專利名稱：：用于斷開固體材料的有機分子碳鏈的工藝及相關(guān)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及用于斷開非氣體材料的有機分子碳鏈的工藝及相關(guān)設(shè)備。更具體地，本發(fā)明涉及通過斷開有機分子鏈而允許將通常存在于塑料材料的合成廢料中的脂族或環(huán)狀有機大分子變成碳的個數(shù)優(yōu)選不產(chǎn)物的分子的工藝。
背景技術(shù)：
：已知有機分子的碳-碳鍵的斷開主要通過石油工業(yè)中的熱裂解(也稱為熱解)或裂解而發(fā)生。裂解反應(yīng)使得原油中的烴的分子量能夠減小以生產(chǎn)較輕的產(chǎn)物。目前，裂解大部分利用純熱(熱裂解)或熱催化(催化裂解)的方法進(jìn)行。熱裂解工藝在液相和氣相兩者下在從10到100atm的可變壓力和450到600。C之間的溫度下進(jìn)行。通過從外部供熱使碳-碳鍵斷開。石油工業(yè)中更廣泛使用的催化裂解工藝?yán)煤线m的催化劑(例如偶氮二甲酰胺)來進(jìn)行，這些催化劑允許在稍低的溫度約500。C和環(huán)境壓力下工作。在兩種情況下都通過從外部控制必要的熱來達(dá)到工作溫度。因為從外部進(jìn)行的控制經(jīng)常受到固體產(chǎn)物(焦炭)在反應(yīng)器的交換表面上的沉積的阻礙，所以使用氧化裂解，其中部分所需熱在反應(yīng)中通過烴、供應(yīng)的空氣或氧氣的部分燃燒而得到。在后一情況下，在裂解反應(yīng)的同時，還發(fā)生聚合和縮合反應(yīng)而形成新的碳-碳鍵。也包括焦炭形成的這些反應(yīng)是不期望的，且通過選擇合適的工作條件可以減少，但卻無法避免的。
發(fā)明內(nèi)容因此，非常需要有一種用于斷開非氣體材料的有機分子鏈的工藝，其允許以低成本和低能耗從脂族或環(huán)狀有機大分子開始生產(chǎn)碳原子數(shù)不大于20的脂族分子，并具有氣體和液體化合物的高產(chǎn)出。本發(fā)明的目的是提供一種具有滿足以上要求并同時避免現(xiàn)有技術(shù)中上述缺點的特性的工藝。另一目的是提供一種專用于執(zhí)行這種工藝的設(shè)備，同時該設(shè)備簡單、容易制造、使用安全并且能高效工作以及相對便宜。這些目的通過分別按照本發(fā)明的權(quán)利要求1和權(quán)利要求5的工藝和設(shè)備實現(xiàn)。從屬權(quán)利要求概括了根據(jù)本發(fā)明的工藝和設(shè)備的優(yōu)選且特別有利的實施例。在結(jié)合附圖的幫助閱讀作為非限制性示例提供的以下說明時將更加清楚本發(fā)明的其他特性和優(yōu)點，附圖中-圖1示出用于斷開固體材料的有機分子鏈的設(shè)備的局部剖視平面圖；-圖2示出沿圖1的II-II線所取的視圖；-圖3示出沿圖1的m-m線所取的視圖；-圖4以截面示出圖1的設(shè)備的蝸桿形反應(yīng)器的細(xì)節(jié)；-圖5示出圖4的放大細(xì)節(jié)。具體實施方式參照上述附圖，按照本發(fā)明的用于斷開固體材料的有機分子鏈的設(shè)備總體用l表示。i殳備1大體包括反應(yīng)器10，該反應(yīng)器10具有用于下面更詳細(xì)討論的待處理有機材料的入口開口ll和用于所獲得產(chǎn)物的出口開口12，該有機材料成碎片或底色形式。供給系統(tǒng)20連接到入口開口11。在該示例中(參見圖3)，所述供給系統(tǒng)20包括通過齒輪傳動電機25致動的水平蝸桿21，該蝸桿21在一端設(shè)有朝向上方的用于材料的徑向入口嘴22，并在另一端設(shè)有軸向出口嘴23,該出口嘴23布置成通過連接法蘭24與反應(yīng)器的入口開口11橫向連通。在入口嘴22處布置有具有四個葉片26a的攪拌器26,該攪拌器26由齒輪傳動電機27致動并位于筒狀容器28內(nèi)的底部，該容器28i殳有高度指示器29和觀察艙口213,該容器28在底部處與入口嘴22連通并在頂部處與加載料斗210連通。所述料斗210在頂部處與抽吸器211和供給管道212連通，并在底部處與轉(zhuǎn)閥214連通。如果需要，料斗210包括旋風(fēng)分離器。蝸桿21具有將材料定量供給到反應(yīng)器10的功能。分離系統(tǒng)30連接到反應(yīng)器10的出口開口12。在該示例中(參見圖2的左手側(cè))，所述分離系統(tǒng)30包括具有豎直軸線的雙蝸桿形提取器31，該蝸桿提取器31通過法蘭32橫向連接到反應(yīng)器10的出口開口12并在頂部封閉密封。蝸桿提取器31設(shè)有彼此相交的一對反向旋轉(zhuǎn)的螺旋面或螺紋件33(在圖2中只能看到其中之一)，這對螺紋件33由齒輪傳動電機34致動而向下推進(jìn)。每個螺紋件33包括具有不同螺距和厚度的螺紋的兩個區(qū)域，即其中螺紋具有小厚度(窄牙頂)并具有小螺距的頂部區(qū)域35a、以及其中同一螺紋具有較大厚度(寬牙頂)和較大螺距的底部區(qū)域35b。用于氣相或蒸氣相產(chǎn)物的出口管道36從提取器31的頂部區(qū)域35a橫向延伸。而固相產(chǎn)物通過在底部形成的軸向開口37出來。用于氣體/蒸氣的出口管道36連接到真空泵(未示出)，該真空泵適合于將提取器31壓下以促進(jìn)對輕量成分的提取。然后將從提取器31出來的氣體/蒸氣流冷卻，以從其獲得液相而將其與氣相分離。提取器31與反應(yīng)器IO之間通過法蘭32的連接在螺紋具有較大厚度和螺距的底部區(qū)域35b處相對于兩個螺紋面33在橫向中央發(fā)生。法蘭32設(shè)有閘門閥39，該閘門閥39由液壓活塞40致動以調(diào)節(jié)從反應(yīng)器10到提取器31的產(chǎn)物的通過。為了避免熱的散發(fā)，通常用鋼制成的蝸桿提取器31通過用例如陶瓷棉制成的罩套38隔離。根據(jù)本發(fā)明，反應(yīng)器10的形式為組件13，該組件13包括在內(nèi)側(cè)具有轉(zhuǎn)子15的筒狀護(hù)套14，該轉(zhuǎn)子15具有基本上水平的軸線。入口開口11徑向布置在護(hù)套14的一端處，而出口開口12軸向布置在由閥39截斷的相反一端處。具體而言，轉(zhuǎn)子15由包括多個破碎元件(15a-15h)的軸16形成，將在下面更多地討論的這些破碎元件裝配到軸16上以隨其旋轉(zhuǎn)。軸16連接到齒輪傳動電機17。為了斷開通過供給系統(tǒng)20供給的有機材料的碳鏈，轉(zhuǎn)子15具有的構(gòu)造能夠使材料受到機械作用以獲得具有糊狀一致性的混合物，即軟且碰觸就屈服的混合物。這樣的機械作用使得材料在反應(yīng)器10中伸展和破碎，從而使其具有糊狀一致性。具體地，此機械作用在有機材料內(nèi)產(chǎn)生大的摩擦而使溫度和壓力增大，這就觸發(fā)了斷開長分子鍵的反應(yīng)，直到獲得具有短鏈的產(chǎn)物，即碳原子數(shù)優(yōu)選小于20的產(chǎn)物。根據(jù)在材料中產(chǎn)生且還取決于所處理材料的類型的內(nèi)部和外部摩擦，分子鏈的斷開可以隨著放熱反應(yīng)發(fā)生，這些放熱反應(yīng)自身有助于反應(yīng)器IO內(nèi)的溫度升高直到達(dá)到超過35(TC的值。反應(yīng)器10內(nèi)材料所受的壓力使得在轉(zhuǎn)子15和護(hù)套14之間能夠產(chǎn)生流動，這導(dǎo)致了破碎和伸展的作用。根據(jù)材料的粘度，蝸桿的圓周速度應(yīng)該在100到400米/分鐘之間。為了避免形成氧化產(chǎn)物，使反應(yīng)器10內(nèi)的反應(yīng)在完全沒有空氣的情況下發(fā)生。這也使得能夠獲得高產(chǎn)量的低分子量(即不大于20個碳原子)的液體和氣體烴。在所示實施例中，為了更好地抵靠磨損，形成轉(zhuǎn)子15的周邊部分的元件以及與材料直接接觸的元件用烴基燒結(jié)鋼制成。在該示例中(參見圖4)，彼此相鄰以形成單個轉(zhuǎn)子15的元件數(shù)量為8個。從材料的入口開口11(圖中的右側(cè))開始，可以確定以下元件-內(nèi)徑等于D的護(hù)套14;-具有適合于將材料向著出口推進(jìn)的四螺紋螺桿的第一元件15a，其中螺桿具有不變螺距、直徑不小于D且芯部等于至少0.5D，所述第一元件15a施加機械作用以使材料在最小可能的溫升下前進(jìn)；-直徑不大于元件15a的芯部直徑的第二圓筒元件15b，其直徑足以使由元件15a向前推動的材料能夠流入所述第二元件15b和護(hù)套14之間的間隙中，并同時由于由實際上在沒有溫升的情況下向前運動的材料自身所形成的堵塞的產(chǎn)生，而防止來自入口ll的空氣的通過。在該示例中，所述第二元件的長度至少等于直徑D的一半。-具有適合于將材料向著出口12推進(jìn)的單螺紋螺桿的第三元件15c，其中螺桿的螺距P等于至少2D、芯部的直徑不小于0.85D、且長度在0.75P到1.0P之間;_具有與第三元件15c相同但螺紋相反巻繞的螺桿的第四元件15d;這樣的第四元件15d向回推材料來進(jìn)一步增大材料所受的應(yīng)力，以便達(dá)到觸發(fā)用于斷開長鏈的反應(yīng)(甚至可能是放熱反應(yīng))所需的溫度?；旧?，材料在第三元件15c和第四元件15d的區(qū)域中"重新混和"；因為在所關(guān)注部分中材料的粘度顯著降低，所以由元件15c施加的向著出口12的推力超過了由15d施加的相反推力；-具有優(yōu)選不長于1.5轉(zhuǎn)的螺桿的第五元件15e，該螺桿具有與第四元件15d相應(yīng)的巻繞但螺距更短，在該示例中其螺距等于0.5D;-具有螺桿的第六元件15f，該螺桿具有與第五元件15e相同的螺距，而螺紋相反巻繞，即向著出口12推進(jìn)，且長度稍長，例如等于2轉(zhuǎn)。第五元件和第六元件的長度約為0.85D。第五元件15e和第六元件15f還有助于在總體上向著出口12前進(jìn)的材料內(nèi)產(chǎn)生大的摩擦；-直徑大于第二元件15b的第七圓筒或圓錐元件15g,其設(shè)置在與護(hù)套14距離2到4mm之間處，以在高摩擦下獲得材料的伸展，該材料在隨后冷卻時在固體殘留的情況下達(dá)到液體和氣體的一致性。在此區(qū)域中，完成碳鏈的斷開以獲得高產(chǎn)量的低分子量成分。在該示例中，所述第七元件15g的長度是D的3到4倍。-具有與第一元件15a相同類型螺桿的第八元件15h,該螺桿將現(xiàn)在完全處理過并因此形式為最終產(chǎn)物的材料推向出口開口12?；旧?，從第三元件15c直到第七元件15g所占據(jù)的區(qū)域(圖5)是通過分子鏈的熱-機械作用而發(fā)生化學(xué)斷開作用的地方。在該示例中，轉(zhuǎn)子15的總長度等于D的15到20倍，并且致動其的齒輪傳動電機對于每公斤處理材料吸收0.2-0.6kWh。而且，護(hù)套14制成許多塊，在示例中為三塊。具體地，在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域中，護(hù)套的朝向反應(yīng)器10內(nèi)側(cè)的部分設(shè)有陶瓷筒140，該陶瓷筒140具有高機械、熱和化學(xué)抗性。為了避免熱的散發(fā)，反應(yīng)器IO通過用例如陶瓷棉制成的罩套IIO隔離。在操作上，通過(例如氣動或使用蝸桿的)合適的傳輸器將待處理的有機材料以粉碎固體的形式或糊狀形式供給通過供給管道212，該有機材料包括具有長鏈(一般多于20個碳原子)的含化學(xué)鍵的固體有機物質(zhì)。在粉碎固體形式的情況下，旋風(fēng)分離器布置在加栽料斗210中。材料通過重力下落并通過轉(zhuǎn)閥214而進(jìn)入容器28，在容器28中由攪拌器26混和材料并將其向著蝸桿21的入口嘴22輸送。蝸桿21通過入口開口ll將材料定量供給到反應(yīng)器10。轉(zhuǎn)子15向著出口開口12推動材料，該材料在此過程中經(jīng)歷化學(xué)變化。從此，通過打開閥39將反應(yīng)產(chǎn)物送到分離系統(tǒng)30的蝸桿提取器31，在該處雙螺紋件33促使氣相和固相分離。氣相和蒸氣相的產(chǎn)物通過管道36出去，而固相的產(chǎn)物通過底部開口37出去。由轉(zhuǎn)子15施加在材料上的機械作用產(chǎn)生摩擦，使得材料自身的溫度升高到至少250°C。這使得斷開有機化合物的長鏈所必需的化學(xué)反應(yīng)能夠開始(在第三元件15c的區(qū)域中)。通過第三元件15c的機械作用導(dǎo)致反應(yīng)的觸發(fā)。此外，由于在第二元件15b的區(qū)域中形成的材料的堵塞而導(dǎo)致的完全沒有空氣，防止了不期望的氧化產(chǎn)物(例如醛)的形成并提高了具有較短鏈的成分的產(chǎn)量?；旧?，不僅沒有從外部供熱，而且還至少在發(fā)生斷鏈反應(yīng)的部分中防止了空氣進(jìn)入反應(yīng)器10。但是，在最后部分中，在反應(yīng)基本上已經(jīng)發(fā)生的情況下，有時建議利用電阻或相似措施進(jìn)行加熱。因此，分子鍵的斷開由在反應(yīng)器內(nèi)隨著轉(zhuǎn)子15獨自施加的機械作用而得到的熱啟動和輔助，轉(zhuǎn)子15以大于100米/分鐘的圓周速度旋轉(zhuǎn)。為了更容易管理該設(shè)備，可以實現(xiàn)適當(dāng)編程以能夠自動執(zhí)行所有操作的控制和管理系統(tǒng)。初始的固體有機材料可以具有任何來源，例如塑料材料(甚至是非均相的塑料材料，其由此無法利用傳統(tǒng)工藝回收利用)、來自工業(yè)廢料和車輛輪胎的硫化或熱塑性橡膠、植物性原料(vegetablemeals)。面糊或半液體產(chǎn)品等。在處理來自回收輪胎和植物性原料的材料時，已經(jīng)觀察到比其他材料有更多的固體碳?xì)堄辔铩榱藴p少這些殘余物，優(yōu)選在反應(yīng)器10內(nèi)發(fā)生反應(yīng)的部分(在第四元件15d和第六元件15f之間)中加入氫?；蛘?，可以使用更《更宜的甲烷。應(yīng)用來處理輪胎的所述工藝能夠獲得很廣范圍的產(chǎn)物，例如可以與新原材料混和而重新使用的去硫化橡膠、液化氣(LPG)的烴類燃料、烴類汽油或柴油、重油、碳?xì)堄辔?，該碳?xì)堄辔镆部梢杂米饔糜跒r青的添加劑，或者在可能添加過熱蒸氣后可以用作燃料。利用所述工藝處理非均相塑料材料能夠獲得氣體烴、液體烴、以及少量的固體碳?xì)堄辔?。從上述可以認(rèn)識到，根據(jù)本發(fā)明的工藝和設(shè)備能夠滿足要求，并能夠克服在本說明的前言部分中針對現(xiàn)有技術(shù)提到的缺點。實際上，該工藝能夠斷開碳聯(lián)接，并能夠獲得高產(chǎn)量的低碳原子數(shù)的產(chǎn)物，而無需從外供熱，從而節(jié)約了能量、防止空氣進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)、并在沒有任何催化劑的情況下獲得氣體和液體燃料。而且，所述工藝可以利用簡單的設(shè)備執(zhí)行，該設(shè)備需要很少的維護(hù)，例如蝸桿形反應(yīng)器。此外，該工藝沒有產(chǎn)生進(jìn)入大氣的任何類型的排放物。由此獲得了一種熱力裂解工藝，其只是在沒有空氣的情況下在待處理材料上利用機械作用，通過內(nèi)部和外部摩擦導(dǎo)致溫度升高到分解溫度。顯然，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對上述工藝和設(shè)備進(jìn)行許多修改和變化以便滿足可能的具體要求，所有這些修改和變化被由以下權(quán)利要求所限定的本發(fā)明保護(hù)范圍所覆蓋。權(quán)利要求1.一種用于斷開有機分子鏈的工藝，其特征在于，使包括有機分子的成碎裂或糊狀形式的固體材料受到機械伸展、破碎和拉伸作用，所述材料通過內(nèi)部和外部摩擦而在沒有空氣的情況下經(jīng)歷溫升，結(jié)果斷開長分子鍵并分離出氣體成分、液體成分和少的固體成分。2.如權(quán)利要求l所述的工藝，其特征在于，至少在分離的最后階段中，從外部供應(yīng)反應(yīng)所需的熱的一部分。3.如權(quán)利要求l所述的工藝，其中所述材料達(dá)到至少250。C的溫度。4.如權(quán)利要求l所述的工藝，其特征在于，所述機械作用通過蝸桿(13)執(zhí)行。5.如權(quán)利要求4所述的工藝，其中液相和氣相成分具有小于20個碳原子的分子量。6.—種用于致動如權(quán)利要求l所述的工藝的設(shè)備(l)，其特征在于，所述設(shè)備包括反應(yīng)器(IO)，所述反應(yīng)器包括容納有機械裝置(13)的氣密容器(14)，所述機械裝置適合于使材料受到機械破碎和伸展作用，以由于內(nèi)部和外部摩擦而產(chǎn)生足以斷開長分子鍵并使液相和氣相與固相殘余物分離的溫升。7.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，所述容器包括設(shè)有入口開口(ll)和出口開口(12)的筒狀護(hù)套14，在所述護(hù)套中容納有通過合適裝置而旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子15。8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備(1)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子(15)包括裝配到旋轉(zhuǎn)軸(16)上的多個元件(15a-15h)。9.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子15包括構(gòu)造成蝸桿(15a，15h)的至少一部分，用于使所述材料前進(jìn)。10.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子15包括至少兩個相鄰的部分(15c，15d，15e，15f)，所述至少兩個相鄰的部分包括在相反方向上巻繞的兩個蝸桿部分。11.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備(1)，其特征在于，所述多個元件(15a-15h)中的至少一個元件(15b)具有適合于在所述至少一個元件(15b)和所述護(hù)套(14)之間產(chǎn)生間隙的筒狀構(gòu)造，所述材料在所述間隙中流動，以形成防止來自所述入口開口(11)的空氣通過的活動塞。12.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備(1)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子的具有反向巻繞的多個螺紋的至少兩個相鄰的部分(15c，15d，15e，15f)位于所述筒狀元件(15b)的下游，并將所述材料向著其中央推動以進(jìn)一步增大所述材料自身所受的內(nèi)部摩擦。13.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備(1)，其中，所述多個元件(15a-15h)中的至少一個元件(15g)具有筒狀構(gòu)造，所述筒狀構(gòu)造的直徑使其與所述護(hù)套(14)之間產(chǎn)生2到4mm之間的間隙，以利用前進(jìn)材料的高摩擦獲得伸展作用。14.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備(1)，還包括與所述入口開口(11)相連的供給系統(tǒng)(20)和與所述出口開口(12)相連的分離系統(tǒng)(30)。15.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備(1)，其中，所述供給系統(tǒng)(20)包括蝸桿供給器(21)，所述蝸桿供給器適合于定量供給從料斗(210)到達(dá)所述反應(yīng)器(10)的材料。16.如權(quán)利要求14所述的設(shè)備(1)，其中，所述分離系統(tǒng)(30)包括蝸桿提取器(31)，所述蝸桿提取器的軸線相對于所述轉(zhuǎn)子15的軸線傾斜，所述蝸桿提取器通過法蘭(32)橫向連接到所述反應(yīng)器(10)的出口開口(12)，并設(shè)有用于氣體和蒸氣成分的出口管道(36)和用于固相成分的開口，所述蝸桿提取器(31)被壓下。17.如權(quán)利要求16所述的設(shè)備(1)，其中，所述蝸桿提取器(31)設(shè)有彼此相交的一對反向旋轉(zhuǎn)的螺紋件(33)。18.如權(quán)利要求16所述的設(shè)備(1)，其中，所述法蘭(32)設(shè)有閘門閥(39)，所述閘門閥由液壓活塞(40)致動以調(diào)節(jié)從所述反應(yīng)器(10)到所述提取器(31)的產(chǎn)物的通過。19.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備(1),其中，氫或甲烷源連接到靠近所述出口開口(12)的最后部分，以限制固相中碳的沉積。全文摘要一種用于斷開有機分子鏈的工藝，其中使包括有機分子的固體材料受到機械伸展和破碎作用，直到表現(xiàn)糊狀一致性的材料通過內(nèi)部摩擦而在沒有空氣的情況下經(jīng)歷溫度和壓力升高，這斷開其長分子鍵并導(dǎo)致各相成分的分離。文檔編號B01J19/20GK101213014SQ200680023583公開日2008年7月2日申請日期2006年6月16日優(yōu)先權(quán)日2005年6月29日發(fā)明者G·佩奇申請人:I.T.E.R.有限責(zé)任公司