РЕАКТОР ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПИРОЛИЗА И СПОСОБ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
REACTOR FOR PERFORMANCE OF PYROLYSIS AND METHOD FOR ITS REALISATION

Настоящее изобретение относится к реактору и способу переработки ламинатов металла и органического вещества пиролизом органического вещества в непрерывном режиме.
Алюминий/полимерные ламинаты, образованные из одного или нескольких слоев алюминиевой фольги и одного или нескольких слоев органического вещества, например пластика или бумаги, обычно используются в качестве материалов для упаковок или контейнеров, например, в качестве картонных коробок, канистр или тюбиков для питья, пищевых продуктов и других изделий, таких как зубная паста, или в качестве блистерной упаковки лекарств. Несмотря на попытки переработки ламинатов указанного типа, большинство из них обычно сводятся к отходам на свалках, и сохраняется потребность в более рациональном и рентабельном промышленном способе переработки указанных типов материалов.
На уровне стендовых испытаний, проведенных авторами настоящего изобретения, предлагается, что пиролиз, индуцированный микроволновым излучением, обладает потенциалом в утилизации алюминий/полимерных ламинатов. Согласно этому подходу слой углерода в качестве вещества, поглощающего микроволновое излучение, нагревают в камере реактора, и реактор очищают азотом. При температуре обычно от 500 до 600°C ламинат засыпают и смешивают со слоем углерода. Под действием непрерывного микроволнового излучения на слой углерода органическая часть ламината нагревается под действием теплопроводности и осуществляется пиролиз до появления газообразной фракции, которая может быть переработана с использованием конденсации с образованием маслянистого или воскообразного углеводородного продукта совместно с неконденсируемой газообразной фракцией. Алюминий, отделившийся от ламината, может быть выделен из слоя углерода крупноячеистым просеиванием и таким образом извлечен в виде твердого вещества.
Однако остается потребность в экономически приемлемом способе и реакторе для непрерывно перерабатываемых алюминий/полимерных и других металл/полимерных ламинатов, действующий в промышленном масштабе. Настоящее изобретение нацелено на потребность в способе и реакторе, который удовлетворяет приведенным выше требованиям.
Соответственно, согласно первому аспекту настоящее изобретение обеспечивает непрерывный способ переработки металл/органического ламината, содержащего металл, ламинированный с органическим веществом, и указанный способ включает
создание реактора, включающего в себя первую камеру, содержащую первый слой вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, и первый ротационный смеситель, и вторую камеру, содержащую второй слой вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, и второй ротационный смеситель, при этом вторая камера содержит выход из реактора;
введение ламината и дополнительного вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, в первую камеру, содержащую первый слой вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение;
перемешивание вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, и ламината в первой камере, используя первый ротационный смеситель и применение микроволновой энергии к смеси вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, и ламината в первой камере для нагревания вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, в смеси до температуры, достаточной для пиролиза органического вещества в ламинате; передачу части смеси из первой камеры во вторую камеру, содержащую второй слой вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение; перемешивание смеси во второй камере, используя второй ротационный смеситель и применяя микроволновую энергию к смеси во второй камере для нагревания вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, в смеси до температуры, достаточной для пиролиза органического вещества, остающегося в ламинате, в результате которого ламинат или отслоившийся металл мигрирует по направлению к верхней поверхности смеси и плавает на верхней поверхности смеси во второй камере, указанный второй ротационный смеситель вращается в горизонтальной плоскости и таким образом формируется газожидкостная смесь, так что верхняя поверхность газожидкостной смеси имеет радиальный профиль, который заставляет ламинат или отслоившийся металл, плавающий на поверхности газожидкостной смеси, в радиальном направлении выходить наружу;
передачу части смеси из второй камеры к выходу из реактора; и
переработку металла на выходе из реактора.
Согласно второму аспекту в изобретении представлен реактор для переработки металл/органического ламината, содержащего металл, ламинированный с органическим веществом, включающий в себя:
первую камеру, содержащую первый слой вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, и первый ротационный смеситель;
вторую камеру, содержащую второй слой вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, и второй ротационный смеситель, при этом вторая камера содержит выход из реактора;
средства для введения ламината и дополнительного вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, в первую камеру, содержащую первый слой вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение;
средства для передачи части смеси из первой камеры во вторую камеру, содержащую второй слой вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение;
средства для применения микроволновой энергии к смеси вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, и ламината в первой и второй камере для нагревания вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, в смеси до температуры, достаточной для пиролиза органического вещества в ламинате;
средства для передачи смеси из второй камеры к выходу из реактора;
и средства для переработки металла на выходе из реактора,
при этом указанный второй ротационный смеситель вращается в горизонтальной плоскости и так сконфигурирован, что газожидкостная смесь формируется таким образом, что верхняя поверхность газожидкостной смеси имеет радиальный профиль, который заставляет ламинат или отслоившийся металл, плавающей на поверхности газожидкостной смеси, в радиальном направлении выходить наружу.
Под термином «металл/органический ламинат», который используется в данной работе, подразумевают любые ламинаты, которые включают слой или пленку металла, ламинированные полностью или частично органическим веществом. Металл может быть любым металлом, который имеет точку плавления или кипения выше, чем температура пиролиза, использованная в реакторе, например алюминий или железо, предпочтительно алюминий. Органическое вещество может быть любым полимерным веществом, которое способно к пиролизу при температурах, используемых в реакторе, например синтетическими полимерными веществами (такими как термоотверждающиеся или пластичные вещества), бумага или картон или другое полимерное вещество на основе углеводорода. Ламинат может дополнительно включать компоненты, которые являются неметаллами или органическими веществами, способными к пиролизу, такие как стекловолокно или инертные наполнители, например, ламинат может включать вещества, укрепленные стекловолокном, такие как стеклоткань. Таким образом, термин «металл/органический ламинат» использован в данной работе для включения в него таких ламинатов, которые обычно используются в качестве упаковки для пищи, напитков и лекарств, например, для контейнеров Tetrapak, банок с безалкогольными напитками, продовольственных жестяных консервных банок или фармацевтических блистерных упаковок или для других потребительских продуктов, таких как зубная паста.
Реактор предпочтительно имеет только две реакционные камеры, которые связаны так, что часть смеси из первой камеры передают непосредственно во вторую ротационными смесителями первой и второй камер.
Однако, если желательно, одна или несколько дополнительных, взаимосвязанных камер могут быть включены в состав реактора в качестве промежуточного звена между первой и второй. В случае, когда одну или несколько дополнительных реакционных камер включают в состав реактора, то каждая дополнительная камера содержит слой вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, независимо перемешиваемых ротационным смесителем.
Таким образом, часть смеси в первой камере была бы передана смежной дополнительной камере и часть смеси в указанной дополнительной камере была бы передана следующей дополнительной камере или, если следующая камера является второй камерой, была бы передана во вторую.
Реакционные камеры предпочтительно цилиндрические и coаксиальные с их соответствующими ротационными смесителями, вращающимися вокруг вертикальной оси вращения. Если конструкцию реактора сделать в виде квадрата или прямоугольника, то углы каждой камеры предпочтительно обеспечивают заготовками из вещества прозрачного для микроволн, сформированными так, чтобы способствовать активному перемешивающему движению слоя для предотвращения образования мертвых зон.
Реактор содержит вход для подачи сырья, через которое осуществляют введение ламината в первую реакционную камеру, и выход из второй реакционной камеры. Газовые трубопроводы на входе и выходе для введения и удаления газа, обеспеченные инертной или восстановительной атмосферой, и газы, возникающие в ходе пиролиза ламината, также учтены в конструкции реактора. Трубопроводы на входе и выходе предпочтительно могут быть изолированы от внутренних технологических условий в реакторе с помощью подходящих отключающих или клапанных устройств, например, используя шлюзово-бункерные системы или двухстворчатые клапаны.
Слои в камерах создают из вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, то есть вещества, которые могут поглотить микроволновую энергию и таким образом нагреваться до температуры, которая достаточна для пиролиза органического вещества, присутствующего в ламинате, при смешении ламината со слоем вещества. Теплоту от вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, таким образом, передают ламинату через плотный контакт с частицами или порошком вещества, поглощающего микроволновое излучение. Подходящие вещества, поглощающие микроволновое излучение, включают углеродную сажу, активный уголь, некоторые металлические оксиды, такие как некоторые оксиды железа и некоторые другие соединения, такие как карбид кремния. Предпочтительными в качестве веществ, поглощающих микроволновое излучение, являются порошок углеродной сажы и порошок активного угля.
Для облучения слоев веществ, поглощающих микроволновое излучение, в реакционных камерах реактор содержит один или несколько микроволновых волноводов, расположенных вокруг соответствующих камер. Микроволновые волноводы предпочтительно изолируют от внутренних технологических условий в реакторе с помощью, например, кварцевых окон в стенке реактора известным способом. Может быть использован любой подходящий микроволновый источник и конструкция волновода. Применение микроволнового излучения к слоям следует контролировать, чтобы гарантировать, что слои достигли и находятся при температуре, когда органическое вещество подвергается пиролизу. Предпочтительно микроволновое излучение применяют так, что вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, в слоях нагревают до температуры от 250 до 700°C, более предпочтительно от 500 до 600°C. Если желательно, температуру можно варьировать во времени в пределах этих диапазонов. Каждый слой в первой, второй и любой дополнительной камере можно нагревать до одной и той же или различных температур в пределах указанных диапазонов.
Если желательно, вспомогательные средства нагревания могут использоваться для предварительного нагрева слоев вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, до или после того, как ламинат вводят в реактор, например, сжиганием топлива в реакторе или электрическими средствами нагревания в стенах реактора. Предпочтительно, чтобы нагревание с помощью микроволновых излучений являлось единственным средством нагревания слоев.
Прежде чем слои нагревают до температуры пиролиза, реактор очищают инертным или восстановительным газом и после этого технологический процесс осуществляют в условиях пиролиза при наличии инертной или восстановительной атмосферы для предотвращения или сведения к минимуму сгорания органических веществ, присутствующих в ламинате. Подходящие инертные или восстановительные газы включают в себя азот, аргон, гелий, пар или водород. Предпочтительно газом, используемым для очистки реактора и поддержания инертной или восстановительной атмосферы, является азот.
2
Ламинат подают в первую камеру с помощью соответствующих средств подачи через входное отверстие в первой камере и встряхивают и смешивают со слоем вещества, поглощающим микроволновое излучение, ротационным смесителем в первой камере. Тесный контакт между веществом в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, и ламинатом гарантирует эффективную передачу теплоты к органическому веществу через всю поверхность. Если желательно или необходимо, ламинат разрезают или измельчают до соответствующего размера в соответствии с размером оборудования, например, для получения перед входом в реактор частичек ламината, имеющих площадь в диапазоне от 0,25 до 25 см. Скорость подачи ламината в реактор предпочтительно контролируют, например, обеспечивая массовое соотношение вещества, поглощающего микроволновое излучение, к ламинату внутри каждой камеры в диапазоне от 1:1 до 50:1, предпочтительно в диапазоне от 5:1 до 10:1.
При непрерывном способе согласно настоящему изобретению дополнительные вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, предпочтительно вводят в первую реакционную камеру, чтобы обеспечить относительный избыток вещества, поглощающего микроволновое излучение, в первой камере по сравнению со следующей смежной с ней камерой, такой избыток будут снова пополнять соответствующим количеством вещества, поглощающего микроволновое излучение, покидающего реактор из второй камеры. Таким образом, после периода встряхивания часть смеси ламината и вещества, поглощающего микроволновое излучение, в первой камере будет рассекаться и перейдет в следующую, связанную с ней камеру. Ламинат предпочтительно вводят вместе с дополнительным веществом в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение. Более предпочтительно дополнительное вещество в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, смешивают с ламинатом перед входом в реактор. Дополнительное вещество в форме частиц, введенное в первую реакционную камеру, предпочтительно было рециркулировано на выходе из реактора, после того как было отделено от металла, выходящего из реактора. Дополнительное вещество в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, или ламинат, или оба, могут быть предварительно нагреты перед входом в реактор, например, использованием горячего воздуха или других подходящих средств нагревания.
Когда ламинат достигает рабочей температуры благодаря теплопроводности от вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, происходят реакции пиролиза, в результате которых полимеры и другие органические соединения, присутствующие в ламинате, распадаются до газообразных соединений. Газообразные соединения, которые могут включать конденсирующиеся и неконденсирующиеся газы, выходят из реактора через один или несколько трубопроводов для выхода газа, и любые конденсирующиеся газы могут быть сконденсированы до получения маслянистого или воскообразного конденсата с их повторным использованием или могут быть сожжены с любым присутствующим неконденсирующимся газом, производя теплоту или механическую работу.
Под действием ротационных смесителей слои становятся жидкотекучими и ламинат или отслоившийся металл движутся по направлению к верхним поверхностям слоев из-за относительной более низкой плотности по сравнению с плотностью слоя жидкотекучего вещества. Реакционные камеры связаны так, что траектории ротационных смесителей до некоторой степени перекрываются. Перекрывающиеся потоки жидкотекучих слоев в смежных камерах, созданные действием соответствующих ротационных смесителей вследствие их перекрывающихся траекторий, приводят к тому, что часть слоя из одной камеры будет перенесена в слой следующей камеры, например, из первой камеры во вторую камеру в двухкамерном реакторе. Таким образом, через какое-то время ламинат, введенный в первую камеру, перемещают через первую и вторую, и любые промежуточные камеры, к выходу из реактора. В то же самое время, по меньшей мере, во второй (т.е. финальной) камере, ламинат и отслоившийся металл движутся по направлению к верхней поверхности слоя и могут плавать сверху слоя. Отслоившийся металл, таким образом, концентрируют сверху слоя во второй камере, и он может быть извлечен из реактора с относительно высокой концентрацией по отношению к веществу в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение. После выхода из реактора отслоившийся металл, предпочтительно алюминий, отделяют от вышедшего вместе с ним вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, и таким образом алюминий оказывается способным к восстановлению в существенно чистой форме в виде металлических частичек или фольги. Металл может быть отделен из вышедшего вместе с ним вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, использованием подходящих способов разделения, предпочтительно с помощью просеивания. Вещество в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, отделенное от металла, предпочтительно возвращают в первую реакционную камеру, необязательно после использования воздействия на него предварительного нагревания или перемешивания с необработанным ламинатом или обеих этих процедур.
Так как отслоившийся металл во второй камере сконцентрирован наверху слоя, предпочтительно выход из реактора осуществляется через боковую стену второй камеры и выход имеет нижнюю поверхность, по высоте совпадающую или близкую с верхним уровнем слоя в указанной камере, такой что металл, и необязательно часть вещества в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, выходит, когда его уровень превышает по высоте заданную нижнюю поверхность.
Ротационные смесители в реакционных камерах предпочтительно вращаются в одном и том же направлении вращения и с той же частотой вращения. Предпочтительно смесители вращаются со скоростью от 2 до 60 оборотов в минуту (об./мин), например 5-20 об./мин.
Ротационные смесители в соответствующих камерах могут иметь взаимно различные конфигурации. Например, смеситель в первой камере предпочтительно конфигурируют так, чтобы тщательно смешивать введенный ламинат с частицами первого слоя. Смеситель второй камеры предпочтительно конфигурируют для образования жидкотекучего второго слоя таким способом, чтобы отслоившийся металл имел склонность к движению наверх по направлению к верхней части слоя.
Предпочтительно ротационный смеситель в первой камере конфигурируют в виде вытянутой в горизонтальном направлении лопатки, вращающейся вокруг вертикальной оси, при этом в смесителе верхний край или верхняя поверхность лопатки находится в горизонтальном положении так, что периферийная часть лопатки находится на том же самом уровне, что и осевая часть. Лопатка может быть с одной лопастью (т.е. с осевой частью на одном конце лопатки и периферийной частью на другом конце лопатки) или может быть с двумя лопастями (т.е. с осевой частью посередине лопатки и периферийными частями на концах лопатки) и предпочтительно с двумя лопастями.
Предпочтительно ротационный смеситель во второй камере конфигурируют в виде вытянутой в горизонтальном направлении лопатки, вращающейся вокруг вертикальной оси, верхний край или верхняя поверхность лопатки наклонена вниз по отношению к осевой части лопатки, которая предпочтительно расположена посередине лопатки по отношению к периферийной части лопатки, так, верхний край или верхняя поверхность лопатки находится на более низком уровне, чем осевая часть. Лопатка может быть с одной лопастью или может быть с двумя лопастями, предпочтительно с двумя лопастями. Например, ротационный смеситель во второй камере может быть конфигурирован в виде трапециевидной или треугольной лопатки, при этом предпочтительна трапециевидная лопатка, вращающаяся относительно своей середины.
Так как ротационные смесители смежных реакционных камер характеризуются перекрывающимися траекториями движения, вещество в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение, и ламинат, перенесенные с помощью лопатки ротационного смесителя первой камеры на перекрывающуюся траекторию движения ротационного смесителя второй (или промежуточной) камеры, будут выноситься частичным перекрыванием в результате следующего передвижения лопатки ротационного смесителя второй (или промежуточной) камеры. Следует понимать, что соответствующее движение лопаток смежных реакционных камер не должно быть синхронизировано для предотвращения их столкновения. Предпочтительно лопатки ротационных смесителей смежных камер имеют угол рассогласования 90 градусов.
Изобретение будет далее проиллюстрировано рисунками и их описанием, на которых:
Фиг.1 представляет вид реактора сверху согласно варианту воплощения изобретения;
Фиг.2 представляет вид реактора на Фиг.1 сбоку при его рассмотрении со стороны A;
Фиг.3 представляет вид реактора на Фиг.1 сбоку при его рассмотрении со стороны B.
На Фиг. с 1 по 3 реактор 1 имеет первую цилиндрическую камеру 2, содержащую первый слой порошка углеродной сажы, и вторую цилиндрическую камеру 3, содержащую второй слой порошка углеродной сажы. Камеры 2 и 3 являются прилегающими и взаимосвязанными и содержат ротационные смесители 4 и 5 соответственно. Смесители 4 и 5 вращаются, несмотря на наличие перекрывающихся траекторий движения. Продувку азотом осуществляют через реактор 1, и азот сохраняют в качестве восстановительной атмосферы (входные и выходные трубопроводы для азота не показаны). Микроволновую энергию вводят в камеры 2 и 3 (волноводы не показаны) для нагревания первого и второго слоя до температуры пиролиза. Газообразные продукты пиролиза выходят из реактора (трубопроводы не показаны). Ламинат и дополнительный порошок углеродной сажи вводят через входное отверстие 6 в камере 3 и смешивают с первым слоем в результате действия смесителя 4. Часть смеси переходит во второй слой камеры 3. Отслоившийся алюминий выходит из реактора 1 через выход 7 из камеры 3 вместе с небольшим количеством порошка углеродной сажи и его отделяют от порошка углеродной сажи. Отделенный порошок углеродной сажи возвращают на вход 6.
Изобретение может быть далее проиллюстрировано следующим не ограничивающим примером.
Экспериментальный метод.
Реактор, например реактор с двумя камерами, как показано на Фиг. с 1 по 3, работает в непрерывном режиме следующим образом.
В реакторе все имеющиеся камеры (предпочтительно две) заполняют веществом в форме частиц, поглощающих микроволновое излучение (предпочтительно углеродом) до уровня выхода из последней камеры. Как только камеры заполнены поглотителем микроволнового излучения, во всех камерах включают двигатель или двигатели, которые приводят в движение ротационные смесители.
Систему проверяют для того, чтобы быть уверенным, что все соединительные детали находятся в рабочем положении и что оборудование герметизировано. На этой стадии небольшому потоку азота или другого инертного газа дается возможность протекать через реактор для его очистки от кислорода внутри реакционных камер.
Включают микроволновые источники (магнетроны). Вещество, поглощающее микроволновое излучение, начинает нагреваться под действием микроволнового излучения. Температуру поглотителя микроволнового излучения непрерывно отслеживают и предпочтительно вводят в компьютер, управляющий программой контроля, связанный с магнетронами, для управления скоростью нагревания и температурой поглотителя микроволнового излучения внутри реактора.
Как только требуемая температура реакции достигается, ламинат подают в первую реакционную камеру через трубопровод подачи. Альтернативно некоторые ламинатные вещества могут быть поданы в реактор до достижения требуемой температуры.
2
Предпочтительно ламинат следует предварительно разрезать на кусочки в соответствии с размером оборудования, например, так, чтобы размер кусочков ламината, поступающих в реактор, составлял 0,25-25 см. Ламинат подают через двойной запорный клапан, комбинации поршней и винтовых конвейеров или любых других подобных средств, чтобы сохранить внутренний объем реакционных камер свободным от кислорода. Соотношение поглотителя микроволнового излучения и ламината внутри каждой камеры по массе можно варьировать от 1:1 до 50:1, предпочтительно соотношение соответствует от 5:1 до 10:1.
Ламинат начинает подвергаться пиролизу, и газы выходят из реактора через трубопроводы, присоединенные к реактору. Газы могут быть сконденсированы и/или собраны для их последующего использования.
Альтернативно газы могут быть сожжены немедленно для получения либо теплоты, либо электричества с помощью соответствующих средств. Ламинат или чистый алюминий после пиролиза переходит из первой к любой последующей камере и движется к выходу. Чистый алюминий покидает реактор через двойной запорный клапан, комбинации поршней и винтовых конвейеров или любых других подобных средств, чтобы препятствовать поступлению кислорода в реактор. По мере того как алюминий непрерывно выходит из последней камеры, новый ламинат добавляют в первую камеру вместе с любым дополнительным поглотителем микроволнового излучения, нужным для «подпитки» реактора.