способ и установка для переработки композиционных материалов

Формула изобретения

1. Способ переработки композиционных материалов, в котором осуществляют:

подачу некоторого количества композиционного материала, содержащего по меньшей мере один полимер и алюминий, в по меньшей мере один первый реактор,

нагрев композиционного материала в неокисляющей среде при температуре, достаточной для улетучивания по меньшей мере одного полимера и образования углеводородного побочного продукта и алюминия в первом реакторе,

подачу упомянутого алюминия, свободного от по меньшей мере одного полимера, во второй реактор, и

нагрев упомянутого алюминия в неокисляющей среде при температуре, достаточной для его плавления во втором реакторе,

при этом нагрев композиционного материала ведут равномерно в диапазоне температур приблизительно от 300°С до 700°С.

2. Способ по п.1, в котором нагрев композиционного материала ведут равномерно в диапазоне температур приблизительно от 400°С до 600°С.

3. Способ по п.1, в котором нагрев композиционного материала включает образование конденсируемого, газообразного углеводородного побочного продукта.

4. Способ по п.1, в котором нагрев композиционного материала включает образование по меньшей мере одной парафиновой смеси.

5. Способ по п.1, в котором нагрев композиционного материала включает образование углеводородного побочного продукта, состоящего из по меньшей мере одной углеводородной цепи, включающей приблизительно от 6 до 10000 атомов углерода на цепь.

6. Способ по п.5, в котором нагрев композиционного материала включает образование упомянутого углеводородного побочного продукта, состоящего из по меньшей мере одной углеводородной цепи, включающей приблизительно от 6 до 1000 атомов углерода на цепь.

7. Способ по п.6, в котором нагрев композиционного материала включает образование упомянутого углеводородного побочного продукта, состоящего из по меньшей мере одной углеводородной цепи, включающей приблизительно от 6 до 100 атомов углерода на цепь.

8. Способ по п.1, в котором нагрев композиционного материала включает:

ввод композиционного материала в полость для перемешивания в по меньшей мере одном первом реакторе,

равномерный нагрев композиционного материала, не вызывающий разрушения упомянутого по меньшей мере одного полимера, и

процесс непрерывной переработки композиционного материала.

9. Способ по п.8, в котором равномерный нагрев включает нагрев всего объема по меньшей мере одного первого реактора посредством первого внутреннего нагревательного элемента, расположенного в первом валу первого шнека, и второго внутреннего нагревательного элемента, расположенного во втором валу второго шнека.

10. Способ по п.8, в котором равномерный нагрев включает нагрев всего объема по меньшей мере одного первого реактора посредством наружного нагревательного элемента, первого внутреннего нагревательного элемента и второго внутреннего нагревательного элемента первого реактора.

11. Способ по п.10, в котором нагрев упомянутого всего объема первого реактора, включает:

нагрев композиционного материала посредством наружного нагревательного элемента, размещенного между полостью для перемешивания и корпусом первого реактора, и

нагрев композиционного материала посредством первого внутреннего нагревательного элемента, размещенного в пределах первого шнека, и второго внутреннего нагревательного элемента, размещенного в пределах второго шнека первого реактора.

12. Способ по п.8, в котором непрерывный процесс переработки включает:

непрерывное вращение первого шнека и второго шнека с одной и той же скоростью и в одном и том же направлении в пределах первого реактора,

вращение по меньшей мере одной первой лопасти первого шнека по одному второму каналу второго шнека, при котором эта первая лопасть перемещается взад-вперед в осевом направлении относительно второго вала по мере вращения первого и второго шнеков,

вращение по меньшей мере одной второй лопасти второго шнека по меньшей мере одному первому каналу первого шнека, при котором эта вторая лопасть перемещается взад-вперед в осевом направлении относительно первого вала по мере вращения первого и второго шнеков,

переработку композиционного материала посредством первого и второго шнеков,

очистку поверхности первого шнека посредством упомянутой по меньшей мере одной второй лопасти для удаления переработанного композиционного материала из первого шнека, и

очистку поверхности второго шнека посредством упомянутой по меньшей мере одной первой лопасти для удаления переработанного композиционного материала из упомянутого второго шнека.

13. Способ по п.1, в котором после этапа образования углеводородного побочного продукта осуществляют удаление углеводородного побочного продукта из по меньшей мере одного первого реактора и конденсацию этого углеводородного побочного продукта.

14. Способ по п.1, в котором нагрев алюминия осуществляют качающейся плазменной дугой, направленной на алюминий, с образованием некоторого количества расплавленного алюминия и слоя шлака на расплавленном алюминии и поддержанием упомянутого количества расплавленного алюминия при температуре не более приблизительно 800°С.

15. Способ по п.14, в котором образуют плазменную дугу посредством плазменной горелки.

16. Способ по п.14, который включает удаление некоторого количества слоя шлака с поверхности расплавленного алюминия и повторение этапа удаления слоя шлака с интервалами примерно от тридцати до шестидесяти минут в течение всего периода выполнения способа.

17. Способ по п.14, в котором обеспечивают изоляцию расплавленного алюминия посредством слоя шлака, имеющего температуру приблизительно от 2000°С до 3000°С.

18. Способ по п.1, который включает слив из второго реактора расплавленного алюминия, поддержание постоянного уровня расплавленного алюминия во втором реакторе и извлечение алюминия, свободного от по меньшей мере одного полимера.

19. Способ по п.18, в котором осуществляют извлечение из композиционного материала по меньшей мере около 90% алюминия, свободного от по меньшей мере одного полимера.

20. Способ по п.1, при осуществлении которого обеспечивают кпд по энергии более примерно 75%.

21. Система для переработки композиционного материала, содержащего по меньшей мере один полимер и алюминий, включающая по меньшей мере один первый реактор с наружным нагревательным элементом, размещенным вокруг полости для перемешивания, в которой находятся по меньшей мере два шнека, имеющие вал и расположенные в нем по меньшей мере два внутренних нагревательных элемента, и второй реактор с системой плазменного нагрева, размещенной вблизи ванны для расплава.

22. Система по п.21, содержащая средства для приведения в действие упомянутых по меньшей мере двух шнеков.

23. Система по п.21, в которой упомянутые по меньшей мере два шнека включают первый шнек, выполненный с первым валом и расположенным в нем первым внутренним нагревательным элементом, и второй шнек, выполненный со вторым валом и расположенным в нем вторым внутренним нагревательным элементом.

24. Система по п.23, в которой в первом шнеке первый нагревательный элемент выполнен в виде спирального элемента, расположенного вдоль первого вала, а во втором шнеке второй нагревательный элемент выполнен в виде спирального элемента, расположенного вдоль второго вала.

25. Система по п.24, в которой первый спиральный элемент имеет несколько первых лопастей и несколько первых каналов, образованных между этими первыми лопастями, а второй спиральный элемент имеет несколько вторых лопастей и несколько вторых каналов, образованных между этими вторыми лопастями.

26. Система по п.25, в которой каждая одна из первых лопастей первого шнека находится в пределах каждого одного из вторых каналов второго шнека, и каждая одна из вторых лопастей второго шнека находится в пределах каждого одного из первых каналов первого шнека.

27. Система по п.25, в которой диаметр первого шнека и второго шнека составляет приблизительно от 10 до 150 см.

28. Система по п.23, в которой первый внутренний нагревательный элемент размещен в пределах первого вала первого шнека, а второй внутренний нагревательный элемент размещен в пределах второго вала второго шнека.

29. Система по п.21, в которой наружный нагревательный элемент имеет канал, соединенный с внешним источником тепла, содержащим среду, выбранную из группы, включающей масло, газ, воду и водяной пар.

30. Система по п.21, содержащая средство для конденсации углеводородного продукта, соединенное с выходным отверстием для углеводородного продукта первого реактора.

31. Система по п.21, содержащая средство для подачи некоторого количества композиционного материала, включающего по меньшей мере один полимер и алюминий, во входное отверстие по меньшей мере одного первого реактора.

32. Система по п.21, дополнительно содержащая средство для подачи алюминия, свободного от полимера, из по меньшей мере одного первого реактора во входное отверстие второго реактора.

33. Система по п.21, в которой по меньшей мере один первый реактор имеет

корпус, расположенный вокруг полости для перемешивания композиционного материала, при этом наружный нагревательный элемент расположен между этой полостью и корпусом,

теплоизоляционный материал, нанесенный на корпус в количестве, достаточном для поддержания рабочей температуры в полости для перемешивания,

входное отверстие для приема некоторого количества композиционного материала, включающего по меньшей мере один полимер и алюминий, выходное отверстие для удаления углеводородного побочного продукта и выходное отверстие для удаления алюминия, свободного от по меньшей мере одного полимера, каждое из которых сообщается с полостью для перемешивания.

34. Система по п.33, в которой упомянутый теплоизоляционный материал, нанесенный на корпус, представляет собой керамический материал, выбранный из группы материалов, включающей кремнезем, глинозем и их смеси.

35. Система по п.33, в которой упомянутый теплоизоляционный материал, нанесенный на корпус, представляет собой керамический материал, состоящий из смеси кремнезема с глиноземом, в которой количество кремнезема превышает количество глинозема.

36. Система по п.21, в которой второй реактор имеет корпус, расположенный вокруг полости, где находится ванна для расплава, при этом система плазменного нагрева установлена на корпусе и соединена с этой полостью,

входное отверстие для приема некоторого количества алюминия, свободного от по меньшей мере одного полимера, и выходное отверстие для удаления расплавленного алюминия, сообщенное с упомянутой полостью, и

теплоизоляционный материал, размещенный на упомянутом корпусе в количестве, достаточном для поддержания рабочей температуры в ванне расплава.

37. Система по п.36, в которой ванна для расплава покрыта материалом, обладающим огнеупорными свойствами.

38. Система по п.36, в которой упомянутый материал для покрытия ванны расплава, обладающий огнеупорными свойствами, выбран из группы, включающей кремнезем, глинозем и их смеси.

39. Система по п.36, в которой упомянутый материал для покрытия ванны расплава, обладающий огнеупорными свойствами, состоит приблизительно от 70 до 90 мас.% из глинозема, а остальное - кремнезем.

40. Система по п.36, в которой упомянутый материал для покрытия ванны расплава, обладающий огнеупорными свойствами, представляет собой керамический материал, выбранный из группы, включающей кремнезем, глинозем и их смеси.

41. Система по п.36, в которой упомянутый теплоизоляционный материал, нанесенный на корпус, представляет собой керамический материал, содержащий кремнезем и глинозем, причем количество кремнезема превышает количество глинозема.

42. Реактор для переработки композиционного материала, содержащего по меньшей мере один полимер и алюминий, снабженный наружным нагревательным элементом, расположенным вокруг полости для перемешивания композиционного материала, в которой размещены по меньшей мере два шнека, каждый из которых включает вал и расположенные в нем по меньшей мере два внутренних нагревательных элемента.

43. Реактор по п.42, содержащий средства для приведения в действие по меньшей мере двух шнеков.

44. Реактор по п.42, в котором два шнека включают, по меньшей мере, первый шнек с первым валом и расположенным в нем первым внутренним нагревательным элементом и второй шнек со вторым валом и расположенным в нем вторым внутренним нагревательным элементом.

45. Реактор по п.44, в котором в первом шнеке первый нагревательный элемент выполнен в виде спирального элемента, расположенного вдоль первого вала, а во втором шнеке второй нагревательный элемент выполнен в виде спирального элемента, расположенного вдоль второго вала.

46. Реактор по п.45, в котором первый спиральный элемент имеет несколько первых лопастей и несколько первых каналов, образованных между этими первыми лопастями, а второй спиральный элемент имеет несколько вторых лопастей и несколько вторых каналов, образованных между этими вторыми лопастями.

47. Реактор по п.46, в котором каждая одна из первых лопастей первого шнека находится в пределах каждого одного из вторых каналов второго шнека, и каждая одна из вторых лопастей второго шнека находится в пределах каждого одного из первых каналов первого шнека.

48. Реактор по п.44, в котором первый внутренний нагревательный элемент размещен в пределах первого вала первого шнека, а второй внутренний нагревательный элемент размещен в пределах второго вала второго шнека.

49. Реактор по п.42, в котором наружный нагревательный элемент имеет трубопровод, соединенный с внешним источником тепла, содержащим среду, выбранную из группы, включающей масло, газ, воду и водяной пар.

50. Реактор по п.42, имеющий

корпус, расположенный вокруг полости для перемешивания композиционного материала,

теплоизоляционный материал, нанесенный на упомянутый корпус в количестве, достаточном для поддержания рабочей температуры в полости для перемешивания,

наружный нагревательный элемент, расположенный между указанными полостью и корпусом, и

входное отверстие для приема некоторого количества композиционного материала, включающего по меньшей мере один полимер и алюминий, выходное отверстие для удаления углеводородного побочного продукта и выходное отверстие для удаления алюминия, свободного от по меньшей мере одного полимера, каждое из которых сообщено с полостью для перемешивания.

51. Реактор по п.50, в котором теплоизоляционный материал, нанесенный на корпус, представляет собой керамический материал, выбираемый из группы, включающей кремнезем, глинозем и их смеси.

52. Реактор по п.51, в котором теплоизоляционный материал, нанесенный на корпус, представляет собой керамический материал, состоящий из смеси кремнезема с глиноземом, в которой количество кремнезема превышает количество глинозема.

53. Реактор для переработки композиционного материала, содержащего по меньшей мере один полимер и алюминий, снабженный системой плазменного нагрева, расположенной вблизи ванны для расплава, покрытой материалом, обладающим огнезащитными свойствами, имеющий

корпус, расположенный вокруг полости для перемешивания композиционного материала,

плазменную нагревательную систему, установленную на упомянутом корпусе и связанную с упомянутой полостью,

входное отверстие для приема некоторого количества алюминия, свободного от по меньшей мере одного полимера, и выходное отверстие для удаления расплавленного алюминия, сообщающееся с упомянутой полостью, и

теплоизоляционный материал, нанесенный на упомянутый корпус в количестве, достаточном для поддержания рабочей температуры в ванне расплава.

54. Реактор по п.53, в котором система плазменного нагрева включает плазменную горелку.

55. Реактор по п.54, в котором плазменная горелка выполнена с возможностью перемещения взад-вперед над упомянутой ванной с расплавом.

56. Реактор по п.54, в котором плазменная горелка расположена над и в непосредственной близости от ванны с расплавом.

57. Реактор по п.53, содержащий средства для снятия поверхностного слоя из ванны с расплавом.

58. Реактор по п.53, в котором упомянутый материал для покрытия ванны расплава, обладающий огнеупорными свойствами, выбран из группы, включающей кремнезем, глинозем и их смеси.

59. Реактор по п.53, в котором указанный материал для покрытия ванны расплава, обладающий огнеупорными свойствами, состоит примерно от 70 до 90 мас.% из глинозема, а остальное - кремнезем.

60. Реактор по п.53, в котором упомянутый теплоизоляционный материал, нанесенный на корпус, представляет собой керамический материал, выбранный из группы, включающей кремнезем, глинозем и их смеси.

61. Реактор по п.53, в котором упомянутый теплоизоляционный материал, нанесенный на корпус, представляет собой керамический материал, содержащий кремнезем и глинозем, где количество кремнезема превышает количество глинозема.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к процессам и оборудованию в области переработки, и, более конкретно, настоящее изобретение относится к способам и оборудованию для переработки композиционных материалов для повторного использования.

В общем, существует несколько типов упаковки, используемой для пищевых продуктов или различной промышленной продукции. В большинстве своем упаковка, используемая для пищевых продуктов и промышленной продукции, как правило, бывает следующих типов: а) из плотной бумаги, например картона; б) из пластмассы, например полиэтилентерефталата (PET); в) из бумаги/пластмассы, например упаковочные коробки для напитков; г) из тонколистовой пластмассы/алюминия, например упаковочная тара для кофе, сухих супов, корма для собак, шоколада, крупяных продуктов и т.д.; и ж) из бумаги/пластмассы/алюминия, например упаковочные коробки для апельсинового сока, молока и т.д.

Если упаковка для пищевых продуктов и промышленной продукции изготовлена только из бумаги (как в случае (а)), или из бумаги/пластмассы (как в случае (в), то способы переработки таких упаковочных материалов уже хорошо известны. Например, бумажную упаковку направляют на установки для переработки бумаги в гидропульпу для последующего разложения волокнистой массы. Отделенную волокнистую массу затем удаляют посредством воды и направляют на осушку в бумагоделательную машину. Полученная в результате такой переработки бумага может быть впоследствии повторно использована, например, для изготовления картонных коробок. Если же упаковка для пищевых продуктов и промышленной продукции представляет собой композиционный материал, такой как бумага/пластмасса (как в случае (в)), то отделение пластмассы происходит автоматически в оборудовании для переработки бумаги в гидропульпу и, как правило, уничтожается, так как (1) пластмасса редко состоит только из одного типа пластмассы и (2) включает загрязняющие вещества, что осложняет повторное использование отходов такой пластмассы.

Если упаковка для пищевых продуктов и промышленной продукции изготовлена только из пластмассы, например бутыли, то способ переработки для повторного использования включает промывку, осушку, измельчение такой пластмассовой упаковки, а также направление такой измельченной пластмассы на экструзию и расплавление для изготовления нового продукта из переработанной пластмассы.

Однако при направлении на переработку упаковки для пищевых продуктов и промышленной продукции, изготовленных из тонколистовой пластмассы/алюминия и композиционных материалов, включающих бумагу/пластмассу, алюминий, такая переработка становится достаточно сложной. Например, оба типа такой упаковки, как правило, изготавливают из очень тонкого листа алюминиевой фольги, например, из алюминиевой фольги толщиной менее 10 микрон, непосредственно соединенной с элементом из пластмассы, например, с листом пластмассы толщиной менее 100 микрон, и с бумагой. Бумага может быть переработана при использовании способов переработки, указанных выше. Однако при этом отходы из пластмассы и алюминия не могут быть переработаны.

На сегодняшний день не существует промышленных способов переработки пластмассовых и алюминиевых отходов упаковки, состоящей из пластмассы/алюминия, и упаковки, состоящей из бумаги/пластмассы/алюминия, что обусловлено трудностями, связанными с отделением пластмассы от алюминия. Более того, тогда как при изготовлении упаковки из бумаги/пластмассы/алюминия используют только один тип пластмассы, то при изготовлении упаковки из пластмассы/алюминия, как правило, используют более одного типа пластмассы. Например, пластмассовый элемент упаковки, как правило, состоит из полиэтилена (РЕ) с небольшими включениями полипропилена (РР) и полиэтилентерефталата (PET). Эти факторы являются причиной того, что в настоящее время промышленность не может эффективно переработать упаковку, состоящую из пластмассы/алюминия и из бумаги/пластмассы/алюминия.

Отходы упаковки для пищевых продуктов и промышленной продукции, изготавливаемой из пластмассы/алюминия, отходы из пластмассы/алюминия, например заводские отходы, а также использованный упаковочный материал и т.д. в настоящее время не могут быть переработаны должным образом; основная часть таких отходов вывозится на свалки или сжигается. Несмотря на то что сжигание считается эффективным способом утилизации отходов, способам сжигания также присущи некоторые эксплуатационные трудности, обусловленные наличием алюминия. Алюминий не "сгорает" и при его сжигании выделяется газ, точнее, алюминий окисляется с образованием оксида алюминия, который представляет собой твердые отходы, требующие периодического удаления из мусоросжигателей.

В настоящее время компания Corenso United Oy Ltd., Финляндия, использует процесс пиролиза для переработки упаковки из бумаги/пластмассы/алюминия после удаления из нее бумажного компонента. Процесс пиролиза протекает с образованием горючего газа, который может быть использован для выработки энергии. Однако оставшаяся алюминиевая фольга в виде отдельных кусков не может быть переработана или повторно использована. В процессе пиролиза алюминий частично окисляется и окисленный алюминий с трудом поддается расплавлению. Оксид алюминия, образующийся на фольге, поражает фольгу насквозь. Оксид алюминия расплавляется при температуре выше 1700°С и не плавится при температуре 700°С - температуре плавления алюминия. Поскольку алюминиевая фольга является очень тонкой, то даже тонкий слой оксида становится значительным препятствием и затрудняет успешное плавление алюминиевой фольги. Кроме того, в процессе пиролиза образуется остаток алюминия/оксида алюминия, и в большом количестве выделяются газы горения. Следовательно, пиролиз не представляет собой экологически чистый процесс и не является приемлемым для эффективной переработки алюминия, входящего в состав упаковки из бумаги/пластмассы/алюминия, используемой для пищевых продуктов и промышленной продукции.

Краткое изложение сущности изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ переработки композиционных материалов, в общем включающий подачу некоторого количества композиционного материала, содержащего в общем по меньшей мере один полимер и алюминий, в по меньшей мере один первый реактор; нагрев композиционного материала в неокисляющей среде при температуре, достаточной для улетучивания по меньшей мере одного полимера и образования углеводородного побочного продукта и алюминия по меньшей мере в одном первом реакторе; подачу алюминия по меньшей мере без одного полимера во второй реактор; нагрев алюминия в неокисляющей среде при температуре, достаточной для расплавления алюминия во втором реакторе.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается система переработки композиционных материалов, в общем включающая по меньшей мере один первый реактор, снабженный наружным нагревательным элементом, расположенным вблизи полости для перемешивания, содержащей по меньшей мере два шнека, включающих вал и по меньшей мере два внутренних нагревательных элемента, расположенных в вале; и второй реактор, включающий систему плазменного нагрева, расположенную вблизи ванны для расплавленного материала.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается реактор, в общем включающий наружный нагревательный элемент, расположенный вблизи полости для перемешивания, включающей по меньшей мере два шнека, состоящие из валов и по меньшей мере двух внутренних нагревательных элементов, расположенных в них.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается реактор, в общем включающий систему плазменного нагрева, расположенную вблизи ванны для расплавленного материала, имеющей покрытие из материала, обладающего огнеупорными свойствами.

Более детально варианты осуществления настоящего изобретения представлены на прилагаемых чертежах и приведенном ниже описании. Прочие особенности и преимущества настоящего изобретения также станут очевидными из описания, формулы изобретения и чертежей, на которых:

на фиг.1а представлен вид сбоку системы для переработки композиционных материалов;

на фиг.1б представлен вид сверху системы, изображенной на фиг.1;

на фиг.2а представлен вид сверху первого реактора системы, изображенной на фиг.1а и 1б;

на фиг.2б представлен вид сбоку первого реактора, изображенного на фиг.2а;

на фиг.2в представлен поперечный разрез первого реактора, изображенного на фиг.2б;

на фиг.3а представлен вид сверху второго реактора системы, изображенной на фиг.1а и 1б; и

на фиг.3б представлен поперечный разрез вдоль лини В-В по фиг.3а второго реактора.

Те же самые элементы, используемые на различных чертежах, имеют одни и те же ссылочные номера и обозначения.

Подробное описание

Используемый в настоящем изобретении термин "углеводородный побочный продукт" означает углеводородное соединение, состоящее из большого числа углеводородных соединений с полимерными цепями, при этом каждая углеводородная полимерная цепь имеет, примерно, от 6 до 10000 атомов углерода на цепь, предпочтительно, примерно, от 6 до 1000 атомов углерода на цепь, наиболее предпочтительно, примерно, от 6 до 100 атомов углерода на цепь и находится в одном и более из следующих агрегатных состояний, в которых может быть вещество: твердом, твердожидком, жидком, жидкогазообразном или газообразном.

Используемый в настоящем изобретении термин "углеводородный продукт" означает углеводородное соединение, которое при комнатной температуре находится в одном и более из следующих агрегатных состояний: твердом, твердожидком, жидком, жидкогазообразном или газообразном.

Используемый в настоящем изобретении термин "побочный продукт алюминия" означает побочный продукт, состоящий из алюминия и не содержащий никаких оксидов алюминия.

Используемый в настоящем изобретении термин "по меньшей мере один первый реактор" означает один или несколько последовательно расположенных реакторов, соединенных друг с другом для поддержания неокисляющей среды, и работающих при температуре, являющейся достаточной для улетучивания полимеров и образования по меньшей мере одного углеводородного побочного продукта.

Используемый в настоящем изобретении термин "второй реактор" означает реактор, поддерживающий неокисляющую среду и получающий алюминий по меньшей мере без одного полимера.

Теперь обратимся к фиг.1а-1б, на которых показана предлагаемая в настоящем изобретении система 10. Система 10 поддерживает неокисляющую среду на протяжении всего периода выполнения способа переработки по настоящему изобретению. Неокисляющая среда обеспечивает то, что слой оксида алюминия, присутствующий на алюминии, не увеличивается в толщину, и то, что полимер не вступает в реакцию с образованием СО, CO₂ , H₂O и других нежелательных побочных продуктов на протяжении всего периода выполнения способа переработки по настоящему изобретению. Система 10, используемая для переработки композиционных материалов, может включать средство 11 для подачи некоторого количества композиционного материала (не показан) во входное отверстие 12 по меньшей мере одного первого реактора 14. На первом этапе выполнения способа переработки композиционных материалов композиционный материал, как правило, состоит по меньшей мере из одного полимера, и алюминий подают в первый реактор 14 через входное отверстие 12. Для поддержания требуемой неокисляющей среды предпочтение отдают инертному газу. Композиционный материал может перерабатываться при температуре, достаточной для улетучивания полимерного компонента и образования конденсируемого, газообразного углеводородного побочного продукта и алюминия по меньшей мере без одного полимера. Углеводородный побочный продукт может быть удален из первого реактора 14 через выходное отверстие 16 для удаления углеводородного побочного продукта. Выходное отверстие 16 для удаления углеводородного побочного продукта может быть соединено со средством 18 для конденсации, в котором происходит конденсация углеводородного побочного продукта с образованием по меньшей мере одного углеводородного побочного продукта. Выходное отверстие для переработанных углеводородных материалов может быть соединено с другим первым реактором 14 для последующей переработки любого оставшегося полимерного компонента композиционного материала или может быть соединено с входным отверстием 22 второго реактора 20.

На втором этапе выполнения способа переработки композиционных материалов алюминий по меньшей мере без одного полимера может быть направлен от выходного отверстия для переработанных материалов первого реактора 14 при использовании средства 21 для подачи во входное отверстие 22 второго реактора 20. Во втором реакторе 20 алюминий нагревают при температуре, достаточной для плавления алюминия. Из-за отсутствия кислорода слой оксида алюминия не разрастается и не увеличивается в толщину. Затем алюминий по меньшей мере без одного полимера может быть удален через выходное отверстие 24 и охлажден с образованием по меньшей мере одного побочного продукта алюминия.

На фиг.2а-2в показано, что по меньшей мере один первый реактор 14 может включать корпус 30, расположенный вокруг полости 32 для перемешивания. Полость 32 для перемешивания имеет внутреннюю поверхность 31 и соединена как с входным отверстием 12, так и с выходными отверстиями 16, 19. Какое-то количество теплоизоляционного материала 35 может быть нанесено на наружную поверхность корпуса 30. Теплоизоляционный материал может включать, но не ограничиваться волокнистыми керамическими материалами, кремнеземом, глиноземом, сочетаниями, включающими по меньшей мере одно из вышеупомянутых веществ, и подобные материалы, и, предпочтительно, смесью кремнезема с глиноземом, в которой количество присутствующего кремнезема превышает количество присутствующего глинозема. Наружный нагревательный элемент 33, такой как электронагреватель, может располагаться между внутренней поверхностью 31 и корпусом 30. В процессе эксплуатации наружный нагревательный элемент 33 используется для нагрева композиционного материала, находящегося в полости 32 для перемешивания. Наружный нагревательный элемент 33 может выдерживать температуру, достаточную для улетучивания по меньшей мере одного полимерного компонента и образования конденсируемого газообразного углеводородного побочного продукта. Кроме этого, наружный нагревательный элемент 33 может быть также предусмотрен за пределами первого реактора 14. Например, нагревательный источник (не показан) может обеспечить подачу нагретой среды, какой как масло, газ, вода, водяной пар, сочетаний, включающих по меньшей мере одну из вышеупомянутых и аналогичных сред, по трубопроводу (не показан) к первому реактору 14. Трубопровод может входить в первый реактор 14 и располагаться между внутренней поверхностью 31 и корпусом 30 таким образом, чтобы среда могла циркулировать и обогревать полость 32 для перемешивания до температуры, достаточной для улетучивания по меньшей мере одного полимерного компонента и образования конденсируемого газообразного углеводородного побочного продукта.

Для переработки композиционного материала первый реактор 14 включает по меньшей мере два шнека 34, 36, при этом первый шнек 34 монтируется на первом валу 38, а второй шнек 36 - на втором валу 40, находящихся в полости 32 для перемешивания. Каждый вал 38, 40 имеет внутренний нагревательный элемент 42, 44, находящийся в нем. Так же как и наружный нагревательный элемент 33, каждый внутренний нагревательный элемент 42, 44 первого реактора 14 также может нагревать композиционный материал, находящийся в полости 32 для перемешивания, в процессе эксплуатации. Внутренние нагревательные элементы 42, 44 могут включать электрический нагревательный элемент сопротивления, известный специалистам в данной области техники. Внутренние нагревательные элементы 42, 44 могут выдерживать температуру, достаточную для улетучивания полимерного компонента и образования углеводородного побочного продукта. Приемлемые электрические нагревательные элементы сопротивления включают, но не ограничиваются никелем, хромом и подобными металлами.

При осуществлении способа по настоящему изобретению оба внутренних нагревательных элемента 42, 44 работают для обеспечения поддержания однородной температуры во всем объеме каждого первого реактора 14. Кроме того, наружный нагревательный элемент 33 и оба внутренних нагревательных элемента 42, 44 работают для обеспечения поддержания однородной температуры во всем объеме каждого первого реактора 14. Расположение нагревательных элементов 33, 42, 44 в полости 32 для перемешивания обеспечивает благоприятную передачу тепла композиционному материалу и гарантирует однородный нагрев композиционного материала при его переработке. Кроме того, теплоизоляционный материал 35 способствует предотвращению теплопотерь или по меньшей мере минимальным потерям тепла из полости 32 для перемешивания и далее способствует регулированию температуры, созданию благоприятных условий теплопередачи и однородному нагреву композиционного материала.

Рабочая температура по всему объему каждого первого реактора 14 может быть в диапазоне приблизительно от 300°С до 700°С и, предпочтительно, в диапазоне приблизительно от 400°С до 600°С. Способ по настоящему изобретению может осуществляться в условиях предпочтительнее вакуума, чем в условиях атмосферного давления. Однако, несмотря на то проходит ли способ под вакуумом или под атмосферным давлением, рабочая температура должна быть не менее чем около 400°С, так как такая температура необходима для улетучивания по меньшей мере одного полимерного компонента, присутствующего в композиционных материалах. Такие пределы рабочих температур предотвращают полимерный компонент от разрушения в процессе переработки, а также способствуют образованию конденсируемых газообразных углеводородных побочных продуктов. При переработке полимерного компонента(ов) при температурах ниже или выше указанных температурных пределов полимерный компонент может улетучиться и образовать неконденсируемые газообразные углеводородные побочные продукты или как неконденсируемые газообразные углеводородные побочные продукты, так и сажу. Сажа, в свою очередь, загрязнит алюминий, оставшийся после того, как полимерный компонент(ы) улетучились и были удалены на первом этапе способа, выполняемого с использованием системы 10 по настоящему изобретению.

Шнеки 34, 36 могут приводиться во вращение посредством средства 46 для приведения во вращение, располагаемого за пределами корпуса первого реактора 14. Средство 46 для приведения во вращение может включать любой тип механического устройства, способного привести шнеки 34, 36 в одновременное вращение в одном и том же направлении и с той же самой скоростью вокруг своих валов 38, 40. Например, первый шнек 34 может вращаться с той же самой скоростью в первом направлении, указанном стрелкой 48, а второй шнек 36 - может вращаться во втором направлении, указанном стрелкой 50, как изображено на фиг.2в. Специалистам в данной области техники известно, что условия работы шнеков могут быть изменены, при этом эффекты, требуемые по способу, описанному в настоящем раскрытии предмета изобретения, будут сохранены.

Шнеки 34, 36 располагаются на близком расстоянии относительно друг к другу так, чтобы они были бы параллельны друг другу, но не соприкасались друг с другом. Каждый шнек 34, 36 включает лопасть, расположенную вдоль валов шнеков, соответственно валов 38, 40, таким образом, что лопасть располагается вокруг каждого из валов концентрически, подобно буравчику, и образовывает множество лопастей и каналов между каждой лопастью. Как правило, такое расположение лопасти по типу буравчика обычно называют спиралью шнека. Имея форму в виде спирали, лопасть(и) каждого шнека 34, 36 имеет изогнутость, начиная с конца лопасти и до вала, таким образом, что поверхность каждой лопасти является по своей природе вогнутой. Во время работы первый шнек 34 вращается вокруг вала 38 и первая спираль первого шнека 34 входит в каналы второй спирали второго шнека 36. Движение и ориентация первой спирали по каналам второй спирали способствует удалению любого состава(ов) расплавленного полимера из шнека 34 и вала 40 и эффективной очистке шнека 34 и вала 40. Вследствие непрерывного движения первого, второго шнеков 34, 36 происходит непрерывное перемещение компонента(ов) расплавленного полимера вдоль каждого шнека 34, 36, что предотвращает компонент(ы) полимера от скопления в полости для перемешивания 32 и вдоль каждого из шнеков 34, 36. Как правило, по мере расплавления компонента(ов) полимера слои полимера могут образовывать более толстый слой, который в процессе вращения в полости для перемешивания может привести к образованию шара из компонента(ов) расплавленного полимера. Движения и ориентация шнеков 34, 36 эффективно предотвращают такое скопление компонента(ов) расплавленного полимера.

Более конкретно, по мере того как первый и второй шнеки 34, 36 вращаются одновременно с той же самой скоростью и в том же самом направлении, по меньшей мере одна первая лопасть первого шнека, вращаясь, проходит через по меньшей мере один второй канал второго шнека. По мере вращения первых лопастей первая лопасть движется взад-вперед в осевом направлении по отношению к положению второго вала второго шнека. Изогнутость формы поверхности каждой первой лопасти облегчает выполнение движений взад-вперед в осевом направлении в пределах каждого второго канала по отношению к положению второго вала второго шнека. В отличие от этого лопасть, не имеющая изогнутости, т.е. являющаяся плоской лопастью и расположенная перпендикулярно второму шнеку не будет перемещаться взад-вперед в осевом направлении в пределах канала второго шнека по отношению к расположению второго вала второго шнека. Во время вращения шнеков и такого движения взад-вперед в осевом направлении первой и второй лопастей происходит переработка композиционного материала первым и вторым шнеками 34, 36 в реакторе 14. В то же самое время конец первой лопасти также удаляет переработанный композиционный материал с вала второго шнека и эффективно очищает второй вал 40 и второй шнек 36. По мере того как первые лопасти первого шнека 34 чистят второй шнек 36, вторые лопасти второго шнека 36 работают таким же образом для удаления переработанного композиционного материала с вала первого шнека 34 и эффективно очищают первый вал 38 и первый шнек 34.

В рамках настоящего примера, однако без рассмотрении в ограничительном смысле, все размеры первого реактора могут быть рассчитаны, исходя из требуемых условий переработки и целей промышленного производства. Например, каждый шнек может иметь длину примерно от 1 до 30 метров. Каждый шнек может иметь диаметр примерно от 10 сантиметров до 150 сантиметров. Каждая первая лопасть первого шнека может располагаться на расстоянии примерно от 1 до 50 миллиметров от каждой второй лопасти и второго вала второго шнека, И каждая вторая лопасть второго шнека может располагаться примерно от 1 до 50 миллиметров от каждой первой лопасти и первого вала первого шнека. Конец каждой первой лопасти может находиться на расстоянии от 1 до 50 миллиметров от второго вала второго шнека. И второй конец каждой второй лопасти может находиться на расстоянии примерно от 1 до 50 миллиметров от первого вала упомянутого первого шнека.

Прежде чем произойдет улетучивание, углеводородные цепи полимерного соединения(ий), являющегося соединением с большими углеводородными цепями, становятся очень большими, с более чем, примерно, 100000 атомов углерода на цепь. В процессе улетучивания такие большие углеводородные цепи полимерного соединения(ий) начинают разрываться с получением углеводородных соединений с цепями меньших размеров, каждое из которых содержит менее чем, примерно, 100000 атомов углерода на цепь. По мере того как процесс улетучивания близится к завершению, полимерное соединение(я) делится на множество соединений с небольшими углеводородными цепями, каждое из которых имеет примерно от 6 до 10000 атомов углерода на цепь, предпочтительно, примерно от 6 до 1000 атомов углерода на цепь, наиболее предпочтительно примерно от 6 до 100 атомов углерода на цепь, которые образуют побочный углеводородный продукт.

Углеводородный побочный продукт предпочтительно состоит из углеводородных цепей, содержащих не менее 6 атомов углерода на цепь, но не более 100 атомов углерода на цепь. Соединения, имеющие углеводородные цепи и соответствующие вышеуказанным пределам по количеству атомов углерода на цепь, образуют конденсируемые газообразные углеводородные побочные продукты в условиях эксплуатации, поддерживаемых в первых реакторах 14. Такие конденсируемые газообразные углеводородные побочные продукты могут конденсироваться с образованием углеводородных побочных продуктов, пользующихся спросом на рынке, например, парафиновых соединений, товара широкого потребления, имеющего высокую рыночную стоимость. И, наоборот, соединения с углеводородными цепями с менее чем 6 атомами углерода на цепь образуют неконденсируемые газообразные углеводородные побочные продукты, такие как метан, этан, пропан и бутан, которые как товар имеют намного более низкую рыночную стоимость. Маловероятно, что соединения, имеющие углеводородные цепи, содержащие более 100 атомов углерода на цепь, будут образовываться в виде газа.

В процессе переработки композиционного материала углеводородный побочный продукт может быть удален через выходное отверстие 16 непосредственно при осуществлении описываемого способа. Углеводородный побочный продукт может быть сконденсирован в продуктовый углеводород с использованием средства 18 для конденсации. Средство 18 для конденсации может включать любое устройство, известное специалистам в данной области техники, способное сконденсировать углеводороды. При выполнении способа по настоящему изобретению в процессе конденсации углеводородного продукта образуется по меньшей мере один продукт - углеводород. Продуктовый углеводород может включать, например, парафиновое соединение, которое при комнатной температуре состоит частично из парафинов (твердое вещество) и частично из парафинового масла (жидкость). При использовании способа, описанного в настоящем раскрытии предмета изобретения, в зависимости от условий эксплуатации средства 18 для конденсации можно получить любое количество углеводородных продуктов, поскольку каждый из перерабатываемых упаковочных материалов из бумаги/пластмассы/алюминия и из пластмассы/алюминия, используемые для пищевых продуктов и промышленной продукции, может содержать один и более различных полимеров.

После того как полимерный компонент(ы), содержащийся в композиционном материале, улетучился и остался только алюминий, фрагменты из алюминия, покрытые тонкой пленкой оксида алюминия, направляют во входное отверстие 61 второго реактора 20 при использовании средства 21 для транспортировки, известного специалистам в данной области техники. Теперь со ссылкой на фиг.3а и 3б в реакторе 20 предпочтительно поддерживается неокисляющая среда, и реактор 20 может включать корпус 60, расположенный вокруг полости 62. В полости 62 находится ванна 64 для расплава, имеющая покрытие. Покрытие состоит по меньшей мере из одного материала, обладающего огнеупорными свойствами. Приемлемые материалы, обладающие огнеупорными свойствами для использования по настоящему изобретению, могут включать, но не ограничиваться, кремнеземом, глиноземом, сочетаниями, включающими по меньшей мере один из упомянутых выше материалов, и аналогичными материалами, предпочтительно, смесью, состоящей приблизительно от 70 до 90 мас.% из глинозема и кремнезема - оставшийся процент. Какое-то количество теплоизоляционного материала 65 может быть нанесено на наружную поверхность корпуса 60 для предотвращения теплопотерь из полости 62 или, по меньшей мере, для сведения таких теплопотерь к минимуму. Приемлемые теплоизоляционные материалы включают, но не ограничиваются волокнистыми керамическими материалами, кремнеземом, глиноземом, сочетаниями, включающими по меньшей мере один из вышеупомянутых материалов, и аналогичными материалами, предпочтительно, смесью глинозема с кремнеземом, в которой количество присутствующего кремнезема превышает количество присутствующего глинозема.

Система 66 плазменного нагрева может быть установлена на корпусе 60, так чтобы устройство 68 плазменного нагрева располагалось в полости 62. Устройство 68 плазменного нагрева может располагаться вблизи ванны для расплава и над ванной для расплава, так, чтобы устройство 68 могло перемещаться взад-вперед по поверхности ванны для расплава, и расплавлять алюминий по меньшей мере без одного полимерного компонента. В качестве приемлемого устройства 68 плазменного нагрева для использования по настоящему изобретению может быть использована поворотная, передвижная или стационарная плазменная горелка, способная перемещаться в любом и во всех направлениях по поверхности ванны для расплава, например, поворотными движениями, и способная вырабатывать тепло в количестве, по меньшей мере достаточном для разрушения пленки оксида алюминия и плавления алюминия. В качестве рабочего газа при плазменном нагреве может быть использовано любое число инертных газов, известных специалистам в данной области техники. Для поддержания неокисляющей среды внутри второго реактора 20 предпочтение отдается такому инертному газу, как Ar. Устройство 68 плазменного нагрева может образовывать электрическую дугу с температурой выше примерно 10000°С (18032°F), значительно превышающей температуру примерно 660°С (1220°F) - температуру плавления алюминия, или примерно 1700°С (3092°F) - температуру плавления окиси алюминия. Пленка из оксида алюминия плавится с выделением алюминия, содержащегося в слое оксида. Из-за отсутствия кислорода полученный в результате жидкий алюминий не должен содержать никаких оксидов алюминия.

По мере того как фрагменты алюминия попадают в ванну 64 для расплава, плазменная горелка перемещается поворотными движениями над алюминием. Дугу плазменной горелки направляют на алюминий, под действием чего образуются капли расплавленного алюминия, и на поверхности расплавленного алюминия появляется слой шлака. По мере того как в ванну 64 для расплава подают дополнительное количество алюминия, происходит его плавление, и слой шлака образуется и всплывает на поверхность расплавленного алюминия. Слой шлака изолирует расплавленный алюминий от воздействия высоких температур, создаваемых плазменной горелкой. На самой поверхности слоя шлака, имеющего толщину приблизительно от 1 до 2 миллиметров, температура может достигать примерно от 2000°С до 3000°С. Однако ниже поверхности слоя шлака температура значительно снижается, поэтому слой шлака эффективно защищает расплавленный алюминий. В результате, при выполнении способа по настоящему изобретению, температура расплавленного алюминия может поддерживаться на уровне не более примерно 800°С. На протяжении вышеописанных операций для очистки поверхности ванны 64 для расплава и удаления слоя шлака периодически может использоваться графитовый инструмент (не показан). Специалистам в данной области техники понятно, что для достижения этой цели может быть использован любой другой инструмент. По мере того как фрагменты алюминия непрерывно поступают во второй реактор 20, расплавленный алюминий также сливают из ванны для расплава для поддержания в ней постоянного уровня. При сливе расплавленного алюминия из ванны для расплава может произойти охлаждение расплавленного алюминия до температуры приблизительно 600°С. Полученный таким образом расплавленный алюминий может быть удален из полости 62 для расплава через выходное отверстие 70 с образованием по меньшей мере одного побочного продукта алюминия.

Как уже обсуждалось выше, упаковочные материалы из бумаги/пластмассы/алюминия и из пластмассы/алюминия не могли быть переработаны или не могли быть переработаны полностью, что обусловлено присущими трудностями разделения пластмассы и алюминия, а также физическими и химическими свойствами каждого компонента. Стандартные процессы разделения этих двух компонентов (например, пиролиз) весьма затруднены из-за ограничений по теплопередаче пластиковым компонентом и из-за недостаточного веса алюминия для разрушения слоя оксида алюминия. Другие способы переработки предшествующего уровня техники, включая химическое разделение, не достигали поставленных целей как с экономической, так и с экологической точек зрения.

Система и способ по настоящему изобретению обеспечивают успешную переработку как упаковочного материала из бумаги/пластмассы/алюминия, так и из пластмассы/алюминия. Пластмасса, состоящая из одного и более полимеров и алюминия любой толщины, теперь может быть разделена и переработана, а не направлена на утилизацию в качестве отходов. Система и способ по настоящему изобретению имеют несколько преимуществ в успешном достижении поставленной цели.

Способ по настоящему изобретению является экологически чистым. Этот способ не предполагает получение экологически опасного остатка любого типа или токсичных газообразных выбросов или жидких стоков. При промышленной реализации данного способа композиционный материал перерабатывается в герметически закрытых реакторах, и выброс углеводородного побочного продукта и побочного продукта алюминия находится под контролем. И, в отличие от способов переработки композиционных материалов из пластмассы, пластмассы/алюминия или бумаги/пластмассы/алюминия, известных из предыдущего уровня техники, способ по настоящему изобретению не требует применения дополнительных реагентов для переработки композиционных материалов.

Для способа по настоящему изобретению не типично наиболее характерное препятствие, которое до сегодняшнего дня не позволяло перерабатывать упаковочные материалы из пластмассы/алюминия и бумаги/пластмассы/алюминия. Вследствие поддержания неокисляющей среды и регулирования температуры в течение всего периода выполнения раскрываемого способа оксид алюминия не может образовываться и препятствовать процессу переработки. В результате углеводородный побочный продукт и побочные продукты алюминия, в свою очередь, демонстрируют однородность, что равнозначно качеству.

Способ по настоящему изобретению предполагает использование специально запроектированных герметично закрытых реакторов для гарантии эффективной переработки композиционных материалов. Использование специально запроектированных герметично закрытых сосудов и двойных самоочищающих шнеков обеспечивает равномерный нагрев и непрерывную переработку полимера(ов), входящего в композиционный материал. Это гарантирует то, что пластмасса не разрушается при применении данного способа. Применение специально запроектированной плазменной системы позволяет расплавлять алюминий любого размера и толщины даже при очень небольшом размере и толщине. В результате система плазменного нагрева расплавляет любой оксид алюминия, имеющийся ранее в слое с образованием расплавленного алюминия.

Способ по настоящему изобретению не только является успешным способом переработки отходов по сравнению с неудавшимися попытками, предпринятыми в предыдущем уровне техники, но и эффективным способом. В способах, использованных в предыдущем уровне техники, при переработке композиционных материалов из пластмассы/алюминия и бумаги/пластмассы/алюминия, как правило, имеют место потери по меньшей мере сорока процентов (40%) алюминия. Следовательно, эти способы, использованные в предыдущем уровне техники, не позволяли выделить более шестидесяти процентов (60%) алюминия в процессе переработки вышеупомянутых композиционных материалов. Согласно способу по настоящему изобретению удается выделить по меньшей мере, приблизительно, девяносто процентов (90%) алюминия. Суммарная экономия энергии по описываемому способу превышает, приблизительно, семьдесят пять процентов (75%). Такая высокая экономия частично обусловлена характеристиками, присущими источникам нагрева, а именно наружным и внутренним источникам нагрева и плазменной горелке, а также, частично - ориентацией источников нагрева, а также теплоизоляционным материалом внутри и снаружи каждого реактора.

Было приведено описание одного и более вариантов способа по настоящему изобретению. Тем не менее, следует понимать, что могут быть предприняты различные модификации, не отходя от сущности и объема настоящего изобретения. Следовательно, другие варианты также даны в нижеприведенных пунктах формулы изобретения.