УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ ОТХОДОВ ПОЛИЭТИЛЕНА И ПОЛИПРОПИЛЕНА

Область техники.
Полезная модель относится к утилизации промышленных и бытовых отходов из пластмасс, в частности, из полиэтилена (далее - ПЭ) и полипропилена (далее - ПП), а именно к техническим средствам термической и термокаталитической деструкции указанных отходов по периодическому или непрерывному режиму, для получения после их утилизации и переработки моторных топлив (бензина, дизельного топлива), печного топлива, углеводородного газа и углеродного остатка (кокса).
Уровень техники.
Одной из важнейших проблем, с которой столкнулось мировое сообщество в настоящее время, является проблема загрязнения окружающей среды отходами полимерных материалов, в частности, пластмасс на основе ПЭ и ПП.
До недавнего времени основными методами утилизации таких отходов было их складирование на полигонах твердых бытовых отходов (ТБО) или простое сжигание. Т.е. традиционная обработка отходов включает в себя прокаливание или свалку без изначальной сортировки и отдельной обработки в зависимости от типов утилизируемых отходов. Такая утилизация отходов, безусловно, загрязняет окружающую среду.
Среди типов отходов именно пластмассовые отходы становятся основными средствами загрязнения вследствие их естественного разнообразия и постепенного накопления. Традиционная утилизация пластиковых отходов включает прокаливание, или, в противном случае, сортировку для восстановления. При этом процесс (метод) прокаливания заключается в непосредственном сжигании пластиковых отходов, в то время как процесс (метод) сортировки для последующего восстановления включает сортировку пластиковых отходов и восстановление утилизированного пластика.
Первый метод (прокаливание) относится исключительно к инженерному потреблению, что требует дорогостоящего оборудования для предотвращения создания вторичных источников опасности для окружающей среды, таких как загрязнение воздуха. В то же время метод восстановления имеет проблему, заключающуюся в сложности обработки из-за большого разнообразия типов утилизируемого пластика и добавок, которые в нем содержатся. Также сниженные физико-механические характеристики утилизированной и восстановленной продукции часто делают процесс восстановления нецелесообразным.
При этом вышеуказанные методы не решают проблему загрязнения окружающей среды, так как в случае утилизации отходов на полигонах (при свалке) для большинства полимерных материалов просто не существует микроорганизмов, способных превращать (перерабатывать) их в безопасные для окружающей среды вещества. А при сжигании, образуется значительное количество газообразных и твердых отходов, которые, в свою очередь, также необходимо утилизировать.
Известен ряд методов вторичного использования ПЭ и ПП. В большинстве этих способов используются различные методы и устройства вторичного формования изделий из отходов пластмасс. Основным недостатком этих методов является то, что механические свойства изделий из вторичных пластмасс ухудшаются на 15-20% по сравнению с исходными изделиями [Клинков А.С., Беляев П.С., Соколов М.В. Утилизация и вторичная переработка полимерных материалов: учеб. пособие. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. - 80 с.].
Среди известных технологий следует особо выделить пиролиз - метод контролируемого термического разложения исходного сырья без доступа кислорода. В результате пиролизной переработки сырья получается кондиционная продукция: котельное (печное) топливо (используется по прямому назначению и для получения компонентов дизельной (бензиновой) фракции при наличии ректификационной колонны); пиролизный газ (используется в качестве топлива для работы установки); сухой углеродный остаток 4-го класса опасности (используется на местные, строительные и рекультивационные нужды, а также вводится как наполнитель в бетонные смеси); тепло, выделяемое в процессе переработки (используется для обогрева помещений).
Пиролиз представляет собой совокупность элементарных реакций разложения (деструкции) органического вещества на продукты с меньшей молекулярной массой. Реакции протекают как последовательно, так и параллельно, и при этом неразрывно связаны между собой.
На сегодняшний день существует ряд классификаций пиролиза, а именно:
сухой пиролиз (без доступа кислорода) и окислительный пиролиз (при частичном сжигании отходов или в результате прямой обработки отходов горячими дымовыми газами);
низкотемпературный пиролиз (300-550°C), направленный преимущественно на получение продуктов жидкой фракции;
среднетемпературный пиролиз (550-800°C), направленный на получение продуктов всех фракций;
высокотемпературный пиролиз (свыше 900°C), направленный на получение газообразных продуктов процесса;
пиролиз, реализуемый в установках циклического (периодического) и непрерывного действия.
Однако в странах СНГ, включая Россию и Украину, процесс переработки отходов методом пиролиза пока не получил большого распространения. Причиной этого является, во-первых, сложность в эксплуатации представленных на рынке стран СНГ технологий и оборудования, во-вторых, отсутствие опыта у местных производителей, не дающих гарантии функционирования установок, и, в-третьих, отсутствие эффективных технологий пиролиза и устройств, реализующих эти технологии. Как следствие - высокая стоимость зарубежных аналогов.
Известен способ утилизации отходов ПЭ [Способ переработки вторичного полиэтилена, патент на изобретение RU 2106365, МПК C08J 11/04, заявка №93011365/04 от 25.03.1993, опубл. 10.03.1998], согласно которому заранее измельченный ПЭ подвергают фракционированию в кипящем растворителе на растворимую золь-фракцию и нерастворимую гель-фракцию с разделением и промывкой продуктов фракционирования, а затем отдельно для каждой фракции проводится низкотемпературный пиролиз в вакууме.
Основным недостатком этого способа является применение в технологии утилизации токсичных растворителей, а также многостадийность процесса утилизации.
Известны способы переработки отходов полимерных материалов в ценные органические вещества. Одним из таких способов является термическая и термокаталитическая деструкция отходов полимеров в углеродные фракции, которые после соответствующей обработки могут быть использованы в качестве высококачественного моторного топлива [http://i-pec.ru/wp-content/uploads/2014/01/Термическая-деструкция-отходов-пиролиз.pdf].
Известен ряд способов переработки отходов термопластов, которые реализуются при помощи соответствующих установок, которые, таким образом, являются частью этих способов. Так, например, известен способ переработки отходов термопластов и установка для его реализации, согласно которому пиролиз проводят в реакторе при температуре 480-600°C и давлении 0,1-0,15 МПа, а выделение жидкой фазы из парогазовой смеси ведут путем воздушной конденсации в две ступени. При этом на первой ступени парогазовую смесь охлаждают при температурах от 280-320°C в начале конденсации и до 110-120°C в конце конденсации с последующим выделением высококипящих компонентов жидкого топлива и парафинов, а на второй ступени парогазовую смесь охлаждают до температуры 50-60°C с последующим выделением легкокипящих компонентов жидкого топлива. Установка снабжена питателем для непрерывной подачи сырья [Пат. 2459843 РФ, МПК7 C08J 11/04, В29В 17/00, F23G 5/027. Способ переработки отходов термопластов и установка для его реализации / Шаповалов Ю.Н., Ульянов А.Н., Андреев В.А., Саликов П.Ю. и др.; заявка №2010151482/02; Заявл. 15.12.2010; Опубл. 27.08.2012, Бюл. №24].
Недостатком данной установки является отсутствие фракционирующего оборудования, позволяющего получать четкие фракции жидких углеводородов, такие как бензин, дизельное топливо и печное топливо.
Известна установка термической деструкции отходов ПП и ПЭ, состоящая из реактора термической деструкции, блока нагрева, блока теплообменников и ректификационной колонны, на базе которой реализуется одноименный способ [Способ термической деструкции отходов полиэтилена и полипропилена, патент на полезную модель UA 77844, МПК (2013.01) C10G 1/00, С10В 53/00, F22G 5/027, заявка №u201210850 от 17.09.2012, опубл. 25.02.2013, Бюл. №4].
Недостатком известной установки является функционирование ее в периодическом режиме, вследствие чего расходуется тепло на разогрев оборудования после остановок на выгрузку кокса и загрузку сырья в реактор, а также увеличивается доля некондиционных продуктов, образующихся при пусках и остановках установки. Кроме того, при такой типовой (общепринятой) конструкции ректификационной колонны, когда все продукты производятся в одной колонне за один проход, а орошение колонны осуществляют охлажденным верхним продуктом (в данном случае - бензином), фракционирование углеводородов из парогазовой смеси, в которой содержится до 20% инертных углеводородных газов, чрезвычайно затруднительно.
Известен способ и устройство по переработке отходов, включающий сортировку отходов, выделение легких пластиковых отходов и их крекинг, постепенное охлаждение продуктов крекинга, отделение газообразных углеводородов и последующую фракционную перегонку жидких углеводородов. Аппаратура этого изобретения включает: тележку для мусора, которая перевозит отходы, и которая разгружается на конвейерную ленту для транспортировки отходов к измельчителю, который оборудован мельницей, на которой отходы измельчаются. Вышеуказанная мельница может генерировать большую энергию ветра, который может снижать содержание влаги и земли в отходах, распыляя отходы в зависимости от их удельного веса. Устройство также включает четыре крекинг-печи, печь прокаливания, водовод системы охлаждения, линию подачи мазута, линию нефтяного газа, газовую горелку и другие типовые элементы [Процессы и аппаратура для восстановления энергии через сортировку и прокаливание отходов, патент US 005998682 А от 07.12.1999, МПК (1999) C01G 1/00, С07С 1/00, заявка №09/182647 от 30.10.1998].
Недостатком данного способа является используемая периодическая схема работы установки, согласно которой крекинг-печи поочередно включаются в работу, проходя стадии «загрузка пластиковых отходов - крекинг пластик - охлаждение крекинг-печи - выгрузка кокса», вследствие чего имеет место повышенный расход топлива на очередной повторный разогрев остывшей крекинг-печи в начале следующего цикла работы установки. Кроме того, из-за большого времени простоя крекинг-печей на стадии остывания (большего, чем время проведения собственно крекинг процесса), для создания непрерывной цикличности работы установки приходиться реализовывать схему с повышенным количеством крекинг-печей (четыре), что удорожает установку. Недостатком является и то, что углеводороды после крекинга охлаждают, отделяют углеводородный газ, затем повторно нагревают до 450°C и проводят фракционирование смеси углеводородов. Это приводит к двукратному расходу топлива (на нагрев) и воды (на охлаждение продуктов). Недостаток изобретения состоит также и в том, что крекинг проводят при повышенном давлении 0,4 МПа, что значительно удорожает аппаратуру, в которой осуществляют процесс.
Известно устройство для пиролиза пластиковых отходов, содержащее печь нагрева, металлическую реторту, газовую горелку, устройство непрерывной загрузки сырья и выгрузки коксового остатка, конденсатора жидких углеводородов [Устройство для пиролиза пластиковых отходов, патент на полезную модель UA 22609, МПК (2007) C10G 9/28, F23G 7/00, заявка № u 200612719 от 04.12.2006, опубл. 25.04.2007, Бюл. №5].
Недостатком данного устройства является то, что жидкие углеводороды не подвергают фракционированию для получения товарных продуктов, что снижает экономический эффект от эксплуатации данной установки.
Известна установка для непрерывной термической утилизации органических отходов, содержащая реактор пиролиза с системой обогрева, загрузочное и разгрузочное устройство, а также блок конденсации с водяным охлаждением [Установка для непрерывной термической утилизации органических отходов с получением жидкого топлива. Патент на полезную модель UA 50431, МПК (2007) C10G 1/00, F23G 5/027, заявка № u 200912544 от 03.12.2009, опубл. 10.06.2010, Бюл. №11].
Недостатком данного устройства является то, что все сконденсированные тяжелые фракции возвращаются назад в реактор, где заново подвергаются нагреву, деструкции и повторной конденсации. Это приводит к значительным затратам топлива на нагрев и увеличивает расход хладагента (воды) на охлаждение. Кроме того, устройство не позволяет разделять дизельную и бензиновую фракции, как это следует из перечня получаемой продукции: на установке получают только жидкое топливо, аналог дизельного топлива (а на самом деле это смесь дизельной и бензиновой фракции).
Наиболее близким по технической сущности к изобретению, которое заявляется, является пиролизный комплекс для утилизации углеродосодержащих отходов, включающий пиролизный реактор для термохимического разложения отходов, загрузочное и разгрузочное устройства, блок разделения пиролизного пара на газообразные и жидкие составляющие, устройство нагрева отходов в реакторе, систему очистки пиролизного газа для подачи в газотурбинный электроагрегат, систему очистки выбрасываемых в атмосферу газов, отличающийся тем, что пиролизный реактор выполнен из двух, установленных одна над другой, трубчатых камер - верхней трубчатой камеры с перфорированными отверстиями для сбора и выхода пиролизных паров из реактора и нижней жаропрочной трубчатой камеры для нагрева отходов через металлические стенки, причем для обеспечения пускового режима и нагрева отходов без доступа воздуха установлена автономная камера совместного сжигания пиролизной жидкости и пиролизного газа, от которой отходят две жаропрочные трубы, подающие бескислородные горячие газы для внешнего и внутреннего нагрева отходов [RU 2434929, МПК (2006.01) С10В 53/02, В09В 3/00, F23G 5/027, опубл. 27.11.2011, Бюл. №33].
Недостатком устройства прототипа является несовершенство его конструкции, что приводит к недостаточной его эффективности, в частности, к тому, что при периодической работе установки очень сложно добиться синхронной работы ректификационной колонны с пиролизной печью, что сказывается на качестве готовых продуктов - бензина и дизтоплива.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования конструкции установки термической и термокаталитической деструкции отходов пластмасс путем разработки эффективных конструкций узлов (аппаратов) стадии фракционирования углеводородов, которые позволят получать качественные продукты, а именно бензин и дизельное топливо, из парогазовой смеси, содержащей до 20% инертных углеводородных газов, а также повышение энергоэффективности утилизации органического сырья.
Суть изобретения.
Указанная техническая задача решается тем, что в устройстве для термической деструкции отходов полиэтилена и полипропилена, включающем в себя реактор термической деструкции полимерного сырья с устройствами загрузки сырья и выгрузки кокса, узел фракционирования продуктов деструкции полимерного сырья, блок теплообменников, оборудование для осуществления термического катализа, а также блок подачи с трубопроводами для циркуляции хладагента в виде воды, новым является то, что, устройство содержит не менее двух реакторов термической деструкции, которые соединены параллельно с обеспечением полного технологического цикла «нагрев - термическая деструкция - охлаждение - выгрузка кокса - загрузка сырья», при этом каждый из реакторов снабжен мобильной или съемной топкой, которая выполнена с возможностью отсоединения от первого реактора, и присоединения ко второму реактору, а узел фракционирования продуктов деструкции полимерного сырья, а именно парогазовой смеси, состоит из последовательно соединенных теплообменника с водяным охлаждением, в котором реализована схема противоточного движения фаз с нисходящим потоком парогазовой смеси углеводородов, куба-сборника углеводородов с кипятильником, депарафинизатора, состоящего из насадочной нижней части и дефлегматора, установленного в верхней части, и выполненного в виде кожухотрубного теплообменника, ректификационной колонны для разделения фракций дизельного топлива и бензина, состоящей из насадочной нижней части и дефлегматора, установленного в верхней части, и выполненного в виде кожухотрубного теплообменника, и кипятильника, установленного в кубе колонны, трубчатого вертикально установленного теплообменника с нисходящим движением паров бензина и углеводородного газа, при этом устройство содержит гетерогенный катализатор в виде полосок из титана, скрученных в спирали, причем каждая спираль предварительно скручена в разные стороны, образуя спирали левого и правого вращения, полоски из титана размещены в кубе-сборнике, в трубках теплообменника, в котором конденсируются высококипящие углеводороды из парогазовой смеси, в трубках дефлегматора депарафинизатора и в трубках дефлегматора ректификационной колонны.
Как гетерогенный катализатор устройство содержит катализатор, выполненный в виде полосок из титана шириной 5-20 мм, толщиной 0,5-1,5 мм, которые в скрученном виде имеют диаметр 10-30 мм, длину 0,1-1 м, с шагом спирали 10-40 мм.
Полоски из титана, скрученные в спирали, содержатся как массообменная насадка в депарафинизаторе и в ректификационной колонне.
Депарафинизатор выполнен в виде колонного аппарата, нижняя часть которого заполнена массообменной насадкой, выполненной в виде титановых спиралей, и имеющей свободное сечение 90-93%.
Сверху депарафинизатора установлен кожухотрубный теплообменник, который служит дефлегматором, а в трубках депарафинизатора размещены титановые спирали разного направления вращения.
Перечисленные признаки составляют сущность технического решения.
Наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков технического решения и достигаемым, техническим результатом заключается в следующем.
Подача топливных газов с температурой 600-900°С в кипятильник куба-сборника углеводородов (фракция печного топлива) и куба ректификационной колонны позволяет произвести предварительный нагрев куба-сборника и куба ректификационной колонны до рабочих температур и более быстрый (в среднем на 20-30%) выход установки на регламентный режим.
Это значительно (в среднем на 50-60%) снижает количество некондиционных фракционных продуктов, образующихся в пусковой период, уменьшает (в среднем на 50-60%) затраты тепла и энергии на повторную их «разгонку» для получения кондиционных продуктов, а также позволяет поддерживать регламентные температуры, при которых производится отбор продуктов, что в конечном итоге улучшает их конечное качество.
Поддержание температуры в кубе-сборнике 300-360°С позволяет получать печное топливо с температурой вспышки 60-90°С, что свидетельствует об отсутствии легких фракций в кубе-сборнике. Конденсация паров парафинов в депарафинизаторе при температуре 180-300°С позволяет получать дизельное топливо с наперед заданными свойствами.
Так, при 300°С дизельное топливо получается марки «летнее», т.е. с температурой замерзания 0°С, а при температуре 180°С получается дизельное топливо марки «зимнее» с температурой замерзания минус 35°С.
Кроме того, этим температурным интервалом (180-300°С) можно регулировать количество отбираемого дизельного топлива, убирая или добавляя из/в него парафины.
Поддержание температуры в кубе ректификационной колоны 160-220°С позволяет регулировать содержание легких фракций, добиваясь регламентного значения температуры вспышки дизельного топлива 40-62°С.
Поддержание температуры в верхней части ректификационной колонны 35-100°С позволяет получать бензин с заданным фракционным составом и конечной температурой кипения не выше 215°С, что соответствует принятым стандартам.
Поддержание температуры бензина после конденсации в теплообменнике на уровне 20-35°С позволяет снизить на 2-3% потери паров бензина с углеводородным газом, который выходит из теплообменника вместе с бензином.
В табл. 1 представлены данные о качестве бензина, полученного по способу, реализуемому на данном устройстве.
Как видно из приведенных в табл. 1 данных, свойства бензина, полученного по способу, реализуемому на данном устройстве, соответствуют стандартам.
В таблице 2 приведены данные о качестве дизельного топлива, полученного по способу, реализуемому на данном устройстве.
Как видно из приведенных в табл. 2 данных, свойства дизельного топлива, полученного по способу, реализуемому на данном устройстве, соответствуют стандартам.
Работа установки в периодическом (последовательном) режиме с не менее, чем с двумя реакторами термической деструкции, которые включаются в работу последовательно, позволяет обеспечить непрерывную работу узла фракционирования.
Это дает возможность стабилизировать температуру газоходов, трубопроводов и оборудования узла фракционирования в течение всего периода фракционирования.
По сравнению с известными техническими решениями, в которых узел фракционирования работает прерывисто (периодически), это приводит к экономии тепла и энергии, которые тратятся при повторных пусках и остановках установки, а также улучшается качество готовых продуктов на выходе.
При этом получают экономию топлива на повторный разогрев топки, как если бы она остывала вместе с реактором. За счет этого футеровка топки не подвергается большим перепадам температур, что обычно происходит при остывании, а также повышается срок эксплуатации футеровки.
После отсоединения топки от реактора последний переводится в режим охлаждения и может охлаждаться воздухом, подаваемым от газодувки горелки.
За счет того, что реактор термической деструкции охлаждается без топки, которая имеет большую массу футеровки, время процесса охлаждения до температуры 50°С, при которой можно открывать люк и выгружать кокс, уменьшается в 2-2,5 раза.
Как показали результаты экспериментальных исследований, охлаждение парогазовой смеси до 300-360°С в трубчатом теплообменнике, который установлен вертикально, в котором парогазовая смесь со сконденсированными тяжелыми углеводородами движется нисходящим потоком по трубкам, в которых размещены титановые спирали как с однонаправленным, так и с разным направлением вращения, является наиболее эффективным вариантом аппаратурного оформления данного процесса (конденсации тяжелых углеводородов) на фоне большой концентрации углеводородного газа в смеси и низкого парциального давления углеводородов.
Винтовая поверхность спирали не только увеличивает площадь контакта фаз, но и за счет того, что спирали имеют винтовую поверхность разного направления вращения (левую и правую) на одной вертикальной ветви, увеличивает интенсивность перемешивания парогазовой смеси из-за смены направления вращения при ее движении по трубкам, в которых установлены спирали.
Это, в свою очередь, повышает эффективность тепломассообмена в 2-2,5 раза, а удельная поверхность контакта фаз увеличивается в 1,5-2 раза.
Куб-сборник углеводородов выполнен в виде цилиндрической емкости, расположенной горизонтально.
Было экспериментально установлено, что объем емкости куба-сборника углеводородов нужно выбирать из условия, согласно которому время пребывания печного топлива (смеси углеводов) в нем было достаточно для отпаривания легких фракций.
При этом для работы в периодическом режиме объем куба-сборника углеводородов определяют по формуле:
п
ц
п
V=2N·Q,
п
3
где Q - производительность установки по печному топливу за один цикл работы, м/цикл;
ц
N - количество циклов в периодическом режиме;
п
3
V - объем куба-сборника углеводородов, м.
Для работы в непрерывном режиме объем куба-сборника углеводородов определяют по формуле:
н
н
V=2t·Q,
н
3
где Q - производительность установки по печному топливу за один час, м/час;
t - количество часов работы в непрерывном режиме, час;
н
3
V - объем куба-сборника углеводородов, м.
Куб-сборник углеводородов оснащен кипятильником, который нагревается топливным газом. Это позволяет получать продукт в виде печного топлива, соответствующего стандартам.
Депарафинизатор выполнен в виде колонного аппарата, нижняя часть которого заполнена массообменной насадкой, выполненной в виде титановых спиралей, загруженных в навал (нерегулярная насадка) при длине спирали 0,1-0,2 м, или в виде спиралей, собранных в кассеты (регулярная насадка) при длине спирали до 1 м, имеющей свободное сечение 90-93%.
Наверху депарафинизатора установлен кожухотрубный теплообменник, который выполняет роль дефлегматора.
Пары углеводородов поднимаются вверх по трубкам депарафинизатора, в которых размещены титановые спирали как одного, так и разного направления вращения, по которым парафины конденсируются и стекают вниз, создавая поток флегмы, которая, в свою очередь, орошает массообменную насадку.
Одновременно кожухотрубный теплообменник служит оросителем колонны. В межтрубное пространство кожухотрубного теплообменника подается охлаждающая вода.
Как показали опыты, такая конструкция депарафинизатора, при которой флегма (орошение насадки) образуется внутри колонны, а не подается извне, наиболее предпочтительна.
В данном случае парогазовая смесь содержит большое количество инертного углеводородного газа (до 15-20%), который понижает парциальное давление паров углеводородов и ухудшает условия конденсации.
Ректификационная колонна также снабжена дефлегматором и массообменной насадкой, а внизу в кубе колонны установлен кипятильник, обогреваемый топливными газами, для отпаривания легкой фракции парогазовой смеси.
Гетерогенный катализ (контактный катализ) характеризует изменение скорости химической реакции при воздействии катализаторов, образующих самостоятельную фазу и отделенных от реагирующих веществ границей раздела. Наиболее распространен случай, когда твердый катализатор (контакт) ускоряет реакцию между газообразными реагентами или реакцию в растворе. Каталитическая реакция протекает обычно на поверхности твердого катализатора и обусловлена активацией молекул реагентов при взаимодействии с поверхностью. Поэтому для осуществления гетерогенного катализа необходима адсорбция компонентов реакционной смеси из объемной фазы на поверхности катализатора.
Как показали проведенные эксперименты, выполнение массообменной насадки в депарафинизаторе и ректификационной колонне на базе гетерогенного катализатора, выполненного в виде титановых спиралей, которые одновременно служат катализатором процесса термической деструкции, а также загрузка титановых спиралей в куб-сборник печного топлива, позволяет повысить выход легких фракций на 3-5%. Свободное сечение насадки в колоннах составляет 90-93%, что незначительно влияет на рост гидравлического сопротивления в системе. Давление, при котором проводят процесс термической деструкции, составляет всего лишь 0,01-0,07 МПа, что повышает безопасность процесса.
Перечень фигур, чертежей, схем.
Техническое решение поясняется на фиг. 1 - фиг. 8, где:
на фиг. 1 представлена периодическая схема (периодический режим) работы устройства, на базе которого реализуется способ термической деструкции;
на фиг. 2 представлена непрерывная схема (непрерывный режим) работы устройства, на базе которого реализуется способ термической деструкции;
на фиг. 3 представлены спиральные полоски левого направления вращения;
на фиг. 4 представлены спиральные полоски правого направления вращения;
на фиг. 5 представлена кассета со спиральными полосками, которая помещается в трубки теплообменников;
на фиг. 6 представлен разрез А-А на фиг. 5;
на фиг. 7 представлен пучок спиральных полосок, который помещается в трубки теплообменников;
на фиг. 8 представлен разрез Б-Б на фиг. 7.
На фиг. 1 - фиг. 8 приняты следующие обозначения:
I - блок функционирования реактора в режиме охлаждения; II - блок функционирования реактора в режиме нагрева; (границы блоков I и II обозначены пунктирными линиями); 1 - реактор термической деструкции; 2 - топка; 3 - горелка; 4 - сборник кокса; 5 - колонка катализатора; 6 - теплообменник для снижения температуры парогазовой смеси; 7 - куб-сборник с кипятильником; 8 - депарафинизатор; 9, 13 - шиберы; 10 - теплообменник для охлаждения печного топлива; 11 - сборник печного топлива; 12 - емкость топлива для горелки; 14 - дефлегматор ректификационной колонны; 15 - ректификационная колонна; 16 - теплообменник для охлаждения дизельного топлива; 17 - сборник дизельного топлива; 18 - теплообменник для охлаждения газа и конденсации паров бензина и воды; 19 - газоводоотделитель; 20 - сборник воды; 21 - сборник бензина; 22 - сборник газа (газгольдер); 23 - емкость оборотной воды; 24 - титановая спиральная полоска левого направления вращения; 25 - титановая спиральная полоска правого направления вращения; 26 - кассета с титановыми спиральными полосками.
Обоснование сущности полезной модели.
А. Реализация периодического режима (фиг. 1).
При периодическом режиме устройства задействовано два блока: I - блок функционирования реактора термической деструкции в режиме охладжения, и II - блок функционирования реактора термической деструкции в режиме нагрева.
Полигонный ПЭ и ПП, заранее измельченный и очищенный методом флотации от примесей полихлорвинила, полиэтилентерефталата, целлюлозы, тряпок, резины и прочих отходов, загружают через верхний люк (на фиг. 1 - фиг. 8 не обозначен) в один из реакторов термической деструкции 1 (фиг. 1).
Внизу каждого реактора термической деструкции 1 расположена мобильная (съемная) топка 2 с топливной горелкой 3, которая может работать как на жидком, так и на газообразном топливе собственного производства.
Далее нагревают содержимое реактора термической деструкции 1 блока I (отходы пластмасс в виде ПЭ и ПП) со скоростью 1,5-4°C/минуту. Топливные газы с температурой 600-900°C проходят через жаровые трубы (на фиг. 1 - фиг. 8 не обозначены) реактора термической деструкции 1 и поступают в кипятильник куба 7, а затем в кипятильник (на фиг. 1 - фиг. 8 не обозначен), расположенный в кубе ректификационной колонны 15.
При достижении температуры в кубе ректификационной колонны 15 значений 160-220°C прекращают подачу топливных газов из реактора термической деструкции 1 блока I путем закрытия шибера 13. При достижении температуры в кубе 7 в диапазоне 300-360°C прекращают подачу топливных газов путем закрытия шибера 9.
В реакторе термической деструкции 1 при температуре 260-300°C начинается процесс деструкции пластмасс. Продукты деструкции пластмасс в виде парогазовой смеси углеводородов из реактора термической деструкции 1 пропускают в колонку катализатора 5, которая представляет собой трубчатый аппарат с фланцами, загруженный катализатором - титановыми спиралями в кассете, а затем в теплообменник 6.
При достижении температуры паров значений 300-360°C в теплообменник 6 подается оборотная вода для охлаждения парогазовой смеси углеводородов. Изменяя расход воды в теплообменнике 6, поддерживают температуру в кубе 7 в диапазоне 300-360°C.
Парогазовая смесь углеводородов поступает в куб 7, где из нее в жидкую фазу переходят высококипящие углеводороды. Затем парогазовая смесь поступает в депарафинизатор 8, который представляет собой колонный аппарат, нижняя часть которого загружена массообменной насадкой, а в верхней части установлен кожухотрубный теплообменник, выполняющий роль дефлегматора.
В межтрубное пространство теплообменника (на фиг. 1 - фиг. 8 не обозначена) подается оборотная вода, а в трубках теплообменника проходит конденсация углеводородов (парафинов). Сконденсированные парафины возвращаются назад в куб 7. Изменяя подачу воды в дефлегматор, поддерживают температуру паров на выходе из депарафинизатора 8 в диапазоне 180-300°C.
Затем пары углеводородов поступают в ректификационную колонну 15, где разделяются на бензиновую и дизельную фракции. Дизельная фракция снизу колонны 15 через теплообменник 16, охлаждаемый оборотной водой, поступает в сборник дизельного топлива 17.
Бензиновая фракция в виде пара и углеводородный газ сверху ректификационной колонны 15 поступают в теплообменник 18 для охлаждения газа и конденсации паров бензина и воды.
Качество дизельного топлива (температура вспышки, фракционный состав) регулируют температурой нижней части ректификационной колонны 15, которая составляет 160-220°C.
Качество бензиновой фракции (плотность, фракционный состав и конец кипения) регулируют температурой на выходе из ректификационной колоны 15. Температуру верха ректификационной колоны в диапазоне 35-100°C поддерживают подачей воды в дефлегматор 14 ректификационной колонны 15. Дефлегматор 14 представляет собой кожухотрубный теплообменник, в межтрубное пространство которого подается оборотная вода, а в трубном пространстве дефлегматора 14 происходит конденсация высококипящих углеводородов.
В теплообменнике 18, который охлаждается оборотной водой, конденсируются пары бензиновой фракции и вода. В газоводоотделителе 19 происходит отделение воды и углеводородного газа от бензина. Углеводородный газ, который не конденсируется, направляют на горелку 3 для нагрева реактора термической деструкции 1, а избыточный углеводородный газ собирают в сборнике газа (газгольдере) 22.
Вода и бензин поступают в соответствующие сборники 20 и 21. Тяжелую фракцию (печное топливо) накапливают в кубе 7 и в конце процесса термической деструкции, когда прекращается образование углеводородного газа, выводят через теплообменник 10, который охлаждается водой, в сборник печного топлива 11.
Процесс деструкции пластмасс заканчивают при температуре 450-480°C. Отключают подачу топлива на горелку и переводят реактор 1 на режим охлаждения.
На фиг. 1 показано, что реактор термической деструкции 1 блока I переведен в режим охлаждения. Мобильная (съемная) топка 2 блока I отсоединена от реактора путем опускания на колеса (на фиг. 1 - фиг. 8 не обозначены) и отводом ее в сторону для раздельного охлаждения реактора термической деструкции 1 блока I. Затем мобильная (съемная) топка 2 (еще горячая) блока I подсоединяется к холодному (ненагретому) реактору термической деструкции 1 блока II.
Твердый коксовый остаток, который остался на дне реактора термической деструкции 1 блока I, после охлаждения реактора выгружают через нижний люк реактора термической деструкции 1 блока I в сборник кокса 4.
Пока в реакторе термической деструкции 1 блока I протекает процесс термической деструкции, реактор термической деструкции 1 блока II загружают отходами пластмасс и готовят его к запуску. Как только отключают подачу топлива на горелку 3 блока I реактора термической деструкции 1 блока I, сразу же включают горелку 3 блока II реактора термической деструкции 1 блока II после присоединения мобильной горячей топки 2 блока I, и начинают процесс деструкции в реакторе термической деструкции 1 блока II. При этом поддерживают температуру в кубе 7 и кубе ректификационной колонны 15 на том же уровне, что и в предыдущем цикле.
После проведения процесса термической деструкции в реакторе термической деструкции 1 блока II его переводят в режим охлаждения, а реактор термической деструкции 1 блока I загружают отходами пластмасс и проводят новый цикл: «термическая деструкция - охлаждение - выгрузка сухого остатка - загрузка отходов пластмасс».
Б. Реализация непрерывного режима (фиг. 2)
Полигонный ПЭ и ПП, заранее измельченный (или гранулированный), очищенный методом флотации от примесей полихлорвинила, полиэтилентерефталата, целлюлозы, тряпок, резины и прочего, загружают непрерывно шнековым питателем (на фиг. 1 - фиг. 8 не обозначен) в реактор термической деструкции 1, оборудованный топкой 2 и топливной горелкой 3, которая может работать как на жидком, так и на газообразном топливе собственного производства.
Включают топливную горелку 3 и выводят установку в рабочий температурный режим. Для ускорения выхода установки на заданный режим топливные газы, образующиеся при сгорании топлива, направляют в кипятильник куба 7 и ректификационной колонны 15.
Рабочие температуры в устройстве поддерживают в следующих диапазонах:
в реакторе термической деструкции 1 - в диапазоне 450-480°C (регулируется за счет изменения подачи топлива);
в кубе 7 - в диапазоне 300-360°C (регулируется за счет изменения подачи воды в теплообменник 6);
температура выхода парогазовой смеси из депарафинизатора 8 - в диапазоне 180-300°C (регулируется подачей воды в дефлегматор депарафинизатора 8);
в кубе ректификационной колонны 15 - в диапазоне 160-220°C (регулируется изменением температуры парогазовой смеси после депарафинизатора и верхней части ректификационной колонны 15);
температура выхода парогазовой смеси из ректификационной колонны 15 - в диапазоне 35-100°C (регулируется подачей воды в дефлегматор 14).
При достижении рабочих температур в кубе 7 и в кубе ректификационной колонны 15 отключают подачу в кипятильник (на фиг. 1 - фиг. 8 не обозначен) топливных газов путем закрытия шиберов 9 и 13.
При непрерывном режиме работы отбор кокса из реактора 1 производят непрерывно с помощью шнека. Слив печного топлива из куба 7 производят непрерывно. При этом поддерживают регламентный уровень жидкости в кубе 7 с помощью регулятора уровня.
Все остальные операции работы устройства при непрерывном режиме аналогичны работе устройства при периодическом режиме. Установка оснащена замкнутым контуром оборотной воды и емкостью для воды 23.
В качестве топлива для горелок 3 используется печное топливо и дизельная фракция, которые подаются в емкость для топлива 12, а также углеводородный газ. Газ из газгольдера 22 может использоваться в других энергетических установках.
В процессе термической деструкции по данному способу применяют катализатор в виде титановых спиралей, полученных скручиванием полосок титана шириной 5-20 мм и толщиной 0,5-1,5 мм. При этом диаметр спирали составляет 10-30 мм, длина составляет 0,1-1 м, а шаг спирали составляет 10-40 мм. Поверхность титановых спиралей предварительно обработана 1-2% плавиковой кислотой.
Титановые спирали загружаются в колонку катализатора 5, теплообменник 6, куб-сборник 7, депарафинизатор 8, ректификационную колонну 15.
Перед загрузкой в колонный аппарат титановые спирали собирают в кассеты 26 (фиг. 5 - фиг. 8). Диаметр кассеты 26 равен внутреннему диаметру аппарата. Как видно из фиг. 5 - фиг. 8, в кассету спирали уложены параллельно друг другу и параллельно боковой образующей кассеты. Т.е. если кассета стоит вертикально, то и спирали располагаются вертикально, если кассета располагается горизонтально, то и спирали будут располагаться горизонтально.
В колонных аппаратах расположение спиралей преимущественно вертикальное. В колонке катализатора 5 кассета 26 расположена горизонтально. При этом для винтовой насадки все равно как ее укладывать - горизонтально или вертикально. Причем при малых значениях диаметров аппаратов (до 1000 мм) удобнее загружать насадку в «стоячем положении», т.е. имеет место вертикальное расположение кассеты.
Как катализатор используют гетерогенный катализатор в виде полосок из титана, скрученных в спирали, причем каждую спираль предварительно скручивают в одну или в разные стороны, получая во втором случае спирали левого и правого вращения, причем используют полоски, либо закрученные все спиралями в одну или в разные стороны каждая.
Спирали укладывают скрученными в одну сторону каждая, либо с чередованием рядов с правым и левым направлением вращения каждая. Парогазовый поток, проходя через такой слой спиралей, разделяется на множество струй. Эти струи во втором случае закручиваются либо в одну, либо в разные стороны при контакте со спиралями, пересекаются друг с другом, перемешиваются и постоянно меняют направление вращения, что интенсифицирует процесс тепломассообмена. При этом используют как регулярное, так и нерегулярное размещение (пучков) спиралей в сечении аппарата либо устройства (в колонных аппаратах, кассете, трубках теплообменников).
Также сочетанием спиралей с чередованием однонаправленности и разнонаправленности можно регулировать направление движения, скорость, концентрацию парогазового потока, а также скорость протекания процесса тепломассообмена в колонке катализатора.
Было установлено, что наиболее эффективно вышеуказанный процесс происходит при заявленных конструктивных параметрах, материале и средствах обработки поверхности катализатора. В трубки теплообменников загружают пучки до 3-х-4-x спиралей разного направления вращения (фиг. 5 - фиг. 8).
Предварительный нагрев куба-сборника 7 и куба ректификационной колонны 15 топливными газами, а также использование двух и более реакторов со съемными (мобильными) топками позволяет ускорить процесс и обеспечить непрерывность процесса фракционирования углеводородов.
В то же время проведение фракционирования (выделения) углеводородов в четыре стадии повышают четкость разделения и, соответственно, качество конечных продуктов, которые соответствуют действующим стандартам.
Пример реализации полезной модели.
Используют непрерывный режим переработки отходов пластмасс. Для термической деструкции применяют катализатор в виде титановых спиралей, полученных скручиванием полосок титана шириной 10 мм и толщиной 1 мм. При этом диаметр спирали составляет 10 мм, длина составляет 0,5 м, а шаг спирали составляет 20 мм. Поверхность титановых спиралей предварительно обработана 1% плавиковой кислотой.
Титановые спирали загружаются в колонку катализатора 5, теплообменник 6, куб-сборник 7, депарафинизатор 8, ректификационную колонну 15. Перед загрузкой в колонный аппарат титановые спирали также собирают в кассеты 26. Диаметр кассеты равен диаметру аппарата. В колонне кассеты устанавливают вертикально друг на друга на всю высоту насадочной части колонны. В трубки теплообменников загружают пучки из 4-х спиралей разного направления вращения (фиг. 5 - фиг. 8).
Объем куба-сборника определяют по зависимости:
н
н
V=2t·Q,
н
н
3
3
где Q - производительность установки по печному топливу за один час, м/час; t - количество часов работы в непрерывном режиме, час; V - объем куба-сборника, м.
н
н
н
н
3
3
Вычисленные значения оказались равными: Q - производительность установки по печному топливу за один час Q=0,125 м/час, t=1 час, тогда V=2·Q=0,25 м.
Включают шнековый питатель и начинают подачу заранее подготовленного полигонного ПЭ и ПП в реактор термической деструкции 1. Включают топливную горелку 3, используя в качестве топлива печное или дизельное топливо собственного производства. Топливные газы от горелки с температурой 700°С направляют в кипятильник куба 7 и ректификационной колонны 15. Подают воду в теплообменник 18.
Далее нагревают содержимое реактора термической деструкции 1 (отходы пластмасс в виде ПЭ и ПП) со скоростью 3°С/минуту. При достижении температуры в кубе ректификационной колонны 15 значений 180°С прекращают подачу топливных газов из реактора термической деструкции 1 путем закрытия шибера 13.
При достижении температуры в кубе 7 значений 340°C прекращают подачу топливных газов в кипятильник куба путем закрытия шибера 9. При достижении температуры паров значений 340°C в теплообменник 6 подается оборотная вода для охлаждения парогазовой смеси углеводородов. Изменяя расход воды в теплообменнике 6, поддерживают температуру в кубе 7 340°C.
При достижении температуры после депарафинизатора 240°C в дефлегматор подается вода. При достижении температуры верха ректификационной колонны 15 значения 58°C в дефлегматор подают воду. При достижении в реакторе 1 рабочей температуры 470°C топливную горелку переводят на работу на углеводородном газе собственного производства.
Режим управления процессом переводят из ручного в автоматический.
Качество дизельного топлива (температура вспышки, фракционный состав) регулируют температурой нижней части ректификационной колонны 15, которая составляет 180°C.
Качество бензиновой фракции (плотность, фракционный состав и конец кипения) регулируют температурой на выходе из ректификационной колоны 15. Температуру верха ректификационной колоны в диапазоне 58°C поддерживают подачей воды в дефлегматор 14 ректификационной колонны 15. В теплообменнике 18, который охлаждается оборотной водой, конденсируются пары бензиновой фракции и вода.
В газоводоотделителе 19 происходит отделение воды и углеводородного газа от бензина. Углеводородный газ, который не конденсируется, направляют на горелку 3 для нагрева реактора термической деструкции 1, а избыточный углеводородный газ собирают в сборнике газа (газгольдере) 22.
Вода и бензин поступают в соответствующие сборники 20 и 21. Дизельное топливо через теплообменник 16, который охлаждается водой, поступает в сборник 17. Тяжелую фракцию (печное топливо) из куба 7 выводят через теплообменник 10, который охлаждается водой, в сборник печного топлива 11. Отбор кокса из реактора 1 производят непрерывно с помощью шнека в сборник кокса 4.
Удельные затраты топлива на приведенный пример реализации изобретения составляют 70%, воды 50%, а выход светлых продуктов (бензина и дизтоплива) выше на 8% по сравнению с прототипом.
Промышленное применение.
Таким образом, при использовании полезной модели достигается улучшение качества и увеличение выхода готовых продуктов - бензина и дизельного топлива - путем использования эффективных конструкций, режимных параметров и процедур на основных этапах реализации изобретения, в частности, на стадии фракционирования.
Предварительный нагрев куба-сборника 7 и куба ректификационной колонны 15 топливными газами, а также использование двух и более реакторов со съемными (мобильными) топками позволяет ускорить процесс и обеспечить непрерывность процесса фракционирования углеводородов.
В то же время проведение фракционирования (выделения) углеводородов в четыре стадии повышают четкость разделения и, соответственно, качество конечных продуктов, которые соответствуют действующим стандартам.
Предлагаемое изобретение экономически эффективнее изобретения прототипа, поскольку удельные затраты топлива на процесс составляют 70-75%, а воды 50-60% по сравнению со способом и устройством прототипа. Также в разработанном техническом решении выход светлых продуктов (бензина и дизтоплива) выше на 5-8%, качество бензина соответствует ГОСТ Р 51105-97 «Неэтилированный бензин», а дизельное топливо соответствует ГОСТ 305-82 «Топливо дизельное Л-0,05-40».