистки, для производства нефтепродуктов, таких как, например, дизельное топливо и лигроин.
2
[0062] Рабочий процесс является анаэробным. Термин "анаэробный" относится к среде с низким или почти нулевым содержанием газообразного кислорода (O), или "свободного" либо "несвязанного" кислорода. Т.е. при первоначальном нагревании сырья, поступающего в реакторный аппарат 12, и в течение всего процесса пиролиза бак 14 реактора вмещает менее чем приблизительно 3% (объемн.) кислорода, в одном из альтернативных вариантов осуществления настоящего изобретения - менее чем приблизительно 2% (объемн.) кислорода, в одном из альтернативных вариантов осуществления настоящего изобретения - менее чем приблизительно 1% (объемн.) кислорода, и в еще одном из альтернативных вариантов осуществления настоящего изобретения - от приблизительно 0,01% (объемн.) до приблизительно 1% (объемн.) кислорода, из расчета на внутренний объем бака реактора.
[0063] Загрузкой сырья в бак 14 реактора реакторного аппарата 12 управляют с учетом размера и геометрии бака реактора. При транспортировке сырья вдоль бака реактора и через последовательно расположенные реакторные зоны масса расплавленного полимера уменьшается, а остаточные твердые вещества остаются. Тепло подводят к остаточным твердым веществам до тех пор, пока они не станут сухими, и содержание в них углерода будет составлять, например, менее чем приблизительно 5% (мас.).
[0064] Среднюю площадь загрузки сырья принимают с учетом различия толщины слоя сырья в зависимости от геометрии реактора. Желателен реактор, имеющий большое отношение объема к площади поверхности, например, реактор, форма которого является цилиндрической или прямоугольной, и горизонтальный, то есть имеющий длину, которая в по меньшей мере два или три раза превышает высоту. В примерах осуществления настоящего изобретения, приведенных в настоящем описании, реактор имеет достаточную глубину или диаметр, чтобы обеспечить образование слоя остаточных твердых веществ во время пиролиза, и достаточное свободное пространство над сырьем, чтобы сделать возможным протекание управляемых реакций крекинга и рекомбинации в газовой фазе. Реактор имеет по меньшей мере приблизительно 30% свободного объема при первоначальном нагревании, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения - по меньшей мере приблизительно 60% свободного объема при нагревании, в альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения - по меньшей мере приблизительно 80% свободного объема при нагревании, а и в еще одном варианте осуществления настоящего изобретения - от приблизительно 60% до приблизительно 99% свободного объема при нагревании.
[0065] Продукт в виде газообразных продуктов и остаточных продуктов может быть выведен из реакторного аппарата. Газообразные продукты выводят через по меньшей мере один из трубопроводов для отведения продукта, например, трубопровод 50. Профилем состава продукта можно управлять путем управления подводом и отводом энергии в каждой из последовательно расположенных реакторных зон. Общее количество газообразных продуктов, полученное из реакторного аппарата 12, составляет по меньшей мере приблизительно 50% (мас.), в другом примере - по меньшей мере приблизительно 82% (мас.), согласно другому примеру - по меньшей мере приблизительно 93% (мас.), а в еще одном примере - по меньшей мере приблизительно 96% (мас.), из расчета на массу сырья. Содержание конденсируемых углеводородов, из расчета на общее количество произведенных газообразных продуктов, колеблется в пределах от приблизительно 50% (мас.) до приблизительно 98% (мас.), в другом примере - от приблизительно 60% (мас.) до 90% (мас.). Например, полученные конденсируемые углеводороды составляют от приблизительно 10% (мас.) до приблизительно 60% (мас.) по меньшей мере одного из трех потоков, например, лигроина, дистиллята или газойля, из расчета на массу произведенных газообразных продуктов. Например, полученные конденсируемые углеводороды могут содержать от приблизительно 10% (мас.) до приблизительно 60% (мас.), в другом примере - от приблизительно 15% (мас.) до приблизительно 35% (мас.) лигроина, от приблизительно 10% (мас.) до приблизительно 60% (мас.), в другом примере - от приблизительно 15% (мас.) до приблизительно 35% (мас.) дистиллята, и от приблизительно 10% (мас.) до приблизительно 60% (мас.), в другом примере - от приблизительно 15% (мас.) до приблизительно 35% (мас.) жидкого топлива, из расчета на массу газообразного продукта.
[0066] В управлении скоростью газообразования и типом молекул в газовой фазе в процессе крекинга и риформинга используют несколько переменных параметров управления. Например, переменные параметры управления охватывают, но без ограничения ими, скорость подачи сырья в бак 14 реактора, подвод энергии к реакторному аппарату 12 или баку 14 реактора, удельный тепловой поток, массовую скорость потока газа из бака 14 реактора, поток газа, например, отходящего газа, по наружной поверхности бака реактора, толщину слоя остаточных твердых веществ, горизонтальный температурный градиент, радиальный температурный градиент, форму реакционной камеры, соотношение зон остаточного твердого вещества, жидкости, пены, газа, положение места вывода газообразного продукта, вертикальный температурный градиент и время нахождения газообразного продукта в реакторе.
[0067] Управление различными параметрами может быть выполнено с использованием по меньшей мере одного из ручного, электрического и пневматического устройства управления, например, с проводной или с беспроводной связью, или с волоконно-оптическим кабелем. Ручное устройство управления и/или логические схемы управления обеспечивают механизм управления температурным профилем внутри бака реактора как по вертикальной, так и по продольной осям, например, оси Y и оси X, соответственно, и температурным профилем по своду бака реактора в каждой реакторной зоне. Подвод и отвод энергии осуществляют в пределах каждой реакторной зоны с учетом нескольких переменных, в том числе, но без ограничения ими, скорости подачи, скорости перемешивания и профиля длины и глубины смешанного полимерного расплава (т.е. расплавленного полимера) в баке 14 реактора.
[0068] Внутри реакторного аппарата 12 размещен по меньшей мере один чувствительный к температуре элемент, например, термопара, для обеспечения выходного сигнала, который отображает температуру любого из продуктов реактора в газообразном состоянии внутри бака реактора. Реакторный аппарат 12 может содержать датчики 95 и 96 температуры в или около трубопроводах(-ов) 50 и 52 для отведения продукта, соответственно, а также в или около выпускных трубках(-ок) 40 и 42 каналов вдоль наружного кожуха 16. Сигнал о значении температуры может представлять собой электрический сигнал, который передается на/принимается управляющее(-им) устройство(-ом), как будет описано далее. Управляющее устройство 86 сравнивает эту измеренную температуру с сигналом заданного значения регулируемой величины и создает выходной сигнал, который управляет устройствами 44 и 46 управления потоком, клапанами 54 и 56 и их комбинациями. Если измеренная температура будет меньше заданного контрольного значения температуры, то источники тепла будут настраивать так, чтобы увеличить скорость подвода теплоты в первой реакторной зоне. Если измеренная температура в реакторной зоне будет больше заданного контрольного значения температуры, то тогда тепловую заслонку будут настраивать на увеличение массовой скорости потока газа из камеры или на увеличение массовой скорости потока отходящего газа, например, через выпускную трубку.
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
[0069] Фиг. 3 представляет собой упрощенную иллюстрацию установки 100 для осуществления способа производства нефтепродуктов с использованием сырья из смешанных полимеров, в соответствии с еще одним примером осуществления настоящего изобретения. Установка 100 аналогична установке 10, показанной на Фиг. 2, и содержит реакторный аппарат 102, который содержит пять реакторных зон Z, Z, Z, Z и Z. Следует отметить, что количество реакторных зон может быть различным в зависимости от распределения состава продукта, которое должно быть достигнуто, и упомянутый реакторный аппарат может содержать 3-10 реакторных зон, в другом примере, например, 5-15 реакторных зон, каждой из которых можно управлять независимым образом. Каждая из последовательно расположенных реакторных зон содержит стенку 18, которая определяет пять проточных каналов (например, камер), которые позволяют теплоносителю, например, отходящим газам, циркулировать или раздельно перемещаться по каналу вдоль наружной поверхности бака 14 реактора между баком 14 реактора и наружным кожухом 16. Реакторный аппарат 102 также содержит множество источников тепла H, Н, Н, Н и Н, соответственно, которые независимо подводят тепло к каждой из реакторных зон, и множество датчиков температуры 91, 93, 140, 142 и 144. Реакторный аппарат 102 также содержит выпускные трубки 40, 42, 120, 122 и 124, которые содержат устройства 44, 46, 130, 132 и 134 управления потоком, например, клапаны, задвижки и их комбинации. Реакторный аппарат 102 факультативно содержит датчики 92, 94, 150, 152 и 154 для электрического управления устройствами управления потоком, такими как клапаны, задвижки и их комбинации.
[0070] В любом из рассмотренных в этом описании способов, в том числе, например, в способе, описанном выше со ссылкой на Фиг. 2 и Фиг. 3, сырье и продукты, полученные из указанного сырья, могут быть перемещены вдоль последовательно расположенных реакторных зон при помощи, например, гравитационного или другого средства перемешивания. Реакторный аппарат 12 и/или бак 14 реактора, показанные на Фиг. 2 и Фиг. 3, могут быть расположены вдоль горизонтальной оси X под углом α. В другом примере бак реактора параллелен земле, и угол α равен нулю. Угол оси реакторного аппарата относительно горизонтальной оси X, угол α, может варьировать, например, от приблизительно 20 градусов до приблизительно -20 градусов, в другом примере - от приблизительно 10 градусов до приблизительно -5 градусов, и в еще одном примере - от приблизительно 5 градусов до приблизительно -5 градусов.
[0071] Другое средство перемешивания внутри бака 14 реактора может содержать разнообразные механические мешалки, в том числе шнек 112, показанный на Фиг. 3. Шнек 112 может содержать термопары 116, размещенные вдоль спирального гребня 114 или вдоль основания 118 шнека, которые могут измерять температуру на различных участках внутри бака 14 реактора, например, в местах вдоль горизонтальной, вертикальной и радиальной осей.
[0072] Сырье, представляющее собой смешанные полимерные материалы, содержит по меньшей мере два разных полимера, например, смесь двух или нескольких термопластичных полимеров, термореактивных полимеров и их смеси.
[0073] Полимерные материалы могут содержать термопластичные полимеры, такие как, например, полиэтилен, полипропилен, сложный полиэфир, сополимеры акрилонитрила-бутадиена-стирола (ABS), полиамид, полиуретан, простые полиэфиры, поликарбонаты, поли(оксиды), поли(сульфиды), полиарилаты, полиэфиркетоны, полиэфиримиды, полисульфоны, полиуретаны, поливиниловые спирты и полимеры, полученные полимеризацией мономеров, такие как, например, диены, олефины, стиролы, акрилаты, акрилонитрил, метакрилаты, метакрилонитрил, полимеры дикарбоновых кислот и диолов, лактоны, полимеры дикарбоновых кислот и диаминов, лактамы, винилгалогениды, сложные виниловые эфиры, их блок-сополимеры и их сплавы. Полимеры, образующие галогенированный материал при пиролизе, например, поливинилхлорид, политетрафторэтилен и другие галогенированные полимеры, могут вызывать коррозию, но могут быть лишены коррозионных свойств.
[0074] Полимерные материалы могут содержать термореактивные полимеры, такие как, например, эпоксидные смолы; фенольные смолы; меламиновые смолы; алкидные смолы; виниловые сложноэфирные смолы; ненасыщенные сложные полиэфирные смолы; сшитые полиуретаны; полиизоцианураты; сшитые эластомеры, включая, но без ограничения ими, полиизопрен, полибутадиен, стирол-бутадиен, стирол-изопрен, полимер этиленпропилендиенового мономера; и их смеси.
[0075] Смешанные полимерные материалы могут также содержать устойчивые биоматериалы, такие как биополимеры. Биополимеры могут быть устойчивыми, нейтральными по отношению к углероду и возобновляемыми, поскольку они изготовлены из растительных материалов, которые можно выращивать бесконечно. Эти растительные материалы извлекают из непродовольственных сельскохозяйственных культур. Примеры биополимеров охватывают, но без ограничения ими, полимолочную кислоту (PLA) и полигидроксиалканоат (РНА), которые, например, используются в многослойном листовом материале, применяемом для изготовления пищевой упаковки.
[0076] Полимерный материал, содержащийся в полимерном ломе, может содержать комбинацию термопластических и термореактивных полимеров, например, шины, краска, адгезив, измельченные отходы автопромышленности (губчатая резина) и т.д., и может быть использован в качестве сырья в соответствии с различными приведенными в настоящем описании примерами пиролитического процесса.
[0077] Смешанный полимерный подаваемый материал может содержать наполнители, загрязнители и т.д., в среднем от приблизительно 2% (мас.) до приблизительно 25% (мас.), в другом примере - от приблизительно 3% (мас.) до приблизительно 20% (мас.), в еще одном примере - от приблизительно 3% (мас.) до приблизительно 15% (мас.) и в еще одном примере - менее приблизительно 7% (мас.) из расчета на среднюю массу твердого сырья.
[0078] В примере любого периодического, полунепрерывного или непрерывного процессов, описанных выше, смешанное сырье содержит от приблизительно 40% (мас.) до приблизительно 90% (мас.), в другом примере - от приблизительно 50% (мас.) до приблизительно 85% (мас.), в еще одном примере - от приблизительно 70% (мас.) до приблизительно 80% (мас.) смешанных полимеров из полиэтиленов, полипропиленов и полистиролов. Оставшиеся полимеры могут представлять собой, но без ограничения ими, полиуретан, найлон, ПЭТ, поливинилхлорид и подобные полимеры.
[0079] Любое сырье из описанных выше вводят в реактор в виде по существу измельченного полимера, а в другом примере по меньшей мере часть сырья может присутствовать в другом виде. Например, сырье может присутствовать в виде формованного или экструдированного полимера, листа, пленки или многослойных пленок, а также изделий из пенопласта или формованных изделий.
[0080] Установки 10 и 100, показанные на Фиг. 2 и Фиг. 3, содержат управляющее устройство 86 для электрического управления любым из переменных параметров управления, обсуждаемых в настоящем описании, например, температурой, скоростью подачи, массовой скоростью потока отходящего газа, скоростью потока газообразного продукта, скоростью перемешивания и скоростью извлечения твердых инертных остатков. Управляющее устройство 86 содержит процессор 88 и память 89. Память 89 представляет собой предназначенный для долговременного хранения информации машиночитаемый носитель, который может быть использован для осуществления установок и способов, раскрытых в настоящем описании, например, на основе исполняемых компьютером команд (например, логические схемы вычислительной машины, логические схемы управления и т.д.), которые выполняются на управляющем устройстве 86. Управляющее устройство 86 может быть выполнено в виде неотъемлемой части реакторного аппарата и быть использовано как компонент реакторного аппарата. В другом примере управляющее устройство 86 может быть использовано как автономное компьютерное устройство и/или может работать в сетевой среде и быть связанным с одним или несколькими сетевыми компьютерными устройствами общего назначения, встроенными компьютерными устройствами, маршрутизаторами, коммутаторами, серверными устройствами, клиентскими устройствами, различными промежуточными устройствами/узлами. Логические связи могут охватывать локальную сеть (LAN) и глобальную сеть (WAN). В некоторых примерах пользователь может вводить команды и информацию в управляющее устройство 86 через устройство ввода пользователя (не показано), такое как клавиатура, координатно-указательное устройство (например, типа "мышь"), сенсорный экран и т.д. Эти и другие устройства ввода часто подключают к процессору 88 через соответствующий интерфейс, который подключен к аппарату. Управляющее устройство 86 факультативно подключено к дисплею 90 для просмотра выходных данных управляющего устройства 86. На Фиг. 2 также показано запоминающее устройство 89, которое содержит исполняемые компьютером инструкции (то есть логику) для определения правильного управления процессом.
1
1
2
1
2
[0081] На Фиг. 4а и Фиг. 4b показана блок-схема для осуществления способа 200 для управления процессом производства нефтепродуктов в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения. Способ 200 начинается с определения температуры газа в первой реакторной зоне (Фиг. 2 и Фиг. 3), как показано в элементе 202. Способ включает прием сигнала данных, который содержит значение температуры газа, присутствующего в первой реакторной зоне, как показано в элементе 204. Температура газа может быть определена в канале первой реакторной зоны или в верхней части бака реактора вблизи выпускного канала для газа первой реакторной зоны. Если логическая схема в элементе 204 определяет, что температура газа в первой реакторной зоне меньше заданной минимальной температуры, то управляющее устройство будет регулировать источник H тепла, изображенный в элементе 206, на увеличение подачи теплоты в первую зону Z нагрева. Упомянутая логическая схема может либо получать данные о температуре газа во второй зоне Z нагрева в элементе 208, либо может осуществлять проверку, является ли температура слишком высокой и превышает заданный максимум температуры в элементе 214. Если логическая схема в элементе 214 определяет, что температура слишком высока, тогда задвижка в Z будет отрегулирована в элементе 216 для приведения температуры в требуемый диапазон. Управляющее устройство также проверит температуру газа во второй реакторной зоне, чтобы определить, нужно ли регулировать источник тепла и/или задвижку (элементы 224 и 228, соответственно) во второй реакторной зоне Z. На Фиг. 4b показаны остальные логические этапы работы управляющего устройства для определения удельного теплового потока и массовой скорости потока газообразного продукта для управления скоростью подачи и скоростью перемешивания. Кроме того, управляющее устройство будет получать данные датчиков, указывающие количество углеводородов в остаточных твердых веществах, и затем соответственно управлять скоростью извлечения твердых веществ.
[0082] Согласно другому аспекту настоящего изобретения управляющее устройство для управления процессом производства нефтепродуктов в реакторном аппарате содержит первый порт управления для приема данных из первой реакторной зоны и первый порт связи для передачи данных в первую реакторную зону реакторного аппарата. Вычислительное устройство содержит процессорный блок, взаимодействующий с первым портом управления и первым портом связи, и указанный процессорный блок содержит логические схемы управления. Указанные логические схемы управления способны принимать сигнал данных первого порта управления, содержащий значение температуры газообразного продукта в первой реакторной зоне, и определять по меньшей мере одну из скоростей подвода теплоты в первой реакторной зоне и массовую скорость потока отходящего газа, выходящего из реакторного аппарата в первой реакторной зоне.
[0083] Соответственно, в одном из примеров осуществления настоящего изобретения управляющее устройство для управления процессом производства нефтепродуктов в реакторном аппарате содержит первый порт управления для приема данных из первой реакторной зоны и второй порт управления для приема данных из второй реакторной зоны реакторного аппарата; при этом первый порт связи предназначен для передачи данных в первую реакторную зону, и второй порт связи предназначен для передачи данных во вторую реакторную зону реакторного аппарата. Управляющее устройство содержит процессорный блок, взаимодействующий с первым и вторым портами управления и первым и вторым портами связи, и упомянутый процессорный блок содержит логические схемы управления. Эти логические схемы управления способны принимать сигнал данных первого порта управления, содержащий значение температуры газообразного продукта в первой реакторной зоне, и сигнал данных второго порта управления, содержащий значение температуры газообразного продукта во второй реакторной зоне, и определять по меньшей мере одно из скорости подвода теплоты в первой реакторной зоне и массовой скорости потока отходящего газа в первой реакторной зоне.
[0084] В управлении скоростью газообразования и типом молекул в газовой фазе в процессе крекинга и риформинга используют несколько переменных параметров управления. Например, к параметрам относятся, но без ограничения ими, скорость подачи сырья в бак 14 реактора, подвод энергии к реакторному аппарату 12 или баку 14 реактора, удельный тепловой поток, массовая скорость потока газообразного продукта из бака 14 реактора, тепловой поток по наружной поверхности бака реактора, толщина слоя остаточных твердых веществ, горизонтальный температурный градиент, радиальный температурный градиент, форма реакционной камеры, соотношение зон остаточного твердого вещества, жидкости, пены, газа, положение места вывода газообразного продукта, вертикальный температурный градиент и время нахождения газообразного продукта в реакторе.
[0085] Управление различными параметрами управления может быть выполнено с использованием пневматического, ручного, электрического устройства управления и комбинацией этих устройств, например, с проводной или беспроводной связью, или с волоконно-оптическим кабелем. Ручное устройство управления и/или логические схемы управления обеспечивают механизм управления температурным профилем внутри бака реактора как по вертикальной, так и по горизонтальной осям, например, по оси Y и по оси X, соответственно, и температурным профилем по своду бака реактора в каждой реакторной зоне бака реактора. Управление энергией, например, подвод и отвод энергии, осуществляют в пределах каждой реакторной зоны в зависимости от нескольких параметров, включая, но без ограничения ими, скорость подачи, скорость перемешивания и профиль длины и глубины смешанного полимерного расплава (т.е. расплавленного полимера) в баке 14 реактора.
[0086] Внутри бака 14 реакторного аппарата расположен чувствительный к температуре элемент, например, термопара, для генерирования выходного сигнала, который отображает температуру любого из продуктов реактора в газообразном состоянии внутри реактора. Этот сигнал может представлять собой электрический сигнал, который передается на/принимается управляющее(-им) устройство(-ом). Управляющее устройство 86 сравнивает эту измеренную температуру с сигналом заданного значения регулируемой величины и генерирует выходной сигнал, который регулирует задвижку 44. Если измеренная температура будет меньше заданного контрольного значения температуры, то источник тепла будет настроен так, чтобы увеличить скорость подвода теплоты в первой реакторной зоне. Если измеренная температура будет больше заданного контрольного значения температуры, то тогда клапан управления подогревом или задвижка 46 будет настроен(-а) на увеличение массовой скорости потока отходящего газа через выпускную трубку 40 для выпуска отходящего газа.
[0087] Приведенные ниже примеры предназначены для более ясного описания конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения и связанных с ним преимуществ. Однако существует множество не выходящих за пределы объема настоящего изобретения вариантов осуществления, которые не должны ограничиваться конкретными примерами, приведенными в настоящем описании.
ПРИМЕРЫ
[0088] Приведенные ниже примеры иллюстрируют способ производства топливных продуктов в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения. Эксперименты, описанные ниже, проводили с использованием как реакторного аппарата лабораторных размеров, так и реакторного аппарата промышленного размера. В следующих примерах, показанных на Фиг. 5-10, представлены результаты производства нефтепродуктов с иллюстрацией составов продуктов, полученных из нескольких партий различных композиций подаваемого материала при различной загрузке, обеспечивших стабильность качества лигроина, дистиллята и тяжелого нефтяного топлива.
Примеры 1-6
[0089] Цилиндрический горизонтальный реактор, имеющий внутренний бак и наружный кожух (как показано на Фиг. 2), применяли для экспериментов по периодическому пиролизу, описанных ниже. Рабочий объем реактора составляет приблизительно 19 л. Перемешивание осуществляли с помощью лопастной мешалки, которая скользила по стенке бака с низкой скоростью (1-10 об/мин). Упомянутый бак нагревали ленточной горелкой, расположенной под баком, и тепло регулировали посредством поддержания заданного значения температуры отходящего газа. Жидкий продукт улавливали путем пропускания пиролитических паров через конденсатор.
[0090] Были использованы два различных состава смеси полимеров из гранул первичных полимерных материалов и вторичных измельченных материалов; составы смесей показаны в приведенной ниже Таблице 1, которая иллюстрирует распределение полимерных компонентов.
[0091] Плотность расплава отдельных полимеров и количество каждого полимера использовали для расчета плотности расплава подаваемой полимерной смеси, как показано в Таблице 2.
[0092] Плотность расплава различных полимерных смесей подаваемого материала рассчитывали для определения свободного объема реактора для каждого состава и загрузки, как указано в Таблице 2. Уровни исходного свободного объема представляют собой свободный объем в реакторе до начала пиролиза.
[0093] Подаваемый материал 3 был приготовлен из тюков №№3-7 измельченного пластмассового лома, полученного из промышленной установки утилизации материалов. Эти тюки содержали остаточные материалы: №1 - сложный полиэфир; №2 - полиэтилен низкого давления, остающийся после утилизации смеси бутылок и кувшинов, которые были подвергнуты переработке, №3 - поливинилхлорид, №4 - полиэтилены низкой плотности и линейные полиэтилены низкой плотности, №5 - полипропилен, №6 - полистирол и №7 - прочие пластмассы.
[0094] В примерах использовали три разных уровня загрузки подаваемого материала, как показано в Таблице 3, которые обеспечивали различную величину свободного объема.
[0095] Для каждого эксперимента смешанные полимерные материалы загружали в бак для пиролиза, который затем герметизировали и продували аргоном, чтобы снизить уровень кислорода до менее чем 1%. Упомянутый бак нагревали для пиролиза материала. Регистрировали массу и выход жидкости. Для каждой загрузки и для каждого состава полимерной смеси выполняли повторные эксперименты, за исключением 1-фунтовой загрузки (т.е. при 97% свободного объема), в случае которой повторный эксперимент проводили лишь с составом смеси "подаваемый материал 2". Результаты двух экспериментов усредняли.
[0096] Качество жидких продуктов оценивали по результатам анализа согласно стандарту ASTM D6352 (высокотемпературная имитированная дистилляция) на составном образце жидкости из обоих повторенных экспериментов со смесью подаваемого материала одинакового состава и одинаковым свободным объемом. Данные представлены в приведенной ниже Таблице 4 и показаны на Фиг. 5, Фиг. 6 и Фиг. 7, на которых показана зависимость температуры от выраженной в процентах потери массы для конденсируемых нефтяных газообразных продуктов. Графики на Фиг. 5, Фиг. 6 и Фиг. 7 показывают изменение полученного продукта в экспериментах с различными составами подаваемого материала (Таблица 1) при том же свободном объеме 71%, 88% и 97%, соответственно. Непосредственная близость кривых на каждом графике показывает, что данный способ обеспечивал получение продукта с высокой стабильностью качества в разных экспериментах со смесями подаваемого материала очень разных составов. Фиг. 5, которая представляет эксперименты с 10 фунтами (4,540 кг) подаваемого материала (71% свободного объема) в реакторе, показывает стабильность качества нефтепродукта даже при трех различных составах подаваемого материала. Полимерные смеси трех различных составов подаваемого материала раскрыты в Таблице 1 и далее по тексту. На Фиг. 6 показано сравнение результатов Примеров 2 и 3; 4 фунта (1,816 кг) подаваемого материала (88% свободного объема) в реакторе снова показывают стабильность качества жидкого продукта.
[0097] Фиг. 8 представляет собой график выраженного в процентах отклонения в зависимости от выраженной в процентах массы, дистиллированной в экспериментах для 4-фунтовой (1,816 кг) (88% свободного объема) и 10-фунтовой (4,540 кг) (71% свободного объема) загрузок. Также показано среднее процентное отклонение для каждой загрузки в зависимости от выраженной в процентах дистиллированной массы. График показывает, что стабильность качества нефтепродуктов находится в среднем в пределах от приблизительно 4% до менее чем приблизительно 2%, когда свободный объем составляет 88%, и находится в среднем в пределах от менее чем приблизительно 5% до менее чем приблизительно 3%, когда свободный объем составляет 71%. Более высокая стабильность качества между композициями получалась в экспериментах, свободный объем в которых был больше.
Пример 7
[0098] Качество жидкого продукта, полученного в экспериментах в ходе осуществления непрерывного процесса в промышленном масштабе, определяли посредством сравнения с продуктом, полученным в экспериментах с партиями меньшего размера. Реактор промышленного масштаба представляет собой цилиндрический горизонтальный реактор с перемешиванием, объемом приблизительно 104775 л; этот реактор использовали для преобразования измельченной пластмассы в углеводородную жидкость, неконденсируемый газ и остаточные твердые вещества. Для расчета плотности расплава исходной полимерной смеси использовали массу смешанного полимерного подаваемого материала, представлявшего собой измельченную пластмассу, и объем бака реактора. Плотность расплава загруженного полимерного подаваемого материала рассчитывали для определения свободного объема реактора, приведенного в Таблице 5.
2
[0099] В реактор промышленного масштаба загружали приблизительно 475 кг Подаваемого материала 3. Бак реактора продували азотом путем повышения давления до внутреннего давления [10 фунтов/дюйм] 517 мм рт.ст. (68,948 кПа), и трижды вентилировали с последующей продувкой до 414 мм рт.ст. (55,199 кПа) перед нагревом бака реактора. После появления жидкости в бак реактора с помощью экструдерного питателя со средней скоростью приблизительно 500 кг/ч добавляли дополнительное количество измельченного полимера. Пластмассу, остающуюся в баке реактора, обрабатывали до тех пор, пока не наблюдалось заметного образования газа или жидкости. Затем подачу теплоты на устройство прекращали. В общей сложности 5665 кг было преобразовано в жидкий углеводород, неконденсируемый углеводородный газ и твердый инертный остаток.
[00100] Фиг. 9 представляет собой график зависимости между температурой и выраженной в процентах потерей массы конденсируемых нефтяных газообразных продуктов в Примерах 1-7. На Фиг. 9 показано стабильное качество продукта для различных загрузок полимеров. Непосредственная близость кривых на каждом графике показывает, что способ, раскрытый в этом описании, позволяет получить продукт с высокой степенью стабильности качества в экспериментах с очень разными объемами загрузки.
[00101] Фиг. 10 представляет собой кривую хроматограммы жидкой нефти, состоящей из конденсируемой части газообразного нефтепродукта Примера 7.
[00102] В приведенной ниже Таблице 6 представлен выход жидкого продукта всех экспериментов Примеров 1-7.
[00103] Вышеприведенное подробное описание и примеры представлены только для ясности понимания. Из приведенной информации не следует делать выводы о каких-либо ненужных ограничениях. Несмотря на то, что данное изобретение было описано со ссылкой на несколько конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения, это изобретение не ограничивается точными показанными и описанными деталями, поскольку им будут охвачены изменения, очевидные для специалиста в данной области техники. Данное описание не должно истолковываться в ограничительном смысле. Различные модификации раскрытых вариантов осуществления настоящего изобретения, а также альтернативные варианты осуществления настоящего изобретения станут очевидными для специалистов в данной области техники при обращении к описанию настоящего изобретения. Поэтому предполагается, что прилагаемая формула изобретения будет охватывать такие модификации, которые входят в объем настоящего изобретения. Такие усовершенствования, изменения и модификации, в пределах объема знаний специалиста в этой области техники, следует истолковывать как такие, которые охватываются прилагаемой формулой изобретения.