способ термического и/или каталитического разложения и/или деполимеризации низших органических веществ и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ термического и/или каталитического разложения и/или деполимеризации низших органических веществ путем интенсивного перемешивания при температуре и давлении, при этом низшие органические вещества подвергают воздействию движущегося слоя твердых частиц, совершающих вихревое движение, отличающийся тем, что интенсивное перемешивание твердых частиц, составляющих движущийся слой, образуют механизмом вращения, расположенным непосредственно в реакционной камере и имеющим периферическую скорость лопастей 15-135мс^-1, причем температура в реакционной камере составляет от 150 до 700^oС, а давление от 0,1 до 2,5 МПа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура в реакционной камере составляет от 250 до 500^oС, а давление от 0,2 до 1,1 МПа.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что вихревой движущийся слой твердых частиц вещества состоит частично или полностью из вещества, действующего в условиях реакции каталитически на проходящие химические реакции, или вещества инертного в условиях реакции и представляющего реагирующие вещества, такие, как гранулированный кварц, и/или кварцевый песок, и/или алюмосиликаты, и/или другие природные и/или синтетические минералы, содержащие кремний, и/или алюминий, и/или кальций, и/или натрий, и/или калий, и/или кислород, и/или серу.

4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что вихревой движущийся слой твердых частиц вещества образован твердым абсорбентом, таким, как оксид кальция, и/или карбонат кальция, и/или гидроксид кальция, и/или гидроксид натрия.

5. Способ по пп.1-4, отличающийся тем, что диаметр твердых частиц вещества, образующих движущийся слой, составляет 310^-5 - 310^-2 м, предпочтительно 310^-4 - 310^-3 м.

6. Способ по пп.1-5, отличающийся тем, что низшие органические вещества и/или твердые частицы вещества, образующего вихревой движущийся слой, предварительно нагревают до температуры от 100 до 450^oС, предпочтительно от 150 до 350^oС.

7. Способ по пп.1-6, отличающийся тем, что низшие органические вещества подвергают воздействию вихревого движущегося слоя твердых частиц вещества в присутствии воды или водяного пара и/или в присутствии водорода или вещества, высвобождающего водород в условиях реакции, и/или в присутствии аммиака, где твердые частицы вещества, образующего движущийся слой, выполняют функцию разделительного слоя для данных жидкостей.

8. Способ по пп.1-7, отличающийся тем, что низшие органические вещества включают углеводороды нефти или дегтя с более высокой молекулярной массой и/или макромолекулярные вещества, в основном пластики и эластомеры, отходы макромолекулярных веществ, в основном отходы пластиков и эластомеров, и/или отработанные углеводородные масла, преимущественно отработанные смазочные моторные масла и/или смазки для шестерен, и/или турбин, и/или гидравлических частей, и/или трансформаторов, и/или масляные теплоносители, и/или масла, применяемые в металлообработке, и/или тяжелую нефть, и/или углеводороды тяжелой нефти, и/или углеводороды дегтя, и/или природные асфальты, и/или асфальты и битумы с нефтеперерабатывающих заводов, и/или атмосферные и/или вакуумные остатки после перегонки и очистки сырой нефти и/или каменноугольного бензола, другие естественные породы, содержащие органические вещества, в частности углеводороды, в основном нефтяные и битумные пески и сланцы, другие отходы, включающие органические вещества, преимущественно углеводороды сырой нефти и/или дегтя и/или макромолекулярные вещества/пластики и эластомеры, и/или растительные масла, и/или воски, и/или смолы, и/или полисахариды.

9. Устройство для термического и/или каталитического разложения и/или деполимеризации низших органических веществ, содержащее цилиндрическую реакционную камеру с коаксиально расположенным в ней механизмом вращения, впускные отверстия для твердых частиц, образующих движущийся слой, впускные отверстия для реагирующих веществ и выпускные отверстия для продуктов реакции, причем механизм вращения состоит из вала и лопастей, отличающееся тем, что в нем для осуществления способа по пп.1-8 лопасти механизма вращения, обеспечивающего интенсивное вихревое движение, прикреплены к валу посредством приводных дисков.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что лопасти расположены рядами от 3 до 10 рядов параллельно оси вала.

11. Устройство по пп. 9 и 10, отличающееся тем, что лопасти снабжены отверстиями или вырезами различных геометрических форм.

12. Устройство по пп.9-11, отличающееся тем, что приводные диски снабжены отверстиями различных геометрических форм.

13. Устройство по пп.9-12, отличающееся тем, что лопасти разделены на отдельные сегменты.

14. Устройство по пп.9-13, отличающееся тем, что лопасти прикреплены к приводным дискам предпочтительно посредством штифта жестко или с возможностью качения.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение касается способа термического и/или каталитического разложения и/или деполимеризации низших органических веществ и устройства для проведения способа.

Предпосылки изобретения

Способы и устройства для переработки органических веществ, не представляющих существенной экономической выгоды и имеющих ограниченную утилизацию, известны, в частности, в области переработки сырой нефти. В последнее время такие способы находят применение, используя в качестве источника сырья отходы.

К наиболее эффективным способам утилизации тяжелых фракций сырой нефти принадлежат способы разложения, использующие псевдоожижение. Наиболее широко распространенным процессом псевдоожижения для расщепления тяжелых углеводородных фракций является каталитический крекинг с псевдоожиженным катализатором.

Псевдоожижение в технической практике определяется как процесс, в котором твердые частицы находятся во взвешенном состоянии, которое обеспечивает жидкость (газ, жидкость), проходящая потоком через поле силы массы (силу тяжести), и такая система со стороны ведет себя как жидкость (суспензия). Псевдоожиженный слой обладает исключительными способностями, которые широко используют в физических и химических процессах. "Интенсивное движение частиц в слое и перемешивание слоя относят за счет высокой температуры, массопередачи и быстрого балансирования разниц температуры и концентрации". V. Mika: Zaklady chemickeho inzenyrstvi (Principles of Chemical Engineering), SNTL/ALFA 1981. Исключительные свойства псевдоожиженного слоя, используемого в химических процессах, обеспечивают интенсивное перемешивание твердых частиц псевдоожижающей средой.

Проблема устранения неоднородностей, образующихся в псевдоожиженном слое, решена в патенте JР-A 05277354, где псевдоожиженный слой образован псевдоожижающей жидкостью, в которой агломерации частиц слоя препятствует применение мешалки в кольцевом реакторе, где мешалка, приводимая в движение мотором, вращается в псевдоожиженном слое.

JP-A 58223435 описывает реактор с псевдоожиженным слоем катализатора, работающий с газом в качестве псевдоожижающей среды, в котором мешалка находится на внутренней стенке реактора с тем, чтобы не дать агломерироваться частицам псевдоожиженного катализатора и отложиться продуктам реакции.

Кроме классических источников сырьевого материала для процессов расщепления в нефтехимии идет интенсивный поиск того, как можно утилизировать отходы, в частности, как использовать отходы пластических материалов для производства высших углеводородов.

В ЕР-А1 0502618 описывается переработка пластиков, в частности полиолефинов, газифицированием их в псевдоожиженном слое твердых инертных частиц сжижающим газом при температурах от 300 до 690^oС.

В ЕР-А1 0687692 описывается термический крекинг хлорированных пластиков в псевдоожиженном слое, состоящем из инертных частиц, ожиженных жидкостью, с последующей абсорбцией соединений хлора в твердом слое оксидом кальция.

В FR-A 2613721 описывается способ получения синтетических восков термическим разложением полиэтилена и полипропилена при температурах от 360 до 500^oС, в котором полиолефины закачивают в нагретую стальную трубку в присутствии водяного пара.

В US-A 3901951 описывается способ переработки полимерных отходов: на первой стадии полимеры расплавляют при температуре ниже 250^oС, а на следующей стадии расплав закачивают в термосреду псевдоожиженных твердых частиц при температуре от 350 до 550^oС для пиролиза. Газообразные продукты пиролиза конденсируют, в результате чего получают смесь жидких углеводородов. Твердые частицы можно псевдоожижать с применением таких газов, как воздух, азот или водяной пар, при этом воздух предпочтителен. Системы, работающие с псевдоожижением, особенно химические реакторы, требуют очень больших капиталовложений. Подъем твердых частиц в реакторе с псевдоожиженным твердым катализатором обеспечивается в большинстве случаев потоком газа. Операции, требующиеся для подготовки псевдоожиженной среды: сжатие или закачка жидкости (газа), ее нагревание, передача, распределение в реакторе и т.п., а также отделение псевдоожиженной среды от продуктов реакции, охлаждение, снижение потерь и т. п. делают системы, работающие с псевдоожиженным слоем, технически, а следовательно, экономически дорогостоящими (что касается инвестиций и функционирования). Все это еще осложняется тем, что называют технически сложным контролем оптимальных условий реакции. Реакторы с псевдоожиженным твердым слоем катализатора экономически оправданы только в случае высокой производительности, что опять же предполагает большие капиталовложения.

Более того, псевдоожижение часто сопровождается неоднородностью. Образование неоднородностей, т.е. пузырьков, каналов и пробок может вызвать деструкцию процессов, протекающих в псевдоожиженном слое, значительно снижая при этом преимущества псевдоожижения.

Раскрытие изобретения

Недостатки настоящих способов переработки низших органических веществ значительно сведены к минимуму способом настоящего изобретения, суть которого заключается в том, что низшие органические вещества при температуре от 150 до 700^oС, лучше от 250 до 500^oС, и давлении от 0,1 до 2,5 МПа, лучше от 0,2 до 1,1 MПa, подвергают действию движущегося слоя твердых частиц, совершающих вихревое действие, в результате чего твердые частицы вещества, составляющего движущийся слой, приводятся интенсивным перемешиванием в вихревое движение.

Движущийся слой твердых частиц вещества может частично или полностью состоять из вещества, выполняющего роль катализатора в условиях текущих химических реакций, либо оно может быть инертным в условиях реакции и представлять реагирующие вещества, такие как гранулированный кварц, и/или кварцевый песок, и/или алюмосиликаты, и/или другие природные и/или синтетические минералы, содержащие кремний, и/или алюминий, и/или кальций, и/или натрий, и/или калий, и/или кислород, и/или серу, либо может быть введен твердый абсорбент, такой как оксид кальция, и/или карбонат кальция, и/или гидроксид кальция, и/или гидроксид натрия.

Диаметр твердых частиц, составляющих вихревой движущийся слой, от 310^-5 до 310^-2 м, предпочтительно от 310^-4 до 310^-3 м.

Низшие органические вещества и/или твердые частицы, составляющие движущийся слой, можно предварительно нагреть до температуры от 100 до 450^oС, предпочтительно от 150 до 350^oС.

Низшие органические вещества можно подвергнуть действию движущегося слоя твердых частиц вещества в присутствии воды или водяного пара и/или в присутствии водорода или вещества, высвобождающего водород в условиях реакции и/или в присутствии аммиака, при этом помимо реакционной среды для расщепления и последующих химических реакций вихревые движущиеся твердые частицы вещества образуют также теплообменную поверхность вихревого разделяющего (высушивающего) слоя, в котором происходит изменение состояния вещества настоящих жидкостей, инертных в условиях реакции.

В качестве низших органических веществ можно применять следующие вещества: углеводороды сырой нефти или дегтя с высокой молекулярной массой и/или макромолекулярные вещества, в основном пластики и эластомеры, отходы макромолекулярных веществ, в основном пластиков и эластомеров, и/или отработанные углеводородные масла, в основном отработанные смазочные моторные и/или машинные масла, и/или отработанные масла для шестерен, турбин, трансформаторов, масла после различной металлообработки, и/или масляные теплоносители, и/или тяжелые сырые масла, и/или углеводороды тяжелых сырых масел, и/или углеводороды дегтя, и/или асфальты и битумы природные, либо как продукты переработки нефти и/или атмосферные и/или вакуумные остатки от перегонки в переработке и очистке сырой нефти и/или каменноугольного бензола, других нефтеносных пород, содержащих органические вещества, особенно углеводороды, в основном нефтеносных и битумных песков и сланцев, другие отходы после переработки, содержащие органические вещества, в основном углеводороды сырой нефти и/или углеводороды дегтя, и/или макромолекулярные вещества/пластики и эластомеры, и/или воски, и/или смолы, и/или полисахариды.

Устройство для проведения термического и/или каталитического разложения и/или деполимеризации низших органических веществ содержит цилиндрическую реакционную камеру с коаксиально расположенным в ней механизмом вращения, обеспечивающим интенсивное вихревое движение, впускные отверстия для твердых частиц, образующих движущийся слой, впускные отверстия для реагирующих веществ и выпускные отверстия для продуктов реакции, причем механизм вращения состоит из вала, к которому посредством приводных дисков прикреплены лопасти.

Периферическая скорость лопастей составляет около 15-135 мс^-1, предпочтительно 35-85 мс^-1.

Лопасти могут крепиться к приводным дискам жестко или с качанием.

Лопасти, закрепленные на валу посредством приводных дисков, могут быть выполнены рядами от 3 до 10 рядов, расположенных параллельно оси вала, и в них могут быть предусмотрены отверстия или вырезы различных геометрических форм, либо они могут быть разделены на отдельные сегменты с эллиптическими отверстиями или с отверстиями разной геометрической формы. Приводные диски могут также иметь отверстия разной геометрической формы.

Часть вращательного механизма, расположенная в реакционной камере, отделена от окружающей ее внешней части герметичной системой, обеспечивающей герметичность реакционной камеры. Впускные в реакционную камеру отверстия для материала расположены на ее поверхности, выпускное отверстие для газообразных или жидких продуктов реакции находится на противоположной стороне, как можно ближе к оси вращательного движения, там, где наинизшая концентрация твердых частиц в жидкости или газе. Выпускное отверстие для твердых частиц расположено в цилиндрической части корпуса реакционной камеры, около ее поверхности с выпускным отверстием для газообразных или жидких продуктов реакции.

Суть способа по настоящему изобретению состоит в том, что движущийся слой образован интенсивным перемешиванием твердых частиц, совершающих принудительное вихревое движение в цилиндрической реакционной камере, и в использовании горячего вихревого слоя твердых частиц в качестве среды для химических реакций, в основном для термолиза - термического разложения низших органических веществ. В вихревом движущемся слое происходит интенсивная циркуляция твердых частиц, в результате чего образуется среда с идеальным перемешиванием, позволяющая использовать вихревой движущийся слой в химическом реакторе для создания изотермических условий. Турбулентное движение реагирующих веществ усиливает вихревое движение твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии, в то время как реагирующие вещества при реакционных температурах находятся в основном в жидком или газообразном состоянии.

До введения в реакционную камеру твердые частицы можно предварительно нагреть и они станут инертным носителем тепла, необходимого для осуществления химических и других процессов. Одновременно твердые частицы в вихревом слое образуют непосредственно в реакционной камере теплопередающую поверхность энергообменника с большой площадью поверхности и, следовательно, высокой скоростью теплообмена. Большая площадь теплопередающей поверхности, образованная вихревыми твердыми частицами, и высокая термопроводимость вихревого слоя позволяют интенсивно проходить гетерогенным реакциям в реакционной камере с вихревым слоем твердых частиц.

Вихревой движущийся слой может частично или полностью состоять из частиц твердого вещества, проявляющего калитическую активность в химических реакциях, протекающих в реакторе. Таким образом, вихревой слой образует среду, подходящую для прохождения гетерогенных каталитических реакций. Такой слой представляется возможным использовать для простого термического разложения. Катионный гетерогенный катализатор, например алюмосиликат, способствует разрыву -С-С- связей и делает более эффективным термическое разложение, протекающее в вихревом движущемся слое.

Предпочтительный вариант состоит в использовании вихревого слоя твердых частиц для каталитического термолиза органических веществ с применением гетерогенного бифункционального катализатора. Окислительно-восстановительный и катионный катализаторы, образующие вихревой слой, например, оксиды кобальта и молибдена на кислотной подложке (алюмосиликате) в присутствии водорода или соединения, высвобождающего водород (гидразина), позволяют повысить скорости реакций всех химических процессов - расщепления и гидрирования, снизить температуры реакции и избавиться от нежелательных побочных реакций. Благодаря большой площади поверхности, образованной твердыми частицами, и благодаря интенсивному перемешиванию каталитического слоя процессы подвижности молекул в катализе довольно быстрые и поэтому диффузные свойства системы благоприятные, что повышает скорость реакции в катализе. Этот факт обеспечивает некоторые преимущества.

Вихревой движущийся слой может быть представлен твердыми частицами инертного при реакционных условиях вещества для введения реагирующих веществ, например, гранулированным кварцем, кварцевым песком или минеральными веществами.

Для удаления кислотных соединений, в основном соединений хлора и серы, из смеси продуктов реакции в качестве компонента вихревого слоя твердых частиц может быть введен абсорбент, с помощью которого твердое вещество способно химически связывать в условиях реакции кислотные соединения, например оксид кальция, карбонат кальция, гидроксид кальция или натрия. Таким образом, вихревой движущийся слой функционирует как абсорбционный слой, одновременно сохраняя все другие функции. Абсорбцией можно также удалить все нежелательные компоненты из смеси продуктов реакции непосредственно в расщепляющем реакторе.

Известно, что термические процессы разложения, характеризуемые увеличением количества молекул в системе, например термолиз углеводородов, поддерживаются наличием разбавляющего агента. Этот факт можно также использовать для термического разложения органических веществ в вихревом слое. В качестве разбавляющего агента применимы вода или водяной пар, либо водород или аммиак. Разбавляющий агент может также участвовать в нужных химических реакциях. В случае, когда вихревой слой частично состоит из твердого вещества с каталитическими окислительно-восстановительными свойствами (например, из оксидов кобальта и молибдена), данный разбавляющий агент, особенно водород, будет вступать в реакции с продуктами расщепления и гидрирование будет происходить непосредственно в реакторе разложения.

Большое число частиц твердого вещества с небольшими размерами и совершающими интенсивное вихревое движение в слое приводится в действие механическими взаимодействиями на жидкость, присутствующую в реакторе, и вызывает механический распад - дисперсию жидкостей, в результате чего мелкораспыленная жидкость вместе с присутствующими газами образует аэродисперсионную систему - туман, который ведет себя как газ. Вихревой слой твердых частиц действует как диспергирующий слой для жидкостей. Это имеет практическую ценность для выбора температурных условий для реакций с химическим изменением структуры веществ. Температуры реакции могут быть ниже и расщепление может происходить как в газообразной, так и в жидкой фазе. Как результат указанного действия продукты реакции образуют единую фазу - аэродисперсный туман (аэрозольную жидкость-газ), который покидает реакционную камеру в виде газа.

Энергия, необходимая для проведения процессов в вихревом слое, подается в виде тепла. Особым признаком настоящего изобретения является способ передачи энергии и преобразование. Часть тепловой энергии, необходимой для проведения процессов, происходящих в реакционной камере, генерируется непосредственно в реакционной камере преобразованием кинетической энергии механизма вращения в тепловую энергию как результат трения между активными частями механизма вращения и твердыми частицами движущегося слоя, а также как взаимное трение твердых частиц, образующих вихревой движущийся слой, и трение между вихревым движущимся слоем и стационарными частями реакционной камеры. Преобразование кинетической энергии механизма вращения в тепловую энергию непосредственно в реакционной камере, т. е. в месте потребления энергии, является одной из причин высокой энергоэффективности устройства с вихревым слоем твердых частиц. Часть тепловой энергии, необходимой для проведения процессов в реакционной камере с вихревым слоем, подается также посредством теплопередающей среды, где теплопередающая среда состоит из предварительно нагретых твердых частиц, образующих вихревой движущийся слой, или предварительно нагретых органических веществ, поступающих в реакционную камеру. Факт, что энергия потребляется в месте теплообмена, способствует высокой энергетической эффективности системы с вихревым слоем твердых частиц.

Настоящее изобретение также касается устройства, в котором существует реакционная среда с высокой интенсивностью движения, передачей тепла и массы, образованная движущимся слоем твердых частиц, совершающих быстрое вихревое движение, в результате которого основной источник движения твердых частиц вихревого движущегося слоя и реагирующих веществ является быстрым вращательным механизмом вращения, расположенным в реакционной камере.

Лопасти, прикрепленные к приводным дискам, составляют важный структурный элемент реакционной камеры. Уровень турбулентности в реакционной камере и вихревое движение твердых частиц слоя, что является существенными характерными признаками всей системы, зависят от лопастей. Лопасти должны быть выполнены из специального износостойкого материала, например композитных или керамических материалов или из высококачественного сплава стали с вольфрамом. Как результат абразивного действия твердых частиц вихревого слоя, лопасти подвержены истиранию и их регулярная замена входит в эксплуатационное обслуживание устройства. Разделение лопастей на сегменты обеспечивает преимущества при изготовлении механизма вращения, но особенно при эксплуатации камеры химической реакции с вихревым слоем твердых частиц. Промежутки между сегментами образуют отверстия, поддерживающие турбулентность. Повышению турбулентности способствует также конструкция, в которой в отдельных сегментах могут быть предусмотрены, например, эллиптические отверстия.

Отверстия в приводном диске позволяют продуктам реакции проходить потоком у оси вращательного движения, т.е. за пределами вихревого слоя, позволяя, таким образом, уменьшить потерю выноса твердых частиц очень небольших размеров с выходящим реакционным газом.

Реакционную камеру с вихревым движущимся слоем твердых частиц можно использовать для получения определенного размера твердых частиц, создающих вихревой слой, одновременно сохраняя все ее другие функции, свойства и характеристики. Лопасти или ряды лопастей специальной шероховатой конструкции действуют динамически и фрикционно на более крупные частицы, чем те, которые образуют вихревой слой способом, напоминающим действие молотков в молотковой мельнице на измельчаемое вещество, и вызывают его механический распад - измельчение. Таким образом, непосредственно в реакционной камере поступающее твердое вещество измельчается до частиц вихревого движущегося слоя с нужными размерами гранул. Конструкция лопасти приближена к его специфической функции и высоким механическим нагрузкам. Лопасти, действующие как молотки в молотковой мельнице, но расположенные рядами, можно прикрепить к приводным дискам либо фиксированным креплением, либо креплением, обеспечивающим возможность качения.

Для реакционной среды по изобретению характерно то, что источником движения твердых частиц, образующих вихревой движущийся слой, является механизм вращения, расположенный в реакционной камере. Твердые частицы и вихревой движущийся слой, составленный из твердых частиц, выполняет или может выполнять в химическом реакторе несколько функций: они действуют как теплопередающая среда, теплообменник, источник тепла, гомогенизатор, изотермическая среда, диспергирующий слой для жидкостей, каталитический слой, абсорбционный слой и разделительный (высушивающий) слой. Диаметр твердых частиц небольшой, в основном от 310^-4 до 310^-2 м, так что частицы имеют относительно высокую удельную поверхность, на которой происходит интенсивный обмен энергии и массы.

Настоящее изобретение основано на идее создания реакционной среды с физическими и физико-химическими свойствами, аналогичными свойствам, характерным для реакционной среды с жидким слоем, но другим - более простым способом создания среды и с другой конструкцией устройства, в котором создается среда. В отличие от химического реактора с псевдоожиженным слоем устройство по изобретению отличается тем, что подъем твердых частиц, образующих реакционную среду - вихревой движущийся слой, происходит не за счет прохождения потока жидкости через частицы, на которые действует притяжение, а в результате интенсивного вращательного движения взбалтывающего устройства, расположенного непосредственно в реакционной камере. Источник псевдоожижающей среды (насос, компрессионный насос) расположен в системе с псевдоожиженным слоем снаружи реактора, а в системе по настоящему изобретению источник вихревого движения расположен непосредственно в реакторе.

Образующиеся продукты разложения и последующих химических процессов представляют собой ценные, в зависимости от выбора условий реакции, насыщенные или ненасыщенные углеводороды с температурой перегонки в основном в пределах от 100 до 550^oС.

Настоящее изобретение предлагает эффективный способ переработки низших и отработанных органических веществ или материалов, содержащих органические вещества в смеси с инертными компонентами. Оно также позволяет вести переработку практически не имевших до сих пор утилизации материалов с экономическим эффектом, что делает их интересным источником сырьевого материала.

Вихревой движущийся слой, образованный в соответствии с настоящим изобретением, обладает несколькими преимущественными физико-химическими свойствами, наиболее ценными из которых являются высокая скорость передачи движения, тепла и массы и быстрое уравнивание разницы температуры и концентрации. Процессы, происходящие в вихревом слое твердых частиц, характеризуются высокой энергетической эффективностью.

Другим преимуществом вихревого слоя твердых частиц, полученного по изобретению, является отсутствие неоднородностей. Механизм вращения, создающий вихревой движущийся слой твердых частиц, гомогенизирует интенсивным вращательным движением реакционные вещества, присутствующие в реакционной камере, и он не позволяет образовывать пузырьки, каналы, пробки и другие неоднородности. Реакционная камера с вихревым слоем твердых частиц демонстрирует благоприятное соотношение эксплуатационных качеств с размером устройства, позволяя, таким образом, достичь замечательной производительности с относительно небольшим техническим оборудованием.

В реакционной камере с вихревым слоем гетерогенного катализатора можно работать при более низкой температуре или с меньшим количеством катализатора в сравнении с традиционными методами, либо можно применять менее активный, а поэтому более дешевый катализатор.

Конструкция устройства, в котором образуется вихревой слой твердых частиц в соответствии с изобретением, проста и в то же время экономична.

Особый признак изобретения заключается в гибкости способов в вихревом слое, учитывающих физическое состояние и химический состав обрабатываемого материала. На едином технологическом оборудовании можно использовать в качестве сырьевого материала материалы с разными составами органических веществ, жидкие или твердые, а также смеси органических веществ с неорганическими твердыми частями и водой.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 и 2 представлена основная конструкция устройства по изобретению - реакционная камера.

На фиг.3 представлено конструкторское решение механизма вращения с лопастями, в которых предусмотрены отверстия прямоугольной формы, и с эллипсовидными вырезами.

На фиг.4 представлен механизм вращения с лопастями, разделенными на отдельные сегменты.

На фиг.5 показан приводной диск механизма вращения с восемью лопастями.

На фиг.6 показан приводной диск механизма вращения с отверстиями.

На фиг.7 и 8 изображен механизм вращения с лопастями, которые крепятся к приводным дискам жестко и с возможностью качения.

На фиг.9 и 10 показан принцип формирования движущегося слоя твердых частиц, совершающих интенсивное вихревое движение.

На фиг. 11 представлена схема технологического оборудования с инертным вихревым слоем.

Примеры вариантов настоящего изобретения

Пример 1

Устройство для термического и/или каталитического разложения и/или деполимеризации низших органических веществ по фиг.1 и 2 состоит из цилиндрической реакционной камеры 1 с механизмом вращения 2, обеспечивающим интенсивное вихревое движение, впускными отверстиями для твердых частиц, образующих вихревой движущийся слой, впускными отверстиями для реагирующих веществ и выпускными отверстиями для продуктов реакции. Механизм вращения 2 расположен в поверхностях реакционной камеры 1 и состоит из вала 3, к которому посредством приводных дисков 4 симметрично крепятся лопасти 5, при этом механизм вращения 2 расположен коаксиально относительно оси реакционной камеры 1.

Принцип создания движущегося слоя твердых частиц, совершающих интенсивное вихревое движение, очевиден из фиг.9 и 10. Кварцевый песок, предварительно нагретый в теплообменнике 9 до температуры 150^oС, подают к реакционной камере 1 через впускное отверстие для твердых частиц. Одновременно подают отработанную смазку, предварительно нагретую в теплообменнике 9" до температуры 60^oС. После приведения механизма вращения 2 в движение лопасти 5, закрепленные на приводных дисках 4, совершают круговое движение с периферической скоростью 55 мс^-1. При круговом движении лопасти 5, выполненные из сплава стали с вольфрамом, действуют своим собственным движением на твердые частицы в реакционной камере 1, принуждая твердые частицы, присутствующие в реакционной камере 1, вступать в вихревое движение. При вышеуказанной скорости лопастей 5 сила тяжести, действующая на твердые частицы, незначительна в сравнении с центробежной силой и поэтому твердые частицы образуют вихревой движущийся слой кольцевой формы (кольца) между внутренней стенкой и осью реакционной камеры 1.

Лопасти 5 приводят в вихревое движение также другие присутствующие вещества, в частности жидкости, участвующие в идущих физических и химических процессах или представляющие собой продукты процессов. Эти вихревые жидкости действуют своим собственным движением на присутствующие твердые частицы, повышая, таким образом, турбулентность вихревого движущегося слоя твердых частиц, которые поддерживаются в виде суспензии вместе с жидкостями, присутствующими в реакционной камере 1.

Пример 2

В опытной установке с реакционной камерой 1 с внутренним диаметром 0,4 м и механизмом вращения 2, приводимым в движение мотором 7 с потреблением мощности в 15 кВт, создавали вихревой движущийся слой, твердые частицы которого состояли из обычного кварцевого песка, нагретого до 450^oС. Периферическая скорость лопастей 5 была 60 мс^-1. В этих условиях в реакционную камеру 1 посредством винтового насоса закачивали предварительно нагретую смесь отработанного моторного масла и пластиков - полиэтилена и полипропилена. Весовое соотношение компонентов составляло 60% отработанного моторного масла, 20% полиэтилена и 20% полипропилена. Качество масла и пластиков определено в таблице I. Одновременно в реакционную камеру 1 в качестве разбавляющей среды вводили водяной пар в количестве 5 вес.% от всей загрузки. Новые пластические вещества применяли в виде гранул с приблизительным размером 433 мм. В реакционной камере 1 с вихревым движущимся слоем при температуре 520^oС и давлении 0,15 МПа проходили реакции расщепления и деполимеризации закачанных углеводородов и пластиков. Газообразные продукты реакции интенсивно охлаждали в тарельчатом конденсаторе. В качестве охлаждающей среды применяли воду. Жидкий продукт - конденсат гравитационно разделяли на отдельные компоненты, т.е. воду и углеводороды. Во время фазового разделения не наблюдалось образования эмульсии вода/масло. Жидкие сырьевые материалы и продукты анализировали стандартными процедурами, применяемыми в анализе масел. Качество и свойства продукта представлены в таблицах II и III.

Жидкий углеводородный конденсат составил 96,2 вес.% от общей загрузки органических веществ. Остаток состоял из газов (метана, легких углеводородов и СО₂), которые не могут конденсироваться при условиях, существующих в тарельчатом охладителе.

Пример 3

В опытной установке с реакционной камерой 1 с внутренним диаметром 0,4 м и механизмом вращения 2, приводимым в движение мотором 7 с потреблением мощности в 15 кВт, создали вихревой движущийся слой, твердые частицы которого состояли из обычного кварцевого песка, нагретого до 450^oC. Периферическая скорость лопастей 5 механизма вращения 2 была 50 мс^-1. При таких условиях в реакционную камеру 1 подавали предварительно нагретую смесь остатка перегонки от атмосферной перегонки сырой нефти (тяжелого масла для отопления), технического оксида кальция в качестве абсорбента кислотных соединений и почву, загрязненную имитированным аварийным выбросом топлива, т.е. землю, содержащую углеводороды. Весовое соотношение компонентов составляло 55 вес.% тяжелого масла, 5 вес.% оксида кальция и 40 вес.% загрязненной почвы, которая содержала 6,5 вес.% дизельного топлива и приблизительно 8,5 вес.% воды. Качество тяжелого масла представлено в таблице IV.

Жидкий конденсат углеводородов составил 97,3 вес.% от общего веса веществ сырой нефти, поданной в реакционную камеру 1. Остаток состоял из газов (метана, легких углеводородов и СО₂), которые не могут конденсироваться при условиях, существующих в водоохлаждающем конденсаторе с отбойными тарельчатыми перегородками. Качество жидкого продукта дано в таблице V.

В реакционной камере 1 все углеводороды были удалены из загрязненной почвы, их содержание сократилось с первоначального 6,5 до 0,05 вес.%, из почвы вода была удалена полностью.

Представленные результаты демонстрируют высокую степень преобразования химической структуры веществ и значительное изменение молекулярной массы органических веществ в ходе термолиза и деполимеризации в реакционной среде с горячим движущимся слоем вихревых твердых частиц.

Пример 4

В опытной установке с реакционной камерой 1 с внутренним диаметром 0,4 м и механизмом вращения 2, приводимым в движение мотором 7 с потреблением мощности в 15 кВт, создали вихревой движущийся слой, твердые частицы которого состояли в начале процесса из обычного кварцевого песка, нагретого до 250^oC. Периферическая скорость лопастей 5 механизма вращения 2 была 45 мс^-1. При таких условиях в реакционную камеру 1 подавали суспензию, содержащую нефтяные углеводороды с механической стадии очистки сточной воды с нефтеперегонного завода (сепаратор API). Суспензия была механически обезвожена в вакуумном фильтре до подачи в процесс. Содержание воды в суспензии было 35 вес. %, содержание углеводородов 25 вес.%, остальная часть представляла собой нерастворимые твердые вещества.

В реакторе с вихревым движущимся слоем при температуре 350^oC и давлении 0,13 МПа протекали реакции разложения углеводородов, присутствующих в суспензии, а также отделение углеводородов и воды от твердых частиц, образующих обезвоженную суспензию. Газообразные продукты реакции в последующем интенсивно охлаждали в конденсаторе с отбойными тарельчатыми перегородками. В качестве охлаждающей среды применяли холодную воду. Твердые, жидкие и газообразные продукты реакции анализировали стандартными процедурами.

Жидкий конденсат углеводородов составил 96,2 вес.% от общего веса сырой нефти, введенной в реактор. Остаток состоял из газов (метана, легких углеводородов и СО₂), которые не могут конденсироваться при условиях, существующих в водоохлаждающем конденсаторе с отбойными тарельчатыми перегородками. Качество жидкого продукта представлено в таблице VI. После переработки в реакторе твердый продукт реакции - "сухое вещество" составил 0,13 вес.% углеводородов и следы воды.

Схема непрерывно работающей технологической установки, использующей вихревой слой твердых частиц

Схема производственного процесса непрерывно работающей технологической установки, имеющей реакционную камеру 1 с вихревым слоем твердых частиц для переработки смеси отработанных смазочных минеральных масел и отходов пластика и эластомеров, представленная на фиг.11, состоит из реакционной камеры 1, в которой расположен механизм вращения 2, состоящий из вала 3 с лопастями 5, прикрепленными к валу 3 посредством приводных дисков 4. Вращательное движение вала 3 обеспечивает мотор 7 через зубчатую передачу 8. Посредством передачи 8 достигается оптимальная скорость вращения вала 3 в зависимости от выбора условий реакции. Твердые частицы, образующие вихревой слой в твердом кварцевом песке с размером песчинок 10^-3 м, предварительно нагретом до температуры 250^oC в теплообменнике 9, подают червячным конвейером в реакционную камеру 1, в которой быстро вращается механизм вращения 2. После создания вихревого слоя твердых частиц в реакционную камеру 1 с помощью стержневого насоса непрерывно подают отработанное смазочное масло, предварительно нагретое до подачи до температуры 70^oC в теплообменнике 9"". Затем в реакционную камеру 1 червячным дозатором подают нарезанные куски отходов полиэтилена и полипропилена, также предварительно нагретые в теплообменнике 9". Неотъемлемой частью реакционной камеры 1 является выходная трубка 11 для отбора твердых частиц непосредственно из вихревого движущегося слоя, которые вновь возвращаются в процесс после подогрева в теплообменнике 9. Таким образом, в определенных режимах реакции поддерживают оптимальную температуру реакции. Если вихревой слой состоит из катализатора и необходимо его регенерировать, вышеописанная процедура позволяет забирать катализатор из реакционной камеры 1 для регенерации и возвращать активированный катализатор назад в процесс. Выходная трубка 11 позволяет удалять избыток твердых частиц из движущегося слоя в реакционной камере 1 и одновременно ее можно использовать для освобождения реакционной камеры 1 до остановки процесса.

Продукты реакции термолиза, будучи в газообразном состоянии и в состоянии дисперсного тумана, отводят через выходной трубопровод 10 в уловитель пыли 12. Поток газообразных продуктов реакции также содержит мельчайшие частицы твердых веществ, называемых летучими потерями, которые должны быть удалены. После удаления летучих потерь поток продуктов реакции, в основном углеводородов, охлаждают в теплообменнике 9""", в то время как часть органических веществ конденсируется. Жидкий конденсат отделяют в сепараторе 13 от газообразных частей, которые можно сжечь или переработать дальше. Газообразные и жидкие вещества, включающие в основном ценные углеводороды, перерабатывают дальше стандартными способами, применяемыми на нефтеперерабатывающих и нефтеочистных заводах.

В качестве пылеуловителя 12 применяют циклонный или многофазный циклонный отделитель, электростатический сепаратор, ротоклон, пылеуловительную камеру с заслонкой или другое подходящее устройство.

Промышленная применимость

Реакционную среду, образованную вихревым слоем твердых частиц по настоящему изобретению, можно эффективно использовать для всех известных химических процессов разложения органических веществ, особенно для термолиза отработанных углеводородов с высокой температурой кипения, т.е. тяжелых сырых масел, дегтя, природных асфальтов и битумов, тяжелых углеводородов от переработки нефти и дегтя (асфальты, тяжелые остатки от переработки и прочие). Изобретение делает возможным эффективно применять битум и битуминозные сланцы и пески, а с некоторыми ограничениями также и обезвоженную биомассу в качестве сырья.

Горячий вихревой слой твердых частиц может также найти новое применение, прежде всего для термолиза макромолекулярных веществ, в основном отходов пластиков, предпочтительно полиэтилена, полипропилена, полистирола, ПВХ и отходов эластомеров, таких как сополимеры стирол-бутадиена и полибутадиена, которые, таким образом, становятся интересным и дешевым источником сырьевого материала. Кроме того, изобретение обеспечивает эффективную рециркуляцию - утилизацию отходов, содержащих органические вещества, прежде всего использованных и отработанных смазочных масел, масляных теплоносителей, масел для шестерен, турбин, трансформаторов, масел после различной металлообработки, т.е. углеводородных масел.

Способ и устройство в соответствии с настоящим изобретением можно, кроме того, применять для переработки твердых, суспензионных и жидких смесей отходов, содержащих органические вещества, например, обезвоженных масляных и биологических стоков с заводов по обработке сточных вод, шламов от флотации угля, нефтяных шламов от регенерации нефти и природного газа, отходов от переработки растительных масел и восков, загрязненных нефтью почв и земли в результате аварий, стихийных бедствий и прочего.

Данное решение может эффективно использоваться в других стандартных способах термолиза органических веществ, известных в нефтехими, например процессах термического разложения в присутствии разбавляющей среды - водяного пара, водорода или инертного газа (N₂, CO₂), в процессах термического расщепления, применяющих кислотно-основный гетерогенный катализатор, процессах термического разложения гидрированием, использующих окислительно-восстановительный гетерогенный катализатор.

Продукты разложения применяют в качестве промежуточных продуктов для получения транспортного топлива и масел для отопления и/или как сырье для дальнейшей нефтеочистной и/или нефтехимической переработки, либо их применяют на электростанциях для получения энергии или в энергетических системах для отопления.