CN104105781A - 用于转化聚合物废物的区域-划定的热解设备 - Google Patents

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Abstract

用于热解含烃材料以生产可用的蒸气和固体产物的设备和方法包括常规圆柱形、线性反应器，所述反应器具有用于通过所述反应器输送含烃材料的螺杆工具，用于进料和加热所述含烃材料的工具，由此它们经过处理和热解，以生产蒸气和固体产物；用于从所述经处理的含烃材料中除去蒸气产物的工具，用于除去固体产物的工具，由此将所述含烃材料保持在某一区域内达一系列限定的停留时间的工具，用于旋转所述螺杆的工具，所述螺杆具有多个飞行结构，用于压缩，并用于熔融所述含烃材料以将它们从固体转化为液体，用于使所述含烃材料混合、去稳定和脱卤，用于热解所述含烃材料，用于使经热解的含烃材料脱挥发，并用于排放固体产物。

Description

用于转化聚合物废物的区域-划定的热解设备
背景技术
本发明涉及一种用于将聚合物废物(无论是固体和/或液体形式，本文中可互换地描述为含烃材料、聚合物废物和/或聚合材料)转化为可冷凝的、不可冷凝的和固体烃产物的设备。可冷凝的烃产物包括合成的石油和多种其馏分，包括但不限于轻质原油、燃料添加剂、基础油、疏松石蜡、石蜡、微晶蜡和以芳族石油烃为主的冷凝物。不可冷凝的烃产物为气体。固体烃产物为细碎的焦炭。特别是，本发明为连续的区域-划定的热解设备，具有同时生产多种产物的能力，其中一种(硬蜡)在低于特定的热解转化温度的温度下由该设备生产。
经由热解转化废聚合物以得到可用的终产物许多年来已成为许多人寻求的目标。涉及聚合物的热解分解的现有技术主要依靠分批、半分批或串联分批过程，由于它们的操作复杂性和不能连续处理混合、差分类和/或污染的聚合物废物而不能污损而受限于工业可行的应用。许多声称包括在一组顺序中渐进操作的一系列分批反应器的串联分批过程为“连续的”，仅因为一些产物通过歧管或其它合适的出口结构从与分批反应器连接的一个或多个出口不断地排放。聚合物转化过程包括化学解聚、具有部分氧化的气化和热裂化(包括热解，具有或不具有催化裂化和重整)的主要过程以及氢化的次要过程。化学解聚已主要局限于聚酯(例如PET)和聚氨酯的分解以及聚酰胺、聚碳酸酯和聚缩醛的次要应用。该方法通常受限于以单体收率为目标的缩聚物的分解。
废聚合物的气化和部分氧化通常以生产一氧化碳和氢的混合物(通常称为合成气)为目标。关于反应器尺寸和处理速率，虽然部分氧化可为比蒸汽甲烷重整更有效的过程，但是部分氧化获得相对较低的氢收率。生产很少(如果有的话)可冷凝的烃。
热裂化过程采用热分解，导致复杂的混合物。反应温度结合分子在相应的期望的温度范围内的保留时间为最显著的反应变量，影响聚合物转化和转化产物的分子分布二者。因此，有效控制反应温度和停留时间对于使期望的产物混合物的收率最大化是最重要的。由于该聚合物看起来呈现差的导热性，尤其是，由于除了其他方面之外通过废聚合物的无效换热引起的问题，分批、半分批和串联分批过程经历难以有效实现和保持控制反应温度和停留时间。与连续过程不同(连续过程实现动态过程平衡，从而保持控制反应温度和停留时间)，分批、半分批和串联分批过程不断地处于不平衡状态，造成每一个过程周期的慢性控制挑战和反应器污损的急性问题。其它变量(包括催化剂)为优化控制；虽然催化裂化和重整提供了聚合物在较低温度下分解和对产物品质具有增加的控制的较高速率的优势，但是催化裂化造成的挑战包括过程复杂性、阻碍活性的残渣沉积、催化剂中毒、催化剂反应器的高资金和操作成本以及处置废催化剂的成本。
氢化为在石油精炼和石化生产中的基本步骤，其已适用于次要处理由热裂化过程得到的油。该次要方法(通常结合蒸馏)用于生产需要氢饱和烯烃和除去杂原子的基于石油的燃料和过程馏分。氢化为资金密集的，并且由于高压操作、氢的成本、除去废热的成本和其它因素，氢化可具有高操作成本。术语“杂原子”应理解为指不是碳或氢的任何原子，并且已适用于指非碳原子已代替在分子结构的骨架中的碳或代替与分子结构的骨架键合的氢或烷基。典型的杂原子为氮、氧、硫、磷、氯、溴、氟和碘。氢化为在石油精炼和石化生产中采用的次要过程。
现有技术系统和过程还未实现涉及聚合物的热解分解的宽泛接受或成功，并且这是由于高操作成本，不能持续地处理污染的废物流和具有不同组成的废物流，过高的成本或缺乏未污染的原料流的市场可用性，不能可靠和有效控制温度和压力操作条件，不能向需要高体积的材料来维持运行的工厂持续地供应足够数量的规范原料，不能控制由于炭、对苯二甲酸、苯甲酸、矿物质、金属等的系统污损，试图从宽泛变化的原料组成生产具有相对较窄范围的市场驱动的规格的燃料，不能控制产物油的杂原子含量，因此限制了产物的市场接受度，不能持续地和有效地处理由于在每一个分批反应器周期中工人暴露于危险蒸气和固体中的安全问题，并产生危险废物，该危险废物包括但不限于炭、废水和不合格含烃液体。
更具体地，涉及分批或半分批过程的现有技术必须克服热无效的挑战以促进转化。考虑到聚合物废物具有差的导热性，大多数分批反应器系统依赖在反应器内的混合元件的一些结构或者将含有原料的药筒放置在分批反应器中的复杂阵列或者含有经历热能的原料的同心管状装置或在分批反应器的主体内部署的管状换热几何形状等，意图是提高原料表面积，从而提高对热能的表面暴露，否则热能不充分地输送通过具有差导热性的材料。已寻求专利保护的大量的分批反应器结构与解决分批反应器系统固有的传热和过程控制挑战的广谱系列努力一致。对限制的复杂的机械和/或几何学方案是分批反应器所固有的。
此外，大多数(如果不是所有)分批反应器，无论是单一的还是串联的，必须装载含烃原料，用含氧大气吹扫，当提取产物蒸气时加热至期望的温度，随后冷却至低于残余固体的闪点的温度以促进它们的除去。这些系统经历的重复的热周期具有差的热效率，导致过度消耗能量以完成聚合物转化。
在分批过程的一种实施方式中，Garrison等人的美国专利号8,192,587提供了过程控制的有限的工具。在分批反应器中，在Garrison描述的在分批反应器中，所有的化学品在相同的三维空间中以连续的时间分解。Garrison未加入复杂的几何学工具来通过使换热流体循环通过密封的加热系统提高在分批反应器中可用于换热的表面积，由于差的导热性和在原料装载中不同的材料密度，在反应器的内部横截面之上的温度控制性差。当发生转化时并且经由蒸气的排放从反应器中除去质量时，这样的材料密度发生了变化。此外，在分批反应器中，例如在Garrison的分批反应器中，即使部署内部换热流体，聚合物原料的差的导热性导致穿过分批反应器的复杂的横截面的原料传热能力程度的变化。另外的复杂性源于，当其分解时，原料的导热性随着其组成的变化而变化。在分批反应器系统中，例如在Garrison的分批反应器系统中，其它无效起源于在内部换热系统的表面之上和在反应器主体本身的表面之上沉积重质低聚物、多环芳烃、沥青质和/或炭，从而提供不完全导热性溶液以促进有效的传热。如Garrison描述的，当在未搅拌的反应器中在合适的位置废聚合物分解时，在用于大多数反应器周期的反应器的内表面上沉积炭促进了在炭的表面上形成和吸附芳香烃和多环芳烃。除非将那些芳香烃和多环芳烃从炭上除去或除非防止该吸附，如果其特征为危险废物，处置通过分批过程产生的炭可能特别昂贵。与所有分批反应器一样，在每一个过程周期结束时，必须除去炭。
Cha等人的美国专利号5,389,961、5,740,384描述了一种连续的两步热过程，用于共同再循环碎轮胎和油。该现有技术处理了具有相对大量的用过的发动机油、气缸油、真空塔塔底物等的碎轮胎，Cha描述了一种串联操作的双-反应器系统，由此在两个反应器之间需要转移点，以从第一倾斜的反应器向第二水平反应器排放未反应的材料。由于污损的结果，该转移点导致了操作挑战。Cha描述了双-反应器系统的横截面形状，其提供了敞开的顶部空间，通过该顶部空间可除去未反应的轮胎组分(包括钢纤维)，所述敞开的顶部空间造成了将原料有效向上输送至第一反应器的斜面的挑战。Cha描述了在提高的温度下操作倾斜的反应器，并且在较高的温度下水平操作，以从炭中驱除挥发性烃。
Wang的美国专利号5,836,524描述了一种在相对低的温度下，在单一的连续步骤中，处理固体聚合物废物和用过的润滑油或再循环的重油的过程。该现有技术采用连续过程倾斜的螺杆，其不具有用于控制升温速率和控制停留时间的工具。Wang认识到过程收率随着温度而变。
Tadauchi等人的美国专利号6,172,275描述了一种用于分解可含有有机氯的废塑料的热解方法和设备。Tadauchi教导了使用用于分解增塑剂和用于使卤代聚合物(包括聚氯乙烯(PVC))脱氯的加热区域，通过该区域增塑剂可分解为油和可由PVC放出的盐酸。油和盐酸二者单独回收。Tadauchi进一步描述了从可含有有机氯化合物的较轻分子中冷凝和分离蜡，并且将该蜡馏分进一步热解为轻质油。Tadauchi教导了增塑剂分解和盐酸放出，注意到仅在或超过450℃(842°F)的温度下发生该另外的分解，以生产热解产物，热解产物可为以4-15个碳原子为主的轻质油。Tadauchi教导了在分解增塑剂和回收盐酸后剩余的材料经历通常超过450℃(842°F)的热解过程。Tadauchi描述了使用真空从塑料中除去盐酸并提高符合热解的反应器压力，以使分子分布偏移朝向具有4-15个碳数量的较轻分子。
Grispin的美国专利号7,344,622描述了什么称为连续过程，其中，通过在基本上不存在氧下保持缓慢的加热速率，产生具有热梯度的炭床，实现控制由聚合物废物的热分解得到的液体的组成。Grispin提出了炭床的性质、反应器尺寸、原料装载的量、加热速率和氧气的大量排除同时与产物的组成相关。Grispin描述的该过程通过在以反应器体积和反应器装载之间的关系为目标的反应器中，实现受控的单一加热升温达最佳时间段，以影响因此形成的油的组成而运行。Grispin的教导是生产具有6-12个碳数量的芳香族馏分的过程。
Smith的美国专利号7,893,307描述了一种过程，由此“烃形式的材料，例如塑料和其它废物或其它再循环的材料”在“粘稠的剪切设备”例如挤出机中熔融，并且引入到被称为“带状通道”反应器的装置中，其中，具有薄横截面面积的熔融的塑料的圆柱形带前进，并且其中，塑料发生热解分解。该设计的意图是通过使熔融材料的薄的主体暴露于远超过促进聚合物分解所需的温度的表面温度，使可用于加热的表面积最大化，因此赋予反应器中的材料高热梯度。声称离开粘稠的剪切设备并且进入带状通道反应器的熔体的温度在约238℃(460°F)至约315℃(600°F)的范围。在Smith过程中，在约300℃(572°F)至约365℃(690°F)之间发生有效脱氯(如果有的话)。Smith进一步公开了在约524℃(975°F)至约538℃(1000°F)的温度范围，将残余的材料从带状通道反应器中排放。为了实现在带状通道反应器中分解，带状通道反应器的表面温度/加热元件温度为约760℃(1400°F)至约1315℃(2400°F)，通过保持在反应器表面和内部反应器温度之间的高温差，努力有效加热填充带状通道的材料的薄横截面。该加热导致内部带状通道反应器温度从338℃(640°F)-368℃(694°F)提高至高达实现热解分解的393℃(740°F)-524℃(975°F)，任选在熔融相催化剂存在下。在过程结束时，在约524℃(975°F)至约538℃(1000°F)下排放炭材料、灰尘和小块金属。Smith的教导为3,000-10,000磅/小时的生产量，并且集中于带状通道反应器的几何形状，以优化快速传热。挤出机和带状通道反应器不能接受比在挤出机螺杆和桶之间的空隙，或者在外部加热的气缸的内径和内部加热的气缸的外径之间的有效距离(无论何时均较小)更大的颗粒。在橡胶的示例性情况下，Smith明确表示远远更小的粒径，包括碎屑。Smith仅聚焦提供溶液以有效传热。
发明内容
用于连续热解含烃材料以生产可用的蒸气和固体产物的设备和操作方法包括常规圆柱形、线性反应器，所述反应器具有用于通过所述反应器输送含烃材料的螺杆工具，用于进料和加热所述含烃材料的工具，由此它们经过处理和热解，以生产蒸气和固体产物，其中，所述螺杆工具基本上在所述反应器的长度上延伸；用于从所述经处理的含烃材料中除去蒸气产物的工具，用于除去固体产物的工具，由此将所述含烃材料保持在某一区域内达一系列限定的停留时间的工具，用于旋转所述螺杆的工具，所述螺杆具有多个飞行结构，用于压缩，并用于熔融所述含烃材料以将它们从固体转化为液体，用于使所述含烃材料混合、去稳定和脱卤，用于热解所述含烃材料，用于使经热解的含烃材料脱挥发，并用于排放固体产物。
附图说明
参考附图，当阅读以下说明时，本发明的前述和其它特征和优点对于本领域技术人员来说显而易见，其中：
图1为根据本发明区域-划定的热反应器的侧面示意图。
图2为根据本发明区域-划定的热反应器的降压冷凝器阵列及其部署下游的侧面示意图。
具体实施方式
本发明为用于转化含烃材料的区域-划定的连续热解设备。该热解设备通常为圆柱形、线性、加热的、连续反应器，沿着其轴在反应器的中心具有螺旋钻或螺杆，在整体的一系列降压冷凝器之前和之后二者，能同时排放终产物。该热解设备采用连续方式操作。此外，该热解设备为模块化和可伸缩的热解设备，能将聚合物废物和低价值或污染的聚合物转化为合成的石油和多种其馏分，所述馏分包括但不限于轻质原油、燃料添加剂、基础油、疏松石蜡、石蜡、微晶蜡和以芳族石油烃为主的冷凝物。不可冷凝的烃产物为气体。固体烃产物为细碎的焦炭，如果在其分解之前在原料中存在这样的非聚合物固体，其可含有或不含非聚合物固体。反应器具有中心旋转轴，其具有不同螺旋钻或螺杆结构的部分，以混合和/或前进待转化的聚合物。
本发明具有灵活性以允许并且具有能力生产和经由设备直接排放而单独排放主要共具有30-70个碳原子的微晶蜡或石蜡产物，在一个优选的实施方式中，在七个连续操作的、串联取向的过程区域(下文中称为区域)的第四个区域结束时排放。具体地，这一点在混合、分子去稳定和杂原子清除区域之后、在300℃-338℃(572°F-690°F)的温度范围内发生，可以获得不能事先从微晶蜡或石蜡产物的一致收率确定的温度临界值。此外，在一个优选的实施方式中，其允许另外的和同时能生产一种或多种另外的共具有4-30个碳数量的较轻馏分，该较轻馏分从位于第五个和第六个连续操作的、串联取向的过程区域(即，分别为热解区域以及炭和残余固体脱挥发区域)的单独的排放口回收，经由在一系列降压冷凝器中的随后的回收热解蒸气，当需要非常高效的分离时，所述降压冷凝器具有任选的在渐进较冷的操作温度范围下操作的除雾器与多个相应的冷凝器。虽然该设备不需要部署催化剂反应器和/或回流反应器和/或分馏塔，但是在当例如需要生产仅轻质油、柴油添加剂或汽油添加剂的实例中，作为本发明主题的设备的模块化和可伸缩性提供了任选部署那些另外的装置的机会。
供应给设备的原料可为混合的和/或不同的固体与混合的和/或不同比例的基于石油的液体(如果有的话)的组合。区域-划定的过程控制提供了宽泛可变的原料流、高度污染的原料流和随着时间变化具有不一致组成的原料流的有效转化。不需要干净的未受污染的原料进料流。甚至充分容许被杀虫剂、除草剂、石油产物、药物等污染的聚合物废物。如果按照操作危险废物储存、处理和处置设备的EPA许可来操作设备，某些特性和列举的危险废物可构成或被包括作为含烃原料的组分。
本发明包括区域-划定的、连续热解设备10，用于转化含烃材料，它的一种实施方式在图1中有所说明。该热解设备为连续的、模块化的和可伸缩的设备，用于制造可冷凝的烃产物。这些烃产物包括合成的石油和多种其馏分，所述馏分包括但不限于轻质原油、燃料添加剂、基础油、疏松石蜡、石蜡、微晶蜡和以芳族石油烃为主的冷凝物。不可冷凝的烃产物为气体。固体烃产物为细碎的焦炭加上可再循环的金属和/或聚集体。该固体烃产物在本文中也被称为“固体残渣”或“固体产物”。
它为常规圆柱形、线性、加热的反应器10，该反应器10沿着其轴在反应器10的中心具有螺旋钻或螺杆11。它采用连续方式操作。此外，它为模块化的和可伸缩的热解设备，该热解设备能将聚合物废物和低价值的或污染的聚合物(统称为100)转化为液体和/或可冷凝的烃产物，包括合成的石油和多种其馏分，所述馏分包括但不限于轻质原油、燃料添加剂、基础油、疏松石蜡、石蜡、微晶蜡和以芳族石油烃为主的冷凝物。本文描述的许多蜡以液相离开反应器，但是一旦收集，倾向于冷却至固体或缓慢流动的液体。出于该原因并且为了一致性的目的和就本发明的目的而言，除非明确另外说明，否则一种或多种蜡，无论它们在过程中在何处被回收，将作为固体、固体产物和/或固体残渣处理。
该反应器10具有带截面的中心旋转轴11，下文中也称为具有不同的螺旋钻或螺杆结构的区域。通过确定和建立多种渐进的温度区域以影响优化的温度斜坡升温，以及通过沿着反应器的长度变化螺杆结构来控制在每一个相应的温度区域内的停留时间，实现优化的产物混合。这样产生多个温度斜坡升温和保留时间(浸泡)，导致作为连续过程操作的本发明的设备具有区域-划定的转化的热效率优点。供应给设备的进料可为混合的和/或不同的固体与混合的和/或不同的基于石油的液体的组合，统称为“含烃材料”100。本文使用的“基于石油的液体”和“烃液体”可互换使用，并且意味着包括用过的油、废油、汽油、精炼厂塔底物、气缸油等。过程控制提供了宽泛可变的原料流、高度污染的原料流和随着时间变化具有不一致组成的原料流的有效转化。
本发明的设备接受切碎的聚合物废物100，其可能被非聚合物馏分污染或者不被非聚合物馏分污染。为了此目的，除了热塑性和热固性塑料(“塑料制品”)以外，“聚合物废物”可包括弹性体(或“废弹性体”)，例如碎轮胎、橡胶残渣、橡胶带、EPDM橡胶片材、膜或挤出物等。将该聚合物废物连续进料至区域-划定的热反应器10中。如果期望，在分带系列101(区域1)开始时，还可向反应器中加入任何比例的基于石油的液体和/或基于矿物质的添加剂和/或熔融相催化剂，并且在反应器中与聚合物废物混合。当原料装载沿着反应器的长度前进时，当在区域2 201中其渐进压缩或另外经历体积降低时，发生相变，以驱除夹带的大气，并且经由温度斜坡升温或梯度加热，直至在聚合物废物中的夹带的水分沸腾，导致形成蒸汽，并且随后在区域3301中熔融。熔体随后在另一个热斜坡升温中加热，并且通过在反应器中的最大受控温度的混合、分子去稳定和杂原子清除区域(区域4)401前进。在该区域(区域4)401中熔体经受控的停留时间和温度的混合导致分子去稳定，纤维素分解为炭和另外的蒸汽，多种增塑剂和有机添加剂分解为蒸气，所述蒸汽可作为可冷凝的石油产物回收，几乎完全去除硫，几乎完全降低有机卤素氯和溴，部分降低有机卤素氟，并且几乎完全将对苯二甲酸降低为苯甲酸和将苯甲酸降低为苯。硬蜡产物可在其结束时从区域4 401排放并且过渡至区域5 501。在区域4 401结束时还未从热反应器直接排放以回收硬蜡的剩余的熔体随后通过另一个热斜坡升温前进至区域(区域5)501，大多数热解在区域5中发生。对于每一种待分解的原料，经优化的停留时间发生该热解以分解。使剩余的质量前进通过具有最大受控温度和足够停留时间的区域5 501环境导致了优化收率和组成的热解产物。当剩余的质量离开热解区域501时，在引入到区域6 601时其又经历了一个热斜坡升温，从而经历足够的停留时间，促进炭脱挥发和残余的芳族烃和多环芳烃的焦化。因此，在将残余固体从区域6 601移至区域7 701后，其从区域7 700作为干的和脆的、细碎的残余固体材料连续排放，其不被吸附的芳香烃和多环芳烃饱和。如果这些污染物存在于原料进料中，将这些剩余的固体从设备中作为可含有夹带的金属(贵金属和/或非贵金属)、玻璃、石头等的炭连续除去。用另一种方式陈述，“炭”为由含烃材料的分解剩余的碳以外的碳残渣和残余固体。
将含烃材料作为原料100的共混物引入到主要的、热的、厌氧的、倾斜的区域-划定的螺杆反应器10中。该反应器具有横截面和倾斜(如果有的话)20或任选的下倾(如果有的话)20量进行选择，以促进不同的原料含烃材料的输送、混合和反应以及在区域4 401结束时从排放口420排放石蜡或微晶蜡和/或从位于区域5 501的排放口520和530排放可冷凝的烃，和在区域7 701中从出口700排放残余固体炭。不同的螺杆结构结合多个温度区域。由于这是采用连续过程操作的单件设备，在区域之间可能没有必要存在清楚的界限，使得一个区域可能偶然过渡到连接区域或与连接区域重叠。
区域通常由与在多个其外部反应器中的内部螺杆或螺旋钻的几何形状限定和/或划定，以建立期望的相应的区域停留时间，对于每一个期望速率的过程处理量，结合在该区域中保持的相应的操作温度。进行圆柱形、连续过程区域-划定的热反应器的设计，以允许构造在其相应的直径处具有适当的但无多余的长度的该反应器，以促进在每一个区域经适当的停留时间与含烃材料充分换热，从而经所需的停留时间完成期望的化学反应，对于过程处理量的期望的总体速率，达到期望的完成度。优选地，在结合变量的相互作用的热力学和动力学模式的情境中设计连续反应器组分，该变量(除了别的以外)还包括反应器取向、反应器长度、反应器直径、反应器结构的材料、螺杆设计、含烃材料处理量速率、密度和导热性、动力学粘度、区域保留时间、区域间温度斜坡升温等。该模式必须具有预测操作本发明的结果的能力，以分解可能遇到期望的或容许的结果的任何原料组成。在不存在这样的模式下，由试验可能衍生优化的几何形状或者可能不能衍生优化的几何形状，错误(尤其是在本情境下的错误)可能具有不期望的或甚至灾难性的结果。
螺杆运送装置的几何形状通常由飞行外部直径与飞行(叶片)之间的空间的比率决定。本文中将该比率称为“节距”或“节距比率”。飞行外部直径与叶片空间之间的典型的比率为1:1，或者节距比率为1，其中空间与外部直径相等。这将是标准节距，具有较少的空间(例如，为较短的节距或节距比率大于1:1，或为导致较长的停留时间的一半节距或2:1的节距比率，或为导致更长的停留时间的四分之一节距或4:1的节距比率)，或者具有较大的空间(为导致较短的停留时间的长节距或小于1:1的节距比率)。在图1中说明的本发明的实施方式还包括符合区域4 401的混合部分，在区域4 401中在相邻的螺杆运送装置部分310和510之间部署带状混合器410，其具有敞开的带有设计用于促进混合而不是输送的飞行的部分。因此，本发明的区域1101、区域2 201和区域3 301共同用作螺杆反应器，区域4 401用作活塞反应器，而区域5 501、区域6 601和区域7 701共同用作螺杆反应器。设备的直径恒定；在螺杆运送装置部分内的比率可变化，因为叶片更紧密间隔或更宽泛间隔。
具有过程区域的本发明的其它实施方式可采用任何结构部署，经宽泛的可伸缩性以适应所有经济上可行的处理量方案，所述过程区域由原料引入到系统(区域1 101)开始，随后继续进行体积降低和/或压缩(区域2 201)，继续进行原料相变以熔融(区域3 301)，随后继续进行某些增塑剂和添加剂的分解以及盐酸的释放，除其他方面之外，同时和/或随后分子去稳定(区域4 401)，随后继续进行热解分解(区域5 501)，随后继续进行炭脱挥发和/或焦化(区域6 601)，并以排放固体产物(区域7 701)结束。本发明体现的系统为模块化的、可伸缩的和通用的，适用于具有不同的原料组成和期望的处理量速率的应用。本发明的通用性的实例包括区域-划定的过程在任何系统结构中的应用。注意到，虽然本发明在以下的详细说明中描述了本发明的一些但不是所有的优选实施方式，但是由在前面的和接下来的详细说明中进行的公开，在本发明的精神内的多种修改和变化对于本领域技术人员来说将变得显而易见。因此，前面的和接下来的说明不是要限制本发明。
应注意到，在本申请中，术语“反应器”、“蒸馏罐”和“设备”通常可互换使用。在所有情况下，除非另外说明，否则这些术语适用于本发明。
该反应器10的特征为常规圆柱形、线性反应器，其具有长的中心旋转轴11，运转设备的长度，包含具有不同螺旋钻或螺杆结构的部分。旋转轴11的精确工具不是关键的，并且可包括本行业已知的任何工具。不同的螺杆结构一致并且划定成多个温度区域。
倾斜20可偏离水平30约1°至约20°，优选的倾斜为约+2°至约+6°。反应器10还可在相对的方向取向或倾斜，或者偏离水平30下倾约1°至约20°，其中对于下倾取向，优选下倾约-2°至约-6°。这样得到相对于水平30约-20°至约+20°的可能的范围。
当原料组合物在加热后导致可通过倾斜的螺杆反应器输送的处理量粘度时，部署倾斜的优选实施方式。在整体冷凝器连串的相对真空下，由原料的分解放出的蒸气向下游移动并且向上倾斜渐进通过更热的区域，直至到达排放口520和530，其一种实施方式在图2中说明。在倾斜的部署中，区域-划定的热量控制容易在固相和熔融相中保持，而当单独的外部加热不能克服含烃材料的差的导热性时，该较致密的材料使得与圆柱形反应器和/或部署的任选的加热内部螺杆的加热的表面连续接触。在倾斜的部署中，通过在热解区域5 501中质量损失的速率相对于在区域1 101中进料引入的速率，将熔体水平50保持在指定的垂直高度，处于动态平衡。在任何倾斜的取向中，热反应器作为螺杆反应器在区域1-3和区域5-7中操作，并且作为搅动的活塞反应器在区域4 401中操作。
当原料组合物在加热后导致难以通过在倾斜的螺杆反应器中输送的处理量粘度时，部署下倾的相反取向。在该下倾的部署中，区域-划定的热量控制可在敞开的顶部空间中的蒸气相中保持，在整体冷凝器连串的相对真空下，由原料的分解放出的蒸气向下游移动并且向下倾斜渐进通过更热的区域，直至到达排放口520和530。为了进一步促进和加速该蒸气移动，并为了使在下倾取向中过量热量在反应器的敞开的顶部空间中上升的倾向最小化，从而潜在地过度裂化蒸气相分子，从最终的冷凝器排放的一部分不可冷凝的气体可任选在注射口400处再次注入反应器和/或从排放口200取出的蒸汽可任选在注射口400处再次注入反应器。注射的不可冷凝的气体和/或蒸汽(如果有的话)的优选温度稍微低于注射点的操作温度。注射温度足够高以防止任何冷凝，从而保持注射的蒸气在蒸气相中，但是足够低以消耗来自顶部空间的热能，从而缓和蒸气相分子的过度裂化的任何条件。虽然在任何取向中在所有相中蒸气相热调节是重要的，但是在下倾取向中，考虑在蒸气相中的热调节变得尤其关键，因为作为响应重力的熔体流动的结果，熔体水平长，在比起在相反倾斜的取向中，在长度大得多的反应器10且温度范围宽得多的反应器10之上将存在超过该顶部空间敞开至蒸气流的下倾表面。在下倾的部署中，区域-划定的热量控制还可在较致密的固相和熔融相中保持，由于当单独的外部加热不能克服含烃材料的差的导热性时，它们使得与圆柱形反应器和/或部署的任选的加热内部螺杆的加热的表面连续接触。在下倾的取向中，虽然热反应器作为螺杆反应器在区域1-3和区域5-7中操作，并且作为搅动的活塞反应器在区域4中操作，在区域4中固相和熔融相材料保留时间可能降低，由于其响应重力向下流动的倾向，对于下倾的取向，需要提高区域4的长度来保持足够的停留时间，使得分子去稳定和杂原子清除反应发生至期望的完成程度。
在倾斜或下倾实施方式中，适当设置排放口520和530提供了优化回收没有过度裂化的蒸气相烃分子以及生成物过量的不可冷凝的气体和炭产品。假定排放口520和530与冷凝器80成为复数，并且冷凝器的操作导致与从蒸气流中除去蒸气相分子一致的相对真空，那么识别和使用该相对真空资源以有利于该过程是很重要的。因此，优选的实施方式是在反应器10的倾斜的部署中直接在熔体水平50之上在区域5 501中设置排放口520；在反应器10的下倾的部署中，对于该优选的实施方式没有调整。在蒸气将另外经历在区域6 601的较高温度环境(在区域6 601中，气体发生裂化和焦化)之前，如所描述的设置排放口520允许除去放出的蒸气。同样，在区域5 501和区域6 601之间的过渡处设置排放口530促进了由区域6 601放出的蒸气的立即淬灭，含有残余的芳香烃的这样的蒸气如果在进入排放口530时不被淬灭，如果它们保持在区域6 601和区域7 701中，将被焦化为炭和甲烷。
设备的温度不同的沿着其长度从一个区域到另一个区域而变，取决于期望的功能，并且经由外部加热工具(未显示)控制。任选地，当单独的外部加热不能克服含烃材料的差的导热性时，还可加热内部螺杆。加热工具不是关键的，并且可包括电加热元件、辐射加热、直接点火加热从而消耗由本发明生产的气态产物、热夹套，使用本行业已知的换热介质，其包括但不限于熔融的铅、熔融的盐、熔融的钠等。
虽然在整个操作期间适度的温度变化被反应器10充分容许，但是为了提高效率并在区域温度和停留时间之间的保持复数性，期望在反应器10中保持动态平衡。当操作接着发生时，一旦已实现这些温度，通过在每一个区域保持恒定的原料处理量速率和恒定的反应器温度，实现动态平衡。原料处理量越慢，则停留时间越长。虽然动态平衡已中断，但是只要在速率-决定性限制内继续操作，则可能需要较少的热量以经较长的停留时间成功驱动期望的化学反应。与此相反，原料处理量越快，则停留时间越短。虽然动态平衡已中断，但是只要在速率-决定性限制内继续操作，则可能需要更多的热量以经较短的停留时间成功驱动化学反应。在两种情况下，如果速率-决定性限制被温度和/或停留时间的变化超越，将不能经历期望的反应，并且可得到不期望的反应。因此，如果不能保持动态平衡，不平衡的操作造成有效的系统操作和产物品质一致性的风险。
虽然关键的是在区域温度和停留时间之间保持复数性，但是如果动态平衡中断，存在关于保持该复数性的功能能力的限制。这些限制起源于(除其他方面之外)反应器设计能力、含烃材料的固定的导热性和反应动力学。例如，超过在反应器设计中预期的过量的进料速率可能导致停留时间不足以促进与含烃材料换热。对于期望的反应，那些降低的停留时间可能不足以实现期望的完成水平，即使足够的热量可转移至含烃原料中。在另一个实例中，在试图补偿较快的原料处理量中，人们可能提高加热系统的温度。虽然通过该行为实现了有限的益处，但是加热的表面和含烃材料之间的温差可变得极大，以至于过早促进了理想地应在连续区域中发生的反应，从而失去在反应器10中的区域限定。用于补偿过量处理量的通过过热产生的风险包括产生过量反应器压力/不安全的操作条件，以及以固体蜡和/或可冷凝的烃收率为代价过度生产气体和炭。在另一个实例中，远低于反应器10容量的进料速率或对进料的慢性中断可导致过量的停留时间。在倾斜的反应器取向中，含烃材料的较致密的组分可沉降至熔融柱的底部，代替较低密度的材料并且在熔融柱的底部收集，促进需要不接计划的生产停工的反应器10污损以校正问题。类似地，在下倾取向中，含烃材料的较致密的组分可沉降至反应器的底部，并且在每一个飞行叶片后面收集，但是在沿着反应器的长度的许多更多的地方，类似地污损反应器10。
反应器10包含一系列不同的处理量过程区域，通过这些区域原料共混物连续加热和前进。存在七个这些处理量过程区域：原料进料区域101，压缩区域201，熔融区域301，混合、分子去稳定和杂原子清除区域401，热解区域501，脱挥发区域601，和炭排放区域701。
区域1：原料进料区域。该区域101在环境温度和压力下操作小于1分钟的停留时间。在示于图1的本发明的实施方式中，在入口100处将原料引入到设备中。引入进料材料的精确工具不是关键的，并且可为本行业已知的任何方法，只要所选的进料方法足够稳健和有效，从而避免不能进料切碎并且避免通常高度压缩原料，并且将污损反应器进料入口100或反应器10本身的不期望的大的和大体积的非聚合固体污染物分离。在该区域中螺杆110的节距比为1.0-1.5。该区域的目的是在设备10中接受材料并且将材料移动至下一个区域中。
本发明的设备10允许混合的和/或不同的固体与任何量(包括零)的混合的和/或不同的基于石油的液体的有目的的组合。它提供了宽泛可变的原料流、高度污染的原料流和随着时间变化具有不一致组成的原料流的有效转化。此外，含烃材料可在入口100处与细碎的、基于矿物质的添加剂一起进料至反应器10，所述添加剂选自一种或多种熔融相杂原子清除剂，其形式包括但不限于由碱金属、碱土金属、过渡金属、后过渡金属和/或类金属组成的组的氧化物、氢氧化物和/或碳化物。任选地，例如，当仅期望轻质油、柴油添加剂或汽油添加剂时，进料材料可另外包括加入一种或多种熔融相催化剂，其形式包括但不限于由碱金属、碱土金属、过渡金属、后过渡金属、类金属、非金属和/或天然存在的和合成的硅酸盐矿物质组成的组的氧化物、氢氧化物和/或碳化物。
在入口100处加入基于矿物质的添加剂和/或熔融相催化剂是任选的，取决于各种因素，这些因素包括但不限于含烃原材料的组成，期望的产物混合物，例如，生产的油与生产的气体的比率，生产的蜡与油的比率和可冷凝的烃产物的期望的分子组成。例如，当期望加入杂原子清除剂时，加入到反应器的总含烃材料的杂原子清除剂的重量百分比(该百分比为0％-20％或更多)由在反应器中清除剂的命运决定。基于矿物质的添加剂和/或熔融相催化剂的充分分散对于有效利用这些基于矿物质的添加剂和/或熔融相催化剂并防止反应器污损是关键的，尤其是在由于过量的细碎的基于矿物质的添加剂和/或熔融相催化剂的存在得到的区域1-4中。如果在含烃材料中的清除剂的分散不完全，一些但不是所有的杂原子清除剂可有效参与到期望的反应。此外，在将含烃材料引入到反应器中之前或之后，一些杂原子清除剂可在含烃材料中聚集，从而降低其参与到期望的反应的有效性。如果预期仅一个涉及杂原子清除剂的主要反应，那么加入到总含烃原料进料中的杂原子清除剂的优化的重量百分比可为完成所有期望的脱卤和脱硫反应所需的杂原子清除剂的量加上由于例如在系统中杂原子清除剂的不充分分散而不可用于期望的反应的杂原子清除剂的量的总和。如果预期多于一个涉及杂原子清除剂的主要反应，通过竞争反应可消耗该清除剂。作为许多可能的实例之一，在对苯二甲酸(PET)的聚酯存在下，如果含烃材料包括聚氯乙烯(PVC)和/或聚偏二氯乙烯(PVDC)，竞争反应可包括将由PVC和PVDC放出的盐酸转化为氯化钙盐和水，以及促进将由PET的分解放出的升华物对苯二甲酸和苯甲酸转化为苯。因此，加入到含烃材料中的杂原子清除剂的量必须足以允许所有期望的竞争反应以实现完成。类似地，在含烃原材料中聚合物物类的数量和它们的相对浓度将影响聚合物分解速率。例如，引用简单的第一顺序动力学，速率局限于单一物类，加入更多该物类可促进加速分解速率。确定杂原子清除剂与含烃原材料的优化重量百分比(如果有的话)必须在含烃材料的组成以及该相同的材料随着时间的任何预期变化的充分认识下进行。类似地，聚合物分解速率可经由向含烃材料中加入催化剂而改变，由此能量阻碍降低，导致相互作用，以加速一些但不是所有的分解反应。加入到含烃材料中的催化剂(如果有的话)的选择和量也随着含烃材料的组成而变。
区域2：原料体积降低/压缩区域。操作该区域201以降低含烃材料的体积，在低于含烃材料的闪点的温度下从含烃材料驱除大气，并且当在含烃材料中的水分沸腾时，产生和驱除蒸汽。区域2 201在环境压力下，任选地，例如当在反应器10中水蒸气必须最小化时，在小于0.1大气压(更多或更少)的真空200下，在不小于环境温度并且不大于220°F(更多或更少)的内部温度(与表面温度相对)下操作达小于3分钟(更多或更少)的停留时间。在示于图1的本发明的实施方式中，在该区域中螺杆210的节距比率为1.5-2.0。含烃材料的体积降低，并且进料材料被旋转螺杆210压缩，在任选的真空200下，旋转螺杆210迫使空气和水分(作为蒸汽)从系统出来。完成原料水分降低，从而至水分含量为小于1重量％水分至高达15重量％水分(更多或更少)。在优选的实施方式中，水分降低至约10重量％。驱除的空气和水分可按规定路线送至碳床；水分冷凝并且作为废水处理。例如为了促进气味控制，可将剩余的空气任选引向直接点火反应器加热系统的空气引入口或发生器组(“发电机组”，未显示)的空气引入口，该发生器组包括由从气体排放口830(示于图2)排放的不可冷凝的气体产物作为燃料的柴油发生器加上发电机。发电机组用于产生电，其可被设备利用和/或分布至设备的其它零件。发电机组的可能的应用包括但不限于加热反应器10和为旋转轴11的发动机提供动力。
区域3：原料熔融区域。该区域301在220°F-572°F(更多或更少)的内部反应器温度范围内、在原位衍生的反应器压力下操作不小于15分钟并且不大于45分钟(更多或更少)的停留时间。例如，如果含烃材料包括聚异丁烯，一些或所有的聚异丁烯将作为熔体进入区域3，取决于构成材料的聚异丁烯的异构体。在另一个实例中，如果含烃材料包括低密度聚乙烯，最低区域3的操作温度为220°F或更高，其操作温度足以完成熔点在或低于220°F(更多或更少)的所有组分的熔融。在又一个实例中，如果含烃材料包括聚苯乙烯，最低区域3的操作温度为464°F或更高，其操作温度足以完成熔点在或低于464°F(更多或更少)的所有组分的熔融。在示于图1的本发明的实施方式中，螺杆310具有2.0-5.0的节距比率，优选的节距为2.5。如果在熔体中存在有机卤素，本发明的操作将导致在不小于305°F的温度范围内获得相对适度的卤素酸收率。当区域3的操作温度接近572°F时，可在区域3 301中放出另外的盐酸。在该情况下，由杂原子清除剂和卤素酸的反应得到的盐将开始形成，与剩余的卤素酸起作用，作为通过本发明的操作原位产生的熔融相裂化催化剂。
区域4：混合、去稳定和杂原子清除区域。该区域401在不小于572°F并且不大于690°F(更多或更少)的内部反应器温度范围和原位衍生的反应器压力下操作不小于30分钟并且不大于120分钟(更多或更少)的停留时间。设备的该部分的目的是充分混合熔体达延长的时间段，使含有熔体的分子去稳定，清除硫(脱硫)，和将有机卤素转化为固体盐(即，脱卤)。在一个优选的实施方式中，在该区域中不存在螺旋状螺杆；而是轴11驱动带状混合器410。其它实施方式(未显示)可采用其它混合工具，例如叶片混合器、切割和折叠螺旋钻混合器等。反应器10作为活塞反应器在区域4中操作。
通过多阶段产生盐酸、氢溴酸和/或氢氟酸，由于这些酸通常被认为是裂化催化剂，因此促进在原料中的聚合物裂化。同时和随后，这些卤素酸与杂原子清除剂的反应导致了将在含烃材料中的有机卤素转化为盐，所述盐也被认为是裂化催化剂。因此，除了作为在区域4中某些聚合物增塑剂和添加剂的分解的结果，区域4 401产生烃蒸气以外，区域4的操作还导致了在远低于标准热力学和动力学模式预测的那些的温度下生产烃蒸气。冷凝后，在区域4 401中生产的这些烃蒸气导致了不小于2％也不多于22％(更多或更少)的本发明的总可冷凝的产物收率。杂原子清除的效率和由区域4 401的操作生产得到的产物油的产率受到多种因素的控制，这些因素包括但不限于实现区域4的操作温度的斜坡升温速率，在区域4中的停留时间，和区域4的几何形状相对于原料处理量速率和组成的相互作用。区域4的几何形状随着各种因素而变，这些因素包括反应器10长度、反应器直径、螺杆设计、从区域4熔体(远较小的程度)的总质量损失。经由在区域4中的反应，从含烃熔体中除去的杂原子主要作为盐在炭材料中累积，其在后来的阶段(如以下描述的)被除去。
除了由本发明的随后的段回收的热解产物以外，微晶蜡和/或石蜡产物可从位于从区域4 401到区域5 501的过渡的取出口420直接排放。在冷冻后，当排放和检查时，虽然在区域4的前一半内的混合的熔体保持了熔融塑料的特性，当材料在区域4的后一半内朝向区域4 401至区域5 501的过渡渐进前进时，材料开始经历裂化，其中以均质裂化为主，逐步失去粘度，并且在冷冻后，变得更脆，当在352℃(670°F)-365℃(690°F)的温度范围保持足够的停留时间时，最后呈现硬蜡的特性。假定在区域5中热解之前已形成相对很少的炭，从取出口420排放的蜡仅被作为蒸气还未从蜡放出的溶解的较低分子量烃分子、引入到反应器中的原料的非含烃组分和杂原子清除剂(如果引入)的反应副产物(如果有的话)污染。可操作反应器，具有或不具有蜡取出。如果不除去蜡，其以液态保留在反应器中，由于温度，其作为在液体熔体中的中间产物而被进一步处理。如果其被除去和回收，在室温下将其冷却至固态。因此，蜡不能看作是固体产物。
在含烃材料中的某些非聚合材料将参与和/或促进反应，导致终产物分子组成发生变化。例如，作为引入到反应器10中的含烃原材料的污染物的纸的存在可引起成芳族和多环芳烃的浓度比例提高，代价是蜡中的链烷烃和/或异链烷烃从取出口420回收，如图1所示，以及可冷凝的烃蒸气中的链烷烃和/或异链烷烃从取出口831和/或833和/或835冷凝和回收，如图2所示。如果期望的主要产物包括芳族馏分，在原料中纸的存在可提供优点。在另一个实例中，包括铝箔作为层压材料的组分的层压材料食物-包装废物可存在于市政废塑料中。在聚合物层熔融后，释放铝箔。铝的金属表面促进了在其表面上快速解聚，导致蜡馏分的提高的收率。
比起没有从取出口420排放蜡的本发明的操作，从取出口420排放蜡导致了可冷凝的石油烃较高的总过程收率。当可冷凝的烃作为蜡从取出口420被除去时，那些除去的分子在区域5 501和区域6 601中不经历热解，并且气体和炭的成比例的收率较低。总的来说，在从取出口420排放的蜡中悬浮的相对有限量的炭主要包有碳，其由以下的分解得到：作为原料进料的污染物包括的纤维素、作为原料进料的污染物包括的非聚合物质，反应的和未反应的杂原子清除剂(如果加入杂原子清除剂)、原位产生的熔融相催化剂和加入到原料进料的任何熔融相催化剂。
由混合的聚合物分解得到的和从取出口420回收的蜡呈现出了与石蜡相反的微晶蜡的许多特性，包括未支化的与支化的烷烃的比率、较深的颜色、较高的熔点、硬度和粘合剂特性。总的来说，如果取出口420位于更接近或在区域4 401和区域5 501之间的过渡内，蜡的性质看起来更像石蜡，虽然悬浮的炭的含量较高。
当通过在适合的速率下向反应器10加入含烃原材料以保持熔体边界50的水平，保持熔体边界50的水平(也被称为从区域4 401进入区域5 501的熔融的和去稳定的含烃材料的水平)时，在倾斜的反应器取向下，完成了从取出口420成功回收微晶蜡和/或石蜡产物。不能从取出口420成功回收微晶蜡和/或石蜡产物是由于经由蒸气放出和蒸气排放的质量损失，使得熔体边界50降低至取出口420以下的结果。如果进料速率足够快，熔体边界50将保持高于排放口420。如果进料太慢，熔体边界50将降低至排放口420以下。如果进料速率太快，熔体边界50将足够高以从排放口420排放“蜡”，但是熔体边界50将上升，以覆盖蒸气排放口520，在极端情况下，还覆盖排放口530，从而防止敞开的蒸气流动通过孔口并且产生不期望的高压条件。在这样的情况下，以过量的处理量速率加入至反应器的原料可导致含烃材料不具有足够的停留时间以在随后的区域5 501中热解的条件。因此，以过量的速率加入至反应器的原料还可导致用未反应的含烃材料污损随后的区域6 601和7 701。作为安全措施并防止未预期的急性或甚至灾难性的反应器失效，在反应器10上包括区域4 401和区域5 501之间的过渡以及在区域6 601中的位置处布置标准安全阀(未显示)。
在下倾的反应器取向下，完成从取出口420成功回收微晶蜡和/或石蜡产物，具有较低的覆盖蒸气排放口520和530的风险，因此降低了产生不期望的高压条件的风险。
区域5：热解区域。该区域501在适于引入到主要热反应器的原料的共混物的内部反应器温度范围内(通常该温度范围的下端为365℃(690°F)-393℃(740°F)(更多或更少)，并且该温度范围的上端为454℃-488℃(850°F-910°F)(更多或更少))和在原位衍生的反应器压力下(通常不大于5.0psig(更多或更少))下操作不小于30分钟并且不大于90分钟(更多或更少)的停留时间。在示于图1的本发明的实施方式中，螺杆510具有2.0-5.0的节距比率，其中优选的节距比率为2.5-3.0。缺乏氧结合在所需的停留时间期间的高温导致了发生受高序反应动力学支配的各种热解反应，将聚合材料破坏成为挥发性蒸气和炭材料。蒸气流主要包含蒸气，但是可含有气溶胶液体和可冷凝的分子。该蒸气流经历进一步的下游处理(如下所述)，其中，将可冷凝的和不可冷凝的蒸气分离。可冷凝的蒸气形成液体，包括油、轻质原油、燃料添加剂和基础油。馏分可形成疏松石蜡形式的固体产物。不可冷凝的蒸气或气体被回收并且可任选地通向发电机组(如上所述)，以生产电力，或可在用于别处如蒸气覆盖在液体产物之上之前循环(以下更详细讨论)。
通过若干因素控制可冷凝的烃的最终收率以及油、气体、炭和无机残渣的相对材料平衡。这些因素包括但不限于操作温度、区域5 501的几何形状相对于原料处理量速率、完成热解反应所需的停留时间、期望的反应完成量、原料组成和从取出口420蜡产物(如果有的话)的回收的相互作用。区域5的几何形状随着各种因素而变，这些因素包括但不限于反应器长度、反应器直径、螺杆/混合机设计和预测的经由蒸气放出和从区域5熔体排放的质量损失的速率，该质量损失为来自相互作用的热力学和动力学模式的关键的输入成为区域5几何形状的设计。本发明包括的过程的特征为在热解区域5 501中实际上不存在氧和有机卤素结合存在原位衍生的催化剂(包括盐)。
由于热解在连续前进含烃材料上进行并且将蒸气从反应器驱除，区域5501的操作导致了含烃材料显著的质量损失。因此，当反应器10为倾斜的取向时，在从区域4 401结束到区域5 501开始的过渡处，在区域5中倾斜的反应器的内部体积被熔融的含烃材料饱和。然而，当材料沿着区域5的长度前进时，在区域5中反应器的内部体积不再被熔融的含烃材料饱和，导致了熔体边界50。当材料朝向区域6 601前进时，这样产生顶部空间并提高在熔融和热解含烃材料之上的顶部空间的相对体积。热解含烃材料的熔体边界50的表面为在不完全热解的含烃材料之上的蒸气的沸腾的和动态的过渡界面。当在动态平衡条件下沸腾时，该表面50连续上升和下降，直至含烃材料有效热解，仅留下固体炭材料和任何不完全热解的含烃材料前进进入区域6601，用于脱挥发和焦化。当热解继续进行至完成时，在反应器中经历含烃材料粘度的伴随的和相关的变化。
任选地，例如，在期望从反应器10中加速产物蒸气排空并且取决于期望的产物混合物的情况下，可将不可冷凝的载气在吹扫气体口500处引入到区域5 501的最冷的部分中。这样的不可冷凝的载气包括氮和/或由本发明的操作得到的再循环的不可冷凝的气体馏分和/或来自天然气的甲烷。使用再循环的气体和/或甲烷作为氮的备选用于载气具有以下益处：提高在不存在氮稀释下生产的过程气体的BTU含量，以及通过消除购买或产生氮的需要降低操作费用。取决于原料组成和操作条件的范围，本发明的该方面还可导致提高油收率的未预期的益处、稍微提高在热解环境中反应器气氛的氢浓度的未预期的即使适度的益处和未预期的提高所得到的过程气体的氢浓度。
区域6：炭和残余固体脱挥发区域。区域6 601用于从炭驱赶挥发性烃以及将任何剩余的低聚物和半挥发性芳香烃转化为焦炭。区域6在不小于适于引入到热反应器的原料的共混物的最大热解温度的内部反应器温度下(通常为454℃(850°F)-488℃(910°F)(更多或更少)，并且不大于982℃(1800°F)(更多或更少)，通常并且优选为593℃(1100°F)-649℃(1200°F)(更多或更少))和在原位衍生的反应器压力下(通常不大于5.0psig(更多或更少))操作。区域6 601在原位衍生的反应器压力下操作，通常不大于0.8psig(更多或更少)，并且停留时间不小于15分钟并且不大于60分钟(更多或更少)。在示于图1的本发明的实施方式中，螺杆610具有2.0-5.0的节距比率，其中优选的节距比率为2.5-3.0。将由在区域5 501和6 601中发生的反应得到的蒸气排放至位于区域5 501和区域6 601中的出口520和530。出口可为单一出口520，或多个出口，包括备用或辅助出口530。
洗涤器(未显示)可用于回收在排放至降压冷凝器80之前未在区域4 401中被捕获的任何残余卤素。该杂原子洗涤器在适于在每一个独特的原料共混物中回收卤素的温度范围内操作，但是不在促进裂化的过高温度下操作，例如在338℃(640°F)-365℃(690°F)(更多或更少)下操作。
在排放至降压冷凝器80之前，由区域6 601的操作得到的蒸气可任选按规定路线送至催化剂反应器和/或回流反应器和/或分馏塔(共同未显示)用于进一步处理。由主要热反应器10的区域5 501、6 601和/或7 701和/或洗涤器放出的蒸气可按规定路线送至一个或多个次要催化剂反应器和/或回流反应器和/或分馏塔(共同未显示)。将这些反应器和/或塔设计成优化在可冷凝的产物中的分子尺寸和分子物类分布，如可期望的。
此外，区域6 601的目的包括完成分子裂化至期望的终点，还以分解一些但不是所有的硅烷和硅氧烷为目标。
显著地，在包括聚氟乙烯(PTFE)、氯甲基芳族硅烷(柔韧的多层线路板的组分)或动力学模式描述在超过454℃(850°F)的温度下脱卤的其它卤代物类的含烃材料中，所述卤素的捕获必须在位于反应器10下游和冷凝器阵列80上游的洗涤器(未显示)处完成。
任选地，如果可冷凝的产物的烯烃含量未确定，则可在来自反应器10排放的下游和来自任何催化剂反应器和/或回流反应器和/或其中温度充分缓和的分馏塔的蒸气排放点的下游注入抗氧化剂/稳定剂/抑制剂(下文中称为“抑制剂”)。抑制剂可包括对叔丁基邻苯二酚、其它烷基儿茶酚、2,6-二硝基-对甲苯酚(DNPC)、整个或顶部沥青质原油的馏分、苯二胺和/或氧代-化合物抑制剂类的市售可得的材料。引入抑制剂以抑制涉及亚稳定分子物类以及可能另外发生的添加剂聚合的广谱下游氧化反应。在约280°F的温度下，可与抑制剂一起注入回流的产物流，速率为约0.00001-0.05摩尔％，如果冷凝器801在低于约280°F的最大温度下操作，则注入冷凝器801中，或者，如果冷凝器801在高于约280°F的最大温度下操作，则注入冷凝器803中。
产物蒸气从排放口520和530(或者，如果部署，下游催化剂反应器和/或回流反应器和/或分馏塔和/或洗涤器)排放至串联的降压冷凝器80，例如排放至在图2中显示的冷凝器801、803和805，任选补充在冷凝器之间的除雾器811、813和815，用于可实现比起单独的冷凝器更有效分离的那些所需的应用。当需要非常有效地从不可冷凝的气体产物中除去残余的芳香烃时，可在冷凝连串结束时部署最终的除雾器系统(未显示)。在串联中的每一个冷凝器在指定用于在期望的露点范围内分离分子的预定的温度范围内操作，导致具有相应的API重力和倾倒点和/或熔点的可冷凝的产物。在图2中，在串联80中的第一冷凝器801在最高温度范围下操作，而串联中的最终的冷凝器805在最冷的温度范围下操作。任选的多个除雾器811、813和815在相应于它们的相应的冷凝器的最低操作温度的温度下操作。冷凝器和(当部署时)除雾器安装有收集容器821、823和825，也称为分液器，其提供油累积/取出和油-水分离，如对于可每一个待回收的石油馏分所需的。
可冷凝的产物馏分从每一个冷凝器及其专用的除雾器回收至相应的分液器821、823和825中，其提供原位衍生的水和油的密度分离。在串联80中部署的多个冷凝器构成一系列降压冷凝器，也称为冷凝器连串。作为一个实例，如果降压冷凝器连串以足以回收至少4种馏分的方式构造，则在串联中安装四个降压冷凝器。如果在300°F-360°F(更多或更少)之间操作，疏松石蜡可从第一降压冷凝器及其相应的除雾器回收，或者，如果在130°F-300°F(更多或更少)之间操作，疏松石蜡和基础油可从第一降压冷凝器及其相应的除雾器回收。如果在90°F-130°F(更多或更少)之间操作，轻质原油(有时被称为柴油添加剂)可从第二降压冷凝器及其相应的除雾器回收。如果在60°F-90°F(更多或更少)之间操作，与C4-C8烃(有时被称为冷凝物或汽油添加剂)回收一致的大多数水可从第三降压冷凝器及其相应的除雾器回收。如果在35°F-60°F(更多或更少)之间操作，轻质芳族馏分以及主要的余量的水从第四和最终的降压冷凝器及其相应的除雾器回收。
液体产物可按规定路线送至遥远的日槽831、833和835(如在图2中描述的)并随后进行产物销售。将含有具有较高倾倒点的液体或必须以熔融态输送的蜡产物的产物槽加热至最低限度高于相应的产物倾倒点和/或熔点的点，以提供产物转移，而不会在它们的相应的日槽中蒸馏产物。优选的实施方式是在液体产物之上保持无氧的不可冷凝的蒸气覆盖层，使得经由氧化的产物降解最小化，并且延迟由于存在烯烃，尤其是如果不向产物中加入抑制剂(如上所述)，可能发生的添加剂聚合得到的焦油和清漆的形成。蒸气覆盖层可含有由设备生产的并且从气体排放口830排放的不可冷凝的产物气体。槽蒸气入口和出口可为压力调节的并且可与本发明的不可冷凝的气体排放口830成为整体。如果不期望回收和销售重质馏分，从第一冷凝器801回收的重质馏分可再循环返回至如上所述的过程中。
残余的不可冷凝的气体从不可冷凝的气体排放口830回收并且可任选通向发电机组(如上所述)，以生产电力。如前所述，该电力的可能的用途包括但不限于加热反应器10和为旋转轴11的发动机提供动力。或者，当在别处用作在液体产物槽中在液体产物之上的蒸气覆盖层之前，可以将回收的不可冷凝的气体循环，作为燃料消耗用于直接点火加热反应器设备，作为燃料消耗用于其它目的或闪光。
当电力生产为有利的(例如在遥远的位置或如果电价昂贵)时，部署的任选的发电机组可吸收来自压缩区域201和/或其中期望气味控制的区域的补充空气，例如，后消费塑料原料库存储存，产物干燥器等。来自发电机组的排气按规定路线送至空气污染控制系统。
从与含烃原材料一起进入主要热反应器的水分中回收的并且通过在主要热反应器和别处的化学反应产生的原位衍生的水可从分液器821、823和825的底部单独回收，如在图2中描述的，经过碳床以吸附溶解的芳香烃化合物，并使用来自直接点火加热反应器和/或来自别处的发电机组(如果部署)的废热，随后气化为蒸汽。任选地，该蒸汽的一些部分可在位于区域3(如在图1中描述的)或在位于区域4中的注射口400处返回至过程中，或者在区域5吹扫气体口500中注入以促进水煤气交换反应。或者，它可作为蒸汽按规定路线送至空气污染控制系统。
区域7：炭和固体排放区域。在排放区域开始处，该区域701在不小于前面的区域6 601的最大温度并且不大于1,800°F(更多或更少)的内部反应器温度范围内操作，至在排放结束时为环境温度。它在原位衍生的反应器压力下操作，通常小于在区域6 601中经历的系统压力并且不大于在区域7和蒸气排放口520和530下游中经历的1.0psig(更多或更少)，该蒸气排放口520和530由于它们相应的排放至冷凝器80而在相对真空下操作。在炭排放区域中的停留时间不小于15分钟并且不大于30分钟。将固体炭从系统中除去，并且将惰性污染物(包括但不限于玻璃、石头、金属等)从反应器分开，从而与炭在一起。在示于图1的本发明的实施方式中，螺杆710具有2.0-5.0的节距比率，其中优选的节距比率为3.0-3.5。来自区域7 701的固体经由炭出口700排放。可将固体排放至可为区域7 701的一部分的密封的、冷却的连续过程固体取出系统(未显示)。在其热端，炭用来自天然气的甲烷净化。将系统设计为收集和/或分离并冷却固体，经由乙烷净化，防止在炭上再次吸附芳香烃和多环芳烃，并且在区域7 701结束时，在低于固体的闪点的温度下，将从炭出口700下游在区域7 701中以甲烷净化气体为主的热的厌氧气氛的固体流中夹带的蒸气转化为大气。以这种方式进行这一点，以防止自发燃烧和减轻灰尘爆炸危险。考虑到炭具有非常高的绝缘能力，足够的停留时间以允许冷却对于避免自发燃烧是关键的。
比起先前回收炭的努力，本发明能防止在区域7 701中在炭上再次吸附芳香烃和多环芳烃是重要的改进。热解炭众所周知被称为“粘性的”，由于存在由芳香烃和多环芳烃组成的吸附的焦油。通过在将其排放时，在最终的冷却之前通过热的甲烷净化，本发明的防止在炭上再次吸附芳香烃和多环芳族烃的能力解决了该问题。结果是，假定不存在几乎所有的芳香烃和多环芳烃，如果炭必须作为废物处理，从本发明的区域7 701排放的炭不呈现如在40CFR第261.20部分中描述的危险废物的D018、D023、D024、D025、D026或D036毒性特性。考虑到在非危险固体废物和危险废物之间处理成本大的差异，本发明的该改进提供了一种方法来处理(如果需要)炭作为非危险固体废物，与由先前认定的危险废物编码认定的危险废物相反。
污损为常见的问题并且可在设备中的各个点发生。这些点包括离开主要热反应器的排放喷嘴。该污损为炭、清漆、焦油、对苯二甲酸、苯甲酸、矿物质盐等的沉积的结果。可采用各种方式将这些沉积物除去和/或防止累积。一种方法是通过操作在喷嘴的内部或其它孔口中安装的一个或多个机械振荡器系统。振荡器系统的一个优选的实施方式描述于2013年1月7日提交的美国专利申请13/735677，“Anti-Fouling Apparatus for Cleaning Deposits inPipes and Pipe Joints(用于清洁在管道和管道接头中的沉积物的抗污损设备)”。将该振荡器设备设计为磨损易于污损的表面的内部，同时允许旁过蒸气，使得不产生不需要的压降和压力波动，并且经由安排的手工使用或经由电子控制操作。将所得到的蒸气通过包括陶瓷、玻璃纤维和/或静电装置的过滤器元件，以减轻悬浮的颗粒向系统的连续段的通过。这样降低下游系统污损，不期望的下游化学反应，包括催化作用，所述下游化学反应可通过在可冷凝的产物中另外对总金属浓度有贡献的炭和/或盐和氧化物和夹带的/悬浮的颗粒物质的颗粒的存在得以促进。
虽然已参考具体实施例和实施方式详细描述了本发明，但是本文包括的实施例和实施方式仅为说明性的，并且不是排他的列举。本领域技术人员容易想到本发明的变化和修改。本发明包括所有这些修改和等价形式。单独的权利要求旨在陈述本发明的范围。

Claims (28)

1.一种用于热解含烃材料以生产可用的蒸气产物和固体产物的设备，所述设备包括：
常规圆柱形、线性反应器，所述反应器具有用于通过所述反应器输送所述含烃材料的螺杆工具，
用于将含烃材料进料至所述反应器的工具，
用于加热所述含烃材料的工具，由此它们经过处理和热解，以生产蒸气产物和固体产物，
其中，所述螺杆工具基本上在所述线性反应器的长度上延伸；
其中，所述螺杆工具具有用于在所述反应器中前进和混合含烃材料的区域，
用于在所述反应器中从所述经处理的含烃材料中除去蒸气产物的工具，
用于从所述反应器中除去固体产物的工具，
其中，所述反应器具有在设备中保持在限定的温度范围内的区域，
由此将所述含烃材料保持在某一区域内达一系列限定的停留时间的工具，
其中，所述区域共同包括热解所需的完全环境，
用于旋转所述螺杆的工具，
其中，所述螺杆工具具有多个飞行结构，用于压缩所述含烃材料，用于熔融所述含烃材料以将所述含烃材料从固态转化为液态，用于使所述含烃材料混合、去稳定、脱硫和脱卤，用于热解所述含烃材料，用于使经热解的含烃材料脱挥发，并用于从所述含烃材料中排放固体产物。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，用于从所述含烃材料中除去水分的工具包括用于压缩和加热所述含烃材料以从所述含烃材料中除去空气和水分的工具。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述螺杆的飞行结构包括带状混合器。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述反应器相对于水平以约-20°至约+20°的角度取向，优选倾斜约+2°至约+6°。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述反应器相对于水平以约-20°至约+20°的角度取向，优选下倾约-2°至约-6°。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备还包括一系列降压冷凝器，用于从所述蒸气产物冷凝和回收液体产物。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备还包括位于混合、分子去稳定和杂原子清除区域和随后的热解区域之间的蜡收集取出口。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，使所述含烃材料混合、去稳定、脱硫和脱卤的顺序具有带状混合器的螺杆飞行结构。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备还包括用于除去和收集固体产物的工具，其中，所述固体产物为炭。
10.一种用于转化含烃材料以生产可用的蒸气产物和固体产物的热解方法，所述方法包括：
提供常规圆柱形、线性反应器，所述反应器具有用于通过所述反应器输送所述含烃材料的螺杆工具，具有用于加热所述含烃材料的工具，由此它们经过处理和热解以生产蒸气产物和固体产物，在设备内保持在限定的温度范围和限定的停留时间的区域，
压缩所述含烃材料，以从所述含烃材料除去夹带的空气和水分，
熔融所述含烃材料，
混合所述熔融的含烃材料，以形成熔融的混合物，由此所述熔融的混合物经历分子去稳定、脱卤、脱硫和杂原子清除，
使所述熔融的含烃材料经历热解，以将所述含烃材料转化为蒸气产物和固体产物，和
回收所述蒸气产物和所述固体产物。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述含烃材料与细碎的基于矿物质的添加剂一起进料至所述反应器中，所述添加剂选自一种或多种熔融相杂原子清除剂，所述杂原子清除剂选自由碱金属、碱土金属、过渡金属、后过渡金属和类金属以及它们的混合物组成的组。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述含烃材料与细碎的基于矿物质的添加剂一起进料至所述反应器中，所述添加剂选自(i)一种或多种熔融相杂原子清除剂，所述杂原子清除剂选自由碱金属、碱土金属、过渡金属、后过渡金属和类金属以及它们的混合物组成的组；和，(ii)一种或多种熔融相催化剂，所述催化剂选自由碱金属、碱土金属、过渡金属、后过渡金属、类金属、非金属和硅酸盐矿物质以及它们的混合物组成的组。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，在压缩区域中的停留时间小于约1分钟。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述水分被除去至约10重量％的水分。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述含烃材料保持在约220°F-572°F温度下的熔融区域中，以熔融所述含烃材料。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，在熔融区域中的停留时间为约15分钟至45分钟。
17.根据权利要求10所述的方法，其中，在约572°F-690°F温度范围内将所述含烃材料混合、去稳定、脱硫和脱卤。
18.根据权利要求10所述的方法，其中，在混合、分子去稳定和杂原子清除区域中的停留时间为约30分钟至120分钟。
19.根据权利要求10所述的方法，其中，在进料区域中的停留时间小于约1分钟。
20.根据权利要求10所述的方法，其中，回收的固体产物包括微晶蜡和石蜡以及它们的混合物。
21.根据权利要求10所述的方法，其中，在热解区域中的停留时间为约30分钟至90分钟。
22.根据权利要求10所述的方法，其中，所述固体产物在约850°F至1,800°F温度范围内脱挥发。
23.根据权利要求10所述的方法，其中，在脱挥发区域中的停留时间为约15分钟至60分钟。
24.根据权利要求10所述的方法，其中，在炭排放区域中的停留时间为约15分钟至30分钟。
25.根据权利要求10所述的方法，其中，所述含烃材料选自由塑料、热塑性聚合物、热固性聚合物、烃液体、用过的油、废油、气油、精炼厂塔底物、气缸油、废弹性体、碎轮胎、橡胶残渣、橡胶带、EPDM橡胶片材、膜和挤出物以及它们的混合物组成的组。
26.根据权利要求10所述的方法，其中，该方法还包括冷凝所述蒸气产物，以回收液体产物。
27.一种用于转化含烃材料以生产可用的蜡产物的方法，该方法包括：
提供常规圆柱形、线性反应器，所述反应器具有用于通过所述反应器输送所述含烃材料的螺杆工具，具有用于加热所述含烃材料的工具，由此它们经过熔融和处理以生产蒸气产物和固体产物，其中，所述固体产物含有一种或多种蜡产物，在设备内保持在限定的温度范围和限定的停留时间的区域，
将含烃材料和杂原子清除组分的混合物进料至所述反应器中，
压缩所述含烃材料，以从所述含烃材料除去夹带的空气和水分，
熔融所述含烃材料，
混合所述熔融的含烃材料，以形成熔融的混合物，由此所述熔融的混合物经历分子去稳定、脱卤和杂原子清除，
回收所述蜡产物。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，将所述含烃材料与细碎的基于矿物质的添加剂一起进料至所述反应器中，所述添加剂选自(i)一种或多种熔融相杂原子清除剂，所述杂原子清除剂选自由碱金属、碱土金属、过渡金属、后过渡金属和类金属以及它们的混合物组成的组；和，(ii)一种或多种熔融相催化剂，所述催化剂选自由碱金属、碱土金属、过渡金属、后过渡金属、类金属、非金属和硅酸盐矿物质以及它们的混合物组成的组。
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