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CN101213014B - 用于断开固体材料的有机分子碳链的工艺及相关设备 - Google Patents

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CN101213014B CN2006800235833A CN200680023583A CN101213014B CN 101213014 B CN101213014 B CN 101213014B CN 2006800235833 A CN2006800235833 A CN 2006800235833A CN 200680023583 A CN200680023583 A CN 200680023583A CN 101213014 B CN101213014 B CN 101213014B
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Abstract

一种用于断开有机分子链的工艺，其中使包括有机分子的固体材料受到机械伸展和破碎作用，直到表现糊状一致性的材料通过内部摩擦而在没有空气的情况下经历温度和压力升高，这断开其长分子键并导致各相成分的分离。

Description

用于断开固体材料的有机分子碳链的工艺及相关设备
技术领域
本发明涉及用于断开非气体材料的有机分子碳链的工艺及相关设备。
更具体地，本发明涉及通过断开有机分子链而允许将通常存在于塑料材料的合成废料中的脂族或环状有机大分子变成碳的个数优选不大于20的分子(通常为轻燃料的分子)并变成不包括污染成分的燃烧产物的分子的工艺。
背景技术
已知有机分子的碳-碳键的断开主要通过石油工业中的热裂解(也称为热解)或裂解而发生。裂解反应使得原油中的烃的分子量能够减小以生产较轻的产物。
目前，裂解大部分利用纯热(热裂解)或热催化(催化裂解)的方法进行。
热裂解工艺在液相和气相两者下在从10到100atm的可变压力和450到600℃之间的温度下进行。通过从外部供热使碳-碳键断开。
石油工业中更广泛使用的催化裂解工艺利用合适的催化剂(例如偶氮二甲酰胺)来进行，这些催化剂允许在稍低的温度约500℃和环境压力下工作。
在两种情况下都通过从外部控制必要的热来达到工作温度。因为从外部进行的控制经常受到固体产物(焦炭)在反应器的交换表面上的沉积的阻碍，所以使用氧化裂解，其中部分所需热在反应中通过烃、供应的空气或氧气的部分燃烧而得到。
在后一情况下，在裂解反应的同时，还发生聚合和缩合反应而形成新的碳-碳键。也包括焦炭形成的这些反应是不期望的，且通过选择合适的工作条件可以减少，但却无法避免的。
发明内容
因此，非常需要有一种用于断开非气体材料的有机分子链的工艺，其允许以低成本和低能耗从脂族或环状有机大分子开始生产碳原子数不大于20的脂族分子，并具有气体和液体化合物的高产出。
本发明的目的是提供一种具有满足以上要求并同时避免现有技术中上述缺点的特性的工艺。
另一目的是提供一种专用于执行这种工艺的设备，同时该设备简单、容易制造、使用安全并且能高效工作以及相对便宜。
这些目的通过以下工艺和设备实现。
一种用于断开有机分子链的工艺，其中使包括有机分子的成碎裂或糊状形式的固体材料受到机械伸展、破碎和拉伸作用，所述材料通过内部和外部摩擦而在没有空气的情况下经历温升，结果断开有机化合物的长分子键并分离出气体成分、液体成分和少的固体成分，其中所述机械作用通过蜗杆组件执行，其特征在于，所述机械作用包括一个阶段，在所述阶段中所述材料受到所述蜗杆组件中具有反向卷绕的多个螺纹的至少两个相邻的部分的作用。
一种用于致动如上所述的工艺的设备，所述设备包括反应器，所述反应器包括容纳有机械装置的气密容器，所述机械装置适合于使材料受到机械破碎和伸展作用，以由于内部和外部摩擦而产生足以断开有机化合物的长分子键并使液相和气相与固相残余物分离的温升，其特征在于，所述机械装置包括蜗杆组件，所述蜗杆组件包括具有在相反方向上卷绕的多个螺纹的至少两个相邻的部分。
附图说明
在结合附图的帮助阅读作为非限制性示例提供的以下说明时将更加清楚本发明的其他特性和优点，附图中：
-图1示出用于断开固体材料的有机分子链的设备的局部剖视平面图；
-图2示出沿图1的II-II线所取的视图；
-图3示出沿图1的III-III线所取的视图；
-图4以截面示出图1的设备的蜗杆形反应器的细节；
-图5示出图4的放大细节。
具体实施方式
参照上述附图，按照本发明的用于断开固体材料的有机分子链的设备总体用1表示。
设备1大体包括反应器10，该反应器10具有用于下面更详细讨论的待处理有机材料的入口开口11和用于所获得产物的出口开口12，该有机材料成碎片或底色形式。
供给系统20连接到入口开口11。在该示例中(参见图3)，所述供给系统20包括通过齿轮传动电机25致动的水平蜗杆21，该蜗杆21在一端设有朝向上方的用于材料的径向入口嘴22，并在另一端设有轴向出口嘴23，该出口嘴23布置成通过连接法兰24与反应器的入口开口11横向连通。
在入口嘴22处布置有具有四个叶片26a的搅拌器26，该搅拌器26由齿轮传动电机27致动并位于筒状容器28内的底部，该容器28设有高度指示器29和观察舱口213，该容器28在底部处与入口嘴22连通并在顶部处与加载料斗210连通。所述料斗210在顶部处与抽吸器211和供给管道212连通，并在底部处与转阀214连通。如果需要，料斗210包括旋风分离器。蜗杆21具有将材料定量供给到反应器10的功能。
分离系统30连接到反应器10的出口开口12。在该示例中(参见图2的左手侧)，所述分离系统30包括具有竖直轴线的双蜗杆形提取器31，该蜗杆提取器31通过法兰32横向连接到反应器10的出口开口12并在顶部封闭密封。蜗杆提取器31设有彼此相交的一对反向旋转的螺旋面或螺纹件33(在图2中只能看到其中之一)，这对螺纹件33由齿轮传动电机34致动而向下推进。每个螺纹件33包括具有不同螺距和厚度的螺纹的两个区域，即其中螺纹具有小厚度(窄牙顶)并具有小螺距的顶部区域35a、以及其中同一螺纹具有较大厚度(宽牙顶)和较大螺距的底部区域35b。
用于气相或蒸气相产物的出口管道36从提取器31的顶部区域35a横向延伸。而固相产物通过在底部形成的轴向开口37出来。
用于气体/蒸气的出口管道36连接到真空泵(未示出)，该真空泵适合于将提取器31压下以促进对轻量成分的提取。然后将从提取器31出来的气体/蒸气流冷却，以从其获得液相而将其与气相分离。
提取器31与反应器10之间通过法兰32的连接在螺纹具有较大厚度和螺距的底部区域35b处相对于两个螺纹面33在横向中央发生。法兰32设有闸门阀39，该闸门阀39由液压活塞40致动以调节从反应器10到提取器31的产物的通过。
为了避免热的散发，通常用钢制成的蜗杆提取器31通过用例如陶瓷棉制成的罩套38隔离。
根据本发明，反应器10的形式为蜗杆组件13，该蜗杆组件13包括在内侧具有转子15的筒状护套14，该转子15具有基本上水平的轴线。入口开口11径向布置在护套14的一端处，而出口开口12轴向布置在由阀39截断的相反一端处。具体而言，转子15由包括多个破碎元件(15a-15h)的轴16形成，将在下面更多地讨论的这些破碎元件装配到轴16上以随其旋转。
轴16连接到齿轮传动电机17。
为了断开通过供给系统20供给的有机材料的碳链，转子15具有的构造能够使材料受到机械作用以获得具有糊状一致性的混合物，即软且碰触就屈服的混合物。
这样的机械作用使得材料在反应器10中伸展和破碎，从而使其具有糊状一致性。
具体地，此机械作用在有机材料内产生大的摩擦而使温度和压力增大，这就触发了断开长分子键的反应，直到获得具有短链的产物，即碳原子数优选小于20的产物。
根据在材料中产生且还取决于所处理材料的类型的内部和外部摩擦，分子链的断开可以随着放热反应发生，这些放热反应自身有助于反应器10内的温度升高直到达到超过350℃的值。
反应器10内材料所受的压力使得在转子15和护套14之间能够产生流动，这导致了破碎和伸展的作用。
根据材料的粘度，蜗杆的圆周速度应该在100到400米/分钟之间。
为了避免形成氧化产物，使反应器10内的反应在完全没有空气的情况下发生。这也使得能够获得高产量的低分子量(即不大于20个碳原子)的液体和气体烃。在所示实施例中，为了更好地抵靠磨损，形成转子15的周边部分的元件以及与材料直接接触的元件用烃基烧结钢制成。
在该示例中(参见图4)，彼此相邻以形成单个转子15的元件数量为8个。从材料的入口开口11(图中的右侧)开始，可以确定以下元件：
-内径等于D的护套14；
-具有适合于将材料向着出口推进的四螺纹螺杆的第一元件15a，其中螺杆具有不变螺距、直径不小于D且芯部等于至少0.5D，所述第一元件15a施加机械作用以使材料在最小可能的温升下前进；
-直径不大于元件15a的芯部直径的第二圆筒元件15b，其直径足以使由元件15a向前推动的材料能够流入所述第二元件15b和护套14之间的间隙中，并同时由于由实际上在没有温升的情况下向前运动的材料自身所形成的堵塞的产生，而防止来自入口11的空气的通过。
在该示例中，所述第二元件的长度至少等于直径D的一半。
-具有适合于将材料向着出口12推进的单螺纹螺杆的第三元件15c，其中螺杆的螺距P等于至少2D、芯部的直径不小于0.85D、且长度在0.75P到1.0P之间；
-具有与第三元件15c相同但螺纹相反卷绕的螺杆的第四元件15d；这样的第四元件15d向回推材料来进一步增大材料所受的应力，以便达到触发用于断开长链的反应(甚至可能是放热反应)所需的温度。基本上，材料在第三元件15c和第四元件15d的区域中“重新混和”；
因为在所关注部分中材料的粘度显著降低，所以由元件15c施加的向着出口12的推力超过了由15d施加的相反推力；
-具有优选不长于1.5转的螺杆的第五元件15e，该螺杆具有与第四元件15d相应的卷绕但螺距更短，在该示例中其螺距等于0.5D；
-具有螺杆的第六元件15f，该螺杆具有与第五元件15e相同的螺距，而螺纹相反卷绕，即向着出口12推进，且长度稍长，例如等于2转。
第五元件和第六元件的长度约为0.85D。
第五元件15e和第六元件15f还有助于在总体上向着出口12前进的材料内产生大的摩擦；
-直径大于第二元件15b的第七圆筒或圆锥元件15g，其设置在与护套14距离2到4mm之间处，以在高摩擦下获得材料的伸展，该材料在随后冷却时在固体残留的情况下达到液体和气体的一致性。在此区域中，完成碳链的断开以获得高产量的低分子量成分。
在该示例中，所述第七元件15g的长度是D的3到4倍。
-具有与第一元件15a相同类型螺杆的第八元件15h，该螺杆将现在完全处理过并因此形式为最终产物的材料推向出口开口12。
基本上，从第三元件15c直到第七元件15g所占据的区域(图5)是通过分子链的热-机械作用而发生化学断开作用的地方。
在该示例中，转子15的总长度等于D的15到20倍，并且致动其的齿轮传动电机对于每公斤处理材料吸收0.2-0.6kWh。而且，护套14制成许多块，在示例中为三块。具体地，在发生化学反应的区域中，护套的朝向反应器10内侧的部分设有陶瓷筒140，该陶瓷筒140具有高机械、热和化学抗性。
为了避免热的散发，反应器10通过用例如陶瓷棉制成的罩套110隔离。
在操作上，通过(例如气动或使用蜗杆的)合适的传输器将待处理的有机材料以粉碎固体的形式或糊状形式供给通过供给管道212，该有机材料包括具有长链(一般多于20个碳原子)的含化学键的固体有机物质。在粉碎固体形式的情况下，旋风分离器布置在加载料斗210中。
材料通过重力下落并通过转阀214而进入容器28，在容器28中由搅拌器26混和材料并将其向着蜗杆21的入口嘴22输送。蜗杆21通过入口开口11将材料定量供给到反应器10。转子15向着出口开口12推动材料，该材料在此过程中经历化学变化。从此，通过打开阀39将反应产物送到分离系统30的蜗杆提取器31，在该处双螺纹件33促使气相和固相分离。气相和蒸气相的产物通过管道36出去，而固相的产物通过底部开口37出去。
由转子15施加在材料上的机械作用产生摩擦，使得材料自身的温度升高到至少250℃。这使得断开有机化合物的长链所必需的化学反应能够开始(在第三元件15c的区域中)。通过第三元件15c的机械作用导致反应的触发。此外，由于在第二元件15b的区域中形成的材料的堵塞而导致的完全没有空气，防止了不期望的氧化产物(例如醛)的形成并提高了具有较短链的成分的产量。
基本上，不仅没有从外部供热，而且还至少在发生断链反应的部分中防止了空气进入反应器10。
但是，在最后部分中，在反应基本上已经发生的情况下，有时建议利用电阻或相似措施进行加热。
因此，分子键的断开由在反应器内随着转子15独自施加的机械作用而得到的热启动和辅助，转子15以大于100米/分钟的圆周速度旋转。
为了更容易管理该设备，可以实现适当编程以能够自动执行所有操作的控制和管理系统。
初始的固体有机材料可以具有任何来源，例如塑料材料(甚至是非均相的塑料材料，其由此无法利用传统工艺回收利用)、来自工业废料和车辆轮胎的硫化或热塑性橡胶、植物性原料(vegetable meals)、面糊或半液体产品等。
在处理来自回收轮胎和植物性原料的材料时，已经观察到比其他材料有更多的固体碳残余物。
为了减少这些残余物，优选在反应器10内发生反应的部分(在第四元件15d和第六元件15f之间)中加入氢。或者，可以使用更便宜的甲烷。
应用来处理轮胎的所述工艺能够获得很广范围的产物，例如可以与新原材料混和而重新使用的去硫化橡胶、液化气(LPG)的烃类燃料、烃类汽油或柴油、重油、碳残余物，该碳残余物也可以用作用于沥青的添加剂，或者在可能添加过热蒸气后可以用作燃料。
利用所述工艺处理非均相塑料材料能够获得气体烃、液体烃、以及少量的固体碳残余物。
从上述可以认识到，根据本发明的工艺和设备能够满足要求，并能够克服在本说明的前言部分中针对现有技术提到的缺点。
实际上，该工艺能够断开碳联接，并能够获得高产量的低碳原子数的产物，而无需从外供热，从而节约了能量、防止空气进入反应器内、并在没有任何催化剂的情况下获得气体和液体燃料。
而且，所述工艺可以利用简单的设备执行，该设备需要很少的维护，例如蜗杆形反应器。
此外，该工艺没有产生进入大气的任何类型的排放物。
由此获得了一种热力裂解工艺，其只是在没有空气的情况下在待处理材料上利用机械作用，通过内部和外部摩擦导致温度升高到分解温度。
显然，本领域技术人员可以对上述工艺和设备进行许多修改和变化以便满足可能的具体要求，所有这些修改和变化被由以下权利要求所限定的本发明保护范围所覆盖。

Claims (16)

1.一种用于断开有机分子链的工艺，其中使包括有机分子的成碎裂或糊状形式的固体材料受到机械伸展、破碎和拉伸作用，所述材料通过内部和外部摩擦而在没有空气的情况下经历温升，结果断开有机化合物的长分子键并分离出气体成分、液体成分和少的固体成分，其中所述机械作用通过蜗杆组件执行，其特征在于，所述机械作用包括一个阶段，在所述阶段中所述材料受到所述蜗杆组件中具有反向卷绕的多个螺纹的至少两个相邻的部分(15c，15d，15e，15f)的作用。
2.如权利要求1所述的工艺，其中所述材料达到至少250℃的温度。
3.如权利要求1所述的工艺，其中液相和气相成分具有小于20个碳原子的碳原子数。
4.一种用于致动如权利要求1所述的工艺的设备(1)，所述设备包括反应器(10)，所述反应器包括容纳有机械装置的气密容器，所述机械装置适合于使材料受到机械破碎和伸展作用，以由于内部和外部摩擦而产生足以断开有机化合物的长分子键并使液相和气相与固相残余物分离的温升，其特征在于，所述机械装置包括蜗杆组件，所述蜗杆组件包括具有在相反方向上卷绕的多个螺纹的至少两个相邻的部分(15c，15d，15e，15f)。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述蜗杆组件包括设有入口开口(11)和出口开口(12)的筒状护套(14)以及容纳在所述护套中的通过合适装置而旋转的转子(15)。
6.如权利要求5所述的设备(1)，其特征在于，所述转子(15)包括装配到轴(16)上的多个元件(15a-15h)。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述转子(15)包括所述至少两个相邻的部分(15c，15d，15e，15f)。
8.如权利要求6所述的设备(1)，其特征在于，所述多个元件(15a-15h)中的第二元件(15b)具有适合于在所述第二元件(15b)和所述护套(14)之间产生间隙的筒状构造，所述材料在所述间隙中流动，以形成防止来自所述入口开口(11)的空气通过的活动塞。
9.如权利要求8所述的设备(1)，其特征在于，所述转子的具有反向卷绕的多个螺纹的至少两个相邻的部分(15c，15d，15e，15f)位于所述第二元件(15b)的下游，并将所述材料向着其中央推动以进一步增大所述材料自身所受的内部摩擦。
10.如权利要求6所述的设备(1)，其中，所述多个元件(15a-15h)中的第七元件(15g)具有筒状构造，所述筒状构造的直径使其与所述护套(14)之间产生2到4mm之间的间隙，以利用前进材料的高摩擦获得伸展作用。
11.如权利要求4所述的设备(1)，还包括与所述入口开口(11)相连的供给系统(20)和与所述出口开口(12)相连的分离系统(30)。
12.如权利要求11所述的设备(1)，其中，所述供给系统(20)包括蜗杆供给器(21)，所述蜗杆供给器适合于定量供给从料斗(210)到达所述反应器(10)的材料。
13.如权利要求11所述的设备(1)，其中，所述分离系统(30)包括蜗杆提取器(31)，所述蜗杆提取器的轴线相对于所述转子(15)的轴线倾斜，所述蜗杆提取器通过法兰(32)横向连接到所述反应器(10)的出口开口(12)，并设有用于气体和蒸气成分的出口管道(36)和用于固相成分的开口，所述蜗杆提取器(31)被压下以促进对气体和蒸气成分的提取。
14.如权利要求13所述的设备(1)，其中，所述蜗杆提取器(31)设有彼此相交的一对反向旋转的螺纹件(33)。
15.如权利要求13所述的设备(1)，其中，所述法兰(32)设有闸门阀(39)，所述闸门阀由液压活塞(40)致动以调节从所述反应器(10)到所述提取器(31)的产物的通过。
16.如权利要求5所述的设备(1)，其中，氢或甲烷源连接到靠近所述出口开口(12)的最后部分，以限制固相中碳的沉积。
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